特許 7566648 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-04

(45)【発行日】2024-10-15

(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 27/02 20060101AFI20241007BHJP

   G02C 7/00 20060101ALI20241007BHJP

   G02C 7/12 20060101ALI20241007BHJP

   G02C 7/02 20060101ALI20241007BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20241007BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20241007BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02C7/00

G02C7/12

G02C7/02

G02B5/30

H04N5/64 511A

【請求項の数】 24

(21)【出願番号】P 2021013399

(22)【出願日】2021-01-29

(65)【公開番号】P2022116962

(43)【公開日】2022-08-10

【審査請求日】2024-01-10

(73)【特許権者】

【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】近藤 亮史

【審査官】山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】特表２０２０－５１５９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３６１７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－２８５３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０５３１５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５１９９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０８５９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３７７１７６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１，２７／０２

Ｈ０４Ｎ ５／６４

Ｇ０２Ｂ ５／３０

(57)【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光学系であって、
前記表示素子の側から順に配置された、偏光板、第一の位相板、第三の位相板、第一のレンズ群、半透過反射膜、第二の位相板、および反射透過偏光板を有し、
前記第一のレンズ群は、樹脂材料から成るレンズを含み、
前記光の波長をλ（ｎｍ）、光軸近傍における前記第一の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ１、光軸近傍における前記第三の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ３、光軸近傍における前記第一のレンズ群が前記光に与える位相差をΔＬ１とするとき、
３λ／２０≦ΔＰ１＋ΔＰ３＋ΔＬ１≦７λ／２０
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。

【請求項2】

画像を表示する表示素子からの光を観察者に導く光学系であって、
前記表示素子の側から順に配置された、偏光板、第四の位相板、第一の位相板、第一のレンズ群、半透過反射膜、第二の位相板、および反射透過偏光板を有し、
前記第一のレンズ群は、樹脂材料から成るレンズを含み、
前記光の波長をλ（ｎｍ）、光軸近傍における前記第四の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ４、光軸近傍における前記第一の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ１、光軸近傍における前記第一のレンズ群が前記光に与える位相差をΔＬ１とするとき、
３λ／２０≦ΔＰ４＋ΔＰ１＋ΔＬ１≦７λ／２０
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。

【請求項3】

前記光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第一の位相板を透過した後に円偏光となり、前記第三の位相板を透過した後に楕円偏光となり、前記第一のレンズ群を透過した後に円偏光となることを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項4】

前記光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第四の位相板を透過した後に楕円偏光となり、前記第一の位相板を透過した後に楕円偏光となり、前記第一のレンズ群を透過した後に円偏光となることを特徴とする請求項２に記載の光学系。

【請求項5】

前記第一の位相板と前記第一のレンズ群との間に配置された第四の位相板を更に有し、
前記光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第四の位相板を透過した後に楕円偏光となり、前記第一のレンズ群を透過した後に円偏光となることを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項6】

前記第一の位相板は、λ／４板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学系。

【請求項7】

画像を表示する表示素子からの光を観察者に導く光学系であって、
前記表示素子の側から順に配置された、偏光板、第一の位相板、半透過反射膜、第二のレンズ群、第五の位相板、第二の位相板、および反射透過偏光板を有し、
前記第二のレンズ群は、樹脂材料から成るレンズを含み、
前記光の波長をλ（ｎｍ）、光軸近傍における前記第二のレンズ群が前記光に与える位相差をΔＬ２、光軸近傍における前記第五の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ５、光軸近傍における前記第二の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ２とするとき、
３λ／２０≦ΔＬ２＋ΔＰ５＋ΔＰ２≦７λ／２０
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。

【請求項8】

画像を表示する表示素子からの光を観察者に導く光学系であって、
前記表示素子の側から順に配置された、偏光板、第一の位相板、半透過反射膜、第二のレンズ群、第二の位相板、第六の位相板、および反射透過偏光板を有し、
前記第二のレンズ群は、樹脂材料から成るレンズを含み、
前記光の波長をλ（ｎｍ）、光軸近傍における前記第二のレンズ群が前記光に与える位相差をΔＬ２、光軸近傍における前記第二の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ２、光軸近傍における前記第六の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ６とするとき、
３λ／２０≦ΔＬ２＋ΔＰ２＋ΔＰ６≦７λ／２０
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。

【請求項9】

前記光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第二のレンズ群を透過した後に楕円偏光となり、前記第五の位相板を透過した後に円偏光となり、前記第二の位相板を透過した後に直線偏光となることを特徴とする請求項７に記載の光学系。

【請求項10】

前記光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第二のレンズ群を透過した後に楕円偏光となり、前記第二の位相板を透過した後に楕円偏光となり、前記第六の位相板を透過した後に直線偏光となることを特徴とする請求項８に記載の光学系。

【請求項11】

前記第二の位相板と前記反射透過偏光板との間に配置された第六の位相板を更に有し、
前記光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第二のレンズ群を透過した後に楕円偏光となり、前記第六の位相板を透過した後に直線偏光となることを特徴とする請求項７に記載の光学系。

【請求項12】

前記第二の位相板は、λ／４板であることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一項に記載の光学系。

【請求項13】

前記半透過反射膜と前記第二の位相板との間に配置された第二のレンズ群と、
前記第二のレンズ群と前記第二の位相板との間に配置された第五の位相板と、を更に有し、
前記第二のレンズ群は、樹脂材料から成るレンズを含み、
前記光の波長をλ（ｎｍ）、光軸近傍における前記第二のレンズ群が前記光に与える位相差をΔＬ２、光軸近傍における前記第五の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ５、光軸近傍における前記第二の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ２とするとき、
３λ／２０≦ΔＬ２＋ΔＰ５＋ΔＰ２≦７λ／２０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学系。

【請求項14】

前記半透過反射膜と前記第二の位相板との間に配置された第二のレンズ群と、
前記第二の位相板と前記反射透過偏光板との間に配置された第六の位相板と、を更に有し、
前記第二のレンズ群は、樹脂材料から成るレンズを含み、
前記光の波長をλ（ｎｍ）、光軸近傍における前記第二のレンズ群が前記光に与える位相差をΔＬ２、光軸近傍における前記第二の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ２、光軸近傍における前記第六の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ６とするとき、
３λ／２０≦ΔＬ２＋ΔＰ２＋ΔＰ６≦７λ／２０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学系。

【請求項15】

前記光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第二のレンズ群を透過した後に楕円偏光となり、前記第五の位相板を透過した後に円偏光となり、前記第二の位相板を透過した後に直線偏光となることを特徴とする請求項１３に記載の光学系。

【請求項16】

前記光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第二のレンズ群を透過した後に楕円偏光となり、前記第二の位相板を透過した後に楕円偏光となり、前記第六の位相板を透過した後に直線偏光となることを特徴とする請求項１４に記載の光学系。

【請求項17】

前記第二の位相板と前記反射透過偏光板との間に配置された第六の位相板を更に有し、
前記光は、前記偏光板を透過した後に直線偏光となり、前記第二のレンズ群を透過した後に楕円偏光となり、前記第六の位相板を透過した後に直線偏光となることを特徴とする請求項１３に記載の光学系。

【請求項18】

前記レンズが前記光に与える位相差をεとするとき、
λ／５０＜｜ε｜
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光学系。

【請求項19】

前記レンズの外径は、円形状の一部を欠いた形状であることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか一項に記載の光学系。

【請求項20】

周辺部における前記第一の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ１２、周辺部における前記第三の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ３２、周辺部における前記第一のレンズ群が前記光に与える位相差をΔＬ１２とするとき、
ΔＰ３＜ΔＰ３２
３λ／２０≦ΔＰ１２＋ΔＰ３２＋ΔＬ１２≦７λ／２０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学系。

【請求項21】

周辺部における前記第四の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ４２、周辺部における前記第一の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ１２、周辺部における前記第一のレンズ群が前記光に与える位相差をΔＬ１２とするとき、
ΔＰ４＜ΔＰ４２
３λ／２０≦ΔＰ４２＋ΔＰ１２＋ΔＬ１２≦７λ／２０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の光学系。

【請求項22】

周辺部における前記第二のレンズ群が前記光に与える位相差をΔＬ２２、周辺部における前記第五の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ５２、周辺部における前記第二の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ２２とするとき、
ΔＰ５＜ΔＰ５２
３λ／２０≦ΔＬ２２＋ΔＰ５２＋ΔＰ２２≦７λ／２０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項７に記載の光学系。

【請求項23】

周辺部における前記第二のレンズ群が前記光に与える位相差をΔＬ２２、周辺部における前記第二の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ２２、周辺部における前記第六の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ６２とするとき、
ΔＰ６＜ΔＰ６２
３λ／２０≦ΔＬ２２＋ΔＰ２２＋ΔＰ６２≦７λ／２０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項８に記載の光学系。

【請求項24】

請求項１乃至２３のいずれか一項に記載の光学系と、画像を表示する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、画像表示素子上の画像を接眼光学系を介して拡大して観察するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等に好適な画像表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

バーチャルリアリティ（ＶＲ）用、または一人で大画面の観察像を楽しむことなどを目的として、ヘッドマウントディスプレイの開発が進められている。ヘッドマウントディスプレイ等に用いられる画像表示装置は、自然な観察を行い臨場感を増すため、広画角の接眼光学系を有することが望まれる。また、頭部装着型の画像表示装置は、薄型かつ軽量であることが望まれる。

【0003】

従来、広画角の画像を表示するため、偏光を利用して光路を折り畳む接眼光学系が提案されている。偏光を利用した接眼光学系は、焦点距離が短くなるため、薄型と広画角とを両立することができる。しかし、偏光を利用した接眼光学系を軽量化するためにプラスチックレンズを使用すると、プラスチックレンズ内の複屈折により所望の偏光状態が得られずにゴーストや減光が発生するため、快適な観察を行うことが難しい。

【0004】

特許文献１および特許文献２には、偏光を利用して光路を折り畳む接眼光学系が開示されている。特許文献１に開示された接眼光学系は、接眼光学系中の半透過型偏光板の透過軸の方向を眼の並ぶ方向に設定して輝度ムラを低減する。特許文献２に開示された接眼光学系は、曲面上の偏光素子を利用して広画角を実現している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１９－０５３１５２号公報

【文献】特表２０１８－５０８８００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１および特許文献２のそれぞれに開示された接眼光学系では、複屈折により発生したゴーストを低減することができない。

【0007】

そこで本発明は、偏光を利用した広画角かつ軽量の接眼光学系のゴーストを低減する点で有利な光学系および画像表示装置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】

【0008】

本発明の一側面としての光学系は、画像を表示する表示素子からの光を観察者に導く光学系であって、前記表示素子の側から順に配置された、偏光板、第一の位相板、第三の位相板、第一のレンズ群、半透過反射膜、第二の位相板、および反射透過偏光板を有し、前記第一のレンズ群は、樹脂材料から成るレンズを含み、前記光の波長をλ（ｎｍ）、光軸近傍における前記第一の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ１、光軸近傍における前記第三の位相板が前記光に与える位相差をΔＰ３、光軸近傍における前記第一のレンズ群が前記光に与える位相差をΔＬ１とするとき、
３λ／２０≦ΔＰ１＋ΔＰ３＋ΔＬ１≦７λ／２０
なる条件式を満足する。

【0009】

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、偏光を利用した広画角かつ軽量の接眼光学系のゴーストを低減する点で有利な画像表示装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】各実施形態における画像表示装置の構成図である。

【図2】各実施形態における接眼光学系の基本構成図である。

【図3】直接ゴースト光路の説明図である。

【図4】各実施形態における光学要素の座標系の説明図である。

【図5】第一の実施形態における接眼光学系の構成図である。

【図6】第一の実施形態における接眼光学系の構成図である。

【図7】第一の実施形態における接眼光学系の構成図である。

【図8】第二の実施形態における接眼光学系の構成図である。

【図9】第二の実施形態における接眼光学系の構成図である。

【図10】第二の実施形態における接眼光学系の構成図である。

【図11】第三の実施形態における接眼光学系の構成図である。

【図12】第三の実施形態における接眼光学系の構成図である。

【図13】各実施形態における樹脂レンズの図である。

【図14】各実施形態における樹脂レンズの図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0013】

本発明の各実施形態を説明するにあたり、光の偏光状態や位相差についての記述を行うが、直線偏光、円偏光、楕円偏光、λ／４の位相差などの概念が表す状態は、一般的に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】

（第一の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第一の実施形態における画像表示装置について説明する。図１は、本実施形態における画像表示装置１０１の構成図である。図１において、１０１は画像表示装置であり、不図示の装着機構などと合わせて適宜頭部に装着して使用され得る。画像表示装置１０１は、頭部に装着される場合にはヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）とも称される。１０２は観察者の右眼、１０３は観察者の左眼である。第二のレンズ群１０４および第一のレンズ群１０５は、右眼用接眼光学系を構成する。第二のレンズ１０６および第一のレンズ１０７は、左眼用接眼光学系を構成する。１０８は画像表示素子（右眼用画像表示素子）、１０９は画像表示素子（左眼用画像表示素子）であり、例えば有機ＥＬディスプレイであるが、これに限定されるものではない。

【0015】

右眼用接眼光学系は、画像表示素子１０８に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の右眼１０２に導く。左眼用接眼光学系は、画像表示素子１０９に表示された原画像を虚像として拡大投影して観察者の左眼１０３に導く。右眼用接眼光学系と左眼用接眼光学系の焦点距離Ｆ１は１２ｍｍ、水平表示画角は４５°、垂直表示画角は３４°、対角表示画角５４°であり、画像表示装置１０１と観察者の眼球との距離（アイレリーフ）Ｅ１は１８ｍｍである。

【0016】

次に、図２および図４を参照して、画像表示装置１０１の接眼光学系１００の基本構成およびその光路について説明する。図２は、本実施形態における接眼光学系１００の基本構成図である。本実施形態の接眼光学系１００は偏光を利用して光路を折り畳む光学系であり、画像を表示する表示素子（画像表示素子１０８）からの光を観察者に導く。なお、図２は右眼用接眼光学系のみを示しているが、左眼用接眼光学系の構成は右眼用接眼光学系と同様であるため、その説明を省略する。図４は、構成部品の遅相軸および偏光透過軸などを説明するための座標系の説明図である。図４において、画像表示素子１０８から観察者の目に向かう方向をＺ軸（＋Ｚ軸方向）、Ｚ軸と直交する２つの方向をＸ軸（＋Ｘ軸方向）およびＹ軸（＋Ｙ軸方向）とそれぞれ定義する。４０１は偏光板、レンズ、位相板などの光学要素であり、その遅相軸や偏光透過軸の方向を表す角度θをＸ軸から反時計回り（＋Ｚ軸方向から－Ｚ軸方向を眺めた際に反時計回り）を正と定義する。

【0017】

画像表示素子１０８と第一のレンズ群１０５との間には、画像表示素子１０８から観察者の右眼１０２に向かって順に、偏光板１１０と第一の位相板１１１が配置されている。第二のレンズ群１０４と第一のレンズ群１０５との間には、半透過反射膜（半透過反射面）１１２が配置されている。半透過反射膜１１２は、金属膜または誘電体膜などにより構成され、必要に応じて、第二のレンズ群１０４内の光学面もしくは第一のレンズ群１０５内の光学面上、または単独の基材上に成膜されうる。

【0018】

第二のレンズ群１０４と観察者の右眼１０２との間には、画像表示素子１０８から順に、第二の位相板１１３と反射偏光板のＰＢＳ（反射透過偏光板）１１４が配置されている。第二の位相板１１３と反射偏光板のＰＢＳ１１４はそれぞれ、平面形状である。第一のレンズ群１０５および第二のレンズ群１０４の構成は光学設計により適宜選択され、それぞれ単レンズまたは複数レンズで構成される。なお本実施形態では、第一のレンズ群１０５と第二のレンズ群１０４の両方が設けられているが、本実施形態は、第一のレンズ群１０５または第二のレンズ群１０４のいずれか一方のみの構成にも適用可能である。

【0019】

まず、第一のレンズ群１０５および第二のレンズ群１０４に複屈折特性がない理想状態について説明する。偏光板１１０が透過する偏光方向はθ＝０°方向、第一の位相板１１１の遅相軸はθ＝＋４５°方向、第二の位相板１１３の遅相軸θ＝－４５°方向、ＰＢＳ１１４が透過する偏光方向はθ＝９０度方向である。第一の位相板１１１と第二の位相板１１３との位相差はそれぞれλ／４である。

【0020】

このような構成の場合、画像表示素子１０８から出射した光は偏光板１１０を透過して直線偏光となり、第一の位相板１１１を透過して円偏光となる。この円偏光は第一のレンズ群１０５を円偏光のまま透過し、半透過反射膜１１２を透過した後に第二のレンズ群１０４を円偏光のまま透過し、第二の位相板１１３を透過して直線偏光になる。この直線偏光は偏光方向がＰＢＳ１１４で透過する偏光方向と直交しているため、ＰＢＳ１１４で反射され再度、第二の位相板１１３を透過して円偏光となる。この円偏光は第二のレンズ群１０４を円偏光のまま透過し、半透過反射膜１１２で反射し再び第二のレンズ群１０４を円偏光のまま透過し、第二の位相板１１３を透過して直線偏光になる。しかし、この直線偏光の偏光方向は前述の場合と異なり、ＰＢＳ１１４で透過する偏光方向と一致するため、ＰＢＳ１１４を透過して観察者の右眼１０２に導かれる。第一のレンズ群１０５および第二のレンズ群１０４に複屈折特性がない場合の光の偏光状態は、原理的な理想偏光状態であるといえる。

【0021】

なお、第二の位相板１１３の遅相軸方向がθ＝＋４５°でＰＢＳ１１４の偏光特性方向をθ＝０°方向という構成もあり得るが、これらの構成は適宜選択されればよいため、その詳細の説明は省略する。以上のように偏光を利用して光路を折り畳む光学系は、薄型でありながら接眼光学系の焦点距離を短くすることが可能であり、広画角な画像観察を実現することができる。

【0022】

画像表示装置１０１は、頭部に装着されることがあるため、軽量であることが望ましい。軽量化の手法としては、接眼光学系を構成するレンズを硝子よりも比重の小さい樹脂で製作することが考えられる。樹脂レンズは、熱可塑性樹脂を用いた成形により作成可能であり、収差補正に有利な非球面形状を実現しつつ低コストで大量生産が可能である。このため、樹脂レンズとしては、成形レンズが一般的に用いられている。

【0023】

しかし、成形レンズには成型時の残留応力等に起因した複屈折特性が残りやすく、複屈折のあるレンズを本実施形態の第一のレンズ群１０５や第二のレンズ群１０４に使用すると、光が通過した際に位相差が付与され、意図した偏光状態を維持できない。その結果、図１に示されるような正規の光路ではなく、図３に示されるようにＰＢＳ１１４で反射することなく観察者の眼に導かれる直接ゴースト光が発生する。図３は、直接ゴースト光の説明図である。

【0024】

また、ＰＢＳ１１４で反射した後の正規光路においても不要な位相差が付与されてしまうことにより、最終的にＰＢＳ１１４で透過されるはずの光の一部が反射され、観察する際に映像が暗くなる（減光）ことがある。樹脂レンズの複屈折を低減するために、レンズ材料や成形条件、成形後アニール等による対策が知られているが、これらの手法だけで偏光を利用して光路を折り畳む光学系における直接ゴースト光や減光を十分に低減することは困難である。

【0025】

次に、図５を参照して、本実施形態における接眼光学系１００ａの構成について説明する。図５は、本実施形態における接眼光学系１００ａの構成図である。なお、特記なき部品の特性は、理想状態の構成と同じであるものとする。軽量化のため、第一のレンズ群１０５は、複屈折がある少なくとも１枚の樹脂レンズ（樹脂材料から成るレンズ）を有する。樹脂レンズの複屈折により付与される位相差は、λ／３０であり、遅相軸方向はθ＝＋５５°方向である。この影響を補正するため、第一の位相板１１１と第一のレンズ群１０５との間に、第三の位相板２０１が挿入されている。本実施形態では、第一の位相板１１１は理想状態と同じくλ／４板で、遅相軸方向はθ＝＋４５°方向である。第三の位相板２０１は位相差がλ／３０であり、遅相軸方向はθ＝５５＋９０＝１４５°方向である。第三の位相板２０１を通った光は理想状態とは異なり楕円偏光となっているが、この楕円偏光は複屈折のあるレンズを含む第一のレンズ群１０５を通ることで円偏光となる。第三の位相板２０１の作用について、ジョーンズマトリックスを用いて説明する。

【0026】

位相板の特性Ｔ（Γ）は、遅相軸方向として図３のθを用いて、以下の式（１）のように表される。

【0027】

【数1】

【0028】

ここで、式（１）中のΓは、以下の式（２）のように定義される。

【0029】

【数2】

【0030】

式（２）において、ｄは位相板の厚さ（ｍｍ）、ｎ_ｏおよびｎ_ｅはそれぞれ位相板の常光屈折率および異常光屈折率、λは波長（ｍｍ）である。また、回転行列は、以下の式（３）のように表される。

【0031】

【数3】

【0032】

式（１）と式（３）を用いると、任意の複屈折特性を持つ媒体のマトリックスは、以下の式（４）のように表される。

【0033】

Ｒ（－θ）Ｔ（Γ）Ｒ（θ） …（４）
ここで、第一の位相板１１１のマトリックスをＡ、第三の位相板２０１のマトリックスをＢ、第一のレンズ群１０５のマトリックスをＣとする。このとき、偏光板１１０を通った光が第一のレンズ群１０５を通るまでに受けるマトリックスＭは、以下の式（５）のように表される。

【0034】

Ｍ＝ＣＢＡ …（５）
直接ゴースト光のない理想状態にするには、マトリックスＭがλ／４板となればよい。本実施形態では、マトリックスＡがλ／４板であるため、第三の位相板２０１のマトリックスＢは、以下の式（６）のように表される。

【0035】

Ｂ＝Ｃ^－１ …（６）
ここで、式（１）および式（２）を用いれば、複屈折のあるレンズを含む第一のレンズ群１０５の特性Ｃは、以下の式（７）のように表される。

【0036】

Ｃ＝Ｒ（－θ）Ｔ（Γ）Ｒ（θ） …（７）
このため、第三の位相板２０１として適切な特性Ｂは、以下の式（８）であることが導かれる。

【0037】

【数4】

【0038】

すなわち、第一の位相板１１１がλ／４板である場合、複屈折を有する樹脂レンズと位相差量が同じで遅相軸方向が９０°直交した方向の第三の位相板２０１により、樹脂レンズの複屈折影響はキャンセルされる。このため、理想状態と同様に、第一のレンズ群１０５を通った後の光は円偏光となる。

【0039】

以上の解析では、画像表示素子１０８からの波長λの光が第一の位相板１１１と第三の位相板２０１と第一のレンズ群１０５とで生じる位相差の和がλ／４（略λ／４）となっている。ここで、位相差の和とは、光が光学素子群に入力されてから出力されるまでの間に結果として受けた影響の総和としての位相差という意味である。ただし、本明細書中に記載の各条件式に関しては、単なる部品同士の位相差の和ではない。本実施形態において、略λ／４は、３λ／２０以上かつ７λ／２０以下（λ／４±λ／１０）の範囲である。すなわち、画像表示素子１０８からの光（波長λ（ｎｍ））の光が第一の位相板１１１と第三の位相板２０１と第一のレンズ群１０５を通過する際に受ける位相差の和が、３λ／２０以上かつ７λ／２０以下である。換言すると、光の波長をλ（ｎｍ）、第一の位相板１１１が光に与える位相差をΔＰ１、第三の位相板２０１が光に与える位相差をΔＰ３、第一のレンズ群１－５が光に与える位相差をΔＬ１とするとき、以下の条件式（９）を満足する。

【0040】

３λ／２０≦ΔＰ１＋ΔＰ３＋ΔＬ１≦７λ／２０ …（９）
好ましくは、第一の位相板１１１と第三の位相板２０１と第一のレンズ群１０５を通過する際に受ける位相差の和は、２３λ／１００以上かつ２７λ／１００以下（λ／４±λ／５０）の範囲である。より好ましくは、第一の位相板１１１と第三の位相板２０１と第一のレンズ群１０５を通過する際に受ける位相差の和は、２４λ／１００以上かつ２６λ／１００以下（λ／４±λ／１００）の範囲である。好ましくは、位相差の和は、第一の位相板１１１の中央部（回転対称の場合は光軸近傍）において略λ／４である。また好ましくは、樹脂レンズで生じる位相差εは、例えばλ／５０＜｜ε｜、λ／１００＜｜ε｜、または、λ／２００＜｜ε｜の範囲である。

【0041】

より具体的に光の偏光状態について説明すると、画像表示素子１０８から出射した光は、偏光板１１０を透過して直線偏光となり、第一の位相板１１１を透過した後に円偏光となる。この円偏光は、第三の位相板２０１を通り楕円偏光となり、複屈折特性を有する第一のレンズ群１０５を通り、円偏光となる。第一のレンズ群１０５を通った円偏光は、半透過反射膜１１２を透過した後、第二のレンズ群１０４を円偏光のまま透過し、第二の位相板１１３を透過して直線偏光になる。仮に、第三の位相板２０１がなければ、第二の位相板１１３を透過した光は直線偏光ではなく楕円偏光となるが、本実施形態では適切に選択された第三の位相板２０１の効果により理想的な直線偏光になっている。この直線偏光は、偏光方向がＰＢＳ１１４で透過する偏光方向と直交しているため、直接ゴースト光を生じることなく全ての光がＰＢＳ１１４で反射され、再度、第二の位相板１１３を透過して円偏光となる。この円偏光は、第二のレンズ群１０４を円偏光のまま透過し、半透過反射膜１１２で反射し再び第二のレンズ群１０４を円偏光のまま透過し、第二の位相板１１３を透過して直線偏光になる。この直線偏光の偏光方向は前述と異なり、ＰＢＳ１１４で透過する偏光方向と一致するため、ＰＢＳ１１４を透過して観察者の右眼１０２に導かれる。

【0042】

以上のように、本実施形態では、第一のレンズ群１０５が複屈折特性を有するにも関わらず、直接ゴースト光の発生がない。また、第一の位相板１１１の位相特性や第一のレンズ群１０５の位相特性は、ＰＢＳ１１４を反射した後の正規光路において影響しない。このため、本実施形態のように第三の位相板２０１が光路に存在していても、減光などの影響を及ぼすことがない。
第一の位相板１１１と第一のレンズ群１０５との間のスペースが十分ではない場合などには、第一のレンズ群１０５の複屈折を補償する別の配置として、図６に示されるように偏光板１１０と第一の位相板１１１との間に第四の位相板２０２を配置することができる。図６は、本実施形態における変形例としての接眼光学系１００ｂの構成図である。ここで、第四の位相板２０２のマトリックスをＤ、第一の位相板１１１のマトリックスをＡ、第一のレンズ群１０５のマトリックスをＣとする。このとき偏光板１１０を通った光が第一のレンズ群１０５を通るまでに受けるマトリックスＭは、以下の式（１０）のように表される。

【0043】

Ｍ＝ＣＡＤ …（１０）
仮に第一の位相板１１１がλ／４板であったとすると、Ｍをλ／４板にするための特性Ｄは、以下の式（１１）のように表される。

【0044】

Ｄ＝Ａ^－１Ｃ^－１Ａ …（１１）
特性Ｄの必要な遅相軸方向および位相差量の例を挙げる。第一のレンズ群１０５の複屈折の遅相軸方向がθ＝５５°方向で位相差が１／３０λであり、第一位相板の遅相軸方向がθ＝４５°方向で位相差がλ／４の場合、第四の位相板は遅相軸方向がθ＝９８．１°方向で位相差は１／８．２λであればよい。

【0045】

接眼光学系１００ｂにおいて、光の波長をλ（ｎｍ）、第四の位相板２０２が光に与える位相差をΔＰ４、第一の位相板１１１が光に与える位相差をΔＰ１、第一のレンズ群１０５が光に与える位相差をΔＬ１とするとき、以下の条件式（１２）を満足する。

【0046】

３λ／２０≦ΔＰ４＋ΔＰ１＋ΔＬ１≦７λ／２０ …（１２）
さらに本実施形態における別の構成として、図７に示されるように、第三の位相板２０１と第四の位相板２０２を併用することも可能である。図７は、本実施形態における変形例としての接眼光学系１００ｃの構成図である。これまでの本実施形態での説明と同様に、画像表示素子１０８からの光が第四の位相板２０２と第一の位相板１１１と第三の位相板２０１と複屈折を有する第一のレンズ群１０５とを通り半透過反射膜１１２に至るまでに生じる位相差の和を略λ／４にすればよい。例えば入手可能な位相板に制限がある場合、第三の位相板２０１だけでは位相差の和を略λ／４にすることが困難である可能性がある。このような場合でも、本実施形態のようにさらに第四の位相板を組み合わせることにより、第一のレンズ群１０５の複屈折を打ち消すための適切な位相差量と軸方位を調整することが可能になるため、コストなどのメリットがある。

【0047】

また、ここまで第一の位相板１１１をλ／４板としてきたが、レンズの複屈折特性や入手可能な位相板などの実情に合わせて、第一の位相板１１１の位相差特性はこれに限定されるものではない。偏光板１１０を通った光が複屈折を有する第一のレンズ群１０５を通るまでに受ける位相差の和が略λ／４になるように第三の位相板２０１や第四の位相板２０２の特性（位相差、遅相軸方向）を設定すればよい。

【0048】

なお、第三の位相板２０１もしくは第四の位相板２０２はそれぞれ複数の位相板を張り合わせる等の複合構成をとることも可能である。このような方法の利点としては、例えば入手可能な位相板に制限がある場合でも、複数の位相板を組み合わせることにより最適な位相差板を形成することができ、コストや製作期間などのメリットがある。

【0049】

また、第三の位相板２０１もしくは第四の位相板２０２は、第一の位相板１１１に貼り合わせることも可能である。このような構成により、位相板を配置するスペースを抑えることができ、全体的なスペースに制約がある場合でも本発明の効果を得ることが可能となる。

【0050】

樹脂レンズの複屈折特性が温度に応じて変化する場合、温度を考慮して位相差の和を設定することが好ましい。例えば、画像表示装置１０１が使用される際の樹脂レンズの温度範囲内において、実際に使用される頻度が高い温度において第一の位相板１１１と第三の位相板２０１と第一のレンズ群１０５とで与えられる位相差の和を略λ／４に設定する。また、第四の位相板２０２と第一の位相板１１１と第一のレンズ群１０５とで与えられる位相差の和、または、第四の位相板２０２と第一の位相板１１１と第三の位相板２０１と第一のレンズ群１０５とで与えられる位相差の和に関しても同様である。

【0051】

例えば、樹脂レンズの温度が１０℃以上かつ７０℃以下のいずれかの温度である場合において、位相差の和が略λ／４となるように設定される。これにより、実際に使用される際の温度域においては直接ゴースト光が発生しないため、実用上、直接ゴースト光の少ない良好な画像観察が可能になる。

【0052】

一般的に、レンズの複屈折はレンズの中心から周辺にかけて大きくなるため、レンズの複屈折による直接ゴースト光も中心から周辺にかけて強度が大きくなる。このため、レンズの周辺部を通過する直接ゴースト光を低減するため、第三の位相板２０１もしくは第四の位相板２０２もしくはその両方の、遅相軸方向もしくは位相差量の少なくとも一方の特性が中央部と周辺部とで異なる（面内分布を持たせる）ことが好ましい。例えば、樹脂レンズの直接ゴースト光に影響する領域の中央部の位相差がλ／１００、軸方位がθ＝３０°方向、周辺部の位相差がλ／２０、軸方位がθ＝６５°方向であるとする。図５に示される構成、すなわち第三の位相板２０１で補正する場合、第一の位相板１１１の位相差がλ／４であるとすると、以下のように設定すればよい。すなわち式（８）から、第三の位相板２０１の中央部の位相差はλ／１００、軸方位がθ＝１２０°方向、周辺部の位相差はλ／２０、軸方位がθ＝１５５°方向であればよい。第四の位相板を使用する構成、もしくは第三と第四の位相板を使用する構成においても、これまでの例と同様に、位相差の和が略λ／４となるように適切に分布を持たせればよい。

【0053】

レンズの複屈折の状態が温度や個体差などの影響で一定値と考えることが難しい場合でも十分に直接ゴースト光を抑えるため、第三の位相板２０１もしくは第四の位相板２０２もしくはその両方に位相差可変素子（位相差を変更可能な素子）を使用することができる。位相差可変素子としては、液晶材料で構成され電力供給することで任意の位相差を実現することができる素子（電圧を印加すると位相差が変化する素子）が知られているが、これに限定されるものではない。位相差可変素子を使用することで、レンズの複屈折の状態変化や製造ばらつき起因などで複屈折特性に個体差がある場合でも、付与する位相量を適切に制御することで複屈折起因の直接ゴースト光や減光を防ぐことができる。また、位相差可変素子自体に面内分布を持たせることで、レンズ複屈折の分布による影響をキャンセルすることも可能である。また、外光のゴースト光を低減して観察画像のコントラストを高めるため、ＰＢＳ１１４と観察者の右眼１０２の眼球との間に偏光板を配置してもよい。

【0054】

また、一般に樹脂レンズの複屈折を低減させるには、レンズ形状は光軸に対して回転対称な円形状であることが好ましい。ただし、ＨＭＤのように頭部に装着する装置においては、軽量化が要求されること、および鼻等の顔への干渉を避けるため、図１３もしくは図１４に示される形状であることが好ましい場合がある。図１３および図１４はそれぞれ樹脂レンズの図である。図１３はＤカット、図１４はＩカットと呼ばれ、レンズ外径形状が円形状に対して一部を欠いた形状である。このような形状で樹脂レンズを成形すると複屈折が大きくなるが、その場合でも第三の位相板２０１や第四の位相板２０２を使用することでその複屈折影響をキャンセルさせることができ、小型で軽量なＨＭＤを実現することが可能になる。

【0055】

なお本実施形態においては、画像表示素子は有機ＥＬのように無偏光の光が放射される画像表示素子であるが、これに限定されるものではない。例えば、液晶ディスプレイのように直線偏光の光が放射されるデバイスを用いた場合、偏光板１１０が画像表示素子１０８と実質的に一体となっているため、新たに追加の偏光板を用意する必要がなくなり、薄型化とコストの低減を実現することがきる。

【0056】

（第二の実施形態）
次に、図８を参照して、本発明の第二の実施形態における接眼光学系の構成について説明する。図８は、本実施形態における接眼光学系１００ｄの構成図である。なお、特記なき部品の特性は理想状態の構成と同じであるものとする。また、光学素子の座標表現については第一の実施形態と同様に、図４を参照して説明する。

【0057】

本実施形態では軽量化のため、第二のレンズ群１０４は、複屈折がある少なくとも１枚の樹脂レンズを有する。樹脂レンズの複屈折により付与される位相差は、λ／３０であり、遅相軸方向はθ＝＋６５°方向である。この影響を補正するため、第二の位相板と第二のレンズ群１０５との間に、第五の位相板２０３が挿入されている。本実施形態では、第二の位相板１１３は理想状態と同じくλ／４板で、遅相軸方向はθ＝＋４５°方向である。第五の位相板２０３は位相差がλ／３０であり、遅相軸方向はθ＝６５＋９０＝１５５°方向である。半透過反射膜１１２を通った円偏光は、複屈折のあるレンズを含む第二のレンズ群１０５を通ることで理想状態とは異なり楕円偏光となるが、第五の位相板２０３を通ることで理想状態と同じく円偏光となる。第五の位相板２０３の作用については、第一の実施形態でのジョーンズマトリックスを用いた説明と同様である。すなわち、第五の位相板２０３のジョーンズマトリックスをＥ、第二のレンズ群１０５の複屈折特性を表すジョーンズマトリックスをＦとすれば、第五の位相板２０３に必要な特性Ｅは、以下の式（１３）を満足すればよい。

【0058】

Ｅ＝Ｆ^－１ …（１３）
第二の位相板１１３がλ／４板である場合、複屈折を有する樹脂レンズと位相差量が同じで遅相軸方向が９０°直交した方向の第五の位相板２０３により、樹脂レンズの複屈折影響はキャンセルされる。このため、理想状態と同様に、第二の位相板に到達する直前の光は円偏光となる。

【0059】

以上の解析では、画像表示素子からの波長λの光が第二のレンズ群１０４と第五の位相板２０３と第二の位相板１１３で生じる位相差の和がλ／４（略λ／４）となっている。ここで、位相差の和とは、光が光学素子群に入力されてから出力されるまでの間に結果として受けた影響の総和としての位相差という意味である。略λ／４は、３λ／２０以上かつ７λ／２０以下（λ／４±λ／１０）の範囲である。すなわち、画像表示素子１０８からの波長λ（ｎｍ）の光が第二のレンズ群１０４と第五の位相板２０３と第二の位相板１１３を通過する際に受ける位相差の和が、３λ／２０以上かつ７λ／２０以下である。換言すると、光の波長をλ（ｎｍ）、第二のレンズ群１０４が光に与える位相差をΔＬ２、第五の位相板２０３が光に与える位相差をΔＰ５、第二の位相板１１３が光に与える位相差をΔＰ２とするとき、以下の条件式（１４）を満足する。

【0060】

３λ／２０≦ΔＬ２＋ΔＰ５＋ΔＰ２≦７λ／２０ …（１４）
好ましくは、第二のレンズ群１０４と第五の位相板２０３と第二の位相板１１３を通過する際に受ける位相差の和は、２３λ／１００以上かつ２７λ／１００以下（λ／４±λ／５０）の範囲である。より好ましくは、第二のレンズ群１０４と第五の位相板２０３と第二の位相板１１３を通過する際に受ける位相差の和は、２４λ／１００以上かつ２６λ／１００以下（λ／４±λ／１００）の範囲である。好ましくは、位相差の和は、第二の位相板１１３の中央部（回転対称の場合は光軸近傍）において略λ／４である。また好ましくは、樹脂レンズで生じる位相差εは、例えばλ／５０＜｜ε｜、λ／１００＜｜ε｜、または、λ／２００＜｜ε｜の範囲である。

【0061】

より具体的に光の偏光状態について説明すると、画像表示素子１０８から出射した光は、偏光板１１０を透過して直線偏光となり、第一の位相板１１１を透過した後に円偏光となる。この円偏光は、第一のレンズ群１０５を円偏光のまま透過し、半透過反射膜１１２を透過した後、第二のレンズ群１０４を透過し、樹脂レンズの複屈折特性により楕円偏光になる。この楕円偏光は、第五の位相板２０３を通り円偏光となり、第二の位相板１１３を透過して直線偏光になる。

【0062】

仮に、第五の位相板２０３がなければ、第二の位相板１１３を透過した光は直線偏光ではなく楕円偏光となるが、本実施形態では適切に選択された第五の位相板２０３の効果により理想的な直線偏光になっている。この直線偏光は、偏光方向がＰＢＳ１１４で透過する偏光方向と直交しているため、直接ゴースト光を生じることなく全ての光がＰＢＳ１１４で反射され、再度、第二の位相板１１３を透過して円偏光となる。この円偏光は、第五の位相板２０３を通り楕円偏光となるが、第二のレンズ群を通過し円偏光となる。この円偏光は半透過反射膜１１２で反射し再び第二のレンズ群１０４を通り楕円偏光となるが、第五の位相板２０３を透過して円偏光となり、第二の位相板１１３を通って直線偏光になる。

【0063】

仮に、第五の位相板２０３がなければ、第二の位相板１１３を透過しＰＢＳ１１４に向かう光は直線偏光ではなく楕円偏光となり、ＰＢＳ１１４で一部の光が反射される、すなわち減光を生じることになる。一方、本実施形態によれば、第二の位相板１１３を透過した光はＰＢＳ１１４で透過する偏光方向との直線偏光となるため、減光を生じることなく全ての光がＰＢＳ１１４を透過して観察者の右眼１０２に導かれる。以上のように、本実施形態の接眼光学系では、第二のレンズ群１０４が複屈折特性を有するにも関わらず、直接ゴースト光が発生せず、複屈折特性に起因する減光が発生しない。

【0064】

第二の位相板１１３と第二のレンズ群１０４との間のスペースが十分ではない場合などには、第二のレンズ群１０４の複屈折を補償する別の配置として、図９に示されるようにＰＢＳ１１４と第二の位相板１１３との間に第六の位相板２０４を配置することができる。図９は、本実施形態における変形例としての接眼光学系１００ｅの構成図である。

【0065】

この場合も第一の実施形態での説明と同様にジョーンズマトリックスで最適な特性を求めることができる。ここで、第二のレンズ群１０４のマトリックスをＥ、第二の位相板１１３のマトリックスをＧ、第六の位相板２０４のマトリックスをＨとする。このとき半透過反射膜１１２を通った光が第二のレンズ群１０４と第二の位相板１１３と第六の位相板２０４を通る間に受けるマトリックスＭは、以下の式（１５）のように表される。

【0066】

Ｍ＝ＨＧＥ …（１５）
仮に、第二の位相板１１３がλ／４板であったとすると、Ｍをλ／４板にするための特性Ｈは、以下の式（１６）のように表される。

【0067】

Ｈ＝ＧＥ^－１Ｇ^－１ …（１６）
特性Ｈに関して必要な遅相軸方向および位相差量の例を挙げる。第二のレンズ群１０４の複屈折の遅相軸方向がθ＝５５°方向で位相差が１／３０λ、第二の位相板１１３の遅相軸方向がθ＝４５°方向で位相差がλ／４の場合、第六の位相板２０４は遅相軸方向がθ＝１３７．１１°方向で位相差は１／３．５５λであればよい。

【0068】

接眼光学系１００ｅにおいて、光の波長をλ（ｎｍ）、第二のレンズ群１０４が光に与える位相差をΔＬ２、第二の位相板１１３が光に与える位相差をΔＰ２、第六の位相板２０４が光に与える位相差をΔＰ６とするとき、以下の条件式（１７）を満足する。

【0069】

３λ／２０≦ΔＬ２＋ΔＰ２＋ΔＰ６≦７λ／２０ …（１７）
さらに別の構成として、図１０に示されるように、第五の位相板２０３と第六の位相板２０４を併用することも可能である。図１０は、本実施形態における変形例としての接眼光学系１００ｆの構成図である。これまでの本実施形態での説明と同様に、半透過反射膜１１２を通った光が複屈折を有する第二のレンズ群１０４を通りＰＢＳ１１４に至るまでに生じる位相差の和が略λ／４になるように構成すればよい。例えば入手可能な位相板に制限がある場合、第五の位相板２０３だけでは位相差の和を略λ／４にすることが困難である可能性がある。しかしこの場合でも、さらに第六の位相板２０４を組み合わせることにより、第一のレンズ群１０５の複屈折を打ち消すための適切な位相差量と軸方位を調整することが可能になるため、コストなどのメリットがある。

【0070】

また、ここまで第二の位相板１１３がλ／４板として説明したが、これに限定されるものではない。レンズの複屈折特性や入手可能な位相板などの実情に合わせて、半透過反射膜１１２を通った光がＰＢＳ１１４に至るまでに生じる位相差の和が略λ／４になるように第五の位相板２０３や第六の位相板２０４の特性（位相差、遅相軸方向）を設定すればよい。

【0071】

なお、第五の位相板２０３もしくは第六の位相板２０４はそれぞれ複数の位相板を張り合わせる等の複合構成をとることも可能である。このような方法の利点としては、例えば入手可能な位相板に制限がある場合でも、複数の位相板を組み合わせることにより最適な位相差板を形成することができ、コストや製作期間などのメリットがある。

【0072】

また、第五の位相板２０３もしくは第六の位相板２０４は第二の位相板１１３に貼り合わせることも可能である。このような構成により、位相板を配置するスペースを抑えることができ、全体的なスペースに制約がある場合でも本実施形態の効果を得ることが可能となる。

【0073】

樹脂レンズの複屈折特性が温度に応じて変化する場合、温度を考慮して位相差の和を設定することが好ましい。例えば、画像表示装置１０１が使用される際の樹脂レンズの温度範囲内において、実際に使用される頻度が高い温度において第二のレンズ群１０４と第五の位相板２０３と第二の位相板１１３とで与えられる位相差の和を略λ／４に設定する。また、第二のレンズ群１０４と第二の位相板１１３と第六の位相板２０４で与えられる位相差の和、または、第二のレンズ群１０４と第五の位相板２０３と第二の位相板と第六の位相板２０４で与えられる位相差の和に関しても同様である。

【0074】

例えば、樹脂レンズの温度が１０℃以上かつ７０℃以下のいずれかの温度である場合において、位相差の和が略λ／４となるように設定される。これにより、実際に使用される際の温度域においては直接ゴースト光が発生しないため、実用上、直接ゴースト光の少ない良好な画像観察が可能になる。

【0075】

一般的に、レンズの複屈折はレンズの中心から周辺にかけて大きくなるため、レンズの複屈折による直接ゴースト光も中心から周辺にかけて強度が大きくなる。このため、レンズの周辺部を通過する直接ゴースト光を低減するため、第五の位相板２０３もしくは第六の位相板２０４もしくはその両方の、遅相軸方向もしくは位相差量の少なくとも一方の特性が中央部と周辺部とで異なる（面内分布を持たせる）ことが好ましい。例えば、樹脂レンズの直接ゴースト光に影響する領域の中央部の位相差がλ／１００、軸方位がθ＝３０°方向、周辺部の位相差がλ／２０、軸方位がθ＝６５°方向であるとする。図８に示す構成すなわち第五の位相板２０３で補正する場合、第二の位相板１１３がλ／４板であるならば、第五の位相板２０３の中央部の位相差はλ／１００、軸方位がθ＝１２０°方向、周辺部の位相差はλ／２０、軸方位がθ＝１５５°方向であればよい。第六の位相板２０４を使用する構成、もしくは第五の位相板２０３と第六の位相板２０４を使用する構成においても、これまでに示した例と同様、位相差の和が略λ／４となるように適切に分布を持たせればよい。

【0076】

レンズの複屈折の状態が温度や個体差などの影響で一定値と考えることが難しい場合でも十分に直接ゴースト光を抑えるため、第五の位相板２０３もしくは第六の位相板２０４もしくはその両方に位相差可変素子を使用することができる。位相差可変素子としては、液晶材料で構成され電力供給することで任意の位相差を実現することができる素子（電圧を印加すると位相差が変化する素子）が知られているが、これに限定されるものではない。位相差可変素子を使用することで、レンズの複屈折の状態変化や製造ばらつき起因などで複屈折特性に個体差がある場合でも、付与する位相量を適切に制御することで複屈折起因の直接ゴースト光や減光を防ぐことができる。また、位相差可変素子自体に面内分布を持たせることで、レンズ複屈折の分布による影響をキャンセルすることも可能である。また、外光のゴースト光を低減して観察画像のコントラストを高めるため、ＰＢＳ１１４と観察者の右眼１０２の眼球との間に偏光板を配置してもよい。

【0077】

また、一般に樹脂レンズの複屈折を低減させるには、レンズ形状は光軸に対して回転対称な円形状であることが好ましい。ただし、ＨＭＤのように頭部に装着する装置においては、軽量化が要求されること、および鼻等の顔への干渉を避けるため、図１３もしくは図１４に示される形状であることが好ましい場合がある。図１３はＤカット、図１４はＩカットと呼ばれ、レンズ外径形状が円形状に対して一部を欠いた形状である。このような形状で樹脂レンズを成形すると複屈折が大きくなるが、その場合でも第五の位相板２０３もしくは第六の位相板２０４を使用することでその複屈折影響をキャンセルさせることができ、小型で軽量なＨＭＤを実現することが可能になる。

【0078】

なお本実施形態においては、画像表示素子は有機ＥＬのように無偏光の光が放射される画像表示素子であるが、これに限定されるものではない。例えば、液晶ディスプレイのように直線偏光の光が放射されるデバイスを用いた場合、偏光板１１０が画像表示素子１０８と実質的に一体となっているため、新たに追加の偏光板を用意する必要がなくなり、薄型化とコストの低減を実現することがきる。

【0079】

（第三の実施形態）
次に、図１１を参照して、本発明の第三の実施形態における接眼光学系の構成を説明する。図１１は、本実施形態における接眼光学系１００ｇの構成図である。なお本実施形態において、画像表示装置の構成は、図１を参照して説明した第一の実施形態と同様であるため、その説明は省略する。

【0080】

本実施形態では、偏光板１１０が透過する偏光方向はθ＝０°方向、第一の位相板１１１の遅相軸はθ＝＋４５°方向、第二の位相板１１３の遅相軸θ＝－４５°方向、ＰＢＳ１１４が透過する偏光方向はθ＝９０度方向である。第一と第二の位相板の位相差はそれぞれλ／４である。

【0081】

本実施形態では、軽量化のため、第一のレンズ群１０５および第二のレンズ群１０４のそれぞれに複屈折特性がある樹脂レンズを使用している。第一のレンズ群１０５に使用する樹脂レンズの複屈折により付与される位相差はλ／２０、軸方位はθ＝１５５°方向であり、第二のレンズ群１０４に使用する樹脂レンズの複屈折により付与される位相差はλ／４０、軸方位はθ＝１５°方向である。これら樹脂レンズの複屈折の影響を考慮し、第一の位相板１１１と第一のレンズ群１０５との間に第三の位相板２０１が、第二のレンズ群１０４と第二の位相板１１３との間に第五の位相板２０３がそれぞれ挿入されている。本実施形態では、第三の位相板２０１の位相差はλ／２０、軸方位はθ＝１５５＋９０＝２４５°方向であり、第五の位相板２０３の位相差はλ／４０、軸方位は１５＋９０＝１０５°方向である。本実施形態の構成により、第一のレンズ群１０５および第二のレンズ群１０４が複屈折特性を有するレンズであった場合でも、画像表示素子を発した光は理想状態となる。

【0082】

すなわち、画像表示素子からの波長λの光が第一の位相板１１１と第三の位相板２０１と第一のレンズ群１０５で生じる位相差の和がλ／４となっている。このため、画像表示素子からの波長λの光が第二の位相板１１３と第二のレンズ群１０４で生じる位相差と第五の位相板２０３で生じる位相差の和は、λ／４（略λ／４）である。第三の位相板２０１および第五の位相板２０３の作用については、第一の実施形態および第二の実施形態と同様である。略λ／４の範囲および光路における偏光状態についても、第一の実施形態および第二の実施形態と同様である。換言すると、接眼光学系１００ｇは、条件式（１４）を満足する。

【0083】

また、第一の実施形態および第二の実施形態と同様に、さらに第四の位相板２０２および第六の位相板２０４を使用した図１２に示される構成を採用してもよい。図１２は、本実施形態における変形例としての接眼光学系１００ｈの構成図である。これまでの実施形態と同様に、接眼光学系は、以下の２つの特徴を有していればよい。第一に、偏光板１１０を通った光が複屈折を有する第一のレンズ群１０５を通り半透過反射膜１１２に至るまでに生じる位相差の和が略λ／４になるように構成されている。第二に、半透過反射膜１１２を通った光が複屈折を有する第二のレンズ群１０４を通りＰＢＳ１１４に至るまでに生じる位相差の和が略λ／４になるように構成されている。また、第三の位相板２０１、第四の位相板２０２、第五の位相板２０３、第六の位相板２０４はそれぞれ複数の位相板を組み合わせて構成することも可能である。

【0084】

また、第一の位相板１１１および第二の位相板１１３はλ／４板に限定されるものではなく、次の２つの特徴を有していればよい。第一に、偏光板１１０を通った光が複屈折を有する第一のレンズ群１０５を通り半透過反射膜１１２に至るまでに生じる位相差の和が略λ／４になるように構成される。第二に、半透過反射膜１１２を通った光が複屈折を有する第二のレンズ群１０４を通りＰＢＳ１１４に至るまでに生じる位相差の和が略λ／４になるように構成される。

【0085】

樹脂レンズの複屈折特性が温度に応じて変化する場合、温度を考慮して位相差の和を設定することが好ましい。例えば、樹脂レンズの温度が１０℃以上かつ７０℃以下のいずれかの温度である場合において、位相差の和が略λ／４となるように設定される。これにより、実際に使用される際の温度域においては直接ゴースト光が発生しないため、実用上、直接ゴースト光の少ない良好な画像観察が可能になる。

【0086】

また第一および第二の実施形態と同様に、第三の位相板２０１、第四の位相板２０２、第五の位相板２０３、第六の位相板２０４はそれぞれ遅相軸方向もしくは位相差量の少なくとも一方の特性が中央部と周辺部とで異なる（面内分布を持たせる）構成であればよい。これにより、レンズ複屈折特性の分布を補償することが可能である。

【0087】

レンズの複屈折状態が温度や個体差などの影響で一定値と考えることが難しい場合でも十分に直接ゴースト光を抑えるため、第三の位相板２０１、第四の位相板２０２、第五の位相板２０３、第六の位相板２０４の少なくとも一つに位相差可変素子を使用可能である。

【0088】

また、一般に樹脂レンズの複屈折を低減させるには、レンズ形状は光軸に対して回転対称な円形状であることが好ましい。ただし、ＨＭＤのように頭部に装着する装置においては、軽量化が要求されること、および鼻等の顔への干渉を避けるため、図１３もしくは図１４に示される形状であることが好ましい場合がある。図１３はＤカット、図１４はＩカットと呼ばれ、レンズ外径形状が円形状に対して一部を欠いた形状である。このような形状で樹脂レンズを成形すると、複屈折が大きくなる。しかしこの場合でも、第三の位相板２０１、第四の位相板２０２、第五の位相板２０３、第六の位相板２０４の少なくとも一つを使用することで、複屈折の影響をキャンセルさせることができ、小型で軽量なＨＭＤを実現可能である。

【0089】

各実施形態によれば、偏光を利用した広画角かつ軽量の接眼光学系のゴーストを低減する点で有利な光学系および画像表示装置を提供することができる。

【0090】

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

【符号の説明】

【0091】

１００ 接眼光学系
１０１ 画像表示装置
１０５ 第一のレンズ群
１０８ 画像表示素子
１１０ 偏光板
１１１ 第一の位相板
１１２ 半透過反射膜
１１３ 第二の位相板
１１４ ＰＢＳ（反射透過偏光板）
２０１ 第三の位相板

【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】