JP7438811B2 - 光学系および画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示素子上の画像を拡大して表示するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に好適な光学系に関する。

特許文献１には、偏光を利用して光路を折り畳む広画角の接眼光学系に関し、半透過型偏光板の透過軸の方向を眼の並ぶ方向として輝度ムラを低減する接眼光学系が開示されている。特許文献２には、偏光を利用して光路を折り畳む広画角の接眼光学系に関し、曲面上の偏光素子を利用して広画角を実現した接眼光学系が開示されている。

特開２０１９－０５３１５２号公報 特表２０１８－５０８８００号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２には、レンズの複屈折により発生したゴーストを低減する方法について開示されていない。

そこで本発明は、偏光を利用する、広画角でありながらゴーストを低減することが可能な光学系および画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光学系は、画像表示素子の表示面の拡大像を形成する光学系であって、前記表示面の側から順に配置された、偏光板、第一の位相板、第一のレンズ、半透過反射面、第二のレンズ、第二の位相板、および、反射透過偏光板を有し、前記第一のレンズ、および前記第二のレンズは樹脂レンズであり、前記第一の位相板の遅相軸方向の右回りを正とするとき、前記偏光板を透過する光の偏光方向に対する前記第一の位相板の遅相軸方向の第一の角度の絶対値は、３０°以上４４°以下または４６°以上６０°以下であり、前記第一のレンズで生じる位相差は、前記第二のレンズで生じる位相差よりも大きい。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

本発明によれば、偏光を利用する、広画角でありながらゴーストを低減することが可能な光学系および画像表示装置を提供することができる。

第一の実施形態における画像表示装置の説明図である。 第一の実施形態における接眼光学系の詳細説明図である。 第一の実施形態における接眼光学系のゴースト光路の説明図である。 第一の実施形態における接眼光学系の直接ゴースト光の強度の説明図である。 第一の実施形態における接眼光学系の直接ゴースト光の強度の説明図である。 第一の実施形態における接眼光学系の詳細説明図である。 第二の実施形態における画像表示装置の説明図である。 第二の実施形態における接眼光学系の詳細説明図である。 第二の実施形態における接眼光学系の直接ゴースト光の強度の説明図である。 第二の実施形態における接眼光学系の直接ゴースト光の強度の説明図である。 第三の実施形態における画像表示装置の説明図である。 第三の実施形態における接眼光学系の詳細説明図である。 第一の実施形態における接眼光学系のレンズの外形の説明図である。 第一の実施形態における接眼光学系のレンズの複屈折の説明図である。 第二の実施形態における接眼光学系のレンズの複屈折の説明図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の各実施形態を説明するにあたり、光の偏光状態や位相差についての記述を行うが、直線偏光、円偏光、楕円偏光、λ／４の位相差などの概念が表す状態は、一般的にある一定の範囲を持つ広い状態を意味する。このため、それらの誤差によって本発明の本質的な効果が妨げられるものではない。また、各光学素子で生じる位相差は、波長λの光に関する位相差であり、波長λとしては可視光域の任意の波長を選択することができ、例えばλ＝５８０ｎｍであるが、これに限定されるものではない。

（第一の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第一の実施形態における画像表示装置について説明する。図１は、本実施形態における画像表示装置１０１の構成図である。図１において、１０１は画像表示装置であり、不図示の装着機構などと合わせて頭部などに装着して使用され得る。画像表示装置１０１は、頭部に装着される場合にはヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）とも称される。１０２は観察者の右眼、１０３は観察者の左眼である。第二のレンズ１０４および第一のレンズ１０５は、右眼用接眼光学系を構成する。第二のレンズ１０６および第一のレンズ１０７は、左眼用接眼光学系を構成する。１０８は画像表示素子（右眼用画像表示素子）、１０９は画像表示素子（左眼用画像表示素子）であり、例えば有機ＥＬディスプレイであるが、これに限定されるものではない。

右眼用接眼光学系は、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、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４５°、垂直表示画角は３４°、対角表示画角５４°であり、画像表示装置１０１と観察者の眼球との距離（アイレリーフＥ１）は１８ｍｍである。

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光学系である。次に、図２を参照して、画像表示装置１０１の光学系（接眼光学系）の光路について説明する。図２は、接眼光学系（右眼用接眼光学系）の詳細説明図である。なお、図２は右眼用接眼光学系の構成を説明しているが、左眼用接眼光学系の構成も同様であるため、その説明を省略する。まず、画像表示素子１０８と第一のレンズ１０５との間に、画像表示素子１０８側から観察者の右眼１０２に向かって順に偏光板１１０と第一の位相板１１１とが配置されている。

第二のレンズ１０４と第一のレンズ１０５との間には半透過反射膜（半透過反射面）１１２が存在している。半透過反射膜１１２は、金属膜または誘電体膜等により構成することができ、必要に応じて第二のレンズ１０４内の光学面もしくは第一のレンズ１０５内の光学面上、または単独の基材上に成膜されうる。また、第二のレンズ１０４と観察者の右眼１０２との間に、画像表示素子１０８側から順に、第二の位相板１１３とＰＢＳ（反射透過偏光板）１１４とが配置される。第二の位相板１１３とＰＢＳ１１４はそれぞれ平面形状である。第一のレンズ１０５および第二のレンズ１０４の構成は、光学設計により適宜選択され、それぞれ単レンズまたは複数のレンズで構成される。なお本実施形態において、第一のレンズ１０５と第二のレンズ１０４の両方が存在しているが、設計例によっては第一のレンズ１０５または第二のレンズ１０４のいずれか一方のみが存在する構成であってもよい。

まず、第一のレンズ１０５および第二のレンズ１０４に複屈折特性がない理想状態について説明する。この場合、偏光板１１０を透過する光の偏光方向と第一の位相板１１１の遅相軸は４５°傾いており、偏光板１１０を透過する光の偏光方向と第二の位相板１１３の遅相軸は－４５°傾いている。また、偏光板１１０を透過する光の偏光方向とＰＢＳ１１４を透過する光の偏光方向は直交している。

このような構成の場合、画像表示素子１０８から出射した光は偏光板１１０を透過して直線偏光となり、第一の位相板１１１を透過して円偏光となる。この円偏光は、第一のレンズ１０５を円偏光のまま透過し、半透過反射膜１１２を透過した後に第二のレンズ１０４を円偏光のまま透過し、第二の位相板１１３を透過して直線偏光になる。この直線偏光は、偏光方向がＰＢＳ１１４で透過する偏光方向と直交しているため、ＰＢＳ１１４で反射され、再度、第二の位相板１１３を透過して円偏光となる。この円偏光は、第二のレンズ１０４を円偏光のまま透過し、半透過反射膜１１２で反射し、再び、第二のレンズ１０４を円偏光のまま透過し、第二の位相板１１３を透過して直線偏光になる。ただし、この直線偏光の偏光方向は、前述と異なり、ＰＢＳ１１４で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。

第一のレンズ１０５および第二のレンズ１０４に複屈折特性がない場合の光の偏光状態は、原理的な理想偏光状態であるといえる。なお、第二の位相板１１３の遅相軸方向が４５°でＰＢＳ１１４の偏光特性方向を９０°傾けるという構成もあり得るが、これらの構成は適宜選択可能であるため、その詳細な説明については省略する。以上のように偏光を利用して光路を折り畳む光学系は、薄型でありながら接眼光学系の焦点距離を短くすることが可能であり、広画角な画像観察を実現することができる。

画像表示装置１０１は、頭部に装着されることがあるため、軽量であることが望ましい。軽量化の手法としては、接眼光学系を構成するレンズを硝子よりも比重の小さい樹脂で製作することが考えられる。このため、本実施形態の第一のレンズ１０５は樹脂レンズである。

樹脂レンズは、熱可塑性樹脂を用いた成形により作成可能であり、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。このため、樹脂レンズとしては、成形レンズが一般的に用いられている。しかし、このような成形樹脂レンズには成型時の残留応力等に起因した複屈折特性が残りやすく、複屈折のあるレンズを本実施形態の第一のレンズ１０５や第二のレンズ１０４に使用すると、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ない。その結果、図１のような正規の光路ではなく、図３のように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する。

また、ＰＢＳ１１４で反射した後の正規光路においても不要な位相差が付与されることにより、最終的にＰＢＳ１１４で透過されるはずの光の一部が反射され、結果観察する際に映像が暗くなる（減光）こともある。樹脂レンズの複屈折を低減するため、レンズの材料や成形条件、成形後アニール等による対策が知られているが、これらの手法だけで偏光を利用して光路を折り畳む光学系における直接ゴースト光や減光といった問題を十分に減らすことは困難である。

本実施形態の第二のレンズ１０４および第一のレンズ１０５は、表示画角のアスペクト比に合わせて、図１３（ａ）、（ｂ）のように円形状ではなく上下をカットした形状となっている。このような構成により、光学有効領域以外の不要なレンズをカットして軽量化することができる。このときに第一のレンズ１０５の複屈折量と軸方向の分布を図１４に示す。図１４から分かるように、直接ゴーストの光路であるレンズ１０５の中央付近の複屈折量は１０ｎｍ程度で軸方向は概ね一方向に揃っており、軸方向の平均的な向きは第一の位相板１１１の遅相軸または進相軸と異なる方向である。このとき、第一の位相板１１１を透過した円偏光は、第一のレンズ１０５を透過すると、第一の位相板１１１の遅相軸または進相軸と異なる方向に楕円方位角を有する楕円偏光になる。このため、第二の位相板を透過すると、ＰＢＳ１１４で反射する偏光軸以外の直接ゴースト光が増加する。

そこで本実施形態では、第一のレンズ１０５の複屈折による位相差により発生する直接ゴースト光を低減するため、第一の位相板１１１の遅相軸の角度を４５°からずらす。具体的には、第一の位相板１１１の遅相軸と偏光板１１０を透過する光の偏光方向とのなす角（偏光板１１０を透過する光の偏光方向に対する第一の位相板１１１の遅相軸方向の第一の角度）を４７°としている。これにより、第一の位相板１１１を透過した光は、円偏光ではなく楕円偏光となる。この楕円偏光が複屈折を有する第一のレンズ１０５を透過すると、複屈折による位相差で楕円偏光が円偏光または第一の位相板１１１の遅相軸もしくは進相軸と同じ方向に楕円方位角を有する楕円偏光になる。このため、第一のレンズ１０５を透過した光が第二の位相板１１３を透過すると、ＰＢＳ１１４で反射する偏光軸に近い偏光状態となり、第一のレンズ１０５の複屈折による位相差により発生する直接ゴースト光を低減することができる。

ここで、第一の位相板１１１の遅相軸と偏光板１１０を透過する光の偏光方向とのなす角（第一の位相板１１１の遅相軸の角度）と直接ゴースト光の強度との関係を図４に示す。図４において、横軸は第一の位相板１１１の遅相軸の角度、縦軸は直接ゴースト光の強度をそれぞれ示す。図４から分かるように、理想的な遅相軸の角度４５°に対して、４７°にすることで直接ゴースト光の強度を約半分に低減することができる。

以上のように、本実施形態では、第一のレンズ１０５に複屈折特性があるにも関わらず、第一の位相板１１１の遅相軸の角度を理想的な状態からずらすだけの簡便な構成で、直接ゴースト光の発生を低減することができる。また、第一の位相板１１１の位相特性や第一のレンズ１０５の位相特性は、ＰＢＳ１１４を反射した後の正規光路においては影響しないため、本実施形態のように第一の位相板１１１の特性が理想状態からずれていても減光などの影響も少ない。

なお本実施形態は、樹脂レンズで付与される位相差が大きく、直接ゴースト光が弊害となる場合に特に効果的である。より具体的には、第一のレンズ１０５に使用される樹脂レンズで付与される光学有効領域における位相差の絶対値がλ／２００以上であればより効果的であり、また、位相差の絶対値がλ／１００以上である場合にはさらに効果的である。

また、樹脂レンズの複屈折特性が温度とともに変化する場合、画像表示装置１０１が使用される際の樹脂レンズの温度範囲のうち実際に使用される頻度が高い温度において、直接ゴースト光の強度が小さくなるように構成してもよい。このような構成は、例えば、樹脂レンズの温度に基づいて第一の位相板１１１の遅相軸の角度（第一の角度）を変更（選択）する角度変更手段を設けることで、実現可能である。

図５は、常温時の直接ゴースト光の強度と実際に使用される頻度が高い昇温時の直接ゴースト光の強度を示す。図５において、横軸は第一の位相板１１１の遅相軸の角度、縦軸は直接ゴースト光の強度をそれぞれ示す。図５から分かるように、常温時には第一の位相板１１１の遅相軸と偏光板１１０を透過する光の偏光方向とのなす角を４７°とすることで、直接ゴースト光の強度を小さくすることができる。一方、昇温時には第一の位相板１１１の遅相軸と偏光板１１０を透過する光の偏光方向とのなす角を５２°とすることで、直接ゴースト光の強度を小さくすることができる。このため、昇温後を考慮して第一の位相板１１１の遅相軸と偏光板１１０を透過する光の偏光方向とのなす角を５２°としてもよい。または、樹脂レンズの温度に基づいて第一の位相板１１１の遅相軸の方向を変化させてもよい。具体的には、常温時には第一の位相板１１１の遅相軸の向きを４７°として、温度の上昇に応じて４５°からのずらし量を増やしていき昇温後には５２°になるようにしてもよい。この方法によれば、実際に使用される際の温度域においては直接ゴースト光が小さいため、実用上は直接ゴースト光の少ない良好な画像観察が可能になる。また、レンズの複屈折の軸方位に分布がある場合、その分布に応じて第一の位相板１１１の遅相軸の向きを場所ごとに変化させてもよい。

本実施形態の接眼光学系の射出瞳は、図６のようにアイレリーフＥの１８ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた２８ｍｍの位置とし、射出瞳径は６ｍｍとしている。このようにすることで、上下左右を観察するために眼球が回転した際にも、その方向の光が眼球に入射するようにしている。ＨＭＤは頭部装着型の画像表示装置であり、眼鏡をかけている観察者もかぶれるようにアイレリーフＥは１５ｍｍ以上であることが好ましい。また、アイレリーフＥが長くなると、レンズの外形が大きくなりＨＭＤも大型化するため、アイレリーフＥは２５ｍｍ以下であることが好ましい。すなわち、接眼光学系のアイレリーフＥ（ｍｍ）は、１５≦Ｅ≦２５なる条件式を満足することが好ましい。

レンズの複屈折は、樹脂材料を金型成形でレンズを製造した際に発生し、レンズの偏肉比が大きいほど金型成形後の冷却時にレンズの薄い部分と厚い部分の冷え方の差が大きくなり複屈折が大きくなる。

本実施形態のように広画角で薄型の光学系の場合、最も光学的パワーが大きい反射面を有する第２のレンズ１０４の偏肉比は大きくなる。第２のレンズ１０４の光学有効領域における偏肉比は例えば２．０である。本実施形態において、偏肉比は１．５以上、４以下であることが好ましい。偏肉比が１．５未満の場合、光学的パワーを小さくしてレンズの曲率半径を大きくするか、レンズを厚くすることが必要である。光学的パワーを小さくすると、広画角を実現できなくなるか、または光学的パワーが大きいレンズを追加する必要があるため光学系が厚くなる。レンズを厚くすると、光学系が厚くなり薄型化を実現することができない。偏肉比が４より大きい場合、レンズの複屈折が大きくなり過ぎ、ゴースト光の強度が増して自然な観察を行うことができない。

右眼用接眼光学系の全長Ｌ１を右眼用接眼光学系のＰＢＳ１１４の観察者の右眼１０２側の面から画像表示素子１０８の表示面までの距離（接眼光学系の最も拡大側のレンズ面から表示面までの距離）とする。このとき、全長Ｌ（Ｌ１）は１３ｍｍであり、全長Ｌ１とアイレリーフＥ（Ｅ１）の比Ｌ／Ｅ（Ｌ１／Ｅ１）は０．７２である。本実施形態において、アイレリーフの長さと接眼光学系の薄型化を両立するため、０．６≦Ｌ／Ｅ≦１．０なる条件式を満足することが好ましい。比Ｌ１／Ｅ１が０．６よりも小さい場合、アイレリーフが長くレンズの外形が大きくなりＨＭＤも大型化してしまう。また、外形が大きいほどレンズの複屈折の特性は低下するため、ゴースト光の強度が増して自然な観察ができない。一方、比Ｌ１／Ｅ１が１よりも大きい場合、接眼光学系が厚くなりＨＭＤが大型化し、アイレリーフが短くなり観察者に圧迫感を与え、眼鏡をかけている観察者がかぶれなくなってしまう。

本実施形態の接眼光学系のアイレリーフＥ（Ｅ１）は１８ｍｍであり、最大半画角θ（θ１）は２７°である。このとき、Ｅ×ｔａｎθ（Ｅ１×ｔａｎθ１）＝９．２ｍｍであり、本実施形態において、アイレリーフの長さと接眼光学系の広画角を両立するため、８≦Ｅ×ｔａｎθ≦２０なる条件式を満足することが好ましい。Ｅ１×ｔａｎθ１が８ｍｍよりも小さい場合、アイレリーフが短くなり観察者に圧迫感を与え、眼鏡をかけている観察者がかぶれなくなってしまうか、接眼光学系の画角が狭く臨場感のある自然な観察ができない。一方、Ｅ１×ｔａｎθ１が２０ｍｍよりも大きい場合、アイレリーフが長くレンズの外形が大きくなりＨＭＤも大型化してしまう。また、外形が大きいほどレンズの複屈折の特性は低下するため、ゴースト光の強度が増して自然な観察ができない。

本実施形態では、第二のレンズ１０４、１０６は樹脂レンズであるが、これに限定されるものではなく、ガラスレンズでもよい。ガラスレンズの複屈折は小さいため、高品位な画像観察が可能となる。また、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、ＰＢＳと観察者の眼球との間に偏光板を配置してもよい。第二の位相板（λ／４板）１１３とＰＢＳ１１４が形成されている第二のレンズ１０４の観察者の眼球側の面は平面である。これは、アイレリーフを長くすることと、光学系を薄型化することを両立するためである。この面が観察者の眼球に向かって凹形状の場合、周辺部でのアイレリーフを確保するためにレンズが厚くなる。一方、この面が凸形状の場合、レンズコバ部の全長を確保するためにレンズが厚くなる。なお本実施形態において、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であるが、これに限定されるものではない。画像表示素子を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構成してもよい。この場合、画像表示素子側の偏光板１１０が必要なくなり、薄型化とコスト低減を実現することができる。

（第二の実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第二の実施形態における画像表示装置について説明する。図７は、本実施形態における画像表示装置２０１の構成図である。図７において、２０１は画像表示装置（ＨＭＤ）、２０２は観察者の右眼、２０３は観察者の左眼である。第二のレンズ２０４と第一のレンズ２０５は接合されており、右眼用接眼光学系を構成する。第二のレンズ２０６と第一のレンズ２０７は接合されており、左眼用接眼光学系を構成する。２０８は画像表示素子（右眼用画像表示素子）、２０９は画像表示素子（左眼用画像表示素子）であり、例えば有機ＥＬディスプレイであるが、これに限定されるものではない。

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Ｆ２は１３ｍｍ、水平表示画角は６０°、垂直表示画角は６０°、対角表示画角７８°であり、アイレリーフＥ２は２０ｍｍである。

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光学系である。次に、図８を参照して、画像表示装置２０１の接眼光学系の光路について説明する。図８は、接眼光学系（右眼用接眼光学系）の詳細説明図である。なお、図８は右眼用接眼光学系の構成を説明しているが、左眼用接眼光学系の構成も同様であるため、その説明を省略する。まず、右眼用画像表示素子２０８と第一のレンズ２０５との間に、右眼用画像表示素子２０８側から観察者の右眼２０２に向かって順に偏光板２１０と第一の位相板２１１とが配置されている。

第二のレンズ２０４と第一のレンズ２０５との間には半透過反射膜（半透過反射面）２１２が存在している。半透過反射膜２１２は、金属膜または誘電体膜等により構成することができ、必要に応じて第二のレンズ２０４内の光学面もしくは第一のレンズ２０５内の光学面上、または単独の基材上に成膜されうる。また、第二のレンズ２０４と観察者の右眼２０２との間に、右眼用画像表示素子２０８側から順に、第二の位相板２１３とＰＢＳ（反射透過偏光板）２１４とが配置される。第二の位相板２１３とＰＢＳ２１４はそれぞれ平面形状である。第一のレンズ２０５および第二のレンズ２０４の構成は、光学設計により適宜選択され、それぞれ単レンズまたは複数レンズで構成される。なお本実施形態において、第一のレンズ２０５と第二のレンズ２０４の両方が存在しているが、設計例によっては第一のレンズ２０５または第二のレンズ２０４のいずれか一方のみが存在する構成であってもよい。

本実施形態では、軽量化のために第二のレンズ２０４の一部に複屈折がある樹脂レンズを使用している。図１５は、第二のレンズ２０４の複屈折量と軸方向の分布図である。図１５から分かるように、直接ゴーストの光路である第二のレンズ２０４の中央付近の複屈折量は５ｎｍ程度で、軸方向は概ね一方向に揃っており、軸方向の平均的な向きは第二の位相板２１３の遅相軸または進相軸と異なる方向である。このとき、第二のレンズ２０４に入射した円偏光は、第二のレンズ２０４を透過すると第二の位相板２１３の遅相軸または進相軸と異なる方向に楕円方位角を有する楕円偏光になる。このため、第二の位相板２１３を透過すると、ＰＢＳ１１４で反射する偏光軸以外の直接ゴースト光が増加する。

そこで本実施形態では、第二のレンズ２０４の複屈折による位相差により発生する直接ゴースト光を低減するため、第二の位相板２１３の遅相軸の角度を－４５°からずらす。具体的には、第二の位相板２１３の遅相軸と偏光板２１０を透過する光の偏光方向とのなす角（偏光板２１０を透過する光の偏光方向に対する第二の位相板２１３の遅相軸方向の第二の角度）を－４７°とする。これにより、第一の位相板２１１、第一のレンズ２０５、および半透過反射膜２１２を透過した円偏光は、複屈折を有する第二のレンズ２０５を透過すると、複屈折による位相差で円偏光が楕円偏光に変わる。この楕円偏光が第二の位相板２１３を透過すると、ＰＢＳ１１４で反射する偏光軸に近い偏光状態に変わりＰＢＳ２１４で反射される。このため、第二のレンズ２０４の複屈折による位相差により発生する直接ゴースト光を低減することができる。

ここで、第二の位相板２１３の遅相軸と偏光板２１０を透過する光の偏光方向とのなす角（第二の位相板２１３の遅相軸の角度）と直接ゴースト光の強度との関係を図９に示す。図９において、横軸は第二の位相板２１３の遅相軸の角度、縦軸は直接ゴースト光の強度をそれぞれ示す。図９から分かるように、理想的な遅相軸の角度－４５°に対して、遅相軸の角度を－４７°にすることで、直接ゴースト光の強度を約半分に低減できる。

以上のように本実施形態では、第二のレンズ２０４に複屈折特性があるにも関わらず、第二の位相板２１３の遅相軸の角度を理想的な状態からずらすだけの簡便な構成で、直接ゴースト光の発生を低減することができる。なお本実施形態は、樹脂レンズで付与される位相差が大きく、直接ゴースト光が弊害となる場合に特に効果的である。より具体的には、第二のレンズ２０４に使用される樹脂レンズで付与される光学有効領域における位相差の絶対値がλ／２００以上であればより効果的であり、位相差の絶対値がλ／１００以上である場合にはさらに効果的である。

また、樹脂レンズの複屈折特性が温度とともに変化する場合、画像表示装置が使用される際の樹脂レンズの温度範囲内のうち実際に使用される頻度が高い温度において、直接ゴースト光の強度が小さくなるように構成してもよい。このような構成は、例えば、樹脂レンズの温度に基づいて第二の位相板２１３の遅相軸の角度（第二の角度）を変更（選択）する角度変更手段を設けることで、実現可能である。

図１０は、常温時の直接ゴースト光の強度と実際に使用される頻度が高い昇温時の直接ゴースト光の強度を示す。図１０において、横軸は第二の位相板２１３の遅相軸の角度、縦軸は直接ゴースト光の強度をそれぞれ示す。図１０から分かるように、常温時には第二の位相板２１３の遅相軸と偏光板２１０を透過する光の偏光方向とのなす角を－４７°とすることで、直接ゴースト光の強度を小さくすることができる。一方、昇温時には第二の位相板２１３の遅相軸と偏光板２１０を透過する光の偏光方向とのなす角を－３８°とすることで、直接ゴースト光の強度を小さくすることができる。このため、昇温後を考慮して第二の位相板２１３の遅相軸と偏光板２１０を透過する光の偏光方向とのなす角を－３８°としてもよい。また、常温時と昇温時のバランスをとるために第二の位相板２１３の遅相軸と偏光板２１０を透過する光の偏光方向とのなす角を－４２°としてもよい。この方法によれば、実際に使用される際の温度域においては直接ゴースト光が小さいため、実用上は直接ゴースト光の少ない良好な画像観察が可能になる。

本実施形態の接眼光学系の射出瞳はアイレリーフ２０ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた３０ｍｍの位置とし、射出瞳径は６ｍｍとしている。このようにすることで、上下左右を観察するために眼球が回転した際にも、その方向の光が眼球に入射するようにしている。ＨＭＤは頭部装着型の画像表示装置であり、眼鏡をかけている観察者もかぶれ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ＨＭＤも大型化するため、アイレリーフは２５ｍｍ以下であることが望ましい。

本実施形態のように広画角で薄型の光学系の場合、最も光学的パワーが大きい反射面を有する第二のレンズ２０４の偏肉比は大きくなる。また、第二のレンズ２０４と第一のレンズ２０５を接合しているため、第一のレンズ２０５の第二のレンズ２０４側の面の曲率半径が短く、第二のレンズ２０４と同様に、第一のレンズ２０５の偏肉比は大きい。第二のレンズ２０４の光学有効領域における偏肉比は３．６であり、第一のレンズ２０５の光学有効領域における偏肉比は２．８である。本実施形態において、偏肉比は１．５以上、４以下であることが好ましい。

右眼用接眼光学系の全長Ｌ（Ｌ２）をＰＢＳ２１４の観察者の右眼２０２側の面から右眼用画像表示素子２０８までの距離とすると、全長Ｌは１３．５ｍｍであり、全長Ｌ２とアイレリーフＥ（Ｅ２）との比Ｌ／Ｅ（Ｌ２／Ｅ２）は０．６８である。本実施形態において、アイレリーフの長さと接眼光学系の薄型化を両立するため、０．６≦Ｌ／Ｅ≦１．０なる条件式を満足することが好ましい。本実施形態の接眼光学系のアイレリーフＥ（Ｅ２）は２０ｍｍであり、最大半画角θ（θ２）は３９°である。このとき、Ｅ×ｔａｎθ（Ｅ２×ｔａｎθ２）＝１６．２ｍｍである。本実施形態において、アイレリーフの長さと接眼光学系の広画角を両立するため、８≦Ｅ×ｔａｎθ≦２０なる条件式を満足することが好ましい。

本実施形態において、第二のレンズ２０４と第一のレンズ２０５は接合レンズである。第二のレンズ２０４と第一のレンズ２０５とを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。また、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、ＰＢＳと観察者の眼球との間に偏光板を配置してもよい。第二の位相板（λ／４板）２１３とＰＢＳ２１４が形成されている第二のレンズ２０４の観察者の眼球側の面は平面としている。これは、アイレリーフを長くすることと、光学系を薄型化することを両立するためである。

（第三の実施形態）
次に、図１１を参照して、本発明の第三の実施形態における画像表示装置について説明する。図１１は、本実施形態における画像表示装置３０１の構成図である。図１１において、３０１は画像表示装置（ＨＭＤ）、３０２は観察者の右眼、３０３は観察者の左眼である。レンズ３０４、３０５により第一のレンズ（第一のレンズ群）が構成される。レンズ３０６は、第二のレンズを構成する。レンズ３０４、３０５、３０６は、右眼用接眼光学系を構成する。レンズ３０７、３０８、３０９は、左眼用接眼光学系を構成する。３１０は画像表示素子（右眼用画像表示素子）、３１１は画像表示素子（左眼用画像表示素子）であり、例えば有機ＥＬディスプレイであるが、これに限定されるものではない。

右眼用接眼光学系は、画像表示素子３１０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。同様に、左眼用接眼光学系は、左眼用画像表示素子３１１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Ｆ３は１０．７ｍｍ、水平表示画角は５０°、垂直表示画角は３８°、対角表示画角６０°であり、アイレリーフＥ３は１５ｍｍである。

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光学系である。次に、図１２を参照して、画像表示装置３０１の接眼光学系の光路について説明する。図１２は、接眼光学系（右眼用接眼光学系）の詳細説明図である。なお、図１２は右眼用接眼光学系の構成を説明しているが、左眼用接眼光学系の構成も同様であるため、その説明を省略する。

まず、画像表示素子３１０と第一のレンズ３０５との間に、画像表示素子３１０側から観察者の右眼３０２に向かって順に偏光板３１６と第一の位相板３１７が配置されている。第一のレンズ群の内部（すなわち第一のレンズ３０４と第一のレンズ３０５との間）には、半透過反射膜（半透過反射面）３１３が存在している。半透過反射膜３１３は、金属膜もしくは誘電体膜等により構成することができ、必要に応じてレンズ３０４内の光学面もしくはレンズ３０４内の光学面上、または単独の基材上に成膜されうる。また、レンズ３０４と観察者の右眼３０２との間には、画像表示素子３１０側から順に第二の位相板３１４とＰＢＳ（反射透過偏光板）３１５が配置される。第二の位相板３１４とＰＢＳ３１５は平面形状である。第一のレンズおよび第二のレンズの構成は、光学設計により適宜選択され、それぞれ単レンズまたは複数レンズで構成される。

本実施形態では、軽量化のためレンズ３０５とレンズ３０４に複屈折がある樹脂レンズを使用している。本実施形態のレンズ３０４、３０５は、表示画角のアスペクト比に合わせて円形状ではなく上下をカットした形状となっている。これにより、光学有効領域以外の不要なレンズをカットして軽量化することができる。このとき、第一の位相板３１７を透過した円偏光は、レンズ３０５を透過すると第一の位相板３１７の遅相軸または進相軸と異なる方向に楕円方位角を有する楕円偏光になる。この楕円偏光がレンズ３０４を透過すると、第二の位相板３１４の遅相軸または進相軸と異なる方向に楕円方位角を有する楕円偏光になる。このため、第二の位相板３１４を透過すると、ＰＢＳ３１５で反射する偏光軸以外の直接ゴースト光が増加する。

そこで本実施形態の接眼光学系は、レンズ３０４、３０５の複屈折による位相差により発生する直接ゴースト光を低減するように構成される。すなわち、第一の位相板３１７の遅相軸と偏光板３１６を透過する光の偏光方向とのなす角を４０°、第二の位相板３１４の遅相軸と偏光板３１６を透過する光の偏光方向とのなす角を－５０°としている。これにより、第一の位相板３１７を透過した光は、円偏光ではなく楕円偏光となる。この楕円偏光が複屈折を有するレンズ３０５を透過すると、複屈折による位相差で、楕円偏光が円偏光、または第一の位相板３１７の遅相軸もしくは進相軸と同じ方向に楕円方位角を有する楕円偏光に変わる。このため、レンズ３０５の複屈折による位相差により発生する直接ゴースト光を低減することができる。

また、第一の位相板３１７、レンズ３０５、および半透過反射膜３１３を透過した光は、複屈折を有するレンズ３０４を透過すると、複屈折による位相差で楕円偏光に変わる。この楕円偏光が第二の位相板３１４を透過すると、ＰＢＳ３１５で反射する偏光軸に近い偏光状態に変わり、ＰＢＳ３１５で反射される。このため、レンズ３０４の複屈折による位相差により発生する直接ゴースト光を低減することができる。

以上のように本実施形態では、第一のレンズと第二のレンズに複屈折特性があるにも関わらず、第一の位相板３１７と第二の位相板３１４の遅相軸の角度を理想的な状態からずらすだけの簡便な構成で直接ゴースト光の発生を低減することができる。なお本実施形態は、樹脂レンズで付与される位相差が大きく、直接ゴースト光が弊害となる場合に特に効果的である。より具体的には、レンズ３０４、３０５に使用される樹脂レンズで付与される光学有効領域における位相差の絶対値がλ／２００以上であればより効果的であり、位相差の絶対値がλ／１００以上である場合にはさらに効果的である。

レンズ３０４は正規光路においてレンズ内を３回透過するため、複屈折の影響を受けやすい。このため、レンズ３０４の位相差はレンズ３０５の位相差よりも小さいことが好ましく、また、低複屈折の材料を用いることが好ましい。

本実施形態において、樹脂レンズの複屈折特性が温度とともに変化する場合を考慮することが好ましい。この場合、角度変更手段により、画像表示装置が使用される際の樹脂レンズの温度範囲内のうち実際に使用される頻度が高い温度において直接ゴースト光の強度が小さくなるように第一の位相板３１７と第二の位相板３１４の遅相軸の角度を変更（選択）すればよい。この方法によれば、実際に使用される際の温度域においては直接ゴースト光が小さいため、実用上は直接ゴースト光の少ない良好な画像観察が可能になる。

本実施形態の接眼光学系の射出瞳は、アイレリーフＥの１５ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた２５ｍｍの位置とし、射出瞳径は４ｍｍとしている。これにより、上下左右を観察するために眼球が回転した際にも、その方向の光が眼球に入射するようにしている。ＨＭＤは頭部装着型の画像表示装置であり、眼鏡をかけている観察者もかぶれるようにアイレリーフＥは１５ｍｍ以上であることが好ましい。また、アイレリーフＥが長くなると、レンズの外形が大きくなりＨＭＤも大型化するため、アイレリーフＥは２５ｍｍ以下であることが好ましい。

本実施形態のように広画角で薄型の光学系の場合、最も光学的パワーが大きい反射面を有するレンズ３０５の偏肉比は大きくなる。レンズ３０５の光学有効領域における偏肉比は１．６であり、偏肉比は１．５以上かつ４．０以下であることが好ましい。

右眼用接眼光学系の全長Ｌ（Ｌ３）をＰＢＳ３１５の観察者の右眼３０２側の面から画像表示素子３１０までの距離とすると、全長Ｌ３は１３．５ｍｍであり、全長Ｌ３とアイレリーフＥ（Ｅ３）との比Ｌ／Ｅ（Ｌ３／Ｅ３）は０．９である。本実施形態において、アイレリーフの長さと接眼光学系の薄型化を両立するため、０．６≦Ｌ／Ｅ≦１．０なる条件式を満足することが好ましい。

本実施形態の接眼光学系のアイレリーフＥ（Ｅ３）は１５ｍｍであり、最大半画角θ（θ３）は３０°である。このとき、Ｅ×ｔａｎθ（Ｅ３×ｔａｎθ３）＝８．７ｍｍである。本実施形態において、アイレリーフの長さと接眼光学系の広画角を両立するため、８≦Ｅ×ｔａｎθ≦２０なる条件式を満足することが好ましい。また、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、反射透過偏光板（ＰＢＳ）と観察者の眼球との間に（反射透過偏光板よりも拡大側に）、直線偏光（第二の直線偏光）を透過する偏光板（第二の偏光板）を配置してもよい。第二の位相板（λ／４板）３１４とＰＢＳ３１５が形成されているレンズ３０４の観察者の眼球側の面は平面としている。これは、アイレリーフを長くすることと、光学系を薄型化することを両立するためである。

以上のように各実施形態において、光学系（接眼光学系）は、画像表示素子と、画像表示素子の表示面の拡大像を形成する（表示面（縮小面）からの光を集光する、すなわち表示面を拡大結像する）光学系である。光学系は、表示面の側から順に配置された、偏光板、第一の位相板、第一のレンズ、半透過反射面、第二の位相板、および、反射透過偏光板を有する。第一のレンズは樹脂レンズを含む。第一の位相板の遅相軸方向の右回りを正とするとき、偏光板を透過する光の偏光方向に対する第一の位相板の遅相軸方向の第一の角度の絶対値は、３０°以上４４°以下または４６°以上６０°以下である。

好ましくは、第一の角度の絶対値は、３０°以上４０°以下または５０°以上６０°以下である。また好ましくは、表示面からの光は、偏光板を透過した後に直線偏光となり、第一の位相板を透過した後に楕円偏光となり、第一のレンズを透過した後に円偏光、または第一の位相板の遅相軸もしくは進相軸と同じ方向に楕円方位角を有する楕円偏光となる。また好ましくは、光学系は、樹脂レンズの温度に基づいて第一の角度を変更する角度変更手段を有する。

好ましくは、画像表示装置は、第二の位相板と半透過反射膜との間に配置された樹脂レンズを有する第二のレンズを有する。第二の位相板の遅相軸方向の右回りを正とするとき、偏光板を透過する光の偏光方向に対する第二の位相板の遅相軸方向の第二の角度の絶対値は、３０°以上４４°以下または４６°以上６０°以下である。また、第一の角度の符号と第二の角度の符号は互いに逆である。また好ましくは、表示面からの光は、偏光板の透過後に直線偏光となり、第一の位相板を透過した後に楕円偏光となり、第一のレンズの透過後に円偏光、または第一の位相板の前記遅相軸もしくは進相軸と同じ方向に楕円方位角を有する楕円偏光となる。そして、第二のレンズを透過した後に楕円偏光となり、第二の位相板を透過した後に反射透過偏光板で反射する方向の直線偏光となる。より好ましくは、第一のレンズの樹脂レンズで生じる位相差は、第二のレンズの樹脂レンズで生じる位相差よりも大きい。また好ましくは、第二のレンズのうち最も拡大側（観察側）のレンズは、表示面（縮小側、すなわち表示側）に凸面を向けた平凸レンズである。また好ましくは、樹脂レンズで生じる位相差の軸方向は、第一の位相板の遅相軸方向もしくは進相軸方向、または、第二の位相板の遅相軸方向もしくは進相軸方向と異なる。

また各実施形態において、光学系は、表示面の側から順に配置された、偏光板、第一の位相板、半透過反射面、第二のレンズ、第二の位相板、および、反射透過偏光板を有する。第二のレンズは樹脂レンズを含む。第二の位相板の遅相軸方向の右回りを正とするとき、偏光板を透過する光の偏光方向に対する第二の位相板の遅相軸方向の第二の角度の絶対値は、３０°以上４４°以下または４６°以上６０°以下である。

好ましくは、第二の角度の絶対値は、３０°以上４０°以下または５０°以上６０°以下である。また好ましくは、表示面からの光は、偏光板を透過した後に直線偏光となり、第一の位相板を透過した後に円偏光となり、第二のレンズを透過した後に楕円偏光となり、第二の位相板を透過した後に反射透過偏光板で反射する方向の直線偏光となる。また好ましくは、光学系は、樹脂レンズの温度に基づいて第二の角度を変更する角度変更手段を有する。

各実施形態によれば、偏光を利用する、広画角でありながらゴーストを低減することが可能な光学系および画像表示装置を提供することができる。

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。

１０１ 画像表示装置
１０５ 第一のレンズ
１０８ 画像表示素子
１１０ 偏光板
１１１ 第一の位相板
１１２ 半透過反射膜（半透過反射面）
１１３ 第二の位相板
１１４ ＰＢＳ（反射透過偏光板）

Claims (20)

1. 画像表示素子の表示面の拡大像を形成する光学系であって、
   前記表示面の側から順に配置された、偏光板、第一の位相板、第一のレンズ、半透過反射面、第二のレンズ、第二の位相板、および、反射透過偏光板を有し、
   前記第一のレンズ、および前記第二のレンズは樹脂レンズであり、
   前記第一の位相板の遅相軸方向の右回りを正とするとき、前記偏光板を透過する光の偏光方向に対する前記第一の位相板の遅相軸方向の第一の角度の絶対値は、３０°以上４４°以下または４６°以上６０°以下であり、
   前記第一のレンズで生じる位相差は、前記第二のレンズで生じる位相差よりも大きいことを特徴とする光学系。
2. 前記表示面からの光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第一の位相板を透過した後に楕円偏光となり、前記第一のレンズを透過した後に円偏光、または前記第一の位相板の遅相軸もしくは進相軸と同じ方向に楕円方位角を有する楕円偏光となることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 前記第一の角度の前記絶対値は、３０°以上４０°以下または５０°以上６０°以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学系。
4. 前記第一のレンズまたは前記第二のレンズの温度に基づいて前記第一の角度を変更する角度変更手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学系。
5. 画像表示素子の表示面の拡大像を形成する光学系であって、
   前記表示面の側から順に配置された、偏光板、第一の位相板、第一のレンズ、半透過反射面、第二の位相板、および、反射透過偏光板を有し、
   前記第一のレンズは樹脂レンズであり、
   前記第一の位相板の遅相軸方向の右回りを正とするとき、前記偏光板を透過する光の偏光方向に対する前記第一の位相板の遅相軸方向の第一の角度の絶対値は、３０°以上４４°以下または４６°以上６０°以下であり、
   前記光学系は、前記樹脂レンズの温度に基づいて前記第一の角度を変更する角度変更手段を有することを特徴とする光学系。
6. 画像表示素子の表示面の拡大像を形成する光学系であって、
   前記表示面の側から順に配置された、偏光板、第一の位相板、半透過反射面、第二のレンズ、第二の位相板、および、反射透過偏光板を有し、
   前記第二のレンズは樹脂レンズであり、
   前記第二の位相板の遅相軸方向の右回りを正とするとき、前記偏光板を透過する光の偏光方向に対する前記第二の位相板の遅相軸方向の第二の角度の絶対値は、３０°以上４４°以下または４６°以上６０°以下であり、
   前記光学系は、前記樹脂レンズの温度に基づいて前記第二の角度を変更する角度変更手段を有することを特徴とする光学系。
7. 前記表示面からの光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第一の位相板を透過した後に円偏光となり、前記第二のレンズを透過した後に楕円偏光となり、前記第二の位相板を透過した後に前記反射透過偏光板で反射する方向の直線偏光となることを特徴とする請求項６に記載の光学系。
8. 前記第二の角度の前記絶対値は、３０°以上４０°以下または５０°以上６０°以下であることを特徴とする請求項６または７に記載の光学系。
9. 前記第二の位相板の遅相軸方向の右回りを正とするとき、前記偏光板を透過する光の偏光方向に対する前記第二の位相板の遅相軸方向の第二の角度の絶対値は、３０°以上４４°以下または４６°以上６０°以下であり、
   前記第一の角度の符号と前記第二の角度の符号は互いに逆であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学系。
10. 前記表示面からの光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第一の位相板を透過した後に楕円偏光となり、前記第一のレンズを透過した後に円偏光、または前記第一の位相板の前記遅相軸もしくは進相軸と同じ方向に楕円方位角を有する楕円偏光となり、前記第二のレンズを透過した後に楕円偏光となり、前記第二の位相板を透過した後に前記反射透過偏光板で反射する方向の直線偏光となることを特徴とする請求項９に記載の光学系。
11. 前記第二のレンズは、前記表示面に凸面を向けた平凸レンズであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学系。
12. 前記表示面からの光の波長をλとするとき、前記樹脂レンズで生じる位相差は、λ／２００以上であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学系。
13. 前記表示面からの光の波長をλとするとき、前記樹脂レンズで生じる位相差は、λ／１００以上であることを特徴とする請求項１２に記載の光学系。
14. 前記樹脂レンズで生じる位相差の軸方向は、前記第一の位相板の前記遅相軸方向もしくは進相軸方向、または、前記第二の位相板の前記遅相軸方向もしくは進相軸方向と異なることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光学系。
15. 前記樹脂レンズの光学有効領域における偏肉比は、１．５以上かつ４．０以下であることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学系。
16. 前記光学系のアイレリーフをＥ（ｍｍ）とするとき、
    １５≦Ｅ≦２５
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の光学系。
17. 前記光学系の最も拡大側のレンズ面から前記表示面までの距離をＬ、前記光学系のアイレリーフをＥとするとき、
    ０．６≦Ｌ／Ｅ≦１．０
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか一項に記載の光学系。
18. 前記反射透過偏光板よりも拡大側に配置され、第二の直線偏光を透過する第二の偏光板を有することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光学系。
19. 請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の光学系と、前記画像表示素子とを備えることを特徴とする画像表示装置。
20. 前記光学系のアイレリーフをＥ（ｍｍ）、最大半画角をθとするとき、
    ８≦Ｅ×ｔａｎθ≦２０
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項１９に記載の画像表示装置。