頭部装着型表示装置
【課題】頭部装着型表示装置の小型化や軽量化を実現する。
【解決手段】頭部装着型表示装置１Ａは、左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光を時間順次で射出する画像形成部２と、画像形成部２と同期して駆動され、画像形成部２から射出された左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光のうちの片方の第１の偏光を第２の偏光へ変換する液晶パネル３と、液晶パネル３から射出された第１の偏光と第２の偏光のうちの一方の偏光が透過するとともに他方の偏光が反射する特性の偏光分離面１４を含んで構成され、偏光分離面１４を透過した偏光を観察者の両眼のうちの一方へ導くとともに、偏光分離面で反射した偏光を観察者の両眼のうちの他方へ導く導光部６と、を備える。
【解決手段】頭部装着型表示装置１Ａは、左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光を時間順次で射出する画像形成部２と、画像形成部２と同期して駆動され、画像形成部２から射出された左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光のうちの片方の第１の偏光を第２の偏光へ変換する液晶パネル３と、液晶パネル３から射出された第１の偏光と第２の偏光のうちの一方の偏光が透過するとともに他方の偏光が反射する特性の偏光分離面１４を含んで構成され、偏光分離面１４を透過した偏光を観察者の両眼のうちの一方へ導くとともに、偏光分離面で反射した偏光を観察者の両眼のうちの他方へ導く導光部６と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、頭部装着型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表示装置の１つとして、頭部装着型表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。頭部装着型表示装置は、コンパクトでありながら、実質的に大画面の画像を視聴可能である。特許文献１の頭部装着型表示装置は、液晶パネルから射出される光を半透過膜分離し、分離した一方の光を左目へ導くとともに他方の光を右目へ導く構造である。
【０００３】
近年、３Ｄ画像を視聴可能な頭部装着型表示装置が期待されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の頭部装着型表示装置は、画像を外界情景に重ねて表示可能な表示部が左目用と右目用に個別に設けられており、左目と右目で異なる画像を表示可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１７７７８５号公報
【特許文献２】特開２００８−５８４６１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２のような頭部装着型表示装置は、左目用の表示部と右目用の表示部を個別に設けるので、装置の小型化や軽量化を実現することが難しい。また、各表示部から眼球に光を導く光学系を左目用と右目用のそれぞれに設けると、光学系の構成が複雑になり、装置の小型化や軽量化を実現することが難しい。このように従来の頭部装着型表示装置は、小型化や軽量化を実現することが難しく、携帯性や利便性を実現することが困難である。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑み成されたものであって、左目と右目とで異なる画像を表示可能であり、装置の小型化や軽量化を実現可能な頭部装着型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の頭部装着型表示装置は、左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光を時間順次で射出する画像形成部と、前記画像形成部と同期して駆動され、前記画像形成部から射出された前記左目用画像を示す第１の偏光と前記右目用画像を示す第１の偏光のうちの片方の第１の偏光を第２の偏光へ変換する液晶パネルと、前記液晶パネルから射出された前記第１の偏光と第２の偏光のうちの一方の偏光が透過するとともに他方の偏光が反射する特性の偏光分離面を含んで構成され、前記偏光分離面を透過した偏光を観察者の両眼のうちの一方へ導くとともに前記偏光分離面で反射した偏光を前記観察者の両眼のうちの他方へ導く導光部と、を備える。
【０００８】
上記の頭部装着型表示装置において、画像形成部から射出された左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光のうちの片方は、液晶パネルによって第２の偏光へ変換される。左目用画像を示す偏光と右目用画像を示す偏光は、互いに異なる偏光状態となり、一方の偏光が偏光分離面を透過して観察者の両眼の片方へ導光され、他方の偏光が偏光分離面で反射して観察者の両眼のもう片方へ導光される。
【０００９】
このように、同一の画像形成部で時間順次で形成された左目用画像と右目用画像とが、観察者の左目と右目とに別れて観察されるので、左目用と右目用に個別に画像形成部が設けられている構成と比較して、装置の小型化や軽量化を実現することができる。また、画像形成部は、左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光を時間順次で射出するので、画像形成部を領域分割して左目用画像と右目用画像とを同時に形成する構成と比較して、表示された画像の画素数（情報量）が劣化しない。
【００１０】
以上のように、上記の頭部装着型表示装置は、左目と右目とで異なる画像を高品質で表示可能であり、しかも装置の小型化や軽量化を実現することができる。
【００１１】
上記の頭部装着型表示装置は、前記画像形成部と前記偏光分離面との間の光路に配置され、前記偏光分離面を経由した偏光を前記観察者の左目又は右目に結像させる結像部を備えていてもよい。
【００１２】
このようにすれば、画像形成部と偏光分離面との間の光路に結像部が配置されているので、左目用画像を左目に結像させる光学系と右目画像を右目に結像させる光学系の少なくとも一部を共通化することができ、装置の小型化や軽量化を実現することができる。
【００１３】
上記の頭部装着型表示装置において、前記導光部は、前記偏光分離面から前記一方の偏光の結像面までの光路長と前記偏光分離面から前記他方の偏光の結像面までの光路長の違いによる焦点のずれを補正する焦点補正部を含んでいてもよい。
【００１４】
このようにすれば、左目用画像と右目用画像をそれぞれ同じ結像部で結像させる場合に、偏光分離面から一方の偏光の結像面までの光路長と、偏光分離面から他方の偏光の結像面までの光路長の違いに起因するピンボケ等を抑制することができる。
【００１５】
上記の頭部装着型表示装置において、前記導光部は、 前記偏光分離面を透過した偏光が入射する位置に配置された１／４波長板と、前記１／４波長板を通った偏光が反射して折り返される反射ミラーと、を含んでいてもよい。
【００１６】
このようにすれば、偏光分離面を透過した偏光は、反射ミラーで反射する前後で１／４波長板を２回通ることになり、１／４波長板へ入射前とは直交する偏光へ変換されて偏光分離面へ再度入射し、偏光分離面で反射する。このように、左目用画像を示す偏光と右目用画像を示す偏光は、その一方の偏光が反射ミラーを経由して偏光分離面で反射し、他方の偏光が反射ミラーを経由しないで偏光分離面で反射する。したがって、左目用画像を示す偏光と右目用画像を示す偏光は、液晶パネルから偏光分離面へ向う偏光の光路に関して互いに対称的に進行することになり、観察者の左目と右目とに分けて導光することが容易になる。
【００１７】
上記の頭部装着型表示装置において、前記導光部は、前記偏光分離面を透過した偏光が入射する位置に配置され、該偏光が反射する特性の反射部材を含み、前記偏光分離面を透過して前記反射部材で反射した偏光が、前記液晶パネルから前記偏光分離面へ向う偏光の光路に関して前記偏光分離面で反射した偏光とは対称的に進行するように、前記反射部材が配置されていてもよい。
【００１８】
このようにすれば、左目用画像を示す偏光と右目用画像を示す偏光は、液晶パネルから偏光分離面へ向う偏光の光路に関して互いに対称的に進行することになり、観察者の左目と右目とに分けて導光することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態の頭部装着型表示装置を示す図である。
【図２】第１実施形態の頭部装着型表示装置を示す図である。
【図３】第２実施形態の頭部装着型表示装置を示す図である。
【図４】第２実施形態の頭部装着型表示装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態及び実施例について図面を参照しながら説明する。説明に用いる図面中の構造の寸法や縮尺は、実際と異なることがある。
【００２１】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態において、右目用画像を表示するときの頭部装着型表示装置を示す図である。図２は、第１実施形態において、左目用画像を表示するときの頭部装着型表示装置を示す図である。
【００２２】
図１及び図２に示すヘッドマウントディスプレイ（頭部装着型表示装置）１Ａは、互いに異なる左目用画像と右目用画像を、時間的に切替えながら観察者の左目と右目に分けて表示することができる。上記の左目用画像及び右目用画像は、例えば両目の視差を考慮した画像であり、この場合に観察者は、３Ｄ画像を観察することができる。
【００２３】
ヘッドマウントディスプレイ１Ａは、右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１と左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２とを択一的に時間順次で射出する画像形成部２と、画像形成部２から射出された左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２を第２の偏光Ｌ３へ変換する偏光調整用の液晶パネル３と、液晶パネル３から射出された偏光が入射する位置に配置された結像部４と、結像部４を通った偏光が入射する位置に配置された偏光分離素子５を含んで構成された導光部６と、画像形成部２及び液晶パネル３を駆動する駆動部７と、を備える。
【００２４】
偏光分離素子５は、第１の偏光Ｌ２と第２の偏光Ｌ３のうちの一方の偏光が透過し、かつ他方の偏光が反射する特性の偏光分離面１４を有する。本実施形態では、第１の偏光Ｌ２が偏光分離面１４で反射し、第２の偏光Ｌ３が偏光分離面１４を透過する構成について説明する。
【００２５】
上記のヘッドマウントディスプレイ１Ａの各部は、実際には、ヘッドマウントディスプレイ１Ａの一部を構成するメガネ状のフレームに取り付けられている。観察者がこのフレームを装着すると、観察者の左目あるいは右目と、ヘッドマウントディスプレイ１Ａの各部との相対位置が固定される。導光部６は、ヘッドマウントディスプレイ１Ａを装着した観察者に対して、偏光分離素子５を透過した偏光を観察者の左目へ導くとともに、偏光分離素子５で反射した偏光を観察者の右目へ導くことができる。
【００２６】
本実施形態の画像形成部２は、光を射出する光源部１０と、光源部１０から射出された光が入射する位置に配置された入射側偏光板１１と、入射側偏光板１１を通った光が入射する位置に配置された画像形成用の液晶パネル１２と、液晶パネル１２を通った光が入射する位置に配置された射出側偏光板１３を含む。画像形成部２は、ヘッドマウントディスプレイ１Ａが観察者に装着されている状態で、左目と右目の中央付近に配置される。
【００２７】
光源部１０は、例えばバックライトであり、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子によって構成される。入射側偏光板１１及び射出側偏光板１３は、それぞれ、透過軸に平行な直線偏光が透過し、透過軸に直交する直線偏光を吸収する特性を有する。入射側偏光板１１及び射出側偏光板１３は、例えば、それぞれの透過軸が直交するように配置される。本実施形態において、射出側偏光板１３の透過軸は、偏光分離素子５の透過軸と直交するように、配置されている。
【００２８】
液晶パネル１２は、２次元的に配列された複数のサブ画素を有し、各サブ画素へ入射する光の偏光状態をサブ画素ごとに制御することができる。本実施形態において、互いに隣り合う３つのサブ画素は、それぞれ、互いに異なる波長の光が透過するカラーフィルターを有し、一組でフルカラーの１画素を構成している。本実施形態の液晶パネル１２は、各サブ画素に設けられた画素電極と、複数のサブ画素にわたって画素電極に対向する対向電極と、複数の画素電極と対向電極の間に配置された液晶層を含む。
【００２９】
本実施形態の液晶層は、誘電異方性が負の液晶材料で形成されたＶＡモードの液晶層である。液晶層は、印加される電界に応じて液晶ダイレクターが変化し、屈折率異方性が変化する。液晶層は、誘電異方性が正の液晶材料で形成されていてもよい。また、液晶パネル１２は、横電界によって液晶層を駆動するＦＦＳ方式やＩＰＳ方式の液晶パネルでもよい。
【００３０】
画像形成部２において、光源部１０から射出された光のうち入射側偏光板１１を透過した直線偏光は、液晶パネル１２へ入射する。複数のサブ画素のうち電界が印加されていないサブ画素の液晶層へ入射した直線偏光は、液晶層で偏光状態がほとんど変化せずに液晶パネル１２から射出され、そのほぼ全部が射出側偏光板１３に吸収される（ノーマリーブラック）。複数のサブ画素のうち電界が印加されているサブ画素の液晶層へ入射した直線偏光は、液晶層で電界の強さに応じて偏光状態が変化して液晶パネル１２から射出され、その偏光状態に応じた光量が射出側偏光板１３に吸収されて画素値に応じた階調の光になる。すなわち、液晶パネル３から射出された光のうち、射出側偏光板１３の透過軸に平行な偏光（第１の偏光Ｌ１又はＬ２）は、射出側偏光板１３を透過して左目用画像又は右目用画像を示す光になる。
【００３１】
なお、画像形成部２の構成は、適宜変更可能である。例えば、画像形成部２は、各サブ画素に有機ＥＬ素子が配置されて画像を形成可能な有機ＥＬパネルと、有機ＥＬパネルにより形成された画像を示す光が入射する位置に配置された射出側偏光板を含んで構成されていてもよい。また、画像形成部２は、光源部と、光源部から射出された光により画像を形成するデジタルミラーデバイスと、デジタルミラーデバイスにより形成された画像を示す光が入射する位置に配置された射出側偏光板を含んで構成されていてもよい。また、画像形成部２は、単色光で構成される画像を形成する構成でもよいし、２色又は４色以上の色光で構成される画像を形成する構成でもよい。
【００３２】
偏光調整用の液晶パネル３は、互いに対向する１対の電極と、１対の電極の間に配置された液晶層を含む。液晶パネル３は、駆動部７によって駆動され、画像形成部２から射出される偏光の中心波長にするリタデーションが１／２波長の奇数倍になるモードと、リタデーションが１／２波長の偶数倍（０を含む）になるモードとを切替えることができる。
【００３３】
本実施形態において、液晶パネル３は、画像形成用の液晶パネル１２と異なり、サブ画素を有していない。すなわち、１対の電極は、それぞれ、画像形成部２から液晶パネル１２から光が入射する領域のほぼ全体にベタ状に設けられている。なお、液晶パネル３は、複数のサブ画素を有していてもよく、液晶パネル３の各サブ画素は、画像形成用の液晶パネル１２のサブ画素の１つ又は２つ以上と対応していてもよい。
【００３４】
駆動部７は、ヘッドマウントディスプレイ１Ａの外部のＤＶＤプレイヤーやＰＣ、携帯情報端末等の信号源から画像データを有線又は無線により受信することができる。駆動部７は、外部から受信した画像データに基づき、各種配線や各種スイッチング素子を介して、液晶パネル１２の各サブ画素の画素電極に電圧を印加することができる。これにより、画素電極と対向電極との間に電界が印加され、この電界によって液晶層がサブ画素ごとに駆動される。
【００３５】
本実施形態において、１フレームの表示期間は、右目用画像の表示期間と、左目用画像の表示期間を含む。１フレームの期間は、画像データに規定されたリフレッシュレート等によって定まり、例えばリフレッシュレートが６０Ｈｚである場合に１／６０秒である。右目用画像の表示期間と左目用画像の表示期間は、互いに重複しないように設定されており、それぞれ、１。フレームの期間の半分程度に設定されている。左目用画像の表示期間と右目用画像の表示期間との間に、全黒表示の期間が設けられることもある。
【００３６】
駆動部７は、右目用画像の表示期間に、外部から受信した画像データに含まれる右目用画像を示すデータに基づいて画像形成用の液晶パネル１２を駆動し、画像形成部２に右目用画像を形成させる。本実施形態において、駆動部７は、右目用画像の表示期間に、画像形成部２から射出された右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１の偏光状態が偏光調整用の液晶パネル３でほぼ変化しないように、液晶パネル３を制御する。すなわち、右目用画像の表示期間に、右目用画像を示す光は、液晶パネル３から第１の偏光として射出される。
【００３７】
駆動部７は、左目用画像の表示期間に、外部から受信した画像データに含まれる左目用画像を示すデータに基づいて画像形成用の液晶パネル１２を駆動し、画像形成部２に左目用画像を形成させる。本実施形態において、駆動部７は、左目用画像の表示期間に、画像形成部２から射出された左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２が偏光調整用の液晶パネル３によって第１の偏光と直交する第２の偏光Ｌ３へ変換されるように、液晶パネル３を制御する。すなわち、左目用画像の表示期間に、左目用画像を示す光は、液晶パネル３から第２の偏光Ｌ３として射出される。
【００３８】
結像部４は、導光部６を経由した左目用画像を示す光が観察者の左目で結像し、導光部６を経由した右目用画像を示す光が観察者の右目で結像するように、画像形成部２から射出されて液晶パネル３を通った偏光を屈折させる。結像部４は、複数のレンズ等によって構成される。
【００３９】
上記のように、ヘッドマウントディスプレイ１Ａを装着した観察者の両目の位置に対する画像形成部２の相対位置は、フレームの形状や寸法等により定まる。結像部４は、画像形成部２から射出された偏光が観察者の左目あるいは右目で結像するように、観察者の両目と画像形成部２の相対位置に基づいて、適宜設計可能である。なお、結像部４は、観察者によってピンボケが認識されない程度の許容範囲をもって、画像形成部２から射出された偏光を結像させればよい。
【００４０】
本実施形態の導光部６は、偏光分離面１４を有する偏光分離素子５と、偏光分離面１４で反射した偏光が入射する位置に配置された右目用導光部１５と、偏光分離面１４を透過した偏光が入射する位置に配置された左目用導光部１６を含む。
【００４１】
偏光分離素子５は、透過軸に平行な偏光が透過し、かつ透過軸に直交する反射軸に平行な偏光が反射する特性を有する。本実施形態の偏光分離素子５は、画像形成部２から偏光分離素子５に向う光路（光の進行方向）に直交する面内に射影した透過軸が射出側偏光板１３の透過軸と直交するように配置されている。
【００４２】
本実施形態の偏光分離素子５は、偏光ビームスプリッタープリズムにより構成されている。偏光ビームスプリッタープリズムは、断面がほぼ直角二等辺三角形の柱状のプリズム１７を含む。以下の説明で、三角柱状のプリズムの軸方向の周囲の側面のうち、断面形状の直角二等辺三角形において互いに直交する２辺を除いた辺（斜辺）を含む面を斜面という。偏光ビームスプリッタープリズムは、１対のプリズム１７の斜面を互いに貼り合わせた直方体状である。
【００４３】
プリズム１７の斜面には、偏光分離面１４を構成する偏光ビームスプリッター膜が形成されている。本実施形態において、偏光分離面１４は、結像部４の光軸に対して略４５°の角度をなして傾斜している。本実施形態において、第１の偏光は、偏光分離面１４に対するＳ偏光であり、第２の偏光は偏光分離面１４に対するＰ偏光である。
【００４４】
なお、偏光分離素子５は、ワイヤーグリッド偏光素子によって構成されていてもよい。ワイヤーグリッド偏光素子は、ガラス等の誘電体からなる基材の表面に、互いに平行に延びる複数の金属線が形成された構造である。ワイヤーグリッド偏光素子は、金属線が延びる方向が反射軸に平行であり、複数の金属線が並ぶ方向が透過軸に平行である。ワイヤーグリッド偏光素子は、反射軸に平行かつ透過軸に平行な平面が偏光分離面である。
【００４５】
画像形成部２から射出された右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１は、偏光調整用の液晶パネル３で偏光状態がほぼ変化せずに、偏光分離素子５の反射軸に平行な直線偏光（Ｓ偏光）として偏光分離素子５へ入射し、偏光分離面１４で反射して右目用導光部１５へ入射する。また、画像形成部２から射出された左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２は、偏光調整用の液晶パネル３で第２の偏光Ｌ３へ変換され、偏光分離素子５の透過軸に平行な直線偏光（Ｐ偏光）として偏光分離素子５へ入射し、偏光分離面１４を透過して左目用導光部１６へ入射する。
【００４６】
右目用導光部１５は、偏光分離面１４で反射した偏光が入射する位置に配置されたレンズ１８と、レンズ１８を通った偏光が入射する位置に配置されたミラー１９を含む。レンズ１８は、後述するレンズ２０とともに焦点補正部２１を構成している。ミラー１９は、レンズ１８を通った光がミラー１９で反射した後に観察者の右目に向って進行するように、配置されている。
【００４７】
左目用導光部１６は、偏光分離面１４を透過した第２の偏光Ｌ３が入射する位置に配置されて第２の偏光Ｌ３が反射する特性のプリズム２２（反射部材）と、プリズム２２で反射した第２の偏光Ｌ３が入射する位置に配置されたレンズ２０と、レンズ２０を通った第２の偏光Ｌ３が入射する位置に配置されたミラー２３を含む。
【００４８】
本実施形態のプリズム２２は、断面形状がほぼ直角二等辺三角形の柱状であり、互いに直交する２辺の片方を含んだ面が偏光分離素子５のプリズム１７の外面と接触するように、配置されている。上記の外面は、画像形成部２から射出されて偏光分離面１４を透過した第２の偏光Ｌ３が偏光分離素子５から射出される面である。
【００４９】
プリズム２２は、ガラス等の誘電体からなり、例えば偏光分離素子５のプリズム１７と屈折率がほぼ同じである。すなわち、プリズム１７とプリズム２２は、光学的にほぼ連続しており、プリズム１７とプリズム２２の間の界面での光の屈折や反射等が抑制されている。
【００５０】
プリズム２２の斜面２４は、偏光分離素子５の偏光分離面１４と直交しており、偏光分離素子５の偏光分離面１４を透過した光の進行方向に対して略４５°の角度をなして傾斜している。偏光分離面１４を透過した光は、斜面２４で全反射条件を満たすことによって、斜面２４で反射する。
【００５１】
レンズ１８とレンズ２０（焦点補正部２１）は、偏光分離面１４で反射した右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１の結像面（右目）と偏光分離面１４との間の光路長と、偏光分離面１４を透過した左目用画像を示す第２の偏光Ｌ３の結像面（左目）と偏光分離面１４との間の光路長の違いによる焦点のずれを補正するように設けられている。焦点補正部２１は、必要に応じて設けられ、省略される場合もある。ミラー２３は、レンズ２０を通った光がミラー２３で反射した後に観察者の左目に向って進行するように、配置されている。
【００５２】
本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１Ａにおいて、画像形成部２から射出された右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１は、偏光分離面１４で反射して右目用導光部１５を介して観察者の右目へ導光され、右目で結像する。これにより、観察者は、右目で右目用画像を観察することができる。また、画像形成部２から射出された左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２は、液晶パネル３で変換されて第２の偏光Ｌ３となり、第２の偏光Ｌ３は、偏光分離面１４を透過して左目用導光部１６を介して、観察者の左目へ導光されて左目で結像する。これにより、観察者は、左目で左目用画像を観察することができる。このようにして、観察者は、例えば３Ｄ画像を観察することができる。
【００５３】
以上のような構成のヘッドマウントディスプレイ１Ａは、同一の画像形成部２で時間順次で形成された左目用画像と右目用画像を、それぞれ、左目と右目で別々に観察することができる。したがって、左目用の画像形成部と右目用の画像形成部が別途設けられている構成と比較して、装置の小型化や軽量化を実現することができる。
【００５４】
また、画像形成部は、右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１と左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２とを時間順次で射出するので、画像形成部を領域分割して左目用画像と右目用画像とを同時に形成する構成と比較して、表示された画像の画素数（情報量）が劣化しない。このように、ヘッドマウントディスプレイ１Ａは、左目と右目とで異なる画像を高品質で表示可能であり、しかも装置の小型化や軽量化を実現することができる。
【００５５】
また、画像形成部２と偏光分離素子５との間の光路に結像部４が配置されているので、左目用画像を左目に結像させる光学系と右目用画像を右目に結像させる光学系の少なくとも一部を共通化することができ、装置の小型化や軽量化を実現することができる。また、焦点補正部２１は、偏光分離面１４から左目用画像の結像面までの光路長と偏光分離面１４から右目用画像の結像面までの光路長の違いによる焦点のずれを補正するので、左目用画像と右目用画像のいずれについても左目に至る光路長と右目に至る光路長の違いによるピンボケ等を抑制することができる。
【００５６】
また、画像形成部２は、ヘッドマウントディスプレイ１Ａが観察者に装着されている状態で、左目と右目の中央付近に配置されており、偏光分離面１４を透過してプリズム２２の斜面２４で反射した第２の偏光Ｌ３は、液晶パネル３から偏光分離素子５へ向う偏光の光路に関して、偏光分離面１４で反射した第１の偏光Ｌ１とは対称的に進行する。したがって、左目用画像を示す第２の偏光Ｌ３を左目に導くとともに右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１を右目に導くことが容易になる。
【００５７】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態において第１実施形態と同様の構成要素については、第１実施形態と同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。第２実施形態の頭部装着型表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）は、導光部の構成が第１実施形態と異なっている。
【００５８】
図３は、第２実施形態において、右目用画像を表示するときのヘッドマウントディスプレイを示す図である。図４は、第２実施形態において、左目用画像を表示するときのヘッドマウントディスプレイを示す図である。
【００５９】
図３及び図４に示すヘッドマウントディスプレイ１Ｂは、導光部３０を備える。導光部３０は、第１実施形態と同様の右目用導光部１５と、左目用導光部３１を含む。左目用導光部３１は、偏光分離面１４を透過した偏光が入射する位置に配置された１／４波長板３２と、１／４波長板３２を通った偏光が反射して折り返される反射ミラー３３と、第１実施形態と同様のレンズ２０及びミラー２３を含む。
【００６０】
本実施形態の１／４波長板３２は、その片面が偏光分離素子５のプリズム１７の外面と接触するように、配置されている。上記の外面は、画像形成部２から射出されて偏光分離面１４を透過した偏光が偏光分離素子５から射出される面である。液晶パネル３から偏光分離面１４へ入射する偏光の進行方向に直交する面に射影した１／４波長板３２の進相軸は、偏光分離面１４の透過軸とほぼ４５°の角度をなしている。
【００６１】
本実施形態の反射ミラー３３は、金属等の光反射材料からなる平面状の鏡面を有する。反射ミラー３３は、１／４波長板３２において偏光分離素子５と接触する面の反対面に接触している。反射ミラー３３は、その鏡面が画像形成部２から偏光分離素子５へ向う偏光の進行方向に直交するように、配置されている。
【００６２】
画像形成部２で形成された左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２は、第１実施形態と同様に、偏光調整用の液晶パネル３で第２の偏光Ｌ３へ変換され、第２の偏光Ｌ３は、結像部４を通った後に偏光分離面１４を透過する。
【００６３】
偏光分離面１４を透過した左目用画像を示す偏光は、１／４波長板３２を通って反射ミラー３３へ入射し、反射ミラー３３で反射する。反射ミラー３３で反射した左目用画像を示す偏光は、反射ミラー３３での反射前とは進行方向が反転し、１／４波長板３２を再度通って偏光分離面１４へ再度入射する。左目用画像を示す偏光は、反射ミラー３３での反射前後に１／４波長板３２を二回通ることになり、反射ミラー３３で反射した後に偏光分離面１４へ入射するときに第１の偏光Ｌ４へ変換されている。
【００６４】
反射ミラー３３から偏光分離面１４へ入射した左目用画像を示す第１の偏光Ｌ４は、偏光分離面１４で反射し、液晶パネル３から偏光分離素子５へ向う偏光の光路に関して右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１とは対称的に、進行する。偏光分離面１４で反射した左目用画像を示す第１の偏光Ｌ４は、レンズ２０及びミラー２３を経由して観察者の左目に結像する。これにより、観察者は、左目で左目用画像を観察することができる。なお、観察者は、第１実施形態と同様に、右目で右目用画像を観察することができる。
【００６５】
以上のような構成のヘッドマウントディスプレイ１Ｂは、同一の画像形成部２で時間順次で形成された左目用画像と右目用画像を、それぞれ、左目と右目で別々に観察することができ、装置の小型化や軽量化を実現することができる。
【００６６】
また、偏光分離面１４を透過した左目用画像を示す偏光が１／４波長板３２を通って反射ミラー３３で折り返されるように構成されているので、例えば第１実施形態のプリズム２２を省くことができ、画像形成部２から偏光分離素子５へ向う偏光の進行方向における装置サイズを小型にすることができる。また、偏光分離素子から射出された右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１の光線束の中心軸と、左目用画像を示す第１の偏光Ｌ４の光線束の中心軸を近づけることができる。したがって、偏光分素子Ａから観察者の右目又は左目までの光路に配置される光学部品、例えばレンズ１９やレンズ２０の光軸をほぼ同軸になるように近づけることができる。よって、画像形成部２から偏光分離素子５へ向う偏光の進行方向における装置サイズを小型にすることができる。また、左目用画像を示す偏光と右目用画像を示す偏光の光路長の差を減らすことができ、左目用画像あるいは右目用画像のピンボケを抑制することができる。
【００６７】
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態で説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、上記の実施形態で説明した要件の少なくとも１つは、省略されることある。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。
【００６８】
偏光調整用の液晶パネル３は、右目用画像を示す第１の偏光を第２の偏光へ変換し、左目用の画像を示す第１の偏光の偏光状態を実質的に変えなくてもよい。この場合に、導光部６は、例えば右目用導光部と左目用導光部を、画像形成部２から偏光分離素子５へ向う偏光の進行方向を対称軸として反転させた構成に変更される。
【００６９】
また、画像形成部２は、第１の偏光として偏光分離面１４に対するＰ偏光を射出し、液晶パネル３は、左目用画像を示す第１の偏光又は右目用画像を示す第１の偏光を偏光分離面１４に対するＳ偏光（第２の偏光）へ変換してもよい。第１の偏光が偏光分離面１４に対するＰ偏光であって、液晶パネル３が左目用画像を示す第１の偏光を偏光分離面１４に対するＳ偏光へ変換する場合に、導光部６は、例えば右目用導光部と左目用導光部を、画像形成部２から偏光分離素子５へ向う偏光の進行方向を対称軸として反転させた構成に変更される。
【符号の説明】
【００７０】
１Ａ、１Ｂ・・・ヘッドマウントディスプレイ（頭部装着型表示装置）、２・・・画像形成部、３・・・液晶パネル、４・・・結像部、５・・・偏光分離素子、６・・・導光部、１４・・・偏光分離面、２１・・・焦点補正部、３０・・・導光部、３２・・・１／４波長板、３３・・・反射ミラー、Ｌ１・・・第１の偏光、Ｌ２・・・第１の偏光、Ｌ３・・・第２の偏光、Ｌ４・・・第１の偏光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、頭部装着型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表示装置の１つとして、頭部装着型表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。頭部装着型表示装置は、コンパクトでありながら、実質的に大画面の画像を視聴可能である。特許文献１の頭部装着型表示装置は、液晶パネルから射出される光を半透過膜分離し、分離した一方の光を左目へ導くとともに他方の光を右目へ導く構造である。
【０００３】
近年、３Ｄ画像を視聴可能な頭部装着型表示装置が期待されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の頭部装着型表示装置は、画像を外界情景に重ねて表示可能な表示部が左目用と右目用に個別に設けられており、左目と右目で異なる画像を表示可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１７７７８５号公報
【特許文献２】特開２００８−５８４６１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２のような頭部装着型表示装置は、左目用の表示部と右目用の表示部を個別に設けるので、装置の小型化や軽量化を実現することが難しい。また、各表示部から眼球に光を導く光学系を左目用と右目用のそれぞれに設けると、光学系の構成が複雑になり、装置の小型化や軽量化を実現することが難しい。このように従来の頭部装着型表示装置は、小型化や軽量化を実現することが難しく、携帯性や利便性を実現することが困難である。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑み成されたものであって、左目と右目とで異なる画像を表示可能であり、装置の小型化や軽量化を実現可能な頭部装着型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の頭部装着型表示装置は、左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光を時間順次で射出する画像形成部と、前記画像形成部と同期して駆動され、前記画像形成部から射出された前記左目用画像を示す第１の偏光と前記右目用画像を示す第１の偏光のうちの片方の第１の偏光を第２の偏光へ変換する液晶パネルと、前記液晶パネルから射出された前記第１の偏光と第２の偏光のうちの一方の偏光が透過するとともに他方の偏光が反射する特性の偏光分離面を含んで構成され、前記偏光分離面を透過した偏光を観察者の両眼のうちの一方へ導くとともに前記偏光分離面で反射した偏光を前記観察者の両眼のうちの他方へ導く導光部と、を備える。
【０００８】
上記の頭部装着型表示装置において、画像形成部から射出された左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光のうちの片方は、液晶パネルによって第２の偏光へ変換される。左目用画像を示す偏光と右目用画像を示す偏光は、互いに異なる偏光状態となり、一方の偏光が偏光分離面を透過して観察者の両眼の片方へ導光され、他方の偏光が偏光分離面で反射して観察者の両眼のもう片方へ導光される。
【０００９】
このように、同一の画像形成部で時間順次で形成された左目用画像と右目用画像とが、観察者の左目と右目とに別れて観察されるので、左目用と右目用に個別に画像形成部が設けられている構成と比較して、装置の小型化や軽量化を実現することができる。また、画像形成部は、左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光を時間順次で射出するので、画像形成部を領域分割して左目用画像と右目用画像とを同時に形成する構成と比較して、表示された画像の画素数（情報量）が劣化しない。
【００１０】
以上のように、上記の頭部装着型表示装置は、左目と右目とで異なる画像を高品質で表示可能であり、しかも装置の小型化や軽量化を実現することができる。
【００１１】
上記の頭部装着型表示装置は、前記画像形成部と前記偏光分離面との間の光路に配置され、前記偏光分離面を経由した偏光を前記観察者の左目又は右目に結像させる結像部を備えていてもよい。
【００１２】
このようにすれば、画像形成部と偏光分離面との間の光路に結像部が配置されているので、左目用画像を左目に結像させる光学系と右目画像を右目に結像させる光学系の少なくとも一部を共通化することができ、装置の小型化や軽量化を実現することができる。
【００１３】
上記の頭部装着型表示装置において、前記導光部は、前記偏光分離面から前記一方の偏光の結像面までの光路長と前記偏光分離面から前記他方の偏光の結像面までの光路長の違いによる焦点のずれを補正する焦点補正部を含んでいてもよい。
【００１４】
このようにすれば、左目用画像と右目用画像をそれぞれ同じ結像部で結像させる場合に、偏光分離面から一方の偏光の結像面までの光路長と、偏光分離面から他方の偏光の結像面までの光路長の違いに起因するピンボケ等を抑制することができる。
【００１５】
上記の頭部装着型表示装置において、前記導光部は、 前記偏光分離面を透過した偏光が入射する位置に配置された１／４波長板と、前記１／４波長板を通った偏光が反射して折り返される反射ミラーと、を含んでいてもよい。
【００１６】
このようにすれば、偏光分離面を透過した偏光は、反射ミラーで反射する前後で１／４波長板を２回通ることになり、１／４波長板へ入射前とは直交する偏光へ変換されて偏光分離面へ再度入射し、偏光分離面で反射する。このように、左目用画像を示す偏光と右目用画像を示す偏光は、その一方の偏光が反射ミラーを経由して偏光分離面で反射し、他方の偏光が反射ミラーを経由しないで偏光分離面で反射する。したがって、左目用画像を示す偏光と右目用画像を示す偏光は、液晶パネルから偏光分離面へ向う偏光の光路に関して互いに対称的に進行することになり、観察者の左目と右目とに分けて導光することが容易になる。
【００１７】
上記の頭部装着型表示装置において、前記導光部は、前記偏光分離面を透過した偏光が入射する位置に配置され、該偏光が反射する特性の反射部材を含み、前記偏光分離面を透過して前記反射部材で反射した偏光が、前記液晶パネルから前記偏光分離面へ向う偏光の光路に関して前記偏光分離面で反射した偏光とは対称的に進行するように、前記反射部材が配置されていてもよい。
【００１８】
このようにすれば、左目用画像を示す偏光と右目用画像を示す偏光は、液晶パネルから偏光分離面へ向う偏光の光路に関して互いに対称的に進行することになり、観察者の左目と右目とに分けて導光することが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態の頭部装着型表示装置を示す図である。
【図２】第１実施形態の頭部装着型表示装置を示す図である。
【図３】第２実施形態の頭部装着型表示装置を示す図である。
【図４】第２実施形態の頭部装着型表示装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態及び実施例について図面を参照しながら説明する。説明に用いる図面中の構造の寸法や縮尺は、実際と異なることがある。
【００２１】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態において、右目用画像を表示するときの頭部装着型表示装置を示す図である。図２は、第１実施形態において、左目用画像を表示するときの頭部装着型表示装置を示す図である。
【００２２】
図１及び図２に示すヘッドマウントディスプレイ（頭部装着型表示装置）１Ａは、互いに異なる左目用画像と右目用画像を、時間的に切替えながら観察者の左目と右目に分けて表示することができる。上記の左目用画像及び右目用画像は、例えば両目の視差を考慮した画像であり、この場合に観察者は、３Ｄ画像を観察することができる。
【００２３】
ヘッドマウントディスプレイ１Ａは、右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１と左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２とを択一的に時間順次で射出する画像形成部２と、画像形成部２から射出された左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２を第２の偏光Ｌ３へ変換する偏光調整用の液晶パネル３と、液晶パネル３から射出された偏光が入射する位置に配置された結像部４と、結像部４を通った偏光が入射する位置に配置された偏光分離素子５を含んで構成された導光部６と、画像形成部２及び液晶パネル３を駆動する駆動部７と、を備える。
【００２４】
偏光分離素子５は、第１の偏光Ｌ２と第２の偏光Ｌ３のうちの一方の偏光が透過し、かつ他方の偏光が反射する特性の偏光分離面１４を有する。本実施形態では、第１の偏光Ｌ２が偏光分離面１４で反射し、第２の偏光Ｌ３が偏光分離面１４を透過する構成について説明する。
【００２５】
上記のヘッドマウントディスプレイ１Ａの各部は、実際には、ヘッドマウントディスプレイ１Ａの一部を構成するメガネ状のフレームに取り付けられている。観察者がこのフレームを装着すると、観察者の左目あるいは右目と、ヘッドマウントディスプレイ１Ａの各部との相対位置が固定される。導光部６は、ヘッドマウントディスプレイ１Ａを装着した観察者に対して、偏光分離素子５を透過した偏光を観察者の左目へ導くとともに、偏光分離素子５で反射した偏光を観察者の右目へ導くことができる。
【００２６】
本実施形態の画像形成部２は、光を射出する光源部１０と、光源部１０から射出された光が入射する位置に配置された入射側偏光板１１と、入射側偏光板１１を通った光が入射する位置に配置された画像形成用の液晶パネル１２と、液晶パネル１２を通った光が入射する位置に配置された射出側偏光板１３を含む。画像形成部２は、ヘッドマウントディスプレイ１Ａが観察者に装着されている状態で、左目と右目の中央付近に配置される。
【００２７】
光源部１０は、例えばバックライトであり、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子によって構成される。入射側偏光板１１及び射出側偏光板１３は、それぞれ、透過軸に平行な直線偏光が透過し、透過軸に直交する直線偏光を吸収する特性を有する。入射側偏光板１１及び射出側偏光板１３は、例えば、それぞれの透過軸が直交するように配置される。本実施形態において、射出側偏光板１３の透過軸は、偏光分離素子５の透過軸と直交するように、配置されている。
【００２８】
液晶パネル１２は、２次元的に配列された複数のサブ画素を有し、各サブ画素へ入射する光の偏光状態をサブ画素ごとに制御することができる。本実施形態において、互いに隣り合う３つのサブ画素は、それぞれ、互いに異なる波長の光が透過するカラーフィルターを有し、一組でフルカラーの１画素を構成している。本実施形態の液晶パネル１２は、各サブ画素に設けられた画素電極と、複数のサブ画素にわたって画素電極に対向する対向電極と、複数の画素電極と対向電極の間に配置された液晶層を含む。
【００２９】
本実施形態の液晶層は、誘電異方性が負の液晶材料で形成されたＶＡモードの液晶層である。液晶層は、印加される電界に応じて液晶ダイレクターが変化し、屈折率異方性が変化する。液晶層は、誘電異方性が正の液晶材料で形成されていてもよい。また、液晶パネル１２は、横電界によって液晶層を駆動するＦＦＳ方式やＩＰＳ方式の液晶パネルでもよい。
【００３０】
画像形成部２において、光源部１０から射出された光のうち入射側偏光板１１を透過した直線偏光は、液晶パネル１２へ入射する。複数のサブ画素のうち電界が印加されていないサブ画素の液晶層へ入射した直線偏光は、液晶層で偏光状態がほとんど変化せずに液晶パネル１２から射出され、そのほぼ全部が射出側偏光板１３に吸収される（ノーマリーブラック）。複数のサブ画素のうち電界が印加されているサブ画素の液晶層へ入射した直線偏光は、液晶層で電界の強さに応じて偏光状態が変化して液晶パネル１２から射出され、その偏光状態に応じた光量が射出側偏光板１３に吸収されて画素値に応じた階調の光になる。すなわち、液晶パネル３から射出された光のうち、射出側偏光板１３の透過軸に平行な偏光（第１の偏光Ｌ１又はＬ２）は、射出側偏光板１３を透過して左目用画像又は右目用画像を示す光になる。
【００３１】
なお、画像形成部２の構成は、適宜変更可能である。例えば、画像形成部２は、各サブ画素に有機ＥＬ素子が配置されて画像を形成可能な有機ＥＬパネルと、有機ＥＬパネルにより形成された画像を示す光が入射する位置に配置された射出側偏光板を含んで構成されていてもよい。また、画像形成部２は、光源部と、光源部から射出された光により画像を形成するデジタルミラーデバイスと、デジタルミラーデバイスにより形成された画像を示す光が入射する位置に配置された射出側偏光板を含んで構成されていてもよい。また、画像形成部２は、単色光で構成される画像を形成する構成でもよいし、２色又は４色以上の色光で構成される画像を形成する構成でもよい。
【００３２】
偏光調整用の液晶パネル３は、互いに対向する１対の電極と、１対の電極の間に配置された液晶層を含む。液晶パネル３は、駆動部７によって駆動され、画像形成部２から射出される偏光の中心波長にするリタデーションが１／２波長の奇数倍になるモードと、リタデーションが１／２波長の偶数倍（０を含む）になるモードとを切替えることができる。
【００３３】
本実施形態において、液晶パネル３は、画像形成用の液晶パネル１２と異なり、サブ画素を有していない。すなわち、１対の電極は、それぞれ、画像形成部２から液晶パネル１２から光が入射する領域のほぼ全体にベタ状に設けられている。なお、液晶パネル３は、複数のサブ画素を有していてもよく、液晶パネル３の各サブ画素は、画像形成用の液晶パネル１２のサブ画素の１つ又は２つ以上と対応していてもよい。
【００３４】
駆動部７は、ヘッドマウントディスプレイ１Ａの外部のＤＶＤプレイヤーやＰＣ、携帯情報端末等の信号源から画像データを有線又は無線により受信することができる。駆動部７は、外部から受信した画像データに基づき、各種配線や各種スイッチング素子を介して、液晶パネル１２の各サブ画素の画素電極に電圧を印加することができる。これにより、画素電極と対向電極との間に電界が印加され、この電界によって液晶層がサブ画素ごとに駆動される。
【００３５】
本実施形態において、１フレームの表示期間は、右目用画像の表示期間と、左目用画像の表示期間を含む。１フレームの期間は、画像データに規定されたリフレッシュレート等によって定まり、例えばリフレッシュレートが６０Ｈｚである場合に１／６０秒である。右目用画像の表示期間と左目用画像の表示期間は、互いに重複しないように設定されており、それぞれ、１。フレームの期間の半分程度に設定されている。左目用画像の表示期間と右目用画像の表示期間との間に、全黒表示の期間が設けられることもある。
【００３６】
駆動部７は、右目用画像の表示期間に、外部から受信した画像データに含まれる右目用画像を示すデータに基づいて画像形成用の液晶パネル１２を駆動し、画像形成部２に右目用画像を形成させる。本実施形態において、駆動部７は、右目用画像の表示期間に、画像形成部２から射出された右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１の偏光状態が偏光調整用の液晶パネル３でほぼ変化しないように、液晶パネル３を制御する。すなわち、右目用画像の表示期間に、右目用画像を示す光は、液晶パネル３から第１の偏光として射出される。
【００３７】
駆動部７は、左目用画像の表示期間に、外部から受信した画像データに含まれる左目用画像を示すデータに基づいて画像形成用の液晶パネル１２を駆動し、画像形成部２に左目用画像を形成させる。本実施形態において、駆動部７は、左目用画像の表示期間に、画像形成部２から射出された左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２が偏光調整用の液晶パネル３によって第１の偏光と直交する第２の偏光Ｌ３へ変換されるように、液晶パネル３を制御する。すなわち、左目用画像の表示期間に、左目用画像を示す光は、液晶パネル３から第２の偏光Ｌ３として射出される。
【００３８】
結像部４は、導光部６を経由した左目用画像を示す光が観察者の左目で結像し、導光部６を経由した右目用画像を示す光が観察者の右目で結像するように、画像形成部２から射出されて液晶パネル３を通った偏光を屈折させる。結像部４は、複数のレンズ等によって構成される。
【００３９】
上記のように、ヘッドマウントディスプレイ１Ａを装着した観察者の両目の位置に対する画像形成部２の相対位置は、フレームの形状や寸法等により定まる。結像部４は、画像形成部２から射出された偏光が観察者の左目あるいは右目で結像するように、観察者の両目と画像形成部２の相対位置に基づいて、適宜設計可能である。なお、結像部４は、観察者によってピンボケが認識されない程度の許容範囲をもって、画像形成部２から射出された偏光を結像させればよい。
【００４０】
本実施形態の導光部６は、偏光分離面１４を有する偏光分離素子５と、偏光分離面１４で反射した偏光が入射する位置に配置された右目用導光部１５と、偏光分離面１４を透過した偏光が入射する位置に配置された左目用導光部１６を含む。
【００４１】
偏光分離素子５は、透過軸に平行な偏光が透過し、かつ透過軸に直交する反射軸に平行な偏光が反射する特性を有する。本実施形態の偏光分離素子５は、画像形成部２から偏光分離素子５に向う光路（光の進行方向）に直交する面内に射影した透過軸が射出側偏光板１３の透過軸と直交するように配置されている。
【００４２】
本実施形態の偏光分離素子５は、偏光ビームスプリッタープリズムにより構成されている。偏光ビームスプリッタープリズムは、断面がほぼ直角二等辺三角形の柱状のプリズム１７を含む。以下の説明で、三角柱状のプリズムの軸方向の周囲の側面のうち、断面形状の直角二等辺三角形において互いに直交する２辺を除いた辺（斜辺）を含む面を斜面という。偏光ビームスプリッタープリズムは、１対のプリズム１７の斜面を互いに貼り合わせた直方体状である。
【００４３】
プリズム１７の斜面には、偏光分離面１４を構成する偏光ビームスプリッター膜が形成されている。本実施形態において、偏光分離面１４は、結像部４の光軸に対して略４５°の角度をなして傾斜している。本実施形態において、第１の偏光は、偏光分離面１４に対するＳ偏光であり、第２の偏光は偏光分離面１４に対するＰ偏光である。
【００４４】
なお、偏光分離素子５は、ワイヤーグリッド偏光素子によって構成されていてもよい。ワイヤーグリッド偏光素子は、ガラス等の誘電体からなる基材の表面に、互いに平行に延びる複数の金属線が形成された構造である。ワイヤーグリッド偏光素子は、金属線が延びる方向が反射軸に平行であり、複数の金属線が並ぶ方向が透過軸に平行である。ワイヤーグリッド偏光素子は、反射軸に平行かつ透過軸に平行な平面が偏光分離面である。
【００４５】
画像形成部２から射出された右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１は、偏光調整用の液晶パネル３で偏光状態がほぼ変化せずに、偏光分離素子５の反射軸に平行な直線偏光（Ｓ偏光）として偏光分離素子５へ入射し、偏光分離面１４で反射して右目用導光部１５へ入射する。また、画像形成部２から射出された左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２は、偏光調整用の液晶パネル３で第２の偏光Ｌ３へ変換され、偏光分離素子５の透過軸に平行な直線偏光（Ｐ偏光）として偏光分離素子５へ入射し、偏光分離面１４を透過して左目用導光部１６へ入射する。
【００４６】
右目用導光部１５は、偏光分離面１４で反射した偏光が入射する位置に配置されたレンズ１８と、レンズ１８を通った偏光が入射する位置に配置されたミラー１９を含む。レンズ１８は、後述するレンズ２０とともに焦点補正部２１を構成している。ミラー１９は、レンズ１８を通った光がミラー１９で反射した後に観察者の右目に向って進行するように、配置されている。
【００４７】
左目用導光部１６は、偏光分離面１４を透過した第２の偏光Ｌ３が入射する位置に配置されて第２の偏光Ｌ３が反射する特性のプリズム２２（反射部材）と、プリズム２２で反射した第２の偏光Ｌ３が入射する位置に配置されたレンズ２０と、レンズ２０を通った第２の偏光Ｌ３が入射する位置に配置されたミラー２３を含む。
【００４８】
本実施形態のプリズム２２は、断面形状がほぼ直角二等辺三角形の柱状であり、互いに直交する２辺の片方を含んだ面が偏光分離素子５のプリズム１７の外面と接触するように、配置されている。上記の外面は、画像形成部２から射出されて偏光分離面１４を透過した第２の偏光Ｌ３が偏光分離素子５から射出される面である。
【００４９】
プリズム２２は、ガラス等の誘電体からなり、例えば偏光分離素子５のプリズム１７と屈折率がほぼ同じである。すなわち、プリズム１７とプリズム２２は、光学的にほぼ連続しており、プリズム１７とプリズム２２の間の界面での光の屈折や反射等が抑制されている。
【００５０】
プリズム２２の斜面２４は、偏光分離素子５の偏光分離面１４と直交しており、偏光分離素子５の偏光分離面１４を透過した光の進行方向に対して略４５°の角度をなして傾斜している。偏光分離面１４を透過した光は、斜面２４で全反射条件を満たすことによって、斜面２４で反射する。
【００５１】
レンズ１８とレンズ２０（焦点補正部２１）は、偏光分離面１４で反射した右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１の結像面（右目）と偏光分離面１４との間の光路長と、偏光分離面１４を透過した左目用画像を示す第２の偏光Ｌ３の結像面（左目）と偏光分離面１４との間の光路長の違いによる焦点のずれを補正するように設けられている。焦点補正部２１は、必要に応じて設けられ、省略される場合もある。ミラー２３は、レンズ２０を通った光がミラー２３で反射した後に観察者の左目に向って進行するように、配置されている。
【００５２】
本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１Ａにおいて、画像形成部２から射出された右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１は、偏光分離面１４で反射して右目用導光部１５を介して観察者の右目へ導光され、右目で結像する。これにより、観察者は、右目で右目用画像を観察することができる。また、画像形成部２から射出された左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２は、液晶パネル３で変換されて第２の偏光Ｌ３となり、第２の偏光Ｌ３は、偏光分離面１４を透過して左目用導光部１６を介して、観察者の左目へ導光されて左目で結像する。これにより、観察者は、左目で左目用画像を観察することができる。このようにして、観察者は、例えば３Ｄ画像を観察することができる。
【００５３】
以上のような構成のヘッドマウントディスプレイ１Ａは、同一の画像形成部２で時間順次で形成された左目用画像と右目用画像を、それぞれ、左目と右目で別々に観察することができる。したがって、左目用の画像形成部と右目用の画像形成部が別途設けられている構成と比較して、装置の小型化や軽量化を実現することができる。
【００５４】
また、画像形成部は、右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１と左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２とを時間順次で射出するので、画像形成部を領域分割して左目用画像と右目用画像とを同時に形成する構成と比較して、表示された画像の画素数（情報量）が劣化しない。このように、ヘッドマウントディスプレイ１Ａは、左目と右目とで異なる画像を高品質で表示可能であり、しかも装置の小型化や軽量化を実現することができる。
【００５５】
また、画像形成部２と偏光分離素子５との間の光路に結像部４が配置されているので、左目用画像を左目に結像させる光学系と右目用画像を右目に結像させる光学系の少なくとも一部を共通化することができ、装置の小型化や軽量化を実現することができる。また、焦点補正部２１は、偏光分離面１４から左目用画像の結像面までの光路長と偏光分離面１４から右目用画像の結像面までの光路長の違いによる焦点のずれを補正するので、左目用画像と右目用画像のいずれについても左目に至る光路長と右目に至る光路長の違いによるピンボケ等を抑制することができる。
【００５６】
また、画像形成部２は、ヘッドマウントディスプレイ１Ａが観察者に装着されている状態で、左目と右目の中央付近に配置されており、偏光分離面１４を透過してプリズム２２の斜面２４で反射した第２の偏光Ｌ３は、液晶パネル３から偏光分離素子５へ向う偏光の光路に関して、偏光分離面１４で反射した第１の偏光Ｌ１とは対称的に進行する。したがって、左目用画像を示す第２の偏光Ｌ３を左目に導くとともに右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１を右目に導くことが容易になる。
【００５７】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態において第１実施形態と同様の構成要素については、第１実施形態と同じ符号を付してその説明を簡略化あるいは省略することがある。第２実施形態の頭部装着型表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）は、導光部の構成が第１実施形態と異なっている。
【００５８】
図３は、第２実施形態において、右目用画像を表示するときのヘッドマウントディスプレイを示す図である。図４は、第２実施形態において、左目用画像を表示するときのヘッドマウントディスプレイを示す図である。
【００５９】
図３及び図４に示すヘッドマウントディスプレイ１Ｂは、導光部３０を備える。導光部３０は、第１実施形態と同様の右目用導光部１５と、左目用導光部３１を含む。左目用導光部３１は、偏光分離面１４を透過した偏光が入射する位置に配置された１／４波長板３２と、１／４波長板３２を通った偏光が反射して折り返される反射ミラー３３と、第１実施形態と同様のレンズ２０及びミラー２３を含む。
【００６０】
本実施形態の１／４波長板３２は、その片面が偏光分離素子５のプリズム１７の外面と接触するように、配置されている。上記の外面は、画像形成部２から射出されて偏光分離面１４を透過した偏光が偏光分離素子５から射出される面である。液晶パネル３から偏光分離面１４へ入射する偏光の進行方向に直交する面に射影した１／４波長板３２の進相軸は、偏光分離面１４の透過軸とほぼ４５°の角度をなしている。
【００６１】
本実施形態の反射ミラー３３は、金属等の光反射材料からなる平面状の鏡面を有する。反射ミラー３３は、１／４波長板３２において偏光分離素子５と接触する面の反対面に接触している。反射ミラー３３は、その鏡面が画像形成部２から偏光分離素子５へ向う偏光の進行方向に直交するように、配置されている。
【００６２】
画像形成部２で形成された左目用画像を示す第１の偏光Ｌ２は、第１実施形態と同様に、偏光調整用の液晶パネル３で第２の偏光Ｌ３へ変換され、第２の偏光Ｌ３は、結像部４を通った後に偏光分離面１４を透過する。
【００６３】
偏光分離面１４を透過した左目用画像を示す偏光は、１／４波長板３２を通って反射ミラー３３へ入射し、反射ミラー３３で反射する。反射ミラー３３で反射した左目用画像を示す偏光は、反射ミラー３３での反射前とは進行方向が反転し、１／４波長板３２を再度通って偏光分離面１４へ再度入射する。左目用画像を示す偏光は、反射ミラー３３での反射前後に１／４波長板３２を二回通ることになり、反射ミラー３３で反射した後に偏光分離面１４へ入射するときに第１の偏光Ｌ４へ変換されている。
【００６４】
反射ミラー３３から偏光分離面１４へ入射した左目用画像を示す第１の偏光Ｌ４は、偏光分離面１４で反射し、液晶パネル３から偏光分離素子５へ向う偏光の光路に関して右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１とは対称的に、進行する。偏光分離面１４で反射した左目用画像を示す第１の偏光Ｌ４は、レンズ２０及びミラー２３を経由して観察者の左目に結像する。これにより、観察者は、左目で左目用画像を観察することができる。なお、観察者は、第１実施形態と同様に、右目で右目用画像を観察することができる。
【００６５】
以上のような構成のヘッドマウントディスプレイ１Ｂは、同一の画像形成部２で時間順次で形成された左目用画像と右目用画像を、それぞれ、左目と右目で別々に観察することができ、装置の小型化や軽量化を実現することができる。
【００６６】
また、偏光分離面１４を透過した左目用画像を示す偏光が１／４波長板３２を通って反射ミラー３３で折り返されるように構成されているので、例えば第１実施形態のプリズム２２を省くことができ、画像形成部２から偏光分離素子５へ向う偏光の進行方向における装置サイズを小型にすることができる。また、偏光分離素子から射出された右目用画像を示す第１の偏光Ｌ１の光線束の中心軸と、左目用画像を示す第１の偏光Ｌ４の光線束の中心軸を近づけることができる。したがって、偏光分素子Ａから観察者の右目又は左目までの光路に配置される光学部品、例えばレンズ１９やレンズ２０の光軸をほぼ同軸になるように近づけることができる。よって、画像形成部２から偏光分離素子５へ向う偏光の進行方向における装置サイズを小型にすることができる。また、左目用画像を示す偏光と右目用画像を示す偏光の光路長の差を減らすことができ、左目用画像あるいは右目用画像のピンボケを抑制することができる。
【００６７】
なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではない。上記の実施形態で説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、上記の実施形態で説明した要件の少なくとも１つは、省略されることある。本発明の主旨を逸脱しない範囲内で多様な変形が可能である。
【００６８】
偏光調整用の液晶パネル３は、右目用画像を示す第１の偏光を第２の偏光へ変換し、左目用の画像を示す第１の偏光の偏光状態を実質的に変えなくてもよい。この場合に、導光部６は、例えば右目用導光部と左目用導光部を、画像形成部２から偏光分離素子５へ向う偏光の進行方向を対称軸として反転させた構成に変更される。
【００６９】
また、画像形成部２は、第１の偏光として偏光分離面１４に対するＰ偏光を射出し、液晶パネル３は、左目用画像を示す第１の偏光又は右目用画像を示す第１の偏光を偏光分離面１４に対するＳ偏光（第２の偏光）へ変換してもよい。第１の偏光が偏光分離面１４に対するＰ偏光であって、液晶パネル３が左目用画像を示す第１の偏光を偏光分離面１４に対するＳ偏光へ変換する場合に、導光部６は、例えば右目用導光部と左目用導光部を、画像形成部２から偏光分離素子５へ向う偏光の進行方向を対称軸として反転させた構成に変更される。
【符号の説明】
【００７０】
１Ａ、１Ｂ・・・ヘッドマウントディスプレイ（頭部装着型表示装置）、２・・・画像形成部、３・・・液晶パネル、４・・・結像部、５・・・偏光分離素子、６・・・導光部、１４・・・偏光分離面、２１・・・焦点補正部、３０・・・導光部、３２・・・１／４波長板、３３・・・反射ミラー、Ｌ１・・・第１の偏光、Ｌ２・・・第１の偏光、Ｌ３・・・第２の偏光、Ｌ４・・・第１の偏光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光を時間順次で射出する画像形成部と、
前記画像形成部と同期して駆動され、前記画像形成部から射出された前記左目用画像を示す第１の偏光と前記右目用画像を示す第１の偏光のうちの片方の第１の偏光を第２の偏光へ変換する液晶パネルと、
前記液晶パネルから射出された前記第１の偏光と第２の偏光のうちの一方の偏光が透過するとともに他方の偏光が反射する特性の偏光分離面を含んで構成され、前記偏光分離面を透過した偏光を観察者の両眼のうちの一方へ導くとともに前記偏光分離面で反射した偏光を前記観察者の両眼のうちの他方へ導く導光部と、を備える頭部装着型表示装置。
【請求項２】
前記画像形成部と前記偏光分離面との間の光路に配置され、前記偏光分離面を経由した偏光を前記観察者の左目又は右目に結像させる結像部を備える請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項３】
前記導光部は、前記偏光分離面から前記一方の偏光の結像面までの光路長と前記偏光分離面から前記他方の偏光の結像面までの光路長の違いによる焦点のずれを補正する焦点補正部を含む請求項２に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項４】
前記導光部は、
前記偏光分離面を透過した偏光が入射する位置に配置された１／４波長板と、
前記１／４波長板を通った偏光が反射して折り返される反射ミラーと、を含む請求項１から３のいずれか一項に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項５】
前記導光部は、前記偏光分離面を透過した偏光が入射する位置に配置され、該偏光が反射する特性の反射部材を含み、
前記偏光分離面を透過して前記反射部材で反射した偏光が、前記液晶パネルから前記偏光分離面へ向う偏光の光路に関して前記偏光分離面で反射した偏光とは対称的に進行するように、前記反射部材が配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項１】
左目用画像を示す第１の偏光と右目用画像を示す第１の偏光を時間順次で射出する画像形成部と、
前記画像形成部と同期して駆動され、前記画像形成部から射出された前記左目用画像を示す第１の偏光と前記右目用画像を示す第１の偏光のうちの片方の第１の偏光を第２の偏光へ変換する液晶パネルと、
前記液晶パネルから射出された前記第１の偏光と第２の偏光のうちの一方の偏光が透過するとともに他方の偏光が反射する特性の偏光分離面を含んで構成され、前記偏光分離面を透過した偏光を観察者の両眼のうちの一方へ導くとともに前記偏光分離面で反射した偏光を前記観察者の両眼のうちの他方へ導く導光部と、を備える頭部装着型表示装置。
【請求項２】
前記画像形成部と前記偏光分離面との間の光路に配置され、前記偏光分離面を経由した偏光を前記観察者の左目又は右目に結像させる結像部を備える請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項３】
前記導光部は、前記偏光分離面から前記一方の偏光の結像面までの光路長と前記偏光分離面から前記他方の偏光の結像面までの光路長の違いによる焦点のずれを補正する焦点補正部を含む請求項２に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項４】
前記導光部は、
前記偏光分離面を透過した偏光が入射する位置に配置された１／４波長板と、
前記１／４波長板を通った偏光が反射して折り返される反射ミラーと、を含む請求項１から３のいずれか一項に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項５】
前記導光部は、前記偏光分離面を透過した偏光が入射する位置に配置され、該偏光が反射する特性の反射部材を含み、
前記偏光分離面を透過して前記反射部材で反射した偏光が、前記液晶パネルから前記偏光分離面へ向う偏光の光路に関して前記偏光分離面で反射した偏光とは対称的に進行するように、前記反射部材が配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載の頭部装着型表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２２０７７４（Ｐ２０１２−２２０７７４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８７４９８（Ｐ２０１１−８７４９８）
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【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２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【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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