特開 2023-43250 伝搬光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023043250

(43)【公開日】2023-03-29

(54)【発明の名称】伝搬光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイ

(51)【国際特許分類】

   G02B 25/00 20060101AFI20230322BHJP

   G02B 17/08 20060101ALI20230322BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20230322BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20230322BHJP

【ＦＩ】

G02B25/00 A

G02B17/08 A

G02B13/18

G02B27/02 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021150758

(22)【出願日】2021-09-16

(71)【出願人】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100121083

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 宏義

(72)【発明者】

【氏名】須藤 芳文

【テーマコード（参考）】

2H087

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H087KA14

2H087KA23

2H087LA12

2H087PA03

2H087PA04

2H087PA05

2H087PA17

2H087PB03

2H087PB04

2H087PB05

2H087QA02

2H087QA03

2H087QA07

2H087QA12

2H087QA14

2H087QA18

2H087QA21

2H087QA22

2H087QA26

2H087QA34

2H087QA42

2H087QA45

2H087QA46

2H087RA04

2H087RA05

2H087RA12

2H087RA13

2H087RA41

2H087RA42

2H087RA45

2H199CA02

2H199CA03

2H199CA25

2H199CA27

2H199CA42

2H199CA47

2H199CA49

2H199CA53

2H199CA66

2H199CA83

2H199CA84

2H199CA85

2H199CA87

2H199CA88

(57)【要約】

【課題】伝搬光学系を小型に構成すること。
【解決手段】伝搬光学系は、画像を表示する画像表示素子からの光を虚像表示装置の導光部材に伝搬する光学系であり、画像表示素子側から導光部材側に向かって順に、プリズム、正のパワーを有するレンズ群を配してなる。画像表示素子からの光が入射される、プリズムの光学面である第１面は、負のパワーを有する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像を表示する画像表示素子からの光を虚像表示装置の導光部材に伝搬する伝搬光学系において、
前記画像表示素子側から前記導光部材側に向かって順に、プリズム、正のパワーを有するレンズ群を配してなり、
前記画像表示素子からの光が入射される、前記プリズムの光学面を、第１面とし、
前記第１面が負のパワーを有する、
伝搬光学系。

【請求項2】

前記プリズムの第１面が非球面である、
請求項１に記載の伝搬光学系。

【請求項3】

前記第１面における有効光線高さをＨとし、前記第１面の有効光線高さＨにおけるサグ量をＳＡＧとしたとき、次式
－０．４＜ＳＡＧ／Ｈ＜－０．０５
但し、サグ量ＳＡＧは、前記第１面の面頂点より前記画像表示素子側である場合にマイナスの値を取る、
を満たす、
請求項１又は請求項２に記載の伝搬光学系。

【請求項4】

前記第１面に入射された、前記画像表示素子からの光が射出される、前記プリズムの光学面を、第２面とし、前記第１面から前記第２面までの光軸上の距離をＤＰとし、前記画像表示素子の有効画素領域のうち最も長い辺の長さをＬＹとしたとき、次式
１．０＜ＤＰ／ＬＹ＜２．０
を満たす、
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の伝搬光学系。

【請求項5】

前記第１面に入射された、前記画像表示素子からの光が射出される、前記プリズムの光学面を、第２面とし、前記第１面から前記第２面までの光軸上の距離をＤＰとし、前記レンズ群に含まれるレンズ面のうち、光路上で最も前記画像表示素子側のレンズ面から最も導光部材側のレンズ面までの距離をＤＬとしたとき、次式
０．５＜ＤＰ／ＤＬ＜２．０
を満たす、
請求項１から請求項４の何れか一項に記載の伝搬光学系。

【請求項6】

前記レンズ群は、前記画像表示素子側から前記導光部材側に向かって順に、正のパワーを有する第１正レンズ、少なくとも１枚のレンズを有する、負のパワーを有する負レンズ群、正のパワーを有する第２正レンズを配してなる、
請求項１から請求項５の何れか一項に記載の伝搬光学系。

【請求項7】

前記第１正レンズの焦点距離をｆ１とし、前記負レンズ群の焦点距離をｆｎとしたとき、次式
－２．０＜ｆｎ／ｆ１＜－０．３
を満たす、
請求項６に記載の伝搬光学系。

【請求項8】

前記第２正レンズの焦点距離をｆ２とし、前記負レンズ群の焦点距離をｆｎとしたとき、次式
－２．０＜ｆｎ／ｆ２＜－０．３
を満たす、
請求項６又は請求項７に記載の伝搬光学系。

【請求項9】

前記第１面に入射された、前記画像表示素子からの光が射出される、前記プリズムの光学面を、第２面とし、前記第１面と前記第２面との角度をθとしたとき、次式
７０°＜θ＜１１０°
を満たす、
請求項１から請求項８の何れか一項に記載の伝搬光学系。

【請求項10】

画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子からの光を伝搬させる、請求項１から請求項９の何れか一項に記載の伝搬光学系と、
前記伝搬光学系により伝搬された光を導光して虚像表示のために射出する導光部材と、
を備える、
虚像表示装置。

【請求項11】

請求項１０に記載の虚像表示装置を備える、
ヘッドマウントディスプレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、伝搬光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイに関する。

【背景技術】

【0002】

２次元の画像を拡大し、拡大された虚像を観察者に観察させるように表示する虚像表示装置が知られている。この種の虚像表示装置の一例として導光タイプの虚像表示装置が知られている。

【0003】

導光タイプの虚像表示装置は、画像表示素子の各画素から発せられた光（以下「画像光」と記す。）を伝搬光学系により導光部材に伝搬し、伝搬光学系から伝搬された画像光を導光部材で導光し、導光された画像光を観察者に向けて射出し、射出された画像光を観察者が拡大された虚像として観察できるように構成される。

【0004】

例えば特許文献１に、導光タイプの虚像表示装置に備えられる伝搬光学系の具体的構成が記載されている。特許文献１に記載の伝搬光学系は、画像表示素子からの画像光の伝搬方向を曲げるプリズムを有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２０２０－５２２０２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

導光タイプの虚像表示装置において広い画角を確保するには、例えば伝搬光学系を大きな径で構成することが考えられる。しかし、伝搬光学系の径を大きくすると虚像表示装置が大型化するため望ましくない。特に、ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブルデバイスでは、大型化によって装用者が装用し難くなったり重量が重くなって装用者の負担が増加したりする。

【0007】

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型に構成することが可能な伝搬光学系、このような伝搬光学系を備える虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一実施形態に係る伝搬光学系は、画像を表示する画像表示素子からの光を虚像表示装置の導光部材に伝搬する光学系であり、画像表示素子側から導光部材側に向かって順に、プリズム、正のパワーを有するレンズ群を配してなる。画像表示素子からの光が入射される、プリズムの光学面である第１面は、負のパワーを有する。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一実施形態によれば、小型に構成することが可能な伝搬光学系、このような伝搬光学系を備える虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係る、虚像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイを装用者に装用した状態を示す概略図である。

【図2A】本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを装用者が装用した状態を示す概略図である。

【図2B】本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを装用者が装用した状態を示す概略図である。

【図2C】本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを装用者が装用した状態を示す概略図である。

【図3】本発明の一実施形態（数値実施例１）に係る伝搬光学系の光学構成例を示す図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る導光部材の概略構成を示す斜視図である。

【図5】本発明の数値実施例１に係る伝搬光学系の球面収差図、非点収差図及び歪曲収差図である。

【図6】本発明の数値実施例１に係る伝搬光学系の横収差図である。

【図7】本発明の数値実施例２に係る伝搬光学系の光学構成を示す図である。

【図8】本発明の数値実施例２に係る伝搬光学系の球面収差図、非点収差図及び歪曲収差図である。

【図9】本発明の数値実施例２に係る伝搬光学系の横収差図である。

【図10】本発明の数値実施例３に係る伝搬光学系の光学構成を示す図である。

【図11】本発明の数値実施例３に係る伝搬光学系の球面収差図、非点収差図及び歪曲収差図である。

【図12】本発明の数値実施例３に係る伝搬光学系の横収差図である。

【図13】本発明の数値実施例４に係る伝搬光学系の光学構成を示す図である。

【図14】本発明の数値実施例４に係る伝搬光学系の球面収差図、非点収差図及び歪曲収差図である。

【図15】本発明の数値実施例４に係る伝搬光学系の横収差図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の一実施形態に係る伝搬光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイについて図面を参照しながら説明する。以下の説明において、共通の又は対応する要素については、同一又は類似の符号を付して、重複する説明を適宜簡略又は省略する。

【0012】

図１は、虚像表示装置の一例であるヘッドマウントディスプレイ１を装用者に装用した状態を示す概略図である。図１中、符号ＥＹは装用者の左眼を示す。

【0013】

図１に示されるように、ヘッドマウントディスプレイ１は、画像表示素子１０、伝搬光学系２０及び導光部材３０を備える。画像表示素子１０からの画像光が伝搬光学系２０により伝搬され、伝搬された画像光が導光部材３０により導光されて虚像表示のために射出される。すなわち、画像表示素子１０、伝搬光学系２０及び導光部材３０は、導光タイプの虚像表示装置を構成する。

【0014】

ヘッドマウントディスプレイ１には、装用者が広い画角の虚像を観察できるようにすることが求められる。広い画角を確保するためには、伝搬光学系２０を大きな径で構成することが考えられる。しかし、人が装用するが故のサイズ面の制約があるため、伝搬光学系２０を大きな径で構成することには限界がある。例えばスマートグラスの場合、伝搬光学系２０は、フレームのテンプル（別の呼称では「つる」）に内蔵される。伝搬光学系２０の大径化によりテンプルが太くなると、装用者がスマートグラスを装用し難くなったり、重量が重くなって装用者の負担が増加したりする。

【0015】

そこで、本実施形態に係る伝搬光学系２０は、広い画角を確保することに伴う伝搬光学系２０の大型化が抑えられる構成となっている。言い換えると、伝搬光学系２０は、広い画角を確保しつつ小型に構成することが可能となっている。

【0016】

以下の説明において、画像表示素子１０と伝搬光学系２０が並ぶ第１の水平方向をｚ方向とし、ｚ方向と直交する第２の水平方向をｙ方向とし、ｙ方向とｚ方向の双方に直交する鉛直方向をｘ方向とする。互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、右手系をなす。なお、方向の呼称は、構成要素の相対的な位置関係を説明するために便宜上用いる呼称であり、絶対的な方向を示すものではない。ヘッドマウントディスプレイ１を装用する装用者の姿勢によっては、例えば、ｚ方向が必ずしも水平方向とは限らず、鉛直方向になることもある。

【0017】

図２Ａ～図２Ｃは、ヘッドマウントディスプレイ１を装用者が装用した状態を示す概略図である。図２Ａ～図２Ｃに示されるヘッドマウントディスプレイ１は、スマートグラスと呼称されることもある。

【0018】

図２Ａに示されるヘッドマウントディスプレイ１は、両眼タイプのヘッドマウントディスプレイであり、装用者の顔幅相当の長さを有する単一の導光部材３０をフレーム１００に固定した構成となっている。導光部材３０は、左右両方の眼を含む領域にアイボックスを形成する。画像表示素子１０及び伝搬光学系２０は、例えばフレーム１００のテンプルに内蔵される。また、フレーム１００は、導光部材３０の両端だけでなく、導光部材３０の上側縁や下側縁を覆う形状としてもよい。

【0019】

図２Ｂに示されるヘッドマウントディスプレイ１も両眼タイプのヘッドマウントディスプレイであり、左右それぞれの眼に対応する一対のヘッドマウントディスプレイをフレーム１００に固定した構成となっている。右眼に対応する導光部材３０は、右眼を含む領域にアイボックスを形成する。左眼に対応する導光部材３０は、左眼を含む領域にアイボックスを形成する。

【0020】

図２Ｃに示されるヘッドマウントディスプレイ１は、単眼タイプのヘッドマウントディスプレイであり、右眼に対応する単一のヘッドマウントディスプレイをフレーム１００に固定した構成となっている。なお、左眼に対応する単一のヘッドマウントディスプレイをフレーム１００に固定した単眼タイプのヘッドマウントディスプレイも本発明の範疇である。

【0021】

なお、本実施形態に係る伝搬光学系２０は、ヘッドマウントディスプレイに限らず、他の虚像表示装置にも適用可能である。他の虚像表示装置として、例えばヘッドアップディスプレイが挙げられる。

【0022】

ヘッドマウントディスプレイ１に備えられる各構成要素について具体的に説明する。

【0023】

画像表示素子１０は、虚像として観察すべき画像を表示する素子であり、例示的には、ＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）アレイ、ＬＤ（laser diode）アレイ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）アレイ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等である。画像表示素子１０をＯＬＥＤアレイで構成した場合、例えば、画像表示領域（有効画素領域）のサイズは３ｍｍ×４ｍｍであり、画素数は１万画素程度である。

【0024】

画像表示素子１０からの画像光は、伝搬光学系２０に入射される。

【0025】

図３は、伝搬光学系２０の光学構成例を示す図である。図３に示されるように、伝搬光学系２０は、画像表示素子１０側から導光部材３０側に向かって順に、プリズムＰ、レンズ群ＬＧを配してなる。レンズ群ＬＧは、光軸ＡＸに対して回転対称であり、正のパワーを有する。

【0026】

なお、本実施形態において「配してなる」との表現は、本発明の技術的思想の範囲において別の光学素子を追加する構成例を排除するものではない。排除されない構成例としては、例えば、伝搬光学系２０の光学性能に実質的に寄与しない平行平板を追加する構成例や、本実施形態に係る伝搬光学系２０の構成及び効果を維持しつつ別の光学素子を付加する構成例が挙げられる。すなわち、このような構成の光学素子をプリズムＰとレンズ群ＬＧよりなる伝搬光学系２０に追加した構成も本発明の範疇である。

【0027】

例えばスマートグラスにおいて画像表示素子と導光部材が一体化したタイプが知られている。このタイプのスマートグラスでは、重量の大部分がレンズ部分に集中する。そのため、装用時に装用者の鼻に大きな荷重がかかり、装用者がスマートグラスを長時間装用することが難しい。

【0028】

これに対し、導光タイプのスマートグラスは、画像表示素子と導光部材との間（テンプル内）に伝搬光学系を配置することにより、画像表示素子と導光部材とを物理的に離した構成となっている。導光タイプのスマートグラスにおいて、画像表示素子は、例えばテンプル（より詳細にはこめかみ付近の位置）に内蔵される。そのため、装用者にかかる荷重が鼻と両耳の３点に分散されて、装用者がスマートグラスを長時間装用しやすくなる。

【0029】

伝搬光学系には、広い画角を確保するとともに、テンプルに内蔵する必要上、小型化が要求される。また、小型化により、重量を軽くして装用者にかかる負担を軽減させる構成であることも、伝搬光学系には求められる。

【0030】

また、発熱源である画像表示素子が装用者の顔（例えばこめかみ）に近接して配置されるほど、画像表示素子が発する熱の影響で装用者が不快感を覚える虞がある。そのため、装用者の顔からより離れた位置に画像表示素子を配置させる構成であることも、伝搬光学系には求められる。

【0031】

そこで、本実施形態に係る伝搬光学系２０は、装用者の顔と画像表示素子との距離を離す構成でありつつ、良好な光学性能（画角が広い、収差が良好に補正されている、など）でありながら、小型に抑えられた構成となっている。

【0032】

具体的には、伝搬光学系２０に備えられるプリズムＰは、画像表示素子１０からの画像光の伝搬方向を曲げる。プリズムＰを配置することにより、装用者の顔からより離れた位置に画像表示素子１０を配置することができる。画像表示素子１０を装用者の顔から離れた位置に配置することにより、画像表示素子１０の熱が装用者に伝達されにくくなる。附言するに、画像表示素子１０側（すなわちレンズ群ＬＧの前段）にプリズムＰを配置することにより、導光部材３０側（すなわちレンズ群ＬＧの後段）にプリズムＰを配置する構成と比べて、伝搬光学系２０を小型化することができる。

【0033】

また、プリズムＰの第１面Ｐ_１は、負のパワーを有する面（より詳細には凹面）となっている。第１面Ｐ_１は、画像表示素子１０からの画像光が入射される、プリズムＰの光学面である。

【0034】

第１面Ｐ_１を負のパワーを有する面とすることにより、伝搬光学系２０を小型化しつつも広い画角の光を取り込むことができる。また、画像表示素子１０からの画像光のうちの軸外光は、光軸ＡＸから離れた第１面Ｐ_１上の位置を通る。そのため、プリズムＰの後段に配置されたレンズ群ＬＧで発生する軸外収差を考慮して負のパワーを有する面（すなわち第１面Ｐ_１）の形状を決定することにより、伝搬光学系２０全体として、軸外収差を小さく抑えることができる。

【0035】

第１面Ｐ_１に入射された画像光は、プリズムＰの反射面Ｍ_１にて反射され偏向されて、プリズムＰの第２面Ｐ_２より射出される。すなわち、第２面Ｐ_２は、第１面Ｐ_１に入射された、画像表示素子１０からの画像光が射出される、プリズムＰの光学面である。第２面Ｐ_２より射出された画像光は、レンズ群ＬＧを透過して、導光部材３０に入射される。なお、反射面Ｍ_１は、平面であってもよく、また、自由曲面であってもよい。

【0036】

図４は、導光部材３０の概略構成を示す斜視図である。図４に示されるように、導光部材３０は、第１導光部材３１及び第２導光部材３２を備える。

【0037】

第１導光部材３１には、伝搬光学系２０により伝搬された画像光が入射される。図４では、便宜上、伝搬光学系２０より入射される画像光に符号Ｌ１を付す。

【0038】

第１導光部材３１の内部には複数の第１ミラー３１ａがｙ方向に並べて配置される。伝搬光学系２０により伝搬された画像光Ｌ１は、複数の第１ミラー３１ａのうち最もｙ方向負側に位置する第１ミラー３１ａに入射される。なお、概略図である図４では、便宜上、第１ミラー３１ａを６つしか示していない。第１ミラー３１ａの数は、実際にはこれよりも多い。

【0039】

第１ミラー３１ａは、特定の反射率及び透過率のコーティングが施されたミラーであり、入射した画像光Ｌ１の一部を反射させるとともに画像光Ｌ１の一部を透過させる。第１導光部材３１内に入射された画像光Ｌ１は、各第１ミラー３１ａにて反射と透過によって振り分けられる。反射と透過による画像光Ｌ１の振り分けが繰り返されることにより、画像光Ｌ１は、ｙ方向に広がった光となる。

【0040】

以下においては、便宜上、ｙ方向に広がった画像光に符号Ｌ２を付して説明を行う。また、図４では、便宜上、画像光Ｌ２の各光線に符号Ｌ３を付す。

【0041】

画像光Ｌ２は、第２導光部材３２内に入射される。第２導光部材３２の内部には第２ミラー３２ａ及び複数の第３ミラー３２ｂが配置される。複数の第３ミラー３２ｂは、ｘ方向に並べて配置される。

【0042】

第２ミラー３２ａは、第１導光部材３１より入射した画像光Ｌ２（言い換えると各光線Ｌ３）をｘ方向負側に反射させる。これにより、画像光Ｌ２は、第２導光部材３２内をｘ方向負側に導光されて、第３ミラー３２ｂに入射される。

【0043】

第３ミラー３２ｂも第１ミラー３１ａと同様に、特定の反射率及び透過率のコーティングが施されたミラーであり、入射した画像光Ｌ２の一部を反射させるとともに画像光Ｌ２の一部を透過させる。第２ミラー３２ａにて反射された画像光Ｌ２は、各第３ミラー３２ｂにて反射と透過によって振り分けられる。反射と透過による画像光Ｌ２の振り分けが繰り返されることにより、画像光Ｌ２は、ｙ方向に加えてｘ方向にも広がった光となって、第２導光部材３２から外部に（具体的には装用者の眼ＥＹに向けて）射出される。なお、概略図である図４では、便宜上、第３ミラー３２ｂを５つしか示していない。第３ミラー３２ｂの数は、実際にはこれよりも多い。

【0044】

以下においては、便宜上、ｘ方向とｙ方向の２次元方向に広がった画像光に符号Ｌ４を付して説明を行う。また、図４では、便宜上、画像光Ｌ４の各光線に符号Ｌ５を付す。なお、図面を明瞭にするため、一部の光線Ｌ５にのみ符号を付す。

【0045】

画像光Ｌ４が眼ＥＹに入射されると、網膜に虚像の共役像として結像する。これにより、装用者は、画像表示素子１０に表示された画像の拡大虚像を見ることになる。

【0046】

このように、導光部材３０は、ｘ方向とｙ方向の２次元方向にアイボックス（虚像が視認される範囲）を拡張する構成となっている。

【0047】

本実施形態に係る伝搬光学系２０の具体的構成について更に説明する。

【0048】

プリズムＰの第１面Ｐ_１は、非球面であってもよい。第１面Ｐ_１を非球面とすることにより、より一層、広い画角を確保しつつ軸外収差を補正することができる。

【0049】

第１面Ｐ_１における有効光線高さ（言い換えると、有効光束半径）をＨとし、第１面Ｐ_１の有効光線高さＨにおけるサグ量をＳＡＧとしたとき、伝搬光学系２０は、次式（１）を満たす構成としてもよい。

【0050】

式（１）
－０．４＜ＳＡＧ／Ｈ＜－０．０５
但し、サグ量ＳＡＧは、第１面Ｐ_１の面頂点より画像表示素子１０側である場合にマイナスの値を取る。

【0051】

式（１）を満たすことにより、より一層、広い画角の確保と伝搬光学系２０の小型化とを両立させることができ、軸外収差を補正することもできる。

【0052】

画像表示素子１０は、有効画素領域に配列された各画素から正面（画面垂直方向）に射出される光の強度が最も高く、画面垂直方向に対して傾いた角度に射出される光ほど強度が低くなる。式（１）の「ＳＡＧ／Ｈ」が下限値（すなわち－０．４）以下になると、特に、有効画素領域内の周辺部の画素から射出される光のうち、画面垂直方向に射出される強度の高い光をプリズムＰで取り込みにくくなる。そのため、周辺光量を確保することが難しくなる。また、式（１）の「ＳＡＧ／Ｈ」が上限値（すなわち－０．０５）以上になると、第１面Ｐ_１が平面に近似した面形状となるため、広い画角の確保と伝搬光学系２０の小型化とを両立させることが難しくなるばかりでなく、軸外収差を補正することも難しくなる。

【0053】

更により一層、広い画角の確保と伝搬光学系２０の小型化とを両立させるとともに軸外収差を補正するため、伝搬光学系２０は、次式（２）を満たす構成としてもよい。

【0054】

式（２）
－０．３＜ＳＡＧ／Ｈ＜－０．１

【0055】

プリズムＰの第１面Ｐ_１から第２面Ｐ_２までの光軸ＡＸ上の距離をＤＰとし、画像表示素子１０の有効画素領域のうち最も長い辺の長さをＬＹとしたとき、伝搬光学系２０は、次式（３）を満たす構成としてもよい。なお、画像表示素子１０の有効画素領域は、矩形状となっており、垂直方向（Ｘ方向）に短辺を有し、水平方向（Ｚ方向）に長辺を有する。従って、長さＬＹは、有効画素領域のＺ方向の長さを示す。

【0056】

式（３）
１．０＜ＤＰ／ＬＹ＜２．０

【0057】

式（３）を満たすことにより、より一層、広い画角の確保と伝搬光学系２０の小型化とを両立させることができる。

【0058】

式（３）の「ＤＰ／ＬＹ」が下限値（すなわち１．０）以下になると、プリズムＰが小さくなりすぎるため、画像表示素子１０の有効画素領域内の周辺部の画素から射出される光をプリズムＰで取り込みにくくなる。そのため、有効画素領域内の周辺部の画素から射出される光を導光部材３０に伝搬することが難しくなる。式（３）の「ＤＰ／ＬＹ」が上限値（すなわち２．０）以上になると、プリズムＰが大きくなりすぎるため、伝搬光学系２０を小型化することが難しくなる。

【0059】

レンズ群ＬＧに含まれるレンズ面のうち、光路上で最も画像表示素子１０側のレンズ面ＬＰ_１から最も導光部材３０側のレンズ面ＬＰ_２までの光軸ＡＸ上の距離をＤＬとしたとき、伝搬光学系２０は、次式（４）を満たす構成としてもよい。

【0060】

式（４）
０．５＜ＤＰ／ＤＬ＜２．０

【0061】

式（４）を満たすことにより、各種収差を補正するのに有利な構成となる。

【0062】

式（４）の「ＤＰ／ＤＬ」が下限値（すなわち０．５）以下になると、プリズムＰの第１面Ｐ_１から第２面Ｐ_２までの光軸ＡＸ上の距離ＤＰが短すぎるため、画像表示素子１０の有効画素領域内の周辺部の画素から射出される光を導光部材３０へ伝搬することが難しくなる。式（４）の「ＤＰ／ＤＬ」が上限値（すなわち２．０）以上になると、レンズ群ＬＧの全長が短すぎるため、各種収差の補正が難しくなる。例えば、レンズ群ＬＧの全長を短くした場合、レンズ群ＬＧを構成する各レンズの間隔を短くする必要が生じる。その結果として、各レンズのレンズ面に負担させるべきパワーが大きくなる。各レンズ面のパワーが大きくなることに伴い、各レンズ面で発生する各種収差が大きくなる。そのため、レンズ群ＬＧ全体で生じる収差を補正することが難しくなる。

【0063】

各種収差をより一層補正するのに有利な構成とすべく、伝搬光学系２０は、次式（５）を満たす構成としてもよい。

【0064】

式（５）
０．５＜ＤＰ／ＤＬ＜１．５

【0065】

レンズ群ＬＧは、画像表示素子１０側から導光部材３０側に向かって順に、正のパワーを有する第１正レンズＬ１_Ｐ、少なくとも１枚のレンズを有する、負のパワーを有する負レンズ群ＬＧ_Ｎ、正のパワーを有する第２正レンズＬ２_Ｐを配してなる構成としてもよい。負レンズ群ＬＧ_Ｎは、例えば１枚のレンズ又は２枚のレンズで構成される。

【0066】

画像表示素子１０側から導光部材３０側に向かって順に、正、負、正のパワーを有するレンズ（又はレンズ群）を配置することにより、各種収差を良好に補正することができる。また、第１正レンズＬ１_Ｐ又は第２正レンズＬ２_Ｐを負レンズ群ＬＧ_Ｎが有する負レンズよりアッベ数が大きい材料で形成することにより、色収差をより良好に補正することができる。

【0067】

第１正レンズＬ１_Ｐの焦点距離をｆ１とし、負レンズ群ＬＧ_Ｎの焦点距離をｆｎとしたとき、伝搬光学系２０は、次式（６）を満たす構成としてもよい。

【0068】

式（６）
－２．０＜ｆｎ／ｆ１＜－０．３

【0069】

式（６）を満たすことにより、各種収差をより良好に補正することができる。

【0070】

式（６）の「ｆｎ／ｆ１」が下限値（すなわち－２．０）以下になると、負レンズ群ＬＧ_Ｎの焦点距離ｆｎが長すぎるため、第１正レンズＬ１_Ｐで発生した収差に対する、負レンズ群ＬＧ_Ｎでの補正がアンダーとなり、各種収差を十分に補正できない。式（６）の「ｆｎ／ｆ１」が上限値（すなわち－０．３）以上になると、焦点距離ｆｎが短すぎるため、第１正レンズＬ１_Ｐで発生した収差に対する、負レンズ群ＬＧ_Ｎでの補正がオーバーとなり、各種収差を十分に補正できない。

【0071】

各種収差を更に良好に補正するため、伝搬光学系２０は、次式（７）を満たす構成としてもよい。

【0072】

式（７）
－１．８＜ｆｎ／ｆ１＜－０．５

【0073】

第２正レンズＬ２_Ｐの焦点距離をｆ２としたとき、伝搬光学系２０は、次式（８）を満たす構成としてもよい。

【0074】

式（８）
－２．０＜ｆｎ／ｆ２＜－０．３

【0075】

式（８）を満たすことにより、各種収差をより良好に補正することができる。

【0076】

式（８）の「ｆｎ／ｆ２」が下限値（すなわち－２．０）以下になると、負レンズ群ＬＧ_Ｎの焦点距離ｆｎが長すぎるため、第２正レンズＬ２_Ｐで発生した収差に対する、負レンズ群ＬＧ_Ｎでの補正がアンダーとなり、各種収差を十分に補正できない。式（６）の「ｆｎ／ｆ２」が上限値（すなわち－０．３）以上になると、焦点距離ｆｎが短すぎるため、第２正レンズＬ２_Ｐで発生した収差に対する、負レンズ群ＬＧ_Ｎでの補正がオーバーとなり、各種収差を十分に補正できない。

【0077】

各種収差を更に良好に補正するため、伝搬光学系２０は、次式（９）を満たす構成としてもよい。

【0078】

式（９）
－１．８＜ｆｎ／ｆ２＜－０．４

【0079】

プリズムＰの第１面Ｐ_１と第２面Ｐ_２との角度をθとしたとき、伝搬光学系２０は、次式（１０）を満たす構成としてもよい。より詳細には、角度θは、光軸ＡＸ上に位置する第１面Ｐ_１の面頂点における接平面と、第２面Ｐ_２と、がなす角度である。第２面Ｐ_２が平面でなく球面や非球面である場合、角度θは、光軸ＡＸ上に位置する第１面Ｐ_１の面頂点における接平面と、光軸ＡＸ上に位置する第２面Ｐ_２の面頂点における接平面と、がなす角度である（後述の数値実施例４を示す図１３参照）。

【0080】

式（１０）
７０°＜θ＜１１０°

【0081】

式（１０）を満たすことにより、伝搬光学系２０をより一層小型化させることができる。

【0082】

角度θが式（１０）の下限値（７０°）以下になると、プリズムＰの反射面Ｍ_１のなかで画像表示素子１０との距離が最も離れた部分で偏向される光を第２面Ｐ_２から射出させるため、反射面Ｍ_１及び第２面Ｐ_２を画像表示素子１０から遠い側に延伸させることになる。そのため、プリズムＰが大きくなる。これにより、伝搬光学系２０を小型化するのが難しくなる。角度θが式（１０）の上限値（１１０°）以上になると、プリズムＰの反射面Ｍ_１のなかで画像表示素子１０との距離が最も近い部分で偏向される光を第１面Ｐ_１と干渉せずに第２面Ｐ_２から射出させるため、反射面Ｍ_１を画像表示素子１０から遠ざけるように配置して且つ第２面Ｐ_２を画像表示素子１０側に延伸させることになる。そのため、プリズムＰが大きくなる。これにより、伝搬光学系２０を小型化するのが難しくなる。

【0083】

次に、伝搬光学系２０の具体的な数値実施例１～４を示す。数値実施例１～４の共通事項は次の通りである。

【0084】

《数値実施例１～４の共通事項》
・画像表示素子１０の有効画素領域
短辺（Ｘ方向）に３ｍｍ、長辺（Ｚ方向）に５ｍｍの矩形状
・アイレリーフ
１５ｍｍ
・収差図
焦点距離１７ｍｍの理想レンズで結像する場合で計算
・虚像の対角の画角
４０．４度

【0085】

［数値実施例１］
本発明の数値実施例１に係る伝搬光学系２０の光学構成は図３に示される。図３に示されるように、数値実施例１に係る伝搬光学系２０は、画像表示素子１０側から順に、プリズムＰ、レンズ群ＬＧを配してなる。レンズ群ＬＧは、画像表示素子１０側から順に、第１正レンズＬ１_Ｐ、負のパワーを有する負レンズ群ＬＧ_Ｎ、正のパワーを有する第２正レンズＬ２_Ｐを配してなる。数値実施例１において、負レンズ群ＬＧ_Ｎは、２枚のレンズで構成される。

【0086】

数値実施例１に係る伝搬光学系２０の具体的数値構成は、表１に示される。表１の番号は、画像表示素子１０側から順に、画像表示素子１０、伝搬光学系２０、導光部材３０の各面に付されたものである。補足すると、表の番号０は、画像表示素子１０の画像表示面（画素配列面）を示す。表の番号１～２は、画像表示素子１０に備えられるカバーガラスを示す。カバーガラスは、画像表示素子１０の画像表示面をカバーするガラス製部材である。各数値実施例の光学構成図において符号１０で示される要素は、カバーガラスを示す。表の番号３～６は、プリズムＰを示す。表の番号７～１４は、レンズ群ＬＧを示す。表の番号１５～１７は、導光部材３０を示す。表１中、Ｒ（単位：ｍｍ）は光学素子の各面の曲率半径を示し、Ｄ（単位：ｍｍ）は光軸ＡＸ上の光学素子の厚さ又は光学素子の間隔を示し、Ｎｄはｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）の屈折率を示し、νｄはｄ線のアッベ数を示す。アッベ数の右欄には、光学素子の材質の商品名及び製造者を記す。

【0087】

［表１］

【0088】

表１中、「＊」印が付された番号の面は、非球面である。表２に、各非球面のデータを示す。表２中、標記Ｅは、１０を基数、Ｅの右の数字を指数とする累乗を示す。非球面素子における曲率半径Ｒは、光軸ＡＸ上での曲率半径（近軸曲率半径）を示す。非球面形状は、サグ量をＺとし、近軸曲率（１／Ｒ）をＣとし、光軸からの高さをｈ（単位：ｍｍ）とし、円錐係数をＫとし、４次以上の偶数次の非球面係数をＡ_４、Ａ_６、・・・とした場合に、次式で示される。

【0089】

Z＝Ch^２/{1+√(1-(1+K)C^２h^２)}+A^４・h^４+A^６・h^６+A^８・h^８+A^１０・h^１０

【0090】

なお、表の記載形式は、以降の数値実施例２～４においても同じである。

【0091】

［表２］

【0092】

図５は、数値実施例１に係る伝搬光学系２０の各種収差図（球面収差、非点収差及び歪曲収差）である。図５の球面収差図は、ｄ線、ｇ線（４３５．８４ｎｍ）における球面収差を示す。実線はｄ線における球面収差を示し、点線はｇ線における球面収差を示す。図５の非点収差図は、ｄ線における非点収差（すなわち、サジタル像面とメリディオナル像面との差）を示す。実線はサジタル方向の収差を示し、破線はメリディオナル方向の収差を示す。球面収差図及び非点収差図の縦軸は像高を示し、横軸は収差量を示す。図５の歪曲収差図の縦軸は像高を示し、横軸はｄ線における歪曲率を示す。

【0093】

図６は、数値実施例１に係る伝搬光学系２０の横収差図である。横収差図は、各像高におけるｄ線、ｇ線での横収差を示す。実線はｄ線における横収差を示し、点線はｇ線における横収差を示す。横収差は、Ｘ方向とＹ方向について測定される。図６左図（上欄に「Ｙ－ＦＡＮ」が付記された図）は、Ｙ方向における横収差を示し、図６右図（上欄に「Ｘ－ＦＡＮ」が付記された図）は、Ｘ方向における横収差を示す。

【0094】

下記の通り、数値実施例１では、上記式（１）～（１０）が全て満たされる。
ＳＡＧ／Ｈ ： －０．２１（式（１）及び（２）参照）
ＤＰ／ＬＹ ： １．３５（式（３）参照）
ＤＰ／ＤＬ ： １．１３（式（４）及び（５）参照）
ｆｎ／ｆ１ ： －１．３５（式（６）及び（７）参照）
ｆｎ／ｆ２ ： －１．２５（式（８）及び（９）参照）
θ ： ９０°（式（１０）参照）

【0095】

数値実施例１に係る伝搬光学系２０は、各種収差が良好に補正されるとともに（図５及び図６参照）、広い画角（対角方向に４０度を超える画角）が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例１に係る伝搬光学系２０では、上記式（１）～（１０）を満たすことによる各種効果が奏される。

【0096】

［数値実施例２］
図７は、本発明の数値実施例２に係る伝搬光学系２０の光学構成を示す図である。図７に示されるように、数値実施例２に係る伝搬光学系２０の光学構成は、数値実施例１に係る伝搬光学系２０の光学構成と同じである。

【0097】

数値実施例２に係る伝搬光学系２０の具体的数値構成は、表３に示される。補足すると、表の番号０は、画像表示素子１０の画像表示面（画素配列面）を示す。表の番号１～２は、画像表示素子１０に備えられるカバーガラスを示す。表の番号３～６は、プリズムＰを示す。表の番号７～１４は、レンズ群ＬＧを示す。表の番号１５～１７は、導光部材３０を示す。数値実施例２の各非球面のデータは、表４に示される。

【0098】

［表３］

【0099】

［表４］

【0100】

図８は、数値実施例２に係る伝搬光学系２０の各種収差図（球面収差、非点収差及び歪曲収差）である。図９は、数値実施例２に係る伝搬光学系２０の横収差図である。

【0101】

下記の通り、数値実施例２においても上記式（１）～（１０）が全て満たされる。
ＳＡＧ／Ｈ ： －０．１８（式（１）及び（２）参照）
ＤＰ／ＬＹ ： １．３６（式（３）参照）
ＤＰ／ＤＬ ： １．０２（式（４）及び（５）参照）
ｆｎ／ｆ１ ： －１．２２（式（６）及び（７）参照）
ｆｎ／ｆ２ ： －１．４５（式（８）及び（９）参照）
θ ： １００°（式（１０）参照）

【0102】

数値実施例２に係る伝搬光学系２０においても、各種収差が良好に補正されるとともに（図８及び図９参照）、広い画角（対角方向に４０度を超える画角）が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例２に係る伝搬光学系２０においても、上記式（１）～（１０）を満たすことによる各種効果が奏される。

【0103】

［数値実施例３］
図１０は、本発明の数値実施例３に係る伝搬光学系２０の光学構成を示す図である。図１０に示されるように、数値実施例３に係る伝搬光学系２０の光学構成は、負レンズ群ＬＧ_Ｎが１枚のレンズで構成される点を除き、数値実施例１に係る伝搬光学系２０の光学構成と同じである。

【0104】

数値実施例３に係る伝搬光学系２０の具体的数値構成は、表５に示される。補足すると、表の番号０は、画像表示素子１０の画像表示面（画素配列面）を示す。表の番号１～２は、画像表示素子１０に備えられるカバーガラスを示す。表の番号３～６は、プリズムＰを示す。表の番号７～１２は、レンズ群ＬＧを示す。表の番号１３～１５は、導光部材３０を示す。数値実施例３の各非球面のデータは、表６に示される。

【0105】

［表５］

【0106】

［表６］

【0107】

図１１は、数値実施例３に係る伝搬光学系２０の各種収差図（球面収差、非点収差及び歪曲収差）である。図１２は、数値実施例３に係る伝搬光学系２０の横収差図である。

【0108】

下記の通り、数値実施例３においても上記式（１）～（１０）が全て満たされる。
ＳＡＧ／Ｈ ： －０．１７（式（１）及び（２）参照）
ＤＰ／ＬＹ ： １．５８（式（３）参照）
ＤＰ／ＤＬ ： １．４０（式（４）及び（５）参照）
ｆｎ／ｆ１ ： －１．０４（式（６）及び（７）参照）
ｆｎ／ｆ２ ： －０．６２（式（８）及び（９）参照）
θ ： ８０°（式（１０）参照）

【0109】

数値実施例３に係る伝搬光学系２０においても、各種収差が良好に補正されるとともに（図１１及び図１２参照）、広い画角（対角方向に４０度を超える画角）が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例３に係る伝搬光学系２０においても、上記式（１）～（１０）を満たすことによる各種効果が奏される。

【0110】

［数値実施例４］
図１３は、本発明の数値実施例４に係る伝搬光学系２０の光学構成を示す図である。図１３に示されるように、数値実施例４に係る伝搬光学系２０の光学構成は、負レンズ群ＬＧ_Ｎが１枚のレンズで構成される点を除き、数値実施例１に係る伝搬光学系２０の光学構成と同じである。

【0111】

数値実施例４に係る伝搬光学系２０の具体的数値構成は、表７に示される。補足すると、表の番号０は、画像表示素子１０の画像表示面（画素配列面）を示す。表の番号１～２は、画像表示素子１０に備えられるカバーガラスを示す。表の番号３～７は、プリズムＰを示す。表の番号８～１３は、レンズ群ＬＧを示す。表の番号１４～１６は、導光部材３０を示す。数値実施例４の各非球面のデータは、表８に示される。

【0112】

［表７］

【0113】

［表８］

【0114】

図１４は、数値実施例４に係る伝搬光学系２０の各種収差図（球面収差、非点収差及び歪曲収差）である。図１５は、数値実施例４に係る伝搬光学系２０の横収差図である。

【0115】

下記の通り、数値実施例４においても上記式（１）～（１０）が全て満たされる。
ＳＡＧ／Ｈ ： －０．１６（式（１）及び（２）参照）
ＤＰ／ＬＹ ： １．６０（式（３）参照）
ＤＰ／ＤＬ ： １．２６（式（４）及び（５）参照）
ｆｎ／ｆ１ ： －０．７９（式（６）及び（７）参照）
ｆｎ／ｆ２ ： －０．５２（式（８）及び（９）参照）
θ ： ９０°（式（１０）参照）

【0116】

数値実施例４に係る伝搬光学系２０においても、各種収差が良好に補正されるとともに（図１４及び図１５参照）、広い画角（対角方向に４０度を超える画角）が確保され、良好な像性能が達成される。また、数値実施例４に係る伝搬光学系２０においても、上記式（１）～（１０）を満たすことによる各種効果が奏される。

【0117】

以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば明細書中に例示的に明示される実施形態等又は自明な実施形態等を適宜組み合わせた内容も本願の実施形態に含まれる。

【符号の説明】

【0118】

１ ：ヘッドマウントディスプレイ
１０ ：画像表示素子
２０ ：伝搬光学系
３０ ：導光部材
３１ ：第１導光部材
３１ａ ：第１ミラー
３２ ：第２導光部材
３２ａ ：第２ミラー
３２ｂ ：第３ミラー
１００ ：フレーム
ＬＧ ：レンズ群
Ｐ ：プリズム

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】