JP7619176B2 - 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 - Google Patents

Description

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。

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。例えば特許文献１に、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記載されている。

特許文献１に記載されるように、導光タイプの虚像表示装置は、画像表示素子からの光（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。

特許第５４２１２８５号公報

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。

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。

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、第１の光学系、第２の光学系を配してなり、画像の中間像が第１の光学系と第２の光学系との間に結像する構成となっている。第１の光学系内に絞りが配される。伝搬光学系に含まれる光学素子のうち絞りよりも導光部材側に配された光学素子による、物体である絞りの結像位置を、絞り結像位置とし、第２の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も導光部材側の光学面から絞り結像位置までの空気換算間隔をＴＬＳとし、第１の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も画像表示素子側の光学面から第２の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も導光部材側の光学面までの間隔をＴＬとしたとき、伝搬光学系は、次式
０．０＜ＴＬＳ／ＴＬ＜０．３
を満たす。

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。

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。 本発明の一実施形態に係る伝搬光学系の光学構成例を示す図である。 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。 本発明の数値実施例１に係る伝搬光学系の光学構成を示す図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

なお、図１では単眼タイプのヘッドマウントディスプレイを示すが、両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。両眼タイプのヘッドマウントディスプレイは、例えば、顔の正中線を挟んで右眼側にも図１の単眼タイプのヘッドマウントディスプレイ１と同様の構成を備える。両眼タイプのヘッドマウントディスプレイの一例として、眼鏡型のウェアラブルデバイスであるスマートグラスが挙げられる。なお、虚像表示装置を片眼側にのみ備える単眼タイプのスマートグラスも本発明の範疇である。また、本発明を適用可能な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。

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からの光が伝搬光学系２０により伝搬され、伝搬された光が導光部材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。

なお、図１では、本実施形態の説明に必要な主たる構成要素を図示しており、例えばこれら主たる構成要素を保持する筐体（スマートグラスの場合、例えば眼鏡型のフレーム）など、一部の構成要素については、その図示を適宜省略する。

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。

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。

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。

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（画素配列領域）のサイズは３ｍｍ×４ｍｍであり、画素数は１万画素程度である。

画像表示素子１０の各画素から発せられた光（すなわち画像光）は、伝搬光学系２０に入射される。

図２は、伝搬光学系２０の光学構成例を示す図である。図２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、第１の光学系であるリレー光学系ＲＬ、第２の光学系であるコリメータ光学系ＬＣを配してなる。リレー光学系ＲＬ及びコリメータ光学系ＬＣは、光軸ＡＸに対して回転対称で正のパワーを有する。

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第１の光学系（リレー光学系ＲＬ）と第２の光学系（コリメータ光学系ＬＣ）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。

リレー光学系ＲＬは、リレー光学系ＲＬとコリメータ光学系ＬＣとの間に、画像表示素子１０より入射された画像光の中間像ＩＮを結像する。

中間像ＩＮは、ヘッドマウントディスプレイ１の装用者が観察する虚像に対する物体となる。すなわち、装用者は、中間像ＩＮと導光部材３０との間にあるコリメータ光学系ＬＣの作用により、画像表示素子１０の後方に形成される拡大虚像を、導光部材３０を介して観察することになる。

ここで、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。

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。

このように、伝搬光学系には、画像表示素子と導光部材とを物理的に離すため、ある程度の全長が必要となる。これと同時に、伝搬光学系には、径を小さく抑えることも要求される。

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、ある程度の全長を確保しつつコリメータ光学系ＬＣの径を小さく抑えるため、本実施形態に係る伝搬光学系２０は、リレー光学系ＲＬにより画像光の中間像ＩＮを結像する構成となっている。

なお、リレー光学系ＲＬは、像を転送するだけの光学系である。そのため、例えばスマートグラスのテンプルに内蔵できる程度にリレー光学系ＲＬを小径に構成することは難しくない。また、伝搬光学系２０をリレー光学系ＲＬを備える構成とすることにより、例えば機構上又は電気系統上の都合で画像表示素子１０と伝搬光学系２０との間隔を確保する必要がある場合にも対応できる。

図３は、導光部材３０の概略構成を示す斜視図である。図３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。

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３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。

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３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。

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。

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３では、便宜上、画像光Ｌ２の各光線に符号Ｌ３を付す。

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。

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。

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３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。

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３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。

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。

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。

リレー光学系ＲＬは、絞りＡを有する。リレー光学系ＲＬ内に絞りＡを配置することにより、リレー光学系ＲＬ内で光路を適切に設定することによる不要光の発生が抑えられ、フレアやゴーストが抑えられる。

ここで、物体である絞りＡの結像位置を「絞り結像位置Ｐ」と記す。絞り結像位置Ｐは、伝搬光学系２０に含まれる光学素子のうち絞りＡよりも導光部材３０側に配された光学素子による絞りＡの結像位置である。

図１に示されるように、コリメータ光学系ＬＣに含まれる各光学素子の各光学面のうち最も導光部材３０側の光学面ＯＰ２から絞り結像位置Ｐまでの空気換算間隔をＴＬＳとし、リレー光学系ＲＬに含まれる各光学素子の各光学面のうち最も画像表示素子１０側の光学面ＯＰ１から光学面ＯＰ２までの間隔をＴＬとしたとき、伝搬光学系２０は、次式（１）
０．０＜ＴＬＳ／ＴＬ＜０．３・・・（１）
を満たす。

なお、絞り結像位置Ｐが光学面ＯＰ２よりも導光部材３０側にあると間隔ＴＬＳがプラスの値となり、絞り結像位置Ｐが光学面ＯＰ２よりも画像表示素子１０側にあると間隔ＴＬＳがマイナスの値となる。

絞り結像位置Ｐ付近では、光軸ＡＸ上で軸上の主光線と軸外の主光線とが交差する。そのため、絞り結像位置Ｐ付近では光束（画像光Ｌ１）の有効範囲を小さくすることができる。そのため、上記式（１）を満たす場合、伝搬光学系２０により伝搬された画像光Ｌ１が入射される第１導光部材３１の入射部を小さくすることができる。

上記式（１）においてＴＬＳ／ＴＬが上限値を超えると、間隔ＴＬＳが大きすぎるため、第１導光部材３１の入射部付近で光速の有効範囲を小さくすることが難しい。そのため、第１導光部材３１の入射部を大きく設計する必要が出てくる。

上記式（１）においてＴＬＳ／ＴＬが下限値を下回ると、絞り結像位置Ｐが光学面ＯＰ２よりも画像表示素子１０側になるため、第１導光部材３１の入射部付近で光速の有効範囲を小さくすることが難しい。そのため、第１導光部材３１の入射部を大きく設計する必要が出てくる。

伝搬光学系２０は、次式（２）を満たすことがより好適である。
０．０＜ＴＬＳ／ＴＬ＜０．２・・・（２）

リレー光学系ＲＬは、画像表示素子１０側から導光部材３０側に向かって順に、前群Ｇ１、後群Ｇ２を配してなる。ここで、リレー光学系ＲＬに含まれる各光学素子同士の各間隔のうち最も広い間隔に符号ＴＬＲａと付す。前群Ｇ１は、間隔ＴＬＲａよりも画像表示素子１０側に配された光学素子よりなる。後群Ｇ２は、間隔ＴＬＲａよりも導光部材３０側に配された光学素子よりなる。

間隔ＴＬＲａを適切に設定することにより、伝搬光学系２０の全長を適切な長さ（スマートグラスの例では、上述したように画像表示素子１０をテンプル（こめかみ付近）に設置できる程度の長さ）に設定しつつ各種収差を良好に補正することが可能となる。

図２に示されるように、前群Ｇ１と後群Ｇ２との間（言い換えると間隔ＴＬＲａ）に絞りＡが配置される。なお、絞りＡの位置は前群Ｇ１と後群Ｇ２との間に限らない。後述する数値実施例３又は４に示されるように、絞りＡは、前群Ｇ１内に配置されてもよい。

絞りＡを前群Ｇ１付近又は前群Ｇ１内に配置することにより、リレー光学系ＲＬの径を小さく抑えつつ各種収差を良好に補正することが可能となる。

リレー光学系ＲＬの全長をＴＬＲとしたとき、伝搬光学系２０は、次式（３）
０．３＜ＴＬＲａ／ＴＬＲ＜０．６・・・（３）
を満たすことが望ましい。

上記式（３）においてＴＬＲａ／ＴＬＲが上限値を超えると、リレー光学系ＲＬの全長に対して前群Ｇ１と後群Ｇ２との間隔ＴＬＲａが占める割合が過大となり、前群Ｇ１と後群Ｇ２を配置するためのスペースが小さくなって、各種収差を良好に補正することが難しくなる。

上記式（３）においてＴＬＲａ／ＴＬＲが下限値を下回ると、前群Ｇ１と後群Ｇ２との間隔ＴＬＲａが小さくなりすぎて、伝搬光学系２０の全長を確保しつつリレー光学系ＲＬ内において各種収差を良好に補正することが難しくなる。

好ましくは、前群Ｇ１は、画像表示素子１０側から導光部材３０側に向かって順に、正レンズＬ１１、負レンズＬ１２、正レンズＬ１３を配してなる。

このように前群Ｇ１を構成することにより、色収差を良好に補正し、特に球面収差やコマ収差等を良好に補正することができる。収差をより良好に補正するため、正レンズＬ１１、負レンズＬ１２、正レンズＬ１３の各レンズ面を非球面で構成することが望ましい。

好ましくは、後群Ｇ２は、画像表示素子１０側から導光部材３０側に向かって順に、正レンズＬ２１、負レンズＬ２２を配してなる。

このように後群Ｇ２を構成することにより、前群Ｇ１やコリメータ光学系ＬＣにおける残存収差を正負２枚のレンズで補正することができ、各種収差をより一層良好に抑えることができる。収差をより良好に補正するため、正レンズＬ２１、負レンズＬ２２の各レンズ面を非球面で構成することが望ましい。

光学面ＯＰ１から絞りＡまでの間隔をＴＬＡとし、画像表示素子１０の画像表示領域の対角長をＹとしたとき、伝搬光学系２０は、次式（４）
２＜ＴＬＡ／Ｙ＜５・・・（４）
を満たすことが望ましい。

ここで、画像表示素子１０より発せられる画像光は光軸ＡＸと平行な光が最も強い。そのため、伝搬光学系２０は、光軸ＡＸと平行な光を取り込めるほど、より多くの光を取り込めることとなる。上記式（４）を満たすことにより、リレー光学系ＲＬの径を小さく抑えつつ、伝搬光学系２０がより多くの光（特に光軸ＡＸと平行な光）を取り込むことができる。

上記式（４）においてＴＬＡ／Ｙが上限値を超えると、画像表示素子１０から絞りＡまでの間隔が大きくなりすぎるため、リレー光学系ＲＬの径を小さく抑えつつ伝搬光学系２０が多くの光を取り込むことが難しくなる。

上記式（４）においてＴＬＡ／Ｙが下限値を下回ると、光軸ＡＸに対する軸外の主光線の角度が大きくなりすぎて、周辺の光量を多く取り込むことが難しくなる。

絞りＡの対角方向の開口の大きさをＡＰとしたとき、伝搬光学系２０は、次式（５）
０．５＜ＡＰ／Ｙ＜２．０・・・（５）
を満たすことが望ましい。

上記式（５）においてＡＰ／Ｙが上限値を超えると、絞りＡが大きくなりすぎて、リレー光学系ＲＬの径を小さく抑えることが難しくなる。

上記式（５）においてＡＰ／Ｙが下限値を下回ると、絞りＡが小さくなりすぎて、伝搬光学系２０が多くの光を取り込むことが難しくなる。

リレー光学系ＲＬの横倍率をβ＿ｒｅｌａｙとしたとき、伝搬光学系２０は、次式（６）
－２．０＜β＿ｒｅｌａｙ＜－１．０・・・（６）
を満たすことが望ましい。

画像表示素子１０の画像表示領域が大きくなると、ＰＣＢ（Printed Circuit Board）等の電気系統の部品等も大きくなり、小型化が難しくなる。一方、画角を広くするためには中間像ＩＮは比較的大きい必要がある。このような観点から、上記式（６）は、リレー光学系ＲＬの横倍率β＿ｒｅｌａｙの好適な範囲を規定するものとなっている。

コリメータ光学系ＬＣは、画像表示素子１０側から導光部材３０側に向かって順に、レンズＬ３１、レンズＬ３２を配してなる。また、これまで説明したように、伝搬光学系２０は、リレー光学系ＲＬとコリメータ光学系ＬＣを配してなる。

伝搬光学系２０をリレー光学系ＲＬとコリメータ光学系ＬＣで構成することにより、コリメータ光学系ＬＣがシンプルな構成（具体的には２枚構成）であるにも拘わらず各種収差を良好に補正することが可能となる。

レンズＬ３１が正レンズであり、コリメータ光学系ＬＣの焦点距離をｆｃとし、レンズＬ３１の焦点距離をｆｃ１としたとき、伝搬光学系２０は、次式（７）
０．５＜ｆｃ１／ｆｃ＜１．０・・・（７）
を満たすことが望ましい。

上記式（７）が満たされない場合、絞り結像位置Ｐを適切な位置にしつつ各種収差を良好に補正することが難しくなる。

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。

《数値実施例１～４の共通事項》
・対角長Ｙ ：６ｍｍ
・表の番号１～２ ：画像表示素子１０の面（番号２は画素配列面）
・表の番号３～１３ ：リレー光学系ＲＬの各光学素子の各光学面
・表の番号１４～１７：コリメータ光学系ＬＣの各光学素子の各光学面
・表の番号１８～１９：平行平板（具体的には導光部材３０）
・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

［数値実施例１］
図４は、本発明の数値実施例１に係る伝搬光学系２０の光学構成を示す図である。図４に示されるように、伝搬光学系２０は、画像表示素子１０側から順に、リレー光学系ＲＬ、コリメータ光学系ＬＣを配してなる。リレー光学系ＲＬの前群Ｇ１は、画像表示素子１０側から順に、導光部材３０側に凸のメニスカスレンズ（正レンズＬ１１）、両凹レンズ（負レンズＬ１２）、両凸レンズ（正レンズＬ１３）を配してなる。リレー光学系ＲＬの後群Ｇ２は、画像表示素子１０側から順に、導光部材３０側に凸のメニスカスレンズ（正レンズＬ２１）、両凹レンズ（負レンズＬ２２）を配してなる。絞りＡは、前群Ｇ１と後群Ｇ２との間（言い換えると間隔ＴＬＲａ）に配置される。コリメータ光学系ＬＣは、画像表示素子１０側から順に、正のパワーを有する両凸レンズ（レンズＬ３１）、正のパワーを有する、導光部材３０側に凸のメニスカスレンズ（レンズＬ３２）を配してなる。

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。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。アッベ数の右蘭には、光学素子の材質の商品名及び製造者を記す。なお、数値実施例１では、虚像の対角の画角が４０．５度であり、最大物体高さが３ｍｍである。

［表１］

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。

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

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。

［表２］

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。

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。

下記の通り、数値実施例１では、上記式（１）～（７）が全て満たされる。
ＴＬＳ／ＴＬ ： ０．１１（式（１）及び（２）参照）
ＴＬＲａ／ＴＬＲ： ０．４６（式（３）参照）
ＴＬＡ／Ｙ ： ３．８１（式（４）参照）
ＡＰ／Ｙ ： １．００（式（５）参照）
β＿ｒｅｌａｙ ：－１．４６（式（６）参照）
ｆｃ１／ｆｃ ： ０．７９（式（７）参照）

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）～（７）を満たすことによる各種効果が奏される。

［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に配された各レンズの形状タイプ（すなわち「両凹」、「両凸」、「メニスカス」等）は、数値実施例１と同一である。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。数値実施例２の各非球面のデータは、表４に示される。なお、数値実施例２では、虚像の対角方向の画角が５０．４度であり、最大物体高さが３ｍｍである。

［表３］

［表４］

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。

下記の通り、数値実施例２においても上記式（１）～（７）が全て満たされる。
ＴＬＳ／ＴＬ ： ０．０９（式（１）及び（２）参照）
ＴＬＲａ／ＴＬＲ： ０．４８（式（３）参照）
ＴＬＡ／Ｙ ： ３．６８（式（４）参照）
ＡＰ／Ｙ ： １．１７（式（５）参照）
β＿ｒｅｌａｙ ：－１．５２（式（６）参照）
ｆｃ１／ｆｃ ： ０．８８（式（７）参照）

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（特に対角方向に５０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）～（７）を満たすことによる各種効果が奏される。

［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では、正レンズＬ１１及び正レンズＬ２１が両凸レンズとなっている。数値実施例３において、正レンズＬ１１及び正レンズＬ２１以外の各レンズの形状タイプは、数値実施例１と同一である。また、数値実施例３では、絞りＡが前群Ｇ１内（具体的には、負レンズＬ１２と正レンズＬ１３との間）に配置されている。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。数値実施例３の各非球面のデータは、表６に示される。なお、数値実施例３では、虚像の対角方向の画角が４０．３度であり、最大物体高さが３ｍｍである。

［表５］

［表６］

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。

下記の通り、数値実施例３においても上記式（１）～（７）が全て満たされる。
ＴＬＳ／ＴＬ ： ０．１０（式（１）及び（２）参照）
ＴＬＲａ／ＴＬＲ： ０．４５（式（３）参照）
ＴＬＡ／Ｙ ： ３．２８（式（４）参照）
ＡＰ／Ｙ ： ０．９３（式（５）参照）
β＿ｒｅｌａｙ ：－１．３４（式（６）参照）
ｆｃ１／ｆｃ ： ０．８１（式（７）参照）

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）～（７）を満たすことによる各種効果が奏される。

［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では、正レンズＬ１１が両凸レンズとなっている。数値実施例４において、正レンズＬ１１以外の各レンズの形状タイプは、数値実施例１と同一である。また、数値実施例４でも数値実施例３と同様に、絞りＡが負レンズＬ１２と正レンズＬ１３との間に配置されている。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。数値実施例４の各非球面のデータは、表８に示される。なお、数値実施例４では、虚像の対角方向の画角が４５．４度であり、最大物体高さが３ｍｍである。

［表７］

［表８］

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。

下記の通り、数値実施例４においても上記式（１）～（７）が全て満たされる。
ＴＬＳ／ＴＬ ： ０．１１（式（１）及び（２）参照）
ＴＬＲａ／ＴＬＲ： ０．４４（式（３）参照）
ＴＬＡ／Ｙ ： ２．７９（式（４）参照）
ＡＰ／Ｙ ： ０．９３（式（５）参照）
β＿ｒｅｌａｙ ：－１．２３（式（６）参照）
ｆｃ１／ｆｃ ： ０．８１（式（７）参照）

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）～（７）を満たすことによる各種効果が奏される。

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。

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
Ａ ：絞り
Ｇ１ ：前群
Ｇ２ ：後群
ＬＣ ：コリメータ光学系
ＲＬ ：リレー光学系

Claims (12)

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、第１の光学系、第２の光学系を配してなり、前記画像の中間像が前記第１の光学系と前記第２の光学系との間に結像し、
   前記第１の光学系内に絞りが配され、
   前記伝搬光学系に含まれる光学素子のうち前記絞りよりも前記導光部材側に配された光学素子による、物体である前記絞りの結像位置を、絞り結像位置とし、前記第２の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も前記導光部材側の光学面から前記絞り結像位置までの空気換算間隔をＴＬＳとし、前記第１の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も前記画像表示素子側の光学面から前記第２の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も前記導光部材側の光学面までの間隔をＴＬとしたとき、次式
   ０．０＜ＴＬＳ／ＴＬ＜０．３
   を満たす、
   伝搬光学系。
2. 前記第１の光学系は、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、前群、後群を配してなり、
   前記前群は、前記第１の光学系に含まれる各光学素子同士の各間隔のうち最も広い間隔よりも前記画像表示素子側に配された光学素子よりなり、
   前記後群は、前記最も広い間隔よりも前記導光部材側に配された光学素子よりなり、
   前記絞りは、前記前群内又は前記前群と前記後群との間に配置される、
   請求項１に記載の伝搬光学系。
3. 前記第１の光学系の全長をＴＬＲとし、前記最も広い間隔をＴＬＲａとしたとき、次式
   ０．３＜ＴＬＲａ／ＴＬＲ＜０．６
   を満たす、
   請求項２に記載の伝搬光学系。
4. 前記前群は、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、正レンズ、負レンズ、正レンズを配してなる、
   請求項２又は請求項３に記載の伝搬光学系。
5. 前記後群は、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、正レンズ、負レンズを配してなる、
   請求項２から請求項４の何れか一項に記載の伝搬光学系。
6. 前記第１の光学系に含まれる各光学素子の各光学面のうち最も前記画像表示素子側の光学面から前記絞りまでの間隔をＴＬＡとし、前記画像表示素子の対角長をＹとしたとき、次式
   ２＜ＴＬＡ／Ｙ＜５
   を満たす、
   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。
7. 前記絞りの対角方向の開口の大きさをＡＰとし、前記画像表示素子の対角長をＹとしたとき、次式
   ０．５＜ＡＰ／Ｙ＜２．０
   を満たす、
   請求項１から請求項６の何れか一項に記載の伝搬光学系。
8. 前記第１の光学系の横倍率をβ＿ｒｅｌａｙとしたとき、次式
   －２．０＜β＿ｒｅｌａｙ＜－１．０
   を満たす、
   請求項１から請求項７の何れか一項に記載の伝搬光学系。
9. 前記第１の光学系はリレー光学系であり、
   前記第２の光学系はコリメータ光学系であり、
   前記第２の光学系は２枚のレンズを配してなる、
   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。
10. 前記第２の光学系のうち前記画像表示素子側に配されたレンズが正レンズであり、
    前記第２の光学系の焦点距離をｆｃとし、前記画像表示素子側に配された正レンズの焦点距離をｆｃ１としたとき、次式
    ０．５＜ｆｃ１／ｆｃ＜１．０
    を満たす、
    請求項９に記載の伝搬光学系。
11. 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１０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。
12. 請求項１１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。