WO2017047271A1 - 表示装置および光学フィルタ - Google Patents

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WO2017047271A1
WO2017047271A1 PCT/JP2016/072917 JP2016072917W WO2017047271A1 WO 2017047271 A1 WO2017047271 A1 WO 2017047271A1 JP 2016072917 W JP2016072917 W JP 2016072917W WO 2017047271 A1 WO2017047271 A1 WO 2017047271A1
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WO
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display
optical filter
display device
pixel
image
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/072917
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English (en)
French (fr)
Inventor
真 中川
谷野　友哉
Original Assignee
ソニー株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/02—Viewing or reading apparatus
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09F—DISPLAYING; ADVERTISING; SIGNS; LABELS OR NAME-PLATES; SEALS
    • G09F9/00—Indicating arrangements for variable information in which the information is built-up on a support by selection or combination of individual elements
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/64—Constructional details of receivers, e.g. cabinets or dust covers

Definitions

  • the present disclosure relates to a display device such as a head-mounted display, and an optical filter applied to such a display device.
  • a head-mounted display that is mounted on a user's head is known.
  • the display image of the display element is enlarged by the observation optical system and provided to the user.
  • the user observes the display image on the display element in an enlarged manner. For this reason, the black matrix (BM) between the pixels of the display element is easily visually recognized. As a result, a so-called granular feeling (dot feeling) in which pixels are visually recognized in a granular form is likely to occur, and the display quality is deteriorated.
  • BM black matrix
  • a display device includes a display element having a plurality of pixels and a plurality of inclined structures including a plurality of inclined surfaces having different inclination directions, and light from each pixel is formed by the inclined structures. And an optical filter that separates the light into a plurality of light beams having different emission directions.
  • An optical filter includes a plurality of inclined structures including a plurality of inclined surfaces with different inclination directions, and the light from each pixel in a display element having a plurality of pixels is provided by the inclined structures. The light is separated into a plurality of light beams having different emission directions.
  • the light from each pixel in the display element has a plurality of lights having different emission directions by the inclined structure including a plurality of inclined surfaces having different inclination directions. Separated.
  • the light from each pixel in the display element is emitted from a plurality of different emission directions by the inclined structure including a plurality of inclined surfaces having different inclination directions. Since the light is separated, the deterioration of display quality can be suppressed. Note that the effects described here are not necessarily limited, and may be any of the effects described in the present disclosure.
  • FIG. 16 It is a top view which shows typically an example of the result of having simulated the state which observed the display image of FIG. 16 through the inclined structure which has four inclined surfaces by ray tracing. It is a top view which shows typically an example of the appearance of the pixel observed through a 1st inclined surface, when the width
  • FIG. 23 is a plan view schematically illustrating an example of how a pixel is observed through a first inclined surface when the width of the inclined surface is further reduced than in the case illustrated in FIG. 22. It is explanatory drawing which shows an example of the result of having simulated the appearance of the pixel by the difference in the width of an inclined surface. It is explanatory drawing which shows an example of the conditions of the simulation of FIG. It is explanatory drawing which shows an example of the parameter of the pixel used for the simulation of FIG.
  • Display device including optical filter> [1.1 Outline of display device (head mounted display)] First, an outline of a head mounted display will be described as an example of a display device to which an optical filter according to an embodiment of the present disclosure is applied, with reference to FIGS.
  • FIG. 1 shows an outline of a head mounted display 100 as a display device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 shows a state in which a user wearing the head mounted display 100 shown in FIG. 1 is viewed from above.
  • the head mounted display 100 is a structure similar to a hat shape, and is configured to directly cover the left and right eyes of the wearing user.
  • Display panels 104 ⁇ / b> L and 104 ⁇ / b> R as display elements that a user observes are disposed at positions facing the left and right eyes inside the head mounted display 100 main body.
  • An outer camera 312 for inputting a surrounding image is installed in the approximate center of the front surface of the head mounted display 100 main body.
  • microphones 103L and 103R are installed near the left and right ends of the main body of the head mounted display 100, respectively.
  • a touch panel 315 that allows a user to perform touch input using a fingertip or the like is disposed outside the head mounted display 100 main body.
  • a pair of left and right touch panels 315 are provided, but a single touch panel or three or more touch panels 315 may be provided.
  • the head mounted display 100 has left-eye and right-eye display panels 104L and 104R on the side facing the user's face.
  • the display panels 104L and 104R are configured by, for example, an organic EL (Electro-Luminescence) element, a micro display such as a liquid crystal display, or a laser scanning display such as a direct retina display.
  • the display images on the display panels 104L and 104R are observed by the user as enlarged virtual images after passing through the virtual image optical units 101L and 101R as the observation optical system. Further, since there are individual differences in eye height and eye width for each user, it is necessary to align the left and right display systems with the eyes of the user wearing them.
  • the eye width adjustment mechanism 105 is provided between the display panel 104 ⁇ / b> R for the right eye and the display panel 104 ⁇ / b> L for the left eye.
  • the head mounted display 100 includes optical filters 2L and 2R arranged between the display panels 104L and 104R and the virtual image optical units 101L and 101R.
  • the virtual image optical units 101L and 101R enlarge the display images on the display panels 104L and 104R via the optical filters 2L and 2R. Specific examples of the optical filters 2L and 2R will be described later.
  • FIG. 3 shows a configuration example of the control system of the head mounted display 100.
  • the head mounted display 100 includes a control unit 301, an input operation unit 302, a remote control reception unit 303, a status information acquisition unit 304, a communication unit 305, a storage unit 306, an image processing unit 307, and a display drive unit 308. And.
  • the head mounted display 100 includes a display unit 309, a virtual image optical unit 310, an outer display unit 311, an audio processing unit 313, an audio input / output unit 314, and an environment information acquisition unit 316.
  • the control unit 301 includes a ROM (Read Only Memory) 301A and a RAM (Random Access Memory) 301B.
  • the ROM 301A stores program codes executed by the control unit 301 and various data.
  • the control unit 301 executes the program loaded to the RAM 301B, thereby starting the image display control and comprehensively controlling the operation of the entire head mounted display 100.
  • Examples of the program and data stored in the ROM 301A include an image display control program such as reproduction of moving image content, and a communication control program that enables a user who is viewing a display image to communicate with the real world.
  • examples of programs and data stored in the ROM 301A include identification information unique to the head mounted display 100, user attribute information of a user who uses the head mounted display 100, and the like.
  • the input operation unit 302 has one or more operation elements that the user performs input operations, such as keys, buttons, and switches.
  • the input operation unit 302 receives user instructions via the operation elements and outputs them to the control unit 301. Further, the input operation unit 302 receives a user instruction including a remote control (remote control) command received by the remote control reception unit 303 and outputs it to the control unit 301.
  • the input operation unit 302 controls input information such as coordinate data of the touched fingertip position when the user performs a touch operation with the fingertip on the touch panel 315 disposed outside the main body of the head mounted display 100. Output to the unit 301.
  • the status information acquisition unit 304 is a functional module that acquires status information of the head mounted display 100 main body or a user wearing the head mounted display 100.
  • the state information acquisition unit 304 may be equipped with various sensors for detecting the state information by itself. Further, the state information acquisition unit 304 may acquire state information from an external device provided with a part or all of the sensors via the communication unit 305.
  • the external device may be, for example, a smartphone, a wristwatch, or other multi-function terminal worn by the user.
  • the state information acquisition unit 304 acquires, for example, information on the position, posture, and posture of the user's head.
  • the state information acquisition unit 304 includes one of a gyro sensor, an acceleration sensor, a GPS (Global Positioning System) sensor, a geomagnetic sensor, a Doppler sensor, an infrared sensor, and a radio wave intensity sensor. You may have. Alternatively, a combination of two or more sensors may be provided in consideration of the advantages and disadvantages of each sensor.
  • the state information acquisition unit 304 acquires information provided from various infrastructures such as mobile phone base station information and PlaceEngine (registered trademark) information (electrical measurement information from a wireless LAN access point) for acquiring position and orientation information. They may be used in combination.
  • the state information acquisition unit 304 acquires, for example, the user's work state, the user's action state, the mental state, and further the physiological state as the state information of the user wearing the head mounted display 100.
  • the user's work state is, for example, whether or not the head mounted display 100 is attached.
  • the user's action state includes, for example, a moving state such as stillness, walking, and running, a gesture by a hand or a fingertip, an open / close state of a eyelid, a gaze direction, a size of a pupil, and the like.
  • the mental state is, for example, whether the user is immersed in observing the display image.
  • the state information acquisition unit 304 includes an outer camera 312, a wearing sensor such as a mechanical switch, an inner camera that captures the user's face, a gyro sensor, an acceleration sensor, A speed sensor, a pressure sensor, and the like may be provided.
  • the state information acquisition unit 304 also includes various state sensors such as a temperature sensor that detects body temperature or air temperature, a sweat sensor, a pulse sensor, a myoelectric potential sensor, an electro-oculogram sensor, an electroencephalogram sensor, an expiration sensor, and a gas / ion concentration sensor. Or a timer may be provided.
  • the environment information acquisition unit 316 is a functional module that acquires information about the environment surrounding the head mounted display 100 main body or the user wearing the head mounted display 100.
  • the environmental information acquisition unit 316 may be equipped with various environmental sensors including a sound sensor and an air volume sensor in order to detect environmental information. Further, the microphones 103L and 103R and the outer camera 312 may be included in the environmental sensor.
  • the environment information acquisition unit 316 may acquire the environment information via the communication unit 305 from an external device that includes some or all of these sensors.
  • the external device may be, for example, a smartphone, a wristwatch, or other multi-function terminal worn by the user.
  • the outer camera 312 is disposed, for example, in the approximate center of the front surface of the head mounted display 100, and can capture a surrounding image.
  • the user can adjust the zoom of the outer camera 312 through the operation of the input operation unit 302, the size of the pupil recognized by the inner camera, myoelectric potential sensor, or the like, or voice input.
  • posture control in the pan, tilt, and roll directions of the outer camera 312 in accordance with the user's line-of-sight direction acquired by the state information acquisition unit 304, an image of the user's own line of sight, that is, the user's line of sight, is obtained with the outer camera 312.
  • a direction image can be taken.
  • the captured image of the outer camera 312 can be displayed and output on the display unit 309.
  • the photographed image can be transmitted from the communication unit 305 or stored in the storage unit 306.
  • the outer camera 312 is composed of a plurality of cameras so that the three-dimensional information of the surrounding image can be acquired using the parallax information.
  • SLAM Simultaneous Localization and Mapping
  • the three-dimensional information of the surrounding image may be acquired from the calculated parallax information.
  • the outer camera 312 can acquire three-dimensional information, it can also be used as a distance sensor.
  • a distance sensor made of an inexpensive device such as PSD (Position Sensitive Detector) that detects a reflection signal from an object may be used in combination with the outer camera 312.
  • PSD Position Sensitive Detector
  • the outer camera 312 and the distance sensor can be used to detect the body position, posture, and shape of the user wearing the head mounted display 100.
  • the communication unit 305 performs communication processing with an external device, modulation / demodulation of communication signals, and encoding / decoding processing.
  • the external device include a content playback device that supplies viewing content when the user uses the head mounted display 100, and a streaming server.
  • Examples of the content reproduction device include a Blu-ray disc or a DVD player.
  • the control unit 301 transmits transmission data to the external device from the communication unit 305.
  • the configuration of the communication unit 305 is arbitrary.
  • the communication unit 305 can be configured according to a communication method used for transmission / reception operations with an external device that is a communication partner.
  • the communication method may be either wired or wireless.
  • the communication standards mentioned here include MHL (Mobile High-definition Link), USB (Universal Serial Bus), HDMI (registered trademark) (High Definition Multimedia Interface), and the like.
  • Wi-Fi registered trademark
  • Wi-Fi registered trademark
  • Bluetooth registered trademark
  • BLE Bluetooth Low Energy
  • examples of the communication standard include ultra-low power consumption wireless communication such as ANT, mesh network standardized by IEEE 802.11s, and the like.
  • the communication unit 305 may be a cellular radio transceiver that operates in accordance with a standard such as W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access) (registered trademark) or LTE (Long Term Evolution).
  • W-CDMA Wideband Code Division Multiple Access
  • LTE Long Term Evolution
  • the storage unit 306 is a large-capacity storage device configured by an SSD (Solid State Drive) or the like.
  • the storage unit 306 stores application programs executed by the control unit 301 and various data. For example, the content that the user views on the head mounted display 100 is stored in the storage unit 306.
  • the image processing unit 307 further performs signal processing such as image quality correction on the image signal output from the control unit 301 and converts the image signal to a resolution that matches the screen of the display unit 309.
  • the display driving unit 308 sequentially selects the pixels of the display unit 309 for each row and performs line sequential scanning, and supplies a pixel signal based on the image signal subjected to signal processing.
  • the display unit 309 includes display panels 104L and 104R.
  • the virtual image optical unit 310 includes virtual image optical units 101L and 101R.
  • the virtual image optical unit 310 enlarges and projects the display image of the display unit 309 and causes the user to observe it as an enlarged virtual image.
  • examples of the display image output by the display unit 309 include a virtual world image such as commercial content supplied from a content playback device or a streaming server, and a real world image captured by the outer camera 312.
  • an outer display unit 311 may be provided as an optional component of the head mounted display 100.
  • the outer display unit 311 displays an outer image that can be observed by an outside person who is not wearing the head mounted display 100.
  • the outer image may be the same as or different from the image displayed on the display unit 309, that is, the inner image.
  • the image processing unit 307 also performs signal correction such as image quality correction of the outer image.
  • the display driving unit 308 sequentially selects the pixels of the outer display unit 311 for each row and performs line sequential scanning, and supplies a pixel signal based on the image signal subjected to signal processing.
  • the sound processing unit 313 further performs signal processing such as sound quality correction, sound amplification, and input sound signal on the sound signal output from the control unit 301. Then, the voice input / output unit 314 externally outputs the voice after voice processing and inputs voice from the microphones 103L and 103R.
  • FIG. 2 the configuration example including the display panel 104 ⁇ / b> L for the left eye and the display panel 104 ⁇ / b> R for the right eye is shown as the display element.
  • the head mounted display 100 ⁇ / b> A illustrated in FIG. A configuration including a single display panel 104 may be used. Moreover, it may replace with the left and right optical filters 2L and 2R, and the structure provided with the single optical filter 2 may be sufficient.
  • FIG. 5 shows an example of the configuration of the optical filter 2 according to the present embodiment and its periphery.
  • FIG. 6 shows an example of the inclined structure 21 of the optical filter 2.
  • FIG. 7 shows an example of the pixel structure of the display element 1.
  • the optical filter 2 is suitable for a display device including an observation lens 3 (3L, 3R) as an observation optical system and a display element 1.
  • the optical filter 2 is disposed between the observation lens 3 (3L, 3R) and the display element 1.
  • the observation lens 3 (3L, 3R) acts to enlarge the display image of the display element 1 and present it to the observer.
  • the observation lens 3 (3L, 3R) may be a lens system that is provided for each of the left and right eyes of the observer, and each of which includes a plurality of lenses.
  • the optical filter 2 is suitable for the above-described head mounted display 100, 100A, for example.
  • the observation lens 3 (3L, 3R) corresponds to, for example, the virtual image optical units 101L and 101R in FIGS.
  • the display element 1 corresponds to, for example, the display panels 104L and 104R and the display panel 104 in FIGS.
  • the optical filter 2 will be described, but two optical filters 2L and 2R may be arranged on the left and right as shown in FIG.
  • the display element 1 has a black frame portion called a black matrix (BM) around the pixel 11. Since the observation lens 3 (3L, 3R) is used for magnifying observation, if the optical filter 2 is not provided, the pixel 11 is visually recognized by the BM and the display quality is deteriorated. In the present embodiment, as will be described later, the graininess can be improved by separating and displaying the pixels 11 by the optical filter 2.
  • BM black matrix
  • the display element 1 includes a plurality of pixels 11, and the pixel 11 includes a plurality of sub-pixels.
  • the pixel 11 includes a plurality of sub-pixels.
  • the application range of the optical filter 2 is not limited to a specific sub-pixel structure.
  • 5 and 7 show a configuration example in which the sub-pixels are composed of red pixels 11R, green pixels 11G, and blue pixels 11B.
  • the display element 1 may be a liquid crystal display (LCD) or an organic EL display (OLED).
  • the plurality of pixels 11 are arranged in a matrix in the horizontal direction X and the vertical direction Y.
  • the arrangement direction of the pixels 11 is referred to as a pixel arrangement direction X and a pixel arrangement direction Y.
  • a cover glass 12 may be disposed between the display element 1 and the optical filter 2.
  • a plurality of optical sheets 13 such as polarizing plates may be disposed between the cover glass 12 and the optical filter 2.
  • the optical filter 2 is made of an optically transparent member.
  • the optical filter 2 has a structure in which a plurality of inclined structures 21 are formed on a transparent substrate 22.
  • the inclined structure 21 includes a plurality of inclined surfaces having different inclination directions.
  • the inclined surface is a surface having a refractive action. As will be described later, the inclined structure 21 separates the light from each pixel 11 into a plurality of lights having different emission directions.
  • a plurality of inclined structures 21 are periodically arranged.
  • the inclined structure 21 includes two inclined surfaces (first inclined surface 21A and second inclined surface 21B) having different inclination directions.
  • the inclined structure 21 and the transparent substrate 22 may use resin, glass, or the like.
  • the inclined structure 21 in the optical filter 2, the inclined structure 21 is disposed so as to face the display element 1, but the inclined structure 21 may be disposed so as to face the observation lens 3 (3L, 3R). Good.
  • an air layer may be provided between the display element 1 and the optical filter 2, and the display element 1 and the optical filter 2 are bonded directly or indirectly with the adhesive layer 4 through the cover glass 12 or the optical sheet 13. And may be integrated.
  • FIG. 10 schematically shows an example of the effective display area 5 of the display element 1.
  • FIG. 11 schematically shows an example of the observation region 6 as a partial region of the effective display region 5 observed through the observation lens 3 (3L, 3R).
  • the black portion in FIG. 11 is a region that does not enter the field of view.
  • the inclined structure 21 may or may not be disposed in this region. That is, the inclined structure 21 is disposed at least in a part of the effective display area 5, and the light from each pixel 11 in the part of the part is converted into a plurality of lights having different emission directions by the refraction action by the inclined surface. What is necessary is just to separate.
  • FIG. 12 schematically shows an example of the relationship between the tilted structure periodic direction T1 and the pixel array directions X and Y.
  • FIG. 13 schematically shows an example of the separation action of the pixels 11 by the inclined structure 21.
  • the tilted structure periodic direction T1 is neither coincident with or orthogonal to the pixel arrangement directions X and Y of the display element 1, and is preferably 45 degrees with respect to the pixel arrangement directions X and Y. It is desirable to make a corner.
  • the inclined structure periodic direction T1 may substantially coincide with the diagonal pixel direction. As a result, as shown in FIG. 13, the entire plurality of pixels 11 are visually recognized separately in the diagonal pixel direction.
  • FIG. 14 schematically shows an example of the positional relationship between the original image 30 and the separated image 31 in which the original image 30 is separated by the inclined structure 21.
  • the separated image 31 is uniform. It is distributed and is most effective.
  • FIG. 15 schematically shows an example of the relationship between the shape of the inclined surface of the inclined structure 21 and the separation width W. 15 shows the shape of the first inclined surface 21A, the second inclined surface 21B may be substantially the same.
  • the parameters for determining the separation width W that is, the distance between the separated image 31 and the actual image are the distance H from the optical filter 2 to the display surface of the display element 1 (distance between the filter and the display surface), and the period of the inclined structure (inclination).
  • the separation width W is also increased.
  • An arbitrary separation width W can be obtained by appropriately setting these parameters.
  • FIG. 16 shows an example of a display image (original image) of the display element 1.
  • FIG. 17 schematically shows an example of the result of simulating the state in which the display image of FIG. 16 is observed through the inclined structure 21 having two inclined surfaces by ray tracing.
  • the relationship between the inclined structure periodic direction T1 and the pixel array directions X and Y is substantially the same as that in FIG.
  • the inclined surface has two configurations of the first inclined surface 21A and the second inclined surface 21B, since the separation is in two directions, the appearance changes depending on the relationship between the separation axis and the display line.
  • the left-up line is visually recognized as being thinner than the right-up line.
  • the thickness of the line is visually recognized depending on the inclination direction of the inclined structure 21.
  • Such a phenomenon can be prevented by making the inclined structure 21 into a quadrangular pyramid shape having four inclined surfaces.
  • a quadrangular pyramid-shaped slope having a first slope 23A, a second slope 23B, a third slope 23C, and a fourth slope 23D.
  • a countermeasure can be taken by arranging a plurality of structures 23.
  • the inclined structure 23 preferably has two inclined structure periodic directions T1 and T2 each having an angle of 45 degrees with respect to the pixel arrangement directions X and Y.
  • FIG. 20 schematically shows an example of the result of simulating the state in which the display image of FIG. 16 is observed through the inclined structure 23 having four inclined surfaces by ray tracing. Compared with the case of FIG. 17, the phenomenon that the line thickness is different is improved, and the line is visually recognized with the same line thickness in both the upward and downward tilt directions.
  • the inclined structure period (width of the inclined surface) P of the optical low-pass filter is 1 mm or more.
  • the inclined structure period P is preferably smaller than 1 mm. Even though the image pickup device is large, it is about 24 mm ⁇ 36 mm.
  • a head mounted display that realizes a wide viewing angle uses a display device 1 that exceeds 5 inches (62 mm ⁇ 110 mm) with an aspect ratio of 16: 9.
  • the size varies greatly. For this reason, in order to apply an optical low-pass filter to a head mounted display, it is necessary to use a shape and size suitable for it.
  • FIG. 21 shows an example of how the pixel 11 is viewed through the first inclined surface 21A when the inclined structure period P is larger than the size Pa of the pixel 11 in the inclined structure period direction T1. This is shown schematically. As shown in FIG. 21, when the pitch in the periodic direction of the inclined surface (inclined structure period P) is larger than the size Pa of the pixel 11 in the periodic direction of the inclined structure 21, it passes through the first inclined surface 21A. Pixel 11A which is not visually recognized will arise. In order to prevent the invisible pixel 11A from occurring, at least the inclined structure period P needs to be equal to or smaller than the size Pa of the pixel 11 in the inclined structure period direction T1.
  • FIG. 22 shows an example of how the pixel 11 is observed through the first inclined surface 21A when the inclined structure period P is smaller than the size Pa of the pixel 11 in the inclined structure period direction T1. This is shown schematically.
  • FIG. 23 schematically illustrates an example of how the pixel 11 is observed through the first inclined surface 21A when the inclined structure period P is further reduced as compared with the case illustrated in FIG. .
  • the inclined structure period P should be smaller. This is because, in particular, when the inclined structure periodic direction T1 is not coincident with or orthogonal to the pixel arrangement directions X and Y of the display element 1, and the inclined structure periodic period P is large, the shape of the pixel 11 viewed through the inclined surface. This is because each pixel 11 is different.
  • FIG. 24 shows an example of the result of simulating the appearance of the pixel 11 due to the difference in the inclined structure period P.
  • FIG. 25 shows an example of the simulation conditions of FIG.
  • FIG. 26 shows an example of the parameter (size) of the pixel 11 used in the simulation of FIG. The simulation here is based on a display panel of 5 inches FHD (1920 pixels ⁇ 1080 pixels).
  • the inclined structure period P is 20% or less with respect to the size (Pa) of the pixel 11 in the inclined structure period direction T1. If it exceeds 20%, the visible shape of the pixel 11 is destroyed and the visibility is lowered.
  • the light from each pixel in the display element 1 is separated into a plurality of lights having different emission directions by the inclined structure 21 including a plurality of inclined surfaces having different inclination directions.
  • the occurrence of graininess can be reduced, and the deterioration of display quality can be suppressed.
  • the present technology can take the following configurations.
  • a display element having a plurality of pixels A display device, comprising: a plurality of inclined structures including a plurality of inclined surfaces having different inclination directions, and an optical filter that separates light from the pixels into a plurality of lights having different emission directions by the inclined structure.
  • the inclined structure includes two or four inclined surfaces having different inclination directions.
  • a plurality of the inclined structures are periodically arranged in the optical filter.
  • a period direction of the inclined structure is different from a pixel arrangement direction of the display element.
  • the observation optical system enlarges a display image in a part of the effective display area of the display element,
  • the inclined surface is a surface having a refractive action,
  • (11) A plurality of inclined structures including a plurality of inclined surfaces having different inclination directions from each other, An optical filter that separates light from each pixel in a display element having a plurality of pixels into a plurality of lights having different emission directions by the inclined structure.

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Abstract

本発明は、表示品位の低下を抑制することができるようにした表示装置および光学フィルタを提供する。本発明の表示装置は、複数の画素（１１）を有する表示素子（１）と、互いに傾斜方向の異なる複数の傾斜面を含む傾斜構造体（２１）を複数有し、傾斜構造体によって各画素からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離する光学フィルタ（２）とを備える。

Description

表示装置および光学フィルタ
　本開示は、ヘッドマウントディスプレイなどの表示装置、およびそのような表示装置に適用される光学フィルタに関する。
　特許文献１に記載の技術のように、ユーザの頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイが知られている。ヘッドマウントディスプレイでは、表示素子の表示画像が観察光学系によって拡大されてユーザに提供される。
特開２０１５－１１８３３２号公報
　上述したように、ヘッドマウントディスプレイでは、ユーザは表示素子の表示画像を拡大して観察することになる。このため、表示素子の画素間のブラックマトリクス（ＢＭ）が視認されやすくなる。これにより、画素が粒状に視認されてしまう、いわゆる粒状感（ドット感）が発生しやすくなり、表示品位が低下する。
　表示品位の低下を抑制することができるようにした表示装置および光学フィルタを提供することが望ましい。
　本開示の一実施の形態に係る表示装置は、複数の画素を有する表示素子と、互いに傾斜方向の異なる複数の傾斜面を含む傾斜構造体を複数有し、傾斜構造体によって各画素からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離する光学フィルタとを備えたものである。
　本開示の一実施の形態に係る光学フィルタは、互いに傾斜方向の異なる複数の傾斜面を含む傾斜構造体を複数備え、傾斜構造体によって、複数の画素を有する表示素子における各画素からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離するようにしたものである。
　本開示の一実施の形態に係る表示装置または光学フィルタでは、互いに傾斜方向の異なる複数の傾斜面を含む傾斜構造体によって、表示素子における各画素からの光が、互いに出射方向の異なる複数の光に分離される。
　本開示の一実施の形態に係る表示装置または光学フィルタによれば、互いに傾斜方向の異なる複数の傾斜面を含む傾斜構造体によって、表示素子における各画素からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離するようにしたので、表示品位の低下を抑制することができる。
　なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
本開示の一実施の形態に係る表示装置としてのヘッドマウントディスプレイの一構成例を示す外観図である。 図１に示したヘッドマウントディスプレイを装着したユーザを上方から眺めた様子を示す構成図である。 図１に示したヘッドマウントディスプレイの制御系の構成例を示すブロック図である。 ヘッドマウントディスプレイの他の構成例を示す構成図である。 本開示の一実施の形態に係る光学フィルタおよびその周辺の構成例を示す断面図である。 光学フィルタの傾斜構造体の一例を示す斜視図である。 表示素子の画素の構造の一例を示す平面図である。 傾斜構造体の光学的な作用を模式的に示す説明図である。 傾斜構造体の光学的な作用を模式的に示す説明図である。 表示素子の有効表示領域の一例を模式的に示す断面図である。 観察レンズを介して観察される有効表示領域の観察領域（一部の領域）の一例を模式的に示す説明図である。 傾斜構造体周期方向と画素配列方向との関係の一例を模式的に示す平面図である。 傾斜構造体による画素の分離作用の一例を模式的に示す説明図である。 元像と傾斜構造体によって分離された分離像との位置関係の一例を模式的に示す平面図である。 傾斜構造体の傾斜面の形状と分離幅との関係の一例を模式的に示す断面図である。 表示素子の表示画像（元画像）の一例を示す平面図である。 図１６の表示画像を２つの傾斜面を有する傾斜構造体を介して観察した状態を光線追跡によってシミュレーションした結果の一例を模式的に示す平面図である。 ４つの傾斜面を有する傾斜構造体の一例を示す平面図である。 ４つの傾斜面を有する傾斜構造体の一例を示す斜視図である。 図１６の表示画像を４つの傾斜面を有する傾斜構造体を介して観察した状態を光線追跡によってシミュレーションした結果の一例を模式的に示す平面図である。 傾斜面の幅が、傾斜構造体周期方向における画素の大きさよりも大きい場合において、第１の傾斜面を介して観察される画素の見え方の一例を模式的に示す平面図である。 傾斜面の幅が、傾斜構造体周期方向における画素の大きさよりも小さい場合において、第１の傾斜面を介して観察される画素の見え方の一例を模式的に示す平面図である。 図２２に示した場合よりも傾斜面の幅をさらに小さくした場合において、第１の傾斜面を介して観察される画素の見え方の一例を模式的に示す平面図である。 傾斜面の幅の違いによる画素の見え方をシミュレーションした結果の一例を示す説明図である。 図２４のシミュレーションの条件の一例を示す説明図である。 図２４のシミュレーションに用いた画素のパラメータの一例を示す説明図である。
　以下、本開示の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
　１．光学フィルタを含む表示装置
　　１．１　表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）の概要（図１～図４）
　　１．２　光学フィルタの具体例（図５～図２６）
　　　１．２．１　光学フィルタの構成例
　　　１．２．２　光学フィルタの作用
　　１．３　効果
　２．その他の実施の形態
＜１．光学フィルタを含む表示装置＞
［１．１　表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）の概要］
　まず、図１～図３を参照して、本開示の一実施の形態に係る光学フィルタが適用される表示装置の一例として、ヘッドマウントディスプレイの概要を説明する。
　図１は、本開示の一実施の形態に係る表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ１００の概要を示している。図２は、図１に示したヘッドマウントディスプレイ１００を装着したユーザを上方から眺めた様子を示している。
　ヘッドマウントディスプレイ１００は、帽子形状に類似した構造体であり、装着したユーザの左右の眼を直接覆うように構成されている。ヘッドマウントディスプレイ１００本体の内側の左右の眼に対向する位置には、ユーザが観察する表示素子としての表示パネル１０４Ｌ，１０４Ｒが配設されている。
　ヘッドマウントディスプレイ１００本体前面のほぼ中央には、周囲画像入力用の外側カメラ３１２が設置されている。また、ヘッドマウントディスプレイ１００本体の左右の両端付近にそれぞれマイクロフォン１０３Ｌ，１０３Ｒが設置されている。左右ほぼ対称的にマイクロフォン１０３Ｌ，１０３Ｒを持つことで、中央に定位したユーザの音声だけを認識することで、周囲の雑音や他人の話声と分離することができ、例えば音声入力による操作時の誤動作を防止することができる。
　また、ヘッドマウントディスプレイ１００本体の外側には、ユーザが指先などを使ってタッチ入力することができるタッチパネル３１５が配設されている。図示の例では、左右一対のタッチパネル３１５を備えているが、単一または３以上のタッチパネル３１５を備えていてもよい。
　図２に示したように、ヘッドマウントディスプレイ１００は、ユーザの顔面と対向する側面に、左眼用および右眼用の表示パネル１０４Ｌ，１０４Ｒを持つ。表示パネル１０４Ｌ，１０４Ｒは、例えば有機ＥＬ（Electro-Luminescence）素子や液晶ディスプレイなどのマイクロディスプレイや網膜直描ディスプレイなどのレーザ走査方式ディスプレイで構成される。表示パネル１０４Ｌ，１０４Ｒの表示画像は、観察光学系としての虚像光学部１０１Ｌ、１０１Ｒを通過すると拡大虚像としてユーザに観察される。また、眼の高さや眼幅にはユーザごとに個人差があるため、左右の各表示系と装着したユーザの眼とを位置合わせする必要がある。図２に示す例では、右眼用の表示パネル１０４Ｒと左眼用の表示パネル１０４Ｌの間に眼幅調整機構１０５を装備している。
　また、ヘッドマウントディスプレイ１００は、表示パネル１０４Ｌ，１０４Ｒと虚像光学部１０１Ｌ、１０１Ｒとの間に配置された光学フィルタ２Ｌ，２Ｒを備えている。虚像光学部１０１Ｌ、１０１Ｒは、光学フィルタ２Ｌ，２Ｒを介して、表示パネル１０４Ｌ，１０４Ｒの表示画像を拡大する。光学フィルタ２Ｌ，２Ｒの具体例は後述する。
　図３には、ヘッドマウントディスプレイ１００の制御系の構成例を示している。
　ヘッドマウントディスプレイ１００は、制御部３０１と、入力操作部３０２と、リモコン受信部３０３と、状態情報取得部３０４と、通信部３０５と、記憶部３０６と、画像処理部３０７と、表示駆動部３０８とを備えている。また、ヘッドマウントディスプレイ１００は、表示部３０９と、虚像光学部３１０と、外側表示部３１１と、音声処理部３１３と、音声入出力部３１４と、環境情報取得部３１６とを備えている。
　制御部３０１は、ＲＯＭ（Read Only Memory）３０１ＡとＲＡＭ（Random Access Memory）３０１Ｂとを有している。ＲＯＭ３０１Ａ内には、制御部３０１で実行するプログラムコードや各種データを格納している。制御部３０１は、ＲＡＭ３０１Ｂへロードしたプログラムを実行することで、画像の表示制御を始め、ヘッドマウントディスプレイ１００全体の動作を統括的にコントロールする。ＲＯＭ３０１Ａに格納するプログラムやデータとしては、動画像コンテンツの再生など画像の表示制御プログラムや、表示画像を視聴中のユーザに現実世界とのコミュニケーションを可能にするコミュニケーション制御プログラムなどを挙げることができる。さらに、ＲＯＭ３０１Ａに格納するプログラムやデータとして、ヘッドマウントディスプレイ１００に固有の識別情報、ヘッドマウントディスプレイ１００を使用するユーザのユーザ属性情報などを挙げることができる。
　入力操作部３０２は、キーやボタン、スイッチなど、ユーザが入力操作を行う１以上の操作子を有し、操作子を介したユーザの指示を受け付けて、制御部３０１に出力する。また、入力操作部３０２は、リモコン受信部３０３で受信したリモコン（リモートコントロール）コマンドからなるユーザの指示を受け付けて、制御部３０１に出力する。また、入力操作部３０２は、ヘッドマウントディスプレイ１００本体の外側に配設されているタッチパネル３１５に対してユーザが指先でタッチ操作を行うと、タッチされた指先位置の座標データなどの入力情報を制御部３０１に出力する。
　状態情報取得部３０４は、ヘッドマウントディスプレイ１００本体、またはヘッドマウントディスプレイ１００を装着したユーザの状態情報を取得する機能モジュールである。状態情報取得部３０４は、自ら状態情報を検出するための各種センサを装備していてもよい。また、状態情報取得部３０４は、センサ類の一部または全部を備えた外部機器から通信部３０５を介して状態情報を取得するようにしてもよい。外部機器は、例えば、ユーザが身に付けているスマートフォンや腕時計、その他の多機能端末であってもよい。
　状態情報取得部３０４は、例えばユーザの頭部の位置や姿勢や姿勢の情報を取得する。位置姿勢情報の取得のため、状態情報取得部３０４は、ジャイロセンサ、加速度センサ、ＧＰＳ（Global Positioning System）センサ、地磁気センサ、ドップラー・センサ、赤外線センサ、および電波強度センサなどのいずれか１つを備えていてもよい。または、各センサの長所および短所を考慮して２以上のセンサの組み合わせを備えていてもよい。また、状態情報取得部３０４は、位置姿勢情報の取得に、携帯電話基地局情報やＰｌａｃｅＥｎｇｉｎｅ（登録商標）情報（無線ＬＡＮアクセスポイントからの電測情報）など、各種インフラストラクチャーから提供される情報を組み合わせて用いるようにしてもよい。
　また、状態情報取得部３０４は、ヘッドマウントディスプレイ１００を装着したユーザの状態情報として、例えば、ユーザの作業状態や、ユーザの行動状態、精神状態、さらには生理状態を取得する。ユーザの作業状態とは例えば、ヘッドマウントディスプレイ１００の装着の有無である。ユーザの行動状態とは例えば、静止、歩行、走行などの移動状態や、手や指先によるジェスチャー、瞼の開閉状態、視線方向、瞳孔の大小などである。精神状態とは、例えばユーザが表示画像を観察中に没入しているかなどである。
　また、状態情報取得部３０４は、これらの状態情報をユーザから取得するために、外側カメラ３１２や、機械スイッチなどからなる装着センサ、ユーザの顔を撮影する内側カメラ、ジャイロ・センサ、加速度センサ、速度センサ、および圧力センサなどを備えていてもよい。また、状態情報取得部３０４は、体温または気温を検知する温度センサ、発汗センサ、脈拍センサ、筋電位センサ、眼電位センサ、脳波センサ、呼気センサ、およびガス・イオン濃度センサなどの各種の状態センサやタイマーなどを備えていてもよい。
　環境情報取得部３１６は、ヘッドマウントディスプレイ１００本体、またはヘッドマウントディスプレイ１００を装着したユーザを取り巻く環境に関する情報を取得する機能モジュールである。環境情報取得部３１６は、環境情報を検出するために、音センサや風量センサを始めとして各種環境センサを装備していてもよい。また、マイクロフォン１０３Ｌ，１０３Ｒや外側カメラ３１２を環境センサに含めることもできる。あるいは、環境情報取得部３１６は、これらのセンサ類の一部または全部を備えた外部機器から通信部３０５を介して環境情報を取得するようにしてもよい。外部機器は、例えば、ユーザが身に付けているスマートフォンや腕時計、その他の多機能端末であってもよい。
　外側カメラ３１２は、例えばヘッドマウントディスプレイ１００本体前面のほぼ中央に配置され、周囲画像を撮影することができる。ユーザは、入力操作部３０２の操作、または内側カメラや筋電位センサなどで認識される瞳孔の大小や音声入力を通じて、外側カメラ３１２のズームを調整することができる。また、状態情報取得部３０４で取得したユーザの視線方向に合わせて外側カメラ３１２のパン、チルト、およびロール方向の姿勢制御を行うことで、外側カメラ３１２でユーザの自分目線の画像すなわちユーザの視線方向の画像を撮影することができる。また、外側カメラ３１２の撮影画像を、表示部３０９に表示出力することができる。また、撮影画像を通信部３０５から送信したり記憶部３０６に保存したりすることもできる。
　外側カメラ３１２は、視差情報を利用して、周囲画像の３次元情報を取得できるように、外側カメラ３１２を複数台のカメラで構成することがより好ましい。また、１台のカメラでも、ＳＬＡＭ（Simultaneous Localization and Mapping）画像認識を用いて、カメラを移動させながら撮影を行い、時間的に前後する複数のフレーム画像を用いて視差情報を算出してもよい。そして、算出した視差情報から周囲画像の３次元情報を取得してもよい。
　外側カメラ３１２は、３次元情報を取得できることから、距離センサとしても利用することができる。あるいは、例えば物体からの反射信号を検出するＰＳＤ（Position Sensitive Detector）など安価なデバイスからなる距離センサを外側カメラ３１２と併用するようにしてもよい。外側カメラ３１２や距離センサは、ヘッドマウントディスプレイ１００を装着するユーザの身体位置、姿勢、形状を検出するために使用することができる。
　通信部３０５は、外部機器との通信処理、および通信信号の変復調ならびに符号化復号処理を行う。外部機器として、ユーザがヘッドマウントディスプレイ１００を使用する際の視聴コンテンツを供給するコンテンツ再生装置や、ストリーミングサーバを挙げることができる。コンテンツ再生装置としては、ブルーレイディスクまたはＤＶＤプレイヤーなどを挙げることができる。また、制御部３０１は、外部機器への送信データを通信部３０５から送出する。
　通信部３０５の構成は任意である。例えば、通信相手となる外部機器との送受信動作に使用する通信方式に応じて、通信部３０５を構成することができる。通信方式は、有線、無線のいずれの形態であってもよい。ここで言う通信規格として、ＭＨＬ（Mobile High-definition Link）やＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＨＤＭＩ（登録商標）（High Definition Multimedia Interface）などを挙げることができる。また、通信規格として、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）（Wireless Fidelity）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）通信やＢＬＥ（Bluetooth Low Energy）通信などを挙げることができる。また、通信規格として、ＡＮＴなどの超低消費電力無線通信、ＩＥＥＥ８０２．１１ｓなどで規格化されたメッシュネットワークなどを挙げることができる。あるいは、通信部３０５は、例えばＷ－ＣＤＭＡ（Wideband Code Division Multiple Access）（登録商標）、ＬＴＥ（Long Term Evolution）などの標準規格に従って動作する、セルラー無線送受信機であってもよい。
　記憶部３０６は、ＳＳＤ（Solid State Drive）などで構成される大容量記憶装置である。記憶部３０６は、制御部３０１で実行するアプリケーション・プログラムや各種データを記憶している。例えば、ユーザがヘッドマウントディスプレイ１００で視聴するコンテンツを記憶部３０６に格納する。
　画像処理部３０７は、制御部３０１から出力される画像信号に対して画質補正などの信号処理をさらに行うとともに、表示部３０９の画面に合わせた解像度に変換する。そして、表示駆動部３０８は、表示部３０９の画素を行ごとに順次選択するとともに線順次走査して、信号処理された画像信号に基づく画素信号を供給する。
　表示部３０９は、表示パネル１０４Ｌ，１０４Ｒを有する。虚像光学部３１０は、虚像光学部１０１Ｌ、１０１Ｒを有する。虚像光学部３１０は、表示部３０９の表示画像を拡大投影して、ユーザには拡大虚像として観察させる。なお、表示部３０９で出力する表示画像として、コンテンツ再生装置やストリーミングサーバから供給される商用コンテンツといった仮想世界の画像や、外側カメラ３１２で撮影する現実世界の画像を挙げることができる。
　また、ヘッドマウントディスプレイ１００の任意の構成要素として、外側表示部３１１を備えていてもよい。外側表示部３１１は、ヘッドマウントディスプレイ１００を装着していない外部の者が観察できる外側画像を表示する。外側画像は、表示部３０９に表示する画像、すなわち、内側画像と同じであっても、異なる画像であってもよい。画像処理部３０７は、外側画像の画質補正などの信号補正も行う。また、表示駆動部３０８は、外側表示部３１１の画素を行ごとに順次選択するとともに線順次走査して、信号処理された画像信号に基づく画素信号を供給する。
　音声処理部３１３は、制御部３０１から出力される音声信号に対して音質補正や音声増幅、入力された音声信号などの信号処理をさらに行う。そして、音声入出力部３１４は、音声処理後の音声を外部出力、ならびにマイクロフォン１０３Ｌ，１０３Ｒからの音声入力を行う。
（ヘッドマウントディスプレイの他の構成例）
　図２では、表示素子として、左眼用の表示パネル１０４Ｌと右眼用の表示パネル１０４Ｒとを備えた構成例を示したが、図４に示したヘッドマウントディスプレイ１００Ａのように、表示素子として、単一の表示パネル１０４を備えた構成であってもよい。また、左右の光学フィルタ２Ｌ，２Ｒに代えて、単一の光学フィルタ２を備えた構成であってもよい。
［１．２　光学フィルタの具体例］
（１．２．１　光学フィルタの構成例）
　図５は、本実施の形態に係る光学フィルタ２およびその周辺の構成例を示している。図６は、光学フィルタ２の傾斜構造体２１の一例を示している。図７は、表示素子１の画素の構造の一例を示している。
　本実施の形態に係る光学フィルタ２は、観察光学系としての観察レンズ３（３Ｌ，３Ｒ）と表示素子１とを備えた表示装置に好適である。光学フィルタ２は、観察レンズ３（３Ｌ，３Ｒ）と表示素子１との間に配置されている。
　観察レンズ３（３Ｌ，３Ｒ）は、表示素子１の表示画像を拡大して観察者に呈示するように作用する。観察レンズ３（３Ｌ，３Ｒ）は、観察者の左右それぞれの眼に対して備えられ、それぞれが複数のレンズからなるレンズ系であってもよい。
　光学フィルタ２は、例えば上述のヘッドマウントディスプレイ１００，１００Ａに好適である。なお、観察レンズ３（３Ｌ，３Ｒ）は、例えば図２および図４における虚像光学部１０１Ｌ，１０１Ｒに相当する。表示素子１は、例えば図２および図４における表示パネル１０４Ｌ，１０４Ｒおよび表示パネル１０４に相当する。なお、以下では、１つの光学フィルタ２として説明するが、図２のように、左右に２つの光学フィルタ２Ｌ，２Ｒが配置されていてもよい。
　図７に示すように、表示素子１には画素１１の周囲にブラックマトリクス（ＢＭ）と呼ばれる黒枠部分が存在する。観察レンズ３（３Ｌ，３Ｒ）で拡大して観察するため、光学フィルタ２を設けないと、ＢＭによって画素１１が粒状に視認されて、表示品位が低下する。本実施の形態では、後述するように、光学フィルタ２によって画素１１を分離して表示することによって粒状感を改善できる。
　表示素子１は、複数の画素１１からなり、画素１１は複数のサブ画素からなる。サブ画素の構造としては、例えばＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の３種類、あるいはＲ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青），Ｗ（白）の４種類で構成されたものなどがある。ただし、光学フィルタ２の適用範囲は、特定のサブ画素の構造に限定されるものではない。なお、図５および図７では、サブ画素が、赤色画素１１Ｒ、緑色画素１１Ｇ、および青色画素１１Ｂからなる構成例を示している。表示素子１は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）であってもよいし、有機ＥＬディスプレイ（ＯＬＥＤ）であってもよい。図７に示したように、複数の画素１１は、横方向Ｘと縦方向Ｙとにマトリクス状に配列されている。以下、画素１１の配列方向を、画素配列方向Ｘ、および画素配列方向Ｙと記す。
　表示素子１と光学フィルタ２との間には、カバーガラス１２が配置されていてもよい。また、カバーガラス１２と光学フィルタ２との間には、偏光板などの複数の光学シート１３が配置されていてもよい。
　光学フィルタ２は、光学的に透明な部材からなる。光学フィルタ２は、透明基材２２の上に複数の傾斜構造体２１が形成された構造とされている。傾斜構造体２１は、互いに傾斜方向の異なる複数の傾斜面を含んでいる。傾斜面は、屈折作用を有する面となっている。後述するように、傾斜構造体２１によって各画素１１からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離するようになっている。光学フィルタ２において、傾斜構造体２１は周期的に複数配置されている。
　図５および図６には、傾斜構造体２１が、互いに傾斜方向が異なる２つの傾斜面（第１の傾斜面２１Ａ、第２の傾斜面２１Ｂ）を含む構成例を示す。傾斜構造体２１および透明基材２２は、樹脂やガラスなどを用いてもよい。図５では、光学フィルタ２において傾斜構造体２１が表示素子１側を向くように配置されているが、傾斜構造体２１が観察レンズ３（３Ｌ，３Ｒ）側を向くように配置されていてもよい。
　また、表示素子１と光学フィルタ２との間は空気層でもよいし、表示素子１と光学フィルタ２とが直接的、またはカバーガラス１２や光学シート１３を介して間接的に接着層４で接着され、一体化されていてもよい。
（１．２．２　光学フィルタの作用）
　図８および図９は、光学フィルタ２における傾斜構造体２１の光学的な作用を模式的に示している。
　水中の物体が水面での屈折によって実際の位置とは異なる位置に視認されるように、傾斜構造体２１における傾斜方向が異なる傾斜面での屈折によって、元像がそれぞれ異なる方向に分離したように視認される。傾斜面が第１の傾斜面２１Ａと第２の傾斜面２１Ｂとの２つの構成の場合、図８および図９に示したように、１つの観察対象物１０が、第１の像１０Ａと第２の像１０Ｂとの２つに分離して視認される。傾斜構造体２１を周期的に複数、配置することによって、表示素子１の有効表示領域全体において像（各画素１１からの光）を分離して呈示することができる。
　図１０は、表示素子１の有効表示領域５の一例を模式的に示している。図１１は、観察レンズ３（３Ｌ，３Ｒ）を介して観察される有効表示領域５の一部の領域としての観察領域６の一例を模式的に示している。
　ヘッドマウントディスプレイの場合、観察レンズ３（３Ｌ，３Ｒ）を通して観察するため、視野に入らない領域が存在する。例えば、図１１における黒部分は視野に入らない領域である。この領域には傾斜構造体２１が配置されていてもいなくてもよい。すなわち、少なくとも有効表示領域５の一部の領域に傾斜構造体２１を配置し、一部の領域における各画素１１からの光を、傾斜面による屈折作用によって、互いに出射方向の異なる複数の光に分離すればよい。
　図１２は、傾斜構造体周期方向Ｔ１と画素配列方向Ｘ，Ｙとの関係の一例を模式的に示している。図１３は、傾斜構造体２１による画素１１の分離作用の一例を模式的に示している。
　粒状感を低減させるためには、傾斜構造体２１によって、表示素子１のＢＭを覆うように画素１１の像を分離させることが好ましい。したがって、図１２に示すように、傾斜構造体周期方向Ｔ１は表示素子１の画素配列方向Ｘ，Ｙと一致も直交もしておらず、好適には画素配列方向Ｘ，Ｙに対して４５度の角をなすことが望ましい。画素１１が正方形状である場合、傾斜構造体周期方向Ｔ１は、対角画素方向と略一致していてもよい。これにより、図１３に示したように、複数の画素１１全体が、対角画素方向に分離して視認される。
　図１４は、元像３０と元像３０が傾斜構造体２１によって分離された分離像３１との位置関係の一例を模式的に示している。
　図１４に示すように、分離像間の幅（２Ｗ）が、対角画素周期Ｐａ（傾斜構造体周期方向Ｔ１における画素１１の大きさ）の１／２であるとき、分離像３１が一様に分布し最も効果的である。
　図１５は、傾斜構造体２１の傾斜面の形状と分離幅Ｗとの関係の一例を模式的に示している。なお、図１５では、第１の傾斜面２１Ａの形状を示しているが、第２の傾斜面２１Ｂについても略同様であってもよい。
　分離幅Ｗ、すなわち分離像３１と実際の像との距離を決定するパラメータは、光学フィルタ２から表示素子１の表示面までの距離Ｈ（フィルタ－表示面間距離）、傾斜構造体周期（傾斜面の幅）Ｐ、傾斜構造体深さＤ、および傾斜構造体２１の屈折率ｎである。フィルタ－表示面間距離Ｈが傾斜構造体深さＤに比べて十分大きい（Ｈ＞＞Ｄ）と仮定すると、
　Ｗ＝Ｈ×ｔａｎθ２
　θ２＝θ１－θ
　ここで、スネルの法則より、
　θ１＝ｓｉｎ-1（ｎ×ｓｉｎθ）
　以上のように、フィルタ－表示面間距離Ｈ、傾斜構造体２１の屈折率ｎ、および傾斜構造体角度θの値をそれぞれ大きくすると、分離幅Ｗも大きくなる。ここで、傾斜構造体角度θは、以下のように傾斜構造体周期Ｐおよび傾斜構造体深さＤによって制御することができる。
　θ＝ｔａｎ-1（２×Ｄ／Ｐ）
　これらのパラメータを適切に設定することによって、任意の分離幅Ｗを得ることができる。以上は、光学フィルタ２と表示素子１との間が空気層の場合であるが、光学フィルタ２と表示素子１との間が例えば接着層４などの屈折率ｎ２である媒質で埋められている場合、
　θ１＝ｓｉｎ-1（ｎ／ｎ２×ｓｉｎθ）
となる。接着層４以外の他の光学部材が配置されている場合でも、光学部材として、適当な屈折率を持つ媒質を選択することによって任意の分離幅Ｗを得ることが可能である。
　図１６は、表示素子１の表示画像（元画像）の一例を示している。図１７は、図１６の表示画像を２つの傾斜面を有する傾斜構造体２１を介して観察した状態を光線追跡によってシミュレーションした結果の一例を模式的に示している。傾斜構造体周期方向Ｔ１と画素配列方向Ｘ，Ｙとの関係は、図１２と略同様であり、４５度の配置となっている。
　傾斜面が第１の傾斜面２１Ａと第２の傾斜面２１Ｂとの２つの構成の場合、２方向への分離であるため、分離軸と表示線の関係によって見え方が変わってしまう。図１７に示したように、図１２に示したような４５度の配置の場合、左上がりの線が右上がりの線に比べて細く視認されてしまう。すなわち、傾斜構造体２１の傾き方向によって、線の太さが異なって視認されてしまう。このような現象は、傾斜構造体２１を、４つの傾斜面を持つ四角錐形状にすることで対策できる。
　具体的には、図１８および図１９に示すような、第１の傾斜面２３Ａ、第２の傾斜面２３Ｂ、第３の傾斜面２３Ｃ、および第４の傾斜面２３Ｄを持つ四角錐形状の傾斜構造体２３を複数、配置することで対策できる。傾斜構造体２３は、画素配列方向Ｘ，Ｙに対して、それぞれが４５度の角度となる２つの傾斜構造体周期方向Ｔ１，Ｔ２を持つことが好ましい。
　図２０は、図１６の表示画像を４つの傾斜面を有する傾斜構造体２３を介して観察した状態を光線追跡によってシミュレーションした結果の一例を模式的に示している。図１７の場合に比べて、線の太さが異なる現象は改善され、左上がり、右上がりのいずれの傾き方向でも、同じ線の太さで視認される
　ところで、参考文献：特開２０１３－１０１１８６号公報には、撮像素子に傾斜構造体を持つ光学ローパスフィルタを適用することが提案されている。参考文献では、光学ローパスフィルタの傾斜構造体周期（傾斜面の幅）Ｐを１ｍｍ以上にすることが提案されている。しかしながら、本実施の形態のようにヘッドマウントディスプレイの表示素子１への適用を対象とする場合、傾斜構造体周期Ｐが大きい場合には表示品質が低下する。本実施の形態のように表示素子１への適用を対象とする場合、傾斜構造体周期Ｐは１ｍｍよりも小さいことが好ましい。撮像素子は大きいものでも２４ｍｍ×３６ｍｍ程度の大きさであるのに対し、広視野角を実現するヘッドマウントディスプレイでは１６：９のアスペクト比で５インチ（６２ｍｍ×１１０ｍｍ）を超える表示素子１が使われる場合もあり、サイズが大きく異なる。このため、ヘッドマウントディスプレイに光学ローパスフィルタを適用するためには、それに適した形状、大きさのものを用いる必要がある。
　図２１は、傾斜構造体周期Ｐが、傾斜構造体周期方向Ｔ１における画素１１の大きさＰａよりも大きい場合において、第１の傾斜面２１Ａを介して観察される画素１１の見え方の一例を模式的に示している。図２１に示すように、傾斜面の周期方向のピッチ（傾斜構造体周期Ｐ）が、傾斜構造体２１の周期方向の画素１１の大きさＰａより大きい場合、第１の傾斜面２１Ａを介して視認されない画素１１Ａが生じてしまう。視認されない画素１１Ａが生じないようにするために、少なくとも、傾斜構造体周期Ｐが傾斜構造体周期方向Ｔ１における画素１１の大きさＰａ以下である必要がある。
　図２２は、傾斜構造体周期Ｐが、傾斜構造体周期方向Ｔ１における画素１１の大きさＰａよりも小さい場合において、第１の傾斜面２１Ａを介して観察される画素１１の見え方の一例を模式的に示している。図２３は、図２２に示した場合よりも傾斜構造体周期Ｐをさらに小さくした場合において、第１の傾斜面２１Ａを介して観察される画素１１の見え方の一例を模式的に示している。
　好適には傾斜構造体周期Ｐは、より小さい方がよい。これは、特に傾斜構造体周期方向Ｔ１が、表示素子１の画素配列方向Ｘ，Ｙと一致も直交もしていない場合、傾斜構造体周期Ｐが大きいと、傾斜面を通して視認される画素１１の形状が各画素１１で異なってしまうためである。
　図２４は、傾斜構造体周期Ｐの違いによる画素１１の見え方をシミュレーションした結果の一例を示している。図２５は、図２４のシミュレーションの条件の一例を示している。図２６は、図２４のシミュレーションに用いた画素１１のパラメータ（大きさ）の一例を示している。ここでのシミュレーションは、５インチＦＨＤ（１９２０画素×１０８０画素）のディスプレイパネルを前提としている。
　図２４から、傾斜構造体周期Ｐは、傾斜構造体周期方向Ｔ１における画素１１の大きさ（Ｐａ）に対して、２０％以下であることが好ましい。２０％を超えると、画素１１の視認形状が崩れて視認性が低下する。
［１．３　効果］
　以上のように、本実施の形態によれば、互いに傾斜方向の異なる複数の傾斜面を含む傾斜構造体２１によって、表示素子１における各画素からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離するようにしたので、粒状感の発生を低減し、表示品位の低下を抑制することができる。
　なお、本明細書に記載された効果はあくまでも例示であって限定されるものではなく、また他の効果があってもよい。
＜２．その他の実施の形態＞
　本開示による技術は、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
　例えば、本技術は以下のような構成をとることができる。
（１）
　複数の画素を有する表示素子と、
　互いに傾斜方向の異なる複数の傾斜面を含む傾斜構造体を複数有し、前記傾斜構造体によって前記各画素からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離する光学フィルタと
　を備える表示装置。
（２）
　前記傾斜構造体は、互いに傾斜方向の異なる２つまたは４つの傾斜面を含む
　上記（１）に記載の表示装置。
（３）
　前記光学フィルタにおいて、前記傾斜構造体が周期的に複数配置されている
　上記（１）または（２）に記載の表示装置。
（４）
　前記傾斜構造体の周期方向が前記表示素子の画素配列方向とは異なる
　上記（３）に記載の表示装置。
（５）
　前記傾斜構造体の周期方向と前記表示素子の画素配列方向とのなす角度が４５度である
　上記（３）または（４）に記載の表示装置。
（６）
　前記傾斜面の周期方向の幅が、前記傾斜構造体の周期方向における前記画素の大きさ以下である
　上記（３）ないし（５）のいずれか１つに記載の表示装置。
（７）
　前記傾斜面の周期方向の幅は、１ｍｍよりも小さい
　上記（３）ないし（６）のいずれか１つに記載の表示装置。
（８）
　前記光学フィルタを介して前記表示素子の表示画像を拡大する観察光学系、をさらに備えた
　上記（１）ないし（７）のいずれか１つに記載の表示装置。
（９）
　前記観察光学系は、前記表示素子の有効表示領域内の一部の領域における表示画像を拡大し、
　前記傾斜構造体は、前記一部の領域における前記各画素からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離する
　上記（８）に記載の表示装置。
（１０）
　前記傾斜面は、屈折作用を有する面であり、
　前記傾斜構造体は、前記一部の領域における前記各画素からの光を、前記傾斜面による屈折作用によって、互いに出射方向の異なる複数の光に分離する
　上記（９）に記載の表示装置。
（１１）
　互いに傾斜方向の異なる複数の傾斜面を含む傾斜構造体を複数備え、
　前記傾斜構造体によって、複数の画素を有する表示素子における前記各画素からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離する
　光学フィルタ。
（１２）
　前記表示素子と前記傾斜構造体を介して前記表示素子の表示画像を拡大する観察光学系とを備えた表示装置に適用される
　上記（１１）に記載の光学フィルタ。
　本出願は、日本国特許庁において２０１５年９月１４日に出願された日本特許出願番号第２０１５－１８０９０９号を基礎として優先権を主張するものであり、この出願のすべての内容を参照によって本出願に援用する。
　当業者であれば、設計上の要件や他の要因に応じて、種々の修正、コンビネーション、サブコンビネーション、および変更を想到し得るが、それらは添付の請求の範囲やその均等物の範囲に含まれるものであることが理解される。

Claims (12)

  1. 　複数の画素を有する表示素子と、
    　互いに傾斜方向の異なる複数の傾斜面を含む傾斜構造体を複数有し、前記傾斜構造体によって前記各画素からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離する光学フィルタと
    　を備える表示装置。
  2. 　前記傾斜構造体は、互いに傾斜方向の異なる２つまたは４つの傾斜面を含む
    　請求項１に記載の表示装置。
  3. 　前記光学フィルタにおいて、前記傾斜構造体が周期的に複数配置されている
    　請求項１に記載の表示装置。
  4. 　前記傾斜構造体の周期方向が前記表示素子の画素配列方向とは異なる
    　請求項３に記載の表示装置。
  5. 　前記傾斜構造体の周期方向と前記表示素子の画素配列方向とのなす角度が４５度である
    　請求項３に記載の表示装置。
  6. 　前記傾斜面の周期方向の幅が、前記傾斜構造体の周期方向における前記画素の大きさ以下である
    　請求項３に記載の表示装置。
  7. 　前記傾斜面の周期方向の幅は、１ｍｍよりも小さい
    　請求項３に記載の表示装置。
  8. 　前記光学フィルタを介して前記表示素子の表示画像を拡大する観察光学系、をさらに備えた
    　請求項１に記載の表示装置。
  9. 　前記観察光学系は、前記表示素子の有効表示領域内の一部の領域における表示画像を拡大し、
    　前記傾斜構造体は、前記一部の領域における前記各画素からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離する
    　請求項８に記載の表示装置。
  10. 　前記傾斜面は、屈折作用を有する面であり、
    　前記傾斜構造体は、前記一部の領域における前記各画素からの光を、前記傾斜面による屈折作用によって、互いに出射方向の異なる複数の光に分離する
    　請求項９に記載の表示装置。
  11. 　互いに傾斜方向の異なる複数の傾斜面を含む傾斜構造体を複数備え、
    　前記傾斜構造体によって、複数の画素を有する表示素子における前記各画素からの光を互いに出射方向の異なる複数の光に分離する
    　光学フィルタ。
  12. 　前記表示素子と前記傾斜構造体を介して前記表示素子の表示画像を拡大する観察光学系とを備えた表示装置に適用される
    　請求項１１に記載の光学フィルタ。
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