JP2008209923A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】不要なすじやフリッカ等が観察され難い、見易い画像を表示することができる画像表示装置を提供する。
【解決手段】配列された複数の画素により画像を表示するＬＣＤ３と、複数の電極を有し上記ＬＣＤ３からの光の偏光方向をスイッチングする偏光スイッチング用液晶セル４と、この偏光スイッチング用液晶セル４からの光の偏光方向に応じて光路を変更する複屈折板５と、ＬＣＤ３の画像を拡大する接眼レンズ６とを備え、眼球からＬＣＤの虚像面３ｉまでの距離Ｌ１と、眼球から偏光スイッチング用液晶セルの虚像面４ｉまでの距離Ｌ２とが、１／Ｌ２−１／Ｌ１≧０．４（Ｄ）またはＬ２≦２００（mm）となるように、ＬＣＤ３と偏光スイッチング用液晶セル４とを配置し、あるいは複屈折板５等にＡＲコートを施す。
【選択図】図６

Description

本発明は、画像表示装置、より詳しくは、表示素子からの光の偏光方向をスイッチングして、見かけの画素を増加させる画像表示装置に関する。

表示素子からの光の偏光方向をスイッチングして見かけの画素を増加させる画像表示装置は、従来より種々のものが提案されており、例えば、特開平６−３２４３２０号公報には、画像表示装置と観察者またはスクリーンとの間に、光路をフィールド毎に偏光する光学部材を配置して、フィールド毎に光路が変更されるのに応じて、表示位置がずれている状態の表示画素パターンを画像表示装置に表示するようにした画像表示装置が記載されている。

この画像表示装置は、より詳しくは、画像表示部としてのＬＣＤと、光学部材としての複数の電極を有する偏光スイッチング用液晶セル（偏波面回転板）と、光を偏光方向に応じて屈折させる複屈折板と、像拡大用の接眼レンズとを順に配置し、上記ＬＣＤの走査タイミングに合わせて偏光スイッチング用液晶セルにより偏光方向を制御することによって、該ＬＣＤが表示する像を画素ずらしするようになっている。

なお、ＬＣＤの走査タイミングに合わせて偏光方向を制御するのは、該公報にも記載されているように、ＬＣＤは書き込まれた画素が次のフィールドまで保持されるために、１画面内に奇数フィールドと偶数フィールドの情報が同時に存在するからである。

ところで、特開平９−３２５２０４号公報には、光学フィルタとして使用する複屈折板を、複屈折率が大きいニオブ酸リチウムを用いて形成し薄型化を図るとともに、水晶などに比べて大きい表面反射を抑制するために、該複屈折板の表面にＡＲコートを施して透過率を高める技術が記載されている。

また特開平９−２８１４３０号公報には、像拡大用接眼レンズとして、偏心光学系である面対称自由曲面を有するプリズムを用いる技術が記載されている。

しかしながら、上記特開平６−３２４３２０号公報に記載されているような構成では、後述する図４，図５等において詳細に説明するように、偏光スイッチング用液晶セルの電極間の隙間がすじとして観察され、画質を損ねてしまうことが本出願人の実験により判明している。

また、複屈折板に偏光した光が斜めに入射すると、後述する図１０，図１１等において詳細に説明するように、その光の偏光方向と入射方向の関係に応じて光の透過率が異なるために、偏光スイッチング用液晶セルにより偏光方向を切り替える度に透過光量が変化して、これがフリッカとして観察されることが本出願人の実験により判明している。

さらに、上記特開平９−３２５２０４号公報に記載されている光学フィルタは、光の透過率を向上させるために用いられるものであり、偏光方向を制御することを目的としたものではない。それ故に、上述したようなフリッカの発生を軽減することについては何等示唆していない。

そして、上記特開平９−２８１４３０号公報に記載されたような光学系を有する構成において、こうした課題を解決しながら省スペースを図ることのできる画像表示装置が望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、不要なすじ等が目立つことのない、見易い画像を表示することができる画像表示装置を提供することを目的としている。

また、本発明は、フリッカ等の発生を低減して、見易い画像を表示することができる画像表示装置を提供することを目的としている。

本発明の第１の画像表示装置は、複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、面内に配置した複数の電極へ印加する電圧を制御することにより、上記表示素子から入射して来る光の偏光方向を該電極が設けられた部分毎にスイッチングして射出する偏光制御手段と、この偏光制御手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる光路制御手段と、この光路制御手段を通過した上記表示素子の画像を拡大する光学系と、を具備した画像表示装置であって、
人間の眼のぼけ検出能力δ、瞳孔径Ｐ、眼球の全屈折力Ｄe を用いて定義される人間の眼の焦点深度△Ｄ、
△Ｄ＝δＤe ／Ｐ
に基づき、眼球から上記表示素子の虚像面までの距離をＬ１、眼球から上記偏光制御手段の虚像面までの距離をＬ２としたときに、
１／Ｌ２−１／Ｌ１≧△Ｄ
を満たすように、上記表示素子と上記偏光制御手段とを配置したことを特徴とする。

本発明の第２の画像表示装置は、複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、面内に配置した複数の電極へ印加する電圧を制御することにより、上記表示素子から入射して来る光の偏光方向を該電極が設けられた部分毎にスイッチングして射出する偏光制御手段と、この偏光制御手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる光路制御手段と、この光路制御手段を通過した上記表示素子の画像を拡大する光学系と、を具備した画像表示装置であって、
人間の眼のぼけ検出能力δ、瞳孔径Ｐ、眼球の全屈折力Ｄe を用いて定義される人間の眼の焦点深度△Ｄ、
△Ｄ＝δＤe ／Ｐ
に基づき、眼球から上記表示素子の虚像面までの距離をＬ１、眼球から上記偏光制御手段の虚像面までの距離をＬ２としたときに、
１／Ｌ２−１／Ｌ１≧△Ｄ
Ｌ２≦１６７（mm）
を満たすように、上記表示素子と上記偏光制御手段とを配置したことを特徴とする。

本発明の第３の画像表示装置は、前記第１または第２の画像表示装置において、上記焦点深度△Ｄは、０．４ディオプタ以上であることを特徴とする。

本発明の第４の画像表示装置は、複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、面内に配置した複数の電極へ印加する電圧を制御することにより、上記表示素子から入射して来る光の偏光方向を該電極が設けられた部分毎にスイッチングして射出する偏光制御手段と、この偏光制御手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる光路制御手段と、この光路制御手段を通過した上記表示素子の画像を拡大するためのものであって、該表示素子の射出面に対して傾斜して配設された入射面を備え、面対称自由曲面を有するプリズムとして構成された偏心光学系と、を具備した画像表示装置であって、上記偏心光学系の入射面に略平行となるように上記表示素子に対して上記偏光制御手段を傾けて配置したことを特徴とする。

本発明の第５の画像表示装置は、複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、面内に配置した複数の電極へ印加する電圧を制御することにより、上記表示素子から入射して来る光の偏光方向を該電極が設けられた部分毎にスイッチングして射出する偏光制御手段と、この偏光制御手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる光路制御手段と、この光路制御手段を通過した上記表示素子の画像を拡大するためのものであって、該表示素子の射出面に対して傾斜して配設された入射面を備え、面対称自由曲面を有するプリズムとして構成された偏心光学系と、を具備した画像表示装置であって、
上記偏心光学系の入射面に略平行となるように上記表示素子に対して上記偏光制御手段を傾けて配置すると共に、
眼球から上記偏光制御手段の虚像面までの距離をＬ２としたときに、
Ｌ２≦１６７（mm）
を満たすように、上記表示素子と上記偏光制御手段とを配置したことを特徴とする。

本発明の第６の画像表示装置は、複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、この表示素子から入射して来る光の偏光方向を略直交する２方向にスイッチングして射出する偏光スイッチング手段と、この偏光スイッチング手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる複屈折光学素子と、この複屈折光学素子を通過した上記表示素子の画像を拡大する光学系と、を具備した画像表示装置であって、
上記偏光スイッチング手段から射出される略直交する２方向に偏光した光が上記複屈折光学素子に垂直に入射するときの入射角を０としたときに、該入射角が０よりも大きくなるにつれて上記略直交する２方向に偏光した光の透過率の比が１から離れていくのを、１に近づける表面処理を該複屈折光学素子の表面の少なくとも一部に施し、上記表面処理は、無反射コーティングであることを特徴とする。

本発明の第７の画像表示装置は、複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、この表示素子から入射して来る光の偏光方向を略直交する２方向にスイッチングして射出する偏光スイッチング手段と、この偏光スイッチング手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる複屈折光学素子と、この複屈折光学素子を通過した上記表示素子の画像を拡大する光学系と、を具備した画像表示装置であって、
上記偏光スイッチング手段から射出される略直交する２方向に偏光した光が上記光学系に垂直に入射するときの入射角を０としたときに、該入射角が０よりも大きくなるにつれて上記略直交する２方向に偏光した光の透過率の比が１から離れていくのを、１に近づける表面処理を該光学系の表面の少なくとも一部に施し、上記表面処理は、無反射コーティングであることを特徴とするたことを特徴とする。

本発明によれば、不要なすじ等が目立つことのない、見易い画像を表示することができる画像表示装置を提供することができる。

また、本発明は、フリッカ等の発生を低減して、見易い画像を表示することができる画像表示装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１から図８は本発明の第１の実施形態を示したものであり、図１は画像表示装置の要部の構成を示すブロック図である。

この画像表示装置１は、図１に示すように、照明光を照射するバックライト２と、このバックライト２により照明光を照射されて、規則的に配列した複数の画素により表示した画像の光束を射出する表示素子たるＬＣＤ３と、このＬＣＤ３から入射して来る光束を複数の部分毎に時間をずらして偏光して射出する偏光制御手段であり偏光スイッチング手段たる偏光スイッチング用液晶セル４と、この偏光スイッチング用液晶セル４を通過した光をその偏光方向に応じて屈折させる光路制御手段であり複屈折光学素子たる複屈折板５と、この複屈折板５を通過した光像を拡大して観察者の眼球に投影する光学系である接眼レンズ６と、を有して構成されており、観察者からは、ＬＣＤ３の画像が虚像３ｉとして観察されるようになっている。

また、映像信号が供給されると、この映像信号は遅延制御回路９においてフィールド毎に画素ずらしをして表示するのに適した信号に変換された後に、ＬＣＤドライブ回路７に入力され、該ＬＣＤドライブ回路７によって上記ＬＣＤ３が駆動されて画像を表示するようになっている。

一方、上記映像信号中の垂直同期信号は、液晶セル制御回路８に入力されるようになっていて、この液晶セル制御回路８において、該垂直同期信号に基づいて、上記偏光スイッチング用液晶セル４に設けられた後述する複数の電極４ａを順次オン／オフして、各電極４ａが設けられた部分を通過する光の偏光方向を順次制御するようになっている。

図２は、偏光スイッチング用液晶セル４および複屈折板５によりＬＣＤ３の画素をずらす様子を側方から示す図である。

上記偏光スイッチング用液晶セル４は、図２に示すように、液晶４ｂを電極４ａの対により挟み込み、さらにその両側からガラス４ｃ（図５参照）で挟み込むようにして構成されていて、この実施形態に示す例においては、左右方向に細長の電極４ａの対が、縦方向に３対設けられている。なお、この電極４ａの対は、スイッチングを行う領域をより詳細に分割するために、より多くの対を設けても構わないが、人間の眼には残像が発生するためにそれほど細かく分割しなくても必要な効果が得られることや、電極４ａの数を増加させるとコストが高くなることおよび制御回路等も複雑になることから、この例においては３対の構成としている。

このような偏光スイッチング用液晶セル４と複屈折板５を用いてＬＣＤ３の見かけの画素数を増加させる原理について図２および図３を参照して説明する。図３は、（Ａ）ＬＣＤ上に構成されている画素の配列、（Ｂ）画素ずらしにより達成される画素の配列、をそれぞれ示す図である。

図２に示すように、ＬＣＤ３から射出される光は、液晶を通過したものであるために、既に一方向に偏光しており、例えば図２に示す例では上下方向に偏光したものとなっている。

このＬＣＤ３からの光が上記偏光スイッチング用液晶セル４に入射すると、その電極４ａの対による部分毎の制御状態に応じて、光の偏光方向が変更されるようになっている。

すなわち、図２に示す例においては、上の電極４ａは偏光状態を変化させることなくそのまま光を通過させ、中と下の電極４ａについては偏光状態を変化させて横方向の偏光にするようになっている。

一方、上記複屈折板５は、図に示すように横方向に偏光した光はそのまま通過させ、縦方向に偏光した光はやや下斜め（図３参照）にずらした状態で射出するようになっているために、上の電極４ａの部分を通過した光は光路が変更されてその射出位置がずれるとともに、中と下の電極４ａについては光路が変更されることなくそのまま通過する。

このような構成により、図３（Ａ）に示すような画素配列のＬＣＤは、偏光スイッチング用液晶セル４と複屈折板５を用いた画素ずらしにより、図３（Ｂ）に示すように表示される。

すなわち、例えば図３（Ａ）の最上段左から２番目のグリーン（Ｇ）は、中段左端のグリーン（Ｇ）とのほぼ中間の位置にずれ、他の画素についても同様にずれるために、画素ずらしにより達成されるＬＣＤ画素配列は図３（Ｂ）に示すようになって、偶数フィールドと奇数フィールドを合わせると、見かけ上、２倍の画素数となる。

図４は、上記図２に示したような画素ずらしを行ったときに、（Ａ）画面にすじが観察される様子を示す図、（Ｂ）観察画面の一部を示す拡大図である。

こうした画素ずらしを行うと、そのままでは観察画面１１中に、図４（Ａ）に示すような横方向のすじ１２が、電極４ａ同士の隙間となる位置に発生してしまうことが本出願人の実験によって明らかとなっていて、この例では、上述したように電極４ａが３対設けられているのに対応して、これらの間となる２カ所にすじ１２が観察されている。

上記すじ１２は、より詳しくは図４（Ｂ）に示すように、黒い横線１２ａとこれに隣接する白い横線１２ｂとで構成されている。

このように黒と白の横線１２ａ，１２ｂで構成されるすじ１２が観察される理由は、図５に示すようなものであると考えられる。図５は偏光方向を切り替えたときの光線の経路の様子を側方から示す図である。

電極４ａの部分を通過する光線は、該電極４ａへの電圧印加のオン／オフに応じて、図５の実線で示すような光路をとる状態と、２点差線で示すような光路をとる状態とにフィールド毎に切り替わる。

これに対して、例えば１３μｍ程度の幅で存在する電極４ａ同士の隙間は、フィールド毎の偏光の切り替えが行われず、複屈折板５を常に同一の光路により通過することになる。これにより、複屈折板５を通過した後は、該電極４ａ同士の隙間の部分において、光がよけて通るために暗く見える部分と、光が重なって明るく見える部分とが発生することになる。これが上述した黒と白の横線１２ａ，１２ｂの原因である。

そこで、本実施形態においては、上述したようなすじ１２を目立たなくさせるために、次のようにしている。図６はＬＣＤや光学系およびその虚像面の位置関係を示す図である。

まず、図６に示すように、眼球からＬＣＤの虚像面３ｉまでの距離をＬ１、眼球から偏光スイッチング用液晶セルの虚像面４ｉまでの距離をＬ２とすると、
［数１］
１／Ｌ２−１／Ｌ１≧０．４（Ｄ）
または、
［数２］
Ｌ２≦２００（mm）
の何れか少なくとも一方の関係を満たすように設定する。ここに、数式１におけるＤはディオプタである。

上記数式１に示した条件は、ＬＣＤの虚像面３ｉと偏光スイッチング用液晶セルの虚像面４ｉとの距離がある程度以上離れていれば、ＬＣＤの虚像面３ｉを観察している状態では偏光スイッチング用液晶セルの虚像面４ｉが被写界深度以上離れることになって、つまり上記すじ１２がアウトフォーカスとなり目立たなくなる条件である。

人間の眼の焦点深度△Ｄは、以下のような数式３により表される。

［数３］
△Ｄ＝δＤe ／Ｐ
ここに、δはぼけ検出能力、Ｐは瞳孔径、Ｄe は眼球の全屈折力である。この数式３に、δ＝０．０１５（mm），Ｐ＝２（mm），Ｄe ＝６０（Ｄ）を代入すると、△Ｄ＝０．４５（Ｄ）が得られる。

なお、（株）新技術コミュニケーションズが発行する「Ｏ plus Ｅ」の１９８５年１０月号（Ｎｏ．７１）第１１１頁には、人間の眼の焦点深度△Ｄが±０．１〜±０．４３（Ｄ）程度であることが記載されている。

上記数式１の０．４（Ｄ）は、これらの眼の焦点深度を参考にしつつ、該焦点深度を被写界深度側に適用して、実験等を行って決定されたものである。

この数式１に示した条件を満たす配置の一例としては、次のようなものが挙げられる。

接眼レンズ６の焦点距離を２５（mm）（頭部装着型画像表示装置において用いられる焦点距離の典型的な一例である）とし、眼球からＬＣＤの虚像面３ｉまでの距離Ｌ１を１０００（mm）（これも頭部装着型画像表示装置において用いられる距離の典型的な一例である）と設定した場合について考える。

この場合には、ＬＣＤ３の位置は、
２５×２５／１０００＝０．６２５（mm）
だけ焦点位置から接眼レンズ６側に寄った位置となることが計算される。

一方、上記数式１に基づいて眼球から偏光スイッチング用液晶セルの虚像４ｉまでの距離Ｌ２を計算すると、７１４（mm）（＝−１（Ｄ）−０．４（Ｄ）＝−１．４（Ｄ））となることが解る。

こうして、偏光スイッチング用液晶セル４の位置は、
２５×２５／７１４＝０．８７５（mm）
だけ焦点位置から前方となることが計算されるために、ＬＣＤ３と偏光スイッチング用液晶セル４との間の距離を、
０．８７５−０．６２５＝０．２５（mm）
に設定すれば良いことになる。

また、人間には眼の焦点を合わせることのできる近距離側の位置に限界があって、上述した「Ｏ plus Ｅ」の１９８９年５月号（Ｎｏ．１１４）第１４９頁には、年齢による近点距離（近点調節限界）の変化が記載されており、この近点調節限界は、年齢による変化や個人差などがあることが知られている。

そこで、本出願人が実験を行ったところ、その一例として図７に示すような結果が得られている。図７は偏光スイッチング用液晶セルの虚像面の位置を変化させたときにすじが見えるかどうかを実験した結果を示す線図である。

図７は８人の母集団において、眼球からＬＣＤの虚像面３ｉまでの距離Ｌ１を１０００（mm）に設定し、Ｌ２が何ミリになったところで上記すじ１２が見えるようになるかを実験した結果を示すものであり、すじ１２が見えるようになる人数が半数の４人となるのが上記約２００（mm）となっている。

従って、この２００（mm）を一つの目安として、これよりもＬ２を小さくすれば、より多くの人がすじ１２を観察しないようにすることができる。こうしたより限定的な値としては、例えば１６７（mm）が挙げられる。この１６７（mm）という値は、実用上においても望ましい設定値となっている。

ところで、人間が物体を最も明確に観察することができる距離、つまり明視距離は２５０（mm）（＝４（Ｄ））程度であることが知られている。そこで、この明視距離を観察しているときの被写界深度（上記０．４（Ｄ）程度）の外となる距離を計算すると、
１０００／（４＋０．４）＝２２７（mm）
であることがわかる。従って、上記すじ１２が容易に観察されないためには、この２２７（mm）よりも近接側に偏光スイッチング用液晶セルの虚像４ｉが位置することが望ましい。

こうして、上記数式２に示した条件である２００（mm）は、上記近点調節限界や明視距離のデータなどに基づいて、使用上の実効性を考慮しながら設定した１つの値となっている。

この数式２に示した条件を満たす配置の一例としては、次のようなものが挙げられる。

接眼レンズ６の焦点距離を上述と同様に典型的な値である２５（mm）とし、眼球から偏光スイッチング用液晶セルの虚像４ｉまでの距離Ｌ２を上記数式２の上限値に基づいて２００（mm）と設定すると、偏光スイッチング用液晶セル４の位置は、
２５×２５／２００＝３．１２５（mm）
だけ焦点位置から接眼レンズ６側に寄った位置となることがわかる。

眼球からＬＣＤの虚像面３ｉまでの距離Ｌ１を上述と同様に１０００（mm）、つまりＬＣＤ３の位置が焦点位置から０．６２５（mm）前方となるように設定した場合には、ＬＣＤ３と偏光スイッチング用液晶セル４との間の距離を、
３．１２５−０．６２５＝２．５（mm）
に設定すれば良いことになる。

図８は、本出願人が上記特開平９−２８１４３０号公報において提案したような偏心光学系に、上述したようなすじ１２を目立たなくする構成を適用した例を示すものである。図８は、偏心光学系を用いた頭部装着型画像表示装置用の光学系の構成を側方から示す図である。

上記バックライト２により照射されたＬＣＤ３の画像は、このＬＣＤ３の射出面に対して傾斜した配設されたプリズム１６の入射面１６ａから、光学系たる該プリズム１６の内部に入射されて、第１の反射面１６ｂで反射された後に、さらに自由曲面でなる第２の反射面１６ｃにより反射されて、観察者の眼球に向けて射出されるようになっている。このプリズム１６は、非テレセン光学系の一種であり、その中でも特に面対称な自由曲面を有する偏心光学系となっている。

このとき、上記偏光スイッチング用液晶セル４と複屈折板５は、図８（Ａ），図８（Ｂ）に示すように、上記プリズム１６の入射面１６ａにほぼ平行となるように配設されていて、つまり上記ＬＣＤ３の射出面とは所定の角度θをなすように構成されている。

これにより、ＬＣＤ３の射出面と、このＬＣＤ３の射出面に最も近接している偏光スイッチング用液晶セル４上の電極４ａ同士の隙間との距離Ｌをなるべく離すようにして、上記すじ１２が目立たないようにしたものである。

このときの数値としては、例えばθ＝１５°、Ｌ＝３．２（mm）がその具体的な一例として挙げられる。

このような第１の実施形態によれば、偏光スイッチング用液晶セルの虚像位置が、ＬＣＤの虚像を観察する際の被写界深度外となるように構成したために、ＬＣＤの虚像を観察する際に、該偏光スイッチング用液晶セルの電極同士の隙間を起因とするすじが目立つことはなく、良好な観察を行うことができる。

また、眼球から偏光スイッチング用液晶セルの虚像面までの距離を２００（mm）以下とした場合には、人間の明視距離の被写界深度外であるために、ＬＣＤの虚像を観察しようとする当初の段階から、上記すじの存在を観察者に気付かせないようにすることも可能となる。

そして、像拡大用の接眼レンズとして偏心光学系をなすプリズムを用いた場合に、該プリズムの入射面が傾斜して配設されているのを巧みに利用して偏光スイッチング用液晶セルの位置を設定したために、設置スペースを極力大きくしないようにすることができる。

図９から図１５は本発明の第２の実施形態を示したものであり、図９はＬＣＤからの光線が通過する光路を示す図である。この第２の実施形態において、上述の第１の実施形態と同様である部分については説明を省略し、主として異なる点についてのみ説明する。

図９に示すように、ＬＣＤ３の中央部分の像は、偏光スイッチング用液晶セル４のほぼ中央を通過した後に、同複屈折板５の中央部に略垂直に入射して、液晶レンズ６を介して眼球に到達するが、ＬＣＤ３の周辺部分の像は、複屈折板５の周辺部にやや斜めの状態で入射することになる。

このとき、偏光スイッチング用液晶セル４によりフィールド毎に偏光方向の切り替えを行うと、図１０に示すように、周辺部にフリッカが観察されることが本出願人の実験により判明した。図１０は、偏光方向が、（Ａ）斜めに直交する方向、（Ｂ）上下左右の方向、であるときにフリッカが観察される領域を示す図である。

図１０（Ａ）は、光の偏光方向が、略斜め４５度の互いに直交する２方向に切り替えられる場合に、観察画面１１の４隅部が、フリッカが観察される領域１３となることを示している。

また、図１０（Ｂ）は、光の偏光方向が、上下方向と左右方向の互いに直交する２方向に切り替えられる場合に、観察画面１１の４辺縁の中央部分が、フリッカが観察される領域１３となることを示している。

上記偏光スイッチング用液晶セル４は、上述したように、上記ＬＣＤ３から射出される偏光した光線を、そのままの偏光状態で通過させる場合と、これとは直交する偏光方向に変化させてから通過させる場合と、をフィールド毎に切り替えるものである。

それ故に、ＬＣＤ３の周縁部から発せられて複屈折板５に斜めに入射する光は、入射面の法線方向成分を含むＰ波と、法線方向成分を含まないＳ波とに分類される。

図１１は、複屈折板の周辺部に入射する光線がＰライク偏光の光線とＳライク偏光の光線とに切り替わることを示す斜視図である。

ここに、Ｐライク偏光の光線とは、直交する２方向に偏光する光線の内のＰ波成分をより多く含む光線を指し、Ｓライク偏光の光線とは、Ｓ波成分をより多く含む光線を指している。この図１１に示す例では、Ｐライク偏光の光線はほぼＰ波成分でなり、Ｓライク偏光の光線はほぼＳ波成分でなっている。

上記複屈折板５は、入射角に対して、図１２に示すような透過／反射特性を有している。図１２は、屈折率が２．２である複屈折板における透過／反射率の入射角依存性を示す線図である。

なお、複屈折板５を成形する材料として、ここではニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）を用いている。このニオブ酸リチウムは、複屈折率が大きいために厚さを薄くすることができるという利点があり、さらに、コスト的にも比較的安価であるという特長を有している。

すなわち、図示のように、光線が入射面に対して垂直に入射する（入射角が０）場合には、Ｐ波とＳ波の透過率は同じであるが、入射角が大きくなると、Ｐ波の透過率は少しずつ大きくなるのに対して、Ｓ波の透過率は少しずつ小さくなり、透過率に差が生じてしまうために、同一の入射角であっても、偏光スイッチング用液晶セル４により偏光方向のスイッチングが行われると、その度に、透過光量に増減が生じてしまい、これが観察者にはフリッカとして観察されることになる。

例えば、入射角が３８°である場合には、Ｓ波の反射率が約２０％、Ｐ波の反射率が約６％であり、この差１４％分の光量の変化が、偏光方向の切り替え毎に生じることになる。なお、このときのＳ波に対するＰ波の透過率の比は、０．９４／０．８＝１．１７５となっている。

一方、図１３は、屈折率が１．５であるガラスにおける透過／反射率の入射角依存性を示す線図である。

ガラスの場合にも、複屈折板５と同様に、入射角が大きくなると、Ｓ波の透過率とＰ波の透過率とに少しずつ乖離が生じてくるが、これらの差は、複屈折板５の場合に比して小さいことが解る。

例えば、入射角が３８°である場合には、Ｓ波の反射率が約８％、Ｐ波の反射率が約２％であり、これらの差は６％分となる。なお、このときのＳ波に対するＰ波の透過率の比は、０．９８／０．９２＝１．０６５となっている。

このようなＳ波とＰ波の透過率の違いを小さくするために、本実施形態においては、図１４に示すような構成をとっている。図１４は、（Ａ）両面にＡＲコートを施した複屈折板、（Ｂ）一面にＡＲコートを施し他面に所定の屈折率を有する接着剤を介して偏光スイッチング用液晶セルを接着した複屈折板、をそれぞれ示す斜視図である。

図１４（Ａ）は、複屈折板５の透過面、この場合には複屈折板５の両主面に、略直交する２方向に偏光した光の透過率の比を１に近づける表面処理として無反射コーティング（ＡＲコート）１８を施した例である。

このＡＲコート１８を施したときには、例えば、入射角が３８°である場合に、Ｓ波の反射率が約１．５％、Ｐ波の反射率が約１．５％となって、これらに差がなくなり、偏光スイッチング用液晶セル４により偏光方向の切り替えを行ってもフリッカが生じることはないことが、実験結果により明らかになっている。なお、このときのＳ波に対するＰ波の透過率の比は、１．０００である。

また、図１４（Ｂ）は、複屈折板５の一面のみにＡＲコート１８を施すとともに、該複屈折板５の他面は接着剤１７を用いて偏光スイッチング用液晶セル４と接着した例である。

このとき、この接着剤１７の屈折率は、偏光スイッチング用液晶セル４の屈折率が約１．５、複屈折板５の屈折率が約２．２であるのに対応して、これらの間の値となるように１．５〜２．２程度に設定し、該接着面側ではＳ波とＰ波の透過率に殆ど差が生じることのないようにしている。

このように光が傾斜して入射するときに発生するフリッカの問題点は、上記図８に示したような光学系において、特に顕著に現れる可能性がある。

そこで、こうした光学系に本実施形態を具体的に適用した例が図１５である。図１５は、偏心光学系を用いた頭部装着型画像表示装置用の光学系に、フリッカ対策を施したときの構成を側方から示す図である。

この光学系は、上記図８においても説明したように、偏光スイッチング用液晶セルの電極同士の隙間を起因として発生するすじを目立たなくさせるために、ＬＣＤ３の射出面に対して傾斜して配設されている。

そこで、この光学系においては、上記図１４（Ａ）に示したようなＡＲコート１８が両面に形成された複屈折板５を用いるとともに、さらに、プリズム１６の入射面１６ａにも同様にＡＲコート１８を施している。

ガラスにおいてもＡＲコート１８を施すことによって透過率の相違を改善する効果が得られる。

すなわちＡＲコート１８を施したガラスでは、上述と同様に、入射角が３８°である場合には、Ｓ波の反射率が約１．５％、Ｐ波の反射率が約１．０％であり、これらの差は０．５％分となって、上述した６％よりも改善されている。なお、このときのＳ波に対するＰ波の透過率の比は、０．９９／０．９８５＝１．００５となり、上述した１．０６５よりも１に近い値となる。

こうして、複屈折板５の表面やプリズム１６の表面などにＡＲコート１８を施すことにより、Ｓ波とＰ波の透過率の比を１に近づけることができるために、フリッカの発生をなくし、あるいは軽減することができる。

なお、図１５に示した例では両面にＡＲコート１８が施された複屈折板５を用いているが、上記図１４（Ｂ）に示したような片面にＡＲコート１８が施され、他面側は偏光スイッチング用液晶セル４が所定の屈折率を有する接着剤１７により接着されている複屈折板５を用いても良いし、さらには、複屈折板５の一面側を所定の屈折率を有する接着剤により偏光スイッチング用液晶セル４と接着するとともに、他面側を所定の屈折率を有する接着剤によりプリズム１６の入射面１６ａに接着するようにしても構わない。

このような第２の実施形態によれば、上述した第１の実施形態とほぼ同様の効果を奏するとともに、さらに、偏光スイッチング用液晶セルが、フィールド毎に光を直交する２方向に偏光させることによって、Ｓ波ライクな光とＰ波ライクな光が交互に発生したとしても、これらの透過率の比を１に近づけるＡＲコート等の処理を複屈折板の表面やプリズムの表面などに施したために、フリッカを低減することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。

本発明の第１の実施形態における画像表示装置の要部の構成を示すブロック図。 上記第１の実施形態において、偏光スイッチング用液晶セルおよび複屈折板によりＬＣＤの画素をずらす様子を側方から示す図。 上記第１の実施形態において、（Ａ）ＬＣＤ上に構成されている画素の配列、（Ｂ）画素ずらしにより達成される画素の配列、をそれぞれ示す図。 上記図２に示したような画素ずらしを行ったときに、（Ａ）画面にすじが観察される様子を示す図、（Ｂ）観察画面の一部を示す拡大図。 上記第１の実施形態において、偏光方向を切り替えたときの光線の経路の様子を側方から示す図。 上記第１の実施形態におけるＬＣＤや光学系およびその虚像面の位置関係を示す図。 上記第１の実施形態において、偏光スイッチング用液晶セルの虚像面の位置を変化させたときにすじが見えるかどうかを実験した結果を示す線図。 上記第１の実施形態において、偏心光学系を用いた頭部装着型画像表示装置用の光学系の構成を側方から示す図。 本発明の第２の実施形態において、ＬＣＤからの光線が通過する光路を示す図。 上記第２の実施形態において、偏光方向が（Ａ）斜めに直交する方向、（Ｂ）上下左右の方向、であるときにフリッカが観察される領域を示す図。 上記第２の実施形態において、複屈折板の周辺部に入射する光線がＰライク偏光の光線とＳライク偏光の光線とに切り替わることを示す斜視図。 上記第２の実施形態において、屈折率が２．２である複屈折板における透過／反射率の入射角依存性を示す線図。 上記第２の実施形態において、屈折率が１．５であるガラスにおける透過／反射率の入射角依存性を示す線図。 上記第２の実施形態において、（Ａ）両面にＡＲコートを施した複屈折板、（Ｂ）一面にＡＲコートを施し他面に所定の屈折率を有する接着剤を介して偏光スイッチング用液晶セルを接着した複屈折板をそれぞれ示す斜視図。 上記第２の実施形態において、偏心光学系を用いた頭部装着型画像表示装置用の光学系にフリッカ対策を施したときの構成を側方から示す図。

符号の説明

１…画像表示装置
３…ＬＣＤ（表示素子）
４…偏光スイッチング用液晶セル(偏光制御手段、偏光スイッチング手段)
４ａ…電極
５…複屈折板（光路制御手段、複屈折光学素子）
６…接眼レンズ（光学系）
１６…プリズム（光学系）
１７…接着剤
１８…ＡＲコート（無反射コーティング）

Claims (7)

1. 複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、
   面内に配置した複数の電極へ印加する電圧を制御することにより、上記表示素子から入射して来る光の偏光方向を該電極が設けられた部分毎にスイッチングして射出する偏光制御手段と、
   この偏光制御手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる光路制御手段と、
   この光路制御手段を通過した上記表示素子の画像を拡大する光学系と、
   を具備した画像表示装置であって、
   人間の眼のぼけ検出能力δ、瞳孔径Ｐ、眼球の全屈折力Ｄe を用いて定義される人間の眼の焦点深度△Ｄ、
   △Ｄ＝δＤe ／Ｐ
   に基づき、眼球から上記表示素子の虚像面までの距離をＬ１、眼球から上記偏光制御手段の虚像面までの距離をＬ２としたときに、
   １／Ｌ２−１／Ｌ１≧△Ｄ
   を満たすように、上記表示素子と上記偏光制御手段とを配置したことを特徴とする画像表示装置。
2. 複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、
   面内に配置した複数の電極へ印加する電圧を制御することにより、上記表示素子から入射して来る光の偏光方向を該電極が設けられた部分毎にスイッチングして射出する偏光制御手段と、
   この偏光制御手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる光路制御手段と、
   この光路制御手段を通過した上記表示素子の画像を拡大する光学系と、
   を具備した画像表示装置であって、
   人間の眼のぼけ検出能力δ、瞳孔径Ｐ、眼球の全屈折力Ｄe を用いて定義される人間の眼の焦点深度△Ｄ、
   △Ｄ＝δＤe ／Ｐ
   に基づき、眼球から上記表示素子の虚像面までの距離をＬ１、眼球から上記偏光制御手段の虚像面までの距離をＬ２としたときに、
   １／Ｌ２−１／Ｌ１≧△Ｄ
   Ｌ２≦１６７（mm）
   を満たすように、上記表示素子と上記偏光制御手段とを配置したことを特徴とする画像表示装置。
3. 上記焦点深度△Ｄは、０．４ディオプタ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
4. 複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、
   面内に配置した複数の電極へ印加する電圧を制御することにより、上記表示素子から入射して来る光の偏光方向を該電極が設けられた部分毎にスイッチングして射出する偏光制御手段と、
   この偏光制御手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる光路制御手段と、
   この光路制御手段を通過した上記表示素子の画像を拡大するためのものであって、該表示素子の射出面に対して傾斜して配設された入射面を備え、面対称自由曲面を有するプリズムとして構成された偏心光学系と、
   を具備した画像表示装置であって、
   上記偏心光学系の入射面に略平行となるように上記表示素子に対して上記偏光制御手段を傾けて配置したことを特徴とする画像表示装置。
5. 複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、
   面内に配置した複数の電極へ印加する電圧を制御することにより、上記表示素子から入射して来る光の偏光方向を該電極が設けられた部分毎にスイッチングして射出する偏光制御手段と、
   この偏光制御手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる光路制御手段と、
   この光路制御手段を通過した上記表示素子の画像を拡大するためのものであって、該表示素子の射出面に対して傾斜して配設された入射面を備え、面対称自由曲面を有するプリズムとして構成された偏心光学系と、
   を具備した画像表示装置であって、
   上記偏心光学系の入射面に略平行となるように上記表示素子に対して上記偏光制御手段を傾けて配置すると共に、
   眼球から上記偏光制御手段の虚像面までの距離をＬ２としたときに、
   Ｌ２≦１６７（mm）
   を満たすように、上記表示素子と上記偏光制御手段とを配置したことを特徴とする画像表示装置。
6. 複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、
   この表示素子から入射して来る光の偏光方向を略直交する２方向にスイッチングして射出する偏光スイッチング手段と、
   この偏光スイッチング手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる複屈折光学素子と、
   この複屈折光学素子を通過した上記表示素子の画像を拡大する光学系と、
   を具備した画像表示装置であって、
   上記偏光スイッチング手段から射出される略直交する２方向に偏光した光が上記複屈折光学素子に垂直に入射するときの入射角を０としたときに、該入射角が０よりも大きくなるにつれて上記略直交する２方向に偏光した光の透過率の比が１から離れていくのを、１に近づける表面処理を該複屈折光学素子の表面の少なくとも一部に施し、上記表面処理は、無反射コーティングであることを特徴とする画像表示装置。
7. 複数の画素を規則的に配列してなる表示素子と、
   この表示素子から入射して来る光の偏光方向を略直交する２方向にスイッチングして射出する偏光スイッチング手段と、
   この偏光スイッチング手段から射出される光の光路上に配設され、偏光方向に応じてその光路を変化させ見かけの画素数を増加させる複屈折光学素子と、
   この複屈折光学素子を通過した上記表示素子の画像を拡大する光学系と、
   を具備した画像表示装置であって、
   上記偏光スイッチング手段から射出される略直交する２方向に偏光した光が上記光学系に垂直に入射するときの入射角を０としたときに、該入射角が０よりも大きくなるにつれて上記略直交する２方向に偏光した光の透過率の比が１から離れていくのを、１に近づける表面処理を該光学系の表面の少なくとも一部に施し、上記表面処理は、無反射コーティングであることを特徴とするたことを特徴とする画像表示装置。

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