JP6515589B2 - プロジェクター及び透過型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像を形成する画像表示装置、画像表示装置の画像を拡大投影するプロジェクター及び画像表示装置の画像を導光して観察者に視認させる透過型表示装置に関する。

画像を形成する画像表示装置を組み込むことによって観察者に映像を視認させる装置として、例えば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やプロジェクターについて様々なものが提案されている。具体的には、ＨＭＤやプロジェクターに適用可能なディスプレイとして、複数のハーフミラーを配置して表示光束を拡大するものが知られており（特許文献１参照）、例えば、表示に際して、右眼用と左眼用の画像をそれぞれ視認させることで立体画像を視認させる技術が知られている（特許文献１参照）。

また、プロジェクターとして、平面以外の凹凸のある面（すなわち立体的な面）に対して画像投射を行うための技術についても知られている（例えば、特許文献２、３参照）。

しかしながら、特許文献２等の技術では、形状が予めある程度決まっている滑らかな曲率の曲面への投射は可能であるとしても、例えば、急に段差を生じるような複雑な形状の凹面や凸面に対してフォーカスを合わせることは困難であった。

また別の課題として、例えばＨＭＤ等のように画像表示装置からの画像を導光することで映像を視認させる場合においては、例えば左右一対の構成で両眼視をさせ、その際に左右で異なる画像（共通の画像を左右で若干ずらした画像）を映すことで視差を利用した立体視を行うものがあるが、映像距離は変わらないため、目のピント調整（以下調節）は一定であり、輻輳と調節の矛盾が生じる。この輻輳と調節の矛盾をできるだけ解消してより自然な立体視が可能となることが望まれている。

さらに、画像表示装置からの画像を拡大投影するプロジェクターにおいては、例えば、スクリーンの形状が平面でない場合、特に、複雑な凹面や凸面の場合にもフォーカスを合わせられることが望まれている。

特許第５２８２３５８号公報 特開２０１１−２４２５８０号公報 特開２０００−６７７８８号公報

本発明は、上記背景に鑑みてなされたものであり、プロジェクターやＨＭＤ等に組み込み可能な画像表示装置であって、プロジェクターによる画像表示に際して被照射面へのフォーカス位置を画像の領域ごとに調整したり、ＨＭＤにおいて虚像として視認される画像の表示位置として想定される表示想定位置を画像の領域ごとに調整したりする、すなわち画像の領域ごとに結像位置を調整することを可能にする画像表示装置、この画像表示装置を組み込んだプロジェクター及び透過型表示装置を提供することを目的とする。ここで、画像の領域とは、例えば画像を構成する複数の画素又は単数の画素によって形成される領域を意味する。

上記目的を達成するため、本発明に係る画像表示装置は、光を射出する照明光学系と、照明光学系から射出した光を変調する光変調装置と、光変調装置の光路後段に配置され、光変調装置から射出された光の通過領域に応じて屈折率を画素単位または複数の画素を含む領域単位で変化させる屈折率分布可変パネルとを備える。

上記画像表示装置では、屈折率を画素単位で変化させる屈折率分布可変パネルを、光変調装置の光路後段、すなわち後ろに配置することで、屈折率分布可変パネルの画素単位で光変調装置から射出された光の通過領域に関して屈折率の分布を変化させるものとなり、画像の表示領域ごとに（屈折率分布可変パネルの画素単位と光変調装置を構成するパネルの画素単位とが一致する場合には画像の画素ごとに）バックフォーカスを可変とすることができる。これにより、上記画像表示装置をプロジェクターに組み込めば、当該プロジェクターにおいて、屈折率分布可変パネルの画素単位で、画像表示に際する被照射面へのフォーカス位置を画像の領域ごとに調整することが可能となる。また、上記画像表示装置をＨＭＤに組み込めば、当該ＨＭＤにおいて、屈折率分布可変パネルの画素単位で、視認される画像の表示想定位置を画像の領域ごとに調整することが可能となり、より自然な立体視が可能になる。また、上記画像表示装置を採用することで、固定された位置からでなく、任意の位置から観察することが可能な遠視野の虚像ディスプレイを構成することも可能である。

本発明の具体的な側面によれば、屈折率分布可変パネルは、光透過型の液晶パネルである。この場合、この場合、液晶分子の特性を利用することで、屈折率を液晶パネルの画素単位で変化させることができる。

本発明の別の側面によれば、光変調装置と屈折率分布可変パネルの間には、屈折率分布可変パネルに入射すべき光の偏光状態を揃える射出側偏光板を有する。この場合、射出側偏光板により特定の方向に偏光した光を屈折率分布可変パネルに入射させることができる。

本発明のさらに別の側面によれば、光変調装置は、光透過型の液晶ライトバルブであり、屈折率分布可変パネルを構成する１つの画素は、液晶ライトバルブを構成する１以上の画素に対応している。この場合、光変調装置としての光透過型の液晶ライトバルブを構成する１つまたは複数の液晶画素ごとに対応して屈折率分布可変パネルにおける屈折率を調整することができる。

本発明のさらに別の側面によれば、屈折率分布可変パネルは、垂直配向型の液晶パネルである。この場合、例えば電圧非印加のオフ状態で屈折率が最小となるようにすることができる。

上記目的を達成するため、本発明に係るプロジェクターは、上記いずれかに記載の画像表示装置と、光変調装置で変調された光を投影する投写光学系とを備える。この場合、上記画像表示装置が組み込まれていることで、画像表示に際して被照射面へのフォーカス位置を画像の領域ごとに調整できる。

本発明の具体的な側面によれば、屈折率分布可変パネルは、光変調装置と投写光学系との間に配置される。この場合、屈折率分布可変パネルにより画像の領域ごとに被照射面へのフォーカス位置が調整された状態の光を投写光学系によって投射できる。

本発明の別の側面によれば、投写光学系により照射されるべき被照射面の面形状の情報を取り込む形状取込部と、形状取込部に取り込んだ情報に基づいて屈折率分布可変パネルにおける屈折率の分布を制御する屈折率分布制御部とをさらに有する。この場合、屈折率分布可変パネルの調整を、被照射面の面形状に応じて適切に行うことができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る透過型表示装置は、上記いずれかに記載の画像表示装置と、画像表示装置からの映像光を内面側で反射させつつ導く導光装置と、を備える。この場合、上記画像表示装置が組み込まれていることで、例えば利用者に向けて導光装置が導光した光によって虚像として視認される画像について、当該画像の表示想定位置を画像の領域ごとに調整できる。

本発明の具体的な側面によれば、屈折率分布可変パネルは、光変調装置と導光装置との間に配置される。この場合、屈折率分布可変パネルにより画像の表示想定位置が調整された状態の光を導光装置によって導くことができる。

本発明の別の側面によれば、画像表示装置と導光装置とは、右眼用の映像光と左眼用の映像光をそれぞれ生じさせるように左右一対で構成され、左右一対で構成される屈折率分布可変パネルは、右眼用の映像光と左眼用の映像光とで屈折率の分布が異なるように画素単位または領域単位で変化する。この場合、左右一対の構成で両眼視をさせることができ、その際に視差を利用した立体視を行うにあたり、輻輳と調節の矛盾を低減してより自然な立体視が可能となる。

第１実施形態の画像表示装置を組み込んだプロジェクターの概略構成を示す図である。 プロジェクターによる画像投射の様子を概念的に示す図である。 投写光学系をモデル化した場合の光線の様子を示した図である。 （Ａ）は、図３の場合において平面に投射した様子を示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）において屈折率分布可変パネルの屈折率を一様とした場合の像高位置でのフォーカスの様子を示す図であり、（Ｃ）は、図３の場合において球面に投射した様子を示す図であり、（Ｄ）は、（Ｃ）において屈折率分布可変パネルの屈折率を一様とした場合の像高位置でのフォーカスの様子を示す図であり、（Ｅ）は、屈折率分布可変パネルの屈折率を変化させた一例を示すグラフであり、（Ｆ）は、（Ｃ）において（Ｅ）の屈折率分布とした場合における像高位置でのフォーカスの様子を示す図である。 （Ａ）は、被照射面の一例の様子を概念的に示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の場合において屈折率を変化させた様子を示すグラフである。 （Ａ）は、屈折率分布可変パネルの一構成例を説明するための図であり、（Ｂ）は、液晶層を構成する液晶性化合物の様子を概念的に示す図である。 第２実施形態の画像表示装置を組み込んだ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。 透過型表示装置における映像光の光路について示す図である。

〔第１実施形態〕
以下に図面を参照して、本発明の第１実施形態に係る画像表示装置を組み込んだプロジェクターについて詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る画像表示装置を組み込んだプロジェクター２は、画像光を投射する光学系部分５０と、光学系部分５０の動作を制御する回路装置８０とを備える。以上のほか、プロジェクター２は、スクリーン等の被照射面（不図示）の面形状の情報を取り込むための測距用の撮像カメラ９０をさらに備える。

光学系部分５０は、照明光を射出する光源１０を含む照明光学系２０と、照明光を各色の色光に分離するとともに導光する色分離導光光学系３０と、色分離導光光学系３０で分離された各色光を空間的に変調する光変調装置１８と、光変調装置１８からの光についてバックフォーカスを調整するためのバックフォーカス調整装置６０と、光変調装置１８及びバックフォーカス調整装置６０を経た色光（変調光）を合成する合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム１９と、合成された合成光を投影する投写光学系４０とを備える。これらのうち、特に、本実施形態では、光変調装置１８を構成する光透過型の液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの光路後段に、表示領域ごとにバックフォーカスを調整するためのバックフォーカス調整装置６０として、３つの屈折率分布可変パネル６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂを備えている。つまり、屈折率分布可変パネル６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂは、対応する液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂと投写光学系４０との間に配置されている。また、プロジェクター２のうち、投写光学系４０を除いた部分は、投影映像表示させるべき画像光を形成する画像表示装置１８０と見ることができる。

光学系部分５０において、照明光学系２０は、光源１０のほか、第１インテグレーターレンズ１１及び第２インテグレーターレンズ１２と、偏光変換素子１３と、重畳レンズ１４とを有する。

光源１０は、例えば超高圧水銀ランプであって、Ｒ光、Ｇ光、及びＢ光を含む光を射出する。ここで、光源１０は、超高圧水銀ランプ以外の放電光源であってもよいし、ＬＥＤやレーザーのような固体光源であってもよい。

第１インテグレーターレンズ１１及び第２インテグレーターレンズ１２は、アレイ状に配列された複数のレンズ素子を有する。第１インテグレーターレンズ１１は、光源１０からの光束を複数に分割する。第１インテグレーターレンズ１１の各レンズ素子は、光源１０からの光束を第２インテグレーターレンズ１２のレンズ素子近傍にて集光させる。第２インテグレーターレンズ１２のレンズ素子は、重畳レンズ１４と協働して、第１インテグレーターレンズ１１のレンズ素子の像を液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂのパネル部分に形成する。このような構成により、光源１０からの光が液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの表示領域の全体を略均一な明るさで照明する。

偏光変換素子１３は、第２インテグレーターレンズ１２からの光を所定の直線偏光に変換させる。重畳レンズ１４は、第１インテグレーターレンズ１１の各レンズ素子の像を、第２インテグレーターレンズ１２を介して液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの表示領域上で重畳させる。

光学系部分５０において、色分離導光光学系３０は、ダイクロイックミラー１５，２１と、反射ミラー１６，２３，２５と、リレーレンズ２２、２４と、フィールドレンズ１７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂとを有する。

第１ダイクロイックミラー１５は、重畳レンズ１４から入射したＲ光を反射させ、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第１ダイクロイックミラー１５で反射されたＲ光は、反射ミラー１６及びフィールドレンズ１７Ｒを経て、光変調装置である液晶ライトバルブ１８Ｒへ入射する。液晶ライトバルブ１８Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調することにより、Ｒ色の画像を形成する。

第２ダイクロイックミラー２１は、第１ダイクロイックミラー１５からのＧ光を反射させ、Ｂ光を透過させる。第２ダイクロイックミラー２１で反射されたＧ光は、フィールドレンズ１７Ｇを経て、光変調装置である液晶ライトバルブ１８Ｇへ入射する。液晶ライトバルブ１８Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調することにより、Ｇ色の画像を形成する。第２ダイクロイックミラー２１を透過したＢ光は、リレーレンズ２２、２４、反射ミラー２３、２５、及びフィールドレンズ１７Ｂを経て、光変調装置である液晶ライトバルブ１８Ｂへ入射する。液晶ライトバルブ１８Ｂは、Ｂ光を画像信号に応じて変調することにより、Ｂ色の画像を形成する。

光変調装置１８である液晶ライトバルブ１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂは、３色（赤、緑、青）の色光にそれぞれ対応する３つの入射した照明光である各色光の強度の空間分布を変調する非発光型の液晶パネルを含む。言い換えると、各液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂは、透過型液晶画素マトリクス（液晶パネル）をそれぞれ備える。具体的には、液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂは、液晶画素マトリクスと、画素マトリクスの光入射側に設けられた入射側偏光板と、画素マトリクスの光射出側に設けられた射出側偏光板とをそれぞれ備える。以下、各液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂの制御動作について簡単に説明する。まず、プロジェクター制御部８０が、入力された画像信号から画像ライトバルブ制御信号に変換する。次に、変換された画像ライトバルブ制御信号により図示しないパネルドライバーが制御される。制御されたパネルドライバーにより駆動された３枚の液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂは、３色の色光をそれぞれ変調して、入力された画像情報（画像信号）に応じた画像を形成する。ここで、例えば各液晶ライトバルブ１８Ｒ，１８Ｇ，１８Ｂの解像度はフルＨＤである。

バックフォーカス調整装置６０としての屈折率分布可変パネル６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂは、光変調装置１８を構成する液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂにそれぞれ対応して各液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの光路下流側に近接して設置されている。屈折率分布可変パネル６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂは、非発光型で光透過型の液晶パネルであり、透過型液晶画素マトリクスで構成されている。屈折率分布可変パネル６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂは、液晶画素マトリクスを構成する画素単位で液晶分子の状態が変化することで通過する光（偏光した光）に対する屈折率を変えることができる。すなわち、屈折率分布可変パネル６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂは、対応する各液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂから射出された光に対して、光の通過領域に応じて屈折率を画素単位で変化させる。なお、各液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂを構成する液晶画素の解像度は、例えば対応する各液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂを構成する液晶画素の解像度に合うように、同一の規格とする（上記の場合解像度はフルＨＤ）、すなわち１対１となるようにすることが考えられる。この場合、各液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂにおける表示がその単位で屈折率を調整することができる。また、液晶画素の対応関係が複数対１となるようにしてもよい。すなわち、屈折率分布可変パネル６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂを構成する液晶画素を液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂを構成する画素よりも粗くするものとしてもよい。この場合、液晶画素の粗さに応じた領域単位（液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂの複数個の画素領域に相当する領域単位）で屈折率を調整することができることになる。

クロスダイクロイックプリズム１９は、光合成用のプリズムであり、各液晶ライトバルブ１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂで変調され、さらに、屈折率分布可変パネル６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂを経た光を合成して画像光とし、投写光学系４０へ進行させる。

投写光学系４０は、クロスダイクロイックプリズム１９で合成された画像光を不図示のスクリーン（被照射面）上に拡大投射する投射レンズ（投写レンズ）である。

回路装置８０は、ビデオ信号等の外部画像信号が入力される画像処理部８１と、画像処理部８１の出力に基づいて光学系部分５０に設けた液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂを駆動する表示駆動部８２と、屈折率分布可変パネル６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂを駆動させることで屈折率の分布を制御する屈折率分布制御部８３と、これらの回路部分８１，８２，８３等の動作を統括的に制御する主制御部８８とを備える。なお、主制御部８８は、撮像カメラ９０での測距に基づくスクリーン等の被照射面（不図示）の面形状の情報を取り込むための形状取込部８８ａをさらに備える。

画像処理部８１は、入力された外部画像信号を各色の諧調等を含む画像信号に変換する。なお、画像処理部８１は、外部画像信号に対して歪補正や色補正等の各種画像処理を行うこともできる。

表示駆動部８２は、画像処理部８１から出力された画像信号に基づいて液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂを動作させることができ、当該画像信号に対応した画像又はこれに画像処理を施したものに対応する画像を液晶ライトバルブ１８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂに形成させることができる。

屈折率分布制御部８３は、主制御部８８の形状取込部８８ａにおいて撮像カメラ９０を介して取り込んだ被照射面の面形状についての情報に基づいて、屈折率分布可変パネル６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂにおける屈折率の分布を制御する。

以下、図２等を参照して、本実施形態の屈折率分布可変パネル６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂについて具体的に説明する。ここで、３つの屈折率分布可変パネル６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂについて、その構成や機能等については、３つとも同様であるので、１つの屈折率分布可変パネル６０Ｇについてのみ説明し、他の屈折率分布可変パネル６０Ｒ，６０Ｂについては、説明を省略する。図２は、プロジェクター２による画像投射（映像光ＧＬの投射）の様子を概念的に示す図である。また、ここでは、説明の簡単のため、図２に示す場合について、図３に示すように、投写光学系４０は、理想レンズによりモデル化して考えるものとする。すなわち、結像関係にある位置では、収差が発生しないと理想化したものである。

図３に示すような場合において、種々の形状を有する被照射面にプロジェクター２による投射を行うことを考える。まず、図４（Ａ）に示すように、平面に投射した場合について考える。ここでは、屈折率分布可変パネル６０Ｇ（６０Ｒ、６０Ｂ）については、屈折率を一様のままであるものとする。この場合、図４（Ｂ）に示すように、各投射光の像高位置のフォーカスは、全ての像高位置で合っていることになる。ここで、図４（Ｂ）は、横軸にフォーカス量、縦軸に６０ｌｐ／ｍｍのＭＴＦを示している。これに対して、図４（Ｃ）に示すように、球面に投射した場合について考える。この場合、屈折率を一様のままであると、図４（Ｄ）に示すＭＴＦのグラフ（横軸縦軸は図４（Ｂ）と同様）にあるように、像高位置によってフォーカスがあっていない状態となる。すなわち、被照射面の周辺領域において結像していない（解像していない）ことになる。このような結像（解像）の劣化は、屈折率分布可変パネル６０Ｇにおける屈折率が一様のままであると、光軸やその近辺の領域での投射距離と光軸から離れた周辺側の領域での投射距離とが異なっていることに起因する。

以上に対して、本実施形態では、例えば図４（Ｅ）に示すように、液晶ライトバルブ１８Ｇの直近後段に設けた屈折率分布可変パネル６０Ｇにおける屈折率を変化させている。ここで、図４（Ｅ）は、横軸に光軸からの距離、縦軸に屈折率をとるものである。すなわち、図４（Ｅ）の場合、図４（Ｃ）に示す球面に投射するに際して、屈折率が光軸から周辺に行くにしたがって低くなるように変化させている。言い換えると、屈折率の分布が被照射面の面形状に対応して変化するような分布となっている。図４（Ｆ）は、上記のような屈折率分布を与えた場合のＭＴＦを示している（横軸縦軸は図４（Ｂ）と同様）。この場合、フォーカスが全領域で合っていることがわかる。つまり、液晶ライトバルブ１８Ｇの直近後段に配置された屈折率分布可変パネル６０Ｇによって液晶ライトバルブ１８Ｇから射出された光に対して領域ごとに異なる屈折率通過させることができる。これは、いわばバックフォーカス位置を表示画素の領域ごと（あるいは画素単位ごと）に調整していることに相当する。

本実施形態のプロジェクター２では、上記図４（Ｃ）の例のように、球面形状の被照射面に投射する場合のほか、種々の面形状の被照射面に対して投射を行うことが可能である。具体的には、例えば、図５（Ａ）に示すように、被照射面であるスクリーンＳＣ（図２参照）の形状が複雑な凹面や凸面、更にはこれらが組み合わされたような形状を有する場合であっても、図５（Ｂ）に示すグラフのように、屈折率分布可変パネル６０Ｇ（６０Ｒ、６０Ｂ）の屈折率を変化させることで、スクリーンＳＣ上の各位置でフォーカスを合わせることができる。

以下、屈折率分布可変パネル６０Ｇ（６０Ｒ、６０Ｂ）の具体的一例についてより詳しく説明する。図６（Ａ）は、屈折率分布可変パネル６０Ｇ（６０Ｒ、６０Ｂ）を構成する液晶デバイスについて説明するための図である。なお、図６（Ａ）では、対応する液晶ライトバルブ１８Ｇについても示している。

図６（Ａ）に示すように、屈折率分布可変パネル６０Ｇの本体である液晶デバイス８２ａは、例えば液晶層７１を挟んで、入射側に第１基板７２と、出射側に第２基板７３とを備え、垂直配向型である。なお、液晶ライトバルブ１８Ｇは、液晶画素マトリクスである液晶パネル１８ｃと、液晶パネル１８ｃの光入射側に設けられた入射側偏光板１８ｄと、液晶パネル１８ｃの光射出側に設けられた射出側偏光板１８ｅとをそれぞれ備え、射出側偏光板１８ｅにより例えばＸ軸に平行な偏光となった状態で射出される。

液晶デバイス８２ａに戻って、液晶デバイス８２ａを構成する基板７２，７３は、ともに平板状であり、入出射面の法線がシステム光軸ＳＡすなわちＺ軸に平行になるように配置されている。例えば、垂直配向型の液晶デバイス８２ａにおいて、屈折率異方性が正であり、誘電率異方性が負の液晶で液晶層７１が構成されている場合、配向膜７６，７８は、電界の存在しない状態で、液晶層７１を構成する液晶性化合物をシステム光軸ＳＡすなわちＺ軸に略平行な状態に配列させる役割を有する（図６（Ｂ）参照）。そして、図６（Ｂ）に示すように、Ｚ軸に沿った方向に電界が印加されると、液晶層７１を構成する液晶性化合物は、システム光軸ＳＡすなわちＺ軸に略平行な状態から例えばＸＹ面内の所定方位に向けて傾けられる。ここで、所定方位は射出側偏光板１８ｅより射出される偏光の方向と略同一である。これにより、射出側偏光板１８ｅより射出される偏光の方向（ＸＹ面内の所定方位）における屈折率が最小の屈折率となる電界非印加の状態から印加電界の大きさに応じて屈折率が高くなる。

以上のように、本実施形態の画像表示装置では、屈折率分布可変パネルの画素単位で光変調装置から射出された光の通過領域に関して屈折率の分布を変化させることができる。従って、本実施形態の画像表示装置を組み込んだプロジェクターでは、光変調装置の直後に屈折率分布を可変できる屈折率分布可変パネルを挿入することで、どのような形状のスクリーン（被照射面）であっても、全ての領域でフォーカスを合わせることが可能となる。

〔第２実施形態〕
以下、図７及び図８を参照して、本発明の第２実施形態に係る画像表示装置を組み込んだ透過型表示装置について詳細に説明する。

図７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８を図７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２３０や、映像表示素子（映像素子）２８２を含む画像表示装置２８０でそれぞれ構成される。

また、図７や図８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。フレーム１０７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２４０が設けられている。

図８に示すように、第１表示装置１００Ａは、は、第１光学部材１０１ａ又は導光装置２２０と、結像用の投射レンズ２３０とを備える。第１光学部材１０１ａ又は導光装置２２０は、導光及び透視用の導光部材２１０と、透視用の光透過部材２５０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２８０と投射レンズ２３０とで構成される。

画像表示装置２８０は、光透過型の光変調装置である映像表示素子（映像素子）２８２のほか、映像表示素子２８２へ照明光を射出するバックライトである照明装置２８１や、映像表示素子２８２等の動作を制御する駆動制御部２８４を有する。

以下、図８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２８０と投射レンズ２３０とについて詳細に説明する。

画像表示装置２８０は、光変調装置である映像表示素子２８２の他に、映像表示素子２８２と導光装置２２０との間に配置される屈折率分布可変パネル２６０と、映像表示素子２８２に対して照明光を射出する照明光学系である照明装置２８１と、照明装置２８１、映像表示素子２８２及び屈折率分布可変パネル２６０の動作を制御する駆動制御部２８４とを有する。画像表示装置２８０の照明装置２８１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）２８２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２８１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。屈折率分布可変パネル２６０は、映像表示素子２８２を構成する液晶表示デバイスに対応して設けられる液晶画素マトリクスであり、映像表示素子２８２の液晶画素に対して、画素数が１対１又は複数対１の液晶画素で構成されている。なお、図示を省略するが、駆動制御部２８４は、照明装置２８１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２３０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）を備える投写光学系であり、これらを収納する鏡筒部３９によって支持されている。なお、投写レンズ２３０は導光部材２１０の一部と協働して導光部材２１０の内部に映像表示素子２８２の表示像に対応する中間像ＩＩを形成する。

第２面Ｓ１２は、本体１０ｓの表面にハーフミラー層２１５が付随している。このハーフミラー層２１５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。

第２導光部分２１２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２１２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２１０に映像光ＧＬを入射させる光入射面と、導光部材２１０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

第２導光部分２１２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。

以上のように、本実施形態では、導光部材２１０の内部において、映像表示素子２８２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。これにより、映像光ＧＬの表示と外界光ＨＬを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。

ハーフミラー層２１５は、導光装置２２０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２２０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２１５に入射した外界光ＨＬは、このハーフミラー層２１５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２１５に対応する方向からの外界光ＨＬは、ハーフミラー層２１５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２１５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２１５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。

本実施形態では、図７において、透過型表示装置１００は、右眼用の映像光と左眼用の映像光をそれぞれ生じさせるように左右一対で構成されておいる。特に、右眼用の虚像を形成する第１表示装置１００Ａと、左眼用の虚像を形成する第２表示装置１００Ｂとにおいて、左右の視差に応じて画像をずらすことで、３Ｄの画像を表示させることが可能である。この際、表示装置１００Ａ，１００Ｂの左右一対で構成される各屈折率分布可変パネル２６０は、右眼用の映像光と左眼用の映像光とで屈折率の分布が異なるように画素単位で変化させることが可能である。すなわち、視差を利用した立体視を行うにあたり、導光装置２２０により導光された光によって虚像として視認される画像について、当該画像の表示位置として想定される表示想定位置を画像の一画素に相当する領域ごとにあるいは複数の画素に相当する領域ごとに調整でき、輻輳と調節の矛盾を低減できる。

以上のように、本実施形態の画像表示装置では、屈折率分布可変パネルの画素単位で光変調装置から射出された光の通過領域に関して屈折率の分布を変化させることができる。従って、本実施形態の画像表示装置を組み込んだ透過型表示装置では、光変調装置の直後に屈折率分布を可変できる屈折率分布可変パネルを挿入することで、虚像として視認される画像の表示想定位置を画素単位で調整でき、例えば左右一対で構成され視差を利用した立体視を行うに際してより自然な立体視が可能となる。

この発明は、上記の実施形態又は実施例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で実施することが可能である。

例えば、各屈折率分布可変パネルに適用する液晶パネルについては、種々のものが適用でき、例えば必要となる屈折率差に応じて、光軸方向について複数の液晶パネルを積層させたり、厚みを適宜もたせたりしてもよい。また、必要に足る反応速度を有するパネルを適用させることが可能である。

また、上記では、屈折率分布可変パネルの一例として垂直配向型のものについて説明したが、これ以外の方式の液晶パネルを採用するものとしてもよい。例えば、λ／４板とＴＮ液晶の組み合わせでも良い。

また、上記では、照明光学系と非発光型の光変調装置とを用い、光変調装置として光透過型の液晶パネルを用いているが、このような態様に限らず、例えば有機ＥＬのような自発光型の素子を適用したり、ＬＥＤ光源を利用したりする態様も可能である。この場合に、光源側において偏光しない光が射出される場合には、各屈折率分布可変パネルとしての液晶パネルに入射させる光が偏光した状態となるように、各屈折率分布可変パネルの前段に偏光板を持たせればよい。すなわち、光変調装置の光射出側に射出側偏光板を有する構成とすればよい。

また、上記第１実施形態において、各色光に対応して配置される屈折率分布可変パネル６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂは、同期して動くものとすることができる。また、例えば色収差等を考慮して色光ごとに個別に動くものとしてもよい。

また、上記第２実施形態に示した虚像表示装置としての透過型表示装置（ＨＭＤ）は、一例であり、種々の態様によるＨＭＤ等において、本実施形態の屈折率分布可変パネル２６０を適用させることが可能であり、例えば中間像を形成しないものや、投射レンズを有さず、画像表示装置と導光装置のみで構成されるようなＨＭＤにおいても適用可能である。また、上記の例では、ＨＭＤを映像光と外界光とを視認させる、すなわちシースルーの構成としているが、映像光のみ視認させ外界光を遮蔽する態様においても適用可能である。

２…プロジェクター、 １０…光源、 １０ｓ…本体、 １１…インテグレーターレンズ、 １２…インテグレーターレンズ、 １３…偏光変換素子、 １４…重畳レンズ、 １５，２１…ダイクロイックミラー、 １６，２３，２５…反射ミラー、 １７Ｒ，１７Ｇ，１７Ｂ…フィールドレンズ、 １８…光変調装置、 １８Ｇ，１８Ｒ，１８Ｂ…液晶ライトバルブ、 １８ｃ…液晶パネル、 １８ｄ…入射側偏光板、 １８ｅ…射出側偏光板、 １９…クロスダイクロイックプリズム、 ２０…照明光学系、 ２２，２４…リレーレンズ、 ２７…ハードコート層、 ３０…色分離導光光学系、 ３９…鏡筒部、 ４０…投写光学系、 ５０…光学系部分、 ６０…バックフォーカス調整装置、 ６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂ…屈折率分布可変パネル、 ７１…液晶層、 ７２，７３…基板、 ７６，７８…配向膜、 ８０…回路装置、 ８０…プロジェクター制御部、 ８０…回路装置、 ８１…画像処理部、 ８２…表示駆動部、 ８２ａ…液晶デバイス、 ８３…屈折率分布制御部、 ８８…主制御部、 ８８ａ…形状取込部、 ９０…撮像カメラ、 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、 １０５ｂ…像形成本体部、 １０７…フレーム、 １０８…樹脂部、 １８０…画像表示装置、 ２１０…導光部材、 ２１１…導光部分、 ２１２…導光部分、 ２１５…ハーフミラー層、 ２２０…導光装置、 ２３０…投射レンズ、 ２４０…鼻受部、 ２５０…光透過部材、 ２６０…屈折率分布可変パネル、 ２８０…画像表示装置、 ２８１…照明装置、 ２８２…映像表示素子、 ２８４…駆動制御部、 ＣＣ…接着層、 ＥＹ…眼、 ＧＬ…映像光、 ＨＬ…外界光、 ＲＭ…光反射膜、 Ｓ１１−Ｓ１５…面、 Ｓ５１−Ｓ５３…透過面、 ＳＡ…システム光軸、 ＳＣ…スクリーン

Claims (8)

1. 光を射出する照明光学系と、
   前記照明光学系から射出した光を変調する光変調装置と、
   前記光変調装置の光路後段に配置され、前記光変調装置から射出された光の通過領域に応じて屈折率を画素単位または複数の画素を含む領域単位で変化させる屈折率分布可変パネルと、
   前記光変調装置で変調された光を投影する投写光学系と、
   前記投写光学系により照射されるべき被照射面の面形状の情報を取り込む形状取込部と、
   前記形状取込部に取り込んだ情報に基づいて前記屈折率分布可変パネルにおける屈折率の分布を制御する屈折率分布制御部と、を備えるプロジェクター。
2. 前記屈折率分布可変パネルは、光透過型の液晶パネルである、請求項１に記載のプロジェクター。
3. 前記光変調装置と前記屈折率分布可変パネルの間には、前記屈折率分布可変パネルに入射すべき光の偏光状態を揃える射出側偏光板を有する、請求項１及び２のいずれか一項に記載のプロジェクター。
4. 前記光変調装置は、光透過型の液晶ライトバルブであり、
   前記屈折率分布可変パネルを構成する１つの画素は、前記液晶ライトバルブを構成する１以上の画素に対応している、請求項１から３までのいずれか一項に記載のプロジェクター。
5. 前記屈折率分布可変パネルは、垂直配向型の液晶パネルである、請求項１から４までのいずれか一項に記載のプロジェクター。
6. 前記屈折率分布可変パネルは、前記光変調装置と前記投写光学系との間に配置される、請求項１から５までのいずれか一項に記載のプロジェクター。
7. 光を射出する照明光学系と、前記照明光学系から射出した光を変調する光変調装置と、前記光変調装置の光路後段に配置され、前記光変調装置から射出された光の通過領域に応じて屈折率を画素単位または複数の画素を含む領域単位で変化させる屈折率分布可変パネルと、を備える画像表示装置と、
   前記画像表示装置からの映像光を内面側で反射させつつ導く導光装置と、を備え、
   前記画像表示装置と前記導光装置とは、右眼用の映像光と左眼用の映像光をそれぞれ生じさせるように左右一対で構成され、
   左右一対で構成される前記屈折率分布可変パネルは、前記右眼用の映像光と前記左眼用の映像光とで屈折率の分布が異なるように前記画素単位または前記領域単位で変化する、透過型表示装置。
8. 前記屈折率分布可変パネルは、前記光変調装置と前記導光装置との間に配置される、請求項７に記載の透過型表示装置。

Images