JP2008099222A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＭＤにおいて、光源１１にて発生した熱を効率よく筐体３の外部に導いて放熱させることにより、映像輝度の低下や部品の劣化を回避する。
【解決手段】ＨＭＤの映像表示装置は、ＬＥＤからなる光源１１と、吸熱部材３４とを筐体３内に有している。光源１１は、ＦＰＣ３１のランド部分に半田付けにより実装されている。吸熱部材３４は、ＦＰＣ３１における光源１１の実装面とは反対側の面に配置されている。吸熱部材３４は、ケーブル６のシールド線６２と半田３５により接続されている。上記のランド部分はＦＰＣ３１において一定の面積を有し、吸熱部材３４もＦＰＣ３１に対して一定の面積を有するので、光源１１にて発生した熱は、ＦＰＣ３１のランド部分の面から効率よく放出され、ＦＰＣ３１の絶縁層を介して吸熱部材３４の面で効率よく吸収された後、シールド線６２を介して筐体３の外部に伝達され、放熱される。
【選択図】図１

Description

本発明は、映像表示素子からの映像光を接眼光学系を介して観察者の瞳に導くヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）に関するものである。

観察者の頭部に装着され、映像表示素子にて生成された映像を接眼光学系を介して観察者の瞳に虚像投影する装置は、いわゆるＨＭＤと呼ばれ、一般に知られている。このようなＨＭＤは、上記の映像表示素子やその映像表示素子を照明する光源を筐体内部に有している。近年、ＨＭＤは小型、軽量なものが開発されるようになり、上記光源として小型で安価な発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも称する）が一般的に用いられるようになってきている。

ところで、ＨＭＤを長時間使用すると、ＬＥＤの発熱による筐体内部の温度上昇により、映像表示輝度の低下や部品の劣化（例えば部品の熱による変形）などの不具合が発生することがある。そのため、例えば特許文献１および２では、装置内部に冷却ファンを設け、装置内部の温度上昇を抑制する手法が採られている。しかし、頭部搭載型の装置に冷却ファンを設けると、装置が大型になって重くなるため、その装置を頭部に装着する観察者は、その装置の長時間の使用がしづらくなる。

一方、例えば特許文献３では、ＬＥＤにて発生した熱を、冷却ファンを用いずに外部に逃がす手法が提案されている。より具体的には、プリント配線板上で、ＬＥＤと電気的に接続される信号用導体パターンを、絶縁領域を介してグランド用導体パターンと並べて配置している。なお、上記の絶縁領域とは、導体パターンのない領域であり、信号用導体パターンの周縁を取り囲むように形成されている。また、上記のグランド用導体パターンは、ＬＥＤに電流を供給するためのケーブルのシールド部を介して接地されている。

この構成により、ＬＥＤにて発生した熱は、信号用導体パターンから絶縁領域を介してグランド用導体パターンに伝達され、さらにケーブルのシールド部を介して放熱される。

特開平６−１７５０６６号公報 特開平９−３４３７６号公報 特開２００３−２４２７６号公報

ところで、特許文献３においては、ＬＥＤからの熱は、信号用導体パターンのエッジから、絶縁領域を介して同一面内にあるグランド用導体パターンに伝達される。しかも、上記絶縁領域の材料となるプリント配線板の基材として一般的に使用される紙フェノールやガラスエポキシ材は、その熱伝導率が０．３Ｗ／ｍＫと低い。

このため、特許文献３の手法では、ＬＥＤにて発生した熱がグランド用導体パターンに伝達されにくく、その結果、ＬＥＤにて発生した熱を効率よく筐体外部に導いて放熱させることができないと考えられる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光源にて発生した熱を効率よく筐体外部に導くことができ、これによって、映像輝度の低下や部品の劣化を回避することができるヘッドマウントディスプレイを提供することにある。

本発明のヘッドマウントディスプレイは、映像表示素子を内包し、かつ、接眼光学系の一部を保持する筐体を有する映像表示装置と、上記接眼光学系を観察者の眼前で支持する支持手段とを有し、上記映像表示素子からの映像光を上記接眼光学系を介して観察者の瞳に導くヘッドマウントディスプレイであって、上記映像表示装置は、上記筐体内の基板上に実装され、上記映像表示素子を照明する、発光ダイオードからなる光源と、上記基板における上記光源の実装面とは反対側の面に配置され、上記光源からの熱を吸収する吸熱部材と、上記吸熱部材にて吸収した熱を上記筐体の外部に導く熱伝導部材とを有していることを特徴としている。なお、上記基板は、フレキシブル回路基板（以下、ＦＰＣとも称する）であってもよく、上記発光ダイオードは、上記フレキシブル回路基板上に半田付けにより実装されていてもよい。

上記の構成によれば、ＬＥＤからなる光源を点灯させて映像表示素子を照明すると、映像表示素子に表示された映像光が観察者の眼前に位置する接眼光学系を介して観察者の瞳に導かれる。これにより、観察者は映像を観察することが可能となる。

ここで、上記の光源は、筐体内の基板上（例えばＦＰＣのランド部分）に（例えば半田付けにより）実装されている。一方、基板における光源の実装側とは反対側の面には、吸熱部材が配置されている。これにより、光源にて発生した熱を、上記基板から効率よく放出させて吸熱部材の面で効率よく吸収することができる。特に、基板がＦＰＣで構成される場合は、ＦＰＣのランド部分はＦＰＣにおいて一定の面積を有し、吸熱部材もＦＰＣに対して一定の面積を有するので、光源にて発生した熱を、上記ランド部分の面から効率よく放出することができるとともに、その放出された熱を、ＦＰＣを介して吸熱部材の面で効率よく吸収することができる。そして、吸熱部材にて吸収された熱を、熱伝導部材を介して筐体外部に導き、そこで放出することができる。つまり、上記構成によれば、光源にて発生した熱を効率よく筐体外部に導いて放出し、光源の発熱に起因して起こる映像輝度の低下や部品の劣化を回避することが可能となる。

また、本発明において、上記吸熱部材は、上記フレキシブル回路基板における上記ランド部分と対向する部分を全て覆うように配置されていることが望ましい。この場合、ＦＰＣ裏面（光源実装側とは反対側の面）に配置される吸熱部材は、ＦＰＣ表面に実装される光源から発生した熱を、上記ランド部分を介して、ＦＰＣの厚さ分の最小距離で吸収することができ、光源からランド部分に伝達された熱を、吸熱部材が吸収しやすくなる。

また、上記吸熱部材は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなる金属板で構成されていることが望ましい。この場合、吸熱部材での高い吸熱効率を実現することができる。また、吸熱部材がそのような金属板で構成されているので、吸熱部材の加工およびその吸熱部材のＦＰＣへの貼り付けが容易となる。

また、上記熱伝導部材は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなることが望ましい。この場合、吸熱部材にて吸収した熱が熱伝導部材に伝わりやすくなり、熱伝導部材を介して筐体外部で効率よく放熱させることができる。

また、上記映像表示装置は、上記光源および上記映像表示素子へケーブルを介して少なくとも駆動電力および映像信号を供給するための回路基板を有しており、上記熱伝導部材は、上記ケーブルのシールド線であってもよい。

この構成では、光源にて発生した熱は、ＦＰＣを介して吸熱部材にて吸収され、さらに熱伝導部材であるシールド線を介して筐体外部に導かれる。シールド線は、電磁波を遮蔽する目的で元々ケーブルに設けられているものであるので、上記構成によれば、既存のシールド線を有効利用して、光源の放熱を図ることができる。また、筐体の内部から外部にかけてケーブルが設けられていれば、吸熱部材にて吸収した熱を、熱伝導部材（シールド線）を介して筐体外部に容易にかつ確実に導くことができる。

また、上記支持手段の少なくとも一部は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなる支持側金属部で構成されており、上記熱伝導部材は、上記吸熱部材と上記支持側金属部とを連結していてもよい。この構成では、光源にて発生した熱は、ＦＰＣを介して吸熱部材にて吸収され、さらに熱伝導部材を介して支持側金属部に導かれる。これにより、上記支持側金属部での放熱を図ることができる。また、支持側金属部は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなるので、吸熱部材からの熱が支持側金属部に伝達されやすくなる。

また、上記筐体の少なくとも一部は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなる筐体側金属部で構成されており、上記筐体側金属部は、外部に露出しており、上記熱伝導部材は、上記吸熱部材と上記筐体側金属部とを連結していてもよい。この構成では、光源にて発生した熱は、ＦＰＣを介して吸熱部材にて吸収され、さらに熱伝導部材を介して筐体側金属部に導かれる。筐体側金属部は外部に露出しているので、筐体側金属部に導かれた熱をそこで外部に放熱させることができる。また、筐体側金属部は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなるので、吸熱部材からの熱が筐体側金属部に伝達されやすくなる。

また、上記接眼光学系は、体積位相型で反射型のホログラム光学素子を有しており、上記ホログラム光学素子は、上記映像表示素子からの映像光を回折反射させて観察者の瞳に導く構成であってもよい。体積位相型で反射型のホログラム光学素子は、回折効率ピークの半値波長幅が狭く、また、回折効率が高いので、このようなホログラム光学素子を用いることにより、色純度が高く、明るい映像を提供することができる。また、光源と瞳との共役関係が変更されないので、映像光の波長が変化せず、色再現性の高い映像を提供することができる。

また、上記ホログラム光学素子は、上記映像表示素子からの映像光と外光とを同時に観察者の目に導くコンバイナであってもよい。この場合、観察者は、ホログラム光学素子を介して、映像表示素子から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。

また、上記ホログラム光学素子の回折効率ピークの半値波長幅は、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることが望ましい。このように、ホログラム光学素子の回折効率ピークの半値波長幅が５ｎｍ以上１０ｎｍ以下と狭ければ、観察者は色純度が高くて明るい映像を観察することができるとともに、外界像の光の透過率が高くなるので、観察者は明るい外界像を観察することができる。

また、上記光源は、発光強度がピークとなる波長の異なる複数の発光ダイオードで構成されていてもよい。この構成では、複数の光源を用いて映像表示素子を照明するので、映像表示素子にてカラー映像を表示することが可能となり、そのカラー映像を観察者に提供することが可能となる。また、複数の光源を用いるので、色再現性が高く、明るい映像表示が可能となる。

また、上記光源は、３原色に対応した光を発光する３つの発光部を偶数組有しており、上記ホログラム光学素子への光軸の入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序が、隣接する各組間で逆であってもよい。この場合、各発光部からの出射光の各色の光強度（各組間で足し合わせたもの）の重心が一致する（例えば上記入射面上に位置する）ので、瞳の中心またはその近傍で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。

本発明によれば、光源にて発生した熱を、基板から効率よく放出させて吸熱部材の面で効率よく吸収することができる。そして、吸熱部材にて吸収された熱を、熱伝導部材を介して筐体外部に導き、そこで放出することができる。つまり、光源にて発生した熱を効率よく筐体外部に導いて放出することができる。その結果、光源の発熱に起因して起こる映像輝度の低下や部品の劣化を回避することができる。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

（１．ＨＭＤの構成）
図２は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、支持手段２とで構成されている。

映像表示装置１は、少なくとも光源１１および映像表示素子１４（ともに図３参照）を内包する筐体３を有している。この筐体３は、接眼光学系４の一部を保持している。接眼光学系４は、全体として眼鏡の一方のレンズ（図２では右眼用レンズ）のような形状をなしている。上記の支持手段２は、眼鏡のフレームに相当するものであり、接眼光学系４を観察者の眼前で支持する。また、映像表示装置１は、筐体３を貫通して設けられるケーブル６を介して、光源１１および映像表示素子１４に少なくとも駆動電力および映像信号を供給するための回路基板５を有している。

観察者がＨＭＤを頭部に装着し、映像表示素子１４に映像を表示すると、その映像光が接眼光学系４を介して観察者の瞳に導かれる。これにより、観察者は、映像表示装置１の映像を虚像として観察することができる。また、これと同時に、観察者は、接眼光学系４を介して、外界像をシースルーで観察することができる。以下、映像表示装置１の詳細について説明する。

（２．映像表示装置の構成）
図３は、映像表示装置１の概略の構成を示す断面図であり、図４は、映像表示装置１における光路を光学的に一方向に展開して示す説明図である。映像表示装置１は、光源１１と、一方向拡散板１２と、集光レンズ１３と、映像表示素子１４と、上述した接眼光学系４とを有している。図３に示すように、光源１１、一方向拡散板１２、集光レンズ１３および映像表示素子１４は、筐体３内に収容されており、接眼光学系４の一部（後述する接眼プリズム２１の一部）は、筐体３内に位置している。

ここで、以下での説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、映像表示素子１４の表示領域の中心と、接眼光学系４によって形成される光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、光源１１から光学瞳Ｅまでの光路を展開したときの光軸方向をＺ方向とする。また、接眼光学系４の後述するホログラム光学素子２３への光軸の入射面に垂直な方向をＸ方向とし、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ方向とする。なお、ホログラム光学素子２３への光軸の入射面とは、ホログラム光学素子２３における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、ＹＺ平面を指す。以下、上記入射面を単に入射面または光軸入射面と称する。

光源１１は、映像表示素子１４を照明するものであり、本実施形態では、２組の光源群１１Ｐ・１１Ｑで構成されている。各光源群１１Ｐ・１１Ｑは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３原色に対応する波長の光を発光する３つの発光部を有するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。

ここで、図５は、光源１１の各光源群１１Ｐ・１１Ｑの分光強度特性、すなわち、出射光の波長と光強度との関係を示す説明図である。各光源群１１Ｐ・１１Ｑは、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で４６２±１２ｎｍ、５２５±１７ｎｍ、６３５±１１ｎｍとなる３つの波長帯域の光を発光する。なお、光強度のピーク波長とは、光強度がピークとなるときの波長のことであり、光強度半値の波長幅とは、光強度が光強度ピークの半値となるときの波長幅のことである。なお、図５の光強度は、Ｂ光の最大光強度を１００としたときの相対値で示している。

このように、光源１１は、発光強度がピークとなる波長の異なる複数の発光部（ＬＥＤ）で構成されているので、映像表示素子１４を照明したときに、映像表示素子１４にてカラー映像を表示することが可能となり、そのカラー映像を観察者に提供することが可能となる。また、各ＬＥＤは、発光波長幅が狭いので、そのようなＬＥＤを複数用いることにより、色再現性が高く、明るい映像表示が可能となる。

一方向拡散板１２は、光源１１からの出射光を拡散させるものであるが、その拡散度は、方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板１２は、Ｘ方向には入射光を約４０゜拡散させ、Ｙ方向には入射光を約０．５゜拡散させる。また、一方向拡散板１２は光源１１側の面を光学的に平坦な面とし、集光レンズ１３側の面を凹凸により拡散する凹凸面としている。それゆえ、光源１１からの発散光が一方向拡散板１２の平坦な面で屈折されてやや集光された状態で拡散されるので、集光状態が少し保存される。したがって、一方向拡散板１２は凸レンズの機能を若干有しており、一方向拡散板１２への入射光は光学瞳Ｅの形成に必要な方向に若干屈折する。

集光レンズ１３は、一方向拡散板１２にて拡散された光をＹ方向に集光するシリンダレンズで構成されており、その拡散光が効率よく光学瞳Ｅを形成するように配置されている。本実施形態では、光学瞳Ｅは、Ｘ方向の大きさが６ｍｍであり、Ｙ方向の大きさが２ｍｍとなっている。このように、光学瞳Ｅは、一方向（Ｘ方向）には人間の瞳（３ｍｍ程度）よりも大きい６ｍｍの大きさなので、観察者は映像を観察しやすい。一方、光学瞳Ｅは、他の方向（Ｙ方向）には人間の瞳よりも小さい２ｍｍの大きさなので、光源１１からの光は上記方向においては光学瞳Ｅに無駄なく集光する。これにより、観察者は、明るい映像を観察することができる。

映像表示素子１４は、光源１１からの出射光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過型の液晶表示素子で構成されている。映像表示素子１４は、矩形の表示領域の長辺方向がＸ方向となり、短辺方向がＹ方向となるように配置されている。

接眼光学系４は、接眼プリズム２１（第１の透明基板）と、偏向プリズム２２（第２の透明基板）と、ホログラム光学素子２３とを有して構成されている。

接眼プリズム２１は、映像表示素子１４からの映像光を内部で全反射させてホログラム光学素子２３を介して観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導くものであり、偏向プリズム２２とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム２１は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にし、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。また、接眼プリズム２１は、その下端部に配置されるホログラム光学素子２３を挟むように、偏向プリズム２２と接着剤で接合されている。

偏向プリズム２２は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図２参照）、接眼プリズム２１の下端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、接眼プリズム２１と一体となって略平行平板となるものである。この偏向プリズム２２を接眼プリズム２１に接合することにより、観察者が接眼光学系４を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。

つまり、例えば、接眼プリズム２１に偏向プリズム２２を接合させない場合、外光は接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム２１を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム２１に偏向プリズム２２を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外光が接眼プリズム２１の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム２２でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。

なお、接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の各面（光入射面、光出射面）は、平面であってもよいし、球面であってもよい。接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の各面を曲面とすれば、接眼光学系４に矯正眼鏡レンズとしての機能を持たせることもできる。

ホログラム光学素子２３は、映像表示素子１４から出射される映像光（３原色に対応した波長の光）を回折反射し、映像表示素子１４にて表示される映像を拡大して観察者の瞳に虚像として導く体積位相型の反射型ホログラムであり、軸非対称な正の光学パワーを有している。つまり、ホログラム光学素子２３は、正のパワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。また、ホログラム光学素子２３は、映像表示素子１４からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナとして機能しており、観察者は、ホログラム光学素子２３を介して、映像表示素子１４から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。

また、図６は、ホログラム光学素子２３における回折効率の波長依存性を示す説明図である。同図に示すように、ホログラム光学素子２３は、例えば、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させるように作製されている。ここで、回折効率のピーク波長とは、回折効率がピークとなるときの波長のことであり、回折効率半値の波長幅とは、回折効率が回折効率ピークの半値となるときの波長幅のことである。なお、図６の回折効率は、Ｂ光の最大回折効率を１００としたときの相対値で示している。

同図に示すように、体積位相型で反射型のホログラム光学素子２３は、回折効率半値の波長幅が狭く、また、回折効率が高いので、このようなホログラム光学素子２３を用いることにより、色純度が高く、明るい映像を提供することができるとともに、外光の透過率が高くなるので、観察者は明るい外界像を観察することができる。また、光源１１と光学瞳Ｅとの共役関係が変更されないので、映像光の波長が変化せず、色再現性の高い映像を提供することができる。

また、ホログラム光学素子２３の回折効率ピークの半値波長幅が５ｎｍ未満であると、回折波長幅が狭くなりすぎて、回折される光の光量が低下し、観察映像が暗くなることが懸念される。したがって、上記半値波長幅は、映像の明るさと色純度とのバランスを考慮して、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下に設定されていることが望ましい。つまり、上記半値波長幅が上記範囲に設定されていれば、映像の明るさと色純度とを両方満足させることができる。

（３．映像表示装置の動作について）
次に、上記構成の映像表示装置１の動作について説明する。光源１１から出射された光は、一方向拡散板１２にて拡散され、集光レンズ１３にて集光されて映像表示素子１４に入射する。映像表示素子１４に入射した光は、画像データに基づいて各画素ごとに変調され、映像光として出射される。つまり、映像表示素子１４には、カラー映像が表示される。

映像表示素子１４からの映像光は、接眼光学系４の接眼プリズム２１の内部にその上端面から入射し、対向する２つの面で複数回全反射されて、ホログラム光学素子２３に入射する。ホログラム光学素子２３に入射した光は、そこで反射されて光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、映像表示素子１４に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。

一方、接眼プリズム２１および偏向プリズム２２は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、映像表示素子１４に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。

以上のように、映像表示装置１では、映像表示素子１４から出射される映像光を、接眼プリズム２１内での全反射によってホログラム光学素子２３に導く構成としているので、通常の眼鏡レンズと同様に、接眼プリズム２１および偏向プリズム２２の厚さを３ｍｍ程度にすることができ、映像表示装置１を小型化、軽量化することができる。また、映像表示素子１４からの映像光を内部で全反射させる接眼プリズム２１を用いることにより、高い外光の透過率を確保して、明るい外界像を観察者に提供することができる。

（４．筐体内の詳細な構成について）
次に、筐体３内の詳細な構成について説明する。図１は、本実施形態の映像表示装置１の筐体３内の構成を模式的に示す説明図である。また、図７は、上述したケーブル６の断面図である。

光源１１は、ＦＰＣ３１を介してケーブル６の信号線６１と電気的に接続されており、映像表示素子１４は、ＦＰＣ３２を介して他の信号線６１と電気的に接続されている。ここで、ケーブル６は、複数の信号線６１をシールド線６２で１つに束ね、その外側を絶縁体からなるカバー６３で覆うことによって形成されている。このような構成により、ケーブル６の複数の信号線６１を介して、光源１１および映像表示素子１４に回路基板５（図２参照）からの駆動電力や映像信号を供給することが可能となっている。

なお、信号線６１の１本１本は、絶縁テープで巻かれて互いに絶縁されているものとする。また、シールド線６２は、電磁波を遮蔽するものであるが、本実施形態では、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなっている。このような金属材料としては、例えば、銀（約４２０Ｗ／ｍＫ）、銅（約４００Ｗ／ｍＫ）、アルミニウム（約２５０Ｗ／ｍＫ）、黄銅（約１２０Ｗ／ｍＫ）などがある。

また、図８は、光源１１とＦＰＣ３１との接続部を模式的に示す断面図である。同図に示すように、ＦＰＣ３１は、圧延銅箔からなるランド部分３１ａを例えばポリイミドからなる絶縁層３１ｂ上に形成してなっている。ちなみに、ランド部分３１ａの厚さは例えば１２．５ｍｍであり、絶縁層３１ｂの厚さは例えば１２．５μｍである。ランド部分３１ａは、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料であればどのような材料で構成されていてもよい。上記の光源１１は、ＦＰＣ３１のランド部分３１ａに半田３３を介して接着（半田付け）され、実装されている。

一方、ＦＰＣ３１の裏面、すなわち、ＦＰＣ３１における光源１１の実装面とは反対側の面には、吸熱部材３４が接着、配置されている。吸熱部材３４は、光源１１からの熱を吸収するものであり、ＦＰＣ３１（絶縁層３１ｂ）におけるランド部分３１ａと対向する部分を全て覆うように配置されている。つまり、吸熱部材３４は、ＦＰＣ３１のランド部分３１ａと対向してランド部分３１ａ全体をカバーするように設けられている。また、吸熱部材３４は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなる金属板で構成されており、図１に示すように、ケーブル６のシールド線６２と半田３５により接着（半田付け）されている。

このような構成により、光源１１にて発生した熱は、半田３３を介してランド部分３１ａに伝達される。そして、その熱は、ランド部分３１ａから絶縁層３１ｂを介して吸熱部材３４に伝達され、さらに、半田３５およびシールド線６２を介して筐体３の外部に伝達され、放熱される。

このとき、ランド部分３１ａはＦＰＣ３１の絶縁層３１ｂに対して一定の面積を有し、吸熱部材３４もＦＰＣ３１に対して一定の面積を有するので、光源１１にて発生した熱は、ランド部分３１ａの面から効率よく放出され、その放出された熱は、ＦＰＣ３１の絶縁層３１ｂを介して吸熱部材３４の面で効率よく吸収される。したがって、本実施形態の構成によれば、光源１１にて発生した熱を効率よく筐体３の外部に導いて放出し、光源１１の発熱に起因して起こる映像輝度の低下や部品の劣化を回避することが可能となる。なお、ＦＰＣ３１の絶縁層３１ｂの厚さは例えば１２．５μｍと薄いため、ランド部分３１ａから吸熱部材３４への熱の伝達において、絶縁層３１ｂが大きな障害となることはない。

また、吸熱部材３４は、ＦＰＣ３１における複数のランド部分３１ａと対向する部分を全て覆うように配置されているので、光源１１から発生した熱を、複数のランド部分３１ａを介して、ＦＰＣ３１の厚さ分の最小距離で効率よく吸収することができる。その結果、光源１１から各ランド部分３１ａに伝達された熱を効率よく吸熱部材に伝達させ、吸収させることができる。

さらに、本実施形態のように、光源１１を複数の光源群１１Ｐ・１１Ｑで構成する場合でも、各光源群１１Ｐ・１１Ｑの各ＬＥＤのそれぞれで発生する熱を、各ＬＥＤと対応するランド部分３１ａを介して吸熱部材３４に最小距離で伝達させることができる。したがって、各ＬＥＤの放熱が均等に進み、光源群１１Ｐ・１１Ｑの間でＬＥＤの発光性能にばらつきが生じるのを回避することができる。

また、吸熱部材３４は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなる金属板で構成されているので、吸熱部材３４での高い吸熱効率を実現することができる。また、吸熱部材３４が金属板で構成されるので、吸熱部材３４の加工およびＦＰＣ３１への貼り付けも容易となる。

また、本実施形態では、吸熱部材３４にて吸収した熱を筐体３の外部に導く熱伝導部材として、ケーブル６のシールド線６２を用いている。これにより、ケーブル６にある既存のシールド線６２を有効利用して光源１１の放熱を図ることができる。また、シールド線６２の利用により、吸熱部材３４にて吸収した熱を、筐体３の内部から外部に容易にかつ確実に導くことができる。

また、熱伝導部材としてのシールド線６２が、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなっているので、吸熱部材３４にて吸収した熱をシールド線６２を介して筐体３の外部に効率よく導くことが容易となる。

ところで、図９は、ＨＭＤの他の構成例を示す斜視図であり、図１０は、そのＨＭＤの筐体３内の詳細な構成を示す説明図である。このＨＭＤでは、支持手段２が支持側金属部２ａを有している。支持側金属部２ａは、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなり、支持手段２の少なくとも一部を構成している。つまり、支持手段２の全体が支持側金属部２ａで構成されていてもよい。一方、吸熱部材３４（図１０参照）には、熱伝導部材４１が半田３５により接続され、この熱伝導部材４１が筐体３を貫通して支持手段２の支持側金属部２ａと連結されている。熱伝導部材４１は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料で構成されている。

この構成では、光源１１にて発生した熱は、図８で示した半田３３およびＦＰＣ３１（ランド部分３１ａ、絶縁層３１ｂ）を介して吸熱部材３４にて吸収され、さらに半田３５および熱伝導部材４１を介して筐体３の外部の支持側金属部２ａに導かれ、そこで放熱される。したがって、このような構成であっても、光源１１の放熱を、筐体３の外部で図ることができる。

特に、熱伝導部材４１は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなるので、吸熱部材３４にて吸収した熱が熱伝導部材４１に伝わりやすくなる。また、支持側金属部２ａも熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなるので、熱伝導部材４１からの熱が支持側金属部２ａに伝わりやすくなる。したがって、光源１１にて発生した熱を、熱伝導部材４１を介して支持側金属部２ａに確実に伝達させることができ、そこで確実に放熱させることができる。

また、図１１は、ＨＭＤの筐体３内の他の構成を示す説明図である。この構成では、筐体３は、外部に露出した筐体側金属部３ａを有している。筐体側金属部３ａは、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなり、筐体３の少なくとも一部を構成している。つまり、筐体３の全体が筐体側金属部３ａで構成されていてもよい。一方、吸熱部材３４は、熱伝導部材４２を介して筐体側金属部３ａと連結されている。熱伝導部材４２は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料で構成されている。

この構成では、光源１１にて発生した熱は、ＦＰＣ３１（ランド部分３１ａ、絶縁層３１ｂ）を介して吸熱部材３４にて吸収され、さらに熱伝導部材４２を介して筐体側金属部３ａに導かれる。筐体側金属部３ａは外部に露出しているので、上記構成によれば、筐体側金属部３ａに導かれた熱を、そこで外部に放熱させることができる。

特に、熱伝導部材４２は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなるので、吸熱部材３４にて吸収した熱が熱伝導部材４２に伝わりやすくなる。また、筐体側金属部３ａも熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなるので、熱伝導部材４２からの熱が筐体側金属部３ａに伝わりやすくなる。したがって、光源１１にて発生した熱を、熱伝導部材４２を介して筐体側金属部３ａに確実に伝達させることができ、そこで確実に放熱させることができる。

なお、ランド部分３１ａと、吸熱部材３４と各熱伝導部材（シールド線６２、熱伝導部材４１・４２）とは、同じ材料で構成されていてもよいし、異種材料で構成されてもよい。また、吸熱部材３４と熱伝導部材４１（または熱伝導部材４２）とを必要に応じて一体形成することも可能である。

また、熱を効果的に発散するためには、本実施形態のように光源１１（ＬＥＤ）を半田付けによりＦＰＣ３１のランド部分３１ａに搭載することが望ましいが、ＬＥＤの搭載方法はこれに限定されず、例えば接着剤（導電性を有するものであってもよい）によって接着するなど、他の方法であっても構わない。

なお、本実施形態では、ＬＥＤが実装される基板としてＦＰＣ３１を用いているが、ＬＥＤの配置形態によっては、上記基板は必ずしもフレキシブルな基板である必要はない。ただし、その基板の絶縁層は、本実施形態で説明したように十分に薄いことが望ましい。

（５．光源の各発光部の配列について）
次に、光源１１の各発光部の配列について説明する。図１２は、本実施形態における光源１１を映像表示素子１４側から見たときの平面図を示している。光源１１の光源群１１Ｐは、ＲＧＢの各色光を出射する３つの発光部１１Ｒ₁・１１Ｇ₁・１１Ｂ₁を有するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。また、光源群１１Ｑも同様に、ＲＧＢの各色光を出射する３つの発光部１１Ｒ₂・１１Ｇ₂・１１Ｂ₂を有するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。

各光源群１１Ｐ・１１Ｑの各発光部は、ホログラム光学素子２３への光軸の入射面（ＹＺ平面）に対して垂直な方向に並んで配置されているが、さらに、上記入射面に対して各色ごとに面対称となるように配置されている。より詳細には、発光部１１Ｒ₁・１１Ｒ₂が上記入射面に近い位置で面対称となるように配置され、そのＸ方向外側に発光部１１Ｇ₁・１１Ｇ₂が上記入射面に対して面対称となるように配置され、さらにそのＸ方向外側に発光部１１Ｂ₁・１１Ｂ₂が上記入射面に対して面対称となるように配置されている。つまり、各光源群１１Ｐ・１１Ｑでは、上記入射面側からＸ方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で、各発光部が配置されている。

このように、各発光部を各色ごとに上記入射面に対して面対称に配置することにより、同じ色についての２つの発光部（例えば１１Ｒ₁と１１Ｒ₂）からの出射光の光強度を足し合わせたトータルの光強度の重心を、ＲＧＢの各色ともに対称面内（上記入射面内）に位置させることができる。つまり、ＲＧＢの各色ともにその強度分布を、対称面を中心にしてＸ方向に対称にすることができる。これにより、光学瞳Ｅの中心において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。

なお、各発光部の面対称の中心となる面は、上記入射面に平行な面であってもよい。つまり、各発光部の面対称の中心となる面は、上記入射面からＸ方向に多少ずれた面であっても構わない。この場合は、光学瞳Ｅの中心付近において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。

ところで、光源１１が光源群２個で構成され、各発光部が各色ごとに面対称に配置される場合には、上記入射面に垂直な方向における各発光部の配列順序は、隣接する各組間で逆になる。一方、光源１１を構成する光源群の個数が４個以上の偶数個であっても、つまり、光源１１がＲＧＢの各発光部を４組以上の偶数組設けて構成される場合でも、上記入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序を隣接する各組間で逆にすれば、各発光部からの出射光の光強度を足し合わせたトータルの光強度の重心を、ＲＧＢの各色ともに上記入射面に平行な同一面（上記入射面を含む）内に位置させることができ、光学瞳Ｅの中心またはその近傍において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。

したがって、以上のことをまとめると、結局、光源１１は、ＲＧＢの３つの発光部を２組以上の偶数組有しており、上記入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序が隣接する各組間で逆であれば、光学瞳Ｅの中心またはその近傍において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができると言える。

なお、本実施形態では、ＲＧＢの各発光部を２組設け、各組を個々のパッケージにした光源群１１Ｐ・１１Ｑで光源１１を構成した例について説明したが、各組は１つのパッケージになっていてもよい。光源１１の各光源群が１パッケージになっている場合には、光源１１に熱が蓄積されやすく、光源１１の温度が高くなりやすいが、この場合でも、本発明の放熱に関する構成を採用することにより、光源１１にて発生した熱を効率よく筐体３またはその外部に伝達してそこで放熱させることができる。

なお、例えば、吸熱部材３４をシールド線６２に接続するとともに、熱伝導部材４１や熱伝導部材４２とも接続するなど、本実施形態で説明した光源１１の放熱に関する構成を組み合わせて映像表示装置１ひいてはＨＭＤを実現することも勿論可能である。

本発明の実施の一形態に係るＨＭＤにおける映像表示装置の筐体内の構成を模式的に示す説明図である。 上記ＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。 上記映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 上記映像表示装置における光路を光学的に一方向に展開して示す説明図である。 上記映像表示装置の光源を構成する各光源群の分光強度特性を示す説明図である。 上記映像表示装置のホログラム光学素子における回折効率の波長依存性を示す説明図である。 上記映像表示装置が有するケーブルの断面図である。 上記映像表示装置の光源とＦＰＣとの接続部を模式的に示す断面図である。 上記ＨＭＤの他の構成例を示す斜視図である。 上記ＨＭＤの筐体内の詳細な構成を示す説明図である。 上記ＨＭＤの筐体内の他の構成を示す説明図である。 上記光源の映像表示素子側から見たときの平面図である。

符号の説明

１ 映像表示装置
２ 支持手段
２ａ 支持側金属部
３ 筐体
３ａ 筐体側金属部
４ 接眼光学系
５ 回路基板
６ ケーブル
１１ 光源
１１Ｒ₁、１１Ｇ₁、１１Ｂ₁ 発光部（光源、発光ダイオード）
１１Ｒ₂、１１Ｇ₂、１１Ｂ₂ 発光部（光源、発光ダイオード）
１４ 映像表示素子
２３ ホログラム光学素子
３１ ＦＰＣ（フレキシブル回路基板）
３１ａ ランド部分
３４ 吸熱部材
４１ 熱伝導部材
４２ 熱伝導部材
６１ 信号線
６２ シールド線（熱伝導部材）

Claims (14)

1. 映像表示素子を内包し、かつ、接眼光学系の一部を保持する筐体を有する映像表示装置と、
   上記接眼光学系を観察者の眼前で支持する支持手段とを有し、上記映像表示素子からの映像光を上記接眼光学系を介して観察者の瞳に導くヘッドマウントディスプレイであって、
   上記映像表示装置は、
   上記筐体内の基板上に実装され、上記映像表示素子を照明する、発光ダイオードからなる光源と、
   上記基板における上記光源の実装面とは反対側の面に配置され、上記光源からの熱を吸収する吸熱部材と、
   上記吸熱部材にて吸収した熱を上記筐体の外部に導く熱伝導部材とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
2. 上記基板は、フレキシブル回路基板であることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 上記発光ダイオードは、上記フレキシブル回路基板上に半田付けにより実装されていることを特徴とする請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 上記吸熱部材は、上記フレキシブル回路基板における上記ランド部分と対向する部分を全て覆うように配置されていることを特徴とする請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 上記吸熱部材は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなる金属板で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. 上記熱伝導部材は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなることを特徴とする請求項請求項１から５のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
7. 上記映像表示装置は、
   上記光源および上記映像表示素子へケーブルを介して少なくとも駆動電力および映像信号を供給するための回路基板を有しており、
   上記熱伝導部材は、上記ケーブルのシールド線であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
8. 上記支持手段の少なくとも一部は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなる支持側金属部で構成されており、
   上記熱伝導部材は、上記吸熱部材と上記支持側金属部とを連結していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
9. 上記筐体の少なくとも一部は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上の金属材料からなる筐体側金属部で構成されており、
   上記筐体側金属部は、外部に露出しており、
   上記熱伝導部材は、上記吸熱部材と上記筐体側金属部とを連結していることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
10. 上記接眼光学系は、体積位相型で反射型のホログラム光学素子を有しており、
    上記ホログラム光学素子は、上記映像表示素子からの映像光を回折反射させて観察者の瞳に導くことを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
11. 上記ホログラム光学素子は、上記映像表示素子からの映像光と外光とを同時に観察者の目に導くコンバイナであることを特徴とする請求項１０に記載のヘッドマウントディスプレイ。
12. 上記ホログラム光学素子の回折効率ピークの半値波長幅は、５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
13. 上記光源は、発光強度がピークとなる波長の異なる複数の発光ダイオードで構成されていることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
14. 上記光源は、３原色に対応した光を発光する３つの発光部を偶数組有しており、
    上記ホログラム光学素子への光軸の入射面に対して垂直な方向における各発光部の配列順序が、隣接する各組間で逆であることを特徴とする請求項１３に記載のヘッドマウントディスプレイ。

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