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(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】P2024178742
(43)【公開日】2024-12-25
(54)【発明の名称】面分割偏光変換部材、及び、表示装置
(51)【国際特許分類】
G02F 1/13363 20060101AFI20241218BHJP
G02B 27/02 20060101ALI20241218BHJP
G02B 3/14 20060101ALI20241218BHJP
G02F 1/13 20060101ALI20241218BHJP
G02F 1/137 20060101ALI20241218BHJP
G02F 1/1347 20060101ALI20241218BHJP
G02F 1/133 20060101ALI20241218BHJP
【ＦＩ】
G02F1/13363
G02B27/02 Z
G02B3/14
G02F1/13 505
G02F1/137
G02F1/1347
G02F1/133 505
【審査請求】有
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023097116
(22)【出願日】2023-06-13
(71)【出願人】
【識別番号】520487808
【氏名又は名称】シャープディスプレイテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000914
【氏名又は名称】弁理士法人ＷｉｓｅＰｌｕｓ
(72)【発明者】
【氏名】臼倉 奈留
【テーマコード（参考）】
2H088
2H189
2H193
2H199
2H291
【Ｆターム（参考）】
2H088EA05
2H088EA10
2H088EA42
2H088EA47
2H088JA04
2H088JA05
2H088JA06
2H088JA09
2H088JA10
2H189AA22
2H189HA16
2H189JA05
2H189JA06
2H189JA07
2H189JA10
2H189JA14
2H189LA16
2H189MA15
2H189NA13
2H193ZA37
2H193ZA38
2H193ZH39
2H193ZH52
2H193ZP14
2H193ZQ06
2H193ZQ07
2H193ZQ08
2H193ZQ11
2H193ZQ16
2H193ZR10
2H193ZR20
2H199BB02
2H199CA23
2H199CA25
2H199CA42
2H199CA67
2H199CA74
2H199CA96
2H199CA97
2H291FA21X
2H291FA30X
2H291FA56X
2H291FD04
2H291HA06
2H291HA07
2H291HA08
2H291HA11
2H291HA15
2H291LA40
2H291MA02
2H291PA42
(57)【要約】
【課題】１つの表示パネルから、虚像距離が異なる２つの像を生成させることができる面分割偏光変換部材、及び、該面分割偏光変換部材を用いた表示装置を提供する。
【解決手段】平面視において、第一の画像用の偏光を透過させる第一の透過部と、第二の画像用の偏光を透過させる第二の透過部と、を有し、前記第二の透過部は、前記第一の透過部よりもλ／２異なる位相差を生じさせる、面分割偏光変換部材。
【選択図】図１２
【解決手段】平面視において、第一の画像用の偏光を透過させる第一の透過部と、第二の画像用の偏光を透過させる第二の透過部と、を有し、前記第二の透過部は、前記第一の透過部よりもλ／２異なる位相差を生じさせる、面分割偏光変換部材。
【選択図】図１２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
平面視において、第一の画像用の偏光を透過させる第一の透過部と、第二の画像用の偏光を透過させる第二の透過部と、を有し、
前記第二の透過部は、前記第一の透過部よりもλ／２異なる位相差を生じさせる、面分割偏光変換部材。
前記第二の透過部は、前記第一の透過部よりもλ／２異なる位相差を生じさせる、面分割偏光変換部材。
【請求項2】
前記第一の透過部は、第一の画像用の偏光に対して偏光状態を変換せずに透過させる無変換部であり、
前記第二の透過部は、第二の画像用の偏光に対してλ／２の位相差を生じさせて偏光状態を変換する変換部である、
請求項１記載の面分割偏光変換部材。
前記第二の透過部は、第二の画像用の偏光に対してλ／２の位相差を生じさせて偏光状態を変換する変換部である、
請求項１記載の面分割偏光変換部材。
【請求項3】
前記変換部は、λ／２の位相差を有する樹脂層を含む、請求項２記載の面分割偏光変換部材。
【請求項4】
前記第二の透過部は、断面視において、一対の基板と、前記一対の基板間に配置された液晶層と、を備え、
前記液晶層への印加電圧に応じて位相差が可変である、
請求項１記載の面分割偏光変換部材。
前記液晶層への印加電圧に応じて位相差が可変である、
請求項１記載の面分割偏光変換部材。
【請求項5】
第一及び第二の画像用の偏光を出射する表示パネルと、
前記偏光が入射する位置に配置された請求項１記載の面分割偏光変換部材と、
前記面分割偏光変換部材を透過した前記偏光が入射する位置に配置された光学素子と、を備え、
前記光学素子は、前記第一の透過部を透過した第一の偏光から生成する第一の画像の虚像距離と、前記第二の透過部を透過した第二の偏光から生成する第二の画像の虚像距離とを異ならせる、表示装置。
前記偏光が入射する位置に配置された請求項１記載の面分割偏光変換部材と、
前記面分割偏光変換部材を透過した前記偏光が入射する位置に配置された光学素子と、を備え、
前記光学素子は、前記第一の透過部を透過した第一の偏光から生成する第一の画像の虚像距離と、前記第二の透過部を透過した第二の偏光から生成する第二の画像の虚像距離とを異ならせる、表示装置。
【請求項6】
前記光学素子は、液晶レンズであり、
前記液晶レンズは、前記第一の偏光に対して第一の焦点距離をもつレンズとして作用し、かつ前記第二の偏光に対してレンズとして作用しない、又は第二の焦点距離をもつレンズとして作用する、
請求項５記載の表示装置。
前記液晶レンズは、前記第一の偏光に対して第一の焦点距離をもつレンズとして作用し、かつ前記第二の偏光に対してレンズとして作用しない、又は第二の焦点距離をもつレンズとして作用する、
請求項５記載の表示装置。
【請求項7】
前記液晶レンズは、屈折型レンズ、屈折率分布型レンズ又は回折型レンズである、請求項６記載の表示装置。
【請求項8】
前記液晶レンズは、パンチャラトナム・ベリー相レンズである、請求項６記載の表示装置。
【請求項9】
前記液晶レンズは、液晶層を有し、前記液晶層への印加電圧に応じて焦点距離が可変である、請求項６記載の表示装置。
【請求項10】
更に、液晶レンズ以外の他のレンズを備える、請求項５記載の表示装置。
【請求項11】
更に、別の面分割偏光変換部材と別の液晶レンズの組み合わせを備える、請求項６記載の表示装置。
【請求項12】
前記第一の画像と前記第二の画像との重なり領域に対して第一の画像補正処理を行う、請求項５記載の表示装置。
【請求項13】
前記第一の画像補正処理は、前記重なり領域を黒表示とするものである、請求項１２記載の表示装置。
【請求項14】
前記第一の画像補正処理は、前記第一の画像及び前記第二の画像の少なくとも一方に対して前記重なり領域の輝度を低下させるものである、請求項１２記載の表示装置。
【請求項15】
前記第一の画像補正処理は、アイ・トラッキングに基づき検出された前記第一の画像と前記第二の画像との重なり量に基づき、前記重なり領域を決定する処理を含む、請求項１２記載の表示装置。
【請求項16】
更に、前記面分割偏光変換部材と前記光学素子との間にゲストホスト液晶層を備え、
前記ゲストホスト液晶層は、ゲスト材料として光吸収材を含み、ホスト材料として液晶を含む、請求項５記載の表示装置。
前記ゲストホスト液晶層は、ゲスト材料として光吸収材を含み、ホスト材料として液晶を含む、請求項５記載の表示装置。
【請求項17】
前記第一の画像と前記第二の画像との境界領域に対して第二の画像補正処理を行う、請求項５記載の表示装置。
【請求項18】
前記第二の画像補正処理は、前記第一の画像及び前記第二の画像を時分割表示によって重ね合わせるものである、請求項１７記載の表示装置。
【請求項19】
ＶＲ表示装置又は３Ｄ表示装置である、請求項５記載の表示装置。
【請求項20】
ヘッドマウント型表示装置である、請求項５記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
以下の開示は、面分割偏光変換部材、及び、該面分割偏光変換部材を用いた表示装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年メタバース（Ｍｅｔａｖｅｒｓｅ）と呼ばれる３次元の仮想空間に注目が集まっており、メタバースへアクセスするためのツール（商品）として、ＶＲ－ＨＭＤは市場の広がりが期待されている。一方でＶＲ－ＨＭＤにはＶＲ酔い（あるいは３Ｄ酔い）と呼ばれる現象があり、長時間の使用やＶＲ市場の普及への障害となっている。
【0003】
三次元表示に関する先行技術としては、例えば、特許文献１には、観察者から見て異なった奥行き位置に配置される複数の表示面に対して、表示対象物体を観察者の視線方向から射影した二次元像を生成し、前記生成された二次元像を前記複数の表示面の中の任意の２個の表示面にそれぞれ表示し、当該表示される二次元像の輝度を前記複数の表示面の中の任意の２個の表示面毎にそれぞれ独立に変化させて、三次元立体像を生成する三次元表示方法であって、偏光型多焦点光学系により、前記二次元像の表示光を、前記複数の表示面の中の任意の２個の表示面に結像させ、かつ、表示光の偏光方向を制御し、前記複数の表示面の中の任意の２個の表示面に結像される前記二次元像の輝度を独立に変化させることを特徴とする三次元表示方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００２－１５６６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献１に記載された先行技術は、裸眼での三次元表示が可能であるが、高速駆動が必須であるため、高速駆動に起因するフリッカや画像（「映像」ともいう）の不鮮明さが発生したり、システムが高価になったりしやすいものであり、筐体としても大型なものになりやすかった。
また、上記ＶＲ酔いは、虚像の距離が動かせないために発生してしまうことが知られている。このため、主にＨＭＤ（ＶＲ用）において、虚像の距離を可変にすることが求められており、液晶レンズを用いることが検討されている。しかしながら、液晶レンズを用いる従来の方法は、１つの画面全体を前後に動かすものであり、画面の一部分だけを動かすようなことは困難であった。
また、上記ＶＲ酔いは、虚像の距離が動かせないために発生してしまうことが知られている。このため、主にＨＭＤ（ＶＲ用）において、虚像の距離を可変にすることが求められており、液晶レンズを用いることが検討されている。しかしながら、液晶レンズを用いる従来の方法は、１つの画面全体を前後に動かすものであり、画面の一部分だけを動かすようなことは困難であった。
【0006】
本発明は上記現状に鑑みてなされたものであり、１つの表示パネルから、虚像距離が異なる２つの像を生成させることができる面分割偏光変換部材、及び、該面分割偏光変換部材を用いた表示装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
（１）本発明の一実施形態は、平面視において、第一の画像用の偏光を透過させる第一の透過部と、第二の画像用の偏光を透過させる第二の透過部と、を有し、前記第二の透過部は、前記第一の透過部よりもλ／２異なる位相差を生じさせる、面分割偏光変換部材。
【0008】
（２）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、前記第一の透過部は、第一の画像用の偏光に対して偏光状態を変換せずに透過させる無変換部であり、前記第二の透過部は、第二の画像用の偏光に対してλ／２の位相差を生じさせて偏光状態を変換する変換部である、面分割偏光変換部材。
【0009】
（３）また、本発明のある実施形態は、上記（２）の構成に加え、前記変換部は、λ／２の位相差を有する樹脂層を含む、面分割偏光変換部材。
【0010】
（４）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、（２）又は（３）の構成に加え、前記第二の透過部は、断面視において、一対の基板と、前記一対の基板間に配置された液晶層と、を備え、前記液晶層への印加電圧に応じて位相差が可変である、面分割偏光変換部材。
【0011】
（５）また、本発明のある実施形態は、第一及び第二の画像用の偏光を出射する表示パネルと、前記偏光が入射する位置に配置された上記（１）、（２）、（３）又は（４）の面分割偏光変換部材と、前記面分割偏光変換部材を透過した前記偏光が入射する位置に配置された光学素子と、を備え、前記光学素子は、前記第一の透過部を透過した第一の偏光から生成する第一の画像の虚像距離と、前記第二の透過部を透過した第二の偏光から生成する第二の画像の虚像距離とを異ならせる、表示装置。
【0012】
（６）また、本発明のある実施形態は、上記（５）の構成に加え、前記光学素子は、液晶レンズであり、前記液晶レンズは、前記第一の偏光に対して第一の焦点距離をもつレンズとして作用し、かつ前記第二の偏光に対してレンズとして作用しない、又は第二の焦点距離をもつレンズとして作用する、表示装置。
【0013】
（７）また、本発明のある実施形態は、上記（６）の構成に加え、前記液晶レンズは、屈折型レンズ、屈折率分布型レンズ又は回折型レンズである、表示装置。
【0014】
（８）また、本発明のある実施形態は、上記（６）の構成に加え、前記液晶レンズは、パンチャラトナム・ベリー相レンズである、表示装置。
【0015】
（９）また、本発明のある実施形態は、上記（６）の構成に加え、前記液晶レンズは、液晶層を有し、前記液晶層への印加電圧に応じて焦点距離が可変である、表示装置。
【0016】
（１０）また、本発明のある実施形態は、上記（５）、（６）、（７）、（８）又は（９）の構成に加え、更に、液晶レンズ以外の他のレンズを備える、表示装置。
【0017】
（１１）また、本発明のある実施形態は、上記（６）、（７）、（８）、（９）又は（１０）の構成に加え、更に、別の面分割偏光変換部材と別の液晶レンズの組み合わせを備える、表示装置。
【0018】
（１２）また、本発明のある実施形態は、上記（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）又は（１１）の構成に加え、前記第一の画像と前記第二の画像との重なり領域に対して第一の画像補正処理を行う、表示装置。
【0019】
（１３）また、本発明のある実施形態は、上記（１２）の構成に加え、前記第一の画像補正処理は、前記重なり領域を黒表示とするものである、表示装置。
【0020】
（１４）また、本発明のある実施形態は、上記（１２）の構成に加え、前記第一の画像補正処理は、前記第一の画像及び前記第二の画像の少なくとも一方に対して前記重なり領域の輝度を低下させるものである、表示装置。
【0021】
（１５）また、本発明のある実施形態は、上記（１２）、（１３）又は（１４）の構成に加え、前記第一の画像補正処理は、アイ・トラッキングに基づき検出された前記第一の画像と前記第二の画像との重なり量に基づき、前記重なり領域を決定する処理を含む、表示装置。
【0022】
（１６）また、本発明のある実施形態は、上記（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）又は（１５）の構成に加え、更に、前記面分割偏光変換部材と前記光学素子との間にゲストホスト液晶層を備え、前記ゲストホスト液晶層は、ゲスト材料として光吸収材を含み、ホスト材料として液晶を含む、表示装置。
【0023】
（１７）また、本発明のある実施形態は、上記（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）、（１５）又は（１６）の構成に加え、前記第一の画像と前記第二の画像との境界領域に対して第二の画像補正処理を行う、表示装置。
【0024】
（１８）また、本発明のある実施形態は、上記（１７）の構成に加え、前記第二の画像補正処理は、前記第一の画像及び前記第二の画像を時分割表示によって重ね合わせるものである、表示装置。
【0025】
（１９）また、本発明のある実施形態は、上記（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）、（１５）、（１６）、（１７）又は（１８）の構成に加え、ＶＲ表示装置又は３Ｄ表示装置である、表示装置。
【0026】
（２０）また、本発明のある実施形態は、上記（５）、（６）、（７）、（８）、（９）、（１０）、（１１）、（１２）、（１３）、（１４）、（１５）、（１６）、（１７）、（１８）又は（１９）の構成に加え、ヘッドマウント型表示装置である、表示装置。
【発明の効果】
【0027】
本発明によれば、１つの表示パネルから、虚像距離が異なる２つの像を生成させることができる面分割偏光変換部材、及び、該面分割偏光変換部材を用いた表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】表示装置における虚像の表示原理を説明する図である。
【図2】従来のＶＲの表示原理を説明する図である。
【図3】人が現実の物を見る状態を説明する図である。
【図4】虚像面が１つである場合の表示状態を説明する図である。
【図5】虚像面が２つである場合の表示状態を説明する図である。
【図6】実施形態１に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図7】樹脂を用いた屈折型レンズの構造を説明する図であり、上の図が断面図であり、下の図が上面図である。
【図10】パンチャラトナム・ベリー相レンズの構成を説明する上面図である。
【図11】パンチャラトナム・ベリー相レンズの機能を説明する図である。
【図12】実施形態１に係る表示装置の具体的構成の一例を示す側面図である。
【図14】実施形態１に係る面分割偏光変換部材の拡大断面図である。
【図15】実施形態１に係る表示装置の具体的構成の別の例を示す側面図である。
【図16】実施形態２に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図17】実施形態３に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図18】面分割偏光変換部材をディスプレイ面から離して配置したときの境界部の画素の見え方を説明する図である。
【図19】映像の重なり及び隙間の発生原理について説明する図である。
【図20】虚像の重なりが発生している表示装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図21】虚像の重なりが発生しているときのディスプレイ面の一例を示す正面図である。
【図22】虚像の重なりが発生しているときの映像の一例を示す正面図である。
【図23】虚像面の重なりに対する第一の補正について説明する図であり、元画像を示している。
【図24】虚像面の重なりに対する第一の補正について説明する図であり、拡大画像を示している。
【図25】虚像面の重なりに対する第二の補正について説明する図であり、元画像を示している。
【図26】虚像面の重なりに対する第二の補正について説明する図であり、拡大画像を示している。
【図27】虚像面の重なりに対する第三の補正について説明する図である。
【図28】アイ・トラッキング技術を用いる場合の画像補正の一例を示したフローチャートである。
【図29】アイ・トラッキング技術を用いたときの第一の補正について説明する図であり、元画像を示している。
【図30】アイ・トラッキング技術を用いたときの第一の補正について説明する図であり、拡大画像を示している。
【図31】虚像間の隙間が発生する原理を説明する図であり、元画像を示している。
【図32】虚像間の隙間が発生する原理を説明する図であり、拡大画像を示している。
【図33】時分割表示を説明する図である。
【図34】レンズの焦点距離と虚像との関係を説明する図である。
【図35】実施形態５に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【0029】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に記載された内容に限定されるものではなく、本発明の構成を充足する範囲内で、適宜設計変更を行うことが可能である。なお、以下の説明において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して適宜用い、その繰り返しの説明は適宜省略する。本発明の各態様は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜組み合わされてもよい。
【0030】
本発明の面分割偏光変換部材は、表示装置内に設置され、１つの表示パネルから、虚像距離が異なる２つの像を生成させることができるものである。表示装置の種類としては、例えば、ＶＲ（仮想現実）技術に対応したコンテンツを表示するＶＲ表示装置や、３次元画像を表示する３Ｄ表示装置等が挙げられ、なかでもヘッドマウント型表示装置（ＨＭＤ）であることが好ましい。ヘッドマウント型表示装置（ＨＭＤ）は、頭に装着できる形態の表示装置であり、例えば、頭に装着できるゴーグル形状を有し、装着時に液晶ディスプレイ等のディスプレイが使用者の目の前方に配置される。このようなＨＭＤは、ＶＲ（仮想現実）技術に対応したコンテンツを視聴するのに好適である。ＨＭＤの構成としては、例えば、使用者の頭に装着するための支持部と、液晶モジュールを備えるディスプレイとを有し、装着時に上記ディスプレイが使用者の目の前方に配置されるものが挙げられる。
【0031】
本発明の面分割偏光変換部材を用いて虚像距離が異なる２つの像を生成させることにより、表示装置の視聴時のユーザー（観察者）の負担を減らしたり、コンテンツへの没入感を向上したりすることができる。
【0032】
図１は、表示装置における虚像の表示原理を説明する図である。本願の図面において、一点鎖線は、ディスプレイ１１の表示面に対する法線方向を示し、実線矢印は、ディスプレイ１１の表示面からユーザーＵの目への実像を表示する光の経路を示し、点線矢印は、ディスプレイ１１の表示面からユーザーＵの目への虚像を表示する光の経路を示している。
図１の表示装置は、ユーザーＵ側から順に、焦点距離を調整可能な液晶レンズ５０、焦点距離が一定のレンズ（物理レンズ）４０、偏光板１３、及び、ディスプレイ１１を備える。ヘッドマウント型表示装置（ＨＭＤ）等では、液晶レンズ５０からディスプレイ１１までの距離が短いことから、ユーザーＵは、ディスプレイ１１の後方に虚像Ｖを視認する。ここで、液晶レンズ５０の焦点距離を変化させると虚像Ｖの位置はユーザーＵに対して前後に動く。虚像Ｖが断続的に動くか、連続的に動くかは液晶レンズ５０の方式による。ただし、図１の表示装置において、特定のタイミングでの虚像Ｖはあくまで特定の距離に形成される。言い換えれば、虚像Ｖは１つの面内に表示される。以下、虚像Ｖが表示される面を「虚像面」ともいう。
図１の表示装置は、ユーザーＵ側から順に、焦点距離を調整可能な液晶レンズ５０、焦点距離が一定のレンズ（物理レンズ）４０、偏光板１３、及び、ディスプレイ１１を備える。ヘッドマウント型表示装置（ＨＭＤ）等では、液晶レンズ５０からディスプレイ１１までの距離が短いことから、ユーザーＵは、ディスプレイ１１の後方に虚像Ｖを視認する。ここで、液晶レンズ５０の焦点距離を変化させると虚像Ｖの位置はユーザーＵに対して前後に動く。虚像Ｖが断続的に動くか、連続的に動くかは液晶レンズ５０の方式による。ただし、図１の表示装置において、特定のタイミングでの虚像Ｖはあくまで特定の距離に形成される。言い換えれば、虚像Ｖは１つの面内に表示される。以下、虚像Ｖが表示される面を「虚像面」ともいう。
【0033】
次に、虚像を表示に利用する場合の問題点について、虚像を表示に利用する表示装置の典型例であるＶＲ表示装置に基づき説明する。上記問題点としては、ＶＲ酔いが知られており、その発生メカニズムは次の通りである。
図２は、従来のＶＲの表示原理を説明する図である。図２に示すように、ＶＲ表示では、右目用の映像Ｒと左目用の映像Ｌとを別々に表示することによって、３Ｄ映像を映したい位置に映像Ｉ１があるとユーザーＵに視認させる。図３は、人が現実の物を見る状態を説明する図である。図２及び３の比較から分かるように、従来のＶＲは、右目ＲＥ及び左目ＬＥを映像Ｉ１に向けて回転させる動き（輻輳）とピント調節とが整合していない点で、人が現実の物を見る状態とは異なっている。ＶＲ酔いは、ピント調節の距離（右目用の映像Ｒ及び左目用の映像Ｌの距離）Ｄ１と両目による注視点の距離Ｄ２とが異なることによって発生すると考えられている。これは右目用の映像Ｒ及び左目用の映像Ｌが虚像であり、虚像面（虚像の距離）が動かせないことから発生する。ここで、焦点距離を調整可能な液晶レンズ等を用いて虚像面を動かすことができれば、図３の状態を実現することができ、ＶＲ酔いを防止することができる。
図２は、従来のＶＲの表示原理を説明する図である。図２に示すように、ＶＲ表示では、右目用の映像Ｒと左目用の映像Ｌとを別々に表示することによって、３Ｄ映像を映したい位置に映像Ｉ１があるとユーザーＵに視認させる。図３は、人が現実の物を見る状態を説明する図である。図２及び３の比較から分かるように、従来のＶＲは、右目ＲＥ及び左目ＬＥを映像Ｉ１に向けて回転させる動き（輻輳）とピント調節とが整合していない点で、人が現実の物を見る状態とは異なっている。ＶＲ酔いは、ピント調節の距離（右目用の映像Ｒ及び左目用の映像Ｌの距離）Ｄ１と両目による注視点の距離Ｄ２とが異なることによって発生すると考えられている。これは右目用の映像Ｒ及び左目用の映像Ｌが虚像であり、虚像面（虚像の距離）が動かせないことから発生する。ここで、焦点距離を調整可能な液晶レンズ等を用いて虚像面を動かすことができれば、図３の状態を実現することができ、ＶＲ酔いを防止することができる。
【0034】
一方、ＶＲにより立体感のある映像（３Ｄ映像）を表示する際、焦点距離を調整可能な液晶レンズ等を用いて虚像を動かすだけでは、人が現実の物を見る状態と比べたときの違和感を完全に無くすことは難しい。図４は、虚像面が１つである場合の表示状態を説明する図であり、図５は、虚像面が２つである場合の表示状態を説明する図である。虚像面数が１面しかない場合、周辺視の物体をどのように表現するかが問題となる。具体的には、図４に示すように、映像Ｉ１の位置に焦点を合わせているとき、より近い位置にある物体の映像Ｉ２はボケて見えるはずである。虚像面が１つであると、１つの虚像面に右目用と左目用に２つのぼかした映像Ｉ２ａを表示し、あたかもボケた映像Ｉ２があるように見せることで、周辺視であるように感じさせることができる。しかし、映像Ｉ１の位置と映像Ｉ２の位置に視点を切り替える際に、液晶レンズと映像の両方を切り替える必要があることと、ボケを映像で表現しているため、違和感を完全に無くすことは難しい。これに対して、図５に示すように、２つの虚像面があれば、視点切替の際に液晶レンズと映像を切り替える必要が生じないため、スムーズな視点切替が可能となり、良好な没入感が得られる。そこで、本発明では、２つの虚像面（虚像距離が異なる２つの像）を生成する。
【0035】
＜実施形態１＞
図６は、実施形態１に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。図６の表示装置は、ユーザーＵ側から順に、焦点距離を調整可能な液晶レンズ（光学素子）５０、面分割偏光変換部材２０、偏光板１３、及び、ディスプレイ１１を備える。
上記ディスプレイ１１と上記偏光板１３との組み合わせからなる表示パネル１０は偏光を出射する。虚像距離が異なる２つの画像の一方を「第一の画像」と定義し、他方を「第二の画像」と定義するとき、上記表示パネルは、第一及び第二の画像用の偏光をそれぞれ出射する。上記第一及び第二の画像用の偏光は、面分割偏光変換部材２０を透過し、焦点距離を調整可能な液晶レンズ５０に入射する。
図６は、実施形態１に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。図６の表示装置は、ユーザーＵ側から順に、焦点距離を調整可能な液晶レンズ（光学素子）５０、面分割偏光変換部材２０、偏光板１３、及び、ディスプレイ１１を備える。
上記ディスプレイ１１と上記偏光板１３との組み合わせからなる表示パネル１０は偏光を出射する。虚像距離が異なる２つの画像の一方を「第一の画像」と定義し、他方を「第二の画像」と定義するとき、上記表示パネルは、第一及び第二の画像用の偏光をそれぞれ出射する。上記第一及び第二の画像用の偏光は、面分割偏光変換部材２０を透過し、焦点距離を調整可能な液晶レンズ５０に入射する。
【0036】
上記ディスプレイ１１としては、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）や、有機ＥＬ表示装置（ＯＬＥＤ）等の自発光ディスプレイが挙げられる。上記偏光板１３としては、ある一方向に振動する偏光（第一の偏光成分）を透過し、該偏光に直交する方向に振動する偏光（第二の偏光成分）を吸収又は反射する直線偏光子が用いられる。
【0037】
上記面分割偏光変換部材２０は、平面視において、第一の画像用の偏光を透過させる第一の透過部と、第二の画像用の偏光を透過させる第二の透過部とを有する。第二の透過部は、第一の透過部よりもλ／２異なる位相差を生じさせる領域であり、第一の画像用の偏光が第一の透過部を透過し、第二の画像用の偏光が第二の透過部を透過することにより、第一の画像用の偏光と第二の画像用の偏光がλ／２異なる位相差を生じさせることができる。図６の表示装置は、λ／２の位相差を利用して２つの画像の虚像距離を異ならせることができる。ここで、「λ／２の位相差を生じさせ」るとは、透過する光に対し、その波長の１／２に相当する位相差を付与することを意味し、例えば、波長５５０ｎｍの光に対して２００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の位相差を付与することを意味する。
本実施形態において、上記面分割偏光変換部材２０は、第一の透過部が、第一の画像用の偏光に対して偏光状態を変換せずに透過させる無変換部２２であり、第二の透過部が、第二の画像用の偏光に対してλ／２の位相差を生じさせて偏光状態を変換する変換部２１である。ここで、「偏光状態を変換せず」とは、例えば、波長５５０ｎｍの光に対する位相差が１０ｎｍ以下であることを意味する。
本実施形態において、上記面分割偏光変換部材２０は、第一の透過部が、第一の画像用の偏光に対して偏光状態を変換せずに透過させる無変換部２２であり、第二の透過部が、第二の画像用の偏光に対してλ／２の位相差を生じさせて偏光状態を変換する変換部２１である。ここで、「偏光状態を変換せず」とは、例えば、波長５５０ｎｍの光に対する位相差が１０ｎｍ以下であることを意味する。
【0038】
上記面分割偏光変換部材２０としては、ディスプレイ１１の表示面と平行な面内に、互いに位相差がλ／２異なる２以上の部分を可変的に形成するものを用いることができ、例えば、液晶パネルを用いることができる。すなわち、上記面分割偏光変換部材２０において、上記変換部（第二の透過部）２１は、断面視において、一対の基板と、上記一対の基板間に配置された液晶層とを備え、上記液晶層への印加電圧に応じて位相差が可変であってもよい。互いに位相差がλ／２異なる２以上の部分を可変的に形成する形態では、面内における上記変換部（第二の透過部）２１と上記無変換部（第一の透過部）２２の配置は時間切替（ＯＮ／ＯＦＦ）可能であり、具体的には、液晶層への電圧印加により、ある時点で上記変換部２１であったところが上記無変換部２２となり、ある時点で上記無変換部２２であったところが上記変換部２１となる。したがって、面分割偏光変換部材２０の全体が液晶パネルであることが好ましい。
【0039】
上記面分割偏光変換部材２０としては、ディスプレイ１１の表示面と平行な面内に、互いに位相差がλ／２異なる２以上の部分を定常的に有するものを用いることができ、例えば、上記無変換部２２が透明部材であり、かつ上記変換部２１がλ／２板であるように面分割された部材を用いることができる。λ／２板は、可視光に対し、その波長の１／２に相当する位相差を付与する部材であり、例えば、波長５５０ｎｍの光に対して２００ｎｍ以上、３５０ｎｍ以下の位相差を付与する部材である。λ／２板を用いる場合、面内における上記変換部（第二の透過部）２１と上記無変換部（第一の透過部）２２の配置は時間切替（ＯＮ／ＯＦＦ）されない。
上記面分割された部材は、例えば、ガラス基板等の支持部材の全面に、λ／２の位相差を有する樹脂フィルムを貼り付けた後に、上記樹脂フィルムが上記変換部２１に配置されるようにパターニングして樹脂層を形成する方法によって作製することができる。或いは、支持部材の上記変換部２１に対応する領域のみに、λ／２の位相差を有する樹脂フィルムを貼り付けて樹脂層を形成する方法によって作製してもよい。また、λ／２の位相差を有する樹脂フィルムを用いる代わりに、λ／２の位相差を有する樹脂層を支持部材上に形成してもよく、例えば、支持部材上に配向膜を形成し、該配向膜上に光重合性液晶材料からなる層を形成し、該光重合性液晶材料を硬化物させて樹脂層を形成する方法を用いてもよい。
上記面分割された部材は、例えば、ガラス基板等の支持部材の全面に、λ／２の位相差を有する樹脂フィルムを貼り付けた後に、上記樹脂フィルムが上記変換部２１に配置されるようにパターニングして樹脂層を形成する方法によって作製することができる。或いは、支持部材の上記変換部２１に対応する領域のみに、λ／２の位相差を有する樹脂フィルムを貼り付けて樹脂層を形成する方法によって作製してもよい。また、λ／２の位相差を有する樹脂フィルムを用いる代わりに、λ／２の位相差を有する樹脂層を支持部材上に形成してもよく、例えば、支持部材上に配向膜を形成し、該配向膜上に光重合性液晶材料からなる層を形成し、該光重合性液晶材料を硬化物させて樹脂層を形成する方法を用いてもよい。
【0040】
上記面分割偏光変換部材２０を透過した上記偏光が入射する位置には、上記無変換部（第一の透過部）２２を透過した第一の偏光から生成する第一の画像の虚像距離と、上記変換部（第二の透過部）２１を透過した第二の偏光から生成する第二の画像の虚像距離とを異ならせる光学素子が配置される。そのような光学素子として、本実施形態では、焦点距離を調整可能な液晶レンズ５０が設けられている。液晶レンズ５０は、上記第一の偏光に対して第一の焦点距離をもつレンズとして作用し、かつ上記第二の偏光に対してレンズとして作用しない（光を曲げない）、又は第二の焦点距離をもつレンズとして作用する。例えば、表示パネル１０から出射される偏光の振動方向が、液晶レンズ５０が作用する方向に一致するとき、上記無変換部２２を透過した第一の偏光は、虚像Ｖを見せることになり、上記変換部２１によって偏光の振動方向が９０度直交するように切り替えられた第二の偏光は、液晶レンズ５０が作用しないので、実像（表示パネルの表示画面）を見せることになる。これによって、１つの表示パネルを用いて、２つの虚像距離（一方が実像となる場合も含む）を実現することができ、前述のような周辺視も含めたスムーズな視点切替を実現することができる。
【0041】
上記液晶レンズ５０の種類は特に限定されず、屈折型レンズ、屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズ、回折型レンズ等が挙げられる。なお、上記屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズは、液晶の配向により光を曲げるレンズである。これらの液晶レンズは一般的に、一方の振動方向の直線偏光に対してレンズとして作用するが、他方の振動方向の直線偏光に対してはレンズ作用が無い。また、液晶材料が硬化型である場合、液晶レンズの焦点距離が固定である。一方、液晶材料が可動である場合、レンズの焦点距離を可変にできる。焦点距離の制御方法について、屈折型レンズは電圧で制御でき、屈折率分布型レンズは電圧及び周期の両方で制御でき、回折型レンズは周期で制御できる。上記液晶レンズとしては、液晶層を有し、上記液晶層への印加電圧に応じて焦点距離が可変であるものが好ましい。
【0042】
上記屈折型レンズについて、図７～９を参照して説明する。図７は、樹脂を用いた屈折型レンズの構造を説明する図であり、上の図が断面図であり、下の図が上面図である。図８は、図７に示した方位Ａにおける屈折型レンズの動作を説明する図であり、上の図が液晶層への電圧印加時を表し、下の図が液晶層への電圧無印加時を表している。図９は、図７に示した方位Ｂにおける屈折型レンズの動作を説明する図であり、上の図が液晶層への電圧印加時を表し、下の図が液晶層への電圧無印加時を表している。図８及び９中の矢印は、屈折型レンズを透過する光の経路を示している。
屈折型レンズは、ガラス基板５１、樹脂製のフレネルレンズ５２、電極５３、液晶層５４、電極５３、及び、ガラス基板５１が積層された構造を有する。例えば、液晶層５４にポジ型の液晶５４ａ（液晶の屈折率楕円体の長軸が電界に沿う）を用いた場合、電圧無印加時は液晶５４ａが水平に配向し（図８及び９の下の図）、電圧印加すると液晶５４ａが垂直に配向する（図８及び９の上の図）。フレネルレンズ５２を構成する樹脂と液晶５４ａの屈折率の組み合わせは限定されないが、例えば樹脂の屈折率が約１．５、液晶５４ａのｎｅ（長軸側の屈折率）が１．８、ｎｏ（短軸側の屈折率）が１．５とする。このとき、図８に示すように、方位Ａでは、電圧無印加時は屈折差があるため光が曲がり、電圧印加時は屈折差がなくなるため、光が曲がらない。一方、図９に示すように、方位Ｂでは、電圧無印加時及び電圧印加時のいずれでも屈折差は発生せず、レンズ機能は常に発生しないことになる。
屈折型レンズは、ガラス基板５１、樹脂製のフレネルレンズ５２、電極５３、液晶層５４、電極５３、及び、ガラス基板５１が積層された構造を有する。例えば、液晶層５４にポジ型の液晶５４ａ（液晶の屈折率楕円体の長軸が電界に沿う）を用いた場合、電圧無印加時は液晶５４ａが水平に配向し（図８及び９の下の図）、電圧印加すると液晶５４ａが垂直に配向する（図８及び９の上の図）。フレネルレンズ５２を構成する樹脂と液晶５４ａの屈折率の組み合わせは限定されないが、例えば樹脂の屈折率が約１．５、液晶５４ａのｎｅ（長軸側の屈折率）が１．８、ｎｏ（短軸側の屈折率）が１．５とする。このとき、図８に示すように、方位Ａでは、電圧無印加時は屈折差があるため光が曲がり、電圧印加時は屈折差がなくなるため、光が曲がらない。一方、図９に示すように、方位Ｂでは、電圧無印加時及び電圧印加時のいずれでも屈折差は発生せず、レンズ機能は常に発生しないことになる。
【0043】
上記液晶レンズ５０は、パンチャラトナム・ベリー相（Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ－Ｂｅｒｒｙ Ｐｈａｓｅ）レンズであってもよい。パンチャラトナム・ベリー相レンズは、円偏光の向きによって、発散と収束を切り替えられる液晶レンズである（例えば、米国特許第１０３７９４１９号参照）。例えば、左円偏光と右円偏光で焦点距離がｆと－ｆに切り替わるレンズとして機能する。焦点距離ｆはアクティブなものであれば、原理的には周期で制御することができる。本実施形態では、別途焦点距離ｆの固定レンズを加えることで、焦点距離の切り替え距離を調整することができるので、例えば焦点距離ｆの固定レンズを加えれば、焦点距離ｆ／２と０とを切り替えることができる。また、円偏光は、直線偏光にλ／４板を追加することで実現することができるので、直線偏光の場合とほぼ同様の構成で、別途設けるレンズの強さを調節することで、ほぼ同様の作用を実現することができる。
【0044】
図１０は、パンチャラトナム・ベリー相レンズの構成を説明する上面図であり、図１１は、パンチャラトナム・ベリー相レンズの機能を説明する図である。パンチャラトナム・ベリー相レンズは、パンチャラトナム・ベリー相（ＰＢ配向）を用いるものであり、図１０に示すような液晶５４ａの周期的な配向により、回折が発生し、レンズ機能を得ることができる。図１１において、パンチャラトナム・ベリー相レンズＰＢＬから出射した右円偏光ＲＣＰの光路を図１１中の実線で示し、パンチャラトナム・ベリー相レンズＰＢＬから出射した左円偏光ＬＣＰの光路を図１１中の点線で示している。図１１のパンチャラトナム・ベリー相レンズＰＢＬは、入射する円偏光が右円偏光ＲＣＰであると集光し、左円偏光ＬＣＰであると発散する例を示しており、出射時の円偏光の向きは逆方向になっている。このようにパンチャラトナム・ベリー相レンズは、入射させる円偏光の向きを切替えることにより、焦点ｆの発散、集光を切り替えることができる。
【0045】
図１２は、実施形態１に係る表示装置の具体的構成の一例を示す側面図であり、図１３は、図１２に示した表示装置の鳥観図であり、図１４は、実施形態１に係る面分割偏光変換部材の拡大断面図である。図１２に示す表示装置は、３Ｄディスプレイであり、視距離約５００ｍｍにディスプレイ１１が配置され、ディスプレイ１１から１００ｍｍ離れた位置に液晶レンズ５０が配置されている。液晶レンズ５０は屈折型レンズであり、その焦点距離は約１００ｍｍである。視距離が約５００ｍｍであるのは、人が中型（～２０型くらい）のディスプレイを見る際に必要な距離が概ね５００ｍｍであるからである。
【0046】
ディスプレイ１１の画面上には、λ／２（すなわち、５５０ｎｍの光に対して２７５ｎｍ）の位相差の有無を切替えできる面分割偏光変換部材（液晶パネル）２０が配置されている。液晶パネルの液晶モードとしては、ＴＮモード、ＶＡモード、ＥＣＢモード、ＩＰＳモード、ＦＦＳモード等の一般的に液晶パネルで利用されるモードは適用可能である。ＶＡモードを例とすると、電圧オフで位相差は発生せず、電圧オンで位相差λ／２を発生する構成とすることができる。なお、面分割偏光変換部材２０は、波長依存性を低減するため、液晶パネルを２層積層する等の対応をしてもよい。
【0047】
図１４に示すように、面分割偏光変換部材（液晶パネル）２０は、一対の基板２５に挟まれた液晶層２６に対して電圧を印加することにより液晶層２６中の液晶２６ａを領域ごとに駆動できる。面分割偏光変換部材２０を構成する液晶パネルの領域数は、重畳して配置されるディスプレイ１１の画素数と同じであってもよいし、ディスプレイ１１の画素数よりも少なくてもよい。図１４では、ＶＡモードの液晶パネルについて、上方に電圧オン状態が、下方に電圧オフ状態が示されている。
ディスプレイ１１から出射した直線偏光は、電圧オフ状態の面分割偏光変換部材２０では位相が変わらないので、直線偏光のまま透過する。液晶レンズ５０の向きは限定されないが、ここではレンズとして作用しないように液晶レンズ５０が配置された場合について説明する。この場合、透過光はディスプレイから出たそのままに人の目に到達するので、ディスプレイ１１の画面がそのまま見えることになる（実像が見える）。
ディスプレイ１１から出射した直線偏光は、電圧オフ状態の面分割偏光変換部材２０では位相が変わらないので、直線偏光のまま透過する。液晶レンズ５０の向きは限定されないが、ここではレンズとして作用しないように液晶レンズ５０が配置された場合について説明する。この場合、透過光はディスプレイから出たそのままに人の目に到達するので、ディスプレイ１１の画面がそのまま見えることになる（実像が見える）。
【0048】
一方で、面分割偏光変換部材２０の電圧がオンされると、ディスプレイ１１から出射した光は９０度回転した直線偏光になる。そうすると、直線偏光が通過する際に液晶レンズ５０はレンズとして作用する。液晶レンズ５０の焦点距離と同等の距離にディスプレイ１１を置いているので、このレンズ作用により、ほぼ平行光となってユーザーＵの目に届く。従って、ユーザーＵには、ディスプレイ１１がほぼ無限遠にあるように見える（虚像が見える）。
このようにして、実像と虚像を面分割偏光変換部材２０で切替えることができるので、距離が異なる２つの虚像面を面分割で同時に見ることができ、奥行きのある表示（３Ｄディスプレイ）を見ることができる。例えば、前景としたいキャラクターの表示領域のみを無変換部２２（位相差ゼロの領域）とし、遠景としたい背景領域を変換部２１（位相差λ／２の領域）としてもよい。
このようにして、実像と虚像を面分割偏光変換部材２０で切替えることができるので、距離が異なる２つの虚像面を面分割で同時に見ることができ、奥行きのある表示（３Ｄディスプレイ）を見ることができる。例えば、前景としたいキャラクターの表示領域のみを無変換部２２（位相差ゼロの領域）とし、遠景としたい背景領域を変換部２１（位相差λ／２の領域）としてもよい。
【0049】
なお、上記構成では、簡単のため、焦点距離にディスプレイ１１を置いて、虚像を無限遠としたが、液晶レンズ５０の焦点距離、又は、液晶レンズ５０からディスプレイ１１までの距離を変えることで、任意の場所に虚像を配置することができる。液晶レンズ５０の焦点距離は電圧で調整することが可能なため、液晶レンズ５０への印加電圧を上げることでも虚像距離を無限遠から手前に動かすことができる。図８で説明の通り、液晶レンズ５０は電圧オフで焦点距離が最大となる。
【0050】
図１５は、実施形態１に係る表示装置の具体的構成の別の例を示す側面図である。図１５に示す表示装置は、３Ｄディスプレイであり、液晶レンズ５０はパンチャラトナム・ベリー相レンズ（ＰＢレンズ）である。ＰＢレンズは、レンズによる屈折の強さ（凹凸レンズ）を切り替えることができるレンズであり、原理的にはアクティブにオンオフ切り替えができる。すなわち、液晶の配向ピッチを調整すればレンズの強さを調整できる。
【0051】
ＰＢレンズは、右左の円偏光により凹凸レンズが切り替わるため、虚像Ｖはディスプレイ１１の手前と奥に２つ作ることができる。ＰＢレンズを用いる場合、ディスプレイ１１から出る光を円偏光にするため、例えば、偏光板１３とλ／４板１５を組み合わせた円偏光板を設ける。円偏光板の上に、円偏光を逆の円偏光に切り替えることができる面分割偏光変換部材２０を置くことで、左右の円偏光を切り替えることができる。
面分割偏光変換部材２０により、２つの虚像面を切替えることができるので、面分割で距離が異なる２つの面を同時に見ることができ、奥行きのある表示（３Ｄディスプレイ）を見ることができ、ＶＲとして没入感が高まったり、スムーズな視点切り替えが可能になる。
面分割偏光変換部材２０により、２つの虚像面を切替えることができるので、面分割で距離が異なる２つの面を同時に見ることができ、奥行きのある表示（３Ｄディスプレイ）を見ることができ、ＶＲとして没入感が高まったり、スムーズな視点切り替えが可能になる。
【0052】
＜実施形態２＞
図１６は、実施形態２に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。本実施形態に係る表示装置は、液晶レンズ以外の他のレンズを備える。具体的には、焦点距離１００ｍｍの物理レンズ４０と焦点距離１００ｍｍの液晶レンズ５０を近接して配置、又は貼り合わせており、液晶レンズ５０をディスプレイ１１から５０ｍｍ離し、視距離約６５ｍｍからＶＲのように観察することを想定している。
ＶＲの場合、レンズを用いて画面を一定以上（例えば１０倍程度）拡大しなければユーザーがピントを合わせることができない。従って、液晶レンズ５０にはレンズとして作用しない方位があることから、物理レンズ（通常のレンズ）４０を併用する。
実施形態１と同様に、ディスプレイ１１の画面上には面分割偏光変換部材（液晶パネル）２０を配置している。液晶パネルの液晶モードや液晶レンズの駆動条件は実施形態１と同一である。
実施形態１と異なるのは、物理レンズ４０を併用しているため、液晶レンズ５０でレンズとして作用しない方位であっても、物理レンズ４０で拡大されるため、実像ではなく、虚像が見える点である。
実施形態２においても、面分割偏光変換部材２０により、２つの虚像面を切替ることができるので、面分割で距離が異なる２つの面を同時に見ることができ、奥行きのある表示（３Ｄディスプレイ）を見ることができ、ＶＲとして没入感が高まったり、スムーズな視点切り替えが可能になる。
なお、他のレンズとして、物理レンズ４０に代えて、フレネルレンズ、回折レンズを用いてもよい。
図１６は、実施形態２に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。本実施形態に係る表示装置は、液晶レンズ以外の他のレンズを備える。具体的には、焦点距離１００ｍｍの物理レンズ４０と焦点距離１００ｍｍの液晶レンズ５０を近接して配置、又は貼り合わせており、液晶レンズ５０をディスプレイ１１から５０ｍｍ離し、視距離約６５ｍｍからＶＲのように観察することを想定している。
ＶＲの場合、レンズを用いて画面を一定以上（例えば１０倍程度）拡大しなければユーザーがピントを合わせることができない。従って、液晶レンズ５０にはレンズとして作用しない方位があることから、物理レンズ（通常のレンズ）４０を併用する。
実施形態１と同様に、ディスプレイ１１の画面上には面分割偏光変換部材（液晶パネル）２０を配置している。液晶パネルの液晶モードや液晶レンズの駆動条件は実施形態１と同一である。
実施形態１と異なるのは、物理レンズ４０を併用しているため、液晶レンズ５０でレンズとして作用しない方位であっても、物理レンズ４０で拡大されるため、実像ではなく、虚像が見える点である。
実施形態２においても、面分割偏光変換部材２０により、２つの虚像面を切替ることができるので、面分割で距離が異なる２つの面を同時に見ることができ、奥行きのある表示（３Ｄディスプレイ）を見ることができ、ＶＲとして没入感が高まったり、スムーズな視点切り替えが可能になる。
なお、他のレンズとして、物理レンズ４０に代えて、フレネルレンズ、回折レンズを用いてもよい。
【0053】
＜実施形態３＞
図１７は、実施形態３に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。実施形態１及び２の表示装置は、面分割偏光変換部材と液晶レンズを１セット用いたものであるが、実施形態３の表示装置は、面分割偏光変換部材２０と液晶レンズ５０を複数セット備える。複数セット（Ｎセット）用いることで、虚像面を２Ｎ面生成することができる。但し、駆動や後に説明する画像処理等が複雑になる。
面分割偏光変換部材２０は原理的にはディスプレイ面に近い方が良い。これは、虚像Ｖの境界面が、ディスプレイ画像上できっちりと規定されるためである。図１８に示すように、面分割偏光変換部材２０をディスプレイ面から離すと、境界部の画素は、２つの虚像面どちらにも含まれることがある。この境界部の問題は、後述する画像処理等を併用することで対処できる。
このように面分割偏光変換部材２０と液晶レンズ５０のセットを複数用いれば、２Ｎの虚像面を切替えることができるので、面分割で距離が異なる２Ｎ面を同時に見ることができ、奥行きのある表示（３Ｄディスプレイ）を見ることができ、ＶＲとして没入感が高まったり、スムーズな視点切り替えが可能になる。
図１７は、実施形態３に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。実施形態１及び２の表示装置は、面分割偏光変換部材と液晶レンズを１セット用いたものであるが、実施形態３の表示装置は、面分割偏光変換部材２０と液晶レンズ５０を複数セット備える。複数セット（Ｎセット）用いることで、虚像面を２Ｎ面生成することができる。但し、駆動や後に説明する画像処理等が複雑になる。
面分割偏光変換部材２０は原理的にはディスプレイ面に近い方が良い。これは、虚像Ｖの境界面が、ディスプレイ画像上できっちりと規定されるためである。図１８に示すように、面分割偏光変換部材２０をディスプレイ面から離すと、境界部の画素は、２つの虚像面どちらにも含まれることがある。この境界部の問題は、後述する画像処理等を併用することで対処できる。
このように面分割偏光変換部材２０と液晶レンズ５０のセットを複数用いれば、２Ｎの虚像面を切替えることができるので、面分割で距離が異なる２Ｎ面を同時に見ることができ、奥行きのある表示（３Ｄディスプレイ）を見ることができ、ＶＲとして没入感が高まったり、スムーズな視点切り替えが可能になる。
【0054】
＜実施形態４＞
面分割偏光変換部材を利用して生成した２つの虚像面は、ユーザーの目の位置と虚像の深さ（ユーザーからの距離）によって、その境界部分で映像が重なって見えたり、映像が無い領域が発生したりすることがある。これは、２つの虚像面の拡大率が異なり、かつ、目の位置が動くために発生する。
図１９は、映像の重なり及び隙間の発生原理について説明する図である。図１９に示すように、ユーザーＵの目がレンズ中心の法線上に位置している場合、光学系に歪みが無い理想状態では、虚像Ｖ１と虚像Ｖ２のオーバーラップはない。しかし実際には、目の位置は、ＨＭＤ筐体を装着する際に、レンズ中心の法線上からわずかにずれてしまうことがある。そのずれによって、虚像Ｖ１と虚像Ｖ２が重なって見えたり、虚像Ｖ１と虚像Ｖ２の間に映像が無い隙間が発生したりすることとなる。ユーザーＵの目が想定の位置より虚像端部に近い場合、本来見えるはずの虚像Ｖ１の下部が見えない（映像は無く、黒く見える）。目が想定の位置より虚像端部から遠い場合、本来見えないはずの虚像Ｖ１の下部が重なって見える。なお、眼球が回転する動きに対しては虚像のずれは影響がない。これは、眼球を回転させても、虚像Ｖ２の後ろにある虚像Ｖ１の点線部分が新たに見えるようになるわけではないのと同じである。
面分割偏光変換部材を利用して生成した２つの虚像面は、ユーザーの目の位置と虚像の深さ（ユーザーからの距離）によって、その境界部分で映像が重なって見えたり、映像が無い領域が発生したりすることがある。これは、２つの虚像面の拡大率が異なり、かつ、目の位置が動くために発生する。
図１９は、映像の重なり及び隙間の発生原理について説明する図である。図１９に示すように、ユーザーＵの目がレンズ中心の法線上に位置している場合、光学系に歪みが無い理想状態では、虚像Ｖ１と虚像Ｖ２のオーバーラップはない。しかし実際には、目の位置は、ＨＭＤ筐体を装着する際に、レンズ中心の法線上からわずかにずれてしまうことがある。そのずれによって、虚像Ｖ１と虚像Ｖ２が重なって見えたり、虚像Ｖ１と虚像Ｖ２の間に映像が無い隙間が発生したりすることとなる。ユーザーＵの目が想定の位置より虚像端部に近い場合、本来見えるはずの虚像Ｖ１の下部が見えない（映像は無く、黒く見える）。目が想定の位置より虚像端部から遠い場合、本来見えないはずの虚像Ｖ１の下部が重なって見える。なお、眼球が回転する動きに対しては虚像のずれは影響がない。これは、眼球を回転させても、虚像Ｖ２の後ろにある虚像Ｖ１の点線部分が新たに見えるようになるわけではないのと同じである。
【0055】
図２０は、虚像の重なりが発生している表示装置の構成を模式的に示す側面図であり、図２１は、虚像の重なりが発生しているときのディスプレイ面の一例を示す正面図であり、図２２は、虚像の重なりが発生しているときの映像の一例を示す正面図である。図２１に示すように、ディスプレイ面の元画像では、面分割偏光変換部材２０の位相差がゼロである領域に画像Ａ１が表示され、面分割偏光変換部材２０の位相差がλ／２である領域では画像Ｂ１が表示され、画像Ａ１及び画像Ｂ１は同サイズである。一方、ディスプレイ面から出射され面分割偏光変換部材２０を透過して得られる映像（拡大画像）において、図２２に示すように、上記画像Ａ１は近距離の虚像Ａ２として表示され、上記画像Ｂ１はより拡大されて遠距離の虚像Ｂ２として表示され、虚像Ａ２と虚像Ｂ２の重なりが発生する。虚像が重なり合う部分ＡＢは単純に光量が足し算されるため、明るく見えることになる。通常は、遠い側の虚像Ｂ２は近い側の虚像Ａ２に隠れることから、演出として許容されるような一部のケースを除き、このような表示は違和感を生じさせる。また、この重なり量は目の位置に応じており、眼球の動き（回転）の影響はあまり無いが、目の位置がずれると影響が大きい（重なり量がずれる）。
【0056】
本実施形態では、第一の画像と第二の画像との重なり領域（虚像面の重なり）に対して画像補正処理（第一の画像補正処理）を行ってもよい。上記第一の画像補正処理としては、以下のものが挙げられる。
【0057】
（１）第一の画像補正処理
上記第一の画像補正処理としては、図２３の元画像及び図２４の拡大画像に示すように、上記重なり領域（虚像が重なり合う部分）を黒表示にする処理（第一の補正）が挙げられる。この場合、根本的に画像の重なりを防げる。
上記第一の画像補正処理としては、図２３の元画像及び図２４の拡大画像に示すように、上記重なり領域（虚像が重なり合う部分）を黒表示にする処理（第一の補正）が挙げられる。この場合、根本的に画像の重なりを防げる。
【0058】
上記第一の画像補正処理としては、図２５の元画像及び図２６の拡大画像に示すように、上記第一の画像及び上記第二の画像の少なくとも一方に対して上記重なり領域の輝度を低下させる処理（第二の補正）が挙げられる。具体的には、上記重なり領域において輝度の傾斜を設けることが挙げられる。図２５は、単に輝度で表現しているが、画像の場合、手前に来る画像の輝度をより本来に近く、奥に行く画像は本来より暗くするなど、重みづけしてもよい。
【0059】
上記第一の画像補正処理としては、図２７に示すように、面分割偏光変換部材２０と液晶レンズ５０との間にゲストホスト液晶層７０を配置すること（第三の補正）であってもよい。ゲストホスト液晶層７０は、液晶レンズ５０の近くに配置されることが好ましく、液晶レンズ５０に隣接することがより好ましい。ゲストホスト液晶層７０は、ゲスト材料として光吸収材を含み、ホスト材料として液晶を含むものが用いられ、例えば、ゲスト材料が１軸の光吸収材であり、ホスト材料の液晶が垂直配向型の液晶であるものが挙げられる。このようなゲストホスト液晶層７０を配置すれば、電圧オフでは光を吸収させず、電圧オンでは一方の偏光成分のみ吸収させることができる。図２７に示すように、虚像Ｖが重なり合う領域において、遠景（遠くの虚像）を表示する偏光のみを吸収するようにゲストホスト液晶層７０を配置すれば、近景（近くの虚像）を表示する光のみを見ることができる。後述するアイ・トラッキングを併用し、ゲストホスト液晶層７０の位置を調整してもよい。
【0060】
上記第一の画像補正処理は、アイ・トラッキングに基づき検出された上記第一の画像と上記第二の画像との重なり量に基づき、上記重なり領域を決定する処理を含むものであってもよい。前述の通り、ユーザーの目の位置に応じて重なり位置はずれるため、アイ・トラッキング技術を用いることで、リアルタイムに画像を適切に補正することが可能となる。上記第一の対策及び／又は上記第二の対策にアイ・トラッキング技術を併用すれば、虚像の重なりによる表示の違和感をより効果的に防止できる。具体的には、アイ・トラッキング技術によりユーザーの目の位置を特定し、その結果に応じて上記第二の対策における輝度の傾斜を常時補正することが挙げられる。また、虚像が重なり合う部分で遠景（遠くの虚像）となる方の画像を黒くすれば、拡大した際に重なり合うことなく、遠近が自然と手前と奥に並んでいるように見える。
【0061】
図２８は、アイ・トラッキング技術を用いる場合の画像補正の一例を示したフローチャートである。図２８に示すように、まず、カメラ等の撮像手段によってユーザーの目の周辺部を撮像する（ステップＳ１１）。次に、得られた目の周辺部の撮像情報から、目の位置に関する３次元座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出する（ステップＳ１２）。３次元座標は、眼球の位置を特定するものであればよく、眼球の回転に関する情報を含んでいなくてもよい。目の位置に関する３次元座標を基に、虚像間の隙間が発生する領域、及び、虚像間の重複が発生する領域を計算する（ステップＳ１３）。計算結果に基づき、虚像間の重複が発生する場合には、上述した第一、第二又は第三の補正を行う（ステップＳ１４Ａ）。このようなアイ・トラッキング技術を用いれば、図２９の元画像及び図３０の拡大画像に示すように、虚像間の重複が発生する領域を正確に特定し、特定した領域に応じて画像の補正処理を行うことができる。また、虚像間の隙間が発生する場合には、後述の第二の画像補正処理を行う（ステップＳ１４Ｂ）。
【0062】
本実施形態では、第一の画像と第二の画像との境界領域（虚像間の隙間）に対して画像補正処理（第二の画像補正処理）を行ってもよい。
【0063】
（２）第二の画像補正処理
上記第二の画像補正処理としては、第一の画像と第二の画像との境界領域を時分割表示するものが挙げられる。図３１は、虚像間の隙間が発生する原理を説明する図であり、元画像を示している。図３２は、虚像間の隙間が発生する原理を説明する図であり、拡大画像を示している。図３３は、時分割表示を説明する図である。
ユーザーの目の位置のずれや光学系の歪みにより、図３１のような元画像で隙間なく表示される画像Ａ及び画像Ｂが、図３２のように拡大画像（人から見た際の映像）では、隙間（黒い領域）が生じることがある。なお、図３２では、画像Ａ及び画像Ｂが重なる領域も発生している。隙間や重なりへの対策として、画像Ａ及び画像Ｂを時分割表示によって重ね合わせる補正処理を行ってもよい。その際、画像Ａ及び／又は画像Ｂの位置や大きさを調節してもよい。画像Ａ及び画像Ｂの少なくとも境界領域を時分割表示させることで、拡大画像で表示が無い領域（黒く見える）が発生することを防ぐことができる。時分割表示は、ディスプレイとともに面分割偏光変換部材も同時に切り替えて行う。
境界領域に相当する位置以外は時分割表示する必要はないが、その際、輝度が異ならないように調整することが望ましい。すなわち、図３３において画像Ａ及び画像Ｂが重なる領域をそれぞれ元の１フレームの１／２時間ずつ切り替えて点灯するとすれば、輝度は半分になる。そのため、この部分のみ輝度を２倍に引き上げるか、周辺の輝度を半分に下げることが望ましい。
上記第二の画像補正処理としては、第一の画像と第二の画像との境界領域を時分割表示するものが挙げられる。図３１は、虚像間の隙間が発生する原理を説明する図であり、元画像を示している。図３２は、虚像間の隙間が発生する原理を説明する図であり、拡大画像を示している。図３３は、時分割表示を説明する図である。
ユーザーの目の位置のずれや光学系の歪みにより、図３１のような元画像で隙間なく表示される画像Ａ及び画像Ｂが、図３２のように拡大画像（人から見た際の映像）では、隙間（黒い領域）が生じることがある。なお、図３２では、画像Ａ及び画像Ｂが重なる領域も発生している。隙間や重なりへの対策として、画像Ａ及び画像Ｂを時分割表示によって重ね合わせる補正処理を行ってもよい。その際、画像Ａ及び／又は画像Ｂの位置や大きさを調節してもよい。画像Ａ及び画像Ｂの少なくとも境界領域を時分割表示させることで、拡大画像で表示が無い領域（黒く見える）が発生することを防ぐことができる。時分割表示は、ディスプレイとともに面分割偏光変換部材も同時に切り替えて行う。
境界領域に相当する位置以外は時分割表示する必要はないが、その際、輝度が異ならないように調整することが望ましい。すなわち、図３３において画像Ａ及び画像Ｂが重なる領域をそれぞれ元の１フレームの１／２時間ずつ切り替えて点灯するとすれば、輝度は半分になる。そのため、この部分のみ輝度を２倍に引き上げるか、周辺の輝度を半分に下げることが望ましい。
【0064】
なお、図３４に示すように、簡単なレンズ幾何光学で考えると、焦点距離が短くなる（すなわち、レンズパワーが強くなる）と、虚像Ｖは遠く、大きくなる。従って、図３２の場合、画像Ａの虚像Ｖが近くにあり、画像Ｂの虚像Ｖが遠くにあることになる。
【0065】
＜実施形態５＞
図３５は、実施形態５に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。上述の実施形態では、電圧可変の液晶レンズを用いたが、ＵＶ硬化型液晶材料により、スタティックな（可変できない）液晶レンズ５０を用いても良い。本実施形態では、スタティックな液晶レンズ５０を用いるため、虚像Ｖを電圧で動かすことはできないが、２つの虚像（実像のケースを含む）Ｖを面分割偏光変換部材２０で切り替えることができる。安価に作製でき、液晶レンズ５０は電気的配線が不要になり、電気配線はディスプレイ１１側に集約されるメリットがあり、ＶＲ等に適用することができる。
図３５は、実施形態５に係る表示装置の構成を模式的に示す側面図である。上述の実施形態では、電圧可変の液晶レンズを用いたが、ＵＶ硬化型液晶材料により、スタティックな（可変できない）液晶レンズ５０を用いても良い。本実施形態では、スタティックな液晶レンズ５０を用いるため、虚像Ｖを電圧で動かすことはできないが、２つの虚像（実像のケースを含む）Ｖを面分割偏光変換部材２０で切り替えることができる。安価に作製でき、液晶レンズ５０は電気的配線が不要になり、電気配線はディスプレイ１１側に集約されるメリットがあり、ＶＲ等に適用することができる。
【0066】
本発明の面分割偏光変換部材によれば、虚像距離が異なる２つの像を生成させることができるので、表示装置の視聴時のユーザー（観察者）の負担を減らしたり、コンテンツへの没入感を向上したりすることができる。具体的な適用例として、ＶＲ表示装置の場合、ＶＲとして近景（近くの虚像）と遠景（遠くの虚像）を表示することができる。
【符号の説明】
【0067】
１０：表示パネル
１１：ディスプレイ
１３：偏光板
１５：λ／４板
２０：面分割偏光変換部材
２１：変換部
２２：無変換部
２５：基板
２６：液晶層
２６ａ：液晶
４０：レンズ（物理レンズ）
５０：液晶レンズ
５１：ガラス基板
５２：フレネルレンズ
５３：電極
５４：液晶層
５４ａ：液晶
７０：ゲストホスト液晶層
Ａ、Ａ１、Ｂ、Ｂ１：画像
Ａ２、Ｂ２：虚像
ＡＢ：虚像が重なり合う部分
Ｄ１：ピント調節の距離
Ｄ２：輻輳の距離
Ｉ１、Ｉ２：映像
Ｉ２ａ：ぼかした映像
Ｒ：右目用の映像
ＲＣＰ：右円偏光
ＲＥ：右目
Ｌ：左目用の映像
ＬＣＰ：左円偏光
ＬＥ：左目
Ｕ：ユーザー（観察者）
Ｖ、Ｖ１、Ｖ２：虚像
１１：ディスプレイ
１３：偏光板
１５：λ／４板
２０：面分割偏光変換部材
２１：変換部
２２：無変換部
２５：基板
２６：液晶層
２６ａ：液晶
４０：レンズ（物理レンズ）
５０：液晶レンズ
５１：ガラス基板
５２：フレネルレンズ
５３：電極
５４：液晶層
５４ａ：液晶
７０：ゲストホスト液晶層
Ａ、Ａ１、Ｂ、Ｂ１：画像
Ａ２、Ｂ２：虚像
ＡＢ：虚像が重なり合う部分
Ｄ１：ピント調節の距離
Ｄ２：輻輳の距離
Ｉ１、Ｉ２：映像
Ｉ２ａ：ぼかした映像
Ｒ：右目用の映像
ＲＣＰ：右円偏光
ＲＥ：右目
Ｌ：左目用の映像
ＬＣＰ：左円偏光
ＬＥ：左目
Ｕ：ユーザー（観察者）
Ｖ、Ｖ１、Ｖ２：虚像
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】