JP2021086074A - 透過型画像表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】外界像を見る際の違和感を抑制できる透過型画像表示装置を提供する。【解決手段】本発明の透過型画像表示装置は、画像情報を含む光を射出する画像生成部と、画像生成部からの光を射出瞳の位置に導く導光光学系と、を備え、導光光学系は、画像生成部から射出された光を偏向させる第1偏向部と、第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる第2偏向部と、を備え、第1偏向部と第2偏向部との間の光の光路外に第1外光透過率調整部が設けられ、第1外光透過率調整部は、外光に対する光吸収性または光反射性を有しており、第1外光透過率調整部の平均外光透過率は、第1偏向部の平均外光透過率および第2偏向部の平均外光透過率のうちのいずれか低い方の平均外光透過率よりも高い。【選択図】図3

Description

本発明は、透過型画像表示装置に関する。
近年、ウェアラブル情報機器の一つとして、ヘッドマウントディスプレイなどの観察者の身体に装着して使用する方式の画像表示装置が提供されている。下記の特許文献1には、画像生成部と導光光学部とを備え、導光光学部が、画像生成部からの光を偏向させる第1偏向部と、第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて射出瞳に導く第2偏向部と、を備えた画像表示装置が開示されている。
特開2016−71309号公報
特許文献1の画像表示装置においては、観察者の視野範囲内に位置する第2偏向部および第1偏向部のそれぞれが外光の一部を透過するミラーで構成されているため、観察者は画像表示装置を頭部に装着した状態で外界を視認することができる。しかしながら、この画像表示装置においては、観察者の視野範囲内に外光の透過率が大きく異なる領域が存在するため、観察者が外界像を見る際に違和感が生じることがある。
上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の透過型画像表示装置は、画像情報を含む光を射出する画像生成部と、前記画像生成部からの光を射出瞳の位置に導く導光光学系と、を備え、前記導光光学系は、前記画像生成部から射出された光を偏向させる第1偏向部と、前記第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて前記射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる第2偏向部と、を備え、前記第1偏向部と前記第2偏向部との間の前記光の光路外に、第1外光透過率調整部が設けられ、前記第1外光透過率調整部は、前記外光に対する光吸収性または光反射性を有しており、前記第1外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記第1偏向部の平均外光透過率および前記第2偏向部の平均外光透過率のうちのいずれか低い方の平均外光透過率よりも高い。
本発明の一つの態様の透過型画像表示装置において、前記第1外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記第1偏向部の平均外光透過率および前記第2偏向部の平均外光透過率のうちのいずれか高い方の平均外光透過率よりも低くてもよい。
本発明の一つの態様の透過型画像表示装置において、前記第1外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記第1偏向部の平均外光透過率と前記第2偏向部の平均外光透過率との間で段階的に変化していてもよい。
本発明の一つの態様の透過型画像表示装置において、前記第1外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記第1偏向部の平均外光透過率と前記第2偏向部の平均外光透過率との間で直線的に変化していてもよい。
本発明の一つの態様の透過型画像表示装置において、前記第1偏向部と前記第2偏向部と前記第1外光透過率調整部とは、共通の基材に設けられていてもよい。
本発明の一つの態様の透過型画像表示装置において、前記第1偏向部は第1基材に設けられ、前記第2偏向部は第2基材に設けられ、前記第1外光透過率調整部は第3基材に設けられ、前記第1基材と前記第2基材と前記第3基材とは、互いに接合されていてもよい。
本発明の一つの態様の透過型画像表示装置において、前記第1偏向部と前記第2偏向部と前記第1外光透過率調整部とは、前記射出瞳の光軸に対する角度が100度の範囲内に配置されていてもよい。
本発明の一つの態様の透過型画像表示装置において、前記第1偏向部は、入射した光の一部を反射させ、入射した光の他の一部を透過させる半透過反射ミラーで構成されていてもよい。
本発明の一つの態様の透過型画像表示装置において、前記第2偏向部は、入射した光の一部を回折させて偏向する反射型体積ホログラムで構成されていてもよい。
本発明の一つの態様の透過型画像表示装置は、右眼用画像表示部と、左眼用画像表示部と、を備え、前記右眼用画像表示部は、画像情報を含む光を射出する右眼用画像生成部と、前記右眼用画像生成部からの光を右眼側射出瞳の位置に向けて導く右眼用導光光学系と、を備え、前記右眼用導光光学系は、前記右眼用画像生成部から射出された光を偏向させる右眼用第1偏向部と、前記右眼用第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて前記右眼側射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる右眼用第2偏向部と、を備え、前記左眼用画像表示部は、画像情報を含む光を射出する左眼用画像生成部と、前記左眼用画像生成部からの光を左眼側射出瞳の位置に向けて導く左眼用導光光学系と、を備え、前記左眼用導光光学系は、前記左眼用画像生成部から射出された光を偏向させる左眼用第1偏向部と、前記左眼用第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて前記左眼側射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる左眼用第2偏向部と、を備え、前記右眼用第2偏向部と前記左眼用第2偏向部との間の前記光の光路外に、第2外光透過率調整部が設けられ、前記第2外光透過率調整部は、前記外光に対する光吸収性または光反射性を有しており、前記第2外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記右眼用第2偏向部の平均外光透過率および前記左眼用第2偏向部の平均外光透過率のうちのいずれか低い方の平均外光透過率よりも高い。
本発明の一つの態様の透過型画像表示装置において、前記第2外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記右眼用第2偏向部の平均外光透過率および前記左眼用第2偏向部の平均外光透過率のうちのいずれか高い方の平均外光透過率よりも低くてもよい。
本発明の一つの態様の透過型画像表示装置は、右眼用画像表示部と、左眼用画像表示部と、を備え、前記右眼用画像表示部は、画像情報を含む光を射出する右眼用画像生成部と、前記右眼用画像生成部からの光を右眼側射出瞳の位置に向けて導く右眼用導光光学系と、を備え、前記右眼用導光光学系は、前記右眼用画像生成部から射出された光を偏向させる右眼用第1偏向部と、前記右眼用第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて前記右眼側射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる右眼用第2偏向部と、を備え、前記左眼用画像表示部は、画像情報を含む光を射出する左眼用画像生成部と、前記左眼用画像生成部からの光を左眼側射出瞳の位置に向けて導く左眼用導光光学系と、を備え、前記左眼用導光光学系は、前記左眼用画像生成部から射出された光を偏向させる左眼用第1偏向部と、前記左眼用第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて前記左眼側射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる左眼用第2偏向部と、を備え、前記右眼用第2偏向部と前記左眼用第2偏向部との間の前記光の光路外に、第2外光透過率調整部が設けられ、前記第2外光透過率調整部は、前記外光に対する光吸収性または光反射性を有しており、前記第2外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記右眼用第2偏向部の平均外光透過率および前記左眼用第2偏向部の平均外光透過率と等しい。
観察者が第1実施形態の透過型画像表示装置を装着した状態を示す図である。 第1実施形態の透過型画像表示装置の斜視図である。 透過型画像表示装置の概略構成を示す平面図である。 透過型画像表示装置の概略構成を示す側面図である。 第1外光透過率調整部の平均外光透過率のパターンの第1例を示す図である。 第1外光透過率調整部の平均外光透過率のパターンの第2例を示す図である。 第1外光透過率調整部の平均外光透過率のパターンの第3例を示す図である。 第2実施形態の透過型画像表示装置の概略構成を示す平面図である。 第3実施形態の透過型画像表示装置の概略構成を示す平面図である。 第2外光透過率調整部の平均外光透過率の変化パターンの一例を示す図である。 第4実施形態の透過型画像表示装置の概略構成を示す平面図である。 第1外光透過率調整部および第2外光透過率調整部の平均外光透過率の変化パターンの一例を示す図である。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図7を用いて説明する。
第1実施形態の透過型画像表示装置は、観察者が頭に装着して使用するヘッドマウントディスプレイの一例である。
以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display)を、HMDと略記する。
図1は、観察者が第1実施形態のHMDを頭部に装着した状態を示す図である。図2は、第1実施形態のHMDの斜視図である。
なお、以下の全ての図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
図1に示すように、本実施形態のHMD300は、観察者が眼鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用するものである。本実施形態のHMD300は、シースルー型(透過型)のHMDである。すなわち、本実施形態のHMD300によれば、観察者は画像表示部により生成された画像を視認できるとともに、HMD300の外部の景色等の外界像も視認できる。
図2に示すように、HMD300は、眼鏡に類似した形状を有する表示装置100と、観察者が手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御装置(コントローラー)200と、を備えている。表示装置100と制御装置200とは、有線または無線により通信可能に接続される。本実施形態では、表示装置100を構成する左眼用画像表示部110Aおよび右眼用画像表示部110Bのそれぞれと制御装置200とは、ケーブル150を介して有線により通信可能に接続され、画像信号および制御信号を通信する。
表示装置100は、メインフレーム120と、サブフレーム130と、左眼用画像表示部110Aと、右眼用画像表示部110Bと、を備えている。制御装置200は、表示部210と、操作ボタン部250と、を備えている。表示部210は、例えば観察者に与える各種の情報または指示等の項目を表示する。メインフレーム120は、リム部121と、観察者が耳に掛けるための一対のテンプル部122A,122Bと、を備えている。サブフレーム130は、左眼用画像表示部110Aと右眼用画像表示部110Bとを支持する。
図3は、表示装置100の各部の構成を示す平面図である。図4は、表示装置100の構成を示す側面図である。また、図3および図4では、表示装置100を装着した観察者を頭上から見た状態を図示している。
図3に示すように、右眼用画像表示部110Bと左眼用画像表示部110Aとは同様の構成を有しており、双方の画像表示部110B,110A内の各構成要素は左右対称に配置されている。そのため、以下では、右眼用画像表示部110Bを単に画像表示部110として詳細に説明し、左眼用画像表示部110Aの説明を省略する。
図3および図4に示すように、画像表示部110は、画像生成部11と、補正光学系12と、導光光学系13と、第1外光透過率調整部27と、を備えている。画像生成部11は、画像情報を含む光を射出する。導光光学系13は、画像生成部11からの光を射出瞳の位置、すなわち観察者の瞳の位置に導く。補正光学系12は、画像生成部11からの光による像を補正する。
画像生成部11は、光源装置15と、折り返しミラー16と、光走査デバイス17と、アフォーカル光学系18と、を備えている。補正光学系12は、第1補正レンズ21と、第2補正レンズ22と、を備えている。導光光学系13は、第1偏向部24と、第2偏向部25と、基材29と、を備えている。
光源装置15は、例えば赤色光を射出する半導体レーザー、緑色光を射出する半導体レーザー、および青色光を射出する半導体レーザーを含む複数の固体光源(図示略)を備えている。各半導体レーザーから射出される各色光は、画像信号に応じて変調され、変調された各色光が合成され、光源装置15から射出される。光源装置15から射出された光は、折り返しミラー16で反射することで光路が折り返され、光走査デバイス17に導かれる。本実施形態の場合、折り返しミラー16は、反射面側の法線Vが観察者の頭部Hに近付く方向に延びる向きに傾いて配置されている。これにより、光路は、観察者の頭部Hから離れた位置から近付く方向に折り返される。
光走査デバイス17は、例えばMEMSミラーを備えている。光走査デバイス17は、光源装置15の変調動作に合わせてMEMSミラーの姿勢を変化させ、光を2次元的に走査する。このようにして、光走査デバイス17は、画像情報を含む光を射出する。以下、画像情報を含む光を画像光と称する。光走査デバイス17から射出された画像光は、アフォーカル光学系18に入射する。アフォーカル光学系18は、入射した画像光を平行化する機能を有する。したがって、光走査デバイス17から射出された画像光は、アフォーカル光学系18により平行化され、画像生成部11から射出される。
補正光学系12は、画像生成部11と導光光学系13との間、より詳細にはアフォーカル光学系18と第1偏向部24との間に設けられている。本実施形態では、補正光学系12は、第1補正レンズ21と第2補正レンズ22との2枚のレンズで構成されているが、補正レンズの枚数は特に限定されない。補正光学系12は、画像生成部11からの画像光による像を補正するが、第1偏向部24および第2偏向部25の曲率の調整により補正が可能であれば、必ずしも設けなくてもよい。具体的には、例えば第2偏向部25は、第1偏向部24による像の歪みを補正する機能を有していてもよい。
第1偏向部24は、入射した画像光の一部を反射させ、入射した画像光の他の一部を透過させる曲面状の半透過反射ミラーで構成されている。半透過反射ミラーは、例えばプラスチック等の透光性を有する基材29の一面に設けられた半透過反射膜で構成されている。半透過反射ミラーは、基材29の一面に垂直な方向とのなす角度である入射角が所定の角度よりも大きい画像光を反射して偏向させ、入射角が所定の角度よりも小さい画像光を透過させる入射角依存性を有する。半透過反射ミラーは、例えば誘電体多層膜により形成される。上記の所定の角度は、半透過反射膜の設計により適宜調整が可能である。
第1偏向部24は、画像生成部11から射出された画像光が大きい入射角で入射して反射する向きに配置されている。したがって、観察者が第1偏向部24を見た際には、入射角が小さい外光が第1偏向部24を透過して観察者の瞳に到達するため、観察者は外界像を視認することができる。
第1偏向部24は、上述した向きに配置されるため、顔に沿って位置することになる。このように、第1偏向部24は表示装置100の外形を顔に沿ったものとする役割も持っており、表示装置100の小型化、デザイン性の向上に寄与する。なお、第1偏向部24は、曲面ミラーで構成されているが、平面ミラーで構成されていてもよい。また、第1偏向部24は、ダイクロイックミラーを用いることで異なる色毎に画像光を反射させるようにしてもよい。
第2偏向部25は、入射した光の一部を回折させて偏向させ、入射した光の他の一部を透過させる曲面状の反射型体積ホログラムにより構成されている。第2偏向部25は、反射型体積ホログラムで構成されているため、一般的なミラーと異なり、光の入射角と反射角とを異ならせることができる。そのため、第2偏向部25が観察者の眼の略正面に配置されていても、第1偏向部24から大きい入射角で入射した画像光を観察者の瞳に導くことができる。また、第1偏向部24と第2偏向部25との間の光路上には中間像が生成される。なお、第2偏向部25は、入射した光の一部を反射させ、入射した光の他の一部を透過させる半透過反射ミラーで構成されていてもよい。
第1外光透過率調整部27は、第1偏向部24と第2偏向部25との間の画像光の光路外に設けられている。第1外光透過率調整部27は、可視光波長域において、入射した光の一部を吸収し、入射した光の他の一部を透過させる半透過吸収膜から構成されている。または、第1外光透過率調整部27は、可視光波長域において、入射した光の一部を反射させ、入射した光の他の一部を透過させる半透過反射膜から構成されていてもよい。これにより、第1外光透過率調整部27は、外光に対する光吸収性または光反射性を有する。半透過吸収膜および半透過反射膜には、例えば金属膜、誘電体多層膜等が用いられる。第1外光透過率調整部27の形状は、曲面状であってもよいし、平面状であってもよい。
本実施形態の画像表示部110において、第1偏向部24と第2偏向部25と第1外光透過率調整部27とは、共通の基材29に設けられている。第1偏向部24、第2偏向部25、および第1外光透過率調整部27のそれぞれは、基材29の第1面29aと第2面29bのいずれに設けられていてもよいが、図3の例では、観察者の顔と対向する第1面29aに、例えば接合材(図示略)を介して設けられている。第1偏向部24と第1外光透過率調整部27との間、および第2偏向部25と第1外光透過率調整部27との間は、2つの部材の端部同士が接触していてもよいし、互いに離間していてもよい。2つの部材間が離間している場合、その間隙に接合材が設けられていてもよい。また、2つの部材間の間隔は、観察者の瞳孔径よりも小さいことが望ましく、例えば2mm未満であることが望ましい。
第1偏向部24と第2偏向部25と第1外光透過率調整部27とは、射出瞳の光軸ax1に対する角度が100度の範囲内に配置されている。すなわち、図3に示すように、射出瞳の中心と第1偏向部24の補正光学系12に近い側の端部とを結ぶ直線L1と射出瞳の光軸ax1とがなす角度をθとすると、θ≦100°である。さらに、第1偏向部24と第2偏向部25と第1外光透過率調整部27とは、射出瞳の光軸ax1に対する角度θが60度の範囲内に配置されていることがより望ましい。
ここで、第1偏向部24、第2偏向部25、および第1外光透過率調整部27のそれぞれに対して、外光がどの程度透過するかを表す指標として、平均外光透過率を考える。平均外光透過率は、例えば可視光波長域を400〜700nmとしたとき、可視光波長域内の互いに異なる波長であって、各部材が透過可能な入射角範囲内の互いに異なる入射角を有する複数の光線に対する透過率の平均値と定義する。第1偏向部24、第2偏向部25、および第1外光透過率調整部27の平均外光透過率は、例えば分光透過率計等の測定機器を用いて測定することができる。
図3に示すように、第2偏向部25は観察者の眼前に位置し、第1偏向部24は観察者の顔の斜め前方に位置するため、外界像をより良く見るためには、第2偏向部25の平均外光透過率が第1偏向部24の平均外光透過率よりも高いことが望ましい。そこで、本実施形態では、具体的な数値の一例として、第2偏向部25の平均外光透過率を80%とし、第1偏向部24の平均外光透過率を30%とする。なお、第1偏向部24の平均外光透過率および第2偏向部25の平均外光透過率は、それぞれ30%、80%に限定されることなく、上記の望ましい条件を満たす範囲内で適宜変更が可能である。
これに対して、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率は、第1偏向部24の平均外光透過率および第2偏向部25の平均外光透過率のうちのいずれか低い方の平均外光透過率よりも高く、第1偏向部24の平均外光透過率および第2偏向部25の平均外光透過率のうちのいずれか高い方の平均外光透過率よりも低い。したがって、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率は、30%よりも高く、80%よりも低い。
具体的には、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率は、第1外光透過率調整部27の内部において一定であってもよいし、変化していてもよい。第1外光透過率調整部27の平均外光透過率の具体例には、例えば以下の3つのパターンが考えられる。
図5は、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率のパターンの第1例を示す図である。
図5に示す第1例では、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率は、第1外光透過率調整部27の内部において55%で一定となっている。この例では、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率、すなわち55%は、第1偏向部24の平均外光透過率、すなわち30%と、第2偏向部25の平均外光透過率、すなわち80%と、の平均値に設定されている。なお、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率は、必ずしも第1偏向部24の平均外光透過率と第2偏向部25の平均外光透過率との平均値に設定されていなくてもよい。
図6は、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率のパターンの第2例を示す図である。
図6に示す第2例では、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率は、第1偏向部24の平均外光透過率と第2偏向部25の平均外光透過率との間で段階的に変化している。この例では、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率は、第1偏向部24から第2偏向部25に向けて、40%、55%、70%の順に3段階に変化している。なお、平均外光透過率を変化させる段階の数、および各段階の平均外光透過率の値については、特に上の例に限定されない。
図7は、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率のパターンの第3例を示す図である。
図7に示す第3例では、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率は、第1偏向部24の平均外光透過率と第2偏向部25の平均外光透過率との間で直線的に変化している。なお、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率は、第1偏向部24の平均外光透過率と第2偏向部25の平均外光透過率との間で曲線的に変化していてもよい。すなわち、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率の変化率は、第1外光透過率調整部27内の位置によらずに一定であってよいし、変化していてもよい。
特許文献1の画像表示装置においては、第2偏向部と第1偏向部との間に部材が設けられておらず、空間となっている。したがって、本実施形態と同様、仮に第2偏向部の平均外光透過率が80%であり、第1偏向部の平均外光透過率が30%であったとすると、観察者の視野範囲内に平均外光透過率が80%の領域、平均外光透過率が100%の領域、および平均外光透過率が30%の領域が並ぶことになる。この場合、観察者が外界像を見ると、外界像内に明るさが大きく異なる境界が存在するため、違和感が生じることがある。なお、第2偏向部と第1偏向部との間に任意の透明部材が配置されていたとしても、例えば平均外光透過率が90%以上の一般的な透明部材であれば、やはり違和感が生じることがある。
これに対して、本実施形態の場合、第2偏向部25と第1偏向部24との間に、平均外光透過率が30%よりも高く、80%よりも低い第1外光透過率調整部27が設けられている。そのため、観察者の視野範囲内に平均外光透過率が80%の領域、平均外光透過率が30%より大きく、80%よりも小さい領域、および平均外光透過率が30%の領域が並ぶことになる。この場合、観察者の眼の正面から側方に向かって外界像内での明るさがなだらかに変化するとともに、外界像内に明るさが大きく異なる境界が存在しなくなる。これにより、本実施形態のHMD300によれば、観察者が外界像を見る際に生じる違和感を低減することができる。
また、図5に示したように、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率を一定とした場合、第1外光透過率調整部27を構成する薄膜を容易に形成することができる。
また、図6に示したように、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率を段階的に変化させた場合、平均外光透過率が互いに異なる2つの領域間での平均外光透過率の差が小さくなるため、外界像を見る際に生じる違和感を十分に低減することができる。
また、図7に示したように、第1外光透過率調整部27の平均外光透過率を直線的に変化させた場合、第1外光透過率調整部27の内部に平均外光透過率が互いに異なる2つの領域の境界が存在しなくなるため、外界像を見る際に生じる違和感をより十分に低減することができる。
また、本実施形態の場合、第1偏向部24と第2偏向部25と第1外光透過率調整部27とが共通の基材29に設けられているため、HMD300を製造する際の組立工程において、第1偏向部24、第2偏向部25および第1外光透過率調整部27の相互の位置合わせを容易に行うことができる。また、第1偏向部24と第1外光透過率調整部27との間、第2偏向部25と第1外光透過率調整部27との間に位置する基材29に繋ぎ目が存在しないため、基材29の繋ぎ目に起因する外界像の視認性低下を抑制することができる。なお、第1偏向部24と第1外光透過率調整部27との間の隙間、および第2偏向部25と第1外光透過率調整部27との間の隙間が瞳孔径よりも小さければ、これらの隙間に起因する外界像の視認性低下も抑制することができる。
一般に、人間の視野は、正面から片側で約100度以内と言われており、特に色彩まで認識できる範囲は約60度以内と言われている。これに対して、本実施形態の場合、第1偏向部24と第2偏向部25と第1外光透過率調整部27とが射出瞳の光軸ax1から100度の範囲内に配置されているため、観察者は、第1偏向部24と第2偏向部25と第1外光透過率調整部27とを介して視野範囲内の略全ての外界像を認識することができる。さらに第1偏向部24と第2偏向部25と第1外光透過率調整部27とが射出瞳の光軸ax1から60度の範囲内に配置された場合には、第1偏向部24と第2偏向部25と第1外光透過率調整部27とを介して外界像の色彩を認識することができる。
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態について、図8を用いて説明する。
本実施形態のHMDの基本構成は第1実施形態と同様であり、導光光学系の構成が第1実施形態と異なる。
図8は、第2実施形態の表示装置の概略構成を示す平面図である。
図8において、第1実施形態で用いた図3と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図8に示すように、本実施形態の表示装置101において、導光光学系14は、第1偏向部24と、第1基材31と、第2偏向部25と、第2基材32と、を有する。第1偏向部24は、第1基材31の第1面31aに設けられている。第2偏向部25は、第2基材32aの第1面に設けられている。
第1外光透過率調整部27は、第3基材33の第1面33aに設けられている。また、第1基材31と第2基材32と第3基材33とは、例えば接合材34を介して互いに接合されている。また、隣り合う基材31,32,33間の接合材34の厚さは、観察者の瞳孔径よりも小さいことが望ましく、例えば2mm未満であることが望ましい。また、隣り合う基材31,32,33間の隙間は、射出瞳の中心と当該隙間とを結ぶ直線に概ね沿って延びるように形成されていることが望ましい。表示装置101のその他の構成は、第1実施形態と同様である。
本実施形態においても、観察者が外界像を見る際の違和感を低減できる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。
また、本実施形態の場合、第1偏向部24、第2偏向部25、および第1外光透過率調整部27のそれぞれが互いに異なる基材31,32,33に設けられているため、表示装置101の製造過程で第1偏向部24または第2偏向部25または第1外光透過率調整部27の設計変更、仕様変更等を行う場合に、第1偏向部24または第2偏向部25または第1外光透過率調整部27と基材31,32,33のセットのみを交換すればよく、これらの変更に容易に対応することができる。
[第3実施形態]
以下、本発明の第3実施形態について、図9および図10を用いて説明する。
本実施形態のHMDの基本構成は第1実施形態と同様であり、第1外光透過率調整部に代えて、第2外光透過率調整部を備えた点が第1実施形態と異なる。
図9は、第3実施形態の表示装置の概略構成を示す平面図である。
図9において、第1実施形態で用いた図3と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
なお、第1実施形態では、右眼用画像表示部110Bを単に画像表示部110と称し、左眼用画像表示部110Aの説明を省略したが、本実施形態では、各構成要素の名称の頭に「左眼用」、「右眼用」の語句を付して記載する。ただし、左眼用画像表示部110Aと右眼用画像表示部110Bとでは、各構成要素の配置が左右対称となっているだけで、各構成要素の具体的な構成および機能については、第1実施形態と同様である。
図9に示すように、本実施形態の表示装置102は、左眼用画像表示部110Aと、右眼用画像表示部110Bと、第2外光透過率調整部41と、を備えている。
左眼用画像表示部110Aは、左眼用画像生成部11Aと、左眼用補正光学系12Aと、左眼用導光光学系13Aと、を有する。左眼用導光光学系13Aは、左眼用第1偏向部24Aと、左眼用第2偏向部25Aと、を有する。左眼用画像生成部11Aは、画像情報を含む光を射出する。左眼用導光光学系13Aは、左眼用画像生成部11Aからの画像光を左眼側射出瞳の位置に向けて導く。左眼用第1偏向部24Aは、左眼用画像生成部11Aから射出された画像光を偏向させる。左眼用第2偏向部25Aは、左眼用第1偏向部24Aにより偏向された画像光をさらに偏向させて左眼側射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる。
右眼用画像表示部110Bは、右眼用画像生成部11Bと、右眼用補正光学系12Bと、右眼用導光光学系13Bと、を有する。右眼用導光光学系13Bは、右眼用第1偏向部24Bと、右眼用第2偏向部25Bと、を有する。右眼用画像生成部11Bは、画像情報を含む光を射出する。右眼用導光光学系13Bは、右眼用画像生成部11Bからの画像光を右眼側射出瞳の位置に向けて導く。右眼用第1偏向部24Bは、右眼用画像生成部11Bから射出された画像光を偏向させる。右眼用第2偏向部25Bは、右眼用第1偏向部24Bにより偏向された画像光をさらに偏向させて右眼側射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる。
第2外光透過率調整部41は、左眼用第2偏向部25Aと右眼用第2偏向部25Bとの間の画像光の光路外に設けられている。第2外光透過率調整部41は、可視光波長域において、入射した光の一部を吸収し、入射した光の他の一部を透過させる半透過吸収膜から構成されている。または、第2外光透過率調整部41は、可視光波長域において、入射した光の一部を反射させ、入射した光の他の一部を透過させる半透過反射膜から構成されていてもよい。これにより、第2外光透過率調整部41は、外光に対する光吸収性または光反射性を有する。半透過吸収膜および半透過反射膜には、例えば金属膜、誘電体多層膜等が用いられる。第2外光透過率調整部41の形状は、曲面状であってもよいし、平面状であってもよい。
本実施形態において、左眼用第1偏向部24A、左眼用第2偏向部25A、右眼用第1偏向部24B、右眼用第2偏向部25B、および第2外光透過率調整部41の支持形態については、特に限定されない。したがって、左眼用第1偏向部24A、左眼用第2偏向部25A、右眼用第1偏向部24B、右眼用第2偏向部25B、および第2外光透過率調整部41の全てが一体の基材に設けられていてもよいし、複数の基材に設けられていてもよい。
本実施形態では、具体的な数値の一例として、左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率を80%とし、右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率を80%とする。外界像の違和感を生じさせないために、左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率と右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率とは等しいことが望ましい。
図10は、第2外光透過率調整部41の平均外光透過率のパターンの一例を示す図である。
図10に示すように、第2外光透過率調整部41の平均外光透過率は、左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率および右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率と等しい。したがって、第2外光透過率調整部41の平均外光透過率は、80%である。
上述したように、左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率と右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率とは等しいことが望ましいが、例えば体積ホログラムの製造ばらつき等の要因によって、左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率と右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率とが異なる場合がある。
この場合、第2外光透過率調整部41の平均外光透過率は、左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率および右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率のうちのいずれか低い方の平均外光透過率よりも高いことが望ましい。さらに、第2外光透過率調整部41の平均外光透過率は、左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率および右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率のうちのいずれか高い方の平均外光透過率よりも低いことが望ましい。したがって、例えば左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率が80%であり、右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率が83%であったとすると、第2外光透過率調整部41の平均外光透過率は、80%よりも高く、83%よりも低いことが望ましい。
なお、第2外光透過率調整部41の平均外光透過率は、上記の条件から少し外れていたとしても、第2外光透過率調整部41が存在しない場合に比べれば効果は得られる。しかしながら、上記の条件から大きく外れ過ぎると、外界像の違和感が生じる。したがって、上記の条件を満たした場合と同等の効果が得られ、かつ、上記の条件から大きく外れ過ぎた場合の違和感を低減するためには、第2外光透過率調整部41の平均外光透過率を、左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率と右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率との平均値の±10%以内とすることが妥当である。
より具体的には、以下の2つの場合が考えられる。
(1)左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率と右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率との差が10%以上である場合、第2外光透過率調整部41の平均外光透過率は、左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率および右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率のうちのいずれか低い方の平均外光透過率よりも高く、いずれか高い方の平均外光透過率よりも低いことが望ましい。
(2)左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率と右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率との差が10%未満である場合、左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率と右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率との平均値の±5%以内とすることが望ましい。
上記の観点から、(2)の場合、例えば左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率が80%であり、右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率が83%であったとすると、第2外光透過率調整部41の平均外光透過率は、77.5%よりも高く、85.5%よりも低くてもよい。また、例えば左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率、および右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率がともに80%であったとすると、75%よりも高く、85%よりも低くてもよい。
特許文献1の画像表示装置においては、第2偏向部と第1偏向部との間だけでなく、左眼用第2偏向部と右眼用第2偏向部との間にも部材が設けられておらず、空間となっている。したがって、第1実施形態で説明したように、観察者が外界像を見た場合に、外界像内に明るさが大きく異なる境界が存在し、違和感が生じることがある。
これに対して、本実施形態の場合、左眼用第2偏向部25Aと右眼用第2偏向部25Bとの間に、平均外光透過率が80%または80%近傍の第2外光透過率調整部41が設けられている。そのため、観察者の左眼の眼前から右眼の眼前にわたって外界像内での明るさがなだらかに変化するとともに、外界像内に明るさが大きく異なる境界が存在しなくなる。これにより、本実施形態の表示装置102によれば、観察者が外界像を見る際の違和感を低減することができる。
[第4実施形態]
以下、本発明の第4実施形態について、図11および図12を用いて説明する。
本実施形態のHMDの基本構成は第3実施形態と同様であり、第1外光透過率調整部を付加した点が第3実施形態と異なる。
図11は、第4実施形態の表示装置の概略構成を示す平面図である。
図11において、第3実施形態で用いた図9と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
図11に示すように、本実施形態の表示装置103において、左眼用導光光学系43Aは、左眼用第1偏向部24Aと左眼用第2偏向部25Aとの間の画像光の光路外に設けられた左眼用第1外光透過率調整部27Aを有する。右眼用導光光学系43Bは、右眼用第1偏向部24Bと右眼用第2偏向部25Bとの間の画像光の光路外に設けられた右眼用第1外光透過率調整部27Bを有する。また、左眼用第2偏向部25Aと右眼用第2偏向部25Bとの間の画像光の光路外に、第2外光透過率調整部41が設けられている。
本実施形態の場合、左眼用第1偏向部24A、左眼用第1外光透過率調整部27A、左眼用第2偏向部25A、第2外光透過率調整部41、右眼用第2偏向部25B、右眼用第1外光透過率調整部27B、および左眼用第1偏向部24Bは、共通の基材45の第1面45aに設けられている。
表示装置103のその他の構成は、第3実施形態と同様である。
図12は、左眼用第1外光透過率調整部27A、第2外光透過率調整部41、および左眼用第1外光透過率調整部27Bの平均外光透過率のパターンの一例を示す図である。
図12に示すように、左眼用第1偏向部24Aおよび右眼用第1偏向部24Bの平均外光透過率を30%とし、左眼用第2偏向部25Aおよび右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率を80%とする。
左眼用第1外光透過率調整部27Aの平均外光透過率は、左眼用第1偏向部24Aの平均外光透過率である30%と左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率である80%との間で直線的に変化している。同様に、右眼用第1外光透過率調整部27Bの平均外光透過率は、右眼用第1偏向部24Bの平均外光透過率である30%と右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率である80%との間で直線的に変化している。第2外光透過率調整部41の平均外光透過率は、左眼用第2偏向部25Aの平均外光透過率および右眼用第2偏向部25Bの平均外光透過率と等しく、80%である。
本実施形態の表示装置103によれば、左眼用第1外光透過率調整部27A、第2外光透過率調整部41、および右眼用第1外光透過率調整部27Bが設けられたことによって、観察者が外界像を見る際に視野の全域にわたって違和感を低減することができる。
また、本実施形態の場合、左眼用第1偏向部24A、左眼用第1外光透過率調整部27A、左眼用第2偏向部25A、第2外光透過率調整部41、右眼用第2偏向部25B、右眼用第1外光透過率調整部27B、および左眼用第1偏向部24Bからなる各部材が共通の基材45に設けられているため、表示装置103の組立工程において、上記の各部材の相互の位置合わせを容易に行うことができる。また、上記の隣り合う2つの部材の間に位置する基材45に繋ぎ目が存在しないため、基材の繋ぎ目に起因する外界像の視認性低下を抑制することができる。また、隣り合う2つの部材の間の隙間が瞳孔径よりも小さければ、これらの隙間に起因する外界像の視認性低下も抑制することができる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態においては、第1外光透過率調整部の全体が第1偏向部と第2偏向部との間の光の光路外に設けられた例を挙げたが、第1外光透過率調整部の一部が第1偏向部と第2偏向部との間の光の光路外に設けられ、第1外光透過率調整部の他の一部が第1偏向部と第2偏向部との間の光の光路内に位置していてもよい。
例えば第1外光透過率調整部の一端が第1偏向部の光偏向領域と重なり、第1外光透過率調整部の他端が第2偏向部の光偏向領域と重なる結果、第1外光透過率調整部の両端が第1偏向部と第2偏向部との間の光の光路内に位置していてもよい。この構成によれば、第1外光透過率調整部の両端の光偏向領域と重なる部分では、画像の一部が欠ける、映像品質が低下する等の不具合が発生するが、これらは人間の視野特性上、欠陥が明確に見えにくい周辺部分であるため、影響が少ない。また、第1外光透過率調整部の両端と各偏向部の光偏向領域とを重ねたことにより光学系を小型化できる、という利点が得られる。
また、第1偏向部の平均外光透過率が30%であり、第2偏向部の平均外光透過率が80%である場合に、第1外光透過率調整部の平均外光透過率が30%よりも高く、かつ、80%よりも低い例を挙げたが、第1外光透過率調整部の平均外光透過率は、少なくとも30%よりも高ければよく、例えば85%であってもよい。すなわち、第1外光透過率調整部の平均外光透過率は、第1偏向部の平均外光透過率および第2偏向部の平均外光透過率の低い方の平均外光透過率よりも高いという条件を少なくとも満足していればよい。この場合であっても、第1偏向部と第2偏向部との間が空間である場合に比べれば、外界像の違和感を低減することができる。
また、上記実施形態においては、光走査デバイスを備えた画像生成部の例を挙げたが、この構成に代えて、液晶パネル、有機ELパネル等の表示デバイスを備えた画像生成部であってもよい。第1偏向部および第2偏向部は、ミラーまたは反射型体積ホログラムに限らず、例えばフレネルレンズ、プリズム等を備えたものであってもよい。その他、透過型画像表示装置の各部の具体的な構成については、上記実施形態に限ることなく、適宜変更が可能である。
また、上記実施形態においては、透過型画像表示装置の一例として、ヘッドマウントディスプレイを挙げたが、例えば双眼鏡のように、装置本体を手で持って覗き込む形態のディスプレイ、いわゆるハンドヘルドディスプレイに本発明を適用してもよい。
11…画像生成部、11A…左眼用画像生成部、11B…右眼用画像生成部、13…導光光学系、13A,43A…左眼用導光光学系、13B,43B…右眼用導光光学系、24…第1偏向部、24A…左眼用第1偏向部、24B…右眼用第1偏向部、25…第2偏向部、25A…左眼用第2偏向部、25B…右眼用第2偏向部、27…第1外光透過率調整部、27A…左眼用第1外光透過率調整部、27B…右眼用第1外光透過率調整部、29,45…基材、31…第1基材、32…第2基材、33…第3基材、41…第2外光透過率調整部、100,101,102,103…表示装置、110…画像表示部、110A…左眼用画像表示部、110B…右眼用画像表示部、300…ヘッドマウントディスプレイ。

Claims (12)

  1. 画像情報を含む光を射出する画像生成部と、
    前記画像生成部からの光を射出瞳の位置に導く導光光学系と、
    を備え、
    前記導光光学系は、前記画像生成部から射出された光を偏向させる第1偏向部と、前記第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて前記射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる第2偏向部と、を備え、
    前記第1偏向部と前記第2偏向部との間の前記光の光路外に、第1外光透過率調整部が設けられ、
    前記第1外光透過率調整部は、前記外光に対する光吸収性または光反射性を有しており、
    前記第1外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記第1偏向部の平均外光透過率および前記第2偏向部の平均外光透過率のうちのいずれか低い方の平均外光透過率よりも高い、透過型画像表示装置。
  2. 前記第1外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記第1偏向部の平均外光透過率および前記第2偏向部の平均外光透過率のうちのいずれか高い方の平均外光透過率よりも低い、請求項1に記載の透過型画像表示装置。
  3. 前記第1外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記第1偏向部の平均外光透過率と前記第2偏向部の平均外光透過率との間で段階的に変化している、請求項1または請求項2に記載の透過型画像表示装置。
  4. 前記第1外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記第1偏向部の平均外光透過率と前記第2偏向部の平均外光透過率との間で直線的に変化している、請求項1または請求項2に記載の透過型画像表示装置。
  5. 前記第1偏向部と前記第2偏向部と前記第1外光透過率調整部とは、共通の基材に設けられている、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の透過型画像表示装置。
  6. 前記第1偏向部は第1基材に設けられ、前記第2偏向部は第2基材に設けられ、前記第1外光透過率調整部は第3基材に設けられ、
    前記第1基材と前記第2基材と前記第3基材とは、互いに接合されている、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の透過型画像表示装置。
  7. 前記第1偏向部と前記第2偏向部と前記第1外光透過率調整部とは、前記射出瞳の光軸に対する角度が100度の範囲内に配置されている、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の透過型画像表示装置。
  8. 前記第1偏向部は、入射した光の一部を反射させ、入射した光の他の一部を透過させる半透過反射ミラーで構成されている、請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の透過型画像表示装置。
  9. 前記第2偏向部は、入射した光の一部を回折させて偏向する反射型体積ホログラムで構成されている、請求項1から請求項8までのいずれか一項に記載の透過型画像表示装置。
  10. 右眼用画像表示部と、左眼用画像表示部と、を備え、
    前記右眼用画像表示部は、
    画像情報を含む光を射出する右眼用画像生成部と、
    前記右眼用画像生成部からの光を右眼側射出瞳の位置に向けて導く右眼用導光光学系と、
    を備え、
    前記右眼用導光光学系は、前記右眼用画像生成部から射出された光を偏向させる右眼用第1偏向部と、前記右眼用第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて前記右眼側射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる右眼用第2偏向部と、を備え、
    前記左眼用画像表示部は、
    画像情報を含む光を射出する左眼用画像生成部と、
    前記左眼用画像生成部からの光を左眼側射出瞳の位置に向けて導く左眼用導光光学系と、
    を備え、
    前記左眼用導光光学系は、前記左眼用画像生成部から射出された光を偏向させる左眼用第1偏向部と、前記左眼用第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて前記左眼側射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる左眼用第2偏向部と、を備え、
    前記右眼用第2偏向部と前記左眼用第2偏向部との間の前記光の光路外に、第2外光透過率調整部が設けられ、
    前記第2外光透過率調整部は、前記外光に対する光吸収性または光反射性を有しており、
    前記第2外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記右眼用第2偏向部の平均外光透過率および前記左眼用第2偏向部の平均外光透過率のうちのいずれか低い方の平均外光透過率よりも高い、透過型画像表示装置。
  11. 前記第2外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記右眼用第2偏向部の平均外光透過率および前記左眼用第2偏向部の平均外光透過率のうちのいずれか高い方の平均外光透過率よりも低い、請求項10に記載の透過型画像表示装置。
  12. 右眼用画像表示部と、左眼用画像表示部と、を備え、
    前記右眼用画像表示部は、
    画像情報を含む光を射出する右眼用画像生成部と、
    前記右眼用画像生成部からの光を右眼側射出瞳の位置に向けて導く右眼用導光光学系と、
    を備え、
    前記右眼用導光光学系は、前記右眼用画像生成部から射出された光を偏向させる右眼用第1偏向部と、前記右眼用第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて前記右眼側射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる右眼用第2偏向部と、を備え、
    前記左眼用画像表示部は、
    画像情報を含む光を射出する左眼用画像生成部と、
    前記左眼用画像生成部からの光を左眼側射出瞳の位置に向けて導く左眼用導光光学系と、
    を備え、
    前記左眼用導光光学系は、前記左眼用画像生成部から射出された光を偏向させる左眼用第1偏向部と、前記左眼用第1偏向部により偏向された光をさらに偏向させて前記左眼側射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる左眼用第2偏向部と、を備え、
    前記右眼用第2偏向部と前記左眼用第2偏向部との間の前記光の光路外に、第2外光透過率調整部が設けられ、
    前記第2外光透過率調整部は、前記外光に対する光吸収性または光反射性を有しており、
    前記第2外光透過率調整部の平均外光透過率は、前記右眼用第2偏向部の平均外光透過率および前記左眼用第2偏向部の平均外光透過率と等しい、透過型画像表示装置。
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