JP6984261B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、頭部に装着して映像素子等によって形成された映像を観察者に提示する虚像表示装置に関する。

観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）等の虚像表示装置（あるいは頭部搭載型表示装置）として、広視野のクローズドタイプであって、ハーフミラーを利用した一部光学折返し部を設けることで、薄型で広画角の光学系を実現しているもの（特許文献１、２参照）が知られている。

しかしながら、ＨＭＤにおいて、薄型で広画角の光学系を実現しようとすると、光学系への負担が大きくなり、例えば、輝度ムラ等が発生し、画像が劣化する可能性がある。なお、画像のムラに関しては、眼の並ぶ方向に平行な方向を画像の水平方向とし、これに直交する方向を垂直方向とした場合、人間の眼は、垂直方向よりも水平方向の方について、色ムラや輝度ムラなどについてより気づきやすい。したがって、水平方向のムラをより抑制する必要がある。

また、ハーフミラーを利用した一部光学折返し部等に起因してゴースト光が発生することによっても、画像が劣化する可能性がある。

特許第３２９５５８３号公報 特許第４４０８１５９号公報

本発明は、広画角でかつ小型で、観察者に高品質な映像を視認させることを可能とする虚像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る第１の虚像表示装置は、画像を表示する映像素子と、映像素子からの映像光を入射させる表示側レンズと、表示側レンズよりも後に設けられ、表示側レンズからの映像光を集光して観察者の眼前側へ射出させる観察者側レンズと、表示側レンズの前に設けられるハーフミラーと、表示側レンズと観察者側レンズとの間に設けられ、偏光透過軸の方向を眼の並ぶ方向となる水平方向とする半透過型偏光板とを備える。

上記虚像表示装置では、光路中にハーフミラーを設けることで光路を折り曲げ、広画角でかつ小型化を実現しつつ、半透過型偏光板により観察者の眼の並ぶ方向に沿った方向についての映像光の透過率を上げることで、この方向について画像の中心側と周辺側とでの輝度ムラを抑制し、観察者に高品質な映像を視認させる。

本発明の具体的な側面では、半透過型偏光板の前に設けられ、通過する光の偏光状態を変換する偏光変換部材をさらに備える。この場合、半透過型偏光板に入射しようとする成分の偏光状態を変換できる。

本発明の別の側面では、偏光変換部材は、１／４波長板であり、表示側レンズと半透過型偏光板との間に設けられ、半透過型偏光板に向かう成分を直線偏光に変換する。この場合、表示側レンズと半透過型偏光板との間を往来する成分の偏光状態を適切に変換することで、ゴースト光の発生を抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、半透過型偏光板は、反射型のワイヤーグリッド偏光板である。この場合、映像光の偏光状態に応じて高効率に反射透過を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、ハーフミラーは、観察者側から見て凹の曲面形状となっている。この場合、ハーフミラーでの反射利用による薄型化の効果をより高めることができる。

本発明のさらに別の側面では、表示側レンズ及び観察者側レンズのうち少なくとも一方は、配向複屈折±０．０１以下、または、光弾性定数１０［１０^−１２／Ｐａ］以下の樹脂レンズである。この場合、複屈折の発生を抑えることで、材料起因の収差などを抑えることが可能になり、映像品位を向上させるべく光学性能を維持しつつ、各レンズ延いては装置全体の軽量化を図ることができる。なお、本発明では、上記のような樹脂レンズを、ゼロ複屈折性または低複屈折性とも呼ぶ。

本発明のさらに別の側面では、樹脂レンズについて、成形時のゲート側が、装着時に上側に向くように配置されている。この場合、樹脂レンズのうち残留応力の多い箇所の視認性への影響を抑えることができる。

本発明のさらに別の側面では、樹脂レンズについて、成形時のゲート側が、装着時に鼻側に向くように配置されている。この場合、樹脂レンズのうち残留応力の多い箇所の視認性への影響を抑えることができる。なお、この場合、映像光の表示視野が、鼻側の方がその他の視野と比較して小さくなるように設定される。

本発明のさらに別の側面では、樹脂レンズは、成形時のゲート側をカットした面とするＤ形状である。この場合、成形時のゲート側において、樹脂レンズをＤ形状とするようにカットした面が、装着時に上側又は鼻側に向くように配置される。

本発明のさらに別の側面では、半透過型偏光板と樹脂レンズとは、樹脂レンズのゲート方向と半透過型偏光板の透過軸の方向とを対応させて貼り合わせられている。この場合、視認性への影響を抑えつつ半透過型偏光板と樹脂レンズとを一体的に取り扱える。

本発明のさらに別の側面では、表示側レンズ及び観察者側レンズのうち少なくとも一方は、ガラスレンズである。この場合、複屈折の発生を抑えることで光学性能を維持できる。

本発明のさらに別の側面では、表示側レンズは、屈折率１．５５以上の屈折レンズである。この場合、画像を十分に広画角なものにできる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子は、自発光型の素子で構成され、円偏光の映像光を射出する。この場合、映像素子によって映像光を円偏光の状態で射出させることができる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子は、射出すべき映像光を直線偏光にする偏光板と、当該偏光板を経た成分を円偏光にする１／４波長板とを備える。この場合、偏光板を経た成分を円偏光にする１／４波長板によって映像光を円偏光の状態で射出させることができる。

本発明のさらに別の側面では、表示側レンズの前に設けられる色消しレンズをさらに備える。この場合、色ムラの発生を抑制できる。

本発明のさらに別の側面では、映像素子の直近後段に設けられ映像素子からの映像光を射出する前段側レンズをさらに備える。この場合、前段側レンズを設けることで、十分な広画角を図ることができる。

本発明のさらに別の側面では、半透過型偏光板と観察者側レンズとの間に設けられ、半透過型偏光板から射出された映像光の偏光状態を円偏光に変換する円偏光変換部材をさらに備える。この場合、円偏光変換部材により、半透過型偏光板から射出された映像光の偏光状態を円偏光に変換して観察者側レンズに向けて射出させることができる。

本発明に係る第２の虚像表示装置は、画像を表示する映像素子と、映像素子からの映像光を集光するレンズと、レンズの前に設けられるハーフミラーと、レンズの後に設けられ、通過する光の偏光状態を変換する偏光変換部材と、偏光変換部材の後に設けられ、偏光透過軸の方向を眼の並ぶ方向である水平方向とする半透過型偏光板とを備える。

上記虚像表示装置では、光路中にハーフミラーを設けることで光路を折り曲げ、広画角でかつ小型化を実現しつつ、ハーフミラーと半透過型偏光板との間に偏光変換部材を設けて、ハーフミラーと半透過型偏光板との間を往来する成分の偏光状態を適切に変換することで、ゴースト光の発生を抑制し、観察者に高品質な映像を視認させる。

第１実施形態に係る虚像表示装置と、その映像光の光路について概念的に説明する図である。 フレネル反射量について説明するためのグラフである。 虚像表示装置を装着した場合の側方から見た様子を概念的に示す図である。 虚像表示装置を装着した場合の上方から見た様子を概念的に示す図である。 レンズの成形に関しての一例を説明するための図である。 レンズの成形に関しての一例を説明するための図である。 レンズの成形に関しての一例を説明するための図である。 レンズの成形に関して、他の一例を説明するための図である。 第２実施形態に係る虚像表示装置について概念的に説明する図である。 第３実施形態に係る虚像表示装置について概念的に説明する図である。 一変形例の虚像表示装置について概念的に説明する図である。 レンズ及び光学部品の端面の形状についての一変形例を示す図である。 レンズ及び光学部品の端面の形状についての一変形例を示す図である。 レンズ端面に関する一変形例を説明するための図である。 レンズや映像素子の配置に関する一変形例を説明するための図である。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。

図１に概念的に示すように、本実施形態の虚像表示装置１００は、映像素子（画像表示部）である画像表示装置１０と、拡大光学系２０とを備え、虚像表示装置１００を装着した観察者又は使用者に対して虚像による画像光（映像光）を視認させることができる虚像表示装置、すなわちヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）である。ここで、図１は、虚像表示装置１００を観察者が装着した場合の上方から見た様子を示しており、虚像表示装置１００における光学系の光軸ＡＸがＺ方向となっているものとする。さらに、観察者の左右の眼の並ぶ方向として想定される水平方向をＸ方向とする。水平方向に直交する方向である察者にとっての上下方向を垂直方向とし、図１では、Ｙ方向とする。

なお、画像表示装置１０及び拡大光学系２０は、右眼用と左眼用とについてそれぞれ用意される左右一対構成であるが、対称性により、ここでは、省略して左右のうち一方（左眼用）のみを示している。すなわち、図１において、＋Ｘ側が外側（耳側）であり、−Ｘ側が内側（鼻側）である。なお、左右一対の一方のみ、すなわち単独でも虚像表示装置として機能する。また、左右一対構成とせず、単眼用に虚像表示装置を構成することも可能である。

以下、虚像表示装置１００による映像光の導光をするための各部の構造等についての一例を概念的に説明する。

画像表示装置１０は、画像形成を行う主要な本体部分であるパネル部１１と、直線偏光の成分を抽出する偏光板１２と、偏光板１２を経た成分を円偏光にして射出する第１の１／４波長板（λ／４板）１３とを備える。

パネル部１１は、例えば有機ＥＬ等の自発光型の素子（ＯＬＥＤ）で構成される映像素子（映像表示素子）とすることができる。また、例えば透過型の空間光変調装置である映像表示素子（映像素子）のほか、映像表示素子へ照明光を射出するバックライトである照明装置（不図示）や動作を制御する駆動制御部（不図示）を有する構成としてもよい。

偏光板１２は、パネル部１１からの光のうち射出すべき映像光を直線偏光にする。さらに、第１の１／４波長板１３は、偏光板１２を経た成分を円偏光にする。

以上のような構成となっていることにより、画像表示装置１０は、円偏光の映像光ＧＬを射出する。

拡大光学系２０は、観察者側から順に並ぶ４つの第１〜第４レンズＬ１〜Ｌ４に加え、ハーフミラー２１と、偏光変換部材２２と、半透過型偏光板２３とを備える。なお、第１〜第４レンズＬ１〜Ｌ４は、ガラスレンズ、ゼロ複屈折性の樹脂レンズまたは低複屈折性の樹脂レンズ（すなわち配向複屈折±０．０１以下、または、光弾性定数１０［１０^−１２／Ｐａ］以下の樹脂レンズ）のいずれかで構成され、複屈折を生じにくいものとなっている。

第１レンズＬ１は、拡大光学系２０のうち、観察者の眼ＥＹの位置として想定される瞳の位置ＰＵに一番近い位置に配置される観察者側レンズＯＬである。すなわち、観察者側レンズＯＬとしての第１レンズＬ１は、映像光ＧＬを集光して観察者の眼前側へ射出させるための凸レンズである。

第２レンズＬ２は、第１レンズＬ１との相対的関係では前（前段）すなわち映像光ＧＬの光路の上流側に配置され、第１レンズＬ１等の後（後段）すなわち光路の下流側に配置される光学部材に向けて画像表示装置１０からの映像光ＧＬを入射させるレンズである。ここでは、第２レンズＬ２を、観察者側レンズＯＬ（第１レンズＬ１）に対して、表示側レンズＤＬとも呼ぶこととする。第２レンズＬ２は、画像を十分に広画角なものとすべく、例えば屈折率１．５５以上の屈折レンズとなっている凸レンズである。

第３レンズＬ３は、表示側レンズＤＬである第２レンズＬ２の前に設けられ、アッベ数等が適宜調整された色消しレンズである。第３レンズＬ３は、色消し目的のレンズとして機能すべく、第２レンズＬ２に接合して設けられている凹レンズである。特に、ここでは、ハーフミラー２１を間に挟み込むようにして、第２レンズＬ２と接合している。言い換えると、ハーフミラー２１と半透過型偏光板２３との間にアッベ数の小さい負のパワーを持つ第３レンズＬ３を配置することによって、色収差を抑えることが可能となる。

第４レンズＬ４は、画像表示装置１０の直近後段に設けられた凸レンズであり、画像表示装置１０からの映像光ＧＬを、第３レンズＬ３以下に配置される後の光学部材に向けて射出する。言い換えると、第４レンズＬ４は、拡大光学系２０のうち、画像表示装置１０に一番近い位置に配置されて映像光ＧＬの光路を調整する前段側レンズである。第４レンズＬ４を入れることによって、より解像度性能を向上させることができ、また画像表示装置１０におけるパネルサイズを小さくすることができる。このため、画像表示装置１０の作製コストを抑えることも可能となる。また、画像表示装置１０から射出される光線のテレセン角を抑えることもできるため、パネル視野角特性によって輝度や色度の変化が生じるのを抑えられる。

ハーフミラー２１は、映像光の一部を透過させるとともに他の一部を反射させる半反射半透過膜であり、例えば、誘電体多層膜等で構成される。図示のように、また、既述のように、ここでは、ハーフミラー２１は、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３との間に形成されており、観察者側から見て凹の曲面形状となっている。

偏光変換部材２２は、通過する光の偏光状態を変換するための部材であり、ここでは、１／４波長板（第２の１／４波長板あるいは第２のλ／４板）で構成されているものとする。偏光変換部材２２は、表示側レンズＤＬと半透過型偏光板２３との間に設けられており、半透過型偏光板２３に向かう成分等、偏光変換部材２２とハーフミラー２１との間を往復する成分の偏光状態を変換する。ここでは、円偏光の状態にある映像光ＧＬを直線偏光に変換する、あるいは、逆に、直線偏光の状態にある映像光ＧＬを円偏光に変換する。

半透過型偏光板２３は、表示側レンズＤＬと観察者側レンズＯＬとの間に設けられる部材であり、ここでは、反射型のワイヤーグリッド偏光板で構成されるものとする。特に、本実施形態では、ワイヤーグリッド偏光板である半透過型偏光板２３の偏光透過軸の方向Ａ１を眼の並ぶ方向として想定される水平方向（Ｘ方向）とする。なお、反射型のワイヤーグリッド偏光板で構成される半透過型偏光板２３については、入射する成分の偏光の状態に応じて透過・反射の特性を変えることから、反射型偏光板と呼ぶこともあるものとする。

以下、映像光ＧＬの光路について概略説明する。ここでは、既述のように、ワイヤーグリッド偏光板で構成される半透過型偏光板（あるいは反射型偏光板）２３については、水平方向（Ｘ方向）を偏光透過軸の方向としている。すなわち、半透過型偏光板２３は、Ｘ方向についての偏光成分を透過させ、これに垂直な成分を反射する特性を持つ。また、図に示されている映像光ＧＬの光路は、ＸＺ面に平行な面内を通るものである。したがって、この図においては、Ｐ偏光及びＳ偏光を規定する上では、入射面がＸＺ面に平行な面であり、境界面がＸＺ面に垂直な面（Ｙ方向に平行な面）として捉えることになる。半透過型偏光板２３は、Ｐ偏光を透過させＳ偏光を反射する。

以上において、まず、画像表示装置１０のパネル部１１で変調され射出された映像光ＧＬは、透過型波長板である偏光板１２にてＰ偏光に変換後、第１の１／４波長板１３により円偏光に変換され、拡大光学系２０に向けて射出される。その後、映像光ＧＬは、拡大光学系２０のうち、第４レンズＬ４を経て、第３レンズＬ３に入射し、第２レンズＬ２との界面に成膜されたハーフミラー２１に達する。映像光ＧＬのうち一部の成分が、ハーフミラー２１を通過し、第２の１／４波長板である偏光変換部材２２にてＳ偏光に変換されて半透過型偏光板（あるいは反射型偏光板）２３に到達する。ここで、Ｓ偏光である映像光ＧＬは、半透過型偏光板２３にて反射され、再び偏光変換部材２２にて円偏光となり、ハーフミラー２１に達する。ハーフミラー２１において、映像光ＧＬのうち一部の成分はそのまま透過するが、残りの成分は反射され、反射された映像光ＧＬの成分は、偏光変換部材２２で今度はＰ偏光に変換される。Ｐ偏光となっている映像光ＧＬの成分は、半透過型偏光板２３を通過し、第1レンズＬ１（観察者側レンズＯＬ）に達する。映像光ＧＬは、第1レンズＬ１を通過後に観察者の眼ＥＹのある場所として想定される瞳の位置ＰＵに達する。

以上のように、本実施形態では、虚像表示装置１００の光路中にハーフミラー２１を設けることで光路を折り曲げ、広画角でかつ小型化を実現しつつ、ハーフミラー２１と半透過型偏光板２３との間に偏光変換部材２２を設けて、ハーフミラー２１と半透過型偏光板２３との間を往来する成分の偏光状態を適切に変換することで、ゴースト光の発生を抑制し、観察者に高品質な映像を視認させることができる。

ここで、図示のように、パネル部１１の周辺側から射出される映像光ＧＬの成分すなわち広画角側の光線については、第１レンズＬ１のうち観察者側の第１面Ｓ１に入射する時の入射角度が、例えば約３５°〜４０°と大きくなる。この場合、第１レンズＬ１から射出される成分の偏光方向によっては、フレネル反射の影響で大きく透過率が異なり、結果映像の輝度ムラを生じさせる可能性がある。

図２は、一例として、レンズの屈折率を１．５、空気中の屈折率を１とした場合の、レンズから空気中に入射角θで射出される際のフレネル反射量をグラフで示している。具体的に説明すると、図２において、横軸を入射角θとし、縦軸を反射率（％）として、Ｐ偏光の特性を示す曲線Ｒｐと、Ｓ偏光の特性を示す曲線Ｒｓとが表されている。図２の場合では、仮に、第１レンズＬ１にθ＝４０°の入射角で入射する際のＰ偏光方向の透過率とＳ偏光方向の透過率とは、それぞれ、９０％と６０％となり、３０％もの透過率差が生じることになる。すなわち、入射角が大きいところでは、Ｐ偏光のほうがＳ偏光よりもはるかに多く第1レンズＬ１を透過することになる。さらに、偏光の状態によって、入射角の大きなところ（映像の周辺側）と入射角の小さなところ（映像の中心側）とでも透過率の差が大きく異なる場合がある。このようなことに起因して、例えば映像の中心側と周辺側とでの輝度の差による輝度ムラがはっきり分かる程度に生じてしまう、という可能性がある。

一方、人間の眼の特性として、垂直方向（Ｙ方向、上下方向）よりも水平方向（Ｘ方向、左右方向）の方について、輝度ムラ等についてより気づきやすいことが知られている。したがって、水平方向のムラをより抑制することが重要となる。より具体的に説明すると、まず、人の視野角について説明すると、人の視野角は水平約２００°、垂直約１２５°（下７５°、上５０°）である。ただし、このうち情報需要能力に優れる有効視野は水平３０°、垂直２０°程度であり、注視点が迅速に安定して見える安定注視野は水平６０〜９０°、垂直に４５°〜７０°となっている。このため、人の視野は垂直よりも水平方向に広く、そのため、多くのディスプレイについても、水平方向の方が垂直よりも大きい設定（通常４：３または１６：９）となっている。この点から考えると、輝度ムラなどについても垂直方向よりも水平方向の方がより気づきやすく、水平方向のムラをより抑制する必要があることになると考えられる。

そこで、本実施形態では、フレネル反射の影響を、その特性を踏まえるとともに、上記人間の眼の特性を考慮することで、映像の輝度ムラを抑制し、観察者に高品質な映像を視認させるような構成としている。

以下、図３及び図４を参照して、虚像表示装置１００における垂直方向と水平方向とでの映像光ＧＬの特性の違いについて説明する。図３は、虚像表示装置１００を観察者が装着している状態において、水平方向（Ｘ方向）について見た図（側方から見た図）である。これに対して、図４は、垂直方向（Ｙ方向）について見た図（上方から見た図）である。つまり、図４は、図１に対応する図である。この場合、図３では、映像光ＧＬのうち、上側視野にあたる光線の成分について示しており、図４では、映像光ＧＬのうち、外側（左外側）視野にあたる光線の成分について示していることになる。

ここで、図３と図４とでは、半透過型偏光板２３を通過した成分である成分光ＰＬについての第１レンズＬ１の第１面Ｓ１に対する偏光方向の捉え方が異なる。具体的に説明すると、まず、図４については、図１を参照して既述したように、映像光ＧＬの光路は、ＸＺ面に平行な面内を通るものであり、図４において、Ｐ偏光及びＳ偏光を規定する上では、入射面がＸＺ面に平行な面であり、境界面がＸＺ面に垂直な面（Ｙ方向に平行な面）として捉えることになる。したがって、半透過型偏光板２３は、Ｐ偏光を透過させＳ偏光を反射すると考えることができ、半透過型偏光板２３を通過した成分である成分光ＰＬを、そのまま第１レンズＬ１の第１面Ｓ１においてもＰ偏光と捉えられる。

一方、図３については、映像光ＧＬの光路は、ＹＺ面に平行な面内を通るものとなっており、Ｐ偏光及びＳ偏光を規定する上では、入射面がＹＺ面に平行な面であり、境界面がＹＺ面に垂直な面（Ｘ方向に平行な面）として捉えることになる。平たく言うと、Ｐ偏光及びＳ偏光の規定が図１及び図４の場合とは入れ替わる。したがって、半透過型偏光板２３を通過した成分である成分光ＰＬについては、第１レンズＬ１の第１面Ｓ１においてＳ偏光と捉えられる。

この場合、まず、図３において、映像光ＧＬのうち、上方（＋Ｙ側）で半透過型偏光板２３を透過した偏光透過軸の方向Ａ１に沿った成分光ＰＬは、第１レンズＬ１の第１面Ｓ１にＳ偏光として入射し、この際の入射角が例えば約４０°であるとすると、図２を参考にして、約３０％の成分が反射してレンズ内部に戻され、残り７０％が第１面Ｓ１から射出されて眼ＥＹに達することになる。

一方、図４において、映像光ＧＬのうち、外側（＋Ｘ側）で半透過型偏光板２３を透過した偏光透過軸の方向Ａ１に沿った成分光ＰＬは、第１レンズＬ１の第１面Ｓ１にＰ偏光として入射しこの際の入射角が例えば約４０°であるとすると、図２を参考にして、約１０％の成分が反射してレンズ内部に戻され、残り９０％が第１面Ｓ１から射出されて眼ＥＹに達することになる。

上記の場合、水平方向（Ｘ方向）の方が輝度ムラの少ない映像として表示されることになる。

以上のように、本実施形態の虚像表示装置１００では、光路中にハーフミラー２１を設けることで光路を折り曲げ、広画角でかつ小型化を実現しつつ、半透過型偏光板２３により観察者の眼の並ぶ方向に沿った方向Ａ１についての映像光ＧＬの透過率を上げることで、この方向について画像の中心側と周辺側とでの輝度ムラを抑制し、観察者に高品質な映像を視認させることができる。

以下、図５等を参照して、第1レンズＬ１等の各レンズの成形を含む光学系の製造に関して一例を説明する。

既述のように、第1レンズＬ１等の各レンズについては、ガラスレンズ、ゼロ複屈折性の樹脂レンズまたは低複屈折性の樹脂レンズで構成されることが望ましい。通常の光学系では複屈折の影響によって、偏光方向による屈折率が異なるため、解像性能に影響を及ぼすが、偏光光学系においては、透過中の偏光状態にも影響を及ぼすからである。具体的には、複屈折は、偏光板等の透過時の透過率に大きく影響し、大きな輝度ムラを生じさせる。特に、第２レンズＬ２については、折り返しにより、映像光ＧＬが合計３回通過するため、より複屈折の小さな材料を適用する必要がある。複屈折を抑えるという観点からは、上記部分については、ガラスを使用すれば影響は抑えられるが、ＨＭＤでは装置の軽量化の要請もあり、この観点からは、樹脂製のレンズであることが望ましい。そこで、ここでは、第２レンズＬ２等を樹脂レンズで構成する場合について説明をする。なお、比較的低い複屈折樹脂として、ＰＭＭＡやＺＥＯＮＥＸがあげられるが、さらに低複屈折の樹脂として開発されているのが、例えば三菱ガス化学社のユピゼータＥＰ−４０００〜６０００である。ここでは、これらの材料で構成されるような配向複屈折±０．０１以下、または、光弾性定数１０［１０^−１２／Ｐａ］以下の樹脂レンズを、低複屈折性の樹脂レンズ、あるいは、ゼロ複屈折性の樹脂レンズと呼ぶこととする。

図５、図６及び図７は、レンズの成形に関しての一例を説明するための図である。これらのうち、図５は、製品の装着時におけるレンズの成形時のゲートＧＴの向きとの関係を示すための図であり、レンズＬ２等となるべき部材ＰＰについて、射出成形後の様子を示す図６と対応させることでその関係が分かる。すなわち、図５及び図６の矢印Ａ２は、ゲート配置方向を示しており、図５において、ゲート配置方向が観察者にとっての上方（＋Ｙ側）になっている。言い換えると、成形時のゲート側が、装着時に上側に向くように配置されている。

図６において領域Ｄ１で示すような樹脂レンズを成形する際のゲート周辺部は、成形時の流動の関係から、残留応力が発生しやすい。そのため、虚像表示装置１００に利用時において、領域Ｄ１に対応する箇所を透過した映像光ＧＬは、輝度ムラなどの影響を受けやすい。そこで、人の視野が、上側が狭く、下側が広いことが一般的に知られていることを利用して、上記のようにゲート側の部分を上側（＋Ｙ側）に配置し、ムラの影響をより視認しにくい位置に配置している。これにより、見かけ上の映像品質を向上させることができる。本構成において、図６に示す円形のレンズを、さらに、図７に示すように、一部をカットして取り除き、Ｄ形状にするもの（Ｄカット）としてもよい。つまり、レンズが、非対称レンズであってもよい。ゲートＧＴの部分をＤカットの対象箇所に配置する（すなわち、樹脂レンズにおいて、成形時のゲート側をカットした面としてＤ形状として当該面を対象箇所に配置する）ことで、領域Ｄ１のような箇所の除去がされやすくなり、より大きな断面積のゲートＧＴを配置することができ、成形性を向上させ、より高精度かつフローマークの発生を抑制することができる。また、レンズは円形状に成形されたのちに、機械的にカットされていても良い。以上のように、ゲートＧＴを含む部分を一部カットすることによって、残留応力の多い領域Ｄ１を極力使用しない構成にできる。

さらに、上記のように、図６に示す樹脂レンズとなるべき部材ＰＰのゲート方向を鉛直上向きＧＡすなわち図５での＋Ｙ方向に配置したことに合わせて、半透過型偏光板２３（ワイヤグリッド偏光板）や偏光変換部材２２（１／４波長板）となるべき部材ＳＳの向きをレンズとなるべき部材ＰＰに対応させて貼り合せてもよい。すなわち、半透過型偏光板２３であれば、透過軸が水平になるように、ゲート方向と半透過型偏光板２３の透過軸とが垂直となるように（９０°あるいは略９０°ずれて）貼り合せることが考えられる。レンズとなるべき部材ＰＰと半透過型偏光板２３（ワイヤグリッド偏光板）となるべき部材ＳＳとが、直接または他の部材を介して貼り合わせられていることで、これらを一体的に取り扱える。

図８は、上述したレンズの成形に関して、他の一例を説明するための図である。ここでは、図示のように、ゲート配置方向を、装着時に鼻側になるように樹脂レンズとなるべき部材ＰＰを配置している。言い換えると、樹脂レンズについて、成形時のゲート側が、装着時に鼻側に向くように配置されている。さらに、半透過型偏光板２３（ワイヤグリッド偏光板）となるべき部材ＳＳを透過軸が水平方向となるように部材ＰＰに貼り合せている。ゲートＧＴを配置することによって、レンズ鼻側の残留応力によって、鼻側の映像光に多少の輝度ムラが生じる可能性がある。しかし、人の鼻側方向（内側方向）の視野は、耳側方向（外側方向）の視野に比べて小さい。このため、映像光の画角も鼻側だけ小さくしても、全体的な視野としては大きな影響を与えない。例えば、表示される映像について、鼻側に相当する表示部をパネル側で一部カットするように表示補正させることによって、映像光の鼻側部分がカットされて表示されることで、本構成のように輝度ムラが生じやすい部分の映像光を予めカットすることもできる。

本構成において、ゲート配置部は、図７に示した場合と同様に、Ｄカットされていても良い。

なお、一部カットすることによって、軽量化や位置決めをよりしやすくなるなどの効果も得られる。

さらに、上記と同様に、半透過型偏光板２３（ワイヤグリッド偏光板）や偏光変換部材２２（１／４波長板）となるべき部材ＳＳの向きをレンズとなるべき部材ＰＰに対応させて貼り合せてもよい。すなわち、半透過型偏光板２３であれば、透過軸が水平になるように、ゲート方向と半透過型偏光板２３の透過軸とが平行（同じ方向）となるように貼り合せることが考えられる。

〔第２実施形態〕
以下、図９を参照して、第２実施形態に係る虚像表示装置について説明する。本実施形態では、第３の１／４波長板（λ／４板）である円偏光変換部材を設けていることを除いて、第１実施形態の場合と同様であるので、各部の詳細な説明については省略する。

本実施形態に係る虚像表示装置２００において、拡大光学系２２０は、半透過型偏光板２３と、観察者側レンズＯＬである第１レンズＬ１との間に、すなわち、ワイヤーグリッド偏光板の射出側に第３の１／４波長板である円偏光変換部材２２４を有している。この場合、半透過型偏光板２３を透過した成分（直線偏光）は、円偏光変換部材２２４によって円偏光に変換された成分光ＰＬとして射出され、第１レンズＬ１（観察者側レンズＯＬ）へ入射する。この場合、第１レンズＬ１の第１面Ｓ１の通過に際して、Ｐ／Ｓ偏光による透過率差を抑えることができる。

本実施形態においても、光路中にハーフミラー２１を設けることで光路を折り曲げ、広画角でかつ小型化を実現しつつ、映像光を円偏光に変換して射出することで、Ｐ／Ｓ偏光による透過率差を抑えて輝度ムラを抑制し、観察者に高品質な映像を視認させることができる。

〔第３実施形態〕
以下、図１０を参照して、第３実施形態に係る虚像表示装置について説明する。本実施形態では、拡大光学系の構成においてレンズが１枚であることを除いて、第１実施形態の場合と同様であるので、各部の詳細な説明については省略する。拡大光学系３２０は、１枚の集光レンズＣＬと、ハーフミラー２１と、偏光変換部材２２と、半透過型偏光板２３とを備える。なお、集光レンズＣＬは、ガラスレンズ、ゼロ複屈折性の樹脂レンズまたは低複屈折性の樹脂レンズで構成され、複屈折を生じにくいものとなっている。

集光レンズＣＬは、画像表示装置１０側に凸面、観察者側に平面を有する平凸レンズであり、映像素子である画像表示装置１０からの映像光を集光するレンズである。集光レンズＣＬは、前段（光路上流側）にハーフミラー２１が設けられており、後段（光路下流側）に偏光変換部材２２が設けられさらにその後段（光路下流側）に半透過型偏光板２３が設けられている。ここでは、集光レンズＣＬの各面にハーフミラー２１、偏光変換部材２２及び半透過型偏光板２３が貼付けされているものとする。

以上において、まず、画像表示装置１０において、円偏光に変換されて射出された映像光ＧＬは、拡大光学系３２０のうち、ハーフミラー２１を通過し、偏光変換部材２２にてＳ偏光に変換されて半透過型偏光板２３に到達する。ここで、Ｓ偏光である映像光ＧＬは、半透過型偏光板２３にて反射され、再び偏光変換部材２２にて円偏光となり、ハーフミラー２１に達する。ハーフミラー２１において、映像光ＧＬのうち一部の成分はそのまま透過するが、残りの成分は反射され、反射された映像光ＧＬの成分は、偏光変換部材２２で今度はＰ偏光に変換される。Ｐ偏光となっている映像光ＧＬの成分は、半透過型偏光板２３を通過し、観察者の眼ＥＹのある場所として想定される瞳の位置ＰＵに達する。

本実施形態においては、虚像表示装置の光路中にハーフミラーを設けることで光路を折り曲げ、広画角でかつ小型化を実現しつつ、ハーフミラーと半透過型偏光板との間に偏光変換部材を設けて、ハーフミラーと半透過型偏光板との間を往来する成分の偏光状態を適切に変換することで、ゴースト光の発生を抑制し、観察者に高品質な映像を視認させることができる。

〔その他〕
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る。

上記において、画像表示装置１０としては、例えば有機ＥＬ等の自発光型の素子（ＯＬＥＤ）で構成されるものとしているが、この場合において、例えば円偏光の映像光を射出するものを採用すれば、図１１に一変形例として示すように、画像表示装置１０において、自発光型の素子で構成されるパネル部１１のみを配置し、ＯＬＥＤの発光部にある偏光のみを取り出す構造を設けて、偏光板や１／４波長板を省略するものとしてもよい。また、パネル部１１として液晶パネルを利用して直線偏光を有する光を射出させられるようにすれば、偏光板が不要で１／４波長板のみ配置すればよい。

また、画像表示装置１０としては、透過型の液晶表示デバイスとしてのＨＴＰＳのほか、上位以外にも種々のものを利用可能であり、例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。

また、各レンズのレンズ面に適宜ＡＲコートを設けることで、ゴースト光の発生等をさらに抑制するものとしてもよい。

また、本願発明の技術を、画像光のみを視認させるいわゆるクローズ型（シースルーでない）タイプの虚像表示装置のほか、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができるものに採用したり、ディスプレイと撮像装置とで構成されるいわゆるビデオシースルーの製品に対応させたりするものとしてもよい。

また、上記において、拡大光学系を構成するレンズの枚数については、種々の場合があり得る。例えば、上記第１実施形態では、拡大光学系２０を４枚のレンズ構成としているが、これを第１及び第２レンズＬ１，Ｌ２に相当するものの２枚構成とすることも考えられる。

また、レンズＬ２等となるべき部材の成形として、射出成形（インジェクションモールド）による樹脂レンズの成形を一例として説明したが、レンズの成形については、他の方法による樹脂レンズのモールドレンズであってもよく、また、ガラス製とする場合にはガラスモールドによって成形することが考えられる。

また、レンズ等について、一部をカット（削除）する場合、カットする方向についても、種々の態様が考えられる。例えば図１２Ａ及び１２Ｂに概念的に示すように、レンズや光学素子（例えば拡大光学系２０を構成するレンズＬＳや光学素子ＯＰ等）においてカットされた切欠き状の部分に形成された端面であるレンズ端面ＣＳを、側方から見て、＋Ｚ方向について下方向（−Ｙ方向）に下がっていき、上方から見て、＋Ｚ方向について左右方向（図示の場合−Ｘ方向）に広がっていくように傾斜する形状、あるいはテーパー形状としてもよい。これにより、例えば観察者の鼻の形状に沿った形状とすることができる。

また、図１３に示すように、レンズ端面ＣＳの部分となる箇所を段差状にする、すなわち段差部分を有する形状としてもよい。このような形状とすることで段差状のレンズ端面ＣＳを位置決めに利用できる。

また、上記の例では、レンズについて、カットされる前の円形状の部材の中心（円の中心）を光軸ＡＸとし、画像表示装置１０の中心位置もカットされる前の円形状の中心である光軸ＡＸに合わせて配置をしていたが、元の円形状をカットして変形することを前提に中心点をレンズ端面ＣＳから離れる側にずらして（シフトして）設定してもよい。具体的には、図１４に一例を示すように、破線で示すカット前の形状（円形状）の輪郭ＣＣ０の中心から、光軸ＡＸの位置が外れていてもよい。すなわち、破線で示す光軸ＡＸを中心とする円の輪郭ＣＣが、輪郭ＣＣ０と同心円にならず、レンズ端面ＣＳから離れる側に偏っているようになっていてもよい。この際、画像表示装置１０の中心位置も位置をずらした光軸ＡＸに合わせていてもよい。あるいは、軸外しの光学系とすること等によって同様の構成としてもよい。

また、左右一対の構成とするに際して、左右の眼の距離である導光間距離の基準値（例えば６５ｍｍ）に基づいて配置することが考えられる。また、これに応じて、カットを行う場合のカット形状を設定してもよい。

Ａ１…方向、Ａ２…矢印、ＡＸ…光軸、ＣＣ…輪郭、ＣＣ０…輪郭、ＣＬ…集光レンズ、ＣＳ…レンズ端面、Ｄ１…領域、ＤＬ…表示側レンズ、ＥＹ…眼、ＧＬ…映像光、ＧＴ…ゲート、Ｌ１…第１レンズ、Ｌ２…第２レンズ、Ｌ３…第３レンズ、Ｌ４…第４レンズ、ＯＬ…観察者側レンズ、ＰＬ…成分光、ＰＰ…部材、ＰＵ…位置、Ｒｐ…曲線、Ｒｓ…曲線、Ｓ１…第１面、ＳＳ…部材、θ…入射角、１０…画像表示装置、１１…パネル部、１２…偏光板、１３…波長板、２０…拡大光学系、２１…ハーフミラー、２２…偏光変換部材、２３…半透過型偏光板、１００…虚像表示装置、２００…虚像表示装置、２２０…拡大光学系、２２４…円偏光変換部材、３２０…拡大光学系

Claims (13)

1. 画像を表示する映像素子と、
   前記映像素子からの映像光を入射させる表示側レンズと、
   前記表示側レンズよりも後に設けられ、前記表示側レンズからの映像光を集光して観察者の眼前側へ射出させる観察者側レンズと、
   前記表示側レンズの前に設けられるハーフミラーと、
   前記表示側レンズと前記観察者側レンズとの間に設けられ、偏光透過軸の方向を眼の並ぶ方向となる水平方向とする半透過型偏光板と、
   を備え、
   前記表示側レンズ及び前記観察者側レンズのうち少なくとも一方は、配向複屈折±０．０１以下、または、光弾性定数１０［１０ ^-12 ／Ｐａ］以下の樹脂レンズであり、
   前記樹脂レンズについて、成形時のゲート側が、装着時に上側に向くように配置されている虚像表示装置。
2. 前記半透過型偏光板の前に設けられ、通過する光の偏光状態を変換する偏光変換部材をさらに備える、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記偏光変換部材は、１／４波長板であり、前記表示側レンズと前記半透過型偏光板との間に設けられ、前記半透過型偏光板に向かう成分を直線偏光に変換する、請求項２に記載の虚像表示装置。
4. 前記半透過型偏光板は、反射型のワイヤーグリッド偏光板である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
5. 前記ハーフミラーは、観察者側から見て凹の曲面形状となっている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記樹脂レンズは、成形時のゲート側をカットした面とするＤ形状である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
7. 前記表示側レンズ及び前記観察者側レンズの他方は、ガラスレンズである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
8. 前記映像素子は、自発光型の素子で構成され、円偏光の映像光を射出する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
9. 前記映像素子は、射出すべき映像光を直線偏光にする偏光板と、当該偏光板を経た成分を円偏光にする１／４波長板と、を備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
10. 前記表示側レンズの前に設けられる色消しレンズをさらに備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
11. 前記映像素子の直近後段に設けられ前記映像素子からの映像光を射出する前段側レンズをさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
12. 前記半透過型偏光板と前記観察者側レンズとの間に設けられ、前記半透過型偏光板から射出された映像光の偏光状態を円偏光に変換する円偏光変換部材をさらに備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
13. 画像を表示する映像素子と、
    前記映像素子からの映像光を入射させる表示側レンズと、
    前記表示側レンズよりも後に設けられ、前記表示側レンズからの映像光を集光して観察者の眼前側へ射出させる観察者側レンズと、
    前記表示側レンズの前に設けられるハーフミラーと、
    前記表示側レンズと前記観察者側レンズとの間に設けられ、偏光透過軸の方向を眼の並ぶ方向となる水平方向とする半透過型偏光板と、
    を備え、
    前記表示側レンズ及び前記観察者側レンズのうち少なくとも一方は、配向複屈折±０．０１以下、または、光弾性定数１０［１０ ^-12 ／Ｐａ］以下の樹脂レンズであり、
    前記半透過型偏光板と前記樹脂レンズとは、前記樹脂レンズのゲート方向と前記半透過型偏光板の透過軸の方向とが略垂直となるように貼り合わせられている虚像表示装置。

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