JP2019045589A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射透過面を含む観察光学系を用い、広画角化で十分なアイレリーフを確保する。【解決手段】画像表示装置は、表示素子１０６と、光学面としての第１面１０１、第２面１０２および第３面１０３を少なくとも有して内部が光学媒質で満たされた光学素子により構成され、表示素子に表示された原画からの光を第３面を透過させ、第１面で内部全反射し、第２面で反射し、第１面を透過させて射出瞳に導く観察光学系１０７とを有する。観察光学系において原画の中心からの光線が第３面、第１面、第２面および第１面を辿って射出瞳の中心に至る光路を含む断面を第１の断面とし、該第１の断面に直交する断面を第２の断面とするとき、第１面のうち光を内部全反射する全反射領域は、第２の断面において、中心部が射出瞳に向かって凹となり、該中心部の両側の周辺部が射出瞳に向かって凸となる形状を有する。【選択図】図５

Description

本発明は、表示素子に表示された画像（原画）を観察光学系を介して観察するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等の画像表示装置に関する。

上記のような画像表示装置は、小型かつ広画角であることが望まれている。特許文献１および特許文献２には、パワーを有する偏心反射面を複数用いた偏心光学系（プリズム）を用いた画像表示装置が開示されている。この偏心光学系には、光を内部全反射した後に観察者の眼（射出瞳）に向けて透過させる反射透過面が含まれている。

特許第３４０６９５８号公報 特許第３６８３３３７号公報

しかしながら、特許文献１，２にて開示された偏心光学系を広画角化すると、透過兼反射面が観察者の眼側にせり出して、該光学系と観察者の眼との間の距離であるアイレリーフが短くなる。

本発明は、反射透過面を含む偏心光学系を用い、広画角化でありながらも十分なアイレリーフを有する画像表示装置を提供する。

本発明の一側面としての画像表示装置は、表示素子と、光学面としての第１面、第２面および第３面を少なくとも有して内部が光学媒質で満たされた光学素子により構成され、表示素子に表示された原画からの光を第３面を透過させ、第１面で内部全反射し、第２面で反射し、第１面を透過させて射出瞳に導く観察光学系とを有する。観察光学系において原画の中心からの光線が第３面、第１面、第２面および第１面を辿って射出瞳の中心に至る光路を含む断面を第１の断面とし、該第１の断面に直交する断面を第２の断面とするとき、第１面のうち光を内部全反射する全反射領域は、第２の断面において、中心部が射出瞳に向かって凹となり、該中心部の両側の周辺部が射出瞳に向かって凸となる形状を有することを特徴とする。

本発明によれば、反射透過面としての第１の面を含む偏心光学系を用いた画像表示装置において、広画角化でありながらも十分なアイレリーフを確保することができる。

本発明の実施例１である画像表示装置を示す断面図。 実施例１における第１面の形状を示す図。 実施例１における第１面のｘ＝０の位置での曲率半径を示す図。 実施例１における第１面のｙ＝１５．４、ｘ＝０の位置の近傍における形状を円で近似した形状を示す図。 実施例１における実際の光学面の形状を示す図。 実施例１における実際の光学面の形状を示す別の図。 本発明の実施例２である画像表示装置を示す断面図。 実施例２における第１面の形状を示す図。 実施例２における第１面のｘ＝０の位置での曲率半径を示す図。 実施例２における実際の光学面の形状を示す図。 本発明の実施例３である画像表示装置を示す断面図。 実施例３における第１面の形状を示す図。 実施例３における第１面のｘ＝０の位置での曲率半径を示す図。 実施例３における実際の光学面の形状を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１である画像表示装置としてのＨＭＤの構成および光路を示している。なお、図１では、観察者の視軸方向をｚ軸方向とし、図の紙面内でｚ軸方向に直交する方向をｙ軸方向とする。また、図の紙面に垂直な方向をｘ軸方向とする。さらに、以下の説明では、ｘ軸方向を水平方向といい、ｙ軸方向を垂直方向といい、観察者が視認するｘ軸方向の画角を水平画角といい、ｙ軸方向の画角を垂直画角という。図１は、ｙｚ断面（第１の断面）を示している。これらのことは、後述する他の実施例（図７および図１１）でも同じである。

図１において、観察光学系１０７は、射出瞳１００を有する。観察者はこの射出瞳１００の位置に眼（瞳）を置くことで観察光学系１０７を通して映像を観察することができる。観察光学系１０７において、１０１は第１面であり、反射透過面である。１０２は反射面としての第２面であり、１０３は透過面としての第３面である。観察光学系１０７は、第１面１０１〜第３面１０３により囲まれた内部が１以上の屈折率を有する光学媒質（ガラスまたはプラスチック）で満たされた一体のプリズム（光学素子）として形成されている。反射面である第２面１０２には、金属蒸着等により高反射率の反射膜が形成されている。

表示素子１０６は、原画としての映像を表示する。観察者は、この原画の拡大像（観察画像）を観察光学系１０７を通して観察する。観察光学系１０７の第１面１０１と射出瞳１００との間の距離をアイレリーフという。ただし本実施例では、観察光学系１０７と射出瞳１００との間に透明の保護カバーが配置されており、保護カバー１０８と射出瞳１００との距離をアイレリーフとしてもよい。

表示素子１０６に表示された原画を発した光は、第３面１０３を透過して観察光学系１０７に入射し、第１面１０１で内部全反射し、第２面１０２で反射し、第１面１０１を透過して観察光学系１０７から出射して射出瞳１００に至る。第１面１０１〜第３面１０３はそれぞれ、ｙｚ面内で偏心し、ｙｚ面が対称面となる自由曲面形状を有する。

図１が示すｙｚ断面は、原画（表示素子１０６）の中心からの光線が第３面１０３、第１面１０１、第２面１０２および第１面１０１を辿って射出瞳１００の中心に至る光路を含む断面である。水平方向は、このｙｚ断面に直交するｘｚ断面（第２の方向）に沿い、ｚ軸方向に直交する方向である。

表１は、実施例１に対応する数値例１の光学データを示す。本数値例では、表示素子１０６の大きさは２７ｍｍ×１７ｍｍである。観察光学系１０７は、焦点距離が水平方向１９ｍｍ、垂直方向２３ｍｍであり、水平画角７０°、垂直画角４０°でｚ軸正方向に画像を表示する。表１−ａに示す光学データは、虚像から物体（表示素子面）に向かう方向である逆トレース順に面番号Ｓを付している。Ｓ１は絞り面（射出瞳）であり、ＳＩは表示素子面である。本数値例において、Ｓ４からＳ７の光学面は回転非対称面であり、ｙｚ断面を唯一の対称面として持つ面対称形状を有する。Ｓ４が第１面（透過面）、Ｓ５が第２面（反射面）、Ｓ６が第１面（内部全反射面）、Ｓ７が第３面（透過面）にそれぞれ相当する。Ｓ２およびＳ３は保護カバーの両面である。

Ｘ、Ｙ、Ｚ（単位：ｍｍ）およびＡ（単位：°）は、Ｓ１の中心を原点（０，０，０）とし、図中に示したｘｙｚ座標系における各面の面頂点の位置（ｘ，ｙ，ｚ）および図１における反時計回り方向を正方向とする各面のｘ軸回りの回転角度ａを示す。なお、各面の面頂点の位置を原点にした座標系をローカル座標系と称する。Ｒは曲率半径である。また、ＴＹＰの項は面形状の種類を表し、ＳＰＨは球面を、ＦＦＳは以下の式に従う非回転対称面を示す。

ただし、ｚ：面のサグ量
ｃ：頂点曲率＝１／Ｒ
ｋ：コーニック定数、本数値実施例では０
ｒ＝√（ｘ^２＋ｙ^２）
である。
また、式（１）の右辺第２項は以下のようになり、Ｃｊは非球面係数である。

ＴＹＰの欄においてＦＦＳの横に記された数値は、その面の形状が表１−ｂに記された非球面係数に対応することを示す。表に示されていない係数Ｃｊの項の値は０である。表１−ａにおいて、Ｎｄおよびνｄはそれぞれ、その面以降の媒質のｄ線波長での屈折率とアッベ数を示す。媒質が空気である場合は、屈折率Ｎｄのみを１．０００と表示し、アッベ数νｄは省略している。

第１面１０１の光学有効領域は、ローカルｘ座標で±２３．７ｍｍ、ローカルｙ座標で１５．４ｍｍ〜−２７．１ｍｍである。

以下、図２〜図５を用いて第１面１０１の形状について説明する。第１面１０１は、臨界角以上の入射角で入射する光を内部全反射し、臨界角より小さい入射角で入射する光を透過する反射透過面である。観察光学系１０７を構成するプリズム内の光学媒質のｄ線に対する屈折率１．５７０９から、臨界角は３９．５ｄｅｇであり、第３面１０３からの光を確実に内部全反射させるためには、第１面１０１に対する入射角として約４０ｄｅｇ以上が必要になる。表示素子１０６からの光の波長や温度による屈折率の変動等も考慮して最低入射角は設定されるべきものであるが、ここではｄ線の室温付近での値を用いて説明する。

観察光学系１０７の画角を広げるためには、近軸焦点距離を短く（すなわち拡大率を高く）する必要があり、第２面１０２のパワーを強める必要がある。しかし、第２面１０２のパワーを強めると、第１面１０１での反射時の入射角が小さくなりやすい。特に、水平方向画角が０ｄｅｇとなるｘ＝０近傍の画角では入射角を大きくしにくいため、ｘ＝０となる位置、すなわち第１面１０１の水平方向での画角中心近傍（以下、中心部という）における面形状は、射出瞳１００に向かって凹の形状になりやすい。

図２は、第１面１０１の面形状を立体的に示しており、ローカルｚ軸方向（視軸方向）の値がマイナスとなる側が射出瞳側となる。図３は、図２のｘ＝０の位置におけるローカルｘ軸方向（水平方向）での曲率半径を、ローカルｙ軸方向（垂直方向）にプロットしたグラフである。ｙ＝１５．４ｍｍ、すなわち光学有効領域の最も＋ｙ側にて曲率半径が最も小さい。図３の曲率半径の中心はすべて射出瞳側にあり、ｘ＝０近傍の中心部ではｙ座標のどの位置においても面形状が射出瞳に向かって凹となっている。

第１面１０１のｙ＝１５．４ｍｍの位置における水平方向での中心部の凹形状を同方向の光学有効領域の端まで延長した場合、図４に破線で示すように第１面１０１の水平方向での中心部の両側の周辺部は、ｘ＝０の面頂点から５．８ｍｍだけ射出瞳側にせり出す。観察光学系１０７の最終光学面である第１面１０１またはその近傍の保護カバー１０８と射出瞳１００（観察者の眼）との間の距離であるアイレリーフが長いほど快適な映像観察が可能となる。例えば、ＨＭＤの頭部への装着時に保護カバー１０８がまつ毛にあたらないためには、１０ｍｍ以上のアイレリーフが必要と考えられ、さらに観察者が眼鏡をかけたままＨＭＤを装着する場合は１５ｍｍ以上のアイレリーフが必要である。しかし、図４に示したように射出瞳側にせり出す水平方向の周辺部において上記アイレリーフを確保することは困難である。

図５は、本数値例のｙ＝１５．４ｍｍの位置における第１面１０１の水平方向での断面形状（実線）を示している。第１面１０１は、水平方向の中心部が射出瞳に向かって凹となる一方、周辺部が射出瞳に向かって凸となる自由曲面形状を有する。すなわち、周辺部の断面形状に凸の変曲点を有する。周辺部は水平方向の画角を形成する光線が透過する領域であり、水平方向画角の影響で入射角が大きく、射出瞳に向かって凸の面形状であっても入射光線を全反射させることが可能である。

このような特性を利用して、本数値例では、水平方向における中心部では射出瞳に向かって凹となる面形状によって入射光線を全反射させる。一方、全反射させるための入射角に余裕のある周辺部では観察者に向かって凸となる面形状にすることで、射出瞳側へのせり出しを防いでいる。本数値例では、図５に示すように、ｙ＝１５．４ｍｍの位置において、中心部の凹曲率半径を光学有効領域の端まで延長した場合に比べて約４．４ｍｍのせり出しを低減する効果を有する。言い換えれば、本数値例は、約４．４ｍｍだけアイレリーフを長くする効果を有する。

以上説明したように、本実施例では、第１面１０１のうち第３面１０３からの光を内部全反射する全反射領域のうち、水平方向（第２の断面）の中心部が射出瞳に向かって凹となり、該中心部の両側の周辺部が射出瞳に向かって凸となる形状を有する。これにより、広画角化でありながらも十分なアイレリーフを確保したＨＭＤを実現することができる。

なお、第１面１０１における垂直方向のすべての位置での水平方向周辺部が射出瞳に向かって凸の面形状を持つ必要はなく、少なくとも最も凹曲率半径が小さい垂直方向位置の近傍の水平方向周辺部で凸の面形状を持っていればよい。すなわち、第１面１０１は、射出瞳に向かって凹ではない周辺部を含んでもよい。

図６は、ｙ＝−１４．４ｍｍの位置における第１面１０１の断面形状を示す。この位置での凹曲率半径はｙ＝１５．４ｍｍの位置での凹曲率半径に比べて約１．５倍となっている。このような位置では水平方向周辺部に射出瞳に向かって凸の面形状を持たせる必要は無く、他の光学的性能（解像力や歪曲等）のバランスによって面形状を決めればよい。

また、水平方向画角が狭い場合には、光学有効領域自体も狭いため、第１面１０１の観射出瞳側へのせり出しも少ない。また、光学設計上の自由度も高いため、第１面１０１での反射角が全反射角に対して十分に余裕があることが多く、ｘ＝０近傍での曲率半径を小さくする必要がない。このため、水平方向における中心部が凹で周辺部が凸となる第１面１０１の面形状は、観察光学系１０７の水平方向画角が広い場合、例えば水平方向画角が３５°以上あるときに特に有効である。

さらに、水平方向における中心部が凹で周辺部が凸となる第１面１０１の面形状は、快適な映像観察を実現するためのアイレリーフを確保するために必要であり、アイレリーフが１０ｍｍ以上、より好ましくは１５ｍｍ以上必要となる場合に特に有効である。

本実施例では、図１に示すように、画像処理専用コンピュータ等により構成される画像処理部１５０が表示素子１０６に表示する原画を生成する。この際、画像処理部１５０は、観察光学系１０７が有する歪曲等の収差を打ち消すように意図的に電子的に歪ませた（歪みを与えた）原画を生成する画像処理を行う。具体的には、画像処理部１５０は、観察光学系１０７が有する歪曲を打ち消す幾何変換を行うための変換テーブルを内蔵しており、この変換テーブルを用いて矩形の入力画像を変形させて歪んだ原画を生成する。歪んだ原画をＲＧＢ等の色ごとに生成してもよい。これにより、第１面１０１に凹面部（中心部）と凸面部（周辺部）を設けたことで観察画像に生じる大きな歪みを低減して、良好な映像観察を実現することができる。

なお、画像処理部１５０をＨＭＤとは別のパーソナルコンピュータにより構成してもよい。この場合、パーソナルコンピュータに上述した画像処理を実行させる画像処理プログラム（またはこれを記憶した記媒体）とＨＭＤとで画像処理装置が構成される。

本実施例では、光学面が３面である観察光学系を用いた場合について説明したが、４面以上の光学面を有する観察光学系を用いてもよい。

実施例２のＨＭＤの構成および光路を図７に示す。表２には、本実施例に対応する数値例２の光学データを示す。本数値例では、表示素子１０６の大きさは２７ｍｍ×１７ｍｍである。観察光学系１０７は、焦点距離が水平方向２１ｍｍ、垂直方向２３ｍｍであり、水平画角６５°、垂直画角４０°でｚ軸正方向に画像を表示する。光学データの意味は、実施例１と同じである。

第１面１０１の光学有効領域は、ローカルｘ座標で±２７．８ｍｍ、ローカルｙ座標で１６．４ｍｍ〜−２７．１ｍｍである。

図８は、第１面１０１の面形状を立体的に示しており、ローカルｚ軸方向の値がマイナスとなる側が射出瞳側となる。図９は、図８のｘ＝０の位置におけるローカルｘ軸方向（水平方向）での曲率半径を、ローカルｙ軸方向（垂直方向）にプロットしたグラフである。ｙ＝１６．４ｍｍ、すなわち光学有効領域の最も＋ｙ側にて曲率半径が最も小さい。図９の曲率半径の中心はすべて射出瞳側にあり、ｘ＝０近傍の中心部ではｙ座標のどの位置においても面形状が射出瞳に向かって凹となっている。

図１０は、本数値例のｙ＝１６．４ｍｍの位置における第１面１０１の水平方向での断面形状（実線）と、水平方向の中心部の凹形状を同方向の光学有効領域の端まで延長したときの断面形状（破線）とを示している。本数値例でも、第１面１０１ｆは、水平方向の中心部が射出瞳に向かって凹となり、周辺部が射出瞳に向かって凸となる自由曲面形状を有する。このように第１面１０１の水平方向の周辺部を射出瞳に向かって凸の面形状とすることで、破線で示す断面形状を有する場合に比べて４．６ｍｍだけアイレリーフを長くすることができている。

実施例３のＨＭＤの構成および光路を図１１に示す。表３には、本実施例に対応する数値例３の光学データを示す。本数値例では、表示素子１０６の大きさは１８ｍｍ×１２ｍｍである。観察光学系１０７は、焦点距離が水平方向および垂直方向とも２１ｍｍであり、水平画角４８°、垂直画角３１°でｚ軸正方向に画像を表示する。光学データの意味は、実施例１と同じである。

第１面の光学有効範囲はローカルｘ座標で±１８．４ｍｍ、ローカルｙ座標で３．９〜−３２．８ｍｍである。

図１２は、第１面１０１の面形状を立体的に示しており、ローカルｚ軸方向の値がマイナスとなる側が射出瞳側となる。図１３は、図１２のｘ＝０の位置におけるローカルｘ軸方向（水平方向）での曲率半径を、ローカルｙ軸方向（垂直方向）にプロットしたグラフである。ｙ＝３．９ｍｍ、すなわち光学有効領域の最も＋ｙ側にて曲率半径が最も小さい。図１３の曲率半径の中心はすべて射出瞳側にあり、ｘ＝０近傍の中心部ではｙ座標のどの位置においても面形状が射出瞳に向かって凹となっている。

図１４は、本数値例のｙ＝３．９ｍｍの位置における第１面１０１の水平方向での断面形状（実線）と、水平方向の中心部の凹形状を同方向の光学有効領域の端まで延長したときの断面形状（破線）とを示している。本数値例でも、第１面１０１ｆは、水平方向の中心部が射出瞳に向かって凹となり、周辺部が射出瞳に向かって凸となる自由曲面形状を有する。このように第１面１０１の水平方向の周辺部を射出瞳に向かって凸の面形状とすることで、破線で示す面形状を有する場合に比べて１．８ｍｍだけアイレリーフを長くすることができている。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１００ 射出瞳
１０１ 第１面
１０２ 第２面
１０３ 第３面
１０６ 表示素子
１０７ 観察光学系

Claims (8)

1. 表示素子と、
   光学面としての第１面、第２面および第３面を少なくとも有して内部が光学媒質で満たされた光学素子により構成され、前記表示素子に表示された原画からの光を前記第３面を透過させ、前記第１面で内部全反射し、前記第２面で反射し、前記第１面を透過させて前記射出瞳に導く観察光学系とを有し、
   前記観察光学系において前記原画の中心からの光線が前記第３面、前記第１面、前記第２面および前記第１面を辿って前記射出瞳の中心に至る光路を含む断面を第１の断面とし、該第１の断面に直交する断面を第２の断面とするとき、
   前記第１面のうち前記光を内部全反射する全反射領域は、前記第２の断面において、中心部が前記射出瞳に向かって凹となり、該中心部の両側の周辺部が前記射出瞳に向かって凸となる形状を有することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記全反射領域のうち、前記中心部の凹の曲率半径が最も小さくなる前記第１の断面での位置における前記第２の断面において、前記周辺部が凸の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１の断面に垂直な複数の第２の断面のうち、前記全反射領域の前記中心部の凹の曲率半径が最も小さい第２の断面において、前記周辺部が凸の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記全反射領域が前記第１の断面に関して対称形状を有し、
   前記第２の断面のうち前記第１の断面が通る位置において前記曲率半径が最も小さいことを特徴とする請求項２または３に記載の画像表示装置。
5. 前記観察光学系の前記第２の断面での画角が３５°以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
6. 前記観察光学系は、アイレリーフが１０ｍｍ以上であることを特徴としている請求項１から５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
7. 前記全反射領域は、前記射出瞳に向かって凹ではない周辺部を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の画像表示装置。
8. 前記第１面の面形状により生ずる観察画像の歪を低減するために前記原画に歪みを与える画像処理を行う画像処理部またはコンピュータに前記画像処理を実行させる画像処理プログラムを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の画像表示装置。