特許 7486964 画像観察装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-05-10

(45)【発行日】2024-05-20

(54)【発明の名称】画像観察装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240513BHJP

   G02B 13/00 20060101ALI20240513BHJP

   G02B 13/16 20060101ALI20240513BHJP

   G02B 13/18 20060101ALI20240513BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20240513BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B13/00

G02B13/16

G02B13/18

H04N5/64 511A

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2020015848

(22)【出願日】2020-01-31

(65)【公開番号】P2021124538

(43)【公開日】2021-08-30

【審査請求日】2023-01-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110412

【弁理士】

【氏名又は名称】藤元 亮輔

(74)【代理人】

【識別番号】100104628

【弁理士】

【氏名又は名称】水本 敦也

(74)【代理人】

【識別番号】100121614

【弁理士】

【氏名又は名称】平山 倫也

(72)【発明者】

【氏名】東原 正和

【審査官】山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１６９９６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－０６３８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－１５０９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０５３１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０６１１９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００３－５２９７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０１３８６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－０７５７１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５０１８２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５２６３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１６５０５２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１，２７／０２

Ｈ０４Ｎ ５／６４

Ｇ０２Ｂ ９／００－１７／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像を表示する表示面を有する表示素子と、
前記表示面からの光を射出瞳に導く接眼光学系とを有し、
前記接眼光学系は、前記表示素子の側から前記射出瞳の側へ向かって順に配置された、第１のλ／４板、半透過反射面、レンズ、第２のλ／４板、及び偏光分離素子を含み、
前記偏光分離素子は、第１の直線偏光を反射し、かつ該第１の直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過させる素子であり、前記表示面の中心部において、前記表示面の法線方向での輝度は該法線方向に対して前記表示面の外側へ向かって傾いた特定方向での輝度よりも高く、
前記表示面の最端部において、前記法線方向での輝度は前記特定方向での輝度よりも低く、
前記最端部における前記法線方向に対する前記特定方向の角度をφｍａｘとし、
前記表示面から出射して前記半透過反射面を透過し、さらに前記偏光分離素子を透過する光において、前記最端部から前記射出瞳の中心に向かう主光線の前記表示面からの出射角をθ３とするとき、
｜φｍａｘ－θ３｜≧１５°
なる条件を満足することを特徴とする画像観察装置。

【請求項2】

画像を表示する表示面を有する表示素子と、
前記表示面からの光を射出瞳に導く接眼光学系とを有し、
前記接眼光学系は、前記表示素子の側から前記射出瞳の側へ向かって順に配置された、第１のλ／４板、半透過反射面、レンズ、第２のλ／４板、及び偏光分離素子を含み、
前記偏光分離素子は、第１の直線偏光を反射し、かつ該第１の直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過させる素子であり、
前記表示面の中心部において、前記表示面の法線方向での色ずれは該法線方向に対して前記表示面の外側へ向かって傾いた特定方向での色ずれよりも小さく、
前記表示面の最端部において、前記法線方向での色ずれは前記特定方向での色ずれよりも大きく、
前記最端部における前記法線方向に対する前記特定方向の角度をφｍａｘとし、
前記表示面から出射して前記半透過反射面を透過し、さらに前記偏光分離素子を透過する光において、前記最端部から前記射出瞳の中心に向かう主光線の前記表示面からの出射角をθ３とするとき、
｜φｍａｘ－θ３｜≧１５°
なる条件を満足することを特徴とする画像観察装置。

【請求項3】

画像を表示する表示面を有する表示素子と、
前記表示面からの光を射出瞳に導く接眼光学系とを有し、
前記接眼光学系は、前記表示素子の側から前記射出瞳の側へ向かって順に配置された、第１のλ／４板、半透過反射面、レンズ、第２のλ／４板、及び偏光分離素子を含み、
前記偏光分離素子は、第１の直線偏光を反射し、かつ該第１の直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過させる素子であり、前記表示面の中心部において、前記表示面の法線方向での輝度は該法線方向に対して前記表示面の外側へ向かって傾いた特定方向での輝度よりも高く、
前記表示面の最端部において、前記法線方向での輝度は前記特定方向での輝度よりも低く、
前記表示素子は、複数の画素のそれぞれ対応する複数のカラーフィルタを有し、
前記中心部の画素の中心における法線上において、該画素に対応するカラーフィルタの中心が位置し、
前記最端部の画素の中心における法線に対して、該画素に対応するカラーフィルタの中心が前記外側にずれていることを特徴とする画像観察装置。

【請求項4】

画像を表示する表示面を有する表示素子と、
前記表示面からの光を射出瞳に導く接眼光学系とを有し、
前記接眼光学系は、前記表示素子の側から前記射出瞳の側へ向かって順に配置された、第１のλ／４板、半透過反射面、レンズ、第２のλ／４板、及び偏光分離素子を含み、
前記偏光分離素子は、第１の直線偏光を反射し、かつ該第１の直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過させる素子であり、
前記表示面の中心部において、前記表示面の法線方向での色ずれは該法線方向に対して前記表示面の外側へ向かって傾いた特定方向での色ずれよりも小さく、
前記表示面の最端部において、前記法線方向での色ずれは前記特定方向での色ずれよりも大きく、
前記表示素子は、複数の画素のそれぞれ対応する複数のカラーフィルタを有し、
前記中心部の画素の中心における法線上において、該画素に対応するカラーフィルタの中心が位置し、
前記最端部の画素の中心における法線に対して、該画素に対応するカラーフィルタの中心が前記外側にずれていることを特徴とする画像観察装置。

【請求項5】

前記レンズが、樹脂レンズ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観察装置。

【請求項6】

前記表示素子は、複数の画素のそれぞれ対応する複数のカラーフィルタを有し、
前記中心部の画素の中心における法線上において、該画素に対応するカラーフィルタの中心が位置し、
前記最端部の画素の中心における法線に対して、該画素に対応するカラーフィルタの中心が前記外側にずれていることを特徴とする請求項１または２に記載の画像観察装置。

【請求項7】

前記中心部の画素に対応するカラーフィルタのサイズよりも、前記最端部の画素に対応するカラーフィルタのサイズの方が大きいことを特徴とする請求項３または４に記載の画像観察装置。

【請求項8】

前記法線方向に対する前記特定方向の角度をφとし、前記最端部から前記射出瞳の中心に向かう主光線の前記表示面からの出射角をθ１とするとき、
０＜φ≦θ１
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の画像観察装置。

【請求項9】

前記接眼光学系の最大表示画角が６０°以下であり、前記最端部から前記射出瞳の中心に向かう主光線の前記表示面からの出射角をθ２とするとき、
θ２／２≦φ≦θ２
なる条件を満足することを特徴とする請求項８に記載の画像観察装置。

【請求項10】

前記接眼光学系の最大表示画角が６０°より大きい場合において、前記最端部から前記射出瞳の中心に向かう主光線の前記表示面からの出射角をθ２とするとき、
θ２≦φ≦θ１
なる条件を満足することを特徴とする請求項８に記載の画像観察装置。

【請求項11】

前記最端部における前記法線方向に対する前記特定方向の角度をφｍａｘとし、
前記表示面から出射して前記半透過反射面を透過し、さらに前記偏光分離素子を透過する光において、前記最端部から前記射出瞳の中心に向かう主光線の前記表示面からの出射角をθ３とするとき、
｜φｍａｘ－θ３｜≧１５°
なる条件を満足することを特徴とする請求項３または４に記載の画像観察装置。

【請求項12】

前記半透過反射面が前記レンズに設けられており、
前記レンズのうち前記半透過反射面が設けられた面が、前記表示素子に向かって凸形状であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の画像観察装置。

【請求項13】

前記半透過反射面が前記レンズに設けられており、
前記レンズのうち前記半透過反射面が設けられた面が非球面であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の画像観察装置。

【請求項14】

前記接眼光学系に含まれる１以上のレンズのうち最も前記射出瞳に近いレンズは、前記表示素子に向かって凸形状の面を有する平凸レンズであることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の画像観察装置。

【請求項15】

前記半透過反射面が前記レンズに設けられており、
前記レンズの光学有効領域における偏肉比が、１．５以上、４以下であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の画像観察装置。

【請求項16】

前記接眼光学系のアイレリーフをＥとするとき、
１５ｍｍ≦Ｅ≦２５ｍｍ
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の画像観察装置。

【請求項17】

前記接眼光学系の光軸方向での厚さをＬ、前記接眼光学系のアイレリーフをＥとするとき、
０．６≦Ｌ／Ｅ≦１．０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の画像観察装置。

【請求項18】

前記接眼光学系のアイレリーフをＥ、前記接眼光学系の最大の対角半画角をθとするとき、
８ｍｍ≦Ｅ×ｔａｎθ≦２０ｍｍ
なる条件を満足することを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の画像観察装置。

【請求項19】

前記第１の直線偏光の偏光方向に対して、前記第１のλ／４板の遅相軸と前記第２のλ／４板の遅相軸とが互いに反対側に傾いていることを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の画像観察装置。

【請求項20】

前記接眼光学系は、前記偏光分離素子と前記射出瞳との間に配置された、前記第２の直線偏光を透過する偏光板を含むことを特徴とする請求項１から１９のいずれか一項に記載の画像観察装置。

【請求項21】

前記表示素子から無偏光光が出射し、
前記接眼光学系は、前記表示素子と前記第１のλ／４板との間に配置された、前記第１の直線偏光を透過する偏光板を有することを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の画像観察装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、表示素子に表示された画像を接眼光学系を介して観察可能な画像観察装置に関する。

【背景技術】

【0002】

上記のような画像観察装置としては、観察者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）がある。このようなＨＭＤにおいて広画角での画像提示を実現するために、偏光を利用して光路を折り畳む接眼光学系が用いられることがある。ただし、このような接眼光学系では、焦点距離が短くなるため、周辺画角での表示素子からの光の出射角が大きくなり、表示素子の視野角特性（輝度や色度ずれ）が悪化し易い。また、このような接眼光学系に、軽量化のためにプラスチックレンズが使用されると、プラスチックレンズ内の複屈折によって光の偏光状態が乱れ、この結果、ゴーストが発生する。

【0003】

特許文献１および特許文献２には、偏光を利用して広画角化された接眼光学系を有するＨＭＤが開示されている。さらに特許文献２には、表示素子に設けられたカラーフィルタのサイズを中心部から周辺部にかけて大きくすることで周辺画角での視野角特性を改善している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－０５３１５２号公報

【文献】特表２０１９－６１１９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献２のＨＭＤでは、光源とカラーフィルタの中心とが揃っており、表示素子の法線方向での視野角特性が良好であるために、レンズの複屈折によるゴーストを低減することができない。

【0006】

本発明は、偏光を利用した接眼光学系の周辺画角での視野角特性を改善しつつゴーストを低減できるようにした画像観察装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一側面としての画像観察装置は、画像を表示する表示面を有する表示素子と、前記表示面からの光を射出瞳に導く接眼光学系とを有する。接眼光学系は、表示素子の側から射出瞳の側へ向かって順に配置された、第１のλ／４板、半透過反射面、レンズ、第２のλ／４板、及び偏光分離素子を含み、偏光分離素子は、第１の直線偏光を反射し、かつ該第１の直線偏光の偏光方向に直交する偏光方向の第２の直線偏光を透過させる素子であり、表示面の中心部において、該表示面の法線方向での輝度は該法線方向に対して前記表示面の外側へ向かって傾いた特定方向での輝度よりも高く、表示面の最端部において、前記法線方向での輝度は前記特定方向での輝度よりも低く、前記最端部における前記法線方向に対する前記特定方向の角度をφｍａｘとし、前記表示面から出射して前記半透過反射面を透過し、さらに前記偏光分離素子を透過する光において、前記最端部から前記射出瞳の中心に向かう主光線の前記表示面からの出射角をθ３とするとき、
｜φｍａｘ－θ３｜≧１５°
なる条件を満足することを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明は、偏光を利用した接眼光学系の周辺画角での視野角特性を改善しつつゴーストを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施例１であるＨＭＤの構成を示す図。

【図2】実施例１における接眼光学系の構成を示す図。

【図3】実施例１のＨＭＤの外観図。

【図4】実施例１における接眼光学系の光路図。

【図5】実施例１における表示面中心部での視野角特性を示す図。

【図6】実施例１におけるカラーフィルタを示す図。

【図7】実施例１における表示面の水平端部での視野角特性を示す図。

【図8】実施例１における表示画角と画像面からの出射角との関係を示す図。

【図9】実施例１におけるカラーフィルタを示す別の図。

【図10】実施例１におけるゴースト光路を示す図。

【図11】本発明の実施例２であるＨＭＤの構成を示す図。

【図12】実施例２における接眼光学系の構成を示す図。

【図13】実施例２における接眼光学系の光路図。

【図14】実施例２におけるカラーフィルタを示す図。

【図15】実施例２における表示面中心部での視野角特性を示す図。

【図16】実施例２におけるゴースト光路を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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】

【0011】

図１は、本発明の実施例１である画像観察装置としてのＨＭＤ１０１の構成を示している。ＨＭＤ１０１は、観察者の頭部に装着される。１０２は観察者の右眼、１０３は観察者の左眼である。表示レンズ１０４，１０５は右眼用接眼光学系ＯＲ１を構成し、表示レンズ１０６，１０７は左眼用接眼光学系ＯＬ１を構成する。各接眼光学系は、複数（２つ）表示レンズにより構成された共軸の光学系である。右眼用接眼光学系ＯＲ１の射出瞳ＥＲ１には観察者の右眼１０２が配置され、左眼用接眼光学系ＯＬ１の射出瞳ＥＬ１には観察者の左眼１０３が配置される。

【0012】

１０８は右眼用表示素子、１０９は左眼用表示素子である。各表示素子は、平板型の表示素子であり、本実施例では有機ＥＬディスプレイパネルを用いている。図３は、ＨＭＤ１０１とこれに接続されたパーソナルコンピュータ１５０の外観を示している。各表示素子は、パーソナルコンピュータ１５０から出力された画像信号に対応する表示画像（原画像）を表示する。

【0013】

接眼光学系ＯＲ１，ＯＬ１はそれぞれ、表示素子１０８，１０９からの光を射出瞳ＥＲ１，ＥＬ１に導くことで、表示画像の拡大虚像を観察者の右眼１０２と左眼１０３に投影する。これにより、観察者は、表示素子１０８，１０９に表示された表示画像（の虚像）を接眼光学系ＯＲ１，ＯＬ１を通して観察することができる。

【0014】

本実施例において、各接眼光学系の焦点距離は１２ｍｍ、水平表示画角は４５°、垂直表示画角は３４°、対角表示画角は５４°である。各接眼光学系における最も射出瞳側の面（後述する偏光分離素子１１４の射出瞳側の面）と各接眼光学系の射出瞳との距離であるアイレリーフＥ１は、１８ｍｍである。

【0015】

本実施例における右眼用および左眼用接眼光学系ОＲ１，ＯＬ１は偏光を利用して光路を折り畳む光学系であり、その構成について右眼用接眼光学系ОＲ１を用いて説明する。図２に示すように、右眼用接眼光学系ОＲ１は、右眼用表示素子１０８から射出瞳ＥＲ１に向かって順に配置された偏光板１１０、第１のλ／４板（第１の位相板）１１１、表示レンズ１０５、表示レンズ１０４、第２のλ／４板（第２の位相板）１１３および偏光分離素子（以下、ＰＢＳという）１１４を有する。表示レンズ１０４における表示素子側の凸面には、半透過反射面としてのハーフミラー１１２が蒸着により形成されている。また第２のλ／４板１１３とＰＢＳ１１４は、表示レンズ１０４における射出瞳側の面上に積層されるように設けられている。

【0016】

偏光板１１０、第１のλ／４板１１１、第２のλ／４板１１３およびＰＢＳ１１４はいずれも平板状に形成されている。偏光板１１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第１のλ／４板１１１の遅相軸とは４５°傾いており、偏光板１１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第２のλ／４板１１３の遅相軸とは－４５°（すなわち第１の直線偏光の偏光方向に対して第１のλ／４板１１１の遅相軸とは反対側に同角度だけ）傾いている。また偏光板１１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向とＰＢＳ１１４を透過する第２の直線偏光の偏光方向とは互いに直交している。

【0017】

右眼用表示素子１０８から出射した無偏光光は、偏光板１１０を透過して直線偏光となり、第１のλ／４板１１１を透過して円偏光となって表示レンズ１０５を透過する。さらに円偏光は、ハーフミラー１１２を透過した後、表示レンズ１０４を透過し、第２のλ／４板１１３を透過して第１の直線偏光になる。この第１の直線偏光は、ＰＢＳ１１４を透過する偏光方向に対して直交する偏光方向を有するため、ＰＢＳ１１４で反射して第２のλ／４板１１３を透過して円偏光となる。この円偏光は、表示レンズ１０４を透過した後、ハーフミラー１１２で反射し、再度、表示レンズ１０４を透過し、第２のλ／４板１１３を透過して第２の直線偏光になる。この第２の直線偏光は、ＰＢＳ１１４を透過する偏光方向と一致する偏光方向を有するため、ＰＢＳ１１４を透過して射出瞳ＥＲ１（右眼１０２）に導かれる。左眼用表示素子１０９から出射した光も、同様に左眼用接眼光学系ＯＬ１により射出瞳ＥＬ１（左眼１０３）に導かれる。

【0018】

このように各接眼光学系を偏光を利用して光路を折り畳むように構成することで、各接眼光学系を光軸方向において薄型化することができ、かつ各接眼光学系の焦点距離を短くして広画角な画像の観察を可能とする。

【0019】

ＨＭＤは、観察者が頭部に装着するために軽量であることが望ましい。このため、接眼光学系を構成する表示レンズは硝子よりも比重が小さい樹脂により製作することが望ましい。このため、本実施例でも、表示レンズ１０４～１０７は樹脂レンズとしている。また最も射出瞳側の表示レンズ１０４，１０６を表示素子側に向かって凸面を有する平凸レンズとして、該凸面にハーフミラー１１２を設けることで、接眼光学系を薄型化しつつ広画角化を実現している。さらに表示レンズ１０４，１０６の凸面を非球面形状とすることで、収差補正効果を高めている。また、表示レンズ１０５，１０７を樹脂製の両面非球面レンズとして、収差補正効果を高めている。

【0020】

ただし、表示レンズ１０５，１０７は外径が小さく、重量への影響が小さいため、ガラスレンズとしてもよい。またＨＭＤ１０１の全体の重量が許容範囲であれば、表示レンズ１０４，１０６もガラスレンズとしてもよい。

【0021】

本実施例のＨＭＤ１０１では、眼鏡を掛けている観察者でも装着できるように、アイレリーフは１５ｍｍ以上であることが望ましい。一方、アイレリーフが長すぎると、表示レンズの外形が大きくなりＨＭＤも大型化するため、アイレリーフは２５ｍｍ以下であることが望ましい。すなわち、アイレリーフＥ１は、
１５ｍｍ≦Ｅ１≦２５ｍｍ （１）
なる条件を満足するとよい。

【0022】

また本実施例のＨＭＤ１０１では、図４に示すように、右眼１０２の眼球（瞳）が右眼用表示素子１０８の表示面の左右の端部を向いている（見ている）状態での右眼用接眼光学系ＯＲ１の射出瞳ＥＲ１′の位置、すなわちアイレリーフＥ１′を、図１に示すように眼球が表示面の中心部を向いている状態でのアイレリーフＥ１＝１８ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた２８ｍｍに設定し、射出瞳径を６ｍｍに設定している。左眼用接眼光学系ＯＬ１の射出瞳についても同様である。このように設定することで、表示面の左右の端部（同様に上下の端部）を観察するために眼球が回転した場合でも、眼球が向いた方向からの光が眼球に入射させることができる。

【0023】

本実施例の接眼光学系のようにアイレリーフが長く、焦点距離が短く、かつ薄い接眼光学系においては、表示画角のうち周辺画角において表示素子（表示面）からの光の出射角が大きくなる。表示面からの光の出射角が大きいと、表示輝度や表示色度としての視野角特性が低下して、観察される画像が暗くなったり正しい色の画像を観察できなくなったりする。

【0024】

右眼用接眼光学系ＯＲ１において、右眼用表示素子（表示面）１０８から出射して該接眼光学系ＯＲ１の射出瞳ＥＲ１（ＥＲ１′）の中心を通る光線を主光線とする。このとき、本実施例では、図１に示すように眼球が表示面の中心部を向いているときの左右方向（水平方向）の最大周辺画角２２．５°の主光線が表示面から出射するときの出射角は１８°である。一方、図４に示すように眼球が表示面の水平方向の端部を向いているときの水平方向の最大周辺画角２２．５°の主光線が表示面から出射するときの出射角は３７°である。

【0025】

このとき、一般的な構成を有する表示素子の視野角特性、すなわち輝度（明るさ）と色度のずれ（色ずれ：ΔＥ）は、図５に示すようになっている。表示面からの光の出射角が大きくなるほど、明るさは低下し、色ずれは増加する。

【0026】

これに対して、本実施例では、表示素子１０８，１０９を図６（ａ）～（ｃ）に示すように構成している。ここでは、右眼用表示素子１０８の水平方向での構成について説明するが、左眼用表示素子１０９についても同様である。本実施例における表示素子１０８は、その表示面の面内方向（水平方向および垂直方向）に赤、緑および青用の複数のサブ画素とこれらに対応する赤、緑および青の複数のカラーフィルタがストライプ状に周期的に配置されている。なお、表示面の面内方向において正方形状や六角形状にサブ画素およびカラーフィルタが配置されていてもよい。また、表示素子１０８の表示面に立てた法線が延びる方向（以下、法線方向という）を０°の方向とし、右眼１０２で見て右側を正とし、左側を負とする。

【0027】

図６（ａ）に示すように、表示素子１０８の中心部では、一般的な表示素子と同様に、赤カラーフィルタ１１８の中心を、赤用サブ画素１１５の中心から法線方向に位置させている。すなわち、水平方向において、赤カラーフィルタ１１８の中心の位置を赤用サブ画素１１５の中心の位置に一致させている。同様に、水平方向において、緑カラーフィルタ１１９の中心の位置を緑用サブ画素１１６の中心の位置に一致させ、青カラーフィルタ１２０の中心の位置を青用サブ画素１１７の中心の位置に一致させている。

【0028】

これに対して、図６（ｂ）に示すように、右眼１０２で見たときの表示素子１０８の左端部では、赤カラーフィルタ１１８の中心を赤用サブ画素１１５の中心に対して左側（外側）にずらして配置している。このときの赤用サブ画素１１５の中心に対する赤カラーフィルタ１１８の中心のずらし量は、赤用サブ画素１１５の中心と赤カラーフィルタ１１８の中心を通る直線が法線方向に対して左側に１０°傾くずらし量であり、以下の説明では、左側へのカラーフィルタずらし量が１０°であるという。緑カラーフィルタ１１９と青カラーフィルタ１２０についても同様である。

【0029】

一方、図６（ｃ）に示すように、右眼１０２で見たときの表示素子１０８の右端部では、赤カラーフィルタ１１８の中心を赤用サブ画素１１５の中心に対して右側（外側）にずらして配置している。このときの赤用サブ画素１１５の中心に対する赤カラーフィルタ１１８の中心のずらし量は、赤用サブ画素１１５の中心と赤カラーフィルタ１１８の中心を通る直線が法線方向に対して右側に１０°（すなわち－１０°）傾くずらし量であり、以下の説明では、右側へのカラーフィルタずらし量が１０°であるという。緑カラーフィルタ１１９と青カラーフィルタ１２０についても同様である。

【0030】

このような構成の表示素子１０８の明るさおよび色ずれはそれぞれ、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すようになり、－１０°の方向（特定方向）で最も良好となる。

【0031】

表示素子（表示面）１０８の左端部からの接眼光学系ＯＲ１への主光線の出射角は、右眼１０２の眼球が表示面の中心部を向いているとき（以下、正面視状態という）では－１８°であり、表示面の左端部を向いているとき（以下、左端視状態という）では－３７°である。

【0032】

正面視状態において表示面の左端部にてサブ画素に対してカラーフィルタをずらさないと、図５（ａ）、（ｂ）から分かるように明るさが１０％低下し、ΔＥは３増加する。しかし、カラーフィルタをずらすと、図７（ａ）、（ｂ）から分かるように明るさが２％低下するにすぎず、ΔＥも１増加するにすぎない。すなわち視野角特性が改善する。一方、左端視状態において表示面の左端部にてカラーフィルタをずらさないと、図５（ａ）、（ｂ）から分かるように明るさが３６％低下し、ΔＥは１２増加する。しかし、カラーフィルタをずらすと、図７（ａ）、（ｂ）から分かるように明るさが２１％低下するにすぎず、ΔＥも７増加するにすぎない。すなわち視野角特性が改善する。

【0033】

また、右眼１０２の眼球が表示面の右端部を向いている右端視状態でも、左端視状態と同様に、図７（ｃ）および図７（ｄ）に示すようにサブ画素に対してカラーフィルタをずらすことにより、サブ画素に対してカラーフィルタをずらさない場合に比べて明るさと色ずれが改善する。

【0034】

ここまでは、水平方向における端部におけるサブ画素に対するカラーフィルタずらしについて説明したが、本実施例では、垂直方向の端部（上端部と下端部）でも同様にサブ画素に対してカラーフィルタをずらしている。本実施例では、正面視状態における垂直方向での最大周辺画角１７°の主光線の表示素子（表示面）１０８からの出射角は１４°であり、眼球が垂直方向の上端部や下端部を向いているとき（以下、上端視状態、下端視状態という）における垂直方向での最大周辺画角１７°の主光線の表示面からの出射角は２９°である。

【0035】

表示面の上端部では、赤カラーフィルタの中心を赤用サブ画素の中心に対して上側（外側）にずれた位置に配置している。このときの赤用サブ画素１１５の中心に対する赤カラーフィルタ１１８の中心のずらし量は、赤用サブ画素１１５の中心と赤カラーフィルタ１１８の中心を通る直線が法線方向に対して上側に７．５°傾くずらし量であり、以下の説明では、上側へのカラーフィルタずらし量が７．５°であるという。また、表示面の下端部では、赤カラーフィルタの中心を赤用サブ画素の中心に対して下側（外側）にずれた位置に配置している。このときの赤用サブ画素１１５の中心に対する赤カラーフィルタ１１８の中心のずらし量は、赤用サブ画素１１５の中心と赤カラーフィルタ１１８の中心を通る直線が法線方向に対して下側に７．５°傾くずらし量であり、以下の説明では、下側へのカラーフィルタずらし量が７．５°であるという。これらのことは、緑カラーフィルタと青カラーフィルタについても同様である。このようにサブ画素に対してカラーフィルタをずらすことで、表示面の上端部や下端部の明るさや色ずれが改善する。

【0036】

このように本実施例では、表示面の中心部において該表示面の法線方向での視野角特性を法線方向から外側に傾いた特定方向での視野角特性より高くし、表示面の端部において法線方向での視野角特性を特定方向での視野角特性より低くすることができる。

【0037】

図８は、本実施例における正面視状態での接眼光学系ＯＲ１の表示画角と表示素子（表示面）１０８からの主光線の出射角との関係を示している。この図から分かるように、表示面からの出射角は、表示画角が大きくなるにつれて大きくなる。このため、表示面の中心部から端部にかけて、サブ画素に対するカラーフィルタずらし量を大きくする必要がある。

【0038】

この場合、サブ画素のピッチは、図９（ａ）に示すように（赤、緑および青用サブ画素をまとめて１つの枠で示している）、表示面の中心部から端部にかけて一定である。これに対して、カラーフィルタのピッチは、図９（ｂ）に示すように、中心部から端部にかけて大きくなる。このため、カラーフィルタのサイズをピッチの増加に合わせて大きくしてもよい。カラーフィルタのサイズが大きくなると、サブ画素から出射して該カラーフィルタを透過する光の角度が大きくなるため、視野角特性がさらに改善する。

【0039】

次に、本実施例の接眼光学系ＯＲ１，ＯＬ１における不要光としてのゴースト光の発生について、図１０を用いて説明する。ここでも、右眼用接眼光学系ＯＲ１を用いて説明するが、左眼用接眼光学系ＯＬ１についても同様である。

【0040】

本実施例のように偏光を利用した接眼光学系ＯＲ１では、表示レンズ１０４，１０５内での複屈折や偏光板１１０、λ／４板１１１，１１３およびＰＢＳ１１４の偏光特性により、表示素子１０８から出射した光が、図１や図４に示す正規の光路ではなく、図１０に示すようにＰＢＳ１１４で反射することなくそのまま観察者の右眼１０２に導かれることがある。この光がゴースト光となる。このゴースト光は、第１のλ／４板１１１を透過した円偏光の光が表示レンズ１０５，１０４内の複屈折によって楕円偏光になり、第２のλ／４板１１３を透過した後の直線偏光の偏光方向が本来の方向に対して傾き、ＰＢＳ１１４を透過して右眼１０２に導かれることで発生する。また、表示レンズ１０４，１０５内の複屈折がなくても、偏光板１１０、λ／４板１１１，１１３およびＰＢＳ１１４の偏光特性が良好でないとゴースト光が発生する。

【0041】

図１０に示したゴースト光では、正面視状態における水平方向の最大周辺画角２２．５°の主光線の表示素子（表示面）１０８からの出射角は１１°であり、図１および図４に示した正規の主光線の出射角とは、表示面の法線に対して反対側に傾いている。このため、上述したように正規の主光線の出射角に合わせてサブ画素に対してカラーフィルタをずらすことにより、視野角特性を改善するだけでなく、表示面の端部を含む周辺部からのゴースト光の明るさを低減することができる。

【0042】

レンズ内の複屈折は、一般に、該レンズの中心部から周辺部にかけて大きくなるため、レンズ内の複屈折によるゴースト光の強度も中心部から周辺部にかけて大きくなる。このため、レンズの周辺部を通過するゴースト光を低減するために、表示面の周辺部からの光の明るさを下げることが効果的である。具体的には、サブ画素に対してカラーフィルタをずらさない場合における表示面の水平方向の端部からのゴースト光の明るさは９６％であるのに対して、カラーフィルタをずらした場合の明るさを８７％に低減することができる。垂直方向についても同様である。

【0043】

本実施例では、表示画角２２．５°の主光線に対する表示面の水平方向の端部での外側へのカラーフィルタずらし量は１０°、表示画角１７°の主光線に対する表示面の垂直方向の端部での外側へのカラーフィルタずらし量は７．５°であり、これらの方向の視野角特性が法線方向の視野角特性よりも良好である。

【0044】

表示面の中心部以外のサブ画素（以下、単に画素という）Ａに対する外側へのカラーフィルタずらし量（法線方向に対する特定方向の傾き角度）φは、以下の式（２）の条件を満足することが望ましい。
０＜φ≦θ１ （２）
ここで、θ１は眼球が画素Ａに対応する表示画角の方向を向いているときにその方向の主光線の表示面からの出射角であり、表示面の外側に向かう方向を＋とする。本実施例では、表示画角２２．５°でのθ１は３７°であり、表示画角１７°でのθ１は２９°である。このため、それぞれの表示画角に対応する画素Ａにおける外側へのカラーフィルタずらし量φ＝１０°，７．５°は式（２）の条件を満足している。

【0045】

外側へのカラーフィルタずらし量φが０°以下、すなわち法線方向もしくは内側の方向における視野角特性が良い場合には、表示面の周辺部からの主光線の出射角と視野角特性が良い方向との差が大きく、観察される画像の周辺部での輝度の低下や色ずれが大きくなり、自然な画像の観察ができない。また、ゴースト光の表示面からの出射角と視野角特性が良い方向とが近くなり、ゴースト光の強度が増加する。一方、外側へのカラーフィルタずらし量φがθ１よりも大きい場合には、正面視状態での表示面の周辺部からの主光線の出射角と視野角特性が良い方向との差が大きく、正面視における画像の周辺部での輝度の低下や色ずれが大きくなる。

【0046】

本実施例のように最大表示画角が６０°以下（５４°）である場合においては、さらに以下の式（３）の条件を満足するとよい。
θ２／２≦φ≦θ２ （３）
ここで、θ２は正面視状態での画素Ａに対応する表示画角の方向の主光線の表示面からの出射角であり、表示面の外側に向かう方向を＋とする。本実施例では、表示画角２２．５°でのθ２は１８°であり、表示画角１７°でのθ２は１４°である。このため、それぞれの表示画角に対応する画素での外側へのカラーフィルタずらし量φは式（３）の条件を満足している。最大表示画角が６０°以下である場合には、観察者は正面視状態において画像の周辺部も認識できるため、正面視状態を想定してカラーフィルタずらし量を決めることが好ましい。

【0047】

さらに、表示面の水平方向の端部での外側へのカラーフィルタずらし量φｍａｘは、以下の式（４）の条件を満足することが望ましい。
｜φｍａｘ－θ３｜≧１５° （４）
ここで、θ３はゴースト光のうち正面視状態での水平方向における最大周辺画角の主光線の表示面からの出射角であり、表示面の外側に向かう方向を＋、中心部に向かう方向を－とする。本実施例では、φｍａｘは１０°で、θ３は－１１°となり、式（４）の条件を満足する。
｜φｍａｘ－θ３｜が１５°未満の場合には、ゴースト光の表示素子からの出射角と視野角特性が良い方向とが近くなり、ゴースト光の強度が増加する。

【0048】

本実施例では、画素に対してカラーフィルタをずらした構成が表示素子からの光の出射角を制御する構成となり、この構成により、観察される画像の周辺部での輝度や色ずれといった視野角特性を改善しつつ、ゴースト光を低減することができる。

【0049】

レンズ内の複屈折は、該レンズを樹脂材料を用いて金型成形により製造した際に発生し易く、該レンズの偏肉比が大きいほど金型成形後の冷却時にレンズの薄い部分と厚い部分との冷え方の差が大きくなることで複屈折が大きくなる。

【0050】

本実施例のように広画角で薄型の接眼光学系ＯＲ１では、最も光学パワーが大きい反射面（ハーフミラー１１２）を有する表示レンズ１０４の偏肉比が大きくなる。表示レンズ１０４の光学有効領域における偏肉比は２．０であり、偏肉比は１．５以上、４．０以下であることが望ましい。偏肉比が１．５未満である場合には、表示レンズ１０４の光学パワーを小さくして該表示レンズ１０４の曲率半径が大きくなるか厚みが大きくなる。表示レンズ１０４の光学パワーを小さくすると広画角化を実現できなくなったり、光学パワーが大きいレンズを追加する必要が生じて接眼光学系ＯＲ１の薄型化が不可能となったりする。また表示レンズ１０４の厚みが大きくなると、接眼光学系ＯＲ１の薄型化を実現できない。一方、偏肉比が４．０より大きい場合には、表示レンズ１０４の複屈折が大きくなり過ぎて、ゴースト光の強度が増す。

【0051】

接眼光学系ＯＲ１の厚さＬ１を、ＰＢＳ１１４における射出瞳側の面から表示素子１０８までの距離とすると、厚さＬ１は１３ｍｍであり、厚さＬ１とアイレリーフＥ１＝１８ｍｍとの比Ｌ１／Ｅ１は０．７２である。この値はアイレリーフの長さと接眼光学系の薄型化とを両立するために、
０．６０≦Ｌ１／Ｅ１≦１．００ （５）
なる条件を満足することが望ましい。Ｌ１／Ｅ１が０．６０より小さいと、アイレリーフが長くなりすぎて表示レンズの外径が大きくなり、ＨＭＤ１０１も大型化するので、好ましくない。しかも、外径が大きいほど表示レンズ１０４の複屈折が大きくなるため、ゴースト光の強度が増す。一方、Ｌ１／Ｅ１が１．００より大きいと、接眼光学系が厚くなってＨＭＤ１０１が大型化するとともに、アイレリーフが短すぎて観察者に圧迫感を与えたり眼鏡を掛けている観察者が装着できなくなったりするため、好ましくない。

【0052】

また本実施例において、接眼光学系ＯＲ１の最大対角半画角θ１は２７°である。このとき、Ｅ１×ｔａｎθ１＝９．２ｍｍである。この値はアイレリーフの長さと接眼光学系の広画角化を両立するために、
８ｍｍ≦Ｅ１×ｔａｎθ１≦２０ｍｍ （６）
なる条件を満足することが望ましい。Ｅ１×ｔａｎθ１が８ｍｍより小さいと、アイレリーフが短すぎて観察者に圧迫感を与えたり眼鏡を掛けている観察者が装着できなくなったりするため、好ましくない。また接眼光学系の表示画角が狭すぎて、臨場感のある自然な画像の観察ができない。一方、Ｅ１×ｔａｎθ１が２０ｍｍより大きいと、アイレリーフが長くなりすぎて表示レンズ１０４の外径が大きくなり、ＨＭＤ１０１も大型化するので、好ましくない。しかも、外径が大きいほど表示レンズ１０４の複屈折が大きくなるため、ゴースト光の強度が増す。さらに、表示画角が広くなりすぎて、周辺画角の主光線の表示面からの出射角が大きくなり、視野角特性が悪化する。

【0053】

また、外光によるゴースト光を低減して観察する画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳ１１４と各接眼光学系の射出瞳との間に偏光板を配置してもよい。

【0054】

さらに本実施例では、図２に示すように、第２のλ／４板１１３とＰＢＳ１１４が積層されるように形成された表示レンズ１０４の射出瞳側の面を平面としている。これはアイレリーフを長くすることと、接眼光学系を薄型化することを両立するためである。この面が射出瞳に向かって凹形状を有すると、その周辺部でのアイレリーフを確保するために表示レンズ１０４が厚くなる。また、この面が射出瞳に向かって凸形状を有すると、表示レンズ１０４のレンズコバ部の厚さを確保するためにレンズが厚くなる。

【0055】

本実施例で説明した式（１）～（６）で示した条件については、後述する実施例２において同様である。また、本実施例で説明した好ましいレンズの材料や形状等についても、実施例２おいて同様である。

【0056】

なお、表示素子として、直線偏光を出射する液晶ディスプレイパネルを用いてもよい。この場合、偏光板１１０が不要となり、接眼光学系およびＨＭＤのさらなる薄型化が可能となる。これについても、実施例２において同様である。

【実施例2】

【0057】

図１１は、本発明の実施例２であるＨＭＤ２０１の構成を示している。２０２は観察者の右眼、２０３は観察者の左眼である。表示レンズ２０４，２０５は右眼用接眼光学系ＯＲ２を構成し、表示レンズ２０６，２０７は左眼用接眼光学系ＯＬ２を構成する。各接眼光学系は、２つの表示レンズにより構成された共軸の光学系である。右眼用接眼光学系ＯＲ２の射出瞳ＥＲ２には観察者の右眼２０２が配置され、左眼用接眼光学系ＯＬ２の射出瞳ＥＬ２には観察者の左眼２０３が配置される。

【0058】

２０８は右眼用表示素子、２０９は左眼用表示素子である。各表示素子は、平板型の表示素子であり、本実施例では有機ＥＬディスプレイパネルを用いている。

【0059】

接眼光学系ＯＲ２，ＯＬ２はそれぞれ、表示素子２０８，２０９からの光を射出瞳ＥＲ２，ＥＬ２に導くことで、表示素子２０８，２０９に表示された表示画像（原画像）の拡大虚像を観察者の右眼２０２と左眼２０３に投影する。これにより、観察者は、表示素子２０８，２０９に表示された表示画像（の虚像）を接眼光学系ＯＲ２，ＯＬ２を通して観察することができる。

【0060】

本実施例において、各接眼光学系の焦点距離は１３ｍｍ、水平表示画角は６０°、垂直表示画角は６０°、対角表示画角は７８°である。各接眼光学系における最も射出瞳側の面（後述する偏光分離素子２１４の射出瞳側の面）と各接眼光学系の射出瞳との距離であるアイレリーフＥ２は、２０ｍｍである。

【0061】

本実施例における右眼用および左眼用接眼光学系ОＲ２，ＯＬ２も、実施例１と同様に、偏光を利用して光路を折り畳む光学系であり、その構成について右眼用接眼光学系ОＲ２を用いて説明する。図１２に示すように、右眼用接眼光学系ОＲ２は、右眼用表示素子２０８から射出瞳ＥＲ２に向かって順に配置された偏光板２１０、第１のλ／４板２１１、表示レンズ２０５、表示レンズ２０４、第２のλ／４板２１３およびＰＢＳ２１４を有する。表示レンズ２０４における表示素子側の凸面には、半透過反射面としてのハーフミラー２１２が蒸着により形成されている。また第２のλ／４板２１３とＰＢＳ２１４は、表示レンズ２０４における射出瞳側の面上に積層されるように設けられている。

【0062】

偏光板２１０、第１のλ／４板２１１、第２のλ／４板２１３およびＰＢＳ２１４はいずれも平板状に形成されている。偏光板２１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第１のλ／４板２１１の遅相軸とは４５°傾いており、偏光板２１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向と第２のλ／４板２１３の遅相軸とは－４５°傾いている。また偏光板２１０を透過する第１の直線偏光の偏光方向とＰＢＳ２１４を透過する第２の直線偏光の偏光方向とは互いに直交している。

【0063】

右眼用表示素子２０８から出射した無偏光光は、偏光板２１０を透過して直線偏光となり、第１のλ／４板２１１を透過して円偏光となって表示レンズ２０５を透過する。さらに円偏光は、ハーフミラー２１２を透過した後、表示レンズ２０４を透過し、第２のλ／４板２１３を透過して第１の直線偏光になる。この第１の直線偏光は、ＰＢＳ２１４を透過する偏光方向に対して直交する偏光方向を有するため、ＰＢＳ２１４で反射して第２のλ／４板２１３を透過して円偏光となる。この円偏光は、表示レンズ２０４を透過した後、ハーフミラー２１２で反射し、再度、表示レンズ２０４を透過し、第２のλ／４板２１３を透過して第２の直線偏光になる。この第２の直線偏光は、ＰＢＳ２１４を透過する偏光方向と一致する偏光方向を有するため、ＰＢＳ２１４を透過して射出瞳ＥＲ２（右眼２０２）に導かれる。左眼用表示素子２０９から出射した光も、同様に左眼用接眼光学系ＯＬ２により射出瞳ＥＬ２（左眼２０３）に導かれる。

【0064】

本実施例でも、実施例１と同様に、各接眼光学系を偏光を利用して光路を折り畳むように構成することで、各接眼光学系を薄型化することができ、かつ各接眼光学系の焦点距離を短くして広画角な画像の観察を可能とする。

【0065】

本実施例では、各接眼光学系において２つの表示レンズを接合して、その光軸方向の厚さを１３．５ｍｍと薄型化している。そして、前述したように接眼光学系のアイレリーフＥ２として２０ｍｍを確保している。２つの表示レンズを接合レンズとすることで、ＨＭＤ２０１の本体によって表示レンズを保持しやすくなる。

【0066】

本実施例でも、表示レンズ２０４～２０７は樹脂レンズであり、さらに表示レンズ２０４～２０７を非球面レンズとして収差補正効果を高めている。

【0067】

また表示レンズ２０４，２０５を接合レンズとしているため、ハーフミラー２１２を表示レンズ２０５のうち射出瞳側の面に設けてもよい。この場合でも、ハーフミラーが設けられた面は表示素子２０８に向かって凸面である。

【0068】

また本実施例のＨＭＤ２０１では、図１３に示すように、右眼２０２の眼球（瞳）が表示素子２０８の表示面の左右の端部を向いている（見ている）状態での右眼用接眼光学系ＯＲ２の射出瞳ＥＲ２′の位置、すなわちアイレリーフＥ２′を、図１１に示すように眼球が表示面の中心部を向いている状態でのアイレリーフＥ２＝２０ｍｍに眼球の回転半径１０ｍｍを加えた３０ｍｍに設定し、射出瞳径を６ｍｍに設定している。左眼用接眼光学系ＯＬ２の射出瞳についても同様である。このように設定することで、表示面の左右の端部（同様に上下の端部）を観察するために眼球が回転した場合でも、眼球が向いた方向からの光が眼球に入射させることができる。

【0069】

本実施例でも、実施例１と同様に、表示素子（表示面）２０８，２０９における画素に対するカラーフィルタずらしを行っている。右眼用接眼光学系ＯＲ２において、右眼用表示素子（表示面）２０８から出射して該接眼光学系ＯＲ２の射出瞳ＥＲ２（ＥＲ２′）の中心を通る光線を主光線とする。このとき、本実施例では、図１１に示すように眼球が表示面の中心部を向いているときの左右方向（水平方向）の最大周辺画角３０°の主光線が表示面から出射するときの出射角は２３°である。一方、図１３に示すように眼球が表示面の水平方向の端部を向いているときの水平方向の最大周辺画角３０°の主光線が表示面から出射するときの出射角は４７°である。

【0070】

一般的な構成の表示素子の視野角特性（明るさと色ずれΔＥ）は、図５（ａ）、（ｂ）に示した通りである。本実施例では、表示素子２０８，２０９を図１４（ａ）～（ｃ）に示すように構成している。ここでは、右眼用表示素子２０８の水平方向での構成について説明するが、左眼用表示素子２０９についても同様である。本実施例における表示素子２０８も、実施例１と同様に、その表示面の面内方向（水平方向および垂直方向）に赤、緑および青用のサブ画素とこれらに対応する赤、緑および青のカラーフィルタがストライプ状に周期的に配置されている。また本実施例でも、表示素子２０８の表示面に立てた法線が延びる法線方向を０°の方向とし、右眼２０２で見て右側を正とし、左側を負とする。

【0071】

図１４（ａ）に示すように、表示素子２０８の中心部では、一般的な表示素子と同様に、赤カラーフィルタ２１８の中心を、赤用サブ画素２１５の中心から法線方向に位置させている。すなわち、水平方向において、赤カラーフィルタ２１８の中心の位置を赤用サブ画素２１５の中心の位置に一致させている。同様に、水平方向において、緑カラーフィルタ２１９の中心の位置を緑用サブ画素２１６の中心の位置を一致させ、青カラーフィルタ２２０の中心の位置を青用サブ画素２１７の中心の位置に一致させている。

【0072】

これに対して、図１４（ｂ）に示すように、右眼２０２で見たときの表示素子２０８の左端部では、赤カラーフィルタ２１８の中心を赤用サブ画素２１５の中心に対して左側（外側）にずらして配置している。このときの赤用サブ画素２１５の中心に対する赤カラーフィルタ２１８の中心のずらし量は、赤用サブ画素２１５の中心と赤カラーフィルタ２１８の中心を通る直線が法線方向に対して左側に４５°傾くずれ量であり、以下の説明では、左側へのカラーフィルタずらし量が４５°であるという。緑カラーフィルタ２１９と青カラーフィルタ２２０についても同様である。

【0073】

一方、図１４（ｃ）に示すように、右眼２０２で見たときの表示素子２０８の右端部では、赤カラーフィルタ２１８の中心を赤用サブ画素２１５の中心に対して右側（外側）にずらして配置している。このときの赤用サブ画素２１５の中心に対する赤カラーフィルタ２１８の中心のずらし量は、赤用サブ画素２１５の中心と赤カラーフィルタ２１８の中心を通る直線が法線方向に対して右側に４５°傾くずれ量であり、以下の説明では、右側へのカラーフィルタずらし量が４５°であるという。緑カラーフィルタ２１９と青カラーフィルタ２２０についても同様である。

【0074】

このような構成の表示素子２０８の明るさおよび色ずれはそれぞれ、図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すようになり、－４５°の方向（特定方向）で最も良好となる。

【0075】

表示素子（表示面）２０８の左端部からの接眼光学系ＯＲ１への主光線の出射角は、右眼２０２の眼球が表示面の中心部を向いている正面視状態では－２３°であり、表示面の左端部を向いている左端視状態では－４７°である。

【0076】

正面視状態において表示面の左端部にてサブ画素に対してカラーフィルタをずらさないと、図５（ａ）、（ｂ）から分かるように明るさが１５％低下し、ΔＥは５増加する。しかし、カラーフィルタをずらすと、図１５（ａ）、（ｂ）から分かるように明るさが１４％低下するにすぎず、ΔＥも４増加するにすぎない。すなわち視野角特性が改善する。一方、左端視状態において表示面の左端部にてカラーフィルタをずらさないと、図５（ａ）、（ｂ）から分かるように明るさが５３％低下し、ΔＥは１７増加する。しかし、カラーフィルタをずらすと、図１５（ａ）、（ｂ）から分かるように明るさが１％低下するにすぎず、ΔＥも１増加するにすぎない。すなわち視野角特性が大きく改善する。

【0077】

また、右眼２０２の眼球が表示面の右端部を向いている右端視状態でも、左端視状態と同様に、図１５（ｃ）および図１５（ｄ）に示すようにサブ画素に対してカラーフィルタをずらすことにより、サブ画素に対してカラーフィルタをずらさない場合に比べて明るさと色ずれが改善する。

【0078】

ここまでは、水平方向における端部におけるサブ画素に対するカラーフィルタずらしについて説明したが、本実施例では、垂直方向の端部（上端部と下端部）でも同様にサブ画素に対してカラーフィルタをずらしている。本実施例では、正面視状態における垂直方向での最大周辺画角３０°の主光線の表示素子（表示面）２０８からの出射角は２３°であり、眼球が垂直方向の上端部や下端部を向いている上端視状態や下端視状態における垂直方向での最大周辺画角３０°の主光線の表示面からの出射角は４７°である。

【0079】

表示面の上端部では、赤カラーフィルタ２１８の中心を赤用サブ画素２１５の中心に対して上側（外側）にずらして配置している。このときの赤用サブ画素２１５の中心に対する赤カラーフィルタ２１８の中心のずらし量は、赤用サブ画素２１５の中心と赤カラーフィルタ２１８の中心を通る直線が法線方向に対して上側に４５°傾くずらし量であり、以下の説明では、上側へのカラーフィルタずらし量が４５°であるという。

【0080】

また、表示面の下端部では、赤カラーフィルタ２１８の中心を赤用サブ画素２１５の中心に対して下側（外側）にずらして配置している。このときの赤用サブ画素２１５の中心に対する赤カラーフィルタ２１８の中心のずらし量は、赤用サブ画素２１５の中心と赤カラーフィルタ２１８の中心を通る直線が法線方向に対して下側に４５°傾くずらし量であり、以下の説明では、下側へのカラーフィルタずらし量が４５°であるという。これらのことは、緑カラーフィルタと青カラーフィルタについても同様である。

【0081】

このようにサブ画素に対してカラーフィルタをずらすことで、表示面の上端部や下端部の明るさや色ずれが改善する。

【0082】

本実施例でも、表示面の中心部において該表示面の法線方向での視野角特性を法線方向から外側に傾いた特定方向での視野角特性より高くし、表示面の端部において法線方向での視野角特性を特定方向での視野角特性より低くすることができる。

【0083】

また本実施例でも、図９（ａ）に示したように表示面におけるサブ画素のピッチは表示面の中心部から端部にかけて一定である。これに対して、カラーフィルタのピッチは、図９（ｂ）に示したように中心部から端部にかけて大きくなるため、カラーフィルタのサイズをピッチの増加に合わせて大きくしている。

【0084】

本実施例の接眼光学系ＯＲ２，ＯＬ２においても、実施例１と同様の理由によってゴースト光が発生する。図１６に示すように、正面視状態における水平方向の最大周辺画角３０°の主光線の表示素子（表示面）２０８からの出射角は１５°であり、図１１および図１３に示した正規の主光線の出射角とは、表示面の法線に対して反対側に傾いている。このため、上述したように正規の主光線の出射角に合わせてサブ画素に対してカラーフィルタをずらすことにより、視野角特性を改善するだけでなく、表示面の端部を含む周辺部からのゴースト光の明るさを低減することができる。

【0085】

具体的には、サブ画素に対してカラーフィルタをずらさない場合における表示面の水平方向の端部からのゴースト光の明るさは９３％であるのに対して、カラーフィルタをずらした場合の明るさを２５％に低減することができる。垂直方向についても同様である。

【0086】

本実施例では、表示画角３０°の主光線に対する表示面の水平および垂直方向の端部での外側へのカラーフィルタずらし量は４５°であり、これらの方向の視野角特性が法線方向の視野角特性よりも良好である。

【0087】

また、θ１が実施例１と同じ出射角を意味するとき、本実施例における表示画角３０°でのθ１は４７°であるため、外側へのカラーフィルタずらし量φ＝４５°は式（２）の条件を満足している。また本実施例のように最大表示画角が６０°より大きい（７８°）である場合においては、以下の式（７）の条件を満足するとさらによい。θ２は実施例１と同じ出射角を示す。
θ２≦φ≦θ１ （７）
本実施例では、表示画角３０°でのθ２は２３°であるため、カラーフィルタずらし量φは式（７）の条件を満足する。

【0088】

最大表示画角が６０°より大きい場合には、画角が広いために観察者は正面視状態において画像の周辺部を認識しにくい。このため、正面視状態ではなく、画像の周辺部を見ている状態において、その見ている方向の主光線の表示面からの出射角を想定してカラーフィルタずらし量を決めることが好ましい。

【0089】

さらに、表示面の水平方向の端部での外側へのカラーフィルタずらし量φｍａｘは４５°であり、θ３は－１５°となるため、式（３）の条件を満足する。この結果、ゴースト光を低減することができる。

【0090】

本実施例では、上端視状態と下端視状態においてゴースト光を低減することを優先して、表示画角３０°の水平および垂直方向の端部での外側へのカラーフィルタずらし量を４５°と大きく設定している。しかし、表示画角が大きくても正面視状態での周辺部の視野角特性を向上させたい場合には、表示画角３０°の水平および垂直方向の端部での外側へのカラーフィルタずらし量を正面視状態での水平方向の最大周辺画角３０°の主光線の表示面からの出射角２３°に合わせてもよい。

【0091】

また、カラーフィルタずらし量を、正面視状態での水平方向の最大周辺画角３０°の主光線の表示面からの出射角２３°と左端視および右端視状態での水平方向の最大周辺画角３０°の主光線の表示面からの出射角４７°との平均である３５°に設定してもよい。この場合、正面視状態において表示面の左端部にてカラーフィルタをずらさないと明るさは１５％低下し、ΔＥは５増加するが、カラーフィルタをずらすと明るさは４％低下するにすぎず、ΔＥも２増加するにすぎない。すなわち視野角特性が改善する。一方、左端視状態において表示面の左端部にてカラーフィルタをずらさないと明るさは５３％低下し、ΔＥは１７増加するが、カラーフィルタをずらすと明るさは４％低下するにすぎず、ΔＥも２増加するにすぎない。すなわち視野角特性が大きく改善する。

【0092】

また、カラーフィルタをずらさないと、表示面の水平方向の端部からのゴースト光の明るさは９３％であるのに対して、カラーフィルタをずらすとゴースト光の明るさは４１％となり、大幅に低減することができる。このように、本実施例では、正面視状態と左端視および右端視状態での正規の光の視野角特性をバランスよく改善し、ゴースト光も低減することができる。

【0093】

本実施例でも、画素に対してカラーフィルタをずらした構成が表示素子からの光の出射角を制御する構成となり、この構成により、観察される画像の周辺部での輝度や色ずれといった視野角特性を改善しつつ、ゴースト光を低減することができる。

【0094】

本実施例でも、右眼用接眼光学系ＯＲ２は広画角で薄型であるため、最も光学パワーが大きい反射面（ハーフミラー２１２）を有する表示レンズ２０４の偏肉比が大きくなる。表示レンズ２０４，２０５を接合しているため、表示レンズ２０５における表示レンズ２０４との接合面の曲率半径が短く、表示レンズ２０５の偏肉比も大きくなる。本実施例では、表示レンズ２０４の光学有効領域における偏肉比は３．６であり、表示レンズ２０５の光学有効領域における偏肉比は２．８である。

【0095】

また右眼用接眼光学系ＯＲ２の厚さＬ２をＰＢＳ２１４の観察者の右眼２０２側の面から右眼用表示素子２０８までの距離とすると、右眼用接眼光学系ＯＲ２のアイレリーフＥ２は２０ｍｍであり、厚さＬ２は１３．５ｍｍであり、厚さＬ２とアイレリーフＥ２の比、Ｌ２／Ｅ２は０．６８である。

【0096】

本実施例において、右眼用接眼光学系ＯＲ２の最大対角半画角θ２は３９°である。このとき、Ｅ２×ｔａｎθ２＝１６．２ｍｍであり、式（６）の条件を満足している。上記偏肉比、Ｌ２／Ｅ２およびＥ２×ｔａｎθ２については左眼用接眼光学系ＯＬ２についても同じである。

【0097】

また、本実施例でも、外光によるゴースト光を低減して観察する画像のコントラストを高めるために、ＰＢＳ２１４と各接眼光学系の射出瞳との間に偏光板を配置してもよい。

【0098】

上述した各実施例では、表示素子からの光の出射角を制御する構成として、画素に対してカラーフィルタをずらした構成について説明したが、表示素子からの光の出射角を制御する構成であれば、マイクロレンズアレイを配置する等の他の構成を用いてもよい。

【0099】

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】

【0100】

１０１，２０１ ＨＭＤ
１０８，２０８ 右眼用表示素子
１０９，２０９ 左眼用表示素子
ＯＲ１，２ 右眼用接眼光学系
ＯＬ１，２ 左眼用接眼光学系

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】