JP2019074678A - 接眼光学系及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】映像品質の低下や映像の欠けが生じることを防止した接眼光学系及び画像表示装置を提供すること。【解決手段】接眼光学系１００は、複数の表示素子２ａ，２ｂから射出され分割された複数の領域に対応する画像光を観察者の眼に対応する位置に射出する接眼光学系１００であって、複数の領域のうち少なくとも２つの領域に対応して最も射出側に配置される複合型の第１光学部材１１のうち射出側の第１光学面１１ｆが１つの曲率で表される曲面である。【選択図】図１

Description

本発明は、映像を観察者に提示するための接眼光学系及びこれを組み込んだ画像表示装置に関する。

例えば下記特許文献１には、広画角ながら小型で軽量で安価なヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）として、複数の表示素子に異なる画像を表示させるとともに、複数の表示素子からの映像光を複数の接眼光学系により観察者の眼に入射させるものが開示されている。このＨＭＤでは、複数の接眼光学系間のつなぎ目を見えなくするため、各接眼光学系の視軸方向を一致させるとともに射出瞳を一致させ、一対の接眼光学系間の接続部において両接眼光学系に設けた半透過面が連続になるようにすることが開示されている。

しかしながら、複数の接眼光学系の接続部近傍は、製造上曲率が大きく変化してしまう部分が生じるため、接続部を通過する光が拡散してしまい、その拡散光が観察者の眼に入ってしまい、映像品質（特にコントラスト）を低下させてしまったり、接続部近傍に汚れが付着することにより映像が欠けてしまったりしていた。

特開平７−３３３５４９号公報

本発明は、複数の領域に対応する画像光を繋ぎ合せる接続部での光拡散によって、映像品質の低下や映像の欠けが生じることを防止した接眼光学系及び画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る接眼光学系は、複数の表示素子から射出され分割された複数の領域に対応する画像光を観察者の眼に対応する位置に射出する接眼光学系であって、上記複数の領域のうち少なくとも２つの領域に対応して最も射出側に配置される複合型の第１光学部材のうち射出側の第１光学面が１つの曲率で表される曲面である。

上記接眼光学系では、上述した少なくとも２つの領域に対応して最も射出側に配置される複合型の第１光学部材のうち射出側の第１光学面が１つの曲率で表される曲面であるので、第１光学部材の射出側で画像光を繋ぎ合せるために画像光を重畳させ又は近接させても、画像光の繋ぎ目で光拡散が生じにくく映像の欠けも生じにくい。

本発明の具体的な側面では、第１光学面は、アイレリーフ長に対応する曲率に設定される。この場合、画像光の繋ぎ目で第１光学面から瞳に集めるように画像光を射出させることができ、画像の滲みや乱れを少なくできる。

本発明の別の側面では、正面を見ているときの視軸が通る中央側の第１領域をカバーするように配置される第１光学系部分と、第１光学系部分によってカバーされる第１領域よりも視軸から離れた外側の第２領域に配置される第２光学系部分とを有し、接合部は、第１光学系部分と第２光学系部分との間に設けられる。この場合、第１光学系部分が中心視野に対応する画像を主に担い、第２光学系部分が周辺視野に対応する画像を主に担うことになる。

本発明の別の側面では、接合部は、第１光学系部分の射出レンズ部と、第２光学系部分の射出レンズ部とを一体的に連結する部分である。この場合、第１光学系部分の射出レンズ部と、第２光学系部分の射出レンズ部とが一体のレンズ部品となる。

本発明の別の側面では、中央側の第１光学系部分の解像度が、周辺側の第２光学系部分の解像度よりも高い。この場合、中心視野側に高精細の画像を表示しつつ周辺視野側に比較的低精細の画像を表示することができ、視覚特性を考慮して見え方を調整した無駄のない表示が可能になる。

本発明の別の側面では、中央側の第１光学系部分の画角が、周辺側の第２光学系部分の画角よりも狭い。この場合、解像度的に負担が大きい第１光学系部分の設計が比較的容易となる。

本発明の別の側面では、接合部には、光吸収部が設けられる。この場合、接合部に残る窪みやエッジを通過する光を低減でき、光拡散の発生を抑えることができる。

本発明の別の側面では、接合部のうち第１光学面に対向する第２光学面上に光吸収部が設けられている。この場合、第２光学面に形成されやすい窪みによって拡散光が形成されることを防止できる。

本発明の別の側面では、光吸収部の境界に直交する方向の幅は、３０μｍ以下である。この程度の幅であれば、映像の欠けを生じさせる可能性を低くできる。

本発明に係る画像表示装置は、上述した接眼光学系と、接眼光学系に画像光を射出する複数の表示素子と、複数の表示素子の表示動作を制御する制御部とを備える。

第１実施形態の接眼光学系を示す側方断面図である。 図１に示す接眼光学系の部分拡大図である。 第１光学部材を眼側から見た様子を説明する図である。 接眼光学系によって観察される画像の一部を説明する図である。 接眼光学系によって観察される画像の一部を説明する図である。 接眼光学系によって観察される画像の全体を説明する図である。 図１に示す接眼光学系を組み込んだ画像表示装置を説明する概念的な平面図である。 第２実施形態の接眼光学系を説明する側方断面図である。 第３実施形態の接眼光学系を説明する平面断面図である。 水平方向に関する中心視野及び周辺視野を説明する図である。 第４実施形態の接眼光学系を説明する平面断面図である。 第５施形態の接眼光学系を説明する側方断面図である。 鉛直方向に関する中心視野及び周辺視野を説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る第１実施形態の接眼光学系及び画像表示装置について説明する。

図１に示す接眼光学系１００は、眼鏡型の画像表示装置又はヘッドマウントディスプレイを構成する一対の画像表示部のうち一方の画像表示部に組み込まれる片眼用の光学系である。なお、図１等おいて、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系の３軸を意味し、Ｘ軸は、眼ＥＹにとっての正面方向であって視軸ＥＸの延びる方向に対応し、Ｙ軸は、直立した観察者の一対の眼の並ぶ横方向又は水平方向に対応し、Ｚ軸は、眼の並ぶ横方向や正面視の視軸に垂直な鉛直方向に対応する。

接眼光学系１００は、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸが通る中央から上をカバーするように配置される第１光学系部分１０ａと、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸが通る中央から下をカバーするように配置される第２光学系部分１０ｂとを有する。つまり、第１光学系部分１０ａが上下に分割された視界の上半分に対応する画像を主に担い、第２光学系部分１０ｂが上下に分割された視界の下半分に対応する画像を主に担うことになる。

第１光学系部分１０ａは、複数のレンズで構成され、具体的には、眼ＥＹの瞳ＥＹａが配置される位置ＰＥに近い射出側からの順で、射出レンズ部１１ａと、中間レンズ１２ａ，１３ａと、入射レンズ１４ａとを有する。また、第２光学系部分１０ｂは、複数のレンズで構成され、具体的には、瞳ＥＹａに対応する位置ＰＥに近い射出側からの順で、射出レンズ部１１ｂと、中間レンズ１２ｂ，１３ｂと、入射レンズ１４ｂとを有する。第１光学系部分１０ａと第２光学系部分１０ｂとは、視軸ＥＸが通る水平面又はＸＹ面を挟んで対称的な形状及び配置とされているが、これに限らず、第１及び第２光学系部分１０ａ，１０ｂの構成要素に差を設けることができる。なお、第１光学系部分１０ａと第２光学系部分１０ｂとに対称性を持たせた場合、第１光学系部分１０ａと第２光学系部分１０ｂとを同一の光学系とすることができ、製造時のコスト削減の効果がある。

第１光学系部分１０ａの射出レンズ部１１ａと、第２光学系部分１０ｂの射出レンズ部１１ｂとは、一体化されたレンズ部品からなる複合型の第１光学部材１１であり、射出レンズ部１１ａと射出レンズ部１１ｂとを一体的に連結する接合部１１ｊは、全体して湾曲しつつ横のＹ方向に延びる。この複合型の第１光学部材１１は、視野を構成する２つの領域ＡＲ１，ＡＲ２（後述する図３Ｃ参照）に対応して両領域ＡＲ１，ＡＲ２をカバーするように最も射出側に配置されている。第１光学部材１１の射出側面である第１光学面１１ｆは、射出レンズ部１１ａと射出レンズ部１１ｂとに共通の面であり、１つの曲面であって１つの曲率で表される曲面となっている。第１光学面１１ｆは、連続的な湾曲面であって凹の球状面であり、第１光学面１１ｆ又はその近似球面の曲率半径は、瞳ＥＹａの位置ＰＥから第１光学面１１ｆまでの設計上の距離ｄと等しいかこの設計上の距離ｄに近い値となっている。つまり、第１光学面１１ｆは、アイレリーフ長に対応する曲率に設定され、第１光学面１１ｆ側では、恰も接合部１１ｊが存在しないかのような状態となる。ここで、瞳ＥＹａの位置ＰＥから第１光学面１１ｆまでの設計上の距離ｄは、アイレリーフ長と呼ばれ、５〜２０ｍｍといった範囲に設定される。このように、第１光学面１１ｆの曲率半径を瞳ＥＹａの位置ＰＥから第１光学面１１ｆまでの距離ｄに近くすることで、第１光学系部分１０ａの射出側と第２光学系部分１０ｂの射出側との繋ぎ目を目立たないものとでき、第１光学系部分１０ａを通過する画像光Ｌ１と、第２光学系部分１０ｂを通過する画像光Ｌ２との繋ぎ合わせが容易になり、切れ目のない画像の表示が比較的容易になる。なお、第１光学面１１ｆには、若干の非球面成分を持たせることができる。第１光学部材１１の入射側面である第２光学面１１ｓは、射出レンズ部１１ａに対応する第１面Ｓ１と射出レンズ部１１ｂに対応する第２面Ｓ２とに分離しており、これらの境界に断面Ｖ字の窪み１１ｒが形成されている。第１面Ｓ１及び第２面Ｓ２は、例えば非球面や自由曲面とできる。

第１光学系部分１０ａの中間レンズ１２ａ，１３ａ及び入射レンズ１４ａは、球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面レンズ等のいずれかとすることができる。また、中間レンズ１２ａ，１３ａは、２枚に限らず、１枚又は３枚以上とでき、省略することもできる。第２光学系部分１０ｂの中間レンズ１２ｂ，１３ｂ及び入射レンズ１４ｂは、球面レンズ、非球面レンズ、自由曲面レンズ等のいずれかとすることができる。また、中間レンズ１２ｂ，１３ｂは、２枚構成に限らず、１枚又は３枚以上とでき、省略することもできる。

一対の射出レンズ部１１ａ，１１ｂの光入射側には、絞りＳＴＰを配置することができる。このような絞りＳＴＰにより、瞳ＥＹａの位置ＰＥに不要な光が入射してゴースト像を形成することを防止できる。同様の絞りは、中間レンズ１２ａ，１３ａ，１２ｂ，１３ｂ、入射レンズ１４ａ，１４ｂ等の周辺にも配置することができる。

一対の射出レンズ部１１ａ，１１ｂを含む複合型の第１光学部材１１は、例えばプラスチックを材料として射出成形によって形成することができるが、ガラス材料からガラスモールド法によって形成することもできる。第１光学系部分１０ａの中間レンズ１２ａ，１３ａ及び入射レンズ１４ａは、プラスチック材料やガラス材料から形成することができ、同様に、第２光学系部分１０ｂの中間レンズ１２ｂ，１３ｂ及び入射レンズ１４ｂも、プラスチック材料やガラス材料から形成することができる。

第１光学系部分１０ａの入射レンズ１４ａは、上側用の表示デバイス又は表示素子の表示面２１ａに対向して配置され、この表示面２１ａからの画像光Ｌ１は、入射レンズ１４ａ、中間レンズ１２ａ，１３ａ、及び射出レンズ部１１ａを順次通過して瞳ＥＹａの位置ＰＥに入射する。同様に、第２光学系部分１０ｂの入射レンズ１４ｂは、下側用の表示デバイス又は表示素子の表示面２１ｂに対向して配置され、この表示面２１ｂからの画像光Ｌ２は、入射レンズ１４ｂ、中間レンズ１２ｂ，１３ｂ、及び射出レンズ部１１ｂを順次通過して瞳ＥＹａの位置ＰＥに入射する。この際、接合部１１ｊにおいて窪み１１ｒに近接して上側を通過する画像光Ｌ１と、接合部１１ｊにおいて窪み１１ｒに近接して下側を通過する画像光Ｌ２とは、視軸ＥＸの周辺で略平行に瞳ＥＹａ又はその位置ＰＥに入射し、画像光Ｌ１，Ｌ２の繋ぎ合わせが達成される。

図２Ａに示すように、一レンズ部品としての第１光学部材１１の上下方向又はＺ方向に沿った断面において、第１光学面１１ｆの曲線は、視軸ＥＸを挟んだ上下の境界１１ｆｊで連続しており、傾きも連続的に変化している。一方、第１光学部材１１の上下方向又はＺ方向に沿った断面において、第２光学面１１ｓの曲線は、視軸ＥＸを挟んだ上下の境界１１ｓｊで連続しているが、傾きが非連続的に変化している。

図２Ｂは、第１光学部材１１を眼ＥＹ側から見た様子を説明する図である。射出レンズ部１１ａ，１１ｂの背後に存在する境界１１ｓｊは、水平なＹ方向に延びている。なお、第１光学部材１１の輪郭形状は、図示のものに限らない。すなわち、第１光学部材１１の光学的な有効領域は、図２Ｂに例示するようなものとなるが、第１光学部材１１の輪郭形状又は外形は、上記有効領域の外側に広がり得るとともにレンズの支持枠や付属部品の配置に応じて適宜調整されるものであり、全体として円形、四角形等の任意の形にすることができる。このように第１光学部材１１が周囲に光学的な有効領域外の拡張部分を含む場合、第１光学面１１ｆは、有効領域内の部分において、１つの曲面であって１つの曲率で表される曲面となっているが、有効領域外の拡張部分において、任意の曲率を有するものとでき、１つの曲率で表される曲面である必要はない。この観点で、見かけ上第１光学面１１ｆの外側に延びる表面であっても、有効領域外の拡張部分における表面は、実質的に第１光学面１１ｆでないと考えることができる。ただし、有効領域外の拡張部分についても、有効領域内から延長されて１つの曲率で表される曲面とすることができる。

図３Ａは、第１光学系部分１０ａによって眼ＥＹで観察される領域ＡＲ１又は虚像ＩＭ１であり、上側用の表示素子の表示面２１ａに形成される像に対応し、図３Ｂは、第２光学系部分１０ｂによって眼ＥＹで観察される領域ＡＲ２又は虚像ＩＭ２であり、下側用の表示素子の表示面２１ｂに形成される像に対応する。図３Ｃは、全体の接眼光学系１００によって眼ＥＹで観察される虚像ＩＭ０を示し、図３Ａに示す上側の画像と、図３Ｂに示す下側の画像とを合成したものに相当する。なお、第１及び第２光学系部分１０ａ，１０ｂは、歪曲収差を有するものであってもよく、表示面２１ａ，２１ｂに形成される像は、図３Ａ及び３Ｂに示すものと相似である必要はない。

図４は、図１に示す接眼光学系１００を組み込んだ画像表示装置を説明する平面図である。画像表示装置２００は、眼鏡型のヘッドマウントディスプレイであり、左右一対の画像表示部２００Ａ，２００Ｂと、両画像表示部２００Ａ，２００Ｂの表示動作等を制御する制御部９０とを備える。画像表示装置２００は、装着者である観察者ＨＯの両眼ＥＹの位置に虚像を形成する合成光ＬＩを入射させることで観察者ＨＯに動画、静止画等の各種画像を認識させる。ここで、合成光ＬＩは、図１に示す上側の第１光学系部分１０ａによって形成される画像光Ｌ１と、下側の第２光学系部分１０ｂによって形成される画像光Ｌ２とを上下に繋ぎ合わせたものに相当する。両画像表示部２００Ａ，２００Ｂは、共通する保持部であるケース７１内に支持されており、このケース７１によって、両画像表示部２００Ａ，２００Ｂ相互の配置関係が維持されるとともに、各画像表示部２００Ａ，２００Ｂを構成する複数の光学部品の相対的な配置関係が維持される。ケース７１は、バンド７２を介して観察者ＨＯの頭部に着脱自在に固定されている。

右側の画像表示部２００Ａは、接眼光学系１００Ａと、表示部２０Ａと、表示駆動回路６１Ａとを備える。左側の画像表示部２００Ｂは、接眼光学系１００Ｂと、表示部２０Ｂと、表示駆動回路６１Ｂとを備える。

右側の画像表示部２００Ａのうち、接眼光学系１００Ａは、図１に示す接眼光学系１００と同様のものであり、詳細な説明を省略するが、第１光学系部分１０ａと第２光学系部分１０ｂとを備え、射出側において光路を合成するための一体的な第１光学部材１１を配置している。

表示部２０Ａは、画像光Ｌ１，Ｌ２を接眼光学系１００Ａに向けて射出する画像形成部であり、第１光学系部分１０ａの入射レンズ１４ａに対向して配置される第１表示素子２ａと、第２光学系部分１０ｂの入射レンズ１４ｂに対向して配置される第２表示素子２ｂとを有する（図１参照）。第１及び第２表示素子２ａ，２ｂは、制御部９０の制御下で動作する表示駆動回路６１Ａに駆動されて表示動作を行う。第１表示素子２ａに表示させる画像は、統一的な全体画像のうち上側に対応する分割部分であり、第２表示素子２ｂに表示させる画像は、統一的な全体画像のうち下側に対応する分割部分である（図３Ａ〜３Ｃ参照）。

左側の画像表示部２００Ｂを構成する接眼光学系１００Ｂ、表示部２０Ｂ、及び表示駆動回路６１Ｂは、右側の画像表示部２００Ａを構成する接眼光学系１００Ａ、表示部２０Ａ、及び表示駆動回路６１Ａと同じ構造を有するので説明を省略する。なお、左側の画像表示部２００Ｂによって形成される虚像は、右側の画像表示部２００Ａによって形成される虚像と同じものである必要はなく、例えば両者に視差を持たせた画像を形成させることができる。

以上で説明した第１実施形態の接眼光学系１００（１００Ａ，１００Ｂ）では、最も射出側に配置される第１光学部材１１のうち射出側の第１光学面１１ｆが１つの曲率で表される曲面であるので、第１光学部材１１の射出側で画像光Ｌ１，Ｌ２を繋ぎ合せるために画像光Ｌ１，Ｌ２を重畳させ又は近接させても、画像光Ｌ１，Ｌ２の繋ぎ目で光拡散が生じにくく映像の欠けも生じにくい。

以上の例では、第１光学系部分１０ａと第２光学系部分１０ｂとを鉛直方向に配列しているが、縦横を入れ替えて、これらを眼ＥＹの並ぶ水平方向に配列することもできる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の接眼光学系等ついて説明する。本実施形態に係る接眼光学系は、第１実施形態の接眼光学系を変形したものであり、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。

図５は、第２実施形態の接眼光学系の要部を説明する拡大断面図であり、図２Ａに対応する。第２実施形態の接眼光学系１００の場合、２つの領域ＡＲ１，ＡＲ２に対応する複合型の第１光学部材１１に設けた接合部１１ｊのうち第１光学面１１ｆに対向する第２光学面１１ｓ上に光吸収部１８が設けられている。接合部１１ｊの窪み１１ｒに画像光Ｌ１，Ｌ２や意図しない光が入射すると、窪み１１ｒの周辺の大きな傾斜面で光が意図しない方向に拡散し、ゴースト光が発生し、コントラストが低下する。このため、この窪み１１ｒを充填するように光吸収部１８を取り付けることで、拡散光の発生を防止し、接眼光学系１００によって表示される映像の品質を高めることができる。ここで、光吸収部１８としては、可視域で光吸収性等を示すものであればよく、例えば光吸収性を有するシート、吸光性塗料等を用いることができる。光吸収部１８は、例えば光吸収性を有するシートを用いる場合、粘着性を有する部材を利用してシートを窪み１１ｒに固定することができ、或いは吸光性塗料を用いる場合、黒色のマーキングペン又はマーカーで着色したり、吸光性塗料を液状で対象箇所に塗布した後に乾燥させたりするものであってもよい。光吸収部１８の適用方法としては、上記に限らず、例えば窪み１１ｒにルーバーフィルムを固定するようなものであってもよく、窪みに吸光性を有する材料を充填し固化させるものであってもよい。

光吸収部１８の境界１１ｓｊに直交する方向の幅Ｗは、３０μｍ以下である。幅Ｗは、横のＹ方向に一定である必要はなく、Ｙ方向に沿って変化させることもできる。

図示の例では、絞りＳＴＰを省略しているが、光吸収部１８を設けつつ適所に絞りＳＴＰを配置することができる。

第２実施形態の接眼光学系１００では、接合部１１ｊのうち第２光学面１１ｓ上に光吸収部１８が設けられているので、第２光学面１１ｓに形成されやすい窪み１１ｒによって拡散光が形成されることを防止でき、画質を高めることができる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態の接眼光学系等ついて説明する。本実施形態に係る接眼光学系は、第１実施形態の接眼光学系を変形したものであり、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。

図６は、第３実施形態の接眼光学系を説明する平面断面図であり、右眼用の接眼光学系１００Ａは、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸが通る中心視野側をカバーするように配置される第１光学系部分１１０ａと、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸが通る中心視野から外れた周辺視野側をカバーするように配置される第２光学系部分１１０ｂとを有する。ここで、第１光学系部分１１０ａは、第１実施形態の接眼光学系１００Ａにおける第１光学系部分１０ａと同様の形状及び構造を有するが、観察者ＨＯの眼ＥＹで観察される虚像のうち内側（つまり反対の眼寄り）の前方である第１領域ＡＲ１に投影される虚像を形成するものとなっている。一方、第２光学系部分１１０ｂは、第１実施形態の接眼光学系１００Ａにおける第２光学系部分１０ｂと同様の形状及び構造を有するが、観察者ＨＯの眼ＥＹで観察される虚像のうち外側（つまり反対の眼から離れる側）の前方である第２領域ＡＲ２に投影される虚像を形成するものとなっている。つまり、第１光学系部分１１０ａは、視軸ＥＸが通る中央側の第１領域ＡＲ１をカバーするように配置され、第２光学系部分１１０ｂは、視軸ＥＸから離れた外側の第２領域ＡＲ２をカバーするように配置される。第１及び第２光学系部分１１０ａ，１１０ｂに共通する第１光学部材１１は、横に分割された２つの領域ＡＲ１，ＡＲ２に対応する複合型の光学素子である。

図６に示す右眼用の接眼光学系１００Ａの場合、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸが第１光学系部分１１０ａの光軸に近い位置を通り、接合部１１ｊが中心視野から外れた位置に配置されている。また、右眼用の接眼光学系１００Ａの内側の視野角α１は、視軸ＥＸを基準として例えば６０°程度とでき、右眼用の接眼光学系１００Ａの外側の視野角α２は、視軸ＥＸを基準として例えば１００°程度とできる。このように、内側の視野角α１を外側の視野角α２よりも狭くすることで、解像度的に負担が大きい第１光学系部分１１０ａの設計が比較的容易となる。

図７は、人の中心視野や周辺視野を水平方向に関して説明する図である。人が対象を注視する場合、数°の範囲内を高い解像度で観察するが、その他の周辺は、低い解像度でしか観察できない。人の眼ＥＹが対象に応じて回転又は移動しても、見にくくなるので頭部を回転させて正面視を維持しようとする。このため、中心視野Ｆ１として、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸを基準として左右又は内外に±１５°程度を想定し、この中心視野Ｆ１内で解像度を高めれば、接眼光学系１００Ａ又は画像表示装置２００として実用的と言える。また、右眼の場合、中心視野Ｆ１の外側であって、視軸ＥＸを基準として内側に６０°及び外側に１００°程度を周辺視野Ｆ２として確保すれば、接眼光学系１００Ａ又は画像表示装置２００として実用的と言える。なお、周辺視野Ｆ２は、両眼が並ぶ水平軸ＨＸに対して全体として外側に傾斜したものとなっている。

このような観点で、右眼用の接眼光学系１００Ａの内側の視野角α１を６０°程度とし、右眼用の接眼光学系１００Ａの外側の視野角α２を１００°程度としている。ここで、内側又は正面側の第１光学系部分１１０ａは、中心視野Ｆ１をカバーしており、比較的高解像度で比較的高精度の画像投影が行われる。また、外側の第２光学系部分１１０ｂは、周辺視野Ｆ２の一部をカバーしており、比較的低解像度又は比較的低精度の画像投影で足る。

本実施形態では、一体化された複合型の第１光学部材１１に設けた接合部１１ｊのうち第１光学面１１ｆに対向する第２光学面１１ｓ上であって、窪み１１ｒの位置に光吸収部１８が設けられているが、光吸収部１８を省略することもできる。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態の接眼光学系等ついて説明する。本実施形態に係る接眼光学系は、第３実施形態の接眼光学系を変形したものであり、第３実施形態と共通する部分については説明を省略する。

図８は、第４実施形態の接眼光学系を説明する平面断面図であり、右眼用の接眼光学系を示している。右眼用の接眼光学系１００Ａは、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸが通る中心視野側をカバーするように配置される第１光学系部分１１０ａと、同視軸ＥＸが通る中心視野側をカバーするように配置される第２光学系部分１１０ｂと、同視軸ＥＸが通る中心視野から外れた周辺視野側をカバーするように配置される第３光学系部分１１０ｃとを有する。第３光学系部分１１０ｃは、第２光学系部分１１０ｂから分離した光学系となっており、射出レンズ部１１ｃと、中間レンズ１２ｃ，１３ｃと、入射レンズ１４ｃとを有する。表示素子の表示面２１ｃからの画像光Ｌ３は、入射レンズ１４ｃ、中間レンズ１２ｃ，１３ｃ、及び射出レンズ部１１ｃを順次通過して瞳ＥＹａの位置ＰＥに入射する。

この場合、第１光学系部分１０ａの射出レンズ部１１ａと、第２光学系部分１０ｂの射出レンズ部１１ｂとは、一体化された複合型の第１光学部材１１となっているが、第３光学系部分１１０ｃの射出レンズ部１１ｃは、第１光学部材１１に隣接するものの第１光学部材１１とは別体となっており、第１光学部材１１から独立したものとなっている。

図８に示す右眼用の接眼光学系１００Ａの場合、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸが第１光学系部分１１０ａと第２光学系部分１１０ｂとの境界付近を通っている。この結果、第１光学系部分１１０ａと第２光学系部分１１０ｂとによって、中心視野Ｆ１をカバーしており、比較的高精度の画像投影が行われる。また、外側の第３光学系部分１１０ｃによって、周辺視野Ｆ２の一部をカバーしており、比較的低精度の画像投影が行われる。第１光学系部分１１０ａと第２光学系部分１１０ｂとの間については、射出レンズ部１１ａと射出レンズ部１１ｂとに共通の第１光学面１１ｆによって画像光Ｌ１，Ｌ２の繋ぎ目で光拡散が生じにくくなっている。一方、第３光学系部分１１０ｃからの画像光Ｌ３は、第２光学系部分１１０ｂとの境界の継ぎ目で散乱が生じたり欠けが生じるが、周辺視野Ｆ２での散乱や欠損であり、画質の劣化として決定的なものとはならない。ここで、第１光学系部分１１０ａと第２光学系部分１１０ｂとに関して、中心視野Ｆ１と内側の周辺視野Ｆ２とを２分割する構成とし、第１光学系部分１１０ａと第２光学系部分１１０ｂとを対称的な形状とするならば、第１光学系部分１０ａと第２光学系部分１０ｂとを同一の光学系とすることができ、製造時のコスト削減の効果がある。

なお、第１光学系部分１１０ａと第２光学系部分１１０ｂとの接合部１１ｊの第２光学面１１ｓの間の窪み１１ｒの位置に光吸収部１８を設けてもよい。また、図示を省略するが、第１光学部材１１に対して射出レンズ部１１ｃを一体化させて３領域をカバーする複合型の第１光学部材とすることもできる。

〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態の接眼光学系等ついて説明する。本実施形態に係る接眼光学系は、第１実施形態の接眼光学系を変形したものであり、第１実施形態と共通する部分については説明を省略する。なお、第５実施形態は、横分割型の光学系である第１〜４実施形態と異なり、横分割型の光学系となっている。

図９は、第５実施形態の接眼光学系を説明する側方断面図であり、紙面の上下方向が鉛直のＺ方向となっている。右眼用の接眼光学系１００Ａは、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸが通る中心視野側をカバーするように配置される第１光学系部分１１０ａと、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸが通る中心視野から外れた周辺視野側をカバーするように配置される第２光学系部分１１０ｂとを有する。ここで、第１光学系部分１１０ａは、第１実施形態の接眼光学系１００Ａにおける第１光学系部分１０ａと同様の形状及び構造を有するが、観察者ＨＯの眼ＥＹで観察される虚像のうち前方又は上側の前方である第１領域ＡＲ１に投影される虚像を形成するものとなっている。一方、第２光学系部分１１０ｂは、第１実施形態の接眼光学系１００Ａにおける第２光学系部分１０ｂと同様の形状及び構造を有するが、観察者ＨＯの眼ＥＹで観察される虚像のうち下側の前方である第２領域ＡＲ２に投影される虚像を形成するものとなっている。つまり、第１光学系部分１１０ａは、視軸ＥＸが通る中央側の第１領域ＡＲ１をカバーするように配置され、第２光学系部分１１０ｂは、視軸ＥＸから離れた外側の第２領域ＡＲ２をカバーするように配置される。

図９に示す右眼用の接眼光学系１００Ａの場合、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸが第１光学系部分１１０ａの光軸に近い位置を通り、接合部１１ｊが中心視野から外れた位置に配置されている。また、右眼用の接眼光学系１００Ａの上側の視野角β１は、視軸ＥＸを基準として例えば６０°程度とでき、右眼用の接眼光学系１００Ａの下側の視野角β２は、視軸ＥＸを基準として例えば８０°程度とできる。このように、上側の視野角β１を下側の視野角β２よりも狭くすることで、解像度的に負担が大きい第１光学系部分１１０ａの設計が比較的容易となる。

図１０は、人の中心視野や周辺視野を鉛直方向に関して説明する図である。中心視野Ｆ１としては、正面を見ている眼ＥＹの視軸ＥＸを基準として上下に±１５°程度が想定され、この中心視野Ｆ１内で解像度を高めれば、接眼光学系１００Ａ又は画像表示装置２００として実用的と言える。また、中心視野Ｆ１の外側であって、視軸ＥＸを基準として上側に６０°及び下側に８０°程度を周辺視野Ｆ２として確保すれば、接眼光学系１００Ａ又は画像表示装置２００として実用的と言える。なお、周辺視野Ｆ２は、鉛直軸ＶＸに対して全体として下側に傾斜したものとなっている。

このような観点で、右眼用の接眼光学系１００Ａの上側の視野角β１を６０°程度とし、右眼用の接眼光学系１００Ａの下側の視野角β２を８０°程度としている。ここで、上側又は正面側の第１光学系部分１１０ａは、中心視野Ｆ１をカバーしており、比較的高解像度で比較的高精度の画像投影が行われる。また、下側の第２光学系部分１１０ｂは、周辺視野Ｆ２の一部をカバーしており、比較的低解像度又は比較的低精度の画像投影で足る。

〔その他の変形例等〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

縦方向又は鉛直方向に第１光学系部分１０ａと第２光学系部分１０ｂとを組み合わせつつ、横方向又は水平方向に第１光学系部分１１０ａと第２光学系部分１１０ｂとを組み合わせることも可能である。

光学系部分１０ａ，１０ｂ，１１０ａ，１１０ｂは、鉛直方向や水平方向に４つ以上並べることができる。

上記の説明では、画像表示装置２００は、右眼及び左眼の双方に対応して、一対の画像表示部２００Ａ，２００Ｂを備えるとしているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像表示部を設け画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記の説明では、接眼光学系１００が眼鏡型の画像表示装置又はヘッドマウントディスプレイを構成するとしたが、接眼光学系１００は、ゴーグル型の画像表示装置やハンドヘルドディスプレイといった他のタイプの装置を構成するものとできる。

上記の説明では、光学系部分１０ａ，１０ｂの入射レンズ１４ａ，１４ｂに表示素子２ａ，２ｂが対向するとしているが、入射レンズ１４ａ，１４ｂと表示素子２ａ，２ｂとの間に平面ミラー等を配置して光路を折り曲げることもできる。この場合、表示素子２ａ，２ｂの配置の自由度を高めることができる。

上記の説明では、第１光学系部分１０ａ，１１０ａと、第２光学系部分１０ｂ，１１０ｂとを縦のＺ方向や横のＹ方向に配列する場合を説明したが、第１光学系部分と第２光学系部分とをＺ方向とＹ方向との間の斜め方向に配置することもできる。なお、光学系部分をＺ方向とＹ方向とに３×３個並べる配置とした場合、例えば中央と右上とは斜めの方向配列された状態となる。なお、光学系部分を３×３個並べる配置とする場合、中央の光学系部分の輪郭を４角形とせず８角形等として斜めに延びる境界を設けることもできる。

２ａ，２ｂ…表示素子、１０ａ，１１０ａ…第１光学系部分、１０ｂ，１１０ｂ…第２光学系部分、１１…第１光学部材、１１ｆ…第１光学面、１１ｆｊ…境界、１１ｊ…接合部、１１ｓ…第２光学面、１８…光吸収部、２０Ａ,２０Ｂ…表示部、６１Ａ，６１Ｂ…表示駆動回路、９０…制御部、１００…接眼光学系、１００Ａ，１００Ｂ…接眼光学系、２００…画像表示装置、２００Ａ，２００Ｂ…画像表示部、ＡＲ１，ＡＲ２…領域、ＥＸ…視軸、ＥＹ…眼、ＥＹａ…瞳、Ｆ１…中心視野、Ｆ２…周辺視野、ＨＯ…観察者、ＨＸ…水平軸、ＩＭ０，ＩＭ１，ＩＭ２…虚像、Ｌ１，Ｌ２…画像光、ＬＩ…合成光、ＰＥ…位置、ＶＸ…鉛直軸

Claims (10)

1. 複数の表示素子から射出され分割された複数の領域に対応する画像光を観察者の眼に対応する位置に射出する接眼光学系であって、
   前記複数の領域のうち少なくとも２つの領域に対応して最も射出側に配置される複合型の第１光学部材のうち射出側の第１光学面が１つの曲率で表される曲面である、接眼光学系。
2. 前記第１光学面は、アイレリーフ長に対応する曲率に設定される、請求項１に記載の接眼光学系。
3. 正面を見ているときの視軸が通る中央側の第１領域をカバーするように配置される第１光学系部分と、前記第１光学系部分によってカバーされる前記第１領域よりも前記視軸から離れた外側の第２領域をカバーするように配置される第２光学系部分とを有し、
   前記接合部は、前記第１光学系部分と前記第２光学系部分との間に設けられる、請求項２に記載の接眼光学系。
4. 前記接合部は、前記第１光学系部分の射出レンズ部と、前記第２光学系部分の射出レンズ部とを一体的に連結する部分である、請求項３に記載の接眼光学系。
5. 中央側の前記第１光学系部分の解像度が、周辺側の前記第２光学系部分の解像度よりも高い、請求項３及び４のいずれか一項に記載の接眼光学系。
6. 中央側の前記第１光学系部分の画角が、周辺側の前記第２光学系部分の画角よりも狭い、請求項３〜５のいずれか一項に記載の接眼光学系。
7. 前記接合部には、光吸収部が設けられる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の接眼光学系。
8. 前記接合部のうち前記第１光学面に対向する第２光学面上に光吸収部が設けられている、請求項７に記載の接眼光学系。
9. 前記光吸収部の境界に直交する方向の幅は、３０μｍ以下である、請求項７及び８のいずれか一項に記載の接眼光学系。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の接眼光学系と、
    前記接眼光学系に画像光を射出する複数の表示素子と、
    前記複数の表示素子の表示動作を制御する制御部とを備える画像表示装置。

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