特開 2024-102728 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】P2024102728

(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 27/04 20060101AFI20240724BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20240724BHJP

   G02B 5/20 20060101ALI20240724BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20240724BHJP

   G02B 5/26 20060101ALI20240724BHJP

   G02B 5/22 20060101ALI20240724BHJP

   G09G 3/20 20060101ALI20240724BHJP

   G09G 3/34 20060101ALI20240724BHJP

   G09G 3/02 20060101ALI20240724BHJP

   G02C 11/00 20060101ALN20240724BHJP

【ＦＩ】

G02B27/04

G02F1/13 505

G02B5/20

G02B5/30

G02B5/26

G02B5/22

G09G3/20 680C

G09G3/20 642J

G09G3/34 J

G09G3/02 A

G09G3/20 680A

G09G3/34 D

G09G3/20 642D

G09G3/20 642E

G02C11/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023006815

(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】100205350

【弁理士】

【氏名又は名称】狩野 芳正

(74)【代理人】

【識別番号】100109221

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 充広

(72)【発明者】

【氏名】武田 高司

【テーマコード（参考）】

2H006

2H088

2H148

2H149

2H199

5C080

【Ｆターム（参考）】

2H006CA00

2H088EA10

2H088EA42

2H088HA02

2H088HA14

2H088HA18

2H088HA25

2H088MA06

2H148AA01

2H148AA11

2H148AA18

2H148AA24

2H148AA25

2H148CA01

2H148CA13

2H148CA14

2H148CA19

2H148CA23

2H148CA24

2H148FA01

2H148FA09

2H148FA13

2H148FA18

2H148FA22

2H149AA17

2H149AB04

2H149BA02

2H149EA10

2H149FC07

2H149FC08

2H149FC10

2H199CA12

2H199CA25

2H199CA29

2H199CA30

2H199CA43

2H199CA45

2H199CA63

2H199CA70

2H199CA74

2H199CA85

2H199CA86

2H199CA87

5C080AA06

5C080AA10

5C080AA17

5C080BB05

5C080CC02

5C080CC03

5C080DD03

5C080DD22

5C080EE01

5C080EE19

5C080EE23

5C080EE30

5C080FF14

5C080JJ02

5C080JJ06

5C080KK02

(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、画素表示領域２２ｐとして映像光ＭＬで励起して蛍光を発する波長変換領域２２ｅを有する表示部材２２と、波長変換領域２２ｅに単一波長の励起光として映像光ＭＬを照射する投射光学系１０と、表示部材２２の外界側に配置され、波長変換領域２２ｅへの外界光ＯＬの入射を抑制する遮光部材２１と、表示部材２２の顔側に配置され、波長変換領域２２ｅに対応して設けられ表示部材２２で表示された映像光ＭＬを第１偏光方向に制限する第１偏光領域２３ｂを有する第１偏光部材６０と、第１偏光部材６０の位置から外界側に配置され、外界光ＯＬを第１偏光方向と異なる第２偏光方向に制限する第２偏光領域２３ｃを有する第２偏光部材７０と、第１偏光部材６０の顔側に配置され、映像光ＭＬ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５０と、を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

画素表示領域として映像光で励起して蛍光を発する波長変換領域を有する表示部材と、
前記波長変換領域に単一波長の励起光として前記映像光を照射する投射光学系と、
前記表示部材の外界側に配置され、前記波長変換領域への外界光の入射を抑制する遮光部材と、
前記表示部材の顔側に配置され、前記波長変換領域に対応して設けられ前記表示部材で表示された前記映像光を第１偏光方向に制限する第１偏光領域を有する第１偏光部材と、
前記第１偏光部材の位置から外界側に配置され、前記外界光を前記第１偏光方向と異なる第２偏光方向に制限する第２偏光領域を有する第２偏光部材と、
前記第１偏光部材の顔側に配置され、前記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、虚像表示装置。

【請求項2】

前記励起光は、紫外光であり、
前記波長変換領域は、紫外光励起により赤色光、緑色光、及び青色光のいずれかの蛍光を発する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項3】

前記波長変換領域の顔側に前記紫外光を吸収又は反射させる紫外線遮断部材を有する、請求項２に記載の虚像表示装置。

【請求項4】

前記励起光は、青色光であり、
前記表示部材は、前記青色光を散乱させる散乱領域を有し、
前記波長変換領域は、青色光励起により赤色光及び緑色光のいずれかの蛍光を発する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項5】

前記表示部材は、前記波長変換領域と、外界を視認可能にする光透過領域とを有する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項6】

前記第１偏光領域は、前記波長変換領域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7】

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、前記波長変換領域に対応する大きさを有する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項8】

前記第１偏光部材と前記第２偏光部材とは、同一基板上に配置され、
前記第２偏光領域は、前記第１偏光領域の周囲に配置される、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項9】

前記偏光分離レンズ素子は、前記表示部材を構成する複数の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10】

前記投射光学系は、画像を表示する画像表示パネルを有し、前記画像表示パネルの発光領域からの射出光を前記映像光として前記画素表示領域に投影する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項11】

前記投射光学系は、走査のために駆動される微小ミラーにより、レーザーからの変調光を前記映像光として前記画素表示領域に投影する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項12】

外界側から順に、前記遮光部材と、前記表示部材と、前記第１偏光部材とは、一体化されている、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項13】

前記表示部材は、赤色蛍光用の波長変換領域と、緑色蛍光用の波長変換領域と、青色蛍光用の波長変換領域とを有し、前記波長変換領域が配置されない領域に前記外界光を透過させる光透過領域を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項14】

請求項１～１３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１～１３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、該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、画素表示領域として映像光で励起して蛍光を発する波長変換領域を有する表示部材と、波長変換領域に単一波長の励起光として映像光を照射する投射光学系と、表示部材の外界側に配置され、波長変換領域への外界光の入射を抑制する遮光部材と、表示部材の顔側に配置され、波長変換領域に対応して設けられ表示部材で表示された映像光を第１偏光方向に制限する第１偏光領域を有する第１偏光部材と、第１偏光部材の位置から外界側に配置され、外界光を第１偏光方向と異なる第２偏光方向に制限する第２偏光領域を有する第２偏光部材と、第１偏光部材の顔側に配置され、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】表示光学系の光学的構造を説明する概念的な側面図である。

【図4】複合表示部材の繰返単位又はサブ画素を説明する概念的な拡大斜視図である。

【図5A】遮光部材を説明する平面図である。

【図5B】表示部材を説明する平面図である。

【図5C】パターン偏光部材を説明する平面図である。

【図6】画素区画でのサブ画素スポットの照射状態の例を説明する図である。

【図7】遮光部材、表示部材、及びパターン偏光部材を重ねて示した図である。

【図8】投射光学系を説明する概念図である。

【図9】投射光学系で形成される画素又はサブ画素を説明する図である。

【図10】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11A】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11B】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12】第２実施形態の虚像表示装置を説明する概念図である。

【図13】第３実施形態の虚像表示装置を説明する概念図である。

【図14A】第３実施形態のパターン偏光部材を説明する平面図である。

【図14B】第３実施形態の外光偏光部材を説明する平面図である。

【図15】第４実施形態の虚像表示装置を説明する概念図である。

【図16A】第５実施形態の虚像表示装置を説明する概念図である。

【図16B】第５実施形態の虚像表示装置の変形例を説明する概念図である。

【図17】第６実施形態の虚像表示装置を説明する概念図である。

【図18】第６実施形態の複合表示部材を説明する概念図である。

【図19】複合表示部材の表示部材の変形例を説明する概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

〔第１実施形態〕
以下、図１～１１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である。テンプル１００Ｃは、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の構造を説明する概念的な斜視図である。図３は、第１表示光学系１０３ａの構造を説明する概念的な側面図である。第１表示光学系１０３ａは、投射光学系１０と、複合表示部材２０と、偏光分離レンズ素子５０とを備える。投射光学系１０は、複合表示部材２０の表示部材２２に映像光ＭＬが照射されるように、複合表示部材２０の斜め上方向に配置されている。表示部材２２は、投射光学系１０からの投影光又は映像光ＭＬの投射によって画像を表示するスクリーンとして機能する受動的な画像表示部材である。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、表示部材２２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】

図２及び図３に示すように、複合表示部材２０は、投射光学系１０から射出された映像光ＭＬを装着者ＵＳの眼ＥＹ、すなわち装着者ＵＳの瞳位置に導くものである。複合表示部材２０は、光軸ＡＸに垂直なＸＹ面に平行に延びる板状の部材である。複合表示部材２０は、遮光部材２１と、表示部材２２と、パターン偏光部材２３とを積層し、不図示の枠体によって一体化した構造を有する。図示の例では、複合表示部材２０の表示部材２２に映像光ＭＬのスポットを形成するため、投射光学系１０から入射する映像光ＭＬは、パターン偏光部材２３を経て表示部材２２に入射する配置となっている。

【0012】

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で構成される。繰返単位２０ａは、画像を形成する単位である画素ＰＥに対応する画素区画２２ｔを含む。遮光部材２１と、表示部材２２と、パターン偏光部材２３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、遮光部材２１と、表示部材２２と、パターン偏光部材２３とは、密着してもよい。表示部材２２とパターン偏光部材２３とは、パターン偏光部材２３を経て表示部材２２に入射する投射光学系１０からの映像光ＭＬの偏光方向と、表示部材２２の波長変換領域２２ｅで発光してパターン偏光部材２３を通過する映像光ＭＬの偏光方向とが同一となるように配置を調整する。なお、パターン偏光部材２３を表示部材２２から光軸ＡＸ方向に離して、投射光学系１０から表示部材２２に映像光ＭＬを直接入射させてもよい。

【0013】

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５０は、複合表示部材２０のパターン偏光部材２３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、表示部材２２を構成する複数の画素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面に平行に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。

【0014】

偏光分離レンズ素子５０は、水平方向の偏光に作用し、垂直方向又は鉛直方向の偏光には作用しない。水平方向の偏光に作用する偏光分離レンズ素子５０は、波長変換領域２２ｅが形成される表示面ＤＳ又はこれに近い位置に焦点があり、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。

【0015】

図３に示すように、第１表示光学系１０３ａは、波長変換領域２２ｅ又は表示部材２２の顔側に紫外光を吸収又は反射させる紫外線遮断部材２６を有する。これにより、装着者ＵＳの眼ＥＹに紫外光が入射することを防ぐことができる。本実施形態では、紫外線遮断部材２６は、偏光分離レンズ素子５０の射出側に設けられている。なお、紫外線遮断部材２６は、投射光学系１０から表示部材２２に入射する映像光ＭＬ又は励起光を妨げない位置であって、かつ表示部材２２と偏光分離レンズ素子５０との間に設けてもよい。

【0016】

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。

【0017】

図４は、複合表示部材２０の繰返単位２０ａを説明する部分拡大斜視図である。図４では、繰返単位２０ａのうち１つのサブ画素ＰＥａに対応する領域を示している。ここで、軸ＡＸａは、図１に示す光軸ＡＸに平行な軸である。

【0018】

遮光部材２１は、表示部材２２の波長変換領域２２ｅへの外界光ＯＬの入射を抑制する。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５Ａに示すように、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における画素区画２２ｔのサブ画素ＰＥａに対応する領域に形成されている。なお、遮光層２１ｂは、４つのサブ画素ＰＥａを含む画素区画２２ｔに対応する領域に形成されてもよい。遮光層２１ｂは、画素ＰＥを構成するサブ画素ＰＥａと同等又はサブ画素ＰＥａより広い範囲を遮光する。遮光層２１ｂは、波長変換領域２２ｅに対応する大きさを有する。これにより、外界光ＯＬが波長変換領域２２ｅに入射することを抑制することができる。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の通過を抑制する。

【0019】

遮光層２１ｂは、吸光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することで、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物質であれば、黒以外の色の塗料を用いてもよい。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を形成すべき箇所に金属パターンを形成し、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は、金属膜のような反射性を有する物質で形成されたミラーであってもよい。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。

【0020】

図４等に示す表示部材２２は、遮光部材２１の顔側に配置されている。表示部材２２は、図３に示す投射光学系１０から照射される映像光ＭＬのうち一部の光を装着者ＵＳの眼ＥＹに向けて反射させるものであり、複合表示部材２０において、画像表示部材として機能する。表示部材２２は、光透過性を有する平板２２ａ上に、赤色蛍光体、緑色蛍光体、及び青色蛍光体に対応する波長変換領域２２ｅを有している。表示部材２２は、表示面ＤＳにおいて、画像表示パネル１１からのサブ画素スポットＳＰが照射される画素表示領域２２ｐを有する。画素表示領域２２ｐは、画素ＰＥを構成するサブ画素ＰＥａを含み、映像光ＭＬ又はサブ画素スポットＳＰが入射する領域である。波長変換領域２２ｅは、画素表示領域２２ｐよりも狭い範囲に形成される。

【0021】

波長変換領域２２ｅは、光励起により赤色光、緑色光、及び青色光のいずれかの蛍光を発する。本実施形態では、画像表示パネル１１が、単一波長の励起光として、紫外光を射出する例を説明する。この場合、紫外光励起で赤色光、緑色光、及び青色光を発するため、赤色光及び緑色光に青色光が混じることを防ぐことができる。

【0022】

波長変換領域２２ｅは、平面視において多角形又は円形の輪郭を有する。また、波長変換領域２２ｅは、光の方向を制御するナノ構造を有する。

【0023】

波長変換領域２２ｅは、発光材料で形成された波長変換層２２ｆを有する。発光材料は、励起光を吸収して励起光よりも長い波長で発光する材料である。発光材料としては、例えば無機蛍光体、有機蛍光体、有機蛍光色素、量子ドット等が挙げられる。量子ドットは、直径２～１０ナノメートルサイズの半導体微粒子であり、入射光によって励起されると、粒子のサイズ及び材料によって決定される色の光を発する。蛍光を発する発光材料を用いることにより、表示部材２２から射出される映像光ＭＬの輝度を高くすることができる。

【0024】

波長変換領域２２ｅのナノ構造は、例えばナノインプリントリソグラフィ、フォトリソグラフィ等で形成される。波長変換層２２ｆは、蛍光材料をインクジェット印刷、スクリーン印刷等することによりパターニングが可能である。また、波長変換層２２ｆは、蛍光材料をスピンコート後、マスク形成及びエッチングをすることによってもパターニングが可能である。ナノ構造は、平板２２ａに直接形成してもよいし、波長変換層２２ｆに形成してもよい。

【0025】

なお、波長変換領域２２ｅにナノ構造を設けずに、波長変換層２２ｆに光散乱粒子を含ませ、表示部材２２から射出される蛍光の映像光ＭＬを散乱させてもよい。

【0026】

画素表示領域２２ｐに照射された光のうち、波長変換領域２２ｅに入射した光は、眼ＥＹ側、すなわち前方に蛍光として反射され、波長変換領域２２ｅ以外の光透過領域Ａ２に入射した光は、透過又は反射されるため、眼ＥＹ側に進まない。

【0027】

図６に示すように、表示部材２２において、例えば１画素の画素表示領域２２ｐには、各色蛍光用の波長変換領域２２ｅ、具体的には、赤色蛍光用の波長変換領域２２ｒ、一対の緑色蛍光用の波長変換領域２２ｇ、青色蛍光用の波長変換領域２２ｂが設けられている。赤色蛍光用の波長変換領域２２ｒは、投射光学系１０からの光照射又はサブ画素スポットＳＰに応じて赤色の映像光ＭＬｒを表示に必要なタイミング及び輝度で射出する。一対の緑色蛍光用の波長変換領域２２ｇは、投射光学系１０からの光照射又はサブ画素スポットＳＰに応じて緑色の映像光ＭＬｇを表示に必要なタイミング及び輝度で射出する。青色蛍光用の波長変換領域２２ｂは、投射光学系１０からの光照射又はサブ画素スポットＳＰに応じて青色の映像光ＭＬｂを表示に必要なタイミング及び輝度で射出する。図５Ｂ及び図６に示すように、全体の表示部材２２には、４つの波長変換領域２２ｒ，２２ｇ，２２ｂを一組とする多数の画素ＰＥが、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列されている。つまり、表示部材２２を構成する全画素ＰＥ、又は全組の波長変換領域２２ｒ，２２ｇ，２２ｂ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。表示部材２２のうち波長変換領域２２ｒ，２２ｇ，２２ｂが設けられていない光透過領域Ａ２は、外界光ＯＬを透過させる。

【0028】

波長変換領域２２ｅを設けた基板である平板２２ａ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。平板２２ａ上には、画素表示領域２２ｐに１つのサブ画素ＰＥａに対応する波長変換領域２２ｅが形成されている。１つの波長変換領域２２ｅは、サブ画素ＰＥａを形成する画像表示パネル１１の１画素中の赤、緑、及び青のいずれかに対応する。波長変換領域２２ｅは、サブ画素ＰＥａと１対１の関係にあり、１つの波長変換領域２２ｅに対して１つのサブ画素ＰＥａに対応するサブ画素スポットＳＰが照射される。波長変換領域２２ｅは、画素区画２２ｔのうち、遮光層２１ｂと同等又は遮光層２１ｂより小さい領域となっている。サブ画素スポットＳＰは、波長変換領域２２ｅより大きく、隣の波長変換領域２２ｅに入射しない大きさとなっている。投射光学系１０からの各サブ画素ＰＥａに対応する光の照射状態（角度方向や範囲）を制御することにより、波長変換領域２２ｅでの映像光ＭＬの選択的な発光が可能になる。

【0029】

図５Ｂに示すように、表示部材２２は、四角形の輪郭を有する繰返区画２２ｓをＸ方向とＹ方向とに配列したものである。各繰返区画２２ｓは、画素区画２２ｔ又は画素ＰＥを有し、画素区画２２ｔは、複数のサブ画素区画２２ｕを有する。サブ画素区画２２ｕにおいて、サブ画素ＰＥａに対応する波長変換領域２２ｅの周囲には、光透過領域Ａ２が形成されている。画素区画２２ｔは、画像を表示する画素表示領域２２ｐである。画素区画２２ｔは、２×２で配列された４つの波長変換領域２２ｅを含む。第１表示光学系１０３ａにおいて、画素ＰＥが形成される領域の大きさは、例えば１インチ程度であり、画素数は、２Ｋ～４Ｋ程度である。サブ画素ＰＥａを含むサブ画素区画２２ｕの大きさは、例えば５μｍ角～２０μｍ角程度である。波長変換領域２２ｅの大きさは、例えば２μｍ角～１５μｍ角程度である。シースルー光を確保するため、（波長変換領域面積）／（サブ画素区画面積）は、例えば０．３～０．８程度となっている。例えば、画素区画２２ｔが１２μｍ角、つまり、サブ画素区画２２ｕが６μｍ角である場合、波長変換領域２２ｅは４μｍ角である。

【0030】

図４等に示すパターン偏光部材２３は、表示部材２２の顔側に配置されている。パターン偏光部材２３は、映像光ＭＬと外界光ＯＬとを第１偏光方向及び第２偏光方向にそれぞれ制限する。パターン偏光部材２３を通過することで、映像光ＭＬの偏光方向と外界光ＯＬの偏光方向とは異なるものとなる。

【0031】

パターン偏光部材２３は、第１偏光部材６０と、第２偏光部材７０とを有する。第１偏光部材６０は、光透過性を有する平板２３ａに例えば四角形の第１偏光領域２３ｂを有する。第１偏光領域２３ｂは、波長変換領域２２ｅに対応して離散的に設けられる。第２偏光部材７０は、外界光ＯＬを第１偏光方向と異なる第２偏光方向に制限する第２偏光領域２３ｃを有する。第２偏光領域２３ｃは、平板２３ａのうち第１偏光部材６０つまり第１偏光領域２３ｂ以外の領域に設けられている。パターン偏光部材２３は、第１偏光部材６０と第２偏光部材７０とを一体的に組み込んだものである。すなわち、第１偏光部材６０と第２偏光部材７０とは、同一基板上に形成される。第１偏光領域２３ｂは、図５Ｃに示すように格子点上に配列され、第２偏光領域２３ｃは、第１偏光領域２３ｂの周囲に配置される。これにより、第１偏光領域２３ｂと第２偏光領域２３ｃとの平面的な区分が可能になり、映像光ＭＬと外界光ＯＬとの干渉を抑えつつ、部品点数を減らすことができる。図５Ｃに示すように、全体のパターン偏光部材２３には、多数の第１偏光部材６０又は第１偏光領域２３ｂが、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列されている。つまり、パターン偏光部材２３を構成する全第１偏光部材６０は、横のＸ方向及び縦のＹ方向に関して周期的に２次元的に配列されている。パターン偏光部材２３のうち第１偏光部材６０が設けられていない第２偏光部材７０は、外界光ＯＬを第２偏光方向の縦偏光に制限する。第１偏光部材６０は、表示部材２２の波長変換領域２２ｅで反射された映像光ＭＬを第２偏光方向と直交する第１偏光方向の横偏光に制限する。なお、第１偏光部材６０又は第１偏光領域２３ｂは、全てが離散的に設けられる場合に限らず、映像光ＭＬの偏光制御に影響が生じない程度に第１偏光部材６０又は第１偏光領域２３ｂの一部が繋がっていてもよい。

【0032】

パターン偏光部材２３は、例えば、ワイヤーグリッド型の偏光板であり、ガラス等の平板２３ａにアルミニウム等の金属による微細なグリッドが形成されている。第１偏光領域２３ｂと第２偏光領域２３ｃとでは、偏光方向が９０°異なるようにパターニングされている。なお、第１偏光領域２３ｂのみをワイヤーグリッド型の偏光板とし、第２偏光領域２３ｃは、平板２３ａ上に吸収型の偏光膜を貼り付けたものとしてもよい。ここで、偏光膜は、例えばヨウ素吸着させたＰＶＡを特定方向に延伸した樹脂シートである。

【0033】

図７は、表示部材２２において、遮光部材２１とパターン偏光部材２３と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、画素区画２２ｔのサブ画素ＰＥａをカバーし、サブ画素ＰＥａよりも若干外側に広がった領域に形成されているが、サブ画素ＰＥａと一致する領域に形成されてもよい。また、遮光部材２１の遮光層２１ｂは、複数のサブ画素ＰＥａを囲む四角形状の枠に対応して設けてもよい。パターン偏光部材２３の第１偏光領域２３ｂは、画素区画２２ｔのサブ画素ＰＥａをカバーし、サブ画素ＰＥａよりも若干外側に広がった領域に形成されているが、サブ画素ＰＥａと一致する領域に形成されてもよい。

【0034】

図２、図３、及び図８に示す投射光学系１０は、２次元的な画像を形成し、この画像から映像光ＭＬを射出させる。図３及び図８に示すように、投射光学系１０は、画像表示パネル１１と、結像光学系１２と、表示制御装置８８とを有する。投射光学系１０は、画像表示パネル１１の発光領域１１ｍからの射出光を映像光ＭＬとして表示部材２２の表示面ＤＳ、具体的には波長変換領域２２ｅに投影する。つまり、画像表示パネル１１上の画像が対応する波長変換領域２２ｅに投影され、表示部材２２上に表示すべき画像が形成される。画像表示パネル１１は、励起光として、単一波長の光、具体的には、紫外光を射出する。

【0035】

画像表示パネル１１は、自発光型の画像光生成装置である。画像表示パネル１１は、例えば有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）ディスプレイであり、２次元の表示面１１ａに単色の静止画又は動画を形成する。画像表示パネル１１は、表示制御装置８８に駆動されて表示動作を行う。画像表示パネル１１は、有機ＥＬディスプレイに限らず、無機ＥＬ、有機ＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、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。

【0036】

図９に示すように、画像表示パネル１１は、四角形の輪郭を有する繰返区画１１ｓをｘ方向とｙ方向とに配列したものであり、各繰返区画１１ｓは、画素区画１１ｔを有し、画素区画１１ｔは、複数のサブ画素区画１１ｕを有する。画素区画１１ｔは、画像を表示する画素表示領域ＰＡである。画素区画１１ｔは、サブ画素区画１１ｕにおいて、例えば２×２で配列された４つの発光領域１１ｍを含む。すなわち、画像表示パネル１１には、例えば４つの発光領域１１ｍを一組とする多数の画素ＰＥが、ｘｙ面に沿ってマトリクス状に配列されている。画素区画１１ｔは、画素ＰＥに対応する。各発光領域１１ｍは、サブ画素区画１１ｕのうちサブ画素ＰＥａに対応する。繰返区画１１ｓは、図２及び図５Ｂに示す複合表示部材２０の繰返単位２０ａに対応する。画像表示パネル１１を構成する全画素ＰＥ、又は全組の発光領域１１ｍは、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。図示の例では、画素ＰＥ又は発光領域１１ｍは、表示部材２２の表示面ＤＳにおける投影に対して左右反転させた配置となっている。画像表示パネル１１は、表示制御装置８８により、発光領域１１ｍを選択的に発光させる。

【0037】

図３及び図８に示すように、結像光学系１２は、投射レンズ１２ａと、反射ミラー１２ｂとを有する。画像表示パネル１１と、結像光学系１２とは、図１に示す第１表示駆動部１０２ａの一部に対応する。画像表示パネル１１及び結像光学系１２は、相互にアライメントされた状態で不図示のケース内に固定されている。結像光学系１２は、表示部材２２の表示面ＤＳに映像光ＭＬを結像させる。サブ画素ＰＥａからの光は、結像光学系１２によって表示部材２２の画素表示領域２２ｐにサブ画素スポットＳＰとして形成される。

【0038】

図１０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、一方向の横偏光（第１偏光Ｐ１）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、他方向の縦偏光（第２偏光Ｐ２）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水平方向に沿った偏光面を有する横偏光の映像光ＭＬであり、他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。

【0039】

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。

【0040】

表示部材２２から射出された映像光ＭＬがパターン偏光部材２３等を介して液晶レンズ５１に入射する場合、つまりＸ方向に平行な偏光面を有する横偏光（第１偏光Ｐ１）が液晶レンズ５１に入射する場合について考える。横偏光に関しては、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、横偏光であり、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、表示部材２２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。

【0041】

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。

【0042】

液晶レンズ５１は、横偏光又は縦偏光の映像光ＭＬに対して結像作用を有するものであり、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、表示部材２２、パターン偏光部材２３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。

【0043】

液晶レンズ５１は、可変焦点で使用する必要はなく、固定焦点で使用することができる。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。

【0044】

なお、遮光部材２１等を通過した外界光ＯＬについては、縦偏光（第２偏光Ｐ２）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。

【0045】

図１１Ａ及び１１Ｂを参照して、表示部材２２に入射した例えば紫外光の映像光ＭＬは、波長変換領域２２ｅで赤、緑、及び青のいずれかの蛍光に変換される。つまり、波長変換領域２２ｅは、紫外光励起により赤色光、緑色光、及び青色光のいずれかの蛍光を発する。表示部材２２で反射された蛍光としての映像光ＭＬは、パターン偏光部材２３のうち第１偏光部材６０又は第１偏光領域２３ｂを経て第１偏光Ｐ１、具体的には、横偏光として射出される。第１偏光部材６０を通過した映像光ＭＬは、横偏光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である液晶レンズ５１を経て虚像を形成する。装着者ＵＳの眼ＥＹには、画像表示パネル１１又は表示部材２２に形成された画像が、表示部材２２の後方に所望の拡大率の虚像として観察される。一方、外界光ＯＬは、遮光部材２１の光透過領域Ａ１を通過し、表示部材２２の光透過領域Ａ２を通過する。その後、外界光ＯＬは、パターン偏光部材２３のうち第２偏光部材７０又は第２偏光領域２３ｃを経て第２偏光Ｐ２、具体的には、縦偏光として射出される。この際、外界光ＯＬは、遮光部材２１、表示部材２２、及びパターン偏光部材２３によってレンズ作用を受けない。装着者ＵＳ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スルー視が可能になる。

【0046】

以上の説明では、パターン偏光部材２３において、第１偏光部材６０が横偏光の映像光ＭＬのみを透過させ、第２偏光部材７０が縦偏光の外界光ＯＬを透過させるとしたが、第１偏光部材６０が縦偏光の映像光ＭＬを透過させ、第２偏光部材７０が横偏光の外界光ＯＬを透過させるものであってもよい。偏光分離レンズ素子５０については、パターン偏光部材２３等の機能変更に伴い、レンズとして機能する偏光方向を対応するものに変更する必要がある。

【0047】

図７を参照して、繰返区画２２ｓは、光透過領域Ａ２である外光視認画素Ｘ１と、サブ画素ＰＥａ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、表示部材２２のシースルー画像表示画素ＴＸの一部である光透過領域Ａ２を通過し、パターン偏光部材２３の第２偏光部材７０によって偏光方向が制限され、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の一部である画素表示領域２２ｐの波長変換領域２２ｅから射出された映像光ＭＬは、パターン偏光部材２３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、画素表示領域２２ｐによる表示に対応する虚像に変換される。

【0048】

以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂは、画素表示領域２２ｐとして映像光ＭＬで励起して蛍光を発する波長変換領域２２ｅを有する表示部材２２と、波長変換領域２２ｅに単一波長の励起光として映像光ＭＬを照射する投射光学系１０と、表示部材２２の外界側に配置され、波長変換領域２２ｅへの外界光ＯＬの入射を抑制する遮光部材２１と、表示部材２２の顔側に配置され、波長変換領域２２ｅに対応して設けられ表示部材２２で表示された映像光ＭＬを第１偏光方向に制限する第１偏光領域２３ｂを有する第１偏光部材６０と、第１偏光部材６０の位置から外界側に配置され、外界光ＯＬを第１偏光方向と異なる第２偏光方向に制限する第２偏光領域２３ｃを有する第２偏光部材７０と、第１偏光部材６０の顔側に配置され、映像光ＭＬ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５０と、を備える。なお、第２偏光部材７０又は第２偏光領域２３ｃは、偏光の制御に影響を与えない範囲で第１偏光部材６０又は第１偏光領域２３ｂの位置より顔側に多少離間して配置されていてもよい。この場合も、第２偏光部材７０は、第１偏光部材６０の位置から外界側に配置されていると考える。

【0049】

上記虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂでは、外界から遮光部材２１を通過した透過光が、第２偏光部材７０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ずに通過し、波長変換領域２２ｅから射出された映像光ＭＬが、第１偏光部材６０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て通過し虚像を形成する。この場合、表示部材２２や偏光分離レンズ素子５０を眼ＥＹの近くに配置して表示部材２２の波長変換領域２２ｅ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、表示部材２２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。特に偏光分離レンズ素子５０が単独レンズであることから、アイボックスを広くすることが容易である。また、投射光学系１０から射出する映像光ＭＬを単色とし、表示部材２２を蛍光でカラー表示することにより、投射光学系１０の負荷を軽減することができる。

【0050】

〔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は、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。

【0051】

図１２に示すように、投射光学系１０は、レーザー光源１３と微小ミラー１４又はＭＥＭＳミラーとを有する。投射光学系１０は、走査のために駆動される微小ミラー１４により、レーザー光源１３からの変調光を映像光ＭＬとして表示部材２２の画素表示領域２２ｐに投影するものである。つまり、変調光が走査により表示部材２２上を移動する軌跡が表示すべき画像に相当する。投射光学系１０において、レーザー光源１３から出た映像光ＭＬは、微小ミラー１４又はＭＥＭＳミラーにより角度を振られ、複合表示部材２０に向けて射出される。投射光学系１０は、走査のために駆動される微小ミラー１４により、レーザー光源１３からの変調光を映像光ＭＬとして波長変換領域２２ｅ（図５Ｂ参照）に投影する。

【0052】

なお、第３実施形態以降の虚像表示装置１００Ａ等でも第１実施形態の投射光学系１０の代わりに第２実施形態の投射光学系１０を用いることができる。

【0053】

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、第３実施形態の虚像表示装置は、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。

【0054】

図１３に示すように、本実施形態では、表示光学系１０３ａ，１０３ｂは、遮光部材２１の外界側に外光偏光部材２４を有する。図１４Ｂに示すように、外光偏光部材２４は、第２偏光部材７０であり、外界光ＯＬを第２偏光方向、具体的には、縦偏光に制限する第２偏光領域２４ｃを有する。図１４Ａに示すように、パターン偏光部材２３は、平板２３ａに離散的に設けられた第１偏光部材６０を有する。第１偏光部材６０は、映像光ＭＬを第１偏光方向、具体的には、横偏光に制限する第１偏光領域２３ｂを有する。つまり、第１偏光部材６０と第２偏光部材７０とは、別部材となっている。パターン偏光部材２３において、第１偏光部材６０又は第１偏光領域２３ｂ以外は、光透過領域Ａ３となっており、光透過領域Ａ３を通過する外界光ＯＬは、偏光方向の制限を受けない。

【0055】

第２偏光部材７０は、光透過性を有する平板２４ａ上に吸収型の偏光膜７０ｂを貼り付けたものである。偏光膜７０ｂは、例えばヨウ素吸着させたＰＶＡを特定方向に延伸した樹脂シートである。図示の例では、偏光膜７０ｂは、上下の±Ｙ方向に平行な偏光面を有する縦偏光のみを透過させ、左右の±Ｘ方向に平行な偏光面を有する横偏光を吸収する。この結果、外界光ＯＬのうち、横偏光は、第２偏光部材７０で遮断され、縦偏光は、第２偏光部材７０を通過する。なお、偏光膜７０ｂは、第１偏光Ｐ１を反射によって遮断するものであってもよい。反射によって偏光を遮断する偏光膜７０ｂは、例えばワイヤーグリッド型の偏光板であり、ガラス等の平板２４ａ上にアルミニウム等の金属による微細なグリッドが形成されている。

【0056】

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、第４実施形態の虚像表示装置は、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。

【0057】

図１５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との間に、光学アレイ２５が配置されている。光学アレイ２５は、光透過性を有する平板２５ａ上に平面視において円形又は四角形の微小光学素子２５ｂを設けたものである。微小光学素子２５ｂは、表示部材２２を構成する画素ＰＥ又はサブ画素ＰＥａからの映像光ＭＬについて個別に発散状態を調整する。微小光学素子２５ｂは、例えばマイクロレンズである。

【0058】

図示を省略するが、全体の光学アレイ２５には、多数の微小光学素子２５ｂ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２５を構成する全微小光学素子２５ｂ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２５ｂは、各繰返単位２０ａにおけるサブ画素ＰＥａ又は画素ＰＥに対応する領域に形成されている。

【0059】

微小光学素子２５ｂは、表示部材２２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。

【0060】

〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、第５実施形態の虚像表示装置は、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。

【0061】

図１６Ａに示すように、本実施形態の複合表示部材２０の各部材２１，２２，２３は、同一基板上に一体化されている。具体的には、基板ＳＳの一方の主面である第１面ＳＳａ上に、外界側から順に、遮光部材２１と、表示部材２２と、パターン偏光部材２３とが配置されている。各部材２１，２２，２３は、密着した層構造を有する。ここで、表示部材２２は、共通の基板ＳＳに間接的に支持されるので、支持用の平板を省略した波長変換領域２２ｅとして組み込まれ、パターン偏光部材２３は、第１偏光領域２３ｂ及び第２偏光領域２３ｃとして組み込まれている。基板ＳＳの表面に表示部材２２の波長変換領域２２ｅを設けることにより、基板ＳＳへの励起光の侵入を抑制し、ゴーストの発生を防ぐことができる。また、各部材２１，２２，２３を一体化することにより、装置の薄型化及び軽量化を図ることができる。なお、パターン偏光部材２３については、不図示の支持体を設けてもよい。

【0062】

基板ＳＳは、例えば、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。複合表示部材２０において、基板ＳＳ上に、蒸着及びエッチングにより遮光層２１ｂを形成し、遮光層２１ｂ上に波長変換領域２２ｅを形成する。波長変換領域２２ｅは、例えば、マスクエッチングによるパターニング又は印刷によるパターニングを行うことで得られる。

【0063】

投影光ＭＬｅとして投射光学系１０から投影される励起光としての映像光ＭＬ又はサブ画素スポットＳＰは、離散的に形成されたパターン偏光部材２３の第１偏光領域２３ｂを経て表示部材２２の波長変換領域２２ｅに入射する。波長変換領域２２ｅに入射した映像光ＭＬｆは蛍光として反射される方向に射出され、再度第１偏光領域２３ｂを通過し、第１偏光方向の横偏光が偏光分離レンズ素子５０に入射する。

【0064】

なお、図１６Ｂに示すように、複合表示部材２０の各部材を第３実施形態と同様の配置としてもよい。この場合、複合表示部材２０の遮光部材２１、表示部材２２、及びパターン偏光部材２３は、基板ＳＳの顔側の第１面ＳＳａ上に積層して形成され、外光偏光部材２４は、基板ＳＳの外界側の第２面ＳＳｂ上に形成される。

【0065】

〔第６実施形態〕
以下、第６実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、第６実施形態の虚像表示装置は、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。

【0066】

図１７に示すように、本実施形態では、表示部材２２は、波長変換領域２２ｅとしての波長変換層２２ｆと、光の方向制御のためのマイクロミラーＭＭとを有する。マイクロミラーＭＭは、映像光ＭＬの励起された蛍光を眼ＥＹの方向に導く部材である。マイクロミラーＭＭの傾斜角度は、画素ＰＥの位置によって異なっている。なお、マイクロミラーＭＭにナノ構造等の散乱構造を設けてもよい。

【0067】

図１８に、本実施形態の複合表示部材２０に関して、各部材２１，２２，２３を一体化して配置した具体例を示す。図１８に示す複合表示部材２０は、図１６Ｂに示す複合表示部材２０に似た構造を有し、基板ＳＳの顔側の第１面ＳＳａ上に、表示部材２２、遮光部材２１、及びパターン偏光部材２３が形成され、基板ＳＳ外界側の第２面ＳＳｂ上に、外光偏光部材２４が形成される。図１８では、表示部材２２の一部であるマイクロミラーＭＭの表面に遮光層２１ｂが形成され、その上に表示部材２２又は波長変換領域２２ｅが設けられている。表示部材２２の波長変換層２２ｆは、遮光層２１ｂとパターン偏光部材２３の第１偏光部材６０との間に設けられている。

【0068】

〔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。

【0069】

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。

【0070】

上記実施形態において、投射光学系１０から射出される映像光ＭＬ又は励起光は、紫外光に限らず、青色光でもよい。この場合、図１９に示すように、表示部材２２は、青色光励起により赤色光及び緑色光のいずれかの蛍光を発する波長変換領域２２ｅと、青色光を散乱させる散乱領域２２ｈとを有する。波長変換領域２２ｅには波長変換層２２ｆが設けられており、散乱領域２２ｈには波長変換層２２ｆが設けられていない。図１９に示す表示部材２２を有する第１虚像表示装置１００Ａ又は第１表示光学系１０３ａでは、図３に示す紫外線遮断部材２６が不要となる。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

上記実施形態において、画素ＰＥ又はサブ画素ＰＥａ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。

【0075】

具体的な態様における虚像表示装置は、画素表示領域として映像光で励起して蛍光を発する波長変換領域を有する表示部材と、波長変換領域に単一波長の励起光として映像光を照射する投射光学系と、表示部材の外界側に配置され、波長変換領域への外界光の入射を抑制する遮光部材と、表示部材の顔側に配置され、波長変換領域に対応して設けられ表示部材で表示された映像光を第１偏光方向に制限する第１偏光領域を有する第１偏光部材と、第１偏光部材の位置から外界側に配置され、外界光を第１偏光方向と異なる第２偏光方向に制限する第２偏光領域を有する第２偏光部材と、第１偏光部材の顔側に配置され、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。

【0076】

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が、第２偏光部材を経て第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ずに通過し、波長変換領域から射出された映像光が、第１偏光部材を経て第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て通過し虚像を形成する。この場合、表示部材や偏光分離レンズ素子を眼の近くに配置して表示部材の波長変換領域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、表示部材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。また、投射光学系から射出する映像光を単色とし、表示部材を蛍光でカラー表示することにより、投射光学系の負荷を軽減することができる。

【0077】

具体的な態様における虚像表示装置において、励起光は、紫外光であり、波長変換領域は、紫外光励起により赤色光、緑色光、及び青色光のいずれかの蛍光を発する。この場合、紫外光励起で赤色光、緑色光、及び青色光を発するため、赤色光及び緑色光に青色光が混じることを防ぐことができる。

【0078】

具体的な態様における虚像表示装置において、表示領域の顔側に紫外光を吸収又は反射させる紫外線遮断部材を有する。この場合、装着者の眼に紫外光が入射することを防ぐことができる。

【0079】

具体的な態様における虚像表示装置において、励起光は、青色光であり、表示部材は、青色光を散乱させる散乱領域を有し、波長変換領域は、青色光励起により赤色光及び緑色光のいずれかの蛍光を発する。表示部材を有する虚像表示装置では、紫外線遮断部材が不要となる。

【0080】

具体的な態様における虚像表示装置において、表示部材は、波長変換領域と、外界を視認可能にする光透過領域とを有する。

【0081】

具体的な態様における虚像表示装置において、第１偏光領域は、波長変換領域に対応して離散的に設けられる。

【0082】

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、表示領域に対応する大きさを有する。これにより、外界光が表示領域に入射することをより抑制することができる。

【0083】

具体的な態様における虚像表示装置において、第１偏光部材と前記第２偏光部材とは、同一基板上に配置され、第２偏光領域は、第１偏光領域の周囲に配置される。これにより、第１偏光領域と第２偏光領域との平面的な区分が可能になり、映像光と外界光との干渉を抑えつつ、部品点数を減らすことができる。

【0084】

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、表示部材を構成する複数の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。

【0085】

具体的な態様における虚像表示装置において、投射光学系は、画像を表示する画像表示パネルを有し、画像表示パネルの発光領域からの射出光を映像光として画素表示領域に投影する。つまり、画像表示パネル上の画像が対応する画素表示領域に投影され、表示部材上に表示すべき画像が形成される。

【0086】

具体的な態様における虚像表示装置において、投射光学系は、走査のために駆動される微小ミラーにより、レーザー光源からの変調光を映像光として画素表示領域に投影する。つまり、変調光が走査により表示部材上を移動する軌跡が表示すべき画像に相当する。

【0087】

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、表示部材と、第１偏光部材とが一体化されている。これにより、装置の薄型化及び軽量化を図ることができる。

【0088】

具体的な態様における虚像表示装置において、表示部材は、赤色蛍光用の波長変換領域と、緑色蛍光用の波長変換領域と、青色蛍光用の波長変換領域とを有し、波長変換領域が配置されない領域に外界光を透過させる光透過領域を有する。

【0089】

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】

【0090】

１Ａ…第１装置、１Ｂ…第２装置、１０…投射光学系、１１……画像表示パネル、１１ａ…表示面、１１ｍ…発光領域、１１ｓ…繰返区画、１１ｔ…画素区画、１２…結像光学系、１２ａ…投射レンズ、１２ｂ…反射ミラー、１３…レーザー光源、１４…微小ミラー、２０…複合表示部材、２０ａ…繰返単位、２１…遮光部材、２１ｂ…遮光層、２２…表示部材、２２ｐ…画素表示領域、２２ｅ，２２ｒ，２２ｇ，２２ｂ…表示領域、２２ｆ…波長変換層、２２ｈ…散乱領域、２２ｓ…繰返区画、２２ｔ…画素区画、２３…パターン偏光部材、２３ｂ…第１偏光領域、２３ｃ…第２偏光領域、２４…外光偏光部材、２４ｃ…第２偏光領域、２５…光学アレイ、２５ｂ…微小光学素子、２６…紫外線遮断部材、５０…偏光分離レンズ素子、５１…液晶レンズ、６０…第１偏光部材、７０…第２偏光部材、７０ｂ…偏光膜、８８…表示制御装置、９０…ユーザー端末、１００Ａ…第１虚像表示装置、１００Ｂ…第２虚像表示装置、１００Ｃ…テンプル、１０２…駆動装置、１０２ａ…第１表示駆動部、１０２ｂ…第２表示駆動部、１０３ａ…第１表示光学系、１０３ｂ…第２表示光学系、１０４…シェード、１０４ａ，１０４ｂ…光透過カバー、１０６…支持装置、２００…頭部装着型表示装置、２０１…双眼型表示装置、Ａ１，Ａ２，Ａ３…光透過領域、ＡＸ…光軸、ＤＳ…表示面、ＥＹ…眼、ＭＬ…映像光、ＭＭ…マイクロミラー、ＯＬ…外界光、Ｐ１…第１偏光、Ｐ２…第２偏光、ＰＡ…画素表示領域、ＰＥ…画素、ＰＥａ…サブ画素、ＳＰ…サブ画素スポット、ＳＳ…基板、ＴＸ…シースルー画像表示画素、ＵＳ…装着者、Ｘ１…外光視認画素、Ｘ２…映像光射出画素

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図15】

【図16A】

【図16B】

【図17】

【図18】

【図19】