特開 2024-82375 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】P2024082375

(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 3/08 20060101ALI20240613BHJP

   G02B 3/00 20060101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02F1/13 505

G09F9/00 313

G09F9/00 359

G02B5/30

G02B5/00 A

G02B3/08

G02B3/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022196175

(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

5G435

【Ｆターム（参考）】

2H042AA04

2H042AA15

2H042AA26

2H088EA10

2H088EA42

2H088HA02

2H088HA03

2H088HA15

2H088HA18

2H149AA01

2H149BA02

2H149FC10

2H199CA12

2H199CA25

2H199CA30

2H199CA42

2H199CA63

2H199CA65

2H199CA70

2H199CA74

2H199CA85

2H199CA86

5G435AA18

5G435BB12

5G435CC09

5G435DD13

5G435EE12

5G435FF02

5G435FF07

5G435FF13

5G435GG01

5G435GG02

5G435KK07

(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】虚像表示装置は、画像を表示する画素表示領域ＰＡと、外界を視認可能にする光透過領域２２ｕとを有する画像表示装置２２と、画像表示装置２２の外界側に配置され、画素表示領域ＰＡへの外界光ＯＬの入射を抑制する遮光部材２１と、画像表示装置２２の顔側に配置され、透過光を所定の偏光方向に制限する偏光板２３と、偏光板２３の顔側に配置され、画素表示領域ＰＡに対応して映像光ＭＬの偏向方向を選択的に変化させる波長板２４ｂを有する画像選択変換部材２４と、画像選択変換部材２４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４０ａとを備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像を表示する画素表示領域と、外界を視認可能にする光透過領域とを有する画像表示装置と、
前記画像表示装置の外界側に配置され、前記画素表示領域への外界光の入射を抑制する遮光部材と、
前記画像表示装置の顔側に配置され、透過光を所定の偏光方向に制限する偏光板と、
前記偏光板の顔側に配置され、前記画素表示領域に対応して映像光の偏向方向を選択的に変化させる波長板を有す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】

前記画素表示領域は、画素又はサブ画素に対応する発光領域であり、
前記波長板は、前記発光領域に対応する領域に配置される、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項3】

前記遮光部材は、前記画素表示領域の画素又はサブ画素に対応する領域に配置される、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項4】

前記偏光板は、前記画像表示装置から前記映像光と、前記遮光部材を通過した外界光とを第１方向の偏光に制限して通過させ、
前記画像選択変換部材は、前記偏光板を通過した前記映像光を前記第１方向に対して直交する第２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5】

前記偏光分離レンズ素子は、前記画像表示装置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6】

前記偏光分離レンズ素子は、前記画像表示装置を構成する各画素又はサブ画素を個別に結像させる複数の要素レンズを含む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7】

前記偏光分離液晶レンズは、同心に配置された複数の円形の輪帯部分を有する、請求項５及び６のいずれか一項に記載の虚像表示装置。

【請求項8】

前記偏光分離液晶レンズは、印加電圧に応じて前記輪帯部分の屈折力が変化する、請求項７に記載の虚像表示装置。

【請求項9】

請求項１～６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１～６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】

虚像表示装置として、ティスプレイと、ティスプレイからの光を透過させるビームスプリッターと、ビームスプリッターを透過した光をビームスプリッターを介して装着者に反射する凹面鏡と、ビームスプリッター及び凹面鏡間に配置され画像の焦点を変える調整可能レンズとを備えるものが公知となっている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１９－５０７３６７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、画角を広くしようとすると、ビームスプリッターの厚みが増し、光学系全体が大型化してしまう。

【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、画像を表示する画素表示領域と、外界を視認可能にする光透過領域とを有する画像表示装置と、画像表示装置の外界側に配置され、画素表示領域への外界光の入射を抑制する遮光部材と、画像表示装置の顔側に配置され、透過光を所定の偏光方向に制限する偏光板と、偏光板の顔側に配置され、画素表示領域に対応して映像光の偏向方向を選択的に変化させる波長板を有す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選択的に作用する屈折力を有する偏光分離レンズ素子とを備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態の虚像表示装置の装着状態を説明する外観斜視図である。

【図2】表示光学系の光学的構造を説明する概念的な斜視図である。

【図3】複合表示部材の繰返単位を説明する概念的な拡大斜視図である。

【図4A】発光素子の具体的な構造の一例を説明する概念的な斜視図である。

【図4B】発光素子の別の例を説明する概念的な斜視図である。

【図5A】図４Ａに対応して画素の配置や隙間を説明する平面図である。

【図5B】図４Ｂに対応して画素の配置や隙間を説明する平面図である。

【図6】図５Ａに示す場合において、遮光部材の遮光層を重ねて示した図である。

【図7】各色のセル領域が分離して形成されている場合の遮光層を示す。

【図8】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9】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10】変形例の表示光学系を説明する図である。

【図11】変形例の表示光学系を説明する図である。

【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】変形例の表示光学系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１～９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８８とを備える。第１虚像表示装置１００Ａは、第１装置１Ａであり、上部に配置される第１表示駆動部１０２ａと、眼前を覆う第１表示光学系１０３ａと、第１表示光学系１０３ａを外界側又は前方側において覆う光透過カバー１０４ａとで構成される。第２虚像表示装置１００Ｂは、第２装置１Ｂであり、上部に配置される第２表示駆動部１０２ｂと、眼前を覆う第２表示光学系１０３ｂと、第２表示光学系１０３ｂを外界側又は前方側において覆う光透過カバー１０４ｂとで構成される。第１装置１Ａである第１虚像表示装置１００Ａと、第２装置１Ｂである第２虚像表示装置１００Ｂとを組み合わせたＨＭＤ２００は、広義の虚像表示装置でもある。一対のテンプル１００Ｃは、装着者ＵＳの頭部に装着される装着部材又は支持装置１０６であり、外観上一体化されている表示駆動部１０２ａ，１０２ｂを介して一対の表示光学系１０３ａ，１０３ｂの上端側と、一対の光透過カバー１０４ａ，１０４ｂの上端側とを支持している。一対の表示駆動部１０２ａ，１０２ｂを組み合わせたものを駆動装置１０２と呼ぶ。一対の光透過カバー１０４ａ，１０４ｂを組み合わせたものをシェード１０４と呼ぶ。

【0010】

図２は、第１表示光学系１０３ａの構造を説明する斜視図である。第１表示光学系１０３ａは、２次元的な画像を形成し映像光を射出する板状の複合表示部材２０と、映像光に対してレンズとして機能する偏光分離レンズ素子４０ａである偏光分離液晶レンズ４０とを備える。複合表示部材２０と偏光分離液晶レンズ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、光軸ＡＸに垂直なＸＹ面に平行に延びる板状の部材であり、遮光部材２１と、画像表示装置２２と、偏光板２３と、画像選択変換部材２４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。複合表示部材２０は、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列された複数の繰返単位２０ａで構成され、繰返単位２０ａは、画像表示装置２２において、画像を形成する単位である画素ＰＥを含み、各画素ＰＥは、４つのサブ画素ＰＥａで構成される。偏光分離液晶レンズ４０は、つまり偏光分離レンズ素子４０ａは、複合表示部材２０の画像選択変換部材２４の顔側つまり－Ｚ側に配置されて眼前を覆う。偏光分離液晶レンズ４０は、画像表示装置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。偏光分離液晶レンズ４０は、ＸＹ面に平行に延びる板状の部材である。偏光分離液晶レンズ４０は、液晶レンズ４１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。

【0011】

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。

【0012】

図３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。ここで、軸ＡＸａは、図１に示す光軸ＡＸに平行な軸である。

【0013】

遮光部材２１は、光透過性を有する平板２１ａ上に四角形の遮光層２１ｂを設けたものである。図示を省略するが、全体の遮光部材２１には、多数の遮光層２１ｂが、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列されている。つまり、遮光部材２１を構成する全遮光層２１ｂは、横のＸ方向及び縦のＹ方向に関して周期的に２次元配列されている。各遮光層２１ｂは、各繰返単位２０ａにおける画素区画に対応する領域に形成されている。遮光部材２１のうち遮光層２１ｂが設けられていない光透過領域Ａ１は、外界光ＯＬを透過させるが、遮光層２１ｂは、外界光ＯＬの通過を抑制する。

【0014】

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。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。

【0015】

画像表示装置２２は、遮光部材２１の顔側に配置されている。画像表示装置２２は、発光型の透明ディスプレイであり、例えば有機ＥＬディスプレイである。画像表示装置２２は、光透過性を有する平板２２ａ上に、発光領域ＥＡである発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂや、発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂを点灯するための駆動素子２２ｄを設けたものである。発光層２２ｒとその右上の駆動素子２２ｄとを組み合わせたもの、発光層２２ｇとその右上の駆動素子２２ｄとを組み合わせたもの、発光層２２ｂとその右上の駆動素子２２ｄとを組み合わせたものをそれぞれ発光素子ＥＤと呼ぶ。赤色の発光層２２ｒは、駆動素子２２ｄからの駆動信号に応じて赤色の映像光を表示に必要なタイミング及び輝度で射出し、一対の緑色の発光層２２ｇは、駆動素子２２ｄからの駆動信号に応じて緑色の映像光を表示に必要なタイミング及び輝度で射出し、青色の発光層２２ｂは、駆動素子２２ｄからの駆動信号に応じて青色の映像光を表示に必要なタイミング及び輝度で射出する。図示を省略するが、全体の画像表示装置２２には、４つの発光層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、画像表示装置２２を構成する全画素ＰＥ、又は全組の発光層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。各画素ＰＥ、つまり一組の発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂとこれらに付随する駆動素子２２ｄとは、各繰返単位２０ａにおける画素区画に対応する領域に形成されている。画像表示装置２２のうち発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂや駆動素子２２ｄ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。駆動素子２２ｄは、外界光ＯＬを遮断し、発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂは、少なくとも点灯タイミングで外界光ＯＬを遮断する。

【0016】

図４Ａは、発光素子ＥＤ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。図示の発光素子ＥＤは、アクティブマトリクス型の表示セルである。発光素子ＥＤを支持する基板である平板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、共通電極である第１透明電極３１が一様に形成され、第１透明電極３１上の表示箇所にサブ画素ＰＥａに対応する発光層２２ｅと、スイッチ素子である駆動素子２２ｄとが形成されている。発光層２２ｅは、図３に示す発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂのいずれかである。発光素子ＥＤは、例えば有機ＥＬ発光素子である。この場合、発光層２２ｅは、蛍光物質等を含む有機物質層であり、必要に応じて電子やホールの注入層（不図示）等を含む。発光層２２ｅを覆うように設けられた第２透明電極３２には、駆動素子２２ｄの出力が供給される。駆動素子２２ｄの端子（不図示）には、縦のＹ方向に延び光透過性を有する給電配線３３と、横のＸ方向に延び光透過性を有するスイッチ配線３４とが接続されている。外部からスイッチ配線３４に駆動信号を供給することにより、発光層２２ｅを選択的に発光させることができる。

【0017】

図４Ｂは、発光素子ＥＤの別の例を説明する概念的な斜視図である。図示の発光素子ＥＤは、パッシブマトリクス型の表示セルである。発光素子ＥＤを支持する基板である平板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、横のＸ方向に延び光透過性を有する第１電極配線３５が形成され、第１電極配線３５上の表示箇所には、サブ画素ＰＥａに対応する発光層２２ｅが形成されている。発光層２２ｅは、図３に示す発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂのいずれかである。発光素子ＥＤは、例えば有機ＥＬ発光素子である。発光層２２ｅを覆って縦のＹ方向に延び光透過性を有する第２電極配線３６が形成されている。外部から第１電極配線３５と第２電極配線３６とに必要な電力を供給することで、発光層２２ｅを選択的に発光させることができる。

【0018】

図５Ａは、画像表示装置２２における画素の配置とその周囲の隙間とを説明する平面図である。画像表示装置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り、各繰返区画２２ｓは、中央に画素区画２２ｔを有し、画素区画２２ｔの周囲には、枠状の光透過領域２２ｕ又は光透過領域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ＰＡである。画素区画２２ｔは、２×２で配列された４つのセル領域２２ｍを含む。各セル領域２２ｍは、図４Ａに示す構造を有する発光素子ＥＤを有し、画素区画２２ｔ全体では、ベイヤー配列の発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂを含むものとなっている。発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂの周囲は、図４Ａに示す駆動素子２２ｄ、給電配線３３、スイッチ配線３４等が設けられた四角枠状の回路領域２２ｑである。

【0019】

図５Ｂは、図４Ｂに示す発光素子ＥＤの場合における画素の配置とその周囲の隙間とを説明する平面図である。この場合、発光素子ＥＤが駆動素子又はスイッチ素子を有しないので、セル領域２２ｍに発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂのみが形成されている。

【0020】

図６は、図５Ａに示す画像表示装置２２において、図３に示す遮光部材２１の遮光層２１ｂを透視した状態を重ねて示した図である。この場合、遮光層２１ｂは、画素区画２２ｔをカバーし、画素区画２２ｔよりも若干外側に広がった領域に形成されているが、画素区画２２ｔと一致する領域に形成されてもよい。

【0021】

図７は、画像表示装置２２において、各色のセル領域２２ｍが分離して形成されている場合を示す。この場合、個々のセル領域２２ｍが画像を表示する画素表示領域ＰＡである。図７に示す遮光部材２１の遮光層２１ｂは、セル領域２２ｍをカバーし、セル領域２２ｍよりも若干外側に広がった領域に形成されているが、セル領域２２ｍと一致する領域に形成されてもよい。

【0022】

図３に戻って、複合表示部材２０の偏光板２３は、画像表示装置２２の顔側に配置されている。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る。偏光膜２３ｂ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２３ｂ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。つまり、偏光膜２３ｂは、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。この結果、画像表示装置２２の画素区画２２ｔ又はセル領域２２ｍから射出される映像光ＭＬが元から偏光でなければ、縦偏光の映像光ＭＬのみが偏光板２３を透過する。遮光部材２１の光透過領域Ａ１を通過し、かつ、画像表示装置２２の光透過領域２２ｕ又は光透過領域Ａ２を通過した外界光ＯＬのうち、横偏光は、偏光板２３で遮断され、縦偏光は、偏光板２３を通過する。

【0023】

画像選択変換部材２４は、偏光板２３の顔側に配置されている。画像選択変換部材２４は、画素表示領域ＰＡ（図５参照）に対応して映像光ＭＬの偏向方向を選択的に変化させる。画像選択変換部材２４は、光透過性を有する平板２４ａ上に四角形の波長板２４ｂを設けたものである。図示を省略するが、全体の画像選択変換部材２４には、多数の波長板２４ｂが、ＸＹ面に沿って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２４を構成する全波長板２４ｂ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２４ｂは、各繰返単位２０ａにおけるセル領域２２ｍ又は発光領域ＥＡに対応する領域に形成されている。画像選択変換部材２４のうち波長板２４ｂが設けられていない光透過領域Ａ３は、外界光ＯＬを透過させ、波長板２４ｂは、画像表示装置２２のセル領域２２ｍから射出され偏光板２３を通過した第１方向の縦偏光の映像光ＭＬを、第１方向と直交する第２方向の横偏光の映像光ＭＬに変更する。波長板２４ｂ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の映像光ＭＬを、偏光面がＸ方向に平行な横偏光の映像光ＭＬに変換する。

【0024】

波長板２４ｂの作成方法として、例えば平板２４ａ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。

【0025】

以上の説明では、偏光板２３が縦偏光の映像光ＭＬのみを透過させ、画像選択変換部材２４が縦偏光の映像光ＭＬを横偏光の映像光ＭＬに選択的に変化又は変換するとしたが、偏光板２３は、例えば横偏光の映像光ＭＬのみ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２４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。後述する偏光分離液晶レンズ４０については、偏光板２３や画像選択変換部材２４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。

【0026】

図８は、偏光分離レンズ素子４０ａである偏光分離液晶レンズ４０又は液晶レンズ４１の構造や機能を説明する図である。図８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の偏光に対して選択的に作用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。ここで、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。

【0027】

偏光分離レンズ素子４０ａとしての液晶レンズ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。

【0028】

画像表示装置２２から射出された映像光ＭＬが画像選択変換部材２４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４７を経て液晶レンズ４１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、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に入射する発散状態の画像光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画像光ＭＬＰＲとなる。画像光ＭＬＰＲを逆に辿った仮想的な画像光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、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。

【0029】

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。

【0030】

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、画像表示装置２２、偏光板２３、画像選択変換部材２４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。

【0031】

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。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。

【0032】

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及び偏光分離液晶レンズ４０によって実質的な作用を受けることなく直進する。

【0033】

図９を参照して、画像表示装置２２の発光素子ＥＤ又は発光層２２ｅから射出された映像光ＭＬは、偏光板２３を経て縦偏光Ｐ１のみとなり、画像選択変換部材２４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２４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液晶レンズ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、透明ディスプレイである画像表示装置２２に形成された画像が、画像表示装置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、画像表示装置２２の平行平板状の光透過領域２２ｕ又は光透過領域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、さらに、画像選択変換部材２４の平行平板状の光透過領域Ａ３を通過する。この際、外界光ＯＬは、遮光部材２１、画像表示装置２２、偏光板２３、及び画像選択変換部材２４によってレンズ作用を受けない。装着者の眼ＥＹには、通常の外界像が観察される。つまり、表示光学系１０３ａ，１０３ｂを介して外界像のシールスルー視が可能になる。

【0034】

図５Ａ等を参照して、繰返区画２２ｓは、光透過領域２２ｕである外光視認画素Ｘ１と、画素区画２２ｔ又は画素表示領域ＰＡ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を局所的に遮断し、遮断し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、画像表示装置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２２ｕを通過し、偏光板２３によって偏光方向が制限され、画像選択変換部材２４をそのまま通過し、液晶レンズ４１も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ＰＡから射出された映像光ＭＬは、偏光板２３によって偏光方向が制限され、画像選択変換部材２４によって偏光方向が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、画素表示領域ＰＡの虚像に変換される。

【0035】

図１０は、図３、９等に示す表示光学系１０３ａ，１０３ｂの変形例を示す。この場合、画像選択変換部材２４において、セル領域２２ｍに対応する領域単位ではなく、画素区画２２ｔに対応する領域単位で、波長板２４ｂが形成されている。この場合も、外界光ＯＬは、画像選択変換部材２４において波長板２４ｂが存在しない光透過領域Ａ３を通過し、レンズ作用を受けない。

【0036】

図１１は、画像選択変換部材２４等に関する変形例を説明する平面図である。この場合、偏光板３２３上に波長板２４ｂを直接形成して、偏光板３２３と画像選択変換部材２４とを一体化したものとなっている。つまり、図示の偏光板３２３は、図３に示す偏光板２３の機能と波長板２４ｂの機能とを組み合わせた機能を有する。

【0037】

以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂは、画像を表示する画素表示領域ＰＡと、外界を視認可能にする光透過領域２２ｕとを有する画像表示装置２２と、画像表示装置２２の外界側に配置され、画素表示領域ＰＡへの外界光ＯＬの入射を抑制する遮光部材２１と、画像表示装置２２の顔側に配置され、透過光を所定の偏光方向に制限する偏光板２３と、偏光板２３の顔側に配置され、画素表示領域ＰＡに対応して映像光ＭＬの偏向方向を選択的に変化させる波長板２４ｂを有する画像選択変換部材２４と、画像選択変換部材２４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４０ａである偏光分離液晶レンズ４０とを備える。

【0038】

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、偏光板２３を経て所定の偏光方向に制限され、偏光分離レンズ素子４０ａすなわち偏光分離液晶レンズ４０を屈折力の作用を受けずに通過し、画像表示装置２２の画素表示領域ＰＡから射出された映像光ＭＬが、偏光板２３を経て所定の偏光方向に制限され、画像選択変換部材２４の波長板２４ｂによって偏向方向を変換され、偏光分離レンズ素子４０ａすなわち偏光分離液晶レンズ４０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、画像表示装置２２や偏光分離レンズ素子４０ａを眼ＥＹの近くに配置して虚像を形成することができ、画像表示装置２２や偏光分離液晶レンズ４０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４０ａ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。

【0039】

〔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。

【0040】

図１２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、複合表示部材２０の顔側の近傍に、液晶レンズアレイ２４１からなる偏光分離レンズ素子２４０ａが配置されている。偏光分離レンズ素子２４０ａは、画像表示装置２２を構成する各画素ＰＥ又はサブ画素ＰＥａを個別に結像させる複数のレンズ要素４９ｅを含む。個々のレンズ要素４９ｅは、図８に示す液晶レンズ４１又は偏光分離液晶レンズ４０と同様の構造を有する。

【0041】

〔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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

偏光分離レンズ素子４０ａとしての液晶レンズ４１は、リング状の輪帯部分ＲＡを含むものに限らない。偏光分離レンズ素子４０ａ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。

【0045】

偏光板２３は、例えば横偏光を透過させるようなものであってもよい。この場合、例えば画像選択変換部材２４において、外界光ＯＬが通過する画像表示装置２２の光透過領域２２ｕに対向する領域に波長板を形成し、画素区画２２ｔ又は画素表示領域ＰＡに対向する領域で映像光ＭＬを単に透過させる。この場合も、横偏光の映像光ＭＬは、液晶レンズ４１によってレンズ作用を受け、縦偏光の外界光ＯＬは、液晶レンズ４１によってレンズ作用を受けない。偏光板２３は、例えばＸ方向とＹ方向との中間方向の斜め偏光を透過させるようなものであってもよい。この場合、例えば画像選択変換部材２４に形成する波長板は、光軸ＡＸの周りで姿勢を回転させて遅相軸が傾斜した状態とされる。また、液晶レンズ４１も、光軸ＡＸの周りで姿勢を同様に回転させて、屈折力が生じる方向を映像光ＭＬの偏向方向と一致させる。

【0046】

遮光部材２１の遮光層２１ｂは、画素区画２２ｔに対応する領域単位ではなく、セル領域２２ｍに対応する領域単位で形成されてもよい。

【0047】

図１３に示すように、複合表示部材２０において、画像表示装置２２をその画素配列と同様の発光配列を有するバックライト４２２に置き換え、偏光板２３を除くとともに、バックライト４２２の発光配列に対応する透明電極を有する例えばＴＮタイプの液晶パネル５２と、横偏光の偏光板５１と、縦偏光の偏光板５３とを光路上に配置する。この場合、自発光型ではなく光変調型の表示素子を用いることになる。複合表示部材２０は、ノーマリオン又はノーマリホワイトで動作し、バックライト４２２からの照明光が液晶パネル５２等で調光されて縦偏光の映像光ＭＬとして射出され、画像選択変換部材２４によって横偏光とされ、液晶レンズ４１によってレンズ作用を受ける。なお、液晶パネル５２の画素電極に大きな電圧が印加されると、横偏光の映像光ＭＬのみとなって偏光板５３で遮断され、映像光ＭＬは、液晶レンズ４１に入射しない。外界光ＯＬについては、液晶パネル５２の画素電極に印加される電圧に関わらず偏光板５３をロスなく通過し、縦偏光として液晶レンズ４１に入射するのでレンズ作用を受けない。

【0048】

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。

【0049】

具体的な態様における虚像表示装置は、画像を表示する画素表示領域と、外界を視認可能にする光透過領域とを有する画像表示装置と、画像表示装置の外界側に配置され、画素表示領域への外界光の入射を抑制する遮光部材と、画像表示装置の顔側に配置され、透過光を所定の偏光方向に制限する偏光板と、偏光板の顔側に配置され、画素表示領域に対応して映像光の偏向方向を選択的に変化させる波長板を有す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。

【0050】

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、偏光板を経て所定の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、画像表示装置の画素表示領域から射出された映像光が、偏光板を経て所定の偏光方向に制限され、画像選択変換部材の波長板によって偏向方向を変換され、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、画像表示装置や偏光分離レンズ素子を眼の近くに配置して虚像を形成することができ、画像表示装置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。

【0051】

具体的な態様における虚像表示装置において、画素表示領域は、画素又はサブ画素に対応する発光領域であり、波長板は、発光領域に対応する領域に配置される。これにより、発光領域から顔側に射出された映像光を虚像の形成に用いつつ発光領域を通過した外界光の遮断を抑えることができる。

【0052】

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、画素表示領域の画素又はサブ画素に対応する領域に配置される。遮光部材により、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。

【0053】

具体的な態様における虚像表示装置において、偏光板は、画像表示装置から映像光と、遮光部材を通過した外界光とを第１方向の偏光に制限して通過させ、画像選択変換部材は、偏光板を通過した映像光を第１方向に対して直交する第２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。

【0054】

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、画像表示装置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。

【0055】

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、画像表示装置を構成する各画素又はサブ画素を個別に結像させる複数の要素レンズを含む偏光分離液晶レンズである。複数の要素レンズは、画像表示装置の近傍に配置されるので、虚像表示装置を薄型にすることが容易になる。

【0056】

具体的な態様における虚像表示装置において、偏光分離液晶レンズは、同心に配置された複数の円形の輪帯部分を有する。

【0057】

具体的な態様における虚像表示装置において、偏光分離液晶レンズは、印加電圧に応じて輪帯部分の屈折力が変化する。液晶レンズによって投影距離の調整や視度の調整が可能になり、画像光の偏光成分に対して迅速な焦点調節が可能になる。

【0058】

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】

【0059】

２０…複合表示部材、２０ａ…繰返単位、２１…遮光部材、２１ｂ…遮光層、２２…画像表示装置、２２ｄ…駆動素子、２２ｅ…発光層、２２ｍ…セル領域、２２ｑ…回路領域、２２ｒ，２２ｇ，２２ｂ…発光層、２２ｓ…繰返区画、２２ｔ…画素区画、２２ｕ…光透過領域、２３…偏光板、２３ｂ…偏光膜、２４…画像選択変換部材、２４ｂ…波長板、４０…偏光分離液晶レンズ、４０ａ…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、４９ｅ…レンズ要素、５１…偏光板、５２…液晶パネル、５３…偏光板、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、１０６…支持装置、２００…頭部装着型表示装置（ＨＭＤ）、２０１…双眼型表示装置、２４０…偏光分離液晶レンズ、Ａ１，Ａ２，Ａ３…光透過領域、ＡＸ…光軸、ＥＡ…発光領域、ＥＤ…発光素子、ＥＹ…眼、ＭＬ…映像光、ＯＬ…外界光、Ｐ１…縦偏光、Ｐ２…横偏光、ＰＡ…画素表示領域、ＰＥ…画素、ＰＥａ…サブ画素、ＲＡ…輪帯部分

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】