WO2014129630A1 - 光学系、光学部材、マイクロミラーアレイ、表示装置および撮像装置 - Google Patents

Abstract

　光学系は、第１円偏光成分の光を反射し、第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分の光を透過する凹面を有する第１光学部材と、第１光学部材で反射した第１円偏光成分の光を第２円偏光成分の光に変換して反射し、第１光学部材に入射させる第２光学部材とを有する。

Description

光学系、光学部材、マイクロミラーアレイ、表示装置および撮像装置

　本発明は、光学系、光学部材、マイクロミラーアレイ、表示装置および撮像装置に関する。

　従来、複数のマイクロレンズから成るマイクロレンズアレイを表示素子と組み合わせることにより、立体画像を鑑賞する技術が知られている。例えば特許文献１には、複数の表示画素から射出された光束を合成して三次元像を形成する複数のマイクロレンズを二次元状に配列したマイクロレンズアレイを備える画像表示装置が記載されている。

日本国特開２０１２－２２３０７号公報

　特許文献１に記載の三次元画像表示装置には、マイクロレンズの焦点位置に表示素子を配置する必要があるが、マイクロレンズの焦点距離を短くすることは光学性能上困難であり、結果として三次元表示装置全体の薄型化が難しいという問題があった。

　本発明の第１の態様によると、光学系は、第１円偏光成分の光を反射し、第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分の光を透過する凹面を有する第１光学部材と、第１光学部材で反射した第１円偏光成分の光を第２円偏光成分の光に変換して反射し、第１光学部材に入射させる第２光学部材とを有する。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の光学系において、第２光学部材は、第１直線偏光成分の光を透過し、第１直線偏光成分と直交する第２直線偏光成分の光を反射する偏光板と、第１直線偏光成分の光を第１円偏光成分の光に変換する波長板とを有することが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、表示装置は、第１円偏光成分の光を反射し、第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分の光を透過する凹面を有する第１光学部材と、第１光学部材で反射した第１円偏光成分の光を第２円偏光成分の光に変換して反射し、第１光学部材に入射させる第２光学部材とを有する複数の光学系と、複数の光学系に隣接して配置された表示面を有する表示部とを備える。
　本発明の第４の態様によると、第３の態様の表示装置において、凹面の焦点位置と光学的に略等価な位置に表示面が配置されていることが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、第３または第４の態様の表示装置において、複数の光学系は、光学系毎に表示面の複数の表示画素に対応して配置されていることが好ましい。
　本発明の第６の態様によると、第３から５の何れか１の態様の表示装置において、三次元画像の観察と、二次元画像の観察とが可能であることが好ましい。
　本発明の第７の態様によると、第６の態様の表示装置において、第２光学部材は液晶板を有し、液晶板への印加電圧の切り替えにより三次元画像の観察と、二次元画像の観察とを切換えることが好ましい。
　本発明の第８の態様によると、光学系は、第１直線偏光成分の光を透過し、第１直線偏光成分と直交する第２直線偏光成分の光を反射する偏光板と、第１直線偏光成分の光を第１円偏光成分の光に変換する波長板と、第１円偏光成分の光を反射し、第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分の光を透過する凹面を有する光学部材とを有する。
　本発明の第９の態様によると、表示装置は、第１直線偏光成分の光を透過し、第１直線偏光成分と直交する第２直線偏光成分の光を反射する偏光板と、第１直線偏光成分の光を第１円偏光成分の光に変換する波長板と、第１円偏光成分の光を反射し、第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分の光を透過する凹面を有する光学部材とを有する複数の光学系と、複数の光学系に隣接して配置された表示面を有する表示部とを備える。
　本発明の第１０の態様によると、光学部材は、第１直線偏光成分を透過し第１直線偏光成分と直交する第２直線偏光成分を反射する反射型直線偏光板と、反射型直線偏光板の一方の面に対向して配置された四分の一波長板と、四分の一波長板に対向する凹面を有し、凹面に入射した第１直線偏光成分に対応する回転方向の第１円偏光成分を反射し第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分を透過する反射鏡と、を備える。
　本発明の第１１の態様によると、第１０の態様の光学部材において、四分の一波長板と反射型直線偏光板との間に配置され、二分の一波長板と略同一の光学特性を有する第１状態と入射光の偏光状態を変化させずに透過する第２状態とを電気的に切替可能な切替部材を備えることが好ましい。
　本発明の第１２の態様によると、第１０または１１の態様の光学部材において、反射鏡は、凹面を形成した透明基材を有することが好ましい。
　本発明の第１３の態様によると、第１２の態様の光学部材において、反射鏡は、凹面に充填され透明基材と同一の屈折率を有する充填部材を有することが好ましい。
　本発明の第１４の態様によると、第１０～１３のいずれか一態様の光学部材において、凹面とその裏面である凸面との一方にコレステリック液晶が塗布されることが好ましい。
　本発明の第１５の態様によると、マイクロミラーアレイは、第１０～１４のいずれか一態様の光学部材を一次元状または二次元状に複数配列した。
　本発明の第１６の態様によると、表示装置は、第１５の態様のマイクロミラーアレイと、表示面が反射型直線偏光板と凹面の裏面との一方に対向するように配置された表示部と、を備える。
　本発明の第１７の態様によると、撮像装置は、第１５の態様のマイクロミラーアレイと、撮像面が反射型直線偏光板と凹面の裏面との一方に対向するように配置された撮像素子と、を備える。

　本発明によれば、光学系、光学部材、マイクロミラーアレイ、表示装置および撮像装置を薄型化することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る表示装置の構成を模式的に示す斜視図である。 第１の実施の形態に係るマイクロレンズの構成を模式的に示す断面図である。 第２の実施の形態に係るマイクロレンズの構成を模式的に示す断面図である。 第３の実施の形態に係るマイクロレンズの構成を模式的に示す断面図である。 第４の実施の形態に係るマイクロレンズの構成を模式的に示す断面図である。 凸レンズを使用した簡単な近接眼観察システムを示す図である。 偏光折り返し光学系をヘッドマウントディスプレイシステムに応用した例を示す図である。

（第１の実施の形態）
　図１は、本発明の第１の実施の形態に係る表示装置の構成を模式的に示す斜視図である。表示装置１００は、いわゆるインテグラルフォトグラフィ方式の立体映像表示装置であり、液晶ディスプレイ１１０と、液晶ディスプレイ１１０の表示面に対向して設置されたマイクロミラーアレイ１２０とを備える。液晶ディスプレイ１１０の表示面には、矩形形状を有する多数の表示画素（ピクセル）１１１が二次元状に正方配列されている。

　マイクロミラーアレイ１２０は、円形形状を有する多数のマイクロミラー１２１を二次元状に千鳥配列したものである。液晶ディスプレイ１１０の表示面全体のうち、１つのマイクロミラー１２１により被覆される範囲には、複数の表示画素１１１が存在している。

　なお、図１ではマイクロミラーアレイ１２０と液晶ディスプレイ１１０とを模式的に間隔を空けて図示しているが、実際にはマイクロミラーアレイ１２０と液晶ディスプレイ１１０との間隔は非常に少ないか、または存在しない。本実施形態では、マイクロミラーアレイ１２０は薄いフィルム状に形成され、液晶ディスプレイ１１０の表示面に貼り合わされる。

　液晶ディスプレイ１１０の表示面には、例えばマイクロミラーアレイ１２０を介して撮影した画像が表示される。液晶ディスプレイ１１０に表示されたこの画像を、観察者がマイクロミラーアレイ１２０を介して観察すると、観察者は三次元の立体画像を視認することができる。このような三次元画像の閲覧方式は、インテグラルフォトグラフィ方式として周知である。

（マイクロミラーの構成の説明）
　図２は、マイクロミラー１２１の構成を模式的に示す断面図である。マイクロミラーアレイ１２０は、図２に示したマイクロミラー１２１が二次元状に多数配列されたものである。なお、図２では分かりやすさのために、１つのマイクロミラー１２１を構成する各部材および液晶ディスプレイ１１０を互いに分離して図示しているが、実際には各部材は密着して形成される。

　マイクロミラー１２１は、液晶ディスプレイ１１０の表示面側から順に、反射型直線偏光板１２２と、四分の一波長（１／４λ）板１２３と、反射鏡１２４と、を積層することにより形成される。

　反射型直線偏光板１２２は、入射光のうちＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過させる機能を有する。四分の一波長板１２３は、反射型直線偏光板１２２の軸に対して４５度の向きに設置される。

　反射鏡１２４は、透明基板に凹面を形成した後、凹面を透明基板と同一な屈折率を持つ光学接着剤で充填したものである。凹面（またはその裏側の凸面）にはコレステリック液晶が塗布され、円偏光分離層を形成している。コレステリック液晶による円偏光分離層は、左円偏光を通過させ、右円偏光を右円偏光のまま反射させる。反射鏡１２４は、その焦点位置に液晶ディスプレイ１１０の表示面が位置するよう設置される。凹面は右円偏光に対し反射鏡として働くので、凹面の曲率半径Ｒに対し、その焦点距離ｆはＲ／２となる。これに対して、従来の平凸マイクロレンズの場合には、焦点距離ｆは２Ｒとなる。つまり、反射鏡１２４を用いることにより、焦点距離ｆを従来の１／４の長さにできるということである。

　以上のように形成されたマイクロミラー１２１の働きについて説明する。図２の右側に置かれた液晶ディスプレイ１１０の表示面から反射型直線偏光板１２２に対して、Ｐ偏光の光１０が出射する。Ｐ偏光の光１０は反射型直線偏光板１２２を透過して四分の一波長板１２３に入射する。そして、四分の一波長板１２３を通過することにより右円偏光１１に変化し、反射鏡１２４の凹面に入射する。前述の通り、凹面は円偏光分離層により、右円偏光１１に対し凹面鏡として働く。

　右円偏光１１は反射鏡１２４の凹面で反射し、再び四分の一波長板１２３に向かう。右円偏光１１は四分の一波長板１２３を通過することによりＳ偏光の光１２に変化し、反射型直線偏光板１２２に入射する。反射型直線偏光板１２２はＳ偏光の光１２を反射させる。反射したＳ偏光の光１２は四分の一波長板１２３を通過して左円偏光１３になり、反射鏡１２４を透過して観察者に向かう。前述の通り、反射鏡１２４の凹面には、透明基板と同一な屈折率を持つ光学接着剤が充填されているので、反射鏡１２４を透過する左円偏光１３は凹面による屈折効果を受けない。

　以上のように、マイクロミラーアレイ１２０からは、液晶ディスプレイ１１０の表示面に焦点を持つ光束が、観察者に向けて出射される。

　上述した第１の実施の形態による表示装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）マイクロミラー１２１は、四分の一波長板１２３と、四分の一波長板１２３の一方の面に対向して配置され、Ｐ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射する反射型直線偏光板１２２と、四分の一波長板１２３の他方の面に対向する凹面を有し、凹面に入射した右円偏光成分を反射し左円偏光成分を透過する反射鏡１２４とを備える。このようにしたので、マイクロミラーアレイ１２０を用いる表示装置１００を薄型化することができる。また、従来のマイクロレンズに比べて、開放絞り値が小さく（明るく）且つ色収差が生じないマイクロミラーを用意することが可能になる。

（２）反射鏡１２４は、凹面を形成した透明基材を有し、凹面には透明基材と同一の屈折率を有する光学接着剤が充填される。このようにしたので、左円偏光成分が、凹面により屈折効果を受けることなく反射鏡１２４を透過することができる。

（３）表示装置１００は、マイクロミラー１２１を二次元状に複数配列したマイクロミラーアレイ１２０と、表示面が反射鏡１２４の凹面の裏面に対向するように配置された液晶ディスプレイ１１０とを備える。このようにしたので、表示装置１００を薄型化することができる。

（第２の実施の形態）
　上述した第１の実施の形態の表示装置には、観察者側からマイクロミラー１２１に向かって入射する外光によって、液晶ディスプレイ１１０に表示された映像のコントラストが低下してしまうという問題がある。以下、この問題を解決した、第２の実施の形態に係る表示装置の構成を説明する。

　図３は、第２の実施の形態に係るマイクロミラーの構成を模式的に示す断面図である。なお、以下の説明では、第１の実施の形態に係る表示装置との違いについて説明し、第１の実施の形態と同一の部材については第１の実施の形態と同一の符号を付して説明を省略する。

　マイクロミラー２２１は、第１の実施の形態に係るマイクロミラー１２１に、反射鏡１２４の凸面（円偏光分離層が形成されている凹面の裏面）に対向する四分の一波長板１２５と、四分の一波長板１２５を介して反射鏡１２４の凸面に対向する吸収型直線偏光板１２６と、を付け加えた構成を有する。四分の一波長板１２５は、既に説明した四分の一波長板１２３と同一の構成を有する部材である。吸収型直線偏光板１２６は、入射光のうちＳ偏光成分を吸収し、Ｐ偏光成分を透過させる機能を有する。

　図３の右側に置かれた液晶ディスプレイ１１０の表示面から反射型直線偏光板１２２に対して、Ｐ偏光の光１０が出射する。この光１０は、第１の実施の形態で説明した経路を辿り、左円偏光１３となって反射鏡１２４を出射する。左円偏光１３は四分の一波長板１２５を通過してＰ偏光の光１４となり、吸収型直線偏光板１２６を透過して観察者に向かう。

　次に、観察者側からマイクロミラー２２１に入射する外光について検討する。吸収型直線偏光板１２６および四分の一波長板１２５が存在しない場合（すなわち図２に示す第１の実施の形態と同様の構成の場合）、図２の左側から反射鏡１２４に向かう外光のうち右円偏光成分は、反射鏡１２４の凸面で反射して観察者側に向かう。つまり、外光が反射鏡１２４で反射して観察者側に戻されてしまうので、観察対象の映像のコントラストが低下してしまう。

　他方、本実施形態では、外光のうちＳ偏光成分は吸収型直線偏光板１２６により吸収され、Ｐ偏光成分のみが吸収型直線偏光板１２６を透過する。このＰ偏光成分の光は、四分の一波長板１２５を通過して右偏光成分の光に変化し、反射鏡１２４の凸面で反射して再び四分の一波長板１２５に向かう。この右円偏光成分は四分の一波長板１２５を通過することによりＳ偏光成分の光に変化し、吸収型直線偏光板１２６により吸収される。以上のように、外光は全て吸収型直線偏光板１２６により吸収される。

　上述した第２の実施の形態による表示装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）マイクロミラー２２１は、反射鏡１２４の凸面に対向して設けられ、Ｐ偏光成分を透過しＳ偏光成分を吸収する吸収型直線偏光板１２６と、反射鏡１２４と吸収型直線偏光板１２６との間に設けられた四分の一波長板１２５とを備える。このようにしたので、外光による観察像のコントラスト低下を防止することができる。

（第３の実施の形態）
　以下、本発明の第３の実施の形態に係る表示装置について説明する。なお、以下の説明では、第２の実施の形態に係る表示装置との違いについて説明し、第２の実施の形態と同一の部材については第２の実施の形態と同一の符号を付して説明を省略する。

　図４（ａ）は、第３の実施の形態に係るマイクロミラーの構成を模式的に示す断面図である。マイクロミラー３２１は、第２の実施の形態に係るマイクロミラー２２１に、反射型直線偏光板１２２と四分の一波長板１２３との間に設けられた液晶板１２７を付け加えた構成を有する。

　液晶板１２７は、透明電極を貼り付けた一対の透明基材の間に液晶素子による液晶層を形成したものであり、透明電極への電圧の印加の有無（液晶層への電圧の印加の有無）に応じて液晶素子の配向方向が変化し、入射光がそのまま出射するか、１８０度の位相差を生じて出射するかを切り替えることができる。例えば、電圧が印加されている場合には、入射光はそのままの状態で液晶板１２７を通過し、電圧が印加されていない場合には入射光は１８０度の位相差を生じて出射する。つまり液晶板１２７は、電圧の印加に応じて、液晶板１２７の位置に二分の一偏光板を抜き差しするのと同様の効果が得られる部材である。このような部材は、例えばＴＮ型やＳＴＮ型の液晶パネルとして周知である。

　本実施形態の表示装置は、三次元画像の観察に加えて、二次元画像の観察を行うことができる。三次元画像の観察を行いたい場合、表示装置は液晶板１２７に電圧を印加する。このとき、図４（ａ）に示すように、液晶板１２７に入射した光は入射したときと同じ偏光方向のままで液晶板１２７から出射するので、マイクロミラー３２１は、図３で説明した第２の実施の形態のマイクロミラー２２１と同様に働く。

　他方、二次元画像の観察を行いたい場合には、表示装置は液晶板１２７に電圧を印加しない。このとき、図４（ｂ）に示すように、液晶ディスプレイ１１０から出射したＰ偏光の光１０が液晶板１２７に入射すると、液晶板１２７の液晶層により１８０度の位相差が生じ、Ｓ偏光の光１５に変化する。Ｓ偏光の光１５は四分の一波長板１２３を通過することにより左円偏光１６に変化して反射鏡１２４に向かう。左円偏光１６は反射鏡１２４の円偏光分離層を透過して四分の一波長板１２５を通過し、Ｐ偏光の光１７に変化する。Ｐ偏光の光１７は、吸収型直線偏光板１２６を透過して観察者に向かう。つまり、液晶板１２７に電圧が印加されない場合には、液晶ディスプレイ１１０からの光はマイクロミラー３２１を素通りして観察者に向かう。

　上述した第３の実施の形態による表示装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）マイクロミラー３２１は、四分の一波長板１２３と反射型直線偏光板１２２との間に配置され、二分の一波長板と略同一の光学特性を有する状態と、入射光の偏光状態を変化させずに透過する状態とを電気的に切替可能な液晶板１２７を備える。このようにしたので、三次元画像の観察と二次元画像の観察とを電気的に切り替えることができる。

（第４の実施の形態）
　以下、本発明の第４の実施の形態に係る表示装置について説明する。なお、以下の説明では、第２の実施の形態に係る表示装置との違いについて説明し、第２の実施の形態と同一の部材については第２の実施の形態と同一の符号を付して説明を省略する。

　図５は、第４の実施の形態に係るマイクロミラーの構成を模式的に示す断面図である。マイクロミラー４２１は、第２の実施の形態に係るマイクロミラー２２１と同様に、反射型直線偏光板１２２と、四分の一波長板１２３と、反射鏡４２４と、四分の一波長板１２５と、吸収型直線偏光板１２６とを備える。反射鏡４２４の円偏光分離層は、第２の実施の形態とは逆に、右円偏光成分を透過し左円偏光成分を反射するように構成される。

　マイクロミラー４２１を構成する各部材の配置は、第２の実施の形態とは異なる。具体的には、液晶ディスプレイ１１０の表示面から順に、四分の一波長板１２５、反射鏡４２４、四分の一波長板１２３、反射型直線偏光板１２２、吸収型直線偏光板１２６の順で各部材が配置されている。また、反射鏡４２４は、凹面が液晶ディスプレイ１１０に対して凸になるように配置されている。つまり、反射鏡４２４は観察者の方向を向いて配置されている。なお、反射鏡４２４は、その焦点位置と光学的に等価な位置に液晶ディスプレイ１１０の表示面が位置するように配置される。

　以下、図５を参照して、本実施の形態におけるマイクロミラー４２１の働きを説明する。図５の右側に置かれた液晶ディスプレイ１１０の表示面から四分の一波長板１２５に対して、Ｐ偏光の光１０が出射する。Ｐ偏光の光１０は四分の一波長板１２５を通過することにより右円偏光２０に変化する。右円偏光２０は反射鏡４２４の凸面を通過して四分の一波長板１２３に向かう。前述の通り、反射鏡４２４の凹面には、透明基板と同一な屈折率を持つ光学接着剤が充填されているので、反射鏡４２４を透過する右円偏光２０は凹面による屈折効果を受けない。

　右円偏光２０は四分の一波長板１２３を通過することによりＳ偏光の光２１に変化する。Ｓ偏光の光２１は反射型直線偏光板１２２に向かい、反射型直線偏光板１２２により反射されて再び四分の一波長板１２３に向かう。そして、四分の一波長板１２３を通過することにより左円偏光２２に変化する。

　この左円偏光２２は反射鏡４２４の凹面に向かう。前述の通り、凹面は円偏光分離層により、左円偏光２２に対し凹面鏡として働く。左円偏光２２は凹面で反射し、四分の一波長板１２３を通過してＰ偏光の光２３に変化する。Ｐ偏光の光２３は再び反射型直線偏光板１２２に向かい、反射型直線偏光板１２２および吸収型直線偏光板１２６を透過して観察者に向かう。以上のように、マイクロミラー４２１からは、液晶ディスプレイ１１０の表示面に焦点を持つ光束が、観察者に向けて出射される。

　なお、吸収型直線偏光板１２６は、第２の実施の形態と同様に、観察者側からマイクロミラー４２１に向かって入射する外光が観察者側に反射しないように設けられている。吸収型直線偏光板１２６が存在しない場合、マイクロミラー４２１に入射した外光のＳ円偏光成分は、反射型直線偏光板１２２によって観察者に向けて反射されてしまう。本実施形態では吸収型直線偏光板１２６により、外光のうち観察者側へ反射されてしまうＳ偏光成分を吸収しているので、外光によるコントラスト低下が発生しない。

　なお、第３の実施の形態で説明した液晶板１２７を反射型直線偏光板１２２と四分の一波長板１２３との間に設けることで、第３の実施の形態と同様に、三次元画像の観察と二次元画像の観察とを切り替えることができる。

　上述した第４の実施の形態による表示装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）反射鏡４２４の凹面は、観察者側を向いている。このようにしたので、反射鏡４２４の凹面に形成された円偏光分離層が左円偏光成分を完全に反射しきれない場合（つまり左円偏光成分の一部が反射鏡４２４を透過してしまう場合）であっても、反射鏡４２４を意図せず透過してしまった光は液晶ディスプレイ１１０の表示面に吸収され、観察者側に向かうことがない。

（第５の実施の形態）
　以下、本発明の第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態は、上記の実施の形態で説明をした表示装置の構成を近接眼観察システムであるヘッドマウントディスプレイシステム（ヘッドマウント表示装置）に応用した例を示す。

　図６は、凸レンズ５０１を使用した簡単な近接眼観察システムを示す。この図を使用して、近接眼観察システムであるヘッドマウントディスプレイシステムに凸レンズ５０１を使用した場合の問題点について説明をする。図６のヘッドマウントディスプレイシステムは、ルーペで２次元表示素子５１０を観察する方式である。たいていのヘッドマウントディスプレイシステムは、このタイプから一部光路を延長して表記を別のところに設けたり、レンズを複数枚入れたりする部分的な改良をおこなっているだけであって、本質的にこのシステムと変わりない。

　このシステムの問題点は、装置を小型化しようとするにはｆを小さくするほかないが、そうするとレンズの口径が制限される。具体的には、焦点距離ｆのレンズを実現するには曲率がｆ／２のレンズが必要で、この場合口径はｆより大きくなり得ない（ｆで半球）、また、口径をこの限界に近づくくらい大きくするとディストーションも大きくなり、実用に耐えなくなる。レンズの枚数を増やす選択肢もあるが、これは当然、装置の厚さを増やして、最初の焦点距離での小型化の方向性を阻害する。

　例えば、焦点距離ｆを２０ｍｍとすると、レンズの曲率ｒは１０ｍｍとなり、半球レンズならレンズ厚は（周辺―中心）は１０ｍｍとなる。

　そこで、上記の実施の形態で説明をした表示装置の構成を採用した偏光折り返し光学系をヘッドマウントディスプレイシステムに導入する。図７は、偏光折り返し光学系５２１をヘッドマウントディスプレイシステムに応用した例を示す。図では、説明の便宜上、ヘッドマウントディスプレイシステム５００として、眼球５０２に近接して配置される偏光折り返し光学系５２１および２次元表示素子５１０のみを記載し、その他の構成は省略している。

　本実施の形態の偏光折り返し光学系５２１は、第４の実施の形態のマイクロミラー４２１に第３の実施の形態の液晶板１２７を設けた構成に類似する。ただし、第４の実施の形態のマイクロミラー４２１は二次元状に多数配列しマイクロミラーアレイ１２０を構成するが、本第５の実施の形態の偏光折り返し光学系５２１は、１つの眼球５０２および１台の２次元表示素子５１０に対応して１つの偏光折り返し光学系５２１が設けられ、ヘッドマウントディスプレイ５００を構成する。すなわち、偏光折り返し光学系５２１は、図７からも分かるように、１つの眼球５０２に対応する大きさであって、第４の実施の形態のマイクロミラー４２１の１つの大きさよりかなり大きな光学系となる。

　偏光折り返し光学系５２１は、２次元表示素子５１０の表示面から順に、四分の一波長板５２５、反射鏡５２４、液晶板５２７、四分の一波長板５２３、反射型直線偏光板５２２が配置されている。２次元表示素子５１０は第４の実施の形態の液晶ディスプレイ１１０に対応し、四分の一波長板５２５は第４の実施の形態の四分の一波長板１２５に対応し、反射鏡５２４は第４の実施の形態の反射鏡４２４に対応し、液晶板５２７は第３の実施の形態の液晶板１２７に対応し、四分の一波長板５２３は第４の実施の形態の四分の一波長板１２３に対応し、反射型直線偏光板５２２は第４の実施の形態の反射型直線偏光板１２２に対応する。

　反射鏡５２４の円偏光分離層は、コレステリック液晶により形成され、第４の実施の形態と同様に、右円偏光成分を透過し左円偏光成分を反射するように構成されている。また、反射鏡５２４は、第４の実施の形態と同様に、凹面が２次元表示素子５１０に対して凸になるように配置されている。つまり、反射鏡５２４は観察者の方向を向いて配置されている。なお、反射鏡５２４は、その焦点位置と光学的に等価な位置に２次元表示素子５１０の表示面が位置するように配置される。

　以下、本実施の形態における偏光折り返し光学系５２１の働きを説明する。図７の右側に置かれた２次元表示素子５１０の表示面から四分の一波長板５２５に対して、Ｐ偏光の光が出射する。Ｐ偏光の光は四分の一波長板５２５を通過することにより右円偏光に変化する。右円偏光は反射鏡５２４の凸面を通過して液晶板５２７に向かう。第４の実施の形態と同様に、反射鏡５２４の凹面には、透明基板と同一な屈折率を持つ光学接着剤が充填されているので、反射鏡５２４を透過する右円偏光は凹面による屈折効果を受けない。

　液晶板５２７は、第３の実施の形態の液晶板１２７と同様な液晶板であり、透明電極への電圧の印加の有無（液晶層への電圧の印加の有無）に応じて液晶素子の配向方向が変化し、入射光がそのまま出射するか、１８０度の位相差を生じて出射するかを切り替えることができる。これにより、例えば、電圧が印加されている場合（オン）には、入射光はそのままの状態で液晶板５２７を通過し、電圧が印加されていない場合（オフ）には入射光は１８０度の位相差を生じて出射する。本実施の形態の偏光折り返し光学系５２１は、この液晶板５２７により、２次元表示素子５１０の像を拡大するかシースルーして拡大しないかを切り換えることができる。なお、液晶板５２７への電圧を印加するかしないかの制御（オンオフ制御）は制御装置５２８により行う。

　拡大画像の観察を行いたい場合、液晶板５２７に電圧を印加する。反射鏡５２４を通過した右円偏光は液晶板５２７に入射し、液晶板５２７に入射した光は入射したときと同じ偏光方向のまま、すなわち右円偏光のままで液晶板５２７から出射する。右円偏光は、四分の一波長板５２３を通過してＳ偏光の光に変化する。Ｓ偏光の光は反射型直線偏光板５２２に向かい、反射型直線偏光板５２２により反射されて再び四分の一波長板５２３に向かう。そして、四分の一波長板５２３を通過することにより左円偏光に変化する。

　この左円偏光は反射鏡５２４の凹面に向かう。前述の通り、凹面は円偏光分離層により、左円偏光に対し凹面鏡として働く。左円偏光は凹面で反射し、液晶板５２７をそのまま透過し四分の一波長板５２３に向かい、四分の一波長板５２３を通過してＰ偏光の光に変化する。Ｐ偏光の光は再び反射型直線偏光板５２２に向かい、反射型直線偏光板５２２を透過して観察者に向かう。以上のように、偏光折り返し光学系５２１からは、２次元表示素子５１０の表示面に焦点を持つ光束が、観察者に向けて出射される。

　他方、シースルーで拡大しない画像の観察を行いたい場合には、液晶板５２７に電圧を印加しない。このとき、反射鏡５２４を透過する右円偏光が液晶板５２７に入射すると、液晶板１２７の液晶層により１８０度の位相差が生じ、右円偏光に変化し四分の一波長板５２３に向かう。右円偏光の光は四分の一波長板５２３を通過することによりＰ偏光の光１７に変化する。Ｐ偏光の光は反射型直線偏光板５２２を透過して観察者に向かう。つまり、液晶板５２７に電圧が印加されない場合には、２次元表示素子５１０からの光は偏光折り返し光学系５２１を素通りして観察者に向かう。

　本実施の形態の偏光折り返し光学系５２１では、パワーは凹面鏡で発するので同じ焦点距離に対して曲率は４倍つまり、ｒ＝２ｆとなる。同口径だと厚さは２．４ｍｍとなる。さらに凹面から表示面までの距離は、表示素子（５１０）→１／４λ（５２５）→凹面鏡（通過）（５２４）→液晶（通過往路）→１／４λ（５２３）→偏光反射板（５２２）→１／４λ（５２３）→ＴＮ液晶（復路）（５２７）→凹面鏡（反射）（５２４）の経路をとるので凹面鏡の厚さと液晶板を２度通り、この空間を往復で利用することができるために、ほほ半減することができる。

　これから、中心厚を薄くして、必要であった焦点距離だけのスペースを半減することで全体の幅を半分程度にすることができる。この効果を口径の方向につかって、口径を大きくしてもよい、口径を大きくすると眼の位置の許容量が大きくなり、非常に見やすいあるいはｐｄ（瞳孔間距離）の調整を不要にする。

　一方、液晶板５２７で偏光面を回転すると、表示素子（５１０）→１／４λ（５２５）→凹面鏡（通過）（５２４）→ＴＮ液晶（通過往路）（５２７）→１／４λ（５２３）→偏光反射板（通過）（５２２）となり、この系は屈折力を有さない。これは制御装置５２８により動的に切り替えることが可能であるから、一定のデューティで切り替えをおこなえば、シースルーのディスプレイとなる。

　上述した第５の実施の形態によるヘッドマウントディスプレイシステムによれば、次のような作用効果が得られる。
（１）光学系を上記のような偏光折り返し光学系５２１としたので、ヘッドマウントディスプレイシステムの光学系として、薄型化され、開放絞り値が小さく（明るく）、かつ、色収差が生じない光学系を使用することが可能になる。

（２）また、このような偏光折り返し光学系５２１をヘッドマウントディスプレイシステムに使用することにより、ヘッドマウントディスプレイシステムの表示部を、薄型化し、開放絞り値を小さく（明るく）し、かつ、色収差がない像の観察が可能になる。

（３）さらに、２次元表示素子５１０の画像を拡大して観察するか、拡大せずシースルーで観察するかを液晶板５２７のオンオフにより電気的に切り替えることができる。

　次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。

（変形例１）
　上述した各実施の形態において、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との透過・反射（吸収）の関係は変更可能である。例えば図２において、反射型直線偏光板１２２がＳ偏光成分を透過しＰ偏光成分を反射するようにしてもよい。この場合、反射鏡１２４に形成された円偏光分離層は、右円偏光成分を透過し左円偏光成分を反射するように形成すればよい。また、吸収型直線偏光板１２６はＳ偏光成分を透過しＰ偏光成分を吸収するようにし、液晶ディスプレイ１１０からはＰ偏光成分の光でなくＳ偏光成分の光を出射させればよい。

（変形例２）
　マイクロミラーアレイにおける複数のマイクロミラーの配列は、上述した各実施の形態のような千鳥配列に限定されない。例えば複数のマイクロミラーを正方配列したマイクロミラーアレイに本発明を適用してもよい。

（変形例３）
　レンチキュラー方式により立体画像を観察する表示装置に本発明を適用することも可能である。この場合、細長い形状（短冊状）のレンチキュラーレンズを、上述した各実施の形態におけるマイクロミラーのように形成し、一次元状に配列することになる。

（変形例４）
　上述した各実施の形態では、三次元画像を観察可能な表示装置に本発明を適用した例について説明したが、本発明はそのような実施の形態に限定されない。例えば、撮像装置や光学系の収差測定装置に本発明を適用することも可能である。この場合、液晶ディスプレイ１１０の代わりに、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を、撮像面の位置が反射鏡１２４の焦点位置と合致するように設置すればよい。その他、従来は複数のマイクロレンズを利用していた種々の装置に、本発明の光学部材（マイクロミラー）を適用することが可能である。

（変形例５）
　第５の実施の形態では、偏光折り返し光学系５２１をヘッドマウントディスプレイに使用する例を説明したが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。偏光折り返し光学系５２１のような光学系を、観察対象を拡大して観察する種々の場合に応用することができる。また、変形例４と同様に、撮像装置や光学系の収差測定装置などに本発明を適用することも可能である。この場合、２次元表示素子５１０の代わりに、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を、撮像面の位置が反射鏡５２４の焦点位置と合致するように設置すればよい。

　本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１３年第３４５８５号（２０１３年２月２５日出願）

１００…表示装置、５００…ヘッドマウントディスプレイ、１１０…液晶ディスプレイ、５１０…２次元表示素子、１２０…マイクロミラーアレイ、１２１、２２１、３２１、４２１…マイクロミラー、５２１…偏光折り返し光学系、、１２２、５２２…反射型直線偏光板、１２３、１２５、５２３、５２５…四分の一波長板、１２４、４２４、５２４…反射鏡、１２６…吸収型直線偏光板、１２７、５２７…液晶板

Claims (17)

1. 　第１円偏光成分の光を反射し、前記第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分の光を透過する凹面を有する第１光学部材と、
   　前記第１光学部材で反射した前記第１円偏光成分の光を前記第２円偏光成分の光に変換して反射し、前記第１光学部材に入射させる第２光学部材と
   　を有する光学系。
2. 　第２光学部材は、第１直線偏光成分の光を透過し、前記第１直線偏光成分と直交する第２直線偏光成分の光を反射する偏光板と、前記第１直線偏光成分の光を第１円偏光成分の光に変換する波長板と、を有することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
3. 　第１円偏光成分の光を反射し、前記第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分の光を透過する凹面を有する第１光学部材と、前記第１光学部材で反射した前記第１円偏光成分の光を前記第２円偏光成分の光に変換して反射し、前記第１光学部材に入射させる第２光学部材とを有する複数の光学系と、
   　前記複数の光学系に隣接して配置された表示面を有する表示部と、
   を備える表示装置。
4. 　前記凹面の焦点位置と光学的に略等価な位置に前記表示面が配置されている請求項３記載の表示装置。
5. 　前記複数の光学系は、前記光学系毎に前記表示面の複数の表示画素に対応して配置されている請求項３または４に記載の表示装置。
6. 　三次元画像の観察と、二次元画像の観察とが可能である請求項３から５の何れか１項に記載の表示装置。
7. 　前記第２光学部材は液晶板を有し、前記液晶板への印加電圧の切り替えにより前記三次元画像の観察と、二次元画像の観察とを切換える請求項６記載の表示装置。
8. 　第１直線偏光成分の光を透過し、前記第１直線偏光成分と直交する第２直線偏光成分の光を反射する偏光板と、
   　前記第１直線偏光成分の光を第１円偏光成分の光に変換する波長板と、
   　前記第１円偏光成分の光を反射し、前記第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分の光を透過する凹面を有する光学部材と
   　を有する光学系。
9. 　第１直線偏光成分の光を透過し、前記第１直線偏光成分と直交する第２直線偏光成分の光を反射する偏光板と、前記第１直線偏光成分の光を第１円偏光成分の光に変換する波長板と、前記第１円偏光成分の光を反射し、前記第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分の光を透過する凹面を有する光学部材とを有する複数の光学系と、
   　前記複数の光学系に隣接して配置された表示面を有する表示部と、
   　を備える表示装置。
10. 　第１直線偏光成分を透過し前記第１直線偏光成分と直交する第２直線偏光成分を反射する反射型直線偏光板と、
    　前記反射型直線偏光板の一方の面に対向して配置された四分の一波長板と、
    　前記四分の一波長板に対向する凹面を有し、前記凹面に入射した前記第１直線偏光成分に対応する回転方向の第１円偏光成分を反射し前記第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分を透過する反射鏡と、
    を備える光学部材。
11. 　請求項１０に記載の光学部材において、
    　前記四分の一波長板と前記反射型直線偏光板との間に配置され、二分の一波長板と略同一の光学特性を有する第１状態と入射光の偏光状態を変化させずに透過する第２状態とを電気的に切替可能な切替部材を備える光学部材。
12. 　請求項１０または１１に記載の光学部材において、
    　前記反射鏡は、前記凹面を形成した透明基材を有する光学部材。
13. 　請求項１２に記載の光学部材において、
    　前記反射鏡は、前記凹面に充填され前記透明基材と同一の屈折率を有する充填部材を有する光学部材。
14. 　請求項１０～１３のいずれか一項に記載の光学部材において、
    　前記凹面とその裏面である凸面との一方にコレステリック液晶が塗布される光学部材。
15. 　請求項１０～１４のいずれか一項に記載の光学部材を一次元状または二次元状に複数配列したマイクロミラーアレイ。
16. 　請求項１５に記載のマイクロミラーアレイと、
    　表示面が前記反射型直線偏光板と前記凹面の裏面との一方に対向するように配置された表示部と、
    を備える表示装置。
17. 　請求項１５に記載のマイクロミラーアレイと、
    　撮像面が前記反射型直線偏光板と前記凹面の裏面との一方に対向するように配置された撮像素子と、
    を備える撮像装置。

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