JP2020008748A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】画角を確保しつつ、光学系を小型化すること。【解決手段】ヘッドマウントディスプレイ１００は、表示デバイス１１と、投射光学部材１２と、プリズム部材１３とを備える。プリズム部材１３は、投射光学部材１２からの画像光ＧＬが入射する第１プリズム１３ａと、第１プリズム１３ａよりも射出瞳側に配置される第２プリズム１３ｂとを有する。第１プリズム１３ａは、入射面と、第１反射面１３ｇと、第１接合面１３ｈとを有し、第２プリズム１３ｂは、半透過反射面３１を介して第１接合面１３ｈと接合される第２接合面１３ｉと、第２反射面１３ｊと、集光反射面１３ｋとを有し、半透過反射面３１は、集光反射面１３ｋを経て第２反射面１３ｊで全反射された画像光ＧＬを第２反射面１３ｊを透過させるように反射する。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、頭部に装着することで虚像の観察を可能にするヘッドマウントディスプレイに関する。

特許文献１には、画像表示素子からの光を入射させる入射面と、入射面から入射した光を反射する互いに偏芯させた２つの曲面反射面とを有するプリズム状の部材を備え、両曲面反射面で反射された光を一方の曲面反射面から射出させる画像表示装置が開示されている。その変形例では、一対のプリズムを組み合わせて境界にハーフミラーを配置し、光路の分割又は合成を行っている（図４等参照）。

しかしながら、特許文献１の画像表示装置は、偏芯させた光学面が基本的要素であり、収差を抑えた画像を形成することが容易でない。

特開平１１−３３７８６３号公報

本発明の一側面におけるヘッドマウントディスプレイは、表示素子と、表示素子から射出された画像光を受けて投射する投射光学部材と、投射光学部材から射出された画像光を入射させて、射出瞳の位置に射出するプリズム部材とを備え、プリズム部材は、投射光学部材からの画像光が入射する第１プリズムと、第１プリズムよりも射出瞳側に配置される第２プリズムとを有し、第１プリズムは、画像光が入射する入射面と、入射面から入射した画像光を全反射する第１反射面と、第２プリズムと接合される第１接合面とを有し、第２プリズムは、半透過反射面を介して第１接合面と接合される第２接合面と、第２接合面を介して第１プリズムから入射した画像光を全反射する第２反射面と、第２反射面で全反射された画像光を第２反射面に向けて反射する集光反射面とを有し、半透過反射面は、集光反射面を経て第２反射面で全反射された画像光を第２反射面を透過させるように反射する。

第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを説明する側断面図である。 第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを説明する正面図である。 実施例１のヘッドマウントディスプレイを説明する側断面図である。 第２実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照して本発明に係る第１実施形態のヘッドマウントディスプレイについて説明する。

図１Ａ及び１Ｂにおいて、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、Ｘ方向は、ヘッドマウントディスプレイ１００を装着した観察者ＵＳの両眼の並ぶ横方向に対応し、Ｙ方向は、観察者ＵＳにとっての両眼の並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、Ｚ方向は、観察者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。なお、Ｙ方向は、後述するプリズム部材１３が延びる方向に相当し、Ｚ方向は、プリズム部材１３の厚さ方向に相当し、Ｘ方向は、これらに対して直交する方向となっている。

図示のヘッドマウントディスプレイ１００は、観察者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。ヘッドマウントディスプレイ１００は、表示デバイス１１と、投射光学部材１２と、プリズム部材１３とを備える。表示デバイス１１及び投射光学部材１２は、フレーム８０のケース中に収納され、プリズム部材１３は、露出した状態でフレーム８０によって支持されている。なお、図面では、右眼用のヘッドマウントディスプレイ１００のみを示しているが、同様の構造又は左右反転させた同様の構造を有する左眼用の虚像表示装置を組み合わせることができ、この場合、全体として例えば眼鏡又は水中メガネのような外観を有するヘッドマウントディスプレイ１００とできる。右眼用又は左眼用の虚像表示装置については、一方を省略することができ、この場合、片眼型のヘッドマウントディスプレイとなる。

表示デバイス１１は、例えば有機ＥＬ、ＬＥＤアレイ、有機ＬＥＤ、量子ドット発光型無機ＥＬ等に代表される自発光型の表示素子であり、２次元の表示面１１ａにカラーの静止画又は動画を形成する。表示デバイス１１は、不図示の駆動制御回路に駆動されて表示動作を行う。表示デバイス１１は、自発光型の表示素子に限らず、ＬＣＤその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子を光源によって照明することによって画像を形成するものであってもよい。

投射光学部材１２は、表示デバイス１１の表示面１１ａから射出された画像光ＧＬを受けて投射する投影レンズである。投射光学部材１２は、複数の球面又は非球面の要素レンズ（不図示）を含み、これらの要素レンズは、ＹＺ面に平行で上下方向に対して傾いた斜め方向に延びる光軸ＡＸに沿って配列されている。投射光学部材１２は、表示デバイス１１の表示面１１ａに形成された画像を適宜拡大した中間像ＩＩを後段のプリズム部材１３中に形成する。中間像ＩＩをプリズム部材１３中に形成することで、プリズム部材１３等を含めた光学系のサイズを小型化することが容易になる。また、中間像ＩＩを後述する入射面１３ｆにかからないように形成することにより、入射面１３ｆの表面のゴミが結像に影響することを回避して像ムラが形成されることを防止できる。さらに、中間像ＩＩを後述する第１接合面１３ｈ又は半透過反射面３１にかからないように、第１接合面１３ｈから離れた位置に形成することによっても、ゴミや気泡が結像に影響することを回避して像ムラが形成されることを抑制できる。中間像ＩＩの像面は、後に詳述するように湾曲している。投射光学部材１２は、レンズ素子のみで構成されるものに限らず、光路を折り曲げる折曲げミラー、各種機能を有するフィルター等を含むものとできる。

プリズム部材１３は、投射光学部材１２の直下に配置されている。プリズム部材１３は、投射光学部材１２から射出された画像光ＧＬを入射させて、射出瞳ＥＰの位置に射出する。プリズム部材１３は、投射光学部材１２からの画像光ＧＬが入射する第１プリズム１３ａと、第１プリズム１３ａよりも全体として射出瞳ＥＰ側又は瞳ＥＹ側に配置される第２プリズム１３ｂとを有する。第１及び第２プリズム１３ａ，１３ｂは、いずれもＸ軸方向に延びる三角プリズムである。

第１プリズム１３ａは、画像光ＧＬが入射する入射面１３ｆと、入射面１３ｆから入射した画像光ＧＬを全反射する第１反射面１３ｇと、半透過反射面３１を介して第２プリズム１３ｂと接合される第１接合面１３ｈとを有する。ここで、入射面１３ｆは、光軸ＡＸに対して直交する方向に延びる。入射面１３ｆは、図示の例では平面であるが、光学的パワーを持たせることもできる。入射面１３ｆは、＋Ｙ方向と−Ｚ方向との中間方向に傾斜している。一方、第１反射面１３ｇは、鉛直のＸＹ面に沿って傾きなく延びる平面である。第１反射面１３ｇは、光路に沿って入射する相対的に大きい入射角の画像光ＧＬに対しては、内面での全反射を用いることで、高い反射率のミラーつまり全反射面として機能する。第１接合面１３ｈは、光軸ＡＸに対して傾斜した平面であり、Ｙ方向やＺ方向に対しても傾斜した平面である。第１接合面１３ｈには、その表面に沿って半透過反射面３１が形成されている。

第２プリズム１３ｂは、半透過反射面３１を介して第１プリズム１３ａの第１接合面１３ｈと接合される第２接合面１３ｉと、第１プリズム１３ａの第１反射面１３ｇと対向して平行に配置される第２反射面１３ｊと、第２反射面１３ｊに隣接して下部に配置される集光反射面１３ｋとを有する。第２接合面１３ｉは、第１接合面１３ｈに合わせて平面である。第２反射面１３ｊは、第２接合面１３ｉからの画像光ＧＬを集光反射面１３ｋに向けて全反射し、集光反射面１３ｋからの画像光ＧＬを第２接合面１３ｉに向けて全反射する。第２反射面１３ｊは、光路に沿って第１プリズム１３ａから最初に入射する相対的に大きい入射角の画像光ＧＬと、集光反射面１３ｋから逆行して入射する相対的に大きい入射角の画像光ＧＬとに対しては、内面での全反射を用いることで高い反射率のミラーつまり全反射面として機能するが、光路に沿って前方の第２接合面１３ｉ側又は半透過反射面３１側から入射する相対的に小さい入射角の画像光ＧＬに対しては、画像光ＧＬを透過させる通過面又は屈折面として機能する。つまり、第２反射面１３ｊは、集光反射面１３ｋ、第２反射面１３ｊ、及び半透過反射面３１で順次反射され全体として−Ｚ方向に進む画像光ＧＬを通過させる。第１反射面１３ｇと第２反射面１３ｊとが平行であるため、プリズム部材１３は、半透過反射面３１を無視すれば、平行平板として機能する部分を有する。

第１接合面１３ｈと第２接合面１３ｉとに挟まれた半透過反射面３１は、第１プリズム１３ａから第２プリズム１３ｂへ入射する画像光ＧＬを部分的に通過させる。また、半透過反射面３１は、これを通過した後に第２反射面１３ｊで全反射され、後述する集光反射面１３ｋを経て逆行し、第２反射面１３ｊで再度全反射されて戻されて来た画像光ＧＬを部分的に反射して、第２反射面１３ｊ越しに射出瞳ＥＰの位置に射出させる。

上記のように、半透過反射面３１は、集光反射面１３ｋから戻ってきた画像光ＧＬを第２反射面１３ｊの法線方向である−Ｚ方向に送り出す役割を有する。半透過反射面３１は、上下方向又は鉛直方向に相当するＹ軸に対して４５°以上、より好ましくは４５°より大きな角度θをなしている。つまり、半透過反射面３１の法線は、Ｙ軸に対して４５°以上、より好ましくは４５°より大きな角度θをなし、具体的には６０°程度の角度を成している。一方、半透過反射面３１は、第１プリズム１３ａの第１反射面１３ｇに対して４５°以下、より好ましくは４５°未満の角度φをなし、これに合わせて、半透過反射面３１を通過させた画像光ＧＬを集光反射面１３ｋに直接入射させるのではなく、全反射として機能する第２反射面１３ｊを介して集光反射面１３ｋに入射させている。同様に、集光反射面１３ｋで反射された画像光ＧＬを半透過反射面３１に直接入射させるのではなく、全反射面として機能する第２反射面１３ｊを介して半透過反射面３１に入射させている。このように、反射面１３ｇ，１３ｊを介在させて半透過反射面３１を鉛直方向に対して４５°より大きく傾けること、つまり半透過反射面３１を第１反射面１３ｇに対して４５°未満とすることで、射出瞳ＥＰ側又は瞳ＥＹの前方のＺ方向に延びる光軸ＡＸに対して交差する方向に画像光ＧＬを導いて非偏芯型の集光反射面１３ｋによってコリメートするにも関わらず、プリズム部材１３のＺ方向の厚みを低減できる。

第１プリズム１３ａの第１反射面１３ｇと、第２プリズム１３ｂの第２反射面１３ｊとは、互いに平行であり、半透過反射面３１は、半透過性を有する。これにより、外界光ＯＬが平行平板状のプリズム部材１３を通過することになるので、外界のシースルー視が可能になる。半透過反射面３１の画像光ＧＬや、外界光ＯＬに対する反射率は、画像光ＧＬの輝度確保や、シースルーによる外界光の観察を容易にする観点で、想定される画像光ＧＬの入射角範囲において１０％〜５０％程度とする。特に、半透過反射面３１の透過率を５０％程度とした場合、半透過反射面３１の反射率と半透過反射面３１の透過率とを略等しくできる。この場合、光利用効率を最大にすることができる。

集光反射面１３ｋは、内面反射型のミラーである。集光反射面１３ｋは、非偏芯型の反射面であり、全体として球面状である。具体的には、集光反射面１３ｋは、光学的パワーを有する球面、非球面等とでき、集光反射面１３ｋの対称軸は、光軸ＡＸ方向に沿って延び、＋Ｙ方向と−Ｚ方向との中間方向に傾斜している。集光反射面１３ｋは、球面等に限らず、自由曲面その他の非軸対称面としてもよい。

上記のように、集光反射面１３ｋは、球面又は球面に近い形状を有する。集光反射面１３ｋの曲率半径（近似的曲率半径である場合を含む）Ｒ_ｍは、集光反射面１３ｋから中間像ＩＩまでの物理的距離Ｄ_ｉの２倍である２×Ｄ_ｉとなっている。曲率半径Ｒ_ｍをその空気換算値Ｒ_ｍ／ｎで考えた場合、集光反射面１３ｋから中間像ＩＩまでの空気換算長がＤ_ａ＝Ｄ_ｉ／ｎであるとして、Ｒ_ｍ／ｎ＝Ｄ_ａ×２が成り立つ。ここで、ｎは、第２プリズム１３ｂ等の屈折率である。これにより、中間像ＩＩからの画像光ＧＬをコリメートすることができ、射出瞳ＥＰ側又は瞳ＥＹに遠方の虚像に対応する画像光ＧＬを入射させることができる。この際、集光反射面１３ｋに関して絞りに対応する位置に配置される射出瞳ＥＰが、実質的な主光線を考えて集光反射面１３ｋから曲率半径の空気換算値Ｒ_ｍ／ｎ程度の光学的距離だけ離れた位置に配置されることが望ましい。つまり、射出瞳ＥＰから集光反射面１３ｋまでの空気換算長Ｌは、収差を抑制して性能を出しやすくする観点で、Ｌ≒Ｒ_ｍ／ｎとすることが望ましい。これにより、集光反射面１３ｋから略垂直に射出された画像光ＧＬが射出瞳ＥＰに入射するので、コマ収差、非点収差等を略ゼロに低減することができる。ここで、空気換算長Ｌは、上記空気換算値Ｒ_ｍ／ｎに対して具体的には誤差１５％以下とされる。集光反射面１３ｋの曲率半径Ｒｍは、集光反射面１３ｋが球面である場合、その球面の曲率半径となるが、集光反射面１３ｋが非球面又は自由曲面である場合、これに球面をフィッティングさせた場合の近似的な曲率半径となる。また、プリズム部材１３ｃ中に形成される中間像ＩＩを集光反射面１３ｋ側に凸とするとともに、中間像ＩＩを全体として球面に近い形状とし、集光反射面１３ｋの曲率半径Ｒ_ｍの半分の（１／２）×Ｒ_ｍ程度の近似的曲率半径を有するものとすることで、より収差を低減できる。

以上で説明したヘッドマウントディスプレイ１００によれば、第１プリズム１３ａが入射面１３ｆからの画像光ＧＬを全反射する第１反射面１３ｇを有し、第２プリズム１３ｂが第１プリズム１３ａから入射した画像光ＧＬを全反射する第２反射面１３ｊと、第２反射面１３ｊで全反射された画像光を第２反射面１３ｊに向けて反射する集光反射面１３ｋとを有し、第１及び第２プリズム１３ａ，１３ｂ間の半透過反射面３１を通過した画像光ＧＬは、集光反射面１３ｋによって半透過反射面３１に戻され、半透過反射面３１に戻された画像光ＧＬは、半透過反射面３１によって第２反射面１３ｊを透過させるように反射されるので、半透過反射面３１の傾斜角を大きくしてプリズム部材１３の厚みを薄くできる。これにより、ヘッドマウントディスプレイ１００による表示の画角を従来に比較して同等又は広くしつつ光学系を小型化することができる。なお、集光反射面１３ｋから射出瞳ＥＰまでの光学的距離又は光路長、つまり射出瞳ＥＰに対する集光反射面１３ｋの空気換算長での位置については、ヘッドマウントディスプレイ１００の画角に応じて変わる。ここで、集光反射面１３ｋから射出瞳ＥＰまでの光学的距離は、射出瞳ＥＰからプリズム部材１３までの距離であるアイレリーフ、プリズム部材１３の厚み等を、屈折率を考慮して加算したものとなる。ヘッドマウントディスプレイ１００の画角は、例えば４５°に設定される。このような画角に応じた集光反射面１３ｋから射出瞳ＥＰまでの光学的距離を実現できるように、例えばプリズム部材１３の厚みが調整される。

図２は、具体的な実施例１のヘッドマウントディスプレイ１００Ａの光学的構成を説明する断面図である。このヘッドマウントディスプレイ１００Ａは、図１示すヘッドマウントディスプレイ１００と同じ基本構造を有しており、表示デバイス１１と、投射光学部材１２と、プリズム部材１３とを備える。図２のヘッドマウントディスプレイ１００Ａの場合、投射光学部材１２は、第１〜第３レンズ１２ｈ，１２ｉ，１２ｊを含んでいる。これらの第１〜第３レンズ１２ｈ，１２ｉ，１２ｊは、球面又は非球面で構成される。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係るヘッドマウントディスプレイについて説明する。なお、第２実施形態のヘッドマウントディスプレイは、第１実施形態のヘッドマウントディスプレイを部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。

図３に示すように、第２実施形態のヘッドマウントディスプレイ１００は、表示デバイス１１と、投射光学部材１２と、プリズム部材１３とを備える。プリズム部材１３において、半透過反射面２３１は、偏光分離膜であり、例えばＰ偏光を透過させＳ偏光を反射する。集光反射面１３ｋの内側には、波長板２３２が配置されている。波長板２３２は、具体的には１／４波長板である。この場合、表示デバイス１１から射出される画像光ＧＬは、例えばＰ偏光のみとされている。表示デバイス１１自体が偏光を発生するものとしてもよいが、表示デバイス１１によって形成された画像光から所定方向の偏光を選択して使用することもできる。表示デバイス１１からの画像光ＧＬは、プリズム部材１３に入射し第１反射面１３ｇで反射されて中間像ＩＩを形成した後、半透過反射面２３１を殆どロス無く通過する。半透過反射面２３１を通過したＰ偏光の画像光ＧＬは、第２反射面１３ｊで反射され、波長板２３２を通過して集光反射面１３ｋによって逆方向に反射され、第２反射面１３ｊを経て半透過反射面２３１に再度入射する。半透過反射面２３１に再度入射する画像光ＧＬは、波長板２３２によって偏光方向が９０°回転してＳ偏光となっている。これにより、画像光ＧＬは、半透過反射面２３１で殆どロス無く反射され、射出瞳ＥＰには明るい画像光ＧＬが入射する。

〔変形例その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記実施形態のヘッドマウントディスプレイ１００では、表示デバイス１１として有機ＥＬ素子等の自発光型の表示素子を用いているが、これに代えて、レーザー光源とポリゴンミラー等であるスキャナーとを組みあわせたレーザスキャナーを用いた表示素子を組み込むこともできる。

第１プリズム１３ａの第１反射面１３ｇについては、金属等をコートしたミラーとすることもできる。この場合、外界光ＯＬ又は外界像を観察しないタイプのヘッドマウントディスプレイになる。

第１プリズム１３ａの第１反射面１３ｇや第２プリズム１３ｂの第２反射面１３ｊは、ハードコート層や反射防止膜を形成したものとできる。

第２実施形態において、波長板２３２は、図示の位置に限らず、半透過反射面２３１から集光反射面１３ｋまでの間に配置することができ、例えば半透過反射面２３１に隣接して集光反射面１３ｋ側に組み込むこともできる。

表示デバイス１１、投射光学部材１２、及びプリズム部材１３を一組とする片眼の光学系は、図示の状態からＺ軸に平行な光軸のまわりに例えば９０°回転させた配置とすることもできる。

以上では、ヘッドマウントディスプレイ１００が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記ヘッドマウントディスプレイ１００は、頭部に装着せず双眼鏡のようにのぞき込むハンドヘルドディスプレイとしても用いることができる。

１１…表示デバイス、１２…投射光学部材、１３…プリズム部材、１３ａ…第１プリズム、１３ｂ…第２プリズム、１３ｆ…入射面、１３ｇ…第１反射面、１３ｈ…第１接合面、１３ｉ…第２接合面、１３ｊ…第２反射面、１３ｋ…集光反射面、３１，２３１…半透過反射面、２３２…波長板、８０…フレーム、１００…ヘッドマウントディスプレイ、ＡＸ…光軸、ＥＰ…射出瞳、ＥＹ…瞳、ＧＬ…画像光、ＩＩ…中間像、ＯＬ…外界光

Claims (9)

1. 表示素子と、
   前記表示素子から射出された画像光を入射させて投射する投射光学部材と、
   前記投射光学部材から射出された画像光を入射させて、射出瞳の位置に射出するプリズム部材とを備え、
   前記プリズム部材は、前記投射光学部材からの画像光が入射する第１プリズムと、第２プリズムとを有し、
   前記第１プリズムは、画像光が入射する入射面と、前記入射面から入射した画像光を全反射する第１反射面と、第２プリズムと接合される第１接合面とを有し、
   前記第２プリズムは、半透過反射面を介して前記第１接合面と接合される第２接合面と、前記第２接合面を介して前記第１プリズムから入射した画像光を全反射する第２反射面と、前記第２反射面で全反射された画像光を前記第２反射面に向けて反射する集光反射面とを有し、
   前記半透過反射面は、前記集光反射面を経て前記第２反射面で全反射された画像光を、前記第２反射面を透過させるように反射する、ヘッドマウントディスプレイ。
2. 前記第２反射面は、前記第１反射面と対向して平行に配置される、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記投射光学部材は、前記プリズム部材中に中間像を形成する、請求項１及び２のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 前記中間像は、前記第１接合面から離れた位置に形成される、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 前記集光反射面の曲率半径は、前記集光反射面から前記中間像までの光学的距離の略２倍となっている、請求項３及び４のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. 前記集光反射面から前記射出瞳までの光学的距離は、前記集光反射面の曲率半径に略等しい、請求項５に記載のヘッドマウントディスプレイ。
7. 前記半透過反射面の反射率と前記半透過反射面の透過率とが略等しい、請求項１〜６のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
8. 前記第１プリズムの前記第１反射面と、前記第１及び第２プリズム間の前記半透過反射面とのなす角度は４５°未満である、請求項１〜７のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
9. 前記半透過反射面は、偏光分離膜によって形成され、前記半透過反射面から前記集光反射面までの間に波長板が配置されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。

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