JP2016085427A - 画像表示装置、及び装着型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シースルー性を確保しながらセキュリティーを維持し、外部から表示画像の観察を防ぐことができる画像表示装置、及び装着型画像表示装置を提供する。【解決手段】光源１０と、光源１０からの光の向きを正反射とは異なる向きに変える偏向素子３２と、偏向素子３２における光源１０とは反対側に配置された減光素子３３と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明は、画像表示装置、及び装着型画像表示装置に関する。

上記装着型画像表示装置として、例えば、図７に示すように、光を出射する半導体レーザー光などの光源５１０と、光源５１０からの光を反射ミラー５３０側に反射させるＭＥＭＳなどからなる走査ミラー５２０と、走査ミラー５２０からの光を１次回折光として観察するための反射ミラー５３０と、を含む画像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）が知られている。ヘッドマウントディスプレイの一つとして、シースルー性を利用して、背景を見ながら映像も同時に見ることができるものが提供されている。

最近では、反射ミラーに代えて、走査ミラー５２０からの光を入射方向とは異なる方向に回折させて偏向する反射型の偏向素子が用いられている。偏向素子（反射ミラー）としては、例えば、特許文献１に記載のように、小型で光の操作自由度が高い体積ホログラム（反射型体積ホログラム回折格子）が用いられている。

特開２００７−０９４１７５号公報

しかしながら、図７に示すように、偏向素子（反射ミラー５３０）に光が入射した際、回折せずに透過する０次光によって、観察者が見ている画像を他人に観察されるという問題がある。これら０次光を無くすことは困難である。その結果、セキュリティーの確保が低下するという課題がある。

本発明の態様は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る画像表示装置は、光源と、前記光源からの光が入射する位置に配置され、入射した前記光の少なくとも一部を正反射とは異なる向きに偏向する回折光学素子と、前記回折光学素子の前記光源とは反対側に配置され、前記回折光学素子で偏向されずに前記回折光学素子を透過した光の出射を抑制する減光素子と、を備えることを特徴とする。

本適用例によれば、回折光学素子が配置されているので、光源からの光の向きを所望の方向に変えることができる。更に、回折光学素子の光源とは反対側に減光素子が配置されているので、光源からの光のうち回折光学素子を透過した０次光を反射させることができる。よって、外部に０次光が透過した場合のように、例えば、他人に画像が見られることを抑えることができる。

［適用例２］上記適用例に係る画像表示装置において、前記回折光学素子は、体積ホログラムであることが好ましい。

本適用例によれば、体積ホログラムを用いるので、比較的高い効率で回折させることができる。

［適用例３］上記適用例に係る画像表示装置において、前記回折光学素子は、表面レリーフホログラムまたはブレーズ回折格子であることが好ましい。

本適用例によれば、例えば、表面レリーフホログラムを用いる場合には、量産性に優れており、製造コストを低減させることができる。

［適用例４］上記適用例に係る画像表示装置において、前記減光素子は、所定の波長の光を反射するダイクロイックミラーであることが好ましい。

本適用例によれば、減光素子としてダイクロイックミラーを用いるので、光源からの光のうち回折光学素子を透過した０次光を反射させることが可能となり、０次光が外部に漏れることを抑えることができる。よって、例えば、他人に画像が見られることを抑えることができる。

［適用例５］上記適用例に係る画像表示装置において、前記減光素子は、所定の偏光方向以外の光の透過を抑制する偏光板であることが好ましい。

本適用例によれば、減光素子として偏光板を用いるので、光源からの光のうち回折光学素子を透過した０次光を反射させることが可能となり、０次光が外部に漏れることを抑えることができる。よって、例えば、他人に画像が見られることを抑えることができる。

［適用例６］上記適用例に係る画像表示装置において、前記回折光学素子及び前記減光素子は、湾曲していることが好ましい。

本適用例によれば、画像光を回折光学素子及び減光素子の湾曲によって補正することができるので解像度の高い画像光を得ることができる。

［適用例７］上記適用例に係る画像表示装置において、前記光源からの光に含まれるピーク波長は、前記ダイクロイックミラーの反射率のピーク波長と同じ波長であることが好ましい。

本適用例によれば、光源の光に含まれるピーク波長と、ダイクロイックミラーの反射率のピーク波長と、が同じ波長であるので、光が画像表示装置から漏れることを抑えることができる。

［適用例８］本適用例に係る装着型画像表示装置は、上記に記載の画像表示装置を備えることを特徴とする。

本適用例によれば、上記画像表示装置を備えているので、他人に画像を観察されることを抑えることが可能となり、セキュリティーを向上させることができる。更に、明るい画像光を得ることができる。

第１実施形態の装着型画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の全体像を示す概略斜視図。 ヘッドマウントディスプレイを上方から見た模式平面図。 図２に示すヘッドマウントディスプレイのＡ部の画像表示装置の構成を拡大して示す概略図。 ダイクロイックミラーの特性を示すグラフ。 第２実施形態の画像表示装置の構成を示す概略図。 第３実施形態の画像表示装置の構成を示す模式図。 従来の画像表示装置の構成を示す模式図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大または縮小して表示している。

（第１実施形態）
＜装着型画像表示装置の構成＞
図１は、装着型画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の全体像を示す概略斜視図である。図２は、ヘッドマウントディスプレイを上方から見た模式平面図である。以下、ヘッドマウントディスプレイの構成を、図１及び図２を参照しながら説明する。

図１に示すように、ヘッドマウントディスプレイ１０００は、眼鏡のような形状を有する本体部１００と、使用者の手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御部２００と、を備える。

本体部１００と制御部２００とは、有線または無線で、通信可能に接続される。本実施形態では、本体部１００と制御部２００とがケーブル３００で通信可能に接続されている。そして、本体部１００と制御部２００とは、このケーブル３００を介して、画像信号や制御信号を通信する。

本体部１００は、右目用表示部１１０Ａと、左目用表示部１１０Ｂとを備えている。右目用表示部１１０Ａは、右目用画像の画像光を形成する画像形成部１２０Ａを備える。左目用表示部１１０Ｂは、左目用画像の画像光を形成する画像形成部１２０Ｂを備える。

画像形成部１２０Ａは、眼鏡型の本体部１００において眼鏡のつる部分（右側）に収容されている。一方、画像形成部１２０Ｂは、眼鏡型の本体部１００において眼鏡のつる部分（左側）に収容されている。

本体部１００には、光透過性を有する視認部１３１Ａが設けられている。視認部１３１Ａは、右目用画像の画像光を使用者の右目に向けて射出する。また、ヘッドマウントディスプレイ１０００においては、視認部１３１Ａが光透過性を有し、視認部１３１Ａを介して周囲を視認可能となっている。

また、本体部１００には、光透過性を有する視認部１３１Ｂが設けられている。視認部１３１Ｂは、左目用画像の画像光を使用者の左目に向けて射出する。また、ヘッドマウントディスプレイ１０００においては、視認部１３１Ｂが光透過性を有し、視認部１３１Ｂを介して周囲を視認可能となっている。

制御部２００は、操作部２１０と、操作ボタン部２２０、を備える。使用者は、制御部２００の操作部２１０や操作ボタン部２２０に対して操作入力を行い、本体部１００に対する指示を行う。

また、図２に示すように、ヘッドマウントディスプレイ１０００は、フレーム１４０部分に光源１０、走査ミラー２０などが配置されている。なお、フレーム１４０の右側部分にのみ符号を付しているが、左側のフレームも同様である。

光源１０は、半導体レーザー光であり、赤色レーザー光源と、青色レーザー光源と、緑色レーザー光源とから出力される各レーザー光を合波したレーザー光である。そして、各色レーザー光源からの出力を適切に変調することで、任意の色のレーザー光を出力することができる。さらに、後述する走査ミラー２０などと連動させて変調することで、使用者の目の網膜上に映像を表示することができる。

また、フレーム１４０には、使用者の目の網膜上に映像を表示させるための、反射型回折光学素子３０が右目と左目とに対応して配置されている。なお、少なくとも光源１０、走査ミラー２０、及び反射型回折光学素子３０を含めて画像表示装置５０（図３参照）と称する。次に、画像表示装置５０について説明する。

＜画像表示装置の構成＞
図３は、図２に示すヘッドマウントディスプレイのＡ部の画像表示装置の構成を拡大して示す概略図である。図４は、減光素子を構成するダイクロイックミラーの特性を示すグラフである。以下、画像表示装置の構成を、図３及び図４を参照しながら説明する。

図３に示すように、画像表示装置５０は、光源１０と、光源１０からの光を反射させる走査ミラー２０と、走査ミラー２０で反射させた光を回折させて観察者に表示させる反射型回折光学素子３０と、を備えている。

光源１０は、上記したように、赤色レーザー光源（例えば、ピーク波長が６４０ｎｍ）と、青色レーザー光源（例えば、ピーク波長が４６０ｎｍ）と、緑色レーザー光源（例えば、ピーク波長が５３２ｎｍ）とから出力される各レーザー光を合波したレーザー光である。

走査ミラー２０は、例えば、ＭＥＭＳによって構成されている。具体的には、ミラーをある周波数で振動制御するものであり、小型化が実現されている。

反射型回折光学素子３０は、平坦な材料で構成されており、光源１０側から、基板３１と、偏向素子３２と、減光素子３３と、を備えている。基板３１としては、例えば、ガラス、アクリル、ポリカーボネートなどが用いられる。

偏向素子３２としては、回折光学素子が挙げられ、その中でも体積ホログラム、表面レリーフホログラム、ブレーズ回折格子などを用いることができる。体積ホログラムを用いる場合には、比較的高い効率で回折させることができる。表面レリーフホログラムを用いる場合には、量産性に優れており、製造コストを低減させることができる。

本実施形態では、体積ホログラムを用いるものとする。体積ホログラムは、例えば、低屈折率層と高屈折率層とが交互に積層されて構成されている。体積ホログラムの形成方法としては、例えば、干渉露光で形成することができる。

このような偏向素子３２（回折光学素子）を用いることにより、一般的なミラーだと光を正反射しか進行させられないのに対して、正反射ではない方向に光の向きを変えることが可能となる。また、一般的なミラーに対して、偏向素子３２を小型化することができる。

減光素子３３としては、例えば、ダイクロイックミラーを用いることができる。ダイクロイックミラーは、０次透過光（光源１０からの光が偏向素子３２で回折されずに（方向を変えずに）透過した光）を反射させ、減光素子３３の外側に画像光が出ていくことを防ぐ。これにより、セキュリティー性を確保することができる。

また、反射型回折光学素子３０は、ヘッドマウントディスプレイ１０００の外側から入射する外光を透過させて、観察者が景色（背景）を観察することが可能となっている。具体的には、光源１０のレーザー光は狭帯域であり、外光は広帯域である。よって、光源１０波長を反射させるダイクロイックミラーを通して外光を観察することが可能となる。

つまり、本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１０００は、シースルー性を有し、背景と同時に画像を見ることができる。次に、図４を参照しながら、ダイクロイックミラーの分光特性の一例について説明する。

図４に示すように、ヘッドマウントディスプレイ１０００（画像表示装置５０）に用いられるダイクロイックミラーは、反射率が最大となる波長（反射波長）が、青色で４６０ｎｍ、緑色で５３２ｎｍ、赤色で６４０ｎｍになるように仕様が設定されている。更に、上記波長以外の波長では、ダイクロイックミラーの反射率が低くなるように設定されている。

図４に示すダイクロイックミラーがレーザー光を反射する波長範囲Ｗは、５ｎｍ〜２０ｎｍ程度に設定されていることが好ましい。なお、レーザー光のスペクトル幅は、ピーク波長に対して、±１ｎｍ程度である。

レーザー光のピーク波長（光源波長）と、ダイクロイックミラーの反射率特性（反射波長）と、を合致させることにより、背景を透過して見ることができると共に、画像光を反射させて見ることができる。

また、レーザー光は、ピーク波長（光の発光強度が最大となる波長）がばらつく（シフトする）恐れがある。特に、変調する速度を速くする高速変調を行うと波長シフトが発生しやすい。しかしながら、ダイクロイックミラーを用いることにより、ピーク波長がシフトした場合でも０次透過光が出ていくことを抑えることができる。

以上詳述したように、第１実施形態の画像表示装置５０、及びヘッドマウントディスプレイ１０００によれば、以下に示す効果が得られる。

（１）第１実施形態の画像表示装置５０によれば、偏向素子３２として体積ホログラムが配置されているので、光源１０からの光の向きを所望の方向（観察者）が視認可能な方向に変えることができる。更に、偏向素子３２の光源１０とは反対側に減光素子３３としてダイクロイックミラーが配置されているので、光源１０からの光のうち、偏向素子３２を透過した０次光を反射させることができる。よって、０次光が反射型回折光学素子３０を透過した場合のように、例えば、他人に画像光が見られることを抑えることができる。

（２）第１実施形態の画像表示装置５０によれば、減光素子３３としてのダイクロイックミラーの光学特性を、光源１０のピーク波長（Ｒ、Ｇ、Ｂ）と、ダイクロイックミラーの反射率がピークとなる波長（Ｒ、Ｇ、Ｂ）と、が合致するように設定することにより、画像光が画像表示装置５０（ヘッドマウントディスプレイ１０００）から外部に漏れることを抑えることができる。

（３）第１実施形態のヘッドマウントディスプレイ１０００によれば、上記画像表示装置５０を備えているので、他人に画像光を観察されることを抑えることが可能となり、セキュリティーの高いヘッドマウントディスプレイ１０００を提供することができる。更に、明るい画像光を提供することができる。

（第２実施形態）
＜画像表示装置の構成＞
図５は、第２実施形態の画像表示装置の構成を示す概略図である。以下、画像表示装置の構成を、図５を参照しながら説明する。

第２実施形態の画像表示装置１５０は、上述の第１実施形態の画像表示装置５０と比べて、減光素子１３３としてダイクロイックミラーから偏光板に代えている部分が異なり、その他の部分については概ね同様である。このため第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分について詳細に説明し、その他の重複する部分については適宜説明を省略する。

図５に示すように、第２実施形態の画像表示装置１５０は、第１実施形態と同様に、光源１０と、光源１０からの光を反射させる走査ミラー２０と、走査ミラー２０で反射させた光を回折させて観察者に表示させる反射型回折光学素子１３０と、を備えている。

反射型回折光学素子１３０は、平坦な材料で構成されており、光源１０側から、基板３１と、偏向素子３２と、減光素子１３３と、を備えている。第２実施形態の減光素子１３３としては、偏光板である。

偏光板は、光源１０の偏光と直交するように向きが設定されている。よって、偏光板を配置することにより、基板３１及び偏向素子３２を透過した光が遮断される。つまり、反射型回折光学素子１３０から外側に画像光が漏れることを抑えることができる。一方、外光は自然偏光のため、偏光板が配置されている場合でも、全ての光が遮られることはなく、外光の観察が可能となる。

なお、偏光板の中でも、ワイヤーグリッド偏光板を用いることが好ましい。この場合、用いる光源１０の波長は仕様が定められていることがより好ましい。このような波長の光源１０を用いることにより、ワイヤーグリッド偏光板を透過する光をほぼ無くすことができる。

しかしながら、定められた波長から数ｎｍずれると、消光比が大きく低下（例えば、１／１０程度）する恐れがある。つまり、反射型回折光学素子１３０を透過する画像光が増える。

このように、ワイヤーグリッド偏光板を用いることにより、設定波長がしっかり合っていれば、一般的な偏光板（例えば、消光比：１／１００程度）と比較して、反射型回折光学素子１３０を透過する画像光をほぼ無くすことが可能となる。

また、減光素子１３３として偏光板を用いることにより、第１実施形態のダイクロイックミラーと比較して、かかるコストを抑えることができる。つまり、ダイクロイックミラーと比較して、偏光板の方が安く調達することができる。

以上詳述したように、第２実施形態の画像表示装置１５０によれば、以下に示す効果が得られる。

（４）第２実施形態の画像表示装置１５０によれば、減光素子１３３として偏光板を用いるので、光源１０からの光のうち偏向素子３２を透過した０次光を反射や吸収させることが可能となり、０次光がヘッドマウントディスプレイ１０００の外側に漏れることを抑えることができる。よって、例えば、他人に画像光が見られることを抑えることができる。また、ワイヤーグリッド偏光板を用いることにより、ワイヤーグリッド偏光板を透過する光をほぼ無くすことができる。加えて、ダイクロイックミラーと比較して、偏光板の方が安く調達することができる。

（第３実施形態）
＜画像表示装置の構成＞
図６は、第３実施形態の画像表示装置の構成を示す模式図である。以下、画像表示装置の構成を、図６を参照しながら説明する。

第３実施形態の画像表示装置２５０は、上述の第１実施形態と比較して、反射型回折光学素子２３０の形状が湾曲形状になっている部分が異なり、その他の部分については概ね同様である。このため第３実施形態では、第１実施形態と異なる部分について詳細に説明し、その他の重複する部分については適宜説明を省略する。

図６に示すように、第３実施形態の画像表示装置２５０は、第１実施形態と同様に、光源１０と、光源１０からの光を反射させる走査ミラー２０と、走査ミラー２０で反射させた画像光を回折させて観察者に表示させる反射型回折光学素子２３０と、を備えている。

第３実施形態の特徴としては、反射型回折光学素子２３０を構成する偏向素子２３２及び減光素子２３３が湾曲している。具体的には、光源１０側から偏向素子２３２としての体積ホログラムと、体積ホログラムを覆うように減光素子２３３として、例えば、ダイクロイックミラーとが配置されている。これらで構成された反射型回折光学素子２３０は、反射型回折光学素子２３０の端部２３０ａが光源１０側に曲がった湾曲形状をしている。

このように、反射型回折光学素子２３０を形成することにより、画像光による像面の形状歪みや非点収差の補正を偏向素子２３２及び減光素子２３３の湾曲により行うことができる。

また、偏向素子２３２に体積ホログラムを用いることにより、多層化と曲面形状とを組み合わせることが可能となり、回折効率を向上させることができる。よって、ノイズの少ない明るい画像を得ることができる。

以上詳述したように、第３実施形態の画像表示装置２５０によれば、以下に示す効果が得られる。

（５）第３実施形態の画像表示装置２５０によれば、偏向素子２３２及び減光素子２３３が湾曲しているので、偏向素子３２及び減光素子３３が平坦な場合と比較して、画像光による像面の形状歪みや非点収差の補正を偏向素子２３２及び減光素子２３３の湾曲により行うことができ、解像度の高い画像光を得ることができる。

なお、本発明の態様は、上記した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、本発明の態様の技術範囲に含まれるものである。また、以下のような形態で実施することもできる。

（変形例１）
上記したように、偏向素子３２として回折光学素子（体積ホログラム）を用いることに限定されず、例えば、ハーフミラーを用いるようにしてもよい。また、第２実施形態のように、減光素子３３に偏光板を用いる場合にも偏向素子３２としてハーフミラーを用いるようにしてもよい。

１０…光源、２０…走査ミラー、３０…反射型回折光学素子、３１…基板、３２…偏向素子、３３…減光素子、５０…画像表示装置、１００…本体部、１１０Ａ…右目用表示部、１１０Ｂ…左目用表示部、１２０Ａ，１２０Ｂ…画像形成部、１３０…反射型回折光学素子、１３１Ａ，１３１Ｂ…視認部、１３３…減光素子、１４０…フレーム、１５０…画像表示装置、２００…制御部、２１０…操作部、２３０…反射型回折光学素子、２３０ａ…端部、２３２…偏向素子、２３３…減光素子、２２０…操作ボタン部、３００…ケーブル、１０００…ヘッドマウントディスプレイ。

Claims (8)

1. 光源と、
   前記光源からの光が入射する位置に配置され、入射した前記光の少なくとも一部を正反射とは異なる向きに偏向する回折光学素子と、
   前記回折光学素子の前記光源とは反対側に配置され、前記回折光学素子で偏向されずに前記回折光学素子を透過した光の出射を抑制する減光素子と、
   を備えることを特徴とする画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記回折光学素子は、体積ホログラムであることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１に記載の画像表示装置において、
   前記回折光学素子は、表面レリーフホログラムまたはブレーズ回折格子であることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の画像表示装置において、
   前記減光素子は、所定の波長の光を反射するダイクロイックミラーであることを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の画像表示装置において、
   前記減光素子は、所定の偏光方向以外の光の透過を抑制する偏光板であることを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の画像表示装置において、
   前記回折光学素子及び前記減光素子は、湾曲していることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項４に記載の画像表示装置において、
   前記光源からの光に含まれるピーク波長は、前記ダイクロイックミラーの反射率のピーク波長と同じ波長であることを特徴とする画像表示装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の画像表示装置を備えることを特徴とする装着型画像表示装置。

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