CN111328380B - 头戴式显示器以及头戴式显示器中使用的广焦点透镜的设计方法 - Google Patents

头戴式显示器以及头戴式显示器中使用的广焦点透镜的设计方法 Download PDF

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Abstract

提供一种能够不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地观看立体像的头戴式显示器。头戴式显示器(1)具备：显示装置(3)，其将左眼用图像(3a)和右眼用图像(3b)显示在画面(3c)上；针对画面上的左眼用图像和右眼用图像分别配置的左眼用虚像成像光学***(4a)和右眼用虚像成像光学***(4b)；以及左眼用广焦点透镜(5a)和右眼用广焦点透镜(5b)，其分别以与左眼用虚像成像光学***和右眼用虚像成像光学***在各自的光轴方向上重叠的方式进行配置，焦距为负且具有幅度。通过左眼用虚像成像光学***和右眼用虚像成像光学***成像出的左眼用图像和右眼用图像的虚像分别被左眼用广焦点透镜和右眼用广焦点透镜显示于在近处具有幅度的范围，由此辐辏与调节的容许范围向近处扩展，从而能够在该近处的广区域内不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地观看立体像。

Description

头戴式显示器以及头戴式显示器中使用的广焦点透镜的设计方法
技术领域
本发明涉及一种头戴式显示器以及头戴式显示器中使用的广焦点透镜的设计方法。
背景技术
近年来，虚拟现实(VR)技术和增强现实(AR)技术的研究开发发展，期待在从医疗、设计等专业领域到游戏、娱乐等一般消费领域的广范围的领域中的利用。在VR技术和AR技术中，使用一种头戴式显示器(HMD)(例如参照专利文献1)，是佩戴于头部的显示器装置，通过将与左右眼睛各自对应的视差图像显示在显示器上，来对用户映现立体像。此外，将像这样显示与左右眼睛对应的视差图像的立体显示方式称为双眼式立体显示。在HMD中，通过显示视角特别大的广角的立体像，能够给予用户较高的投入感。
在双眼式立体显示中，存在如下问题(例如参照专利文献2)：由于因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳而妨碍长时间的利用，特别是年轻人的利用受到限制。在此，在辐辏中，在左右眼球转动使得注视点来到视网膜的中心时，基于三角测量的原理，根据眼球的转动角信息来感知深度。在调节中，人的眼睛自动向注视点聚焦，根据眼睛的聚焦信息来感知深度。当将视差图像显示于显示器上时，通过两个眼球转动并捕捉立体像，由此通过辐辏来准确地感知立体像的深度，另一方面，由于双眼的焦点被聚焦于显示视差图像的显示器，无法通过调节准确地感知立体像的深度。因此，通过辐辏与调节的相互作用来将眼睛的焦点引向已通过辐辏感知的深度的辐辏性调节对于通过双眼式立体显示得到的立体像无法发挥功能。像这样，可以说是由于辐辏与调节之间的冲突而产生视觉疲劳。在VR技术和AR技术中，存在将虚像成像于前方几米处到无限远的远处并将立体像显示于近处的手动作业空间来对立体像进行交互式操作的情况，从而辐辏与调节之间的冲突更为严重。
因此，在非专利文献1中，公开了如下一种HMD：在左右眼睛处分别设置包括可变焦距反射镜和显示器的虚像成像***，使用可变焦距反射镜将显示器的图像的虚像成像于多个不同的深度位置处，由此能够进行眼睛向立体像的聚焦。在此，使用能够进行高速显示的DMD(Digital Micromirror Device：数字微镜器件)作为显示器，来分时地显示立体像。但是，在所述结构的HMD中，除了利用可变焦距反射镜导致成本升高以外，还需要进行高速动作的显示器。并且，需要高速地生成要显示于高速显示器的在深度方向上分割出的图像的图像处理装置。
另外，在非专利文献2中记载了以下内容：在包括显示器的虚像成像***中，是使用可变焦距透镜和马达来动态地变更虚像的成像关系的HMD，检测左右眼睛的转动角来计算通过辐辏感知的深度，变更成像***的成像关系以在该深度位置虚像成像显示器的图像。但是，在所述结构的HMD中，需要检测眼睛的转动角的单元。另外，包括焦距可变透镜和马达的机械机构的利用、由此产生的成本升高以及重量增加成为问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2015/137165号
专利文献2：日本特开平9-297282号公报
非专利文献
非专利文献1：X.Hu and H.Hua,“High-resolution optical see-throughmulti-focal-plane head-mounted display using freeform optics,”Opt.Expressvol.22,p.13896-13903(2014).
非专利文献2：N.Padmanaban,R.Konrad,T.Stramer,E.A.Cooper,andG.Wetzstein,“Optimizing virtual reality for all users through gaze-contingentand adaptive focus displays,”PNAS vol.114,p.2183-2188(2017).
发明内容
发明要解决的问题
本发明的目的在于，将以上那样的情况作为背景，通过更简单的结构来提供一种能够不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地观看立体像的头戴式显示器以及头戴式显示器中使用的广焦点透镜的设计方法。
用于解决问题的方案
在本发明的一个方式中，提供一种头戴式显示器，具备：显示装置，其将左眼用图像和右眼用图像显示于画面上；左眼用虚像成像光学***及右眼用虚像成像光学***，左眼用虚像成像光学***针对画面上的左眼用图像配置，右眼用虚像成像光学***针对画面上的右眼用图像配置；以及左眼用广焦点透镜及右眼用广焦点透镜，左眼用广焦点透镜以在左眼用虚像成像光学***的光轴方向上与左眼用虚像成像光学***重叠的方式进行配置，右眼用广焦点透镜以在右眼用虚像成像光学***的光轴方向上与右眼用虚像成像光学***重叠的方式进行配置，左眼用广焦点透镜及右眼用广焦点透镜的焦距为负且具有幅度。
此外，上述的发明内容并非列举了本发明的全部特征。另外，这些特征组的子组合也还能够形成发明。
附图说明
图1是示出第一实施方式所涉及的VR用HMD的概要结构的图。
图2是示出能够舒适地进行立体观看的辐辏与调节的关系的图。
图3的(A)是示出焦距为负且具有幅度的广焦点透镜的形状的图，(B)是示出针对距中心的距离的、焦距(折射力)的分布的图。
图4是示出广焦点透镜的表面形状的图。
图5A是示出视角小的立体显示装置中的视线的角度与广焦点透镜内的视线穿过的位置之间的关系的比较例的图。
图5B是示出视角大的HMD中的视线的角度与广焦点透镜内的视线穿过的位置之间的关系的图。
图6A是示出广焦点透镜相对于虚像成像透镜的偏移量的一例的图。
图6B是示出广焦点透镜相对于虚像成像透镜的偏移量的另一例的图。
图7是示出第二实施方式所涉及的AR用HMD的概要结构的图。
图8的(A)是第三实施方式所涉及的HMD中使用的广焦点透镜整体的概要图，(B)是将该透镜的上半部分放大后的概要图。
图9是示意性地示出沿着图8的广焦点透镜的透镜径向的平均度数的变化的图。
图10是示出佩戴着该实施方式所涉及的HMD的用户的视线与广焦点透镜之间的关系的图。
图11是示出关于图8的广焦点透镜的评价的结果的图。
图12是示出继图11之后的评价的结果的图。
具体实施方式
下面，通过发明的实施方式来对本发明进行说明，但是下面的实施方式不是对权利要求书所涉及的发明进行限定。另外，实施方式中说明的全部特征的组合不一定是发明的解决方案所必须的。
在图1中示出第一实施方式所涉及的VR用HMD(只要不产生混淆则仅称为HMD)1的概要结构。在图1及其它附图中，将用户的左眼Ea及右眼Eb沿附图的上下方向排列，将该方向设为左右方向，将附图的左右方向设为前后方向。此外，将穿过左眼Ea及右眼Eb的中心且沿前后方向延伸的基准线设为中心线L，将与中心线L平行地从左眼Ea向附图左侧延伸的基准线设为主视线La，将与中心线L平行地从右眼Eb向附图左侧延伸的基准线设为主视线Lb。另外，设为用户的左眼Ea与右眼Eb的分离距离P，例如设为通过成人的左眼与右眼的平均分离距离(典型地说为65mm)来提供。HMD 1具备框架2、显示装置3、左眼用虚像成像光学***4a、右眼用虚像成像光学***4b、左眼用广焦点透镜5a、右眼用广焦点透镜5b以及致动器6a、6b。
框架2是用于保持显示装置3及其它结构各部的壳体。框架2的形状只要是前表面以将显示装置3保持在内侧的方式闭合、背面以能够从背面侧看到显示装置3的显示面的方式打开、并且侧面以覆盖观看显示装置3的双眼的周围的方式包围前表面的周围的形状，就可以是任意的形状。另外，也可以设置佩戴带(未图示)，该佩戴带从框架2的一个侧面围着用户的头后部而连接另一个侧面从而将HMD 1佩戴于用户的脸部前面。此外，设为将左眼用虚像成像光学***4a以在用户佩戴着HMD 1的状态下左眼Ea的主视线La与左眼用虚像成像光学***4a的光轴重叠或大致重叠的方式保持在框架2内，将右眼用虚像成像光学***4b以在用户佩戴着HMD 1的状态下右眼Eb的主视线Lb与右眼用虚像成像光学***4b的光轴重叠或大致重叠的方式保持在框架2内。
显示装置3是将左眼用图像3a和右眼用图像3b显示在画面3c上的装置。作为显示装置3，例如能够使用液晶显示器、有机EL显示器等平板显示器。显示装置3以将画面3c朝向背面侧的方式被保持在框架2的前表面后侧。显示装置3的画面3c包括位于左眼Ea及右眼Eb的主视线La、Lb上且分别显示左眼用图像3a和右眼用图像3b的两个区域。此外，也可以取代具有单个画面3c的显示装置3，而使用分别显示左眼用图像3a和右眼用图像3b的两个显示装置。
左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b(还仅称为虚像成像光学***)是如下一种光学***：针对显示装置3的画面3c上的左眼用图像3a和右眼用图像3b分别配置，将左眼用图像3a和右眼用图像3b分别虚像成像在虚像显示面Va、Vb上并将它们的放大正立像映现至左眼Ea及右眼Eb。在本实施方式中，左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b分别以由单个虚像成像透镜构成的方式示出，但是也可以将多个光学元件组合来构成。左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b分别配置在分别显示左眼用图像3a和右眼用图像3b的画面3c上的两个区域的后方。
当由左眼Ea及右眼Eb分别经由左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b、但是在虚拟上不经由左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b来观看画面3c上的左眼用图像3a和右眼用图像3b时，它们的虚像分别被映现在虚像显示面Va、Vb上。在此，当提供视差图像作为左眼用图像3a和右眼用图像3b时，通过用左眼Ea观看虚像显示面Va、Vb的重叠区域中的虚像显示面Va上的虚像的同时用右眼Eb观看虚像显示面Va、Vb的重叠区域中的虚像显示面Vb上的虚像，由此通过双眼能够在面对重叠区域的区域As内立体观看到虚像。也就是说，立体像被映现在区域As内。在虚像显示面Va、Vb上的除重叠区域以外的区域内无法双眼观看到虚像，因此只是由左眼Ea二维地观看虚像显示面Va上的虚像，由右眼Eb二维地观看虚像显示面Vb上的虚像。也就是说，在区域Am，没有映现立体像。
左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b(还仅称为广焦点透镜)是焦距为负且具有幅度的广焦点透镜。左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b分别以与左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b在它们的光轴方向上重叠的方式配置。由此，由于左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的焦距具有幅度，因此由左眼用虚像成像光学***4a成像出的左眼用图像3a的虚像和由右眼用虚像成像光学***4b成像出的右眼用图像3b的虚像被成像在比虚像显示面Va、Vb更远处和/或更近处且具有沿光轴方向扩展的幅度的范围内。
此外，在本实施方式中，左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b配置在左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b的附近，它们之间的分离距离设为充分小于左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b与虚像显示面Va、Vb的距离、或左眼用虚像成像光学***4a及右眼用虚像成像光学***4b与左眼Ea及右眼Eb的距离。
此外，在本实施方式中，设为左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b配置在左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b的后方，但是也可以配置在前方。另外，也可以将左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b分别抵接左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b而构成为一体物，还可以是在左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b由多个光学元件构成的情况下将左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b***到这些光学元件之间来构成为一体***。
将左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的焦距决定为能够不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地观看立体像。
在图2中示出能够舒适地进行立体观看的辐辏与调节的关系。为了使人舒适地进行立体观看而优选辐辏与调节一致，但是根据视觉疲劳的研究可知，即使不一致也具有某种程度的容许量(T.Shibata,J.Kim,D.M.Hoffman,M.S.Banks,“The zone of comfort:Predicting visual discomfort with stereo displays,”J.Vision,vol.11,no.8,p.1-29(2011))。辐辏与调节不一致的容许量能够使用相对于通过辐辏感知的深度Dv而言的眼睛的焦点位置的远位端Dfar和近位端Dnear来表示。使用Dv来如下面那样提供Dfar、Dnear。
Dfar＝1.129Dv+0.442…(1a)
Dnear＝1.035Dv-0.626…(1b)
在此，以用米(metre)表示距离的倒数得到的屈光度(Diopter[D])为单位来提供Dfar、Dnear、Dv。
在图2中的Dfar、Dnear之间的区域，容许辐辏与调节不一致。例如，在眼睛的焦点聚焦于0.5D(等于2m)的情况下，对应的通过辐辏感知的深度Dv的范围(仅称为辐辏的范围)为0.051D～1.1D(0.92m～19m)。也就是说，在虚像显示面Va、Vb位于与左眼Ea及右眼Eb相距2m的距离处的情况下，当在0.92m～19m的范围内显示立体像时，不会感到因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳，能够舒适地观看立体像。像这样，能够舒适地观看立体像的范围向比虚像显示面Va、Vb远的远处充分地扩展，与此相对地，没有向比虚像显示面Va、Vb近的近处充分地扩展。特别是，在VR技术和AR技术中，由于大多是将虚像成像于左眼Ea及右眼Eb前方的几米(m)(典型地说为2m)处到无限远的远处并将立体像显示于在用户面前扩展的作业空间(典型地说，与左眼Ea及右眼Eb相距约60cm的区域)来对立体像进行交互式操作，因此期望在HMD 1的立体显示中使能够舒适地进行立体观看的范围向近处扩展。
为了使能够舒适地进行立体观看的范围向比虚像显示面Va、Vb近的近处扩展，而使用具有负焦距的左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b。在此，将左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的焦距的范围设为f1至f2的范围，将从左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b到虚像显示面Va、Vb的距离设为l0。能够使用透镜的式子1/l0-1/l＝1/f来如下获得左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b显示虚像的范围(l1，l2)。
I1＝(1/I0-1/f1)-1…(2a)
I2＝(1/I0-1/f2)-1…(2b)
作为一例，针对距离l0＝2m(0.5D)，设为焦距f1＝-2.0m(-0.5D)至f2＝-∞(-0D)，由此虚像的成像范围向比虚像显示面Va、Vb近的近处扩展为l1＝1.0m(1.0D)至l2＝l0(0.5D)，在该范围内，眼睛能够聚焦于虚像。此外，在图1中，为了将从左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b到虚像显示面Va、Vb的距离l0与虚像的成像范围l2区别示出，图示为l0≠l2。
与虚像的成像范围向近处扩展(即，l1(<l0))相应地，如图2所示，通过Dfar和Dnear求出的被容许的辐辏的范围向近处扩展为0.64m～19m(0.051D～1.6D)，从而能够在用户面前扩展的作业空间舒适地进行立体观看。
下面，示出焦距为负且具有幅度的左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的设计的一例。
在图3中示出左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的形状(A)以及相对于距中心的距离的、焦距的分布(B)。在此，焦距通过折射力来表示，该折射力为焦距的倒数。广焦点透镜在光学中心处具有值为负且绝对值最小(在本实施方式中为零)的折射力，离光学中心越远，具有的折射力的值为负且绝对值越大。此外，将透镜区域划分为针对眼睛的瞳孔的大小产生目标范围的折射力、例如与上述的焦距f1＝-2.0m(-0.5D)至f2＝-∞(-0D)的范围对应的折射力的中心附近的区域(I)、以及产生目标范围的折射力的区域外侧的区域(II)。
作为广焦点透镜5a、5b，能够使用锥透镜(axicon)(G.Mikula,Z.Jaroszewicz,A.Kolodziejczyk,K.Petelczyc,and M.Sypek,“Images with extended focal depth bymeans of lenses with radial and angular modulation,”Opt.Express,vol.15,no.15,p.9184-9193(2007))、axilens(J.Sochacki,A.Kolodziejczyk,Z.Jaroszewicz,andS.Bara,“Nonparaxial design of generalized axicons,”Appl.Opt.,vol.31,p.5326-5330(1992))、光剑光学元件(light sword optical element)(N.Davidson,A.A.Friesem,and E.Hasman,“Holographic axilens:high resolution and long focal depth,”Opt.Lett.,vol.16,p.523-525(1991))、三阶非球面透镜(日本特开2016-206338号公报)等。另外，作为广焦点透镜5a、5b的材料，能够使用可塑性树脂(塑料)。
当使用距光学中心的距离r的函数Z(r)来表示左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的表面形状时，使用折射率n如下面那样来提供折射力(焦距的倒数f-1)。
[数1]
Figure BDA0002296060490000091
在使用三阶非球面透镜的情况下，使用系数E提供为Z(r)＝Er3，由此能够获得折射力的分布、下式。
[数2]
Figure BDA0002296060490000092
因而，例如设为将透镜的折射率n和系数E决定为在中心(r＝0)处能够获得折射力f-1为f2 -1＝-0D，在端部r0能够获得折射力f-1为f1 -1＝-0.5D。
此外，上述式(3)能够如下面那样导出。在图4中示出广焦点透镜的表面形状。使用与沿着透镜表面的微小长度ds对应的距离r的微小变化dr及厚度方向的微小长度dZ来提供下式。
[数3]
Figure BDA0002296060490000093
微小长度ds在足够短的情况下能够视为圆弧，因此能够使用圆弧的曲率半径R和对应的微小角度dθ表示为ds＝Rdθ。在此，如下面那样提供曲率半径R的球面所具有的焦距f。
[数4]
Figure BDA0002296060490000101
另外，由于ds≈dr成立，能够表示为角度θ＝dZ/dr，因此通过将这些关系式应用于式(6)，由此能够导出式(3)。
左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的光学中心分别配置为相对于左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b的光学中心(即，光轴)向左右方向上的两个透镜的中心侧、即中心线L偏移。在此，决定左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b各自的光学中心相对于左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b的光轴偏移的偏移量Δ。
图5A作为比较例示出立体电影、立体电视等视角小的立体显示装置中的视线的角度与广焦点透镜5a、5b内的视线穿过的位置之间的关系。在比较例所涉及的立体显示装置中，用户佩戴安装有广焦点透镜5a、5b及滤光器F的立体眼镜，通过经由该立体眼镜注视显示器显示面D来观看立体像。此外，滤光器F是偏振滤光器、液晶快门、滤色器、光谱滤光器等用于分离左眼用图像和右眼用图像的光学元件。此时，从显示器显示面D射出的光经由广焦点透镜5a、5b进入左眼Ea及右眼Eb。在此，从广焦点透镜5a、5b到显示器显示面D的距离能够视为充分大于从广焦点透镜5a、5b到左眼Ea及右眼Eb的距离，因此显示器显示面D的视角小且从显示器显示面D的各点射出并入射至左眼Ea及右眼Eb的光线群与光线群在显示器显示面D上射出的位置无关地穿过广焦点透镜5a、5b的大致相同的位置、特别是光学中心。因而，广焦点透镜5a、5b所具有的焦距的范围能够相对于从双眼Ea、Eb注视显示器显示面D的观看方向(即，视线角度)视为固定。
图5B示出视角大的HMD 1中的视线的角度与广焦点透镜5a、5b内的视线穿过的位置之间的关系。在HMD 1的情况下，为了提高投入感，而优选广视角，因此虚像显示面Va、Vb的视角变大。另外，需要使广焦点透镜不碰到用户的睫毛，由于有时用户也希望在带着自己的眼镜的状态下佩戴HMD 1，因此还需要使广焦点透镜5a、5b与左眼Ea及右眼Eb分离一些距离。根据以上的情形，从显示装置3的画面3c(在虚拟上为虚像显示面Va、Vb)的各点射出并入射到左眼Ea及右眼Eb的光线群根据各点的位置而穿过广焦点透镜5a、5b的不同位置、特别是相比于瞳孔扩展得较大的范围。因而，广焦点透镜5a、5b的焦距及其幅度相对于从左眼Ea及右眼Eb注视虚像显示面Va、Vb的观看方向(即，视线角度)而不同，广焦点透镜5a、5b对虚像成像带来的效果、即辐辏与调节的容许范围的扩展方式根据观看方向而改变。
因此，当使左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b的光轴与左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b各自的光学中心5a0、5b0(即，光轴)一致时，左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的外侧的区域(II)与立体观看区域As对应，从而无法有效地扩展辐辏与调节的容许范围。因此，为了在立体观看区域As扩展能够舒适地进行立体观看的范围，而将左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的中心附近的区域(I)以面对区域As的方式向中心线L侧偏移。此外，在区域Am，由于仅由左眼Ea及右眼Eb中的一方观看二维显示的虚像，因此不产生辐辏调节冲突。
因此，作为一例，对于左眼用虚像成像光学***4a与右眼用虚像成像光学***4b的在左右方向上的间隔P、左眼用广焦点透镜5a及右眼用广焦点透镜5b与用户的左眼Ea及右眼Eb的瞳孔的分离距离d、以及左眼用广焦点透镜5a及右眼用广焦点透镜5b与由左眼用虚像成像光学***4a及右眼用虚像成像光学***4b成像出的虚像(即，虚像显示面Va、Vb)的分离距离l0而言，左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b各自的光学中心5a0、5b0(即，光轴)相对于左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b的光轴的偏移量Δ能够决定为Δ＝Pd/2(l0+d)。由此，能够在虚像显示面Va、Vb与中心线L的交点的附近扩展能够不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地舒适地进行立体观看的范围。另外，也可以如图6A和图6B所示那样与左眼用广焦点透镜5a及右眼用广焦点透镜5b显示虚像的范围Av(即，距左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的距离l1～l2的范围)对应地将偏移量Δ决定为处于Δ1＝Pd/2(l1+d)～Δ2＝Pd/2(l2+d)的范围内。由此，能够在显示虚像的范围Av内的中心线L附近扩展能够舒适地进行立体观看的范围。并且，对于用户的左眼Ea及右眼Eb的瞳孔与用户的手边的分离距离Q而言，偏移量Δ也可以决定为Pd/2Q，还可以决定为处于Pd/2Q～Pd/2(l0+d)的范围内。由此，能够在用户面前的广的作业区域内舒适地进行立体观看。
此外，在立体像被显示于窄范围、或者观察距离长且针对该范围的视角小等情况下，偏移量Δ也可以为零。
致动器6a、6b为位移机构的一例，是将左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b分别相对于左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b沿左右方向进行驱动的驱动装置。作为致动器6a、6b，例如能够使用电动马达。致动器6a、6b分别被保持在框架2的左右侧面的内侧，通过在框架2的侧面等设置的操作按钮而进行工作，由此将左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b沿左右方向驱动。其驱动范围可以包括上述范围中的任意范围。由此，能够使能够不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地进行观看的立体像的显示范围沿平行于中心线L的方向产生位移。
此外，也可以取代致动器6a、6b那样的具有动力源的驱动装置，而采用通过手动操作拨盘、环等来使左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b沿左右方向产生位移的器具。另外，也可以使左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b沿左右方向产生位移的同时倾斜。另外，在偏移量Δ不具有范围或范围足够窄的情况下，也可以不设置位移机构，而将左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b固定在框架2内。
如以上说明的那样，根据第一实施方式所涉及的HMD 1，具备：显示装置3，其将左眼用图像3a和右眼用图像3b显示在画面3c上；左眼用虚像成像光学***4a及右眼用虚像成像光学***4b，左眼用虚像成像光学***4a针对画面3c上的左眼用图像3a配置，右眼用虚像成像光学***4b针对画面3c上的右眼用图像3b配置；以及左眼用广焦点透镜5a及右眼用广焦点透镜5b，左眼用广焦点透镜5a以在左眼用虚像成像光学***4a的光轴方向上与左眼用虚像成像光学***4a重叠的方式进行配置，右眼用广焦点透镜5b以在右眼用虚像成像光学***4b的光轴方向上与右眼用虚像成像光学***4b重叠的方式进行配置，左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的焦距为负且具有幅度。由左眼用虚像成像光学***4a成像出的左眼用图像3a的虚像显示于在左眼用虚像成像光学***4a的光轴方向上具有通过左眼用广焦点透镜5a而与左眼用广焦点透镜5a的焦距具有幅度对应地向近处扩展的幅度的范围内，由右眼用虚像成像光学***4b成像出的右眼用图像3b的虚像显示于在右眼用虚像成像光学***4b的光轴方向上具有通过右眼用广焦点透镜5b而与右眼用广焦点透镜5b的焦距具有幅度对应地向近处扩展的幅度的范围内，也就是说通过虚像的显示范围向近处扩展从而辐辏与调节的容许范围向近处扩展，由此能够在近处的广区域内不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地观看利用左眼用图像3a和右眼用图像3b显示的立体像。
另外，根据第一实施方式所涉及的HMD 1，通过将焦距为负且具有幅度的左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b分别以与左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b在各自的光轴方向上重叠的方式配置在既有的HMD内，由此将虚像的显示范围相比于虚像显示面Va、Vb向近处扩展，由此将辐辏与调节的容许范围向近处扩展，从而能够在该近处的广区域内不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地观看利用左眼用图像3a和右眼用图像3b来表现的立体像。
在图7中示出第二实施方式所涉及的AR用HMD(只要不产生混淆则仅称为HMD)11的概要结构。HMD 11具备框架12、左眼用显示装置13a、右眼用显示装置13b、左眼用半透半反镜17a、右眼用半透半反镜17b、左眼用虚像成像光学***4a、右眼用虚像成像光学***4b、左眼用广焦点透镜5a、右眼用广焦点透镜5b以及致动器6a、6b。关于这些结构各部中的与第一实施方式所涉及的HMD 1的结构相同的结构，使用相同的标记来表示，并且省略其说明。
框架12是用于保持左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b以及其它结构各部的壳体。框架12将左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b分别保持在左侧面和右侧面的内侧，以能够从背面侧观看内部的方式将背面打开，以在从背面侧观看内部时能够面对前方的方式具有透光性的前表面，并且在左眼Ea及右眼Eb的主视线La、Lb上分别保持左眼用半透半反镜17a及右眼用半透半反镜17b以能够观看左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b的显示面。此外，设为将左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b以在用户佩戴着HMD 11的状态下经由左眼用半透半反镜17a及右眼用半透半反镜17b分别转向的左眼Ea的主视线La及右眼Eb的主视线Lb分别与左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b的光轴4a0、4b0重叠或大致重叠的方式保持在框架12内。
左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b分别是将左眼用图像3a和右眼用图像3b显示在各自的画面(也称为左眼用画面和右眼用画面)上的装置。作为显示装置13a、13b，例如能够使用液晶显示器、有机EL显示器等平板显示器。左眼用显示装置13a以使画面朝向右侧的方式保持在框架12的左侧面的内侧。右眼用显示装置13b以使画面朝向左侧的方式保持在框架12的右侧面的内侧。
左眼用半透半反镜17a及右眼用半透半反镜17b分别是用于实现通过将左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b的画面上显示的左眼用图像3a和右眼用图像3b反射并且使来自前方的目标物的光透过来彼此重叠地映现到左眼Ea及右眼Eb的***的光学构件。左眼用半透半反镜17a配置于左眼用虚像成像光学***4a的与左眼用画面(左眼用显示装置13a)相反的一侧且配置于用户的左眼Ea的前方(即，主视线La上)。右眼用半透半反镜17b配置于右眼用虚像成像光学***4b的与右眼用画面(右眼用显示装置13b)相反的一侧且配置于用户的右眼Eb的前方(即，主视线Lb上)。
左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b分别以朝向左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b的画面的方式配置在框架12内的左侧和右侧，将左眼用图像3a和右眼用图像3b分别虚像成像在前方的虚像显示面Va、Vb上，并将它们的放大正立像映现到左眼Ea及右眼Eb。
当由左眼Ea经由左眼用半透半反镜17a和左眼用虚像成像光学***4a但在虚拟上不经由左眼用广焦点透镜5a来观看左眼用显示装置13a的画面上的左眼用图像3a、并且由右眼Eb经由右眼用半透半反镜17b和右眼用虚像成像光学***4b但在虚拟上不经由右眼用广焦点透镜5b来观看右眼用显示装置13b的画面上的右眼用图像3b时，它们的虚像分别被映现在前方的虚像显示面Va、Vb上。在此，当提供视差图像作为左眼用图像3a和右眼用图像3b时，通过用左眼Ea观看虚像显示面Va、Vb的重叠区域中的虚像显示面Va上的虚像的同时用右眼Eb观看虚像显示面Va、Vb的重叠区域中的虚像显示面Vb上的虚像，由此通过双眼能够在面对重叠区域的区域As内与该区域内实际存在的目标物重叠地立体观看到虚像。也就是说，与区域As内的目标物重叠地映现立体像。
左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b是焦距为负且具有幅度的广焦点透镜，分别以与左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b在它们的光轴方向上重叠的方式配置。由此，由于左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的焦距具有幅度，因此由左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b成像出的左眼用图像3a和右眼用图像3b的虚像被显示在比虚像显示面Va、Vb更远处和/或更近处且具有沿前后方向扩展的幅度的范围内。
此外，能够与第一实施方式所涉及的HMD 1同样地将左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的焦距决定为能够不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地观看立体像。由此，虚像的成像范围相比于虚像显示面Va、Vb向近处扩展，辐辏与调节的不一致被容许的范围向近处扩展，从而例如能够在用户面前以广的作业空间舒适地进行立体观看。
另外，左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的光学中心5a0、5b0分别以相对于左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b的光学中心(即，光轴4a0、4b0)向后方、即经由左眼用半透半反镜17a及右眼用半透半反镜17b而向中心线L偏移的方式配置。在此，能够与第一实施方式所涉及的HMD 1同样地决定左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b各自的光学中心5a0、5b0相对于左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b的光轴4a0、4b0的偏移量Δ。由此，能够在立体观看区域As内扩展能够舒适地进行立体观看的范围。
致动器6a、6b为位移机构的一例，是将左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b分别相对于左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b沿前后方向(即，经由左眼用半透半反镜17a及右眼用半透半反镜17b而沿左右方向)驱动的驱动装置。致动器6a、6b分别被保持在框架12的前表面的左边和右边，通过在框架12的侧面等设置的操作按钮而进行工作，由此将左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b沿前后方向驱动。由此，能够使能够不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地进行观看的立体像的显示范围沿平行于中心线L的方向产生位移。
此外，也可以取代致动器6a、6b那样的具有动力源的驱动装置，而采用通过手动操作拨盘、环等来使左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b沿前后方向产生位移的器具。另外，也可以使左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b沿前后方向产生位移的同时倾斜。
此外，在本实施方式所涉及的HMD 11中，在框架12内，将左眼用显示装置13a、左眼用虚像成像光学***4a以及左眼用广焦点透镜5a相对于主视线La上的左眼用半透半反镜17a配置在左边，但是也可以取而代之地配置在左眼用半透半反镜17a的上方或下方。另外，在本实施方式所涉及的HMD 11中，在框架12内，将右眼用显示装置13b、右眼用虚像成像光学***4b以及右眼用广焦点透镜5b相对于主视线Lb上的右眼用半透半反镜17b配置在右边，但是也可以取而代之地配置在右眼用半透半反镜17b的上方或下方。
如以上说明的那样，根据第二实施方式所涉及的HMD 11，具备：左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b，左眼用显示装置13a将左眼用图像3a显示在画面上，右眼用显示装置13b将右眼用图像3b显示在画面上；左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b，左眼用虚像成像光学***4a针对左眼用图像3a配置，右眼用虚像成像光学***4b针对右眼用图像3b配置；左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b，左眼用广焦点透镜5a以在左眼用虚像成像光学***4a的光轴方向上与左眼用虚像成像光学***4a重叠的方式配置，右眼用广焦点透镜5b以在右眼用虚像成像光学***4b的光轴方向上与右眼用虚像成像光学***4b重叠的方式配置，左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b的焦距为负且具有幅度；左眼用半透半反镜17a，其配置于左眼用虚像成像光学***4a的与左眼用画面相反的一侧且配置于用户的左眼Ea的前方；以及右眼用半透半反镜17b，其配置于右眼用虚像成像光学***4b的与右眼用画面相反的一侧且配置于用户的右眼Eb的前方。由左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b成像出的左眼用图像3a和右眼用图像3b的虚像分别被显示于具有通过左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b而与各自的焦距具有幅度对应地向近处扩展的幅度的范围内，也就是说，虚像的显示范围向近处扩展，从而辐辏与调节的容许范围向近处扩展，由此在近处的广区域内，能够不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地观看利用左眼用图像3a和右眼用图像3b来表现的立体像。
另外，根据第二实施方式所涉及的HMD 11，通过将焦距为负且具有幅度的左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b分别以与左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b沿各自的光轴方向重叠的方式配置在既有的HMD内，由此将虚像的显示范围相比于虚像显示面Va、Vb向近处扩展，由此将辐辏与调节的容许范围向近处扩展，从而能够在该近处的广区域内不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地观看利用左眼用图像3a和右眼用图像3b来表现的立体像。
此外，在第一实施方式所涉及的HMD 1和第二实施方式所涉及的HMD 11中，设为具备分别独立地构成的左眼用虚像成像光学***4a及右眼用虚像成像光学***4b以及左眼用广焦点透镜5a及右眼用广焦点透镜5b，但是也可以取而代之地具备成像***以用于左眼及右眼，该成像***具有被设计成为具备虚像成像光学***和广焦点透镜这两个功能的至少一个自由曲面透镜。
此外，在第二实施方式所涉及的HMD 11中，为了具备***而使用了左眼用半透半反镜17a及右眼用半透半反镜17b，但是也可以取而代之地，为了装置的小型化而将平面波导和全息照相光学元件组合使用。
此外，在第一实施方式所涉及的HMD 1和第二实施方式所涉及的HMD 11中，显示装置3以及左眼用显示装置13a及右眼用显示装置13b显示的左眼用图像3a和右眼用图像3b可以为彩色，也可以为黑白色。在彩色的情况下，也可以还具备对色像差进行校正的光学***。
接着，对第三实施方式所涉及的HMD 21进行说明。HMD 21的基本结构与第一实施方式所涉及的上述HMD 1相同，HMD 21与HMD 1的不同点在于，HMD 21使用下面所示的广焦点透镜25作为左眼用广焦点透镜5a和右眼用广焦点透镜5b。广焦点透镜25设为光学中心处的折射力(度数)为0屈光度且平均度数从光学中心朝向透镜周缘部向负侧逐渐变化的透镜。焦距通过折射力的倒数来表示，因此广焦点透镜25的焦距为负且具有幅度。
此外，在下面的说明中，将对于佩戴着使用了广焦点透镜25的HMD 21的用户而言的前后、左右、上下分别设为该透镜中的前后、左右、上下。
图8的(A)示出广焦点透镜25整体的概要图。关于广焦点透镜25，后表面52设为由下述式(7)定义的凹面，前表面53设为由下述式(8)定义的凸面。此外，将穿过广焦点透镜25的光学中心O(在后表面52上为基点O1，在前表面53上为基点O2)的前后方向的轴设为z轴，将朝向广焦点透镜25的后方的方向设为z轴的正方向。z轴与广焦点透镜25的光轴一致。
z＝r2/(R1+(R1 2-K r2)1/2)+δ1+δ2…(7)
z＝r2/(R2+(R2 2-K r2)1/2)…(8)
式(7)、式(8)中的r为距z轴的距离。即，在考虑在后表面52上以基点O1为中心、在前表面53上以基点O2为中心且将与z轴正交的左右方向、上下方向的轴分别设为x轴、y轴的正交坐标系的情况下，r＝(x2+y2)1/2。R1、R2为面的顶点处的曲率半径，K(圆锥系数)为1。另外，在对后表面52进行定义的式(7)中，δ1为通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10(其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数)来表示的第一非球面成分。另外，δ2为通过Er3(其中，r为距z轴的距离，E为正的常数)来表示的第二非球面成分。因而，本例的广焦点透镜25的前表面53为球面，后表面52为非球面。此外，R1、R2由处方度数(本例为0D)决定。
像这样，本例的广焦点透镜25是对基于处方度数决定的透镜后表面52的折射面(本例中的曲率半径R1的球面。下面也称为原始的球面，用标记S表示。)附加非球面成分δ1和δ2而得到的。
如图9所示，通过Er3表示的第二非球面成分δ2具有使平均度数α从光学中心朝向透镜周缘且沿着透镜的径向向负侧大致线性地变化的效果。因此，根据所述的广焦点透镜25，能够聚焦的范围扩展，且能够使焦距具有幅度。
能够适当地设定常数E的值使得能够获得设为目标的辐辏与调节的容许范围。例如，如果将常数E设为1.66×10-5，则在设为瞳孔直径5mm的情况下，立体观看中的平均度数变化约为0.5D，能够将辐辏与调节的容许范围扩展为0023段～0025段中所例示的程度。
此外，如图8的(b)所示，当将Δ设为以原始的球面S为基准的在半径a处的z轴方向上的高度(即，从原始的球面S起的厚度增加量)时，例如在常数E＝7.68×10-6的情况下，a为25mm，表示厚度增加量的Δ为120μm。此外，E＝Δ/1000/a3成立(其中，a的单位：mm，Δ的单位：μm)。
在该广焦点透镜25中，当附加第二非球面成分δ2之前的透镜面内的度数分布不均时，利用通过Er3表示的非球面成分δ2获得的扩展辐辏与调节的容许范围的效果被透镜本来所具有的度数分布的不均抵消，从而认为无法稳定地发挥效果。因此，在广焦点透镜25中，为了使平均度数从透镜中央朝向周缘部暂时为大致固定，而对透镜后表面52附加了通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10(其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数)来表示的第一非球面成分δ1。
接着，对广焦点透镜25的设计方法进行说明。首先，基于处方度数来决定广焦点透镜25的前表面53的折射面和后表面52的折射面。关于该决定方法，是众所周知的方法，因此在此不详细记述。接着，对基于处方度数决定的透镜的后表面52的折射面(原始的球面S)附加非球面成分。具体地说，通过附加用于暂时抑制平均度数的偏差的第一非球面成分δ1的第一非球面成分附加工序和附加用于使平均度数以大致固定的斜率(大致直线状地)变化的第二非球面成分δ2的第二非球面成分附加工序，来对后表面52的折射面附加非球面成分。
在第一非球面成分附加工序中，求出通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10(其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数)来表示的第一非球面成分δ1，并对后表面52的折射面附加该第一非球面成分δ1。在附加第一非球面成分δ1后的透镜中，如图9的虚线β所示那样，能够使平均度数沿着透镜的径向为大致固定。
关于第一非球面成分δ1，能够针对使用下述非球面的式(9)表示的后表面52的折射面形状，进行基于光线追踪的仿真，求出最适合于抑制度数(详细地说，作为子午方向的折射力与弧矢方向的折射力的平均的平均度数)的变化的非球面系数A、B、C、D，根据这些非球面系数的值来获得第一非球面成分δ1。
z＝r2/(R1+(R1 2-K r2)1/2)+A r4+B r6+C r8+Dr10…(9)
在此，z为后表面52的凹陷值，r为距z轴的距离，R1为顶点曲率半径，A、B、C、D为常数(非球面系数)。
接着，在第二非球面成分附加工序中，对后表面52的折射面附加通过Er3(其中，r为距z轴的距离，E为常数)表示的第二非球面成分δ2。如果使该常数E的绝对值进一步变大，则能够扩展能够舒适地进行立体观看的范围(辐辏与调节的容许范围)。然而，如果过度地使常数E的绝对值变大，则得到的像的分辨率降低。因此，优选为以使常数E的绝对值处于6.40×10-7～6.40×10-5的范围内的方式设定常数E。
通过这样，来决定由上述式(7)定义的广焦点透镜25的后表面52的折射面形状。
[实施例]
制作假定安装到VR用HMD的广焦点透镜(实施例1～4)，对于观察立体显示时的“可视性”和“眼睛的疲劳”进行了评价。
实施例1～4的广焦点透镜通用的数据如下。
折射率1.608
前表面基弧4.12
度数0.00D
中心厚度1.80mm
另外，对各透镜附加的非球面成分的常数的值如下述表1那样。
[表1]
Figure BDA0002296060490000211
受验者有4名(30岁～55岁)，其中两名为眼镜佩戴者。在佩戴着具备上述实施例的广焦点透镜的立体眼镜(参照图5A)的状态下观看了在市场上出售的立体影像内容(立体电影)。显示器显示面与受验者的眼睛的距离设为90cm～120cm。在观看了规定时间之后，将实施例的广焦点透镜的“可视性”及“眼睛的疲劳”与不具备广焦点透镜的情况进行对比，根据符合差、稍差、不变、稍好、好这五个分区中的哪一个来进行评价。
在图11、图12中示出实施例3的广焦点透镜的评价结果。图11是在从开始观看电影起的30分钟后获得的结果(回答数为4)。图12是在从开始观看起的120分钟后获得的结果(回答数为3)。
根据这些图11、12，实施例2的广焦点透镜在“可视性”、“眼睛的疲劳”中的任意项目中都是“稍好”这个结果为半数以上。特别是在观看时间长的情况下，“稍好”的比例变高。另外，关于其它的实施例1、2、4的广焦点透镜，也为大致同样的结果。认为是通过使用具有焦距有幅度且向近处侧扩展虚像的显示范围的效果的广焦点透镜来使能够舒适地立体观看的立体图像的显示范围向近处侧扩大所产生的效果。
如以上那样，本实施方式的HMD 21是对分别以与左眼用虚像成像光学***4a和右眼用虚像成像光学***4b在各自的光轴方向上重叠的方式配置的左眼用广焦点透镜5a及右眼用广焦点透镜5b附加通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10表示的第一非球面成分并且附加通过Er3表示的第二非球面成分而得到的。
根据本实施方式的HMD 21，由于通过Er3表示的第二非球面成分而使广焦点透镜5a、5b的度数沿径向发生变化。即，由于广焦点透镜5a、5b的焦距具有幅度且虚像成像的范围沿光轴方向扩展，因此与之对应地能够扩展能够不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地舒适地观看立体像的辐辏与调节的容许范围。
图10是示出视角大的HMD 21中的用户的视线与广焦点透镜5a、5b之间的关系的图。在HMD 21的情况下，为了提高投入感，而优选广视角，从而虚像显示面Va、Vb的视角变大。因此，从显示装置3的画面3c射出并入射至左眼Ea及右眼Eb的光线群如图10所示那样存在除了穿过广焦点透镜5a、5b的中心部以外还穿过接近周缘部的区域的情况。在此，在本实施方式中，通过对广焦点透镜25附加通过Er3表示的第二非球面成分并且附加通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10表示的第一非球面成分，由此能够在从透镜中心朝向透镜周缘部的广范围内将度数变化的斜率维持为大致固定，因此入射至左眼Ea或右眼Eb的光线群即使在穿过广焦点透镜5a、5b的接近透镜周缘部的区域的情况下也能够确保广焦点透镜5a、5b对虚像成像带来的效果、即扩展辐辏与调节的容许范围的效果。
<其它的变形例/应用例>
(1)上述实施方式的HMD 21为VR用HMD，但是也能够在AR用HMD中使用广焦点透镜25。
(2)上述实施方式是对广焦点透镜的后表面52附加了第一非球面成分δ1的例子，但是第一非球面成分δ1也可以附加到广焦点透镜的前表面53，还能够附加到前表面53和后表面52这两个面。例如，也能够对前表面53附加通过Ar4+Br6表示的(在该情况下，常数C、D的值为零)第一非球面成分δ1，并且对后表面52附加通过Cr8+Dr10表示的(在该情况下，常数A、B的值为零)第一非球面成分δ1。无论是对哪个面进行附加的情况，只要能够抑制从光学中心到透镜周缘部为止的平均度数的变动即可。
(3)上述实施方式是对广焦点透镜的后表面52附加了第二非球面成分δ2的例子，也能够是对广焦点透镜的前面53附加第二非球面成分δ2。
(4)上述实施方式例示了实质上没有度数的广焦点透镜，但是也能够使用进一步被设定了用于矫正近视、远视以及散光中的至少一个的度数成分的广焦点透镜。
以上使用实施方式对本发明进行了说明，但是本发明的保护范围不限定于上述实施方式所记载的范围。对上述实施方式能够施加多种多样的变更或改良，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。根据权利要求的范围的记载，显而易见的是，这种施加变更或改良后的方式也能够包含在本发明的保护范围内。
要注意的是，权利要求书、说明书以及附图所示的装置、***、程序以及方法中的动作、过程、步骤以及阶段等各处理的执行顺序没有特别明示为“在……之前”、“事先”等，并且只要不是在后面的处理中使用前面的处理的输出，则能够按任意的顺序来实现。关于权利要求书、说明书以及附图中的动作流程，即使为了方便而使用“首先，”、“接着，”等进行了说明，但是并不意味着必须按该顺序实施。
附图标记说明
1、21：头戴式显示器(HMD、VR用HMD)；2：框架；3：显示装置；3a：左眼用图像；3b：右眼用图像；3c：画面；4a：左眼用虚像成像光学***(虚像成像光学***)；4b：右眼用虚像成像光学***(虚像成像光学***)；4a0、4b0：光轴；5a：左眼用广焦点透镜(广焦点透镜)；5b：右眼用广焦点透镜(广焦点透镜)；5a0、5b0：光学中心；6a、6b：致动器；11：头戴式显示器(HMD、AR用HMD)；12：框架；13a：左眼用显示装置；13b：右眼用显示装置；17a：左眼用半透半反镜；17b：右眼用半透半反镜；25：广焦点透镜；52：后表面；53：前表面；Am：区域；As：区域；Av：范围；D：显示器显示面；Ea：左眼；Eb：右眼；L：中心线；La、Lb：主视线；Va、Vb：虚像显示面；Δ：偏移量；δ1、δ2：非球面成分。

Claims (8)

1.一种头戴式显示器，具备：
显示装置，其将左眼用图像和右眼用图像显示于画面上；
左眼用虚像成像光学***及右眼用虚像成像光学***，所述左眼用虚像成像光学***针对所述画面上的左眼用图像配置，所述右眼用虚像成像光学***针对所述画面上的右眼用图像配置；以及
左眼用广焦点透镜及右眼用广焦点透镜，所述左眼用广焦点透镜以在所述左眼用虚像成像光学***的光轴方向上与所述左眼用虚像成像光学***重叠的方式进行配置，所述右眼用广焦点透镜以在所述右眼用虚像成像光学***的光轴方向上与所述右眼用虚像成像光学***重叠的方式进行配置，所述左眼用广焦点透镜及右眼用广焦点透镜通过具备以下区域而焦距为负且具有幅度：在光学中心处具有值为负且绝对值最小、或者值为零的折射力，离所述光学中心越远，具有的折射力的值为负且绝对值越大，其中，该折射力通过焦距的倒数来表示。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，
所述左眼用广焦点透镜的光学中心以相对于所述左眼用虚像成像光学***的光学中心向左右方向上的两个透镜的中心侧偏移的方式配置，所述右眼用广焦点透镜的光学中心以相对于所述右眼用虚像成像光学***的光学中心向左右方向上的两个透镜的中心侧偏移的方式配置。
3.根据权利要求2所述的头戴式显示器，其特征在于，
对于所述左眼用虚像成像光学***与右眼用虚像成像光学***在左右方向上的间隔P、所述左眼用广焦点透镜及右眼用广焦点透镜与用户的左眼及右眼的瞳孔的分离距离d、以及所述左眼用广焦点透镜及右眼用广焦点透镜与由所述左眼用虚像成像光学***及右眼用虚像成像光学***成像出的虚像的分离距离l0、用户的左眼及右眼的瞳孔与用户面前的作业位置的分离距离Q而言，所述左眼用广焦点透镜及右眼用广焦点透镜各自的光学中心相对于所述左眼用虚像成像光学***及右眼用虚像成像光学***中的相重叠的透镜的光轴的偏移量Δ处于Δ＝Pd/2Q～Pd/2(l0+d)的范围内。
4.根据权利要求3所述的头戴式显示器，其特征在于，
所述头戴式显示器还具备位移机构，所述位移机构使所述左眼用广焦点透镜相对于所述左眼用虚像成像光学***沿左右方向产生位移并使所述右眼用广焦点透镜相对于所述右眼用虚像成像光学***沿左右方向产生位移。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的头戴式显示器，其特征在于，
所述显示装置具有显示所述左眼用图像的左眼用画面和显示所述右眼用图像的右眼用画面，
所述头戴式显示器还具备：
左眼用半透半反镜，其配置于所述左眼用虚像成像光学***的与所述左眼用画面相反的一侧且配置于用户的左眼的前方；以及
右眼用半透半反镜，其配置于所述右眼用虚像成像光学***的与所述右眼用画面相反的一侧且配置于用户的右眼的前方。
6.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，
关于作为所述左眼用广焦点透镜和右眼用广焦点透镜使用的广焦点透镜，在将穿过透镜的光学中心的前后方向的轴设为z轴、将朝向透镜的后方的方向设为z轴的正方向时，对透镜的前表面及后表面中的至少一方的z坐标值附加第一非球面成分，所述第一非球面成分通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10来表示，用于抑制从所述光学中心到透镜周缘部为止的平均度数的变动，其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数，并且
对透镜的前表面及后表面中的任意表面的z坐标值附加第二非球面成分，所述第二非球面成分通过Er3来表示，其中，E为常数。
7.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其特征在于，
将所述左眼用广焦点透镜及右眼用广焦点透镜与所述左眼用虚像成像光学***及右眼用虚像成像光学***构成为一体。
8.一种广焦点透镜的设计方法，所述广焦点透镜是根据权利要求6所述的广焦点透镜，所述广焦点透镜的设计方法包括以下工序：
第一非球面成分附加工序，在将穿过所述光学中心的前后方向的轴设为z轴、将朝向透镜的后方的方向设为z轴的正方向时，对基于处方度数决定的透镜的前表面及后表面中的至少一方的z坐标值附加第一非球面成分，所述第一非球面成分通过Ar4+Br6+Cr8+Dr10来表示，用于抑制从所述光学中心到透镜周缘部为止的平均度数的变动，其中，r为距z轴的距离，A、B、C、D为常数；以及
第二非球面成分附加工序，对所述透镜的前表面及后表面中的任意表面的z坐标值附加第二非球面成分，所述第二非球面成分通过Er3来表示，其中，
E为常数。
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