JP2000147422A - 頭部搭載型ディスプレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学系を従来のものと比較して大型化するこ
となく、高コントラスト化、高輝度化、広視野角化を実
現することができる頭部搭載型ディスプレイを提供す
る。 【解決手段】 照明光を出射するフロントライト４１
と、フロントライト４１からの照明光を透過光と反射光
とに分離するハーフミラー４３と、ハーフミラー４３に
て分離された光の一方を受けて、所望の反射光を形成す
ることにより、映像を表示する反射型ＬＣＤパネル４０
とを備え、反射型ＬＣＤパネル４０によって形成された
反射光を、前記ハーフミラー４３にて透過光と反射光と
に分離して、その一方を観察者の眼球２０に導く頭部搭
載型ディスプレイであって、前記反射型ＬＣＤパネル４
０と前記ハーフミラー４３との間に、前記反射型ＬＣＤ
パネル４０によって形成された反射光を屈折拡大するレ
ンズ４４を設けるとともに、前記ハーフミラー４３と前
記観察者の眼球２０との間に、前記反射型ＬＣＤパネル
４０によって形成された反射光を屈折拡大するレンズ４
２を設けたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射型映像表示素
子により表示された映像を、光学系により観察者の眼球
に虚像として提示する頭部搭載型ディスプレイ（Ｈｅａ
ｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ：以下、ＨＭＤと
称す）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、仮想的現実における視覚情報提示
用ディスプレイ、家庭用のゲーム機器やＡＶ観賞用のデ
ィスプレイ、また携帯情報端末用のモバイルディスプレ
イとして、ＨＭＤが注目されている。ＨＭＤはゴーグル
型、眼鏡型等の装置を頭部に装着し、映像、音響を視聴
するものである。

【０００３】図５は従来のＨＭＤの概略構成の一例を示
す上面図であり、同図において、全体はメガネ型ケース
１に納められており、観察者の頭部に装着して使用され
るが、そのメガネのレンズに相当する部分に、外側から
バックライト２、映像表示素子３、拡大レンズ４の順に
構成要素が配置されている。

【０００４】従って、映像表示素子３によって形成され
た映像を拡大レンズ４で拡大し、観察者の眼球に虚像と
して提示することにより、このＨＭＤを装着した観賞者
は、大画面スクリーンの映像と同様の映像を観賞するこ
とが可能となる。

【０００５】従来のＨＭＤにおいては、映像表示素子３
として透過型液晶表示素子を利用するものが多かった
が、最近では、反射型液晶表示素子を利用したＨＭＤ
も、例えば特開平８−３２０４５１号公報等で提案され
ている。このＨＭＤについて以下説明する。

【０００６】尚、以下の説明においては、図６に示すよ
うに、座標軸の定義を、紙面に垂直で手前に向いている
方向をＺ軸、紙面に平行で上向きの方向をＹ軸、Ｙ軸に
垂直で紙面右に向かう方向をＸ軸とする。

【０００７】特開平８−３２０４５１号公報で提案され
ているＨＭＤは、図７に示すように、平板蛍光管１０か
ら出た照明光が、偏光板（Ｐ）１５、ビームスプリッタ
１３を透過して、反射型ＬＣＤパネル１１を照射するこ
とにより、該反射型ＬＣＤパネル１１に表示された映像
が照らし出される。

【０００８】反射型ＬＣＤパネル１１により反射された
光は、映像情報としてビームスプリッタ１３のハーフミ
ラー面１３ａで反射して、λ／４波長板１４を透過した
後、平凸レンズ１２の反射面１２ａで反射し、ビームス
プリッタ１３、偏光板（Ｓ）１６を透過して観察者の眼
球２０に導かれる。

【０００９】ここで、平板蛍光管１０から観察者の眼球
２０に至るまでの光の偏光方向は、偏光板（Ｐ）１５か
らλ／４波長板１４に至るまではＰ偏光であり、平凸レ
ンズ１２の反射面１２ａで反射してλ／４波長板１４を
透過するとＳ偏光になり、偏光板（Ｓ）１６を透過して
観察者の眼球２０に導かれるまではそのままである。

【００１０】一方、平板型蛍光管１０から出射されハー
フミラー面１３ａで反射された照明光の偏光方向は、偏
光板（Ｐ）１５からハーフミラー面１３ａで反射される
までＰ偏光であるため、観察者の眼球２０の前方に位置
する偏光板（Ｓ）１６で遮断される。

【００１１】また、反射型ＬＣＤパネル１１で散乱され
た光がハーフミラー面１３ａを透過して観察者の眼球２
０に向かう場合も、Ｐ偏光のままであるため、観察者の
眼球２０の前方に位置する偏光板（Ｓ）１６で遮断され
る。

【００１２】以上の構成により、反射型ＬＣＤパネル１
１を用いているので、得られる映像が明るく、高コント
ラストになるとともに、全反射部材の平凸レンズ１２を
用いているので、得られる映像が明るく、さらに光路を
大きく屈折させることができるため、光学系をコンパク
トにすることができる。

【００１３】さらに、Displaytech社製の反射型液晶パ
ネル評価キットでは、図８に示すように、ＬＥＤ３１か
ら出た照明光が、レンズ３４により平行光束とされて、
偏光板（Ｐ）３５、ハーフミラー３３を透過し、強誘電
性反射型液晶パネル３０を照射することにより、該強誘
電性反射型液晶パネル３０に表示された映像が照らし出
される。

【００１４】強誘電性反射型液晶パネル３０により反射
された光は、映像情報としてハーフミラー３３で反射
し、偏光板（Ｓ）３６、レンズ３２を透過して観察者の
眼球２０に導かれる。

【００１５】ここで、ＬＥＤ３１から観察者の眼球２０
に至るまでの光の偏光方向は、偏光板（Ｐ）３５から強
誘電性反射型液晶パネル３０に至るまではＰ偏光であ
り、強誘電性反射型液晶パネル３０で光が反射されると
きに、発光すべきピクセルの部分から反射される光はＳ
偏光となり、そうでないピクセル部分から反射される光
はそのままＰ偏光として反射される。

【００１６】強誘電性反射型液晶パネル３０にて反射さ
れた光は、ハーフミラー３３で反射され、偏光板（Ｓ）
３６に達する。偏光板（Ｓ）３６では、発光すべきＳ偏
光成分のみが透過し、そうでないＰ偏光成分は遮断され
る。偏光板（Ｓ）３６を透過したＳ偏光成分は、レンズ
３２で屈折されて、観察者が観察する像が拡大された
後、観察者の眼球２０に到達する。

【００１７】従って、観察者の眼球２０には、発光すべ
きピクセル部分のＳ偏光成分のみが到達するので、観察
者は強誘電性反射型液晶パネル３０に表示されている映
像の拡大された虚像を見ることができる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図７と
ともに上述した特開平８−３２０４５１号公報に記載の
ものにおいては、平板蛍光管１０から出射した照明光
は、偏光板（Ｐ）１５を透過した後、ハーフミラー面１
３ａで反射型ＬＣＤパネル１１に向けて透過する光線
と、観察者の眼球２０に向けて反射する光線１７とに分
離される。

【００１９】ここで、光線１７に全く偏光の乱れがなけ
れば、光線１７は偏光板（Ｓ）１６で全て遮断されるの
で、観察者の眼球２０には到達しないが、実際には、ハ
ーフミラー面１３ａで反射される際に多少の乱れを伴う
ので、光線１７の一部が偏光板（Ｓ）１６を透過してし
まい、観察者の眼球２０に到達することとなる。これが
フレア光となり、映像のコントラストを低下させてしま
うという問題があった。

【００２０】さらに、平板蛍光管１０から出射したシグ
ナル光は、観測者の眼球２０に到達するまでに、ハーフ
ミラー面１３ａを３回透過／反射するため、平板蛍光管
１０から出射した照明光の利用率は１／８になってしま
い、輝度が低下してしまう。或いは、輝度を大きくする
には、消費電力が大きくなってしまうという問題があっ
た。

【００２１】また、図８とともに上述した光学系におい
ては、ＬＥＤ３１から出射したシグナル光が、ハーフミ
ラー３３を２回透過／反射するため、ＬＥＤ３１から出
射した照明光の利用率は１／４となり、図７に示したも
のに比べて２倍の利用効率であるが、レンズ３２がハー
フミラー３３と観察者の眼球２０の間にあるだけなの
で、強誘電性反射型液晶パネル３０に表示された映像を
大きく拡大するには屈折力が不足し、広視野角化に限度
があるという問題があった。

【００２２】本発明は、上述したような点に鑑みてなさ
れたものであり、光学系を従来のものと比較して大型化
することなく、高コントラスト化、高輝度化、広視野角
化を実現することができる頭部搭載型ディスプレイを提
供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本願請求項１に記載の発
明に係る頭部搭載型ディスプレイは、照明光を出射する
照明手段と、該照明手段からの照明光を透過光と反射光
とに分離する半透過／半反射光学素子と、該半透過／半
反射光学素子にて分離された光の一方を受けて、所望の
反射光を形成することにより、映像を表示する反射型映
像表示素子とを備え、該反射型映像表示素子によって形
成された反射光を、前記半透過／半反射光学素子にて透
過光と反射光とに分離して、その一方を観察者の眼球に
導く頭部搭載型ディスプレイであって、前記反射型映像
表示素子と前記半透過／半反射光学素子との間に、前記
反射型映像表示素子によって形成された反射光を屈折拡
大する第１の拡大光学素子を設けるとともに、前記半透
過／半反射光学素子と前記観察者の眼球との間に、前記
反射型映像表示素子によって形成された反射光を屈折拡
大する第２の拡大光学素子を設けたものである。

【００２４】これによって、第１及び第２の拡大光学素
子を、反射型液晶表示素子と半透過／半反射光学素子と
の間、及び半透過／半反射光学素子と観察者の眼球との
間にそれぞれ分離して配置しているので、光学系の大型
化を招来することなく、虚像サイズをより大きくするこ
とができる。また、フレア光の発生を防止して、高コン
トラストの映像を観察することが可能である。

【００２５】本願請求項２に記載の発明に係る頭部搭載
型ディスプレイは、前記請求項１に記載の頭部搭載型デ
ィスプレイにおいて、前記反射型映像表示素子に入射す
る前記照明手段からの照明光を平行光束に変換する平行
変換光学素子を設けたものである。

【００２６】これによって、平行変換光学素子によって
照明手段からの照明光を平行光束に変換した後、反射型
映像表示素子を照明するので、照明光を反射型映像表示
素子に対して垂直に入射することが可能となり、観察者
は良好な映像を観察することができる。

【００２７】本願請求項３に記載の発明に係る頭部搭載
型ディスプレイは、前記請求項２に記載の頭部搭載型デ
ィスプレイにおいて、前記平行変換光学素子を、前記第
１の拡大光学素子と兼用したものである。

【００２８】これによって、平行変換光学素子を、第１
の拡大光学素子と兼用しているので、簡単な構成にて、
反射型映像表示素子で表示される映像を拡大するととも
に、照明手段からの照明光を平行光束に変換して反射型
映像表示素子を照射することができ、より小型・軽量化
を実現することが可能である。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の頭部搭載型ディス
プレイの第１実施形態を、図１とともに説明する。ここ
で、図１は本実施形態の頭部搭載型ディスプレイにおけ
る光学系を示す説明図である。尚、図１（ａ），（ｂ）
は各光学素子の配置を上下逆にしただけで、基本構成は
全く同じである。

【００３０】本実施形態の頭部搭載型ディスプレイの光
学系は、図１に示すように、ＺＸ平面と平行なＹ軸上
に、順にフロントライト（照明手段）４１、偏光板
（Ｐ）４５、レンズ（第１の拡大光学素子）４４、反射
型ＬＣＤパネル（反射型映像表示素子）４０が配置さ
れ、ＹＺ平面と平行なＸ軸上に、順に偏光板（Ｓ）４
６、レンズ（第２の拡大光学素子）４２が配置されてい
る。

【００３１】また、偏光板（Ｐ）４５とレンズ４４との
間に、ＹＺ平面と平行な平面をＺ軸を中心として＋４５
度回転させた状態でハーフミラー（半透過／半反射光学
素子）４３が配置されている。

【００３２】尚、本実施形態においては、ハーフミラー
４３として偏光ミラーを使用しており、例えば３Ｍ社よ
り販売されている「ＤＢＥＦ」などを用いることができ
る。偏光ミラーとは、ある方向の直線偏光成分を透過
し、透過する偏光成分と直行する偏光成分を反射すると
いう性質を持つものであり、ここでは、Ｐ偏光を透過
し、Ｓ偏光を反射するような方向で配置されている。

【００３３】上記のように構成してなる光学系において
は、フロントライト４１から出射した照明光が偏光板
（Ｐ）４５、ハーフミラー４３、レンズ４４を透過し、
反射型ＬＣＤパネル４０に到達する。反射型ＬＣＤパネ
ル４０では、発光（発色）すべきピクセルの部分におい
てその強弱に応じて偏光方向が回転する。

【００３４】反射型ＬＣＤパネル４０で反射された光線
はレンズ４４を透過する。このとき、光線はレンズ４４
により屈折し、観察者の観察する像が拡大される。レン
ズ４４にて屈折された光線は、次にハーフミラー４３で
反射され、偏光板（Ｓ）４６を透過した後、レンズ４２
に入射する。

【００３５】この偏光板（Ｓ）４６により、偏光の回転
度合いに対して光線が遮断されるので、観察者の目に映
像として捕らえられるようになる。また、レンズ４２で
光線はもう一度屈折し、観察者が観察する像はさらに拡
大され、映像観察者の眼球２０に到達する。

【００３６】このように、本実施形態の光学系の場合、
反射型ＬＣＤパネル４０で反射された光線は、レンズ４
４及びレンズ４２により２回屈折するので、図８ととも
に上述した従来例と比較すると、より広視野で映像を捕
らえることが可能となる。

【００３７】また、フロントライト４１から出射した照
明光は、一度目のハーフミラー４３通過時にその半分が
光線４７として、観察者の眼球２０と反対の向き（−Ｘ
軸方向）に反射されるが、この光線４７は観察者の眼球
２０には全く入射しないので、図７とともに上述した従
来例と比較すると、よりフレア光の少ない、高コントラ
ストな映像を楽しむことができる。

【００３８】さらに、本実施形態の光学系においては、
ハーフミラー４３の透過／反射回数が２回であるので、
フロントライト４１から出射した光の利用率は１／４と
なり、図７とともに上述した従来例の２倍の輝度、すな
わち図８とともに上述した従来例と同等の輝度を得るこ
とができる。

【００３９】そしてまた、ハーフミラー４３として、偏
光ミラーを使用することにより、フロントライト４１か
ら出射した光の利用効率は１となり、消費電力を増やす
ことなく、輝度を向上させることができる。

【００４０】また、本発明の頭部搭載型ディスプレイの
第２実施形態を、図２とともに説明するが、上記第１実
施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略
する。ここで、図２は本実施形態の頭部搭載型ディスプ
レイにおける光学系を示す説明図であり、図２（ａ），
（ｂ）は各光学素子の配置を上下逆にしただけで、基本
構成は全く同じである。

【００４１】本実施形態の頭部搭載型ディスプレイの光
学系は、図２に示すように、ＺＸ平面と平行なＹ軸上
に、順にフロントライト（照明手段）４１、偏光板
（Ｐ）４５が配置され、ＹＺ平面と平行なＸ軸上に、順
に反射型ＬＣＤパネル（反射型映像表示素子）４０、レ
ンズ（第１の拡大光学素子）４４、偏光板（Ｓ）４６、
レンズ（第２の拡大光学素子）４２が配置されている。

【００４２】また、レンズ４４と偏光板（Ｓ）４６との
間に、ＹＺ平面と平行な平面をＺ軸を中心として＋４５
度回転させた状態でハーフミラー（半透過／半反射光学
素子）４３が配置されている。

【００４３】上記のように構成してなる光学系において
は、フロントライト４１から出射した照明光が偏光板
（Ｐ）４５を透過し、ハーフミラー４３で反射された
後、レンズ４４を透過し、反射型ＬＣＤパネル４０に到
達する。反射型ＬＣＤパネル４０で反射された光線はレ
ンズ４４を透過し、観察者の観察する像が屈折拡大され
る。拡大された光線は、次にハーフミラー４３、偏光板
（Ｓ）４６を透過した後、レンズ４２に入射する。

【００４４】この偏光板（Ｓ）４６により、偏光の回転
度合いに対して光線が遮断されるので、観察者の目に映
像として捕らえられるようになる。また、レンズ４２で
光線はもう一度屈折し、観察者が観察する像がさらに拡
大され、映像観察者の眼球２０に到達する。

【００４５】このように、本実施形態の光学系の場合、
上記第１実施形態と同様、フロントライト４１から出射
した光線は、反射型ＬＣＤパネル４０で反射された後、
レンズ４４及びレンズ４２により２回屈折するので、よ
り広視野で映像を捕らえることが可能となる。

【００４６】次に、本発明の頭部搭載型ディスプレイの
第３実施形態を、図３とともに説明するが、上記第１実
施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略
する。ここで、図３は本実施形態の頭部搭載型ディスプ
レイにおける光学系を示す説明図である。

【００４７】本実施形態の頭部搭載型ディスプレイの光
学系は、図３に示すように、フロントライト４１とハー
フミラー４３との間にレンズ５０を追加配置し、該レン
ズ５０と、反射型ＬＣＤパネル４０とハーフミラー４３
との間に配置されたレンズ４４との両方に関する焦点位
置にフロントライト４１を配置している。

【００４８】すなわち、レンズ５０及びレンズ４４によ
り平行変換光学素子を構成し、フロントライト４１から
出射した照明光は偏光板（Ｐ）４５、レンズ５０、ハー
フミラー４３、レンズ４４を透過して、平行光束に変換
された状態で、反射型ＬＣＤパネル４０に到達する。

【００４９】通常、反射型ＬＣＤパネル４０は、垂直な
入射光に対するコントラストが最大になり、最も良好な
画質が得られるように設計されているので、本実施形態
のように、平行光束で反射型ＬＣＤパネル４０を照射す
ることにより、より鮮明な映像を得ることが可能とな
る。

【００５０】さらに、本発明の頭部搭載型ディスプレイ
の第４実施形態を、図４とともに説明するが、上記第１
実施形態と同一部分には同一符号を付し、その説明は省
略する。ここで、図４は本実施形態の頭部搭載型ディス
プレイにおける光学系を示す説明図である。

【００５１】本実施形態の頭部搭載型ディスプレイの光
学系は、図４に示すように、フロントライト４１をレン
ズ４４の焦点位置に配置して、フロントライト４１のみ
で平行変換光学素子を構成している。

【００５２】このように、フロントライト４１をレンズ
４４の焦点位置に配置することによって、反射型ＬＣＤ
パネル４０を平行光束で照射することが可能となり、よ
り鮮明な映像を得ることができる。また、上記第３実施
形態のものと比較して、簡単な構成にて、照明光を平行
光束に変換することができるので、より小型・軽量化を
実現することが可能である。

【００５３】

【発明の効果】本願請求項１に記載の発明に係る頭部搭
載型ディスプレイは、上述したような構成としているの
で、第１及び第２の拡大光学素子を、反射型液晶表示素
子と半透過／半反射光学素子との間、及び半透過／半反
射光学素子と観察者の眼球との間にそれぞれ分離して配
置しているので、光学系の大型化を招来することなく、
虚像サイズをより大きくすることができる。また、フレ
ア光の発生を防止して、高コントラストの映像を観察す
ることが可能である。

【００５４】本願請求項２に記載の発明に係る頭部搭載
型ディスプレイは、平行変換光学素子によって照明手段
からの照明光を平行光束に変換した後、反射型映像表示
素子を照明するので、照明光を反射型映像表示素子に対
して垂直に入射することが可能となり、観察者は良好な
映像を観察することができる。

【００５５】本願請求項３に記載の発明に係る頭部搭載
型ディスプレイは、平行変換光学素子を、第１の拡大光
学素子と兼用しているので、簡単な構成にて、反射型映
像表示素子で表示される映像を拡大するとともに、照明
手段からの照明光を平行光束に変換して反射型映像表示
素子を照射することができ、より小型・軽量化を実現す
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の頭部搭載型ディスプレイにおける光学
系の第１実施形態を示す説明図である。

【図２】本発明の頭部搭載型ディスプレイにおける光学
系の第２実施形態を示す説明図である。

【図３】本発明の頭部搭載型ディスプレイにおける光学
系の第３実施形態を示す説明図である。

【図４】本発明の頭部搭載型ディスプレイにおける光学
系の第４実施形態を示す説明図である。

【図５】従来の頭部搭載型ディスプレイの概略構成を示
す説明図である。

【図６】各座標軸の定義を示す説明図である。

【図７】従来の頭部搭載型ディスプレイにおける光学系
の一例を示す説明図である。

【図８】従来の頭部搭載型ディスプレイにおける光学系
の他の例を示す説明図である。

【符号の説明】

２０ 観察者の眼球 ４０ 反射型ＬＣＤパネル ４１ フロントライト ４２ レンズ ４３ ハーフミラー ４４ レンズ ４５ 偏光板（Ｐ） ４６ 偏光板（Ｓ） ５０ レンズ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照明光を出射する照明手段と、 該照明手段からの照明光を透過光と反射光とに分離する
   半透過／半反射光学素子と、 該半透過／半反射光学素子にて分離された光の一方を受
   けて、所望の反射光を形成することにより、映像を表示
   する反射型映像表示素子とを備え、 該反射型映像表示素子によって形成された反射光を、前
   記半透過／半反射光学素子にて透過光と反射光とに分離
   して、その一方を観察者の眼球に導く頭部搭載型ディス
   プレイであって、 前記反射型映像表示素子と前記半透過／半反射光学素子
   との間に、前記反射型映像表示素子によって形成された
   反射光を屈折拡大する第１の拡大光学素子を設けるとと
   もに、 前記半透過／半反射光学素子と前記観察者の眼球との間
   に、前記反射型映像表示素子によって形成された反射光
   を屈折拡大する第２の拡大光学素子を設けたことを特徴
   とする頭部搭載型ディスプレイ。
2. 【請求項２】 前記請求項１に記載の頭部搭載型ディス
   プレイにおいて、 前記反射型映像表示素子に入射する前記照明手段からの
   照明光を平行光束に変換する平行変換光学素子を設けた
   ことを特徴とする頭部搭載型ディスプレイ。
3. 【請求項３】 前記請求項２に記載の頭部搭載型ディス
   プレイにおいて、 前記平行変換光学素子は、前記第１の拡大光学素子と兼
   用されることを特徴とする頭部搭載型ディスプレイ。