JP2002365585A - 頭部装着用ディスプレー用光学システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、画像の解像度を高め、眼の移動に
よる画像の歪みを最小化することができる頭部装着用デ
ィスプレー用光学システムを提供する。 【解決手段】 本発明に係る頭部装着用ディスプレー用
光学システムは、光源である発光ダイオード２２と、該
光源の光を屈折させる照明プリズム２３と、該照明プリ
ズム２３から出射した光を偏光す偏光板２６と、該偏光
板２６から出射す光を分離する偏光ビーム分割器３０
と、該偏光ビーム分割器３０から出射す光により画像を
表示する反射型液晶パネル１０と、前記偏光ビーム分割
器３０の前方に配置され、前記液晶パネル１０の画像を
拡大す接眼レンズ４０と、該接眼レンズ４０の前方に配
置される保護鏡５０とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、両眼に近
接して配置された液晶パネルを通じて立体映像が見られ
るように構成された、頭部装着用ディスプレーに関し、
特に、画像の解像度を高めて、眼の移動による画像の歪
みを最小化することのできる頭部装着用ディスプレー用
光学システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的に、頭部装着用ディスプレー（He
ad Mount Display）は、内部に設けられた液晶パネルと
顔の方向の変化（方向転換）を検出する各種センサー等
を通じて、着用者に仮想の空間内にいるような感じを与
えるための装置である。

【０００３】かかる頭部装着用ディスプレーは、娯楽用
ゲームをするとき、又は作業者の選択により、多様な仮
想環境を任意に設定して、現実感のある仮想空間を提供
する必要がある建築及びインテリア等の種々の産業分野
において、多様な状況を予め経験することを可能にす
る。

【０００４】特に、最近では、人間の動きを感知するこ
とができるボディースーツ（Body Suit）等のように、
多様なインターフェース装置と頭部装着用ディスプレー
を組み合わせることにより、現実感と生動感が更に向上
した仮想現実システム（Virtual Reality System）が開
発され、使用されている。

【０００５】このような頭部装着用ディスプレーは、液
晶パネルと照明装置とレンズ等から構成されている光学
システムを備えている。この光学システムは、液晶パネ
ルに画像を表示させて、前記光学システムを通じて視覚
的に認識できるようにするものであり、光学システムを
なす構成要素の配置によって、さまざまな構成を採るこ
とができる。

【０００６】それらの具体例として、一般に使用されて
いる光学システムが図１と図２に示されている。最初
に、図１に示す光学システムは、画像を表示する液晶パ
ネル１と、該液晶パネル１の後方に配設された光源であ
る照明装置２と、前記液晶パネル１の前方に配設された
接眼レンズ３とから構成されている。

【０００７】次に、図２に示す光学システムは、下方に
向かって水平に配置された液晶パネル１と、該液晶パネ
ル１の垂直下方に略４５°の角度で配置された偏光ビー
ム分割器(Polarization Beam Splitter)４と、前記偏光
ビーム分割器４の後方に配設され、前記偏光ビーム分割
器４により反射された液晶パネル１の画像を拡大して反
射させる凹面反射鏡５とから構成されている。なお、照
明装置２は、図１に示す光学システムと同様に、液晶パ
ネル１の後方に配置されている。

【０００８】図１および図２に示されている液晶パネル
１は、いずれも透過型液晶パネルであって、後方に配置
されている照明装置２を光源とし、該光源から放出され
る光を透過させることによって、画像を表示するように
構成されている。

【０００９】しかし、図１および図２に示されている従
来の光学システムは、その構成が簡単であり、装置をス
リム化かつ小型化できるという利点があるものの、前述
のように、高価な透過型の液晶パネル１を用いなければ
ならないので、製造コストが高いという問題があった。

【００１０】また、前記透過型液晶パネル１の背面全域
に照明光を照射しなければならないので、光の効率が低
下するという問題もあった。特に、図２に示す従来の光
学システムでは、偏光ビーム分割器４を使用するため、
図１に示す光学システムより画像の鮮明度を高めること
ができるが、凹面反射鏡５に着用者自らの眼が映り込む
という問題があった。

【００１１】頭部装着用ディスプレー用光学システムの
他の公知例が図３に示されている。この従来の光学シス
テムは、垂直に配置されている液晶パネル６と、該液晶
パネル６の前方に配設されている接眼レンズ７と、前記
液晶パネル６と接願レンズ７の間に、略４５°の角度で
前記液晶パネル６に向かって傾斜して配置されている偏
光ビーム分割器８とを備えている。

【００１２】前記液晶パネル６は、反射型液晶パネルで
あって、前方上部に配置される照明装置９から発せら
れ、前記偏光ビーム分割器８で反射された光が照射され
て画像を表示するように構成されている。

【００１３】一方、図３に示す光学システムは、透過型
液晶パネルより安価である反射型液晶パネルを用いるこ
とにより、比較的安価な製造コストで良好な画像が得ら
れ、光の効率も良いという利点がある。

【００１４】しかし、この場合、照明装置９、偏光ビー
ム分割器８、液晶パネル６及び接眼レンズ７の設置スペ
ースを確保しなければならないので、装置のサイズが図
１および図２に示す光学システムより相対的に大きくな
るという問題がある。

【００１５】また、前記光学システムでは、例えば２ｍ
の距離から４０インチの画面を見るような効果を得るた
めに、前記接眼レンズ７を、焦点距離が短くなるように
非常に厚く設計しなければならないので、接眼レンズと
瞳孔との距離であるアイリリーフが短くなり、射出瞳の
径のサイズが小さくて目を少しだけ動かしても周辺部の
画像が見えなくなるという問題があった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を鑑み、目の移動による画像の歪みを抑制（最小化）
し、画像の解像度を高めて、着用者に優れた画像を見せ
ることができる頭部装着用ディスプレー用光学システム
を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、下記（１）〜（４）である。

【００１８】（１） 頭部装着用ディスプレー用光学シ
ステムにおいて、光源と、該光源の光を屈折させる照明
プリズムと、該照明プリズムから出射する光を偏光する
偏光板と、該偏光板から出射する光を分離する偏光ビー
ム分割器と、該偏光ビーム分割器から出射する光により
画像を表示する反射型液晶パネルと、前記偏光ビーム分
割器の前方に配置され、前記液晶パネルの画像を拡大す
る接眼レンズと、該接眼レンズの前方に配置される保護
鏡とを備えたことを特徴とする頭部装着用ディスプレー
用光学システム。

【００１９】（２） 前記光源は発光ダイオードであ
り、該発光ダイオードは前記液晶パネルの外側に前記液
晶パネルと並設されている上記（１）に記載の頭部装着
用ディスプレー用光学システム。

【００２０】（３） 前記接眼レンズは色収差を防ぐた
めに凹レンズと凸レンズが接合されており、前記凹レン
ズは歪み収差を補正するために非球面を有する上記
（１）または（２）に記載の頭部装着用ディスプレー用
光学システム。

【００２１】（４） 更に、前記照明プリズムから照射
された光を集光するプリズムシートを備えている上記
（１）ないし（３）のいずれかに記載の頭部装着用ディ
スプレー用光学システム。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る頭部装着用デ
ィスプレー用光学システムの好ましい実施の形態を、添
付図面に基づいて詳しく説明する。

【００２３】図４は、本発明に係る実施の形態の頭部装
着用ディスプレー用光学システムの構成及びその配置を
概略的に示す図であり、図５は、本発明に係る光学シス
テムが設けられた頭部装着用ディスプレーを示す断面側
面図である。

【００２４】図４に示す頭部装着用ディスプレー用光学
システムでは、画像を表示する液晶パネル１０が垂直に
配置されている。前記液晶パネル１０は、反射型液晶パ
ネルであって、前方（図中右側）から照射される照明を
光源として画像を表示する。

【００２５】また、液晶パネル１０の上部には、液晶パ
ネル１０に光を照射する照明部２０が配設されている。
該照明部２０は、大別して発光ダイオード２２と、照明
プリズム２３と、複数のシート２４、２５、２６とから
構成されている。更に詳しくは、液晶パネル１０の垂直
上方には、液晶パネル１０に光を照射する発光ダイオー
ド２２が、液晶パネル１０と並設され、発光ダイオード
２２の前方には、発光ダイオード２２の光を分散させな
がら屈折させる照明プリズム２３が設けられている。

【００２６】更に、照明プリズム２３の上面には、該照
明プリズム２３によって屈折されずに透過する光を再び
反射させる反射板２４が配設されており、照明プリズム
２３の下部には、該照明プリズム２３によって屈折され
た光を集光するプリズムシート２５と、該プリズムシー
ト２５より出射した光りを偏光する偏光板２６とが順次
配置されている。

【００２７】前記プリズムシート２５は、反射板２４に
より反射（拡散）された光を、例えば略７０°の角度で
集束（集光）して前記液晶パネル１０に照射する役割を
有する。

【００２８】また、前記偏光板２６は、前記偏光ビーム
分割器３０の補助的な役割を有する。即ち、後述の偏光
ビーム分割器３０の偏光性能が多少劣り、画像のコント
ラストを低下させることがあるが、その場合、この偏光
板２６を偏光ビーム分割器３０より前方に設けること
で、光のコントラストを調節し、前記偏光ビーム分割器
３０の機能を補助することができる。

【００２９】また、液晶パネル１０の前方には、前記液
晶パネル１０と略４５°の角度をなすように偏光ビーム
分割器（ビームスプリッタ）３０が配置されている。該
偏光ビーム分割器３０は、偏光板２６を通過して特定の
方向に偏光した光束のうち、不完全に偏光した成分を透
過させ、完全に偏光した成分のみを液晶パネル１０に向
けて反射させる。

【００３０】そして、偏光ビーム分割器３０の前方に
は、観測者が液晶パネル１０の画像を拡大して見ること
ができるように接眼レンズ４０が設けられている。

【００３１】前記接眼レンズ４０は、図４に示すよう
に、凸レンズ４２と凹レンズ４４を接合させた二重接合
レンズとなっている。これにより、色に応じてそれぞれ
他の地点に結像する色収差現象の発生を防止または抑制
することができる。

【００３２】二重接合レンズのうち最後のレンズ（出射
側のレンズ）である凹レンズ４4は、非球面を有するレ
ンズとするのが好ましい。これにより、画像の解像力を
高めると共に、中心から離れるほど画像が歪んでしまう
現象である歪み収差を補正することができる。特に、高
次非球面係数を使用せず、円錐定数のみを使用して、眼
の移動による歪み収差を最小化するのが好ましい。ここ
で、前記非球面は、レンズの少なくとも１つの面に非球
面を形成したものであればよく、これにより、少ない面
（非球面）の数で必要な収差補正状態を達成することが
できる。

【００３３】前記接眼レンズ４０は、凹レンズ４４が着
用者の眼の向き、凸レンズ４２が液晶パネル１０に向か
うように配設され、液晶パネル１０の方向の焦点を長く
する逆焦点（retro-focus）形態を取ることによって、
偏光ビーム分割器３０の設置スペースを充分に確保でき
るように構成されている。

【００３４】この接眼レンズ４０は、前記液晶パネル１
０を例えば略２ｍの距離から４０インチの画像を見るよ
うに感じさせる効果がある。特に、二重接合レンズであ
る接眼レンズ４０は、アイリリーフを長くすると共に射
出瞳の径を大きくして、着用者が目を動かしても、周辺
部の画像が正確に見えるようにすることができる。ま
た、二重接合レンズたる接眼レンズ４０は、前記レンズ
を傾いて通過する非軸光線により、画像の周縁部の明る
さが中心部に比べて劣る現象である口径食（vignettin
g）が殆ど生じないようにすることができる。

【００３５】そして、接眼レンズ４０と観測者の眼との
間には、保護鏡５０が配置されている。該保護鏡５０
は、接眼レンズ４０の上部で反射される光が、観測者の
眼に入ることを防止または抑制する。

【００３６】これらの構成による本発明の作用及び効果
を更に詳しく説明する。前記液晶パネル１０に、画像を
形成するための画像信号が入力され、画像が表示され
る。なお、この画像は、静止画、動画のいずれでもよ
い。

【００３７】このように画像が表示された状態で、発光
ダイオード２２が発光し、照明光が照射されると、その
光は、照明プリズム２３を介して屈折しながら分散さ
れ、偏光ビーム分割器３０に照射される。

【００３８】その際、照明プリズム２３を透過して直進
する一部の光は、反射板２４により反射されて偏光ビー
ム分割器３０に照射され、この経路を経て、照明プリズ
ム２３を通過した光は、プリズムシート２５と偏光板２
６を介して集光されながら、その明るさと偏光方向が調
節される。

【００３９】そして、プリズムシート２５と偏光板２６
を通過した光は、更に偏光ビーム分割器３０により反射
されるか、あるいは通過する２つの成分に分離されて、
そのうち所望の偏光方向を有する光のみが液晶パネル１
０に向かって反射される。

【００４０】前記経路を経て到達した光を光源として、
液晶パネル１０は画像を表示し、頭部装着用ディスプレ
ーの着用者は、接眼レンズ４０を通じて前記液晶パネル
１０の画像を見ることができる。

【００４１】その際、液晶パネル１０の画像は、接眼レ
ンズ４０により、観測者が例えば略２ｍの距離から４４
インチの画像を見られるほど広がる。特に、二重接合レ
ンズである接眼レンズ４０により、アイリリーフが長く
なり、射出瞳の径が大きくなって、着用者がより安定し
た液晶パネル１０の画像を見ることができる。

【００４２】また、反射型の液晶パネル１０を用いるこ
とにより画像の解像力が高められ、しかも二重接合レン
ズである接眼レンズ４０を用いることにより歪み収差が
補正される等、本発明に係る頭部装着用ディスプレーの
着用者は、より鮮明でかつ明瞭な画像が見られるように
なる。

【００４３】図５には、本発明に係る光学システムが設
けられた頭部装着用ディスプレーが示されている。

【００４４】頭部装着用ディスプレーのハウジング６０
には、図５の紙面に垂直方向に向かって並設された一対
の鏡筒６２、即ち、左目用の鏡筒６２と右目用の鏡筒６
２とが設けられている（図５は、両鏡筒６２のいずれか
一方の断面を示す）。そして、各鏡筒６２には、それぞ
れ前記光学システムが設けられる。

【００４５】鏡筒６２は、前方に開口した第１設置スペ
ース６４と、該第１設置スペース６４の上部にこれと連
通する第２設置スペース６６とを備えている。前記第１
設置スペース６４の後方には画像を表示する液晶パネル
１０が配設されており、開口した前方には、液晶パネル
１０の画像を拡大させる接眼レンズ４０が設けられてい
る。

【００４６】また、液晶パネル１０と接眼レンズ４０間
には、液晶パネル１０と略４５°の角度をなす偏光ビー
ム分割器３０が設けられている。

【００４７】一方、鏡筒６２の第２設置スペース６６に
は照明部２０が設けられている。即ち、第２設置スペー
スの後方には液晶パネル１０の光源である発光ダイオー
ド２２が、前記液晶パネル１０と並設され、発光ダイオ
ード２２の前方には、この発光ダイオード２２の光を図
中下向に屈折させる照明プリズム２３が設けられてい
る。

【００４８】前記照明プリズム２３の上面には反射板２
４が配設され、また照明プリズム２３の下面にはプリズ
ムシート２５と、偏光板２６とが順次設けられている。

【００４９】また、接眼レンズ４０の前方のハウジング
６０には、保護鏡５０が設けられている。鏡筒６２の背
面には、前記液晶パネル１０と発光ダイオード２２とを
制御する印刷回路基板Ｐが設けられている。

【００５０】以上のように、本発明に係る光学システム
は、頭部装着用ディスプレーのハウジング６０に設置さ
れて、着用者に優れた画像を提供する。特に、図示のよ
うに、照明部２０が液晶パネル１０と図中上下方向に並
設されているため、その高さを低く構成することがで
き、その結果、頭部装着用ディスプレーの全体の高さを
低くすることができ、装置の小型化に寄与する。

【００５１】このような本発明の一つの効果は、照明プ
リズム２３、反射板２４及びプリズムシート２５等を用
いて、発光ダイオード２２の光を最大限活用することに
より得られる。

【００５２】

【発明の効果】本発明に係る頭部装着用ディスプレー用
光学システムは、照明プリズムと、反射板と、プリズム
シート及び偏光板等を用いて、発光ダイオードの光を極
力活用することにより、光の効率（利用効率）が高めら
れるという効果を有する。

【００５３】また、液晶パネルと並設された発光ダイオ
ードとプリズムとを用いて、液晶パネルに光を照射する
ことにより、照明部の高さとシステムの全体の高さが減
少して、装置の小型化を図ることができる。

【００５４】また、非球面を有する二重接合レンズを用
いることにより、画像の解像度が高くなり、収差、特に
色収差や歪み収差が補正されるので、着用者に更に鮮明
でかつ明瞭な画像を提供することができるという効果を
有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の頭部装着用ディスプレー用光学システム
の構成を示す概略図である。

【図２】従来の頭部装着用ディスプレー用光学システム
の他の例を示す概略図である。

【図３】従来の頭部装着用ディスプレー用光学システム
の更に他の例を示す概略図である。

【図４】本発明に係る実施の形態の頭部装着用ディスプ
レー用光学システムの構成及びその配置を示す概略図で
ある。

【図５】本発明に係る実施の形態の光学システムが設け
られた頭部装着用ディスプレーの断面側面図である。

【符号の説明】

１ 透過型液晶パネル ２ 照明装置 ３ 接眼レンズ ４ 偏光ビーム分割器 ５ 凹面反射鏡 ６ 反射型液晶パネル ７ 接眼レンズ ８ 偏光ビーム分割器 ９ 照明装置 １０ 反射型液晶パネル ２０ 照明部 ２２ 発光ダイオード ２３ 照明プリズム ２４ 反射板 ２５ プリズムシート ２６ 偏光板 ３０ 偏光ビーム分割器 ４０ 接眼レンズ ４２ 凸レンズ ４４ 凹レンズ ５０ 保護鏡 ６０ ハウジング ６２ 鏡筒 ６４ 第１設置スペース ６５ 第２設置スペース Ｐ 印刷回路基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｆ 1/1335 Ｇ０２Ｆ 1/1335 1/13357 1/13357 Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ ５１１Ｆ (71)出願人 599162680 ２Ｆ， ＤＡＥ−Ａ Ｂｌｄｇ．， 707 −７， Ｙｏｋｓａｍ−ｄｏｎｇ， Ｋａ ｎｇｎａｍ−ｋｕ， Ｓｅｏｕｌ， 135 −080 Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒ ｅａ (72)発明者 コ ハン イル 大韓民国 441−390、キョンギ−ド、スウ ォン−シ、クォンスン−グ、クォンスン− ドン、1199−１、ドゥサン−ドンガ アパ ートメント 103−404 (72)発明者 キム ジン ゴー 大韓民国 442−470、キョンギ−ド、スウ ォン−シ、パルダル−グ、ヨントン−ド ン、956−２、ダエウー アパートメント 301−604 (72)発明者 パク ヨン バイ 大韓民国 442−470、キョンギ−ド、スウ ォン−シ、パルダル−グ、ヨントン−ド ン、969−１、ダエヤン アパートメント 932−1703 Ｆターム(参考） 2H042 BA04 BA14 BA20 CA12 CA17 2H088 EA10 HA18 HA20 HA23 HA24 HA28 MA06 MA20 2H091 FA08X FA08Z FA10X FA21X FA26X FA45X LA11 LA16 MA02

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 頭部装着用ディスプレー用光学システム
   において、 光源と、 該光源の光を屈折させる照明プリズムと、 該照明プリズムから出射する光を偏光する偏光板と、 該偏光板から出射する光を分離する偏光ビーム分割器
   と、 該偏光ビーム分割器から出射する光により画像を表示す
   る反射型液晶パネルと、 前記偏光ビーム分割器の前方に配置され、前記液晶パネ
   ルの画像を拡大する接眼レンズと、 該接眼レンズの前方に配置される保護鏡とを備えたこと
   を特徴とする頭部装着用ディスプレー用光学システム。
2. 【請求項２】 前記光源は発光ダイオードであり、該発
   光ダイオードは前記液晶パネルの外側に前記液晶パネル
   と並設されている請求項１に記載の頭部装着用ディスプ
   レー用光学システム。
3. 【請求項３】 前記接眼レンズは色収差を防ぐために凹
   レンズと凸レンズが接合されており、前記凹レンズは歪
   み収差を補正するために非球面を有する請求項１または
   ２に記載の頭部装着用ディスプレー用光学システム。
4. 【請求項４】 更に、前記照明プリズムから照射された
   光を集光するプリズムシートを備えている請求項１ない
   し３のいずれかに記載の頭部装着用ディスプレー用光学
   システム。