特開 2024-167818 光学系および画像表示装置

(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】P2024167818

(43)【公開日】2024-12-04

(54)【発明の名称】光学系および画像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 25/00 20060101AFI20241127BHJP

   G02B 17/08 20060101ALI20241127BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20241127BHJP

   G02B 13/18 20060101ALN20241127BHJP

【ＦＩ】

G02B25/00

G02B17/08

G02B27/02 Z

G02B13/18

【審査請求】未請求

【請求項の数】34

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023084164

(22)【出願日】2023-05-22

(71)【出願人】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110412

【弁理士】

【氏名又は名称】藤元 亮輔

(74)【代理人】

【識別番号】100104628

【弁理士】

【氏名又は名称】水本 敦也

(74)【代理人】

【識別番号】100121614

【弁理士】

【氏名又は名称】平山 倫也

(72)【発明者】

【氏名】田代 欣久

【テーマコード（参考）】

2H087

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H087KA00

2H087LA12

2H087RA04

2H087RA05

2H087RA12

2H087RA13

2H087RA27

2H087RA42

2H087RA45

2H087RA47

2H087TA01

2H087TA04

2H087TA06

2H087UA01

2H199CA42

2H199CA46

2H199CA47

2H199CA63

2H199CA64

2H199CA65

2H199CA74

2H199CA84

2H199CA85

2H199CA86

2H199CA87

(57)【要約】

【課題】広視野かつ小型で高い光学性能を有する光学系を提供する。
【解決手段】光学系は、表示素子ＩＤからの光を観察側に導き、第１半透過反射面ＨＭ１を有する第１レンズＧ１と、第２半透過反射面ＨＭ２を有する第２レンズＧ２とを少なくとも有する。表示素子からの光を、第２半透過反射面の透過、第１半透過反射面での反射、第２半透過反射面での反射および第１半透過反射面の透過を介して観察側に導く。第１レンズ、第２レンズおよび他のレンズのうちいずれかとして負レンズを含む。負レンズの焦点距離をｆｎ、光学系の焦点距離をｆとするとき、１．０≦｜ｆｎ／ｆ｜≦２０．０なる条件を満足する構成または表示素子からの光が１回のみ負レンズを透過して観察側に導かれる構成を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

表示素子からの光を観察側に導く光学系であって、
第１半透過反射面を有する第１レンズと、
第２半透過反射面を有する第２レンズとを少なくとも有し、
前記表示素子からの前記光を、前記第２半透過反射面の透過、前記第１半透過反射面での反射、前記第２半透過反射面での反射および前記第１半透過反射面の透過を介して観察側に導き、
前記第１レンズ、前記第２レンズおよび他のレンズのうちいずれかとして負レンズを含み、
前記負レンズの焦点距離をｆｎ、前記光学系の焦点距離をｆとするとき、
１．０≦｜ｆｎ／ｆ｜≦２０．０
なる条件を満足する構成と、

【請求項2】

前記表示素子からの前記光が１回のみ前記負レンズを透過して観察側に導かれることを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項3】

前記第１半透過反射面は、前記第１レンズの表示素子側の面に設けられ、
前記第２半透過反射面は、前記第２レンズの観察側または表示素子側の面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項4】

前記負レンズは、樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項5】

前記負レンズのｄ線を基準とするアッベ数をνｄｎとするとき、
１０．０≦νｄｎ≦４０．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項6】

前記光学系に含まれる少なくとも１つの正レンズのうち最も屈折力が大きい正レンズの焦点距離をｆｐとするとき、
－１．１≦ｆｐ／ｆｎ≦－０．１
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項7】

前記光学系に含まれる少なくとも１つの正レンズのうち最も屈折力が大きい正レンズの焦点距離をｆｐとするとき、
１．０≦ｆｐ／ｆ≦８．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項8】

前記光学系の光軸上での前記第２半透過反射面の面頂点と該第２半透過反射面の光学有効径の端位置とを通る球面の曲率半径をＨＭ２＿ｒｅｆＲとするとき、
－５．０≦ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ｆ≦－１．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項9】

前記光学系の光軸上での前記第１半透過反射面の面頂点と該第１半透過反射面の光学有効径の端位置とを通る球面の曲率半径をＨＭ１＿ｒｅｆＲ、前記光学系の光軸上での前記第２半透過反射面の面頂点と該第２半透過反射面の光学有効径の端位置とを通る球面の曲率半径をＨＭ２＿ｒｅｆＲとするとき、
－０．２≦ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ＨＭ１＿ｒｅｆＲ≦１．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項10】

前記光学系における最も観察側の面から前記表示素子の表示面までの光軸上での距離をＯＡＬとするとき、
０．５≦ＯＡＬ／ｆ≦１．５
なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項11】

前記負レンズは、前記光学系において最も観察側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項12】

前記負レンズは、前記第１レンズであることを特徴とする請求項１１に記載の光学系。

【請求項13】

前記第１半透過反射面は、前記第１レンズの曲面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項14】

前記負レンズは、前記第１レンズよりも前記表示素子側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項15】

前記負レンズとしての前記他のレンズは、前記第２レンズと接合されていることを特徴とする請求項１４に記載の光学系。

【請求項16】

前記第２レンズと前記負レンズとの接合面に前記第２半透過反射面が設けられていることを特徴とする請求項１５に記載の光学系。

【請求項17】

前記第１半透過反射面は、前記第１レンズの平面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項18】

前記第１および第２半透過反射面のうち少なくとも一方は偏光選択性半透過反射素子により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
表示素子からの光を観察側に導く光学系であって、
第１半透過反射面を有する第１レンズと、
第２半透過反射面を有する第２レンズとを少なくとも有し、
前記表示素子からの前記光を、前記第２半透過反射面の透過、前記第１半透過反射面での反射、前記第２半透過反射面での反射および前記第１半透過反射面の透過を介して観察側に導き、
前記第１レンズ、前記第２レンズおよび他のレンズのうちいずれかとして負レンズを含み、
前記表示素子からの前記光が１回のみ前記負レンズを透過して観察側に導かれることを特徴とする光学系。

【請求項19】

前記第１半透過反射面は、前記第１レンズの表示素子側の面に設けられ、
前記第２半透過反射面は、前記第２レンズの観察側または表示素子側の面に設けられていることを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項20】

前記負レンズは、樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項21】

前記負レンズのｄ線を基準とするアッベ数をνｄｎとするとき、
１０．０≦νｄｎ≦４０．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項22】

前記光学系に含まれる少なくとも１つの正レンズのうち最も屈折力が大きい正レンズの焦点距離をｆｐとするとき、
－１．１≦ｆｐ／ｆｎ≦－０．１
なる条件を満足することを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項23】

前記光学系に含まれる少なくとも１つの正レンズのうち最も屈折力が大きい正レンズの焦点距離をｆｐとするとき、
１．０≦ｆｐ／ｆ≦８．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項24】

前記光学系の光軸上での前記第２半透過反射面の面頂点と該第２半透過反射面の光学有効径の端位置とを通る球面の曲率半径をＨＭ２＿ｒｅｆＲとするとき、
－５．０≦ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ｆ≦－１．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項25】

前記光学系の光軸上での前記第１半透過反射面の面頂点と該第１半透過反射面の光学有効径の端位置とを通る球面の曲率半径をＨＭ１＿ｒｅｆＲ、前記光学系の光軸上での前記第２半透過反射面の面頂点と該第２半透過反射面の光学有効径の端位置とを通る球面の曲率半径をＨＭ２＿ｒｅｆＲとするとき、
－０．２≦ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ＨＭ１＿ｒｅｆＲ≦１．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項26】

前記光学系における最も観察側の面から前記表示素子の表示面までの光軸上での距離をＯＡＬとするとき、
０．５≦ＯＡＬ／ｆ≦１．５
なる条件を満足することを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項27】

前記負レンズは、前記光学系において最も観察側に配置されていることを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項28】

前記負レンズは、前記第１レンズであることを特徴とする請求項２７に記載の光学系。

【請求項29】

前記第１半透過反射面は、前記第１レンズの曲面に設けられていることを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項30】

前記負レンズは、前記第１レンズよりも前記表示素子側に配置されていることを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項31】

前記負レンズとしての前記他のレンズは、前記第２レンズと接合されていることを特徴とする請求項３０に記載の光学系。

【請求項32】

前記第２レンズと前記負レンズとの接合面に前記第２半透過反射面が設けられていることを特徴とする請求項３１に記載の光学系。

【請求項33】

前記第１半透過反射面は、前記第１レンズの平面に設けられていることを特徴とする請求項１８に記載の光学系。

【請求項34】

請求項１から３３のいずれか一項に記載の光学系と、
前記表示素子とを有することを特徴とする表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ヘッドマウントディスプレイやスマートグラス等の画像表示装置に好適な光学系に関する。

【背景技術】

【0002】

ＬＣＤ等の表示素子に表示された原画像を拡大表示してユーザに観察させる観察光学系は、広視野で高い光学性能を有し、かつ小型であることが求められる。特許文献１には、観察側の正の屈折力の第１レンズと表示素子側の正の屈折力の第２レンズとを有し、第１レンズの表示素子側の面に平面の半透過反射面を設け、第２レンズの表示素子側の面に観察側に向かって凹形状の半透過反射面を設けた観察光学系が開示されている。この観察光学系において、表示素子からの光は、第２レンズの半透過反射面を透過し、第２レンズで正の光学パワーを受けて屈折し、第１レンズの半透過反射面で反射する。次に該光は、第２レンズで正の光学パワーを受けて屈折し、第２レンズの半透過反射面で正の光学パワーを受けて反射する。さらに該光は、第１レンズの半透過反射面を透過し、第１レンズで正の光学パワーを受けて屈折し、観察側に射出する。このように、特許文献１の観察光学系では、屈折と反射において光学パワーを受ける際には、全て正の光学パワーを受ける。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０２２／０３８７７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の観察光学系は、屈折に起因して発生する色収差を光学的に補正しないように構成されている。表示素子としてＬＣＤ等の電子表示素子を用いる場合、観察光学系の倍率色収差はＲＧＢの色チャンネル毎に表示する画像の倍率を調整することで電子的に補正することは可能である。しかしながら、ＲＧＢの各色チャンネル内で発生する色収差は電子的に補正できない。このため、狭小画素ピッチの高精細な表示素子を用いる際に、観察光学系の色収差に起因して表示される画像の画質が低下するおそれがある。

【0005】

本発明は、広視野かつ小型でありながらも、色収差を良好に補正する高い光学性能を有する光学系およびこれを用いた画像表示装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一側面としての光学系は、表示素子からの光を観察側に導く光学系である。該光学系は、第１半透過反射面を有する第１レンズと、第２半透過反射面を有する第２レンズとを少なくとも有する。表示素子からの光を、第２半透過反射面の透過、第１半透過反射面での反射、第２半透過反射面での反射および第１半透過反射面の透過を介して観察側に導く。第１レンズ、第２レンズおよび他のレンズのうちいずれかとして負レンズを含む。負レンズの焦点距離をｆｎ、光学系の焦点距離をｆとするとき、
１．０≦｜ｆｎ／ｆ｜≦２０．０
なる条件を満足することを特徴とする。

【0007】

また、本発明の他の一側面としての光学系は、表示素子からの光を観察側に導く光学系である。該光学系は、第１半透過反射面を有する第１レンズと、第２半透過反射面を有する第２レンズとを少なくとも有する。表示素子からの光を、第２半透過反射面の透過、第１半透過反射面での反射、第２半透過反射面での反射および第１半透過反射面の透過を介して観察側に導く。第１レンズ、第２レンズおよび他のレンズのうちいずれかとして負レンズを含み、表示素子からの光が１回のみ負レンズを透過して観察側に導かれることを特徴とする。なお、上記光学系を有する画像表示装置も、本発明の他の一側面を構成する。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、広視野かつ小型の光学系において、色収差を良好に補正する高い光学性能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例１の観察光学系の断面図。

【図2】実施例１の観察光学系の縦収差図。

【図3】実施例２の観察光学系の断面図。

【図4】実施例２の観察光学系の縦収差図。

【図5】実施例３の観察光学系の断面図。

【図6】実施例３の観察光学系の縦収差図。

【図7】実施例４の観察光学系の断面図。

【図8】実施例４の観察光学系の縦収差図。

【図9】偏光を利用する構成を説明する図。

【図10】偏光を利用する別の構成を説明する図。

【図11】実施例１～３の観察光学系を用いたＨＭＤを示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。図１、図３、図５および図７はそれぞれ、本発明の実施例１、２、３および４の観察光学系の構成を示している。

【0011】

実施例１～４の具体的な説明に先立って、各実施例に共通する事項について説明する。各実施例の観察光学系は、ヘッドマウントディスプレイやスマートグラス等の画像表示装置に用いられ、表示素子に表示された映像を拡大表示して観察者による観察を可能とするものである。

【0012】

観察光学系は、観察側（観察者の眼が配置される観察光学系の瞳面側）から表示素子側へ順に配置された、第１半透過反射面ＨＭ１を有する第１レンズＧ１と、第２半透過反射面ＨＭ２を有する第２レンズＧ２とを少なくとも有する。第１半透過反射面ＨＭ１は第１レンズＧ１の表示素子側の面に設けられ、第２半透過反射面ＨＭ２は第２レンズＧ２の観察側または表示素子側の面に設けられている。

【0013】

各実施例の観察光学系は、表示素子からの光線をＨＭ２を透過させ、ＨＭ１で反射し、ＨＭ２で反射し、ＨＭ１を透過させて観察側に導くトリプルパス構成を採る。このようなトリプルパス構成の採用により、光路長を確保しつつ観察光学系を薄型化することができる。

【0014】

また各実施例の観察光学系は、トリプルパス構成において後述するように偏光を利用する。これにより、第１レンズＧ１において複屈折等による偏光特性の変化がゴースト等の不要光に影響しないこととなり、第１レンズＧ１の材料選択や加工方法に自由度が得られる。また、第２レンズＧ２に配置された第２半透過反射面ＨＭ２の反射作用に強い正の光学パワーを分担させることで、観察光学系を広視野角化している。

【0015】

さらに各実施例の観察光学系は、適切な負レンズＧｎを含むことで、観察光学系の大型化や像面湾曲の増加を抑制しつつ、色収差を良好に補正している。具体的には、観察光学系は、負レンズＧｎについて以下の構成１、２のうち少なくとも一方を有するようにしている。負レンズＧｎは、第１レンズＧ１、第２レンズＧ２および他のレンズのいずれでもよい。

【0016】

［構成１］
負レンズＧｎの空気中における焦点距離をｆｎ、観察光学系全系の空気中における焦点距離をｆとするとき、以下の式（１）の条件を満足する。

【0017】

１．０≦｜ｆｎ／ｆ｜≦２０．０ （１）
負レンズＧｎの焦点距離を最適化することで、観察光学系の広視野角化と小型化、さらに色収差の良好な補正を可能とすることができる。｜ｆｎ／ｆ｜が式（１）の下限を下回ると、観察光学系全系の光学パワーに比べて負レンズＧｎの光学パワーが強まりすぎて、色収差が補正過剰となるとともに広視野角化が困難となるため、好ましくない。また、軸上色収差と倍率色収差が補正しやすい観察側に負レンズＧｎを配置したときに、負レンズＧｎで光線を大きく発散する光学配置となって第２レンズＧ２の光学有効径（レンズにおける結像に寄与する光線が通過する部分の直径）が増加するため、好ましくない。一方、｜ｆｎ／ｆ｜が式（１）の上限を上回ると、観察光学系全系の光学パワーに比べて負レンズＧｎの光学パワーが弱くなりすぎて、色収差が補正不足となるので、好ましくない。

【0018】

なお、式（１）の数値範囲を以下の範囲とすると、より好ましい。

【0019】

１．３≦｜ｆｎ／ｆ｜≦１７．０ （１ａ）
また、式（１）数値範囲を以下の範囲とすると、さらに好ましい。

【0020】

１．６≦｜ｆｎ／ｆ｜≦１４．０ （１ｂ）
［構成２］
負レンズＧｎは、表示素子からの光線が該負レンズＧｎを１回のみ通過するシングルパスとしての光路内に配置されている。負レンズＧｎをシングルパス内に配置することで、観察光学系の像面湾曲と色収差の補正をバランスよく両立することができる。各実施例のように２つ半透過反射面を用いる観察光学系では、少なくとも一方の半透過反射面の反射作用に強い正のパワーを分担させることで観察光学系の広視野角化を実現できる。

【0021】

ここで、反射面で発生するペッツバール項は、屈折面で発生するペッツバール項とは符号が異なる。つまり、正の光学パワーの反射面で発生するペッツバール像面を補正するためには、正の光学パワーの屈折面（正の屈折力のレンズ）が必要となる。ゆえに、２つの半透過反射面を用いた観察光学系内に負レンズを配置するときは、観察光学系内でのレンズ配置を最適化することが重要である。色収差の補正のために負レンズを用いる場合、観察光学系のトリプルパス中に負レンズを配置すると、光線に３回分の負の屈折作用を与えることとなり、像面湾曲の補正が困難となる。このため、負レンズを観察光学系のシングルパス中に配置して光線に１回分の負の屈折作用のみを与える構成を採ることで、像面湾曲と色収差の補正を両立することができる。また、後述する偏光利用の構成を採る場合、光学材料の複屈折によりゴースト等の不要光が発生する。シングルパスでは、トリプルパスに対して光学媒質中を通過する光路長が１／３となるため、光学材料の複屈折の影響も１／３に低減することができる。この観点からも、色収差補正のための負レンズＧｎはシングルパス内に配置するのがよい。

【0022】

以上説明した２つの半透過反射面を有する観察光学系の基本構成と負レンズＧｎに関する構成を最適化することで、広視野かつ薄型であり、色収差が良好に補正された高い光学性能を有する観察光学系を提供することができる。

【0023】

また、各実施例では、負レンズＧｎを樹脂材料により形成している。樹脂材料を用いることで、ガラス材料を用いる場合に比べて軽量化に有利である。

【0024】

また、各実施例において、負レンズＧｎのｄ線を基準とするアッベ数をνｄｎとする。観察光学系に含まれる少なくとも１つの正レンズのうち最も屈折力が大きい正レンズの空気中における焦点距離をｆｐとする。第２レンズＧ２に配置された第２半透過反射面ＨＭ２の光軸上の面頂点と第２半透過反射面ＨＭ２の光学有効径の端位置とを通る球面の曲率半径（参照曲率半径）をＨＭ２＿ｒｅｆＲとする。第１レンズＧ１に配置された第１半透過反射面ＨＭ１の光軸上の面頂点と第１半透過反射面ＨＭ１の光学有効径の端位置とを通る球面の曲率半径（参照曲率半径）をＨＭ１＿ｒｅｆＲとする。参照曲率半径が負の場合は半透過反射面が観察側に向かって凹形状を有し、正の場合は半透過反射面が観察側に向かって凸形状を有することを意味する。

【0025】

観察光学系のうち最も観察側の面の光軸上の面頂点から表示素子の表示面までの光軸上での距離をＯＡＬとする。なお、表示素子の近傍に屈折力を持たないカバーガラス等のガラスブロックが設けられている場合は、距離ＯＡＬにガラスブロック分を空気換算した距離を含めるものとする。

【0026】

以上の定義下において、以下の式（２）～（７）の条件のうち少なくとも１つを満足することが好ましい。

【0027】

１０．０≦νｄｎ≦４０．０ （２）
－１．１≦ｆｐ／ｆｎ≦－０．１ （３）
１．０≦ｆｐ／ｆ≦８．０ （４）
－５．０≦ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ｆ≦－１．０ （５）
－０．２≦ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ＨＭ１＿ｒｅｆＲ≦１．０ （６）
０．５≦ＯＡＬ／ｆ≦１．５ （７）
式（２）の条件は、観察光学系内に配置された負レンズＧｎのｄ線を基準とするアッベ数の適切な範囲を示している。負レンズＧｎのアッベ数を最適化することで、色収差の補正と像面湾曲等の単色収差の補正を両立することができる。νｄｎが式（２）の下限を下回って小さくなりすぎると、観察光学系全系での色収差の補正が過剰となるとともに、レンズ材料の内部吸収が大きいことから観察光学系全系の透過率が低下するため、好ましくない。νｄｎが式（２）の上限を上回って大きくなりすぎると、観察光学系全系での色収差の補正が不足したり、色収差補正のために負レンズＧｎにより強い負の屈折力を与える必要があったりして、色収差の補正と単色収差の補正の両立が困難となるので、好ましくない。

【0028】

式（３）の条件は、観察光学系内に配置された負レンズＧｎと観察光学系内に配置された最も屈折力が大きい正レンズの空気中における焦点距離の比の適切な範囲を示している。負レンズＧｎと正レンズの焦点距離を最適化することで、色収差の補正と像面湾曲の補正を両立することができる。ｆｐ／ｆｎが式（３）の下限を下回ると、負レンズＧｎに比べて正レンズのパワーが小さすぎ、観察光学系全系の正の屈折力が弱まりすぎて像面湾曲の補正が困難となるため、好ましくない。ｆｐ／ｆｎが式（３）の上限を上回ると、負レンズＧｎに比べて正レンズのパワーが大きすぎて、観察光学系全系での色収差の補正が不足するため、好ましくない。

【0029】

式（４）の条件は、観察光学系内に配置された最も屈折力が大きい正レンズの空気中における焦点距離と観察光学系全系の焦点距離との比の適切な範囲を示している。正レンズの焦点距離を最適化することで、色収差の発生を制御しつつ、像面湾曲を良好に補正できる。ｆｐ／ｆが式（４）の下限を下回るように正レンズのパワーが大きすぎると、像面湾曲の補正には有利であるが、正レンズの屈折作用で発生する色収差が大きくなりすぎるため、好ましくない。ｆｐ／ｆが式（４）の上限を上回るように正レンズのパワーが小さすぎると、観察光学系全系での像面湾曲の補正が困難となるので、好ましくない。

【0030】

式（５）の条件は、第２レンズＧ２に配置された第２半透過反射面ＨＭ２の参照曲率半径の適切な範囲を示している。第２半透過反射面ＨＭ２を反射作用時に正のパワーの反射面（凹面鏡）として配置することで、観察光学系を広視野角化（高倍率化）することができる。ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ｆが式（５）の下限を下回るように（負側に）大きくなりすぎると、反射作用時に得られる正のパワーが弱くなりすぎて、観察光学系の広視野角化が困難となるため、好ましくない。ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ｆが式（５）の上限を上回るように小さくなりすぎると、反射作用時に得られる正のパワーが強くなりすぎて、像面湾曲の補正が困難となるので、好ましくない。

【0031】

式（６）の条件は、第１レンズＧ１に配置された第１半透過反射面ＨＭ１の参照曲率半径と第２レンズＧ２に配置された第２半透過反射面ＨＭ２の参照曲率半径との比の適切な範囲を示している。これら２つの半透過反射面の参照曲率半径を最適化することで、観察光学系の小型化、広視野角化および像面湾曲の良好な補正が可能となる。上記比が式（６）の下限を下回ると、ＨＭ１とＨＭ２の参照曲率半径が異符号（凹凸または凸凹）となり、かつＨＭ１の参照曲率半径に比べてＨＭ２の参照曲率半径が小さくなりすぎる。このとき、ＨＭ２が観察側に向かって凸形状を有すると、ＨＭ２は反射作用時に強い負のパワーを有する凸面鏡となり、ＨＭ１は反射作用時に負のパワーを有する凸面鏡となる。この結果、２つの半透過反射面の反射作用で正のパワーを分担できず、観察光学系の広視野角化が困難となるため、好ましくない。また、ＨＭ２が観察側に向かって凹形状を有すると、ＨＭ２は反射作用時に強い正のパワーを有する凹面鏡となり、ＨＭ１は反射作用時に正のパワーを有する凹面鏡となる。この結果、正のパワーの反射面で発生する像面湾曲の補正が困難となるため、好ましくない。一方、上記比が式（６）の上限を上回ると、ＨＭ１とＨＭ２の参照曲率半径が同符号となり、かつＨＭ１の参照曲率半径と比べてＨＭ２の参照曲率半径が大きくなりすぎる。このとき、２つの半透過反射面がともに観察側に向かって凸形状を有すると、ＨＭ１は反射作用時に強い正のパワーを有する凹面鏡となり、ＨＭ２は反射作用時に負のパワーを有する凸面鏡となる。この結果、２つの半透過反射面は観察光学系の射出瞳に対して対称性を有するように同心に配置されず、軸外で発生する収差の補正が困難となるため、好ましくない。また、２つの半透過反射面がともに観察側に向かって凹形状を有すると、ＨＭ１は反射作用時に強い負のパワーを有する凸面鏡となり、ＨＭ２は反射作用時に正のパワーを有する凹面鏡となる。この結果、観察光学系の広視野角化が困難となるとともに、凸面鏡としてのＨＭ１の強い光線発散作用によって第２レンズＧ２の外径が大きくなるため、好ましくない。

【0032】

式（７）の条件は、観察光学系の光学全長（以下、レンズ全長という）と観察光学系全系の焦点距離との比の適切な範囲を示している。各実施例の観察光学系は、２つの半透過反射面を用いてトリプルパスを形成して、レンズ全長の小型化に有利な構成を有している。ＯＡＬ／ｆが式（７）の下限を下回ると、観察光学系全系の焦点距離に比べてレンズ全長が小さくなりすぎる。このとき、本条件を満足しつつ第２レンズＧ２のコバ厚を確保するためには、第２半透過反射面ＨＭ２に大きい曲率を与えることが困難となる。つまり、第２半透過反射面ＨＭ２の反射作用時に強い正パワーを分担できないことから、観察光学系の広視野角化が困難となるため、好ましくない。ＯＡＬ／ｆが式（７）の上限を上回ると、観察光学系全系の焦点距離に比べてレンズ全長が大きくなりすぎて、２つの半透過反射面を用いたトリプルパスを活用できず、観察光学系が大型化するため、好ましくない。

【0033】

なお、式（２）～（７）の数値範囲を以下の範囲とすると、より好ましい。

【0034】

１３．０≦νｄｎ≦３５．０ （２ａ）
－１．０≦ｆｐ／ｆｎ≦－０．２ （３ａ）
２．０≦ｆｐ／ｆ≦７．０ （４ａ）
－４．０≦ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ｆ≦－１．４ （５ａ）
－０．１≦ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ＨＭ１＿ｒｅｆＲ≦０．８ （６ａ）
０．６≦ＯＡＬ／ｆ≦１．３ （７ａ）
また、式（２）～（７）の数値範囲を以下の範囲とすると、さらに好ましい。

【0035】

１６．０≦νｄｎ≦３０．０ （２ｂ）
－０．９≦ｆｐ／ｆｎ≦－０．３ （３ｂ）
３．０≦ｆｐ／ｆ≦６．０ （４ｂ）
－３．５≦ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ｆ≦－１．８ （５ｂ）
０．０≦ＨＭ２＿ｒｅｆＲ／ＨＭ１＿ｒｅｆＲ≦０．６ （６ｂ）
０．７≦ＯＡＬ／ｆ≦１．１ （７ｂ）
また、負レンズＧｎを、観察光学系の最も観察側に配置してもよい（実施例１、４参照）。物体近軸光線と瞳近軸光線の高さが共に大きい最も観察側に負レンズＧｎを配置することで、軸上色収差と倍率色収差を良好に補正することができる。この場合、負レンズＧｎを第１レンズＧ１として配置してもよい。負レンズＧｎと第１半透過反射面ＨＭ１を有する第１レンズＧ１とを同じレンズとして設けることで、観察光学系を構成するレンズ枚数を削減して観察光学系の重量を低減することができる。また、第１レンズＧ１に配置された第１半透過反射面ＨＭ１を曲面として形成してもよい。第１半透過反射面ＨＭ１を曲面とすることで、透過時と反射作用時にパワーを分担することができるとともに、収差補正の自由度を確保することができる。

【0036】

また、負レンズＧｎを、第１レンズＧ１よりも表示素子側に配置してもよい（実施例２、３参照）。瞳近軸光線の高さが大きい表示素子側に負レンズＧｎを配置することで、特に倍率色収差を良好に補正することができる。この場合、負レンズＧｎを、第２レンズＧ２と接合して接合レンズを形成してもよい。負レンズＧｎと第２レンズＧ２とを接合とすることで、レンズ間の空気間隔を削減し、レンズ全長を小型化することができる。

【0037】

また、第２レンズＧ２に配置される第２半透過反射面ＨＭ２を、第２レンズＧ２と負レンズＧｎの接合面に配置してもよい。これにより、観察光学系の広視野角化のために第２半透過反射面ＨＭ２に強い正のパワーの反射作用を持たせたときに課題となる全反射を回避することができる。また、接合面は外部環境への曝露が少ないため、半透過反射面として金属膜や誘電体多層膜のハーフミラーを用いたときに耐環境性の点で有利となる。

【0038】

また、第１レンズＧ１に配置された第１半透過反射面ＨＭ１を平面としてもよい（実施例２参照）。後述する偏光利用の構成を採る場合、平面に偏光素子（後述する図９中の偏光選択性半透過反射素子と１／４波長板、図１０中の直線偏光板と１／４波長板）を接合して配置することで、観察光学系を薄型化することができる。さらに、偏光素子との接合面を平面とすることで、偏光素子の接合加工が容易となる。

【0039】

また、２つの半透過反射面のうち少なくとも一方を偏光選択性半透過反射素子により構成してもよい。これにより、後述する偏光利用の構成を採る場合に偏光を利用することにより生ずるゴースト等の不要光を遮光することができる。偏光選択性半透過反射素子としては、旭化成社製ＷＧＦのようなワイヤグリッド素子、３Ｍ社製ＩＱＰ－Ｅのような反射型直線偏光素子、コレステリック液晶を用いた円偏光反射素子等がある。反射型直線偏光素子を用いる場合は、２つの半透過反射面の間に１／４波長板を配置する。

【0040】

なお、各実施例の図では偏光素子を省略している。偏光素子の配置方法には、フイルム状の偏光素子をレンズの光学面に接合する方法や、樹脂レンズの成型時にワイヤグリッド構造をレンズ母材と一体成形する方法等、様々な方法を選択することができる。

【0041】

以下、偏光利用の構成について説明する。この構成を採ることで、観察光学系内の正規の光路での光量の低下を抑制しつつ、半透過反射面で１度も反射することなくこれを透過して観察側に向かうゴースト等の不要光（漏れ光）を低減することができる。

【0042】

［偏光利用構成１］
図９は、偏光を利用する第１構成を示している。第１構成では、観察側（瞳面ＳＰ側）に配置された偏光選択性半透過反射素子（ＰＢＳ）Ａと、表示素子側（表示面ＩＤ側）に配置されたハーフミラー（ＨＭ）Ｃとを有する。ＰＢＳとＨＭとの間には第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）Ｂが配置されている。また、ＨＭとＩＤとの間にはＨＭ側から第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）Ｄと直線偏光板（ＰＯＬ）Ｅが配置されている。

【0043】

ここで、ＰＢＳは、ＰＯＬを透過する直線偏光と同じ偏光方向の直線偏光を反射し、それに直交する偏光方向の直線偏光を透過するように構成されている。ＰＢＳは、例えばワイヤグリッド偏光子や位相差フイルム積層構成の反射型偏光子である。この場合、ＰＢＳのワイヤグリッド形成面や位相差フイルム面が第２半透過反射面として機能する。

【0044】

また、ＱＷＰ１とＱＷＰ２は、その遅相軸がＰＯＬの偏光透過軸に対して４５°傾いて配置されている。また、ＱＷＰ１とＱＷＰ２は、それぞれの遅相軸が互いに９０°傾いて配置されることが好ましい。この配置によれば、ＱＷＰ１とＱＷＰ２を光線が透過したときにこれらの波長分散特性が相殺される。

【0045】

また、ＨＭは、例えば誘電体多層膜や金属蒸着により形成されたハーフミラーであり、第１半透過反射面として機能する。ＰＯＬは、例えば吸収型の直線偏光子である。

【0046】

ＩＤから出射した無偏光光はＰＯＬで第１直線偏光となり、該第１直線偏光はＱＷＰ２により第１円偏光に変換されてＨＭに入射する。ＨＭに入射した第１円偏光の一部はＨＭで反射されて第１円偏光とは逆回りの第２円偏光となり、第２円偏光はＱＷＰ２に戻る。ＱＷＰ２に戻った第２円偏光は、第１直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２直線偏光に変換される。第２直線偏光は、ＰＯＬに戻り、ＰＯＬで吸収される。

【0047】

一方、ＨＭに入射した第１円偏光の他の部分はこれを透過して、ＱＷＰ１により第１直線偏光の偏光方向と同じ偏光方向の第３直線偏光に変換され、該第３直線偏光はＰＢＳに入射する。ＰＢＳに入射した第３直線偏光は、ＰＢＳの偏光選択性によって反射される。

【0048】

ＰＢＳで反射された第３直線偏光は、ＱＷＰ１によって第１円偏光と同回りの第３円偏光に変換される。第３円偏光は、ＨＭに入射して反射されることで第３円偏光とは逆回りの第４円偏光となる。第４円偏光は、ＱＷＰ１に入射して第３直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第４直線偏光に変換される。第４直線偏光は、ＰＢＳに入射し、ＰＢＳの偏光選択性によりここを透過し、ＳＰに導かれる。

【0049】

以上の光学作用により、ＨＭを透過し、ＰＢＳで反射され、ＨＭで反射され、ＰＢＳを透過した光のみがＳＰに導かれ、ＳＰに配置される観察者の眼（瞳）に入射する。

【0050】

［偏光利用構成２］
図１０は、偏光を利用する第２構成を示している。第２構成では、表示素子側（表示面ＩＤ側）に配置された偏光選択性半透過反射素子（ＰＢＳ）Ａと、観察側（瞳面ＳＰ側）に配置されたハーフミラー（ＨＭ）Ｃとを有する。ＰＢＳとＨＭとの間には第１の１／４波長板（ＱＷＰ１）Ｂが配置されている。また、ＨＭとＳＰとの間にはＨＭ側から第２の１／４波長板（ＱＷＰ２）Ｄと直線偏光板（ＰＯＬ）Ｅが配置されている。各素子の構成や好ましい光学軸の方位は、第１構成と同じである。

【0051】

ＩＤから出射した無偏光光はＰＢＳに入射する。ＰＢＳの波長選択性により、ＰＢＳに入射した無偏光光のうちＰＯＬの透過軸に対して直交する偏光方向の第１直線偏光がこれを透過する。ＰＢＳを透過した第１直線偏光は、ＱＷＰ１によって第１円偏光に変換され、該第１円偏光はＨＭに入射する。ＨＭに入射した第１円偏光の一部はこれを透過してＱＷＰ２に入射し、第１直線偏光の偏光方向と同じ偏光方向の第２直線偏光に変換される。第２直線偏光は、ＰＯＬに入射し、ＰＯＬで吸収される。

【0052】

一方、ＨＭに入射した第１円偏光の他の部分はＨＭで反射されて第１円偏光とは逆回りの第２円偏光となり、第２円偏光はＱＷＰ１に戻る。ＱＷＰ１に戻った第２円偏光は、ＱＷＰ１によって第１直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第３直線偏光に変換される。第３直線偏光は、ＰＢＳに戻る。ＰＢＳに戻った第３直線偏光は、ＰＢＳの偏光選択性により反射されてＱＷＰ１に再び戻り、第１円偏光と同じ回りの第３円偏光に変換される。第３円偏光は、ＨＭに再び入射してこれを透過してＱＷＰ２に入射し、ＱＷＰ２によってＰＯＬの透過軸に平行な偏光方向の第４直線偏光に変換される。第４直線偏光は、ＰＯＬを透過してＳＰに導かれる。

【0053】

以上の光学作用により、ＰＢＳを透過し、ＨＭで反射され、ＰＢＳで反射され、ＨＭを透過した光のみがＳＰに導かれ、ＳＰに配置される観察者の眼に入射する。

【0054】

また、各実施例の観察光学系では、種々の手法による視度調整が可能である。例えば、観察光学系の全体や一部または表示素子を光軸方向に移動させることにより視度調整を行うことができる。この際、最も観察側に配置された第１レンズＧ１を固定して第２レンズＧ２を移動させるインナーフォーカス方式は、防塵構造の面から好ましい。また、レンズを光軸方向に移動させる方式以外にも、圧力やエレクトロウェッティング等を利用した形状可変レンズや液晶レンズ等、力学的または電気的な作用で屈折力を可変する光学素子を設けることで視度調整が可能である。

【0055】

以下、実施例１～４の観察光学系を具体的に説明する。各実施例の観察光学系は、上述した偏光利用の第１構成および第２構成のいずれをも用いることができる。

【0056】

実施例４の説明の後には、実施例１～４のそれぞれに対応する数値例１～４を示している。各数値例において、面番号ｉは観察側（瞳面側）から数えたときの面の順番を示す。ｒは観察側からｉ番目の面の曲率半径（mm）、ｄはｉ番目と（ｉ＋１）番目の面間のレンズ厚または空気間隔（mm）、ｎｄは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の光学材料のｄ線における屈折率である。νｄは第ｉ面と第（ｉ＋１）面間の光学材料のｄ線を基準とするアッベ数である。ｄ線を基準とするアッベ数νｄは、フラウンホーファ線のｄ線（波長５８７．６ｎｍ）、Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ）における屈折率をＮｄ、ＮＦ、ＮＣとするとき、νｄ＝（Ｎｄ－１）／（ＮＦ－ＮＣ）で表される。

【0057】

有効径は、ｉ番目の面のうち結像に寄与する光線が通過する領域の直径であり、光学有効径ともいう。レンズ全長は、前述したように観察光学系における最も観察側の面から表示素子の表示面までの光軸上での距離である。

【0058】

面番号に付された「＊」は、その面が非球面形状を有する面であることを意味する。非球面形状は、ｘを光軸方向での面頂点からの変位量、ｈを光軸に直交する方向における光軸からの高さ、光の進行方向を正とし、Ｒを近軸曲率半径、Ｋを円錐定数、Ａ４～Ａ１０を非球面係数とするとき、以下の式で表される。円錐定数と非球面係数の「ｅ±Ｚ」は×１０^±Ｚを意味する。

【0059】

ｘ＝（ｈ²／Ｒ）／［１＋｛１－（１＋ｋ）（ｈ／Ｒ）²｝^1/2］
＋Ａ４・ｈ⁴＋Ａ６・ｈ⁶＋Ａ８・ｈ⁸＋Ａ１０・ｈ¹⁰

【実施例0060】

図１に示す実施例１（数値例１）の観察光学系は、全視野角が９０度程度の光学系である。実施例１の観察光学系は、瞳面ＳＰ側から表示面ＩＤ側に順に配置されたレンズとして、凹メニスカス形状の負の屈折力の第１レンズＧ１と、平凸形状の正の屈折力の第２レンズＧ２とを有する。第１レンズＧ１の表示素子側の観察側に向かって凹形状の曲面には第１半透過反射面ＨＭ１が配置されている。第２レンズＧ２の観察側の観察側に向かって凹形状の曲面には第２半透過反射面ＨＭ２が配置されている。

【0061】

表示面ＩＤからの光は、ＨＭ２を透過し、ＨＭ１で反射され、ＨＭ２で反射され、ＨＭ１を透過して瞳面ＳＰに導かれる。第１レンズＧ１は、高分散の光学材料により形成された負レンズＧｎである。

【0062】

なお、本実施例において偏光利用の第１構成を用いる場合は、第１レンズＧ１の表示素子側の曲面にＨＭ１としてのＰＢＳとともにＱＷＰ１を配置し、第２レンズＧ２の観察側の平面にＱＷＰ２を配置し、ガラスブロックＣＧの観察側の面にＰＯＬを配置するとよい。

【0063】

数値例１における上記式（１）～（７）の値を表１にまとめて示す。数値例１の観察光学系は、式（１）～（７）の条件を全て満足する。

【0064】

図２は、数値例１の観察光学系（視度：－０．５ディオプター）の縦収差（球面収差、非点収差、歪曲および倍率色収差）を示している。球面収差図において、ＦｎｏはＦナンバーを示し、実線はｄ線に対する球面収差を、二点鎖線はＣ線に対する球面収差を、一点鎖線はＦ線に対する球面収差をそれぞれ示している。非点収差図において、実線ΔＳはサジタル像面での非点収差を、破線ΔＭはメリディオナル像面での非点収差を示している。歪曲収差図は、ｄ線における歪曲収差を示している。倍率色収差図は、Ｃ線（二点鎖線）とＦ線（一点鎖線）に対する倍率色収差を示している。ωは半視野角（°）である。これら縦収差図に関する説明は、他の数値例でも同じである。

【実施例0065】

図３に示す実施例２（数値例２）の観察光学系は、全視野角が９０度程度の光学系である。実施例２の観察光学系は、瞳面ＳＰ側から表示面ＩＤ側に順に配置されたレンズとして、凹平形状の負の屈折力の第１レンズＧ１と、両凸形状の正の屈折力の第２レンズＧ２および凹メニスカス形状の負の屈折力の第３レンズＧ３が接合された接合レンズとを有する。

【0066】

第１レンズＧ１の表示素子側の平面には第１半透過反射面ＨＭ１が配置されている。第２レンズＧ２の表示素子側の観察側に向かって凹形状の曲面（第３レンズＧ３との接合面）には第２半透過反射面ＨＭ２が配置されている。

【0067】

表示面ＩＤからの光は、ＨＭ２を透過し、ＨＭ１で反射され、ＨＭ２で反射され、ＨＭ１を透過して瞳面ＳＰに導かれる。第１レンズＧ１と第３レンズＧ３は、高分散の光学材料により形成された負レンズＧｎである。

【0068】

本実施例では、第１レンズＧ１において第１半透過反射面ＨＭ１が配置される面を平面とすることで、第１半透過反射面ＨＭ１が偏光選択性半透過反射素子により構成される場合の偏光選択性半透過反射素子の接合加工を容易としている。

【0069】

また、第１レンズＧ１と第３レンズＧ３を負レンズＧｎとすることで、観察光学系全系の色収差を良好に補正している。

【0070】

数値例２における上記式（１）～（７）の値を表１にまとめて示す。数値例２の観察光学系は、式（１）～（７）の条件を全て満足する。

【0071】

図４は、数値例２の観察光学系（視度：－０．５ディオプター）の縦収差を示している。