特開 2024-64476 虚像表示装置

(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】P2024064476

(43)【公開日】2024-05-14

(54)【発明の名称】虚像表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240507BHJP

   G02B 3/14 20060101ALI20240507BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20240507BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B3/14

H04N5/64 511A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022173085

(22)【出願日】2022-10-28

(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

(72)【発明者】

【氏名】斎藤 淳

【テーマコード（参考）】

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H199CA12

2H199CA25

2H199CA27

2H199CA30

2H199CA46

2H199CA47

2H199CA48

2H199CA53

2H199CA58

2H199CA59

2H199CA62

2H199CA63

2H199CA64

2H199CA65

2H199CA74

2H199CA77

2H199CA91

2H199CA96

2H199CA97

(57)【要約】

【課題】焦点や輻輳の変更に関して、応答性を高めることや機構の小型化を図ること。
【解決手段】虚像表示装置１００は、虚像を表示する第１画像表示装置２ａと、虚像を表示する第２画像表示装置２ｂと、装着者ＵＳの視線方向の物体距離を検出する視線方向距離検出装置７０ａと、物体距離に応じて第１画像表示装置２ａ及び第２画像表示装置２ｂによる表示状態を制御する画像表示制御部ＤＣと、装着者ＵＳの眼の前方に配置され第１画像表示装置２ａ及び第２画像表示装置２ｂから射出される画像光ＭＬのｓ偏光成分に対して焦点距離が変化する液晶レンズ４１とを備える。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

虚像を表示する第１画像表示装置と、
虚像を表示する第２画像表示装置と、
装着者の視線方向の物体距離を検出する視線方向距離検出装置と、
前記物体距離に応じて前記第１画像表示装置及び前記第２画像表示装置による表示状態を制御する画像表示制御部と、
装着者の眼の前方に配置され前記第１画像表示装置及び前記第２画像表示装置から射出される画像光の偏光成分に対して焦点距離が変化する液晶レンズと
を備える、虚像表示装置。

【請求項2】

前記液晶レンズは、中心部と周辺部とで印可電圧が異なり、複屈折の分布状態の変更によりレンズ効果を変更する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項3】

前記液晶レンズは、前記印可電圧が共通する複数の円形又は長円の輪帯部分を有する、請求項２に記載の虚像表示装置。

【請求項4】

前記画像表示制御部は、前記物体距離に応じて前記第１画像表示装置及び前記第２画像表示装置による表示画像の輻輳角を調整する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項5】

前記画像表示制御部は、前記物体距離に応じて前記液晶レンズのパワーを調整する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項6】

前記表示画像の輻輳角を調整する操作装置を備える、請求項４に記載の虚像表示装置。

【請求項7】

前記液晶レンズのパワーを調整する操作装置を備える、請求項５に記載の虚像表示装置。

【請求項8】

前記第１画像表示装置及び前記第２画像表示装置は、表示素子と、投射光学系と、コンバイナーとをそれぞれ備え、
前記液晶レンズは、前記コンバイナーを通過した外界光を、レンズ効果のない状態で通過させる、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項9】

前記コンバイナーは、偏光ビームスプリッターを有し、ｐ偏光の外界光を透過させ、
前記液晶レンズは、ｓ偏光の前記画像光に対して位相差を与えて結像状態を調整し、前記ｐ偏光に対して位相差を与えない、請求項８に記載の虚像表示装置。

【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に関し、特に物体距離に応じて表示状態を制御する虚像表示装置に関する。

【背景技術】

【0002】

虚像表示装置として、外界光を視認可能にする画像表示部と、使用者の視線方向及び視線方向の対象物までの距離を検出する視線方向距離検出部と、画像表示部の表示動作を制御する表示制御部とを備え、画像表示部が、投射される表示画像の輻輳と焦点とを変更する焦点輻輳変更部を有し、表示制御部が、視線方向距離検出部の検出した視線方向と対象物までの距離とに基づいて、焦点輻輳変更部を制御するものが公知となっている（特許文献１）。この装置では、観察者の視認している外界の対象物に対して対象物と略同じ輻輳かつフォーカス状態の画像を表示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－１６９４２８号公報

【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、焦点輻輳変更部において、相対的に変位する一対のレンズや、光学面形状が変化する液体レンズといった可動部が必要となり、応答性を高めることや機構の小型化が容易でない。また、焦点輻輳変更部が、光線束が比較的細くなっている投射部に組み込まれており、面精度の低下を生じさせやすい。

【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、虚像を表示する第１画像表示装置と、虚像を表示する第２画像表示装置と、装着者の視線方向の物体距離を検出する視線方向距離検出装置と、物体距離に応じて第１画像表示装置及び第２画像表示装置による表示状態を制御する画像表示制御部と、装着者の眼の前方に配置され第１画像表示装置及び第２画像表示装置から射出される画像光の偏光成分に対して焦点距離が変化する液晶レンズとを備える。

【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】眼球の計測装置等を説明する平面図である。

【図3】表示部の光学的構造を説明する側方断面図である。

【図4】液晶レンズの構造及び機能を説明する図である。

【図5】液晶レンズに形成される電極パターンと、電極パターンの変形例とを説明する図である。

【図6】液晶レンズの別の動作を説明する図である。

【図7】制御回路等を含む回路系を説明するブロック図である。

【図8】制御装置によって制御される輻輳角と焦点面との関係を説明する図である。

【図9】輻輳の変化に伴う表示画像の変更を説明する図面である。

【図10】虚像表示装置の動作を説明するチャートである。

【図11】変形例の動作を説明するチャートである。

【図12】第２実施形態の虚像表示装置を説明する図である。

【図13】第３実施形態の虚像表示装置を説明する図である。

【図14】第４実施形態の虚像表示装置を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

［第１実施形態］
以下、図１、２等を参照して、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置について説明する。

【0008】

図１は、ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する。）２００の装着状態を説明する斜視図である。ＨＭＤ２００は、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又は虚像表示装置１００を装着した観察者又は装着者ＵＳの両眼ＥＹの並ぶ横方向に対応し、＋Ｙ方向は、装着者ＵＳにとっての両眼ＥＹの並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、＋Ｚ方向は、装着者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。±Ｙ方向は、鉛直軸又は鉛直方向に平行になっている。

【0009】

ＨＭＤ２００は、右眼用の第１表示装置１００Ａと、左眼用の第２表示装置１００Ｂと、表示装置１００Ａ，１００Ｂを支持するテンプル状の一対の支持装置１００Ｃと、情報端末であるユーザー端末８８とを備える。第１表示装置１００Ａは、上部に配置される第１表示駆動部１０２ａと、メガネレンズ状で眼前を覆う第１コンバイナー１０３ａと、第１コンバイナー１０３ａをその前方から覆う光透過カバー１０４ａとで構成される。第２表示装置１００Ｂも同様に、上部に配置される第２表示駆動部１０２ｂと、メガネレンズ状で眼前を覆う第２コンバイナー１０３ｂと、第２コンバイナー１０３ｂをその前方から覆う光透過カバー１０４ｂとで構成される。支持装置１００Ｃは、装着者ＵＳの頭部に装着される装着部材であり、外観上一体化されている表示駆動部１０２ａ，１０２ｂを介して一対のコンバイナー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、ＨＭＤ２００の平面図であり、駆動装置１０２のケースＣＳの内部を透視表示したものである。第１表示装置１００Ａは、第１画像表示装置２ａとして、第１表示駆動部１０２ａの前方部分に配置された第１表示素子１１ａと、第１表示素子１１ａの後方に配置された第１投射光学系１２ａと、第１投射光学系１２ａの下方に配置されたコンバイナー１０３ａとを備え、焦点距離変更装置４０として、コンバイナー１０３ａの後方に配置された液晶レンズ４１を備える。第１表示素子１１ａは、画像光ＭＬを形成し、第１投射光学系１２ａは、第１表示素子１１ａからの画像光ＭＬを受け、コンバイナー１０３ａは、第１投射光学系１２ａから射出される画像光ＭＬを眼ＥＹに向けて部分的に反射する。第２表示装置１００Ｂは、第２画像表示装置２ｂとして、第２表示駆動部１０２ｂの前方部分に配置された第２表示素子１１ｂと、第２表示素子１１ｂの後方に配置された第２投射光学系１２ｂと、第２投射光学系１２ｂの下方に配置されたコンバイナー１０３ｂとを備え、焦点距離変更装置４０として、コンバイナー１０３ａの後方に配置された液晶レンズ４１を備える。第１表示装置１００Ａと第２表示装置１００Ｂとは、光学的に同一又は左右反転させたものである。

【0011】

駆動装置１０２には、表示装置１００Ａ，１００Ｂを構成する投射光学系１２ａ，１２ｂ等の他に、測距部７１と、視線検出部７２ａ，７２ｂとが組み込まれている。ここで、測距部７１と視線検出部７２ａ，７２ｂとは、使用者の視線方向及び視線方向にある対象物までの距離を検出する視線方向距離検出装置７０ａとして機能する。

【0012】

測距部７１は、視線方向距離検出装置７０ａの一部として、観察者が観察する外界像の各部までの距離を計測可能にする。測距部７１は、各種の測距原理を利用した機構とでき、例えばフラッシュライダー（flash LiDAR）のような、赤外線を投光してイメージセンサーで検出する際に、位相差や遅延時間を検出するものを用いることができる。また、視差から距離を決定するステレオカメラを用いることもできる。

【0013】

一方の視線検出部７２ａは、視線方向距離検出装置７０ａの一部として、観察者の右側の眼ＥＹの向き、つまり右眼の視線方向を検出する。視線検出部７２ａは、例えばＬＥＤといった赤外又は可視用の光源７５と、光源７５で照明された眼ＥＹを撮影するカメラ７６とを有し、目尻、角膜反射等を基準として、虹彩その他部分の動きを検出する。上記視線検出部７２は、ＨＭＤ２００又は虚像表示装置１００を装着する観察者ごとに視線方向のキャリブレーションを行って適合性を向上させるようなものであってもよい。他方の視線検出部７２ｂは、観察者の左側の眼ＥＹの向き、つまり左眼の視線方向を検出するものであり、上記一方の視線検出部７２ａと同様の構造を有する。

【0014】

両視線検出部７２ａ，７２ｂの出力（例えば平均値）を利用することで、観察者の視線方向が分かる。測距部７１は、視線の方向又は角度に対して測距を行うことで、観察者が注視する対象物までの対象距離を測定することができる。測距部７１が距離画像を計測するものである場合、測距部７１によって得た距離画像と、視線検出部７２ａ，７２ｂによって得た視線の方向又は角度との関係から、観察者が注視する対象物を特定することができ、注視する対象物までの距離（以下、対象距離とも呼ぶ）を測定することができる。

【0015】

図３は、第１表示装置１００Ａの構造を説明する側方断面図である。第１表示装置１００Ａは、第１表示素子１１ａと第１表示部２０ａと回路部材８０ａとを備える。第１表示素子１１ａは、画像光生成装置であり、映像素子とも呼ぶ。第１表示部２０ａは、虚像を形成する結像光学系であり、投射レンズ２１と、プリズムミラー２２と、偏光板２３と、シースルーミラー２４と、液晶レンズ４１とを有する。第１表示部２０ａのうち、投射レンズ２１、プリズムミラー２２、及び偏光板２８は、第１表示素子１１ａからの画像光ＭＬが入射する第１投射光学系１２ａとして機能し、シースルーミラー２４は、図１等に示す第１コンバイナー１０３ａに相当し、第１投射光学系１２ａから射出される画像光ＭＬを瞳位置ＰＰ又は眼ＥＹに向けて部分的に反射する。第１表示部２０ａにおいて、第１投射光学系１２ａと偏光板２３とシースルーミラー２４と液晶レンズ４１とは、図示を省略するフレーム部材によってアライメントされた状態で一体化されている。

【0016】

第１表示装置１００Ａにおいて、第１表示素子１１ａは、自発光型の画像光生成装置である。第１表示素子１１ａは、画像光ＭＬを第１投射光学系１２ａに射出する。第１表示素子１１ａ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１１ｄにカラーの静止画又は動画を形成する。第１表示素子１１ａは、回路部材８０ａに駆動されて表示動作を行う。第１表示素子１１ａ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。第１表示素子１１ａは、自発光型の画像光生成装置に限らず、デジタル・マイクロミラー・デバイスのような光変調素子を光源によって一様に照明することによって画像を形成するものであってもよい。

【0017】

第１表示部２０ａは、軸外し光学系ＯＳであり、シースルーミラー２４及びプリズムミラー２２よって、基準面であるＹＺ面に平行な軸外し面内で光軸ＡＸが折り曲げられている。ＹＺ面に平行で紙面に対応する軸外し面において、投射レンズ２１から反射面２２ｂまでの光路部分Ｐ１と、反射面２２ｂからシースルーミラー２４までの光路部分Ｐ２と、シースルーミラー２４から瞳位置ＰＰまでの光路部分Ｐ３とが、Ｚ字状に２段階で折り返されている。これに対応して、投射レンズ２１から反射面２２ｂまでの光軸部分ＡＸ１と、反射面２２ｂからシースルーミラー２４までの光軸部分ＡＸ２と、シースルーミラー２４から瞳位置ＰＰまでの光軸部分ＡＸ３とは、Ｚ字状に２段階で折り返される配置となっている。シースルーミラー２４において、光軸ＡＸが交差する中央箇所の法線は、Ｚ方向に対してθ＝４０～５０°程度の角度をなす。この第１表示部２０ａでは、第１表示装置１００Ａを構成する光学素子２１，２２，２３，２４が縦方向に高さ位置を変えて配列されることになり、第１表示装置１００Ａの横幅の増大を防止することができる。さらに、プリズムミラー２２等での反射による光路の折り畳みによって、光路部分Ｐ１～Ｐ３又は光軸部分ＡＸ１～ＡＸ３がＺ字状に２段階で折り返される配置となっており、かつ、光路部分Ｐ１，Ｐ３又は光軸部分ＡＸ１，ＡＸ３が比較的水平に近いため、第１表示部２０ａを上下方向や前後方向に関しても小型化することできる。

【0018】

第１表示部２０ａのうち、投射レンズ２１から反射面２２ｂまでの光路部分Ｐ１は、視点を基準とする後方に向かってやや斜め上方向又はＺ方向に平行に近い方向に延びている。反射面２２ｂからシースルーミラー２４までの光路部分Ｐ２は、前方に向かって斜め下方向に延びている。シースルーミラー２４から瞳位置ＰＰまでの光路部分Ｐ３は、後方に向かってやや斜め上方向又はＺ方向に平行に近い方向に延びている。光路部分Ｐ３に対応する光軸部分ＡＸ３を外界側に延長した射出光軸ＥＸは、前方の＋Ｚ方向に平行な中心軸ＨＸに対して１０°程度下向きに傾いて延びる。これは、人間の視線が水平方向より下側に約１０°傾いた若干の伏し目状態で安定するからである。なお、瞳位置ＰＰに対して水平方向に延びる中心軸ＨＸは、第１表示装置１００Ａを装着した装着者ＵＳが直立姿勢でリラックスして正面に向いて水平方向又は水平線を注視した場合を想定したものとなっている。

【0019】

第１表示部２０ａのうち、投射レンズ２１は、第１レンズ２１ｏ、第２レンズ２１ｐ、及び第３レンズ２１ｑを含む。投射レンズ２１は、第１表示素子１１ａから射出された画像光ＭＬを受けて、プリズムミラー２２に入射させる。投射レンズ２１は、第１表示素子１１ａから射出された画像光ＭＬを平行光束に近い状態に集光する。投射レンズ２１を構成する各レンズ２１ｏ，２１ｐ，２１ｑの入射面及び射出面は、自由曲面又は非球面であり、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、横方向又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。第１レンズ２１ｏ、第２レンズ２１ｐ、及び第３レンズ２１ｑは、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。投射レンズ２１を構成する第１レンズ２１ｏ、第２レンズ２１ｐ、及び第３レンズ２１ｑの光学面には、反射防止膜を形成することができる。

【0020】

プリズムミラー２２は、ミラーとレンズとを複合させた機能を有する屈折反射機能を有する光学部材であり、投射レンズ２１からの画像光ＭＬを屈折させつつ反射する。プリズムミラー２２は、投射レンズ２１側に配置される入射面２２ａと、光軸ＡＸを折り曲げる反射面２２ｂと、反射面２２ｂに対向して入射面２２ａとは対称的な方向に配置される射出面２２ｃとを有する。プリズムミラー２２を構成する光学面である入射面２２ａと反射面２２ｂと射出面２２ｃとは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、横方向又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。プリズムミラー２２の光学面、つまり入射面２２ａと反射面２２ｂと射出面２２ｃとは、自由曲面又は非球面である。プリズムミラー２２は、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。反射面２２ｂについては、全反射によって画像光ＭＬを反射するものに限らず、金属膜又は誘電体多層膜からなる反射面とすることもできる。詳細な図示は省略するが、入射面２２ａ及び射出面２２ｃ上には、反射防止膜を形成することができる。

【0021】

偏光板２３は、透過型の偏光板であり、プリズムミラー２２の射出面２２ｃに対向して配置されている。偏光板２３は、平行平板である基板の片面上にｓ偏光透過膜を形成した光学素子であり、画像光ＭＬのうちｓ偏光成分を高い透過率で透過させ、ｐ偏光成分を吸収又は反射によって実質的に遮断する。第１表示素子１１ａから射出されプリズムミラー２２等を経て偏光板２３に入射する画像光ＭＬは、電場の振動方向がＹＺ面又は紙面に垂直なｓ偏光と、電場の振動方向がＹＺ面又は紙面に平行なｐ偏光とを含む。偏光板２３を通過した画像光ＭＬは、ＹＺ面に垂直な振動方向に制限されたｓ偏光のみを含む偏光となる。

【0022】

シースルーミラー２４すなわち第１コンバイナー１０３ａは、プリズムミラー２２から射出され偏光板２３を通過した画像光ＭＬを反射するとともに外界光ＯＬを部分的に透過させる。シースルーミラー２４は、プリズムミラー２２からの画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向けて反射する。

【0023】

シースルーミラー２４は、眼ＥＹ又は瞳孔が配置される瞳位置ＰＰを覆うとともに瞳位置ＰＰに向かって凹形状を有し、外界に向かって凸形状を有する凹面ミラーである。シースルーミラー２４は、拡大レンズ又はコリメーターであり、表示面１１ｄの各点から射出された画像光ＭＬの主光線であって、第１投射光学系１２ａのプリズムミラー２２の射出側近傍に中間像ＩＭとして結像した後で広がった画像光ＭＬの主光線を瞳位置ＰＰに収束させる。シースルーミラー２４は、凹面ミラーとして、画像光生成装置である第１表示素子１１ａに形成され第１投射光学系１２ａによって再結像された中間像ＩＭを拡大視することを可能にする。シースルーミラー２４は、中間像ＩＭと瞳位置ＰＰとの間に配置される観点で、画角に相当する有効領域ＥＡ以上の広がりを有することが必要となる。

【0024】

シースルーミラー２４は、板状体２４ｂの裏面上に透過性反射膜２４ａを形成した構造を有する半透過型のミラー板である。シースルーミラー２４の透過性反射膜２４ａは、反射面２４ｃとして機能し、ｓ偏光及びｐ偏光を略均等に反射する。反射面２４ｃは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、横方向又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。シースルーミラー２４の反射面２４ｃは、自由曲面又は非球面である。反射面２４ｃは、有効領域ＥＡ以上の広がりを有する。反射面２４ｃが有効領域ＥＡよりも広い外領域に形成されている場合、有効領域ＥＡの背後からの外界像と、上記外領域の背後からの外界像とに関して、見え方の差が生じにくくなる。

【0025】

シースルーミラー２４の外側面２４ｏ上には、ｐ偏光透過膜である偏光膜２４ｐが形成されている。シースルーミラー２４の偏光膜２４ｐや透過性反射膜２４ａは、外界光ＯＬを部分的に透過させる。これにより、外界のシースルー視が可能になり、外界像に虚像を重ねることができる。この際、板状体２４ｂが数ｍｍ程度以下に薄ければ、外界像の倍率変化を小さく抑えることができる。反射面２４ｃの画像光ＭＬや外界光ＯＬに対する反射率は、画像光ＭＬの輝度確保や、シースルーによる外界像の観察を容易にする観点で、想定される画像光ＭＬの入射角範囲（有効領域ＥＡに相当）において１０％以上５０％以下とする。シースルーミラー２４の基材である板状体２４ｂは、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。板状体２４ｂは、これを周囲から支持する支持板６１と同一の材料で形成され、支持板６１と略同一の厚みを有する。透過性反射膜２４ａは、例えば膜厚を調整した複数の誘電体層からなる誘電体多層膜で形成される。透過性反射膜２４ａは、膜厚を調整したＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜又は多層膜であってもよい。透過性反射膜２４ａは、例えば蒸着を利用した積層によって形成できるが、シート状の反射膜を貼り付けることによっても形成できる。偏光膜２４ｐ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が、これに限らず、誘電体多層膜で形成されるものであってもよい。

【0026】

シースルーミラー２４の前方には、光透過カバー１０４ａが配置されている。光透過カバー１０４ａは、高い光透過性を有する薄板状の部材であり、その上端は、ケースＣＳ（図２参照）に支持されている。光透過カバー１０４ａは、外界に向かって凸形状を有し、一様な厚みを有する。光透過カバー１０４ａは、画像光ＭＬの結像に影響せず、その曲率は、シースルーミラー２４と干渉しない範囲で、任意に設定することができる。光透過カバー１０４ａは、数ｍｍ程度以下に薄く、外界像の観察に殆ど影響を与えない。光透過カバー１０４ａは、例えば樹脂で形成され、表面に反射防止膜やハードコート層を形成してもよい。

【0027】

液晶レンズ４１は、可変パワーレンズであり、第１画像表示装置２ａから射出される画像光ＭＬのｓ偏光成分に対して機能する。つまり、液晶レンズ４１は、画像光ＭＬに対してレンズ機能又はレンズ効果を発揮し、レンズ機能又はレンズ効果を変化させることができる。液晶レンズ４１は、画像光ＭＬのｓ偏光成分に対する複屈折の分布状態の変更によりレンズ効果を変更することができる。液晶レンズ４１は、シースルーミラー２４と瞳位置ＰＰとの間に配置されている。つまり、液晶レンズ４１は、装着者ＵＳの眼ＥＹの前方に配置されている。液晶レンズ４１は、外部からの制御信号に応じてｓ偏光である画像光ＭＬに対して作用するパワーを増減変化させることができるが、ｐ偏光である外界光ＯＬに対して作用せず平行平板として機能する。つまり、液晶レンズ４１は、コンバイナー１０３ａを通過した外界光ＯＬを、レンズ効果のない状態で通過させる。

【0028】

液晶レンズ４１は、眼ＥＹに近い箇所であって画像光ＭＬの光線束が比較的広がった位置に配置されている。このように光線束が比較的広がった位置では、液晶レンズ４１による波面の乱れを抑制することが容易であり、画像の劣化を低減することができる。

【0029】

図４は、液晶レンズ４１の構造や機能を説明する図である。図５は、液晶レンズ４１に形成される電極パターンを説明する平面図である。図４中で、上側α１は、液晶レンズ４１の概念的な斜視図であり、下側α２は、液晶レンズ４１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。図５中で、領域ＡＲ１は、液晶レンズ４１に付与される基本的な電極パターンを説明する概念図であり、領域ＡＲ２は、液晶レンズ４１に付与される変形例の電極パターンを説明する概念図である。液晶レンズ４１は、偏光成分に対してレンズの役割をするレンズ、すなわち偏光成分に作用するレンズ機能を有するレンズであり、外部からの制御によってレンズ機能すなわちパワーを変化させることができる。液晶レンズ４１は、レンズ部材４１ａと駆動回路４１ｃとを備える。レンズ部材４１ａは、対向する２つの光透過基板４３ａ，４３ｂと、光透過基板４３ａ，４３ｂの内面側に設けられた２つの電極層４４ａ，４４ｂと、電極層４４ａ，４４ｂに挟まれた液晶層４５とを備える。なお、図示を省略しているが、電極層４４ａ，４４ｂと液晶層４５との間には、配向膜が配置され、液晶層４５の初期配向状態を調整している。第１の電極層４４ａは、輪体部分として、ＸＹ面に沿って同心に配置される多数の電極４７を含み、各電極４７は、環状の透明電極である。多数の電極４７は、互いに離間し、外側に位置する電極４７ほど横幅が狭まっている。電極４７の横幅は、レンズ部材４１ａによる屈折作用の精度に影響する。各電極４７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４８を介して駆動回路４１ｃに接続されている。第２の電極層４４ｂは、ＸＹ面に平行に延びる共通電極であり、光透過基板４３ｂに沿って一様に形成されている。多数の電極４７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変化させる。液晶レンズ４１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。この場合、ｓ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４７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、比較的大きな位相差が与えられ波面が進み、周辺部である最も外側の電極４７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、大きな位相差が与えられず波面が進まない。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４１に入射する発散する状態の画像光ＭＬ_０は、ｓ偏光であり、液晶レンズ４１を通過することで凸レンズとしての作用を受け、略コリメートされた状態の画像光ＭＬ_ＰＲとなる。画像光ＭＬ_ＰＲを逆に辿った仮想的な画像光ＭＬ_ＰＩは、無限遠の像からのものと一致する。この場合、外界光ＯＬに対応する外界像を画像光ＭＬ_ＰＩに対応する像ＲＩに重ねて表示することができる。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４１の正のパワーの絶対値が減少する。つまり、液晶レンズ４１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４１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４１ｃによって液晶レンズ４１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。

【0030】

図６は、液晶レンズ４１を凹レンズとして動作させる場合を説明する図である。図６中で、上側β１は、液晶レンズ４１の概念的な斜視図であり、下側β２は、液晶レンズ４１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４１に凹レンズの効果を持たせる場合、印加電圧Ｖ７を印加電圧Ｖ１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。この場合、ｓ偏光に関しては、中心部である最も内側に配置される電極４７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、大きな位相差が与えられ波面が進み、周辺部である最も外側の電極４７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、大きな位相差が与えられず波面が進まない。よって、コリメートされた状態の画像光ＭＬ_０は、ｓ偏光であり、液晶レンズ４１を通過することで凹レンズとしての作用を受け、発散する状態の画像光ＭＬ_ＰＲとなる。画像光ＭＬ_ＰＲを逆に辿った仮想的な画像光ＭＬ_ＰＩは、所定の焦点面ＦＰから発散するとみなされ、所定の焦点面ＦＰに虚像ＶＩを形成する。多数の電極４７への印加電圧Ｖ１～Ｖ７をゼロとした場合、コリメートされた状態の画像光ＭＬ０は、液晶レンズ４１をそのまま直進し、平行光線のままに維持される。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４１の負のパワーの絶対値が減少する。つまり、液晶レンズ４１の負のパワーを調整することができる。

【0031】

なお、外界光ＯＬについては、ｐ偏光であり、液晶レンズ４１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４１のレンズ作用の影響を受けない。

【0032】

第１の電極層４４ａを構成する電極４７の数は、上記に限らず、液晶レンズ４１に要求される精度等を考慮して様々に設定することができる。

【0033】

図５（Ａ）に示す電極パターンは、複数の円形の輪帯部分が同心状に配置されるものであったが、図５（Ｂ）に示すように、複数の楕円形又は長円形の輪帯部分が同心状に配置されるものであってもよい。この場合、眼幅の個体差を許容しつつ焦点調整を行うことが可能になる。

【0034】

以上では、液晶レンズ４１が、中心から周辺に向かってリタデーションが徐々に減少又は増加するものであるとして説明したが、液晶レンズ４１は、例えば国際公開ＷＯ２００９／０７２６７０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。

【0035】

光路について説明すると、第１表示素子１１ａからの画像光ＭＬは、投射レンズ２１に入射して略コリメートされた状態で投射レンズ２１から射出される。投射レンズ２１を通過した画像光ＭＬは、プリズムミラー２２に入射して入射面２２ａを屈折されつつ通過し、反射面２２ｂによって１００％に近い高い反射率で反射され、射出面２２ｃで再度屈折される。プリズムミラー２２からの画像光ＭＬは、偏光板２３を経てｓ偏光のみとなり、一旦中間像ＩＭを形成した後、シースルーミラー２４に入射する。シースルーミラー２４に入射した画像光ＭＬは、反射面２４ｃによって部分的に反射される。シースルーミラー２４で反射された画像光ＭＬは、液晶レンズ４１を経て装着者ＵＳの眼ＥＹ又は瞳孔が配置される瞳位置ＰＰに入射する。瞳位置ＰＰには、シースルーミラー２４を通過したｐ偏光の外界光ＯＬも入射する。つまり、第１表示装置１００Ａを装着した装着者ＵＳは、外界像に重ねて、画像光ＭＬによる虚像を観察することができる。瞳位置ＰＰに入射する画像光ＭＬは、有限距離に設定された所定の焦点面ＦＰからの発散光又は無限遠に相当するコリメート光が基本であるが、液晶レンズ４１を制御することにより、無限遠よりも近い任意の焦点面からの発散光と等価な状態にすることができる。一方で、外界光ＯＬは、液晶レンズ４１の作用を受けないので、自然な外界像の観察が可能になる。

【0036】

以上の説明において、画像光ＭＬが有限距離に設定された所定の焦点面ＦＰからの発散光である場合、焦点面ＦＰは、例えば０．５ｍ～２．５ｍ先に設定される。

【0037】

図７を参照して、ＨＭＤ２００すなわち虚像表示装置１００の回路系８０について説明する。ＨＭＤ２００は、回路系８０として、制御装置８１と、一対の表示素子１１ａ，１１ｂと、測距部７１と、視線検出部７２ａ，７２ｂと、ユーザー端末回路８９とを含む。制御装置８１は、画像表示制御部ＤＣとして機能する。図３に示す第１表示装置１００Ａに組み込まれた回路部材８０ａと、第２表示装置１００Ｂに組み込まれた同様の回路部材（不図示）とは、回路系８０の一部である。

【0038】

制御装置８１は、演算処理装置８１ａと、記憶装置８１ｍと、データ通信インターフェース８１ｃとを有する。

【0039】

演算処理装置８１ａは、測距部７１及び視線検出部７２ａ，７２ｂから出力される信号に基づいて、観察者が注視する対象物までの距離（つまり対象距離）を決定し、対象距離に対応する輻輳角に適合する画像シフト量を決定する。この画像シフト量を輻輳調整シフト量と呼ぶ。

【0040】

記憶装置８１ｍには、第１表示装置１００Ａ及び第２表示装置１００Ｂに表示動作を行わせるプログラムが格納されている。また、記憶装置８１ｍには、情報端末であるユーザー端末８８から取得した画像や演算処理装置８１ａで生成した画像等が記憶される。また、記憶装置８１ｍは、フレームメモリ８３を有しており、フレームメモリ８３には、演算処理装置８１ａで生成され表示素子１１ａ，１１ｂに出力するための画像データが格納されている。記憶装置８１ｍには、測距部７１及び視線検出部７２ａ，７２ｂの出力に基づいて決定された輻輳調整シフト量もリアルタイムで更新されつつ記録される。

【0041】

制御装置８１は、データ通信インターフェース８１ｃを介して、ユーザー端末回路８９から画像データに対応する表示データを受け取る。演算処理装置８１ａは、ユーザー端末回路８９から取得した表示データ又は画像データに対して、輻輳調整シフト量に基づいて、表示面１１ｄ上の表示画像を左右にシフトさせる補正処理を施す。制御装置８１は、データ通信インターフェース８１ｃを介してフレームメモリ８３に格納された処理後の表示データである画像データを各表示素子１１ａ，１１ｂに出力する。

【0042】

ユーザー端末回路８９は、ユーザー端末８８に組み込まれるものであり、主制御装置８９ａと、記憶装置８９ｍと、データ通信インターフェース９８ｃと、移動体用無線通信装置８９ｔと、ユーザーインターフェース装置８９ｉとを有する。ユーザー端末回路８９は、移動体用無線通信装置８９ｔにより、不図示の通信ネットワークを経由して外部のサーバー等の各種装置と通信することができる。記憶装置８９ｍは、ユーザー端末回路８９を動作させる基本的なプログラムが格納され、この基本的プログラム上で動作するアプリケーションソフトとして、例えば動画再生用のビューアやウェブブラウザ等を含む複数のアプリケーションソフトが格納されている。ユーザー端末回路８９は、ユーザーが操作するユーザーインターフェース装置８９ｉからの要求に応じて動作し、記憶装置８９ｍにアプリケーションソフトに関連付けられて保管された動画や静止画を所定のフォーマットで制御装置８１に対して出力し、或いは移動体用無線通信装置８９ｔを介して様々なコンテンツに対応する動画や静止画を取得し、取得した表示データを所定のフォーマットで制御装置８１に対して出力する。

【0043】

ユーザー端末回路８９は、装着者ＵＳの様々な操作を受け付ける。例えば、主制御装置８９ａは、ユーザーインターフェース装置８９ｉを介して装着者ＵＳの指示を受け付ける。具体的には、装着者ＵＳが表示画像について焦点位置や輻輳角に違和感があるときや、焦点位置や輻輳角を積極的に調整したい場合、装着者ＵＳは、ユーザーインターフェース装置８９ｉを介して焦点位置や輻輳角の設定を入力することができ、主制御装置８９ａは、焦点位置や輻輳角の設定値をデータ通信インターフェース８１ｃを介して制御装置８１に出力する。制御装置８１は、ユーザー端末回路８９から指定された輻輳角の設定値に基づいて表示素子１１ａ，１１ｂを動作させ、設定された輻輳角に対応する動作を表示素子１１ａ，１１ｂに行わせる。また、制御装置８１は、ユーザー端末回路８９から指定された焦点位置の設定値に基づいて液晶レンズ４１を動作させ、設定された焦点位置に虚像が形成されるように液晶レンズ４１のパワーを調整する。この場合、ユーザー端末回路８９は、装着者が操作するものであり、表示画像の輻輳角と焦点距離との少なくとも一方を調整するための操作装置として機能する。

【0044】

図８は、虚像表示装置１００の制御装置８１（図７参照）によって制御される輻輳角と焦点面との関係を説明する概念図である。制御装置８１は、測距部７１及び視線検出部７２ａ，７２ｂの出力信号に基づいて算出した対象距離ｄ１～ｄ４から、これに対応する輻輳角α１～α４及びこれに対応する輻輳調整シフト量を決定する。制御装置８１は、表示データ又は画像データに対して、輻輳角α１～α４に対応する輻輳調整シフト量だけ表示画像をシフトさせる補正処理を行う。ここで、両表示素子１１ａ，１１ｂに設定される輻輳調整シフト量は、輻輳角α１～α４の半値に相当する大きさで鼻寄りのシフト量である。制御装置８１は、表示画像をシフトさせる補正処理を行った場合、輻輳調整シフト量又は輻輳角α１～α４を与える対象距離ｄ１～ｄ４に焦点面ＦＰ１～ＦＰ４が配置されるように、液晶レンズ４１の駆動回路４１ｃに対して制御信号を出力し液晶レンズ４１のパワーを修正する。これにより、装着者ＵＳの両眼ＥＹには、虚像表示装置１００により、注視する対象物までの対象距離と一致する焦点面上にある虚像であって、この対象距離に対応する輻輳角で各表示素子１１ａ，１１ｂに形成された表示画像を観察する。

【0045】

図９は、表示素子１１ａ，１１ｂに表示される画像を説明する図である。図９中で、領域ＢＲ２は、あるタイミングで右の第１表示素子１１ａに形成される表示画像ＤＩ１を示し、領域ＢＲ１は、同じタイミングで左の第２表示素子１１ｂに形成される表示画像ＤＩ２を示す。なお、表示画像ＤＩ１，ＤＩ２は、元画像ＯＩの一部となっており、表示画像ＤＩ１，ＤＩ２の中心軸Ｘ１，Ｘ２は、元画像ＯＩの中心軸Ｘ０と一致している。この場合、対象距離が無限大であり、輻輳角はゼロである。このため、第１表示素子１１ａに形成される表示画像と、第２表示素子１１ｂに形成される表示画像とにおける輻輳調整シフト量はゼロとなっている。図９中で、領域ＢＲは、別のタイミングで右の第１表示素子１１ａに形成される表示画像を示し、領域ＢＲは、前記別のタイミングで左の第２表示素子１１ｂに形成される表示画像を示す。この場合、対象距離が有限の比較的近距離であり、輻輳角は数度以上である。このため、第１表示素子１１ａに形成される表示画像ＤＩ１と、第２表示素子１１ｂに形成される表示画像ＤＩ２とにおける輻輳調整シフト量ＣＡはかなり大きくなっている。右眼用の表示画像ＤＩ１は、鼻から離れる方向で領域選択されており、左眼用の表示画像ＤＩ２は、鼻から離れる方向で領域選択されている。よって、右眼を鼻寄りに輻輳角の半角だけ傾け、左眼を鼻寄りに輻輳角の半角だけ傾けることで、両眼にとってズレのない画像が観察される。

【0046】

図１０は、制御装置８１の動作を概念的に説明するフローチャートである。制御装置８１の演算処理装置８１ａは、測距部７１及び視線検出部７２ａ，７２ｂの出力信号に基づいて対象距離を算出し、この対象距離を記憶装置８１ｍに例えば手元作業位置情報として保持する（ステップＳ１１）。次に、演算処理装置８１ａは、記憶装置８１ｍに保持された対象距離から焦点面の位置である焦点位置を算出する（ステップＳ１２）。焦点位置は、対象距離と正確に一致する必要はなく近似的なものであってもよい。次に、演算処理装置８１ａは、液晶レンズ４１のパワーを調節して焦点位置に虚像を形成させるように、各電極４７に印可するべき印加電圧Ｖ１～Ｖ７を算出する（ステップＳ１３）。その後、演算処理装置８１ａは、液晶レンズ４１の駆動回路４１ｃに対して、印加電圧Ｖ１～Ｖ７を含む電圧情報を制御信号として出力する（ステップＳ１４）。以上と並行して、演算処理装置８１ａは、ステップＳ１１で得た対象距離から右眼用の輻輳調整シフト量ＣＡを算出し、元画像ＯＩに対して輻輳調整シフト量ＣＡに相当するシフトを与える補正処理によって、右輻輳画像を生成する（ステップＳ２１）。次に、演算処理装置８１ａは、ステップＳ２１で得た右輻輳画像を第１表示素子１１ａの駆動回路に出力する（ステップＳ２２）。演算処理装置８１ａは、ステップＳ１１で得た対象距離から左眼用の輻輳調整シフト量ＣＡを算出し、元画像ＯＩに対して輻輳調整シフト量ＣＡに相当するシフトを与える補正処理によって、左輻輳画像を生成する（ステップＳ２３）。次に、演算処理装置８１ａは、ステップＳ２３で得た左輻輳画像を第２表示素子１１ｂの駆動回路に出力する（ステップＳ２４）。第１表示素子１１ａによって表示される右輻輳画像を右眼で観察し、第２表示素子１１ｂによって表示される左輻輳画像を左眼で観察する場合に、両画像が重畳しているとするならば、両眼が対象距離に対応する輻輳角を実現する視線方向を向いていることになる。つまり、両眼ＥＹのピント状態と輻輳状態とが一致し、眼精疲労が生じにくくなる。

【0047】

以上の動作では、注視する対象物までの対象距離に合わせて焦点位置と輻輳調整シフト量とを調整しているが、注視する対象物までの対象距離が所定以下となる手元作業位置となった場合にのみ、対象距離に合わせて焦点位置と輻輳調整シフト量とを調整してもよい。手元作業位置として、例えば１ｍ以下を設定することができる。この場合、本や資料を読む距離（０．３ｍ）や、ディスプレイを見る距離（０．５～０．７ｍ）において、両眼ＥＹのピント状態と輻輳状態とを一致させることができ、虚像表示装置１００によって表示される画像を違和感なく観察することができる。

【0048】

以上の説明では、視線の検出結果に基づいて観察者が注視する対象物までの対象距離を決定しているが、視線の検出は必須ではない。例えば、虚像表示装置１００の正面方向に存在する物体像が画角内の中心に近い位置に存在する度合いや、虚像表示装置１００の正面方向に存在する物体像が画角に占める割合を判定して優先する対象物を特定し、対象距離を決定することができる。

【0049】

図１１は、変形例の動作を説明する図である。この場合、装着者ＵＳであるユーザーが焦点位置や輻輳角を自分で調整できるようにしている。装着者ＵＳがユーザー端末回路８９を操作して焦点位置の調整を要求している場合（ステップＳ３１）、演算処理装置８１ａは、計測された対象距離をユーザー端末回路（操作装置）８９から指定された対象距離に書き換える修正を行う（ステップＳ３２）。ユーザー端末回路８９からの指定は、対象距離そのものであってもよいが、距離の加算値又は減算値に相当するものであってもよい。

【0050】

以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１００は、虚像を表示する第１画像表示装置２ａと、虚像を表示する第２画像表示装置２ｂと、装着者ＵＳの視線方向の物体距離を検出する視線方向距離検出装置７０ａと、物体距離に応じて第１画像表示装置２ａ及び第２画像表示装置２ｂによる表示状態を制御する画像表示制御部ＤＣと、装着者ＵＳの眼の前方に配置され第１画像表示装置２ａ及び第２画像表示装置２ｂから射出される画像光ＭＬのｓ偏光成分に対して機能する液晶レンズ４１を含む焦点距離変更装置４０とを備える。

【0051】

上記虚像表示装置では、第１画像表示装置２ａ及び第２画像表示装置２ｂが、装着者ＵＳの眼の前方に配置され各画像表示装置から射出される画像光ＭＬのｓ偏光成分に対して機能する液晶レンズ４１を含む焦点距離変更装置４０を有するので、液晶レンズ４１によって画像光ＭＬのｓ偏光成分に対して迅速な焦点調節が可能になり、画像表示制御部ＤＣの制御下で画像表示装置２ａ，２ｂを動作させることにより迅速な輻輳調整が可能になる。また、液晶レンズ４１を装着者ＵＳの眼の前方において光線束が比較的太くなっている光路上に配置するので、面精度の乱れを抑制することが容易になる。

【0052】

〔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。

【0053】

図１２を参照して、第２実施形態の虚像表示装置１００又はＨＭＤ２００では、第１実施形態を説明する図３に示す偏光板２３が省略されている。また、シースルーミラー１２４は、板状体２４ｂの裏面上に反射面２４ｃとして偏光反射膜１２４ａを形成した光学素子である。偏光反射膜１２４ａは、例えば誘電体多層膜からなる。シースルーミラー１２４は、反射型の偏光板として機能する。シースルーミラー１２４又は反射面２４ｃは、内側から入射するｓ偏光である画像光ＭＬを高い反射率で反射する偏光ビームスプリッターである。また、反射面２４ｃは、外側から入射する外界光ＯＬのうちｐ偏光成分を高い透過率で透過させ、ｓ偏光成分を反射によって実質的に遮断する。この場合、プリズムミラー２２の光射出側の光路部分Ｐ２において、画像光ＭＬは、ｓ偏光とｐ偏光とを含む。シースルーミラー１２４に入射した画像光ＭＬのうち、ｓ偏光は、反射面２４ｃで反射されて液晶レンズ４１を通過し、虚像を形成する。シースルーミラー１２４に入射した画像光ＭＬのうち、ｐ偏光は、反射面２４ｃを透過し、眼ＥＹに到達せず、虚像の形成に寄与しない。シースルーミラー２４の偏光反射膜１２４ａは、外界光ＯＬのうちｐ偏光を透過させる。外界光ＯＬは、ｐ偏光として液晶レンズ４１を通過し、液晶レンズ４１のレンズ作用の影響を受けない。

【0054】

〔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、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。

【0055】

図１３は、第３実施形態の虚像表示装置１００又はＨＭＤ２００に組み込まれる第１表示部２０ａを説明する平面図である。この場合、図３に示す投射レンズ２１、プリズムミラー２２、偏光板２８、及びシースルーミラー２４に代えて、投射レンズ３２１及び導光体２６が用いられている。導光体２６は、導光部材２６ａと光透過部材２６ｂとを接着層ＣＣを介して接合したものである。導光部材２６ａや光透過部材２６ｂは、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。導光部材２６ａは、第１～第５面Ｓ１１～Ｓ１５を有し、これらのうち第１及び第３面Ｓ１１，Ｓ１３は、互いに平行な平面であり、第２、第４、及び第５面Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１５は、全体として凸の光学面であり、例えば自由曲面からなる。光透過部材２６ｂは、第１～第３透過面Ｓ２１～Ｓ２３を有し、これらのうち第１及び第３透過面Ｓ２１，Ｓ２３は、互いに平行な平面であり、第２透過面Ｓ２２は、全体として凹の光学面であり、例えば自由曲面からなる。導光部材２６ａの第２面Ｓ１２と光透過部材２６ｂの第２透過面Ｓ２２とは、凹凸を反転させた等しい形状を有し、両者の一方の表面に部分反射面ＭＣが形成されている。部分反射面ＭＣは、偏光反射膜であり、内側から入射するｓ偏光である画像光ＭＬを高い反射率で反射する。また、反射面２４ｃは、外側から入射する外界光ＯＬのうちｐ偏光成分を高い透過率で透過させる。

【0056】

部分反射面ＭＣがハーフミラーのような偏光に関して反射特性に差がない場合、投射レンズ３２１と導光体２６との間にｓ偏光を透過させる偏光板２３を配置し、第３透過面Ｓ２３上にｐ偏光透過膜である偏光膜２５を形成する。この場合、ｓ偏光の画像光ＭＬが外部に漏れだす可能性が低減され、プライバシー性が高まる。

【0057】

〔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、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。

【0058】

図１４は、第４実施形態の虚像表示装置１００又はＨＭＤ２００に組み込まれる第１表示部２０ａを説明する平面図である。この場合、図３に示す投射レンズ２１、プリズムミラー２２、偏光板２８、及びシースルーミラー２４に代えて、投射レンズ３２１及び導光光学系３０が用いられている。導光光学系３０は、外界側の外平面３１ａと瞳位置ＰＰ側の内平面３１ｂとを有する平板状の部材である。外平面３１ａと内平面３１ｂとは平行に延び、外平面３１ａ及び内平面３１ｂ間の本体３１ｃは、可視光線域で透過性を有する均一な屈折媒体となっている。導光光学系３０のうち、投射レンズ３２１に対向する入射側の端部には、平面鏡３３が設けられ、導光光学系３０のうち射出側の端部には、ハーフミラーアレイ３４が埋め込まれている。ハーフミラーアレイ３４は、多数のハーフミラー３４ａを導光方向に配列したものである。ハーフミラー３４ａは、Ｓ偏光を部分的に反射するように反射率が調整された偏光ミラーである。この場合、投射レンズ３２１から射出された画像光ＭＬは、投射レンズ２１を経てコリメートされ、導光部材３１ｄの一端において、導光部材３１ｄ中に入射し、平面鏡３３で反射されて本体３１ｃ内を伝搬し、ハーフミラーアレイ３４に入射する。ハーフミラーアレイ３４は、偏光ミラーとしてｓ偏光の画像光ＭＬを分岐しつつ反射することによって、横方向に瞳サイズを拡大し、コリメートされた状態のｓ偏光の画像光ＭＬを導光光学系３０外に射出させる。

【0059】

ハーフミラーアレイ３４が偏光に関して反射特性に差がない場合、投射レンズ３２１と導光光学系３０との間にｓ偏光を透過させる偏光板２３を配置し、ハーフミラーアレイ３４における外側面４３１ａ上にｐ偏光透過膜である偏光膜２５を形成する。

【0060】

〔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。

【0061】

上記実施形態において、表示部２０ａ，２０ｂ又は画像表示装置２ａ，２ｂを構成する光学要素は、単なる例示であり、レンズの枚数、ミラーの数、光路の折り曲げ方向等は、用途に応じて適宜変更することができる。

【0062】

シースルーミラー２４やハーフミラーアレイ３４は、ホログラムや回折素子を用いて光路を変化させるものに置き換えることができる。

【0063】

表示素子１１ａ，１１ｂは、特定方向に偏光した画像光を発生する光変調型又は自発光型の表示パネルに置き換えることができる。また、表示素子１１ａ，１１ｂは、三色の画像光をクロスダイクロイックプリズムで合成してカラー画像を形成するものであってもよい。

【0064】

以上では、シースルーミラー１２４によって例えばｓ偏光の画像光ＭＬを反射しているが、ｐ偏光の画像光ＭＬを反射して、液晶レンズ４１を通過させることもできる。この場合、液晶レンズ４１は、ｐ偏光に対してレンズとして機能し、ｓ偏光に対して平行平板として機能するように、例えば向きを変更する。

【0065】

以上では、説明を省略したが、液晶レンズ４１と瞳位置ＰＰとの間に視度調整用のインナーレンズを配置することができる。インナーレンズは、液晶レンズ４１と一体化することができる。或いは、液晶レンズ４１自体に装着者ＵＳが有する近視を矯正する視度調整機能を付加することもできる。

【0066】

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１００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。

【0067】

具体的な態様における虚像表示装置は、虚像を表示する第１画像表示装置と、虚像を表示する第２画像表示装置と、装着者の視線方向の物体距離を検出する視線方向距離検出装置と、物体距離に応じて第１画像表示装置及び第２画像表示装置による表示状態を制御する画像表示制御部と、装着者の眼の前方に配置され第１画像表示装置及び第２画像表示装置から射出される画像光の偏光成分に対して焦点距離が変化する液晶レンズとを備える。

【0068】

上記虚像表示装置では、第１画像表示装置及び第２画像表示装置が装着者の眼の前方に配置され、各画像表示装置から射出される画像光の偏光成分に対して焦点距離が変化する液晶レンズを有するので、液晶レンズによって画像光の偏光成分に対して迅速な焦点調節が可能になり、画像表示制御部の制御下で画像表示装置動作させることにより迅速な輻輳調整が可能になる。また、液晶レンズを装着者の眼の前方において光線束が比較的太くなっている光路上に配置するので、波面の乱れを抑制することが容易になる。

【0069】

具体的な態様における虚像表示装置において、液晶レンズは、中心部と周辺部とで印可電圧が異なり、複屈折の分布状態の変更によりレンズ効果を変更する。この場合、液晶レンズのパワーの調整精度を簡易に向上させることができる。

【0070】

具体的な態様における虚像表示装置において、液晶レンズは、印可電圧が共通する複数の円形又は長円の輪帯部分を有する。

【0071】

具体的な態様における虚像表示装置において、画像表示制御部は、物体距離に応じて第１画像表示装置及び第２画像表示装置による表示画像の輻輳角を調整する。

【0072】

具体的な態様における虚像表示装置において、画像表示制御部は、物体距離に応じて液晶レンズのパワーを調整する。例えば輻輳角を調整とパワーの調整とを連動させる場合、輻輳角の調整と焦点の調整とを整合させて、輻輳角に対応する距離と焦点距離とを略一致させた状態とすることで、装着者の眼への負担を低減することができる。

【0073】

具体的な態様における虚像表示装置において、表示画像の輻輳角と液晶レンズのパワーとの少なくとも一方を調整する操作装置を備える。この場合、装着者が操作装置を操作して輻輳角と焦点とを好みの状態に調整することができる。

【0074】

具体的な態様における虚像表示装置において、第１画像表示装置と第２画像表示装置とは、表示素子と、投射光学系と、コンバイナーとをそれぞれ備え、液晶レンズは、コンバイナーを通過した外界光を、レンズ効果のない状態で通過させる。この場合、薄型のコンバイナーを用いて外界光と画像光との合成が可能になる。

【0075】

具体的な態様における虚像表示装置において、コンバイナーは、偏光ビームスプリッターを有し、ｐ偏光の外界光を透過させ、液晶レンズは、ｓ偏光の画像光に対して位相差を与えて結像状態を調整し、ｐ偏光に対して位相差を与えない。この場合、偏光ビームスプリッターによって、効率よく画像光を反射しつつ外界光を透過させることができ、液晶レンズによってｓ偏光の画像光の結像状態を迅速かつ精密に調整することができる。

【符号の説明】

【0076】

２ａ…第１画像表示装置、２ｂ…第２画像表示装置、１１ａ，１１ｂ…表示素子、２０ａ…第１表示部、２０ｂ…第２表示部、２１…投射レンズ、２２…プリズムミラー、２３…偏光板、２４…シースルーミラー、２４ａ…透過性反射膜、２４ｃ…反射面、２４ｐ…偏光膜、２５…偏光膜、２６…導光体、２８…偏光板、３０…導光光学系、３１ｄ…導光部材、３３…平面鏡、３４…ハーフミラーアレイ、４０…焦点距離変更装置、４１…液晶レンズ、４１ａ…レンズ部材、４１ｃ…駆動回路、４４ａ…第１の電極層、４４ｂ…第２の電極層、４５…液晶層、４７…電極、４８…配線、７０ａ…視線方向距離検出装置、７１…測距部、７２…視線検出部、７２ａ，７２ｂ…視線検出部、８０…回路系、８１…制御装置、８９…ユーザー端末回路、１００…虚像表示装置、１００Ａ…第１表示装置、１００Ｂ…第２表示装置、１００Ｃ…支持装置、１０３ａ，１０３ｂ…コンバイナー、ＡＸ１～ＡＸ３…光軸部分、ＤＣ…画像表示制御部、ＤＩ１，ＤＩ２…表示画像、ＥＰ…瞳位置、ＥＹ…眼、ＦＰ１～ＦＰ４…焦点面、ＭＬ…画像光、ＯＩ…元画像、ＯＬ…外界光、ＰＰ…瞳位置、ＵＳ…装着者、Ｘ０…中心軸、Ｘ１，Ｘ２…中心軸

【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】