JP5999531B2 - 頭部装着型ディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、頭部装着型ディスプレイ装置に関し、特に、２次元表示画像表示素子と接眼レンズを観察者の頭部に保持して、２次元表示画像表示素子が表示する画像の拡大虚像を観察することができる頭部装着型ディスプレイ装置に関する。

近年、テレビジョンやコンピュータのディスプレイに用いる視覚表示装置として、大画面、高精細のものが要求され、液晶パネルやプラズマディスプレイパネルに代表される表示装置はますます大型化している。
その背景に、ディスプレイにおいて大きな観察画角を確保することが、画像観察時の臨場感を上げるために必要であることが挙げられる。定量的に表現すると、立体感・迫力感等の臨場感を観察者に与えるためには、水平方向で３０°（±１５°、中央から左右に１５°ずつの範囲を意味する。以下同様。）以上の提示画角を確保することが必要であり、１２０°（±６０°）付近でその効果は飽和してしまうことが知られている。

従って、３０°以上でなるべく１２０°に近い観察画角にすることが望ましいが、壁掛けディスプレイで水平画角１２０°を実現しようとすると、２ｍ先に２００インチの大型ディスプレイが必要となり、一般的な居住空間に設置することも困難である。
また、バーチャルリアリティ用途に開発されている没入型ディスプレイについても、観察者を大型のディスプレイで包み込む必要があるため、一般的な居住空間に設置することは困難である。

そこで、特許文献１に示すように、小型の装置でありながら高精細かつ大画面の観察像が得られ、バーチャルリアリティ用途にも適用できる頭部装着型ディスプレイ装置（ＨＭＤ：ヘッドマウントディスプレイ）が注目されている。

特許第３３０４４９７号 特公平４−４２６５０号公報

頭部装着型ディスプレイ装置においては、頭部（顔面を含む）に対する装着性をよくするために、装置全体の大きさを小さくすること、並びに装置の重量を軽量化することが課題である。
そのために、接眼光学系を小型で軽量な構成とすること、すなわちレンズ系の構成枚数を少なくすることが重要であることは一般によく知られているが、レンズ系の構成枚数を少なくすると、各レンズで発生する収差が大きくなり、発生した収差を補正するレンズ系もなくなるので、収差の補正が困難となり、その結果、観察画角を大きくとることができなくなる。

例えば、図８に示すように、２次元画像表示素子２０３が表示する画像を空中に拡大投影する接眼レンズ２０２を単レンズで構成すると、大きな歪曲収差が発生すると共に、コマ収差、非点収差等も発生するので、観察画角は２０°程度が限界となってしまう。
そこで、観察画角を広げるために、特許文献２に開示されているような非球面の単レンズを接眼レンズに用いて光学系を構成することも考えられる。

特許文献２のように接眼レンズ２０２に非球面レンズを用いることで、光学系が簡単で済み、歪曲収差とコマ収差については改善が図れる利点はあるが、倍率の色収差とペッツバール和による像面湾曲収差までは補正できないので、実用上は観察画角３０°程度が限界である。また、観察画角を広くとろうとすると、接眼レンズ２０２が大きくなって、装置全体も大型になってしまい、装着感も悪化するといった問題がある。

そこで、特許文献１に開示された装置では、像面湾曲収差を良好に補正するために、２次元画像表示素子の平面像を変換光学素子によって曲面に変換し、曲面物点を接眼レンズで遠方の平面像として空中に拡大投影する構成をとっている。この装置では、図９に示すように、平面である２次元画像表示素子３０５の表示面を、変換光学素子で曲面画像３０３に変換して、像面湾曲を打ち消すので、接眼レンズ３０２では、像面湾曲収差を補正しなくても、非点収差を補正すれば、フラットな空中拡大像を形成でき、観察画角も、水平方向で５０°（±２５°）、対角方向で６３．１°を実現している。

しかし、この特許文献１に開示された技術では、曲面像画に変換する変換光学素子として、リレーレンズ系３０４、あるいは、端面を曲面にしたイメージ・ファイバープレート等を用いる必要があり、光学系が大きくなるので、装置全体のサイズが大型になり、装着感も悪化する。また、イメージ・ファイバープレートを用いると、画像が荒くなるという問題もある。

本発明は、レンズの歪曲収差の影響を低減させた頭部装着型ディスプレイ装置を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る頭部装着型ディスプレイ装置は、２次元の画像を表示する画像表示素子と、画像表示素子が表示する画像を拡大投影する接眼レンズと、画像表示素子及び接眼レンズを、観察者の頭部に保持する保持機構とを備え、画像表示素子は前記接眼レンズの有効径よりも大きい。

上記表示装置によれば、接眼レンズのレンズ有効径に対して画像表示素子のサイズが大きくなるので、接眼レンズを通して観察者が見る画像表示素子は、有効画面の四隅のみならず、水平および垂直の画面端も視認されない。これにより、レンズの歪曲収差の影響を大幅に低減させることができる。

実施の形態１にかかる頭部装着式ディスプレイ装置１の構造を示す図であって、主に光学系の構造を示している。 人間の視野内の情報受容特性を示した図である。 人間の眼球の鼻側水平位置毎の解像度特性を示す図である。 実施の形態に係る画像表示素子の形態を示す図である。 実施の形態に係る画像表示素子の形態を示す図である。 実施の形態２に係る表示装置２の構成を示す図である。 実施の形態３に係るディスプレイ装置３の構成を示す図である。 従来技術にかかる頭部装着式ディスプレイ装置の構成を示す図である。 特許文献１に記載されたリレーレンズを用いる光学系の構成を示す図である。 画像表示素子１０の電極配置及び駆動回路の構成を示すブロック図である。 実施の形態４にかかる画像表示素子１０における電極配置の一例を示す図である。 実施の形態５にかかる画像表示素子１０における電極配置の一例を示す図である。 実施の形態６にかかる画像表示素子１０における電極配置の一例を示す図である。 図１３中の破線Ａで囲んだ部分の電極及び画素の配置図である。 実施の形態７に係る画像表示素子１０における電極及び画素の配置図である。 実施の形態８に係る画像表示素子の形態を示す図である。 実施の形態９に係る画像表示素子の形態を示す図である。

＜発明の態様＞
（第１の態様）
上記目的を達成するために、頭部装着型ディスプレイ装置は、２次元の画像を表示する画像表示素子と、画像表示素子が表示する画像を拡大する接眼レンズと、画像表示素子及び接眼レンズを、観察者の頭部に保持する保持機構とを備え、画像表示素子の表示面は、中央部が平面状であり、左右両側部は、中央部に沿った平面に対して接眼レンズに近づく方向に曲げられている。

ここで、２次元画像素子の表示面の中央部が「平面状」とは、中央部が曲面加工を施していない平面に近い状態であることを指し、ある程度撓んでいてもよい。
これによって、小型・軽量で、且つ広い観察画角が得られる頭部装着型ディスプレイ装置を実現できる。また、作製時に加工が容易であり、歩留まりも向上する。
上記画像表示素子において中央部と左右両側部との境界は、接眼レンズの実用上の観察画角によって設定される。例えば、非球面単レンズを用いる場合は観察画角３０°（±１５°）程度、球面単レンズを用いる場合は観察画角２０°（±１０°）程度に境界が設定されることが好ましい。

ただし、観察画角はアイレリーフ位置によって変わる。また、中央部と左右両側部の境界の位置も製品バラツキによって変わる。よって、中央部と左右両側部の境界の位置は、観察画角１０°〜４０°（±５°〜±２０°）の範囲内に設定されることが好ましい。
画像表示素子の左右両側部を、水平方向の断面が湾曲した板状とすることが好ましい。
そのために、画像表示素子は、平板状のフレキシブルディスプレイを湾曲加工して形成することが好ましい。

画像表示素子は、四角形の板状のものを用いて、その角部分を、上下左右に位置させ、中央部に沿った平面に対して接眼レンズに近づくよう湾曲させてもよい。
画像表示素子として、フレキシブル有機ＥＬ素子を用いれば折り曲げ加工や湾曲加工が容易にできて好ましい。
画像表示素子は、左右両側部が、中央部に沿う平面に対して接眼レンズに近づく方向に曲げられた板状の第１表示パネルと、第１表示パネルの中央部に重ねて配置された平板状の第２表示パネルとで構成してもよい。

これによって、製造プロセスにおいて、第１表示パネルと第２表示パネルとを別々に製造し、両者を組み合わせて画像表示素子を組み立てればよいので、歩留まりを向上することができる。また、第１表示パネルにフレキシブルパネル、第２表示パネルにガラスやシリコン基板を用いた高精細の有機ＥＬ素子を用いることもできる。
この場合、第１表示パネルは、中央部を光透過性とし、第２表示パネルを、第１表示パネルの背面側に配置することが好ましい。

また、第２表示パネルは、第１表示パネルの左右両側部よりも高精細に画像表示させることによって、観た目の高精細感を保ちながら、駆動時の処理データ量を低減できる。
接眼レンズを、複数のレンズ体で構成し、保持機構が、その中の少なくとも１つのレンズ体を交換可能に保持して、例えば、観察者の視力補正用のレンズ体として用いてもよい。

あるいは上記目的を達成するために、頭部装着型ディスプレイ装置において、２次元の画像を表示する画像表示素子と、画像表示素子が表示する画像を拡大投影する接眼レンズと、画像表示素子及び前記接眼レンズを、観察者の頭部に保持する保持機構とを備え、画像表示素子の表示面は、中央部が平面状であり、周辺部は、中央部に沿った平面に対して接眼レンズに近づく方向に曲げられている構成にしてもよい。

ここで、画像表示素子は、画面中央部と比べて画面周辺部では画素サイズを大きくしてもよい。
（第２の態様）
頭部装着型ディスプレイ装置においては、以下のような課題も存在する。
すなわち、画像表示素子のサイズを大きくすれば提示画角は広がるが、画素が荒くなると臨場感が低下してしまうので、提示画角の大型化に伴って、画像表示素子の画素数も増加する必要がある。例えば、現在の一般的なＨＭＤは、水平画角３０°、画像表示素子サイズ１ｃｍ角、画素数８００×６００であるが、水平画角１２０°にする場合は、画像表示素子のサイズが４ｃｍ角となり、画素数は３２００×２４００となる。

頭部装着型覚表示装置において、上記のように画像表示素子のサイズを大きくして画素数を増やすと次のような課題が発生する。
１つ目の課題として、画像表示素子の製造プロセスが複雑化し、歩留まりが低下してコストが増大することである。
なぜなら、頭部装着型ディスプレイの画像表示素子は露光装置を使用して製造するが、露光装置は解像度の高い露光を大面積に対して行うことは難しいからである。

例えば、頭部装着型ディスプレイの画像表示素子の画素は数μｍ〜２０μｍ程度の大きさであるが、現在の半導体プロセスでは、このような高解像度な露光は１ショットに１ｃｍ角くらいしかできない。従って、４ｃｍ角の画像表示素子を露光するには計１６回の露光が必要となり、さらにパネル端部用のマスクも必要となる。また、画像表示素子にゴミが混入してライン欠陥やドット欠けが発生する確率も１６倍になり、歩留まりが著しく低下してしまう。これらプロセスの複雑化と歩留まりの低下は、画像表示素子の製造コスト増大に直結する。

２つ目の課題として、画像表示素子の画素数が増加すると、駆動時の画像データ量が増大することである。
例えば、水平画角１２０°の画像表示素子では、水平画角３０°の画像表示素子と比べて駆動時の画像データ量は１６倍に増大する。そして、画像データが増大すると、画像処理回路や画像伝送回路での処理量が多くなり、駆動回路もそれだけ大きくなるので、頭部装着型ディスプレイ装置の軽量化の妨げになる。また画像データ量が増大すると、駆動回路の消費電力も増大する。

そこで、頭部装着型ディスプレイ装置において、第２の態様においては、視覚的に３０°以上の観察画角で臨場感のある画像を観察でき、且つ、装置の製造コスト及び駆動時の画像データ量を抑えられるものを提供することを目的とし、画像を表示するマトリックス型の画像表示素子と、画像表示素子が表示する画像を拡大した虚像を形成する接眼レンズと、画像表示素子及び接眼レンズを、観察者の頭部に保持する保持機構とを備え、画像表示素子を、画像表示領域の中央部と比べて周辺部では画素サイズが大きい構成とした。

眼球の解像度特性によれば、観察画角の小さい範囲では、高解像度が要求されるが、上記態様の頭部装着型ディスプレイ装置によれば、有効視野に相当する画面中央部では、画素サイズを小さくして高精細な画像を表示することによって、高解像度の要求に応えることができる。
一方、眼球の解像度特性によれば、観察画角の大きい範囲では、高解像度が要求されないが、上記態様の頭部装着型ディスプレイ装置のように、画像表示素子の周辺部で、画素サイズを大きくしても、臨場感は損なわれない。そして周辺部で画素サイズを大きくすることによって、画像データ量を減らすことができるので、その分、駆動回路の処理を簡素化し、回路の消費電力も減らすことができる。

よって、上記態様の頭部装着型ディスプレイ装置によれば、視覚的に広い観察画角で臨場感のある画像を観察でき、且つ、駆動回路を簡素化したり、回路の消費電力を減らすこともできる。
上記頭部装着型ディスプレイ装置の画像表示素子において、画面中央部では、画素サイズを均一とし、画面周辺部では、中央部から離れるにつれて画素サイズを大きくすることによって、その効果を高めることができる。

画像表示素子が、複数の走査線および複数のデータ線を、互いに交差してマトリックス状に配して、各交差点に対応する箇所に画素が存在するマトリックス表示タイプのものでは、画面中央部と比べて、画面周辺部で、走査線同士の配置間隔及びデータ線同士の配置間隔を大きくすることによって、画面中央部と比べて画面周辺部で画素サイズを大きくすることが容易にできる。

上記画像表示素子において、走査線およびデータ線を、折れ線形状する、あるいは、走査線およびデータ線を曲線形状にすることによって、画素形状を自然な形状に維持しながら、画素サイズを滑らかに変化させることができる。
複数の走査線及び複数のデータ線は、画面中央部における線幅よりも画面周辺部での線幅を太くすれば、画面周辺部の電極を容易に製造できる。

画像表示素子が、複数の走査線および複数のデータ線が互いに交差してマトリックス状に配され、各画素が、複数色のサブピクセルが走査線に沿って配列されて構成されている場合、画面中央部では、走査線とデータ線の各交差部で対応するサブピクセルに書き込みを行い、画面周辺部においては、走査線とデータ線の複数の交差部の中から選択された箇所で、対応するサブピクセルに書き込みを行うようにしても、画面中央部と比べて画面周辺部で画素サイズを大きくすることができる。

画像表示素子において、各画素が、３種類の色のサブピクセルが走査線に沿って配列されて構成されている場合、画面周辺部において、画素サイズが画面中央部の２倍になっている領域では、サブピクセルの色配列の順序が、画面中央部におけるサブピクセルの色配列の順序と異なるようにすれば、同じデータ線では同じ色のサブピクセルに対して書き込みを行うようにすることができる。

上記画像表示素子において、その左右両側部の表示面を、画面中央部の表示面に沿った平面に対して接眼レンズに近づく方向に湾曲した形状とすることによって、接眼レンズで拡大虚像を形成する際に、像面湾曲を打ち消して、広い観察画角を実現することができる。
画像表示素子として、フレキシブル有機ＥＬ素子を用いれば、軽量で加工しやすいといった点で好ましい。

（第３の態様）
２次元の画像を表示する画像表示素子と、画像表示素子が表示する画像を拡大投影する接眼レンズと、画像表示素子及び接眼レンズを、観察者の頭部に保持する保持機構とを備える頭部装着型ディスプレイ装置において、観察者が感じる像面湾曲収差を抑えるために、観察者からの平面視において、画像表示素子の周囲を直線部分及び曲線部分からなる構成とすることも有効である。

また、観察者からの平面視において、接眼レンズの有効径を画像表示素子よりも広く設定することも有効である。
ここで、観察者からの平面視において、画像表示素子を五角形以上の多角形にしてもよい。
以上の第１〜３の態様について、以下の実施の形態１〜９では、図面を参照しながら具体的に説明する。ここで、実施の形態１〜３は主に上記（第１の態様）に関し、実施の形態４〜７は主に上記（第２の態様）に関し、実施の形態８，９は上記（第３の態様）にするものである。

[実施の形態１]
図１は、実施の形態１にかかる頭部装着式ディスプレイ装置１（以下、単に「ディスプ
レイ装置１」と記載する。）の構造を示す図であって、主に光学系の構造を示している。
ディスプレイ装置１は、２次元画像を表示する画像表示素子１０、画像表示素子１０の画面前方にあって、画像表示素子１０の虚像を空中に拡大投影する接眼レンズ２０とからなる光学系、この光学系などを観察者の頭部１００の前方に保持する保持機構３０とを備え、観察者の眼球１０１は、接眼レンズ２０を通して、画像表示素子１０に表示される画像の拡大虚像１０１０を観察できるようになっている。拡大虚像１０１０は、図示しやすいように画像表示素子１０の近くに投影されているが、実際は数十ｃｍ〜無限遠の位置に投影されている。

なお図１では、右側の接眼レンズ２０によって形成される拡大虚像１０１０だけを示しているが、左側の接眼レンズ２０によっても同様の拡大虚像が形成される。
画像表示素子１０は、マトリックス型の２次元表示装置であって、中央部１１が平板状であり、左右側部１２ａ，１２ｂは、水平方向の断面が、中央部１１の延長線よりも接眼レンズ２０に近づくよう曲げられた板状である。

画像表示素子１０は、このように湾曲加工が施されるので、曲面加工に耐えられる素材で形成する必要はあるが、繰り返し曲げられることはないので、一回成型で曲面形状にするようなディスプレイでもよい。
ここでは、ポリイミド、あるいはＰＥＴフィルム上に有機ＥＬを成膜した薄型の有機ＥＬディスプレイを用いる。ただし、フレキシブルディスプレイであれば有機ＥＬに限らず、無機ＥＬディスプレイでも液晶ディスプレイを用いてもよい。また、反射型液晶（ＬＣＯＳ:Liquid crystal on silicon）やデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ:Digital Mirror Device）を用いてもよい。

この画像表示素子１０は、図４（ａ）に示すように、複数のデータ線１３及び複数の走査線１４が、互いに交差して配設されている。この複数のデータ線１３及び複数の走査線１４の端はドライバ（図１０の駆動回路５２，５３参照）に接続され、そのドライバに、ディスプレイ装置１の外部から画像信号並びに電力が供給される。そして、画像表示素子１０において、ドライバが複数の走査線１４に電圧を順次印加しながらデータ線１３に画像信号を印加することによって、データ線１３及び走査線１４が交差する箇所に存在する画素を画像信号に応じて点灯することによって、２次元の画像を表示する。

画像表示素子１０の形状の具体例については後述するが、両側部が湾曲した形状の画像表示素子１０は、まず、平板状のディスプレイを作成し、その側部を湾曲した型に押し当てて、両側部を曲げ加工することによって作製することができる。
また、ガラスやシリコン基板上に有機ＥＬを成膜して、平面状の画像表示素子を形成した後、その基板表面の左右両側部に透明層を厚く形成して、その透明層の両側部を切削あるいは溶解して、両側部の表示面を湾曲した形状に加工することも可能である。

接眼レンズ２０としては、例えば実用上３０°以上の観察画角を有する非球面レンズあるいは回折レンズを用いることが好ましい。
ディスプレイ装置１は、画像表示素子１０、接眼レンズ２０を頭部１００に装着し保持するメガネ式の保持機構３０を備えている。この保持機構３０は、光学系を収納するケース部３１、ケース部３１を頭部１００の前面に保持するテンプル３２、ケース部３１内で接眼レンズ２０を保持するフレーム３３からなる。

ディスプレイ装置１を頭部１００に装着した状態で、各ケース部３１は、各眼球１０１の前方に保持され、このケース部３１内において、接眼レンズ２０及び画像表示素子１０が、眼球１０１の前方に配置される。
（画像表示素子１０の形状と効果）
理想的なレンズは結像面が平面状だが、一般に凸レンズには「像面湾曲収差」が発生して、結像面がお碗の内側のような湾曲した形状となる。

この像面湾曲収差によって、凸レンズで全体が平面状である表示素子を観るとき、観察画角が３０°を超える範囲の画像は結像されずにピントボケしやすい。すなわち、平面ディスプレイの虚像を拡大投影するときに、画面中央部にピントを合わせると、画面周辺部がピントボケしてしまい、逆に画面周辺部にピントを合わせると画面中央部がピントボケしてしまう。

これに対して、画像表示素子１０は、その左右両側部１２ａ，１２ｂが、接眼レンズ２０に近づく方向に湾曲した形状を有することによって、両側部１２ａ，１２ｂにおける像面湾曲の影響を打ち消して、広い角度範囲にわたって拡大虚像を結像させることができる。従って、広い観察画角を実現できる。
なお、画像表示素子１０は、水平方向の観察画角３０°程度の範囲は平面状であるが、非球面単レンズを用いているため、この範囲では、画面が平面状であっても、像面湾曲収差の影響は小さく、ほぼ平面上に結像する。なお、平面状の範囲はレンズの実用上の観察画角に応じて設定する。

上記によって、画像表示素子１０においては、中央部１１の像及び両側部１２ａ，１２ｂの像をともに、結像させることができ、水平方向に対して広範囲の観察画角を得ることができる。
また、画像表示素子１０は、中央部１１が平面状なので、中央部１１には曲面加工を施さないで済む。従って、全面を曲面加工する場合と比べると、曲面加工を施す領域が限られているので、加工が容易であり、歩留まりも向上する。

上記のように、画像表示素子１０によれば、水平方向の観察画角３０°程度までの中央部１１を平面状とし、両側部１２ａ，１２ｂを湾曲形状とすることによって、広い観察画角が得られ、製造も比較的容易である。そして、水平方向の観察画角Θ2（眼球１０１から拡大虚像１０１０を観たときの左右広がり角度）を最大１２０°程度まで広げることができる。

なお、両側部１２ａ，１２ｂは、左右の観察画角が大きい領域に存在するので、以下に説明するように人間の視覚特性に基づくと、厳密に結像していなくても視覚的にはほとんど影響しない。
また、画像表示素子１０が、垂直方向に湾曲していない場合、非球面レンズによって、垂直方向３０°以内の範囲の像面湾曲は補正できるが、垂直方向３０°以上の範囲の像面湾曲は補正できない。しかし、垂直方向３０°以上の範囲は、有効視野の範囲外に存在するので、以下に説明するように人間の視覚特性に基づくと、厳密に結像していなくても視覚的にはほとんど影響しない。

上記両側部１２ａ，１２ｂおよび垂直方向３０°以上の範囲が視覚的にほとんど影響しない理由について詳述する。
（人間の視覚特性と考察）
図２は、人間の視野内の情報受容特性を示した図である（高臨場感ディスプレイ、共立出版、谷 千束編集、ｐ．６１）。

図２に示すように、人間の視野は大きく４つに分類される。すなわち、視力や色の弁別などの視機能が最も優れた弁別視野（数度以内）、眼球運動だけで対象を捉えられる有効視野（左右約１５度、上約８度、下約１２度以内）、呈示された対象の存在のみ判定でき人間の空間座標感覚に影響を与える誘導視野（水平３０〜１００度、垂直２０〜８５度）、呈示された対象への知覚は極度に低下し、強い刺激などに注視動作を誘発させる程度の働きをする補助視野（水平１００〜２００度、垂直８５〜１３５度）に分類される。

図３は、人間の眼球の鼻側水平位置毎の解像度特性を示す図である（人間計測ハンドブック、朝倉書店、産業技術総合研究所人間福祉医工学研究部門編集、ｐ．１６９）。
人間の視野の中心（０°）は、空間周波数が高くて、コントラストが低い縞模様でも視認できるが、中心から１．５°離れただけで最大空間周波数が半減する。また、中心から３０°離れると、視認できる解像度も約２０分の１にまで減少する。

鼻側垂直位置毎の解像度特性もこの図３と同様な傾向となる。
図２，図３から、眼球運動で対象を捉えられる有効視野の範囲には高精度な画像が要求され、有効視野の範囲を超えると極端に高精度な映像でなくても許容されることがわかる。
また、水平方向の有効視野は、垂直方向の有効視野よりも１０°広いことが分かる。

上記図２，３に示した視野特性を踏まえると、水平方向の観察画角が３０°から離れるほどに視覚の解像度特性が低下するため、水平方向３０°から離れた領域では、それほど厳密に焦点が結像しなくても、観察者が見る上で影響ないことがわかる。
また、画像表示素子１０は垂直方向の観察画角が２０°（＋８°、−１２°）以上の範囲は有効視野の範囲外なので、この範囲では湾曲補正ができていなくても、実用上の支障がないこともわかる。

よって、接眼レンズに実用上の観察画角が２０°程度あれば、画像表示素子１０を水平方向に湾曲することによって、有効視野を満たすことができることがわかる。
なお、画像表示素子１０には適正な平面状の領域が必要である。なぜならば、画像表示素子１０の平面状の領域を無くすと、レンズ特性は点対称なため、例えば、湾曲している中央部の水平方向と、湾曲していない中央部の垂直方向を同時に結像できなくなるからである。反対に、画像表示素子１０の平面状の領域を広げ過ぎると、像面歪曲補正するために光学系が大きくなってしまうからである。

以上の内容から、画像表示素子１０の形状は、接眼レンズの光学特性と、人間の視覚特性を反映させた特徴を有していると言える。
以上の考察から、画像表示素子１０において、中央部１１と両側部１２ａ，１２ｂとの境界の位置は、その拡大虚像１０１０の中央部１０１１と両側部１０１２ａ，１０１２ｂとの境界の観察画角Θ1を接眼レンズの実用上の観察画角に応じて２０°〜３０°程度になるように設定することが好ましいこともわかる。

ただし、観察画角はアイレリーフ位置によって変わる。また、中央部と左右両側部の境界の位置も製品バラツキによって変わる。よって、中央部と左右両側部の境界の位置は、観察画角１０°〜４０°（±５°〜±２０°）の範囲内に設定されることが好ましい。
両側部１２ａ，１２ｂを湾曲させる曲率、あるいは曲げる角度については、像面湾曲を補正するのに適した曲率あるいは角度に設定する。

両側部１２ａ，１２ｂを湾曲させるときの曲率Ｒは、例えば、接眼レンズ２０の屈折率ｎと焦点距離ｆとの積ｎｆを基準にして設定すればよい。
また、両側部１２ａ，１２ｂを湾曲させるときの曲率Ｒは、通常、１０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。
以上のように、ディスプレイ装置１においては、画像表示素子１０として、薄型のディスプレイを湾曲加工して用い、接眼レンズ２０として単一のレンズ体を使用することによって、装置を小型で軽量にしながら、視覚的に３０°（±１５°）以上の観察画角で観察できるようにしている。

この点について、特許文献２に開示された頭部装着式ディスプレイ装置と対比すると、特許文献２に開示された装置は、３０°（±１５°）以上の観察画角が観察でき、且つ、周辺までフラットで鮮明な観察画像が観察できるようにするために、接眼レンズに、リレーレンズやイメージ・ファイバープレートを使用している。従って、それだけ光学系が大型で重くなり、光学系の作製にも精度が要求される。

これに対して、本実施形態のディスプレイ装置１においては、リレーレンズやイメージ・ファイバープレートは必要ないので、装置を小型軽量にでき、フレキシブルディスプレイを湾曲加工することで実現できるので製造も容易である。
（画像表示素子１０の形態）
画像表示素子１０の形態には、図４（ａ），（ｂ）、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、複数の種類が存在する。

以下、画像表示素子１０の形態のバリエーションについて説明する。
１．図４（ａ）に示した画像表示素子１０は、長方形状のフレキシブルディスプレイを、中央部１１は平板状のままにして、両側部１２ａ，１２ｂは、水平方向に湾曲させてシリンドリカル形状に加工したものである。
２．図４（ｂ）に示す画像表示素子１０は、長方形状のフレキシブルなディスプレイ１１０の中央部は平板状のままとし、そこに透明領域１１０ａを形成し、両側部１２ａ，１２ｂは、水平方向に湾曲するシリンドリカル状に加工している。透明領域１１０ａには画素が形成されておらず、この透明領域１１０ａの背面側に、平面状の画像表示素子１１１が配設されている。

この画像表示素子１０において、中央部１１では、透明領域１１０ａを通して画像表示素子１１１の表示画像が観え、両側部１２ａ，１２ｂはディスプレイ１１０の表示画像が観えるようになっている。ここで、フレキシブルなディスプレイ１１０は厚みが小さいので、画像表示素子１１１の表示面と両側部１２ａ，１２ｂの表示面との段差は小さく、観た目にも目立たない。

このようにして、中央部１１と両側部１２ａ，１２ｂとを、別々のディスプレイで表示する構成とすることもできる。
この場合、製造プロセスにおいて、フレキシブルなディスプレイ１１０と画像表示素子１１１とを別々に製造し、両者を組み合わせて画像表示素子１０を組み立てればよいので、歩留まりを向上することができる。

なお、ディスプレイ１１０は、曲げ性能に優れた透明フィルムを基材として用いる。そして、透明領域１１０ａには透明基材が存在していてもよいし、開口していてもよい。透明領域１１０ａの大きさは、画像表示素子１１１の画像表示領域と同等の大きさに設定して、画像表示領域の外が見えないようにすることが好ましい。
上記図２，３に示した視野特性に基づくと、ディスプレイ１１０の両側部１２ａ，１２ｂにおいては、高精細は必要ないので、画素数を少なく設定して、駆動時のデータ処理量や消費電力を低減し、一方、中央部の画像表示素子１１１は高精細であることが好ましい。よって、中央部の画像表示素子１１１をシリコン基板あるいはガラス基板上に高精細なＥＬ素子を形成し、ディスプレイ１１０の両側部１２ａ，１２ｂよりも高解像度で画像表示するようにしてもよい。

なお、図４（ｂ）に示した例では、フレキシブルなディスプレイ１１０の背面に平面状の画像表示素子１１１を配置しているので、画像表示素子１１１の厚みが大きくてもよいが、平面状の画像表示素子１１１の厚みが薄い場合はフレキシブルなディスプレイ１１０の前面に配設してもよい。
３．上記図４（ａ），（ｂ）に示した画像表示素子１０は、中央部１１の端から両側部１２ａ，１２ｂにかけて滑らかに湾曲して曲面形状を有しているが、中央部１１と両側部１２ａ，１２ｂとの間で折れ曲がっていてもよい。

図５（ａ）は、フレキシブルディスプレイにおける水平方向３０°の部分で折り曲げた形態である。
この図５（ａ）の例では、中央部１１と共に左右両側部１２ａ，１２ｂも平面状であるため、両側部１２ａ，１２ｂが湾曲している場合に比べて焦点が合いにくいが、側部１２ａ，１２ｂは、中央部１１に沿う平面に対して接眼レンズ２０に近づくように曲がっているため、像面湾曲を補正する効果が得られる。

なお、図５（ａ）の例では、左右両側部１２ａ，１２ｂが平面状であるため、湾曲している場合と比べると焦点が合いにくいが、上記のように水平方向３０°から離れるほど焦点が合っていなくても視野の分解度が低下するため、実用上は支障がない。
図５（ａ）の形態のディスプレイは、１枚のフレキシブルディスプレイを曲げ加工して作成する以外に、中央部１１と左右両側部１２ａ，１２ｂに相当する３つのディスプレイを並べてタイリングして作製してもよい。

４．図５（ｂ）に示す画像表示素子１０は、菱形状のフレキシブルディスプレイにおいて、図中白抜き矢印で示す角部分が上下左右に位置するように配置し、角部分の近傍を湾曲させた形状である。
中央部１１が平面状、左右両側部１２ａ，１２ｂ（左右の角部近傍）が湾曲し、中央部１１の上側部１１ａ，下側部１１ｂ（上下の角部近傍）も湾曲している。

このように、上下左右の角部分近傍を湾曲形状にする形態とすることは、水平方向だけでなく垂直方向の像面歪曲も補正できる点で好ましい。
５．図５（ｃ）に示す画像表示素子１０は、長方形状のフレキシブルディスプレイにおいて、中央線で折り曲げて中央部１１に２つの平面部１１ｃ，１１ｄを形成し、さらに図中白抜き矢印で示す角部分の近傍を湾曲させた形状である。

このような形状とすることによっても、全体が平面状の画像表示素子と比べると、水平方向及び垂直方向の像面歪曲収差を低減できる。
６．図５（ｄ）及び（ｅ）に示す画像表示素子１０は、中央に六角形状の中央部１１が存在し、この六角形状の中央部１１の六つの各辺から、台形状の側部１２が放射状に６方向に伸びて形成されている。そして、中央部１１は平面状であり、各側部１２は（ｅ）に示すように湾曲した形状となっている。

図５（ｄ）は、この画像表示素子１０の展開図であり、（ｅ）は平面図及び側面図である。
図５（ｄ）の展開図においては６つの側部１２が互いに離れているが、図５（ｅ）に示すように、各側部１２が湾曲した状態において、隣接する側部１２同士はつながっている。

なお、側部１２間の継ぎ目には、透明な充填材やレンズを形成して、視覚的に継ぎ目を目立たなくすることが好ましい。
このように６方向に湾曲した側部１２を有する形状とすることによって、６方向の像面歪曲収差を低減できる。
なお、中央部１１を八角形状とし、その８辺から台形状の側部１２を放射状に配置してもよく、その場合、８方向の像面歪曲収差を低減できる。

７．画像表示素子１０において、周辺部の側部１２に対して中央部１１を高精細とすることが好ましい。
[実施の形態２]
図６は、実施の形態２にかかる頭部装着式ディスプレイ装置２の構成を示す図である。
このディスプレイ装置２は、上記ディスプレイ装置１と同様の構成であるが、接眼レンズが単レンズで無く、画像表示素子１０の表示画像を拡大投影するためのレンズ体２０ａと、補正用のレンズ体２０ｂの２枚で構成されている。

レンズ体２０ｂは、各種収差補正に用いるだけでなく、個々人で異なる視力特性に合わせて補正するために用いることができる。そのために、補正用のレンズ体２０ｂを支持するフレーム３３ａは、着脱自在に取り付けられている。例えばフレーム３３ａは、枠支持バーを操作してレンズ体２０ｂを取り外しできるようになっている。
例えば、実施の形態１のディスプレイ装置１においても、画像表示素子１０と接眼レンズ２０の位置関係を変えれば、近視・遠視の個性にある程度対応できるが、乱視には対応できない。これに対して、ディスプレイ装置２では２枚目のレンズ体２０ｂを調整することで乱視にも対応できる。

ディスプレイ装置２においては、２枚目のレンズ体２０ｂをレンズ体２０ａの外側に配置しているが、これによって、レンズ体２０ｂを比較的容易に交換することができる。
また、レンズ体２０ａは高倍率（例えば、１０倍）が要求されて重量が重いのに対して、レンズ体２０ｂは補正用であって高倍率を必要しないため比較的軽い。従って、ディスプレイ装置２においては、比較的軽量のレンズ体２０ｂを外側に配置することによって、ディスプレイ装置２を頭部１００に装着したときの重量バランスを良好にしている。

[実施の形態３]
図７は、実施の形態３にかかる頭部装着式ディスプレイ装置３の構成を示す図である。
このディスプレイ装置３は、ディスプレイ装置１と同様の構成であるが、ディスプレイ装置３の光学系は、軸Ｃが水平視線Ｈに対して下向きに傾いている。
この水平視線Ｈは、観察者が立った状態で、目の高さで水平線と感じる線である。

このようにディスプレイ装置３の光学系を下向きに傾けることによって得られる効果を説明する。
上述した図２の人間の視野内の情報受容特性において、人間の視野は水平方向については左右均等であるが、垂直方向は上下不均等である。具体的には、有効視野（眼球が動作する範囲）では、上が８°であるのに対して下は１２°、誘導視野では、上が３５°であるのに対して下は５０°、補助視野では上が５０°であるのに対して、下は７５°である。

一方、接眼レンズ２０は、基本的に光軸に対して対称の特性を持つ。
従って、光学系を水平視線に対して下向きに２°〜１２．５°傾けて、有効視野が光学系軸Ｃに近い位置にくるように設定することによって、垂直方向に関して上下均等に観察でき、観察角度内に画像を表示できるようになる。
また、このように光学系を下方に傾けることによって、ディスプレイ装置３の重心が下がるので、装着性能も向上する。

なお、ディスプレイ装置３において、装置重量を頭部１００の頬で支持する構造とすれば、装着性能を向上することができる。また、実施形態２に係るディスプレイ装置２においても、同様に光学系を下方に傾斜させた構造とすることによって同様の効果を奏する。
[実施の形態４]
実施の形態４にかかるディスプレイ装置１は、上記実施の形態１と同様に図１に示す構造であって、２次元画像を表示する画像表示素子１０、画像表示素子１０の画面前方にあって画像表示素子１０の虚像を空中に拡大投影する接眼レンズ２０とからなる光学系、この光学系などを観察者の頭部１００の前方に保持する保持機構３０とを備え、観察者の眼球１０１は、接眼レンズ２０を通して、画像表示素子１０に表示される画像の拡大虚像１０１０を観察できるようになっている。

画像表示素子１０は、マトリックス型の２次元表示装置であって、全体が平面状のものであってもよいが、図１に示す例では、観察画角がΘ1までの範囲に相当する中央部１１が平板状であり、左側部１２ａ，右側部１２ｂは、水平方向の断面が、中央部１１の延長線よりも接眼レンズ２０に近づくよう曲げられた板状である。
この画像表示素子１０において、左右側部１２ａ，１２ｂを湾曲させるときの曲率Ｒは、通常、１０ｍｍ〜３０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。また、中央部１１と両側部１２ａ，１２ｂとの境界の位置は、その拡大虚像１０１０の中央部１０１１と左側部１０１２ａの境界から中央部１０１１と右側部１０１２ｂとの境界までの観察画角Θ1が３
０°近くになるように設定することが好ましい。

このように左右側部１２ａ，１２ｂが曲げられた形状にすることによって、接眼レンズ２０で拡大虚像１０１０を形成する際に、像面湾曲の影響が打ち消されるので、左右側部１２ａ，１２ｂの広い範囲にわたって拡大虚像を結像させることができる。従って水平方向の観察画角Θ2を広くすることができる。
画像表示素子１０に、湾曲加工を施す場合、曲面加工に耐えられる素材で形成する必要はあるが、繰り返し曲げられることはないので、一回成型で曲面形状にするようなディスプレイでもよい。

ポリイミド、あるいはＰＥＴフィルム上に有機ＥＬを成膜した薄型の有機ＥＬディスプレイを用いることが好ましいが、有機ＥＬに限らず、無機ＥＬディスプレイでも液晶ディスプレイを用いてもよい。
図１０は、画像表示素子１０の電極配置及び駆動回路の構成を示すブロック図である。
説明を簡略にするため、ここでは１画素が１個のＥＬ素子で形成されているものとして説明するが、１画素がＲＧＢ３個のＥＬ素子で形成されている場合も、同様のことがいえる。

画像表示素子１０には、図１０に示すように、走査線ＳＣ１〜ＳＣｎが画素行ごとに配置され、データ線Ｄ１〜Ｄｍが画素列ごとに配置されている。走査線ＳＣ１〜ＳＣｎとデータ線Ｄ１〜Ｄｍとが交差した部分に（ｎ×ｍ）個の画素が形成されて、マトリクス状に画素が配置されており、
各画素に階調を書き込むために、画素ごとに１つの選択トランジスタを含む画素回路が形成され、各選択トランジスタは、走査線ＳＣ及びデータ線Ｄに接続されている。

表示装置１には、画像表示素子１０を駆動するために、制御回路５１、走査線駆動回路５２、データ線駆動回路５３が設けられている。
走査線駆動回路５２は、複数の走査線ＳＣ１〜ＳＣｎに接続されており、複数の走査線ＳＣ１〜ＳＣｎに対して、表示階調を書き込む行を選択する走査電圧を順次出力する。
データ線駆動回路５３は、データ線Ｄ１〜Ｄｍに接続されており、走査線駆動回路５２によって選択された行に対して、画像信号に応じたデータ電圧を複数のデータ線Ｄ１〜Ｄｍに出力する。

それによって、画像表示素子１０は、走査線ＳＣ１〜ＳＣｎとデータ線Ｄ１〜Ｄｍが交差する箇所に存在する画素を、画像信号に応じて点灯することによって、画像を表示する。
画像表示素子１０の画素サイズは、表示領域の中央部では小さく、周辺部では大きく形成されている。その具体例については後述する。

画像表示素子１０の形状は、全体が平板状のものを用いてもよいが、ここでは、図１に示すように、中央部１１が平板状であり、左右側部１２ａ，１２ｂは、中央部１１の延長面よりも接眼レンズ２０に近づくよう湾曲された板状であるものを用いることとする。いいかえると、左右側部１２ａ，１２ｂは、水平方向の断面が、中央部１１の延長線よりも接眼レンズ２０に近づくよう湾曲された板状である。

接眼レンズ２０としては、例えば実用上３０°以上の観察画角を有する非球面レンズあるいは回折レンズを用いることが好ましい。
ディスプレイ装置１は、画像表示素子１０、接眼レンズ２０を頭部１００に装着し保持するメガネ式の保持機構３０を備えている。この保持機構３０は、光学系を収納するケース部３１、ケース部３１を頭部１００の前面に保持するテンプル３２、ケース部３１内で接眼レンズ２０を保持するフレーム３３からなる。

ディスプレイ装置１を頭部１００に装着した状態で、各ケース部３１は、各眼球１０１の前方に保持され、このケース部３１内において、接眼レンズ２０及び画像表示素子１０が、眼球１０１の前方に配置される。
（画像表示素子１０の電極配置）
図１１は、画像表示素子１０における電極配置の一例を示す図である。

図１１に示すように、画像表示素子１０は、画面中央部１０ａ（点線枠の内側領域）では走査線ＳＣ同士の間隔及びデータ線Ｄ同士の間隔は一定であるが、画面周辺部１０ｂ（点線枠の外側領域）では、走査線ＳＣ同士の間隔、並びにデータ線Ｄ同士の間隔が画面中央部１０ａと比べて広くなっている。
各画素の縦サイズは走査線ＳＣ同士の間隔に相当し、横サイズはデータ線の間隔に相当するので、画面中央部１０ａと比べて、画面周辺部１０ｂでは画素サイズも大きく設定されている。

このような画素サイズの設定は、下記の人間の視野内の情報受容特性からわかるように、有効視野（左右約１５度、上約８度、下約１２度以内）の範囲では高精細な表示が要求されるのに対して、有効視野の範囲から離れるに従って高精細な表示は要求されないという特性に合わせたものである。
ここで、画面中央部１０ａのサイズは有効視野に相当するサイズに設定することが好ましい。あるいは、画面中央部１０ａの横方向長さを、中央部１１の横方向長さと合わせてもよい。

具体例として、画像表示素子１０において有効視野に入る範囲が、水平１ｃｍ、垂直０．７ｃｍの領域である。この有効視野に入る範囲を画面中央部１０ａとして設定し、その範囲内では電極間隔を均一的に高精細にして高解像で表示できるようにすることが好ましい。
また、図１１に示す例では、画面周辺部１０ｂにおいては、有効視野の範囲から離れるに従って、走査線ＳＣ同士の間隔、並びにデータ線Ｄ同士の間隔が広がっている。

具体例として、有効視野における走査線ＳＣ同士の間隔及びデータ線Ｄ同士の間隔を基準として、有効視野から観察画角が１．５°離れた領域では、走査線ＳＣ同士の間隔及びデータ線Ｄ同士の間隔を２倍にし、有効視野から観察画角が３０°離れた領域では走査線ＳＣ同士の間隔及びデータ線Ｄ同士の間隔を２０倍にし、有効視野から観察画角が３０°以上離れた領域ではさらに走査線ＳＣ同士の間隔及びデータ線Ｄ同士の間隔を広げる。

また、画面中央部１０ａと比べて画面周辺部１０ｂでは、走査線ＳＣ同士の間隔及びデータ線Ｄ同士の間隔を広げるのに合わせて、走査線ＳＣ及びデータ線Ｄの線幅も太くしてもよい。
上記の電極配置によって、以下の効果が得られる。
第１に、画面中央部１０ａと画面周辺部１０ｂとで一律に画素を高精細に形成する場合と比べると、画面周辺部１０ｂでは画素数が少なくなるので、画像表示素子１０の製造プロセスが簡単になる。

画像表示素子１０の製造プロセス中には、電極や素子の各層をパターニングするための露光工程があるが、高精細に露光する場合は露光面積が小さくなる。ここで、例えば、画面中央部１０ａは、高精細で小面積な露光装置を用いて露光し、画面周辺部１０ｂは精細でなく露光領域の大きい露光装置で露光することによって、全体を高精細な露光装置で露光する場合と比べて露光回数を減らすことができるので、画像表示素子の製造プロセスを簡素化できる。

また、画像表示素子を高精細に作製する場合、ゴミが混入することによるライン欠陥やドット欠けが発生しやすいが、画面周辺部１０ｂは高精細ではないので、製造工程においてライン欠陥やドット欠けが発生するのを防止することもできる。このようなプロセスの簡略化と歩留まりの向上によって、画像表示素子１０を安価に製造することができる。
画面周辺部１０ｂで電極間隔と共に電極幅を太くすれば、これらの効果をさらに高められる。

第２に、画像表示素子１０は、全体を高精細に製造する場合と比べて、画面周辺部１０ｂでは画素サイズが大きく、画素数が少ないので、駆動時において制御回路５１、走査線駆動回路５２、データ線駆動回路５３が処理する画像データ量を削減できる。この画像データ量は、画素の大きさにほぼ反比例するので、例えば、画素サイズを４倍にした領域に関しては、画像データ量を１／４に削減できる。

このように駆動時に処理する画像データ量を低減することによって、画像処理回路や画像伝送回路を簡素化できるので、装置全体の大きさを小さくして、装置の重量を軽量化することもできる。
また、画面周辺部１０ｂでは、画素サイズを大きくすることによって、開口率を向上できるので、発光効率も向上する。それによって、画像表示素子１０全体の発光効率も向上するので、消費電力も低減できる。

さらに、画面周辺部１０ｂにおける画像データ量を削減することによって、画像処理回路や画像伝送回路の消費電力も低減できる。
有効視野の範囲から離れるに従って、走査線ＳＣ同士の間隔、並びにデータ線Ｄ同士の間隔を広げることによって、これらの効果をさらに高めることができる。
（人間の視覚特性と考察）
上記実施の形態１において図２を参照しながら説明したように、人間の視野は大きく４つに分類される。また、図３を参照しながら説明したように、人間の視野の中心（０°）は、空間周波数が高くて、コントラストが低い縞模様でも視認できるが、中心から１．５°離れただけで最大空間周波数が半減する。また、中心から３０°離れると、視認できる解像度も約２０分の１にまで減少する。そして、鼻側垂直位置毎の解像度特性も同様な傾向となる。

従って、眼球運動で対象を捉えられる有効視野の範囲には高精度な画像が要求され、有効視野の範囲を超えると極端に高精度な映像でなくても許容されることがわかる。また、水平方向の有効視野は、垂直方向の有効視野よりも１０°広いことが分かる。
上記図２，３に示した特性を踏まえると、水平方向の観察画角が３０°から離れるほどに視覚の解像度特性が低下するため、水平方向３０°から離れた領域では、画素サイズが大きくても、観察者が見る上で影響ないことがわかる。

また、画像表示素子１０は垂直方向の観察画角が２０°以上の範囲は有効視野の範囲外なので、この範囲で画素サイズが大きくても、観察者が見る上で影響ない。
以上の内容から、画像表示素子１０における電極配置は、人間の視覚特性を反映させた特徴を有しており、臨場感のある画像を観察でき、且つ、駆動時の画像データ量を抑える効果を奏すると言える。

[実施の形態５]
図１２（ａ），（ｂ）は、実施の形態５にかかる画像表示素子１０の電極配列を示す図である。
本実施の形態のディスプレイ装置は、実施の形態４のディスプレイ装置１と同様の構成であり、画像表示素子１０において画面中央部１０ａと比べて画面周辺部１０ｂの方が走査線ＳＣおよびデータ線Ｄの電極間隔が広く、画素サイズが大きい点も同様であるが、画像表示素子１０に走査線ＳＣおよびデータ線Ｄを配設する形態が異なっている。

図１２（ａ）に示す画像表示素子１０においては、走査線ＳＣ１〜ＳＣｎとデータ線Ｄ１〜Ｄｍは、画面中央部１０ａでは電極同士がほぼ一定間隔であるが、画面周辺部１０ｂでは電極同士の間隔が広がるように、折れ線形状となっている。
図１２（ｂ）に示す画像表示素子１０においては、走査線ＳＣ１〜ＳＣｎとデータ線Ｄ１〜Ｄｍは、画面の周辺に行くほど電極同士の間隔が広がるように、曲線状になっている。

走査線ＳＣ１〜ＳＣｎとデータ線Ｄ１〜Ｄｍの形状としては、この他にも、画面の周辺に行くほど電極間隔が広がるように、階段状に細かい折れ線の形状にしてもよい。
本実施の形態では、実施の形態４で説明した効果に加えて、以下のように画面周辺部１０ｂにおいて、画素形状を自然な形状に維持しながら、画素サイズを滑らかに変化させることができる。

上記図１１に示すディスプレイ装置１の場合、画像表示素子１０における画面周辺部１０ｂの中でも、画面中央部１０ａの上下及び左右の位置では電極間隔が狭く、画面中央部１０ａの上下では画素が縦長になり、画面中央部１０ａの左右では画素が横長のいびつな形状となる。このように画素が縦または横に狭い形状であると、画素回路を形成する際に高精度な露光が必要となって製造プロセスも複雑となり、ゴミによる歩留まり低下も生じやすい。

これに対して、本実施形態の画像表示素子１０では、画素の形状が縦長あるいは横長になるのを緩和できるので、そのような問題も生じにくい。
また、本実施形態の画像表示素子１０では、画面中央から周辺にかけて画素間隔が自然に広がるので、視覚的に画素間隔の変化も気にならない。
[実施の形態６]
本実施の形態のディスプレイ装置も、実施の形態４のディスプレイ装置１と同様の構成であり、画像表示素子１０において画面中央部１０ａと比べて画面周辺部１０ｂの方が走査線ＳＣおよびデータ線Ｄの電極間隔が広く、画素サイズが大きい点も同様であるが、電極配置及び画素配置の形態が異なっている。

図１３は、実施の形態６にかかる画像表示素子１０の電極配置を示す図であり、図１４は、図１３中の破線Ａで囲んだ部分の電極及び画素の配置図である。
図１３，１４において、横方向に隣接するＲＧＢ３色のサブピクセル（ＥＬ素子）で１画素が形成されている。
画面中央部１０ａにおけるサブピクセルのサイズを基準サイズ（１倍）とし、画面周辺部１０ｂではサブピクセルの横サイズが、画面中央部１０ａから離れるに従って２倍、３倍、…６倍と大きくなっている。そして、画面周辺部１０ｂでサブピクセルのサイズが２倍、３倍、…６倍になるのに伴って、画素サイズも２倍、３倍、…６倍になっている。

複数の走査電極ＳＣ及び複数のデータ電極Ｄは、直線状であって、走査電極ＳＣ及びデータ電極Ｄ同士の間隔は、図１３の例では画面中央部１０ａよりも画面周辺部１０ｂで広く設定している。
そして、サブピクセルのサイズに関わらす、１つのサブピクセルに対して、選択トランジスタ及び画素回路は１つ設けられている。

図１４を参照しながら具体的に説明すると、ＲＧＢの各サブピクセルに階調を書き込むために、●が付いている交差部に選択トランジスタ及び画素回路が配置されている。
画面中央部１０ａのサブピクセル（１倍）においては、複数の走査電極ＳＣと複数のデータ電極Ｄが交差するすべての交差箇所に、ＲＧＢいずれかのサブピクセルが形成されて、マトリクス状にサブピクセルが配置されており、各サブピクセルに階調を書き込むために、サブピクセルごとに１つの選択トランジスタ及び画素回路が配置されている。

一方、画面周辺部１０ｂにおいては、サブピクセルのサイズが２倍〜６倍になっているので、１つのサブピクセルの中に、走査電極ＳＣとデータ電極Ｄが交差する箇所が２箇所以上存在するが、その中の１箇所だけに選択トランジスタ及び画素回路が配置されている。
例えば、画面周辺部１０ｂの６倍のサブピクセルでは、１つのサブピクセルに走査線ＳＣとデータ線Ｄの交差部が６つ含まれ、その６つの中の１つの交差部に選択トランジスタが１つ設けられている。すなわち、１つの選択トランジスタで６倍サイズのサブピクセルに書き込みを行うようになっている。

このような画像表示素子１０においても、実施の形態４で説明したように、第１に、画面中央部１０ａから画面周辺部１０ｂにかけて一律にサブピクセルを高精細に形成する場合と比べると、画面周辺部１０ｂではサブピクセルのサイズが大きくなるので、画像表示素子１０の製造プロセスが簡単になる効果が得られる。また、第２に、画像表示素子１０は、全体を高精細に製造する場合と比べて、画面周辺部１０ｂではサブピクセルの数が少ないので、駆動時において駆動回路が処理する画像データ量を削減できる。また、画面周辺部１０ｂではサブピクセルの発光面積も大きく確保される。

さらに、本実施の形態では、画面周辺部１０ｂにおいて、走査線ＳＣとデータ線Ｄの交差部ごとにサブピクセルを形成するという制限はないので、サブピクセルのサイズを比較的自由に設定することができ、大幅に画素数を削減することもできる。
図１３，１４の例では画面中央部１０ａのサブピクセルのサイズを基準サイズ（１倍）とし、画面周辺部１０ｂにおいてサブピクセルのサイズを２〜６倍に変化しているが、サブピクセルのサイズはこの数値に限らず任意の整数倍に設定することができる。ただし、有効視野から離れるにつれてサブピクセルのサイズを段階的に大きくなるように設定することが、人間の視覚特性に合っているので好ましい。

特に、画面中央部１０ａに近いサブピクセルは、有効視野に近く、視認されやすいのでサブピクセルのサイズは２倍に設定することが好ましい。
なお、図１３中の破線Ｂで囲んだ部分、つまり、画面周辺部１０ｂの左右両側部においては、データ電極Ｄ同士の間隔を広げ、かつ、複数の走査電極ＳＣに付き、１箇所だけに選択トランジスタを配置することによって、サブピクセルのサイズを広げている。

なお、画面全体で走査電極ＳＣ同士の間隔及びデータ電極Ｄ同士の間隔が共に均一的なるようにしてもよい。
[実施の形態７]
本実施の形態は、上記実施の形態６と同様であるが、画像表示素子１０において、サブピクセルのサイズが２倍の行におけるＲＧＢの配列順序だけが異なっている。

すなわち、上記図１４に示す画像表示素子１０では、すべての画素でＲＧＢの順にサブピクセルが配列されていた。しかし、この場合、サブピクセルサイズが１倍の行で青色のサブピクセルを書き込むデータ線は、２倍の行の青色サブピクセルを書き込めず、サブピクセルサイズが１倍の行で緑色のサブピクセルを書き込むデータ線も、２倍の行の緑色サブピクセルを書き込めない。よって、サブピクセルサイズが１倍の行で青色のサブピクセルに書き込むデータ線で、サブピクセルサイズが２倍の行の緑色のサブピクセルに書き込み、サブピクセルサイズが１倍の行で緑色のサブピクセルに書き込むデータ線で、サブピクセルサイズが２倍の行の青色のサブピクセルに書き込むことになる。このように、１本のデータ線で異なる色のサブピクセルに書き込みを行う場合、データ線駆動回路５３から各データ線に印加する画像信号の処理が複雑になる。

これに対して、本実施形態の画像表示素子１０においては、図１５に示すように、２倍の行以外（１倍、３倍、４倍、５倍、６倍の行）では、左からＲＧＢの順でサブピクセルが配列されているが、２倍の行では、左からＲＢＧの順でサブピクセルが配列されている。これによって、同じデータ線で、１倍のサブピクセルの色と同じ色の２倍のサブピクセルに書き込むことができる。従って、データ線駆動回路５３から各データ線に印加する画像信号の処理を簡素化できる。

なお、図１５の例では、２倍サイズの行において、赤色のサブピクセルを基準として、緑色と青色のサブピクセルの配列順序を逆転させているが、緑色のサブピクセルを基準として、赤色と青色のサブピクセルの配列順序を逆転させてもよいし、青色のサブピクセルを基準として、赤色と緑色のサブピクセルの配列順序を逆転させても同様である。
[実施の形態８]
本実施の形態にかかるディスプレイ装置は、実施の形態１〜７で説明したディスプレイ装置と同様であるが、図１６(ａ)に示すように接眼レンズ２０のレンズ有効径に対して画像表示素子１０のサイズは小さく設定されており、且つ図１６(Ｃ)に示すように画像表示素子１０の有効画面の四隅が丸く加工されて、画像表示素子１０の周囲は直線部分及び曲線部分から構成されている。

これによって、以下に説明するように、レンズの歪曲収差の影響を低減しながら、観察者がより臨場感や没入感を体験することができる。
図１６(ａ)のように接眼レンズ２０のレンズ有効径に対して画像表示素子１０のサイズが小さい場合、画像表示素子１０が４隅に角部を有する四角形状であれば、観察者は図１６(ｂ)に示すように、接眼レンズ２０を通して画像表示素子１０の虚像を視認する。

接眼レンズ２０を通して視認される画像表示素子１０の虚像も四角形状をしており、四隅に角を有している。この場合次のような課題が発生する。
１つ目の課題は、画像表示素子の有効画面が四角形状をしているので、レンズの歪曲収差が強調されて見え、より高精度な歪曲収差が求められる。なぜなら、人間は幾何学形状に敏感なため、虚像の四隅が直角になっているはずであると思われると、より敏感に樽型や糸巻き型の歪みを視認してしまうからである。

２つ目の課題は、画像表示素子の有効画面が四角形状であると、観察者が臨場感や没入感を損なう。なぜなら、画像表示素子の有効画面が四角形状をしていると、巨大スクリーンや巨大な窓から映像を視聴している感覚になり、映像空間に自らが存在する感覚が損なわれるからである。たとえ有効画面の端部が補助視野の領域にある場合においても、コントラスト比が高い直角形状があれば視認されてしまう。

これに対して、本実施の形態では、図１６(ｃ)に示すように、画像表示素子１０の有効画面の四隅を丸く加工し、曲線形状としている。すなわち、観察者からの平面視において、画像表示素子１０の周囲は、角部を有さず、直線部分及び曲線部分からなるように加工されている。
それによって、有効画面における四隅において観察者が感じる歪みは軽減される。

画像表示素子１０の有効画面の四隅を曲線形状とする方法としては、映像信号処理で曲線形状に表示してもよいし、四隅の角部分を黒い枠で遮光してもよい。あるいは、画像表示素子１０の有効画面の領域自体の縁の形状を、曲線形状を描くように形成してもよい。
なお、画像表示素子１０の形状は、ここで説明したように四角形が基本的な形状であるが、四角形には限定されない。

例えば、画像表示素子１０が五角形以上の多角形状である場合も、その角部を曲線形状にすることによって同様の効果を奏する。また、画像表示素子１０の縁が直線部分を有さない場合、例えば円形状の場合も同様の効果を奏する。
[実施の形態９]
本実施の形態にかかるディスプレイ装置は、実施の形態１〜７で説明したディスプレイ装置と同様であるが、図１７(ａ)に示すように、観察者からの平面視において、接眼レンズ２０のレンズ有効径に対して画像表示素子１０のサイズを大きく設定している。

これによって、接眼レンズ２０を通して観察者が見る画像表示素子１０は、図１７(ｂ)に示すように、有効画面の四隅のみならず、水平および垂直の画面端も視認されない。従って、レンズの歪曲収差の影響を大幅に低減させることができる。
なお、図１７(ｂ)に示すように、画像表示素子１０が四角形状であると、観察者からの平面視において、接眼レンズ２０に収まらない部分の面積（画像表示素子１０において接眼レンズ２０を通して観察者に見えない部分の面積）が大きくなりやすい。その場合、画像表示素子１０が必要以上に大きくなって保持機構も重くなりやすい。

これに対して、図１７(ｃ)に示すように、画像表示素子１０の形状を五角形以上の多角形形状にすることによって、観察者からの平面視において、画像表示素子１０における接眼レンズ２０に収まらない部分の面積を少なくできるので、画像表示素子１０が大きくなるのも抑えられる。
また、画像表示素子１０の形状を多角形形状にして、角部を曲線形状にしてもよいし、直線部分を有さない円形状にしてもよく、画像表示素子１０における接眼レンズ２０に収まらない部分の面積をさらに少なくできる。

（変形例など）
上記実施の形態のディスプレイ装置では、接眼レンズ２０として、非球面レンズあるいは回折レンズといった透過レンズ光学系を用いたが、その代わりに、凹面ミラーを用いた凹面鏡光学系、自由曲面プリズムを用いた偏心自由曲面光学系、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ:Holographic Optical Element）等を用いたシースルー表示光学系を用いてもよい。その場合も、光学系には必ず収差が発生するため、上記実施の形態で説明した画像表示素子１０を組み合わせることによって、同様の効果が期待できる。

また、上記実施の形態で説明したディスプレイ装置で用いた画像表示素子１０を、フロントプロジェクターやリアプロジェクタに適用してもよく、同様の効果が期待できる。

本発明によれば、軽量で観察画角の広い頭部装着型ディスプレイ装置を提供することができ、テレビジョン、コンピュータ、ゲーム機用の画像表示装置として有用である。また、カメラーのファインダーにも用いることができる。

１〜３ 頭部装着式ディスプレイ装置
１０ 画像表示素子
１０ａ 画面中央部
１０ｂ 画面周辺部
１１ 中央部
１１ａ 上側部
１１ｂ 下側部
１２ 周辺部
１２ａ 左側部
１２ｂ 右側部
１３ データ線
１４ 走査線
２０ 接眼レンズ
２０ａ レンズ体
２０ｂ レンズ体
３０ 保持機構
３１ ケース部
３２ テンプル
３３ フレーム
３３ａ フレーム
５１ 制御回路
５２ 走査線駆動回路
５３ データ線駆動回路
ＳＣ 走査線
Ｄ データ線
１００ 頭部
１０１ 眼球
１１０ フレキシブルなディスプレイ
１１０ａ 透明領域
１１１ 画像表示素子
１０１０ 拡大虚像

Claims (2)

1. ２次元の画像を表示する画像表示素子と、
   前記画像表示素子が表示する画像を拡大投影する接眼レンズと、
   前記画像表示素子及び前記接眼レンズを、観察者の頭部に保持する保持機構とを備え、
   前記画像表示素子は前記接眼レンズの有効径よりも大きく、
   前記観察者からの平面視において、前記画像表示素子は五角形以上の多角形である、
   頭部装着型ディスプレイ装置。
2. 前記観察者からの平面視において、前記画像表示素子の周囲は直線部分及び曲線部分からなる、
   請求項１記載の頭部装着型ディスプレイ装置。

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