WO2024014202A1 - 光学系及び表示装置 - Google Patents

Abstract

本開示の一側面は、輻輳調整矛盾に対処しつつ装置の大型化を抑制する。　表示素子（２）からの光を結像する光学系（３）は、表示素子の各部分からの光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、表示素子の各部分からの光を個別に偏光変調する変調部（５）と、変調部によって偏光変調された光が通過する光路部（６）と、を備え、光路部は、当該光路部を通過する光の光路長が、当該光が当該光路部に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される。

Description

光学系及び表示装置

　本開示は、光学系及び表示装置に関する。

　ＨＭＤ（Head　Mount　Display）等における輻輳調整矛盾に対処するための技術が提案されている。例えば特許文献１は、輻輳角と視度とが一致するように液晶ディスプレイを光軸方向に移動させる技術を開示する。

特開平７－８７４２２号公報

　液晶ディスプレイのような表示素子を光軸方向に移動させると、その分装置が大型化する。

　本開示の一側面は、輻輳調整矛盾に対処しつつ装置の大型化を抑制する。

　本開示の一側面に係る光学系は、表示素子からの光を結像する光学系であって、表示素子の各部分からの光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、表示素子の各部分からの光を個別に偏光変調する変調部と、変調部によって偏光変調された光が通過する光路部と、を備え、光路部は、当該光路部を通過する光の光路長が、当該光が当該光路部に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される。

　本開示の一側面に係る表示装置は、表示素子と、表示素子からの光を結像する光学系と、を備え、光学系は、表示素子の各部分からの光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、表示素子の各部分からの光を個別に偏光変調する変調部と、変調部によって偏光変調された光が通過する光路部と、を含み、光路部は、当該光路部を通過する光の光路長が、当該光が当該光路部に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される。

実施形態に係る表示装置１の概略構成の例を示す図である。 変調部５の概略構成の例を示す図である。 光路部６の概略構成の例を示す図である。 光学系３における光の偏光方向の例を示す図である。 変形例に係る表示装置１の概略構成の例を示す図である。 光路部８の概略構成の例を示す図である。 光路部８の光路長の例を示す図である。 変形例に係る表示装置１の概略構成の例を示す図である。 変調部５及び変調部５－２による偏光変調の例を示す図である。 光学系３における光の偏光方向の例を示す図である。 変調部５の概略構成の例を示す図である。 変調部５による偏光変調の例を示す図である。 変形例に係る表示装置１の概略構成の例を示す図である。

　以下に、本開示の実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の各実施形態において、同一の要素には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。

　以下に示す項目順序に従って本開示を説明する。
　　０．序
　　１．実施形態
　　２．変形例
　　３．効果の例

０．序
　例えばＶＲ（Virtual　Reality）向けＨＭＤ等の光学系では、眼の焦点と両眼視差とが異なる輻輳調整矛盾への対処が重要である。一案として、アイセンシングで検出した目線方向に虚像位置を与えるようにフォーカシング機構を駆動することが考えられる。ただし、非常に精密なアイセンシングが求められる。また、特許文献１のように表示素子を移動させるフォーカシング機構では、装置が大型化する。別の案として、各々が異なる虚像位置を与える複数のパネルを用いる技術もあるが、やはり装置の大型化を招く等の課題がある。

　開示される技術によれば、表示素子の各部分（各位置）からの光に対応する虚像位置の個別調整が可能であり、それによって輻輳調整矛盾に対処できる。アイセンシングは必須ではなく、また、フォーカシング機構が不要であることから、装置の小型化、軽量化が可能である。これまで以上に酔いにくく、違和感の少ない自然なＶＲを提供できる可能性も高まる。

１．実施形態
　図１は、実施形態に係る表示装置１の概略構成の例を示す図である。表示装置１は、例えばＶＲ等の映像を提示するＨＭＤであり、ユーザの頭部に装着されて用いられる。映像は画像を含む意味に解されてよく、矛盾の無い範囲において、映像及び画像は適宜読み替えられてよい。ユーザの眼部を、ユーザの眼部Ｅと称し図示する。表示装置１が提示する映像は、ユーザの眼部Ｅによって観察される。

　図において、ＸＹＺ座標系が示される。Ｚ軸正方向に、表示装置１及びユーザの眼部Ｅがこの順に位置する。表示装置１の各要素は、ＸＹ平面方向に延在し、Ｚ軸方向に厚さを有する。図１の（Ａ）及び（Ｂ）には、Ｘ軸方向にみたときの表示装置１の側面（断面であってもよい）が模式的に示される。図１の（Ｂ）には、いくつかの光の経路が模式的に示される。

　本開示において、Ｘ軸方向に偏光された偏光光を、Ｘ偏光光とも称する。Ｙ軸方向に偏光された偏光光を、Ｙ偏光光とも称する。Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対して４５度の方向に偏光された偏光光を、４５度偏光光とも称する。なお、偏光光には、直線偏光光及び円偏光光があるが、とくに説明がある場合を除き、単に偏光光という場合は、直線偏光光の意味に解されてよい。

　表示装置１は、表示素子２と、光学系３とを含む。Ｚ軸正方向に、表示素子２及び光学系３がこの順に配置される。

　表示素子２は、映像を構成する光を出射する。表示素子２は、ＸＹ平面方向を面方向とし、Ｚ軸負方向側に表示面を有する表示パネルである。表示素子２は、例えば、ＯＬＥＤ（Organic　Light　Emitting　Diode）、ＬＣ（Liquid　Crystal）、ＬＥＤ（Light　Emitting　Diode）等を含んで構成される。

　表示素子２は、各々が独立に発光制御される複数の部分を含む。典型的には、表示素子２の１つの部分は、表示素子２の１つのピクセルである。

　光学系３は、表示素子２からの光を結像する。光学系３は、偏光板４と、変調部５と、光路部６と、偏光板７と、他の光学系とを含む。他の光学系として、レンズＬ１、レンズＬ２、レンズＬ３及び平板Ｂが例示される。Ｚ軸正方向に、偏光板４、変調部５、レンズＬ１、光路部６、偏光板７、レンズＬ２、レンズＬ３及び平板Ｂがこの順に配置される。表示素子２からの光は、これらの要素を順に通り、ユーザが眼部Ｅで虚像を観察するように結像される。

　偏光板４は、表示素子２及び変調部５の間に配置される。偏光板４は、例えばポラライザ、ワイヤーグリッド偏光子等であり、表示素子２からの光のうち、所定の偏光光だけを通過させる。これにより、変調部５に入射する偏光光を限定することができる。例えば、表示素子２がさまざまな偏光光を含む光を発するＯＬＥＤを含んで構成される場合等に有効である。表示素子２が特定の偏光光を含む光だけを発するＬＣＤを含んで構成される場合等には、偏光板４は無くてもよい。以下では、とくに説明がある場合を除き、偏光板４が通過させる所定の偏光光は、Ｙ偏光光であるものとする。

　変調部５は、表示素子２からの光（この例では偏光板４からの光）を偏光変調する。変調部５は、表示素子２の各部分からの光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、表示素子２の各部分からの光を個別に偏光変調する。複数の偏光光の例は、Ｘ偏光光及びＹ偏光光等である。とくに説明がある場合を除き、変調部５は、表示素子２の各部分からの光を、Ｘ偏光光及びＹ偏光光のいずれかに個別に偏光変調するものとする。変調部５について、図２も参照して説明する。

　図２は、変調部５の概略構成の例を示す図である。Ｚ軸負方向にみたときの変調部５が模式的に示される。なお、図において、Ｘ軸方向に延在する白抜き矢印は、Ｘ偏光光を模式的に示す。Ｙ軸方向に延在する白抜き矢印は、Ｙ偏光光を模式的に示す。変調部５は、例えば、面内に液晶分子が配向された変調液晶パネルから偏光板を取り除いた構成と同様の構成を備える。

　変調部５は、複数の液晶部５１を含む。各液晶部５１は、表示素子２の各部分に対応する。複数の液晶部５１それぞれに、表示素子２の各部分のうちの対応する部分からの光が入射する。各液晶部５１には、１つ以上の液晶分子５ｍが配置される。表示素子２の各部分からの光は、対応する液晶部５１に配置された液晶分子５ｍを通過する。

　各液晶部５１は、個別に駆動される。例えば、各液晶部５１への電圧印加が個別に制御される。液晶部５１の駆動は、液晶部５１に配置された液晶分子５ｍの状態を変えることを含む。液晶分子５ｍの状態の一例は、液晶分子５ｍの向きである。

　図２に示される例では、液晶分子５ｍは、電圧が印加されず駆動されていない状態（デフォルト状態）で、Ｘ軸及びＹ軸に対して４５度の向きを有する。付与位相差は１／２波長であるものとする。この液晶部５１に偏光板４からのＹ偏光光が入射すると、そのＹ偏光光は、Ｘ偏光光に変換されて出射される。反対に、液晶分子５ｍは、電圧が印可され駆動されている状態（駆動状態）では、Ｘ軸に対して９０度（Ｙ軸に対して０度）の向きを有する。この液晶部５１に入射したＹ偏光光は、そのままＹ偏光光として出射される。

　例えば上記の構成を備えることにより、変調部５は、各液晶部５１を通過した光、すなわち表示素子２の各部分からの光を、Ｘ偏光光及びＹ偏光光のいずれかに個別に偏光変調する。後述の原理により、ここでのＸ偏光光及びＹ偏光光の選択が、虚像位置（奥行）の変化を与える。

　なお、例えばＲＧＢを含むような広帯域にわって１／２波長の付与位相差を実現するように、変調部５は、各層が異なる位相量、位相軸角を有する複数の層を含んで構成されてもよい。

　図１に戻り、変調部５からの光は、レンズＬ１を通過する。例示されるレンズＬ１は、非球面レンズであり、変調部５及び光路部６の間に設けられる。レンズＬ１は、入射角が出射角よりも（例えば５度以上）大きくなるように設計されてよい。最大画角の主光線の内側への曲げ量を確保することができ、像面性を維持しながら視度調整を行うことができる。レンズＬ１を通過した光は、光路部６に入射する。

　光路部６は、変調部５によって偏光変調された光（この例ではレンズＬ１からの光）が通過する部分である。光路部６は、光路部６を通過する光の光路長が、その光が光路部６に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される。例えば、光路部６は、光路部６を通過する光の屈折率が当該光の偏光方向によって異なるように構成される。図３を参照して説明する。

　図３は、光路部６の概略構成の例を示す図である。Ｚ軸負方向にみたときの光路部６が模式的に示される。光路部６は、複数の液晶分子６ｍを含む。複数の液晶分子６ｍは、通過する光の屈折率がその光の偏光方向によって異なるように配置される。複数の液晶分子６ｍは、例えばポリマー液晶であり、いずれも同じ向きに配置される。

　図３に示される例では、複数の液晶分子６ｍは、Ｘ軸に対して０度の向き（Ｙ軸に対して９０度の向き）を有する。光路部６は、Ｘ偏光光及びＹ偏光光に対して互いに異なる屈折率を与える。具体的に、Ｘ偏光光の屈折率よりも、Ｙ偏光光の屈折率が高くなる。例えば、Ｘ偏光光の屈折率が１．５２であり、Ｙ偏光光の屈折率が１．７７になる。屈折率差は０．２５である。

　屈折率差に起因して、光路部６を通過するＸ偏光光の光路長及びＹ偏光光の光路長が互いに異なる。上記の例では、Ｘ偏光光の光路長よりも、Ｙ偏光光の光路長が長くなる。すなわち、先の変調部５による偏光変調と光路部６とを組み合わせることで、表示素子２の各部分からの光の光路長を変化させることができる。光路部６を通過する光の光路長は、光学系３のフォーカス調整間隔に相当し、結果として、虚像位置（Ｄｉｏｐｔｅｒ）の変化を与える。例えば、光路長が短い光によって構成された虚像が手前に位置するように観察され、光路長が長い光によって構成された虚像が奥に位置するように観察される。虚像位置の調整が可能になる。

　Ｘ偏光光の場合の虚像位置と、Ｙ偏光光の場合の虚像位置との差は、光路部６の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）に起因する。それら２つの虚像位置の所望の差が得られるように、光路部６の厚さが設計される。例えば、上述のように屈折率差が０．２５であり、２つの虚像位置の差を０．６Ｄ（ＤはＤｉｏｐｔｅｒ値）にするための光路長が０．６６４ｍ（空気長）の場合、光路部６の厚さは、２．６５５ｍｍ（０．６４４／０．２５）に設計される。

　図１に戻り、偏光板７は、光路部６（この例では光路部６及びレンズＬ１）を挟んで変調部５とは反対側に配置され、光路部６からの光を所定の偏光光に整流する。これにより、光路部６を通過した後の光の最終的な偏光光を統一することができる。例えばレンズＬ１、レンズＬ２及びレンズＬ３を含む構成（トリプルパス構成）を採用することができる。とくに説明がある場合を除き、偏光板７は、光路部６からの光が４５度偏光光になるように、光路部６からの光を整流するものとする。偏光板７は、例えば４５度の方位角を有するように配置される。

　偏光板７からの光は、レンズＬ２、レンズＬ３及び平板Ｂを通過する。レンズＬ２及びレンズＬ３は、偏光板７からの光を結像するように設計された非球面レンズであり、光路部６及び偏光板７を挟んで変調部５とは反対側に順に設けられる。レンズＬ２は正の屈折力（焦点距離＞０）に構成され、レンズＬ３は負の屈折力（焦点距離＜０）に構成されてよい。色収差等の収差の調整を容易に行うことができる。レンズＬ３のｄ線における屈折率は、レンズＬ２の屈折率よりも大きくてよい。レンズＬ３のｄ線におけるアッベ数は、レンズＬ２のアッベ数よりも小さくてよい。倍率色収差を有効に補正することができる。平板Ｂは、レンズＬ３からの光を透過させる透明平板である。平板Ｂの表面（例えばＺ軸負方向側の面）は、入射した光の一部を反射させ、一部を通過させる半透過反射面であってよい。例えばハーフミラーが用いられてよい。

　例示される光学系３は、表示素子２からの光がレンズＬ１、レンズＬ２及びレンズＬ３の３つのレンズを通過するトリプルパス構成を備える。このような構成により、光学系３の薄型化、小型化が図られる。

　図４は、光学系３における光の偏光方向の例を示す図である。光学系３の構成要素のうち、偏光板４、変調部５及び偏光板７それぞれを通過した後の光の偏光方向が、白抜き矢印で模式的に示される。偏光板４を通過した光は、いずれもＹ偏光光である。変調部５を通過した光は、Ｘ偏光光及びＹ偏光光のいずれかである。偏光板７を通過した光は、４５度偏光光である。

　以上で説明した光学系３を備える表示装置１によれば、変調部５による偏光変調及び光路部６の組合せによって、表示素子２の各部分からの光の光路長を変化させることができる。これにより虚像位置を調整できるようになるので、輻輳調整矛盾への対処が可能になる。アイセンシングは必須ではなく、また、フォーカシング機構が不要な分、小型化、軽量化も可能である。従って、輻輳調整矛盾に対処しつつ装置の大型化を抑制することができる。

　また、アイセンシングやフォーカシング機構の駆動に関する処理が不要になるので、信号処理負担も軽減される。発熱量が低減され、バッテリーによる長時間動作も可能になる。

　より美しい映像提示も可能になる。とくに手前の像と奥の像が複雑に混在するような映像に対応し易いというメリットがある。例えば、ＶＲ光学系に対して複数枚パネルを使用するような手法では、Ｚ軸方向におけるパネルどうしの位置を相当近づける必要があり、また、収差補正も困難になる。ビームスプリッタで二枚を合成する場合は、高解像度広視野角ではバックフォーカスが無く、組み入れることができない。こういった問題も、実施形態に係る表示装置１では対処することができる。

　光路部６による収差の影響は軽微である。例えば、映像中の異なる虚像位置に調整された部分それぞれの空間周波数に対するコントラスト特性は、いずれも実用上問題ない範囲に収まる。倍率色収差についても同様である。

２．変形例
　開示される技術は、上記の実施形態に限定されない。いくつかの変形例について述べる。例えば、光路部の構成は、上記の光路部６の構成と別の構成であってもよい。図５～図８を参照して説明する。

　図５は、変形例に係る表示装置１の概略構成の例を示す図である。図５に示される例では、表示装置１の光学系３は、先に説明した光路部６（図１）に代えて、光路部８を含む。光路部８も、光路部６と同様に、光路部８を通過する光の光路長が、その光が光路部８に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される。ただし、光路部８の具体的な構成は、光路部６の構成とは異なる。光路部８について、図６及び図７も参照して説明する。

　図６は、光路部８の概略構成の例を示す図である。光路部８は、波長板８１と、ハーフミラー８１ａと、波長板８２と、反射偏光板８２ａとを含む。Ｚ軸正方向において、波長板８１、ハーフミラー８１ａ、波長板８２及び反射偏光板８２ａがこの順に配置される。この例では、波長板８１及びハーフミラー８１ａは、互いに張り付けられて配置される。ハーフミラー８１ａ及び波長板８２は、互い間隔をあけて配置される。波長板８２及び反射偏光板８２ａは、互いに張り付けられて配置される。光路部８を通過する光の進行方向が、黒塗り矢印で模式的に示される。

　波長板８１は、変調部５からの直線偏光光を、その直線偏光光の偏光方向に応じた円偏光光に変える第１の波長板である。波長板８１は、例えば１／４波長板（ＱＷＰ）であり、波長板８１を通過したＸ偏光光又はＹ偏光光を、円偏光光にする。Ｘ偏光光が波長板８１を通過して得られる円偏光光の回転方向と、Ｙ偏光光が波長板８１を通過して得られる円偏光光の回転方向とは、互いに逆向きである。

　ハーフミラー８１ａは、波長板８１及び波長板８２の間に配置され、入射した光の一部を反射させ、一部を通過させる。波長板８１からの円偏光光の一部は、ハーフミラー８１ａを通過して波長板８２に向かう。

　波長板８２は、波長板８１からの円偏光光、より具体的にこの例ではハーフミラー８１ａからの円偏光光を、その円偏光光の回転方向に応じた直線偏光光に変える第２の波長板である。波長板８２は、例えば１／４波長板であり、波長板８１からの円偏光光を、Ｘ偏光光又はＹ偏光光にする。

　反射偏光板８２ａは、波長板８２を挟んで波長板８１（この例では波長板８１及びハーフミラー８１ａ）とは反対側に配置される。反射偏光板８２ａは、所定の直線偏光光を通過させ、他の直線偏光光を反射する。この例では、反射偏光板８２ａは、Ｘ偏光光を通過させる一方で、Ｙ偏光光を反射する。結果として、光路部８からは、Ｘ偏光光だけた出射される。

　図７は、光路部８の光路長の例を示す図である。説明の便宜上、波長板８１及びハーフミラー８１ａが離れて図示される。円偏光光の回転方向が、円矢印で模式的に図示される。

　図７の（Ａ）には、光路部８にＸ偏光光が入射した場合の光路が黒塗り矢印で模式的に示される。Ｘ偏光光は、波長板８１を通過して円偏光光になる。この円偏光光の一部がハーフミラー８１ａを通過し、波長板８３を通過してＸ偏光光になる。このＸ偏光光が、反射偏光板８４を通過して出射される。光路部８を通過する光は、ハーフミラー８１ａ及び反射偏光板８２ａの間を１回だけ通る（ワンパス）。

　図７の（Ｂ）には、光路部８にＹ偏光光が入射した場合の光路が黒塗り矢印で模式的に示される。なお、理解を容易にするために、各黒塗り矢印で示される光路をＹ軸方向の異なる位置に示しているが、それらの光路はＹ軸方向の同じ位置に位置していてよい。Ｙ偏光光は、波長板８１を通過して円偏光光になる。この円偏光光の一部がハーフミラー８１ａを通過し、さらに波長板８３を通過してＹ偏光光になる。このＹ偏光光は、反射偏光板８４で反射し、波長板８３を通過して円偏光光になる。この円偏光光の一部は、ハーフミラー８１ａで反射し、波長板８３を通過してＸ偏光光になる。このＸ偏光光が、反射偏光板８４を通過して出射される。光路部８を通過する光は、ハーフミラー８１ａ及び反射偏光板８２ａの間を３回も通る（スリーパス）。

　上記の例では、光路部８への入射時にＸ偏光光であった光の光路長よりも、Ｙ偏光光であった光の光路長の方が長くなる。すなわち、先の変調部５による偏光変調と光路部８とを組み合わせることで、表示素子２の各部分からの光の光路長を変化させることができる。このようにして虚像位置を調整することも可能である。例えば、２つの虚像位置の差を０．６Ｄにするための光路長が０．６６４ｍ（空気長）の場合、光路部８の厚さは、０．３２２ｍｍ（０．６４４／２）に設計される。なおハーフミラー８１ａについては透過効率を３８％近傍、反射効率６２％近傍とするのが最も望ましい。これはワンパス光路の効率３８％と、トリプルパス時の効率６２％×６２％≒３８％が概ね一致するためである。

　上記実施形態では、変調部５による偏光変調と光路部６（又は光路部８）との組み合わせにより、２つの異なる虚像位置を与える手法（例えば２焦点ＶＲ）について説明した。ただし、３つ以上の異なる虚像位置を与えることも可能である。図８及び図９を参照して説明する。

　図８は、変形例に係る表示装置１の概略構成の例を示す図である。例示される表示装置１は、偏光板４、変調部５、光路部６及び偏光板７のセットを２つ含む。２つ目のセットに係る偏光板４、変調部５、光路部６及び偏光板７を、偏光板４－２、変調部５－２、光路部６－２及び偏光板７－２と称し図示する。Ｚ軸正方向において、偏光板７とレンズＬ２との間に、偏光板４－２、変調部５－２、光路部６－２及び偏光板７－２がこの順に配置される。

　偏光板４－２、変調部５－２、光路部６－２及び偏光板７－２は、偏光板４、変調部５、光路部６及び偏光板７と同様の構成を備えてよい。光路部６－２の厚さは、光路部６－１の厚さと同じであってもよいし異なっていてもよい。変調部５－２の偏光変調対象の光は、表示素子２の各部分からの光であって光路部６を通過した光（この例では偏光板７及び偏光板４－２も通過した光）である。光路部６－２を通過する光は、変調部５－２によって偏光変調された光である。

　変調部５による偏光変調と光路部６との組み合わせにより、２つの異なる虚像位置を与えることができる。変調部５－２による偏光変調と光路部６－２との組み合わせによっても、２つの異なる虚像位置を与えることができる。これらの組合せにより、３つ以上、最大で４つの異なる虚像位置を与えることができる。図９を参照して説明する。

　図９は、変調部５及び変調部５－２による偏光変調の例を示す図である。図９の（Ａ）には、変調部５による偏光変調の例が示される。図９の（Ｂ）には、変調部５－２による偏光変調の例が示される。なお、変調部５－２の液晶及び液晶分子を、液晶部５１－２及び液晶分子５ｍ－２と称し図示する。

　図９において、複数の液晶部５１のうちの着目する２つの液晶部に、ひし形マーク及び星形マークを付している。同様に、複数の液晶部５１－２のうちの２つの液晶部に、ひし形マーク及び星形マークを付している。同じマークが付された液晶部５１及び液晶部５１－２は、表示素子２の同じ部分に対応する。

　図９の（Ａ）に示されるように、変調部５では、星形マークが付された液晶部５１が駆動され、液晶分子５ｍがＸ軸に対して９０度（Ｙ軸に対して０度）の向きを有する。この液晶部５１を通過した光は、Ｙ偏光光として光路部６を通過する。他の液晶部５１を通過した光は、Ｘ偏光光として光路部６を通過する。

　図９の（Ｂ）に示されるように、変調部５－２では、ひし形マークが付された液晶部５１－２及び星形マークが付された液晶部５１－２が駆動され、液晶分子５ｍがＸ軸に対して９０度（Ｙ軸に対して０度）の向きを有する。これらの液晶部５１－２を通過した光は、Ｙ偏光光として光路部６－２を通過する。他の液晶部５１－２を通過した光は、Ｘ偏光光として光路部６－２を通過する。

　上記の例では、星形マークが付された液晶部５１及び液晶部５１－２を通過した光の光路が最も長くなる。次いで、ひし形マークが付された液晶部５１及び液晶部５１－２を通過した光の光路が長くなる。他の液晶部５１及び液晶部５１－２を通過した光の光路は最も短くなる。

　例えば、光路部６における屈折率差が０．２５、光路部６の厚さが０．８ｍｍであり、光路部６－２における屈折率差が０．２５、光路部６－２の厚さが２．６５５ｍｍである場合を考える。光路部６－２によって得られる２つの虚像位置の差は、０．６Ｄである。光路部６及び光路部６－２の合計では０．８Ｄになる。星形マークが付された液晶部５１及び液晶部５１－２を通過した光は、光路部６に入射するときも光路部６－２に入射するときもＹ偏光光であり、光路長はもっとも長くなる。例えば０．５Ｄの虚像位置が与えられる。一方で、ひし形マークが付された液晶部５１及び液晶部５１－２を通過した光は、光路部６に入射するときはＸ偏光光であり、光路部６－２に入射するときはＹ偏光光である。０．７Ｄの虚像位置が与えられる。他の液晶部５１及び液晶部５１－２を通過した光は、光路部６に入射するときも光路部６－２に入射するときもＸ偏光光であり、光路長はもっとも短くなる。１．３Ｄの虚像位置が与えられる。

　図１０は、光学系３における光の偏光方向の例を示す図である。光学系３の構成要素のうち、偏光板４、変調部５、偏光板７、偏光板４－２、変調部５－２及び偏光板７－２それぞれを通過した後の光の偏光方向が、白抜き矢印で模式的に示される。偏光板４を通過した光は、いずれもＹ偏光光である。変調部５を通過した光は、Ｘ偏光光及びＹ偏光光のいずれかである。偏光板７を通過した光は、４５度偏光光である。偏光板４－２を通過した光は、いずれもＹ偏光光である。変調部５－２を通過した光は、Ｘ偏光光及びＹ偏光光のいずれかである。偏光板７－２を通過した光は、４５度偏光光である。

　上記では触れなかったが、変調部５によってＹ偏光光とされ、変調部５－２によってＸ偏光光とされるような偏光変調が行われてもよい。そのように偏光された光は、さらに別の虚像位置を与え得る。結果として、最大で４つの異なる虚像位置を与えることができる（例えば４焦点ＶＲ）。

　例えば以上のように、偏光板４、変調部５、光路部６、偏光板７のセットを２つ配置することで、１セットの場合よりも多くの虚像位置を与えることができる。当然ながら、セット数を３以上にして、さらに多くの虚像位置を与えることもできる。

　一実施形態において、変調部５に波長板を積層することで、波長の広帯域化が図られてよい。図１１を参照して説明する。

　図１１は、変調部５の概略構成の例を示す図である。変調部５に対して波長板５ａが設けられる。この例では、変調部５のＺ軸正方向側の面上に、波長板５ａが積層される。波長板５ａは、例えば方位軸１１４．５度の１／２波長板である。変調部５自体、すなわち液晶分子５ｍが配置された液晶部５１自体の波長特性を改善することができる。例えばＲＧＢ帯域のような広い波長帯域にわたって、同等の変更変調を行うことができる。ＲＧＢ効率やクロストークの改善が可能になる。

　一実施形態において、変調部５の偏光変調によって得られる複数の偏光光は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の間の方向に偏光された偏光光を含んでよい。図１２を参照して説明する。

　図１２は、変調部５による偏光変調の例を示す図である。駆動状態の液晶部５１に星印が付されている。液晶分子５ｍは、Ｘ軸に対して６７．５度（Ｙ軸に対して２２．５度）の向きを有する。この液晶部５１に入射したＹ偏光光は、４５度偏光光になるように偏光変調される。この光が光路部６を通過すると、光路部６での光路長がＸ偏光光とＹ偏光光とで異なることから、両方の場合の光路長が存在するかのように振る舞う。先の実施形態の数値を用いて説明すると、０．５Ｄの虚像位置と１．１Ｄの虚像位置の両方が与えられる。厳密には各々の虚像位置の重ね合わせではあるものの、心理的な効果によって、ユーザは、それらの中間である０．８Ｄの虚像位置が存在するかのような映像を見ることができる。このようにして異なる虚像位置を混ぜ合わせることで、疑似的な中間状態の虚像位置を与えることもできる。

　上記実施形態では、光学系３が、レンズＬ１、レンズＬ２及びレンズＬ３を含むトリプルパス系の構成を備える場合を例に挙げて説明した。ただし、トリプルパス系の構成は必須ではなく、他のさまざまな構成が採用されてよい。他の構成の例は、フレネル系、二枚パネル構成等である。

　Ｄ値は、これまで説明した値に限らず、さまざまな任意の値に設計されてよい。例えば、先の実施形態では０．５Ｄを基準としていたが、０Ｄを基準とした設計が行われてもよい。

　Ｚ軸方向における光路部６（或いは光路部６及び偏光板７）の両端の空気部分は、虚像位置を変化させることができる部分であるので、この部分の長さを調整することで視度調整が行われてもよい。この視度調整は、単純に近視、遠視等の視力補正に用いられてもよい。まずは光路部６の両端の空気部分の長さをおおまかに調整したうえで、これまで説明したような変調部５及び光路部６の組合せによる虚像位置の調整が行われてよい。例えば、より虚像補正範囲を広げつつ、遠景に混じった近景での違和感を減らすことができる。光路部６の両端の空気部分の長さと虚像位置（Ｄｉｏｐｔｅｒ）とが単純な比例関係に無いので、予め準備されたデータテーブルや計算式を参照してそれらが設計されてよい。変調部５による偏光方向を決める場合も同様であってよい。

　一実施形態において、映像中のユーザが見ている箇所がアイセンシングによって特定（同定等）されてよい。図１３を参照して説明する。

　図１３は、変形例に係る表示装置１の概略構成の例を示す図である。図１３の（Ａ）には、表示装置１の概略構成が示される。なお、表示素子２及び光学系３の部分の構成は簡素化されて図示される。表示装置１は、アイセンシング用の投影機９及びカメラ１０をさらに含む。投影機９及びカメラ１０は、光学系３が結像する表示素子２からの光を妨げない位置に配置される。投影機９は、例えば光をユーザＵの瞳に向けて出射する。光の例は、赤外光である。カメラ１０は、ユーザＵの瞳で反射した光を検出し、それによって眼部Ｅを撮像する。撮像されたユーザの眼部Ｅに基づいて、映像中のユーザが見ている箇所が特定される。図１３の（Ｂ）には、撮像されたユーザの眼部Ｅの例が示される。撮像結果に基づいて、眼部Ｅ上（瞳上）の物点Ｐ、例えばプルキンエ像が取得され、それによって映像中のユーザが見ている箇所が特定される。このようなアイセンシングの結果に基づいて虚像位置が調整されてよい。

　一実施形態において、変調部５において隣り合う液晶部５１どうしの間隔（ピッチ）は、表示素子２の各部分の間隔（例えばピクセルピッチ）よりも粗くてよい。例えば表示素子２が４Ｋ解像度（３８４０×２１６０）であり、変調部５の解像度は、ＨＤ（１２８０×７２０）、ＦＨＤ(１９２０×１０８０)等であってよい。表示素子２が画質に直接的な影響を与えるのに対して、変調部５は虚像位置を変化させるだけであり、微細度が比較的少なくても問題無いからである。例えば変調部５の透過型液晶の開口率がそれほど高くない場合でも、解像度が低いことでその点を補うことができる。変調部５の位置は表示素子２よりも像焦点がズレており、この意味においても変調部５が高い解像度を持つ必要性は低いといえる。

　先に説明した図１２の形態において、中間状態の偏光光（Ｘ偏光光及びＹ偏光光以外の偏光光）を作り出す代わりに、時系列的にＸ偏光光及びＹ偏光光の割合を切り替えてもよい。また、先に説明した図１等の光路部６について、液晶ポリマーの積層ではなく、ＸＹに異なった分散性を持つ複屈折結晶を配置してもよい。例えばＣａＣＯ_３結晶（方解石）、α－ＢａＢ２Ｏ４等が挙げられる。

３．効果の例
　以上で説明した技術は、例えば次のように特定される。なお、下記における光路部６は、矛盾の無い範囲において、光路部８に適宜読み替えられてよい。開示される技術の１つは、光学系３である。図１～図７等を参照して説明したように、光学系３は、表示素子２からの光を結像する。光学系３は、変調部５と、光路部６と、を備える。変調部５は、表示素子２の各部分からの光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、表示素子２の各部分からの光を個別に偏光変調する。光路部６は、変調部５によって偏光変調された光が通過する部分である。光路部６は、光路部６を通過する光の光路長が、その光が光路部６に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される。

　上記の光学系３によれば、変調部５による偏光変調及び光路部６の組合せによって、表示素子２の各部分からの光の光路長を変化させることができる。これにより虚像位置を調整できるようになるので、輻輳調整矛盾への対処が可能になる。例えば特許文献１のように表示素子２を移動させる必要が無く、その分、装置の大型化を抑制することができる。輻輳調整矛盾に対処しつつ装置の大型化を抑制することができる。

　図２等を参照して説明したように、変調部５は、各々に液晶分子５ｍが配置され個別に駆動される複数の液晶部５１を含み、複数の液晶部５１それぞれに、表示素子２の各部分のうちの対応する部分からの光が入射し、液晶部５１の駆動は、その液晶部５１に配置された液晶分子５ｍの状態（例えば液晶分子５ｍの向き）を変えることを含んでよい。例えばこのような構成を備える変調部５によって、表示素子２の各部分からの光を個別に偏光変調することができる。

　図３等を参照して説明したように、光路部６は、光路部６を通過する光の屈折率がその光の偏光方向によって異なるように構成されてよい。その場合、光路部６は、同じ向きに配置された複数の液晶分子６ｍを含んでよい。例えばこのような構成を備える光路部６によって、光路部６を通過する光の光路長を、入射時の偏光方向によって異ならせることができる。

　図５～図７等を参照して説明したように、光路部８は、変調部５からの直線偏光光を、その直線偏光光の偏光方向に応じた円偏光光に変える波長板８１（第１の波長板）と、波長板８１からの円偏光光を、その円偏光光の回転方向に応じた直線偏光光に変える波長板８２（第２の波長板）と、波長板８１及び波長板８２の間に配置されたハーフミラー８１ａと、波長板８２を挟んで波長板８１とは反対側に配置され、所定の直線偏光光を通過させ、他の直線偏光光を反射する反射偏光板８２ａと、を含んでよい。例えばこのような構成を備える光路部８によっても、光路部８を通過する光の光路長を、入射時の偏光方向によって異ならせることができる。

　図１及び図４等を参照して説明したように、光学系３は、表示素子２及び変調部５の間に配置され、表示素子２からの光のうち、所定の偏光光だけを通過させる偏光板４を備えてよい。表示素子２がさまざまな方向の偏光光を含む光を発する場合でも、変調部５に入射する偏光光を限定することができる。例えば、表示素子２は、ＯＬＥＤ（Organic　Light　Emitting　Diode）を含んで構成されてよい。

　図１等を参照して説明したように、光学系３は、光路部６を挟んで変調部５とは反対側に配置され、光路部６からの光を所定の偏光光に整流する偏光板７を備えてよい。これにより、光路部６を通過した後の最終的な偏光光を統一することができる。光学系３は、表示素子２からの光を結像するための複数のレンズを備え、複数のレンズは、変調部５及び光路部６の間に設けられたレンズＬ１と、光路部６（或いは光路部６及び偏光板７）を挟んで変調部５とは反対側に順に設けられたレンズＬ２及びレンズＬ３と、を含んでよい。例えばこのようなトリプルパス構成を採用することができる。

　図８～図１０等を参照して説明したように、光学系３は、変調部５－２と、光路部６－２と、を備えてよい。変調部５－２は、表示素子２の各部分からの光であって光路部６を通過した光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、表示素子２の各部分からの光であって光路部６を通過した光を個別に偏光変調する第２の変調部である。光路部６－２は、変調部５－２によって偏光変調された光が通過する第２の光路部である。光路部６－２は、光路部６－２を通過する光の光路長が、その光が光路部６－２に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される。これにより、変調部５及び光路部６を１つずつだけ備える場合よりも、さらに多くの異なる虚像位置を与えることができる。

　図１１等を参照して説明したように、変調部５には、波長板５ａが積層されていてよい。これにより、波長の広帯域化を図ることができる。

　図１～図４等を参照して説明したように、表示素子２は、ＸＹ平面方向に延在し、変調部５の偏光変調によって得られる複数の偏光光は、Ｘ軸方向に偏光されたＸ偏光光及びＹ軸方向に偏光されたＹ偏光光を含んでよい。例えばこのような偏光光を利用して、表示素子２の各部分からの光の光路長を変化させ、異なる虚像位置を与えることができる。図１２等を参照して説明したように、複数の偏光光は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の間の方向に偏光された偏光光を含んでよい。これにより、異なる虚像位置を混ぜ合わせて、疑似的な中間状態の虚像位置を与えることができる。

　図１～図７等を参照して説明した表示装置１も、開示される技術の１つである。表示装置１は、表示素子２と、表示素子２からの光を結像する光学系３と、を備える。光学系３については上述のとおりである。このような表示装置１によっても、これまで説明したように、輻輳調整矛盾に対処しつつ装置の大型化を抑制することができる。

　図１３等を参照して説明したように、表示装置１は、アイセンシング用のカメラ１０を備えてよい。例えばアイセンシングの結果に基づく虚像位置の調整が可能になる。

　なお、本開示に記載された効果は、あくまで例示であって、開示された内容に限定されない。他の効果があってもよい。

　以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示の技術的範囲は、上述の実施形態そのままに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、異なる実施形態及び変形例にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

　なお、本技術は以下のような構成も取ることができる。
（１）
　表示素子からの光を結像する光学系であって、
　前記表示素子の各部分からの光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、前記表示素子の各部分からの光を個別に偏光変調する変調部と、
　前記変調部によって偏光変調された光が通過する光路部と、
　を備え、
　前記光路部は、当該光路部を通過する光の光路長が、当該光が当該光路部に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される、
　光学系。
（２）
　前記変調部は、各々に液晶分子が配置され個別に駆動される複数の液晶部を含み、
　前記複数の液晶部それぞれに、前記表示素子の各部分のうちの対応する部分からの光が入射し、
　前記液晶部の前記駆動は、当該液晶部に配置された前記液晶分子の状態を変えることを含む、
　（１）に記載の光学系。
（３）
　前記液晶分子の状態は、前記液晶分子の向きを含む、
　（２）に記載の光学系。
（４）
　前記光路部は、当該光路部を通過する光の屈折率が当該光の偏光方向によって異なるように構成される、
　（１）～（３）のいずれかに記載の光学系。
（５）
　前記光路部は、同じ向きに配置された複数の液晶分子を含む、
　（４）に記載の光学系。
（６）
　前記光路部は、
　前記変調部からの直線偏光光を、当該直線偏光光の偏光方向に応じた円偏光光に変える第１の波長板と、
　前記第１の波長板からの円偏光光を、当該円偏光光の回転方向に応じた直線偏光光に変える第２の波長板と、
　前記第１の波長板及び前記第２の波長板の間に配置されたハーフミラーと、
　前記第２の波長板を挟んで前記第１の波長板とは反対側に配置され、所定の直線偏光光を通過させ、他の直線偏光光を反射する反射偏光板と、
　を含む、
　（１）～（３）のいずれかに記載の光学系。
（７）
　前記表示素子及び前記変調部の間に配置され、前記表示素子からの光のうち、所定の偏光光だけを通過させる偏光板を備える、
　（１）～（６）のいずれかに記載の光学系。
（８）
　前記表示素子は、ＯＬＥＤ（Organic　Light　Emitting　Diode）を含んで構成される、
　（１）～（７）のいずれかに記載の光学系。
（９）
　前記光路部を挟んで前記変調部とは反対側に配置され、前記光路部からの光を所定の偏光光に整流する偏光板を備える、
　（１）～（８）のいずれかに記載の光学系。
（１０）
　前記表示素子からの光を結像するための複数のレンズを備え、
　前記複数のレンズは、
　　前記変調部及び前記光路部の間に設けられたレンズと、
　　前記光路部を挟んで前記変調部とは反対側に順に設けられた２つのレンズと、
　を含む、
　（１）～（９）のいずれかに記載の光学系。
（１１）
　前記表示素子の各部分からの光であって前記光路部を通過した光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、前記表示素子の各部分からの光であって前記光路部を通過した光を個別に偏光変調する第２の変調部と、
　前記第２の変調部によって偏光変調された光が通過する第２の光路部と、
　を備え、
　前記第２の光路部は、当該光路部を通過する光の光路長が、当該光が当該第２の光路部に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される、
　（１）～（１０）のいずれかに記載の光学系。
（１２）
　前記変調部には、波長板が積層されている、
　（１）～（１１）のいずれかに記載の光学系。
（１３）
　前記表示素子は、ＸＹ平面方向に延在し、
　前記変調部の偏光変調によって得られる前記複数の偏光光は、Ｘ軸方向に偏光されたＸ偏光光及びＹ軸方向に偏光されたＹ偏光光を含む、
　（１）～（１２）のいずれかに記載の光学系。
（１４）
　前記表示素子は、ＸＹ平面方向に延在し、
　前記変調部の偏光変調によって得られる前記複数の偏光光は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の間の方向に偏光された偏光光を含む、
　（１）～（１３）のいずれかに記載の光学系。
（１５）
　表示素子と、
　前記表示素子からの光を結像する光学系と、
　を備え、
　前記光学系は、
　　前記表示素子の各部分からの光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、前記表示素子の各部分からの光を個別に偏光変調する変調部と、
　　前記変調部によって偏光変調された光が通過する光路部と、
　を含み、
　前記光路部は、当該光路部を通過する光の光路長が、当該光が当該光路部に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される、
　表示装置。
（１６）
　アイセンシング用のカメラを備える、
　（１５）に記載の表示装置。

　　１　表示装置
　　２　表示素子
　　３　光学系
　　４　偏光板
　　５　変調部
　５１　液晶部
　５ａ　波長板
　５ｍ　液晶分子
　　６　光路部
　６ｍ　液晶分子
　　７　偏光板
　　８　光路部
　８１　波長板
８１ａ　ハーフミラー
　８２　波長板
８２ａ　反射偏光板
　　９　投影機
　１０　カメラ
　　Ｂ　平板
　　Ｅ　眼部
　Ｌ１　レンズ
　Ｌ２　レンズ
　Ｌ３　レンズ
　　Ｐ　物点

Claims (16)

1. 　表示素子からの光を結像する光学系であって、
   　前記表示素子の各部分からの光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、前記表示素子の各部分からの光を個別に偏光変調する変調部と、
   　前記変調部によって偏光変調された光が通過する光路部と、
   　を備え、
   　前記光路部は、当該光路部を通過する光の光路長が、当該光が当該光路部に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される、
   　光学系。
2. 　前記変調部は、各々に液晶分子が配置され個別に駆動される複数の液晶部を含み、
   　前記複数の液晶部それぞれに、前記表示素子の各部分のうちの対応する部分からの光が入射し、
   　前記液晶部の前記駆動は、当該液晶部に配置された前記液晶分子の状態を変えることを含む、
   　請求項１に記載の光学系。
3. 　前記液晶分子の状態は、前記液晶分子の向きを含む、
   　請求項２に記載の光学系。
4. 　前記光路部は、当該光路部を通過する光の屈折率が当該光の偏光方向によって異なるように構成される、
   　請求項１に記載の光学系。
5. 　前記光路部は、同じ向きに配置された複数の液晶分子を含む、
   　請求項４に記載の光学系。
6. 　前記光路部は、
   　前記変調部からの直線偏光光を、当該直線偏光光の偏光方向に応じた円偏光光に変える第１の波長板と、
   　前記第１の波長板からの円偏光光を、当該円偏光光の回転方向に応じた直線偏光光に変える第２の波長板と、
   　前記第１の波長板及び前記第２の波長板の間に配置されたハーフミラーと、
   　前記第２の波長板を挟んで前記第１の波長板とは反対側に配置され、所定の直線偏光光を通過させ、他の直線偏光光を反射する反射偏光板と、
   　を含む、
   　請求項１に記載の光学系。
7. 　前記表示素子及び前記変調部の間に配置され、前記表示素子からの光のうち、所定の偏光光だけを通過させる偏光板を備える、
   　請求項１に記載の光学系。
8. 　前記表示素子は、ＯＬＥＤ（Organic　Light　Emitting　Diode）を含んで構成される、
   　請求項１に記載の光学系。
9. 　前記光路部を挟んで前記変調部とは反対側に配置され、前記光路部からの光を所定の偏光光に整流する偏光板を備える、
   　請求項１に記載の光学系。
10. 　前記表示素子からの光を結像するための複数のレンズを備え、
    　前記複数のレンズは、
    　　前記変調部及び前記光路部の間に設けられたレンズと、
    　　前記光路部を挟んで前記変調部とは反対側に順に設けられた２つのレンズと、
    　を含む、
    　請求項１に記載の光学系。
11. 　前記表示素子の各部分からの光であって前記光路部を通過した光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、前記表示素子の各部分からの光であって前記光路部を通過した光を個別に偏光変調する第２の変調部と、
    　前記第２の変調部によって偏光変調された光が通過する第２の光路部と、
    　を備え、
    　前記第２の光路部は、当該光路部を通過する光の光路長が、当該光が当該第２の光路部に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される、
    　請求項１に記載の光学系。
12. 　前記変調部には、波長板が積層されている、
    　請求項１に記載の光学系。
13. 　前記表示素子は、ＸＹ平面方向に延在し、
    　前記変調部の偏光変調によって得られる前記複数の偏光光は、Ｘ軸方向に偏光されたＸ偏光光及びＹ軸方向に偏光されたＹ偏光光を含む、
    　請求項１に記載の光学系。
14. 　前記表示素子は、ＸＹ平面方向に延在し、
    　前記変調部の偏光変調によって得られる前記複数の偏光光は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の間の方向に偏光された偏光光を含む、
    　請求項１に記載の光学系。
15. 　表示素子と、
    　前記表示素子からの光を結像する光学系と、
    　を備え、
    　前記光学系は、
    　　前記表示素子の各部分からの光が、偏光方向の異なる複数の偏光光のうちのいずれかの偏光光になるように、前記表示素子の各部分からの光を個別に偏光変調する変調部と、
    　　前記変調部によって偏光変調された光が通過する光路部と、
    　を含み、
    　前記光路部は、当該光路部を通過する光の光路長が、当該光が当該光路部に入射したときの偏光方向によって異なるように構成される、
    　表示装置。
16. 　アイセンシング用のカメラを備える、
    　請求項１５に記載の表示装置。

Images