JP2011075953A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】光源部や走査部を右眼用と左眼用とで共用化しつつも、走査部の走査範囲を広げることなく、右眼用光と左眼用光とを形成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。
【解決手段】前記表示部は、画像信号に応じて強度変調した光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光を走査する走査部と、前記走査部により走査された光が入射され、前記観察者の眼の網膜上に形成される像面と光学的に共役関係にある中間像面を形成する結像部と、前記中間像面位置に配置して、前記中間像面に入射する光を前記観察者の右眼用光と左眼用光に分岐する回折光学素子と、前記光学素子により分岐された右眼用光を前記観察者の右眼に入射させる右眼用光学系と、前記光学素子により分岐された左眼用光を前記観察者の左眼に入射させる左眼用光学系とを備えた。
【選択図】図2

Description

本発明は、両眼用のヘッドマウントディスプレイに関する。
従来より、観察者の両眼に画像を光学的に導いて、観察者に画像を視認させることができる両眼用のヘッドマウントディスプレイ(以下、「HMD」という)が知られている。
両眼用のHMDでは、右眼用の画像形成部と左眼用の画像形成部とをそれぞれ設けているものが一般的である(例えば、特許文献1の図7参照)。
しかし、かかる構成のHMDは、右眼用と左眼用の2つの画像形成部が必要となり、コストの低減が難しい。また、右眼用画像と左眼用画像とで空間的に一致し、かつ時間的な同期がとれていないと、左右眼に異なる画像を提示することになり、視野闘争が発生する。従って、右眼用画像と左眼用画像とで空間的に一致し、かつ時間的な同期をとる制御が必要となり、構造が複雑になる。
そこで、特許文献2には、光源部や走査部を右眼用と左眼用とで共用化し、右眼用のプリズムと左眼用プリズムを介して画像を観察者の右眼と左眼に光学的にそれぞれ導くようにしたHMDが開示されている。
このHMDでは、左右眼共通の光源から画像情報に基づいて強度変調した光を出射し、この光を共通の2次元走査ミラーで走査する。左右眼共通の光源は、2次元走査ミラーが第1角度範囲のときに、右眼用の画像情報に基づいて強度変調した光を出射し、2次元走査ミラーが第2角度範囲のときに、左眼用の画像情報に基づいて強度変調した光を出射する。そして、2次元走査ミラーの第1角度範囲で走査した光を右眼用のプリズムを介して観察者の右眼に入射し、2次元走査ミラーの第2角度範囲で走査した光を左眼用のプリズムを介して観察者の左眼に入射している。
特開2007−178941号公報 特開2006−162780号公報
特許文献2に記載のHMDでは、光源部や走査部を共用させることができるため、コストを低減することができる。また、右眼用画像と左眼用画像とで時間的な同期をとることも容易となる。
しかし、このHMDでは、2次元走査ミラーにおいて第1角度範囲で右眼用の光を走査し、第2角度範囲で左眼用の光を走査しなければならない。そのため、2次元走査ミラーを揺動させる角度範囲が通常の2倍以上必要となる。解像度や画像品質の向上のためには走査速度の高速化が必要であるが、走査ミラーの揺動角度が大きくなるほど、走査速度の高速化が難しくなる。
本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものであり、右眼用と左眼用とで構成部材の共用化を図りつつ、解像度や画像品質の低下を抑制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を目的とする。
そこで、上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、画像を観察者の眼に光学的に導く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、画像信号に応じて強度変調した光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光を走査する走査部と、前記走査部により走査された光が入射され、前記観察者の眼の網膜上に形成される像面と光学的に共役関係にある中間像面を形成する結像部と、前記中間像面位置に配置して、前記中間像面に入射する光を前記観察者の右眼用光と左眼用光に分岐する回折光学素子と、前記光学素子により分岐された右眼用光を前記観察者の右眼に入射させる右眼用光学系と、前記光学素子により分岐された左眼用光を前記観察者の左眼に入射させる左眼用光学系と、を備えたものである。
また、請求項2に記載の発明は、前記回折光学素子は、+n次回折光(nは1以上の整数)と−n次回折光をそれぞれ前記右眼用光と前記左眼用光とするものである。
また、請求項3に記載の発明は、前記回折光学素子の±n次回折光以外の次数の回折光の強度を、前記±n次回折光の強度よりも小さくしたものである。
また、請求項4に記載の発明は、前記回折光学素子の±n次回折光以外の次数の回折光が、前記右眼用光学系と前記左眼用光学系とに入射することを防止する遮光部を備えたものである。
また、請求項5に記載の発明は、前記回折光学素子は、複数の山型凸条部が互いに平行に配列されたブレーズド構造の回折面を有しており、各前記山型凸条部をその頂部に対して左右対称の断面形状としたものである。
また、請求項6に記載の発明は、前記右眼用光学系と前記左眼用光学系とは左右対称の光学系である。
また、請求項7に記載の発明は、前記右眼用光学系は、前記観察者の右眼に前記右眼用光を入射する位置を調整する右眼用調整機構を有し、前記左眼用光学系は、前記観察者の左眼に前記左眼用光を入射する位置を調整する左眼用調整機構を有するものである。
本発明によれば、走査部により走査された光が入射され、観察者の眼の網膜上に形成される像面と光学的に共役関係にある中間像面位置に回折光学素子を設け、この回折光学素子により中間像面に入射する光を観察者の右眼用光と左眼用光に分岐する。従って、光源部や走査部を右眼用と左眼用とで共用化しつつも、走査部の走査範囲を広げることなく、右眼用光と左眼用光とを形成することができる。
本発明の一実施形態におけるHMD(ヘッドマウントディスプレイ)を示す概念的説明図である。 光束左右分岐部の概念的説明図である。 光路を増やした光束左右分岐部の概念的説明図である。 回折光学素子の斜視説明図である。 回折光学素子により分岐された回折光の説明図である。 第1変形例としての光束左右分岐部の概念的説明図である。 第2変形例としての光束左右分岐部の概念的説明図である。
以下に、本発明のHMD(ヘッドマウントディスプレイ)について好適な実施形態について説明する。
〔HMD1の全体構成〕
以下、本発明の一実施形態におけるHMDについて図面を参照しながら説明する。図1は本実施形態におけるHMDの構成を示す概念的説明図である。
本実施形態におけるHMD1は、図1に示すように、画像を観察者の眼に光学的に導く表示部2と、表示部2を観察者の頭部に装着する装着具(不図示)を備えている。かかる表示部2は、表示制御部10、光源部20、光ファイバ30、走査部40、光束左右分岐部50を備えている。
光源部20は、画像信号Sに応じてレーザ光を強調変調する。そして、強調変調されたレーザ光は走査部40で走査され、光束左右分岐部50を介して観察者の両方の眼3L,3Rの瞳孔4L,4Rを投射対象として投射する。左右両眼3L,3Rの網膜5L,5R上では、画像信号Sに応じて強調変調されたレーザ光が走査されて、網膜5L,5R上に画像が投影される。これにより、観察者は画像信号Sに応じた画像を視認できる。
表示制御部10は駆動信号供給回路11を備えており、駆動信号供給回路11には外部からの画像信号Sが入力される。この画像信号Sには、複数の画素を行列状に配列した2次元画像を生成するための各画素の情報(輝度、色彩などの情報)が含まれる。画像信号Sに基づいて、表示画像を形成するための要素となる各画像信号を画素単位で生成する。駆動信号供給回路11は、後述の水平駆動回路42cで使用される水平駆動信号18と、垂直駆動回路44cで使用される垂直駆動信号19とをそれぞれ出力して走査部40を制御している。また、駆動信号供給回路11は、赤(R),緑(G),青(B)の各画像信号を出力して光源部20を制御している。
光源部20は、Rレーザ12と、Gレーザ13と、Bレーザ14と、合波部15を有している。そして、画像信号に応じて強度変調された各レーザ12,13,14からのレーザ光を合波部15で合波して光ファイバ30に入射させる。
図1に示すように、光源部20から光ファイバ30に導かれたレーザ光は走査部40に入射される。この走査部40には、光ファイバ30から出射されたレーザ光を水平方向に走査する水平走査部42と、この水平方向に走査されたレーザ光を後述の垂直走査部44に導くリレー光学系43と、リレー光学系43を介して入射されたレーザ光を水平方向と略垂直に交差する垂直方向に走査する垂直走査部44とを有している。
図1に示すように、水平走査部42には水平駆動回路42cを設けている。この水平駆動回路42cは、表示制御部10から出力される水平駆動信号18に基づいて生成される信号を、光走査素子42aに印加し、光走査素子42aの反射ミラー42bを駆動する。光走査素子42aは共振型光走査素子とし、表示制御部10から出力される水平駆動信号18は正弦波状の信号としており、水平駆動回路42cは反射ミラー42bを共振状態で揺動するように駆動して、光源部20から出射されたレーザ光を水平有効走査範囲で走査する。
図1に示すように、垂直走査部44には垂直駆動回路44cを設けている。この垂直駆動回路44cは、表示制御部10から出力される垂直駆動信号19に基づいて生成される信号を、光走査素子44aに印加し、光走査素子44aの反射ミラー44bを駆動する。表示制御部10から出力される垂直駆動信号19は鋸歯状の信号としており、垂直駆動回路44cは反射ミラー44bを非共振状態で強制的に駆動して、水平走査部42で水平方向に走査されたレーザ光を垂直有効走査範囲で走査する。
そして、このように走査部40で走査されたレーザ光は2次元画像を形成する光(以下、「画像光」とも呼ぶ。)として、光束左右分岐部50を介して観察者の両方の眼3L,3Rの瞳孔4L,4Rに入射され、画像光により形成される2次元画像が観察者の左右両眼3L,3Rの網膜5L,5R上に投影される。
〔光束左右分岐部50〕
本実施形態におけるHMD1は、前記した光束左右分岐部50により走査された画像光の光束を観察者の左右両眼用に分岐可能としている。以下に、かかる光束左右分岐部50の構成を図2〜図5を参照しながら具体的に説明する。これら図2〜図5において、回折光学素子70が配置される面を形成する方向をX軸方向とY軸方向とし、回折光学素子70の法線方向をZ軸方向とするXYZ直交座標系を定義して、かかるXYZ直交座標系を用いて以下に説明する。
光束左右分岐部50は、図2に示すように、共通の光学系60、回折光学素子70、左眼用光学系80、右眼用光学系90を備えている。ここで、左眼用光学系80と右眼用光学系90とは左右対称の光学系である。
結像部60では、走査部40により走査された画像光がZ軸方向にて共通レンズ61に入射し、この共通レンズ61を通して収束されて、X軸方向とY軸方向とで形成される平面内に中間像面が結像される。かかる中間像面は、観察者の左右両眼3L,3Rの網膜5L,5R上に投影される像面と光学的に共役関係にある。ここでは、「像共役」とも呼ぶ。なお、像共役は、図2,図3,図6,図7に「×」で示す。Lsは光軸である。
中間像面が形成される中間像面形成位置62には回折光学素子70を配置して、共通レンズ61を介して集光された画像光が回折光学素子70に入射される。そして、かかる画像光は回折光学素子70から出射される際に回折されて、観察者の左眼用光75Lと右眼用光75Rに分岐される。
ここで、回折光学素子70は、図4に示すように、光学素子本体71を透明なガラスやプラスチックスで形成し、Z軸方向に出射する表面に凹凸条部の透過型回折格子を形成している。より具体的には、Y軸方向に伸延する複数の山型凸条部72を互いに平行に配列して、図5にも示すように、Y軸方向の断面形状を鋸歯状に形成している。そして、山型凸条部72の頂部73を通るZ軸方向の法線を中心にして線対称に一対の傾斜面を形成し、これら傾斜面をブレーズド構造の左側方の回折面74Lと右側方の傾斜面74Rとなしている。
回折光学素子70では、図5に示すように、Z軸方向の入射光(画像光)が光学素子本体71内に入射して、前記回折面74L,74Rを透過した際に回折されて回折光として出射される。この際、+X軸側の回折面74Rで回折されて出射され回折光が、+1次回折光であって右眼用光75Rである。そして、−X軸側の回折面74Lで回折されて出射される回折光が、−1次回折光であって左眼用光75Lである。また、Z軸方向に頂部73を通過した光が、0次回折光75Cである。
このように、本実施形態では、画像光が回折光学素子70により±1次回折光と0次回折光75Cとに分岐された光となる。そして、0次回折光75Cは、山型凸条部72の頂部73からZ軸方向に出射される構造として、その強度は、±1次回折光の強度よりも小さくする回折格子構造となしている。
左眼用光学系80では、回折光学素子70により分岐された左眼用光75Lが左側反射ミラー81に反射され、この反射光が左側レンズ82を透過して、この透過光が左側ハーフミラー83に反射されることで、観察者の左眼3Lに入射される。
上記した左眼用光学系80と相互に左右対称の光学系である右眼用光学系90では、回折光学素子70により分岐された右眼用光75Rが右側反射ミラー91に反射され、この反射光が右側レンズ92を透過して、この透過光が右側ハーフミラー93に反射されることで、観察者の右眼3Rに入射される。
また、左・右側レンズ82,92で形成される射出瞳は、観察者の左右両眼3L,3Rの瞳孔4L,4Rの位置にあり、この位置と光学的に共役関係にある位置を「瞳共役」と呼ぶ。なお、瞳共役は、図2,図3,図6,図7に「○」で示す。
左側反射ミラー81と右側反射ミラー91は、図2に示すように、V字状に配置して、前記した回折光学素子70に近接する側の端縁部同士を連設して連設縁部100を形成している。しかも、両反射ミラー81,91の連設縁部100はZ軸方向の前記光軸Ls上に配置している。従って、光軸Lsに沿ってZ軸方向に出射される0次回折光75Cは、連設縁部100には反射されるものの、左側反射ミラー81と右側反射ミラー91のいずれのミラーにも反射されることがない。つまり、0次回折光75Cは、左眼用光学系80と右眼用光学系90のいずれにも入射されることがなく、観察者の左右側いずれの眼3L,3Rにも入射されない。なお、上記では、±1次回折光を左右の眼3L,3Rに入射させる構成としたが、これに限られるものではない。すなわち、±n(nは1以上の整数)次回折光の内、所望の次数の回折光を単数もしくは複数選択して、選択した次数の回折光を左右の眼3L,3Rに入射させる構成とすることもできる。この際、選択した次数の回折光以外の回折光は、例えば、後述する遮光部101で遮光することができる。
〔光束左右分岐部50の第1変形例〕
図6は、第1変形例としての光束左右分岐部50Aの概念的説明図である。かかる光束左右分岐部50Aは、前記した光束左右分岐部50と基本的構造を同じくするが、図6に示すように、光束左右分岐部50に形成した連設縁部100に代えて遮光部101を設けている点で異なる。
すなわち、遮光部101は、0次回折光が左眼用光学系80と右眼用光学系90とに入射するのを防止するものである。遮光部101としては、例えば、0次回折光75Cを遮蔽する黒色のマスク部材を設けて形成することができる。従って、光束左右分岐部50Aでは、左眼用光学系80と右眼用光学系90への0次回折光の光出力を低減させることができる。そのため、迷光の発生を抑制することができて、迷光による画像品質の低下防止を図ることができる。
〔光束左右分岐部50の第2変形例〕
図7は、第2変形例としての光束左右分岐部50Bの概念的説明図である。かかる光束左右分岐部50Bは、前記した光束左右分岐部50と基本的構造を同じくするが、図7に示すように、観察者の眼幅Wに適応させて左眼用光学系80と右眼用光学系90の位置調整を可能とした点で異なる。ここで、眼幅Wは、観察者の左眼3Lの瞳孔4Lの中心位置と、右眼3Rの瞳孔4Rの中心位置との間の幅である。
すなわち、光束左右分岐部50Bは、図7に示すように、右側ハーフミラー93をX軸方向(左右方向)に位置調整する右眼用調整機構95と、左側ハーフミラー83をX軸方向(左右方向)に位置調整する左眼用調整機構85と、走査部40と結像部60と回折光学素子70とを一体的にZ軸方向(前後方向)に位置調整する前後調整機構(不図示)とを備えている。
右側ハーフミラー93は、右眼用調整機構95によりX軸方向(左右方向)に移動可能としている。そして、右眼用調整機構95に設けた調整ボリューム96を正逆回動操作して、右側ハーフミラー93を左右方向に移動させることで、右側ハーフミラー93で反射した右眼用光(反射光)が観察者の右眼に入射する位置を調整可能としている。
左側ハーフミラー83は、左眼用調整機構85によりX軸方向(左右方向)に移動可能としている。そして、左眼用調整機構85を前記右眼用調整機構95の調整移動動作に連動させて、左側ハーフミラー83を左右方向に移動させることで、左側ハーフミラー83で反射した左眼用光(反射光)が観察者の左眼に入射する位置を調整可能としている。
走査部40と結像部60と回折光学素子70は、前後調整機構により前記右眼用調整機構95の調整移動動作に連動させて、一体的にZ軸方向(前後方向)に移動可能としている。
ここで、右眼用調整機構95の動作信号は前記駆動信号供給回路11に入力して、この駆動信号供給回路11から連動動作信号を左眼用調整機構85と前後調整機構にそれぞれ出力する。このようにして、駆動信号供給回路11を備えた前記表示制御部10は、これら左眼用調整機構85と前後調整機構も制御する。
このように、右眼用調整機構95に設けた調整ボリューム96を正逆回動操作すると、右眼用調整機構95に連動して左眼用調整機構85と前後調整機構が作動する。例えば、調整ボリューム96を正回動操作すると、右眼用調整機構95が作動して右側ハーフミラー93をX軸方向で右側方へ移動させる。それと同時に、左眼用調整機構85が連動して左側ハーフミラー83をX軸方向で左側方へ移動させる。そして、前後調整機構が連動して共通の光学系60と回折光学素子70を一体的にZ軸方向で前方へ移動させる。また、調整ボリューム86を反対に逆回動操作すると、右眼用調整機構95が作動して右側ハーフミラー93をX軸方向で左側方へ移動させる。それと同時に、左眼用調整機構85が連動して左側ハーフミラー83をX軸方向で右側方へ移動させる。そして、前後調整機構102が連動して左・右側反射ミラー81,91をZ軸方向で後方へ移動させる。
上記した左眼用調整機構85と右眼用調整機構95と前後調整機構の連動作動は、下記の条件式(1)(2)を満たすようにしている。但し、前記瞳共役位置である反射ミラー44bと共通レンズ61との間の距離は、共通レンズ61と回折光学素子70との間の距離と同じ、共通レンズ61の焦点距離f1とする。
a+b=f2・・・・(1)、c+d=f2・・・・(2)
そして、共通の光学系60から出射された画像光の光軸Lsは、左・右側レンズ82,92の中心を透過して観察者の左・右眼3L,3Rにそれぞれ入射されるものであり、上記条件式(1)(2)は、光軸Lsに沿った左・右側レンズ82,92の焦点距離f2,f2の関係から導いたものである。ここで、aは中間像面形成位置62から連設縁部100までの間隔(+Z軸方向の光軸Lsの距離)である。bは連設縁部100から光軸Lsに沿った各左・右側レンズ82,92の中心までの間隔(±X軸方向の光軸Lsの距離)である。cは各左・右側レンズ82,92の中心から光軸Lsに沿った各左・右側ハーフミラー83,93までの間隔(±X軸方向の光軸Lsの距離)である。dは各左・右側ハーフミラー83,93から瞳共役までの間隔(−Z軸方向の光軸Lsの距離)である。
そして、a+b=c+dの関係が満たされるように左眼用調整機構85と右眼用調整機構95と前後調整機構が連動作動するように制御している。従って、調整ボリューム96を操作するだけで簡単に観察者の眼幅Wに適応させることが可能である。
上記した本実施形態のHMD1では、回折光学素子70は、+n次回折光(nは1以上の整数)と−n次回折光をそれぞれ右眼用光75Rと左眼用光75Lとするので、右眼用光学系90と左眼用光学系80とを光学的に対称とすることができ、右眼用光学系90及び左眼用光学系80の設計が容易となる。
また、本実施形態のHMD1では、回折光学素子70の±n次回折光以外の次数の回折光の強度を、前記±n次回折光の強度よりも小さくしているので、右眼用光75R及び左眼用光75Lとして用いない光の強度を低減することができ、省電力化を図ることができる。
また、本実施形態のHMD1では、回折光学素子70の±n次回折光以外の次数の回折光が、右眼用光学系90と左眼用光学系80とに入射することを防止する遮光部101を備えているので、迷光の発生を抑えることができ、迷光による画像品質の低下を防止することができる。
また、本実施形態のHMD1では、回折光学素子70は、複数の山型凸条部72が互いに平行に配列されたブレーズド構造の回折面74L,74Rを有しており、各山型凸条部72をその頂部73に対して左右対称の断面形状としている。従って、簡単な構造で、入射する光を左右対称に分岐することができ、その後の光路の設計が容易となる。例えば、右眼用光学系90と前記左眼用光学系80とを光学的に対称にすることが可能となる。
また、本実施形態のHMD1では、右眼用光学系90と左眼用光学系80とは左右対称の光学系としているので、右眼用光学系90及び左眼用光学系80の設計が容易となる。また、右眼用光学系90と左眼用光学系80とを共用することも可能となる。
また、本実施形態のHMD1では、右眼用調整機構95と左眼用調整機構85とを有しているため、眼幅Wを変えることが可能となり、観察者の眼幅Wに応じて右眼用光学系90と左眼用光学系80とを適切な位置に配置することができる。
以上、本発明の実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
1 HMD(ヘッドマウントディスプレイ)
2 表示部
10 表示制御部
20 光源部
30 光ファイバ
40 走査部
50 光束左右分岐部
60 共通の光学系
70 回折光学素子
80 左眼用光学系
90 右眼用光学系

Claims (7)

  1. 画像を観察者の眼に光学的に導く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、
    画像信号に応じて強度変調した光を出射する光源部と、
    前記光源部から出射された光を走査する走査部と、
    前記走査部により走査された光が入射され、前記観察者の眼の網膜上に形成される像面と光学的に共役関係にある中間像面を形成する結像部と、
    前記中間像面位置に配置して、前記中間像面に入射する光を前記観察者の右眼用光と左眼用光に分岐する回折光学素子と、
    前記光学素子により分岐された右眼用光を前記観察者の右眼に入射させる右眼用光学系と、
    前記光学素子により分岐された左眼用光を前記観察者の左眼に入射させる左眼用光学系と、を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  2. 前記回折光学素子は、+n次回折光(nは1以上の整数)と−n次回折光をそれぞれ前記右眼用光と前記左眼用光とす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. 前記回折光学素子の±n次回折光以外の次数の回折光の強度を、前記±n次回折光の強度よりも小さくした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. 前記回折光学素子の±n次回折光以外の次数の回折光が、前記右眼用光学系と前記左眼用光学系とに入射することを防止する遮光部を備えたことを特徴とする請求項2又は3に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  5. 前記回折光学素子は、複数の山型凸条部が互いに平行に配列されたブレーズド構造の回折面を有しており、各前記山型凸条部をその頂部に対して左右対称の断面形状とした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。
  6. 前記右眼用光学系と前記左眼用光学系とは左右対称の光学系であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  7. 前記右眼用光学系は、前記観察者の右眼に前記右眼用光を入射する位置を調整する右眼用調整機構を有し、
    前記左眼用光学系は、前記観察者の左眼に前記左眼用光を入射する位置を調整する左眼用調整機構を有することを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
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