(57)【要約】【課題】画像表示光学系において、外界が明るいときの表示画像の視認性を確実に高める。【解決手段】本発明の画像表示光学系は、観察眼の前に配置される透明な基板（１）と、前記基板に画像表示用の表示光束を導光して、その表示光束の光路を前記基板内に形成するための光路形成手段（２，１Ａ）とを備え、前記表示光束の光路の光量ロスを増大させることなく、外界から前記基板を介して前記観察眼に向かう外界光束を減光する減光手段（２０）を備えたことを特徴とする。【選択図】      図２
2006162767.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察眼の前に配置され、可視光に対し透明な基板と、
前記基板に画像表示用の表示光束を導光して、その表示光束の光路を前記基板内に形成するための光路形成手段と、
を備えた画像表示光学系において、
前記表示光束の光路の光量ロスを増大させることなく、外界から前記基板を介して前記観察眼に向かう外界光束を減光する減光手段
を備えたことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の画像表示光学系において、
前記減光手段は、
前記基板の外界側の面に設けられた光学膜からなる
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項３】
請求項２に記載の画像表示光学系において、
前記光学膜は、
金属及び／又は誘電体からなる
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項４】
請求項２に記載の画像表示光学系において、
前記光学膜は、
ホログラフィック光学膜からなる
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項５】
請求項１に記載の画像表示光学系において、
前記減光手段は、
前記基板の外界側の面に設けられた光学膜と、その光学膜の表面に設けられた第２の基板とからなる
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項６】
請求項５に記載の画像表示光学系において、
前記光学膜は、
金属及び／又は誘電体からなる
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項７】
請求項５に記載の画像表示光学系において、
前記光学膜は、
ホログラフィック光学膜からなる
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項８】
請求項５〜請求項７の何れか一項に記載の画像表示光学系において、
前記第２の基板は、
前記可視光に対する吸収性を有している
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項９】
請求項５〜請求項８の何れか一項に記載の画像表示光学系において、
前記第２の基板の表面には、
第２の光学膜が設けられる
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項１０】
請求項９に記載の画像表示光学系において、
前記第２の光学膜は、
金属及び／又は誘電体からなる
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項１１】
請求項９に記載の画像表示光学系において、
前記第２の光学膜は、
ホログラフィック光学膜からなる
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項１２】
請求項９に記載の画像表示光学系において、
前記第２の光学膜は、
エレクトロクロミック膜からなる
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項１３】
請求項９に記載の画像表示光学系において、
前記第２の光学膜は、
フォトクロミック膜からなる
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項１４】
請求項１〜請求項１３の何れか一項に記載の画像表示光学系において、
前記光路形成手段は、
外部からの前記表示光束が前記基板中で内面反射可能となる方向に前記表示光束を導光する導入ミラーと、
前記観察眼の直前の位置に配置され、前記基板内を伝播する前記表示光束を前記観察眼の方向に導光すると共に、前記外界光束に対し透明なコンバイナと
を備えていることを特徴とする画像表示光学系。
【請求項１５】
請求項１４に記載の画像表示光学系において、
前記減光手段は、
前記コンバイナに入射する前記外界光束を、その他の外界光束より高い減光率で減光する
ことを特徴とする画像表示光学系。
【請求項１６】
画像表示用の表示光束を射出する画像表示素子と、
前記表示光束を前記観察眼へ導光する請求項１〜請求項１５の何れか一項に記載の画像表示光学系と
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の画像表示装置において、
前記画像表示光学系を前記観察者の頭部に装着する装着手段を備えた
ことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アイグラスディスプレイなどのシースルー型の画像表示装置に搭載され、かつ画像表示素子の虚像を外界像に重畳して表示するための画像表示光学系、及びその画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、眼鏡型・シースルー型の画像表示装置（アイグラスディスプレイ）が提案された（特許文献１の図１４など）。
このアイグラスディスプレイは、ＬＣＤなどの画像表示素子と画像表示光学系とを眼鏡フレームに固定したものである。
画像表示光学系は、眼鏡レンズと同様の外観をした透明な基板内に、薄膜状のホログラフィック光学素子（ホログラフィック光学膜）やビームスプリッタなどのコンバイナを設けてなる。
【０００３】
画像表示素子から射出した表示光束は、基板中を内面反射しながら伝播した後、コンバイナによって偏向され、適当な角度で観察眼に入射する（特許文献１の図７〜図１３，図１５，図１７などを参照）。
また、外界から射出した外界光束は、基板を透過して観察眼に入射する。
したがって、このアイグラスディスプレイを頭部に装着した観察者は、外界像と、それに重畳した画像表示素子の虚像（以下、「表示画像」という。）とを、同時に観察することができる。
【特許文献１】特開２００１−２６４６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、このアイグラスディスプレイが極端に明るい場所（屋外など）で使用されるときには、表示画像の明るさに対して外界像が極端に明るく見える。このとき、観察眼の瞳孔は、その外界像の明るさに反応して縮小する。
その一方で、小型ＬＣＤなどの画像表示素子が出射する表示光束の強度を向上させたり広範囲で調整したりすることは、サイズやコストの面で難しい。
【０００５】
このため、アイグラスディスプレイには、外界が明るいときの表示画像の視認性が悪いという問題があった。
そこで本発明は、外界が明るいときの表示画像の視認性を確実に高めることのできる画像表示光学系、及び画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の画像表示光学系は、観察眼の前に配置され、可視光に対し透明な基板と、前記基板に画像表示用の表示光束を導光して、その表示光束の光路を前記基板内に形成するための光路形成手段と、を備えた画像表示光学系において、前記表示光束の光路の光量ロスを増大させることなく、外界から前記基板を介して前記観察眼に向かう外界光束を減光する減光手段を備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の画像表示光学系は、請求項１に記載の画像表示光学系において、前記減光手段は、前記基板の外界側の面に設けられた光学膜からなることを特徴とする。
請求項３に記載の画像表示光学系は、請求項２に記載の画像表示光学系において、前記光学膜は、金属及び／又は誘電体からなることを特徴とする。
請求項４に記載の画像表示光学系は、請求項２に記載の画像表示光学系において、前記光学膜は、ホログラフィック光学膜からなることを特徴とする。
【０００８】
請求項５に記載の画像表示光学系は、請求項１に記載の画像表示光学系において、前記減光手段は、前記基板の外界側の面に設けられた光学膜と、その光学膜の表面に設けられた第２の基板とからなることを特徴とする。
請求項６に記載の画像表示光学系は、請求項５に記載の画像表示光学系において、前記光学膜は、金属及び／又は誘電体からなることを特徴とする。
【０００９】
請求項７に記載の画像表示光学系は、請求項５に記載の画像表示光学系において、前記光学膜は、ホログラフィック光学膜からなることを特徴とする。
請求項８に記載の画像表示光学系は、請求項５〜請求項７の何れか一項に記載の画像表示光学系において、前記第２の基板は、前記可視光に対する吸収性を有していることを特徴とする。
【００１０】
請求項９に記載の画像表示光学系は、請求項５〜請求項８の何れか一項に記載の画像表示光学系において、前記第２の基板の表面には、第２の光学膜が設けられることを特徴とする。
請求項１０に記載の画像表示光学系は、請求項９に記載の画像表示光学系において、前記第２の光学膜は、金属及び／又は誘電体からなることを特徴とする。
【００１１】
請求項１１に記載の画像表示光学系は、請求項９に記載の画像表示光学系において、前記第２の光学膜は、ホログラフィック光学膜からなることを特徴とする。
請求項１２に記載の画像表示光学系は、請求項９に記載の画像表示光学系において、前記第２の光学膜は、エレクトロクロミック膜からなることを特徴とする。
請求項１３に記載の画像表示光学系は、請求項９に記載の画像表示光学系において、前記第２の光学膜は、フォトクロミック膜からなることを特徴とする。
【００１２】
請求項１４に記載の画像表示光学系は、請求項１〜請求項１３の何れか一項に記載の画像表示光学系において、前記光路形成手段は、外部からの前記表示光束が前記基板中で内面反射可能となる方向に前記表示光束を導光する導入ミラーと、前記観察眼の直前の位置に配置され、前記基板内を伝播する前記表示光束を前記観察眼の方向に導光すると共に、前記外界光束に対し透明なコンバイナとを備えていることを特徴とする。
【００１３】
請求項１５に記載の画像表示光学系は、請求項１４に記載の画像表示光学系において、前記減光手段は、前記コンバイナに入射する前記外界光束を、その他の外界光束より高い減光率で減光することを特徴とする。
請求項１６に記載の画像表示装置は、画像表示用の表示光束を射出する画像表示素子と、前記表示光束を前記観察眼へ導光する請求項１〜請求項１５の何れか一項に記載の画像表示光学系とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項１７に記載の画像表示装置は、請求項１６に記載の画像表示装置において、前記画像表示光学系を前記観察者の頭部に装着する装着手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、外界が明るいときの表示画像の視認性を確実に高めることのできる画像表示光学系、及び画像表示装置が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［第１実施形態］
以下、図１、図２、図３、図４、図５、図６に基づき本発明の第１実施形態を説明する。
本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。
図１は、本アイグラスディスプレイの外観図である。
【００１７】
図１に示すように、本アイグラスディスプレイは、観察者の右眼にのみ画像を表示する単眼用のアイグラスディスプレイである。なお、本発明は、観察者の左眼のみに画像を表示する単眼用のアイグラスディスプレイや、観察者の両眼に画像を表示する両眼用のアイグラスディスプレイなどにも適用可能である。
図１中の座標系は、アイグラスディスプレイを頭部に装着した観察者から見て下向きをＸ方向、右向きをＹ方向とした右手系のＸＹＺ直交座標系である。以下では、このＸＹＺ座標系による方向表現、又はこの観察者から見た左右上下の方向表現を必要に応じて使用する。
【００１８】
図１に示すように、本アイグラスディスプレイは、基板１及び画像表示ユニット２を眼鏡フレーム３に固定してなる。
基板１は、可視光に対し透明な光学ガラスからなる。基板１の外形は、眼鏡レンズと同様である。基板１の固定箇所は、眼鏡フレーム３の右側のフロントである。
画像表示ユニット２は、内部に光学系（後述）を配置したユニットである。画像表示ユニット２の固定箇所は、眼鏡フレーム３の右側のフロントの近傍（図１では眼鏡フレーム３の右のテンプル）である。
【００１９】
画像表示ユニット２は、ケーブル４を介して外部機器に接続されている。そのケーブル４を介して、外部機器から画像表示ユニット２に電源及び信号が供給される。
基板１には、外界から観察者の右眼に向かう外界光束を減光する減光機能が付与されている。
また、外界から観察者の右眼に向かう外界光束の光量と、外界から観察者の左眼に向かう外界光束の光量とのバランスをとるため、また、アイグラスディスプレイの左右の外観のバランスをとるために、眼鏡フレーム３の左側のフロントには、基板１と同様の減光機能が付与され、かつ基板１と同じ外観の基板５が装着されている。なお、外界光束のバランス、外観のバランスをとる必要が無ければ、この限りではない。
【００２０】
因みに、本アイグラスディスプレイの左側の構成を、右側の構成と同じにすれば、両眼用のアイグラスディスプレイが実現する。また、本アイグラスディスプレイの左右の構成を反転させれば、観察者の左眼にのみ画像を表示する単眼用のアイグラスディスプレイが実現する。
図２は、本アイグラスディスプレイの光学系の詳細図であり、本アイグラスディスプレイの光学系部分をＹＺ平面と平行な面にて切断してできる概略断面図である。
【００２１】
図２に示すように、画像表示ユニット２は、基板１１の右端部に向けて表示光束Ｌ１を投光する。
画像表示ユニット２内には、ＬＥＤ光源２ａ、照明光学系２ｂ、ＬＣＤ２ｃ、対物レンズ２ｄ、駆動回路（不図示）などが配置される。ＬＥＤ光源２ａ、ＬＣＤ２ｃ、及び駆動回路（不図示）は、ケーブル４（図１参照）に接続される。
【００２２】
基板１内の右端部には、導入ミラー１Ａが設けられ、基板１内において観察者の右眼の直前に相当する位置は、コンバイナ１Ｂが設けられている。コンバイナ１Ｂは、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタ、ホログラフィック光学膜などの、可視光からなる外界光束Ｌ２に対し透明な偏向光学膜である。
基板１の外界側の面１ｂには、外界光束Ｌ２を所定の減光率で減光する減光膜２０が形成されている。
【００２３】
このうち、導入ミラー１Ａ及びコンバイナ１Ｂを含む基板１が、請求項の画像表示光学系に対応する。また、導入ミラー１Ａ、コンバイナ１Ｂが、請求項の光路形成手段に対応する。また、減光膜２０が、請求項の減光手段に対応する。
次に、本アイグラスディスプレイにおける表示光束Ｌ１、外界光束Ｌ２の振る舞いを順に説明する。
【００２４】
ＬＥＤ光源２ａ及び照明光学系２ｂは、ＬＣＤ２ｃを適当な照明条件で照明する。ＬＣＤ２ｃは、動画像又は静止画像を表示する。ＬＣＤ２ｃの各位置からは、各画角の表示光束Ｌ１が射出する。
ここでは、ＬＣＤ２ｃの表示する動画像又は静止画像は、カラー画像であり、表示光束Ｌ１には、可視光域（波長４００〜７００ｎｍ）の各波長成分が含まれるとする。
【００２５】
この表示光束Ｌ１は、対物レンズ２ｄにて平行光束に変換されてから、基板１の観察者側の面１ａの右端部に入射する。
なお、図２では、表示光束Ｌ１を１本の光線のごとく描いたが、実際の表示光束には、各画角の表示光束が含まれている。各画角の表示光束は、０°近傍の互いに異なる入射角度で基板１内に入射する。
【００２６】
基板１内に入射した表示光束Ｌ１は、基板１内に設けられた導入ミラー１Ａに入射する。導入ミラー１Ａに入射した表示光束Ｌ１は、偏向される。
偏向後の表示光束Ｌ１は、基板１の観察者側の面１ａと基板１の外界側の面１ｂとで交互に内面反射しながら左方向に伝播した後、基板１内に設けられたコンバイナ１Ｂに入射する。
【００２７】
このような表示光束Ｌ１の面１ａ，１ｂへの入射角度は、基板１の臨界角度θｃ（内面反射可能な光の入射角度の最小値）よりも大きい角度、例えば５０°近傍である。
コンバイナ１Ｂに入射した表示光束Ｌ１は、観察者の右眼の方向に偏向される。なお、対物レンズ２ｄからコンバイナ１Ｂまでの光学系は、右眼の瞳位置近傍に射出瞳（各画角の光束が重畳して入射する領域）を形成する。
【００２８】
因みに、図２に描かれた表示光束Ｌ１は、実際の表示光束のうち、ＬＣＤ２ｃの中心から射出した表示光束（中心画角の表示光束）の主光線（射出瞳の中心を通過する光線）である。
一方、外界光束Ｌ２は、観察者から見て十分な遠方から射出し、観察者の方向に進行する光である。
【００２９】
外界光束Ｌ２は、基板１に設けられた減光膜２０に対し０°近傍の入射角度で入射し、所定の減光率で減光された後、基板１に対し０°近傍の入射角度で入射し、基板１を透過して観察者の右眼に到達する。
以上の表示光束Ｌ１，及び外界光束Ｌ２により、観察者は、外界像と共に、その外界像に重畳されたＬＣＤ２ｃの虚像（表示画像）を観察することができる。なお、表示光束Ｌ１は対物レンズ２ｄにて平行光束に変換されているので、表示画像の形成される位置は、観察者から見て十分な遠方になる。また、基板１に設けられた減光膜２０の機能により、外界像の明るさは、所定の割合で低減される。
【００３０】
次に、減光膜２０の具体例を説明する。
一般の減光膜の材料には、アルミニウム（Ａｌ），クロム（Ｃｒ），タングステン（Ｗ），ロジウム（Ｒｏ）などの単体金属や、インコネルなどの合金が用いられる。
しかし、これらの材料には、光を吸収する性質（吸収性）があるので、仮に基板１の表面にむやみに減光膜２０を設けると、基板１中を内面反射する表示光束Ｌ１の一定量が減光膜２０にて吸収される。つまり、表示光束Ｌ１の光路の光量ロスが著しくなる。
【００３１】
本実施形態では、この光量ロスを防ぐため、減光膜２０に、銀（Ａｇ）の膜と誘電体膜とを積層した２層の膜が用いられる。この減光膜２０の基本構成は、次のとおりである。
基板/Ag/0.25L/空気
但し、
Ａｇ：銀（Ａｇ層），
Ｌ：低屈折率の誘電体（Ｌ層），
Ｌ層の左側の数値：Ｌ層の光学膜厚（使用波長の中心波長における）
この基本構成において、Ｌ層は、空気中で変質し易いＡｇ層の表面を保護すると共に、大きい入射角度の入射光に対する反射率を向上させる役割を果たしている。
【００３２】
また、この減光膜２０の詳細（仕様）は、次のとおりである。
設定透過率：３０％（０度入射時）,
中心波長λｃ：５００ｎｍ，
基板の屈折率：１．５６，
Ａｇ層の膜厚：３０ｎｍ，
Ｌ層の屈折率：１．４６，
因みに、Ａｇ層の単体の光学定数は、図３，図４に示すとおりである。図３は、Ａｇ層の単体の屈折率の波長特性、図４は、Ａｇ層の単体の消衰係数の波長特性である。
【００３３】
そして、この減光膜２０の基板１側の反射率、及び透過率の波長特性（入射角度０°，４５°）は、図５に示すとおりである。また、この減光膜２０の基板１側の反射率、及び透過率の角度特性（波長５５０ｎｍ）は、図６に示すとおりである。
なお、図５，図６において、「Ｒ」は反射率を示し、「Ｔ」は透過率を示す。また、反射率又は透過率の添え字「ｐ」は、ｐ偏光成分に対する特性を示し、反射率又は透過率の添え字「ｓ」は、ｓ偏光成分に対する特性を示す（他の各図も同様。）。
【００３４】
図５，図６に明らかなとおり、この減光膜２０は、入射角度が４０°以上のｓ偏光成分の可視光線に対し、略１００％の反射率を示す。また、この減光膜２０は、入射角度が０°の可視光線に対し、約３０％の透過率を示す。
したがって、減光膜２０は、表示光束Ｌ１の光路の光量ロスを小さくし、可視光域の外界光束Ｌ２のみを約７０％の減光率で減光する。
【００３５】
このとき、表示画像の明るさは保たれ、外界像の明るさが約３０％に低減される。したがって、外界が明るいときの表示画像の視認性は、確実に高まる。このように、減光膜２０の入射角度に対する反射−透過率特性から、好ましい膜種を選択することで、最小構成で所望の効果を得ることができる。
なお、本実施形態の減光膜２０の基本構成は、Ａｇ層と誘電体層との２層構成であるが、Ａｇ層に代えて他の金属層が用いられたり、２つの誘電体層で金属層を挟んだ３層構成とされてもよい。但し、Ａｇ層と誘電体層との２層構成の方が、良好な特性（表示光束Ｌ１の光量ロスを増加させることなく外界光束Ｌ２のみを減光する特性）が簡単に得られる。
【００３６】
［第１実施形態の第１変形例］
以下、図７に基づき第１実施形態の第１変形例を説明する。
本変形例は、減光膜２０の変形例である。
本変形例の減光膜２０は、誘電体のみからなる。この減光膜２０は、各層界面での反射光の位相が所望の関係を有するように各層の膜厚を設定したものであり、その反射光の位相の関係により様々な特性を設定できる。ゆえに、第１実施形態の減光膜２０よりも、設定透過率の自由度が高い。この減光膜２０の基本構成は、３種類あり、次のとおりである。
【００３７】
基板/(0.25H0.25L)p0.25H/空気，
基板/(0.125H0.25L0.125H)p/空気，
基板/(0.125L0.25H0.125L)p/空気
但し、
Ｈ：高屈折率の誘電体（Ｈ層），
Ｌ：低屈折率の誘電体（Ｌ層），
各層の左側の数値：各層の光学膜厚（使用波長の中心波長における），
ｐ：括弧で括られた層群の積層回数
これらの基本構成によれば、特定の光に対する反射率を向上させながら、かつ特定の光に対する透過率を抑えることが可能である。
【００３８】
但し、外界像の明るさを確実に低減するためには、この減光膜２０の設計で、中心波長の異なる複数種類の周期層群を並べて、透過率の抑えられる光の波長域を、可視光域全体にまで拡大する必要がある。
さらに、色による透過率のばらつきを抑えるためには、全層の膜厚を計算機で最適化する必要がある。
【００３９】
最適化後の減光膜２０の詳細（仕様）は、次のとおりである。
設定透過率：５％,
中心波長λｃ：４８０ｎｍ，
基板の屈折率：１．５８３，
Ｈ層の屈折率：２．３，
Ｌ層の屈折率：１．４６，
全層数：２２
この減光膜２０の構成は、表１に示すとおりである。
【００４０】
【表１】
2006162767.tif 000003
この減光膜２０の透過率の波長特性は、図７に示すとおりである。
図７に明らかなとおり、この減光膜２０は、可視光線に対し約５％の透過率を示す。したがって、本変形例によると、外界像の明るさは、約５％に低減される。
【００４１】
［第１実施形態の第２変形例］
以下、図８に基づき第１実施形態の第２変形例を説明する。
本変形例は、減光膜２０の変形例である。
本変形例の減光膜２０の設定透過率は、１５％である。この減光膜２０も、誘電体のみからなり、その基本構成は第１変形例のそれと同じである。
【００４２】
この減光膜２０の詳細（仕様）は、次のとおりである。
設定透過率：１５％,
中心波長λｃ：４８０ｎｍ，
基板の屈折率１．５８３，
Ｈ層の屈折率２．３，
Ｌ層の屈折率１．４６，
全層数：１８
この減光膜２０の構成は、表２に示すとおりである。
【００４３】
【表２】
2006162767.tif 000004
この減光膜２０の透過率の波長特性は、図８に示すとおりである。
図８に明らかなとおり、この減光膜２０は、可視光線に対し約１５％の透過率を示す。したがって、本変形例によると、外界像の明るさは、約１５％に低減される。
【００４４】
［変形例の補足］
第１変形例及び第２変形例の減光膜２０において、表示画像の明るさが確実に保たれる条件、つまり表示光束Ｌ１が基板１中を約１００％の反射率で内面反射する条件を、基板１の内面反射の条件から検討する。
先ず、図９（ａ）に示すとおり、基板１に減光膜２０が設けられていない状態を考える。
【００４５】
基板１の存在する媒質である空気の屈折率をｎ0、基板１の材料であるガラスの屈折率をｎg、基板１及び媒質それぞれの光の入射角度をθ0，θgとおくと、スネルの法則から以下の式（１）が成り立つ。
ｎ0ｓｉｎθ0＝ｎgｓｉｎθg  ・・・（１）
したがって、この状態の基板１の臨界角度θｃ（内面反射可能な光の入射角度の最小値）は、式（２）で表される。
【００４６】
θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ0／ｎg）  ・・・（２）
次に、図９（ｂ）に示すとおり、基板１に誘電体の多層膜からなる減光膜２０が設けられた状態を考える。仮に、多層膜の各層が無吸収（吸収性ゼロ）であれば、多層膜の各層の屈折率をｎ1，ｎ2，・・・，ｎk、各層それぞれの光の入射角度をθ1，θ2，・・・，θkとおくと、スネルの法則から以下の式（３）が成り立つ。
【００４７】
ｎ0ｓｉｎθ0＝ｎ1ｓｉｎθ1
＝ｎ2ｓｉｎθ2，
・・・，
＝ｎkｓｉｎθk
＝ｎgｓｉｎθg      ・・・（３）
したがって、多層膜の各層が無吸収であれば、基板１の臨界角度θｃは、減光膜２０が設けられていない状態と同じく、式（２）で表される。
【００４８】
よって、第１変形例，第２変形例の減光膜２０には、無吸収の誘電体が用いられる。
因みに、無吸収の誘電体が用いられた第１変形例，第２変形例の減光膜２０の、基板１側の反射率（基板１の内面反射の反射率）の角度特性は、図１０に示すとおりである。
図１０に明らかなとおり、この減光膜２０は、入射角度が４５°以上の光に対し約１００％の反射率を示す。
【００４９】
［第１実施形態の第３変形例］
以下、図１１、図１２、図１３、図１４に基づき第１実施形態の第３変形例を説明する。
本変形例は、減光膜２０の変形例である。
本変形例の減光膜２０には、紫外線及び赤外線カットの機能が付与される。
【００５０】
この減光膜２０も、誘電体のみからなり、その基本構成は第１変形例又は第２変形例のそれと同じである。
本変形例では、紫外線及び赤外線カットの機能を付与するため、Ｈ層に、吸収性を有した誘電体が積極的に用いられる。吸収性を有した誘電体として、二酸化チタン（ＴｉＯ2）が用いられる。
【００５１】
因みに、二酸化チタン（ＴｉＯ2）の光学定数は、図１１，図１２に示すとおりである。図１１は、二酸化チタン（ＴｉＯ2）の屈折率の波長特性、図１２は、二酸化チタン（ＴｉＯ2）消衰係数の波長特性である。
この減光膜２０の詳細（仕様）は、次のとおりである。
設定透過率：３０％,
中心波長λｃ：８００ｎｍ，
基板の屈折率：１．５８３，
Ｌ層の屈折率１．４６，
全層数：４８
この減光膜２０の構成は、表３に示すとおりである。
【００５２】
【表３】
2006162767.tif 000005
この減光膜２０の透過率の波長特性は、図１３に示すとおりである。また、本変形例の減光膜２０の基板１側の反射率（基板１の内面反射の反射率）の波長特性は、図１４に示すとおりである。
【００５３】
図１４に明らかなとおり、この反射率の波長特性のカーブには、凹み（反射率のバレー）が生じている。
一方、アイグラスディスプレイのＬＣＤ２ｃの発光波長特性のカーブには、一般に、Ｒ色，Ｇ色，Ｂ色の各波長にピークが生じている。
そこで、反射率の波長特性のカーブのバレーが、発光波長特性のカーブのピークから外れるよう、本変形例の減光膜２０の構成は、微調整される。
【００５４】
その結果、表示光束Ｌ１に含まれる各波長成分は、基板１中を確実に高い反射率で内面反射する。よって、表示画像の明るさは確実に保たれる。
ところで、図１４を参照すると、ｓ偏光成分のカーブと、ｐ偏光成分のカーブとでは、バレーの生じ方が異なる。特に、ｐ偏光成分のカーブの方が、生じるバレーの数が少ない。
【００５５】
そこで、この減光膜２０がアイグラスディスプレイに適用される場合、表示光束Ｌ１をｐ偏光成分のみに制限すれば、反射率の波長特性のカーブのバレーを発光波長特性のカーブのピークから確実に外すことができる。
因みに、ＬＣＤ２ｃの原理上、表示光束Ｌ１は偏光しているので、その偏光方向が減光膜２０に対してｐ偏光方向となるようにＬＣＤ２ｃと基板１との位置関係を最適化するか、ＬＣＤ２ｃの後段に位相板を挿入すれば、表示光束Ｌ１をｐ偏光成分のみに制限することができる。
【００５６】
［第２実施形態］
以下、図１５、図１６、図１７に基づき本発明の第２実施形態を説明する。
本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第１実施形態との相違点のみ説明する。
図１５は、本アイグラスディスプレイの外観図である。
【００５７】
図１５中の座標系は、観察者から見て下向きをＸ方向、右向きをＹ方向とした右手系のＸＹＺ直交座標系である。以下では、このＸＹＺ座標系による方向表現、又は観察者から見た左右上下の方向表現を必要に応じて使用する。
図１５に示すように、本アイグラスディスプレイの第１実施形態との相違点は、基板１においてコンバイナ１Ｂの近傍の中央領域の減光率が、基板１においてその中央領域から外れた周辺領域の減光率よりも高く設定された点にある。
【００５８】
また、外界から観察者の右眼に向かう外界光束の光量と、外界から観察者の左眼に向かう外界光束の光量とのバランスをとるため、また、アイグラスディスプレイの左右の外観のバランスをとるために、眼鏡フレーム３の左側のフロントには、基板１と同様の減光機能が付与され、かつ基板１と同じ外観の基板５が装着されている。なお、外界光束のバランス、外界のバランスをとる必要が無ければ、この限りではない。
【００５９】
図１６は、本アイグラスディスプレイの光学系の詳細図であり、本アイグラスディスプレイの光学系部分をＹＺ平面と平行な面にて切断してできる概略断面図である。
図１６に示すように、本アイグラスディスプレイにおける表示光束Ｌ１，外界光束Ｌ２の振る舞いは、第１実施形態のそれ（図２参照）と同じである。
基板１の外界側の面１ｂには、第１実施形態又はその変形例と同様の減光膜２０が設けられている。
【００６０】
但し、減光膜２０の表面の中央領域には、金属又は誘電体の多層膜からなる減光膜４０が重畳して設けられている。
これにより、基板１の中央領域の減光率は、基板１の周辺領域の減光率よりも高くなる。
なお、観察者から見た中央領域の位置は、観察者から見たコンバイナ１Ｂの位置と略同じである。また、観察者から見た中央領域のサイズは、観察者から見たコンバイナ１Ｂのサイズよりも若干大きい。
【００６１】
このような本アイグラスディスプレイでは、表示画像の背景となる部分の外界像の明るさが特に強く抑えられるので、表示画像の視認性は、さらに高まる。
次に、減光膜２０，４０の具体例を説明する。
減光膜２０は、第１実施形態の変形例と同様、誘電体の多層膜で構成される。減光膜４０も、誘電体の多層膜で構成される。
【００６２】
この減光膜２０，４０の詳細（仕様）は、次のとおりである。
減光膜２０の設定透過率：５０％，
減光膜４０の設定透過率：５０％，
中心波長λｃ：８００ｎｍ，
基板の屈折率１．５８３，
Ｈ層の屈折率２．３，
Ｌ層の屈折率１．４６，
減光膜２０の全層数：１１，
減光膜４０の全層数：１６
この減光膜２０，４０の構成は、表４に示すとおりである。
【００６３】
【表４】
2006162767.tif 000006
減光膜２０，４０の中央領域の透過率の波長特性、減光膜２０の周辺領域の透過率の波長特性は、図１７に示すとおりである。
図１７に明らかなとおり、中央領域の可視光に対する透過率は約２５％、周辺領域の可視光に対する透過率は約５０％である。
【００６４】
したがって、本アイグラスディスプレイによると、外界像の全体の明るさは、約５０％に低減され、表示画像の背景となる部分の外界像の明るさは、約２５％に低減される。
なお、本実施形態では、減光膜２０と減光膜４０とが重畳しているが、両者は重畳していなくてもよい。その場合、中央領域が開口となった減光膜２０を基板１上に設け、その開口に、減光膜２０よりも減光率の高い減光膜４０が設けられる。但し、この場合、減光膜２０の成膜時と、減光膜４０の成膜時との双方においてマスキングをする必要が生じるので、減光膜２０と減光膜４０とを重畳させた方が、製造コストを低減できる点で望ましい。
【００６５】
［第２実施形態の第１変形例］
以下、図１８、図１９に基づき第２実施形態の第１変形例を説明する。
本変形例は、減光膜２０，減光膜４０の変形例である。
本変形例の減光膜４０は、金属膜で構成される。
本変形例の減光膜２０の構成は、表２に示したものと同じである。この減光膜２０の単体の特性は、図８に示したとおりである。
【００６６】
減光膜４０の構成は、膜厚５ｍｍのクロム（Ｃｒ）の１層とされる。このとき、減光膜２０，４０の中央領域の透過率の波長特性は、図１８に示すとおりである。
また、減光膜２０の基板１側の反射率（基板１の内面反射の反射率）の角度特性（但し、中央領域における特性）は、図１９に示すとおりである。
図１９に明らかなとおり、入射角度４０°以上の光のｓ偏光成分に対する反射率は、高い数値である。但し、その光のｐ偏光成分に対する反射率は低い。よって、本変形例の減光膜２０，４０がアイグラスディスプレイに適用される場合、表示光束Ｌ１を、ｓ偏光成分のみに制限することが望ましい。
【００６７】
因みに、ＬＣＤ２ｃの原理上、表示光束Ｌ１は偏光しているので、その偏光方向がｓ偏光方向となるようにＬＣＤ２ｃと基板１との位置関係を最適化するか、ＬＣＤ２ｃの後段に位相板を挿入すれば、表示光束Ｌ１をｓ偏光成分のみに制限することができる。
［第２実施形態の第２変形例］
以下、図２０、図２１に基づき第２実施形態の第２変形例を説明する。
【００６８】
本変形例は、減光膜２０の変形例である。本変形例の減光膜２０は、ホログラフィック光学膜からなる。
このホログラフィック光学膜の製造では、２回の露光が行われる。
第１の露光は、入射角度０°近傍の光を所定の透過率で透過するような特性を、ホログラフィック光学膜に付与するための露光である。この露光は、例えば、図２０に示すような光学系で行われる。
【００６９】
すなわち、ホログラム感光材料５６には、２つの光束が垂直に入射する。一方の光束には、光減衰器５２が挿入されている。透過率の値は、光減衰器５２の減衰量によって設定可能である。図２０において、５１はレーザ光源（Ｒ色，Ｇ色，Ｂ色の各波長のレーザ光を射出可能である。）、ＢＳはビームスプリッタ、Ｍはミラー、５３はビームエキスパンダ、５５はビームスプリッタである。
【００７０】
第２の露光は、基板１中を内面反射する表示光束Ｌ１の反射率を確保するための露光である。この露光は、例えば、図２１に示すような光学系で行われる。
すなわち、ホログラム感光材料５６には、基板１中を内面反射する表示光束Ｌ１と同じ角度で２つの光束が入射する。図２１において、５１はレーザ光源（Ｒ色，Ｇ色，Ｂ色の各波長のレーザ光を射出可能である。）、ＢＳはビームスプリッタ、Ｍはミラー、５３はビームエキスパンダ、５７は補助プリズムである。
【００７１】
２回の露光の終了後、ホログラム感光材料５６は現像処理され、ホログラフィック光学膜が完成する。
このようにして完成したホログラフィック光学膜には、減光膜２０に必要とされる機能が付与される。
なお、本変形例は、減光膜２０をホログラフィック光学膜で構成した変形例であるが、減光膜２０及び減光膜４０を、１つのホログラフィック光学膜で構成することもできる。
【００７２】
そのホログラフィック光学膜の製造では、第１の露光が２回に分けて行われる。
そのうち１回は、ホログラフィック光学膜の中央領域の露光であり（周辺領域にはマスキングが施される。）、他の１回は、周辺領域の露光である（中央領域にはマスキングが施される。）。
これら２回の露光では、光減衰器５２の減衰量が互いに異なる値に設定される。それによって、ホログラフィック光学膜の中央領域の透過率と、周辺領域の透過率とが異なる値に設定される。
【００７３】
［第３実施形態］
以下、図２２、図２３、図２４、図２５に基づき本発明の第３実施形態を説明する。
本実施形態は、アイグラスディスプレイの実施形態である。ここでは、第１実施形態との相違点のみ説明する。
図２２は、本アイグラスディスプレイの外観図である。
【００７４】
図２２中の座標系は、観察者から見て下向きをＸ方向、右向きをＹ方向とした右手系のＸＹＺ直交座標系である。以下では、このＸＹＺ座標系による方向表現、又は観察者から見た左右上下の方向表現を必要に応じて使用する。
図２２に示すように、本アイグラスディスプレイの外観は、第１実施形態のそれ（図１参照）と略同じである。
【００７５】
図２３は、本アイグラスディスプレイの光学系の詳細図であり、本アイグラスディスプレイの光学系部分をＹＺ平面と平行な面にて切断してできる概略断面図である。
図２３に示すように、本アイグラスディスプレイにおける表示光束Ｌ１，外界光束Ｌ２の振る舞いは、第１実施形態のそれ（図２参照）と同じである。
基板１の外界側の面１ｂには、第１の光学膜６０が設けられている。第１の光学膜６０の表面には、光学ガラスからなる第２の基板７０が貼付されている。また、第２の基板７０の表面には、第２の光学膜８０が設けられている。
【００７６】
第１の光学膜６０は、基板１に対してエアギャップと同じ働きをする。つまり、第１の光学膜６０の基板１側の界面は、表示光束Ｌ１を略１００％の反射率で反射する。また、第１の光学膜６０は、外界光束Ｌ２を透過する。なお、この第１の光学膜６０には、可視光線の減光機能や、紫外線又は赤外線カットの機能が付与されていてもよい。
第２の基板７０、第２の光学膜８０は、外界光束Ｌ２を減光する機能を有する。なお、この第２の基板７０、第２の光学膜８０にも、可視光線の減光機能や、紫外線又は赤外線カットの機能が付与されていてもよい。
【００７７】
本アイグラスディスプレイでは、第１の光学膜６０の働きにより、基板１中を内面反射する表示光束Ｌ１の反射率は確保されるので、第２の基板７０、第２の光学膜８０に対し、表示光束Ｌ１の反射率を高めるための機能を付与する必要が無い。
よって、第２の基板７０、第２の光学膜８０の設計の自由度は高い。例えば、第２の基板７０には、各種の既存の光学フィルタガラスを適用することができる。
【００７８】
よって、それら第２の基板７０，第２の光学膜８０に対しては、より高い減光機能を付与することができる。
なお、高い減光機能とは、例えば、入射角度による減光率のばらつきが少ないことや、波長による減光率のばらつきが少ないことなどを指す。
次に、第１の光学膜６０の具体例を説明する。ここでは、表示光束Ｌ１がｓ偏光成分のみに制限された場合を説明する。
【００７９】
第１の光学膜６０の構成は、次のとおりである。
基板/(0.125L0.28H0.15L)(0.125L0.25H0.125L)4(0.15L0.28H0.125L)/第２の基板
但し、
Ｈ：高屈折率の誘電体（Ｈ層），
Ｌ：低屈折率の誘電体（Ｌ層），
各層の左側の数値：各層の光学膜厚（使用波長の中心波長における），
上付き数字：括弧で括られた層群の積層回数
また、第１の光学膜６０の詳細（仕様）は、次のとおりである。
【００８０】
中心波長λｃ＝８５０ｎｍ，
基板の屈折率：１．５６，
Ｈ層の屈折率：２．３０，
Ｌ層の屈折率：１．４８，
第２の基板の屈折率：１．５０７，
第２の基板の消衰係数ｋ＝０．０１
因みに、第２の基板７０の消衰係数ｋを０．０１のように大きな値に設定したのは、各種の光学フィルタガラスを第２の基板７０に適用し、第２の基板７０に対し多彩な減光特性や波長カット機能を付与することを想定したからである。
【００８１】
表５は、屈折率１．５０、厚み１ｍｍのガラス基板の、消衰係数ｋと透過率との関係を計算で求めたものである。
【００８２】
【表５】
2006162767.tif 000007
この表５から、消衰係数ｋの実質的な最大値は、０．０１であることがわかる。
よって、第２の基板７０の消衰係数ｋを０．０１に設定しておけば、第２の基板７０に如何なる光学フィルタガラスを適用した場合にも有効な、第１の光学膜６０を設計することができる。
【００８３】
この第１の光学膜６０の基板１側の反射率の波長特性（入射角度０°，６０°）は、図２４に示すとおりである。
また、この第１の光学膜６０の第２の基板７０側の反射率の角度特性は、図２５に示すとおりである。
図２４、図２５に明らかなとおり、この第１の光学膜６０は、入射角度０°の可視光線のｓ偏光成分に対し平均１０％以下の反射率を示し、入射角度６０°の可視光線のｓ偏光成分に対し略１００％の反射率を示す。
【００８４】
また、先に述べたように、第２の基板７０としては、任意の光学フィルタガラスを用いることができる。すなわち、赤外線カット・紫外線カット・色フィルタ・ニュートラルインデンシティフィルタ（可視光域全波長を均一に減光するフィルタ）など、市販のあらゆる光学フィルタガラスを、第２の基板７０に適用できる。
また、第２の光学膜８０には、第２の基板７０の表面を保護するのに適した任意の膜、例えば、反射防止膜などを適用できる。好ましくは、第２の基板７０との組み合わせで所望の性能を達成する膜が、第２の光学膜８０に適用される。
【００８５】
例えば、第２の基板７０にニュートラルインデンシティフィルタが適用され、第２の光学膜８０に赤外カット膜が適用されてもよい。また、第２の基板７０に紫外線カットガラスが適用され、第２の光学膜８０に減光膜及び赤外線カット膜が適用されてもよい。
つまり、第２の基板７０と第２の光学膜８０との組み合わせは、アイグラスディスプレイに要求される性能や、アイグラスディスプレイの製造コストなどに応じて、適宜選定可能である。
【００８６】
なお、各種フィルタなど、各種の多層膜の種類や機能については、例えば、H.A.Macleod著「Thin-Film optical Filters 3rd.Edition」等の書物に詳細が記載されているので、ここでは省略する。
なお、上述した第１の光学膜６０の構成において、複数周期の層群の両側に、１周期の層群が配置されている理由は、第１の光学膜６０と基板１との屈折率のミスマッチ調整のため、及び、第１の光学膜６０と第２の基板７０との屈折率のミスマッチ調整のためである（つまり、１周期の層群は、マッチング層である。）。マッチング層は、透過率を抑えるべき波長帯のリップルを低減するなど、第１の光学膜６０の特性を微修正する役割を果たしている。
【００８７】
［第３実施形態の変形例］
なお、第１の光学膜６０には、上述した構成とは別の構成が適用されてもよい。何れの構成も、適当な周期層群を含む。また、何れの構成も、計算機による最適化が施されることが望ましい。
また、第２の光学膜８０と第２の基板７０との組み合わせとしては、クロム（Ｃｒ）などの金属膜と、消衰係数ｋの小さい光学ガラス基板との組み合わせも適用可能である。
【００８８】
また、第２の光学膜８０に、各種の機能性薄膜、例えば、エレクトロクロミック膜（ＥＣ膜）、フォトクロミック膜（ＰＣ膜）などが適用されてもよい。
エレクトロクロミック膜（ＥＣ膜）が適用されれば、ユーザによる通電操作により、アイグラスディスプレイの使用状況に応じて、減光の有無を選択できる。例えば、ユーザは、アイグラスディスプレイを日中の屋外で使用するときなど、外界像が極端に明るいときには減光し、アイグラスディスプレイを室内で使用するときなど、外界像があまり明るくないときには減光しないという選択をすることができる。
【００８９】
その操作によれば、アイグラスディスプレイの使用状況に拘わらず、外界像の視認性と表示画像の視認性との双方が保たれる。
また、フォトクロミック膜（ＰＣ膜）が適用されれば、外界光束Ｌ２の光量が高いときにのみ自動的に外界光束Ｌ２が減光されるので、アイグラスディスプレイの使用状況に拘わらず、外界像の視認性と表示画像の視認性との双方が自動的に保たれる。
【００９０】
以上の機能性薄膜の適用によって、アイグラスディスプレイの性能は、格段に向上する。
また、本アイグラスディスプレイにおいては、第２実施形態と同様に、基板１の中央領域の減光率を、基板１の周辺領域の減光率よりも高く設定することが容易である。
例えば、第２の基板７０を、ニュートラルインデンシティフィルタで構成し、第２の光学膜８０を減光膜で構成し、その第２の光学膜８０の形成領域を中央領域のみに制限すればよい。
【００９１】
また、本アイグラスディスプレイにおいては、第１の光学膜６０を、ホログラフィック光学膜で構成することもできる。そのホログラフィック光学膜の製造には、図２１に示した光学系を利用できる。但し、第１の光学膜６０は、使用時に、基板１と第２の基板７０とによって挟まれるので、図２１における２つの光束の光路それぞれには、それらの基板と同型の補助プリズムが配置される。
【００９２】
また、本アイグラスディスプレイにおいては、第２の光学膜８０を、ホログラフィック光学膜で構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】第１実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。
【図２】第１実施形態のアイグラスディスプレイの光学系の詳細図である。
【図３】Ａｇ層の屈折率の波長特性である。
【図４】Ａｇ層の消衰係数の波長特性である。
【図５】第１実施形態の減光膜２０の基板１側の反射率、及び透過率の波長特性である。
【図６】第１実施形態の減光膜２０の基板１側の反射率、及び透過率の角度特性である。
【図７】第１実施形態の第１変形例の減光膜２０の透過率の波長特性である。
【図８】第１実施形態の第２変形例の減光膜２０の透過率の波長特性である。
【図９】図９（ａ）は、基板１の空気側の界面における反射を説明する図、図９（ｂ）は、基板１の減光膜２０側の界面における反射を説明する図である。
【図１０】第１変形例，第２変形例の減光膜２０の基板１側の反射率の角度特性である。
【図１１】二酸化チタン（ＴｉＯ2）の屈折率の波長特性である。
【図１２】二酸化チタン（ＴｉＯ2）の消衰係数の波長特性である。
【図１３】第１実施形態の第３変形例の減光膜２０の透過率の波長特性である。
【図１４】第１実施形態の第３変形例の減光膜２０の基板１側の反射率の波長特性である。
【図１５】第２実施形態のアイグラスディスプレイの外観図である。
【図１６】第２実施形態のアイグラスディスプレイの光学系の詳細図である。
【図１７】減光膜２０，４０の中央領域の透過率の波長特性、減光膜２０の周辺領域の透過率の波長特性である。
【図１８】第２実施形態の第１変形例の減光膜２０，４０の中央領域の透過率の波長特性である。
【図１９】第２実施形態の第１変形例の減光膜２０の基板１側の反射率の角度特性（中央領域における特性）である。
【図２０】ホログラフィック光学膜の製造における第１の露光を説明する図である。
【図２１】ホログラフィック光学膜の製造における第２の露光を説明する図である。
【図２２】第３実施形態のアイグラスディスプレイの実施形態である。
【図２３】アイグラスディスプレイの光学系の詳細図である。
【図２４】第１の光学膜６０の基板１側の反射率の波長特性である。
【図２５】第１の光学膜６０の第２の基板７０側の反射率の角度特性である。
【符号の説明】
【００９４】
１  基板
２  画像表示ユニット
３  眼鏡フレーム
４  ケーブル
２ａ  ＬＥＤ光源
２ｂ  照明光学系
２ｃ  ＬＣＤ
２ｄ  対物レンズ
１Ａ  導入ミラー
１Ｂ  コンバイナ
２０，４０  減光膜
Ｌ１  表示光束
Ｌ２  外界光束
５１  レーザ光源
ＢＳ，５５  ビームスプリッタ
Ｍ  ミラー
５３  ビームエキスパンダ
５６  ホログラム感光材料
５７  補助プリズム
６０  第１の光学膜
７０  第２の基板
８０  第２の光学膜
【図１】
2006162767.tif 000008
【図２】
2006162767.tif 000009
【図３】
2006162767.tif 000010
【図４】
2006162767.tif 000011
【図５】
2006162767.tif 000012
【図６】
2006162767.tif 000013
【図７】
2006162767.tif 000014
【図８】
2006162767.tif 000015
【図９】
2006162767.tif 000016
【図１０】
2006162767.tif 000017
【図１１】
2006162767.tif 000018
【図１２】
2006162767.tif 000019
【図１３】
2006162767.tif 000020
【図１４】
2006162767.tif 000021
【図１５】
2006162767.tif 000022
【図１６】
2006162767.tif 000023
【図１７】
2006162767.tif 000024
【図１８】
2006162767.tif 000025
【図１９】
2006162767.tif 000026
【図２０】
2006162767.tif 000027
【図２１】
2006162767.tif 000028
【図２２】
2006162767.tif 000029
【図２３】
2006162767.tif 000030
【図２４】
2006162767.tif 000031
【図２５】
2006162767.tif 000032