JP2020134669A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】外部の景色を適切に視認することができるヘッドマウントディスプレイを提供する。【解決手段】表示画像を形成するための表示光と、ヘッドマウントディスプレイを装着したユーザの前方からの外光とを合成するコンバイナ１２１Ｌと、コンバイナ１２１Ｌの下方からの外光の一部を透過し、コンバイナ１２１Ｌの透過率以下の透過率を有する減光部１３０Ｌと、を備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関する。

特許文献１には、シースルー型のヘッドマウントディスプレイが開示されている。特許文献１の図５のヘッドマウントディスプレイは、液晶表示素子と、偏光ビームスプリッタと、凹面ハーフミラーと、１／４波長板と、偏光性の回折素子と、を備えている。偏光ビームスプリッタは、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。偏光性の回折素子は、偏光ビームスプリッタによって反射される偏光方向の光を回折し、偏光ビームスプリッタによって透過される偏光方向の光を透過する。

また、特許文献１の図６のヘッドマウントディスプレイは、液晶表示素子と、凹面ハーフミラーと、平面ハーフミラーと、第１の偏光手段と、第２の偏光手段とを備えている。第１の偏光手段は、Ｐ偏光を透過する偏光板である。第２の偏光手段は、Ｐ偏光を吸収し、Ｓ偏光を透過する偏光板である。二つの偏光板は、透過軸が直交するように配置されている。

特開平１１−９５１６０号公報

特許文献１の構成では、外光の明るさに差が生じてしまうという問題点がある。例えば、前方からの外光は、ハーフミラー及び偏光ビームスプリッタ等で、減衰してしまう。一方、表示画像よりも下側の景色を視認するために、前方斜め下の視界を確保する場合、前方斜め下からの外光はハーフミラーを介さずにユーザの眼に入射する。前方斜め下からの外光は減衰されずに視認される。よって、前方からの外光と、前方斜め下からの外光の明るさに差が生じてしまうという問題点がある。

本開示は上記の点に鑑みなされたものであり、外部の景色を適切に視認することができる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。

本実施形態にかかるヘッドマウントディスプレイは、表示画像を形成するための表示光と、ヘッドマウントディスプレイを装着したユーザの前方からの外光とを合成するコンバイナと、前記コンバイナよりも下方からの外光の一部を透過し、前記コンバイナの透過率以下の透過率を有する減光部と、を備えたものである。

本開示によれば、外部の景色を適切に視認することができるヘッドマウントディスプレイ、表示方法、及び表示システムを提供することを目的とする。

本実施の形態にかかるヘッドマウントディスプレイの一部の構成を示す図である。 本実施の形態にかかるヘッドマウントディスプレイの機能ブロックを示す図である。 実施の形態１にかかるヘッドマウントディスプレイの光学系の構成を模式的に示す図である。 実施の形態２にかかるヘッドマウントディスプレイの光学系の構成を模式的に示す図である。 実施の形態３にかかるヘッドマウントディスプレイの光学系の構成を模式的に示す図である。 実施の形態４にかかるヘッドマウントディスプレイの光学系の構成を模式的に示す図である。 実施の形態５にかかるヘッドマウントディスプレイの光学系の構成を模式的に示す図である。 実施の形態６にかかるヘッドマウントディスプレイの光学系の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本開示が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。

本実施の形態にかかるヘッドマウントディスプレイ、及びその表示方法について、図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１００の一部の構成を模式的に示す斜視図である。図２はヘッドマウントディスプレイ１００の一部の機能ブロックを示す図である。図１、図２では、主として、ヘッドマウントディスプレイ１００の画像表示に関する構成が示されている。図１では、ヘッドマウントディスプレイ１００の内部構成が示されており、実際には、図１に示す各構成要素がカバーなどで覆われていてもよい。

ヘッドマウントディスプレイ１００は、ゲーム用、エンターテインメント用、産業用、医療用、フライトシミュレータ用などの様々な用途に適用可能である。ヘッドマウントディスプレイ１００は、例えばＡＲ（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）ヘッドマウントディスプレイやＭＲ（Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）ヘッドマウントディスプレイである。

以下、説明の明確化のため、ＸＹＺ３次元直交座標系を用いて説明を行う。ユーザを基準として、前後方向（奥行方向）をＺ方向、左右方向（水平方向）をＸ方向、上下方向（鉛直方向）をＹ方向とする。前方向が＋Ｚ方向、後ろ方向が−Ｚ方向、右方向を＋Ｘ方向、左方向を−Ｘ方向、上方向を＋Ｙ方向、下方向を−Ｙ方向とする。

図示しないユーザが、ヘッドマウントディスプレイ１００を装着している。ヘッドマウントディスプレイ１００は、表示素子部１０１と、フレーム１０２と、左眼用光学系１０３Ｌと、右眼用光学系１０３Ｒと、制御部１０５を備えている。制御部１０５は、制御部１０５Ｌと制御部１０５Ｒとを備えている。

フレーム１０２はゴーグル形状や眼鏡形状を有しており、図示しないヘッドバンドなどによりユーザの頭部に装着される。フレーム１０２には、表示素子部１０１、左眼用光学系１０３Ｌ、右眼用光学系１０３Ｒ、制御部１０５Ｌ、制御部１０５Ｒが取り付けられている。なお、図１では、両眼式のヘッドマウントディスプレイ１００が図示されているが、眼鏡形状を有するヘッドマウントディスプレイや、単眼式のヘッドマウントディスプレイであってもよい。

表示素子部１０１は、左眼用表示素子１０１Ｌと右眼用表示素子１０１Ｒを備えている。左眼用表示素子１０１Ｌは、左眼用の表示画像を生成する。右眼用表示素子１０１Ｒは、右眼用の表示画像を生成する。左眼用表示素子１０１Ｌ、及び右眼用表示素子１０１Ｒはそれぞれ液晶モニタや有機ＥＬ（Electro-Luminescence）モニタなどのフラットパネルディスプレイを備えている。左眼用表示素子１０１Ｌ、及び右眼用表示素子１０１Ｒは曲面形状を有するディスプレイでもよい。左眼用表示素子１０１Ｌと右眼用表示素子１０１Ｒは、それぞれアレイ状に配置された複数の画素を備えている。ここでアレイ状の配置とは、２次元行列の配置だけでなく、ペンタイル配列などでもよい。左眼用表示素子１０１Ｌは右眼用表示素子１０１Ｒの左側（−Ｘ側）に配置されている。

表示素子部１０１の上方（＋Ｙ側）には、制御部１０５が設けられている。制御部１０５には、外部からの映像信号、制御信号、電源が供給されている。例えば、ＨＤＭＩ（登録商標）などの有線接続、又はＷｉＦｉ（登録商標）やＢｌｕｅＴｏｏｔｈ（登録商標）等の無線接続によって、映像信号等が制御部１０５に入力される。ヘッドマウントディスプレイ１００は、映像信号を生成する映像生成部（図示せず）を備えていてもよく、制御部１０５には、映像生成部が生成した映像信号等が入力されてもよい。

制御部１０５Ｌ、制御部１０５Ｒはそれぞれ、ディスプレイの駆動回路等を備えている。制御部１０５Ｌは、映像信号、制御信号等に基づいて、左眼用画像の表示信号を生成して、左眼用表示素子１０１Ｌに出力する。これにより、左眼用表示素子１０１Ｌは、左眼用画像を表示するための表示光を出力する。制御部１０５Ｒは、映像信号、制御信号等に基づいて、右眼用画像の表示信号を生成して、右眼用表示素子１０１Ｒに出力する。これにより、右眼用表示素子１０１Ｒは、右眼用の表示画像を表示するための表示光を出力する。つまり、制御部１０５は表示信号を表示素子部１０１に出力する。

なお、表示素子部１０１は、左眼用表示素子１０１Ｌと右眼用表示素子１０１Ｒを別々の表示素子とする構成に限らず、単一の表示素子とする構成としてもよい。単一の表示素子が、左眼用の表示画像と右眼用の表示画像とを生成してもよい。この場合、表示素子部１０１は、ディスプレイの表示領域の片側の一部を用いて、左眼用画像を生成し、反対側の一部を用いて、右眼用画像を生成する。

表示素子部１０１、制御部１０５等の一部又は全部は、フレーム１０２に固定されている構成に限らず、フレーム１０２に対して脱着可能に設けられていてもよい。例えば、スマートホン又はタブレットコンピュータ等をフレーム１０２に対して取り付けることで、表示素子部１０１、制御部１０５等を実現してもよい。この場合、スマートホン等にヘッドマウントディスプレイ用の表示画像を生成するアプリケーションプログラム（アプリ）を予めインストールしておけばよい。

左眼用光学系１０３Ｌは、左眼用表示素子１０１Ｌが出力した表示光を、左眼用画像としてユーザの左眼ＥＬに導く。右眼用光学系１０３Ｒは、右眼用表示素子１０１Ｒが出力した表示光を、右眼用画像ＰＲとしてユーザの右眼に導く。左眼用光学系１０３Ｌは右眼用光学系１０３Ｒの左側（−Ｘ側）に配置されている。左眼用光学系１０３Ｌは、ユーザの左眼ＥＬの前方（＋Ｚ方向）に配置されている。右眼用光学系１０３Ｒは、ユーザの右眼ＥＲの前方（＋Ｚ方向）に配置されている。ユーザは、表示素子部１０１が生成した表示画像の虚像を正面前方（＋Ｚ方向）に視認することができる。

本実施の形態にかかるヘッドマウントディスプレイ１００は、半透過型のヘッドマウントディスプレイ１００である。従って、左眼用光学系１０３Ｌ、及び右眼用光学系１０３Ｒは、後述するコンバイナを備えている。半透過型のヘッドマウントディスプレイ１００では、表示素子部１０１からの表示光と、外光とが、左眼ＥＬ及び右眼ＥＲに入射する。よって、ユーザは、前方（＋Ｚ方向）の景色に表示画像が重畳した重畳画像を視認することができる。

以下、左眼用光学系１０３Ｌと右眼用光学系１０３Ｒ（以下、まとめて単に光学系と称する）の具体的な実施形態について説明する。なお、左眼用光学系１０３Ｌと右眼用光学系１０３Ｒとは同様の構成となっているため、以下の説明では、左眼用光学系１０３Ｌについてのみ説明を行う。

実施の形態１．
図３は、実施の形態１にかかる光学系を模式的に示す側面図である。左眼用光学系１０３Ｌは、コンバイナ１２１Ｌと、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌと、１／４波長板１２３Ｌと、減光部１３０Ｌと、を備えている。コンバイナ１２１Ｌ、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌ、１／４波長板１２３Ｌ、及び減光部１３０Ｌは、図１で示したフレーム１０２に固定されている。

コンバイナ１２１Ｌと偏光ビームスプリッタ１２２Ｌと１／４波長板１２３Ｌは、ユーザの左眼ＥＬの正面前方（＋Ｚ方向）に配置されている。また、コンバイナ１２１Ｌは、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの前方（＋Ｚ方向）に配置されている。コンバイナ１２１Ｌと偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとの間に、１／４波長板１２３Ｌが配置されている。つまり、＋Ｚ側から−Ｚ側に向かうにつれて、コンバイナ１２１Ｌ、１／４波長板１２３Ｌ、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌ、左眼ＥＬの順に配置されている。

左眼用表示素子１０１Ｌは、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの上方（＋Ｙ方向）に配置されている。つまり、左眼用表示素子１０１Ｌは、左眼ＥＬの前方斜め上に配置されている。減光部１３０Ｌは、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの下方（−Ｙ方向）に配置されている。つまり、減光部１３０Ｌは、左眼ＥＬの前方斜め下に配置されている。

コンバイナ１２１Ｌはハーフミラー等のビームスプリッタであり、入射光の一部を反射して、一部を透過する。よって、後述する表示光Ｌ１２のコンバイナ１２１Ｌにおける反射の比率とユーザの前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２１の反射の比率とが等しいとすると、外光Ｌ２１のほぼ半分がコンバイナ１２１Ｌを透過する。コンバイナ１２１Ｌは凹面鏡となっている。コンバイナ１２１Ｌは、表示光Ｌ１２の反射の比率を増やし外光Ｌ２１の透過の比率を減らしてもよいし、表示光Ｌ１２の反射の比率を減らし外光Ｌ２１の透過の比率を増やしてもよい。

偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは、偏光状態に応じて、光を透過又は反射する。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとしては、反射型偏光板を用いることができる。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの透過軸は、紙面と平行になっている。図３において、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは、紙面と平行な偏光成分を透過して、紙面と直交する偏光成分を反射する。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を反射する。無偏光の光が偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに入射すると、Ｐ偏光の透過光と、Ｓ偏光の反射光とに分岐される。

１／４波長板１２３Ｌは、直交する偏光成分に９０°の位相差を与える。光が１／４波長板１２３Ｌを透過することで、偏光状態が変化する。例えば、直線偏光が１／４波長板１２３Ｌを透過すると、円偏光に変換される。円偏光が１／４波長板１２３Ｌを透過すると直線偏光に変換される。１／４波長板１２３Ｌは、ＸＹ平面に平行に配置されている。

減光部１３０Ｌは、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタなどの減光フィルタ１３１Ｌを有している。ここでは、透過率２５％のＮＤフィルタを減光部１３０Ｌとして用いている。減光部１３０Ｌは、前方斜め下の視界を得るための下部窓として機能する。前方斜め下からの左眼ＥＬに向かう外光Ｌ４１が減光フィルタ１３１Ｌを透過する。ユーザが減光フィルタ１３１Ｌを介して前方斜め下を視認することができるため、減光フィルタ１３１Ｌの面積の大きさに応じた下方視界が確保される。減光フィルタ１３１Ｌは、ＸＺ平面に平行に配置されている。もちろん、減光フィルタ１３１Ｌを設置する角度は特に限定されるものではない。例えば減光フィルタ１３１Ｌは、−Ｚ側が高くなり、かつ、＋Ｚ側が低くなる傾斜をつけて配置されてもよい。減光部１３０Ｌは、コンバイナ１２１Ｌから左眼ＥＬまでの表示光の光路の外側に配置されている。

左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１について説明する。左眼用表示素子１０１Ｌの表示面は、鉛直下方（−Ｙ方向）に面している。したがって、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１は、−Ｙ方向に出射される。左眼用表示素子１０１Ｌは、例えば、液晶表示パネルを有する液晶モニタである。液晶表示パネルはバックライトからの光の偏光状態を制御することで、光を空間変調する。そのため、左眼用表示素子１０１Ｌの液晶パネルの出射側には、偏光フィルム１０１１Ｌが貼り付けられている。偏光フィルム１０１１Ｌは、紙面と直交する直線偏光を透過して、紙面と平行な直線偏光を吸収する。よって、表示光Ｌ１１が直線偏光となっている。図３において、表示光Ｌ１１は紙面と直交する方向の直線偏光となっており、この方向を第１の方向とする。

左眼用表示素子１０１Ｌの下方（−Ｙ方向）には偏光ビームスプリッタ１２２Ｌが傾斜して配置されている。よって、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは表示光Ｌ１１を前方（＋Ｚ方向）に反射する。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは、表示光Ｌ１１をコンバイナ１２１Ｌに向けて反射する。表示光Ｌ１１は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに対してＳ偏光となっている。表示光Ｌ１１のほぼ全てが、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌによって反射される。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌで前方（＋Ｚ方向）に反射した表示光Ｌ１１の反射光を表示光Ｌ１２とする。

偏光ビームスプリッタ１２２Ｌで反射した表示光Ｌ１２は、１／４波長板１２３Ｌを介して、コンバイナ１２１Ｌに入射する。コンバイナ１２１Ｌは、後方（−Ｚ方向）に表示光Ｌ１２を反射する。コンバイナ１２１Ｌは、表示光Ｌ１２を偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに向けて反射する。さらに、コンバイナ１２１Ｌは凹面鏡であり、表示光Ｌ１２を左眼ＥＬに向けて集光するように、表示光Ｌ１２を反射する。コンバイナ１２１Ｌで反射された表示光Ｌ１２の反射光を表示光Ｌ１３とする。表示光Ｌ１３は、１／４波長板１２３Ｌを介して、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに入射する。

コンバイナ１２１Ｌと偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとの間には、１／４波長板１２３Ｌが設けられている。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとコンバイナ１２１Ｌとの間を往復する表示光は、１／４波長板１２３Ｌを２回透過するため、表示光の偏光方向が９０°回転する。つまり、表示光Ｌ１３は、表示光Ｌ１１の偏光方向と直交する直線偏光となっている。図３において１／４波長板１２３Ｌを透過した表示光Ｌ１３は、紙面と平行な方向の直線偏光となり、この方向を第２の方向とする。光軸と直交する平面において、第１の方向と第２の方向とは直交する関係である。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの透過軸は第２の方向と平行になっている。

表示光Ｌ１３は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに対してＰ偏光となっているため、表示光Ｌ１３のほぼ全てが、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過する。このように、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとコンバイナ１２１Ｌとの間に、１／４波長板１２３Ｌを配置することで、表示光の損失を抑制することができる。

偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過した表示光Ｌ１３が左眼ＥＬに入射する。このように、左眼用光学系１０３Ｌが、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光を、ユーザの左眼ＥＬに導く。表示光Ｌ１３が表示画像を形成する。光学系により、ユーザの前方（＋Ｚ方向）に虚像を表示させることができる。

次に、ユーザの前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２１について説明する。ユーザの前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２１のほぼ半分がコンバイナ１２１Ｌを透過する。外光Ｌ２１は、１／４波長板１２３Ｌを透過して、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに入射する。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは、外光Ｌ２１を２つに分岐する。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過した外光Ｌ２１を外光Ｌ２２とする。外光Ｌ２２は、紙面と平行な直線偏光となる。

外光Ｌ２１のＰ偏光成分が偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過して、外光Ｌ２２となる。Ｐ偏光の外光Ｌ２２は、左眼ＥＬに入射する。外光Ｌ２１のＳ偏光成分が偏光ビームスプリッタ１２２Ｌで反射して、左眼用表示素子１０１Ｌに入射する。外光Ｌ２１は無偏光である場合１／４波長板１２３Ｌを通過しても無偏光のままである。１／４波長板１２３Ｌを通過した無偏光の外光Ｌ２１は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成とがほぼ等しい量であると考えられるため、外光Ｌ２１のほぼ半分を占める偏光成分であるＰ偏光成分が偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過する。

ヘッドマウントディスプレイ１００が半透過型であるため、コンバイナ１２１Ｌは、前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２１と左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１を合成する。ユーザの前方（＋Ｚ方向）にコンバイナ１２１Ｌを設けることで、ヘッドマウントディスプレイ１００を光学シースルー方式とすることができる。ユーザの前方（＋Ｚ方向）の景色に、表示画像が重畳される。つまり、ユーザは、表示画像が重畳された景色を視認することができる。

コンバイナ１２１Ｌの透過率は５０％となっている。よって、外光Ｌ２１の半分がコンバイナ１２１Ｌを透過する。さらに、外光Ｌ２１は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過する。外光Ｌ２１が無偏光であると、外光Ｌ２１に対する偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの透過率は５０％となる。１／４波長板１２３Ｌを通過した外光Ｌ２１のほぼ半分が偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過する。よって、外光Ｌ２１は、コンバイナ１２１Ｌと偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過することで、２５％に減衰する。つまり、コンバイナ１２１Ｌに入射した外光Ｌ２１の１／４が、左眼ＥＬに入射する。なお、１／４波長板１２３Ｌの透過率を１００％としている。

次に、前方斜め下から左眼ＥＬに向かう外光Ｌ４１について説明する。外光Ｌ４１は、下部窓としての減光フィルタ１３１Ｌに入射する。減光フィルタ１３１Ｌは、入射した光の２５％を透過して、残り７５％を吸収又は反射する。外光Ｌ４１の一部が減光フィルタ１３１Ｌを透過して、左眼ＥＬに入射する。減光フィルタ１３１Ｌを透過した外光Ｌ４１を外光Ｌ４２とする。外光Ｌ４２は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを介さずに、左眼ＥＬに入射する。このように、前方斜め下から左眼ＥＬに向かう外光Ｌ４１の一部が減光フィルタ１３１Ｌで遮光され、一部が左眼ＥＬに入射する。減光フィルタ１３１Ｌを下部窓として用いることで、前方下側の視界を確保することができる。

ここで、減光部１３０Ｌは、透過率が２５％の減光フィルタ１３１Ｌから構成されている。外光Ｌ４１は、減光部１３０Ｌを通過することで、２５％に減衰する。２５％に減衰した外光Ｌ４２が左眼ＥＬに入射する。よって、減光フィルタ１３１Ｌを介した景色の明るさと、コンバイナ１２１Ｌを介した景色との明るさとを揃えることができる。よって、ユーザは、外部の景色を適切に視認することができる。

コンバイナ１２１Ｌでの外光Ｌ２１の透過率をＴｃ、減光部１３０Ｌでの外光Ｌ４１の透過率をＴｗ、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌでの外光Ｌ２１の透過率をＴｍとする。Ｔｗは、Ｔｃ以下であることが好ましい。さらに、ＴｗはＴｍ以下であることが好ましい。これにより、前方斜め下の景色と前方の景色との明るさの違いを抑制することができる。前方斜め下の視界が前方の視界よりも明るくなるのを防ぐことができるため、ユーザが自然な景色を視認することができる。ヘッドマウントディスプレイ１００の視認性を向上することができる。

Ｔｗ＝Ｔｃ＊ＴｍとなるようにＴｗを定めることで、コンバイナ１２１Ｌを介して視認される前方の景色と、減光部１３０Ｌを介して視認される前方斜め下の景色との明るさを揃えることができる。これにより、視認方向による明るさの違いを抑制することができ、ユーザが自然な景色を視認することができる。

上記のように、減光部１３０Ｌを下部窓として用いることで、前方斜め下まで視界を拡げることができ、開放感の高い状態でヘッドマウントディスプレイを使用することができる。コンバイナ１２１Ｌ及び偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過した前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２２と、減光部１３０Ｌを透過した前方斜め下からの外光Ｌ４２の明るさの違いを抑制することができる。ユーザは、外部の景色を適切に視認することができる。さらに、足下周辺が見えることができるため、ユーザ前方の机などに設置された操作機器などを視認することができる。

上記の説明では、Ｔｗ＝２５％、Ｔｃ＝５０％、Ｔｍ＝５０％として説明したが、これらの透過率の値は特に限定されるものではない。例えば、Ｔｃの透過率を４０％とする場合、それに合わせてＴｗの透過率を下げればよい。具体的にはＴｗ＝２０％（＝４０％＊５０％）とすることが好ましい。

また、コンバイナ１２１Ｌ、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌ、１／４波長板１２３Ｌ、減光フィルタ１３１Ｌ等の光学素子に対して、各素子の表面に反射防止コートを施してもよい。これにより、左眼用光学系１０３Ｌ内での迷光を抑制することができる。また、減光フィルタ１３１Ｌとして吸収型のＮＤフィルタを用いることで、左眼用光学系１０３Ｌ内での迷光を抑制することができる。

また、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとコンバイナ１２１Ｌとの間に、１／４波長板１２３Ｌが配置されている。左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１の損失を抑制することができる。よって、コントラストが高く、明るい表示画像を前方の景色に重畳することができる。

実施の形態２．
実施の形態２にかかるヘッドマウントディスプレイ１００の左眼用光学系１０３Ｌについて、図４を用いて説明する。実施の形態２では、減光部１３０Ｌの構成が実施の形態１と異なっている。減光部１３０Ｌ以外の構成については、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。例えば、図４では、表示光Ｌ１１〜Ｌ１３については、実施の形態１と同様であるため、省略している。減光部１３０Ｌは、偏光子１３２Ｌと減光フィルタ１３３Ｌとを備えている。

偏光子１３２Ｌとして、吸収型の偏光板を用いることができる。偏光子１３２Ｌの透過軸は、紙面と平行になっている。図４において、偏光子１３２Ｌは、紙面に平行な偏光成分を透過し、紙面に直交する偏光成分を吸収する。偏光子１３２Ｌは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を吸収する。なお、偏光子１３２Ｌとして、反射型の偏光板を用いてもよい。偏光子１３２Ｌは、ＸＺ平面に平行に配置されている。

偏光子１３２Ｌは例えば、ワイヤーグリッド偏光子や、誘電体膜の偏光子である。偏光子１３２Ｌは、図３に示すようにＸＺ平面に平行に配置される構成に限らない。例えば偏光子１３２Ｌは、−Ｚ側が高くなり、かつ、＋Ｚ側が低くなる傾斜をつけて配置されてもよい。一般にワイヤーグリッド偏光子は、誘電体膜の偏光子と比較して、入射する光の入射角の傾きが大きい場合であっても優れた偏光特性を有する。優れた偏光特性とは、所望の方向の偏光を透過し、それと異なる方向の偏光を反射することである。よって偏光子１３２Ｌが傾斜をつけて配置される場合には、ワイヤーグリッド偏光子を偏光子１３２Ｌとして選択するのがよい。偏光子１３２Ｌが傾斜をつけて配置され、かつ誘電体膜の偏光子を偏光子１３２Ｌとして選択する場合には、後述する不要反射光Ｌ３１の入射角に最適化された偏光特性を有する誘電体膜の偏光子を選択するのがよい。

偏光子１３２Ｌの上（＋Ｙ側）には、減光フィルタ１３３Ｌが配置されている。減光フィルタ１３３Ｌは、透過率が５０％のＮＤフィルタを用いることができる。なお、図４では、偏光子１３２Ｌの上（＋Ｙ側）に減光フィルタ１３３Ｌが積層されている構成が示されているが、偏光子１３２Ｌと減光フィルタ１３３Ｌとの順番は反対であってもよい。例えば、減光フィルタ１３３Ｌの上（＋Ｙ側）に偏光子１３２Ｌが積層されていてもよい。減光フィルタ１３３Ｌと偏光子１３２Ｌは一体的に成形されていてもよい。

外光Ｌ４１が無偏光である場合、外光Ｌ４１は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成とがほぼ等しい量であると考えられるため、の５０％の成分であるＰ偏光成分が偏光子１３２Ｌを通過する。偏光子１３２Ｌを通過した外光Ｌ４１は、減光フィルタ１３３Ｌを通過する。減光フィルタ１３３Ｌの透過率が５０％であるため、減光部１３０Ｌ全体での透過率は２５％（＝５０％＊５０％）となる。よって、実施の形態１と同様に、前方の景色と前方斜め下の景色との明るさを揃えることができる。

机や衣服などの物体１５０で反射して、上方（＋Ｙ方向）に進む不要反射光Ｌ３１について説明する。不要反射光Ｌ３１は、下部窓である減光部１３０Ｌに入射する。偏光子１３２Ｌの透過軸は第２の方向と平行になっている。偏光子１３２Ｌは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を吸収する。よって、不要反射光Ｌ３１のＰ偏光成分のみが減光部１３０Ｌを透過する。減光部１３０Ｌを透過した不要反射光Ｌ３１を不要反射光Ｌ３２とする。

不要反射光Ｌ３２は、紙面と平行な直線偏光となる。不要反射光Ｌ３２は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに対して、Ｐ偏光となる。よって、不要反射光Ｌ３２のほぼ全てが偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過して、左眼用表示素子１０１Ｌに入射する。不要反射光Ｌ３２は、左眼用表示素子１０１Ｌの偏光フィルム１０１１Ｌで吸収される。これにより、不要反射光Ｌ３２がフレーム１０２内で迷光となるのを防ぐことができる。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの真下（−Ｙ側）からの不要反射光Ｌ３２が表示光Ｌ１３と重なって視認されることを防ぐことができ、映像品質の劣化を抑制することができる。

本実施の形態の構成によれば、前方斜め下の視界を確保しながら、下方からの不要反射光Ｌ３２が表示光Ｌ１３に重なるのを防ぐことができる。よって、コントラストが高く、明るい表示光Ｌ１３により高品質な表示画像を得ることができる。特にＡＲやＭＲに用いられる光学式シースルータイプのヘッドマウントディスプレイでは、外光と同程度に明るく高コントラストの表示画像を得ることが重要である。本実施の形態の構成により、明るく高コントラストの表示画像を得ることができる。適切に外光と表示光とを重畳することができる。

実施の形態３．
実施の形態３にかかるヘッドマウントディスプレイ１００の左眼用光学系１０３Ｌについて、図５を用いて説明する。実施の形態３では、図３の偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの代わりに、ビームスプリッタ１２５Ｌが用いられている。さらに、１／４波長板１２３Ｌが取り除かれている。これら以外の構成については、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

ビームスプリッタ１２５Ｌは、偏光状態にかかわらず、光を分岐する。例えば、ビームスプリッタ１２５Ｌは、透過率Ｔｍ５０％、反射率５０％のハーフミラーとなっている。つまり、ビームスプリッタ１２５Ｌに入射した光のほぼ半分が透過して、残り半分が反射する。コンバイナ１２１Ｌの透過率Ｔｃは実施の形態１と同様に５０％である。

表示素子部１０１で発生した表示光Ｌ１１について説明する。表示光Ｌ１１は、紙面に垂直な直線偏光となっている。表示素子部１０１からの表示光Ｌ１１のほぼ半分が、ビームスプリッタ１２５Ｌでコンバイナ１２１Ｌの方向に反射される。ビームスプリッタ１２５Ｌで反射した表示光Ｌ１１の反射光を表示光Ｌ１２とする。表示光Ｌ１２のほぼ半分がコンバイナ１２１Ｌで反射する。コンバイナ１２１Ｌで反射した表示光Ｌ１２の反射光を表示光Ｌ１３とする。表示光Ｌ１３のほぼ半分がビームスプリッタ１２５Ｌを透過する。

前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２１について説明する。外光Ｌ２１のほぼ半分がコンバイナ１２１Ｌを透過する。外光Ｌ２１のほぼ半分が、ビームスプリッタ１２５Ｌを透過する。したがって、外光Ｌ２１は、コンバイナ１２１Ｌ、及びビームスプリッタ１２５Ｌを通過することで、２５％に減衰する。コンバイナ１２１Ｌ、及びビームスプリッタ１２５Ｌを透過した外光Ｌ２１を外光Ｌ２２とする。２５％に減衰した外光Ｌ２２が左眼ＥＬに入射する。

前方斜め下からの外光Ｌ４１について説明する。実施の形態１と同様に、減光部１３０Ｌは、透過率２５％の減光フィルタ１３１Ｌから構成されている。外光Ｌ４１は、減光部１３０Ｌを通過することで、２５％に減衰する。２５％に減衰した外光Ｌ４２が左眼ＥＬに入射する。コンバイナ１２１Ｌを介して視認される前方の景色と、減光部１３０Ｌを介して視認される前方斜め下の景色との明るさを揃えることができる。これにより、ユーザが自然な景色を視認することができる。

本実施の形態の構成では、偏光分離を用いた実施の形態１、２に比べて、１／４波長板１２３Ｌが不要となる。よって、部品点数を減少することができる。

また、本実施の形態３においても、実施の形態２と同様に、減光部１３０Ｌが偏光子１３２Ｌと減光フィルタ１３３Ｌを備えていてもよい。この場合、偏光子１３２Ｌが、紙面と直交する直線偏光を吸収する吸収型の偏光板とすると、ビームスプリッタ１２５Ｌを透過した表示光Ｌ１１が偏光子１３２Ｌで吸収される。よって、ビームスプリッタ１２５Ｌを透過した表示光Ｌ１１が迷光となるのを防ぐことができる。

実施の形態４．
実施の形態４にかかるヘッドマウントディスプレイ１００の左眼用光学系１０３Ｌについて、図６を用いて説明する。実施の形態４では、コンバイナ１２１Ｌが凹面ハーフミラーではなく、平面ハーフミラー１２７Ｌとなっている。さらに、左眼用表示素子１０１Ｌとビームスプリッタ１２５Ｌとの間の光路中に、レンズユニット１２６Ｌが配置されている。なお、その他の構成については、実施の形態３と共通するため、適宜説明を省略する。例えば、図６では、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１〜Ｌ１３は、実施の形態３と同様であるため、図示を省略している。

レンズユニット１２６Ｌは、ビームスプリッタ１２５Ｌの真上（＋Ｙ側）に配置されている。レンズユニット１２６Ｌは、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光を屈折する。具体的には、レンズユニット１２６Ｌは、左眼用表示素子１０１Ｌの像を拡大投影する拡大レンズ系となっている。よって、上記の実施の形態と同様に、表示画像が形成される。

本実施の形態においても、減光部１３０Ｌが下部窓として設けられている。よって、外光Ｌ２２と外光Ｌ４２の明るさを揃えることができる。実施の形態４においても、実施の形態２と同様に減光部１３０Ｌが、偏光子１３２Ｌと減光フィルタ１３３Ｌによって構成されていてもよい。これにより、上記の実施の形態で示した効果と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
実施の形態５にかかるヘッドマウントディスプレイ１００の左眼用光学系１０３Ｌについて、図７を用いて説明する。コンバイナ１２１Ｌの構成が、実施の形態１と異なっている。なお、その他の構成については、実施の形態１と同様であるため、適宜説明を省略する。例えば、図７では、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１〜Ｌ１３は、実施の形態１と同様であるため、図示を省略している。

ユーザの前方（＋Ｚ方向）に配置された凹面ハーフミラー１２８Ｌがコンバイナ１２１Ｌとなる。具体的には、コンバイナ１２１Ｌとなる凹面ハーフミラー１２８Ｌが、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの上端部を正面方向（＋Ｚ方向）に延伸した位置から、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの上端部を下方向（−Ｙ方向）に延伸した位置まで延びている。つまり凹面ハーフミラー１２８Ｌは、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１２が入射する部分から、外光Ｌ４１が入射する部分まで配置されている。凹面ハーフミラー１２８Ｌの偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの前方（＋Ｚ方向）にある部分がコンバイナ１２１Ｌとなる。具体的には、凹面ハーフミラー１２８Ｌにおいて、表示光Ｌ１１が入射する部分がコンバイナ１２１Ｌとなる。

さらに、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部が減光部１３０Ｌとなる。つまり、凹面ハーフミラー１２８Ｌのうち、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの下方向（−Ｙ方向）にある部分が減光部１３０Ｌとなる。また凹面ハーフミラー１２８Ｌが、コンバイナ１２１Ｌだけでなく下部窓として機能するような面積の大きさを有している。

減光部１３０Ｌは、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部と偏光子１３２Ｌによって構成されている。偏光子１３２Ｌは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を吸収する。また、外光Ｌ４１が無偏光の場合、偏光子１３２Ｌの透過率は、５０％となっている。凹面ハーフミラー１２８Ｌの透過率は５０％となっている。よって、減光部１３０Ｌの全体の透過率は２５％となる。外光Ｌ４１は、減光部１３０Ｌを透過することで、２５％に減衰する。２５％に減衰した外光Ｌ４２が左眼ＥＬに入射する。

外光Ｌ２１は、コンバイナ１２１Ｌとして機能する凹面ハーフミラー１２８Ｌを透過する。さらに、コンバイナ１２１Ｌを透過した外光Ｌ２１は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過する。よって、外光Ｌ２１は、コンバイナ１２１Ｌ、及び偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを通過することで、２５％に減衰する。２５％に減衰した外光Ｌ２２が左眼ＥＬに入射する。よって、実施の形態１〜４と同様に、前方斜め下の景色と、前方の景色との明るさを揃えることができる。

なお、偏光子１３２Ｌの配置は、図７に示す構成に限られるものではない。例えば、図７では、偏光子１３２Ｌが、凹面ハーフミラー１２８Ｌの上側（＋Ｙ側）、つまり凹面ハーフミラー１２８Ｌと偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとの間に配置されているが、偏光子１３２Ｌが凹面ハーフミラー１２８Ｌの下側（−Ｙ側）に配置されていてもよい。また、図７では、偏光子１３２Ｌが凹面ハーフミラー１２８Ｌに沿った曲面形状を有しているが、図４に示したように平板状の偏光板であってもよい。また、偏光子１３２Ｌの代わりに、透過率５０％の減光フィルタを用いてもよい。さらに、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの代わりに、実施の形態３などで示したビームスプリッタ１２５Ｌを用いてもよい。

なお、実施の形態１〜５において、減光部１３０Ｌの透過率Ｔｗ、コンバイナ１２１Ｌの透過率Ｔｃ、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの透過率Ｔｍ、ビームスプリッタ１２５Ｌの透過率Ｔｍは、上記の値に限定されるものではない。適宜、Ｔｗ、Ｔｃ、Ｔｍを任意の値にすることができる。減光部１３０Ｌの透過率Ｔｗは、コンバイナ１２１Ｌの透過率Ｔｃ以下であればよい。

Ｔｗの値は厳密にＴｍとＴｃとの積の値と一致してしなくてもよい。つまり、前方斜め下の景色の明るさと前方の景色の明るさの違いが目立たなくなるように、透過率を設定すればよい。例えば、ＴｗがＴｃ以下であればよい。また、ＴｗがＴｍ以下であればよい。ＴｍとＴｃとの積の値を１とした場合、Ｔｗの値は０．７〜１の範囲でもよい。

実施の形態６．
実施の形態６にかかるヘッドマウントディスプレイ１００の左眼用光学系１０３Ｌについて、図８を用いて説明する。実施の形態６では、実施の形態１〜５と異なり、１枚ミラー方式となっている。つまり、左眼ＥＬとコンバイナ１２１Ｌとの間に、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌ、又はビームスプリッタ１２５Ｌが設けられていない。また、実施の形態５と同様に、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部がコンバイナ１２１Ｌとなり、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部が減光部１３０Ｌとなる。

左眼用表示素子１０１Ｌの設置角度が、実施の形態１〜５と異なっている。左眼用表示素子１０１Ｌは、斜めに配置されている。つまり、左眼用表示素子１０１Ｌの表示面は、下方（−Ｙ方向）及び、前方（＋Ｚ方向）に面している。左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１は、−Ｙ方向及び＋Ｚ方向に出射される。凹面ハーフミラー１２８Ｌは、左眼用表示素子１０１Ｌの下方（−Ｙ方向）及び前方（＋Ｚ方向）に配置されている。凹面ハーフミラー１２８Ｌは、表示光Ｌ１１が入射する部分から、外光Ｌ４１が入射する部分まで配置されている。凹面ハーフミラー１２８Ｌは光の半分を透過して、残りの半分を反射する。

よって、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部がコンバイナ１２１Ｌとして機能する。コンバイナ１２１Ｌは左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１を左眼ＥＬに向けて反射する。コンバイナ１２１Ｌは凹面鏡であり、表示光Ｌ１１を左眼ＥＬに向けて集光するように、表示光Ｌ１１を反射する。コンバイナ１２１Ｌで反射された表示光Ｌ１１の反射光を表示光Ｌ１２とする。左眼用光学系１０３Ｌが、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１２を、左眼ＥＬに導く。光学系により、ユーザの前方（＋Ｚ方向）に虚像を表示させることができる。

また、外光Ｌ２１はコンバイナ１２１Ｌを透過して、左眼ＥＬに入射する。コンバイナ１２１Ｌを透過した外光Ｌ２１を外光Ｌ２２とする。コンバイナ１２１Ｌの透過率は、５０％となっている。よって、外光Ｌ２１は、コンバイナ１２１Ｌを透過することで、５０％に減衰する。そして、５０％に減衰した外光Ｌ２２が、左眼ＥＬに入射する。これにより、前方（＋Ｚ方向）の景色に表示画像を重畳させることができる。

減光部１３０Ｌは、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部によって構成されている。よって、減光部１３０Ｌの透過率も５０％となる。外光Ｌ４１は、減光部１３０Ｌを透過することで、５０％に減衰する。減光部１３０Ｌを透過した外光Ｌ４１を外光Ｌ４２とする。５０％に減衰した外光Ｌ４２が、左眼ＥＬに入射する。コンバイナ１２１Ｌと減光部１３０Ｌの透過率が等しくなっている。よって、実施の形態１〜５と同様に、前方斜め下の景色と、前方の景色との明るさを揃えることができる。ユーザが、外部の景色を適切に視認することができる。

なお、図８では、減光部１３０Ｌが凹面ハーフミラー１２８Ｌによって構成されているが、実施の形態１等で示したように、減光部１３０Ｌを減光フィルタで構成してもよい。つまり、コンバイナ１２１Ｌと減光部１３０Ｌを別の光学部品で構成することができる。この場合、減光部１３０Ｌとして、反射率５０％の減光フィルタを用いることができる。あるいは、減光部１３０Ｌとして、実施の形態２等のように、偏光子１３２Ｌを用いてもよい。この場合、減光部１３０Ｌが偏光子１３２Ｌのみで構成される。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態１〜６に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。なお、実施の形態１〜６は適宜組み合わせることが可能である。

ＥＬ 左眼
ＥＲ 右眼
１００ ヘッドマウントディスプレイ
１０１ 表示素子部
１０１Ｌ 左眼用表示素子
１０１Ｒ 右眼用表示素子
１０２ フレーム
１０３Ｌ 左眼用光学系
１０３Ｒ 右眼用光学系
１２１Ｌ コンバイナ
１２２Ｌ 偏光ビームスプリッタ
１２３Ｌ １／４波長板
１２５Ｌ ビームスプリッタ
１２６Ｌ レンズユニット
１２８Ｌ 凹面ハーフミラー
１３０Ｌ 減光部
１３１Ｌ 減光フィルタ
１３２Ｌ 偏光子
１３３Ｌ 減光フィルタ

Claims (6)

1. 表示画像を形成するための表示光と、ヘッドマウントディスプレイを装着したユーザの前方からの外光とを合成するコンバイナと、
   前記コンバイナよりも下方からの外光の一部を透過し、前記コンバイナの透過率以下の透過率を有する減光部と、を備えたヘッドマウントディスプレイ。
2. 前記減光部の上方であって、前記コンバイナと前記ユーザの左眼及び右眼との間に配置されるビームスプリッタをさらに備え、
   前記ビームスプリッタは、前記表示光を前記コンバイナに向けて反射するとともに、前記コンバイナで反射された前記表示光を透過し、
   前記減光部の透過率は、前記ビームスプリッタの透過率以下である請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記コンバイナでの透過率をＴｃ、前記減光部の透過率をＴｗ、前記ビームスプリッタの透過率をＴｍとした場合に、
   前記減光部の透過率は、Ｔｗ＝Ｔｃ＊Ｔｍを満たすＴｗから所定の値までの範囲となる請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 前記ビームスプリッタが偏光状態に応じて光を透過又は反射する偏光ビームスプリッタであり、
   前記ビームスプリッタと前記コンバイナとの間に１／４波長板が設けられている請求項２、又は３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 前記減光部が偏光子を備えている請求項１〜４のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. 前記減光部がＮＤフィルタを備えている請求項１〜５のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。