JP2024010699A - 虚像表示装置用光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】画像光を導光する導光部材を薄型化することが可能な虚像表示装置用光学系を提供すること。【解決手段】虚像表示装置用光学系は、画像を表示する画像表示素子からの画像光が入射される第１光学部であって、第１方向の倍率と第１方向と異なる第２方向の倍率とが異なるアナモフィック面を含む第１光学部と、第１光学部を介して入射される画像光を導光する導光部材と、導光部材内で導光される画像光を対象に向けるための第２光学部と、を含む。第１光学部は、画像光の中間像を、第１方向に第１の倍率で且つ第２方向に第２の倍率で導光部材内に形成する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、虚像表示装置用光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイに関する。
２次元の画像を拡大し、拡大された虚像を観察者に観察させるように表示する虚像表示装置が知られている。例えば特許文献１に、この種の虚像表示装置の具体的構成が記載されている。
特許文献１に記載の虚像表示装置は、グラスデバイスであり、画像表示素子がフレーム部に埋設されている。この虚像表示装置は、画像表示素子の各画素から発せられた光（以下「画像光」と記す。）をレンズ内で導光し、導光された画像光を観察者に向けて射出し、射出された画像光を観察者が拡大された虚像として観察できるように構成される。
米国特許第１０，３５３，２０３号明細書
特許文献１に記載の虚像表示装置では、コリメート光がレンズ内で導光される。この構成では、導光部材の一例であるレンズの厚さを薄くすることが難しい。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、画像光を導光する導光部材を薄型化することが可能な虚像表示装置用光学系、このような虚像表示装置用光学系を備える虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイを提供することである。
本発明の一実施形態に係る虚像表示装置用光学系は、画像を表示する画像表示素子からの画像光が入射される第１光学部であって、第１方向の倍率と第１方向と異なる第２方向の倍率とが異なるアナモフィック面を含む第１光学部と、第１光学部を介して入射される画像光を導光する導光部材と、導光部材内で導光される画像光を対象に向けるための第２光学部と、を含む。第１光学部は、画像光の中間像を、第１方向に第１の倍率で且つ第２方向に第２の倍率で導光部材内に形成する。
本発明の一実施形態によれば、画像光を導光する導光部材を薄型化することが可能な虚像表示装置用光学系、このような虚像表示装置用光学系を備える虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイが提供される。
本発明の一実施形態に係る虚像表示装置を備えるヘッドマウントディスプレイの概略図である。 本発明の一実施形態に係る虚像表示装置の基本的な構成を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る虚像表示装置の基本的な構成を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態において、画像表示素子の画像光の中間像を導光部材内に形成した場合に導光部材を薄型化させられる理由を説明する図である。 開口絞りの結像位置を装用者の眼付近に配置することが広いアイボックスを確保することにつながる理由を説明するための図である。 開口絞りの結像位置を装用者の眼付近に配置することが広いアイボックスを確保することにつながる理由を説明するための図である。 開口絞りの結像関係を示す模式図である。 本発明の数値実施例１に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。 本発明の数値実施例１に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。 本発明の数値実施例１に係る虚像表示装置の横収差図である。 本発明の数値実施例１に係る虚像表示装置の横収差図である。 本発明の各数値実施例における横収差の測定位置を示す図である。 本発明の数値実施例２に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。 本発明の数値実施例２に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。 本発明の数値実施例２に係る虚像表示装置の横収差図である。 本発明の数値実施例２に係る虚像表示装置の横収差図である。 本発明の数値実施例３に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。 本発明の数値実施例３に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。 本発明の数値実施例３に係る虚像表示装置の横収差図である。 本発明の数値実施例３に係る虚像表示装置の横収差図である。 本発明の数値実施例４に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。 本発明の数値実施例４に係る虚像表示装置の光学構成を示す図である。 本発明の数値実施例４に係る虚像表示装置の横収差図である。 本発明の数値実施例４に係る虚像表示装置の横収差図である。
以下、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置用光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイについて図面を参照しながら説明する。以下の説明において、共通の又は対応する要素については、同一又は類似の符号を付して、重複する説明を適宜簡略又は省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置を備えるヘッドマウントディスプレイ１の概略図である。本実施形態において、ヘッドマウントディスプレイ１は、例えばメガネ型ウェアラブル端末であるスマートグラスである。スマートグラスは、グラスデバイスやグラスディスプレイと呼ばれてもよい。
ヘッドマウントディスプレイ１は、ＶＲ（Virtual Reality）グラス、ＡＲ（Augmented Reality）グラス、ＭＲ（Mixed Reality）グラス、ＸＲ（eXtended Reality）グラス等と呼称されるウェアラブル端末であってもよい。
図１の例では、ヘッドマウントディスプレイ１は、両眼タイプのヘッドマウントディスプレイである。別の実施形態では、ヘッドマウントディスプレイ１は、左右一方の眼に対応する単眼タイプのヘッドマウントディスプレイであってもよい。
図１に示されるように、ヘッドマウントディスプレイ１は、フレーム部２及びレンズ部３を備える。レンズ部３は、フレーム部２に嵌め込まれている。レンズ部３は、装用者の左右の眼に対応して一対備えられる。
画像を表示する画像表示素子１０がフレーム部２に内蔵されている。図１の例では、フレーム部２内の、レンズ部３の上側縁を覆う部分に、画像表示素子１０が埋設されている。なお、画像表示素子１０の設置位置は、図１に例示される位置に限らない。例えば、フレーム部２内の、レンズ部３の下側縁を覆う部分に、画像表示素子１０が埋設されてもよい。
画像表示素子１０は、虚像として観察すべき画像を表示する素子であり、例示的には、ＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）アレイ、ＬＤ（laser diode）アレイ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）アレイ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等である。
以下の説明において、図１中、レンズ部３から装用者の眼に向かう第１の水平方向をｚ方向とし、ｚ方向と直交する第２の水平方向をｘ方向とし、ｘ方向とｚ方向の双方に直交する鉛直方向をｙ方向とする。互いに直交するｘ方向、ｙ方向及びｚ方向は、左手系をなす。
なお、方向の呼称は、構成要素の相対的な位置関係を説明するために便宜上用いる呼称であり、絶対的な方向を示すものではない。ヘッドマウントディスプレイ１を装用する装用者の姿勢によっては、例えば、ｚ方向が必ずしも水平方向とは限らず、鉛直方向になることもある。
画像表示素子１０の各画素から発せられた光（すなわち画像光）は、画像表示素子１０からｙ方向負側に射出されてレンズ部３内に入射され、レンズ部３内を導光されて、ｚ方向正側に向かって（言い換えると、装用者の各眼に向かって）虚像表示のために射出される。すなわち、左右一対のレンズ部３は、それぞれ、対応する眼を含む領域にアイボックスを形成する。
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置１Ａの基本的な構成を示す概略構成図である。図２Ａは、画像表示素子１０及びレンズ部３のｙｚ断面（光軸ＡＸを含む断面）を示す。図２Ｂは、画像表示素子１０及びレンズ部３のｘｙ断面（光軸ＡＸを含む断面）を示す。
虚像表示装置１Ａは、一例として、ヘッドマウントディスプレイ１に搭載される。
なお、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａは、ヘッドマウントディスプレイに限らず、他の形態の装置にも搭載可能である。一例として、ヘッドアップディスプレイにも搭載することができる。
虚像表示装置１Ａは、画像表示素子１０と虚像表示装置用光学系を備える。図２Ａ及び図２Ｂでは、虚像表示装置１Ａは、画像表示素子１０及び導光部材３０を備える。なお、図２Ａ中、符号ＥＹは装用者の左右一方の眼を示す。
詳しくは後述するが、導光部材３０内に中間像Ｉが形成される。虚像表示装置用光学系のうち、中間像Ｉより前段に位置する光学部分は、第１光学部ＯＰ１をなし、中間像Ｉより後段に位置する光学部分は、第２光学部ＯＰ２をなす。
図２Ａ及び図２Ｂに示される模式的な虚像表示装置１Ａでは、導光部材３０のうち、中間像Ｉより前段に位置する光学部分が第１光学部ＯＰ１をなし、中間像Ｉより後段に位置する光学部分が第２光学部ＯＰ２をなす。
後述する数値実施例に示されるように、導光部材３０以外の光学素子が第１光学部ＯＰ１や第２光学部ＯＰ２に含まれてもよい。
概略的には、第１光学部ＯＰ１は、第１方向の倍率と、第１方向と異なる第２方向の倍率と、が異なるアナモフィック面を含む。第１光学部ＯＰ１には、画像表示素子１０からの画像光が入射される。
導光部材３０は、第１光学部ＯＰ１を介して入射される、画像表示素子１０からの画像光を導光する光学部材である。虚像表示装置１Ａをヘッドマウントディスプレイ１に搭載した場合、レンズ部３が導光部材３０に相当する。
導光部材３０は、画像表示素子１０からの画像光が入射される第１面３１０（入射面）を有する。図２Ａ及び図２Ｂの例では、第１面３１０は、第１光学部ＯＰ１に含まれるアナモフィック面でもある。
第１光学部ＯＰ１に含まれるアナモフィックなパワーを有する第１面３１０より、導光部材３０内に、画像光の中間像Ｉが第１方向（本実施形態では、ｚ方向）に第１の倍率で且つ第２方向（本実施形態では、ｘ方向）に第２の倍率で形成される。
中間像Ｉの倍率の絶対値のうち、ｚ方向（第１方向）における第１の倍率の絶対値が最小となり、ｘ方向（第２方向）における第２の倍率の絶対値が最大となる。すなわち、導光部材３０内に形成される中間像Ｉの大きさは、ｚ方向に最も小さく、ｘ方向に最も大きい。
虚像表示装置１Ａをヘッドマウントディスプレイ１に搭載した場合、レンズ部３をなす導光部材３０は、ｚ方向（第１方向）が厚さ方向となる。そのため、導光部材３０は、第１方向に最も薄く形成される。詳しくは後述するが、本実施形態では、導光部材３０内に形成される中間像Ｉの大きさをｚ方向で小さくすることにより、導光部材３０を薄型化させることができる。
なお、後述する数値実施例１～４で示されるように、第１光学部ＯＰ１は、複数の光学素子で形成されてもよい。これにより、例えば、第１光学部ＯＰ１に収差補正を負担させることができるため、各種収差を良好に補正することができる。
導光部材３０の内部に、第１面３１０より入射された画像光を反射光と透過光に分岐する部分反射部３２０が配置される。
部分反射部３２０は、導光部材３０内をｙ方向負側に導光される画像光（言い換えると、第１光学部ＯＰ１が位置する第１の側から導光部材３０内を導光される画像光）の一部を透過させ、かつ導光部材３０内をｙ方向正側に導光される画像光（言い換えると、第１の側とは異なる第２の側から導光部材３０内を導光される画像光）の一部をｚ方向正側に反射させて、導光部材３０の第３面３４０（射出面）から外部に射出する。
部分反射部３２０は、例えば、導光部材３０内に光軸ＡＸ方向に所定間隔を空けて複数配置される。本実施形態では、画像表示素子１０の有効画素領域の中心から画素配列面に対して垂直方向に射出された光線が通る光路を「光軸ＡＸ」と定義する。光軸ＡＸは、虚像表示装置１Ａの光軸でもあり、また、虚像表示装置用光学系に含まれる各光学素子（例えば導光部材３０）の光軸でもある。
複数の部分反射部３２０により画像光が複数の光束に分岐されることにより、アイボックスが拡大し、また、画角も拡大する。これにより、例えば装用者が虚像表示装置１Ａに対して眼ＥＹを動かした場合にも装用者に虚像を視認させやすくなり、また、広い画角をもつ虚像を装用者に視認させることができる。
部分反射部３２０の配置間隔が狭すぎると、例えば、ある部分反射部３２０で反射された画像光が隣接する部分反射部３２０でも反射されることに起因する光量ムラ（虚像の輝度ムラ）が発生しやすくなる。部分反射部３２０の配置間隔が広すぎると、例えば、アイボックス内の場所によって、虚像が欠けて見えることがある。そのため、部分反射部３２０の配置間隔は適正な値に設定することが望ましい。
部分反射部３２０は、画像光が光軸ＡＸ（及びｚ方向正側に向けて射出される第３面３４０）に対して所定の角度（例えば４５度）をなす向きで配置される。部分反射部３２０は、例えばハーフミラーである。部分反射部３２０は、ＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter）であってもよい。
部分反射部３２０は、例えば、平面に形成された部分反射面よりなる。部分反射部３２０を平面で形成することにより、例えば、製造容易性が向上する。
図２の例では、導光部材３０は、複数の光学ブロックよりなる。光学ブロックの傾斜面に、部分反射部３２０をなす部分反射面が成膜される。部分反射面が成膜された光学ブロックの傾斜面と他方の（部分反射面が成膜されていない）光学ブロックの傾斜面とを接着剤で接着することにより、導光部材３０が完成する。
部分反射面は、例えば金属材を蒸着することによって形成された蒸着膜よりなる。光学ブロック同士の密着性を向上させるため、光学ブロックの傾斜面にプライマー層を成膜したうえで部分反射面を成膜してもよい。
導光部材３０の各光学ブロックは、例えばプラスチック等の合成樹脂製の成形品である。これにより、導光部材３０を軽量化させることができる。導光部材３０を軽量化させることにより装用者の鼻にかかる荷重が低減するため、例えばヘッドマウントディスプレイ１を装用者が長時間装用したときの疲労感が軽減される。
後述する数値実施例１～４で示されるように、第１光学部ＯＰ１は、画像光の光路上に配置された開口絞りを含む構成としてもよい。開口絞りによって、画像表示素子１０からの画像光を、収差補正された画像光に実質的に絞ることができる。別の観点では、収差補正されない不要光を開口絞りでカットすることができる。そのため、例えばフレアの発生が抑えられ、画質の向上につながる。
また、開口絞りの大きさを適切に設定することにより、十分な被写界深度を確保できるとともに解像度が向上する。
また、開口絞りの形状は円形や矩形でもよく、光軸ＡＸに対して垂直方向に複数配置してもよい。複数の小さい絞りを配置することにより、アイボックスを確保しつつ、被写界深度が広い虚像を表示することが可能になる。
第２光学部ＯＰ２は、導光部材３０内で導光される画像光を対象（本実施形態では装用者の眼ＥＹ）に向けるための構成である。第２光学部ＯＰ２は、部分反射部３２０を挟んで第１の側（第１光学部ＯＰ１が位置する）とは反対側（第２の側）に位置し、部分反射部３２０を透過した画像光を部分反射部３２０に向けて反射する。
第２光学部ＯＰ２は、導光部材３０の第１面３１０と対向する、導光部材３０の第２面３３０を含む。第１面３１０より入射されて部分反射部３２０を透過した画像光は、第２面３３０まで導光される。
導光部材３０の第２面３３０は、反射面となっており、部分反射部３２０を透過した画像光を部分反射部３２０に向けて反射する。これにより、第２面３３０まで導光された画像光が、部分反射部３２０に向けてｙ方向正側に導光される。
第２光学部ＯＰ２は、第１方向の倍率と第２方向の倍率とが異なるアナモフィック面を含む。図２Ａ及び図２Ｂの例では、導光部材３０の第２面３３０がアナモフィック面となっている。アナモフィック面である第２面３３０は、第１面３１０のアナモフィックなパワーで変化した画像表示素子１０による画像のアスペクト比を元のアスペクト比に戻すパワーを有する。これにより、装用者は、適正なアスペクト比の虚像を視認することができる。
反射面である第２面３３０は、例えば正のパワーを有する。第２面３３０は、部分反射部３２０を介して入射された画像光をコリメート光又は略コリメート光に変換して、部分反射部３２０に向けて反射する。これにより、コリメート光又は略コリメート光が、導光部材３０内をｙ方向正側に導光されて、部分反射部３２０にてｚ方向正側に反射され、導光部材３０の第３面３４０から外部に射出されて、装用者の眼ＥＹに到達する。
コリメート光の場合、装用者は、無限遠の虚像を良好に視認することができる。略コリメート光の場合、装用者は、適切な虚像距離（虚像が形成される面と眼ＥＹとの距離）の虚像を良好に視認することができる。虚像距離は、虚像表示装置１Ａの用途に適宜変えてもよい。
上述したように、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａでは、画像表示素子１０からの画像光の中間像Ｉが導光部材３０内に形成される。これにより、導光部材３０を薄型化すること（言い換えると、導光部材３０のｚ方向のサイズを小さく抑えること）ができる。これにより、導光部材３０を軽量化させることができる。導光部材３０を軽量化させることにより装用者の鼻にかかる荷重が低減するため、例えばヘッドマウントディスプレイ１を装用者が長時間装用したときの疲労感が軽減される。
画像表示素子１０からの画像光の中間像Ｉを導光部材３０内に形成した場合に導光部材３０を薄型化させられる理由を、図３を用いて説明する。
図３のＡ図は、中間像Ｉの倍率を１倍としたときの、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａの概略構成図である。Ａ図中、ｆ１は、第１光学部ＯＰ１（すなわち、中間像Ｉを形成する手段）の焦点距離を示し、ｆ２は、第２光学部ＯＰ２の焦点距離を示す。
図３のＢ図は、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａに対して第１光学部ＯＰ１を省いた虚像表示装置の概略構成図である。Ｂ図中、ｆ３は、第２光学部ＯＰ２の焦点距離を示す。
図３のＣ図は、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａに対し、第１光学部ＯＰ１に代えて、伝搬光学系２０’を備えた虚像表示装置の概略構成図である。伝搬光学系２０’は、画像表示素子１０からの画像光をコリメート光に変換し、このコリメート光を導光部材３０に向けて射出する。Ｃ図の第２光学部ＯＰ２は、入射する画像光はコリメートされているので屈折力をもたない反射面（平面）等で構成される。Ｃ図では、画角がＡ図と同じである。
Ａ図～Ｃ図の各図中、実線の光束は軸上の光束を示し、破線の光束は軸外の光束を示す。Ａ図～Ｃ図の各図中、画像表示素子１０の位置にある矢印で示される、画像表示素子１０による表示画像の大きさは同じである。
外界の景色や映像を装用者に見せるためには、画像表示素子１０又は第１光学部ＯＰ１と第２光学部ＯＰ２（より詳細には、反射面）との間隔を十分に確保する必要がある。Ａ図において、第１光学部ＯＰ１と第２光学部ＯＰ２との間隔は、図１のレンズ部３の縦方向（ｙ方向）の幅に対応する。レンズ部３の縦方向の幅は、装用者が外界の景色等を見ることができるように広く設定することが必要なためである。同様にＢ図において、画像表示素子１０と第２光学部ＯＰ２との間隔が、レンズ部３の縦方向の幅に対応するので、広く設定することが必要である。同様にＣ図において、伝搬光学系２０’と第２光学部ＯＰ２との間隔がレンズ部３の縦方向の幅に対応するため、同様に広く設定することが必要である。
Ｂ図において虚像距離を無限遠とする場合、薄型の導光部材３０に軸上及び軸外の光束を導光させるため、焦点距離ｆ３を長くする必要がある。具体的には、Ｂ図の例における焦点距離ｆ３は、上述の、画像表示素子１０と第２光学部ＯＰ２との間隔に対応するように設定される。それにより、画像光は第２光学部ＯＰ２でコリメートされて、装用者が虚像を視認することができるようになる。
上述の通り、焦点距離ｆ３は、レンズ部３の幅に制約される。そのため、焦点距離ｆ３を短くすることができない。そのため、Ｂ図の構成では、広い画角を確保することができない。Ｂ図の構成において、画角をＡ図と同等に確保するためには、画像表示素子１０を大型化することが必要であり、虚像表示装置そのものが大型化してしまう。
Ｃ図において虚像距離を無限遠とする場合、Ａ図と同じ画角を確保する必要上（言い換えると、広い画角を形成するために必要な軸外の光束も導光部材３０が導光できるように）、導光部材３０の厚さを厚くする必要がある。具体的には、Ｃ図における伝搬光学系２０’は、画像表示素子１０からの軸外光線（破線）を導光するために、光軸ＡＸ方向に垂直な方向に大きく（図中の上下方向に広く）する必要がある。それに伴い、伝搬光学系２０’から射出される画像光を導光部材３０が取り込むためには、導光部材３０の厚さ（図中の上下方向）を厚くすることが必要である。
これに対し、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａでは、Ａ図に示されるように、第２光学部ＯＰ２（より詳細には、反射面）に対してより近い導光部材３０内に中間像Ｉを形成することにより、第２光学部ＯＰ２の焦点距離ｆ２を短くすることができる。そのため、広い画角を確保しつつも導光部材３０を薄型化することができる。言い換えると、導光部材３０を薄型化した場合でも、導光部材３０は、広い画角を形成するために必要な軸外の光束も導光できる。
特に、導光部材３０の厚さ方向（ｚ方向）に対しては、上述したように、中間像Ｉの大きさが最小となる。そのため、例えば、各方向に同じ倍率で中間像Ｉを形成する場合と比べて、導光部材３０をより一層薄型化させることができる。
このように、導光部材３０の厚さ方向（ｚ方向）に対しては、導光部材３０の薄型化のため、中間像Ｉが小さくなるように倍率を小さくすることが望ましい。これに対し、導光部材３０の幅方向（ｘ方向）は厚さ方向と比べてもかなり大きい。そのため、導光部材３０の幅方向（ｘ方向）に対しては、中間像Ｉの倍率を小さくする必要性が低い。それよりも、導光部材３０の幅方向については、中間像Ｉの倍率を、広いアイボックスを確保するのに適した倍率に設定することが望ましい。
具体的には、第１光学部ＯＰ１に含まれる開口絞りの結像位置が装用者の眼ＥＹ（例えば眼ＥＹの光軸と交差する角膜上の位置）付近に配置されるように、中間像Ｉの第２方向（ｘ方向）の倍率を設定する。なお、開口絞りの結像位置は、開口絞りが後段の光学系（開口絞りよりも後段の光学系）により結像する位置（すなわち光学系の射出瞳位置に対応する位置）である。
図４Ａ及び図４Ｂを用いて、開口絞りの結像位置Ｐを装用者の眼ＥＹ付近に配置することが広いアイボックスを確保することにつながる理由を説明する。簡潔な説明の都合上、軸上の光（図４Ａ及び図４Ｂ中、実線）と軸外の光（図４Ａ及び図４Ｂ中、点線）が眼ＥＹに入る範囲をアイボックスとする。
図４Ａに示されるように、開口絞りの結像位置Ｐが装用者の眼ＥＹから離れている場合、軸外の光が眼ＥＹに殆ど入らない。そのため、例えば、装用者が目線を少し動かすだけで軸外の光が眼ＥＹに入らなくなる。すなわち、図４Ａの場合、アイボックスが狭いといえる。光束径を拡げることによってアイボックスを拡げることができるが、この場合、各種収差の補正が難しくなるという弊害が生じる。
図４Ｂに示されるように、開口絞りの結像位置Ｐが装用者の眼ＥＹ付近に配置される場合、軸上の光だけでなく軸外の光も眼ＥＹに多く入る。そのため、例えば、装用者が目線を少し動かしても、軸外の光が眼ＥＹに入る。すなわち、図４Ｂのように、結像位置Ｐを眼ＥＹ付近に配置した場合、広いアイボックスが確保される。
図５は、開口絞りの結像関係を示す模式図である。図５の例では、第１光学部ＯＰ１の直後に開口絞りが配置されているものとする。図５に示されるように、開口絞りの結像位置は、第２光学部ＯＰ２の焦点距離ｆ２に応じて決まる。例えば、焦点距離ｆ２が長いほど開口絞りの結像位置が第２光学部ＯＰ２から遠ざかり、また、焦点距離ｆ２が短いほど開口絞りの結像位置が第２光学部ＯＰ２に近付く。
ここで、導光部材３０の厚さ方向（ｚ方向）を含むｙｚ断面（図２Ａ参照）においては、広い画角を確保しつつ中間像Ｉの大きさ（ｚ方向の大きさ）を小さく抑えるため、第２光学部ＯＰ２の焦点距離ｆ２が短く設定される。そのため、開口絞りの結像位置Ｐが、装用者の眼ＥＹから離れた、第２光学部ＯＰ２寄りに配置される。この結果、アイボックスが狭くなる。
そこで、本実施形態では、部分反射部３２０が複数配置されている。複数の部分反射部３２０により画像光が複数の光束に分岐されることにより、ｙ方向において広いアイボックスが確保される。
一方、導光部材３０の幅方向（ｘ方向）を含むｘｙ断面（図２Ｂ参照）において、第２光学部ＯＰ２の焦点距離ｆ２を短くしすぎると、開口絞りの結像位置Ｐが第２光学部ＯＰ２寄りに配置されて（例えば図４Ａ参照）アイボックスが狭くなることを避けるのが難しい。そこで、ｘｙ断面に関しては、開口絞りの結像位置Ｐを眼ＥＹ付近に配置するため、第２光学部ＯＰ２の焦点距離ｆ２を、ｙｚ断面での焦点距離ｆ２よりも長く設定することが望ましい。
そこで、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａは、第１光学部ＯＰ１に対してアナモフィックなパワーを与えることにより、第１方向（ｚ方向）と第２方向（ｘ方向）とで中間像Ｉの倍率が変わる構成となっている。例示的には、第１方向（ｚ方向）に関しては、導光部材３０の薄型化のため、中間像Ｉの倍率が第１の倍率（例えば各方向の倍率のなかで最小の倍率）となり、第２方向（ｘ方向）に関しては、開口絞りの結像位置Ｐを眼ＥＹ付近に配置するための適切な焦点距離ｆ２を得るため、中間像Ｉの倍率が第２の倍率（例えば各方向の倍率のなかで最大の倍率）となっている。
すなわち、本実施形態に係る虚像表示装置１Ａは、画像を表示する画像表示素子１０からの画像光が入射される第１光学部ＯＰ１であって、第１方向の倍率と第１方向と異なる第２方向の倍率とが異なるアナモフィック面を含む第１光学部ＯＰ１と、第１光学部ＯＰ１を介して入射される画像光を導光する導光部材３０と、導光部材３０内で導光される画像光を対象である装用者の眼ＥＹに向けるための第２光学部ＯＰ２と、を含み、第１光学部ＯＰ１が、画像光の中間像Ｉを、第１方向に第１の倍率で且つ第２方向に第２の倍率で導光部材３０内に形成する、構成となっている。
本実施形態に係る虚像表示装置１Ａの具体的構成について更に説明する。
適切な虚像距離を得るため、虚像表示装置１Ａは、中間像Ｉの倍率の絶対値が最大となる断面（本実施形態ではｘｙ断面）における、中間像Ｉの結像位置と、第２光学部ＯＰ２に含まれる反射面（図２Ｂの例では、導光部材３０の第２面３３０）と、の距離（単位：ｍｍ）をＴＬmaxとし、中間像Ｉの倍率の絶対値が最大となる断面における反射面の近軸曲率半径（単位：ｍｍ）をＲmaxとしたとき、次式（１）を満たす構成としてもよい。
式（１）
－０．９＜ＴＬmax／Ｒmax＜－０．３
値ＴＬmax／Ｒmaxが―０．９以下になると、中間像Ｉの倍率の絶対値が最大となるｘｙ断面において、反射面のパワーが強くなりすぎて、虚像距離が無限遠より遠くなる。値ＴＬmax／Ｒmaxが―０．３以上になると、反射面のパワーが弱くなりすぎて、虚像距離が短くなりすぎる。
適切な虚像距離を得るため、虚像表示装置１Ａは、中間像Ｉの倍率の絶対値が最小となる断面（本実施形態ではｙｚ断面）における、中間像Ｉの結像位置と、第２光学部ＯＰ２に含まれる反射面（図２Ｂの例では、導光部材３０の第２面３３０）と、の距離（単位：ｍｍ）をＴＬminとし、中間像Ｉの倍率の絶対値が最小となる断面における反射面の近軸曲率半径（単位：ｍｍ）をＲminとしたとき、次式（２）を満たす構成としてもよい。
式（２）
－０．７＜ＴＬmin／Ｒmin＜－０．１
値ＴＬmin／Ｒminが―０．７以下になると、中間像Ｉの倍率の絶対値が最大となるｘｙ断面において、反射面のパワーが強くなりすぎて、虚像距離が無限遠より遠くなる。値ＴＬmin／Ｒminが―０．１以上になると、反射面のパワーが弱くなりすぎて、虚像距離が短くなりすぎる。
より一層の小型化及び高性能化を達成するため、虚像表示装置１Ａは、次式（３）を満たす構成としてもよい。
式（３）
０．３＜ＴＬmin／ＴＬmax＜０．９
値ＴＬmin／ＴＬmaxが０．３以下になると、中間像Ｉの倍率の絶対値の比率が小さくなりすぎて、各種収差を十分に補正することが難しくなる。値ＴＬmin／ＴＬmaxが０．９以上になると、例えば、導光部材３０の厚さ方向（ｚ方向）と幅方向（ｘ方向）とで中間像Ｉの倍率の絶対値が近い値となり、導光部材３０の薄型化が難しくなる。
より一層の小型化及び高性能化を達成するため、虚像表示装置１Ａは、中間像Ｉの倍率の絶対値における最小値をβminとし、中間像Ｉの倍率の絶対値における最大値をβmaxとしたとき、次式（４）を満たす構成としてもよい。
式（４）
０．４＜βmin／βmax＜０．９５
値βmin／βmaxが０．４以下になると、中間像Ｉの倍率の絶対値の比率が小さくなりすぎて、各種収差を十分に補正することが難しくなる。値βmin／βmaxが０．９５以上になると、例えば、導光部材３０の厚さ方向（ｚ方向）と幅方向（ｘ方向）とで中間像Ｉの倍率の絶対値が近い値となり、導光部材３０の薄型化が難しくなる。
より一層の小型化を達成するため、虚像表示装置１Ａは、次式（５）を満たす構成としてもよい。
式（５）
０．５＜βmin＜２．０
値βminが０．５以下になると、第２光学部ＯＰ２の焦点距離ｆ２が短くなりすぎて、光学系の瞳位置（例えば開口絞りの結像位置Ｐ）が第２光学部ＯＰ２寄りに配置される。例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示される構成の場合、部分反射部３２０を大きく設計する必要が生じるため、虚像表示装置１Ａが大型化する。値βminが２．０以上になると、中間像Ｉの倍率の絶対値が最小となる断面（本実施形態ではｙｚ断面）において虚像表示装置１Ａを小型化すること（より具体的には、導光部材３０を薄型化すること）が難しくなる。
次に、虚像表示装置１Ａの具体的な数値実施例１～４を示す。なお、以下の数値実施例１～４では、便宜上、光軸ＡＸ方向をｚ方向とし、光軸ＡＸ方向と直交する２方向をｘ方向、ｙ方向とする。例えば、虚像表示装置１Ａをヘッドマウントディスプレイ１に搭載した場合、ｘ方向は、レンズ部３の幅方向である。ｙ方向は、光軸ＡＸ方向及びレンズ部３の幅方向と直交する。なお、部分反射部３２０により光路が９０度折り曲げられると、光軸ＡＸ方向も９０度変わるため、ｘｙｚ座標系も９０度回転する。
数値実施例１～４において画像表示素子１０の有効画素領域は、垂直方向に３．３ｍｍ、水平方向に５．８ｍｍの矩形状となっており、対角方向の長さが６．６７ｍｍである。
数値実施例１～４において虚像距離は無限遠である。数値実施例１～４で示される収差図は、焦点距離１７ｍｍの理想レンズで結像する場合で計算されている。
［数値実施例１］
本発明の数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａの光学構成は図６Ａ及び図６Ｂに示される。図６Ａは、虚像表示装置１Ａのｙｚ断面を示す。図６Ｂは、虚像表示装置１Ａのｘｙ断面を示す。なお、図６Ａのｙｚ断面及び図６Ｂのｘｙ断面は、装用者の眼ＥＹに向かう光軸ＡＸ方向をｚ方向としたときの断面である。
数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａは、画像表示素子１０側から順に、画像表示素子１０、虚像表示装置用光学系を有する。虚像表示装置用光学系のうち、中間像Ｉより前段に位置する第１光学部ＯＰ１は、複数のレンズよりなるレンズ群Ｌ１、開口絞りａ及び導光部材３０の第１面３１０を含む。中間像Ｉより後段に位置する第２光学部ＯＰ２は、導光部材の第２面３３０及び単レンズＬ２を含む。数値実施例１では、平面形状で形成された７つの部分反射部３２０が導光部材３０内に設けられる。
数値実施例１において、虚像画像の垂直方向、水平方向、対角方向の画角は、それぞれ、２０．３度、３５．６度、４０．２度である。開口絞りａは、ｙ方向に１．０ｍｍでｘ方向に６．５ｍｍの矩形の開口を有する。
数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａの具体的数値構成は、表１に示される。表１中、Ｒｙ（単位：ｍｍ）は光学素子の各面の、ｙ方向の軸（光軸ＡＸと直交するｙ軸）での曲率半径（又は近軸曲率半径）を示し、Ｒｘ（単位：ｍｍ）は光学素子の各面の、ｘ方向の軸（光軸ＡＸと直交するｘ軸）での曲率半径（又は近軸曲率半径）を示し、Ｄ（単位：ｍｍ）は光軸ＡＸ上の光学素子の厚さ又は光学素子の間隔を示し、Ｎｄはｄ線（波長５８７．５６２ｎｍ）の屈折率を示し、νｄはｄ線のアッベ数を示す。アッベ数の右欄には、光学素子の材質の商品名及び製造者を記す。
表１の番号は、画像表示素子１０側から順に、虚像表示装置１Ａの各面に付されたものである。補足すると、表の番号０は、画像表示素子１０の画像表示面（画素配列面）を示す。表の番号１～２は、画像表示素子１０に備えられるカバーガラスの各面を示す。カバーガラスは、画像表示素子１０の画像表示面をカバーするガラス製部材である。
表の番号３～１４は、第１光学部ＯＰ１をなす各光学面を示す。表の番号９は、開口絞りａを示す。
表の番号１５～１９は、第２光学部ＯＰ２をなす各光学面を示す。より詳細には、表の番号１５、１６、１７は、それぞれ、導光部材３０の第２面３３０、単レンズＬ２の第１面、第２面を示す。表の番号１８、１９は、それぞれ、単レンズＬ２の第１面、導光部材３０の第２面３３０を示す。
数値実施例１では、単レンズＬ２の第１面が、部分反射部３２０を透過した画像光を部分反射部３２０に向けて反射する反射面となっている。
表の番号１９の間隔Ｄの欄の標記Ａは、第２面３３０から、各部分反射部３２０（部分反射面）までの、光軸ＡＸ方向の距離を示す。便宜上、この距離を距離Ａと記す。距離Ａは、７つの部分反射部３２０のうち、最も第２面３３０側の部分反射部３２０から順に、１５ｍｍ、１６ｍｍ、１７ｍｍ、１８ｍｍ、１９ｍｍ、２０ｍｍ、２１ｍｍである。すなわち、７つの部分反射部３２０は、１ｍｍの等間隔で配置される。なお、図４では、便宜上、最も小さい距離Ａ（すなわち１５ｍｍ）と最も大きい距離Ａ（すなわち２１ｍｍ）のみ示す。
表の番号２０は、部分反射部３２０を示す。表の番号２１は、導光部材３０の第３面３４０を示す。番号２１の間隔Ｄは、第３面３４０から装用者の眼ＥＹまでの距離、すなわちアイレリーフを示す。
［表１］
Figure 2024010699000002
表１中、「＊」印が付された番号の面は、非球面である。より詳細には、これらの非球面は、アナモフィックなパワーを有するアナモフィック非球面となっている。表２に、各非球面のデータを示す。表２中、標記Ｅは、１０を基数、Ｅの右の数字を指数とする累乗を示す。非球面素子における曲率半径Ｒは、光軸ＡＸ上での曲率半径（近軸曲率半径）を示す。非球面形状は、サグ量をＺとし、近軸曲率（１／Ｒ）をＣとし、光軸ＡＸからの高さをｈ（単位：ｍｍ）とし、円錐係数をＫとし、４次以上の偶数次の非球面係数をＡ４、Ａ６、・・・とした場合に、次式で示される。
Z＝Ch２/{1+√(1-(1+K)C２h２)}+A４・h４+A６・h６+A８・h８+A１０・h１０
附言するに、アナモフィック非球面形状は、ｘ軸での近軸曲率（１／Ｒｘ）をＣｘとし、ｙ軸での近軸曲率（１／Ｒｙ）をＣｙとし、光軸ＡＸからの、ｘ軸での高さをＸ（単位：ｍｍ）とし、光軸ＡＸからの、ｙ軸での高さをＹ（単位：ｍｍ）とし、ｘ軸での円錐係数をＫｘとし、ｙ軸での円錐係数をＫｙとし、４次以上の偶数次の、回転対称の係数をＡＲ４、ＡＲ６、・・・とし、４次以上の偶数次の、回転非対称の係数をＡＰ４、ＡＰ６、・・・とした場合に、次式で示される。
Z＝(CxX2 + CyY2)/{1+√(1-(1+Kx)Cx2X2-(1+Ky)Cy2Y2)} +AR4・((1-AP4)X2+(1+AP4)Y2)2+AR6・((1-AP6)X2+(1+AP6)Y2)3+AR8・((1-AP8)X2+(1+AP8)Y2)4+AR10・((1-AP10)X2+(1+AP10)Y2)5
なお、表の記載形式は、以降の数値実施例２～４においても同じである。
［表２］
Figure 2024010699000003
図７Ａ及び図７Ｂは、数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａの横収差図である。横収差図は、虚像画像内の座標１～７におけるｄ線、ｇ線（波長４３５．８３４ｎｍ）での横収差を示す。座標１～７の位置は、図８に示される通りである。
図７Ａ及び図７Ｂの各図中、実線はｄ線における横収差を示し、破線はｇ線における横収差を示す。横収差は、ｘ方向とｙ方向について測定される。図７Ａ及び図７Ｂの各図中、左側の図（上欄に「Ｙ－ＦＡＮ」が付記された図）は、ｙ方向における横収差を示し、右側の図（上欄に「Ｘ－ＦＡＮ」が付記された図）は、ｘ方向における横収差を示す。
数値実施例１では、第１光学部ＯＰ１のアナモフィックなパワーにより、導光部材３０内に、第１方向に第１の倍率で且つ第２方向に第２の倍率で形成される。これにより、導光部材３０を薄型化することができる。また、下記の通り、数値実施例１では、上記式（１）～（５）が全て満たされる。
値ＴＬmax／Ｒmax ：－０．７０（式（１）参照）
値ＴＬmin／Ｒmin ：－０．３２（式（２）参照）
値ＴＬmin／ＴＬmax：０．４４（式（３）参照）
値βmin／βmax ：０．７７（式（４）参照）
値βmin ：１．２８（式（５）参照）
数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａでは、収差が良好に補正されるとともに（図７Ａ及び図７Ｂ参照）、広い画角（例えば対角方向に４０度を超える画角）が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例１に係る虚像表示装置１Ａでは、上記式（１）～（５）を満たすことによる各種効果が奏される。
［数値実施例２］
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の数値実施例２に係る虚像表示装置１Ａの光学構成を示す図である。数値実施例２では、平面形状で形成された５つの部分反射部３２０が導光部材３０内に設けられる。
数値実施例２において、虚像画像の垂直方向、水平方向、対角方向の画角は、それぞれ、２０．３度、３５．１度、４０．８度である。開口絞りａは、ｙ方向に１．８ｍｍでｘ方向に５．８ｍｍの矩形の開口を有する。
数値実施例２に係る虚像表示装置１Ａの具体的数値構成は、表３に示される。数値実施例２において、距離Ａは、５つの部分反射部３２０のうち、最も第２面３３０側の部分反射部３２０から順に、１２ｍｍ、１３．５ｍｍ、１５ｍｍ、１６．５ｍｍ、１８ｍｍである。すなわち、５つの部分反射部３２０は、１．５ｍｍの等間隔で配置される。数値実施例２の各非球面のデータは、表４に示される。
数値実施例１でも、単レンズＬ２の第１面が、部分反射部３２０を透過した画像光を部分反射部３２０に向けて反射する反射面となっている。
［表３］
Figure 2024010699000004
［表４］
Figure 2024010699000005
図１０Ａ及び図１０Ｂは、数値実施例２に係る虚像表示装置１Ａの横収差図である。
数値実施例２でも、第１光学部ＯＰ１のアナモフィックなパワーにより、導光部材３０内に、第１方向に第１の倍率で且つ第２方向に第２の倍率で形成される。これにより、導光部材３０を薄型化することができる。また、下記の通り、数値実施例２でも、上記式（１）～（５）が全て満たされる。
値ＴＬmax／Ｒmax ：－０．６８（式（１）参照）
値ＴＬmin／Ｒmin ：－０．３３（式（２）参照）
値ＴＬmin／ＴＬmax：０．５２（式（３）参照）
値βmin／βmax ：０．８８（式（４）参照）
値βmin ：１．３７（式（５）参照）
数値実施例２に係る虚像表示装置１Ａでも、収差が良好に補正されるとともに（図１０Ａ及び図１０Ｂ参照）、広い画角（例えば対角方向に４０度を超える画角）が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例２に係る虚像表示装置１Ａでも、上記式（１）～（５）を満たすことによる各種効果が奏される。
［数値実施例３］
図１１Ａ及び図１１Ｂは、本発明の数値実施例３に係る虚像表示装置１Ａの光学構成を示す図である。図１１Ａ及び図１１Ｂに示されるように、数値実施例３に係る虚像表示装置１Ａには、単レンズＬ２が含まれない。数値実施例３では、平面形状で形成された５つの部分反射部３２０が導光部材３０内に設けられる。
数値実施例３において、虚像画像の垂直方向、水平方向、対角方向の画角は、それぞれ、１７．３度、２８．９度、３４．１度である。開口絞りａは、ｙ方向に１．０ｍｍでｘ方向に５．０ｍｍの矩形の開口を有する。
数値実施例３に係る虚像表示装置１Ａの具体的数値構成は、表５に示される。数値実施例３において、距離Ａは、５つの部分反射部３２０のうち、最も第２面３３０側の部分反射部３２０から順に、１２ｍｍ、１３ｍｍ、１４ｍｍ、１５ｍｍ、１６ｍｍである。すなわち、５つの部分反射部３２０は、１ｍｍの等間隔で配置される。数値実施例３の各非球面のデータは、表６に示される。
数値実施例３では、導光部材３０の第２面３３０が、部分反射部３２０を透過した画像光を部分反射部３２０に向けて反射する反射面となっている。
［表５］
Figure 2024010699000006
［表６］
Figure 2024010699000007
図１２Ａ及び図１２Ｂは、数値実施例３に係る虚像表示装置１Ａの横収差図である。
数値実施例３でも、第１光学部ＯＰ１のアナモフィックなパワーにより、導光部材３０内に、第１方向に第１の倍率で且つ第２方向に第２の倍率で形成される。これにより、導光部材３０を薄型化することができる。また、下記の通り、数値実施例３でも、上記式（１）～（５）が全て満たされる。
値ＴＬmax／Ｒmax ：－０．５０（式（１）参照）
値ＴＬmin／Ｒmin ：－０．５０（式（２）参照）
値ＴＬmin／ＴＬmax：０．８０（式（３）参照）
値βmin／βmax ：０．８３（式（４）参照）
値βmin ：０．９７（式（５）参照）
数値実施例３に係る虚像表示装置１Ａでも、収差が良好に補正されるとともに（図１２Ａ及び図１２Ｂ参照）、広い画角（例えば対角方向に３０度を超える画角）が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例３に係る虚像表示装置１Ａでも、上記式（１）～（５）を満たすことによる各種効果が奏される。
［数値実施例４］
図１３Ａ及び図１３Ｂは、本発明の数値実施例４に係る虚像表示装置１Ａの光学構成を示す図である。数値実施例４では、平面形状で形成された７つの部分反射部３２０が導光部材３０内に設けられる。
数値実施例４において、虚像画像の垂直方向、水平方向、対角方向の画角は、それぞれ、２０．３度、３５．１度、４０．３度である。開口絞りａは、ｙ方向に１．２ｍｍでｘ方向に６．３ｍｍの矩形の開口を有する。
数値実施例４に係る虚像表示装置１Ａの具体的数値構成は、表７に示される。数値実施例４において、距離Ａは、７つの部分反射部３２０のうち、最も第２面３３０側の部分反射部３２０から順に、１３．５ｍｍ、１５ｍｍ、１６．５ｍｍ、１８ｍｍ、１９．５ｍｍ、２１ｍｍ、２２．５ｍｍである。すなわち、７つの部分反射部３２０は、１．５ｍｍの等間隔で配置される。数値実施例４の各非球面のデータは、表８に示される。
数値実施例４では、単レンズＬ２の第２面が、部分反射部３２０を透過した画像光を部分反射部３２０に向けて反射する反射面となっている。
［表７］
Figure 2024010699000008
［表８］
Figure 2024010699000009
図１４Ａ及び図１４Ｂは、数値実施例４に係る虚像表示装置１Ａの横収差図である。
数値実施例４でも、第１光学部ＯＰ１のアナモフィックなパワーにより、導光部材３０内に、第１方向に第１の倍率で且つ第２方向に第２の倍率で形成される。これにより、導光部材３０を薄型化することができる。また、下記の通り、数値実施例４でも、上記式（１）～（５）が全て満たされる。
値ＴＬmax／Ｒmax ：－０．７１（式（１）参照）
値ＴＬmin／Ｒmin ：－０．２５（式（２）参照）
値ＴＬmin／ＴＬmax：０．３５（式（３）参照）
値βmin／βmax ：０．７８（式（４）参照）
値βmin ：１．３６（式（５）参照）
数値実施例４に係る虚像表示装置１Ａでも、収差が良好に補正されるとともに（図１４Ａ及び図１４Ｂ参照）、広い画角（例えば対角方向に４０度を超える画角）が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例４に係る虚像表示装置１Ａでも、上記式（１）～（５）を満たすことによる各種効果が奏される。
以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば明細書中に例示的に明示される実施形態等又は自明な実施形態等を適宜組み合わせた内容も本願の実施形態に含まれる。
上記の実施形態では、第１光学部ＯＰ１のアナモフィックなパワーで変化した画像表示素子１０による画像のアスペクト比を元のアスペクト比に戻すため、第２光学部ＯＰ２もアナモフィックなパワーを有する構成となっている。
これに対し、別の実施形態では、第２光学部ＯＰ２がアナモフィックなパワーを有さない構成としてもよい。例えば、第１光学部ＯＰ１のアナモフィックなパワーで画像表示素子１０による画像のアスペクト比を変化させると適正なアスペクト比（例えば、１６：９、４：３等）になるように、画像表示素子１０のアスペクト比を設定する。この場合、第２光学部ＯＰ２がアナモフィックなパワーを有さずとも、装用者は、適正なアスペクト比の虚像を視認することができる。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［付記１］
画像を表示する画像表示素子からの画像光が入射される第１光学部であって、第１方向の倍率と前記第１方向と異なる第２方向の倍率とが異なるアナモフィック面を含む第１光学部と、
前記第１光学部を介して入射される前記画像光を導光する導光部材と、
前記導光部材内で導光される前記画像光を対象に向けるための第２光学部と、を含み、
前記第１光学部は、前記画像光の中間像を、前記第１方向に第１の倍率で且つ前記第２方向に第２の倍率で前記導光部材内に形成する、
虚像表示装置用光学系。
［付記２］
前記第２光学部は、前記第１方向の倍率と前記第２方向の倍率とが異なるアナモフィック面を含む、
付記１に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記３］
前記第１光学部が位置する第１の側から前記導光部材内を導光される前記画像光を透過させ、かつ前記第１の側とは異なる第２の側から前記導光部材内を導光される前記画像光を反射させて外部に射出する、部分反射部を含み、
前記第２光学部は、前記部分反射部を挟んで前記第１の側とは異なる前記第２の側に位置し、前記部分反射部を透過した前記画像光を前記部分反射部に向けて反射する、
付記１又は付記２に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記４］
前記部分反射部は、前記虚像表示装置用光学系の光軸方向に間隔を空けて複数配置される、
付記３に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記５］
前記第２光学部は、前記部分反射部を透過した前記画像光を前記部分反射部に向けて反射する反射面を含み、
前記反射面は、前記第１方向の倍率と前記第２方向の倍率とが異なるアナモフィック面である、
付記３又は付記４に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記６］
前記中間像の倍率の絶対値が最大となる断面における前記中間像の結像位置と前記反射面との距離（単位：ｍｍ）をＴＬmaxとし、前記中間像の倍率の絶対値が最大となる断面における前記反射面の近軸曲率半径（単位：ｍｍ）をＲmaxとしたとき、次式
－０．９＜ＴＬmax／Ｒmax＜－０．３
を満たす、
付記５に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記７］
前記中間像の倍率の絶対値が最小となる断面における前記中間像の結像位置と前記反射面との距離（単位：ｍｍ）をＴＬminとし、前記中間像の倍率の絶対値が最小となる断面における前記反射面の近軸曲率半径（単位：ｍｍ）をＲminとしたとき、次式
－０．７＜ＴＬmin／Ｒmin＜－０．１
を満たす、
付記５又は付記６に記載の虚像表示装置用光学系。
［付記８］
前記中間像の倍率の絶対値が最大となる断面における前記中間像の結像位置と前記反射面との距離（単位：ｍｍ）をＴＬmaxとし、前記中間像の倍率の絶対値が最小となる断面における前記中間像の結像位置と前記反射面との距離（単位：ｍｍ）をＴＬminとしたとき、次式
０．３＜ＴＬmin／ＴＬmax＜０．９
を満たす、
付記５から付記７の何れか１つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記９］
前記中間像の倍率の絶対値における最小値をβminとし、前記中間像の倍率の絶対値における最大値をβmaxとしたとき、次式
０．４＜βmin／βmax＜０．９５
を満たす、
付記１から付記８の何れか１つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１０］
前記中間像の倍率の絶対値における最小値をβminとしたとき、次式
０．５＜βmin＜２．０
を満たす、
付記１から付記９の何れか１つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１１］
前記第１光学部は、前記画像光の光路上に配置された開口絞りを含む、
付記１から付記１０の何れか１つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１２］
前記導光部材は、前記第１方向に最も薄く形成され、
前記第１方向は、前記中間像の倍率の絶対値が最小となる方向である、
付記１から付記１１の何れか１つに記載の虚像表示装置用光学系。
［付記１３］
前記画像表示素子と、
付記１から付記１２の何れか１つに記載の虚像表示装置用光学系と、を備える、
虚像表示装置。
［付記１４］
付記１３に記載の虚像表示装置を備える、
ヘッドマウントディスプレイ。
１ ：ヘッドマウントディスプレイ
１Ａ ：虚像表示装置
２ ：フレーム部
３ ：レンズ部
１０ ：画像表示素子
３０ ：導光部材
３２０ ：部分反射部
Ｉ ：中間像
Ｌ１ ：レンズ群
Ｌ２ ：単レンズ
ＯＰ１ ：第１光学部
ＯＰ２ ：第２光学部

Claims (14)

  1. 画像を表示する画像表示素子からの画像光が入射される第１光学部であって、第１方向の倍率と前記第１方向と異なる第２方向の倍率とが異なるアナモフィック面を含む第１光学部と、
    前記第１光学部を介して入射される前記画像光を導光する導光部材と、
    前記導光部材内で導光される前記画像光を対象に向けるための第２光学部と、を含み、
    前記第１光学部は、前記画像光の中間像を、前記第１方向に第１の倍率で且つ前記第２方向に第２の倍率で前記導光部材内に形成する、
    虚像表示装置用光学系。
  2. 前記第２光学部は、前記第１方向の倍率と前記第２方向の倍率とが異なるアナモフィック面を含む、
    請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
  3. 前記第１光学部が位置する第１の側から前記導光部材内を導光される前記画像光を透過させ、かつ前記第１の側とは異なる第２の側から前記導光部材内を導光される前記画像光を反射させて外部に射出する、部分反射部を含み、
    前記第２光学部は、前記部分反射部を挟んで前記第１の側とは異なる前記第２の側に位置し、前記部分反射部を透過した前記画像光を前記部分反射部に向けて反射する、
    請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
  4. 前記部分反射部は、前記虚像表示装置用光学系の光軸方向に間隔を空けて複数配置される、
    請求項３に記載の虚像表示装置用光学系。
  5. 前記第２光学部は、前記部分反射部を透過した前記画像光を前記部分反射部に向けて反射する反射面を含み、
    前記反射面は、前記第１方向の倍率と前記第２方向の倍率とが異なるアナモフィック面である、
    請求項３に記載の虚像表示装置用光学系。
  6. 前記中間像の倍率の絶対値が最大となる断面における前記中間像の結像位置と前記反射面との距離（単位：ｍｍ）をＴＬmaxとし、前記中間像の倍率の絶対値が最大となる断面における前記反射面の近軸曲率半径（単位：ｍｍ）をＲmaxとしたとき、次式
    －０．９＜ＴＬmax／Ｒmax＜－０．３
    を満たす、
    請求項５に記載の虚像表示装置用光学系。
  7. 前記中間像の倍率の絶対値が最小となる断面における前記中間像の結像位置と前記反射面との距離（単位：ｍｍ）をＴＬminとし、前記中間像の倍率の絶対値が最小となる断面における前記反射面の近軸曲率半径（単位：ｍｍ）をＲminとしたとき、次式
    －０．７＜ＴＬmin／Ｒmin＜－０．１
    を満たす、
    請求項５に記載の虚像表示装置用光学系。
  8. 前記中間像の倍率の絶対値が最大となる断面における前記中間像の結像位置と前記反射面との距離（単位：ｍｍ）をＴＬmaxとし、前記中間像の倍率の絶対値が最小となる断面における前記中間像の結像位置と前記反射面との距離（単位：ｍｍ）をＴＬminとしたとき、次式
    ０．３＜ＴＬmin／ＴＬmax＜０．９
    を満たす、
    請求項５に記載の虚像表示装置用光学系。
  9. 前記中間像の倍率の絶対値における最小値をβminとし、前記中間像の倍率の絶対値における最大値をβmaxとしたとき、次式
    ０．４＜βmin／βmax＜０．９５
    を満たす、
    請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
  10. 前記中間像の倍率の絶対値における最小値をβminとしたとき、次式
    ０．５＜βmin＜２．０
    を満たす、
    請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
  11. 前記第１光学部は、前記画像光の光路上に配置された開口絞りを含む、
    請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
  12. 前記導光部材は、前記第１方向に最も薄く形成され、
    前記第１方向は、前記中間像の倍率の絶対値が最小となる方向である、
    請求項１に記載の虚像表示装置用光学系。
  13. 前記画像表示素子と、
    請求項１から請求項１２の何れか一項に記載の虚像表示装置用光学系と、を備える、
    虚像表示装置。
  14. 請求項１３に記載の虚像表示装置を備える、
    ヘッドマウントディスプレイ。
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