JP2022120575A - ヘッドマウントディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成でコントラストの劣化を調整し改善できるＨＭＤを提供する。【解決手段】偏光角度を９０°と０°に変える液晶層を備えた映像表示装置と、映像表示装置に照射光を供給する照射系と、照射光を前記映像表示装置に導き映像表示装置によって変わる光の偏光角度に応じ透過/反射を選択する偏光光学素子とを備えたヘッドマウントディスプレイ装置であって、偏光光学素子と映像表示装置との間に偏光機能素子を配置した構成とする。【選択図】図７

Description

本発明は、虚像を投射して表示するヘッドマウントディスプレイ装置（ＨＭＤ:Head Mount Display。以下、ＨＭＤと記す）に関する。

ＨＭＤは、メガネ状やゴーグル状の導光素子を介して、虚像を発生させ映像を表示する装置である。ＨＭＤにおいて、映像信号に基づいて照明系から入射した光を変調して画像を生成する映像表示装置として、例えばＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）が知られている。

ＬＣＯＳは映像生成用の画素電極と共通電極の間に液晶が有り、映像信号に基づいて、画素ごとに電極間の電界を制御することにより、液晶を通過した光の位相差変化に応じた偏光角度により明暗を発生させ映像を表示するものである。その偏光角度のばらつきにより、コントラスト（全白／全黒の輝度比）の劣化が発生する。

本技術分野における背景技術として特許文献１がある。特許文献１には、第１の画像形成装置と、照明光が通って該第１の画像形成装置に至るようにした第１の偏光ビームスプリッタと、第１の画像形成装置と第１の偏光ビームスプリッタとの間に配置される第１のリターデーション要素と、第１の画像形成装置に取り付けられ、第１の画像形成装置から第１の偏光ビームスプリッタを通過した画像光でのコントラストを実質的に最大にするように暗状態の画素にバイアスを印加するバイアスコントローラとを含む、投影システムが開示されている。

特表２００９－５１８６８５号公報

特許文献１では、偏光ビームスプリッタと画像形成装置と光学部品を用い、電気的に偏光をコントロールすることでコントラストを調整している。しかしながら、具体的な構成が不明であり、その実現性が困難である。

本発明の目的は、簡単な構成でコントラストの劣化を調整し改善できるＨＭＤを提供することである。

本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、偏光角度を９０°と０°に変える液晶層を備えた映像表示装置と、映像表示装置に照射光を供給する照射系と、照射光を前記映像表示装置に導き映像表示装置によって変わる光の偏光角度に応じ透過/反射を選択する偏光光学素子とを備えたヘッドマウントディスプレイ装置であって、偏光光学素子と映像表示装置との間に偏光機能素子を配置した構成とする。

本発明によれば、簡単な構成でコントラストの劣化を調整し改善できるＨＭＤを提供できる。

従来のＨＭＤにおける映像表示部の概略構成図である。 従来のＬＣＯＳの構成を説明する図である。 従来のＬＣＯＳとＰＢＳの動作を説明する図である。 従来の片眼用ＨＭＤの場合の課題を説明する図である。 従来の両眼用ＨＭＤの場合の課題を説明する図である。 ＬＣＯＳの照明光の反射率シミュレーショ結果である。 実施例１におけるＬＣＯＳを用いた反射型映像表示部の概略構成図である。 実施例１におけるＬＣＤを用いた透過型映像表示部の概略構成図である。 実施例１におけるコントラスト調整の処理フローチャートである。 実施例１におけるコントラスト調整の効果を説明する図である。 実施例２における映像表示装置の構成を説明する図である。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。

まず、本実施例の前提となる、従来のＨＭＤの構成について説明する。

図１は、従来のＨＭＤにおける映像表示部の概略構成図である。なお、図１の構成を１つ備えると片眼式のＨＭＤとなり、二つ備えると両眼式のＨＭＤとなり、片眼／両眼の両方の方式のＨＭＤに対応できる構成になっている。

図１において、映像表示部１００は、照明系１０と、偏光光学素子であるＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter：偏光ビームスプリッタ）２０と、映像表示装置３０と、投射系４０と、導光部５０を備えている。

照明系１０は、光源部である光源１１と光源１３、集光レンズ１２、１４、ダイクロイックミラー１５、マイクロレンズアレイ１６、全反射ミラー１７、結像レンズ１８を有している。なお、照明系１０は、ＰＢＳ２０を介して映像表示装置３０を照明できるのであれば、一部の部品が省略されていても良い。

照明系１０において、光源部の内の光源１１は緑色の光（Ｇ光）を出射し、光源１３は、赤色光源と青色光源が同一パッケージに実装されており、赤色と青色の光（Ｒ光とＢ光）を出射する。なお、図１では、２色の光源が同一のパッケージに実装されている光源１３を例として示しているが、３色の光源の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、３色の光源が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１１から出射した光は、集光レンズ１２に入射する。集光レンズ１２は、その略合成焦点位置に光源１１が位置する関係で配置されている。光源１１から出射した光束は、集光レンズ１２に入射してコリメート光となる。光源１１からのコリメート光は、ダイクロイックミラー１５に向かって出射する。同様に、光源１３から出射した光は、集光レンズ１４に入射してコリメート光となり、ダイクロイックミラー１５に向かって出射する。ダイクロイックミラー１５は、Ｒ光とＢ光とＧ光の光軸を揃えて合成し、各色のコリメート光を合成して出射する。

マイクロレンズアレイ１６は、ダイクロイックミラー１５から出射した略コリメート光束を受光する。略コリメート光は集光レンズ１２、１４で生成されていて、光源部の発光領域に応じた光の広がりを持つコリメート光束になっている。そのため、これをマイクロレンズアレイ１６の入射側に備えられたレンズで集光すると、マイクロレンズアレイ１６の出射側のレンズ上に光源部の像を結像する。マイクロレンズアレイの出射側に備えられたレンズは、マイクロレンズアレイの入射側に備えられたレンズの開口形状に応じた配光分布の光束を出射する。

マイクロレンズアレイ１６から出射した光束は、全反射ミラー１７で全反射して進路を略直角に曲げて結像レンズ１８に入射する。結像レンズ１８は、コリメート光を集光しながらＰＢＳ２０に向かって出射する。

ＰＢＳ２０は、透明材質で構成され、入射面と反射面と出射面を有する光学材である。反射面は、結像レンズ１８の光軸に対して傾斜しており、偏光選択性の反射性能を有する。すなわち、Ｓ偏光は反射するがＰ偏光は透過する。そのため、結像レンズ１８からの光束がＰ偏光の場合、結像レンズ１８からの光束は反射面を透過し映像表示装置３０を照明する。詳細は後述する。

映像表示装置３０は、その詳細は後述するが、映像信号に基づいて照明系１０から入射した光を変調して画像を生成する。映像表示装置３０で生成した画像の光は映像光となり、ＰＢＳ２０を介して投射系４０に入射する。

投射系４０は、映像表示装置３０の像を投射する。映像表示装置３０の像を利用者から所望の距離に存在しているように網膜に結像するために、投射系４０は映像表示装置３０の像を虚像として提供する。そのために、投射系４０からの映像光は導光部５０へ出射する。

導光部５０は、映像表示装置３０が生成した映像光を投射系４０から取り込み、内部反射させて、利用者の眼前にまで導く。

図２は、映像表示装置３０の構成を説明する図である。図２において、映像表示装置３０は、ＬＣＯＳであって、カバーガラス３１、液晶層３２、表示パネル３３で構成される。ＬＣＯＳには表示パネル３３の前に液晶層３２があり、この液晶層３２で偏光を電気的に操作し、偏光角度を変えることで色調整や、コントラストを制御している。すなわち、表示パネル３３は、照明系１０から入射した照明光を反射させる。液晶層３２は、照明系１０から入射した照明光の偏光を映像信号に基づいて変調し操作することで出射する光を制御する。これにより、映像表示装置３０は、映像信号に基づいて照明系１０から入射した光を変調して映像光を生成する。

図３は、映像表示装置３０とＰＢＳ２０の動作を説明する図である。図３において、映像表示装置３０はＬＣＯＳであって、Ｓ偏光は図に対して垂直の偏光方向、Ｐ偏光は図に対して水平の偏光方向と定義し、（ａ）は、映像信号が全白の場合の、映像表示装置３０から出射する光がＰＢＳ２０を介して投射系４０に入射することを説明する図である。（ａ）に示すように、映像信号が全白の場合は、液晶層３２は、映像信号全般において偏光を９０度回転させる。そのため、結像レンズ１８からの光束がＰ偏光の場合、映像表示装置３０からの出射光はＳ偏光となり、ＰＢＳ２０の反射面で反射されて映像光が投射系４０に入射する。一方、（ｂ）は、映像信号が全黒の場合の、映像表示装置３０から出射する光と投射系４０に入射する光の関係を説明する図である。（ｂ）に示すように、映像信号が全黒の場合は、液晶層３２は、映像信号全般において偏光は機能しない。そのため、結像レンズ１８からの光束がＰ偏光の場合、映像表示装置３０からの出射光もＰ偏光であり、ＰＢＳ２０の反射面では透過されて映像光は投射系４０には入射しない。

ここで、映像表示装置３０におけるＬＣＯＳの液晶層３２の偏光角度は部品毎でばらつきを持っていて、その実力範囲は数度程度のばらつき範囲を持っている。そのため、映像信号が全黒の場合でも、偏光角度が９０度からずれてしまうと、僅かに光が投射系に入射されてしまう。よって、その場合はコントラストの劣化を招くという課題がある。

上記課題に対して、ＬＣＯＳの液晶層で発生する偏光角度のばらつきを吸収するために、ＬＣＯＳ自身を回転させて調整することが考えられる。その場合、図４に示すように、（ａ）において、偏光角度のズレ量が反時計方向にθ度である場合、（ｂ）に示すようにＬＣＯＳ全体（映像表示装置３０）を時計方向にθ度回転させる。すると、（ｃ）に示すように、コントラストの劣化は抑制できるものの、映像がＨＭＤ１に対して傾く為、（ｄ）に示すように、ＨＭＤ１を逆に傾けて見ないと映像が真直ぐにみることができない。具体的には、（ｅ）に示すように、ＨＭＤ１全体を傾ける必要がある。このため、ＨＭＤ１を眼鏡の渕で固定する場合は、渕に対して映像が傾いて見える為、映像品質が悪くなるという課題がある。また、（ｆ）に示すように、ＨＭＤ姿勢調整機構８０のようなＨＭＤを傾ける調整機構が必要となる。

図５は、両眼用ＨＭＤの場合の課題を説明する図である。図５に示すように、左目用、右目用でそれぞれ、ＬＣＯＳの偏光角度のばらつきを吸収するためにＬＣＯＳ自身を回転させて調整すると、両目で映像ずれになってしまう。よって、ＬＣＯＳの回転調整はあくまで両目の映像が一致するように調整し、コントラスト調整は別の方法で調整する必要がある。

図６は、ＬＣＯＳの照明光の反射率シミュレーション結果である。図６は、映像信号が全白と全黒の場合の、ＬＣＯＳの偏光角度ずれに対するＬＣＯＳの反射率（絶対値）と反射変化率（変化率）を示している。なお、変化率は、偏光角度ずれ０度を１００％としている。変化率のグラフから分るように、ＬＣＯＳの偏光角度ずれで全白は若干光量が落ちるが、影響が大きいのは反射率が小さい全黒の場合である。そのため、コントラスト（全白／全黒比）で影響が大きいのは全黒である。コントラストをＬＣＯＳの反射率（絶対値）から算出すると、図６に示すようになる。ここで、コントラストＣＲは、下記式で算出される。
１／ＣＲ＝１／ＣＲｐ＋１／ＣＰｌ
ここで、ＣＲ：全体コントラスト、ＣＲｐ：ＬＣＯＳが反射した光のコントラスト（全白／全黒）、ＣＰｌ：ＬＣＯＳの部品自体が持っているコントラスト（今回：２５０で計算）である。

図６から分るように、ＬＣＯＳの偏光角度のばらつきに対して、コントラストが２００以上となるようにコントラスト調整を行なえば、ＬＣＯＳの偏光角度のばらつきを吸収してコントラスト性能を安定化させることができる。

図７は、本実施例における片眼用及び両眼用に対応した映像表示部の概略構成図である。図７において、図１と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図７において、図１と異なる点は、映像表示装置３０（ＬＣＯＳ）とＰＢＳ２０の間に偏光機能素子であるλ／２波長板３５を追加して、λ／２波長板３５を回転することでコントラスト調整を行う点である。

図８は、透過型のＬＣＤ（Liquid Crystal Display）である映像表示装置６０を用いた場合の概略構成図である。照明系１０と結像レンズ１８はＬＣＯＳを使用している図７と同じであるが、全反射ミラー１７を削除し、映像表示装置６０（ＬＣＤ）から導光部５０までをストレートにして、映像表示部１００を眼鏡のフレームに添わせるようにコンパクトにする光学系の一例である。映像表示装置６０（ＬＣＤ）とＰＢＳ２０の間に、λ/２波長板３５を配置する構成の為、コントラスト調整は図７と同様に行うことができる点は同じである。

図９は、本実施例におけるコントラスト調整の処理フローチャートである。図９において、コントラスト調整は、ＨＭＤの製造工程のＬＣＯＳ調整（フォーカス、位置、回転）の工程で行う。すなわち、図９において、ＬＣＯＳ調整を開始し（Ｓ１０１）、従来のＬＣＯＳ調整を完了する（Ｓ１０２）。そして、コントラストをチェックし（Ｓ１０３）、例えばコントラストが２００以下であれば、λ／２波長板を回転しコントラスト調整を行う（Ｓ１０４）。そして、Ｓ１０３に戻り、コントラストが２００超となるまでλ／２波長板を回転しコントラスト調整を行ない、コントラストが２００超となれば、コントラスト調整を完了する（Ｓ１０５）。

図１０は、本実施例におけるコントラスト調整の効果を説明する図であり、ＬＣＯＳの偏光角度のばらつきに対するコントラストのシミュレーション結果である。図１０において、（ａ）は、λ／２波長板による回転調整がない場合を示し、図６のコントラストのシミュレーション結果と同様である。これに対して、（ｂ）はλ／２波長板による回転調整を行った場合を示し、ＬＣＯＳの偏光角度のばらつきを吸収してコントラストを安定化させることができる。

なお、本実施例では、映像表示装置３０（ＬＣＯＳ）、または映像表示装置６０（ＬＣＤ）を用いて説明したが、ＬＣＯＳまたはＬＣＤに限定されるものではなく、例えば、偏光角度を９０°と０°に変える液晶層からなる映像表示装置であればよい。

また、本実施例では、λ／２波長板により回転調整を行うとして説明したが、これに限定されない偏光機能素子でよく、例えば位相差板でもよく、また、例えばλ／４波長板を２つ組合せてもよいし、複数の波長板の組合せでもよい。または、波長板のような位相差によって偏光を回す素子とは別に、偏光そのものを回す素子である旋光子でもよい。

以上のように、本実施例によれば、簡単な構成でコントラストの劣化を調整し改善できるＨＭＤを提供できる。

本実施例では、ＬＣＯＳの偏光角度のばらつきによるコントラストの劣化をλ／２波長板による調整以外で行う構成について説明する。

図１１は、本実施例における映像表示装置３０（ＬＣＯＳ）の構成を説明する図である。図１１において、図２と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１１において、図２と異なる点は、ＬＣＯＳに偏光角度を変える為の偏光機能素子である液晶層３８を追加した点である。

図１１において、液晶層３８は、偏光角度を任意に変更できる液晶層であって、例えば、モニタなどに使用している電圧で偏光角度を変更できるタイプの液晶であればよい。

このように、本実施例によれば、ＬＣＯＳの液晶層３２の偏光角度のばらつきを吸収する液晶層３８をＬＣＯＳに追加することで、偏光角度のばらつきを調整でき、コントラストを安定化させることができる。

なお、本実施例は、映像表示装置６０（ＬＣＤ）を用いて同様な構成で実施できる。

以上実施例について説明したが、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。

１：ＨＭＤ、１０：照明系、２０：ＰＢＳ、３０：映像表示装置（ＬＣＯＳ）、３１：カバーガラス、３２：液晶層、３３：表示パネル、３５：λ／２波長板、３８：液晶層、４０：投射系、５０：導光部、６０：映像表示装置（ＬＣＤ）、１００：映像表示部

Claims (5)

1. 偏光角度を９０°と０°に変える液晶層を備えた映像表示装置と、前記映像表示装置に照射光を供給する照射系と、前記照射光を前記映像表示装置に導き該映像表示装置によって変わる光の偏光角度に応じ透過/反射を選択する偏光光学素子とを備えたヘッドマウントディスプレイ装置であって、
   前記偏光光学素子と前記映像表示装置との間に偏光機能素子を配置したことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。
2. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ装置において、
   前記偏光機能素子は、位相差板または旋光子であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。
3. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ装置において、
   前記映像表示装置はＬＣＯＳまたはＬＣＤであり、
   前記偏光光学素子はＰＢＳであることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。
4. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ装置において、
   前記偏光機能素子は、前記映像表示装置と一体であり、偏光角度を任意に変更できる液晶層であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。
5. 請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイ装置において、
   前記映像表示装置はＬＣＯＳまたはＬＣＤであり、
   前記偏光光学素子はＰＢＳであり、
   前記偏光機能素子は、前記ＬＣＯＳまたはＬＣＤに追加された液晶層であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。

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