JP5417948B2 - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、観察者の頭部に装着されて観察者の視野領域に虚像を表示する頭部装着型表示装置に関するものである。

近年、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）と呼ばれる頭部装着型の表示装置が開発されている。この頭部装着型表示装置では、観察者の眼前に設置した小型の光変調素子によって光学像を形成し、これを観察者の目に結像させることによって、画像表示を行う。光変調素子によって形成された光学像を、観察者の眼前に設置したハーフミラーで反射させ、外景と画像の双方を表示するタイプの頭部装着型表示装置も開発されている。

光変調素子としては液晶パネルが広く用いられており、その解像度、色域については人間の視覚特性にほぼ匹敵する性能が実現されつつある。しかしながら、光変調素子が高精細化するに従って光変調素子のサイズも大きくなり、光変調素子を含めた画像生成光学系の小型化の妨げとなっていた。

光源を小型化した頭部装着型表示装置としては、特許文献１に開示されている技術がある。この頭部装着型表示装置は、光束を２次元方向に走査する走査ユニットと、光源からの光束を走査ユニットに導く第１の光学系と、走査ユニットからの光束を収束させる第２の光学系と、第２の光学系からの収束光束が入射する回折光学素子と、回折光学素子からの光束を観察者の眼に導く接眼光学系とを有する構成である。光源としては、レーザー光源が用いられている。

特開２００８−４６２１７号公報

しかしながら、特許文献１の頭部装着型表示装置では、レーザー光を直接観察者の眼（網膜）に導くので、安全性に課題がある。また、レーザー光は単色光であるため、光源としては３原色に対応した３つの光源が必要となる。そのため、製造コストが高くなり、３つのレーザー光を同期して駆動するための回路も複雑なものとなる。さらに、レーザー光源を駆動するための電力が大きいので、低消費電力が求められる携帯型の利用形態には向かないという問題もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、安価で消費電力が小さく小型で安全性の高い頭部装着型表示装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の頭部装着型表示装置は、観察者の頭部に装着されて画像表示を行う頭部装着型表示装置であって、複数の有機ＥＬ素子を基板上に整列配置してなり、表示画像の１ライン分の帯状の光学像を内包する帯状光束を１ラインずつ時分割的に順次生成する帯状光束生成素子と、前記帯状光束生成素子によって時分割的に順次生成された複数ライン分の帯状光束の光路を前記帯状光束の幅方向に順次ずらして前記観察者の網膜上に結像させる光路変換素子と、を備えていることを特徴とする。

この構成によれば、表示したい画像の垂直方向の１ライン分の解像度（画素数）を有する帯状光束生成素子を用意し、この帯状光束生成素子によって１ラインずつ時分割で生成された複数ライン分の光学像を光路変換素子によってその幅方向にずらしながら観察者の網膜上に結像させ、光路変換素子は射出された帯状光束を平行化レンズ及び導光体を介して観察者の網膜上で互いに隣接して結像させるように配置され、１画面分の画像を表示している。そのため、画像を生成するための光学素子（本発明の場合は帯状光束生成素子）の大きさを従来のものと比較して小さくすることができ、装置全体の小型化に寄与することができる。このような構成は、頭部装着型表示装置のように画像光学系の設置面積が限られたデバイスにおいては、帯状光束生成素子の大きさを小さくでき、特に小型化が可能となるとした格別な効果を奏するものである。

また、帯状光束生成素子として複数の有機ＥＬ素子を備えた有機ＥＬパネルを用いているため、レーザー光源を用いる特許文献１の構成に比べて安全性が高く、コストも低減することができる。さらに、駆動電力がレーザー光源に比べて小さいので、電池の持ちが良く、携帯用途を想定した場合に非常に有利である。

本発明の頭部装着型表示装置においては、前記帯状光束生成素子は、表示画像の第１方向と第２方向とのうち、相対的に解像度の低い前記第１方向の１ライン分の光学像を内包する帯状光束を１ラインずつ時分割的に順次生成し、前記光路変換素子は、前記帯状光束生成素子によって時分割的に順次生成された複数ライン分の帯状光束の光路を相対的に解像度の高い前記第２方向に順次ずらして前記観察者の網膜上に結像させることが望ましい。

この構成によれば、少ない画素数の帯状光束生成素子で効率よく大画面の表示画像を形成することができる。そのため、頭部装着型表示装置のように画像光学系の設置面積が限られたデバイスにおいては、特に有効である。

本発明の頭部装着型表示装置においては、前記光路変換素子が、前記帯状光束と平行な回転軸を有し、前記回転軸を中心として回転することにより前記帯状光束の光路の位置を前記回転軸と直交する方向に変化させる回転プリズムであることが望ましい。

この構成によれば、簡単な構成で容易に帯状光束の光路を変換することができる。回転プリズムは表示画像の切り替えタイミングに合わせて回転駆動され、例えば、１フレーム期間内に１回転するように構成される。回転プリズムを用いた光路変換素子では、光路をシフトさせる速さは、回転プリズムの回転速度により容易に制御され、光路を変換する際の帯状光束の光のロスも少ない。また、反射板を左右に振って光路を変換する場合に比べて均一な照度分布を得ることができる。したがって、高画質で低消費電力な頭部装着型表示装置が提供できる。

第１実施形態の頭部装着型表示装置の概略構成図である。 帯状光束生成素子の概略平面図である。 帯状光束生成素子の等価回路図である。 複数の帯状光束によって１画面分の画像が形成される様子を示す図である。 第２実施形態の頭部装着型表示装置の概略構成図である。 回転プリズムによる光路変換原理を示す図である。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の頭部装着型表示装置の第１実施形態を示す概略構成図である。本実施形態の頭部装着型表示装置１は、表示画像の垂直方向１ライン分（１画素列分）の帯状の光学像を内包する帯状光束Ｉ_Ｂを１ラインずつ時分割的で生成する帯状光束生成素子１００と、帯状光束生成素子１００によって時分割的に生成される複数ライン分の帯状光束Ｉ_Ｂの光路を前記帯状光束Ｉ_Ｂの幅方向（帯状光束の延在方向と直交する方向）に順次ずらして観察者の網膜上に結像させる光路変換素子２００と、を備えている。

帯状光束生成素子１００は、表示したい画像（表示画像）の垂直方向１ライン分の画素を有する帯状の有機ＥＬパネルである。帯状光束生成素子１００には、赤色光学像を内包する赤色帯状光束Ｉｒ、緑色光学像を内包する緑色帯状光束Ｉｇ、青色光学像を内包する青色帯状光束Ｉｂをそれぞれ形成するための赤色サブ画素列、緑色サブ画素列、青色サブ画素列（図示略）が設けられており、これら３原色の帯状光束Ｉｒ，Ｉｇ，Ｉｂによって１ライン分（１画素列分）の帯状光束Ｉ_Ｂが形成されるようになっている。

図２は帯状光束生成素子１００の概略平面図である。帯状光束生成素子１００は、各々が赤、緑、青の３つのサブ画素１７０Ｒ，１７０Ｇ，１７０Ｂを含む複数の画素１７１が一方向に整列配置されてなる有機ＥＬパネルである。赤色サブ画素１７０Ｒ、緑色サブ画素１７０Ｇ、青色サブ画素１７０Ｂは、それぞれ一列ずつ設けられており、この３つのサブ画素列（赤色サブ画素列１８０Ｒ、緑色サブ画素列１８０Ｇ、青色サブ画素列１８０Ｂ）によって、図１に示した１ライン分の帯状光束Ｉ_Ｂ（赤色帯状光束Ｉｒ、緑色帯状光束Ｉｇ、青色帯状光束Ｉｂ）が形成されるようになっている。

各サブ画素１７０Ｒ，１７０Ｇ，１７０Ｂには、陽極となる第１電極と有機発光層と陰極となる第２電極とが順次積層されてなる有機ＥＬ素子が形成されている。帯状光束生成素子１００には、各サブ画素１７０Ｒ，１７０Ｇ，１７０Ｂに対応した複数の有機ＥＬ素子が帯状光束生成素子１００を構成する図示略の基板上に一体に形成されている。

図３は帯状光束生成素子１００の等価回路図である。帯状光束生成素子１００は、スイッチング素子として薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：以下、ＴＦＴ）を用いたアクティブマトリクス方式の有機ＥＬパネルである。

帯状光束生成素子１００は、複数の走査線１４１と、各走査線１４１に対して直角に交差する方向に延びる複数の信号線１４２と、各信号線１４２に並列に延びる複数の電源線１４３とからなる配線構造を有する。走査線１４１と信号線１４２との各交点付近には、サブ画素１７０Ｒ，１７０Ｇ，１７０Ｂが形成されている。

信号線１４２には、シフトレジスタ、レベルシフタ、ビデオライン及びアナログスイッチを備えるデータ線駆動回路１２０が接続されている。走査線１４１には、シフトレジスタ及びレベルシフタを備える走査線駆動回路１３０が接続されている。

サブ画素１７０Ｒ，１７０Ｇ，１７０Ｂの各々には、走査線１４１を介して走査信号がゲート電極に供給されるスイッチング用ＴＦＴ１１４と、スイッチング用ＴＦＴ１１４を介して信号線１４２から供給される画像信号を保持する保持容量１１６と、該保持容量１１６によって保持された画像信号がゲート電極に供給される駆動用ＴＦＴ１１５と、この駆動用ＴＦＴ１１５を介して電源線１４３に電気的に接続したときに該電源線１４３から駆動電流が流れ込む第１電極（画素電極）１１１と、該第１電極１１１と第２電極１１２との間に挟み込まれた有機発光層１１３と、が設けられている。

帯状光束生成素子１００では、走査線１４１が駆動されてスイッチング用ＴＦＴ１１４がオン状態になると、そのときの信号線１４２の電位が保持容量１１６に保持され、該保持容量１１６の状態に応じて、駆動用ＴＦＴ１１５のオン・オフ状態が決まる。そして、駆動用ＴＦＴ１１５のチャネルを介して、電源線１４３から第１電極１１１に電流が流れ、さらに有機発光層１１３を介して第２電極１１２に電流が流れる。有機発光層１１３は、これを流れる電流量に応じて発光する。

帯状光束生成素子１００には、複数の赤色サブ画素１７０Ｒからなる赤色サブ画素列１８０Ｒと、複数の緑色サブ画素１７０Ｇからなる緑色サブ画素列１８０Ｇと、複数の青色サブ画素１７０Ｂからなる青色サブ画素列１８０Ｂと、が走査線１４１の延在方向に沿って１列ずつ設けられている。そして、これら３つのサブ画素列１８０Ｒ，１８０Ｇ，１８０Ｂによって垂直方向１ライン分の光学像を内包する帯状光束が生成されるようになっている。このような帯状光束は１フレーム期間内に１ラインずつ時分割的に生成される。

図１に戻って、光路変換素子２００は、その主面と平行な方向に延在する回動軸２００Ｃを中心として回動可能に構成された反射板からなる。反射板２００は、帯状光束生成素子１００による帯状光束Ｉ_Ｂの生成タイミングに合わせて回動するように構成されている。帯状光束生成素子１００によって次々と生成される複数ライン分の帯状光束Ｉ_Ｂの光路は反射板２００によって帯状光束Ｉ_Ｂの幅方向に順次ずらして観察者の網膜上に結像される。これにより、観察者の網膜上に複数ライン分の帯状の光学像からなる１画面分の表示画像が表示されるようになっている。

次に、図１及び図４を参照しながら、頭部装着型表示装置１の動作を説明する。図４は、帯状光束生成素子１００によって時分割的に生成された光学像Ｉ_Ｂ（Ｉ_Ｂ１〜Ｉ_{Ｂ１２８０}）によって、観察者の網膜上に１画面分の画像が形成される様子を示す図である。図４では、ＷＸＧＡ（水平方向１２８０画素、垂直方向７６８画素）の解像度を有する画像を表示する場合を例に挙げて説明する。

図１において、帯状光束生成素子１００は、表示画像の垂直方向１ライン分に相当する光学像を内包する帯状光束Ｉ_Ｂ（Ｉ_Ｂ１〜Ｉ_{Ｂ１２８０}：図４参照）を１ラインずつ時分割的に生成する。この帯状光束Ｉ_Ｂは集光レンズ３００によって光路変換素子である反射板２００上に集光され、回動する反射板２００によってその光路を順次ずらして出射される。

反射板２００で反射された複数ライン分の帯状光束Ｉ_Ｂは、平行化レンズ４００及び導光体５００を介して観察者の網膜上に順次結像される。反射板２００では、帯状光束生成素子２００から次々と生成された複数ライン分の帯状光束Ｉ_Ｂが、観察者の網膜上で互いに隣接して結像されるように、その回動角度と回動タイミングが制御される。

例えば、図４に示すように、観察者の網膜上にＷＸＧＡの解像度を有する表示画像Ｉ_Ｔを表示する場合、帯状光束生成素子１００で生成される帯状光束Ｉ_Ｂ１〜Ｉ_{Ｂ１２８０}は、それぞれ垂直方向７６８画素、水平方向１画素の帯状の光学像を内包する垂直方向に細長い光束である。

反射板２００では、１ライン目の帯状光束Ｉ_Ｂ１を観察者の網膜上の所定の位置に結像させたら、２ライン目の帯状光束Ｉ_Ｂ２を１ライン目の帯状光束Ｉ_Ｂ１が結像された位置と隣接する位置に結像させる。同様に、３ライン目以降の帯状光束Ｉ_Ｂ３〜Ｉ_{Ｂ１２８０}についても、直近の帯状光束が網膜上で結像された位置と隣接する位置に結像させるように、反射板２００の回動角度及び回動タイミングが制御される。

こうすることで、観察者の網膜上には、１フレーム期間内に、１２８０ライン分の帯状光束Ｉ_Ｂ１〜Ｉ_{Ｂ１２８０}が水平方向に１画素ずつ順次ずれた状態で結像される。その結果、垂直方向７６８画素、水平方向１２８０画素の解像度を有する１画面分の画像が観察者に認識されることとなる。

以上のように、本実施形態の頭部装着型表示装置１では、表示したい画像の垂直方向１ライン分の解像度（画素数）を有する帯状光束生成素子１００を用意し、この帯状光束生成素子１００によって１ラインずつ時分割で生成された複数ライン分の光学像を光路変換素子２００によって水平方向にずらしながら観察者の網膜上に結像させ、１画面分の画像を表示している。そのため、画像を生成するための光学素子（本実施形態の場合は帯状光束生成素子）の大きさを従来のものと比較して小さくすることができ、装置全体の小型化に寄与することができる。

また、帯状光束生成素子１００として有機ＥＬパネルを用いているため、レーザー光源を用いる特許文献１の構成に比べて安全性が高く、コストも低減することができる。さらに、駆動電力がレーザー光源に比べて小さいので、電池の持ちが良く、携帯用途を想定した場合に非常に有利である。

なお、本実施形態では、帯状光束生成素子１００で垂直方向１ライン分の光学像を含む帯状光束を時分割的に順次生成し、それを水平方向に順次ずらして網膜上に結像させることにより、１画面分の画像を表示したが、これとは逆に、帯状光束生成素子１００で水平方向１ライン分の光学像を含む帯状光束を時分割的に順次生成し、それを水平方向に順次ずらして網膜上に結像させることにより、１画面分の画像を表示しても良い。

しかし、映画やテレビ等で表示する画像では、通常、垂直方向が水平方向に比べて解像度（画素数）が低いので、垂直方向１ライン分の帯状光束を生成してそれを水平方向に順次ずらして結像させるほうが、帯状光束生成素子の大きさを小さくすることができるので好適である。

［第２の実施の形態］
図５は、本発明の頭部装着型表示装置の第２実施形態を示す概略構成図である。本実施形態の頭部装着型表示装置２において第１実施形態の頭部装着型表示装置１と共通する構成については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態において第１実施形態と異なる点は、第１実施形態では光路変換素子２００として反射板を用いたのに対し、本実施形態では光路変換素子６００として回転プリズムを用いた点である。

回転プリズム６００は、帯状光束Ｉ_Ｂと平行な回転軸６００Ｃを有し、回転軸６００Ｃを中心として回転することにより帯状光束Ｉ_Ｂの光路の位置を回転軸６００Ｃと直交する方向に変化させる。回転プリズム６００は、表示画像の切り替えタイミングに合わせて回転され、例えば、１フレーム期間内に１回転するように回転駆動されるようになっている。回転プリズム６００と反射板２００の光路変換原理は、前者が屈折であるのに対し後者が反射である点で異なるが、光路変換素子としての機能は同じである。

図６は、回転プリズム６００による光路変換原理を示す図である。図６（ａ）に示すように、回転プリズム６００の回転位相が、帯状光束Ｉ_Ｂが入射する面と光軸Ｌとが垂直となる位相の場合、図中左側から回転プリズム６００に入射した帯状光束Ｉ_Ｂは屈折せずに直進して図中右側へ射出される。

図６（ｂ）は、回転プリズム６００が、回転軸６００Ｃを中心として、図６（ａ）に示す回転位相から図中の矢印の方向に回転するときの途中の一状態を示している。この場合は、図中左側から回転プリズム６００に入射する帯状光束Ｉ_Ｂは回転プリズムの構成材料（透光性材料）と空気との界面で屈折し、図中下側に略平行に光路をシフトして図中右側へ射出される。

図６（ｃ）は、回転プリズム６００が図６（ｂ）に示す回転位相から更に所定角度だけ回転したときの一状態を示している。この場合は、帯状光束Ｉ_Ｂは、図６（ｂ）とは逆方向に略平行に光路をシフトし、図中右側へ射出される。

図６（ｄ）は、回転プリズム６００が図６（ｃ）に示す回転位相から更に所定角度だけ回転し、図６（ａ）と同じ回転位相に戻った状態を示している。この場合は、図６（ａ）の場合と同様に、図中左側から回転プリズム６００に入射する帯状光束Ｉ_Ｂは屈折されずに直進し、図中右側へ射出される。

以上のように、帯状光束Ｉ_Ｂは回転プリズム６００の回転に伴って、その光路を光軸Ｌに対して略平行な状態で、光軸Ｌと直交する方向に連続的にシフトさせながら射出される。なお、図６における帯状光束Ｉ_Ｂの光軸Ｌからのシフト量（光軸Ｌと直交する方向への変位量）は、プリズムを形成する透光性材料の屈折率と寸法、及びプリズムの回転角などに依存する。

以上のように、回転プリズム６００を用いた構成でも、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。回転プリズム６００の場合、反射板２００を回転する場合と比較して、光路をシフトさせる速さは、回転プリズム６００の回転速度により容易に制御され、光路を変換する際の帯状光束Ｉ_Ｂの光のロスも少ない。また、反射板２００を左右に振って光路を変換する場合に比べて均一な照度分布を得ることができる。したがって、高画質で低消費電力な頭部装着型表示装置２が提供できる。

１，２…頭部装着型表示装置、１００…帯状光束生成素子、２００…反射板（光路変換素子）、６００…回転プリズム（光路変換素子）、Ｉ_Ｂ…帯状光束、Ｉ_Ｔ…表示画像

Claims (5)

1. 観察者の頭部に装着されて画像表示を行う頭部装着型表示装置であって、
   複数の有機ＥＬ素子を基板上に整列配置してなり、表示画像の垂直方向の１ライン分の帯状の光学像を内包する帯状光束を１ラインずつ時分割的に順次生成する帯状光束生成素子と、
   前記帯状光束生成素子によって時分割的に順次生成された複数ライン分の帯状光束の光路を前記帯状光束の垂直方向の幅方向に順次ずらして前記観察者の網膜上に結像させる光路変換素子と、を備え
   前記光路変換素子は射出された前記帯状光束を平行化レンズ及び導光体を介して観察者の網膜上で互いに隣接して結像させるように配置されていることを特徴とする頭部装着型表示装置。
2. 前記帯状光束生成素子は、表示画像の第１方向と第２方向とのうち、相対的に解像度の低い垂直方向の前記第１方向の１ライン分の光学像を内包する帯状光束を１ラインずつ時分割的に順次生成し、
   前記光路変換素子は、前記帯状光束生成素子によって時分割的に順次生成された複数ライン分の帯状光束の光路を相対的に解像度の高い前記第２方向に順次ずらして前記観察者の網膜上に結像させることを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
3. 前記１ライン分の光学像は水平方向に並ぶＲＧＢからなる１画素列分の帯状光束より形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の頭部装着型表示装置。
4. 前記光路変換素子が、前記帯状光束と平行な回転軸を有し、前記回転軸を中心として回転することにより前記帯状光束の光路の位置を前記回転軸と直交する方向に変化させる回転プリズムであることを特徴とする請求項１乃至３に記載の頭部装着型表示装置。
5. 前記回転プリズムは、表示画像の切り替えタイミングに合わせて回転駆動されることを特徴とする請求項４に記載の頭部装着型表示装置。

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