JP2001511266A - 画像表示装置及びこの画像表示装置を具えるヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、２次元デスプレイ（３；１９，２１、７２）と光学系（５；１５，１７；６０）とを具える画像表示装置（１）に関するものである。この光学系は、第１の半透明反射面（２３，２５；９）と第２の半透明反射面（２７，２９：１１）を有するレンズ系を具える。第１の半透明反射面はデイプレイと対向する。第２の半透明反射面は視聴者と対向する。デイスプレイ及びレンズ系は複数のセグメントに分割して視野を拡大する。

Description

【発明の詳細な説明】 画像表示装置及びこの画像表示装置を具えるヘッドマウントディスプレイ 本発明は、少なくとも１個の２次元表示素子と、光学系とを具え、この光学系 が前記表示素子と対向する第１の半透明反射面及び前記表示素子から離れた第２ の半透明反射面を有する画像表示装置に関するものである。 また、本発明は、このような画像表示装置を具えるヘッドマウントデイスプレ イに関するものである。 冒頭部で述べた形式の画像表示装置は米国特許第５６５９４３０号から既知で ある。この特許明細書に記載されている画像表示装置は２次元表示素子及び光学 系を具え、この光学系を介して表示素子により発生した画像を視聴者の眼に結像 している。この光学系は埋め込みミラーレンズで構成されている。このレンズは 第１及び第２の半透明反射面を有し、入射光線はこれら第１及び第２の半透明反 射面を少なくとも１回通過し少なくとも１回反射している。このようにして、繰 返し反射することにより表示素子と視聴者の眼との間の光路が短くされている。 上述した画像表示装置は、ヘッドマウントデイスプレイに使用するのに極めて 好適である。ヘッドマウントデイスプレイにおいて小型化及び軽量化は極めて重 要である。さらに、ヘッドマウントデイスプレイにおいて広い視野を実現するこ とが望ましく、特にバーチャルリアリティの用途において望ましいものである。 上述した画像表示装置の欠点は、最適な最大の解像度を達成しようとする場合 表示素子を比較的大きくする必要があり、この結果価格が比較的高くなることで ある。別の欠点は、表示素子を反射型表示パネルとする場合、直進し投影される ビームが同一の光路に沿って伝搬するため光入射が妨げられることである。この 課題の解決策は分割キューブ又は分割ミラーを用いることであるが、比較的大き な表示素子おける光学系の小型化の妨げとなってしまう。 本発明の目的は、比較的小型で安価で且つ比較的広い視野が実現される画像表 示装置を提供することにある。 この目的を達成するため、本発明による画像表示装置は表示素子及びレンズ系 が共に複数のセグメントに分割されていることを特徴とする。 全視野角Ω₁×Ω₂により決定される視野を有する表示素子をω₁×ω₂の複数の セグメントに分割し、ここで例えばΩ₁／ω₁及びΩ₂／ω₂を１０°とすることに より、１０°×１０°の視野角を有するレンズセグメントを十分に用いることが できる。Ｗ₁及びＷ₂を第１及び第２の方向におけるセグメントの数とする。表示 素子及び光学系をこのように分割することにより、表示素子の全表面積が一層小 さくなると共に小型な設計で視野を比較的大きくすることができる。レンズ系を セグメント化することによる別の利点は、視野を比較的容易に拡大できることで ある。レンズセグメントを用いて実現される視野は一層小さくなるので、表示素 子の全表面積も一層小さくなる。レンズ系は、好ましくはその凸面側が表示素子 と対向する。 本発明による画像表示装置の実施例は、第１の半透明反射面が、この第１半透 明の反射面の頂点と画像表示装置の出射瞳との間の距離に等しい曲率半径を有す る複数の球面セグメントから構成され、これら球面セグメントが同一の曲率中心 を有することを特徴とする。 本発明による画像表示装置の別の実施例は、第２の半透明反射面が、この第２ の半透明反射面の頂点と画像表示装置の出射瞳との間の距離に等しい曲率半径を 有する複数の球面セグメントから構成され、これら球面セグメントが同一の曲率 中心を有することを特徴とする。 上述した２個の方策により、第１及び／又は第２の面は全体として形成するこ とができ、これによりその製造作業が相当簡単になる。 本発明による画像表示装置の別の実施例は、セグメントが非球面の第１の反射 面を有することを特徴とする。 本発明による画像表示装置の別の実施例は、セグメントが非球面の第２の反射 面を有することを特徴とする。 これは、像フィールドの湾曲、非点収差及びコマ収差のような結像誤差を回避 できる利点がある。 レンズ系の各レンズセグメントは、例えば光学的に透明な単一部材で構成する ことができ、第１及び第２の面は同一の材料の部材の一部を形成する。第１の面 はセグメントの凸面側に形成し、第２の面はレンズの凹面側に存在する。 或いは、各レンズセグメントは、例えば光学的に透明な材料の第１の部分及び 第２の部分で構成することができる。この場合、第１の面は例えばその凹面側で ある第１の部分に存在し、第２の面は例えばその凸面側である第２の部分に存在 する。これら２個の部分は、例えば空気層により互いに分離する。 本発明による画像表示装置の別の実施例は、レンズセグメントが多角形形状を 有することを特徴とする。 レンズ系の全体としての曲率が小さい場合、各レンズ系は例えば正方形とする ことができる。曲率が大きい場合、すなわち一層広い視野が望まれる場合、レン ズ系は例えば五角形又は六角形とすることができる。 縁部の画素の放射ビームは外乱光を増大するおそれがある。この場合、光学像 は種々の方法で最適にすることができる。 本発明による画像表示装置の第１の実施例は、２個のレンズセグメント間に吸 収層が形成されていることを特徴とする。 本発明による画像表示装置の第２の実施例は、表示素子と対向するレンズセグ メントの半透明反射面が、２個の側方部分により包囲される中央部分を有し、こ の中央部分に半透明な反射層が形成され、前記側方部分が吸収層を有することを 特徴とする。 本発明による画像表示装置の第３の実施例は、表示素子と対向するレンズセグ メントの半透明反射面が、２個の側方部分により包囲される中央部分を有し、こ の中央部分に半透明反射層が形成され、前記側方部分が全反射層を有することを 特徴とする。 第２及び第３の実施例は望ましいものである。この理由は、これらの実施例は 比較的容易な方法で実現することができるためである。 縁部から視聴者に向かう放射ビームの光路形成は上述した方法により阻止され る。 本発明のこれらの及び他の概念は後述する実施例に基づき説明する。 図面として、 図１はセグメント化されていない画像表示装置における表示素子と視聴者との 間の放射光路を示し、 図２（ａ）は２個のレンズセグメントを有するレンズ系についての本発明の画 像表示装置における表示素子と視聴者の眼との間の光路を示し、 図２（ｂ）は照明モードを図示する１個のセグメントについての表示素子と視 聴者の眼との間の放射光路を示し、 図３はレンズ系が６×６個のレンズセグメントを有する本発明による画像表示 装置の実施例を示し、 図４は本発明による画像表示装置で用いられる１個の表示素子を有する１個の レンズセグメントの実施例の斜視図を示し、 図５（ａ）及び５（ｂ）は２個のレンズセグメントを有する画像表示装置にお ける縁部の画素の放射ビームについての補正前後の放射光路を示し、 図６は第１及び第２の半透明半面が空気層を形成するセグメント化されたレン ズ系のセグメントの実施例を示し、 図７は本発明による画像表示装置を具えるヘッドマウントデイスプレイを線図 的に示す。 図１に線図的に示す画像表示装置は、表示素子３と単一ミラーレンズ５の形態 のレンズ系を具える光学系とを具える。表示素子３で発生する画像は視聴者の眼 の瞳に光学系を介して投射する。ミラーレンズ５は、第１の半透明反射面９及び 第２の半透明反射面１１を有する。光線は好ましくは第１及び第２半透明反射面 の両方を少なくとも１回通過し少なくとも１回反射する。図１は３個の画素の光 路を示す。第１の半透明反射面９及び第２半透明半面１１は、好ましくは第１の 反射面９を視聴者に向けて通過した放射ビームが第２の反射面１１により反射さ れ第２の反射面１１により反射した放射ビームが第１の反射面９により反射する ように構成する。この放射ビームは眼に向けて第２の反射面１１を通過する。好 ましくは、ミラーレンズ５の凹面側が視聴者と対向し、凸面側が表示素子と対向 する。光路が折り曲げられているので、小型な光学系であってもミラーレンズに より比較的大きな倍率を達成することができる。このような形態は文献において カセグレニアン光学系として知られている。 画像表示パネル３は、例えば画素マトリックスを具える反射型又は透過型の液 晶表示パネルとすることができる。この表示パネルはセグメント化されている場 合、多数の表示素子を有する。表示素子は能動型又は受動型の素子とすることが できる。表示すべき画像情報に対応した電圧を例えば電極を介して画素に印加す る。この場合、照明は例えば放射源により又は周辺光により行うことができる。 図２（ｂ）は単一のセグメント５に対して照明を行う実施例を示す。例えば複 数のＬＥＤの組の放射源１２からの放射ビームは、レンズ１４によりコリメート され素子１３に入射する。この素子１３は放射源１２からの光を光学系に結合す るように作用し、すなわち表示素子１３は照明される。この形態は、表示素子３ が反射型の表示パネルの場合に特に重要である。 或いは、表示素子は、例えば２次元ＬＥＤアレイで構成される自己放射素子と することができる。 表示素子は、２次元画像を２次元走査機構と組み合わせたＬＥＤ又は半導体レ ーザにより発生させることもできる。例えば、リニァＬＥＤアレイと１次元走査 機構を用いても同一の結果が達成される。 全ての図面を符号１３により図示した光学素子を示し、この素子により光が光 学系に結合される。この素子は例えば分割キューブ又は分割ミラーとすることが できる。表示素子３が反射型表示パネルとして表示パネルの照明を行う場合、こ の素子１３型が必要である。従って、この表示素子１３は、例えば上述した走査 方法を用いる透過型表示パネル又は表示素子のような別の形式の表示素子の場合 省略することができる。 本発明はレンズ系５及び表示素子３をセグメント化することを提案する。２個 のレンズセグメント１５，１７を具えるレンズ系を有すると共に２個の表示素子 １９，２１に対応した画像表示装置の一部の実施例を図２（ａ）に示す。各レン ズセグメント１５，１７は第１の半透明の反射面２３，２５及び第２の半透明の 反射面２７，２９をそれぞれ有する。図１に示す単一ミラーレンズについて説明 した反射及び透過が反射面２３，２７及び２５，２９の各々で生ずる。本発明は 、ミラーレンズ及び表示素子をセグメント化することにより、小型で軽量の光学 系を用いて比較的広い視野を得ることができるという認識に基づいている。 図３は、６×６個のセグメント化されたレンズ素子を具える本発明による画像 表示装置の側面図である。全体ミラーレンズについて図１に基づいて説明した光 路が各レンズセグメントについて適用される。レンズセグメントの数を増大する ことにより、視野は相当な範囲に拡大され、画像表示装置は小型で軽量なままに 維持される。 このように、例えば全視野が６０°×６０°に拡大された視野を有する光学系 の表示パネルは、例えば６×６の多数のセグメントに分割する。各セグメントの 機械的な境界を適切に選択し、表示素子の縁部における表示素子の画素の放射ビ ームが部分的にビネット（vignett）されて表示素子の縁部をできるだけ最小に 可視化し、２個の並置された表示素子の画像を互いに最適に混合する。実際には 、表示素子の縁部の画素の像は隣接する表示素子の縁部の像とオーバラップする 。 図４は表示素子１９を有する１個のレンズセグメント１５の実施例の斜視図で ある。表示素子１９とレンズセグメント１５との間に分割キューブ１３が存在す る。このレンズセグメント１５は立方体形状を有する。複合レンズのレンズ面が 一層大きな曲率で一層広い視野を達成できる場合、個別のレンズセグメントにつ いて例えば五角形又は六角形を用いることができる。レンズセグメントを用いて 得られる視野はより狭いので、表示素子の全表面積もより小さくなる。これは、 全体の価格が安価になる利点がある。この理由は、価格が表示素子の表面積に比 例するからである。さらに、この場合照明ビームを光学系に結合する素子として 一層小さな素子を用いることもでき、これは光学系の小型化に寄与することにな る。 上述したレンズセグメントを具える全ての実施例において、個別のレンズセグ メントの第１及び／又は第２の半透明半面は非球面とすることができる。これら の面を非球面とすることにより、像フィールドの湾曲、非点収差及びコーマ収差 のような結像誤差を防止することができる。 或いは、レンズセグメントは球面とすることができる。両方の面を球面とし、 或いはレンズセグメントの一方の面を球面とし他方の面を非球面とする。レンズ セグメントが１個又は２個の球面を有する場合、レンズセグメントの一方の面の 曲率半径は、好ましくは当該球面の頂点と画像表示装置の出射瞳との間の距離に 等しくし、異なるレンズセグメントの球面は同一の曲率半径を有するものとする 。 従って、レンズセグメントが２個の球面を有する場合、これらの球面の一方の球 面についてだけ同一の曲率中心が得られる。このようにして、部分的な球面から 構成される面は全体として１個の面を形成するので、その製造は相当簡単になる 。 図５（ａ）は２個のレンズセグメントを有する画像表示装置の光路を図示し、 この画像表示装置は図２（ａ）に示すものと同様であるが、表示装置の縁部の画 素について特有な構成である。対応する構成要素は同一符号により図示する。表 示装置２１の広い画素からの放射ビームは連続するレンズセグメント１５内に部 分的に入射し、このレンズセグメント１５においてその反射面２３で反射する。 その後放射ビームは投影画像に向けて案内される。この放射ビームの光線の例を 矢印６１で図示する。この放射ビームは画像の形成には寄与せず外乱光となるの で、本発明は以下の画像形成の最適化を提案する。 第１の取り得る方策は、２個の連続するレンズセグメント間の面に吸収層を設 けることである。 第２の簡単な解決策を図５（ｂ）に示し、この解決策はレンズセグメント１５ ，１７の面２３，２５を中央部分４１，４３とこの中央部分を包囲する側方部分 ４５，４７；４９，５１に分割することから成る。中央部分４１，４３には上述 した半透明反射層を形成し、側方部分４５，４７；４９，５１には光吸収層又は 全反射層５３，５５；５７，５９を設ける。このように構成することにより、連 則するレンズセグメントに入射する縁部の画素からの放射ビームが抑制されるの で、外乱光の量が相当減少する。 前述した全ての実施例のレンズセグメントは、１以上の屈折率を有すると共に 第１及び第２の半透明な反射面を有する光学的に透明な材料の単一部材で形成さ れる。 図６はセグメント化された光学系のセグメント６０の別の実施例を示す。セグ メント６０は光学的に透明な材料から成る２個の個別の部材６２及び６４から構 成される。これらの部材６２，６４は空気層６６を画成する。この図６は３個の 異なる画素についての光路も図示する。第１の半透明反射面６８は第１の部材６ ２の凹面側に存在する。第２の半透明反射面７０は第２の部材６４の凸面側に存 在する。（好ましくは、このレンズ系の凸面側は表示素子７２と対向する。 図７は本発明による画像表示装置を具えるヘッドマウントディスプレイ６１の 実施例を示す。このヘッドマウントディスプレイは、ディスプレイを視聴者の頭 ６５に支持するヘッド支持手段６３を具える。各「スペクトルガラス」は複数の セグメント６７に分割する。各セグメント６７は、表示素子、照明ビームを入射 させる素子、及びセグメントを具え、これらの組み合わせは前述されている。画 像情報は、例えばヘッド支持手段６３に設けた隣接部７１を介して受信機６９か らヘッドディスプレイに供給する。 或いは、本発明による画像表示装置は、例えば視聴者のヘッドに配置される代 わりに、テーブル上配置される画像表示装置とすることができ、この場合この画 像表示装置を用いるとき視聴者は自己の頭をこの画像表示装置に接近するように 移動する必要がある。 このように、本発明は、２次元表示素子の画像を光学系を介して視聴者の眼の 瞳に投影する画像表示装置を提案する。光学系はセグメント化されたレンズで構 成する。表示素子はセグメントの数に等しい数にサブ分割する。このようにして 、比較的広い視野を有する画像表示装置を比較的安価な方法で実現することがで きる。レンズセグメントは光学的に透明な材料の単一部材又は空気層を画成する 光学的に透明な材料から成る２個の別個の部材で構成することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１個の２次元表示素子と、光学系とを具え、この光学系が前記表 示素子と対向する第１の半透明反射面及び前記表示素子から離れた第２の半透 明反射面を有する画像表示装置において、前記表示素子及びレンズ系が共に複 数のセグメントに分割されていることを特徴とする画像表示装置。 ２．請求項１に記載の画像表示装置において、前記第１の半透明反射面が、この 第１半透明の反射面の頂点と画像表示装置の出射瞳との間の距離に等しい曲率 半径を有する複数の球面セグメントから構成され、これら球面セグメントが同 一の曲率中心を有することを特徴とする画像表示装置。 ３．請求項１又は２に記載の画像表示装置において、前記第２の半透明反射面が 、この第２の半透明反射面の頂点と画像表示装置の出射瞳との間の距離に等し い曲率半径を有する複数の球面セグメントから構成され、これら球面セグメン トが同一の曲率中心を有することを特徴とする画像表示装置。 ４．請求項１に記載の画像表示装置において、前記セグメントが非球面の第１の 反射面を有することを特徴とする画像表示装置。 ５．請求項１又は４に記載の画像表示装置において、前記セグメントが非球面の 第２の反射面を有することを特徴とする画像表示装置。 ６．請求項１、２、３、４又は５に記載の画像表示装置において、前記レンズセ グメントの第１及び第２の面が、１以上の屈折率を有する光学的に透明な材料 を包囲することを特徴とする画像表示装置。 ７．請求項１、２、３、４又は５に記載の画像表示装置において、前記レンズセ グメントの第１及び第２の面が、空気を包囲することを特徴とする画像表示装 置。 ８．請求項１から７までのいずれか１項に記載の画像表示装置において、前記レ ンズセグメントが多角形形状を有することを特徴とする画像表示装置。 ９．請求項１から８までのいずれか１項に記載の画像表示装置において、前記２ 個のレンズセグメント間に吸収層が形成されていることを特徴とする画像表示 装置。 １０．請求項１から８までのいずれか１項に記載の画像表示装置において、前記 表示素子と対向するレンズセグメントの半透明反射面が、２個の側方部分によ り包囲される中央部分を有し、この中央部分に半透明な反射層が形成され、前 記側方部分が吸収層を有することを特徴とする画像表示装置。 １１．請求項１から８までのいずれか１項に記載の画像表示装置において、前記 表示素子と対向するレンズセグメントの半透明反射面が、２個の側方部分によ り包囲される中央部分を有し、この中央部分に半透明反射層が形成され、前記 側方部分が全反射層を有することを特徴とする画像表示装置。 １２．表示素子により発生した画像を視聴者の眼に投影する画像表示装置と、ヘ ッド支持手段とを具えるヘッドマウントデイスプレイにおいて、前記画像表示 装置を、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の画像表示装置としたこ とを特徴とするヘッドマウントデイスプレイ。