JP2023001126A - ヘッドマウント式表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッドマウント式表示装置は、投影装置、導波路素子および遮光素子を含む。
【解決手段】投影装置は映像光束を提供する。少なくとも一つの導波路素子は、光入口端および光出口端を有し、光入口端が映像光束を受けて、かつ映像光束が少なくとも一つの導波路素子によって伝達され、光出口端から放出される。遮光素子が投影装置と少なくとも一つの導波路素子の光入口端との間に配置され、映像光束が集束位置を有し、かつ集束位置が投影装置の外部に位置する。本発明のヘッドマウント式表示装置は、予測不能な光線または光点の発生を有効に低減させ、表示画面中にノイズまたはゴーストが表示さえることを防ぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は表示装置に関し、特にヘッドマウント式表示装置に関する。

ニアアイディスプレイ（Ｎｅａｒ Ｅｙｅ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＮＥＤ）およびヘッドマウント式ディスプレイ（Ｈｅａｄ－ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＨＭＤ）は、今非常に発展潜在力のある次世帯キラー級製品である。ニアアイ表示技術に関する応用において、今は拡張現実（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＡＲ）技術および仮想現実（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＶＲ）技術に分けることができる。拡張現実技術について言うと、現在、開発者たちは如何にして軽量薄型を前提に、ベストな映像品質を提供できるかに尽力している。しかし、拡張現実の光学構造において、如何に限られた空間を利用して迷光またはゴーストを低減させ、ユーザにより良い視角品質を提供し、優れたユーザ体験を実現するかは現段階の重要課題の一つである。

この「背景技術」部分は、本発明の内容に対する理解を促すためにあり、「背景技術」部分で開示された内容には、当業者が既知の従来技術を構成しないものも含まれている可能性がある。「背景技術」部分で開示された内容は、当該内容または本発明の一つ若しくは複数の実施例で解決しようとする課題を示すものではなく、また本発明が出願前に既に当業者に把握され、または認識されていたことを意味するものではない。

本発明はヘッドマウント式表示装置を提供し、予測不能な光線または光点の発生を有効に低減させて、表示画面中にノイズまたはゴーストが表示されることを防止できる。

本発明のその他の目的と利点について、本発明が開示する技術特徴からより一層理解を深めることができる。

上記の一つ、一部またはすべての目的またはその他の目的を達成すべく、本発明の一実施例が提供するヘッドマウント式表示装置は、投影装置、少なくとも一つの導波路素子および遮光素子を含む。投影装置は映像光束を提供する。少なくとも一つの導波路素子は、光入口端および光出口端を有し、光入口端が映像光束を受けるために用いられ、かつ映像光束が少なくとも一つの導波路素子によって伝達されて光出口端から放出される。遮光素子は、投影装置と少なくとも一つの導波路素子の光入口端との間に配置され、映像光束が集束位置を有し、かつ集束位置が投影装置の外部に位置する。

以上により、本発明の実施例は少なくとも以下の一つの利点または効果を有する。本発明の一実施例のヘッドマウント式表示装置において、遮光素子が投影装置と導波路素子の光入口端との間に配置されているため、投影装置が提供する映像光束が遮光素子を経由する時に、余分な、かつ発散した一部の映像光束が遮光素子に阻まれる。これによって、予測不能な光線または光点を有効に低減させ、仮想映像中にノイズまたはゴーストが表示されることを防止し、さらにヘッドマウント式表示装置の光学表示品質を向上させることができる。

本発明の上記特徴と利点をより明確に、わかり易く示すために、以下は実施例を挙げて、さらに図面を参照しながら詳しく説明する。

本発明の一実施例のヘッドマウント式表示装置の立体概略図である。 図１の導波路素子および遮光素子の概略図である。 図１のヘッドマウント式表示装置の別の視角からの概略図である。 図１のヘッドマウント式表示装置の光学特性グラフである。 本発明の別の実施例のヘッドマウント式表示装置の概略図である。 本発明の別の実施例のヘッドマウント式表示装置の概略図である。 本発明の別の実施例のヘッドマウント式表示装置の概略図である。 図７のＡ領域の拡大側面図である。 図７のＡ領域の異なる視角からの拡大側面図である。 本発明の別の実施例のヘッドマウント式表示装置の概略図である。 本発明の別の実施例のヘッドマウント式表示装置の概略図である。

本発明の前記およびその他の技術内容、特徴および効果は、以下の図面を参照しながら行う好ましい実施例の詳細な説明において明確に示されている。以下の実施例において言及される方向用語、例えば、上、下、左、右、前または後などは図面を参照する方向のみである。従って、これらの方向用語は説明を目的とするものであり、本発明を制限するものではない。

図１は本発明の一実施例のヘッドマウント式表示装置の立体概略図である。図２は図１の導波路素子および遮光素子の概略図である。図３は図１のヘッドマウント式表示装置の別の視角からの概略図である。図１から図３を参照すると、本実施例において、ヘッドマウント式表示装置１００は投影装置１１０、少なくとも一つの導波路素子１２０および遮光素子１３０を含む。ヘッドマウント式表示装置１００は、例えば、ニアアイディスプレイ（Ｎｅａｒ Ｅｙｅ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＮＥＤ）またはヘッドマウント式ディスプレイ（Ｈｅａｄ－ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＨＭＤ）であり、表示技術として拡張現実（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＡＲ）技術または仮想現実（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ、ＶＲ）技術を用いることができるが、本発明はこれに限定されない。

本実施例において、投影装置１１０は映像光束Ｌを提供するものであり、かつ映像光束Ｌが集束位置（ｓｔｏｐ）ＳＴを有する。具体的に言うと、投影装置１１０は、例えば、照明光束を提供する照明システム、照明光束を映像光束Ｌに変換する映像装置、および映像光束Ｌを導波路素子１２０まで伝達するレンズモジュール（図示せず）を含む。本実施例において、投影装置１１０は各種のヘッドマウント式ディスプレイに応用することができる。なお、映像装置は例えばデジタルマイクロミラーデバイス（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ、ＤＭＤ）、反射型液晶シリコン（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ、ＬＣＯＳ）または、透過型の空間光変調器、例えば、透光液晶パネル（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐａｎｅｌ）などであり、照明システムから提供された照明光束を映像光束Ｌに変換するために用いられる。その他、別の実施例において、投影装置１１０は例えばマイクロ発光ダイオード（Ｍｉｃｒｏ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｄｏｅｓ）を含み、マイクロ発光ダイオード（Ｍｉｃｒｏ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｄｏｅｓ）は映像装置として、映像光束Ｌを生成するために用いられる。

本実施例において、映像光束Ｌはレンズモジュールおよび導波路素子１２０を経由して投射目標Ｐ、例えば人の目まで伝達される。図１および図２が示す投影装置１１０および導波路素子１２０は、例示説明のみに用いられ、本発明はこれに限定されない。詳しく言うと、本実施例において、映像光束Ｌが投影装置１１０を離れて、かつ集束位置ＳＴで集約される。集束位置ＳＴは映像光束Ｌの光束収縮の最小面積を有する。言い換えれば、映像光束Ｌは投影装置１１０に投射された後、集束位置ＳＴに集まり、かつ集束位置ＳＴを通過した後に分散（発散）する。本実施例において、集束位置ＳＴは投影装置１１０の外部に位置し、例えば、遮光素子１３０と導波路素子１２０との間に位置する。詳しく言うと、集束位置ＳＴは光入口端１２２に位置し、ヘッドマウント式表示装置１００により優れた光学表示品質をもたらすことができる。別の実施例において、集束位置ＳＴは導波路素子１２０の内部に位置し、光入口端１２２が投影装置１１０と集束位置ＳＴとの間に位置するようにしてもよいが、これに限定されない。

本実施例において、導波路素子１２０は光入口端１２２および光出口端１２４を有する。具体的に言うと、光入口端１２２は映像光束Ｌを受けるためのものであり、映像光束Ｌが導波路素子１２０内部での光学伝達によって光出口端１２４から放出されて、投射目標Ｐ（本実施例では人の目である）まで伝達され、これで人の目に仮想映像ＩＭが届けられる。本実施例において、導波路素子１２０の光入口端１２２および光出口端１２４がそれぞれ回折構造（Ｇｒａｔｉｎｇ／Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を有する。例を挙げると、回折構造を粘着方式で導波路素子１２０の光入口端１２２および光出口端１２４に貼り付け、または、一体成型の方式（例えば、エッチング方式）で導波路素子１２０の光入口端１２２および光出口端１２４に回折構造を形成してもよいが、本発明はこれに限定されない。例を挙げると、導波路素子１２０は第一回折構造および第二回折構造を含み、なお、第一回折構造が光入口端１２２に位置し、かつ第二回折構造が光出口端１２４に位置する。別の実施例において、導波路素子１２０はさらに複数の回折構造を含んでもよいが、本発明はこれに限定されない。また、本発明では導波路素子１２０の形態、数量およびその種類について制限せず、別の実施例において、ヘッドマウント式表示装置１００が複数の導波路素子１２０を含み、デザインに合わせて設置することも可能である。例を挙げると、ヘッドマウント式表示装置１００は、第一導波路素子と第二導波路素子の２つの導波路素子１２０を含み、第一導波路素子が光入口端を有し、光入口端が第一回折構造を含み、第二導波路素子が光出口端を有し、光出口端が第二回折構造を含む。

本実施例において、遮光素子１３０は投影装置１１０と導波路素子１２０の光入口端１２２との間に配置され、かつ、映像光束Ｌの集束位置ＳＴが遮光素子１３０と導波路素子１２０との間に位置する。具体的に言うと、遮光素子１３０は例えば実体的な遮光物体、例えば遮光シートであり、入光口１３２を有し、入光口１３２のサイズ（断面積）に適合した映像光束Ｌを通過させ、さらに映像光束Ｌが投影装置１１０から導波路素子１２０まで伝達される光束密度を制限し、余分なかつ発散した一部映像光束Ｌが遮光素子１３０によって遮られる。これによって、予測不能な光線または光点を有効に低減させ、仮想映像ＩＭ（表示画面）中にノイズまたはゴーストが表示されることを防ぎ、さらにヘッドマウント式表示装置１００の光学表示品質を高めることができる。

詳しく言うと、本実施例において、遮光素子１３０は別個の実体素子であって、コーティングまたは粘着方式で導波路素子１２０、または導波路素子１２０と投影装置１１０との間の部材上に貼り付けてもよいが、本発明はこれに限定されない。本実施例において、遮光素子１３０は導波路素子１２０の光入口端１２２上に直接配置されている。しかし、別の実施例において、遮光素子１３０を投影装置１１０の出光面上に配置することも可能であり、本発明はこれに限定されない。本実施例において、遮光素子１３０の入光口１３２の形状が例えば光入口端１２２の形状に合わせたものであるが、これに限定されず、例を挙げると、遮光素子１３０の入光口１３２の形状が円形であるに対し、光入口端１２２の形状が矩形であってもよい。その他に、遮光素子１３０は投影装置１１０と導波路素子１２０との間に位置する。入光口１３２のサイズが集束位置ＳＴのサイズより大きいかまたは等しい。光入口端１２２のサイズが集束位置ＳＴのサイズより大きいかまたは等しい。さらに、本実施例において、遮光素子１３０の入光口１３２のサイズが光入口端１２２のサイズより大きい、つまり、遮光素子１３０の入光口１３２のサイズが光入口端１２２の第一回折構造のサイズより大きくなっているが、これに限定されず、言い換えれば、遮光素子１３０の入光口１３２のサイズが光入口端１２２の第一回折構造のサイズと同じであってもよく、別の実施例において、例えば遮光素子１３０の入光口１３２のサイズが光入口端１２２のサイズより小さくもよく、本発明では制限しない。これにより、予測不能な光線または光点を低減させて、仮想映像中にノイズまたはゴーストが表示されることを防止する効果を強化できる。所謂サイズとは素子の断面の面積を意味する。

図４は図１のヘッドマウント式表示装置の光学特性グラフである。図２および図４を参照すると、図４の曲線２００は、異なる遮光素子１３０の入光口１３２のサイズにおいて、投影目標Ｐで見える仮想映像ＩＭのコントラストを示すことができる。例を挙げると、本実施例において、光入口端１２２が７×６平方ミリメートル（ｍｍ^２）、遮光素子１３０の入光口１３２が半径方向距離７ミリメートル（ｍｍ）、映像光束Ｌの集束位置ＳＴが半径方向距離３．８４ミリメートル（ｍｍ）であるため、ヘッドマウント式表示装置で得られるコントラストが１００％であり、入光口１３２のサイズが半径方向距離６ミリメートル（ｍｍ）の場合、ヘッドマウント式表示装置で得られるコントラストが１３２％となり、さらに、入光口１３２のサイズが半径方向距離３．８４ミリメートル（ｍｍ）の場合、ヘッドマウント式表示装置で得られるコントラストが２６１％となる。図４の曲線２００からわかるように、遮光素子１３０の入光口１３２のサイズが次第に光入口端１２２のサイズより小さくなっていくと、ヘッドマウント式表示装置で得られるコントラストが次第に増える。従って、遮光素子１３０を配置することで、ヘッドマウント式表示装置のコントラストを高め、さらに光学解析度を高めることができる。

図５は本発明の別の実施例のヘッドマウント式表示装置の概略図である。図５を参照すると、本実施例のヘッドマウント式表示装置１００Ａは図３のヘッドマウント式表示装置１００に類似するが、両者の異なる点は、本実施例におけるヘッドマウント式表示装置１００Ａがさらに光伝達装置１４０を含み、それが映像光束Ｌの伝達経路上に配置され、かつ投影装置１１０と導波路素子１２０の光入口端１２２との間に位置する。遮光素子１３０は導波路素子１２０の光入口端１２２上に配置されている。光伝達装置１４０は投影装置１１０と導波路素子１２０との間に位置する任意の光学素子または非光学素子であって、映像光束Ｌを光入口端１２２まで伝達するものである。本実施例において、光伝達装置１４０は光学素子であり、かつ映像光束Ｌが光学素子に反射されて導波路素子１２０まで伝達される。例を挙げると、光伝達装置１４０は例えば反射ミラーである。また、遮光素子１３０は光伝達装置１４０と光入口端１２２との間に位置する。従って、投影装置１１０を導波路素子１２０と平行に配置してもよい。

図６は本発明の別の実施例のヘッドマウント式表示装置の概略図である。図６を参照すると、本実施例のヘッドマウント式表示装置１００Ｂは図５のヘッドマウント式表示装置１００Ａに類似するが、両者の異なる点は、本実施例における投影装置１１０Ｂが導波路素子１２０に対し傾斜して配置され、また、遮光素子１３０が光伝達装置１４０と投影装置１１０との間に位置し、かつ、遮光素子１３０が投影装置１１０の出光面に設置されている。

図７は本発明の別の実施例のヘッドマウント式表示装置の概略図である。図８Ａおよび図８Ｂはそれぞれ図７のＡ領域の異なる２つの視角からの拡大側面図である。図７から図８Ｂを参照すると、本実施例のヘッドマウント式表示装置１００Ｃは図５のヘッドマウント式表示装置１００Ａに類似するが、両者の異なる点は、本実施例における光伝達装置１４０Ａがプリズム（Ｐｒｉｓｍ）であり、かつ遮光素子１３０Ａがプリズムの反射面Ｓ上に配置され、この反射面Ｓがコーティング方式を利用して形成され、またはプリズムの全反射面であり、さらに、プリズムの反射面Ｓがさらに反射防止層（Ａｎｔｉ－Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｌａｙｅｒ）を含んでもよい。具体的に言うと、遮光素子１３０Ａはコーティングまたは粘着方式によってプリズムの反射面Ｓ上に形成され、映像光束Ｌがプリズム１４０Ａに入った後、映像光束Ｌが反射面Ｓ上において、一部の映像光束Ｌが遮光素子１３０Ａの入光口１３２によって反射され、かつ別の一部映像光束Ｌが遮光素子１３０Ａに吸収されることで、余分なかつ発散した一部の映像光束Ｌが導波路素子１２０に進入することを防ぐ効果が得られる。

別の実施例において、光伝達装置がさらに光学粘着剤（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｌｅａｒ Ａｄｈｅｓｉｖｅ）であり、かつ投影装置が光学粘着剤によって導波路素子に固定されてもよい。また、光伝達装置は例えばプリズムであるとともに光学粘着剤を含み、光伝達装置が光学粘着剤によって投影装置と導波路素子との間に固定されてもよい。別の実施例において、光伝達装置が例えば透光性の材質であり、かつ折射率が１ではなく、映像光束Ｌを導波路素子１２０まで伝達する。しかし、本発明はこれに限定されない。

図９は本発明の別の実施例のヘッドマウント式表示装置の概略図である。図９を参照すると、本実施例のヘッドマウント式表示装置１００Ｄは図３のヘッドマウント式表示装置１００に類似するが、両者の異なる点は、本実施例におけるヘッドマウント式表示装置１００Ｄはさらに光伝達装置１４０Ｂを含み、かつ光伝達装置１４０Ｂが支持構造である。遮光素子１３０が支持構造中に配置され、かつ光伝達装置１４０Ｂが遮光素子１３０を支持して固定する。言い換えれば、光伝達装置１４０Ｂが非光学素子の支持構造であってもよく、遮光素子１３０が支持構造中に位置調整することができるようになり、さらに遮光素子１３０がより良い遮光効果を提供できる。

図１０は本発明の別の実施例のヘッドマウント式表示装置の概略図である。図１０を参照すると、本実施例のヘッドマウント式表示装置は図３のヘッドマウント式表示装置１００に類似するが、両者の異なる点は、本実施例における集束位置ＳＴが投影装置１１０の外に位置し、例えば、導波路素子１２０の内部に位置し、さらに説明すると、光入口端１２２が遮光素子１３０と集束位置ＳＴとの間に位置する。光入口端１２２が映像光束Ｌを受けて、映像光束Ｌが導波路素子１２０内部での光学伝達によって光出口端１２４から射出され、投射目標Ｐまで伝達されると、投射目標Ｐが仮想映像ＩＭを受けることができる。また、本実施例において、導波路素子１２０の光入口端１２２が遮光素子１３０と集束位置ＳＴとの間に位置する。遮光素子１３０の入光口１３２のサイズが集束位置ＳＴのサイズより大きい。導波路素子１２０の光入口端１２２のサイズが集束位置ＳＴのサイズより大きい。これにより、予測不能な光線または光点を低減させる効果を強化できる。

以上をまとめると、本発明の実施例は少なくとも以下の一つの利点または効果を有する。本発明の一実施例のヘッドマウント式表示装置において、遮光素子が投影装置と導波路素子の光入口端との間に配置されているため、投影装置により提供された映像光束が遮光素子を経由する時に、余分な、かつ発散した一部映像光束が遮光素子によって遮られる。これによって、予測不能な光線または光点を有効に低減させ、仮想映像中にノイズまたはゴーストが表示されることを防ぎ、ヘッドマウント式表示装置の光学表示品質をさらに高めることができる。

以上に記載したのは本発明の好ましい実施例であり、本発明の実施範囲がこれに限定されるべきではない。即ち、本発明の請求の範囲および発明の詳細な説明を基に行った簡単で等価な変更および修正も本発明の請求範囲内に属する。また、本発明の実施例または請求項のいずれかが必ずしも本発明の開示した目的または利点または特徴を全て満たすとは限らない。その他、要約書と発明の名称は特許文献の検索のために用いられるものであり、本発明の権利範囲を制限するものではない。また、明細書または請求の範囲に言及された「第一」、「第二」などの用語は、素子（ｅｌｅｍｅｎｔ）を命名するめの名称または異なる実施例若しくは範囲を区別するめのものであり、素子の数量の上限または下限を制限するものではない。

１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００ｄ ヘッドマウント式表示装置
１１０ 投影装置
１２０ 導波路素子
１２２ 光入口端
１２４ 光出口端
１３０、１３０Ａ 遮光素子
１３２ 入光口
１４０、１４０Ａ、１４０Ｂ 光伝達装置
２００ 曲線
ＩＭ 仮想映像
Ｌ 映像光束
Ｐ 投影目標
Ｓ 反射面
ＳＴ 集束位置

Claims (12)

1. ヘッドマウント式表示装置であって、
   映像光束を提供するための投影装置と、
   光入口端および光出口端を有する少なくとも一つの導波路素子と、
   前記投影装置と前記少なくとも一つの導波路素子の前記光入口端との間に配置された遮光素子とを含み、
   前記光入口端が前記映像光束を受け、前記映像光束が前記少なくとも一つの導波路素子によって伝達されて前記光出口端から放出され、
   前記映像光束は光束が集束して最小断面積になる集束位置を有し、
   前記集束位置は前記投影装置の外部に位置し、かつ、前記少なくとも一つの導波路素子に位置することを特徴とする、ヘッドマウント式表示装置。
2. 前記遮光素子が前記少なくとも一つの導波路素子の前記光入口端に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウント式表示装置。
3. 前記ヘッドマウント式表示装置は光伝達装置をさらに含み、
   前記光伝達装置が、前記映像光束の伝達経路上に配置され、かつ前記投影装置と前記少なくとも一つの導波路素子の前記光入口端との間に位置することを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウント式表示装置。
4. 前記遮光素子が前記光伝達装置と前記投影装置との間に位置することを特徴とする、請求項３に記載のヘッドマウント式表示装置。
5. 前記遮光素子が前記光伝達装置と前記少なくとも一つの導波路素子との間に位置することを特徴とする、請求項３に記載のヘッドマウント式表示装置。
6. 前記光伝達装置が反射素子であり、前記映像光束が前記反射素子によって反射されて、前記少なくとも一つの導波路素子まで伝達されることを特徴とする、請求項３に記載のヘッドマウント式表示装置。
7. 前記光伝達装置がプリズムであり、かつ前記遮光素子が前記プリズムの反射面上に配置されることを特徴とする、請求項３に記載のヘッドマウント式表示装置。
8. 前記光伝達装置が支持構造であり、前記遮光素子が前記支持構造中に配置され、かつ、前記支持構造が前記遮光素子を支持するとともに固定することを特徴とする、請求項３に記載のヘッドマウント式表示装置。
9. 前記遮光素子が入光口を有し、かつ前記入光口のサイズが前記集束位置のサイズより大きいかまたは等しいことを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウント式表示装置。
10. 前記光入口端のサイズが前記集束位置のサイズより大きいかまたは等しいことを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウント式表示装置。
11. 前記少なくとも一つの導波路素子が第一回折構造および第二回折構造を含み、前記第一回折構造が前記光入口端に位置し、かつ前記第二回折構造が前記光出口端に位置することを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウント式表示装置。
12. 前記少なくとも一つの導波路素子が２つの導波路素子であり、第一導波路素子が第一回折構造を含み、第二導波路素子が第二回折構造を含み、前記第一回折構造が前記第一導波路素子の前記光入口端に位置し、かつ前記第二回折構造が前記第二導波路素子の前記光出口端に位置することを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウント式表示装置。

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