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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】P2024082373
(43)【公開日】2024-06-20
(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 20060101AFI20240613BHJP
G02F 1/13 20060101ALI20240613BHJP
G09F 9/00 20060101ALI20240613BHJP
G02B 5/30 20060101ALI20240613BHJP
G02B 5/00 20060101ALI20240613BHJP
G02B 3/00 20060101ALI20240613BHJP
G02B 3/08 20060101ALI20240613BHJP
G02B 5/02 20060101ALI20240613BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20240613BHJP
G02B 5/32 20060101ALI20240613BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02F1/13 505
G09F9/00 313
G09F9/00 359
G02B5/30
G02B5/00 A
G02B3/00 A
G02B3/08
G02B5/02
G02B5/18
G02B5/32
【審査請求】未請求
【請求項の数】12
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022196173
(22)【出願日】2022-12-08
(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】井出 光隆
【テーマコード（参考）】
2H042
2H088
2H149
2H199
2H249
5G435
【Ｆターム（参考）】
2H042AA04
2H042AA15
2H042AA26
2H088EA10
2H088EA42
2H088HA02
2H088HA03
2H088HA15
2H088HA18
2H088HA28
2H149AA02
2H149BA02
2H149FC06
2H149FC10
2H199CA12
2H199CA23
2H199CA30
2H199CA42
2H199CA63
2H199CA65
2H199CA68
2H199CA70
2H199CA74
2H199CA75
2H199CA85
2H199CA86
2H249AA04
2H249AA14
2H249AA60
5G435AA18
5G435BB12
5G435CC09
5G435EE12
5G435FF02
5G435FF07
5G435FF13
5G435GG01
5G435GG02
5G435HH02
5G435KK07
(57)【要約】
【課題】シースルー透過率を向上する。
【解決手段】虚像表示装置が、液晶画素ＰＥと、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への外界光の入射を抑制する遮光部材２１と、光変調素子ＰＥと遮光部材２１との間に配置され、３色の光を時分割で液晶画素ＰＥに照射するバックライト２２と、光変調素子２４の光透過領域Ａ２を通過した外界光と液晶画素ＰＥから射出される映像光とを第１偏光方向の偏光に制限して通過させる偏光板２５と、偏光板２５から射出される映像光の偏光方向を選択的に変化させる画像選択変換部材２６と、画像選択変換部材２６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４０とを備える。
【選択図】図３
【解決手段】虚像表示装置が、液晶画素ＰＥと、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への外界光の入射を抑制する遮光部材２１と、光変調素子ＰＥと遮光部材２１との間に配置され、３色の光を時分割で液晶画素ＰＥに照射するバックライト２２と、光変調素子２４の光透過領域Ａ２を通過した外界光と液晶画素ＰＥから射出される映像光とを第１偏光方向の偏光に制限して通過させる偏光板２５と、偏光板２５から射出される映像光の偏光方向を選択的に変化させる画像選択変換部材２６と、画像選択変換部材２６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４０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、光透過性を有する第１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、３色の光を時分割で前記液晶画素に照射するバックライトと、
前記光変調素子の前記第１光透過領域を通過した外界光と前記液晶画素から射出される映像光とを第１偏光方向の偏光に制限して通過させる偏光板と、
前記偏光板から射出される前記映像光の偏光方向を選択的に変化させる画像選択変換部材と、
前記画像選択変換部材の顔側に配置され、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。
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、３色の光を時分割で前記液晶画素に照射するバックライトと、
前記光変調素子の前記第１光透過領域を通過した外界光と前記液晶画素から射出される映像光とを第１偏光方向の偏光に制限して通過させる偏光板と、
前記偏光板から射出される前記映像光の偏光方向を選択的に変化させる画像選択変換部材と、
前記画像選択変換部材の顔側に配置され、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】
前記液晶画素が２次元状に配置され、
前記バックライトが、前記液晶画素に対応する位置に２次元状に配置され、前記３色の光を対応する前記液晶画素に時分割でそれぞれに照射する発光部を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
前記バックライトが、前記液晶画素に対応する位置に２次元状に配置され、前記３色の光を対応する前記液晶画素に時分割でそれぞれに照射する発光部を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項3】
前記液晶画素が２次元状に配置され、
前記遮光部材が、前記液晶画素に対応する位置に２次元状に配置された遮光層を含む、請求項１に記載の虚像表示装置。
前記遮光部材が、前記液晶画素に対応する位置に２次元状に配置された遮光層を含む、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項4】
前記液晶画素が２次元状に配置され、
前記画像選択変換部材が、前記液晶画素に対応する位置に２次元状に配置された波長板を含む、請求項１に記載の虚像表示装置。
前記画像選択変換部材が、前記液晶画素に対応する位置に２次元状に配置された波長板を含む、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項5】
前記画像選択変換部材が、前記偏光板を通過した前記映像光を前記第１偏光方向に対して直交する第２偏光方向の偏光に変換する、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項6】
前記偏光分離レンズ素子が液晶レンズである、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項7】
前記遮光部材と前記バックライトと前記偏光板と前記画像選択変換部材とが一体化されて複合表示部材を構成しており、
前記液晶レンズが、前記複合表示部材から離間して配置されている、請求項６に記載の虚像表示装置。
前記液晶レンズが、前記複合表示部材から離間して配置されている、請求項６に記載の虚像表示装置。
【請求項8】
前記バックライトが、前記３色の光を発生する発光素子と、光透過性を有する第２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9】
更に、前記バックライトの顔側に配置され、前記３色の光の放射角を低減する光束整形素子を備える、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項10】
前記光束整形素子が、マイクロレンズを備えている、請求項９に記載の虚像表示装置。
【請求項11】
更に、前記光変調素子の前記液晶画素から射出される前記映像光を拡散する光拡散素子を備える、請求項９に記載の虚像表示装置。
【請求項12】
請求項１～１１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１～１１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。
請求項１～１１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共に、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】
しかしながら、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、光透過性を有する第１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、３色の光を時分割で液晶画素に照射するバックライトと、光変調素子の第１光透過領域を通過した外界光と液晶画素から射出される映像光とを第１偏光方向の偏光に制限して通過させる偏光板と、偏光板から射出される映像光の偏光方向を選択的に変化させる画像選択変換部材と、画像選択変換部材の顔側に配置され、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。
【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図示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】バックライトの構成の一例を図示する平面図である。
【図5A】バックライトの発光部と液晶画素の位置関係の例を図示する平面図である。
【図5B】バックライトの発光部と液晶画素の位置関係の他の例を図示する平面図である。
【図6】光変調素子の具体的な構造の一例を図示する概念的な斜視図である。
【図7】液晶レンズ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9A】光変調素子と偏光板の設定及び動作の変形例を図示する斜視図である。
【図9B】光変調素子と偏光板の設定及び動作の変形例を図示する斜視図である。
【図10】変形例の表示光学系を図示する概念的な斜視図である。
【図11】第２実施形態の虚像表示装置を図示する概念図である。
【図12】変形例の表示光学系を図示する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
［第１実施形態］
以下、図１～１０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。
以下、図１～１０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、即ち、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、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の並ぶ横方向に相当し、＋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８８とを備える。ユーザー端末８８は、第１虚像表示装置１００Ａと第２虚像表示装置１００Ｂとに表示すべき表示画像に対応する画像データをＨＭＤ２００に供給する。虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂは、外界像と表示画像とを重ねるシースルー表示を行うように構成されている。
【0010】
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を総称して駆動装置１０２と呼ぶことがある。一対の光透過カバー１０４ａ，１０４ｂを総称してシェード１０４と呼ぶことがある。
【0011】
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、２次元的な表示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４０とを備える。外界像と表示画像とを重ねるシースルー表示を実現するために、複合表示部材２０と偏光分離レンズ素子４０は、更に、外界からの外界光を透過可能に構成されている。複合表示部材２０と偏光分離レンズ素子４０とは、光軸ＡＸ方向に離間して配置されている。複合表示部材２０は、遮光部材２１とバックライト２２と偏光板２３と光変調素子２４と偏光板２５と画像選択変換部材２６とを積層して一体化した積層体として構成されている。図示された実施形態では、複合表示部材２０が、光軸ＡＸに垂直な、即ち、ＸＹ面に平行な板状の部材として構成されている。複合表示部材２０は、ＸＹ面に沿って２次元状又は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、各繰返単位２０ａは、光変調素子２４の液晶画素ＰＥを１つ含んでいる。映像光は、各液晶画素ＰＥから射出される。
【0012】
偏光分離レンズ素子４０は、複合表示部材２０の画像選択変換部材２６の顔側つまり－Ｚ側に配置されて眼前を覆うように配置されており、複合表示部材２０から射出された映像光を屈折させて映像光の放射角を調整する。映像光を生成する複合表示部材２０は、観察者又は装着者の近くに位置しているので、映像光は平行光でない場合があり得る。一方で、外界光は遠くの光源から到来するので、平行光と考えてもよい。人の眼は基本的には平行光を観察するように構成されているので、外界像と表示画像との両者を観察可能にするために、偏光分離レンズ素子４０は、外界光を屈折させずに映像光を選択的に屈折し、映像光を平行光にコリメートし、又は、平行光に近い光束になるように映像光の放射角を調整する。これにより、外界像と表示画像とを重ねるシースルー表示が実現される。
【0013】
図示されている実施形態では、偏光分離レンズ素子４０として、液晶レンズ４１が使用されている。液晶レンズ４１は、光変調素子２４の複数の液晶画素ＰＥから射出される映像光を包括的に屈折させる単独レンズである。図示された実施形態では、液晶レンズ４１は、ＸＹ面に平行に延びる板状の部材であり、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、液晶レンズ４１の周辺にあるものほど狭くなっている。液晶レンズ４１については、後に詳細に説明する。
【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】
【0016】
遮光部材２１は、光透過性を有する平板２１ａ上に矩形の遮光層２１ｂを設けたものである。図３には一つの遮光層２１ｂしか図示されていないが、全体の遮光部材２１には、多数の遮光層２１ｂが、ＸＹ面に平行な面に沿って２次元状又はマトリクス状に配列されている。つまり、遮光部材２１を構成する全ての遮光層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における液晶画素ＰＥに対応する位置に形成されており、対応する液晶画素ＰＥへの外界光ＯＬの入射を抑制する。一方、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。光透過領域Ａ１を通過した外界光ＯＬは、最終的に、観測者又は装着者の眼に入射して外界像として観測される。
【0017】
一実施形態では、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てもよく、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で形成されてもよい。他の実施形態では、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。更に、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。
【0018】
バックライト２２は、遮光部材２１の顔側に配置されており、光変調素子２４にバックライト光を照射するように構成されている。バックライト２２は、光透過性を有する透明基板２２ａと、透明基板２２ａ上に形成された発光部ＬＥとを備えている。発光部ＬＥは、光変調素子２４にバックライト光を照射する。図３には一つの発光部ＬＥしか図示されていないが、全体のバックライト２２には、多数の発光部ＬＥが、ＸＹ面に平行な面に沿って２次元状又はマトリクス状に配列されている。つまり、発光部ＬＥ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。各発光部ＬＥは、各繰返単位２０ａにおいて光変調素子２４の液晶画素ＰＥに対応する領域に形成されており、対応する液晶画素ＰＥにバックライト光を照射するように構成されている。バックライト２２の発光部ＬＥ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、バックライト光が拡散することを考慮して液晶画素ＰＥのサイズの方が僅かに大きい。これにより、バックライト光が拡散しても包括的に液晶画素ＰＥに入射される。
【0019】
各発光部ＬＥは、バックライト光として、３色の光を時分割で液晶画素ＰＥに照射するように構成されている。該３色の光は、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。図示された実施形態では、各発光部ＬＥが、赤色の光を発生するＲ発光素子２２ｒと、緑色の光を発生するＧ発光素子２２ｇと、青色の光を発生するＢ発光素子２２ｂとを備えている。Ｒ発光素子２２ｒ、Ｇ発光素子２２ｇ及びＢ発光素子２２ｂ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。バックライト２２は、更に、Ｒ発光素子２２ｒ、Ｇ発光素子２２ｇ及びＢ発光素子２２ｂを駆動するため配線を備えるが、図３には図示されていない。また、図３には、Ｒ発光素子２２ｒ、Ｇ発光素子２２ｇ及びＢ発光素子２２ｂがＸ軸に平行に並んだ配置が図示されているが、Ｒ発光素子２２ｒ、Ｇ発光素子２２ｇ及びＢ発光素子２２ｂの配置は、図示されているものに限定されない。
【0020】
バックライト２２は、更に、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ように構成された光透過領域Ａ２を備えている。一実施形態では、透明基板２２ａのうちの発光部ＬＥが設けられている部分以外の部分が、光透過領域Ａ２として使用される。
【0021】
図４は、バックライト２２の構成の例を示す平面図である。図示された実施形態では、バックライト２２が、複数の電極３１と、複数のＲ電極３２ｒと、複数のＧ電極３２ｇと、複数のＢ電極３２ｂと、複数のＲ発光層３３ｒと、複数のＧ発光層３３ｇと、複数のＢ発光層３３ｂとを備えている。電極３１は、Ｘ軸に平行な方向に延伸するように設けられ、Ｒ電極３２ｒ、Ｇ電極３２ｇ及びＢ電極３２ｂは、Ｙ軸に平行な方向に延伸するように設けられている。
【0022】
一実施形態では、電極３１、Ｒ電極３２ｒ、Ｇ電極３２ｇ及びＢ電極３２ｂが、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）のような透明電極で形成されてもよい。これにより、Ｒ発光層３３ｒ、Ｇ発光層３３ｇ、Ｂ発光層３３ｂが発生した光をより多く光変調素子２４の液晶画素ＰＥに照射し、バックライト２２に到来した外界光ＯＬのより多くを透過させることができる。また、透明電極を使用することにより、光透過領域Ａ２を意図的に設けなくてもバックライト２２において外界光ＯＬを透過させて観測者又は装着者に観察可能にすることができる。
【0023】
図示された実施形態では、Ｒ発光素子２２ｒが、Ｒ発光層３３ｒと、電極３１とＲ電極３２ｒのＲ発光層３３ｒを挟む部分とで構成される。Ｒ発光層３３ｒは、電極３１とＲ電極３２ｒとの間に設けられており、電極３１とＲ電極３２ｒとによって駆動電圧又は駆動電流が印加されると赤色の光を発する。更に、Ｇ発光素子２２ｇが、Ｇ発光層３３ｇと、電極３１とＧ電極３２ｇのＧ発光層３３ｇを挟む部分とで構成される。Ｇ発光層３３ｇは、電極３１とＧ電極３２ｇとの間に設けられており、電極３１とＧ電極３２ｇとによって駆動電圧又は駆動電流が印加されると緑色の光を発する。更に、Ｂ発光素子２２ｂが、Ｂ発光層３３ｂと、電極３１とＢ電極３２ｂのＢ発光層３３ｂを挟む部分とで構成される。Ｂ発光層３３ｂは、電極３１とＢ電極３２ｂとの間に設けられており、電極３１とＢ電極３２ｂとによって駆動電圧又は駆動電流が印加されると青色の光を発するように構成される。
【0024】
このような構成のバックライト２２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可能である。赤色の光をバックライト光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、電極３１とＲ電極３２ｒとを用いて駆動電圧又は駆動電流を印加することによってＲ発光層３３ｒが駆動され、Ｒ発光層３３ｒによって赤色の光が発生される。赤発光期間では、Ｇ電極３２ｇ及びＢ電極３２ｂが電極３１と同一の電位に保持され、又は、ハイインピーダンスにされ、Ｇ発光層３３ｇ及びＢ発光層３３ｂは駆動されない。緑色の光をバックライト光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、電極３１とＧ電極３２ｇとを用いてＧ発光層３３ｇが駆動され、Ｇ発光層３３ｇによって緑色の光が発生される。緑発光期間では、Ｒ電極３２ｒ及びＢ電極３２ｂが電極３１と同一の電位に保持され、又は、ハイインピーダンスにされ、Ｒ発光層３３ｒ及びＢ発光層３３ｂは駆動されない。青色の光をバックライト光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、電極３１とＢ電極３２ｂとを用いてＢ発光層３３ｂが駆動され、Ｂ発光層３３ｂによって青色の光が発生される。青発光期間では、Ｒ電極３２ｒ及びＧ電極３２ｇが電極３１と同一の電位に保持され、又は、ハイインピーダンスにされ、Ｒ発光層３３ｒ及びＧ発光層３３ｇは駆動されない。
【0025】
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２２ｒ、Ｇ発光素子２２ｇ及びＢ発光素子２２ｂ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。
【0026】
図４において、２点鎖線の箱３４は、光変調素子２４の液晶画素ＰＥに対応する領域を示している。図示された実施形態では、領域３４は、液晶画素ＰＥの透明基板２２ａの表面への投影である。各発光部ＬＥ、即ち、一組のＲ発光素子２２ｒ、Ｇ発光素子２２ｇ及びＢ発光素子２２ｂは、光変調素子２４の液晶画素ＰＥに対応する領域３４に配置されており、時分割で発生した３原色の光をバックライト光として対応する液晶画素ＰＥに照射する。
【0027】
図５Ａは、バックライト２２の各発光部ＬＥと液晶画素ＰＥの位置関係の一例を図示している。図５Ａにおいて、２点鎖線の箱３５は、光変調素子２４の液晶画素ＰＥに対応する領域を示している。図示された実施形態では、領域３５は、液晶画素ＰＥの透明基板２２ａの表面への投影である。バックライト２２は、それぞれが図２の繰返単位２０ａに対応している繰返区画３６を有している。図５Ａには４つの繰返区画３６のみが図示されているが、全体のバックライト２２には、多数の繰返区画３６が、ＸＹ面に平行な面に沿って２次元状又はマトリクス状に配列されている。各繰返区画３６は、発光部ＬＥと光透過領域Ａ２とを有している。各発光部ＬＥは、１つのＲ発光素子２２ｒと、１つのＧ発光素子２２ｇと、１つのＢ発光素子２２ｂとを備えている。各発光部ＬＥは、液晶画素ＰＥに対応する領域３５内に位置しており、液晶画素ＰＥに対向している。繰返区画３６は、発光部ＬＥと光透過領域３７とを組み合わせたものとして見ることができ、シースルー発光部ＴＸということもできる。遮光部材２１によって遮られなかった外界光ＯＬは、バックライト２２のシースルー発光部ＴＸの一部である光透過領域３７を通過して光変調素子２４に入射する。一方、バックライト光は、シースルー発光部ＴＸの一部である発光部ＬＥから射出されて光変調素子２４に入射する。
【0028】
図５Ｂは、バックライト２２の各発光部ＬＥと液晶画素ＰＥの位置関係の他の例を図示している。図５Ｂにおいても、光変調素子２４の液晶画素ＰＥに対応する領域３５が２点鎖線で示されている。図５Ｂに図示された実施形態は、各発光部ＬＥが、ベイヤー配置で配置された１つのＲ発光素子２２ｒ、２つのＧ発光素子２２ｇ及び１つのＢ発光素子２２ｂを備えている点で図５Ａに図示された実施形態と異なっている。図５Ｂの実施形態においても、１つのＲ発光素子２２ｒ、２つのＧ発光素子２２ｇ及び１つのＢ発光素子２２ｂを含む各発光部ＬＥが、光変調素子２４の液晶画素ＰＥに対応する領域３５に配置されている。バックライト２２に設けられる配線が、Ｒ発光素子２２ｒ、Ｇ発光素子２２ｇ及びＢ発光素子２２ｂの配置に合わせて設計されることは、当業者に容易に理解されよう。
【0029】
図３に戻って、複合表示部材２０の偏光板２３は、バックライト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方向の偏光である縦偏光に制限し、第１方向に直交する第２方向の偏光である横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、縦偏光が上下の±Ｙ方向に平行な偏光面を有する偏光であり、横偏光が左右の±Ｘ方向に平行な偏光面を有する偏光である。図３及び他の図において、縦偏光が「Ｐ１」、横偏光が「Ｐ２」で示されている。偏光板２３の作用により、遮光部材２１の光透過領域Ａ１を通過した外界光ＯＬ及びバックライト２２が発生したバックライト光のうち、横偏光は偏光板２３で遮断され、縦偏光Ｐ１は偏光板２３を通過する。一実施形態では、偏光板２３は、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ってもよい。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、上下の±Ｙ方向に平行な偏光面を有する縦偏光Ｐ１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。
【0030】
更に、複合表示部材２０の光変調素子２４が偏光板２３の顔側に配置され、偏光板２５が光変調素子２４の顔側に配置されている。光変調素子２４と偏光板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、バックライト光の偏光面を該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の縦偏光成分又は横偏光成分が、信号成分、即ち、当該液晶画素ＰＥの階調に対応した強度を有している。光変調素子２４は、更に、光透過領域Ａ３において外界光ＯＬを透過させる。偏光板２５は、入射する映像光ＭＬの縦偏光成分又は横偏光成分のうちの不要な方を除去し、各液晶画素ＰＥの階調に対応する光強度を有する映像光ＭＬを射出する。偏光板２５を透過可能な偏光の偏光方向は、偏光板２５に入射される外界光ＯＬが実質的に減衰されず、かつ、偏光板２５から射出される映像光ＭＬが、当該液晶画素ＰＥの階調に対応した強度を有するように選択される。図３の実施形態では、偏光板２５に入射される外界光ＯＬが縦偏光Ｐ１であり、偏光板２５が、横偏光を除去し、縦偏光を透過させるように構成されている。これにより、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方向成分とが偏光板２５を透過する。偏光板２５は、偏光板２３と同様に、光透過性を有する平板２５ａ上に吸収型の偏光膜２５ｂを貼り付けたものであってもよい。偏光膜２５ｂ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ってもよい。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Ｐ１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。
【0031】
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、バックライト２２による３原色のバックライト光の時分割での発生に同期して駆動される。バックライト光として赤色の光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、バックライト光として緑色の光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、バックライト光として青色の光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。バックライト２２が３原色の光をバックライト光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、即ち、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。
【0032】
なお、後述されるように、光変調素子２４の構成によっては、外界光ＯＬが光透過領域Ａ３を通過する際に縦偏光から横偏光に変換されることがある。一例としては、光変調素子２４が光透過領域Ａ３及び液晶画素ＰＥの両方においてＴＮ（Twisted Nematic）液晶の層を有している場合が挙げられる。このような場合には、偏光板２５は、例えば後に参照する図９Ａ、図９Ｂに図示されているように、入射する映像光ＭＬの縦偏光成分を除去し、外界光ＯＬ及び映像光ＭＬの横方向成分を透過させるように構成される。光変調素子２４による外界光ＯＬの偏光面の回転とそれに対応する偏光板２５の構成については、後に詳細に説明する。
【0033】
図６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６は、光変調素子２４の、１つの繰返単位２０ａに対応する部分構造を図示している。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５１と、第１基板５１に対向するように配置された第２基板５２とを備えている。第１基板５１と第２基板５２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５１と第２基板５２の間の空間は、液晶で満たされている。液晶としては、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５１上には、ゲート線とも呼ばれることもある走査線５３と、ソース線と呼ばれることもある信号線５４と、スイッチ素子である駆動素子５５と、画素電極５６とが形成されている。図示された実施形態では、走査線５３がＸ軸に平行に延伸するように設けられ、信号線５４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５５は、薄膜トランジスター（ＴＦＴ）を備えており、例えば、走査線５３を高電位にプルアップすることにより走査線５３が選択されると、走査線５３と画素電極５６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５２には、共通電圧に維持される対向電極５７が形成される。画素電極５６と、対向電極５７と、これらの間にある液晶層とが、繰返単位２０ａの液晶画素ＰＥを構成している。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該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５３を選択して駆動素子５５をオンにした状態で、不図示のドライバーから信号線５４及び駆動素子５５を介して画素電極５６に駆動電圧を供給することによって行われる。
【0034】
図示されていないが、液晶画素ＰＥが液晶で満たされた液晶セルに格納され、該液晶セルの外部には液晶層が存在しないように光変調素子２４が構成されていてもよい。このような構成では、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、電圧が印加されなくても偏光面を回転させる液晶が用いられる場合でも図３に図示されているように、光透過領域Ａ３を通過する外界光ＯＬが縦偏光に維持される。
【0035】
図３に戻って、画像選択変換部材２６は、偏光板２５の顔側に配置されており、外界光ＯＬの偏光方向を変化させずに液晶画素ＰＥからの映像光ＭＬの偏向方向を選択的に変化させるように構成されている。図示された実施形態では、画像選択変換部材２６は、光透過性を有する平板２６ａ上に四角形の波長板２６ｂを設けたものである。図３には一つの波長板２６ｂしか図示されていないが、全体の画像選択変換部材２６には、多数の波長板２６ｂが、ＸＹ面に沿って２次元状又はマトリクス状に配列されている。つまり、画像選択変換部材２６を構成する全ての波長板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。各波長板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。画像選択変換部材２６のうち波長板２６ｂが設けられていない光透過領域Ａ４は、外界光ＯＬを透過させ、波長板２６ｂは、光変調素子２４の液晶画素ＰＥから射出され偏光板２５を通過した第１偏光方向の縦偏光Ｐ１の映像光ＭＬを、第１偏光方向と直交する第２偏光方向の横偏光Ｐ２の映像光ＭＬに変換する。波長板２６ｂは、映像光ＭＬの偏光方向を変更するため、１／２波長板であり、遅相軸又は光学軸を例えば＋Ｘ方向と＋Ｙ方向の中間の４５°方向に設定することにより、偏光面がＹ方向に平行な縦偏光Ｐ１の映像光ＭＬを、偏光面がＸ方向に平行な横偏光Ｐ２の映像光ＭＬに変換する。
【0036】
波長板２６ｂの作成方法として、例えば平板２６ａ上に特定種類の液晶を含む光配向材を一様に塗布し、偏光ＵＶ光を照射して配向性を整え、その後、配向性を維持しつつ固化させる加熱温度及び加熱時間で処理することで光配向材を固定するといった手法が可能である。また、ナノインプリント等によってベース層を形成し、ベース層上に蒸着膜を繰り返し成膜することで結晶格子を形成することにより、波長板を得ることもできる。
【0037】
図３に関連する説明では、偏光板２３及び２５が縦偏光Ｐ１の外界光ＯＬ及び映像光ＭＬを透過させ、画像選択変換部材２６が縦偏光Ｐ１の映像光ＭＬを横偏光Ｐ２の映像光ＭＬに選択的に変化又は変換するとしたが、偏光板２３及び２５は、例えば横偏光の外界光ＯＬ及び映像光ＭＬを透過させるものであってもよい。この場合、画像選択変換部材２６は、横偏光の映像光ＭＬを縦偏光の映像光ＭＬに選択的に変化又は変換する機能を有するものとする。加えて、後述する液晶レンズ４１についても、偏光板２３、偏光板２５及び画像選択変換部材２６の機能変更に伴い、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。
【0038】
偏光分離レンズ素子４０は、複合表示部材２０の画像選択変換部材２６の顔側に配置されており、外界光ＯＬを屈折させずに映像光ＭＬを選択的に平行光にコリメートし、又は、平行光に近い光束に整形する。偏光分離レンズ素子４０は、縦偏光に対してレンズ効果を発揮してレンズの役割をする一方で、横偏光に対してはレンズ効果を発揮しないように構成され、これにより、偏光分離レンズ素子４０は、縦偏光Ｐ１の外界光ＯＬを屈折させずに横偏光Ｐ２の映像光ＭＬを選択的に屈折するレンズ機能を有する。一実施形態では、このようなレンズ機能を有する偏光分離レンズ素子４０として液晶レンズ４１が使用される。
【0039】
図７は、偏光分離レンズ素子４０として使用される液晶レンズ４１の構造や機能を説明する図である。図７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。液晶レンズ４１は、特定偏光成分に対してレンズの役割をするレンズであり、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。つまり、液晶レンズ４１は、映像光ＭＬの偏光に対して機能する屈折力を有しその屈折力を輪帯部分ＲＡごとに変化させることができる。液晶レンズ４１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、他方向の偏光に対して略そのまま透過させて作用を及ぼさない。図３の実施形態については、一方向の偏光は具体的には横偏光の映像光ＭＬであり、他方向の偏光は具体的には縦偏光の外界光ＯＬである。液晶レンズ４１の屈折率の分布を全体的に増減させれば、液晶レンズ４１の屈折力を増減させることもできる。
【0040】
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が印加され、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。
【0041】
光変調素子２４から射出された映像光ＭＬが画像選択変換部材２６等を介して液晶レンズ４１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が液晶レンズ４１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４７に印加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、例えば点光源からの光を考えたとき、周辺部の電極４７を経て液晶レンズ４１を追加した光は、波面が相対的に進む。一方、中央部である最も内側の電極４７に印加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、例えば点光源からの光を考えたとき、中央部の電極４７を経て液晶レンズ４１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４１に入射する発散する状態の映像光ＭＬ０は、横偏光であり、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、発散角が減少した状態の映像光ＭＬＰＲとなる。映像光ＭＬＰＲを逆に辿った仮想的な映像光ＭＬＰＩ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４１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４１までの距離である。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４１までの距離をＡとし、液晶レンズ４１から像面までの距離をＢとし、液晶レンズ４１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４１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、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を印加することで、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を印加することで、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。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。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４０によって実質的な作用を受けることなく直進する。
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４１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、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を印加することで、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を印加することで、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。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。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４０によって実質的な作用を受けることなく直進する。
【0042】
液晶レンズ４１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４１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８８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。
【0043】
液晶レンズ４１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４１を眼前に配置することで、液晶レンズ４１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、バックライト２２、偏光板２３、光変調素子２４、偏光板２５、画像選択変換部材２６等を含む複合表示部材２０と、液晶レンズ４１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。
【0044】
液晶レンズ４１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４１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、例えば国際公開第２００９／０７２６７０号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４１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。
【0045】
図８を参照して、一実施形態では、光変調素子２４の液晶画素ＰＥから射出された映像光ＭＬは、偏光板２５を経て縦偏光Ｐ１のみとなり、画像選択変換部材２６を経て偏光方向が縦から横へと選択的に変化し、横偏光Ｐ２として射出される。画像選択変換部材２６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４０の液晶レンズ４１を経て虚像を形成する。装着者の眼ＥＹには、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、バックライト２２の光透過領域Ａ２を通過し、偏光板２３を通過して偏光方向が縦に制限され、光変調素子２４の光透過領域Ａ３及び偏光板２５を通過し、さらに、画像選択変換部材２６の平行平板状の光透過領域Ａ４を通過する。この際、外界光ＯＬは、遮光部材２１、バックライト２２、偏光板２３、光変調素子２４、偏光板２５及び画像選択変換部材２６によってレンズ作用を受けず、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スルー視が可能になる。
【0046】
上述のように、光変調素子２４の光透過領域Ａ３において外界光ＯＬが液晶層を通過する構成、例えば、図６において、液晶画素ＰＥが液晶セルに格納されず、第１基板５１と第２基板５２の間の空間の全体が液晶で満たされる構成では、液晶層によって外界光ＯＬの偏光面が回転することがある。一例としては、光変調素子２４が光透過領域Ａ３及び液晶画素ＰＥの両方においてＴＮ液晶の層を有している場合が挙げられる。このような場合には、偏光板２５を透過可能な偏光の偏光方向、及び、液晶レンズ４１が選択的に屈折力を有する偏光の偏光方向が、光透過領域Ａ３における外界光ＯＬの偏光面の回転に整合するように設定される。偏光板２５を透過可能な偏光の偏光方向は、偏光板２５に入射される外界光ＯＬが実質的に減衰されず、かつ、偏光板２５から射出される映像光ＭＬが、当該液晶画素ＰＥの階調に対応した強度を有するように選択される。例えば、光透過領域Ａ３の液晶層の作用によって外界光ＯＬが縦偏光から横偏光に変換される場合には、偏光板２５が、入射する映像光ＭＬの縦偏光成分を除去し、外界光ＯＬ及び映像光ＭＬの横方向成分を透過させるように構成される。偏光板２５から射出された映像光ＭＬは、偏光方向が外界光ＯＬの偏光方向と直交する方向に切り替えられ、液晶レンズ４１を集光作用又はレンズ作用を受けつつ通過し、各液晶画素ＰＥの虚像に変換される。
【0047】
図９Ａ及び図９Ｂは、偏光板２５を透過可能な偏光の偏光方向を、光変調素子２４の構成に依存して設定する例を図示している。図９Ａ、図９Ｂは、光変調素子２４が光透過領域Ａ３及び液晶画素ＰＥの両方においてＴＮ液晶で形成された液晶層を有している構成を図示している。ここで、図９Ａは、液晶画素ＰＥのＴＮ液晶に駆動電圧が印加される電圧が０Ｖである場合の液晶画素ＰＥの状態を示しており、図９Ｂは、液晶画素ＰＥのＴＮ液晶に最大の駆動電圧が印加されている場合の液晶画素ＰＥの状態を示している。図９Ａ、図９Ｂには、液晶画素ＰＥの内部における液晶分子５８の向きが、模式的に示されている。ＴＮ液晶は、電圧が印加されていない状態において偏光面９０°回転させるが、印加される電圧を増加させると偏光面の回転の角度が０°になる。液晶画素ＰＥに印加される最大の駆動電圧は、偏光面を回転させない電圧に設定される。よって、図９Ａに図示されているように、液晶画素ＰＥに印加される駆動電圧が０Ｖである場合、液晶画素ＰＥにおける偏光面の回転は９０°であり、図９Ｂに図示されているように、液晶画素ＰＥに印加される駆動電圧が最大の駆動電圧である場合、偏光面の回転は０°である。液晶画素ＰＥに０Ｖと最大の駆動電圧の間の駆動電圧が印加されると、液晶画素ＰＥでは、画像データに示されている液晶画素ＰＥの階調に対応する角度だけ偏光面が回転する。
【0048】
図９Ａ、図９Ｂに示す構成では、光透過領域Ａ３を通過する際に外界光ＯＬの偏光面が回転し、外界光ＯＬが縦偏光Ｐ１から横偏光Ｐ２に変換される。光透過領域Ａ３における外界光ＯＬの偏光面の回転に整合させるために、図９Ａ、図９Ｂに示す実施形態では、偏光板２５が、縦偏光を除去し、横偏光Ｐ２を透過させるように構成される。これにより、偏光板２５を通過する外界光ＯＬは実質的に減衰されない一方で、偏光板２５から射出される映像光ＭＬは、当該液晶画素ＰＥの階調に対応した強度を有するようになる。
【0049】
加えて、図９Ａ、図９Ｂに示す構成では、液晶レンズ４１についても、レンズとして機能する偏光方向が、光変調素子２４及び偏光板２５の機能変更に応じて変更される。偏光板２５から射出される外界光ＯＬと映像光ＭＬとはいずれも横偏光Ｐ２であるので、映像光ＭＬの偏光方向のみを選択的に９０°回転させるように構成された画像選択変換部材２６から射出される映像光ＭＬは、縦偏光Ｐ１である。これに対応して、液晶レンズ４１の構成及び／又は動作が、縦偏光Ｐ１に対して選択的に屈折力を有する凸レンズとして機能するように変更される。液晶レンズ４１の液晶層４５の材料、液晶層４５の初期配向状態、及び／又は電極４７の印加電圧Ｖ１～Ｖ７を適切に選択することにより、縦偏光Ｐ１に対して選択的に機能する屈折力を有するように液晶レンズ４１を構成することができる。
【0050】
以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂ，２００は、液晶画素ＰＥと光透過領域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、３色の光を時分割で液晶画素ＰＥに照射するバックライト２２と、光変調素子２４の光透過領域Ａ２を通過した外界光と液晶画素ＰＥから射出される映像光とを特定の偏光方向の偏光に制限して通過させる偏光板２５と、偏光板２５から射出される映像光の偏光方向を選択的に変化させる画像選択変換部材２６と、画像選択変換部材２６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４０とを備えている。
【0051】
上記虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂ，２００では、遮光部材２１を通過した外界光が、光変調素子２４、偏光板２５を経て所定の偏光方向に制限され、偏光分離レンズ素子４０を屈折力の作用を受けずに通過する。これにより、外界像が観察可能になる。一方で、バックライト２２によって生成されたバックライト光が光変調素子２４の液晶画素ＰＥに入射され、液晶画素ＰＥから射出された映像光ＭＬが、偏光板２５を経て所定の偏光方向に制限され、画像選択変換部材２６によって偏向方向を変換され、偏光分離レンズ素子４０を屈折力の作用を受けて通過し、虚像を形成する。このとき、バックライト２２が３色の光をバックライト光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、即ち、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。
【0052】
図１０は、第１実施形態の虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂ又はＨＭＤ２００の変形例を図示している。図１０に図示されている構成では、複合表示部材２０の顔側の近傍に、液晶レンズ４１の代わりに、マイクロレンズアレイ２４１からなる偏光分離レンズ素子２４０が配置されている。偏光分離レンズ素子２４０は、光変調素子２４を構成する各液晶画素ＰＥから映像光ＭＬを個別に屈折させる複数のレンズ要素４９ｅを含む。レンズ要素４９ｅは、外界光ＯＬに屈折作用を及ぼさない。このような構成でも、虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂ又はＨＭＤ２００は動作可能である。しかしながら、アイボックスを拡大する観点からは、図２、図３、図７、図８に図示されている液晶レンズ４１を使用する構成が好適である。
【0053】
〔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。
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。
【0054】
図１１を参照して、第２実施形態の虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂ又はＨＭＤ２００では、バックライト２２の各発光部ＬＥの顔側に、各発光部ＬＥから発光されたバックライト光の放射角を小さくする光束整形素子２７が配置されている。各発光部ＬＥからのバックライト光の放射角が大きすぎる場合、光変調素子２４までの距離に応じて液晶画素ＰＥを大きくする必要があり、シースルー透過率が悪化する可能性がある。バックライト光の放射角を小さくする光束整形素子２７を設けることで、液晶画素ＰＥのサイズを小さくすることができる。図１１に図示されている実施形態では、光束整形素子２７として、屈折作用によってバックライト光の放射角を小さくするマイクロレンズ２８が用いられている。光束整形素子２７として、マイクロレンズ２８の代わりに、回折作用によってバックライト光の放射角を小さくする回折光学素子、例えば、ナノインプリントによる回折光学素子、ホログラム、メタレンズなどが使用されてもよい。
【0055】
光束整形素子２７が使用される場合、図１２に図示されるように、光変調素子２４の顔側に、液晶画素ＰＥから射出される映像光ＭＬを拡散する光拡散素子２９が配置されても良い。光拡散素子２９は、光束整形素子２７によりバックライト光を細めると、液晶画素ＰＥから射出される映像光ＭＬが過剰に細くなり、アイボックスが小さくなることに対処するためのものである。光拡散素子２９を使用することにより、液晶画素ＰＥから射出される映像光ＭＬが拡散してアイボックスの確保が容易になる。光拡散素子２９としては、拡散板が使用されてもよく、ナノインプリントによる回折光学素子、ホログラム、メタレンズなどのような回折素子が使用されてもよい。
【0056】
〔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。上記実施形態において、液晶レンズ４１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。また、液晶レンズ４１は、リング状の輪帯部分ＲＡを含むものに限らず、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。更に、液晶レンズ４１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。
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。上記実施形態において、液晶レンズ４１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。また、液晶レンズ４１は、リング状の輪帯部分ＲＡを含むものに限らず、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。更に、液晶レンズ４１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。
【0057】
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。
【0058】
具体的な態様における虚像表示装置は、液晶画素と、光透過性を有する第１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、３色の光を時分割で液晶画素に照射するバックライトと、光変調素子の第１光透過領域を通過した外界光と液晶画素から射出される映像光とを第１偏光方向の偏光に制限して通過させる偏光板と、偏光板から射出される映像光の偏光方向を選択的に変化させる画像選択変換部材と、画像選択変換部材の顔側に配置され、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。
【0059】
上記虚像表示装置では、外界光が、偏光板を経て第１偏光方向に制限され、屈折力の作用を受けずに偏光分離レンズ素子を通過する一方で、光変調素子の液晶画素から射出された映像光が、偏光板を経て第１偏光方向に制限され、画像選択変換部材によって偏向方向を変換され、屈折力の作用を受けて偏光分離レンズ素子を通過し、虚像を形成する。このとき、バックライトが３色の光を時分割で液晶画素に照射するので、カラー表示を行う場合でも光変調素子の解像度、即ち、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第１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。
【0060】
具体的な態様における虚像表示装置において、バックライトが、液晶画素に対応する位置に２次元状に配置され、３色の光を対応する液晶画素に時分割でそれぞれに照射する発光部を有している。このような構成によれば、発光部を液晶画素に近接して設けることを可能にし、光変調素子の液晶画素に３色の光を照射する一方で外界光が透過する第１光透過領域に発生した３色の光への入射を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、液晶画素が２次元状に配置され、遮光部材が、液晶画素に対応する位置に２次元状に配置された遮光層を含む。遮光層により、この位置に入射した外界光が映像光の経路に入り込んで迷光となることを回避できる。
【0062】
具体的な態様における虚像表示装置において、液晶画素が２次元状に配置され、画像選択変換部材が、液晶画素に対応する位置に２次元状に配置された波長板を含む。これにより、外界光への影響を抑制しながら液晶画素から射出された映像光の偏光方向を選択的に変換することができる。
【0063】
具体的な態様における虚像表示装置において、画像選択変換部材は、偏光板を通過した映像光を第１偏光方向に対して直交する第２偏光方向の偏光に変換する、これにより、映像光と外界光との干渉を抑えることができる。
【0064】
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、液晶レンズである。液晶レンズを使用することで、アイボックスの拡大が容易になる。
【0065】
具体的な態様における虚像表示装置において、遮光部材とバックライトと偏光板と画像選択変換部材とが一体化されて複合表示部材を構成しており、液晶レンズが、複合表示部材から離間して配置されている。このような構成では、複合表示部材と液晶レンズとの間の距離をとることで、アイボックスを拡大することができる。
【0066】
具体的な態様における虚像表示装置において、バックライトが、液晶画素に照射される３色の光を発生する発光素子と、光透過性を有する第２光透過領域とを有している。このような構成では、第２光透過領域で外界光を透過させることでシースルー表示が可能になる。
【0067】
具体的な態様における虚像表示装置において、バックライトの顔側に配置され、バックライトから射出される３色の光の放射角を低減する光束整形素子が設けられている。このような構成によれば、バックライトから射出される光の放射角が大きい場合でも液晶画素のサイズを小さくすることができる。光束整形素子の一例としては、マイクロレンズが挙げられる。
【0068】
具体的な態様における虚像表示装置において、光束整形素子が使用される場合に、光変調素子の液晶画素から射出される映像光を拡散する光拡散素子が更に設けられる。このような構成では、光束整形素子の使用によって映像光の光束が過剰に細くされた場合でも、アイボックスを確保することができる。
【0069】
具体的な態様における頭部装着型表示装置において、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】
【0070】
１Ａ…第１装置、１Ｂ…第２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…バックライト、２２ａ…透明基板、２２ｒ…Ｒ発光素子、２２ｇ…Ｇ発光素子、２２ｂ…Ｂ発光素子、２３…偏光板、２３ａ…平板、２３ｂ…偏光膜、２４…光変調素子、２５…偏光板、２５ａ…平板、２５ｂ…偏光膜、２６…画像選択変換部材、２６ａ…平板、２６ｂ…波長板、２７…光束整形素子、２８…マイクロレンズ、２９…光拡散素子、３１…電極、３２ｒ…Ｒ電極、３２ｇ…Ｇ電極、３２ｂ…Ｂ電極、３３ｒ…Ｒ発光層、３３ｇ…Ｇ発光層、３３ｂ…Ｂ発光層、３４，３５…領域、３６…繰返区画、４０…偏光分離レンズ素子、４１…液晶レンズ、４１ａ…レンズ部材、４１ｃ…駆動回路、４３ａ…光透過基板、４３ｂ…光透過基板、４４ａ…第１の電極層、４４ｂ…第２の電極層、４５…液晶層、４７…電極、４８…配線、４９ｅ…レンズ要素、５１…第１基板、５２…第２基板、５３…走査線、５４…信号線、５５…駆動素子、５６…画素電極、５７…対向電極、５８…液晶分子、８８…ユーザー端末、１００Ａ，１００Ｂ，２００…虚像表示装置、１００Ｃ…テンプル、１０２…駆動装置、１０２ａ，１０２ｂ…表示駆動部、１０３ａ，１０３ｂ…表示光学系、１０４…シェード、１０４ａ…光透過カバー、１０４ｂ…光透過カバー、１０６…支持装置、２００…頭部装着型表示装置、２４０…偏光分離レンズ素子、２４１…マイクロレンズアレイ、Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４…光透過領域、ＡＸ…光軸、ＡＸａ…軸、ＥＹ…眼、ＦＰ…焦点面、ＬＥ…発光部、ＭＬ，ＭＬ０，ＭＬＰＩ，ＭＬＰＲ…映像光、ＯＬ…外界光、Ｐ１…縦偏光、Ｐ２…横偏光、ＰＥ…液晶画素、ＲＡ…輪帯部分、ＲＩ…像、ＴＸ…シースルー発光部、ＵＳ…装着者
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12】