特開 2024-168261 観察光学系ならびにそれを用いた画像表示装置

(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】P2024168261

(43)【公開日】2024-12-05

(54)【発明の名称】観察光学系ならびにそれを用いた画像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20241128BHJP

   G02B 27/28 20060101ALI20241128BHJP

   G02C 11/00 20060101ALN20241128BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B27/28 Z

G02C11/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】16

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023084771

(22)【出願日】2023-05-23

(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】100126240

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 琢磨

(74)【代理人】

【識別番号】100223941

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 佳子

(74)【代理人】

【識別番号】100159695

【弁理士】

【氏名又は名称】中辻 七朗

(74)【代理人】

【識別番号】100172476

【弁理士】

【氏名又は名称】冨田 一史

(74)【代理人】

【識別番号】100126974

【弁理士】

【氏名又は名称】大朋 靖尚

(72)【発明者】

【氏名】猪口 和隆

【テーマコード（参考）】

2H006

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H006CA00

2H199AB12

2H199AB47

2H199AB52

2H199AB62

2H199CA23

2H199CA25

2H199CA42

2H199CA47

2H199CA63

2H199CA64

2H199CA65

2H199CA70

2H199CA85

2H199CA86

2H199CA87

(57)【要約】

【課題】 広画角、小型でありながら、外光によるゴースト光を低減する点で有利な観察光学系を提供すること。
【解決手段】 画像を表示する表示素子からの光を観察者に導く観察光学系であって、
表示側から観察側へ順に配置された、第１の半透過反射面、第１のλ／４板、第２の半透過反射面、第２のλ／４板、直線偏光板を有し、表示側から第１の直線偏光が第１の半透過反射面に入射し、前記第１の直線偏光の偏光方向と前記直線偏光板を透過する光の偏光方向が平行の場合、前記第１のλ／４板の遅相軸の方向と前記第２のλ／４板の遅相軸の方向は平行であり、前記第１の直線偏光の偏光方向と前記直線偏光板を透過する光の偏光方向が垂直の場合、前記第１のλ／４板の遅相軸の方向と前記第２のλ／４板の遅相軸の方向は垂直であり、所定の条件式を満足する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像を表示する表示素子からの光を観察者に導く観察光学系であって、
表示側から観察側へ順に配置された、第１の半透過反射面、第１のλ／４板、第２の半透過反射面、第２のλ／４板、直線偏光板を有し、
前記第１の半透過反射面と、前記第２の半透過反射面のうち、焦点距離の絶対値が小さい反射面を反射面Ａとし、該反射面Ａの焦点距離をｆＡ、射出瞳位置から前記反射面Ａまでの光軸上の空気換算距離をＬａＡとするとき、
１．０＜ＬａＡ／｜ｆＡ｜＜３．０
なる条件式を満足することを特徴とする観察光学系。

【請求項2】

前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
０．６０＜｜ｆＡ｜／ｆ＜１．５０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。

【請求項3】

前記第１ならびに第２の半透過反射面は、ハーフミラーであることを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。

【請求項4】

前記第１の半透過反射面は、偏光ビームスプリッタであり、
前記第２の半透過反射面は、ハーフミラーであることを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。

【請求項5】

前記反射面Ａは、観察側に向かって凹面であることを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。

【請求項6】

前記観察光学系は、最も観察側に配置された遮光部材を有することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。

【請求項7】

前記遮光部材は短冊形であり、光軸と垂直方向に配置されたルーバー素子であることを特徴とする請求項６に記載の観察光学系。

【請求項8】

表示側から第１の直線偏光が前記第１の半透過反射面に入射し、
前記第１の直線偏光の偏光方向と前記直線偏光板を透過する光の偏光方向が平行であり、前記第１のλ／４板の遅相軸の方向と前記第２のλ／４板の遅相軸の方向は平行であることを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。

【請求項9】

表示側から第１の直線偏光が前記第１の半透過反射面に入射し、
前記第１の直線偏光の偏光方向と前記直線偏光板を透過する光の偏光方向が垂直であり、前記第１のλ／４板の遅相軸の方向と前記第２のλ／４板の遅相軸の方向は垂直であることを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。

【請求項10】

前記表示素子からの光は、表示側から順に、前記第１の半透過反射面を透過し、前記第１のλ／４板を透過し、前記第２の半透過反射面で反射し、前記第１のλ／４板を透過し、前記第１の半透過反射面で反射し、前記第１のλ／４板、前記第２の半透過反射面、前記第１の半透過反射面、前記第２のλ／４板、前記直線偏光板で透過することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。

【請求項11】

観察側から前記観察光学系に入射する外光の光軸に対する角度の絶対値をωとするとき、
０°＜ω＜４５°
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。

【請求項12】

前記観察光学系の焦点距離をｆ、該反射面Ａの曲率半径をＲとするとき、
－６．０＜Ｒ／ｆ＜－１．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の観察光学系。

【請求項13】

前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
０．６０＜｜ｆＡ｜／ｆ＜１．５０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項３乃至１２の何れか一項に記載の観察光学系。

【請求項14】

前記第１ならびに第２の半透過反射面は、ハーフミラーであり、
前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
０．６０＜｜ｆＡ｜／ｆ＜１．５０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項５乃至１２の何れか一項に記載の観察光学系。

【請求項15】

前記第１の半透過反射面は、偏光ビームスプリッタであり、
前記第２の半透過反射面は、ハーフミラーであり、
前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
０．６０＜｜ｆＡ｜／ｆ＜１．５０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項５乃至１２の何れか一項に記載の観察光学系。

【請求項16】

請求項１乃至１２の何れか一項に記載の観察光学系と、前記表示素子とを有することを特徴とする画像表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、観察光学系ならびにそれを用いた画像表示装置に関し、ＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）等の装着型画像表示装置に好適なものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、ＨＭＤ等の画像表示装置に用いられる観察光学系に対して、広画角でありながら、小型化することが求められている。

【0003】

そのために、特許文献１には偏光を利用して光路を折りたたむ構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５－１４８６５５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の一つの構成は、偏光を利用して光路を折りたたむために、観察側から表示側へ順番に配置された、偏光ビームスプリッタ、ハーフミラーを有している。その結果、観察側から観察光学系に入射した外光がハーフミラーで反射し、偏光ビームスプリッタで反射し、さらにハーフミラーで反射した後に、偏光ビームスプリッタを透過したゴースト光として観察者の眼に入射してしまう。

【0006】

また、特許文献１の別の構成は、偏光を利用して光路を折りたたむために、観察側から表示側へ順番に配置された、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタを有している。しかしながら、偏光ビームスプリッタが平面であり、観察側から観察光学系に入射した外光がハーフミラーを透過し、偏光ビームスプリッタで反射し、さらにハーフミラーを透過してゴースト光として観察者の眼に入射してしまう。

【0007】

また、結像の主パワーを担うハーフミラーが表示側に凹面鏡となる構成であり、径が大型化しやすいものであった。

【0008】

そこで、本発明の目的は、広画角、小型でありながら、外光によるゴースト光を低減する点で有利な観察光学系を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の観察光学系は、画像を表示する表示素子からの光を観察者に導く観察光学系であって、表示側から観察側へ順に配置された、第１の半透過反射面、第１のλ／４板、第２の半透過反射面、第２のλ／４板、直線偏光板を有し、前記第１の半透過反射面と、前記第２の半透過反射面のうち、焦点距離の絶対値が小さい反射面を反射面Ａとし、該反射面Ａの焦点距離をｆＡ、射出瞳位置から前記反射面Ａまでの光軸上の空気換算距離をＬａＡとするとき、
１．０＜ＬａＡ／｜ｆＡ｜＜３．０
なる条件式を満足することを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、広画角、小型でありながら、外光によるゴースト光を低減する点で有利な観察光学系を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施例１における要部構成図

【図2】実施例２における要部構成図

【図3】実施例１における偏光の光路を示した図

【図4】実施例２における偏光の光路を示した図

【図5】実施例３における偏光の光路を示した図

【図6】実施例４における偏光の光路を示した図

【図7】外光が観察光学系に入射する様子を示した図

【図8】ゴースト光が生じる様子を示した図

【図9】遮光部材を配置した構成を示した図

【図10】数値例１の光路図

【図11】数値例２の光路図

【図12】数値例３の光路図

【図13】数値例４の光路図

【図14】数値例５の光路図

【図15】実施例１～４の観察光学系を用いたＨＭＤを示した図

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。

【0013】

本発明の各実施例を説明するにあたり、光の偏光状態を示す直線偏光、円偏光、λ／４の位相差などの概念が表す状態は、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。

【0014】

［実施例１］
以下、図１、３を参照して、実施例１について説明する。図１は、実施例１の要部構成図であり、１０００は観察光学系である。観察光学系１０００は、平凹レンズ１０１と平凸レンズ１０２より成るレンズ要素１００を有している。また、４０は表示素子であり、例えば液晶パネルや有機ＥＬパネルである。表示素子４０は、表示面４１とカバーガラス等を含んだ光学平板部４２とを有している。

【0015】

光学平板部４２には直線偏光板が含まれ、表示面４１に表示された画像からの光は光学平板部４２を介して所定の直線偏光となり、観察光学系１０００を介して、射出瞳Ｓに導かれる。なお、射出瞳Ｓの位置は、表示面４１における最大物高から射出瞳Ｓに導かれる光束の中心光線と、光軸が交わる位置を表している。

【0016】

観察光学系１０００は、光路を折りたたむために、表示素子４０側から射出瞳Ｓ側へ順に、第１の半透過反射面２１、第１のλ／４板３１、第２の半透過反射面２２、第２のλ／４板３２、直線偏光板１１を有している。ここで、第１の半透過反射面２１、および第２の半透過反射面２２はハーフミラーである。ハーフミラーは、偏光によらず光の一部を透過し、一部の光を反射する素子である。ハーフミラーに入射する光の透過と反射の割合は５０対５０でなくても良く、例えば３０対７０や７０対３０でも良い。

【0017】

λ／４板は、直交する２つの偏光成分にλ／４の位相差を与える波長板である。直線偏光板は、所定の直線偏光が透過し、該所定の直線偏光と直交する直線偏光が吸収される偏光板である。

【0018】

第１の半透過反射面２１は、平凹レンズ１０１と平凸レンズ１０２の間に形成されている。また、第１のλ／４板３１と、第２のλ／４板３２の間に第２の半透過反射面２２が形成されている。このように構成することで、表示素子４０から出射した光の偏光方向を適切に調整し、光路を折りたたむことを可能としている。その理由を、図３（Ａ）を用いて説明する。

【0019】

図３（Ａ）は、観察光学系１０００における偏光の光路を示している。表示素子４０は紙面平行方向に振動する第１の直線偏光の光を出射する液晶表示素子である。図の下方において、第１、第２のλ／４板に対して射出瞳Ｓ側から見たときの遅相軸の傾きを示しており、それぞれ第１の直線偏光の振動方向に対して＋４５°、－４５°の傾きで配置されている。

【0020】

そのため、第１、第２のλ／４板３１、３２は、互いに遅相軸が直交した方向に配置されている。また、直線偏光板１１に対しては、図の下方に光が透過する軸の方向を示している。直線偏光板１１は、第１の直線偏光の光に対して直交する方向に振動する光を透過させる構成となっている。

【0021】

図３（Ａ）において、表示素子４０の表示面４１から出射した光は、光学平板部４２を透過し、紙面平行方向に振動する直線偏光となり、第１のλ／４板３１で右回りの円偏光となる。右回りの円偏光となった光は第２の半透過反射面２２で反射し、第１のλ／４板３１で紙面垂直方向に振動する直線偏光となり、第１の半透過反射面２１で反射し、第１のλ／４板３１で左回り円偏光となる。

【0022】

左回り円偏光となった光は第２のλ／４板３２で紙面垂直方向に振動する直線偏光となり、直線偏光板１１を透過し、射出瞳Ｓに導かれる。半透過反射面において、反射光と透過光とが発生するが、反射光と透過光いずれか不要な光については、偏光板１１等で遮光され射出瞳Ｓに導かれないか、多数回半透過反射面を通過することによって減衰され認識されにくい構成となっている。

【0023】

以上の構成により、光路を折りたたむことを可能としている。

【0024】

また、本発明の観察光学系１０００は、以下の条件式を満足するように構成している。
１．０＜ＬａＡ／｜ｆＡ｜＜３．０・・・（１）

【0025】

ここで、第１の半透過反射面２１と、第２の半透過反射面２２のうち、焦点距離の絶対値が小さい反射面を反射面Ａとしたとき、ｆＡは、反射面Ａの焦点距離、ＬＡは、射出瞳Ｓの位置から前記反射面Ａまでの光軸上の空気換算距離とする。

【0026】

ただし、射出瞳Ｓの位置から反射面Ａまでの光軸上の空気換算距離とは、光が通過する各要素の厚みを前記各要素の屈折率で割って足し合わせたものである。

【0027】

外光によるゴースト光において、第１の半透過反射面２１で２回以上反射する光を偏光素子の配置で低減し、第１の半透過反射面２１で１回反射する光を条件式（１）で主に低減することができる。その理由について説明する。

【0028】

図３（Ｂ）は、観察光学系１０００における外光の光路を示している。射出瞳Ｓ側から観察光学系１０００に入射する外光において、紙面平行方向に振動する直線偏光は直線偏光板１１で吸収され、紙面垂直方向に振動する直線偏光は直線偏光板１１を透過する。直線偏光板１１を透過した光は第２のλ／４板３２で左回りの円偏光となって透過し、第１のλ／４板３１で紙面垂直方向に振動する直線偏光となって透過する。透過した光は、第１の半透過反射面２１で反射し、第１のλ／４板３１で左回りの円偏光となる。

【0029】

左回りの円偏光となった光は、第２の半透過反射面２２で透過する左回りの円偏光である第１のゴースト光と、第２の半透過反射面２２で反射する右回りの円偏光である第２のゴースト光に分岐する。第１のゴースト光は第２のλ／４板３２で紙面垂直方向に振動する直線偏光となって透過し、直線偏光板１１を透過して瞳Ｓ側に射出する。第２のゴースト光は、第１のλ／４板３１で紙面平行方向に振動する直線偏光となって透過し、第１の半透過反射面２１で反射し、第１のλ／４板３１で右回りの円偏光となる。

【0030】

右回りの円偏光となった光は、第２の半透過反射面２２で透過する右回りの円偏光である第３のゴースト光と、第２の半透過反射面２２で反射する左回りの円偏光である第４のゴースト光に分岐する。第３のゴースト光は第２のλ／４板３２で紙面平行方向に振動する直線偏光となって透過し、直線偏光板１１で吸収される。

【0031】

また、射出瞳Ｓ側に導かれる第４のゴースト光は、第３のゴースト光に対してさらに第１の半透過反射面２１と第２の半透過反射面２２とで、それぞれ１度ずつ反射するため、光の強度が弱くなり、観察者は第４のゴースト光を視認しにくい構成となっている。第４のゴースト光に対して、第１の半透過反射面２１での反射回数が多いゴースト光は、第４のゴースト光よりさらに光の強度が弱くなり、観察者はより視認しにくい。

【0032】

以上より、外光によるゴースト光において、第１の半透過反射面２１で２回以上反射する光を偏光素子の配置で低減している。

【0033】

また、射出瞳Ｓ側に導かれる第１のゴースト光、すなわち第１の半透過反射面２１で１回反射する光に対して、第１の半透過反射面２１の焦点距離を適切に設定することにより低減できることを図７、８により説明する。なお、図７、８において、Ｚ軸を光軸方向、Ｘ軸を光軸と垂直且つ紙面平行方向、Ｙ軸を紙面垂直方向と定義する。

【0034】

図７は、射出瞳Ｓ側から右眼用観察光学系１０００Ｒに入射する外光が第１の半透過反射面２１Ｒに入射したときの様子を示した図である。外光である光線Ｒｉ，Ｒｃ，Ｒｏは顔の右眼側の近傍を通り、半透過反射面２１Ｒの最も内側，中心，最も外側にそれぞれ入射する光線である。Ｒｉ，Ｒｃ，Ｒｏはそれぞれ、交点が顔の近傍の所定位置付近に集まっている。外光において、顔の右眼側の近傍を通り半透過反射面２１Ｒで反射する光は、光軸に対して角度が小さいため、比較的観察者の目に導かれやすい。

【0035】

図８は、ゴースト光が生じる様子を示した図である。図６で示した光線Ｒｉ，Ｒｃ，Ｒｏが観察光学系１０００Ｒに入射し、半透過反射面２１Ｒで反射する様子を簡易的に示すため、半透過反射面２１Ｒの凹面鏡を平面である理想レンズＡとして扱い、光線Ｒｉ，Ｒｃ，Ｒｏは交点ＰＡで交わるとしている。すなわち、交点ＰＡをゴースト光の物点としたときの様子を表す。破線は理想レンズＡで屈折する光を表し、理想レンズＡによって反射する光は、前述の破線を理想レンズＡに対して反転させて表している。

【0036】

図８（Ａ）は、観察光学系１０００の射出瞳Ｓから理想レンズＡまでの距離をｆＡとするときの図を示している。すなわち、ＬａＡと｜ｆＡ｜とが等しい場合を表している。光線Ｒｉ，Ｒｃ，Ｒｏの交点ＰＡが射出瞳Ｓの中心からＺ軸に対して負の方向にｄＸだけ離れた位置に設けられているとする。ＬａＡと｜ｆＡ｜とが等しい場合、反射面Ａと光軸との交点ＰＡと瞳Ｓの中心とを結んだ光線の反射光に平行に反射される。

【0037】

そのため、観察光学系１０００による表示画角が広画角の場合、つまり理想レンズＡの径が大きい場合には射出瞳ＳにＡ面で１回反射されたゴースト光の少なくとも一部が入ることになり好ましくない。ＬａＡに対して｜ｆＡ｜が小さい場合も同様である。

【0038】

図８（Ｂ）は、ＬａＡ＝２×｜ｆＡ｜を満たす場合を示している。交点ＰＡから出射した光は、Ｚ軸に対して正の方向にｄＸの位置にある点に集光することになり、射出瞳Ｓには入射しない。すなわち、ゴースト光を抑制することができる。

【0039】

図８（Ｃ）は、ＬａＡ＝３×｜ｆＡ｜を満たす場合を示している。交点ＰＡから出射した光は、Ｚ軸方向において、射出瞳Ｓの位置に対して反射面Ａに比較的近い位置で集光する。そのため、観察光学系１０００による表示画角が広画角の場合、つまり半透過反射面２１の径が大きい場合には射出瞳ＳにＡ面で１回反射されたゴースト光の少なくとも一部が入ることになり好ましくない。ＬａＡ＞３×｜ｆＡ｜の場合も同様である。

【0040】

以上の構成により、広画角、小型でありながら、外光によるゴースト光を低減する点で有利な観察光学系を得ることができる。

【0041】

なお、条件式（１）の数値範囲の上限または下限の少なくとも一方を以下の条件式（１ａ）の数値とすることが好ましい。
１．１＜ＬａＡ／｜ｆＡ｜＜２．５・・・（１ａ）

【0042】

さらに、条件式（１）の数値範囲の上限または下限の少なくとも一方を、以下の条件式（１ｂ）範囲とすることがより好ましい。
１．２＜ＬａＡ／｜ｆＡ｜＜２．３・・・（１ｂ）

【0043】

次に、観察光学系１０００の好ましい構成について述べる。

【0044】

反射面Ａは、射出瞳Ｓ側に向かって凹面であることが好ましい。射出瞳Ｓ側に向かって凹面であることにより、射出瞳Ｓ側に対してコンセントリックな形状となり、軸外の諸収差を補正しやすい。また、径の小型化にも有利である。

【0045】

次に、観察光学系１０００において満足することが好ましい条件式について述べる。

【0046】

観察光学系１０００は、以下の条件式の少なくとも１つを満足することが好ましい。
０．６０＜｜ｆＡ｜／ｆ＜１．５０・・・（２）
０°＜ω＜４５° ・・・（３）
－６．０＜Ｒ／ｆ＜－１．０ ・・・（４）

【0047】

ここで、ｆは観察光学系１０００の焦点距離、ωは観察光学系１０００に入射する外光の光軸に対する角度の絶対値、Ｒは反射面Ａの曲率半径である。

【0048】

条件式（２）の上限を上回って、反射面Ａの焦点距離が長すぎると、光路長が長くなるため小型化が困難となり好ましくない。条件式（２）の下限を下回って、反射面Ａの焦点距離が短すぎると、反射面Ａで発生する軸外の諸収差が大きくなり好ましくない。

【0049】

条件式（３）の上限を上回ると、観察光学系１０００に入射する外光の光軸に対する角度が大きくなりすぎるため、外光の入射する目と反対側の眼にゴースト光が入射しやすく好ましくない。

【0050】

条件式（４）の上限を上回って、反射面Ａの曲率半径の絶対値が小さくなりすぎると、反射面Ａで発生する軸外の諸収差が大きくなり好ましくない。条件式（２）の下限を下回って、反射面Ａの曲率半径の絶対値が大きくなりすぎると、光路長が長くなるため小型化が困難となり好ましくない。

【0051】

なお、条件式（２）乃至（４）の数値範囲の上限または下限の少なくとも一方を以下の条件式（２ａ）の数値とすることが好ましい。
０．６３＜｜ｆＡ｜／ｆ＜１．４０・・・（２ａ）
５°＜ω＜３５° ・・・（３ａ）
－５．０＜Ｒ／ｆ＜－１．５ ・・・（４ａ）

【0052】

さらに、条件式（２）の数値範囲の上限または下限の少なくとも一方を、以下の条件式（２ｂ）範囲とすることがより好ましい。
０．６６＜｜ｆＡ｜／ｆ＜１．３０・・・（２ｂ）
１０°＜ω＜２５° ・・・（３ａ）
－４．０＜Ｒ／ｆ＜－２．０ ・・・（４ａ）

【0053】

［実施例２］
以下、図２、４を参照して、実施例２について説明する。主に実施例１と異なる点について説明する。図２において、観察光学系１０００は、実施例１に対して、表示素子４０に直線偏光板が含まれておらず、特定の方向に偏光していない無偏光の光が観察光学系１０００に入射する。そのため、第１の半透過反射面２１と表示素子４０との間に、紙面平行方向に振動する光を透過する直線偏光板１２を配置している。

【0054】

また、図４（Ａ）のように、第２のλ／４板３２に対しては射出瞳Ｓ側から見たときの遅相軸の傾きを＋４５°とし、直線偏光板１１は、第１の直線偏光の光に対して平行な方向に振動する光を透過させる構成となっている。この構成によっても、実施例１と同様に適切に偏光方向を変え、光路を折りたたむことを可能としている。

【0055】

外光によるゴースト光において、第１の半透過反射面２１で２回以上反射する光を実施例２の偏光素子の配置で低減できる理由について説明する。

【0056】

図４（Ｂ）は、観察光学系１０００における外光の光路を示している。射出瞳Ｓ側から観察光学系１０００に入射する外光において、紙面垂直方向に振動する直線偏光は直線偏光板１１で吸収され、紙面平行方向に振動する直線偏光は直線偏光板１１を透過する。直線偏光板１１を透過した光は第２のλ／４板３２で左回りの円偏光となって透過し、第１のλ／４板３１で紙面垂直方向に振動する直線偏光となって透過する。透過した光は、第１の半透過反射面２１で反射し、第１のλ／４板３１で左回りの円偏光となる。

【0057】

左回りの円偏光となった光は、第２の半透過反射面２２で透過する左回りの円偏光である第１のゴースト光と、第２の半透過反射面２２で反射する右回りの円偏光である第２のゴースト光に分岐する。第２のゴースト光は、第１のλ／４板３１で紙面平行方向に振動する直線偏光となって透過し、第１の半透過反射面２１で反射し、第１のλ／４板３１で右回りの円偏光となる。

【0058】

右回りの円偏光となった光は、第２の半透過反射面２２で透過する右回りの円偏光である第３のゴースト光と、第２の半透過反射面２２で反射する左回りの円偏光である第４のゴースト光に分岐する。第３のゴースト光は第２のλ／４板３２で紙面垂直方向に振動する直線偏光となって透過し、直線偏光板１１で吸収される。

【0059】

また、射出瞳Ｓ側に導かれる第４のゴースト光は、第３のゴースト光に対してさらに第１の半透過反射面２１と第２の半透過反射面２２とで、それぞれ１度ずつ反射するため、光の強度が弱くなり、観察者は第４のゴースト光を視認しにくい構成となっている。第４のゴースト光に対して、第１の半透過反射面２１での反射回数が多いゴースト光は、第４のゴースト光よりさらに光の強度が弱くなり、観察者はより視認しにくい。

【0060】

［実施例３］
以下、図５（Ａ）、（Ｂ）を参照して、実施例３について説明する。主に実施例１と異なる点について説明する。第１の半透過反射面２１Ｐを紙面平行方向に振動する光を透過し、紙面垂直方向に振動する光を反射する偏光ビームスプリッタとしている。ここで偏光ビームスプリッタは、第１の直線偏光を透過し、該第１の直線偏光に対して偏光方向が直交する第２の直線偏光を反射する素子である。

【0061】

実施例１の構成であるハーフミラーを偏光ビームスプリッタに変更することで、図５（Ａ）の光路のように、偏光ビームスプリッタで反射する光路を減らすことができるため、不要な光が射出瞳Ｓ側に導かれにくい構成となる。

【0062】

外光によるゴースト光において、第１の半透過反射面２１Ｐに到達する光を実施例３の偏光素子の配置で低減できる。その理由について説明する。

【0063】

図５（Ｂ）は、観察光学系１０００における外光の光路を示している。射出瞳Ｓ側から観察光学系１０００に入射する外光において、紙面平行方向に振動する直線偏光は直線偏光板１１で吸収され、紙面垂直方向に振動する直線偏光は直線偏光板１１を透過する。直線偏光板１１を透過した光は第２のλ／４板３２で左回りの円偏光となって透過し、第１のλ／４板３１で紙面垂直方向に振動する直線偏光となって透過する。透過した光は、第１の半透過反射面２１Ｐで反射し、第１のλ／４板３１で左回りの円偏光となる。

【0064】

左回りの円偏光となった光は、第２の半透過反射面２２で透過する左回りの円偏光である第１のゴースト光と、第２の半透過反射面２２で反射する右回りの円偏光である第２のゴースト光に分岐する。第２のゴースト光は、第１のλ／４板３１で紙面平行方向に振動する直線偏光となって透過し、第１の半透過反射面２１を透過する。そのため、第１の半透過反射面２１Ｐで２回以上反射する光を抑制し、ゴースト光を低減することができる。

【0065】

［実施例４］
以下、図６を参照して、実施例４について説明する。主に実施例１と異なる点について説明する。実施例４は、実施例１に対して、さらに表示素子４０で反射するゴースト光を抑制するためのものである。そのために、第１の半透過反射面２１と表示素子４０との間に、射出瞳Ｓ側から順に紙面平行方向に振動する光を透過する直線偏光第２の直線偏光板１２と、遅相軸の傾きが第１の直線偏光の振動方向に対して－４５°の第３のλ／４板３３とを配置している。

【0066】

その結果、表示素子４０から出射した光において、第１の半透過反射面２１で反射する光は第３のλ／４板３３を透過して右回りの円偏光となり、表示素子４０で反射し、左回りの円偏光となる。左回りの円偏光となった光は、第３のλ／４板３３を透過して紙面垂直に振動する直線偏光となるため、第２の直線偏光板１２で抑制される。すなわち、表示素子４０で反射するゴースト光を抑制することができる。

【0067】

また、実施例４の派生例として、第１の半透過反射面２１を偏光ビームスプリッター２１Ｐとしても良い。特に、偏光ビームスプリッター２１Ｐをワイヤーグリッドで形成した場合は、偏光ビームスプリッター２１Ｐで紙面平行方向に振動する直線偏光の一部が反射されるため、表示素子４０で反射する光が偏光ビームスプリッター２１Ｐに戻る光を抑制し、不要光の発生を抑制できる。

【0068】

また、図９は、光軸に対して角度の大きい方向から観察光学系１０００に入射する外光すなわち、浅い外光によるゴースト光を低減する構成を示した図である。５００は遮光壁、６００は短冊形の遮光部が複数配置されたルーバー素子である。実施例１～３の構成によって、光軸に対して平行に近い方向から観察光学系１０００に入射する外光によるゴースト光を抑制しているため、遮光壁５００やルーバー素子６００内の遮光部のＺ軸方向の厚みを薄くすることができる。その結果、遮光壁５００やルーバー素子６００配置による煩わしさをあまり感じることなく、浅い外光によるゴースト光を抑制することができる。

【0069】

以下に、数値例１～５を示す。図１０～１４はそれぞれ、数値例１～５に対応する光路図である。数値例１～５は実施例１～４いずれかの構成に対して、具体的な面データを示すものである。但し、実施例１～４における第２の半透過反射面２２、第１のλ／４板３１、第２のλ／４板３２、直線偏光板１１に関して、数値例１～５では１枚の平板とみなしている。

【0070】

各数値例の面データにおいて、ｒは各光学面の曲率半径、ｄ（ｍｍ）は第ｍ面と第（ｍ＋１）面との間の軸上間隔（光軸上の距離）を表わしている。ただし、面番号１は射出瞳Ｓの位置であり、ｍは射出瞳Ｓ側から数えた面の番号である。また、ｎｄは各光学部材のｄ線に対する屈折率で表される。図１０～１４におけるＳの番号は数値例における面の番号ｍと対応している。

【0071】

非球面形状は光軸方向にＸ軸、光軸と垂直方向にＨ軸、光の進行方向を正としＲを近軸曲率半径、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを各々非球面係数としたとき、
Ｘ＝（Ｈ^２／Ｒ）／［１＋｛１－（Ｈ／Ｒ）^２｝^１／２］＋Ａ×ｈ^４＋Ｂ×ｈ^６＋Ｃ×ｈ^８＋Ｄ×ｈ^１０
なる式で表している。＊は非球面形状を有する面を意味している。「Ｅ－ｘ」は１０^－ｘを意味している。

【0072】

［数値例１］
単位 ｍｍ
面番号 r d nd νｄ
1 ∞ 17.0
2 ∞ 1.0 1.5163 64.1
3 ∞ 10.0 1.5163 64.1
4 -50.000 2.0 1.5163 64.1
5 ∞ 2.026
表示面 ∞ 0

【0073】

［数値例２］
単位 ｍｍ
面番号 r d nd νｄ
1 ∞ 29.0
2 ∞ 1.0 1.5163 64.1
3 ∞ 10.0 1.5163 64.1
4＊ -50.000 2.0 1.5163 64.1
5 ∞ 2.285
表示面 ∞ 0

第4面 A＝ 2.376E-06 B＝ -8.480E-09 C＝ 1.367E-11 D＝ -6.993E-15

【0074】

［数値例３］
単位 ｍｍ
面番号 r d nd νｄ
1 ∞ 17.0
2 ∞ 1.0 1.5163 64.1
3 ∞ 8.0 1.5446 56.2
4＊ -52.338 2.0 1.6418 22.5
5＊ 69.472 5.585
表示面 ∞ 0

第4面 A＝ -5.3524E-07 B＝ -3.1573E-10 C＝ 1.9983E-12 D＝ -6.6842E-17
第5面 A＝ -3.1426E-05 B＝ 2.5264E-08 C＝ 2.6340E-11 D＝ -4.0278E-14

【0075】

［数値例４］
単位 ｍｍ
面番号 r d nd νｄ
1 ∞ 17.0
2 -94.522 1.0 1.5163 64.1
3＊ -94.522 8.0 1.5446 56.2
4＊ -37.697 2.0 1.6418 22.5
5＊ -848.438 4.1875
表示面 ∞ 0

第3面 A＝ 1.3125E-06 B＝ 3.7125E-10 C＝ -2.5851E-13 D＝ -3.4224E-16
第4面 A＝ -3.6185E-08 B＝ -1.7627E-09 C＝ 5.4487E-12 D＝ -5.8886E-16
第5面 A＝ -2.1211E-05 B＝ 1.5352E-08 C＝ 2.2357E-11 D＝ -2.0642E-14

【0076】

［数値例５］
単位 ｍｍ
面番号 r d nd νｄ
1 ∞ 15.0
2 200.000 1.0 1.5163 64.1
3 200.000 10.0 1.5446 56.2
4＊ -67.109 2.0 1.6418 22.5
5 1082.122 3.7612
表示面 ∞

第4面 A＝ -6.7130E-07 B＝ 1.7585E-09 C＝ -2.0854E-12 D＝ 1.4048E-15

【0077】

以下の表に各実施例における種々の値を示す。

【0078】

【表1】

【0079】

図１５は、実施例１～４の観察光学系を用いた画像表示装置としてのＨＭＤを示している。ＨＭＤは、不図示の装着ギヤによって観察者の頭部に装着される。

【0080】

ＨＭＤは、右眼用と左眼用の画像表示素子ＲＩＤ、ＬＩＤと、右眼用画像表示素子ＲＩＤからの表示光を観察者の右眼に導く右眼用観察光学系ＲＯＳと、左眼用画像表示素子ＬＩＤからの表示光を観察者の左眼に導く左眼用観察光学系ＬＯＳとを有する。

【0081】

右眼用および左眼用観察光学系ＲＯＳ、ＬＯＳとして実施例１～４に示した観察光学系を用いることで、広画角、小型でありながら、外光によるゴースト光を低減する点で有利なＨＭＤを実現することができる。

【0082】

各実施例の開示は、以下の構成を含む。

【0083】

（構成１）
画像を表示する表示素子からの光を観察者に導く観察光学系であって、
表示側から観察側へ順に配置された、第１の半透過反射面、第１のλ／４板、第２の半透過反射面、第２のλ／４板、直線偏光板を有し、
表示側から第１の直線偏光が前記第１の半透過反射面に入射し、
前記第１の直線偏光の偏光方向と前記直線偏光板を透過する光の偏光方向が平行の場合、前記第１のλ／４板の遅相軸の方向と前記第２のλ／４板の遅相軸の方向は平行であり、
前記第１の直線偏光の偏光方向と前記直線偏光板を透過する光の偏光方向が垂直の場合、前記第１のλ／４板の遅相軸の方向と前記第２のλ／４板の遅相軸の方向は垂直であり、
前記第１の半透過反射面と、前記第２の半透過反射面のうち、焦点距離の絶対値が小さい反射面を反射面Ａとし、該反射面Ａの焦点距離をｆＡ、射出瞳位置から前記反射面Ａまでの光軸上の空気換算距離をＬＡとするとき、
１．０＜ＬａＡ／｜ｆＡ｜＜３．０
なる条件式を満足することを特徴とする観察光学系。

【0084】

（構成２）
前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
０．６０＜ｆＡ／ｆ＜１．５０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１に記載の観察光学系。

【0085】

（構成３）
前記第１ならびに第２の半透過反射面は、ハーフミラーであることを特徴とする構成１または２に記載の観察光学系。

【0086】

（構成４）
前記第１の半透過反射面は偏光ビームスプリッタであり、
前記第２の半透過反射面は、ハーフミラーであることを特徴とする構成１または２に記載の観察光学系。

【0087】

（構成５）
前記反射面Ａは、観察側に向かって凹面であることを特徴とする構成１乃至４の何れか一構成に記載の観察光学系。

【0088】

（構成６）
前記観察光学系は、最も観察側に配置された遮光部材を有することを特徴とする構成１乃至５の何れか一構成に記載の観察光学系。

【0089】

（構成７）
前記遮光部材は短冊形であり、光軸と垂直方向に配置されたルーバー素子であることを特徴とする構成６に記載の観察光学系。

【0090】

（構成８）
観察側から前記観察光学系に入射する外光の光軸に対する角度の絶対値をωとするとき、
０°＜ω＜４５°
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至７の何れか一構成に記載の観察光学系。

【0091】

（構成９）
前記観察光学系の焦点距離をｆ、該反射面Ａの曲率半径をＲとするとき、
－６．０＜Ｒ／ｆ＜－１．０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至８の何れか一構成に記載の観察光学系。

【0092】

（構成１０）
前記観察光学系の焦点距離をｆとするとき、
０．６０＜｜ｆＡ｜／ｆ＜１．５０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至９の何れか一構成に記載の観察光学系。

【0093】

（構成１１）
構成１乃至１０の何れか一構成に記載の観察光学系と、前記表示素子とを有することを特徴とする画像表示装置。

【0094】

以上、本発明に好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。

【符号の説明】

【0095】

１０００ 観察光学系
１１ 直線偏光板
２１、２２ 第１、第２の半透過反射面
３１、３２ 第１、第２のλ／４板
４０ 表示素子

【図1】

【図2】

【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】