(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光線の偏光方向を切り替える偏光方向切替手段と、
結晶軸を有する結晶により形成され、上記光線の光軸に対してその主面に立てた法線が、該主面をＡ面、上記結晶軸を含み該Ａ面に垂直な面をＢ面としたときに、該Ａ面および該Ｂ面の双方に対して垂直な面内で角度θx の交差角をもって傾くように配置され、上記偏光方向切替手段により切り替えられた偏光方向に応じて、該光軸の位置をシフトさせる複屈折板と、
を具備し、
上記複屈折板は、上記角度θx の傾きによって生じる光軸シフト位置の誤差を打ち消すように、該結晶軸を上記法線の周りに角度θc だけ回転させたものであることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
特定の偏光方向の光線を出射する表示手段と、
この表示手段が出射する光線の偏光方向を切り替える偏光方向切替手段と、
この偏光方向切替手段が切り替える偏光方向の内の所定の偏光方向の光線の出射位置をシフトさせる複屈折板と、
この複屈折板から出射した光線が入射され、上記表示手段の表示面を観察者が観察可能となるように結像する光学系と、
を具備し、
上記複屈折板は、結晶軸を有する結晶により形成されるとともに、その主面に立てた法線が上記光学系の光軸に対して、該主面をＡ面、上記結晶軸を含み該Ａ面に垂直な面をＢ面としたときに、該Ａ面および該Ｂ面の双方に対して垂直な面内で角度θx の交差角をもって傾くように配置され、かつ、この角度θx の傾きによって生じる光軸シフト位置の誤差を打ち消すように、該結晶軸を上記法線の周りに角度θc だけ回転させたものであることを特徴とする光学装置。
【請求項３】
上記角度θc は、
上記光軸に対する傾きの角度θx と、上記複屈折板の異常屈折率ｎe とに対して、実質的に、
θc ＝θx ／ｎe
の関係にあることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
【請求項４】
特定の偏光方向の光線を出射する表示手段と、
この表示手段が出射する光線の偏光方向を切り替える偏光方向切替手段と、
この偏光方向切替手段が切り替える偏光方向の内の所定の偏光方向の光線の出射位置をシフトさせる複屈折板と、
この複屈折板から出射した光線が入射され、上記表示手段の表示面を観察者が観察可能となるように結像する光学系と、
を具備し、
上記複屈折板は、結晶軸を有する結晶により形成されるとともに、その主面に立てた法線が上記表示手段の表示面の所定位置から出射した主光線に対して、該主面をＡ面、上記結晶軸を含み該Ａ面に垂直な面をＢ面としたときに、該Ａ面および該Ｂ面の双方に対して垂直な面内で角度θx の交差角をもって傾くように配置され、かつ、この角度θx の傾きによって生じる前記主光線シフト位置の誤差を打ち消すように、該結晶軸を上記法線の周りに角度θc だけ回転させたものであることを特徴とする光学装置。
【請求項５】
光学系によって撮像素子上に被写体像を結像して撮像する撮像装置であって、
上記光学系は、
所定の偏光方向の光線の出射位置をシフトさせる複屈折板を有し、
この複屈折板は、結晶軸を有する結晶により形成されるとともに、その主面に立てた法線が上記光学系の光軸に対して、該主面をＡ面、上記結晶軸を含み該Ａ面に垂直な面をＢ面としたときに、該Ａ面および該Ｂ面の双方に対して垂直な面内で角度θx の交差角をもって傾くように配置され、かつ、この角度θx の傾きによって生じる光軸シフト位置の誤差を打ち消すように、該結晶軸を上記法線の周りに角度θc だけ回転させたものであることを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
上記角度θc は、
上記光軸に対する傾きの角度θx と、上記複屈折板の異常屈折率ｎe とに対して、実質的に、
θc ＝θx ／ｎe
の関係にあることを特徴とする請求項５に記載の撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学装置および撮像装置、より詳しくは、入射する光線の光軸位置をシフトさせる光学装置および撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＣＲＴを用いた画像表示装置が広く用いられてきたが、近年では、液晶表示素子等を用いた画像表示装置が次第にマーケットシェアーを伸ばしつつある。
【０００３】
このような画像表示装置の中でも、頭部に装着して用いるものであって、ＬＣＤ等により発現した画像を光学装置を介して使用者の眼に投影する頭部装着型画像表示装置が近年製品化されており、本出願人も自由曲面プリズムを使用して小型軽量化および高画質化を図った製品を開発し、発売している。
【０００４】
こうした画像表示装置は、液晶表示素子を構成する画素の数により、表示する画像の精細さが基本的に決定されるが、高精細な画像を得るために画素数を増加させると、液晶表示素子のコストが高くなったり、より高速な信号処理回路が必要となったりすることになる。
【０００５】
そこで、限られた画素数の液晶表示素子を用いて、より高精細な画像を表示するための技術が開発されている。
【０００６】
このような技術の一例としては、例えば特開平７−３６０５４号公報に、複屈折板を用いて表示素子からの光の光軸をシフトする技術が記載されている。
【０００７】
この技術は、例えば液晶表示素子から出射される光の光軸を時系列的にシフトさせて、見かけの画素位置を順次ずらすことにより、観察される画素数を増加させるものである。
【０００８】
また、１フレームを４つのサブフィールドに分割して、これらサブフィールド毎に見かけの画素位置を移動させる４点画素ずらしの技術があり、この４点画素ずらしを用いる画像表示装置において、ずらす画素の位置を長方形の各頂点に配置する代わりに、平行四辺形の各頂点に配置することにより、水平方向と垂直方向の何れにおいても解像度を向上させるようにした技術が本出願人により開発され、特願平１０−３３６４８２号に記載されている。
【０００９】
複屈折板は、水晶やニオブ酸リチウムなどの結晶を薄板状に形成して構成されており、このような技術においては、一般に、その結晶軸を該複屈折板の主面に投影したときの方向が、光軸のシフトを行わせようとする方向に一致するように配置されるようになっている。
【００１０】
また、従来より撮像装置において、ＣＣＤ（電荷結合素子）などの撮像素子が用いられ、ほぼその画素数により装置の解像度が決定される。ところが高精細なＣＣＤを使用するとコストが高いために、限られた画素数のＣＣＤを用いて、前記のような光軸をシフトすることにより高精細な撮像を可能とする技術が開発されている。
【００１１】
また、従来より、撮像装置においては、複数画素を配列してなる撮像素子へ被写体像を結像する際に、色フィルタアレイのピッチ相当の周波数成分の信号に基づく偽信号の発生を抑制するために、複屈折板を光学ローパスフィルタとして用いることが行われている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えば上述したような頭部装着型画像表示装置などに光学装置を適用すると、空間的な制約などから複屈折板を光軸に対して傾斜するように配置させることになる場合があるが、このときには、光軸のシフト方向と結晶軸を複屈折板の主面に投影したときの方向とが一致せず、ある所定角だけ誤差が発生する場合があることを出願人は見い出した。このようなシフト位置の誤差が発生すると、画像の均一感が損なわれたり、解像度やコントラストが低下して、画質の低下を招くことになってしまう。また、上述したような撮像装置においても同様なことがいえる。
【００１３】
また、上述したような撮像装置においても、空間的な制約などにより、光学ローパスフィルタとしての複屈折板を撮像素子に対して傾斜して配置する場合が考えられるが、同様に、光軸のシフト方向に誤差が発生することにより、ローパスフィルタとしての機能を充分に発揮しないことがある。
【００１４】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、より均一で高画質な画像を得ることが可能な光学装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、第１の発明による光学装置は、入射する光線の偏光方向を切り替える偏光方向切替手段と、結晶軸を有する結晶により形成され、上記光線の光軸に対してその主面に立てた法線が、該主面をＡ面、上記結晶軸を含み該Ａ面に垂直な面をＢ面としたときに、該Ａ面および該Ｂ面の双方に対して垂直な面内で角度θx の交差角をもって傾くように配置され上記偏光方向切替手段により切り替えられた偏光方向に応じて該光軸の位置をシフトさせる複屈折板と、を備え、上記複屈折板は、上記角度θx の傾きによって生じる光軸シフト位置の誤差を打ち消すように、該結晶軸を上記法線の周りに角度θc だけ回転させたものである。
【００１６】
また、第２の発明による光学装置は、特定の偏光方向の光線を出射する表示手段と、この表示手段が出射する光線の偏光方向を切り替える偏光方向切替手段と、この偏光方向切替手段が切り替える偏光方向の内の所定の偏光方向の光線の出射位置をシフトさせる複屈折板と、この複屈折板から出射した光線が入射され上記表示手段の表示面を観察者が観察可能となるように結像する光学系と、を備え、上記複屈折板は、結晶軸を有する結晶により形成されるとともに、その主面に立てた法線が上記光学系の光軸に対して、該主面をＡ面、上記結晶軸を含み該Ａ面に垂直な面をＢ面としたときに、該Ａ面および該Ｂ面の双方に対して垂直な面内で角度θx の交差角をもって傾くように配置され、かつ、この角度θx の傾きによって生じる光軸シフト位置の誤差を打ち消すように該結晶軸を上記法線の周りに角度θc だけ回転させたものである。
【００１７】
さらに、第３の発明による光学装置は、上記第１の発明による光学装置において、上記角度θc が、上記光軸に対する傾きの角度θx と上記複屈折板の異常屈折率ｎe とに対して、実質的に、
θc ＝θx ／ｎe
の関係となるものである。
【００１８】
第４の発明による光学装置は、特定の偏光方向の光線を出射する表示手段と、この表示手段が出射する光線の偏光方向を切り替える偏光方向切替手段と、この偏光方向切替手段が切り替える偏光方向の内の所定の偏光方向の光線の出射位置をシフトさせる複屈折板と、この複屈折板から出射した光線が入射され上記表示手段の表示面を観察者が観察可能となるように結像する光学系と、を備え、上記複屈折板は、結晶軸を有する結晶により形成されるとともに、その主面に立てた法線が上記表示手段の表示面の所定位置から出射した主光線に対して、該主面をＡ面、上記結晶軸を含み該Ａ面に垂直な面をＢ面としたときに、該Ａ面および該Ｂ面の双方に対して垂直な面内で角度θx の交差角をもって傾くように配置され、かつ、この角度θx の傾きによって生じる前記主光線シフト位置の誤差を打ち消すように、該結晶軸を上記法線の周りに角度θc だけ回転させたものである。
【００１９】
第５の発明による光学装置は、被写体像を撮像素子上に撮像可能となるように結像する光学系と、所定の偏光方向の光線の出射位置をシフトさせる複屈折板を有し、この複屈折板は、結晶軸を有する結晶により形成されるとともに、その主面に立てた法線が上記光学系の光軸に対して、該主面をＡ面、上記結晶軸を含み該Ａ面に垂直な面をＢ面としたときに、該Ａ面および該Ｂ面の双方に対して垂直な面内で角度θx の交差角をもって傾くように配置され、かつ、この角度θx の傾きによって生じる光軸シフト位置の誤差を打ち消すように、該結晶軸を上記法線の周りに角度θc だけ回転させたものである。
【００２０】
第６の発明による光学装置は、上記第５の発明による撮像装置において、上記角度θc が、上記光軸に対する傾きの角度θx と上記複屈折板の異常屈折率ｎe とに対して、実質的に、
θc ＝θx ／ｎe
の関係となるものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１から図１４は本発明の一実施形態を示したものであり、図１は頭部装着型画像表示装置に適用された光学装置の構成を示す側面図、図２はＬＣＤ上の画素配列を示す図、図３は光学装置による一画素の見かけの位置の移動を示す図、図４は光学装置により見かけの位置を移動されたＬＣＤ上の画素配列を示す図、図５はＬＣＤに対して液晶セルと複屈折板が傾けて配設されているときの見かけの画素位置の誤差とその補正を示す図、図６は見かけの画素位置の誤差により画素配列が不均一になる様子を示す図、図７は正結晶の複屈折板と負結晶の複屈折板による常光および異常光の屈折の様子を示す側面図、図８はウエハーの結晶方向を示す図、図９はウエハーから矩形に切り出された複屈折板を示す斜視図、図１０は上記図９の複屈折板による見かけの位置の誤差を示すための斜視図および部分拡大斜視図、図１１は画素ずらし光学素子の構成を示す分解斜視図、図１２はＡＲコートが施された画素ずらし光学素子の構成を示す分解斜視図、図１３はＡＲコートが施された画素ずらし光学素子を接着して一体化した状態を示す側面図、図１４は画素ずらし光学素子を用いて撮像装置を構成した例を示す側面図である。
【００２２】
本実施形態の光学装置が適用された頭部装着型画像表示装置は、例えば、使用者が眼鏡などと同様に眼前に装着して、表示される画像を享受するタイプのものとして構成されている。
【００２３】
すなわち、この頭部装着型画像表示装置は、照明光を照射するバックライト１と、このバックライト１により照明光を照射されて、規則的に配列した複数の画素２ａ（図２等参照）により表示した画像の光束を出射する表示手段たる液晶表示素子（ＬＣＤ）２と、このＬＣＤ２から入射して来る光束を時系列的に画素ずらして出射する画素ずらし光学素子３と、この画素ずらし光学素子３を通過した光束を入射面４ａから入射し、内部の反射面４ｂで反射させた後に、さらに他の反射面４ｃで反射させ、上記反射面４ｂと同一面の異なる部分に位置する出射面４ｄから出射して上記ＬＣＤ２の表示面に表示された画像を使用者の眼球に結像させる例えば自由曲面プリズムでなる接眼光学系４と、を有して構成されている。
【００２４】
このとき、上記画素ずらし光学素子３は、ＬＣＤ２に対して所定の角度θa （一例としては１３°）の交差角をもって傾けて配設されており、さらに、この画素ずらし光学素子３は、上記接眼光学系４の光軸Ｏに対してもある程度の傾きが発生するように配置されている。
【００２５】
より詳しくは、該画素ずらし光学素子３は、その主面の中心位置において立てた法線が、上記光軸Ｏに対して所定の角度θx （一例としては１７°）の交差角をなすように配置されている。
【００２６】
上記画素ずらし光学素子３は、後述する図１１などに示すように、上記ＬＣＤ２から出射される光の偏光方向を所定方向に揃えるための偏光板３６と、この偏光板３６を通過した光の偏光方向を時系列的に切り替えて出射する液晶セルでなる偏光方向切替手段たる偏光スイッチング素子３１と、この偏光スイッチング素子３１を通過して入射される光をその偏光方向に応じてシフトして出射する複屈折板３２と、この複屈折板３２を通過した光の偏光方向をさらに時系列的に切り替えて出射する液晶セルでなる偏光方向切替手段たる偏光スイッチング素子３３と、この偏光スイッチング素子３３を通過した光をその偏光方向に応じて屈折させる複屈折板３４および複屈折板３５と、の各板状でなる部材をこの順に積層して、後述するように接着剤３７（図１３参照）等を用いて一体化することにより構成されている。
【００２７】
このような画素ずらし光学素子３を用いて光路をシフトさせる原理は次のようになっている。
【００２８】
後述する図５等に示すように、ＬＣＤ２からある方向（この図５に示した例では左右方向）に偏光された光が出射されると、偏光スイッチング素子３１は、その制御状態に応じて、偏光方向を変化させることなく光をそのまま通過させるか、あるいは偏光方向を例えば９０度回転させた後に光を通過させるようになっている。これにより、例えば図５において横方向に偏光した光を、ある制御状態では該横方向の偏光状態のまま通過させ、また他の制御状態では縦方向に偏光させて通過させる。
【００２９】
この偏光スイッチング素子３１を通過した光は、複屈折板３２に入射するが、この複屈折板３２は、光の偏光方向に応じて屈折率が異なる素材、例えば水晶やニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）の結晶により形成されていて、その光の偏光方向に応じて、ある偏光方向では光路をシフトさせ、他の偏光方向では光路をシフトさせることなく通過させるようになっている。
【００３０】
図５の例では、図５（Ａ）において、縦方向の偏光状態で入射した光は、シフトされることなくそのまま通過し、図５（Ｂ）の実線に示すような画素２ａの位置となって観察される。一方、横方向の偏光状態で入射した光は、横方向にシフトされて通過し、図５（Ｂ）の実線に示すような画素２ａ’の位置に移動して観察される。
【００３１】
そして、上述したような光路をシフトさせる偏光スイッチング素子と複屈折板との組み合わせを２組設けて、これらのシフト方向を２方向、例えば横方向と斜め方向となるように配置することで、平行四辺形の各頂点を移動する４点画素ずらしを行うようにしたものである。
【００３２】
次に、上記ＬＣＤ２は、図２に示すように、例えば横８００×縦２２５の画素数でデルタ配列された複数の画素２ａを有しており、これらの画素２ａは、良く知られているように、同一列上において、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の画素２ａが巡回するように配列されるとともに、偶数列と奇数列とは、画素同士の横方向のピッチの半分だけずれるようにして、かつ、上下の左右隣りとなる色とは異なる色が位置するようにして配置されている。
【００３３】
このように配列された各画素を、上記偏光スイッチング素子３１と複屈折板３２の組み合わせ、および偏光スイッチング素子３３と複屈折板３４，３５の組み合わせにより、例えば横方向と斜め方向にシフトさせることで、図３に示すように、平行四辺形の各頂点を移動させるようになっている。
【００３４】
すなわち、１フレームの画像を例えば４つのサブフィールドにより構成して、第１のサブフィールドにおいては、例えば上記偏光スイッチング素子３１をオフするとともに偏光スイッチング素子３３をオフすることにより、画素が図３中の「１」で示す位置となり、第２のサブフィールドにおいては、上記偏光スイッチング素子３１をオンするとともに偏光スイッチング素子３３をオンすることにより、画素の見かけの位置が図３中の「２」で示す位置に移動し、第３のサブフィールドにおいては、上記偏光スイッチング素子３１をオンするとともに偏光スイッチング素子３３をオフすることにより、画素の見かけの位置が図３中の「３」で示す位置に移動し、第４のサブフィールドにおいては、上記偏光スイッチング素子３１をオフするとともに偏光スイッチング素子３３をオンすることにより、画素の見かけの位置が図３中の「４」で示す位置に移動し、さらにその後に上記偏光スイッチング素子３１をオフするとともに偏光スイッチング素子３３をオフすることにより、画素の見かけの位置が図３中の上記「１」で示す位置に復帰する。なお、この動作の詳細については、例えば上述した特願平１０−３３６４８２号に記載されている。
【００３５】
こうして、このような動作を行うことにより、ＬＣＤ２上の各画素は、図４に示すように見かけの位置を移動され、図２に示す画素配置よりも高精細な画像を観察することが可能となる。なお、この図４において、各画素を囲む実線、一点鎖線、点線、２点差線は、上記図３における各位置「１」、「２」、「３」、「４」にそれぞれ対応している。
【００３６】
このような画素２ａの見かけの位置をずらす動作を、ＬＣＤ２と画素ずらし素子３とが平行に配設されていない光学装置において行うと、実際に達成される画素の見かけの位置が、狙いとする画素の見かけの位置に対して、誤差を生じてしまうことについて図５を参照して説明する。なお、この図５においては、説明を簡単にするために、上述した偏光スイッチング素子３１，３３と複屈折板３２，３４，３５の内の、偏光スイッチング素子３１と複屈折板３２との組み合わせの部分について述べる。
【００３７】
まず、図５（Ａ）に示すように、ＬＣＤ２の主面に対して、偏光スイッチング素子３１と複屈折板３２の主面が平行となるように配設されている場合には、図５（Ｂ）に示すように、例えば横方向への画素ずらしは、誤差を発生させることなくほぼ目的の位置になされる。
【００３８】
次に、図５（Ｃ）に示すように、ＬＣＤ２の主面に対して、偏光スイッチング素子３１と複屈折板３２の主面が角度θx の交差角をもって傾くように、かつ偏光スイッチング素子３１の主面と複屈折板３２の主面とは互いに平行となるように配設されている場合には、図５（Ｄ）に示すように、横方向への画素ずらしを行うと、例えばやや上側に位置の誤差が発生してしまう。
【００３９】
これは、視線方向と複屈折板３２との相対的な角度関係が変化して、視線方向の光線に対する結晶軸Ｃの方向が変わったためである。
【００４０】
このような視線方向の光線に対する角度θx だけの傾きにより、例えば第１のサブフィールドにおいては図６（Ｂ）の実線で示すような位置にある画素２ａが、例えば第２のサブフィールドにおいて点線で示すような見かけの位置２ａ’となってしまい、図６（Ａ）に示すような理想的な位置に対して、画素の見かけの位置がジグザグに配列されることになってしまう。このような配列となると、画像の均一感が損なわれたり、解像度の劣化による画質の低下や、偏光方向の回転によるコントラストの低下等が生じてしまうことになる。
【００４１】
そこで、こうしたＬＣＤ２の主面に対して偏光スイッチング素子３１と複屈折板３２の主面が角度θx の交差角をもって傾く配置であっても、上記誤差がほぼ発生することのないようにしたのが図５（Ｅ）である。すなわち、この図５（Ｅ）に示す構成においては、後で詳しく説明するように、複屈折板３２をその主面に立てた法線の周りに角度θc だけ回転させて、視線方向の光線に対する傾きにより生じる上記図５（Ｄ）に示すような誤差を、図５（Ｆ）に示すように補正するようにしたものである。
【００４２】
このような配置を行うことにより、上記図６（Ａ）に示すものと同様の、ほぼ理想的な見かけ位置の画素配列を得ることが可能となる。
【００４３】
次に、上記複屈折板３２を構成する結晶の種類とその屈折の特性について説明する。
【００４４】
上記複屈折板３２は、上述したように複屈折性の結晶により形成されているが、こうした結晶には、図７（Ａ）に示すような正の結晶と、図７（Ｂ）に示すような負の結晶とがある。
【００４５】
図７（Ａ）に示す正の結晶は、結晶方向に平行な偏光方向Ｖo の常光ｏが入射した場合の屈折率ｎo と、結晶方向に直交する偏光方向Ｖe の異常光ｅが入射した場合の屈折率ｎe には、
ｎo ＜ｎe
なる関係があり、異常光ｅは常光ｏよりも結晶軸Ｃに沿った方向（矢印で示すシフト方向）にシフトされて出射される。
【００４６】
一方、図７（Ｂ）に示す負の結晶は、結晶方向に平行な偏光方向Ｖo の常光ｏが入射した場合の屈折率ｎo と、結晶方向に直交する偏光方向Ｖe の異常光ｅが入射した場合の屈折率ｎe には、
ｎo ＞ｎe
なる関係があり、異常光ｅは常光ｏに対して結晶軸Ｃに沿った方向の反対方向（矢印で示すシフト方向）にシフトされて出射される。
【００４７】
上記複屈折板３２，３４，３５は、上述したように、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3 ）の結晶により構成されているが、このニオブ酸リチウムの結晶は、上記図７（Ｂ）に示したような負の結晶となっている。
【００４８】
次に、図８を参照して、ニオブ酸リチウムのウエハーから複屈折板を切り出すときの構成について説明する。
【００４９】
図８中のＺc 軸は結晶軸に一致しており、ウエハーの主面に垂直な１３５°ＲｏｔＹc 軸は、図８（Ａ）に示すように、上記Ｚc 軸に直交するＸc 軸とＹc 軸の内の、一方のＹc 軸を、他方のＸc 軸周りに図８（Ａ）の反時計方向に１３５°回転させたものである。
【００５０】
これにより、ウエハーの結晶軸は、図８（Ｃ）において、右上斜め４５°の方向となっている。
【００５１】
このようなウエハーにおいて、図８（Ｂ）の２点差線で示すように矩形状の複屈折板を切り出すと、図９に示すようになる。
【００５２】
すなわち、この複屈折板は、厚み方向の奥から手前側に向かって右斜め４５°の結晶軸を有しており、上述したように、ニオブ酸リチウムの結晶は負の結晶であるために、手前側の面を出射面として、結晶軸とは反対の矢印で示す左方向がシフト方向となっている。
【００５３】
このように切り出した複屈折板で異常光ｅを屈折させるときに生じる誤差について、図１０を参照して説明する。
【００５４】
図１０（Ａ）は、上記図９に示した複屈折板を上下逆位置にした状態を示している。
【００５５】
このような複屈折板を、該複屈折板の出射面（Ａ面）に垂直な方向（１３５°ＲｏｔＹc 軸の方向）に対して上に見込み角θx だけ傾いた方向でかつ左右方向には傾いていない視線により観察する場合の異常光の通過経路を拡大して示すのが図１０（Ｂ）である。
【００５６】
上記Ａ面に対して垂直な面、より詳しくは、上記Ｚc 軸およびＹc 軸に平行な面、をＢ面とする。そして、光線の光路を複屈折板内においては２重点線で、複屈折板から出射された後は２重実線の矢印で示す。
【００５７】
ここで、光線の光路とＢ面との交点をＰ2 、該光路とＡ面との交点をＰ5 、この点Ｐ5 のＢ面への投影点をＰ1 、上記２重実線で示した光路を複屈折板内へ延長したときのＢ面との交点をＰ4 、上記Ｐ2 から結晶軸Ｃの方向に引いた線とＡ面との交点をＰ3 とする。
【００５８】
このとき、結晶軸Ｃのシフト量であるＰ3 Ｐ1 をＳとすると、三角形Ｐ1 Ｐ2 Ｐ3 は、該結晶軸Ｃの傾きが４５°であることから、２等辺三角形となるために、Ｐ2 Ｐ1 はＳである。
【００５９】
また、見かけの結晶軸Ｃ’のシフト量であるＰ4 Ｐ1 をＳ’とすると、異常光の屈折率ｎe を用いて、
Ｓ’＝Ｓ／ｎe
なる関係が成立する。
【００６０】
従って、Ｘc 軸方向の変化量であるＰ1 Ｐ5 をｈ’とすると、三角形Ｐ4 Ｐ1 Ｐ5 に着目して、
0004464490.tif 000002
ここに、見込み角θx は比較的小さいものとして近似をしている。
【００６１】
これにより、見かけの結晶軸Ｃ’のＡ面への視線方向の投影Ｄの補正回転角θc は、三角形Ｐ3 Ｐ1 Ｐ5 に着目して、
0004464490.tif 000003
となる。ここに、上述と同様に、補正回転角θc は比較的小さいものとして近似をしている。
【００６２】
こうして、補正回転角θc は、異常光の屈折率ｎe と見込み角θx により決定されることがわかる。なお、ここで得られた関係式は、式を導く過程で材質を限定する仮定を用いていないために、ニオブ酸リチウムの結晶に適用するに限るものではなく、その他の結晶材料にも広く適用することが可能である。
【００６３】
こうして得られた補正回転角θc の補正を行うために、本実施形態の光学装置に用いる複屈折板は、上記図８（Ｂ）の点線に示すように、ウエハーから切り出す際に、この補正回転角θc だけ予め回転させた状態としたものである。
【００６４】
従って、例えば上記複屈折板３２は、上記図５（Ｅ）に示すように、Ｘc 軸がこの補正回転角θc だけ回転した位置となっていて、側方から見ても結晶軸Ｃに傾斜があるように形成されたものとなっている。
【００６５】
複屈折板をこの補正回転角θc だけ予め回転させておくことにより、上記図１０（Ｂ）のｈ’分がほぼ相殺されて、光が射出される点が上記Ｐ5 からＰ1 に示す理想的な位置に補正されることになる。
【００６６】
続いて、上述したような複屈折板を用いた画素ずらし光学素子３の構成について図１１から図１３を参照して説明する。
【００６７】
上述したように、画素ずらし光学素子３は、偏光板３６と、偏光スイッチング素子３１と、複屈折板３２と、偏光スイッチング素子３３と、複屈折板３４と、複屈折板３５と、をこの順に積層して構成されている。
【００６８】
このような構成において、上記図１に示した見込み角θx は、上述したようにその画面の中心域で例えば１７°となるように設定されていて、上記補正回転角θc は例えば８°と計算される。
【００６９】
こうして、複屈折板３２は、そのＸc 軸が図１１において右回りに８°だけ傾くように例えば厚さ０．５４（ｍｍ）のウエハーから切り出される。
【００７０】
また、上記複屈折板３４は、Ｘc 軸が図１１において左回りに９０°だけ傾くように例えば厚さ０．４８（ｍｍ）のウエハーから切り出されるが、この複屈折板３４においては異常光の光路の誤差が発生しないために、通常の切り出しと同様である。
【００７１】
さらに、上記複屈折板３５は、Ｘc 軸が図１１において右回りに１７２°だけ傾くように例えば厚さ０．２７（ｍｍ）のウエハーから切り出されるが、これは通常の切り出しにおいて１８０°反転させて切り出すのに対して、図１１の右回りに−８°（つまり図１１の左回りに８°）だけ回転させたものである。
【００７２】
なお、上記見込み角θx は、画面内の位置に依存するものであって、例えば画面の中心部分と角部分とでは異なる値となるために、ニオブ酸リチウムの結晶により形成された複屈折板を回転させる手段のみでは、画面全体を完全に補正することは不可能である。
【００７３】
従って、主光線の傾角を考慮して画面全体のバランスを考えると、上述したように画面の中心域において誤差を最も良く補正することができるように調節することが望ましい。もちろん、使用形態等を考慮して、画面の中心域でなくその他の部分、例えば文字情報が表示される部分などを最も良好に補正するようにしても構わない。
【００７４】
また、上述のような補正回転角を複屈折板に予め与えることは、画素ずらし光学素子だけに限らず、複屈折板を使用する光学ローパスフィルタにも適用できることはいうまでもない。
【００７５】
このような画素ずらし光学素子３の複屈折板３２，３４，３５は、上述したように例えばニオブ酸リチウムの結晶により形成されていて、その屈折率が２．３程度（上述したように常光と異常光とで屈折率が異なる）と比較的高いために、境界面で発生する反射光を極力減らして透過率を上げるべく、図１２に示すように、ＡＲコートが施されている。
【００７６】
ここに、画素ずらし光学素子３を構成する各部材は、後述するように接着剤３７（図１３参照）等を用いて一体化されるために、複屈折板３２の両面のＡＲコート３２ａと、複屈折板３４の両面のＡＲコート３４ａと、複屈折板３５の片面のＡＲコート３５ａとは、例えば屈折率が１．５程度でなる接着剤３７との間で反射率を下げるのに適した反射防止膜が形成され、一方、複屈折板３５の他の片面のＡＲコート３５ｂは、例えば空気に対して反射率を下げるのに適した反射防止膜が形成されている。
【００７７】
なお、上記偏光スイッチング素子３１，３３は、フレキシブルプリント基板３１ａ，３３ａ等を介して図示しない駆動回路にそれぞれ接続され、上述したような時系列的な制御が行われるようになっている。
【００７８】
そして、上述したような画素ずらし光学素子３を構成する各部材は、図１３に示すように接着剤３７を用いて一体的に固着され、一つのユニットとして構成されるようになっている。
【００７９】
また、上述したような画素ずらし光学素子は、画像を観察するための表示光学系に適用されるに限るものではなく、光線の向きが外光を取り込んで撮像を行う撮像装置に適用することも可能である。
【００８０】
図１に示される表示光学系の構成例において、２の表示素子を物点とし発せられた光束が観察者眼球に向かうが、観察者眼球を風景、２の表示素子を撮像素子とし、光束が進む方向が表示光学系と全く逆方向の系を考えれば、撮像光学系の構成となる。ここで表示光学系と撮像光学系の光束の進行する向きが逆なため、同様な高解像化効果を持たせるためには、撮像光学系における画素ずらし光学素子と表示光学系における画素ずらし光学素子３とは表裏逆の関係になることは容易に考察できる。
【００８１】
このような撮像装置は、例えば図１４に示すように、外光を撮像光学系５４の入射面５４ｄから入射して、第１の反射面５４ｃで反射した後に、上記入射面５４ｄと同一面内の他の部分に設けられた第２の反射面５４ｂにより反射し、出射面５４ａから出射する。
【００８２】
この被写体光束は、前述にあるように画素ずらし光学素子３と構成は同様だが逆配置、すなわち出射面５４ａ側に偏光板があり、この偏光板から偏光スイッチング素子を経由して配置される複屈折板とで構成された画素ずらし光学素子５３を通過して、撮像素子５２上に結像され、光電変換などを行って電気信号として出力される。
【００８３】
このような構成において、高解像な撮像が可能であるのは表示装置と同様であり、複屈折板の補正回転角を与えることの効果は前述と同様である。
【００８４】
また、上述した画素ずらし光学素子３と同様に画素ずらし光学素子５３を構成すると、出射面５４ａからの被写体光束は、画素ずらし光学素子５３を通過して、撮像素子５２上に結像され、光電変換などを行って電気信号として出力される。
【００８５】
このような構成においては、画素ずらし光学素子５３は、内部に含まれる複屈折板により、一般に特定の方向には偏光していない被写体光に対するローパスフィルタとしても機能するようになっている。
【００８６】
すなわち、この画素ずらし光学素子５３は、色フィルタアレイのピッチ相当の周波数成分の信号に基づく偽信号の発生を抑制するための光学ローパスフィルタとして機能するものである。
【００８７】
このとき、撮像光学系５４の光軸Ｏに対する画素ずらし光学素子５３の主面に立てた法線の傾きの角度をθx として、さらに該画素ずらし光学素子５３内の複屈折板の異常屈折率ｎe をとすると、実質的に、
θc ＝θx ／ｎe
なる角度θc だけ上記法線の周りに回転させることは上述と同様である。
【００８８】
なお、光学的なローパスフィルタとしてのみ機能させるためであれば、画素ずらし光学素子５３内に偏光スイッチング素子等を配設する必要はないが、例えば撮像素子と表示素子を交換可能として、撮像装置を画像表示装置と兼用させる場合には、何れにも用いることができるように偏光スイッチング素子も配設することが考えられる。もちろん偏光スイッチング素子や偏光板を配置せず、複屈折板のみを配設することによってローパスフィルタとして機能させるために、複屈折板を回転させる効果があることはいうまでもない。
【００８９】
以上説明したように、このような実施形態によれば、表示素子と複屈折板とが平行に配設されていない場合に、画素ずらしを行う際に発生する誤差を、複屈折板の結晶軸の方向を回転させることにより補正するようにしたために、コストを増加させることなく、明るくざらつきの少ない高品質な画像を表示することが可能となる。
【００９０】
つまり、結晶軸の方向を回転させるためには、ウエハーからの複屈折板の切り出し方向を変化させるだけで良いために、特別のコスト高を招くことはないためである。
【００９１】
また、複屈折板の表面に、隣接する接着剤や空気等に適合した反射防止のＡＲコートを施したために、ゴーストなどを良好に除去することができるとともに、光量のロスを防いでより明るい画像を表示することが可能となる。
【００９２】
また、画素ずらし光学素子を接着剤を用いてユニットとして組み立てることにより、それぞれを単品として鏡枠等に組み付けるよりも強度を確保することができ、かつ組立の作業工程を簡略化してコストを下げることができる。
【００９３】
さらに各部材間に接着剤が充填されているために、光学性能に影響を与えるゴミなどが付着することもなく、取り扱いも容易となる。
【００９４】
そして、各部材の表面に微細な傷等の形状部があったとしても、適宜の屈折率の接着剤を充填することにより、該形状部による光学性能の低下を抑制して、見易い画像を得ることができる。
【００９５】
また、撮像装置において、撮像素子に対して画素ずらし光学素子を傾斜して配設する場合にも、光軸シフト位置の誤差を打ち消すように結晶軸を回転させて複屈折板を配設しているために、正確なシフト距離および方向で光軸をシフトすることが表示装置と同様に可能となる。
【００９６】
また、撮像装置および表示装置において、ローパスフィルタとして使用する場合もローパスフィルタリングさせたい方向を正確に特定して、充分なローパスフィルタ効果を得ることが可能となる。
【００９７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。
【００９８】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１による本発明の光学装置によれば、複屈折板を配置する際の空間的な制約などから複屈折板を傾けざるを得ない場合でも、正確なシフト距離および方向で光軸をシフトすることができ、より均一で高画質な画像を得ることが可能となる。
【００９９】
また、請求項２による本発明の光学装置によれば、複屈折板を配置する際の空間的な制約などから複屈折板を傾けざるを得ない場合でも、正確なシフト距離および方向で光軸をシフトすることができ、画質やコントラスト等の低下を防止して、より均一で高画質な画像を得ることが可能となる。
【０１００】
さらに、請求項３による本発明の光学装置によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果を奏するとともに、角度θc を、角度θx と異常屈折率ｎe に基づいて容易に決定することができる。
【０１０１】
請求項４による本発明の光学装置によれば、複屈折板を配置する際の空間的な制約などから複屈折板を傾けざるを得ない場合でも、所定の主光線に対して角度θx だけ傾けて配置することにより、正確なシフト距離および方向で主光線をシフトすることができ、画面上の所定の場所を最適化して、画面全体としてもより均一で高画質な画像を得ることが可能となる。
【０１０２】
請求項５による本発明の撮像装置によれば、複屈折板を配置する際の空間的な制約等から複屈折板を傾けざるを得ない場合でも、正確なシフト距離および方向で光軸をシフトすることができ、より均一で高画質な画像を得ることが可能となる。
【０１０３】
請求項６による本発明の撮像装置によれば、請求項５に記載の発明と同様の効果を奏するとともに、角度θc を、角度θx と異常屈折率ｎe に基づいて容易に決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の頭部装着型画像表示装置に適用された光学装置の構成を示す側面図。
【図２】上記実施形態において、ＬＣＤ上の画素配列を示す図。
【図３】上記実施形態の光学装置による一画素の見かけの位置の移動を示す図。
【図４】上記実施形態の光学装置により見かけの位置を移動されたＬＣＤ上の画素配列を示す図。
【図５】上記実施形態において、ＬＣＤに対して液晶セルと複屈折板が傾けて配設されているときの見かけの画素位置の誤差とその補正を示す図。
【図６】上記実施形態において、見かけの画素位置の誤差により画素配列が不均一になる様子を示す図。
【図７】上記実施形態において、正結晶の複屈折板と負結晶の複屈折板による常光および異常光の屈折の様子を示す側面図。
【図８】上記実施形態におけるウエハーの結晶方向を示す図。
【図９】上記実施形態において、ウエハーから矩形に切り出された複屈折板を示す斜視図。
【図１０】上記図９の複屈折板による見かけの位置の誤差を示すための斜視図および部分拡大斜視図。
【図１１】上記実施形態における画素ずらし光学素子の構成を示す分解斜視図。
【図１２】上記実施形態において、ＡＲコートが施された画素ずらし光学素子の構成を示す分解斜視図。
【図１３】上記実施形態において、ＡＲコートが施された画素ずらし光学素子を接着して一体化した状態を示す側面図。
【図１４】上記実施形態において、画素ずらし光学素子を用いて撮像装置を構成した例を示す側面図。
【符号の説明】
１…バックライト
２…ＬＣＤ（表示手段）
３…画素ずらし光学素子
４…接眼光学系（光学系）
３１，３３…偏光スイッチング素子（偏光方向切替手段）
３２，３４，３５…複屈折板
５２…撮像素子
５３…画素ずらし光学素子
５４…撮像光学系（光学系）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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