JP2019053151A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】映像品位への影響について、あるいは、人間の顔にフィットさせることについて考慮しつつ、増大する傾向にある装置の小型・軽量化を図ることを可能とする虚像表示装置を提供すること。【解決手段】カットレンズＬＳにおいて、レンズ有効径の範囲の一部を削除することで、装置が増大する傾向にあるＨＭＤにおいて、レンズの小型・軽量化を図っている。この際、レンズ有効径のうち削除する領域を、鼻側の領域とすることで、映像品位への影響について、あるいは、人間の顔にフィットさせることについて考慮しつつ、小型・軽量化を図ることを可能にしている。【選択図】図１

Description

本発明は、頭部に装着して映像素子等によって形成された映像を観察者に提示する虚像
表示装置に関する。

近年、観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）
等の虚像表示装置（あるいは頭部搭載型表示装置）においては、広画角化が進んでいる。
広画角化に対応するために、レンズは、一般的にその直径や肉厚が大きくなりがちである
が、ＨＭＤでは、小型・軽量であることも求められている。さらに、レンズの増大等に伴
って、人間の顔にフィットしたレンズの配置が困難になったり、映像品位に影響があった
りする、といったことも問題となりうる。

例えば、ＨＭＤの光学設計について、表示品位の向上を目的とした表示素子とレンズの
光軸について対応するもの（特許文献１）が知られているが、レンズ形状やその配置につ
いてまで対応がなされているかは不明である。

特開２００４−２９１８８号公報

本発明は、映像品位への影響について、あるいは、人間の顔にフィットさせることにつ
いて考慮しつつ、増大する傾向にある装置の小型・軽量化を図ることを可能とする虚像表
示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る虚像表示装置は、画像を表示する映像素子と、装着時に観察者の眼前に配
置され、映像素子からの映像光を観察者側へ射出させるレンズであって、レンズ有効径の
範囲のうち、装着時に観察者の鼻側となる領域に形成されるレンズ端面を有する非対称レ
ンズとを備える。

上記虚像表示装置では、非対称レンズは、レンズ有効径の範囲のうち、装着時に観察者
の鼻側となる領域に形成されるレンズ端面を有することで、増大する傾向にあるＨＭＤに
おいてレンズの小型・軽量化を図っている。この際、レンズ端面を設ける位置をレンズ有
効径の範囲のうちの鼻側とすることで、映像品位への影響について、あるいは、人間の顔
にフィットさせることについて考慮しつつ、レンズの小型・軽量化、延いては、装置の小
型・軽量化を図ることを可能にしている。

本発明の具体的な側面では、レンズ端面は、平面状に加工された当接部を有する。この
場合、平面状の当接部を利用して、高精度かつ高効率な非対称レンズの位置決めが可能に
なる。さらに、平面状の部分（直線状の部分）を鼻側に配置することで一対の構成の場合
、左右のレンズ間配置をより狭くすることができる。

本発明の別の側面では、非対称レンズは、左右一対の構成であり、左右の中心軸を基準
にしてレンズ端面を対称に傾斜して配置している。この場合、対称性の良い状態で観察者
の鼻用のスペースを確保できる。

本発明のさらに別の側面では、非対称レンズは、円形状のレンズの有効径の範囲のうち
、装着時に観察者の鼻側となる領域を一部カットして形成されるカットレンズである。こ
の場合、レンズ有効径の範囲のうち観察者の鼻側となる領域を一部カットしてレンズの小
型・軽量化、延いては、装置の小型・軽量化を図ることを可能にしている。

本発明のさらに別の側面では、非対称レンズは、射出成形で製造され、レンズ端面は、
成形品のうち相対的に残留応力の多い側をカットして形成される。この場合、非対称レン
ズにおける複屈折の発生を低減した良好な状態にできる。

本発明のさらに別の側面では、レンズ端面は、成形時のゲートの部分を含む箇所をカッ
トして形成される。この場合、非対称レンズにおける複屈折の発生を低減しやすくなる。

本発明のさらに別の側面では、非対称レンズは、複数箇所にレンズ端面を有する。この
場合、より人間の顔の特性に応じてフィットさせた形状にできる。

本発明のさらに別の側面では、非対称レンズは、ゼロ複屈折性または低複屈折性の樹脂
レンズである。なお、ゼロ複屈折性または低複屈折性の樹脂レンズとしては、配向複屈折
±０．０１以下、または、光弾性定数１０［１０^−１２／Ｐａ］以下の樹脂レンズが考え
られる。この場合、複屈折の発生を抑えることで、材料起因の収差などを抑えることが可
能になり、映像品位を向上させるべく光学性能を維持しつつ、各レンズ延いては装置全体
の軽量化を図ることができる。

本発明のさらに別の側面では、各部を組み付けるための組付部をさらに備え、組付部は
、非対称レンズの組付けの際にレンズ端面を当接させて位置決めする位置決め部を有する
。この場合、組付部の位置決め部への当接により非対称レンズの組み付けを高精度かつ高
効率に行える。

本発明のさらに別の側面では、観察者の眼を想定した位置から非対称レンズまでの距離
を、１０〜３０ｍｍの範囲とする。この場合、眼鏡型の装置として違和感なく観察者が装
着可能になる。

本発明のさらに別の側面では、非対称レンズの前段に設けられる光学部品をさらに備え
、光学部品は、非対称レンズのレンズ端面に対応する形状の端面を有する。この場合、非
対称レンズとともに、非対称レンズに設けられる光学部品についても、例えば、小型・軽
量化を図ったり、あるいは、高精度かつ高効率な位置決めをしたりすることが可能になる
。

本発明のさらに別の側面では、非対称レンズよりも前段に設けられ、映像素子からの映
像光を入射させる表示側レンズと、表示側レンズの前段に設けられるハーフミラーと、非
対称レンズと表示側レンズとの間に設けられ偏光透過軸の方向の成分を透過させる半透過
型偏光板とを、光学部品として備える。この場合、光路中にハーフミラーを設けることで
光路を折り曲げ、広画角でかつ小型化を実現できる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子は、非対称レンズのレンズ端面に対応する形状
の端面を有する。この場合、人間の顔にフィットさせることについて考慮しつつ、映像素
子の小型・軽量化、延いては、装置の小型・軽量化を図ることができる。

第１実施形態に係る虚像表示装置の外観と構成について概念的に説明する図である。 非対称レンズの配置及び形状について説明するための概念的な図である。 非対称レンズの成形と虚像表示装置内での配置との関係を示す概念的な図である。 本実施形態に係る虚像表示装置の一例と、その映像光の光路について概念的に説明する図である。 レンズ有効径の範囲と非対称レンズの形状との関係について説明するための図である。 人間の視野の特性について説明するための図である。 非対称レンズ及び光学部品の成形に関しての一例を説明するための図である。 非対称レンズ及び光学部品の成形に関しての一例を説明するための図である。 非対称レンズの一変形例について説明するための図である。 非対称レンズの他の一変形例について説明するための図である。 第２実施形態に係る虚像表示装置について概念的に説明する図である。 一変形例の虚像表示装置について概念的に説明する図である。 他の一変形例の虚像表示装置について概念的に説明する図である。 非対称レンズ及び光学部品の端面の形状についての一変形例を示す図である。 非対称レンズ及び光学部品の端面の形状についての一変形例を示す図である。 レンズ端面に関する一変形例を説明するための図である。 レンズや映像素子の配置に関する一変形例を説明するための図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置について詳細に
説明する。

図１あるいは図４に概念的に示すように、本実施形態の虚像表示装置１００は、映像素
子（画像表示部）である画像表示装置１０と、拡大光学系２０とを備え、虚像表示装置１
００を装着した観察者又は使用者に対して虚像による画像光（映像光）を視認させること
ができる虚像表示装置、すなわちヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）である。図１に
示すように、画像表示装置１０や拡大光学系２０は、外装部ＣＰに収納・保護されている
。ここで、図４等に示すように、本実施形態に係る虚像表示装置１００において、光学系
の光軸ＡＸは、Ｚ方向となっているものとする。さらに、観察者の左右の眼の並ぶ方向と
して想定される水平方向をＸ方向とする。水平方向に直交する方向である観察者にとって
の上下方向を垂直方向とし、図１等では、Ｙ方向とする。

画像表示装置１０は、画像を表示する映像素子である。拡大光学系２０は、装着時に観
察者ＵＲの眼前に配置され、画像表示装置１０からの映像光を観察者側へ射出させる。拡
大光学系２０は、レンズを主要部としつつ、偏光変換部材、半透過型偏光板といった光学
部品によって構成されている。なお、詳しい一例については、図４を参照して説明する。

図示のように、拡大光学系２０は、主要部であるレンズが、正面視において通常のレン
ズ形状である円形状の状態から一部がカットされたような形状（Ｄ形状）を有している。
特に、本実施形態では、装着時に観察者の鼻側となる領域に対応する箇所の一部が斜めに
削除（カット）されている。ここでは、このような通常の円形状の状態から一部がカット
されたような形状となっている、すなわち円形状の対称性に比べて対称性が低くなった形
状のレンズを非対称レンズ、あるいはカットレンズと呼ぶこととする。また、カットされ
た切欠き状の部分に形成された端面をレンズ端面と呼ぶこととする。すなわち、図１等を
参照すると、拡大光学系２０の主要部は、非対称レンズであるカットレンズＬＳであり、
カットレンズＬＳは、平面状（直線状）のレンズ端面ＣＳを有している、と捉えられるこ
とができる。さらに、図１において一部拡大して示すように、虚像表示装置１００を反対
側（裏側）から見ると、拡大光学系２０あるいはカットレンズＬＳにおいて、レンズ端面
ＣＳは、傾斜した平面状（直線状）であることを利用して、外装部ＣＰに設けた組付部で
あるフレームＦＭの傾斜した平面状（直線状）である位置決め部ＤＰに当接させることで
、例えば回転可能な状態になっている円形のレンズについての位置決め（位置合わせ）の
場合に比べて、高精度かつ高効率に組付けができる。以上を言い換えると、カットレンズ
ＬＳは、フレームＦＭの位置決め部ＤＰにおける組付けに際して、レンズ端面ＣＳを、平
面状に加工された当接部として用いている。

また、例えば図２に示すように、虚像表示装置１００は、左右一対の拡大光学系２０，
２０において、観察者ＵＲの顔の中心軸ＣＸに対して左右対称にレンズ端面ＣＳ，ＣＳを
傾斜して配置されるものとなっている。これについて、観察者ＵＲを介さず、虚像表示装
置１００の構成のみで説明すると、虚像表示装置１００が、中心軸ＣＸに相当する左右の
中心軸ＫＸ（図１中の一部拡大図参照）を基準にして左右対称な構造を有しており、一対
のレンズ端面ＣＳ，ＣＳが、中心軸ＫＸに対して対称に傾斜して配置されている、すなわ
ち、同じ大きさの傾斜角θを有している、ということになる。ここで、各レンズ端面ＣＳ
の中心軸ＫＸ（中心軸ＣＸ）に対する傾斜角θの大きさについては、光学設計等により、
０°〜９０°の範囲で種々の値を取り得るが、後述するように、映像品位への影響、ある
いは、人間の顔にフィットさせること等について考慮しつつ、適正な範囲内で定められる
。具体的数値としては、θ＝３０°程度、あるいは、２０°〜４０°の範囲内とすること
が考えられる。

また、図３に一例を示すように、本実施形態において、拡大光学系２０、あるいは、カ
ットレンズＬＳは、射出成形で製造され、レンズ端面ＣＳは、射出成形での成形品である
カットレンズＬＳとなるべき部材ＰＰのうち成形時のゲートＧＴの部分を含む箇所をカッ
トして形成される。樹脂レンズを成形する際のゲート周辺部は、成形時の流動の関係から
、残留応力が発生しやすい。そのため、ゲートＧＴの部分を含む箇所をカットすることで
、相対的に残留応力の多い側をカットでき、カットレンズにおける複屈折の発生を低減し
た良好な状態にできる。

以下、図４を参照して、虚像表示装置１００による映像光の導光をするための各部の構
造等についての一例を概念的に説明する。

図４は、虚像表示装置１００を観察者が装着した場合の側方から見た光軸ＡＸでの断面
の様子を示している。なお、画像表示装置１０及び拡大光学系２０は、図１に示したよう
に、右眼用と左眼用とについてそれぞれ用意される左右一対構成であるが、対称性により
、ここでは、省略して左右のうち一方（左眼用）のみを示している。すなわち、図４にお
いて、＋Ｘ側が外側（耳側）であり、−Ｘ側が内側（鼻側）である。なお、左右一対の一
方のみ、すなわち単独でも虚像表示装置として機能する。また、詳しい説明は省略するが
、図１に例示したような左右一対構成とせず、単眼用に虚像表示装置を構成することも可
能である。

画像表示装置１０は、画像を表示する映像素子として、本体部分であるパネル部で画像
形成を行うとともに形成された画像光である映像光ＧＬを必要に応じて偏光状態を変換し
つつ射出する装置である。画像表示装置１０は、例えば有機ＥＬ等の自発光型の素子（Ｏ
ＬＥＤ）で構成される映像素子（映像表示素子）により構成することができる。また、例
えば透過型の空間光変調装置である映像表示素子（映像素子）のほか、映像表示素子へ照
明光を射出するバックライトである照明装置（不図示）や動作を制御する駆動制御部（不
図示）を有する構成としてもよい。

拡大光学系２０は、主要部であるカットレンズＬＳのほか、ハーフミラー２１と、光学
素子ＯＰとを備える。なお、カットレンズＬＳは、ゼロ複屈折性の樹脂レンズまたは低複
屈折性の樹脂レンズのいずれかで構成され、複屈折を生じにくいものとなっている。

カットレンズＬＳは、拡大光学系２０のうち、観察者の眼ＥＹの位置として想定される
位置（本願ではこの位置も眼ＥＹで示すものとする。）に対向して配置される観察者側レ
ンズである。すなわち、カットレンズＬＳは、画像表示装置１０からの映像光ＧＬを集光
して観察者の眼前側へ射出させるための凸レンズである。また、カットレンズＬＳは、観
察者側レンズすなわち観察者の眼ＥＹ側に位置するものとして、その距離、すなわち観察
者の眼ＥＹを想定した位置からカットレンズＬＳまでの距離Ｄ１を、１０〜３０ｍｍの範
囲としている。この場合、眼鏡型の装置として違和感なく観察者が装着可能になる。特に
、距離Ｄ１の値は、通常の眼鏡における眼からレンズまでの距離として一般的に想定され
る１５〜２０ｍｍの範囲内にあることが望ましい。なお、これに対して、カットレンズＬ
Ｓから画像表示装置１０までの距離Ｄ２については、光学設計によって２０〜５０ｍｍの
範囲となる。特に、本実施形態のように画像表示装置１０において小型のパネル（各レン
ズよりも小さいパネル）を採用した場合、大型のパネル（図１１等参照）を採用した場合
に比べてその距離をより縮められると考えられる。ただし、距離Ｄ１については、上記眼
鏡型の装置としての要請から、画像表示装置１０に依らず、一定の範囲内になる。したが
って、カットレンズＬＳは観察者の位置に比較的近接することになる。さらに、広画角化
等の観点からある程度の画角維持のため、レンズの増大に伴う一部カットは不可避的とな
る。

ハーフミラー２１は、映像光ＧＬの一部を透過させるとともに他の一部を反射させる半
反射半透過膜であり、例えば、誘電体多層膜等で構成される。ハーフミラー２１は、カッ
トレンズＬＳの前段すなわち映像光ＧＬの光路の上流側に配置され、かつ、観察者側から
見て凹の曲面形状となっている。なお、図示の例では、ハーフミラー２１は、カットレン
ズＬＳのレンズ面のうち、光路の上流側の面に貼付けされている。

光学素子ＯＰは、例えば半反射半透過膜で構成されたり、あるいは、１／４波長板（λ
／４板）やワイヤーグリッド偏光板で構成される半透過型偏光板を組み合わせて構成され
たりする部材であり、映像光ＧＬについて選択的にあるいは一部について透過・反射を行
う。光学素子ＯＰは、カットレンズＬＳの後段すなわち映像光ＧＬの光路の下流側に配置
されている。なお、図示の例では、カットレンズＬＳのレンズ面のうち、光路の上流側の
面に貼付けされている。カットレンズＬＳのレンズ面のうち、光路の下流側の面に貼付け
されている。

以下、映像光ＧＬの光路について概略説明する。まず、画像表示装置１０から射出され
た映像光ＧＬは、拡大光学系２０のうち、ハーフミラー２１を通過し、カットレンズＬＳ
を経て光学素子ＯＰに到達する。ここで、映像光ＧＬの一部は、反射され、再びハーフミ
ラー２１に達する。ハーフミラー２１において、映像光ＧＬのうち一部の成分はそのまま
透過するが、残りの成分は反射され、反射された映像光ＧＬの成分はカットレンズＬＳを
経て光学素子ＯＰに到達し、その一部が光学素子ＯＰを通過し、観察者の眼ＥＹのある場
所として想定される位置に達する。

本実施形態においては、虚像表示装置１００の光路中にハーフミラー２１を設けること
で光路を折り曲げ、ハーフミラー２１と光学素子ＯＰとの間を往来させて、広画角でかつ
小型化を実現できる。また、反射透過させる映像光ＧＬ成分の状態を適切に取り扱うこと
で、例えばゴースト光の発生を抑制し、観察者に高品質な映像を視認させることができる
。

ここで、図５等を参照して、カットレンズＬＳのレンズ有効径の範囲とカットレンズＬ
Ｓの形状との関係について説明する。図５は、虚像表示装置１００を観察者が装着した場
合の上方から見た光軸ＡＸでの断面の様子を示している。既述のように、カットレンズＬ
Ｓは、中心軸の方向すなわち上下方向（Ｙ方向）に対して斜めの方向にカットされること
で形成されたレンズ端面ＣＳを有している。また、図５に示すカットレンズＬＳの本来の
有効径Ｄ３（すなわちカットしなければ得られた有効径）に対して、その一部の範囲がカ
ットされている状態となっている。つまり、図中破線ＬＬで示す画角範囲が本来視認可能
な範囲であるが、その一部からは映像光ＧＬが来ないことになる。この場合、画像の一部
が暗くなったり欠けたりする可能性がある。これに対して、本実施形態では、人間の視野
の特性に応じてカットする範囲を定めることで視認性が悪くなることを回避している。

図６は、人間の視野の特性についての一例を説明するための図である。一般に、人の鼻
側方向（内側方向）の視野は、耳側方向（外側方向）の視野に比べて小さい。このため、
映像光の画角も鼻側だけ小さくしても、全体的な視野としては大きな影響を与えないこと
が知られている。具体的には、図６は、矢印ＡＲ１で示す視線の正面方向を基準にして、
これよりも鼻側方向（内側方向）の視野角ξは、耳側方向（外側方向）の視野角ηよりも
小さく、例えば視野角ηが９０°以上であるのに対して、視野角ξが６０°程度である。
さらに、解像能力の高い状態で見ることのできる視野の範囲は、さらに限られてくる。ま
た、このため、人は、見たいと思う対象（画像部分）の方向が自分正面からある程度以上
の角度となる場合、眼だけではなく、首を動かすことで、正面において対象を見えるよう
にしようとする。一方、昨今のいわゆる仮想現実（ＶＲ）の画像形成では、ヘッドトラッ
キング機能が搭載され、ＨＭＤの観察者の頭の動きを追跡し、その動きに従った映像を見
せるようなものとなっている。以上のことを考慮して、見た目の視認性が悪くなることを
回避しつつ、カットレンズＬＳにおいて、レンズ有効径の範囲のうち装着時に観察者の鼻
側となる領域を一部削除してレンズ端面ＣＳが形成される。

以下、図７等を参照して、カットレンズＬＳ等の各レンズの成形を含む拡大光学系２０
の製造に関して一例を説明する。

図１等を参照して説明したように、カットレンズＬＳは、ゼロ複屈折性の樹脂レンズま
たは低複屈折性の樹脂レンズで構成されることが望ましい。複屈折は、偏光板等の透過時
の透過率に大きく影響し、大きな輝度ムラや色ムラ（色収差）を生じさせるからである。
特に、カットレンズＬＳについては、折り返しにより、映像光ＧＬが合計３回通過するた
め、より複屈折の小さな材料を適用する必要がある。複屈折を抑えるという観点からは、
上記部分については、ガラスを使用すれば影響は抑えられるが、ＨＭＤでは装置の軽量化
の要請もあり、この観点からは、樹脂製のレンズであることが望ましい。そこで、ここで
は、カットレンズＬＳ等を樹脂レンズで構成する場合について説明をする。なお、比較的
低い複屈折樹脂として、ＰＭＭＡやＺＥＯＮＥＸがあげられるが、さらに低複屈折の樹脂
として開発されているのが、例えば三菱ガス化学社のユピゼータＥＰ−４０００〜６００
０である。ここでは、これらの材料で構成されるレンズを、低複屈折性の樹脂レンズ、あ
るいは、ゼロ複屈折性の樹脂レンズと呼ぶこととする。

図７及び図８は、拡大光学系２０の製造におけるカットレンズＬＳ及び光学部品（例え
ば光学素子ＯＰ）を含む箇所に関しての加工工程の一例を説明するための図である。

図７において領域ＤＭ１で示すような樹脂レンズを成形する際のゲート周辺部は、成形
時の流動の関係から、残留応力が発生しやすい。そのため、領域ＤＭ１のような箇所を透
過した光は、輝度ムラや色ムラ（色収差）などの影響を受けやすく、カットレンズＬＳと
しての利用にはあまり適さない。そこで、図８において状態Ｘ１〜Ｘ３として各工程を示
すカットレンズＬＳとなるべき部材ＰＰの加工について説明する。まず、状態Ｘ１及び状
態Ｘ２に示すように、部材ＰＰのうち、ゲートＧＴの部分を含む一部をカットして取り除
き、部材ＰＰをＤ形状（Ｄカット）にする。これにより、レンズ端面ＣＳが形成されると
ともに、ゲートＧＴを含むゲートＧＴ側の領域ＤＭ１のような残留応力が発生しやすい箇
所を取り除くことができる。カットされた部材ＰＰは、レンズ端面ＣＳは、状態Ｘ３に示
すように、所定の角度傾いた状態でフレームＦＭの位置決め部ＤＰ（図１参照）に組付け
るための位置決めに用いられる。

さらに、上記のように、図７及び図８に示す樹脂レンズとなるべき部材ＰＰに合わせて
、光学素子ＯＰとなるべき部材ＳＳについても、向きをレンズとなるべき部材ＰＰに対応
させて貼り合せてもよい。図４での例示のように、光学素子ＯＰをカットレンズＬＳに貼
り付けて構成する場合であれば、カットレンズＬＳのレンズ端面ＣＳに合わせて光学素子
ＯＰもカットされているすなわちレンズ端面ＣＳの形状に対応してカットされた端面ＣＳ
ａを有していることが望ましい。さらに、光学素子ＯＰとして、１／４波長板やワイヤー
グリッド偏光板で構成される半透過型偏光板を組み合わせて構成するような場合、偏光透
過軸の方向といった偏光軸Ｐ１（例えば偏光透過軸）の方向が組付け時に特定の方向とな
るように調整されることが望ましい。そこで、図８の例示では、状態Ｘ３に示されている
ように、光学素子ＯＰの偏光軸Ｐ１が、端面ＣＳａあるいはレンズ端面ＣＳに対して所定
の角度αとなるようにしておくことで、フレームＦＭの位置決め部ＤＰ（図１参照）に組
付けとともに、偏光軸Ｐ１がＸ方向（水平方向）に平行になるようにしている。すなわち
、状態Ｘ１及び状態Ｘ２に示すように、光学素子ＯＰとなるべき部材ＳＳの一部をカット
して取り除き端面ＣＳａを形成するに際して、端面ＣＳａの向きと部材ＳＳの偏光軸Ｐ１
の方向とが角度αとなるようにしている。具体的数値としては、α＝６０°程度、あるい
は、５０°〜７０°の範囲内とすることが考えられる。

以上のように、ゲートＧＴの部分をＤカットの対象箇所に配置することで、領域ＤＭ１
のような箇所の除去がされやすくなり、より大きな断面積のゲートＧＴを配置することが
でき、成形性を向上させ、より高精度かつフローマークの発生を抑制することができる。
なお、カットレンズＬＳは円形状に成形されたのちに、機械的にカットされていても良い
。また、光学素子ＯＰについても、個別にカットしてからカットレンズＬＳに貼り付ける
場合や、カットレンズＬＳとなるべき部材ＰＰに光学素子ＯＰとなるべき部材ＳＳを貼り
付けた後にまとめてカットする等、種々の態様が考えられる。上記方法によれば、ゲート
ＧＴを含む部分を一部カットすることによって、カットレンズＬＳにおいて残留応力の多
い領域ＤＭ１を極力使用しない構成としたり、光学素子ＯＰについてその特性に応じた位
置合わせをしたりできる。

以下、図９Ａ及び９Ｂを参照して、カットレンズＬＳや光学素子ＯＰ等の光学部品、あ
るいはこれらで構成される拡大光学系２０に関しての変形例について説明する。ここでは
、代表して、カットレンズＬＳの変形例について説明する。ここでは、図示のように、複
数箇所にレンズ端面ＣＳを有する場合について説明する。なお、例示では、２箇所のレン
ズ端面ＣＳを有してＶカット形状としている。

まず、図９Ａに示す一変形例の場合、レンズ端面ＣＳとして、レンズ有効径の範囲のう
ち装着時に観察者の鼻側となる領域を一部削除して形成されたレンズ端面ＣＳ１に加え、
レンズ端面ＣＳ１よりも上方（＋Ｙ側）にもう一つのレンズ端面ＣＳとして、レンズ端面
ＣＳ２を設けている。例えば額や目頭の近辺に出っ張りが大きい顔の観察者にとっては、
レンズ端面ＣＳ２を設けておくことで、顔にフィットさせやすくなる。なお、人の視野角
は、下方向に７５°、上方向に５０°程度であり、上方向については下方向よりも視野が
狭く、カットを行いやすいと考えられる。

また、図９Ｂに示す他の一変形例の場合、レンズ端面ＣＳとして、レンズ端面ＣＳ１に
加え、レンズ端面ＣＳ１よりも外側（＋Ｘ側）にもう一つのレンズ端面ＣＳとして、レン
ズ端面ＣＳ３を設けている。例えば頬の近辺に出っ張りが大きい顔の観察者にとっては、
レンズ端面ＣＳ３を設けておくことで、顔にフィットさせやすくなる。なお、この箇所は
、外側でかつ下側の部分であり、人の視野角の観点から、カットを行いやすいと考えられ
る。

なお、上記の例では、２箇所をカットしたＶカット形状としているが、これに限らず、
例えば離間した２箇所にカットした端面を設ける、あるいは３か所以上に端面を設けると
いった構成にしてもよい。

以上のように、本実施形態の虚像表示装置１００では、カットレンズＬＳにおいて、レ
ンズ有効径の範囲の一部を削除することで、装置が増大する傾向にあるＨＭＤにおいて、
レンズの小型・軽量化を図っている。この際、レンズ有効径のうち削除する領域を、鼻側
の領域とすることで、映像品位への影響について、あるいは、人間の顔にフィットさせる
ことについて考慮しつつ、レンズの小型・軽量化、延いては、装置の小型・軽量化を図る
ことを可能にしている。

〔第２実施形態〕
以下、図１０を参照して、第２実施形態に係る虚像表示装置について説明する。本実施
形態に係る虚像表示装置は、拡大光学系の主要部であるレンズが、複数のレンズで構成さ
れている点において、１つのカットレンズで構成される第１実施形態の第２実施形態と異
なっている。なお、外観構成及び拡大光学系の組付けについては、第１実施形態の場合（
図１参照）と同様であるので図示及び説明を省略する。

本実施形態に係る虚像表示装置２００は、映像素子である画像表示装置２１０と、拡大
光学系２２０とを備える。

画像表示装置２１０は、画像形成を行う主要な本体部分であるパネル部１１と、直線偏
光の成分を抽出する偏光板１２と、偏光板１２を経た成分を円偏光にして射出する第１の
１／４波長板（λ／４板）１３とを備える。

パネル部１１は、例えば有機ＥＬ等の自発光型の素子（ＯＬＥＤ）で構成される映像素
子（映像表示素子）とすることができる。また、例えば透過型の空間光変調装置である映
像表示素子（映像素子）のほか、映像表示素子へ照明光を射出するバックライトである照
明装置（不図示）や動作を制御する駆動制御部（不図示）を有する構成としてもよい。

偏光板１２は、パネル部１１からの光のうち射出すべき映像光を直線偏光にする。さら
に、第１の１／４波長板１３は、偏光板１２を経た成分を円偏光にする。

以上のような構成となっていることにより、画像表示装置２１０は、円偏光の映像光Ｇ
Ｌを射出する。

拡大光学系２２０は、観察者側から順に並ぶ４つの第１〜第４レンズＬ１〜Ｌ４に加え
、ハーフミラー２１と、光学素子ＯＰとを備える。光学素子ＯＰは、偏光変換部材２２と
、半透過型偏光板２３とで構成される。これらのうち、第４レンズＬ４を除く、第１〜第
３レンズＬ１〜Ｌ３と、ハーフミラー２１と、光学素子ＯＰとについては、図示のように
、貼り付けられてユニット化されている。ここでは、これらのユニット化された部材につ
いて一部がカットされた形状となっている。なお、第１〜第４レンズＬ１〜Ｌ４のうち、
少なくとも、第２レンズＬ２については、ゼロ複屈折性の樹脂レンズまたは低複屈折性の
樹脂レンズのいずれかで構成され、複屈折を生じにくいものとなっていることが望ましい
。

第１レンズＬ１は、拡大光学系２２０のうち、観察者の眼ＥＹの位置に一番近い位置に
配置される観察者側レンズであり、第１実施形態でのカットレンズＬＳに相当する。なお
、観察者側レンズとしての第１レンズＬ１は、映像光ＧＬを集光して観察者の眼前側へ射
出させるための凸レンズである。

第２レンズＬ２は、第１レンズＬ１との相対的関係では前段に配置され、第１レンズＬ
１等の後段に配置される光学部材に向けて画像表示装置２１０からの映像光ＧＬを入射さ
せるレンズである。ここでは、第２レンズＬ２を、第１レンズＬ１（観察者側レンズ）に
対して、表示側レンズとも呼ぶこととする。第２レンズＬ２は、画像を十分に広画角なも
のとすべく、例えば屈折率１．５５以上の屈折レンズとなっている凸レンズである。なお
、この例では、第２レンズＬ２についても、カットレンズである第１レンズＬ１に対応し
てカットされた端面ＣＬ２を有している。

第３レンズＬ３は、表示側レンズである第２レンズＬ２の前段に設けられ、アッベ数等
が適宜調整された色消しレンズである。第３レンズＬ３は、色消し目的のレンズとして機
能すべく、第２レンズＬ２に接合して設けられている凹レンズである。特に、ここでは、
ハーフミラー２１を間に挟み込むようにして、第２レンズＬ２と接合している。言い換え
ると、ハーフミラー２１と半透過型偏光板２３との間にアッベ数の小さい負のパワーを持
つ第３レンズＬ３を配置することによって、色収差を抑えることが可能となる。なお、こ
の例では、第３レンズＬ３についても、カットレンズである第１レンズＬ１に対応してカ
ットされた端面ＣＬ３を有している。

第４レンズＬ４は、画像表示装置２１０の直近後段に設けられた凸レンズであり、画像
表示装置２１０からの映像光ＧＬを、第３レンズＬ３以下に配置される後段の光学部材に
向けて射出する。言い換えると、第４レンズＬ４は、拡大光学系２２０のうち、画像表示
装置２１０に一番近い位置に配置されて映像光ＧＬの光路を調整する前段側レンズである
。第４レンズＬ４を入れることによって、より解像度性能を向上させることができ、また
画像表示装置２１０におけるパネルサイズを小さくすることができる。このため、画像表
示装置２１０の作製コストを抑えることも可能となる。また、画像表示装置２１０から射
出される光線のテレセン角を抑えることもできるため、パネル視野角特性によって輝度や
色度の変化が生じるのを抑えられる。なお、この例では、第４レンズＬ４については、カ
ットをしていない円形状のレンズとしている。

ハーフミラー２１は、既述のように、映像光の一部を透過させるとともに他の一部を反
射させる半反射半透過膜であり、例えば、誘電体多層膜等で構成され、第２レンズＬ２と
第３レンズＬ３との間に形成されており、観察者側から見て凹の曲面形状となっている。

光学素子ＯＰのうち、偏光変換部材２２は、通過する光の偏光状態を変換するための部
材であり、ここでは、１／４波長板（第２の１／４波長板あるいは第２のλ／４板）で構
成されているものとする。偏光変換部材２２は、表示側レンズである第２レンズＬ２と半
透過型偏光板２３との間に設けられており、半透過型偏光板２３に向かう成分等、偏光変
換部材２２とハーフミラー２１との間を往復する成分の偏光状態を変換する。ここでは、
円偏光の状態にある映像光ＧＬを直線偏光に変換する、あるいは、逆に、直線偏光の状態
にある映像光ＧＬを円偏光に変換する。

光学素子ＯＰのうち、半透過型偏光板２３は、表示側レンズである第２レンズＬ２と観
察者側レンズである第１レンズＬ１との間に設けられる部材であり、ここでは、反射型の
ワイヤーグリッド偏光板で構成されるものとする。特に、本実施形態では、ワイヤーグリ
ッド偏光板である半透過型偏光板２３の偏光透過軸の方向Ａ１を眼の並ぶ方向として想定
される水平方向（Ｘ方向）とする。なお、反射型のワイヤーグリッド偏光板で構成される
半透過型偏光板２３については、入射する成分の偏光の状態に応じて透過・反射の特性を
変えることから、反射型偏光板と呼ぶこともあるものとする。

なお、光学素子ＯＰについては、第１実施形態において説明した場合と同様に、上記偏
光の状態に応じて透過・反射の特性を満たすべく各偏光軸の方向について側面ＣＳａに対
する角度の調整がなされている（図８参照）。

以下、映像光ＧＬの光路について概略説明する。ここでは、既述のように、ワイヤーグ
リッド偏光板で構成される半透過型偏光板（あるいは反射型偏光板）２３については、水
平方向（Ｘ方向）を偏光透過軸の方向としている。すなわち、半透過型偏光板２３は、Ｘ
方向についての偏光成分を透過させ、これに垂直な成分を反射する特性を持つ。また、図
に示されている映像光ＧＬの光路は、ＸＺ面に平行な面内を通るものである。したがって
、この図においては、Ｐ偏光及びＳ偏光を規定する上では、入射面がＸＺ面に平行な面で
あり、境界面がＸＺ面に垂直な面（Ｙ方向に平行な面）として捉えることになる。半透過
型偏光板２３は、Ｐ偏光を透過させＳ偏光を反射する。

以上において、まず、画像表示装置２１０のパネル部１１で変調され射出された映像光
ＧＬは、透過型波長板である偏光板１２にてＰ偏光に変換後、第１の１／４波長板１３に
より円偏光に変換され、拡大光学系２２０に向けて射出される。その後、映像光ＧＬは、
拡大光学系２２０のうち、第４レンズＬ４を経て、第３レンズＬ３に入射し、第２レンズ
Ｌ２との界面に成膜されたハーフミラー２１に達する。映像光ＧＬのうち一部の成分が、
ハーフミラー２１を通過し、第２の１／４波長板である偏光変換部材２２にてＳ偏光に変
換されて半透過型偏光板（あるいは反射型偏光板）２３に到達する。ここで、Ｓ偏光であ
る映像光ＧＬは、半透過型偏光板２３にて反射され、再び偏光変換部材２２にて円偏光と
なり、ハーフミラー２１に達する。ハーフミラー２１において、映像光ＧＬのうち一部の
成分はそのまま透過するが、残りの成分は反射され、反射された映像光ＧＬの成分は、偏
光変換部材２２で今度はＰ偏光に変換される。Ｐ偏光となっている映像光ＧＬの成分は、
半透過型偏光板２３を通過し、第１レンズＬ１（観察者側レンズ）に達する。映像光ＧＬ
は、第１レンズＬ１を通過後に観察者の眼ＥＹのある場所として想定される位置に達する
。

以上のように、本実施形態においても、カットレンズＬＳに相当する第１レンズＬ１の
レンズ有効径の範囲の一部を削除する、さらには第１レンズＬ１に付随する各種光学部品
について、一部を削除することで、装置が増大する傾向にあるＨＭＤにおいて、レンズの
小型・軽量化を図っている。この際、レンズ有効径のうち削除する領域を、鼻側の領域と
することで、映像品位への影響について、あるいは、人間の顔にフィットさせることにつ
いて考慮しつつ、レンズの小型・軽量化、延いては、装置の小型・軽量化を図ることを可
能にしている。特に、光学素子ＯＰを構成する偏光変換部材２２及び半透過型偏光板２３
については、上記機能を果たすべく偏光軸（偏光透過軸）の方向Ａ１が予め側面ＣＳａに
対して合わせられていることで、高精度かつ高効率な位置合わせが可能になっている。さ
らに、本実施形態では、虚像表示装置２００の光路中にハーフミラー２１を設けることで
光路を折り曲げ、広画角でかつ小型化を実現しつつ、ハーフミラー２１と半透過型偏光板
２３との間に偏光変換部材２２を設けて、ハーフミラー２１と半透過型偏光板２３との間
を往来する成分の偏光状態を適切に変換することができ、ゴースト光の発生を抑制し、観
察者に高品質な映像を視認させることができる。

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるもの
ではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能で
ある。

上記の例では、小型のパネルを採用しており、特に各レンズに比して、画像表示装置１
０，２１０が小さいものとなっているが、例えば、図１１及び図１２に示すように、大型
のパネルで構成される画像表示装置３１０を用いた虚像表示装置３００において、レンズ
端面ＣＳを有するカットレンズＬＳを採用してもよい。

また、上記各実施形態では、拡大光学系２０，２２０において、一部折り返しを有する
構造としているが、折り返しを有していない構造においても、上記カットレンズを採用し
できる（図１１、図１２参照）。また、この場合において、拡大光学系を構成するレンズ
は、複数あり、第２実施形態の場合と同様、複数のうちの一部のレンズについてのみカッ
トするものとしてもよいし、全てのレンズについてカットするものとしてもよい。例えば
上記距離Ｄ１の観点から、少なくとも観察者に最も近い位置にある光学系については、カ
ットが不可避的となるが、観察者から比較的離間した位置にあるレンズや、サイズの小さ
いレンズについては、必ずしもカットの必要がない。さらに、折り返しを有していない構
造の場合や、一部折り返しを有していても折り返しの無いレンズについては、複屈折を生
じにくいゼロ複屈折性の樹脂レンズまたは低複屈折性の樹脂レンズを必ずしも要しなく、
安価な材料で製造することも考えられる。この場合、特にゲート付近での残留応力の多い
箇所が存在する可能性がさらに高まるが、これらをカットすることで、安価な材料でも良
好な光学性能を得ることができる。また、ガラスレンズを一部又は全てのレンズに採用す
ることも考えられる。

また、レンズ等の光学系についてのカットに加え、さらに、図１２に示すように、画像
表示装置３１０すなわちパネルの一部についてもカットするものとしてもよい。すなわち
、映像素子である画像表示装置３１０が、カットレンズＬＳのレンズ端面ＣＳに対応する
形状の端面ＣＬａを有していてもよい。

また、上記では、レンズ端面ＣＳや各端面ＣＳａ等を、平面状（直線状）としているが
、例えばレンズ端面ＣＳの全てを平面状に加工するのではなく、一部のみとし、他を曲面
状（曲線状）としてもよい。レンズ端面ＣＳの一部に平面状（直線状）の当接部として残
しておくことで、その箇所を当接（位置決め）のために利用しつつ、他の曲面状の部分を
顔によりフィットさせる形状とすることが考えらえる。

さらに、カットする方向についても、種々の態様が考えられ、例えば図１３Ａ及び１３
Ｂに概念的に示すように、レンズ端面ＣＳを、側方から見て、＋Ｚ方向について下方向（
−Ｙ方向）に下がっていき、上方から見て、＋Ｚ方向について左右方向（図示の場合−Ｘ
方向）に広がっていくように傾斜する形状、あるいはテーパー形状としてもよい。これに
より、例えば観察者の鼻の形状に沿った形状とすることができる。

また、図１４に示すように、レンズ端面ＣＳの部分となる箇所を段差状にする、すなわ
ち段差部分を有する形状としてもよい。このような形状とすることで段差状のレンズ端面
ＣＳを位置決めに利用できる。

また、上記の例では、レンズについて、カットされる前の円形状の部材の中心（円の中
心）を光軸ＡＸとし、画像表示装置１０の中心位置もカットされる前の円形状の中心であ
る光軸ＡＸに合わせて配置をしていたが、元の円形状をカットして変形することを前提に
中心点をレンズ端面ＣＳから離れる側にずらして（シフトして）設定してもよい。具体的
には、図１５に一例を示すように、破線で示すカット前の形状（円形状）の輪郭ＣＣ０の
中心から、光軸ＡＸの位置が外れていてもよい。すなわち、破線で示す光軸ＡＸを中心と
する円の輪郭ＣＣが、輪郭ＣＣ０と同心円にならず、レンズ端面ＣＳから離れる側に偏っ
ているようになっていてもよい。この際、画像表示装置１０の中心位置も位置をずらした
光軸ＡＸに合わせていてもよい。あるいは、軸外しの光学系とすること等によって同様の
構成としてもよい。

また、レンズとなるべき部材の成形として、射出成形（インジェクションモールド）に
よる樹脂レンズの成形を一例として説明したが、レンズの成形については、他の方法によ
る樹脂レンズのモールドレンズであってもよく、また、ガラス製とする場合にはガラスモ
ールドによって成形することが考えられる。すなわち、ガラスモールドによって成形する
場合、事前に金型の形状を非円形状としておく、あるいは円形状に成形したものを事後に
カットすることによって所望の非対称レンズを成形することが考えられる。

また、左右一対の構成とするに際して、左右の眼の距離である導光間距離の基準値（例
えば６５ｍｍ）に基づいて配置することが考えられる。また、これに応じて、カット形状
を設定してもよい。

また、画像表示装置１０等としては、透過型の液晶表示デバイスとしてのＨＴＰＳのほ
か、上位以外にも種々のものを利用可能であり、例えば、反射型の液晶表示デバイスを用
いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子に代えてデジタル・マ
イクロミラー・デバイス等を用いることもできる。

また、本願発明の技術を、画像光のみを視認させるいわゆるクローズ型（シースルーで
ない）タイプの虚像表示装置のほか、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させる
ことができるものに採用したり、ディスプレイと撮像装置とで構成されるいわゆるビデオ
シースルーの製品に対応させたりするものとしてもよい。

Ａ１…方向、ＡＲ１…矢印、ＡＸ…光軸、ＣＬ２，ＣＬ３，ＣＬａ，ＣＳａ…端面、Ｃ
Ｐ…外装部、ＣＳ，ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３…レンズ端面、ＣＸ…中心軸、Ｄ１，Ｄ２…
距離、Ｄ３…有効径、ＤＭ１…領域、ＤＰ…位置決め部、ＥＹ…眼、ＦＭ…フレーム、Ｇ
Ｌ…映像光、ＧＴ…ゲート、Ｌ１−Ｌ４…レンズ、ＬＬ…破線、ＬＳ…カットレンズ、Ｏ
Ｐ…光学素子、Ｐ１…偏光軸、ＰＰ…部材、ＳＳ…部材、ＵＲ…観察者、Ｘ１−Ｘ３…状
態、α…角度、η…視野角、θ…傾斜角、ξ…視野角、１０，２１０，３１０…画像表示
装置、１１…パネル部、１２…偏光板、１３…波長板、２０，２２０…拡大光学系、２１
…ハーフミラー、２２…偏光変換部材、２３…半透過型偏光板、１００，２００，３００
…虚像表示装置

Claims (13)

1. 画像を表示する映像素子と、
   装着時に観察者の眼前に配置され、前記映像素子からの映像光を観察者側へ射出させる
   レンズであって、レンズ有効径の範囲のうち、装着時に観察者の鼻側となる領域に形成さ
   れるレンズ端面を有する非対称レンズと
   を備える、虚像表示装置。
2. 前記レンズ端面は、平面状に加工された当接部を有する、請求項１に記載の虚像表示装
   置。
3. 前記非対称レンズは、左右一対の構成であり、左右の中心軸を基準にして前記レンズ端
   面を対称に傾斜して配置している、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置
   。
4. 前記非対称レンズは、円形状のレンズの有効径の範囲のうち、装着時に観察者の鼻側と
   なる領域を一部カットして形成されるカットレンズである、請求項１〜３のいずれか一項
   に記載の虚像表示装置。
5. 前記非対称レンズは、射出成形で製造され、前記レンズ端面は、成形品のうち相対的に
   残留応力の多い側をカットして形成される、請求項４に記載の虚像表示装置。
6. 前記レンズ端面は、成形時のゲートの部分を含む箇所をカットして形成される、請求項
   ５に記載の虚像表示装置。
7. 前記非対称レンズは、複数箇所に前記レンズ端面を有する、請求項１〜６のいずれか一
   項に記載の虚像表示装置。
8. 前記非対称レンズは、ゼロ複屈折性または低複屈折性の樹脂レンズである、請求項１〜
   ７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 各部を組み付けるための組付部をさらに備え、
   前記組付部は、前記非対称レンズの組付けの際に前記レンズ端面を当接させて位置決め
   する位置決め部を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 観察者の眼を想定した位置から前記非対称レンズまでの距離を、１０〜３０ｍｍの範囲
    とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 前記非対称レンズの前段に設けられる光学部品をさらに備え、
    前記光学部品は、前記非対称レンズの前記レンズ端面に対応する形状の端面を有する、
    請求項１〜１０のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
12. 前記非対称レンズよりも前段に設けられ、前記映像素子からの映像光を入射させる表示
    側レンズと、
    前記表示側レンズの前段に設けられるハーフミラーと、
    前記非対称レンズと前記表示側レンズとの間に設けられ偏光透過軸の方向の成分を透過
    させる半透過型偏光板と
    を、前記光学部品として備える、請求項１１に記載の虚像表示装置。
13. 前記映像素子は、前記非対称レンズの前記レンズ端面に対応する形状の端面を有する、
    請求項１〜１２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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