JP7077656B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、頭部に装着して映像素子等によって形成された映像を観察者に提示する虚像表示装置に関する。

観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置あるいは頭部搭載型表示装置として、例えば特許文献１に示すように、広視野のクローズドタイプであって、ハーフミラーを利用した一部光学折返し部を設けることで、薄型で広画角の光学系を実現しているものが知られている。なお、以下において、ヘッドマウントディスプレイをＨＭＤとも記載する。

しかしながら、ＨＭＤにおいて、薄型で広画角の光学系を実現しつつ装置の小型化あるいは薄型化を図ろうとすると、光学系への負担が大きくなる。つまり、光学系を構成するレンズの曲面形状や屈折率については、パワーを得やすいものとなっていることが望ましい。この場合、光学系を構成するレンズの形状等によっては、例えば、周辺側では各種収差の発生の可能性が高まるのみならず、全反射条件から光が入射できなくなる可能性等までも考えられる。すなわち、設計上の制約が増すことになる。特に、小型の映像素子による画像を拡大して投射を行う場合には、上記のような光の入射角度の問題が顕著となる可能性がある。

また、上記のような折り返し光学系において、例えば光を折り返すための光学素子として偏光板等を用いる際には、平面に設けることが望ましい、あるいは、必須となる、といったことも想定される。

特開平８－３２７９４０号公報

本発明に係る虚像表示装置は、画像を表示する映像素子と、映像光の取出し位置に配置され、映像光を射出させる光射出平面と、映像素子側に形成される凸面とを有する第１レンズと、第１レンズよりも映像素子側に配置され、第１レンズの凸面に接合する凹面と、映像素子からの映像光を入射させる光入射平面とを有する第２レンズと、凸面と凹面との接合部に設けられるハーフミラーと、光射出平面に設けられ、光の偏光状態に応じて透過または反射を選択的に行う透過反射選択部材とを備える。

上記虚像表示装置では、第１レンズと第２レンズとを接合した構成とした上で、第１レンズの光射出側と第２レンズの光入射側とを平面とすることで、小型化あるいは薄型化を実現している。また、平面とすることで、例えば光を折り返すための光学素子等種々の光学素子を取り付けやすいものにできる。また、映像素子からの光の入射角度の条件についても例えば凸球面レンズのような曲面を有するレンズの場合に比べて緩和可能になる。一方、光路中においてハーフミラーを凸面と凹面との接合部に設けることで、光路の折り曲げに際してパワーを持たせることで、広画角な画像形成が可能となる。

実施形態に係る虚像表示装置と、その映像光の光路について概念的に説明するための側方断面図である。 拡大光学系の構成について説明するための分解図である。 虚像表示装置の一例における光線図である。 虚像表示装置の他の一例における光線図である。 虚像表示装置のさらに他の一例における光線図である。 比較例の虚像表示装置の一例における光線図である。 第１レンズと第２レンズとでの屈折率の差と、曲率半径やペッツバール和との関係を示すグラフである。 第１レンズと第２レンズとでの屈折率の差と、収差の関係を示すグラフである。 硝材と縦色収差との関係を示すグラフである。 色分散の様子を説明するための光線図である。 一変形例の虚像表示装置を構成する光学系について示す概念的な側面図である。 他の一変形例の虚像表示装置を構成する光学系について示す概念的な側面図である。 別の一変形例の虚像表示装置について示す概念的な側方断面図である。

以下、図１等を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。

図１に概念的に示すように、本実施形態の虚像表示装置１００は、映像素子（画像表示部）である画像表示装置１０と、拡大光学系２０とを備え、虚像表示装置１００を装着した観察者又は使用者に対して虚像による画像光（映像光）を視認させることができる虚像表示装置、すなわちヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）である。ここで、図１は、虚像表示装置１００を観察者が装着した場合の側方から見た様子を概念的に示しており、虚像表示装置１００における光学系の光軸ＡＸがＺ方向となっているものとする。さらに、Ｚ方向に対して垂直な面の面内方向のうち、水平方向すなわち左右方向をＸ方向とし、面内方向のうち、Ｘ方向に垂直な方向をＹ方向とする。この場合、観察者の左右の眼の並ぶ方向として想定される水平方向がＸ方向となる。そして、水平方向に直交する方向である観察者にとっての上下方向が垂直方向であり、Ｙ方向となる。また、図示において、観察者の眼ＥＹの位置は、虚像表示装置１００の構成上、観察者の眼ＥＹのある場所として想定される瞳の位置となっている。

なお、画像表示装置１０及び拡大光学系２０は、右眼用と左眼用とについてそれぞれ用意される左右一対構成であるが、左側の構造と右側の構造とが対称性を有することから、ここでは、省略して左右のうち一方（左眼用）のみを示している。すなわち、図１において、＋Ｘ側が外側（耳側）であり、－Ｘ側が内側（鼻側）である。なお、虚像表示装置１００は、左右一対の一方のみ、すなわち単独でも虚像表示装置として機能する。また、左右一対構成とせず、単眼用に虚像表示装置を構成することも可能である。

以下、虚像表示装置１００による映像光の導光をするための各部の構造等についての一例を概念的に説明する。

画像表示装置１０は、画像形成を行う主要な本体部分である映像光ＧＬを射出するパネル部１１と、パネル部１１の光射出面１１ａを覆うカバーガラスＣＧとを備える。ここでは、画像表示装置１０は、小型のものを採用し、図示のように、画像表示装置１０は、光軸ＡＸについて垂直な方向に関して、少なくとも拡大光学系２０よりも小さい構成となっている。具体的には、例えば、図示の例において、画像表示装置１０の画像表示領域のサイズは、後述する拡大光学系２０第２レンズＬ２の光学面のサイズよりも小さいものとなっていることは明らかである。

パネル部１１は、例えば有機ＥＬ等の自発光型の素子（ＯＬＥＤ）で構成される映像素子（映像表示素子）とすることができる。また、例えば透過型の空間光変調装置である映像表示素子（映像素子）のほか、映像表示素子へ照明光を射出するバックライトである照明装置（不図示）や動作を制御する駆動制御部（不図示）を有する構成としてもよい。

ここで、高精細化等の観点から、画像表示装置１０のパネル部１１に用いる映像素子として、例えばマイクロディスプレイ等の小型のものを採用することが望ましい場合が考えられる。高精細化を実現するためには、例えばＨＴＰＳやＳｉバックプレーンを使った液晶パネル、あるいはＯＬＥＤパネルを適用する必要があり、これらは、パネルサイズとパネル単価とに比例関係があるからである。つまり、製品コストを下げる等の実用的観点から、より小さなパネルを適用する必要がある。しかしながら、広画角化を図りつつパネルをより小型化しようとする、すなわち、より小さいパネルサイズを適用しようとすると、光学系の焦点距離も小さくする必要がある。つまり、レンズの曲率半径を小さくする必要がある。この場合、広視野角側の光の成分において、レンズ面での全反射条件の制限から、強い曲率の形状にできず、思うようなパネルサイズの縮小化が図れない可能性がある。本実施形態の虚像表示装置１００では、このような点を考慮して、パネル部１１の小型化を実現している。

図１及び図２に示すように、拡大光学系２０は、観察者側から順に接合されて並ぶ２つの第１及び第２レンズＬ１，Ｌ２に加え、光入射側に偏光板１２と入射側偏光変換部材１３とを備え、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との接合箇所にハーフミラー２１を備え、光射出側に透過反射選択部材３０を備える。透過反射選択部材３０は、射出側偏光変換部材２２と、半透過反射型偏光板２３とで構成される。なお、第１及び第２レンズＬ１，Ｌ２は、ガラスレンズである。

まず、第１レンズＬ１は、拡大光学系２０を構成するレンズのうち、観察者の眼前側すなわち眼ＥＹに近い－Ｚ側において、映像光ＧＬを装置外部へ取り出す取出し位置に配置され、眼前側に光射出平面ＳＥを有し、光射出平面ＳＥの反対側である画像表示装置１０側に凸面ＣＶを有する平凸レンズである。第１レンズＬ１は、画像を十分に広画角なものとすべく、例えば屈折率１．８以上の高屈折レンズとなっている。また、凸面ＣＶは球面となっている。すなわち、第１レンズＬ１は、球面平凸レンズである。なお、以下において、屈折率の値については、ｎｄの値を示すものとする。また、アッベ数の値については、νｄの値を示すものとする。

次に、第２レンズＬ２は、第１レンズＬ１よりも画像表示装置１０側に配置され、眼前側に凹面ＣＣを有し、凹面ＣＣの反対側である画像表示装置１０側に画像表示装置１０からの映像光ＧＬを入射させる光入射平面ＳＩを有する平凹レンズである。第２レンズＬ２の屈折率は、第１レンズＬ１の屈折率と同じか第１レンズＬ１の屈折率よりも小さくなっている。また、凹面ＣＣは、第１レンズＬ１の凸面ＣＶに対応する曲面形状の球面を有するものとなっている。すなわち、第２レンズＬ２は、球面平凹レンズである。

第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とは、凸面ＣＶと凹面ＣＣとで接合され、接合部ＣＮを形成している。

また、光射出平面ＳＥと光入射平面ＳＩとは、ともに、画像表示装置１０の光射出面１１ａに対して平行である．図示の例では、ＸＹ面に対して平行となっている。なお、ここでの平行についての許容範囲としては、例えば±２°以内とすることが考えられる。

ハーフミラー２１は、映像光の一部を透過させるとともに他の一部を反射させる半反射半透過膜であり、例えば、誘電体多層膜や金属膜等で構成される。図示のように、ハーフミラー２１は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との間に形成されている。すなわち、接合部ＣＮに設けられている。したがって、ハーフミラー２１は、観察者側から見て凹の曲面形状となっている。

ここで、ハーフミラー２１あるいは接合部ＣＮの形成について一例を説明する。図２の分解図において拡大光学系２０の構成を例示するように、まず、第１レンズＬ１の凸面ＣＶ上にハーフミラー２１となるべき膜が蒸着により成膜される。次に、成膜されたハーフミラー２１の膜と第２レンズＬ２の凹面ＣＣとを接着剤により接着させ、これが固化して接着膜ＡＤを形成することで、接合部ＣＮが形成される。なお、詳しくは後述するが、接着膜ＡＤを第１レンズＬ１側ではなく第２レンズＬ２側に設けることで、映像光ＧＬの拡大光学系２０の通過に際して、接着膜ＡＤの通過回数を少なくできる。

偏光板１２は、入射側偏光変換部材１３を介して第２レンズＬ２の光入射平面ＳＩ上に貼り付けられており、拡大光学系２０のうち最も画像表示装置１０側に位置している。偏光板１２は、透過型偏光板であり、画像表示装置１０からの映像光ＧＬの通過に際して、映像光ＧＬのうち直線偏光の成分を抽出する部材である。

入射側偏光変換部材１３は、１／４波長板すなわちλ／４板であり、通過する光の偏光状態を変換する。図示のように、第２レンズＬ２の光入射平面ＳＩに貼り付けられている。また、偏光板１２の光路下流側に位置し、偏光板１２を経て直線偏光となった映像光ＧＬを円偏光にする。

透過反射選択部材３０は、既述のように、射出側偏光変換部材２２と、半透過反射型偏光板２３とで構成されており、光の偏光状態に応じて透過または反射を選択的に行う。

透過反射選択部材３０のうち、射出側偏光変換部材２２は、１／４波長板すなわちλ／４板であり、通過する光の偏光状態を変換する。図示のように、偏光変換部材２２は、第１レンズＬ１の光射出平面ＳＥに貼り付けられ、第１レンズＬ１と半透過反射型偏光板２３との間に設けられている。偏光変換部材２２は、半透過反射型偏光板２３とハーフミラー２１との間を往復する成分の偏光状態を変換する。ここでは、１／４波長板である偏光変換部材２２は、円偏光の状態にある映像光ＧＬを直線偏光に変換したり、あるいは、逆に、直線偏光の状態にある映像光ＧＬを円偏光に変換したりする。

透過反射選択部材３０のうち、半透過反射型偏光板２３は、射出側偏光変換部材２２を介して光射出平面ＳＥに貼り付けられている。すなわち、半透過反射型偏光板２３は、観察者の眼ＥＹの位置として想定される瞳の位置に一番近い側に配置される部材であり、映像光ＧＬを観察者の眼前側へ射出させる。ここでは、半透過反射型偏光板２３は、反射型のワイヤーグリッド偏光板で構成されるものとする。つまり、半透過反射型偏光板２３は、入射する成分の偏光の状態が偏光透過軸の方向であるか否かによって、透過・反射の特性を変える。この場合、半透過反射型偏光板２３の光路上流側に偏光変換部材２２が配置されていることで、偏光変換部材２２を経るたびに光の偏光状態が変化し、半透過反射型偏光板２３は、その変化に応じて入射する成分を透過させたり反射したりする。ここでは、一例として、観察者の眼の並ぶ方向として想定される水平方向（Ｘ方向）を偏光透過軸の方向とする。なお、反射型のワイヤーグリッド偏光板で構成される半透過反射型偏光板２３については、入射する成分の偏光の状態に応じて透過・反射の特性を変えることから、反射型偏光板と呼ぶこともある。

透過反射選択部材３０は、上記のような射出側偏光変換部材２２及び半透過反射型偏光板２３で構成されることにより、光の偏光状態を変化させつつこれに応じて光の透過または反射を選択的に行うことを可能としている。

以上のように、本実施形態の虚像表示装置１００は、拡大光学系２０において、光学系の主要部となるレンズを２枚構成とし、かつ、これらを接合させて空気間隔を設けない構成とし、さらに、レンズの表面である光入射平面ＳＩ及び光射出平面ＳＥを平面としている。これにより、特に、光軸方向に沿って短くすることができ、小型化あるいは薄型化を可能としている。また、光入射平面ＳＩ及び光射出平面ＳＥは平面であるから、これらの面に、上述したように、偏光板や１／４波長板、反射型のワイヤーグリッド偏光板といったものを、各種光学シートとして直接容易に貼り合せることが可能となり、部品点数の削減、光学部品の小型化、性能の向上を図ることができる。

以下、図１を参照して、映像光ＧＬの光路について概略説明する。まず、画像表示装置１０のパネル部１１で変調された映像光ＧＬは、拡大光学系２０に向けて射出される。射出された映像光ＧＬは、拡大光学系２０のうち最も画像表示装置１０側に位置する透過型偏光板である偏光板１２において、直線偏光に変換される。ここでは、偏光板１２を通過した後の直線偏光の偏光方向を第１方向とする。

映像光ＧＬは、偏光板１２で第１方向の直線偏光に変換された後、第１の１／４波長板である入射側偏光変換部材１３により円偏光に変換され、光入射平面ＳＩから第２レンズＬ２に入射する。その後、映像光ＧＬは、第２レンズＬ２と第１レンズＬ１との界面すなわち接合部ＣＮに設けられたハーフミラー２１に達する。映像光ＧＬのうち一部の成分が、ハーフミラー２１を通過し、第２の１／４波長板である偏光変換部材２２にて直線偏光に変換される。ここでの直線偏光の偏光方向は、偏光板１２の通過後、１／４波長板を２回通過しているため、第１方向に対して９０°異なる方向となっている。ここでは、この方向を第２方向とする。映像光ＧＬは、偏光変換部材２２で第２方向の直線偏光に変換された後、半透過反射型偏光板２３あるいは反射型偏光板に到達する。

ここで、半透過反射型偏光板２３は、第１方向の直線偏光については透過させ、第２方向の直線偏光については反射するように設定されているものとする。見方を変えると、偏光板１２の透過特性や半透過反射型偏光板２３の透過反射選択特性が、そのように構成されている。この場合、第２方向の直線偏光である映像光ＧＬは、半透過反射型偏光板２３にて反射され、再び１／４波長板である偏光変換部材２２にて円偏光となり、ハーフミラー２１に達する。ハーフミラー２１において、映像光ＧＬのうち一部の成分はそのまま透過するが、残りの成分は反射され、反射された映像光ＧＬの成分は、１／４波長板である偏光変換部材２２で今度は第１方向の直線偏光に変換される。第１方向の直線偏光となっている映像光ＧＬの成分は、半透過反射型偏光板２３を通過し、映像光ＧＬは、観察者の眼ＥＹのある場所として想定される瞳の位置に達する。

なお、既述のように、ハーフミラー２１は、まず、第１レンズＬ１側に蒸着されており、その後、接着膜ＡＤを介して第２レンズＬ２に接着固定される構成となっている。したがって、映像光ＧＬは、上記光路上のうち、半透過反射型偏光板２３で反射された後は、接着膜ＡＤを通過することなく、ハーフミラー２１で反射されることになる。つまり、接着膜ＡＤの通過は、最初の第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との間を通過する際の１回のみとなるように構成されている。以上のように、接着膜ＡＤの通過を極力削減することで、映像光ＧＬの成分量の低下や劣化を抑制している。

以上のように、本実施形態の虚像表示装置１００は、拡大光学系２０において、ハーフミラー２１や透過反射選択部材３０により映像光ＧＬの光路を折り曲げるとともに、曲面に設けたハーフミラー２１における反射を利用すること等により、映像光ＧＬを広画角なものとすることができる。

ここで、本実施形態の場合、拡大光学系２０では、２つのレンズＬ１，Ｌ２において光入射平面ＳＩ及び光射出平面ＳＥを平面としている。このため、映像光ＧＬを構成する各光線束の光路調整については、２つのレンズＬ１，Ｌ２の接合される曲面部分の箇所が担うことになる。すなわち、この面に形成されているハーフミラー２１での反射作用と、２つのレンズＬ１，Ｌ２間での屈折率の差等による屈折作用によって光路調整がなされている。

図３は、虚像表示装置１００の一例における光線図であり、２つのレンズＬ１，Ｌ２について、異なる屈折率硝材として、第１レンズＬ１に屈折率ｎ_１＝２．００となるもの、第２レンズＬ２に屈折率ｎ_２＝１．５５となるものを用いた場合を例示している。つまり、第１レンズＬ１の屈折率ｎ_１は、第２レンズＬ２の屈折率ｎ_２よりも大きいものとなっている。なお、各硝材のアッベ数は、第１レンズＬ１については、アッベ数ν_１＝２９．１、第２レンズＬ２については、アッベ数ν_２＝７５．５となっている。

また、図示のように、ここでは、画像表示装置１０の画像表示領域のサイズに相当するパネルサイズの一辺の長さを長さＬＬ１とし、拡大光学系２０の光軸方向の全長を長さＬＤ１とし、拡大光学系２０から眼ＥＹの位置までの距離であるアイレリーフの長さを長さＬＥ１とし、眼ＥＹの位置におけるアイリングの径を径ＲＥ１とする。

これらのうち、パネルサイズの一辺の長さＬＬ１については、小型化の要請の観点からは、２．５インチ以下、さらには、１インチ以下（より望ましくは、１２～１３ｍｍ程度）とすることが望ましい。本実施形態では、画像表示装置１０としてマイクロディスプレイのような小型パネルを用い、これによる画像を拡大光学系２０で拡大して広画角な画像形成を可能としている。ここでの値としては、一辺の長さＬＬ１＝０．８インチとする。

また、ＨＭＤ等の虚像表示装置においては、広画角化が進んでおり、光学系は非常に焦点距離の短いものとなる。ここでは、ＦＯＶについて、半画角を５０°すなわち全画角を１００°とする。以上を満たすべく、上記各寸法は、拡大光学系２０の全長の長さＬＤ１＝１４ｍｍ、アイレリーフの長さＬＥ１＝１０ｍｍ、アイリングの径ＲＥ１＝６ｍｍとなっている。また、レンズ面の曲率半径すなわち第１レンズＬ１の凸面ＣＶ及び第２レンズＬ２の凹面ＣＣの曲率半径は、４４．２ｍｍとなっている。

図４Ａは、虚像表示装置１００の他の一例における光線図であり、２つのレンズＬ１，Ｌ２について、異なる屈折率硝材として、第１レンズＬ１に屈折率ｎ_１＝１．９５となるもの、第２レンズＬ２に屈折率ｎ_２＝１．８２となるものを用いた場合を例示している。また、各硝材のアッベ数は、第１レンズＬ１については、アッベ数ν_１＝３２．３、第２レンズＬ２については、アッベ数ν_２＝２４．１となっている。この場合、ν_１＞ν_２の関係となっている。

異なる屈折率硝材を用いるものとして、図３や図４Ａに例示した場合のほか、例えば、第１レンズＬ１に屈折率ｎ_１＝１．８５、アッベ数ν_１＝４０となるものを用い、第２レンズＬ２に屈折率ｎ_２＝１．５０、アッベ数ν_１＝８２となるものを用いることも考えられる。

一方、図４Ｂは、虚像表示装置１００のさらに他の一例における光線図であり、２つのレンズＬ１，Ｌ２について、同一の高屈折率硝材として、屈折率ｎ＝２．０となるものを用いた場合を例示している。

図３や図４Ａ等の場合、レンズ面の面形状や２つのレンズＬ１，Ｌ２についての屈折率の差を利用することで、上記のような画角となる画像光すなわち映像光ＧＬの光路形成がなされる。

一方、図４Ｂの場合、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とで同材料を適用しているため、２つのレンズＬ１，Ｌ２間の接合面であるレンズ面での屈折は生じず、もっぱら当該レンズ面での反射作用により上記のような映像光ＧＬの光路形成を行っている。ただし、この場合、屈折作用が生じないため、色収差を抑えることが可能となる。

また、上記各図の場合において、当該レンズ面を球面レンズとしていることで、より高屈折な材料を適用することができる。より高屈折な材料を適用することで、レンズ面の曲率を抑えることができる場合には、ペッツバール曲率を抑制でき、像面湾曲を低減することも可能となると考えられる。なお、適用する材料により、レンズ面の曲率に関する調整や、屈折と反射の作用とによる光学系全体におけるペッツバール曲率を集積したペッツバール和を小さくすること等が検討でき、これについて詳しくは後述する。

図５は、比較例の虚像表示装置の一例における光線図である。比較例の虚像表示装置１００では、本実施形態の場合と異なり、１枚のレンズで光学系が構成されている。具体的に説明すると、図５のレンズＬ１は、平凸レンズであり、平面側に透過反射選択部材３０を有し、凸面側にハーフミラー２１を有しているものとする。また、偏光板１２及び入射側偏光変換部材１３を、画像表示装置１０側に設けられているものとする。以上のような場合、映像光の光路については、他の図の場合と同様に折り返したものとなる。しかしながら、図５の構成では、例えば本願と同様の画像形成をしようとすると、例えば半角すなわち片側ＦＯＶ５０°の光線、すなわち一番上の光線が、図の一部を拡大して示すように、第１レンズＬ１のレンズ面に入射する際に、全反射条件を満たすぎりぎりの状態となる。具体的には、レンズＬ１について、屈折率２．０である場合、曲率半径Ｒ＝－５４ｍｍが全反射条件を満たす限界である。この場合、焦点距離を小さくするのにも限界が生じ、例えば本願のようなパネルサイズを小さな構成とすることは困難となる。また一方で、図５の場合、レンズ面がレンズと空気との境界であるため屈折時の作用が大きく、屈折時と反射時の両方を合わせれば強いパワーを生じさせることが可能となるが、その分、周辺部では強い像面湾曲と色収差を生じさせることにもなる。これに対して、本願では、上記のように、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とを組み合わせることのほか、上述した種々の構成を有することで、図５の比較例に示す凸球面レンズである第１レンズＬ１のような曲面を有するレンズを用いる場合に比べて、光の入射角度に関する要件が緩和されている。

以上のように、本実施形態では、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とを接合した構成とした上で、第１レンズＬ１の光射出側である光射出平面ＳＥと第２レンズＬ２の光入射側である光入射平面ＳＩとを平面とすることで、小型化あるいは薄型化を実現している。また、平面とすることで、例えば光を折り返すための透過反射選択部材３０等の種々の光学素子を取り付けやすいものにできる。また、画像表示装置１０からの光の入射角度の条件についても例えば凸球面レンズのような曲面を有するレンズの場合に比べて緩和可能になる。一方、光路中においてハーフミラー２１を凸面ＣＶと凹面ＣＣとの接合部ＣＮに設けることで、光路の折り曲げに際してパワーを持たせることで、広画角な画像形成が可能となる。

以下、図６等を参照して、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とに適用する硝材に関して考察する。

なお、図６は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とでの屈折率の差と、曲率半径やペッツバール和との関係を示すグラフである。図７Ａは、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とでの屈折率の差と、収差の関係を示すグラフである。図７Ｂは、硝材と縦色収差との関係を示すグラフである。

まず、前提として、本実施形態の構成では、光学面が少なく、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２によって各収差を抑制することが非常に困難である。つまり、ザイデルの５収差すなわち、球面、コマ、非点、像面湾曲、ディスト―ションと、色収差との全てを抑制することは、事実上不可能となる。また、上記のような広画角な設定では、画角と像高の関係から光学系の焦点距離は約６ｍｍとなり、新たにレンズを追加することも難しい。そのため、ここでは、画像処理で補正可能な収差であるディスト―ションと横色収差については光学系での収差補正は行わず、球面、コマ、非点、像面湾曲、縦色収差の抑制を優先的に検討する。

ここで、周辺画角での画像認識について、考察する。まず、人間の有効視野（眼球運動だけで瞬時に情報受容できる領域）は、水平±３０°、垂直±２０°とされており、この範囲に相当する領域である有効視野領域では、頭部を動かすことなく細かな情報を読み取れるため、ＨＭＤの解像性能も高い性能が要求される。つまり、ＦＯＶ±３０°までの周辺画角の領域については、球面、コマ、非点、像面湾曲の収差抑制が必要ということになる。

一方、各レンズの曲率が大きくなる（曲率半径が小さくなる）ほど、強い収差が生じる。曲面形状によって例えば焦点距離６ｍｍを実現しようとすると、強いパワーの光学面が必要となる、すなわち曲率を大きくせざるを得なくなる。そこで、上記では、第１レンズＬ１の屈折率ｎ_１をより大きくすることによって、同じパワーでも曲率を小さくすることを可能としつつ、さらに収差を抑制することを可能としている。

また、補正対象とする収差の中でも影響の大きいのが像面湾曲である。像面湾曲を抑えるためにはペッツバール和を０に近づける必要がある。各光学面でのパワーφ_ｉ、入射側屈折率ｎ_ｉ、出射側屈折率ｎ_ｉ＋１とし、焦点距離ｆとすると、ペッツバール和は

で表すことができる。

また、パワーφ_ｉは、透過面および凹面鏡において、それぞれ

で表すことができる。

ここでは、虚像表示装置１００における光学系の焦点距離ｆを、ｆ＝６ｍｍで固定して、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２との屈折率を変えた際のレンズ曲率半径とペッツバール和について検証する。

既述のように、図６では、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とでの屈折率の差と、曲率半径やペッツバール和との関係を示している。図６中の左側のグラフにおいて、横軸は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とでの屈折率の差を示し、縦軸は、上記ｆ＝６ｍｍの設定で必要となる曲率半径を示している。各曲線Ｃ１～Ｃ３は、第１レンズＬ１の屈折率ｎ_１を、１．９、１．７５、１．６とした場合の様子をそれぞれ示している。

上記グラフによると、第１レンズＬ１の屈折率を大きくするほど曲率半径を抑えることが可能となることが分かる。これは、第１レンズＬ１の屈折率ｎ_１を大きくすることによって、より大きな曲率半径でも同じパワーを生じさせることに相当することを意味している。また、第１レンズＬ１の屈折率よりも第２レンズＬ２の屈折率を小さくするほど、曲率半径を小さくすることができる。これは、第２レンズＬ２から第１レンズＬ１に入射する際に両者の屈折率差によって正のパワーが生じるためである。光学系全体としては、第１レンズＬ１の曲面の透過時と第１レンズＬ１の曲面での反射時との両方で正のパワーが生じることで、より大きなパワーを生じさせることができるようになっている。

図６中の右側のグラフにおいて、横軸は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とでの屈折率の差を示し、縦軸は、ペッツバール和を示している。各曲線Ｑ１～Ｑ３は、第１レンズＬ１の屈折率ｎ_１を、１．９、１．７５、１．６とした場合の様子をそれぞれ示している。

上記グラフによると、第１レンズＬ１の屈折率を大きくすればするほど、また、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とでの屈折率差を大きくするほど、ペッツバール和もゼロに近くなっている。これは、上記のように、屈折率差を大きくするほど曲率半径が小さくなることで、ペッツバール和もゼロに近づくためである。

また、既述のように、図７Ａは、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２とでの屈折率の差と、画角に応じたパネル面での像面湾曲の発生との関係を示す縮小側収差図である。

図７Ａでは、第１レンズＬ１の屈折率をｎ_１＝１．９とした場合に対して、第２レンズＬ２の屈折率をｎ_２＝１．９、１．７、１．５とした場合の像面湾曲の状態をそれぞれ示し、比較可能にしている。図７Ａから、像面湾曲について、視野角３０°以下の有効視野領域では、屈折率ｎ_２＝１．７～１．５付近である程度抑えられていることが分かる。ただし、有効視野領域よりも周辺側の非近軸領域となる周辺視野領域では、大きく像面湾曲が生じる。また、広視野角領域では非点収差が大きくなる傾向があるが、屈折率差を大きくするほど同じ視野角でも非点収差が大きくなる。

以上から、図６に示したように、ペッツバール和は、屈折率を大きくするほど抑えられるものの、非点収差や、広視野角領域での像面湾曲を考えると、上記の例示の中では、ｎ_１＝１．９／ｎ_２＝１．６が、最も収差の程度が良い状態となると考えられる。また、以上に示した事項を加味すると、１つの考えとしては、ある程度以上の屈折率の差を設けることが重要であることが分かる。特に、図３等に例示した事項からは、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２との屈折率の差は、０．４以上であることが望ましいと考えられる。一方、状況によっては、ある程度の屈折率の差を有しつつもある程度の差の範囲内としておくことも有効な場合もあると考えられる。この場合、第１レンズＬ１と、第２レンズＬ２との屈折率の差は、０．３以上０．５以下であることが望ましいと考えられる。

また、本構成では、第１レンズＬ１の屈折率ｎ_１が、１．８以上であることが望ましい。屈折率ｎ_１が１．８以上とすることによって、上記設定において、有効視野領域の像面湾曲を０．１５ｍｍ以下に抑えることができ、実用上必要な解像性能を確保することが可能となる。

さらに、第１レンズＬ１のアッベ数ν_１と、第２レンズＬ２のアッベ数ν_２とについて、を、ν_１＞ν_２となるように材料を選定することで、縦色収差を抑制できる構成とすることが考えられる。

図７Ｂは、既述のように、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２の硝材と縦色収差との関係を示している。図７Ｂにおいて、曲線Ｐ１で特性が示される第１レンズＬ１の硝材は、屈折率ｎ_１＝１．８２、アッベ数ν_１＝３３．３である。これに対して、曲線Ｐ２で特性が示される第２レンズＬ２の硝材は、屈折率ｎ_２＝１．８１、アッベ数ν_２＝２４．１である。このように、第２レンズＬ２の硝材として、第１レンズＬ１の硝材とにほぼ同屈折率で異なるアッベ数の硝材を適用した場合に、上記の例のように、第１レンズＬ１の硝材よりも小さなアッベ数の硝材を第２レンズＬ２に用いると、縦色収差がほとんど解消できる場合があることが分かる。

なお、図８は、アッベ数の状況に応じたＲＧＢ各波長ごとの色分散の様子を示した光線図を示す。本光線図では、射出瞳側から光線追跡を実施した場合に生じた色分散の様子を示している。両レンズのアッベ数が同じ場合、第２レンズＬ２の平面での屈折時のみで軸上色収差の原因となる分散が生じる。そのため、図８では、当該平面での色収差が生じている。このような色収差を打ち消すべく、ν１＞ν２となるように材料を適用することで、光学系素子に起因する縦色収差の発生を抑えることが可能となる。

以下、図９Ａ等を参照して、種々の変形例について説明する。

まず、図９Ａは、一変形例の虚像表示装置について示すための図であり、虚像表示装置のうち、拡大光学系２０の概念的な側面図である。図９Ａは、図１に示す虚像表示装置のうち、拡大光学系２０に対応する図である。本変形例では、第２レンズＬ２において、切り欠き部ＣＴを設けている。例えば、図３等に示されるように、本実施形態では、映像光ＧＬは、第１レンズＬ１において最も光線束の幅が広がり、第２レンズＬ２では、比較的狭くなっている。そこで、第２レンズＬ２のうち、例えば映像光ＧＬの光路外であって、かつ、迷光等の発生の要因となる可能性の低いところについては、図示のように一部を切り欠くことで、第２レンズＬ２の軽量化を図ることができる。なお、切り欠き部ＣＴの形状については、種々考えられ、他の部材の機能が確保できれば、例えば、図９Ｂに示す他の一変形例のように、ハーフミラー２１の一部露出するような切り方も考えられる。なお、この場合、例えばハーフミラー２１を金属膜で構成する、といったことが考えられる。

また、上記では、偏光板１２と入射側偏光変換部材１３とを拡大光学系２０側に設ける構成としているが、例えば図１０に示すように、画像表示装置１０側にこれらを設ける構成としてもよい。

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

上記において、画像表示装置１０としては、例えば有機ＥＬ等の自発光型の素子（ＯＬＥＤ）で構成されるものとしているが、この場合において、例えば円偏光の映像光を射出するものを採用し、偏光板や１／４波長板を省略するものとしてもよい。

また、上記では、第１レンズＬ１及び第２レンズＬ２をガラスレンズとしているが、要件等によっては、樹脂レンズを適用することも可能であり、例えば、ゼロ複屈折性の樹脂レンズまたは低複屈折性の樹脂レンズ（すなわち配向複屈折±０．０１以下、または、光弾性定数１０［１０^－１２／Ｐａ］以下の樹脂レンズ）のいずれかで構成し、複屈折を生じにくいものとすることも考えられる。

また、画像表示装置１０としては、透過型の液晶表示デバイスとしてのＨＴＰＳのほか、上位以外にも種々のものを利用可能であり、例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。

また、各レンズのレンズ面に適宜ＡＲコートを設けることで、ゴースト光の発生等をさらに抑制するものとしてもよい。

また、本願発明の技術を、画像光のみを視認させるいわゆるクローズ型（シースルーでない）タイプの虚像表示装置のほか、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができるものに採用したり、ディスプレイと撮像装置とで構成されるいわゆるビデオシースルーの製品に対応させたりするものとしてもよい。

また、本願発明の技術を、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイ等に適用することもできる。

また、上記において、映像光の一部を透過させるとともに他の一部を反射させる半反射半透過膜で構成されるハーフミラー２１を設けた箇所については、これに代えて例えば体積ホログラム等の回折素子といった光学機能面を設けることで、ハーフミラー２１による作用と同等の役割を果たすようにすることも考えられる。

１０…画像表示装置、１１…パネル部、１１ａ…光射出面、１２…偏光板、１３…入射側偏光変換部材、２０…拡大光学系、２１…ハーフミラー、２２…射出側偏光変換部材、２３…半透過反射型偏光板、３０…透過反射選択部材、１００…虚像表示装置、ＡＤ…接着膜、ＡＸ…光軸、Ｃ１-Ｃ３…曲線、ＣＣ…凹面、ＣＧ…カバーガラス、ＣＮ…接合部、ＣＴ…切欠き部、ＣＶ…凸面、ＥＹ…眼、ｆ…焦点距離、ＧＬ…映像光、Ｌ１…第１レンズ、Ｌ２…第２レンズ、ｎ，ｎ１，ｎ２…屈折率、Ｐ１，Ｐ２…曲線、Ｑ１-Ｑ３…曲線、Ｒ…曲率半径、ＬＬ１，ＬＤ１，ＬＥ１…長さ、ＲＥ１…径、ＳＥ…光射出平面、ＳＩ…光入射平面、ν１，ν２…アッベ数、φｉ…パワー

Claims (9)

1. 画像を表示する映像素子と、
   映像光の取出し位置に配置され、映像光を射出させる光射出平面と、前記映像素子側に形成される凸面とを有する第１レンズと、
   前記第１レンズよりも前記映像素子側に配置され、前記第１レンズの前記凸面に接合する凹面と、前記映像素子からの映像光を入射させる光入射平面とを有する第２レンズと、
   前記凸面と前記凹面との接合部に設けられるハーフミラーと、
   前記光射出平面に設けられ、光の偏光状態に応じて透過または反射を選択的に行う透過反射選択部材と、
   を備え、
   前記第１レンズの屈折率は、前記第２レンズの屈折率よりも大きい、虚像表示装置。
2. 前記光射出平面と前記光入射平面とは、前記映像素子の光射出面に対して平行である、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記ハーフミラーは、前記凸面に蒸着して設けられる、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記透過反射選択部材は、通過する光の偏光状態を変換する射出側偏光変換部材と、前記偏光変換部材を経た光の偏光状態に応じて透過または反射させる半透過反射型偏光板とを備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
5. 前記光入射平面に設けられ、通過する光の偏光状態を変換する入射側偏光変換部材を備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記第１レンズ及び前記第２レンズは、ガラスレンズであり、前記凸面と前記凹面とは、球面である、請求項１～５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記映像素子の画像表示領域のサイズは、前記第２レンズの光学面のサイズよりも小さい、請求項１～６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記映像素子は、画像表示領域の一辺の長さを２．５インチ以下とするマイクロディスプレイである、請求項７に記載の虚像表示装置。
9. 前記第２レンズは、切り欠き部を有する、請求項１～８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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