JP2011070049A

JP2011070049A - ヘッドマウントディスプレイ

Info

Publication number: JP2011070049A
Application number: JP2009221962A
Authority: JP
Inventors: Hidenori Oka; 英範岡
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2009-09-28
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2011-04-07
Also published as: US8270087B2; US20110075266A1

Abstract

【課題】樹脂基板である板状樹脂材に誘電体膜及び金属膜を積層したハーフミラーであって、必要となる反射特性及び透過特性を満たしつつ、光の損失の少ないハーフミラーを有するヘッドマウントディスプレイを提供すること。
【解決手段】板状樹脂材に誘電体膜及び金属膜を積層したハーフミラーであって、画像光を形成する三原色の各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の波長を含む可視帯の少なくとも一部の帯域においてＰ偏光の反射率とＳ偏光の反射率とが一致しない一方、前記三原色の各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のそれぞれに対するＰ偏光の反射率とＳ偏光の反射率とを略等しくし、前記三原色の各色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の波長を含む可視帯域の各波長に対するＰ偏光及びＳ偏光の透過率の平均値を、可視帯域の全帯域で規定範囲内に抑えた。
【選択図】図５

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関し、特に、画像信号に応じた画像を外景と重ねて表示するシースルー型ヘッドマウントディスプレイに関する。

近年、ユーザの頭部に装着してビデオやパーソナルコンピュータなどから送信される画像信号に応じた画像を外景と重ねて表示する表示部を備えたシースルー型ヘッドマウントディスプレイが開発されてきている。

この種のヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」ともいう）においては、画像を外景と重ねて表示するために、画像光を反射し、外光を透過してユーザの眼に入射させるハーフミラーを備えるものがある。

例えば、特許文献１に記載のＨＭＤでは、ユーザの一方の眼の前方に、ユーザの視線方向に対して斜めにハーフミラーを設けている。そして、かかるＨＭＤの出射装置から出射される画像光はこのハーフミラーによって反射されてユーザの眼に投射する一方、外光はこのハーフミラーを透過して、ユーザの眼に投射され、これによりユーザは画像光による画像を外景と重ねて認識する。

特開２００７−１７８９４１号公報

しかしながら、従来のハーフミラーは、ガラス基板に反射膜を形成する構成であったため、落下等により破損しやすい。特に、このハーフミラーは、ユーザの眼の前方に配置することから、安全性の点で好ましくない。

そこで、ガラス基板に代えて樹脂基板を用いることが考えられるが、以下の理由によりガラス基板と同等の光学特性を得ることが難しかった。

ハーフミラーは、透明基板に反射膜をコーティングして構成される。かかる反射膜として、誘電体膜や金属膜がある。

金属膜は光の吸収(損失)が大きいことから、透明基板に金属膜だけをコーティングしてハーフミラーを作製しようすると次の問題がある。すなわち、金属膜だけで画像光に対する反射率を高くしようとすると十分な透過率が得られず外景が暗くなってしまい、逆に金属膜だけで画像光に対する透過率を高くしようとすると十分な反射率が得られず画像光の損失が大きくなる。

また、誘電体膜は、光の吸収（損失）は少ないが、波長依存性が高い。そのため、透明基板に誘電体膜だけをコーティングしてハーフミラーを作製しようとすると、可視帯域においてフラットな透過特性及び反射特性を得ることが難しい。

そのため、シースルー型ＨＭＤに用いるハーフミラーでは、透明基板に金属膜と誘電体膜とを積層していた。すなわち、金属膜と誘電体膜とを組み合わせたハイブリット膜をガラス基板上にコーティングしてハーフミラーを形成していた。

このようにガラス基板を用いたハーフミラーでは、可視帯域の光に対してフラットな反射特性及び透過特性を実現することができる。しかし、樹脂基板はガラス基板に比べ耐熱性が悪い。そのため、金属膜をコーティングすることが難しく、誘電体膜を増やさなければならず、可視帯域の光に対して反射特性及び透過特性をフラットにすることが難しい。

シースルー型ＨＭＤに用いるハーフミラーでは、（１）透過特性に関しては可視帯域全域の光に対して略フラットであることが必要であるが、（２）反射特性に関しては可視帯域全域の光に対して略フラットである必要はなく、画像光を形成する光の波長域に関し反射特性が略フラットであればよい。

透過特性が上記（１）を満たしていないほど、外景輝度や色が忠実性を失って見えてしまうことになる。また、反射特性が上記（２）を満たしていないほど、画像光によって表示する画像（以下、「表示画像」という）のホワイトバランスが崩れ、表示画像の色味が変わってしまうことになる。

この点、液晶タイプのＨＭＤでは、透過特性に関しては同様に上記（１）を満たす必要はあるが、反射特性に関しては偏光特性が一定であるため、対応する偏光特性にのみ上記（２）を満たすように設計すれば良いため比較的設計が容易である。

ところが、画像信号に応じて強度変調したレーザ光をユーザの網膜上に走査する網膜走査型のＨＭＤでは偏光特性が一定しない。そのため、Ｐ偏光及びＳ偏光の両特性に対し（１）、（２）の条件を満たさねばならず、設計が難しい。結果として、量産化や低コスト化が難しく、場合によっては、忠実な画像表示にも支障をきたす場合もあった。

そこで、本発明は、樹脂基板である板状樹脂材に誘電体膜及び金属膜を積層したハーフミラーであって、必要となる上記（１）の透過特性及び上記（２）の反射特性を満たしたハーフミラーを容易に形成でき、結果として低コストで量産化が容易なＨＭＤを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、画像信号に応じた画像光を外光と共にユーザの眼に入射させ、前記画像信号に応じた画像を外景と重ねて表示する表示部を備えたヘッドマウントディスプレイにおいて、前記表示部は、前記画像光を反射し、前記外光を透過して前記ユーザの眼に入射させるハーフミラーを備え、前記ハーフミラーは、板状樹脂材に誘電体膜及び金属膜を積層した構成であり、前記画像光を形成する特定の３波長を含む可視帯域の少なくとも一部の帯域においてＰ偏光の反射率とＳ偏光の反射率とが一致しない一方、少なくとも前記特定の３波長のそれぞれに対するＰ偏光の反射率とＳ偏光の反射率とを略等しくし、前記特定の３波長を含む可視帯域の各波長に対するＰ偏光及びＳ偏光の透過率の平均値を、前記可視帯域の全帯域で規定範囲内に抑えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイとした。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記可視帯域の最小波長は、前記特定の３波長のうち最も短い波長よりも短い波長であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記最小波長は、４４０ｎｍであることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記表示部は、前記特定の３波長のレーザ光を画像信号に応じた強度でそれぞれ出射する光源部と、前記光源部から出射されたレーザ光を走査する走査部と、前記走査部により走査されたレーザ光を前記画像光として前記ハーフミラーを介して前記ユーザの眼の網膜に投射して、前記網膜に画像を投影する投射部と、を有することを特徴とする。

また、請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記特定の３波長は、赤色帯域のうちの一波長と、緑色帯域のうちの一波長と、青色帯域のうちの一波長とから構成されることを特徴とする。

本発明によれば、樹脂基板である板状樹脂材に誘電体膜及び金属膜を積層したハーフミラーにおいて必要となる反射特性及び透過特性を満たすことが容易であり、結果として低コストで量産化が容易なＨＭＤを提供することができる。

ＨＭＤの外観図である。ＨＭＤの電気的構成及び光学的構成を示す図である。ハーフミラーの構成を示す図である。ガラス基板を用いた従来のハーフミラーの光学特性を示す図である。樹脂基板を用いた本実施形態に係るハーフミラーの光学特性を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係るＨＭＤについて図面を参照して具体的に説明する。本実施形態に係るＨＭＤとして、画像信号に応じて強度変調した三原色の各色のレーザ光により形成される画像光を走査して観察者であるユーザの眼に投射し、ユーザの眼の網膜上で画像光を走査する網膜走査型のＨＭＤについて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、各ピクセルが三原色のサブピクセルからなるＬＣＤ（Liquid Crystal Display）や三原色の各色毎に設けられるＬＣＤへ光源部からの光を入射し、このＬＣＤを透過又は反射した光をユーザの眼に入射するＬＣＤ型のＨＭＤであってもよい。なお、画像信号は、画像を形成するための信号（情報）であればよく、その形式は問わない。

［１．ＨＭＤ１の外観］
図１に示すように、本実施形態に係るＨＭＤ１は、コントロールユニット２、頭部装着具５を有しており、コントロールユニット２と頭部装着具５とは伝送ケーブル部４を介して接続されている。伝送ケーブル部４は、コントロールユニット２から出射されたレーザ光を伝送する光ファイバケーブル５０（図２参照）を有する。また、この伝送ケーブル部４には、後述の投影部６に備えられる高速走査部８０及び低速走査部９０と同じく後述の光源部２０との間で同期をとるための高速駆動信号６１及び低速駆動信号６２を伝送する駆動信号伝送用ケーブルも有する。

コントロールユニット２は、後述する内蔵のコンテンツ記憶部１２に記憶された画像情報であるコンテンツ情報Ｆに基づいて画像信号Ｓを生成し、この画像信号Ｓに応じた強度のレーザ光（以下、「画像光」ともいう）を伝送ケーブル部４へ出射する。なお、コントロールユニット２は、図示しない外部入出力端子から画像信号やコンテンツ情報などを入力することができる。また、ここでコンテンツ情報とは、文字画像、絵柄画像などを含む静止画像データや動画像データなどにより構成される。

頭部装着具５は、投影部６と、この投影部６を支持する眼鏡型フレーム１４とから構成される。投影部６は、伝送ケーブル部４の光ファイバケーブル５０を介して伝送されてきた画像光を２次元方向に走査し、ユーザの眼１０１へ投射する。これにより、ユーザの眼１０１の網膜には、画像光が２次元方向に走査されて画像が投影され、ユーザは画像信号Ｓに応じた画像を視認する。

また、投影部６には、ユーザの眼１０１と対向する位置にハーフミラー１５が設けられている。外光Ｌａはハーフミラー１５を透過してユーザの眼１０１に入射され、投影部６から出射される画像光Ｌｂはハーフミラー１５で反射してユーザの眼１０１に入射される。これにより、ユーザは外光Ｌａによる外景に画像光Ｌｂによる画像を重ねて視認することができる。

このようにＨＭＤ１は、外光を透過しつつ、画像光をユーザの眼１０１に投射するシースルー型のヘッドマウントディスプレイとしている。

［２．ＨＭＤ１の電気的構成及び光学的構成］
次に、ＨＭＤ１の電気的構成及び光学的構成を図２を参照して説明する。

コントロールユニット２は、駆動制御部１０と、光源部２０と、操作部４０とを有している。

駆動制御部１０は、ＨＭＤ１全体を制御する制御部１１と、コンテンツ情報Ｆを記憶するコンテンツ記憶部１２と、画像を合成するための要素となる信号等を発生する駆動信号供給回路１３とを有している。

制御部１１は、ＣＰＵ、フラッシュメモリ、ＲＡＭ、ＶＲＡＭ、複数の入出力Ｉ／Ｆなどを有し、これらはデータ通信用のバスにそれぞれ接続され、このバスを介して各種情報の送受信を行う。ＣＰＵは、フラッシュメモリに記憶されている制御プログラムを実行することにより、ＨＭＤ１を構成する各部を動作させ、ＨＭＤ１が備える各種機能を実行させる演算処理装置である。また、ＣＰＵは、操作部４０から入力される情報を取得し、当該情報に応じた処理を行う。例えば、ＣＰＵは、操作部４０から入力される情報に基づき、コンテンツ情報Ｆを所定形式の画像信号Ｓ（例えば、ＮＴＳＣコンポジット信号、コンポーネント信号）に変換して駆動信号供給回路１３へ出力する。

駆動信号供給回路１３は、画像信号Ｓに基づいて、画像を形成するための要素となる各信号を画素単位で生成する。すなわち、駆動信号供給回路１３からは、Ｒ（赤色）駆動信号６０ｒ，Ｇ（緑色）駆動信号６０ｇ，Ｂ（青色）駆動信号６０ｂが画素単位で生成されて出力される。また、駆動信号供給回路１３は、高速走査部８０で使用される高速駆動信号６１と、低速走査部９０で使用される低速駆動信号６２とをそれぞれ出力する。

光源部２０には、Ｒレーザドライバ６６，Ｇレーザドライバ６７，Ｂレーザドライバ６８が設けられる。Ｒレーザドライバ６６，Ｇレーザドライバ６７，Ｂレーザドライバ６８は、それぞれ駆動信号供給回路１３から出力されるＲ駆動信号６０ｒ，Ｇ駆動信号６０ｇ，Ｂ駆動信号６０ｂをもとに、Ｒレーザ６３，Ｇレーザ６４，Ｂレーザ６５へそれぞれ駆動電流を供給する。各レーザ６３，６４，６５は、各レーザドライバ６６，６７，６８から供給される駆動電流に応じて強度変調されたレーザ光（「光束」とも呼ぶ。）を出射する。各レーザ６３，６４，６５は、例えば、半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成することが可能である。なお、半導体レーザを用いる場合は駆動電流を直接変調して、レーザ光の強度変調を行うことができるが、固体レーザを用いる場合は、各レーザそれぞれに外部変調器を備えてレーザ光の強度変調を行う必要がある。

さらに、光源部２０には、コリメート光学系７１，７２，７３と、このコリメートされたレーザ光を合波するためのダイクロイックミラー７４，７５，７６と、結合光学系７７とが設けられている。各レーザ６３，６４，６５から出射したレーザ光は、コリメート光学系７１，７２，７３によってそれぞれ平行光化された後に、ダイクロイックミラー７４，７５，７６に入射される。その後、これらのダイクロイックミラー７４，７５，７６により、３原色の各レーザ光が波長選択的に反射・透過して結合光学系７７に達し、合波されて光ファイバケーブル５０へ出射される。このように光ファイバケーブル５０へ出射されるレーザ光は、画像光Ｌｂであり、強度変調された各色のレーザ光が合波されたものである。

投影部６は、光源部２０とユーザの眼１０１との間に配置されており、走査部３０、第２リレー光学系９５を有している。走査部３０は、コリメート光学系７９、高速走査部８０、低速走査部９０、第１リレー光学系８５を有している。

コリメート光学系７９は、光源部２０で生成され、光ファイバケーブル５０を介して出射されるレーザ光を平行光化する。

高速走査部８０及び低速走査部９０は、光ファイバケーブル５０から入射されたレーザ光を画像としてユーザの網膜１０１ｂに投影可能な状態にするために、第１方向と第２方向に走査して走査光束とする光学系である。高速走査部８０は、コリメート光学系７９で平行光化されて入射するレーザ光を画像表示のために第１方向に往復走査する。また、低速走査部９０は、高速走査部８０で第１方向に走査され、第１リレー光学系８５を介して入射するレーザ光を第１方向に略直交する第２方向に走査する。

高速走査部８０は、レーザ光を第１方向に走査するため偏向面（反射面）８２を有する共振型の偏向素子８１と、この偏向素子８１を共振させて偏向素子８１の偏向面８２を揺動させる駆動信号を高速駆動信号６１に基づいて発生する高速走査駆動回路８３を備えている。

一方、低速走査部９０は、レーザ光を第２方向に走査するため偏向面（反射面）９２を有する非共振型の偏向素子９１と、この偏向素子９１の偏向面９２を非共振状態で揺動させる駆動信号を低速駆動信号６２に基づいて発生する低速走査駆動回路９３とを備える。この低速走査部９０は、表示すべき画像の１フレームごとに、画像を形成するためのレーザ光を最初の走査線から最後の走査線に向かって第２方向に走査する。ここで「走査線」とは、高速走査部８０による第１方向への１走査を意味する。

なお、偏向素子８１，９１は、ここではガルバノミラーを用いることとするが、レーザ光を走査するようにその偏向面８２，９２を揺動又は回転させられるものであれば、圧電駆動、電磁駆動、静電駆動等いずれの駆動方式によるものであってもよい。また、本実施形態においては、高速走査部８０に共振タイプの偏向素子を用い、低速走査部９０を非共振タイプの偏向素子を用いることとしているが、これに限られない。例えば、低速走査部９０に共振タイプの偏向素子を用いてもよいし、どちらも非共振タイプの偏向素子としてもよい。

また、高速走査部８０と低速走査部９０との間でレーザ光を中継する第１リレー光学系８５は、偏向素子８１の偏向面８２によって第１方向に走査されたレーザ光を偏向素子９１の偏向面９２に収束させる。そして、このレーザ光が偏向素子９１の偏向面９２によって第２方向に走査される。偏向素子９１によって走査されたレーザ光は、正の屈折力を持つ２つのレンズ９５ａ，９５ｂが直列配置された第２リレー光学系９５を介して、眼１０１の前方に位置させたハーフミラー１５で反射されてユーザの瞳孔１０１ａに入射する。これにより、網膜１０１ｂ上で画像信号Ｓに応じたレーザ光（画像光Ｌｂ）が２次元走査され、これによりユーザは瞳孔１０１ａに入射する画像光Ｌｂを画像として認識する。また、ハーフミラー１５は外光Ｌａを透過してユーザの瞳孔１０１ａに入射させるようにしており、これによりユーザは外光Ｌａに基づく外景に画像光Ｌｂに基づく画像を重ねた画像を視認することができる。

なお、第２リレー光学系９５においては、レンズ９５ａによって、それぞれのレーザ光がそのレーザ光の中心線を相互に略平行にされ、かつそれぞれ収束レーザ光に変換される。そして、レンズ９５ｂによってそれぞれほぼ平行なレーザ光となると共に、これらのレーザ光の中心線がユーザの瞳孔１０１ａに収束するように変換される。なお、本実施形態においては、レンズ９５ｂとハーフミラー１５により投射部が構成される。また、本実施形態においては、駆動信号供給回路１３、光源部２０、光ファイバケーブル５０、走査部３０、第２リレー光学系９５、ハーフミラー１５により表示部が構成される。

［３．ハーフミラー１５の構成］
次に、本実施形態に係るＨＭＤ１の特徴的部分であるハーフミラー１５の構成について説明する。

ハーフミラー１５は、図３に示すように、樹脂基板である板状樹脂材１１１に金属膜１１２及び誘電体膜１１３を積層したものである。すなわち、ハーフミラー１５は、金属膜１１２と誘電体膜１１３とを組み合わせたハイブリッド膜を板状樹脂材１１１にコーティングしたものである。

金属膜１１２としては、例えば、Ｃｒ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｃｒ２０３，ＡＬ２０３，Ｃｕ、Ｉｎ，Ｐｔ、ＩＴＯやこれらを組み合わせた膜を用いることができる。また、誘電体膜１１３としては、例えば、ＳｉＯ，ＳｉＯ₂，ＭｇＦ₂，Ａｌ₂ Ｏ₃，ＺｒＯ₂，ＴｉＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅，ＺｎＳ又はこれらの混合物又はこれらを２以上積層したものからなる誘電体膜を用いることができる。

ハイブリッド膜をコーティングした従来のハーフミラーでは、金属膜と誘電体膜とを自由に組み合わせることができることから、図４に示すように、可視帯域の光に対してフラットな反射特性及び透過特性を実現することができる。なお、ハーフミラーは、任意の偏光に対してその反射率や透過率が同じである必要がある。Ｐ偏光とＳ偏光に対する特性が等しければ、全ての偏光に対する特性も略等しくなる。従って、図４に示す特性のハーフミラーでは、Ｐ偏光とＳ偏光に対する特性が略等しく、よって全ての偏光に対する特性も略等しい。なお、図４及び以下においては、Ｐ偏光に対する透過率をＴｐ、Ｓ偏光に対する透過率をＴｓ、Ｐ偏光に対する反射率をＲｐ、Ｓ偏光に対する反射率をＲｓとする。

このようにガラス基板を用いたハーフミラーでは、可視帯域の光に対してフラットな反射特性及び透過特性を実現することができるが、樹脂基板である板状樹脂材１１１はガラス基板に比べ耐熱性が悪い。そのため、金属膜をコーティングすることが難しく、誘電体膜を増やさなければならず、可視帯域の光に対して反射特性及び透過特性をフラットにすることが難しい。

そこで、本実施形態に係るハーフミラー１５では、次の透過特性及び反射特性を持たせることで、外景が色づいて見えてしまうことを抑制しつつ、画像光による表示画像のホワイトバランスが崩れることを抑制するようにしている。また、金属膜の厚みが抑えられることから、光の損失を抑制することも可能となる。

（透過特性）
可視帯域の各波長においてハーフミラー１５のＰ偏光の透過率ＴｐとＳ偏光の透過率Ｔｓとが等しければ、各偏光に対する透過率が等しいとみなすことができ、各波長において等しい光量の光が透過すると考えられる。しかし、ハーフミラー１５の透過特性において可視帯域の全帯域で各波長のＰ偏光の透過率ＴｐとＳ偏光の透過率Ｔｓとを等しくすることは難しい。

自然光は、あらゆる方向の偏光成分をもっており、可視帯域の全帯域で各偏光成分はほぼ等しいとみなすことができる。そこで、本実施形態に係るハーフミラー１５では、可視帯域の全帯域で各波長のＰ偏光の透過率ＴｐとＳ偏光の透過率Ｔｓとを等しくするのではなく、可視帯域の各波長に対するＰ偏光の透過率ＴｐとＳ偏光の透過率Ｔｓとの平均値Ｔｔ（＝（Ｔｐ＋Ｔｓ）／２）を、可視帯域の全帯域で規定範囲内に抑えている。

そして、可視帯域の各波長に対するＰ偏光の透過率ＴｐとＳ偏光の透過率Ｔｓとの平均値Ｔｔを、可視帯域の全帯域で規定範囲内に抑えることにより、外景が色づいて見えてしまうことを抑制している。

図５に本実施形態に係るハーフミラー１５の特性を示す。同図に示すように、ハーフミラー１５の透過特性では、４４０ｎｍ〜６７０ｎｍまでの可視帯域の各波長に対するＰ偏光の透過率ＴｐとＳ偏光の透過率Ｔｓとの平均値Ｔｔを、可視帯域の全帯域で２５〜３０％（２７．５±２．５％）程度の透過率としている。換言すれば、可視帯域の全域で±１０％の変動範囲になるようにして、可視帯域の全帯域にかけて略フラットな透過率となるようにしている。

本実施形態に係るＨＭＤ１では、後述するように反射率を透過率よりも高くして、画像光による表示画像をユーザが視認しやすくしている。そのため、ＨＭＤ１のハーフミラー１５では、可視帯域の全帯域で透過率を２５〜３０％としたが、これに限られない。すなわち、可視帯域の全域で±１５％内の変動範囲であればよく、たとえば、その透過率を３０〜４０％としてもよい。なお、可視帯域の全域で透過率の変動範囲は±１０％内とすることが好ましい。

本実施形態に係るＨＭＤ１においては、画像光Ｌｂを形成するレーザ光の色は、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の三原色であり、Ｒ（赤色）の波長は６２５ｎｍ、Ｇ（緑色）の波長は５２５ｎｍ、Ｂ（青色）の波長は４６２ｎｍに設定している。そして、ハーフミラー１５の上記透過特性は、画像光を形成する三原色のうち最も波長が短いＢ（青色）の波長をカバーするようにしている。すなわち、上記可視帯域の最小波長は４４０ｎｍであり、Ｂ（青色）の波長である４６２ｎｍよりも短い波長としている。このようにすることで、外景が色づいて画像光による表示画像に影響を与えることを抑制することが可能となる。

なお、本実施形態にかかるＨＭＤ１では、Ｂ（青色）の波長は４６２ｎｍとしているが、これに限られず、たとえば、Ｂ（青色）の波長を４４０ｎｍとしてもよい。また、可視帯域の最小波長は４４０ｎｍとしているが、これに限られず、たとえば、４３０ｎｍにしてもよい。

（反射特性）
ハーフミラー１５を反射する画像光は、光路上の光学部材や光ファイバケーブルの位置や特性のばらつきにより、その偏光特性が変わる可能性がある。そのため、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の各色の波長に対して、任意の偏光で等しい反射率となることが望ましい。透過率の場合と同様に、各波長においてＰ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとが等しければ、各偏光に対する反射率が等しいとみなせ、各波長において等しい光量の光が反射すると考えられる。

そこで、本実施形態に係るハーフミラー１５では、可視帯域の波長すべてに対してＰ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとを等しくするのではなく、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の各色の波長に対して、Ｐ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとを略等しくしている。

ここで、「略等しく」とは、Ｐ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとが完全に一致する必要はないことを意味し、Ｐ偏光の反射率Ｒｐをｎ、Ｓ偏光の反射率Ｒｓをｍとすると、たとえば、ｎ×０．９５≦ｍ≦ｎ×１．０５を満たすものであればよい。このような条件を満たす場合には、画像光による表示画像のホワイトバランスが崩れることを抑制することができ、表示画像の品質が低下することを防止することができる。

上述したように、可視帯域の各波長でＰ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとを等しくすることは難しい。しかし、本実施形態に係るハーフミラー１５では、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の各色の波長に対して、Ｐ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとを略等しくするだけでよく、その他の波長は考慮する必要がないことから、その作製を比較的容易に行うことができる。

本実施形態に係るＨＭＤ１においては、上述したように、Ｒ（赤色）の波長は６２５ｎｍ、Ｇ（緑色）の波長は５２５ｎｍ、Ｂ（青色）の波長は４６２ｎｍに設定している。そして、図５に示すように、本実施形態に係るハーフミラー１５では、６２５ｎｍ、５２５ｎｍ、４６２ｎｍにおいて、Ｐ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとを略等しくしている。特に、Ｒ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の三原色のそれぞれの波長を含む可視帯域においてその低域から高域の少なくとも一部の帯域においてＰ偏光の反射率とＳ偏光の反射率とが一致せずに、Ｐ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとが交互に増減を繰り返しつつも、少なくとも三原色のそれぞれの波長に対してはＰ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとを略等しくしている。そのため、例えば、まず、可視帯域においてその低域から高域にかけてＰ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとが交互に増減するように調整し、その後、三原色のそれぞれの波長に対してＰ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとを略等しくするように調整していくことで、その作製を比較的容易に行うことができる。

このように、反射すべき画像光の波長に対するＰ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとを略等しくすることにより、画像光による表示画像のホワイトバランスが崩れることを防止することができる。

なお、本実施形態にかかるハーフミラー１５は、プリズムタイプのハーフミラーではなく、プレート（板状）タイプのハーフミラーとしている。プリズムタイプのハーフミラーは画角によってプリズム厚が厚くなり、シースルー型ＨＭＤで用いた場合の違和感が大きい。一方、本実施形態にかかるハーフミラー１５では、表面反射を使用するプレートタイプであるため、厚みを薄く実現することができる。

また、本実施形態に係るＨＭＤ１では、Ｒ（赤色）の波長は６２５ｎｍ、Ｇ（緑色）の波長は５２５ｎｍ、Ｂ（青色）の波長は４６２ｎｍに設定したがこれに限られず、どのような波長であっても適用することが可能である。また、画像光を形成する三原色の３波長に対するＰ偏光及びＳ偏光の反射率Ｒｐ，Ｒｓをそれぞれ略等しくしたが、画像光を４波長以上の色の光で形成し、画像光を形成する各波長に対するＰ偏光及びＳ偏光の反射率Ｒｐ，Ｒｓをそれぞれ略等しくするようにしてもよい。

また、ハーフミラー１５は、上記特性を持つことができるように金属膜や誘電体膜を組み合わせて形成するものであり、金属膜１１２としては上述した以外のものを用いてもよく、同様に、誘電体膜として上述した以外のものを用いてもよい。

本発明を、上述してきた実施形態を通して説明したが、本実施形態によれば、以下の効果が期待できる。

本実施形態に係るＨＭＤ１は、画像信号Ｓに応じた画像光Ｌｂを外光Ｌａと共にユーザの眼に入射させ、画像信号に応じた画像を外景と重ねて表示する表示部（駆動信号供給回路１３、光源部２０、光ファイバケーブル５０、走査部３０、第２リレー光学系９５、ハーフミラー１５）を備え、表示部は、画像光Ｌｂを反射し、外光Ｌａを透過して前記ユーザの眼に入射させるハーフミラー１５を備えている。ハーフミラー１５は、板状樹脂材１１１に誘電体膜１１３及び金属膜１１２を積層した構成であり、画像光Ｌｂを形成する特定の３波長（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を含む可視帯域の少なくとも一部の帯域においてＰ偏光の反射率とＳ偏光の反射率とが一致しない一方、少なくとも特定の３波長（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のそれぞれに対するＰ偏光及びＳ偏光の反射率を略等しくし、さらに、特定の３波長（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を含む可視帯域の各波長に対するＰ偏光及びＳ偏光の透過率Ｔｐ，Ｔｓの平均値Ｔｔを、可視帯域の全帯域で規定範囲内に抑えている。すなわち、可視帯域の各波長でＰ偏光の透過率ＴｐとＳ偏光の透過率Ｔｓとを等しくするのではなく、可視帯域の各波長に対するＰ偏光の透過率ＴｐとＳ偏光の透過率Ｔｓとの平均値Ｔｔを、可視帯域の全帯域で規定範囲内に抑えている。また、可視帯域の特定の３波長（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に対して、Ｐ偏光の反射率ＲｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとを略等しくするだけでよく、その他の波長は考慮する必要がない。従って、樹脂基板である板状樹脂材に誘電体膜及び金属膜を積層したハーフミラーにおいて必要となる反射特性及び透過特性を満たすことが容易であり、結果として低コストで量産化が容易なＨＭＤを提供することができる。

１ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）
２コントロールユニット
４伝送ケーブル部
５頭部装着具
６投影部
１０駆動制御部
１１制御部
１３駆動信号供給回路
１５ハーフミラー
２０光源部
３０走査部
４０操作部
５０光ファイバケーブル
１０１眼
１１１板状樹脂材
１１２金属膜
１１３誘電体膜

Claims

画像信号に応じた画像光を外光と共にユーザの眼に入射させ、前記画像信号に応じた画像を外景と重ねて表示する表示部を備えたヘッドマウントディスプレイにおいて、
前記表示部は、前記画像光を反射し、前記外光を透過して前記ユーザの眼に入射させるハーフミラーを備え、
前記ハーフミラーは、板状樹脂材に誘電体膜及び金属膜を積層した構成であり、前記画像光を形成する特定の３波長を含む可視帯域の少なくとも一部の帯域においてＰ偏光の反射率とＳ偏光の反射率とが一致しない一方、少なくとも前記特定の３波長のそれぞれに対するＰ偏光の反射率とＳ偏光の反射率とを略等しくし、前記特定の３波長を含む可視帯域の各波長に対するＰ偏光及びＳ偏光の透過率の平均値を、前記可視帯域の全帯域で規定範囲内に抑えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
前記可視帯域の最小波長は、前記特定の３波長のうち最も短い波長よりも短い波長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。
前記最小波長は、４４０ｎｍであ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。
前記表示部は、
前記特定の３波長のレーザ光を画像信号に応じた強度でそれぞれ出射する光源部と、
前記光源部から出射されたレーザ光を走査する走査部と、
前記走査部により走査されたレーザ光を前記画像光として前記ハーフミラーを介して前記ユーザの眼の網膜に投射して、前記網膜に画像を投影する投射部と、を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
前記特定の３波長は、赤色帯域のうちの一波長と、緑色帯域のうちの一波長と、青色帯域のうちの一波長とから構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。