偏光装置及び表示装置
【課題】表示素子からの光は最大限利用し、外光をある程度減衰させ、シースルー方式でありながら表示画像のコントラストを高くする。
【解決手段】第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎ１となる屈折材料で形成された第１のレンズ２２１と、第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎｅ（＝ｎ１）となるとともに、第１の偏光方位角とは異なる第２の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎｅとは異なる第２の屈折率ｎｏとなる屈折材料で形成された第２のレンズ２２２とから構成され、第１のレンズ２２１及び第２のレンズ２２２は、それぞれの第１の偏光方位角における屈折率が相互に一致するように接合され、第２の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なる。
【解決手段】第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎ１となる屈折材料で形成された第１のレンズ２２１と、第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎｅ（＝ｎ１）となるとともに、第１の偏光方位角とは異なる第２の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎｅとは異なる第２の屈折率ｎｏとなる屈折材料で形成された第２のレンズ２２２とから構成され、第１のレンズ２２１及び第２のレンズ２２２は、それぞれの第１の偏光方位角における屈折率が相互に一致するように接合され、第２の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各屈折材料の屈折率が異なる偏光装置、及びその偏光装置を備えた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）と呼ばれる頭部装着型の表示装置が開発されている。この頭部装着型表示装置では、観察者の眼前に設置した液晶パネルや有機ＥＬパネル等のディスプレイ上に光学像を形成し、その光学像を、接眼レンズやハーフミラー等を有する光学系を介して拡大して観察者の眼に結像させることによって、画像表示を行う。このＨＭＤには、表示素子に表示された画像の虚像を外界に重ね合わせて見ることができる、いわゆるシースルー型のＨＭＤもある。
【０００３】
ここで、通常、ＨＭＤでは、観察者が虚像を結像させるために眼前に屈折力をもつレンズ面が配置されるため、このような構成を有するシースルー型のＨＤＭで、レンズ面を通して外界を見ると、レンズ面による光の屈折のために外界が歪んでしまうという問題がある。このようなレンズ面による外界の歪みを補正するために、レンズ面による屈折を打ち消すための補償レンズ要素を配置する技術がある（例えば、特許文献１及び２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７７７５号公報
【特許文献２】特開２００１−３１１９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で開示されている技術では、外界からの光（以降、外光と表現する）が減衰することなく眼に入るので、表示素子の虚像の視認性を向上させるためには、表示素子の輝度（コントラスト）を高くする必要があり、表示に必要な電力を低くできないという問題点がある。
【０００６】
また、特許文献２に開示された技術では、虚像を生成するためのレンズ面にハーフミラーを形成しているため、表示素子からの光についても減衰させてしまい、虚像の輝度が低くなるという問題点がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、表示素子からの光は最大限利用し、外光をある程度減衰させ、シースルー方式でありながら表示画像のコントラストを高くすることができる偏光装置及び表示装置を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明に係る偏光装置は、第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率となる屈折材料で形成された第１のレンズと、第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率となるとともに、前記第１の偏光方位角とは異なる第２の偏光方位角における屈折率が前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率となる屈折材料で形成された第２のレンズとを有し、前記第１及び第２のレンズは、それぞれの前記第１の偏光方位角が相互に一致するように接合され、前記第２の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なることを特徴とする。
【０００９】
ここで、上記第１のレンズとしては、第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率となるとともに、他の偏光方位角における屈折率が、第２のレンズにおける第２の偏光方位角の屈折率と異なる屈折材料で形成されていればよく、全ての偏光方位角における屈折率が等しい等方屈折材料を用いることができる。一方、上記第２のレンズとしては、少なくとも２つの偏光方位角における屈折率が相互に異なる屈折材料で形成されていなければならず、方解石等の複屈折材料を用いる。
【００１０】
このような本発明の偏光装置によれば、第１のレンズと第２のレンズが接合された界面において、相互に一致された第１の偏光方位角については、第１の屈折率となる屈折材料同士が接触されているため屈折率差が小さく、第２の偏光方位角については、異なる屈折率の屈折材料同士が接触されているため、屈折率差が生じることとなる。これにより、第１の偏光方位角の偏光成分と第２の偏光方位角の偏光成分とが合成された光が入射された場合には、第１の偏光方位角の偏光成分については屈折することなく界面を透過し、第２の偏光方位角の偏光成分については屈折率差に応じて屈折されて透過することとなる。
【００１１】
上述した偏光装置では、前記第１のレンズは、前記第２のレンズとの界面が凹面に形成され、前記界面と対向する面が平面に形成された平凹レンズであり、前記第２のレンズは、前記界面が凸面に形成され、前記界面と対向する面が平面に形成された平凸レンズであり、前記凹面と前記凸面の曲面形状が同一であることが好ましい。
【００１２】
この場合には、第１のレンズと第２のレンズとの界面にレンズが形成される。第１の偏光方位角において振動する第１の偏光成分については、界面（曲面）に屈折率差が殆どなく、且つ、光の入射面と出射面がともに平面であるため、レンズ作用を受けることなく界面を透過する。一方、第２の偏光方位角において振動する第２の偏光成分については、界面（曲面）に屈折率差があるために、界面を透過する際に凸レンズ作用を受けることとなる。
【００１３】
また、本発明に係る表示装置は、上記の偏光装置のいずれかを備えた表示装置であって、入射光のうち、前記第１の偏光方位角において振動する第１の偏光成分のみを透過する透過偏光部と、前記第２の偏光方位角において振動する第２の偏光成分のみを放射する表示部と、前記透過偏光部から射出された前記第１の偏光成分と、前記表示部から放射された前記第２の偏光成分とを合成して、前記偏光装置に入射させる合成部と、前記表示部からの拡大された虚像を、前記偏光装置を通じて観察者の眼前に観察可能に提示する光学系とを備えることを特徴とする。
【００１４】
このような表示装置によれば、透過偏光部から射出された第１の偏光成分と、表示部から放射された第２の偏光成分とを、合成部により合成して偏光装置に入射させ、偏光装置において、第１の偏光成分を屈折させることなく透過させるとともに、第２の偏光成分を屈折、結像させ、表示素子に表示された映像の拡大虚像を観察者の眼前に観察可能に提示することができる。
【００１５】
この結果、透過偏光部に外界からの外光を入射させた場合には、外界の景色と、表示部からの虚像を合成して提示するシースルー型の表示装置を構成することができる。この場合、表示部に表示される映像は接眼レンズとして機能する偏光装置により拡大された虚像として眼前に提示され、外光は屈折することなくそのまま偏光装置を透過し、観察者に外界を歪みなく提示することができる。
【００１６】
このとき、透過偏光部は外光の第１の偏光成分のみを透過させるため、外光は透過偏光部を透過する際に減衰されることとなり、外光の強度を弱めることができ、明るい屋外でも表示部による虚像のコントラストを向上させることができる。
【００１７】
上述した表示装置においては、前記合成部が、前記透過偏光部から射出された前記第１の偏光成分が入射される第１の端面と、前記表示部から放射された前記第２の偏光成分が入射される第２の端面と、前記第１の端面から入射された前記第１の偏光成分を透過させるとともに、前記第２の端面から入射された前記第２の偏光成分を反射させる偏光反射面と、前記偏光反射面を透過した前記第１の偏光成分と、前記偏光反射面で反射された前記第２の偏光成分とを射出する第３の端面とを備え、前記透過偏光部が、前記第１の端面に配置された偏光板であることが好ましい。
【００１８】
この場合には、偏光反射面により、透過偏光部から入射された光を透過させるとともに、表示部から入射された光を反射させるという簡単な構成により透過偏光部からの光と、表示部からの光とを合成して、偏光装置に入射させることができる。
【００１９】
また、上述した表示装置においては、前記表示部として、液晶表示素子を用いることができ、また、光を放射する面に、前記第２の偏光方位に振動する第２の偏光成分のみを透過させる偏光板或いは偏光変換素子を備えた有機ＥＬ表示素子を用いることができる。これらの場合には、表示装置の用途に応じて、各表示素子の特性を活かした映像を提示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１０を模式的に示す上面図である。
【図２】ヘッドマウントディスプレイ１０の内部構造の構成を模式的に示す上面図である。
【図３】接眼レンズ２２０を示す斜視図である。
【図４】変更例に係る有機ＥＬ表示装置１０１ｃの内部構造を模式的に示す断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、変更例に係る接眼レンズ２２０を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。なお、図面においては、各部の寸法の比率は実際のものとは適宜に異ならせてある。なお、本実施形態においては、第１の偏光方位角をｘ方向とし、第２の偏光方位角をｚ方向とする。
【００２２】
＜Ａ：全体構成＞
図１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと称する）１０の内部構造を模式的に示す上面図である。図１を示すように、ＨＭＤ１０は、少なくとも、頭部８０に装着可能な装着部１２と、装着部１２，１２に連結されて人の両眼８１の前方に配置されるＨＭＤ本体１１とを備えている。
【００２３】
装着部１２は、図１に示すように、ＨＭＤ本体１１の両端から内側に延びる一対のテンプルからなり、両側頭部と接触してＨＭＤ１０を頭部８０に固定するようになっている。
【００２４】
ＨＭＤ本体１１は、使用者の眼前に筐体が配置され、その筐体の内部に表示画像生成手段１００と、導光手段２００とを備えている。なお、ＨＭＤ本体１１の筐体は、前方が開放状態であるか、若しくはガラス等の透明な部材が配置された状態となっている。
【００２５】
表示画像生成手段１００は、映像光を射出してその映像光を入射方向に対して直交する２つの方向に分離する光学系であり、頭部８０の中心部分に設けられている。本実施形態において、表示画像生成手段１００は、表示装置１０１と、対物レンズ１０２と、映像光分離装置１０３とから構成されている。
【００２６】
表示装置１０１は、本実施形態では透過型液晶パネルである。バックライトユニットは、照明光を射出する光源を複数備えており、光源としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）が好適に用いられる。また、表示装置１０１には、ディスプレイに対する画像信号、走査信号の供給、及び光源の駆動の制御を行う駆動回路が備えてある。また、この制御手段にはメモリ装置が接続され、さらに外部装置に接続するための外部接続装置が接続されている。
【００２７】
映像光分離装置１０３は、表示部に表示される映像を左右の眼に振分け、偏光装置を通じて観察者の眼前に観察可能に提示する光学系であり、例えば、反射ミラーや、偏光ビームスプリッター等の種々の装置が用いられる。対物レンズ１０２は、表示装置１０１から射出された映像光を所定の倍率で収束して、映像光分離装置１０３へ入射させるレンズであり、映像光分離装置１０３と表示装置１０１との間に備えられている。なお、提示すべき虚像のサイズが小さい場合には対物レンズ１０２を省くことも可能である。
【００２８】
なお、このような表示画像生成手段１００は、種々の構成を採用することができる。例えば、図１（ａ）に示すように、左右対称となる一対の表示装置１０１ａ，１０１ａと、対物レンズ１０２ａ，１０２ａと、反射ミラー１０３ａ，１０３ａとを備え、一方の表示装置１０１ａから射出した映像光を右目用の導光手段２００へ導き、他方の表示装置１０１ａから射出した映像光を右目用の導光手段２００へ導く構成としてもよい。また、例えば、図１（ｂ）に示すように、１つの表示装置１０１ｂを用いて、この液晶装置から射出された映像光を、対物レンズ１０２ｂ及び映像光分離装置１０３ｂによって、右目用及び左眼用の映像に分離させ、それぞれの光を右目用及び左眼用の導光手段２００，２００へ導く構成としてもよい。
【００２９】
さらに、図示しないが、表示画像生成手段１００と導光手段２００との間には、空気或いは透明プラスチックやガラスなどの導光媒質があったり、さらにはレンズがあったり、ＨＭＤ の光学仕様によって種々の光学要素が配置されるようになっている。
【００３０】
次いで、右目用及び左眼用の導光手段２００，２００について、説明する。図２は、ヘッドマウントディスプレイ１０の内部構造の構成を模式的に示す上面図であり、図３は、本実施形態に係る接眼レンズ２２０を示す斜視図である。なお、本実施形態においては、便宜上左右一対の導光手段２００のうち、使用者の左眼に対応する左側の構成のみ説明し、右側の構成については省略する。また、図２に示す表示画像生成手段１００は、図１（ａ）で示した一対の表示画面生成手段１００，１００の一方のみを表示して説明するものとする。
【００３１】
図２に示すように、導光手段２００は、左眼の前方に設けられ、表示画像生成手段１００から射出された映像光を左眼に入射させる光学系装置であり、偏光ビームスプリッター２１０と、接眼レンズ２２０と、偏光板２１２とから構成されている。
【００３２】
偏光板２１２は、入射された外光のうち、第１の偏光方位角において振動する第１の偏光成分である偏光（偏光ビームスプリッター２１０に対してｐ偏光となる偏光）のみを透過する透過偏光部材である。この偏光板２１２は、本実施形態では、観察者の眼（図では左眼８１ａ）の前方に位置された偏光ビームスプリッター２１０の、外界側の端面である、第１の端面２１０ａに配置される。この偏光板２１２は、例えば、染色されたＰＶＡ（ポリビニルアルコール）からなる偏光素子を、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）からなる２枚の保護膜で挟み込んだ三層構造からなる。
【００３３】
偏光ビームスプリッター２１０は、外界から射出された外光のうち、ｐ偏光と、表示装置１０１から放射されたｓ偏光とを合成して、接眼レンズ２２０に入射させる合成部であり、本実施形態では、三角柱状をなすガラス製の２つのプリズム部品を貼り合わせて構成されて全体として正方体の形状をなしている。なお、本実施形態では、これら２つのプリズム部品を、同一の屈折率の屈折材料で形成するが、異なる屈折率の屈折材料を用いることもできる。
【００３４】
そして、この偏光ビームスプリッター２１０は、偏光板２１２から射出された第１の偏光成分が入射される第１の端面２１０ａと、表示装置１０１から放射されたｓ偏光が入射される第２の端面２１０ｂと、外光であるｐ偏光と映像光であるｐ偏光とを射出する第３の端面２１０ｃと、第２の端面２１０ｂと対向位置に配置される第４の端面２１０ｄとを備えている。
【００３５】
また、偏光ビームスプリッター２１０には、２つのプリズム部品の接合面に沿って、入射される映像光に対して略４５度の角度を有した偏光反射面２１１が形成されている。この偏光反射面２１１は、例えば、誘導体多層膜で構成され、第１の端面２１０ａから入射されたｐ偏光を透過させるとともに、第２の端面２１０ｂから入射されたｓ偏光を反射させる。なお、偏光板２１２の透過率は４０％程度とし、偏光板２１２によってに外光の輝度を低減させるようになっている。
【００３６】
このような構成により、偏光板２１２から射出されたｐ偏光と、表示装置１０１から放射されたｓ偏光とを、偏光ビームスプリッター２１０により合成して接眼レンズ２２０に入射させることとなる。
【００３７】
一方、接眼レンズ２２０は、使用者の眼前に配置され、表示装置１０１によって表示された映像の拡大された虚像を、使用者の眼に提示するレンズ部材であり、本実施形態では、図３に示すように、第１のレンズ２２１と第２のレンズ２２２とから構成されている。
【００３８】
第１のレンズ２２１は、第１の偏光方位角及び第２の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎ１となる等方屈折材料で形成されたレンズである。本実施形態では、第１のレンズ２２１としてガラスを用いており、第１の偏光方位角と第２の偏光方位角の屈折率ｎ１は、いずれも１．４９となっている。
【００３９】
第２のレンズ２２２は、第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎｅ＝ｎ１となるとともに、第１の偏光方位角とは異なる第２の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎｅとは異なる第２の屈折率ｎｏとなる複屈折材料で形成されたレンズである。本実施形態では、第２のレンズ２２２としては方解石を用いており、第１の屈折率ｎｅは１．４９となっており、第２の屈折率ｎｏは１．６６となっている。
【００４０】
そして、本実施形態では、第１のレンズ２２１は、第２のレンズ２２２との界面が凹面に形成され、界面と対向する面が平面に形成された平凹レンズであり、第２のレンズ２２２は、界面が凸面に形成され、界面と対向する面が平面に形成された平凸レンズであり、凹面と凸面の曲面形状が同一となっている。
【００４１】
そして、凸面形状に研磨した第２のレンズ２２２と、その凸面と同じ曲率半径の凹面形状に研磨された第１のレンズ２２１とを貼り合わせることで、第１のレンズ２２１及び第２のレンズ２２２は、それぞれの第１の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が一致するように接合され、第２の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なるようになっている。
【００４２】
このような接眼レンズ２２０は、第１のレンズ２２１と第２のレンズ２２２が接合された界面において、相互に一致された第１の偏光方位角については、第１の屈折率ｎｏ＝ｎ１となる屈折材料同士が接触されているため屈折率差がほとんど無く、第２の偏光方位角については、異なる屈折率の屈折材料同士が接触されているため、屈折率差が生じることとなる。
【００４３】
これにより、第１の偏光方位角の偏光成分であるｐ偏光と第２の偏光方位角の偏光成分であるｓ偏光とが合成された光が入射された場合には、ｐ偏光については屈折することなく界面を透過し、ｓ偏光については屈折率差に応じて屈折されて透過することとなる。
【００４４】
また、本実施形態において、この接眼レンズ２２０は、第１のレンズ２２１と第２のレンズ２２２との界面にレンズが形成されているので、第１の偏光方位角において振動するｐ偏光については、界面（曲面）に屈折率差が殆どなく、且つ、光の入射面と出射面がともに平面であるため、レンズ作用を受けることなく界面を透過する。一方、第２の偏光方位角において振動するｓ偏光については、界面（曲面）に屈折率差があるために、界面を透過する際に凸レンズ作用を受けることとなる。
【００４５】
このような本実施形態では、偏光反射面２１１により、偏光板２１２から入射された光を透過させるとともに、表示装置１０１から入射された光を反射させるという簡単な構成により偏光板２１２からの光と、表示装置１０１からの光とを合成して、偏光ビームスプリッター２１０に入射させることができる。
【００４６】
そして、偏光板２１２から射出されたｐ偏光と、表示装置１０１から放射されたｓ偏光とを、偏光ビームスプリッター２１０により合成して接眼レンズ２２０に入射させ、接眼レンズ２２０において、ｐ偏光を屈折させることなく透過させるとともに、ｓ偏光を屈折させて透過させて、観察者の眼前に観察可能に提示することができる。
【００４７】
この結果、偏光板２１２に外界からの外光を入射させた場合には、外界の景色と、表示装置１０１からの虚像を合成して提示するシースルー型の表示装置を構成することができる。この場合、表示装置１０１に表示される映像は接眼レンズ２２０の凸レンズ作用を受けて拡大された虚像として眼前に提示され、外光は接眼レンズ２２０で屈折することなくそのまま接眼レンズ２２０を透過し、観察者に外界を歪みなく提示することができる。
【００４８】
このとき、偏光板２１２は、特定の方向の偏光（偏光ビームスプリッタにおけるｐ偏光）のみを透過させるため、外光は偏光板２１２を透過する際に減衰されることとなり、外光の強度を弱めることができ、明るい屋外でも表示装置１０１による虚像のコントラストを向上させることができる。
【００４９】
さらに、本実施形態では、偏光板２１２の透過率は４０％程度なので、偏光板２１２によって外光の強度が減少されて眼に入射される一方、表示装置１０１から出る映像光は、偏光板２１２を通過しないため、映像光の強度は殆ど減少しない。したがって、明るい屋外でもコントラストが高い映像表示を見ることができる。
【００５０】
＜Ｂ：変更例＞
なお、上述した各実施形態の説明は、本発明の一例である。このため、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることはもちろんである。なお、本変更例においても、上述した各実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その機能等は特に言及しない限り同一であり、その説明は省略する。
【００５１】
例えば、上述した実施形態では、表示装置として表示装置１０１を用いたが、これに限定するものではなく、特定の偏光成分をもつ光を出射できればよく、例えば、液晶表示素子を用い、光を放射する面に、第２の偏光方位角に振動するｓ偏光のみを透過させる偏光板或いは偏光変換素子１１０を備えた有機ＥＬ表示装置１０１ｃとしてもよい。
【００５２】
この偏光変換素子１１０を用いた有機ＥＬ表示装置について説明する。図４は、本変更例に係る有機ＥＬ表示装置１０１ｃの内部構造を模式的に示す断面図である。有機ＥＬ表示装置１０１ｃは、金属陰極１１１と、有機発光層１１２と、ＩＴＯ電極１１３と、λ
／４フィルム１１５と、反射型偏光板１１６とを備えている。
【００５３】
金属陰極１１１は、有機ＥＬ装置の電極として機能すると共に、反射層としても機能する電極である。有機発光層１１２は、複数の有機ＥＬ薄膜を備えている。ＩＴＯ電極１１３は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透光性且つ導電性をもつ画素電極である。
【００５４】
反射型偏光板１１６は、入射光のうち特定の方向に振動する第１の直線偏光成分を反射させ、それに直交する方向に振動する第２の直線偏光成分については透過させる部材である。λ／４フィルム１１５は、直交する偏光成分の間に９０度の位相差を生じさせる複屈折素子であり、円偏光（楕円偏光）を直線偏光に変換、あるいは円偏光を直線偏光に変換する。
【００５５】
このような構成により、例えば左回りの円偏光はλ／４フィルム１１５により反射型偏光板を透過できる第２の直線偏光に変換され、反射型偏光板１１６を透過して射出される。一方、右回りの円偏光はλ／４フィルム１１５により反射型偏光板で反射される第１の直線偏光に変換され、反射型偏光板１１６によって反射され、金属陰極１１１に入射されて反射する際に左回りの円偏光に変換され、その後、λ／４フィルム１１５により反射型偏光板を透過できる第２の直線偏光に変換され、反射型偏光板１１６を透過して射出される。この場合には、表示装置の用途に応じて、各表示素子の特性を活かした映像を提示することができる。
【００５６】
また、上述した実施形態における接眼レンズ２２０は、第１のレンズ２２１の界面が凹面に形成され、第２のレンズ２２２の界面が凸凹面に形成された構成としたが、これに限定するものではなく、第１のレンズ２２１及び第２のレンズ２２２は、一方の偏光方位角においてそれぞれの屈折率が一致するように接合され、それに直交する偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なる構成となればよい。例えば、図５（ａ）に示すように、第１のレンズ２２１ａは、第２のレンズ２２２ａとの界面が凸面に形成され、第２のレンズ２２２は界面が凹面に形成された構成としてもよい。なお、この場合であっても、凸面と凹面の曲面形状は同一である。
【００５７】
この場合、複屈折材料から成る第２のレンズ２２２ａにおける第１の屈折率ｎｏを１．６６、第２の屈折率ｎｅを１．４９とし、さらに、等方屈折材料から成る第１のレンズ２２１ａにおける屈折率ｎ１を１．６６として、第２のレンズ２２２ａにおいて第２の偏光方位角における屈折率ｎｅが、第１の偏光方位角の屈折率ｎｏ＝ｎ１よりも小さくなる構成とする。このような構成でも凸レンズ作用を実現できる。
【００５８】
さらに、上述した実施形態では、第１のレンズ２２１は、界面と対向する端面が平面に形成された平レンズとし、第２のレンズ２２２は、界面と対向する端面が平面に形成された平レンズとしたが、これに限定するものではなく、第１のレンズ２２１と第２のレンズ２２２との、界面と対向するそれぞれの端面の曲率が同一であればよく、例えば、図５（ｂ）に示すように、湾曲状の端面Ａ，Ｂとしてもよい。
【００５９】
この場合であっても、第１のレンズ２２１ｂ及び第２のレンズ２２２ｂは、それぞれの第１の偏光方位角の偏光に対する屈折率が相互に一致するように接合され、第２の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なるようになり、その結果、偏光板２１２から射出されたｐ偏光と、表示装置１０１から放射されたｓ偏光とを、偏光ビームスプリッター２１０により合成して接眼レンズ２２０に入射させ、接眼レンズ２２０において、ｐ偏光を屈折させることなく透過させるとともに、ｓ偏光を屈折させて透過させて、観察者の眼前に、表示装置に表示される画像の拡大された虚像を観察可能に提示することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０，１０ａ…ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、１１…ＨＭＤ本体、１２…装着部、８０…頭部、８１…両眼、８１ａ…左眼、１００…表示画像生成手段、１０１，１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ…表示装置、１０２…対物レンズ、１０２ｂ…対物レンズ、１０３，１０３ｂ…映像光分離装置、１０３ａ，１０３ａ…反射ミラー、１１０…偏光変換素子、１１１…金属陰極、１１２…有機発光層、１１３…ＩＴＯ電極、１１５…λ／４フィルム、１１６…反射型偏光板、２００…導光手段、２１０…偏光ビームスプリッター（合成部）、２１０ａ…第１の端面、２１０ｂ…第２の端面、２１０ｃ…第３の端面、２１０ｄ…第４の端面、２１１…偏光反射面、２１２…偏光板、２２０…接眼レンズ、２２１，２２１ａ，２２１ｂ…第１のレンズ、２２２，２２２ａ，２２２ｂ…第２のレンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各屈折材料の屈折率が異なる偏光装置、及びその偏光装置を備えた表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）と呼ばれる頭部装着型の表示装置が開発されている。この頭部装着型表示装置では、観察者の眼前に設置した液晶パネルや有機ＥＬパネル等のディスプレイ上に光学像を形成し、その光学像を、接眼レンズやハーフミラー等を有する光学系を介して拡大して観察者の眼に結像させることによって、画像表示を行う。このＨＭＤには、表示素子に表示された画像の虚像を外界に重ね合わせて見ることができる、いわゆるシースルー型のＨＭＤもある。
【０００３】
ここで、通常、ＨＭＤでは、観察者が虚像を結像させるために眼前に屈折力をもつレンズ面が配置されるため、このような構成を有するシースルー型のＨＤＭで、レンズ面を通して外界を見ると、レンズ面による光の屈折のために外界が歪んでしまうという問題がある。このようなレンズ面による外界の歪みを補正するために、レンズ面による屈折を打ち消すための補償レンズ要素を配置する技術がある（例えば、特許文献１及び２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７７７５号公報
【特許文献２】特開２００１−３１１９０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で開示されている技術では、外界からの光（以降、外光と表現する）が減衰することなく眼に入るので、表示素子の虚像の視認性を向上させるためには、表示素子の輝度（コントラスト）を高くする必要があり、表示に必要な電力を低くできないという問題点がある。
【０００６】
また、特許文献２に開示された技術では、虚像を生成するためのレンズ面にハーフミラーを形成しているため、表示素子からの光についても減衰させてしまい、虚像の輝度が低くなるという問題点がある。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、表示素子からの光は最大限利用し、外光をある程度減衰させ、シースルー方式でありながら表示画像のコントラストを高くすることができる偏光装置及び表示装置を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決するため、本発明に係る偏光装置は、第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率となる屈折材料で形成された第１のレンズと、第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率となるとともに、前記第１の偏光方位角とは異なる第２の偏光方位角における屈折率が前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率となる屈折材料で形成された第２のレンズとを有し、前記第１及び第２のレンズは、それぞれの前記第１の偏光方位角が相互に一致するように接合され、前記第２の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なることを特徴とする。
【０００９】
ここで、上記第１のレンズとしては、第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率となるとともに、他の偏光方位角における屈折率が、第２のレンズにおける第２の偏光方位角の屈折率と異なる屈折材料で形成されていればよく、全ての偏光方位角における屈折率が等しい等方屈折材料を用いることができる。一方、上記第２のレンズとしては、少なくとも２つの偏光方位角における屈折率が相互に異なる屈折材料で形成されていなければならず、方解石等の複屈折材料を用いる。
【００１０】
このような本発明の偏光装置によれば、第１のレンズと第２のレンズが接合された界面において、相互に一致された第１の偏光方位角については、第１の屈折率となる屈折材料同士が接触されているため屈折率差が小さく、第２の偏光方位角については、異なる屈折率の屈折材料同士が接触されているため、屈折率差が生じることとなる。これにより、第１の偏光方位角の偏光成分と第２の偏光方位角の偏光成分とが合成された光が入射された場合には、第１の偏光方位角の偏光成分については屈折することなく界面を透過し、第２の偏光方位角の偏光成分については屈折率差に応じて屈折されて透過することとなる。
【００１１】
上述した偏光装置では、前記第１のレンズは、前記第２のレンズとの界面が凹面に形成され、前記界面と対向する面が平面に形成された平凹レンズであり、前記第２のレンズは、前記界面が凸面に形成され、前記界面と対向する面が平面に形成された平凸レンズであり、前記凹面と前記凸面の曲面形状が同一であることが好ましい。
【００１２】
この場合には、第１のレンズと第２のレンズとの界面にレンズが形成される。第１の偏光方位角において振動する第１の偏光成分については、界面（曲面）に屈折率差が殆どなく、且つ、光の入射面と出射面がともに平面であるため、レンズ作用を受けることなく界面を透過する。一方、第２の偏光方位角において振動する第２の偏光成分については、界面（曲面）に屈折率差があるために、界面を透過する際に凸レンズ作用を受けることとなる。
【００１３】
また、本発明に係る表示装置は、上記の偏光装置のいずれかを備えた表示装置であって、入射光のうち、前記第１の偏光方位角において振動する第１の偏光成分のみを透過する透過偏光部と、前記第２の偏光方位角において振動する第２の偏光成分のみを放射する表示部と、前記透過偏光部から射出された前記第１の偏光成分と、前記表示部から放射された前記第２の偏光成分とを合成して、前記偏光装置に入射させる合成部と、前記表示部からの拡大された虚像を、前記偏光装置を通じて観察者の眼前に観察可能に提示する光学系とを備えることを特徴とする。
【００１４】
このような表示装置によれば、透過偏光部から射出された第１の偏光成分と、表示部から放射された第２の偏光成分とを、合成部により合成して偏光装置に入射させ、偏光装置において、第１の偏光成分を屈折させることなく透過させるとともに、第２の偏光成分を屈折、結像させ、表示素子に表示された映像の拡大虚像を観察者の眼前に観察可能に提示することができる。
【００１５】
この結果、透過偏光部に外界からの外光を入射させた場合には、外界の景色と、表示部からの虚像を合成して提示するシースルー型の表示装置を構成することができる。この場合、表示部に表示される映像は接眼レンズとして機能する偏光装置により拡大された虚像として眼前に提示され、外光は屈折することなくそのまま偏光装置を透過し、観察者に外界を歪みなく提示することができる。
【００１６】
このとき、透過偏光部は外光の第１の偏光成分のみを透過させるため、外光は透過偏光部を透過する際に減衰されることとなり、外光の強度を弱めることができ、明るい屋外でも表示部による虚像のコントラストを向上させることができる。
【００１７】
上述した表示装置においては、前記合成部が、前記透過偏光部から射出された前記第１の偏光成分が入射される第１の端面と、前記表示部から放射された前記第２の偏光成分が入射される第２の端面と、前記第１の端面から入射された前記第１の偏光成分を透過させるとともに、前記第２の端面から入射された前記第２の偏光成分を反射させる偏光反射面と、前記偏光反射面を透過した前記第１の偏光成分と、前記偏光反射面で反射された前記第２の偏光成分とを射出する第３の端面とを備え、前記透過偏光部が、前記第１の端面に配置された偏光板であることが好ましい。
【００１８】
この場合には、偏光反射面により、透過偏光部から入射された光を透過させるとともに、表示部から入射された光を反射させるという簡単な構成により透過偏光部からの光と、表示部からの光とを合成して、偏光装置に入射させることができる。
【００１９】
また、上述した表示装置においては、前記表示部として、液晶表示素子を用いることができ、また、光を放射する面に、前記第２の偏光方位に振動する第２の偏光成分のみを透過させる偏光板或いは偏光変換素子を備えた有機ＥＬ表示素子を用いることができる。これらの場合には、表示装置の用途に応じて、各表示素子の特性を活かした映像を提示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１０を模式的に示す上面図である。
【図２】ヘッドマウントディスプレイ１０の内部構造の構成を模式的に示す上面図である。
【図３】接眼レンズ２２０を示す斜視図である。
【図４】変更例に係る有機ＥＬ表示装置１０１ｃの内部構造を模式的に示す断面図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、変更例に係る接眼レンズ２２０を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付の図面を参照しながら本発明に係る様々な実施の形態を説明する。なお、図面においては、各部の寸法の比率は実際のものとは適宜に異ならせてある。なお、本実施形態においては、第１の偏光方位角をｘ方向とし、第２の偏光方位角をｚ方向とする。
【００２２】
＜Ａ：全体構成＞
図１（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと称する）１０の内部構造を模式的に示す上面図である。図１を示すように、ＨＭＤ１０は、少なくとも、頭部８０に装着可能な装着部１２と、装着部１２，１２に連結されて人の両眼８１の前方に配置されるＨＭＤ本体１１とを備えている。
【００２３】
装着部１２は、図１に示すように、ＨＭＤ本体１１の両端から内側に延びる一対のテンプルからなり、両側頭部と接触してＨＭＤ１０を頭部８０に固定するようになっている。
【００２４】
ＨＭＤ本体１１は、使用者の眼前に筐体が配置され、その筐体の内部に表示画像生成手段１００と、導光手段２００とを備えている。なお、ＨＭＤ本体１１の筐体は、前方が開放状態であるか、若しくはガラス等の透明な部材が配置された状態となっている。
【００２５】
表示画像生成手段１００は、映像光を射出してその映像光を入射方向に対して直交する２つの方向に分離する光学系であり、頭部８０の中心部分に設けられている。本実施形態において、表示画像生成手段１００は、表示装置１０１と、対物レンズ１０２と、映像光分離装置１０３とから構成されている。
【００２６】
表示装置１０１は、本実施形態では透過型液晶パネルである。バックライトユニットは、照明光を射出する光源を複数備えており、光源としては、ＬＥＤ（発光ダイオード）が好適に用いられる。また、表示装置１０１には、ディスプレイに対する画像信号、走査信号の供給、及び光源の駆動の制御を行う駆動回路が備えてある。また、この制御手段にはメモリ装置が接続され、さらに外部装置に接続するための外部接続装置が接続されている。
【００２７】
映像光分離装置１０３は、表示部に表示される映像を左右の眼に振分け、偏光装置を通じて観察者の眼前に観察可能に提示する光学系であり、例えば、反射ミラーや、偏光ビームスプリッター等の種々の装置が用いられる。対物レンズ１０２は、表示装置１０１から射出された映像光を所定の倍率で収束して、映像光分離装置１０３へ入射させるレンズであり、映像光分離装置１０３と表示装置１０１との間に備えられている。なお、提示すべき虚像のサイズが小さい場合には対物レンズ１０２を省くことも可能である。
【００２８】
なお、このような表示画像生成手段１００は、種々の構成を採用することができる。例えば、図１（ａ）に示すように、左右対称となる一対の表示装置１０１ａ，１０１ａと、対物レンズ１０２ａ，１０２ａと、反射ミラー１０３ａ，１０３ａとを備え、一方の表示装置１０１ａから射出した映像光を右目用の導光手段２００へ導き、他方の表示装置１０１ａから射出した映像光を右目用の導光手段２００へ導く構成としてもよい。また、例えば、図１（ｂ）に示すように、１つの表示装置１０１ｂを用いて、この液晶装置から射出された映像光を、対物レンズ１０２ｂ及び映像光分離装置１０３ｂによって、右目用及び左眼用の映像に分離させ、それぞれの光を右目用及び左眼用の導光手段２００，２００へ導く構成としてもよい。
【００２９】
さらに、図示しないが、表示画像生成手段１００と導光手段２００との間には、空気或いは透明プラスチックやガラスなどの導光媒質があったり、さらにはレンズがあったり、ＨＭＤ の光学仕様によって種々の光学要素が配置されるようになっている。
【００３０】
次いで、右目用及び左眼用の導光手段２００，２００について、説明する。図２は、ヘッドマウントディスプレイ１０の内部構造の構成を模式的に示す上面図であり、図３は、本実施形態に係る接眼レンズ２２０を示す斜視図である。なお、本実施形態においては、便宜上左右一対の導光手段２００のうち、使用者の左眼に対応する左側の構成のみ説明し、右側の構成については省略する。また、図２に示す表示画像生成手段１００は、図１（ａ）で示した一対の表示画面生成手段１００，１００の一方のみを表示して説明するものとする。
【００３１】
図２に示すように、導光手段２００は、左眼の前方に設けられ、表示画像生成手段１００から射出された映像光を左眼に入射させる光学系装置であり、偏光ビームスプリッター２１０と、接眼レンズ２２０と、偏光板２１２とから構成されている。
【００３２】
偏光板２１２は、入射された外光のうち、第１の偏光方位角において振動する第１の偏光成分である偏光（偏光ビームスプリッター２１０に対してｐ偏光となる偏光）のみを透過する透過偏光部材である。この偏光板２１２は、本実施形態では、観察者の眼（図では左眼８１ａ）の前方に位置された偏光ビームスプリッター２１０の、外界側の端面である、第１の端面２１０ａに配置される。この偏光板２１２は、例えば、染色されたＰＶＡ（ポリビニルアルコール）からなる偏光素子を、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）からなる２枚の保護膜で挟み込んだ三層構造からなる。
【００３３】
偏光ビームスプリッター２１０は、外界から射出された外光のうち、ｐ偏光と、表示装置１０１から放射されたｓ偏光とを合成して、接眼レンズ２２０に入射させる合成部であり、本実施形態では、三角柱状をなすガラス製の２つのプリズム部品を貼り合わせて構成されて全体として正方体の形状をなしている。なお、本実施形態では、これら２つのプリズム部品を、同一の屈折率の屈折材料で形成するが、異なる屈折率の屈折材料を用いることもできる。
【００３４】
そして、この偏光ビームスプリッター２１０は、偏光板２１２から射出された第１の偏光成分が入射される第１の端面２１０ａと、表示装置１０１から放射されたｓ偏光が入射される第２の端面２１０ｂと、外光であるｐ偏光と映像光であるｐ偏光とを射出する第３の端面２１０ｃと、第２の端面２１０ｂと対向位置に配置される第４の端面２１０ｄとを備えている。
【００３５】
また、偏光ビームスプリッター２１０には、２つのプリズム部品の接合面に沿って、入射される映像光に対して略４５度の角度を有した偏光反射面２１１が形成されている。この偏光反射面２１１は、例えば、誘導体多層膜で構成され、第１の端面２１０ａから入射されたｐ偏光を透過させるとともに、第２の端面２１０ｂから入射されたｓ偏光を反射させる。なお、偏光板２１２の透過率は４０％程度とし、偏光板２１２によってに外光の輝度を低減させるようになっている。
【００３６】
このような構成により、偏光板２１２から射出されたｐ偏光と、表示装置１０１から放射されたｓ偏光とを、偏光ビームスプリッター２１０により合成して接眼レンズ２２０に入射させることとなる。
【００３７】
一方、接眼レンズ２２０は、使用者の眼前に配置され、表示装置１０１によって表示された映像の拡大された虚像を、使用者の眼に提示するレンズ部材であり、本実施形態では、図３に示すように、第１のレンズ２２１と第２のレンズ２２２とから構成されている。
【００３８】
第１のレンズ２２１は、第１の偏光方位角及び第２の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎ１となる等方屈折材料で形成されたレンズである。本実施形態では、第１のレンズ２２１としてガラスを用いており、第１の偏光方位角と第２の偏光方位角の屈折率ｎ１は、いずれも１．４９となっている。
【００３９】
第２のレンズ２２２は、第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎｅ＝ｎ１となるとともに、第１の偏光方位角とは異なる第２の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率ｎｅとは異なる第２の屈折率ｎｏとなる複屈折材料で形成されたレンズである。本実施形態では、第２のレンズ２２２としては方解石を用いており、第１の屈折率ｎｅは１．４９となっており、第２の屈折率ｎｏは１．６６となっている。
【００４０】
そして、本実施形態では、第１のレンズ２２１は、第２のレンズ２２２との界面が凹面に形成され、界面と対向する面が平面に形成された平凹レンズであり、第２のレンズ２２２は、界面が凸面に形成され、界面と対向する面が平面に形成された平凸レンズであり、凹面と凸面の曲面形状が同一となっている。
【００４１】
そして、凸面形状に研磨した第２のレンズ２２２と、その凸面と同じ曲率半径の凹面形状に研磨された第１のレンズ２２１とを貼り合わせることで、第１のレンズ２２１及び第２のレンズ２２２は、それぞれの第１の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が一致するように接合され、第２の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なるようになっている。
【００４２】
このような接眼レンズ２２０は、第１のレンズ２２１と第２のレンズ２２２が接合された界面において、相互に一致された第１の偏光方位角については、第１の屈折率ｎｏ＝ｎ１となる屈折材料同士が接触されているため屈折率差がほとんど無く、第２の偏光方位角については、異なる屈折率の屈折材料同士が接触されているため、屈折率差が生じることとなる。
【００４３】
これにより、第１の偏光方位角の偏光成分であるｐ偏光と第２の偏光方位角の偏光成分であるｓ偏光とが合成された光が入射された場合には、ｐ偏光については屈折することなく界面を透過し、ｓ偏光については屈折率差に応じて屈折されて透過することとなる。
【００４４】
また、本実施形態において、この接眼レンズ２２０は、第１のレンズ２２１と第２のレンズ２２２との界面にレンズが形成されているので、第１の偏光方位角において振動するｐ偏光については、界面（曲面）に屈折率差が殆どなく、且つ、光の入射面と出射面がともに平面であるため、レンズ作用を受けることなく界面を透過する。一方、第２の偏光方位角において振動するｓ偏光については、界面（曲面）に屈折率差があるために、界面を透過する際に凸レンズ作用を受けることとなる。
【００４５】
このような本実施形態では、偏光反射面２１１により、偏光板２１２から入射された光を透過させるとともに、表示装置１０１から入射された光を反射させるという簡単な構成により偏光板２１２からの光と、表示装置１０１からの光とを合成して、偏光ビームスプリッター２１０に入射させることができる。
【００４６】
そして、偏光板２１２から射出されたｐ偏光と、表示装置１０１から放射されたｓ偏光とを、偏光ビームスプリッター２１０により合成して接眼レンズ２２０に入射させ、接眼レンズ２２０において、ｐ偏光を屈折させることなく透過させるとともに、ｓ偏光を屈折させて透過させて、観察者の眼前に観察可能に提示することができる。
【００４７】
この結果、偏光板２１２に外界からの外光を入射させた場合には、外界の景色と、表示装置１０１からの虚像を合成して提示するシースルー型の表示装置を構成することができる。この場合、表示装置１０１に表示される映像は接眼レンズ２２０の凸レンズ作用を受けて拡大された虚像として眼前に提示され、外光は接眼レンズ２２０で屈折することなくそのまま接眼レンズ２２０を透過し、観察者に外界を歪みなく提示することができる。
【００４８】
このとき、偏光板２１２は、特定の方向の偏光（偏光ビームスプリッタにおけるｐ偏光）のみを透過させるため、外光は偏光板２１２を透過する際に減衰されることとなり、外光の強度を弱めることができ、明るい屋外でも表示装置１０１による虚像のコントラストを向上させることができる。
【００４９】
さらに、本実施形態では、偏光板２１２の透過率は４０％程度なので、偏光板２１２によって外光の強度が減少されて眼に入射される一方、表示装置１０１から出る映像光は、偏光板２１２を通過しないため、映像光の強度は殆ど減少しない。したがって、明るい屋外でもコントラストが高い映像表示を見ることができる。
【００５０】
＜Ｂ：変更例＞
なお、上述した各実施形態の説明は、本発明の一例である。このため、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることはもちろんである。なお、本変更例においても、上述した各実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、その機能等は特に言及しない限り同一であり、その説明は省略する。
【００５１】
例えば、上述した実施形態では、表示装置として表示装置１０１を用いたが、これに限定するものではなく、特定の偏光成分をもつ光を出射できればよく、例えば、液晶表示素子を用い、光を放射する面に、第２の偏光方位角に振動するｓ偏光のみを透過させる偏光板或いは偏光変換素子１１０を備えた有機ＥＬ表示装置１０１ｃとしてもよい。
【００５２】
この偏光変換素子１１０を用いた有機ＥＬ表示装置について説明する。図４は、本変更例に係る有機ＥＬ表示装置１０１ｃの内部構造を模式的に示す断面図である。有機ＥＬ表示装置１０１ｃは、金属陰極１１１と、有機発光層１１２と、ＩＴＯ電極１１３と、λ
／４フィルム１１５と、反射型偏光板１１６とを備えている。
【００５３】
金属陰極１１１は、有機ＥＬ装置の電極として機能すると共に、反射層としても機能する電極である。有機発光層１１２は、複数の有機ＥＬ薄膜を備えている。ＩＴＯ電極１１３は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）などの透光性且つ導電性をもつ画素電極である。
【００５４】
反射型偏光板１１６は、入射光のうち特定の方向に振動する第１の直線偏光成分を反射させ、それに直交する方向に振動する第２の直線偏光成分については透過させる部材である。λ／４フィルム１１５は、直交する偏光成分の間に９０度の位相差を生じさせる複屈折素子であり、円偏光（楕円偏光）を直線偏光に変換、あるいは円偏光を直線偏光に変換する。
【００５５】
このような構成により、例えば左回りの円偏光はλ／４フィルム１１５により反射型偏光板を透過できる第２の直線偏光に変換され、反射型偏光板１１６を透過して射出される。一方、右回りの円偏光はλ／４フィルム１１５により反射型偏光板で反射される第１の直線偏光に変換され、反射型偏光板１１６によって反射され、金属陰極１１１に入射されて反射する際に左回りの円偏光に変換され、その後、λ／４フィルム１１５により反射型偏光板を透過できる第２の直線偏光に変換され、反射型偏光板１１６を透過して射出される。この場合には、表示装置の用途に応じて、各表示素子の特性を活かした映像を提示することができる。
【００５６】
また、上述した実施形態における接眼レンズ２２０は、第１のレンズ２２１の界面が凹面に形成され、第２のレンズ２２２の界面が凸凹面に形成された構成としたが、これに限定するものではなく、第１のレンズ２２１及び第２のレンズ２２２は、一方の偏光方位角においてそれぞれの屈折率が一致するように接合され、それに直交する偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なる構成となればよい。例えば、図５（ａ）に示すように、第１のレンズ２２１ａは、第２のレンズ２２２ａとの界面が凸面に形成され、第２のレンズ２２２は界面が凹面に形成された構成としてもよい。なお、この場合であっても、凸面と凹面の曲面形状は同一である。
【００５７】
この場合、複屈折材料から成る第２のレンズ２２２ａにおける第１の屈折率ｎｏを１．６６、第２の屈折率ｎｅを１．４９とし、さらに、等方屈折材料から成る第１のレンズ２２１ａにおける屈折率ｎ１を１．６６として、第２のレンズ２２２ａにおいて第２の偏光方位角における屈折率ｎｅが、第１の偏光方位角の屈折率ｎｏ＝ｎ１よりも小さくなる構成とする。このような構成でも凸レンズ作用を実現できる。
【００５８】
さらに、上述した実施形態では、第１のレンズ２２１は、界面と対向する端面が平面に形成された平レンズとし、第２のレンズ２２２は、界面と対向する端面が平面に形成された平レンズとしたが、これに限定するものではなく、第１のレンズ２２１と第２のレンズ２２２との、界面と対向するそれぞれの端面の曲率が同一であればよく、例えば、図５（ｂ）に示すように、湾曲状の端面Ａ，Ｂとしてもよい。
【００５９】
この場合であっても、第１のレンズ２２１ｂ及び第２のレンズ２２２ｂは、それぞれの第１の偏光方位角の偏光に対する屈折率が相互に一致するように接合され、第２の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なるようになり、その結果、偏光板２１２から射出されたｐ偏光と、表示装置１０１から放射されたｓ偏光とを、偏光ビームスプリッター２１０により合成して接眼レンズ２２０に入射させ、接眼レンズ２２０において、ｐ偏光を屈折させることなく透過させるとともに、ｓ偏光を屈折させて透過させて、観察者の眼前に、表示装置に表示される画像の拡大された虚像を観察可能に提示することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１０，１０ａ…ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、１１…ＨＭＤ本体、１２…装着部、８０…頭部、８１…両眼、８１ａ…左眼、１００…表示画像生成手段、１０１，１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ…表示装置、１０２…対物レンズ、１０２ｂ…対物レンズ、１０３，１０３ｂ…映像光分離装置、１０３ａ，１０３ａ…反射ミラー、１１０…偏光変換素子、１１１…金属陰極、１１２…有機発光層、１１３…ＩＴＯ電極、１１５…λ／４フィルム、１１６…反射型偏光板、２００…導光手段、２１０…偏光ビームスプリッター（合成部）、２１０ａ…第１の端面、２１０ｂ…第２の端面、２１０ｃ…第３の端面、２１０ｄ…第４の端面、２１１…偏光反射面、２１２…偏光板、２２０…接眼レンズ、２２１，２２１ａ，２２１ｂ…第１のレンズ、２２２，２２２ａ，２２２ｂ…第２のレンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率となる屈折材料で形成された第１のレンズと、
第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率となるとともに、前記第１の偏光方位角とは異なる第２の偏光方位角における屈折率が前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率となる屈折材料で形成された第２のレンズと、を有し、
前記第１及び第２のレンズは、それぞれの前記第１の偏光方位角が相互に一致するように接合され、前記第２の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なることを特徴とする偏光装置。
【請求項２】
前記第１のレンズは、前記第２のレンズとの界面が凹面に形成され、前記界面と対向する面が平面に形成された平凹レンズであり、
前記第２のレンズは、前記界面が凸面に形成され、前記界面と対向する面が平面に形成された平凸レンズであり、
前記凹面と前記凸面の曲面形状が同一であることを特徴とする請求項１記載の偏光装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された偏光装置を備えた表示装置であって、
入射光のうち、前記第１の偏光方位角において振動する第１の偏光成分のみを透過する透過偏光部と、
前記第２の偏光方位角において振動する第２の偏光成分のみを放射する表示部と、
前記透過偏光部から射出された前記第１の偏光成分と、前記表示部から放射された前記第２の偏光成分とを合成して、前記偏光装置に入射させる合成部と、
前記表示部からの拡大された虚像を、前記偏光装置を通じて観察者の眼前に観察可能に提示する光学系と、
を備えることを特徴とする表示装置。
【請求項４】
前記合成部は、
前記透過偏光部から射出された前記第１の偏光成分が入射される第１の端面と、
前記表示部から放射された前記第２の偏光成分が入射される第２の端面と、
前記第１の端面から入射された前記第１の偏光成分を透過させるとともに、前記第２の端面から入射された前記第２の偏光成分を反射させる偏光反射面と、
前記偏光反射面を透過した前記第１の偏光成分と、前記偏光反射面で反射された前記第２の偏光成分とを射出する第３の端面と
を備え、
前記透過偏光部は、前記第１の端面に配置された偏光板である
ことを特徴とする表示装置。
【請求項５】
前記表示部が液晶表示素子であることを特徴とする請求項３又は４に記載の表示装置。
【請求項６】
前記表示部が、光を放射する面に、前記第２の偏光方位に振動する第２の偏光成分のみを透過させる偏光板或いは偏光変換素子を備えた有機ＥＬ表示素子であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の表示装置。
【請求項１】
第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率となる屈折材料で形成された第１のレンズと、
第１の偏光方位角における屈折率が第１の屈折率となるとともに、前記第１の偏光方位角とは異なる第２の偏光方位角における屈折率が前記第１の屈折率とは異なる第２の屈折率となる屈折材料で形成された第２のレンズと、を有し、
前記第１及び第２のレンズは、それぞれの前記第１の偏光方位角が相互に一致するように接合され、前記第２の偏光方位角において相互に接触する各屈折材料の屈折率が異なることを特徴とする偏光装置。
【請求項２】
前記第１のレンズは、前記第２のレンズとの界面が凹面に形成され、前記界面と対向する面が平面に形成された平凹レンズであり、
前記第２のレンズは、前記界面が凸面に形成され、前記界面と対向する面が平面に形成された平凸レンズであり、
前記凹面と前記凸面の曲面形状が同一であることを特徴とする請求項１記載の偏光装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された偏光装置を備えた表示装置であって、
入射光のうち、前記第１の偏光方位角において振動する第１の偏光成分のみを透過する透過偏光部と、
前記第２の偏光方位角において振動する第２の偏光成分のみを放射する表示部と、
前記透過偏光部から射出された前記第１の偏光成分と、前記表示部から放射された前記第２の偏光成分とを合成して、前記偏光装置に入射させる合成部と、
前記表示部からの拡大された虚像を、前記偏光装置を通じて観察者の眼前に観察可能に提示する光学系と、
を備えることを特徴とする表示装置。
【請求項４】
前記合成部は、
前記透過偏光部から射出された前記第１の偏光成分が入射される第１の端面と、
前記表示部から放射された前記第２の偏光成分が入射される第２の端面と、
前記第１の端面から入射された前記第１の偏光成分を透過させるとともに、前記第２の端面から入射された前記第２の偏光成分を反射させる偏光反射面と、
前記偏光反射面を透過した前記第１の偏光成分と、前記偏光反射面で反射された前記第２の偏光成分とを射出する第３の端面と
を備え、
前記透過偏光部は、前記第１の端面に配置された偏光板である
ことを特徴とする表示装置。
【請求項５】
前記表示部が液晶表示素子であることを特徴とする請求項３又は４に記載の表示装置。
【請求項６】
前記表示部が、光を放射する面に、前記第２の偏光方位に振動する第２の偏光成分のみを透過させる偏光板或いは偏光変換素子を備えた有機ＥＬ表示素子であることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１１４０２２（Ｐ２０１３−１１４０２２Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５９９１８（Ｐ２０１１−２５９９１８）
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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