JP2020101671A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】光学系の高効率・高輝度化と小型化を両立させるとともに、マイクロレンズアレイ採用に伴う共役像発生を抑制するヘッドマウントディスプレイを提供する。【解決手段】ヘッドマウントディスプレイ１は、表示する映像を生成する表示部１２１と、表示部に照明光を照射する照明部１２０と、表示部からの映像光を投射する投射部１２２と、投射部からの映像光をユーザの瞳に伝達する導光部２３と、を備える。ここに照明部１２０は、光源部１４０，１４１と、光源部から出射された光を照射し仮想的な２次光源となるマイクロレンズアレイ１３０と、マイクロレンズアレイからの光を表示部に集光するコンデンス光学部材１３１と、マイクロレンズアレイからの光を拡散する拡散板１５０と、を有し、拡散板は、マイクロレンズアレイよりもコンデンス光学部材に近い位置に配置する。【選択図】図８

Description

本発明は、ユーザの頭部に装着され視野内に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。

ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも略す）のようなウェアラブルデバイスは、良好な視界の確保や映像の視認性といった表示性能だけでなく、小型であるとともに装着性に優れる構造が要求される。これに関し特許文献１には、光学系全体を小型にするために、映像光をプリズム形の部材で導光させて中間像を生成する構成の虚像表示装置が開示されている。また特許文献２には、光を透過させる平面の基板、内部反射全体によって基板中へ光を連結するための光学手段、及び基板に所有される複数の部分反射面を含み、部分反射面が、互いに平行であると共に基板のどの縁に対しても平行ではない構成の光学デバイスが開示されている。

特開２０１４−１７４４２９号公報 特表２００３−５３６１０２号公報

ＨＭＤの光学系は、光源部が発する光を表示部へ伝える照明部と、表示部により生成された映像光（虚像）を投射する投射部を有する。ＨＭＤを明るい屋外等の周囲環境で使用するには、高輝度な光学系が必要である。また、ＨＭＤのシースルー性を重視して導光板を用いる場合には、導光板により光学効率が低下するため、より高輝度又は高効率な光学系が要求される。その結果、光学系は大型化してしまう課題がある。

また、光学系を高効率・高輝度化するために、照明部にマイクロレンズアレイを用いることが有効である。これに関し本件発明者等の検討では、照明部にマイクロレンズアレイを採用した場合、マイクロレンズアレイの共役像が投射レンズの射出瞳にも形成される現象を見出した。つまり、ユーザは投射された映像を見る際にこの共役像も併せて視認することになり、表示された映像が妨害されて見にくくなるという課題が生じる。

前記特許文献１、２や他の先行技術においては、光学系の高効率・高輝度化と小型化の両立を図る上で、マイクロレンズアレイ採用に伴う共役像発生の問題については何ら考慮されていない。

本発明の目的は、光学系の高効率・高輝度化と小型化を両立させるとともに、マイクロレンズアレイ採用に伴う共役像発生を抑制するヘッドマウントディスプレイを提供することである。

本発明は、ユーザの頭部に装着され視野内に映像を表示するヘッドマウントディスプレイであって、表示する映像を生成する表示部と、表示部に照明光を照射する照明部と、表示部からの映像光を投射する投射部と、投射部からの映像光をユーザの瞳に伝達する導光部と、を備える。ここに照明部は、光を出射する光源部と、光源部から出射された光を照射し仮想的な２次光源となるマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイからの光を表示部に集光するコンデンス光学部材と、マイクロレンズアレイからの光を拡散する拡散板と、を有し、拡散板は、マイクロレンズアレイよりもコンデンス光学部材に近い位置に配置されたことを特徴とする。

本発明によれば、小型で高輝度画面のヘッドマウントディスプレイを実現するとともに、マイクロレンズアレイ採用に伴う共役像発生を抑制して視認性の良い虚像を提供できる。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）１のブロック構成例を示す図。 虚像映像生成部１０１の構成例を示す図。 ＨＭＤ１の使用形態を示す図。 ＨＭＤ１の装着性を示す図。 テレセントリック光学系の概要を示す図。 共役像発生を説明する模式図。 共役像発生を抑制する方法を説明する模式図。 虚像映像生成部１０１の構成の一例を示す図（実施例１）。 虚像映像生成部１０１の構成の一例を示す図。 図８の変形例を示す図。 虚像映像生成部１０１の構成の一例を示す図（実施例２）。 図１０の変形例を示す図。 ＨＭＤ１の使用例を示す図。 図１の変形例を示す図。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）１のブロック構成例を示す図である。ＨＭＤ１は、虚像映像生成部１０１と、制御部１０２と、画像信号処理部１０３と、電力供給部１０４と、記憶部１０５と、センシング部１０６と、通信部１０７と、音声処理部１０８と、撮像部１０９と、入出力部９１〜９３とを有する。

虚像映像生成部１０１は、表示部（マイクロディスプレイ）に表示した映像を虚像として拡大投射して、装着者（ユーザ）の視界に拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）や混合現実（ＭＲ：Mixed Reality）の映像を表示する。

制御部１０２は、ＨＭＤ１全体を統括的に制御する。制御部１０２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置によってその機能が実現される。画像信号処理部１０３は、虚像映像生成部１０１内の表示部に対し、表示用の映像信号を供給する。電力供給部１０４は、ＨＭＤ１の各部に対し電力を供給する。

記憶部１０５は、ＨＭＤ１の各部の処理に必要な情報や、ＨＭＤ１の各部で生成された情報を記憶する。また、制御部１０２の機能がＣＰＵによって実現される場合、ＣＰＵが実行するプログラムやデータを記憶する。記憶部１０５は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶デバイスで構成される。

センシング部１０６は、コネクタである入出力部９１を介して各種センサと接続され、各種センサによって検出された信号に基づいて、ＨＭＤ１の姿勢（すなわちユーザの姿勢）や、動き、周囲温度等を検出する。各種センサとして、例えば、傾斜センサや加速度センサ、温度センサ、ユーザの位置情報を検出するＧＰＳ（Global Positioning System）のセンサ等が接続される。

通信部１０７は、コネクタである入出力部９２を介して、近距離無線通信、遠距離無線通信、または有線通信によって、外部の情報処理装置と通信を行う。具体的には、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標）、移動体通信ネットワーク、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ、登録商標）、高精細度マルチメディアインターフェース（ＨＤＭＩ（登録商標））等によって通信を行う。

音声処理部１０８は、コネクタである入出力部９３を介して、マイクやイヤホン、スピーカー等の音声入出力装置と接続され、音声信号の入力または出力を行う。撮像部１０９は、例えば小型カメラや小型ＴＯＦセンサであり、ＨＭＤ１のユーザの視界方向を撮影する。

図２は、虚像映像生成部１０１の構成例を示す図である。虚像映像生成部１０１は、照明部１２０、表示部１２１、投射部１２２、および導光部１２３で構成される。照明部１２０は、ＬＥＤやレーザなどの光源からの光を表示部１２１に照射する。表示部１２１は、映像を表示するためのマイクロディスプレイであり、液晶ディスプレイ、デジタルマイクロミラーデバイス、有機ＥＬディスプレイ等が用いられる。投射部１２２は、表示部１２１の映像光を拡大し、虚像として投射する。導光部１２３は、投射部１２２からの映像光をユーザの瞳２０へ伝達する。ユーザは、映像光が瞳２０に結像されることで映像を視認できる。

図３は、ＨＭＤ１の使用形態を示す図である。ここでは、ユーザ２の頭上方向から見下ろした状態を示し、Ｘ軸は水平方向、Ｙ軸は垂直方向、Ｚ軸は視軸方向である。以後の図面においても、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の方向を同様に定義する。

ＨＭＤ１はユーザ２の頭部に装着され、虚像映像生成部１０１で生成した映像を導光部１２３を介してユーザの瞳２０に伝播する。その際ユーザ２は、視野内の一部の領域（映像表示領域）１１１に、外界が視認可能な状態（シースルー型）で映像（虚像）を視認できる。ここでは両眼に映像を表示する構成を示したが、片眼の構成としても構わない。またＨＭＤ１は、図１の撮像部１０９にて、ユーザ２の視野範囲を撮影することも可能である。

図４は、ＨＭＤ１の装着性を示す図で、ユーザ２の前面方向（Ｚ方向）から見た状態を示す。ＨＭＤ１はメガネ型形状を成し、ユーザの眼の位置には導光部１２３が、フレーム部１０には、照明部１２０と表示部１２１と投射部１２２が収納される。ここで、フレーム部１０の水平方向（Ｘ方向）の寸法Ａと垂直方向（Ｙ方向）の寸法Ｂについて考察する。また、（ａ）（ｂ）（ｃ）では、寸法Ｂの異なる３通りのフレーム部１０の形状を示している。

ＨＭＤ１の装着性の観点では、水平方向のＡ寸法が大きすぎると、ユーザ２の頭部の外側へのＨＭＤ１のはみ出しが増加し、装着性が低下する。よって、水平方向の寸法Ａを短くしたいという要求がある。

また、垂直方向のＢ寸法については、（ａ）のようにＢ寸法が大きい場合、ユーザ２の前方（Ｚ方向）と横方向（Ｘ方向）の視界の遮断される範囲が大きくなり、ＨＭＤ装着時の利便性・作業性が低下する。特に、ＨＭＤ１を装着して現場作業等を行う際は、ユーザ２は前方から前方下方向の視界を使って作業を行う場合が多く、横及び横斜め下方向の視界確保が困難になる。

よって、（ｂ）に示したようにＢ寸法を短くするか、（ｃ）に示したように符号１０の部分を上方向にシフトさせて配置し、横及び横斜め下方向の視界を確保できることが望ましい。これらの具体的内容については後述の実施例で説明する。

次に、虚像映像生成部１０１の構成、特に照明部１２０と表示部１２１と投射部１２２の構成を中心に説明する。虚像映像生成部１０１の表示部１２１に非発光型のマイクロディスプレイを用いる場合、照明部１２０には、高輝度化や輝度均一性の観点からテレセントリック性を有した照明光学系が要求される。ここで、テレセントリック性を満足させるためのＡ寸法の条件について説明する。

図５は、テレセントリック光学系の概要を示す図である。ここでは照明部１２０の構成として、光源部からの光が照射され仮想的な２次光源部となるマイクロレンズアレイ１３０を採用する。そして、マイクロレンズアレイ１３０と表示部１２１の間に、コンデンス光学部材１３１を配置している。ここではコンデンス光学部材１３１として、単一のコンデンスレンズを用いている。

テレセントリック光学系とするには、マイクロレンズアレイ１３０とコンデンスレンズ１３１の間隔、及びコンデンスレンズ１３１と表示部１２１の間隔が、夫々レンズの焦点距離ｆとする必要がある。加えて表示部１２１を反射型の液晶ディスプレイとした場合、コンデンスレンズ１３１と表示部１２１の間には、偏光ビームスプリッタやワイヤーグリッドフィルムなどの偏光分岐素子１３２を配置する必要がある。ここでは偏光分岐素子１３２として、ワイヤーグリッドフィルムを光学的に透明な基板１３３へ貼り付けた構成を示している。

従ってコンデンスレンズ１３１の焦点距離ｆは、偏光分岐素子１３２を配置可能な長さとする必要がある。偏光分岐素子１３２の光学的な有効径は、主に表示部１２１（マイクロディスプレイ）のサイズと投射レンズのＦ値によって幾何的に決定される。

一般的な小型のマイクロディスプレイのサイズは、ディスプレイエリアの対角が０．２〜０．３インチである。また投射レンズのＦ値は、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function）やレンズのサイズ、製造上の難易度等の総合的な観点から、Ｆ＝１．７〜３程度とするのが望ましい。このとき照明側、投射側共に必要な有効径は幾何学的に決定されるため、必要なコンデンスレンズ１３１の焦点距離ｆも決定することができる。ディスプレイパネル、偏光分岐素子およびコンデンスレンズの搭載間隔や、コンデンスレンズの厚み等も考慮に入れると、コンデンスレンズ１３１の焦点距離ｆは８〜１４ｍｍの範囲内とするのが望ましい。

従って、マイクロレンズアレイ１３０から表示部１２１までの距離は、前記焦点距離ｆの２倍以上の寸法が必要となる。これに加えて光源部の光学系も必要となるため、前記Ａ寸法が長くなり、ＨＭＤ１の装着性を悪化させる要因となる。

これまで虚像映像生成部１０１の光学系サイズについて説明したが、導光部１２３を用いて映像（虚像）を視認する場合、照明部１２０内のマイクロレンズアレイ（レンズセル）と光源の共役像が発生するという課題がある。以下、共役像の課題と抑制法について説明する。

図６Ａは、虚像映像生成部１０１における共役像発生を説明する模式図である。まず、光学系の構成から説明する。照明部１２０において光源１４０から出射した光は、集光レンズ１４２，１４３に入射する。一般に、光源１４０は集光レンズ１４２，１４３の合成焦点位置付近に配置されるので、光源１４０から出射した光束は集光レンズで略コリメート光となる。集光レンズ１４２，１４３からの光は仮想的な２次光源部となるマイクロレンズアレイ１３０を照明する。マイクロレンズアレイ１３０を経た光は、コンデンスレンズ１３１を介して表示部１２１を照明する。表示部１２１によって映像信号の情報を付加された光は、投射部１２２および導光部１２３を経てユーザの瞳２０に結像され、ユーザはＨＭＤの映像を視認する。

上記光学系で映像を視認する場合、マイクロレンズアレイ１３０によって複製された光源１４０の共役像１８０が、マイクロレンズアレイ１３０の出射面に形成される。また、マイクロレンズアレイ１３０の出射面と投射部１２２の射出瞳は略共役な位置関係にある。よって、投射部１２２の射出瞳位置１２２ｐには、マイクロレンズアレイ１３０のレンズセル出射面の共役像１８１と、マイクロレンズアレイ１３０の出射面に形成された上記光源１４０の共役像１８０の更なる共役像１８２が形成される。従って、ユーザが導光板１２３越しに映像を見ると、映像の手前に、マイクロレンズセルの共役像１８１と光源の共役像１８２が重畳されたように見えてしまい、映像の視認性が低下する。

なお、導光板１２３はアイボックスを拡大するために投射部１２２の射出瞳を複製する機能を有するため、複製回数が多いと各共役像１８１，１８２が繰り返し重なり合って目立たなくなることもある。一方で、ビームスプリッタミラーアレイ型の導光板１２３を用いた場合は、他の方式に比べ原理的に複製回数が少なくなり、上記共役像１８１，１８２により映像の視認性は大きく低下する。

図６Ｂは、共役像発生を抑制する方法を説明する模式図である。図６Ａの光学系において、マイクロレンズセルの共役像１８１と光源の共役像１８２の視認性を抑制する構成を示す。本構成では、照明部１２０のコンデンスレンズ１３１の近傍に、マイクロレンズアレイ１３０からの光を拡散するための拡散板１５０を設けている。拡散板１５０を設けることで、マイクロレンズセルの共役像１８１と光源の共役像１８２をぼかして目立たなくすることができる。その際、拡散板１５０を表示部１２１よりも手前に配置することで、投射部１２２による表示部１２１の拡大像（虚像）の解像度には影響を与えないようにすることができる。
このように、ＨＭＤ1では、フレーム部の小型化と共役像の発生という課題があり、以下の実施例でこれらの解決法を説明する。

実施例１では、フレーム部１０のＡ寸法の短縮と、共役像の抑制について説明する。
図７は、虚像映像生成部１０１の構成の一例を示す図で、Ａ寸法を縮小する構成である。（ａ）は視軸方向（Ｚ軸）から見た図、（ｂ）は垂直方向（Ｙ軸）から見た図である。照明部１２０において、光源部として緑色（Ｇ）の光源１４０と、赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の光源１４１を備える。各光源からの光は集光レンズ１４２，１４３によって略コリメート化される。各色光源からの略コリメート光は、色合成部１４４によって合成される。

ここでは（ｂ）に示すように、色合成部１４４に楔形のダイクロイックミラーを用いた例を示している。ダイクロイックミラーは、Ｒ光とＢ光とＧ光の略コリメート光を合成して出射する。このとき各色の光軸は必ずしも完全に一致している必要はなく、所定の面で強度分布が略一致するようにあえて光軸をわずかにずらしても構わない。

色合成された光は、仮想的な２次光源となるマイクロレンズアレイ１３０へ入射する。マイクロレンズアレイ１３０は、色合成部１４４から出射した略コリメート光束で照明される。マイクロレンズアレイ１３０を用いることで、表示部１２１のマイクロディスプレイの所定の範囲のみに光を集めることができる。また、表示部１２１上での照明光の輝度分布を均一化できる。

表示部１２１にＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon、登録商標）等を用いる場合は、所定の偏光を照明するために、偏光フィルタ１４５を配置して事前に必要な偏光成分のみを取り出すようにする。偏光フィルタ１４５は、迷光対策やコントラストの点でも有利に作用する。

折り曲げミラー１４６は、マイクロレンズアレイ１３０から表示部１２１への光路を折り曲げる作用（Ｘ方向→Ｙ方向）がある。すなわち、折り曲げミラー１４６を挿入することで、光学系のＸ軸方向の長さ（図４のＡ寸法）を短くすることができる。コンデンス光学部材１３１としてのコンデンスレンズは、マイクロレンズアレイ１３０のセル像を表示部１２１へ結像させる。

偏光分岐素子１３２は、照明部１２０と投射部１２２への光路を切り分ける。投射部１２２は、表示部１２１の映像を無限遠または虚像として投射する。投射部１２２からの映像光は導光部１２３へ入射され、ユーザはシースルー性を確保した状態で映像を視認できる。偏光フィルタ１４７と１／４波長板１４８は、投射部１２２や導光部１２３からの戻り光による迷光を抑制する。

以下、各部の構成を詳細に説明する。照明部１２０において、光源１４０は緑色の光を出射し、光源１４１は赤色と青色の光を出射する。光源１４１は、赤色と青色の光源が同一パッケージに実装されている。ここでは２色が同一のパッケージに実装されている光源１４１を示しているが、３個の光源は各々が独立したパッケージ内に実装されていても良いし、２個以上の光源が１つのパッケージ内に集積して実装されていても良い。

光源１４０，１４１から出射した光は、集光レンズ１４２，１４３に入射する。集光レンズ１４２，１４３は、その略合成焦点位置に各光源が位置するように配置されており、光源１４０，１４１から出射した光束は、集光レンズにより略コリメート光となる。各光源からの略コリメート光は、色合成部１４４に向かって出射する。

投射部１２２は、複数枚からのレンズからなる投射光学系で、表示部１２１からの映像光を画角に応じて角度を変えて投射する。

導光部１２３は、回折格子、体積ホログラム、ビームスプリッタアレイ（ＢＳＡ）等を用いた導光板構成とすることで、シースルー性を備えたＨＭＤ１とすることができる。例えば、回折格子を用いた導光部１２３は平行平板の構造であって、光を導光部１２３内に取り込むための入力回折格子部と、取り込んだ光を全反射で平行平板内を伝播させる伝播部と、全反射によって伝播した光を導光部１２３外へ出射するための出力回折格子部を有する。また、ビームスプリッタアレイを用いた導光部１２３も平行平板の構造であって、光は平行平板の端面部から入射し、全反射で平行平板内を伝播し、全反射によって伝播した光を導光部外へ出射するための複数のアレイ状に並んだ反射面を有する。アレイ状の反射面は、全反射によって伝播した光の一部を反射し一部を透過する構成とする。

このように図７の構成によれば、折り曲げミラー１４６をマイクロレンズアレイ１３０とコンデンスレンズ１３１に間に配置して光学系を折り曲げることで、Ａ部の寸法を縮小できる。この時の折り曲げミラー１４６の有効光束系は、偏光分岐素子１３２と略同等のサイズとなる。

一般的にＨＭＤ１の表示映像領域１１１（図３に示す）は、水平方向と垂直方向の範囲が異なり、水平方向の表示範囲が広い。従って、表示部１２１のマイクロディスプレイ有効領域も水平方向と垂直方向で長さが異なり、垂直方向が短い。そこで、折り曲げミラー１４６と偏光分岐素子１３２は、垂直相当の方向（短手方向）に折り曲げる構成とすることで、折り曲げミラー１４６と偏光分岐素子１３２のサイズを小型化できる。

一般的なテレセントリック性を有するプロジェクタの照明光学系では、複数枚レンズのコンデンスレンズを用いることで、マイクロレンズアレイ１３０から表示部１２１までの距離の縮小を図っている。しかしながらＨＭＤ１に用いる虚像映像生成部１０１の光学系では、前記した理由で光路中に折り曲げミラー１４６や偏光分岐素子１３２を配置する必要があり、これらのサイズを考慮すると、単一のコンデンスレンズを用いても大型化させずに光学系を構成することが可能である。

図７に示す虚像映像生成部１０１では、投射部１２２を導光部１２３の上部に配置し、折り曲げた照明部１２０をさらに投射部１２２の上部へ配置することで、横及び横斜め下方向の視界を確保できる。すなわち、図４（ｃ）のようなフレーム部１０の形状が可能となる。また、単一のコンデンスレンズ１３１と折り曲げミラー１４６を配置した構成とすることで、ＨＭＤ１のＡ寸法が小型化し、利便性が増すとともに視野を確保できる。加えて、単レンズ使用により低コスト化や軽量化を図ることができる。

図８は、虚像映像生成部１０１の構成の一例を示す図で、小型化とともに共役像を抑制する構成である。図７に示した虚像映像生成部１０１と同じ要素には同じ符号を付し、視軸方向（Ｚ軸）から見た図のみを示している。本例では、導光部１２３で複製された周期的なマイクロレンズアレイ（レンズセル）と光源の共役像を抑制するために、図６Ｂで説明したように、マイクロレンズアレイ１３０と表示部１２１の間に拡散板１５０を追加している。これにより、表示部１２１の拡大像である映像（虚像）の解像度には影響を与えることなく、マイクロレンズセルと光源の共役像のみをぼかして目立たなくすることができる。また、図７と同様に折り曲げミラー１４６を配置した構成とすることで、ＨＭＤ１のＡ寸法を小型化している。

ここで拡散板１５０の位置は、マイクロレンズアレイ１３０から離しコンデンスレンズ１３１に近い位置に配置する。この例ではコンデンスレンズ１３１の前側（図面上側）に配置したが、コンデンスレンズ１３１の後側（図面下側）でもよい。コンデンスレンズ１３１に近い位置に配置することで、拡散板１５０の拡散角を小さくでき、拡散板１５０挿入による効率低下を抑えつつ、マイクロレンズセルと光源の共役像のみをぼかすことができる。

拡散板１５０挿入の効果は、マイクロレンズアレイ１３０を用いず単純に色合成部１４４からの光を表示部１２１に照射する構成でも認められる。しかし、マイクロレンズアレイ１３０を用いた構成に適用することで、高効率で輝度均一性の高い照明系であって、かつ、導光板１２３越しに映像を見た際に発生する共役像を抑制する効果がある。

また、拡散板１５０による偏光への影響を考慮し、偏光フィルタ１４５の位置を拡散板１５０の直後に配置する構成としている。その際、拡散板１５０と偏光フィルタ１４５を貼り合わせて、一体化した構成としても構わない。

一方、拡散板１５０とコンデンスレンズ１３１を一体化することも可能である。その場合、拡散板１５０の代わりにコンデンスレンズ１３１の表面を砂摺り状の面として、拡散機能を付加した構成としても良い。

コンデンスレンズ１３１の焦点距離ｆを前記した範囲８〜１４ｍｍのうち長めの値とすると、光学系のサイズは大きくなるが共役像の抑制効果は大きくなる。これは、マイクロレンズセル上の光源像が大きくなって各光源像間の間隔が短くなり、共役像での明暗の変化が小さくなることで共役像が視認しにくくなるからである。次に、焦点距離が長い場合に有効な構成について説明する。

図９は、図８の変形例を示す図で、コンデンス光学部材に２枚のコンデンスレンズを用いた構成である。焦点距離が長い場合はレンズを２枚程度用いて、前側主平面と後側主平面の位置をなるべく近接するように配置することで、光学系のサイズを小型化できる。

マイクロレンズアレイ１３０の後に第１のコンデンスレンズ１５１を配置し、折り曲げミラー１４６の後に第２のコンデンスレンズ１５２を配置し、その後偏光分岐素子１３２及び表示部１２１へと続く。拡散板１５０と偏光フィルタ１４５は、第２のコンデンスレンズ１５２の近傍（ここでは前側）に配置する。

２枚のコンデンスレンズ１５１，１５２を配置する場合、マイクロレンズアレイ１３０から第１のコンデンスレンズ１５１までの距離と、第２のコンデンスレンズ１５２から表示部１２１までの光路長がアンバランスになる。よって、２枚のコンデンスレンズ１５１，１５２の合成主平面位置をなるべく第２のコンデンスレンズ１５２側に寄せるため、第１のコンデンスレンズ１５１はメニスカスレンズとし、第２のコンデンスレンズ１５２は両凸レンズとすることで、光学系を小型化できる。

実施例２では、図４で示したフレーム部１０のＢ寸法（垂直方向）の短縮と、共役像の抑制について説明する。
図１０は、虚像映像生成部１０１の構成の一例を示す図で、Ｂ寸法を短縮しつつ共役像を抑制する構成である。実施例１と同様の機能を有する要素には同じ符号を付している。以下、実施例１と異なる部分について説明する。

本例では、照明部１２０から投射部１２２までが水平方向（Ｘ方向）に並んで配置させることで、光学系の垂直方向の幅（Ｂ寸法）を短縮している。光源１４０，１４１から出射し、マイクロレンズアレイ１３０を通過した光は、偏光フィルタ１４５へ入射し所定の方向の直線偏光のみが透過する。その後偏光分岐素子１３２によって図面下方へ反射され、拡散板１５０と１／４波長板１６０を通過する。拡散板１５０ではマイクロレンズアレイ１３０と光源１４０，１４１の共役像が抑制され、１／４波長板１６０では円偏光へと変換されて、凹面ミラー１６１に入射する。

凹面ミラー１６１によって反射された光は、再び１／４波長板１６０を通過することで先程とは直交する方向の直線偏光となり、拡散板１５０及び偏光分岐素子１３２を透過して表示部１２１を照明する。表示部１２１で生成された映像光は、偏光分岐素子１３２で反射して図面右方向に進み、偏光フィルタ１４７と１／４波長板１４８を介して、投射部１２２へ入射する。

この構成では、凹面ミラー１６１が実施例１で述べたコンデンス光学部材１３１に相当し、凹面ミラー１６１で集束された反射光が表示部１２１に入射する。凹面ミラー１６１は、非球面の凹面ミラーであることが望ましい、また、共役像をぼかすための拡散板１５０は、コンデンス光学部材である凹面ミラー１６１の近くに配置されている。

すなわち、凹面ミラー１６１と表示部１２１は偏光分岐素子１３２を挟んで対向し、マイクロレンズアレイ１３０と表示部１２１は略垂直となる幾何学的な関係で配置され、偏光分岐素子１３２と凹面ミラー１６１の間には、拡散板１５０と１／４波長板１６０が配置されている。

この構成によれば、光学系の垂直方向（Ｙ方向）の幅が短縮され、図４（ｂ）のようなフレーム部１０の形状が可能となる。もちろん、拡散板１５０を組み込んでいるので、共役像を抑制する効果も得られる。

図１１は、図１０の変形例を示す図で、凹面ミラー１６１に代えて内面反射型レンズ１６２を配置した構成である。内面反射型レンズ１６２は、凸レンズ面にミラーコートをして内面反射を利用するものであり、凹面ミラー１６１と同等の効果が得られる。内面反射型レンズ１６２は、凸非球面に反射コートを付けた平凸非球面レンズであることが望ましい。すなわち、平凸レンズをベースとすることで入射面側に１／４波長板１６０や拡散板１５０を貼り付けて一体化することができ、小型化にも寄与する。
図１０での凹面ミラー１６１や図１１での内面反射型レンズ１６２の焦点距離は、実施例１で述べたコンデンス光学部材１３１と同等の焦点距離とすればよい。

一方、拡散板１５０と凹面ミラー１６１又は内面反射型レンズ１６２を一体化することも可能である。その場合、拡散板１５０の代わりに凹面ミラー１６１又は内面反射型レンズ１６２の曲面を砂摺り状の面として、拡散機能を付加した構成としても良い。

実施例２の構成によれば、少ないスペースで照明光学系の光路長を確保し、実施例１で用いた折り曲げミラー１４６が不要となることで照明部１２０がストレート状の光学系となる。よってフレーム部１０のＢ寸法を縮小でき、小型化や良好な視界の確保ができる。

最後に、各実施例で述べたＨＭＤの応用例について記載する。
図１２は、ＨＭＤ１の使用例を示す図である。ユーザ（作業者）２の視界には、ＨＭＤ１からの映像（虚像）２００が表示され、例えば産業機器の点検や組立て等における作業手順が表示される。ユーザ２は、作業対象物（機器や工具など）と作業指示を同時に視認しながら作業を実行することができるので、より確実な作業が可能となりミスを低減することができる。

図１３は、図１の変形例で、特に両眼の映像を精度良く表示するための構成を示す。ＨＭＤ１’の画像信号処理部１０３’には、左目画像生成部１０３Ｌと右目画像生成部１０３Ｒを夫々設けている。両眼表示の場合は、左右夫々に映像を表示する必要があるが、これらの映像の相対的な位置が、虚像映像生成部１０１の組立て誤差や周囲の温度変化等でずれてしまう場合がある。そこで、画像信号処理部１０３’に左目画像生成部１０３Ｌと右目画像生成部１０３Ｒを夫々設けることで、左右で独立した映像表示を可能としている。これにより、例えば左右の映像の表示位置にズレが生じた際には、左目画像生成部１０３Ｌと右目画像生成部１０３Ｒで左右の映像の表示位置を信号処理で補正することで、位置ズレを解消することができる。

また、両眼のＨＭＤ１’の場合、導光部１２３への映像光の入射方向が左右で異なる。導光部１２３を構成する反射膜、回折格子、体積ホログラムなどの入射角特性により輝度分布や色分布に変化が生じる際、左右の映像における輝度・色の変化の様子も左右対称となる。従って、前記の左目画像生成部１０３Ｌと右目画像生成部１０３Ｒを用いれば、左右の幾何学的な対称性に起因した輝度や色分布のムラを信号処理で補正することが可能である。

また、ＨＭＤ１’は屋内外で使用する。従って、周囲環境の明るさに応じて表示映像の輝度も調節する必要がある。一例として、センシング部１０６に入出力部９１を介して照度センサを接続し、照度センサの出力に応じて画像信号処理部１０３’が表示する映像の輝度を調節すればよい。

以上、本発明に係る実施の形態の説明を行ってきたが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かり易くするために詳細に説明したものであり、本発明は、ここで説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施例の構成の一部を実施例の構成に置き換えることが可能である。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・置換をすることもできる。

また、上記のＨＭＤおよび虚像映像生成部の機能構成は、理解を容易にするために、主な処理内容に応じて分類したものである。構成要素の分類の仕方や名称によって、本願発明が制限されることはない。ＨＭＤおよび虚像映像生成部の構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。

また、本発明はヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）だけでなく、実施例で説明した虚像映像生成部の構成を有する他の映像（虚像）表示装置にも同様に適用できることは言うまでもない。

１…ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、１０…フレーム部、１０１…虚像映像生成部、１０３…画像信号処理部、１２０…照明部、１２１…表示部、１２２…投射部、１２３…導光部、１３０…マイクロレンズアレイ、１３１，１５１，１５２…コンデンスレンズ（コンデンス光学部材）、１３２…偏光分岐素子、１４０，１４１…光源、１４４…色合成部、１４５…偏光フィルタ、１４６…折り曲げミラー、１５０…拡散板、１６１…凹面ミラー、１６２…内面反射型レンズ。

Claims (14)

1. ユーザの頭部に装着され視野内に映像を表示するヘッドマウントディスプレイであって、
   表示する映像を生成する表示部と、
   前記表示部に照明光を照射する照明部と、
   前記表示部からの映像光を投射する投射部と、
   前記投射部からの映像光をユーザの瞳に伝達する導光部と、を備え、
   前記照明部は、
   光を出射する光源部と、
   前記光源部から出射された光を照射し仮想的な２次光源となるマイクロレンズアレイと、
   前記マイクロレンズアレイからの光を前記表示部に集光するコンデンス光学部材と、
   前記マイクロレンズアレイからの光を拡散する拡散板と、を有し、
   前記拡散板は、前記マイクロレンズアレイよりも前記コンデンス光学部材に近い位置に配置されたことを特徴とす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、
   前記コンデンス光学部材は単一のコンデンスレンズであって、
   前記マイクロレンズアレイから前記コンデンスレンズまでの第１の距離と、前記コンデンスレンズから前記表示部までの第２の距離が、略等し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、
   前記コンデンス光学部材は２枚のコンデンスレンズから成り、
   前記マイクロレンズアレイに近い側に配置される第１のコンデンスレンズはメニスカスレンズであり、
   前記表示部に近い側に配置される第２のコンデンスレンズは両凸レンズであり、
   前記拡散板は、前記第１のコンデンスレンズよりも第２のコンデンスレンズに近い位置に配置され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、
   前記コンデンス光学部材は凹面ミラーである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、
   前記コンデンス光学部材の焦点距離は８ｍｍ〜１４ｍｍの範囲であ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、
   前記拡散板には所定の方向の直線偏光のみを透過する偏光フィルタが貼り合わせて一体化され、
   一体化された前記拡散板と前記偏光フィルタは、前記拡散板が前記マイクロレンズアレイ側に、前記偏光フィルタが前記表示部側になるよう配置され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、
   前記コンデンス光学部材の表面を砂摺り状の面とすることで、前記コンデンス光学部材に前記拡散板が一体化さ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。
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、
   前記照明部は、光路を折り曲げるための折り曲げミラーと、
   前記表示部で反射後の映像光を前記投射部へ導くための偏光分岐素子と、を備え、
   前記折り曲げミラーおよび前記偏光分岐素子は、前記表示部の表示領域の短手方向に光を折り曲げるよう配置され、
   前記折り曲げミラーと前記偏光分岐素子は略平行である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、
   前記導光部は映像光を入射する入射面と、入射した映像光を全反射しながら伝播する略平行な第１及び第２の内部反射面を有し、
   前記導光部の内部には、映像光を投射するための複数の略平行な部分反射面アレイを備えた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、
    ユーザから見て前記照明部は前記投射部よりも上部方向に配置さ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、
    前記表示部へ照明光を導く光路と、前記表示部からの反射光を前記投射部へ導く光路とを分岐するための偏光分岐素子を有し、
    前記偏光分岐素子は透明基板上にワイヤーグリッドフィルムを貼り付けた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４に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
    前記凹面ミラーと前記表示部は偏光分岐素子を挟んで対向して配置され、
    前記マイクロレンズアレイと前記表示部は略垂直となる幾何学的な関係で配置され、
    前記偏光分岐素子と前記凹面ミラーの間には、前記拡散板と１／４波長板が配置さ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。
13. 請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
    前記凹面ミラーは、非球面の凹面ミラー、又は凸非球面に反射コートを付けた平凸非球面レンズであることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
14. 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部と、
    電力を供給する電力供給部と、
    情報を記憶する記憶部と、
    ユーザの位置や姿勢を検出するセンシング部と、
    外部装置と通信を行う通信部と、
    音声信号の入力または出力を行う音声処理部と、
    装置全体の制御を行う制御部と、
    を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

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