JPH1010465A - 光学装置および該光学装置を用いた頭部搭載型ディスプレイ - Google Patents

光学装置および該光学装置を用いた頭部搭載型ディスプレイ

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JPH1010465A
JPH1010465A JP9002718A JP271897A JPH1010465A JP H1010465 A JPH1010465 A JP H1010465A JP 9002718 A JP9002718 A JP 9002718A JP 271897 A JP271897 A JP 271897A JP H1010465 A JPH1010465 A JP H1010465A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 視野角の大きい視覚情報を得るための超広視
野角短焦点光学装置を用いて、そのＳＮを向上させて、
高画質且つ臨場感あふれるＨＭＤを提供する。 【解決手段】 反射屈折手段１３３は、内部応力に対し
て正と負の光弾性係数を持つ高分子材料の共重合物質に
よって製作する。また、第１及び第２の１／４波長板１
３４、１３６の厚み方向に屈折率を持たせ、その大きさ
を波長板面内の最大の屈折率と最小の屈折率との間の値
とし、さらに、第１及び第２の１／４波長板１３４、１
３６をそれぞれの延伸軸が直交する状態で配置する。そ
してまた、１／４波長板の代わりに、１／４波長板２１
２と１／２波長板２１１とを適当な角度で貼り合わせて
製作した第１及び第２の広帯域波長板２３４、２３６を
設ける。さらに、各光学素子の表面を反射防止コーティ
ング処理するか、或いは各光学素子間を光学用接着剤で
接着する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示装置に用
いる光学装置、より詳細には、小型軽量で超広角の光学
装置と該光学装置を備えた頭部搭載型ディスプレイ（Ｈ
ｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ：以下、ＨＭ
Ｄと称す）に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、仮想現実における視覚情報提示や
ロボットの遠隔操作等を行うことができる画像表示装置
として、図１７に示すような構成のＨＭＤが注目されて
いる。そして、この種のＨＭＤにおいては、現実感や臨
場感の高い視覚情報を提示するに広視野且つ高解像の映
像を表示することができ、しかも、身体（特に頭部）に
装着して用いるために軽量、小型化することが要求され
ている。
【０００３】図１７に示すＨＭＤの構成では、全体はメ
ガネ型ケース１１に納められて、頭部に装着して使用さ
れるが、そのメガネ型ケース１１の内部には外側から順
にバックライト１２、液晶ディスプレイ１３、レンズ１
４が配置されている。このＨＭＤを頭部に装着した鑑賞
者１５は、レンズ１４によって拡大された液晶ディスプ
レイ１３上の映像を見ることによって、大画面スクリー
ンの映像を鑑賞するのと同様に映像を鑑賞することが可
能となる。
【０００４】ところで、近年の液晶ディスプレイの急速
な開発に伴い、ＨＭＤの構成の中でも液晶ディスプレイ
については小型で高画質のものが開発されつつある。し
かし、もう一つの構成要件である光学装置については、
小型、軽量化があまり進んでいない。また、ＨＭＤは、
これまで仮想現実感の研究などの産業用としての利用が
多かったが、今後、家庭用のゲーム機器やＶＴＲディス
プレイとして、一般に広く普及する可能性がある。する
と、ＨＭＤの小型、軽量化はより一層重要になってく
る。
【０００５】そこで、上記諸問題を解決するために、本
願発明者は先に特願平７−２３１３６８号にて、図１８
に示すような光学装置を提案した。以下、この光学装置
について説明する。
【０００６】まず、図１９に示すように、座標軸２１を
紙面に垂直で手前へ向いている方向をｘ軸、紙面に平行
で上向きの方向をｙ軸、ｘ，ｙ軸に垂直で紙面を右へ向
かう方向をｚ軸とする。また、回転角２２については、
ｚ軸の方向に沿って見たとき、ｘｙ平面内でｙ軸となす
角で、右回りを正として定義する。
【０００７】この光学装置の構成は、図２０に示すよう
に、光線の入射側を左側としてここから順に液晶ディス
プレイ３１、第１の偏光板３２、凸面にハーフミラーコ
ーティングした平凸レンズ（反射屈折手段）３３、第１
の１／４波長板３４、ハーフミラー３５、第２の１／４
波長板３６、第２の偏光板３７が、ｘｙ平面に含まれ且
つ光軸に対して垂直になるように配置されている。
【０００８】また、各光学素子の置かれている方向は、
第１の偏光板３２と第２の偏光板３７については透過す
る偏光方向がｙ軸方向になるように置かれており、第１
の１／４波長板３４と第２の１／４波長板３６について
は波長板の延伸軸がｙ軸と−４５度をなすように置かれ
ている。
【０００９】次に、この光学装置が光線に与える作用に
ついて、図２１を用いて説明する。左側（光線の入射
側）のディスプレイ３１から第１の偏光板３２に入射す
る光線は、第１の偏光板３２によってｙ軸方向に偏光し
た光線になる。続いて、ハーフミラーコーティングした
平凸レンズ３３を通過した後、第１の１／４波長板３４
を通過する。このとき、光線は直線偏光から円偏光に変
換される。
【００１０】この光線は、次にハーフミラー３５を通過
する直接光４１と、反射する反射光４２に分けられる。
直接光４１は、第２の１／４波長板３６によって再び円
偏光から直線偏光に変換される。ところが、第１の１／
４波長板３４と第２の１／４波長板３６との延伸軸の方
向は同じであるので、１／２波長板を通過したのと同じ
ことになり、直線偏光の方向は９０度回転させられて、
ｘ軸方向になる。
【００１１】つまり、第１及び第２の１／４波長板３
４，３６を２回通過する度に、直線偏光の偏光方向が９
０度変換されるので、続く第２の偏光板３７で吸収され
てしまう。この作用によって、液晶ディスプレイ３１か
ら直接、使用者の目３８に到達するノイズ光４１を遮断
することができる。
【００１２】一方、ハーフミラー３５で反射された反射
光４２は、再び第１の１／４波長板３４を通過してｘ軸
方向に偏光した直線偏光に変換される。そして、第二回
目の平凸レンズ３３の通過を行い、ハーフミラーコーテ
ィング面に達し反射される。反射では偏光方向は変化し
ないので、光線はｘ軸方向の直線偏光である。
【００１３】続いて、第三回目の平凸レンズ３３の通過
を行い、再び第１の１／４波長板３４を通過して円偏光
に変換される。この円偏光はハーフミラー３５で再び通
過する光線と反射する光線に分けられる。通過する光線
は続いて第２の１／４波長板３６で直線偏光に変換され
る。
【００１４】しかし、今度は上記の直接光の場合とは異
なり、２回多く第１の１／４波長板３４を通過している
ので、ｙ軸方向の直線偏光になっている。従って、光線
は最後の第２の偏光板３７を通過して射出され、使用者
の目３８に到達する。
【００１５】以上のように、光線は平凸レンズ３３を３
回通過する間に、レンズの屈折作用とハーフミラーコー
ティングの凹面鏡の作用とによって、平凸レンズ単体の
場合に比べて数倍の光学パワーを実現できる。換言すれ
ば、同じ光学パワーを実現するのに数分の１の厚さ及び
重さで実現できるようになる。
【００１６】尚、図２１においては、説明の便利のため
に各光学素子を分解して図示したが、実際にはこれらは
互いに接着又は隣接して配置され、図２２に示すよう
に、薄型に製作することができる。この事情は、以下の
説明に用いる図面に関しても同様である。
【００１７】従って、ＨＭＤを快適に使用するために
は、顔面から飛び出す長さを短くして薄型にすること
と、顔面にかかる重量を軽くすることが特に要求される
ので、上述した光学装置は特にＨＭＤに用いて好適であ
る。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た特願平７−２３１３６８号の光学装置においては、各
光学素子の特性が理想的でないことにより、不要なノイ
ズ光が発生し、映像のＳ／Ｎが低下するという問題があ
った。ノイズ光発生の主な原因は、以下の（１）項〜
（６）項で説明する６点である。
【００１９】（１）第一は、平凸レンズ３３の複屈折性
である。レンズを軽量化するためにはプラスチックで製
作されるのが望ましいが、アクリル等の従来の光学プラ
スチックでは製作時に発生する内部応力によって複屈折
性を生じることが多かった。平凸レンズ３３に複屈折性
があると、通過する光線の偏光状態が変化するので、図
２３に示すように、液晶ディスプレイ３１から直接、使
用者の目３８に達するノイズ光が発生すると共に、必要
な光線（以下、シグナル光と称す）も乱して表示画像の
Ｓ／Ｎを低下させる。
【００２０】（２）第二は、第１及び第２の１／４波長
板３４、３６の光線通過角度に対するレタデーション特
性の変化である。光線通過角度が設計値と異なる場合に
は、レタデーション値が波長の１／４からずれるので、
光線は設計通りに遮断又は通過しなくなる。従って、上
記第一の原因の場合と同様に液晶ディスプレイ３１から
直接、使用者の目３８に達する光線が発生してこれがノ
イズ光になる。これについて、以下詳しく説明する。
【００２１】１／４波長板のような異方性の物質は屈折
率楕円体で特性を表すので、ここで屈折率楕円体につい
て説明しておく。まず、図２４に示すように、シート
（１／４波長板）の面内において、延伸軸方向をＸ軸、
それに直交する方向をＹ軸とする。そして、ＸＹに直交
してシートの厚み方向に貫く軸をＺ軸として座標系を設
定する。
【００２２】次に、図２５（ａ）に示すように、Ｚ軸方
向に進行する光線を考える。この光線は、一般にＸ軸方
向の直線偏光とＹ軸方向の直線偏光との合成として表現
される。それぞれの屈折率は、波長板のような異方性の
物質では一致しないので、それぞれの屈折率をｎx 、ｎ
y と表すことにする。
【００２３】また、図２５（ｂ）に示すように、シート
内をＸ軸方向に進行し、Ｚ軸方向に直線偏光した光線を
考え、その屈折率をｎz と表す。そして、これらの屈折
率を用いて式１で表される、図２６に示すような楕円体
が得られる。
【００２４】
【数１】
【００２５】これが屈折率楕円体と呼ばれるもので、上
記方向以外の一般の方向に進行する光線の屈折率はこの
楕円体を用いて、近似的に次のようにして求められる。
例えば、図２７に示すように、矢印Ａ方向に進行する光
線の場合、原点を通り、その進行方向５６に垂直な平面
５１と屈折率楕円体５２との交線５３を求める。
【００２６】これは楕円になるが、この楕円の長軸５４
と短軸５５との方向が、入射した光線が２個の直線偏光
に分解される軸を示し、長軸５４と短軸５５との長さが
それぞれの直線偏光に対する屈折率を与える。従って、
屈折率楕円体を用いれば、任意の方向に通過する光線に
対する波長板の屈折率を計算することができるので、非
常に有用である。
【００２７】ところで、従来の１／４波長板としては、
ポリカーボネートをある方向に延伸して製造されたシー
トが多用されている。このシートは、図２８に示すよう
な屈折率楕円体を持つものが多かった。即ち、従来の１
／４波長板は、ｎx ＞ｎz ＝ｎy となる特性をもってい
る。
【００２８】この特性の１／４波長板は、シートに垂直
に通過する光線に対しては、適切なレタデーションを与
えるが、斜めに通過する光線に対しては、レタデーショ
ンが変化する欠点がある。一例として、Ｚ−Ｘ平面内を
１／４波長板に対して斜めに入射する光線に対するレタ
デーションを屈折率楕円体より計算すると、式２が得ら
れる。
【００２９】
【数２】
【００３０】式２を数値計算すると、垂線から計った入
射角度に対するレタデーションの変化は、図２９に示す
グラフとなる。このグラフから明らかなように、光線の
入射角度が６０度でレタデーションの大きさが半減して
しまっている。従って、この１／４波長板を用いた光学
装置の場合、光線が斜めに通過する視野の端において、
遮断すべきノイズ光が通過して使用者の目に入ったり、
通過すべきシグナル光が一部吸収されたりして、Ｓ／Ｎ
が低下する不具合が生じる。
【００３１】（３）第三は、第１及び第２の１／４波長
板３４、３６の波長に対するレタデーション特性の変化
である。波長が設計値と異なる場合には、レタデーショ
ン値が波長の１／４からずれるので、光線は設計通りに
遮断又は通過しなくなる。従って、上記第一、第二の原
因の場合と同様に液晶ディスプレイ３１から直接、使用
者の目３８に達する光線が発生してこれがノイズ光にな
る。これについて、以下詳しく説明する。
【００３２】従来の光学装置における第１及び第２の１
／４波長板３４、３６は、図３０に示すように、延伸軸
６１が一致しており、この延伸軸６１の方向が第１の偏
光板３２の透過軸６２に対して４５度傾いている。この
構成では、第１の１／４波長板３４と第２の１／４波長
板３６とを合わせると、１／２波長板の働きをするの
で、第１の偏光板３２から発して第１及び第２の波長板
３４、３６を通過した光線の偏光方向は第１の偏光板３
２の透過軸６２方向と直角になる。
【００３３】そこで、この光線を吸収するため、つまり
液晶ディスプレイ３１から使用者の目３８に直接達する
光線を吸収するため、第２の偏光板３７の透過軸６２
は、第１の偏光板３２の透過軸６２と一致して配置すれ
ば、所望の目的を達することができる。つまり、１／４
波長板の波長に対するレタデーション特性が理想的で、
どの波長に対しても１／４波長のレタデーションをもつ
場合は、所望の機能を果たすことができる。
【００３４】しかしながら、実際の１／４波長板におい
ては、波長に対してレタデーションが変化する。一例と
して、１／４波長板として一般的に使用されるポリカー
ボネートの波長特性を図３１に示す。図３１において、
横軸は透過光線の波長、縦軸は光線の受けるレタデーシ
ョン値を各波長に対する比率で示している。
【００３５】この特性より、上述したように、第１及び
第２の１／４波長板３４、３６を、図３０に示すよう
に、延伸軸６１を一致させて配置した場合、２枚の１／
４波長板３４、３６全体でのレタデーション特性は、図
３２に示すように、波長によってレタデーションの変化
が残る。特に波長の短い青色の光線に対しては、３／４
波長ものレタデーションを生じている。
【００３６】従って、第２の１／４波長板３６の後に第
２の偏光板３７を配置しても、すべての光線を吸収する
ことができず、青色のノイズ光が使用者の目３８に到達
してしまう。このように、波長によって第１及び第２の
１／４波長板３４、３６の合成したレタデーションが変
化し、波長によって第２の偏光板３７を透過する光線、
つまりノイズ光を発生してしまう。
【００３７】さらに、単純な１／４波長板の機能につい
て、ポアンカレ球を用いて以下詳しく説明する。ポアン
カレ球とは球上の点によって光線の偏光状態を表す方式
である。図３３にその概観図を示す。この球を地球に見
立てると北極７１及び南極７２の点は、各々左周り円偏
光とに右周り円偏光を示し、赤道上７３の点は直線偏光
を示していて、赤道上の経度は直線偏光の角度の２倍に
対応している。
【００３８】従って、−ｚ軸方向を経度０度と定義すれ
ば、この方向の赤道上の点７７は垂直方向の直線を表
し、−ｘ軸方向７８は４５度の直線偏光を表している。
以下同様に、ｘ軸方向７５は水平方向の、ｘ軸方向７６
は−４５度方向の直線偏光を表している。また、赤道と
極との間７４は、楕円偏光を示している。このようにし
て如何なる偏光状態もポアンカレ球上の１点として表現
される。
【００３９】また、波長板の機能は角度で計ったレタデ
ーションの大きさだけポアンカレ球を回転させる作用と
して表現される。このとき、回転軸はポアンカレ球中心
と波長板光軸方向の２倍の経度に対応した赤道上の対応
点を結ぶ直線として定義される。
【００４０】ここで、従来の光学装置に使用していた単
純な１／４波長板を分析する。材質は最も一般的なポリ
カーボネートとし、図３４に示すように、１／４波長板
９１の延伸軸は−４５度方向に配置され、可視光（４０
０ｎｍ−７００ｎｍ）の範囲において、鉛直方向の直線
偏光を入射して左向き円偏光を得ることが目的であると
仮定する。
【００４１】レタデーションの大きさが入射光線の波長
に対して常に１／４波長であれば、この目的を達成する
ことができるが、実際にポリカーボネイト製の波長板の
レタデーションを測定すると、図３１に示すようなグラ
フが得られる。設計波長（５５０ｎｍ）では１／４波長
のレタデーションを示すが、設計波長より短波長ではレ
タデーションが過剰なり、長波長では不足してしまう。
【００４２】同じことをポアンカレ球を用いて説明する
と、図３５に示すようになる。入射光の鉛直方向に偏光
した光線は点Ａで表され、１／４波長板の光軸は直線Ｂ
であり、その作用は直線Ｂを軸としてポアンカレ球をレ
タデーションに応じて回転させることで表現される（１
／４波長の場合は９０度）。
【００４３】従って、設計波長では、点Ａは北極の点Ｃ
に移されるので、完全な円偏光になるが、短波長の光線
に対してはレタデーションが過剰になるので点Ｄに移
り、長波長の光線に対してはレタデーションが不足する
ので点Ｅに移る。以上のように、設計波長以外では、正
確な円偏光ではなく楕円偏光に変換されてしまう。
【００４４】この単純な１／４波長板を用いた場合の出
力光線中の円偏光の割合を分析すると、図３６に示すグ
ラフのようになる。図３６から明らかなとおり、単純な
１／４波長板においては、波長によって出力光線中の円
偏光の割合が異なる。そして、この単純な１／４波長板
を用いた従来の光学装置の場合、シグナル光の分光透過
率特性は、図３７に示すグラフのようになり、青と赤の
透過率が低く、可視光の範囲内で透過率のばらつきが大
きくなる。
【００４５】以上のように、単純な１／４波長板を用い
た場合、設計波長以外では、正確な円偏光ではなく楕円
偏光に変換されてしまうため、従来の光学装置において
は、波長によってノイズ光を発生してしまうこととな
る。
【００４６】（４）第四は、図３８に示すように、平凸
レンズ３３とハーフミラー３５との間における不要反射
である。この不要反射は、第１の１／４波長板３４の両
側の表面と平凸レンズ３３の使用者側表面とで発生する
可能性がある。この不要反射によるノイズ光は、平凸レ
ンズ３３のハーフミラーコーティングで反射する正規の
シグナル光と同じ偏光状態となるので、第２の偏光板３
７を通過して妨げられることなく使用者の目３８に到達
してしまう。一般に、反射防止処理していない平凸レン
ズの表面や１／４波長板表面では約５％の反射が生じる
ので、この場合、全体で１５％ものノイズ光を発生して
しまう。
【００４７】（５）第五は、図３９に示すような液晶デ
ィスプレイ３１の反射である。液晶ディスプレイ３１か
ら射出された光線は、平凸レンズ３３によって５０％が
反射されて再び液晶ディスプレイ３１に戻ってくるの
で、この光線をさらに液晶ディスプレイ３１が反射する
と、シグナル光と同様にして目に達してノイズ光となっ
てしまう。通常、液晶パネルのブラックマトリクスに反
射防止処理をしないと、反射率は２５％にも達するの
で、５０％×２５％＝１２．５％もの不要反射光が生じ
ることとなる。この不要反射光はシグナル光と同様に使
用者の目３８に達するので、シグナル光に対して１２．
５％もの大きなノイズ光が発生することになる。
【００４８】（６）第六は、図４０に示すように、第２
の１／４波長板３６、第２の偏光板３７、ハーフミラー
３５の裏面での反射である。これらの反射があると、ハ
ーフミラー３５を通過したシグナル光が多重に反射して
ノイズ光となり、ゴーストイメージを発生するととも
に、外光の反射光が使用者の目３８に入り、映像のコン
トラストを下げる不具合を生じてしまう。
【００４９】本発明は、このような点に鑑みてなされた
ものであり、視野角の大きい視覚情報を得るための超広
視野角短焦点光学装置において、そのＳＮ比を向上させ
て、高画質且つ臨場感あふれるＨＭＤを提供することを
目的とする。
【００５０】
【課題を解決するための手段】本願請求項１の発明に係
る光学装置は、ハーフミラーコーティングを有する反射
屈折手段を、内部応力に対して正と負の光弾性係数を持
つ高分子材料の共重合物質によって製作したもので、高
分子材料を適切に共重合させて全体として複屈折性がな
いようにしたものである。
【００５１】これによって、反射屈折手段を通過する光
線の偏光状態が乱れることを防止できるので、図２３と
ともに上述したような液晶ディスプレイ３１から使用者
の目３８に直接達するノイズ光をなくすことが可能にな
るとともに、シグナル光に対する影響もなくすることが
可能となり、画像のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００５２】本願請求項２の発明に係る光学装置は、第
１の１／４波長板及び第２の１／４波長板の厚み方向に
屈折率を持たせ、その大きさを波長板面内の最大の屈折
率と最小の屈折率との間の値としてなるものである。
【００５３】これによって、第１の１／４波長板及び第
２の１／４波長板に対して、斜めに入射する光線に対す
るレタデーションの変化を抑制することができ、その結
果、斜めの光線として使用者の目に入る画像周辺部のノ
イズ光を減らし、Ｓ／Ｎを改善することが可能となる。
【００５４】本願請求項３の発明に係る光学装置は、第
１の１／４波長板及び第２の１／４波長板を、それぞれ
の延伸軸が直交する状態にて配置してなるものである。
【００５５】これによって、第１の１／４波長板及び第
２の１／４波長板を合わせるとレタデーションはキャン
セルされるので、第１の偏光板から発して第１の１／４
波長板及び第２の１／４波長板を通過した光線の偏光方
向は第１の偏光板の透過軸方向に同一とすることがで
き、第２の偏光板の透過軸を、第１の偏光板の透過軸と
直交して配置すれば、ディスプレイから使用者の目に直
接達する光線を吸収することが可能となる。
【００５６】従って、実際の１／４波長板では波長に対
してレタデーションが変化するが、本発明によれば、１
／４波長板の波長依存性は打ち消し合い、上記のとおり
第１の１／４波長板及び第２の１／４波長板を通過した
光線は、第２の偏光板で吸収されため、実際の光学装置
においては、図３０とともに上述した２枚の１／４波長
板３４、３６の延伸軸６１を平行配置するものに比べ
て、ノイズ光を低減してＳ／Ｎを向上させることができ
る。
【００５７】本願請求項４の発明に係る光学装置は、上
記請求項１乃至上記請求項３に記載の光学装置におい
て、各光学素子の配置を、光線の入射側から順に、第１
の偏光板、反射屈折手段、第１の１／４波長板、ハーフ
ミラー、第２の１／４波長板、第２の偏光板としてなる
ものである。
【００５８】これによれば、第２の１／４波長板と第２
の偏光板とで１枚の円偏光板の機能を果たすので、外光
のハーフミラーでの反射を吸収し、Ｓ／Ｎを向上させる
ことができる。
【００５９】本願請求項５の発明に係る光学装置は、上
記請求項１乃至上記請求項３に記載の光学装置におい
て、各光学素子の配置を、光線の入射側から順に、第１
の偏光板、第１の１／４波長板、反射屈折手段、第２の
１／４波長板、ハーフミラー、第２の偏光板としてなる
ものである。
【００６０】これによれば、第１の１／４波長板と第１
の偏光板とで１枚の円偏光板の機能を果たすので、反射
屈折手段での反射を吸収する。従って、ディスプレイ反
射が低減し、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００６１】本願請求項６の発明に係る光学装置は、上
記従来例における単純な１／４波長板に代えて、１／４
波長板と１／２波長板とをそれらの光軸を交差して貼り
合わせた広帯域波長板を設けてなるものである。
【００６２】これによって、波長に対する特性の変化が
大幅に抑制され、設計波長から離れた波長範囲における
Ｓ／Ｎを改善することができる。
【００６３】本願請求項７の発明に係る光学装置は、上
記請求項６に記載の光学装置において、前記１／４波長
板と前記１／２波長板とを同一の材料にて形成し、且つ
少なくとも一方の波長板を、波長板平面内の直交軸方向
とフィルムの厚さ方向における屈折率をそれぞれｎx 、
ｎy 、ｎz とした場合に、ｎx ＞ｎz ＞ｎy を満足する
材料で形成してなるものである。
【００６４】これによって、広帯域波長板に対して斜め
に入射する光線に対するレタデーションの変化を抑制す
ることができ、その結果、斜めの光線として使用者の目
に入る画像周辺部のノイズ光を減らし、Ｓ／Ｎを改善す
ることが可能となる。
【００６５】本願請求項８の発明に係る光学装置は、上
記請求項６又は上記請求項７に記載の光学装置におい
て、前記１／４波長板と前記１／２波長板の光軸のなす
角をｐとした場合に、５０度＜ｐ＜７０度を満足するよ
うに構成してなるものである。
【００６６】これによって、波長に対する特性の均一性
をより一層改善することができ、その結果、Ｓ／Ｎを向
上させることが可能になる。
【００６７】本願請求項９の発明に係る光学装置は、上
記請求項６乃至上記請求項８に記載の光学装置におい
て、各光学素子の配置を、光線の入射側から順に、第１
の偏光板、反射屈折手段、第１の広帯域波長板、ハーフ
ミラー、第２の広帯域波長板、第２の偏光板としてなる
ものである。
【００６８】これによれば、第２の広帯域波長板と第２
の偏光板とで１枚の広帯域の円偏光板の機能を果たすの
で、外光のハーフミラーでの反射を広帯域に渡って吸収
し、より一層Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００６９】本願請求項１０の発明に係る光学装置は、
上記請求項６乃至上記請求項８に記載の光学装置におい
て、各光学素子の配置を、光線の入射側から順に、第１
の偏光板、第１の広帯域波長板、反射屈折手段、第２の
広帯域波長板、ハーフミラー、第２の偏光板としてなる
ものである。
【００７０】第１の広帯域波長板と第１の偏光板とで１
枚の円偏光板の機能を果たすので、反射屈折手段での反
射を広帯域に渡って吸収する。従って、ディスプレイ反
射が低減し、より一層Ｓ／Ｎを向上させることができ
る。
【００７１】本願請求項１１の発明に係る光学装置は、
上記請求項１乃至上記請求項１０に記載の光学装置にお
いて、各光学素子のいずれかの表面を反射防止コーティ
ングしてなるものである。
【００７２】これによって、不要な反射に起因するノイ
ズ光を低減することができる。特に、図３８とともに上
述したように、平凸レンズとハーフミラーとの間におけ
る不要反射が存在すると、大きなノイズ光を生じること
になるが、本発明のように、反射屈折手段の表面と、第
１の１／４波長板の両面とを反射防止コーティングする
ことにより、十分に不要反射を減らして、不要な反射に
起因するノイズ光を低減することができる。
【００７３】本願請求項１２の発明に係る光学装置は、
上記請求項１乃至上記請求項１０に記載の光学装置にお
いて、各光学素子のいずれかの間を光学用接着剤で接着
してなるものである。
【００７４】これによって、不要な反射に起因するノイ
ズ光を低減することができる。特に、図３８とともに上
述したように、平凸レンズとハーフミラーとの間におけ
る不要反射が存在すると、大きなノイズ光を生じること
になるが、本発明のように、反射屈折手段の表面と、第
１の１／４波長板の両面とを光学用接着剤で接着するこ
とにより、十分に不要反射を減らして、不要な反射に起
因するノイズ光を低減することができる。
【００７５】本願請求項１３の発明に係る頭部搭載型デ
ィスプレイは、上記請求項１乃至上記請求項１２に記載
の光学装置に、バックライトと、液晶ディスプレイとを
設けて構成してなるものである。
【００７６】これによって、広視野角でありながら、薄
型軽量で軽快な装着感であり、さらに画質の良好な頭部
搭載型ディスプレイを実現することができる。
【００７７】本願請求項１４の発明に係る頭部搭載型デ
ィスプレイは、上記請求項１３に記載の頭部搭載型ディ
スプレイにおいて、前記液晶ディスプレイの内部にある
ブラックマトリックスに反射防止処理を施してなるもの
である。
【００７８】これによって、液晶ディスプレイでの反射
によるノイズ光を低減し、より一層、画質の良好な頭部
搭載型ディスプレイを実現することができる。
【００７９】本願請求項１５の発明に係る頭部搭載型デ
ィスプレイは、上記請求項１３又は上記請求項１４に記
載の頭部搭載型ディスプレイにおいて、バックライトと
して、電極を備えた発光ダイオードチップが表面実装さ
れた基板と、該基板上に塗布された蛍光体とを有する構
成としたものである。
【００８０】これによって、インバータが不要な薄型且
つ軽量なＬＥＤバックライトを用いているので、頭部搭
載型ディスプレイとしてより一層薄型軽量で軽快な装着
感を得ることができる。また、このＬＥＤバックライト
は発熱が少なく、容易に高輝度が得られるので、本発明
のようにバックライト光がハーフミラーを複数回通過す
ることとなる低透過率の光学装置を用いた場合であって
も、明るい画像を提供することが可能となる。
【００８１】本願請求項１６の発明に係る頭部搭載型デ
ィスプレイは、上記請求項１乃至上記請求項１２に記載
の光学装置に、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）ディ
スプレイを設けて構成してなるものである。
【００８２】これによって、ディスプレイとして液晶パ
ネルを用いる場合に比べて、バックライトが不要となる
ので、より一層、薄型軽量の頭部搭載型ディスプレイを
実現することができる。ただし、現時点で利用できるＥ
Ｌディスプレイの解像度は液晶ディスプレイに比べて低
いので、どちらのディスプレイを使用するかは、解像度
と厚さとのどちらを優先するかによって選択することに
なる。
【００８３】本願請求項１７の発明に係る頭部搭載型デ
ィスプレイは、上記請求項１６に記載の頭部搭載型ディ
スプレイにおいて、前記ＥＬディスプレイの内部にある
ブラックマトリックスに反射防止処理を施してなるもの
である。
【００８４】これによって、ＥＬディスプレイでの反射
によるノイズ光を低減し、より一層、画質の良好な頭部
搭載型ディスプレイを実現することができる。
【００８５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の光学装置および該
光学装置を用いた頭部搭載型ディスプレイの実施形態
を、図１乃至図１６とともに説明するが、上記従来例と
同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。
【００８６】（第１実施形態）本発明の第１実施形態
を、図１とともに説明する。ここで、図１は本実施形態
の光学装置を用いたＨＭＤの概略構成を示す平面説明図
である。
【００８７】本実施形態の光学装置を用いたＨＭＤは、
図１に示すように、外側（使用者１５と反対側）から、
バックライト１２、液晶ディスプレイ３１、第１の偏光
板３２、凸面にハーフミラーコーティングをした平凸レ
ンズ（反射屈折手段）１３３、第１の１／４波長板３
４、ハーフミラー３５、第２の１／４波長板３６、第２
の偏光板３７の順に、ディスプレイユニットが左右に２
組配置され、全体がメガネ型のケース１１に収納されて
いる。
【００８８】使用者１５は、頭部にこのＨＭＤを装着
し、ディスプレイユニットの前に目を置くことにより、
液晶ディスプレイ３１の映像が拡大されて見えるので、
大きな迫力と高い臨場感を楽しむことができる。
【００８９】本実施形態においては、平凸レンズ１３３
の材料として、内部応力に対して正と負の光弾性係数を
持つ高分子化合物の共重合体を採用している。このよう
な光学材料としては、例えば日立化成工業株式会社より
既に発表されているオプトレッツと呼ばれる光学用非複
屈折性樹脂成形材料などがある。
【００９０】本実施形態の光学装置では、上記従来例で
述べたように、光線の偏光状態を使って、ノイズ光とシ
グナル光との区別を行っている。従って、レンズの光弾
性係数が大きく、光線の偏光状態を乱す場合には、ノイ
ズ光が使用者の目に届くようになったり、シグナル光が
偏光板で遮断されたりするので、Ｓ／Ｎが低下してしま
う。
【００９１】この点で、ガラスは光弾性係数が小さく適
しているが、重量が大きくなる欠点がある。特にＨＭＤ
に使用する場合には、レンズが重いとＨＭＤの重心が顔
面の下方向に移動して鼻に不快な力がかかるとともに、
頭を回転させたときにモーメントが大きくなり、装着感
を損なってしまう。また、アクリルは、重量の点では、
軽量であるが光弾性係数が大きいので、量産により射出
成型すると複屈折を生じてしまう。
【００９２】従って、本実施形態のように、平凸レンズ
１３３を、内部応力に対して正と負の光弾性係数を持つ
高分子化合物の共重合体のように、複屈折性の無い材料
により製作することにより、軽量なＨＭＤを実現するこ
とができるとともに、平凸レンズ１３３を通過する光線
の偏光状態を乱すのを防止して、画像のＳ／Ｎを向上さ
せることが可能となる。
【００９３】（第２実施形態）本発明の第２実施形態
を、図２乃至図５とともに説明する。ここで、図２は本
実施形態の光学装置を用いたＨＭＤの概略構成を示す平
面説明図、図３は本実施形態の光学装置における各光学
素子の配置状態を示す概略説明図、図４は本実施形態の
光学装置における１／４波長板の光線の垂直から計った
入射角に対するレタデーションの変化を示す説明図、図
５は本実施形態の光学装置における１／４波長板の各波
長に対するレタデーションの変化を示す説明図である。
【００９４】本実施形態の光学装置を用いたＨＭＤは、
図２及び図３に示すように、第１及び第２の１／４波長
板１３４、１３６の特性として、厚み方向に屈折率を持
ち、その大きさが波長板面内の最大の屈折率と最小の屈
折率との間の値であるものを使用し、第１及び第２の１
／４波長板１３４、１３６のそれぞれの延伸軸が直交す
るように配置されている。
【００９５】すなわち、上述したとおり、従来例におけ
る第１及び第２の１／４波長板３４、３６は、ｎx ＞ｎ
z ＝ｎy なる特性を持っていたが、本実施形態において
は、第１及び第２の１／４波長板１３４、１３６の厚さ
方向の屈折率ｎz をシート面内の屈折率ｎx ，ｎy の間
の値にしている。
【００９６】この一例として、ｎz ＝１．５９０８とし
て再度、上記式２を計算すると、図４に示すようなグラ
フが得られる。図２９に示した従来の１／４波長板の特
性を示すグラフと比較して明らかなように、本実施形態
のように厚さ方向の屈折率を持った方が、レタデーショ
ン変化を大幅に抑えることができる。従って、このよう
な１／４波長板１３４、１３６を採用することにより、
Ｓ／Ｎの良い光学系を実現することができる。
【００９７】また、本実施形態では、第１の１／４波長
板１３４と第２の１／４波長板１３６とは、それぞれの
延伸軸を直交して配置されている。即ち、図３に示すよ
うに、第１及び第２の１／４波長板１３４、１３６の延
伸軸６１、６３の方向は、それぞれ第１の偏光板３２の
透過軸６２に対して＋４５度、−４５度傾いている。
【００９８】この構成の場合、第１及び第２の１／４波
長板１３４、１３６を合わせると、レタデーションはキ
ャンセルされるので、第１の偏光板３２から発して第１
及び第２の波長板１３４、１３６を通過した光線の偏光
方向は、第１の偏光板３２の透過軸方向６２と同一にな
る。そこで、この光線を吸収するため、つまり液晶ディ
スプレイ３１から使用者の目３８に直接達するノイズ光
を遮断するため、第２の偏光板１３７の透過軸６４は、
第１の偏光板３２の透過軸６２と直交して配置すれば良
い。
【００９９】そうすると、平凸レンズ３３で拡大された
シグナル光は、ノイズ光と直交した偏光として第２の１
／４波長板１３６から射出されるので、今度は第２の偏
光板１３７を透過して、使用者の目３８に到達し、所望
の目的を達することができる。
【０１００】すなわち、１／４波長板の波長に対するレ
タデーション特性が理想的で、つまりどの波長に対して
も１／４波長のレタデーションをもつ場合は、図３０と
ともに上述した従来例と図３に示した本実施形態のもの
とは同じ機能を果たすことができる。しかし、実際の１
／４波長板では、波長に対してレタデーションが変化す
るので、上述したとおり、従来例のものの場合はノイズ
光が発生する。
【０１０１】一方、本実施形態のようにそれぞれの延伸
軸６１、６３を直交した状態で第１及び第２の１／４波
長板１３４、１３６を配置した場合には、図５に示すよ
うに、２枚の１／４波長板１３４、１３６のレタデーシ
ョン特性はキャンセルされるので、光線の波長に拘わら
ず、レタデーションは０になる。従って、第２の１／４
波長板１３６の後に第２の偏光板１３７を配置すれば、
直接透過する光線をすべて吸収することができ、ノイズ
光の発生を防ぐことができる。
【０１０２】以上のとおり、本実施形態のように、第１
及び第２の１／４波長板１３４、１３６をそれぞれの延
伸軸６１、６３が直交する状態で配置することによっ
て、ノイズ光の発生を防止し、画質を向上させることが
可能となる。
【０１０３】（第３実施形態）上述した本発明の第１及
び第２実施形態においては、各光学素子が、光線の入射
側から、液晶ディスプレイ３１、第１の偏光板３２、平
凸レンズ（反射屈折手段）１３３、第１の１／４波長板
１３４、ハーフミラー３５、第２の１／４波長板３６、
第２の偏光板１３７の順に配置されたものについて説明
したが、本発明の光学装置は、各光学素子がこの順に配
置されたものに限定されるものではない。
【０１０４】例えば、各光学素子がその他の順で配置さ
れたものの一例を、本発明の第３実施形態として、図６
とともに説明する。ここで、図６は本実施形態の光学装
置における各光学素子の配置状態を示す概略説明図であ
る。
【０１０５】本実施形態の光学装置は、図６に示すよう
に、各光学素子が、光線の入射側から、液晶ディスプレ
イ３１、第１の偏光板３２、第１の１／４波長板１３
４、ハーフミラーコーティングを有する平凸レンズ（反
射屈折手段）１３３、第２の１／４波長板１３６、ハー
フミラー３５、第２の偏光板１３７の順に配置されてい
る。
【０１０６】また、上記第１及び第２実施形態のものと
同様に、第１の偏光板３２の透過軸６２の向きは０度、
第１の１／４波長板１３４の透過軸６１の向きは＋４５
度、第２の１／４波長板１３６の透過軸６３の向きは−
４５度、第２の偏光板１３７の透過軸６４の向きは＋９
０度に設定されている。
【０１０７】上記のように構成することにより、液晶デ
ィスプレイ３１を発した光線は、平凸レンズ１３３と第
２の１／４波長板１３６とを通過して、ハーフミラー３
５で通過する光線と反射する光線とに分けられる。通過
した光線は、第１の１／４波長板１３４の透過軸６１と
第２の１／４波長板１３６の透過軸６３とが直交してい
るため、０度方向の直線偏光に戻されて第２の偏光板１
３７によって吸収される。
【０１０８】一方、ハーフミラー３５で反射した光線
は、第２の１／４波長板１３６で再び右向き円偏光Ｒに
なり、平凸レンズ１３３のハーフミラー面で反射して左
向き円偏光Ｌに変換される。続いて、左向き円偏光Ｌは
第２の１／４波長板１３７で＋９０度の直線偏光に変換
されるので、第２の偏光板１３７を通過して観察者の目
３８に到達する。
【０１０９】以上の過程を経て、上記第１及び第２実施
形態のものと同様、液晶ディスプレイ３１の像はハーフ
ミラーコーティングを有する平凸レンズ１３３により、
効率良く拡大されるが、本実施形態のように各光学素子
を配置した場合、以下の利点がある。
【０１１０】すなわち、図３９とともに上述した従来例
においては、平凸レンズ３３のハーフミラーコーティン
グ面で反射した光線は、液晶ディスプレイ３１で反射し
てノイズ光を生じていたが、本実施形態の光学装置にお
いては、図６に示すように、平凸レンズ１３３のハーフ
ミラーコーティング面での反射光は左向き円偏光Ｌにな
るので、第１の偏光板３２で吸収されてノイズ光を生じ
ない。
【０１１１】（第４実施形態）本発明の第４実施形態
を、図７乃至図１２とともに説明する。ここで、図７は
本実施形態の光学装置を用いたＨＭＤの概略構成を示す
平面説明図、図８は本実施形態の光学装置における広帯
域波長板を示す概略説明図、図９は本実施形態の光学装
置における広帯域波長板の特性を示すポアンカレ球の説
明図、図１０は本実施形態の光学装置における広帯域波
長板の波長分散特性を示す説明図、図１１は本実施形態
の光学装置における広帯域波長板の分光透過率を示す説
明図である。図１２は本実施形態の光学装置における各
光学素子の配置状態の他の例を示す概略説明図である。
【０１１２】上記本発明の第２実施形態によれば、ノイ
ズ光はかなり低減されるが、シグナル光に対する光学装
置の特性はあまり改善されない。すなわち、ディスプレ
イの色再現性を高めるためには、光学装置の分光透過率
は可視光の範囲で一定であることが望ましいが、単純な
１／４波長板を用いた場合、レタデーションが波長によ
って変化するため、設計波長以外では楕円偏光に変換さ
れてしまい、透過率は低下してしまう。
【０１１３】この課題を解決するため、本実施形態の光
学装置においては、図７に示すように、従来の単純な第
１及び第２の１／４波長板３４、３６に代えて、１／４
波長板と１／２波長板とを所定の角度で貼り合わせた第
１及び第２の広帯域波長板２３４、２３６を設けて構成
している。
【０１１４】本実施形態の広帯域波長板２３４、２３６
は、図８に示すように、１／２波長板２１１と１／４波
長板２１２とを接着材２１３にて貼り合わせて構成して
いる。１／２波長板２１１は延伸軸が−１５度、１／４
波長板２１２は延伸軸が−７５度の方向に配置されてい
る。尚、１／２波長板２１１や１／４波長板２１２は高
分子フィルムを延伸処理して作成されるが、本実施形態
では、波長板材料としてよく使用されるポリカーボネイ
トを材料として選択した。
【０１１５】この広帯域波長板２３４、２３６は、鉛直
方向（０度方向）の直線偏光を１／２波長板２１１側か
ら入射させた場合に、波長分散特性が改善された１／４
波長板として機能するように設計されており、可視光の
範囲（４００ｎｍ−７００ｎｍ）において波長に拘わら
ずほぼ完全な円偏光に変換することができるので、上記
従来例で用いられている単純な１／４波長板に代えて、
本発明の広帯域波長板を用いると分光透過率特性を大幅
に改善することができる。
【０１１６】本実施形態の広帯域波長板２３４、２３６
の作用を、図９に示すポアンカレ球を用いて説明する
と、以下のようになる。この広帯域波長板２３４、２３
６は、延伸軸が−１５度の１／２波長板２１１と−７５
度の１／４波長板２１２とからなっているが、ポアンカ
レ球上では１／２波長板２１１の延伸軸は直線Ｆで、１
／４波長板２１２の延伸軸は直線Ｇで表わされる。
【０１１７】そして、各々の波長板の作用は、１／２波
長板２１１が１８０度の回転、１／４波長板２１２が９
０度の回転である。ここで、鉛直方向の直線偏光が入射
した場合、入射光は点Ａに対応している。まず、基準波
長の場合は、１／２波長板２１１によって点Ｈへ移さ
れ、さらに１／４波長板２１２によって点Ｃ（北極）に
移されるので、単純な１／４波長板２１２の場合と同様
に完全な左向き円偏光に変換できることが分かる。
【０１１８】次に、基準波長より短波長の場合は１／２
波長板２１１のレタデーションが過剰になるので点Ｊに
移されるが、この点Ｈとのずれが次の１／４波長板２１
２のレタデーションの過剰分と打ち消し合い、最終的に
点Ｃの近くに移される。同様に基準波長より長波長の場
合は、１／２波長板２１１のレタデーションが不足する
ので点Ｋに移されるが、この点Ｈとのずれが次の１／４
波長板２１２のレタデーションの不足分を補って、最終
的にはやはり点Ｃの近くに移される。このようにして、
どの波長においてもほぼ完全な左向き円偏光が得られ
る。
【０１１９】この広帯域波長板２３４、２３６の特性
を、出力光線中の円偏光の割合によって分析すると、図
１０に示すようになる。図１０から明らかなように、広
帯域波長板２３４、２３６のグラフは、図３６とともに
上述した従来の単純な１／４波長板のグラフに比べて、
はるかに均一な波長分散特性を示している。
【０１２０】また、この広帯域波長板２３４、２３６
は、それを構成する１／２波長板２１１と１／４波長板
２１２との角度を変更することによって、さらに波長分
散特性を改善できる。図１０には、１／２波長板２１１
と１／４波長板２１２との角度を５５度に変更した場合
のグラフも示している。可視光の範囲（４００ｎｍ−７
００ｎｍ ）での均一性から評価すれば、１／２波長板
２１１と１／４波長板２１２との角度を５５度にする方
が、６０度の場合より優れている。
【０１２１】この例に限らず、必要な波長範囲等の要求
仕様に応じて、１／２波長板２１１と１／４波長板２１
２との角度を調整することにより、適切な特性を選択す
ることが可能である。
【０１２２】そして、以上説明した広帯域波長板２３
４、２３６を用いた光学装置によって得られたシグナル
光の分光透過率特性を図１１に示す。広帯域波長板２３
４、２３６を用いた光学装置の特性の方が、図３７とと
もに上述した従来の１／４波長板を用いた光学装置の特
性に比べて、青と赤の透過率が改善され、可視光の範囲
においてより均一な透過率が実現できていることが分か
る。
【０１２３】さらに、１／２波長板２１１及び１／４波
長板２１２として、波長板平面内の直交軸方向、フィル
ムの厚さ方向における屈折率をそれぞれｎx 、ｎy 、ｎ
z とした場合に、ｎx ＞ｎz ＞ｎy を満たすものを用い
ると、上記第１の実施形態で説明したように、光学装置
内を斜めに通過するシグナル光に対する特性も改善でき
るので、本実施形態の有用性を一層高めることができ
る。
【０１２４】尚、以上の説明においては、各光学素子
が、光線の入射側から、液晶ディスプレイ３１、第１の
偏光板３２、平凸レンズ３３、第１の広帯域波長板２３
４、ハーフミラー３５、第２の広帯域波長板２３６、第
２の偏光板３７の順で配置されているものについて説明
したが、上記第３の実施形態においても説明したよう
に、本発明の光学装置は、各光学素子がこの順に配置さ
れたものに限定されるものではない。
【０１２５】例えば、各光学素子がその他の順で配置さ
れたものの一例を、図１２とともに説明する。図１２に
示す光学装置は、光線の入射側から、液晶ディスプレイ
３１、第１の偏光板３２、第１の１／２波長板２１１と
第１の１／４波長板２１２とからなる第１の広帯域波長
板２３４、平凸レンズ３３、第２の１／４波長板２１２
と第２の１／２波長板２１１とからなる第２の広帯域波
長板２３６、ハーフミラー３５、第２の偏光板３７の順
に配置されている。
【０１２６】延伸軸の方向は、第１の１／２波長板２１
１は１５度、第１の１／４波長板２１２は７５度、第２
の１／４波長板２１２は−１５度、第２の１／２波長板
２１１は−７５度である。これらの１／２波長板２１１
と１／４波長板２１２との貼り合わせ角度は、図８で説
明した広帯域波長板の角度と異なるが、これは、広帯域
波長板を構成する１／２波長板と１／４波長板の貼り合
わせ角度が図８で説明したものに限定されないことを意
味している。機能上の差異は、図８で説明したものは直
線偏光を左向き偏光に変換するが、図１２で示したもの
は直線偏光を右向き偏光に変換する点である。
【０１２７】光学系の構成としては、上記第３の実施形
態における１／４波長板を広帯域波長板に置き換えたも
のに相当するので、全体の機能も上記第３の実施形態と
同様に働き、液晶ディスプレイ３１の像を拡大する。
尚、本光学系においては、波長板の特性が波長に関して
均一なので、広い帯域においてノイズ光が少なくＳ／Ｎ
が向上している点で、上記第３の実施形態のものより優
れている。
【０１２８】特に、第１の広帯域波長板２３４と第１の
偏光板３２とが１枚の円偏光板の機能を果たすので、平
凸レンズ３３のハーフミラーコーティング面での反射を
広帯域に渡って吸収する。従って、ディスプレイ反射が
低減し、上記第３実施形態のものより一層Ｓ／Ｎを改善
することができる。
【０１２９】（第５実施形態）本発明の第５実施形態
を、図１３とともに説明する。ここで、図１３は本実施
形態の光学装置を示す概略説明図である。
【０１３０】本実施形態の光学装置を構成する各光学素
子の表面は、すべて反射防止対策が施されている。ま
ず、図３８とともに上述した従来例における平凸レンズ
３３の使用者側の面と第１の１／４波長板３４の両面で
の不要反射によるノイズ光の発生を抑制するため、その
対策として各表面に反射防止コーティングを施すか、又
は各表面の間を光学用接着剤で接合している。
【０１３１】ただし、１／４波長板の材料であるポリカ
ーボネートは反射防止コーティングが安定に付きにくい
特性があると言われている。その場合の代替方式として
は、図１３に示すように、アクリルのシートに反射防止
コーティングした素子３０１を、ポリカーボネート製の
第１の１／４波長板３４に糊付けする方法が考えられ
る。
【０１３２】本実施形態では、平凸レンズ３３の検討を
容易にするために、平凸レンズ３３に第２の１／４波長
板３６を接着するのを避けて、図１３に示すように、ハ
ーフミラー３５側に接着する方法を採用したが、他の組
み合わせの方法も可能であることは言うまでもない。
【０１３３】また、図３９とともに上述した従来例にお
ける液晶ディスプレイ３１のブラックマトリクスでの反
射により発生するノイズ光を抑制するために、本実施形
態では、液晶ディスプレイ３１内のブラックマトリクス
にクロムをメッキするなどの反射防止処理を施して、こ
こでの反射率を５％以下に抑えている。
【０１３４】同様に、第１の偏光板３２でも不要な反射
を生じるので、本実施形態では、図１３に示すように、
第１の偏光板３２の液晶ディスプレイ３１側は液晶ディ
スプレイ３１のガラスと接着し、平凸レンズ３３側は反
射防止コーティングを施している。
【０１３５】さらに、図４０とともに上述した従来例に
おける第２の１／４波長板３６、第２の偏光板３７、ハ
ーフミラー３５の裏面での反射により発生するノイズ光
を抑制するため、本実施形態では、図１３に示すよう
に、ハーフミラー３５と第２の１／４波長板３６と第２
の偏光板３７とを接着し、第２の偏光板３７の外側表面
には反射防止コーティングを施している。
【０１３６】上述したとおり、本実施形態の光学装置に
おいては、各光学素子の表面に対して反射防止対策を施
しているので、各光学素子の表面での不要反射によるノ
イズ光を低減して、良好な画質を実現することを可能と
している。
【０１３７】（第６実施形態）本発明の第６実施形態
を、図１４乃至図１６とともに説明する。ここで、図１
４は本実施形態のＨＭＤの概略構成を示す平面説明図、
図１５は本実施形態のＨＭＤにおけるバックライトを示
す要部斜視説明図、図１６は本実施形態のＨＭＤにおけ
るバックライトを示す要部拡大側断面説明図である。
【０１３８】本実施形態においては、図１４及び図１５
に示すように、液晶ディスプレイ３１のバックライト１
１２として、基板４０１上に複数の青色発光ダイオード
チップ４０２を表面実装し、その上に蛍光体４０３を塗
布したものを用いている。ここで、蛍光体４０３として
適切なものを選択することによって、青色発光ダイオー
ド４０２からの青色の光線を受けて、黄色の光線を放出
させることができるので、これらが合成されてバックラ
イトに必要な白色光線を得ることができる。
【０１３９】但し、青色発光ダイオード４０２はまだそ
れほど明るくはないので、高密度に配列実装する必要が
ある。そこで、１．３インチの液晶ディスプレイ用に設
計した場合の数値例について説明する。ここで、発光ダ
イオード４０２の仕様を、直流順電圧３．６Ｖ、直流順
電流２０ｍＡのときの光度４０ｍｃｄであると仮定す
る。
【０１４０】次に、バックライトの要求仕様として４０
０００ｎｔ（ｃｄ／ｍ2）を想定すると、簡単な計算か
ら１ｍｍ間隔に配列すれば良いことが分かる。実際、
１．３インチパネルの大きさを横２６ｍｍ，縦２０ｍｍ
とすると、全体の光度は４０×２６×２０＝２０８００
ｍｃｄ＝２０．８ｃｄであるから、輝度は２０．８ｃｄ
／５２０×１０-6ｍ2＝４００００ｎｔとなり、必要な
特性を実現することが可能である。
【０１４１】ところで、青色発光ダイオードチップ４０
２を１ｍｍ間隔で配列するのは、通常のワイヤーボンド
では困難であるので、本実施形態においては、図１６に
示すように、青色発光ダイオードチップ４０２の両端に
電極端子４０４を設け、導電性接着剤４０５によって基
板４０１上の配線パターン４０６に表面実装している。
【０１４２】以上説明したとおり、本実施形態のＨＭＤ
は液晶ディスプレイ３１のバックライト１１２としてＬ
ＥＤバックライトを用いているので、バックライト１２
として冷陰極管を用いた従来例に比べて、発熱が少な
く、インバータも不要であるので大きさ、重量、電磁波
ノイズ等の問題も解決することができる。これによっ
て、より薄型軽量のＨＭＤを実現することができ、軽快
な装着感を提供することが可能となる。
【０１４３】また、上述した本発明の第１〜第５実施形
態の光学装置においては、光線がハーフミラーを複数回
通過するために透過率が低下してしまうが、上述した本
実施形態のＬＥＤバックライト１１２を用いることによ
って、容易に高輝度を得ることができるので、上記のよ
うな光学装置であっても明るい画像光を使用者に提示す
ることが可能となる。
【０１４４】尚、上記本発明の実施形態においては、デ
ィスプレイとして液晶ディスプレイ３１を用いたものに
ついて説明したが、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）
ディスプレイを用いることもできる。この場合には、バ
ックライトが不要で、さらに薄型化が可能になると同時
に、視角が広いので画面内での輝度と色彩との均一性が
向上するという利点がある。
【０１４５】尚、ＥＬディスプレイを用いる場合も、上
記液晶ディスプレイ３１で説明したのと同様に、内部に
あるブラックマトリックスに反射防止処理を施すことに
より、この部分での反射によるノイズ光を低減し、画質
を向上させることができる。
【０１４６】ただし、現段階ではＥＬパネルの解像度が
液晶パネルよりも劣るので、高解像度画像の表示には使
用できない。従って、設計者は小型化と高解像度との仕
様の優先順位によって、液晶ディスプレイとＥＬディス
プレイとを適宜選択すれば良い。
【０１４７】
【発明の効果】本願請求項１に記載の発明に係る光学装
置は、反射屈折手段が、内部応力に対して正と負の光弾
性係数を持つ高分子材料の共重合物質によって製作され
たものであり、高分子材料を適切に共重合させて全体と
して複屈折性がないようにすることができるので、この
反射屈折手段を通過する光線の偏光状態が乱れることを
防止できる。従って、この光学装置を用いたＨＭＤの場
合、ディスプレイから目に直接達するノイズ光をなくす
るとともに、シグナル光に対する影響もなくすることが
でき、画像のＳ／Ｎを向上させることができる。
【０１４８】本願請求項２に記載の発明に係る光学装置
は、第１及び第２の１／４波長板の厚み方向に屈折率を
持たせ、その大きさを波長板面内の最大の屈折率と最小
の屈折率との間の値にしたので、１／４波長板に斜めに
入射する光線に対するレタデーションの変化を抑制する
ことができ、斜めの構成として目に入るノイズ光を減ら
して、画質の劣化を低減することができる。
【０１４９】本願請求項３に記載の発明に係る光学装置
は、第１及び第２の１／４波長板を、それぞれの延伸軸
が直交する状態にて配置しているので、２つの１／４波
長板によりレタデーションをキャンセルして、ディスプ
レイから使用者の目に直接達する光線を低減して、画質
を向上させることができる。
【０１５０】本願請求項４に記載の発明に係る光学装置
は、第２の１／４波長板と第２の偏光板とが１枚の円偏
光板の機能を果たすので、外光のハーフミラーでの反射
を吸収し、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【０１５１】本願請求項５に記載の発明に係る光学装置
は、第１の１／４波長板と第１の偏光板とが１枚の円偏
光板の機能を果たすので、反射屈折手段での反射を吸収
する。従って、ディスプレイ反射が低減し、Ｓ／Ｎを向
上させることができる。
【０１５２】本願請求項６に記載の発明に係る光学装置
は、１／４波長板と１／２波長板とをそれらの光軸が交
差するように貼り合わせた広帯域波長板を設けているの
で、入射波長に対する特性の変化が大幅に抑制され、設
計波長から離れた波長範囲におけるＳ／Ｎを改善するこ
とが可能となる。
【０１５３】本願請求項７に記載の発明に係る光学装置
は、広帯域波長板を構成する１／４波長板と１／２波長
板とを同一の材料にて形成し、且つ少なくとも一方の波
長板を、波長板平面内の直交軸方向とフィルムの厚さ方
向における屈折率をそれぞれｎx 、ｎy 、ｎz とした場
合に、ｎx ＞ｎz ＞ｎy を満足する材料で構成している
ので、広帯域波長板に対して斜めに入射する光線に対す
るレタデーションの変化を抑制することができ、その結
果、斜めの光線として目に入る画像周辺部のノイズ光を
減らし、Ｓ／Ｎを改善することができる。
【０１５４】本願請求項８に記載の発明に係る光学装置
は、広帯域波長板を構成する１／４波長板と前記１／２
波長板との光軸のなす角をｐとした場合に、５０度＜ｐ
＜７０度を満足するように構成しているので、波長に対
する特性の均一性をより一層改善することができ、その
結果、Ｓ／Ｎの向上が可能になる。
【０１５５】本願請求項９に記載の発明に係る光学装置
は、第２の広帯域波長板と第２の偏光板とが１枚の広帯
域の円偏光板の機能を果たすので、外光のハーフミラー
での反射を広帯域に渡って吸収し、より一層Ｓ／Ｎを向
上させることができる。
【０１５６】本願請求項１０に記載の発明に係る光学装
置は、第１の広帯域波長板と第１の偏光板とが１枚の円
偏光板の機能を果たすので、反射屈折手段での反射を広
帯域に渡って吸収する。従って、ディスプレイ反射が低
減し、より一層Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【０１５７】本願請求項１１に記載の発明に係る光学装
置は、各光学素子の表面を反射防止コーティングしてい
るので、不要な反射に起因するノイズ光を低減できる。
【０１５８】本願請求項１２に記載の発明に係る光学装
置は、各光学素子間を光学用接着剤で接着しているの
で、不要な反射に起因するノイズ光を低減できる。
【０１５９】本願請求項１３に記載の発明に係る頭部搭
載型ディスプレイは、上述した光学装置に、バックライ
ト及び液晶ディスプレイを設けているので、広視野角で
ありながら、薄型軽量で軽快な装着感であり、さらに画
質の良好な頭部搭載型ディスプレイを実現することがで
きる。
【０１６０】本願請求項１４に記載の発明に係る頭部搭
載型ディスプレイは、液晶ディスプレイの内部にあるブ
ラックマトリックスに反射防止処理を施しているので、
液晶ディスプレイでの反射によるノイズ光を低減し、よ
り一層、画質の良好な頭部搭載型ディスプレイを実現す
ることが可能となる。
【０１６１】本願請求項１５に記載の発明に係る頭部搭
載型ディスプレイは、液晶ディスプレイのバックライト
として、ＬＥＤバックライトを用いているので、より一
層薄型軽量で軽快な装着感を得ることができる。また、
ＬＥＤバックライトは発熱が少なく、容易に高輝度を得
ることができるので、明るい画像を提供することが可能
である。
【０１６２】本願請求項１６に記載の発明に係る頭部搭
載型ディスプレイは、上述した光学装置に、バックライ
トが不要なＥＬディスプレイを設けているので、液晶デ
ィスプレイを用いる場合に比べて、より一層、薄型軽量
の頭部搭載型ディスプレイを実現することができる。
【０１６３】本願請求項１７に記載の発明に係る頭部搭
載型ディスプレイは、ＥＬディスプレイの内部にあるブ
ラックマトリックスに反射防止処理を施しているので、
ＥＬディスプレイでの反射によるノイズ光を低減し、よ
り一層、画質の良好な頭部搭載型ディスプレイを実現す
ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学装置の第１実施形態を用いたＨＭ
Ｄの概略構成を示す平面説明図である。
【図２】本発明の光学装置の第２実施形態を用いたＨＭ
Ｄの概略構成を示す平面説明図である。
【図３】本発明の光学装置の第２実施形態における各光
学素子の配置状態を示す概略説明図である。
【図４】本発明の光学装置の第２実施形態における１／
４波長板の光線の垂直から計った入射角に対するレタデ
ーションの変化を示す説明図である。
【図５】本発明の光学装置の第２実施形態における２枚
の１／４波長板の各波長に対するレタデーションの変化
を示す説明図である。
【図６】本発明の光学装置の第３実施形態における各光
学素子の配置状態を示す概略説明図である。
【図７】本発明の光学装置の第４実施形態を用いたＨＭ
Ｄの概略構成を示す平面説明図である。
【図８】本発明の光学装置の第４実施形態における広帯
域波長板を示す概略説明図である。
【図９】本発明の光学装置の第４実施形態における広帯
域波長板の特性を示すポアンカレ球の説明図である。
【図１０】本発明の光学装置の第４実施形態における広
帯域波長板の波長分散特性を示す説明図である。
【図１１】本発明の光学装置の第４実施形態における分
光透過率特性を示す説明図である。
【図１２】本発明の光学装置の第４実施形態における各
光学素子の配置状態を示す概略説明図である。
【図１３】本発明の光学装置の第５実施形態を示す概略
説明図である。
【図１４】本発明のＨＭＤの第６実施形態の概略構成を
示す平面説明図である。
【図１５】本発明のＨＭＤの第６実施形態におけるバッ
クライトの概略構成を示す要部斜視説明図である。
【図１６】本発明のＨＭＤの第６実施形態におけるバッ
クライトを示す要部拡大側断面説明図である。
【図１７】従来のＨＭＤの概略構成を示す平面説明図で
ある。
【図１８】従来の光学装置を用いたＨＭＤの概略構成を
示す平面説明図である。
【図１９】座標軸の定義を示す説明図である。
【図２０】従来の光学装置の構成を示す説明図である。
【図２１】従来の光学装置の作用を示す説明図である。
【図２２】従来の光学装置を示す説明図である。
【図２３】従来の光学装置を示す説明図である。
【図２４】波長板の座標系を示す説明図である。
【図２５】波長板の作用を示す説明図である。
【図２６】屈折率楕円体を示す説明図である。
【図２７】屈折率楕円体を示す説明図である。
【図２８】従来の光学装置における１／４波長板の屈折
率楕円体を示す説明図である。
【図２９】従来の光学装置における１／４波長板の光線
の垂直から計った入射角に対するレタデーションの変化
を示す説明図である。
【図３０】従来の光学装置における各光学素子の配置状
態を示す概略説明図である。
【図３１】１／４波長板として用いられるポリカーボネ
ートの波長特性を示す説明図である。
【図３２】従来の光学装置における２枚の１／４波長板
の各波長に対するレタデーションの変化を示す説明図で
ある。
【図３３】ポアンカレ球を示す説明図である。
【図３４】従来の光学装置における１／４波長板を示す
概略説明図である。
【図３５】従来の光学装置における１／４波長板の特性
を示すポアンカレ球の説明図である。
【図３６】従来の光学装置における１／４波長板の波長
分散特性を示す説明図である。
【図３７】従来の光学装置における分光透過率特性を示
す説明図である。
【図３８】従来の光学装置を示す説明図である。
【図３９】従来の光学装置を示す説明図である。
【図４０】従来の光学装置を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１１ メガネ型ケース １２ バックライト １５ 使用者 ３１ 液晶ディスプレイ ３２ 第１の偏光板 ３３ 平凸レンズ ３４ 第１の１／４波長板 ３５ ハーフミラー ３６ １／４波長板 ３７ 第２の偏光板 ３８ 使用者の目 １１２ バックライト １３３ 平凸レンズ １３４ 第１の１／４波長板 １３６ 第２の１／４波長板 １３７ 第２の偏光板 ２１１ １／２波長板 ２１２ １／４波長板 ２３４ 第１の広帯域波長板 ２３６ 第２の広帯域波長板 ４０１ 基板 ４０２ 青色発光ダイオードチップ ４０３ 蛍光体 ４０４ 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光線の入射側及び出射側のそれぞれに、
    第１の偏光板及び第２の偏光板を備えるとともに、 前記第１の偏光板と前記第２の偏光板との間に、ハーフ
    ミラーコーティングを有する反射屈折手段と、 第１の１／４波長板と、 ハーフミラーと、 第２の１／４波長板とを備えた光学装置であって、 前記反射屈折手段は、内部応力に対して正と負の光弾性
    係数を持つ高分子材料の共重合物質によって製作された
    ものであることを特徴とする光学装置。
  2. 【請求項２】 光線の入射側及び出射側のそれぞれに、
    第１の偏光板及び第２の偏光板を備えるとともに、 上記第１の偏光板と上記第２の偏光板との間に、ハーフ
    ミラーコーティングを有する反射屈折手段と、 第１の１／４波長板と、 ハーフミラーと、 第２の１／４波長板とを備えた光学装置であって、 前記第１の１／４波長板及び前記第２の１／４波長板
    は、厚み方向に屈折率を持ち、その大きさが波長板面内
    の最大の屈折率と最小の屈折率との間の値であることを
    特徴とする光学装置。
  3. 【請求項３】 光線の入射側及び出射側のそれぞれに、
    第１の偏光板及び第２の偏光板を備えるとともに、 上記第１の偏光板と上記第２の偏光板との間に、ハーフ
    ミラーコーティングを有する反射屈折手段と、 第１の１／４波長板と、 ハーフミラーと、 第２の１／４波長板とを備えた光学装置であって、 前記第１の１／４波長板及び前記第２の１／４波長板
    は、それぞれの延伸軸を直交して配置されていることを
    特徴とする光学装置。
  4. 【請求項４】 前記請求項１乃至前記請求項３に記載の
    光学装置において、 前記各光学素子は、光線の入射側から、第１の偏光板、
    反射屈折手段、第１の１／４波長板、ハーフミラー、第
    ２の１／４波長板、第２の偏光板の順で配置されている
    ことを特徴とする光学装置。
  5. 【請求項５】 前記請求項１乃至前記請求項３に記載の
    光学装置において、 前記各光学素子は、光線の入射側から、第１の偏光板、
    第１の１／４波長板、反射屈折手段、第２の１／４波長
    板、ハーフミラー、第２の偏光板の順で配置されている
    ことを特徴とする光学装置。
  6. 【請求項６】 光線の入射側及び出射側のそれぞれに、
    第１の偏光板及び第２の偏光板を備えるとともに、 上記第１の偏光板と上記第２の偏光板との間に、ハーフ
    ミラーコーティングを有する反射屈折手段と、 第１の広帯域波長板と、 ハーフミラーと、 第２の広帯域波長板とを備えた光学装置であって、 前記第１の広帯域波長板及び前記第２の広帯域波長板
    は、１／４波長板と１／２波長板とを、それらの光軸が
    交差した状態で貼り合わせて形成されたものであること
    を特徴とする光学装置。
  7. 【請求項７】 前記請求項６に記載の光学装置におい
    て、 前記１／４波長板と前記１／２波長板とは同一の材料か
    らなり、且つ、少なくとも一方の波長板が、波長板平面
    内の直交軸方向、及び厚さ方向における屈折率をそれぞ
    れｎx 、ｎy 、ｎz とした場合に、ｎx ＞ｎz ＞ｎy を
    満足することを特徴とする光学装置。
  8. 【請求項８】 前記請求項６又は前記請求項７に記載の
    光学装置において、 前記１／４波長板と前記１／２波長板との光軸のなす角
    をｐとした場合に、５０度＜ｐ＜７０度を満足すること
    を特徴とする光学装置。
  9. 【請求項９】 前記請求項６乃至前記請求項８に記載の
    光学装置において、 前記各光学素子は、光線の入射側から、第１の偏光板、
    反射屈折手段、第１の広帯域波長板、ハーフミラー、第
    ２の広帯域波長板、第２の偏光板の順で配置されている
    ことを特徴とする光学装置。
  10. 【請求項１０】 前記請求項６乃至前記請求項８に記載
    の光学装置において、 前記各光学素子は、光線の入射側から、第１の偏光板、
    第１の広帯域波長板、反射屈折手段、第２の広帯域波長
    板、ハーフミラー、第２の偏光板の順で配置されている
    ことを特徴とする光学装置。
  11. 【請求項１１】 前記請求項１乃至前記請求項１０に記
    載の光学装置において、 前記各光学素子のいずれかの表面が反射防止コーティン
    グされていることを特徴とする光学装置。
  12. 【請求項１２】 前記請求項１乃至前記請求項１０に記
    載の光学装置において、 前記各光学素子のいずれかの間が光学用接着剤で接着さ
    れていることを特徴とする光学装置。
  13. 【請求項１３】 前記請求項１乃至前記請求項１２に記
    載の光学装置と、 バックライトと、 液晶ディスプレイとを設けたことを特徴とする頭部搭載
    型ディスプレイ。
  14. 【請求項１４】 前記請求項１３に記載の頭部搭載型デ
    ィスプレイにおいて、 前記液晶ディスプレイの内部にあるブラックマトリック
    スが反射防止処理されていることを特徴とする頭部搭載
    型ディスプレイ。
  15. 【請求項１５】 前記請求項１３又は前記請求項１４に
    記載の頭部搭載型ディスプレイにおいて、 前記バックライトは、電極を備えた発光ダイオードチッ
    プが表面実装された基板と、 該基板上に塗布された蛍光体とを有することを特徴とす
    る頭部搭載型ディスプレイ。
  16. 【請求項１６】 前記請求項１乃至前記請求項１２に記
    載の光学装置と、 エレクトロルミネッセンスディスプレイとを設けたこと
    を特徴とする頭部搭載型ディスプレイ。
  17. 【請求項１７】 前記請求項１６に記載の頭部搭載型デ
    ィスプレイにおいて、 前記エレクトロルミネッセンスディスプレイの内部にあ
    るブラックマトリックスが反射防止処理されていること
    を特徴とする頭部搭載型ディスプレイ。
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