(57)【要約】【課題】中心画角主光線が表示素子の表示面の法線方向に対して傾いている場合でも良好な画像観察を可能とする。【解決手段】画像表示装置は、表示素子に表示された原画の中心から射出瞳の中心に向かう中心画角主光線ＣＲを反射する反射面を有し、該中心画角主光線の光路のうち反射面による反射の前後の部分を含む第１の断面において、中心画角主光線は表示素子から該表示素子の表示面に垂直な第１の方向に対して傾いた第２の方向に出射し、表示素子は、第２の方向での表示特性が第１の方向での表示特性よりも高い。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原画を表示する表示手段と、前記原画からの光を射出瞳に導く観察光学系とを有する画像表示装置であって、
前記観察光学系は、
前記原画の中心から前記射出瞳の中心に向かう中心画角主光線を反射する反射面を有しており、
前記中心画角主光線の光路のうち前記反射面による反射の前後の部分を含む第１の断面において、前記中心画角主光線は前記表示素子から該表示素子の表示面に垂直な第１の方向に対して傾いた第２の方向に出射し、
前記表示素子は、前記第２の方向での表示特性が前記第１の方向での表示特性よりも高いことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記表示特性は、輝度、色純度、コントラストおよび偏光純度のうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記観察光学系は、前記反射面を含めて、前記中心画角主光線を反射する複数の反射面を有しており、
前記第１の断面は、前記複数回の反射のうち最初の反射の前後の部分を含む断面であることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記表示素子は、複数の光源と、前記光源ごとに設けられて該光源からの光が通過するカラーフィルタとを有し、
前記各光源と前記カラーフィルタとが離間していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記表示素子は、複数の光源と、前記光源ごとに設けられて該光源からの光が通過するカラーフィルタとを有し、
前記第１の断面において、前記各光源の中心と該光源に対応する前記カラーフィルタの中心とを結んだ直線が前記第１の方向に対して傾く方向が、前記第２の方向が前記第１の方向に対して傾く方向と同じであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項６】
前記表示素子は、複数の光源と、該各光源から前記第１の方向に発せられた光を前記第２の方向が前記第１の方向に対して傾く方向と同じ方向に傾かせる光学素子を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項７】
前記表示素子は、前記光源ごとに設けられて該光源からの光が通過するカラーフィルタを有し、
前記光学素子が、前記各光源と該光源に対応する前記カラーフィルタとの間に設けられていることを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記表示素子の前記表示面上に設けられ、該表示面から前記第１の方向に出射した光を前記第２の方向が前記第１の方向に対して傾く方向と同じ方向に傾かせる光学素子を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記光学素子は、前記表示面に非平行な面を挟んで互いに異なる屈折率を有することを特徴とする請求項６から８のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記観察光学系は、内部が１より大きい屈折率を有する媒質で満たされたプリズムにより構成されており、少なくとも１つの偏心反射面を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記表示素子は、有機エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の画像表示装置。
【請求項１２】
複数の光源と、前記光源ごとに設けられて該光源からの光が通過するカラーフィルタとを有する表示素子であって、
前記各光源の中心と該光源に対応する前記カラーフィルタの中心とを結んだ直線が、該表示素子の表示面に垂直な方向に対して傾いていることを特徴とする表示素子。
【請求項１３】
複数の光源と、
前記光源ごとに設けられて該光源からの光が通過するカラーフィルタと、
該複数の光源のそれぞれから該表示素子の表示面に垂直な方向に発せられた光を該垂直な方向に対して互いに同じ方向に傾かせる光学素子とを有することを特徴とする表示素子。
【請求項１４】
有機エレクトロルミネッセンス素子であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の表示素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原画からの光を観察者の眼に導くことで観察者に観察画像を提示するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
観察者の頭部に装着され、その観察者の左右の眼に観察画像を提示するＨＭＤは、右眼用原画と左眼用原画を左右のＬＣＤ等の表示素子に表示し、右眼用原画と左眼用原画からの光をそれぞれ右眼用と左眼用の観察光学系を介して左右の眼（射出瞳）に導く。このような画像表示装置には、小型でかつ広画角な画像観察が可能であることが求められる。
【０００３】
特許文献１および特許文献２には、それぞれパワーを有する偏心反射面を複数有する偏心プリズムを用いたＨＭＤ用の観察光学系が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１５３７４８号公報
【特許文献２】特開２０００−１０５３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＨＭＤにおいて原画の中心から射出瞳の中心に進む主光線である中心画角主光線は、観察光学系が共軸光学系である場合は、表示素子からその表示面に垂直な方向（表示面の法線方向）に出射して観察光学系の光軸上を進む。しかしながら、観察光学系が偏心した光学面（屈折面や反射面）を有する偏心光学系である場合は、中心画角主光線が表示素子の法線方向に対して傾いていることが多い、また、その他の画角の主光線にも偏りが生じる。
【０００６】
一方、一般的な表示素子は、その表示面の法線方向において輝度や色純度が最も高いという表示特性を有する。
【０００７】
ＨＭＤにおいては、視野の中心付近の領域が最も観察者により注視されることが多い。しかし、偏心光学系である観察光学系に対して一般的な表示特性を有する表示素子を組み合わせると、視野の中心付近の領域において輝度や色純度が低下し、明るさむらや色むらが生じる。このような問題に対して、偏心光学系を通る中心画角主光線を、画角を広くし、かつ結像性能を高くしつつ表示素子の表示面からその法線方向に出射する光線とすることは困難である。
【０００８】
本発明は、中心画角主光線が表示素子の表示面の法線方向に対して傾いている場合でも良好な画像観察を可能とする画像表示装置を提供する。また、このような画像表示装置に好適な表示素子も提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面としての画像表示装置は、原画を表示する表示手段と、原画からの光を射出瞳に導く観察光学系とを有する。観察光学系は、原画の中心から射出瞳の中心に向かう中心画角主光線を反射する反射面を有しており、中心画角主光線の光路のうち反射面による反射の前後の部分を含む第１の断面において、中心画角主光線は表示素子から該表示素子の表示面に垂直な第１の方向に対して傾いた第２の方向に出射し、表示素子は、第２の方向での表示特性が第１の方向での表示特性よりも高いことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の他の一側面としての表示素子は、複数の光源と、光源ごとに設けられて該光源からの光が通過するカラーフィルタとを有する。該表示素子は、各光源の中心と該光源に対応するカラーフィルタの中心とを結んだ直線が、該表示素子の表示面に垂直な方向に対して傾いていることを特徴とする。
【００１１】
さらに本発明の一側面としての表示素子は、複数の光源と、光源ごとに設けられて該光源からの光が通過するカラーフィルタと、複数の光源のそれぞれから該表示素子の表示面に垂直な方向に発せられた光を該垂直な方向に対して互いに同じ方向に傾かせる光学素子とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、中心画角主光線が表示素子の表示面の法線方向に対して傾いている場合でも良好な画像観察を可能とする画像表示装置を実現することができる。さらに、このような画像表示装置に好適な表示素子も実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１における座標系を説明する図。
【図２】実施例１における近軸表示面と理想像面との傾き角度αｉを示す図。
【図３】実施例１における偏心反射曲面と表示面との間に反射平面を配置した場合を示す図。
【図４】実施例１における表示素子と複数の偏心反射曲面を有する観察光学系とを含むＨＭＤの構成を示す断面図。
【図５】実施例１における各画角主光線の極角と方位角の定義を示す図。
【図６】実施例１における各画角主光線の極角および方位角の分布を示す図。
【図７】従来の有機ＥＬ素子とカラーフィルタを積層した表示素子の構成を示す断面図。
【図８】実施例１における有機ＥＬ素子とカラーフィルタとを積層した表示素子の構成を示す断面図。
【図９】本発明の実施例２における表示素子の構成を示す断面図。
【図１０】本発明の実施例３における表示素子の構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１５】
本発明の実施例１である画像表示装置としてのＨＭＤは、観察光学系として偏心光学系を用いるとともに、該偏心光学系を通した良好な画像観察を可能とする表示素子を用いている。
【００１６】
観察光学系として偏心光学系を用いることで、表示素子に表示された画像である原画の中心から観察光学系の射出瞳の中心に向かう中心画角主光線が、表示素子からその表示面に垂直な第１の方向に対して傾いた第２の方向に出射する。まず、このことについて説明する。以下の説明では、観察光学系（偏心光学系）を単に光学系といい、表示素子の表示面（後述するカバーガラスの表面）を単に表示面という。また、表示面に垂直な第１の方向を該表示面の法線方向といい、中心画角主光線が表示素子から出射する第２の方向を中心画角主光線の出射方向という。ここでは、光学系の例として、偏心したパワーを持つ反射面（偏心反射曲面）を１つのみ有する光学系を挙げ、像面と中心画角主光線との関係を説明する。説明を簡単にするため、偏心反射曲面を曲率半径Ｒ１の球面（以下、反射球面という）とする。
【００１７】
図１（Ａ），（Ｂ）には、逆光線追跡における光学系の入射瞳中心位置をグローバル座標の原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）とし、該原画の中心に向かう軸をＺ軸、該Ｚ軸に直交する方向をＹ軸とした場合のＹＺ断面を示している。Ｘ軸は、ＸＹＺ座標系が右手系をなすように、すなわち図の紙面の奥に向かう方向を正方向とするようにＹ軸およびＺ軸に対して直交する軸である。
【００１８】
図１（Ａ）において、上記グローバル座標の原点からｔ１の距離に曲率半径Ｒ１の反射球面を配置したときに該反射球面が偏心していない場合の座標系をｙ１ｚ１座標とする。該反射球面の面頂点は、グローバル座標系において（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，ｔ１）（図では（Ｙ０，Ｚ０）＝（０，ｔ１））の位置にある。この位置において，反射球面を角度αだけ傾けて配置したときに該反射球面に対する面頂点での法線方向をｚ１′軸とし、接線方向をｙ１′軸とする座標系ｙ１′ｚ１′を、本構成における反射球面のローカル座標系とする。チルト回転角αは、Ｘ軸の正方向に対して左回り方向を正とする。図１（Ａ）では、αの符号は負である。
【００１９】
逆光線追跡におけるＺ軸の方向に進行する中心画角主光線は、反射球面においてＺ軸に対して２αだけ傾いた方向に反射される。本構成における焦点距離ｆを、共軸光学系と同様に、ｆ＝Ｒ１／（ｎ′−ｎ）とする。本構成においては反射球面の前後の媒質は空気であるため、それぞれの屈折率をｎ＝１、ｎ′＝−１とするとｆ＝−Ｒ１／２である。反射球面は、Ｒ１＜０の場合にｆ＞０、すなわち屈折力φ＝１／ｆに相当する正のパワー（集光作用）を有する。
【００２０】
Ｚ軸方向に進行するＺ軸周りの微小平行光束は、グローバル座標系で、
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，−ｆ＊ｓｉｎ（２α）,ｔ１−ｆ＊ｃｏｓ（２α））
（図では（Ｙ１１，Ｚ１１）＝（−ｆ＊ｓｉｎ（２α）,ｔ１−ｆ＊ｃｏｓ（２α）））
の位置に結像する。ここで、中心画角主光線に対して直交する面を理想像面と定義し、その座標系をｙｉ′ｚｉ′とする。
【００２１】
一方、図１（Ｂ）に示すように、瞳中心を通り、ＹＺ断面内での画角ωの主光線が、曲率半径がＲ１で角度αだけ偏心した反射球面と交差する箇所を（Ｙ１１，Ｚ１１）とする。反射球面を傾けたことによる反射球面の曲率中心はｙ１ｚ１座標系において、
（−Ｒ１＊ｓｉｎ（α）、−Ｒ１＊ｃｏｓ（α））
の位置にあり、反射球面の曲率中心から（Ｙ１１,Ｚ１１）まで延ばした直線の傾きをα２とすると、
−Ｒ１＊ｓｉｎ（α２）−（−Ｒ１＊ｓｉｎ（α））＝Ｙ１１
−Ｒ１＊ｃｏｓ（α２）−（−Ｒ１＊ｃｏｓ（α））＝Ｚ１１
である。
【００２２】
画角ωの主光線は曲率半径Ｒ１の反射球面上のヒットポイント（Ｙ１１，Ｚ１１）において反射された後に、Ｚ軸と平行な直線に対して角度（ω−２＊α２）の方向に反射される。また、角度αだけ偏心しているのは反射球面であるため、画角ωの主光線のヒットポイント（Ｙ１１，Ｚ１１）においても曲率半径がＲ１であることは変わらない。このため、画角ωの主光線付近の微小平行光束の焦点距離も、
ｆ＝Ｒ１／（ｎ′−ｎ）
であり、画角ωの微小光束は、
（Ｙｉ１,Ｚｉ１）
＝（Ｙ１１＋ｆ＊ｓｉｎ（ω−２＊α２）,Ｚ１１−ｆ＊ｃｏｓ（ω−２＊α２））
の位置に結像する。
【００２３】
画角ωが微小角度である場合に、
（Ｙｉ０，Ｚｉ０）＝（−ｆ＊ｓｉｎ（２α），ｔ１−ｆ＊ｃｏｓ（２α））
と、
（Ｙｉ１，Ｚｉ１）
＝（Ｙ１１＋ｆ＊ｓｉｎ（ω−２＊α２），Ｚ１１−ｆ＊ｃｏｓ（ω−２＊α２））
とを結ぶ直線が、光学系が偏心したことによる近軸像面となる。この直線を含む断面を近軸表示面と考え、該近軸表示面がｘｉ″ｙｉ″面となるような座標系をｙｉ″ｚｉ″とする。近軸表示面と前述した理想像面との傾き角度αｉはｙｉ′軸からｙｉ″軸への回転角であり、これを光学面のチルト角αと曲率半径Ｒ１に対して求めた結果を図２に示す。図２は、反射球面の曲率半径Ｒ１［ｍｍ］とチルト回転角α［°］に対する理想像面からの近軸表示面傾き角度αｉを示す３次元グラフである。グローバル原点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，０）から反射球面の面頂点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（０，０，ｔ１）までの距離ｔ１を２０ｍｍから5mmおきに35mmまで変化させた４つの場合について、それぞれの計算結果から3次元グラフを生成している。
【００２４】
光学系の射出瞳からこれに最も近接する光学面である偏心した反射球面との間のアイレリーフに相当する距離ｔ１に応じて多少の違いは生じるが、基本的には光学面のチルト角が大きいほどおよびパワーが強い（曲率が大きい）ほど、傾き角αｉは大きくなる。
【００２５】
以上、反射球面をチルトさせた場合について説明したが、反射球面のチルトはシフトでも同様に定義できるため、上述した傾きαｉはチルトに限らずシフトも含めて一般的に反射球面が偏心した際に生じるものである。
【００２６】
偏心反射曲面を球面ではなく非球面としたり複数の偏心反射曲面を用いたりすることで傾き角αｉを低減することは可能であるが、諸収差を低減させつつαｉを０とすることは困難であるため、通常は多少の傾き角αｉが与えられる。特に、偏心反射曲面の数が少ない場合には、光学系において主としてパワーを担う偏心反射曲面の傾き方向により生じる近軸表示面と理想像面との傾き方向に残存する場合が多い。すなわち、本実施例の構成であれば、主パワーを担う偏心反射曲面である球面を図面上で右回りにα回転させた場合に生じる近軸表示面と理想像面との傾きαｉは図面上で左回りに生じる。このため、球面の非球面化等によってαｉを低減させても、αｉは左回り方向に残存することが多い。該傾き方向は、＋Ｙ方向を上方とすれば、中心画角主光線が表示素子から表示面の法線方向に対して角度−αｉだけ斜め下方に出射する光線となる方向であり、その中心画角主光線が光学系の射出瞳に垂直に入射することとなる。また、反射が複数回となる（反射面が複数ある）場合も基本的には同じである。
【００２７】
図３には、偏心した曲率半径Ｒ１の反射曲面と表示面との間にＹ軸に平行な反射平面を配置した場合を示している。この図から分かるように、中心画角主光線が表示素子から表示面の法線方向に対して角度−αｉだけ斜め下方に出射する光線となるようにすれば、光学系の射出瞳に対して垂直に入射することとなる。
【００２８】
したがって、反射面が複数ある場合も、表示素子からの中心画角主光線の出射方向（第２の方向）が、表示素子の表示特性が最も高い（良い）方向、例えば輝度が最大となる方向となるように表示素子の表示特性を設定すればよい。表示素子の特性の設定（変更）方法については後述する。
【００２９】
なお、表示素子の表示特性が最も高い方向（以下、最大表示特性方向という）とは、輝度が最大となる方向だけでなく、輝度、色純度、コントラストおよび偏光純度のうち少なくとも１つが最大（最高）となる方向である。また、ここでは表示素子からの中心画角主光線の出射方向が最大表示特性方向となる場合を理想的な場合として説明するが、必ずしもそのような場合に限らず、中心画角主光線の出射方向での表示特性が表示面の法線方向での表示特性に比べて高ければよい。
【００３０】
また、偏心光学系では歪曲が非対称性を持つため、表示素子からの中心画角主光線の射出ポイントは必ずしも表示面の中心である必要はなく、光学系の射出瞳から観察画像（虚像）の視野中心に向かうように逆追跡した光線の表示面上追跡位置であればい。歪曲を電子的に補正して表示する場合には、補正前の原画の中心に相当する画像情報が表示面上に配置される場所であればよい。
【００３１】
他の光学系の例を、具体的な数値を挙げつつ説明する。図４には、複数の偏心反射曲面を有する光学系の断面（ＹＺ断面）を示す。光学系は、光学面Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によって囲まれた空間を屈折率ｎが１より大きい（ｎ＞１）媒質で満たされた光学素子（プリズム）１により構成されている。光学面Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４はいずれも図示の断面に対して面対称な形状を有する。表示素子２（面Ｓ５）から出射した中心画角主光線ＣＲは、該断面内において屈折および反射を経て射出瞳Ｓ１に到達する。さらに言えば、中心画角主光線の光路のうち最初の反射（光学面Ｓ２での反射）の前後の部分を含む断面が図４に示すＹＺ断面である。この中心画角主光線の光路のうち反射の前後の部分を含む断面、とは、反射する直前の光路と反射した直後の光路との両方を含む断面、のことを意味している。ただし、この断面は、中心画角主光線の入射位置における反射面の法線と反射面で反射される直前（或いは反射された直後）の光路とを含む断面（平面）と言い換えても構わない。
【００３２】
光学面Ｓ４は透過面であり、光学面Ｓ３は反射面である。光学面Ｓ２は透過面および反射面として兼用される面である。面Ｓ５は表示素子２の表示面を形成するカバーガラスの表面（以下、表示面という）であり、面Ｓ６はカバーガラスの裏面（内面）である。カバーガラスは、表示素子２の一部である。
【００３３】
表示素子２に表示された原画からの光（中心画角主光線ＣＲおよび他の画角主光線）は、表示面Ｓ５から表示素子２を出射して光学素子１に面Ｓ４から入射する。光学面Ｓ４から光学素子１に入射した光は、光学面Ｓ２で内部全反射され、光学面Ｓ３で反射された後、光学面Ｓ２を透過して光学素子１から出射し、射出瞳Ｓ１に到達する。表示素子２に表示された原画からの光は、上述した光路を辿る間に光学面Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４での屈折と反射にパワーを受け、射出瞳Ｓ１近傍に瞳孔を置いた観察者により拡大虚像として視認されるように射出瞳Ｓ１に導かれる。
【００３４】
光学系のデータを表１に示す。ここでは、光学系の射出瞳Ｓ１の中心を原点とし、そこから観察画像（虚像）の視野中心、つまりは原画の中心に向かう図中の右方向を正とする軸をＺ軸とする。また、図示の断面内でＺ軸に直交する上向きを正とする軸をＹ軸とし、Ｙ軸およびＺ軸に直交して図の奥向き方向を正とする軸をＸ軸とする。これらＸ，ＹおよびＺ軸により構成されるＸＹＺ座標系をグローバル座標系として、各面を定義する。各面のローカル座標は、グローバル原点である射出瞳Ｓ１の中心から、表１に示されたＸ，Ｙ，Ｚの値だけシフトした位置でＸ軸回りの回転αのみが生じた座標において表される。すなわち、図の断面であるＹＺ断面内だけで偏心が表され、各面の面頂点でのローカル座標系が定義される。ただし、本実施例におけるα回転の方向は、＋Ｘ軸の方向に対して左ねじ方向が正符号となるような条件となっている。
【００３５】
表１中のＶＩは虚像面であり、表１のデータは、光学系の射出瞳よりＺ方向に１４００ｍｍに形成される虚像に向かう光線を射出瞳Ｓ１から各光学面を介して表示面Ｓ６に導く逆光線追跡方向でのデータ表記となっている。
【００３６】
結像作用を担う光学面Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４いずれも、上述した各面の面頂点でのローカル座標系において下記の式で表される非回転対称面である。下記式におけるｃは曲率であり、面のベース形状を表す２次曲面の曲率半径Ｒの逆数である。ｋはコーニック係数である。Ｃ５，Ｃ６，・・・は非球面項である。光学系におけるパワーを有する全ての光学面がＹＺ断面を唯一の対称面とする面対称形状であるため、ｘの奇数次項を含まない非球面項のみを示している。
z=c*(x^2+y^2)/(1+(1-(1+k)*c^2*(x^2+y^2))^(1/2)
+C5*(x^2-y^2)
+C6*(2*x^2+2*y^2-1)
+C10*(3*x^2*y+3*y^3-2*y)
+C11*(3*x^2*y-y^3)
+C12*(x^4-6*x^2*y^2+y^4)
+C13*(4*x^4-3*x^2-4*y^4+3*y^2)
+C14*(6*x^4+12*x^2*y^2-6*x^2+6*y^4-6*y^2+1)
+C20*(10*x^4*y+20*x^2*y^3-12*x^2*y+10*y^5-12*y^3+3*y)
+C21*(15*x^4*y+10*x^2*y^3-12*x^2*y-5*y^5+4*y^3)
+C22*(5*x^4*y-10*x^2*y^3+y^5)
+C23*(x^6-15*x^4*y^2+15*x^2*y^4-y^6)
+C24*(6*x^6-30*x^4*y^2-5*x^4-30*x^2*y^4+30*x^2*y^2+6*y^6-5*y^4)
+C25*(15*x^6+15*x^4*y^2-20*x^4-15*x^2*y^4+6*x^2-15*y^6+20*y^4-6*y^2)
+C26*(20*x^6+60*x^4*y^2-30*x^4+60*x^2*y^4-60*x^2*y^2+12*x^2
+20*y^6-30*y^4+12*y^2-1)・・・
また、光学系におけるパワー配置を表２に示す。中心画角主光線の光路において、光学面Ｓ２が最も焦点距離が短く、最大パワーを有する偏心光学面（偏心反射面かつ偏心屈折面）である。このため、光学面Ｓ２が負の方向（＋Ｘ軸方向に対して右回り方向）にチルトしており、その影響を受けて表示素子２から中心画角主光線が該表示面Ｓ５の法線方向に対して１０°程度斜め下方に出射する。ｒｘ，ｒｙはそれぞれＸ方向とＹ方向での曲率半径であり、ｆｘ，ｆｙはそれぞれＸ方向とＹ方向での焦点距離である。ＦＦＳは透過面であることを、ＦＦＳ−Ｍは反射面であることを示す。ｄはその面と次の面との間の間隔であり、ｎｄはｄ線に対する屈折率である。ωｘ，ωｙはそれぞれＸ方向とＹ方向での半画角である。
【００３７】
本実施例では、ＹＺ断面内における他の画角主光線が、表示素子２から中心画角主光線とは異なる角度であって表示面Ｓ５の法線方向に対して−５°〜３０°程度の角度範囲で出射する。このため、中心画角主光線が表示面Ｓ５の法線方向に対して１０°程度斜め下方の方向ではなく、該角度範囲のほぼ中心の角度である１７°程度斜め下方となる方向が表示素子２の最大輝度方向となるようにすることで、観察画像の輝度むらを少なくしてもよい。
【００３８】
図５には、表示素子２（表示面Ｓ５）から出射する各画角主光線の極角θと方位角φの定義を示す。極角θは各画角主光線が表示面の法線（方向）に対してなす角度であり、方位角φは各画角主光線の表示面への投影線が表示面の法線回りで０°に対してなす角度である。図５に示す定義に従う場合における本実施例での各画角主光線の極角θと方位角φの分布は図６に示すようになる。図６は本実施例での画角範囲に対応した表示面からの主光線の出射角度分布を示しており、図６（Ａ）が極角方向の出射角度分布を、図６（Ｂ）が方位角方向の出射角度分布をそれぞれ示している。表示素子の表示面からの出射角度は図示のような分布になるため、さらにＹＺ断面外まで考慮に入れて、画面全体で輝度や色等のむらを低減させるように表示素子２の表示特性を調整することが好ましい。
【００３９】
【表１】
2018022025.tif 000003
【００４０】
【表２】
2018022025.tif 000004
【００４１】
次に、上記光学系と組み合わせる表示素子として、カラーフィルタ積層型の有機エレクトロルミネッセンス素子（有機ＥＬ素子）の構成とその表示特性について説明する。まず図７には、一般的な（従来の）白色発光の有機ＥＬ素子にカラーフィルタを積層した表示素子の図４に示したＹＺ断面での構成を示している。
【００４２】
シリコン基板やガラス基板上に駆動回路が形成された基板７０５上には有機層としての発光層７０２Ａが設けられている。発光層７０２Ａと基板７０５との間の互いに離間した複数箇所には電極７０１が設けられており、発光層７０２Ａのうち複数の電極７０１に接する部分（図中の破線の間の部分）が複数の白色光源（以下、単に光源という）７０２として白色光を発する。また、複数の光源７０２から上方に離間した位置には、互いに異なる色のカラーフィルタ７０３（Ｒフィルタ７０３Ｒ、Ｇフィルタ７０３ＧおよびＢフィルタ７０３Ｂ）が、表示素子の表示面に平行な方向（ｙｉ″方向）に互いに隣接して配置されている。各光源７０２とカラーフィルタ７０３との間には防湿層７０４が設けられている。
【００４３】
複数の光源７０２から発した光はそれぞれ、光源７０２ごとに設けられたＲフィルタ７０３Ｒ、Ｇフィルタ７０３ＧおよびＢフィルタ７０３Ｂを透過し、さらにその上方に配置されたカバーガラス７０６を透過して外部（光学素子１に向けて）に出射する。１つの光源７０２とこれに対応して設けられたカラーフィルタ７０３（Ｒフィルタ７０３Ｒ、Ｇフィルタ７０３ＧまたはＢフィルタ７０３Ｂ）とにより１つの副画素（Ｒ副画素、Ｇ副画素またはＢ副画素）が構成される。また、Ｒ副画素、Ｇ副画素およびＢ副画素により１画素が構成される。
【００４４】
各副画素のカラーフィルタ７０３は、表示素子の表示面に平行な方向において、その中心（例えばＧフィルタ７０３Ｇの中心７０３Ｇｃ）の位置が該カラーフィルタ７０３に対応する光源７０２の中心７０２ｃの位置に一致するように配置される。言い換えれば、各副画素のカラーフィルタ７０３は、該カラーフィルタ７０３に対応する光源７０２の中心から表示面の法線方向に延びる直線上に該カラーフィルタ７０３の中心が位置するように配置される。
【００４５】
この構成では、光源７０２から発して表示面の法線方向に出射する光線Ａは、該光源７０２の直上に配置されたその光源７０２に対応するカラーフィルタ７０３（図ではＧフィルタ７０３Ｇ）を通る。この場合、光線Ａは、通過したカラーフィルタ７０３に対応した色の光線となる。一方、光源７０２から発して表示面の法線方向に対して大きく傾いて出射する光線Ａ′は、直上に配置されたカラーフィルタ７０３を通過した後に隣接する副画素のカラーフィルタ７０３（図ではＢフィルタ７０３Ｂ）をも通る。このため、光線Ａ′は本来の色に隣接する副画素のカラーフィルタ７０３の色が混色した光線となる。このため、表示素子の表示特性としては、表示面の法線方向において最も輝度や色純度が高い良好な表示特性が得られ、該法線方向に対する傾きが大きい方向ほど輝度や色純度が低くなり良好な表示特性が得られなくなる。
【００４６】
そして、この表示素子を前述した光学系に組み合わせると、中心画角主光線を含む各画角主光線が光線Ａ′に相当するものとなる。つまり、中心画角主光線の光路のうち最初の反射の前後の部分を含む断面（図４のＹＺ断面）において、中心画角主光線は表示素子からその表示面の法線方向に対して傾いた出射方向に出射する。そして、この場合において、中心画角主光線の出射方向での表示素子の表示特性は、上記法線方向での表示特性よりも劣る。したがって、中心画角主光線の出射方向での表示素子の表示特性が良好である場合に比べて、観察画像の画質が低下する。
【００４７】
これに対して本実施例では、上記断面において表示面の法線方向に対して傾いた中心画角主光線の出射方向での表示素子の表示特性が該法線方向での表示特性よりも高く（良く）なるように表示素子を構成する。望ましくは、表示素子の最大表示特性方向が中心画角主光線の出射方向に合うように表示素子を構成する。
【００４８】
その具体的な方法について、図８を用いて説明する。図８には、表示素子の最大表示特性方向を表示面の法線方向から傾かせる方法を模式的に示している。なお、図８は図４に示したＹＺ断面での表示素子の構成を示しており、図７中に示した構成要素と同じ構成要素には図７と同符号を付している。
【００４９】
図８においても、複数の光源７０２から上方に離間した位置には、互いに異なる色のカラーフィルタ７０３（Ｒフィルタ７０３Ｒ、Ｇフィルタ７０３ＧおよびＢフィルタ７０３Ｂ）が表示素子の表示面に平行な方向（ｙｉ″方向）に互いに隣接して配置されている。ただし、各カラーフィルタ７０３の中心（例えばＧフィルタ７０３Ｇの中心７０３Ｇｃ）は、該カラーフィルタ７０３に対応する光源７０２の中心７０２ｃに対して表示面に平行な方向にずれ量ΔＬだけずれている。これにより、各カラーフィルタ７０３の中心と該カラーフィルタに対応する光源７０２の中心とを結んだ直線が表示面の法線方向に対して傾く方向が、中心画角主光線の出射方向が該法線方向に対して傾く方向と同じとなる。
【００５０】
本実施例では、光源７０２の中心から発して該光源７０２に対応するカラーフィルタ７０３の中心を通って表示面の法線方向に対して角度θｂをなす光線８０１が中心画角主光線となる。この光線８０１は、表示面（カバーガラス７０６）での屈折により、表示面からその法線方向に対して角度θａをなす方向に出射する。したがって、この角度θａで表される光線（中心画角主光線）８０１の出射方向が、表示素子の最大表示特性方向に一致すればよい。
【００５１】
カラーフィルタの中心の光源７０２の中心に対するずれ量ΔＬは、以下の式により算出される値とするとよい。
【００５２】
ΔＬ＝ｄ＊ｔａｎ（θｂ）
＝ｄ＊ｔａｎ（ｓｉｎ−１（ｓｉｎ（θａ）／  ｎ））  
ただし、ｄは光源７０２の発光面からカラーフィルタの上面までの距離であり、ｎは表示素子内の平均屈折率である。
【００５３】
表３には、図４に示した光学系に用いられる表示素子２において、中心画角主光線の出射方向が表示素子の最大表示特性方向に一致するようにカラーフィルタの中心を光源の中心に対してずらした場合の数値例を示している。
【００５４】
【表３】
2018022025.tif 000005
【００５５】
なお、図８に示す表示素子の構成を採る場合は、表示素子から出射する光線のθａがθ１〜θ２の角度範囲にあるときは、該光線は隣接する副画素のカラーフィルタを通らず、混色のない良好な色の光となる。このため、射出瞳に到達する主要な光線がこの角度範囲に含まれるようにすることが望ましい。
【００５６】
ところで、図７に示したように光源７０２から発した光線が隣接副画素のカラーフィルタを通ることによる混色は、光源とカラーフィルタとの間の距離を短くしたり、隣接副画素間の距離を長くしたりすることによりある程度、回避することは可能である。しかし、有機ＥＬ素子では、一般に、光源７０２（発光層７０２Ａ）を酸素や水分から保護するために光源７０２とカラーフィルタとの間に防湿層７０４が設けられるため、光源７０２とカラーフィルタとの間の距離を混色が生じないように短くすることが難しい。また、マイクロディスプレイ等、超高精細な原画を表示する用途では、隣接副画素間の距離が狭くなり、混色が生じないように十分な距離を確保することが難しい。
【００５７】
また、有機ＥＬ素子を含む一般的な表示素子におけるカラーフィルタはＲ，ＧおよびＢフィルタがストライプ状に配置されており、ストライプに平行な方向では光線が傾くことによる混色は発生しないが、ストライプと直交する方向では混色が発生する。この場合、より広視野角が必要な方向をストライプに並行な方向に配置すると共に、光学系の偏心方向に互いに異なる色のカラーフィルタを配置することで、中心画角主光線の傾きによる混色を抑制し、広い視野角で良好な表示を得ることができる。
【００５８】
また、表示素子の表示特性の異方性を抑制するために、カラーフィルタを、デルタ配列や、さいの目状に配置してもよい。
【００５９】
上記実施例では、有機ＥＬ素子においてカラーフィルタの中心を光源の中心に対してずらすことで、表示面の法線方向に対して傾いた中心画角主光線の出射方向と表示素子の最大表示特性方向とを合わせた。しかし、表示素子がカラーフィルタを用いる液晶素子である場合でも同様の方法により中心画角主光線の出射方向と表示素子の最大表示特性方向とを合わせることができる。また、表示面の法線方向に対して非対称な表示特性を有する液晶モード（例えば、ＴＮモードやＶＡモード）の液晶素子では、その表示特性が表示面の法線方向より良い方向と法線方向に対して傾いた中心画角主光線の出射方向と合わせればよい。
【実施例２】
【００６０】
図９には、本発明の実施例２として、表示面の法線方向に対して傾いた中心画角主光線の出射方向と表示素子の最大表示特性方向とを合わせるための実施例１とは別の方法を示している。なお、図９において、図７および図８中の構成要素と同じ構成要素にはこれらの図と同符号を付している。
【００６１】
本実施例では、光源７０２とカラーフィルタ７０３（防湿層７０４）との間に、表示面と非平行な面を挟んで互いに異なる屈折率の材料９０２，９０３で形成された光学素子９０１を配置した表示素子を用いる。光学素子９０１は、表示素子の一部である。材料９０２は材料９０３に比べて低い屈折率を有する。なお、材料９０２は空気であってもよい。
【００６２】
また、光学素子９０１をカラーフィルタ７０３とカバーガラス７０６との間に配置してもよいし、カバーガラス７０６上に配置してもよい。
【００６３】
本実施例によれば、実施例１のようにカラーフィルタ７０３を光源７０２に対して表示面に平行な方向にずらすことなく、表示面の法線方向に対して傾いた中心画角主光線の出射方向と表示素子の最大表示特性方向とを合わせることができる。
【実施例３】
【００６４】
図１０には、本発明の実施例３として、表示面の法線方向に対して傾いた中心画角主光線の出射方向と表示素子の最大表示特性方向とを合わせるための実施例１，２とは別の方法を示している。なお、図９において、図７および図８中の構成要素と同じ構成要素にはこれらの図と同符号を付している。
【００６５】
本実施例では、カバーガラス７０６上（表示面上）に楔形状を有する光学素子１００１を配置した表示素子を用いる。光学素子１００１は、表示素子の一部である。
【００６６】
本実施例でも、実施例２と同様に、実施例１のようにカラーフィルタ７０３を光源７０２に対して表示面に平行な方向にずらすことなく、表示面の法線方向に対して傾いた中心画角主光線の出射方向と表示素子の最大表示特性方向とを合わせることができる。
【００６７】
上記各実施例によれば、中心画角主光線が表示素子の表示面の法線方向に対して傾いている場合でも良好な画像観察を可能とするＨＭＤを実現することができる。
【００６８】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１  光学素子（観察光学系）
２  表示素子
７０２  白色光源
７０３Ｒ，７０３Ｇ，７０３Ｂ  カラーフィルタ
ＣＲ  中心画角主光線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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