JP2019061079A - 導光装置および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハーフミラーの配列方向に対応する方向での表示ムラの発生を抑制することのできる導光装置、および表示装置を提供すること。【解決手段】表示装置１００に用いた導光装置５０は、一方端側から他方端側に向けて延在する導光体６０と、導光体６０の一方面６２に配置された反射ユニット７０とを有している。反射ユニット７０は、互いに平行になるように導光体６０の一方面６２に対して傾斜して導光体６０の延在方向に配列された複数のハーフミラー７６と、隣り合うハーフミラー７６の間に設けられた透光部７７とを含んでいる。複数のハーフミラー７６は、０．５ｍｍ未満のピッチで配列され、複数のハーフミラー７６は各々、反射率が５０％以下である。【選択図】図３

Description

本発明は、入射した光を所定方向に反射するハーフミラーを備えた導光装置、および表示装置に関するものである。

画像光出射装置から出射された画像光を、導光装置を介して観察者の眼の入射させる表示装置が提案されている（特許文献１参照）。かかる表示装置において、導光装置は、一方端側から他方端側に向けて延在する導光体と、導光体の一方面に配置された反射ユニットとを有しており、反射ユニットでは、互いに平行になるように導光体の一方面に対して傾斜する複数のハーフミラーが設けられている。導光装置では、導光体の一方端側から入射した画像光は、導光体を介して反射ユニットに入射した後、ハーフミラーによって導光体とは反対側に反射され、観察者の眼に入射する。特許文献１では、画像光の干渉による波長分散等の起因する表示特性の低下を抑制するために、ハーフミラーのピッチを０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下に設定することが提案されている。

特開２０１７−３８４５号公報

しかしながら、ハーフミラーのピッチを０．５ｍｍ以上に設定した場合、画像において、ハーフミラーの配列方向に対応する方向に表示ムラが発生しやすいという問題点がある。

ここに、本願発明者は、特許文献１において、ハーフミラーのピッチを０．５ｍｍ以上に設定するという条件は、導光装置の出射部に多スリット回折素子を用いた場合の理論をそのまま適用した場合の条件であり、ハーフミラーを備えた反射ユニットでは、上記の画像光の干渉が問題となりにくい、という新たな知見を得た。

本発明の課題は、上記の新たな知見に基づいて、ハーフミラーの配列方向に対応する方向での表示ムラの発生を抑制することのできる導光装置、および表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る導光装置の一態様は、一方端側から他方端側に向けて延在する導光体と、前記導光体の延在方向に対して交差する方向で対向する前記導光体の２つの面の一方面に重なるように配置された反射ユニットと、を有し、前記反射ユニットは、互いに平行になるように前記導光体の一方面に対して傾斜して前記導光体の延在方向に沿うように配列された複数のハーフミラーと、前記複数のハーフミラーのうち、隣り合うハーフミラーの間に設けられた透光部と、を含み、前記複数のハーフミラーの前記延在方向におけるピッチが０．５ｍｍ未満であり、前記複数のハーフミラーは各々、反射率が５０％以下であることを特徴とする。

本発明では、ハーフミラーのピッチを０．５ｍｍ未満に設定したため、反射ユニットから出射された画像光によって形成された画像において、ハーフミラーの配列方向に対応する方向での表示ムラの発生を抑制することができる。この場合でも、画像光の干渉が発生しにくいので、コントラストの低下が発生しにくい。また、ハーフミラーの反射率に上限（５０％）を設けたため、ハーフミラーのピッチを０．５ｍｍ未満に設定したことに起因するコントラストの低下を抑制することができる。

本発明において、前記複数のハーフミラーは各々、反射率が４０％以下である態様を採用することができる。かかる態様によれば、ハーフミラーのピッチを０．５ｍｍ未満に設定したことに起因するコントラストの低下をより抑制することができる。

本発明において、前記複数のハーフミラーは各々、前記導光体の一方面に対して４５°以上の角度をなしている態様を採用することができる。すなわち、ハーフミラーのピッチに比して、反射ユニットの厚さが厚い態様を採用することができる。

本発明において、前記複数のハーフミラーでは、偏光に対する反射特性が異なるハーフミラーが前記延在方向に沿って交互に配置されている態様を採用することができる。かかる態様によれば、画像光がハーフミラーを透過することに起因するコントラストの低下を抑制することができる。

本発明を適用した導光装置を備えた表示装置は、画像光を出射する画像光出射装置を有し、前記画像光は、前記導光体の前記一方端側から前記導光体に入射して、前記複数のハーフミラーによる反射によって前記反射ユニットから出射されることを特徴とする。

本発明に係る表示装置において、前記画像光は、前記反射ユニットから出射される間に前記複数のハーフミラーを透過する枚数が８枚未満である態様を採用することができる。ハーフミラーを透過する枚数が多い程、コントラストが低下することから、透過する枚数の上限（８枚）を設定することにより、コントラストの低下を抑制することができる。

本発明に係る表示装置において、前記画像光出射装置では、前記反射ユニットの周波数特性を打ち消す画像処理が画像信号に施される態様を採用することができる。ハーフミラーを用いた場合、コントラストの指標であるＯＴＦ（光学伝達関数）が０になる周波数がないことから、ハーフミラーアレイで減衰した高周波数成分を強調した表示を行うことで情報を復元することができる。

本発明に係る表示装置において、前記画像処理は、高周波数強調フィルター処理である態様を採用することができる。

本発明において、前記高周波数強調フィルター処理のフィルター特性が、前記反射ユニットから出射される画像において、前記ハーフミラーの配列方向に対応する第１方向と、前記配列方向に対して直交する方向に対応する第２方向とにおいて異なる態様を採用することができる。

本発明を適用した表示装置の外観の一態様を示す外観図。 図１に示す表示部の光学系の平面図。 図２に示す導光装置の一部を拡大して示す説明図。 空間周波数とコントラスト感度との関係を示す説明図。 図３に示す導光装置での各光線のハーフミラーの透過回数等を示す説明図。 図３に示す導光装置においてハーフミラーの透過回数と導光装置の各位置から出射される光の強度分布との関係を示す説明図。 図３に示す導光装置においてハーフミラーの透過回数と出射光のＯＴＦ特性との関係を示す説明図。 図３に示す導光装置におけるハーフミラーのピッチと導光装置の各位置から出射される光の強度分布との関係を示す説明図。 図３に示す導光装置におけるハーフミラーのピッチと出射光のＯＴＦ特性との関係を示す説明図。 図３に示す導光装置におけるハーフミラーの反射率と導光装置の各位置から出射される光の強度分布との関係を示す説明図。 図３に示す導光装置におけるハーフミラーの反射率と出射光のＯＴＦ特性との関係を示す説明図。 図３に示す導光装置の各波長の光に対するＯＴＦ特性を示す説明図。 多スリット回折素子を用いた参考例に係る導光装置の各波長の光に対するＯＴＦ特性を示す説明図。 図３に示す導光装置におけるハーフミラーのピッチと画像のシミュレーション結果との関係を示す説明図。 図３に示す導光装置における点像広がり関数ＰＳＦの算出結果を示す説明図。 点像を図１５に示すＰＳＦで画像変調した場合の説明図。 元画像にフィルター処理を行わないときの表示特性を示す説明図。 元画像にフィルター処理を行ったときの表示特性を示す説明図。 本発明の別の実施形態に係る表示装置の説明図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度や角度を実際とは異ならせしめている。

（全体構成）
図１は、本発明を適用した表示装置１００の外観の一態様を示す外観図である。図２は、図１に示す表示部１０の光学系の平面図である。なお、図１および図２では、前後方向にＺを付し、横方向にＸを付し、上下方向にＹを付してある。また、前側にＺ１を付し、後側にＺ２を付し、上側にＹ１を付し、下側にＹ２を付してある。また、右眼用の表示部１０ａを示す図２では、右側（耳側）にＸ１を付し、左側（鼻側）にＸ２を付してある。また、図２および後述する図３では、画像光出射装置２０から出射される画像光Ｌ０として、画角の中央の光線Ｌ１と画角の両端の光線Ｌ２、Ｌ３とを示してある。

図１に示す表示装置１００は、シースルー型のアイグラスディスプレイ等の頭部装着型表示装置であり、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用の表示部１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用の表示部１０ｂとを有している。表示装置１００は、表示部１０ａ、１０ｂを保持するフレーム９０を有しており、フレーム９０は観察者の頭部に装着される。フレーム９０は、後述する右眼用導光装置５０ａ、および左眼用導光装置５０ｂを各々、保持する前部分９１を有しており、フレーム９０の右側のテンプル９２ａ、および左側のテンプル９２ｂの各々に、図２を参照して後述する画像光出射装置２０等が保持されている。

右眼用の表示部１０ａと左眼用の表示部１０ｂとは、同一の構成をもって左右対称に配置されている。従って、以下の説明では、右眼用の表示部１０ａを中心に説明し、左眼用の表示部１０ｂについては説明を省略する。また、以下の説明では、右眼用の表示部１０ａと左眼用の表示部１０ｂとを区別せずに、表示部１０として説明する。

図２に示すように、表示部１０（表示部１０ａ）は、画像光Ｌ０を出射する画像光出射装置２０と、画像光出射装置２０から出射された画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて出射する導光装置５０とを有している。また、表示部１０は、画像光出射装置２０から導光装置５０に向かう光路に、画像光出射装置２０から出射された画像光Ｌ０を導光装置５０に向かわせる投射光学系３０を有している。導光装置５０は、眼Ｅの前側Ｚ１に配置され、画像光出射装置２０は側頭部に配置され、投射光学系３０は、画像光出射装置２０の前側に配置されている。

画像光出射装置２０は、有機エレクトロルミネッセンス表示素子等の表示パネル２１を備えている態様を採用することができる。かかる態様によれば、小型で高画質な画像表示が可能な表示部１０を提供することができる。また、画像光出射装置２０は、照明光源（図示せず）と、照明光源から出射された照明光を変調する液晶表示素子等の表示パネル２１とを備えている態様を採用してもよい。かかる態様によれば、照明光源の選択が可能なため、画像光Ｌ０の波長特性の自由度が広がるという利点がある。ここで、画像光出射装置２０は、カラー表示可能な１枚の表示パネル２１を有する態様を採用することができる。また、画像光出射装置２０は、各色に対応する複数の表示パネル２１と、複数の表示パネル２１から出射された各色の画像光を合成する合成光学系とを有する態様を採用してもよい。さらに、画像光出射装置２０は、レーザー光をマイクロミラーデバイスで変調する態様を採用してもよい。

投射光学系３０は、例えば、複数のレンズを有している。かかる投射光学系３０には、例えば、自由曲面からなるレンズ面を備えたレンズが用いられる。

（導光装置５０の構成）
図３は、図２に示す導光装置５０の一部を拡大して示す説明図である。図２および図３に示すように、導光装置５０は、横方向Ｘの一方側Ｘ１（一方端６４）から他方側Ｘ２（他方端６９）に向けて延在する導光体６０と、導光体６０の延在方向（横方向Ｘ）に対して交差する方向（前後方向Ｚ）で対向する導光体６０の２つの面の一方面６２に重なるように配置された反射ユニット７０とを有している。導光体６０と反射ユニット７０とは、透光性の接着剤（図示せず）によって接合されている。

導光体６０は、前後方向Ｚの後側Ｚ２に位置する一方面６２と、前後方向Ｚの前側Ｚ１に位置する他方面６３とが平行に対向して横方向Ｘに延在する板状の導光部６１を有している。また、導光体６０の一方端６４には、画像光Ｌ０の入射部６５が設けられており、導光部６１と入射部６５とは一体の導光性部材からなる。

入射部６５は、前後方向Ｚの後側Ｚ２、かつ、横方向Ｘの一方側Ｘ１に向いた入射面６６と、入射面６６に対して前側Ｚ１に配置された反射面６７とを有しており、反射面６７は、概ね、前側Ｚ１に向いている。本形態において、入射面６６および反射面６７は、自由曲面になっている。ここで、入射面６６は、空気と接する界面からなり、臨界角より小さい入射角の光線を透過する一方、臨界角より大きい入射角の光線を反射する。反射面６７も、入射面６６と同様、空気と接する界面によって構成してもよいが、本形態では、反射面６７には、アルミニウム層等の金属層からなる反射層６８が形成されている。

反射ユニット７０は、導光体６０の一方面６２に接する前側Ｚ１の第１面７１と、第１面７１に対向する後側Ｚ２の第２面７２とが平行に横方向Ｘに延在する板状部材であり、厚さは（第１面７１および第２面７２に対して垂直な方向の寸法）は、ｈである。反射ユニット７０において、第１面７１と第２面７２との間には、互いに平行になるように導光体６０の一方面６２に対して傾斜して導光体６０の延在方向（横方向Ｘ）にピッチｐで配列された複数のハーフミラー７６と、複数のハーフミラー７６のうち、隣り合うハーフミラー７６の間に設けられた透光部７７とを含んでいる。複数のハーフミラー７６は各々、誘電体多層膜や、アルミニウム薄膜等の金属薄膜からなる。本形態において、複数のハーフミラー７６は各々、誘電体多層膜からなる。透光部７７は、導光体６０と屈折率が同一あるいは略同一である。本形態において、複数のハーフミラー７６は各々、導光体６０の一方面６２に対して４５°以上の角度をなしている。すなわち、ハーフミラー７６のピッチｐに比して、反射ユニット７０の厚さｈが厚くなっている。

ここで、ハーフミラー７６のピッチｐは、ハーフミラー７６に対して垂直な方向におけるハーフミラー７６同士の対向距離ではなく、導光体６０の延在方向におけるハーフミラー７６の距離である。すなわち、ハーフミラー７６のピッチｐは、ハーフミラー７６と第１面７１とが接する位置、あるいはハーフミラー７６と第２面７２とが接する位置の間隔に相当する。

（動作）
このように構成した表示部１０において、投射光学系３０から出射された画像光Ｌ０は、投射光学系３０を介して導光体６０の入射部６５の入射面６６から入射部６５の内部に進入した後、反射面６７に向かう。次に、画像光Ｌ０は、反射面６７で入射面６６に向けて反射した後、入射面６６で反射し、導光部６１の他方面６３に向けて進行する。次に、画像光Ｌ０は、他方面６３で反射した後、入射面６６に対して斜め方向に進行する。次に、画像光Ｌ０は、入射面６６を透過した後、反射ユニット７０の第１面７１から反射ユニット７０の内部に進行し、ハーフミラー７６に入射する。

次に、ハーフミラー７６に入射した画像光Ｌ０の一部は、ハーフミラー７６で反射した後、反射ユニット７０の第２面７２から出射され、観察者の眼Ｅに到達する。ハーフミラー７６に入射した画像光Ｌ０の他の一部は、ハーフミラー７６を透過した後、隣りのハーフミラー７６で反射し、反射ユニット７０の第２面７２から観察者の眼Ｅに向けて出射される。従って、観察者は画像を認識することができる。また、導光体６０に対して反射ユニット７０とは反対側（前側Ｚ１）から入射した外光は、ハーフミラー７６を透過して観察者の眼Ｅに到達する。従って、観察者は、外界の様子を視認することできる。

（反射ユニット７０の詳細構成）
本形態では、以下の検討結果に基づいて、複数のハーフミラー７６のピッチｐを０．５ｍｍ未満に設定し、反射率を５０％以下に設定してある。ここで、複数のハーフミラー７６のピッチｐについては、０．５ｍｍ未満、かつ、０．１ｍｍを超えることが好ましい。また、複数のハーフミラー７６の反射率は、４０％以下、さらには３０％以下であることが好ましい。また、図２に示す表示部１０において、画像光Ｌ０は、反射ユニット７０から出射される間に複数のハーフミラー７６を透過する枚数が８枚未満であることが好ましい。

（基準周波数について）
図４は、空間周波数とコントラスト感度との関係を示す説明図であり、以下の文献を引用したものである。図４では、網膜照度が３ｔｄ、１０ｔｄ、１００ｔｄ、１０００ｔｄのコントラスト感度特性を各々、実線Ｌ３ｔｄ、Ｌ１０ｔｄ、Ｌ１００ｔｄ、Ｌ１０００ｔｄで示してある。
Ａ．Ｓ．Ｐａｔｅｌ，“Ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｖｉｓｕａｌ ｓｙｓｔｅｍ”，Ｊ．Ｏｐｔ．ｓｏｃ．Ａｍ．，ｖｏｌ．５６，ｐｐ．６８９−６９４（１９６６）

以下の説明において、ＯＴＦ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：光学伝達関数）は、表示内容や表示明るさにより異なるが、ヒトの眼の特性を考えると、基準周波数におけるＯＴＦが０．１以上であることが好ましい。また、基準周波数におけるＯＴＦは、さらに好ましくは、０．２以上、さらには、０．４以上であることが好ましい。

ここで、図４に示すように、コントラスト感度は、照度によって変化し、照度が高い方がコントラスト感度が上昇する。従って、網膜照度が１０ｔｄを超える条件で概ね１０％以上のコントラストを確保するという観点から、３０ｃｙｃｌｅｓ／ｄｅｇを基準周波数とする。また、視力１．０で１／６０ｄｅｇの解像力なので、ラインペアで考えれば、１／３０ｄｅｇ（３０ｃｙｃｌｅｓ／ｄｅｇ）を基準周波数とする。または、例えば、３０ｄｅｇの画角に１２８０のドット表示する場合には、表示画素が区別できる周波数として、１２８０／３０＝４３ｃｙｃｌｅｓ／ｄｅｇを基準周波数にしてもよい。

（反射回数とＯＴＦとの関係）
図５は、図３に示す導光装置５０での各光線の各光線のハーフミラーの透過回数等を示す説明図である。図６は、図３に示す導光装置５０においてハーフミラー７６の透過回数と導光装置５０の各位置から出射される光の強度分布との関係を示す説明図である。図７は、図３に示す導光装置５０においてハーフミラー７６の透過回数と出射光のＯＴＦ特性との関係を示す説明図である。なお、以下に説明するＯＴＦ特性を示すグラフにおいて、縦軸はＯＴＦの絶対値（ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ））であるが、以下の説明では、ＯＴＦとＭＴＦを区別せずに、ＯＴＦとして説明する。また、図６および図７に示す結果は、波長５５０ｎｍの光に対するデータである。

図２および図３を参照して説明した表示部１０において、画像光Ｌ０のうち、画角の中央の光線Ｌ１、画角のＸ方向の他方側Ｘ１の端の光線Ｌ２、および画角のＸ方向の一方側Ｘ２の端の光線Ｌ３は、反射ユニット７０から出射されるまでのハーフミラー７６の透過枚数が異なる。例えば、図３に示す例では、導光部６１において入射部６５からより遠い位置から眼Ｅに向けて進行する光線Ｌ３の方が、導光部６１において入射部６５に近い位置から眼Ｅに向けて進行する光線Ｌ２よりハーフミラー７６の透過枚数が多く、光線がより多く分岐する。例えば、導光部６１において入射部６５から遠い位置から眼Ｅに向けて進行する光線Ｌ３は、ハーフミラー７６の透過枚数が７枚であり、光線が８本に分岐する。導光部６１において入射部６５に近い位置から眼Ｅに向けて進行する光線Ｌ２は、ハーフミラー７６の透過枚数が２枚であり、光線が３本に分岐する。導光部６１の中央から眼Ｅに向けて進行する光線Ｌ１は、ハーフミラー７６の透過枚数が３枚であり、光線が４本に分岐する。

また、図５において、ハーフミラー７６の反射率をｒとし、ハーフミラー７６の透過回数をｎとした場合、各光線の強度は、以下の式によって表される。
Ｉ（Ｃ（ｎ））＝ｒ・（１−ｒ）^ｎ−１
従って、図５に示す各光線Ｃ１、Ｃ２・・・の強度を比較すると、光線の強度は、以下に示すように、横方向Ｘの他方側Ｘ２にいくに従い、弱くなっていく。
Ｃ５＜Ｃ４＜Ｃ３＜Ｃ２＜Ｃ１

それ故、ハーフミラー７６の反射率を２０％とし、瞳径を３ｍｍとし、分岐数ｎを４または８とした場合における横方向Ｘの各位置における強度分布をシミュレーションすると、図６に示す結果となる。図６には、分岐数ｎを８とした場合の結果を破線Ｌ５１で示し、分岐数を４とした場合の結果を点線Ｌ５２で示す。図６には、比較例として、多スリット回折素子を用いた場合の結果を実線Ｌ５０で示してある。図６に示すように、ハーフミラー７６を用いた場合、多スリット回折素子を用いた場合と違って、１枚のハーフミラー７６に注目した表示状態（光強度）は、概ね鋸歯状になる。

そこで、図６に示す自己相関関数に基づいて、ＯＴＦ（光伝達関数）特性を求めた結果を図７に示す。ＯＴＦは、瞳強度分布の自己相関関数であり、空間周波数に対する強度変調を示す。従って、ＯＴＦが小さいと、その周波数の情報は観察者に認識されなくなる。図７には、分岐数ｎを４とした場合の結果を点線Ｌ６１で示し、分岐数を８とした場合の結果を点線Ｌ６２で示す。また、図７には、分岐数ｎを１２とした場合の結果を点線Ｌ６３で示してある。また、図７には、比較例として、多スリット回折素子を用いた場合の結果を実線Ｌ６０で示してある。

図７からわかるように、ハーフミラー７６を用いた場合、多スリット回折素子を用いた場合と違って、ＯＴＦが極小値となる周波数においても、ＯＴＦが０となることがない。また、ハーフミラー７６の透過回数が多い程、ＯＴＦの極小値が小さい値となる。

それ故、画像光Ｌ０が反射ユニット７０から出射される間に複数のハーフミラー７６のうち、８枚未満のハーフミラー７６を透過するように構成することが好ましい。

（ハーフミラー７６のピッチｐとＯＴＦとの関係）
図８は、図３に示す導光装置５０におけるハーフミラー７６のピッチｐと導光装置５０の各位置から出射される光の強度分布を示す説明図である。図９は、図３に示す導光装置５０におけるハーフミラー７６のピッチｐと出射光のＯＴＦ特性との関係を示す説明図である。図８には、ハーフミラー７６のピッチｐを０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍに設定した場合の導光装置５０の各位置から出射される光の強度を各々、実線Ｌ７１、破線Ｌ７２、点線Ｌ７３で示してある。図９には、ハーフミラー７６のピッチｐを０．５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１ｍｍに設定した場合のＯＴＦ特性を示してある。なお、図８および図９に示す結果は、波長５５０ｎｍの光に対するデータである。

図８に示すように、ハーフミラー７６のピッチｐを０．５ｍｍからさらに狭い０．２ｍｍ、および０．１ｍｍに設定した場合でも、出射光の強度が０となることがない。また、図９に示すように、ハーフミラー７６のピッチｐを０．５ｍｍからさらに狭い０．３３ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．２ｍｍ、０．１ｍｍに設定した場合でも、ＯＴＦが０となることがない。特に、ハーフミラー７６のピッチｐを０．５ｍｍ未満とした場合でも、ハーフミラー７６のピッチｐが０．３３ｍｍ、０．２５ｍ、０．２ｍｍであれば、適正な画像を表示できる空間周波数の上限である４３ｃｙｃｌｅ／ｄｅｇにおいても、ＯＴＦの極小値にならない。

それ故、図９に示す結果によれば、ハーフミラー７６のピッチｐを０．５ｍｍ未満としてもコントラストが高い画像を認識することができる。特に、ハーフミラー７６のピッチｐが０．５ｍｍ未満でも、０．１ｍｍを超える値であれば、コントラストが高い画像を認識することができる。

（ハーフミラー７６の反射率とＯＴＦとの関係）
図１０は、図３に示す導光装置５０におけるハーフミラー７６の反射率と導光装置５０の各位置から出射される光の強度分布との関係を示す説明図である。図１１は、図３に示す導光装置５０におけるハーフミラー７６の反射率と出射光のＯＴＦ特性との関係を示す説明図である。図１０には、ハーフミラー７６の反射率を５％、１０％、２０％、４０％に設定した場合の導光装置５０の各位置から出射される光の強度を各々、実線Ｌ９１、破線Ｌ９２、点線Ｌ９３、一点鎖線Ｌ９４で示してある。図１１には、ハーフミラー７６の反射率を５％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％に設定した場合のＯＴＦ特性を実線Ｌ５％、Ｌ１０％、Ｌ２０％、Ｌ３０％、Ｌ４０％、Ｌ５０％で示してある。なお、図１０および図１１に示す結果は、ハーフミラー７６のピッチｐを０．５ｍｍに設定した場合の波長５５０ｎｍの光に対するデータである。

図１０に示すように、ハーフミラー７６の反射率を５％〜４０％に設定した場合でも、出射光の強度が０となることがない。また、図１１に示すように、ハーフミラー７６の反射率を５％〜５０％に設定した場合でも、ＯＴＦが０となることがなく、反射率が低い方が、ＯＴＦが大きい値になる。但し、反射率が５０％を超えると、３０ｃｙｃｌｅ／ｄｅｇ〜４３ｃｙｃｌｅ／ｄｅｇにおいても、ＯＴＦが０．１以下になる可能性がある。

それ故、本形態では、ハーフミラー７６の反射率は５０％以下に設定してある。但し、ハーフミラー７６の反射率は、４０％以下、さらには３０％以下であることが好ましい。

（ハーフミラー７６の反射率とＯＴＦとの関係）
図１２は、図３に示す導光装置５０の各波長の光に対するＯＴＦ特性を示す説明図である。図１３は、多スリット回折素子を用いた参考例に係る導光装置５０の各波長の光に対するＯＴＦ特性を示す説明図である。図１２および図１３には、波長が４５０ｎｍの光に対するデータは実線Ｌ４５０ｎｍで示し、波長が５５０ｎｍの光に対するデータは実線Ｌ５５０ｎｍで示し、波長が６５０ｎｍの光に対するデータは実線Ｌ６５０ｎｍで示してある。なお、図１２に示す結果は、ハーフミラー７６のピッチｐを０．５ｍｍに設定した場合のデータである。

図１２に示すように、本形態の導光装置５０では、いずれに波長においても、ＯＴＦが０になることはない。これに対して、多スリット回折素子を用いた場合、波長をλ、ピッチをｐとしたとき、ｓｉｎθ＝λ／ｐで表される角度θに１次回折光が現れるため、それより細かい情報は覆い隠されてしまう。例えば、波長が５５０ｎｍ、ピッチｐが０．５ｍｍあれば０．０６３ｄｅｇ以下の情報が消失してしまう。また、消失する周波数が波長により変化するため色ずれが起きる。例えば、図１３において、１０ｃｙｃｌｅｓ／ｄｅｇ付近の値をみると、青（波長が４５０ｎｍ）の情報が消失している一方、赤（波長が６５０ｎｍ）の情報は４０％表示される。

これに対して、本形態のように、ハーフミラー７６を用いた導光装置５０によれば、多スリット回折素子を用いた場合と違って、いずれの波長の光においても、特定の周波数でＯＴＦは小さくなるものの、ＯＴＦが０になるような著しい低下は起きにくい。それ故、色ずれも目立たない。

（ハーフミラー７６のピッチｐと画像の品位との関係）
図１４は、図２に示す導光装置５０におけるハーフミラー７６のピッチｐと画像のシミュレーション結果との関係を示す説明図であり、図１４には、ピッチｐを０．３８ｍｍとした場合の画像のシミュレーション結果、およびピッチｐを１．１ｍｍとした場合の画像のシミュレーション結果を示してある。

図２に示す導光装置５０では、図１４に示すように、ハーフミラー７６の配列方向に表示ムラが生じることがわかっている。かかる表示ムラは、出射光の強度分布に起因しており、ハーフミラー７６が眼Ｅのごく近傍にあるためほとんどぼやけてしまうのだが、ぼやけきらない部分が表示ムラとして知覚されてしまう。この表示ムラは射出面強度分布を細かくすることで知覚されにくくすることが可能であることもわかっている。図１４から分かるように、ハーフミラー７６のピッチｐを０．３８ｍｍまで狭くすると、強度分布は細かくなる。それ故、ハーフミラー７６のピッチｐを０．５ｍｍ未満まで狭くすると、表示ムラが発生しにくくなる。また、ハーフミラー７６のピッチｐを狭くすれば、反射ユニット７０の前後方向Ｚの厚さを薄くすることができるので、導光装置５０、表示部１０および表示装置１００の軽量化を図ることができる。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態では、導光装置５０において、複数のハーフミラー７６のピッチｐを０．５ｍｍ未満に設定してある。このため、図１４を参照して説明したように、表示ムラを低減することができる。ここで、ハーフミラー７６のピッチｐが狭い場合には、光線強度分布が顕著な鋸歯状になって、ＯＴＦの低下が目立つが、ＯＴＦは、ハーフミラー７６の反射率等にも依存する。そこで、本形態では、ハーフミラー７６の反射率に上限（５０％）を設定している。このため、透過枚数が増えても光線強度の逓減は小さく、光線強度分布が矩形に近づく。その結果、全体の強度分布はより均一になるため、特定周波数におけるＯＴＦの低下を抑制することができる。

また、図１０および図１１から分かるように、反射率が４０％以下であれば、基準周波数でのＯＴＦをさらに高めることができる。また、反射率が３０％以下であれば、基準周波数でのＯＴＦをさらに高めることができる。それ故、ハーフミラー７６のピッチｐを０．５ｍｍ未満に設定した場合でも、ＯＴＦの低下が抑制することができる。

また、図６および図７を参照して説明したように、ハーフミラー７６の透過枚数が増えると、基準周波数でのＯＴＦの低下が目立つが、ハーフミラー７６の透過枚数を８枚未満とすれば、基準周波数でのＯＴＦの低下を抑制することができる。

［本発明の改良例１］
ハーフミラー７６の透過枚数をさらに実質的に低減する方法として、ハーフミラー７６の配列方向において、ハーフミラー７６の偏光に対する反射特性を交互に設定してもよい。例えば、奇数番目のハーフミラー７６については、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ１が０．３であり、Ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ１が０．７であり、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ１が０であり、Ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ１が１である。また、偶数番目のハーフミラー７６は、Ｓ偏光成分の反射率Ｒｓ２が０であり、Ｓ偏光成分の透過率Ｔｓ２が１であり、Ｐ偏光成分の反射率Ｒｐ２が０．３であり、Ｐ偏光成分の透過率Ｔｐ２が０．７である。

かかる態様によれば、奇数番目のいずれかのハーフミラー７６で反射して出射される光の強度と、かかる奇数番目のハーフミラー７６を透過した後、隣りの偶数番目のハーフミラー７６で反射して出射される光の強度とが同等となる。より具体的には、元の画像光の強度を１としたとき、奇数番目のいずれかのハーフミラー７６からの反射光の強度は、奇数番目のいずれかのハーフミラー７６で反射したＰ偏光成分の強度とＳ偏光成分の強度との和となり、０．３となる。これに対して、隣りの偶数番目のハーフミラー７６で反射して出射される光の強度は、奇数番目のハーフミラー７６を透過した後、偶数番目のハーフミラー７６で反射したＰ偏光成分の強度とＳ偏光成分の強度との和となり、０．３となる。それ故、ハーフミラー７６の透過枚数が増えても、基準周波数でのＯＴＦの低下を抑制することができる。

［本発明の改良例２］
図１５は、図２に示す導光装置５０における点像分布関数ＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）の算出結果を示す説明図であり、ハーフミラー７６のピッチｐが０．５ｍｍ、ハーフミラー７６の透過枚数が８枚、ハーフミラー７６の反射率が２０％のときＰＳＦである。図１６は、点像を図１５に示すＰＳＦで画像変調した場合の説明図である。図１７は、元画像にフィルター処理を行わないときの表示特性を示す説明図である。図１８は、元画像にフィルター処理を行ったときの表示特性を示す説明図である。

本形態では、図２に示す画像光出射装置２０において、反射ユニット７０の周波数特性を打ち消す画像処理が画像信号に施す。かかる画像処理として、高周波数強調フィルター処理を行う場合を説明する。

本実施形態に係る導光装置５０では、ＯＴＦが０になる周波数がないことが明らかになった。このことは、反射ユニット７０で減衰した高周波数成分を強調した表示を行うことで情報が復元できることを示している。図１５には、ＯＴＦに基づいて、点像分布関数ＰＳＦを求めたものを示してある。ここで、ハーフミラー７６の配列方向に対応する第１方向の画面サイズが５０ｄｅｇで画素数が１２８０ドットの表示において、１画素を表示した場合の見え方を図１６に示す。このように、反射ユニット７０を通過した後、どのように画像が変化するのかが計算できる。この結果を利用すれば、画像処理フィルターのフィルター特性を適正に設定することができる。

図１６に示す例の場合、反射ユニット７０を透過することで、上段に示す強度が１の信号が、下段および図１７に示すように、０．０２／０．０７／０．８２／０．０７／０．０２に変調されている。この場合、図１８に示すように、元画像に−０．０１／−０．１／１．２２／−０．１／−０．０１のフィルター特性を有するフィルター処理を行えば、反射ユニット７０を透過した後でも、０．００９２／０．０００７／０．９８６／０．０００７／０．００９２の適正な信号を復元することができる。

かかるフィルター処理を行うにあたって、フィルターサイズは画面サイズおよび画素数によって変化する。画素数が同じで画面サイズを大きくするときにはフィルターサイズは小さくする。画面サイズが同じで画素数を増やすときにはフィルターサイズを大きくする。

ここで、ＯＴＦは、ハーフミラー７６の透過枚数により変化するが、透過枚数は画角に対応する。従って、領域に応じて高周波強調フィルターを変えることで画像全域にわたり良好な画像を表示できる。より具体的には、透過枚数が多い画角の領域には、強調効果を強くしたフィルター処理を行う。効果を強くするには、係数の絶対値を大きくする、またはフィルターサイズを大きくする、もしくはその両方を行えばよい。

かかるフィルター処理は、画像において、ハーフミラー７６の配列方向（画像の横方向Ｘ）に対応する第１方向のみに行えばよく、ハーフミラー７６の配列方向に対して直交する方向（縦方向）に対応する第２方向についてはフィルター処理を行わない態様を採用してもよい。

［その他の態様］
画像全体を平滑化したいときには、その処理と組み合わせることができる。フィルターを組み合わせてもよいし、連続してフィルター処理を実施してもよい。連続して実施する場合には、ハーフミラーアレイの補正は最後に実施するのがよい。この画像処理は高域ノイズが増加するので、ウィナーフィルターと組み合わせてノイズを低減してもよい。

また、表示画像を撮影し、撮影像を基にデコンボリューション処理のフィルターを作成してもよい。その場合、精密な測定が必要である。これに対して、本形態では、ハーフミラー７６の構成に対応する表示特性を明らかにしたため、デコンボリューション処理を利用しなくても最適な画像処理を容易に実施することができる。

［別の実施形態］
図１９は、本発明の別の実施形態に係る表示装置１００の説明図である。上記実施形態では、導光装置５０において画像光Ｌ０を横方向Ｘに進行させたが、図１９に示すように、導光装置５０において画像光Ｌ０を上側Ｙ１から下側Ｙ２に進行させて観察者の眼Ｅに出射する表示装置１００に本発明を適用してもよい。

１０、１０ａ、１０ｂ…表示部、２０…画像光出射装置、２１…表示パネル、３０…投射光学系、５０…導光装置、５０ａ…右眼用導光装置、５０ｂ…左眼用導光装置、６０…導光体、６１…導光部、６２…一方面、６３…他方面、６４…一方端、６５…入射部、６６…入射面、６７…反射面、６８…反射層、６９…他方端、７０…反射ユニット、７１…第１面、７２…第２面、７６…ハーフミラー、７７…透光部、９０…フレーム、９１…前部分、９２ａ、９２ｂ…テンプル、１００…表示装置、Ｘ…横方向、Ｙ…上下方向、Ｚ…前後方向。

Claims (9)

1. 一方端側から他方端側に向けて延在する導光体と、
   前記導光体の延在方向に対して交差する方向で対向する前記導光体の２つの面の一方面に重なるように配置された反射ユニットと、
   を有し、
   前記反射ユニットは、互いに平行になるように前記導光体の一方面に対して傾斜して前記導光体の延在方向に沿うように配列された複数のハーフミラーと、前記複数のハーフミラーのうち、隣り合うハーフミラーの間に設けられた透光部と、を含み、
   前記複数のハーフミラーの前記延在方向におけるピッチが０．５ｍｍ未満であり、
   前記複数のハーフミラーは各々、反射率が５０％以下であることを特徴とする導光装置。
2. 請求項１に記載の導光装置において、
   前記複数のハーフミラーは各々、反射率が４０％以下であることを特徴とする導光装置。
3. 請求項１または２に記載の導光装置において、
   前記複数のハーフミラーは各々、前記導光体の一方面に対して４５°以上の角度をなしていることを特徴とする導光装置。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載の導光装置において、
   前記複数のハーフミラーでは、偏光に対する反射特性が異なるハーフミラーが前記延在方向に沿って交互に配置されていることを特徴とする導光装置。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載の導光装置を有する表示装置であって、
   画像光を出射する画像光出射装置を有し、
   前記画像光は、前記導光体の前記一方端側から前記導光体に入射して、前記複数のハーフミラーによる反射によって前記反射ユニットから出射されることを特徴とする表示装置。
6. 請求項５に記載の表示装置において、
   前記画像光は、前記反射ユニットから出射される間に前記複数のハーフミラーを透過する枚数が８枚未満であることを特徴とする表示装置。
7. 請求項５または６に記載の表示装置において、
   前記画像光出射装置では、前記反射ユニットの周波数特性を打ち消す画像処理が画像信号に施されることを特徴とする表示装置。
8. 請求項７に記載の表示装置において、
   前記画像処理は、高周波数強調フィルター処理であることを特徴とする表示装置。
9. 請求項８に記載の表示装置において、
   前記高周波数強調フィルター処理のフィルター特性が、前記画像光の前記ハーフミラーの配列方向に対応する第１方向と、前記配列方向に対して直交する方向に対応する第２方向とにおいて異なることを特徴とする表示装置。