JP2010276816A - Liquid crystal unit and head-mounted display apparatus using the same - Google Patents

Liquid crystal unit and head-mounted display apparatus using the same Download PDF

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温 天野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid crystal unit which is bright and low in power consumption, and a head-mounted display apparatus using the same. <P>SOLUTION: The liquid crystal unit 1 is provided with: a first substrate 10 and a second substrate 20 facing each other; a liquid crystal layer 30 arranged between the first substrate 10 and the second substrate 20; a light guide plate 50 arranged on the side opposite to the first substrate 10 with the liquid crystal layer 30 formed thereon; a light source 40 for emitting light and making the emitted light incident on the end face of the light guide plate 50; and a first light transmission/reflection plate 60 which is arranged on the side opposite to the light guide plate 50 with the liquid crystal layer 30 formed thereon and used for reflecting the light entering from the side where the liquid crystal layer 30 is formed and transmitting the external light entering from the side opposite to the side where the liquid crystal layer 30 is arranged. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、液晶装置及びそれを用いた頭部装着型表示装置に関するものである。   The present invention relates to a liquid crystal device and a head-mounted display device using the same.

近年、ヘッドマウントディスプレイ（頭部装着型表示装置、Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ；ＨＭＤ）が普及している。一般に、ＨＭＤに搭載されるディスプレイとしては、液晶装置が用いられる。液晶装置はそれ自体が発光しないことから、バックライトが必須の構成要素となっている。このため、ＨＭＤにおいて高輝度の画像表示が求められる程、液晶装置のバックライトに多くの電力を供給する必要があり消費電力が大きくなる。   In recent years, head-mounted displays (head-mounted display devices, head mounted displays; HMDs) have become widespread. In general, a liquid crystal device is used as a display mounted on the HMD. Since the liquid crystal device itself does not emit light, a backlight is an essential component. For this reason, it is necessary to supply more power to the backlight of the liquid crystal device as the image display with high brightness is required in the HMD, and the power consumption increases.

バックライトの消費電力を小さくするためには、バックライトの導光板中を伝播した光を効率よく液晶パネルに入射させる必要がある。例えば特許文献１では、液晶パネルに設けられたバックライトの背面に光を反射する反射層を配置することで、バックライトからの光や外光を反射させて、光の利用効率に優れた低消費電力の液晶装置を開示している。   In order to reduce the power consumption of the backlight, it is necessary to efficiently make the light propagated in the light guide plate of the backlight incident on the liquid crystal panel. For example, in Patent Document 1, a reflective layer that reflects light is disposed on the back surface of a backlight provided on a liquid crystal panel, thereby reflecting light from the backlight and external light, and reducing the use efficiency of light. A power consumption liquid crystal device is disclosed.

特開２００４−３０９６１１号公報JP 2004-309611 A

特許文献１の技術にあっては、バックライトの背面に光を反射する反射層を厚く形成することで、光源から導光板に入射した光が外部に漏れないよう確実に反射させて光の損失を抑えている。しかしながら、バックライトの背面に反射層を配置したとしても、光の利用効率を高めて低消費電力化を図るには限界がある。例えば、ＨＭＤが外の様子を見ることができるシースルー型（Ｓｅｅ-Ｔｈｒｏｕｇｈ）の場合、外の明るさの影響を受けないように十分な光量を確保する必要がある。しかしながら、反射層が光を反射する機能を有しているのみでは、十分に光量を確保できない場合がある。   In the technique of Patent Document 1, a reflective layer that reflects light is formed thick on the back surface of the backlight, so that light incident on the light guide plate from the light source is reliably reflected so as not to leak to the outside and light loss occurs. Is suppressed. However, even if a reflective layer is disposed on the back surface of the backlight, there is a limit to increase the light use efficiency and reduce power consumption. For example, in the case of a see-through type in which the HMD can see the outside, it is necessary to secure a sufficient amount of light so as not to be affected by outside brightness. However, there are cases where a sufficient amount of light cannot be secured if the reflective layer only has a function of reflecting light.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、明るく低消費電力の液晶装置及びそれを用いた頭部装着型表示装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a bright and low power consumption liquid crystal device and a head-mounted display device using the same.

上記の課題を解決するため、本発明の液晶装置は、互いに対向する第１基板及び第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた液晶層と、前記第１基板の前記液晶層が設けられた側と反対の側に配置された導光板と、前記導光板の端面に光を入射させる光源と、前記導光板の前記液晶層が設けられた側と反対の側に配置され、前記液晶層が設けられた側からの光を反射するとともに前記液晶層が設けられた側と反対の側から入射する外光を透過する第１光透過型反射板と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a liquid crystal device according to the present invention includes a first substrate and a second substrate facing each other, a liquid crystal layer provided between the first substrate and the second substrate, and the first substrate. A light guide plate disposed on a side of the substrate opposite to the side on which the liquid crystal layer is provided, a light source for making light incident on an end surface of the light guide plate, and a side of the light guide plate opposite to the side on which the liquid crystal layer is provided A first light transmission type reflector that is disposed on the side and reflects light from the side on which the liquid crystal layer is provided and transmits external light incident from the side opposite to the side on which the liquid crystal layer is provided. It is characterized by providing.

この構成によれば、導光板の液晶層が設けられた側と反対の側（バックライトの背面）に、液晶層が設けられた側からの光（バックライトからの光や外光）を反射するとともに液晶層が設けられた側と反対の側から入射する外光を透過する第１光透過型反射板（第１ハーフミラー）が配置されている。つまり、本発明の第１ハーフミラーは、特許文献１に記載の反射層がバックライトからの光や外光を確実に反射するよう厚く形成されているのに対し、反射層を薄く形成することで光を反射する機能だけでなく外光を透過する機能を兼ね備えている。このため、第１ハーフミラーを透過する外光を利用して、明るく低消費電力の液晶装置を得ることができる。例えば、屋外ではバックライトの電源をオフにした状態でも光源として太陽光などの外光を利用して液晶装置の映像を視認することが可能となる。したがって、液晶装置の省電力化を実現することが可能となる。   According to this configuration, light (light from the backlight or external light) from the side on which the liquid crystal layer is provided is reflected on the side opposite to the side on which the liquid crystal layer is provided (back surface of the backlight). In addition, a first light transmission type reflection plate (first half mirror) that transmits external light incident from the side opposite to the side on which the liquid crystal layer is provided is disposed. That is, in the first half mirror of the present invention, the reflective layer described in Patent Document 1 is formed thick so as to reliably reflect light from the backlight and external light, whereas the reflective layer is formed thin. It has not only the function of reflecting light but also the function of transmitting outside light. For this reason, a bright and low power consumption liquid crystal device can be obtained by using the external light transmitted through the first half mirror. For example, it is possible to view the image of the liquid crystal device using outside light such as sunlight as a light source even when the backlight is turned off outdoors. Therefore, power saving of the liquid crystal device can be realized.

また、上記液晶装置においては、前記導光板の光出射面側に設けられ、前記光源からの光と前記外光との少なくとも一方の光を集光する集光板を備えていてもよい。   The liquid crystal device may further include a light collecting plate that is provided on the light emitting surface side of the light guide plate and collects at least one of the light from the light source and the external light.

この構成によれば、導光板から出射された光源からの光と外光との少なくとも一方の光の表面反射による損失を抑えることができる。したがって、光の利用効率を格段に高めて低消費電力を確実に図ることができる。   According to this configuration, it is possible to suppress loss due to surface reflection of at least one of light from the light source emitted from the light guide plate and external light. Therefore, it is possible to remarkably increase the light use efficiency and reliably achieve low power consumption.

本発明の頭部装着型表示装置は、請求項１または２に記載の液晶装置を備え、観察者の頭部に装着されて画像表示を行うことを特徴とする   A head-mounted display device according to the present invention includes the liquid crystal device according to claim 1 or 2 and is mounted on an observer's head to display an image.

この構成によれば、上記の液晶装置を備えているため、明るく低消費電力の頭部装着型表示装置（ＨＭＤ）が提供できる。   According to this configuration, since the liquid crystal device is provided, a bright and low power consumption head-mounted display device (HMD) can be provided.

また、上記頭部装着型表示装置は、前記液晶装置から出射された光を前記観察者の眼に向けて出射するレンズを備え、前記レンズは、光を透過または反射する光学作用面を少なくとも３面含み、少なくとも３つの前記光学作用面のうち、プリズム内の光を反射する少なくとも１つの面の形状が、その面内外に回転対称軸を有さない回転非対称な面にて形成される自由曲面プリズムからなっていてもよい。   The head-mounted display device includes a lens that emits light emitted from the liquid crystal device toward the eyes of the observer, and the lens has at least an optical working surface that transmits or reflects light. A free-form surface formed by a rotationally asymmetric surface that does not have a rotationally symmetric axis on the inside and outside of the at least one surface that reflects light in the prism among the at least three optical action surfaces. It may consist of a prism.

この構成によれば、液晶装置から出射された光（表示画像光）を前記観察者の眼に向けて出射するレンズが自由曲面プリズムからなるので、表示画像光は自由曲面プリズム内の反射面や屈折面により光路が複数回折り曲げられる。例えば、自由曲面プリズムが光学作用面を３面有し、液晶装置の光出射面側から観察者の眼に至る経路において、透過作用のみを有する第１面と、透過と反射の両作用を有する第２面と、反射作用のみを有する第３面と、を有して構成されるとする。すると、液晶装置の表示画像光は、第１面で屈折されてプリズム内に入り、第２面で反射されて第３面に入射し、第３面で反射された表示画像光は第２面で屈折されてプリズムから出て、観察者の眼に向けて出射される。また、プリズム内の光を反射する少なくとも１つの面の形状が、その面内外に回転対称軸を有さない回転非対称な面にて形成されるので、従来の回転対称な面にて形成されるレンズを用いるよりも、少ない部品点数で液晶装置から出射された光の方向を観察者の眼に向けて精度よく変更することができる。したがって、小型化や軽量化を図り、さらに光の方向を精度よく補正できるＨＭＤを得ることが可能となる。   According to this configuration, since the lens that emits the light (display image light) emitted from the liquid crystal device toward the observer's eyes is formed of the free-form surface prism, the display image light is reflected on the reflection surface in the free-form surface prism, A plurality of optical paths are bent and bent by the refractive surface. For example, the free-form surface prism has three optical action surfaces, and has a first surface having only a transmission action and both transmission and reflection actions in the path from the light exit surface side of the liquid crystal device to the eyes of the observer. It is assumed that the second surface and the third surface having only a reflecting action are included. Then, the display image light of the liquid crystal device is refracted by the first surface and enters the prism, is reflected by the second surface and is incident on the third surface, and the display image light reflected by the third surface is the second surface. The light is refracted and exits from the prism and is emitted toward the observer's eyes. In addition, since the shape of at least one surface that reflects the light in the prism is formed by a rotationally asymmetric surface that does not have a rotationally symmetric axis inside and outside the surface, it is formed by a conventional rotationally symmetric surface. Rather than using a lens, the direction of the light emitted from the liquid crystal device can be changed with a small number of parts toward the observer's eyes with high accuracy. Therefore, it is possible to obtain an HMD that can be reduced in size and weight and that can accurately correct the direction of light.

また、上記頭部装着型表示装置は、前記液晶装置から出射された光を透過するレンズと、前記レンズの光出射面側に設けられ、前記レンズから出射された光の方向を前記観察者の眼に向けて反射するとともに前記観察者の眼に向かう方向と平行な方向から入射する外光を透過する第２光透過型反射板と、を備えていてもよい。   The head-mounted display device includes a lens that transmits light emitted from the liquid crystal device and a light emitting surface side of the lens, and the direction of the light emitted from the lens is determined by the observer. A second light transmission type reflection plate that reflects toward the eye and transmits external light incident from a direction parallel to the direction toward the observer's eye.

この構成によれば、レンズの光出射面側に、レンズから出射された光の方向を観察者の眼に向けて反射するとともに観察者の眼に向かう方向と平行な方向から入射する外光を透過する第２光透過型反射板（第２ハーフミラー）が配置されている。このため、液晶装置がシースルー型のＨＭＤに搭載される場合であっても、外の明るさの影響を受けることのない、明るく低消費電力のＨＭＤを得ることが可能となる。   According to this configuration, the external light incident on the light exit surface side of the lens is reflected from the direction of the light emitted from the lens toward the viewer's eyes and is incident in a direction parallel to the direction toward the viewer's eyes. A second light transmission type reflecting plate (second half mirror) is disposed. Therefore, even when the liquid crystal device is mounted on a see-through type HMD, it is possible to obtain a bright and low-power-consumption HMD that is not affected by external brightness.

本発明の液晶装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the liquid crystal device of this invention. 本発明の液晶装置を具備した頭部装着型表示装置を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a head-mounted display device equipped with the liquid crystal device of the present invention. 本発明の頭部装着型表示装置の他の形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other form of the head mounted display apparatus of this invention.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等が異なっている。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment shows one aspect of the present invention, and does not limit the present invention, and can be arbitrarily changed within the scope of the technical idea of the present invention. Moreover, in the following drawings, in order to make each structure easy to understand, an actual structure and a scale, a number, and the like in each structure are different.

（液晶装置）
（第１実施形態）
図１は本発明の液晶装置１の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、液晶装置１は、液晶パネル１００と、バックライト２００と、を具備して構成されている。液晶パネル１００は、互いに対向する素子基板（第１基板）１０及び対向基板（第２基板）２０と、素子基板１０と対向基板２０との間に設けられた液晶層３０と、を含んで構成されている。 (Liquid crystal device)
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a liquid crystal device 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the liquid crystal device 1 includes a liquid crystal panel 100 and a backlight 200. The liquid crystal panel 100 includes an element substrate (first substrate) 10 and a counter substrate (second substrate) 20 facing each other, and a liquid crystal layer 30 provided between the element substrate 10 and the counter substrate 20. Has been.

一対の基板１０，２０は、シール材（図示略）を介して貼り合わせられ、その内部に液晶層３０が封入されたものとなっている。液晶層３０の液晶モードとしては、ＩＰＳ（Ｉｎ Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）モードやＶＡ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）モードなどの公知のモードを採用することができる。   A pair of board | substrates 10 and 20 are bonded together through the sealing material (not shown), and the liquid crystal layer 30 is enclosed in the inside. As the liquid crystal mode of the liquid crystal layer 30, a known mode such as an IPS (In Plane Switching) mode or a VA (Vertical Alignment) mode can be employed.

素子基板１０は、ガラスや石英等の透光性の基板１０Ａから構成されている。また、図示は省略するが、素子基板１０は画素電極に対する電圧印加をスイッチング駆動するＴＦＴ素子を備えている。画素電極は、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等の透光性且つ導電性の材料にて構成されている。画素電極を覆って、ラビング処理等の配向処理が施された配向膜が形成されており、液晶分子の配向を規制するようになっている。   The element substrate 10 is composed of a translucent substrate 10A such as glass or quartz. Although not shown, the element substrate 10 includes a TFT element that performs switching driving of voltage application to the pixel electrode. The pixel electrode is made of a translucent and conductive material such as ITO (indium tin oxide). An alignment film that has been subjected to an alignment process such as a rubbing process is formed so as to cover the pixel electrode and regulate the alignment of liquid crystal molecules.

一方、対向基板２０は、素子基板１０と同様、ガラスや石英等の透光性の基板２０Ａから構成されている。また、図示は省略するが、対向基板２０の液晶層３０側には、カラーフィルターと、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）等の透光性且つ導電性の材料にて構成された共通電極と、配向膜とが順に積層されている。カラーフィルターは、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色、青（Ｂ）の各色に対応する各色用カラーフィルターを含んで構成されている。   On the other hand, the counter substrate 20 is composed of a light-transmitting substrate 20A such as glass or quartz, like the element substrate 10. Although not shown, on the liquid crystal layer 30 side of the counter substrate 20, a color filter, a common electrode made of a light-transmitting and conductive material such as ITO (indium tin oxide), and alignment The film is laminated in order. The color filter includes a color filter for each color corresponding to each color of red (R), green (G), and blue (B).

一対の基板１０，２０の外側（液晶層３０と反対側）には、それぞれ偏光板１１，２１が設けられている。これら偏光板１１，２１は、互いの光透過軸が略直交した状態に形成されている。   Polarizers 11 and 21 are provided outside the pair of substrates 10 and 20 (on the side opposite to the liquid crystal layer 30), respectively. These polarizing plates 11 and 21 are formed in a state where their light transmission axes are substantially orthogonal to each other.

バックライト２００は、素子基板１０の液晶層３０が設けられた側と反対の側に配置されている。バックライト２００は、光源４０と、導光板５０と、第１ハーフミラー（第１光透過型反射板）６０と、集光板７０と、を具備して構成されている。   The backlight 200 is disposed on the side of the element substrate 10 opposite to the side on which the liquid crystal layer 30 is provided. The backlight 200 includes a light source 40, a light guide plate 50, a first half mirror (first light transmission type reflection plate) 60, and a light collector 70.

光源４０は、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色、青（Ｂ）色の各色に対応するＬＥＤを備えて構成されている。ただし、広く用いられている青色ＬＥＤと黄色蛍光体の組み合わせによる疑似白色でも本発明の効果が変わるものではない。  The light source 40 includes LEDs corresponding to red (R), green (G), and blue (B) colors. However, the effect of the present invention does not change even if the pseudo white color is a combination of a widely used blue LED and yellow phosphor.

また、光源４０は、導光板５０の−Ｘ側の端面５１に沿って複数、互いに間隔をあけて配置されている。具体的には、光源４０は導光板５０の端面に沿って互いに等間隔に４つ配置されている。そして、光源４０はそれぞれ＋Ｘ方向に光を発光して、端面５１から導光板５０に対して入射される。  In addition, a plurality of light sources 40 are arranged along the −X side end face 51 of the light guide plate 50 at intervals. Specifically, four light sources 40 are arranged at equal intervals along the end face of the light guide plate 50. Each light source 40 emits light in the + X direction and enters the light guide plate 50 from the end face 51.

導光板５０は、光源４０から出射された光を液晶パネル１００に導く機能を有するものである。導光板５０としては、例えばアクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂等の透明性に優れた樹脂又はガラスを所定の形状に加工したものを用いることができる。なかでもアクリル樹脂を用いるのが軽量性、透明性の点で好ましい。   The light guide plate 50 has a function of guiding light emitted from the light source 40 to the liquid crystal panel 100. As the light guide plate 50, for example, a resin having excellent transparency such as acrylic resin, polycarbonate resin, polystyrene resin, or the like processed into a predetermined shape can be used. Among them, it is preferable to use an acrylic resin in terms of lightness and transparency.

また、導光板５０の−Ｚ側に位置する底面には、光源４０からの光の入射方向と略直交するＹ軸方向に延びる溝状の凹部５２が、光源４０からの入射光が導光板５０から出射する際の出射特性（例えば、液晶パネル１００に向けて出射する出射光の指向性）を調整するように形成されている。この凹部５２は、光源４０からの光の進行方向（Ｘ軸方向）に沿って互いに間隔をあけて複数配列されている。   Further, a groove-like recess 52 extending in the Y-axis direction substantially orthogonal to the incident direction of light from the light source 40 is formed on the bottom surface of the light guide plate 50 on the −Z side. It is formed so as to adjust the emission characteristics (for example, the directivity of the emitted light emitted toward the liquid crystal panel 100) when emitting from the liquid crystal panel. A plurality of the recesses 52 are arranged at intervals along the traveling direction (X-axis direction) of the light from the light source 40.

また、導光板５０の＋Ｚ側に位置する上面には、光源４０からの光の入射方向と略平行なＸ軸方向に延びる断面半円形状の凸部５３がストライプ状に複数配列されている。これにより、導光板５０は、凸部５３の延在方向と直交する方向に光を集光する機能も有している。   In addition, a plurality of semi-circular convex portions 53 extending in the X-axis direction substantially parallel to the incident direction of light from the light source 40 are arranged in a stripe pattern on the upper surface of the light guide plate 50 located on the + Z side. Thereby, the light guide plate 50 also has a function of condensing light in a direction orthogonal to the extending direction of the convex portion 53.

第１ハーフミラー６０は、導光板５０の液晶層３０が設けられた側と反対の側（バックライト２００の背面）に配置されている。第１ハーフミラー６０は、例えば透明なガラス基板の外面に錫や銀などの金属を蒸着させたり、金属薄膜を薄く形成したりする方法により半透明にされたものである。このようにして、第１ハーフミラー６０は、液晶層３０が設けられた側からの光（バックライト２００からの光や外光）を反射するとともに液晶層３０が設けられた側と反対の側から入射する外光（例えば太陽光）を透過するようになっている。   The first half mirror 60 is disposed on the side opposite to the side on which the liquid crystal layer 30 of the light guide plate 50 is provided (the back side of the backlight 200). The first half mirror 60 is made semi-transparent by, for example, depositing a metal such as tin or silver on the outer surface of a transparent glass substrate or forming a thin metal thin film. In this way, the first half mirror 60 reflects light from the side on which the liquid crystal layer 30 is provided (light from the backlight 200 or external light) and the side opposite to the side on which the liquid crystal layer 30 is provided. The external light (for example, sunlight) which injects from is transmitted.

つまり、本発明の第１ハーフミラー６０は、特許文献１に記載の反射層がバックライトからの光や外光を確実に反射するよう厚く形成されているのに対し、反射層（金属薄膜）を薄く形成する方法などにより半透明になっている。このように、第１ハーフミラー６０は、半透明に形成されることで、光を反射する機能だけでなく外光を透過する機能を兼ね備えている。このため、第１ハーフミラー６０を透過する外光を利用して、低消費電力を図ることができる。例えば、屋外ではバックライト２００の電源をオフにした状態でも光源として太陽光などの外光を利用して液晶装置１の映像を視認することが可能となる。   That is, in the first half mirror 60 of the present invention, the reflective layer described in Patent Document 1 is formed thick so as to reliably reflect light from the backlight and external light, whereas the reflective layer (metal thin film). It is translucent due to the method of forming a thin film. As described above, the first half mirror 60 is formed to be translucent, and thus has not only a function of reflecting light but also a function of transmitting external light. For this reason, low power consumption can be achieved by using external light transmitted through the first half mirror 60. For example, even when the backlight 200 is turned off outdoors, it is possible to view an image of the liquid crystal device 1 using external light such as sunlight as a light source.

集光板７０は、導光板５０の光出射面側に設けられている。集光板７０は、導光板５０から出射された光を集光して液晶パネル１００表面へ均等に光を入射させる機能を有するものである。集光板７０の形成材料としては、上記導光板５０と同様、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂等の透明性に優れた樹脂又はガラスが用いられる。   The light collector 70 is provided on the light exit surface side of the light guide plate 50. The light collector 70 has a function of condensing the light emitted from the light guide plate 50 and causing the light to enter the liquid crystal panel 100 evenly. As the material for forming the light collector 70, a resin or glass having excellent transparency such as an acrylic resin, a polycarbonate resin, or a polystyrene resin is used as in the light guide plate 50.

また、集光板７０の−Ｚ面側に位置する底面には、光源４０からの光の入射方向と略直交するＹ軸方向に延びる断面三角形状の凸部７１がストライプ状に複数配列されている。つまり、集光板７０は、凸部７１の配列方向が上述の導光板５０の凸部５３の配列方向に対して直交するように形成されている。これにより、導光板５０上面を透過して凸部５３の延在方向と直交する方向に集光された光は、集光板７０下面を透過することにより凸部７１の延在方向と直交する方向に集光され、液晶パネル１００に入射する光の指向性がさらに向上する。   Further, on the bottom surface of the light collector 70 located on the −Z plane side, a plurality of triangular protrusions 71 extending in the Y-axis direction substantially orthogonal to the light incident direction from the light source 40 are arranged in a stripe pattern. . That is, the light collector 70 is formed such that the arrangement direction of the convex portions 71 is orthogonal to the arrangement direction of the convex portions 53 of the light guide plate 50 described above. Thereby, the light that has been transmitted through the upper surface of the light guide plate 50 and condensed in the direction perpendicular to the extending direction of the convex portion 53 is transmitted through the lower surface of the light collecting plate 70 and thereby orthogonal to the extending direction of the convex portion 71. The directivity of light that is focused on and incident on the liquid crystal panel 100 is further improved.

本実施形態の液晶装置１によれば、導光板５０の液晶層３０が設けられた側と反対の側（バックライト２００の背面）に、液晶層３０が設けられた側からの光（バックライト２００からの光や外光）を反射するとともに液晶層３０が設けられた側と反対の側から入射する外光を透過する第１ハーフミラー６０が配置されている。つまり、本発明の第１ハーフミラー６０は、特許文献１に記載の反射層がバックライトからの光や外光を確実に反射するよう厚く形成されているのに対し、反射層（金属薄膜）を薄く形成する方法などにより半透明に形成されることで光を反射する機能だけでなく外光を透過する機能を兼ね備えている。このため、第１ハーフミラー６０を透過する外光を利用して、明るく低消費電力の液晶装置１を得ることができる。例えば、屋外ではバックライト２００の電源をオフにした状態でも光源として太陽光などの外光を利用して液晶装置１の映像を視認することが可能となる。したがって、液晶装置１の省電力化を実現することが可能となる。   According to the liquid crystal device 1 of the present embodiment, the light (backlight) from the side where the liquid crystal layer 30 is provided on the side opposite to the side where the liquid crystal layer 30 is provided (the back side of the backlight 200). The first half mirror 60 that reflects external light incident on the side opposite to the side on which the liquid crystal layer 30 is provided is disposed. That is, in the first half mirror 60 of the present invention, the reflective layer described in Patent Document 1 is formed thick so as to reliably reflect light from the backlight and external light, whereas the reflective layer (metal thin film). In addition to the function of reflecting light, it has a function of transmitting outside light. For this reason, it is possible to obtain the bright and low power consumption liquid crystal device 1 by using the external light transmitted through the first half mirror 60. For example, even when the backlight 200 is turned off outdoors, it is possible to view an image of the liquid crystal device 1 using external light such as sunlight as a light source. Therefore, power saving of the liquid crystal device 1 can be realized.

また、この構成によれば、導光板５０の光出射面側に集光板７０が設けられているので、導光板５０から出射された光源４０からの光と外光との少なくとも一方の光の表面反射による損失を抑えることができる。したがって、光の利用効率を格段に高めて低消費電力を確実に図ることができる。   Further, according to this configuration, since the light collecting plate 70 is provided on the light emitting surface side of the light guide plate 50, the surface of at least one of the light from the light source 40 emitted from the light guide plate 50 and the external light. Loss due to reflection can be suppressed. Therefore, it is possible to remarkably increase the light use efficiency and reliably achieve low power consumption.

なお、本実施形態の液晶装置１では、導光板５０上面に光源４０からの光の入射方向と略平行なＸ軸方向に延びる断面三角形状の凸部５３がストライプ状に複数配列され、導光板５０と一体となっているが、これに限らない。例えば、導光板５０の上面に透明なガラス基板を配置して、このガラス基板上面に光源４０からの光の入射方向と略平行なＸ軸方向に延びる断面三角形状の凸部をストライプ状に複数配列し、光を集光する機能を有する部材を導光板５０と別体に形成してもよい。   In the liquid crystal device 1 of the present embodiment, a plurality of triangular protrusions 53 extending in the X-axis direction substantially parallel to the incident direction of light from the light source 40 are arranged on the upper surface of the light guide plate 50 in a stripe shape. 50, but is not limited to this. For example, a transparent glass substrate is disposed on the upper surface of the light guide plate 50, and a plurality of triangular projections extending in the X-axis direction substantially parallel to the incident direction of light from the light source 40 are striped on the upper surface of the glass substrate. A member having a function of arranging and condensing light may be formed separately from the light guide plate 50.

また、本実施形態の液晶装置１では、第１ハーフミラー６０が透明なガラス基板の外面に錫や銀などの金属を蒸着させたり、反射層（金属薄膜）を薄く形成したりする方法により半透明に形成されているが、これに限らない。例えば、第１ハーフミラー６０が透明なガラス基板を用いずに導光板５０の下面に錫や銀などの金属を直接蒸着させる方法により半透明に形成されていてもよい。   Further, in the liquid crystal device 1 of the present embodiment, the first half mirror 60 is half-processed by depositing a metal such as tin or silver on the outer surface of the transparent glass substrate or forming a thin reflective layer (metal thin film). Although formed transparently, it is not restricted to this. For example, the first half mirror 60 may be made translucent by a method in which a metal such as tin or silver is directly deposited on the lower surface of the light guide plate 50 without using a transparent glass substrate.

（頭部装着型表示装置）
図２は本発明の液晶装置１を備えたＨＭＤ（頭部装着型表示装置）２の概略構成を示す模式図である。ここで、頭部装着型表示装置とは、観察者の頭部に装着されて画像表示を行うものである。図２に示すように、ＨＭＤ２は、液晶装置１と、液晶装置１から出射された光を観察者の眼３００に向けて出射するレンズ８０と、を具備して構成されている。本実施形態のＨＭＤ２の型としては、装着すると外の様子が見ることができないクローズド型（非透過型）が採用されているが、その他にもビデオシースルー（ビデオ透過型）、光学シースルー（光学透過型）等の透過型を採用することができる。 (Head-mounted display device)
FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an HMD (head-mounted display device) 2 provided with the liquid crystal device 1 of the present invention. Here, the head-mounted display device is a device that is mounted on an observer's head and displays an image. As shown in FIG. 2, the HMD 2 includes the liquid crystal device 1 and a lens 80 that emits light emitted from the liquid crystal device 1 toward the eye 300 of the observer. The HMD 2 of this embodiment is a closed type (non-transmission type) that cannot be seen from the outside when it is mounted. The transmission type can be employed.

レンズ８０は、液晶装置１を構成する液晶パネル１００の光出射面に配置されている。このレンズ８０は、光を透過または反射する光学作用面を３面含み、３つの光学作用面のうち、プリズム内の光を反射する２つの面の形状が、その面内外に回転対称軸を有さない回転非対称な面にて形成される自由曲面プリズムからなっている。このため、液晶装置から出射された光（表示画像光）は、自由曲面プリズム内の反射面や屈折面により光路が複数回折り曲げられる。   The lens 80 is disposed on the light emitting surface of the liquid crystal panel 100 that constitutes the liquid crystal device 1. This lens 80 includes three optical action surfaces that transmit or reflect light, and the shape of two of the three optical action surfaces that reflect light in the prism has rotational symmetry axes inside and outside the surface. It consists of a free-form surface prism formed with a rotationally asymmetric surface. For this reason, the light (display image light) emitted from the liquid crystal device has its optical path bent multiple times by the reflecting surface and the refracting surface in the free-form curved prism.

具体的には、自由曲面プリズムは、液晶装置の光出射面側から観察者の眼に至る経路において、透過作用のみを有する第１面８１と、透過と反射の両作用を有する第２面８２と、反射作用のみを有する第３面８３と、を有して構成されている。これにより、液晶装置１からの表示画像光は、第１面８１で屈折されてプリズム内に入り、第２面８２で反射されて第３面８３に入射し、第３面８３で反射された表示画像光は第２面８２で屈折されてプリズムから出て、観察者の眼３００に向けて出射される。   Specifically, the free-form surface prism has a first surface 81 that has only a transmission action and a second surface 82 that has both transmission and reflection effects in the path from the light exit surface side of the liquid crystal device to the eyes of the observer. And a third surface 83 having only a reflective action. Thereby, the display image light from the liquid crystal device 1 is refracted by the first surface 81 and enters the prism, is reflected by the second surface 82, enters the third surface 83, and is reflected by the third surface 83. The display image light is refracted by the second surface 82, exits the prism, and exits toward the observer's eye 300.

また、プリズム内の光を反射する第２面８２、第３面８３、の２つの面の形状が、その面内外に回転対称軸を有さない回転非対称な面にて形成されている。このため、従来の回転対称な面にて形成されるレンズを用いるよりも、少ない部品点数（本実施形態では１点）で液晶装置１から出射された光（表示画像光）の方向を観察者の眼３００に向けて精度よく変更することができる。   Further, the shapes of the two surfaces, the second surface 82 and the third surface 83 that reflect the light in the prism, are formed by rotationally asymmetric surfaces that do not have rotational symmetry axes inside and outside the surface. For this reason, the direction of the light (display image light) emitted from the liquid crystal device 1 with a small number of parts (one point in the present embodiment) is used compared with the conventional lens formed on a rotationally symmetric surface. Can be changed with high precision toward the eye 300.

このような構成より、バックライト２００からの光と外光（太陽光）との少なくとも一方の光が液晶パネル１００に供給されて表示画像光として取り出される。そして、表示画像光は自由曲面プリズムからなるレンズ８０に入射し、そのプリズム内面で複数回折り曲げられて観察者の眼３００に対応する方向に変更される。   With such a configuration, at least one of light from the backlight 200 and external light (sunlight) is supplied to the liquid crystal panel 100 and extracted as display image light. Then, the display image light is incident on a lens 80 formed of a free-form curved prism, and is bent a plurality of times at the inner surface of the prism to be changed in a direction corresponding to the eye 300 of the observer.

例えば、本実施形態のＨＭＤ２を屋外（太陽光下）で使用した場合、２００００Ｌｘの照度が得られる。この得られた照度を用いると、１３０００ｃｄ／ｍ２の光源として利用できる。光源として輝度が１３０００ｃｄ／ｍ２であれば、クローズド型のＨＭＤ２に利用可能な輝度が得られる。 For example, when the HMD 2 of the present embodiment is used outdoors (under sunlight), an illuminance of 20000 Lx is obtained. When the obtained illuminance is used, it can be used as a light source of 13000 cd / m 2 . If the luminance is 13000 cd / m 2 as a light source, luminance that can be used for the closed HMD 2 can be obtained.

本実施形態のＨＭＤ２によれば、上記の液晶装置１を備えているため、明るく低消費電力のＨＭＤ２が提供できる。   According to the HMD 2 of the present embodiment, since the liquid crystal device 1 is provided, a bright and low power consumption HMD 2 can be provided.

また、この構成によれば、液晶装置１から出射された光（表示画像光）を観察者の眼３００に向けて出射するレンズ８０が自由曲面プリズムからなるので、表示画像光は自由曲面プリズム内の反射面や屈折面により光路が複数回折り曲げられる。また、プリズム内の光を反射する２つの面の形状が、その面内外に回転対称軸を有さない回転非対称な面にて形成されている。このため、従来の回転対称な面にて形成されるレンズを用いるよりも、少ない部品点数で液晶装置１から出射された光の方向を観察者の眼３００に向けて精度よく変更することができる。したがって、小型化や軽量化を図り、さらに光の方向を精度よく補正できるＨＭＤ２を得ることが可能となる。   Further, according to this configuration, the lens 80 that emits the light (display image light) emitted from the liquid crystal device 1 toward the observer's eye 300 includes the free-form surface prism. A plurality of optical paths are bent and bent by the reflecting surface and the refracting surface. Further, the shape of the two surfaces that reflect the light in the prism is formed by a rotationally asymmetric surface that does not have a rotational symmetry axis inside and outside the surface. For this reason, the direction of the light emitted from the liquid crystal device 1 can be accurately changed toward the observer's eye 300 with a smaller number of parts than using a conventional lens formed on a rotationally symmetric surface. . Therefore, it is possible to obtain an HMD 2 that can be reduced in size and weight and that can accurately correct the direction of light.

なお、本実施形態のＨＭＤ２では、レンズ８０は、光を透過または反射する光学作用面を３面含み、３つの光学作用面のうち、プリズム内の光を反射する２つの面の形状が、その面内外に回転対称軸を有さない回転非対称な面にて形成される自由曲面プリズムからなっているが、これに限らない。例えば、光を透過または反射する光学作用面を４面含み、４つの光学作用面のうち、プリズム内の光を反射する３つの面の形状が、その面内外に回転対称軸を有さない回転非対称な面にて形成されていてもよい。すなわち、レンズ８０は、光を透過または反射する光学作用面を少なくとも３面含み、少なくとも３つの光学作用面のうち、プリズム内の光を反射する少なくとも１つの面の形状が、その面内外に回転対称軸を有さない回転非対称な面にて形成されていればよい。   In the HMD 2 of the present embodiment, the lens 80 includes three optical action surfaces that transmit or reflect light, and the shape of two of the three optical action surfaces that reflect light in the prism is It is composed of a free-form surface prism formed of a rotationally asymmetric surface that does not have a rotationally symmetric axis inside and outside the surface, but is not limited to this. For example, four optical action surfaces that transmit or reflect light are included, and among the four optical action surfaces, the shape of three surfaces that reflect light in the prism does not have a rotational symmetry axis inside or outside the surface. It may be formed by an asymmetric surface. That is, the lens 80 includes at least three optical action surfaces that transmit or reflect light, and at least one of the at least three optical action surfaces that reflects light in the prism rotates in and out of the surface. What is necessary is just to be formed in the rotationally asymmetric surface which does not have a symmetry axis.

また、図３に示すように、上記の液晶装置１と、液晶装置１から出射された光を透過するレンズ９０と、レンズ９０の光出射面側に設けられ、レンズ９０から出射された光の方向を観察者の眼３００に向けて反射するとともに観察者の眼３００に向かう方向と平行な方向から入射する外光を透過する第２ハーフミラー（第２光透過型反射板）６１と、を備えていてもよい。   Further, as shown in FIG. 3, the liquid crystal device 1 described above, the lens 90 that transmits the light emitted from the liquid crystal device 1, the light emitting surface side of the lens 90, and the light emitted from the lens 90. A second half mirror (second light transmissive reflector) 61 that reflects the direction toward the observer's eye 300 and transmits external light that is incident from a direction parallel to the direction toward the observer's eye 300; You may have.

図３は、上述のＨＭＤ２と異なる形態のＨＭＤ３の概略構成を示す模式図である。本図は図２に対応した、ＨＭＤ３の概略構成を示した図である。図３に示すように、本実施形態のＨＭＤ３は、上述の自由曲面プリズムからなるレンズ８０に替えて、回転対称な面にて形成されたレンズ９０が用いられている点、レンズ９０の光出射面側に第２ハーフミラー６１が配置されている点、で上述のＨＭＤ２と異なっている。その他の点はＨＭＤ２と同様であるので、図２と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。   FIG. 3 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an HMD 3 having a form different from that of the HMD 2 described above. This figure is a diagram showing a schematic configuration of the HMD 3 corresponding to FIG. As shown in FIG. 3, the HMD 3 of the present embodiment uses a lens 90 formed of a rotationally symmetric surface in place of the lens 80 made of the above-mentioned free-form surface prism, and the light emission of the lens 90. It differs from the above-mentioned HMD2 in that the second half mirror 61 is arranged on the surface side. Since the other points are the same as those of the HMD 2, the same reference numerals are given to the same elements as those in FIG. 2, and the detailed description is omitted.

図３に示すように、ＨＭＤ３は、上記の液晶装置１と、液晶装置１から出射された光を透過するレンズ９０と、レンズ９０の光出射面側に設けられた第２ハーフミラー（第２光透過型反射板）６１と、を具備して構成されている。ＨＭＤ３の型としては、装着しても外の様子を見ることができる、光学シースルー（光学透過型）が採用されている。   As shown in FIG. 3, the HMD 3 includes the liquid crystal device 1, a lens 90 that transmits light emitted from the liquid crystal device 1, and a second half mirror (second second) provided on the light emitting surface side of the lens 90. Light transmission type reflection plate) 61. As the type of HMD3, an optical see-through (optical transmission type) is adopted that can be seen outside even after being mounted.

第２ハーフミラー６１は、例えば透明なガラス基板の外面に錫や銀を蒸着させたり、金属薄膜を薄く形成したりする方法により半透明に形成されたものである。このようにして、第２ハーフミラー６１は、レンズ９０から出射された光の方向を観察者の眼３００に向けて反射するとともに観察者の眼３００に向かう方向と平行な方向から入射する外光を透過するようになっている。   The second half mirror 61 is formed to be translucent by, for example, depositing tin or silver on the outer surface of a transparent glass substrate or forming a thin metal thin film. In this way, the second half mirror 61 reflects the direction of the light emitted from the lens 90 toward the observer's eye 300 and enters from the direction parallel to the direction toward the observer's eye 300. It is designed to pass through.

このような構成より、バックライト２００からの光と外光（太陽光）との少なくとも一方の光が液晶パネル１００に供給されて表示画像光として取り出されると、この表示画像光はレンズ９０に入射し、レンズ９０を透過して光が第２ハーフミラー６１で観察者の眼３００に向けて反射される。一方、第２ハーフミラー６１が観察者の眼３００に向かう方向と平行な方向から入射する外光を透過するので、外の様子を見ることもできるようになっている。   With such a configuration, when at least one of light from the backlight 200 and external light (sunlight) is supplied to the liquid crystal panel 100 and extracted as display image light, the display image light enters the lens 90. Then, the light is transmitted through the lens 90 and reflected by the second half mirror 61 toward the observer's eye 300. On the other hand, since the second half mirror 61 transmits external light that is incident from a direction parallel to the direction toward the observer's eye 300, it is also possible to see the outside.

この構成によれば、レンズ９０の光出射面側に、レンズ９０から出射された光の方向を観察者の眼３００に向けて反射するとともに観察者の眼３００に向かう方向と平行な方向から入射する外光を透過する第２ハーフミラー６１が配置されている。このため、液晶装置１がシースルー型のＨＭＤ３に搭載される場合であっても、外の明るさの影響を受けることのない、明るく低消費電力のＨＭＤ３を得ることが可能となる。   According to this configuration, the direction of the light emitted from the lens 90 is reflected toward the observer's eye 300 and incident from a direction parallel to the direction toward the observer's eye 300 on the light exit surface side of the lens 90. A second half mirror 61 that transmits the external light is arranged. For this reason, even when the liquid crystal device 1 is mounted on the see-through type HMD 3, it is possible to obtain a bright and low power consumption HMD 3 that is not affected by outside brightness.

１…液晶装置、２，３…ＨＭＤ（頭部装着型表示装置）、１０…素子基板（第１基板）、２０…対向基板（第２基板）、３０…液晶層、４０…光源、５０…導光板、６０…第１ハーフミラー（第１光透過型反射板）、６１…第２ハーフミラー（第２光透過型反射板）、７０…集光板、８０，９０…レンズ、３００…観察者の眼 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Liquid crystal device, 2, 3 ... HMD (head mounted display device), 10 ... Element substrate (first substrate), 20 ... Counter substrate (second substrate), 30 ... Liquid crystal layer, 40 ... Light source, 50 ... Light guide plate, 60 ... first half mirror (first light transmission type reflection plate), 61 ... second half mirror (second light transmission type reflection plate), 70 ... light collecting plate, 80, 90 ... lens, 300 ... observer Eyes

Claims (5)

互いに対向する第１基板及び第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に設けられた液晶層と、
前記第１基板の前記液晶層が設けられた側と反対の側に配置された導光板と、
前記導光板の端面に光を入射させる光源と、
前記導光板の前記液晶層が設けられた側と反対の側に配置され、前記液晶層が設けられた側からの光を反射するとともに前記液晶層が設けられた側と反対の側から入射する外光を透過する第１光透過型反射板と、
を備えることを特徴とする液晶装置。 A first substrate and a second substrate facing each other;
A liquid crystal layer provided between the first substrate and the second substrate;
A light guide plate disposed on a side of the first substrate opposite to the side on which the liquid crystal layer is provided;
A light source that makes light incident on an end face of the light guide plate;
The light guide plate is disposed on the side opposite to the side on which the liquid crystal layer is provided, reflects light from the side on which the liquid crystal layer is provided, and enters from the side opposite to the side on which the liquid crystal layer is provided. A first light-transmissive reflector that transmits external light;
A liquid crystal device comprising: 前記導光板の光出射面側に設けられ、前記光源からの光と前記外光との少なくとも一方の光を集光する集光板を備えることを特徴とする請求項１に記載の液晶装置。   2. The liquid crystal device according to claim 1, further comprising a light collecting plate that is provided on a light emitting surface side of the light guide plate and collects at least one of the light from the light source and the external light. 請求項１または２に記載の液晶装置を備え、観察者の頭部に装着されて画像表示を行うことを特徴とする頭部装着型表示装置。   A head-mounted display device comprising the liquid crystal device according to claim 1, wherein the liquid crystal device is mounted on an observer's head to display an image. 前記液晶装置から出射された光を前記観察者の眼に向けて出射するレンズを備え、
前記レンズは、光を透過または反射する光学作用面を少なくとも３面含み、少なくとも３つの前記光学作用面のうち、プリズム内の光を反射する少なくとも１つの面の形状が、その面内外に回転対称軸を有さない回転非対称な面にて形成される自由曲面プリズムからなることを特徴とする請求項３に記載の頭部装着型表示装置。 A lens that emits light emitted from the liquid crystal device toward the eyes of the observer;
The lens includes at least three optical action surfaces that transmit or reflect light, and at least one of the three optical action surfaces that reflects light in the prism has a rotationally symmetric shape inside and outside the surface. The head-mounted display device according to claim 3, comprising a free-form surface prism formed of a rotationally asymmetric surface having no axis. 前記液晶装置から出射された光を透過するレンズと、
前記レンズの光出射面側に設けられ、前記レンズから出射された光の方向を前記観察者の眼に向けて反射するとともに前記観察者の眼に向かう方向と平行な方向から入射する外光を透過する第２光透過型反射板と、
を備えることを特徴とする請求項３に記載の頭部装着型表示装置。 A lens that transmits light emitted from the liquid crystal device;
External light that is provided on the light exit surface side of the lens and reflects the direction of the light emitted from the lens toward the observer's eyes and is incident from a direction parallel to the direction toward the observer's eyes. A second light-transmissive reflector that transmits;
The head-mounted display device according to claim 3, further comprising:
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