JP2016161797A - 透過型表示装置 - Google Patents

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将行 ▲高▼木
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貴洋 戸谷
Takahiro Totani
貴洋 戸谷
武田 高司
Takashi Takeda
高司 武田
小松 朗
Akira Komatsu
朗 小松
敏明 宮尾
Toshiaki Miyao
敏明 宮尾
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Abstract

【課題】偏光に対する反射透過特性に差異があるものを利用してシースルータイプの光学系を構成する場合であっても、偏光特性を有する外界光に対して、極端な輝度低下や色付き無く視認させることができる透過型表示装置を提供すること。【解決手段】映像光GLの導光領域よりも外界側に配置された偏光解消部材PCである接着層CCによって外界光HLの偏光特性を解消した状態としてから、半透過反射部であるハーフミラー層15において映像光GLと外界光HLとを重複して視認させるものとする。【選択図】図4

Description

本発明は、画像表示素子等によって形成された映像を観察者に提示するために映像光を導く導光装置等に関し、特に観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイに好適な虚像表示装置等の透過型表示装置に関する。

観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも言う)等の透過型表示装置に組み込まれる光学系として様々なものが提案されている(例えば、特許文献1〜3参照)。例えば、偏光解消素子を映像光の光路中に配置することによって導光する映像光の偏光を解消させるものが知られている(特許文献1参照)。

このような映像光と外界光とを重畳させるシースルータイプの光学系を構成する透過型表示装置において、映像光と外界光とを重畳させる部分(コンバイナ部分)を例えばP/S偏光の透過・反射特性の異なるハーフミラー等の膜で構成する(特許文献2、3参照)場合、光利用効率を向上させることが可能となるものの、当該ハーフミラー等の膜越しに見た外界光が暗くなったり、色付いたりする可能性がある。特に、外界光が液晶パネル等からの画像光のように偏光特性を有するものである場合、極端に暗くなったり、色付いたりすると考えられる。

特開2012−163662号公報 特開平6−51264号公報 特開2009−128649号公報

本発明は、偏光に対する反射透過特性に差異があるものを利用してシースルータイプの光学系を構成する場合であっても、偏光特性を有する外界光に対して、極端な輝度低下や色付き無く視認させることができる透過型表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る透過型表示装置は、映像素子からの映像光と外界光とを重複して視認させる透過型表示装置であって、偏光特性を持たせつつ映像光と外界光との部分的な反射及び透過を行う半透過反射部と、眼の位置として想定される眼想定位置を基準として、映像素子から半透過反射部を経て眼想定位置に至るまでにおける映像光の導光領域よりも外界側の領域に配置されて、半透過反射部を通過して眼想定位置に入射する外界光の偏光状態を解消する偏光解消部材と、を備える。なお、ここで、偏光状態を解消するとは、例えば外界光が液晶パネル等からの画像光のように偏光特性を有するものである場合にこの偏光をランダムなものとして全体として平均した場合に偏光の無い状態(無偏光な状態)にすることを意味する。

上記透過型表示装置では、映像光の導光領域よりも遠い側である外界側に配置された偏光解消部材によって外界光の偏光特性を解消した状態としてから、半透過反射部において映像光と外界光とを重複して視認させるものとしている。これにより、半透過反射部が偏光特性を持たせつつ映像光と外界光との部分的な反射及び透過を行うものであり、かつ、外界光が偏光特性を有するものであっても、極端な輝度低下や色付き無く視認させることができる。

本発明の具体的な側面では、映像素子からの映像光を半透過反射部に導光するとともに半透過反射部を経た映像光を射出する導光部材と、導光部材と協働して半透過反射部を介して導光部材に貼り合せることで外界光と映像光とを重複して視認させる光透過部材とをさらに備え、偏光解消部材は、眼想定位置から半透過反射部と重なって見える位置に設けられる。この場合、導光部材と光透過部材とが協働してシースルーの達成を確実にするとともに、偏光解消部材によって外界光のうち半透過反射部を通過して観察者の眼に到達する成分の偏光状態を、半透過反射部を通過する前に確実に無偏光なものにできる。

本発明の別の側面では、偏光解消部材は、半透過反射部に対して映像光の導光領域の外界側に重ねて設けられる。この場合、半透過反射部への入射直前で、確実に外界光の偏光特性を解消した状態にできる。

本発明のさらに別の側面では、偏光解消部材は、導光部材と光透過部材とで形成される導光装置の表面のうち、眼想定位置に対して半透過反射部よりも外界側の表面に設けられる。この場合、偏光解消部材を導光装置の表面側に設ければよいので、偏光解消部材が作りやすい。

本発明のさらに別の側面では、少なくとも眼前部分を覆うように取り付けられて、外界光の透過率を低下させて映像視認性を向上させるための外光透過率調整機能を有するシェード装置をさらに備え、偏光解消部材は、シェード装置に設けられる。この場合、シェード装置に偏光解消の機能を持たせることができる。

本発明のさらに別の側面では、偏光解消部材は、電界駆動により屈折率を時間的に変化させる電気光学素子である。この場合、電気光学素子により確実に無偏光な状態になるように調整できる。

本発明のさらに別の側面では、偏光解消部材は、高位相差フィルムである。この場合、簡易かつ確実に偏光解消部材を構成できる。

本発明のさらに別の側面では、高位相差フィルムの遅相軸方向は、眼の並ぶ方向として想定される水平方向に平行な方向又は垂直な方向である。この場合、液晶パネルからの光のように偏光特性をもって入射する外界光の多くに対して適切な偏光解消ができる。

本発明のさらに別の側面では、偏光解消部材は、屈折率異方性材料を含んで局所的に異なる方向に配向させるランダム局所配向位相差部材を含む。この場合、屈折率異方性材料の局所的な配向のさせ方によって適切な偏光解消ができる。

本発明のさらに別の側面では、偏光解消部材は、接着剤に屈折率異方性材料を混ぜ込んで形成される接着部である。この場合、例えば、導光部材と光透過部材とで形成される導光装置において、導光部材と光透過部材とを接着する箇所に偏光解消部材を設けることができる。

本発明のさらに別の側面では、偏光解消部材は、局所的に異なる方向に配向させる複数のサブ波長格子を含む回折素子である。この場合、サブ波長格子ごとに異なる作用を及ぼすことによって回折素子に偏光解消の機能を持たせることができる。

本発明のさらに別の側面では、半透過反射部は、5%以上異なる偏光の透過特性を有する。この場合、例えば誘電体多層膜等種々の構成の半透過反射部を採用できる。

本発明のさらに別の側面では、半透過反射部は、誘電体多層膜である。この場合、半透過反射部において、高効率に光の透過反射を行うことができる。

第1実施形態に係る透過型表示装置の一例の外観を簡単に説明する斜視図である。 透過型表示装置を構成する本体部分の平面視の断面図である。 図2のうち半透過反射部及び偏光解消部材の構造について概念的に示す図である。 映像光と外界光とが重畳する様子について一例を示す図である。 偏光解消部材の構造について一例を概念的に示す図である。 透過型表示装置における映像光の光路について示す図である。 第2実施形態に係る透過型表示装置について説明するための平面視の断面図である。 第2実施形態に係る透過型表示装置の一変形例について説明するための図である。 第3実施形態に係る透過型表示装置の一例の外観を簡単に説明する斜視図である。 第3実施形態に係る透過型表示装置について説明するための平面視の断面図である。 (A)及び(B)は、偏光解消部材の構造について一変形例を概念的に示す図である。 (A)は、透過型表示装置の一変形例について説明するための正面図であり、(B)は、虚像表示装置のうち第1表示装置の構造を説明する平面図である。 偏光解消部材の一変形例について説明するための斜視図である。 (A)は、偏光解消部材の一部を取り出した斜視図であり、(B)は、(A)の側面図である。

〔第1実施形態〕
以下、図1等を参照しつつ、本発明の第1実施形態に係る透過型表示装置について詳細に説明する。

図1に示すように、本実施形態の透過型表示装置100は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この透過型表示装置100を装着した観察者又は使用者に対して虚像による画像光(映像光)を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができる虚像表示装置である。透過型表示装置100は、観察者の眼前を透視可能に覆う第1及び第2光学部材101a,101bと、両光学部材101a,101bを支持する枠部102と、枠部102の左右両端から後方のつる部分(テンプル)104にかけての部分に付加された第1及び第2像形成本体部105a,105bとを備える。ここで、図面上で左側の第1光学部材101aと第1像形成本体部105aとを組み合わせた第1表示装置100Aは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも透過型表示装置として機能する。また、図面上で右側の第2光学部材101bと第2像形成本体部105bとを組み合わせた第2表示装置100Bは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも透過型表示装置として機能する。なお、図2を図1と比較することで、例えば第1及び第2像形成本体部105a,105bは、鏡筒部39に収納される投射レンズ30や、映像表示素子(映像素子)82を含む画像表示装置80でそれぞれ構成されることが分かる。

また、図1や図2に示すように、透過型表示装置100に設けた枠部102は、上端側に配置されるフレーム107と、フレーム107に沿ってその裏側に配置される樹脂部108とを備える。なお、透過型表示装置100は、下側に枠状の部分のない構成となっている。枠部102を構成するフレーム107は、U字状に折れ曲がった細長い板状の部材であり、観察者にとっての眼の並びに対応する方向である左右の横方向(ここでは水平方向とも言うものとする。)に延びる正面部107aと、観察者にとっての前後に対応する方向である奥行き方向に延びる一対の側面部107b,107cとを備える。フレーム107、すなわち正面部107aと側面部107b,107cとは、アルミダイカストその他の各種金属材料で形成された金属製の一体部品である。樹脂部108は、フレーム107に沿って配置され、フレーム107と嵌合することでこれと協働して例えば画像形成のための各種ケーブル等を収納可能にしている。なお、枠部102に付随して、鼻受部40が設けられている。

図2に示すように、第1表示装置100Aは、投影用の光学系である投射透視装置70と、映像光を形成する画像表示装置80とを備えるものと見ることができる。投射透視装置70は、画像表示装置80によって形成された画像を虚像として観察者の眼に投射する役割を有する。投射透視装置70は、第1光学部材101a又は導光装置20と、結像用の投射レンズ30とを備える。第1光学部材101a又は導光装置20は、導光及び透視用の導光部材10と、透視用の光透過部材50とで構成されている。なお、第1像形成本体部105aは、画像表示装置80と投射レンズ30とで構成される。

画像表示装置80は、透過型の空間光変調装置である映像表示素子(映像素子)82のほか、映像表示素子82へ照明光を射出するバックライトである照明装置81や、映像表示素子82等の動作を制御する駆動制御部84を有する。

導光装置20は、既述のように、導光及び透視用の導光部材10と、透視用の光透過部材50とで構成されている。導光部材10は、プリズム型の導光装置20の一部であり、一体の部材であるが、光射出側の第1導光部分11と光入射側の第2導光部分12とに分けて捉えることができる。光透過部材50は、導光部材10の透視機能を補助する部材(補助光学ブロック)であり、導光部材10と一体的に固定され1つの導光装置20となっている。上記のような構成を有する導光装置20のうち、光源側(根元側)に位置する先端部が鏡筒部39の端部39tに嵌合することで、投射レンズ30に精度よく位置決め固定されている。

以下、図2を参照して、透過型表示装置100に関して、光学的な構成を詳細に説明する。より具体的には、第1像形成本体部105aを構成する画像表示装置80と投射レンズ30とについて詳細に説明する。

画像表示装置80は、上述したように、映像表示素子82の他に、映像表示素子82に対して照明光を射出する照明装置81と、照明装置81及び映像表示素子82の動作を制御する駆動制御部84とを有する。画像表示装置80の照明装置81は、赤、緑、及び青の3色を含む光を発生する光源や、この光源からの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部を有する。映像表示素子(映像素子)82は、例えば液晶表示デバイスで形成され、複数の画素で構成されており、照明装置81からの照明光を空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。なお、図示を省略するが、駆動制御部84は、照明装置81に電力を供給して安定した輝度の照明光を射出させる光源駆動回路や、映像表示素子(映像素子)82に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの映像光又は画像光を形成する液晶駆動回路で構成される。なお、液晶駆動回路に画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。

投射レンズ30は、構成要素として、入射側光軸に沿って3つの光学素子(レンズ)31〜33を備える投射光学系であり、これらの光学素子31〜33を収納する鏡筒部39によって支持されている。光学素子31〜33は、非軸対称な非球面(非軸対称非球面)と軸対称な非球面(軸対称非球面)との双方を含む非球面レンズであり、導光部材10の一部と協働して導光部材10の内部に映像表示素子82の表示像に対応する中間像を形成する。なお、各レンズ(光学素子)31〜33のうち、第1レンズ31の光の射出面であるレンズ面31aは、非軸対称非球面となっており、レンズ面31a以外のレンズ面については、軸対称非球面となっている。

以下、導光装置20等について詳細に説明する。上述のように、導光装置20は、導光部材10と光透過部材50とで構成されている。このうち、導光部材10は、平面視において、鼻に近い中央側(眼前側)の部分が直線状に延びている。導光部材10のうち、鼻に近い中央側つまり光射出側に配置されている第1導光部分11は、光学的な機能を有する側面として、第1面S11と、第2面S12と、第3面S13とを有し、鼻から離れた周辺側つまり光入射側に配置されている第2導光部分12は、光学的な機能を有する側面として、第4面S14と、第5面S15とを有する。このうち、第1面S11と第4面S14とが連続的に隣接し、第3面S13と第5面S15とが連続的に隣接する。また、第1面S11と第3面S13との間に第2面S12が配置され、第4面S14と第5面S15とは大きな角度を成して隣接している。さらに、ここでは、対向した配置となっている第1面S11と第3面S13とが互いに略平行な平面形状となっている。一方、光学的な機能を有する他の面、すなわち第2面S12、第4面S14及び第5面S15は、非軸対称な曲面(自由曲面)となっている。

光透過部材50は、既述のように導光部材10と一体的に固定され1つの導光装置20となっており、導光部材10の透視機能を補助する部材(補助光学ブロック)である。光透過部材50は、光学的な機能を有する側面として、第1透過面S51と、第2透過面S52と、第3透過面S53とを有する。ここで、第1透過面S51と第3透過面S53との間に第2透過面S52が配置されている。第1透過面S51は、導光部材10の第1面S11を延長した面上にあり、第2透過面S52は、当該第2面S12に対して接着層CCによって接合され一体化されている曲面であり、第3透過面S53は、導光部材10の第3面S13を延長した面上にある。このうち第2透過面S52と導光部材10の第2面S12とは、薄い接着層CCを介しての接合によって一体化されるため、略同じ曲率の形状を有する。

なお、導光部材10を構成する複数の面のうち、第1面S11から第3面S13までの面以外の面S14,S15については、少なくとも1つの自由曲面について、方向によって曲率の符号が異なっている点を少なくとも1つ含むものとなっている。これにより、映像光の導光を精密に制御しつつ、導光部材10の小型化を可能にしている。

導光部材10のうち本体10sは、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば金型内に熱可塑性樹脂を注入・固化させることにより成形する。なお、本体10sの材料としては、例えばシクロオレフィンポリマー等を用いることができる。本体10sは、一体形成品とされているが、導光部材10は、既に説明したように機能的に第1導光部分11と第2導光部分12とに分けて考えることができる。第1導光部分11は、映像光GLの導波及び射出を可能にするとともに、外界光HLの透視を可能にする(図4等参照)。第2導光部分12は、映像光GLの入射及び導波を可能にする。

第1導光部分11において、第1面S11は、映像光GLを第1導光部分11外に射出させる屈折面として機能するとともに、映像光GLを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第1面S11は、眼の位置として想定される眼想定位置EY(以下、実際に眼想定位置EYに眼が置かれた場合も含めるために単に眼EYとも記載する。)の正面に配されるものであり、既述のように、平面形状を成している。なお、第1面S11は、本体10sの表面に施されたハードコート層27によって形成される面である。

第2面S12は、本体10sの表面にハーフミラー層15が付随している。このハーフミラー層15は、第2面S12の全体ではなく、第2面S12を主にY軸に沿った鉛直方向に関して狭めた部分領域(図示省略)上に形成されている。

第3面S13は、映像光GLを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第3面S13は、眼EYの略正面に配されるものであり、第1面S11と同様に、平面形状を成しており、かつ、第1面S11と第3面S13とが互いに平行な面であることにより、第1面S11と第3面S13とを通過させて外界光HLを見たときに、視度が0になっており、特に、変倍も生じさせないものとなっている。なお、第3面S13は、本体10sの表面に施されたハードコート層27によって形成される面である。

第2導光部分12において、第4面S14は、映像光GLを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第4面S14は、映像光GLを第2導光部分12内に入射させる屈折面としても機能する。すなわち、第4面S14は、外部から導光部材10に映像光GLを入射させる光入射面と、導光部材10の内部において映像光GLを伝搬させる反射面としての機能を兼用している。なお、第4面S14は、本体10sの表面に施されたハードコート層27によって形成される面である。

第2導光部分12において、第5面S15は、本体10sの表面上に無機材料で形成される光反射膜RMを成膜することで形成され、反射面として機能する。

光透過部材50は、可視域で高い光透過性を示し、光透過部材50の本体部分は、導光部材10の本体10sと略同一の屈折率を有する熱可塑性樹脂材料で形成されている。なお、光透過部材50は、本体部分を導光部材10の本体10sに接合した後、接合された状態で本体10sとともにハードコートによる成膜がなされて形成されるものである。つまり、光透過部材50は、導光部材10と同様、本体部分の表面にハードコート層27が施されたものとなっている。第1透過面S51と第3透過面S53とは、本体部分の表面に施されたハードコート層27によって形成される面である。

なお、導光装置20は、導光部材10及び光透過部材50となるべき基材が接合部CNで接合された上で、接合された基材をディップ処理によってコーティングされることで形成されている。つまり、導光部材10のハードコート層27は、光透過部材50とともに導光装置20全体に設けられている。

以上のように、本実施形態では、導光部材10の内部において、映像表示素子82からの映像光を、少なくとも2回の全反射を含む第1面S11から第5面S15までにおける5回の反射によって導光している(図4又は図6参照)。これにより、映像光GLの表示と外界光HLの視認させるシースルーとを両立させ、かつ、映像光GLの収差の補正を行うことが可能になる。

また、本実施形態では、既述のように、また、図3にも概念的に示すように、導光装置20のうち導光部材10と光透過部材50との接合箇所において、導光部材10の第2面S12の位置にハーフミラー層15が付随して設けられ、かつ、導光部材10においてハーフミラー層15が設けられた箇所において光透過部材50が接着層CCを介して接合されている。言い換えると、導光部材10と光透過部材50とが協働して半透過反射部であるハーフミラー層15を挟み込むように貼り合せて、結果的にハーフミラー層15の外側(外界側)に重ねるように接着層CCが設けられている。なお、導光部材10及び光透過部材50の接合面と、接着層CCとで構成される部分を接合部CNとする。

接合部CNのうち、ハーフミラー層15は、導光部材10の本体10sの下地面のうち部分領域上に誘電体多層膜を成膜することにより形成される半透過反射部である。また、接着層CCは、屈折率異方性材料を含んで局所的に異なる方向に配向させるランダム局所配向位相差部材を接着剤に混ぜ込んで形成された接着部材であり、光の偏光状態を解消する偏光解消部となる偏光解消部材PCとして機能するものとなっている。

ハーフミラー層15は、例えば図4に示すように、導光装置20の内部を導光して射出される映像光GLを部分的に反射する一方、導光装置20を通過する外界光HLを透過させる誘電体多層膜で構成されることで、半透過反射部として機能する。従って、ハーフミラー層15に入射した外界光HLは、このハーフミラー層15を部分的に透過しつつも部分的に反射されるので、ハーフミラー層15に対応する方向からの外界光HLは、ハーフミラー層15の透過率に応じて弱められる。その一方で、ハーフミラー層15に対応する方向からは、映像光GLが入射するので、観察者は、ハーフミラー層15の方向に映像表示素子(映像素子)82上に形成された画像とともに外界像を観察することになる。

上記のハーフミラー層15は、誘電体多層膜で構成されることにより、高効率に光の透過反射を行うことができる。しかし、その一方でハーフミラー層15が誘電体多層膜で構成されている場合、偏光特性を持たせやすいものとなる。例えば偏光した光の通過の前後で5%以上異なる偏光の透過特性を有する誘電体多層膜でハーフミラー層15が形成されるものとなっている場合が想定され、この場合、ハーフミラー層15を透過する外界光HLは、ハーフミラー層15の有する偏光特性の影響を大きく受けることになる。仮に、外界光HLが偏光した状態の光であると、ハーフミラー層15の透過によって極端に暗くなったり、色付いたりして観察者の眼に届くものとなってしまうおそれがある。これに対して、本実施形態では、半透過反射部であるハーフミラー層15に対して映像光GLの導光領域の外側に重ねるように偏光解消部材PCを設けることで、掛かる事態を回避している。具体的には、ハーフミラー層15の外側に位置する接着層CCが上記のようなランダム局所配向位相差部材を含むことで外界光HLの偏光をランダムな状態にする偏光解消部材PCとして機能する。なお、以上の場合、偏光解消部材PCは、眼想定位置EYから映像光GLと外界光HLとを重複して視認するに際して半透過反射部であるハーフミラー層15と重なって見える位置に設けられるものとなっているとも言える。

接着層CCに含まれるランダム局所配向位相差部材は、屈折率異方性材料を含んで局所的に異なる方向に配向させるものである。より具体的には、図5に示すように、ランダム局所配向位相差部材は、例えば液晶などのように屈折率異方性を有する分子MOを位置によって異なる方向に配向させることで、位置ごとに異なる偏光状態にすることができる。これにより、接着層CCを通過した光を空間重畳させることで平均すると、ほぼ無偏光と等しい状態となる。なお、位置ごとに異なる偏光状態にするに際して、ある程度の局所的な範囲内では同じ方向に分子MOを配向させることで、光散乱を極力抑えた上で全体としてはほぼ無偏光と等しい状態とすることができる。接着層CCが、このような性質を有する材料を含むことで、図3や図4等に示す外界光HLは、接着層CCを通過する際にほぼ無偏光と等しい状態となった上で半透過反射部であるハーフミラー層15を透過するものとなる。これにより、ハーフミラー層15が偏光特性を持たせつつ映像光と外界光との部分的な反射及び透過を行うものであり、かつ、外界光HLが図4に例示するような液晶パネルLPから射出される偏光特性を有するようなものであっても、外界光HLの極端な輝度低下や色付きをさせること無く視認させることができる。

以上のように、本実施形態では、半透過反射部に対して映像光GLの導光領域の外側に重ねるように設けられた接着層CCが偏光解消部材PCとして機能する。言い換えると、透過型表示装置100は、偏光解消手段(偏光解消部)として、ランダム局所配向位相差部材を含む接着層CCを接合部CNに有している。これにより、外界光HLが半透過反射部であるハーフミラー層15を通過する前に外界光HLの偏光状態を無偏光とすることができる。これは、見方を変えると、接着層CCは、映像光GLが映像表示素子(映像素子)82から半透過反射部であるハーフミラー層15を経て眼の位置として想定される眼想定位置EYに至るまでにおける導光領域D1よりも眼想定位置EYから遠い側すなわち眼想定位置EYに対して外界側に配置されていることで、接着層CCがハーフミラー層15(半透過反射部)を通過して眼想定位置EYに入射する外界光の偏光状態を解消する偏光解消部材PCとして機能でき、これによって上記課題を解決しているとも言える。また、上記の場合、導光装置20のアセンブリの基材そのものに偏光解消機能も持たせることが可能となっており、製造プロセスも簡易化できる。

以下、図6を参照して、透過型表示装置100における映像光GL等の光路についてより具体的に説明する。映像表示素子(映像素子)82から射出された映像光GLは、投射レンズ30を構成する各レンズ31〜33を通過することによって、収束されつつ、所期の非点収差が与えられ導光部材10に設けた正の屈折力を有する第4面S14に入射する。なお、この非点収差は、導光部材10の各面を経る間に相殺されるものとなっており、最終的に初期の状態で観察者の眼に向けて映像光が射出される。

導光部材10の第4面S14に入射してこれを通過した映像光GLは、収束しつつ進み、第2導光部分12を経由する際に、比較的弱い正の屈折力を有する第5面S15で反射され、第4面S14に内側から再度入射して反射される。

第2導光部分12の第4面S14で反射された映像光GLは、第1導光部分11において、実質的に屈折力を有しない第3面S13に入射して全反射され、実質的に屈折力を有しない第1面S11に入射して全反射される。

ここで、映像光GLは、第3面S13を経由する前後において、導光部材10中に中間像を形成する。この中間像の像面IIは、映像表示素子82の像面OIに対応するものである。

第1面S11で全反射された映像光GLは、第2面S12に入射するが、特にハーフミラー層15に入射した映像光GLは、このハーフミラー層15を部分的に透過しつつも部分的に反射されて第1面S11に再度入射して通過する。なお、ハーフミラー層15は、ここで反射される映像光GLに対して比較的強い正の屈折力を有するものとして作用する。また、第1面S11は、これを通過する映像光GLに対して屈折力を有しないものとして作用する。

第1面S11を通過した映像光GLは、観察者の眼EYの瞳又はその等価位置に略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての映像光GLにより、映像表示素子(映像素子)82上に形成された画像を観察することになる。

一方、外界光HLのうち、導光部材10の第2面S12よりも+X側に入射するものは、第1導光部分11の第3面S13と第1面S11とを通過するが、この際、第3面S13と第1面S11とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じない。つまり、観察者は、導光部材10越しに歪みのない外界像を観察することになる。同様に、外界光HLのうち、導光部材10の第2面S12よりも−X側に入射するもの、つまり、光透過部材50に入射したものは、これに設けた第3透過面S53と第1透過面S51とを通過する際に、第3透過面S53と第1透過面S51とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等を生じない。つまり、観察者は、光透過部材50越しに歪みのない外界像を観察することになる。さらに、外界光HLのうち、導光部材10の第2面S12に対応する光透過部材50に入射するものは、第3透過面S53と第1面S11とを通過する際に、第3透過面S53と第1面S11とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じない。つまり、観察者は、光透過部材50越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。なお、導光部材10の第2面S12と光透過部材50の第2透過面S52とは、略同一の曲面形状をともに有し、略同一の屈折率をともに有し、両者の隙間が略同一の屈折率の接着層CCで充填されている。つまり、導光部材10の第2面S12や光透過部材50の第2透過面S52は、外界光HLに対して屈折面として作用しない。

以上のように、本実施形態に係る透過型表示装置100では、映像光GLの導光領域である領域D1よりも外界側に配置された偏光解消部材PCである接着層CCによって外界光HLの偏光特性を解消した状態としてから、半透過反射部であるハーフミラー層15において映像光GLと外界光HLとを重複して視認させるものとすることで、ハーフミラー層15が誘電体多層膜のような偏光特性を持たせつつ映像光GLと外界光HLとの部分的な反射及び透過を行い、かつ、外界光HLが偏光特性を有している場合であっても、極端な輝度低下や色付き無く視認させることができる。

〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る透過型表示装置について説明する。なお、本実施形態は、第1実施形態の透過型表示装置の変形例であり、特に説明しない部分又は事項は、第1実施形態の場合と同様である。

図7は、第2実施形態に係る透過型表示装置について説明するための平面視の断面図であり、第1実施形態の図2に対応する図である。

図7に示すように、本実施形態における透過型表示装置200は、偏光解消部となる偏光解消部材PCの構造が、図1等に示す第1実施形態の透過型表示装置と異なる。より具体的には、本実施形態では、図7に示すように、偏光解消部材PCが、接着層CCではなく、導光部材10と光透過部材50とで形成される導光装置20の表面のうち、眼想定位置EYを基準として半透過反射部であるハーフミラー層15よりも外側表面及びその近辺の領域である領域D2内に設けられた部材(成膜層FL)で構成されている。言い換えると、領域D2は、導光装置20の表面のうち外界光が入射する範囲である導光部材10の第3面S13から光透過部材50の第3透過面S53にかけての領域またはその近辺領域であり、いわば導光装置20の外側表面側の領域である。この領域D2内に偏光解消部材PCとして成膜層FLを設けることで、導光装置20を通過して眼想定位置EYに入射する外界光を確実に無偏光の状態とすることができる。なお、領域D2は、導光領域(映像光GLが映像表示素子82から半透過反射部であるハーフミラー層15を経て眼想定位置EYに至るまでにおける領域)よりも眼想定位置EYから遠い側すなわち眼想定位置EYに対して外界側の領域である。

ここで、本実施形態における偏光解消部材PCについては、例えば第1実施形態の場合と同様のランダム局所配向位相差部材を領域D2に塗布することで成膜層FLを形成する方法のほか、成膜層FLに相当するものとして高位相差フィルムを貼り付ける方法等が適用可能である。なお、いずれの場合においても、第3面S13における映像光GLの導光に影響を与えないように適宜処理を行うものとする。

偏光解消部材PCを構成する高位相差フィルムは、高屈折率軸と低屈折率軸で異なる光学長を有し、また、各波長によっても屈折率が異なる屈折率分散をもたせるものとなっている。これにより、高位相差フィルムを通過した光は、各波長ごとに異なる偏光状態となる。高位相差フィルムを通過した光を重畳させることによって、全体としてほぼ無偏光状態とすることができる。ただし、フィルム条件などによっては、偏光板を通してみると色付いて見える可能性がある場合、出射偏光の方向等によって適した条件のフィルムを選定することが考えられる。高位相差フィルムは、例えばPETフィルム等である。

さらに、本実施形態において、偏光解消部材PCを構成する高位相差フィルムの遅相軸方向を、眼の並ぶ方向として想定される水平方向(横方向)に対して平行な方向とする、あるいは、垂直な方向とする。例えば世の中に一般的に使用されている液晶パネル等の偏光した光を射出する表示装置では、射出される光の偏光方向が斜め方向を向いているものが多い。そのため、高位相差フィルムでの偏光解消は、遅相軸がそれに対して45°傾いている方向、すなわち、水平方向または垂直方向となるように配置することで、液晶パネル等から射出され観察者に外界光として認識されるべき光を偏光解消部材PCにおいて適切に偏光解消することができる。

また、偏光解消部材PCについて、ランダム局所配向材料を用いる場合に関して言えば、第1実施形態において説明したように、粘着剤等に混ぜ込むことが可能であるので、例えば、本実施形態のように導光装置20の表面に偏光解消部材PCを設ける場合には、ハードコート機能を有したフィルムの粘着剤に上記材料を混ぜ込んだものを使用することも可能である。これにより、ハードコート機能と偏光解消機能との両方を持たせることが可能となる。

図8は、本実施形態に係る透過型表示装置の一変形例について説明するための図である。図7の例では、領域D2に示す第3面S13から第3透過面S53にかけての範囲に相当する前面側の全体に成膜層FL等で形成される偏光解消部材PCを施すものとしているが、図8に示すように、領域D2のうち半透過反射部であるハーフミラー層15に対応する範囲にのみ偏光解消部材PCを施すものとしてもよい。より具体的には、図示のように、眼EYの位置から映像光と外界光とを重複して視認するに際してハーフミラー層15と重なって見える範囲に偏光解消部材PCを設ければ、ハーフミラー層15を通過することになる外界光の成分を予め無偏光の状態とすることができ、所期の目的を達成できる。

本実施形態においても、偏光解消手段(偏光解消部)として、成膜層FL等の偏光解消部材PCによって外界光HLの偏光特性を解消した状態としてから、半透過反射部であるハーフミラー層15において映像光GLと外界光HLとを重複して視認させるものとすることで、ハーフミラー層15が誘電体多層膜のような偏光特性を持たせつつ映像光GLと外界光HLとの部分的な反射及び透過を行い、かつ、外界光HLが偏光特性を有している場合であっても、極端な輝度低下や色付き無く視認させることができる。

〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係る透過型表示装置について説明する。なお、本実施形態は、第1実施形態等の透過型表示装置の変形例であり、特に説明しない部分又は事項は、第1実施形態等の場合と同様である。

図9は、第3実施形態に係る透過型表示装置の一例の外観を簡単に説明する斜視図であり、第1実施形態の図1に対応する図である。また、図10は、透過型表示装置について説明するための平面視の断面図であり、第1実施形態の図2等に対応する図である。

図9及び図10に示すように、本実施形態における透過型表示装置300は、遮光性又は吸光性を有する樹脂材料等で形成される可撓性部材であるシェード装置90の取り付けを可能としている。すなわち、透過型表示装置300は、シェード装置90を着脱可能とすることで、シースルーに関して、外界側の視界を調整できる。言い換えると、透過型表示装置300は、眼前部分を覆うように取り付けられて、外界光の透過率を低下させて映像視認性を向上させるための外光透過率調整機能を有するシェード装置90をさらに備えている。なお、シェード装置90を取り外した状態は、図1の状態と同様になるので、図示及び説明を省略する。

本実施形態では、図10に示すように、偏光解消部材PCが、接着層CCや導光装置20の表面ではなく、シェード装置90に設けられている点において、他の実施形態の透過型表示装置と異なる。より具体的には、本実施形態では、シェード装置90が取り付けられた状態においてシェード装置90が占める領域D3に偏光解消部材PCを設けるものとなっており、ここでは、一例として、シェード装置90の表面のうち外側表面上に偏光解消部材PCが形成されているものとする。領域D3に偏光解消部材PCを設けることで、導光装置20を通過して眼想定位置EYに入射する外界光を確実に無偏光の状態とすることができる。なお、領域D3は、導光領域(映像光GLが映像表示素子82から半透過反射部であるハーフミラー層15を経て眼想定位置EYに至るまでにおける領域)よりも眼想定位置EYから遠い側すなわち眼想定位置EYに対して外界側の領域である。

また、シェード装置90については、上記のようなもののほか、液晶などを用いて外光を遮断することにより、透過率を調整する電子的なシャッター機能を有するもので構成してもよい。

ここで、本実施形態における偏光解消部材PCについては、例えば第1実施形態の場合と同様のランダム局所配向位相差部材を領域D3に塗布するほか、高位相差フィルムを貼り付ける方法等が適用可能である。また、偏光解消部材PCを前面側の全体に施すものとする場合に限らず、眼EYの位置から映像光と外界光とを重複して視認するに際してハーフミラー層15と重なって見える範囲に設けるものとしてもよい。

〔その他〕
以上各実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。例えば、偏光解消部材PCについては、種々の態様が可能であり、シースルーの達成を維持できれば、第1実施形態においてランダム局所配向位相差部材に代えて高位相差フィルムを用いることものとしてもよい。また、各実施形態で示した偏光解消部材PCを設ける箇所について複数の箇所に偏光解消部材PCを設ける(例えば接着層CCと領域D2との両方に偏光解消部材PCを設ける)ものとしてもよい。また、偏光解消部材PCについては、例えば次のような変形も可能である。

図11(A)及び11(B)は、偏光解消部材の構造について一変形例を示すための概念的な図である。ここでは、偏光解消部材PCとして、電界駆動により屈折率を時間的に変化させる電気光学素子を用いるものとする。より具体的には、偏光解消部材PCは、屈折率異方性を有する液晶分子LMを配列した液晶パネルPPで構成されており、液晶パネルPPにおいて高周波の電界を印加することによって、図11(A)及び11(B)に示すように液晶分子LMに姿勢を時間的に変化させることで、液晶パネルPPすなわち偏光解消部材PCを通過する光の偏光状態を時間的に変化させることが可能となる。これにより、偏光解消部材PCを通過した外界光を時間重畳で平均すると、ほぼ偏光解消されたのと同じ状態とすることができる。上記のような電気光学素子で構成される偏光解消部材PCは、例えば図10のシェード装置90が占める領域D3において設けることで所期の目的を達成させることができる。すなわち、シェード装置90の全面側全体あるいはその一部に設けることが考えられる。また、例えば図7の領域D2に設けることも考えらえる。なお、上記は電気光学素子として種々存在する方式の一例であり、他の方式を用いて同様の構成としてもよい。

また、上記では、液晶パネルを用いて変調した画像光(映像光)を半透過反射面に入射させるものとしているが、これに限らず、例えば、図12に示すように、MEMSによって画像光(映像光)を半透過反射面に入射させる構成とすることも可能である。

以下、図12(A)及び12(B)を参照して、透過型表示装置の一例について説明する。図示の透過型表示装置400は、観察者の眼前を透視可能に覆う第1及び第2光学部材201a,201bと、両光学部材201a,201bを支持するフレーム107と、フレーム107の左右両端から後方にかけての部分に固定された第1及び第2駆動部205a,205bと、2次元的に走査される信号光を射出する第1及び第2映像素子206a,206bとを備える。図面上で左側の第1光学部材201aと第1駆動部205aと第1映像素子206aとを組み合わせた第1表示装置100Aは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。また、図面上で右側の第2光学部材201bと第2駆動部205bと第2映像素子206bとを組み合わせた第2表示装置100Bは、左眼用の虚像を形成する部分であり、第1表示装置100Aの左右を反転させただけであり、第1表示装置100Aと同じ機能を有する。

第1表示装置100Aにおいて、第1映像素子206aは、強度変調された信号光を形成するとともに当該信号光を走査光TLとして射出する。第1光学部材201aは、第1映像素子206aからの走査光TLを反射することによって映像光GLを形成する被照射部材であるが、映像光GLを眼EYに導く機能を有する。第1駆動部205aは、第1映像素子206aに対して不図示の光ファイバー等を介して照明光を供給する光源、それらの動作の制御回路等を含む本体部分280を有する。

第1映像素子206aは、鼻当て部材108aに組み付けられており、フレーム107に対して間接的に固定されている。第1映像素子206aは、本体部分280からの制御信号に基づいて照明光を変調する信号光変調部281と、信号光変調部281を経た信号光を走査しつつ射出させる走査光学系282とを有する。ここで、走査光学系282は、MEMSミラー等で構成され、信号光変調部281による信号光の変調に同期させて姿勢を変化させることにより、信号光の光路を調整することで第1光学部材201aの内面への光線の射出角度を縦横に変化させる2次元走査を行う。

第1光学部材201aは、第1映像素子206aの前方又は光射出方向において装着者の眼EYの前方を覆うように配置されている。第1光学部材201aは、走査光の照射を受ける半透過膜である半透過反射膜285と、半透過反射膜285を支持固定する支持部材286とを有している。これにより、装着者の眼EYには、虚像のみならず、外界からの光も入ることになり、虚像表示装置200は、双方を重畳して観察可能にするシースルーの構成となっている。なお、半透過反射膜285は、ハーフミラーとすることもできるが、ホログラムその他の回折型の光学素子とすることもできる。

上記のような構成の透過型表示装置400においても、例えば第1及び第2光学部材201a,201bの外界側の所定領域に偏光解消部材PCを設けることで、所期の目的を達成することができる。

また、偏光解消部材PCとして適用する構成については、上記のような屈折率異方性材料を含んで局所的に異なる方向に配向させるランダム局所配向位相差部材を用いるものや、高位相差フィルムを用いるもの、あるいは液晶の屈折率異方性を利用するもののほか、例えば図13及び図14に示すように、サブ波長格子を含む回折素子DDで偏光解消部材CPを構成するものも考えられる。具体的には、図13に示す一変形例の偏光解消部材CPは、多数のサブ波長格子SDを組み合わせて面状に配置して構成される素子である。図14(A)及び14(B)において回折素子DDを一部拡大して1つのサブ波長格子SDを取り出して示すように、各サブ波長格子SDは、平板状の部材の表面に多数の溝DTが平行に切られたスリット状の凹凸構造を有しており、当該多数の溝DTのピッチPTは、光の波長よりも短い(小さい)ものとなっている。言い換えると、図13に示す回折素子DDは、多数のサブ波長格子SDで構成されるサブ波長格子である。図14に示す各サブ波長格子SDにおいて、多数の溝DTによって形成される凹凸のピッチPTの長さが光の波長よりも短いことで回折作用が生じ、結果的に光の偏光成分に作用を与えることができる。この際、各位置に配置されるサブ波長格子SDごとにおいてピッチPTの間隔がそれぞれ異なるものとなっている、すなわち、各位置に配置されるサブ波長格子SDごとに光の偏光成分に対して与える作用が異なるものとなっている。これにより、回折素子DDにおいては、局所的に異なった偏光変換作用を入射光に対して与えることができ、大局的にみると偏光が解消された光に変換するもの、すなわち偏光解消部材CPとして機能するものとなる。

また、偏光解消部材PCとして、光重合型液晶性高分子膜を用いて液晶分子の光学軸が局所的にランダムに変化して配置されたアモルファス構造とする偏光解消素子を適用することも考えられる。

また、上記では、導光部材10の内部に映像表示素子82の表示像に対応する中間像を形成するものとしているが、中間像を形成せずにシースルーを行う透過型表示装置においても適用可能である。

また、上記の説明では、投射レンズが有する非軸対称非球面を1面としているが、投射レンズが2面以上の非軸対称非球面を有するものとすることも可能である。

上記の説明では、ハーフミラー層(半透過反射膜)15が横長の矩形領域に形成されるとしたが、ハーフミラー層15の輪郭は用途その他の仕様に応じて適宜変更することができる。また、ハーフミラー層15の透過率や反射率も用途その他に応じて変更することができる。

上記の説明では、映像表示素子82における表示輝度の分布を特に調整していないが、位置によって輝度差が生じる場合等においては、表示輝度の分布を不均等に調整することができる。

上記の説明では、画像表示装置80として、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子82を用いているが、画像表示装置80としては、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子82に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子82に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、画像表示装置80として、LEDアレイやOLED(有機EL)などに代表される自発光型素子を用いることもできる。

上記実施形態では、透過型の液晶表示デバイス等からなる画像表示装置80を用いているが、これに代えて走査型の画像表示装置を用いることもできる。

上記の説明では、一対の表示装置100A,100Bを備える透過型表示装置100について説明しているが、単一の表示装置とできる。つまり、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ投射透視装置70及び画像表示装置80を設けるのではなく、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ投射透視装置70及び画像表示装置80を設け、画像を片眼視する構成にしてもよい。

上記の説明では、ハーフミラー層15が単なる半透過性の膜(誘電体多層膜)であるとしたが、ハーフミラー層15は、平面又は曲面のホログラム素子に置き換えることができる。

上記の説明では、導光部材10等が眼EYの並ぶ横方向に延びているが、導光部材10を縦方向に延びるように配置することもできる。この場合、導光部材10は、直列的ではなく並列的に平行配置された構造を有することになる。

上記に図示した例では、導光装置20は、ハーフミラー層15として単一の半透過反射面を有するものとしているが、半透過反射面が複数に分割されて構成されるものとしてもよい。

また、さらなる変形例として、映像素子からの映像光を、導光装置等を介することなく直接半透過反射面に入射させ、当該半透過反射面から観察者の眼に入射させる構成とするものとしてもよい。この場合、例えば半透過反射面の外側に重ねて偏光解消部材PCを設けることで、所期の目的を達成することができる。

上記の説明では、画像光と外界光とを重畳させる態様についてのみ説明しているが、例えば重畳させずに画像光のみにする態様と外界光のみにする態様とを切り替えて観察することができる透過型表示装置において適用してもよい。

10…導光部材、 10s…本体、 11,12…導光部分、 15…ハーフミラー層(半透過反射部)、 20…導光装置、 27…ハードコート層、 30…投射レンズ、 31−33…光学素子(レンズ)、 31a…レンズ面、 39…鏡筒部、 39t…端部、 40…鼻受部、 50…光透過部材、 70…投射透視装置、 80…画像表示装置、 81…照明装置、 82…映像表示素子、 84…駆動制御部、 90…シェード、 100…透過型表示装置、 100A,100B…表示装置、 101a,101b…光学部材、 102…枠部、 105a,105b…像形成本体部、 107…フレーム、 107a…正面部、 107b,107c…側面部、 108…樹脂部、 200…透過型表示装置、 300…透過型表示装置、 CC…接着層、 CN…接合部、 D1…導光領域、 D2…領域、 D3…領域、 EY…眼(眼想定位置)、 GL…映像光、 HL…外界光、 II…中間像の像面、 LM…液晶分子、 LP…液晶パネル、 MO…分子、 OI…像面、 PC…偏光解消部材、 PP…液晶パネル、 RM…光反射膜、 S11−S15…面、 S51−S53…透過面

Claims (13)

  1. 映像素子からの映像光と外界光とを重複して視認させる透過型表示装置であって、
    偏光特性を持たせつつ映像光と外界光との部分的な反射及び透過を行う半透過反射部と、
    眼の位置として想定される眼想定位置を基準として、前記映像素子から前記半透過反射部を経て前記眼想定位置に至るまでにおける映像光の導光領域よりも外界側の領域に配置されて、前記半透過反射部を通過して前記眼想定位置に入射する外界光の偏光状態を解消する偏光解消部材と、を備える透過型表示装置。
  2. 前記映像素子からの映像光を前記半透過反射部に導光するとともに前記半透過反射部を経た映像光を射出する導光部材と、前記導光部材と協働して前記半透過反射部を介して前記導光部材に貼り合せることで外界光と映像光とを重複して視認させる光透過部材とをさらに備え、
    前記偏光解消部材は、前記眼想定位置から前記半透過反射部と重なって見える位置に設けられる、請求項1に記載の透過型表示装置。
  3. 前記偏光解消部材は、前記半透過反射部に対して映像光の導光領域の外界側に重ねて設けられる、請求項2に記載の透過型表示装置。
  4. 前記偏光解消部材は、前記導光部材と前記光透過部材とで形成される導光装置の表面のうち、前記眼想定位置に対して前記半透過反射部よりも外界側の表面に設けられる、請求項2に記載の透過型表示装置。
  5. 少なくとも眼前部分を覆うように取り付けられて、外界光の透過率を低下させて映像視認性を向上させるための外光透過率調整機能を有するシェード装置をさらに備え、
    前記偏光解消部材は、シェード装置に設けられる、請求項1及び2のいずれか一項に記載の透過型表示装置。
  6. 前記偏光解消部材は、電界駆動により屈折率を時間的に変化させる電気光学素子である、請求項4及び5のいずれか一項に記載の透過型表示装置。
  7. 前記偏光解消部材は、高位相差フィルムである、請求項1から5までのいずれか一項に記載の透過型表示装置。
  8. 前記高位相差フィルムの遅相軸方向は、眼の並ぶ方向として想定される水平方向に平行な方向又は垂直な方向である、請求項7に記載の透過型表示装置。
  9. 前記偏光解消部材は、屈折率異方性材料を含んで局所的に異なる方向に配向させるランダム局所配向位相差部材を含む、請求項1から5までのいずれか一項に記載の透過型表示装置。
  10. 前記偏光解消部材は、接着剤に前記屈折率異方性材料を混ぜ込んで形成される接着部材である、請求項9に記載の透過型表示装置。
  11. 前記偏光解消部材は、局所的に異なる方向に配向させる複数のサブ波長格子を含む回折素子である、請求項1から5までのいずれか一項に記載の透過型表示装置。
  12. 前記半透過反射部は、5%以上異なる偏光の透過特性を有する、請求項1から11までのいずれか一項に記載の透過型表示装置。
  13. 前記半透過反射部は、誘電体多層膜である、請求項1から12までのいずれか一項に記載の透過型表示装置。
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