JP2023116359A

JP2023116359A - Eyepiece optical system and image display unit having the same

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Publication number: JP2023116359A
Application number: JP2022019124A
Authority: JP
Inventors: 正和東原; Masakazu Higashihara; 嵩鳥居; Takashi Torii
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2022-02-09
Filing date: 2022-02-09
Publication date: 2023-08-22

Abstract

To provide an eyepiece optical system that prevents the occurrence of ghost and is advantageous in that it does not interfere with the nose of an observer.SOLUTION: An eyepiece optical system includes a phase plate, a lens, and a polarization separation element, and guides light from an image display element to an exit pupil. The eyepiece optical system has a diagonal display viewing angle of 60 degrees or more. The lens is a resin lens that is circular when seen from an optical axis direction. The outer diameter of the lens, the distance between the eyepiece optical system and the eyeballs of an observer, and the half value of the diagonal display viewing angle are appropriately set.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、接眼光学系に関し、例えばヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に好適なものである。 The present invention relates to an eyepiece optical system, and is suitable for image display devices such as head-mounted displays.

薄型で広画角な画像表示装置を実現するために、偏光を利用して光路を折り畳む接眼光学系が提案されている（特許文献１，２参照）。 In order to realize a thin image display device with a wide angle of view, an eyepiece optical system that uses polarized light to fold an optical path has been proposed (see Patent Documents 1 and 2).

特開２０２０－８５９５６号公報JP 2020-85956 A 特表２０１８―５１２６０２号公報Japanese translation of PCT publication No. 2018-512602

接眼光学系を軽量化するために樹脂レンズを使用する場合、特許文献１の接眼光学系では、レンズの形状が矩形であり、樹脂レンズ内の複屈折が大きいため、ゴーストが発生してしまう。また、特許文献２の接眼光学系では、レンズの形状が円形であり、樹脂レンズ内の複屈折を小さくすることはできるが、広画角化に応じてレンズの外径が大きくなるため、接眼光学系が観察者の鼻に干渉してしまう。 When a resin lens is used to reduce the weight of the eyepiece optical system, the eyepiece optical system of Patent Document 1 has a rectangular lens shape, and the birefringence in the resin lens is large, so a ghost occurs. In addition, in the eyepiece optical system of Patent Document 2, the shape of the lens is circular, and the birefringence in the resin lens can be reduced. The optical system interferes with the observer's nose.

本発明は、ゴーストの発生を抑えつつ、観察者の鼻に干渉しない点で有利な接眼光学系を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an eyepiece optical system that is advantageous in that it does not interfere with the observer's nose while suppressing the occurrence of ghosts.

本発明の一側面としての接眼光学系は、位相板、レンズ、及び偏光分離素子を含み、画像表示素子からの光を射出瞳に導く接眼光学系であって、接眼光学系の対角表示画角は、６０度以上であり、レンズは、光軸方向から見たとき円形である樹脂レンズであり、レンズの外径をΦ、接眼光学系と観察者の眼球との間の距離をＥ、対角表示画角の半値をθとするとき、
１．５≦Φ／（Ｅ・ｔａｎθ）≦３．０
なる条件式を満足することを特徴とする。 An eyepiece optical system as one aspect of the present invention includes a phase plate, a lens, and a polarization separation element, and is an eyepiece optical system for guiding light from an image display element to an exit pupil, wherein the diagonal display image of the eyepiece optical system The angle is 60 degrees or more, and the lens is a resin lens that is circular when viewed from the optical axis direction. When the half value of the diagonal display angle is θ,
1.5≦Φ/(E·tan θ)≦3.0
It is characterized by satisfying the following conditional expression.

本発明によれば、ゴーストの発生を抑えつつ、観察者の鼻に干渉しない点で有利な接眼光学系を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an eyepiece optical system that is advantageous in that it does not interfere with the observer's nose while suppressing the occurrence of ghosts.

第１実施形態の接眼光学系を有する画像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイの構成図である。1 is a configuration diagram of a head-mounted display as an example of an image display device having an eyepiece optical system according to a first embodiment; FIG. 第１実施形態の右眼用接眼光学系の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the eyepiece optical system for the right eye according to the first embodiment; 第１実施形態のヘッドマウントディスプレイの外観図である。1 is an external view of a head mounted display according to a first embodiment; FIG. 第１実施形態の右眼用接眼光学系の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of the eyepiece optical system for the right eye according to the first embodiment; 第１実施形態のヘッドマウントディスプレイの眼幅調整の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of interpupillary distance adjustment of the head mounted display of the first embodiment; 第１実施形態のレンズ以外の素子の形状の説明図である。It is explanatory drawing of the shape of elements other than the lens of 1st Embodiment. 第２実施形態の接眼光学系を有する画像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイの構成図である。FIG. 10 is a configuration diagram of a head-mounted display as an example of an image display device having an eyepiece optical system according to a second embodiment; 第２実施形態の右眼用接眼光学系の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of the eyepiece optical system for the right eye of the second embodiment; 第２実施形態の右眼用接眼光学系の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of the eyepiece optical system for the right eye of the second embodiment; 第３実施形態の接眼光学系を有する画像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイの構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a head-mounted display as an example of an image display device having an eyepiece optical system according to a third embodiment; 第３実施形態の右眼用接眼光学系の説明図である。FIG. 11 is an explanatory diagram of an eyepiece optical system for a right eye according to a third embodiment;

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same reference numerals are given to the same members, and overlapping descriptions are omitted.

なお、各実施形態では、主に右眼用接眼光学系について説明するが、左眼用接眼光学系についても同様である。
［第１実施形態］
図１は、本実施形態の接眼光学系を有する画像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤ）１０１の構成図である。ＨＭＤ１０１は、レンズ１０４，１０５，１０６，１０７、右眼用画像表示素子１０８、及び左眼用画像表示素子１０９を有する。レンズ（第１のレンズ）１０４とレンズ（第２のレンズ）１０５により右眼用接眼光学系が構成され、レンズ（第１のレンズ）１０６とレンズ（第２のレンズ）１０７により左眼用接眼光学系が構成される。右眼用画像表示素子１０８及び左眼用画像表示素子１０９は、有機ＥＬディスプレイである。 In each embodiment, the eyepiece optical system for the right eye will be mainly described, but the same applies to the eyepiece optical system for the left eye.
[First embodiment]
FIG. 1 is a configuration diagram of a head-mounted display (hereinafter referred to as HMD) 101, which is an example of an image display device having an eyepiece optical system according to this embodiment. The HMD 101 has lenses 104 , 105 , 106 and 107 , a right eye image display element 108 and a left eye image display element 109 . A lens (first lens) 104 and a lens (second lens) 105 constitute a right eye eyepiece optical system, and a lens (first lens) 106 and a lens (second lens) 107 constitute a left eye eyepiece optical system. An optical system is constructed. The right-eye image display element 108 and the left-eye image display element 109 are organic EL displays.

右眼用接眼光学系は、右眼用画像表示素子１０８に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の右眼１０２に導く。左眼用接眼光学系は、左眼用画像表示素子１０９に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の左眼１０３に導く。右眼用接眼光学系と左眼用接眼光学系の焦点距離Ｆ１は１２ｍｍ、水平表示画角は５５°、垂直表示画角は４０°、対角表示画角は６５°であり、ＨＭＤ１０１と観察者の眼球との距離（アイレリーフ）は２５ｍｍである。観察者が臨場感を感じるためには、対角表示画角は６０度以上であればよいが、７５度以上であることが望ましく、８０度以上であることがより望ましい。また、画像表示装置が大型化してしまうため、対角表示画角は１００度以下であることが望ましい。 The right-eye eyepiece optical system enlarges and projects the original image displayed on the right-eye image display element 108 as a virtual image and guides it to the observer's right eye 102 . The left-eye eyepiece optical system enlarges and projects the original image displayed on the left-eye image display element 109 as a virtual image and guides it to the observer's left eye 103 . The focal length F1 of the eyepiece optical system for the right eye and the eyepiece optical system for the left eye is 12 mm, the horizontal display angle is 55°, the vertical display angle is 40°, and the diagonal display angle is 65°. The distance (eye relief) from the human eyeball is 25 mm. In order for the observer to feel presence, the diagonal display angle of view should be 60 degrees or more, preferably 75 degrees or more, and more preferably 80 degrees or more. Moreover, the diagonal display angle of view is desirably 100 degrees or less because the image display device becomes large.

本実施形態の接眼光学系は、偏光を利用して光路を折り畳む構成を備える。接眼光学系の光路について右眼用接眼光学系で説明する。図２は、本実施形態の右眼用接眼光学系の説明図である。右眼用接眼光学系は、右眼用画像表示素子１０８の側から順に配置された、偏光板（第１偏光板）１１０、位相板（第１位相板）１１１、レンズ１０５，１０４、位相板（第２位相板）１１３、及び偏光分離素子（以下、ＰＢＳ）１１４を含む。レンズ１０４のレンズ１０５の側の面には、ハーフミラー１１２が蒸着される。ハーフミラー１１２が蒸着される面は、半透過反射面として作用する。すなわち、レンズ１０４は、半透過反射素子である。位相板１１３とＰＢＳ１１４は、平面形状である。位相板１１１，１１３は、位相差がλ／４の波長板である。 The eyepiece optical system of this embodiment has a configuration that folds the optical path using polarized light. The optical path of the eyepiece optical system will be explained in the case of the eyepiece optical system for the right eye. FIG. 2 is an explanatory diagram of the eyepiece optical system for the right eye of this embodiment. The right-eye eyepiece optical system includes a polarizing plate (first polarizing plate) 110, a phase plate (first phase plate) 111, lenses 105 and 104, and a phase plate, which are arranged in order from the right-eye image display element 108 side. A (second phase plate) 113 and a polarization separation element (hereinafter referred to as PBS) 114 are included. A half mirror 112 is deposited on the lens 105 side surface of the lens 104 . The surface on which the half mirror 112 is deposited acts as a transflective surface. That is, the lens 104 is a transflective element. The phase plate 113 and the PBS 114 are planar. The phase plates 111 and 113 are wave plates with a phase difference of λ/4.

本実施形態では、偏光板１１０が透過する偏光方向と位相板１１１の遅相軸は４５°傾き、偏光板１１０が透過する偏光方向と位相板１１３の遅相軸は－４５°傾き、偏光板１１０が透過する偏光方向とＰＢＳ１１４が透過する偏光方向は直交している。このような構成において、右眼用画像表示素子１０８から射出された光は、偏光板１１０を透過して直線偏光となり、位相板１１１を透過して円偏光となる。その後、ハーフミラー１１２を透過した後、位相板１１３を透過して直線偏光になる。該直線偏光は、偏光方向が、ＰＢＳ１１４が透過する偏光方向に直交するため、ＰＢＳ１１４で反射し位相板１１３を透過して円偏光となる。その後、ハーフミラー１１２で反射した後、位相板１１３を透過して直線偏光になる。該直線偏光は、偏光方向が、ＰＢＳ１１４が透過する偏光方向と一致するため、ＰＢＳ１１４を透過して観察者の右眼１０２に導かれる。左眼用接眼光学系についても同様の光路である。 In this embodiment, the polarization direction transmitted by the polarizing plate 110 and the slow axis of the phase plate 111 are tilted at 45°, the polarization direction transmitted by the polarizing plate 110 and the slow axis of the phase plate 113 are tilted at -45°, and the polarizing plate The polarization direction transmitted by 110 and the polarization direction transmitted by PBS 114 are orthogonal. In such a configuration, the light emitted from the right-eye image display element 108 passes through the polarizing plate 110 to become linearly polarized light, and passes through the phase plate 111 to become circularly polarized light. Then, after passing through the half mirror 112, it passes through the phase plate 113 and becomes linearly polarized light. Since the direction of polarization of the linearly polarized light is orthogonal to the direction of polarization transmitted by the PBS 114, the linearly polarized light is reflected by the PBS 114 and transmitted through the phase plate 113 to become circularly polarized light. After that, after being reflected by the half mirror 112, it passes through the phase plate 113 and becomes linearly polarized light. Since the direction of polarization of the linearly polarized light matches the direction of polarization transmitted by the PBS 114 , the linearly polarized light is transmitted through the PBS 114 and guided to the right eye 102 of the observer. The same optical path is used for the eyepiece optical system for the left eye.

本実施形態のように接眼光学系が偏光を利用して光路を折り畳む構成を備えることで、ＨＭＤ１０１を薄型化可能であると共に、接眼光学系の焦点距離を短くすることができるため、広画角な画像観察を実現することができる。 By providing a configuration in which the eyepiece optical system uses polarized light to fold the optical path as in the present embodiment, the HMD 101 can be made thinner and the focal length of the eyepiece optical system can be shortened. image observation can be realized.

図３は、ＨＭＤ１０１の外観図である。ＨＭＤ１０１は、頭部装着型の画像表示装置であるため、軽量であることが望ましい。そのため、接眼光学系を構成する複数のレンズは、硝子よりも比重の小さい樹脂で作製されることが望ましい。本実施形態では、レンズ１０４，１０６を樹脂の平凸形状の非球面レンズとすることで収差補正効果を高めている。また、レンズ１０５,１０７は、樹脂の両面非球面レンズである。 FIG. 3 is an external view of the HMD 101. FIG. Since the HMD 101 is a head-mounted image display device, it is desirable that it be lightweight. Therefore, it is desirable that the plurality of lenses constituting the eyepiece optical system be made of resin having a lower specific gravity than glass. In this embodiment, the lenses 104 and 106 are plano-convex aspheric lenses made of resin to enhance the aberration correction effect. Also, the lenses 105 and 107 are resin double-sided aspherical lenses.

図４は、本実施形態の右眼用接眼光学系の説明図である。本実施形態の右眼用接眼光学系では、射出瞳の位置をアイレリーフ（＝２５ｍｍ）に眼球の回転半径（＝１０ｍｍ）を加えた３５ｍｍの位置とし、射出瞳径を６ｍｍとしている。これにより、上下左右を画像観察するために眼球が回転した場合でも、その方向の光が眼球に入射する。眼鏡をかけている観察者もＨＭＤ１０１を装着できるように、アイレリーフは１５ｍｍ以上であることが望ましい。また、アイレリーフが長くなると、レンズの外径が大きくなりＨＭＤ１０１が大型化するため、アイレリーフは２５ｍｍ以下であることが望ましい。すなわち、アイレリーフは、１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが望ましい。 FIG. 4 is an explanatory diagram of the eyepiece optical system for the right eye of this embodiment. In the eyepiece optical system for the right eye of this embodiment, the position of the exit pupil is 35 mm, which is the sum of the eye relief (=25 mm) and the radius of rotation of the eyeball (=10 mm), and the diameter of the exit pupil is 6 mm. As a result, even if the eyeball rotates to observe an image up, down, left, or right, light in that direction is incident on the eyeball. The eye relief is desirably 15 mm or more so that even an observer who wears glasses can wear the HMD 101 . Further, when the eye relief is long, the outer diameter of the lens is increased and the size of the HMD 101 is increased. Therefore, the eye relief is preferably 25 mm or less. That is, the eye relief is desirably 15 mm or more and 25 mm or less.

ＨＭＤ１０１は、眼幅の異なる観察者でも快適に観察できるように、図５に示されるように眼幅調整機構を有していてもよい。眼幅調整機構は、接眼光学系及び画像表示素子を左右方向（水平方向）へ移動させることができる。平均眼幅６３ｍｍに対して、眼幅調整機構による眼幅の調整範囲は５７ｍｍから７９ｍｍであるため、ＨＭＤ１０１は多くの観察者の眼幅をカバーすることができる。 The HMD 101 may have an interpupillary adjustment mechanism as shown in FIG. 5 so that observers with different interpupillary distances can observe comfortably. The interpupillary distance adjustment mechanism can move the eyepiece optical system and the image display element in the left-right direction (horizontal direction). With an average interpupillary distance of 63 mm, the interpupillary distance adjustment range of the interpupillary adjustment mechanism is from 57 mm to 79 mm, so the HMD 101 can cover the interpupillary distances of many observers.

本実施形態では、収差補正に有利な非球面形状を実現しつつ低コストで大量生産が可能であるため、熱可塑性樹脂を用いた成形により作製される成形樹脂レンズが用いられる。しかしながら、成形樹脂レンズには、成形時の残留応力等に起因する複屈折特性が残りやすい。複屈折のあるレンズを本実施形態のレンズとして使用すると、光が通過した際に位相差が付与され、意図した偏光状態を維持できず、ＰＢＳ１１４で反射することなく観察者の眼に導かれる直接ゴースト光が発生してしまう。また、ＰＢＳ１１４で反射した後の正規の光路における光にも不要な位相差が付与されるため、ＰＢＳ１１４で透過される光の一部が反射され、観察する際の光量が低下してしまう。 In this embodiment, a molded resin lens manufactured by molding using a thermoplastic resin is used because it is possible to mass-produce the lens at low cost while realizing an aspherical shape that is advantageous for correcting aberrations. However, molded resin lenses tend to have birefringence characteristics due to residual stress or the like during molding. If a lens with birefringence is used as the lens of this embodiment, the light is given a phase difference when it passes through, and the intended polarization state cannot be maintained. Ghost light is generated. In addition, since an unnecessary phase difference is also imparted to the light in the normal optical path after being reflected by the PBS 114, part of the light transmitted by the PBS 114 is reflected, resulting in a decrease in the amount of light for observation.

そこで、本実施形態では、レンズを、光軸方向から見たとき外形が円形である樹脂レンズとしている。レンズの形状を円形とすることで、レンズが成形時に等方的に収縮することができるため、レンズ内の複屈折を小さくすることができる。しかしながら、レンズの形状が円形である場合、接眼光学系の広画角化に応じてレンズの外径が大きくなるため、ＨＭＤ１０１が観察者の鼻に干渉してしまう。 Therefore, in this embodiment, the lens is a resin lens having a circular outer shape when viewed from the optical axis direction. By making the shape of the lens circular, the lens can contract isotropically during molding, so that the birefringence in the lens can be reduced. However, when the shape of the lens is circular, the outer diameter of the lens increases as the angle of view of the eyepiece optical system widens, so the HMD 101 interferes with the observer's nose.

そこで、本実施形態では、レンズ内の複屈折を小さくするためにレンズを円形の樹脂レンズとしながら、ＨＭＤ１０１が観察者の鼻に干渉しないようにするためにアイレリーフと対角表示画角を用いてレンズの外径が決定される。具体的には、以下の条件式（１）を満足するようにレンズの外径が決定される。 Therefore, in this embodiment, the eye relief and the diagonal display angle of view are used to prevent the HMD 101 from interfering with the observer's nose, while the lenses are circular resin lenses in order to reduce the birefringence in the lenses. determines the outer diameter of the lens. Specifically, the outer diameter of the lens is determined so as to satisfy the following conditional expression (1).

１．５≦Φ／（Ｅ・ｔａｎθ）≦３．０（１）
ここで、Φは、レンズの外径である。Ｅは、接眼光学系と観察者の眼球との間の距離であるアイレリーフである。θは、対角表示画角の半値である。 1.5≤Φ/(E tan θ)≤3.0 (1)
where Φ is the outer diameter of the lens. E is the eye relief, which is the distance between the ocular optics and the observer's eyeball. θ is the half value of the diagonal display angle of view.

条件式（１）を満足することで、ＨＭＤ１０１が最も眼幅の小さい状態に調整された場合でも接眼光学系やＨＭＤ１０１が観察者の鼻に干渉することなく、画像観察を行うことができる。条件式（１）を下回ると、アイレリーフと対角表示画角に対してレンズの外径が小さすぎて周辺の表示画像がレンズに入射しなくなり、観察画像の周辺部が暗くなったり見えなくなったりしてしまう。条件式（１）を上回ると、アイレリーフと対角表示画角に対してレンズの外径が大きく、ＨＭＤ１０１が観察者の鼻と干渉してしまう。本実施形態では、レンズ１０４，１０６の外径Φ１は４２ｍｍ、レンズ１０５，１０７の外径Φ２は４３ｍｍである。 By satisfying conditional expression (1), image observation can be performed without the eyepiece optical system or HMD 101 interfering with the observer's nose even when the HMD 101 is adjusted to the smallest interpupillary distance. If the conditional expression (1) is not satisfied, the outer diameter of the lens is too small for the eye relief and the diagonal display angle, and the peripheral display image does not enter the lens, and the peripheral part of the observation image becomes dark or invisible. I end up. If conditional expression (1) is exceeded, the outer diameter of the lens is large relative to the eye relief and the diagonal display angle of view, and the HMD 101 interferes with the observer's nose. In this embodiment, the outer diameter Φ1 of the lenses 104 and 106 is 42 mm, and the outer diameter Φ2 of the lenses 105 and 107 is 43 mm.

なお、条件式（１）の数値範囲を以下の条件式（１ａ）の数値範囲とすることが好ましい。 The numerical range of conditional expression (1) is preferably the numerical range of conditional expression (1a) below.

２．０≦Φ／（Ｅ・ｔａｎθ）≦２．８（１ａ）
また、条件式（１）の数値範囲を以下の条件式（１ｂ）の数値範囲とすることが更に好ましい。 2.0≤Φ/(E tan θ)≤2.8 (1a)
Further, it is more preferable to set the numerical range of conditional expression (1) to the numerical range of conditional expression (1b) below.

２．３≦Φ／（Ｅｔａｎθ）≦２．７（１ｂ）
観察者がＨＭＤ１０１を通常の方法で装着した際に、観察者が眼球を回転させ、接眼光学系の周辺（端部）を観察した場合、接眼光学系からの光束（水平最大画角又は垂直最大画角の光束）のうち３０％以上の光束が射出瞳に入射することが望ましい。これにより、観察者は、明るさの低下を感じることはない。本実施形態の接眼光学系では、図４に示されるように、観察者が接眼光学系の周辺を観察した場合、水平最大画角の光束のうち半分の光束が射出瞳に導かれる。 2.3≤Φ/(Etanθ)≤2.7 (1b)
When the observer wears the HMD 101 in a normal manner, when the observer rotates the eyeball and observes the periphery (edge) of the eyepiece optical system, the luminous flux (horizontal maximum angle of view or vertical maximum angle of view) from the eyepiece optical system It is desirable that 30% or more of the luminous flux at the angle of view) enter the exit pupil. As a result, the observer does not perceive a decrease in brightness. In the eyepiece optical system of this embodiment, as shown in FIG. 4, when the observer observes the periphery of the eyepiece optical system, half of the light beams at the maximum horizontal angle of view are guided to the exit pupil.

本実施形態では、レンズは円形であるため、鏡筒内で保持することが望ましい。その場合、鏡筒は、アイレリーフを確保するために、レンズを観察者の側に突き当てる構成と画像表示素子の側でレンズを押さえる構成を備えることが望ましい。また、レンズ１０４をレンズ１０５よりも先に鏡筒に保持させるため、レンズ１０４の外径はレンズ１０５の外径よりも小さいことが望ましい。レンズ１０６，１０７についても同様である。 In this embodiment, since the lens is circular, it is desirable to hold it within the lens barrel. In that case, it is desirable that the lens barrel has a configuration in which the lens is pressed against the viewer's side and a configuration in which the image display element side presses the lens, in order to secure the eye relief. In addition, it is desirable that the outer diameter of the lens 104 is smaller than the outer diameter of the lens 105 so that the lens 104 is held in the lens barrel before the lens 105 is held. The same applies to the lenses 106 and 107 as well.

本実施形態では、ハーフミラー１１２が蒸着されている面は、右眼用画像表示素子１０８の側に凸の凸面である。凸面にハーフミラー１１２を蒸着することで、接眼光学系を薄型化しつつ広画角化を実現することができる。また、ハーフミラー１１２が蒸着されている凸面を非球面形状とすることで、収差補正効果を高めることができる。 In this embodiment, the surface on which the half mirror 112 is vapor-deposited is a convex surface facing the right-eye image display element 108 side. By vapor-depositing the half mirror 112 on the convex surface, it is possible to achieve a wide angle of view while thinning the ocular optical system. Further, by making the convex surface on which the half mirror 112 is vapor-deposited into an aspherical shape, the aberration correction effect can be enhanced.

本実施形態では、外光のゴースト光を低減して観察画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳ１１４と観察者の眼球との間に偏光板（第２偏光板）を配置してもよい。 In this embodiment, a polarizing plate (second polarizing plate) may be arranged between the PBS 114 and the eyeball of the observer in order to reduce ghost light of external light and increase the contrast of the observed image.

本実施形態では、アイレリーフを長くすることと接眼光学系を薄型化することを両立するために、位相板１１３とＰＢＳ１１４が形成されているレンズ１０４の観察者の側の面は平面である。観察者の側の面が観察者の側に凹の凹面である場合、周辺部でのアイレリーフを確保するためにレンズ１０４が厚くなる。また、観察者の側の面が観察者の側に凸の凸面である場合、レンズコバ部の厚さを確保するためにレンズ１０４が厚くなる。そのため、本実施形態では、レンズ１０４は平凸レンズである。 In this embodiment, the observer-side surface of the lens 104 on which the phase plate 113 and the PBS 114 are formed is flat in order to both increase the eye relief and reduce the thickness of the eyepiece optical system. If the viewer-side surface is concave toward the viewer, the lens 104 will be thicker to ensure eye relief at the periphery. Further, when the surface facing the observer is a convex surface facing the observer, the lens 104 becomes thick in order to secure the thickness of the lens edge portion. Therefore, in this embodiment, the lens 104 is a plano-convex lens.

本実施形態では、位相板１１１，１１３は位相差がλ／４の波長板であるが、レンズ１０４，１０５内の複屈折をキャンセルするように、位相差をλ／４からずらしてもよい。この場合、レンズ１０４と位相板１１３との位相差の和は、３λ／２０以上７λ／２０以下であることが望ましい。また、レンズ１０５と位相板１１１の位相差の和は、３λ／２０以上７λ／２０以下であることが望ましい。上記範囲を外れると、ゴースト光の強度が増え、自然な観察を実現することができなくなる。 In this embodiment, the phase plates 111 and 113 are wave plates with a phase difference of λ/4, but the phase difference may be shifted from λ/4 so as to cancel the birefringence in the lenses 104 and 105 . In this case, the sum of the phase differences between the lens 104 and the phase plate 113 is preferably 3λ/20 or more and 7λ/20 or less. Also, the sum of the phase differences between the lens 105 and the phase plate 111 is preferably 3λ/20 or more and 7λ/20 or less. Outside the above range, the intensity of ghost light increases, making it impossible to realize natural observation.

右眼用画像表示素子１０８は、本実施形態では、有機ＥＬとして無偏光の光を放射するが、液晶ディスプレイとして直線偏光の光を放射してもよい。この場合、偏光板１１０が不要となり、ＨＭＤ１０１の薄型化と部品点数を削減することができる。 The right eye image display element 108 emits non-polarized light as an organic EL in this embodiment, but may emit linearly polarized light as a liquid crystal display. In this case, the polarizing plate 110 becomes unnecessary, and the thickness of the HMD 101 can be reduced and the number of parts can be reduced.

本実施形態では、接眼光学系において、直線偏光の方向で透過と反射を切り替えるＰＢＳ１１４を用いるが、円偏光の向きで透過と反射を切り替える偏光分離素子を用いてもよい。この場合、位相板１１３が不要となり、ＨＭＤ１０１の薄型化と部品点数を削減することができる。 In this embodiment, the eyepiece optical system uses the PBS 114 that switches between transmission and reflection in the direction of linearly polarized light, but a polarization separation element that switches between transmission and reflection in the direction of circularly polarized light may be used. In this case, the phase plate 113 becomes unnecessary, and the thickness of the HMD 101 can be reduced and the number of parts can be reduced.

本実施形態では、レンズが円形であるため、偏光板１１０、位相板１１１，１１３、ＰＢＳ１１４も円形である。偏光板１１０及び位相板１１１と位相板１１３及びＰＢＳ１１４との位相を合わせたり、レンズ１０４と位相板１１３及びＰＢＳ１１４との位相を合わせたりするために、上記素子の少なくとも一つは位相を決めるための形状を有することが望ましい。具体的には、偏光板１１０及び位相板１１１は図６（ａ）に示されるタブ形状を有してもよいし、位相板１１３及びＰＢＳ１１４は図６（ｂ）に示される切り欠きを有してもよい。
［第２実施形態］
図７は、本実施形態の接眼光学系を有する画像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤ）２０１の構成図である。ＨＭＤ２０１は、レンズ２０４，２０５，２０６，２０７、右眼用画像表示素子２０８、及び左眼用画像表示素子２０９を有する。レンズ（第１のレンズ）２０４とレンズ（第２のレンズ）２０５により右眼用接眼光学系が構成され、レンズ（第１のレンズ）２０６とレンズ（第２のレンズ）２０７により左眼用接眼光学系が構成される。レンズ２０４，２０５やレンズ２０６，２０７は、接合レンズであり、保持を容易に行うことができる。右眼用画像表示素子２０８及び左眼用画像表示素子２０９は、有機ＥＬディスプレイである。 In this embodiment, since the lenses are circular, the polarizing plate 110, the phase plates 111 and 113, and the PBS 114 are also circular. In order to match the phases of the polarizing plate 110 and the phase plate 111 with the phase plate 113 and the PBS 114, and to match the phases of the lens 104 with the phase plate 113 and the PBS 114, at least one of the elements is used for determining the phase. It is desirable to have a shape. Specifically, the polarizing plate 110 and the phase plate 111 may have tab shapes as shown in FIG. 6(a), and the phase plate 113 and the PBS 114 may have notches as shown in FIG. may
[Second embodiment]
FIG. 7 is a configuration diagram of a head-mounted display (hereinafter referred to as HMD) 201, which is an example of an image display device having the eyepiece optical system of this embodiment. The HMD 201 has lenses 204 , 205 , 206 and 207 , a right eye image display element 208 and a left eye image display element 209 . A lens (first lens) 204 and a lens (second lens) 205 constitute a right eye eyepiece optical system, and a lens (first lens) 206 and a lens (second lens) 207 constitute a left eye eyepiece optical system. An optical system is constructed. The lenses 204 and 205 and the lenses 206 and 207 are cemented lenses and can be easily held. The right-eye image display element 208 and the left-eye image display element 209 are organic EL displays.

右眼用接眼光学系は、右眼用画像表示素子２０８に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の右眼２０２に導く。左眼用接眼光学系は、左眼用画像表示素子２０９に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の左眼２０３に導く。右眼用接眼光学系と左眼用接眼光学系の焦点距離は１３ｍｍ、水平表示画角は６０°、垂直表示画角は６０°、対角表示画角は７８°である。また、ＨＭＤ２０１と観察者の眼球との距離（アイレリーフ）は、２０ｍｍである。観察者が臨場感を感じるためには、対角表示画角は６０度以上であればよいが、７５度以上であることが望ましく、８０度以上であることがより望ましい。また、画像表示装置が大型化してしまうため、対角表示画角は１００度以下であることが望ましい。 The right-eye eyepiece optical system enlarges and projects the original image displayed on the right-eye image display element 208 as a virtual image and guides it to the observer's right eye 202 . The left-eye eyepiece optical system enlarges and projects the original image displayed on the left-eye image display element 209 as a virtual image and guides it to the observer's left eye 203 . The focal length of the eyepiece optical system for the right eye and the eyepiece optical system for the left eye is 13 mm, the horizontal display angle of view is 60°, the vertical display angle of view is 60°, and the diagonal display angle of view is 78°. Also, the distance (eye relief) between the HMD 201 and the observer's eyeball is 20 mm. In order for the observer to feel presence, the diagonal display angle of view should be 60 degrees or more, preferably 75 degrees or more, and more preferably 80 degrees or more. Moreover, the diagonal display angle of view is desirably 100 degrees or less because the image display device becomes large.

本実施形態の接眼光学系は、偏光を利用して光路を折り畳む構成を備える。接眼光学系の光路について右眼用接眼光学系で説明する。図８は、本実施形態の右眼用接眼光学系の説明図である。右眼用接眼光学系は、右眼用画像表示素子２０８の側から順に配置された、偏光板２１０、位相板２１１、レンズ２０５，２０４、位相板２１３、偏光分離素子（以下、ＰＢＳ）２１４、及び偏光板２１５を含む。偏光板２１０，２１５及び位相板２１１，２１３はそれぞれ、第１偏光板、第２偏光板、第１位相板、及び第２位相板である。レンズ２０４のレンズ２０５の側の面には、ハーフミラー２１２が蒸着される。ハーフミラー２１２が蒸着される面は、半透過反射面として作用する。すなわち、レンズ２０４は、半透過反射素子である。位相板２１３、ＰＢＳ２１４、及び偏光板２１５は、平面形状である。位相板２１１，２１３は、位相差がλ／４の波長板である。 The eyepiece optical system of this embodiment has a configuration that folds the optical path using polarized light. The optical path of the eyepiece optical system will be explained in the case of the eyepiece optical system for the right eye. FIG. 8 is an explanatory diagram of the eyepiece optical system for the right eye of this embodiment. The right-eye eyepiece optical system includes a polarizing plate 210, a phase plate 211, lenses 205 and 204, a phase plate 213, a polarization separation element (hereinafter referred to as PBS) 214, which are arranged in order from the right-eye image display element 208 side. and a polarizing plate 215 . The polarizing plates 210, 215 and the phase plates 211, 213 are respectively a first polarizing plate, a second polarizing plate, a first phase plate and a second phase plate. A half mirror 212 is deposited on the lens 205 side surface of the lens 204 . The surface on which the half mirror 212 is deposited acts as a transflective surface. That is, lens 204 is a transflective element. The phase plate 213, PBS 214, and polarizing plate 215 are planar. The phase plates 211 and 213 are wave plates with a phase difference of λ/4.

本実施形態では、偏光板２１０が透過する偏光方向と位相板２１１の遅相軸は４５°傾き、偏光板２１０が透過する偏光方向と位相板２１３の遅相軸は－４５°傾き、偏光板２１０が透過する偏光方向とＰＢＳ２１４が透過する偏光方向は直交している。また、ＰＢＳ２１４が透過する偏光方向と偏光板２１５が透過する偏光方向は同じである。このような構成において、右眼用画像表示素子２０８から射出された光は、偏光板２１０を透過して直線偏光となり、位相板２１１を透過して円偏光となる。その後、ハーフミラー２１２を透過した後、位相板２１３を透過して直線偏光になる。該直線偏光は、偏光方向がＰＢＳ２１４で透過する偏光方向に直交するため、ＰＢＳ２１４で反射し位相板１１３を透過して円偏光となる。その後、ハーフミラー２１２で反射した後、位相板２１３を透過して直線偏光になる。該直線偏光は、偏光方向がＰＢＳ２１４で透過する偏光方向と一致するため、ＰＢＳ２１４及び偏光板２１５を透過して観察者の右眼２０２に導かれる。左眼用接眼光学系についても同様の光路である。 In this embodiment, the polarization direction transmitted by the polarizing plate 210 and the slow axis of the phase plate 211 are inclined at 45°, the polarization direction transmitted by the polarizing plate 210 and the slow axis of the phase plate 213 are inclined at -45°, and the polarizing plate The polarization direction transmitted by 210 and the polarization direction transmitted by PBS 214 are orthogonal. Also, the polarization direction transmitted by the PBS 214 and the polarization direction transmitted by the polarizing plate 215 are the same. In such a configuration, the light emitted from the right-eye image display element 208 passes through the polarizing plate 210 to become linearly polarized light, and passes through the phase plate 211 to become circularly polarized light. Then, after passing through the half mirror 212, it passes through the phase plate 213 and becomes linearly polarized light. Since the direction of polarization of the linearly polarized light is orthogonal to the direction of polarization transmitted by the PBS 214, the linearly polarized light is reflected by the PBS 214 and transmitted through the phase plate 113 to become circularly polarized light. After that, after being reflected by the half mirror 212, it passes through the phase plate 213 and becomes linearly polarized light. Since the direction of polarization of the linearly polarized light matches the direction of polarization transmitted by the PBS 214 , the linearly polarized light is transmitted through the PBS 214 and the polarizing plate 215 and guided to the observer's right eye 202 . The same optical path is used for the eyepiece optical system for the left eye.

本実施形態では、外光のゴースト光を低減して観察画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳ２１４と観察者の右眼２０２との間に偏光板２１５を配置する。 In this embodiment, a polarizing plate 215 is arranged between the PBS 214 and the observer's right eye 202 in order to reduce ghost light of external light and increase the contrast of the observed image.

本実施形態のように接眼光学系が偏光を利用して光路を折り畳む構成を備えることで、ＨＭＤ２０１を薄型化可能であると共に、接眼光学系の焦点距離を短くすることができるため、広画角な画像観察を実現することができる。 By providing a configuration in which the eyepiece optical system uses polarized light to fold the optical path as in the present embodiment, the HMD 201 can be made thinner and the focal length of the eyepiece optical system can be shortened. image observation can be realized.

ＨＭＤ２０１は、頭部装着型の画像表示装置であるため、軽量であることが望ましい。そのため、接眼光学系を構成する複数のレンズは、硝子よりも比重の小さい樹脂で作製されることが望ましい。本実施形態では、レンズ２０４，２０５，２０６，２０７を樹脂の非球面レンズとすることで収差補正効果を高めている。 Since the HMD 201 is a head-mounted image display device, it is desirable that the HMD 201 be lightweight. Therefore, it is desirable that the plurality of lenses constituting the eyepiece optical system be made of resin having a lower specific gravity than glass. In this embodiment, the lenses 204, 205, 206, and 207 are made of aspherical resin lenses to enhance the aberration correction effect.

本実施形態の接眼光学系では、射出瞳の位置をアイレリーフ（＝１８ｍｍ）に眼球の回転半径（＝１０ｍｍ）を加えた２８ｍｍの位置とし、射出瞳径を６ｍｍとしている。これにより、上下左右を画像観察するために眼球が回転した場合でも、その方向の光が眼球に入射する。眼鏡をかけている観察者もＨＭＤ２０１を装着できるように、アイレリーフは１５ｍｍ以上であることが望ましい。また、アイレリーフが長くなると、レンズの外形が大きくなりＨＭＤ２０１が大型化するため、アイレリーフは２５ｍｍ以下であることが望ましい。すなわち、アイレリーフは、１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが望ましい。 In the eyepiece optical system of this embodiment, the position of the exit pupil is set to 28 mm, which is the sum of the eye relief (=18 mm) and the radius of rotation of the eyeball (=10 mm), and the diameter of the exit pupil is set to 6 mm. As a result, even if the eyeball rotates to observe an image up, down, left, or right, light in that direction is incident on the eyeball. The eye relief is desirably 15 mm or more so that even an observer who wears glasses can wear the HMD 201 . In addition, if the eye relief is long, the outer shape of the lens becomes large and the HMD 201 becomes large. Therefore, the eye relief is preferably 25 mm or less. That is, the eye relief is desirably 15 mm or more and 25 mm or less.

ＨＭＤ２０１は、眼幅の異なる観察者でも快適に観察できるように、接眼光学系及び画像表示素子を左右方向（水平方向）へ移動させるための眼幅調整機構を有していてもよい。 The HMD 201 may have an interpupillary adjustment mechanism for moving the eyepiece optical system and the image display element in the left-right direction (horizontal direction) so that observers with different interpupillary distances can observe comfortably.

本実施形態では、レンズ内の複屈折を小さくするためにレンズを円形の樹脂レンズとしながら、ＨＭＤ２０１が観察者の鼻に干渉しないようにするためにアイレリーフと対角表示画角を用いてレンズの外径が決定される。具体的には、前述した条件式（１）を満足するようにレンズの外径が決定される。本実施形態では、レンズ２０４，２０６の外径Φ３は４０．５ｍｍ、レンズ２０５，２０７の外径Φ４は３９ｍｍである。 In this embodiment, the lens is a circular resin lens to reduce the birefringence in the lens, and the eye relief and the diagonal display angle are used to prevent the HMD 201 from interfering with the observer's nose. is determined. Specifically, the outer diameter of the lens is determined so as to satisfy the conditional expression (1) described above. In this embodiment, the outer diameter Φ3 of the lenses 204 and 206 is 40.5 mm, and the outer diameter Φ4 of the lenses 205 and 207 is 39 mm.

観察者がＨＭＤ２０１を通常の方法で装着した際に、観察者が眼球を回転させ、接眼光学系の周辺（端部）を観察した場合、接眼光学系からの光束（水平最大画角又は垂直最大画角の光束）のうち３０％以上の光束が射出瞳に入射することが望ましい。これにより、観察者は、明るさの低下を感じることはない。本実施形態の接眼光学系では、図９に示されるように、観察者が接眼光学系の周辺を観察した場合、水平最大画角及び垂直最大画角の光束のうち４５％以上の光束が射出瞳に導かれる。 When the observer wears the HMD 201 in a normal manner, when the observer rotates the eyeball and observes the periphery (edge) of the eyepiece optical system, the luminous flux (horizontal maximum angle of view or vertical maximum angle of view) from the eyepiece optical system It is desirable that 30% or more of the luminous flux at the angle of view) enter the exit pupil. As a result, the observer does not perceive a decrease in brightness. In the eyepiece optical system of this embodiment, as shown in FIG. 9, when the observer observes the periphery of the eyepiece optical system, 45% or more of the light beams at the maximum horizontal angle of view and the maximum vertical angle of view are emitted. guided by the eyes.

本実施形態では、レンズは円形であるため、鏡筒内で保持することが望ましい。その場合、鏡筒は、アイレリーフを確保するために、レンズを観察者の側に突き当てる構成と画像表示素子の側でレンズを押さえる構成を備えることが望ましい。また、レンズ２０４，２０５は接合されているため、レンズ２０４の外径はレンズ２０５の外径よりも大きいことが望ましい。レンズ２０６，２０７についても同様である。 In this embodiment, since the lens is circular, it is desirable to hold it within the lens barrel. In that case, it is desirable that the lens barrel has a configuration in which the lens is pressed against the viewer's side and a configuration in which the image display element side presses the lens, in order to secure the eye relief. Also, since the lenses 204 and 205 are cemented together, it is desirable that the outer diameter of the lens 204 is larger than the outer diameter of the lens 205 . The same applies to the lenses 206 and 207 as well.

本実施形態では、ハーフミラー２１２が蒸着されている面は、右眼用画像表示素子１０８の側に凸の凸面である。凸面にハーフミラー２１２を蒸着することで、接眼光学系を薄型化しつつ広画角化を実現することができる。また、ハーフミラー２１２が蒸着されている凸面を非球面形状とすることで、収差補正効果を高めることができる。なお、レンズ２０４，２０５は接合レンズであるため、ハーフミラー２１２はレンズ２０５の観察者の側の面に蒸着されてもよい。その場合でもハーフミラー２１２が蒸着されている面は、右眼用画像表示素子２０８の側に凸の凸面である。 In this embodiment, the surface on which the half mirror 212 is vapor-deposited is a convex surface facing the right-eye image display element 108 side. By vapor-depositing the half mirror 212 on the convex surface, it is possible to achieve a wide angle of view while thinning the ocular optical system. Further, by making the convex surface on which the half mirror 212 is vapor-deposited into an aspherical shape, the aberration correction effect can be enhanced. Since the lenses 204 and 205 are cemented lenses, the half mirror 212 may be deposited on the surface of the lens 205 facing the viewer. Even in this case, the surface on which the half mirror 212 is deposited is a convex surface facing the image display element 208 for the right eye.

本実施形態では、アイレリーフを長くすることと接眼光学系を薄型化することを両立するために、位相板２１３とＰＢＳ２１４が形成されているレンズ２０４の観察者の側の面は平面である。そのため、本実施形態では、レンズ２０４は平凸レンズである。 In this embodiment, the observer-side surface of the lens 204 on which the phase plate 213 and the PBS 214 are formed is flat in order to achieve both a longer eye relief and a thinner ocular optical system. Therefore, in this embodiment, the lens 204 is a plano-convex lens.

本実施形態では、位相板２１１，２１３は位相差がλ／４の波長板であるが、レンズ２０４，２０５内の複屈折をキャンセルするように、位相差をλ／４からずらしてもよい。この場合、レンズ２０４と位相板２１３との位相差の和は、３λ／２０以上７λ／２０以下であることが望ましい。また、レンズ２０５と位相板２１１の位相差の和は、３λ／２０以上７λ／２０以下であることが望ましい。上記範囲を外れると、ゴースト光の強度が増え、自然な観察を実現することができなくなる。
［第３実施形態］
図１０は、本実施形態の接眼光学系を有する画像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤ）３０１の構成図である。ＨＭＤ３０１は、レンズ３０４，３０５，３０６，３０７、右眼用画像表示素子３０８、及び左眼用画像表示素子３０９を有する。レンズ（第１のレンズ）３０４とレンズ（第２のレンズ）３０５により右眼用接眼光学系が構成され、レンズ（第１のレンズ）３０６とレンズ（第２のレンズ）３０７により左眼用接眼光学系が構成される。レンズ３０４，３０５やレンズ３０６，３０７は、接合レンズであり、保持を容易に行うことができる。右眼用画像表示素子３０８及び左眼用画像表示素子３０９は、有機ＥＬディスプレイである。 In this embodiment, the phase plates 211 and 213 are wave plates with a phase difference of λ/4, but the phase difference may be shifted from λ/4 so as to cancel the birefringence in the lenses 204 and 205 . In this case, the sum of the phase differences between the lens 204 and the phase plate 213 is preferably 3λ/20 or more and 7λ/20 or less. Also, the sum of the phase differences between the lens 205 and the phase plate 211 is preferably 3λ/20 or more and 7λ/20 or less. Outside the above range, the intensity of ghost light increases, making it impossible to realize natural observation.
[Third embodiment]
FIG. 10 is a configuration diagram of a head mounted display (hereinafter referred to as HMD) 301, which is an example of an image display device having the eyepiece optical system of this embodiment. The HMD 301 has lenses 304 , 305 , 306 and 307 , a right eye image display element 308 and a left eye image display element 309 . A lens (first lens) 304 and a lens (second lens) 305 constitute a right eye eyepiece optical system, and a lens (first lens) 306 and a lens (second lens) 307 constitute a left eye eyepiece optical system. An optical system is constructed. The lenses 304 and 305 and the lenses 306 and 307 are cemented lenses and can be easily held. The right-eye image display element 308 and the left-eye image display element 309 are organic EL displays.

右眼用接眼光学系は、右眼用画像表示素子３０８に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の右眼３０２に導く。左眼用接眼光学系は、左眼用画像表示素子３０９に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の左眼３０３に導く。右眼用接眼光学系と左眼用接眼光学系の焦点距離は１４ｍｍ、水平表示画角は８０°、垂直表示画角は８０°、対角表示画角は１００°である。また、ＨＭＤ３０１と観察者の眼球との距離（アイレリーフ）は、１５ｍｍである。観察者が臨場感を感じるためには、対角表示画角は６０度以上であればよいが、７５度以上であることが望ましく、８０度以上であることがより望ましい。また、画像表示装置が大型化してしまうため、対角表示画角は１００度以下であることが望ましい。 The right-eye eyepiece optical system enlarges and projects the original image displayed on the right-eye image display element 308 as a virtual image and guides it to the observer's right eye 302 . The left-eye eyepiece optical system enlarges and projects the original image displayed on the left-eye image display element 309 as a virtual image and guides it to the observer's left eye 303 . The focal length of the eyepiece optical system for the right eye and the eyepiece optical system for the left eye is 14 mm, the horizontal display angle of view is 80°, the vertical display angle of view is 80°, and the diagonal display angle of view is 100°. Also, the distance (eye relief) between the HMD 301 and the observer's eyeball is 15 mm. In order for the observer to feel presence, the diagonal display angle of view should be 60 degrees or more, preferably 75 degrees or more, and more preferably 80 degrees or more. Moreover, the diagonal display angle of view is desirably 100 degrees or less because the image display device becomes large.

本実施形態の接眼光学系は、偏光を利用して光路を折り畳む構成を備える。接眼光学系の光路については、第１実施形態又は第２実施形態と同様であるため、説明は省略する。 The eyepiece optical system of this embodiment has a configuration that folds the optical path using polarized light. Since the optical path of the eyepiece optical system is the same as in the first embodiment or the second embodiment, the description is omitted.

本実施形態のように接眼光学系が偏光を利用して光路を折り畳む構成を備えることで、ＨＭＤ３０１を薄型化可能であると共に、接眼光学系の焦点距離を短くすることができるため、広画角な画像観察を実現することができる。 By providing a configuration in which the eyepiece optical system uses polarized light to fold the optical path as in the present embodiment, the HMD 301 can be made thinner and the focal length of the eyepiece optical system can be shortened. image observation can be realized.

ＨＭＤ３０１は、頭部装着型の画像表示装置であるため、軽量であることが望ましい。そのため、接眼光学系を構成する複数のレンズは、硝子よりも比重の小さい樹脂で作製されることが望ましい。本実施形態では、レンズ３０４，３０５，３０６，３０７を樹脂の非球面レンズとすることで収差補正効果を高めている。 Since the HMD 301 is a head-mounted image display device, it is desirable that the HMD 301 be lightweight. Therefore, it is desirable that the plurality of lenses constituting the eyepiece optical system be made of resin having a lower specific gravity than glass. In this embodiment, the lenses 304, 305, 306, and 307 are made of aspherical resin lenses to enhance the aberration correction effect.

本実施形態の接眼光学系では、射出瞳の位置をアイレリーフ（＝１５ｍｍ）に眼球の回転半径（＝１０ｍｍ）を加えた２５ｍｍの位置とし、射出瞳径を６ｍｍとしている。これにより、上下左右を画像観察するために眼球が回転した場合でも、その方向の光が眼球に入射する。眼鏡をかけている観察者もＨＭＤ３０１を装着できるように、アイレリーフは１５ｍｍ以上であることが望ましい。また、アイレリーフが長くなると、レンズの外形が大きくなりＨＭＤ３０１が大型化するため、アイレリーフは２５ｍｍ以下であることが望ましい。すなわち、アイレリーフは、１５ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが望ましい。 In the eyepiece optical system of this embodiment, the position of the exit pupil is 25 mm, which is the sum of the eye relief (=15 mm) and the radius of rotation of the eyeball (=10 mm), and the diameter of the exit pupil is 6 mm. As a result, even if the eyeball rotates to observe an image up, down, left, or right, light in that direction is incident on the eyeball. The eye relief is desirably 15 mm or more so that even an observer who wears glasses can wear the HMD 301 . Further, when the eye relief is long, the outer shape of the lens becomes large and the HMD 301 becomes large. Therefore, the eye relief is preferably 25 mm or less. That is, the eye relief is desirably 15 mm or more and 25 mm or less.

ＨＭＤ３０１は、眼幅の異なる観察者でも快適に観察できるように、接眼光学系及び画像表示素子を左右方向（水平方向）へ移動させるための眼幅調整機構を有していてもよい。 The HMD 301 may have an interpupillary adjustment mechanism for moving the eyepiece optical system and the image display element in the left-right direction (horizontal direction) so that observers with different interpupillary distances can observe comfortably.

本実施形態では、レンズ内の複屈折を小さくするためにレンズを円形の樹脂レンズとしながら、ＨＭＤ３０１が観察者の鼻に干渉しないようにするためにアイレリーフと対角表示画角を用いてレンズの外径が決定される。具体的には、前述した条件式（１）を満足するようにレンズの外径が決定される。本実施形態では、レンズ３０４，３０６の外径Φ５は３９ｍｍ、レンズ３０５，３０７の外径Φ６は３７ｍｍである。 In this embodiment, the lens is a circular resin lens to reduce the birefringence in the lens, and the eye relief and the diagonal display angle are used to prevent the HMD 301 from interfering with the observer's nose. is determined. Specifically, the outer diameter of the lens is determined so as to satisfy the conditional expression (1) described above. In this embodiment, the outer diameter Φ5 of the lenses 304 and 306 is 39 mm, and the outer diameter Φ6 of the lenses 305 and 307 is 37 mm.

観察者がＨＭＤ３０１を通常の方法で装着した際に、観察者が眼球を回転させ、接眼光学系の周辺（端部）を観察した場合、接眼光学系からの光束（水平最大画角又は垂直最大画角の光束）のうち３０％以上の光束が射出瞳に入射することが望ましい。これにより、観察者は、明るさの低下を感じることはない。本実施形態の接眼光学系では、図１１に示されるように、観察者が接眼光学系の周辺を観察した場合、水平最大画角及び垂直最大画角の光束のうち３５％以上の光束が射出瞳に導かれる。 When the observer wears the HMD 301 in a normal manner, when the observer rotates the eyeball and observes the periphery (edge) of the eyepiece optical system, the luminous flux (horizontal maximum angle of view or vertical maximum angle of view) from the eyepiece optical system It is desirable that 30% or more of the luminous flux at the angle of view) enter the exit pupil. As a result, the observer does not perceive a decrease in brightness. In the eyepiece optical system of this embodiment, as shown in FIG. 11, when the observer observes the periphery of the eyepiece optical system, 35% or more of the light beams at the maximum horizontal angle of view and the maximum vertical angle of view are emitted. guided by the eyes.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist.

１０４，１０５，１０６，１０７レンズ
２０４，２０５，２０６，２０７レンズ
３０４，３０５，３０６，３０７レンズ
１０８，２０８，３０８右眼用画像表示素子（画像表示素子）
１０９，２０９，３０９左眼用画像表示素子（画像表示素子）
１１１，１１３，２１１，２１３位相板
１１４，２１４偏光分離素子
104, 105, 106, 107 lens
204, 205, 206, 207 lens
304, 305, 306, 307 lens
108, 208, 308 Image display element for right eye (image display element)
109, 209, 309 Image display element for left eye (image display element)
111, 113, 211, 213 phase plate
114, 214 polarization separation element

Claims

位相板、レンズ、及び偏光分離素子を含み、画像表示素子からの光を射出瞳に導く接眼光学系であって、
前記接眼光学系の対角表示画角は、６０度以上であり、
前記レンズは、光軸方向から見たとき円形である樹脂レンズであり、
前記レンズの外径をΦ、前記接眼光学系と観察者の眼球との間の距離をＥ、前記対角表示画角の半値をθとするとき、
１．５≦Φ／（Ｅ・ｔａｎθ）≦３．０
なる条件式を満足することを特徴とする接眼光学系。 An eyepiece optical system that includes a phase plate, a lens, and a polarization separation element and guides light from an image display element to an exit pupil,
A diagonal display angle of view of the eyepiece optical system is 60 degrees or more,
The lens is a resin lens that is circular when viewed from the optical axis direction,
When the outer diameter of the lens is Φ, the distance between the eyepiece optical system and the observer's eyeball is E, and the half value of the diagonal display angle is θ,
1.5≦Φ/(E·tan θ)≦3.0
An eyepiece optical system characterized by satisfying the following conditional expression:

前記対角表示画角は、７５度以上であることを特徴とする請求項１に記載の接眼光学系。 2. An eyepiece optical system according to claim 1, wherein said diagonal display angle of view is 75 degrees or more.

２．０≦Φ／（Ｅ・ｔａｎθ）≦２．８
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の接眼光学系。 2.0≤Φ/(E tan θ)≤2.8
3. An eyepiece optical system according to claim 1, wherein the following conditional expression is satisfied.

２．３≦Φ／（Ｅ・ｔａｎθ）≦２．７
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の接眼光学系。 2.3≤Φ/(E tan θ)≤2.7
4. An eyepiece optical system according to claim 1, wherein the following conditional expression is satisfied.

１５ｍｍ≦Ｅ≦２５ｍｍ
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の接眼光学系。 15mm≦E≦25mm
5. An eyepiece optical system according to claim 1, wherein the following conditional expression is satisfied.

前記観察者が前記接眼光学系の端部を観察した場合、前記接眼光学系からの光束のうち３０％以上の光束が前記射出瞳に入射することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の接眼光学系。 6. The eyepiece optical system according to any one of claims 1 to 5, wherein when the observer observes the end portion of the eyepiece optical system, 30% or more of the light beams from the eyepiece optical system are incident on the exit pupil. 1. The eyepiece optical system according to item 1.

前記接眼光学系は、複数の前記レンズを含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の接眼光学系。 7. An eyepiece optical system according to claim 1, wherein said eyepiece optical system includes a plurality of said lenses.

前記複数のレンズは、第１のレンズと、該第１のレンズの前記画像表示素子の側の面に接合された第２のレンズとを含み、
前記第１のレンズの外径は、前記第２のレンズの外径よりも大きいことを特徴とする請求項７に記載の接眼光学系。 The plurality of lenses includes a first lens and a second lens cemented to the surface of the first lens on the image display device side,
8. An eyepiece optical system according to claim 7, wherein the outer diameter of said first lens is larger than the outer diameter of said second lens.

前記接眼光学系は、偏光板、及び半透過反射素子を含むことを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の接眼光学系。 9. An eyepiece optical system according to claim 1, wherein said eyepiece optical system includes a polarizing plate and a transflective element.

前記接眼光学系は、前記画像表示素子の側から順に配置された、第１偏光板、第１位相板、前記レンズ、第２位相板、及び前記偏光分離素子を含むことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の接眼光学系。 3. The eyepiece optical system includes a first polarizing plate, a first phase plate, the lens, a second phase plate, and the polarization separating element, which are arranged in order from the image display device side. 10. The eyepiece optical system according to any one of 1 to 9.

前記第１偏光板、前記第１位相板、前記第２位相板、及び前記偏光分離素子の少なくとも一つは、位相を決めるための形状を有することを特徴とする請求項１０に記載の接眼光学系。 11. The ocular optics according to claim 10, wherein at least one of said first polarizing plate, said first phase plate, said second phase plate, and said polarization separation element has a shape for determining a phase. system.

前記接眼光学系は、前記画像表示素子の側から順に配置された、第１の偏光板、第１位相板、前記レンズ、第２位相板、前記偏光分離素子、及び第２偏光板を含むことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の接眼光学系。 The eyepiece optical system includes a first polarizing plate, a first phase plate, the lens, a second phase plate, the polarization separating element, and a second polarizing plate, which are arranged in order from the image display element side. An eyepiece optical system according to any one of claims 1 to 9, characterized by:

前記第１の偏光板、前記第１位相板、前記第２位相板、前記偏光分離素子、及び前記第２偏光板の少なくとも一つは、位相を決めるための形状を有することを特徴とする請求項１２に記載の接眼光学系。 At least one of the first polarizing plate, the first phase plate, the second phase plate, the polarization separation element, and the second polarizing plate has a shape for determining a phase. 13. An eyepiece optical system according to item 12.

請求項１乃至１３の何れか一項に記載の接眼光学系と、
画像表示素子とを有することを特徴とする画像表示装置。 an eyepiece optical system according to any one of claims 1 to 13;
An image display device, comprising: an image display element.

観察者の眼幅に応じて前記接眼光学系と前記画像表示素子とを移動させる眼幅調整機構を更に有することを特徴とする請求項１４に記載の画像表示装置。 15. The image display apparatus according to claim 14, further comprising an interpupillary distance adjustment mechanism for moving said eyepiece optical system and said image display device according to the interpupillary distance of an observer.