JP7183003B2 - 画像表示装置、接眼光学系、及び、接眼光学系の製造方法 - Google Patents

Description

画像表示装置、接眼光学系、及び、接眼光学系の製造方法に関する。

バーチャルリアリティ（ＶＲ）用、あるいは、一人で大画面の観察像を楽しむことなどを目的として、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の開発が進められている。ヘッドマウントディスプレイ等に用いる画像表示装置としては、自然な観察をおこない、臨場感を増すために、広画角の画像提示が望まれている。また、頭部装着型の画像表示装置としては軽量であることが望ましい。

広画角の画像提示を達成する技術として、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。この偏光を利用した接眼光学系を軽量化するために、接眼光学系を構成するレンズを樹脂レンズにすることが考えられるが、樹脂レンズは成形時に複屈折等の光学歪み（以下簡単のために複屈折と略す）が発生してしまう。偏光を利用した接眼光学系で複屈折が発生すると、光量低下・光量ムラ・色ムラなどの悪影響が起きうる。特にレンズをモールド成形する際に形成される成形ゲート付近で発生する複屈折が大きいため、偏光を利用した接眼光学系では、成形ゲート付近での画質が低下する。

樹脂レンズの成形ゲート付近での複屈折を低減する例として、特許文献１、２等が開示されている。特許文献１では、樹脂レンズの成形ゲート位置を光学有効領域から遠ざけることで成形ゲート付近の複屈折の影響を受けにくくしている。特許文献２では、光学有効領域と成形ゲート位置との間に非光学有効領域を設けることで、光学有効領域での複屈折を低減している。

特開２０１８－１００３１号公報 特開平０５－０４０２０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の樹脂レンズでは成形ゲート位置が観察画像の最大画角の方向ではないため、成形ゲート位置が光学有効領域から遠いものの複屈折の影響を受けた画像を観察しやすい。特許文献２に記載の樹脂レンズでは成形ゲート位置と光学有効領域との間に非光学有効領域が設けられているが、特許文献１と同様に成形ゲート位置が最大画角の方向ではないため、複屈折の影響を受けた画像を観察しやすい。

本発明は、例えば、偏光を利用した接眼光学系の光学素子において、複屈折による画質低下を低減する点で有利な画像表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、画像表示素子と、該画像表示素子の矩形の画像表示領域からの光を観察者に導く接眼光学系とを有する画像表示装置であって、前記接眼光学系は、偏光素子と、外周の一部に成形ゲート跡が設けられた光学素子とを含み、
前記接眼光学系の光軸に垂直な断面における前記光学素子の外形は矩形であり、
前記画像表示素子及び前記光学素子を前記光軸方向から見たときの、前記成形ゲート跡に最も近い前記画像表示領域の頂点と前記光軸とを結ぶ直線と、前記成形ゲート跡の中心と前記光軸とを結ぶ直線とのなす角をθＡとするとき、
｜θＡ｜≦２０°
なる条件式を満足することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、偏光を利用した接眼光学系の光学素子において、複屈折による画質低下を低減することができる。

第１実施形態に係る画像表示装置の概略図である。 第１実施形態に係る接眼光学系の詳細を説明する図である。 ＨＭＤの外観図である。 ゴースト光を説明する図である。 第１実施形態に係る右眼用接眼光学系のレンズの成形ゲート位置について説明する図である。 第２実施形態に係る画像表示装置の概略図である。 第２実施形態に係るレンズ２０４の成形ゲート位置を説明する図である。 第２実施形態に係るレンズ２０６の成形ゲート位置を説明する図である。 第２実施形態に係るレンズ２０５の成形ゲート位置を説明する図である。 第３実施形態に係る画像表示装置の概略図である。 第３実施形態に係る右眼用接眼光学系のレンズ３０４の成形ゲート位置について説明する図である。 第３実施形態に係る左眼用接眼光学系のレンズ３０６の成形ゲート位置について説明する図である。 左右のレンズのモールド成形について説明する図である。 レンズの鼻逃げ部の加工について説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。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。

（第１実施形態）
図１の画像表示装置の接眼光学系を参照して第１実施形態に係る画像表示装置の構成を説明する。図１は、第１実施形態に係る画像表示装置の概略図である。図中、１０１は画像表示装置としてのＨＭＤ、１０２は観察者の右眼、１０３は観察者の左眼である。レンズ１０４、レンズ１０５、レンズ１０６、レンズ１０７で右眼用接眼光学系を構成し、レンズ１０８、レンズ１０９、レンズ１１０、レンズ１１１で左眼用接眼光学系を構成している。１１２は右眼用画像表示素子、１１３は左眼用画像表示素子であり、有機ＥＬディスプレイである。右眼用画像表示素子１１２および左眼用画像表示素子の画像を表示することが可能な領域（画像表示領域）は、それぞれ矩形である。

右眼用接眼光学系は右眼用画像表示素子１１２に表示された原画像を拡大投影して観察者の右眼１０２に導き、左眼用接眼光学系は左眼用画像表示素子１１３に表示された原画像を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水平表示画角は７０°、垂直表示画角４０°、対角表示画角７６°であり、ＨＭＤ１０１と観察者の眼球との距離（アイレリーフ）は２０ｍｍである。

本実施形態の接眼光学系は偏光素子を含み、偏光を利用して光路を折り畳む光学系である。なお、本明細書において、偏光素子は、λ/４波長板、λ/２波長板等の波長板（位相差付与部材）や、反射型の偏光板、透過型の偏光板等の偏光板等を含む、光の偏光方向によって作用が替わる光学素子を指す。また、液晶表示素子のように偏光機能を内蔵したものも含む。本実施形態の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、第１実施形態に係る接眼光学系の詳細を説明する図である。まず、図２のようにレンズ１０７の右眼用画像表示素子１１２側の平面に、右眼用画像表示素子１１２側から順に偏光板１１４とλ／４板１１５を形成し、レンズ１０５のレンズ１０６側の面にハーフミラー１１６を蒸着する。ハーフミラー１１６を蒸着する面が半透過反射面として作用し、接眼光学系の中で最も光学パワーが強い面としている。

また、レンズ１０５のレンズ１０４側の平面に右眼用画像表示素子１１２側から順にλ／４板１１７と反射偏光板のＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）１１８を形成する。このとき、λ／４板１１５の遅相軸と、λ／４板１１７の遅相軸とは直交する関係になっている。したがって、偏光板１１４が透過する偏光方向とλ／４板１１５の遅相軸が４５°傾いているとき、偏光板１１４が透過する偏光方向とλ／４板１１７の遅相軸は－４５°傾いている。また、偏光板１１４が透過する偏光方向とＰＢＳ１１８が透過する偏光方向は直交している。尚、ここで遅相軸が４５°傾いている、或いは－４５°傾いている、については、実質的に４５°、或いは－４５°傾いていれば良く、例えば、絶対値が４０°以上５０°以下、より好ましくは４３°以上４７°以下であれば構わない。また、傾きのプラスとマイナスは、プラスを時計回りの方向、マイナスを反時計回りの方向とする。また、後段に出てくる同様の４５°の記載についても、同様の幅を持っていると解釈する。

このような構成の場合に、右眼用画像表示素子１１２から出射した光は偏光板１１４を透過して直線偏光となり、λ／４板１１５を透過して円偏光となる。ハーフミラー１１６を透過してλ／４板１１７を透過して直線偏光になり、この直線偏光の偏光方向がＰＢＳ１１８で透過する偏光方向と直交しているため、ＰＢＳ１１８で反射しλ／４板１１７を透過して円偏光となる。ハーフミラー１１６で反射してλ／４板１１７を透過して直線偏光になるが、この直線偏光の偏光方向は先ほどと異なり、ＰＢＳ１１８で透過する偏光方向と一致するため、ＰＢＳ１１８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。

本実施形態のように偏光を利用して光路を折り畳む光学系とすることで、薄型かつ接眼光学系の焦点距離を短くでき、広画角な画像観察を実現できる。

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レンズは硝子よりも比重の小さい樹脂で製作することが望ましく、本実施形態のレンズはすべて樹脂レンズとしている。

しかし、樹脂レンズをモールド成形で製作した場合には、成形時の残留応力の影響で複屈折が生じる。本実施形態のように偏光を利用した光学系の場合には、レンズ内の複屈折により上記で説明した正規の光路の光利用効率が下がり、波長ごとの光利用効率の差も生じることから、観察画像の光量低下、光量ムラ、色ムラが発生してしまう。また、正規の光路においてＰＢＳ１１８で反射すべき光の中で、複屈折の影響によりＰＢＳ１１８を透過する光の割合が増えてしまい、図４のように表示素子からの光が直接観察者の眼に導かれるゴースト光が発生してしまう。そのため、接眼光学系を構成する樹脂レンズの複屈折は出来るだけ小さくする必要がある。

本実施形態では、樹脂レンズを成形する場合、成形ゲート付近には複屈折が大きくなる領域（歪み領域）が発生するため、成形ゲート付近の光路の見え方が悪化する。そこで、成形ゲートの位置を光学有効領域から遠ざけて、観察画像において目立ちにくい位置に配置することで、成形ゲート付近の複屈折による画質低下の影響を小さくする。なお、ここで、レンズの成形ゲートとは、モールド成形する際に、モールド（型）の内部に材料（樹脂や硝材）を流入させるためのゲート、或いはそのゲートが形成されたレンズの一部を指している。モールド成形している限りは全ての光学素子が持っているものであり、当業者が見れば、光学素子の成形ゲートがどこなのか（光学素子を成形する際のモールドのゲートがどこにあったのか）はすぐに分かる。具体的には、レンズの周辺部で他の部分よりも出っ張っている部分であったり、他の部分よりも粗さが大きい部分であったり、他の部分とは形状が違っていたり、色々なケースが考えられる。また、この成形ゲート（或いは成形ゲート跡）、或いはこの成形ゲート跡を切り落とした場合は成形ゲート跡から最も近い位置は、光学素子の中で最も複屈折量が多い位置（領域）である。従って、成形ゲート（跡）は、光学素子の中で最も複屈折量が多い部分（領域）と読み替えても構わない。

なお、レンズをモールド成形する際にゲート付近で発生する複屈折は、レンズの材料が樹脂である場合に特に顕著に大きくなるため、本実施形態では、樹脂レンズを例に説明するが、これに限られるものではない。ガラスレンズであっても複屈折が生じる場合があり、この課題は、レンズを含む全ての光学素子（モールド成形を行う光学素子）に共通であるため、本発明はモールド成形を行う光学素子に適用することが可能である。

図５は、第１実施形態に係る右眼用接眼光学系のレンズ１０５の成形ゲート位置について説明する図である。図５（Ａ）レンズ１０５の成形ゲート位置の一例を示す図である。成形ゲート１２１は、レンズ１０５の外周の一部に設けられ、光学有効領域（有効領域）１１９と成形ゲート１２１との間に非光学有効領域（非有効領域）１２０が設けられている。この非光学有効領域（非有効領域）１２０があることで、光学有効領域１１９と成形ゲート１２１の距離を離すことができ、成形ゲート１２１付近の複屈折が大きくても光学有効領域１１９に影響を与えにくくすることができる。

また、図５（Ｂ）に示すように、成形ゲート１２１は、光軸上の点に対して画像表示素子１１２の矩形の画像表示領域１３２の頂点の方向（以下、頂点方向と略す）に設けられる。つまり、右眼用接眼光学系に組み込まれる際に、レンズ１０５は、成形ゲート１２１またはその跡およびその近傍に生じた歪み領域が、光軸上の点に対して画像表示素子１１２の矩形の画像表示領域１３２の頂点方向に配置されるように組み込まれる。なお、ここで画像表示領域１３２の頂点とは、画像表示素子１１２が画像を表示することが可能であって、観察可能な領域の頂点のことである。本実施形態においては、光軸と垂直な断面において光軸上の点と成形ゲート１２１の中心とを結ぶ直線を直線１３０とする。光軸上の点と成形ゲート１２１に最も近い画像表示領域１３２の頂点とを結ぶ直線を直線１３１とする。直線１３０と直線１３１とがなす角度θ１は２０°であり、成形ゲート１２１は観察画像の頂点方向に設けられている。

観察画像において頂点方向が最も画角が大きい方向であり、その方向で複屈折による画質低下が起こっても目立ちにくい。そのため、光軸と垂直な断面（平面）において光軸上の点と成形ゲート１２１の中心とを結ぶ直線１３０と、光軸上の点と成形ゲート１２１に最も近い画像表示領域１３２の頂点とを結ぶ直線１３１と、がほぼ同じ方向を向いていることが望ましい。具体的には、この直線１３０と直線１３１とがなす角度θ１（θＡ）の絶対値が３０度以下、つまり｜θＡ｜≦３０°を満足することが望ましい。更に望ましくは、｜θＡ｜≦７°を満足すると尚良い。ここで、角度θ１（θＡ）の絶対値が、３０°を超えると成形ゲート付近の複屈折による画質低下が最大画角よりも内側の画角で発生して観察者が気付きやすくなってしまう。ここで、本実施例に記載したθ１の他に、角度θ２、θ３、θ４、θ６、θ７が、上述の角度θＡに対応しており、上述の条件式を満足する。

成形ゲート付近の複屈折を小さくする方法として、成形ゲートの断面積を大きくすることが考えられる。レンズ１０５の成形ゲートの断面積Ｓは３ｍｍ×２ｍｍ＝６ｍｍ^２である。また、光学有効領域における成形ゲート付近の複屈折の影響を小さくするために、成形ゲート位置を光学有効領域から遠ざける方法が考えられる。光学有効領域１１９と成形ゲート１２１との最短距離Ｌは８ｍｍである。そのため、レンズ１０５のＬ／Ｓ^１／２は２．１となる。

本実施形態のように樹脂レンズのＬ／Ｓ^１／２は１以上４以下であることが望ましい。この値が１よりも小さい場合には、成形ゲート位置と光学有効領域が近い、もしくは成形ゲートの断面積が大きく、前者の場合には成形ゲート付近の複屈折の影響が光学有効領域にも出てきてしまい画質が低下する。また後者の場合には、樹脂レンズが厚くなって接眼光学系が薄型化できずに重くなってしまったり、成形ゲートの幅が広くて複屈折の影響の範囲が広がってしまったりする。

Ｌ／Ｓ^１／２の値が４よりも大きい場合には、成形ゲート位置と光学有効領域が離れ過ぎ、もしくは成形ゲートの断面積が小さく、前者の場合には樹脂レンズの外形が大きくなり接眼光学系が大型化し重くなってしまう。また後者の場合には、成形ゲートの断面積が小さく成形ゲート付近の複屈折量が大きくなってしまう。

図５に示すようにレンズ１０５の成形ゲート１２１は観察者がＨＭＤ１０１を装着した状態で、観察者から見て左上に設けられている。上側にしている理由は、人間の視野は上側と下側を比較すると下側の方が広く下側を観察する機会が多いからである。そのため、複屈折による画質低下が発生する場合、下側よりも上側に発生した方が観察者は気付きにくい。そのため、成形ゲートは上側に設けることが望ましい。

レンズ１０５以外の樹脂レンズについても、成形ゲートの位置をレンズ１０５と同様に配置することが望ましい。本実施形態のレンズ１０７、１１１のように比較的小さいレンズの場合には、ガラスレンズと樹脂レンズとの重量の差が小さいので、すべてを樹脂レンズとするのではなく、ガラスレンズと樹脂レンズを組み合わせても良い。その場合には、ガラスレンズの複屈折は非常に小さいため、高品位な画像観察が可能となる。

レンズ１０４、１０５、１０６やレンズ１０８、１０９、１１０は接合して一体のレンズとしても良い。接合レンズとすることで、レンズを保持する際に保持しやすくなる。本実施形態では偏光板１１４とλ／４板１１５の面積を小さくしてコスト低減するためにレンズ１０７にそれぞれ形成したが、偏光板とλ／４板への入射角を小さくして偏光特性を良好にするためにレンズ１０６の画像表示素子１１２側の平面に形成しても良い。また、不要な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、ＰＢＳと観察者の眼球との間に偏光板を配置しても良い。

ＰＢＳ１１８はレンズ１０５の平面部に形成したが、曲面にしてレンズ１０４の眼側の面に形成しても良い。こうすることで、レンズ１０４とレンズ１０５を一体にすることができ、レンズ枚数を低減して薄型化、低コスト化が可能となる。また、偏光板１１４とλ／４板１１５はレンズ１０７に形成するのではなく、右眼用画像表示素子１１２との間に配置しても良い。

本実施形態では画像表示素子は有機ＥＬとして無偏光の光が放射される画像表示素子としたが、液晶ディスプレイとして直線偏光の光が放射されるようにすることで、画像表示素子側の偏光板１１４が必要なくなり薄型化とコスト低減しても良い。

（第２実施形態）
図６の画像表示装置の接眼光学系を参照して第２実施形態に係る画像表示装置の構成を説明する。図６は、第２実施形態に係る画像表示装置の概略図である。図中、２０１はＨＭＤ、２０２は観察者の右眼、２０３は観察者の左眼である。レンズ２０４、レンズ２０５で右眼用接眼光学系を構成し、レンズ２０６、レンズ２０７で左眼用接眼光学系を構成している。２０８は右眼用画像表示素子、２０９は左眼用画像表示素子であり、有機ＥＬディスプレイである。

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拡大投影して観察者の右眼２０２に導き、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水平表示画角は６０°、垂直表示画角６０°、対角表示画角７８°であり、アイレリーフは１８ｍｍである。

本実施形態の接眼光学系は第１実施形態と同様に偏光を利用して光路を折り畳む光学系であり、その光路について右眼用接眼光学系で説明する。まず、レンズ２０５と右眼用画像表示素子２０８との間に、右眼用画像表示素子２０８側から順に偏光板とλ／４板を形成し、レンズ２０４のレンズ２０５側の面にハーフミラーを蒸着する。ハーフミラーを蒸着する面が半透過反射面として作用し、接眼光学系の中で最も光学パワーが強い面としている。また、レンズ２０４の観察者の右眼２０２側の平面に右眼用画像表示素子２０８側から順にλ／４板と反射偏光板のＰＢＳを形成する。このとき、レンズ２０５と右眼用画像表示素子２０８側のλ／４板の遅相軸と、観察者の右眼２０２側のλ／４板の遅相軸とは直交する関係になっている。したがって、レンズ２０５と右眼用画像表示素子２０８側との間の偏光板が透過する偏光方向とλ／４板の遅相軸が４５°傾いているとき、レンズ２０４の観察者の右眼２０２側の平面のλ／４板の遅相軸は－４５°傾いている。また、レンズ２０５と右眼用画像表示素子２０８側との間の偏光板が透過する偏光方向とＰＢＳが透過する偏光方向は直交している。

このような構成の場合に、右眼用画像表示素子２０８から出射した光は偏光板を透過して直線偏光となり、λ／４板を透過して円偏光となる。ハーフミラーを透過してλ／４板を透過して直線偏光になり、この直線偏光の偏光方向がＰＢＳで透過する偏光方向と直交しているため、ＰＢＳで反射しλ／４板を透過して円偏光となる。ハーフミラーで反射してλ／４板を透過して直線偏光になるが、この直線偏光の偏光方向は先ほどと異なり、ＰＢＳで透過する偏光方向と一致するため、ＰＢＳ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。

本実施形態のように偏光を利用して光路を折り畳む光学系とすることで、薄型かつ接眼光学系の焦点距離を短くでき、広画角な画像観察を実現できる。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レンズは硝子よりも比重の小さい樹脂で製作することが望ましく、本実施形態のレンズはすべて樹脂レンズとしている。

図７は、第２実施形態に係る右眼用接眼光学系のレンズ２０４の成形ゲート位置について説明する図である。図７を参照して右眼用接眼光学系のレンズ２０４の成形ゲート位置について説明する。図７（Ａ）は、レンズ２０４の成形ゲート位置の一例を示す図である。レンズ２０４の外周の一部に成形ゲート２１２が設けられており、光学有効領域２１０の周囲に非光学有効領域２１１があり、非光学有効領域２１１の外側に成形ゲート２１２が配置されている。非光学有効領域２１１があることで、光学有効領域２１０と成形ゲート２１２の距離を離すことができ、成形ゲート２１２付近の複屈折が大きくても光学有効領域２１０に影響を与えにくくすることができる。

また、図７（Ｂ）に示すように光軸と垂直な断面においてレンズ２０４の光軸上の点と成形ゲート２１２の中心とを結ぶ直線を直線２２０とする。レンズ２０４の光軸上の点と成形ゲート２１２に最も近い画像表示領域２２１の頂点とを結ぶ直線を直線２２２とする。直線２２０と直線２２２とがなす角度θ２の絶対値は５°であり、成形ゲート２１２は観察画像の頂点方向に設けられる。観察画像において頂点方向が最も画角が大きい方向であり、その方向で複屈折による画質低下が起こっても目立ちにくい。そのため、光軸と垂直な断面において光軸上の点から成形ゲート２１２の中心に向かう方向と、右眼用画像表示素子２０８の成形ゲート２１２に近い対角方向となす角の絶対値は３０°以下であることが望ましい。更に望ましくは７°以下とするのが良い。

成形ゲート付近の複屈折を小さくする方法として、成形ゲートの断面積を大きくすることが考えられる。レンズ２０４の成形ゲートの断面積Ｓは５ｍｍ×１．６ｍｍ＝８ｍｍ^２である。また、光学有効領域における成形ゲート付近の複屈折の影響を小さくするために、成形ゲート位置を光学有効領域から遠ざける方法が考えられる。光学有効領域２１０と成形ゲート２１２との最短距離Ｌは３．５ｍｍである。そのため、レンズ２０４のＬ／Ｓ^１／２は１．２となる。

次に、図８を参照して左眼用接眼光学系のレンズ２０６の成形ゲート位置について説明する。図８は、第２実施形態に係る左眼用接眼光学系のレンズ２０６の成形ゲート位置について説明する図である。図８（Ａ）は、レンズ２０６の成形ゲート位置の一例を示す図である。レンズ２０６の外周の一部に成形ゲート２１５が設けられており、光学有効領域２１３の周囲に非光学有効領域２１４があり、非光学有効領域２１４の外側に成形ゲート２１５が配置されている。前述の通り、このようにすることで、成形ゲート２１５付近の複屈折は大きくても光学有効領域２１３に影響を与えにくくすることができる。

また、図８（Ｂ）に示すように光軸と垂直な断面においてレンズ２０６の光軸上の点と成形ゲート２１５の中心とを結ぶ直線を直線２２３とする。レンズ２０６の光軸上の点と成形ゲート２１５に最も近い画像表示領域２２４の頂点とを結ぶ直線を直線２２５とする。直線２２３と直線２２５とがなす角度θ３の絶対値は５°であり、成形ゲート２１５は観察画像の頂点方向に設けられる。観察画像において頂点方向が最も画角が大きい方向であり、その方向で複屈折による画質低下が起こっても目立ちにくい。

レンズ２０６の成形ゲートの断面積Ｓは５ｍｍ×１．６ｍｍ＝８ｍｍ^２であり、光学有効領域２１３と成形ゲート２１５との最短距離Ｌは３．５ｍｍである。そのため、レンズ２０６のＬ／Ｓ^１／２は１．２となる。

図７、図８に示すように本実施形態では左右のレンズの成形ゲート位置を左上として揃えている。これは、観察者がＨＭＤを観察した際に左右で複屈折の影響が似た画像を観察した方が、両眼で融像した際に快適に観察できるからである。もしも、左右のレンズの成形ゲート位置が異なり、複屈折の影響による画質低下の発生する場所が左右で大きく異なる場合、両眼で融像した際に視野闘争が発生して快適に観察できない。また、左右それぞれの画質の悪い方の画像を認識してしまい、左上と右上の両方が画質低下したように観察される。

そのため、左右のレンズの成形ゲート位置は近い方が望ましい。本実施形態の光軸と垂直な断面においてレンズ２０４の光軸上の点と成形ゲート２１２の中心とを結ぶ直線２２０と、レンズ２０６の光軸上の点と成形ゲート２１５の中心とを結ぶ直線２２３と、の差の絶対値は１０°である。換言すると、レンズ２０４の光軸上の点と、レンズ２０６の光軸上の点とを重ねた場合に、直線２２０と直線２２３とがなす角度φ１の絶対値は１０°である。図８では、説明を簡単にするため、レンズ２０４の光軸上の点と成形ゲート２１２の中心とを結ぶ直線２２０を図示している。角度φ１はその絶対値が３０°以下、つまり、｜φ｜≦３０°を満足することが望ましく、更に好ましくは１５°以下であると尚望ましい。このような条件を満足することで、左右のレンズの成形ゲート位置が近く、観察者がＨＭＤを観察した際に左右で複屈折の影響が似た画像となり、両眼で融像した際に快適に観察できる。ここで、この実施例に記載した角度φ１と後述する角度φ２が、前述の角度φに対応しており、前述の条件式を満足する。

図９を参照して右眼用接眼光学系のレンズ２０５の成形ゲート位置について説明する。図６に示すように、レンズ２０５はレンズ２０４と同じ光が通るレンズ（両方とも右眼用）である。図９は、第２実施形態に係る右眼用接眼光学系のレンズ２０５の成形ゲート位置について説明する図である。図９（Ａ）は、レンズ２０５の成形ゲート位置の一例を示す図である。レンズ２０５の外周の一部に成形ゲート２１８が設けられており、光学有効領域２１６の周囲に非光学有効領域２１７があり、非光学有効領域２１７の外側に成形ゲート２１８が配置されている。前述の通り、このようにすることで、成形ゲート２１８付近の複屈折は大きくても光学有効領域２１６に影響を与えにくくすることができる。

また、図９（Ｂ）に示すように光軸と垂直な断面においてレンズ２０５の光軸上の点と成形ゲート２１８の中心とを結ぶ直線を直線２２６とする。レンズ２０５の光軸上の点と成形ゲート２１８に最も近い画像表示領域２２７の頂点とを結ぶ直線を直線２２８とする。直線２２６と直線２２８とがなす角度θ４の絶対値は５°であり、成形ゲート２１８は観察画像の頂点方向に設けられる。観察画像において頂点方向が最も画角が大きい方向であり、その方向で複屈折による画質低下が起こっても目立ちにくい。

レンズ２０５の成形ゲート２１８の断面積Ｓは５ｍｍ×２ｍｍ＝１０ｍｍ２であり、光学有効領域２１６と成形ゲート２１８との最短距離Ｌは１１ｍｍである。そのため、レンズ２０５のＬ／Ｓ^１／２は３．５となる。

図７、図９に示すように本実施形態では右眼用接眼光学系を構成するレンズ２０４とレンズ２０５の成形ゲート位置を左右で離れた位置としている。これは、レンズ２０４のゲート付近の複屈折とレンズ２０５のゲート付近の複屈折が合算されないようにするためである。もしも、レンズ２０４とレンズ２０５の成形ゲート位置が近い場合には、２つのレンズのゲート付近の複屈折が合算されて画質低下が大きくなってしまう。また、左上と右上の画質の差が大きくなってしまうため、観察時に違和感が生じてしまう。

本実施形態では、光軸と垂直な断面において右眼用接眼光学系の光軸上の点とレンズ２０４の成形ゲート２１２の中心とを結ぶ直線を直線２２０とする。右眼用接眼光学系の光軸上の点とレンズ２０５の成形ゲート２１８の中心とを結ぶ直線を直線２２６とする。直線２２０と直線２２６とがなす角度θ５（θＢ）の絶対値は１００°である。図９では、説明を簡単にするため、右眼用接眼光学系の光軸上の点と成形ゲート２１２の中心とを結ぶ直線２２０を図示している。レンズ２０４とレンズ２０５のゲート位置を左右で離れた位置とすることで、それぞれのゲート付近の複屈折を合算されないようにして、画質低下を小さく抑えることができ、左上と右上の画質の差も小さくできる。

そのため、直線２２０と、直線２２６とがなす角度θ５（θＢ）の絶対値は６０°以上１２０°以下である、つまり６０°≦｜θＢ｜≦１２０°を満足することが望ましい。更に望ましくは７５°以上１０５°以下とするのが良い。この値が６０°よりも小さい場合には、それぞれのレンズの成形ゲート位置が近く、成形ゲート付近の複屈折が合算されてしまい画質低下が大きくなる。尚、ここで、この角度θＢに対応しているのは、前述のθ５である。また、１２０°よりも大きい場合には、どちらかのレンズの成形ゲート位置が対角方向の最大画角から離れてしまい、複屈折による画質低下が目立ってしまう。なお、ここでは、一例として、成形ゲート２１２を有する第１の樹脂レンズとしてのレンズ２０４と、外周の一部に成形ゲート２１８を有する第２の樹脂レンズとしてのレンズ２０５と、を含む右眼用接眼光学系を例に説明をした。第１の樹脂レンズと第２の樹脂レンズは、同じ光が通るレンズであればよく、両方とも右眼用または両方とも左眼用であれば良い。したがって、左眼用接眼光学系を構成するレンズ２０６とレンズ２０７の成形ゲート位置についても同様に、左右で離れた位置にするのが望ましい。

図７、図８、図９に示すように本実施形態においても第１実施形態と同様に接眼光学系を構成しているレンズの成形ゲートは上側に設けている。上側にしている理由についても、第１実施形態と同様である。

なお、本実施形態においては、レンズ２０４、２０５やレンズ２０６、２０７は接合レンズであるが、非接合レンズとしても良い。また、不要な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、ＰＢＳの後に偏光板を配置しても良い。本実施形態では画像表示素子は有機ＥＬとして無偏光の光が放射される画像表示素子としたが、液晶ディスプレイとして直線偏光の光が放射されるようにすることで、画像表示素子側の偏光板を配置せずにコスト低減と薄型化しても良い。

（第３実施形態）
図１０の画像表示装置の接眼光学系を参照して第３実施形態に係る画像表示装置の構成を説明する。図１０は、第３実施形態に係る画像表示装置の概略図である。図中、３０１はＨＭＤ、３０２は観察者の右眼、３０３は観察者の左眼である。レンズ３０４、レンズ３０５で右眼用接眼光学系を構成し、レンズ３０６、レンズ３０７で左眼用接眼光学系を構成している。３０８は右眼用画像表示素子、３０９は左眼用画像表示素子であり、有機ＥＬディスプレイである。

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拡大投影して観察者の右眼３０２に導き、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水平表示画角は６５°、垂直表示画角６５°、対角表示画角８４°であり、アイレリーフは１８ｍｍである。

本実施形態の接眼光学系は実施形態１、２と同様に偏光を利用して光路を折り畳む光学系であり、その光路について右眼用接眼光学系で説明する。まず、レンズ３０５と右眼用画像表示素子３０８との間に、右眼用画像表示素子３０８側から順に偏光板とλ／４板を形成し、レンズ３０４のレンズ３０５側の面にハーフミラーを蒸着する。ハーフミラーを蒸着する面が半透過反射面として作用し、接眼光学系の中で最も光学パワーが強い面としている。また、レンズ３０４の観察者の右眼３０２側の平面に右眼用画像表示素子３０８側から順にλ／４板と反射偏光板のＰＢＳを形成する。このとき、右眼用画像表示素子３０８側のλ／４板の遅相軸と、観察者の右眼３０２側のλ／４板の遅相軸とは直交する関係になっている。したがって、レンズ３０５と右眼用画像表示素子３０８側との間の偏光板が透過する偏光方向とλ／４板の遅相軸が４５°傾いているとき、レンズ３０４の観察者の右眼３０２側の平面のλ／４板の遅相軸は－４５°傾いている。また、レンズ３０５と右眼用画像表示素子３０８側との間の偏光板が透過する偏光方向とＰＢＳが透過する偏光方向は直交している。

このような構成の場合に、右眼用画像表示素子３０８から出射した光は偏光板を透過して直線偏光となり、λ／４板を透過して円偏光となる。ハーフミラーを透過してλ／４板を透過して直線偏光になり、この直線偏光の偏光方向がＰＢＳで透過する偏光方向と直交しているため、ＰＢＳで反射しλ／４板を透過して円偏光となる。ハーフミラーで反射してλ／４板を透過して直線偏光になるが、この直線偏光の偏光方向は先ほどと異なり、ＰＢＳで透過する偏光方向と一致するため、ＰＢＳを透過して観察者の右眼３０２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。

本実施形態のように偏光を利用して光路を折り畳む光学系とすることで、薄型かつ接眼光学系の焦点距離を短くでき、広画角な画像観察を実現できる。ＨＭＤ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レンズは硝子よりも比重の小さい樹脂で製作することが望ましく、本実施形態のレンズはすべて樹脂レンズとしている。

図１１は、第３実施形態に係る右眼用接眼光学系のレンズ３０４の成形ゲート位置について説明する図である。図１１を参照して右眼用接眼光学系のレンズ３０４の成形ゲート位置について説明する。図１１（Ａ）は、レンズ３０４の成形ゲート位置の一例を示す図である。レンズ３０４の外周の一部に成形ゲート３１２が設けられており、光学有効領域３１０の周囲に非光学有効領域３１１があり、非光学有効領域３１１の外側に成形ゲート３１２が配置されている。非光学有効領域３１１があることで、光学有効領域３１０と成形ゲート３１２の距離を離すことができ、成形ゲート３１２付近の複屈折が大きくても光学有効領域３１０に影響を与えにくくすることができる。

また、図１１（Ｂ）に示すように光軸と垂直な断面においてレンズ３０４の光軸上の点と成形ゲート３１２の中心とを結ぶ直線を直線３２０とする。レンズ３０４の光軸上の点と成形ゲート３１２に最も近い画像表示領域３２１の頂点とを結ぶ直線を直線３２２とする。直線３２０と直線３２２とがなす角度θ６の絶対値は１０°であり、成形ゲート３１２は観察画像の頂点方向に設けられる。観察画像において頂点方向が最も画角が大きい方向であり、その方向で複屈折による画質低下が起こっても目立ちにくい。そのため、直線３２０と直線３２２とがなす角度θ６の絶対値は３０°以下であることが望ましい。更に望ましくは１５°以下とするのが良い。

成形ゲート付近の複屈折を小さくする方法として、成形ゲートの断面積を大きくすることが考えられる。レンズ３０４の成形ゲートの断面積Ｓは４ｍｍ×２ｍｍ＝８ｍｍ^２である。また、光学有効領域における成形ゲート付近の複屈折の影響を小さくするために、成形ゲート位置を光学有効領域から遠ざける方法が考えられる。光学有効領域３１０と成形ゲート３１２との最短距離Ｌは５ｍｍである。そのため、レンズ３０４のＬ／Ｓ^１／２は１．８となる。

次に図１２を参照して左眼用接眼光学系のレンズ３０６の成形ゲート位置について説明する。図１２は、第３実施形態に係る左眼用接眼光学系のレンズ３０６の成形ゲート位置について説明する図である。図１２（Ａ）は、レンズ３０６の成形ゲート位置の一例を示す図である。レンズ３０６の外周の一部に成形ゲート３１５が設けられており、光学有効領域３１３の周囲に非光学有効領域３１４があり、非光学有効領域３１４の外側に成形ゲート３１５が配置されている。非光学有効領域３１４があることで、光学有効領域３１３と成形ゲート３１４の距離を離すことができ、成形ゲート３１５付近の複屈折は大きくても光学有効領域３１３に影響を与えにくくすることができる。

また、図１２（Ｂ）に示すように光軸と垂直な断面においてレンズ３０６の光軸上の点と成形ゲート３１５の中心とを結ぶ直線を直線３２３とする。レンズ３０６の光軸上の点と成形ゲート３１５に最も近い画像表示領域３２４の頂点とを結ぶ直線を直線３２５とする。直線３２３と直線３２５とがなす角度θ７の絶対値は１０°であり、成形ゲート３１５は観察画像の頂点方向に設けられる。観察画像において頂点方向が最も画角が大きい方向であり、その方向で複屈折による画質低下が起こっても目立ちにくい。

レンズ３０６の成形ゲートの断面積Ｓは４ｍｍ×２ｍｍ＝８ｍｍ^２であり、光学有効領域３１３と成形ゲート３１５との最短距離Ｌは５ｍｍである。そのため、レンズ３０６のＬ／Ｓ^１／２は１．８となる。

図１１、図１２に示すように本実施形態ではレンズ３０４とレンズ３０６の成形ゲート位置を右上として揃えている。これは、観察者がＨＭＤを観察した際に左右で複屈折の影響が似た画像を観察した方が、両眼で融像した際に快適に観察できるからである。もしも、左右のレンズの成形ゲート位置が異なり、複屈折の影響による画質低下の発生する場所が左右で大きく異なる場合、両眼で融像した際に視野闘争が発生して快適に観察できない。また、左右それぞれの画質の悪い方の画像を認識してしまい、左上と右上の両方が画質低下したように観察される。

そのため、左右のレンズの成形ゲート位置は近い方が望ましい。本実施形態の光軸と垂直な断面においてレンズ３０４の光軸上の点と成形ゲート３１２の中心とを結ぶ直線３２０と、レンズ３０６の光軸上の点と成形ゲート３１５の中心とを結ぶ直線３２３と、の差の絶対値は０°である。換言すると、レンズ３０４の光軸上の点と、レンズ３０６の光軸上の点とを重ねた場合に、直線３２０と直線３２３とがなす角度φ２の絶対値は０°である。
図１２では、説明を簡単にするため、レンズ３０４の光軸上の点と成形ゲート３１２の中心とを結ぶ直線３２０を図示している。本図では、直線３２０と直線３２３とがなす角度φ２は０°であるため、直線３２０と直線３２３とは同一直線となっている。この数値は３０°以下が望ましく、このようにすることで、左右のレンズの成形ゲート位置が近く、観察者がＨＭＤを観察した際に左右で複屈折の影響が似た画像となり、両眼で融像した際に快適に観察できる。更に望ましくは１５°以下とするのが良い。

図１０に示すようにＨＭＤ３０１は観察者が頭に装着した際に観察者の鼻がぶつからないように鼻逃げ部３１６を有している。鼻逃げ部とは、右眼用のレンズの左下、左眼用レンズの右下に設けられた、使用者の鼻との干渉と避けるためにレンズ端面を斜めにした（切欠きを設けた、或いは面取りした）形状（鼻逃げ形状）のことである。具体的には、図１１に示すように、右眼用のレンズの左下側の端部が、左から右に向かうに連れて下に下がるような面形状にして、第１鼻逃げ部３１７を設けている。同様に、図１２に示すように左眼用のレンズの右下側の端部が、右から左に向かうに連れて下に下がるような面形状にして第２鼻逃げ部３１８を設けている。この第１鼻逃げ部３１７および第２鼻逃げ部３１８は、レンズの他の角部と比べて大きく面取りされている（えぐれている）構成となっている。別の言い方をすれば、レンズの光軸からレンズの対角方向の４つの角部までの距離を比べると、第１鼻逃げ部３１７または第２鼻逃げ部３１８に最も近い角部までの距離が他の３つよりも短い（好ましくは他の３つの距離のうち最も長い距離の０．９倍（更に望ましくは０．８倍）より短い）。ここでの対角方向とは、画像表示素子（矩形の画像表示領域）の対角方向のことである。

接眼光学系を構成するレンズに鼻逃げ形状がある場合、レンズ３０４とレンズ３０６のように左右のレンズの形状は同じではなく左右対称となる。そのため、モールド成形でレンズを製作する場合には、１つのモールドで左右のレンズを同時に成形することが望ましい。そうすることで、左右それぞれの型を製作する場合に比べて、型製作コストを削減し、左右のレンズを成形する時間を短くすることができる。

図１３は、左右のレンズのモールド成形について説明する図である。左右のレンズを１つのモールドで成形する場合、通常は図１３（Ｂ）に示すように成形ランナー３２６を配置するのが一般的である。しかし、本実施形態のように左右のレンズの成形ゲート位置を揃える場合には図１３（Ａ）に示すように成形ランナーを配置するのが良い。このように成形ランナーを配置して左右のレンズを成形し、成形ゲート位置がそれぞれの接眼光学系の光軸上の点に対する画像表示領域の頂点の方向と一致するように、接眼光学系を組み立てる。これにより、成形ゲート付近の複屈折影響が少ない接眼光学系を製造することができる。

レンズ３０５とレンズ３０７の成形ゲート位置については、レンズ３０４とレンズ３０６の成形ゲート位置と離れた左上として揃えることが望ましく、鼻逃げ形状があることを考慮して１つのモールドで成形することが望ましい。また、レンズ３０４の成形ゲート位置とレンズ３０５の成形ゲート位置、及び、レンズ３０６とレンズ３０７の成形ゲート位置は離れて配置することが望ましい。

図１１、図１２のように接眼光学系を構成しているレンズの成形ゲートは上側に設けている。上側にしている理由は、人間の視野は上側と下側を比較すると下側の方が広く下側を観察する機会が多いからである。そのため、複屈折による画質低下が発生する場合、下側よりも上側に発生した方が観察者は気付きにくい。そのため、成形ゲートは上側に設けることが望ましい。

図１４は、レンズの鼻逃げ部の加工について説明する図である。本実施形態のようにレンズに鼻逃げ形状を設ける場合、例えば、図１４（Ａ）に示すように、まず鼻逃げ形状が無い状態でレンズを成形する。モールドの成形ランナー３２６からモールドに材料を流し込むことによって鼻逃げ形状が無い状態のレンズが成形される。その後、、鼻逃げ部を追加工で製作する方法でも良い。その場合、成形ゲートを除去するように鼻逃げ部を加工しても良い。すなわち、成形ゲートと歪み領域の一部とを除去して鼻逃げ部を形成する。鼻逃げ部に対応する位置に成形ゲートを配置することで、成形ゲート付近の複屈折が大きい領域を追加工で無くすことができる。これにより、成形ゲート付近の複屈折の影響を低減することが可能となる。

なお、不要な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、ＰＢＳの後に偏光板を配置しても良い。また、本実施形態では画像表示素子は有機ＥＬとして無偏光の光が放射される画像表示素子としたが、液晶ディスプレイとして直線偏光の光が放射されるようにすることで、画像表示素子側の偏光板を配置せずにコスト低減と薄型化しても良い。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変更が可能である。

１０１、２０１、３０１ ＨＭＤ
１０２、２０２、３０２ 観察者の右眼
１０３、２０３、３０３ 観察者の左眼
１０４、１０５、１０６、１０７、２０４、２０５、３０４、３０５ 右眼用接眼光学系を構成するレンズ
１０８、１０９、１１０、１１１、２０６、２０７、３０６、３０７ 左眼用接眼光学系を構成するレンズ
１１２、２０８、３０８ 右眼用画像表示素子
１１３、２０９、３０９ 左眼用画像表示素子
１３２、２２１、２２４、２２７、３２１、３２４ 画像表示領域
１２１、２１２、２１５、２１８、３１２、３１５ 成形ゲート

Claims (10)

1. 画像表示素子と、該画像表示素子の矩形の画像表示領域からの光を観察者に導く接眼光学系とを有する画像表示装置であって、
   前記接眼光学系は、偏光素子と、外周の一部に成形ゲート跡が設けられた光学素子とを含み、
   前記接眼光学系の光軸に垂直な断面における前記光学素子の外形は矩形であり、
   前記画像表示素子及び前記光学素子を前記光軸方向から見たときの、前記成形ゲート跡に最も近い前記画像表示領域の頂点と前記光軸とを結ぶ直線と、前記成形ゲート跡の中心と前記光軸とを結ぶ直線とのなす角をθＡとするとき、
   ｜θＡ｜≦２０°
   なる条件式を満足することを特徴とする画像表示装置。
2. ｜θＡ｜≦１５°なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記成形ゲート跡の断面積をＳ、前記成形ゲート跡と前記光学素子の光学有効領域との最短距離をＬとするとき、
   １≦Ｌ／Ｓ ^１／２ ≦４
   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に記載の画像表示装置。
4. 前記光学素子は、光学有効領域と前記成形ゲート跡との間に位置する非光学有効領域を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の画像表示装置。
5. 前記接眼光学系は、前記光学素子としての第１及び第２の光学素子を含み、
   前記第１の光学素子には前記成形ゲート跡としての第１の成形ゲート跡が設けられ、
   前記第２の光学素子には前記成形ゲート跡としての第２の成形ゲート跡が設けられ、
   前記第１及び第２の光学素子を前記光軸方向から見たときの、前記光軸と前記第１の成形ゲート跡の中心とを結ぶ直線と、前記光軸と前記第２の成形ゲート跡の中心とを結ぶ直線とのなす角をθＢとするとき、
   ６０°≦｜θＢ｜≦１２０°
   なる条件式を満足する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画像表示装置。
6. 前記画像表示素子としての右眼用の画像表示素子及び左眼用の画像表示素子と、前記接眼光学系としての右眼用の接眼光学系及び左眼用の接眼光学系とを有し、
   前記右眼用の接眼光学系は、前記光学素子としての右眼用の光学素子を含み、
   前記左眼用の接眼光学系は、前記光学素子としての左眼用の光学素子を含み、
   前記右眼用の光学素子及び前記左眼用の光学素子を前記右眼用の接眼光学系の光軸方向から見たときの、前記右眼用の接眼光学系の光軸と前記右眼用の光学素子の成形ゲート跡の中心とを結ぶ直線と、前記左眼用の接眼光学系の光軸と前記左眼用の光学素子の成形ゲート跡の中心とを結ぶ直線とのなす角をφとするとき、
   ｜φ｜≦３０°
   なる条件式を満足す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画像表示装置。
7. 前記接眼光学系は、前記画像表示素子の側から前記観察者の側へ順に配置された、第１のλ／４板、半透過反射面、第２のλ／４板、反射偏光板を含み、
   前記反射偏光板は、第１の直線偏光を反射し、かつ偏光方向が該第１の直線偏光と直交する第２の直線偏光を透過させることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の画像表示装置。
8. 前記第１のλ／４板の遅相軸と前記第１の直線偏光の偏光方向とのなす角が４５°であり、
   前記第２のλ／４板の遅相軸と前記第１の直線偏光の偏光方向とのなす角が－４５°であることを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
9. 前記接眼光学系は、前記画像表示素子と前記第１のλ／４板との間に配置され、前記第１の直線偏光を透過させる第１の偏光板を含むことを特徴とする請求項７または８に記載の画像表示装置。
10. 前記接眼光学系は、前記反射偏光板と前記観察者との間に配置され、前記第２の直線偏光を透過させる第２の偏光板を含むことを特徴とする請求項７から９のいずれか一項に記載の画像表示装置。

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