JP7393755B2

JP7393755B2 - ヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズ

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Publication number: JP7393755B2
Application number: JP2021572714A
Authority: JP
Inventors: 泰史宮島; 康博高木
Original assignee: Itoh Optical Industrial Co Ltd; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Itoh Optical Industrial Co Ltd; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2041-01-18
Also published as: CN115004084A; EP4095586A1; EP4095586A4; WO2021149628A1; JPWO2021149628A1; US20230032859A1

Description

本発明は、ユーザに対して立体像を映し出すヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズに関する。

近年、仮想現実（ＶＲ）技術及び拡張現実（ＡＲ）技術の研究開発が進み、医療、設計などのプロフェッショナル分野からゲーム、娯楽などの一般コンシューマ分野までの幅広い分野における利用が期待されるようになった。ＶＲ技術及びＡＲ技術では、頭部に装着するディスプレイ装置としてのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）が使用される（例えば、特許文献１参照）。

ヘッドマウントディスプレイは、左眼用及び右眼用画像を画面上に表示する表示装置を備えており、左右の眼のそれぞれに対応する視差画像を表示装置の画面上に表示することでユーザに対して立体像を映し出す。このように左右の眼に対応する視差画像を表示する立体表示方式を二眼式立体表示と呼ぶ。

国際公開第２０１５／１３７１６５号

ヘッドマウントディスプレイでは、ユーザに高い没入感を与えるため、広角な範囲で画像を表示させる。このため、画面上に表示された画像を正面視により視認する場合のほか、側方視により視認する場合においても、ユーザが画像を明瞭に視認できることが望まれている。

本発明は以上のような事情を背景とし、ユーザが画像を明瞭に視認できる範囲を広げることが可能なヘッドマウントディスプレイ及びこれに用いられる虚像結像レンズを提供することを目的とする。

この発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その第１の局面は次のように規定される。

第１の局面に規定されるヘッドマウントディスプレイは、左眼用及び右眼用画像を画面上に表示する表示装置と、前記画面上の左眼用及び右眼用画像に対してそれぞれ配置される左眼用及び右眼用虚像結像光学系と、を備え、前記虚像結像光学系は、ユーザの視線が通過する各領域にプラス度数が設定され、且つ光学的中心よりも光軸直交方向外側に前記光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域を備えている。ここで光軸直交方向外側とは、虚像結像光学系の光軸と直交する方向であって、光軸から離間する方向である。

ヘッドマウントディスプレイでは、表示装置に表示された左眼用および右眼用画像の虚像（拡大正立像）を得るため所定のプラス度数が設定された虚像結像光学系が用いられる。一般的なヘッドマウントディスプレイでは、この虚像結像光学系に球面設計レンズもしくは度数一定の非球面レンズが用いられていたため、正面視の場合に比べてユーザの眼から表示装置の画面までの距離が遠くなる側方視の場合に、表示装置の画面の位置とユーザが画像を明瞭に視認できる焦点の位置とのずれが大きくなり、ユーザが視認する画像の解像度が低下してしまう。

これに対し、第１の局面に規定されるヘッドマウントディスプレイでは、虚像結像光学系の光学的中心よりも光軸直交方向外側に、光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域が設定されているため、ユーザが側方視した際の焦点の位置（ユーザが画像を明瞭に視認できる位置）が遠方に延長され、表示装置の画面の周辺部に位置する画像を従来よりも明瞭に視認することができる。即ち、表示装置の画面に表示された画像を正面視により視認する場合のほか、側方視により視認する場合においても明瞭に視認でき、ユーザが画像を明瞭に視認できる範囲を広げることが可能である。

ここで前記度数調整領域は、光軸直交方向外側に向かうにつれて度数がマイナス側に変化する領域を含んでいる（第２の局面）。

第３の局面に規定のヘッドマウントディスプレイは、第１、第２の何れかの局面に規定のヘッドマウントディスプレイにおいて、虚像結像光学系を、プラス度数が設定された第１レンズと、前記第１レンズとは別体のレンズで、前記度数調整領域を備え、前記第１レンズに対して光軸方向に重ねて配置されている第２レンズと、を備えた組み合わせレンズで構成する。

ここで第１レンズには、従来から虚像結像光学系に用いられていた球面設計レンズや度数一定の非球面レンズが含まれる。即ち、従来の虚像結像光学系に前記第２レンズを追加することで第１の局面と同等の効果を奏する。

この場合、前記光学的中心における度数及びレンズ中心厚が前記第２レンズと等しい球面設計レンズと比較して、前記第２レンズの縁厚が厚く設定されている（第４の局面）。

第５の局面に規定のヘッドマウントディスプレイは、第１、第２の何れかの局面に規定のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記虚像結像光学系を単一のレンズで構成する。

このようにすることで、虚像結像光学系を組み合わせレンズで構成した場合に比べて軽量化を図ることができる。

この場合、光学的中心における度数及びレンズ中心厚が前記単一のレンズと等しい球面設計レンズと比較して、前記単一のレンズの縁厚が厚く設定されている（第６の局面）。

第７の局面に規定のヘッドマウントディスプレイは、第１～第６の何れかの局面に規定のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記表示装置は、前記左眼用及び右眼用画像をそれぞれ表示する左眼用及び右眼用画面を有し、前記左眼用虚像結像光学系の前記左眼用画面に対する逆側且つユーザの左眼の前方に配置される左眼用ハーフミラーと、前記右眼用虚像結像光学系の前記右眼用画面に対する逆側且つユーザの右眼の前方に配置される右眼用ハーフミラーと、をさらに備える。

第８の局面に規定される虚像結像レンズは、ヘッドマウントディスプレイの虚像結像光学系に用いられるレンズであって、ユーザの視線が通過する各領域にプラス度数が設定され、且つ光学的中心よりも光軸直交方向外側に前記光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域を備えている。

このように規定される第８の局面の虚像結像レンズによれば、ヘッドマウントディスプレイに用いられて第１の局面と同等の効果を奏する。

本発明の実施形態に係るＶＲ用ＨＭＤの概略構成を示した図である。（Ａ）は同実施形態のＶＲ用ＨＭＤの虚像結像レンズの半分を示した概略図、（Ｂ）は同レンズにおけるレンズの光軸直交方向に沿った平均度数の変化を模式的に示した図である。（Ａ）は同実施形態のＶＲ用ＨＭＤにおける焦点の位置と画面の関係を示した図である。（Ｂ）は比較例として虚像結像光学系に球面設計レンズを用いた場合における焦点の位置と画面との関係を示した図である。（Ａ）は図２（Ｂ）とは異なる平均度数の変化を模式的に示した図である。（Ｂ）は図２（Ｂ）および図４（Ａ）とは異なる平均度数の変化を模式的に示した図である。組み合わせレンズで構成された虚像結像光学系の概略図である。本発明の効果を確認するために使用された画像観察装置の概略構成を示した図である。図６の画像観察装置で用いられた虚像結像光学系の概略構成図で、（Ａ）は第１レンズと第２レンズからなる組み合わせレンズを用いた場合、（Ｂ）は第１レンズのみを用いた場合を示している。図６の画像観察装置で観察された画像を撮影した写真で、（Ａ）は図７（Ａ）の虚像結像光学系を用いた場合、（Ｂ）は図７（Ｂ）の虚像結像光学系を用いた場合を示している。本発明の他の実施形態に係るＡＲ用ＨＭＤの概略構成を示した図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許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わ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、第１の実施形態に係るＶＲ用ＨＭＤ（混乱のない限り、単にＨＭＤと呼ぶ）１の概略構成を示す。図１及びその他の図面において、ユーザの左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂを図面上下方向に並べ、この方向を左右方向、図面左右方向を前後方向とする。なお、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの中心を通って前後方向に延びる基準線を中心線Ｌ、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂのそれぞれから中心線Ｌに平行に図面左に延びる基準線を主視線Ｌａ，Ｌｂとする。また、ユーザの左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの離間距離Ｐとし、例えば成人の平均的な左右眼の離間距離（典型的に６５ｍｍ）で与えるとする。ＨＭＤ１は、フレーム２、表示装置３、及び左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂを備える。

フレーム２は、表示装置３及びその他の構成各部を保持する筐体である。フレーム２の形状は、表示装置３を内側に保持するよう前面が閉じ、表示装置３の表示面（画面）を背面側から覗くことができるよう背面が開き、表示装置３を覗く両眼の周囲を覆うよう前面の周囲を側面が囲む形状であれば任意の形状であってよい。また、フレーム２の一側面からユーザの後頭部を周って他側面に接続することで、ＨＭＤ１をユーザの顔前に装着する装着バンド（不図示）を設けてもよい。なお、ユーザがＨＭＤ１を装着した状態において、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの主視線Ｌａ，Ｌｂがそれぞれ左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂの光軸と重なる又はほぼ重なるよう、左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂがフレーム２内に保持されているものとする。

表示装置３は、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂを画面３ｃ上に表示する装置である。表示装置３として、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなどのフラットパネルディスプレイを使用することができる。表示装置３は、フレーム２の前面裏側に、画面３ｃを背面側に向けて保持されている。表示装置３の画面３ｃは、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの主視線Ｌａ，Ｌｂ上に位置して左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれ表示する２つの領域を含む。なお、単一の画面３ｃを有する表示装置３に代えて、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれ表示する２つの表示装置を使用してもよい。

左眼用及び右眼用虚像結像光学系（単に、虚像結像光学系とも呼ぶ）４ａ，４ｂは、表示装置３の画面３ｃ上の左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂに対してそれぞれ配置され、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれ虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上に虚像結像してそれらの拡大正立像を左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂに映し出す光学系である。本実施形態では、左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂは、それぞれ単一の虚像結像レンズ５０より構成されるが、複数のレンズを組み合わせて構成してもよい。左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂは、それぞれ、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂがそれぞれ表示される画面３ｃ上の２つの領域に対して後方に配置される。

左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂによりそれぞれ左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂを介して、画面３ｃ上の左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂを視ると、それらの虚像がそれぞれ虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上に映し出される。ここで、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂとして視差画像を与えると、虚像表示面Ｖａ，Ｖｂの重複領域において虚像表示面Ｖａ上の虚像を左眼Ｅａにより視ると同時に虚像表示面Ｖｂ上の虚像を右眼Ｅｂにより視ることで、両眼から重複領域を臨む領域Ａｓ内で虚像を立体視することができる。つまり、領域Ａｓ内に立体像が映し出される。重複領域以外の虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上の領域では虚像を両眼視することができないため、単に、虚像表示面Ｖａ上の虚像を左眼Ｅａにより二次元視し、虚像表示面Ｖｂ上の虚像を右眼Ｅｂにより二次元視することとなる。つまり、領域Ａｍでは立体像は映し出されない。

図２（Ａ）は、虚像結像光学系４ａ，４ｂのレンズ（虚像結像レンズ）５０の半分を示している。本例の虚像結像レンズ５０は、前面（表示装置側）５３および後面（眼球側）５２がともに凸形状の両凸レンズである。後面５２が下記式（１）で定義される非球面の凸面とされ、前面５３が下記式（２）で定義される球面の凸面とされている。なお、虚像結像レンズ５０の光学的中心Ｏ（後面５２では基点Ｏ₁、前面５３では基点Ｏ₂）を通る前後方向の軸をｚ軸とし、ｚ軸はレンズ５０の光軸に一致する。
ｚ＝ｒ²／（Ｒ₁＋（Ｒ₁ ²－Ｋｒ²）^1/2）＋δ …（１）
ｚ＝ｒ²／（Ｒ₂＋（Ｒ₂ ²－Ｋｒ²）^1/2） …（２）
式（１）、式（２）のｒは、ｚ軸からの距離である。すなわち、後面５２では基点Ｏ₁、前面５３では基点Ｏ₂を中心として、ｚ軸に直交する左右方向、上下方向の軸をそれぞれｘ軸、ｙ軸とする直交座標系を考えた場合、ｒ＝（ｘ²＋ｙ²）^1/2である。Ｒ₁、Ｒ₂は面の頂点における曲率半径、Ｋ（コーニック係数）は１、である。また、後面５２を定義する式（１）において、δは、Σ｛Ａ_nｒⁿ｝で表される非球面成分である。但し、Ａ_n：非球面係数、ｎ：正の整数である。Σ｛｝は、｛｝内の総和を示す記号である。なお、上記式（１）、式（２）はレンズの後方に向かう方向をｚ軸の正方向とすることで、メニスカス形状のレンズに適用できるが、本例のような両凸レンズの後面に適用する場合はｚ軸の符号が逆となる。

例えば、非球面成分δは、Ａ₄ｒ⁴＋Ａ₆ｒ⁶＋Ａ₈ｒ⁸＋Ａ₁₀ｒ¹⁰で表されるされるものであってもよく、またＡ₃ｒ³で表されるされるものであってもよい。非球面成分δを特定するための非球面係数Ａ_nは、所望の光学特性（度数変化）が得られるように光線追跡によるシミュレーションによって適宜決定することができる。

図２（Ｂ）は虚像結像レンズ５０の光軸直交方向に沿った度数変化（詳しくはメリジオナル方向の屈折力とサジタル方向の屈折力との平均である平均度数の変化）を示した図である。虚像結像レンズ５０における度数変化は、レンズメータの測定光束を虚像結像レンズ５０の裏面に対し垂直に入射することにより測定することができる。またＨＭＤ１の装用状態を反映した光学特性を得るべく、眼の回旋中心を基準として被検レンズ（虚像結像レンズ５０）の光学特性を測定可能なレンズメータを用いて測定したものであってもよい。ここで平均度数は、距離の逆数をメートルで表したディオプター（Diopter [D]）を単位として与えられる。

図２（Ｂ）で示すように、虚像結像レンズ５０はレンズの各領域（ユーザの視線が通過する各領域）がプラス度数に設定されている。また本例の虚像結像レンズ５０は光学的中心Ｏよりも光軸直交方向外側に、光学的中心の度数Ｓ₀よりもマイナス側（本例では度数の絶対値が小さくなる側である）の度数が設定された度数調整領域５５を有している。本例では、この度数調整領域５５において、光軸直交方向外側に向かうにつれて度数がマイナス側に変化している。

ここで、度数調整領域５５における度数変化量、詳しくは光学的中心の度数Ｓ₀に対する度数変化量の絶対値ΔＳ（図２（Ｂ）参照）は、光学的中心から１５ｍｍ離れた位置で０．１０～３．００Ｄの範囲内であることが好ましい。

度数調整領域５５を有する虚像結像レンズ５０の場合、図２（Ａ）において二点鎖線で示される曲率半径Ｒ₁の球面（以下、元の球面ともいい、図２（Ａ）に符号Ｓで示す。）から非球面成分δに対応する厚み分だけレンズの厚みが増加し、その厚みの増加量はレンズの縁に近い程大きくなる。ここではレンズの縁における厚みの増加量がＴ₁で表されている。即ち、虚像結像レンズ５０は、光学的中心の度数Ｓ₀及びレンズ中心厚Ｔ₀が虚像結像レンズ５０と等しい球面設計レンズと比較した場合、レンズの縁厚が厚くなっている。このような形態の虚像結像レンズ５０は、レンズ中心厚を更に薄くしても所定の縁厚が維持されることから、球面設計レンズよりもレンズ中心厚が薄いレンズとすることが可能である。即ち、レンズの重量（換言すればＨＭＤの重量）を軽減することが可能である。

以上のように構成された第１の実施形態に係るＶＲ用ＨＭＤにおいては、ユーザが画像を明瞭に視認できる範囲を広げることが可能である。図３（Ｂ）はＶＲ用ＨＭＤの虚像結像光学系に球面設計レンズ（２つの屈折面を共に球面で構成したレンズ）５０Ｂを用いた場合における、焦点の位置と画面３ｃとの関係を示している。同図で示すように虚像結像光学系に球面設計レンズ５０Ｂを用いた場合、焦点の位置は２点鎖線Ｊで示すように略円形に設定される。このため、ユーザの正面に広がる平面状の画面３ｃの中央部にピントが合った状態（正面視の状態）から更に視線を側方に移動させ側方視すると、ユーザの眼に対し画面３ｃの周辺部は中央部よりも遠い位置にあるため、画面３ｃの周辺部とユーザが画像を明瞭に視認できる焦点の位置Ｊとのずれが大きくなり、ユーザが視認する画像の解像度が低下してしまう。

これに対し度数調整領域５５を備えた虚像結像レンズ５０では、図３（Ａ）に示すように、レンズ５０の縁に近づく程、焦点の位置Ｑが遠方に移動するため、側方視において視認される画面３ｃの周辺部に表示された画像であっても明瞭に視認することができる。

なお、上記虚像結像レンズ５０は、図２（Ｂ）で示すように、光学的中心Ｏからレンズの縁に向けて度数を漸次変化させたものであるが、度数変化の態様はこれに限定されるものなく適宜変更可能である。例えば図４（Ａ）に示すように、光学的中心Ｏから距離ｒ₀内のレンズ中央部５６の度数をＳ₀とし、レンズ中央部５６より外側の領域をＳ₀よりもマイナス側に度数を変化させた度数調整領域５５として設定することも可能である。また図４（Ｂ）で示すように、度数調整領域５５は、光軸直交方向外側に向かうにつれて度数がマイナス側に変化する領域５５ａのほか、所定の度数が維持されている（度数変化の無い）領域５５ｂが含まれていてもよい。

またＨＭＤ１の虚像結像光学系４ａ，４ｂは、単一のレンズ５０に代えて、複数のレンズを組み合わせて構成することも可能である。

図５に示す例において、虚像結像光学系４ａ，４ｂは、第１レンズ６０と第２レンズ６２からなる組み合わせレンズで構成されている。第１レンズ６０はプラス度数Ｓ₀が設定された単焦点レンズである。第２レンズ６２は光学的中心Ｏの度数が０Ｄで、光学的中心Ｏよりも光軸直交方向外側に、レンズの縁に向かうにつれて度数がマイナス側（本例では度数の絶対値が大きくなる側である）に変化する度数調整領域５５を備えている。

第２レンズ６２は、後面５２に非球面成分δが付加されており、非球面成分δに対応する厚み分だけレンズの厚みが増加し、その厚みの増加量はレンズの縁に近い程大きくなる。即ち第２レンズ６２は、光学的中心の度数（０Ｄ）及びレンズ中心厚Ｔ₀が第２レンズ６２と等しい球面設計レンズと比較した場合、レンズの縁厚が厚くなっている。

これら第１レンズ６０及び第２レンズ６２は、その光軸が重なる又はほぼ重なるように、光軸方向に重ねて配置されている。このように構成された組み合わせレンズを用いた場合であっても、上記虚像結像レンズ５０を用いた場合と同様の効果を得ることが可能である。

＜実施例＞
図６において、７０は、表示装置７１と虚像結像光学系７４ａ，７４ｂとを対向配置させた画像観察装置である。虚像結像光学系７４ａ，７４ｂとして、第１レンズ６０と第２レンズ６２からなる組み合わせレンズを用いた場合（図７（Ａ）参照）、第１レンズ６０のみを用いた場合（図７（Ｂ）参照）のそれぞれにおいて、虚像結像光学系７４ａ，７４ｂを介して表示装置７１に表示された画像を観察することで、度数調整領域５５を備えた第２レンズ６２を用いたことによる効果を確認した。

なおここでは、第１レンズ６０としてＧｏｏｇｌｅＣａｒｄｂｏａｒｄ（登録商標）用のレンズ（φ３４ｍｍ）を使用した。虚像表示距離は第１レンズ６０から略１０００ｍｍである。

第２レンズ６２の仕様は以下の通りである。

屈折率：１．６０８、光学的中心における度数：０．００Ｄ、中心厚：１．８０ｍｍ、
度数変化：光学的中心Ｏから光軸直交方向外側１５ｍｍの位置で度数を－０．７５Ｄに変化させた。

その他：光学的中心Ｏから光軸直交方向外側２５ｍｍの位置でのレンズ厚は球面設計レンズよりも２６０μｍ厚い。

また表示装置７１として、スマートフォン（ＧｏｏｇｌｅＰｉｘｅｌ３）を使用した。

図８は、画像観察装置７０で観察された表示装置７１の画像を撮影した写真である。図８（Ａ）は、虚像結像光学系として第１レンズ６０及び第２レンズ６２を用いた場合（図７（Ａ）参照）の画像である。図８（Ｂ）は、虚像結像光学系として第１レンズ６０のみを用いた場合（図７（Ｂ）参照）の画像である。図８（Ａ）と図８（Ｂ）を比較すると、図８（Ａ）の方が周辺部における画像の解像度が高いことが分かる。また図８（Ａ）と図８（Ｂ）を比較すると撮影された範囲が広くなっていることが分かる。これらは度数調整領域５５を備えた第２レンズ６２を虚像結像光学系７４ａ，７４ｂに用いたことによる効果である。

図９に、第２の実施形態に係るＡＲ用ＨＭＤ（混乱のない限り、単にＨＭＤと呼ぶ）１１の概略構成を示す。ＨＭＤ１１は、フレーム１２、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂ、左眼用及び右眼用ハーフミラー１７ａ，１７ｂ、及び左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂを備える。これらの構成各部のうち、第１の実施形態に係るＨＭＤ１の構成と共通する構成については同じ符号を用いて示すとともに、その説明を省略する。

フレーム１２は、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂ及びその他の構成各部を保持する筐体である。フレーム１２は、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂをそれぞれ左及び右側面の内側に保持し、背面側から内部を覗くことができるよう背面が開き、背面側から内部を覗いた際に前方を臨めるよう透光性の前面を有するとともに左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂの画面を視ることができるよう左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの主視線Ｌａ，Ｌｂ上にそれぞれ左眼用及び右眼用ハーフミラー１７ａ，１７ｂを保持する。なお、ユーザがＨＭＤ１１を装着した状態において、左眼用及び右眼用ハーフミラー１７ａ，１７ｂを介してそれぞれ折れ曲がる左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの主視線Ｌａ，Ｌｂがそれぞれ左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂの光軸４ａ₀，４ｂ₀と重なる又はほぼ重なるよう、左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂがフレーム１２内に保持されているものとする。

左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂは、それぞれ左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれの画面（左眼用及び右眼用画面とも呼ぶ）上に表示する装置である。表示装置１３ａ，１３ｂとして、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなどのフラットパネルディスプレイを使用することができる。左眼用表示装置１３ａは、フレーム１２の左側面の内側に、画面を右側に向けて保持されている。右眼用表示装置１３ｂは、フレーム１２の右側面の内側に、画面を左側に向けて保持されている。

左眼用及び右眼用ハーフミラー１７ａ，１７ｂは、それぞれ、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂの画面上に表示される左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂを反射するとともに前方の目標物からの光を透過することにより互いに重ねて左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂに映し出すシースルー機能を実現するための光学部材である。左眼用ハーフミラー１７ａは、左眼用虚像結像光学系４ａの左眼用画面（左眼用表示装置１３ａ）に対する逆側且つユーザの左眼Ｅａの前方（すなわち、主視線Ｌａ上）に配置される。右眼用ハーフミラー１７ｂは、右眼用虚像結像光学系４ｂの右眼用画面（右眼用表示装置１３ｂ）に対する逆側且つユーザの右眼Ｅｂの前方（すなわち、主視線Ｌｂ上）に配置される。

左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂは、それぞれ、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂの画面に向けてフレーム１２内の左側及び右側に配置され、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれ前方の虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上に虚像結像してそれらの拡大正立像を左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂに映し出す。

左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂによりそれぞれ左眼用ハーフミラー１７ａと左眼用虚像結像光学系４ａ及び右眼用ハーフミラー１７ｂと右眼用虚像結像光学系４ｂを介して、左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂの画面上の左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂを視ると、それらの虚像がそれぞれ前方の虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上に映し出される。ここで、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂとして視差画像を与えると、虚像表示面Ｖａ，Ｖｂの重複領域において虚像表示面Ｖａ上の虚像を左眼Ｅａにより視ると同時に虚像表示面Ｖｂ上の虚像を右眼Ｅｂにより視ることで、両眼から重複領域を臨む領域Ａｓ内で、その領域内に実際に存在する目標物に重ねて虚像を立体視することができる。つまり、領域Ａｓ内の目標物に重ねて立体像が映し出される。

なお、本実施形態に係るＨＭＤ１１では、フレーム１２内で、左眼用表示装置１３ａ及び左眼用虚像結像光学系４ａを主視線Ｌａ上の左眼用ハーフミラー１７ａに対して左に配置したが、これに代えて、左眼用ハーフミラー１７ａの上方又は下方に配置してもよい。また、本実施形態に係るＨＭＤ１１では、フレーム１２内で、右眼用表示装置１３ｂ及び右眼用虚像結像光学系４ｂを主視線Ｌｂ上の右眼用ハーフミラー１７ｂに対して右に配置したが、これに代えて、右眼用ハーフミラー１７ｂの上方又は下方に配置してもよい。

以上説明したように、第２の実施形態に係るＨＭＤ１１によれば、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂをそれぞれ画面上に表示する左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂ、左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂに対してそれぞれ配置される左眼用及び右眼用虚像結像光学系４ａ，４ｂ、左眼用虚像結像光学系４ａの左眼用画面に対する逆側且つユーザの左眼Ｅａの前方に配置される左眼用ハーフミラー１７ａ、右眼用虚像結像光学系４ｂの右眼用画面に対する逆側且つユーザの右眼Ｅｂの前方に配置される右眼用ハーフミラー１７ｂを備える。虚像結像光学系４ａ，４ｂに用いられた虚像結像レンズ５０は、光学的中心Ｏよりも光軸直交方向外側に、光学的中心Ｏの度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域５５が設定されているため、側方視した際の焦点の位置が遠方に延長され、表示装置１３ａ，１３ｂの画面の周辺部に位置する画像を明瞭に視認することができる。即ち、表示装置１３ａ，１３ｂの画面に表示された画像を正面視により視認する場合のほか、側方視により視認する場合においても明瞭に視認でき、ユーザが画像を明瞭に視認できる範囲を広げることが可能である。

なお、第２の実施形態に係るＨＭＤ１１では、シースルー機能を備えるために左眼用及び右眼用ハーフミラー１７ａ，１７ｂを使用したが、これに代えて、装置の小型化のために平面導波路及びホログラフィック光学素子を組み合わせて使用してもよい。

なお、第１及び第２の実施形態に係るＨＭＤ１，１１において、表示装置３並びに左眼用及び右眼用表示装置１３ａ，１３ｂが表示する左眼用及び右眼用画像３ａ，３ｂはカラーでもモノクロでもよい。カラーの場合に、色収差を補正する光学系をさらに備えてもよい。
＜その他の変形例・適用例＞
虚像結像光学系の度数調整領域は、虚像結像光学系の光軸周りの全周に亘って設けてもよいし、周方向の一部にのみ設けることも可能である。

上記実施形態の虚像結像レンズは両凸形状としたが、平凸形状やメニスカス形状で構成することも可能であり、また場合によってはレンズの厚みを低減するためにフレネル形状を採用することも可能である。

また上記実施形態は、度数を変化させるための非球面成分δを虚像結像レンズや第２レンズの後面に付加した例であったが、非球面成分δはレンズの前面に付加することや、前面及び後面の両面に付加することも可能である。

１ヘッドマウントディスプレイ（ＶＲ用ＨＭＤ）
３，１３ａ，１３ｂ表示装置
３ａ左眼用画像
３ｂ右眼用画像
３ｃ画面
４ａ，４ｂ虚像結像光学系
１１ヘッドマウントディスプレイ（ＡＲ用ＨＭＤ）
１７ａ左眼用ハーフミラー
１７ｂ右眼用ハーフミラー
５０虚像結像レンズ
５２後面
５３前面
５５度数調整領域
６０第１レンズ
６２第２レンズ
Ｅａ左眼
Ｅｂ右眼
δ 非球面成分

Claims

左眼用及び右眼用画像を画面上に表示する表示装置であって、前記画面の中央部から周辺部に亘って平面状に形成された表示装置と、
前記画面上の左眼用及び右眼用画像に対してそれぞれ配置される左眼用及び右眼用虚像結像光学系と、
を備え、
前記左眼用及び右眼用虚像結像光学系は、それぞれ単一のレンズで構成され、ユーザの視線が通過する各領域にプラス度数が設定され、且つ光学的中心よりも光軸直交方向外側に前記光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域を備え、
前記度数調整領域は、光軸直交方向外側に向かうにつれて度数がマイナス側に変化する領域を含み、前記光学的中心の度数に対する度数変化量の絶対値は、前記光学的中心から１５ｍｍ離れた位置で０．１０～３．００Ｄの範囲内である、ヘッドマウントディスプレイ。
左眼用及び右眼用画像を画面上に表示する表示装置であって、前記画面の中央部から周辺部に亘って平面状に形成された表示装置と、
前記画面上の左眼用及び右眼用画像に対してそれぞれ配置される左眼用及び右眼用虚像結像光学系と、
を備え、
前記左眼用及び右眼用虚像結像光学系は、
プラス度数が設定された第１レンズと、
前記第１レンズとは別体のレンズで、光学的中心よりも光軸直交方向外側に前記光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域を備え、前記第１レンズに対して光軸方向に重ねて配置されている第２レンズと、
をそれぞれ備えた組み合わせレンズで構成され、
前記度数調整領域は、光軸直交方向外側に向かうにつれて度数がマイナス側に変化する領域を含み、前記光学的中心の度数に対する度数変化量の絶対値は、前記光学的中心から１５ｍｍ離れた位置で０．１０～３．００Ｄの範囲内である、ヘッドマウントディスプレイ。
前記光学的中心における度数及びレンズ中心厚が前記第２レンズと等しい球面設計レンズと比較して、前記第２レンズの縁厚が厚く設定されている、請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
光学的中心における度数及びレンズ中心厚が前記単一のレンズと等しい球面設計レンズと比較して、前記単一のレンズの縁厚が厚く設定されている、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
前記表示装置は、前記左眼用及び右眼用画像をそれぞれ表示する左眼用及び右眼用画面を有し、
前記左眼用虚像結像光学系の前記左眼用画面に対する逆側且つユーザの左眼の前方に配置される左眼用ハーフミラーと、
前記右眼用虚像結像光学系の前記右眼用画面に対する逆側且つユーザの右眼の前方に配置される右眼用ハーフミラーと、
をさらに備えている、請求項１～４の何れかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
ヘッドマウントディスプレイの虚像結像光学系に用いられるレンズであって、
ユーザの視線が通過する各領域にプラス度数が設定され、且つ光学的中心よりも光軸直交方向外側に前記光学的中心の度数よりもマイナス側の度数が設定された度数調整領域を備え、
前記度数調整領域は、光軸直交方向外側に向かうにつれて度数がマイナス側に変化する領域を含み、前記光学的中心の度数に対する度数変化量の絶対値は、前記光学的中心から１５ｍｍ離れた位置で０．１０～３．００Ｄの範囲内である、虚像結像レンズ。