JP2013114021A - 偏光分離装置及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示パネルを１枚だけ用いて両眼に画像を提示させ、部品点数やその組立工数を減少させて製造コストの低廉化、内部設計の設計の容易化、及び装置の小型化を図る。
【解決手段】偏光分離装置１は、入射光が入射される第１の端面１０ａと、入射光のうち所定の偏光方位角のｐ偏光成分を反射するとともに、所定の偏光方位角とは異なる偏光方位角のｓ偏光成分を透過させる偏光分離面１１と、第１の端面１０ａと対向配置され、偏光分離面１１を透過したｐ偏光成分を、ｓ偏光成分に変換するとともに、入射光と同一の光軸方向に反射させる第２の端面１０ｂと、偏光分離面１１を透過することなく偏光分離面１１で反射されたｓ偏光成分が射出される第３の端面１０ｃと、第３の端面１０ｃと対向配置されるとともに、第２の端面１０ｂ及び偏光分離面１１で反射されたｓ偏光成分が射出される第４の端面１０ｄとを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、入射光の各偏光成分を入射方向と異なる２方向に振り分ける偏光分離装置及び、その偏光分離装置を備えた表示装置に関する。

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装置によって光学像を形成し、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、観察者の眼前に結像させることによって、画像表示を行う。

一般に、このようなＨＭＤとしては、左右一対とした２つの画像表示装置に表示された画像を、観察者に両眼で観察させる両眼式のＨＭＤが採用されている（例えば、特許文献１参照）。このような両眼式のＨＭＤを観察者が装着した場合、観察者は左右のそれぞれの表示画像を重ねて１つの画像として観察することができる。

特開２００９−２４４８６９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたようなＨＭＤでは、２つの表示パネルを備えているため、部品点数やその組立工数を増大し、製造コストが高価となっていた。また、２つの表示パネルの設置箇所を確保するために、表示装置や左右の光学系の設計が複雑となる問題もある。

そこで、本発明は、上述した事情を考慮して、表示パネルを１枚だけ用いて両眼に画像を提示させ、部品点数やその組立工数を減少させて製造コストの低廉化、内部設計の設計の容易化、及び装置の小型化を図ることができる偏光分離装置及び表示装置を提供することを解決課題とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る偏光分離装置は、入射光が入射される第１の端面と、前記入射光のうち所定の偏光方位角のｓ偏光成分を反射するとともに、前記所定の偏光方位角とは異なる偏光方位角のｐ偏光成分を透過させる偏光分離面と、前記第１の端面と対向配置され、前記偏光分離面を透過したｐ偏光成分を、前記ｓ偏光成分に変換するとともに、前記入射光と同一の光軸方向に反射させる第２の端面と、前記偏光分離面を透過することなく前記偏光分離面で反射されたｓ偏光成分が射出される第３の端面と、前記第３の端面と対向配置されるとともに、前記第２の端面及び前記偏光分離面で反射されたｓ偏光成分が射出される第４の端面とを備えることを特徴とする。

このような本発明の偏光分離装置によれば、第１の端面から入射した光を、その偏光方位角に応じて、第３の端面及び第４の端面から射出することができ、入射光の各偏光成分を、入射方向と異なる２方向に振り分けることが可能となる。この結果、本発明によれば、例えば、１枚の表示パネルに表示される偏光方位角の異なる２つの映像を、観察者の左右の眼に振り分けて提示することができる。

これにより、本発明では、部品点数やその組立工数を減少させて部品点数やその組立工数を減少させて製造コストの低廉化、内部設計の設計の容易化、及び装置の小型化を図ることができる。また、このとき、偏光方位角の異なる２つの映像として、左右の眼に視差がある異なる映像を、観察者の左右の眼に振り分けて提示すれば、立体表示も可能となる。なお、前記第２の端面は、金属反射膜が形成された１／４波長フィルムが配置することにより構成することができる。

上述した偏光分離装置では、前記第３の端面を透過した光の光路長を変換する光路長調整部材をさらに備えることが好ましい。ここで、「光路長」とは、屈折率ｎの媒質中を、光路に沿って距離ｄだけ光が進行するとき，その積ｎｄで定められる光学距離である。この場合には、２方向に振り分けられた光について、偏光分離装置に入射してから出射されるまでの光路長を等しくすることができ、左右の眼に表示パネルの拡大された虚像を提示する光学系を、左右それぞれで同一のレンズ系、ミラーを用いることができる。この結果、左右の光学系における収差や倍率が等しくなるように設計しやすくなり、見やすい映像を提示できるとともに、共通の部品を利用できるので、部品点数やその組立工数を減少させて製造コストの低廉化を図ることができる。

上述した偏光分離装置では、前記偏光分離面から前記第３の端面に至る部材と、前記光路長調整部材とが一体的に形成されていることが好ましい。この場合には、偏光分離装置全体の部品点数を減少させることができ、よりコストの低廉化を図ることができる。ここで「一体的」とは、同一の材料で一体成型される場合の他、異なる材質の二つの部品を貼り合わせて一体的に形成する場合も含まれる。

上述した偏光分離装置では、前記光路調整部材から射出される光の透過率を変化させる透過率調整フィルターをさらに備えることが好ましい。この場合には、２方向に振り分けられた光の強度を等しくすることができる。この結果、左右の光学系における明るさを等しくでき、より見やすい映像を提示できる。

上述した偏光分離装置では、前記偏光分離面を透過し、前記第２の端面及び前記偏光分離面で反射され、前記第４の端面に至る光路長と、前記偏光分離面で反射され、前記光路調整部材を透過して射出面に至る光路長とが等しいことが好ましい。この場合には、左右の光学系における収差や倍率が等しくなり、より見やすい映像を提示できる。

上述した偏光分離装置では、前記第１の端面から前記偏光分離面に至る部材と、前記偏光分離面から前記第２の端面に至る部材と、前記光路長調整部材と、が同一の部材で形成されるとともに、前記光路調整部材の光軸方向の長さが、前記偏光分離面から前記第２の端面に至る距離の２倍であることが好ましい。この場合には、偏光分離面から前記第２の端面に至る部材と、光路長調整部材とを同一の部材で形成することにより、偏光分離装置において２方向に振り分けられる光について、偏光分離装置に入射してから出射されるまでの光路長を、容易に等しくすることができるため、光学系の設計を容易なものとすることができるとともに、原材料の調達を容易にして製造コストを低減することができる。

また、本発明に係る表示装置は、上記の偏光分離装置のいずれかを備えた表示装置であって、所定の偏光方位角のｐ偏光成分及び前記ｐ偏光成分とは異なる偏光方位角のｓ偏光成分のいずれか又はその両方からなる映像を、前記入射光として前記第１の端面に入射させる表示部と、前記第３又は第４の端面から射出された映像の拡大された虚像を、それぞれ観察者の左右の眼で観察可能とする左目用導光光学系及び右目用導光光学系とを備えたことを特徴とする。

なお、上記表示部には、液晶ディスプレイなど映像を表示する表示パネルの他、映像に含まれる各偏光成分を分離させる偏光フィルターや、所定の偏光成分のみを選択的に射出させる偏光面回転素子などの偏光分離手段が含まれる。

このような表示装置によれば、上記偏光分離装置を用いることによって、表示部に表示された偏光方位角の異なる２つの映像を２つの方向に振り分け、振り分けられた各映像を、左目用導光光学系及び右目用導光光学系を通じて、観察者の左右の眼にそれぞれ独立して提示することができる。このとき、偏光方位角の異なる２つの映像として、左右の眼に視差がある異なる映像を、観察者の左右の眼に振り分けて提示すれば、立体表示も可能となる。

上述した表示装置においては、前記左目用導光光学系と前記右目用導光光学系が同一の光学要素から構成されていることが好ましい。この場合には、共通の部品を利用できるので、光学要素や光学系の設計を容易なものとすることができるとともに、部品点数及びその組立工数を低減することができ、装置の小型化及び製造コストの低廉化を図ることができる。

上述した表示装置においては、前記表示部の中心位置が、前記観察者の両眼の中心位置に対して偏心していることが好ましい。この場合には、表示部の中心位置を表示装置全体の中心位置からずらすことにより、前記偏光分離装置が左右非対称となる場合であっても、偏光分離装置や左右の光学系を複雑化させることなく、その設置箇所を確保することができ、設計の容易化を図ることができる。

本発明の第１実施形態に係る偏光分離装置１を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００を人の頭部に装着させた状態を上部より示す説明図である。 ヘッドマウントディスプレイ１００の内部構造を模式的に示した上面図である。 表示パネル４０の画素４１の配置を示す平面図である。 表示パネル４０上の偏光フィルター４２の配置を示す平面図である。 （ａ）はヘッドマウントディスプレイ１００における右目用映像の虚像の反転状態を示す説明図であり、同図（ｂ）は、ヘッドマウントディスプレイ１００における左目用映像の虚像の反転状態を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００ａの内部構造を模式的に示した上面図である。 本発明の変更例に係るヘッドマウントディスプレイ１００ｂの内部構造を模式的に示した上面図である。 本発明の変更例に係るヘッドマウントディスプレイ１００ｃの内部構造を模式的に示した上面図である。

＜Ａ：第１実施形態＞
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。また、かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内に任意に変更可能である。

図１は、本発明の第１実施形態に係る偏光分離装置１の概略構成を示す断面図である。同図に示すように、偏光分離装置１は、入射光の各偏光成分を入射方向と異なる２方向に振り分ける装置であって、偏光ビームスプリッター１０と、１／４波長フィルム１２と、光路長調整部材１３と、透過率調整フィルター１４とを備える。

偏光ビームスプリッター１０は、光束を２つの偏光成分に分離するプリズムであり、本実施形態では、三角柱状をなすガラス製のプリズム部品１０Ｌ及び１０Ｒを貼り合わせて構成され、１辺の寸法がＡとなる正方体の形状をなしている。なお、本実施形態では、これらリズム部品１０Ｌ及び１０Ｒ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。そして、これらのリズム部品１０Ｌ及び１０Ｒを貼り合わせて正方体に構成された偏光ビームスプリッター１０は、入射光が入射される第１の端面１０ａと、第１の端面１０ａと対向配置される第２の端面１０ｂと、入射光のうち偏光分離面で反射した光が射出される第３の端面１０ｃと、及び該第３の端面に対向する第４の端面１０ｄとを有している。

また、偏光ビームスプリッター１０には、２つのプリズム部品１０Ｌ及び１０Ｒの接合面に沿って、偏光分離面１１が形成されている。詳述するとプリズム部品１０Ｌ及び１０Ｒは、断面形状がそれぞれ１辺の長さがＡの二等辺三角形の三角柱状をなし、二等辺三角形の底辺が、他の２つの等辺と４５°をなしており、この底辺に位置する側面で、プリズム部品１０Ｌ及び１０Ｒが貼り合わされ、この貼り合わされた接合面が偏光分離面１１となっている。

この偏光分離面１１には、例えば、誘導体多層膜が形成され、入射光のうち所定の偏光方位角のｓ偏光成分を反射するとともに、所定の偏光方位角とは異なる偏光方位角のｐ偏光成分を透過させる。これにより、本実施形態では、偏光ビームスプリッター１０の第１の端面１０ａから入射された入射光のうち、ｓ偏光成分は偏光分離面１１を透過することなく偏光分離面１１で反射されて第３の端面１０ｃへ入射される一方、ｐ偏光成分は偏光分離面１１で反射されることなく透過して第２の端面１０ｂへ入射されるようになっている。

ｐ偏光成分が入射される第２の端面１０ｂには、１／４波長フィルム１２が備えられている。この１／４波長フィルム１２は、互いに直交する方向に振動する直線偏光の間に１／４波長（９０°）の位相ずれを発生させる複屈折部材であり、本実施形態では、偏光分離面１１を透過したｐ偏光成分を円偏光に変換するようになっている。

また、１／４波長フィルム１２には、金属反射膜１５が成膜あるいは貼り合わされて形成されている。この金属反射膜１５は、例えばアルミニウムなどの光反射性の高い金属からなり、入射光を同一の光軸方向に反射させるようになっている。

このような構成により、ｐ偏光成分は１／４波長フィルム１２を透過して円偏光に変換され、金属反射膜１５で反射される際に逆まわりの円偏光に変換され、再度１／４波長フィルム１２から出た時にはｓ偏光成分に変換される。そして、反射されたｓ偏光成分は、偏光分離面１１で反射されて第４の端面１０ｄへ入射される。

また、第３の端面１０ｃには、光路長調整部材１３が設けられている。この光路長調整部材１３は、第３の端面１０ｃを透過した光の光路長を変換（短縮又は伸長）する部材であり、少なくとも、偏光ビームスプリッター１０のプリズム部材１０Ｌと同じ屈折率を有するガラスで形成される。本実施形態においてこの光路長調整部材１３は、プリズム部材１０Ｌ及び１０Ｒと同一の材料で形成されているとともに、その入射面１３ｂが、第３の端面１０ｃと貼り合わせられ、プリズム部材１０Ｒと一体的に構成されている。また、光路長調整部材１３の光軸方向の長さＬは、偏光分離面１１から第２の端面１０ｂに至る距離（Ａ／２）の２倍となっている。

このような形状及び部材からなる光路長調整部材１３と偏光ビームスプリッター１０とが貼り合わされた偏光分離装置１では、偏光分離面１１を透過し、第２の端面１０ｂ及び偏光分離面１１で反射され、第４の端面１０ｄに至る光路長と、偏光分離面１１で反射され、光路長調整部材１３を透過して射出面１３ａに至る光路長とが等しくなっている。

ここで、この偏光分離装置１において分離されたｓ偏光成分の光路長について説明する。先ず、立方体形状である偏光ビームスプリッター１０の一辺の長さをＡとすると、偏光ビームスプリッター１０に入射したｐ偏光成分は、入射した第１の端面１０ａから射出する第４の端面１０ｄまで２Ａの距離を伝播することとなる。ここで、偏光ビームスプリッター１０を構成するガラスの屈折率をｎとすると、その光路長はｎ×２Ａとなる。一方、偏光ビームスプリッター１０に入射したｓ偏光成分は、入射した第１の端面１０ａから射出する第３の端面１０ｃまで、Ａの距離を伝播することとなり、その光路長はｎ×Ａとなる。

そのため、第３の端面１０ｃを出るｓ偏光成分に対する光路長を、第４の端面１０ｄを出るｓ偏光成分の光路長に合わせるために、１辺の長さをＡとし、屈折率が偏光ビームスプリッター１０の屈折率と同一である部材の光路長調整部材１３を第３の端面１０ｃに貼り合わせた構成とする。このような構成により、偏光ビームスプリッター１０に入射するｓ偏光成分は、第１の端面１０ａから光路長調整部材１３を射出するまで２Ａの距離を伝播し、その光路長はｎ×２Ａとなる。これにより、偏光ビームスプリッター１０に入射するｐ偏光成分が、入射してから第４の端面１０ｄを射出するまでの光路長ｎ×２Ａと同じ光路長とすることができる。

なお、本実施形態では、光路長調整部材１３の屈折率が、偏光ビームスプリッター１０を構成する部材の屈折率ｎと同一の屈折率の部材を用いたが、本発明は、これに限定するものではなく、例えば、偏光ビームスプリッター１０を構成する部材の屈折率ｎと異なる部材を用いてもよい。この場合、光路長調整部材１３の屈折率が、偏光ビームスプリッター１０の屈折率ｎと異なるｎ’である場合、光路長調整部材１３の長さＡ’を調整し、ｎ’×２Ａ’＝ｎ×２Ａを満たす長さとすればよい。

光路長調整部材１３の射出面１３ａには、透過率調整フィルター１４が貼り合わせられている。透過率調整フィルター１４は、光路長調整部材１３の射出面１３ａを透過する光の強度を調整し、第４の端面１０ｄから射出される光の強度と射出面１３ａを透過する光の強度とのバランスを図るための光吸収型のフィルター部材である。この透過率調整フィルター１４としては、例えば、ガラスなどの基板に光を吸収する物質を混ぜた構成であってもよいし、基板の表面に光学薄膜を成膜する構成であってもよい。

このような本実施形態の偏光分離装置１によれば、第１の端面１０ａから入射した光を、その偏光方位角に応じて、第３の端面１０ｃ及び第４の端面１０ｄから射出することができ、入射光の各偏光成分を、入射方向に直交する２方向に振り分けることが可能となる。この結果、本発明によれば、例えば、１枚の表示パネルに表示される偏光方位角の異なる２つの映像を、観察者の左右の眼に振り分けて提示することができる。

これにより、本発明では、部品点数やその組立工数を減少させて部品点数やその組立工数を減少させて製造コストの低廉化、内部設計の設計の容易化、及び装置の小型化を図ることができる。なお、このとき、偏光方位角の異なる２つの映像として、左右の眼に視差がある異なる映像を、観察者の左右の眼に振り分けて提示すれば、立体表示も可能となる。

また、本実施形態では、光路長調整部材１３を第３の端面１０ｃに貼り合わせているので、それぞれの射出面である第４の端面１０ｄ及び光路長調整部材１３の射出面１３ａを射出するまでの光路長を等しくすることができる。さらに、本実施形態では、透過率調整フィルター１４を設けているので、２方向に振り分けられた光の強度を等しくすることができる。この結果、左右の光学系における明るさを等しくでき、より見やすい映像を提示できる。

＜Ｂ：第２実施形態＞
次に、以上の構成を有する偏光分離装置１を利用したヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと称する）について説明する。なお、本実施形態において、上述した第１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。

図２は、本実施形態に係るＨＭＤ１００を人の頭部８０に装着させた状態を上部より示す説明図であり、図３は、本実施形態に係るＨＭＤ１００の内部構造を模式的に示した上面図である。図４は、本実施形態に係る表示パネル４０の画素の配置を示す平面図であり、図５は、本実施形態に係る表示パネル４０上の偏光素子の配置を示す平面図である。

図２に示すように、ＨＭＤ１００は、少なくとも、頭部８０に装着可能な一対の装着部１０２，１０２と、装着部１０２，１０２に連結されて人の両眼８１の前方に配置される本体部１０１とを備えている。装着部１０２，１０２は、図２に示すように、本体部１０１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ＨＭＤ１００を頭部８０に固定するようになっている。

本体部１０１は、画像を表示して観察者に両眼で観察させる装置であり、使用者の眼前に筐体が配置され、その筐体の内部に表示パネル４０と、左目用導光光学系２０と右目用導光光学系３０との一対の光学系と、偏光分離装置１と、表示パネル側レンズ５０とを備えている。なお、本体部１０１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でとなっている。

本実施形態において、偏光分離装置１は、筐体の略中央に配置され、偏光分離装置１の中心が頭部８０の中心線ＣＬに配置されるようになっている。本実施形態では、図２及び図３に示すように、偏光分離装置１を構成する偏光ビームスプリッター１０の一辺の長さと光路長調整部材１３の一辺の長さは、同じＡであるため、偏光ビームスプリッター１０と光路長調整部材１３とを貼り合わせた部分が頭部８０の中心線ＣＬに位置する。

この偏光分離装置１の頭部８０側には、表示部である表示パネル４０と表示パネル側レンズ５０とが配置されている。表示パネル４０は、所定の偏光方位角のｐ偏光成分及びｐ偏光成分とは異なる偏光方位角のｓ偏光成分の両方からなる映像を、入射光として第１の端面１０ａに入射させる表示手段であり、本実施形態では、有機ＥＬディスプレイが用いられている。有機ＥＬディスプレイは、例えば、有機材料を含む少なくとも一層の有機薄膜を画素電極と対向電極とで挟んだ構造とし、適当な構成をもつ駆動回路によって駆動される。このうち画素電極は例えば陽極として、対向電極は陰極として機能する。両者間に電流が流されると、前記有機薄膜で電子及び正孔間の再結合が生じ、これにより、当該有機薄膜ないしは有機ＥＬ素子が発光するようになっている。

このような有機ＥＬディスプレイである表示パネル４０は、図２に示すように、頭部８０の中心線ＣＬよりも左目８１ａに所定距離Ｄだけ偏心して配置され、前方に向けて映像光を射出する。本実施形態では、偏光ビームスプリッタ１０と光路長調整部材１３の部材長が等しいことから、距離Ｄは、偏光ビームスプリッター１０の長さＡの１／２の長さとなっている。そして、映像光は偏光分離装置１で左右に分離され、左目用導光光学系２０と右目用導光光学系３０によって左右の眼に導かれ、左右の眼は表示パネル４０の映像の拡大された虚像を見ることができるようになっている。

ここで、表示パネル４０を構成する画素の配置を図４及び図５を用いて説明する。図４に示すように、表示パネル４０には、多数の画素４１が配置されており、各画素４１は、右目用の映像を生成するために使われる画素Ｒと、左目用の映像を生成するために使われる画素Ｌがｚ軸方向に沿って１行ごとに交互に配置されている。また、画素Ｒ及び画素Ｌは、それぞれ、赤色、緑色、及び青色を表示する画素で構成されており、それらは、図４に示すように、ｘ軸方向に並んで配置されている。具体的には、赤色の画素ｒ、緑色の画素ｇ、青色の画素ｂがこの順番で、かつ、周期的に配列され、連続する３つの画素Ｒｒ、画素Ｒｇ、画素Ｒｂ、又は連続する３つの画素Ｌｒ、画素Ｌｇ、画素Ｌｂにより１つのカラー画素が形成される。すなわち、Ｒｒ（赤色）、Ｒｇ（緑色）、Ｒｂ（青色）のセットが右目用のカラー映像を生成するための画素単位となり、Ｌｒ（赤色）、Ｌｇ（緑色）、Ｌｂ（青色）のセットが左目用のカラー映像を生成するための画素単位となる。

さらに、表示パネル４０の偏光分離装置１方向には、図５に示すように映像に含まれる各偏光成分を分離させる偏光フィルター４２が備えられている。本実施形態において、偏光フィルター４２は、透明基板に、アルミニウム、銀、Ｃｒ等の金属線（線材）を一定周期かつ平行に配置したワイヤーグリッド型の偏光板である。そして偏光フィルター４２には、偏光分離装置１に対して、ｓ偏光成分が射出されるようなパターンを有する右目用のワイヤーグリッド型偏光フィルター４２ａと、偏光分離装置１に対してｐ偏光成分が射出されるようなパターンを有するワイヤーグリッド型偏光フィルター４２ｂとが形成される。

表示パネル側レンズ５０は、図３に示すように、表示パネル４０から射出された映像光（ｓ偏光成分及びｐ偏光成分）を集束させるための対物レンズであり、表示パネル４０に対して略平行に配置されており、表示パネル側レンズ５０で集束された映像光を偏光分離装置１に入射させる。

一方、偏光分離装置１の両側部には、右目用導光光学系３０と、左目用導光光学系２０とが備えられている。ここで、左目用導光光学系２０及び右目用導光光学系３０は、図３に示すように、偏光分離装置１の端面から等しい距離ｄだけ離れて配置されている。具体的に、図３に示すように、左目用導光光学系２０は、偏光ビームスプリッター１０の第４の端面１０ｄから所定距離ｄ離れて配置されている。右目用導光光学系３０は、光路長調整部材１３の射出面１３ａから所定距離ｄ離れて配置されている。

この右目用導光光学系３０は、第３の端面１０ｃから射出された映像の拡大された虚像を、それぞれ観察者の右の眼で観察可能とする光学系であり、左目用導光光学系２０は、第４の端面１０ｄから射出された映像の拡大された虚像を、それぞれ観察者の左の眼で観察可能とする光学系である。これらの光学系は、偏光分離装置１において分離されたｓ偏光成分を右目８１ｂ及び左目８１ａへそれぞれ投射する。

本実施形態において、左目用導光光学系２０と右目用導光光学系３０は、同一の光学要素から構成され、それぞれ、接眼レンズ２３，３３と、反射ミラー２２，３２と、リレーレンズ２１，３１とを備えている。

リレーレンズ２１，３１は、表示パネル４０に表示された映像を接眼レンズ２３、３３に伝達するレンズである。本実施形態において、リレーレンズ２１，３１は、偏光分離装置１の第３の端面１０ｃ及び第４の端面１０ｄと略平行に配置されている。

反射ミラー２２，３２は、リレーレンズ２１，３１から射出された光を右目８１ｂ及び左目８１ａ方向へと反射させるミラー部材であり、例えば誘電体多層膜、アルミニウム膜、銀膜等による反射膜が形成されている。また、反射ミラー２２，３２は、入射される光に対して略４５度の角度を有し、かつ、反射面が頭部８０側になるように配置されており、光学内レンズ２１，３１を通過した光は、反射ミラー２２，３２で９０度屈曲されて、右目８１ｂ及び左目８１ａ方向へと反射される。なお、本実施形態において、反射ミラー２２，３２は、光透過性を有さず、かつ照射された光を反射するミラーとなっている。

接眼レンズ２３，３３は、画像情報に応じた画像光を拡大し、観察者の眼に投射する凸レンズであり、右目８１ｂ及び左目８１ａと略平行に配置されている。なお、本実施形態において、左目用導光光学系２０と右目用導光光学系３０は、接眼レンズ２３，３３と、反射ミラー２２，３２と、リレーレンズ２１，３１とを備えた構成としたが、これに限定するものではなく、適切なレンズ系を組み合わせた種々の光学系も適用することが可能である。

なお、本実施形態におけるＨＭＤ１００において、表示パネル４０の映像を左右に振り分ける場合、偏光分離装置１及び反射ミラー２２，３２によって、左右の眼には画面の左右が反転した映像が提示されるため、右目用映像と左目用映像では画面の左右を反転させた映像を表示させる。

このＨＭＤ１００における虚像の反転について説明する。図６（ａ）は、ＨＭＤ１００における右目用映像の虚像の反転状態を示す説明図であり、図６（ｂ）は、ＨＭＤ１００における左目用映像の虚像の反転状態を示す説明図である。なお、本実施形態では、表示パネル側レンズ５０及びリレーレンズ２１，３１による虚像の反転は、左右対称となっているため考慮せず、偏光分離装置１及び反射ミラー２２，３２による虚像の反転についてのみ説明する。また、本実施形態において、右目用映像と左目用映像として、表示パネル４０から、同一の映像（左向き矢印の映像Ｐ１１、Ｐ２１）が射出されたものとする。

先ず、図６（ａ）に示すように、表示パネル４０から射出された右目用映像Ｐ１１は、偏光分離装置１の偏光分離面１１により反射されて、９０度回転して反射ミラー３２へ射出される。この際、反射ミラー３２から見た右目用映像Ｐ１２の虚像は左向き矢印の映像となっている。そして、右目用映像Ｐ１２は、反射ミラー３２で反射されて、９０度回転して右目８１ｂへ射出される。この場合に、右目８１ｂから見た右目用映像Ｐ１３の虚像は、右向き矢印の映像となる。

一方、図６（ｂ）に示すように、表示パネル４０から射出された左目用映像Ｐ２１は、偏光分離面１１を透過して、金属反射膜１５で反射される。この際、偏光分離面１１から見た左目用映像Ｐ２２の虚像は左向き矢印の映像となっている。その後、左目用映像Ｐ２２は、偏光分離面１１で反射されて９０度回転して、反射ミラー２２へ射出される。この場合には、反射ミラー２２から見た左目用映像Ｐ２３の虚像は、右向き矢印の映像となる。そして、反射ミラー２２に入射した左目用映像Ｐ２３は反射されて、９０度回転して左目８１ａ方向へ射出される。この際、左目８１ａから見た左目用映像Ｐ２４の虚像は、左向き矢印の映像となる。

このように、右目用映像と左目用映像とで、同一の映像（左向き矢印の映像Ｐ１１及びＰ２１）を射出した場合であっても、右目には右向き矢印の映像Ｐ１３が提示され、左目には左向き矢印の映像Ｐ２４が提示されるようになる。したがって、本実施形態では、ＨＭＤ１００によって、表示パネル４０の映像を左右に振り分ける場合、右目用映像と左目用映像では、表示パネル４０において画面の左右を反転させた映像を表示させる。

以上のように、本実施形態では、第１実施形態の偏光分離装置１を用いることによって、表示パネル４０に表示された偏光方位角の異なる２つの映像を２つの方向に振り分け、振り分けられた各映像を、左目用導光光学系２０及び右目用導光光学系３０を通じて、観察者の左右の眼にそれぞれ独立して提示することができる。このとき、偏光方位角の異なる２つの映像として、左右の眼に視差がある異なる映像を、観察者の左右の眼に振り分けて提示すれば、立体表示も可能となる。

特に、本実施形態では、２方向に振り分けられた光について、偏光分離装置１に入射してから出射されるまでの光路長を等しくすることができるので、左右の眼に表示パネルの拡大された虚像を提示する光学系を、左右それぞれで同一のレンズ系、ミラーを用いることができる。この結果、左右の光学系における収差や倍率が等しくなるように設計しやすくなり、見やすい映像を提示できるとともに、共通の部品を利用できるので、部品点数やその組立工数を減少させて製造コストの低廉化を図ることができる。

また、本実施形態では、表示パネル４０の中心位置が、観察者の両眼の中心位置に対して所定距離だけ偏心しているので、偏光分離装置１が左右非対称となる場合であっても、偏光分離装置１や左右の光学系を複雑化させることなく、その設置箇所を確保することができ、設計の容易化を図ることができる。さらに、本実施形態では、表示パネル４０を１枚だけ用いて両眼に異なる画像を提示することができるので、ＨＭＤ１００の小型化、低コスト化を図ることができる。さらに、この際、右目及び左目用の各画素は、行方向に配列する構成としているので、水平解像度の劣化を抑えることができる。

＜Ｃ：第３実施形態＞
図７は、本発明の第３実施形態に係るＨＭＤ１００ａの内部構造を模式的に示した上面図である。本実施形態に係るＨＭＤ１００ａは、表示パネル４０を液晶ディスプレイとした点でＨＭＤ１００と相違する。なお、本実施形態について、上述した第１実施形態及び第２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。

本実施形態で用いる表示パネル４０ａは、射出側の偏光板によって特定の方向に振動する偏光成分を射出できる液晶ディスプレイとなっている。この表示パネル４０ａの画素配列は、第１の実施形態で説明したような特殊な配列ではなく、通常の液晶ディスプレイの画素配列、すなわち、赤、緑、青のドットから構成される画素が２次元的に並んでいる配列となっている。

また、本実施形態においては、表示パネル４０ａの前面に、偏光面回転素子６０が配置される。偏光面回転素子６０は、液晶に印加する電圧によって、偏光分離装置１に入射させる光の偏光方位角をそのまま維持するか、９０°回転させるかの切り替えを行い、所定の偏光成分のみを選択的に射出させる部材であり、強誘電性液晶（ＦＬＣ）若しくは反強誘電性液晶（ＡＦＬＣ）が用いられる。

本実施形態においては、左目用の映像と右目用の映像が順番に表示されるように、図示しないＣＰＵなどの制御部により制御される。具体的には、左目用映像が表示されている場合には、制御部は、その偏光面を偏光面回転素子６０によって偏光分離装置１に対するｐ偏光成分となるように制御し、一方、右目用映像が表示されている時にはその偏光面を偏光面回転素子６０によって偏光分離装置１に対するｓ偏光成分となるように制御する。このようにして、左右の眼に時間的に切り替わる映像を提示し、左右の眼に対して異なる映像を提示する。

このような本実施形態によれば、通常の液晶ディスプレイを用いた場合であっても、２方向に振り分けられた光について、偏光分離装置１に入射してから出射されるまでの光路長を等しくすることができ、左右の眼に表示パネルの拡大された虚像を提示する光学系を、左右それぞれで同一のレンズ系、ミラーを用いることができる。この結果、左右の光学系における収差や倍率が等しくなるように設計しやすくなり、見やすい映像を提示できるとともに、共通の部品を利用できるので、部品点数やその組立工数を減少させて製造コストの低廉化を図ることができる。

＜Ｄ：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。図８は、本発明の変更例に係るヘッドマウントディスプレイ１００ｃの水平断面図である。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。

例えば、上述した第２及び第３実施形態において、左目用導光光学系２０及び右目用導光光学系３０における反射ミラー２２，３２は、透過性のないミラー部材を用いて説明したが、本発明は、これに限定するものではなく、例えば、図８に示すように、ミラー部材をハーフミラー２２ａ，３２ａに置換え、いわゆるシースルー型のＨＭＤ１００ａを構成することもできる。

この場合、ＨＭＤ１００ｃには、接眼レンズによる屈折力を打ち消す凹レンズ２４，３４をハーフミラー２２ａ，３２ａを挟んで、接眼レンズ２３，３３とは反対側に配置する。このような構成により、外部から入射される光は、凹レンズ２４，３４及び接眼レンズ２３，３３を通過することで、それぞれの眼に提示される外界のゆがみを小さくして外界を見やすくすることができる。

また、例えば、上述した第２及び第３実施形態において、ＨＭＤ１００は、偏光ビームスプリッター１０の第４の端面１０ｄから左目用の左目用導光光学系２０までの距離ｄと、光路長調整部材１３の射出面１３ａと右目用の右目用導光光学系３０までの距離ｄを等しくなるような構成とし、表示パネル４０の中心線は両眼の中心線ＣＬから所定距離Ｄだけ偏心した構成としたが、このような構成に限定するものではなく、光路長調整部材１３の屈折率を偏光ビームスプリッター１０の屈折率とは異なる屈折率とするとともに、光路長調整部材１３の長さを調整して表示パネル４０の中心位置を両眼の中心線ＣＬ上に位置する構成としてもよい。

具体的には、図９に示すように、偏光ビームスプリッター１０の屈折率をｎとし、偏光ビームスプリッター１０の各辺の長さをＡとする。また、光路長調整部材１３の屈折率を偏光ビームスプリッター１０の屈折率とは異なるｎ’として、光が通過する辺の長さをＢとする。また、第４の端面１０ｄからリレーレンズ２１までの距離をｄとして、光路長調整部材１３の射出面１３ａからリレーレンズ３１までの距離をｄ’とする。

この場合、偏光ビームスプリッター１０に入射したｐ偏光成分は、入射した第１の端面１０ａから射出する第４の端面１０ｄまで２Ａの距離を屈折率ｎで伝播し、その後、第４の端面１０ｄからリレーレンズ２１までを屈折率無しで伝播するので、リレーレンズ２１までの光路長はｎ×２Ａ＋ｄとなる。

一方、偏光ビームスプリッター１０に入射したｓ偏光成分は、入射した第１の端面１０ａから射出する第３の端面１０ｃまで、Ａの距離を屈折率ｎで伝播し、その後、光路長調整部材１３の長さＢを屈折率ｎ’で伝播する。さらに、光路長調整部材１３の射出面１３ａからリレーレンズ３１までの長さｄ’を屈折率無しで伝播するので、その光路長はｎ×Ａ＋ｎ’×Ｂ＋ｄ’となる。ここで、２つの光路長が同じである場合には
ｎ×２Ａ＋ｄ＝ｎ×Ａ＋ｎ’×Ｂ＋ｄ’の関係が成り立つ。
ここで、表示パネル４０の中心位置を両眼の中心線ＣＬ上に位置するには、ｄ＝Ｂ＋ｄ’である必要があるため、上記式にｄ’＝ｄ−Ｂを代入すると、
ｎ×Ａ＋ｄ＝ｎ’×Ｂ＋ｄ−Ｂ
となる。

この式を変形すると、
ｎ×Ａ＝ｎ’×Ｂ−Ｂ → ｎ×Ａ＝Ｂ（ｎ’−１）
となり、
Ｂ＝ｎ×Ａ／ｎ’−１
という関係性を有する。

したがって、このような関係性を有する光路長調整部材１３の長さＢと屈折率ｎ’を用いることで、表示パネル４０の中心位置を両眼の中心線ＣＬ上に配置させることができる。

また、上述した各実施形態では、偏光ビームスプリッター１０は、全て同じ屈折率のガラスで形成させるとともに、光路長調整部材１３は偏光ビームスプリッター１０と同じ屈折率のガラスで形成させて、偏光ビームスプリッター１０の屈折率と光路長調整部材１３の屈折率とは同一としたが、本発明は、これに限定するものではなく、分離された２つのｓ偏光の光路長が同一となればよく、例えば、偏光ビームスプリッター１０のうち、偏光分離面１１から第２の端面１０ｂに至るプリズム部品１０Ｌを、光路長調整部材１３と同一の部材で形成させ、他の部分であるプリズム部品１０Ｒを、光路長調整部材１３と異なる部材で構成されていてもよい。
この場合、偏光ビームスプリッター１０のプリズム部品１０Ｌと光路長調整部材１３の屈折率が、プリズム部品１０Ｒを構成するガラスの屈折率ｎと異なるｎ’とし、光路長調整部材１３の長さＣすると、偏光ビームスプリッター１０の第１の端面（入射面）１０ａから入射して偏光分離面１１で反射し、光路長調整ガラスの出口（射出面）１３ａまでの光路長は、ｎ×Ａ＋ｎ’×Ｃとなる。一方、偏光ビームスプリッターの第一の端面（入射面）１０ａから入射して偏光分離面１１を透過し、金属反射膜１５で反射し、偏光分離面１１で反射して偏光ビームスプリッターの第４の端面１０ｄに至る光路長は、ｎ×（Ａ／２）＋ｎ’×（３Ａ／２）となる。これらの式で与えられる光路長が等しいとすると、光路長調整部材１３の長さＣを、ｎ’×Ｃ＝（Ａ／２）×（３ｎ’−ｎ）を満たす長さとすればよい。

このような本変更例によれば、偏光分離面１１から第２の端面１０ｂに至るプリズム部品１０Ｌと、光路長調整部材１３とを同一の部材で形成することにより、偏光分離装置１において２方向に振り分けられる光について、偏光分離装置１に入射してから出射されるまでの光路長を、容易に等しくすることができるため、光学系の設計を容易なものとすることができるとともに、原材料の調達を容易にして製造コストを低減することができる。

さらに、上述した各実施形態では、表示パネル４０の各画素の配列は、本発明はこれに限定するものではなく、均等に右目用の画素Ｒと左目用の画素Ｌが分散して配置されていればよく、横方向、斜め方向、又は市松模様等の各種のパターンを用いてもよい。

また、上述した第２実施形態及び第３実施形態では、偏光ビームスプリッター１０と光路長調整部材１３とを貼り合わせる構成としたが、これに限定するものではなく、例えば、偏光ビームスプリッター１０と、光路長調整部材１３とを、同一の材質で一体成型によって一体化してもよい。この場合には、貼り合わせた偏光ビームスプリッター１０の第３の端面１０ｃと光路長調整部材１３の入射面１３ｂとの間に生じる屈折率などの変動を低減することができる。また、偏光分離装置１全体の部品点数を減少させることができ、よりコストの低廉化を図ることができる。

さらに、上述した第２実施形態及び第３実施形態では、ＨＭＤ１００の装着者側に表示パネル４０を配置し、外方に向けて映像光を射出する構成としたが、このような構成に限定するものではなく、ＨＭＤ１００の外側に表示パネル４０を配置し、装着者側に向けて映像光を射出する構成としてもよい。

１…偏光分離装置、１０…偏光ビームスプリッター、１０Ｌ，１０Ｒ…プリズム部品、１０ａ…第１の端面、１０ｂ…第２の端面、１０ｃ…第３の端面、１０ｄ…第４の端面、１１…偏光分離面、１２…１／４波長フィルム、１３…光路長調整部材、１３ａ…射出面、１３ｂ…入射面、１４…透過率調整フィルター、１５…金属反射膜、２０…左目用導光光学系、２１，３１…リレーレンズ、２２，３２…反射ミラー、２２ａ，３２ａ…ハーフミラー、２３，３３…接眼レンズ、２４，３４…凹レンズ、３０…右目用導光光学系、４０（４０ａ）…表示パネル、４１…画素、４２…偏光フィルター、４２ａ，４２ｂ…ワイヤーグリッド偏光フィルター、５０…表示パネル側レンズ、６０…偏光面回転素子、８０…頭部、８１…両眼、８１ａ…左目、８１ｂ…右目、１００（１００ａ，１００ｂ，１００ｃ）…ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、１０１…本体部、１０２…装着部

Claims (9)

1. 入射光が入射される第１の端面と、
   前記入射光のうち所定の偏光方位角のｓ偏光成分を反射するとともに、前記所定の偏光方位角とは異なる偏光方位角のｐ偏光成分を透過させる偏光分離面と、
   前記第１の端面と対向配置され、前記偏光分離面を透過したｐ偏光成分を、前記ｓ偏光成分に変換するとともに、前記入射光と同一の光軸方向に反射させる第２の端面と、
   前記偏光分離面を透過することなく前記偏光分離面で反射されたｓ偏光成分が射出される第３の端面と、
   前記第３の端面と対向配置されるとともに、前記第２の端面及び前記偏光分離面で反射されたｓ偏光成分が射出される第４の端面と、
   を備えることを特徴とする偏光分離装置。
2. 前記第３の端面を透過した光の光路長を変換する光路長調整部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の偏光分離装置。
3. 前記偏光分離面から前記第３の端面に至る部材と、前記光路長調整部材とが一体的に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の偏光分離装置。
4. 前記光路調整部材から射出される光の透過率を変化させる透過率調整フィルターをさらに備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の偏光分離装置。
5. 前記偏光分離面を透過し、前記第２の端面及び前記偏光分離面で反射され、前記第４の端面に至る光路長と、前記偏光分離面で反射され、前記光路調整部材を透過して射出面に至る光路長とが等しい
   ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の偏光分離装置。
6. 前記第１の端面から前記偏光分離面に至る部材と、前記偏光分離面から前記第２の端面に至る部材と、前記光路長調整部材と、が同一の部材で形成されるとともに、前記光路調整部材の光軸方向の長さが、前記偏光分離面から前記第２の端面に至る距離の２倍であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の偏光分離装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載された前記偏光分離装置を備えた表示装置であって、
   所定の偏光方位角のｐ偏光成分及び前記ｐ偏光成分とは異なる偏光方位角のｓ偏光成分のいずれか又はその両方からなる映像を、前記入射光として前記第１の端面に入射させる表示部と、
   前記第３又は第４の端面から射出された映像の拡大された虚像を、それぞれ観察者の左右の眼で観察可能とする左目用導光光学系及び右目用導光光学系と、
   を備えたことを特徴とする表示装置。
8. 前記左目用導光光学系と前記右目用導光光学系が同一の光学要素から構成されていることを特徴とする請求項７記載の表示装置。
9. 前記表示部の中心位置が、前記観察者の両眼の中心位置に対して偏心していることを特徴とする請求項７又は８に記載の表示装置。
   

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