JP2011247975A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

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Abstract

【課題】製造が容易で十分に小型のヘッドマウントディスプレイを提供する。
【解決手段】表示部13と、凹面ミラー15と、表示部13と凹面ミラー15との間に配置され、表示部13からの入射光の一部を透過させるとともに表示部13からの入射光の他の一部を反射させる光学部14と、凹面ミラー15で反射された光を左目に導く第1光学系16と、光学部14で反射された光を右目に導く第2光学系17とを備える。凹面ミラー15において、右端部は左端部よりも表示部13に近く、曲率は左端部よりも右端部で大きい。また、光学部14は、表示部13側の第1凸面141aと凹面ミラー15側の第2凸面141bとを有する透明基体141と、第2凸面141bを覆う半透過層142とを有する。第2凸面141bにおいて、左端部は右端部よりも表示部13に近く、曲率は右端部よりも左端部で大きい。
【選択図】図1

Description

本発明は、頭部に装着するヘッドマウントディスプレイに関する。
従来のヘッドマウントディスプレイ(以降、「HMD」と称する)は、左目用のディスプレイと右目用のディスプレイとを備える。このため、小型化が困難であった。一方、特許文献1乃至3には、1つのディスプレイで左右両目に映像を映すことができるHMDが記載されている。特許文献1及び2に記載のHMDは、いずれも、1つのディスプレイの上半分に左目(又は右目)用の映像を表示させ、下半分に右目(又は左目)用の映像を表示させる。したがって、解像度を確保するためには上下方向のドット数を増やす必要がある。つまり、ディスプレイの数は減るものの、小型化にはほとんど寄与しない。
特許文献3に記載のHMDは、左右両目に同一の映像を映すHMDであり、1つのディスプレイに表示した映像を1枚のハーフミラー(スプリッティングミラー)で振り分けて左右両目に映す。したがって、解像度を犠牲にすることなく、ある程度の小型化を達成することができる。
特表2001−522477号公報 特開2001−209004号公報 特表2007−524856号公報
しかし、特許文献3に記載のHMDでは、ディスプレイからの光が両凸レンズ(ディスプレイ光学系115)で集光されてハーフミラーに到達する。したがって、ディスプレイとハーフミラーとを十分に離して配置する必要がある。つまり、十分な小型化が困難である。また、上記の構成を採るためには、両凸レンズとハーフミラーとを高い精度で配置する必要があり、製造が容易ではない。
そこで、本発明は、製造が容易で十分に小型のHMDを提供することを解決課題とする。
以上の課題を解決するため、本発明に係るHMDは、映像を表示する表示部と、一方の目よりも他方の目に近い第1の端部と前記他方の目よりも前記一方の目に近い第2の端部とを有する凹面ミラーと、前記表示部と前記凹面ミラーとの間に配置され、前記表示部からの入射光の一部を透過させるとともに前記表示部からの入射光の他の一部を反射させる光学部と、前記凹面ミラーで反射された光を前記一方の目に導く第1光学系と、前記光学部で反射された光を前記他方の目に導く第2光学系とを備え、前記第1の端部は、前記第2の端部よりも前記表示部に近く、前記凹面ミラーの曲率は、前記第2の端部よりも前記第1の端部で大きく、前記光学部は、前記表示部側の第1凸面と前記凹面ミラー側の第2凸面とを有する透明基体と、前記第2凸面を覆う半透過層とを有し、前記第2凸面は、前記一方の目よりも前記他方の目に近い第3の端部と前記他方の目よりも前記一方の目に近い第4の端部とを有し、前記第4の端部は、前記第3の端部よりも前記表示部に近く、前記第2凸面の曲率は、前記第3の端部よりも前記第4の端部で大きいことを特徴とする。
この構成では、表示部から光学部への光は、放射状に拡散しながら直進して光学部の透明基体の第1凸面に入射する。第1凸面は両凸レンズの片面である。したがって、入射光は平行光となって透明基体内を直進して第2凸面に達する。この第2凸面及び半透過層はハーフミラーを構成している。したがって、この第2凸面に達した平行光のうち、一部はハーフミラーを透過し、他の一部はハーフミラーで反射する。ハーフミラーの透過光は光学部から出射し、凹面ミラーで反射される。凹面ミラーにおいて、一方の目よりも他方の目に近い第1の端部は、他方の目よりも一方の目に近い第2の端部よりも表示部に近いから、凹面ミラーの反射光は、平行光の進行方向から一方の目側に傾いた第1方向へ進行し、第1光学系によって一方の目へ導かれる。一方、透明基体の第2凸面において、他方の目よりも一方の目に近い第4の端部は、一方の目よりも他方の目に近い第3の端部よりも表示部に近いから、ハーフミラーの反射光は、平行光の進行方向から他方の目側に傾いた第2方向へ進行し、第2光学系によって他方の目へ導かれる。このように、上記の構成によれば、1つの表示部に表示された映像を1枚のハーフミラーで振り分けることができる。
また、光学部は、平凸レンズとハーフミラーとを一体化したものであるから、平凸レンズとハーフミラーとを高い精度で配置することが容易である。そもそも、ハーフミラーで振り分けられる光は平行光であるから、平凸レンズとハーフミラーとを高い精度で配置する必要がない。
また、ハーフミラーで振り分けられる光が平行光であることは、平凸レンズとハーフミラーとを近接して配置可能であることを意味しており、第2凸面の曲率は第3の端部よりも第4の端部で大きく、凹面ミラーの曲率は第2の端部よりも第1の端部で大きいから、表示部から凹面ミラーの第2の端部までの距離を十分に短くすることができる。
よって、本発明によれば、製造が容易で十分に小型のHMDを提供することができる。また、本発明によれば、透明基体に入射した光が透明基体を出ることなくハーフミラーに達するから、光の減衰を抑制することができる。
上記の構成において、前記凹面ミラーの曲率は、前記第2の端部から前記第1の端部へかけて徐々に大きくなり、前記第2凸面の曲率は、前記第3の端部から前記第4の端部へかけて徐々に大きくなるようにしてもよい。この場合、映像を高い品質で映すことが容易となる。また、上記の各構成において、前記第1光学系および前記第2光学系は、いずれも複数の光学部品を備えるようにしてもよい。この場合、画角の調整などの各種の調整が容易となる。
本発明の第1実施形態に係るHMD10の構成を示す平面図である。 HMD10の一部の構造を示す断面図である。 HMD10と対比される比較例の一部の構造を示す断面図である。 本発明の第2実施形態に係るHMD20の構成を示す平面図である。 本発明の第3実施形態に係るHMD30の構成を示す平面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、図面において各部の寸法の比率は実際のものと適宜異なる。また、図面において、共通する部分には同一の符号を付してある。
<第1実施形態>
図1は、本発明の第1実施形態に係るHMD10の構成を示す平面図である。HMD10は、人間の頭部に装着される眼鏡状の表示装置であり、左目に対応するレンズ11Lと、右目に対応するレンズ11Rと、左耳に掛けるつる部12Lと、右耳に掛けるつる部12Rとを備える。レンズ11L及び11Rは、透明でもよいが、本実施形態では不透明である。レンズ11Lの左端部にはつる部12Lが取り付けられており、レンズ11Rの右端部にはつる部12Rが取り付けられている。
また、HMD10は、レンズ11Lとレンズ11Rとの間に、頭部側に光を射出して映像を表示する平板状の表示部13を備える。表示部13の左端部にはレンズ11Lが取り付けられており、表示部13の右端部にはレンズ11Rが取り付けられている。また、表示部13には、図示しないノーズパッドが取り付けられている。HMD10は、つる部12Lを左耳に掛け、つる部12Rを右耳に掛け、ノーズパッドを鼻に当てることで頭部に装着される。
また、HMD10は、反射面が凹面の凹面ミラー15と、表示部13と凹面ミラー15との間に配置された光学部14と、レンズ11Lの頭部側に固定された第1光学系16と、レンズ11Rの頭部側に固定された第2光学系17とを備える。光学部14は、表示部13の出射光が入射するように配置されており、その入射光の一部を透過させるとともに、その入射光の他の一部を反射させる。凹面ミラー15は、入射光を全反射させる全反射ミラーであり、光学部14の透過光が入射するように配置され、その入射光を第1光学系16側へ全反射させる。本実施形態では、凹面ミラー15の反射光の進行方向を「第1方向」と称し、光学部14の反射光の進行方向を「第2方向」と称する。
第1光学系16は、その反射面161が凹面の全反射ミラーであり、左端部と右端部とを有し、入射光を全反射させて左目へ導く。第1光学系16において、左端部は、右端部よりも左目に近い。反射面161は非球面であり、その曲率は、右端部から左端部にかけて徐々に大きくなっている。第2光学系17は、その反射面171が凹面の全反射ミラーであり、左端部と右端部とを有し、入射光を全反射させて右目へ導く。第2光学系17において、右端部は、左端部よりも右目に近い。反射面171は非球面であり、その曲率は、左端部から右端部にかけて徐々に大きくなっている。なお、レンズ11L及び11Rが透明の場合には、第1光学系16および第2光学系17としてハーフミラーを採用するのが好ましい。
図2は、HMD10の一部の構造を示す断面図である。図2に示すように、表示部13は、平面的に配列された複数の発光素子131を備え、これらの発光素子131の発光を制御することで映像を表示する。各発光素子131は、具体的には有機EL(Electro Luminescent)素子であり、頭部側に光を射出する。なお、表示部13として、光源を備えた液晶表示装置やデジタルミラーデバイスを採用してもよい。つまり、発光素子131に代えて、電気エネルギーを光エネルギーに変換する任意の電気光学素子を採用可能である。
光学部14は、透明基体141と半透過層142とを備える。透明基体141は、ガラス等の透明材料で形成されたソリッド状の部材であり、表示部13側の第1凸面141aと、凹面ミラー15側の第2凸面141bとを有する。換言すれば、透明基体141は、第1凸面141aと第2凸面141bとの間に透明材料が充填された部材である。第1凸面141aは、両凸レンズの片面であり、表示部13に対向しており、その光軸は表示部13に直交する。
半透過層142は例えば金属の薄膜であり、第2凸面141bは半透過層142に覆われている。つまり、第2凸面141b及び半透過層142は、表示部13からの入射光の一部を透過させるとともに表示部13からの入射光の他の一部を反射させるハーフミラーを構成している。第2凸面141bは、左目よりも右目に近い右端部(第3の端部)と右目よりも左目に近い左端部(第4の端部)とを有する非球面であり、このハーフミラーの反射面(凹面)となっている。第2凸面141bにおいて、左端部(第4の端部)は、右端部(第3の端部)よりも表示部13に近い。つまり、第2凸面141bの左端部と右端部とを結ぶ平面は、左端部が右端部よりも表示部13に近くなるように、表示部13の表示面に対して傾いている。また、第2凸面141bの曲率は、第2光学系17の反射面171の曲率に対応しており、右端部(第3の端部)から左端部(第4の端部)にかけて徐々に大きくなっている。
凹面ミラー15は、全反射ミラーであり、その反射面(凹面)151は非球面である。反射面151は、左目よりも右目に近い右端部(第1の端部)と右目よりも左目に近い左端部(第2の端部)とを有する。この右端部(第1の端部)は、この左端部(第2の端部)よりも表示部13に近い。つまり、反射面151の左端部と右端部とを結ぶ平面は、右端部が左端部よりも表示部13に近くなるように、表示部13の表示面に対して傾いている。また、反射面151の曲率(凹面ミラー15の曲率)は、第1光学系16の反射面161の曲率に対応しており、左端部(第2の端部)から右端部(第1の端部)にかけて徐々に大きくなっている。
HMD10における光の進行は、次に述べる通りである。
各発光素子131の出射光は、それぞれ、放射状に拡散しながら直進して第1凸面141aに入射する。これらの入射光の各々は、平行光となって透明基体141内を進行し、第2凸面141bに達する。第2凸面141bに達した平行光の各々は、第2凸面141bと半透過層142とで構成されるハーフミラーにより、透過光と第2方向へ進行する反射光とに分割される。反射光の各々は、透明基体141内を進行し、やがて透明基体141から出射する。これらの出射光の各々は、第2光学系17に入射し、反射面171で反射し、右目に達する。一方、透過光の各々は、光学部14から出射して第1方向へ進行し、第1光学系16に入射し、反射面161で反射し、左目に達する。こうして、表示部13に表示された映像が左右両目に映る。
以上の説明から明らかなように、光学部14は、平凸レンズとハーフミラーとを一体化したものであるから、平凸レンズとハーフミラーとを高い精度で配置することは容易である。つまり、HMD10の製造は容易である。なお、HMD10では、光学部14のハーフミラーには平凸レンズから出射した平行光が入射するから、平凸レンズとハーフミラーとの配置の精度が低くても十分に高い品質の映像を映すことができる。つまり、平凸レンズとハーフミラーとを高い精度で配置する必要がない。
また、HMD10では、ハーフミラーで振り分けられる光が平行光であるから、表示部13とハーフミラーとの間に両凸レンズを配置した構成に比較して、表示部13とハーフミラーとの距離を短縮することができる。すなわち、表示部13と反射面151の左端部(第2の端部)との距離を短縮することができる。この短縮には、ハーフミラーの反射面が第2凸面141bであり、凹面ミラー15の反射面が反射面151であることも寄与する。このことについて、比較例と対比して説明する。
図3は、HMD10と対比される比較例の一部の構造を示す断面図である。図3に示すように、比較例は、光学部14に代えて光学部91を備え、凹面ミラー15に代えて平面ミラー92を備える。光学部91は、透明基体911と半透過層912とを備える。透明基体911は、表示部13側に第1凸面141aと同一形状の凸面911aを有し、平面ミラー92側に第2凸面141bではなく平面911bを有する。平面911bは半透過層912に覆われており、平面911b及び半透過層912はハーフミラーを構成している。一方、平面ミラー92の反射面921は平面である。なお、図示を略すが、第1光学系16に相当する第3光学系や第2光学系17に相当する第4光学系は、いずれも反射面が平面の全反射ミラーである。
ところで、ハーフミラーの反射光を漏れなく第2光学系の反射面に入射させるためには、表示部13の表示面に対するハーフミラーの反射面の傾きを十分に大きく確保したり、表示部13とハーフミラーの反射面との距離を十分に長く確保したりする必要がある。これと同様に、凹面ミラー15(平面ミラー92)の反射光を漏れなく第1光学系の反射面に入射させるためには、表示部13の表示面に対する凹面ミラー15(平面ミラー92)の反射面の傾きを十分に大きく確保したり、表示部13と凹面ミラー15(平面ミラー92)の反射面との距離を十分に長く確保したりする必要がある。
比較例では、ハーフミラーの反射光も平面ミラー92の反射光も平行光となるが、HMD10では、ハーフミラーの反射光も凹面ミラー15の反射光も集光される。したがって、HMD10において確保すべき上記の傾きは、比較例において確保すべき上記の傾きよりも小さくなり、HMD10において確保すべき上記の距離は、比較例において確保すべき上記の距離よりも短くなる。したがって、比較例における表示部13と反射面921の遠端との距離をL1とし、HMD10における表示部13と反射面151の遠端との距離をL2としたとき、L1>L2となるのである。
さらに、HMD10では、表示部13と反射面151の左端部(第2の端部)との距離の短縮には、第2凸面141bの曲率が、右端部(第3の端部)から左端部(第4の端部)にかけて徐々に大きくなっていることや、反射面151の各々の曲率が、左端部(第2の端部)から右端部(第1の端部)かけて徐々に大きくなっていることも寄与する。これは、ハーフミラーの反射面の曲率が一様の場合に比較して、確保すべき上記の傾きが小さくなり、確保すべき上記の距離が短くなるからである。
以上より、HMD10が、製造が容易で十分に小型であることが解かる。また、HMD10では、透明基体141に入射した光は透明基体141を出ることなくハーフミラーに達するから、平凸レンズとハーフミラーとを別体化した形態に比較して、光路上の界面の数が減る。したがって、HMD10によれば、光の減衰を抑制することができる。
<第2実施形態>
図4は、本発明の第2実施形態に係るHMD20の構成を示す平面図である。HMD20がHMD10と異なる点は、光学部14、凹面ミラー15、第1光学系16及び第2光学系17に代えて、光学部24、凹面ミラー25、第1光学系26及び第2光学系27を備える点のみである。本実施形態では、凹面ミラー25の反射光の進行方向を「第1方向」と称し、光学部24の反射光の進行方向を「第2方向」と称する。
第1光学系26は、複数の光学部品で構成される。すなわち、反射面が凹面の全反射ミラー261と、反射面が平面の全反射ミラー262と、反射面が平面の全反射ミラー263とで構成される。全反射ミラー263は、入射光を反射させて全反射ミラー262の反射面に入射させ、全反射ミラー262は、入射光を反射させて全反射ミラー261の反射面に入射させ、全反射ミラー261は、入射光を反射させて左目へ導く。全反射ミラー261の反射面は、第1光学系16の反射面と同様に非球面であり、その曲率は、右端部から左端部にかけて徐々に大きくなっている。
第2光学系27は、複数の光学部品で構成される。すなわち、反射面が凹面の全反射ミラー271と、反射面が平面の全反射ミラー272と、反射面が平面の全反射ミラー273とで構成される。全反射ミラー273は、入射光を反射させて全反射ミラー272の反射面に入射させ、全反射ミラー272は、入射光を反射させて全反射ミラー271の反射面に入射させ、全反射ミラー271は、入射光を反射させて右目へ導く。全反射ミラー271の反射面は、第2光学系17の反射面と同様に非球面であり、その曲率は、左端部から右端部にかけて徐々に大きくなっている。
光学部24は、光学部14と同様に透明基体と半透過層とを備える。ただし、光学部24の透明基体の第2凸面の曲率は、全反射ミラー271の反射面の曲率に対応しており、表示部13の表示面に対する透明基体の第2凸面の傾きは光学部14よりも光学部24の方が小さく、表示部13と透明基体の第2凸面との距離は光学部14よりも光学部24の方が長い。これと同様に、凹面ミラー25の反射面の曲率は、全反射ミラー261の反射面の曲率に対応しており、表示部13の表示面に対する反射面の傾きは凹面ミラー25の方が凹面ミラー15よりも小さく、表示部13と反射面との距離は凹面ミラー25の方が凹面ミラー15よりも長い。
HMD20における光の進行は、次に述べる通りである。
各発光素子131の出射光は、それぞれ、放射状に拡散しながら直進して光学部24の透明基体の第1凸面に入射する。これらの入射光の各々は、平行光となって透明基体内を進行し、透明基体の第2凸面に達する。この第2凸面に達した平行光の各々は、この第2凸面と半透過層とで構成されるハーフミラーにより、透過光と反射光とに分割される。反射光の各々は、透明基体内を進行し、やがて透明基体から出射する。これらの出射光の各々は、全反射ミラー273で反射し、全反射ミラー272で反射し、全反射ミラー271で反射し、右目に達する。一方、透過光の各々は、光学部24から出射し、全反射ミラー263で反射し、全反射ミラー262で反射し、全反射ミラー261で反射し、左目に達する。
よって、第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果が得られる。また、第2実施形態では、第1光学系26及び第2光学系27が、それぞれ、複数の光学部品で構成されるから、画角の調整や画面サイズの調整などの各種の調整が容易となる。また、第2実施形態によれば、平行光の進行方向に対する、ハーフミラーの反射光および凹面ミラーの反射光の進行方向の傾きを、第1実施形態よりも小さくすることができる。これは、高い品質の映像を映す観点において有益である。
<第3実施形態>
図5は、本発明の第3実施形態に係るHMD30の構成を示す平面図である。HMD30がHMD20と異なる点は、レンズ11L及び11Rと、第1光学系16と、第2光学系17とに代えて、レンズ31L及び31Rと、第1光学系36と、第2光学系37とを備える点のみである。
レンズ11L及び11Rは、透明であり、例えばガラスで形成されている。第1光学系36が第1光学系26と異なる点は、全反射ミラー261に代えて同形同大のハーフミラー361を備える点のみである。第2光学系37が第2光学系27と異なる点は、全反射ミラー271に代えて同形同大のハーフミラー371を備える点のみである。
つまり、HMD30は、いわゆるシースルー型のHMDである。したがって、HMD30の装着者は、表示部13に表示された映像を外界の風景に重ねて見ることができる。なお、第3実施形態によれば、第2実施形態と同様の効果が得られる。
<変形例>
本発明は、上述した各実施形態のみならず、それらを変形して得られる各種の変形例をもその範囲に含みうる。そのような変形例の一例を次に述べる。
上述した各実施形態では、非球面として、曲率が一方の端部から他方の端部にかけて徐々に大きくなっている面を採用したが、一方の端部の曲率よりも他方の端部の曲率が大きい任意の面を採用してもよい。ただし、この場合には、映像を高い品質で映すためには、高い精度の配置が必要となる虞がある。換言すれば、上述した各実施形態によれば、高い精度の配置を必要とすることなく、映像を高い品質で映すことができる。
10,20,30…HMD、13…表示部、14,24…光学部、141…透明基体、142…半透過層、15,25…凹面ミラー、16,26,36…第1光学系、17,27,37…第2光学系。

Claims (3)

  1. 映像を表示する表示部と、
    一方の目よりも他方の目に近い第1の端部と前記他方の目よりも前記一方の目に近い第2の端部とを有する凹面ミラーと、
    前記表示部と前記凹面ミラーとの間に配置され、前記表示部からの入射光の一部を透過させるとともに前記表示部からの入射光の他の一部を反射させる光学部と、
    前記凹面ミラーで反射された光を前記一方の目に導く第1光学系と、
    前記光学部で反射された光を前記他方の目に導く第2光学系とを備え、
    前記第1の端部は、前記第2の端部よりも前記表示部に近く、
    前記凹面ミラーの曲率は、前記第2の端部よりも前記第1の端部で大きく、
    前記光学部は、
    前記表示部側の第1凸面と前記凹面ミラー側の第2凸面とを有する透明基体と、
    前記第2凸面を覆う半透過層とを有し、
    前記第2凸面は、前記一方の目よりも前記他方の目に近い第3の端部と前記他方の目よりも前記一方の目に近い第4の端部とを有し、
    前記第4の端部は、前記第3の端部よりも前記表示部に近く、
    前記第2凸面の曲率は、前記第3の端部よりも前記第4の端部で大きい、
    ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  2. 前記凹面ミラーの曲率は、前記第2の端部から前記第1の端部へかけて徐々に大きくなり、
    前記第2凸面の曲率は、前記第3の端部から前記第4の端部へかけて徐々に大きくなる、
    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. 前記第1光学系および前記第2光学系は、いずれも複数の光学部品を備える、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のヘッドマウントディスプレイ。
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