JP2017120311A - 調光器及びこれを用いた映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】焼き付き等の実用上の問題を解消し、外界光に対する透過率を容易に変えることのできる調光器とこれを用いた映像表示装置を提供すること。【解決手段】調光器１０は、印加電圧を制御することで入射光に対する透過率が変化する調光層１１，１２を入射光の入射方向に２層以上積層した構成とする。映像表示装置１００は、映像光１１１を生成する映像生成器１０１と、映像光をユーザの視界内に虚像として投射する映像投射器１０２と、映像投射器のユーザへの投射側とは反対側に配置され、映像投射器を介してユーザの眼２に入射する外界光１１２の光量を調整する前記調光器１０と、外光検出器１０５により検出された外界光の明るさに応じて前記調光器を制御する調光制御器１０７と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、人の眼に到達する外界光の明るさを制御する調光器、及びこれを用いた映像表示装置に関するものである。

虚像を用いて所定の映像をユーザに表示する映像表示装置が知られ、ヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイとして製品化されている。また、このような映像表示装置では、表示された映像と同時に外界も見ることができるように、様々な光学系構成が提案されている。例えば特許文献１では、外界を観察することができるとともに外界光によって映像の観察が妨げられることを防止するために、導光板の外界側に対向して調光板を配置し、外界光の透過状態を調整する虚像表示装置が記載されている。

特開２０１２−８８４７２号公報

虚像を用いた映像表示装置により映像と外界とを同時に観察するためには、外界が明るい場合と暗い場合とで、外界光に対する透過状態（透過率）を変える必要がある。すなわち、外界が明るい場合には映像が相対的に暗く見えるため、外界光の透過率を低くする。逆に、外界が暗い場合には外界をはっきり視認するため、外界光の透過率を高くする。

特許文献１には、外界光の透過率を調整するための調光板を備えた虚像表示装置が開示され、これに用いる光学素子として、液晶パネル、エレクトロクロミック素子、透過型電圧素子などが挙げられている。

しかしながら、ヘッドマウントディスプレイなどの映像表示装置にこれらの光学素子を用いるとき、実用的な課題が存在する。例えば液晶パネルでは、一定電圧を継続して印加した場合の焼き付き現象、エレクトロクロミック素子では素子厚さに伴う応答速度の低下、透過型電圧素子では高電圧駆動を必要とすることなどの課題がある。前記特許文献１では、これらの課題については考慮されていない。

本発明の目的は、上記課題を鑑み、焼き付き等の実用上の問題を解消し、外界光に対する透過率を容易に変えることのできる調光器とこれを用いた映像表示装置を提供することである。

本発明は、入射光の透過率を調整する調光器であって、印加電圧を制御することで可視光領域の波長の光の透過率が変化する調光層と、前記調光層に電圧を印加する電極を有し、前記調光層を前記入射光の入射方向に２層以上積層した構成とする。

本発明は、ユーザの視界内に映像を表示する映像表示装置であって、映像光を生成する映像生成器と、前記映像生成器で生成された映像光をユーザの視界内に虚像として投射する映像投射器と、前記映像投射器のユーザへの投射側とは反対側に配置され、前記映像投射器を介してユーザの眼に入射する外界光の光量を調整する調光器と、前記外界光の明るさを検出する外光検出器と、前記外光検出器により検出された外界光の明るさに応じて前記調光器を制御する調光制御器と、を備え、前記調光器は、印加電圧を制御することで可視光領域の波長の光の透過率が変化する調光層を、前記外界光の入射方向に２層以上積層した構成とする。

本発明によれば、調光層の焼き付き等の実用上の問題を解消し、外界光に対する透過率を容易に変えることのできる調光器とこれを用いた映像表示装置を提供することができる。

調光器を有する映像表示装置の基本構成を示す上面図（実施例１）。 映像表示装置の構成を示すブロック図。 調光制御器による調光制御を示すフローチャート。 映像表示装置を搭載したヘッドマウントディスプレイの外観を示す模式図。 ヘッドマウントディスプレイのブロック構成を示す図。 調光器に液晶を用いた映像表示装置の構成を示す上面図（実施例２）。 調光器の調光動作を説明する図。 透過率調整層の透過率特性を示す図。 調光器に懸濁粒子デバイスを用いた映像表示装置の構成を示す上面図（実施例３）。 懸濁粒子デバイス層の透過率と印加電圧の関係を示す図。 懸濁粒子デバイス層に電圧を印加する電極と電源の配置の一例を示す図。 調光器にエレクトロクロミック層を用いた映像表示装置の構成を示す上面図（実施例４）。 エレクトロクロミック層の応答速度と厚さの関係を示す図。 視界の一部を調光可能な映像表示装置の構成を示す上面図（実施例５）。 ヘッドマウントディスプレイによるユーザの視界を示す図。 調光器をヘッドアップディスプレイに適用した例を示す概略図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。以下では、調光器及び映像表示装置をヘッドマウントディスプレイに適用した場合を例に説明するが、本発明がこれに限定されるものではない。また、各図において同じ作用を示す構成要素は、同じ符号を用いて示している。

実施例１では、調光器とこれを用いた映像表示装置の基本構成について説明する。
図１は、調光器を有する映像表示装置１００の基本構成を示す上面図である。映像表示装置１００は、映像生成器１０１、映像投射器１０２、外光検出器１０５と、外界光を調整する調光器１０を備えている。ユーザの眼２は、映像表示装置１００からの映像光１１１と、外界光１１２の両方を同時に観察することができる。

映像生成器１０１は、映像を生成する映像表示素子（例えば透過又は反射型の液晶パネルやデジタルミラーデバイス）と、その映像表示素子に光を照射する照明光学系（例えばＬＥＤバックライトや、ＬＥＤとレンズで構成される光学系）を有する。映像生成器１０１から出射した映像光１１１は映像投射器１０２に入射する。

映像投射器１０２は、反射膜１０３とレンズ面１０４から構成されている。映像投射器１０２に入射した映像光１１１は、レンズ面１０４を通過し反射膜１０３で反射され、ユーザの眼２の瞳孔３へ投射される。そのときレンズ面１０４は、映像生成器１０１で生成した映像をユーザの眼２に対し虚像として視認させるレンズ機能を有している。ここに反射膜１０３は、映像光１１１の一部を反射し一部を透過させるビームスプリット機能を有している。これは、調光器１０を透過した外界光１１２を、同時にユーザの眼２に導くためである。反射膜１０３は、例えば透過率と反射率が共に５０％のハーフミラーの機能でもよいし、光の偏光性を用いた偏光ビームスプリッターの機能でもよい。

調光器１０は、第１の調光層１１と第２の調光層１２の２層構造としており、ユーザの眼２から見て映像投射器１０２の反対側に配置されている。調光器１０は、外界光１１２に対する透過率を変化させることで、ユーザの眼２に入射する外界光１１２の光量を調整する機能を有している。調光器１０の材料、すなわち第１の調光層１１と第２の調光層１２には、可視光領域の波長の光に対する透過率が可変となる光学素子として、液晶素子、懸濁粒子デバイス（Suspended Particle Device）、エレクトロクロミック素子などを使用する。これらは、印加する電圧を制御することで透過率を変化させる素子である。

外光検出器１０５は、外界光１１２の明るさを検出する機能を有しており、照度センサやカメラ等を用いる。外光検出器１０５で検出した外界光１１２の明るさの情報は、調光器１０や映像生成器１０１の制御に用いられる。

ここで調光器１０の調光層１１，１２として、例えば２層の液晶層を用いる場合には、駆動する液晶層を交互に切り替えて使用することができる。よって、１層のみの調光層に対して一定の電圧が継続して印加されることがなく、調光層が１層の場合に課題となる液晶の焼き付きを防止する効果が得られる。

また、調光層に懸濁粒子デバイスを用いる場合には、２層構造とすることで各懸濁粒子デバイス層に対する印加電圧が低減し、より低い印加電圧で所望の透過率に調整することができる。

また、調光層にエレクトロクロミック素子を用いる場合には、２層構造とすることで各エレクトロクロミック層における応答速度が向上し、透過率と応答速度を両立させることができる。

このように、調光器１０を２層の調光層で積層することで、焼き付き・印加電圧・応答速度等の実用上の問題を回避しつつ、外界光に対する透過率を外界光の明るさに応じて適切に変化させる調光器を実現できる。ここでは調光器１０の調光層を２層化する構成について説明したが、３層以上に多層化する構成としても同様の効果が得られることは言うまでもない。なお、調光層に用いる各光学素子の特性については、後述の実施例２−４でそれぞれ詳細に説明する。

図２は、映像表示装置１００の構成を示すブロック図である。映像表示装置１００は、調光器１０、映像生成器１０１、外光検出器１０５、駆動電源１０６、調光制御器１０７から構成されている。このうち、調光器１０、映像生成器１０１、外光検出器１０５は図１で説明した通りである。

調光制御器１０７は、外光検出器１０５で検出した外界光１１２の明るさに応じて、調光器１０の透過率や映像生成器１０１で生成する映像光の強度を制御する。具体的には、調光器１０に対しては、第１、第２の調光層１１，１２の駆動条件（印加電圧）を切り替える。駆動電源１０６は、調光制御器１０７を介して調光器１０や映像生成器１０１へ電力を供給する。

例えば、ユーザの周囲が明るい環境で映像表示装置１００を使用する場合について説明する。明るい環境では、映像光１１１に強い外界光１１２が重畳されるため、映像のコントラストが低下しユーザは映像を視認しにくくなる。この場合、調光器１０の透過率を下げることで外界光の光量を減少させ、また映像生成器１０１で生成する映像光の強度を増加させるよう制御する。その結果、映像のコントラストが向上し、ユーザは映像を視認しやすくなる。このように映像表示装置１００は、周囲環境の明るさが変化しても必要な映像のコントラストを保持する機能を有している。

図３は、調光制御器１０７による調光制御を示すフローチャートである。以下のフローは、映像表示装置１００が動作中は所定の時間間隔で繰り返し実行する。

Ｓ６０１では、外光検出器１０５により外界光１１２の明るさ（光量）を検出する。Ｓ６０２では、映像生成器１０１で生成する映像光１１１の強度を取得する。例えば、映像信号の最大輝度レベルまたは平均輝度レベルを取得する。Ｓ６０３では、映像光１１１と外界光１１２の強度レベルを比較し、映像のコントラストを算出する。すでに調光器１０が調光状態（例えば透過率を下げている状態）であれば、これを加味してユーザの眼に入射する映像のコントラストを算出する。

Ｓ６０４では、算出した映像のコントラストが所定の範囲か否か、すなわち所定のコントラストを保つために調光状態の調整が必要か否かを判定する。調光（調整）が必要の場合はＳ６０５へ進み、調光（調整）が不要の場合はＳ６０７へ進む。

Ｓ６０５では、調光器１０の透過率を調整する。例えば、外界光の明るさが大きい場合には透過率を下げ、外界光の明るさが小さい場合には透過率を上げるよう調整する。またＳ６０６では、映像生成器１０１の映像光の強度を調整する。例えば、外界光の明るさが大きい場合には映像光の強度を上げ、外界光の明るさが小さい場合には映像光の強度を下げるよう調整する。

Ｓ６０７では、ユーザの周囲環境の変化に備え、所定時間待機する。その後Ｓ６０１に戻り上記フローを繰り返す。以上の調光制御動作により、ユーザは所定のコントラストで映像を観察し続けることができる。

なお、Ｓ６０５における調光器１０の制御とＳ６０６における映像生成器１０１の制御は互いに相補的な関係にあり、いずれを使用するか、あるいは両方使用するかは適宜決定すればよい。例えば、調光器１０の制御をメインとし、調光器１０の制御だけでは所望のコントラストを実現できないときに映像生成器１０１の制御を行うようにしてもよい。

次に、映像表示装置１００を搭載したヘッドマウントディスプレイについて説明する。
図４は、映像表示装置１００を搭載したヘッドマウントディスプレイ２００の外観を示す模式図である。ヘッドマウントディスプレイ２００は、メガネ状のアーム２１０に映像表示装置１００を搭載した構成であり、アーム２１０をユーザ１の頭部に装着し、映像表示装置１００をユーザ１の眼（この例では左眼）に対向するよう配置する。

ユーザ１は、視界全体の領域５００の内にある映像表示範囲５０１に、映像表示装置１００で生成された虚像を映像として視認することができる。またユーザ１の眼には、映像表示装置１００の調光器１０を介して外界光が入射する。その際、調光器１０の透過率を変えることで外界光の明るさを調整しながら、映像と同時に視認することができる。

図５は、ヘッドマウントディスプレイ２００のブロック構成を示す図である。ヘッドマウントディスプレイ２００は、映像表示装置１００とともに、制御器２０１、電源供給器２０２、記憶器２０３、センシング器２０４、通信器２０５、音声処理器２０６、操作器２０７を有する。センサ入出力端子２０４ａ、通信入出力端子２０５ａ、音声入出力端子２０６ａは、外部機器と接続する端子である。これらの要素部品は、図４のアーム２１０の部分に収納されている。

制御器２０１は、ヘッドマウントディスプレイ２００の全体を制御する。電源供給器２０２は、電池やバッテリー等により映像表示装置１００に電源を供給する。なお、電源供給器２０２は、図２における駆動電源１０６と兼用してもよい。記憶器２０３は、情報を記憶するデバイスで、半導体メモリや小型のハードディスクドライブなどを用いる。

センシング器２０４は、センサ入出力端子２０４ａを介して外部センサを接続し、多様な情報を検出する。例えば、傾斜センサや加速度センサなどによるユーザの体勢、向き、動きを検出すること、視線センサや温度センサなどユーザの身体状態を検出すること、ＧＰＳセンサによるユーザの現在位置の検出すること、感圧センサや静電容量センサなどユーザの指示入力を検知すること、または、近接センサによるユーザの装着の有無の検知すること、などが可能である。センシング器２０４は、上記の機能を複数有してもよい。

通信器２０５は、通信入出力端子２０５ａを介して外部ネットワークと無線または有線で通信する。これにより、例えば、ヘッドマウントディスプレイ２００が直接インターネットの基地局と通信して情報を取得することができる。音声処理器２０６は、音声入出力端子２０６ａを介しマイクやイヤホンと接続し、音声信号を処理する。操作器２０７は、ユーザからの操作を受け付ける。

なお、図中の矢印は制御や情報の伝送方向を示したものであるが、必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。また、センシング器２０４や音声処理器２０６は、外部機器（外部センサ、マイク等）そのものを含む構成でも構わない。

以上説明したように実施例１によれば、２層以上の調光層を備えた調光器１０を用いることで、周囲環境の明るさによらず必要な映像のコントラストを保つことができ、実用特性に優れた映像表示装置１００、及びこれを搭載したヘッドマウントディスプレイ２００を実現できる。
以下の各実施例では、調光器の具体的構成について詳細に説明する。

実施例２では、調光器の調光層に液晶を用いる場合について説明する。
図６は、調光器に液晶を用いた映像表示装置の構成を示す上面図である。実施例１（図１）と同じ機能のものには同じ符号を付与し、説明を省略する。映像表示装置１００ａにおいて、調光器２０は２層の液晶層２１，２２と偏光板２６を組み合わせて構成している。また映像投射器１０２ａにおいて、反射膜１０３ａは、偏光光を分離する偏光ビームスプリッターの機能を有している。調光器２０の構成を詳しく説明する。

調光器２０は、第１の液晶層２１、第２の液晶層２２、２個の正の透明電極２３、２個の負の透明電極２４、３個の透明基板２５、偏光板２６、透過率調整層２７から構成されている。これらは外界光１１２の入射側から、偏光板２６、透明基板２５、正の透明電極２３、第１の液晶層２１、負の透明電極２４、透明基板２５、正の透明電極２３、第２の液晶層２２、負の透明電極２４、透明基板２５、及び透過率調整層２７の順に積層されている。

偏光板２６は、ランダムな偏光の外界光１１２から所定方向の偏光のみを選択する。第１の液晶層２１と第２の液晶層２２は、共に印加電圧により光に付与する位相が変化する液晶が封入された層である。第１の液晶層２１に対して第２の液晶層２２は、付与される位相の方向を直交させている。

正の透明電極２３と負の透明電極２４は、第１の液晶層２１、第２の液晶層２２に電圧を印加する電極で、印加電圧を制御することで、第１の液晶層２１、第２の液晶層２２が入射光に付与する位相を制御する。透明基板２５は、光学的に透明な基板であり、第１の液晶層２１、第２の液晶層２２で不足する強度を補強する。

透過率調整層２７は、波長により透過率特性が異なるフィルタ機能を持つ。これにより、第１、第２の液晶層２１，２２のもつ透過率の波長依存性を補正することができる。

上記の構成によれば、外界光１１２は偏光板２６により偏光方向が選択され、２個の液晶層２１，２２の印加電圧をそれぞれ制御することでこれらを通過する光の位相が変えられる。最後に反射膜１０３ａにより偏光方向が選択される結果、調光器２０を透過する外界光１１２の光量を調整することができる。さらに本実施例では、２個の液晶層２１，２２を交互に駆動することで、液晶層の焼き付き現象を防止することが可能となる。以下、これについて具体的に説明する。

図７は、調光器２０の調光動作を説明する図である。ここでは簡単のため、代表的な３つの調光条件を取り上げる。＜条件１＞は半透明（透過率５０％）、＜条件２＞は１／４透明（透過率２５％）、＜条件３＞は遮光（透過率０％）である。その他の中間条件（透過率５０〜０％）についても印加電圧を調整することで可能である。なお、透過率調整層２７については後述するため、ここではその機能を除いて説明する。

＜条件１＞半透明（透過率５０％）を実現するには、第１の液晶層２１と第２の液晶層２２に電圧を印加しない（Ｖ１＝Ｖ２＝０）。外界光の偏光状態は、前述したようにランダムな偏光のため、紙面縦、横の成分に分けられる。この外界光は、入射側から、偏光板２６、第１の液晶層２１、第２の液晶層２２、反射膜１０３ａの順に通過し、ユーザの眼に到達する。

まず外界光が偏光板２６を通過すると、所定方向（ここでは紙面縦方向）の偏光成分が選択される。この時点で光量は１／２になる。次に光は、第１の液晶層２１に入射する。液晶層２１は電圧が印加されていないので（Ｖ１＝０）、いわゆる１／２波長板の機能を有している。このため、光の偏光状態は９０度直交した方向（紙面横方向）に変換される。次に光は、第２の液晶層２２に入射する。液晶層２２も電圧が印加されていないので（Ｖ２＝０）、いわゆる１／２波長板の機能を有している。このため、光の偏光状態は、９０度直交した方向（紙面縦方向）に変換される。

最後に光は、反射膜１０３ａに入射する。反射膜１０３ａは光の偏光性を用いた偏光ビームスプリッターであり、偏光板２６と同じ偏光選択特性を有するものとする。すなわち、所定方向（紙面縦方向）の偏光を透過させ、それと直交する偏光（紙面横方向）を反射する。このため光は、反射膜１０３ａをそのまま透過する。以上の結果、＜条件１＞では、５０％の光がユーザの眼に到達することになる。

＜条件２＞１／４透明（透過率２５％）を実現するためには、第１の液晶層２１と第２の液晶層２２に電圧を交互に印加する。印加する電圧は、１／４λ波長板に相当する位相が付与される電圧（＝Ａ）とする。＜状態１＞は、第１の液晶層２１に電圧（Ｖ１＝Ａ）が印加されている場合、＜状態２＞は、第２の液晶層２２に電圧（Ｖ２＝Ａ）が印加されている場合を示している。

＜状態１＞について説明する。偏光板２６で光量が１／２になり、第１の液晶層２１に入射した光は、液晶層２１により円偏光に変換される。これは、液晶層２１は電圧（Ｖ１＝Ａ）が印加され、１／４波長板の機能を有しているためである。次に光は、第２の液晶層２２に入射する。液晶層２２は電圧が印加されていないため（Ｖ２＝０）、１／２波長板の機能を有している。このため、光の偏光状態は、回転方向が反転した円偏光に変換される。

最後に光は反射膜１０３ａに入射する。円偏光は、横方向と縦方向の偏光成分からなる。このため、所定方向（紙面縦方向）の偏光は透過するが、それと直交する偏光（紙面横方向）は反射する。つまり、反射膜１０３ａにて光量は１／２に減じる。その結果、＜状態１＞では、トータルとして２５％の光がユーザの眼に到達することになる。

＜状態２＞について説明する。偏光板２６で光量が１／２になり、第１の液晶層２１に入射した光は、液晶層２１は電圧が印加されていないため（Ｖ１＝０）、９０度直交した方向（紙面横方向）の偏光に変換される。次に光は、第２の液晶層２２に入射する。液晶層２２は電圧（Ｖ２＝Ａ）が印加されているため、円偏光に変換される。

最後に円偏光となった光は反射膜１０３ａに入射するため、光量は反射膜１０３ａにて１／２に減じる。その結果、＜状態２＞では、＜状態１＞同様にトータルで２５％の光がユーザの眼に到達することになる。

このように、＜状態１＞と＜状態２＞はいずれも１／４透明（透過率２５％）の条件を実現するものである。そこで＜条件２＞では、＜状態１＞と＜状態２＞を交互に切り替える。すなわち、第１の液晶層２１と第２の液晶層２２に対し、電圧Ａを交互に印加して駆動する。

＜条件３＞遮光（透過率０％）を実現する場合にも、第１の液晶層２１と第２の液晶層２２に電圧を交互に印加する。印加する電圧は、位相が付与されないような電圧（＝Ｂ）とする。＜状態３＞は、第１の液晶層２１に電圧（Ｖ１＝Ｂ）が印加されている場合、＜状態４＞は、第２の液晶層２２に電圧（Ｖ２＝Ｂ）が印加されている場合を示している。

＜状態３＞について説明する。偏光板２６で光量が１／２になり、第１の液晶層２１に入射した光は、液晶層２１には電圧（Ｖ１＝Ｂ）が印加され、付与される位相が零（０λ）のため、液晶層２１をそのまま通過する。次に光は、第２の液晶層２２に入射する。液晶層２２は電圧が印加されていないため（Ｖ２＝０）、１／２λの位相が付与され、光の偏光状態は９０度直交した方向（紙面横方向）に変換される。

最後に光は、反射膜１０３ａに入射する。このとき光は、反射膜１０３ａで全光量が反射される。その結果トータルの透過率が０％になり、ユーザの眼に光は到達しない。

＜状態４＞について説明する。偏光板２６で光量が１／２になり、第１の液晶層２１に入射した光は、液晶層２１は電圧が印加されていないため（Ｖ１＝０）、１／２λの位相が付与され、液晶層２１により９０度直交した方向（紙面横方向）の偏光に変換される。次に光は、第２の液晶層２２に入射するが、液晶層２２には電圧（Ｖ２＝Ｂ）が印加され、付与される位相が零（０λ）のため、そのまま通過する。

最後に光は反射膜１０３ａに入射するが、＜状態３＞と同様に、全光量が反射膜で反射される。その結果、＜状態３＞と同様に、トータルの透過率が０％になり、ユーザの眼に光は到達しない。

このように、＜状態３＞と＜状態４＞はいずれも遮光（透過率０％）の条件を実現するものである。そこで＜条件３＞では、＜状態３＞と＜状態４＞を交互に切り替える。すなわち、第１の液晶層２１と第２の液晶層２２に対し、電圧Ｂを交互に印加して駆動する。

以上説明したように、第１の液晶層２１と第２の液晶層２２の印加電圧を制御することで、外界光の透過率を０％から５０％の範囲で自由に制御することができる。ただし従来の液晶の駆動方式では、印加する電圧を大きく変化させながら使用する。その理由は、一定の電圧のままだと、液晶に焼き付きが発生し動作しなくなるからである。本実施例の調光器２０では、所定の透過率を長時間維持する必要があるため、上記で説明したように２個の液晶層を交互に動作させることで、容易に焼き付きを防止する効果が得られる。ここでは調光器２０の液晶層を２層化する構成について説明したが、３層以上の多層化する構成としても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

次に、透過率調整層２７の役割について説明する。透過率調整層２７は、調光器２０を透過する外界光の光量を波長に依らず均一に補正するためのものである。
図８は、透過率調整層２７の透過率特性を示す図である。横軸が波長、縦軸が透過率を示している。実線７００は透過率調整層２７の透過率特性である。破線７０１は、透過率調整層２７がない場合の調光器２０（すなわち液晶層２１，２２のみ）の透過率特性であり、一点鎖線７０２は、透過率調整層２７を設けた調光器２０の透過率特性を示している。

一般的に液晶は、波長に依存した透過率特性がある。可視光の略中心波長である５５０ｎｍ付近で透過率が最小となるように液晶の層厚を設計した場合、設計中心の波長と異なる波長の光に付与される位相は理想値から誤差を持つ。このため、破線７０１に示したように、調光器２０（液晶層のみ）を通過する光の透過率は波長に依存した特性を持ち、長波長側（赤色）と短波長側（青色）の透過率が大きくなる。白色の物体を見ているときに、ユーザには、青色と赤色が混ざった色として見えてしまう。

そこで透過率調整層２７には、破線７０１とは逆の透過率特性（実線７００）を持たせている。このため、透過率調整層２７を適用した調光器２０を通過する外界光の波長依存性は、一点鎖線７０２で示したように平坦化し、波長依存性の影響をなくすことができる。

このように実施例２の構成によれば、調光層である２層以上の液晶層を交互に動作させることで、液晶層に生じる焼き付きを容易に防止することができる。また、透過率調整層を追加することで、液晶層を透過する外界光の波長依存性をなくす効果がある。

実施例３では、調光器の調光層に懸濁粒子デバイスを用いる場合について説明する。
図９は、調光器に懸濁粒子デバイスを用いた映像表示装置の構成を示す上面図である。実施例１（図１）と同じ機能のものには同じ符号を付与し、説明を省略する。映像表示装置１００ｂにおいて、調光器３０は２層の懸濁粒子デバイス層３１，３２とそれらの電極３３，３４、及び透明基板３５を用いて構成している。これらは外界光１１２の入射側から、透明基板３５、正の透明電極３３、第１の懸濁粒子デバイス層３１、負の透明電極３４、透明基板３５、正の透明電極３３、第２の懸濁粒子デバイス層３２、負の透明電極３４、透明基板３５の順に積層されている。

懸濁粒子デバイス層３１，３２は、電極３３，３４により交流電圧を印加すると配向粒子が電場と平行に配向するため、入射光が直進し透明となる。電圧を印加しない場合は配向粒子が無秩序な状態となり、入射した光は配向粒子に吸収され、又は乱反射して不透明となる。このように、懸濁粒子デバイス層３１，３２に印加する電圧を変えることで、調光器３０の透過率を調整することができる。次に、調光層として２個の懸濁粒子デバイス層３１，３２を用いた効果について説明する。

図１０は、懸濁粒子デバイス層の透過率と印加電圧の関係を示す図である。実線３００は、厚さＤの懸濁粒子デバイス層の場合、破線３０１は、２倍の厚さ２Ｄの懸濁粒子デバイス層の場合、一点鎖線３０２は、厚さＤの懸濁粒子デバイス層を２層構造とした場合である。

実線３００で示すように、懸濁粒子デバイス層（厚さＤ）は、印加電圧Ｖを高くすると透過率が大きくなる。ただし、電圧Ｖをゼロとしても透過率がゼロにならず、残留値Ｔ０を有している。１層構造で厚さ２Ｄとした場合は、破線３０１で示すように、全体に透過率が低くなり、電圧Ｖ＝０での残留値Ｔ０’も低下する。すなわち遮光特性が良くなる。しかし印加電圧Ｖに対する透過率の勾配が緩いので、高い透過率を得るには、より高い電圧Ｖを印加しなければならない。

これに対し厚さＤで２層構造とした場合は、一点鎖線３０２で示すように、電圧に対する透過率の勾配が急峻化する。すなわち、破線３０１で示す１層構造の場合よりも低い電圧で高い透過率特性が得られる。例えば、透過率Ｔ１を得るための電圧は、１層構造では電圧Ｖ１を必要としたが２層構造ではＶ２まで低減する。

一般に懸濁粒子デバイス層で高い遮光特性（低い透過率）を得たい場合、その厚みを増やす必要がある。一方、高い透過率を得たい場合には印加電圧を高くする必要がある。しかし、ウエアラブルなヘッドマウントディスプレイ等では印加できる電圧に制限があり、所望の透過率範囲をカバーすることが困難であった。

これに対し本実施例では、懸濁粒子デバイス層の厚さを一定値に制限して２層化することで、低い印加電圧で所望の透過率範囲をカバーすることができる。ここでは調光器３０の懸濁粒子デバイス層を２層化する構成について説明したが、３層以上の多層化する構成としても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

図１１は、懸濁粒子デバイス層に電圧を印加する電極と電源の配置の一例を示す図である。（Ａ）は２電源駆動方式、（Ｂ）は１電源駆動方式の場合である。
図１１（Ａ）には、２電源駆動の調光器３０ａを示す。これは図９の調光器３０と同じ構造であり、透明基板３５、正の透明電極３３、第１の懸濁粒子デバイス層３１、負の透明電極３４、透明基板３５、正の透明電極３３、第２の懸濁粒子デバイス層３２、負の透明電極３４、透明基板３５の順に積層されている。２個の懸濁粒子デバイス層３１，３２を動作させるために、２個の電源３１１，３１２と４本の配線３２１を必要としている。

図１１（Ｂ）には、１電源駆動の調光器３０ｂの例を示す。その構造は、透明基板３５、負の透明電極３４、第１の懸濁粒子デバイス層３１、正の透明電極３３、第２の懸濁粒子デバイス層３２、負の透明電極３４、透明基板３５の順に積層されている。この場合、第１の懸濁粒子デバイス層３１と第２の懸濁粒子デバイス層３２の隣接する側に設けられたそれぞれの電極を共通化して、１個の正の透明電極３３とし、中間の透明基板３５を削除している。２個の懸濁粒子デバイス層３１，３２を動作させるために、１個の電源３１３と３本の配線３２２とを配置させれば良く、電源の個数と配線の本数を削減することができる。また、中間の透明基板が不要になり薄型化できる効果も得られる。

このように実施例３によれば、調光層である懸濁粒子デバイス層を２層以上の多層化することで、実現可能な印加電圧の範囲で、所望の透過率範囲をカバーすることが可能となる。また、多層化する際には、駆動用電源と配線を共通化することが可能である。

実施例４では、調光器の調光層にエレクトロクロミック層を用いる場合について説明する。
図１２は、調光器にエレクトロクロミック層を用いた映像表示装置の構成を示す上面図である。実施例１（図１）と同じ機能のものには同じ符号を付与し、説明を省略する。映像表示装置１００ｃにおいて、調光器４０は２層のエレクトロクロミック層４１，４２とそれらの電極４３，４４、及び透明基板４５を用いて構成している。これらは外界光１１２の入射側から、透明基板４５、正の透明電極４３、第１のエレクトロクロミック層４１、負の透明電極４４、透明基板４５、正の透明電極４３、第２のエレクトロクロミック層４２、負の透明電極４４、透明基板４５の順に積層されている。

エレクトロクロミック層４１，４２は、電極４３，４４により正、又は負の電圧を印加することで、電荷の授受により酸化還元反応して発消色する素子である。すなわち、エレクトロクロミック層４１，４２に印加する電圧を変えることで、調光器４０の透過率を調整することができる。次に、調光層として２個のエレクトロクロミック層４１，４２を用いた効果について説明する。

図１３は、エレクトロクロミック層の応答速度と厚さの関係を示す図である。実線４０１は、１層構造（厚さｔ）のエレクトロクロミック層の場合、一点鎖線４０２は、２層構造（厚さｔ／２の２層）のエレクトロクロミック層の場合で、全厚ｔに対する応答速度の変化を示している。

実線４０１に示した通り、エレクトロクロミック層は厚いほど応答速度が遅くなる特性がある。一方、所定の透過率範囲を得るためには、所定以上の厚みｔのエレクトロクロミック層を用いる必要がある。そのため、１層構造のエレクトロクロミック層でウエアラブルなヘッドマウントディスプレイ等に必要な透過率と応答速度を両立させることは難しい。本実施例では、２層構造とすることで透過率と応答速度を両立させることができる。例えば、所望の透過率を得るための全厚ｔ＝２Ｄのとき、１層構造では応答速度がＳ１である。これを１層当たり厚さＤの２層構造とすることで、応答速度は厚さＤの時の速度Ｓ２に向上する。

また本実施例においても、前記実施例３の図１１で述べた効果と同様に、多層構成における電圧印加電極を共通化し、電源の個数と配線の本数を削減することができる。ここでは調光器４０のエレクトロクロミック層を２層化する構成について説明したが、３層以上の多層化する構成としても、同様の効果が得られることは言うまでもない。

このように実施例４によれば、調光層であるエレクトロクロミック層を２層以上の多層化することで、透過率を保持したまま応答速度を向上させる効果がある。

実施例５では、ユーザの視界内で調光する領域を切り替える構成について説明する。前記実施例１−４では視界全体を調光するものとしたが、ここでは視界の一部のみを調光可能とするものである。

図１４は、視界の一部のみを調光可能な映像表示装置の構成を示す上面図である。映像表示装置１００ｄは実施例１（図１）の映像表示装置１００と比較し、映像投射器１０２ｂと調光器５０の構成が異なり、映像生成器１０１、映像投射器１０２ｂ、第１の調光領域５１と第２の調光領域５２を備えた調光器５０、外光検出器１０５で構成されている。ユーザは、映像表示装置１００ｄをメガネのようにユーザの視界全体を覆うように装着する。

映像生成器１０１から出射された映像光１１１は、映像投射器１０２ｂへ入射する。映像投射器１０２ｂには２枚の反射膜１０３ｂ，１０３ｃがあり、映像光１１１はこれらの反射膜１０３ｂ，１０３ｃで反射してユーザの瞳孔３へ入射する。反射膜１０３ｂと１０３ｃの間では、映像光１１１は映像投射器１０２ｂの側面で全反射して進行する。

調光器５０は、ユーザの眼２から見て映像投射器１０２ｂの反対側に配置されている。調光器５０は、外界光１１２の入射方向に第１の調光層１１と第２の調光層１２を積層して構成するとともに、外界光１１２の入射面を第１の調光領域５１と第２の調光領域５２に分割している。例えば、第１の調光領域５１は映像光１１１がユーザの瞳孔３へ入射する領域（すなわち映像表示領域）に対応させ、第２の調光領域５２は映像光１１１が入射する外側の領域（すなわち映像表示領域の外側）に対応させる。そして、調光制御器（図２の符号１０７）により、第１の調光領域５１と第２の調光領域５２をそれぞれ独立に調光制御するようにした。

図１５は、映像表示装置１００ｄを搭載したヘッドマウントディスプレイ２００によるユーザの視界を示す図である。（Ａ）は第１の調光領域５１のみを調光した場合、（Ｂ）は、第１の調光領域５１と第２の調光領域５２の両方を調光した場合である。（Ａ）と（Ｂ）の切り替えは、ヘッドマウントディスプレイ２００の操作器（図５の符号２０７）でユーザ１が操作する。

図１５（Ａ）の場合、ユーザ１に対し、視界全体の領域５００のうち映像表示範囲５０１のみ透過率を調整することで、外界の視界を明るく保ちながら映像のコントラストを向上させることができる。一方、図１０（Ｂ）の場合は、視界全体の領域５００の透過率を調整することで、外界の明るさを調整しながら映像のコントラストを向上させることができる。もちろん、（Ｂ）の場合に、第１の調光領域５１と第２の調光領域５２とを異なる透過率で調整することも可能である。

このように実施例５によれば、調光する領域を分割してそれぞれ独立に調光制御することで、使用状況に応じて、映像のコントラストだけを改善することと、サングラスのように全体の明るさを調整することを切り替えることができる。なお、調光領域の分割形状と分割数は用途に応じて適宜変更できることは言うまでもない。

以上述べた各実施例１−５では、調光器及び映像表示装置をヘッドマウントディスプレイ２００に適用する場合を例に説明したが、これに限定するものではない。例えば次のように、ヘッドアップディスプレイにも適用できる。

図１６は、調光器をヘッドアップディスプレイに適用した例を示す概略図である。ヘッドアップディスプレイ８００は、映像生成器８０１、コンバイナ８０２、調光器１０から構成される。調光器１０は、第１、第２の調光層１１，１２から構成されており、前記各実施例で述べた各光学素子を採用できる。

映像生成器８０１は、運転手８の視界の邪魔にならないよう車両９の内部に配置されている。映像生成器８０１から出射した映像光８１１は、コンバイナ８０２で反射して、運転手８の眼に到達する。運転手８は、ヘッドアップディスプレイ８００内のスクリーンにて生成した映像光８１１を、運転手８の前方位置に虚像として認識する。コンバイナ８０２には、運転手８から見て反対側に調光器１０が配置されており、これにより車両前方から入射する外界光８１２の明るさを調整する。

このようにヘッドアップディスプレイ８００においても、調光器１０を用いて外界光８１２を調整することで、外界光に対する映像のコントラストを高めることが可能になる。その際、調光器１０を２層構造とすることで、各実施例で述べたように実用性能を向上させることができる。この例では、調光器１０をコンバイナ８０２に貼り付ける構造としたが、もちろんフロントガラス９１に張り合わせる構造でも構わない。

本発明の調光器は、その他の分野への応用として、ビルや飛行機、車両などのカーテンとしての代用やデジタルサイネージ分野に適用することも可能である。

１…ユーザ、２…ユーザの眼、３…ユーザの瞳孔、８…運転手、９…車両、１０，２０，３０，４０，５０…調光器、１１…第１の調光層、１２…第２の調光層、２１…第１の液晶層、２２…第２の液晶層、２３，３３，４３…正の透明電極、２４，３４，４４…負の透明電極、２５，３５，４５…透明基板、２６…偏光板、２７…透過率調整層、３１…第１の懸濁粒子デバイス層、３２…第２の懸濁粒子デバイス層、４１…第１のエレクトロクロミック層、４２…第２のエレクトロクロミック層、５１…第１の調光領域、５２…第２の調光領域、１００，１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ…映像表示装置、１０１…映像生成器、１０２，１０２ａ，１０２ｂ…映像投射器、１０３，１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ…反射膜、１０４…レンズ面、１０５…外光検出器、１０６…駆動電源、１０７…調光制御器、１１１，８１１…映像光、１１２，８１２…外界光、２００…ヘッドマウントディスプレイ、２０１…制御器、２０２…電源供給器、２０３…記憶器、２０４…センシング器、２０５…通信器、２０６…音声処理器、２０７…操作器、２１０…アーム、３１１，３１２，３１３…電源、３２１，３２２…配線、５００…視界全体の領域、５０１…映像表示範囲、８００…ヘッドアップディスプレイ、８０１…映像生成器、８０２…コンバイナ。

Claims (9)

1. 入射光の透過率を調整する調光器であって、
   印加電圧を制御することで可視光領域の波長の光の透過率が変化する調光層と、
   前記調光層に電圧を印加する電極を有し、
   前記調光層を前記入射光の入射方向に２層以上積層した構成とすることを特徴とする調光器。
2. 請求項１記載の調光器であって、
   前記調光層は印加電圧により入射光に付与する位相が変化する液晶層であり、
   さらに、所定方向の偏光を選択する偏光板を備えることを特徴とする調光器。
3. 請求項２記載の調光器であって、
   さらに、波長により透過率特性が異なる透過率調整層を有し、
   前記透過率調整層は、前記調光層を透過した光の波長依存性を補正することを特徴とする調光器。
4. 請求項１記載の調光器であって、
   前記調光層は、印加電圧により粒子の配向状態が変化する懸濁粒子デバイス層、または印加電圧により酸化還元反応して発消色するエレクトロクロミック層であることを特徴とする調光器。
5. 請求項４記載の調光器であって、
   積層方向に互いに隣接する前記調光層において、隣接する側に設けられたそれぞれの電極を共通化したことを特徴とする調光器。
6. ユーザの視界内に映像を表示する映像表示装置であって、
   映像光を生成する映像生成器と、
   前記映像生成器で生成された映像光をユーザの視界内に虚像として投射する映像投射器と、
   前記映像投射器のユーザへの投射側とは反対側に配置され、前記映像投射器を介してユーザの眼に入射する外界光の光量を調整する調光器と、
   前記外界光の明るさを検出する外光検出器と、
   前記外光検出器により検出された外界光の明るさに応じて前記調光器を制御する調光制御器と、を備え、
   前記調光器は、印加電圧を制御することで可視光領域の波長の光の透過率が変化する調光層を、前記外界光の入射方向に２層以上積層した構成とすることを特徴とする映像表示装置。
7. 請求項６記載の映像表示装置であって、
   前記調光器は、前記外界光の入射面が複数の調光領域に分割されており、前記調光制御器は、分割された各調光領域を独立に制御することを特徴とする映像表示装置。
8. 請求項６に記載の映像表示装置を搭載したヘッドマウントディスプレイであって、
   前記映像表示装置を搭載し、ユーザの頭部に装着するためのアームと、
   前記映像表示装置に電源を供給する電源供給器と、
   情報を記録するための記憶器と、
   ユーザの位置や姿勢を検出するためのセンシング器と、
   外部機器と通信するための通信器と、
   マイクやイヤホンにより音声の処理を行う音声処理器と、
   ユーザの操作を受け付ける操作器と、
   前記ヘッドマウントディスプレイの全体を制御する制御器と、
   を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
9. ２層以上の液晶層を積層した調光器により入射光に対する透過率を調整する調光器の駆動方法であって、
   調整する透過率に応じて前記入射光に所定の位相を付与するために前記液晶層に印加する所定の電圧を設定し、
   前記液晶層のそれぞれに対し前記所定の電圧を交互に印加することで前記液晶層を交互に駆動することを特徴とする調光器の駆動方法。

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