(57)【要約】【課題】光学的不完全部分に起因するスジを視認させ難くして良質な画像を表示可能とする、頭部装着型表示装置を提供する。【解決手段】互いに接合された４つの三角柱プリズムと、隣り合う三角柱プリズムの間に設けられた第１ダイクロイック膜および第２ダイクロイック膜とを有するクロスダイクロイックプリズムと、クロスダイクロイックプリズムの複数の光入射面の各々に対向配置される複数の表示パネルと、クロスダイクロイックプリズムから射出した光を使用者の瞳に投射する投射光学系と、を備えた頭部装着型表示装置である。クロスダイクロイックプリズムは、４つの三角柱プリズムにおける接合部に光学的不完全部分を有する。複数の表示パネルの発光面の各々から接合部の中心までの空気換算長と光学的不完全部分の幅との比が２５０：１以上である。【選択図】図２
2020003710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに接合された４つの三角柱プリズムと、前記４つの三角柱プリズムのうちの隣り合うプリズム間に設けられた第１ダイクロイック膜および第２ダイクロイック膜とを有するクロスダイクロイックプリズムと、
前記クロスダイクロイックプリズムの複数の光入射面の各々に対向配置される複数の表示パネルと、
前記クロスダイクロイックプリズムから射出した光を投射する投射光学系と、を備え、
前記クロスダイクロイックプリズムは、前記４つの三角柱プリズムにおける接合部の中心に光学的不完全部分を有し、
前記複数の表示パネルの発光面の各々から前記接合部の中心までの空気換算長と前記光学的不完全部分の幅との比はそれぞれ２５０：１以上である、
ことを特徴とする頭部装着型表示装置。
【請求項２】
前記空気換算長と前記光学的不完全部分の幅との比は４００：１以上である、
ことを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項３】
前記複数の表示パネルは、
青色波長帯の第１画像光を射出する第１表示パネルと、
緑色波長帯の第２画像光を射出する第２表示パネルと、
赤色波長帯の第３画像光を射出する第３表示パネルと、を含み、
前記第１ダイクロイック膜は、前記第１表示パネルから射出された前記第１画像光および前記第２表示パネルから射出された前記第２画像光を透過させるとともに、前記第３表示パネルから射出された前記第３画像光を反射し、
前記第２ダイクロイック膜は、前記第２表示パネルから射出された前記第２画像光および前記第３表示パネルから射出された前記第３画像光を透過させるとともに、前記第１表示パネルから射出された前記第１画像光を反射し、
前記第２ダイクロイック膜は、前記第１ダイクロイック膜との交差部分において分割して形成される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項４】
前記交差部分における前記光学的不完全部分は、前記第２ダイクロイック膜に設けられ、
前記交差部分を経由した光は、黄色光として前記クロスダイクロイックプリズムから射出される、
ことを特徴とする請求項３に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項５】
前記複数の表示パネルは、
青色波長帯の第１画像光を射出する第１表示パネルと、
緑色波長帯の第２画像光を射出する第２表示パネルと、
赤色波長帯の第３画像光を射出する第３表示パネルと、を含み、
前記第１ダイクロイック膜は、前記第１表示パネルから射出された前記第１画像光および前記第２表示パネルから射出された前記第２画像光を透過させるとともに、前記第３表示パネルから射出された前記第３画像光を反射し、
前記第２ダイクロイック膜は、前記第２表示パネルから射出された前記第２画像光および前記第３表示パネルから射出された前記第３画像光を透過させるとともに、前記第１表示パネルから射出された前記第１画像光を反射し、
前記第１ダイクロイック膜は、前記第２ダイクロイック膜との交差部分において分割して形成される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項６】
前記交差部分における前記光学的不完全部分は、前記第１ダイクロイック膜に設けられ、
前記交差部分を経由した光は、シアン色光として前記クロスダイクロイックプリズムから射出される、
ことを特徴とする請求項３に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項７】
前記複数の表示パネルの各々は自発光パネルである、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項８】
前記自発光パネルは有機ＥＬパネルである、
ことを特徴とする請求項７に記載の頭部装着型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、頭部装着型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ウェアラブル情報機器の一つとして、ヘッドマウントディスプレイなどの観察者の頭部に装着して使用する頭部装着型表示装置が知られている。このような頭部装着型表示装置においてより明るいカラー画像を表示する場合、３つの表示デバイスで生成したＲＧＢ各色の画像光を合成する方式を採用する必要がある。ＲＧＢ各色の画像光を合成する合成光学系として、下記特許文献１に示すようなクロスダイクロイックプリズムが知られている。このクロスダイクロイックプリズムは、接着材で接合された４つの三角柱プリズムと、三角柱プリズムの接合界面に設けられたダイクロイック膜とを有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−７８７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のようなクロスダイクロイックプリズムでは、三角柱プリズムの接合部の中心に光学的不完全部分が生じてしまう。光学的不完全部分は、クロスダイクロイックプリズムで合成した画像光に輝度差を生じさせる。画像光に生じた輝度差は、映像視認時に明暗のスジあるいは色のスジとして認識され、画像品質を低下させる要因となる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一つの態様の頭部装着型表示装置は、互いに接合された４つの三角柱プリズムと、前記４つの三角柱プリズムのうちの隣り合うプリズム間に設けられた第１ダイクロイック膜および第２ダイクロイック膜とを有するクロスダイクロイックプリズムと、前記クロスダイクロイックプリズムの複数の光入射面の各々に対向配置される複数の表示パネルと、前記クロスダイクロイックプリズムから射出した光を投射する投射光学系と、を備え、前記クロスダイクロイックプリズムは、前記４つの三角柱プリズムにおける接合部の中心に光学的不完全部分を有し、前記複数の表示パネルの発光面の各々から前記接合部の中心までの空気換算長と前記光学的不完全部分の幅との比はそれぞれ２５０：１以上である、ことを特徴とする。
【０００６】
上記態様の頭部装着型表示装置では、前記空気換算長と前記光学的不完全部分の幅との比は４００：１以上である、のが好ましい。
【０００７】
上記態様の頭部装着型表示装置では、前記複数の表示パネルは、青色波長帯の第１画像光を射出する第１表示パネルと、緑色波長帯の第２画像光を射出する第２表示パネルと、赤色波長帯の第３画像光を射出する第３表示パネルと、を含み、前記第１ダイクロイック膜は、前記第１表示パネルから射出された前記第１画像光および前記第２表示パネルから射出された前記第２画像光を透過させるとともに、前記第３表示パネルから射出された前記第３画像光を反射し、前記第２ダイクロイック膜は、前記第２表示パネルから射出された前記第２画像光および前記第３表示パネルから射出された前記第３画像光を透過させるとともに、前記第１表示パネルから射出された前記第１画像光を反射し、前記第２ダイクロイック膜は、前記第１ダイクロイック膜との交差部分において分割して形成される、のが好ましい。
【０００８】
上記態様の頭部装着型表示装置では、前記交差部分における前記光学的不完全部分は、前記第２ダイクロイック膜に設けられ、前記交差部分を経由した光は、黄色光として前記クロスダイクロイックプリズムから射出される、のが好ましい。
【０００９】
上記態様の頭部装着型表示装置では、前記複数の表示パネルは、青色波長帯の第１画像光を射出する第１表示パネルと、緑色波長帯の第２画像光を射出する第２表示パネルと、赤色波長帯の第３画像光を射出する第３表示パネルと、を含み、前記第１ダイクロイック膜は、前記第１表示パネルから射出された前記第１画像光および前記第２表示パネルから射出された前記第２画像光を透過させるとともに、前記第３表示パネルから射出された前記第３画像光を反射し、前記第２ダイクロイック膜は、前記第２表示パネルから射出された前記第２画像光および前記第３表示パネルから射出された前記第３画像光を透過させるとともに、前記第１表示パネルから射出された前記第１画像光を反射し、前記第１ダイクロイック膜は、前記第２ダイクロイック膜との交差部分において分割して形成される、のが好ましい。
【００１０】
上記態様の頭部装着型表示装置では、前記交差部分における前記光学的不完全部分は、前記第１ダイクロイック膜に設けられ、前記交差部分を経由した光は、シアン色光として前記クロスダイクロイックプリズムから射出される、のが好ましい。
【００１１】
上記態様の頭部装着型表示装置では、前記複数の表示パネルの各々は自発光パネルである、のが好ましい。さらに、前記自発光パネルは有機ＥＬパネルであるのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】使用者が実施形態のＨＭＤを装着した状態を示す図である。
【図２】第一実施形態のＨＭＤの斜視図である。
【図３】画像表示部の概略構成を示す図である。
【図４】画像表示部の要部構成を示す図である。
【図５Ａ】光学的不完全部分を経由した合成画像光を示す図である。
【図５Ｂ】比較例に係るクロスダイクロイックプリズムの要部構成を示す図である。
【図６Ａ】比が６５０：１の場合における評価結果を示す図である。
【図６Ｂ】比が４００：１の場合における評価結果を示す図である。
【図６Ｃ】比が５０：１の場合における評価結果を示す図である。
【図６Ｄ】比が１３３：１の場合における評価結果を示す図である。
【図７】第二実施形態に係る画像生成部の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下の全ての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。
【００１４】
（第一実施形態）
本実施形態の頭部装着型表示装置は、使用者が頭に装着して使用するヘッドマウントディスプレイの一例である。
以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ  Ｍｏｕｎｔｅｄ  Ｄｉｓｐｌａｙ）を、ＨＭＤと略記する。
【００１５】
図１は、使用者が本実施形態のＨＭＤを装着した状態を示す図である。図２は、本実施形態のＨＭＤの斜視図である。
図１に示すように、本実施形態のＨＭＤ３００（頭部装着型表示装置）は、使用者Ｍが眼鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用するものである。本実施形態のＨＭＤ３００は、使用者の眼を覆う非透過型のＨＭＤである。
【００１６】
図２に示すように、ＨＭＤ３００は、眼鏡に類似した形状を有する表示部１００と、使用者が手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御装置２６０と、を備えている。表示部１００と制御装置２６０とは、有線または無線で通信可能に接続される。本実施形態において、表示部１００を構成する左眼用画像表示部１１０Ａおよび右眼用画像表示部１１０Ｂの各々と制御装置２６０とは、ケーブル２９０を介して有線で通信可能に接続され、画像信号や制御信号を通信する。
【００１７】
表示部１００は、メインフレーム１２０と、左眼用画像表示部１１０Ａと、右眼用画像表示部１１０Ｂと、を備えている。制御装置２６０は、表示画面２７０と、操作ボタン部２８０と、を備えている。
【００１８】
表示画面２７０は、例えば使用者に与える各種の情報や指示等を表示する。メインフレーム１２０は、使用者が耳に掛けるための一対のテンプル部１２２Ａ，１２２Ｂを備えている。メインフレーム１２０は、左眼用画像表示部１１０Ａと、右眼用画像表示部１１０Ｂと、を支持する部材である。
【００１９】
右眼用画像表示部１１０Ｂと左眼用画像表示部１１０Ａとは、同様の構成を有しており、双方の画像表示部内の各構成要素は左右対称に配置されている。そのため、以下では、右眼用画像表示部１１０Ｂを単に画像表示部１１０として詳細に説明し、左眼用画像表示部１１０Ａの説明を省略する。
【００２０】
図３は画像表示部の概略構成を示す図である。図４は画像表示部の要部構成を示す拡大図である。なお、図３においては、使用者Ｍの眼ＭＥの瞳の中心を通り、かつ観察される画像の中心画角となる光線が通る経路を光軸１００ａｘとする。
【００２１】
図３に示すように、画像表示部１１０は、画像生成部１１と、投射光学系１２と、を備えている。画像生成部１１は、画像情報を含む画像光を射出する。
画像生成部１１は、複数の表示パネル２０と、クロスダイクロイックプリズム５０と、を有している。複数の表示パネル２０は、第１表示パネル２０と、第２表示パネル２１と、第３表示パネル２２とを含む。本実施形態において、第１表示パネル２０、第２表示パネル２１及び第３表示パネル２２は有機ＥＬパネルから構成される。このように自発光パネル特に有機ＥＬパネルを用いることで、第１表示パネル２０、第２表示パネル２１及び第３表示パネル２２を小型化、軽量化することができる。なお、第１表示パネル２０、第２表示パネル２１及び第３表示パネル２２は後述するように射出する光の波長帯が異なる以外、同様の構成を有する。
【００２２】
図４に示すように、第１表示パネル２０は、青色波長帯（例えば、４５０ｎｍ〜４９５ｎｍ）の青色画像光（第１画像光）ＧＢを射出する発光面２０ａと、発光面２０ａを覆う第１カバーガラス２０ｂと、を有する。発光面２０ａは、青色画像光ＧＢを発光する青色有機ＥＬ層の表面である。
【００２３】
第２表示パネル２１は、緑色波長帯（例えば、４９５ｎｍ〜５７０ｎｍ）の緑色画像光（第２画像光）ＧＧを射出する発光面２１ａと、発光面２１ａを覆う第２カバーガラス２１ｂと、を有する。発光面２１ａは、緑色画像光ＧＧを発光する緑色有機ＥＬ層の表面である。
【００２４】
第３表示パネル２２は、赤色波長帯（例えば、６２０ｎｍ〜７５０ｎｍ）の赤色画像光（第３画像光）ＧＲを射出する発光面２２ａと、発光面２２ａを覆う第３カバーガラス２２ｂと、を有する。発光面２２ａは、赤色画像光ＧＲを発光する赤色有機ＥＬ層の表面である。
【００２５】
クロスダイクロイックプリズム５０は、上記青色画像光ＧＢ、緑色画像光ＧＧ及び赤色画像光ＧＲがそれぞれ入射される３つの入射端面を備え、各入射面に入射した光を合成してカラー画像光を生成する光学素子である。なお、本実施形態において、上記青色画像光ＧＢ、緑色画像光ＧＧ及び赤色画像光ＧＲは偏光特性を有さない。これは、青色画像光ＧＢ、緑色画像光ＧＧ及び赤色画像光ＧＲは有機薄膜中にランダムに配置された有機分子からの発光であり、液晶ディスプレイのような偏光特性はなく、基本的に非偏光の発光特性を有するためである。
【００２６】
クロスダイクロイックプリズム５０は、第１三角柱プリズム５１、第２三角柱プリズム５２、第３三角柱プリズム５３及び第４三角柱プリズム５４の頂角同士を中央部に近接させて貼り合わせることで平面視正方形状に形成される。以下、これら第１三角柱プリズム５１、第２三角柱プリズム５２、第３三角柱プリズム５３及び第４三角柱プリズム５４を特に区別しない場合、単に三角柱プリズムと呼ぶ。三角柱プリズムの材料としては、例えば屈折率１．５の光学ガラスが用いられる。
【００２７】
クロスダイクロイックプリズム５０は、第１表示パネル２０から射出された青色画像光ＧＢを入射させる第１入射面５０ａと、第２表示パネル２１から射出された緑色画像光ＧＧを入射させる第２入射面５０ｂと、第３表示パネル２２から射出された赤色画像光ＧＲを入射させる第３入射面５０ｃと、青色画像光ＧＢ、緑色画像光ＧＧ及び赤色画像光ＧＲを合成したフルカラーの合成画像光Ｇを射出する光射出面５０ｄと、を有する。第１入射面５０ａは第１三角柱プリズム５１の一面により構成され、第２入射面５０ｂは第２三角柱プリズム５２の一面により構成され、第３入射面５０ｃは第３三角柱プリズム５３の一面により構成される。また、光射出面５０ｄは第４三角柱プリズム５４の一面により構成される。
【００２８】
第１表示パネル２０は、第１カバーガラス２０ｂが第１入射面５０ａに接合されることでクロスダイクロイックプリズム５０に固定される。第２表示パネル２１は、第２カバーガラス２１ｂが第２入射面５０ｂに接合されることでクロスダイクロイックプリズム５０に固定される。第３表示パネル２２は、第３カバーガラス２２ｂが第３入射面５０ｃに接合されることでクロスダイクロイックプリズム５０に固定される。なお、第１カバーガラス２０ｂ、第２カバーガラス２１ｂ及び第３カバーガラス２２ｂの材料としては、三角柱プリズムと同じ屈折率１．５の光学ガラスが用いられる。
【００２９】
クロスダイクロイックプリズム５０は、第１ダイクロイック膜６１および第２ダイクロイック膜６２をさらに有する。第１ダイクロイック膜６１および第２ダイクロイック膜６２は、４つの三角柱プリズムのうちの隣り合うプリズム間に設けられる。
【００３０】
具体的に、第１ダイクロイック膜６１は、第１三角柱プリズム５１の第４三角柱プリズム５４に対向する面５１ａ及び第２三角柱プリズム５２の第３三角柱プリズム５３に対向する面５２ａに形成される。
また、第２ダイクロイック膜６２は、第１三角柱プリズム５１の第２三角柱プリズム５２に対向する面５１ｂ及び第４三角柱プリズム５４の第３三角柱プリズム５３に対向する面５４ａに形成される。
【００３１】
各三角柱プリズムは互いに光透過性の接着材５５で接合されることでクロスダイクロイックプリズム５０を構成する。第１三角柱プリズム５１及び第２三角柱プリズム５２の間において、接着材５５は第２三角柱プリズム５２の第１三角柱プリズム５１に対向する面５２ｂに設けられる。
第２三角柱プリズム５２及び第３三角柱プリズム５３の間において、接着材５５は第３三角柱プリズム５３の第２三角柱プリズム５２に対向する面５３ａに設けられる。
第３三角柱プリズム５３及び第４三角柱プリズム５４の間において、接着材５５は第３三角柱プリズム５３の第４三角柱プリズム５４に対向する面５３ｂに設けられる。
第４三角柱プリズム５４及び第１三角柱プリズム５１の間において、接着材５５は第４三角柱プリズム５４の第１三角柱プリズム５１に対向する面５４ａに設けられる。
【００３２】
本実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０において、第１ダイクロイック膜６１及び第２ダイクロイック膜６２は互いに４５°の角度で交差するように、第１三角柱プリズム５１、第２三角柱プリズム５２、第３三角柱プリズム５３及び第４三角柱プリズム５４の側面に沿って形成される。
【００３３】
このようにクロスダイクロイックプリズム５０は、４つの三角柱プリズム同士を接合した接合部５６を有する。接合部５６は略Ｘ字状の平面形状を有し、第１ダイクロイック膜６１及び第２ダイクロイック膜６２と接着材５５とを含む。
【００３４】
第１ダイクロイック膜６１は、第１表示パネル２０から射出された青色画像光ＧＢ及び第２表示パネル２１から射出された緑色画像光ＧＧを透過させるとともに、第３表示パネル２２から射出された赤色画像光ＧＲを反射する。
また、第２ダイクロイック膜６２は、第２表示パネル２１から射出された緑色画像光ＧＧ及び第３表示パネル２２から射出された赤色画像光ＧＲを透過させるとともに、第１表示パネル２０から射出された青色画像光ＧＢを反射する。
【００３５】
本実施形態において、第１ダイクロイック膜６１及び第２ダイクロイック膜６２は例えば誘電体多層膜で構成される。上述のように青色画像光ＧＢ、緑色画像光ＧＧ及び赤色画像光ＧＲは非偏光であるため、Ｓ偏光又はＰ偏光のみを反射および透過させるのではなく、Ｐ偏光とＳ偏光の両方を反射および透過させる必要がある。このような第１ダイクロイック膜６１及び第２ダイクロイック膜６２を形成する場合、Ｐ偏光又はＳ偏光のみを反射・透過させる膜構成に比べて、ダイクロイックミラーの膜数および膜厚が多くなる。
【００３６】
本実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０は、第１表示パネル２０から射出された青色画像光ＧＢと、第２表示パネル２１から射出された緑色画像光ＧＧと、第３表示パネル２２から射出された赤色画像光ＧＲとを合成した合成画像光Ｇを光射出面５０ｄから出射する。
【００３７】
クロスダイクロイックプリズム５０で合成された合成画像光Ｇは投射光学系１２に入射する。投射光学系１２は、第１レンズ１２ａと第２レンズ１２ｂとを含む。投射光学系１２は、第１レンズ１２ａにより合成画像光Ｇの中間像Ｇ１を生成し、第２レンズ１２ｂにより略平行光として使用者Ｍの眼ＭＥに導き、網膜上に結像させる。投射光学系１２は、絞り１２Ｓを略第１レンズ１２ａの後方焦点の位置に置くことで物体側テレセントリックとなっている。投射光学系１２は、絞り１２Ｓの像を第２レンズ１２ｂにより使用者Ｍの眼ＭＥの瞳位置近傍に形成することで使用者Ｍに全画角を観察可能とする。
【００３８】
クロスダイクロイックプリズム５０は、その構造上、接合部５６の中心５６Ｃに光学的に不完全な部分が生じてしまう。ここで、光学的に不完全な部分（以下、光学的不完全部分と称す）とは、クロスダイクロイックプリズム５０に入射した光を正しく合成できない部分に相当する。
【００３９】
ここで、クロスダイクロイックプリズム５０の光学的不完全部分について具体的に説明する。
本実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０において、第１ダイクロイック膜６１及び第２ダイクロイック膜６２は、接合部５６の中心５６Ｃにおいて交差している。具体的に、第１ダイクロイック膜６１は第２ダイクロイック膜６２との交差部分にて連続した状態で形成され、第２ダイクロイック膜６２は第１ダイクロイック膜６１との交差位置である接合部５６の中心５６Ｃにて分割して形成される。
【００４０】
接合部５６の中心５６Ｃにおいて、第２ダイクロイック膜６２は第１ダイクロイック膜６１によって分断されている。接合部５６の中心５６Ｃには、赤色画像光ＧＲを反射するとともに緑色画像光ＧＧを透過させる第１ダイクロイック膜６１のみが配置される。
【００４１】
図５Ａは光学的不完全部分を経由した合成画像光を示す図である。なお、図５Ａでは、クロスダイクロイックプリズム５０を簡略化して図示しており、接着材５５の図示を省略している。
図５Ａに示すように、本実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０において、接合部５６の中心５６Ｃに生じている光学的不完全部分ＫＧを経由して光射出面５０ｄから射出される合成画像光Ｇは赤色画像光ＧＲ及び緑色画像光ＧＧのみを含み、青色画像光ＧＢを含まない。
【００４２】
ここで、本実施形態の構成の比較として、第１ダイクロイック膜６１が第２ダイクロイック膜６２によって分断される場合、すなわち接合部５６の中心５６Ｃに第２ダイクロイック膜６２のみが形成される場合について検討する。
【００４３】
図５Ｂは比較例に係るクロスダイクロイックプリズムの要部構成を示す図である。
図５Ｂに示すように、比較例のクロスダイクロイックプリズム１５０における接合部１５６の中心１５６Ｃには、青色画像光ＧＢを反射するとともに緑色画像光ＧＧを透過させる第２ダイクロイック膜６２のみが配置される。そのため、接合部１５６の中心１５６Ｃを経由して光射出面１５０ｄから射出される合成画像光Ｇは青色画像光ＧＢ及び緑色画像光ＧＧのみを含み、赤色光ＲＢを含まない。
【００４４】
例えば、本実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０において合成画像光Ｇとして白色光を合成した場合、接合部５６の中心５６Ｃ以外を経由した光は正しく白色になるが、接合部５６の中心５６Ｃを経由した光は赤色画像光ＧＲ及び緑色画像光ＧＧのみを合成した黄色光ＹＬになる。接合部５６の中心５６Ｃを経由した黄色光ＹＬは青色画像光ＧＢの青色成分を含まないため、接合部５６の中心５６Ｃ以外を経由した白色光に比べて輝度が低くなる。つまり、接合部５６の中心５６Ｃは、クロスダイクロイックプリズム５０から射出される合成画像光Ｇに輝度差を生じさせる。つまり、接合部５６の中心５６Ｃは合成画像光Ｇにスジを生じさせる光学的に不完全な部位と言える。このように合成画像光Ｇに生じた輝度差は、画像視認時に「色のスジ」あるいは「明暗のスジ」として認識されてしまう。このようにダイクロイック膜の交差部分における光学的不完全部分ＫＧが第２ダイクロイック膜６２に設けられる場合、交差部分を経由した光は黄色光ＹＬとしてクロスダイクロイックプリズム５０から射出される。
【００４５】
一方、比較例のクロスダイクロイックプリズム１５０において合成画像光Ｇとして白色光を合成した場合、接合部１５６の中心１５６Ｃを経由した光は青色画像光ＧＢ及び緑色画像光ＧＧのみを合成したシアン色のシアン光ＣＬとなる。つまり、接合部１５６の中心１５６Ｃを経由したシアン光ＣＬは赤色画像光ＧＲの赤色成分を含まないため、接合部１５６の中心１５６Ｃ以外を経由した白色光に比べて輝度が低くなる。つまり、接合部１５６の中心１５６Ｃは合成画像光Ｇにスジを生じさせる光学的に不完全な部位と言える。このようにダイクロイック膜の交差部分における光学的不完全部分が第１ダイクロイック膜６１に設けられる場合、交差部分を経由した光は、シアン光ＣＬとしてクロスダイクロイックプリズム５０から射出される。
【００４６】
黄色光ＹＬはシアン光ＣＬよりも輝度が高く、白色光の輝度に近い。つまり、全域白色の合成画像光Ｇを表示する場合において、黄色光ＹＬはシアン光ＣＬよりも白色光に対する輝度差が小さくなる。
【００４７】
本実施形態の画像表示部１１０は、クロスダイクロイックプリズム５０の接合部５６を視野の中央に配置することで投射光学系１２のバックフォーカスを短くすることで、画像表示部１１０の小型化を図っている。本実施形態の画像表示部１１０において、光学的不完全部分ＫＧは使用者の視野の中央付近に位置するので、光学的不完全部分ＫＧによる輝度差は目立ちやすくなる。これに対し、本実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０では上述のように第２ダイクロイック膜６２を分断した構成を採用することで合成画像光Ｇに生じる輝度差を抑えて、光学的不完全部分ＫＧによる輝度差を目立たなくしている。
【００４８】
さらに、本実施形態の画像表示部１１０では、図４に示したように、第１表示パネル２０、第２表示パネル２１及び第３表示パネル２２の発光面２０ａ，２１ａ，２２ａの各々から接合部５６の中心５６Ｃまでの空気換算長Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３と光学的不完全部分ＫＧの幅Ｈとの比を所定の範囲に設定したので、光学的不完全部分ＫＧに起因する画像視認時のスジを見え難くできる。
【００４９】
本実施形態では、空気換算長Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３をいずれも同じ値に設定している。以下、空気換算長Ｄ２の算出方法を例に挙げて説明する。
【００５０】
発光面２１ａから接合部５６の中心５６Ｃまでの寸法は、第２カバーガラス２１ｂの厚みとクロスダイクロイックプリズム５０のプリズム厚みの半分との和で規定される。
本実施形態の場合、例えば、第２カバーガラス２１ｂの厚みが１ｍｍ、１０ｍｍ角のプリズムであるクロスダイクロイックプリズム５０におけるプリズム厚みの半分が５ｍｍである。これにより、発光面２１ａから接合部５６の中心５６Ｃまでの距離は６ｍｍに設定される。第２カバーガラス２１ｂ及びクロスダイクロイックプリズム５０（三角プリズム）の屈折率はいずれも１．５であるため、上記６ｍｍを空気換算長に変換する。
本実施形態の場合、空気換算長Ｄ２は４ｍｍとする。
【００５１】
図４に示すように、光学的不完全部分ＫＧの幅Ｈは、クロスダイクロイックプリズム５０の光射出面５０ｄに沿う方向であり、かつ中心５６Ｃを通る軸に直交する方向における接合部５６の寸法により規定される。
【００５２】
本実施形態の場合、光学的不完全部分ＫＧの幅Ｈは、第１ダイクロイック膜６１の厚みと接着材５５の厚みとを足した値の√２倍と三角柱プリズム（第１三角柱プリズム５１又は第３三角柱プリズム５３）のプリズム稜線形状の不完全部分の寸法との和で規定される。プリズム稜線形状の不完全部分は、材料の丸まりや欠けによって三角柱プリズムが完全な頂角に形成されないことで生じる。すなわち、光学的不完全部分ＫＧの幅Ｈは、ダイクロイック膜および接着材の厚み、あるいは、三角柱プリズムの不完全部分の寸法を適宜調整することによって制御できる。本実施形態では、プリズム稜線形状の不完全部分は十分小さいことから、プリズム稜線形状の不完全部分の寸法については無視した。なお、接着材５５の屈折率がプリズム材料の屈折率に厳密に等しくできる場合、光学的不完全部分ＫＧの幅Ｈは第１ダイクロイック膜６１の厚みのみを考慮すればよい。
本実施形態の場合、光学的不完全部分ＫＧの幅Ｈは８μｍとする。
【００５３】
本実施形態の画像表示部１１０の場合、空気換算長Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３と光学的不完全部分ＫＧの幅Ｈとの比はそれぞれ５００：１とする。
【００５４】
ここで、空気換算長Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３及び光学的不完全部分ＫＧの幅Ｈの比における上限についても検討した。例えば、上記比を２０００：１に設定した場合、光学的不完全部分ＫＧの幅が８μｍ、空気換算長が１６ｍｍ、カバーガラスの厚みが６．３ｍｍとなるため、クロスダイクロイックプリズムの大きさは１９．４ｍｍとなる。
また、表示パネルの画素ピッチを５μｍ、縦の画素数を１０８０個とした場合、表示パネルの表示エリアの長さは５．４ｍｍとなる。つまり、表示パネルの表示エリアの大きさに対してクロスダイクロイックプリズムの大きさ１９．４ｍｍは不必要に大きいことになる。一般的にＨＭＤは小型化が必要であるので、上記比の上限は２０００：１以下に設定することが望ましい。
【００５５】
本発明者らは、本実施形態の画像表示部１１０の効果をシミュレーションによって検証した。具体的に、本発明者らは、表示パネルの発光面から光学的不完全部分までの空気換算長と光学的不完全部分の幅との比を変化させた場合に観察者の瞳に形成される映像を２次元画像シミュレーションによって求め、この映像について断面輝度及び目視による官能評価を行った。その結果、表示パネルの発光面から光学的不完全部分までの空気換算長と光学的不完全部分の幅との比をある適切な範囲に設定することで、光学的不完全部分に起因した画像上におけるスジを見え難くできることが判った。
【００５６】
なお、本シミュレーションにおける条件は以下である。本シミュレーションは虚像表示を行うＨＭＤに関するものであるため、スクリーン上の照度を均一にするプロジェクターと異なり、眼の瞳孔で選択された立体角内の輝度を均一にする必要がある。そのため、本シミュレーションでは、均一に発光している表示パネルの光を、光学系を通過した後に瞳径の立体角で切り取って評価することにした。なお、瞳径は明るさ、年齢、個人差でバラツキがあるが、本シミュレーションでは代表値として瞳径を３ｍｍとした。
【００５７】
本シミュレーションでは、画素の像の大きさと視細胞の大きさ（約３μｍ）とを近づけるようにした。これは、画素の像が大きすぎると画素が目立ち安く荒い映像となり、画素の像が小さすぎると眼が解像できずに画素の情報が無駄になるためである。眼の焦点距離は１６〜１７ｍｍ程度であることからＨＭＤの光学系のコリメータとしての焦点距離もほぼ同程度に設定するのが望ましい。なお、頭部に装着するＨＭＤは小型化する必要上から短い焦点距離を選択してもよく、この場合、焦点距離を１０〜２０ｍｍに設定する。また、本シミュレーションでは、表示パネル側のＦナンバーをＦ５近辺とした。
【００５８】
図６Ａ〜図６Ｄは本シミュレーションに基づく評価結果を示した図である。図６Ａ〜図６Ｄの上段には、本シミュレーションにより再現した映像を示した。各映像は、表示パネルの発光面から光学的不完全部分までの空気換算長と光学的不完全部分の幅との比を変化させた場合に人間の瞳で視認される映像をシミュレーションで再現したものである。図６Ａ〜図６Ｄの各映像は、解像度１２８０×７２０の全域白色表示の虚像映像であって中央１画素ライン上に７．５μｍ幅のスジを有する映像であって、各映像はスジによって生じる輝度差がそれぞれ異なっている。
【００５９】
なお、図６Ａは空気換算長と光学的不完全部分の幅との比を６５０：１に設定した場合の映像に対応し、図６Ｂは空気換算長と光学的不完全部分の幅との比を４００：１に設定した場合の映像に対応し、図６Ｃは空気換算長と光学的不完全部分の幅との比を２５０：１に設定した場合の映像に対応し、図６Ｄは空気換算長と光学的不完全部分の幅との比を１３３：１に設定した場合の映像に対応する。
【００６０】
また、図６Ａ〜図６Ｄの中段は、各映像光の断面輝度を示したグラフである。なお、各グラフにおいて、横軸は上段に示すシミュレーション映像の横方向の座標に対応する。また、縦軸は上段に示すシミュレーション映像の断面を取った際の輝度に対応し、縦軸上側ほど輝度が高いことを意味する。
【００６１】
図６Ａに示す断面輝度からは、上記比を６５０：１にした場合、映像に生じたスジによって２５６階調で約１階調だけ低下することが判った。また、図６Ｂに示す断面輝度からは、上記比を４００：１にした場合、映像に生じたスジによって２５６階調で約３階調だけ低下することが判った。また、図６Ｃに示す断面輝度からは、上記比を２５０：１にした場合、映像に生じたスジによって２５６階調で約６階調だけ低下することが判った。また、図６Ｄに示す断面輝度からは、上記比を１３３：１にした場合、映像に生じたスジによって２５６階調で約９階調だけ低下することが判った。
【００６２】
（官能評価）
また、本発明者らは、図６Ａ〜図６Ｄの各映像におけるスジを人間の目で見て評価する官能評価を行った。図６Ａ〜図６Ｄには、上記比が６５０：１の場合に「◎」、上記比が４００：１の場合に「○」、上記比が２５０：１の場合に「△」、上記比が１３３：１の場合に「×」、という結果を得た。なお、「◎」とは、スジは全く問題にならないこと意味し、「○」とは、映像を注視しなければ気が付かないことを意味し、「△」とは、スジに気付くが許容できることを意味し、「×」とは、スジが気になることを意味する。
【００６３】
すなわち、上記比を２５０：１以上に設定すると、スジに起因する階調低下を約６階調以下に抑えることができるため、人間の目で映像を見た場合にスジが見え難くなることが判った。また、上記比を４００：１以上に設定すると、スジに起因する階調低下を約３階調以下に抑えることができるため、人間の目で映像を見た場合にスジがより見え難くなることが判った。
【００６４】
以上述べたように、上記断面輝度の評価結果及び官能評価結果を総合すると、光学的不完全部分に起因した明暗のスジを目立ち難くした画像を提供できる空気換算長と光学的不完全部分の幅との比は２５０：１以上、より好ましくは４００：１以上であることが判った。
【００６５】
以上のように、本実施形態の画像表示部１１０では、上記空気換算長Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３と光学的不完全部分ＫＧの幅Ｈとの比を５００：１、すなわち４００：１以上に設定するため、上述したシミュレーション結果を使用した官能評価結果に示されるように、光学的不完全部分ＫＧに起因する画像視認時のスジを見え難くできる。
【００６６】
また、本実施形態の画像表示部１１０においては、上記空気換算長Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３と光学的不完全部分ＫＧの幅Ｈとの比をそれぞれ２５０：１以上に設定してもよく、このようにすれば、光学的不完全部分ＫＧに起因するスジを見え難くできるという効果を得ることができる。したがって、本実施形態のＨＭＤ３００によれば、上記画像表示部１１０を備えることで、色のスジ又は明暗のスジのない高品質な画像を使用者に視認させることができる。
【００６７】
（第二実施形態）
例えば上記実施形態の画像生成部１１では、第１表示パネル２０、第２表示パネル２１及び第３表示パネル２２として有機ＥＬ表示素子を用いた。この場合、各表示パネルから射出される青色画像光ＧＢ、緑色画像光ＧＧ及び赤色画像光ＧＲは非偏光となる。そのため、第１ダイクロイック膜６１および第２ダイクロイック膜６２として偏光分離機能を有さない膜を用いる必要があった。このような偏光分離機能を有さないダイクロイック膜の膜厚は５μｍと比較的厚かった。
【００６８】
本実施形態の画像生成部は、第１ダイクロイック膜および第２ダイクロイック膜として偏光分離機能を有するダイクロイック膜を用いる点で上記実施形態と異なっている。
図７は本実施形態の画像生成部の概略構成を示す図である。なお、上記実施形態と共通の構成については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
【００６９】
図７に示すように、本実施形態の画像生成部２１１は、第１表示パネル２２０と、第２表示パネル２２１と、第３表示パネル２２２と、クロスダイクロイックプリズム２５０と、を有している。
【００７０】
本実施形態において、第１表示パネル２２０、第２表示パネル２２１及び第３表示パネル２２２各々は、青色画像光ＧＢ、緑色画像光ＧＧ及び赤色画像光ＧＲとして直線偏光を射出する液晶パネルから構成される。以下の説明において、第１表示パネル２２０、第２表示パネル２２１及び第３表示パネル２２２を単に表示パネル２２０，２２１，２２２と称すこともある。
【００７１】
第１表示パネル２２０は液晶パネルから構成され、青色画像光ＧＢを射出する発光面２２０ａを有する。発光面２２０ａは液晶パネルの表面により構成される。また、第１表示パネル２２０は、接合部材２２０ｂを介してクロスダイクロイックプリズム２５０に接合される。
【００７２】
第２表示パネル２２１は液晶パネルから構成され、緑色画像光ＧＧを射出する発光面２２１ａを有する。発光面２２１ａは液晶パネルの表面により構成される。また、第２表示パネル２２１は、接合部材２２１ｂを介してクロスダイクロイックプリズム２５０に接合される。
【００７３】
第３表示パネル２２２は液晶パネルから構成され、赤色画像光ＧＲを射出する発光面２２２ａを有する。発光面２２２ａは液晶パネルの表面により構成される。また、第３表示パネル２２２は、接合部材２２２ｂを介してクロスダイクロイックプリズム２５０に接合される。
【００７４】
また、本実施形態のクロスダイクロイックプリズム２５０は、第１ダイクロイック膜１６１と、第２ダイクロイック膜１６２とを備える点で上記実施形態のクロスダイクロイックプリズム５０と異なる。第１ダイクロイック膜１６１及び第２ダイクロイック膜１６２は、偏光分離機能を有する。このように偏光分離機能を有するにはＰ偏光とＳ偏光の両方を反射および透過させる必要がある。このような第１ダイクロイック膜１６１及び第２ダイクロイック膜１６２を形成する場合、Ｐ偏光及びＳ偏光の両方を反射・透過させる膜構成に比べて、ダイクロイックミラーの膜数および膜厚が少なくなる。したがって、このような偏光分離機能を有する第１ダイクロイック膜１６１及び第２ダイクロイック膜１６２の膜厚は３μｍと薄くなる。
【００７５】
本実施形態の画像生成部２１１では、第１ダイクロイック膜１６１及び第２ダイクロイック膜１６２の厚み３μｍと薄くできるため、例えば、接着材５５の厚みを１μｍとした場合、光学的不完全部分ＫＧの幅は５．６μｍとなる。
【００７６】
本実施形態の画像生成部２１１において、空気換算長と光学的不完全部分ＫＧの幅Ｈとの比を４００：１とした場合、各表示パネル２２０，２２１，２２２の発光面２２０ａ，２２１ａ，２２２ａ各々から接合部５６の中心５６Ｃまでの空気換算長は２．２４ｍｍとなる。すなわち、本実施形態によれば、第１ダイクロイック膜１６１及び第２ダイクロイック膜１６２の厚みを薄くしたことで光学的不完全部分ＫＧの幅を小さくできるので、上記実施形態よりも空気換算長を短くできる。
【００７７】
また、クロスダイクロイックプリズム２５０を構成する三角プリズム及びクロスダイクロイックプリズム２５０と各表示パネル２２０，２２１，２２２とを接合する接合部材２２０ｂ，２２１ｂ，２２２ｂの屈折率を１．５とした場合、発光面２２０ａ１，２２１ａ１，２２２ａ１と光学的不完全部分ＫＧとの間の距離は３．３６ｍｍとなる。
【００７８】
よって、接合部材２２０ｂ，２２１ｂ，２２２ｂの厚みを０．７ｍｍ、クロスダイクロイックプリズム２５０の大きさを５．３２ｍｍ角以上に設定すれば、偏光分離機能を有する第１ダイクロイック膜１６１及び第２ダイクロイック膜１６２を用いた場合において、画像視認時のスジを見え難くすることができる。
【００７９】
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、上記実施形態において、第１表示パネル、第２表示パネル及び第３表示パネルはクロスダイクロイックプリズムに直接接合される場合を例に挙げたが、各表示パネルとクロスダイクロイックプリズムとの距離を一定に保持可能な構成を採用するのであれば、クロスダイクロイックプリズムと各表示パネルとの間に隙間が生じていてもよい。
また、自発光パネルであるマイクロＬＥＤパネル、ＱＬＥＤ(カンタムドットＬＥＤ)パネル等でも良い。
【符号の説明】
【００８０】
１２…投射光学系、２０，２２０…第１表示パネル、２０ａ，２１ａ，２２ａ，２２０ａ，２２１ａ，２２２ａ，２２０ａ１…発光面、２１，２２１…第２表示パネル、２２，２２２…第３表示パネル、５０，２５０…クロスダイクロイックプリズム、５６，１５６…接合部、５６Ｃ，１５６Ｃ…接合部の中心、６１，１６１…第１ダイクロイック膜、６２，１６２…第２ダイクロイック膜、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３…空気換算長、ＧＢ…青色画像光（第１画像光）、ＧＧ…緑色画像光（第２画像光）、ＧＲ…赤色画像光（第３画像光）、Ｈ…幅、ＫＧ…光学的不完全部分。
【図１】
2020003710.tif 000003
【図２】
2020003710.tif 000004
【図３】
2020003710.tif 000005
【図４】
2020003710.tif 000006
【図５Ａ】
2020003710.tif 000007
【図５Ｂ】
2020003710.tif 000008
【図６Ａ】
2020003710.tif 000009
【図６Ｂ】
2020003710.tif 000010
【図６Ｃ】
2020003710.tif 000011
【図６Ｄ】
2020003710.tif 000012
【図７】
2020003710.tif 000013