JP2023064611A - 表示光学系および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トリプルパスを含む光路を形成しながら、製造が容易で収差補正にも有利な表示光学系を提供する。【解決手段】表示光学系は、表示素子ＩＤからの光を観察側に導く。表示光学系は、第１レンズＧ１と、該第１レンズにおける第１レンズ面に対して接合された第２レンズ面を有する第２レンズＧ２と、第１レンズ面に設けられ、入射した光の一部を反射し、残りを透過させる第１光学機能面ＨＭ１と、第１光学機能面よりも観察側に配置され、第１光学機能面から入射した光を第１光学機能面に向けて反射し、該第１光学機能面で反射した光を透過させる第２光学機能面ＨＭ２とを有する。第１レンズ面は非球面、第２レンズ面は球面であり、第１レンズ面と第２レンズ面との間に接着剤層ＡＬを有する。【選択図】図５

Description

本発明は、表示素子に表示された原画像を拡大して表示する、ヘッドウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に好適な表示光学系に関する。

上記のような表示光学系として、特許文献１には、偏光選択性の半透過反射素子と接合レンズの接合部に設けられたフレネル形状の半透過反射面を用いた光学系が開示されている。この表示光学系では、半透過反射素子と接合レンズの半透過反射面での透過と反射を偏光により切り替えることで同一レンズ内を３回通るトリプルパスを含む光路を形成して、広視野角化と薄型化を実現している。接合レンズは、フレネルレンズと平板基板で構成され、接合部はフレネル形状面と平面間を光学接着剤で満たされている。

特開２０２０－２４２４６号公報

一般に、レンズ面をフレネル形状に形成するためには、加工性やコストの面からレンズは樹脂材料により作られる。しかしながら、偏光を用いてトリプルパスを形成する光学系に樹脂レンズを用いる場合において、樹脂材料の複屈折により偏光状態が理想状態から崩れると、不要光（ゴースト光）が発生する。

また、接合レンズの一方を平面基板とすると、平面基板に屈折力がないために収差補正の効果が得られず、光学系全体として収差を十分に補正することが困難である。

本発明は、トリプルパスを含む光路を形成しながらも、製造が容易で収差補正にも有利な表示光学系を提供する。

本発明の一側面としての表示光学系は、表示素子からの光を観察側に導く。該表示光学系は、第１レンズと、該第１レンズにおける第１レンズ面に対して接合された第２レンズ面を有する第２レンズと、第１レンズ面に設けられ、入射した光の一部を反射し、残りを透過させる第１光学機能面と、第１光学機能面よりも観察側に配置され、第１光学機能面から入射した光を第１光学機能面に向けて反射し、該第１光学機能面で反射した光を透過させる第２光学機能面とを有する。第１レンズ面は非球面、第２レンズ面は球面であり、第１レンズ面と第２レンズ面との間に接着剤層を有することを特徴とする。なお、上記表示光学系と表示素子とを有する画像表示装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、トリプルパスを含む光路を形成しながらも、製造が容易で収差補正にも有利な表示光学系を提供することができる。

実施例１の表示光学系の断面図。 実施例１における接合レンズの分解図。 実施例１の表示光学系の縦収差図。 実施例２の表示光学系の断面図。 実施例２における接合レンズの分解図。 実施例２の表示光学系の縦収差図。 実施例３の表示光学系の断面図。 実施例３における接合レンズの分解図。 実施例３の表示光学系の縦収差図。 実施例１～３の表示光学系における光路を示す図。 比較例の表示光学系の断面図。 比較例における接合レンズの分解図。 比較例の表示光学系の縦収差図。 実施例１、２の表示光学系を用いたＨＭＤを示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１、図４および図７はそれぞれ、本発明の実施例１、２および３の表示光学系の構成を示している。各図において、ＩＤは画像表示素子、ＳＰは瞳面（射出瞳位置）である。

画像表示素子ＩＤは、ＬＣＤパネルや有機ＥＬパネル等により構成され、外部から入力された映像信号に応じた原画像を表示する。瞳面ＳＰの付近には観察者の眼が配置される。表示光学系は、画像表示素子ＩＤ（原画像）から出射した光を観察者の眼に導く。これにより、観察者は、原画像の拡大像を観察することができる。瞳面ＳＰには、絞りが配置されている。以下の説明において、画像表示素子ＩＤ側を表示素子側といい、瞳面ＳＰ側を観察側という。

表示光学系において、ＰＯＬは直線偏光板、ＱＷＰ２は４分の１波長板としてのλ／４板（後述する第２λ／４板）である。Ｇ１は第１レンズ、Ｇ２は第２レンズである。第１レンズＧ１と第２レンズＧ２は互いに接合されて接合レンズＣＬを構成している。ＨＭ１は第１レンズＧ１と第２レンズＧ２の接合部に設けられたハーフミラーとしての第１半透過反射面（第１光学機能面）である。第１半透過反射面ＨＭ１は、入射した光の一部を反射し、残りを透過させる。ＨＭ２は第２レンズＧ２の観察側のレンズ面に設けられた第２半透過反射面（第２光学機能面）であり、後述するようにλ／４板と偏光選択性反射素子とにより構成されている。

図２、図５および図８はそれぞれ、実施例１、２および３における接合レンズＣＬを分解して示している。各実施例の接合レンズＣＬに共通する構成は以下の通りである。

第１レンズＧ１における表示素子側または観察側の第１レンズ面に対して、第２レンズＧ２における観察側または表示素子側の第２レンズ面が接合されている。第１半透過反射面ＨＭ１は、第１レンズＧ１の第１レンズ面に設けられている。

第１レンズ面は、非球面である。このため、第１レンズ面に設けられた第１半透過面ＨＭ１も非球面形状を有し、収差補正に有利となる。一方、第２レンズ面は球面である。第１レンズ面と第２レンズ面は、光学接着剤（接着剤層）ＡＬにより接合されている。すなわち、第１レンズ面（第１半透過面ＨＭ１）と第２レンズ面との間には光学接着剤が満たされており、空隙は生じない。光学接着剤としては、例えば協立化学産業株式会社製ワールドロック８１００／８８００シリーズを用いることができる。

第１半透過反射面ＨＭ１よりも観察側に、第２半透過反射面ＨＭ２が設けられている。

図１０は、各実施例の表示光学系における偏光を利用したトリプルパスを含む光路を示している。表示光学系は、観察（瞳面ＳＰ）側から表示（画像表示素子ＩＤ）側へ順に、偏光選択性反射素子（ＰＢＳ）Ａと、第１λ／４板（ＱＷＰ１）Ｂと、第１半透過反射面（ＨＭ１）Ｃとを有する。偏光選択性反射素子Ａと第１λ／４板Ｂとにより第２半透過反射面ＨＭ２が構成される。

さらに表示光学系は、第１半透過反射面ＨＭ１側から表示素子側へ順に、第２λ／４（ＱＷＰ２）Ｄと、直線偏光板（ＰＯＬ）Ｅとを有する。

偏光選択性反射素子Ａは、直線偏光板Ｅを通過する直線偏光と同じ第１偏光方向の直線偏光を反射し、第１偏光方向に直交する第２偏光方向の直線偏光を透過させる。偏光選択性反射素子Ａは、例えば、ワイヤーグリッド偏光子により構成され、そのワイヤーグリッド形成面が半透過反射面として機能する。第１半透過反射面Ｃは、金属蒸着膜や誘電体多層膜により形成されている。

第１λ／４板Ｂと第２λ／４板Ｄは、それぞれの遅相軸が図中の下部に矢印で示すように互いに９０°傾くように配置されている。また、第１λ／４板Ｂは、その遅相軸が図中の下部に矢印で示す直線偏光板Ｅの偏光透過軸に対して４５°傾くように配置されている。

画像表示素子ＩＤから出射した無偏光光が直線偏光板Ｅに入射すると、第１偏光方向の直線偏光が直線偏光板Ｅを透過して出射する。該直線偏光は第２λ／４板Ｄによって円偏光に変換され、該円偏光は第１半透過反射面Ｃに入射する。第１半透過反射面Ｃに入射した光の一部は第１半透過反射面Ｃで反射されて、第２λ／４板Ｄから出射した円偏光とは逆回りの円偏光となる。該円偏光は、第２λ／４板Ｄに戻り、第２λ／４板Ｄによって第２偏光方向の直線偏光に変換される。該直線偏光は、不要光として直線偏光板Ｅに戻り、直線偏光板Ｅで吸収される。

一方、第１半透過反射面Ｃに入射した光のうちこれを透過した表示光としての円偏光は、第１λ／４板Ｂによって第１偏光方向の直線偏光に変換され、該直線偏光は偏光選択性反射素子Ａに入射して偏光選択性反射素子Ａの偏光選択性により反射される。反射された直線偏光は、第１λ／４板Ｂによって最初に第２λ／４板Ｄから出射した円偏光と同じ回転方向の円偏光に変換される。該円偏光は、第１半透過反射面Ｃで反射されて、反射前とは逆回りの円偏光となる。該円偏光は、第１λ／４板Ｂに入射して第２偏光方向の直線偏光に変換される。該直線偏光は、偏光選択性反射素子Ａに入射し、その偏光選択性によりこれを透過して瞳面ＳＰに導かれる。

このように、画像表示素子ＩＤから出射した光は、ＨＭ１（Ｃ）の透過→ＰＢＳ（Ａ）での反射→ＨＭ１（Ｃ）での反射→ＰＢＳ（Ａ）の透過という一部に往復光路を含むトリプルパスを辿って瞳面ＳＰに導かれる。なお、各実施例では、トリプルパスを含む光路を形成する接合レンズＣＬ（第１および第２レンズＧ１、Ｇ２）をガラス材料で作ることで、樹脂材料で生じる複屈折の影響を低減している。

図１１は、各実施例に対する比較例としての表示光学系を示している。図１２は、比較例における接合レンズＣＬを分解して示している。

比較例における接合レンズも、２つのガラスレンズの間の接合部に非球面形状の第１半透過面ＨＭ１を有する。ただし、２つのガラスレンズのそれぞれの接合面は両方とも非球面となっている。ガラスレンズにおいて非球面を形成するには、ガラスモールド加工や切削加工を用いるため、球面研磨加工により球面を形成する場合と比べて製造コストが増加し易い。

これに対して各実施例では、トリプルパスを含む光路を形成する接合レンズＣＬの光学パワーにおいて、第１半透過反射面ＨＭ１の反射作用での光学パワーが支配的であることを利用し、第１半透過反射面ＨＭ１を第１レンズにおける非球面形状の接合面である第１レンズ面に設ける。一方、第２レンズＧ２の接合面である第２レンズ面を球面とする。このように、接合される２つのガラスレンズのうち一方を非球面レンズとし、もう一方を球面レンズとすることで、２つのガラスレンズを非球面レンズとする場合よりも製造コストを低減することができる。

また、ガラスレンズに非球面を設ける場合には、加工上使用できるガラス材料が限定されるが、２つのガラスレンズのうち一方を球面レンズとすることで、該球面レンズの材料の選択自由度が上がり、諸収差（特に色収差）の補正に有効である。

以上のように、各実施例では、接合する２つのレンズを原理的に複屈折が小さいガラスレンズとし、一方を非球面レンズ、他方を球面レンズとすることで、複屈折の影響（不要光の発生等）を抑えつつ製造コストを低減した接合レンズを実現する。

また、各実施例において、第１半透過反射面ＨＭ１は、前述したように金属膜（蒸着膜）を少なくとも部分的に含むように又は誘電体多層膜により形成することが好ましい。金属膜を有することで偏光特性や角度特性に有利となり、誘電体多層膜により形成することで膜吸収（透過率）に有利となる。金属膜を部分的に含む半透過反射面としては、例えば金属膜の完全反射面を市松模様等を形成するように設けた半透過反射面がある。

また、各実施例において、第２半透過反射面ＨＭ２は、前述したワイヤーグリッド偏光子のような偏光反射素子であることが好ましい。偏光反射素子を用いることで、偏光の利用によってトリプルパスを含む光路を辿る正規光（表示光）とそれ以外の不要光とを分離することができる。

また、各実施例において、第１レンズＧ１の第１レンズ面を表示素子側に向かって凸面となる形状の面として、反射面としての第１半透過反射面ＨＭ１を観察側に向かって凹面となる形状の面（凹面鏡）として形成することが好ましい。接合レンズＣＬにおける主たる光学パワーを凹面鏡で分担することで、表示光学系に含まれる屈折面での色収差の補正の分担割合を低減することができる。また、反射面と屈折面では同じ符号の光学パワーを付与したときのペッツバール項の符号が異なる。このため、反射面と屈折面とで発生するペッツバール項を相殺することで、表示光学系全体を短焦点距離化したときに生じる像面湾曲を補正することができる。

また、各実施例において、接合レンズＣＬを構成する第１レンズＧ１と第２レンズＧ２の焦点距離（空気換算値）は、その符号（正負）が互いに異なることが好ましい。ここにいう第１レンズＧ１の焦点距離は、第１レンズ面の参照曲率半径（第１レンズ面の頂点と有効径端を結ぶ参照球面の曲率半径）から求まる焦点距離である。また、第１レンズＧ１が複合非球面レンズである場合は、母材である球面レンズの曲率半径を参照曲率半径とする。このことは、第２レンズＧ２についても同じである。第１レンズＧ１と第２レンズＧ２をそれらの焦点距離の符号が互いに異なる正レンズと負レンズとすることで、球面収差や色収差の補正に有利となる。

また、各実施例において、第１レンズＧ１における第１レンズ面とは反対側の面と第２レンズＧ２における第２レンズ面とは反対側の面のうちいずれかである出射面は、平面であることが好ましい。この平面としての出射面に第２半透過反射面ＨＭ２を構成する偏光反射素子を接合することで、表示光学系の薄型化を実現できる。さらに、偏光反射素子との接合面を平面とすることで、該平面への偏光反射素子の接合加工を容易とすることができる。

また、レンズＧ１とレンズＧ２の材料をガラス材料で構成することで、光学系の複屈折を低減している。また、接合レンズＣＬの主たる光学的パワーを分担する第１の半透過反射面ＨＭ１を有するレンズＧ１を非球面レンズとする一方、接合相手であるレンズＧ２は球面レンズで構成している。この構成により、ガラス材料を用いつつ製造コストを低減した接合レンズＣＬを実現している。

次に、各実施例の表示光学系が満足することが好ましい条件について説明する。第１レンズＧ１の第１レンズ面と第２レンズＧ２の第２レンズ面との光軸上の間隔をＤｃ、表示光学系全系のｄ線における焦点距離をｆとする。なお、焦点距離ｆは、画像表示素子ＩＤから瞳面ＳＰまでの光路中に奇数回の中間結像がある場合は絶対値とする。また、第１レンズＧ１の第１レンズ面（非球面）の参照曲率半径をＲ１ｒｅｆ、第２レンズＧ２の第２レンズ面（球面）の曲率半径をＲ２とする。また、接合レンズＣＬにおける最も観察側のレンズ面から最も表示素子側のレンズ面までの光軸上の距離をＬｃとする。

このとき、以下の式（１）～（３）で示す条件のうち少なくとも１つを満足することが好ましい。

０．０１≦（Ｄｃ×１００）／ｆ≦１０．００ （１）
０．８≦｜Ｒ１ｒｅｆ／Ｒ２｜≦１．２ （２）
０．４≦Ｌｃ／ｆ≦１．５ （３）
式（１）は、接合レンズＣＬの接合部に設けられる接着剤層ＡＬの厚みに関する条件を示している。（Ｄｃ×１００）／ｆが式（１）の下限を下回ると、接着剤層ＡＬが薄くなりすぎて、第１レンズ面と第２レンズ面の干渉を避けることが困難となるため、好ましくない。（Ｄｃ×１００）／ｆが式（１）の上限を上回ると、接着剤層ＡＬが厚くなりすぎて、温度変化時の接着剤層ＡＬの膨張による接合部の分離等が生じ耐環境性の確保が困難となるため、好ましくない。

式（２）は、接合部に配置された非球面と球面の曲率半径の関係に関する条件を示している。式（２）の条件を満足すことで、接合部における非球面と球面の干渉を避けつつ、接着剤層ＡＬの薄型化を実現できる。｜Ｒ１ｒｅｆ／Ｒ２｜が式（２）の上限と下限の範囲を外れると、非球面と球面を干渉を避けるように配置したときの接着剤層ＡＬの中心肉厚またはコバ厚のいずれかが厚くなりすぎるため、好ましくない。

式（３）は、接合レンズＣＬの厚みに関する条件を示している。Ｌｃ／ｆが式（３）の下限を下回ると、接合レンズＣＬの厚みが薄くなりすぎることで、第１半透過反射面ＨＭ１の曲率半径が大きくなりすぎる。このとき、第１半透過反射面ＨＭ１の反射作用による光学パワーが小さくなりすぎて、表示光学系の短焦点距離化が困難となるため、好ましくない。一方、Ｌｃ／ｆが式（３）の上限を上回ると、接合レンズＣＬの厚みが厚くなりすぎて、表示光学系が大型化し、重量も増加するため、好ましくない。

なお、式（１）～（３）の数値範囲を以下のように設定するとより好ましい。

０．０５≦（Ｄｃ×１００）／ｆ≦５．００ （１ａ）
０．８≦｜Ｒ１ｒｅｆ／Ｒ２｜≦１．２ （２ａ）
０．５≦Ｌｃ／ｆ≦１．２ （３ａ）
また、式（１）～（３）の数値範囲を以下のように設定するとさらに好ましい。

０．１≦（Ｄｃ×１００）／ｆ≦２．０ （１ｂ）
０．８≦｜Ｒ１ｒｅｆ／Ｒ２｜≦１．２ （２ｂ）
０．６≦Ｌｃ／ｆ≦０．９ （３ｂ）
後述する実施例１において、第１レンズＧ１は第２レンズＧ２よりも表示素子側に配置されている。実施例１において、第２レンズＧ２のｄ線における焦点距離をｆ２、第１レンズＧ１および第２レンズＧ２の材料のｄ線を基準とするアッベ数をそれぞれ、νｄ１およびνｄ２とする。なお、νｄ１は、第１レンズＧ１が母材としての球面レンズに非球面を設けた複合非球面レンズである場合は、球面レンズの材料のアッベ数である。このとき、以下の式（４）、（５）で示す条件のうち少なくとも１つを満足することが好ましい。

２．０≦ｆ２／ｆ≦３０．０ （４）
０．２≦νｄ１／νｄ２≦１．０ （５）
式（４）は、第２レンズＧ２の焦点距離ｆ２と表示光学系の焦点距離ｆとの関係に関する条件を示している。内部にトリプルパスが形成される第２レンズＧ２に正の光学パワーを与えることで、表示光学系全体の屈折による光学パワーのうち大部分を第２レンズＧ２に分担させている。

ｆ２／ｆが式（４）の下限を下回ると、第２レンズＧ２の焦点距離が短く（光学パワーが大きく）なりすぎて、コバ厚を確保するためのレンズ肉厚が増加するため、好ましくない。一方、ｆ２／ｆが式（４）の上限を上回ると、第２レンズＧ２の焦点距離が長く（光学パワーが小さく）なりすぎて、表示光学系の短焦点距離化が困難となるため、好ましくない。

式（５）は、接合レンズＣＬを構成する第１および第２レンズＧ１、Ｇ２のアッベ数νｄ１、νｄ２の関係に関する条件を示している。式（５）の条件を満足することで、接合レンズＣＬでの色消しを実現できる。νｄ１／νｄ２が式（５）の下限を下回ると、色消しが過剰となるとともに、第１および第２レンズＧ１、Ｇ２の材料の選択自由度が低くなるため、好ましくない。一方、νｄ１／νｄ２が式（５）の上限を上回ると、正の光学パワーを有する接合レンズＣＬにおいて、色収差の補正が不十分となり得るため、好ましくない。

なお、式（４）、（５）のうち少なくとも一方の数値範囲を以下のように設定するとより好ましい。

３．５≦ｆ２／ｆ≦２５．０ （４ａ）
０．２５≦νｄ１／νｄ２≦０．７５ （５ａ）
また、式（４）、（５）のうち少なくとも一方の数値範囲を以下のように設定するとさらに好ましい。

５．０≦ｆ２／ｆ≦２０．０ （４ｂ）
０．３≦νｄ１／νｄ２≦０．５ （５ｂ）
後述する実施例２および実施例３において、第１レンズＧ１は第２レンズＧ２より観察側に配置されている。実施例２、３において、第１レンズＧ１のｄ線における焦点距離をｆ１、第１レンズＧ１および第２レンズＧ２の材料のｄ線を基準とするアッベ数をそれぞれ、νｄ１およびνｄ２とする。なお、νｄ１は、第１レンズＧ１が母材としての球面レンズに非球面を設けた複合非球面レンズである場合は、球面レンズの材料のアッベ数である。このとき、以下の式（６）、（７）で示す条件のうち少なくとも１つを満足することが好ましい。

２．０≦ｆ１／ｆ≦３０．０ （６）
０．２≦νｄ２／νｄ１≦１．０ （７）
式（６）は、第１レンズＧ１の焦点距離ｆ１と表示光学系の焦点距離ｆとの関係に関する条件を示している。内部にトリプルパスが形成される第１レンズＧ１に正の光学パワーを与えることで、表示光学系全体の光学パワーのうち大部分を第１レンズＧ１に分担させている。ｆ１／ｆが式（６）の下限を下回ると、第２レンズＧ１の焦点距離が短く（光学パワーが大きく）なりすぎて、コバ厚を確保するためのレンズ肉厚が増加するため、好ましくない。一方、ｆ１／ｆが式（６）の上限を上回ると、第１レンズＧ１の焦点距離が長く（光学パワーが小さく）なりすぎて、表示光学系の短焦点距離化が困難となるため、好ましくない。

式（７）は、接合レンズＣＬを構成する第１および第２レンズＧ１、Ｇ２のアッベ数νｄ１、νｄ２の関係に関する条件を示している。式（７）の条件を満足することで、接合レンズＣＬでの色消しを実現できる。νｄ１／νｄ２が式（７）の下限を下回ると、色消しが過剰となるとともに、第１および第２レンズＧ１、Ｇ２の材料の選択自由度が低くなるため、好ましくない。一方、νｄ１／νｄ２が式（７）の上限を上回ると、正の光学パワーを有する接合レンズＣＬにおいて、逆の色消し状態となるため、好ましくない。

なお、実施例２においては、式（６）、（７）のうち少なくとも一方の数値範囲を以下のように設定するとより好ましい。

３．５≦ｆ１／ｆ≦２５．０ （６ａ）
０．２５≦νｄ２／νｄ１≦０．７５ （７ａ）
また、実施例２においては、式（６）、（７）のうち少なくとも一方の数値範囲を以下のように設定するとさらに好ましい。

５．０≦ｆ１／ｆ≦２０．０ （６ｂ）
０．３≦νｄ２／νｄ１≦０．５ （７ｂ）
実施例１、２においては、表示光学系において光学パワーを有する素子は接合レンズＣＬのみである。すなわち、表示光学系全体の光学パワーは、接合レンズＣＬによって与えられている。これにより、表示光学系の薄型化を実現している。

なお、実施例１～３において第１および第２レンズＧ１、Ｇ２を接合することにより、画像表示素子ＩＤからの表示光が第１および第２レンズＧ１、Ｇ２のうち表示素子側に配置されたレンズの観察面側の界面で全反射することを抑制できる。これは、表示光学系を広視野角化するときに重要である。

以下、実施例１～３について説明する。また、実施例３の後には、実施例１～３にそれぞれ対応する数値例１～３と図１１、１２に示した比較例の数値例を示す。

図１に示す実施例１（数値例１）の表示光学系は、視野角（半画角×２）が７０°で、アイレリーフ（最も観察側の面から瞳面ＳＰまでの距離）が１８ｍｍ、視度が０ディオプタの光学系であり、図２に示す接合レンズＣＬを有する。

実施例１の表示光学系は、画像表示素子ＩＤと、表示素子側から観察側へ順に配置された、非球面レンズとしての第１レンズＧ１と平凸球面レンズとしての第２レンズＧ２が接着剤層ＡＬを介して接合された接合レンズＣＬとを有する。接合レンズＣＬと画像表示素子ＩＤとの間には、表示素子側から順に、直線偏光板ＰＯＬと第２λ／４板ＱＷＰ２が配置されている。

第１の半透過反射面ＨＭ１は、第１レンズＧ１の観察側の非球面である第１レンズ面に非球面形状を有するように設けられている。第２レンズＧ２の表示素子側の球面である第２レンズ面は、第１の半透過反射面ＨＭ１が設けられた第１レンズ面と光学接着剤（ＡＬ）により接合されている。また、第２レンズＧ２の観察側の面に第２半透過反射面ＨＭ２が設けられている。

本実施例の表示光学系は、第２レンズＧ２内のトリプルパスを含んで広視野角が得られる光路を薄型の構成で実現している。

図３は、数値例１の表示光学系の縦収差（球面収差、非点収差、歪曲および倍率色収差）を示している。球面収差図において、ＥＰＤはアイレリーフを示し、実線はｄ線（波長５８７．６ｎｍ）に対する球面収差を、一点鎖線はｇ線（波長４３５．８ｎｍ）に対する球面収差をそれぞれ示している。非点収差図において、実線ΔＳはサジタル像面を、破線ΔＭはメリディオナル像面を示している。歪曲収差はｄ線に対するものを示している。倍率色収差図はｇ線における倍率色収差を示している。ωは半画角（°）である。これら収差図についての説明は、他の数値例の収差図でも同じである。図１３は、比較例の数値例（アイレリーフ１８ｍｍ、視度０ディオプタ）の縦収差を示している。

また、表１に数値例１における式（１）～（５）の値をまとめて示している。数値例１は式（１）～（５）の条件をすべて満足している。表２には数値列１における非球面の参照曲率半径とこれから求まる焦点距離を示している。

図４に示す実施例２（数値例２）の表示光学系は、視野角が７２°で、アイレリーフが１８ｍｍ、視度が０ディオプタの光学系であり、図５に示す接合レンズＣＬを有する。

実施例２の表示光学系は、画像表示素子ＩＤと、表示素子側から観察側へ順に配置された、複合非球面レンズとしての第２レンズＧ２と平凸非球面レンズとしての第１レンズＧ１が接着剤層ＡＬを介して接合された接合レンズＣＬとを有する。複合非球面レンズは、母材としての球面レンズに非球面成分を樹脂レンズでレプリカ成形した非球面レンズであり、その製造コストは一般的にガラスモールド非球面レンズや切削非球面レンズと球面レンズとの中間である。接合レンズＣＬと画像表示素子ＩＤとの間には、表示素子側から順に、直線偏光板ＰＯＬと第２λ／４板ＱＷＰ２が配置されている。

第１の半透過反射面ＨＭ１は、第１レンズＧ１の表示素子側の非球面である第１レンズ面に非球面形状を有するように設けられている。第２レンズＧ２の観察側の球面である第２レンズ面は、第１の半透過反射面ＨＭ１が設けられた第１レンズ面と光学接着剤（ＡＬ）により接合されている。また、第１レンズＧ１の観察側の面に第２半透過反射面ＨＭ２が設けられている。

本実施例の表示光学系は、第１レンズＧ１内のトリプルパスを含んで広視野角が得られる光路を薄型の構成で実現している。

図６は、数値例２の表示光学系の縦収差を示している。また、表１に数値例２における式（１）～（３）、（６）および（７）の値をまとめて示している。数値例２は式（１）～（３）、（６）および（７）の条件をすべて満足している。表２には数値列２における非球面の参照曲率半径とこれから求まる焦点距離を示している。

図７に示す実施例３（数値例３）の表示光学系は、視野角が７０°で、アイレリーフが１８ｍｍ、視度が０ディオプタの光学系であり、図８に示す接合レンズＣＬを有する。

実施例３の表示光学系は、実施例１、２に対して、リレーレンズ群ＲＬを追加して中間像を形成した表示光を接合レンズＣＬに導く点で異なる。リレーレンズ群ＲＬを配置することで、実施例１、２より小型の画像表示素子ＩＤを用いて広視野角な表示光学系を実現している。

実施例３の表示光学系は、画像表示素子ＩＤと、表示素子側から観察側へ順に配置された、リレーレンズ群ＲＬ、偏光選択性反射素子ＰＢＳ２とλ／４板ＱＷＰ３により構成された平面コンバイナおよび接合レンズＣＬとを有する。接合レンズＣＬは、平凹球面レンズとしての第２レンズＧ２と平凸非球面レンズとしての第１レンズＧ１が接着剤層ＡＬを介して接合されることで構成されている。本実施例では、偏光選択性反射素子ＰＢＳ２とλ／４板ＱＷＰ３が実施例１、２における直線偏光板ＰＯＬと第２λ／４板ＱＷＰ２に相当する。

第１の半透過反射面ＨＭ１は、第１レンズＧ１の表示素子側の非球面である第１レンズ面に非球面形状を有するように設けられている。第２レンズＧ２の観察側の球面である第２レンズ面は、第１の半透過反射面ＨＭ１が設けられた第１レンズ面と光学接着剤（ＡＬ）により接合されている。また、接合レンズＣＬを構成する第１レンズＧ１と第２レンズＧ２を同じ材料で作り、空気との界面を平面とすることで、後述するシングルパスの光路で光学パワーがほぼゼロとなるようにしている。

第１レンズＧ１の観察側の面には、偏光選択性反射素子ＰＢＳと第１λ／４板ＱＷＰ１により構成される第２半透過反射面ＨＭ２が設けられている。第２半透過反射面ＨＭ２と上述した平面コンバイナを用いることで、図７の右側から偏光選択性反射素子ＰＢＳ２を透過した外光は接合レンズＣＬをシングルパスで通過してほぼ等倍で観察される。一方、画像表示素子ＩＤからの表示光は、接合レンズＣＬをトリプルパスで通過することで拡大観察される。これにより、いわゆる光学シースルータイプの表示光学系を実現している。

図９は、数値例３の表示光学系の縦収差を示している。また、表１に数値例３における式（１）～（３）の値をまとめて示している。数値例２は式（１）～（３）の条件をすべて満足している。表２には数値列３における非球面の参照曲率半径とこれから求まる焦点距離を示している。

以下、数値例１～３および図１１、１２に示した比較例の数値例を示す。各数値例において、ｉは瞳面（絞り）ＳＰから画像表示素子（像面）ＩＤまでの面の順序を示し、ｒはレンズ面の曲率半径である。ｄは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の光軸上でのレンズ厚または空気間隔である。ｎｄは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の光学材料のｄ線に対する屈折率、νｄは第ｉ面と第ｉ＋１面との間の光学材料のｄ線を基準とするアッベ数を示す。

アッベ数νｄは、フラウンホーファ線のｄ線（５８７．６ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）における屈折率をＮｄ、ＮＦ、ＮＣとするとき、νｄ＝（Ｎｄ－１）／（ＮＦ－ＮＣ）で表される。

ＢＦは像面と画像表示素子ＩＤとの間の光軸上の距離としてのバックフォーカスであり、各数値例で０である。「レンズ全長」は、表示光学系の最も観察側のレンズ面から最も表示素子側のレンズ面までの光軸上の距離である。

面番号に付された「＊」は、その面が非球面であることを意味する。非球面形状は、光軸方向での面頂点からの変位量をｘ、光軸に直交する方向での光軸からの高さをｈ、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ａ４，Ａ６，Ａ８，Ａ１０を非球面係数とするとき、以下の式で表される。円錐定数と非球面係数の「ｅ－ｘ」は１０^-xを意味する。

ｘ＝（ｈ²／Ｒ）／［１＋｛１－（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）²｝^1/2］
＋Ａ４・ｈ⁴＋Ａ６・ｈ⁶＋Ａ８・ｈ⁸＋Ａ１０・ｈ¹⁰
（数値例１）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 6.00
2 ∞ 0.20 1.46000 50.0 45.50
3 ∞ 0.20 1.51000 50.0 45.50
4 ∞ 0.20 1.58000 50.0 45.50
5 ∞ 8.50 1.52841 76.5 45.50
6 -46.822 0.10 1.58000 50.0 45.50
7* -46.556 -0.10 45.50
8 -46.822 -8.50 1.52841 76.5 45.50
9 ∞ -0.20 1.58000 50.0 45.50
10 ∞ 0.20 45.50
11 ∞ 8.50 1.52841 76.5 45.50
12 -46.822 0.10 1.58000 50.0 45.50
13* -46.556 2.40 1.68948 31.0 45.50
14* -17.258 0.30 30.00
15 ∞ 0.20 1.58000 50.0 35.00
16 ∞ 0.20 1.46000 50.0 35.00
17 ∞ 1.12 35.00
18 ∞ 0.70 1.51633 64.1 35.00
19 ∞ 0.00 35.00
像面 ∞

非球面データ
第7面
ｋ = 0.00000e+000 A 4=-1.15729e-006 A 6= 1.15655e-008 A 8=-7.04383e-011
A10= 2.16352e-013 A12=-3.28102e-016 A14= 2.01443e-019
第13面
ｋ = 0.00000e+000 A 4=-1.15729e-006 A 6= 1.15655e-008 A 8=-7.04383e-011
A10= 2.16352e-013 A12=-3.28102e-016 A14= 2.01443e-019
第14面
ｋ = 0.00000e+000 A 4= 5.73257e-004 A 6=-5.23483e-006 A 8= 2.74722e-008
A10=-7.53761e-011 A12= 8.83906e-014

各種データ
焦点距離 14.10
瞳径 18.00
半画角(°) 35.00
レンズ全長(inG) 14.12
BF 0.00

d 1 18.00
d19 0.00

入射瞳位置 0.00
射出瞳位置 11.92
前側主点位置 30.77
後側主点位置 -14.10

レンズ群データ
群 始面 焦点距離 レンズ構成長 前側主点位置 後側主点位置
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 14.10 14.12 12.77 -14.10

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
G2 5 88.61
CL 6 12397.47
G1 13 38.49

（数値例２）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 6.63
2 ∞ 0.20 1.46000 50.0 48.00
3 ∞ 0.20 1.51000 50.0 48.00
4 ∞ 0.20 1.58000 50.0 48.00
5 ∞ 9.40 1.55332 71.7 48.00
6* -52.972 -9.40 48.00
7 ∞ -0.20 1.58000 50.0 48.00
8 ∞ 0.20 48.00
9 ∞ 9.40 1.55332 71.7 48.00
10* -52.972 0.20 1.58000 50.0 48.00
11 -58.319 2.20 1.76182 26.5 48.00
12 -199.995 0.55 1.52400 51.4 32.00
13* -19.961 0.50 32.00
14 ∞ 0.20 1.58000 50.0 40.00
15 ∞ 0.20 1.46000 50.0 40.00
16 ∞ 1.58 40.00
17 ∞ 0.70 1.51633 64.1 40.00
18 ∞ 0.00 40.00
像面 ∞

非球面データ
第6面
ｋ = 0.00000e+000 A 4=-1.05317e-006 A 6= 7.21972e-009 A 8=-3.41638e-011
A10= 8.65674e-014 A12=-1.10781e-016 A14= 5.80828e-020
第10面
ｋ = 0.00000e+000 A 4=-1.05317e-006 A 6= 7.21972e-009 A 8=-3.41638e-011
A10= 8.65674e-014 A12=-1.10781e-016 A14= 5.80828e-020
第13面
ｋ = 0.00000e+000 A 4= 4.09835e-004 A 6=-2.94694e-006 A 8= 1.16881e-008
A10=-2.39641e-011 A12= 2.07901e-014

各種データ

焦点距離 16.00
瞳径 18.50
半画角(°) 36.00
レンズ全長(inG) 16.13
BF 0.00

d 1 18.00

入射瞳位置 0.00
射出瞳位置 18.37
前側主点位置 29.94
後側主点位置 -16.00

レンズ群データ
群 始面 焦点距離 レンズ構成長 前側主点位置 後側主点位置
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 16.00 16.13 11.94 -16.00

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
G1 5 95.74
CL 10 -1010.12
G2 11 -108.79
Replica 12 42.27

（数値例３）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径(Y,Z)
1(絞り) ∞ (可変) 4.00, 4.00
2 ∞ 4.50 1.55332 71.7 32.00, 41.00
3* -86.730 -4.50 32.00, 41.00
4 ∞ 4.50 32.00, 41.00
5* -86.730 0.02 1.58000 50.0 32.00, 41.00
6 -95.909 1.98 1.55332 71.7 32.00, 41.00
7 ∞ 16.00 32.00, 41.00
8 ∞ -32.00 42.00, 60.00
9 94.927 47.03 45.00, 45.00
10 13.769 3.37 1.89190 37.1 14.20, 14.20
11 -432.549 2.26 13.50, 13.50
12 -21.752 1.00 1.95906 17.5 12.00, 12.00
13 87.985 1.79 11.70, 11.70
14 10.265 6.50 1.61800 63.3 11.10, 11.10
15 -21.036 1.36 10.00, 10.00
16* 153.004 3.50 1.63550 23.9 9.50, 9.52
17* 14.937 3.05 11.10, 11.10
18 ∞ 0.70 1.51633 64.1 30.00, 30.00
19 ∞ 0.00 30.00, 30.00
像面 ∞

非球面データ
第3面
ｋ = 0.00000e+000 A 4= 6.22446e-007 A 6= 1.70794e-009 A 8=-4.53468e-013
A10=-9.17537e-016
第5面
ｋ = 0.00000e+000 A 4= 6.22446e-007 A 6= 1.70794e-009 A 8=-4.53468e-013
A10=-9.17537e-016
第16面
ｋ = 0.00000e+000 A 4=-1.15070e-003
第17面
ｋ = 0.00000e+000 A 4=-4.20628e-004 A 6=-4.90385e-006

各種データ
焦点距離 -9.00
瞳径 4.00
半画角(°) 35.00
レンズ全長(inG) 93.07
BF 0.00

d 1 18.00

入射瞳位置 0.00
射出瞳位置 -6.54
前側主点位置 -21.38
後側主点位置 9.00

レンズ群データ
群 始面 焦点距離 レンズ構成長 前側主点位置 後側主点位置
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 -9.00 61.07 -39.38 9.00

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
G1 1 156.74
CL 5 -1563.58
G2 6 -173.33
G3 10 15.01
G4 12 -18.10
G5 14 12.12
G6 16 -26.31

（比較例）
単位 mm

面データ
面番号 r d nd νd 有効径
1(絞り) ∞ (可変) 6.00
2 ∞ 0.20 1.46000 50.0 45.50
3 ∞ 0.20 1.51000 50.0 45.50
4 ∞ 0.20 1.58000 50.0 45.50
5 ∞ 8.50 1.55332 71.7 45.50
6* -46.752 -8.50 45.50
7 ∞ -0.20 1.58000 50.0 45.50
8 ∞ 0.20 45.50
9 ∞ 8.50 1.55332 71.7 45.50
10* -46.752 0.01 1.50000 50.0 45.50
11* -46.752 2.35 1.68893 31.2 45.50
12* -19.345 0.30 30.00
13 ∞ 0.20 1.58000 50.0 35.00
14 ∞ 0.20 1.46000 50.0 35.00
15 ∞ 1.27 35.00
16 ∞ 0.70 1.51633 64.1 35.00
17 ∞ 0.00 35.00
像面 ∞

非球面データ
第6面
ｋ = 0.00000e+000 A 4=-1.36591e-006 A 6= 1.25940e-008 A 8=-7.56284e-011
A10= 2.31650e-013 A12=-3.52579e-016 A14= 2.16714e-019
第10面
ｋ = 0.00000e+000 A 4=-1.36591e-006 A 6= 1.25940e-008 A 8=-7.56284e-011
A10= 2.31650e-013 A12=-3.52579e-016 A14= 2.16714e-019
第11面
ｋ = 0.00000e+000 A 4=-1.36591e-006 A 6= 1.25940e-008 A 8=-7.56284e-011
A10= 2.31650e-013 A12=-3.52579e-016 A14= 2.16714e-019
第12面
ｋ = 0.00000e+000 A 4= 5.33332e-004 A 6=-4.66754e-006 A 8= 2.22584e-008
A10=-5.49655e-011 A12= 5.66948e-014

各種データ
焦点距離 13.97
瞳径 18.00
半画角(°) 35.00
レンズ全長(inG) 14.13
BF 0.00

d 1 18.00

入射瞳位置 0.00
射出瞳位置 12.42
前側主点位置 29.70
後側主点位置 -13.97

レンズ群データ
群 始面 焦点距離 レンズ構成長 前側主点位置 後側主点位置
1 1 ∞ 0.00 0.00 -0.00
2 2 13.97 14.13 11.70 -13.97

単レンズデータ
レンズ 始面 焦点距離
G1asp 5 84.49
CL 10 ∞
G2asp 11 46.28

図１４は、実施例１、２の表示光学系を用いた画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）を示している。ＨＭＤは、不図示の装着ギヤによって観察者の頭部（眼前）に装着される。

ＨＭＤは、右眼用と左眼用の画像表示素子ＲＩＤ、ＬＩＤと、右眼用画像表示素子ＲＩＤからの表示光を観察者の右眼に導く右眼用表示光学系ＲＯＳと、左眼用画像表示素子ＬＩＤからの表示光を観察者の左眼に導く左眼用表示光学系ＬＯＳとを有する。

右眼用および左眼用表示光学系ＲＯＳ、ＬＯＳとして実施例１、２に示した表示光学系を用いることで、広視野角で薄型のＨＭＤを実現することができる。

また、同様に右眼用と左眼用の画像表示素子と実施例３に示した表示光学系を用いて、広視野角な光学シースルータイプのＨＭＤを実現することもできる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

ＳＰ 瞳面
ＩＤ 画像表示素子
Ｇ１ 第１レンズ
Ｇ２ 第２レンズ
ＨＭ１ 第１半透過反射面
ＨＭ２ 第２半透過反射面

Claims (19)

1. 表示素子からの光を観察側に導く表示光学系であって、
   第１レンズと、
   該第１レンズにおける第１レンズ面に対して接合された第２レンズ面を有する第２レンズと、
   前記第１レンズ面に設けられ、入射した光の一部を反射し、残りを透過させる第１光学機能面と、
   前記第１光学機能面よりも前記観察側に配置され、前記第１光学機能面から入射した光を前記第１光学機能面に向けて反射し、該第１光学機能面で反射した光を透過させる第２光学機能面とを有し、
   前記第１レンズ面は非球面、前記第２レンズ面は球面であり、
   前記第１レンズ面と前記第２レンズ面との間に接着剤層を有することを特徴とする表示光学系。
2. 前記第１光学機能面は金属膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の表示光学系。
3. 前記第１光学機能面は蒸着膜であることを特徴とする請求項１または２に記載の表示光学系。
4. 前記第１光学機能面は、観察側に向かって凹面となる形状を有すること特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の表示光学系。
5. 前記第２光学機能面は、第１偏光方向の直線偏光を反射し、前記第１偏光方向に直交する第２偏光方向の直線偏光を透過させる素子を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の表示光学系。
6. 前記第２光学機能面は、前記第１および第２レンズのうち観察側に配置されたレンズの観察側のレンズ面に設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の表示光学系。
7. 前記第２光学機能面が設けられる前記レンズ面は、平面であることを特徴とする請求項６に記載の表示光学系。
8. 前記第１レンズ面と前記第２レンズ面の光軸上での間隔をＤｃ、前記表示光学系のｄ線における焦点距離をｆとするとき、
   ０．０１≦（Ｄｃ×１００）／ｆ≦１０．００
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の表示光学系。
9. 前記第１レンズ面の参照曲率半径をＲ１ｒｅｆ、前記第２レンズ面の曲率半径をＲ２とするとき、
   ０．８≦｜Ｒ１ｒｅｆ／Ｒ２｜≦１．２
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の表示光学系。
10. 前記第１レンズと前記第２レンズが接合された接合レンズにおける最も観察側のレンズ面から最も表示素子側のレンズ面までの光軸上の距離をＬｃ、前記表示光学系のｄ線における焦点距離をｆとするとき、
    ０．４≦Ｌｃ／ｆ≦１．５
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の表示光学系。
11. 前記第１レンズの焦点距離と前記第２レンズの焦点距離は互いに符号が異なることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の表示光学系。
12. 前記第１レンズが前記第２レンズよりも表示素子側に配置されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の表示光学系。
13. 前記第２レンズのｄ線における焦点距離をｆ２、前記表示光学系のｄ線における焦点距離をｆとするとき、
    ２．０≦ｆ２／ｆ≦３０．０
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１２に記載の表示光学系。
14. 前記第１レンズのｄ線を基準とするアッベ数をνｄ１、前記第２レンズのｄ線を基準とするアッベ数をνｄ２とするとき、
    ０．２≦νｄ１／νｄ２≦１．０
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１２または１３に記載の表示光学系。
15. 前記第１レンズが前記第２レンズよりも観察側に配置されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の表示光学系。
16. 前記第１レンズのｄ線における焦点距離をｆ１、前記表示光学系のｄ線における焦点距離をｆとするとき、
    ２．０≦ｆ１／ｆ≦３０．０
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１５に記載の表示光学系。
17. 前記第１レンズのｄ線を基準とするアッベ数をνｄ１、前記第２レンズのｄ線を基準とするアッベ数をνｄ２とするとき、
    ０．２≦νｄ２／νｄ１≦１．０
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１５または１６に記載の表示光学系。
18. 前記表示光学系の全体の光学パワーは、前記第１レンズと前記第２レンズが接合された接合レンズにより与えられることを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の表示光学系。
19. 請求項１から１８のいずれか一項に記載の表示光学系と、
    画像を表示する前記表示素子とを有することを特徴とする画像表示装置。

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