JP2001519928A - ヘッド搭載型ディスプレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、ヘッド搭載型ディスプレイの左右の射出瞳にイメージを投射するための光学的システム及び少なくとも１つのイメージ表示パネルを有するヘッド搭載型ディスプレイに関する。当該光学的システムは、ビームスプリッタと、凹ミラーと保持ミラー及び増倍光学系をそれぞれ有する第１及び第２光チャネルとを有する。当該増倍光学系は、レンズ素子を有する。片方の面が回折構造体を具備する付加のレンズが、前記表示パネルと前記凹ミラーとの間に配されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ヘッド搭載型ディスプレイ 技術分野 本発明は、ヘッド搭載型ディスプレイの左右の射出瞳のイメージ表示システム 内に形成されるイメージを投射するための光学的システムと、２つの分離した光 チャネルに対して共通であるイメージ表示システムとを有するヘッド搭載型ディ スプレイに関し、当該光学的システムは、凹ミラーと、当該凹ミラーと当該イメ ージ表示システムとの間に配されるビームスプリッタと、少なくとも１つのレン ズ素子を持つアイピース及び保持ミラーをそれぞれ有する第１及び第２光チャネ ルとを有する。 背景技術 冒頭に述べたタイプのヘッド搭載型ディスプレイは、国際特許出願公報ＷＯ96 /05532から知られている。この出願で記載されているヘッド搭載型ディスプレイ では、液晶画像表示装置が、フィールドレンズ、凹ミラー、及び２つの光チャネ ルを介する２つの交差反射面により、ヘッド搭載型ディスプレイの左右の射出瞳 上にイメージされる。各光チャネルは、３つのレンズからなるアイピース及び保 持ミラーを有する。ヘッド搭載型ディスプレイの射出瞳は、ユーザの瞳と一致す るとみなされる。イメージは、ユーザの両方の目の網膜上にイメージ（結像）さ れる。 この出願で述べられたヘッド搭載型ディスプレイの欠点は、非常に多くのレン ズ及びミラーが設計上相対的に高価で重いことである。ガラスの代わりに、例え ば合成樹脂材料のような高価ではない材料が用いられるかもしれない。しかしな がら、これは、その材料により実現されるイメージが非常に低品質であるという 欠点がある。 アイピースの１つの表面が回折構造体を具備する、シングルレンズアイピース で前記３つのレンズからなるアイピースを置き換えることにより、光学素子の数 を低減することは以前から知られている。これは画質が低減する欠点を持つ。な ぜならば、アイピースは１個のレンズしか持たないからである。その上、２つの 回折構造体が曲面上に設けられるべきである。 発明の開示 本発明の目的は、相対的に簡易な設計で、相対的に満足のいく画質であって相 対的に高価ではなく軽量な構造を持つヘッド搭載型ディスプレイを提供すること である。 この目的のため、本発明によるヘッド搭載型ディスプレイは、回折構造体を持 つ１つの面を具備する付加の光学的素子がイメージ表示システムとビームスプリ ッタとの間に配されることを特徴とする。 前記付加の光学的素子は２つの光チャネルに対して共通であるので、単一の回 折構造体を使用することが満たされ、このことは構造を簡易にする。 アイピースは、例えば２個又は３個のレンズを有しても良い。本発明によるヘ ッド搭載型ディスプレイの好ましい実施例は、アイピースが単一レンズのアイピ ースであることを特徴とする。 光学部品の数はこれらにより限られるので、イメージの光学的品質が回折構造 体を持つ前記付加の光学的素子のおかげで維持される。 前記付加の光学的素子は、種々のやり方で用いられてもよい。本発明によるヘ ッド搭載型ディスプレイの好ましい実施例は、前記付加の光学的素子が少なくと も１つの平坦な側部を持ち、前記回折構造体が当該平坦な側部にあることを特徴 とする。 この組み合わせは、最も簡易に実現できる。回折構造体がアイピース上に設け られているならばまさにこの場合であるが、前記構造体を具備する表面の曲率は 考慮に入れる必要はない。 本発明によるヘッド搭載型ディスプレイの他の実施例は、回折構造体が回転対 称ブレーズ格子であることを特徴とする。 回転対称ブレーズ格子は、１次高いオーダー、例えば第１次で回折された光の 強度を集中させる回転対称格子を意味すると理解されたい。 このような格子は、種々のやり方で実現されてもよい。 本発明によるヘッド搭載型ディスプレイの第１の実施例は、回折構造体が面レ リーフ構造であることを特徴とする。 本発明によるヘッド搭載型ディスプレイの第２の実施例は、回折構造体が量的 （ボリューム）ホログラムであることを特徴とする。 本発明によるヘッド搭載型ディスプレイの他の実施例は、曲面を具備するヘッ ド搭載型ディスプレイの光学部品が非球面を持つことを特徴とする。 イメージ領域の曲がり、コマ及び非点収差のようなイメージ誤差は、これらに より非常に低減される。 本発明によるヘッド搭載型ディスプレイの他の実施例は、イメージ表示パネル が反射型イメージ表示パネルであって、凹ミラーが少なくとも半透明であり、照 明システムが前記イメージ表示パネルから見て前記凹ミラーの側にあり、前記照 明システムが偏光子を有し、各光チャネルが偏光子を有し、前記照明システムの 前記偏光子が前記光チャネルの偏光子に関して交差していることを特徴とする。 本願のこれら及び他の特徴は、これ以降述べられる実施例を参照して明らかに 説明されるだろう。 図面の簡単な説明 第１ａ図は透過型イメージ表示パネルを具備する本発明によるヘッド搭載型デ ィスプレイの第１実施例を概略的に示し、第１ｂ図はミラーの組み合わせの実施 例を詳細に示し、第２図は反射型イメージ表示パネルを具備する本発明によるヘ ッド搭載型ディスプレイの第２実施例を概略的に示し、第３図は表面レリーフ構 造の形式における回転対称回折格子の実施例の断面図であり、第４図は量的ホロ グラムの形式の回転対称回折格子の実施例の断面図である。 発明を実施するための最良の形態 第１ａ図に概略的に示されるヘッド搭載型ディスプレイ１は、１つのイメージ 表示パネルで簡易的に表されたイメージ表示システム３を有する。このイメージ 表示パネルは、例えば反射型又は透過型のＴＮ（ねじれネマティック）液晶画像 表示パネルであってもよい。照明は周囲の光によって実現されてもよいが、照明 システム５が好ましくは用いられる。なぜならば当該照明システム５は非常に高 い光出力を有するからであり、結果としてより明るいイメージを得られるからで ある。当該照明システムの位置はイメージ表示パネルのタイプにより決められ、 これ以降説明されるだろう。 ヘッド搭載型ディスプレイ１はまた、ある角度で互いを挟む２つのスプリット ミラー７，９を有する。スプリットミラーの可能な組み合わせの例は、第１ｂ図 に示される。この組み合わせのミラーに入るイメージは、凹ミラー１１に向かっ て通過し、ミラー７，９まで当該凹ミラー上で反射される。これらミラーから、 イメージは２つの光チャネル１３，１５間へスプリットされる。増倍された、又 は増倍されていないイメージ表示パネルの中間イメージが各光チャネル１３，１ ５で形成され、当該中間イメージは波線領域での参照番号１０により示される。 中間イメージの増倍は、結像素子として機能する凹ミラー１１により決められる 。前記中間イメージは、結局ユーザの両目の網膜３５，３７上にイメージされる 。光チャネル１３，１５は、ユーザの瞳と近似的に一致するとみなされる射出瞳 ３６，３８で終端される。各光チャネル１３，１５は、保持ミラー１７，１９及 びアイピース２１，２３をそれぞれ有し、前記中間イメージはこれらの焦点面に 位置する。 前記イメージ表示パネルから来てミラー結合７，９に入射する光の一部は凹ミ ラー１１に向かってミラー９により通過し、他の部分の光は光チャネル１５に向 かって送られる。光チャネル１５に向かって送られる前記部分は、ミラー結合７ ，９と保持ミラー１９との間に配されるブロック素子１８によりブロックされる 。事実、この光は凹ミラー１１上に形成されるイメージの形成には影響しないが 、妨害光を導く。スプリットミラー７も、凹ミラー１１に向かう入射ビームの一 部を通すが、光チャネル１３に向けて他の部分を反射するだろう。光チャネル１ ３内の妨害光を抑圧するためのブロック素子２０がミラー結合７，９と保持ミラ ー１７との間に配される。前記イメージ表示パネルから来て凹ミラー１１へ達す る光が、このミラーで反射される。イメージのほぼ半分がミラー結合７，９から 光チャネル１３へ送られ、残りの半分が光チャネル１５へ送られる。ブロック素 子 １８，２０は、この反射された光がブロックされないような形状を持つ。実際、 このことは、垂直面内のブロック素子１８がスプリットミラー７とコンプリメン タリであり、前記垂直面内のブロック素子２０はスプリットミラー９とコンプリ メンタリである。スプリットミラー７により光チャネル１３に送られた光は素子 ２０によりブロックされ、一方スプリットミラー９により光チャネル１３に送ら れる、したがって凹ミラー１１を介してイメージに変換された光は素子２０を見 ることはない。スプリットミラー９により光チャネル１５に送られた光は素子１ ８によりブロックされ、一方スプリットミラー７により光チャネル１５に送られ る、従って凹ミラー１１を介してイメージに変換された光は素子１８を見ること はない。 本発明は、イメージ表示パネル３とミラー結合７、９との間に回折構造体２７ を持つ付加の光学素子２５を配することを提案する。このやり方では、たった１ つの回折構造体だけが必要であり、このことはディスプレイの製造を簡易にする 。事実、両方の光チャネルにある、各アイピース上に回折構造体を設けることは 知られている。このことは余分な回折構造体を必要としないだけでなく、アイピ ースのレンズ面の曲率も考慮にいれるべきである。回折構造体２７は主に分散を 補償するが、一般には光学的補正素子の機能を持たない。従ってこの結果、分散 補正とより良い画質となる。付加の光学素子と回折構造体との組み合わせは、光 学的画質を犠牲にすることなく単一のレンズ構造としてアイピースが用いられる 。このやり方では、光学部品の数が減少するので、ヘッド搭載型ディスプレイは 非常に軽くなるだろう。 付加の光学的素子２５は、好ましくは少なくとも１つが平坦な側部を持つ素子 であり、前記回折構造体はこの平坦な側部にある。この素子は例えば平凹レンズ 、平凸レンズ又は平行平面板でもよい。前記構造体は前記平坦な側部に設けられ ているので、相対的に簡易性が維持され表面の曲率が考慮される必要はない。 前記回折構造体は回転対称ブレーズ格子として用いられる。ブレーズ格子は回 折された放射線のその強度が１次高い、例えば第１次で集中されている格子であ る。 このような格子は種々のやり方で実現されてもよい。第１の可能性は第３図に 示され、格子は平凹レンズの平坦な側部に設けられた表面レリーフ構造体により 構成される。当該構造体のピリオドは前記格子の中心で最大であり、当該構造体 の外側に向かって減少する。 他の可能性は第４図に示され、回折格子が量的ホログラムとして平凹レンズ上 に配される。この例では、光感知層が、互い違いに異なる回折指数を持つ２つの タイプの複数の層により構成される。これらの層は、前記光感知層の平面に横断 的に延在する。これらの層の幅及び前記構造体のピリオドは、前記構造体の外側 に向かって減少する。 既に前に述べられたように、前記照明システムの位置は、イメージ表示パネル のタイプにより決められる。前記照明システムはまた両方のタイプに対して異な る構成を持っても良い。 透過型イメージ表示パネルが用いられるならば、照明システム５は、第１ａ図 に示されるように、前記付加の光学的素子２５から見てイメージ表示パネルの側 にある。照明システム５は、例えば光源２９とコンデンサレンズ３１とを有する 。光源２９からの光はコンデンサレンズ３１によりコリメートされ、その後イメ ージ表示パネルに入射する。当該光源は、例えばＬＥＤ，ＬＥＤのアレイ又はガ ス放電バックライトユニットでもよい。色イメージに対しては、光源が「白」光 を供給することは重要である。 反射型イメージ表示パネルが用いられるならば、例えば半透明ミラーとして凹 ミラー１１が用いられ、照明システムは付加の光学素子２５から見て凹ミラー１ １の側に配される。第２図は実施例を示す。光源２９及びコンデンサレンズ３１ に加えて、照明システム５は、偏光子３３を有する。光源２９からの光ビームは コンデンサレンズ３１によりコリメートされ、偏光子３３に入力する。この光は これにより線形的に偏光され、その後前記凹ミラーを通過しミラー結合７、９を 部分的に通過しイメージ表示パネル３に向かう。前記イメージ表示パネルにより 変調され及び反射された後、前記ビームのほぼ半分が光チャネル１３に送られ、 前記ビームの残り半分が光チャネル１５に送られる。偏光子３４は光チャネル１ ５の保持ミラー１９とスプリットミラー７との間に配される。偏光子３２は光チ ャネル１３の保持ミラー１７とスプリットミラー９との間に配される。２つの偏 光子３２及び３４の配向（ダイレクタ）は同じ配向を持つが、偏光子３３のダイ レクタと偏光子３２及び３４のダイレクタとは交差する。結果として、イメージ 内に暗いピクセルを生じなければならない光は偏光子３２及び３４によりブロッ クされるだろう。活性化されイメージ内に明るいピクセルを生じなければならな いイメージ表示パネル内のピクセルからの光の偏光の方向は、回転されるだろう 。結局、この光はグレイレベルに依存して、これら偏光子により完全に又は部分 的に通過するだろう。 この実施例では、ブロック素子１８、２０は原則除かれてもよい、なぜならば これら偏光子はイメージの形成に寄与する光だけを通すからである。実際は、こ れら偏光子は完全ではないので、それにもかかわらずイメージのコントラストを 最適にするために、これらブロック素子は設けられても良い。 偏光子３３は反射型偏光子として代替的に用いられても良い。イメージ表示パ ネルに対する不所望の偏光の方向を持つ光の部分は、光源２９に向かってその後 反射され、１／４λ板と（図示しない）反射板とにより利用される。１／４λ板 が光源２９と偏光子３３との間に配され、反射板は前記光源の後ろに配される。 前記１／４λ板は前記偏光子により反射された線形の偏光された光を円偏光され た光に変換させる。この円偏光された光は反射板に入射され、当該反射板は回転 の方向を反転させ、このビームを反射させる。この反射板での反射の後、この光 は再び反射型偏光子に達し、前記イメージ表示パネルに向かうだろう。 反射型イメージ表示パネルでは、光源は例えば、赤−緑−青ＬＥＤを有する。 このイメージ表示パネルは異なる色で順次に照明され、赤、緑、青のイメージは 、この照明と同時に、前記イメージ表示パネル上に順に現れる。 示された実施例では、イメージ表示パネルは、２つの光チャネルの間に配され 、凹ミラーはビームスプリッタの反対側にある。凹ミラーの位置とイメージ表示 システムの位置とは交換可能であることに留意されたい。このとき凹ミラーは２ つの光チャネルの間にあり、イメージ表示システムはビームスプリッタの反対側 にある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．２つの分離した光チャネルに共通のイメージ表示システムと、ヘッド搭載型 ディスプレイの左右射出瞳に前記イメージ表示システムに形成されるイメージ を投射するための光学的システムとを有するヘッド搭載型表示であって、前記 光学的システムは凹ミラーと、当該ミラーと前記イメージ表示システムとの間 に配されるビームスプリッタとを有し、第１光チャネル及び第２光チャネル各 々が保持ミラーと少なくとも１つのレンズ素子を持つアイピースとを有するヘ ッド搭載型ディスプレイにおいて、光学的素子の面の１つに回折構造体を持つ 付加の当該光学的素子が前記表示システムと前記ビームスプリッタとの間に配 されることを特徴とするヘッド搭載型ディスプレイ。 ２．請求項１に記載のヘッド搭載型ディスプレイにおいて、前記アイピースが単 一のレンズアイピースであることを特徴とするヘッド搭載型ディスプレイ。 ３．請求項１又は２に記載のヘッド搭載型ディスプレイにおいて、前記付加の光 学的素子が少なくとも１つの平坦な側部を持ち、前記回折構造体が当該平坦な 側部にあることを特徴とするヘッド搭載型ディスプレイ。 ４．請求項１、２又は３に記載のヘッド搭載型ディスプレイにおいて、前記回折 構造体が回転対称ブレーズ格子であることを特徴とするヘッド搭載型ディスプ レイ。 ５．請求項４に記載のヘッド搭載型ディスプレイにおいて、前記回折構造体が表 面レリーフ構造体であることを特徴とするヘッド搭載型ディスプレイ。 ６．請求項４に記載のヘッド搭載型ディスプレイにおいて、前記回折構造体が量 的ホログラムであることを特徴とするヘッド搭載型ディスプレイ。 ７．先行する請求項の何れか１項に記載のヘッド搭載型ディスプレイにおいて、 曲面を具備する前記ヘッド搭載型ディスプレイの光学部品が非球面を持つこと を特徴とするヘッド搭載型ディスプレイ。 ８．先行する請求項の何れか１項に記載のヘッド搭載型ディスプレイにおいて、 前記イメージ表示パネルが反射型イメージ表示パネルであり、前記凹ミラーが 少なくとも半透明であり、照明システムが前記イメージ表示パネルから見て前 記凹ミラーの側にあり、前記照明システム及び各光チャネルが偏光子を有し、 前記照明システムの前記偏光子が前記光チャネルの前記偏光子に関して交差し ていることを特徴とするヘッド搭載型ディスプレイ。