JP2021067726A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】外部から衝撃力を受けても導光板とプリズムとの接合面に剥離やクラックが生じず、かつ表示画像のずれや光利用効率の低下が生じないヘッドマウントディスプレイを提供する。【解決手段】画像生成部２０で生成した画像光をプリズム２で反射し導光板１から出射するヘッドマウントディスプレイ１００において、画像生成部２０は筐体１０に搭載され、プリズム２は筐体１０内部に固定され、導光板１は、プリズム２に接合された状態で筐体１０の開口部から外部に突き出して配置される。導光板１は、筐体１０の開口部において筐体に接着剤３ａ，３ｂにて固定されるとともに、筐体１０の開口部には、導光板１の変位を抑制する変位規制部１２ａ，１２ｂを設ける。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイに係り、特に光学部品の固定構造に関する。

ヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display、以下ＨＭＤと略す）は、ユーザの頭部に取り付け、眼に画像を投影して情報を与える機器である。頭部に取り付ける手段としては、メガネ型やヘルメット型がある。提供する画像情報には、実視野とは異なる仮想現実の画像や、実視野に重ねて投影する拡張現実の画像がある。

一般的なＨＭＤは、光源を含み画像光を生成する画像生成部と、導光板により画像光をユーザの眼に投影する画像表示部と、画像生成部から画像表示部へ画像光の光路を変換して伝搬するプリズムからなり、これらを筐体で保持する構造となっている。

これらの光学部品の組立方式として、導光板とプリズムを接合し両者をそれぞれ共通の筐体に固定する第１の方式（例えば、特許文献１に記載）と、導光板とプリズムを接合し導光板のみを筐体に固定する第２の方式（例えば、特許文献２に記載）とが知られる。

特開２０１２−６３６２７号公報 特開２０１９−１３９０９４号公報

ＨＭＤには、外部から衝撃力を受けても、光学部品の位置ずれがなく表示映像を安定して供給できることが求められる。その際画像光の光路を変換して伝搬するプリズムは、表示画像のずれや光利用効率の低下等を防ぐため精密な位置決めが必要となる。

前記第１の方式の場合、導光板とプリズムはそれぞれ筐体に固定されているので、例えばＨＭＤが落下したときの衝撃力が導光板に印加され、筐体に固定されているプリズムとの接合面に応力集中が発生して、剥離やクラックが生じる恐れがある。その結果、導光板は正常な映像を表示できなくなる。

前記第２の方式の場合、導光板のみを筐体に固定しプリズムはフリーな状態になっているので、導光板が衝撃力を受けても導光板とプリズムとの接合面には応力集中が発生せず、剥離やクラックが生じる恐れはない。しかしながら、プリズムが変位することで映像生成部との位置関係がずれて、表示映像のずれや光利用効率の低下を招くことになる。

このようにいずれの方式においても、外部から衝撃力を受けた場合に接合面に剥離やクラックが生じること、あるいは表示画像の位置ずれが生じること、といった課題を有していた。

本発明の目的は、外部から衝撃力を受けても導光板とプリズムとの接合面に剥離やクラックが生じず、かつ表示画像のずれが生じない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、画像生成部で生成した画像光をプリズムで反射し導光板から出射するヘッドマウントディスプレイであって、画像生成部は筐体に搭載され、プリズムは筐体内部に固定され、導光板は、プリズムに接合された状態で筐体の開口部から外部に突き出して配置され、導光板は、筐体の開口部において筐体に接着剤にて固定されるとともに、筐体の開口部には、導光板の変位を抑制する変位規制部を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、外部から衝撃力を受けても導光板とプリズムとの接合面に剥離やクラックが生じず、かつ表示画像のずれや光利用効率の低下が生じない信頼性の高いヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

ＨＭＤ１００の外観を示す斜視図。 筐体１０に搭載される主要な部品の構成を示す透視図。 実施例１に係るＨＭＤ１００の断面図。 図３Ａの部分拡大図。 変位規制部１２ａ，１２ｂの効果を説明する図。 実施例２に係るＨＭＤ１００’の断面図。 図５Ａの部分拡大図。 変位規制部１２ａ，１２ｂの効果を説明する図。 実施例３に係るＨＭＤ１００”の断面図。 図７Ａの部分拡大図。 変位規制部１４ａ，１４ｂの効果を説明する図。

以下、本発明のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の実施形態を図面を用いて説明する。

実施例１では、導光板を保持する筐体に、導光板の変位を規制する変位規制部を設けた構成としている。まず、ＨＭＤの全体構成から説明する。

図１は、実施例１に係るＨＭＤ１００の外観を示す斜視図である。ここでのＨＭＤ１００はメガネ型（右眼用）の例を示しており、ユーザ２００の頭部に装着される。ＨＭＤ１００は、画像を生成するための部品を内部に搭載した筐体１０と、筐体１０の内部からユーザ２００の前面に突き出して取り付けられた導光板１と、画像信号を入力するためのケーブル３０で構成されている。筐体１０の内部で生成された画像光は導光板１を介してユーザ２００の瞳２０１に入射し、これによりユーザ２００は仮想現実や拡張現実などの画像を視認することができる。

ここで以下の説明に用いる座標系について定義する。導光板１の板厚方向に平行でユーザ２００の瞳２０１から導光板１に向かう方向をＺ方向、Ｚ方向と垂直でユーザ２００から見て右から左に向かう方向をＸ方向、ユーザ２００から見て下から上に向かう方向をＹ方向とし、右手系の３次元座標系を用いる。

なお、ここに示したＨＭＤ１００は一例であり、左眼用の場合は左右方向（Ｘ方向）に逆に構成すれば良く、両眼用の場合は、これらを組み合わせれば良い。また、ユーザ２００から見て筐体１０が瞳２０１より上（＋Ｙ方向）に位置し、上から下（−Ｙ方向）に向かって導光板１が突出した構成のＨＭＤにも同様に適用でき、各部品の取り付け方向は限定しない。

図２は、筐体１０に搭載される主要な部品の構成を示す透視図である。画像生成部２０は、ケーブル３０を介して入力された画像信号をもとに画像光を生成する。画像生成部２０には、光源や画像生成素子およびそれらの制御回路、光を案内するための光学部品等が含まれる。光源には例えば発光ダイオードが用いられ、画像生成素子には例えば液晶パネルが用いられる。

画像生成部２０で生成された画像光は、画像投射部（投射レンズ）２１によりプリズム２へ投射される。プリズム２の内部では、投射された画像光を３次元方向に反射して導光板１へ伝搬する。導光板１の内部では、画像光を光路２２（破線）に沿って複数回反射した後、ユーザ２００の瞳２０１に出射する。これによりユーザ２００は、表示された画像を視認することができる。

上記構成のＨＭＤ１００では、画像投射部２１から投射された画像光を光路２２に沿ってユーザの瞳２０１に正しく導くために、導光板１やプリズム２を精密に位置決め固定することが必要である。また、ＨＭＤ１００の取り外し中に誤って落下させたり、導光板１に付いた汚れを拭き取ったりする際に外力を受けても、内部部品の破損や、位置決め固定された部品の位置ずれ等の不具合が生じないことが求められる。

図３Ａは、ＨＭＤ１００の図１に示すＡ−Ａ位置での断面図であり、ＸＺ面に平行で導光板１とプリズム２を通る断面を示している。図３Ｂは、図３ＡにおけるＢ部の拡大図である。導光板１とプリズム２はそれぞれ筐体１０に固定されるとともに、接合面４で接合されている。そして、導光板１に対してＺ方向の変位を抑制するために変位規制部１２ａ，１２ｂを設けている。

プリズム２は、筐体１０に収納され、筐体１０との隙間を固定部材５で固定されている。固定部材５には、例えば紫外線硬化樹脂を用いるが、他の方法として、筐体１０に形成した突き当て面に板バネで押し付けて固定する方法でも良い。

導光板１は、プリズム２と接合された状態で、筐体１０の開口部からＸ方向に突き出して配置される。筐体１０の開口部には接着面１１ａ，１１ｂを設けて、導光板１をＺ方向に両側から挟む状態で接着剤３ａ，３ｂにて固定している。導光板１内部の反射特性を維持するため、接着剤３ａ，３ｂと導光板１との間に反射膜を形成してもよい。

ここで接着剤３ａ，３ｂには、弾性率の小さい材料を用いること、また接着面積を小さくすることが好ましい。なぜなら、接着剤３ａ，３ｂとして弾性率の大きい材料を用いたり、接着面積を広くした場合には、温度負荷が生じて導光板１との熱膨張差により接着面にせん断応力が生じ、接着剥離や反射膜の剥離、導光板１の破壊等が懸念されるからである。

導光板１とプリズム２は、導光板１の板厚方向（Ｚ方向）に対して傾斜した接合面４で接合されている。接合の目的は、部品同士の相対的な位置決めの他、導光板１とプリズム２の対向面における不要な反射を防止するためである。また接合面４をＺ方向から傾斜しているのは、プリズム２から導光板１への画像光の入射方向を導光板１の面内方向（Ｘ方向）から傾けて、導光板１内の伝搬効率を向上させるためである。よって、接合面４の両端４ａ，４ｂにおける導光板１とプリズム２のなす外角の角度θａ，θｂは直角ではなく、一方は鋭角、他方は鈍角となる。以下では、外角が鋭角になる接合端を「鋭角接合端」、外角が鈍角になる接合端を「鈍角接合端」と呼ぶことにする。図３Ｂの場合は、接合端４ａ（角度θａ）は鋭角接合端、接合端４ｂ（角度θｂ）は鈍角接合端となる。

さらに本実施例のＨＭＤ１００では、導光板１のＺ方向の変位を抑制するため、筐体１０の開口部に、接着面１１ａ，１１ｂよりも導光板１側に突き出た変位規制部（突起部）１２ａ，１２ｂを設けたことに特徴がある。導光板１にＺ方向の外力を与えると、導光板１が変位するとともに、プリズム２との接合面４に応力が発生する。特に、導光板１とプリズム２のなす外角が鋭角となる鋭角接合端４ａにおいて接合面を開く方向にモーメントが生じると、応力集中が生じ、接合面４に剥離やクラックが生じる懸念がある。変位規制部１２ａ，１２ｂを設けることで変位を抑制し、接合端４ａでの応力集中の原因となるモーメントを小さくすることで、接合面４の剥離やクラックの発生を防止することができる。以下、これについて説明する。

図４は、変位規制部１２ａ，１２ｂの効果を説明する図である。図３Ａに示す断面において、導光板１の先端に−Ｚ方向の外力Ｆを印加したときの変形状態（変位ｄ）を示す。鋭角接合端４ａにとって−Ｚ方向の外力Ｆは最も不利な方向の力であり、接合端４ａを開く方向のモーメントとなり応力集中が生じる。外力Ｆは例えば、ＨＭＤ１００の落下時の衝撃力や導光板１の汚れ拭き取りの際に生じる力である。ここで、前述したように接着剤３ａ，３ｂの弾性率は小さく、接着面積を小さくているため、接着剤３ａ，３ｂによる導光板１の変位を抑制する効果はあまり期待できない。

本実施例のＨＭＤ１００では、筐体１０の開口部に、接着面１１ａ，１１ｂよりも導光板１側に突き出した変位規制部（突起部）１２ａ，１２ｂを設けたことにより、外力Ｆによる導光板１の−Ｚ方向変位ｄは変位規制部１２ｂにより抑制される。すなわち変位ｄが小さくなるので、鋭角接合端４ａを開く方向のモーメントによる応力集中も小さくすることができる。その結果、外力Ｆが印加されたときでも接合面４に剥離やクラックが生じる恐れがない信頼性の高いＨＭＤを提供することができる。

ここで、外力Ｆと変位ｄの関係は、外力Ｆにより導光板１が変位規制部１２ａ，１２ｂに当接するまでの区間と、当接後に導光板１がたわみ変形する区間からなる。よって変位ｄの大きさは、導光板１と変位規制部１２ａ，１２ｂとの間隙Ｓａ，Ｓｂに依存し、間隙Ｓａ，Ｓｂが小さいほど変位ｄは小さくなる。また、変位ｄと応力の関係は、接合端における導光板１とプリズム２のなす角度θ（外角で定義）に依存し、角度θが小さいほど応力集中は大きくなる。

すなわち、外力Ｆが上記以外の方向、例えば＋Ｚ方向に印加されたときも、上記と同様に、変位規制部１２ａにより鈍角接合端４ｂへの応力集中を防ぐことができる。しかし、鈍角接合端４ｂの角度θｂは、鋭角接合端４ａの角度θａより大きいため、応力集中の大きさは比較的少ない。よって、鋭角接合端４ａへの応力集中だけを防ぐために変位規制部１２ｂのみを設ける構成でも良い。

ここで、本実施例の構造と特許文献２に記載される構造と比較する。特許文献２では、導光板１のみを筐体１０に対して固定し、プリズムは導光板１に対してのみ接合されている。この場合、外力Ｆに対する反力がプリズム２に生じないため、接合端の応力集中の原因となるモーメントは生じない。しかし、プリズム２は直接筐体１０に固定されていないので、表示画像のずれや光利用効率の低下等が生じる懸念がある。また、プリズム２が大きく変位して筐体１０内面に衝突した場合、プリズム２に外力Ｆの反力が生じるため、接合端に応力集中の原因となるモーメントが生じる懸念がある。これに対し本実施例のＨＭＤ１００によれば、精密な位置決め固定が必要なプリズム２を直接筐体１０に固定しているので表示画像のずれや光利用効率の低下等を防ぎつつ、接合面４の剥離やクラックの発生を防止することができる。

実施例２は、実施例１で述べた変位規制部を導光板に当接させる構成とし、変位規制部の効果を増大させたものである。

図５Ａは、実施例２に係るＨＭＤ１００’の断面図であり、実施例１（図３Ａ）と同じ位置での断面を示している。図５Ｂは、図５ＡにおけるＢ部の拡大図である。図３Ａ，図３Ｂと同一符号は同一部品を示し、再度の説明は省略する。図３Ａとの違いは、導光板１の鈍角接合端４ｂ側の面１ｂにおいて、導光板１と変位規制部（突起部）１２ｂとを当接させて（間隙Ｓｂ＝０）構成したことである。一方、導光板１の鋭角接合端４ａ側の面１ａにおいては、導光板１と変位規制部１２ａに間隙Ｓａ（≠０）を設けている。

図６は、変位規制部１２ａ，１２ｂの効果を説明する図である。図５Ａに示す断面において、導光板１の先端に−Ｚ方向の外力Ｆを印加したときの変形状態（変位ｄ）を示す。

導光板１と変位規制部１２ａ，１２ｂの間に間隙Ｓａ，Ｓｂがあると、その間隙の分だけ導光板１が変位するのを許すことになる。本例では、導光板の面１ｂと変位規制部１２ｂを当接させて（間隙Ｓｂ＝０）構成したことにより、間隙がある場合よりも変位規制の効果が大きくなる。特に、当接させる変位規制部１２ｂは、応力集中しやすい鋭角接合端４ａでの応力集中を抑制する効果があるため、この構成により接合面４の破壊防止効果が増大する。また、変位規制部１２ｂの当接面を導光板１の位置決め基準面として用いることで、組み立て時に精度良く位置決め固定することができる。

本実施例では導光板１の片側の面１ｂにおいて変位規制部１２ｂを当接させたが、もちろん、導光板１の両側の面１ａ，１ｂにおいて変位規制部１２ａ，１２ｂを当接させても良い（間隙Ｓａ＝Ｓｂ＝０）。また、当接状態は、導光板の面１ｂと変位規制部１２ｂとを面接触させる例を示したが、これに限らず、例えば変位規制部１２ｂとして矩形の突起部を形成してその先端で線接触させる構造や、ドーム型の突起部を形成してその先端で点接触させる構造でも同様の効果が得られる。

実施例３は、実施例２で述べた変位規制部を筐体に固定された付属部品に設ける構成とし、ＨＭＤの小型化を図ったものである。

図７Ａは、実施例３に係るＨＭＤ１００”の断面図であり、実施例２（図５Ａ）と同じ位置の断面を示している。図５Ａ，図５Ｂと同一符号は同一部品を示し、再度の説明は省略する。

図５Ａとの相違点の１つは、筐体１０の外側に付属部品１３を固定し、導光板１の変位を規制する変位規制部（突起部）１４ａ，１４ｂを付属部品１３に設けたことである。もう１つの相違点は、変位規制部１４ａ，１４ｂを接着面１１ａ，１１ｂよりも導光板１の先端側（＋Ｘ方向）に配置したことである。そして実施例２と同様に、鈍角接合端４ｂ側の変位規制部１４ｂを導光板１に当接して構成している。

付属部品１３は、変位規制の役割を持つ専用部品として取り付けても良いが、導光板１の保護カバーや、筐体１０の化粧板等の一部を用いた兼用部品としても良い。このように既存の部品に変位規制部１４ａ，１４ｂを形成することで、筐体１０に変位規制部を設ける場合よりも筐体１０を小型化し、ひいてはＨＭＤ１００”全体を小型化することができる。

図８は、変位規制部１４ａ，１４ｂの効果を説明する図である。図７Ａに示す断面において、導光板１の先端に−Ｚ方向の外力Ｆを印加したときの変形状態（変位ｄ）を示す。

変位規制部１４ａ，１４ｂは接着面１１ａ，１１ｂよりも導光板１の先端側（＋Ｘ方向）、すなわち、プリズム２から見て接着位置よりも遠い位置に設けてある。そのため、図５Ａのように接着面１１ａ，１１ｂよりも導光板１の根元側（−Ｘ方向）に設けた場合と比較し、外力Ｆを受ける力点と変位規制部１４ｂとの距離Ｌ（すなわちモーメントの腕の長さ）が短くなり、導光板１のたわみ（変位ｄ）をより小さくすることができる。また、接着剤３ａ，３ｂの変形も抑えられるため、接着剤３ａ，３ｂに過度な変形が生じることによる割れ、接着界面剥離、クラック等を防ぐことができる。

このように本実施例では、筐体に固定された付属部品に変位規制部を設ける構成としたので、ＨＭＤの小型化が図れるとともに、導光板の変位をより低減させる効果がある。

なお、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、実施例１，２のように変位規制部１２ａ，１２ｂが筐体１０と一体化された場合においても、実施例３のように変位規制部１４ａ，１４ｂを導光板１と筐体１０との接着位置よりも、プリズム２から見て遠い位置に配置する構成にすれば、導光板１の変位ｄをより小さくする効果が得られる。

また、各実施例とも、導光板１とプリズム２との接合面４が導光板１の板厚方向に対して傾斜している場合としたが、接合面４が導光板１の板厚方向と平行な場合においても、本発明の効果が有効であることは言うまでもない。

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。

１…導光板、２…プリズム、３ａ，３ｂ…接着剤、４…接合面、４ａ…鋭角接合端、４ｂ…鈍角接合端、５…固定部材、１０…筐体、１１ａ，１１ｂ…接着面、１２ａ，１２ｂ，１４ａ，１４ｂ…変位規制部（突起部）、１３…付属部材、２０…画像生成部、２１…画像投射部、２２…光路、３０…ケーブル、１００…ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、２００…ユーザ。

Claims (6)

1. 画像生成部で生成した画像光をプリズムで反射し導光板から出射するヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記画像生成部は筐体に搭載され、
   前記プリズムは前記筐体内部に固定され、
   前記導光板は、前記プリズムに接合された状態で前記筐体の開口部から外部に突き出して配置され、
   前記導光板は、前記筐体の開口部において前記筐体に接着剤にて固定されるとともに、
   前記筐体の開口部には、前記導光板の変位を抑制する変位規制部を設け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において、
   前記変位規制部として、前記筐体の開口部の一部を、前記導光板との接着面よりも前記導光板側に突き出る突起部を形成した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において、
   前記変位規制部として、前記筐体に固定された付属部材の一部を、前記筐体と前記導光板との接着面よりも前記導光板側に突き出る突起部を形成した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２または３に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記変位規制部は、前記導光板と前記筐体との接着位置よりも、前記プリズムから見て遠い位置に設けた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２ないし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において、
   前記導光板と前記プリズムの接合面は、前記導光板の板厚方向に対して傾斜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。
6. 請求項５に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記変位規制部に対向する前記導光板の面のうち、前記接合面となす外角が鈍角となる面において、前記突起部は前記導光板に当接して形成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。

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