JP2019061199A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な構造で、画素間の隙間を目立たなくして画像の視認性を良好な状態とすることが可能な虚像表示装置を提供すること。【解決手段】式（１）を満たすように、微細構造部ＭＳや、画像表示装置１０及び接眼光学系２０を構成することによって、映像光ＧＬに対して、映像素子である画像表示装置１０を構成する各画素のサイズを考慮して適切な程度の拡散作用を比較的簡易な構成で与えることができ、画素間の隙間を目立たなくして画像の視認性を良好な状態にできる。【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あるいは頭部搭載型表示装置とも言う）等の虚像表示装置においては、広画角化のため、画像を拡大して視認させることが進んでいる。

画像の拡大に伴い、映像素子等において、例えば画素間に配置されたブラックマトリクスも拡大されて観察者に視認されてしまうという問題がある。これに対して、例えばマイクロレンズアレイシートの各レンズ部分で拡大することにより画素間の隙間を目立たなくするもの（特許文献１）が知られている。

しかしながら、上記の場合、各画素よりも小さい幅を有するマイクロレンズアレイシートを配置することになるため、画素ピッチが小さくなるほど、精度よくマイクロレンズアレイシートを作ることが難しくなる。

また、上記の場合、映像素子等の近くにマイクロレンズアレイシートを配置するため、マイクロレンズアレイシートの高精度に配置しないと、モアレが発生する可能性がある。

特開２０１６−１３９１１２号公報

本発明は、比較的簡易な構造で、画素間の隙間を目立たなくして画像の視認性を良好な状態とすることが可能な虚像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の虚像表示装置は、映像光を射出する映像素子と、映像素子からの映像光を虚像による画像として視認させる接眼光学系と、接眼光学系に設けられ、映像光を拡散する微細構造部とを備え、微細構造部における微細構造表面の前後での媒質の屈折率差をΔｎ、微細構造表面の光軸に対する最大傾き角をθとし、映像素子を構成する画素１つの幅をｔとし、光学系全体の焦点距離をｆとした場合に、

を満たす。

上記虚像表示装置では、上記要件を満たす微細構造部を有することによって、映像光に対して、映像素子を構成する各画素サイズを考慮して適切な程度の拡散作用を与えることで、画素間の隙間を目立たなくして画像の視認性を良好な状態にできる。

本発明の具体的な側面では、微細構造部は、映像素子を構成する画素１つの幅ｔに対応する映像光の光線束の幅よりも細かな凹凸を有する。この場合、画素１つ分の画像に対して、１つ以上の微細構造部の凹凸が作用することで、確実な拡散作用をもたらすことができる。

本発明の別の側面では、微細構造部は、０．０５ｍｍから２ｍｍまでの間の大きさの凹凸で構成される凹凸構造部を有する。この場合、微細構造部を構成する凹凸構造部の作製を比較的容易なものとしつつ、凹凸を所望の大きさとすることができる。

本発明のさらに別の側面では、微細構造部において、凹凸構造部は、間隔の範囲で大きさの違いを有した非周期的な凹凸を有している。この場合、適切な拡散作用をもたらすことができる。

本発明のさらに別の側面では、微細構造部は、接眼光学系のうち、最も観察者側の面に形成される。この場合、光路中において最も広がった状態の映像光に対して拡散作用を及ぼすようにできる。

本発明のさらに別の側面では、微細構造部は、接眼光学系を構成するレンズのうち、樹脂製のレンズ上に設けられ、接眼光学系を構成する他のレンズと接合されて形成される。この場合、樹脂製のレンズ上に設けることで、微細構造部の作製を比較的容易にしつつ、他のレンズに接合されることで、微細構造部への汚れの付着等を回避できる。

本発明のさらに別の側面では、接眼光学系は、樹脂製またはガラスモールド製のレンズで構成される。

本発明のさらに別の側面では、微細構造部は、シート状の拡散部材である。この場合、微細構造部の接眼光学系への取付けを容易にできる。

本発明のさらに別の側面では、微細構造部は、接眼光学系を構成するレンズの有効径のうち中心側の一部のみに設けられる。この場合、微細構造部を設ける範囲を限定して、構造を簡易なものとしつつ、人の視力に関して、情報受容能力に優れる有効視野の画像の状態を良好に維持できる。

上記虚像表示装置では、上記要件を満たす微細構造部を有することによって、映像光に対して、映像素子を構成する各画素サイズを考慮して適切な程度の拡散作用を与えることで、画素間の隙間を目立たなくして画像の視認性を良好な状態にできる。

第１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断面図である。 虚像表示装置における微細構造部の一例について概念的に示す図である。 微細構造部を構成する凹凸構造部の様子について説明するための図である。 映像素子を構成する画素の様子について一例を示す概念的な平面図である。 映像素子を構成する画素と凹凸構造部との関係について説明するための概念的な平面図である。 虚像表示装置の一変形例における映像素子を構成する画素に対応する成分光と凹凸構造部との関係について説明する図である。 第２実施形態に係る虚像表示装置について説明するための図である。 第３実施形態に係る虚像表示装置について説明するための図である。 虚像表示装置についての一変形例を概念的に説明する図である。 虚像表示装置における微細構造部の一変形例について概念的に示す図である。

〔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、映像素子である画像表示装置１０と、接眼光学系（アイピース光学系）２０とを備え、虚像表示装置１００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ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤあるいは頭部搭載型表示装置）である。さらに、本実施形態では、接眼光学系２０に設けられ、画像表示装置１０からの映像光を拡散する微細構造部ＭＳを備える。微細構造部ＭＳは、微細な多数の凹凸を有することで、拡散作用を示すものとなっている。なお、図示を省略するが、画像表示装置１０や接眼光学系２０は、装着時に観察者の眼前を覆う外装部に収納・保護されている。ここで、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。また、光軸ＡＸは、画像表示装置１０の画像表示領域の中心位置を通っている。また、ここでは、図示のように、Ｚ方向は、観察者が真正面を向く方向に沿った方向を想定しており、光軸ＡＸを観察者の眼ＥＹの画角（視野角）が０°となる軸であるものとする。すなわち、光軸ＡＸが標準的な観察者の眼ＥＹの視軸に一致するようになっている。さらに、観察者の左右の眼ＥＹの並ぶ方向となる水平方向をＸ方向とする。言い換えると、眼ＥＹの並ぶ方向すなわち左右方向に対応する方向を水平方向とし、これを想定して虚像表示装置１００が構成されており、図示ではこの方向をＸ方向としている。さらに、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。

以下、虚像表示装置１００による映像光ＧＬの光路について概略説明すると、まず、画像表示装置１０から射出された映像光ＧＬは、接眼光学系２０さらにこれに付随して設けられる微細構造部ＭＳを経て観察者の眼ＥＹのある場所として想定される位置に達する。

以下、虚像表示装置１００による映像光ＧＬ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１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おり、図２は、接眼光学系２０に設けられた微細構造部ＭＳの様子を示す図である。なお、図１及び図２では、説明のため、微細構造部ＭＳを構成する多数の凹凸がなす凹凸構造部ＵＳを誇張して表現しているが、実際には、凹凸構造部ＵＳは、非常に微細な凹凸部で構成された構造である。微細構造部ＭＳは、接眼光学系２０の表面に凹凸構造部ＵＳとなるべき材料を融着や接着等により取り付けることで形成される。

なお、画像表示装置１０、接眼光学系２０及び微細構造部ＭＳは、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（微細構造部ＭＳにおける凹凸の左右での微差による非対称性等を除く）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１等において、＋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、画像を表示するための映像素子（映像表示素子あるいは画像表示部）である。すなわち、画像表示装置１０は、画像を表示する画像表示部として、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（ＯＬＥＤ）で構成される映像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素子のほか、映像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。また、本実施形態では、画像表示装置１０として、一辺の長さを１インチ以下とするマイクロディスプレイをパネルに採用している。

接眼光学系２０は、映像光ＧＬの光路について、画像表示装置１０の光路後段（−Ｚ側）に配置される一方、装着時に観察者の眼前に配置され、画像表示装置１０からの映像光ＧＬを観察者側へ射出させる。接眼光学系２０は、非テレセントリックな光学系であり、画像表示装置１０で表示される画像を拡大された虚像として観察者に視認させる拡大光学系である。なお、ここでの例では、説明の簡略化のため、接眼光学系２０は、１つのレンズＬＳで構成されているものとしているが、接眼光学系２０は、単数または複数のレンズで構成される場合のほか、例えば、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一部の光を折り返す構造を有する場合もある。他の構成例について詳しくは、別途後述する。また、レンズＬＳについては、例えば配向複屈折±０．０１以下、または、光弾性定数１０［１０^−１２／Ｐａ］以下である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ていることで、複屈折を生じにくいものとしてもよい。

接眼光学系２０を構成するレンズＬＳは、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として示している。）に対向して配置される観察者側レンズであるとも言える。すなわち、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。なお、レンズＬＳについては、樹脂製またはガラスモールド製とすることが考えらえるが、ここでは、一例として、上記した複屈折性が十分低減された樹脂レンズを採用するものとする。

ここで、画像表示装置１０と接眼光学系２０（レンズＬＳ）とのサイズの大小関係の一例を記載する。ここでは、図示のように、接眼光学系２０について、接眼光学系２０の光学面のサイズが、画像表示装置１０の画像表示領域のサイズよりも大きいものとなっている。具体的には、円形状のレンズＬＳの光学面のサイズに相当するレンズＬＳの横方向（Ｘ方向）あるいは縦方向（Ｙ方向）についてのレンズ有効径が、画像表示装置１０の画像表示領域のサイズに相当するパネルサイズの横方向（Ｘ方向）や縦方向（Ｙ方向）についての長さよりも大きくなっている。これにしたがって、接眼光学系２０は、発散型の非テレセントリックな光学系となっている。これにより、全体の像高を小さくすることができる、すなわち、一辺の長さを１インチ以下（より望ましくは、１２〜１３ｍｍ程度）とするマイクロディスプレイのような小型パネルを用いた画像表示装置１０の画像を拡大して広画角な画像形成を可能としている。

微細構造部ＭＳは、樹脂レンズで構成される接眼光学系２０（レンズＬＳ）のレンズ面２０ａやレンズ面２０ｂ上に例えば多数の凸部ＴＰ，ＴＰ…を形成することで設けられた凹凸構造部ＵＳを主要部分とする。なお、図示の例では、接眼光学系２０のうち、最も観察者側の面であるレンズ面２０ａに形成されている。図１あるいは図２に示すように、微細構造部ＭＳは、多数の凹凸を有する凹凸構造部ＵＳによって、通過する光に対して拡散作用を示す。図２に示す一例では、接眼光学系２０のレンズ面２０ａの全体に多数の半球状の凸部ＴＰ，ＴＰ…を２次元状に並べて凹凸構造部ＵＳを構成している。ここで、多数の凸部ＴＰ，ＴＰ…については、例えば、ある程度の大きさの違いを有した非周期的（ランダム）な配置とするものとすることが考えられる。特に、ここでは、各凸部ＴＰの大きさは、画像表示装置１０を構成する画素のサイズや画素間を構成するブラックマトリクスのサイズ、さらには、光学系全体の焦点距離を考慮して、図示のＸＹ面内で径（幅）ＨＨが、０．０５ｍｍから２ｍｍまでの間で適宜定められているものとする。

ここで、一般に、ＨＭＤ等の虚像表示装置においては、広画角化が進んでおり、例えば画角（全画角（ＦＯＶ）あるいは視野角）について最大値が５０°を超えるようなものが存在し、本実施形態においても、全画角（ＦＯＶ）の最大値が５０°を超えるように設計されている。このような広画角化に伴い、画像表示装置１０の画像をより拡大して視認させることが必要となる。しかしながら、画像表示装置１０において、例えば画素間に配置されたブラックマトリクスも拡大されて観察者に視認されてしまう可能性があり、これを回避すべく画素間の隙間を目立たなくなるようにしたいという要請がある。

本実施形態では、上記観点を考慮して、光学系の構成に応じて所定の要件を満たす形状を有した微細構造部ＭＳを設けることで、映像光ＧＬに対して、画像表示装置１０を構成する各画素サイズを考慮して適切な程度の拡散作用を与えることを可能にしている。これにより、適度に画像をぼかして画素間の隙間を目立たなくしつつ、ぼかし過ぎないようにして画像の視認性を良好な状態にできるようにしている。

以下、図３及び図４等を参照して、本実施形態における微細構造部ＭＳの形状及び構造や、微細構造部ＭＳと映像素子である画像表示装置１０を構成する画素との関係について説明する。

まず、図３を参照して、微細構造部ＭＳを構成する凹凸構造部ＵＳの形状・構造や拡散作用について説明する。既述のように、微細構造部ＭＳを構成する凹凸構造部ＵＳは、例示した多数の凸部ＴＰ等によって多数の凹凸を有した形状となっている。この凹凸形状（あるいは起伏形状）については、図２に例示したような形状（正面視円形状の凸部）に限らず、様々の凹凸形状とすることが考えられ、例えば図３に示すような断面形状を有する凹凸形状であるものとしてもよい。ここで、図３において、凹凸構造部ＵＳ（あるいは微細構造部ＭＳ）の表面ＳＦのうち、光軸ＡＸに対して最も傾いている位置での傾斜角（最大傾き角）をθとする。ここでは、拡散作用の標準的な一例として、最大傾き角θとなる面を通過する光軸ＡＸに平行な光線に対する場合の微細構造部ＭＳの拡散作用について考える。また、その他の各種数値を以下のように規定する。まず、微細構造部ＭＳの表面ＳＦの前後での媒質の屈折率差をΔｎとする。すなわち、図示の場合、微細構造部ＭＳを構成する樹脂部材の屈折率をｎ_１とし、微細構造部ＭＳを通過した後の空気層の部分の屈折率をｎ_２とする。この場合、屈折率差Δｎは、Δｎ＝｜ｎ_２−ｎ_１｜となる。また、虚像表示装置１００を構成する光学系全体の焦点距離をｆとする。さらに、図４Ａに示すように、画像表示装置１０を構成するマトリクス状に配置された画素ＰＸ，ＰＸ…について、各画素ＰＸの１つの幅をｔとする。

以上の場合において、拡散作用としては、図４Ａに示す各画素ＰＸの間を隔絶するブラックマトリクスＢＭの大きさ等にもよるが、ブラックマトリクスＢＭによる隙間を目立たなくできる程度に適度にぼかす、すなわち、各画素ＰＸからの光を拡散させつつも、画素構成に応じた程度の解像度を維持すべく光の拡散の程度を抑えることが望ましい。このための条件としては、上記で規定した各数値に関して、

を満たすものとすることが考えられる。ここで、上式（１）のうち左右の辺に現れるｔ／ｆは、上記規定から、画素ＰＸの幅ｔと焦点距離ｆとの比率（度合）である。一方、上式（１）のうち中辺の値は、屈折率差Δｎと、最大傾き角θの正接との積であり、微細構造部ＭＳの通過による最大傾き角θとなる位置で光軸ＡＸに平行な光線に与える拡散作用の度合を示している。したがって、上式（１）は、微細構造部ＭＳでの拡散作用の度合が、幅ｔと焦点距離ｆとの度合と比較して、０．２倍から１倍の範囲内程度となるように、微細構造部ＭＳの材料や形状・構成を定められていることを示している。言い換えると、微細構造部ＭＳによる拡散作用の程度が、表示画像として視認される画像中における画素０．２個分から１個分程度であるものとなっている。上記の場合では、微細構造部ＭＳでの拡散作用を上式（１）で規定されるような範囲内とすることによって、ブラックマトリクスＢＭに起因する画素間の隙間を感じさせないようにしつつも、隣り合う画素間が混じり合って見た目の解像度が劣化してしまうことを回避可能にしている。

なお、最大傾き角θの大きさが、比較的小さい場合には、θ≒ｓｉｎθ≒ｔａｎθとなること等を考慮して、上式（１）の中辺の値を、屈折率差Δｎと、最大傾き角θとの積とすることも考えられる。

また、上記のような程度の拡散作用を各画素ＰＸごとにムラなく確実に行うためには、微細構造部ＭＳで構成される凹凸の１つ分が、少なくとも１つは各画素に対応する画像に収まっている程度の大きさとなっていることが必要であると考えられる。すなわち、１つの画素ＰＸの幅ｔに対応する映像光ＧＬの光線束の幅よりも、細かな凹凸で凹凸構造部ＵＳ（あるいは微細構造部ＭＳ）を構成しておくことが考えられる。典型的には、図４Ｂに概念的に示すように、１つの凸部ＴＰが、１つの画素ＰＸの幅ｔに対応する映像光ＧＬの成分であって凹凸構造部ＵＳを通過する際における成分の光線束の幅ｔａに対応している、すなわち両者のピッチが揃っているようにすることが考えられる。あるいは、図５に示すように、映像光ＧＬの成分であって凹凸構造部ＵＳを通過する際における成分の光線束の幅よりも、より細かな凹凸を凹凸構造部ＵＳが有するものとしてもよい。

図５は、上記した虚像表示装置１００の一変形例における画像表示装置１０を構成する画素ＰＸ１に対応する成分光ＧＬ１と、凹凸構造部ＵＳのうち成分光ＧＬ１に対応する箇所との関係について説明するための図である。図示のように、ここでは、画像表示装置１０を構成する画素の１つである画素ＰＸ１から、映像光ＧＬの成分光ＧＬ１が射出されているものとする。この場合、画素ＰＸ１からの成分光ＧＬ１は、拡大光学系としての接眼光学系２０により光線束の幅を広げつつ、観察者の眼ＥＹに到達する。すなわち、観察者の眼ＥＹに近づくほど、１つ分の画素に相当する画像となるべき成分光の光線束の幅は大きくなる。ここで、成分光ＧＬ１が、微細構造部ＭＳを通過する範囲を領域ＡＲ１とする。図示では、破線で囲んで示すように、領域ＡＲ１及びその周辺の領域を一部拡大して示している。ここでは一例として、領域ＡＲ１内において、一方向につき３つ分程度の凸部ＴＰすなわち一方向につき３回分程度の凹凸を有するように凹凸構造部ＵＳを形成している。これにより、１つの画素ＰＸ１に相当する画像に対して、ムラなく十分に拡散作用をもたらすことができると考えられる。

また、上記の場合、微細構造部ＭＳは、接眼光学系２０のうち最も観察者に近い側の面であるレンズ面２０ａに形成されているので、光路中において最も広がった状態の映像光に対して拡散作用を及ぼすようにできる。すなわち、従来のような映像素子を構成する各画素の直近にマイクロレンズアレイシートを貼り付けるような場合のように、画素と同程度に細かく、かつ、高精度な形状とする、といったことを要しない。

以上のように、本実施形態では、上式（１）を満たすように、微細構造部ＭＳや、画像表示装置１０及び接眼光学系２０を構成することによって、映像光ＧＬに対して、映像素子である画像表示装置１０を構成する各画素ＰＸのサイズを考慮して適切な程度の拡散作用を比較的簡易な構成で与えることができ、画素ＰＸの間の隙間を目立たなくして画像の視認性を良好な状態にできる。

〔第２実施形態〕
以下、図６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。本実施形態では、第１実施形態において詳細を説明しなかった接眼光学系を搭載した一例について説明する。すなわち、虚像表示装置の接眼光学系が、複数のレンズで構成され、かつ、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一部の光を折り返す構造を有するものについて、一例を説明する。なお、図６は、虚像表示装置を観察者が装着した場合の上方から見た光軸での断面の様子を示している。

図６に示す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、接眼光学系２２０と、微細構造部ＭＳとを備える。なお、微細構造部ＭＳは、接眼光学系２２０を構成するレンズのレンズ面に設けられるが、例えば図中のレンズ面Ｓ１〜Ｓ３のうち、いずれにおいても形成可能である。

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ＧＬを射出する。

接眼光学系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。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が、第１〜第４レンズＬ１〜Ｌ４については、例えば一部を樹脂製とし、他の一部をガラスモールド製としてもよい。

第１レンズＬ１は、接眼光学系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Ｌ１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。

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。

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、接眼光学系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。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さらに抑えられる。

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。ここでは、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。

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、接眼光学系２２０に向けて射出される。その後、映像光ＧＬは、接眼光学系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。この場合、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。

以上のような場合において、既述のように、微細構造部ＭＳは、接眼光学系２２０を構成するレンズＬ１〜Ｌ４のうち、例えばレンズ面Ｓ１〜Ｓ３に形成させることが考えられる。

まず、レンズ面Ｓ１は、レンズＬ１のうち観察者側すなわち、最も観察者に近い側の面である。したがって、レンズ面Ｓ１に微細構造部ＭＳを形成すれば、光路中において最も広がった状態の映像光に対して拡散作用を及ぼすようにできる。

また、レンズ面Ｓ２は、偏光変換部材２２を設ける平面であり。ここでは、偏光変換部材２２と第２レンズＬ２との間とする。この場合、レンズ面Ｓ２に微細構造部ＭＳを形成する際には、例えば微細構造部ＭＳをシート状の拡散部材で構成することが可能となる。このほか、レンズ面Ｓ３のように、ハーフミラー２１が形成される曲面にハーフミラー２１とともに微細構造部ＭＳを形成することも考えられる。なお、レンズ面Ｓ２，Ｓ３についても、画像表示装置２１０から比較的離れた位置にあるため、光路中における映像光は、ある程度広がった状態となっていると考えられる。また、上記のように、レンズ面Ｓ２，Ｓ３については、光が都合３回通過するため、拡散作用についても３倍程度となる。これを加味した形状あるいは構造の微細構造部ＭＳを形成することになる。また、レンズ面Ｓ２，Ｓ３に微細構造部ＭＳを設けた場合、レンズ上に設けられた微細構造部ＭＳが、接眼光学系２２０を構成する他のレンズと接合されて形成されるものとなる。具体的には、例えばレンズ面Ｓ３に微細構造部ＭＳを設ける場合、ハーフミラー２１となるべき誘電体多層膜とともに微細構造部ＭＳとなるべき凹凸構造部を第３レンズＬ３上に形成し、これらを間に挟み込むようにして、第３レンズＬ３と第２レンズＬ２とを接合することで、各部とともに、微細構造部ＭＳが形成される。この場合、微細構造部ＭＳは、レンズに挟まれた状態となるので、微細構造部ＭＳへの汚れの付着等を回避できる。また、第３レンズＬ３や第２レンズＬ２を樹脂製のレンズとすれば、微細構造部ＭＳの作製を含めた上記レンズユニットの作製を比較的容易に行うことができると考えられる。

以上のように、本実施形態においても、映像光に対して、映像素子を構成する各画素のサイズを考慮して適切な程度の拡散作用を比較的簡易な構成で与えることができ、画素の間の隙間を目立たなくして画像の視認性を良好な状態にできる。特に、本実施形態では、接眼光学系の種々の箇所において微細構造部を設けることができる。

〔第３実施形態〕
以下、図７を参照して、第３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、微細構造部を設ける範囲を除いて第１実施形態の場合と同様であるので、第１実施形態の場合と同様の機能を有するものについては、同じ符号を適用し、全体構造の詳細な説明等を省略する。

図７に示す本実施形態に係る虚像表示装置３００は、映像素子である画像表示装置１０と、接眼光学系２０と、微細構造部ＭＳとを備える。

本実施形態では、微細構造部ＭＳをレンズ面２０ａに設けるに際して、レンズ面２０ａの全体ではなく、接眼光学系２０（レンズＬＳ）の有効径のうち光軸ＡＸに近い中心側の一部のみに設けている点において、第１実施形態の場合と異なっている。

既述のように、虚像表示装置全般における広画角化に伴い、本実施形態においても、全画角（ＦＯＶ）の最大値が５０°を超えるように設計されている。すなわち、図７において有効径ＤＤに対応する破線ＬＬで示す視認可能な範囲としての画角範囲を十分に大きくとっている。本実施形態の場合、全画角（ＦＯＶ）φすなわち画角（視野角）の最大値φは、画像表示装置１０及び接眼光学系２０の配置や大きさ等によって決まることになる。

一方で、人の視野について、情報受容能力に優れる有効視野は、水平３０°、垂直２０°程度である。このことから、実際に見えている視野のうち、情報として視認できる領域は高々３０°程度であると考えられ、広画角化を進めつつも良好な視認性の確保をする、という観点からは、この領域についての解像度の高さを維持することが重要となる。すなわち、画素の間の隙間を目立たなくして画像の視認性を良好な状態にすることについても、情報受容能力に優れる有効視野について対応すれば足り、周辺側領域はそれほど解像度を必要としない可能性が高い。

そこで、本実施形態では、上記人の視野特性を加味して、レンズ面２０ａのうち、最大値φよりも狭い画角（視野角）η＝３０°となる範囲あるいはこれと同程度となる範囲を少なくともカバーする領域ＡＲＲにのみ、微細構造部ＭＳを設けている。

なお、本願のようにＦＯＶ５０°を超えるような広画角となるＨＭＤの場合では、例えば既知のヘッドトラッキング機能が設けられることが多く、観察者は、周辺部分が見たくなった場合は眼ではなく頭を動かしてみようとするため、観察者の視線は、常に画像の中心付近を向いた状態となり、周辺部分に視線が向けられることはほとんど無い。したがって、このような場合には、特に、画像表示としては解像度が必要な領域は画像表示の中心側領域に限られ、周辺側領域はそれほど解像度を必要としないと考えられる。また、ヘッドトラッキング機能については、本実施形態をはじめ、すべての実施形態において、ヘッドトラッキング機能を設けることが可能であることは言うまでもない。

以上のように、本実施形態においても、映像光に対して、映像素子を構成する各画素のサイズを考慮して適切な程度の拡散作用を比較的簡易な構成で与えることができ、画素の間の隙間を目立たなくして画像の視認性を良好な状態にできる。特に、本実施形態では、微細構造部を設ける範囲を限定して、構造を簡易なものとしつつ、人の視力に関して、情報受容能力に優れる有効視野の画像の状態を良好に維持できる。

〔その他〕
以上各実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の核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。

例えば、屈折率差Δｎについては、材料を変更するほか、微細構造部ＭＳを設ける際に凹凸構造部ＵＳを取り付けるための接着剤を用いるものとし、用いる接着剤によって変更する、といったことも考えられる。逆に、屈折率差Δｎの大小によって最大傾き角θの値を調整する、すなわち微細構造部ＭＳにおける凹凸構造部ＵＳの形状を定める。

本願発明の技術は、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に限らず、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するものとしてもよい。

また、例えば、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おいて、本願発明の技術を適用してもよい。さらに、ハンドヘルドタイプのディスプレイにおいて、本願発明の技術を適用してもよい。

また、図８に示す虚像表示装置４００のように、大型のパネルで構成される画像表示装置４１０、すなわち接眼光学系２０よりも大きな画像表示装置４１０を用いた場合において、本願発明の技術を適用してもよい。

また、画像表示装置としては、上記のほか、透過型の液晶表示デバイスとしてのＨＴＰＳや、その他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、上記では、図２を参照して例示したように、接眼光学系２０のレンズ面２０ａの全体に設けられる微細構造部ＵＳに関して、多数の半球状の凸部ＴＰ，ＴＰ…を、ある程度の大きさの違いを有した非周期的なランダム配置としているが、図９に示す一変形例のように、同一あるいはほぼ同一の大きさ・形状を有するものとして周期的な凹凸を形成するように配置してもよい。すなわち、図示に例示するように、径ＨＨが、０．０５ｍｍから２ｍｍまでの間隔のいずれかの一定値となっていて、周期的なピッチ幅を有する構成とすることができる。

また、観察者の眼ＥＹの開口幅をｄとした場合に、径ＨＨは、１つの画素ＰＸの幅ｔと、開口幅ｄとについて、２ｔ＜ＨＨ＜ｄ／３を満たすようにすることが考えられる。これにより、大きすぎて凹凸が眼に見えてしまうことや、小さすぎて凹凸による干渉が強くなってしまうことを防止できる。

１０…画像表示装置、１１…パネル部、１２…偏光板、２０…接眼光学系、２０ａ，２０ｂ…レンズ面、２１…ハーフミラー、２２…偏光変換部材、２３…半透過型偏光板、１００…虚像表示装置、２００…虚像表示装置、２１０…画像表示装置、２２０…接眼光学系、３００…虚像表示装置、４１０…画像表示装置、Ａ１…方向、ＡＲ１…領域、ＡＲＲ…領域、ＡＸ…光軸、ＢＭ…ブラックマトリクス、ＤＤ…有効径、ＥＹ…眼、ＧＬ…映像光、ＧＬ１…成分光、ＨＨ…最大径、Ｌ１〜Ｌ４…レンズ、ＬＬ…破線、ＬＳ…レンズ、ＭＳ…微細構造部、ＯＰ…光学素子、ＰＸ，ＰＸ１…画素、Ｓ１〜Ｓ３…レンズ面、ＳＦ…表面、ＴＰ…凸部、ＵＳ…凹凸構造部、ｆ…焦点距離、ｔ…幅、ｔａ…幅、Δｎ…屈折率差、η…画角（視野角）、θ…最大傾き角、φ…最大値

Claims (9)

1. 映像光を射出する映像素子と、
   前記映像素子からの映像光を虚像による画像として視認させる接眼光学系と、
   前記接眼光学系に設けられ、映像光を拡散する微細構造部と
   を備え、
   前記微細構造部における微細構造表面の前後での媒質の屈折率差をΔｎ、微細構造表面の光軸に対する最大傾き角をθとし、前記映像素子を構成する画素１つの幅をｔとし、光学系全体の焦点距離をｆとした場合に、
   

   

   を満たす、虚像表示装置。
2. 前記微細構造部は、前記映像素子を構成する画素１つの幅ｔに対応する映像光の光線束の幅よりも細かな凹凸を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記微細構造部は、０．０５ｍｍから２ｍｍまでの間の大きさの凹凸で構成される凹凸構造部を有する、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. 前記微細構造部において、前記凹凸構造部は、前記間隔の範囲で大きさの違いを有した非周期的な凹凸を有している、請求項３に記載の虚像表示装置。
5. 前記微細構造部は、前記接眼光学系のうち、最も観察者側の面に形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記微細構造部は、前記接眼光学系を構成するレンズのうち、樹脂製のレンズ上に設けられ、前記接眼光学系を構成する他のレンズと接合されて形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記接眼光学系は、樹脂製またはガラスモールド製のレンズで構成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記微細構造部は、シート状の拡散部材である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記微細構造部は、前記接眼光学系を構成するレンズの有効径のうち中心側の一部のみに設けられる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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