JP2016114885A - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察者側に届く映像や、外界の光が不鮮明になってしまうのを抑制することができる頭部装着型表示装置を提供する。【解決手段】頭部装着型の表示装置１は、観察者の頭部に装着されるフレーム部１０と、フレーム部１０の観察者の頭部側面に対応する位置に配置され、映像光を出射する映像源１１と、フレーム部１０の観察者の眼Ｅに対応する位置に配置され、映像光を反射する反射層２３が形成される光反射面２２１ａと、光反射面２２１ａに隣接し、光を透過する光透過面２２１ｂとから構成される単位光学形状部２２１が、複数配列された反射部２０とを備え、光反射面２２１ａは、観察者の左右方向（Ｘ方向）に平行であって鉛直方向（Ｚ方向）に平行な面に対して観察者側に所定の角度αで傾斜していることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、頭部装着型表示装置に関するものである。

従来、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）等の表示部を、光学系を介して観察者に観察させる頭部装着型の表示装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
このような頭部装着型の表示装置は、例えば、表示部に対向する位置に導光板を配置して、表示部で表示された映像光を、その導光板によって観察者の眼に対応する位置まで導光し、反射層を介して観察者側へ反射させている。また、このような表示装置は、表示される映像によって観察者の視界が遮られてしまうため、反射層にマジックミラーを用いる等して、映像と外界の光とを重ねて見せる、いわゆるシースルーにする場合がある。しかし、この場合、マジックミラーの透過率を向上させて反射率を低下させすぎると観察者側に届く映像が不鮮明になり、逆に反射率を向上させて透過率を低下させすぎると、外界の光（外界の像）が不鮮明になってしまう場合があった。

特表２０１１−５０９４１７号公報

本発明の課題は、観察者側に届く映像や、外界の光が不鮮明になってしまうのを抑制することができる頭部装着型表示装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。
請求項１の発明は、観察者の頭部に装着されるフレーム部（１０）と、前記フレーム部の前記観察者の頭部側面に対応する位置に配置され、映像光を出射する映像源（１１）と、前記フレーム部の前記観察者の眼（Ｅ）に対応する位置に配置され、前記映像光を反射する反射層（２３）が形成される光反射面（２２１ａ）と、前記光反射面に隣接し、光を透過する光透過部（２２１ｂ）とから構成される単位光学形状部（２２１）が、複数配列された反射部（２０）とを備え、前記光反射面は、前記観察者の左右方向（Ｘ方向）に平行であって鉛直方向（Ｚ方向）に平行な面に対して前記観察者側に所定の角度（α）で傾斜していること、を特徴とする頭部装着型表示装置（１）である。
請求項２の発明は、請求項１に記載の頭部装着型表示装置（１）において、前記光透過部（２２１ｂ）は、鉛直方向（Ｚ方向）から見て、前記観察者の左右方向に略平行な面であること、を特徴とする頭部装着型表示装置である。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の頭部装着型表示装置（１）において、前記単位光学形状部（２２１）は、鉛直方向（Ｚ方向）から見た形状が、略三角形状に形成されていること、を特徴とする頭部装着型表示装置である。
請求項４の発明は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の頭部装着型表示装置（１）において、前記光反射面（２２１ａ）の前記所定の角度αは、２０°≦α≦６０°の範囲内であること、を特徴とする頭部装着型表示装置である。

本発明によれば、観察者側に届く映像や、外界の光が不鮮明になってしまうのを抑制することができる。

実施形態の頭部装着型の表示装置を説明する図である。 実施形態の反射部の詳細を説明する図である。 変形形態の反射部の詳細を説明する図である。 変形形態の反射部の詳細を説明する図である。

以下、図面等を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張している。
本明細書中に記載する各部材の寸法等の数値及び材料名等は、実施形態としての一例であり、これに限定されるものではなく、適宜選択して使用してよい。
本明細書中において、形状や幾何学的条件を特定する用語、例えば、平行や直交等の用語については、厳密に意味するところに加え、同様の光学的機能を奏し、平行や直交と見なせる程度の誤差を有する状態も含むものとする。

（実施形態）
図１は、本実施形態の頭部装着型の表示装置１を説明する図である。図１は、表示装置１を鉛直方向上方から見た図である。
なお、図１を含め以下に示す図中及び以下の説明において、理解を容易にするために、観察者が頭部に表示装置１を装着した状態において、鉛直方向をＺ方向とし、水平方向をＸ方向及びＹ方向とする。また、この水平方向のうち、表示装置１を装着する観察者の前後方向をＹ方向とし、それに直交する方向（観察者の左右方向）をＸ方向とする。このＸ方向の−Ｘ側を左側とし、＋Ｘ側を右側とし、また、Ｙ方向の−Ｙ側を観察者側とし、＋Ｙ側を背面側とする。また、Ｚ方向の−Ｚ側を下側とし、＋Ｚ側を上側とする。

表示装置（頭部装着型表示装置）１は、観察者が頭部に装着し、観察者の眼前に映像を表示する、いわゆるヘッドマウントディスプレイである。本実施形態の表示装置１は、図１に示すように、観察者の頭部の左側に装着するフレーム部１０の内側に、映像源１１と、投射光学系１２と、反射部２０とを備えており、観察者がフレーム部１０を頭部に装着することによって、映像源１１から表示される映像を、反射部２０等を介して観察者の左目に視認させることができる。具体的には、表示装置１は、映像源１１に表示された映像光を、投射光学系１２を介して反射部２０に入射及び反射させて、表示装置１を頭部に装着した観察者の眼Ｅ前に映像情報を表示する。
また、表示装置１は、外界から光の一部を、反射部２０を透過させ観察者側に到達させて、映像と外界の光とを重ねて見せる、いわゆるシースルー機能を備えている。

映像源１１は、映像光を表示するマイクロディスプレイであり、例えば、透過型の液晶表示デバイスや、反射型の液晶表示デバイス、有機ＥＬ等を使用することができる。映像源１１は、例えば、対角が１インチ以下のマイクロディスプレイが使用される。映像源１１は、フレーム部１０の表示装置１を装着した観察者の頭部側面に対応する位置に配置されている。
投射光学系１２は、映像源１１から出射された映像光を平行光として投射する複数のレンズ群から構成される光学系であり、映像源１１の映像光の出光部に対向する位置に配置されている。

図２は、本実施形態の表示装置に用いられる反射部２０の詳細を説明する図であり、図１のａ部詳細図である。
反射部２０は、映像光を観察者側に反射する反射部材であり、フレーム部１０の表示装置１を装着した観察者の眼Ｅに対向する位置に配置されている。反射部２０は、図２に示すように、基材層２１、光学形状層２２、反射層２３から構成されている。
基材層２１は、反射部２０の基礎となる透明基材であり、例えば、厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍのアクリルや、シクロポリオレフィン等の樹脂の板状部材が使用される。

光学形状層２２は、図２に示すように、基材層２１の観察者側（−Ｙ側）の面に設けられた光透過性を有する層であり、映像源１１から出射される映像光を観察者側に反射する単位光学形状部２２１が、観察者側の面に複数形成されている。
単位光学形状部２２１は、鉛直方向（Ｚ方向）から見た形状、すなわち、Ｘ方向（観察者の左右方向）に平行であって、Ｙ方向（観察者の前後方向）に平行な面における断面形状が、略三角形形状である。

この単位光学形状部２２１は、観察者側（−Ｙ側）に凸であり、光反射面２２１ａと、この光反射面２２１ａと隣接し、対向する光透過面（光透過部）２２１ｂとを備えている。本実施形態では、表示装置１の使用状態において、単位光学形状部２２１は、光反射面２２１ａが頂点ｔを挟んで光透過面２２１ｂよりも−Ｘ側に位置している。
この光反射面２２１ａは、その面上に反射層２３が形成されており、映像源１１から出射した映像光を観察者側に反射することができる。また、光透過面２２１ｂは、反射部２０の背面側（＋Ｙ側）から入射する外界の光を観察者側に透過することができる。

図２に示すように、単位光学形状部２２１は、Ｘ方向（観察者の左右方向）に平行な方向に対して−Ｙ側に所定の角度（配列角度）θだけ傾斜した方向に、複数配列されている。
この単位光学形状部２２１の光反射面２２１ａが、Ｘ方向に平行であってＺ方向に平行な面となす角度は、αであり、光透過面２２１ｂがＸ方向に平行であってＺ方向に平行な面となす角度は、βである。また、単位光学形状部２２１の配列ピッチは、Ｐである。
本実施形態の各単位光学形状部２２１は、その配列ピッチＰが約１００μｍであり、配列角度θが１５°（０°〜３０°）であり、光反射面２２１ａの角度αが４５°である。また、光透過面２２１ｂの角度βは０°、すなわち、光透過面２２１ｂは、Ｘ方向に平行であってＺ方向に平行な面と平行である。

ここで、光反射面２２１ａの角度αは、映像光を適正に観察者側に反射させる観点から、２０°≦α≦６０°の範囲内であることが望ましい。また、光透過面２２１ｂの角度βは、反射部２０を透過する外界の光の屈折を回避する観点から、Ｘ方向に平行であってＺ方向に平行な面と略平行であることが望ましい。ここで、略平行とは、光透過面２２１ｂがＸ方向に平行であってＺ方向に平行な面と完全に平行（β＝０）である場合だけでなく、両面がなす角度βが０°に近似し得る場合も含むものをいう。
本実施形態では、反射部２０に設けられる各単位光学形状部２２１は、配列ピッチＰ、角度αがそれぞれ一定に形成される例を示したが、これに限定されるものでない。各単位光学形状部２２１の配列ピッチＰや、角度αは、単位光学形状部２２１の配列方向に沿って次第に変化する形態等としてもよく、映像光Ｌを投影する映像源１１の画素（ピクセル）の大きさや、映像源１１の投射角度（光反射面への映像光の入射角度）、反射部２０の画面サイズ等に応じて、適宜変更可能である。

光学形状層２２は、光透過性の高いウレタンアクリレート樹脂、エポキシアクリレート樹脂等により、基材層２１の観察者側（−Ｙ側）の面に一体に形成されている。光学形状層２２は、例えば、基材層２１の観察者側の面を、上記樹脂が充填された単位光学形状部２２１を賦形する成形型に押圧し、樹脂を硬化させた後に成形型から離型する等により、形成される。なお、光学形状層２２の形成方法は、適宜選択してよく、この限りではない。
なお、光学形状層２２は、反射部２０を透過する外界の光が、反射部２０内で屈折してしまうのを回避するために、基材層２１と同等の屈折率であることが望ましい。

反射層２３は、光反射面２２１ａ上に形成された光の反射特性を有する層である。反射層２３は、単位光学形状部２２１の光反射面２２１ａの面上に光反射性の高い金属、例えば、アルミニウムや、銀、ニッケル等により形成されている。本実施形態では反射層２３は、アルミニウムを蒸着することにより形成されている。また、これに限らず反射層２３は、光反射性の高い金属をスパッタリングしたり、金属箔を転写したり、金属薄膜を含有した塗料を塗布したりする等により形成されてもよい。
反射層２３は、光を反射するために十分な厚さであれば、その材料等に応じて厚さを自由に設定することができる。本実施形態では、反射層２３は、入射した映像光のほぼ全てを観察者側に反射（正反射）させる反射層であるが、映像光の一部を反射するとともに、反射部２０の背面側（＋Ｙ側）から入射する外界の光の一部を透過するようなマジックミラー（ハーフミラー）状にしてもよく、その反射率と透過率の割合は適宜設定することができる。

次に、本実施形態の反射部２０に入射する映像光Ｌ及び外界の光Ｇの動作について説明する。
図１に示すように、映像源１１から出射した映像光Ｌは、投射光学系１２を介して反射部２０へと入射する。
反射部２０に入射した映像光Ｌの多くの光Ｌ１は、図２に示すように、光反射面２２１ａ上に形成された反射層２３に入射し、観察者側（−Ｙ側）に反射して、観察者の眼Ｅに到達することとなる。また、一部の映像光Ｌ２は、単位光学形状部２２１の光透過面２２１ｂに入射し、反射部２０を透過して背面側（＋Ｙ側）へ出光する。

一方、外界の光Ｇは、背面側から反射部２０に入光し、基材層２１を透過して光学形状層２２に入射する。
ここで、この光学形状層２２に入射した外界の光Ｇのうち一部の光Ｇ１は、光反射面２２１ａに入射して、反射層２３により背面側に反射することとなる。また、光学形状層２２に入射した外界の光Ｇのうち他の一部の光Ｇ２は、光透過面２２１ｂに入射して観察者側に出光し、観察者の眼Ｅに到達する。

以上より、本実施形態の頭部装着型の表示装置１は、映像光を反射する反射層２３が形成される光反射面２２１ａと、光反射面２２１ａに隣接し、光を透過する光透過面（光透過部）２２１ｂとから構成される単位光学形状部２２１が複数配列された反射部２０を備えているので、反射層２３により映像光を観察者側（−Ｙ側）に出光するとともに、外界の光を、光透過面２２１ｂを通して観察者側に透過させることができる。これにより、表示装置１は、映像光を鮮明に表示するとともに、外界の光も鮮明に表示することができる。
また、本実施形態の表示装置１は、光透過面２２１ｂが、鉛直方向（Ｚ方向）から見て観察者の左右方向（Ｘ方向）に平行な面なので、反射部２０の背面側（＋Ｙ側）から入光する外界の光を屈折させることなく観察者側に透過させることができる。
更に、本実施形態の表示装置１は、反射部２０の光反射面２２１ａが、鉛直方向から見て、ＸＺ平面（光透過面２２１ｂ）に対して観察者側に２０°≦α≦６０°の範囲で傾斜しているので、より多くの映像光を効率よく反射層２３により観察者側に反射させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、後述する変形形態のように種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。また、実施形態に記載した効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、実施形態に記載したものに限定されない。なお、前述した実施形態及び後述する変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。

（変形形態）
図３及び図４は、変形形態の反射部の詳細を説明する図であり、図２に対応する図である。
（１）上述の実施形態において、反射部２０は、単位光学形状部２２１が、光学形状層２２の観察者側の面に複数形成される例を説明したが、これに限定されるものでない。例えば、図３に示すように、反射部２０を観察者側（−Ｙ側）から順に基材層２１、光学形状層２２、反射層２３が積層される構造とし、単位光学形状部２２１が光学形状層２２の背面側の面に複数形成されるようにしてもよい。この場合、単位光学形状部２２１は、背面側（＋Ｙ側）に凸であり、表示装置１の使用状態において、光反射面２２１ａが頂点ｔを挟んで光透過面２２１ｂよりも＋Ｘ側に位置する。

（２）また、反射部２０は、上述の実施形態や変形形態（１）の光学形状層２２の単位光学形状部２２１が設けられた側の面を、図４に示すように、光学形状層２２と同等の屈折率の透明樹脂層２４により覆うようにしてもよい。これにより、反射部２０の表面に単位光学形状部２２１が表出してしまうのを防ぐことができ、単位光学形状部２２１が傷付いたり、汚損したりしてしまうのを回避することができる。なお、この場合、光学形状層２２と上記透明樹脂層とが密着するので、光反射面２２１ａに隣接して光透過部が形成されることとなる。

（３）上述の実施形態において、反射部２０は、基材層２１上に光学形状層２２が形成される例を示したが、これに限定されるものでなく、光学形状層２２が十分な厚みを有するならば、基材層２１を設けない形態としてもよい。

（４）上述の実施形態において、表示装置１は、観察者の頭部の左側に配置され、映像光を観察者の左目に反射する例を示したが、これに限定されるものでない。表示装置は、例えば、観察者の頭部の右側に装着され、映像光を観察者の右目に反射するようにしてもよく、また、観察者の頭部の左右両側にメガネのように装着され、映像光を観察者の両目に反射するようにしてもよい。なお、観察者の両目に映像を反射させる場合、表示装置は、頭部の左側用、右側用の映像源、反射部をそれぞれも設ける必要がある。

１ 表示装置
１１ 映像源
１２ 投射光学系
２０ 反射部
２１ 基材層
２２ 光学形状層
２２１ａ 光反射面
２２１ｂ 光透過面
２３ 反射層
Ｅ 観察者の眼

Claims (4)

1. 観察者の頭部に装着されるフレーム部と、
   前記フレーム部の前記観察者の頭部側面に対応する位置に配置され、映像光を出射する映像源と、
   前記フレーム部の前記観察者の眼に対応する位置に配置され、前記映像光を反射する反射層が形成される光反射面と、前記光反射面に隣接し、光を透過する光透過部とから構成される単位光学形状部が、複数配列された反射部とを備え、
   前記光反射面は、前記観察者の左右方向に平行であって鉛直方向に平行な面に対して前記観察者側に所定の角度で傾斜していること、
   を特徴とする頭部装着型表示装置。
2. 請求項１に記載の頭部装着型表示装置において、
   前記光透過部は、鉛直方向から見て、前記観察者の左右方向に略平行な面であること、
   を特徴とする頭部装着型表示装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の頭部装着型表示装置において、
   前記単位光学形状部は、鉛直方向から見た形状が、略三角形状に形成されていること、
   を特徴とする頭部装着型表示装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の頭部装着型表示装置において、
   前記光反射面の前記所定の角度αは、２０°≦α≦６０°の範囲内であること、
   を特徴とする頭部装着型表示装置。

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