JP2019120815A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察者に明暗の筋が視認されることを抑制できる表示装置を提供する。【解決手段】本発明の表示装置２００は、画像光を生成する画像生成部１０と、互いに対向する第１面と第２面とを有し、画像光を導光する導光体２２と、画像光を画像形成部１０から導光体に入射させる入射部２１と、画像光を前記導光体２２から射出瞳に向けて射出させる射出部２３と、を備え、射出部は、間隔をおいて互いに平行となるように設けられ、画像光の一部を反射させ、画像光の他の一部を透過させる複数のハーフミラー５３を備え、複数のハーフミラー５３のうち少なくとも一つのハーフミラー５３において、最大輝度をＢmaxとし、最小輝度をＢminとし、輝度比Ｒ（％）をＲ＝（Ｂmax−Ｂmin）／Ｂmax×１００としたとき、Ｒ≦３０である。【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置に関する。

近年、ウェアラブル情報機器の一つとして、ヘッドマウントディスプレイなどの観察者の頭部に装着して使用する方式の画像表示装置が提供されている。
例えば、下記の特許文献１に、画像光を射出瞳に向けて反射させる複数のハーフミラーを有する偏向光学系を備えた画像表示装置が開示されている。特許文献１には、第１反射透過面のうちの一部が隣接する第２反射透過面の影になることにより周期的な輝度ムラが生じ、この輝度ムラを回避するためには、反射透過面を高密度に配置すれば、観察者に与える違和感がほとんど無くなる、と記載されている。

国際公開第２００５／０８８３８４号

特許文献１では、観察者から見て２つの反射透過面が重なるように配置されたことに起因する輝度ムラについて記載されている。ところが、上記以外の要因によっても輝度ムラが発生し、観察者の目に明暗の筋が視認されて映像品質が低下する、という問題があった。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであり、観察者の目に明暗の筋が視認されることを抑制できる表示装置を提供することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の表示装置は、画像光を生成する画像生成部と、互いに対向する第１面と第２面とを有し、前記画像光を導光する導光体と、前記画像光を前記画像生成部から前記導光体に入射させる入射部と、前記画像光を前記導光体から射出瞳に向けて射出させる射出部と、を備え、前記射出部は、間隔をおいて互いに平行であり、各々が前記第１面および前記第２面に対して傾斜して設けられ、前記画像光の一部を反射させ、前記画像光の他の一部を透過させる複数のハーフミラーを備え、前記複数のハーフミラーのうち少なくとも一つのハーフミラーにおいて、最大輝度をＢmaxとし、最小輝度をＢminとし、輝度比Ｒ（％）をＲ＝［（Ｂmax−Ｂmin）／Ｂmax］×１００としたとき、Ｒ≦３０であることを特徴とする。

本発明者は、隣り合うハーフミラー同士の重なりに起因する明暗の筋ではなく、一つのハーフミラーの面内で生じる輝度ムラに起因して、観察者の目に明暗の筋が視認される問題に着目し、この問題を解決する手段について検討した。

本発明の一つの態様の表示装置においては、複数のハーフミラーのうち少なくとも一つのハーフミラーにおける輝度比が３０％以下であるため、隣り合うハーフミラー同士の重なりの有無に係わらず、観察者の目に明暗の筋が視認されることを抑制することができる。一つのハーフミラーにおける輝度比が３０％以下である場合に明暗の筋が視認され難くなる理由については、後で詳しく説明する。

本発明の一つの態様の表示装置において、前記少なくとも一つのハーフミラーは、前記画像光を選択的に反射する入射角における反射率が３０％以下であり、前記画像光を選択的に透過する入射角における透過率が７０％を超えていてもよい。

この構成によれば、ハーフミラーの反射率および透過率を上記のように設定することにより、一つのハーフミラーにおける輝度比を３０％以下に調整することができる。

本発明の一つの態様の表示装置において、前記輝度比Ｒ（％）は、Ｒ≦１０であってもよい。

この構成によれば、複数のハーフミラーのうち少なくとも一つのハーフミラーにおける輝度比が１０％以下であるため、隣り合うハーフミラー同士の重なりの有無に係わらず、観察者の目に明暗の筋が視認されることを十分に抑制することができる。

本発明の一つの態様の表示装置において、前記少なくとも一つのハーフミラーは、前記画像光を選択的に反射する入射角における反射率が１０％以下であり、前記画像光を選択的に透過する入射角における透過率が９０％を超えていてもよい。

この構成によれば、ハーフミラーの反射率および透過率を上記のように設定することにより、一つのハーフミラーにおける輝度比を１０％以下に調整することができる。

本発明の一つの態様の表示装置において、前記複数のハーフミラーは、誘電体多層膜から構成されていてもよい。

この構成によれば、誘電体多層膜の仕様、具体的には誘電体の種類、膜厚、層数などを適宜調整することによって、ハーフミラーの反射率、透過率等の特性を制御することができる。

本発明の一つの態様の表示装置において、前記誘電体多層膜の内部に金属膜が設けられていてもよい。

この構成によれば、誘電体多層膜における反射率の波長分散を緩和できるため、画像の色ムラを低減することができる。

本発明の一つの態様の表示装置において、前記複数のハーフミラーのうちの第１ハーフミラーの隣り合うハーフミラーとの間のピッチは、前記第１ハーフミラーよりも前記画像生成部に近い側に位置する第２ハーフミラーの隣り合うハーフミラーとの間のピッチに比べて小さくてもよい。

この構成によれば、隣り合うハーフミラー間の隙間や重なりに起因する輝度差を低減することができ、画質の劣化を抑制することができる。

本発明の一つの態様の表示装置において、前記複数のハーフミラーのうち少なくとも一つのハーフミラーの幅は、他のハーフミラーの幅とは異なっていてもよい。

この構成によれば、隣り合うハーフミラー間の隙間や重なりに起因する輝度差を低減することができ、画質の劣化を抑制することができる。

本発明の一つの態様の表示装置において、前記複数のハーフミラーのうち少なくとも一つのハーフミラーは、第１領域と、前記第１領域とは膜厚が異なる第２領域と、を有していてもよい。

この構成によれば、第１領域と第２領域とで反射率を異ならせることができる。これにより、一つのハーフミラー上の反射率が一定の場合に比べて、一つのハーフミラーにおける輝度差をさらに低減することができる。

第１実施形態の表示装置の平面図である。 実施例１の表示装置において、１枚のハーフミラーにおける光の反射の様子を示す模式図である。 ハーフミラーの反射率と輝度比との関係を示すグラフである。 １枚のハーフミラーにおける光の反射の様子を示す模式図である。 ハーフミラーの反射率と輝度比との関係を示すグラフである。 １枚のハーフミラーにおける光の反射の様子を示す模式図である。 ハーフミラーの反射率と輝度比との関係を示すグラフである。 実施例２の表示装置において、位置Ａ〜Ｅのハーフミラーにおける光の反射の様子を示す模式図である。 位置Ａ〜Ｃのハーフミラーの反射率と輝度比との関係を示すグラフである。 位置Ｄ，Ｅのハーフミラーの反射率と輝度比との関係を示すグラフである。 ハーフミラーの位置と輝度比との関係を示すグラフである。 実施例３の表示装置において、１枚のハーフミラーにおける光の反射の様子を示す模式図である。 ハーフミラーの反射率と輝度比との関係を示すグラフである。 第２実施形態の表示装置における複数のハーフミラーを示す平面図である。 従来の表示装置における複数のハーフミラーを示す平面図である。 第３実施形態の表示装置の平面図である。 ハーフミラーの位置と輝度との関係を示すグラフである。 第３実施形態の表示装置における複数のハーフミラーを示す平面図である。 ハーフミラーの位置と輝度との関係を示すグラフである。 ハーフミラーの位置と輝度との関係を示すグラフである。 複数のハーフミラーの一つの配置例を示す平面図である。 複数のハーフミラーの他の配置例を示す平面図である。 ハーフミラーの位置と輝度との関係を示すグラフである。 画角と虚像輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：１０％）である。 画角と虚像輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：３０％）である。 画角と虚像輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：４０％）である。 画角と虚像輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：５０％）である。 画角と虚像輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：６０％）である。 画角と虚像輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：７０％）である。 画角と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：１０％）である。 画角と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：３０％）である。 画角と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：４０％）である。 画角と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：５０％）である。 画角と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：６０％）である。 画角と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：７０％）である。 虚像輝度と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：１０％）である。 虚像輝度と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：３０％）である。 虚像輝度と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：４０％）である。 虚像輝度と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：５０％）である。 虚像輝度と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：６０％）である。 虚像輝度と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図（輝度比：７０％）である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図１１を用いて説明する。
本実施形態の表示装置は、例えば観察者が頭部に装着して用いるヘッドマウントディスプレイとして用いられる。
図１は、本実施形態の表示装置の平面図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

図１に示すように、表示装置２００は、画像生成部１０と、導光部材２０Ｂと、を備えている。
表示装置２００は、画像生成部１０が生成した画像を観察者に虚像として視認させるとともに、外界像を観察者にシースルーで観察させる。表示装置２００において、画像生成部１０と導光部材２０Ｂとは、観察者の右目と左目とに対応して一組ずつ設けられている。右目用の装置と左目用の装置とは、構成が同一であり、各構成要素の配置が左右対称である点のみが異なる。そのため、ここでは左目用の部分のみを図示し、右目用の部分の図示を省略する。表示装置２００は、全体として例えば眼鏡のような外観を有する。

画像生成部１０は、液晶パネル１１と、投射レンズ１２と、光源１４と、を備える。液晶パネル１１は、光源１４からの照明光を空間的に変調し、動画像、その他の表示対象となる画像光ＧＬを生成する。なお、画像生成部１０には、液晶パネル１１に限らず、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子等が用いられてもよい。

投射レンズ１２は、液晶パネル１１上の各点から射出された画像光ＧＬ０，ＧＬ１，ＧＬ２を略平行光線にするコリメートレンズである。投射レンズ１２は、ガラスまたはプラスチックで形成されている。投射レンズ１２は、１枚に限らず、複数枚で構成されていてもよい。投射レンズ１２としては、球面レンズに限らず、非球面レンズ、自由曲面レンズ等が用いられてもよい。

導光部材２０Ｂは、光透過性を有する平板状の部材で構成されている。導光部材２０Ｂは、画像生成部１０で生成された画像光ＧＬを導光した後に観察者の眼ＥＹに向けて射出する一方、外界像を形成する外界光ＥＬを透過させる。導光部材２０Ｂは、画像光を取り込む入射部２１と、主に画像光を導光させる導光体２２と、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬを取り出すための射出部２３Ｂと、を備えている。導光部材２０Ｂは、入射部２１が樹脂成型により作製され、射出部２３Ｂを含む導光体２２が積層ガラス板の切削切出しにより作製され、これらが接合されることによって得られる。本実施形態において、導光部材２０Ｂを伝播する画像光ＧＬの光路は、同一回数反射される１種類の光路からなり、複数種類の光路が合成されるものではない。

導光体２２は、観察者の眼ＥＹが正面を見ているときの視線を基準とする光軸ＡＸに対して傾いて配置されている。導光体２２の平面２２ａの法線方向Ｚは、光軸ＡＸに対して角度κだけ傾いている。これにより、導光体２２を顔の前面に沿って配置でき、導光体２２の平面２２ａの法線は、光軸ＡＸに対して傾きを有する。このように、導光体２２の平面２２ａの法線を光軸ＡＸに平行なｚ方向に対して角度κだけ傾けたことにより、光学素子３０から射出させる光軸ＡＸ上およびその近傍の画像光ＧＬ０は、光射出面ＯＳの法線に対して角度κをなす。ただし、導光体２２は、光軸ＡＸに対して垂直に配置されていてもよい。
以下の説明では、光軸ＡＸに平行な方向をｚ方向とし、ｚ方向に垂直な面のうち、水平方向をｘ方向とし、鉛直方向をｙ方向とする。

入射部２１は、光入射面ＩＳと、反射面ＲＳと、を有する。画像生成部１０から射出された画像光ＧＬは、光入射面ＩＳを介して入射部２１の内部に入射する。入射部２１の内部に取り込まれた画像光ＧＬは、反射面ＲＳで反射して導光体２２の内部に導かれる。光入射面ＩＳは、投射レンズ１２から見て凹となる曲面２１ｂから形成されている。曲面２１ｂは、反射面ＲＳで反射された画像光ＧＬを内面側で全反射する機能も有する。

反射面ＲＳは、投射レンズ１２から見て凹となる曲面２１ａから形成されている。反射面ＲＳは、曲面２１ａ上に蒸着法等により成膜されたアルミニウム膜等の金属膜から構成されている。反射面ＲＳは、光入射面ＩＳから入射した画像光ＧＬを反射して光路を折り曲げる。曲面２１ｂは、反射面ＲＳで反射された画像光ＧＬを内側で全反射して光路を折り曲げる。このように、入射部２１は、光入射面ＩＳから入射した画像光ＧＬを２回反射させ、光路を折り曲げることにより、画像光ＧＬを導光体２２の内部に確実に導く。

導光体２２は、ｙ軸に対して平行、かつｚ軸に対して傾斜した平板状部材で構成されている。導光体２２は、光透過性を有する樹脂材料等によって平板状に形成され、互いに略平行な一対の平面２２ａ，２２ｂを有する。平面２２ａと平面２２ｂとが平行平面を構成するため、外界像の拡大やフォーカスズレを生じることがほとんどない。平面２２ａは、入射部２１からの画像光を全反射させる全反射面として機能し、画像光ＧＬを極力少ない損失で射出部２３に導く。平面２２ａは、導光体２２の外界側に位置して第１の全反射面として機能し、本明細書中においては外界側面とも称する。一方、平面２２ｂは、本明細書中においては観察者側面とも称する。

導光体２２において、入射部２１の反射面ＲＳもしくは光入射面ＩＳで反射された画像光ＧＬは、全反射面である平面２２ａに入射し、平面２２ａで全反射され、導光装置２０の奥側、すなわち射出部２３が設けられた＋ｘ側に導かれる。

射出部２３Ｂは、画像光ＧＬを導光体２２から射出瞳に向けて射出させる。射出部２３Ｂは、間隔をおいて互いに平行となるように設けられ、画像光ＧＬの一部を反射させ、画像光ＧＬの他の一部を透過させる複数のハーフミラー５３を備える。複数のハーフミラー５３は、導光体２２の内部において平面２２ａおよび平面２２ｂに対して傾斜して設けられている。複数のハーフミラー５３の構成については、後述する。

射出部２３Ｂは、導光体２２の外界側の平面（全反射面）２２ａの領域ＲＳで全反射された画像光ＧＬを通過させる際に、ハーフミラー５３に入射した画像光ＧＬを所定の角度で反射させて、画像光ＧＬの光路を射出瞳に向けて折り曲げる。平面２２ｂから射出された画像光ＧＬは、虚像光として観察者の眼ＥＹに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することにより、観察者は画像光ＧＬによる虚像を視認することができる。

複数のハーフミラー５３の各々は、例えば銀等の金属膜を含む誘電体多層膜により構成されている。すなわち、各ハーフミラー５３を構成する誘電体多層膜の内部には金属膜が設けられている。複数のハーフミラー５３の各々は、射出瞳に向けて射出させる射出光の一つのハーフミラー５３の面内における輝度比が３０％以下となるように設定されている。ハーフミラー５３は、画像光ＧＬを選択的に反射する入射角における反射率が３０％以下であり、画像光ＧＬを選択的に透過する入射角における透過率が７０％を超える。

より好ましくは、複数のハーフミラー５３の各々は、射出瞳に向けて射出させる射出光の一つのハーフミラー５３の面内における輝度比が１０％以下となるように設定されている。その場合、ハーフミラー５３は、画像光ＧＬを選択的に反射する入射角における反射率が１０％以下であり、画像光ＧＬを選択的に透過する入射角における透過率が９０％を超える。

本実施形態の場合、ハーフミラー５３が誘電体多層膜で構成されているため、誘電体多層膜の仕様、具体的には誘電体の種類、膜厚、層数などを適宜調整することによって、ハーフミラー５３の反射率、透過率等の特性を制御することができる。さらに、誘電体多層膜の内部に金属膜が設けられているため、誘電体多層膜における反射率の波長分散を緩和でき、画像の色ムラを低減することができる。

一つのハーフミラー５３からの射出光の最大輝度をＢmaxとし、最小輝度をＢminとしたとき、一つのハーフミラー５３の面内の輝度比Ｒ（％）は、以下の（１）式で表される。
Ｒ（％）＝［（Ｂmax−Ｂmin）／Ｂmax］×１００ …（１）

ハーフミラー５３として、ハーフミラーに対する入射角が相対的に小さい光を選択的に透過させ、入射角が相対的に大きい光を選択的に反射させる特性を有するハーフミラーと、ハーフミラーに対する入射角が相対的に小さい光を選択的に反射させ、入射角が相対的に大きい光を選択的に透過させる特性を有するハーフミラーと、が用いられる。

最初に、前者の特性を有するハーフミラーについて検討する。
（実施例１：一つのハーフミラー内での輝度比）
実施例１として、導光体の平面に対するハーフミラーの傾斜角を６０°とした導光部材を想定し、ハーフミラーに対して入射角６０°で光が入射する場合を考える。ハーフミラーの特性として、入射角が相対的に小さい光の透過率が９８％であり、入射角が相対的に大きい光の反射率が２３％であるとする。

図２は、一つのハーフミラー５３における光の反射の様子を示す模式図である。図２には、導光体２２上の位置Ａ〜Ｅが異なる５つのハーフミラー５３を図示しており、位置Ｄのハーフミラー５３から射出される光の反射の様子を示している。

図２に示すように、光ＬＤ１は、位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃのハーフミラー５３を透過し、位置Ｄのハーフミラー５３で反射した後、導光体２２から射出される。すなわち、射出光ＬＤ１は、導光体２２から射出されるまでの間に、３回の透過と１回の反射とを経ている。この場合、入射光の輝度、すなわち位置Ａのハーフミラー５３に入射する前の光ＬＤの輝度を１００としたときの射出光ＬＤ１の輝度は、１００×０．９８×０．９８×０．９８×０．２３＝２１．６となる。

同様に、射出光ＬＤ２は、位置Ａ、位置Ｂのハーフミラー５３を透過し、位置Ｃ、位置Ｄのハーフミラー５３で反射した後、導光体２２から射出される。すなわち、射出光ＬＤ２は、導光体２２から射出されるまでの間に、２回の透過と２回の反射とを経ている。この場合、入射光の輝度を１００としたときの射出光ＬＤ２の輝度は、１００×０．９８×０．９８×（１−０．２３）×０．２３＝１７となる。

同様に、射出光ＬＤ３は、位置Ａのハーフミラー５３を透過し、位置Ｂ、位置Ｃ、位置Ｄのハーフミラー５３で反射した後、導光体２２から射出される。すなわち、射出光ＬＤ３は、導光体２２から射出されるまでの間に、１回の透過と３回の反射とを経ている。この場合、入射光の輝度を１００としたときの射出光ＬＤ３の輝度は、１００×０．９８×（１−０．２３）×（１−０．２３）×０．２３＝１３．４となる。

以上の計算結果をまとめると、下記の表１となる。

表１において、ハーフミラー５３からの射出光の最大輝度Ｂmax＝２１．６、最小輝度Ｂmin＝１３．４であるから、（１）式より、輝度比Ｒ（％）＝３８％となる。

次に、図２におけるハーフミラー５３の反射率を２３％から１０％に変更し、上記と同様の計算を行った結果をまとめると、下記の表２となる。

表２において、ハーフミラー５３からの射出光の最大輝度Ｂmax＝９．４、最小輝度Ｂmin＝７．９であるから、（１）式より、輝度比Ｒ（％）＝１６％となる。

このように、位置Ｄのハーフミラー５３からの同一角度をなす射出光（反射光）に注目し、複数回の透過もしくは反射を経て射出瞳に到達する光の輝度（強度）を算出すると、射出光ＬＤ１から射出光ＬＤ３にわたって輝度が低下する。反射率：２３％と１０％とを比較する場合、輝度の低下の程度を輝度比に置き換えて考えると、反射率が低い程、輝度比が小さくなることが判る。つまり、ハーフミラーの面内の輝度差が小さくなることを意味する。

後述するが、輝度差は、映像視認時に「明暗の筋」として認識され、画像の瑕疵となる。輝度差は、位置Ａのハーフミラーを除く、位置Ｂ〜Ｅのハーフミラーの各々において発生し、このように配列されたハーフミラーが２枚以上存在する構成において、輝度の高低が、隣接した周期的な明暗の筋として観察者の瞳で知覚され、画像品質を著しく損ねてしまう。

ここで、ハーフミラーの反射率を１０〜９０％の間で１０％刻みにさらに変化させて、上記と同様に、輝度比を計算した。
図３は、ハーフミラーの反射率と輝度比との関係をプロットしたグラフである。図３の横軸は反射率（％）であり、縦軸は輝度比（％）である。
図３から、輝度比を小さく抑えるためには、ハーフミラーの反射率を下げることが好ましいことが判った。

また、導光体の材料を一般的な硝材とし、ｎｄ＝１．５１７を例として、画角５０インチの虚像を想定した画角光線角度として６０°±８°程度の光を考える。すなわち、先の計算でハーフミラーへの入射角を６０°に設定したことに代えて、図４に示すように、ハーフミラー５３への入射角を５２°とした場合の輝度の計算値を表３、表４に示し、ハーフミラー５３の反射率と輝度比との関係をプロットしたグラフを図５に示す。

表３において、ハーフミラー５３からの射出光の最大輝度Ｂmax＝２１．６、最小輝度Ｂmin＝１３．４であるから、（１）式より、輝度比Ｒ（％）＝３８％となる。

表４において、ハーフミラー５３からの射出光の最大輝度Ｂmax＝９．４、最小輝度Ｂmin＝７．９であるから、（１）式より、輝度比Ｒ（％）＝１６％となる。

また、図６に示すように、ハーフミラー５３への入射角を６８°とした場合の輝度の計算値を表５、表６に示し、ハーフミラー５３の反射率と輝度比との関係をプロットしたグラフを図７に示す。

表５において、ハーフミラー５３からの射出光の最大輝度Ｂmax＝２１．６、最小輝度Ｂmin＝１７であるから、（１）式より、輝度比Ｒ（％）＝２１．４％となる。

表６において、ハーフミラー５３からの射出光の最大輝度Ｂmax＝９．４、最小輝度Ｂmin＝８．６であるから、（１）式より、輝度比Ｒ（％）＝８．２％となる。

図３、図５、図７に示したように、いずれの入射角の光においても、反射率と輝度比とは略比例関係を示しており、反射率が低ければ低い程、輝度比が小さくなることが判った。ここで、各画角に相当する光線を反射する複数のハーフミラーは、観察者の目から見て隣り合うハーフミラー間に隙間が無いことを前提としている。ハーフミラー間の隙間およびハーフミラーの重なりについても、複数のハーフミラー全体での輝度比が均一となるように調整することが好ましい。

（実施例２：複数のハーフミラー間での輝度比）
次に、観察者の目の位置が水平移動したとすると、受光するハーフミラーの位置が変化する。そのため、観察者の目の位置が水平移動することも想定して、一つのハーフミラーの面内での輝度比に加えて、複数のハーフミラー間での輝度比についても検討する。

実施例２として、ハーフミラーの傾斜角を６０°とした導光部材を想定し、ハーフミラーに対する光の入射角を６０°とする。ハーフミラーの特性として、入射角が相対的に小さい光の透過率を９８％とし、入射角が相対的に大きい光の反射率を２３％とする。

図８は、位置Ａ〜Ｅの５つのハーフミラー５３における光の反射の様子を示す模式図である。
図８に示した光ＬＡ１〜ＬＡ３、ＬＢ１〜ＬＢ３、ＬＣ１〜ＬＣ３、ＬＤ１〜ＬＤ３、ＬＥ１〜ＬＥ３のそれぞれについて、実施例１と同様、透過／反射回数、輝度の計算値をまとめると、下記の表７となる。

次に、ハーフミラーの反射率を２３％から１０％に変更し、上記と同様の計算を行った結果をまとめると、下記の表８となる。

ここで、ハーフミラーの反射率を１０〜９０％の間で１０％刻みにさらに変化させて、輝度比を計算した。
図９および図１０は、ハーフミラーの反射率と輝度比との関係をプロットしたグラフである。図９および図１０の横軸は反射率（％）であり、縦軸は輝度比（％）である。なお、グラフを見やすくするために図面を２つに分け、位置Ａ〜Ｃのハーフミラーのプロットを図９に示し、位置Ｄ，Ｅのハーフミラーのプロットを図１０に示した。

図８に示すように、位置Ａのハーフミラー５３については、位置Ａのハーフミラー５３の前段にハーフミラーが存在せず、光ＬＤは他のハーフミラーを介することなく位置Ａのハーフミラー５３に入射する。そのため、図９に示すように、ハーフミラーの反射率に係わらず、ハーフミラーの面内の輝度差が無く、輝度比は一律に０となる。これに対して、位置Ｂ〜Ｅのハーフミラー５３については、前段のハーフミラーの影響によってハーフミラーの面内で輝度比が発生し、輝度比はハーフミラーの反射率に依存することが判った。ここでも、ハーフミラーの反射率を低く抑えると、輝度比を低減することができることが判った。

また、位置Ａ〜Ｅのハーフミラーの各々の反射率２３％、１０％のそれぞれの輝度比を示すグラフを図１１に示す。
図１１に示すように、観察者の目の水平移動時に明暗の筋の見えやすさに影響を与える各ハーフミラー間の輝度比の差に関しても、反射率を１０％と低く抑えることによって、反射率が２３％の場合に比べて輝度比の差を小さくできることが判った。これにより、反射率を低く抑えることは、画像輝度の均一性、明暗の筋の発生可否（筋が出たり消えたりする知覚)の観点から、好ましいことが判った。

次に、実施例１，２とは逆に、ハーフミラーに対する入射角が相対的に小さい光を反射させ、入射角が相対的に大きい光を透過させる特性を有するハーフミラーについて検討する。

（実施例３：一つのハーフミラー内での輝度比）
実施例３として、図１２に示すように、導光体２２の平面２２ｂに対するハーフミラー５３の傾斜角を２３°とした導光部材を想定し、ハーフミラー５３に対して入射角２３°で光ＬＤが入射する場合を考える。ハーフミラー５３の特性として、入射角が相対的に大きい光の透過率が９８％であり、入射角が相対的に小さい光の反射率が２３％であるとする。

図１２に示した射出光ＬＣ１〜ＬＣ３のそれぞれについて、実施例１，２と同様、透過／反射回数、輝度の計算値をまとめると、下記の表９となる。

表９から、ハーフミラー５３からの射出光の最大輝度Ｂmax＝１０．３、最小輝度Ｂmin＝７．８であるから、（１）式より、輝度比Ｒ（％）＝２４．５％となる。

次に、ハーフミラー５３の反射率を２３％から１０％に変更し、上記と同様の計算を行った結果をまとめると、下記の表１０となる。

表１０から、ハーフミラー５３からの射出光の最大輝度Ｂmax＝７．１、最小輝度Ｂmin＝６．３であるから、（１）式より、輝度比Ｒ（％）＝１１．８％となる。

ここで、ハーフミラー５３の反射率を１０〜９０％の間で１０％刻みにさらに変化させて、上記と同様に、輝度比を計算した。
図１３は、ハーフミラー５３の反射率と輝度比との関係をプロットしたグラフである。図１３の横軸は反射率（％）であり、縦軸は輝度比（％）である。
図１３から、実施例１，２と逆の特性を有するハーフミラーを用いた場合でも、輝度比を小さく抑えるためには、ハーフミラーの反射率を低く抑えることが好ましいことが判った。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１４および図１５を用いて説明する。
第２実施形態の表示装置の構成は第１実施形態と略同様であるが、複数のハーフミラーの構成が第１実施形態と異なる。そのため、表示装置全体の説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
図１４は、本実施形態の表示装置における導光部材の平面図である。
図１４において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図１５に示すように、従来の表示装置において、複数のハーフミラー１５３は、隣り合うハーフミラー１５３間のピッチｐが場所によらずに一定であった。この場合、図１５の左側に示す符号Ａの領域では、観察者から見たときに画像光が目に届かない空白部分（欠損）が生じる。一方、図１５の右側に示す符号Ｂの領域では、観察者から見たときに隣り合うハーフミラー１５３の一部が重なっており、この重なり部分では双方のハーフミラー１５３からの反射光が重畳されることで、ハーフミラー１５３が重なっていない部分に比べて輝度が大きくなる。このような画像光の欠損（領域Ａ）や重畳（領域Ｂ）が明暗の輝度差を大きくすることに繋がり、明暗の筋となって画質の劣化を引き起こす。

そこで、本実施形態の表示装置において、複数のハーフミラー５３は、隣り合うハーフミラー５３間のピッチが場所によって異なっている。すなわち、複数のハーフミラー５３のうち、第１ハーフミラー５３１の隣り合うハーフミラーとの間のピッチｐ１は、第１ハーフミラー５３１よりも画像生成部に近い側に位置する第２ハーフミラー５３２の隣り合うハーフミラーとの間のピッチｐ２に比べて小さい。また、複数のハーフミラー５３の各々からの射出光の輝度比が３０％以下となるように設定されている点は、第１実施形態と同様である。

本実施形態の表示装置によれば、各ハーフミラー５３からの射出光の輝度比が３０％以下であることに加えて、隣り合うハーフミラー５３間のピッチが場所によって異なっていることにより、観察者の目に明暗の筋が知覚されにくくなり、画像品質を向上させることができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１６〜図２３を用いて説明する。
第３実施形態の表示装置の構成は第１実施形態と略同様であるが、射出部が導光体とは別体の光学素子で構成されている点が第１実施形態と異なる。そのため、表示装置全体の説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
図１６は、本実施形態の表示装置の平面図である。
図１６において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図１６に示すように、本実施形態の表示装置１００において、射出部２３は、導光体２２の視認側の平面２２ｂに設けられた光学素子３０により構成されている。光学素子３０は、複数のハーフミラー５４と、複数の透光性部材５５と、を備えている。複数のハーフミラー５４は、間隔をおいて互いに平行に設けられ、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの一部を反射させ、画像光ＧＬおよび外界光ＥＬの他の一部を透過させる。透光性部材５５は、複数のハーフミラー５４の隣り合う２つのハーフミラー５４の間に介在する。すなわち、光学素子３０は、複数の透光性部材５５が、隣り合う２つの透光性部材５５の間にそれぞれハーフミラー５４を挟持した構成を有する。換言すると、光学素子３０は、ハーフミラー５４と透光性部材５５とが交互に配置された構成を有する。

図１７は、ハーフミラー５４の位置と輝度との関係を示すシミュレーション結果である。図１７において、横軸は、光学素子３０の光射出面上の複数のハーフミラー５４の配列方向における位置を示す。縦軸は、光学素子３０の光射出面上における輝度（相対値）を示す。実線のグラフは、ハーフミラー５４の反射率を１０％に設定した場合を示し、破線のグラフは、ハーフミラー５４の反射率を２０％に設定した場合を示す。シミュレーションにおいて、ハーフミラー５４の傾斜角を６０°に設定し、中心画角の光線が形成する輝度の分布を求めた。

図１７に示すように、輝度分布曲線は複数の山谷を有しており、一つの山が一つのハーフミラーの輝度分布に対応する。反射率が１０％の場合（実線のグラフ）の輝度差は、反射率が２０％の場合（破線のグラフ）の輝度差に比べて小さいことが判った。このように、ハーフミラー５４の反射率を低減することにより、輝度差が低減できる効果が確認された。

さらに、一つのハーフミラーの中で、場所によって反射率を変化させてもよい。例えば図１８に示す光学素子３１のように、ハーフミラー５４を構成する反射膜の膜厚を変化させることによって、一つのハーフミラー５４のうち、観察者から遠い側の第１領域５４Ａと、観察者に近い側の第２領域５４Ｂと、で反射率を異ならせることができる。

図１９は、一つのハーフミラー５４の中で反射率を変化させた場合のハーフミラー５４の位置と輝度との関係を示すシミュレーション結果である。図１９において、横軸は、光学素子３１の光射出面上の複数のハーフミラー５４の配列方向における位置を示す。縦軸は、光学素子３１の光射出面上における輝度（相対値）を示す。
実線のグラフは、ハーフミラー５４のうち、観察者に近い側の第２領域５４Ｂの反射率を１２％とし、観察者から遠い側の第１領域５４Ａの反射率を１０％とした場合を示し、破線のグラフは、ハーフミラー５４の反射率を一律１０％に設定した場合を示す。シミュレーションにおいては、ハーフミラー５４の傾斜角を６０°に設定し、中心画角の光線が形成する輝度の分布を求めた。

図１９に示すように、一つのハーフミラー５４の中で反射率を１２％と１０％とで異ならせた場合（実線のグラフ）の輝度差は、反射率が１０％で均一の場合（破線のグラフ）の輝度差に比べて小さくなることが判った。このように、一つのハーフミラー５４の中で反射率を異ならせることによって、輝度差がさらに低減できる効果が確認された。

また、導光体２２とは別体の光学素子３０，３１を用いた本実施形態においても、第２実施形態と同様、隣り合うハーフミラー間のピッチを場所によって異ならせた構成の光学素子を想定してシミュレーションを行った。

図２０は、ハーフミラーの位置と輝度との関係を示すシミュレーション結果である。図２０において、横軸は、光学素子の光射出面上の複数のハーフミラーの配列方向における位置を示す。縦軸は、光学素子の光射出面上における輝度（相対値）を示す。
実線のグラフは、隣り合うハーフミラー間のピッチを場所によって異ならせ、隣り合うハーフミラー同士の重なりを無くした場合を示し、破線のグラフは、隣り合うハーフミラー同士の重なりが有る場合を示す。シミュレーションにおいては、ハーフミラーの傾斜角を６０°に設定し、中心画角の光線が形成する輝度の分布を求めた。

図２０に示すように、隣り合うハーフミラー同士が重なっている場合（破線のグラフ）、隣り合うハーフミラーからの反射光が一部重畳されることにより、ハーフミラー毎に高輝度のピークが生じていることが判る。これに対して、ハーフミラー間のピッチを調整し、隣り合うハーフミラー同士の重なりを解消した場合（実線のグラフ）、高輝度のピークが消滅し、輝度差が小さくできることが判った。したがって、複数のハーフミラーに対する観察者の瞳の位置と、瞳で受光する画像光の各画角が持つ角度成分を鑑みて、輝度比がより低くなるようにハーフミラーのピッチを最適化することが好適である。

また、隣り合うハーフミラーの重なりを解消する他の手段として、重なりが生じている個所のハーフミラーの幅を他のハーフミラーの幅よりも小さくすることが挙げられる。すなわち、複数のハーフミラーのうち少なくとも一つのハーフミラーの幅を、他のハーフミラーの幅とは異ならせればよい。具体的には、入射部から遠い側において隣り合うハーフミラー同士の重なりが生じるため、複数のハーフミラーのうち、入射部から遠い側に位置するハーフミラーの幅を入射部に近い側に位置するハーフミラーの幅よりも小さくすればよい。

この場合、図２１に示す光学素子３３のように、ハーフミラー５６の一端が透光性部材５７の観察者側の平面５７ｂに到達し、ハーフミラー５６の他端が透光性部材５７の外界側の平面５７ａに到達しないように、ハーフミラー５６の幅を小さくしてもよい。

もしくは、図２２に示す光学素子３４のように、ハーフミラー５６の一端が透光性部材５７の観察者側の平面５７ｂに到達せず、ハーフミラー５６の他端が透光性部材５７の外界側の平面５７ａに到達するように、ハーフミラー５６の幅を小さくしてもよい。

ここで、ハーフミラー５６の幅を小さくした構成の光学素子３３，３４を想定してシミュレーションを行った。

図２３は、ハーフミラー５６の位置と輝度との関係を示すシミュレーション結果である。図２３において、横軸は、光学素子３３，３４の光射出面上の複数のハーフミラー５６の配列方向における位置を示す。縦軸は、光学素子３３，３４の光射出面上における輝度（相対値）を示す。
実線のグラフは、反射率１０％のハーフミラーの幅を縮小し、隣り合うハーフミラー同士の重なりを無くした場合を示し、破線のグラフは、反射率１０％のハーフミラーの幅を縮小せず、隣り合うハーフミラー同士の重なりが生じている場合を示す。シミュレーションにおいては、ハーフミラーの傾斜角を６０°に設定し、中心画角の光線が形成する輝度の分布を求めた。

図２３に示すように、隣り合うハーフミラー同士が重なっている場合（破線のグラフ）、隣り合うハーフミラーからの反射光が一部重畳されることにより、ハーフミラー毎に高輝度のピークが生じていることが判った。これに対して、ハーフミラーの幅を縮小し、隣り合うハーフミラー同士の重なりを解消した場合（実線のグラフ）、高輝度のピークが消滅し、輝度差が小さくできることが判った。

［官能評価−１］
本発明者らは、種々の輝度比に起因する明暗の筋をシミュレーションにより再現した画像と、ハーフミラーの輝度比が所定値となるように実際に試作したサンプル（表示装置）の画像と、を人間の目で見て比較する官能評価を行った。

ここでは、画角：５０インチ、虚像輝度：１０００nit、外光(シースルー)輝度：１００nit時に観察される全域白表示の虚像映像を、人間の瞳で視認したときの映像面内における輝度差（輝度比）によって生じる「明暗の筋」をシミュレーションにより再現した。輝度比の値は、１０％以下、３０％、６０％、９０％で変化させた。輝度比の値が大きい程、画角内に明暗の筋が明確に視認されるとともに、輝度比の低下に伴って明暗の筋が見え難くなり、画質が改善されることが判った。

一方、輝度比が６０％となるように試作したサンプルの画像写真を撮影した。撮影は、人間の瞳の構造を模した特殊なカメラを用いて行った。シミュレーションによる「明暗の筋」の画像は、実際のサンプルの写真と略一致していることが確認され、シミュレーションの有効性が実証された。

輝度比を変えたシミュレーションの画像を、人間の目で官能評価したところ、輝度比が９０％の場合に「明暗の筋が非常に気になる」、輝度比が６０％の場合に「明暗の筋が気になる」、輝度比が３０％の場合に「明暗の筋は認識できるが、気にならない」、輝度比が１０％以下の場合に「明暗の筋が認識できない」、という結果を得た。この評価結果から、「明暗の筋」という瑕疵の無い高品質な画像を提供できるハーフミラーの面内の輝度比は３０％以下であり、より好ましくは１０％以下である事が判った。
なお、シミュレーションの画像およびサンプルの画像写真は、明暗の筋の見え方の違いが微妙であり、特許図面としての作成が困難であるため、添付を省略する。

［官能評価−２］
本発明者らは、輝度比がそれぞれ異なる複数種のサンプル（輝度比：１０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％の６水準の表示装置）を実際に試作し、各サンプルにおける明暗の筋の見栄えを人間の目で確認する官能評価を行った。

明暗の筋の見栄えは、画角（虚像サイズ）、虚像（画像）輝度、外光輝度の３つのパラメーターに影響を受ける。つまり、人間の目にとって、明暗の筋は、画角が大きい程見えやすく、虚像輝度が高い程見えやすく、外光輝度が低い程見えやすい、という傾向がある。

そこで、本官能評価においては、画角を１０〜５０インチの範囲内、虚像輝度を１００〜１０００nitの範囲内、外光輝度を１００〜２００００nitの範囲内でそれぞれ変化させて評価を行った。外光輝度については、１００nit：暗い屋内、５００nit：明るい屋内、１０００nit：屋内（高輝度プロジェクター）、２０００nit：曇天の屋外、３０００nit：曇天時の白壁、３０００〜２００００nit：晴天の屋外、の６水準で変化させた。また、画角については、アスペクト比：１６：９、解像度：１２８０×７２０の対角サイズで表現し、２．５ｍ先で１０〜５０インチの画角相当とした。

評価点は、「５点：明暗の筋が判らない」、「４点：明暗の筋が判るが気にならない」、「３点：明暗の筋がやや気になる」、「２点：明暗の筋が気になる」、「１点：明暗の筋が非常に気になる」の５段階評価とした。ただし、評価者によって評価点のバラツキが生じるため、性別、年齢等の異なる複数の評価者による複数回の評価を行い、その平均点を評価点として採用した。

図２４〜図２９は、上記３つのパラメーターのうち、画角と虚像輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図であり、図２４は輝度比：１０％の場合、図２５は輝度比：３０％の場合、図２６は輝度比：４０％の場合、図２７は輝度比：５０％の場合、図２８は輝度比：６０％の場合、図２９は輝度比：７０％の場合、をそれぞれ示している。ここでは、残りのパラメーターである外光輝度を１００nitで一定とした。

図２４〜図２９に示すように、画角：５０インチ、虚像輝度：１０００nitの最も明暗の筋が見えやすい条件では、いずれの輝度比においても「５点」が得られなかった。「５点」を得るためには、図２４に示すように、輝度比が１０％の場合であっても、画角が２０インチ以下、もしくは虚像輝度が２００nit以下である必要がある。

図２６〜図２９に示すように、輝度比が４０％以上であると、画角もしくは虚像輝度のいずれかの条件において評価点が「３点」以下と低くなる場合がある。これに対して、図２４および図２５に示すように、輝度比が３０％以下であれば、画角および虚像輝度の全ての条件において評価点が「４点」以上と高くなる。

次に、図３０〜図３５は、上記３つのパラメーターのうち、画角と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図であり、図３０は輝度比：１０％の場合、図３１は輝度比：３０％の場合、図３２は輝度比：４０％の場合、図３３は輝度比：５０％の場合、図３４は輝度比：６０％の場合、図３５は輝度比：７０％の場合、をそれぞれ示している。ここでは、残りのパラメーターである虚像輝度を１０００nitで一定とした。

図３２〜図３５に示すように、輝度比が４０％以上であると、画角もしくは虚像輝度のいずれかの条件において評価点が「３点」以下と低くなる場合がある。これに対して、図３０および図３１に示すように、輝度比が３０％以下であれば、画角および虚像輝度の全ての条件において評価点が「４点」以上と高くなる。特に、輝度比が３０％以下、かつ外光輝度が２０００nit以上であれば、画角によらずに評価点「５点」が得られ、明暗の筋が判らなくなる。また、外光輝度が１０００nit以下（屋内環境レベル）であれば、大きい画角で評価点「４点」が得られ、明暗の筋が判るが気にならないレベルとなる。

次に、図３６〜図４１は、上記３つのパラメーターのうち、虚像輝度と外光輝度とを変化させたときの官能評価結果を示す図であり、図３６は輝度比：１０％の場合、図３７は輝度比：３０％の場合、図３８は輝度比：４０％の場合、図３９は輝度比：５０％の場合、図４０は輝度比：６０％の場合、図４１は輝度比：７０％の場合、をそれぞれ示している。ここでは、残りのパラメーターである画角を５０インチで一定とした。

図３６および図３７に示すように、輝度比が３０％以下の場合、虚像輝度が１００nitであれば、外光輝度によらずに評価点「５点」が得られる。虚像輝度が１００nitを超えても、ほとんどの条件で評価点「４点」以上が得られる。これに対して、図３８および図３９に示すように、輝度比が４０％以上になると、「４点」以上の評価点が得られる条件が少なくなり、図４０および図４１に示すように、輝度比が６０％以上になると、「３点」以下の評価点しか得られない条件が急激に多くなる。

以上の官能評価結果を総合すると、画角、虚像輝度、外光輝度の３つのパラメーターがどのような値を取ったとしても、ハーフミラーの輝度比を３０％以下に低く抑えれば、ハーフミラーの面内の輝度差に起因する明暗の筋を観察者がほぼ気にならない程度に低減できることが判った。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、全てのハーフミラーの輝度比を３０％以下とする例を挙げたが、複数のハーフミラーのうちの一部のハーフミラーのみ、輝度比を３０％以下としてもよい。その場合でも、明暗の筋を多少なりとも見え難くすることができる。

その他、表示装置の各構成要素の数、配置、形状、材料等の具体的な構成については、上記実施形態に限ることなく、適宜変更が可能である。

１０…画像生成部、２１…入射部、２２…導光体、２２ａ…平面（第１面）、２２ｂ…平面（第２面）、２３，２３Ｂ…射出部、５３，５４，５６…ハーフミラー、５４Ａ…第１領域、５４Ｂ…第２領域、５３１…第１ハーフミラー、５３２…第２ハーフミラー。

Claims (9)

1. 画像光を生成する画像生成部と、
   互いに対向する第１面と第２面とを有し、前記画像光を導光する導光体と、
   前記画像光を前記画像生成部から前記導光体に入射させる入射部と、
   前記画像光を前記導光体から射出瞳に向けて射出させる射出部と、を備え、
   前記射出部は、間隔をおいて互いに平行であり、各々が前記第１面および前記第２面に対して傾斜して設けられ、前記画像光の一部を反射させ、前記画像光の他の一部を透過させる複数のハーフミラーを備え、
   前記複数のハーフミラーのうち少なくとも一つのハーフミラーにおいて、最大輝度をＢmaxとし、最小輝度をＢminとし、
   輝度比Ｒ（％）をＲ＝［（Ｂmax−Ｂmin）／Ｂmax］×１００としたとき、Ｒ≦３０であることを特徴とする表示装置。
2. 前記少なくとも一つのハーフミラーは、前記画像光を選択的に反射する入射角における反射率が３０％以下であり、前記画像光を選択的に透過する入射角における透過率が７０％を超えることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記輝度比Ｒ（％）は、Ｒ≦１０であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表示装置。
4. 前記少なくとも一つのハーフミラーは、前記画像光を選択的に反射する入射角における反射率が１０％以下であり、前記画像光を選択的に透過する入射角における透過率が９０％を超えることを特徴とする請求項３に記載の表示装置。
5. 前記複数のハーフミラーは、誘電体多層膜から構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の表示装置。
6. 前記誘電体多層膜の内部に金属膜が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
7. 前記複数のハーフミラーのうちの第１ハーフミラーの隣り合うハーフミラーとの間のピッチは、前記第１ハーフミラーよりも前記画像生成部に近い側に位置する第２ハーフミラーの隣り合うハーフミラーとの間のピッチに比べて小さいことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の表示装置。
8. 前記複数のハーフミラーのうち少なくとも一つのハーフミラーの幅は、他のハーフミラーの幅とは異なることを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の表示装置。
9. 前記複数のハーフミラーのうち少なくとも一つのハーフミラーは、第１領域と、前記第１領域とは膜厚が異なる第２領域と、を有することを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の表示装置。

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