图像观察设备

技术领域

本发明涉及能够通过目镜光学系统(ocular optical system)来观察显示元件上所显示的图像的图像观察设备。

背景技术

作为能够通过目镜光学系统来观察显示元件上所显示的图像的图像观察设备，已知被穿戴在观察者的头部上的头戴式显示器(HMD)。在这样的HMD中，有时使用用于使光路弯曲的目镜光学系统来实现小型化和广视角这两者。可以给出使用偏振光的偏振光学系统以及在透镜内部具有反射面的自由曲面棱镜等作为这样的目镜光学系统的示例。

这样的目镜光学系统的特征在于焦距更短，这增加了来自周边视角处的显示元件的光出射角，并且趋于使显示元件的视场角特性降低(导致了亮度和色度的偏移)。这样的系统也容易产生所谓的“鬼影光(ghost light)”，该鬼影光是穿过非设计意图的光路的光。例如，在塑料透镜用作偏振光学系统的一部分以减轻重量时，该塑料透镜内的双折射可能扰乱光的偏振状态并产生鬼影。

专利文献1和专利文献2公开了具有使用偏振光来提供宽视角的目镜光学系统的HMD。此外，专利文献2公开了使设置在显示元件上的滤色器的大小随着从中心到周边的距离而增加，这改善了周边视角处的视场角特性。

引文列表

专利文献

专利文献1：日本特开2019-053152

专利文献2：日本特表2019-61198

发明内容

发明要解决的问题

然而，在专利文献2中所公开的HMD中，光源和滤色器的中心被对准，使得在显示元件的法线方向上的视场角特性良好，因而无法减少由透镜双折射导致的鬼影。

考虑到上述问题，本发明提供了能够在改善被配置为使光路弯曲的目镜光学系统的周边视角处的视场角特性的同时减少鬼影的图像观察设备。

用于解决问题的方案

根据本发明的图像观察设备包括：显示元件，其包括以二维方式布置在平面上的多个发光元件和针对所述多个发光元件中的相应发光元件而设置的多个微透镜；以及目镜光学系统，其内部包含至少一个反射面，并且用于将来自所述显示元件的显示面的光引导至出射光瞳。在所述显示元件的周边部中，各个发光元件的发光中心和与该发光元件相对应的微透镜的中心在与所述平面平行的方向上彼此偏移。

发明的效果

根据本发明，能够在改善被配置为使光路弯曲的目镜光学系统的周边视角处的视场角特性的同时减少鬼影。

从结合附图进行的以下描述中，本发明的其他特征和优点将是清楚的。注意，在整个附图中，相同的附图标记表示相同或相似的组件。

附图说明

并入说明书中并构成说明书的一部分的附图示出本发明的实施方式，并且附图与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明的第一实施方式的显示元件的平面图。

图2是图1中的显示元件的边缘的放大图。

图3A是第一实施方式的显示元件的截面图。

图3B是第一实施方式的显示元件的截面图。

图3C是第一实施方式的显示元件的截面图。

图4A是不具有微透镜的显示元件的截面图。

图4B是微透镜未偏移的显示元件的截面图。

图4C是第一实施方式的显示元件的截面图。

图5A是示出成为正常光和鬼影光的光线的光学条件的图。

图5B是示出成为正常光和鬼影光的光线的光学条件的图。

图5C是示出成为正常光和鬼影光的光线的光学条件的图。

图6A是示出成为正常光的光线与滤色器的偏移量ΔCF之间的关系的图。

图6B是示出成为正常光的光线与滤色器的偏移量ΔCF之间的关系的图。

图7是第一实施方式的显示元件的平面图。

图8A是第一实施方式的显示元件的平面图。

图8B是第一实施方式的显示元件的平面图。

图9是示出根据第一实施方式的显示装置的示例的示意图。

图10A是示出根据第一实施方式的摄像装置和电子装置的图。

图10B是示出根据第一实施方式的摄像装置和电子装置的图。

图11A是示出根据第一实施方式的显示装置的示例的图。

图11B是示出根据第一实施方式的显示装置的示例的图。

图12A是示出根据第一实施方式的照明装置和汽车的图。

图12B是示出根据第一实施方式的照明装置和汽车的图。

图13A是示出根据第一实施方式的眼镜型显示装置的示例的图。

图13B是示出根据第一实施方式的眼镜型显示装置的示例的图。

图14是示出根据第一实施方式的HMD的配置的图。

图15是根据第一实施方式的HMD的外观图。

图16是示出第一实施方式中的目镜光学系统的配置的图。

图17是第一实施方式中的目镜光学系统的光路图。

图18是示出第一实施方式中的鬼影光的光路的图。

图19是示出第一实施方式中的显示面的水平边缘处的视场角特性的图。

图20是示出第二实施方式中的HMD的配置的图。

图21是示出第二实施方式中的目镜光学系统的配置的图。

图22是第二实施方式中的目镜光学系统的光路图。

图23是示出第二实施方式中的鬼影光的光路的图。

图24是示出第三实施方式中的HMD的配置的图。

图25是示出第三实施方式中的目镜光学系统的配置的图。

图26是第三实施方式中的目镜光学系统的光路图。

图27A是示出第三实施方式中的鬼影光的光路的图。

图27B是示出第三实施方式中的鬼影光的光路的图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述实施方式。注意，以下实施方式不旨在限制所要求保护的本发明的范围。在实施方式中描述了多个特征，但不限制为需要所有这样的特征的发明，并且可以适当地组合多个这样的特征。此外，在附图中，对相同或类似的配置给出相同的附图标记，并且省略其冗余描述。

在本发明的实施方式中，通过使设置在发光元件上的微透镜的中心位置相对于该发光元件的发光中心位置偏移，可以在改善使光路弯曲的目镜光学系统的周边视角处的视场角特性的同时减少鬼影。

首先，将描述改善了视场角特性并减少了鬼影的显示元件的实施方式。然后，作为显示元件和使光路弯曲的目镜光学系统的组合的示例，第一实施方式和第二实施方式将描述使用偏振光的偏振光学系统的实施方式，并且第三实施方式将描述使用自由曲面棱镜的实施方式。将在实施方式中描述使光路弯曲的目镜光学系统的优选形式。

在下文中将参考附图描述本发明的显示元件的实施方式。注意，对于本说明书中未具体示出或描述的部分，应用了在相应技术领域中众所周知或公知的技术。此外，本发明不旨在限于下面描述的实施方式。

第一实施方式

图1是根据本发明的第一实施方式的显示元件的平面图。显示元件100具有显示区域1，在该显示区域1中，发光元件10以二维方式排列在基板8(参见图3A至图3C)的主面(平面)上，并且生成图像。然而，本发明的效果不依赖于像素阵列。换句话说，可以使用诸如图1所示的像素阵列等的三角(delta)阵列，或者可以使用条带阵列或正方形阵列。

图2是示出图1所示的显示区域1中的边缘区域2的放大图的图。如图2所示，在边缘区域2(显示区域1)中，设置有布置在基板8的主面上的发光元件10、以及来自发光元件10的发光区域17(参见图3A至图3C)的光入射通过的微透镜15。在来自与基板8的主面垂直的方向的平面图中，发光元件10的发光区域17的中心和微透镜15的中心在与主面平行的方向上偏移。边缘区域2在显示区域的中心的周边，并且因此，边缘区域2有时被称为“周边部”。

图3A是沿图2中的A-A’线切割的边缘区域2的截面图，并且示出在基板的相反侧具有凸微透镜的发光元件。这里示出了将有机EL元件用作发光元件10的示例。在附图中，有机EL元件(发光元件10)以间距D布置。间距D是在基板8的主面的方向上、在给定发光元件10的发光区域17的中心位置18和相邻发光元件10的发光区域17的中心位置18’之间的距离。

基板8上的发光元件10具有布置在基板8的主面上的第一电极11、包括发光层的有机层12、以及布置在第一电极11上的与第一电极11之间夹持该有机层12的第二电极13。附加地，为了维持显示区域1的最外周的发光元件10的特性，将哑(dummy)像素10’布置在作为显示区域1的边缘的点A和点A’之间的线所示的范围外侧。哑像素10’可以形成为多列和多行。

有机层12可以被配置为具有在发光元件10之间作为共同层而沉积的用于发射单个发光色的发光层，使得显示元件100可以显示单个发光色。还可以通过对针对各个发光元件10发射不同颜色的发光层进行图案化来配置有机层12，使得显示元件100可以显示至少两个颜色。显示元件100的各个像素覆盖了第一电极11的边缘并在第一电极11上方具有开口，并且具有用作堤(bank)的绝缘层16、布置在第二电极13上的保护层14和微透镜15。从发光元件10出射的光进入微透镜15。

在本实施方式中，在箭头B所示的方向上相对于发光元件10的发光区域17偏移地布置微透镜15。箭头B所示的方向是在平面图中看显示元件100时使光路弯曲的目镜光学系统的主光线投射到主面上的方向。通过使用这样的配置，与在未设置微透镜的情况、以及在将微透镜和发光区域以在平面图中重叠的方式排列的情况等相比，通过目镜光学系统到达观察者的瞳孔的光的发光强度更大，这提高了发光层所出射的光的利用效率。另外，穿过非预期光路并被观察者感知为鬼影的光的发光强度减小。稍后将更详细地描述这些效果。期望图3A所示的本实施方式中的微透镜的折射率n1与微透镜上方的介质的折射率n0之间的关系为n0

在各个发光元件10中，微透镜15和发光区域17偏移意味着微透镜15的中心位置19和发光区域17的中心位置18在平面图中不重叠，而是隔开了给定距离。微透镜15的中心是由平面图中连接边缘的线形成的形状(轮廓)的重心。微透镜15的边缘是在该微透镜15的截面图中微透镜15在Z方向上的高度最低的位置。在图3A中，微透镜15的截面是球形形状(部分球体和半球体也被包括在球形形状中)，在这种情况下，微透镜15的中心与微透镜15的顶点一致。

在本实施方式中，微透镜15被布置成相对于发光元件10的发光区域17偏移。换句话说，在基板8的布置有发光元件10的面的平面图中，微透镜15的中心19和发光区域17的中心位置18隔开了给定距离(不一致)。这里，微透镜15的截面形状是球形，因而微透镜15的顶点和发光区域17的中心也隔开了给定距离。

在本实施方式中，微透镜15的间距(在布置有基板8中的发光元件10的面的平面图中相邻微透镜的中心之间的距离)是恒定的。发光元件10的间距(在基板8上布置有发光元件10的面的平面图中相邻发光元件10的发光区域的中心之间的距离)也是恒定的，并且与微透镜15的间距一致。因此，微透镜15和发光区域17偏移了一定距离(偏移量)。换句话说，本实施方式描述了在平面图中微透镜15的中心和发光区域17的中心之间的距离(微透镜偏移量)对于各个像素是恒定的示例。

在有机层12由用于发射白色光的层构成时，如图3B所示，可以在发光元件10和微透镜15之间设置滤色器20。图3B示出滤色器20相对于发光区域17偏移的示例。换句话说，在布置有发光元件10的基板8的面的平面图中，滤色器20的中心21和发光区域17的中心18隔开了给定距离。然而，为了抑制颜色偏移，可以将滤色器20布置成不相对于发光区域17偏移。换句话说，滤色器20的中心21和发光区域17的中心位置18可以被排列成在基板8的布置有发光元件10的面的平面图中一致。

图3C是示出滤色器和微透镜具有不同形式的发光装置的截面示意图。与其他实施方式不同，微透镜15’具有在图中向下方向上凸出的形状。图中的向下方向也可以被称为从半透射电极到反射电极的方向。微透镜15’和保护层14之间的空间可以是空隙，或者可以用其他材料填充。然而，期望微透镜的折射率n1与微透镜下方的介质的折射率n2之间的关系为n2＜n1。在图3C中，滤色器20布置在微透镜15’上方，但是滤色器20可以布置在微透镜15’和保护层14之间。微透镜15’的中心是由平面图中连接边缘的线形成的形状(轮廓)的重心。微透镜15’的边缘是在微透镜15的截面图中微透镜15在Z方向上的高度最低的位置。在图3C中，微透镜15’的截面为球形形状(部分球体和半球体也被包括在球形形状中)，在这种情况下，微透镜15’的中心与微透镜15’的顶点一致。

基板8可以是能够支撑第一电极11、有机层12和第二电极13的任何材料。例如，可以使用玻璃、塑料或硅等。可以在基板8中布置诸如晶体管等的开关元件、互连接件和层间绝缘膜等(未示出)。

第一电极11可以是透明的或不透明的。如果不透明，则期望是在发光波长处具有至少70％的反射率的金属材料。可以使用诸如Al和Ag等的金属；添加有Si、Cu、Ni或Nd等的合金；以及ITO、IZO、AZO或IGZO。这里，发光波长是指从有机层12发射的光谱范围。第一电极11可以是具有由诸如Ti、W、Mo、Au等的金属或其合金形成的势垒电极的层状电极，或者可以是包括诸如ITO或IZO等的透明氧化膜电极的层状电极，只要反射率高于期望即可。

另一方面，如果第一电极11是透明电极，则该配置可以使得反射层进一步设置在第一电极11下方。例如，ITO、IZO、AZO和IGZO可以用作透明电极。为了优化光学距离，可以在反射层和透明电极之间进一步设置其他绝缘膜。

第二电极13布置在有机层12上，并且是透光的。第二电极13可以是具有使到达其表面的光的一部分透射并反射其余部分的性质(即半透射反射性)的半透明材料。例如，可以使用诸如透明导电氧化物等的透明材料作为第二电极13的材料。可以使用由以下形成的半透明材料：诸如铝、银和金等的单个金属；诸如锂和铯等的碱金属；诸如镁、钙和钡等的碱土金属；以及包含这些金属材料的合金材料。特别优选基于镁或银的合金作为半透明材料的主要成分。只要达到优选透射率，第二电极13可以具有包括上述材料的层的层状配置。第二电极13可以由多个发光元件10共用。

第一电极11和第二电极13中的一个电极用作阳极，并且另一电极用作阴极。换句话说，第一电极11可以是阳极并且第二电极13可以是阴极，反之亦然。有机层12布置在第一电极11上，并且可以通过诸如气相沉积和旋涂等的公知技术形成。

有机层12可以由多个层构成。在有机层12是有机化合物层时，可以给出以下任意一个或组合作为多个层：空穴注入层、空穴传输层、电子阻挡层、发光层、空穴阻挡层、电子传输层和电子注入层。

在从阳极注入的空穴和从阴极注入的电子在有机化合物层中再结合时，发光层发射光。发光层可以由单个层或多个层构成。各个发光层可以具有红色发光材料、绿色发光材料和红色发光材料，并且还可以通过混合发光颜色来获得白色光。各个发光层还可以包含诸如蓝色发光材料和黄色发光材料等的处于互补颜色关系的发光材料。发光材料可以是荧光材料、磷光材料或延迟荧光材料等，或者可以是诸如CdS或钙钛矿等的量子点。也可以通过改变各个像素中的发光层的材料和构成来发射不同颜色。还可以针对发光元件10一对一地设置发光层。在这种情况下，可以针对各个发光元件10对发光层进行图案化。

保护层14是绝缘层，并且优选包含透光且对来自外部的氧气和水分具有低渗透性的无机材料。例如，可以使用诸如氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)、氧化硅(SiOx)、氧化铝(Al

只要保护层14具有足够的水分阻挡性能，保护层14可以具有单层结构或将上述材料与形成技术组合的层状结构。例如，可以使用氮化硅层和通过原子沉积形成的高密度层。此外，只要维持了水分阻挡性能，保护层14可以具有有机层。有机层例如包括聚丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚酯和环氧树脂等。此外，保护层14可以跨多个发光元件10而布置。为了消除保护层14的凹凸，可以在保护层14和微透镜15之间形成平坦化层。滤色器可以布置在微透镜15和保护层14之间，或者可以布置在微透镜15和平坦化层之间。

微透镜15可以通过曝光和显影处理形成。具体地，由用于形成微透镜的材料形成膜(光致抗蚀剂膜(photoresist film))，并且使用灰度连续变化的掩模来对该光致抗蚀剂膜进行曝光和显影。可以使用灰度掩模或面积灰度掩模作为掩模，其中该灰度掩模通过改变由小于或等于曝光装置的分辨率的分辨率处的遮光膜形成的点的密度分布来使得能够在成像面上进行连续灰度的曝光。

通过对通过曝光和显影处理所形成的微透镜进行回蚀(etch back)，可以调整透镜形状。只要微透镜的形状能够折射辐射光，该微透镜的形状可以是球形的或在截面形状上不对称的。

接下来将使用在与基板相反的一侧上具有凸微透镜的发光元件的示例来描述本实施方式的效果。本实施方式的效果与微透镜的凸出形状的方向无关。换句话说，如图3C所示，可以使用在图中在向下方向上具有凸出形状的微透镜。

图4A至图4C是在沿图2中的A-A’线切割时的边缘区域2的截面图。图4A和图4B分别示出未布置微透镜15的配置以及将微透镜15和发光区域17布置成在平面图中不偏移地重叠的配置。

在图4A中，辐射角(辐射的角度)21表示正常光的主光线在空气中的辐射角，并且辐射角22表示鬼影光在空气中的辐射角。正常光是穿过根据透镜设计所设计的光路并在观察者的瞳孔中形成图像的光。主光线是正常光中的穿过观察者瞳孔的中心的光。在使光路弯曲的目镜光学系统中，焦距缩短，因而如图4A所示，在显示区域1的边缘处，正常光的主光线在空气中的辐射角增加。

另一方面，鬼影光是从发光元件发射并穿过非设计意图的光路的光，并且该鬼影光被观察者观察为鬼影(ghosting)。通常，如图18和图23所示，鬼影光的光路大致由显示区域1的发光元件和观察者的瞳孔之间的位置关系来确定。在这种情况下，如图4A所示，辐射角减小，并且该辐射角的方向关于基板的主面的法线方向与正常光的方向相对。

图4A示出在未设置微透镜时的从发光元件10出射的光。矢量(箭头)的方向表示光行进的方向，并且矢量的大小表示辐射光的强度。通常，发光元件具有辐射角依赖性，使得该角度越宽，辐射强度变得越低。因此，在未设置微透镜时，在正常光的主光线的辐射角21的方向上出射的光23比在鬼影光的辐射角22的方向上出射的辐射光24弱。换句话说，在显示区域1的边缘处，从发光元件出射的光的光强度对于鬼影光比对于正常光更强。这同样适用于如图4B所示在微透镜15和发光区域17被布置成在平面图中重叠时，其中在正常光的主光线的辐射角21的方向上出射的光25比在鬼影光的辐射角22的方向上出射的辐射光26弱。

图4C示出本实施方式，其中微透镜15和发光区域17偏移了给定距离。通过使微透镜15相对于发光区域17在箭头B所示的方向上偏移，光被折射通过微透镜15的表面28，这大幅增加了在正常光的主光线的辐射角21的方向上出射的光27的强度。同时，在辐射角22的方向上的鬼影光的强度显著降低。这是由于如下的事实：鬼影光主要在相邻微透镜15的表面29处被折射到广角侧，或者通过全反射而被限制在微透镜内。这里，如作为图4C中的微透镜15的平面图的、图4C中的右上部分所示，表面28和表面29分别是指将穿过微透镜15的中心并与箭头B的方向正交的平面作为边界的、在箭头B的反向方向和正向方向上的表面。

通过将微透镜15和发光区域17布置成偏移了给定距离，不仅可以增加在显示区域1的边缘处的正常光的发光强度，而且还可以同时减少鬼影光。

图5A是示出发光区域17、微透镜15和正常光出射角之间的关系的截面图。在图5A至图5C中，布置了具有高度h、半径r和折射率n的微透镜15。

光以角度θ1从发光区域17发射，并且在微透镜15上的点A处在角度θ2的方向上弯曲。这里，微透镜表面的法线在点A处相对于此时基板8的法线的倾斜度为角度α。假设α+θ1为β，则根据斯涅耳(Snell)定律建立下式(1)。

1×sin(θ2+α)＝n×sinβ＝n×sin(θ1+α) ...(1)

通过求解θ1的式(1)，θ1由式(2)表示。

θ1＝sin

如图5A所示，在光将从发光区域17发射到广角侧时(θ2>θ1)，将主要使用入射到α为正的区域(即，图5A中的微透镜15的顶点右侧的区域，或者换句话说表面28)的光。

为了有效地使用微透镜15直至其边缘，期望相对于正常光的主光线的辐射角θ2，在微透镜15的整个区域中α<θ2。

这里，假设ΔML是微透镜15的顶点相对于发光区域17的中心的偏移量。为了增加在期望出射角θ2处的发射强度，可以针对微透镜15上的各点处的α来计算满足上式(2)的θ1和β，并且可以设置ΔML使得在任一β方向上存在发光区域X。换句话说，随着图5A所示的发光区域X与发光区域17的比例增加，正常光的光强度也增加。

另一方面，图5B是示出发光区域17、微透镜15和鬼影光出射角之间的关系的截面图。光以角度θ1’和角度θ1”从发光区域发射，并且该光分别在微透镜上的点A’和点A”处在角度θ2’的方向上弯曲。这里，微透镜表面的法线在点A和点A”处相对于此时基板8的法线的倾斜度分别为角度α’和α”。如正常光的情况那样，θ1’和θ1”由式(3)和式(4)表示。

θ’1＝sin

θ”1＝sin

为了减小作为鬼影光的在出射角θ2’处的光的出射强度，期望发光区域Y1和Y2不与发光区域17重叠。具体地，可以增加从式(3)和式(4)获得的θ1’和θ1”。这是因为增加θ1’和θ1”会降低从发光元件出射的光的光强度。在超过给定的临界角时，在内部发生全反射并且光不会到达微透镜。

以这种方式，可以确定偏移量ΔML，使得发射正常光的发光区域X相对于发光区域17大，并且在产生鬼影光的方向上发射光的发光区域Y1和Y2小。在本实施方式中，可以适当地优化开口的形状，并且该形状可以是圆形、六边形或椭圆形等。例如，发光像素中的开口的形状可以被形成为使得X较大而Y1和Y2较小。

如图5C所示，期望在显示区域1的边缘2(参见图1)处的偏移量ΔML的范围满足下式(5)，其中假设微透镜15的高度由h表示，从第一电极11到微透镜15的底面的高度由L表示，并且连接微透镜15的中心位置19和发光区域17的中心位置18的直线相对于基板8的法线方向的倾斜角由

接下来将描述滤色器的偏移量ΔCF。在有机层12由发射白色光的层构成时，如图3B所示，可以在发光元件10和微透镜15之间设置滤色器20。期望在显示区域1的边缘2处的ΔCF的范围满足式(6)(假设从第一电极11到滤色器20的顶面的高度由L2表示，连接滤色器20的顶面的中心位置21和发光区域17的中心位置18的直线相对于基板8的法线方向的倾斜角由

0≤A≤0.85...(6)

图6A和图6B是示出在显示区域1的边缘2处的发光区域17和微透镜15之间的位置关系的截面图，并且示出在正常光的辐射角21的方向上出射的分量。图6A示出A＝1作为不满足式(6)的示例的情况。如参考图5A所描述的，在正常光的辐射角21的方向上出射的光主要是通过微透镜15的表面28的辐射光32，但是存在一些穿过表面29的辐射光33。由于相对于基板8的法线方向的大辐射角，辐射光33的发光强度低于辐射光32的发光强度。然而，由于该大辐射角，辐射光33的色移程度大于辐射光32的色移程度。因此，如图6A所示，如果滤色器20以与微透镜15相同的比例(A＝1)偏移，则色移由于辐射光33而增加。色移是在显示区域1的中心处的基板8的法线方向上的色度与从显示区域1的边缘2在辐射角21的方向上出射的辐射光的色度之间的差。

另一方面，图6B是示出在满足式(6)时的在显示区域1的边缘2处的发光区域17和微透镜15之间的位置关系的截面图。如从图6B中可以看出的那样，减少偏移量ΔCF使得能够使用滤色器来阻挡具有高色移程度的辐射光33，这使得更容易抑制色移。虽然稍后将给出细节，但通过适当地优化偏移量ΔML和ΔCF，可以在抑制鬼影光的发光强度的同时，也抑制色移。

然而，如图3C所示，在滤色器被布置在图中向下方向上具有凸形状的微透镜上方时，不需要满足式(6)中的关系表达式，并且可以使用A＝1。这是因为在图6B所示的广角侧出射的辐射光33被保护层和微透镜之间的低折射率介质全反射，并且因此不会到达微透镜。

在本实施方式中，根据目镜光学系统的设计适当地调整显示区域1中的各位置处的偏移量ΔML。图7是沿着线E-E’切割的显示区域1的截面图，并且示出微透镜15和发光区域17之间的位置关系。这里，将描述如前所述在与基板相反的一侧具有凸微透镜的发光元件的示例。本实施方式的效果与微透镜的凸形状的方向无关。换句话说，可以使用如图3C所示在图中向下方向上具有凸形状的微透镜。

如图7所示，微透镜15可以被布置成使得偏移量ΔML(34)在显示区域1的中心位置处为0，并且偏移量ΔML朝向显示区域1的边缘增加，如由ΔML(35)、ΔML(36)和ΔML(37)所示。如图18和图23所示，鬼影光的量主要由显示区域1中的发光元件17的位置与观察者的瞳孔之间的直线关系来确定。照此，偏移量ΔML(34)至ΔML(37)可以作为发光元件17的位置的函数而线性地增加。偏移量ΔML可以被形成为相对于发光元件17的位置在宏观上连续变化。偏移量可以每像素地变化，或者可以在给定范围内阶梯状地变化，只要偏移量在宏观上连续变化即可。偏移量可以在给定范围内一次一个像素地变化，并且可以在其余范围中以阶梯状的方式变化。然而，如果焦距减小，则更接近显示元件100的透镜表面的非球面形状可以变化得更多，并且鬼影光的辐射角的变化率可以随着更接近显示区域1的边缘而增加。在这种情况下，可以增加偏移量ΔML的变化率以与鬼影光的辐射角的变化率匹配。图7示出显示区域1的中心处的偏移量ΔML(34)为0的情况，但是偏移量不必一定为0。可以在显示区域1中使偏移量ΔML均匀且恒定。

在具有目镜光学系统的图像观察设备中，如图7所示，偏移量ΔML的值被设计成使得在图8A和图8B中的水平边缘38或垂直边缘39处的视场角特性在偏移量ΔML朝向显示区域1的边缘增加时最佳。在这种情况下，在图8A中的对角区域40、41、42和43中，偏移量ΔML可以是接近发光元件的间距D的值，并且鬼影光的发光强度可以是高的。在这种情况下，如图8A所示，发光元件可以不布置在显示区域1中的对角区域40、41、42和43中的至少一个中。

如果在所有对角区域中未布置发光元件，则如区域44所示，显示区域变为八边形(n边形)。如果仅在对角区域40和42中未布置发光元件，则显示区域变为由区域41、43和44构成的六边形。如图8A中那样，发光元件和微透镜中的一者或这两者可以不布置在图8B中的对角区域45、46、47和48中的至少一个中。换句话说，如果在所有对角区域中未布置发光元件，则如区域49所示，显示区域变为六边形。微透镜可以或可以不布置在未布置发光元件的区域中。本实施方式中的发光元件和微透镜的排列可以根据光学设计适当地调整，并且配置可以使得发光元件布置在对角区域中并且仅不布置微透镜。

可替代地，在对角区域40、41、42和43(或45、46、47和48)中的微透镜的偏移量ΔML可以保持恒定，并且保持与边缘38或边缘39处的偏移量一致，以不超过水平边缘38和垂直边缘39处的微透镜的偏移量ΔML。

如上所述，通过在显示区域1的边缘处在与基板8的主面平行的方向上使发光区域17和微透镜15偏移，可以增加使光路弯曲的目镜光学系统的正常光的发光强度，并且可以减少鬼影。

接下来将描述示出上述显示元件在使光路弯曲的各种目镜光学系统中有效的数个实施方式。第一实施方式和第二实施方式描述了在使用偏振光的偏振光学系统中的应用示例。第三实施方式将描述自由曲面棱镜中的应用的示例。另外，还将在各个实施方式中描述使光路弯曲的目镜光学系统的期望配置。这里所描述的各个实施方式仅仅是代表性的示例，并且在执行本发明时可以对各个实施方式进行许多变形和改变。

这里将描述根据本实施方式的显示装置的配置。

图9是示出根据本实施方式的显示装置的示例的示意图。显示装置1000可以具有触摸面板1003、包括显示元件100的显示面板1005、框架1006、电路板1007、以及设置在顶盖1001和底盖1009之间的电池1008。触摸面板1003和显示面板1005连接到柔性印刷电路FPC1002和1004。晶体管被印刷在电路板1007上。如果显示装置不是便携式装置，则无需设置电池1008，或者即使显示装置是便携式装置，也可以在不同位置设置该电池1008。

根据本实施方式的显示装置可以包括具有红色、绿色和蓝色的滤色器。这些滤色器可以以红色、绿色和蓝色被排列成三角阵列的方式来布置。

根据本实施方式的显示装置可以用于移动终端的显示单元中。在这种情况下，可以提供显示功能和操作功能这两者。可以给出诸如智能电话等的移动电话、平板和头戴式显示器等作为移动终端的示例。

根据本实施方式的显示装置可以用作包括具有多个透镜的光学单元、以及用于接收穿过该光学单元的光的图像传感器的摄像装置中的显示单元。摄像装置可以具有用于显示图像传感器所获得的信息的显示单元。显示单元可以是暴露于摄像装置的外部的显示单元，或者可以是布置在取景器内的显示单元。摄像装置可以是数字照相机或数字摄像机。

图10A是示出根据本实施方式的摄像装置的示例的示意图。摄像装置1100可以包括取景器1101、后部显示器1102、操作单元1103和壳体1104。取景器1101可以具有根据本实施方式的显示装置。在这种情况下，显示装置不仅可以显示要拍摄的图像，而且可以显示环境信息和摄像指令等。环境信息可以包括环境光的强度、环境光的方向、被摄体正在移动的速度、以及被摄体将被遮蔽物遮挡的可能性等。

因为摄像的最佳定时非常短，所以最好尽可能快地显示信息。因此，优选使用利用本发明的有机发光元件的显示装置。这是因为有机发光元件具有高响应速度。在这样的需要高显示速度的装置中，可以比液晶显示装置更有利地使用利用有机发光元件的显示装置。

摄像装置1100包括未示出的光学单元。光学单元具有多个透镜，并且在被包含在壳体1104内的图像传感器上形成图像。可以通过调整多个透镜的相对位置来调整焦点。也可以自动进行该操作。摄像装置可以被称为光电转换装置。光电转换装置可以包括诸如检测与先前图像的差的方法以及从连续记录的图像切出的方法等的摄像方法，而不是顺次拍摄图像。

图10B是示出根据本实施方式的电子装置的示例的示意图。电子装置1200具有显示单元1201、操作单元1202和壳体1203。可以在壳体1203内设置电路、包括电路的印刷电路板、电池和通信单元。操作单元1202可以是按钮，或者可以是触摸面板型反应部件。操作单元可以是通过识别指纹等来解锁装置的生物识别单元。具有通信单元的电子装置也可以被称为通信装置。电子装置还可以包括镜头和图像传感器以提供照相机功能。在显示单元中显示通过照相机功能拍摄的图像。可以给出智能电话和膝上型计算机等作为电子装置的示例。

图11A和图11B是示出根据本实施方式的显示装置的示例的示意图。图11A示出诸如电视监视器或PC监视器等的显示装置。显示装置1300具有框架1301以及显示单元1302。根据本实施方式的发光装置可以用于显示单元1302中。

设置有框架1301以及用于支撑显示单元1302的基座1303。基座1303不限于图11A所示的形式。框架1301的底部边缘可以兼用作基座。

框架1301和显示单元1302也可以被弯曲。其曲率半径可以为至少5000毫米且至多6000毫米。

图11B是示出根据本实施方式的显示装置的另一示例的示意图。图11B所示的显示装置1310是显示面被配置为能够折叠的所谓的可折叠显示装置。显示装置1310具有第一显示单元1311、第二显示单元1312、壳体1313和折叠点1314。第一显示单元1311和第二显示单元1312可以具有根据本实施方式的发光装置。第一显示单元1311和第二显示单元1312可以是不具有接缝的单个显示装置。第一显示单元1311和第二显示单元1312可以在折叠点处分离。第一显示单元1311和第二显示单元1312可以显示不同的图像，或者可以跨第一显示单元和第二显示单元显示单个图像。

图12A是示出根据本实施方式的照明装置的示例的示意图。照明装置1400可以具有壳体1401、包括显示元件100的光源1402、电路板1403、滤光器1404和光扩散单元1405。光源可以具有根据本实施方式的有机发光元件。滤光器可以是提高光源的显色性的滤波器。光扩散单元可以诸如照明等有效地扩散来自光源的光并在宽范围中递送该光。滤光器和光扩散单元可以设置在照明的光发射侧。根据需要，可以在最外侧部分设置盖子。

照明装置例如是用于照亮房间的装置。照明装置可以发射白色、日光色或从蓝色到红色的任何其他颜色的光。也可以设置对光进行调光的调光电路。照明装置可以具有本发明的有机发光元件和与其连接的电源电路。电源电路是将AC电压转换为DC电压的电路。白色具有4200K的色温，并且日光色具有5000K的色温。照明装置可以具有滤色器。

根据本实施方式的照明装置还可以具有散热单元。散热单元从装置内部向装置外部散热，并且可以给出具有高比热的金属和液态硅等作为该散热单元的示例。

图12B是示出用作根据本实施方式的移动体的示例的汽车的示意图。汽车具有作为照明设备的示例的尾灯。汽车1500具有尾灯1501，并且可以在进行制动操作等时开启该尾灯。

尾灯1501可以具有根据本实施方式的有机发光元件。尾灯可以具有保护有机EL元件的保护构件。保护构件可以由具有一定程度的强度且透明的任何材料形成，但优选由聚碳酸酯等形成。聚碳酸酯可以与呋喃二羧酸衍生物或丙烯腈衍生物等混合。

汽车1500可以具有车身1503和附接到该车身1503上的窗1502。窗可以是透明显示器，只要该窗不用于检查汽车的前后即可。透明显示器可以具有根据本实施方式的有机发光元件。在这种情况下，构成有机发光元件的电极等的材料由透明构件构成。

根据本实施方式的移动体可以是船舶、飞机或无人机等。移动体可以具有机身和设置在该机身中的照明设备。照明设备可以发光以指示机身的位置。照明设备具有根据本实施方式的有机发光元件。

图13A和图13B是示出眼镜型显示装置的示意图，该眼镜型显示装置是应用了根据本发明实施方式的发光装置的可穿戴装置的示例。显示装置可以适用于例如可以作为可穿戴装置(诸如智能眼镜、HMD或智能隐形眼镜等)而穿戴的系统。在这样的应用示例中使用的摄像/显示装置可以具有能够光电转换可见光的摄像装置和能够发射可见光的显示装置。

图13A示出根据一个应用示例的眼镜1600(智能眼镜)。诸如CMOS传感器或SPAD等的摄像装置1602设置在眼镜1600的透镜1601的前表面侧。上述实施方式的显示装置设置在透镜1601的后表面侧。

眼镜1600还设置有控制装置1603。控制装置1603用作用于向摄像装置1602和根据实施方式的显示装置供电的电源。控制装置1603还控制摄像装置1602和显示装置的操作。在透镜1601中形成用于将光聚焦到摄像装置1602上的光学系统。

图13B示出根据一个应用示例的眼镜1610(智能眼镜)。眼镜1610具有控制装置1612，并且该控制装置1612包括显示装置和与摄像装置1602相对应的摄像装置。在透镜1611中形成用于投射从控制装置1612内的摄像装置和显示装置发射的光的光学系统，并且将图像投射到透镜1611上。控制装置1612用作用于向摄像装置和显示装置供电的电源，并且还控制摄像装置和显示装置的操作。控制装置可以包括用于检测穿戴者的注视的注视检测单元。红外光可以用于注视检测。红外光发射单元朝向注视显示图像的用户的眼球发射红外光。在所发射的红外光中的来自眼球的反射光由具有受光元件的摄像单元检测，并且获得眼球的拍摄图像。在平面图中设置用于减少从红外光发射单元到显示单元的光的减少部件，这减少了图像质量的下降。

从通过拍摄红外光的图像所获得的眼球的拍摄图像中检测用户针对显示图像的注视。任何公知方法都可以用于使用眼球的拍摄图像的注视检测。例如，可以使用基于通过照射光在角膜处的反射而产生的浦肯野(Purkinje)图像的注视检测方法。

更具体地，基于瞳孔-角膜反射方法来进行注视检测处理。使用瞳孔-角膜反射方法，通过基于眼球的拍摄图像中的瞳孔的图像和浦肯野图像计算表示眼球的朝向(转动角度)的注视向量，来检测用户的注视。

根据本发明的一个实施方式的显示装置可以具有包括受光元件的摄像装置，并且可以基于来自摄像装置的用户的注视信息来控制显示装置所显示的图像。

具体地，在显示装置中，基于注视信息来确定用户注视的第一视场区域以及该第一视场区域之外的第二视场区域。第一视场区域和第二视场区域可以由显示装置的控制装置来确定，或者可以接收由外部控制装置确定的区域。在显示装置的显示区域中，第一视场区域的显示分辨率可以被控制为高于第二视场区域的显示分辨率。换句话说，第二视场区域的分辨率可以低于第一视场区域的分辨率。

附加地，显示区域具有第一显示区域和与该第一显示区域不同的第二显示区域，并且基于注视信息从第一显示区域和第二显示区域中确定具有更高优先级的区域。第一视场区域和第二视场区域可以由显示装置的控制装置来确定，或者可以接收由外部控制装置确定的区域。较高优先级区域的分辨率可以被控制为高于除了该较高优先级区域之外的区域的分辨率。换句话说，对于优先级相对低的区域，可以降低分辨率。

注意，AI可以用于确定第一视场区域和较高优先级区域等。AI可以是如下模型，该模型被配置为：使用眼球的图像和这些图像中的眼球实际注视的方向作为监督数据，来从该眼球的图像估计注视的角度和到被注视的物体的距离。AI程序可以保持在显示装置中、摄像装置中或外部装置中。如果保持在外部装置中，则可以通过通信将该程序提供给显示装置。

在基于注视检测来控制显示的情况下，本发明可以优选地适用于还包括拍摄外部的图像的摄像装置的智能眼镜。智能眼镜可以实时显示所拍摄的外部信息。

如上所述，使用利用根据本实施方式的有机发光元件的装置使得能够实现以良好图像质量的长时间稳定显示。

接下来将描述本实施方式的显示元件与使光路弯曲的目镜光学系统组合的示例。

图14是示出用作本实施方式的图像观察设备的头戴式显示器(HMD)101的配置的图。HMD 101穿戴在观察者的头部上。附图标记102指示观察者的右眼，并且附图标记103指示观察者的左眼。显示透镜104和105构成右眼目镜光学系统OR1，并且显示透镜106和107构成左眼目镜光学系统OL1。各个目镜光学系统是由多个(两个)显示透镜构成的同轴光学系统。观察者的右眼102位于右眼目镜光学系统OR1的出射光瞳ER1处，并且观察者的左眼103位于左眼目镜光学系统OL1的出射光瞳EL1处。

附图标记108指示右眼显示元件，并且附图标记109指示左眼显示元件。显示元件108和109中的各个显示元件是平板型的显示元件，并且在本实施方式中，使用有机EL元件。图15是示出HMD 101和与其连接的个人计算机150的外观的图。各个显示元件显示与从个人计算机150输出的图像信号相对应的显示图像(原图像)。HMD 101可以是具有安装在该HMD101中的图像处理装置并作为独立装置进行操作的装置。

目镜光学系统OR1和OL1通过分别将光从显示元件108和109引导到出射光瞳ER1和EL1，将显示图像的放大虚像投射到观察者的右眼102和左眼103上。结果，观察者可以通过目镜光学系统OR1和OL1观察显示元件108和109所显示的显示图像(的虚像)。

在本实施方式中，各个目镜光学系统的焦距为12mm，水平显示角度为45°，垂直显示角度为34°，并且对角显示角度为54°。作为各个目镜光学系统中的最接近出射光瞳侧的表面(稍后描述的偏振分离元件114的出射光瞳侧表面)与相应目镜光学系统的出射光瞳之间的距离的眼距E1为18mm。

本实施方式中的右眼目镜光学系统OR1和左眼目镜光学系统OL1是使用偏振光使光路弯曲的光学系统，并且将使用右眼目镜光学系统OR1描述其配置。这同样适用于左眼目镜光学系统OL1，因而将不给出其描述。

如图16所示，右眼目镜光学系统OR1具有按照从右眼显示元件108朝向出射光瞳ER1的顺序布置的偏振板110、第一相位板111、显示透镜105、显示透镜104、第二相位板113和偏振分离元件(在下文中被称为PBS)114。用作半透射反射面的半透半反镜112形成在显示透镜104的在显示元件侧的表面上。第二相位板113和PBS 114被设置成层叠在显示透镜104的出射光瞳侧表面上。

偏振板110、第一相位板111、第二相位板113和PBS 114全部形成为平板。穿过偏振板110的第一线偏振光的偏振方向相对于第一相位板111的慢轴倾斜了45°，并且穿过偏振板110的第一线偏振光的偏振方向相对于第二相位板113的慢轴倾斜了-45°(即，相同角度，但是在关于第一线偏振光的偏振方向、与第一相位板111的慢轴相对的方向上)。穿过偏振板110的第一线偏振光的偏振方向和穿过PBS 114的第二线偏振光的偏振方向彼此正交。

从右眼显示元件108出射的非偏振光穿过偏振板110并变为线偏振光，然后该线偏振光穿过第一相位板111并变为圆偏振光，然后该圆偏振光穿过显示透镜105。然后，圆偏振光穿过半透半反镜112、显示透镜104和第二相位板113，并且结果变为第一线偏振光。该第一线偏振光具有与在穿过PBS 114时的偏振方向正交的偏振方向，并且因此被PBS 114反射并穿过第二相位板113而变为圆偏振光。该圆偏振光穿过显示透镜104并被半透半反镜112反射，再次穿过显示透镜104，然后穿过第二相位板113变为第二线偏振光。该第二线偏振光具有与在穿过PBS 114时的偏振方向一致的偏振方向，并且因而穿过PBS 114并被引导到出射光瞳ER1(右眼102)。从左眼显示元件109出射的光类似地通过左眼目镜光学系统OL1被引导到出射光瞳EL1(左眼103)。

通过以这种方式配置各个目镜光学系统以使用偏振光使光路弯曲，可以使各个目镜光学系统在光轴方向上更薄，并且可以缩短各个目镜光学系统的焦距以使得能够观察具有宽视角的图像。

从穿戴在观察者头部上的观点来看，期望HMD是轻量化的。照此，期望构成目镜光学系统的显示透镜和构成摄像光学系统的摄像透镜等由具有比玻璃低的相对密度的树脂制成。因此，在本实施方式中，显示透镜104至107也是树脂透镜。在出射光瞳侧最远的显示透镜104和106是具有朝向显示元件侧的凸面的平凸透镜，并且在凸面上设置半透半反镜112来在使目镜光学系统更薄的同时实现了宽视角。此外，显示透镜104和106的凸面被赋予非球面形状以增加像差校正效果。显示透镜105和107是由树脂制成的双面非球面透镜，以增加像差校正效果。

然而，显示透镜105和107具有小外径并且对重量的影响小，因此可以是玻璃透镜。显示透镜104和106也可以是玻璃透镜，只要HMD 101的整体重量在容许范围内即可。

在本实施方式的HMD 101中，期望眼距E1至少为15mm，以即使对于穿戴眼镜的观察者也可穿戴。然而，如果眼距过长，则显示透镜的外形将变得更大并增大HMD的尺寸，并且因而期望眼距不大于25mm。换句话说，眼距E1优选满足以下条件：

15mm≤E1≤25mm...(7)

在本实施方式的HMD 101中，如图17所示，在右眼102的眼球(瞳孔)面向(观看)右眼显示元件108的显示面的左边缘和右边缘时的右眼目镜光学系统OR1的出射光瞳ER1’的位置(即，眼距E1’)被设置为28mm，该28mm是通过向在如图14所示眼球面向显示面的中心时的18mm的眼距E1加上10mm的眼球转动半径而获得的；出射光瞳直径被设置为6mm。这同样适用于左眼目镜光学系统OL1的出射光瞳。这样的设置即使在眼球转动以观察显示面的左边缘和右边缘(以及顶边缘和底边缘)时，也能够使得来自眼球面向的方向的光进入眼球。

如本实施方式的目镜光学系统的情况下那样，在具有长眼距、短焦距且薄的目镜光学系统中，在显示视角中的周边视角处，来自显示元件(显示面)的光的出射角是大的。如果来自显示面的光出射角大，则诸如显示亮度和显示色度等的视场角特性降低，并且所观察的图像变得更暗或无法观察到具有正确颜色的图像等。

在右眼目镜光学系统OR1中，从右眼显示元件(显示面)108出射并穿过目镜光学系统OR1的出射光瞳ER1(ER1’)的中心的光线是主光线。在这种情况下，在本实施方式中，如图14所示，在眼球正在面向显示面的中心时(在下文中被称为向前观看状态)，左右方向(水平方向)上的最大周边视角22.5°的主光线从显示面出射的出射角在显示元件的左边缘和右边缘处分别为18°和-18°。另一方面，如图17所示，在眼球正在面向显示面在水平方向上的右边缘和左边缘时(在下文中分别被称为右边缘观看状态和左边缘观看状态)，水平方向上的最大周边视角22.5°的主光线从显示面出射的出射角为37°和-37°。在本实施方式中，在向前观看状态时的在垂直方向上的最大周边视角17°的主光线从显示元件(显示面)108出射的出射角为14°，并且在眼球正在面向垂直方向上的上边缘或下边缘时(在下文中分别被称为上边缘观看状态和下边缘观看状态)，垂直方向上的最大周边视角17°的主光线从显示面出射的出射角的绝对值为29°。然而，在向前观看状态、上边缘观看状态和下边缘观看状态下的主光线被设计为在显示元件的向外方向上倾斜。

从显示面出射的出射角在显示元件的中心处是基板8的法线方向(0°)，并且相对于显示视角(显示元件的位置)大致线性增加。辐射方向是在显示元件的向外方向上倾斜的方向。因此，期望显示元件的微透镜被布置成如图7所示使得微透镜在显示元件的中心处的偏移量ΔML为0，其中ΔML随着靠近边缘而增加。换句话说，微透镜和滤色器被布置成使得相对于发光区域(像素)的位置向右侧和左侧的偏移量随着靠近显示元件的在其水平方向上的右边缘和左边缘而增加。类似地，微透镜和滤色器被布置成使得相对于发光区域的位置向上侧和下侧的偏移量随着靠近显示元件的上边缘和下边缘而增加。在本实施方式中，显示装置的最大视角和主光线的辐射角之间的关系在水平方向和垂直方向上保持大致线性，因而如果确定微透镜和滤色器的偏移量以优化作为最大视角的水平边缘(右边缘观看状态和左边缘观看状态)处的视场角特性，则上边缘和下边缘处的视场角特性也将是大致最优值。在下文中将关于显示元件的水平边缘位置处的右边缘观看状态下的特性来描述本实施方式中的研究结果。

接下来将参考图16描述在本实施方式的目镜光学系统OR1和OL1中的作为不期望的光的鬼影光的出现。同样，描述将参考右眼目镜光学系统OR1，但同样适用于左眼目镜光学系统OL1。

如在本实施方式中那样，在使用偏振光的目镜光学系统OR1中，显示透镜104和105内的双折射以及偏振板110、相位板111和113、PBS 114等的偏振特性导致从显示元件108出射的光不是沿着图14和图17所示的正常光路被引导，而是如图18所示不被PBS 114反射地直接引导到观察者的右眼102。该光变成了鬼影光。在穿过第一相位板111的圆偏振光由于显示透镜105和104内的双折射而变为椭圆偏振光并且在穿过第二相位板113之后的线偏振光的偏振方向相对于原方向倾斜、之后通过PBS 114将光引导到右眼102时，产生该鬼影光。即使在显示透镜104和105中不存在双折射，如果偏振板110、相位板111和113、PBS 114的偏振特性不准确，也将出现鬼影光。

在图18所示的鬼影光中，在向前观看状态时的水平方向上的最大周边视角22.5°的主光线从显示元件(显示面)108出射的出射角为11°，该出射角在关于显示面的法线与图14和图17所示的主光线的正常出射角相对的方向上倾斜。照此，通过如上所述使发光元件的微透镜偏移以与主光线的正常出射角匹配，不仅可以改善视场角特性，而且可以减小来自包括显示元件的边缘的周边部的鬼影光的明度。

透镜中的双折射通常从透镜的中心向透镜的周边部增加，因而由透镜中的双折射引起的鬼影光的强度也从透镜的中心向透镜的周边部增加。因此，降低来自显示面的周边部的光的明度对于减少穿过透镜的周边部的鬼影光是有效的。在本实施方式中，在显示元件的边缘处在向前观看状态下的正常光的主光线角由θm表示并且鬼影光的辐射角由θg表示时，期望目镜光学系统满足下式(8)。

|θm-θg|≥15° ...(8)

接下来将描述通过组合本实施方式的显示元件和目镜光学系统而实现的效果。在本实施方式中，在滤色器20被布置在微透镜15和发光区域17之间的配置中使用图3B所示的发射白色光的有机EL元件。表1示出利用像素间间距D标准化后的微透镜高度h/D、半径r/D和滤色器顶面高度L2/D的值。

表1

图19示出第一比较例和第一实施例中的相对亮度ΔL的辐射角依赖性。第一比较例是微透镜的偏移量为0的配置。第一实施例是微透镜被偏移的配置，并且在表2中示出数值孔径、

另一方面，第一实施例的结果示出，发光强度随着相对于正常光辐射方向的辐射角的增加而增加，在右边缘观看状态下的正常光的辐射角37°处增加到0.85。另一方面，在向前观看状态下的鬼影光的辐射角-11°处，该值显著更低(为0.32)。以这种方式，可以使正常光的发光强度高于在鬼影的方向上的发光强度。正常发光的发光强度的增加是由于如图4C所示入射在表面28上的光27的折射而导致的。鬼影光的发光强度的下降是由于如图4C所示在相邻发光元件的微透镜的表面29处发生的全反射或向广角侧的折射而导致的。这里描述的第一实施例中的

表2

接下来将描述发光元件的数值孔径的效果。表3示出作为具有不同数值孔径的示例的第一实施例、第二实施例和第三实施例的正常光和鬼影光的发光强度ΔL。数值孔径40％处的正常光为0.82，但正常光在数值孔径30％处为0.85，并且在数值孔径20％处为0.91。以这种方式，减小数值孔径会增加正常光的发光强度。这是由于如图5A所示区域X与发光区域17的比例增加。换句话说，这指示在发光区域中辐射的光以高效率在正常光方向上辐射。另一方面，关于鬼影光的发光强度，在数值孔径40％处值为0.40，但在数值孔径30％处值为0.32，并且在数值孔径20％处值为0.22。以这种方式减小数值孔径会减小鬼影光的发光强度。鬼影光的发光强度的下降是由于如图5B所示鬼影光的辐射区域Y1和Y2的总和与发光区域17之间的重叠减少而导致的。换句话说，在图14所示的偏振光学系统中，在满足式(5)的条件下，减小数值孔径将增加正常光并减小鬼影光。

表3

接下来将基于表4来描述滤色器的偏移量ΔCF的效果。表4示出在

色移ΔE的定义由下式(9)表示，并且是a*b*空间中的色相变化。这里的基准a0和b0是第一比较例中的0°处的值。

ΔE＝√((a-a0)

正常光在A＝0.84处的色移ΔE为20，但在A＝0.43处为18，并且在A＝0(无滤色器偏移)处为17。换句话说，减小滤色器的偏移量会减小正常光的色移ΔE。该色移的下降是由于如图6B所示向广角侧辐射的光33被相邻的滤色器阻挡而导致的。另一方面，发现鬼影光与滤色器的偏移量无关，鬼影光在A＝0.84处为0.32，在A＝0.43处为0.32，并且在A＝0处为0.31。换句话说，这指示可以在不增加鬼影光的发光强度的情况下抑制正常光的色移ΔE。在A＝0.85或更小的情况下，与在微透镜的偏移量为0时相比，正常光的色移ΔE可以被减小得更多。换句话说，除了满足式(5)的条件之外，还满足式(6)使得能够在图14所示的偏振光学系统中确保正常光的发光强度并抑制鬼影光以及减小色移ΔE。

表4

至此为止描述了图14所示的偏振光学系统中的效果。这些研究的结果是针对显示元件的右边缘处的右边缘观看状态下的主光线的角度的研究的结果。然而，如果最大显示视角不大于60°，则观察者可以在向前观看状态下识别图像的周边部，因而可以以满足式(5)和式(6)的程度，假设向前观看状态来确定微透镜和滤色器的偏移量。

以这种方式，在本实施方式中，使微透镜相对于像素偏移，这使得能够在改善诸如在观察图像的周边部处的亮度和色移等的视场角特性的同时，减少鬼影光。

在通过将树脂材料模塑成形来制造透镜时，更容易出现透镜中的双折射，其中，随着透镜的不均匀厚度比(uneven thickness ratio)增加，在模塑成形之后的冷却期间的透镜的薄部分和厚部分之间的冷却差异增加，这进而导致了双折射的增加。

如在本实施方式中那样，在具有宽视角和薄轮廓的目镜光学系统OR1中，包括具有最高光功率的反射面(半透半反镜112)的显示透镜104的不均匀厚度比增加。显示透镜104的光学有效区域中的不均匀厚度比为2.0，并且期望不均匀厚度比为至少1.5且至多4。如果不均匀厚度比小于1.5，则显示透镜104的光功率将减小，并且显示透镜104的曲率半径或厚度将增大。如果显示透镜104的光功率减小，则变得不可能实现宽视角，或者变得需要添加具有高光功率的透镜，这进而使得不可能使目镜光学系统OR1更薄。如果显示透镜104的厚度增加，则无法使目镜光学系统OR1更薄。另一方面，如果不均匀厚度比大于4，则显示透镜104的双折射将变得过大，这增加了鬼影光的强度。注意，目镜光学系统中的正常光的光路和鬼影光的光路在目镜光学系统内的反射次数方面不同。

如果目镜光学系统OR1的厚度L1被定义为从PBS 114在出射光瞳侧的表面到显示元件108的距离，则厚度L1为13mm，并且厚度L1和眼距E1(其为18mm)之间的比L1/E1为0.72。为了实现眼距的适当长度和更薄的目镜光学系统这两者，期望该值满足条件：

0.60≤L1/E1≤1.00 ...(10)

如果L1/E1低于0.60，则眼距变得过长，显示透镜的外径变得更大，并且HMD 101也变得更大，这是不期望的。此外，显示透镜104的双折射随着外径而增加，这增加了鬼影光的强度。另一方面，如果L1/E1大于1.00，则目镜光学系统变得更厚，从而使HMD 101更大；此外，眼距变得过短，从而给观察者压迫感或使得穿戴眼镜的观察者不可能穿戴HMD，这是不期望的。

在本实施方式中，目镜光学系统OR1的最大对角半视角θ1为27°。在这种情况下，E1×tanθ1＝9.2mm。为了实现眼距的适当长度和目镜光学系统中的较宽视角这两者，期望该值满足条件：

8mm≤E1×tanθ1≤20mm …(11)

如果E1×tanθ1小于8mm，则眼距变得过短，给观察者压迫感或使穿戴眼镜的观察者不可能穿戴HMD，这是不期望的。目镜光学系统的显示视角也变得过窄，因而无法观察具有存在感的自然图像。另一方面，如果E1×tanθ1高于20mm，则眼距变得过长，显示透镜104的外径变得更大，并且HMD 101也变得更大，这是不期望的。此外，显示透镜104的双折射随着外径而增加，这增加了鬼影光的强度。此外，显示视角变得过宽，从而导致在周边视角处来自显示面的主光线的出射角增加，这使视场角特性恶化。

偏振板可以布置在PBS 114和各个目镜光学系统的出射光瞳之间，以减少由环境光引起的鬼影光并增加正观察的图像的对比度。

此外，在本实施方式中，如图16所示，以第二相位板113和PBS 114层叠的方式形成的显示透镜104在出射光瞳侧的表面是平坦的。这样做是为了实现更长眼距和更薄的目镜光学系统这两者。如果该表面具有在出射光瞳方向上是凹进的形状，则显示透镜104变得更厚以确保在显示透镜104的周边部处的眼距。如果该表面具有在出射光瞳方向上凸出的形状，则透镜变得更厚以确保在显示透镜104的周边部的厚度。

本实施方式中的第一相位板111和第二相位板113是具有相位差λ/4的波片，但是相位差可以从λ/4偏移以抵消透镜104和透镜105的双折射。在这种情况下，期望透镜104和相位板113之间的相位差的总和为至少3λ/20且至多7λ/20。附加地，期望透镜105和第一相位板111之间的相位差的总和为至少3λ/20且至多7λ/20。在该范围外，鬼影光的强度增加，从而使自然观察不可能。在本实施方式中描述的式(5)至式(7)、式(10)和式(11)所示的条件在下面描述的第二实施方式中相同。

第二半透半反镜、第三相位板、第二PBS和第四相位板中的至少一个以上可以布置在第一相位板111和半透半反镜112之间。在布置第二半透半反镜时，可以在显示元件侧的方向上形成附加的凸面，并且第二半透半反镜可以设置在该凸面上。

第三相位板或第四相位板可以通过施加电信号而用作可变相位板。例如，可以切换相位板的相位差，使得在ON时，半透半反镜112处于正常光被半透半反镜112反射的偏振状态，并且在OFF时，相位板处于正常光被第二半透半反镜反射的偏振状态。相位板还可以用作注视点显示器(foveated display)，该注视点显示器通过以这种方式切换来对视场中心用的高分辨率视频和周边视场用的低分辨率视频进行时分复用。

可变焦点透镜可以布置在半透半反镜112和PBS 114内部或外部。可变焦点透镜可以是玻璃透镜、聚合物透镜、液晶透镜或其组合。液晶透镜可以是具有分段抛物线相位形状的菲涅尔液晶透镜、Pancharatnum-Berry相位透镜、或其组合。可以层叠多个Pancharatnum-Berry相位透镜。可以在Pancharatnum-Berry相位透镜上布置可以通过施加电信号来切换ON和OFF的附加相位板，并且可以使用Pancharatnum-Berry相位透镜和相位板的交替多层。

在本实施方式中描述的优选透镜材料和形状等也适用于第二实施方式。

第二实施方式

图20示出根据本发明第二实施方式的HMD 201的配置。附图标记202指示观察者的右眼，并且附图标记203指示观察者的左眼。显示透镜204和205构成右眼目镜光学系统OR2，并且显示透镜206和207构成左眼目镜光学系统OL2。各个目镜光学系统是由两个显示透镜构成的同轴光学系统。观察者的右眼202位于右眼目镜光学系统OR2的出射光瞳ER2处，并且观察者的左眼203位于左眼目镜光学系统OL2的出射光瞳EL2处。

附图标记208指示右眼显示元件，并且附图标记209指示左眼显示元件。各个显示元件是平板型的显示元件，并且在本实施方式中，使用有机EL元件。

目镜光学系统OR2和OL2通过将来自显示元件208和209的光分别引导到出射光瞳ER2和EL2，来将显示元件208和209所显示的显示图像(原图像)的放大虚像投射到观察者的右眼202和左眼203上。结果，观察者可以通过目镜光学系统OR2和OL2观察显示元件208和209所显示的显示图像(的虚像)。

在本实施方式中，各个目镜光学系统的焦距为13mm，水平显示角度为60°，垂直显示角度为60°，并且对角显示角度为78°。作为各个目镜光学系统中的最接近出射光瞳侧的表面(稍后描述的偏振分离元件214的出射光瞳侧表面)与相应目镜光学系统的出射光瞳之间的距离的眼距E2为20mm。

如在第一实施方式中那样，本实施方式中的右眼目镜光学系统OR2和左眼目镜光学系统OL2是使用偏振光使光路弯曲的光学系统，并且将使用右眼目镜光学系统OR2描述其配置。如图21所示，右眼目镜光学系统OR2具有按照从右眼显示元件208朝向出射光瞳ER2的顺序布置的偏振板210、第一相位板211、显示透镜205、显示透镜204、第二相位板213和PBS214。通过在显示透镜204在其显示元件侧的表面上沉积来形成用作半透射反射面的半透半反镜212。第二相位板213和PBS214被设置成层叠在显示透镜204的出射光瞳侧表面上。

偏振板210、第一相位板211、第二相位板213和PBS214全部形成为平板。穿过偏振板210的第一线偏振光的偏振方向相对于第一相位板211的慢轴倾斜了45°，并且穿过偏振板210的第一线偏振光的偏振方向相对于第二相位板213的慢轴倾斜了-45°。穿过偏振板210的第一线偏振光的偏振方向和穿过PBS 214的第二线偏振光的偏振方向彼此正交。

从右眼显示元件208出射的非偏振光穿过偏振板210并变为线偏振光，然后该线偏振光穿过第一相位板211以变为圆偏振光，然后穿过显示透镜205。然后，圆偏振光穿过半透半反镜212、显示透镜204和第二相位板213，并且结果变为第一线偏振光。该第一线偏振光具有与在穿过PBS214时的偏振方向正交的偏振方向，并且因此该第一线偏振光被PBS214反射并穿过第二相位板213而变为圆偏振光。该圆偏振光穿过显示透镜204并被半透半反镜212反射，再次穿过显示透镜204，然后穿过第二相位板213而变为第二线偏振光。第二线偏振光具有与在穿过PBS214时的偏振方向一致的偏振方向，并且因而穿过PBS214并被引导到出射光瞳ER2(右眼202)。从左眼显示元件209出射的光通过左眼目镜光学系统OL2类似地被引导到出射光瞳EL2(左眼203)。

在本实施方式中，如第一实施方式中那样，通过将各个目镜光学系统配置为使用偏振光使光路弯曲，能够使各个目镜光学系统更薄，并且能够缩短各个目镜光学系统的焦距以使得能够观察具有广视角的图像。

在本实施方式中，在各个目镜光学系统中接合两个显示透镜，以将该目镜光学系统在光轴方向上的厚度减小到13.5mm。此外，如上所述，确保20mm作为目镜光学系统的眼距E2。将两个显示透镜接合成接合透镜，这使得HMD 201的主体更容易保持显示透镜。

在本实施方式中，显示透镜204至207也是树脂透镜，并且此外，显示透镜204至207是非球面透镜，以增强像差校正效果。

附加地，因为显示透镜204和205是接合透镜，所以半透半反镜212可以设置在显示透镜205在其出射光瞳侧的表面上。即使在这种情况下，设置有半透半反镜的表面也在显示元件208的方向上凸出。

在本实施方式的HMD 201中，如图22所示，在右眼202的眼球(瞳孔)面向(观看)右眼显示元件208的显示面的左边缘和右边缘时的右眼目镜光学系统OR2的出射光瞳ER2’的位置(即眼距E2’)被设置为30mm，该30mm是通过向在如图20所示眼球正在面向显示面的中心时的20mm的眼距E2加上10mm的眼球转动半径而获得的；出射光瞳直径被设置为6mm。这同样适用于左眼目镜光学系统OL2的出射光瞳。这样的设置即使在眼球转动以观察显示面的左边缘和右边缘(以及顶边缘和底边缘)时，也能够使得来自眼球正在面向的方向的光进入眼球。

在右眼目镜光学系统OR2中，从右眼目镜显示元件(显示面)208出射并穿过右眼目镜光学系统OR2的出射光瞳ER2(ER2’)的中心的光线是主光线。在这种情况下，在本实施方式中，如图20所示，在向前观看状态时的左右方向(水平方向)上的最大周边视角30°的主光线从显示面出射的出射角在显示元件的右边缘和左边缘处分别为23°和-23°。另一方面，如图22所示，在右边缘观看状态和左边缘观看状态时的在水平方向上的最大周边视角30°的主光线从显示面出射的出射角为47°和-47°。在本实施方式中，在向前观看状态时的在垂直方向上的最大周边视角30°的主光线从显示元件(显示面)208出射的出射角为23°，并且在上边缘观看状态和下边缘观看状态时的在垂直方向上的最大周边视角30°的主光线从显示面出射的出射角的绝对值为47°。然而，在向前观看状态、上边缘观看状态和下边缘观看状态下的主光线被设计成在显示元件的向外方向上倾斜。换句话说，本实施方式满足式(8)。

从显示面出射的出射角在显示元件的中心处是基板的法线方向(0°)，并且相对于显示视角大致线性增加。辐射方向是在显示元件208的向外方向上倾斜的方向。因此，期望本实施方式的显示元件的微透镜被布置成如图7所示使得微透镜在显示元件的中心处的偏移量ΔML为0，并且该ΔML随着靠近边缘而增加。换句话说，微透镜和滤色器被布置成使得相对于发光区域(像素)的位置向右侧和左侧的偏移量随着靠近显示元件在其水平方向上的右边缘和左边缘而增加。类似地，微透镜和滤色器被布置成使得相对于发光区域的位置向上侧和下侧的偏移量随着靠近显示元件的上边缘和下边缘而增加。在本实施方式中，显示装置的最大视角和主光线的辐射角之间的关系在水平方向和垂直方向上保持大致线性，因而如果确定微透镜和滤色器的偏移量以优化作为最大视角的水平边缘(右边缘观看状态和左边缘观看状态)处的视场角特性，则上边缘和下边缘处的视场角特性也将是大致最优值。在下文中将关于显示元件的水平边缘位置处的右边缘观看状态下的特性来描述本实施方式中的研究结果。

在本实施方式的目镜光学系统OR2和OL2中，由于与第一实施方式相同的理由而产生鬼影光。如图23所示，在向前观看状态时的在水平方向上的最大周边视角30°的主光线从显示元件(显示面)208出射的出射角为15°，该出射角在关于显示面的法线与图20和图22所示的主光线的正常出射角相对的方向上倾斜。照此，通过如上所述使发光元件的微透镜偏移以与主光线的正常出射角匹配，不仅改善了视场角特性，而且可以减小来自包括显示面的边缘的周边部的鬼影光的明度。

接下来将描述通过组合本实施方式的显示元件和目镜光学系统而实现的效果。如上所述，将描述在显示元件的水平边缘位置处的右边缘观看状态下的特性。这里，如第一实施方式中那样，在将滤色器20布置在微透镜15和发光区域17之间的配置中使用图3B所示的发射白色光的有机EL元件。由像素间间距D标准化的微透镜高度h/D、半径r/D和滤色器顶面的高度L2/D与第一实施方式中的相同。

表5示出第一比较例和第六实施例中的相对亮度ΔL的辐射角依赖性。第一比较例是微透镜的偏移量为0的配置。第六实施例是微透镜偏移的配置，并且在表5中示出数值孔径、

这是因为，如图4B所示，在微透镜偏移量ΔML为0时，光聚焦在基板8的法线方向上，这减少了向广角侧辐射的光，并且导致与正常光的发光强度相比，鬼影光的发光强度更高。通常，从有限发光面积出射的光随着辐射角的增加而在发光强度上减小。因此，即使在图4A所示的不具有微透镜的配置中，鬼影光的发光强度也同样高于正常光的发光强度。

另一方面，第六工作示例的结果示出，发光强度随着朝向正常光的辐射方向的推进而增加，在右边缘观看状态下的正常光的辐射角47°处增加到0.65。另一方面，在向前观看状态下的鬼影光的辐射角-15°处，该值显著更低(为0.23)。以这种方式，可以使正常光的发光强度高于在鬼影的方向上的发光强度而导致的。正常发光的发光强度的增加是由于如图4C所示入射在表面28上的光27的折射而导致的。鬼影光的发光强度的下降是由于如图4C所示在相邻发光元件的微透镜的表面29处发生的全反射或向广角侧的折射。这里描述的第六实施例中的

表5

接下来将描述发光元件的数值孔径的效果。表6示出作为具有不同数值孔径的示例的第六实施例至第八实施例的正常光和鬼影光的发光强度ΔL。数值孔径40％处的正常光为0.71，但正常光在数值孔径30％处为0.75，并且在数值孔径20％处为0.94。以这种方式，减小数值孔径会增加正常光的发光强度。这是由于如图5A所示区域X与发光区域17的比例增加。换句话说，这指示在发光区域17中辐射的光以高效率在正常光方向上辐射。另一方面，关于鬼影光的发光强度，在数值孔径40％处值为0.30，但是在数值孔径30％处值为0.27，并且在数值孔径20％处值为0.17。因此可以看出，以这种方式减小数值孔径会减小鬼影光的发光强度。鬼影光的发光强度的下降是由于如图5B所示鬼影光的辐射区域Y1和Y2的总和与发光区域17之间的重叠减少而导致的。换句话说，在图20至图22所示的偏振光学系统中，在满足式(5)的条件下，减小数值孔径将会增加正常光并减小鬼影光。为了增加正常光并减小鬼影光，期望数值孔径不大于52％。

表6

表7示出滤色器偏移量ΔCF的效果。表7示出在

正常光在A＝0.64处的色移ΔE为31，但在A＝0.33处为28，并且在A＝0(无滤色器偏移)处为25。换句话说，减少滤色器的偏移量会减小正常光的色移ΔE。另外，第六实施例、第九实施例和第十实施例满足式(6)，因此具有比第一比较例更低的色移ΔE。该色移的下降是由于如图6B所示向广角侧辐射的光33被相邻的滤色器阻挡而导致的。另一方面，发现鬼影光与滤色器的偏移量无关，鬼影光在A＝0.64处为0.23，A＝0.28处为0.28，并且A＝0处为0.24。换句话说，这指示可以在不增加鬼影光的发光强度的情况下抑制正常光的色移ΔE。在A＝0.85或更小的情况下，与在微透镜的偏移量为0时相比，正常光的色移ΔE可以减小得更多。换句话说，除了满足式(5)的条件之外还满足式(6)使得能够在图20所示的偏振光学系统中增加正常光的发光强度并抑制鬼影光以及减小色移ΔE。

表7

在最大显示视角大于60°时，宽视角使得观察者在向前观看状态时难以识别图像的周边部。因此，优选的是，通过假设在观看图像的周边部时(而不是在向前观看状态时)观察者正在观察的方向上的主光线从显示面出射的出射角，来确定滤色器的偏移量。然而，根据透镜设计，光可能在显示元件的边缘处渐晕，因此不必一定需要与边缘对准。

在本实施方式中同样地，在具有宽视角和薄轮廓的右眼目镜光学系统OR2中，包括具有最高光功率的反射面(半透半反镜212)的显示透镜204的不均匀厚度比增加。显示透镜204和205被接合，因而显示透镜205中与显示透镜204的接合面的曲率半径短，并且显示透镜205的不均匀厚度比也大。在本实施方式中，显示透镜204的光学有效区域的不均匀厚度比为3.6，并且显示透镜205的光学有效区域的不均匀厚度比为2.8。如第一实施方式中所述，期望不均匀厚度比为至少1.5且至多4。

如果右眼目镜光学系统OR2的厚度L2被定义为从PBS214在观察者的右眼202侧的表面到右眼显示元件208的距离，则厚度L2为13.5mm，并且厚度L2和眼距E2之间的比L2/E2为0.68。期望该值为至少0.6且至多1，以实现适当的眼距长度和更薄的目镜光学系统这两者。

在本实施方式中，右眼目镜光学系统OR2的眼距E2为20mm，并且最大对角半视角θ2为39°。在这种情况下，E2×tanθ2＝16.2mm，其满足式(11)的条件。不均匀厚度比L2/E2和E2×tanθ2对于左眼目镜光学系统OL2是相同的。

在本实施方式中，偏振板也可以布置在PBS214和各个目镜光学系统的出射光瞳之间，以减少由环境光引起的鬼影光并增加正观察的图像的对比度。

第三实施方式

接下来将描述根据第三实施方式的HMD 301的配置。图24是示出HMD 301的目镜光学系统的图。在图中，附图标记302指示观察者的右眼，附图标记303指示观察者的左眼，附图标记304指示右眼目镜光学系统，附图标记305指示左眼目镜光学系统，附图标记306指示右眼图像显示元件，并且附图标记307指示左眼图像显示元件。

右眼目镜光学系统304将右眼图像显示元件306所显示的原图像放大并投射，并将该图像引导到观察者的右眼302，而左眼目镜光学系统305将左眼图像显示元件307所显示的原图像放大并投射，并将该图像引导到观察者的左眼303。右眼目镜光学系统304和左眼目镜光学系统305的水平显示角度为40°，垂直显示角度为30°，并且对角显示角度为50°。

如图25所示，本实施方式的目镜光学系统使用偏心反射面来使光路弯曲，这减小了光学系统的厚度。右眼目镜光学系统304由填充有折射率大于1的光学介质(诸如玻璃或塑料等)的透明体构成。这同样适用于左眼目镜光学系统。

来自右眼图像显示元件306的光线在右眼目镜光学系统304中被反射两次，并且被引导到右眼302。右眼目镜光学系统304中的向眼睛的出射面是具有反射和透射效果的光学面，因此期望反射是内部的全反射以消除光强损失。另外，通过使构成右眼目镜光学系统304的表面为自由曲面的表面形状，增加了偏心像差校正的自由度，这使得能够进行具有良好的图像质量的图像显示。这同样适用于左眼目镜光学系统305。

与第一实施方式和第二实施方式类似，本实施方式的目镜光学系统具有在周边视角处的来自图像显示元件的大出射角，并且因而存在视场角特性在周边部处将劣化的风险，从而导致亮度减小并且使得不可能观察具有正确颜色的图像。

在本实施方式的目镜光学系统中，如图24所示，在观察者向前观看时的在水平方向上的最大周边视角20°的主光线从图像显示元件出射的出射角为20°。附加地，如图24所示，在观察者正在观看在水平方向上的边缘时的在水平方向上的最大周边视角20°的主光线从图像显示元件出射的出射角为30°。这里，主光线是穿过目镜光学系统的出射光瞳的中心的光线。虽然至此为止描述了水平方向上的左边缘和右边缘，但是这同样适用于在垂直方向上的顶边缘和底边缘。在本实施方式的目镜光学系统中，如图25所示，在观察者正在向前观看时的在垂直方向上的最大周边视角15°的主光线从图像显示元件出射的出射角为15°。附加地，如图26所示，在观察者正在观看在垂直方向上的边缘时的在垂直方向上的最大周边视角15°的主光线从图像显示元件出射的出射角为22.5°。然而，在向前观看状态、右边缘观看状态、左边缘观看状态、上边缘观看状态和下边缘观看状态下的主光线被设计成在显示元件的向外方向上倾斜。从显示面出射的出射角在显示元件的中心处是基板8的法线方向(0°)，并且相对于显示视角大致线性增加。

辐射方向是在显示元件的向外方向上倾斜的方向。因此，期望本实施方式的显示元件的微透镜被布置成如图7所示使得微透镜在显示元件的中心处的偏移量ΔML为0，其中ΔML随着靠近边缘而增加。换句话说，微透镜和滤色器被布置成使得相对于发光区域(像素)的位置向右侧和左侧的偏移量随着靠近显示元件在其水平方向上的右边缘和左边缘而增加。类似地，微透镜和滤色器被布置成使得相对于发光区域的位置向上侧和下侧的偏移量随着靠近显示元件的上边缘和下边缘而增加。在本实施方式中，显示装置的最大视角和主光线的辐射角之间的关系在水平方向和垂直方向上保持大致线性，因而如果确定微透镜和滤色器的偏移量以优化在出现鬼影的方向上(即在上边缘观看状态和下边缘观看状态下)的视场角特性，则水平边缘处的视场角特性也将是大致最优值。在下文中将关于在显示元件的垂直方向上的下边缘观看状态下的特性来描述本实施方式中的研究结果。

在本实施方式的目镜光学系统的情况下，在诸如图27A和图27B所示的光路等的光路中产生鬼影光。图27A示出来自图像显示元件的顶边缘的鬼影光的光路，并且图27B示出来自图像显示元件的底边缘的鬼影光的光路。在图27A所示的鬼影光的光路中，在观察者正在向前观看时的来自图像显示元件306的顶边缘的主光线的出射角θ3为-28°。附加地，在图27B所示的鬼影光的光路中，在观察者正在向前观看时的来自图像显示元件的底边缘的主光线的出射角θ3为-34°。换句话说，本实施方式满足式(8)。

接下来将描述通过组合本实施方式的显示元件和目镜光学系统而实现的效果。如上所述，将描述在显示元件的垂直位置处的下边缘观看状态下的特性。这里，如第一实施方式中那样，在将滤色器20布置在微透镜15和发光区域17之间的配置中使用图3B所示的发射白色光的有机EL元件。由像素间间距D标准化后的微透镜高度h/D、半径r/D和滤色器顶面的高度L2/D与第一实施方式中的相同。

表8示出第一比较例和第十一实施例中的相对亮度ΔL的辐射角依赖性。第一比较例是微透镜的偏移量为0的配置。第十一实施例是微透镜偏移的配置，并且在表8中示出数值孔径、

另一方面，第十一实施例的结果示出，发光强度随着朝向正常光的辐射方向的推进而增加，在右边缘观看状态下的正常光的辐射角22.5°处增加到1.0。另一方面，在向前观看状态下的鬼影光的辐射角-34°处，该值显著更低(为0.23)。以这种方式，可以使正常光的发光强度高于在鬼影的方向上的发光强度。正常发光的发光强度的增加是由于如图4C所示入射在表面28上的光27的折射。鬼影光的发光强度的下降是由于如图4C所示在相邻发光元件的微透镜的表面29处发生的全反射或向广角侧的折射。这里描述的第十一实施例中的

表8

接下来将描述发光元件的数值孔径的效果。表9示出作为具有不同数值孔径的示例的第十一实施例至第十三实施例的正常光和鬼影光的发光强度ΔL。数值孔径40％处的正常光为0.93，但正常光在数值孔径30％处为0.94，并且在数值孔径20％处为1.00。以这种方式，减小数值孔径会增加正常光的发光强度。这是由于如图5A所示区域X与发光区域17的比例增加。换句话说，这指示在发光区域中辐射的光以高效率在正常光方向上辐射。另一方面，关于鬼影光的发光强度，在数值孔径40％处值为0.31，但是在数值孔径30％处值为0.23，并且在数值孔径为20％处值为0.16。因此可以看出，以这种方式减小数值孔径会减小鬼影光的发光强度。鬼影光的发光强度的下降是由于如图5B所示鬼影光的辐射区域Y1和Y2的总和与发光区域17之间的重叠减少而导致的。换句话说，在图24至图26所示的自由曲面棱镜中，在满足式(5)的条件下，减小数值孔径使得能够增加正常光并减小鬼影光。

表9

表10示出滤色器偏移量ΔCF的效果。表10示出在

正常光在A＝0.63处的色移ΔE为7，但在A＝0.00(无滤色器偏移)处为6。换句话说，减少滤色器的偏移量会减小正常光的色移ΔE。另外，第十一实施例和第十四实施例满足式(6)，因而色移ΔE小于第一比较例中的色移ΔE。该色移的下降是由于如图6B所示向广角侧辐射的光33被相邻的滤色器阻挡而导致的。另一方面，发现鬼影光与滤色器的偏移量无关，鬼影光在A＝0.63处为0.23，并且在A＝0处为0.22。换句话说，这指示可以在不增加鬼影光的发光强度的情况下抑制正常光的色移ΔE。在A＝0.85或更小的情况下，与在微透镜的偏移量为0时相比，正常光的色移ΔE可以减小得更多。换句话说，除了满足式(5)的条件外满足式(6)使得能够在图24至图26所示的自由曲面棱镜中增加正常光的发光强度并抑制鬼影光以及减小色移ΔE。

表10

以这种方式，在本实施方式中，使微透镜相对于像素偏移，这使得能够在改善诸如在利用使用自由曲面棱镜的目镜光学系统观察的图像的周边部处的亮度和色移等的视场角特性的同时，减少鬼影光。

虽然上述实施方式中的目镜光学系统中的自由曲面棱镜是不具有中间成像面的光学系统，但是也可以使用具有中间成像面的光学系统。附加地，自由曲面棱镜也可以用作将显示元件的显示面耦接到波导合成器的光学元件。

本申请要求于2021年4月15日提交的日本专利申请2021-069268的优先权，其通过引用并入本文。