JP2018040818A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッドマウントディスプレイにおいて、小型でかつシースルー性の高い映像表示手段により映像表示を行うヘッドマウントディスプレイを提供する。
【解決手段】ユーザの視野内に所定の映像情報を表示する映像表示手段を備えるヘッドマウントディスプレイであって、前記映像表示手段は、光を発生する光源部１１０と、映像を生成する映像生成素子１１１と、前記映像生成素子１１１からの映像信号光を導光する第１の光学ブロック１１２と、レンズ面と、瞳の方向へ光を折返す反射膜面１１９とが形成された第２の光学ブロック１１３と、前記第２の光学ブロック１１３と略同等の厚みを持った第３の光学ブロック１１４と、不要な光を除去する開口制限手段とを有し、前記第１及至第３の光学ブロックは光の透き通る透明体であり、かつ透明な接着剤により夫々が接着され一体化されたブロック素子である。
【選択図】図２（Ａ）

Description

本発明は、光源と映像表示素子を用いてユーザの視界中へ映像を表示するヘッドマウントディスプレイに関するものである。

ゴーグル型や眼鏡型のヘッドマウントディスプレイを用いて所定の情報を表示する、いわゆるウェアラブルな情報表示装置の光学系構成について、各種方法が提案されている。

例えば特許文献１の要約では、課題として、「シーアラウンドさらにはシースルー機構を有しながらも小型・軽量で、外界視界が大きく、低消費電力で電子像の輝度が高く、使いやすい頭部装着型画像表示装置」が記載されており、解決手段として、「表示素子と、接眼光学系と、接眼窓と、接眼窓保持部２と、筐体と、これら全体を使用者の頭部Ｍに固定するための支持部１０とからなる頭部装着型画像表示装置１であって、筐体は表示素子を覆い、接眼窓保持部２は接眼窓を使用者の視界内に保持し、接眼光学系は表示素子が表示する表示画像の虚像を作り、接眼窓はその虚像を形成する光束が使用者の眼に向かい射出する窓であり、接眼窓保持部２を構成する部材は、接眼窓から根元に向かって１０ｍｍ以上の範囲にて、一部の突起を除き、使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍ以下であり、シーアラウンド機能を有する表示装置」と記載されている。

特開２００６−３８７９号公報

次世代のウエアラブルデバイスとしてのヘッドマウントディスプレイは、装着した状態で、日常生活を送ることを想定している。したがって、ヘッドマウントディスプレイがユーザの視界を遮ることの無いよう、高いシースルー機能が強く求められる。

更に前記シースルー機能に加えて、高品質な映像や、長時間駆動を実現する為の低消費電力、携帯性や装着性を高める為の小型化がユーザの利便性を高めるうえで重要である。

例えば特許文献１では、使用者の眼に向けて出射する接眼窓保持部を有し、使用者の視軸方向への投影断面の幅を瞳径と同じ４ｍｍとし、また接眼窓保持部を構成する部材は１０ｍｍ以上の範囲において、視軸方向への投影断面の幅を同じく４ｍｍ以下とすることでシースルー機能を有する点が記載されている。

しかし、瞳径より大きい１０ｍｍ方向は接眼窓保持部を構成する部材が視界を制限しシースルー性が得られない。加えて瞳径と同じ４ｍｍ方向もシースルー性得ることはできるものの、完全に接眼窓が見えなくなるわけではない。
本発明はこれらの課題に鑑みてなされたものであって、ヘッドマウントディスプレイの映像投射光学系において、高いシースルー機能と、小型で高品質な映像の生成を可能とした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。

上記目的は、その一例として特許請求の範囲に記載する構成により達成できる。本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ユーザの視野内に所定の映像情報を表示する映像表示手段を備えるヘッドマウントディスプレイ であって、前記映像表示手段は、光を発生する光源部と、映像を生成する映像生成素子と、前記映像生成素子からの映像信号光を導光する第１の光学ブロックと、レンズ面と、瞳の方向へ光を折返す反射膜面とが形成された第２の光学ブロックと、前記第２の光学ブロックと略同等の厚みを持った第３の光学ブロックと、不要な光を除去する開口制限手段と、を有し、前記第１及至第３の光学ブロックは光の透き通る透明体であり、かつ透明な接着剤により夫々が接着され一体化されたブロック素子であるヘッドマウントディスプレイである。

本発明によれば、ヘッドマウントディスプレイの映像投射光学系において、小型でかつ高いシースルー機能と高輝度で高品質な映像を生成することが可能とし、利便性の向上したヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

本発明におけるヘッドマウントディスプレイの形態を表した概略図 第１の実施形態における映像表示手段１０２の一例の概略図 図２（Ａ）のクリア光学ブロックをユーザの頭上の方向から見た図 （Ａ）及び（Ｂ）はクリア光学ブロックの内面反射による迷光生成の様子を示した概略図 （Ａ）及び（Ｂ）は映像生成素子からの出射光線の進行方向を示した概略図 映像表示手段の光学系を示した簡略図 迷光光線と開口制限幅の関係性を描いた概略図 映像生成素子の中央と両端から出射する主光線の概念図 クリア光学ブロック素子の概略図 （Ａ）及び（Ｂ）反射型の液晶素子を用いた映像表示手段の光学系を示した簡略図 光学系長伸長レンズをプリズム構成とした映像表示手段の光学系を示した簡略図 第３の実施形態における映像表示手段の構成の概略 （Ａ）及び（Ｂ）は第４の実施形態における映像表示手段のクリアブロックの構成の概略図 ヘッドマウントディスプレイのブロック図 ヘッドマウントディスプレイの経路案内機能の様子を表した概略図

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明を適用した映像表示手段およびそれを備えたヘッドマウントディスプレイの実施形態の一例について、以下図面を用いて説明する。なお、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、各図において同じ作用を示す構成要素は、同じ符号を用いて示している。

図１は、本発明によるヘッドマウントディスプレイの第１の実施例の形態を表した概略図である。
ヘッドマウントディスプレイ１００はユーザの頭部１０１に装着し、外界が視認可能な状態でユーザの視野内の一部に映像を表示させる映像表示手段１０２を搭載した、シースルー型のヘッドマウントディスプレイである。ユーザの視野内の領域１０３に映像を表示する。また、ユーザの視野範囲の一部を撮影する撮影手段１０４を搭載している。

前記映像表示手段１０２は例えば、ヘッドマウントディスプレイ１００に搭載された液晶やデジタルマイクロミラーデバイス等に表示された映像を、レンズやホログラムや、光ファイバ等を用いた所定の光学手段によってユーザの視野内へ伝達し、ユーザの網膜上に結像させることで映像として認識させる構成であればよい。 前記撮像手段はカメラ等を用いればよい。

前述したように、次世代のウエアラブルデバイスとしてのヘッドマウントディスプレイは、装着した状態で、日常生活を送ることを想定している。したがって、ヘッドマウントディスプレイがユーザの視界を遮ることの無いよう、高いシースルー機能が強く求められる。

例えば、メガネ状の構成に映像表示機能を持たせることができれば、従来に比べ、大幅にシースルー性を高めることができる。

しかし、ヘッドマウントディスプレイの映像表示機能を実現するには、瞳の近くにレンズや反射ミラーを配置しなければならず、これら光学部品と光学部品を支持する為の構造部品がシースルー性を劣化させる要因となっていた。

そこで本実施例によれば、メガネ状の透明なブロック内にレンズ機能や反射面機能付加した素子を用いることで、シースルー機能を高めたヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

図２（Ａ）に、第１の実施形態における映像表示手段１０２の一例の概略図を示す。光を発光する光源部及び照明光学系１１０と、映像を生成し画像を表示する映像生成素子１１１と、映像生成素子からの映像光を導光する第１の光学ブロック１１２と、 虚像を生成するレンズ面１１８と瞳の方向へ光を折返す反射膜１１９とが形成された第２の光学ブロック１１３と、 前記第２の光学ブロックと視野方向の厚みが略同等である第３の光学ブロック１１４とから成り、前記第１及至第３の光学ブロックはいずれも光が透き通る透明体の部材で形成される。第１及第２の光学ブロックは接着面１１５において透明な接着剤により接着される。第２及第３の光学ブロックは接着面１１６において透明な接着剤により接着される。したがって、第１及至第３の光学ブロックは透明な接着剤により接着され一体化されたクリア光学ブロック素子１１７となる。透明なブロックを透明な接着剤で接着することにより、クリア光学ブロック素子の透明性を高めることで、ヘッドマウントディスプレイのシースルー性を高めることができる。

また、第２の光学部ブロック１１３の接着面１１６の面積は、反射膜形成領域１１９の面積よりも大きいことが望ましい。特に、高さ方向に大きいことが望ましい。これはクリア光学ブロックの高さが反射膜の高さ方向サイズと同程度（１０ミリ程度）だと、視野の一部分に透明な光学ブロックが存在することとなり、光学ブロックの屈折率により、当該部分だけ視界が歪んでしまう。これを避けるために、高さ方向はユーザの視野範囲を十分カバーするサイズにまで広げた形状とすることが望ましい。

図２（Ｂ）には前記図２（Ａ）で記載したクリア光学ブロックをユーザの頭上の方向から見た図を示す。映像生成素子１１１を出射した光線１３０は第１の光学ブロックの入射面１２０へ入射し、第１の光学ブロック出射面１２１から出射し、第２の光学ブロックのレンズ面１１８を経て、反射膜面１１９にてユーザの瞳方向へ折返された後、ユーザの瞳１２２に到達してユーザの視野内へ映像情報を表示させることができる。

前記反射膜１１９は例えば入射光に対し所定の割合で透過と反射が光に分離されるハーフミラー膜とすればよい。ハーフミラー膜とすることで、外界からの光も一定光量が透過してユーザに瞳へ到達することとなる為、シースルー性を持たせることができる。また、反射膜は偏光選択性の反射膜としてもよい。映像生成素子に液晶を用いた場合、クリア光学ブロックに導かれる映像信号光は偏光性を持っている為、選択的に反射させることで、映像信号光の反射効率をハーフミラー膜よりも高めることができ、光利用効率を高めることができる。外界からの光はランダム変更となる為、透過成分が発生する為、シースルー性を維持することもできる。

また、反射膜を、光が１００％近く反射するミラー膜とすれば、更に光利用効率を高めることが可能である。ただし、シースルー性を維持する為には、反射膜領域の高さ方向のサイズを瞳の大きさよりも小さくする必要がある。

このように、透明な光学ブロックを透明な接着剤で接着して一体化すると共に、虚像を生成し、ユーザの瞳へ伝達するレンズやミラー部も一体化してしまうことで、透明度の高い光学系とすることができ、シースルー性を高めつつユーザの視界中へ映像を生じできる映像生じ手段を提供することができる。

ただし、クリア光学ブロックには以下のような、前記クリア光学ブロックは内部で光線が内面反射し、迷光を生み出してしまうという課題がある。これについて以下詳細に説明する。

図３（Ａ）にクリア光学ブロックの内面反射による迷光生成の様子を示す。映像生成素子１１１から出射した光線１３０のうち角度がついて出射される成分は、クリア光学ブロックの内壁にあたってしまう。この時入射角度が浅いので光学ブロック内で内面反射し、瞳の方向へ向かう迷光成分となる。クリア光学ブロックの厚みを増すことで内面反射を回避することができるが、これではヘッドマウントディスプレイが大型化し、携帯性や装着性が損なわれるという課題がある。もしくは、内面反射部を黒塗りすることで、迷光の発生を抑えることができるが、この場合シースルー性を大きく損なう。

そこで本実施例では第１の光学ブロック出射面１２１開口制限手段を設けることで、不要な迷光成分を除去する構成とすればよい。図３（Ｂ）に開口制限手段を設けた光学系の概略図を示す。第１の光学ブロック出射面１２１に開口制限手段１３１を設けることで、信号光はなるべく透過させつつ、内面反射した迷光を効率的に遮断し迷光がユーザの瞳へは到達しない構成とすることができる。この開口制限手段によりクリア光学ブロックを薄型化が可能となり、ヘッドマウントディスプレイの小型化や携帯性や装着性を高めることができる。

図３では映像生成素子の中央から出射した映像信号光の光線について議論したが、映像生成素子の画面領域の隅の部分から出射した光線については、振る舞いが異なる為、図４を用いて新たに説明する。

図４（Ａ）は映像生成素子１１１の画面領域の隅の部分から出射した光線の進行方向について記載したものである。出射した光線１３０のうち角度がついて出射される成分は、クリア光学ブロック内面で反射するが、映像生成素子に近い位置で内面反射して迷光成分となってしまう。その後この迷光光線は第１の光学ブロック出射面１２１において中心よりの位置を進んでしまうため、前記開口制限手段１３１では遮断することが難しい。開口制限手段１３１で遮断することも可能だが、この場合は開口の制限範囲が広くなり信号光成分を遮断する割合も大きくなるため、ユーザの視野に表示する画面の周囲の部分が画面中心部に比べて暗くなってしまう。

そこで、図４（Ｂ）では新たに第１の光学ブロック入射面１２０に第２の開口制限手段１３２を設けることで、映像生成素子１１１の画面領域の隅の部分から出射した光線の内面反射による迷光の発生を除去する構成とすることができる。

以降、開口手段１３１を第１の開口手段、開口手段１３２を第２の開口手段と呼ぶこととする。前述したように、映像信号光の効率を落としてもよければ、第１又は第２の開口手段のみを設けた映像表示装置としても一向に構わない。第１及び第２の開口手段を夫々設けることで、映像信号光の遮断を最小限に抑えつつ、効率的に迷光の除去を行い、高効率で薄型なヘッドマウントディスプレイを提供できる。

前記第１及び第２の開口制限手段の具体的な構成は、例えば以下のような構成とすればよい。光学ブロックの入射面又は出射面の開口制限領域を黒色の塗料で塗装すればよい。特別な追加部品を搭載するスペースを空ける必要なく、最も小型な光学系構成とできる。または、黒色のシールを貼っても構わない。塗装は製造時に細かな作業が必要であるが、シールとすれば貼るだけとなり、製造工程を簡素化できる。もしくは、開口制限をするような黒色のホルダ部品を追加しても構わない。黒塗装よりも簡単な工程で製造でき、シールよりも剥離等の懸念を減らすことができる。

特に図示しないが、前記した迷光のほかにも、クリア光学ブロックの外縁部分へ飛んだ光は一部内面反射してしまう。この為クリア光学ブロックの外縁部分は黒塗装を行うか、一般のメガネ同様のフレームで覆ってしまうことが望ましい。フレームは光の反射を減らすためになるべく黒に近い色のフレームとすることが望ましい。加えて、このフレームのうち、第１の光学ブロック入射面１２０に相当する位置のみに光が通る開口を設けることで前記第２の開口制限手段とすることもでき、フレームと第２の開口制限手段を一体化した構造とすることもできる。

次に前記第１と第２の開口制限手段によって必要な遮光幅（又は開口幅）について具体的に記載する。

図５は映像生成素子とレンズと瞳のみの簡略化した映像表示手段の光学系を示した概略図である。ユーザの瞳の大きさをφｐ、レンズの大きさ又は前記第１の光学ブロックの顔の前後に相当する方向の厚みをＴ、レンズから瞳までの距離をＬＰ、映像生成素子からレンズまでの距離をＢＦと表すこととする。光線の傾きが大きくなるとレンズ面１１８を通過した光はやがてユーザの瞳に入射しなくなる。この入射角度を大きくしたときの光線１３３の入射角度をθｐと表すこととする。この角度θは以下の関係式（１）によって表すことができる。

θｐ=ａｔａｎ（(φｐ＋Ｔ)／ＬＰ） 式（１）

光線の角度が角度θｐよりも大きい場合、ユーザの瞳へ光線が入射しないためユーザは迷光を認識することができない。ユーザの視界中に表示される虚像にはゴースト等の発生が無いこととなる。したがって、前記角度θｐよりも小さい角度で入射する光線について前記第１の開口制限手段により、当該光線を除去すればよいこととなる。

次に前記角度θｐと開口制限手段による開口制限幅Ｗについて図６の迷光光線と開口制限幅の関係性を描いた概略図を用いて説明する。

前述の通り、第１の光学ブロックの出射面１２１に対して角度θｐ以下の光線について議論すればよい。そこで、角度θｐの光線１３４を図６では描いている。映像生成素子を角度θｐで出射した光線は、光学ブロック内で内面反射し、前記出射面１２１に角度θｐで入射する。第１の光学ブロックの光軸方向の長さをＯＢＬ、第１の光学ブロックの屈折率をｎ、第１の光学ブロックの入射面１２０から角度θｐの光線の内面反射位置までの距離をＲＬ、映像生成素子１１１から第１の光学ブロックの入射面１２０までの距離をＳＬと表すこととする。

内面反射位置までの距離をＲＬは式（２）のように書くことができる。

ＳＬｔａｎθｐ＋ＲＬｔａｎ（ａｓｉｎ（ｓｉｎθｐ／ｎ））＝Ｔ／２ 式（２）

更に近軸近似を用いて式（２）を整理すると式（３）と表すことができる。

ＲＬ＝（ｎＴ）／（２θｐ）−ｎＳＬ 式（３）

一方、開口制限幅Ｗは以下の式（４）のように書くことができる。

Ｗ＝ｔａｎθｐ×（ＯＢＬ−ＲＬ） 式（４）

先ほどの距離ＲＬを代入すると、最終的に第１の開口制限手段による開口制限幅Ｗは以下の式（５）のように書くことができる。

Ｗ＝ｔａｎθｐ×｛ＯＢＬ−（ｎＴ）／（２θｐ）＋ｎＳＬ｝ 式（５）

改めて近軸近似を用いて整理すると、式（６）となる。

Ｗ＝（(φｐ＋Ｔ)／ＬＰ）（ＯＢＬ＋ｎＳＬ）−ｎＴ／２ 式（６）

一般的に人間の瞳（瞳孔）の大きさは２ｍｍから８ｍｍである。したがって最大の８ｍｍにおいて遮光幅を考慮しておけば、これより小さい瞳サイズの場合にも迷光が生じることはない。角度θｐよりも小さい角度の光線は前記第１の光学ブロック入射面１２１のＷの位置よりも外側を通る為、式（６）を満たす幅以上の開口制限を設ければ、ユーザの瞳に入射する迷光成分を遮断することができる。

図７には映像生成素子の中央と両端から出射する主光線の概念図である。画面中央の画素から出た光線の主光線１４０と両端の画素から出射した主光線１４１と１４２を夫々描いている。前述の第１の開口制限手段の開口制限幅が狭くなり、各画素の主光線まで遮断してしまうと、映像信号光量の減少が著しくなり、画面の周辺部が非常に暗くなる。したがって、第１の開口制限の開口制限幅は前記Ｗよりも大きく映像生成素子の映像生成領域の幅よりも小さいことが望ましい。

第２の開口制限手段についても前述と同様の観点から開口制限幅Ｗ２は映像生成素子の映像生成領域の幅よりも小さいくすることが望ましい。

次に外部からの光が迷光となる場合について考える。接着面１１５は透明な接着剤により接着されるが、光学ブロックを屈折率が完全に一致しない限りは、全反射が発生する。屈折率のマッチングを取ることで、全反射となる光線入射角度は大きくできる。したがって、入射角が８０°以上のものを主に考慮すればよい。そこで、図８に示したクリア光学ブロック素子の概略図ように接着面１１５を顔の縦方向に相当する軸を回転軸として回転させることで、接着面１１５に対して入射角度が８０°以上となる光線はユーザの瞳方向へ飛ばない構成とすることができる。

したがって、顔の縦方向に相当する軸を回転軸として、前記第２と第３の光学ブロックの接着面は、映像信号光を瞳方向へ折返すために第１の光学ブロック入射面に対して回転しているが、これに対して、前記第１の光学ブロックと第２の光学ブロックの接着面は、前記第２の光学ブロックと第３の光学ブロックの接着面とは逆方向に、前記回転軸に沿って回転している構成とすることで外部からの光による迷光を抑えることができる。

これまで、映像生成素子として透過型の液晶を想定した構成で説明をしてきたが、これに限定されるものではない。映像生成表示する機能を持ったものであれば自由に変更してかまわない。一例として図９（Ａ）に反射型の液晶素子を用いた光学系の一例を図９（Ｂ）にはマイクロミラーデバイスを用いた場合の光学系の一例の概略図を示す。反射型の液晶素子を用いた場合には偏光選択性のビームスプリッタ１５０を用いる構成とすればよい。マイクロミラーデバイスを用いる場合には、全反射の有無によって往復路を切り分ける為のＴＩＲプリズム１５１や斜入射する照明光の収差補正の為の補正プリズム１５２を用いた構成とすればよい。これらは一例であり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

これまで説明したクリア光学ブロックは第１の光学ブロック出射面１２１と第２の光学ブロックのレンズ面１１８の間に空気層ができている。この空気層部分へのホコリ等の侵入を防ぐために、ホルダ等により封止する構成としてもよい。別部品としてホルダを用意するのではなく。第１と第２の光学ブロックの形状を変更し勘合させることで、封止される構成としてもよい。

また、別のレンズを前記レンズ面１１８に貼り合せたダブレット構成とすることで、空気層を埋めて、ホコリの侵入防止及びクリア光学ブロックのシースルー性の向上を行い、かつダブレット化により色収差の補正も可能であり虚像の表示映像の品質をも向上させることができる。

以上の構成により、クリア光学ブロック素子を用いた映像表示手段を備えたヘッドマウントディスプレイとすることで、高いシースルー性に加えて、小型で迷光の少ない高品質な映像を生成できるヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

第２の実施例について図１０用いて説明する。本実施例では、光学系長を伸長させるレンズを新たに設けることで、サイズの大きい映像生成素子周辺の光学系を顔の側面側（耳側）へ持っていくことができ、ユーザがヘッドマウントディスプレイを装着した際の顔の前面部に配置される構造部をより小型にできる。

図１０は光学系長伸長レンズを設けた映像表示手段を表した概略図である。クリア光学ブロック１１７は実施例１で記載したクリア光学ブロックと同様の構成で構わない。第１の実施例と異なる点は、前記クリア光学ブロックと情報生成表示装置との間に光学系長を伸ばすための光学系長伸長レンズ１５５を設けている。第二の光学ブロックレンズ面１１８から情報生成表示装置までの距離（バックフォーカス）は一般的にレンズ１１８の焦点距離程度となる。したがって、バックフォーカスを伸ばすにはレンズの焦点距離を伸ばす必要性があるが、焦点距離をのばすと虚像のサイズが小さくなるという課題が生じる。そこで正のパワー（凸レンズ）を持ったレンズを追加することで、合成の焦点距離は大きく変えることなく、レンズ１１８から映像生成素子までの光学系長を伸ばすことができる。

また、レンズ面１１８の曲率よりもレンズ１５５の曲率をきつくすることにより、より光学系長を伸ばすことができる。

サイズの大きい情報生成表示装置の周囲の光学系を顔の側面側へ持っていくためには、光線を折返す必要がある。図１０では光学系長伸長レンズをプリズム構成とし、入射面である第１面に曲率のついたレンズ面を設け、第２面を反射面とし、第３面の出射面からクリア光学ブロックへ光を出射する構成とし、反射面とレンズ面をプリズム化するとこにより１つの光学部品で実現できる構成とすることで、小型化や低コスト化をすることができる。

第１の実施例では第２の開口制限手段は入射面１２０に設けたが、本実施例では光学系長伸長プリズムの入射面に設けることが望ましい。開口のサイズは第１の実施例と同様に信号光量の観点から、映像生成素子の映像生成領域のサイズと同程度かそれ以上とすることが望ましい。開口制限する方法としては、入射面に開口ホルダを設ければ良い。また、クリア光学ブロック１１７とレンズプリズム１５５は別体としてレンズプリズム１５５の大きさを開口制限のサイズと同程度とすることでプリズム自体によって開口制限機能を持たせることもできる。この場合有効径外の面は黒塗りをすることで、内面反射による迷光を抑制することができる。

また、図ではクリア光学ブロックの顔に対して垂直に配置された面１５８及び１５９は平行な直線となっているが、映像信号光の通る空間が確保できていれば、曲線となっていても一向に構わない。この時、面１５８と１５９はなるべく光学ブロックの厚みが変わらないような曲線形状とすることが望ましい。

即ち、本実施例では、前記映像生成素子と前記ブロック素子の間に正のパワーを持った光学系長伸長レンズが配置され、前記光学系長伸長レンズの曲率は前記第２の光学ブロックに設けられたレンズ面の曲率よりも大きい。また、レンズ面と反射面を備えた光路伸長プリズムを配置する場合は、前記光学系長伸長プリズムは、前記映像生成素子から見て、第１面はレンズ面、第２面は反射面、第３面は平面又は曲面となる。

加えて、光学系長伸長レンズ入射面と 第１の光学ブロック出射面に前記開口制限手段を設けることで迷光を抑制できる。

以上の様に、光学系長を伸長させるレンズを新たに設けることで、サイズの大きい映像生成素子周辺の光学系を顔の側面側（耳側）へ持っていくことができる。ユーザがヘッドマウントディスプレイを装着した際の顔の前面部に配置される構造部をより小型にでき、装着性やデザイン性を高めたヘッドマウントディスプレイを提供することができるという利点がある。

第３の実施例について図１１用いて説明する。本実施例では、屋外で本発明を搭載したヘッドマウントディスプレイを使用する際に、高コントラストな映像で情報を表示することができる。

図１１は本実施例におけるヘッドマウントディスプレイに搭載する映像表示手段の構成の概略を示した図である。映像表示手段の構成は実施例１で記載した構成と虚像を生成する部分に関しては同様で構わない。第１の実施例と異なる点は、クリア光学ブロックに、紫外線に反応して発色する調光性光学部材層１６０が設けられていることである。

前記調光性光学部材は、太陽光や紫外線によって色が変わる調光性（フォトクロミック性）をもつ光学部材である。紫外線のエネルギーによって発色し、可視光や熱のエネルギーにより退色するという機能をもつ。したがって、屋内にいるときは透明であり、外に出て太陽光による強い紫外線に晒されると発色してサングラスの様になり、光をカットすることができる。

シースルー性の高いヘッドマウントディスプレイを太陽光によって非常に明るい屋外環境で使用すると、表示画面の明るさが不足し、暗く感じられ視認性が低下する。すなわち周囲環境輝度に対する表示画面輝度のコントラストが低下しているということである。そこで、前記調光性光学部材層をクリア光学ブロックの顔の前後に相当する方向に垂直でかつユーザの瞳から遠い側の垂直面側に設けることで、太陽光（紫外線）の強い屋外においては周囲環境の光を一定量カットすることでヘッドマウントディスプレイの表示画面のコントラストを高め視認性を向上することができる。屋内の輝度の低いところにおいては、調光機能により前記調光性光学部材層は透明となり、輝度の小さい環境でのシースルー性を確保することができる。また光学ブロック全体ではなく、前記ユーザの瞳から遠い側の垂直面側のみに調光性光学部材層を設けることで、光学ブロック内を通る映像信号光は減衰されない構成とすることができ、高輝度で屋外においても高コントラストなヘッドマウントディスプレイを提供することができるという利点がある。

第４の実施例について図１２（Ａ）用いて説明する。本実施例では、クリア光学ブロックのレンズ面と反射面を一体化することで、より接着面や光学面を減らしたクリア光学ブロックの構成とすることができる。

図１２は本実施例におけるヘッドマウントディスプレイに搭載する映像表示手段のクリアブロックの構成の概略を示した図である。その他の映像表示手段の構成は実施例１で記載した構成と同様で構わない。第１の実施例と異なる点は、クリア光学ブロックの構成である。

第１の実施例のレンズ面と反射面を一体化して反射曲面１７０を形成する事で、虚像の生成と瞳方向への光線の折り返しを実現する。したがった、光学ブロックは第２と第３の光学ブロックに相当する２つの部品から構成することができる。接着面や、光学ブロック出射面１２１に相当する面が無くなり、シースルー性の向上や迷光の発生を抑制できるという利点がある。

また、図１２（Ｂ）には光学ブロック入射面１７１も曲面とした場合の構成を示した。入射面側にも曲面を設けることで収差の補正をより良く行うことができ、高品質な映像を生成できる。また、曲面はレンズ領域中心に対して非対称な形状となっても一向に構わない。

図１３は、第１及至第４の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１００のブロック図の一例を示した概略図である。１００はヘッドマウントディスプレイ、２０１はヘッドマウントディスプレイ１００全体を制御するコントロール部、１０４は撮像手段、１０３は映像表示手段、２０２は電源供給手段、２０３は記憶媒体、２０４はセンサ入出力部、２０５はセンシング手段、２０６は通信手段、２０７は通信入出力部、２０８はマイクやイヤホンに相当する音声入出力部、２０９は音声処理手段である。

なお制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。

通信手段２０６は、通信入出力部２０７を介したネットワークとの接続を無線通信により行う。例えば、ヘッドマウントディスプレイ１００が直接インターネット等の基地局に接続して情報を取得する構成とすることや、少なくとも撮像部及び表示制御部を備えたヘッドマウントディスプレイとして、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉｆｉ（登録商標）、ＵＨＦ、ＶＨＦなどの近距離/遠距離無線通信により別筐体の情報端末（スマートフォンやタブレット型端末、ＰＣ等）と通信を行い、インターネット等との接続と主な処理を前記情報端末が行うような構成としてもよい。

またセンシング手段２０５としては、傾斜センサや加速度センサなどユーザの体勢や向き、動きを検出するもの、視線センサや温度センサなどユーザの身体状態を検出するもの、ＧＰＳセンサによるユーザの現在位置の検出、感圧センサや静電容量センサなどユーザの指示入力を検知する入出力Ｉ／Ｆとして用いられるもの、近接センサによるユーザの装着の有無の検知など、複数のセンサを搭載可能である。

図１４にヘッドマウントディスプレイの経路案内機能の様子を表した概略図を示す。ＧＰＳセンサによる位置情報の取得と、撮像手段による周囲の風景の検出及び認識により、前記映像表示手段を通じてユーザへ拡張現実（ＡＲ）として、例えば左へ曲がるポイントに重なるように経路を案内する矢印２２０等を表示させることが可能である。

前記した構成を備えたヘッドマウントディスプレイとすることで、小型かつ軽量で装着性及び携帯性が高く、さらに、ユーザの視界を遮ることが無いシースルー機能を有し、高品質な映像表示ができるヘッドマウントディスプレイとすることができる。

以上、本発明に従う映像表示手段及びそれを用いたヘッドマウントディスプレイの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良や変形を行うことができる。つまり、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００…ヘッドマウントディスプレイ
１０１…ユーザ
１０２…映像表示手段
１０３…映像表示範囲
１０４…撮像手段
１１０…光源部
１１１…映像生成素子
１１２…第１の光学ブロック
１１３…第２の光学ブロック
１１４…第３の光学ブロック
１１７…クリア光学ブロック素子
２０１…コントローラ
２０２…電力供給手段
２０３…記憶媒体
２０４…センサ入出力部
２０５…センシング手段
２０６…通信手段
２０７…通信入出力部
２０８…音声入出力部
２０９…音声処理手段

Claims (12)

1. ユーザの視野内に所定の映像情報を表示させる映像表示手段を備えるヘッドマウントディスプレイ であって、
   前記映像表示手段は、
   光を発生する光源部と、
   映像を生成する映像生成素子と、
   前記映像生成素子からの映像信号光を導光する第１の光学ブロックと、
   レンズ面と、前記ユーザの瞳の方向へ光を折返す反射膜面とが形成された第２の光学ブロックと、
   前記第２の光学ブロックと略同等の厚みを有する第３の光学ブロックと、
   不要な光を除去する開口制限手段と、
   を有し、
   前記第１及至第３の光学ブロックは光の透き通る透明体であり、かつ透明な接着剤により夫々が接着され一体化されたブロック素子であるヘッドマウントディスプレイ。
2. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記第２の光学ブロックと第３の光学ブロックとが接着されている面の面積は、
   前記第２の光学ブロックの反射膜が形成された領域の面積より広いこと
   を特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
3. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記開口制限手段は前記第１の光学ブロックの入射面及び出射面に設けられていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
4. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記第１の光学ブロックにおいて、入射面から出射面までの長さをＯＢＬとし、屈折率をｎとし、装着された時の顔の前後に相当する方向の厚みをＴとし、
   前記第２の光学ブロックのレンズ面から、ユーザの瞳までの距離をＬＰとし、
   前記映像生成素子から第１の光学ブロック入射面までの距離をＳＬとし、
   ユーザの瞳の大きさをφｐとしたときに、
   前記第１の光学ブロック出射面における開口制限手段による開口制限幅が、
   （(φｐ＋Ｔ)／ＬＰ）（ＯＢＬ＋ｎＳＬ）−ｎＴ／２
   よりも大きいことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
5. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記一体化されたブロック素子の外縁部は、
   黒塗り又は光を遮断するフレームにて覆われていること
   を特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
6. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記第２の光学ブロックに形成された反射膜面は、
   ハーフミラー膜又は偏光選択性の反射膜又は通常の反射膜であること、
   を特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
7. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   顔の縦方向に相当する軸を回転軸として、前記第２と第３の光学ブロックの接着面は、第１の光学ブロック入射面に対して回転し、
   前記第１の光学ブロックと第２の光学ブロックの接着面は、前記第２の光学ブロックと第３の光学ブロックの接着面とは逆方向に、前記回転軸に沿って回転していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
8. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記映像生成素子と前記ブロック素子の間に正のパワーを持った光学系長伸長レンズが配置され、
   前記光学系長伸長レンズの曲率は前記第２の光学ブロックに設けられたレンズ面の曲率よりも大きいこと
   を特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
9. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記映像生成素子と前記一体化されたブロック素子の間にレンズ面と反射面を備えた光路伸長プリズムが配置され、
   前記光学系長伸長プリズムは、前記映像生成素子から見て、
   第１面はレンズ面、第２面は反射面、第３面は平面又は曲面であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
10. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
    前記光学系長伸長レンズを用いた映像表示装置であって
    前記開口制限手段は、光学系長伸長レンズ入射面と 第１の光学ブロック出射面に設けられたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
11. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
    前記一体化されたブロック素子の顔の前後に相当する方向に垂直でかつユーザの瞳から遠い側の垂直面であって、
    前記垂直面側に、紫外線に反応して発色する調光性の光学部材層が設けられていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
12. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、更に、
    ユーザの視界方向を撮影する撮像手段と、
    電源を供給する電源供給手段と、
    情報を記録する為の記憶媒体と、
    ユーザの位置や姿勢を検出する為のセンシング手段と、
    外部機器と通信する為の通信手段と、
    音声の入力または出力を行う音声処理手段と、
    装置全体の制御を行うコントロール部とを搭載したヘッドマウントディスプレイ。

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