JP7259462B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置に関するものである。

ホログラフィック素子等の回折素子を用いた表示装置として、画像光生成装置から射出された画像光を回折素子によって観察者の眼に向けて偏向するものが提案されている。回折素子では、特定波長で最適な回折角度と回折効率が得られるように干渉縞が最適化されている。しかしながら、画像光は、特定波長を中心にして所定のスペクトル幅を有していることから、特定波長からずれた周辺波長の光は、画像の解像度を低下させる原因となる。そこで、画像光生成装置から射出された画像光を反射型の第１回折素子によって、前方に配置された第２回折素子に向けて射出し、第１回折素子から射出された画像光を第２回折素子によって観察者の眼に向けて偏向する表示装置が提案されている。かかる構成によれば、第１回折素子によって周辺波長の光を補償して色収差をキャンセルすることができ、特定波長からずれた周辺波長の光に起因する画像の解像度の低下を抑制することができる（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２０１７－１６７１８１号公報

上記表示装置において、第２回折素子で回折された画像光は、特定波長の光と周辺波長の光とが互いに分離された状態で観察者の眼に入射する。ここで、眼の視細胞に対する刺激は入射する光の波長によって変化するため、例えば、観察者の眼が動くことで瞳に入射する光の波長帯が変化すると、眼の視細胞が受ける刺激が変化することで観察者が視認する画像のホワイトバランスがずれるおそれがあった。

上記課題を解決するために、本発明の第一態様に係る表示装置は、画像光を射出する画像光生成装置と、前記画像光生成装置から射出された前記画像光を回折する第１回折素子と、前記第１回折素子に回折された前記画像光を回折して射出瞳を形成する第２回折素子と、前記画像光生成装置から前記射出瞳までの間に配置され、前記画像光生成装置から射出された前記画像光に含まれる赤色光のピーク波長よりも短波長側の帯域を減衰させる光学フィルターと、を備えることを特徴とする。

また、本発明の第二態様に係る表示装置は、画像光を射出する画像光生成装置と、前記画像光生成装置から射出された前記画像光を回折する第１回折素子と、前記第１回折素子に回折された前記画像光を回折して射出瞳を形成する第２回折素子と、前記画像光生成装置から前記射出瞳までの間に配置される光学フィルターと、を備え、前記画像光生成装置から射出された前記画像光に含まれる第１の色光に対する眼の視細胞の感度が最大となる波長を第１の波長とし、前記画像光に含まれる前記第１の色光のピーク波長を第２の波長としたとき、前記光学フィルターは、前記第１の波長が前記第２の波長よりも短い場合に前記第１の色光の前記第２の波長よりも短波長側の帯域を減衰させ、前記第１の波長が前記第２の波長よりも長い場合に前記第１の色光の前記第２の波長よりも長波長側の帯域を減衰させることを特徴とする。

上記態様に係る表示装置では、前記光学フィルターは、前記赤色光の波長が短くなるについて減衰力が大きくなることが好ましい。

上記態様に係る表示装置では、前記光学フィルターは、前記第１の波長が前記第２の波長よりも短い場合、前記第１の色光の波長が短くなるにつれて減衰力が大きくなり、前記第１の波長が前記第２の波長よりも長い場合、前記第１の色光の波長が長くなるにつれて減衰力が大きくなることが好ましい。

上記態様に係る表示装置では、前記第１の色光は赤色光であることが好ましい。

上記態様に係る表示装置では、前記光学フィルターは、前記画像光の光路上のうち該画像光が平行光束として通過する位置に設けられていることが好ましい。

上記態様に係る表示装置では、前記画像光生成装置から射出された画像光の光路に沿って設けられ、正のパワーを有する第１光学部と、前記第１回折素子を含み、正のパワーを有する第２光学部と、正のパワーを有する第３光学部と、前記第２回折素子を含み、正のパワーを有する第４光学部と、をさらに備えることが好ましい。

上記態様に係る表示装置では、前記第１回折素子から射出された前記画像光が入射する導光体をさらに備え、前記第２回折素子は、前記導光体内を伝播する前記画像光を射出させることが好ましい。

第一実施形態の表示装置の外観図。 表示装置の光学系の説明図。 回折素子の干渉縞の説明図。 回折素子の干渉縞の別形態の説明図。 体積ホログラムにおける回折特性を説明した図。 第２回折素子で発生する色収差をキャンセルする原理の説明図。 第１回折素子と第２回折素子とが共役関係にある場合の説明図。 第１回折素子と第２回折素子とが共役関係にない場合の説明図。 第１回折素子と第２回折素子とが共役関係にない場合の説明図。 共役関係からのずれの許容差を示す説明図。 共役関係からのずれの許容差を示す説明図。 光学系における光線図。 第１回折素子と第２回折素子とを略共役関係とした場合の説明図。 略共役関係のときに第２回折素子から射出される光の説明図。 光が眼に入射する様子を示す説明図。 観察者の眼に対する画像光の入射状態を示した図。 三刺激値ＸＹＺを示した図。 刺激値Ｘと赤色光の分光特性との関係を示した図。 光学フィルターの赤色光に対する光学特性を示す図。 光学フィルターの効果を示す図。 眼が耳側に移動した場合の赤色入射光の分光特性を示す図。 刺激値Ｚと青色光の分光特性との関係を示した図。 光学フィルターの青色光に対する光学特性を示す図。 光学フィルターの効果を示す図。 眼が耳側に移動した場合の青色入射光の分光特性を示す図。 刺激値Ｙと緑色光の分光特性との関係を示した図。 第二実施形態における光学系の要部構成を示す断面図。 変形例に係る表示装置の構成図である。

（第一実施形態）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度や角度を実際とは異ならせている。

図１は、本実施形態の表示装置１００の外観の一態様を示す外観図である。図２は、図１に示す表示装置１００の光学系１０の一態様を示す説明図である。なお、以下の説明に用いる図面において必要に応じて、表示装置を装着した観察者に対する前後方向をＺ軸に沿う方向とし、前後方向の一方側として表示装置を装着した観察者の前方を前側Ｚ１とし、前後方向の他方側として表示装置を装着した観察者の後方を後側Ｚ２としてある。また、表示装置を装着した観察者に対する左右方向をＸ軸に沿う方向とし、左右方向の一方側として表示装置を装着した観察者の右方を右側Ｘ１とし、左右方向の他方側として表示装置を装着した観察者の左方を左側Ｘ２としてある。また、表示装置を装着した観察者に対する上下方向をＹ軸方向に沿う方向とし、上下方向の一方側として表示装置を装着した観察者の上方を上側Ｙ１とし、上下方向の他方側として表示装置を装着した観察者の下方を下側Ｙ２としてある。

図１に示す表示装置１００は、頭部装着型の表示装置であり、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用光学系１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用光学系１０ｂとを有している。表示装置１００は、例えば、眼鏡のような形状に形成される。具体的に、表示装置１００は、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを保持する筐体９０をさらに備えている。表示装置１００は、筐体９０によって観察者の頭部に装着される。

表示装置１００は、筐体９０として、フレーム９１と、フレーム９１の右側に設けられ、観察者の右耳に係止されるテンプル９２ａと、フレーム９１の左側に設けられ、観察者の左耳に係止されるテンプル９２ｂと、を備えている。フレーム９１は、両側部に収納空間９１ｓを有しており、収納空間９１ｓ内に、後述する光学系１０を構成する画像光投射装置等の各部品が収容されている。テンプル９２ａ，９２ｂは、ヒンジ９５によってフレーム９１に対して折り畳み可能に連結されている。

右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとは基本的な構成が同一である。従って、以下の説明では、右眼用光学系１０ａと左眼用光学系１０ｂとを区別せずに光学系１０として説明する。

続いて、図２を参照して表示装置１００の光学系１０の基本的な構成を説明する。
図２に示すように、本実施形態の光学系１０では、画像光生成装置３１から射出された画像光Ｌ０の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０と、正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０と、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０と、光学フィルター８０と、が配置されている。

本実施形態において、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０は、ミラー４０および投射光学系３２によって構成されている。正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０は、反射型の第１回折素子５０を含む。正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０は、導光系６０によって構成されている。正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０は、反射型の第２回折素子７０によって構成されている。本実施形態において、第１回折素子５０および第２回折素子７０は、反射型の回折素子である。

かかる光学系１０において、画像光Ｌ０の進行方向に着目すると、画像光生成装置３１は、投射光学系３２に向けて画像光Ｌ０を射出し、投射光学系３２は入射した画像光Ｌ０をミラー４０に向けて射出する。ミラー４０は反射面４０ａを有し、画像光Ｌ０を第１回折素子５０に向けて反射する。ミラー４０の反射面４０ａで反射された画像光Ｌ０は第１回折素子５０に入射する。第１回折素子５０で回折された画像光Ｌ０は導光系６０に向けて射出される。導光系６０は、入射した画像光Ｌ０を第２回折素子７０に射出し、第２回折素子７０は、入射した画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて射出する。

本実施形態において、画像光生成装置３１は画像光Ｌ０を生成する。
画像光生成装置３１は、有機エレクトロルミネッセンス表示素子等の表示パネル３１０を備えている態様を採用することができる。かかる態様によれば、小型で高画質な画像表示が可能な表示装置１００を提供することができる。また、画像光生成装置３１は、照明光源（図示せず）と、照明光源から射出された照明光を変調する液晶表示素子等の表示パネル３１０とを備えている態様を採用してもよい。かかる態様によれば、照明光源の選択が可能なため、画像光Ｌ０の波長特性の自由度が広がるという利点がある。ここで、画像光生成装置３１は、カラー表示可能な１枚の表示パネル３１０を有する態様を採用することができる。また、画像光生成装置３１は、各色に対応する複数の表示パネル３１０と、複数の表示パネル３１０から射出された各色の画像光を合成する合成光学系とを有する態様を採用してもよい。さらに、画像光生成装置３１は、レーザー光をマイクロミラーデバイスで変調する態様を採用してもよい。この場合、マイクロミラーデバイスを駆動することでレーザー光を走査することにより、画像光を生成する。

投射光学系３２は画像光生成装置３１が生成した画像光Ｌ０を投射する光学系であって、第１レンズ３０１、第２レンズ３０２、第３レンズ３０３および第４レンズ３０４によって構成されている。第１レンズ３０１、第２レンズ３０２、第３レンズ３０３および第４レンズ３０４は自由曲面レンズや回転対称のレンズで構成される。また、投射光学系３２は偏心光学系であってもよい。図２では、投射光学系３２におけるレンズの数を４枚とした場合を例に挙げたが、レンズの枚数はこれに限定されることはなく、投射光学系３２が５枚以上のレンズを備えていてもよい。また、各レンズは貼り合わせて投射光学系３２を構成してもよい。

導光系６０は、周辺部より中央が凹んだ反射面６２ａを有するミラー６２で構成されており、正のパワーを有している。ミラー６２は、前後方向に向けて斜めに傾いた反射面６２ａを有している。なお、反射面６２ａは球面、非球面、または自由曲面からなる。本実施形態において、ミラー６２は自由曲面からなる反射面６２ａを有した全反射ミラーである。但し、ミラー６２をハーフミラーとしてもよく、この場合、外光を視認できる範囲を広くすることができる。

続いて、第１回折素子５０を含む第２光学部Ｌ２０と、第２回折素子７０を含む第４光学部Ｌ４０の構成について説明する。本実施形態において、第１回折素子５０および第２回折素子７０は基本的な構成が同一である。以下では、第２回折素子７０の構成を例に挙げて説明する。

図３Ａは、図２に示す第２回折素子７０の干渉縞７５１の説明図である。図３Ａに示すように、第２回折素子７０は、反射型体積ホログラム素子で構成された部分反射型回折光学素子である。このため、第２回折素子７０は、部分透過反射性のコンバイナーを構成している。従って、外光も第２回折素子７０を介して眼Ｅに入射するため、観察者は、画像光生成装置３１で形成した画像光Ｌ０と外光（背景）とが重畳した画像を認識することができる。

第２回折素子７０は、観察者の眼Ｅと対向しており、画像光Ｌ０が入射する第２回折素子７０の入射面７１は、眼Ｅから離れる方向に凹んだ凹曲面になっている。換言すれば、入射面７１は、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。このため、画像光Ｌ０を観察者の眼Ｅに向けて効率良く集光させることができる。

第２回折素子７０は、特定波長に対応するピッチを有した干渉縞７５１を有している。干渉縞７５１は屈折率等の差としてホログラフィック感光層に記録されており、干渉縞７５１は特定の入射角度に対応するように、第２回折素子７０の入射面７１に対して一方方向に傾いている。従って、第２回折素子７０は、画像光Ｌ０を所定の方向に回折して偏向する。特定波長および特定の入射角度とは、画像光Ｌ０の波長と入射角度に対応する。かかる構成の干渉縞７５１は、参照光Ｌｒおよび物体光Ｌｓを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことにより形成することができる。

本実施形態では、画像光Ｌ０がカラー表示用であるため、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを含む。このため、第２回折素子７０は、特定波長に対応するピッチで形成された干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを有している。例えば、干渉縞７５１Ｒは、５８０ｎｍから７００ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長６１５ｎｍの赤色光ＬＲに対応するピッチで形成される。干渉縞７５１Ｇは、５００ｎｍから５８０ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長５３５ｎｍの緑色光ＬＧに対応するピッチで形成される。干渉縞７５１Ｂは、４００ｎｍから５００ｎｍの波長範囲のうち、例えば、波長４６０ｎｍの青色光ＬＢに対応するピッチで形成される。かかる構成は、各波長に対応する感度を有するホログラフィック感光層を形成した状態で、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢ、および物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に二光束干渉露光を行うことにより形成することができる。

なお、各波長に対応する感度を有する感光材料をホログラフィック感光層に分散させておき、各波長の参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢを用いてホログラフィック感光層に干渉露光を行うことによって、図３Ｂに示すように１つの層に干渉縞７５１Ｒ、７５１Ｇ、７５１Ｂを重畳した干渉縞７５１を形成してもよい。また、参照光ＬｒＲ、ＬｒＧ、ＬｒＢおよび物体光ＬｓＲ、ＬｓＧ、ＬｓＢとして球面波の光を用いてもよい。

第２回折素子７０と基本的な構成が同一である第１回折素子５０は、反射型体積ホログラフィック素子５５を備えている。第１回折素子５０は、画像光Ｌ０が入射する入射面５１が、凹んだ凹曲面になっている。換言すれば、入射面５１は、画像光Ｌ０の入射方向において、周辺部に対して中央部が凹んで湾曲した形状となっている。そのため、画像光Ｌ０を導光系６０に向けて効率良く偏向させることができる。

図４は、第１回折素子５０および第２回折素子７０を構成する体積ホログラムにおける回折特性を説明した図である。図４は、体積ホログラム上の１点に光線が入射したときの、特定波長と周辺波長の回折角の差を示したものである。図４には、特定波長を５３１ｎｍとしたとき、波長が５２６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを実線Ｌ５２６で示し、波長が５３６ｎｍの周辺波長の光の回折角度のずれを点線Ｌ５３６で示してある。図４に示すように、ホログラムに記録された同じ干渉縞に光線が入射した場合でも、長波長の光線ほど大きく回折し、短波長の光線ほど回折しにくい。そのため、本実施形態のように２つの回折素子、すなわち第１回折素子５０および第２回折素子７０を用いた際、特定波長に対する長波長の光および短波長の光における光線角度をそれぞれ考慮して入射させないと適正に波長補償できない。すなわち第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルできなくなる。

図２に示す光学系１０では、特開２０１７－１６７１８１号公報に記載されているように、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間での中間像の形成回数と、ミラー６２での反射回数の和が奇数か偶数かに対応して、第２回折素子７０への入射方向等を適正化してあるため、波長補償、すなわち色収差をキャンセル可能である。

図５は第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセルする原理について説明した図である。なお、図５には、画像光Ｌ０の特定波長の光Ｌ１（実線）に加えて、長波長側の光Ｌ２（一点鎖線）、および特定波長に対して短波長側の光Ｌ３（点線）も図示してある。

具体的に、第１回折素子５０に入射した画像光Ｌ０は、図５に示すように、第１回折素子５０によって回折されることで偏向する。このとき、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度θ_２は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１より大きくなる。また、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度θ_３は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１より小さくなる。従って、第１回折素子５０を射出した画像光Ｌ０は、波長毎に偏向されて分散することとなる。

第１回折素子５０を射出した画像光Ｌ０は、導光系６０を介して第２回折素子７０に入射し、第２回折素子７０によって回折されることで偏向する。その際、第１回折素子５０から第２回折素子７０までの光路において、中間像の形成が１回行われるとともに、ミラー６２での反射が１回行われる。従って、画像光Ｌ０と第２回折素子７０の入射面法線との間の角度を入射角とすると、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１における入射角θ_１１よりも大きな入射角θ_１２となり、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１における入射角θ_１１よりも小さな入射角θ_１３となる。また、上述したように特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度θ_２は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１よりも大きくなり、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度θ_３は、特定波長の光Ｌ１の回折角度θ_１よりも小さくなる。

従って、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２は、特定波長の光Ｌ１よりも大きな入射角で第１回折素子５０に入射するが、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも大きいため、結果として第２回折素子７０から射出するときには、特定波長に対して長波長側の光Ｌ２と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。これに対して、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３は、特定波長の光Ｌ１よりも小さな入射角で第１回折素子５０に入射するが、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３の回折角度が、特定波長の光Ｌ１の回折角度よりも小さいため、結果として第２回折素子７０から射出するときには、特定波長に対して短波長側の光Ｌ３と特定波長の光Ｌ１は略平行な光となる。よって、波長毎の網膜Ｅ０での結像位置ずれが抑制される。

続いて、第１回折素子５０と第２回折素子７０との共役関係について説明する。
図６Ａは、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役関係にある場合の説明図である。図６Ｂおよび図６Ｃは第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役関係にない場合の説明図である。図７Ａおよび図７Ｂは、図６Ｂおよび図６Ｃに示す第１回折素子５０と第２回折素子７０との共役関係からのずれの許容差を示す説明図である。図７Ａおよび図７Ｂには、特定波長の光を実線Ｌｅで示し、波長が特定波長－１０ｎｍの光を一点鎖線Ｌｆで示し、波長が特定波長＋１０ｎｍの光を二点鎖線Ｌｇで示してある。なお、図６Ａ～Ｃおよび図７Ａおよび図７Ｂでは、光の進行が分かりやすいように、第１回折素子５０、第２回折素子７０および導光系６０を透過型として示し、第１回折素子５０、第２回折素子７０および導光系６０を矢印で示してある。

図６Ａに示すように、第１回折素子５０と第２回折素子７０とを共役の関係とした場合、第１回折素子５０のＡ点（第１の位置）から射出した発散光は正パワーを持つ導光系６０（レンズ）によって集光され、第２回折素子７０のＢ点（第１の位置に対応する第２の位置）に入射する。従って、Ｂ点で発生する回折による色収差をＡ点で補償することができる。

これに対して、図６Ｂおよび図６Ｃに示すように、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役の関係にない場合、第１回折素子５０のＡ点から射出した発散光は、中央の正パワーを持つ導光系６０によって集光されるが、第２回折素子７０上のＢ点よりも遠い位置、あるいは近い位置で交わって入射する。このため、Ａ点とＢ点とが１対１の関係になっていない。ここで、領域内の干渉縞が一様の場合に補償効果が高まることから、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが共役の関係にない場合、補償効果が弱くなる。一方、第１回折素子５０によって、第２回折素子７０の投影領域全体を補償することは困難である。それ故、図６Ｂおよび図６Ｃに示す態様の場合、十分な波長補償を行うことができないので、解像度の劣化が発生する。

なお、特定波長に対して±１０ｎｍの波長の光では、特定波長の光が到達するＢ点から±０．４ｍｍ程度の誤差が存在するが、解像度の低下は目立たない。かかる許容範囲を検討した結果、図７Ａに示すように、特定波長の光が到達する理想的な第２回折素子７０上のＢ点よりも手前で交わり±０．８ｍｍの範囲内に入射する場合には、解像度の低下は目立たない。また、図７Ｂに示すように、特定波長の光が到達する理想的な第２回折素子７０上のＢ点よりも後方で交わり±０．８ｍｍの範囲内に入射する場合には、解像度の低下は目立たない。従って、第１回折素子５０と第２回折素子７０とにおいては、完全な共役関係になくても、略共役関係にあって、理想的なＢ点から±０．８ｍｍの範囲内に到達する場合には、解像度の低下を許容することができる。すなわち、本実施形態において、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが略共役関係を有するとは、特定波長の光の入射位置が理想的な入射点から±０．８ｍｍの誤差範囲に収まることをいう。

図８は、本実施形態の光学系１０における光線図である。図８、および後で参照する図では、光軸に沿って配置された各光学部を太い矢印で示してある。また、画像光生成装置３１の１つの画素から射出した光線を実線Ｌａで示し、画像光生成装置３１の端部から射出される主光線を一点鎖線Ｌｂで示し、第１回折素子５０と略共役関係となる位置を長い破線Ｌｃで示してある。ここで、「中間像」とは、１画素から射出された光線（実線Ｌａ）が集まる個所であり、「瞳」とは、各画角の主光線（一点鎖線Ｌｂ）が集まる個所である。また、図８は、画像光生成装置３１から射出された光の進行を示すものである。なお、図８においては、図を簡略化するため、すべての光学部を透過型として図示している。

図８に示すように、本実施形態の光学系１０では、画像光生成装置３１から射出された画像光の光路に沿って、正のパワーを有する第１光学部Ｌ１０と、第１回折素子５０を備え、正のパワーを有する第２光学部Ｌ２０と、正のパワーを有する第３光学部Ｌ３０と、第２回折素子７０を備え、正のパワーを有する第４光学部Ｌ４０とが設けられている。

第１光学部Ｌ１０の焦点距離はＬ／２であり、第２光学部Ｌ２０、第３光学部Ｌ３０、および第４光学部Ｌ４０の焦点距離はいずれもＬである。従って、第２光学部Ｌ２０から第３光学部Ｌ３０までの光学距離と第３光学部Ｌ３０から第４光学部Ｌ４０までの光学距離とが等しい。

かかる光学系１０では、第１光学部Ｌ１０と第３光学部Ｌ３０との間に画像光の第１中間像Ｐ１が形成され、第２光学部Ｌ２０と第４光学部Ｌ４０との間に瞳Ｒ１が形成され、第３光学部Ｌ３０と第４光学部Ｌ４０との間に画像光の第２中間像Ｐ２が形成され、第４光学部Ｌ４０は、画像光を平行光化して射出瞳Ｒ２を形成する。その際、第３光学部Ｌ３０は、第２光学部Ｌ２０から射出された画像光を発散光あるいは収束光あるいは平行光と自在に制御して第４光学部Ｌ４０に入射させる。第２光学部Ｌ２０は、第１光学部Ｌ１０から射出された画像光を収束光として第３光学部Ｌ３０に入射させる。本実施形態の光学系１０において、瞳Ｒ１は、第２光学部Ｌ２と第４光学部Ｌ４０との間のうち、第３光学部Ｌ３０の近傍に形成される。第３光学部Ｌ３０の近傍とは、第２光学部Ｌ２０と第３光学部Ｌ３０の間のうち、第２光学部Ｌ２０より第３光学部Ｌ３０に近い位置、または第３光学部Ｌ３０と第４光学部Ｌ４０の間のうち、第４光学部Ｌ４０より第３光学部Ｌ３０に近い位置を意味する。

また、第３光学部Ｌ３０は、画像光生成装置３１の１点からの画像光について、第１回折素子５０により偏向されて特定波長からずれた周辺波長の光を第２回折素子７０の所定の範囲に入射させる。すなわち、第１回折素子５０と第２回折素子７０は略共役の関係にある。ここで、第１回折素子５０の第３光学部Ｌ３０による第２回折素子７０上の射影の倍率の絶対値は０．５倍から１０倍までであり、かかる倍率の絶対値は１倍から５倍までであることが好ましい。

従って、本実施形態の光学系１０によれば、投射光学系３２と導光系６０との間に画像光の第１中間像Ｐ１が形成され、導光系６０の近傍に瞳Ｒ１が形成され、導光系６０と第２回折素子７０との間に画像光の第２中間像Ｐ２が形成され、第２回折素子７０は、画像光を平行光化して射出瞳Ｒ２を形成する。

本実施形態の光学系１０において、第１中間像Ｐ１は、第１光学部Ｌ１０（投射光学系３２）と第２光学部Ｌ２０（第１回折素子５０）との間に形成される。

本実施形態の光学系１０によれば、以下に示す４つの条件（条件１、２、３、４）を満たすことができる。
条件１：画像光生成装置３１の１つの点から射出した光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像される。
条件２：光学系の入射瞳と眼球の瞳が共役である。
条件３：周辺波長を補償するように第１回折素子５０と第２回折素子７０とを適正に配置する。
条件４：第１回折素子５０と第２回折素子７０とが略共役の関係にある。

より具体的には、図８に示した実線Ｌａから分かるように、画像光生成装置３１の１つの点から射出した光線は、網膜Ｅ０に１つの点として結像されるという条件１を満たすので、観察者は１画素を視認することができる。また、図８に示した実線Ｌａから分かるように、光学系１０の入射瞳と眼Ｅの瞳Ｅ１とが共役（瞳の共役）の関係にあるという条件２を満たすので、画像光生成装置３１で生成した画像の全域を視認することができる。また、周辺波長を補償するように第１回折素子５０と第２回折素子７０とを適正に配置するという条件３を満たすため、波長補償を行うことによって第２回折素子７０で発生する色収差をキャンセル可能である。また、図８に示す長い破線Ｌｃから分かるように、第１回折素子５０と第２回折素子７０とが略共役の関係にあるという条件４を満たすので、第１回折素子５０と第２回折素子７０とにおいて、干渉縞が同一な個所に光線を入射させることが可能であり、波長補償を適正に行うことができる。以上により、画像の解像度の劣化を抑えることができる。

ところで、上述したように本実施形態の光学系１０は、第１回折素子５０と第２回折素子７０との間に略共役関係が成立している。

図９は第１回折素子５０と第２回折素子７０とを略共役関係とした場合の説明図である。図１０は、図９に示す略共役関係を満たす場合に第２回折素子７０から射出される光の説明図である。図１１は、図１０に示す光が眼Ｅに入射する様子を示す説明図である。なお、図９には、画像光Ｌ０に含まれる特定波長の光を実線Ｌｅで示し、波長が特定波長－１０ｎｍの短波長側の光を一点鎖線Ｌｆで示し、波長が特定波長＋１０ｎｍの長波長側の光を二点鎖線Ｌｇで示してある。図１１には、図面に向かって最も左側に、波長が特定波長－１０ｎｍの短波長側の光（図１０に一点鎖線Ｌｆで示す光）が眼Ｅに入射する様子を示し、図面に向かって最も右側に、波長が特定波長＋１０ｎｍの長波長側の光（図１０に二点鎖線Ｌｇで示す光）が眼Ｅに入射する様子を示し、その間には、特定波長－１０ｎｍから特定波長＋１０ｎｍまで波長を変化させた光が眼Ｅに入射する様子を示してある。なお、図１１には、特定波長の光が眼Ｅに入射する様子を示していないが、特定波長の光が眼Ｅに入射する様子は、左から３番目に示す様子と左から４番目に示す様子との中間の様子となる。

本実施形態の光学系１０は、第１回折素子５０と第２回折素子７０とを略共役の関係とした場合、図９に示すように、特定波長からずれた周辺波長の光では、第２回折素子７０に入射する状態が異なる。ここで、第２回折素子７０では、光軸に近づくほど干渉縞数が少なくなり、光を曲げる力が弱い。このため、長波長側の光を光軸側に入射させ、短波長側の光を端の方に入射させれば、特定波長の光、および周辺波長の光は平行光化されるため、波長補償と同様な効果を得ることができる。

この場合、波長によって光線位置がずれるため、図１０に示すように、瞳に入射する光線径が径φａから径φｂへと大きくなる。図１１は、この時の瞳孔に入射する光線強度の様子を示している。図１１から分かるように、特定波長近傍では瞳孔を満たす事ができないが、周辺波長の光は、特定波長の光とずれた位置に入射するため、瞳孔径を満たすことができる。その結果、観察者は画像を見やすくなる等の利点を得ることができる。

図１０に示したように、第２回折素子７０を射出した画像光は、特定波長の光Ｌｅ、長波長側の光Ｌｇ及び短波長側の光Ｌｆが互いに分離されるとともに略平行な状態で観察者の眼Ｅに入射する。このように瞳Ｅ１に対する画像光Ｌ０の入射位置は波長帯毎に異なっている。したがって、例えば、観察者の眼Ｅが左右方向にずれた場合、眼Ｅの瞳Ｅ１に入射する画像光Ｌ０の波長帯が変化し、観察者の視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）が変化するおそれがある。

本実施形態の光学系１０は画像光生成装置３１から第２回折素子７０までの間に光学フィルター８０（図２参照）を設けることで、上述の色バランスの変化を抑制している。以下、光学フィルター８０の構成及びその効果について説明する。

図１２は観察者の眼に対する画像光の入射状態を示した図である。図１２に示す光学系１０は、観察者の右眼に画像光を導く右眼用光学系である。そのため、図１２において、眼Ｅの左側Ｘ２に鼻が位置し、観察者の眼Ｅの右側Ｘ１に耳が位置する。以下、眼Ｅの左側Ｘ２を「鼻側」、眼Ｅの右側Ｘ１を「耳側」と称す。

図１２に示すように、本実施形態の光学系１０において、画像光Ｌ０に含まれる赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢは、それぞれピーク波長帯の光が瞳Ｅ１の中心を通過するように、設計されている。例えば、赤色光ＬＲは、ピーク波長成分ＬＲｐよりも短波長側の光である短波長成分ＬＲｐ１が瞳Ｅ１内における鼻側を通過し、ピーク波長成分ＬＲｐよりも長波長側の光である長波長成分ＬＲｐ２が瞳Ｅ１内における耳側を通過する。このように赤色光ＬＲは波長帯ごとに瞳Ｅ１の異なる場所を通過する。

なお、画像光Ｌ０に含まれる緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ各々についても赤色光ＬＲと同様のことが言える。すなわち、緑色光ＬＧは、ピーク波長成分ＬＧｐよりも短波長側の光である短波長成分ＬＧｐ１が瞳Ｅ１内における耳側を通過し、ピーク波長成分ＬＧｐよりも長波長側の光である長波長成分ＬＧｐ２が瞳Ｅ１内における耳側を通過する。また、青色光ＬＢは、ピーク波長成分ＬＢｐよりも短波長側の光である短波長成分ＬＢｐ１が瞳Ｅ１内における耳側を通過し、ピーク波長成分ＬＢｐよりも長波長側の光である長波長成分ＬＢｐ２が瞳Ｅ１内における耳側を通過する。

上記説明では観察者の右眼に画像光を導く右眼用光学系を例に挙げたが、左眼用光学系についても同様のことが言える。左眼用光学系において、観察者の眼Ｅに対する鼻及び耳の位置関係は右眼用光学系の位置関係と反転している。左眼用光学系内を通過する画像光は、右眼用光学系内を通過する画像光を左右反転した光路を有する。そのため、左眼用光学系においても、画像光Ｌ０に含まれる各色光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）は、短波長成分が瞳Ｅ１内の鼻側を通過し、長波長成分が瞳Ｅ１内の耳側を通過するようになっている。

人間の眼の視細胞に対する光の刺激は波長によって異なることが知られている。眼の視細胞は、画像光に含まれる光のうち長波長側である赤色波長帯の光に対応する赤色視細胞と、中波長側である緑色波長帯の光に対応する緑色視細胞と、短波長側である青色波長帯の光に対応する青色視細胞とを含む。

本発明者らは、人間の眼における視細胞の興奮度合いに相当する視感度と三刺激値ＸＹＺとの間における相関性に着目した。そして、本発明者らは、三刺激値ＸＹＺのうちの刺激値Ｘに基づいて赤色波長帯の光の刺激による赤色視細胞の興奮度合いである赤色視感度を規定し、三刺激値ＸＹＺのうちの刺激値Ｙに基づいて緑色波長帯の光の刺激による緑色視細胞の興奮度合いである緑色視感度を規定し、三刺激値ＸＹＺのうちの刺激値Ｚに基づいて青色波長帯の光の刺激による青色視細胞の興奮度合いである青色視感度を規定できるとの知見を得た。

図１３は三刺激値ＸＹＺを示した図である。図１３において、横軸は光の波長であり、縦軸は各色光に対応する視細胞の感度である。図１３に示すように、刺激値Ｘにおいて最大の感度を得る光の波長帯は６００ｎｍ付近である。すなわち、眼の赤色視細胞は、６００ｎｍ付近の波長帯の光から受ける刺激が最も強く、６００ｎｍ付近の波長帯の光から明るい赤色を認識する。一方、眼の赤色視細胞は、６００ｎｍ付近以外の波長帯の光から受ける刺激が低下するため、赤色の認識度合いも低下する。

また、刺激値Ｙにおいて最大の感度を得る光の波長帯は５５５ｎｍ付近である。すなわち、人間の眼の緑色視細胞は、５５５ｎｍ付近の波長帯の光から受ける刺激が最も強く、５５５ｎｍ付近の波長帯の光から明るい緑色を認識する。一方、眼の緑色視細胞は、５５５ｎｍ付近以外の波長帯の光から受ける刺激が低下するため、緑色の認識度合いも低下する。

また、刺激値Ｚにおける最大感度を得る光の波長帯は４４５ｎｍ付近である。すなわち、人間の眼の青色視細胞は、４５０ｎｍ付近の波長帯の光から受ける刺激が最も強く、４５０ｎｍ付近の波長帯の光から明るい青色を認識する。一方、眼の青色視細胞は、４５０ｎｍ付近以外の波長帯の光から受ける刺激が低下するため、青色の認識度合いも低下する。

はじめに、刺激値Ｘと画像光Ｌ０に含まれる赤色光ＬＲとの関係について説明する。図１４は刺激値Ｘと画像光Ｌ０に含まれる赤色光ＬＲの分光特性との関係を示した図である。図１４では、瞳Ｅ１の中心が画像光Ｌ０の光軸上に一致する場合における赤色光ＬＲの分光特性を示している。図１４において、横軸は光の波長を示す。図１４の縦軸は、刺激値Ｘの感度及び赤色光ＬＲの照度を正規化した値を示す。図１４では刺激値Ｘを示す曲線の一部を示しており、横軸に記載のない短波長側の図示を省略している。

図１４に示すように、観察者の瞳Ｅ１に入射する赤色光（第１の色光）ＬＲの波長帯は例えば、６３０ｎｍから６５０ｎｍである。また、赤色光ＬＲのピーク波長（第２の波長）は略６４０ｎｍである。これに対し、図１３及び図１４に示すように、刺激値Ｘにおける感度、すなわち眼の赤色視細胞の感度が最大となる光の波長（第１の波長）は略６００ｎｍである。そのため、刺激値Ｘにおける感度が最大となる光の波長６００ｎｍは、赤色光ＬＲのピーク波長６４０ｎｍよりも短波長側となる。

図１２に示したように、観察者の瞳Ｅ１に対する赤色光ＬＲの入射位置は波長帯毎に異なっている。そのため、例えば、観察者の眼Ｅが左右方向に移動した場合、眼Ｅの瞳Ｅ１に入射する赤色光ＬＲの波長帯が変化し、観察者の視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）が変化するおそれがある。

このようなホワイトバランスのずれを解消すべく、本実施形態の光学系１０は画像光生成装置３１から第２回折素子７０までの間に配置された光学フィルター８０（図２参照）を備えている。光学フィルター８０は、例えば、誘電体多層膜等によって構成される。

本実施形態において、光学フィルター８０は、画像光Ｌ０の光路上における第１回折素子５０と第２回折素子７０との間に設けられている。第１回折素子５０で回折された画像光Ｌ０は略平行化された状態で第２回折素子７０に入射する。そのため、画像光Ｌ０は平行化された状態で光学フィルター８０に入射するようになっている。すなわち、本実施形態において、光学フィルター８０は、画像光Ｌ０の光路上のうち画像光Ｌ０が平行光束として通過する位置に設けられている。光学フィルター８０は、設計上、画像光Ｌ０における入射角度が小さい、すなわち垂直入射に近いほど光学特性が向上するようになっている。本実施形態の光学系１０によれば、上述のように画像光Ｌ０が平行光束として通過する位置に光学フィルター８０が設けられるので、画像光Ｌ０を光学フィルター８０に対して垂直入射させることができる。したがって、本実施形態の光学フィルター８０によれば、画像光Ｌ０に対して所望の光学特性を付与することができる。

図１５は光学フィルター８０の赤色光ＬＲに対する光学特性を示す図である。図１５では、光学フィルター８０を透過することで瞳に入射する赤色光ＬＲの分光特性を示している。以下、光学フィルター８０を透過して瞳に入射する赤色光ＬＲを赤色入射光ＲＩと称す。図１５における横軸は光学フィルター８０に入射する光の波長を示す。図１５の縦軸は、光学フィルター８０の透過率および赤色入射光ＲＩの照度を正規化した値を示す。図１５では、比較として、光学フィルター８０を設けない場合の分光特性も示した。

図１５に示される赤色入射光ＲＩの分光特性は、観察者の眼Ｅの瞳Ｅ１の中心が光学系１０の光軸に一致している場合の特性に相当する。すなわち、図１５に示す赤色入射光ＲＩの分光特性は、観察者の眼Ｅが光軸上に位置しており、左右に移動していない場合の特性である。

図１５に示すように、光学フィルター８０は、画像光Ｌ０に含まれる赤色光ＬＲのピーク波長６４０ｎｍよりも短波長側の帯域を減衰させる特性を有する。そのため、観察者の眼Ｅが光軸上に位置する場合においても、赤色光ＬＲの短波長側の帯域の照度は光学フィルター８０によって一部カットされている。

光学フィルター８０は、赤色光ＬＲの波長が短くなるにつれて減衰力が大きくなる。すなわち、光学フィルター８０は、図１５に示すように赤色光ＬＲの波長が短くなるにつれて赤色光ＬＲの透過率が低くなっている。

ここで、例えば、観察者の眼Ｅが鼻側に移動した場合について説明する。
図１６Ａは光学フィルター８０の効果を示す図である。図１６Ａは観察者の眼Ｅの瞳Ｅ１の中心が光学系１０の光軸から鼻側に１．５ｍｍずれた場合、瞳Ｅ１に入射する赤色入射光ＲＩの分光特性を示している。図１６Ａでは、比較として、光学フィルター８０を設けない場合の分光特性も示している。

観察者の眼Ｅが鼻側に１．５ｍｍずれた場合、瞳Ｅ１に入射する赤色入射光ＲＩにおいて、図１２に示したように短波長側である６３０ｎｍ付近の短波長成分ＬＲｐ１の割合が長波長側である６５０ｎｍ付近の長波長成分ＬＲｐ２の割合よりも増加する。よって、図１６Ａに示されるように、光学フィルター８０が設けられていない場合、観察者の眼Ｅに入射する赤色入射光ＲＩの分光特性が変化する。具体的に、赤色入射光ＲＩの分光特性は、ピーク波長帯が低波長側にシフトする。

図１３及び図１４に示したように観察者の眼Ｅにおける赤色視感度が最大となるピーク波長６００ｎｍは、赤色光ＬＲのピーク波長６４０ｎｍよりも短波長側である。すなわち、観察者の眼Ｅが鼻側に１．５ｍｍ移動して赤色入射光ＲＩのピーク波長が低波長側にシフトすると、赤色入射光ＲＩのピーク波長が赤色視感度のピーク波長に近づいてしまう。すると、観察者の眼Ｅは赤色入射光ＲＩをより認識し易い状態となる。観察者は画像光Ｌ０に含まれる赤色入射光ＲＩから強い赤色を認識するため、視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）が赤寄りにずれてしまう。

続いて、光学フィルター８０が設けられている場合について説明する。
光学フィルター８０を透過することで赤色光ＬＲは、ピーク波長６４０ｎｍよりも短波長側が減衰される。上述したように光学フィルター８０は短波長側に近づくにつれて赤色光ＬＲの透過率が低くなっている。

観察者の眼Ｅが鼻側に１．５ｍｍずれた場合、上述のように赤色入射光ＲＩは長波長成分ＬＲｐ２よりも短波長成分ＬＲｐ１を多く含むことになるが、短波長成分ＬＲｐ１は光学フィルター８０によって長波長成分ＬＲｐ２よりも大きく減衰されている。そのため、赤色入射光ＲＩは、図１６Ａに示されるように、光学フィルター８０を設けない場合に比べて、低波長側へのピーク波長帯の移動が抑制されるとともに照度も低下する。

光学フィルター８０は、観察者の眼Ｅが鼻側に１．５ｍｍ移動した場合においても、赤色入射光ＲＩにおけるピーク波長が赤色視感度のピーク波長に近づくことを抑制する。

赤色入射光ＲＩのピーク波長は赤色視感度のピーク波長に多少近づくものの、光学フィルター８０は赤色入射光ＲＩの照度を低減させることで眼Ｅの赤色視細胞に対する刺激を抑制することができる。よって、観察者の眼Ｅが鼻側に１．５ｍｍ移動した場合においても、画像光Ｌ０に含まれる赤色入射光ＲＩの視感度は変化し難くなるので、視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）が赤寄りにずれることを防止できる。

一方、観察者の眼Ｅが耳側に移動した場合について説明する。
図１６Ｂは眼Ｅが耳側に移動した場合の赤色入射光ＲＩの分光特性を示す図である。図１６Ｂは観察者の眼Ｅの瞳Ｅ１の中心が光学系１０の光軸から耳側に１．５ｍｍずれた場合、瞳Ｅ１に入射する赤色入射光ＲＩの分光特性を示す。

光学フィルター８０を透過することで赤色光ＬＲは、ピーク波長６４０ｎｍよりも短波長側が減衰される。

観察者の眼Ｅが耳側に１．５ｍｍずれた場合、赤色入射光ＲＩにおいて、図１２に示したように、短波長側である６３０ｎｍ付近の短波長成分ＬＲｐ１の割合が長波長側である６５０ｎｍ付近の長波長成分ＬＲｐ２の割合よりも減少する。すなわち、赤色入射光ＲＩは短波長成分ＬＲｐ１よりも長波長成分ＬＲｐ２を多く含むことになる。つまり、赤色入射光ＲＩにおいて、光学フィルター８０による減衰度合いの少ない長波長成分ＬＲｐ２が、光学フィルター８０による減衰度合いの大きい短波長成分ＬＲｐ１よりも増加する。すなわち、赤色入射光ＲＩの分光特性は、ピーク波長帯が長波長側にシフトする。

赤色入射光ＲＩのピーク波長が長波長側にシフトすると、赤色入射光ＲＩのピーク波長が赤色視感度のピーク波長から離れることになる。赤色入射光ＲＩのピーク波長が赤色視感度のピーク波長から離れると、観察者の眼Ｅは赤色入射光ＲＩを認識し難い状態となる。

これに対し、本実施形態の光学フィルター８０は、画像表示装置１１から射出される赤色光ＬＲの長波長成分ＬＲｐ２を減衰させない特性を有するので、眼Ｅが鼻側に１．５ｍｍずれた場合よりも眼Ｅが耳側に１．５ｍｍずれた場合の赤色入射光ＲＩの照度を高くする。よって、観察者の眼Ｅは赤色入射光ＲＩを認識し易い状態を維持することができる。

したがって、観察者は、眼Ｅを耳側に１．５ｍｍ移動させた場合においても、赤色入射光ＲＩが赤色視細胞に与える刺激量は全体として変化しない。つまり、観察者の眼Ｅが耳側に１．５ｍｍ移動した場合、観察者が視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）は変化しない。

本実施形態の光学フィルター８０によれば、図１６Ｂに示すように、観察者の眼Ｅが耳側にずれた場合に得られる光学フィルター８０による効果は眼Ｅが鼻側にずれた場合に比べて小さいものの、赤色光ＬＲによって画像の色バランス（ホワイトバランス）がずれることを抑制できる。

本実施形態の光学フィルター８０によれば、観察者の眼Ｅが鼻側及び耳側に１．５ｍｍ移動した場合においても、赤色光ＬＲによって画像の色バランス（ホワイトバランス）がずれることを抑制できる。

続いて、光学フィルター８０と画像光Ｌ０に含まれる他の色光との関係について説明する。まず、刺激値Ｚと画像光Ｌ０に含まれる青色光ＬＢとの関係について説明する。図１７は刺激値Ｚと画像光Ｌ０に含まれる青色光ＬＢの分光特性との関係を示した図である。図１７では、瞳Ｅ１の中心が画像光Ｌ０の光軸上に一致する場合における青色光ＬＢの分光特性を示している。図１７において、横軸は光の波長を示す。図１７の縦軸は、刺激値Ｚの感度及び青色光ＬＢの照度を正規化した値を示す。図１７では刺激値Ｚを示す曲線の一部を示しており、横軸に記載のない短波長側の図示を省略している。

図１７に示すように、観察者の瞳Ｅ１に入射する青色光（第１の色光）ＬＢの波長帯は例えば、４５３ｎｍから４６８ｎｍである。また、青色光ＬＢのピーク波長（第２の波長）は略４６０ｎｍである。これに対し、図１３及び図１７に示すように、刺激値Ｚにおける感度、すなわち眼の青色視細胞の感度が最大となる光の波長（第１の波長）は略４５０ｎｍである。すなわち、刺激値Ｚにおける最大感度を得る光の波長４５０ｎｍは、青色光ＬＢのピーク波長４６０ｎｍよりも短波長側となっている。

図１２に示したように、観察者の瞳Ｅ１に対する青色光ＬＢの入射位置は波長帯毎に異なっている。そのため、例えば、観察者の眼Ｅが左右方向に移動した場合、瞳Ｅ１に入射する青色光ＬＢの波長帯が変化し、観察者の視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）が変化するおそれがある。本実施形態の光学系１０では、光学フィルター８０によって色バランス（ホワイトバランス）の変化を抑制することができる。

図１８は光学フィルター８０の青色光ＬＢに対する光学特性を示す図である。図１８では、光学フィルター８０を透過することで瞳に入射する青色光ＬＢの分光特性を示している。以下、光学フィルター８０を透過して瞳に入射する青色光ＬＢを青色入射光ＢＩと称す。図１８における横軸は光学フィルター８０に入射する光の波長を示す。図１８の縦軸は、光学フィルター８０の透過率および青色入射光ＢＩの照度を正規化した値を示す。図１８では、比較として、光学フィルター８０を設けない場合の分光特性も示した。

図１８に示される青色入射光ＢＩの分光特性は、観察者の眼Ｅの瞳Ｅ１の中心が光学系１０の光軸に一致している場合の特性である。すなわち、図１８に示す青色入射光ＢＩの分光特性は、観察者の眼Ｅが光軸上に位置しており、左右に移動していない場合の特性である。

図１８に示すように、光学フィルター８０は、画像光Ｌ０に含まれる青色光ＬＢのピーク波長４６０ｎｍよりも短波長側の帯域を減衰させる特性を有する。そのため、観察者の眼Ｅが光軸上に位置する場合においても、青色光ＬＢの短波長側の帯域の照度は光学フィルター８０によって一部カットされている。

光学フィルター８０は、青色光ＬＢの波長が短くなるにつれて減衰力が大きくなる。すなわち、光学フィルター８０は、図１８に示すように青色光ＬＢの波長が短くなるにつれて青色光ＬＢの透過率が低くなっている。

ここで、例えば、観察者の眼Ｅが鼻側に移動した場合について説明する。
図１９Ａは光学フィルター８０の効果を示す図である。図１９Ａは観察者の眼Ｅの瞳Ｅ１の中心が光学系１０の光軸から鼻側に１．５ｍｍずれた場合、瞳Ｅ１に入射する青色入射光ＢＩの分光特性を示している。図１９Ａでは、比較として、光学フィルター８０を設けない場合の分光特性も示している。

観察者の眼Ｅが鼻側に１．５ｍｍずれた場合、瞳Ｅ１に入射する青色入射光ＢＩにおいて、図１２に示したように、短波長成分ＬＢｐ１の割合は長波長成分ＬＢｐ２の割合よりも増加する。よって、図１９Ａに示されるように、仮に光学フィルター８０が設けられていないと、観察者の眼Ｅに入射する青色入射光ＢＩの分光特性は、ピーク波長帯が低波長側にシフトする。

図１３及び図１７に示したように観察者の眼Ｅにおける青色視感度が最大となるピーク波長４５０ｎｍは、青色光ＬＢのピーク波長４６０ｎｍよりも短波長側である。すなわち、観察者の眼Ｅが鼻側に１．５ｍｍ移動して青色入射光ＢＩのピーク波長が低波長側にシフトすると、青色入射光ＢＩのピーク波長が青色視感度のピーク波長に近づく。すると、観察者の眼Ｅは青色入射光ＢＩをより認識し易い状態となる。観察者は画像光Ｌ０に含まれる青色入射光ＢＩから強い青色を認識するため、視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）が青寄りにずれてしまう。

一方、光学フィルター８０が設けられている場合、光学フィルター８０を透過することで青色光ＬＢは、ピーク波長４６０ｎｍよりも短波長側が減衰される。上述したように光学フィルター８０は短波長側に近づくにつれて青色光ＬＢの透過率が低くなっている。

観察者の眼Ｅが鼻側に１．５ｍｍずれた場合、上述のように青色入射光ＢＩは長波長成分ＬＢｐ２よりも短波長成分ＬＢｐ１を多く含むことになるが、短波長成分ＬＢｐ１は光学フィルター８０によって長波長成分ＬＢｐ２よりも大きく減衰されている。そのため、青色入射光ＢＩは、図１９Ａに示されるように、光学フィルター８０を設けない場合に比べて、低波長側へのピーク波長帯の移動が抑制されるとともに照度も低下する。

光学フィルター８０は、観察者の眼Ｅが鼻側に１．５ｍｍ移動した場合においても、青色入射光ＢＩにおけるピーク波長が青色視感度のピーク波長に近づくことを抑制する。

青色入射光ＢＩのピーク波長は青色視感度のピーク波長に多少近づくものの、光学フィルター８０は青色入射光ＢＩの照度を低減させることで眼Ｅの青色視細胞に対する刺激を抑制することができる。よって、観察者は、眼Ｅを鼻側に１．５ｍｍ移動させた場合においても、画像光Ｌ０に含まれる青色入射光ＢＩは変化し難くなるので、視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）が青寄りにずれることを防止できる。

一方、観察者の眼Ｅが耳側に移動した場合について説明する。
図１９Ｂは眼Ｅが耳側に移動した場合の青色入射光ＢＩの分光特性を示す図である。図１９Ｂは観察者の眼Ｅの瞳Ｅ１の中心が光学系１０の光軸から耳側に１．５ｍｍずれた場合、瞳Ｅ１に入射する青色入射光ＢＩの分光特性を示す。

光学フィルター８０を透過することで青色光ＬＢは、ピーク波長４６０ｎｍよりも短波長側が減衰される。

観察者の眼Ｅが耳側に１．５ｍｍずれた場合、青色入射光ＢＩは、図１２に示したように短波長成分ＬＢｐ１よりも長波長成分ＬＢｐ２を多く含むことになる。つまり、青色入射光ＢＩにおいて、光学フィルター８０による減衰度合いの少ない長波長成分ＬＢｐ２が、光学フィルター８０による減衰度合いの大きい短波長成分ＬＢｐ１よりも増加する。これにより、青色入射光ＢＩの分光特性は、ピーク波長帯が長波長側にシフトする。

青色入射光ＢＩのピーク波長が長波長側にシフトすると、青色入射光ＢＩのピーク波長が青色視感度のピーク波長から離れることになる。青色入射光ＢＩのピーク波長が青色視感度のピーク波長から離れると、観察者の眼Ｅは青色入射光ＢＩを認識し難い状態となる。これに対し、本実施形態の光学フィルター８０は、画像表示装置１１から射出される青色光ＬＢの長波長成分ＬＢｐ２を減衰させない特性を有するので、眼Ｅが鼻側に１．５ｍｍずれた場合よりも眼Ｅが耳側に１．５ｍｍずれた場合の青色入射光ＢＩの照度を高くすることができる。よって、観察者の眼Ｅは青色入射光ＢＩを認識し易い状態となる。

したがって、観察者の眼Ｅが耳側にずれた場合に得られる光学フィルター８０による効果は眼Ｅが鼻側にずれた場合に比べて小さいものの、青色入射光ＢＩが青色視細胞に与える刺激量は全体として変化しない。つまり、観察者の眼Ｅが耳側に１．５ｍｍ移動した場合、観察者が視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）は変化しない。
このように本実施形態の光学フィルター８０によれば、観察者の眼Ｅが耳側に移動した場合においても、青色光ＬＢによって画像の色バランス（ホワイトバランス）がずれることを抑制できる。

続いて、刺激値Ｙと画像光Ｌ０に含まれる緑色光ＬＧとの関係について説明する。図２０は刺激値Ｙと画像光Ｌ０に含まれる緑色光ＬＧの分光特性との関係を示した図である。図２０では、瞳Ｅ１の中心が画像光Ｌ０の光軸上に一致する場合における緑色光ＬＧの分光特性を示している。図２０において、横軸は光の波長を示す。図２０の縦軸は、刺激値Ｙの感度及び緑色光ＬＧの照度を正規化した値を示す。図２０では刺激値Ｙを示す曲線の一部を示しており、横軸に記載のない短波長側の図示を省略している。

図２０に示すように、観察者の瞳Ｅ１に入射する緑色光ＬＧのピーク波長は略５３０ｎｍである。これに対し、図１３及び図２０に示すように、刺激値Ｙにおける感度、すなわち眼の緑色視細胞の感度が最大となる光の波長は略５５５ｎｍである。すなわち、刺激値Ｙにおける最大感度を得る光の波長５５５ｎｍは、緑色光ＬＧのピーク波長５３０ｎｍよりも長波長側となっている。

図１２に示したように、観察者の瞳Ｅ１に対する緑色光ＬＧの入射位置は波長帯毎に異なっている。そのため、例えば、観察者の眼Ｅが左右方向に移動した場合、瞳Ｅ１に入射する緑色光ＬＧの波長帯が変化する。

ここで、眼Ｅが移動した場合に生じる視感度の変化量は、刺激値ＸＹＺを規定する各曲線の傾きの大きさに依存する。例えば、図１３に示したように刺激値Ｙを示す曲線の傾きは刺激値Ｘを規定する曲線の傾きよりも小さい。そのため、眼Ｅの移動に伴って生じる緑色における視感度の変化量は赤色の視感度に比べて小さくなる。

人間の眼は異なる色の相対的な輝度の違いを判断する場合、同じ強さの赤色光または青色光よりも緑色光をより強く感じることが知られている。つまり、緑色光は画像光の明るさに最も寄与する色光である。そのため、例えば、ホワイトバランスを調整時に緑色光ＬＧの光量を変化させると、画像光Ｌ０の明るさが大きく変化してしまう。

本実施形態の光学フィルター８０では、画像光Ｌ０の明るさに大きく影響する緑色光ＬＧの帯域を減衰させない特性を有している。本実施形態の光学フィルター８０によれば、緑色光ＬＧを減衰させないことにより、画像光Ｌ０の光量の損失を少なくすることができる。よって、明るい画像光Ｌ０を観察者に視認させることができる。

以上のように本実施形態の光学系１０によれば、刺激値の変化が大きい赤色光ＬＲのピーク波長よりも短波長側の帯域を減衰させる光学フィルター８０を備えるので、観察者の眼Ｅが鼻側及び耳側に例えば１．５ｍｍ移動した場合でも、赤色の視感度の変化を抑制することで、画像の色バランス（ホワイトバランス）がずれることを抑制できる。また、本実施形態の光学フィルター８０は、青色光ＬＢのピーク波長よりも短波長側の帯域も減衰させる特性を有するため、観察者の眼Ｅが鼻側及び耳側に例えば１．５ｍｍ移動した場合でも、青色の視感度の変化を抑制することで、画像の色バランス（ホワイトバランス）のずれをより低減できる。

また、本実施形態の光学系１０によれば、観察者の眼Ｅを左右に±１．５ｍｍずらした時の白色光の色差をｕ´ｖ´色度図で表した場合、色差Δｕ´ｖ´を０．０４から０．００４まで減少できることが確認できた。

（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る光学系について説明する。本実施形態の光学系は、４つの光学部に変えて、導光体を用いる点で大きく異なる。なお、第一実施形態と共通の部材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。

図２１は本実施形態における光学系の要部構成を示す断面図である。なお、図２１は、本実施形態に係る右眼用光学系の内部構造及び導光体の一例を示す要部断面図である。
図２１に示すように本実施形態の光学系１１０は、画像形成部２０と、導光体２３と、反射層２５と、第１回折素子５０と、第２回折素子７０と、光学フィルター８０とを備える。

画像形成部２０は、画像表示部２１と、投射光学系２２とを有する。画像表示部２１は、画像光生成装置３１により構成される。投射光学系２２は、画像表示装置１１から射出された画像光Ｌ０を平行状態の光束に変換して、導光体２３に入射させるコリメートレンズである。

本実施形態において、光学フィルター８０は、投射光学系２２と第１回折素子５０との間に設けられている。すなわち、画像光Ｌ０は平行化された状態で光学フィルター８０に入射するようになっている。よって、光学フィルター８０は入射する画像光Ｌ０の各色光の所定波長帯を効率良く減衰させることができる。

導光体２３は平板状の部材によって形成されている。導光体２３は、光透過性の樹脂材料等により形成された板状の部材であり、画像形成部２０に対向する第１の面２３ａと、第１の面２３ａと反対を向く第２の面２３ｂと、第１の面２３ａ及び第２の面２３ｂの一方である右側Ｘ１の端部同士を接続する第３の面２３ｃと、第１の面２３ａ及び第２の面２３ｂの他方である左側Ｘ２の端部同士を接続する第４の面２３ｄとを有する。反射層２５は第４の面２３ｄに設けられている。

具体的に、導光体２３は、画像形成部２０からの画像光を取り込む光入射部である光入射面２３ａ１と、画像光を観察者の眼Ｅに向けて射出させる光射出面２３ａ２とを有している。光入射面２３ａ１は、第１の面２３ａにおける右側Ｘ１の端部に設けられる。光入射面２３ａ１には第１回折素子５０が設けられている。光射出面２３ａ２は、第１の面２３ａにおける左側Ｘ２の端部に設けられる。光射出面２３ａ２には第２回折素子７０が設けられている。

本実施形態の光学系１１０は、入射側における第１回折素子５０で回折させた画像光Ｌ０を第２回折素子７０側の導波路端部に配置された反射層２５により全反射させて、観察者の眼に導光する。

より具体的に、第１回折素子５０で回折された画像光Ｌ０は、先ず、第２の面２３ｂに入射して全反射され、次いで、第１の面２３ａに入射して全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光Ｌ０は、導光体２３の他端（観察者の鼻側）に設けた反射層２５に導かれる。そして、反射層２５において反射された画像光Ｌ０は、光射出面２３ａ２の第２回折素子７０で回折された後、眼Ｅに向けて射出される。

本実施形態の光学系１１０においても、第２回折素子７０を射出した画像光Ｌ０は、図１２に示したように、波長帯ごとに分離されるとともに略平行な状態で観察者の眼Ｅの瞳Ｅ１に入射する。そのため、観察者の眼Ｅが左右方向にずれた場合、瞳Ｅ１に入射する画像光Ｌ０の波長帯が変化し、観察者の視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）が変化するという第一実施形態の光学系のような４つの光学部を採用した構成と同様の問題が生じるおそれがある。

本実施形態の光学系１１０によれば、上記光学フィルター８０を備えるため、観察者の眼Ｅが左右方向にずれた場合における色バランスの変化を抑制できる。

以上、本発明の表示装置に係る一実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、画像光Ｌ０が平行光束として通過する位置に光学フィルター８０を配置する場合を例に挙げたが、光学フィルター８０の配置位置はこれに限定されない。光学フィルター８０は画像光生成装置３１から第２回折素子７０により形成される射出瞳までの間であればいずれに配置してもよい。

光学フィルター８０は第２回折素子７０の表面に直接設けられていてもよい。例えば、上記表示装置１００が、第２回折素子７０と射出瞳（眼Ｅの瞳Ｅ１）との間に配置されるメガネ部材やレンズホルダーを含む場合に、メガネ部材のレンズやレンズホルダーに光学フィルター８０を設置するようにしてもよい。

また、光学フィルター８０を投射光学系３２と一体に形成してもよい。例えば、第１レンズ３０１、第２レンズ３０２、第３レンズ３０３および第４レンズ３０４のいずれかの面に成膜した誘電体多層膜を光学フィルターとして用いてもよい。このようにすれば、部品点数の削減を図ることができる。

また、第２光学部Ｌ２０および第３光学部Ｌ３０を覆うカバー部材を設けてもよい。この場合において、光学フィルター８０をカバー部材と一体形成しても良い。このようにすれば、光学フィルター８０とカバー部材とを一体化することで、組立公差の低減を図ることができる。

また、上記実施形態では、光学フィルター８０として透過型のものを例に挙げたが、光学フィルター８０として反射型のものを用いてもよい。反射型の光学フィルターを用いる場合、ミラー４０と一体に形成してもよい。

また、上記実施形態では、光学フィルター８０を青色光ＬＢ及び赤色光ＬＲの両方に対応する光学フィルター８０を例に挙げたが、青色光ＬＢに対応する特性を有するフィルターと赤色光ＬＲに対応する特性を有するフィルターとを組み合わせて構成してもよい。

また、上記実施形態の光学フィルター８０は、画像光Ｌ０の明るさに大きく影響する緑色光ＬＧの帯域を減衰させない場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、画像の明るさよりも厳密な色再現を求める特別な場合は、緑色光ＬＧを減衰させるようにしてもよい。

観察者の瞳Ｅ１に入射する緑色光（第１の色光）ＬＧのピーク波長（第２の波長）は略５３０ｎｍである。これに対し、図１３及び図２０に示したように、刺激値Ｙにおける感度、すなわち眼の緑色視細胞の感度が最大となる光の波長（第１の波長）は略５５５ｎｍである。すなわち、刺激値Ｙにおける最大感度を得る光の波長５５５ｎｍは、緑色光ＬＧのピーク波長５３０ｎｍよりも長い。

そのため、観察者の眼Ｅが耳側に移動して緑色入射光ＧＩのピーク波長が長波長側にシフトすると、緑色入射光ＧＩのピーク波長が緑色視感度のピーク波長に近づく。すると、観察者の眼Ｅは緑色入射光ＧＩをより認識し易い状態となる。観察者は画像光Ｌ０に含まれる緑色入射光ＧＩから強い緑色を認識するため、視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）が緑寄りにわずかにずれてしまう。

この場合において、画像光Ｌ０に含まれる緑色光ＬＧのピーク波長５３０ｎｍよりも長波長側の帯域を減衰させる特性を有する光学フィルターを用いてもよい。この光学フィルターは、緑色光ＬＧの波長が長くなるにつれて減衰力が大きくなる。すなわち、光学フィルターは青色光ＬＢの波長が長くなるにつれて青色光ＬＢの透過率が低くなっている。

このような光学フィルターを用いれば、観察者の眼Ｅが耳側に１．５ｍｍ移動した場合においても、青色入射光ＢＩにおけるピーク波長が青色視感度のピーク波長に近づくことを抑制できる。
よって、観察者は、眼Ｅを耳側に移動させた場合においても、画像光Ｌ０に含まれる緑色入射光ＧＩが変化し難くなるので、視認する画像の色バランス（ホワイトバランス）が緑寄りにずれることを防止できる。

なお、本実施形態の光学系１１０では、反射層２５で反射した画像光Ｌ０を光射出面２３ａ２の第２回折素子７０で回折して眼Ｅに向けて射出する構成を例に挙げたが、反射層２５を省略してもよい。この場合、第１回折素子５０で回折された画像光Ｌ０を導光体２３内で全反射により伝搬させ、光射出面２３ａ２の第２回折素子７０に直接入射させる構成を採用してもよい。

（変形例）
図２２は変形例に係る表示装置１０１の構成図である。本変形例の表示装置１０１は、図２２に示すように、画像光Ｌ０ａを右眼Ｅａに入射させる右眼用光学系１０ａと、画像光Ｌ０ｂを左眼Ｅｂに入射させる左眼用光学系１０ｂと、右眼用光学系１０ａおよび左眼用光学系１０ｂを保持する筐体９０と、を備えている。

本変形例の表示装置１０１は、右眼用光学系１０ａおよび左眼用光学系１０ｂにおいて、画像光Ｌ０を上側Ｙ１から下側Ｙ２に進行させることで観察者の眼Ｅに射出させる構成を有している。

本変形例の表示装置１０１においても上述の光学系１０を有している。そのため、本変形例の表示装置１０１においても、２つの回折素子によって適正に波長補償を行いつつ、装置の小型化を図ることができる。

［他の表示装置への適用］
上記実施形態では、頭部装着型の表示装置１００を例示したが、ヘッドアップディスプレイやハンドヘルドディスプレイやプロジェクター用光学系等に対して本発明を適用してもよい。

２３…導光体、３１…画像光生成装置、５０…第１回折素子、７０…第２回折素子、８０…光学フィルター、１００，１０１…表示装置、Ｅ…眼、Ｅ１，Ｒ１…瞳、Ｌ０，Ｌ０ａ，Ｌ０ｂ…画像光、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌｅ，Ｌｆ，Ｌｇ…光、Ｌ１０…第１光学部、Ｌ２０…第２光学部、Ｌ３０…第３光学部、Ｌ４０…第４光学部、ＬＢ…青色光（第１の色光）、ＬＧ…緑色光（第１の色光）、ＬＲ…赤色光、ＬＲ…赤色光（第１の色光）、Ｒ２…射出瞳。

Claims (8)

1. 画像光を射出する画像光生成装置と、
   前記画像光生成装置から射出された前記画像光を回折する第１回折素子と、
   前記第１回折素子に回折された前記画像光を回折して射出瞳を形成する第２回折素子と、
   前記画像光生成装置から前記射出瞳までの間に配置される光学フィルターと、を備え、
   前記画像光生成装置から射出された前記画像光に含まれる赤色光に対する眼の視細胞の感度が最大となる波長を第１の波長とし、前記画像光に含まれる前記赤色光のピーク波長を第２の波長としたとき、
   前記光学フィルターは、前記第１の波長が前記第２の波長よりも短い場合に前記赤色光の前記第２の波長よりも短波長側の帯域を減衰させる
   ことを特徴とする表示装置。
2. 画像光を射出する画像光生成装置と、
   前記画像光生成装置から射出された前記画像光を回折する第１回折素子と、
   前記第１回折素子に回折された前記画像光を回折して射出瞳を形成する第２回折素子と、
   前記画像光生成装置から前記射出瞳までの間に配置される光学フィルターと、を備え、
   前記画像光生成装置から射出された前記画像光に含まれる第１の色光に対する眼の視細胞の感度が最大となる波長を第１の波長とし、前記画像光に含まれる前記第１の色光のピーク波長を第２の波長としたとき、
   前記光学フィルターは、前記第１の波長が前記第２の波長よりも短い場合に前記第１の色光の前記第２の波長よりも短波長側の帯域を減衰させ、
   前記第１の波長が前記第２の波長よりも長い場合に前記第１の色光の前記第２の波長よりも長波長側の帯域を減衰させる
   ことを特徴とする表示装置。
3. 前記光学フィルターは、前記赤色光の波長が短くなるにつれて減衰力が大きくなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
4. 前記光学フィルターは、
   前記第１の波長が前記第２の波長よりも短い場合、前記第１の色光の波長が短くなるにつれて減衰力が大きくなり、
   前記第１の波長が前記第２の波長よりも長い場合、前記第１の色光の波長が長くなるにつれて減衰力が大きくなる
   ことを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
5. 前記第１の色光は赤色光である
   ことを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
6. 前記光学フィルターは、前記画像光の光路上のうち該画像光が平行光束として通過する位置に設けられている
   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表示装置。
7. 前記画像光生成装置から射出された画像光の光路に沿って設けられ、
   正のパワーを有する第１光学部と、
   前記第１回折素子を含み、正のパワーを有する第２光学部と、
   正のパワーを有する第３光学部と、
   前記第２回折素子を含み、正のパワーを有する第４光学部と、をさらに備える
   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表示装置。
8. 前記第１回折素子から射出された前記画像光が入射する導光体をさらに備え、
   前記第２回折素子は、前記導光体内を伝播する前記画像光を射出させる
   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表示装置。

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