JP7153809B1 - 光学装置 - Google Patents

Abstract

光学装置１００は、画像を形成する画像光５０を出力する表示器１１０、画像を拡大する光学系３００であり、表示器１１０の光軸Ｌ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、反射型偏光板３２１は、画像光の少なくとも一部を透過又は反射し、ハーフミラー面３１１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、画像光の少なくとも一部を透過又は反射する、光学系３００、レンズ３１０（ハーフミラー面３１１）に対してフィルタ３２０（反射型偏光板３２１）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。

Description

本発明は、画像の拡大虚像を生成する光学装置に関する。

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

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

（項目１）
画像の拡大虚像を生成する光学装置であってよい。
光学装置は、画像を形成する画像光を出力する表示器を備えてよい。
光学装置は、画像を拡大する光学系であり、光学系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透過反射面を有し、第１透過反射面及び第２透過反射面のそれぞれが、画像光の少なくとも一部を透過又は反射する、光学系を備えてよい。
光学装置は、第２透過反射面に対して、第１透過反射面を光軸に沿って移動する移動装置であり、表示器及び第２透過反射面を保持する第１ホルダと、第１ホルダに対して、第１透過反射面を保持して駆動可能に支持される第２ホルダと、第１透過反射面を第１ホルダとの間に収容するカバーと、を含む、移動装置を備えてよい。
第２ホルダは、カバーと第１透過反射面との間の空間と、第１透過反射面と第２透過反射面との間の空間と、を連通する穴部、溝部、及び／又はカバーとの間の間隙を有してよい。
（項目２）
カバーは、第１ホルダとの間に設けられるシール部材を有してよい。
（項目３）
第１透過反射面は、第２透過反射面を透過した画像光の少なくとも一部を反射するとともに、第２透過反射面で反射した画像光の少なくとも一部を透過してよい。
（項目４）
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ってよい。
（項目５）
第２透過反射面は、表示器から送られる画像光の少なくとも一部を透過するとともに、第１透過反射面で反射して戻る画像光の一部を反射してよい。
（項目６）
第２透過反射面は、ハーフミラー面であってよい。
（項目７）
光学系は、さらに、レンズ素子を有してよい。
第２透過反射面は、レンズ素子の表示器側の一面に設けられてよい。
（項目８）
第２透過反射面は、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ってよい。
（項目９）
第２透過反射面の曲面角度の変化量は、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してよい。
（項目１０）
第１ホルダは、表示器及び第２透過反射面の相対位置関係を維持してよい。
（項目１１）
移動装置は、さらに、第２透過反射面に対して表示器を光軸に沿って移動してよい。
第１ホルダは、表示器及び第２透過反射面をそれぞれ保持して互いに接近及び離間する２つの副ホルダを有してよい。

（項目１２）
画像の拡大虚像を生成する光学装置であってよい。
光学装置は、画像を形成する画像光を出力する表示器を備えてよい。
光学装置は、画像を拡大する光学系であり、光学系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透過反射面を有し、第１透過反射面は、画像光の少なくとも一部を透過又は反射し、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、画像光の少なくとも一部を透過又は反射する、光学系を備えてよい。
光学装置は、第２透過反射面に対して、第１透過反射面を光軸に沿って移動する移動装置を備えてよい。

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。

本実施形態に係る光学装置の構成を概略的に示す。 レンズのハーフミラー面（ＨＭ）の面形状の一例を示す。 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。 移動装置の全体構成を示す。 移動装置の分解構成を示す。 移動装置の組み立て状態を示す。 移動装置の内部構成を、第２ホルダに設けられた孔部を中心に示す。 移動装置によるフィルタ移動の原理（フィルタ繰り出し）を示す。 移動装置によるフィルタ移動の原理（フィルタ移動）を示す。 移動装置によるフィルタ移動の原理（フィルタ退避）を示す。 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。 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。 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。 光学装置における光線区間の定義を示す。 図７Ａに示した各光線区間における光線のコーン角を示す。 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。 各ジオプタについて、エアー距離に対する表示面位置と表示器発光面位置とのずれを示す。 変形例に係る移動装置の全体構成を示す。 変形例に係る移動装置の分解構成を示す。 変形例に係る移動装置の組み立て状態を示す。 変形例に係る移動装置の内部構成を、第３ホルダに設けられた孔部を中心に示す。 変形例に係る移動装置によるフィルタ移動の原理（フィルタ繰り出し）を示す。 変形例に係る移動装置によるフィルタ移動の原理（フィルタ移動）を示す。 変形例に係る移動装置によるフィルタ移動の原理（フィルタ退避）を示す。

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せの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

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、移動装置４１０、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を介してアイポイント３９上に位置するユーザの眼（片眼）３０に導かれる。ここで、光学系３００の光軸Ｌ上で表示器１１０の側（図面右側）を表示器側、アイポイント３９の側（図面左側）をアイポイント側と呼ぶ。また、画像光５０の偏光は、アイポイント側から表示器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。

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、画像を形成する画像光５０を表示画面から出力する。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。

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に対してアイポイント側に配置され、表示器側からアイポイント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。

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。

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。

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。

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。

なお、上述の回折光学素子２００の構成は一例であり、表示器側からアイポイント側に対して順に重ねられた偏光板及びλ／４板、或いは表示器側からアイポイント側に対して順に重ねられたＧＰＨ素子、λ／４板、偏光板、及びλ／４板を含んでもよい。

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上でそれぞれアイポイント側及び表示器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。

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に対してアイポイント側に配置され、例えば表示器側からアイポイント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。

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。

反射型偏光板３２１は、画像光５０の少なくとも一部を透過又は反射する第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偏光素子である。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。

第２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である。一例として、第２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。

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、単一の両凸レンズであってよく、－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、その表示器側の一面に画像光５０の少なくとも一部を透過又は反射する第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の変化量が連続的に増大又は減少する曲面、特に非球面である。

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を呈し、一例として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。

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。

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。

なお、レンズ３１０に代えて、複数のレンズ、例えば両凸レンズ及び凹メニスカス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。

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のカバーホルダ４３０を回転させてフィルタ３２０を光軸Ｌ方向に駆動してよい。

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３００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。

移動装置４１０は、レンズ３１０（特にハーフミラー面３１１）に対してフィルタ３２０（特に反射型偏光板３２１）を光軸Ｌに沿って移動する装置である。移動装置４１０により、レンズ３１０に対してフィルタ３２０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の構成の詳細については後述する。

筐体４００は、表示器１１０、回折光学素子２００、光学系３００、及び移動装置４１０を収容する。

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。

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。

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。

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からアイポイント側に出力される。

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。

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アイポイント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。

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により反射されて表示器側に出力される。

画像光５０は、レンズ３１０にアイポイント側から入射する。それにより、画像光５０は、半分の強度の画像光５０がレンズ作用を受けて拡大され且つハーフミラー面３１１で反射されてアイポイント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。

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からアイポイント側に出力される。

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、アイポイント側に出力され、そしてユーザの眼３０に導かれる。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに、それぞれ、移動装置４１０の全体構成、分解構成、及び組み立て状態を示す。移動装置４１０は、第１ホルダ４４０、第２ホルダ４２０、カバーホルダ４３０、及びシールリング４３９を含む。なお、図面右側を表示器側、図面左側をアイポイント側とする。また、移動装置４１０の中心軸は、光学系３００の光軸Ｌに重なっている。

第１ホルダ４４０は、表示器１１０、回折光学素子２００、光学系３００のレンズ３１０を保持する固定部材である。第１ホルダ４４０は、底面４４２を有する円筒状に成形され、内面のアイポイント側に段部４４１、外面の表示器側の端部に外向きに張り出すフランジ４４３、フランジ４４３の外面を周回する凸部４４６、底面４４２の中央に矩形状の開口４４４、外面上に光軸Ｌに平行に延びる２つのガイド４４５が形成されている。なお、ガイド４４５は、２つに限らず１つ又は３つ以上形成されてもよい。

表示器１１０は、第１ホルダ４４０の表示器側の端面上に、その表示画面を開口４４４内に位置するように固定される。回折光学素子２００は、底面４４２上に支持されるように、第１ホルダ４４０内に固定される。レンズ３１０は、その縁部が段部４４１上に支持されるように、第１ホルダ４４０のアイポイント側の端部に固定される。このように、表示器１１０、回折光学素子２００、レンズ３１０は、光軸Ｌ方向に関するそれらの相対位置関係を維持して第１ホルダ４４０に保持される。

第２ホルダ４２０は、光学系３００のフィルタ３２０を保持して第１ホルダ４４０に対して駆動可能に支持される可動部材である。第２ホルダ４２０は、第１ホルダ４４０の外径より若干大きい内径を有する円筒状に成形され、内面のアイポイント側から内向きに張り出す支持面４２１が形成されている。フィルタ３２０は、支持面４２１により支持されて、その中央部を第２ホルダ４２０のアイポイント側の開口内に位置決めされる。さらに、第２ホルダ４２０には、３つのカムピン４２８が外面上に互いに周方向に離間して形成され、光軸Ｌに平行に延びるガイド溝４２５が内面上に形成され、第２ホルダ４２０の内外を連ねる孔部４２９が支持面４２１に形成されている。

カバーホルダ４３０は、カバー４３３を保持して第１ホルダ４４０に対して回動する可動部材である。カバーホルダ４３０は、第２ホルダ４２０の外径より若干大きい内径を有する円筒状に成形され、内面のアイポイント側に凸部が内向きに張り出して段部４３１が形成されている。アイポイント側の開口からカバーホルダ４３０内に透光性のカバー４３３が嵌入され、段部４３１上に支持される。さらに、カバーホルダ４３０には、表示器側の端部から光軸Ｌ方向に延び、向きを変えて螺旋状に延びる３つのカム溝４３２が、内面上に互いに周方向に離間して形成されている。また、カバーホルダ４３０には、内面の表示器側に周回する２つの溝４３６，４３７が形成されている。

シールリング４３９は、ゴム等の弾性部材からリング状に形成された部材である。シールリング４３９は、カバーホルダ４３０の溝４３６に嵌入され、移動装置４１０内部をシールする。

移動装置４１０は、次のように組み立てられる。まず、第１ホルダ４４０の外面上のガイド４４５を第２ホルダ４２０の内面上のガイド溝４２５に入れつつ、レンズ３１０を保持した第１ホルダ４４０のアイポイント側の端部を、第２ホルダ４２０の表示器側の開口からその内部に挿入する。次いで、シールリング４３９を、カバーホルダ４３０の溝４３６に嵌入する。そして、第２ホルダ４２０の外面上の３つのカムピン４２８をそれぞれカバーホルダ４３０の内面上の３つのカム溝４３２に挿入し、フィルタ３２０を保持した第２ホルダ４２０のアイポイント側の端部を、カバーホルダ４３０の表示器側の開口からその内部に挿入し、さらに第１ホルダ４４０の凸部４４６をカバーホルダの溝４３７に嵌入する。それにより、カバーホルダ４３０が第１ホルダ４４０に対して回動するよう支持されるとともに、カバー４３３を保持したカバーホルダ４３０とレンズ３１０等を保持した第１ホルダ４４０とにより画定される移動装置４１０の内部空間内に、フィルタ３２０を保持した第２ホルダ４２０が光軸Ｌ方向に駆動可能（図３Ｃの矢印参照）に収容される。

図４に、移動装置４１０の内部構成を、第２ホルダ４２０に設けられた孔部４２９を中心に示す。カバーホルダ４３０の内面と第１ホルダ４４０の外面との間にシールリング４３９が挟まれることで、移動装置４１０の内部空間がシールされる。第２ホルダ４２０に形成された孔部４２９により、カバー４３３とフィルタ３２０との間の空間とフィルタ３２０とレンズ３１０との間の空間とが連なり、フィルタ３２０の移動に伴い、一方の空間から他方の空間にエアーが移動する（矢印参照）。

図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃに、移動装置４１０によるフィルタ移動の原理を示す。上述のように構成された移動装置４１０において、カバーホルダ４３０を第１ホルダ４４０に対して回動すると、カバーホルダ４３０の内面に設けられたカム溝４３２内を第２ホルダ４２０の外面に形成されたカムピン４２８がガイドされ且つ第２ホルダのガイド溝４２５内を第１ホルダ４４０のガイド４４５がガイドされ、それにより第２ホルダ４２０がカバーホルダ４３０及び第１ホルダ４４０の間で光軸Ｌ方向に駆動される。

図５Ａに示すように、カバーホルダ４３０をアイポイント側から表示器側をみて時計周りに回動すると、カバーホルダ４３０の内面に設けられたカム溝４３２内を第２ホルダ４２０の外面に形成されたカムピン４２８がガイドされ且つ第２ホルダのガイド溝４２５内を第１ホルダ４４０のガイド４４５がガイドされて、フィルタ３２０を保持する第２ホルダ４２０がアイポイント側に繰り出される。これにより、フィルタ３２０は、レンズ３１０及び表示器１１０から離間する。このとき、第２ホルダ４２０の孔部４２９を介して、カバー４３３及びフィルタ３２０の間の空間からフィルタ３２０及びレンズ３１０の間の空間に内部のエアーが移動する（図４の右向き矢印参照）。

図５Ｂ及び図５Ｃに示すようにカバーホルダ４３０を反時計周りに回動すると、カバーホルダ４３０の内面に設けられたカム溝４３２内を第２ホルダ４２０の外面に形成されたカムピン４２８がガイドされ且つ第２ホルダのガイド溝４２５内を第１ホルダ４４０のガイド４４５がガイドされて、第２ホルダ４２０が表示器側に退避する。これにより、フィルタ３２０は、レンズ３１０及び表示器１１０に接近する。このとき、第２ホルダ４２０の孔部４２９を介して、フィルタ３２０及びレンズ３１０の間の空間からカバー４３３及びフィルタ３２０の間の空間に内部のエアーが移動する（図４の左向き矢印参照）。従って、移動装置４１０内のシールが維持され、外部から埃等の異物の侵入を防止することが可能となっている。

このように、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、これらに対してフィルタ３２０（反射型偏光板３２１）を相対的に移動させる。カバー４３３及びこれを保持するカバーホルダ４３０、表示器１１０、回折光学素子２００、レンズ３１０、及びこれらを保持する第１ホルダ４４０、並びにカバーホルダ４３０と第１ホルダ４４０との間に設けられるシールリング４３９により移動装置４１０内部が気密に保たれ、第２ホルダ４２０の孔部４２９を介して、カバー４３３及びフィルタ３２０の間の空間とフィルタ３２０及びレンズ３１０の間の空間との間で内部のエアーが移動することで、フィルタ３２０を気密状の空間内で駆動することができる。

なお、カバー４３３及びフィルタ３２０の間の空間とフィルタ３２０及びレンズ３１０の間の空間との間で内部のエアーを移動することができれば、孔部４２９は、支持面４２１に限らず第２ホルダ４２０の側面に形成してもよい。このとき、孔部４２９から第２ホルダ４２０のアイポイント側の端部に延びる溝部を第２ホルダ４２０の外面上に形成してもよい。また、フィルタ３２０の縁部に孔部を形成してもよい。また、カバーホルダ４３０及び第２ホルダ４２０の間に、さらに第２ホルダ４２０及び第１ホルダ４４０の間に、エアーが移動できる程度の間隙を設けてもよい。

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によりレンズ３１０（ハーフミラー面３１１）に対してフィルタ３２０（反射型偏光板３２１）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。

図６Ａから図６Ｃに、光学系３００のジオプタを一意に設定し、レンズ３１０（ハーフミラー面３１１）に対してフィルタ３２０（反射型偏光板３２１）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、アイボックスから表示器側に水平に反射して表示器１１０の表示画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表示器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。

図６Ａに、エアー距離ａ＝１．６５ｍｍの場合における光線の軌跡及び表示器１１０の表示画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。アイボックスから表示器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、集光されてアイポイント側に透過し、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。アイボックスから表示器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、集光されてアイポイント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アイポイント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。

図６Ｂに、エアー距離ａ＝１．７５ｍｍの場合における光線の軌跡及び表示器１１０の表示画面上での像面湾曲を示す。アイボックスから表示器側に水平に反射した中心光５１は、エアー距離ａ＝１．６５ｍｍ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。アイボックスから表示器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、集光されてアイポイント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。

図６Ｃに、エアー距離ａ＝１．９５ｍｍの場合における光線の軌跡及び表示器１１０の表示画面上での像面湾曲を示す。アイボックスから表示器側に水平に反射した中心光５１は、エアー距離ａ＝１．６５ｍｍ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。アイボックスから表示器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、集光されてアイポイント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表示器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。

図７Ａ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７Ａ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。

図７Ｂは、図７Ａ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＝１．６５，１．７５，１．９５ｍｍ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。

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。

図８に、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。

図９に、ジオプタ－５，－３のそれぞれについて、エアー距離に対する表示面位置と表示器発光面位置とのずれ（実線）を、上述の像面湾曲（波線）に重ねて示す。表示面位置（すなわち、表示中心部）は、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ることで算出される。表示器発光面位置は、表示器１１０の表示画面（すなわち、発光面）の位置であり、本例では、ジオプタ－１に対して像面湾曲が最小になるエアー距離（本実施形態では１．９ｍｍ）において虚像位置から光線を逆行した場合の表示面位置を選択した。表示器１１０及びフィルタ３２０を固定し、それらに対してレンズ３１０を移動してエアー距離を変えることで、表示面位置をエアー距離に対して算出した。

ジオプタ－３に対して、像面湾曲が最小になるエアー距離（１．７４ｍｍ）において表示面位置と表示器発光面位置のずれは０．２０ｍｍである。表示面位置が表示器発光面位置からずれることで、像ボケ（すなわち、解像度低下）が起こる。なお、ずれがゼロになる（つまり、表示中心部で像ボケが生じない）エアー距離（１．４４ｍｍ）では像面湾曲が０．２５ｍｍになる。ジオプタ－５に対して、像面湾曲が最小になるエアー距離（１．５７ｍｍ）において表示面位置と表示器発光面位置のずれは０．４３ｍｍである。表示面位置が表示器発光面位置からさらにずれることで、像ボケがさらに大きくなる。なお、ずれがゼロになる（つまり、像ボケが生じない）エアー距離（１ｍｍ以下）では像面湾曲が０．３５ｍｍ以上になる。

このように、表示器１１０及びフィルタ３２０を固定し、それらに対してレンズ３１０を移動してエアー距離を変えると、レンズ３１０と表示器１１０との相対距離が変わることで像ボケが生じるため、像ボケを抑えつつ像面湾曲を最小にするのは困難である。従って、表示器１１０及びレンズ３１０の相対位置を維持し、それらに対してフィルタ３２０を移動してエアー距離を変えることで、像ボケを抑えつつ像面湾曲を最小にすることができることがわかる。

本実施形態に係る光学装置１００は、画像を形成する画像光５０を出力する表示器１１０、画像を拡大する光学系３００であり、表示器１１０の光軸Ｌ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、反射型偏光板３２１は、画像光５０の少なくとも一部を透過又は反射し、ハーフミラー面３１１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、画像光５０の少なくとも一部を透過又は反射する、光学系３００、レンズ３１０（ハーフミラー面３１１）に対してフィルタ３２０（反射型偏光板３２１）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。

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。

なお、本実施形態に係る光学装置１００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）が相対位置関係を維持して固定され、移動装置４１０により、これらに対してフィルタ３２０（反射型偏光板３２１）を相対的に移動させる構成を採用したが、これに代えて、移動装置により、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つつ、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構成を採用してもよい。斯かる場合、例えば、フィルタ３２０を筐体のアイポイント側の一面に固定し、内部の気密空間内に、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）を保持するホルダを駆動可能に収容してよい。ここで、ホルダに孔部を設ける、或いは外面上に溝部を設けて、ホルダの移動に伴って気密空間内のエアーがホルダの一側から他側に移動するように構成してもよい。これにより、筐体内のシールが維持され、外部から埃等の異物の侵入を防止することが可能となる。

なお、図９にジオプタ－５，－３のそれぞれについて、エアー距離に対する像面湾曲（波線）及び表示面位置と表示器発光面位置とのずれ（実線）を示したように、ジオプタ－３に対して、像面湾曲が最小になる最適エアー距離は１．７４ｍｍであり、ジオプタ－１の最適エアー距離１．９ｍｍから０．１６ｍｍだけレンズ３１０が動いたところになるのに対して、そのときの表示面位置と表示器発光面位置とのずれは０．２０ｍｍであるので、レンズ３１０及び表示器１１０が相対位置関係を維持して移動したうえでさらにそれらが０．０４ｍｍ近づくことで最適状態となる。ジオプタ－５についても同様に、像面湾曲が最小になる最適エアー距離は１．５７ｍｍであり、ジオプタ－１の最適エアー距離１．９ｍｍから０．３３ｍｍだけレンズ３１０が動いたところになるのに対して、そのときの表示面位置と表示器発光面位置とのずれは０．４３ｍｍであるので、レンズ３１０及び表示器１１０が相対位置関係を維持して移動したうえでさらにそれらが０．１ｍｍ近づくことで最適状態となる。そこで、本実施形態に係る光学装置１００では、表示器１１０及びレンズ３１０を相対位置関係を維持し、それらに対してフィルタ３２０を駆動する構成を採用したが、表示器１１０及びレンズ３１０を相対位置関係を変えつつそれらに対してフィルタ３２０を駆動する構成を採用してもよい。

図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃに、それぞれ、変形例に係る移動装置４１０ｄの全体構成、分解構成、及び組み立て状態を示す。移動装置４１０ｄは、第１ホルダ４４０、第２ホルダ４２０、カバーホルダ４３０、第３ホルダ４６０、カバーホルダ４５０、及びシールリング４３９，４５９を含む。なお、図面右側を表示器側、図面左側をアイポイント側とする。また、移動装置４１０ｄの中心軸は、光学系３００の光軸Ｌに重なっている。

第１ホルダ４４０は、回折光学素子２００、光学系３００のレンズ３１０を保持する固定部材である。第１ホルダ４４０は、底面４４２を有する円筒状に成形され、内面のアイポイント側に段部４４１、外面の表示器側の端部に外向きに張り出し且つ表示器側に延びるフランジ４４３、フランジ４４３の外面を周回する凸部４４６，４４７、底面４４２の中央に矩形状の開口４４４、外面上に光軸Ｌに平行に延びる２つのガイド４４５、底面４４２の外縁から光軸Ｌに平行に延びる２つのガイド（不図示）が形成されている。なお、ガイド４４５は、２つに限らず１つ又は３つ以上形成されてもよい。

回折光学素子２００は、底面４４２上に支持されるように、第１ホルダ４４０内に固定される。レンズ３１０は、その縁部が段部４４１上に支持されるように、第１ホルダ４４０のアイポイント側の端部に固定される。このように、回折光学素子２００、レンズ３１０は、光軸Ｌ方向に関するそれらの相対位置関係を維持して第１ホルダ４４０に保持される。

第２ホルダ４２０は、光学系３００のフィルタ３２０を保持して第１ホルダ４４０に対して駆動可能に支持される可動部材である。第２ホルダ４２０は、先述のそれと同様に構成される。

カバーホルダ４３０は、カバー４３３を保持して第１ホルダ４４０に対して回動する可動部材である。カバーホルダ４３０は、先述のそれと同様に構成される。

第３ホルダ４６０は、表示器１１０を保持する固定部材である。第３ホルダ４６０は、側面が傾斜する凹部を表示器側に含んで円盤状に成形され、凹部の底面中央に矩形状の開口４６４が形成されている。また、表示器１１０は、第３ホルダ４６０の凹部の底面上に、その表示画面を開口４６４内に位置するように固定される。さらに、第３ホルダ４６０には、３つのカムピン４６８が外面上に互いに周方向に離間して形成され、光軸Ｌに平行に延びるガイド溝４６５がアイポイント側に形成された円環状の凹部の内面上に形成され、第３ホルダ４６０のアイポイント側と表示器側とを連ねる孔部４６９が形成されている。

カバーホルダ４５０は、カバー４５３を保持して第１ホルダ４４０に対して回動する可動部材である。カバーホルダ４３０は、第３ホルダ４６０の外径より若干大きい内径を有する円筒状に成形され、表示器側の端部に段部４５１が形成されている。表示器側からカバーホルダ４５０内にカバー４５３が嵌入され、段部４５１上に支持される。さらに、カバーホルダ４５０には、表示器側の端部から光軸Ｌ方向に延び、向きを変えて螺旋状に延びる３つのカム溝４５２が、内面上に互いに周方向に離間して形成されている。また、カバーホルダ４５０には、内面の表示器側に周回する２つの溝４５６，４５７が形成されている。

シールリング４３９，４５９は、ゴム等の弾性部材からリング状に形成された部材である。シールリング４３９，４５９は、カバーホルダ４３０，４５０の溝４３６，４５６に嵌入され、移動装置４１０ｄ内部をシールする。

移動装置４１０ｄは、次のように組み立てられる。まず、第１ホルダ４４０の外面上のガイド４４５を第２ホルダ４２０の内面上のガイド溝４２５に入れつつ、レンズ３１０を保持した第１ホルダ４４０のアイポイント側の端部を、第２ホルダ４２０の表示器側の開口からその内部に挿入する。次いで、シールリング４３９を、カバーホルダ４３０の溝４３６に嵌入する。次いで、第２ホルダ４２０の外面上の３つのカムピン４２８をそれぞれカバーホルダ４３０の内面上の３つのカム溝４３２に挿入し、フィルタ３２０を保持した第２ホルダ４２０のアイポイント側の端部を、カバーホルダ４３０の表示器側の開口からその内部に挿入し、さらに第１ホルダ４４０の凸部４４６をカバーホルダ４３０の溝４３７に嵌入する。次いで、第１ホルダ４４０の表示器側のガイド（不図示）を第３ホルダ４６０のガイド溝４６５に入れつつ、表示器１１０を保持した第３ホルダ４４０のアイポイント側の端部を、第１ホルダ４４０のフランジ４４３内に挿入する。そして、第３ホルダ４６０の外面上の３つのカムピン４６８をそれぞれカバーホルダ４５０の内面上の３つのカム溝４５２に挿入し、表示器１１０を保持した第３ホルダ４６０の表示器側の端部を、カバーホルダ４５０のアイポイント側の開口からその内部に挿入し、さらに第１ホルダ４４０の凸部４４７をカバーホルダ４５０の溝４５７に嵌入する。それにより、カバーホルダ４３０及びカバーホルダ４５０が第１ホルダ４４０に対して回動するよう支持されるとともに、カバー４３３を保持したカバーホルダ４３０とカバー４５３を保持したカバーホルダ４５０とレンズ３１０等を保持した第１ホルダ４４０とにより画定される移動装置４１０ｄの内部空間内に、フィルタ３２０を保持した第２ホルダ４２０及び表示器１１０を保持した第３ホルダ４６０が光軸Ｌ方向に駆動可能（図１０Ｃの矢印参照）に収容される。

図１１に、移動装置４１０ｄの内部構成を、第２ホルダ４２０に設けられた孔部４２９及び第３ホルダ４６０に設けられた孔部４６９を中心に示す。カバーホルダ４３０の内面と第１ホルダ４４０の外面との間にシールリング４３９が挟まれ、カバーホルダ４５０の内面と第１ホルダ４４０の外面との間にシールリング４５９が挟まれることで、移動装置４１０ｄの内部空間がシールされる。第２ホルダ４２０に形成された孔部４２９により、カバー４３３とフィルタ３２０との間の空間とフィルタ３２０とレンズ３１０との間の空間とが連なり、フィルタ３２０の移動に伴い、一方の空間から他方の空間にエアーが移動するとともに（矢印参照）、第３ホルダ４６０に形成された孔部４６９により、カバー４５３及び表示器１１０との間の空間と表示器１１０及び第１ホルダ４４０との間の空間とが連なり、表示器１１０の移動に伴い、一方の空間から他方の空間にエアーが移動する（矢印参照）。

図１２Ａ、図１２Ｂ、及び図１２Ｃに、移動装置４１０ｄによるフィルタ移動及び表示器移動の原理を示す。なお、フィルタ移動の原理は移動装置４１０における原理と同じであり、上述のように構成された移動装置４１０ｄにおいて、カバーホルダ４３０を第１ホルダ４４０に対して回動すると、カバーホルダ４３０の内面に設けられたカム溝４３２内を第２ホルダ４２０の外面に形成されたカムピン４２８がガイドされ且つ第２ホルダのガイド溝４２５内を第１ホルダ４４０のガイド４４５がガイドされ、それにより第２ホルダ４２０がカバーホルダ４３０及び第１ホルダ４４０の間で光軸Ｌ方向に駆動される。さらに、カバーホルダ４５０を第１ホルダ４４０に対して回動すると、カバーホルダ４５０の内面に設けられたカム溝４５２内を第３ホルダ４６０の外面に形成されたカムピン４６８がガイドされ且つ第３ホルダのガイド溝４６５内を第１ホルダ４４０のガイドがガイドされ、それにより第３ホルダ４６０がカバーホルダ４５０及び第１ホルダ４４０の間で光軸Ｌ方向に駆動される。

図１２Ａに示すように、カバーホルダ４３０をアイポイント側から表示器側をみて時計周りに回動すると、カバーホルダ４３０の内面に設けられたカム溝４３２内を第２ホルダ４２０の外面に形成されたカムピン４２８がガイドされ且つ第２ホルダのガイド溝４２５内を第１ホルダ４４０のガイド４４５がガイドされて、フィルタ３２０を保持する第２ホルダ４２０がアイポイント側に繰り出される。これにより、フィルタ３２０は、レンズ３１０から離間する。このとき、第２ホルダ４２０の孔部４２９を介して、カバー４３３及びフィルタ３２０の間の空間からフィルタ３２０及びレンズ３１０の間の空間に内部のエアーが移動する（図１１の右向き矢印参照）。さらに、カバーホルダ４５０を時計周りに回動すると、カバーホルダ４５０の内面に設けられたカム溝４５２内を第３ホルダ４６０の外面に形成されたカムピン４６８がガイドされ且つ第３ホルダのガイド溝４６５内を第１ホルダ４４０のガイドがガイドされて、表示器１１０を保持する第３ホルダ４６０がアイポイント側に退避する。これにより、表示器１１０は、レンズ３１０に接近する。このとき、第３ホルダ４６０の孔部４６９を介して、表示器１１０及び第１ホルダ４４０の間の空間からカバー４５３及び表示器１１０の間の空間に内部のエアーが移動する（図１１の右向き矢印参照）。

図１２Ｂ及び図１２Ｃに示すようにカバーホルダ４３０を反時計周りに回動すると、カバーホルダ４３０の内面に設けられたカム溝４３２内を第２ホルダ４２０の外面に形成されたカムピン４２８がガイドされ且つ第２ホルダのガイド溝４２５内を第１ホルダ４４０のガイド４４５がガイドされて、第２ホルダ４２０が表示器側に退避する。これにより、フィルタ３２０は、レンズ３１０に接近する。このとき、第２ホルダ４２０の孔部４２９を介して、フィルタ３２０及びレンズ３１０の間の空間からカバー４３３及びフィルタ３２０の間の空間に内部のエアーが移動する（図１１の左向き矢印参照）。さらに、カバーホルダ４５０を反時計周りに回動すると、カバーホルダ４５０の内面に設けられたカム溝４５２内を第３ホルダ４６０の外面に形成されたカムピン４６８がガイドされ且つ第３ホルダのガイド溝４６５内を第１ホルダ４４０のガイド４４５がガイドされて、第３ホルダ４６０が表示器側に繰り出す。これにより、表示器１１０は、レンズ３１０から離間する。このとき、第３ホルダ４６０の孔部４６９を介して、カバー４５３及び表示器１１０の間の空間から表示器１１０及び第１ホルダ４４０の間の空間に内部のエアーが移動する（図１１の左向き矢印参照）。従って、移動装置４１０ｄ内のシールが維持され、外部から埃等の異物の侵入を防止することが可能となっている。

なお、カバーホルダ４３０及びカバーホルダ４５０をそれぞれ第１ホルダ４４０に対して独立に回動することで、フィルタ３２０及び表示器１１０をレンズ３１０に対してそれぞれ独立に移動させることができる。また、カバーホルダ４３０及びカバーホルダ４５０を第１ホルダ４４０に対して同期して回動することで、フィルタ３２０及び表示器１１０をそれらの相対位置を維持してレンズ３１０に対して移動させることもできる。さらに、カバーホルダ４３０及びカバーホルダ４５０を同期して回転することでフィルタ３２０とレンズ３１０との距離及びレンズ３１０と表示器１１０との距離の組合せが、ジオプタごとに常に自動的で最適になるよう、カバーホルダ４３０及びカバーホルダ４５０の回転に対するフィルタ３２０及び表示器１１０の移動量をフィルタ３２０側と表示器１１０側とでそれぞれ設定してもよい。

このように、移動装置４１０ｄは、レンズ３１０（ハーフミラー面３１１）に対してフィルタ３２０（反射型偏光板３２１）及び表示器１１０をそれぞれ相対的に移動させる。カバー４３３及びこれを保持するカバーホルダ４３０、レンズ３１０を保持する第１ホルダ４４０、カバーホルダ４３０と第１ホルダ４４０との間に設けられるシールリング４３９、カバー４５３及びこれを保持するカバーホルダ４５０、カバーホルダ４５０と第１ホルダ４４０との間に設けられるシールリング４５９により移動装置４１０ｄ内部が気密に保たれ、第２ホルダ４２０の孔部４２９を介して、カバー４３３及びフィルタ３２０の間の空間とフィルタ３２０及びレンズ３１０の間の空間との間で内部のエアーが移動し、さらに、第３ホルダ４６０の孔部４６９を介して、カバー４５３及び表示器１１０の間の空間と表示器１１０及び第１ホルダ４４０の間の空間との間で内部のエアーが移動することで、フィルタ３２０を気密状の空間内で駆動することができる。

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。

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。

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。

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。

３０…眼（片眼、両眼）、３９…アイポイント、５０…画像光、５１…光線（中心光）、５２…光線（周辺光）、１００…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、３９０…制御装置、４００…筐体、４１０，４１０ｄ…移動装置、４２１…支持面、４２５，４６５…ガイド溝、４２８，４６８…カムピン、４２９，４６９…孔部、４３０，４５０…カバーホルダ、４３１，４４１，４５１…段部、４３２，４５２…カム溝、４３３，４５３…カバー、４３６，４３７，４５６，４５７…溝、４３９，４５９…シールリング、４４２…底面、４４３…フランジ、４４４，４６４…開口、４４５…ガイド、４４６，４４７…凸部、Ｌ…光軸。

Claims (16)

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、前記光学系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透過反射面を有し、前記第１透過反射面及び前記第２透過反射面のそれぞれが、前記画像光の少なくとも一部を透過又は反射する、前記光学系と、
   前記第２透過反射面に対して、前記第１透過反射面を前記光軸に沿って移動する移動装置であり、前記表示器及び前記第２透過反射面を保持する第１ホルダと、該第１ホルダに対して、前記第１透過反射面を保持して駆動可能に支持される第２ホルダと、前記第１透過反射面を前記第１ホルダとの間に収容するカバーと、を含む、前記移動装置と、を備え、
   前記第２ホルダは、前記カバーと前記第１透過反射面との間の空間と、前記第１透過反射面と前記第２透過反射面との間の空間と、を連通する穴部、溝部、及び／又は前記カバーとの間の間隙を有する、光学装置。
2. 前記カバーは、前記第１ホルダとの間に設けられるシール部材を有する、請求項１に記載の光学装置。
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。
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。
5. 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。
6. 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。
7. 前記光学系は、さらに、レンズ素子を有し、
   前記第２透過反射面は、前記レンズ素子の前記表示器側の一面に設けられる、請求項１から６のいずれか一項に記載の光学装置。
8. 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る、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学装置。
9. 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８に記載の光学装置。
10. 前記第１ホルダは、前記表示器及び前記第２透過反射面の相対位置関係を維持する、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置。
11. 前記移動装置は、さらに、前記第２透過反射面に対して前記表示器を前記光軸に沿って移動し、前記第１ホルダは、前記表示器及び前記第２透過反射面をそれぞれ保持して互いに接近及び離間する２つの副ホルダを有する、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学装置。
12. 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、前記光学系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２透過反射面に対して、前記第１透過反射面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。
13. 前記移動装置は、前記表示器及び前記第２透過反射面の相対位置関係を維持しつつ、前記第１透過反射面を移動する、請求項１２に記載の光学装置。
14. 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１２又は１３に記載の光学装置。
15. 前記第２透過反射面は、ハーフミラー面である、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の光学装置。
16. 前記光学系は、さらに、レンズ素子を有し、
    前記第２透過反射面は、前記レンズ素子の前記表示器側の一面に設けられる、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の光学装置。

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