JP3828328B2 - ヘッドマウントディスプレー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンピュータによる画像や動画などの映像を、眼鏡などに付属させて目の前にマイクロディスプレーを配置することにより、直接網膜上に結像させて観察し得るヘッドマウントディスプレーに関する。さらに詳しくは、一方の目は遠方の外界を観察しながら他方の目でヘッドマウントディスプレーを観察したり、同じ目でディスプレーと遠方を交互に観察したりする場合の違和感を解消し、非常に自然な状態で観察することができるヘッドマウントディスプレーに関する。ここにヘッドマウントディスプレーとは、直接頭に搭載するディスプレーのみを意味するのではなく、眼鏡または帽子などに取りつける場合など、目の近傍に取りつけられ、装着者以外に見られることなく、直接装着者の目の中に画像が照射されるディスプレーを意味する。
【０００２】
【従来の技術】
近年電子機器の小形化が進み、コンピュータの画像、ゲームや映画などの映像を人間の目の前に配置して、直接網膜上に画像を投影し、１人だけで観察することができるヘッドマウントディスプレー（Head Mounted Display; HMD）の開発がなされている。このような装置では、ｍｍ単位四方程度の小さなマイクロディスプレーを片方の目の前に配置し、他方の目はフリーの常態で外界を観察し得るようにして使用することが考えられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、片目でディスプレーが観察され、他方の目は外界に焦点が合うという不自然な状態や、ディスプレーを観察する目もディスプレーから目をそらすと外界を見ることになる状態では、左右の目、または同じ目でもディスプレーと外界とを交互に見る場合に、その都度焦点が大きく異なるものを見ることになる。人間の目は、このように遠近の差があるものを見る場合にも、水晶体の作用により網膜への結像位置を変化させて対応する能力を有しており、ディスプレーを見たり外界を見るのに追随することができる。しかし、その追随にはある程度時間がかかると共に、両目で異なる距離のものを見る場合や、ディスプレーと外界を交互に観察する場合のように、焦点距離の異なるものほぼ同時または繰り返して観察すると、非常に目が疲れやすく、ヘッドマウントディスプレーを長時間着用することは非常に不愉快となる。
【０００４】
さらに、ヘッドマウントディスプレーをシースルー状態とし、ディスプレーの表示画像の後ろに外界を観察し得るようにすると、ディスプレーと外界との両方を同時に認識にするには、人間の目でも追随することができない。
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、外界とディスプレーの両方をほぼ同時に認識する場合でも、目の疲れなどを殆ど惹きおこすことなく観察することができるヘッドマウントディスプレーを提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の他の目的は、ヘッドマウントディスプレーを目の前に配置していても、僅かに目をずらせるなどしてディスプレーを観察しないときには、一定時間後に自動的に節電モードとすることができるヘッドマウントディスプレーを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によるヘッドマウントディスプレーは、集積回路が形成された半導体基板上に有機ＥＬ素子からなる表示部が設けられるように構成されるマイクロディスプレーと、該マイクロディスプレーの像を人間の目の網膜に結像する結合レンズと、前記マイクロディスプレーの表示部の一部に設けられ、有機ＥＬ素子により形成される発光部と前記半導体基板に形成される受光部とが、反射光が収束する最も細い部分であるビームウェストの範囲内に収まるように形成されるブロックを有し、前記発光部から発した光が人間の網膜で反射した反射光を前記受光部により検出する反射光検出手段と、前記反射光の明るさにより前記網膜上の結像を最適化するように前記マイクロディスプレーと結合レンズとの位置関係を調整する位置調整手段とからなっている。なお、結像を最適化するとは、焦点を合せたり、像の横方向のズレを合せ、認識しやすい状態で網膜上に結像することを意味する。
【０００８】
この構造にすることにより、目の水晶体の状況に拘わらず、ヘッドマウントディスプレーと結合レンズとの位置関係が自動的に網膜上での結像を最適化するように調整される。そのため、外界の遠方を観察する状態でヘッドマウントディスプレーを観察すると、その状態の網膜上に最適な結像が得られるようにヘッドマウントディスプレーと結合レンズとの位置が自動的に合せられる。また、ディスプレーのみを観察していて、水晶体の働きによりディスプレーの位置で焦点が合うように調整されると、その水晶体の状態で網膜にディスプレーの画像の焦点が合うように結合レンズの位置が自動的に調整される。すなわち、水晶体の働きによる調整前に、水晶体の状態に合せてディスプレーの画像の焦点などを調整するため、外界を見る目の状態で同時にディスプレーの画像を違和感なく観察することができる。
【０００９】
前記反射光検出手段は、円形形状部分を径方向に分割して前記発光部と前記受光部とが交互に設けられるように形成されてもよいし、前記受光部の領域内に前記発光部が設けられることにより形成されてもよいし、前記発光部の領域内に前記受光部が設けられることにより形成されてもよい。
【００１０】
前記反射光として受ける光の発光部側を交流により変調した発光とし、前記反射光の検出信号を前記変調した周波数の帯域フィルターを介して信号処理を行う手段がさらに設けられる構造にすることにより、小さな発光量で、ノイズの影響を受けない正確な反射光の強度をモニターすることができる。
【００１１】
また、前記反射光検出手段が、少なくとも波長の異なる２色の検出部を有したり、前記マイクロディスプレーの異なった位置の少なくとも２箇所における反射光の検出部を有し、前記少なくとも２色の検出部により検出されるそれぞれの光量の相関により最適な位置に調整したり、前記少なくとも２箇所の検出部により検出されるそれぞれの光量の相関により最適な位置に調整することにより、前後のどちらへの調整とか、左右どちらへ調整すべきかが直ちに分り、より早く正確な位置調整をすることができる。
【００１２】
前記マイクロディスプレーが、集積回路が形成された半導体基板上に表示画面が設けられるように構成されることにより、反射光検出手段の受光部を基板に直接形成することができたり、反射光を比較する回路や、駆動回路などを基板に形成することができるため、立体的に構成することができ、非常にコンパクトに形成しやすく好ましい。
【００１３】
前記反射光検出手段による検出出力の状態が一定値以下で、かつ、一定時間以上続く場合に、前記マイクロディスプレーまたはコンピュータ本体を含んだ全体を節電モードにする自動スイッチがさらに設けられることにより、目をディスプレーから一定時間反らせていることにより、網膜による反射光がないことを検出して節電モードとすることができるため、携帯機器の電力消費を抑えることができ、携帯機器として用いるのにとくに好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明のヘッドマウントディスプレーについて説明をする。本発明によるヘッドマウントディスプレーは、図１（ａ）にその一実施形態の構成図が示されるように、マイクロディスプレー１と、そのマイクロディスプレー１の像を目６の水晶体６１の状態に合せて網膜６２上に結像する結合レンズ２とが、ケース３内に設けられている。そして、図１に示される例では、マイクロディスプレー１の一部に図１（b）に示されるように、発光部４１と受光部４２が交互に設けられたブロックからなる、人間の網膜で反射した反射光の明るさを検出する反射光検出手段４が設けられている。この反射光検出手段４による検出量が、たとえば最大になるように、たとえば駆動コイル５１と磁石５２からなる位置調整手段５の駆動コイル５１により保持された結合レンズ２を電流と磁界との相互作用により移動させて、マイクロディスプレー１と結合レンズ２との関係が最適位置になるように調整される構造になっている。
【００１５】
マイクロディスプレー１は、たとえば図２に１つの画素部の断面説明図が示されるように、たとえばシリコンなどからなる基板（ウェハ）１１に形成された制御回路（ＬＳＩ）１１ａの出力電極と、ＳｉＯ₂などの絶縁膜１１ｂのコンタクト孔を介して接続されるように、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇなどからなる第１の電極１２が設けられている。その第１の電極１２の上に少なくともＥＬ発光層１４を有する有機層１７が設けられている。そして、その有機層１７の上に、たとえば酸化インジウムなどからなる光透過性の第２の電極１９が設けられることにより形成されている。有機層１７は、たとえばＮＰＤからなる正孔輸送層１３、キナクリドンまたはクマリンを１重量％ドープしたＡｌｑからなるＥＬ発光層１４、Ａｌｑからなる電子輸送層１５、ＬｉＦからなる電子注入層１６からなっている。この有機層１７の材料を変えることにより発光色を変えることができ、Ｒ、Ｇ、Ｂの３原色で１画素を形成するか、もしくは単色で、１００×１００程度以下の簡易なものから１０００×１０００程度以上になる精密な表示まで必要な画素数になるようにパターニングされて各画素がマトリクス状に形成されている。
【００１６】
このマイクロディスプレー１の端部または中央部などの一部に図１（ｂ）〜（ｅ）に示されるような発光部４１と受光部４２が交互に形成されたブロックからなる反射光検出手段４が形成されている。図１（ｂ）は発光部４１と受光部４２とが交互に形成されたもので、図１（ｃ）〜（ｄ）は受光部４２の中に発光部４１が形成され、図１（ｅ）は発光部４１の中心部に受光部４２が形成された例である。発光部４１は、前述の各画素と同様に有機ＥＬ素子により形成することができ、受光部４２は、シリコン基板１１にｐｎ接合を設けることにより形成される。この発光部４１および受光部４２からなるブロックは、いずれの例においてもその大きさＢＷが、図１（ｆ）に示されるように、発光部４１から発光して網膜により反射した反射光が、収束する最も細い部分Ｗであるビームウェスト部の直径内に入る大きさに形成されており、発光部４１で発光した光の反射光を、ビームスプリッタ−などを用いることなくそのまま受光することができるようになっている。この発光部４１が３箇所設けられ、それぞれにＲ、Ｇ、Ｂの３原色の発光部を形成することにより、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの反射光の強さを検出することができる。
【００１７】
マイクロディスプレー１は、前述の有機ＥＬ素子により形成されなくても、通常の液晶ディスプレーを小形化した、液晶層により各画素を形成することもできる。この場合、シリコン基板上に形成することが論理回路を簡単に作り込むことができて好ましいため、反射型の液晶ディスプレーにすることが好ましく、図３に他の実施形態として図１と同様の説明図が示されるように、ケース３内にＲ、Ｇ、Ｂの３原色のＬＥＤを設けておき、そのＬＥＤを液晶層の各画素と同期させて駆動し、その混合色の反射光によりカラー表示をさせることができる。
【００１８】
図３に示されるように、マイクロディスプレー１として液晶層を用いても、液晶層のない部分に前述の反射光検出手段４を設けることはできるが、発光部を液晶層とは別に形成しなければならないため、製造工程が複雑になる。このような場合、図３に示されるように、マイクロディスプレー１と結合レンズ２との間にハーフミラー４５を挿入し、そのハーフミラー４５により反射した光を受光素子のような検出器４６により検出して、その反射光の強度が最大になるように、マイクロディスプレー１と結合レンズ２との関係を調整するようにすることもできる。もちろん、このハーフミラー４５を用いる場合でも、マイクロディスプレー１側に反射光検出のために用いる専用の発光部を形成し、その発光部を変調させてノイズの低減を図ることもできる。
【００１９】
結合レンズ２は、通常の凸レンズからなり、数ｃｍ四方程度からｍｍ単位四方程度の大きさであるマイクロディスプレーの画像を、人間の目６の水晶体６１が調整する前にそのままの状態で網膜６２上に結像するように集光するレンズで、プラスティックなどにより形成される。
【００２０】
反射光検出手段４は、たとえば前述のようにマイクロディスプレー１の一部に設けられた発光部４１と受光部４２のブロックにより反射光を検出するように構成される。結合レンズ２による網膜６２上への結合が最適であれば、その網膜６２による反射光も最も大きく、焦点などがずれると小さくなる。そのため、反射光検出手段４により検出した反射光の強さをモニターすることにより、最適に網膜６２上に結像しているか否かが分る。たとえば、結合レンズ２を前後させて反射光の光量を検出することにより、結合レンズをどちらに移動すればよいかが分り、最適位置を検出することができる。この場合、前述のように、波長の異なる２種以上でその反射光を検出すれば、光学系の色収差を利用でき、それぞれの光量の関係で、どちらにずらせばよいかが直ちにわかる。また、マイクロディスプレー１の異なる部分の少なくとも２箇所に反射光検出手段４が設けられれば、異なる部分の２点の反射光のモニター強度比を一定に保つように自動制御しておくことにより、その相対関係により、どちらにずらせばよいかが直ちに分る。
【００２１】
前述の発光部４１および受光部４２は非常に小さく、発光量も僅かである。そのため、受光部４２（検出器４６）による検出もノイズによる影響を受けやすい。このような場合、発光部の駆動入力を交流により変調し、その変調周波数の帯域フィルターを介して受光部による受光信号を処理することにより、ノイズの影響を受けることなく、最適な位置関係を正確に得ることができる。
【００２２】
結合レンズ２を移動する手段は、たとえば光ピックアップのフォーカスサーボと同様の構成にすることができ、図１に示されるように、駆動コイル５１および磁石５２からなる位置調整手段５により結合レンズ２を移動することができるようにし、反射光検出手段４により検出された反射光の強度により前後できるように構成されている。図１では、結合レンズ２を前後に移動させて、その焦点を網膜６２上に合せるような位置調整手段が示されているが、この位置調整手段は、焦点のみならず、目の移動に伴う面内移動、またはレンズを傾けることにより、ひとみの移動に伴って、装置側を移動するようにすることもできる。
【００２３】
また、以上の説明では、結合レンズ２の移動の例であったが、焦点を合せる場合でも、マイクロディスプレー１と結合レンズ２との相対的な関係であるため、必ずしも結合レンズ２を移動させなくてもマイクロディスプレー１を移動させてもよい。すなわち、マクロディスプレー１と結合レンズとの位置関係を調整すればよい。したがって、マクロディスプレー１および結合レンズ２の両方を移動させてもよく、また、マイクロディスプレー１を傾けてもよい。
【００２４】
また、反射光検出手段４による検出出力が極端に小さい場合は、目のひとみがディスプレーではなく、外界を向いていることを意味し、位置調整手段により調整することはできない。一方、このような状態が、一定時間以上続く場合には、ディスプレーを利用していないことになるので、通常のパーソナルコンピュータにおける節電モードのように、ディスプレー、またはディスプレーおよびコンピュータ主要部全体の動作をオフにすることができる。すなわち、反射光検出手段４の出力が一定時間以上一定値以下の場合に、節電モードをオンにする回路を挿入することができる。そうすることにより、携帯機器の電力消費を抑えることができ、携帯機器として用いるのにとくに好ましい。
【００２５】
本発明によれば、目の前に超小型のマイクロディスプレーを設けて個人的にのみ観察することができるヘッドマウントディスプレーを目の前に搭載し、外界を見た状態でディスプレーを見る場合でも、その外界に合った水晶体の状態に合せてディスプレーの結像状態を調整するため、違和感なくディスプレーの画像を見ることができる。その結果、片目が外界で、他方の目でディスプレーを見たり、シースルー状態でディスプレーを見たり、ディスプレーと外界を交互に見ても、目の疲れや違和感がなくなり、非常に気持よくディスプレーを鑑賞することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、目の前に搭載するヘッドマウントディスプレーを非常に違和感なく鑑賞することができるため、パーソナルコンピュータのウェラブル化が可能となり、ウェラブルコンピュータの普及に大きく寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるヘッドマウントディスプレーの一実施形態の構成説明図である。
【図２】ディスプレーの１画素を有機ＥＬ素子により形成する例の断面説明図である。
【図３】本発明によるＨＭＤの他の実施形態における構成説明図である。
【符号の説明】
１ マイクロディスプレー
２ 結合レンズ
３ ケース
４ 反射光検出手段
５ 位置調整手段
４１ 発光部
４２ 受光部

Claims (8)

1. 集積回路が形成された半導体基板上に有機ＥＬ素子からなる表示部が設けられるように構成されるマイクロディスプレーと、該マイクロディスプレーの像を人間の目の網膜に結像する結合レンズと、前記マイクロディスプレーの表示部の一部に設けられ、有機ＥＬ素子により形成される発光部と前記半導体基板に形成される受光部とが、反射光が収束する最も細い部分であるビームウェストの範囲内に収まるように形成されるブロックを有し、前記発光部から発した光が人間の網膜で反射した反射光を前記受光部により検出する反射光検出手段と、前記反射光の明るさにより前記網膜上の結像を最適化するように前記マイクロディスプレーと結合レンズとの位置関係を調整する位置調整手段とからなるヘッドマウントディスプレー。
2. 前記反射光として受ける光の発光部側を交流により変調した発光とし、前記反射光の検出信号を前記変調した周波数の帯域フィルターを介して信号処理を行う手段がさらに設けられてなる請求項１記載のヘッドマウントディスプレー。
3. 前記反射光検出手段が、少なくとも波長の異なる２色の検出部を有し、該少なくとも２色の検出部により検出されるそれぞれの光量の相関に基づき最適な位置に調整する請求項１または２記載のヘッドマウントディスプレー。
4. 前記反射光検出手段が、前記マイクロディスプレーの異なった位置の少なくとも２箇所における前記反射光の検出部を有し、該少なくとも２箇所の検出部により検出されるそれぞれの光量の相関により最適な位置に調整する請求項１、２または３記載のヘッドマウントディスプレー。
5. 前記反射光検出手段による検出出力の状態が一定値以下で、かつ、一定時間以上続く場合に、前記マイクロディスプレーまたはコンピュータ本体を含んだ全体を節電モードにする自動スイッチがさらに設けられてなる請求項１、２、３または４記載のヘッドマウントディスプレー。
6. 前記反射光検出手段が、円形形状部分を径方向に分割して前記発光部と前記受光部とが交互に設けられるように形成されてなる請求項１、２、３、４または５記載のヘッドマウントディスプレー。
7. 前記反射光検出手段が、前記受光部の領域内に前記発光部が設けられることにより形成されてなる請求項１、２、３、４または５記載のヘッドマウントディスプレー。
8. 前記反射光検出手段が、前記発光部の領域内に前記受光部が設けられることにより形成されてなる請求項１、２、３、４または５記載のヘッドマウントディスプレー。

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