JP2021057716A - 画像光生成装置および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像の視認性の低下を抑制できる小型の画像光生成装置を提供する。【解決手段】本発明の画像光生成装置は、第１の色光を射出する第１表示素子と、第２の色光を射出する第２表示素子と、第３の色光を射出する第３表示素子と、第１の色光と第２の色光と第３の色光とを合成する色合成素子と、を備える。色合成素子は、第１プリズムと、第２プリズムと、第３プリズムと、第１の色光を反射させ、第２の色光および第３の色光を透過させる第１ダイクロイック膜と、第２の色光を反射させ、第３の色光を透過させる第２ダイクロイック膜と、を有する。第１プリズムと第２プリズムとは、空気層を介さずに第１ダイクロイック膜を介して接合され、第２プリズムと第３プリズムとは、空気層を介さずに第２ダイクロイック膜を介して接合され、第２ダイクロイック膜に対する第３の色光の主光線入射角は４０度以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、画像光生成装置および画像表示装置に関する。

ヘッドマウントディスプレイ、プロジェクター等の画像表示装置において、互いに異なる色の複数の光を合成し、合成光を射出させる色合成素子が従来から使用されている。下記の特許文献１に、赤色光と緑色光と青色光とを合成する色合成素子を備えたプロジェクターが開示されている。特許文献１には、色合成素子として、クロスダイクロイックプリズム、フィリップスプリズム、ギャップレスプリズムのいずれかを用いることが記載されている。

特開２０１９−２３６９２号公報

特許文献１に記載された色合成プリズムのうち、クロスダイクロイックプリズムは、プリズムの光路長およびサイズを最小にできるため、画像表示装置の小型化に寄与することができる。ところが、クロスダイクロイックプリズムは、４個の三角柱プリズムが互いに接合された構成を有し、プリズムの中央に４個の三角柱プリズムの頂部同士が接合された線状の接合部が生じる。その結果、このプリズムを備えたプロジェクターでは、画像の中央に、画像が欠落した部分として中心線が視認される。

各三角柱プリズムの頂角を精度良く形成した上で、４個の三角柱プリズムを接合したとしても、ダイクロイック膜の厚さと接着層の厚さとを合わせた分の隙間が生じるため、数μｍ幅の中心線ができる。例えばこの色合成プリズムをヘッドマウントディスプレイに適用したとすると、ヘッドマウントディスプレイ用の表示パネルのサイズが小さいため、焦点位置と中心線とが近づくとともに、画素サイズも小さくなるため、中心線がより視認されやすくなる。

これに対し、フィリップスプリズムおよびギャップレスプリズムは、クロスダイクロイックプリズムと異なる構成を有しており、複数のプリズムが平坦面同士で接合されている。これにより、画像に中心線が視認されるという問題を生じることはない。ところが、フィリップスプリズムおよびギャップレスプリズムは、クロスダイクロイックプリズムに比べて、プリズムの光路長が長く、サイズが大きくなる。そのため、色合成素子としてフィリップスプリズムまたはギャップレスプリズムを用いた場合、複数の表示素子と色合成素子とを含む画像光生成装置が大型化し、画像表示装置が大型化する、という問題がある。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の画像光生成装置は、第１の色光を射出する第１表示素子と、前記第１の色光とは異なる色を有する第２の色光を射出する第２表示素子と、前記第１の色光および前記第２の色光とは異なる色を有する第３の色光を射出する第３表示素子と、前記第１表示素子から射出された第１の色光と、前記第２表示素子から射出された第２の色光と、前記第３表示素子から射出された第３の色光と、が合成された合成光を生成する色合成素子と、を備え、前記色合成素子は、前記第１の色光が入射する第１入射面と前記合成光が射出する射出面とを有する第１プリズムと、前記第２の色光が入射する第２入射面を有する第２プリズムと、前記第３の色光が入射する第３入射面を有する第３プリズムと、前記第１の色光を反射させるとともに前記第２の色光および前記第３の色光を透過させる第１ダイクロイック膜と、前記第２の色光を反射させるとともに前記第３の色光を透過させる第２ダイクロイック膜と、を有し、前記第１プリズムと前記第２プリズムとは、空気層を介さずに前記第１ダイクロイック膜を介して接合されるとともに、前記第２プリズムと前記第３プリズムとは、空気層を介さずに前記第２ダイクロイック膜を介して接合され、前記第２ダイクロイック膜に対する前記第３の色光の主光線入射角が４０度以上である。

本発明の一つの態様の画像光生成装置において、前記第２ダイクロイック膜に対する前記第３の色光の主光線入射角は、５５度以下であってもよい。

本発明の一つの態様の画像光生成装置において、前記第１ダイクロイック膜に対する前記第１の色光の主光線入射角は、２５度以上、４５度未満であってもよい。

本発明の一つの態様の画像光生成装置において、前記第１入射面と前記第２入射面とは、前記合成光の射出方向に沿った照明光軸に対して同じ側に位置してもよい。

本発明の一つの態様の画像光生成装置において、前記第１入射面と前記第２入射面とは、前記合成光の射出方向に沿った照明光軸に対して互いに異なる側に位置してもよい。

本発明の一つの態様の画像光生成装置において、前記第１の色光が緑色光であり、前記第２の色光が青色光および赤色光のうちのいずれか一方であり、前記第３の色光が青色光および赤色光のうちのいずれか他方であってもよい。

本発明の一つの態様の画像光生成装置において、前記第１表示素子、前記第２表示素子、および前記第３表示素子のそれぞれは、有機エレクトロルミネッセンス素子を有していてもよい。

本発明の一つの態様の画像光生成装置において、前記有機エレクトロルミネッセンス素子は、光共振器を有していてもよい。

本発明の一つの態様の画像光生成装置において、前記第１表示素子、前記第２表示素子および前記第３表示素子の画素サイズは、１０μｍ以下であってもよい。

本発明の一つの態様の画像表示装置は、本発明の一つの態様の画像光生成装置を備えている。

第１実施形態の画像光生成装置の平面図である。 有機ＥＬ素子の概略構成図である。 第１ダイクロイック膜の分光特性の一例を示す図である。 第２ダイクロイック膜の分光特性の一例を示す図である。 第２実施形態の画像光生成装置の平面図である。 第３実施形態の頭部装着型表示装置の概略構成図である。 頭部装着型表示装置の光学系の光路を示す模式図である。 第４実施形態の投射型表示装置の概略構成図である。 第１比較例の画像光生成装置を示す平面図である。 第２比較例の画像光生成装置を示す平面図である。

［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４を用いて説明する。
図１は、第１実施形態の画像光生成装置を示す平面図である。
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、本実施形態の画像光生成装置１０は、第１表示素子１１と、第２表示素子１２と、第３表示素子１３と、色合成素子１４と、を備えている。色合成素子１４は、３個のプリズムが空気層を介することなく接合されたプリズム、いわゆるギャップレスプリズムから構成されている。

第１表示素子１１は、緑色光ＬＧ（第１の色光）を射出する。第２表示素子１２は、緑色光ＬＧとは異なる色を有する青色光ＬＢ（第２の色光）を射出する。第３表示素子１３は、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢとは異なる色を有する赤色光ＬＲ（第３の色光）を射出する。色合成素子１４は、第１表示素子１１から射出された緑色光ＬＧと、第２表示素子１２から射出された青色光ＬＢと、第３表示素子１３から射出された赤色光ＬＲと、が合成された合成光ＬＷを生成する。

第１表示素子１１、第２表示素子１２および第３表示素子１３は、射出光の色が異なる点以外は、略同様の構成を有している。第１表示素子１１、第２表示素子１２および第３表示素子１３のそれぞれは、複数の画素がマトリクス状に配列された表示領域Ｒ１と、表示領域Ｒ１の周囲を囲むように設けられた非表示領域Ｒ２と、を備えている。画素のサイズは、例えば１０μｍ以下である。複数の画素の各々には、発光素子が設けられている。発光素子は、トップエミッション型の有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）素子から構成されている。すなわち、第１表示素子１１、第２表示素子１２および第３表示素子１３のそれぞれは、有機ＥＬパネルから構成されている。

図２は、有機ＥＬ素子３０の概略構成図である。
図２に示すように、基板７１の一面には、基板７１側から順に、反射電極７２、陽極７３、発光機能層７４、陰極７５が設けられている。基板７１は、例えばシリコン等の半導体材料で構成されている。反射電極７２は、例えばアルミニウム、銀等の光反射性の導電材料で構成されている。より具体的には、反射電極７２は、例えばアルミニウムや銀などの単体材料で構成されていてもよいし、チタン（Ｔｉ）／ＡｌＣｕ（アルミニウム・銅合金）の積層膜などで構成されていてもよい。

陽極７３は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の光透過性を有する導電性材料で構成されている。発光機能層７４は、図示を省略するが、有機ＥＬ材料を含む発光層、正孔注入層、電子注入層等を含む複数の層で構成されている。発光層は、赤色、緑色、青色の各発光色に応じた周知の有機ＥＬ材料により構成されている。

陰極７５は、一部の光を透過し、残りの光を反射する性質（半透過反射性）を有する半透過反射層として機能する。半透過反射性を有する陰極７５は、例えば銀やマグネシウムを含有する合金などの光反射性の導電材料を充分に薄い膜厚に形成することで実現できる。発光機能層７４からの射出光は、反射電極７２と陰極７５との間で往復する間に特定の共振波長の成分が選択的に増幅され、陰極７５を透過して観察側（基板７１とは異なる側）に射出される。すなわち、反射電極７２から陰極７５までの複数の層によって光共振器８０が構成される。

反射電極７２から陰極７５までの複数の層は、封止膜７６によって覆われている。封止膜７６は、外気や水分の侵入を防止するための膜であって、光透過性を有する無機材料や有機材料の単層または複数層で構成されている。封止膜７６の一面に、カラーフィルター７７が設けられている。第１表示素子１１において、カラーフィルター７７は、緑色波長域以外の波長域の光を吸収し、緑色波長域の光を透過する光吸収型のフィルター層で構成されている。同様に、第２表示素子１２において、カラーフィルター７７は、青色波長域以外の波長域の光を吸収し、青色波長域の光を透過する光吸収型のフィルター層で構成されている。第３表示素子１３において、カラーフィルター７７は、緑色波長域以外の波長域の光を吸収し、緑色波長域の光を透過する光吸収型のフィルター層で構成されている。

カラーフィルター７７の一面に、各表示素子を保護するためのカバーガラス７８が設けられている。

緑色光ＬＧのピーク波長は、例えば４９５ｎｍ以上、かつ５７０ｎｍ以下である。青色光ＬＢのピーク波長は、例えば４５０ｎｍ以上、かつ４９０ｎｍ以下である。赤色光ＬＲのピーク波長は、６３０ｎｍ以上、かつ６８０ｎｍ以下である。緑色光ＬＧ、青色光ＬＢ、および赤色光ＬＲのそれぞれは、偏光特性を有していない。すなわち、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢ、および赤色光ＬＲのそれぞれは、特定の振動方向を有していない無偏光の光である。なお、無偏向の光、すなわち偏光特性を有していない光は、完全に無偏光の状態ではなく、ある程度の偏光成分は含まれているが、ダイクロイック膜に対して光学性能には積極的に影響を及ぼさないとみなされる範囲の偏光度、例えば２０％以下の偏光度を有する光のことである。

各表示素子１１，１２，１３から射出される緑色光ＬＧ、青色光ＬＢおよび赤色光ＬＲのそれぞれは、各表示素子の射出面の法線方向から例えば７度の射出角φをもって射出される。図１においては、各表示素子１１，１２，１３から射出される各色光ＬＧ，ＬＢ，ＬＲの主光線に加えて、各表示素子１１，１２，１３の表示領域Ｒ１の両端からそれぞれ７度ずつ外側に拡がって進む光線を図示している。これにより、各色光ＬＧ，ＬＢ，ＬＲが入射するダイクロイック膜、プリズム等の光学素子の呑み込み角は７度となる必要がある。

色合成素子１４は、第１プリズム２１と、第２プリズム２２と、第３プリズム２３と、第１ダイクロイック膜３１と、第２ダイクロイック膜３２と、を有する。

第１プリズム２１は、四角柱状の形状をなす透光性部材から構成されている。第１プリズム２１は、第１表示素子１１に対向し、第１表示素子１１から射出された緑色光ＬＧが入射する第１入射面２１ａと、合成光ＬＷが射出される射出面２１ｂと、第１ダイクロイック膜３１に接する第１面２１ｃと、第１入射面２１ａと射出面２１ｂとの間に位置する第２面２１ｄと、を有する。

第２プリズム２２は、四角柱状の形状をなす透光性部材から構成されている。第２プリズム２２は、第２表示素子１２に対向し、第２表示素子１２から射出された青色光ＬＢが入射する第２入射面２２ａと、第１ダイクロイック膜３１に接する第３面２２ｂと、第２ダイクロイック膜３２に接する第４面２２ｃと、第３面２２ｂと第４面２２ｃとの間に位置する第５面２２ｄと、を有する。

第３プリズム２３は、三角柱状の形状をなす透光性部材から構成されている。第３プリズム２３は、第３表示素子１３に対向し、第３表示素子１３から射出された赤色光ＬＲが入射する第３入射面２３ａと、第２ダイクロイック膜３２に接する第６面２３ｂと、第３入射面２３ａと第６面２３ｂとの間に位置する第７面２３ｃと、を有する。

第１ダイクロイック膜３１は、緑色光ＬＧを反射させるとともに青色光ＬＢおよび赤色光ＬＲを透過させる。第１ダイクロイック膜３１は、誘電体多層膜から構成されている。

第２ダイクロイック膜３２は、青色光ＬＢを反射させるとともに赤色光ＬＲを透過させる。第２ダイクロイック膜３２は、誘電体多層膜から構成されている。

第１プリズム２１と第２プリズム２２とは、第１面２１ｃと第３面２２ｂとが対向するように、空気層を介することなく、第１ダイクロイック膜３１を介して接合されている。第２プリズム２２と第３プリズム２３とは、第４面２２ｃと第６面２３ｂとが対向するように、空気層を介することなく、第２ダイクロイック膜３２を介して接合されている。

具体的には、第１プリズム２１と第２プリズム２２とは、透光性を有する接着剤層（図示略）により接合されている。第１ダイクロイック膜３１は、第１面２１ｃ上に形成されていてもよいし、第３面２２ｂ上に形成されていてもよい。第２プリズム２２と第３プリズム２３とは、透光性を有する接着剤層（図示略）により接合されている。第２ダイクロイック膜３２は、第４面２２ｃ上に形成されていてもよいし、第６面２３ｂ上に形成されていてもよい。

本実施形態の場合、第１プリズム２１の第１入射面２１ａと第２プリズム２２の第２入射面２２ａとは、合成光ＬＷの射出方向に沿った照明光軸ＡＸに対して同じ側に位置している。すなわち、第１表示素子１１と第２表示素子１２とは、合成光ＬＷの射出方向に沿った照明光軸ＡＸに対して同じ側に位置している。なお、本明細書において、照明光軸ＡＸは、色合成素子１４の射出面２１ｂから射出される合成光ＬＷの射出方向に沿った光軸、すなわち、合成光ＬＷの主光線に沿った光軸と定義する。

第２ダイクロイック膜３２に対する赤色光ＬＲの主光線入射角α１は、４０度以上、５５度以下である。第３プリズム２３および第２プリズム２２の形状は、主光線入射角α１が上記の角度条件を満たすように設定されている。本実施形態の場合、第２ダイクロイック膜３２に対する赤色光ＬＲの主光線入射角α１は、４５度である。このとき、第３プリズム２３において、第３入射面２３ａと第６面２３ｂとのなす角度γ１は４５度であり、第６面２３ｂと第７面２３ｃとのなす角度γ２は４５度である。すなわち、第３プリズム２３は、直角二等辺三角形プリズムである。また、第２ダイクロイック膜３２に対する青色光ＬＢの主光線入射角α２は、４５度である。このとき、第２プリズム２２において、第２入射面２２ａと第４面２２ｃとのなす角度γ３は、４５度である。
なお、本明細書において、主光線入射角は、表示素子の中心からダイクロイック膜に向けて射出される色光の主光線と、主光線がダイクロイック膜に入射する点を通るダイクロイック膜の法線と、がなす角度である。

なお、第２ダイクロイック膜３２に対する赤色光ＬＲの主光線入射角α１は、４５度の場合が最も色合成素子１４を小型化できるが、赤色光ＬＲの主光線入射角α１が４０度未満となるか、または５５度を超えると、色合成素子１４の小型化の効果が薄れる。最大の呑み込み角が１０度であるとすると、赤色光ＬＲの主光線入射角α１の上限は５５度が望ましい。

また、第１ダイクロイック膜３１に対する緑色光ＬＧの主光線入射角α３は、２５度以上、４５度未満である。第１プリズム２１および第２プリズム２２の形状は、主光線入射角α３が上記の角度条件を満たすように設定されている。本実施形態の場合、第１ダイクロイック膜３１に対する緑色光ＬＧの主光線入射角α３は、２７．７度である。このとき、第１プリズム２１において、射出面２１ｂと第１面２１ｃとのなす角度γ４は、２７．７度である。

なお、緑色光ＬＧの主光線入射角α３が２５度未満になると、第１プリズム２１における全反射条件が満たされず、緑色光ＬＧの主光線入射角α３が４５度以上になると、第１表示素子１１から射出された緑色光ＬＧが射出面２１ｂで１回全反射する構成が成り立たなくなる。

図３は、第１ダイクロイック膜３１の分光特性の一例を示す図である。
図３の横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は透過率（％）である。図３において、第１ダイクロイック膜３１に対するＳ偏光、Ｐ偏光のそれぞれについて、光の入射角が３８度、４５度、５２度の場合の分光特性を示している。ＴｓはＳ偏光の透過率を示し、ＴｐはＰ偏光の透過率を示す。また、図３には、各表示素子１１，１２，１３の有機ＥＬ素子から射出される青色光ＬＢ、緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲのスペクトルも合わせて示している。

図３に示すように、青色光ＬＢのピーク波長である４７０ｎｍにおける透過率は、全ての入射角でＳ偏光、Ｐ偏光のいずれにおいても、略１００％である。また、赤色光ＬＲのピーク波長である６６０ｎｍにおける透過率は、全ての入射角でＳ偏光、Ｐ偏光のいずれにおいても、略１００％である。これに対して、緑色光ＬＧのピーク波長である５４０ｎｍにおける透過率は、全ての入射角でＳ偏光、Ｐ偏光のいずれにおいても、略０％である。換言すると、緑色光ＬＧのピーク波長である５４０ｎｍにおける反射率は、全ての入射角でＳ偏光、Ｐ偏光のいずれにおいても、略１００％である。

図４は、第２ダイクロイック膜３２の分光特性の一例を示す図である。
図４の横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は透過率（％）である。図４において、第２ダイクロイック膜３２に対するＳ偏光、Ｐ偏光のそれぞれについて、光の入射角が３８度、４５度、５２度の場合の分光特性を示している。ＴｓはＳ偏光の透過率を示し、ＴｐはＰ偏光の透過率を示す。また、図４には、第２ダイクロイック膜３２に入射する青色光ＬＢおよび赤色光ＬＲのスペクトルも合わせて示している。

図４に示すように、青色光ＬＢのピーク波長である４７０ｎｍにおける透過率は、全ての入射角でＳ偏光、Ｐ偏光のいずれにおいても、略０％である。換言すると、青色光ＬＢのピーク波長である４７０ｎｍにおける反射率は、全ての入射角でＳ偏光、Ｐ偏光のいずれにおいても、略１００％である。これに対して、赤色光ＬＲのピーク波長である６６０ｎｍにおける透過率は、全ての入射角でＳ偏光、Ｐ偏光のいずれにおいても、略１００％である。

一般に、液晶パネルからの射出光を合成する色合成素子のように、ダイクロイック膜に特定の偏光状態の光のみが入射する場合には、一部の波長域の光を反射し、他の一部の波長域の光を透過するように誘電体多層膜を設計することは、比較的容易である。これに対して、有機ＥＬパネルからの射出光を合成する色合成素子のように、ダイクロイック膜に無偏光の光が入射する場合には、一部の波長域の光を反射し、他の一部の波長域の光を透過するように誘電体多層膜を設計することは、難しい。しかしながら、本発明者は、図３および図４に示したように、本実施形態の仕様を満足する第１ダイクロイック膜３１および第２ダイクロイック膜３２が実際に実現可能であることを確認した。

特に本実施形態では、第１表示素子１１、第２表示素子１２および第３表示素子１３のそれぞれが光共振器を備えているため、共振波長での光の共振によって、波長域が狭帯域化された光が射出される。これにより、各波長域の光の透過率または反射率に対して、入射角変化に伴う分光特性変動に対するマージンが大きくなるため、画像の色ムラが抑えられるとともに、誘電体多層膜の設計を容易にすることができる。

以下、比較例の画像光生成装置を想定し、本実施形態の画像光生成装置と比較例の画像光生成装置とで、色合成素子のサイズを比較する。なお、本実施形態と比較例において、表示素子のサイズは同一とする。また、色合成素子の寸法として、合成光の射出方向と平行な方向の寸法を寸法Ａとし、合成光の射出方向と垂直な方向の寸法を寸法Ｂとする。
色合成素子の設計に際しては、青色光と緑色光と赤色光とで光路長を同一にすることを前提とする。

（第１比較例）
図９は、第１比較例の画像光生成装置８５を示す平面図である。
なお、図９において、図１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９に示すように、第１比較例の色合成素子８１は、クロスダイクロイックプリズムから構成されている。クロスダイクロイックプリズムの場合、各ダイクロイック膜８２，８３に対して各色光ＬＧ，ＬＢ，ＬＲの主光線入射角は、全て４５度である。そのため、光路長とプリズムの外形サイズとは等しくなる。プリズムの光路長（外形サイズ）をＬとし、表示素子１１，１２，１３における表示領域（射出光）の幅をＷとし、表示領域の周囲の非表示領域の幅をＦとし、呑み込み角をθとすると、プリズムの光路長Ｌは、以下の（１）式で表される。
Ｌ＝（Ｗ＋Ｆ）／（１−２・tanθ） …（１）

ここで、例えばヘッドマウントディスプレイ等の小型の画像表示装置に用いる画像光生成装置として、表示領域の幅：Ｗ＝４ｍｍ、非表示領域の幅：Ｆ＝１ｍｍ、呑み込み角：θ＝７度と設定すると、プリズムの光路長：Ｌ＝８ｍｍとなる。すなわち、色合成素子８１の寸法Ａ、寸法Ｂは、ともに８ｍｍとなる。

このように、第１比較例によれば、小型の色合成素子８１を実現することができる。その反面、上述したように、プリズムの中心の接合部に起因して画像に中心線が生じる、という問題が避けられない。また、主光線入射角が４５度である場合、各ダイクロイック膜８２，８３の分光特性の入射角依存性および偏光依存性が大きいため、無偏光の光に対する誘電体多層膜の設計が困難である。

（第２比較例）
図１０は、第２比較例の画像光生成装置９０を示す平面図である。
なお、図１０において、図１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１０に示すように、第２比較例の色合成素子９４は、フィリップスプリズムから構成され、第１プリズム９１、第２プリズム９２および第３プリズム９３を有している。フィリップスプリズムの場合、第１プリズム９１と第２プリズム９２との間に、空気層が介在する。そのため、第２表示素子１２から射出された青色光ＬＢの第１面２２ａにおける反射は、プリズムの媒質と空気との界面における全反射となる。このように、フィリップスプリズムの場合、一部の光の反射に全反射を利用するため、全反射条件を満足するように、各プリズムの形状およびサイズを決定することになる。

フィリップスプリズムは、プリズム中心の接合部が存在しないため、クロスダイクロイックプリズムにおける中心線の問題は解消される。また、第１ダイクロイック膜９５に対する赤色光ＬＲの主光線入射角α５は、２４．５度である。第２ダイクロイック膜９６に対する緑色光ＬＧの主光線入射角α６は、１３度である。そのため、各ダイクロイック膜９５，９６の分光特性の入射角依存性および偏光依存性が小さく、無偏光の光に対する誘電体多層膜の設計が容易になる。その反面、光路長が２２ｍｍとなり、図９に示した第１比較例の色合成素子８１の光路長に比べて大きくなる。その結果、寸法Ａが２２ｍｍ、寸法Ｂが２６ｍｍとなり、色合成素子９４のサイズは、第１比較例の色合成素子８１に比べて非常に大きくなる。

（本実施形態）
これに対し、上述したように、図１に示す本実施形態の色合成素子１４は、ギャップレスプリズムから構成されている。ギャップレスプリズムは、フィリップスプリズムと同様、プリズム中心の接合部が存在しないため、クロスダイクロイックプリズムにおける中心線の問題は解消される。また、第１ダイクロイック膜３１に対する緑色光ＬＧの主光線入射角α３は２７．７度であり、第２ダイクロイック膜３２に対する赤色光ＬＲの主光線入射角α１は４５度である。この場合、図３および図４を用いて説明したように、無偏光の光に対する誘電体多層膜の設計が可能である。

本実施形態の場合、特に第２ダイクロイック膜３２に対する主光線入射角α１が４５度であり、図１０に示す第２比較例の色合成素子９４における第２ダイクロイック膜９６に対する主光線入射角α６の１３度に比べて大きくなっている。これにより、色合成素子１４の光路長が１２．５ｍｍとなり、第２比較例の色合成素子９４に比べて光路長を短くすることができる。その結果、寸法Ａが１２．５ｍｍ、寸法Ｂが１４ｍｍとなり、色合成素子１４のサイズは、第２比較例の色合成素子９４に比べて十分に小さくなる。

このように、本実施形態の構成によれば、色合成素子１４のサイズを小さくできるため、中心線に起因する画像の視認性の低下を生じることなく、小型の画像光生成装置１０を提供することができる。

また、本実施形態の画像光生成装置１０は、第１プリズム２１に緑色光ＬＧを入射させる構成とし、緑色光ＬＧを反射させ、青色光ＬＢおよび赤色光ＬＲを透過させる第１ダイクロイック膜３１と、青色光ＬＢを反射させ、赤色光ＬＲを透過させる第２ダイクロイック膜３２と、を備えている。これにより、図４に示したように、第２ダイクロイック膜３２における反射と透過との切り替えの波長範囲を緑色光帯域の全体に広く取ることができる。そのため、第２ダイクロイック膜３２の設計を容易にすることができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。
第２実施形態の画像光生成装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、第２表示素子の配置およびプリズムの形状が第１実施形態と異なる。そのため、画像光生成装置の全体の説明は省略する。
図５は、第２実施形態の画像光生成装置の平面図である。
図５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５に示すように、本実施形態の画像光生成装置５０は、第１表示素子１１と、第２表示素子１２と、第３表示素子１３と、色合成素子５４と、を備えている。

色合成素子５４は、第１プリズム５１と、第２プリズム５２と、第３プリズム５３と、第１ダイクロイック膜６１と、第２ダイクロイック膜６２と、を有する。

本実施形態の場合、第１実施形態と異なり、第１プリズム５１の第１入射面５１ａと第２プリズム５２の第２入射面５２ａとは、合成光ＬＷの射出方向に沿った照明光軸ＡＸに対して互いに異なる側に位置している。すなわち、第１表示素子１１と第２表示素子１２とは、合成光ＬＷの射出方向に沿った照明光軸ＡＸに対して互いに異なる側に位置している。

上記の構成の違いに伴い、本実施形態の第１プリズム５１、第２プリズム５２、および第３プリズム５３の形状およびサイズは、第１実施形態の第１プリズム２１、第２プリズム２２、および第３プリズム２３の形状およびサイズとは異なる。色合成素子５４の寸法Ａは１３ｍｍとなり、寸法Ｂは１４．８ｍｍとなる。このように、色合成素子５４のサイズは、第１実施形態の色合成素子１４に比べてわずかに大きくなる。

また、第１実施形態と同様、第２ダイクロイック膜６２に対する赤色光ＬＲの主光線入射角α１は、４５度である。また、第１ダイクロイック膜６１に対する緑色光ＬＧの主光線入射角α３は、２７．７度である。

本実施形態においても、中心線に起因する画像の視認性の低下を生じることなく、小型の画像光生成装置５０を提供することができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

第１実施形態の画像光生成装置１０においては、図１に示すように、第２表示素子１２は、第１プリズム２１の第１面２１ｃと第２プリズム２２の第２入射面２２ａとが鋭角をなす角部を有するスペースに配置されている。したがって、第２表示素子１２を構成する有機ＥＬパネルの非表示領域Ｒ２の幅が広すぎると、第２表示素子１２が第１プリズム２１と干渉し、第２表示素子１２の配置が困難になるおそれがある。なお、第２表示素子１２が第１プリズム５１と干渉するおそれを少なくするため、第２表示素子１２の筐体が第１表示素子１１および第３表示素子１３の筐体よりも小さくてもよい。

これに対し、本実施形態の画像光生成装置５０においては、図５に示すように、第２表示素子１２は、第１プリズム５１が張り出していない側の面、すなわち、第２プリズム５２の第２入射面５２ａに配置されている。したがって、有機ＥＬパネルの非表示領域Ｒ２の幅がある程度広かったとしても、第２表示素子１２が第１プリズム５１と干渉するおそれが少なく、有機ＥＬパネルの設計の自由度を高めることができる。

第１実施形態、第２実施形態のそれぞれにおいて、各表示素子１１，１２，１３を構成する有機ＥＬパネルの形状が長方形である場合、各表示素子１１，１２，１３は、有機ＥＬパネルの短辺が図１および図５の紙面に平行となる向きに配置されてもよいし、有機ＥＬパネルの長辺が図１および図５の紙面に平行となる向きに配置されてもよい。ただし、画像光生成装置１０，５０の小型化を図るためには、有機ＥＬパネルの短辺が図１および図５の紙面に平行となる向きに配置されることが好ましい。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図６および図７を用いて説明する。
上記第１実施形態および第２実施形態で説明した画像光生成装置は、以下に説明する表示装置に用いられる。
図６は、第３実施形態の頭部装着型表示装置１０００の説明図である。図７は、図６に示す虚像表示部１０１０の光学系の光路を示す図である。

図６に示すように、頭部装着型表示装置１０００（画像表示装置）は、シースルー型のアイグラスディスプレイとして構成されており、テンプル１１１１，１１１２を左右に備えたフレーム１１１０を有している。頭部装着型表示装置１０００において、虚像表示部１０１０は、フレーム１１１０に支持されており、虚像表示部１０１０から射出された画像を使用者に虚像として認識させる。本実施形態において、頭部装着型表示装置１０００は、虚像表示部１０１０として、左眼用表示部１１０１と、右眼用表示部１１０２とを備えている。左眼用表示部１１０１と右眼用表示部１１０２とは同一の構成をもって左右対称に配置されている。

以下の説明では、左眼用表示部１１０１を中心に説明し、右眼用表示部１１０２については説明を省略する。
図７に示すように、頭部装着型表示装置１０００において、左眼用表示部１１０１は、画像光生成装置１０と、画像光生成装置１０から射出された合成光Ｌｂを射出部１０５８に導く導光系１０３０と、を有している。画像光生成装置１０と導光系１０３０との間には、投射光学系１０７０が配置されており、画像光生成装置１０から射出された合成光Ｌｂは、投射光学系１０７０を介して導光系１０３０に入射する。投射光学系１０７０は、正のパワーを有する１つのコリメートレンズによって構成されている。

画像光生成装置１０は、色合成素子１４と、色合成素子１４の複数の面のうち、３つの入射面に対向して設けられた３つの表示素子１１，１２，１３と、を備えている。表示素子１１，１２，１３は、例えば有機ＥＬパネルから構成されている。

第１表示素子１１から射出された光は、色合成素子１４に緑色光ＬＧとして入射する。第２表示素子１２から射出された光は、色合成素子１４に青色光ＬＢとして入射する。第３表示素子１３から射出された光は、色合成素子１４に赤色光ＬＲとして入射する。色合成素子１４から、緑色光ＬＧと青色光ＬＢと赤色光ＬＲとが合成された合成光Ｌｂが射出される。本実施形態において、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢおよび赤色光ＬＲは、特定の偏光特性を持たない光、いわゆる無偏光の光である。

導光系１０３０は、合成光Ｌｂが入射する透光性の入射部１０４０と、一方端１０５１側が入射部１０４０に接続された透光性の導光部１０５０と、を備えている。本実施形態において、入射部１０４０と導光部１０５０とは、一体の透光性部材で構成されている。

入射部１０４０は、画像光生成装置から射出された合成光Ｌｂが入射する入射面１０４１と、入射面１０４１から入射した合成光Ｌｂを入射面１０４１との間で反射する反射面１０４２と、を備えている。入射面１０４１は、平面、非球面、または自由曲面等からなり、投射光学系１０７０を介して画像光生成装置１０と対向している。投射光学系１０７０は、入射面１０４１の端部１４１２との間隔が入射面１０４１の端部１４１１との間隔より広くなるように斜めに配置されている。

入射面１０４１には反射膜が形成されていないが、臨界角以上の入射角で入射した光を全反射する。したがって、入射面１０４１は、光透過性および光反射性を備えている。反射面１０４２は、入射面１０４１と対向する面からなり、端部１４２２が入射面１０４１の端部１４２１よりも入射面１０４１から離間するように斜めに配置されている。したがって、入射部１０４０は、略三角形状の形状を有している。反射面１０４２は、平面、非球面、または自由曲面等からなる。反射面１０４２は、アルミニウム、銀、マグネシウム、クロム等を主成分とする反射性の金属層が形成された構成を有する。

導光部１０５０は、一方端１０５１から他方端１０５２側に向けて延在する第１面１０５６（第１反射面）と、第１面１０５６に平行に対向して一方端１０５１側から他方端１０５２側に向けて延在する第２面１０５７（第２反射面）と、第２面１０５７の入射部１０４０から離間する部分に設けられた射出部１０５８と、を備えている。第１面１０５６と入射部１０４０の反射面１０４２とは、斜面１０４３を介して繋がっている。第１面１０５６と第２面１０５７との厚さは、入射部１０４０より薄い。第１面１０５６および第２面１０５７は、導光部１０５０と外界（空気）との屈折率差に基づいて、臨界角以上の入射角で入射した光を全反射する。このため、第１面１０５６および第２面１０５７には反射膜が形成されていない。

射出部１０５８は、導光部１０５０の厚さ方向の第２面１０５７側の一部に構成されている。射出部１０５８では、第２面１０５７に対する法線方向に対して斜めに傾いた複数の部分反射面１０５５が互いに平行に配置されている。射出部１０５８は、第２面１０５７のうち、複数の部分反射面１０５５に重なる部分であり、導光部１０５０の延在方向において所定の幅を有する領域である。複数の部分反射面１０５５はそれぞれ誘電体多層膜から構成されている。

また、複数の部分反射面１０５５のうちの少なくとも１つは、誘電体多層膜と、アルミニウム、銀、マグネシウム、クロム等主成分とする反射性の金属層（薄膜）との複合層であってもよい。部分反射面１０５５が金属層を含んでいる場合、部分反射面１０５５の反射率を高める効果、もしくは、部分反射面１０５５の透過率および反射率の入射角依存性や偏光依存性を適正化できるという効果がある。なお、射出部１０５８については、回折格子やホログラム等の光学素子が設けられた態様であってもよい。

上記構成の頭部装着型表示装置１０００において、入射部１０４０から入射した平行光からなる合成光Ｌｂは、入射面１０４１で屈折し、反射面１０４２に向かう。次に、合成光Ｌｂは、反射面１０４２で反射されて再び入射面１０４１に向かう。その際、合成光Ｌｂは、入射面１０４１に臨界角以上の入射角で入射するため、入射面１０４１で導光部１０５０に向けて反射され、導光部１０５０に向かう。なお、入射部１０４０では、平行光である合成光Ｌｂが入射面１０４１に入射する構成になっているが、入射面１０４１および反射面１０４２を自由曲面等によって構成し、非平行光である合成光Ｌｂが入射面１０４１に入射した後、反射面１０４２と入射面１０４１との間で反射する間に平行光に変換される構成を採用してもよい。

導光部１０５０においては、合成光Ｌｂが第１面１０５６と第２面１０５７との間で反射して進行する。部分反射面１０５５に入射した合成光Ｌｂの一部は、部分反射面１０５５で反射して射出部１０５８から観察者の眼Ｅに向けて射出される。また、部分反射面１０５５に入射した合成光Ｌｂの残りは、部分反射面１０５５を透過し、隣り合う次の部分反射面１０５５に入射する。このため、複数の部分反射面１０５５の各々において反射した合成光Ｌｂは、射出部１０５８から観察者の眼Ｅに向けて射出される。これにより、観察者は、虚像を認識することができる。

その際、外界から導光部１０５０に入射した光は、導光部１０５０に入射した後、部分反射面１０５５を透過して観察者の眼Ｅに到達する。このため、観察者は、画像光生成装置から射出されたカラー画像をみることができるとともに、外界の景色等をシースルーでみることができる。

本実施形態の頭部装着型表示装置１０００は、第１実施形態の画像光生成装置１０を備えているため、表示品位に優れるとともに、小型化が可能である。なお、頭部装着型表示装置１０００は、第２実施形態の画像光生成装置５０を備えていてもよい。また、本実施形態の構成に代えて、導光系１０３０を用いない光学系を備えた頭部装着型表示装置に、第１実施形態の画像光生成装置１０または第２実施形態の画像光生成装置５０を適用してもよい。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図８を用いて説明する。
上記第１実施形態および第２実施形態で説明した画像光生成装置は、以下に説明する画像表示装置に用いられる。
図８は、第４実施形態の投射型表示装置２０００の概略構成図である。

図８に示すように、投射型表示装置２０００（画像表示装置）は、画像光生成装置１０と、画像光生成装置１０から射出された合成光Ｌｂをスクリーン等の被投射部材２２００に拡大して投射する投射光学系２１００と、を有している。

画像光生成装置１０は、色合成素子１４と、色合成素子１４の複数の面のうち、３つの入射面に対向して設けられた３つの表示素子１１，１２，１３と、を備えている。表示素子１１，１２，１３は、例えば有機ＥＬパネルから構成されている。

第４実施形態の投射型表示装置２０００は、第１実施形態の画像光生成装置１０を備えているため、表示品位に優れるとともに、小型化が可能である。なお、投射型表示装置２０００は、第２実施形態の画像光生成装置５０を備えていてもよい。

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、第２表示素子として青色光を射出する有機ＥＬパネルを用い、第３表示素子として赤色光を射出する有機ＥＬパネルを用いた例を挙げたが、この構成に代えて、第２表示素子として赤色光を射出する有機ＥＬパネルを用い、第３表示素子として青色光を射出する有機ＥＬパネルを用いてもよい。また、上記実施形態においては、第１表示素子として緑色光を射出する有機ＥＬパネルを用いることにより、上述したように、第２ダイクロイック膜の設計が容易になるという効果が得られた。ただし、この効果を求めないのであれば、第１表示素子として青色光または赤色光を射出する有機ＥＬパネルを用いてもよい。

その他、上記実施形態で例示した画像光生成装置および画像表示装置の各構成要素の材料、数、配置、形状等の具体的構成は、適宜変更が可能である。

また、上記実施形態では、画像光生成装置として、有機ＥＬパネルからなる表示素子と色合成素子とを組み合わせた例を挙げたが、表示素子は有機ＥＬパネルに限ることなく、無機ＥＬパネル、マイクロＬＥＤパネル等の自発光型パネルを用いてもよい。また、偏光特性を持たない画像光を射出する自発光型パネルに代えて、液晶パネル等の偏光特性を持つ画像光を射出する画像表示パネルを用いてもよい。

また、上記実施形態で説明した画像表示モジュールを備えた画像表示装置の例として、ビデオカメラやスチルカメラ等の撮像装置に利用される電子式ビューファインダー（ＥＶＦ：Electronic View Finder）等を挙げることができる。

１０，５０…画像光生成装置、１１…第１表示素子、１２…第２表示素子、１３…第３表示素子、１４，５４…色合成素子、２１，５１…第１プリズム、２１ａ，５１ａ…第１入射面、２１ｂ…射出面、２２，５２…第２プリズム、２２ａ，５２ａ…第２入射面、２３，５３…第３プリズム、２３ａ…第３入射面、３０…有機ＥＬ素子、３１，６１…第１ダイクロイック膜、３２，６２…第２ダイクロイック膜、８０…光共振器、１０００…頭部装着型表示装置（画像表示装置）、２０００…投射型表示装置（画像表示装置）、ＡＸ…照明光軸、ＬＧ…緑色光（第１の色光）、ＬＢ…青色光（第２の色光）、ＬＲ…赤色光（第３の色光）、ＬＷ…合成光、α１，α２，α３，α５，α６…主光線入射角。

Claims (10)

1. 第１の色光を射出する第１表示素子と、
   前記第１の色光とは異なる色を有する第２の色光を射出する第２表示素子と、
   前記第１の色光および前記第２の色光とは異なる色を有する第３の色光を射出する第３表示素子と、
   前記第１表示素子から射出された第１の色光と、前記第２表示素子から射出された第２の色光と、前記第３表示素子から射出された第３の色光と、が合成された合成光を生成する色合成素子と、を備え、
   前記色合成素子は、前記第１の色光が入射する第１入射面と前記合成光が射出する射出面とを有する第１プリズムと、前記第２の色光が入射する第２入射面を有する第２プリズムと、前記第３の色光が入射する第３入射面を有する第３プリズムと、前記第１の色光を反射させるとともに前記第２の色光および前記第３の色光を透過させる第１ダイクロイック膜と、前記第２の色光を反射させるとともに前記第３の色光を透過させる第２ダイクロイック膜と、を有し、
   前記第１プリズムと前記第２プリズムとは、空気層を介さずに前記第１ダイクロイック膜を介して接合されるとともに、
   前記第２プリズムと前記第３プリズムとは、空気層を介さずに前記第２ダイクロイック膜を介して接合され、
   前記第２ダイクロイック膜に対する前記第３の色光の主光線入射角は、４０度以上である、画像光生成装置。
2. 前記第２ダイクロイック膜に対する前記第３の色光の主光線入射角は、５５度以下である、請求項１に記載の画像光生成装置。
3. 前記第１ダイクロイック膜に対する前記第１の色光の主光線入射角は、２５度以上、４５度未満である、請求項１または請求項２に記載の画像光生成装置。
4. 前記第１入射面と前記第２入射面とは、前記合成光の射出方向に沿った照明光軸に対して同じ側に位置する、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の画像光生成装置。
5. 前記第１入射面と前記第２入射面とは、前記合成光の射出方向に沿った照明光軸に対して互いに異なる側に位置する、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の画像光生成装置。
6. 前記第１の色光が緑色光であり、前記第２の色光が青色光および赤色光のうちのいずれか一方であり、前記第３の色光が青色光および赤色光のうちのいずれか他方である、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の画像光生成装置。
7. 前記第１表示素子、前記第２表示素子、および前記第３表示素子のそれぞれは、有機エレクトロルミネッセンス素子を有する、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の画像光生成装置。
8. 前記有機エレクトロルミネッセンス素子は、光共振器を有する、請求項７に記載の画像光生成装置。
9. 前記第１表示素子、前記第２表示素子および前記第３表示素子の画素サイズは、１０μｍ以下である、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の画像光生成装置。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の画像光生成装置を備えた、画像表示装置。

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