特開 2024-102492 虚像表示装置及び頭部装着型表示装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024102492

(43)【公開日】2024-07-31

(54)【発明の名称】虚像表示装置及び頭部装着型表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240724BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20240724BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20240724BHJP

   G02B 5/22 20060101ALI20240724BHJP

   G02C 11/00 20060101ALN20240724BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02F1/13 505

G02B5/30

G02B5/22

G02C11/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023006397

(22)【出願日】2023-01-19

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】武田 高司

【テーマコード（参考）】

2H006

2H088

2H148

2H149

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H006CA00

2H088EA10

2H088EA42

2H088HA02

2H088HA03

2H088HA06

2H088HA08

2H088HA14

2H088HA18

2H088HA21

2H088HA28

2H088HA30

2H088JA05

2H088JA09

2H088JA10

2H088MA06

2H148CA01

2H148CA14

2H148CA19

2H148CA24

2H149AA17

2H149AB04

2H149BA02

2H149EA10

2H149FC06

2H149FC08

2H149FC09

2H149FC10

2H199CA12

2H199CA23

2H199CA43

2H199CA63

2H199CA66

2H199CA70

2H199CA74

2H199CA85

2H199CA86

(57)【要約】

【課題】光学系全体が大型化してしまうことを回避しつつ画角を広くする。
【解決手段】虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂは、液晶画素ＰＥと、光透過性を有する光透過領域Ａ２とを有する光変調素子２４と、光変調素子２４の外界側に配置され、液晶画素ＰＥへの外界光ＯＬの入射を抑制する遮光部材２１と、遮光部材２１と光変調素子２４との間に配置され、液晶画素ＰＥに対応する位置で照明光を液晶画素ＰＥに向けて射出する導光部材と、導光部材と光変調素子２４との間に配置され、液晶画素ＰＥと光透過領域Ａ２とに入射する光を第１偏光方向の偏光に制限する第１偏光板２３と、光変調素子２４の顔側に配置され、液晶画素ＰＥに対応して設けられ液晶画素ＰＥから射出される映像光ＭＬを第１偏光方向と異なる第２偏光方向の偏光に制限する偏光領域２５ｐとしての偏光膜２５ｂを有する第２偏光板２５と、第２偏光板２５の顔側に配置され、映像光ＭＬの偏光に対して機能する屈折力を有する偏光分離レンズ素子５０とを備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液晶画素と、光透過性を有する光透過領域とを有する光変調素子と、
前記光変調素子の外界側に配置され、前記液晶画素への外界光の入射を抑制する遮光部材と、
前記遮光部材と前記光変調素子との間に配置され、前記液晶画素に対応する位置で照明光を前記液晶画素に向けて射出する導光部材と、
前記導光部材と前記光変調素子との間に配置され、前記液晶画素と前記光透過領域とに入射する光を第１偏光方向の偏光に制限する第１偏光板と、
前記光変調素子の顔側に配置され、前記液晶画素に対応して設けられ前記液晶画素から射出される前記映像光を前記第１偏光方向と異なる第２偏光方向の偏光に制限する偏光領域を有する第２偏光板と、
前記第２偏光板の顔側に配置され、前記映像光の偏光に対して機能する屈折力を有する偏光分離レンズ素子と
を備える、虚像表示装置。

【請求項2】

前記第２偏光板の偏光領域は、前記液晶画素に対応して離散的に設けられる、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項3】

前記導光部材に３色の光を時分割で供給する光源装置をさらに備える、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項4】

前記導光部材は、平行平板状の部材であり、前記液晶画素に対応して離散的に設けられて前記３色の光を前記液晶画素に射出する光抽出部を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項5】

前記光抽出部は、光散乱層、ナノ構造、及び微小レンズのいずれかである、請求項３に記載の虚像表示装置。

【請求項6】

前記遮光部材は、前記外界光の入射を抑制する遮光層を有し、
前記遮光層は、前記光抽出部に対応する大きさを有する、請求項５に記載の虚像表示装置。

【請求項7】

前記偏光分離レンズ素子は、複数の前記液晶画素を包括的に結像させる偏光分離液晶レンズである、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項8】

前記遮光部材と前記導光部材と前記第１偏光板と前記光変調素子と前記第２偏光板とが、板状の部材として一体化されて複合表示部材を構成し、
前記複合表示部材において、前記導光部材が、前記遮光部材と前記第１偏光板とから離間して配置された一対の平面を有する平行平板状の部材であり、
前記偏光分離レンズ素子が、前記複合表示部材から離間して配置されている、請求項７に記載の虚像表示装置。

【請求項9】

前記第２偏光板と前記偏光分離レンズ素子との間において、前記第２偏光板の近傍に配置され、前記液晶画素に対応して離散的に設けられて前記液晶画素から射出される前記映像光の発散角を調整するマイクロレンズを有するレンズアレイをさらに備える、請求項８に記載の虚像表示装置。

【請求項10】

請求項１～９のいずれか一項に記載の虚像表示装置を備える第１装置と、
請求項１～９のいずれか一項に記載の虚像表示装置を備える第２装置と、
前記第１装置と前記第２装置とを支持し、頭部への装着を可能にするテンプルを含む支持装置と
を備える、頭部装着型表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、虚像の観察を可能にする虚像表示装置及び頭部装着型表示装置に関し、特に外界像を視認可能にするシースルー型の虚像表示装置等に関する。

【背景技術】

【0002】

外界を視認可能にするシースルー型の虚像表示装置として、画像表示領域と、この画像表示領域を囲むように形成された透明表示領域とを有する液晶パネルと、光源から端部に入射されたバックライト光を導光する導光板とを備え、導光板が液晶パネルの画像表示領域にバックライト光を照射する発光領域と環境光を透過させる光透過領域とを備えるものが公知となっている（特許文献１）。この表示装置は、導光板の光透過領域及び液晶パネルの透明表示領域から環境光が観察者に到達するとともに、画像表示領域にバックライト光を照射しない期間に環境光が導光板の発光領域と液晶パネルの画像表示領域とを透過して観察者に到達するように構成されている。このような構成により、映像光と環境光とが重ね合わされたシースルー表示が実現されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１６／０５６２９８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記装置では、導光板の発光領域にドットの形成、散乱材の塗布等の加工がなされており、液晶パネルの画像表示領域を通過する環境光が、加工がなされた発光領域を通過することになるので、画像表示領域に対応する視野の中央付近でのシースルー透過率が低下する。視野の中央付近において高いシースルー透過率のシースルー表示を実現するためには、別途、シースルー透過率の高い光学系等が必要となり、大型化に繋がる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一側面における虚像表示装置は、液晶画素と、光透過性を有する光透過領域とを有する光変調素子と、光変調素子の外界側に配置され、液晶画素への外界光の入射を抑制する遮光部材と、遮光部材と光変調素子との間に配置され、液晶画素に対応する位置で照明光を液晶画素に向けて射出する導光部材と、導光部材と光変調素子との間に配置され、液晶画素と光透過領域とに入射する光を第１偏光方向の偏光に制限する第１偏光板と、光変調素子の顔側に配置され、液晶画素に対応して設けられ液晶画素から射出される映像光を第１偏光方向と異なる第２偏光方向の偏光に制限する偏光領域を有する第２偏光板と、第２偏光板の顔側に配置され、映像光の偏光に対して選択的に作用する屈折力を有する偏光分離レンズ素子とを備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態の虚像表示装置の装着状態を説明する外観斜視図である。

【図2】表示光学系の光学的構造を説明する概念的な斜視図である。

【図3】複合表示部材の繰返単位を説明する概念的な拡大斜視図である。

【図4】導光部材の光抽出部を説明する概念的な拡大斜視図である。

【図5】光変調素子の具体的な構造の一例を説明する概念的な斜視図である。

【図6】偏光板、光変調素子、導光部材、及び遮光部材を透視した状態を示す。

【図7】偏光分離レンズ素子の構造及び機能を説明する概念的な斜視図である。

【図8】第１実施形態の虚像表示装置の動作を説明する概念図である。

【図9】第２実施形態の虚像表示装置を説明する外観図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

〔第１実施形態〕
以下、図１～８を参照して、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置等について説明する。

【0008】

図１は、ヘッドマウントディスプレイ、すなわち頭部装着型表示装置２００の装着状態を説明する斜視図である。頭部装着型表示装置（以下、ＨＭＤとも称する。）２００は、双眼型表示装置２０１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、ＨＭＤ２００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。

【0009】

ＨＭＤ２００は、右眼用の第１虚像表示装置１００Ａと、左眼用の第２虚像表示装置１００Ｂと、虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂを支持する一対のテンプル１００Ｃと、情報端末であるユーザー端末９０とを備える。第１虚像表示装置１００Ａは、第１装置１Ａであり、上部に配置される第１表示駆動部１０２ａと、眼前を覆う第１表示光学系１０３ａと、第１表示光学系１０３ａを外界側又は前方側において覆う光透過カバー１０４ａとで構成される。第２虚像表示装置１００Ｂは、第２装置１Ｂであり、上部に配置される第２表示駆動部１０２ｂと、眼前を覆う第２表示光学系１０３ｂと、第２表示光学系１０３ｂを外界側又は前方側において覆う光透過カバー１０４ｂとで構成される。第１装置１Ａである第１虚像表示装置１００Ａと、第２装置１Ｂである第２虚像表示装置１００Ｂとを組み合わせたＨＭＤ２００は、広義の虚像表示装置でもある。一対のテンプル１００Ｃは、装着者ＵＳの頭部に装着される装着部材又は支持装置１０６であり、外観上一体化されている表示駆動部１０２ａ，１０２ｂを介して一対の表示光学系１０３ａ，１０３ｂの上端側と、一対の光透過カバー１０４ａ，１０４ｂの上端側とを支持している。一対の表示駆動部１０２ａ，１０２ｂを組み合わせたものを駆動装置１０２と呼ぶ。一対の光透過カバー１０４ａ，１０４ｂを組み合わせたものをシェード１０４と呼ぶ。

【0010】

図２は、第１表示光学系１０３ａの構造を説明する斜視図である。第１表示光学系１０３ａは、照明光として３色の光を時分割で発生する光源装置１０と、２次元的な画像を形成し映像光を射出する板状の複合表示部材２０と、映像光に対してレンズとして機能する偏光分離レンズ素子５０とを備える。光源装置１０は、図１に示す第１表示駆動部１０２ａの一部であり、後述する複合表示部材２０の導光部材２２に対して上端辺から照明光を供給するように、導光部材２２の上辺の上方近傍に配置されている。複合表示部材２０と偏光分離レンズ素子５０とは、光軸ＡＸ方向に離間して配置されている。第１表示光学系１０３ａにおいて、眼ＥＹと偏光分離レンズ素子５０との間の距離は、例えば１０ｍｍ～２０ｍｍ程度である。また、複合表示部材２０と偏光分離レンズ素子５０との間の距離は、例えば３ｍｍ～２５ｍｍ程度である。

【0011】

複合表示部材２０は、光軸ＡＸに垂直なＸＹ面に沿って延びる板状の部材であり、遮光部材２１と導光部材２２と第１偏光板２３と光変調素子２４と第２偏光板２５とを積層した全体として板状の部材であり、不図示の枠体によって一体化された構造を有する。ここで、遮光部材２１と導光部材２２と第１偏光板２３と光変調素子２４と第２偏光板２５とは、所定の間隔を設けて近傍に配置された状態で接合され、固定されている。これにより、装置を比較的薄くすることができる。なお、第１偏光板２３と光変調素子２４と第２偏光板２５とは、密着してもよい。複合表示部材２０は、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列された複数の繰返単位２０ａで構成され、繰返単位２０ａは、光変調素子２４において、画像を形成する単位である液晶画素ＰＥを含む。複合表示部材２０において、導光部材２２は、一対の平面２２ｉ，２２ｊを有する平行平板状の部材であり、遮光部材２１と第１偏光板２３とに挟まれてこれらの近傍に配置されつつも、その機能を発揮する観点で遮光部材２１と第１偏光板２３とから離間して配置されている。具体的には、導光部材２２の一対の平面２２ｉ，２２ｊは、対向する遮光部材２１や第１偏光板２３の表面から、数μｍ以上５０μｍ以下離れて配置されている。これにより、導光部材２２における照明光の伝搬を確保しつつ、装置の薄型化及び軽量化を図ることができる。

【0012】

偏光分離レンズ素子５０は、映像光ＭＬに対してレンズとして機能する。偏光分離レンズ素子５０５０は、複合表示部材２０における第２偏光板２５の顔側つまり－Ｚ側に配置されて眼前を覆う。偏光分離レンズ素子５０は、光変調素子２４を構成する複数の液晶画素ＰＥを包括的に結像させる単独レンズである。つまり、偏光分離レンズ素子５０は、各液晶画素ＰＥに対応する光をまとめて結像させる。偏光分離レンズ素子５０を単独レンズとすることにより、アイボックスを広くすることが容易になる。偏光分離レンズ素子５０は、ＸＹ面に沿って延びる板状の部材である。偏光分離レンズ素子５０は、具体的には液晶レンズ５１であり、屈折率の状態が異なる複数の円形の輪帯部分ＲＡを含む。一群の輪帯部分ＲＡは、光軸ＡＸの周りに対称的に同心で配置されている。一群の輪帯部分ＲＡのうち、光軸ＡＸから離れた周辺の輪帯部分ＲＡは、光軸ＡＸが通る中央の輪帯部分ＲＡよりも、光軸ＡＸを中心とする径方向の幅が狭くなっている。つまり、輪帯部分ＲＡの径方向の幅は、周辺にあるものほど狭くなっている。

【0013】

偏光分離レンズ素子５０は、垂直方向又は鉛直方向の偏光に作用し、水平方向の偏光には作用しない。垂直方向の偏光に作用する偏光分離レンズ素子５０は、光変調素子２４の位置に焦点があり、或いはそれに近い屈折力を有するため、映像光ＭＬは眼ＥＹに略平行になって射出する。これにより、眼ＥＹの網膜上に画像と外界像が重なり、ＡＲ表示することができる。

【0014】

第２表示光学系１０３ｂは、第１表示光学系１０３ａと光学的に同一であり、或いは第１表示光学系１０３ａを左右反転させたものであり、詳細な説明を省略する。

【0015】

図３に示すように、遮光部材２１は、光透過性を有する平板２１ａ上に四角形の遮光層２１ｂを設けたものである。図示を省略するが、全体の遮光部材２１には、多数の遮光層２１ｂが、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列されている。つまり、遮光部材２１を構成する全遮光層２１ｂは、横のＸ方向及び縦のＹ方向に関して周期的に２次元配列されている。各遮光層２１ｂは、各繰返単位２０ａにおける画素に対応する領域（具体的には光変調素子２４に液晶画素ＰＥが形成された領域）に形成されている。遮光部材２１のうち遮光層２１ｂが設けられていない光透過領域Ａ１は、外界光ＯＬを透過させるが、遮光層２１ｂは、外界光ＯＬを遮断する。

【0016】

遮光層２１ｂは、吸光性又は反射性を有する塗料その他の物質で形成され、例えばインクジェット方式で目的の個所に塗布することができる。遮光層２１ｂは、平板２１ａ上において遮光層２１ｂを形成しない位置に事前に離型剤からなる離型パターンを記録し、吸光物質のスプレーを全体に塗布し、離型パターンの箇所で吸光物質を除去し、残った吸光物質層からなるものであってもよい。遮光層２１ｂは、光吸収作用又は光反射作用を有するものであれば、黒以外の色の塗料を用いて形成されてもよい。さらに、遮光層２１ｂは、フォトレジスト技術等を用いて平板２１ａ上において遮光層２１ｂを形成すべき位置に金属のような反射材料のパターンを形成したミラーとすることができる。遮光層２１ｂは、フォトレジスト技術等を用いて形成した金属パターンを酸化して吸収性を高めたものであってもよい。遮光層２１ｂがミラーである場合、後述する導光部材２２の光抽出部２２ｄから外界側に向かう照明光ＩＬを反射することができ、光変調素子２４に向かうバックライト光ＢＬとして利用することができる。なお、遮光層２１ｂは、平板２１ａの顔側に形成されるものに限らず、平板２１ａの外界側に形成されてもよい。

【0017】

導光部材２２は、光透過性を有する平板２２ａ上に例えば光抽出部２２ｄを設けたものである。光抽出部２２ｄは、平行平板状の導光部材２２による全反射等を利用した照明光ＩＬの伝搬を乱すことによって、必要な個所で照明光ＩＬを効率よく取り出すことができる。図示を省略するが、全体の導光部材２２には、多数の光抽出部２２ｄが、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列されている。つまり、導光部材２２を構成する全光抽出部２２ｄは、横のＸ方向及び縦のＹ方向に関して周期的に２次元配列されている。

【0018】

光抽出部２２ｄは、導光部材２２を構成する一対の平面２２ｉ，２２ｊのうち例えば光変調素子２４側の平面２２ｊに形成された光散乱層Ｅ１であるが、かかる光散乱層Ｅ１をナノ構造Ｅ２又は微小レンズＥ３に置き換えることができる。光抽出部２２ｄによって平面２２ｉ，２２ｊで反射されつつ導光部材２２を伝搬する照明光ＩＬの全反射条件が壊され、光抽出部２２ｄから第１偏光板２３に向けてバックライト光ＢＬが漏れ出す。これにより、導光部材２２は、照明光ＩＬを後述する光変調素子２４の液晶画素ＰＥに向けて射出することができる。具体的には、光抽出部２２ｄが光散乱層Ｅ１である場合、導光部材２２を伝搬する照明光ＩＬが光散乱層Ｅ１で散乱され、照明光ＩＬの伝搬方向が平面２２ｊの外部に向けてランダムに分散し、照明光ＩＬが全体として－Ｚ方向に射出される。光抽出部２２ｄがナノ構造Ｅ２である場合、導光部材２２を伝搬する照明光ＩＬがナノ構造Ｅ２での屈折や干渉によって偏向され、照明光ＩＬが全体として－Ｚ方向に射出される。この場合、バックライト光ＢＬの射出方向の制御が容易になる。光抽出部２２ｄが微小レンズＥ３である場合、導光部材２２を伝搬する照明光ＩＬが微小レンズＥ３で屈折され、微小レンズＥ３の面形状や傾きの調整によって、照明光ＩＬを全体として－Ｚ方向に射出させることができる。つまり、光抽出部２２ｄによって、導光部材２２を伝搬する照明光ＩＬが導光部材２２から外部に取り出される。導光部材２２において、光抽出部２２ｄを設ける箇所を適宜設定すれば、導光部材２２の必要な個所で照明光ＩＬを効率よく取り出すことができる。光抽出部２２ｄが光散乱層である場合、平面２２ｊの表面にマスクを形成し、その開口に物理的或いは化学的な処理を施して微細散乱構造を形成し、最後にマスクを除去する。光抽出部２２ｄがナノ構造である場合、平面２２ｊの表面の適所にナノインプリント等を利用して散乱構造体を形成する。光抽出部２２ｄが微小レンズである場合、導光部材２２の成形型に予めレンズ形状の転写面を加工しておく。

【0019】

一方で、導光部材２２は、外部から平面２２ｉに入射した光を平面２２ｊ側に透過させる。つまり、導光部材２２は、遮光部材２１によって遮蔽されずに到来した外界光ＯＬを少なくとも部分的に通過させる光透過領域Ａ２を備えている。導光部材２２のうちの光抽出部２２ｄが設けられている部分以外の平板部分が、光透過領域Ａ２として使用される。

【0020】

導光部材２２に付帯する光源装置１０は、バックライト光用の照明光ＩＬとして、３色の光を時分割で発生し、３色の光を導光部材２２に供給する。３色の照明光ＩＬは、例えば、表示画像に対して求められる色域内の任意の色が表現可能であり、重ね合わされたときに白色光となるように選択される。光源装置１０は、具体例において、図２に概念的に示すように、赤色の光を発生するＲ発光素子１１ｒと、緑色の光を発生するＧ発光素子１１ｇと、青色の光を発生するＢ発光素子１１ｂとを備えている。Ｒ発光素子１１ｒ、Ｇ発光素子１１ｇ、及びＢ発光素子１１ｂは、自発光素子、例えば、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、無機材料で形成されたマイクロ発光ダイオード（μＬＥＤ）のような発光ダイオードであってもよい。Ｒ発光素子１１ｒ、Ｇ発光素子１１ｇ、及びＢ発光素子１１ｂは、単独で組み込まれるものに限らない。つまり、光源装置１０は、１つ又は複数のＲ発光素子１１ｒと、１つ又は複数のＧ発光素子１１ｇと、１つ又は複数のＢ発光素子１１ｂとを組み合わせたものである。光源装置１０と導光部材２２との間には、照明光ＩＬの拡散を支援するためビームスプリッターを含む合分波器を組み込むことができる。

【0021】

図４に示すように、導光部材２２から射出されたバックライト光ＢＬは、全体として、平面２２ｊに直交する方向、つまり光軸ＡＸに平行な－Ｚ方向を中心とする角度方向に射出される。各光抽出部２２ｄは、各繰返単位２０ａにおいて光変調素子２４の液晶画素ＰＥに対応する領域に離散的に形成されており、第１偏光板２３を介して対応する液晶画素ＰＥに向けてバックライト光ＢＬを照射する。バックライト光ＢＬは、図２に示すＲ発光素子２２ｒからの照明光成分に相当する赤色光ＢＬｒと、Ｇ発光素子１１ｇからの照明光成分に相当する緑色光ＢＬｇと、Ｂ発光素子１１ｂからの照明光成分に相当する青色光ＢＬｂとで構成され、赤色光ＢＬｒと緑色光ＢＬｇと青色光ＢＬｂとが切り換えられつつ出力される。つまり、光抽出部２２ｄは、３色の光である赤色光ＢＬｒ、緑色光ＢＬｇ、青色光ＢＬｂを液晶画素ＰＥに射出する。導光部材２２の光抽出部２２ｄのサイズは、光変調素子２４の液晶画素ＰＥのサイズと同等であるか、又は、液晶画素ＰＥのサイズよりも僅かに小さい。光抽出部２２ｄのサイズが液晶画素ＰＥのサイズよりも小さい場合、光抽出部２２ｄから射出されるバックライト光ＢＬが拡散するものであっても、バックライト光ＢＬを全体的に液晶画素ＰＥに入射させることができる。なお、光抽出部２２ｄは、全てが離散的に設けられる場合に限らず、映像光ＭＬの結像に大きな影響が生じない程度に光抽出部２２ｄの一部がつながったものであってもよい。

【0022】

図３等に示す光源装置１０と導光部材２２とは、例えば下記のように動作することで、３原色の光、即ち、赤色、緑色、青色の光を時分割で発生する。赤色の光をバックライト光ＢＬとして発生する期間（以下、「赤発光期間」ということがある）では、図２に示すＲ発光素子１１ｒが点灯し、赤色光ＢＬｒによって光変調素子２４の各液晶画素ＰＥを照明する。緑色の光をバックライト光ＢＬとして発生する期間（以下、「緑発光期間」ということがある）では、Ｇ発光素子１１ｇが点灯し、緑色光ＢＬｇによって光変調素子２４の各液晶画素ＰＥを照明する。青色の光をバックライト光ＢＬとして発生する期間（以下、「青発光期間」ということがある）では、Ｂ発光素子１１ｂが点灯し、青色光ＢＬｂによって光変調素子２４の各液晶画素ＰＥを照明する。

【0023】

赤発光期間、緑発光期間及び青発光期間に加えて、Ｒ発光素子１１ｒ、Ｇ発光素子１１ｇ、及びＢ発光素子１１ｂの全てが発光する全発光期間が設けられてもよい。全発光期間を設けることにより、表示画像の輝度を全体的に高めることができる。

【0024】

図３に戻って、複合表示部材２０の第１偏光板２３は、導光部材２２の顔側に配置されており、透過光を所定の偏光方向、具体的には第１偏光方向の偏光である横偏光に制限し、第１偏光方向に直交する第２偏光方向の偏光である縦偏光を遮断するように構成されている。図示された実施形態では、左右の±Ｘ方向に平行な偏光面を有する横偏光が第１偏光Ｐ１であり、上下の±Ｙ方向に平行な偏光面を有する縦偏光が第２偏光Ｐ２である。第１偏光板２３の作用により、遮光部材２１の光透過領域Ａ１等を通過した外界光ＯＬ及び導光部材２２から射出されたバックライト光ＢＬのうち、縦偏光である第２偏光Ｐ２は第１偏光板２３で遮断され、横偏光である第１偏光Ｐ１は第１偏光板２３を通過する。第１偏光板２３を通過した横偏光すなわち第１偏光Ｐ１は、後述する光変調素子２４の液晶画素ＰＥと光透過領域Ａ３とに入射する。第１偏光板２３は、例えば光透過性を有する平板２３ａ上に吸収型の偏光膜２３ｂを貼り付けたものである。偏光膜２３ｂは、例えばヨウ素吸着させたポリビニルアルコール（ＰＶＡ）を特定方向に延伸した樹脂シートであってもよい。図示の例では、偏光膜２３ｂは、左右の±Ｘ方向に平行な偏光面を有する横偏光すなわち第１偏光Ｐ１のみを透過させ、上下の±Ｙ方向に平行な偏光面を有する縦偏光すなわち第２偏光Ｐ２を吸収する。第１偏光板２３又は偏光膜２３ｂが画像の形成に利用されない縦偏光すなわち第２偏光Ｐ２を吸収することで、迷光の発生を抑制することができる。

【0025】

複合表示部材２０において、光変調素子２４が第１偏光板２３の顔側に配置され、第２偏光板２５が光変調素子２４の顔側に配置されている。

【0026】

光変調素子２４と第２偏光板２５とは、表示画像に対応する画像データに応じて液晶画素ＰＥに入射したバックライト光ＢＬを変調して映像光ＭＬを生成するように構成されている。詳細には、光変調素子２４の各液晶画素ＰＥは、画像データに示されている各液晶画素ＰＥの階調に対応する駆動電圧で駆動され、バックライト光ＢＬの偏光面を駆動電圧に対応する角度だけ回転して映像光ＭＬを射出する。液晶画素ＰＥから射出される映像光ＭＬの縦偏光成分が、信号成分すなわち液晶画素ＰＥの階調に対応した強度を有している。光変調素子２４は、光透過領域Ａ３において外界光ＯＬの偏光面に作用することなく外界光ＯＬを透過させる。第２偏光板２５は、光透過性を有する平板２５ａ上に四角形の偏光領域２５ｐを有する。偏光領域２５ｐは、液晶画素ＰＥに対応して離散的に設けられて液晶画素ＰＥから射出される映像光ＭＬを第１偏光方向と異なる第２偏光方向の偏光に制限する偏光膜２５ｂである。つまり、偏光領域２５ｐは、透過光を所定の偏光方向、具体的には第２偏光方向の偏光である第２偏光Ｐ２に制限し、第２偏光方向に直交する第１偏光方向の偏光である第１偏光Ｐ１を遮断するように構成されている。図３の実施形態では、映像光ＭＬの横偏光成分が除去される一方、外界光ＯＬと、映像光ＭＬの信号成分である縦偏光成分とが第２偏光板２５を透過する。第２偏光板２５は、第１偏光板２３と異なり、パターニングされた偏光膜２５ｂを有するので、例えばワイヤーグリッドタイプの偏光板を平板２５ａの片面に一様に形成し、マスクによって偏光膜２５ｂの形成予定箇所を保護しつつ、その周囲のワイヤーグリッドパターンをエッチングによって除去する。最後にマスクを除去することで、ワイヤーグリッドタイプの偏光領域からなる偏光膜２５ｂを所望のサイズ及びパターンで平板２５ａ上に形成することができる。図３に図示されている例では、偏光膜２５ｂは、上下の±Ｙ方向に平行な偏光面を有する縦偏光すなわち第２偏光Ｐ２のみを透過させ、左右の±Ｘ方向に平行な偏光面を有する横偏光すなわち第１偏光Ｐ１を反射又は吸収する。

【0027】

第２偏光板２５は、光変調素子２４の光透過領域Ａ３を通過した外界光ＯＬを少なくとも部分的に通過させる光透過領域Ａ４を備えている。第２偏光板２５のうちの偏光膜２５ｂが設けられている偏光領域２５ｐ以外の平板部分が、光透過領域Ａ４として使用される。

【0028】

カラー表示を実現するために、光変調素子２４の各液晶画素ＰＥは、導光部材２２からの３原色のバックライト光ＢＬの時分割での発生に同期して駆動される。バックライト光ＢＬとして赤色光ＢＬｒが発生される赤発光期間では、赤色の階調に対応する駆動電圧で液晶画素ＰＥが駆動される。同様に、バックライト光ＢＬとして緑色光ＢＬｇが発生される緑発光期間では、緑色の階調に対応する駆動電圧で液晶画素ＰＥが駆動され、バックライト光ＢＬとして青色光ＢＬｂが発生される青発光期間では、青色の階調に対応する駆動電圧で液晶画素ＰＥが駆動される。導光部材２２が３原色の光をバックライト光ＢＬとして時分割で発生して液晶画素ＰＥに照射するので、カラー表示を行う場合でも光変調素子２４の解像度、すなわち液晶画素ＰＥの密度が低いことが許容される。これは、光変調素子２４における光透過領域Ａ３の割合を増加させ、シースルー透過率を向上することを可能にする。

【0029】

図５は、光変調素子２４の具体的な構造の一例を説明する概念的な斜視図である。図５は、光変調素子２４を構成する１つの繰返単位２０ａのうち、特に液晶画素ＰＥに対応する構造部分を図示している。図示の例では、光変調素子２４が、アクティブマトリクス型の液晶パネルとして構成されている。光変調素子２４は、第１基板４１と、第１基板４１に対向するように配置された第２基板４２とを備えている。第１基板４１と第２基板４２とは、光透過性を有するガラスやプラスチックで形成されている。第１基板４１と第２基板４２の間の空間は、液晶４９で満たされている。液晶４９としては、例えば、ＴＮ液晶、ＩＰＳ（in plane switching）液晶、ＶＡ(Vertical Alignment)液晶が使用され得る。第１基板４１上には、ゲート線とも呼ばれることもある走査線４３と、ソース線と呼ばれることもある信号線４４と、スイッチ素子である駆動素子４５と、画素電極４６とが形成されている。図示された実施形態では、走査線４３がＸ軸に平行に延伸するように設けられ、信号線４４がＹ軸に平行に延伸するように設けられている。駆動素子４５は、薄膜トランジスター（ＴＦＴ）を備えており、例えば、走査線４３を高電位にプルアップすることにより走査線４３が選択されると、走査線４３と画素電極４６とを電気的に接続するスイッチ素子として構成されている。第２基板４２には、共通電圧に維持される対向電極４７が形成される。画素電極４６と、対向電極４７と、これらの間にある液晶４９とが、繰返単位２０ａの液晶画素ＰＥを構成している。図示を省略しているが、画素電極４６と対向電極４７との間には、配向膜が配置され、液晶４９の初期配向状態を調整している。動作の一例について説明すると、液晶画素ＰＥは、画像データに示されている液晶画素ＰＥの階調に対応する駆動電圧が書き込まれると、液晶画素ＰＥに入射されたバックライト光の偏光面を上記駆動電圧に対応する角度だけ回転して映像光ＭＬを射出するように構成されている。駆動電極の液晶画素ＰＥへの書き込みは、走査線４３を選択して駆動素子４５をオンにした状態で、不図示のドライバーから信号線４４及び駆動素子４５を介して画素電極４６に駆動電圧を供給することによって行われる。

【0030】

図示の光変調素子２４に場合、液晶画素ＰＥは、液晶４９で満たされた液晶セルに格納され、この液晶セルの外部には液晶が存在しない構造とされている。このような構造では、液晶画素ＰＥの外部の光透過領域Ａ３において外界光ＯＬが液晶層を通過しないので、液晶４９として電圧が印加されなくても偏光面を回転させるものが用いられる場合であっても、光透過領域Ａ３を通過する外界光ＯＬが横偏光に維持される。なお、電圧が印加されないと偏光面を回転させない液晶であれば、液晶セルの外部がかかる液晶で満たされてしても、外界光ＯＬの偏光状態に影響を及ぼさない。

【0031】

図３に関連する説明では、第１偏光板２３が横偏光である第１偏光Ｐ１の外界光ＯＬ及び映像光ＭＬを透過させ、第２偏光板２５の偏光膜２５ｂが縦偏光である第２偏光Ｐ２の映像光ＭＬを選択的に透過させるとしたが、第１偏光板２３は、縦偏光の映像光ＭＬを透過させるものであってもよい。この場合、第２偏光板２５の偏光膜２５ｂは、横偏光の映像光ＭＬを選択的に透過させるものとする。光変調素子２４については、第１偏光板２３や第２偏光板２５の偏光面に対応するものが用いられる。後述する液晶レンズ５１についても、第１偏光板２３及び第２偏光板２５の偏光膜２５ｂの偏光方向の変更に伴い、レンズとして機能する偏光方向が、対応するものに変更される。

【0032】

図６は、第２偏光板２５側から、光変調素子２４を透視し、併せて遮光部材２１や導光部材２２を透視した状態を重ねて示した図である。この場合、遮光部材２１の遮光層２１ｂは、繰返単位２０ａのうち画素区画２２ｔに対応する液晶画素ＰＥをカバーし、画素区画２２ｔ又は液晶画素ＰＥよりも若干外側に広がった領域に形成されているが、画素区画２２ｔ又は液晶画素ＰＥと一致する領域に形成されてもよい。導光部材２２の光抽出部２２ｄは、画素区画２２ｔ又は液晶画素ＰＥよりも若干狭い領域に形成されているが、画素区画２２ｔ又は液晶画素ＰＥと略一致する領域に形成されてもよい。遮光部材２１の遮光層２１ｂは、光抽出部２２ｄ又は液晶画素ＰＥに対応する大きさを有する。具体的には、遮光層２１ｂは、光抽出部２２ｄよりも若干外側に広がった領域に形成されている。第２偏光板２５の偏光膜２５ｂは、画素区画２２ｔ又は液晶画素ＰＥをカバーし、画素区画２２ｔ又は液晶画素ＰＥよりも若干外側に広がった領域に形成されているが、画素区画２２ｔ又は液晶画素ＰＥと一致する領域に形成されてもよい。光変調素子２４等の大きさは、例えば１インチ程度である。第１表示光学系１０３ａにおいて、画素数は、２Ｋ～４Ｋ程度である。液晶画素ＰＥの大きさは、例えば１０μｍ角～４０μｍ角程度である。導光部材２２の光抽出部２２ｄの大きさは、例えば４μｍ角～３０μｍ角程度である。シースルー光を確保するため、（光抽出面積）／（画素区画面積）は、例えば０．３～０．８程度となっている。

【0033】

図７は、偏光分離レンズ素子５０又は液晶レンズ５１の構造や機能を説明する図である。図１０中で、上側α１は、液晶レンズ５１の概念的な斜視図であり、下側α２は、液晶レンズ５１のリタデーションの分布状態を例示するチャートである。液晶レンズ５１は、特定偏光成分に対してレンズの役割をする光学素子である。液晶レンズ５１は、映像光ＭＬの偏光に対して選択的に作用する屈折力を有しその屈折力が輪帯部分ＲＡごとに設定されている。液晶レンズ５１は、縦偏光と横偏光とが入射した場合において、一方向の偏光（第２偏光Ｐ２）に対して屈折率の分布により選択的にレンズとして作用し、他方向の偏光（第１偏光Ｐ１）に対して略そのまま透過させて作用を及ぼさない。ここで、一方向の偏光は具体的には鉛直方向に沿った偏光面を有する縦偏光の映像光ＭＬであり、他方向の偏光は具体的には水平方向に沿った偏光面を有する横偏光の外界光ＯＬである。液晶レンズ５１は、固定焦点で使用することができるが、可変焦点で使用してもよい。液晶レンズ５１の屈折率の分布を全体的に増減させれば、液晶レンズ５１の屈折力を増減させることができ、可変焦点で使用することができる。

【0034】

偏光分離レンズ素子５０としての液晶レンズ５１は、レンズ部材５１ａと駆動回路５１ｃとを備える。レンズ部材５１ａは、対向する２つの光透過基板５３ａ，５３ｂと、光透過基板５３ａ，５３ｂの内面側に設けられた２つの電極層５４ａ，５４ｂと、電極層５４ａ，５４ｂに挟まれた液晶層５５とを備える。なお、図示を省略しているが、電極層５４ａ，５４ｂと液晶層５５との間には、配向膜が配置され、液晶層５５の初期配向状態を調整している。第１の電極層５４ａは、輪帯部分ＲＡにおいて、ＸＹ面に沿って同心に配置される多数の電極５７を含み、各電極５７は、環状の透明電極である。多数の電極５７は、互いに離間し、外側に位置する電極５７ほど横幅が狭まっている。電極５７の横幅は、レンズ部材５１ａによる屈折作用の精度に影響する。各電極５７は、途中経路上では不図示の絶縁層によって絶縁された配線５８を介して駆動回路５１ｃに接続されている。第２の電極層５４ｂは、ＸＹ面に平行に延びる共通電極であり、光透過基板５３ｂに沿って一様に形成されている。多数の電極５７には、異なる印加電圧Ｖ１～Ｖ７が印可され、複屈折又はリタデーションの分布状態を調整する。液晶レンズ５１に凸レンズの効果を持たせる場合、印加電圧Ｖ１を印加電圧Ｖ７よりも高くし、印加電圧Ｖ２～Ｖ６を電圧範囲Ｖ１～Ｖ７内で徐々に変化させた値に設定する。

【0035】

光変調素子２４から射出された映像光ＭＬが第２偏光板２５を介して液晶レンズ５１に入射する場合、つまりＹ方向に平行な偏光面を有する縦偏光（第２偏光Ｐ２）が液晶レンズ５１に入射する場合について考える。縦偏光に関しては、周辺部である最も外側に配置される電極５７に印可される電圧が高くなってリタデーションが減少し、この領域で屈折率が相対的に低くなるので、例えば遠方の点光源からの光を考えたとき、周辺部の電極５７を経て液晶レンズ５１を通過した光は、波面が相対的に進む。一方、中央部である最も内側の電極５７に印可される電圧が低くなってリタデーションが元に近い状態に維持され、この領域で屈折率が相対的に高くなるので、例えば遠方の点光源からの光を考えたとき、中央部の電極５７を経て液晶レンズ５１を通過する光は、波面が相対的に遅れる。よって、所定の焦点面ＦＰに設定された像ＲＩから液晶レンズ５１に入射する発散状態の映像光ＭＬ_０は、縦偏光であり、液晶レンズ５１を通過することで凸レンズとしての作用を受け、発散角が減少した状態の映像光ＭＬ_ＰＲとなる。映像光ＭＬ_ＰＲを逆に辿った仮想的な映像光ＭＬ_ＰＩは、焦点面ＦＰよりも遠方の虚像位置からのものとなる。液晶レンズ５１の焦点距離は、点光源からの光がコリメートされる場合の点光源から液晶レンズ５１までの距離である。本実施形態では、焦点距離は、光変調素子２４から液晶レンズ５１までの距離と略一致する。近似的には、レンズの公式により、焦点面ＦＰから液晶レンズ５１までの距離をＡとし、液晶レンズ５１から像面までの距離をＢとし、液晶レンズ５１の焦点距離をＦとして
１／Ｆ＝１／Ａ＋１／Ｂ
なる関係が成り立つ。ここで、焦点面ＦＰから虚像位置までの距離Ｂは、液晶レンズ５１から焦点面ＦＰまでの距離Ａの数倍から数１０倍の距離に設定される。この距離比は、詳細な説明を省略するが、虚像の拡大率に相当するものとなる。以上において、印加電圧Ｖ１～Ｖ７の相対的比率を略維持して低電圧とした場合、中心と周辺でリタデーションの差が減少し、液晶レンズ５１の正のパワーの絶対値が減少する。つまり、液晶レンズ５１に高電圧ＶＨを印可することで、パワーの絶対値を増加させることができ、液晶レンズ５１に低電圧ＶＬを印可することで、パワーの絶対値を減少させることができ、駆動回路５１ｃによって液晶レンズ５１を外部から調整可能な可変焦点レンズとして機能させることができる。

【0036】

液晶レンズ５１を可変焦点レンズとして機能させることにより、焦点距離Ｆが変化するので、液晶レンズ５１から像面位置又は虚像位置までの距離Ｂを自在に変更することができ、拡大率の調整が可能になる。また、装着者ＵＳの視力が近視等で偏っている場合であっても、焦点があった状態で虚像を観察するフォーカス調整が可能になる。つまり、個人の視度能力差（遠視、近視、乱視等）に合わせて像面位置又は虚像位置を微調整することができる。拡大率の調整やフォーカス調整は、装着者ＵＳが例えばユーザー端末９０を操作することで実現される。つまり、虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂは、装着者ＵＳの操作によって拡大率やフォーカスに関するカスタマイズが可能になっている。

【0037】

液晶レンズ５１は、縦偏光の映像光ＭＬに対して結像作用を有するものであり、回転角度を調整することで横偏光の映像光ＭＬに対して結像作用を有するものであり、特定の偏光成分に対してレンズの役割をする液晶レンズということができ、特定の偏光成分に作用してレンズ機能を有する液晶レンズということもできる。液晶レンズ５１を眼前に配置することで、液晶レンズ５１のサイズに近いアイボックスを確保することができ、アイボックスを大きくでき画像の欠けを生じさせにくくできるだけでなく、小型ながらＦＯＶを大きくした表示光学系１０３ａ，１０３ｂを実現することができる。さらに、導光部材２２、光変調素子２４等を含む複合表示部材２０と、液晶レンズ５１とを組み合わせることにより、小型の光学系で大画面を表示することができる。ここで、大画面の表示とは、例えば２．５ｍ前方に７０インチ以上の虚像を形成する場合を意味する。

【0038】

液晶レンズ５１は、中心から周辺に向かってリタデーションが徐々に減少するものに限らず、例えば国際公開２００９／０７２６７０号明細書に開示のようにフレネル型のレンズとすることもできる。液晶レンズ５１は、超音波で液晶の配向方向を変更するものであってもよい。

【0039】

なお、遮光部材２１等を通過した外界光ＯＬについては、横偏光（第１偏光Ｐ１）であり、液晶レンズ５１を通過しても、印加電圧Ｖ１～Ｖ７の値に関わらずリタデーションがＸＹ面内で一様に保たれるので、位相差が与えられず、液晶レンズ５１のレンズ作用の影響を受けない。つまり、外界光ＯＬは、複合表示部材２０及び偏光分離レンズ素子５０によって実質的な作用を受けることなく直進する。

【0040】

図８を参照して、導光部材２２の光抽出部２２ｄから射出されたバックライト光ＢＬは、第１偏光板２３を介して光変調素子２４の液晶画素ＰＥを照明する。光変調素子２４の液晶画素ＰＥから射出された映像光ＭＬは、バックライト光ＢＬの偏光面を駆動信号に応じて回転させたものであり、第２偏光板２５を経て縦偏光である第２偏光Ｐ２のみが射出される。第２偏光板２５を通過した映像光ＭＬは、縦偏光である第２偏光Ｐ２に対して凸レンズとして機能する偏光分離レンズ素子５０の液晶レンズ５１を経て虚像を形成する。装着者の眼ＥＹには、光変調素子２４及び第２偏光板２５によって変調された映像光ＭＬで形成された虚像が観察される。一方、外界光ＯＬは、遮光部材２１の光透過領域Ａ１を通過し、導光部材２２の平行平板状の光透過領域Ａ２を通過する。その後、外界光ＯＬは、第１偏光板２３を通過して偏光方向が横に制限され、光変調素子２４の光透過領域Ａ３を通過し、第２偏光板２５の光透過領域Ａ４を通過し、最終的に液晶レンズ５１に入射する。この際、外界光ＯＬは、遮光部材２１、導光部材２２、第１偏光板２３、光変調素子２４、及び第２偏光板２５によってレンズ作用を受けず、液晶レンズ５１によってもレンズ作用を受けない。装着者の眼ＥＹには、通常の外界像が観察される。つまり、表示光学系１０３ａ，１０３ｂを介して外界像のシールスルー視が可能になる。

【0041】

図３を参照して、光変調素子２４のうち繰返単位２０ａに対応する部分は、光透過領域Ａ３である外光視認画素Ｘ１と、液晶画素ＰＥである映像光射出画素Ｘ２とを組み合わせたものとして見ることができ、シースルー画像表示画素ＴＸとも呼ぶ。シースルー画像表示画素ＴＸは、外界光ＯＬが局所的に遮断された箇所で画素を形成するという観点で、背景を透視させる画素ということができる。遮光部材２１によって遮られなかった外界光ＯＬは、第１偏光板２３によって偏光方向が制限され、光変調素子２４のシースルー画像表示画素ＴＸの一部である光透過領域Ａ３を通過し、液晶レンズ５１で光線状態を維持して通過する。一方、シースルー画像表示画素ＴＸの一部である画素区画２２ｔから射出された映像光ＭＬは、第２偏光板２５によって偏光方向が制限され、液晶レンズ５１を集光作用又はレンズ作用を受けつつ通過し、画素区画２２ｔによる表示に対応する虚像に変換される。

【0042】

以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂは、液晶画素ＰＥと、光透過性を有する光透過領域Ａ２とを有する光変調素子２４と、光変調素子２４の外界側に配置され、液晶画素ＰＥへの外界光ＯＬの入射を抑制する遮光部材２１と、遮光部材２１と光変調素子２４との間に配置され、液晶画素ＰＥに対応する位置で照明光を液晶画素ＰＥに向けて射出する導光部材２２と、導光部材２２と光変調素子２４との間に配置され、液晶画素ＰＥと光透過領域Ａ２とに入射する光を第１偏光方向の偏光（具体的には、例えば横偏光である第１偏光Ｐ１）に制限する第１偏光板２３と、光変調素子２４の顔側に配置され、液晶画素ＰＥに対応して設けられ液晶画素ＰＥから射出される映像光ＭＬを第１偏光方向と異なる第２偏光方向の偏光（具体的には、例えば縦偏光である第２偏光Ｐ２）に制限する偏光領域２５ｐとしての偏光膜２５ｂを有する第２偏光板２５と、第２偏光板２５の顔側に配置され、映像光ＭＬの偏光（具体的には、例えば縦偏光である第２偏光Ｐ２）に対して機能する屈折力を有する偏光分離レンズ素子５０とを備える。

【0043】

上記虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂでは、外界から遮光部材２１を通過した透過光つまり外界光ＯＬが、第１偏光板２３を経て第１偏光方向に制限され、偏光分離レンズ素子５０を屈折力の作用を受けずに通過し、液晶画素ＰＥから射出された映像光ＭＬが、第２偏光板２５を経て第２偏光方向に制限され、偏光分離レンズ素子５０を屈折力の作用を受けて通過し虚像を形成する。この場合、光変調素子２４や偏光分離レンズ素子５０を眼の近くに配置して光変調素子２４の液晶画素ＰＥに形成された画像に対応する虚像を形成することができ、光変調素子２４や偏光分離レンズ素子５０を大きく離すことなく画角を広くすることができる。

【0044】

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、第２実施形態の虚像表示装置、第１実施形態の虚像表示装置を部分的に変更したものであり、第１実施形態の虚像表示装置と共通する部分については説明を省略する。

【0045】

図９に示すように、本実施形態の表示光学系１０３ａ，１０３ｂでは、複合表示部材２０と偏光分離レンズ素子５０との間であって、第２偏光板２５の近傍に、光学アレイ２６が配置されている。光学アレイ２６は、光透過性を有する平板２６ａ上に平面視において円形又は四角形の微小光学素子２６ｂを設けたレンズアレイである。微小光学素子２６ｂは、光変調素子２４を構成する液晶画素ＰＥからの映像光ＭＬについて個別に発散状態を調節する。微小光学素子２６ｂは、例えばマイクロレンズである。

【0046】

図示を省略するが、全体の光学アレイ（レンズアレイ）２６には、多数の微小光学素子２６ｂが、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列されている。つまり、光学アレイ２６を構成する全微小光学素子２６ｂは、横のＸ方向及び縦のＹ方向に関して周期的に２次元配列されている。各微小光学素子２６ｂは、各繰返単位２０ａにおける液晶画素ＰＥに対応する領域に形成されている。光学アレイ２６のうちの微小光学素子２６ｂが設けられている領域以外の平板部分が、外光用の光透過領域Ａ５として使用される。

【0047】

微小光学素子２６ｂは、光変調素子２４の近傍に配置されるので、虚像表示装置１００Ａを薄型にすることが容易になる。また、マイクロレンズを設けることにより、拡散角がより大きくなり、眼ＥＹに入射するときのアイリング径を大きくすることができる。

【0048】

〔変形例その他〕
以上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。

【0049】

上記実施形態において、液晶レンズ５１は、電極を要素とするものに限らず、フレネルレンズ状の第１基板と平板状の第２基板との間に液晶を充填し、液晶の配向をフレネルレンズ面に揃えることで屈折力を持たせたものであってもよい。

【0050】

液晶レンズ５１は、円形に限らず特定方向に若干長い長円状の電極を有するものであってもよい。

【0051】

偏光分離レンズ素子５０としての液晶レンズ５１は、リング状の輪帯部分ＲＡを含むものに限らない。偏光分離レンズ素子５０として、特定の偏光に対してレンズ作用を持つ様々な構造を採用することができる。

【0052】

以上では、ＨＭＤ２００が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂは、頭部に装着せず双眼鏡のようにのぞき込むハンドヘルドディスプレイとしても用いることができる。つまり、本発明において、ヘッドマウントディスプレイには、ハンドヘルドディスプレイも含まれる。

【0053】

上記実施形態において、液晶画素ＰＥの配置や大きさは、１画素に十分なシースルー領域が存在するように、適宜変更することができる。

【0054】

具体的な態様における虚像表示装置は、液晶画素と、光透過性を有する光透過領域とを有する光変調素子と、光変調素子の外界側に配置され、液晶画素への外界光の入射を抑制する遮光部材と、遮光部材と光変調素子との間に配置され、液晶画素に対応する位置で照明光を液晶画素に向けて射出する導光部材と、導光部材と光変調素子との間に配置され、液晶画素と光透過領域とに入射する光を第１偏光方向の偏光に制限する第１偏光板と、光変調素子の顔側に配置され、液晶画素に対応して設けられ液晶画素から射出される映像光を第１偏光方向と異なる第２偏光方向の偏光に制限する偏光領域を有する第２偏光板と、第２偏光板の顔側に配置され、映像光の偏光に対して機能する屈折力を有する偏光分離レンズ素子とを備える。

【0055】

上記虚像表示装置では、外界から遮光部材を通過した透過光つまり外界光が、第１偏光板を経て第１偏光方向に制限され、偏光分離レンズ素子を屈折力の作用を受けずに通過し、液晶画素から射出された映像光が、第２偏光板を経て第２偏光方向に制限され、偏光分離レンズ素子を屈折力の作用を受けて通過し虚像を形成する。この場合、光変調素子や偏光分離レンズ素子を眼の近くに配置して光変調素子の液晶画素に形成された画像に対応する虚像を形成することができ、光変調素子や偏光分離レンズ素子を大きく離すことなく画角を広くすることができる。

【0056】

具体的な態様における虚像表示装置において、第２偏光板の偏光領域は、液晶画素に対応して離散的に設けられる。

【0057】

具体的な態様における虚像表示装置において、導光部材に３色の光を時分割で供給する光源装置をさらに備える。これにより、３色の光を時分割で液晶画素に照射することができ、カラー表示を行う場合でも光変調素子を構成する液晶画素の密度が低いことが許容される。これは、光変調素子における光透過領域の割合を増加させ、シースルー透過率を向上することを可能にする。

【0058】

具体的な態様における虚像表示装置において、導光部材は、平行平板状の部材であり、液晶画素に対応して離散的に設けられて３色の光を液晶画素に射出する光抽出部を有する。光抽出部は、平行平板状の部材による全反射等を利用した照明光の伝搬を乱すことによって、必要な個所で照明光を効率よく取り出すことができる。

【0059】

具体的な態様における虚像表示装置において、光抽出部は、光散乱層、ナノ構造、及び微小レンズのいずれかである。

【0060】

具体的な態様における虚像表示装置において、遮光部材は、外界光の入射を抑制する遮光層を有し、遮光層は、光抽出部に対応する大きさを有する。これにより、外界光が散乱領域に入射することをより抑制することができる。

【0061】

具体的な態様における虚像表示装置において、偏光分離レンズ素子は、複数の液晶画素を包括的に結像させる偏光分離液晶レンズである。単独レンズとすることにより、アイボックスを広くすることが容易になる。

【0062】

具体的な態様における虚像表示装置において、遮光部材と導光部材と第１偏光板と光変調素子と第２偏光板とが、板状の部材として一体化されて複合表示部材を構成し、複合表示部材において、導光部材が、遮光部材と第１偏光板とから離間して配置された一対の平面を有する平行平板状の部材であり、偏光分離レンズ素子が、複合表示部材から離間して配置されている。これにより、導光部材における照明光の伝搬を確保しつつ、装置の薄型化及び軽量化を図ることができる。

【0063】

具体的な態様における虚像表示装置において、第２偏光板と偏光分離レンズ素子との間において、第２偏光板の近傍に配置され、液晶画素に対応して離散的に設けられて液晶画素から射出される映像光の発散角を調整するマイクロレンズを有するレンズアレイをさらに備える。マイクロレンズによって映像光が偏光分離レンズ素子に入射する領域を広げることができ、アイボックスを広く確保することができる。

【0064】

具体的な態様における頭部装着型表示装置は、上述した虚像表示装置を備える第１装置と、上述した虚像表示装置を備える第２装置と、第１装置と第２装置とを支持し、頭部への装着を可能にするテンプルを含む支持装置とを備える。

【符号の説明】

【0065】

１０…光源装置、２０…複合表示部材、２０ａ…繰返単位、２１…遮光部材、２１ａ…平板、２１ｂ…遮光層、２２…導光部材、２２ａ…平板、２２ｄ…光抽出部、２２ｉ，２２ｊ…平面、２２ｔ…画素区画、２３…第１偏光板、２３ａ…平板、２３ｂ…偏光膜、２４…光変調素子、２５…第２偏光板、２５ａ…平板、２５ｂ…偏光膜、２５ｐ…偏光領域、２６…光学アレイ、２６ａ…平板、２６ｂ…微小光学素子、４９…液晶、５０…偏光分離レンズ素子、９０…ユーザー端末、１００Ａ，１００Ｂ…虚像表示装置、１０２…駆動装置、１０３ａ，１０３ｂ…表示光学系、２００…頭部装着型表示装置、２０１…双眼型表示装置、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５…光透過領域、ＡＸ…光軸、ＢＬ…バックライト光、ＥＹ…眼、ＩＬ…照明光、ＭＬ…映像光、ＯＬ…外界光、Ｐ１…第１偏光、Ｐ２…第２偏光、ＰＥ…液晶画素

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】