JP5939191B2 - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、光学透過型のヘッドマウントディスプレイに関する。

光学透過型のヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display、ＨＭＤ）が知られている。光学透過型のＨＭＤは、透過型の偏向部材によって、外光の一部を透過するとともに、画像光を偏向する。使用者は、眼前の景色に所望画像を重ね、認識することができる。ＨＭＤ本体が使用者の眼前に配置された場合、使用者の眼前からの光がＨＭＤ本体によって遮蔽される。光学透過型のＨＭＤでは、使用者の眼前からの光を使用者の眼に直接導く必要があるため、ＨＭＤ本体を使用者の眼前に配置できない。これに対して特許文献１には、所望画像の光を使用者の眼に導く光学系を、使用者の眼前に対して横方向に配置することによって、使用者の眼前からの光が遮蔽されることを防止する光学透過型のＨＭＤが提案されている。

歪の小さい画像を使用者に認識させる為の光学系の配置が、使用者に対する特定の位置に制約される場合がある。例えば特許文献１では、使用者の眼前に対する横方向の近傍に光学系が配置される。

特表２００３−５０２７１１号公報

特許文献１に記載された光学系の配置が、使用者が装着した状態の眼鏡のフレームの配置と重複する場合がある。この場合、使用者は、眼鏡を装着した状態でＨＭＤを使用できないという問題点がある。

本発明の目的は、眼鏡を装着した使用者であっても使用可能なヘッドマウントディスプレイを提供することである。

本発明の一側面は、画像を形成する画像形成部と、前記画像形成部からの画像光を導く光学部材と前記画像形成部及び前記光学部材を保持し、ユーザの頭部に装着される装着部材に取り付けられる保持部材とを備え、前記光学部材は、前記画像光を反射し、外界の光を透過させる自由曲面形状の反射部と、前記画像形成部に形成された前記画像光を、前記反射部に導く光学部とを備え、前記反射部は、前記保持部材がユーザの頭部に装着される装着部材に取り付けられた場合に、前記反射部及び前記光学部に対する固定的な位置であって前記画像光が入射する瞳孔位置から、前記画像光の入射方向に沿って１６ｍｍ以上離隔した位置に配置し、前記光学部は、前記瞳孔位置から異なる方向に延びる２つの直線であって、前記保持部材が前記装着部材に取り付けられた状態で前記瞳孔位置と前記反射部とを結ぶ直線である第１直線と、前記第１直線に直交して前記ユーザから離隔する方向に延びる第２直線とのうち、前記第２直線に沿って前記瞳孔位置から４４ｍｍ以上離れた位置、且つ、前記第１直線及び前記第２直線を含む平面に直交して前記瞳孔位置から延びる仮想平面に対して前記反射部と反対側に配置し、前記仮想平面は、前記第１直線に沿って前記瞳孔位置から前記反射部に延びる向きに対し、前記光学部側に６０度以上傾斜した平面であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイである。

本発明では、眼鏡を装着したユーザがヘッドマウントディスプレイを使用した場合に、光学部材は眼鏡のフレームに干渉し難い。従ってユーザは、眼鏡を装着した状態でもヘッドマウントディスプレイを使用できる。

本発明の一側面において、前記光学部は、３つ以上のレンズを備え、前記３つ以上のレンズの夫々は、対向配置する２つのレンズ面を備え、前記３つ以上のレンズが備える６つ以上のレンズ面のうち、２面以上が自由曲面であってもよい。これによって光学部は、画像形成部で形成された画像光の収差を補正し、瞳孔位置に導くことができる。従ってヘッドマウントディスプレイは、画質の良好な画像をユーザに視認させることができる。

本発明の一側面において、前記３つ以上のレンズのうち２つ以上のレンズは、自由曲面のレンズ面を備えてもよい。これによってヘッドマウントディスプレイは、瞳孔位置に導く画像光の収差を更に良好に補正できる。

本発明の一側面において、前記光学部は、前記第２直線に沿って前記瞳孔位置から５７ｍｍ以上離れた位置に配置され、前記光学部は、４つ以上のレンズを備え、前記４つ以上のレンズの夫々は、対向配置する２つのレンズ面を備え、前記４つ以上のレンズが備える８つ以上のレンズ面のうち、３面以上が自由曲面であってもよい。これによって、ユーザの眼鏡のフレームの形状が異なる場合でも、ヘッドマウントディスプレイが装着された場合に光学部材が眼鏡のフレームに干渉することを防止できる。

本発明の一側面において、自由曲面のレンズ面を備えたレンズは、対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、他方のレンズ面が軸対称であってもよい。これによって、ヘッドマウントディスプレイの製造時、レンズの組み付けを容易化できる。

本発明の一側面において、自由曲面のレンズ面を備えたレンズの少なくとも何れかは、対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、他方のレンズ面の光軸は、前記光学部の光軸から離隔してもよい。これによってヘッドマウントディスプレイは、瞳孔位置に導く画像光の収差を更に良好に補正できる。

本発明の一側面において、自由曲面のレンズ面を備えたレンズの少なくとも何れかは、対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、他方のレンズ面の光軸と、前記光学部の光軸とが交差してもよい。これによってヘッドマウントディスプレイは、瞳孔位置に導く画像光の収差を更に良好に補正できる。

本発明の他の側面は、画像を形成する画像形成部と、前記画像形成部からの画像光を導く光学部材と前記画像形成部及び前記光学部材を保持し、装着部材に対して取り付け可能な保持部材とを備え、前記光学部材は、前記画像光を反射し、外界の光を透過させる自由曲面形状の反射部と、前記画像形成部に形成された前記画像光を、前記反射部に導く光学部とを備え、前記画像光の光路において前記反射部よりも前記画像光の進行方向の下流側に光学瞳を形成し、前記反射部は、前記光学瞳から前記反射部に向かう第１方向において、前記光学瞳から１６ｍｍ以上離隔した位置に配置され、前記保持部材は、前記画像形成部及び前記光学部材を、前記装着部材の前記第１方向に直交する第２方向の端部側を構成するフレームに取り付け可能に構成され、前記光学部材は、前記第２方向において前記光学瞳から４４ｍｍ以上離れた位置、且つ、前記第１方向及び前記第２方向に平行な平面に直交して前記光学瞳を含む仮想平面に対して前記反射部と反対側に配置され、前記仮想平面は、前記第１方向に対し、前記第２方向側に６０度以上傾斜した平面であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイである。これによれば、眼鏡を装着したユーザがヘッドマウントディスプレイを使用した場合に、光学部材は眼鏡のフレームに干渉し難い。従ってユーザは、眼鏡を装着した状態でもヘッドマウントディスプレイを使用できる。

ＨＭＤ１の平面図である。 光学部材１２を示す図である。 ＨＭＤ１における結像状態を示すグラフである。 ＨＭＤ１における単色の歪曲収差を示すパターンである。 ＨＭＤ１における複数色の歪曲収差を示すパターンである。 変形例におけるＨＭＤ１の平面図である。 変形例における光学部材１２を示す図である。

以下、本発明の実施形態であるヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display、ＨＭＤ）１について、図１及び図２を参照して説明する。ＨＭＤ１の表示形式は光学透過型である。ハーフミラー２１に対して前方の景色の光は、ハーフミラー２１を透過することによって、ハーフミラー２１の後方に導かれる。ＨＭＤ１がユーザ６に装着されている場合、ユーザ６は、ハーフミラー２１を通して前方の景色を視認できる。ＨＭＤ１の投影形式は虚像投影型である。画像形成部１１に形成された画像の光（以下、「画像光」という。）は、光学部材１２を介してユーザ６の左側の眼７に導かれる。光学部材１２によってＨＭＤ１は、眼前の景色の光に、画像光を重ねてハーフミラー２１の後方に射出することができる。ＨＭＤ１がユーザに装着されている場合、ユーザは、眼前の景色と作成された画像とを重ねて認識させることができる。以下説明において、図１の上側、下側、左側、右側が、夫々、ＨＭＤ１の前側、後側、左側、右側である。

図１に示すように、ＨＭＤ１は、画像形成部１１、光学部材１２、アダプタ１３、筐体１４、及びミラーホルダ（図示外）を備える。アダプタ１３は、ユーザ６の装着部材に画像形成部１１及び光学部材１２を固定する為の固定治具である。装着部材の例として、眼鏡のフレーム、ヘルメット、及び帽子等の、ユーザの頭部に装着可能な部材が挙げられる。アダプタ１３は装着部材に取り付けられる。図１では、ユーザ６が眼鏡８を装着していることを例に挙げる為、装着部材は眼鏡８である。アダプタ１３は、画像形成部１１及び光学部２２（後述）を、眼鏡８の第１方向である前方向に対して直交する第２方向（例えば、左方向）の端部に取り付ける。具体的には、アダプタ１３は、画像形成部１１及び光学部２２を、左側のフレーム８１に取り付けられる。アダプタ１３が左側のフレーム８１に取り付けられた状態で、画像形成部１１、及び光学部材１２と、眼鏡８との位置関係は固定的になる。眼鏡８がユーザの頭部に装着された場合、フレーム８１とユーザの特定の部位（例えば、ユーザ６の左側の眼７の瞳孔位置２）との位置関係は固定的になる。従って、アダプタ１３がフレーム８１に取り付けられ、且つ、眼鏡８がユーザ６の頭部に装着された場合、画像形成部１１、及び光学部材１２と、ユーザ６の左側の眼７の瞳孔位置２との位置関係は固定的になる。アダプタ１３は、後述する筐体１４の右側面から右側に延びる棒状である。アダプタ１３は、左端部をフレーム８１に固定する。

なお、アダプタ１３は、左右方向の長さを調節可能としてもよい。これによって、ＨＭＤ１を使用するユーザ６に装着される眼鏡８の大きさが異なる場合でも、画像形成部１１、及び光学部材１２と、眼鏡８との位置関係を固定的にすることができる。

画像形成部１１は、画像を形成する液晶ディスプレイである。画像形成部１１は前面に画像を形成させる。光学部材１２は、画像形成部１１に形成された画像光を、ＨＭＤ１の前方に射出する。ＨＭＤ１がユーザに装着されている場合、画像光は、光学部材１２によってユーザ６の左側の眼７に導かれる。光学部材１２は、ハーフミラー２１及び光学部２２を備える。光学部２２は、３つのレンズ３１、３２、３３、及びプリズム３６を備える。レンズ３１、３２及びプリズム３６は、略前後方向に並ぶ。レンズ３３は、プリズム３６の右方に配置される。レンズ３１の後方に、画像形成部１１が配置される。レンズ３１、３２は、画像形成部１１の前面に形成された画像光を後方から前方に通過させ、プリズム３６に導く。プリズム３６は、後方から入射した画像光を右方に曲折させ、レンズ３３に導く。レンズ３３は、左方から入射した画像光を右方に通過させ、ハーフミラー２１（後述）に導く。

図２は、プリズム３６が省略された状態の光学部材１２の位置関係を示している。光学部材１２は、画像光の光路中に、第１光学瞳１７と、第２光学瞳１８とを形成する。第１光学瞳１７は、画像光の光路において、第２光学瞳１８よりも画像光の進行方向の上流側に形成される。第１光学瞳１７は、レンズ３１とレンズ３２との間に形成される。第２光学瞳１８は、ハーフミラー２１よりも画像光の光路において画像光の進行方向の下流側に形成される。第２光学瞳１８は、具体的には、ハーフミラー２１に対して１６ｍｍ以上後方向に離間した位置に形成される。本実施形態では、第２光学瞳１８とハーフミラー２１との間隔は１６ｍｍ以上である。なお、眼鏡８がユーザ６に装着される場合、第２光学瞳１８はユーザの左側の眼７の瞳孔位置２に一致する。

レンズ３１は、対向配置する２つのレンズ面３１１、３１２を備える。画像形成部１１に近接する側がレンズ面３１１であり、画像形成部１１から離隔する側がレンズ面３１２である。レンズ面３１１は自由曲面である。レンズ面３１２は非球面である。レンズ面３１２は、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面３１２の対称軸は、レンズ面３１２の光軸と一致する。レンズ面３１２の光軸は、光学部２２内での画像光の中心軸（以下、「光学部２２の光軸１６」という。）から離隔し、且つ、レンズ面３１２の光軸と光学部２２の光軸１６とは交差する。即ち、レンズ面３１２の光軸は、光学部２２の光軸１６に対して傾いている。

レンズ３２は、対向配置する２つのレンズ面３２１、３２２を備える。レンズ３１に近接する側がレンズ面３２１であり、レンズ３１から離隔する側がレンズ面３２２である。レンズ面３２１、３２２は、何れも非球面である。レンズ面３２１、３２２は、夫々、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面３２１、３２２の夫々の対称軸は、夫々の面の光軸と一致する。又、レンズ面３２１、３２２の光軸は、光学部２２の光軸１６と一致する。

レンズ３３は、対向配置する２つのレンズ面３３１、３３２を備える。ハーフミラー２１から離隔する側（プリズム３６（図１参照）に近接する側）がレンズ面３３１であり、ハーフミラー２１に近接する側（プリズム３６から離隔する側）がレンズ面３３２である。レンズ面３３１は非球面である。レンズ面３３１は、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面３３１の対称軸は、レンズ面３３１の光軸１６と一致する。レンズ面３３１の光軸は、光学部２２の光軸１６から離隔し、且つ、レンズ面３３１の光軸と光学部２２の光軸１６とは交差する。即ち、レンズ面３３１の光軸は、光学部２２の光軸１６に対して傾いている。レンズ面３３２は自由曲面である。

なお、画像形成部１１とレンズ３１との間の長さは１１．１５９ｍｍである。レンズ３１、３２間の長さは２３．３１３ｍｍである。レンズ３２、３３間の長さは４８．５５ｍｍである。レンズ３３とハーフミラー２１との間の長さは５５ｍｍである。

以上のように、３つのレンズ３１〜３３のうち２つのレンズ３１、３３は、夫々、一方のレンズ面が自由曲面となる。また、３つのレンズ３１〜３３が備える合計６つのレンズ面３１１、３１２、３２１、３２２、３３１、３３２は、２つのレンズ面３１１、３３２が自由曲面となり、残りの４面が非球面となる。２つのレンズ３１、３３の夫々の一方のレンズ面を自由曲面とした理由は、画像形成部１１で形成された画像光の収差を補正することによって、歪の小さい画像光を瞳孔位置２に導く為である。また、２つのレンズ３１、３３の夫々の他方のレンズ面を、対称軸を有する非球面とした理由は、ＨＭＤ１の製造工程においてレンズ３１、３３の組み付けを容易化するためである。即ち、レンズ３１、３３の位置決めを、レンズ面３１２、３３１の光軸（対称軸）を光学部２２の光軸１６に合わせることで行うことができるので、レンズ３１、３３の位置を容易に特定し、組み付けることができる。

また、合計６つのレンズ面のうち２つのレンズ面を自由曲面とした理由は、画像光の収差をより効果的に補正するためである。また、レンズ面３１２、３３１の夫々の光軸を、光学部２２の光軸１６から離隔（軸外し）させ、且つ、レンズ面３１２、３３１の夫々の光軸と光学部２２の光軸１６とを交差（ティルト）させた理由は、画像光の収差を更に効果的に補正する為である。

図１に示すように、画像形成部１１、及び光学部２２（レンズ３１、３２、３３、及びプリズム３６）は、筐体１４に収容される。アダプタ１３が左側のフレーム８１に取り付けられた状態で、筐体１４は、眼鏡８の左側に配置される。眼鏡８がユーザ６の頭部に装着された場合、筐体１４は、ユーザ６の頭部の左側に配置される。筐体１４の形状は略直方体である。筐体１４の長手方向は前後方向を向く。筐体１４の左側面の前端は右側に傾斜する。筐体１４の右側面の前端は右方に僅かに突出する。筐体１４の右側に突出する部分の右側面に、開口部が設けられる。レンズ３３は、開口部の左側に配置される。画像形成部１１で形成された画像光は、レンズ３１、３２、プリズム３６、及びレンズ３３の順に通過し、開口部から右方に出射される。

ハーフミラー２１は、瞳孔位置２の前方且つレンズ３３の右方に配置される。ハーフミラー２１は、筐体１４から延びるミラーホルダ（図示外）によって固定される。ハーフミラー２１は、前方の外界の光を前方から後方に透過させる。ハーフミラー２１は反射面２１１を備える。反射面２１１は左斜め後方を向く。ハーフミラー２１は、光学部２２のレンズ３３から右方に出射された画像光を、反射面２１１で後方に反射する。反射面２１１の表面は自由曲面である。ハーフミラー２１の反射面２１１を自由曲面とした理由は、ハーフミラー２１を小型化した場合に発生する収差を補正する為である。

ハーフミラー２１は、眼鏡８に対して所定の位置に配置される。この所定の位置は、眼鏡８がユーザ６の頭部の頭部に装着された場合に、ハーフミラー２１と瞳孔位置２との間の距離Ｑが１６ｍｍ以上となる位置である。詳細には次の通りである。反射面２１１で反射され瞳孔位置２に入射する画像光の延びる方向を、入射方向とする。図２において、入射方向は後方向に一致する。瞳孔位置２から入射方向に沿って延びる直線を、第１直線３とする。そして、第１直線３にハーフミラー２１を投影した場合の投影像のうち、瞳孔位置２に最も近接する位置Ｑｐを特定する。図１の場合、ハーフミラー２１のうち後側の端部を第１直線３に投影した場合の投影像の位置が、位置Ｑｐに相当する。そして、特定された位置Ｑｐと瞳孔位置２との間の距離Ｑが１６ｍｍ以上となるように、ハーフミラー２１が配置される。この位置にハーフミラー２１が配置された場合、ハーフミラー２１は瞳孔位置２から十分離隔する。従って、ユーザ６が眼鏡８を装着している場合でも、ハーフミラー２１に眼鏡８の左側のレンズ８２が接触し難くなる。なお、前記したように、眼鏡８がユーザ６の頭部の頭部に装着された場合に、第２光学瞳１８と瞳孔位置２とは一致する。従って、ハーフミラー２１と瞳孔位置２との間の距離Ｑが１６ｍｍ以上という条件は、HMD１がユーザ６に装着されずに単独で存在している場合、ハーフミラー２１の最も後側の位置が、第２光学瞳に対して前方向に１６ｍｍ以上離間するという条件に等価である。

また、光学部２２と瞳孔位置２との間の距離Ｒは、４４ｍｍ以上に設定される。詳細には次の通りである。第１直線３に対して直交し、且つ、ユーザから離隔する方向（左方向）に向けて瞳孔位置２から延びる直線を、第２直線４とする。そして、第２直線４に光学部２２（レンズ３１〜３３、及びプリズム３６）を投影した場合の投影像のうち、瞳孔位置２に最も近接する位置Ｒｐを特定する。図１の場合、レンズ３３を第２直線４に投影した場合の投影像の位置が、位置Ｒｐに相当する。そして、特定された位置Ｒｐと瞳孔位置２との間の距離Ｒが４４ｍｍ以上となるように、光学部２２が配置される。この位置に光学部２２が配置された場合、光学部２２は瞳孔位置２から十分離隔する。従って、ユーザ６が眼鏡８を装着している場合でも、眼鏡８の左側のフレーム８１に光学部２２が接触し難くなる。なお、位置Ｒｐと瞳孔位置２との間の距離Ｒが４４ｍｍ以上という条件は、HMD１がユーザ６に装着されずに単独で存在している場合、光学部２２の最も右側の位置が、第２光学瞳１８に対して左方向に４４ｍｍ以上離間するという条件に等価である。

更に光学部２２は、次の領域に配置される。第１直線３と第２直線４とを含む平面に直交して瞳孔位置２から延びる仮想平面５を定義する。仮想平面５は、第１直線３に沿って第２光学瞳１８からハーフミラー２１側に延びる向き９に対し、左側に６０度以上（角度Ｐ）傾いている。なお、向き９は前方向に一致する。なお、前記したように、ＨＭＤ１がユーザ６の頭部に装着された場合、第２光学瞳１８は瞳孔位置２に一致する。仮想平面５によって分割される２つの領域のうち、ハーフミラー２１が配置される側の領域を領域５１とし、反対側の領域を領域５２とする。光学部２２は、領域５２に配置される。この位置に光学部２２が配置された場合、ユーザ６が前方の対象物を明確に認識できる視覚の領域よりも、光学部２２は後側に配置されることになる。従って、ユーザ６は広い視野を確保できる。また、光学部２２の重心を、よりユーザ６の後側に配置できる。この場合、光学部２２の重量によってユーザ６の顔が押し下げられることを抑制できるので、ユーザ６はＨＭＤ１を快適に使用することができ、長時間使用しても疲れ難くなる。

以上のようにＨＭＤ１は、ハーフミラー２１を瞳孔位置２から離隔させ、且つ、光学部２２を瞳孔位置２から離隔させることができる為、光学部材１２が装着部材（例えば、ユーザ６が装着する眼鏡８）に接触することを防止できる。

なお通常、光学部材１２をユーザ６から離隔させた場合、画像形成部１１で形成された画像光を瞳孔位置２で結像させる為には、ハーフミラー２１の大きさを大きくしなければならない。これに対して本実施形態では、小型のハーフミラー２１でも画像光を瞳孔位置２で結像させることが可能なように、ハーフミラー２１の反射面２１１を自由曲面としている。また、光学部２２をユーザ６の視覚外に配置された場合、反射面２１１での画像光の反射角は大きくなり、収差が発生し易くなる。これに対して本実施形態では、ハーフミラー２１の反射面２１１の自由曲面の形状を調整することによって、収差を補正している。更に、反射面２１１の形状の調整では補正しきれない収差を、レンズ３１のレンズ面３１１及びレンズ３３のレンズ面３３２の自由曲面の形状を調整することで補正している。これによって、ＨＭＤ１の光学部材１２は、歪の小さい画像光を瞳孔位置２に導き、ユーザ６に良好な画像を認識させることができる。

図３から図５を参照し、ＨＭＤ１を用いて実施した評価の結果について説明する。図３のグラフは、ＨＭＤ１における画像光の結像状態を示す。横軸の空間周波数（単位：cycles/mm）は、縞模様の幅１ｍｍ当たりの本数を示す。縞模様は、瞳孔位置２に配置される。縦軸は光学伝達関数（Optical Transfer Function、OTF）の絶対値（以下、単に「ＯＴＦ」という。）であり、結像状態を示すパラメータである。ＯＴＦが０．５以上となった場合、結像状態は良好であると判断される。

計測は次のようにして行われた。空間周波数の異なる複数の縞模様が、瞳孔位置２に配置された。そして、縞模様に基づく光が光学部材１２（ハーフミラー２１及び光学部２２）を通過して画像形成部１１上で結像した場合に、結像のＯＴＦが計測された。ＯＴＦの計測は、画像形成部１１上の異なる１１点で行われた。図３における１１本の曲線の夫々は、画像形成部１１上の複数の異なる１１点の夫々でのＯＴＦの計測結果を示している。

なお、画像形成部１１の１画素の大きさは約１２μｍである。また、空間周波数を４０cycles/mmとした場合の縞模様の幅は約１２μｍ（１２．５μｍ）である。従って、空間周波数が４０cycles/mmである縞模様を使用して計測が行われた場合に、画像形成部１１上で縞模様の光が良好に結像されれば（即ち、ＯＴＦが０．５以上となれば）、光学部材１２は、画像形成部１１で形成された１画素分の画像光を瞳孔位置２で結像させることができる。

図３に示すように、空間周波数を４０cycles/mmとした場合のＯＴＦは、画像形成部１１上の半分以上の点で０．５以上となることが確認された。この結果から、画像形成部１１で形成された１画素分の画像光は、光学部材１２を通過して瞳孔位置２に到達した場合に、瞳孔位置２で良好に結像されることがわかった。従ってＨＭＤ１は、画像形成部１１で形成された画像光を、瞳孔位置２で良好に再現させることができることがわかった。またユーザ６は、画像形成部１１で形成された１画素分の画像光を良好に認識できることがわかった。

図４のパターンは、画像形成部１１で形成された単色の画像光が光学部材１２を介して瞳孔位置２に到達した場合の歪曲収差の程度を示している。本パターンでは、網目の交点から×印が離隔する程、歪曲収差の程度が大きいことを示す。図４に示すように、全ての領域で、網目の交点とほぼ同一位置に×印が重なることが確認された。従ってＨＭＤ１は、レンズ３１、３３及びハーフミラー２１の自由曲面によって収差を効果的に補正できることがわかった。またユーザ６は、画像形成部１１で形成された画像光を歪みなく良好に認識できることがわかった。

図５のパターンは、色収差、即ち、画像形成部１１で形成された複数色（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））の画像光が光学部材１２を介して瞳孔位置２に到達した場合の歪曲の程度を色毎に示している。本パターンでは、黒丸印からＲ、Ｇ、Ｂの各点が離隔する程、歪曲の程度が大きいことを示す。図５に示すように、色の違いに関わらず、黒丸印とほぼ同一位置にＲ、Ｇ、Ｂの各点が重なることが確認された。従ってＨＭＤ１は、画像光の周波数の違いに依らず、レンズ３１、３３及びハーフミラー２１の自由曲面によって色収差を効果的に補正できることがわかった。またユーザ６は、画像形成部１１で形成された複数色の画像光を、歪みなく良好に認識できることがわかった。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、種々の変更が可能である。上記実施形態では、２つのレンズ３１、３３に自由曲面のレンズ面が設けられていた。２つの自由曲面の夫々が設けられるレンズは、３１、３３に限定されない。例えば、レンズ３２のレンズ面３２１、３２２に自由曲面を設けてもよい。また、２つの自由曲面の夫々が設けられるレンズ面は、レンズ面３１１、３３２に限定されない。例えば、レンズ面３１２、３３１に自由曲面を設けてもよい。更に例えば、３つのレンズ３１〜３３のうち何れかのレンズの両方のレンズ面を自由曲面としてもよい。

上記実施形態では、レンズ面３１２、３３１の夫々の光軸を、光学部２２の光軸１６から離隔させ、且つ、レンズ面３１２、３３１の夫々の光軸と光学部２２の光軸１６とを交差させた。これに対し、レンズ面３１２、３３１のうち少なくとも一方の光軸を、光学部２２の光軸１６と一致させてもよいし、レンズ面３１２、３３１の両方の光軸を、光学部２２の光軸１６と一致させてもよい。

光学部２２のレンズの数は３つに限定されず、４つ以上であってもよい。光学部２２の複数のレンズが備えるレンズ面のうち自由曲面とするレンズ面の数は２つに限定されず、３つ以上であってもよい。以下、本発明の変形例について説明する。

図６、図７を参照して説明する。変形例におけるＨＭＤ１は、レンズ３１〜３３及びプリズム３６の代わりに、レンズ４１〜４４及びプリズム４６を光学部２２として備える。画像形成部１１、アダプタ１３、光学部２２を除く光学部材１２（ハーフミラー２１）、筐体１４、及びミラーホルダ（図示外）の構成は、上記実施形態と同一である。

図６に示すように、光学部２２は、４つのレンズ４１、４２、４３、４４、及びプリズム４６を備える。レンズ４１、４２及びプリズム４６は、略前後方向に並ぶ。レンズ４３は、プリズム４６の右方に配置される。レンズ４４は、レンズ４３の右方に配置される。レンズ４１の後方に、画像形成部１１が配置される。レンズ４１、４２は、画像形成部１１の前面に形成された画像光を後方から前方に通過させ、プリズム４６に導く。プリズム４６は、後方から入射した画像光を右方に曲折させ、レンズ４３、４４に導く。レンズ４３、４４は、左方から入射した画像光を右方に通過させ、ハーフミラー２１に導く。

図７に示すように、レンズ４１は、対向配置する２つのレンズ面４１１、４１２を備える。画像形成部１１に近接する側がレンズ面４１１であり、画像形成部１１から離隔する側がレンズ面４１２である。レンズ面４１１、４１２は、何れも自由曲面である。

レンズ４２は、対向配置する２つのレンズ面４２１、４２２を備える。レンズ４１に近接する側がレンズ面４２１であり、レンズ４１から離隔する側がレンズ面４２２である。レンズ面４２１、４２２は、何れも非球面である。レンズ面４２１、４２２は、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面４２１、４２２の夫々の対称軸は、夫々の面の光軸と一致する。

レンズ４３は、対向配置する２つのレンズ面４３１、４３２を備える。プリズム４６に近接する側がレンズ面４３１であり、プリズム４６から離隔する側がレンズ面４３２である。レンズ面４３１、４３２は、何れも非球面である。レンズ面４３１、４３２は、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面４３１、４３２の夫々の対称軸は、夫々の面の光軸と一致する。

レンズ４４は、対向配置する２つのレンズ面４４１、４４２を備える。ハーフミラー２１から離隔する側（レンズ４３に近接する側）がレンズ面４４１であり、ハーフミラー２１に近接する側（レンズ４３から離隔する側）がレンズ面４４２である。レンズ面４４１は非球面である。レンズ面４４１は、対称軸を中心とした回転対称性を有する。レンズ面４４１の対称軸は、レンズ面４４１の光軸と一致する。レンズ面４４１の光軸は、光学部２２の光軸１６から離隔し、且つ、レンズ面４４１の光軸と光学部２２の光軸１６とは交差する。即ち、レンズ面４４１の光軸は、光学部２２の光軸１６に対して傾いている。レンズ面４４２は自由曲面である。

図６に示すように、光学部２２と瞳孔位置２との間の距離Ｒは、５７ｍｍ以上に設定される。詳細には、光学部２２（レンズ４１〜４４、プリズム４６）のうちレンズ４４を第２直線４に投影した場合の投影像の位置Ｒｐと瞳孔位置２との間の距離Ｒが５７ｍｍ以上となるように、光学部２２が配置される。上記実施形態と比較して、距離Ｒを更に大きくできる為、眼鏡８の左側のフレーム８１に光学部２２が更に接触し難くなる。従って、ユーザ６の眼鏡８のフレーム８１の形状が異なる場合でも、ＨＭＤ１が装着された場合に光学部２２が左側のフレーム８１に干渉することを防止できる。また光学部２２は、上記実施形態と同様、仮想平面５に対してハーフミラー２１が配置される側と反対側の領域５２に配置される。従って、ユーザ６は広い視野を確保できる。

なお、距離Ｒを大きくすることによって、光学部２２で収差が発生し易くなる。しかしながら変形例では、４つのレンズ４１〜４４のうち２つのレンズ４１、４４に自由曲面のレンズ面を設けることによって、収差をより効果的に補正している。また、４つのレンズ４１〜４４が備える合計８つのレンズ面のうち、３つのレンズ面４１１、４１２、４４２を自由曲面とすることによって、収差を更に効果的に補正している。従ってＨＭＤ１は、距離Ｒを大きくした場合でも収差の発生を抑制でき、歪の小さい画像光を瞳孔位置２に導くことでユーザ６に良好な画像を認識させることができる。

なお、上記実施形態及び変形例において、光学部２２の複数のレンズのうち、主光線が画像光の中心軸と交差する位置、言い換えれば、瞳孔位置２と共役な位置（瞳孔共役位置）に最も近接するレンズが自由曲面のレンズ面を備えていてもよい。これによってＨＭＤ１は、光学部２２を小型化できる。

また、上記実施形態及び変形例において、光学部２２のレンズは何れも自由曲面のレンズ面を有していなくてもよい。例えば全てのレンズ面は非球面であってもよい。

なお、アダプタ１３が本発明の「保持部材」に相当する。ハーフミラー２１が本発明の「反射部」に相当する。

１ ＨＭＤ
２ 瞳孔位置
３ 第１直線
４ 第２直線
５ 仮想平面
１１ 画像形成部
１２ 光学部材
１３ アダプタ
１６ 光軸
２１ ハーフミラー
２２ 光学部
３１、３２、３３ レンズ
４１、４２、４３、４４ レンズ

Claims (8)

1. 画像を形成する画像形成部と、
   前記画像形成部からの画像光を導く光学部材と
   前記画像形成部及び前記光学部材を保持し、ユーザの頭部に装着される装着部材に取り付けられる保持部材と
   を備え、
   前記光学部材は、
   前記画像光を反射し、外界の光を透過させる自由曲面形状の反射部と、
   前記画像形成部に形成された前記画像光を、前記反射部に導く光学部と
   を備え、
   前記反射部は、前記保持部材がユーザの頭部に装着される装着部材に取り付けられた場合に、前記反射部及び前記光学部に対する固定的な位置であって前記画像光が入射する瞳孔位置から、前記画像光の入射方向に沿って１６ｍｍ以上離隔した位置に配置し、
   前記光学部は、前記瞳孔位置から異なる方向に延びる２つの直線であって、前記保持部材が前記装着部材に取り付けられた状態で前記瞳孔位置と前記反射部とを結ぶ直線である第１直線と、前記第１直線に直交して前記ユーザから離隔する方向に延びる第２直線とのうち、前記第２直線に沿って前記瞳孔位置から４４ｍｍ以上離れた位置、且つ、前記第１直線及び前記第２直線を含む平面に直交して前記瞳孔位置から延びる仮想平面に対して前記反射部と反対側に配置し、前記仮想平面は、前記第１直線に沿って前記瞳孔位置から前記反射部に延びる向きに対し、前記光学部側に６０度以上傾斜した平面であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
2. 前記光学部は、３つ以上のレンズを備え、
   前記３つ以上のレンズの夫々は、対向配置する２つのレンズ面を備え、
   前記３つ以上のレンズが備える６つ以上のレンズ面のうち、２面以上が自由曲面であることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記３つ以上のレンズのうち２つ以上のレンズは、自由曲面のレンズ面を備えたことを特徴とする請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 前記光学部は、
   前記第２直線に沿って前記瞳孔位置から５７ｍｍ以上離れた位置に配置され、
   前記光学部は、４つ以上のレンズを備え、
   前記４つ以上のレンズの夫々は、対向配置する２つのレンズ面を備え、
   前記４つ以上のレンズが備える８つ以上のレンズ面のうち、３面以上が自由曲面であることを特徴とする請求項２又は３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 自由曲面のレンズ面を備えたレンズは、
   対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、
   他方のレンズ面が軸対称であることを特徴とする請求項２から４の何れかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. 自由曲面のレンズ面を備えたレンズの少なくとも何れかは、
   対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、
   他方のレンズ面の光軸は、前記光学部の光軸から離隔することを特徴とする請求項２から４の何れかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
7. 自由曲面のレンズ面を備えたレンズの少なくとも何れかは、
   対向配置する２つのレンズ面のうち一方のレンズ面のみが自由曲面であり、
   他方のレンズ面の光軸と、前記光学部の光軸とが交差することを特徴とする請求項２から４の何れかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
8. 画像を形成する画像形成部と、
   前記画像形成部からの画像光を導く光学部材と
   前記画像形成部及び前記光学部材を保持し、装着部材に対して取り付け可能な保持部材とを備え、
   前記光学部材は、
   前記画像光を反射し、外界の光を透過させる自由曲面形状の反射部と、
   前記画像形成部に形成された前記画像光を、前記反射部に導く光学部とを備え、
   前記画像光の光路において前記反射部よりも前記画像光の進行方向の下流側に光学瞳を形成し、
   前記反射部は、前記光学瞳から前記反射部に向かう第１方向において、前記光学瞳から１６ｍｍ以上離隔した位置に配置され、
   前記保持部材は、前記画像形成部及び前記光学部材を、前記装着部材の前記第１方向に直交する第２方向の端部側を構成するフレームに取り付け可能に構成され、
   前記光学部材は、前記第２方向において前記光学瞳から４４ｍｍ以上離れた位置、且つ、前記第１方向及び前記第２方向に平行な平面に直交して前記光学瞳を含む仮想平面に対して前記反射部と反対側に配置され、
   前記仮想平面は、前記第１方向に対し、前記第２方向側に６０度以上傾斜した平面であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。