CN117666206A - 显示装置以及头戴式显示器 - Google Patents

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马蒂亚·希格诺瑞托
大卫·詹姆斯·蒙哥马利
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Abstract

本发明的显示装置朝向观察者侧依次具备：显示面板；半反射镜；潘查拉特南‑贝里透镜，在左圆偏振光和右圆偏振光中的一个圆偏振光入射时聚光，在另一个圆偏振光入射时发散；以及圆偏振光选择反射元件。

Description

显示装置以及头戴式显示器
技术领域
本公开涉及显示装置和具备显示装置的头戴式显示器。
背景技术
头戴式显示器(HMD：Head Mounted Display)是在佩戴于观察者(用户)的头部的状态下输出图像以使观察者能够看到图像的的显示装置。作为HMD，例如有覆盖双眼、在观察者的视野中可以看到HMD的显示的沉浸型的HMD。沉浸型的HMD将外光遮蔽而得到较深的沉浸感，也称为VR(Virtual Reality)装置。
近年来，被称为元空间(metaverse)的虚拟空间受到关注，作为用于访问其世界的工具，期待VR-HMD的市场的扩展。另一方面，在VR-HMD中，被指出HMD的框体较大，为了使VR-HMD广泛普及，要求紧凑化。
作为紧凑化的手段，进行了利用偏振的特性的折返光学系统的开发(专利文献1及2)。在专利文献1以及2中，公开了在上述折返光学系统中使虚像前后移动的调整方法。具体而言，在专利文献1及2中，用于调整光焦度的透镜即可变焦点透镜(Varifocal lens)配置在光学系统的各种场所。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2020/226867号
专利文献2：国际公开第2020/112965号
发明内容
本发明所要解决的技术问题
图26表示实现HMD的紧凑化的折返光学系统的显示装置的截面示意图。图26为示意性表示比较方式的显示装置的分解截面图。如图26所示，比较方式的显示装置100R朝向观察者U侧依次具备显示面板10、圆偏振光元件20、半反射镜30、透镜40R及圆偏振光选择反射元件50。
半反射镜30具有反射入射的光的50％并透过剩余的50％的功能。圆偏振光元件20包括第一直线偏光板21和第一/4波长板22。作为圆偏振光选择反射元件50，可列举具备第二1/4波长板和反射型的直线偏光板(例如，3M公司制造的反射型偏光板(商品名APF))的构成、或具备胆甾型液晶薄膜的构成。
在显示面板10是液晶面板的情况下，也可以在显示面板10的与圆偏振光元件20相反的一侧配置第二直线偏光板。在比较方式的显示装置100R中，各功能层或透镜既可以粘接，也可以夹着空气。此外，透镜也可以不是一个，而是多个。
当圆偏振光选择反射元件50具备第二1/4波长板和APF时，从圆偏振光选择反射元件50射出直线偏振光1L，当圆偏振光选择反射元件50具备胆甾型液晶薄膜时，从圆偏振光选择反射元件50射出圆偏振光2L。
比较方式的折返光学系统的显示装置100R将影像光设为圆偏振光，并将具备半反射镜30、透镜40R及圆偏振光选择反射元件50(例如胆甾型液晶薄膜)作为最小限度的构成。现在，在HMD中主流的显示器是液晶显示装置，因此通过在设置于作为显示面板10的液晶面板上的第一直线偏振板21上配置第一1/4波长片22，实现圆偏振光射出。
在折返光学系统的显示装置100R中，透镜40R的片数为1片从成本、组装的观点来看是优选的，但如果透镜40R为1片，则半反射镜30与圆偏振光选择反射元件50之间的距离不充分，容易在透镜设计上产生制约。此外，从使1片透镜上下移动来调整视度的视度调整的观点等出发，在HMD中通常使用2～3片透镜，有时HMD的厚度增加。
此外，在折返光学系统的显示装置100R中，光被折返，例如，光需要多次(图26中为3次)通过相同的透镜，因此折返次数相互不同的多个光共用相同的透镜面(透镜面的相同区域)。其结果，透镜设计容易产生制约，使光学系统的优化更加复杂，因此，可能产生难以得到充分的显示特性这样的课题。
本发明是鉴于上述现状而完成的，其目的在于，提供薄型且能够提高显示特性的显示装置以及具有该显示装置的头戴式显示器。
用于解决技术问题的技术方案
(1)本发明一实施方式的显示装置，其朝向观察者侧依次具备：显示面板；半反射镜；潘查拉特南-贝里透镜，在左圆偏振光和右圆偏振光中的一个圆偏振光入射时聚光，另一个圆偏振光入射时发散；以及圆偏振光选择反射元件。
(2)此外，本发明的某一实施方式，在上述(1)的构成的基础上，从所述显示面板照射的光由所述潘查拉特南-贝里透镜2次发散，1次聚光后向所述观察者侧射出。
(3)此外，本发明的某一实施方式，在上述(1)或上述(2)的构成的基础上，所述潘查拉特南-贝里透镜包括支承基板和设置在所述支承基板上的液晶分子，所述液晶分子的长轴(长轴的方向)具有如下结构：在从所述观察者侧俯视所述潘查拉特南-贝里透镜的情况下，随着从所述潘查拉特南-贝里透镜的中心朝向外侧而左旋转，右圆偏振光从所述显示面板入射到所述潘查拉特南-贝里透镜。
(4)此外，本发明的某一实施方式，在上述(1)或上述(2)的构成的基础上，所述潘查拉特南-贝里透镜包括支承基板和设置在所述支承基板上的液晶分子，所述液晶分子的长轴(长轴的方向)具有如下结构：在从所述观察者侧俯视所述潘查拉特南-贝里透镜的情况下，随着从所述潘查拉特南-贝里透镜的中心朝向外侧而右旋转，左圆偏振光从所述显示面板入射到所述潘查拉特南-贝里透镜。
(5)此外，本发明的某一实施方式，在上述(1)、上述(2)上述(3)或上述(4)的构成的基础上，在所述半反射镜和所述潘查拉特南-贝里透镜之间具备透镜。
(6)此外，本发明的某一实施方式，在上述(5)的构成的基础上，所述透镜为第一透镜，在所述显示面板的所述观察者侧还具备第二透镜。
(7)此外，本发明的某一实施方式，在上述(6)的构成的基础上，所述第二透镜配置在所述潘查拉特南-贝里透镜与所述圆偏振光选择反射元件之间。
(8)此外，本发明的某一实施方式，在上述(6)的构成的基础上，所述第二透镜配置在所述圆偏振光选择反射元件的所述观察者侧。
(9)此外，本发明的某一实施方式，在上述(1)、上述(2)上述(3)、上述(4)、上述(5)、上述(6)、上述(7)或上述(8)的构成的基础上，所述潘查拉特南-贝里透镜为第一潘查拉特南-贝里透镜，在所述半反射镜和所述圆偏振光选择反射元件之间还具备第二潘查拉特南-贝里透镜，所述第二潘查拉特南-贝里透镜在左圆偏振光和右圆偏振光中的一个圆偏振光入射时聚光，当另一个圆偏振光入射时发散。
(10)此外，本发明的某一实施方式，在上述(9)的构成的基础上，在所述半反射镜和所述圆偏振光选择反射元件之间还具备第三潘查拉特南-贝里透镜，所述潘查拉特南-贝里透镜在左圆偏振光和右圆偏振光中的一个圆偏振光入射时聚光，另一个圆偏振光入射时发散。
(11)本发明的其它实施方式的头戴式显示器，其包括：根据上述(1)、上述(2)上述(3)、上述(4)、上述(5)、上述(6)、上述(7)、上述(8)、上述(9)或上述(10)中任一项所述的显示装置；以及安装在所述观察者的头部的安装部。
有益效果
根据本发明，能够提供薄型且能够提高显示特性的显示装置以及具备该显示装置的头戴式显示器。
附图说明
图1是示意性地表示第一实施方式的显示装置的分解截面图。
图2是示意性地表示第一实施方式的显示装置的一个示例的分解截面图。
图3是示意性地表示比较方式的显示装置的一个示例的分解截面图。
图4是PB透镜的平面示意图。
图5是对PB透镜的聚光以及发散的一个示例进行说明的示意图。
图6是第一实施方式的显示装置的分解截面图的一个示例。
图7是第一实施方式的显示装置的分解截面图的一个示例。
图8是表示PB透镜的一个示例的平面图。
图9是表示PB透镜的一个示例的平面图。
图10是第一实施方式的显示装置所具备的PB透镜的截面示意图的一个示例。
图11是第一实施方式的变形例1的显示装置的分解截面图。
图12是第一实施方式的变形例2的显示装置的分解截面图。
图13是第一实施方式的变形例3的显示装置的分解截面图。
图14是第一实施方式的变形例4的显示装置的分解截面图。
图15是示意性地表示第二实施方式的显示装置的分解截面图。
图16是图15所示的液晶面板的平面示意图。
图17是表示第三实施方式的头戴式显示器的外观的一个示例的立体示意图。
图18是表示实施例1的显示装置中的光线路的模拟结果的图。
图19是表示实施例2的显示装置中的光线路径的模拟结果的图。
图20是表示实施例1的显示装置的正面观察时的点图的模拟结果的图。
图21是表示实施例2的显示装置的正面观察时的点图的模拟结果的图。
图22是表示比较例1的显示装置中的光线路径的模拟结果的图。
图23是表示比较例1的显示装置的点图的模拟结果的图。
图24是表示实施例3的显示装置中的光线路径的模拟结果的图。
图25是表示实施例3的显示装置的点图的模拟结果的图。
图26是示意性地表示比较方式的显示装置的分解截面图。
具体实施方式
以下列举实施方式，参照附图进一步详细地说明本发明，但本发明并不限定于这些实施方式。
<第一实施方式>
图1是示意性表示第一实施方式的显示装置的分解截面图。本实施方式的显示装置100朝向观察者U侧依次具备：显示面板10；半反射镜30；潘查拉特南-贝里透镜40PB，其在左圆偏振光和右圆偏振光中一个圆偏振光入射时聚光，另一个圆偏振光入射时发散；以及圆偏振光选择反射元件50。
通过采用这样的方式，从而能够实现使用了半反射镜30的折返光学系统，因此能够使显示装置100为薄型。此外，在折返光学系统的显示装置中，由于光线路径相互不同的多个光通过透镜的同一面(透镜面的相同区域)，所以有时成为设计的制约。但是，如本实施方式那样，通过在半反射镜30与圆偏振光选择反射元件50之间配置潘查拉特南-贝里透镜40PB，利用潘查拉特南-贝里透镜40PB的聚光以及发散的效果，提高光线路径的凹凸透镜的设计自由度。即，能够在使用相同的透镜面(透镜面的相同区域)的同时通过路径切换凹透镜和凸透镜的功能。其结果，能够进行更适当的设计，能够提高显示特性(特别是画质)。本实施方式的显示装置100在折返光学系统中能够实现更好的图像质量优化，能够实现广的FOV(Field Of View)。以下，对本实施方式的显示装置100进行详细说明。
图2是示意性地表示第一实施方式的显示装置的一个示例的分解截面图。如图1以及图2所示，本实施方式的显示装置100朝向观察者U侧依次具备显示面板10、圆偏振光元件20、半反射镜30、透镜41、潘查拉特南-贝里透镜40PB、以及圆偏振光选择反射元件50。以下，也将潘查拉特南-贝里(PB：Pancharatnam Berry)透镜称为PB透镜40PB。
在图2中，例示了圆偏振光元件20包括第一直线偏光板21与第一1/4波长板22的层叠体，圆偏振光选择反射元件50包括反射型的直线偏光板51与第二1/4波长板52的层叠体的情况。在本说明书中，在分解截面图中，在各部件之间设有间隔地图示，但各部件既可以粘接，也可以隔开间隔地配置。即，各功能层或透镜既可以粘接，也可以夹着空气。此外，透镜也可以不是一个，而是多个。
如图2所示，显示面板10向观察者U侧射出光(显示光)，第一直线偏光板21将显示面板10的显示光转换为直线偏振光。透过第一1/4波长板22的上述直线偏振光被转换为圆偏振光(图2的(i))。若将上述圆偏振光设为向右旋转的圆偏振光，则向右旋转的圆偏振光透过半反射镜30，且不改变旋转方向而透过透镜41(图2的(ii))。从透镜41射出的向右旋转的圆偏振光透过PB透镜40PB而被转换为逆旋转的向左旋转的圆偏振光(图2的(iii))。
从PB透镜40PB射出的向左旋转的圆偏振光被圆偏振光选择反射元件50选择性地反射(图2的(iv))，被反射的上述向左旋转的圆偏振光再次通过PB透镜40PB而被转换为逆旋转的向右旋转的圆偏振光(图2的(v))。从PB透镜40PB射出的向右旋转的圆偏振光不改变旋转方向而透过透镜41，被半反射镜30反射而转换为向左旋转的圆偏振光。
从半反射镜30射出的向左旋转的圆偏振光不改变旋转方向而透过透镜41(图2的(vi))。从透镜41射出的向左旋转的圆偏振光透过PB透镜40PB而被转换为逆旋转的向右旋转的圆偏振光(图2的(vii))。从PB透镜40PB射出的向右旋转的圆偏振光透过圆偏振光选择反射元件50向观察者U侧射出(图2的(viii))。
本实施方式的显示装置100通过设为在半反射镜30与圆偏振光选择反射元件50之间反射光的折返光学系统，将从显示面板10向观察者U侧射出的光(显示光)折返并向观察者U侧射出，因此，能够使显示装置100的厚度变薄，并且延长光路。
图3是示意地表示比较方式的显示装置的一个示例的分解截面图。图3所示的比较方式的显示装置100R朝向观察者U侧依次具备显示面板10、圆偏振光元件20、半反射镜30、第一透镜41、第二透镜42以及圆偏振光选择反射元件50。圆偏振光元件20包括第一直线偏光板21和第一/4波长板22。圆偏振光选择反射元件50包括反射型的直线偏光板51和第二1/4波长板52。通过半反射镜30与圆偏振光选择反射元件50的折返光学系统，光通过第一透镜41及第二透镜42这2个透镜3次，所以通过该2个透镜的组合放大影像。
在比较方式的显示装置100R中，如图3所示，显示面板10向观察者U侧射出光(显示光)，第一直线偏光板21将显示面板10的显示光转换为直线偏振光。透过第一1/4波长板22的上述直线偏振光被转换为圆偏振光(图3的(i))。若将上述圆偏振光设为向右旋转的圆偏振光，则向右旋转的圆偏振光透过半反射镜30，而不改变旋转方向地透过第一透镜41(图3的(ii))。
从第一透镜41射出的向右旋转的圆偏振光不改变旋转方向地透过第二透镜42，不改变旋转方向地由圆偏振光选择反射元件50选择性地反射。被反射的向右旋转的圆偏振光不改变旋转方向地透过第二透镜42(图3的(iii))。从第二透镜42射出的向右旋转的圆偏振光不改变旋转方向地透过第一透镜41，被半反射镜30反射而转换为向左旋转的圆偏振光。
从半反射镜30射出的向左旋转的圆偏振光不改变旋转方向地透过第一透镜41(图3的(iv))。从第一透镜41射出的向左旋转的圆偏振光不改变旋转方向地透过第二透镜42。从第二透镜42射出的向左旋转的圆偏振光透过圆偏振光选择反射元件50并射出到观察者U侧(图3的(v))。
如图3所示，由于比较方式的显示装置100R所具备的第二透镜42是一般的目镜，因此入射到第二透镜42的光以保持不变的状态透过。因此，在折返光学系统的比较方式的显示装置100中，光线路径互不相同的多个光通过第二透镜42的同一面(透镜面的相同区域)，因此透镜设计容易产生制约，使光学系统的优化更加复杂，因此难以获得充分的显示特性。
另一方面，本实施方式的显示装置100通过配置PB透镜40PB以代替目镜即第二透镜42，使用PB透镜40PB的聚光以及发散的效果，根据光线路径的不同，能够扩大凹透镜以及凸透镜的选择项。其结果，能够进行更适当的设计，能够提高显示特性。
(显示面板)
优选显示面板10包括多个像素。上述像素是用于进行图像显示的显示单位，在进行彩色显示的情况下，例如包括红色、蓝色、绿色的像素。
显示面板10也可以具有配置有多个薄膜晶体管(TFT：Thin Film Transistor)的TFT基板。上述TFT基板也可以在支承基板上具备相互平行地延伸设置的多条栅极线、以及隔着栅极绝缘膜在与各栅极线交叉的方向上相互平行地延伸设置的多条源极线。多条栅极线及多条源极线可以在俯视时形成为格子状，由多条栅极线及多条源极线划分的各区域与像素对应。
支承基板优选为透明基板，例如可列举玻璃基板、塑料基板等。
在各栅极线与各源极线的交点，也可以按每个像素配置作为开关元件的TFT。TFT的栅极端子连接于栅极线，源极端子连接于源极线，漏极端子连接于像素电极。显示面板10也可以与上述像素电极独立地具有施加共用电极电压的共用电极。
显示面板10可以是包括有机发光二极管(OLED：Organic light Emitting Diode)的OLED面板，也可以是包括量子点发光二极管(QD-LED：Quantum Dot-Light EmittingDiode)的QD-LED面板。在本说明书中，在没有特别区分OLED、QD-LED的情况下，也称为发光二极管(LED)。
发光二极管的构成没有特别限定，例如可以列举依次层叠阴极、电子输送层、发光层、空穴输送层、阳极而成的构成。
阴极、阳极的材料没有特别限定，例如可举出ITO(Indium Tin Oxide)、IZO(Indium Zinc Oxide)、In3O3、SnO2、ZnO等透明导电材料、铝、银或它们的合金等。
在顶部发光型的LED的情况下，也可以将上述TFT基板的像素电极用作阳极，将共用电极用作阴极。既可以使用铝、银或它们的合金等反射电极作为阳极，也可以使用上述透明导电材料作为阴极。
空穴输送层是将从阳极注入的空穴输送至发光层的层。空穴传输层的材料没有特别限定，可以列举例如N，N，N'，N'-四苯基联苯胺及其衍生物等胺类化合物。
电子输送层是将从阴极注入的电子输送至发光层的层。电子输送层的材料没有特别限定，例如可以列举2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-菲咯啉(BCP)等菲咯啉衍生物、三(8-羟基喹啉)合铝(Alq3)等喹啉衍生物、氮杂吲哚嗪衍生物、噁二唑衍生物、苝衍生物、吡啶衍生物、嘧啶衍生物、喹喔啉衍生物、二苯基醌衍生物、硝基取代芴衍生物等。
在阴极、电子输送层之间还可以具有电子注入层。此外，在阳极和空穴输送层之间，还可以具有空穴注入层。作为电子注入层的材料，可以使用无机绝缘材料，可以列举出碱金属的氧化物或卤化物、以及碱土类金属的氧化物或卤化物等。
在显示面板10是OLED的情况下，上述发光层也可以包含荧光材料、磷光材料等作为发光材料。
作为红色的荧光材料，只要是发出红色的荧光的材料，则并无特别限定，例如可列举出四芳基二茚并苝衍生物等苝衍生物、铕络合物、苯并吡喃衍生物、罗丹明衍生物、苯并噻吨衍生物、卟啉衍生物等。
作为绿色的荧光材料，只要是发出绿色的荧光的材料即可，并无特别限定，例如可列举出香豆素衍生物、喹吖啶酮衍生物、蒽衍生物等。
作为蓝色的荧光材料，只要是发出蓝色荧光的材料则并无特别限定，例如可列举出二苯乙烯胺衍生物、荧蒽衍生物、芘衍生物、苝及苝衍生物、蒽衍生物、苯并噁唑衍生物、苯并噻唑衍生物、苯并咪唑衍生物、苯并咪唑衍生物、菲衍生物、二苯乙烯基苯衍生物、四苯基丁二烯等。
作为磷光材料，只要是发出磷光的材料就没有特别限定，例如可列举铱、钌、铂、锇、铼、钯等金属络合物。上述金属络合物优选为配体的至少1个具有苯基吡啶骨架、联吡啶骨架、卟啉骨架等的络合物。
作为红色的磷光材料，可以列举三(1-苯基异喹啉)铱、双[2-(2’-苯并[4，5-α]噻吩基)吡啶-N，C3’]铱(乙酰丙酮)(btp2Ir(acac))、2,3,7,8,12,13,17,18-八乙基-12H,23H-卟啉-铂(II)、双[2-(2’-苯并[4，5-α]噻吩基)吡啶-N，C3’]铱、双(2-苯基吡啶(乙酰丙酮)。
作为绿色的磷光材料，可列举出：β-三(2-苯基吡啶)铱(Ir(ppy)3)、双(2-苯基吡啶-N，C2’)铱(乙酰丙酮)、β-三[5-氟-2-(5-三氟甲基-2-吡啶)苯基-C,N]铱。
作为蓝色的磷光材料，可以列举双[4，6-二氟苯基吡啶-N，C2’]-甲基吡啶合铱、三-[2-(2，4-二氟苯基)吡啶-N，C2’]铱、双[2-(3，5-三氟甲基)吡啶-N，C2’]-甲基吡啶合铱、双(4，6-二氟苯基吡啶合-N，C2’)乙酰丙酮合铱。
上述荧光材料、磷光材料也可以是掺杂剂，发光层也可以包含对掺杂剂进行电荷传输的主体材料。作为主体材料，可列举出蒽衍生物、并四苯衍生物等并苯衍生物(并苯系化合物)、二苯乙烯基亚芳基衍生物、苝衍生物、二苯乙烯基苯衍生物、二苯乙烯基胺衍生物、三(8-羟基喹啉)铝络合物(Alq3)等羟基喹啉系金属络合物、三苯基胺四聚体等三芳基胺衍生物、噁二唑衍生物、噻咯衍生物、3-苯基-4-(1’-萘基)-5-苯基咔唑、4，4’-N，N’-咔唑联苯(CBP)等咔唑衍生物、低聚噻吩衍生物、苯并吡喃衍生物、三唑衍生物、苯并噁唑衍生物、苯并噻唑衍生物、喹啉衍生物、4,4’-双(2,2’-二苯基乙烯基)联苯(DPVBi)等，可以适当地与荧光材料、磷光材料等组合使用。
在显示面板10为QD-LED面板的情况下，上述发光层也可以包含量子点作为发光材料。量子点是具有按照量子力学的光学特性的纳米级(例如平均粒径为2～10nm)的半导体晶体，例如可列举出由10～50个左右的原子构成的胶体粒子。
作为上述量子点，可举出包含硒化镉(CdSe)、碲化镉(CdTe)、硫化镉(CdS)、硫化铅(PbS)、或者磷化铟(InP)等化合物、或者CdSeS等合金的量子点。
作为上述量子点，可举出由内部组成均匀的单一组成的半导体晶体构成的核型量子点、由多种半导体的合金构成的合金型量子点、用半导体化合物覆盖核型量子点或合金型量子点的表面的核/壳型量子点。通过调整量子点的粒径，能够调整发光波长峰。此外，通过改变量子点的组成、内部构造，能够调整光学特性、电子特性。
也可以按每个像素配置发光二极管(OLED或QD-LED)。在OLED面板或QD-LED面板的情况下，也可以在红色的像素、绿色的像素、蓝色的像素分别配置具备包含红色发光材料的发光层的红色的LED(OLED或QD-LED)、具备包含绿色发光材料的发光层的绿色的LED、具备包含蓝色发光材料的发光层的蓝色的LED。
也可以通过组合上述荧光或磷光材料来制作发出白色的荧光或磷光的OLED。在OLED面板的情况下，也可以在白色的OLED上重叠包含红色、绿色、蓝色的树脂层的彩色滤光片，形成红色的像素、绿色的像素、蓝色的像素。
在QD-LED面板的情况下，也可以在白色、蓝色等单色的量子点层上重叠包含红色的OLED、绿色的OLED、蓝色的OLED的彩色OLED层或彩色滤光片，形成红色的像素、绿色的像素、蓝色的像素。
像素的配置没有特别限定，可以是将绿色的像素数设为红色的像素数、蓝色的像素数的2倍的波形瓦(ペンタイル)排列，也可以是将红色的像素、绿色的像素、蓝色的像素以1：1：1进行配置的Real RGB排列。
(圆偏振光元件)
圆偏振光元件20将显示面板10的显示光转换为圆偏振光并使其透过。本实施方式的圆偏振光元件20具备第一直线偏光板21和第一1/4波长板22。第一直线偏光板21将显示光转换为直线偏振光，第一1/4波长板22将上述直线偏振光转换为圆偏振光。
第一直线偏光板21只要是使具有特定的振动方向的直线偏振光透过的板即可，并无特别限定，在显示装置的领域中能够使用一般的偏振板。直线偏光板既可以是吸收型，也可以是反射型。
吸收型偏光板具有吸收在特定方向上振动的光、透过在与其垂直的方向上振动的偏振光(直线偏振光)的功能。吸收型偏光板具有透过轴和与上述透过轴正交的吸收轴。作为吸收型的直线偏光板，例如可列举出用三乙酰纤维素(TAC)夹持对吸附有碘化合物分子的聚乙烯醇进行单轴拉伸而得的膜的偏光板等。
反射型偏光板具有反射在特定方向上振动的光，并使在与其垂直的方向上振动的偏振光(直线偏振光)透过的功能。反射型偏光板具有透过轴和与上述透过轴正交的反射轴。作为反射型的直线偏光板，可举出将由两种树脂构成的共挤出膜进行单轴拉伸而得到的反射型偏光板(例如，日东电工公司制造的APCF、3M公司制造的DBEF)、排列了金属细线的线栅偏光板等。作为线栅偏光板，例如可举出将直径10μ～100μm左右的金属细线以20μ～200μm的间距排列的线栅偏光板。
第一1/4波长板22只要是对入射光赋予1/4相位差的相位差板即可，没有特别的限定。第一1/4波长板22例如是指对波长550nm的光赋予1/4波长(严格来讲为137.5nm)的面内相位差的相位差板，只要赋予120nm以上且150nm以下的面内相位差即可。
圆偏振光元件20也可以是胆甾型液晶元件。当圆偏振光元件20是胆甾型液晶元件时，胆甾型液晶元件将从显示面板10射出的显示光转换为圆偏振光。
在本说明书中，在与光的行进方向相对地观察光的情况下，光波的电位移矢量的振动方向是，将随着光波的行进而顺时针旋转的称为向右旋转的圆偏振光，将随着光波的行进而逆时针旋转的称为向左旋转的圆偏振光。此外，圆偏振光不仅包含完全的圆偏振光(椭圆率(短轴/长轴)＝1.00)，还包含椭圆率为0.90以上且小于1.00的椭圆偏振光。
作为胆甾型液晶元件，例如可列举出将包含胆甾型液晶的胆甾型液晶层夹持在一对基板中而成的元件。通过对基板实施取向处理，控制胆甾型液晶的取向方位，能够制作反射向右旋转及向左旋转的圆偏振光中任一方向的圆偏振光并使另一方向的圆偏振光透过的胆甾型液晶元件。由于胆甾型液晶层能够以数μm的厚度制作，因此能够使显示面板10与半反射镜30的距离接近。也可以将显示面板10的观察者侧的基板用作支承基材，在显示面板10的观察者侧的基板的表面形成胆甾型液晶层。
(半反射镜)
半反射镜30是使入射的光的一部分反射并使剩余的一部分透过的光学元件。半反射镜30的反射率和透过率没有限定，但半反射镜30例如反射入射的光的30％～70％而使剩余物透过，优选反射50％而透过50％。半反射镜30例如能够由金属膜、电介质多层膜构成，根据其膜厚，控制透过率及反射率。
(PB透镜)
本实施方式的显示装置100在半反射镜30与圆偏振光选择反射元件50之间具备PB透镜40PB，PB透镜40PB在左圆偏振光及右圆偏振光中一个圆偏振光入射时聚光，在另一个圆偏振光入射时发散。通过采用这样的方式，从而在折返光学系统的显示装置100中，能够提高显示特性。例如，在折返光学系统中，能够实现更良好的画质优化，特别地，能够实现宽FOV(Field Of View)的光学系统。PB透镜40PB也称为PBP(Pancharatnam Berry phase)透镜。PB透镜40PB是衍射型透镜。
另一方面，上述专利文献1以及2的技术是用于使虚像移动的技术，在上述专利文献1以及2中，没有对提高折返光学系统中的画质提高等显示特性进行研究。此外，在上述专利文献1及2中，在透镜41与圆偏振光选择反射元件50之间不具备PB透镜，因此与本实施方式的显示装置的构成不同。
图4是PB透镜的平面示意图。如图4表示，本实施方式的PB透镜40PB包括支承基板410、以及设置在支承基板410上并周期性地取向的液晶分子420。通过液晶分子420的周期性取向，产生衍射，能够得到透镜功能。
图5是说明PB透镜的聚光和发散的一个示例的示意图。如图5所示，例如，在左圆偏振光和右圆偏振光中的一个圆偏振光入射到PB透镜40PB时，PB透镜40PB使该一个圆偏振光反转并转换为另一个圆偏振光并进行聚光，当另一个圆偏振光入射到PB透镜40PB时，PB透镜40PB使该另一个圆偏振光反转并转换为一个圆偏振光并进行发散。
具体而言，如图5所示，入射到PB透镜40PB的右圆偏振光(图5的(i))反转而被转换为左圆偏振光，并进行聚光(图5的(ii))。此外，入射到PB透镜40PB的左圆偏振光(图5的(iii))反转并转换为右圆偏振光，并发散(图5的(iv))。这样，通过切换入射到PB透镜40PB的圆偏振光的旋转方向，能够切换焦点f的发散及聚光。此外，从PB透镜40PB射出的圆偏振光的旋转方向与入射到PB透镜40PB的圆偏振光的旋转方向相反。
图6和图7分别是第一实施方式的显示装置的分解截面图的一个示例。作为本实施方式的显示装置100，根据PB透镜40PB的发散和聚光的方向，可举出图6和图7所示的2种。图6表示了从显示面板10照射的光被PB透镜40PB发散两次，聚光一次而向观察者U侧射出的方式。图7表示了从显示面板10照射的光被PB透镜40PB聚光两次，发散一次而向观察者U侧射出的方式。在此，PB透镜的液晶分子的旋转的方向在从PB透镜的表面观察的情况和从背面观察的情况下不同。例如，在从表面观察PB透镜的情况下液晶分子以左旋转排列的情况下，从背面观察该PB透镜时，液晶分子以右旋转排列。即，如果从PB透镜的表面入射的右圆偏振光发散，则从PB透镜的背面入射的右圆偏振光就会聚光。
优选从显示面板10照射的光通过PB透镜40PB发散两次，聚光一次而向观察者U侧射出。通过采用这样的方式，从而能够有效地提高显示特性。
图8和图9是表示PB透镜的一个示例的平面图。图8和图9所示的平面图是从观察者U侧观察的平面图。PB透镜40PB具有如图8所示的液晶分子420的长轴420X方向随着从中心朝向外侧而左旋转的构造、和图9所示的液晶分子420的长轴420X方向随着从中心朝向外侧而右旋转的构造这2种，对偏振光的作用彼此不同。
如图8所示，优选PB透镜40PB包括支承基板410和设置在支承基板410上的液晶分子420，液晶分子420的长轴420X方向具有在从观察者U侧俯视PB透镜40PB时，随着从PB透镜40PB的中心朝向外侧而左旋转的结构，右圆偏振光从显示面板10入射到PB透镜40PB。通过采用这样的方式，从而如图6所示，从显示面板10照射的光通过PB透镜40PB发散两次，聚光一次而向观察者U侧射出。
如图9所示，优选PB透镜40PB包括支承基板410和设置在支承基板410上的液晶分子420，液晶分子420的长轴420X方向具有在从观察者U侧俯视PB透镜40PB时，随着从PB透镜40PB的中心朝向外侧而右旋转的结构，左圆偏振光从显示面板10入射到PB透镜40PB。通过采用这样的方式，从显示面板10照射的光通过PB透镜40PB发散两次，聚光一次而向观察者U侧射出。
如图8所示，PB透镜40PB包括支承基板410和设置在支承基板410上的液晶分子420，液晶分子420的长轴420X方向具有在从观察者U侧俯视PB透镜40PB时，随着从PB透镜40PB的中心朝向外侧而左旋转的结构，左圆偏振光也可以从显示面板10入射到PB透镜40PB。通过采用这样的方式，从显示面板10照射的光被PB透镜40PB聚光两次，发散一次而向观察者U侧射出。
如图9所示，PB透镜40PB包括支承基板410和设置在支承基板410上的液晶分子420，液晶分子420的长轴420X方向具有在从观察者U侧俯视PB透镜40PB时，随着从PB透镜40PB的中心朝向外侧顺时针右旋转的结构，右圆偏振光从显示面板10入射到PB透镜40PB。通过采用这样的方式，从显示面板10照射的光被PB透镜40PB聚光两次，发散一次而向观察者U侧射出。
在此，入射到PB透镜40PB的圆偏振光的旋转方向能够通过调换第一1/4波长板22的进相轴与滞相轴来控制。
PB透镜40PB例如能够通过国际公开第2019/189818号中记载的方法来制作。
图10为第一实施方式的显示装置所具备的PB透镜的截面示意图的一个示例。如图10所示，PB透镜40PB具有含有液晶分子420的光学各向异性层420A。作为一个示例，PB透镜40PB以圆偏振光为对象，使入射光向规定的方向衍射而透过。另外-，在图10中，将入射光设为左圆偏振光。
如图10所示，光学各向异性层420A具有从图10中左侧起三个区域R0、R1、R2，在各区域中一个周期的长度Λ不同。具体而言，一个周期的长度Λ按照区域R0、R1、R2的顺序变短。此外，区域R1和R2也可以具有光轴在光学各向异性层的厚度方向扭转并旋转的结构(以下，也称为扭转结构)。通过层叠两层这样的扭转结构，相对于较宽的波长区域、入射角，能够提高衍射效率。
在显示装置100中，在左圆偏振光LC1入射到光学各向异性层420A的面内的区域R1时，相对于入射方向，在箭头X方向、即液晶分子420的光轴的方向连续地旋转的同时变化的一个方向上，衍射规定角度而透过。同样，在左圆偏振光LC2入射到光学各向异性层420A的面内的区域R2时，相对于入射方向，在箭头X方向上衍射规定角度而透过。同样地，在左圆偏振光LC0入射到光学各向异性层420A的面内的区域R0时，相对于入射方向，在箭头X方向上衍射规定角度而透过。
光学各向异性层420A的衍射的角度由于区域R2的液晶取向图案的1周期ΛR2比区域R1的液晶取向图案的1周期ΛR1短，因此，如图10所示，相对于入射光的衍射的角度，区域R2的透过光的角度θR2大于区域R1的透过光的角度θR1。此外，与区域R1的液晶取向图案的1周期ΛR1相比，区域R0的液晶取向图案的1周期ΛR0更长，因此，如图10所示，对于入射光的衍射角，区域R0的透过光的角度θR0小于区域R1的透过光的角度θR1。
在此，在面内具有液晶分子的光轴的方向一边连续地旋转一边变化的液晶取向图案的光学各向异性层的光的衍射中，存在衍射角变大时衍射效率降低、即衍射光的强度变弱的问题。因此，在将光学各向异性层设为具有液晶分子的光轴的方向在面内旋转180°的1个周期的长度不同的区域的构成的情况下，由于根据光的入射位置，衍射角度不同，因此衍射光的光量根据面内的入射位置产生差异。即，根据面内的入射位置，产生透过、衍射的光变暗的区域。
与此相对，本实施方式的PB透镜40PB具有光学各向异性层在厚度方向上扭转并旋转的区域，具有厚度方向的扭转角的大小不同的区域。在图10所示的例子中，光学各向异性层420的区域R2的厚度方向的扭转角大于区域R1的厚度方向的扭转角/>此外，区域R0不具有厚度方向的扭转结构。由此，能够抑制衍射的光的衍射效率的降低。
在图10所示的例子中，通过对衍射角度比区域R0大的区域R1及R2赋予扭转结构，能够抑制在区域R1、R2衍射的光的光量的降低。此外，通过使衍射角度比区域R1大的区域R2的扭转结构的扭转角比区域R1大，能够抑制在区域R2衍射的光的光量的降低。由此，根据面内的入射位置，能够使透过的光的光量均匀。
这样，在本实施方式的PB透镜40PB中，在基于光学各向异性层的衍射大的面内的区域中，入射光透过厚度方向的扭转角大的层内而被衍射。与此相对，基于光学各向异性层的衍射小的面内的区域使入射光透过厚度方向的扭转角小的层内而被衍射。即，在PB透镜40PB中，通过基于光学各向异性层的衍射的大小设定面内的厚度方向的扭转角，能够使对入射光的透过光变亮。因此，根据PB透镜40PB，能够减小面内的透过光量的衍射角度依赖性。
液晶取向图案的1个周期∧越短，光学各向异性层420A的面内的衍射光的角度越大。此外，光学各向异性层420A的面内的厚度方向的扭转角在液晶取向图案中沿箭头X方向以光轴的方向旋转180°的1周期Λ短的区域比1周期Λ大的区域大。在PB透镜40PB中，作为一个示例，如图10所示，光学各向异性层420A的区域R2中的液晶取向图案的1个周期ΛR2比区域R1中的液晶取向图案的1个周期ΛR1短，在厚度方向上扭转角大于在厚度方向上扭转角/>即，光入射侧的光学各向异性层420A的区域R2较大地使光衍射。
因此，通过对作为对象的液晶取向图案的1个周期Λ设定面内的厚度方向的扭转角能够优选使在面内的不同区域中以不同的角度衍射的透过光变亮。
PB透镜40PB中，如上所述，由于液晶取向图案的1周期Λ越短衍射的角度越大，因此，液晶取向图案的1周期Λ越短的区域，通过增大厚度方向的扭转角，能够使透过光变亮。因此，PB透镜40PB中，在液晶取向图案的1周期的长度不同的区域中，优选具有1周期的长度的排列和厚度方向的扭转角的大小的排列不同的区域。
PB透镜40PB优选具备使用包含液晶分子420的液晶组合物而形成的光学各向异性层420A，光学各向异性层420A具有液晶取向图案，该液晶取向图案为源自上述液晶分子的光轴的方向一边沿着面内的至少一个方向连续地旋转一边变化的，并且具有上述光轴在光学各向异性层420A的厚度方向扭转并旋转的区域，具有厚度方向的扭转角的大小不同的区域。
优选地，PB透镜40PB在将来自液晶分子420的光轴的方向在面内旋转180°的长度设为1周期时，具有上述液晶取向图案中的上述1周期的长度不同的区域。
光学各向异性层420A优选上述液晶取向图案中的上述1周期的长度不同的多个区域按照上述1周期的长度的顺序排列，且上述厚度方向的扭转角的大小不同的多个区域按照上述厚度方向的扭转角的大小的顺序排列，具有上述1周期的长度的排列的方向与上述厚度方向的扭转角的大小的排列的方向不同的区域。
光学各向异性层420A优选具有上述厚度方向的扭转角的大小为10°～360°的区域。
光学各向异性层420A优选朝向上述液晶取向图案中的来自上述液晶分子420的光轴的方向一边连续地旋转一边变化的上述一个方向，上述液晶取向图案的上述一个周期逐渐缩短。
光学各向异性层420A的上述液晶取向图案优选为来自上述液晶分子420的光轴的方向一边连续地旋转一边变化的上述一个方向从内侧朝向外侧的同心圆状的图案。
图10所示的PB透镜40PB是扭转角在面内变化的PB透镜，是即使在衍射角大的情况下也衍射效率高的元件，但PB透镜40PB也可以是扭转角在面内不变化的PB透镜。具体而言，PB透镜40PB可以是在厚度方向的不扭转或在面内为一定的扭转角的PB透镜，例如，可使用日本特表2008-532085号公报中记载的偏振衍射光栅。
PB透镜40PB优选为具备多个光学各向异性层420A的PB透镜，具有在光学各向异性层420A的厚度方向上扭转角的方向彼此不同的光学各向异性层420A。
PB透镜40PB优选为具备多个光学各向异性层420A的PB透镜，具有在光学各向异性层420A的厚度方向上扭转角的大小彼此不同的光学各向异性层420A。
优选地，PB透镜40PB是具备多层光学各向异性层420A的PB透镜，光学各向异性层420A具有来自上述液晶分子420的光轴的方向沿着面内的少一个方向连续地旋转的方向彼此相同的液晶取向图案。
上述液晶取向图案中的上述1个周期的长度优选为50μm以下。
(透镜)
优选的是，显示装置100在半反射镜30和PB透镜40PB之间具备透镜41。通过采用这样的方式，从而光学系统的优化的自由度提高，因此能够有效地提高显示特性。
透镜41只要是将显示面板10的图像放大、缩小即可，并无特别限定。透镜41与PB透镜40PB的组合对显示面板10所显示的显示图像的放大像(虚像)进行目视确认。透镜41与PB透镜40PB的组合优选为非球面透镜，该非球面透镜被设计成将透过透镜41与PB透镜40PB的组合的光会聚于观察者U的眼睛。作为第一透镜41，可以是折射型的透镜，也可以是衍射型的透镜。
作为折射型的透镜，能够使用在HMD的领域中通常使用的透镜，可列举出平凸透镜、双凸透镜、弯月形透镜等具有曲面(凸面)的折射透镜。此外，也可以并用菲涅耳透镜。折射型的透镜优选以凸面成为显示面板10侧的方式配置。折射型的透镜也可以使用将波长分散不同的两个透镜贴合而成的消色差透镜，或组合多个透镜。例如，为了适当地获得光焦度，通常利用使用了两片透镜的光学系统，但考虑该两片之中，在接近显示装置的透镜上使用双凸透镜，在接近观察者的透镜上使用以面板侧为凸的菲涅耳透镜的凸平透镜。
作为衍射型的透镜，可举出透过型的全息光学元件等。用作衍射型透镜的透过型全息光学元件通过利用上述光的衍射现象，能够使显示面板10的图像成像。作为全息膜，可以使用相当于入射光和射出光的光，通过干涉曝光而具有期望的光学特性的全息膜。此外，作为全息图膜的制造方法，近年来也有通过被称为CGH(Computer Generated Hologram)的、每个小区域进行曝光，得到期望的光学特性的方法。
(圆偏振光选择反射元件)
圆偏振光选择反射元件50选择性地反射透过PB透镜40PB的圆偏振光。圆偏振光选择反射元件50优选透过旋转方向与透过了圆偏振光元件20的圆偏振光相同的圆偏振光，并反射旋转方向与透过了圆偏振光元件20的圆偏振光相反的圆偏振光。例如，在透过了圆偏振光元件20的圆偏振光在向右旋转时一致的情况下，圆偏振光选择反射元件50透过向右旋转的圆偏振光，并反射向左旋转的圆偏振光。
圆偏振光选择反射元件50也可以包含反射型的直线偏光板51与第二1/4波长板52的层叠体。反射型的直线偏光板51和第二1/4波长板52分别可以使用与作为圆偏振光元件20而例示的上述反射型的直线偏光板、第一1/4波长板22相同的直线偏光板。优选上述圆偏振光元件20所具有的第一1/4波长板22的滞相轴与圆偏振光选择反射元件50所具有的第二1/4波长板52的滞相轴正交。
圆偏振光选择反射元件50可以为胆甾型液晶元件。当圆偏振光选择反射元件50为胆甾型液晶元件时，可以使用与作为圆偏振光元件20例示的上述胆甾型液晶元件同样的元件。透过胆甾型液晶元件的光是圆偏振光。当圆偏振光元件20以及圆偏振光选择反射元件50都是胆甾型液晶元件时，作为圆偏振光元件20的胆甾型液晶元件和作为圆偏振光选择反射元件50的胆甾型液晶元件优选透过的圆偏振光的方向(向右旋转、向左旋转)相反。
<第一实施方式的变形例1>
图11为第一实施方式的变形例1的显示装置的分解截面图。如图11所示，透镜41为第一透镜41，本变形例的显示装置100也可以在显示面板10的观察者U侧具备第二透镜42。通过采用这样的方式，从而光学系统的优化的自由度提高，因此能够有效地提高显示特性。
第一透镜41例如配置在半反射镜30和PB透镜40PB之间。
第二透镜42可以与透镜(第一透镜)41同样地使用折射型的透镜。通过该透镜，能够将第一透镜41的光焦度分配给两个透镜(第一透镜41及第二透镜42)，此外，也能够分别形成为不同的自由曲面，因此能够设计为抑制以色差为首的像差。
第二透镜42例如配置在PB透镜40PB与圆偏振光选择反射元件50之间。
<第一实施方式的变形例2>
图12是第一实施方式的变形例2的显示装置的分解截面图。如图12所示，第二透镜42优选配置在圆偏振光选择反射元件50的观察者U侧。通过采用这样的方式，从而从显示面板10发出的光仅通过作为目镜的第二透镜42一次，因此容易进行光学系统的优化，设计的自由度提高，能够有效地提高显示特性。
<第一实施方式的变形例3>
图13为第一实施方式的变形例3的显示装置的分解截面图。如图13所示，PB透镜40PB为第一PB透镜，并且，在半反射镜30与圆偏振光选择反射元件50之间还可以具备第二潘查拉特南-贝里透镜(PB透镜)41PB，在左圆偏振光和右圆偏振光中的一个圆偏振光入射时聚光，另一个圆偏振光入射时发散。通过采用这样的方式，从而能够使显示装置100平坦化，能够实现进一步的薄型化。并且，组装变得容易，能够实现低成本化。
通过加入第二PB透镜41PB，能够将第一PB透镜40PB的光焦度划分为2个PB透镜(第一PB透镜40PB以及第二PB透镜41PB)，此外，也能够设为分别不同的自由曲面，也能够使PB透镜的方向互相反转，因此能够设计成抑制以色差为首的像差。
<第一实施方式的变形例4>
图14为第一实施方式的变形例4的显示装置的分解截面图。如图14所示，在上述第一实施方式的变形例3的构成的基础上，还可以在半反射镜30与圆偏振光选择反射元件50之间还具备第三潘查拉特南-贝里透镜(PB透镜)42PB，所述第三潘查拉特南-贝里透镜42PB在左圆偏振光和右圆偏振光中一个圆偏振光入射时聚光，另一个圆偏振光入射时发散。通过采用这样的方式，从而能够使显示装置100平坦化，能够实现进一步的薄型化。此外，组装变得容易，能够实现低成本化。此外，光学系统的优化的自由度提高，因此，能够有效地提高显示特性。
第三PB透镜42PB与第一PB透镜40PB相同。
通过加入第三PB透镜42PB，能够将第一PB透镜40PB的光焦度分为3个PB透镜(第一PB透镜40PB、第二PB透镜41PB及第三PB透镜42PB)，此外，也能够分别为不同的自由曲面，也能够使PB透镜的方向彼此反转，因此能够设计成抑制以色差为首的像差。
<第二实施方式>
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式重复的内容省略说明。本实施方式的显示装置使用液晶面板作为显示面板。在第二实施方式中，显示面板是包括一对基板和被所述一对基板夹持的液晶层的液晶面板，圆偏振光元件包括第一直线偏光板和1/4波长板的层叠体，在显示面板的与圆偏振光元件相反的一侧还具备第二直线偏光板。对于与第一实施方式重复的构成，省略说明。
图15是示意性地表示第二实施方式的显示装置的分解截面图。如图15所示，在第二实施方式的显示装置100中，显示面板(液晶面板)70包括一对基板71、72和被上述一对基板71、72夹持的液晶层73。基板71可以是TFT基板71，基板72可以是相对基板72。
如第一实施方式所例示，TFT基板71可例举以下基板：在支承基板上具有：相互平行地延伸设置的多条栅极线；隔着栅极绝缘膜在与各栅极线交叉的方向上相互平行地延伸设置的多条源极线；以及在各栅极线与各源极线的交点按像素配置的多个TFT。
液晶面板的显示模式没有特别限定，也可以是相对电极设于TFT基板71的水平取向(横向电场)模式的液晶面板，也可以是相对电极隔着液晶层73设于相对基板72的垂直取向(纵向电场)模式。
图16是图15所示的液晶面板的平面示意图。相对基板72也可以是具备支承基板、和形成于支承基板上的黑矩阵以及CF层的彩色滤光片(CF)基板。
如图16所示，CF基板也可以具有例如彩色滤光片74排列在面内且由黑矩阵75划分的构成。彩色滤光片74也可以包含红色的彩色滤光片74R、绿色的彩色滤光片74G及蓝色的彩色滤光片74B。彩色滤光片74的配置也可以是在行方向上重复排列有红色、绿色、蓝色的彩色滤光片，在列方向上排列有相同颜色的彩色滤光片74R、74G、74B的条纹排列。与红色、绿色及蓝色的彩色滤光片74R、74G、74B重叠的像素分别为红色、蓝色、绿色的像素。
作为黑矩阵75，能够使用在液晶面板的领域通常使用的材料，例如，也可以由包含黑色颜料的树脂构成。黑矩阵75也可以以在俯视时与栅极线和/或源极线重叠的方式设置成格子状。
液晶层73包括液晶分子。当向公共电极与像素电极之间施加电压时，液晶层73中产生电场，液晶分子的取向根据上述电场而变化，从而能够控制光的透过量。未施加电压时的液晶分子的取向方位通过取向膜的限制力而被控制。所谓上述无施加电压时是指在一对电极间(在液晶层73中)未施加电压、或者施加小于液晶分子的阈值的电压的情况。
上述液晶分子由下述式定义的介电常数各向异性(Δε)可以具有正值，也可以具有负值。
Δε＝(长轴方向的介电常数)-(短轴方向的介电常数)
也可以在TFT基板71与液晶层73之间以及相对基板72与液晶层73之间分别设置取向膜。在向液晶层73不施加电压时，主要通过取向膜的作用控制液晶分子的取向。例如，在水平取向模式中，未施加电压时的液晶分子的倾斜角(预倾角)可以为0～5°，优选为0～3°，更优选为0～1°。液晶分子的倾斜角是指液晶分子的长轴方向(光轴)相对于TFT基板71和相对基板72的表面倾斜的角度。
第二线偏光板80配置在液晶面板70的与圆偏振光元件20相反侧(与液晶面板70的观察者U相反的一侧)。优选的是，以第一直线偏光板21的透过轴与第二直线偏光板80的透过轴正交的方式配置成正交尼科尔。作为第二直线偏光板80，可以使用与第一直线偏光板21相同的直线偏光板。
若列举常黑模式为例，则在未施加电压时，液晶分子的取向方位在俯视时与第一直线偏振板21及第二直线偏振板80的透过轴的任一方大致平行地取向。从液晶面板的背面入射的光透过第二直线偏振板80，成为直线偏振光。上述直线偏振光透过液晶层73，但不透过第一直线偏光板21，因此，液晶面板成为黑显示。另一方面，当向液晶层73施加电压时，液晶分子的取向方位从初始取向方位变化，液晶分子的长轴方向与第一直线偏光板21和第二直线偏光板80的透过轴形成角度，由此，光透过第一直线偏光板21，液晶面板成为白显示。
在第二实施方式中，透过第一直线偏光板21的直线偏振光透过1/4波长板22而成为圆偏振光。在使用上述的胆甾型液晶元件作为圆偏振光元件的情况下，由胆甾型液晶元件反射的光成为杂散光，成为影像看起来不清晰的一个原因，因此有可能降低液晶面板的显示质量。因此，在使用液晶面板作为显示面板10的第二实施方式中，作为圆偏振光元件，优选使用第一直线偏光板21与1/4波长板22的层叠体。
(背光)
第二实施方式的显示装置100还可以在第二直线偏光板80的与液晶面板70相反的一侧具备包括光源的背光。
背光可以是直下型，也可以是边光型。直下型的背光在液晶面板的背面配置有光源。边光型的背光具有配置在液晶面板的背面的导光板和配置在上述导光板的侧面的光源。边光型的背光从光源向导光板的侧面入射光，从导光板向液晶面板侧射出光。可以在导光板的背面配置反射片，也可以在导光板与显示装置100之间配置棱镜片、扩散片等。
上述背光优选使从上述光源射出的光在沿着上述液晶面板的厚度方向的方向上聚光。上述背光的半值宽度(全角)可以为15°～30°。上述半值宽度可以以符合IEC61747-30的方法测量亮度视角特性，由相对于最大亮度为一半以上的亮度的角度范围来规定。
<第三实施方式>
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式重复的内容省略说明。图17是表示第三实施方式的头戴式显示器的外观的一个示例的立体示意图。如图17所示，本实施方式的头戴式显示器200具备显示装置100和佩戴于观察者U的头部的佩戴部210。本实施方式的头戴式显示器200可以是佩戴时观察者U的眼睛配置于被外部光遮蔽的空间内的沉浸型的HMD，也可以是眼镜型的HMD。
显示装置100具有用于对观察者U显示影像(图像)的功能。显示装置100将影像显示信号转换为影像。
在头戴式显示器200是眼镜型的HMD的情况下，如图17所示，相当于眼镜的镜片的部分是显示装置100，佩戴部210也可以是戴在观察者U的耳朵上的眼镜的框架。
在头戴式显示器200是沉浸型的HMD的情况下，佩戴部210也可以包括佩戴带，该佩戴带通过由观察者U覆盖而绕头部一周，将头戴式显示器200固定于观察者U的头部。
头戴式显示器200的方式可以是对左右眼配置一个显示面板的1显示器方式，也可以是在左右眼分别配置显示面板的2显示器方式。上述沉浸型的HMD例如可以应用于单显示器方式和双显示器方式。眼镜型的HMD例如能够适用于双显示器方式。
头戴式显示器200还可以具有配置在显示装置100与观察者U的面部之间的面部缓冲器220。面部缓冲器220是配置于显示装置100与观察者U的面部之间的缓冲材料，通过配置该面部缓冲器220，能够抑制在头戴式显示器200的使用中外部光进入观察者U的视野。
头戴式显示器200还可以具备音响输出部，该音响输出部具有产生声音、音乐、效果音等音响的功能。
声音输出部将声音输出信号转换为声音。通常，可以使用产品化的耳机作为耳机。此外，也可以是，声音输出部与佩戴部210一起作为使该头戴式显示器200佩戴于观察者U的头部时的、与耳朵抵接的抵接部发挥功能。
此外，头戴式显示器200也可以具备输出影像显示信号和声音输出信号的驱动单元。驱动单元通过有线或无线与显示装置100及声音输出部连接。作为无线通信的方式，例如可列举Bluetooth(注册商标)。
[实施例]
以下举出实施例和比较例更详细地说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例。
<实施例1和实施例2>
对于图6表示的实施例1的显示装置100以及图7表示的实施例2的显示装置100，进行以下的模拟。在此，实施例1以及实施例2的显示装置100具体地依次具备液晶面板、具备第一直线偏振板21和第一1/4波长板22的圆偏振光元件20、半反射镜30、透镜41、PB透镜40PB、圆偏振光选择反射元件50作为显示面板10。
实施例1的透镜41是利用自由曲面进行优化的透镜，显示面板10侧的面的中心附近的曲率半径为约85mm，为越靠近外周曲率半径越逐渐变小的形状，观察者U侧的曲率半径为约140mm(向观察者U侧凸出)，在距中心约7mm的外周具有拐点，其外侧为向观察者U侧凹陷的形状。
实施例2的透镜41是利用自由曲面进行优化的透镜，显示面板10侧的面的中心附近的曲率半径为约70mm，为越靠近外周曲率半径越逐渐变小的形状，观察者U侧的曲率半径为约600mm(向观察者U侧凸出)，在距中心约7mm的外周具有拐点，其外侧为向观察者U侧凹陷的形状。
此外，实施例1的显示装置100是从显示面板10照射的光被PB透镜40PB发散两次、聚光一次而向观察者U侧射出的显示装置。实施例2的显示装置100是从显示面板10照射的光被PB透镜40PB聚光两次、发散一次而向观察者U侧射出的显示装置。
图18是表示实施例1的显示装置中的光线路模拟结果的图。
图19是表示实施例2的显示装置中的光线路模拟结果的图。图18及图19中，省略了圆偏振光元件20、半反射镜30及圆偏振光选择反射元件50。图18和图19是表示从显示面板10射出的桃色光1LP、绿色光1LG、红色光1LR、蓝色光1LB以及黄色光1LY分别经由第一透镜41以及PB透镜40PB如何到达观察者U的模拟结果。在本说明书的模拟中，将面板设定为2.5型(2160×2160)，将像素尺寸设定为约20μm，并且，假设为丙烯酸类树脂，透镜材料的折射率设定为1.5，透镜直径设定为直径40～45mm。
如图18和图19所示，在实施例1和实施例2中，折返次数彼此不同的多种光共用相同的透镜面(透镜面的相同区域)，但由于PB透镜的凹凸作用根据入射方向而不同，因此设计自由度增加。由此可知，能够实现优化的光学设计，能够提高显示特性。
进而，如图18及图19的虚线圆形标记所示，PB透镜40PB中折返1次，第二次入射到PB透镜40PB的桃色光1LP的入射光和第一次入射到PB透镜40PB的绿色光1LG的入射光共同具有的PB透镜40PBB的透镜面的共有比例在实施例1中少于实施例2。这样，如果共用比例变少，则具有对于各条光线更容易使透镜形状优化的倾向。因此，可知与实施例2相比，实施例1能够实现更加优化的光学设计，能够进一步提高显示特性。
在此，作为光学设计的优化的指标，在透镜光学系统中经常使用点图。这表示从显示装置上的一点发出的光以何种程度的扩展而可见。更具体而言，模拟从显示装置上的1点以多个等间隔地输出的光(影像光)沿着怎样的路径，到达观察者U的眼睛时看起来在哪个位置发光，使用RMS(Root Mean Square，均方根)评价等间隔地输出的多个光彼此的位置的偏移量。
当前成为主流的液晶显示装置为1200ppi，此时，考虑到1像素约为21μm，理想的是将RMS的值抑制在21μm以内。但是，特别是在入射角宽的区域(作为基准，入射角为20度以上)从人的分辨率下降，因此预想如果被抑制在5像素以内，则没有大的问题。
图20是表示实施例1的显示装置的正面观察时的点图的模拟结果的图。图21是表示实施例2的显示装置的正面观察时的点图的模拟结果的图。在此，正面观察是指眼睛朝向正面的状态。如图20所示，在实施例1中，能够将RMS抑制到小于5像素，直至影像光的入射角45°附近。此外，如图21所示，在实施例2中，能够将RMS抑制到小于5像素，直至影像光的入射角13.5°附近。根据以上的结果可知，与实施例2相比，实施例1能够进一步提高显示特性。
<实施例3及比较例1>
对于将实施例1的显示装置宽FOV105°化为宽FOV的实施例3的显示装置、以及将实施例1的显示装置的PB透镜40PB变更为作为第二透镜42的菲涅耳透镜、并且宽FOV为105°化为宽FOV的比较例1的显示装置，进行以下的模拟。在此，扩大FOV意味着能够提供视野角宽、沉浸感更高的影像。将FOV从90°扩展至105°时，设计的难易度大幅提高。这是为了将FOV设定为105°，需要增大透镜直径，其结果，需要透镜的厚度变厚等，设计的自由度降低，另一方面需要将设计配合到更宽的视野范围。
图22是表示比较例1的显示装置中的光线路径的模拟结果的图。图23是表示比较例1的显示装置的点图的模拟结果的图。
图24是表示实施例3的显示装置的光线路模拟结果的图。图25是表示实施例3的显示装置的点图的模拟结果的图。
在图22及图24中，省略了圆偏振光元件20、半反射镜30及圆偏振光选择反射元件50。图22是表示从显示面板10射出的桃色光1LP、绿色光1LG、红色光1LR、蓝色光1LB以及黄色光1LY分别经由第一透镜41以及第二透镜42如何到达观察者U的模拟结果。图24为表示从显示面板10射出的桃色光1LP、绿色光1LG、红色光1LR、蓝色光1LB以及黄色光1LY分别经由第一透镜41以及PB透镜40PB如何到达观察者U的模拟结果。
以与实施例1相同的条件进行了优化模拟的结果可知，如图22、图23、图24以及图25所示，与比较例1相比，实施例3即使在宽入射角区域也能够得到图像的模糊少且良好的显示特性，能够实现宽FOV的光学系统。
附图标记说明
1L：直线偏振光
1LB、1LG、1LP、1LR、1LY：光
2L：圆偏振光
10：显示面板(自发光面板)
20：圆偏振光元件
21、51：直线偏光板
22、52：1/4波长板
30：半反射镜
40R、41、42：透镜
40PB、41PB、42PB：潘查拉特南-贝里透镜(PB透镜)
50：圆偏振光选择反射元件
70：显示面板(液晶面板)
71：基板(TFT基板)
72：基板(相对基板)
73：液晶层
74：彩色滤光片
75：黑矩阵
74B：蓝色的彩色滤光片
74G：绿色的彩色滤光片
74R：红色的彩色滤光片
80：第二直线偏光板
100、100R：显示装置
200：头戴式显示器
210：安装部
220：面部缓冲器
410：支承基板
420：液晶分子
420：光学各向异性层
420X：长轴
LCO、LC1、LC2：左圆偏振光
R0、R1、R2：区域
U：观察者

Claims (11)

1.一种显示装置，其特征在于，其朝向观察者侧依次具备：
显示面板；
半反射镜；
潘查拉特南-贝里透镜，其在左圆偏振光和右圆偏振光中的一个圆偏振光入射时聚光，另一个圆偏振光入射时发散；以及
圆偏振光选择反射元件。
2.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，
从所述显示面板照射的光由所述潘查拉特南-贝里透镜2次发散，1次聚光后向所述观察者侧射出。
3.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，
所述潘查拉特南-贝里透镜包括支承基板和设置在所述支承基板上的液晶分子，
所述液晶分子的长轴具有如下结构：在从所述观察者侧俯视所述潘查拉特南-贝里透镜的情况下，随着从所述潘查拉特南-贝里透镜的中心朝向外侧而左旋转，
右圆偏振光从所述显示面板入射到所述潘查拉特南-贝里透镜。
4.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，
所述潘查拉特南-贝里透镜包括支承基板和设置在所述支承基板上的液晶分子，
所述液晶分子的长轴具有如下结构：在从所述观察者侧俯视所述潘查拉特南-贝里透镜的情况下，随着从所述潘查拉特南-贝里透镜的中心朝向外侧而右旋转，
左圆偏振光从所述显示面板入射到所述潘查拉特南-贝里透镜。
5.根据权利要求l所述的显示装置，其特征在于，
在所述半反射镜和所述潘查拉特南-贝里透镜之间具备透镜。
6.根据权利要求5所述的显示装置，其特征在于，
所述透镜为第一透镜，
在所述显示面板的所述观察者侧还具备第二透镜。
7.根据权利要求6所述的显示装置，其特征在于，
所述第二透镜配置在所述潘查拉特南-贝里透镜与所述圆偏振光选择反射元件之间。
8.根据权利要求6所述的显示装置，其特征在于，
所述第二透镜配置在所述圆偏振光选择反射元件的所述观察者侧。
9.根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，
所述潘查拉特南-贝里透镜为第一潘查拉特南-贝里透镜，
在所述半反射镜和所述圆偏振光选择反射元件之间还具备第二潘查拉特南-贝里透镜，所述第二潘查拉特南-贝里透镜在左圆偏振光和右圆偏振光中的一个圆偏振光入射时聚光，当另一个圆偏振光入射时发散。
10.根据权利要求9所述的显示装置，其特征在于，
在所述半反射镜和所述圆偏振光选择反射元件之间还具备第三潘查拉特南-贝里透镜，所述潘查拉特南-贝里透镜在左圆偏振光和右圆偏振光中的一个圆偏振光入射时聚光，当另一个圆偏振光入射时发散。
11.一种头戴式显示器，其特征在于，其包括：
根据权利要求1～10中任一项所述的显示装置；以及
安装在所述观察者的头部的安装部。
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