JP7157528B2

JP7157528B2 - 映像表示装置

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Publication number: JP7157528B2
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Inventors: 陽一井場
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Current assignee: Kopin Corp
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Filing date: 2017-12-22
Publication date: 2022-10-20
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Description

覗き込み型の映像表示装置に関する。

従来から、ＨＭＤ(head mounted display)を利用して、バーチャルリアリティシステムを実現する取り組みが成されている。

バーチャルリアリティシステムへの利用に際しては、臨場感が重要となる。非特許文献１では、映像の最大画角の増加とともに臨場感が高まり、８０度から臨場感が飽和することが示されている。従って、臨場感をもたせるために、８０度を超える最大画角を有するとともに、ＨＭＤとしての実用に堪えるように取り回しのし易い小型なＨＭＤが現状所望されている。

畑田豊彦, 坂田晴夫,日下秀夫著、テレビジョン学会誌 Vol. 33 (1979) No. 5 P 407-413

従来、臨場感を引き出すために最大画角が８０度を超えるＨＭＤを作成しようとした場合、小型化が困難であった。

ＨＭＤにおいて、映像光を導光する接眼光学系は、映像光特性に優れているテレセントリックな光学系であることが望ましい。その場合、装着する際の使い勝手、例えば、使用者の睫等とぶつからない距離等を考慮すると、接眼光学系の焦点位置であるアイポイントは、接眼光学系から１５ｍｍ以上離れていることが望ましい。

また、従来、最大画角が８０度を超えるＨＭＤが有する接眼光学系は、軽量化のためレンズ枚数を減らし、非球面の凸レンズを主要エレメントとして利用しており、接眼光学系が有する屈折力のほとんどを該凸レンズが担っている場合が多かった。

以上の実情を考慮したとき、凸レンズで生じ得る収差を十分に抑制するために屈折力を低減させた設計とすると、接眼光学系の焦点距離は、３０ｍｍ以上とされる場合が多かった。しかし、焦点距離が３０ｍｍ以上である従来の接眼光学系を用いて、８０度を超えた最大画角を確保するＨＭＤを作成した場合、映像を出力する表示パネルの対角長が５０ｍｍ以上必要となってしまい、装置が大型化してしまう。

即ち、最大画角が８０度であることと、小型化を兼ねて実現することは難しかった。

以上の実情を鑑みて、本発明では、最大画角が８０度を超える小型の覗き込み型の映像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様における映像表示装置は、覗き込み型の映像表示装置であって、接眼光学系と、前記接眼光学系の前側焦点位置近傍に対角長が４０ｍｍ以下である、光を出力する表示面を有する表示パネルと、を備え、前記接眼光学系は、前記接眼光学系の光軸に沿って前記表示パネルから射出された光が進行する方向を正の方向としたとき、前記表示パネル側から正の方向の側へ順に、第１レンズ群と第２レンズ群とからなり、前記第１レンズ群は、前記表示パネル側に負の屈折力を有する第１光学面をもち、正の方向の側に外周部が負の曲率をもつとともにレンズ媒質の外側に向かって凸の形状を有した第２光学面をもつ、屈折レンズである第１エレメントからなり、前記第２レンズ群は、互いに近接して配置された、前記表示パネル側から正の方向へ順に、正の方向の側に面した面が正の屈折力のフレネル面をもつ第２エレメントと、前記表示パネル側に面した面が正の屈折力のフレネル面をもつ第３エレメントと、を有し、前記接眼光学系は、最大画角が８０度以上で光を出射する。

本発明によれば、最大画角が８０度を超える小型の覗き込み型の映像表示装置を提供することができる。

一実施形態における映像表示装置の構成を示す図である。一実施形態の変形例に係る映像表示装置の構成を示す図である。一実施形態の別の変形例に係る映像表示装置の構成を示す図である。一実施形態のさらに別の変形例における、映像表示装置の構成の一部を示す図である。一実施形態のさらに別の変形例における、映像表示装置の構成の一部を示す図である。一実施形態のさらに別の変形例における、映像表示装置の構成の一部を示す図である。実施例１に係る映像表示装置が有するレンズ構成を示す図である。第１光学面の曲率のグラフを示す図である。第２光学面の曲率のグラフを示す図である。第２エレメントがもつフレネル面の連結面の曲率のグラフを示す図である。３エレメントがもつフレネル面の連結面の曲率のグラフを示す図である。接眼光学系の結像性能を示す図である。接眼光学系の結像性能を示す別の図である。実施例２に係る映像表示装置が有するレンズ構成を示す図である。第１光学面の曲率のグラフを示す図である。第２光学面の曲率のグラフを示す図である。第２エレメントがもつフレネル面の連結面の曲率のグラフを示す図である。第３エレメントがもつフレネル面の連結面の曲率のグラフを示す図である。接眼光学系の結像性能を示す図である。接眼光学系の結像性能を示す別の図である。実施例３に係る映像表示装置が有するレンズ構成を示す図である。第１光学面の曲率のグラフを示す図である。第２光学面の曲率のグラフを示す図である。第２エレメントがもつフレネル面の連結面の曲率のグラフを示す図である。第３エレメントがもつフレネル面の連結面の曲率のグラフを示す図である。接眼光学系の結像性能を示す図である。接眼光学系の結像性能を示す別の図である。実施例４に係る映像表示装置が有するレンズ構成を示す図である。第１光学面の曲率のグラフを示す図である。第２光学面の曲率のグラフを示す図である。第２エレメントがもつフレネル面の連結面の曲率のグラフを示す図である。第３エレメントがもつフレネル面の連結面の曲率のグラフを示す図である。接眼光学系の結像性能を示す図である。接眼光学系の結像性能を示す別の図である。実施例５に係る映像表示装置が有するレンズ構成を示す図である。第１光学面の曲率のグラフを示す図である。第２光学面の曲率のグラフを示す図である。第２エレメントがもつフレネル面の連結面の曲率のグラフを示す図である。第３エレメントがもつフレネル面の連結面の曲率のグラフを示す図である。接眼光学系の結像性能を示す図である。接眼光学系の結像性能を示す別の図である。

以下、本発明の一実施形態における映像表示装置１０について説明する。図１は、映像表示装置１０の構成を示す図である。

映像表示装置１０は、表示パネルＤＥ、接眼光学系ＥＰを備えている。映像表示装置１０は、覗き込み型の映像表示装置であり、表示パネルＤＥが出力した光を接眼光学系ＥＰが使用者の瞳へ直接導光する。尚、以下表示パネルＤＥ側から接眼光学系ＥＰの光軸に沿って進行する光の方向を正の方向として説明する。

表示パネルＤＥは、接眼光学系ＥＰの前側焦点位置近傍に、光を出力する表示面ＤＰを有している。また、表示面ＤＰは、対角長が４０ｍｍ以下であるものとする。

接眼光学系ＥＰは、表示パネルＤＥから正の方向の側へ順に、第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２を有する。また、接眼光学系ＥＰは、好ましくは接眼光学系ＥＰの光軸に略平行な主光線を導光するテレセントリック光学系である。

第１レンズ群Ｇ１は、表示パネルＤＥ側に負の屈折力をもつ光学面Ｓ０（第１光学面）と、正の方向の側に外周部が正の屈折力をもつ光学面Ｓ１（第２光学面）を有する屈折レンズである第１エレメントＥ１を有している。

より詳しくは、光学面Ｓ０は、後述する実効的後側焦点ＸＰを通過する光線（以降では主光線とも表記し表示面ＤＰと略直交する方向に出力される）を、負の屈折力の作用により、接眼光学系ＥＰの光軸に対し正の傾きを有するように屈曲させる。尚、光線の光軸に対する傾きが正とは、光線が光軸に対して発散する方向に傾きを有している状態を示し、光線の光軸に対する傾きが負とは、光線が光軸に対して収束する方向に傾きを有している状態を示す。

また、光学面Ｓ１（第２光学面）は、外周部において媒質（レンズ媒質）の外側に向かって凸の形状を有している。即ち、光学面Ｓ０で屈曲された正の傾きを有する主光線は、光学面Ｓ１に対して比較的小さな角度で入射するため、光学面Ｓ１における屈曲作用が小さい。従って、第１レンズ群Ｇ１へ入射した主光線は、光学面Ｓ０、Ｓ１で屈曲された後も正の傾きを維持し、第２レンズ群Ｇ２へ向けて出射される。

第２レンズ群Ｇ２は、表示パネルＤＥから正の方向の側へ順に、正の方向の側に面した面に正の屈折力のフレネル面である光学面Ｓ２をもつ第２エレメントＥ２と、表示パネルＤＥ側に面した面に正の屈折力をもつフレネル面である光学面Ｓ３をもつ第３エレメントＥ３と、を有している。また、第２エレメントＥ２及び第３エレメントＥ３は、互いに近接して配置される。

この配置により、第２レンズ群Ｇ２へ入射した主光線は、第２エレメントの光学面ＳＦ、フレネル面（光学面Ｓ２）、及び第３エレメントＥ３のフレネル面（光学面Ｓ３）、光学面ＳＢにより段階的に屈曲され、第２レンズ群Ｇ２を出射する際には、負の傾きを有する光線となる。即ち、上記のように光学面Ｓ２を正の方向の側の面に、光学面Ｓ３を表示パネルＤＥ側の面に配置することで、光線の傾きの変化を四段階にわけてより徐々に行うことができ、第２レンズ群Ｇ２で発生する収差を抑制する効果を奏する。

さらに、別の一構成例として、第２レンズ群Ｇ２の各エレメントの各面を、球面あるいは非球面形状にすることで、設計の自由度が増して接眼光学系ＥＰの収差を抑えることができる。特に、第２エレメントＥ２の表示パネルＤＥ側の光学面ＳＦは、表示パネルＤＥ側に向かって凹面の形状を有するものが考えられる。一般に、光学面で光線が屈曲する際に発生する収差の中には、光学面の入射角度（光学面の法線と光学面に入射する光線とが成す角度）の３乗或いは５乗に比例して増大するものがある。接眼光学系ＥＰの全系の中でも、光学面ＳＦに入射する主光線は大きな正の傾きをもっているため、光学面ＳＦへの入射角度が大きくなり大きな収差が発生しやすい。しかし、光学面ＳＦの面形状を、表示パネルＤＥ側に向かって凹面とすることで、入射角度を減じることができ、光学面ＳＦで発生する収差を効果的に抑えることができる。

尚、表示面ＤＰと直交する方向に表示面から出力された光線は、出射位置が光軸付近である光線と、光軸から離れている光線と、では、接眼光学系ＥＰの持つ瞳の球面収差により、光軸への集光位置が前後に多少ずれる。そこで、表示面ＤＰと直交する方向に表示面から出力された光線であって、接眼光学系ＥＰを出射して接眼光学系ＥＰの光軸に対する傾角が接眼光学系ＥＰの最大画角の４分の１（即ち半画角の２分の１）となる光線Ｒの光軸との交点を実効的後側焦点ＸＰと定義する。光線Ｒの光軸との交点位置は、瞳の球面収差によるばらつきを考えた場合、各光線の光軸との交点の中の略中心となる位置であり、交点間のズレが互いに最も少なくなるような位置である。そして、この実効的後側焦点ＸＰをアイポイントとすることで、接眼光学系ＥＰは、テレセントリック光学系として作用する。

以上の構成を有する映像表示装置１０の作用について説明する。

接眼光学系ＥＰと実効的後側焦点ＸＰとの間の距離ＦＢは、最大画角が一定とした場合、最大画角の映像を作る主光線が第２レンズ群Ｇ２を出射するときの光線高に略比例する。また、第２レンズ群Ｇ２が有する第２エレメントＥ２及び第３エレメントＥ３は、互いに近接して配置されるため、第２レンズ群Ｇ２内での各エレメントにおける最大の主光線高は略等しいといえる。従って、距離ＦＢは、第２レンズ群Ｇ２における最大の主光線高に略比例するといえる。

第２レンズ群Ｇ２への入射時の主光線の光線高は、第１レンズ群Ｇ１の光学面Ｓ０の負の屈折力が大きいほど高くなることから、光学面Ｓ０の屈折力の大きさを調整することで、実効的後側焦点ＸＰと接眼光学系ＥＰとの間の距離ＦＢを、人が覗く際に睫がぶつからない等の適切な距離に調整することができる。尚、適切な距離は、通常１５ｍｍ以上であればよいとされる。

また、このとき、光学面Ｓ０の屈折力の大きさの変更による接眼光学系ＥＰの焦点距離への影響は下記説明のとおり少ないことから、光学面Ｓ０の屈折力の大きさを変更する場合に他の光学面の屈折力を微調整するだけで、生じる焦点距離の変化を打ち消すことができる。即ち、接眼光学系ＥＰにおいて、規定の焦点距離を維持した距離ＦＢの調整が容易となる。

光学面Ｓ０、光学面Ｓ１、光学面Ｓ２、光学面Ｓ３の屈折力をそれぞれ、Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃ、Ｐｄ、としたとき、また、光線Ｒ２の光学面Ｓ０、光学面Ｓ１、光学面Ｓ２、光学面Ｓ３、それぞれでの光線高をＨａ、Ｈｂ、Ｈｃ、Ｈｄとしたとき、次式（１）が成り立つ。尚、光線Ｒ２とは、表示面ＤＰの中心から出力され、且つ、接眼光学系ＥＰの光軸に対し僅かな傾きを有する光線を示す。
P0 ∝ Ha×Pa + Hb×Pb + Hc×Pc + Hd×Pd ・・・（１）

そして、光線高がHa < Hb, Hc, Hdであることを踏まえると、接眼光学系ＥＰの焦点距離に対する屈折力Ｐａの変更による影響は軽微であることが明らかである。

また、映像表示装置１０では、表示面ＤＰの対角長が４０ｍｍ以下である表示パネルＤＥを用いることから、画角を８０度以上の臨場感のある状態を実現するために、下記条件式により焦点距離が２５ｍｍ以下に設定されることとなる。そしてこの焦点距離の大半を第２レンズ群Ｇ２で作り出す必要がある。

表示面ＤＰの対角長をＤＬとし、接眼光学系ＥＰの焦点距離をＦＬ、接眼光学系ＥＰの最大画角をＦＶとすると、下記のように条件式が成り立ち、焦点距離ＦＬの条件が導かれる。尚、ここでいう実効的焦点距離は、実光線追跡で求めた焦点距離を示す。接眼光学系ＥＰの像歪を考慮しても焦点距離ＦＬの条件に大きな差は生じない。
DL = 2×FL×tan(FV / 2) ・・・（２）
FL = DL / {2×tan(FV / 2)} ≦ 40 mm / {2 tan(80°/ 2)} ≒ 25 mm ・・・（３）

そしてこのとき、第２レンズ群Ｇ２での出射面での最大主光線高をHとすると、Hは、上述の条件から下記のように導かれる。
H ≒ FB×tan(FV / 2) ≒ 12.5 mm

第２レンズ群Ｇ２内での各エレメント内の主光線高が略等しいことから、第２レンズ群Ｇ２内のエレメント（第２エレメントＥ２、第３エレメントＥ３）の有効径は、その２倍以上であることが望ましく、２５ｍｍ以上であることが望ましい。

また、目の回旋中心は、瞳孔から１０ｍｍ離れた眼球内にあり、映像の周辺に視線を向けるように目を回旋した場合も考慮すると、瞳孔のシフト量は、10 mm×tan(80°/ 2) = 8.4 mmとなり、第２レンズ群Ｇ２内のエレメントの有効径は、(12.5 + 8.4)×2 ≒ 40 mm以上確保されることが望ましい。

以上から、接眼光学系ＥＰは２５ｍｍ以下の焦点距離を有するとともに、第２レンズ群Ｇ２は、主光線に対するＦ値（焦点距離 / 有効径）が、25 mm / 25 mm = 1よりも明るく、より好ましくは主光線に対するＦ値（焦点距離 / 有効径）が、25 mm / 40 mm ≒ 0.6よりも明るいことが条件となる。

ここで、第２レンズ群Ｇ２は、フレネル面である光学面Ｓ２、フレネル面である光学面Ｓ３が近接するように配置される第２エレメントＥ２、第３エレメントＥ３を含んでおり、フレネル面のもつ大きな正の屈折力により、必要なＦ値を確保している。そして、フレネル面を有するエレメントによって構成することで、他のレンズエレメント（一般的な凹凸形状を有する屈折レンズ型のエレメント等）を用いて上記のようなＦ値を確保するレンズ構成とする場合と比較して、装置の軽量化、小型化を実現することができる。そもそも、こうしたレンズエレメントは、大きな屈折力をもたせると中心肉厚が増えてしまうことから、接眼光学系ＥＰの焦点距離２５ｍｍ以下であるという必要な条件を作り出そうとすると、接眼光学系ＥＰとアイポイントである実効的後側焦点ＸＰとの距離を１５ｍｍ以上にすることすら困難である。

第２レンズ群Ｇ２の構成、即ち、正の方向へ順に、光学面ＳＦ、フレネル面Ｓ２、フレネル面Ｓ３、光学面ＳＢが、配置されている構成によれば、主光線の傾きを、光学面Ｓ２、Ｓ３のみならず、ＳＦ、ＳＢが、徐々に変化させる作用を持つ。これによって大きな正の屈折力をもつ第２レンズ群Ｇ２で発生する収差を効果的に抑制することができる。

尚、このように光線の傾きの変化を徐々に行う構成として、より好ましくは、下記の条件式（４）を満たす。
| P2 - P3 |/ ( P2 + P3 ) < 0.3 ・・・（４）

光学面Ｓ２、Ｓ３のそれぞれの屈折力Ｐ２、Ｐ３が互いに略等しい状態であることで光線の傾きの変化を均等に行うことができる。

また、第２レンズ群Ｇ２の各エレメントの各面を、球面あるいは非球面形状にすることで、設計の自由度が増して接眼光学系ＥＰの収差を抑えることができる。特に第２レンズ群Ｇ２では、第２エレメントＥ２の表示パネルＤＥ側の光学面ＳＦが表示パネルＤＥ側に向かって凹面の形状を有する構成とすることで、主光線が光学面ＳＦの法線方向に近づき（即ち、入射角度が減少する）収差の抑制に寄与することができる。

以上の構成を有する映像表示装置１０によれば、対角長が４０ｍｍ以下の表示面を有する表示パネルＤＥ、屈折レンズに、フレネル面を有するエレメントを含む小型なレンズ構成によって、最大画角が８０度を超える臨場感のある映像を提供することができる。また、大きな屈折力をもつエレメントにおける収差の発生についても抑制し、良好な映像を提供することが可能である。

以下、本発明の一実施形態における映像表示装置１０において、より望ましい構成について記載する。

図２は、映像表示装置１０の変形例の構成を示す図である。図２に示すように、映像表示装置１０は、第２レンズ群Ｇ２内に、正の屈折力をもつＤＯＥ(Diffractive Optical Element)面である光学面Ｓ４を含むエレメント（第４エレメントＥ４）を有していても良い。

一般に、ＤＯＥ面は、ガラスやプラスチックのもつ色分散と逆向きの非常に大きな色分散をもち、フレネルレンズを含む屈折光学素子と組み合わせて光学系を構成することで、その光学系の色収差を除去する効果を奏する。

本変形例では、ＤＯＥ面の上述の特徴を利用し、強い色収差をもつ強い正の屈折力を有するフレネル面である光学面Ｓ２、Ｓ３の色収差を軽減する。具体的には、ＤＯＥ面である光学面Ｓ４が、フレネル面である光学面Ｓ２、Ｓ３に近接するように、第４エレメントＥ４が配置されている。より詳しくは、光学面Ｓ２、Ｓ３とＤＯＥ面である光学面Ｓ４との距離が、接眼光学系ＥＰの焦点距離（実効的焦点距離）と比較して十分に短くなるように近接して配置される。この配置により、フレネル面である光学面Ｓ２、Ｓ３で発生する軸上の色収差と倍率の色収差を同時にバランス良く補正することが可能となる。

このとき、望ましくは、第２エレメントＥ２がもつフレネル面である光学面Ｓ２と、第３エレメントＥ３がもつフレネル面である光学面Ｓ３と、ＤＯＥ面のうち、接眼光学系ＥＰの光軸上における最も表示パネルＤＥ側に存在する上記いずれかの面と、最も正の方向の側に存在する上記いずれかの面の間の距離が、接眼光学系ＥＰの焦点距離（実効的焦点距離）ＦＬの三分の一以下であるとよい。

尚、図２は、ＤＯＥ面の配置の一例を示したものであり、ＤＯＥ面を配置する構成は、図２の構成に限定されない。例えば、図３のように、第２エレメントＥ２が表示パネルＤＥ側の光学面にＤＯＥ面Ｓ４を有している構成であってもよい。これにより第２レンズ群Ｇ２全体の肉厚を薄くできる。且、ＤＯＥ面は、光学面Ｓ２、Ｓ３の主点位置に近接して配置される構成であれば、光学面Ｓ２、Ｓ３の軸上の色収差と倍率の色収差を補正する効果を十分に奏するためである。

一方で、ＤＯＥ面に入射する主光線がＤＯＥ面に対して斜めであると、不要な次数の回折光が発生しやすくなる。そのため、ＤＯＥ面に入射する光線がなるべくＤＯＥ面に対し直交する方向から入射させることで不要な次数の回折光を減少させるべく、図２に示すように、ＤＯＥ面は、第２エレメントがもつフレネル面である光学面Ｓ２と、第３エレメントがもつフレネル面である光学面Ｓ３との間に配置されていることがより望ましい。光学面Ｓ２、Ｓ３の間では、接眼光学系ＥＰにおいて徐々に屈曲させる過程で、接眼光学系ＥＰの光軸に対して主光線が平行に近づくため、ＤＯＥ面に入射する主光線をＤＯＥ面に対し直交する方向に進行するものとすることができる。

また、図２、図３のようにＤＯＥ面を有する映像表示装置１０において、下記条件式を満たすことがより望ましい。
V0=(V2+V3)/2
3.453×(P0/V0)×0.7 < P4 <3.453×(P0/V0)×1.3・・（５）

上記条件式（５）では、接眼光学系EPの屈折力をP0（＝１/FL）とし、光学面Ｓ４の屈折力をＰ４とし、第２エレメントＥ２、第３エレメントＥ３、第４エレメントＥ４のもつアッベ数をＶ２、Ｖ３、Ｖ４(=－3.453)としている。

接眼光学ＥＰの屈折力の大半は第２エレメントと第３エレメントが作り出していることを考慮すると、接眼光学系ＥＰの色収差は、Ｖ２とＶ３の影響を強く受ける。このことを考慮すると、ＤＯＥを除く接眼光学系ＥＰが持つ色収差をＤＯＥ面である光学面Ｓ４により相殺する条件式として、下記式（６）を導くことができる。そして、ＤＯＥ面を有する第４エレメントＥ４の既知のアッベ数Ｖ４(=－3.453)を代入すると下記式（７）となる。
P0/V0+ P4 / V4 ≒ 0 ・・・（６）
P4 ≒ 3.453×(P0/V0) ・・・（７）

実用上においては、厳密に式（７）を満たさずとも、条件式（５）を満たすようにＰ４が決められていれば、接眼光学系ＥＰの色収差を良好に補正することができる。

なお、ＤＯＥのパワーが大きいとDOEを構成する溝のピッチが微細になり加工が難しくなる。条件式（５’）はそのことを考慮し、ＤＯＥの下限値を条件式（５）よりも広げてあるが、この条件であっても色収差の補正効果は十分得られる。
3.453×( P0/V0)×0.5 < P4 <3.453×(P0/V0)×1.3・・（５’）

図４、図５、図６は、映像表示装置１０のさらに別の変形例における、映像表示装置１０の構成の一部を示す図である。図４、図５、図６はそれぞれ、第１エレメントＥ１の光学面Ｓ１の形状、第２エレメントＥ２の光学面Ｓ２の形状、第３エレメントＥ３の光学面Ｓ３の形状、を示す図である。

図４に示すように、第１エレメントＥ１の光学面Ｓ１（第２光学面）は、外周部Ｓ１Ａよりも光軸（光軸部Ｓ１Ｂ）へ向かい曲率が正の方向へ変化している。即ち、光学面Ｓ１は、光軸部Ｓ１Ｂの屈折力に比べ、外周部Ｓ１Ａの屈折力が正の方向へ強くなっている。

また、図５に示すように、第２エレメントＥ２の光学面Ｓ２について、フレネル面の中の光学的に寄与する同心円状に配置された各光学面Ｓ２ｆを仮想的に連結した際の連結面Ｓ２ｆ’の曲率が、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化している。尚、光学面Ｓ２ｆは、フレネル面のうち、光線を後段の光学系へ導光するように、光学的に寄与する面を示す。即ち、光学面Ｓ２は、外周部の屈折力に比べ、光軸部の屈折力が正の方向に強くなっている。

また、図６に示すように、第３エレメントＥ３の光学面Ｓ３について、フレネル面の中の光学的に寄与する同心円状に配置された各光学面Ｓ３ｆを仮想的に連結した際の連結面Ｓ３ｆ’の曲率が、光軸から外周部へ向かい負の方向に変化している。即ち、光学面Ｓ２と同様、光学面Ｓ３は、外周部の屈折力に比べ、光軸部の屈折力が正の方向に強くなっている。

一般に、最大画角が８０°を超えるＨＭＤの光学系の多くは、糸巻き型の像歪を有する。そのため、映像信号を工夫し、ＨＭＤの表示パネルに表示する映像を樽型に歪ませることで、結果として歪のない映像を表示できるようにされている場合が多い。本変形例は、普及している上記のような、最大画角が８０°を超えるＨＭＤ用に準備された映像信号と互換性を持たせるために、映像表示装置１０内の接眼光学系ＥＰにおいても糸巻き型の像歪をもたせるようにしたものである。

図４、図５、図６に示した各種エレメントを有することにより、光線高の高い主光線（主光線Ｒｅ）と光線高の低い主光線（主光線Ｒｃ）とを考えたとき、主光線Ｒｅは、主光線Ｒｃと比較して光学面Ｓ１の正の屈折力の屈曲作用をより強く受ける。また、主光線Ｒｃは、主光線Ｒｅと比較して光学面Ｓ２、Ｓ３の正の屈折力の屈曲作用をより強く受ける。いずれの場合においても、表示面ＤＰが接眼光学系ＥＰの前側焦点位置付近に配置されていることから、光線高の高い主光線Ｒｅを結像する際の接眼光学系ＥＰの実効的焦点距離は、光線高の低い主光線Ｒｃを結像する際の接眼光学系ＥＰの実効的焦点距離よりも短い距離となる。そのため、主光線Ｒｅが作る虚像の拡大倍率の方が、主光線Ｒｃが作る虚像の拡大倍率よりも大きくなる。

以上から、虚像の拡大倍率は、画角の小さな領域よりも画角の大きな領域の方が大きくなり、即ち映像の中心よりも外側の方が拡大されるように作用するものとなる。つまり上記の条件において、接眼光学系ＥＰに糸巻き型の像歪を持たせることができる。

以下、実施形態で説明した映像表示装置の具体的な実施例について説明する。
[実施例１]
図７は、実施例１に係る映像表示装置１００が有するレンズ構成を示す図である。映像表示装置１００の接眼光学系ＥＰは第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２を含んでいる。

第１レンズ群Ｇ１は、表示面ＤＰ側に負の屈折力を有する光学面Ｓ０をもち、正の方向の側に外周部が負の曲率を持つとともにレンズ媒質の外側に向かって凸の形状を有した光学面S１をもつ、屈折レンズである第１エレメントＥ１を含んでいる。尚、各エレメントがもつ面の曲率の詳細については後述する。

第２レンズ群Ｇ２は、正の方向の側にフレネル面（光学面Ｓ２）を設けた第２エレメントＥ２、表示面ＤＰ側にフレネル面（光学面Ｓ３）を設けた第３エレメントＥ３、を含んでいる。

以下、実施例１に係るレンズデータについて記載する。
面番号 R’ T nd vd 有効半径
1 ∞ 9.39 1 0
2 ∞ 3.1 1.534 56 10.7
3 -17.954 0.6 1 0 17.0
4 ∞ 2 1.534 56 21.0
5 ∞ 0.6 1 0 21.9
6 ∞ 2 1.534 56 21.9
7 ∞ 20.15 1 0 21.1
8 － -1000 1 0
9 － 0 1 0

ここで、R’は、面番号１、４、７における接眼光学系ＥＰの光軸上での曲率半径（ｍｍ）であり、面番号２、３、５、６の後述の式（８）、（９）のＣを求めるパラメータをしめす。さらに、Ｔは面間隔（ｍｍ）を、ndは屈折率を、vdは、アッベ数を示す。面番号１は、表示パネルＤＥの表示面ＤＰを示す。面番号２から７は、接眼光学系ＥＰを構成する光学面を示す。面番号２は光学面Ｓ０に、面番号３は光学面Ｓ１に、面番号５は光学面Ｓ２に、面番号６は光学面Ｓ３に該当する。面番号８は、利用者の目の瞳孔の位置を示す。面番号９は、利用者に提示する虚像の像面を示す。

面番号２、３は非球面であり、そのサグＺは、下記式（８）で規定される。

sは、接眼光学系ＥＰの光軸からの距離、Cは1/R’で表される値、kは定数、A2、A4、A6、A8は、各次数のパラメータとなる定数である。

面番号５、６はフレネル面であり、フレネル面（面番号５、６）の中の、同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した際の連結面のサグＺは、下記式（９）で規定される。

面番号２、３、５、６の各種パラメータを記載すると、下記のようになる。
面番号ｋ A2 A4 A6 A8 A10
2 0 -5.595E-02 -1.919E-04 -5.873E-07 9.131E-09 0.000E+00
3 0 3.013E-02 -1.725E-04 1.212E-06 -3.270E-09 3.161E-12
5 0 -5.486E-02 5.915E-05 -2.540E-07 6.040E-10 -4.992E-13
6 0 3.701E-02 -3.346E-05 9.414E-08 -1.177E-10 2.314E-14

また、表示パネルＤＥの表示面ＤＰの対角長は１９ｍｍ、最大画角ＦＶは８０°、実効的後側焦点ＸＰと接眼光学系ＥＰとの距離ＦＢは２０．２５ｍｍ、接眼光学系ＥＰの焦点距離ＦＬは１７．０９２ｍｍである。従って、表示面ＤＰの対角長が４０ｍｍ以下、接眼光学系ＥＰの最大画角が８０°超、距離ＦＢが１５ｍｍ以上、焦点距離ＦＬが２５ｍｍ以下であるという条件を満たしている。また、第２エレメントＥ２がもつフレネル面である光学面Ｓ２と、第３エレメントＥ３がもつフレネル面である光学面Ｓ３のうち、接眼光学系ＥＰの光軸上における最も表示パネルＤＥ側の光学面Ｓ２（面番号５）と最も正の方向の側の光学面Ｓ３（面番号６）の間の距離は、０．６ｍｍであることから、該距離が接眼光学系ＥＰの焦点距離ＦＬの１／３以下であるという条件も満たしている。

また、フレネル面の中の、同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した際の連結面の曲率及び非球面の曲率は、下記の式（１０）のようになり、式（１０）は、サグＺを光軸からの距離sで微分した式である式（１１）、式（１２）におけるＺ’(s)とＺ’’(s)を代入することで算出される。

上述の面番号２、３のデータを代入し、光学面Ｓ０、Ｓ１の曲率を求め、グラフ化すると、それぞれ図８、図９のようになる。また、フレネル面である光学面Ｓ２、Ｓ３については、図５、６で示したような、フレネル面の中の同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した連結面（それぞれ連結面Ｓ２ｆ’、連結面Ｓ３ｆ’）の曲率を、面番号５、６のデータを代入することで求め、グラフ化するとそれぞれ図１０、図１１のようになる。

図８に示されるように、光学面Ｓ０の曲率は外周部をのぞき面全体が負である。図９に示されるように、光学面Ｓ１の曲率は外周部において負であり、媒質の外側に向かって凸の形状を有している。図１０に示されるように、連結面Ｓ２ｆ’の曲率は、光軸部が負であり、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化している。図１１に示されるように、連結面Ｓ３ｆ’の曲率は、光軸部が正であり、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化している。また、図１２、図１３は、実施例１における接眼光学系ＥＰの結像性能を示す。図１２、図１３で示される結像性能は、便宜的に、接眼光学系ＥＰがつくる虚像の位置から、接眼光学系ＥＰを介して表示面ＤＰに向かい光線を追跡し結像する像性能を示している。

図１２は、像面湾曲を示すグラフであり、縦軸が視野角（度）を示し、横軸が結像位置(mm)を示している。実線はタンジェンシャルの像面湾曲を、破線はサジタルの像面湾曲を示す。L１、L２は、波長が0.588E-03mmである光線の像面湾曲に対応した線を示している。

図１３は、パーセントディストーションを示すグラフであり、縦軸が視野角（度）を示し、横軸が歪の無い場合の光軸から像までの距離（理想像高）を基準に、実像高から理想像高を差し引いた量を求め、さらにその量を理想像高で除算した像歪の相対値を示している。図１３では、波長が0.588E-03mmである光線のパーセントディストーションを示す曲線が描かれている。

また、図１３に示されるように、視野角が増加するに従い、パーセントディストーションが負の方向に増加している。即ち、表示面ＤＰに結像する像は、樽型の歪を持っている。上述したように、図１３は、接眼光学系ＥＰがつくる虚像の位置から光線追跡を行ったものであるから、逆に表示面ＤＰから、接眼光学系ＥＰを介して光線追跡を行った場合、糸巻き型の歪を持つ像が形成されることを意味しており、接眼光学系ＥＰが糸巻き型の像歪を形成するものであることが確認できる。

[実施例２]
図１４は、実施例２に係る映像表示装置２００が有するレンズ構成を示す図である。映像表示装置２００の接眼光学系ＥＰは第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２を含んでいる。

第２レンズ群Ｇ２は、正の方向の側にフレネル面（光学面Ｓ２）を設けた第２エレメントＥ２、正の方向の側にＤＯＥ面（光学面Ｓ４）を設けた第４エレメントＥ４、表示面ＤＰ側にフレネル面（光学面Ｓ３）を設けた第３エレメントＥ３、を含んでいる。

以下、実施例２に係るレンズデータについて記載する。
面番号 R’ T nd vd 有効半径
1 ∞ 9.39 1 0
2 ∞ 3.1 1.534 56 11.4
3 18.3 0.6 1 0 17.1
4 ∞ 2 1.534 56 21.2
5 ∞ 0.6 1 0 22.0
6 ∞ 2 1.534 56 22.0
7 ∞ 0.6 1 0 21.9
8 ∞ 2 1.534 56 21.9
9 ∞ 19 1 0 21.1
10 － -1333 1 0
11 － 0 1 0

ここで、R’は、面番号１、４、６、９における接眼光学系ＥＰの光軸上での曲率半径（ｍｍ）であり、面番号２、３、５、７、８における式（８）、（９）、（１３）のＣを求めるパラメータをしめす。さらに、Ｔは面間隔（ｍｍ）を、ndは屈折率を、vdは、アッベ数を示す。面番号１は、表示パネルＤＥの表示面ＤＰを示す。面番号２から９は、接眼光学系ＥＰを構成する光学面を示す。面番号２は光学面Ｓ０に、面番号３は光学面Ｓ１に、面番号５は光学面Ｓ２に、面番号７は光学面Ｓ４に、面番号８は光学面Ｓ３に該当する。面番号１０は、利用者の目の瞳孔の位置を示す。面番号１１は、利用者に提示する虚像の像面を示す。

面番号２、３は非球面であり、そのサグＺは、上述した式（８）で規定される。

面番号５、８はフレネル面であり、フレネル面（面番号５、８）の中の、同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した際の連結面のサグＺは、上述した式（９）で規定される。

面番号２、３、５、８の各種パラメータを記載すると、下記のようになる。
面番号ｋ A2 A4 A6 A8 A10
2 0 -4.650E-02 -1.620E-04 -1.970E-06 1.780E-08 0.000E+00
3 0 3.250E-02 -1.890E-04 1.140E-06 -2.620E-09 1.840E-12
5 0 -5.120E-02 4.930E-05 -2.120E-07 5.090E-10 -4.310E-13
8 0 3.390E-02 -2.540E-05 4.990E-08 -2.770E-11 -4.030E-14

面番号７はＤＯＥ面であり、ＤＯＥ面がＤＯＥ面を通過する光に与える位相量Dは次式（１３）で規定される。

mは回折次数、λは基準波長、kは定数、A2、A4…は各次数のパラメータとなる定数であり、A4以降の定数はゼロとなる。

面番号７の各種パラメータを記載すると、下記のようになる。
面番号ｋ A2 回折次数m 基準波長λ(mm)
7 0 -25.3 1 0.533×10-3

また、表示パネルＤＥの表示面ＤＰの対角長は１９．８ｍｍ（表示パネルＤＥの対角長は２５．４ｍｍである）、最大画角ＦＶは９０°、実効的後側焦点ＸＰと接眼光学系ＥＰとの距離ＦＢは１８．８ｍｍ、接眼光学系ＥＰの焦点距離ＦＬは１７．１ｍｍである。従って、表示面ＤＰの対角長が４０ｍｍ以下、接眼光学系ＥＰの最大画角が８０°超、距離ＦＢが１５ｍｍ以上、焦点距離ＦＬが２５ｍｍ以下であるという条件を満たしている。また、第２エレメントＥ２がもつフレネル面である光学面Ｓ２と、第３エレメントＥ３がもつフレネル面である光学面Ｓ３と、ＤＯＥ面のうち、接眼光学系ＥＰの光軸上における最も表示パネルＤＥ側の光学面Ｓ２（面番号５）と最も正の方向側の光学面Ｓ３（面番号８）の間の距離はＤＯＥ面である光学面Ｓ４（面番号７）を挟み、３．２ｍｍであることから、該距離が接眼光学系ＥＰの焦点距離ＦＬの１／３以下であるという条件も満たしている。

また、フレネル面の中の、同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した際の連結面の曲率及び非球面の曲率は、上記式（１０）のようになり、式（１０）は、サグＺを光軸からの距離sで微分した式である式（１１）、式（１２）におけるＺ’(s)とＺ’’(s)を代入することで算出される。

上述の面番号２、３のデータを代入し、光学面Ｓ０、Ｓ１の曲率を求め、グラフ化すると、それぞれ図１５、図１６のようになる。また、フレネル面である光学面Ｓ２、Ｓ３については、図５、６で示したような、フレネル面の中の同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した連結面（それぞれ連結面Ｓ２ｆ’、連結面Ｓ３ｆ’）の曲率を、面番号５、８のデータを代入することで求め、グラフ化するとそれぞれ図１７、図１８のようになる。

図１５に示されるように、光学面Ｓ０の曲率は外周部をのぞき面全体が負である。図１６に示されるように、光学面Ｓ１の曲率は外周部において負であり、媒質の外側に向かって凸の形状を有している。図１７に示されるように、連結面Ｓ２ｆ’の曲率は、光軸部が負であり、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化している。図１８に示されるように、連結面Ｓ３ｆ’の曲率は、光軸部が正であり、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化している。

また、式（１３）で規定されるＤＯＥ面の屈折力は、以下の式（１４）により算出される。
P ＝－（mλ/2π）・（C+2・A2）・・・（１４）

上記式（１４）より、ＤＯＥ面である光学面Ｓ４の屈折力P4は、下記のように算出される。
P4=4.29×10^-3 ・・・（１５）

式（１５）で規定される屈折力P4、及び、P0(=1/FL)、及び、V0(= (V2 + V3) / 2)は、式（５）を満たすものである。

また、図１９、図２０は、実施例２における接眼光学系ＥＰの結像性能を示す。図１９、図２０で示される結像性能は、便宜的に、接眼光学系ＥＰがつくる虚像の位置から、接眼光学系ＥＰを介して表示面ＤＰに向かい光線を追跡し結像する像性能を示している。

図１９は、像面湾曲を示すグラフであり、縦軸が視野角（度）を示し、横軸が結像位置(mm)を示している。実線はタンジェンシャルの像面湾曲を、破線はサジタルの像面湾曲を示す。L1、L4は、波長が0.656E-03mmである光線の像面湾曲に対応した線を示している。L2、L5は、波長が0.588E-03mmである光線の像面湾曲に対応した線を示している。L3、L6は、波長が0.486E-03mmである光線の像面湾曲に対応した線を示している。

図１９に示されるように、タンジェンシャルの像面もサジタルの像面も、結像位置がほぼ一致しており、接眼光学系ＥＰは、軸上の色収差が良好に補正されている。

図２０は、パーセントディストーションを示すグラフであり、縦軸が視野角（度）を示し、横軸が歪の無い場合の光軸から像までの距離（理想像高）を基準に、実像高から理想像高を差し引いた量を求め、さらにその量を理想像高で除算した像歪の相対値を示している。

図２０では、波長が0.486E-03mm、0.588E-03mm、0.656E-03mmである各光線のパーセントディストーションを示す曲線が描かれているが、よく重なっておりほぼ一本に見える。従って、接眼光学系ＥＰは、倍率の色収差が良好に補正されている。

また、図２０に示されるように、視野角が増加するに従い、パーセントディストーションが負の方向に増加している。即ち、表示面ＤＰに結像する像は、樽型の歪を持っている。上述したように、図２０は、接眼光学系ＥＰがつくる虚像の位置から光線追跡を行ったものであるから、逆に表示面ＤＰから、接眼光学系ＥＰを介して光線追跡を行った場合、糸巻き型の歪を持つ像が形成されることを意味しており、接眼光学系ＥＰが糸巻き型の像歪を形成するものであることが確認できる。

[実施例３]
図２１は、実施例３に係る映像表示装置３００が有するレンズ構成を示す図である。映像表示装置３００の接眼光学系ＥＰは第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２を含んでいる。

第２レンズ群Ｇ２は、正の方向の側にフレネル面（光学面Ｓ２）を設けた第２エレメントＥ２、表示面ＤＰ側にフレネル面（光学面Ｓ３）を設けた第３エレメントＥ３、表示面ＤＰ側にＤＯＥ面（光学面Ｓ４）を設けた第４エレメントＥ４を含んでいる。

以下、実施例３に係るレンズデータについて記載する。
面番号 R’ T nd vd 有効半径
1 ∞ 9.98 1 0
2 ∞ 3.1 1.534 56 11.4
3 -18.301 0.6 1 0 17.8
4 ∞ 2 1.534 56 22.2
5 ∞ 0.6 1 0 23.0
6 ∞ 2 1.534 56 22.8
7 ∞ 0.6 1 0 22.2
8 ∞ 2 1.534 56 21.9
9 ∞ 18.46 1 0 21.1
10 － -1333 1 0
11 － 0 1 0

ここで、R’は、面番号１、４、７、９における接眼光学系ＥＰの光軸上での曲率半径（ｍｍ）であり、面番号２、３、５、６、８における式（８）、（９）、（１３）のＣを求めるパラメータをしめす。さらに、Ｔは面間隔（ｍｍ）を、ndは屈折率を、vdは、アッベ数を示す。面番号１は、表示パネルＤＥの表示面ＤＰを示す。面番号２から９は、接眼光学系ＥＰを構成する光学面を示す。面番号２は光学面Ｓ０に、面番号３は光学面Ｓ１に、面番号５は光学面Ｓ２に、面番号６は光学面Ｓ３に、面番号８は光学面Ｓ４に該当する。面番号１０は、利用者の目の瞳孔の位置を示す。面番号１１は、利用者に提示する虚像の像面を示す。

面番号５、６はフレネル面であり、フレネル面（面番号５、６）の中の、同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した際の連結面のサグＺは、上述した式（９）で規定される。

面番号２、３、５、６の各種パラメータを記載すると、下記のようになる。
面番号ｋ A2 A4 A6 A8 A10
2 0 -5.274E-02 -1.513E-04 -1.818E-06 1.682E-08 0.000E+00
3 0 3.172E-02 -1.661E-04 1.057E-06 -2.640E-09 2.416E-12
5 0 -5.328E-02 4.926E-05 -2.143E-07 5.123E-10 -4.088E-13
6 0 3.483E-02 -3.294E-05 5.835E-08 -3.332E-11 -2.879E-14

面番号８はＤＯＥ面であり、ＤＯＥ面がＤＯＥ面を通過する光に与える位相量Dは上記式（１３）で規定される。

面番号８の各種パラメータを記載すると、下記のようになる。
面番号ｋ A2 回折次数m 基準波長λ(mm)
8 0 -2.21E+01 1 0.533E-03

また、表示パネルＤＥの表示面ＤＰの対角長は１９．９ｍｍ、最大画角ＦＶは９０°、実効的後側焦点ＸＰと接眼光学系ＥＰとの距離ＦＢは１８．４６ｍｍ、接眼光学系ＥＰの焦点距離ＦＬは１７．１３ｍｍである。従って、表示面ＤＰの対角長が４０ｍｍ以下、接眼光学系ＥＰの最大画角が８０°超、距離ＦＢが１５ｍｍ以上、焦点距離ＦＬが２５ｍｍ以下であるという条件を満たしている。また、第２エレメントＥ２がもつフレネル面である光学面Ｓ２と、第３エレメントＥ３がもつフレネル面である光学面Ｓ３と、ＤＯＥ面のうち、接眼光学系ＥＰの光軸上における最も表示パネルＤＥ側の光学面Ｓ２（面番号５）と最も正の方向側のＤＯＥ面である光学面Ｓ４（面番号８）の間の距離は光学面Ｓ３を挟み、３．２ｍｍであることから、該距離が接眼光学系ＥＰの焦点距離ＦＬの１／３以下であるという条件も満たしている。

上述の面番号２、３のデータを代入し、光学面Ｓ０、Ｓ１の曲率を求め、グラフ化すると、それぞれ図２２、図２３のようになる。また、フレネル面である光学面Ｓ２、Ｓ３については、図５、６で示したような、フレネル面の中の同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した連結面（それぞれ連結面Ｓ２ｆ’、連結面Ｓ３ｆ’）の曲率を、面番号５、６のデータを代入することで求め、グラフ化するとそれぞれ図２４、図２５のようになる。

図２２に示されるように、光学面Ｓ０の曲率は外周部をのぞき面全体が負である。図２３に示されるように、光学面Ｓ１の曲率は外周部において負であり、媒質の外側に向かって凸の形状を有している。図２４に示されるように、連結面Ｓ２ｆ’の曲率は、光軸部が負であり、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化している。図２５に示されるように、連結面Ｓ３ｆ’の曲率は、光軸部が正であり、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化している。

上記式（１４）より、ＤＯＥ面である光学面Ｓ４の屈折力P4は、下記のように算出される。
P4= 3.8 × 10^-3・・・（１６）

式（１６）で規定される屈折力P4、及び、P0(=1/FL) 、及び、V0(= (V2 + V3) / 2)は、式（５）を満たすものである。

また、図２６、図２７は、実施例３における接眼光学系ＥＰの結像性能を示す。図１２６、図２７で示される結像性能は、便宜的に、接眼光学系ＥＰがつくる虚像の位置から、接眼光学系ＥＰを介して表示面ＤＰに向かい光線を追跡し結像する像性能を示している。

図２６は、像面湾曲を示すグラフであり、縦軸が視野角（度）を示し、横軸が結像位置(mm)を示している。実線はタンジェンシャルの像面湾曲を、破線はサジタルの像面湾曲を示す。尚、波長が0.656E-03mm 、0.588E-03mm 、0.486E-03mm である各光線の像面湾曲が示されているが、タンジェンシャルの像面湾曲とサジタルの像面湾曲のそれぞれ毎によく重なっており、略一本の線に見える。即ち、タンジェンシャルの像面もサジタルの像面も、結像位置がほぼ一致しており、接眼光学系ＥＰは、軸上の色収差が良好に補正されている。

図２７は、パーセントディストーションを示すグラフであり、縦軸が視野角（度）を示し、横軸が歪の無い場合の光軸から像までの距離（理想像高）を基準に、実像高から理想像高を差し引いた量を求め、さらにその量を理想像高で除算した像歪の相対値を示している。

図２７では、波長が0.486E-03mm、0.588E-03mm、0.656E-03mmである各光線のパーセントディストーションを示す曲線が描かれているが、よく重なっておりほぼ一本に見える。従って、接眼光学系ＥＰは、倍率の色収差が良好に補正されている。

また、図２７に示されるように、視野角が増加するに従い、パーセントディストーションが負の方向に増加している。即ち、表示面ＤＰに結像する像は、樽型の歪を持っている。上述したように、図２７は、接眼光学系ＥＰがつくる虚像の位置から光線追跡を行ったものであるから、逆に表示面ＤＰから、接眼光学系ＥＰを介して光線追跡を行った場合、糸巻き型の歪を持つ像が形成されることを意味しており、接眼光学系ＥＰが糸巻き型の像歪を形成するものであることが確認できる。

[実施例４]
図２８は、実施例４に係る映像表示装置４００が有するレンズ構成を示す図である。映像表示装置４００の接眼光学系ＥＰは第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２を含んでいる。

第２レンズ群Ｇ２は、正の方向の側にフレネル面（光学面Ｓ２）を設けた第２エレメントＥ２、正の方向側にＤＯＥ面（光学面Ｓ４）を設けた第４エレメントＥ４、表示面ＤＰ側にフレネル面（光学面Ｓ３）を設けた第３エレメントＥ３、を含んでいる。

以下、実施例４に係るレンズデータについて記載する。
面番号 R’ T nd vd 有効半径
1 ∞ 9.79 1 0
2 ∞ 3.1 1.534 56 11.0
3 -18.3 0.5 1 0 16.3
4 -66.6 1.5 1.534 56 19.1
5 105 0.88 1 0 21.7
6 ∞ 1.5 1.534 56 21.7
7 ∞ 0.5 1 0 21.7
8 ∞ 1.5 1.534 56 21.7
9 ∞ 19 1 0 21.7
10 － -1000 1 0
11 － 0 1 0

ここで、R’は、面番号１、４、６、９における接眼光学系ＥＰの光軸上での曲率半径（ｍｍ）であり、面番号２、３、５、７、８における式（８）、（９）、（１３）のＣを求めるパラメータを示す。さらに、Ｔは面間隔（ｍｍ）を、ndは屈折率を、vdは、アッベ数を示す。面番号１は、表示パネルＤＥの表示面ＤＰを示す。面番号２から９は、接眼光学系ＥＰを構成する光学面を示す。面番号２は光学面Ｓ０に、面番号３は光学面Ｓ１に、面番号５は光学面Ｓ２に、面番号７は光学面Ｓ４に、面番号８は光学面Ｓ３に該当する。面番号１０は、利用者の目の瞳孔の位置を示す。面番号１１は、利用者に提示する虚像の像面を示す。

面番号８はフレネル面であり、フレネル面（面番号８）の中の、同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した際の連結面のサグＺは、上述した式（９）で規定される。

面番号５は非球面の上にフレネル面が形成された面であり、非球面のサグＺは、上述した式（８）で規定される。さらにその非球面の上に形成されているフレネル面（面番号５）の中の、同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した際の連結面の、非球面を基準としたサグＺは、上述した式（９）で規定される。

面番号２、３、５の上述した式（８）の各種パラメータを記載すると、下記のようになる。
面番号ｋ A2 A4 A6 A8 A10
2 0 -4.171E-02 -3.183E-04 -5.116E-07 1.039E-08 0.000E+00
3 0 2.895E-02 -2.680E-04 1.651E-06 -3.709E-09 1.943E-12
5 0 -5.554E-02 3.098E-05 -6.911E-08 1.460E-10 -2.400E-13

面番号５、８の上述した式（９）の各種パラメータを記載すると、下記のようになる。
面番号ｋ A2 A4 A6 A8 A10
5 0 0 -3.46E-06 -8.835E-08 1.648E-10 0
8 0 3.810E-02 -6.203E-05 2.537E-07 -4.652E-10 2.973E-13
面番号７はＤＯＥ面であり、ＤＯＥ面がＤＯＥ面を通過する光に与える位相量Dは上記式（１３）で規定される。

面番号７の各種パラメータを記載すると、下記のようになる。
面番号ｋ A2 回折次数m 基準波長λ(mm)
７ 0 -2.22E+01 1 0.533E-3

また、表示パネルＤＥの表示面ＤＰの対角長は２０ｍｍ、最大画角ＦＶは９０°、実効的後側焦点ＸＰと接眼光学系ＥＰとの距離ＦＢは１９．１１ｍｍ、接眼光学系ＥＰの焦点距離ＦＬは１６．９９ｍｍである。従って、表示面ＤＰの対角長が４０ｍｍ以下、接眼光学系ＥＰの最大画角が８０°超、距離ＦＢが１５ｍｍ以上、焦点距離ＦＬが２５ｍｍ以下であるという条件を満たしている。また、第２エレメントＥ２がもつフレネル面である光学面Ｓ２と、第３エレメントＥ３がもつフレネル面である光学面Ｓ３と、ＤＯＥ面のうち、接眼光学系ＥＰの光軸上における最も表示パネルＤＥ側の光学面Ｓ２（面番号５）と最も正の方向の側の光学面Ｓ３（面番号８）の間の距離はＤＯＥ面である光学面Ｓ４（面番号７）を挟み、２．８８ｍｍであることから、該距離が接眼光学系ＥＰの焦点距離ＦＬの１／３以下であるという条件も満たしている。

上述の面番号２、３のデータを代入し、光学面Ｓ０、Ｓ１の曲率を求め、グラフ化すると、それぞれ図２９、図３０のようになる。また、フレネル面である光学面Ｓ２、Ｓ３については、図５、６で示したような、フレネル面の中の同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した連結面（それぞれ連結面S2f’、連結面Ｓ３ｆ’）の曲率を、面番号５、８のデータを代入することで求め、グラフ化するとそれぞれ図３１、図３２のようになる。

図２９に示されるように、光学面Ｓ０の曲率は外周部をのぞき面全体が負である。図３０に示されるように、光学面Ｓ１の曲率は外周部において負であり、媒質の外側に向かって凸の形状を有している。図３１に示されるように、連結面Ｓ２ｆ’の曲率は、光軸部が負であり、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化している。図３２に示されるように、連結面Ｓ３ｆ’の曲率は、光軸部が正であり、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化している。

上記式（１４）より、ＤＯＥ面である光学面Ｓ４の屈折力Ｐ４は、下記のように算出される。
P4= 3.8 × 10^-3・・・（１７）

式（１７）で規定される屈折力P4及びP0(=1/FL) 、及び、V0(= (V2 + V3) / 2)は、式（５）を満たすものである。

また、図３３、図３４は、実施例４における接眼光学系ＥＰの結像性能を示す。図３３、図３４で示される結像性能は、便宜的に、接眼光学系ＥＰがつくる虚像の位置から、接眼光学系ＥＰを介して表示面ＤＰに向かい光線を追跡し結像する像性能を示している。

図３３は、像面湾曲を示すグラフであり、縦軸が視野角（度）を示し、横軸が結像位置(mm)を示している。実線はタンジェンシャルの像面湾曲を、破線はサジタルの像面湾曲を示す。尚、波長が0.656E-03mm 、0.588E-03mm 、0.486E-03mm である各光線の像面湾曲が示されているが、タンジェンシャルの像面湾曲とサジタルの像面湾曲のそれぞれ毎によく重なっており、略一本の線に見える。即ち、タンジェンシャルの像面もサジタルの像面も、結像位置がほぼ一致しており、接眼光学系ＥＰは、軸上の色収差が良好に補正されている。

図３４は、パーセントディストーションを示すグラフであり、縦軸が視野角（度）を示し、横軸が歪の無い場合の光軸から像までの距離（理想像高）を基準に、実像高から理想像高を差し引いた量を求め、さらにその量を理想像高で除算した像歪の相対値を示している。

図３４では、波長が0.486E-03mm、0.588E-03mm、0.656E-03mmである各光線のパーセントディストーションを示す曲線が描かれているが、よく重なっておりほぼ一本に見える。従って、接眼光学系ＥＰは、倍率の色収差が良好に補正されている。

また、図３４に示されるように、視野角が増加するに従い、パーセントディストーションが負の方向に増加している。即ち、表示面ＤＰに結像する像は、樽型の歪を持っている。上述したように、図３４は、接眼光学系ＥＰがつくる虚像の位置から光線追跡を行ったものであるから、逆に表示面ＤＰから、接眼光学系ＥＰを介して光線追跡を行った場合、糸巻き型の歪を持つ像が形成されることを意味しており、接眼光学系ＥＰが糸巻き型の像歪を形成するものであることが確認できる。

[実施例５]
図３５は、実施例５に係る映像表示装置５００が有するレンズ構成を示す図である。映像表示装置５００の接眼光学系ＥＰは第１レンズ群Ｇ１、第２レンズ群Ｇ２を含んでいる。

第２レンズ群Ｇ２は、表示面ＤＰ側にＤＯＥ面（光学面Ｓ４）を設け、正の方向の側にフレネル面（光学面Ｓ２）を設けた第２エレメントＥ２、表示面ＤＰ側にフレネル面（光学面Ｓ３）を設けた第３エレメントＥ３を含んでいる。

以下、実施例５に係るレンズデータについて記載する。
面番号 R’ T nd vd 有効半径
1 ∞ 10.15 1 0
2 ∞ 3.1 1.534 56 11.1
3 -18.301 0.6 1 0 17.2
4 ∞ 2.0 1.534 56 21.2
5 ∞ 0.60 1 0 21.9
6 ∞ 2.0 1.534 56 21.9
7 ∞ 20 1 0 21.1
8 － -1000 1 0
9 － 0 1 0

ここで、R’は、面番号１、７における接眼光学系ＥＰの光軸上での曲率半径（ｍｍ）であり、面番号２、３、４、５、６における式（８）、（９）、（１３）のＣを求めるパラメータをしめす。さらに、Ｔは面間隔（ｍｍ）を、ndは屈折率を、vdは、アッベ数を示す。面番号１は、表示パネルＤＥの表示面ＤＰを示す。面番号２から７は、接眼光学系ＥＰを構成する光学面を示す。面番号２は光学面Ｓ０に、面番号３は光学面Ｓ１に、面番号４は光学面Ｓ４に、面番号５は光学面Ｓ２に、面番号６は光学面Ｓ３に該当する。面番号８は、利用者の目の瞳孔の位置を示す。面番号９は、利用者に提示する虚像の像面を示す。

面番号２、３、５、６の各種パラメータを記載すると、下記のようになる。
面番号ｋ A2 A4 A6 A8 A10
2 0 -5.795E-02 -1.179E-04 -1.165E-06 1.016E-08 0.000E+00
3 0 2.765E-02 -1.226E-04 7.922E-07 -1.809E-09 1.123E-12
5 0 -5.252E-02 4.898E-05 -1.801E-07 4.496E-10 -3.943E-13
6 0 3.620E-02 -3.582E-05 1.018E-07 -1.387E-10 4.129E-14
面番号４はＤＯＥ面であり、ＤＯＥ面がＤＯＥ面を通過する光に与える位相量Dは上記式（１３）で規定される。

面番号４の各種パラメータを記載すると、下記のようになる。
面番号ｋ A2 回折次数m 基準波長λ(mm)
４ 0 -1.56E+01 1 0.533E-3

また、表示パネルＤＥの表示面ＤＰの対角長は１９．８ｍｍ、最大画角ＦＶは９０°、実効的後側焦点ＸＰと接眼光学系ＥＰとの距離ＦＢは２０ｍｍ、接眼光学系ＥＰの焦点距離ＦＬは１７．２７ｍｍである。従って、表示面ＤＰの対角長が４０ｍｍ以下、接眼光学系ＥＰの最大画角が８０°超、距離ＦＢが１５ｍｍ以上、焦点距離ＦＬが２５ｍｍ以下であるという条件を満たしている。また、第２エレメントＥ２がもつフレネル面である光学面Ｓ２と、第３エレメントＥ３がもつフレネル面である光学面Ｓ３と、ＤＯＥ面のうち、接眼光学系ＥＰの光軸上における最も表示パネルＤＥ側のＤＯＥ面である光学面Ｓ４（面番号４）と最も正の方向の側の光学面Ｓ３（面番号６）の間の距離は光学面Ｓ２を間に挟み、２．６ｍｍであることから、該距離が接眼光学系ＥＰの焦点距離ＦＬ（１７．２７ｍｍ）の１／３以下となるように第２エレメントＥ２、第３エレメントＥ３が近接配置されるという条件についても満たしている。

上述の面番号２、３のデータを代入し、光学面Ｓ０、Ｓ１の曲率を求め、グラフ化すると、それぞれ図３６、図３７のようになる。また、フレネル面である光学面Ｓ２、Ｓ３については、図５、６で示したような、フレネル面の中の同心円状に配置された各光学面を仮想的に連結した連結面（それぞれ連結面Ｓ２ｆ’、連結面Ｓ３ｆ’）の曲率を、面番号５、６のデータを代入することで求め、グラフ化するとそれぞれ図３８、図３９のようになる。

図３６に示されるように、光学面Ｓ０の曲率は外周部をのぞき面全体が負である。図３７に示されるように、光学面Ｓ１の曲率は外周部において負であり、媒質の外側に向かって凸の形状を有している。図３８に示されるように、連結面Ｓ２ｆ’の曲率は、光軸部が負であり、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化している。図３９に示されるように、連結面Ｓ３ｆ’’の曲率は、光軸部が正であり、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化している。

上記式（１４）より、ＤＯＥ面である光学面Ｓ４の屈折力Ｐ４は、下記のように算出される。
P4= 2.6 × 10^-3・・・（１８）

式（１８）で規定される屈折力P4及びP0(=1/FL) 、及び、V0(= (V2 + V3) / 2)は、式（５）を満たすものである。

また、図４０、図４１は、実施例５における接眼光学系ＥＰの結像性能を示す。図４０、図４１で示される結像性能は、便宜的に、接眼光学系ＥＰがつくる虚像の位置から、接眼光学系ＥＰを介して表示面ＤＰに向かい光線を追跡し結像する像性能を示している。

図４０は、像面湾曲を示すグラフであり、縦軸が視野角（度）を示し、横軸が結像位置(mm)を示している。実線はタンジェンシャルの像面湾曲を、破線はサジタルの像面湾曲を示す。L1、L4は、波長が0.486E-03mmである光線の像面湾曲に対応した線を示している。L2、L5は、波長が0.588E-03mmである光線の像面湾曲に対応した線を示している。L3、L6は、波長が0.656E-03mmである光線の像面湾曲に対応した線を示している。

図４０に示されるように、タンジェンシャルの像面もサジタルの像面も、結像位置がほぼ一致しており、接眼光学系ＥＰは、軸上の色収差が良好に補正されている。

図４１は、パーセントディストーションを示すグラフであり、縦軸が視野角（度）を示し、横軸が歪の無い場合の光軸から像までの距離（理想像高）を基準に、実像高から理想像高を差し引いた量を求め、さらにその量を理想像高で除算した像歪の相対値を示している。

図４１では、波長が0.486E-03mm、0.588E-03mm、0.656E-03mmである各光線のパーセントディストーションを示す曲線が描かれているが、よく重なっておりほぼ一本に見える。従って、接眼光学系ＥＰは、倍率の色収差が良好に補正されている。

また、図４１に示されるように、視野角が増加するに従い、パーセントディストーションが負の方向に増加している。即ち、表示面ＤＰに結像する像は、樽型の歪を持っている。上述したように、図４１は、接眼光学系ＥＰがつくる虚像の位置から光線追跡を行ったものであるから、逆に表示面ＤＰから、接眼光学系ＥＰを介して光線追跡を行った場合、糸巻き型の歪を持つ像が形成されることを意味しており、接眼光学系ＥＰが糸巻き型の像歪を形成するものであることが確認できる。

上述した実施形態、実施例は、発明の理解を容易にするために具体例を示したものであり、本発明はこれらの実施形態、実施例に限定されるものではない。上述した映像表示装置は、特許請求の範囲に記載した本発明を逸脱しない範囲において、さまざまな変形、変更が可能である。

１０、１００、２００、３００、４００、５００映像表示装置
ＤＥ表示パネル
ＤＰ表示面
ＥＰ接眼光学系
Ｇ１第１レンズ群
Ｇ２第２レンズ群
Ｅ１第１エレメント
Ｅ２第２エレメント
Ｅ３第３エレメント
Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、ＳＦ、ＳＢ光学面

Claims

覗き込み型の映像表示装置であって、
接眼光学系と、
前記接眼光学系の前側焦点位置近傍に対角長が４０ｍｍ以下である、光を出力する表示面を有する表示パネルと、を備え、
前記接眼光学系は、前記接眼光学系の光軸に沿って前記表示パネルから射出された光が進行する方向を正の方向としたとき、前記表示パネル側から正の方向の側へ順に、第１レンズ群と第２レンズ群とからなり、
前記第１レンズ群は、前記表示パネル側に負の屈折力を有する第１光学面をもち、正の方向の側に外周部が負の曲率をもつとともにレンズ媒質の外側に向かって凸の形状を有した第２光学面をもつ、屈折レンズである第１エレメントからなり、
前記第２レンズ群は、互いに近接して配置された、前記表示パネル側から正の方向へ順に、正の方向の側に面した面が正の屈折力のフレネル面をもつ第２エレメントと、前記表示パネル側に面した面が正の屈折力のフレネル面をもつ第３エレメントと、を有し、
前記接眼光学系は、最大画角が８０度以上で光を出射する
ことを特徴とする映像表示装置。
請求項１に記載の映像表示装置であって、
前記第２レンズ群は、正の屈折力のＤＯＥ面をもつエレメントを有している
ことを特徴とする映像表示装置。
請求項２に記載の映像表示装置であって、
前記第２エレメントがもつフレネル面と、前記第３エレメントがもつフレネル面と、前記ＤＯＥ面のうち、前記接眼光学系の光軸上における最も前記表示パネル側に存在する上記いずれかの面と最も前記正の方向の側に存在する上記いずれかの面との間の距離は、前記接眼光学系の焦点距離の三分の一以下である
ことを特徴とする映像表示装置。
請求項２に記載の映像表示装置であって、
前記ＤＯＥ面は、前記第２エレメントがもつフレネル面と、前記第３エレメントがもつフレネル面との間に配置されている
ことを特徴とする映像表示装置。
請求項１に記載の映像表示装置であって、
前記第１エレメントの前記第２光学面は、外周部より光軸へ向かい曲率が正の方向に変化しており、
前記第２エレメントのフレネル面が有する同心円状の各光学平面を仮想的に連結した際の連結面の曲率が、光軸から外周部へ向かい正の方向に変化しており、
前記第３エレメントのフレネル面が有する同心円状の各光学平面を仮想的に連結した際の連結面の曲率が、光軸から外周部へ向かい負の方向に変化している
ことを特徴とする映像表示装置。
請求項４に記載の映像表示装置であって、
前記接眼光学系の屈折力をP0とし、前記第２エレメントのアッベ数をV2とし、前記第３エレメントのアッベ数をV3とし、前記ＤＯＥ面の屈折力をP4、V0=(V2+V3)/2としたとき、下記の関係式が成り立つことを特徴とする映像表示装置。
3.453×(P0/V0)×0.7 < P4 < 3.453×(P0/V0) ×1.3
請求項１に記載の映像表示装置であって、
前記第２エレメントは、前記表示パネル側の面が、前記表示パネル側に向かって凹面の形状を有している
ことを特徴とする映像表示装置。
請求項１に記載の映像表示装置であって、
前記接眼光学系は、前記表示面と直交する方向に前記表示面から出力された光であって、前記第３エレメントを射出して前記接眼光学系の光軸に対する傾角が前記最大画角の４分の１となる光線の前記接眼光学系の光軸との交点が、前記接眼光学系から正の方向へ１５ｍｍ以上離れて位置するように屈曲させる
ことを特徴とする映像表示装置。