JP2003502710A - 頭部装着式表示装置 - Google Patents
頭部装着式表示装置Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
-
- G—PHYSICS
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- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
-
- G—PHYSICS
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/30—Polarising elements
Landscapes
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Abstract
(57)【要約】
本発明は、画像表示デバイス及び光学系を装備した頭部装着式表示装置に関する。光学系は凹面鏡及び半透過性素子を具えており、この光学系は、画像表示デバイスによって形成される像を前記凹面鏡、前記半透過性素子及び頭部装着式表示装置の射出瞳を経てユーザの網膜に投影する。このような頭部装着式表示装置の表示画像の解像度を向上させるために、画像表示デバイスと半透過性素子との間に第１レンズ手段を配置する。
Description
【０００１】
本発明は、画像表示デバイスと、凹面鏡及び半透過性素子を具えており、前記
画像表示デバイスによって形成される像を前記半透過性素子、前記凹面鏡、前記
半透過性素子及び装置の射出瞳を順次経てユーザの網膜に投影するための光学系
とを装備した頭部装着式表示装置に関するものである。
画像表示デバイスによって形成される像を前記半透過性素子、前記凹面鏡、前記
半透過性素子及び装置の射出瞳を順次経てユーザの網膜に投影するための光学系
とを装備した頭部装着式表示装置に関するものである。
【０００２】
上述したタイプの装置は、特開平９-９０３１２号公報の英文抄録から既知で
ある。これに記載されている頭部装着式表示装置では、液晶画像表示パネルによ
って形成される画像が、分割ミラー及び凹面鏡を具えている光学系によって頭部
装着式表示装置の射出瞳に投影されるようにしている。この装置の使用中には、
射出瞳が頭部装着式表示装置のユーザの眼球と一致して、像が網膜に形成される
ようにする。このような頭部装着式表示装置をユーザが装着することによって、
例えば、TVや、ビデオ画像や、ポータブル情報及び通信システム、コンピュータ
ゲーム、又はコンピュータシミュレーションに関連する画像を観ることができる
。
ある。これに記載されている頭部装着式表示装置では、液晶画像表示パネルによ
って形成される画像が、分割ミラー及び凹面鏡を具えている光学系によって頭部
装着式表示装置の射出瞳に投影されるようにしている。この装置の使用中には、
射出瞳が頭部装着式表示装置のユーザの眼球と一致して、像が網膜に形成される
ようにする。このような頭部装着式表示装置をユーザが装着することによって、
例えば、TVや、ビデオ画像や、ポータブル情報及び通信システム、コンピュータ
ゲーム、又はコンピュータシミュレーションに関連する画像を観ることができる
。
【０００３】
既知の頭部装着式表示装置は、光変調伝達関数のカットオフ周波数が比較的低
いため、例えば対角線寸法が0.5インチで、1024x768画素のフレームマトリック
スのような高解像度の画像表示装置の使用は殆ど役に立たない。
いため、例えば対角線寸法が0.5インチで、1024x768画素のフレームマトリック
スのような高解像度の画像表示装置の使用は殆ど役に立たない。
【０００４】
本発明の目的は光変調伝達関数を向上させることにある。
【０００５】
このために本発明による装置は、頭部装着式表示装置が、画像表示デバイスと
半透過性素子との間に配置されて、画像表示デバイスによって発生される光を前
記光学系に視準する第１レンズを具えていることを特徴とする。
半透過性素子との間に配置されて、画像表示デバイスによって発生される光を前
記光学系に視準する第１レンズを具えていることを特徴とする。
【０００６】
第１レンズは画像表示パネルにより発生されて到来する光を視準するから、こ
の光が光学系の光軸に沿って集中されて、ひずみが低減され、且つ光変調伝達関
数のカットオフ周波数が増大する。レンズを設けることの他の利点は像の隅部の
ひずみが低減することにある。
の光が光学系の光軸に沿って集中されて、ひずみが低減され、且つ光変調伝達関
数のカットオフ周波数が増大する。レンズを設けることの他の利点は像の隅部の
ひずみが低減することにある。
【０００７】
本発明による頭部装着式表示装置の特定の例は、第１レンズが凸面及びほぼ平
坦な面を有し、凸面が半透過性素子の方に向くようにしたことを特徴とする。こ
のような配置にすると、光変調伝達関数がさらに向上する。
坦な面を有し、凸面が半透過性素子の方に向くようにしたことを特徴とする。こ
のような配置にすると、光変調伝達関数がさらに向上する。
【０００８】
本発明による頭部装着式表示装置の他の例は、光学系が、半透過性素子と凹面
鏡との間に配置されるλ/4板を具え、且つ半透過性素子が、画像表示デバイスに
よって発生されて、第1方向に偏光される光を反射すると共に、凹面鏡から到来
して、λ/4板にて第２方向に偏光される光を選択的に通す偏光-依存性のスプリ
ッタを具えていることを特徴とする。λ/4板及び偏光-依存性のスプリッタの使
用は、背景照明を低下させ、且つ画像表示デバイスによって発生される光の透過
率を高める。
鏡との間に配置されるλ/4板を具え、且つ半透過性素子が、画像表示デバイスに
よって発生されて、第1方向に偏光される光を反射すると共に、凹面鏡から到来
して、λ/4板にて第２方向に偏光される光を選択的に通す偏光-依存性のスプリ
ッタを具えていることを特徴とする。λ/4板及び偏光-依存性のスプリッタの使
用は、背景照明を低下させ、且つ画像表示デバイスによって発生される光の透過
率を高める。
【０００９】
本発明による頭部装着式表示装置のさらに他の例は、偏光-依存性のビームス
プリッタが２個のプリズムを具え、これらのプリズムが、画像表示デバイスによ
って発生され、且つ第1方向に偏光される光を反射すると共に、凹面鏡及びλ/4
板から第２方向に偏光されて到来するる光を選択的に通す偏光ビーム-分割層を
有するビーム分割面によって分離されていることを特徴とする。
プリッタが２個のプリズムを具え、これらのプリズムが、画像表示デバイスによ
って発生され、且つ第1方向に偏光される光を反射すると共に、凹面鏡及びλ/4
板から第２方向に偏光されて到来するる光を選択的に通す偏光ビーム-分割層を
有するビーム分割面によって分離されていることを特徴とする。
【００１０】
このような偏光ビーム分割層は、文献“Thin Film Optical Filters”（H.
A.Macleod発行、第328ページ、第33節）から既知である。この偏光ビーム分割層
は、例えば屈折率が高い光学層と、屈折率が低い光学層とを交互に積重ねたもの
で構成する。このような偏光-依存性のビームスプリッタを用いることによって
、画像表示デバイスから到来する光がほぼ100%透過する。さらなる利点は、凹面
鏡と射出瞳との間の距離によって決まる頭部装着式表示装置の厚さが薄くなるこ
とにある。頭部装着式表示装置にλ/4板及び偏光-依存性のスプリッタを用いる
ことは米国特許第5,771,124号から既知である。
A.Macleod発行、第328ページ、第33節）から既知である。この偏光ビーム分割層
は、例えば屈折率が高い光学層と、屈折率が低い光学層とを交互に積重ねたもの
で構成する。このような偏光-依存性のビームスプリッタを用いることによって
、画像表示デバイスから到来する光がほぼ100%透過する。さらなる利点は、凹面
鏡と射出瞳との間の距離によって決まる頭部装着式表示装置の厚さが薄くなるこ
とにある。頭部装着式表示装置にλ/4板及び偏光-依存性のスプリッタを用いる
ことは米国特許第5,771,124号から既知である。
【００１１】
本発明による頭部装着式表示装置のさらに他の例は、偏光-依存性のビームス
プリッタが、半透過性反射器と、画像表示デバイスによって発生され、且つ第1
方向に偏光される光を反射すると共に、第２方向に偏光される光を選択的に通す
偏光-依存性反射器とを具えていることを特徴とする。この第２タイプの偏光-依
存性のビームスプリッタを用いることは、プリズムを具える第1タイプの上述し
た頭部装着式表示装置の重量に比べてその装置の構成が軽量になるから有利であ
る。なお、第2タイプの頭部装着式表示装置の画像表示デバイスから来る光の透
過率は、第1タイプの頭部装着式表示装置の画像表示デバイスから来る光の透過
率の1/8に低下する。
プリッタが、半透過性反射器と、画像表示デバイスによって発生され、且つ第1
方向に偏光される光を反射すると共に、第２方向に偏光される光を選択的に通す
偏光-依存性反射器とを具えていることを特徴とする。この第２タイプの偏光-依
存性のビームスプリッタを用いることは、プリズムを具える第1タイプの上述し
た頭部装着式表示装置の重量に比べてその装置の構成が軽量になるから有利であ
る。なお、第2タイプの頭部装着式表示装置の画像表示デバイスから来る光の透
過率は、第1タイプの頭部装着式表示装置の画像表示デバイスから来る光の透過
率の1/8に低下する。
【００１２】
そこで、本発明のさらに他の例では、半透過性の反射器が、大きな入射角に対
しては比較的高い反射を呈し、且つ小さな入射角に対しては比較的低い反射を呈
する角度-依存性の反射層を有することを特徴とする。このような層は、光学的
に密な材料製のサブ層と、光学的にあまり密でない材料製のサブ層とを交互に重
ねたサブ層のパケットで構成し、各サブ層の厚さは、適用する光の波長の1/2に
等しくする。
しては比較的高い反射を呈し、且つ小さな入射角に対しては比較的低い反射を呈
する角度-依存性の反射層を有することを特徴とする。このような層は、光学的
に密な材料製のサブ層と、光学的にあまり密でない材料製のサブ層とを交互に重
ねたサブ層のパケットで構成し、各サブ層の厚さは、適用する光の波長の1/2に
等しくする。
【００１３】
頭部装着式表示装置の透過率は斯様な層を用いることによって高められる。
【００１４】
本発明による頭部装着式表示装置の他の例は、該頭部装着式表示装置が、半透
過性の素子と射出瞳との間に配置されて、半透過性素子から射出瞳までの光をプ
レフォーカスする第２レンズを具えていることを特徴とする。
過性の素子と射出瞳との間に配置されて、半透過性素子から射出瞳までの光をプ
レフォーカスする第２レンズを具えていることを特徴とする。
【００１５】
本発明による頭部装着式表示装置のさらに他の例は、該頭部装着式表示装置が
、非球面を有する少なくとも１つの光学素子を具えていることを特徴とする。非
球面を有する光学素子の使用は、フィールドのコマ収差、非点収差及びゆがみの
ような結像誤差を低下させる。
、非球面を有する少なくとも１つの光学素子を具えていることを特徴とする。非
球面を有する光学素子の使用は、フィールドのコマ収差、非点収差及びゆがみの
ような結像誤差を低下させる。
【００１６】
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
【００１７】
図1は、画像表示デバイス、例えば照明ユニット（図示せず）付きの透過型液
晶画像表示パネル１１０と、凹面鏡１３０及び半透過性の光学素子１２０、例え
ば分割ミラーを有する光学系とを具えている頭部装着式表示装置１００を示す。
光学系は、透過型液晶画像表示パネル１１０によって形成される像を頭部装着式
表示装置の射出瞳１５０を経てユーザの目の網膜上に投影する。頭部装着式表示
装置をユーザが装着して作動させると、液晶画像表示パネル１１０によって形成
される像の光が分割ミラー１２０に入射する。分割ミラー１２０はその光の一部
を凹面鏡１３０上に反射し、この凹面鏡はこの光を分割ミラー１２０、窓１４０
及び射出瞳１５０を経てユーザの目（図示せず）の網膜上に視準する。射出瞳１
５０を通る光はユーザの瞳を通過して、網膜（図示せず）に像を形成する。これ
までに示した頭部装着式の表示装置は既知の頭部装着式表示装置に相当する。し
かしながら、このような従来の頭部装着式表示装置は高解像度の液晶画像表示パ
ネルから到来する画像を結像させるのには殆ど適していない。
晶画像表示パネル１１０と、凹面鏡１３０及び半透過性の光学素子１２０、例え
ば分割ミラーを有する光学系とを具えている頭部装着式表示装置１００を示す。
光学系は、透過型液晶画像表示パネル１１０によって形成される像を頭部装着式
表示装置の射出瞳１５０を経てユーザの目の網膜上に投影する。頭部装着式表示
装置をユーザが装着して作動させると、液晶画像表示パネル１１０によって形成
される像の光が分割ミラー１２０に入射する。分割ミラー１２０はその光の一部
を凹面鏡１３０上に反射し、この凹面鏡はこの光を分割ミラー１２０、窓１４０
及び射出瞳１５０を経てユーザの目（図示せず）の網膜上に視準する。射出瞳１
５０を通る光はユーザの瞳を通過して、網膜（図示せず）に像を形成する。これ
までに示した頭部装着式の表示装置は既知の頭部装着式表示装置に相当する。し
かしながら、このような従来の頭部装着式表示装置は高解像度の液晶画像表示パ
ネルから到来する画像を結像させるのには殆ど適していない。
【００１８】
例えば、像の対角線の寸法が0.5インチで、1024x764画素のマトリックスのよ
うな、高解像度の液晶画像表示パネルを用いるためには、頭部装着式表示装置は
、カットオフ周波数が、例えば50サイクル/mm又はそれ以上の光変調伝達関数を
有する光学系を必要とする。この特許出願では、カットオフ周波数とは、光変調
伝達関数の値が30%となる画像周波数を意味するものとする。本発明によれば、
このような光変調伝達関数を向上させるために、分割ミラー１２０と液晶画像表
示パネル１１０との間に第1レンズ１６０を配置する。この第1レンズ１６０は液
晶画像表示パネル１１０からの光を光学系の光軸に沿って視準する。第１レンズ
１６０はほぼ平坦な面１６１と凸面１６２とを有するレンズとするのが好適であ
る。さらに、第１レンズ１６０の凸面１６２は分割ミラー１２０の方に向けるよ
うにする。頭部装着式表示装置には破線で示した第２レンズ１７０を設け、これ
により射出光をプレフォーカスするのが好適であり、この第２レンズ１７０は窓
１４０の位置に配置することができる。
うな、高解像度の液晶画像表示パネルを用いるためには、頭部装着式表示装置は
、カットオフ周波数が、例えば50サイクル/mm又はそれ以上の光変調伝達関数を
有する光学系を必要とする。この特許出願では、カットオフ周波数とは、光変調
伝達関数の値が30%となる画像周波数を意味するものとする。本発明によれば、
このような光変調伝達関数を向上させるために、分割ミラー１２０と液晶画像表
示パネル１１０との間に第1レンズ１６０を配置する。この第1レンズ１６０は液
晶画像表示パネル１１０からの光を光学系の光軸に沿って視準する。第１レンズ
１６０はほぼ平坦な面１６１と凸面１６２とを有するレンズとするのが好適であ
る。さらに、第１レンズ１６０の凸面１６２は分割ミラー１２０の方に向けるよ
うにする。頭部装着式表示装置には破線で示した第２レンズ１７０を設け、これ
により射出光をプレフォーカスするのが好適であり、この第２レンズ１７０は窓
１４０の位置に配置することができる。
【００１９】
光出力を増やし、且つ背景照明を減らすために、光学系にはλ/4板と、液晶画
像表示パネルによって発生されて、第1方向に偏光された光を選択的に通過させ
る偏光-依存性のビームスプリッタとを設けるのが好適である。このような偏光-
依存性のビームスプリッタを具える本発明による頭部装着式表示装置の第２実施
例を図２に示す。
像表示パネルによって発生されて、第1方向に偏光された光を選択的に通過させ
る偏光-依存性のビームスプリッタとを設けるのが好適である。このような偏光-
依存性のビームスプリッタを具える本発明による頭部装着式表示装置の第２実施
例を図２に示す。
【００２０】
図２は本発明による頭部装着式表示装置の第２実施例２００を示し、これは液
晶画像表示パネル２１０と、第１レンズ２６０と、凹面鏡２３０と、偏光-依存
性のビームスプリッタ２２０を成す分割キューブを構成する２個のプリズム２２
１，２２２と、λ/4板２１９とを具えている。頭部装着式表示装置を作動させる
と、液晶画像表示パネル２１０によって形成されて、第１方向に直線偏光される
像の光は第１レンズ２６０によって視準されて、第１プリズム２２１に入射する
。第１レンズ２６０は凸面２６１と光学的に平坦な面２６２とを有するレンズと
するのが好適である。凸面２６１は第１プリズム２２１の方に向ける。この第１
プリズム２２１の第１射出面２２５は第１方向に直線偏光された光をビーム分割
面２２３上に全反射で反射する。ビーム分割面２２３は偏光ビーム-分割層２２
４を有しており、これは、例えば屈折率が高い光学層と、屈折率が低い光学層と
を交互に積重ねた層とする。この偏光ビーム-分割層２２４は、前記引用した文
献“Thin Film Optical Filters”（H.A.Macleod発行、第328ページ、第33節
）から既知である。偏光ビーム-分割層２２４は第1方向に偏光された光を第1プ
リズム２２１の第1射出面２２５の方へと反射する。次いで、この第1方向に偏光
されて反射された光は第1プリズム２２１から出て、λ/4板２１９を経て凹面鏡
２３０へと進む。λ/4板２１９は第1方向に偏光された光を円偏光、例えば左旋
偏光に変換する。凹面鏡２３０はこの左旋偏光をλ/4板２１９を経て第1プリズ
ム２２１の方へと逆に反射する。凹面鏡での反射で、左旋偏光は右旋偏光に変化
する。その後、λ/4板２１９が右旋偏光を第２方向に偏光される光に変換し、こ
の第２偏光方向は第１偏光方向に対してそれを横切る方向とする。ビーム分割面
２２３上の偏光ビーム-分割層２２４は、第２方向に偏光された光を第２プリズ
ム２２２へと通す。その後、第２方向に偏光された光は第２プリズム２２２の第
２射出面２２６を経て射出瞳２５０へと通過する。このようにして、液晶画像表
示パネルから到来する光のほぼ100%の透過が斯種の頭部装着式表示装置にて達成
される。頭部装着式表示装置にはさらに第２レンズ２７０を設けて、これにより
射出光をプレフォーカスするのが好適である。
晶画像表示パネル２１０と、第１レンズ２６０と、凹面鏡２３０と、偏光-依存
性のビームスプリッタ２２０を成す分割キューブを構成する２個のプリズム２２
１，２２２と、λ/4板２１９とを具えている。頭部装着式表示装置を作動させる
と、液晶画像表示パネル２１０によって形成されて、第１方向に直線偏光される
像の光は第１レンズ２６０によって視準されて、第１プリズム２２１に入射する
。第１レンズ２６０は凸面２６１と光学的に平坦な面２６２とを有するレンズと
するのが好適である。凸面２６１は第１プリズム２２１の方に向ける。この第１
プリズム２２１の第１射出面２２５は第１方向に直線偏光された光をビーム分割
面２２３上に全反射で反射する。ビーム分割面２２３は偏光ビーム-分割層２２
４を有しており、これは、例えば屈折率が高い光学層と、屈折率が低い光学層と
を交互に積重ねた層とする。この偏光ビーム-分割層２２４は、前記引用した文
献“Thin Film Optical Filters”（H.A.Macleod発行、第328ページ、第33節
）から既知である。偏光ビーム-分割層２２４は第1方向に偏光された光を第1プ
リズム２２１の第1射出面２２５の方へと反射する。次いで、この第1方向に偏光
されて反射された光は第1プリズム２２１から出て、λ/4板２１９を経て凹面鏡
２３０へと進む。λ/4板２１９は第1方向に偏光された光を円偏光、例えば左旋
偏光に変換する。凹面鏡２３０はこの左旋偏光をλ/4板２１９を経て第1プリズ
ム２２１の方へと逆に反射する。凹面鏡での反射で、左旋偏光は右旋偏光に変化
する。その後、λ/4板２１９が右旋偏光を第２方向に偏光される光に変換し、こ
の第２偏光方向は第１偏光方向に対してそれを横切る方向とする。ビーム分割面
２２３上の偏光ビーム-分割層２２４は、第２方向に偏光された光を第２プリズ
ム２２２へと通す。その後、第２方向に偏光された光は第２プリズム２２２の第
２射出面２２６を経て射出瞳２５０へと通過する。このようにして、液晶画像表
示パネルから到来する光のほぼ100%の透過が斯種の頭部装着式表示装置にて達成
される。頭部装着式表示装置にはさらに第２レンズ２７０を設けて、これにより
射出光をプレフォーカスするのが好適である。
【００２１】
本発明による頭部装着式表示装置の第２実施例の光学系における第1レンズ２
６０の影響を図3につき説明する。図３は光変調伝達関数を表わす２つの特性曲
線I,IIを示す。この特性図では、空間周波数を水平方向軸にサイクル/mmでプロ
ットし、光変調伝達関数の値を縦軸にプロットしてある。第1の特性曲線Iは、図
２に示した頭部装着式表示装置の光学系と部分的には同一であるも、第１レンズ
２６０を持たない光学系に対する第1コンピュータシミュレーションによる光変
調伝達関数を表わしたものである。この第1特性曲線Iから明らかなように、この
場合の光変調伝達関数のカットオフ周波数は約12サイクル/mmである。第２特性
曲線IIは、本発明による第１レンズ２６０を有する図２に示したような頭部装着
式表示装置の第２実施例の光学系に対する第２コンピュータシミュレーションに
よる光変調伝達関数を表わしたものである。この第２特性曲線IIから明らかなよ
うに、この光学系に対する光変調伝達関数のカットオフ周波数は約50サイクル/m
mである。
６０の影響を図3につき説明する。図３は光変調伝達関数を表わす２つの特性曲
線I,IIを示す。この特性図では、空間周波数を水平方向軸にサイクル/mmでプロ
ットし、光変調伝達関数の値を縦軸にプロットしてある。第1の特性曲線Iは、図
２に示した頭部装着式表示装置の光学系と部分的には同一であるも、第１レンズ
２６０を持たない光学系に対する第1コンピュータシミュレーションによる光変
調伝達関数を表わしたものである。この第1特性曲線Iから明らかなように、この
場合の光変調伝達関数のカットオフ周波数は約12サイクル/mmである。第２特性
曲線IIは、本発明による第１レンズ２６０を有する図２に示したような頭部装着
式表示装置の第２実施例の光学系に対する第２コンピュータシミュレーションに
よる光変調伝達関数を表わしたものである。この第２特性曲線IIから明らかなよ
うに、この光学系に対する光変調伝達関数のカットオフ周波数は約50サイクル/m
mである。
【００２２】
本発明による第1レンズ２６０付きの頭部装着式表示装置のさらに他の利点は
、射出瞳２５０における像の角度ひずみみが約0.5%に低下したのに対して、図２
に示した光学系で第1レンズ２６０を持たない光学系での斯かる像の角度ひずみ
みは約2.5%にもなることにある。このことは前記コンピュータシミュレーション
からも明らである。
、射出瞳２５０における像の角度ひずみみが約0.5%に低下したのに対して、図２
に示した光学系で第1レンズ２６０を持たない光学系での斯かる像の角度ひずみ
みは約2.5%にもなることにある。このことは前記コンピュータシミュレーション
からも明らである。
【００２３】
図5は第1及び第２コンピュータシミュレーションのひずみみを表わす第３特性
曲線III及び第４特性曲線IVを示す。第３特性曲線IIIは図２に示した頭部装着式
表示装置の光学系と部分的には同一であるも、第１レンズ２６０を持たない光学
系に対する第1コンピュータシミュレーションによるひずみを表わす。この第３
特性曲線IIIの図では、無ひずみの理想フレームに対する結像フレームのひずみ
を水平方向の軸にパーセントの単位でプロットし、像の中心からの距離を垂直軸
にプロットしてある。第４特性曲線IVは第１レンズ２６０付きの図２に示したよ
うな本発明の第２実施例における光学系の第２コンピュータシミュレーションに
よるひずみを表わしている。この第４特性曲線IVの図では、無ひずみの理想的な
フレームに対する結像フレームのひずみを水平軸に1/10のパーセントの単位でプ
ロットし、像の中心からの距離を縦軸にプロットしてある。
曲線III及び第４特性曲線IVを示す。第３特性曲線IIIは図２に示した頭部装着式
表示装置の光学系と部分的には同一であるも、第１レンズ２６０を持たない光学
系に対する第1コンピュータシミュレーションによるひずみを表わす。この第３
特性曲線IIIの図では、無ひずみの理想フレームに対する結像フレームのひずみ
を水平方向の軸にパーセントの単位でプロットし、像の中心からの距離を垂直軸
にプロットしてある。第４特性曲線IVは第１レンズ２６０付きの図２に示したよ
うな本発明の第２実施例における光学系の第２コンピュータシミュレーションに
よるひずみを表わしている。この第４特性曲線IVの図では、無ひずみの理想的な
フレームに対する結像フレームのひずみを水平軸に1/10のパーセントの単位でプ
ロットし、像の中心からの距離を縦軸にプロットしてある。
【００２４】
本発明による頭部装着式表示装置の第3実施例を図4に示してある。この図４は
、液晶画像表示パネル４１０、第1レンズ４６０、凹面鏡４３０、第1分割ミラー
４２５、偏光-依存性反射器４２３、λ/4板４１９及び第２レンズ４７０を具え
ている頭部装着式表示装置の第３実施例を示す。この第３実施例では、偏光ビー
ムスプリッタを第１分割ミラー４２５と偏光-依存性の反射器４２３とで構成す
る。第１分割ミラー４２５及び偏光-依存性の反射器４２３は、図２に示したよ
うな光学系の第１プリズム２２１の第１射出面２２５と、第２プリズム２２１，
２２２間のビーム分割面２２３上の偏光ビーム分割層２２４とにそれぞれ取って
代わるものである。
、液晶画像表示パネル４１０、第1レンズ４６０、凹面鏡４３０、第1分割ミラー
４２５、偏光-依存性反射器４２３、λ/4板４１９及び第２レンズ４７０を具え
ている頭部装着式表示装置の第３実施例を示す。この第３実施例では、偏光ビー
ムスプリッタを第１分割ミラー４２５と偏光-依存性の反射器４２３とで構成す
る。第１分割ミラー４２５及び偏光-依存性の反射器４２３は、図２に示したよ
うな光学系の第１プリズム２２１の第１射出面２２５と、第２プリズム２２１，
２２２間のビーム分割面２２３上の偏光ビーム分割層２２４とにそれぞれ取って
代わるものである。
【００２５】
頭部装着式表示装置が作動すると、液晶画像表示パネル４１０によって形成さ
れ、第１方向に偏光される像の光は光学系の第１レンズ４６０によって視準され
る。この第１レンズ４６０は凸面４６１及び光学的に平坦な面４６２を有するレ
ンズとするのが好適である。凸面４６１は分割ミラー４２５の方へ向ける。分割
ミラー４２５は光の大部分を偏光依存式の反射器４２３の方へと反射する。偏光
依存式の反射器４２３は、例えば３Ｍ社によって市販されているような、ダブル
・ブライトネス・エンハンスメント・フィルム（DBEF）タイプの反射ポラロイド
（登録商標）で構成する。この反射ポラロイド４２３は第１方向（この方向は反 射ポラロイドのディレクターに対してほぼ垂直の方向である）に直線的に偏光さ れる光を分割ミラー４２５及びλ/4板４１９を経て凹面鏡４３０へと反射する。 λ/4板４１９は直線偏光された光を円偏光、例えば左遷偏光に変換する。凹面鏡 ４３０は左遷偏光をλ/4板４１９を経て分割ミラー４２３の方へと反射する。こ の凹面鏡での反射に際し、左遷円偏光は右旋円偏光に変わる。その後、λ/4板４ １９がこの右旋円偏光を第２方向に偏光される光に変える。この第２偏光方向は 最初にλ/4板４１９を通過する光の偏光方向に対して直角の方向である。反射ポ ラロイド４２３のディレクターは２度目にλ/4板４１９を通過する光の第２偏光 方向に対して平行とし、この反射ポラロイド４２３はこの光を通過させ、この光 が頭部装着式表示装置の光学系の第２レンズ４７０及び射出瞳４５０を経てユー ザの目の方へと進み、ユーザの網膜に像を形成するようにする。第２レンズ４７ ０は射出光をさらにプレフォーカスする。
れ、第１方向に偏光される像の光は光学系の第１レンズ４６０によって視準され
る。この第１レンズ４６０は凸面４６１及び光学的に平坦な面４６２を有するレ
ンズとするのが好適である。凸面４６１は分割ミラー４２５の方へ向ける。分割
ミラー４２５は光の大部分を偏光依存式の反射器４２３の方へと反射する。偏光
依存式の反射器４２３は、例えば３Ｍ社によって市販されているような、ダブル
・ブライトネス・エンハンスメント・フィルム（DBEF）タイプの反射ポラロイド
（登録商標）で構成する。この反射ポラロイド４２３は第１方向（この方向は反 射ポラロイドのディレクターに対してほぼ垂直の方向である）に直線的に偏光さ れる光を分割ミラー４２５及びλ/4板４１９を経て凹面鏡４３０へと反射する。 λ/4板４１９は直線偏光された光を円偏光、例えば左遷偏光に変換する。凹面鏡 ４３０は左遷偏光をλ/4板４１９を経て分割ミラー４２３の方へと反射する。こ の凹面鏡での反射に際し、左遷円偏光は右旋円偏光に変わる。その後、λ/4板４ １９がこの右旋円偏光を第２方向に偏光される光に変える。この第２偏光方向は 最初にλ/4板４１９を通過する光の偏光方向に対して直角の方向である。反射ポ ラロイド４２３のディレクターは２度目にλ/4板４１９を通過する光の第２偏光 方向に対して平行とし、この反射ポラロイド４２３はこの光を通過させ、この光 が頭部装着式表示装置の光学系の第２レンズ４７０及び射出瞳４５０を経てユー ザの目の方へと進み、ユーザの網膜に像を形成するようにする。第２レンズ４７ ０は射出光をさらにプレフォーカスする。
【００２６】
分割ミラー４２５及び反射ポラロイド４２３を具えている偏光ビームスプリッ
タの利点は、頭部装着式表示装置の重量を低減させることができることにある。
なお、この軽量化の利点は、プリズム２２１，２２２を具える偏光依存式のビー
ムスプリッタを用いる頭部装着式表示装置に比べて１/８の光の損失をもたらす
ことになる。この光の損失は液晶画像表示パネルの照明系にて補償することがで
きる。
タの利点は、頭部装着式表示装置の重量を低減させることができることにある。
なお、この軽量化の利点は、プリズム２２１，２２２を具える偏光依存式のビー
ムスプリッタを用いる頭部装着式表示装置に比べて１/８の光の損失をもたらす
ことになる。この光の損失は液晶画像表示パネルの照明系にて補償することがで
きる。
【００２７】
この光損失を低減させる１つのやり方は、分割ミラー４２５上に角度-依存性
の反射層を用いる方法である。この角度-依存性の反射層は、大きな入射角度で
最大反射を呈し、且つ小さな入射角度で最小反射を呈するように最適化したサブ
層のパケットで構成する。このパケットの基板は屈折率が比較的大きな材料、例
えばSchott社製のガラスプレートBK-7とするのが好適である。
の反射層を用いる方法である。この角度-依存性の反射層は、大きな入射角度で
最大反射を呈し、且つ小さな入射角度で最小反射を呈するように最適化したサブ
層のパケットで構成する。このパケットの基板は屈折率が比較的大きな材料、例
えばSchott社製のガラスプレートBK-7とするのが好適である。
【００２８】
図６は角度-依存性の反射層を持たない未処理のBK-7プレートの反射、透過及
び吸収率の角度依存性をそれぞれ示した特性図である。この図６の３つの特性曲
線６００，６０１，６０２は反射、透過及び吸収率をそれぞれS-偏光に対する入
射角度の関数として示したものである。ガラスプレートで反射が一度起こり、こ
のガラスプレートを光が二度透過する図４に示したような光学系での光透過率は
、0.12x0.96x0.96＝0.11である。ガラスプレートに角度-依存性の反射層を設け
た場合には、透過率が向上する。このような反射層は、光学的に密な材料製のサ
ブ層と、光学的にあまり密でない材料製のサブ層とを交互に具え、これらサブ層
の厚さを、適用する光の波長の1/2に等しい厚さとするサブ層のパケットで構成
する。斯様な反射層を設けたガラスプレートの角度依存性の反射、透過及び吸収
率を図7に示してある。
び吸収率の角度依存性をそれぞれ示した特性図である。この図６の３つの特性曲
線６００，６０１，６０２は反射、透過及び吸収率をそれぞれS-偏光に対する入
射角度の関数として示したものである。ガラスプレートで反射が一度起こり、こ
のガラスプレートを光が二度透過する図４に示したような光学系での光透過率は
、0.12x0.96x0.96＝0.11である。ガラスプレートに角度-依存性の反射層を設け
た場合には、透過率が向上する。このような反射層は、光学的に密な材料製のサ
ブ層と、光学的にあまり密でない材料製のサブ層とを交互に具え、これらサブ層
の厚さを、適用する光の波長の1/2に等しい厚さとするサブ層のパケットで構成
する。斯様な反射層を設けたガラスプレートの角度依存性の反射、透過及び吸収
率を図7に示してある。
【００２９】
図7は、例えば7つのサブ層から成る層のパケットを設けたBK-7ガラスプレート
の角度-依存性の反射特性を示したものであり、層パケットはZrO2の第１サブ層
と、Ta2O5の第２サブ層とを交互に重ねて構成する。それぞれのサブ層の厚さは
、適用する光の波長の半分の厚さとする。図7に示した3つの特性曲線700,701,70
2は、角度-依存性反射層の反射、透過及び吸収率をそれぞれS-偏光に対する入射
角度の関数として示したものである。これらの特性グラフから明らかなように、
この場合には、ガラスプレートにて反射が一度起こり、このガラスプレートを光
が二度透過する図４に示したような前述した光学系での光透過率は、0.12x0.96x
0.96＝0.11である。前記光学系の効率は波長にも依存する。
の角度-依存性の反射特性を示したものであり、層パケットはZrO2の第１サブ層
と、Ta2O5の第２サブ層とを交互に重ねて構成する。それぞれのサブ層の厚さは
、適用する光の波長の半分の厚さとする。図7に示した3つの特性曲線700,701,70
2は、角度-依存性反射層の反射、透過及び吸収率をそれぞれS-偏光に対する入射
角度の関数として示したものである。これらの特性グラフから明らかなように、
この場合には、ガラスプレートにて反射が一度起こり、このガラスプレートを光
が二度透過する図４に示したような前述した光学系での光透過率は、0.12x0.96x
0.96＝0.11である。前記光学系の効率は波長にも依存する。
【００３０】
図８に示す3つの特性曲線は、角度-依存性の反射層の反射率、透過率及び吸収
率をそれぞれ波長の関数として表わしたものである。この特性図から明らかなよ
うに、効率は最低でも0.33x0.82x0.82＝0.22となる。角度-依存性の反射層の他
の例は、ZnSとT2O2を交互に積重ねて成る9つのサブ層のパケットで構成する。
率をそれぞれ波長の関数として表わしたものである。この特性図から明らかなよ
うに、効率は最低でも0.33x0.82x0.82＝0.22となる。角度-依存性の反射層の他
の例は、ZnSとT2O2を交互に積重ねて成る9つのサブ層のパケットで構成する。
【００３１】
頭部装着式表示装置にはさらに射出光をプレフォーカスする第２レンズ４７０
を設けるのが好適である。
を設けるのが好適である。
【００３２】
フィールドのコマ収差、非点収差及びゆがみのような像誤差を低減させるため
に、頭部装着式表示装置の上述したそれぞれの実施例における光学素子の複数の
湾曲面、例えば、第１レンズ、凹面鏡及び第２レンズの湾曲面は非球面状とする
のが好適である。
に、頭部装着式表示装置の上述したそれぞれの実施例における光学素子の複数の
湾曲面、例えば、第１レンズ、凹面鏡及び第２レンズの湾曲面は非球面状とする
のが好適である。
【００３３】
頭部装着式表示装置の上述した各実施例における透過型液晶画像表示パネルの
代わりに、関連する照明系を具える反射型の液晶画像表示パネルを用いることも
できる。ディレクターを第１方向に向けた直線偏光子との組み合わせで陰極線管
を用いることもできる。
代わりに、関連する照明系を具える反射型の液晶画像表示パネルを用いることも
できる。ディレクターを第１方向に向けた直線偏光子との組み合わせで陰極線管
を用いることもできる。
【図１】 本発明による頭部装着式表示装置の第1実施例を示す図である。
【図２】 本発明による頭部装着式表示装置の第２実施例を示す図である。
【図３】 光変調伝達関数を表わす２つの特性曲線を示す図である。
【図４】 本発明による頭部装着式表示装置の第３実施例を示す図である。
【図５】 異なる頭部装着式表示装置のひずみを表わす２つの特性曲線を示す図
である。
である。
【図６】 反射率、透過率及び吸収率をそれぞれ未処理ガラスに対する入射角度
の関数として表わした３つの特性曲線を示す図である。
の関数として表わした３つの特性曲線を示す図である。
【図７】 入射光の反射率、透過率及び吸収率をそれぞれ角度-依存性の反射層
を有するガラスに対する入射角度の関数として表わした３つの特性曲線を示す図
である。
を有するガラスに対する入射角度の関数として表わした３つの特性曲線を示す図
である。
【図８】 入射光のS-偏光成分の反射率、透過率及び吸収率をそれぞれ０度の入
射角で、角度-依存性の反射層を有するガラスに対する波長の関数として表わし
た３つの特性曲線を示す図である。
射角で、角度-依存性の反射層を有するガラスに対する波長の関数として表わし
た３つの特性曲線を示す図である。
１００ 頭部装着式表示装置
１１０ 画像表示デバイス（液晶画像表示パネル）
１２０ 半透過性光学素子（分割ミラー）
１３０ 凹面鏡
１４０ 窓
１５０ 射出瞳
１６０ 第１レンズ
１７０ 第２レンズ
Claims (8)
- 【請求項１】 画像表示デバイスと、凹面鏡及び半透過性素子を具えており、前
記画像表示デバイスによって形成される像を前記半透過性素子、前記凹面鏡、前
記半透過性素子及び装置の射出瞳を順次経てユーザの網膜に投影するための光学
系とを装備した頭部装着式表示装置において、当該頭部装着式表示装置が、前記
画像表示デバイスと前記半透過性素子との間に配置されて、前記画像表示デバイ
スによって発生される光を前記光学系に視準する第１レンズを具えていることを
特徴とする頭部装着式表示装置。 - 【請求項２】 前記第１レンズが凸面及びほぼ平坦な面を有し、前記凸面が前記
半透過性素子の方に向くようにしたことを特徴とする請求項1に記載の頭部装着
式表示装置。 - 【請求項３】 前記光学系が、前記半透過性素子と前記凹面鏡との間に配置され
るλ/4板を具え、且つ前記半透過性素子が、前記画像表示デバイスによって発生
され、且つ第1方向に偏光される光を反射すると共に、前記凹面鏡及びλ/4板か
ら第２方向に偏光されて到来する光を選択的に通す偏光-依存性のビームスプリ
ッタを具えていることを特徴とする請求項１に記載の頭部装着式表示装置。 - 【請求項４】 前記偏光-依存性のビームスプリッタが２個のプリズムを具え、
これらのプリズムが、前記画像表示デバイスによって発生され、且つ第1方向に
偏光される光を反射すると共に、前記凹面鏡及びλ/4板から第２方向に偏光され
て到来するる光を選択的に通す偏光ビーム-分割層を有するビーム分割面によっ
て分離されていることを特徴とする請求項３に記載の頭部装着式表示装置。 - 【請求項５】 前記偏光-依存性のビームスプリッタが、半透過性反射器と、前
記画像表示デバイスによって発生され、且つ第1方向に偏光される光を反射する
と共に、前記第２方向に偏光される光を選択的に通す偏光-依存性反射器とを具
えていることを特徴とする請求項３に記載の頭部装着式表示装置。 - 【請求項６】 前記半透過性反射器が、大きな入射角に対しては比較的高い反射
を呈し、且つ小さな入射角に対しては比較的低い反射を呈する角度-依存性の反
射層を有することを特徴とする請求項４に記載の頭部装着式表示装置。 - 【請求項７】 前記頭部装着式表示装置が、前記半透過性素子と前記射出瞳との
間に配置されて、前記半透過性素子から前記射出瞳までの光をプレフォーカスす
る第２レンズを具えていることを特徴とする請求項１に記載の頭部装着式表示装
置。 - 【請求項８】 前記頭部装着式表示装置が、非球面を有する少なくとも１つの光
学素子を具えていることを特徴とする請求項１に記載の頭部装着式表示装置。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP99201997.6 | 1999-06-22 | ||
| EP99201997 | 1999-06-22 | ||
| PCT/EP2000/005639 WO2000079325A1 (en) | 1999-06-22 | 2000-06-19 | Head-mounted display |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003502710A true JP2003502710A (ja) | 2003-01-21 |
Family
ID=8240338
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001505231A Pending JP2003502710A (ja) | 1999-06-22 | 2000-06-19 | 頭部装着式表示装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6487021B1 (ja) |
| EP (1) | EP1105766A1 (ja) |
| JP (1) | JP2003502710A (ja) |
| KR (1) | KR20010089170A (ja) |
| CN (1) | CN1315008A (ja) |
| WO (1) | WO2000079325A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| JP2004318041A (ja) * | 2003-02-28 | 2004-11-11 | Sony Corp | 空中像表示装置 |
| JP2008046253A (ja) * | 2006-08-11 | 2008-02-28 | Canon Inc | 画像表示装置 |
| JP2020008749A (ja) * | 2018-07-10 | 2020-01-16 | セイコーエプソン株式会社 | ヘッドマウントディスプレイ |
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| KR100477684B1 (ko) * | 2002-12-05 | 2005-03-21 | 삼성전자주식회사 | 머리장착형 표시장치 |
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| CN100451729C (zh) * | 2005-10-12 | 2009-01-14 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 护目型头盔显示系统 |
| KR101441873B1 (ko) | 2007-01-12 | 2014-11-04 | 코핀 코포레이션 | 헤드 장착 단안식 디스플레이 장치 |
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