JP7625938B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、虚像の観察を可能にして、例えばヘッドマウントディスプレイ等として適用される虚像表示装置に関する。

画像表示装置として、半透過の凹面鏡で構成されて入射光束の一部を透過し残りを反射する曲面コンバイナーを有し、画像の光束を当該曲面コンバイナーで反射させて、使用者に虚像を観察させるものが知られている（特許文献１参照）。なお、この場合、当該曲面コンバイナーにおいて、外界から入射する光の一部は透過する。

特開２０１９－１５９０３８号公報

上記特許文献１の画像表示装置における上記曲面コンバイナーのようなものを作製するために、例えば入射光束の一部を透過し残りを反射する性質を有する膜を曲面上に形成しようとすると、成膜に際して、当該曲面の中心側と周辺側との間で膜厚差が発生し、所望の反射透過特性が得られず、結果的に良好な画像形成ができなくなってしまう可能性がある。

本発明の一側面における虚像表示装置は、映像光を射出する映像光射出装置と、映像光を反射する反射膜を有する光学部材と、を備え、光学部材は、映像光のうち中心画角となる光線が入射する第１領域と、映像光のうち中心画角となる光線とは異なる光線が入射する第２領域とを有し、反射膜の第１領域における膜厚は、第２領域における膜厚よりも厚く、反射膜の第１領域は、映像光射出装置から射出される映像光の波長帯域よりも長波長側に広い波長帯域に対応する反射率特性を有する。

第１実施形態の画像表示装置について一例を説明する外観斜視図である。 画像表示装置の内部の光学系を説明する概念的な側断面図である。 コンバイナー（シースルーミラー）の一例を説明する外観斜視図である。 コンバイナーにおける反射膜の成膜について一例を説明する概念図である。 第１領域における反射膜の反射率特性について一例を説明するためのグラフである。 第２領域における反射膜の反射率特性について一例を説明するためのグラフである。 従来例の反射膜の反射率特性を説明するためのグラフである。 従来例の反射膜の反射率特性と第１実施形態における反射膜の反射率特性とを比較するための概念的なグラフである。 第２実施形態の画像表示装置についての一例として、第２領域における反射膜の反射率特性について一例を説明するためのグラフである。 第２領域における反射膜の反射率特性について他の一例を説明するためのグラフである。 第１領域における反射膜の反射率特性について一例を説明するためのグラフである。

〔第１実施形態〕
以下、図１等を参照して、本発明に係る虚像表示装置としての画像表示装置の構造、動作等について説明する。

図１は、画像表示装置１００の装着状態を説明する図である。画像表示装置１００は、ヘッドマウントディスプレイであり、これを装着する観察者又は装着者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。図１等において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、＋Ｘ方向は、画像表示装置１００を装着した観察者又は装着者ＵＳの両眼ＥＹの並ぶ横方向に対応し、＋Ｙ方向は、装着者ＵＳにとっての両眼ＥＹの並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、＋Ｚ方向は、装着者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。±Ｙ方向は、鉛直軸又は鉛直方向に平行になっている。

画像表示装置１００は、装着者ＵＳの眼前を覆うように配置される本体２００ａと、本体２００ａを支持するテンプル状の一対の支持装置２００ｂとを備える。本体２００ａは、機能的に見た場合、右眼用の第１表示装置１００Ａと、左眼用の第２表示装置１００Ｂとを含む。第１表示装置１００Ａは、上部に配置される映像光射出装置１０２ａと、メガネレンズ状で眼前を覆うコンバイナー１０３ａとで構成される。第２表示装置１００Ｂも同様に、上部に配置される映像光射出装置１０２ｂと、メガネレンズ状で眼前を覆うコンバイナー１０３ｂとで構成される。

図２を参照して、画像表示装置１００の各部のうち、特に、光学的機能を有する部分について説明する。画像表示装置１００を構成する左右対称な第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂ（図１参照）のうち、図２の例では、第１表示装置１００Ａを代表として示している。ここでは、図２として示す側方断面図を参照して、第１表示装置１００Ａにおける光学的構造について説明する。なお、左眼用の第２表示装置１００Ｂ（図１参照）については、第１表示装置１００Ａと同様であるため、詳しい説明等は、省略する。

図２に示すように、右眼用の第１表示装置１００Ａは、光学的機能を有する部分（光学ユニット）として、表示素子１１ａと結像光学系２０とを備える。

結像光学系２０は、導光光学装置とも呼ぶ。結像光学系２０は、投射光学系である投射レンズ２１と、プリズムミラー２２と、板状光学素子２８と、シースルーミラー２３とを備える。例えば、表示素子１１ａと、投射レンズ２１と、プリズムミラー２２と、板状光学素子２８とは、図１の映像光射出装置１０２ａに対応し、シースルーミラー２３は、図１の第１コンバイナー１０３ａに対応する。すなわち、映像光射出装置１０２ａは、第１コンバイナー１０３ａに対して、画像光である映像光ＭＬを射出する。また、第１コンバイナー１０３ａは、映像光射出装置１０２ａから射出されて入射した映像光ＭＬの一部を反射して、射出瞳を形成する。

表示素子１１ａは、例えばＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）ディスプレイすなわち有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）ディスプレイで構成される。ここでは、一例として、表示素子１１ａは、ＯＬＥＤディスプレイで構成されることにより、無偏光の光を映像光ＭＬとして表示面１１ｄから射出するものとする、すなわち表示素子１１ａは、２次元の表示面１１ｄにカラーの静止画又は動画を形成する。表示素子１１ａは、ＸＹ面に対してＸ軸のまわりに回転して傾いたｘｙ面に沿って配置されている。表示素子１１ａは、回路基板に設けられた制御装置（図示略）に駆動されて表示動作を行う。表示素子１１ａは、ＯＬＥＤディスプレイ（有機ＥＬディスプレイ）に限らず、マイクロＬＥＤディスプレイ、又は無機ＥＬ、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等を用いた表示デバイスに置き換えることができる。

表示素子１１ａと、結像光学系２０のうち、投射レンズ２１、及びプリズムミラー２２とは、不図示の枠体によって相互にアライメントされた状態で第１フレーム６１ａに固定され、第１カバー部材７１ａと第１フレーム６１ａとに挟まれた空間ＳＰ１内に収納されている。板状光学素子２８は、第１フレーム６１ａの光学開口形成された段差に嵌め込むように配置され、光学開口の周囲が気密な状態に保たれている。

投射レンズ２１は、表示素子１１ａから射出された映像光ＭＬを通過させ、プリズムミラー２２に入射させる。投射レンズ２１は、表示素子１１ａから射出された映像光ＭＬを平行光束に近い状態に集光する。投射レンズ２１は、第１レンズ２１ｐ及び第２レンズ２１ｑを含む。プリズムミラー２２は、内反射面２２ｂを有し、投射レンズ２１から射出された映像光ＭＬを入射面２２ａから内部に入射させ、内反射面２２ｂで全反射させ、射出面２２ｃから外部に射出させる。この際、プリズムミラー２２は、前方から入射する映像光ＭＬを、入射方向を反転させた方向（プリズムミラー２２から見た光源の方向）に対して傾斜した方向に折り返すように射出する。板状光学素子２８は、プリズムミラー２２の射出面２２ｃから射出された映像光ＭＬを屈折させつつ通過させ、シースルーミラー２３は、プリズムミラー２２から射出された映像光ＭＬを瞳位置ＰＰ（射出瞳の位置）に向けて反射する。瞳位置ＰＰは、表示面１１ｄ上の各点からの映像光ＭＬが所定の発散状態又は平行状態で表示面１１ｄ上の各点の位置に対応する角度方向から重畳するように入射する位置となっている。

シースルーミラー２３は、曲面形状を有する反射型の光学部材であり、映像光ＭＬを反射する反射膜２３ｍを有する。より具体的には、シースルーミラー２３は、凹の表面ミラーとして機能する湾曲した板状の光学部材であり、プリズムミラー２２から板状光学素子２８を介して入射した映像光ＭＬを、反射膜２３ｍにより、瞳位置ＰＰに向けて反射する。シースルーミラー２３は、射出瞳の位置すなわち眼ＥＹ又は瞳孔が配置される瞳位置ＰＰを覆うとともに瞳位置ＰＰに向かって凹形状を有し、外界に向かって凸形状を有する。シースルーミラー２３は、板状体２３ｂの表面上に反射膜２３ｍを形成した構造を有するミラー板である。シースルーミラー２３の反射面２３ａを形成する反射膜２３ｍは、透過性を有する。瞳位置ＰＰには、シースルーミラー２３を通過した外界光ＯＬも入射する。以上のように、反射膜２３ｍは、部分透過性を有し、光学部材であるシースルーミラー２３は、反射膜２３ｍにおいて、映像光射出装置１０２から射出される映像光ＭＬの一部を折り返すとともに、外界光ＯＬの一部を透過させるコンバイナー１０３ａであることで、いわゆるシースルーによる視認が可能となる。つまり、画像表示装置１００を装着した装着者ＵＳは、外界像に重ねて、映像光ＭＬによる虚像を観察することができる。

以上において、投射レンズ２１、プリズムミラー２２、板状光学素子２８、及びシースルーミラー２３を構成する光学面は、自由曲面を含み、少なくも一部の光学面を非球面や球面に置き換えることもできる。

結像光学系２０は、シースルーミラー２３が凹面鏡であること等に起因して、軸外し光学系ＯＳとなっている。本実施形態の場合、投射レンズ２１、プリズムミラー２２、板状光学素子２８、及びシースルーミラー２３は、非軸対称に配置され、非軸対称な光学面を有する。この結像光学系２０つまり軸外し光学系ＯＳでは、紙面に対応する軸外し面（ＹＺ面に平行な面）に沿って、光軸ＡＸが延びるように光軸ＡＸの折り曲げが行われている。この結像光学系２０では、ＹＺ面に平行な軸外し面内で光軸ＡＸの折り曲げを行うことで、かかる軸外し面に沿って光学要素２１，２２，２３が配列されている。結像光学系２０は、縦方向に延びる基準面である軸外し面（ＹＺ面に平行な面）に沿って配置され反射面の前後で互いに傾斜する光軸部分ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３を含む。全体としての光軸ＡＸは、表示素子１１ａの中心から射出される主光線の光路に沿って延び、アイポイントに相当するアイリングＥＲ又は瞳の中心を通る。光軸ＡＸは、ＹＺ面に平行な横断面で見た場合、複数の光軸部分ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３によって、Ｚ字状の配置となっている。つまり、ＹＺ面に平行な軸外し面において、投射レンズ２１から内反射面２２ｂまでの光路Ｐ１と、内反射面２２ｂからシースルーミラー２３までの光路Ｐ２と、シースルーミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光路Ｐ３とが、Ｚ字状に２段階で折り返される配置となっている。

上記構成において、映像光ＭＬのうち、中心画角となる光線（中心光線）を、光線ＭＬｃとし、中心画角となる光線とは異なる光線（周辺光線）のうち画角の上側となる光線を、光線ＭＬｐ１、中心画角となる光線とは異なる光線（周辺光線）のうち画角の下側となる光線を、光線ＭＬｐ２、とする。すなわち、表示素子１１ａの表示面１１ｄのうち、中心位置あるいはほぼ中心となる点から射出される成分を光線ＭＬｃとし、光線ＭＬｃに対応する光軸を光軸部分ＡＸｃとする。表示面１１ｄのうち、中心位置よりも上側の周辺となる点から射出される成分を光線ＭＬｐ１とし、光線ＭＬｐ１に対応する光軸を光軸部分ＡＸｐ１とする。また、中心位置よりも下側の周辺となる点から射出される成分を光線ＭＬｐ２とし、光線ＭＬｐ２に対応する光軸を光軸部分ＡＸｐ２とする。なお、図中では、各成分を代表するものとして、主光線について光線ＭＬｃ，ＭＬｐ１，ＭＬｐ２として示している。したがって、各光軸部分ＡＸｃ，ＡＸｐ１，ＡＸｐ２は、図中の光線ＭＬｃ，ＭＬｐ１，ＭＬｐ２に一致（又はほぼ一致）する。

また、図２及び図３に示すように、光学部材であるシースルーミラー２３において、光線ＭＬｃが入射する範囲を第１領域Ｄ１とし、光線ＭＬｐ１，ＭＬｐ２が入射する範囲を第２領域Ｄ２とする。すなわち、視認される画像（虚像）のうち、中心画角に対応する成分光が通過する範囲が図２に示す光軸ＡＸ及びその近傍である、すなわち中心側である第１領域Ｄ１となっており、第１領域Ｄ１の周辺側が第２領域Ｄ２となっている。つまり、曲面形状を有するシースルーミラー２３は、第１領域Ｄ１で反射した成分と第２領域Ｄ２で反射した成分とにより、瞳位置ＰＰにおいて射出瞳を形成することになる。

ここで、図２において一部拡大して示すように、反射膜２３ｍの第１領域Ｄ１における膜厚ｄは、第２領域Ｄ２における膜厚ｄ'よりも厚くなっている。つまり、ｄ＞ｄ'という関係にある。このような膜厚差は、シースルーミラー２３すなわちコンバイナー１０３ａの形状や、反射膜２３ｍの成膜に起因する。

反射膜２３ｍの成膜方法すなわちシースルーミラー２３（コンバイナー１０３ａ）の製造方法としては、種々の手法が考えられるが、例えば真空蒸着法により誘電体多層膜を成膜することができる。

以下、図４として示す概念図を参照して、シースルーミラー２３における反射膜２３ｍの成膜について、一例を説明する。図示のように、まず、シースルーミラー２３となるべき基材ＭＭ（板状体２３ｂに相当）を、不図示の治具等により真空チャンバーＣＣ内で固定し、真空チャンバーＣＣ内において成膜材料（蒸着源）ＤＳを蒸発させて、当該基材ＭＭの表面（界面）ＳＳに付着させて薄膜を形成することで、反射膜２３ｍが設けられ、シースルーミラー２３となる。

上記のようにして、シースルーミラー２３を製作する場合、蒸着源ＤＳと基材ＭＭの表面ＳＳとの角度の関係から、反射膜２３ｍとなるべき部分の中央と周辺とで、反射膜２３ｍの膜厚にばらつきが生じやすくなる。具体的には、矢印ＤＤ１に示す方向に蒸発する蒸着源ＤＳに対向する向きにある中央部分ＣＰと、中央部分ＣＰと比べて矢印ＤＤ１に対して角度が付いた状態にある周辺部分ＥＰとでは、図示において、一部拡大して示すように、反射膜２３ｍとなるべき堆積物ＳＥの厚みは、中央部分ＣＰのほうが周辺部分ＥＰよりも厚くなる（周辺部分ＥＰのほうが中央部分ＣＰよりも薄くなる）。ここでは、中央部分ＣＰが第１領域Ｄ１に相当し、周辺部分ＥＰが第２領域Ｄ２に相当するように、基材ＭＭの姿勢調整がなされているものとする。この場合について、中央部分ＣＰ（第１領域Ｄ１に相当）に関しては、一点鎖線で示す中央部分ＣＰに対して法線となる方向軸ＬＬが矢印ＤＤ１に示す方向と平行となっている。ここで、中央部分ＣＰが蒸着源ＤＳに対向していて傾きがないものと見た場合に、周辺部分ＥＰ（第２領域Ｄ２に相当）に対する法線と中央部分ＣＰの法線となる方向軸ＬＬとのなす角度を角度θとすると、当該角度θに応じた膜厚差が中央部分ＣＰと周辺部分ＥＰとの間で生じる。数値的に示すと、反射膜２３ｍの成膜後、生成されたものとしてのシースルーミラー２３において、第１領域Ｄ１における反射膜２３ｍの膜厚をｄとし、第２領域Ｄ２における反射膜２３ｍの膜厚をｄ'とし、第１領域Ｄ１に対する第２領域Ｄ２の傾き角度を上記のように角度θとした場合、以下の関係式（１）
ｄ'＝ｄｃｏｓθ…（１）
を満たすものとなっている。

ここで、反射膜２３ｍの膜厚が想定していた場合よりも薄くなると、薄くなった分に応じて、当該箇所での反射膜２３ｍの反射率特性は、想定していた波長帯域よりも短波長側にシフトすると考えられる。したがって、上記のようにして成膜された反射膜２３ｍについて、例えば第１領域Ｄ１の膜厚ｄが想定していた通りになっているのに対して、第２領域Ｄ２における膜厚ｄ'が想定よりも薄くなっていたとすると、第２領域Ｄ２における反射率特性が、想定よりも短波長側にシフトすることになる。この結果として、第２領域Ｄ２における反射率特性は、映像光ＭＬの波長帯域のうち長波長側において所望の反射率特性が得られなくなってしまう、といった事態になるおそれがある。かかる事態を回避すべく、本実施形態に係る画像表示装置１００では、シースルーミラー２３において、映像光ＭＬの波長帯域よりも長波長側に対応した反射率特性を有するように反射膜２３ｍを形成することで、反射膜２３ｍのうち想定よりも膜厚が薄い箇所が発生して、当該箇所での反射率特性が、想定よりも短波長側にシフトしたとしても、当該箇所においても映像光ＭＬの波長帯域について所望の反射率特性が得られるようにしている。すなわち、反射膜２３ｍにおいて、第１領域Ｄ１における膜厚ｄと第２領域Ｄ２における膜厚ｄ'とに差（膜厚差）が生じていても、当該膜厚差に起因する反射率特性に差が生じることを抑制し、映像光ＭＬの反射膜２３ｍでの反射における色むらを低減し、良好な画像形成を可能としている。

例えば、図４において、第２領域Ｄ２に相当する周辺部分ＥＰの法線と中央部分ＣＰの法線となる方向軸ＬＬとのなす角度がθ＝３０°程度であるとすると、（傾き角度θ＝０°）第１領域Ｄ１に相当する中央部分ＣＰに対する膜厚の差については、上式（１）から、膜厚ｄ'が、膜厚ｄのおよそ０．８７倍程度となる場合が想定される。この場合、想定していた膜厚が形成された場合に反射率特性が維持される波長帯域を、予め、映像光ＭＬの波長帯域よりも長波長側に１３％程度広くしておくことで、第１領域Ｄ１のみならず、第２領域Ｄ２においても、所望の反射率特性を得られるようにできる。

なお、以上では、図示において、傾き角度θとして、基材ＭＭの表面（界面）ＳＳすなわち蒸着面における角度としているが、これに限らず、例えば、基材ＭＭ（板状体２３ｂ）が、略一様な厚みを有するものである場合には、図示のように、基材ＭＭ（板状体２３ｂ）の外界側の面ＳＳａにおける角度θ'を角度を測定する基準とすること等も考えられる。

下記表１は、誘電体多層膜で構成される反射膜２３ｍについての具体的一例を示すデータ表である。

表１に示すように、ここでの一例では、ＳｉＯ_２－ＴｉＯ_２の組み合わせで構成されている１１層構造の誘電体多層膜により反射膜２３ｍが形成されている。

以下、図５等を参照して、本実施形態に係る具体的一例について説明する。図５は、第１領域Ｄ１における反射膜２３ｍの反射率特性について一例を説明するためのグラフである。すなわち、図５は、反射膜２３ｍの成膜に際して、上記表１に示す膜厚で反射膜２３ｍが形成されている場合の反射率特性について示している。なお、図示において、横軸は、光の波長帯域を示し（単位：ｎｍ）、縦軸は、光の反射率を示している（単位：％）。

まず、曲線ＲＲ１は、光源（ここではＯＬＥＤを採用）における波長特性（光源のスペクトル）を示すものである。すなわち、曲線ＲＲ１は、映像光射出装置１０２ａから射出される映像光ＭＬの波長帯域を示すものに相当する。この場合、映像光ＭＬの波長帯域のうち、長波長側の使用領域は、およそ６５０ｎｍ程度までとなっている。つまり、この場合、６５０ｎｍ程度までについて、反射膜２３ｍの反射率特性が所望の状態に維持されていることが求められる。

以上に対して、図中の曲線Ｑ１～Ｑ５は、反射膜２３ｍに対する光の入射角度ごとにおける反射特性を示している。具体的には、例えば、曲線Ｑ１は、入射角度２０°で反射膜２３ｍの第１領域Ｄ１に対して入射する成分の波長ごとの反射率を示す曲線である。同様に、曲線Ｑ２は、入射角度２５°、曲線Ｑ３は、入射角度３０°、曲線Ｑ４は、入射角度３５°、曲線Ｑ５は、入射角度４０°での反射特性を示している。すなわち、曲線Ｑ１～Ｑ５の全体ＷＷ１としては、入射角度２０°～４０°の範囲で入射する光についての反射膜２３ｍにおける反射特性（反射率特性）を示している。なお、第１領域Ｄ１に対して、映像光ＭＬが、ある程度の角度範囲で入射することを想定して、上記のような角度の範囲をもった光について対応させるものとしている。また、ここでは、シースルーミラー２３をハーフミラーとして機能させるべく、反射膜２３ｍを反射率５０％程度に維持することを想定している。

以上の場合、曲線Ｑ１～Ｑ５は、映像光ＭＬの波長帯域のうち長波長側の６５０ｎｍ程度までについて、反射率５０％程度の反射率を有していれば、必要な要件を満たす。しかしながら、図６を参照して後述するように、第２領域Ｄ２における反射膜２３ｍの膜厚が上記表１の通りになるとは限らないことを考慮して、曲線Ｑ１～Ｑ５は、６５０ｎｍよりも長波長側について広い範囲（例えば７８０ｎｍ程度までの範囲）において、反射率５０％程度の反射率を維持している。以上のように、反射膜２３ｍの第１領域Ｄ１における反射率特性は、映像光射出装置１０２ａから射出される映像光ＭＬの使用波長帯域まで（～６５０ｎｍ程度）よりも、長波長側において１．２倍以上広い波長帯域まで（～７８０ｎｍあるいはそれ以上の範囲）について対応するものとなっている。

図６は、第２領域Ｄ２における反射膜２３ｍの反射率特性について一例を説明するためのグラフである。すなわち、図６は、反射膜２３ｍの成膜に際して、上記表１に示す膜厚よりも膜厚が薄くなっている反射膜２３ｍの反射率特性について示している。より具体的に、ここでの一例では、上記表１あるいは図５に示す場合と比較して、反射膜２３ｍの膜厚が２０％薄くなっている場合の反射率特性について示している。なお、図示において、横軸は、光の波長帯域を示し（単位：ｎｍ）、縦軸は、光の反射率を示している（単位：％）。

図中の曲線Ｓ１～Ｓ５は、反射膜２３ｍに対する光の入射角度ごとにおける反射特性を示している。具体的には、例えば、曲線Ｓ１は、入射角度２０°で反射膜２３ｍの第２領域Ｄ２に対して入射する成分の波長ごとの反射率を示す曲線である。同様に、曲線Ｓ２は、入射角度２５°、曲線Ｓ３は、入射角度３０°、曲線Ｓ４は、入射角度３５°、曲線Ｓ５は、入射角度４０°での反射特性を示している。すなわち、曲線Ｓ１～Ｓ５の全体ＷＷ２としては、入射角度２０°～４０°の範囲で入射する光についての反射膜２３ｍにおける反射特性（反射率特性）を示している。

この場合において、曲線Ｓ１～Ｓ５は、映像光ＭＬの波長帯域のうち長波長側の６５０ｎｍ程度までについて必要な要件を満たしている。すなわち、反射膜２３ｍが反射率５０％程度に維持され、シースルーミラー２３をハーフミラーとして機能させることが可能になっている。図６に示す場合では、反射膜２３ｍの膜厚が想定（表１に示す膜厚）よりも薄くなっているため、曲線Ｓ１～Ｓ５の全体ＷＷ２を、図５の曲線Ｑ１～Ｑ５の全体ＷＷ１と比べると、反射率５０％が維持される範囲すなわち反射特性が維持される範囲が、全体的に短波長側へシフトしていることが分かる。しかしながら、既述のように、予め表１に示す膜厚における反射特性（反射率特性）を、映像光射出装置１０２ａから射出される映像光ＭＬの波長帯域（例えば長波長側において６５０ｎｍ）よりも広い波長帯域に対応する（例えば７５０ｎｍ程度まで反射率を維持）ようにしている。これにより、第２領域Ｄ２のように、反射膜２３ｍの膜厚が薄くなって反射特性（反射率特性）が短波長側へシフトした領域が生じていても、映像光ＭＬの反射に必要な波長帯域（例えば長波長側において６５０ｎｍ）での反射特性（反射率特性）を維持でき、延いては、画像の劣化を抑制して、良好に維持できる。

以下、図７等を参照して、本実施形態に対する従来例について考察する。従来例として図７のグラフに例示する特性を有する反射膜２３ｍでは、膜厚差が生じた場合に、色むらを発生させてしまう可能性がある。具体的には、図７のグラフのうち、曲線Ｑ１～Ｑ５の全体ＷＷ１と、曲線Ｓ１～Ｓ５の全体ＷＷ２とは、図５及び図６の場合と同様、反射膜２３ｍに対する光の入射角度ごとにおける反射特性を示している。すなわち、図示において、横軸は、光の波長帯域を示し（単位：ｎｍ）、縦軸は、光の分光特性（反射特性）として反射率を示しており（単位：％）、全体ＷＷ１は、想定された膜厚における反射特性（反射率特性）を示しており、全体ＷＷ２は、想定された膜厚よりも２０％薄くなった場合における反射特性（反射率特性）を示している。

以上の場合、全体ＷＷ１では、例えば６５０ｎｍの範囲程度まで５０％程度の反射率が維持されているが、全体ＷＷ２では、短波長側へのシフトが生じ、６００ｎｍ程度までしか反射率が維持されていない。この場合、長波長側すなわち赤色波長帯域において、反射の低下が生じて色むらが発生し、延いては画像の劣化が生じてしまうおそれがある。

図８は、図７に示したような従来例の反射膜の反射率特性と、本実施形態における反射膜の反射率特性とを比較するための概念的なグラフである。なお、図示において、横軸は、光の波長帯域を示し（単位：ｎｍ）、縦軸は、光の分光特性（反射特性）として反射率を示している（単位：％）。例えば図５～図７に例示したものの平均値のようなものに相当する。

図８において、領域ＡＲ１のグラフは、従来例の反射膜の反射率特性を示し、領域ＡＲ２のグラフは、本実施形態における反射膜２３ｍの反射率特性を示している。図中実線で示す曲線Ｃ１は、第１領域Ｄ１のように想定された膜厚における光の分光特性を示し、図中破線で示す曲線Ｃ２は、第２領域Ｄ２のように想定された膜厚よりも薄い膜厚における光の分光特性を示している。また、映像光ＭＬとして使用する波長帯域を、ハッチングした範囲ＸＸとして示している。領域ＡＲ１に示すように、また、図７を参照して説明したように従来例では、曲線Ｃ１については、範囲ＸＸにおいて所望の分光特性（反射特性）を維持しているが、それよりも広い範囲では、維持しない構成となっている。このため、分光特性（反射特性）について短波長側にシフトが生じる曲線Ｃ２については、範囲ＸＸの長波長側において維持できないものとなっている。これに対して、本実施形態では、領域ＡＲ２に示すように、範囲ＸＸより長波長側についてより広い範囲で所望の分光特性（反射特性）を維持することで、シフトが生じても、曲線Ｃ１及び曲線Ｃ２の双方において、範囲ＸＸにおいて、所望の分光特性（反射特性）が維持される。

以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置としての画像表示装置１００は、映像光ＭＬを射出する映像光射出装置１０２ａ（映像光射出装置１０２ｂ）と、映像光ＭＬを反射する反射膜２３ｍを有する光学部材としてのシースルーミラー２３（コンバイナー１０３ａ，１０３ｂ）と、を備え、シースルーミラー２３は、映像光ＭＬのうち中心画角となる光線ＭＬｃが入射する第１領域Ｄ１と、映像光ＭＬのうち中心画角となる光線ＭＬｃとは異なる光線ＭＬｐ１，ＭＬｐ２が入射する第２領域Ｄ２とを有し、反射膜２３ｍの第１領域Ｄ１における膜厚ｄは、第２領域Ｄ２における膜厚ｄ'よりも厚く、反射膜２３ｍは、映像光射出装置１０２ａから射出される映像光ＭＬの波長帯域よりも広い波長帯域に対応する反射率特性を有する。この場合、反射膜２３ｍの第１領域Ｄ１は、映像光射出装置１０２ａから射出される映像光ＭＬの波長帯域よりも長波長側に広い波長帯域に対応する反射率特性を有することで、第１領域Ｄ１における膜厚ｄと第２領域Ｄ２における膜厚ｄ'とに差（膜厚差）が生じていても、膜厚差に起因する反射率特性に差が生じることを抑制し、映像光ＭＬの反射膜２３ｍでの反射における色むらを低減することができるので、良好な画像形成が可能となる。

〔第２実施形態〕
以下、図９等を参照して、第２実施形態に係る虚像表示装置としての画像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る画像表示装置の一例としての画像表示装置は、第１実施形態の画像表示装置１００を一部変更したものであり、反射膜２３ｍを構成する誘電体多層膜の構成を除いた他の構成については、同様であるので、全体構成について他の図と同符号としているものについては、詳細な図示や説明を省略し、必要に応じて、適宜他の図面を参照して説明した事項を援用するものとする。

下記表２は、本実施形態において、誘電体多層膜で構成される反射膜２３ｍについての一例を示すデータ表である。

表２に示すように、ここでの一例では、ＳｉＯ_２－ＴｉＯ_２の組み合わせで構成されている１３層構造の誘電体多層膜により反射膜２３ｍが形成されている。

図９及び図１０は、本実施形態に係る画像表示装置１００のうち、シースルーミラー２３の第２領域Ｄ２における反射膜２３ｍの反射率特性について一例を説明するためのグラフであり、図６に対応する図である。なお、図９は、第２領域Ｄ２の一例として、反射膜２３ｍの膜厚が上記表２に示す構成に対して、３０％薄くなっている場合の反射率特性について示しており、図１０は、第２領域Ｄ２の他の一例として、反射膜２３ｍの膜厚が２０％薄くなっている場合の反射率特性について示している。すなわち、図９は、第２領域Ｄ２のうち第１領域Ｄ１に対する角度θ（図４参照）がより大きくなっている箇所について示している一方、図１０は、第２領域Ｄ２のうち図９の場合よりも角度θ（図４参照）が小さくなっている箇所について示している。

さらに、図１１は、シースルーミラー２３の第１領域Ｄ１における反射膜２３ｍの反射率特性について一例を説明するためのグラフであり、図５に対応する図である。つまり、上記表２に示す構成の膜厚を有している場合の反射率特性について示している。

なお、各図において、横軸は、光の波長帯域を示し（単位：ｎｍ）、縦軸は、光の反射率を示している（単位：％）。

図９において、曲線Ｒ１～Ｒ５については、他の図と同様である。すなわち、曲線Ｒ１は、入射角度２０°で反射膜２３ｍの第２領域Ｄ２に対して入射する成分の波長ごとの反射率を示す曲線であり、以下同様に、曲線Ｒ２は、入射角度２５°、曲線Ｒ３は、入射角度３０°、曲線Ｒ４は、入射角度３５°、曲線Ｒ５は、入射角度４０°での反射特性を示しており、その全体ＷＷ３としては、入射角度２０°～４０°の範囲で入射する光についての反射膜２３ｍにおける反射特性（反射率特性）を示している。なお、図１０の曲線Ｓ１～Ｓ５、図１１の曲線Ｑ１～Ｑ５については、図６及び図５の場合と同様であるので、説明を省略する。

本実施形態では、図９に示す場合のように、反射膜２３ｍの膜厚がより薄くなって、これに伴い反射特性（反射率特性）がより短波長側へシフトした領域が生じていても、映像光ＭＬの反射に必要な波長帯域（例えば長波長側において６５０ｎｍ）での反射特性（反射率特性）を維持でき、延いては、画像の劣化を抑制して、良好に維持できる。また、本実施形態の場合、図１０に示すように、反射膜２３ｍの膜厚がある程度薄くなって、これに伴い反射特性（反射率特性）がある程度短波長側へシフトした領域が生じていても、反射特性（反射率特性）が維持される。なお、図１０に示す一例においては、長波長側において６５０ｎｍよりも広い範囲（例えば７５０ｎｍ程度まで）について反射特性（反射率特性）が維持されている。さらに、図１１に示すように、反射膜２３ｍは、第１領域Ｄ１において、９００ｎｍ程度まで反射特性（反射率特性）が維持されている。すなわち、反射膜２３ｍは、第１領域Ｄ１において、９００ｎｍまでの波長成分に対応する反射率特性を有している。

本実施形態においても、反射膜２３ｍは、映像光射出装置１０２ａ，１０２ｂから射出される映像光ＭＬの波長帯域よりも広い波長帯域に対応する反射率特性を有することで、反射膜２３ｍにおける膜厚差に起因する反射率特性に差が生じることを抑制し、映像光ＭＬの反射膜２３ｍでの反射における色むらを低減することができるので、良好な画像形成が可能となる。特に、本実施形態では、第１領域Ｄ１において、９００ｎｍまでの波長成分に対応する反射率特性を有していることで、反射膜２３ｍの膜厚が想定より３０％薄くなっている場合（例えば角度θが５０°程度）であっても、これに対応して、良好な画像形成が維持される。

〔変形例その他〕
以上各実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記において、反射膜２３ｍを有する光学部材であるシースルーミラー２３（コンバイナー１０３ａ，１０３ｂ）の形状については、軸外し光学系となっているところ、その光学面は、自由曲面を含むものであったり、あるいは、少なくも一部の光学面を非球面や球面に置き換えたりすることも考えられ、したがって、第１領域Ｄ１や第２領域Ｄ２の形状すなわち角度θについては、種々のものが考えられる。この場合、生じる膜厚差についても、一様ではなく、曲面形状に従って、場所ごとに異なっている。ただし、このような態様に限らず、例えば、全体形状が球面状となっている光学部材において、本発明を適用することも可能である。

また、上記では、反射膜２３ｍの成膜の一例として、真空蒸着法によるものを示したが、これに限らずスパッタ等種々の方法で成膜する場合においても、生じる膜厚差に応じて、本発明を適用することが考えられる。

また、上記では、誘電体多層膜により反射膜２３ｍを構成するものを例示したが、これに限らず、例えば、誘電体多層膜に金属膜を介在させて反射膜２３ｍを構成すること等も考えられる。また、入射する光の角度範囲についての想定範囲等によっては、誘電体多層膜の構成についても、上述した材料以外の材料を用いるものとしてもよく、また、層数についても、上記以外とすることも考えられる。

また、上記では、反射膜２３ｍにおいて、例えば２０％程度、あるいはそれ以上（３０％程度）の膜厚差が生じることを想定した構成としているが、これに限らず、例えば最大膜厚差が１０％程度である場合に、本発明を適用することも考えられる。この場合、短波長側へのシフトも、図６や図９等の場合と比較して、それほど大きくならないと考えられ、例えば、第１領域Ｄ１において、映像光ＭＬの波長帯域よりも１．１倍程度広い波長帯域に対応するような反射膜特性を有する構成の反射膜２３ｍとすることが考えられる。

また、上記では、映像光ＭＬについての長波長側の使用領域を、およそ６５０ｎｍとし、この値を、広げるべき波長帯域を定める上での指標の１つとしているが、使用する光源の波長特性（光源のスペクトル）等に応じて、およそ６５０ｎｍとする場合に限らず、種々の値を指標とすることが考えられる。

また、表示素子１１ａとして、上記したＯＬＥＤディスプレイ（有機ＥＬディスプレイ）等のほか、自発光型の映像光生成装置に限らず、ＬＣＤその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子をバックライトのような光源（発光部）によって照明することによって画像を形成するものを採用してもよい。表示素子１１ａとして、ＬＣＤに代えて、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon, ＬＣｏＳは登録商標）や、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることも考えられる。

また、上記では、画像表示装置１００について、虚像としての映像を認識させるとともに、外界像を視認又は観察させるシースルータイプの構成としているが、外界像の視認を伴わない構成（いわゆるクローズタイプにおいて、適用をすることも可能である。

なお、上記では、両眼用の画像表示装置１００としているが、画像表示装置１００については、右眼用又は左眼用の部分のうち一方を省略することができ、この場合、片眼型のヘッドマウントディスプレイとなる。

具体的な態様における虚像表示装置は、映像光を射出する映像光射出装置と、映像光を反射する反射膜を有する光学部材と、を備え、光学部材は、映像光のうち中心画角となる光線が入射する第１領域と、映像光のうち中心画角となる光線とは異なる光線が入射する第２領域とを有し、反射膜の第１領域における膜厚は、第２領域における膜厚よりも厚く、反射膜の第１領域は、映像光射出装置から射出される映像光の波長帯域よりも長波長側に広い波長帯域に対応する反射率特性を有する。

上記虚像表示装置では、反射膜は、第１領域において、映像光射出装置から射出される映像光の波長帯域よりも長波長側について広い波長帯域に対応する反射率特性を有することで、第１領域における膜厚と第２領域における膜厚とに差（膜厚差）が生じていても、膜厚差に起因する反射率特性に差が生じることを抑制し、映像光の反射膜での反射における色むらを低減することができるので、良好な画像形成が可能となる。

具体的な側面において、光学部材は、曲面形状を有し、第１領域で反射した成分と第２領域で反射した成分とにより、射出瞳を形成する。この場合、光学部材で反射された成分により虚像を視認させることができる。

具体的な側面において、第１領域における反射膜の膜厚と、第２領域における反射膜の膜厚とは、第１領域における反射膜の膜厚をｄとし、第２領域における反射膜の膜厚をｄ'とし、第１領域に対する第２領域の傾き角度をθとした場合、以下の関係式
ｄ'＝ｄｃｏｓθ
を満たす。この場合、第１領域と第２領域との傾き角度の差に応じて生じる上記膜厚の差に対応するような反射率特性を有する反射膜とすることで、良好な画像形成が可能となる。

具体的な側面において、反射膜の第１領域における反射率特性は、映像光射出装置から射出される映像光の波長帯域よりも、１．２倍以上広い波長帯域に対応する。この場合、第２領域における反射率特性が第１領域と異なっていても、必要な反射率特性が確保された状態にできる。

具体的な側面において、反射膜は、第１領域において、９００ｎｍまでの波長成分に対応する反射率特性を有する。この場合、例えば光学部材について、第１領域に対する第２領域の角度が３０°程度あるような形状であっても、必要な反射率特性を維持できる。

具体的な側面において、反射膜は、部分透過性を有し、光学部材は、反射膜において、映像光射出装置から射出される映像光の一部を折り返すとともに、外界光の一部を透過させるコンバイナーである。この場合、いわゆるシースルーによる視認が可能となる。

具体的な側面において、反射膜は、真空蒸着法により成膜される誘電体多層膜である。この場合、真空蒸着法により必要に足る緻密性を有する成膜が可能となるとともに、誘電体多層膜によって角度特性等種々の特性に応じた反射膜を構成できる。

具体的な側面において、映像光射出装置は、映像光として、無偏光の成分を射出する。この場合、反射膜の製作において、偏光分離特性の影響を受けないものとすることができる。

１１ａ…表示素子、１１ｄ…表示面、２０…結像光学系、２１…投射レンズ、２１ｐ…第１レンズ、２１ｑ…第２レンズ、２２…プリズムミラー、２２ａ…入射面、２２ｂ…内反射面、２２ｃ…射出面、２３…シースルーミラー（光学部材）、２３ａ…反射面、２３ｂ…板状体、２３ｍ…反射膜、２８…板状光学素子、１００…画像表示装置、１００Ａ…第１表示装置、１００Ｂ…第２表示装置、１０２…映像光射出装置、１０２ａ，１０２ｂ…映像光射出装置、１０３ａ，１０３ｂ…コンバイナー、２００ａ…本体、２００ｂ…支持装置、ＡＲ１，ＡＲ２…領域、ＡＸ…光軸、ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３…光軸部分、Ｃ１，Ｃ２…曲線、ＣＣ…真空チャンバー、ＣＰ…中央部分、Ｄ１…第１領域、Ｄ２…第２領域、ＤＤ１…矢印、ＤＳ…成膜材料（蒸着源）、ＥＰ…周辺部分、ＥＲ…アイリング、ＥＹ…眼、ＬＬ…方向軸、ＭＬ…映像光、ＭＬｃ，ＭＬｐ１，ＭＬｐ２…光線、ＭＭ…基材、ＯＬ…外界光、ＯＳ…光学系、Ｐ１～Ｐ３…光路、ＰＰ…瞳位置、Ｑ１～Ｑ５，Ｒ１～Ｒ５，Ｓ１～Ｓ５，ＲＲ１…曲線、ＳＥ…堆積物、ＳＰ１…空間、ＳＳ…表面（界面）、ＳＳａ…面、ＵＳ…装着者、ＷＷ１～ＷＷ３…全体、ＸＸ…範囲、ｄ…膜厚、ｄ'…膜厚、θ…角度（傾き角度）、θ'…角度

Claims (6)

1. 映像光を射出する映像光射出装置と、
   前記映像光を反射する反射膜を有する光学部材と、
   を備え、
   前記光学部材は、前記映像光のうち中心画角となる光線が入射する第１領域と、前記映像光のうち前記中心画角となる光線とは異なる光線が入射する第２領域とを有し、
   前記反射膜の前記第１領域における膜厚は、前記第２領域における膜厚よりも厚く、
   前記反射膜の前記第１領域は、前記映像光射出装置から射出される全色にわたる前記映像光の波長帯域を含んで前記映像光の波長帯域の長波長端の１．２倍の波長まで長波長側に広い波長帯域で、反射率が等しい反射率特性を有し、
   前記第１領域における前記反射膜の膜厚と、前記第２領域における前記反射膜の膜厚とは、前記第１領域における前記反射膜の膜厚をｄとし、前記第２領域における前記反射膜の膜厚をｄ'とし、前記第１領域に対する前記第２領域の傾き角度をθとした場合、以下の関係式
   ｄ'＝ｄｃｏｓθ
   を満たす、虚像表示装置。
2. 前記光学部材は、曲面形状を有し、前記第１領域で反射した成分と前記第２領域で反射した成分とにより、射出瞳を形成する、請求項１に記載の虚像表示装置。
3. 前記反射膜は、前記第１領域において、前記映像光の波長帯域から９００ｎｍまでの波長成分に対応する反射率が等しくなっている、請求項１及び２のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
4. 前記反射膜は、部分透過性を有し、
   前記光学部材は、前記反射膜において、前記映像光射出装置から射出される前記映像光の一部を折り返すとともに、外界光の一部を透過させるコンバイナーである、請求項１～３のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
5. 前記反射膜は、誘電体多層膜である、請求項１～４のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
6. 前記映像光射出装置は、前記映像光として、無偏光の成分を射出する、請求項１～５のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

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