JP6402991B2 - 画像表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、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。例えば、下記の特許文献1には、第1の2次元光走査装置と、第2の2次元光走査装置と、半透過反射装置と、反射装置と、を備えた表示装置が開示されている。この表示装置においては、第1の2次元光走査装置および第2の2次元光走査装置の各々により生成された像が半透過反射装置により合成され、合成された像が反射装置により観察者の眼に投影される。さらに、特許文献1には、反射装置にホログラフィックレンズなどを用いることにより透過視が可能な表示装置を構成できる、と記載されている。
下記の特許文献2には、眼鏡レンズと、眼鏡レンズの顔面側凹状曲面の左右部分にそれぞれ形成された第1の曲面ミラーおよび第2の曲面ミラーと、走査光ビームを出力する光スキャナーと、を備えた画像表示装置が開示されている。この画像表示装置において、光スキャナーから出力された走査光ビームは、第1の曲面ミラーおよび第2の曲面ミラーで順次反射し、観察者の眼に投影される。この画像表示装置は、一般的な眼鏡に組み込んで用いるものであり、観察者は眼鏡レンズを通して前方を見ることができる。
特開2005−202221号公報 特開平11−160650号公報
特許文献1,2の装置を使用した場合、観察者は、表示装置から出力される画像に加え、反射装置や眼鏡レンズを通して外界の像を視認することができる。ところが、特許文献1,2の装置には、外界の像を広い範囲で視認することができないという問題がある。
例えば、特許文献1の表示装置の場合、第1の2次元光走査装置、第2の2次元光走査装置、半透過反射装置といった多くの光学系を観察者の頭部側面に配置しなければならない。そのため、これらの光学系によって観察者の視野が狭められる。特許文献2の表示装置においては、眼鏡レンズの左右に第1の曲面ミラーおよび第2の曲面ミラーが配置されている。そのため、第1の曲面ミラーおよび第2の曲面ミラーによって観察者の視野が制約を受ける。
本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであり、外界の像を広い範囲で視認することができる画像表示装置を提供することを目的の一つとする。
上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の画像表示装置は、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による像を射出瞳の位置に向かうように生成する導光光学系と、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偏向部から前記第2偏向部に向かう光の光軸と前記射出瞳の光軸とが鋭角をなすことを特徴とする。
本発明の一つの態様の画像表示装置を例えば観察者が頭部に装着した場合、射出瞳の位置に光を導く第2偏向部は観察者の眼前に位置する。また、第1偏向部と第2偏向部とは、第1偏向部から第2偏向部に向かう光の光軸と射出瞳の光軸とが鋭角をなすような位置関係にある。そのため、第1偏向部は、第2偏向部に対して観察者の後方側、すなわち、観察者の耳に近い側に位置する。また、画像生成部は、さらに第1偏向部の後方側に位置する。そのため、本発明の一つの態様の画像表示装置によれば、第1偏向部および画像生成部が観察者の視野を妨げるおそれが少なく、外界の像を広い範囲で視認することができる。
本発明の一つの態様の画像表示装置において、前記第1偏向部は、ミラーで構成されていてもよい。
この構成によれば、薄型の画像表示装置を実現することができる。
本発明の一つの態様の画像表示装置において、前記ミラーは、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あってもよい。
この構成によれば、半透過反射ミラーからなる第1偏向部を通して外界の像を視認できる。すなわち、観察者は、第2偏向部と第1偏向部の双方を通して外界の像を視認できるため、視野をさらに広げることができる。
本発明の一つの態様の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ホログラフィックミラーであってもよい。
この構成によれば、第1偏向部から入射した光の一部をホログラフィックミラーにより回折させて偏向し、観察者の眼に導くことができる。
本発明の一つの態様の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。
この構成によれば、薄型の画像表示装置を実現することができる。
本発明の一つの態様の画像表示装置において、前記第1偏向部と前記第2偏向部との間の光路上に中間像が生成される構成であってもよい。
この構成によれば、第1偏向部から第2偏向部に向かう光が中間像の形成位置で集束される。そのため、画像表示装置を例えば観察者が頭部に装着した場合、第1偏向部と第2偏向部との間の光路が頭部と干渉しにくくなる。これにより、画像表示装置の小型化を図ることができる。さらにこの構成によれば、仮に第2偏向部に欠陥があったとしても、画像への影響を最小限に抑えることができる。
本発明の一つの態様の画像表示装置において、前記第2偏向部は、前記第1偏向部で光が偏向されることで生じた像歪みを補正してもよい。
この構成によれば、観察者は歪みの少ない画像を見ることができる。
本発明の一つの態様の画像表示装置は、前記第1偏向部と前記画像生成部との間の光路上に、前記像を補正する補正光学系を備えていてもよい。
この構成によれば、観察者は歪みの少ない画像を見ることができる。また、観察者から見て補正光学系が第1偏向部の後方側に位置するため、補正光学系が観察者の視野を妨げるおそれが少なく、外界の像を広い範囲で視認することができる。
本発明の一つの態様の画像表示装置において、前記第1偏向部と前記第2偏向部とは、一体のミラーで構成されていてもよい。
この構成によれば、部品点数が少なく、装置構成の簡素化を図ることができる。
使用者が本発明の第1実施形態の画像表示装置を装着した状態を示す図である。 第1実施形態の画像表示装置の斜視図である。 画像表示装置の構成を示す平面図である。 画像表示装置の構成を示す側面図である。 画像表示装置の各部の位置関係を示す平面図である。 画像表示装置の効果を示す図である。 第2実施形態の画像表示装置の構成を示す平面図である。 第3実施形態の画像表示装置の構成を示す平面図である。 第4実施形態の画像表示装置の構成を示す平面図である。
[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5を用いて説明する。
第1実施形態の画像表示装置は、使用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、使用者が第1実施形態のHMDを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、使用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。本実施形態のHMD300によれば、使用者は画像表示部により生成された画像を視認でき、かつ、HMD300の外部の景色等の外界の像も視認できる。
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、使用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、有線または無線で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の各々と制御装置200とは、ケーブル150を介して有線で通信可能に接続され、画像信号や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、例えば使用者に与える各種の情報や指示等を表示する。メインフレーム120は、リム部121と、使用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、を支持する部材である。
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、画像表示装置の構成を示す側面図である。さらに、図3および図4には、表示装置100を装着する使用者を頭上から見た状態を図示している。
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、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からの光による像を射出瞳の位置、すなわち観察者の瞳の位置に生成する。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ミラー24と、第2ミラー25と、を備えている。
本実施形態の第1ミラー24は、特許請求の範囲の第1偏向部に対応する。本実施形態の第2ミラー25は、特許請求の範囲の第2偏向部に対応する。
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、画像光として光源装置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。光走査デバイス17から射出された光は、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、入射光を平行化する機能を有する。光走査デバイス17から射出された光は、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ミラー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からの光による像を補正するが、第1ミラー24および第2ミラー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ミラー25は、第1ミラー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ミラー24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明板の一面に、透明板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光を反射することによって偏向させ、入射角が所定の角度よりも小さい光を透過させる入射角依存性を有する半透過反射膜が施された構成を有する。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ミラー24は、画像生成部11から射出された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ミラー24を見たときには、入射角が小さい光が第1ミラー24を透過して観察者の瞳に到達し、外界の像を視認することができる。
また、第1ミラー24は、このような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ミラー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ミラー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ミラー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光を反射させるようにしてもよい。
第2ミラー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、例えば入射光の一部を回折させて偏向するホログラフィックミラーにより構成されている。半透過反射ミラーがホログラフィックミラーであるため、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ミラー25が観察者の眼の略正面に配置されていても、第1ミラー24から大きい入射角で入射した光を観察者の瞳に導くことができる。また、第1ミラー24と第2ミラー25との間の光路上には中間像が生成される。
図5は、表示装置100の各部の位置関係を示す平面図である。
図5に示すように、第2ミラー25の中心C2を通る接平面Fを想定する。第2ミラー25は、射出瞳の光軸AX1と接平面Fとのなす角度が略90°になるように配置されている。第2ミラー25は、第1ミラー24の中心C1から第2ミラー25の中心C2に向かう光の光軸AX2と射出瞳の光軸AX1とのなす角度θ1が鋭角となるように配置されている。本実施形態では、第1ミラー24の中心C1から第2ミラー25の中心C2に向かう光の光軸AX2と射出瞳の光軸AX1とのなす角度は、略60°に設定されている。したがって、第1ミラー24は、第2ミラー25に対して観察者の後方側、すなわち、観察者の耳に近い側に位置する。
なお、表示装置100の射出瞳の光軸AX1は、観察者が表示装置100を装着した際の観察者の瞳孔の中心軸に一致する。
また、第1ミラー24の中心C1を通り、射出瞳の光軸AX1に平行な軸AX3を想定する。画像生成部11は、画像生成部11から射出された光の光軸AX4が軸AX3よりも頭部から離れる側に傾いて配置されている。この場合、画像生成部11から射出された光の光軸AX4と軸AX3とのなす角度θ2は、15°以下であることが望ましい。もしくは、画像生成部11は、画像生成部11から射出された光の光軸AX5が軸AX3よりも頭部に近い側に傾いて配置されていてもよい。この場合、画像生成部11から射出された光の光軸AX5と軸AX3とのなす角度θ3は、5°以下であることが望ましい。
本実施形態の表示装置100において、第1ミラー24と第2ミラー25とは、第1ミラー24から第2ミラー25に向かう光の光軸AX2と射出瞳の光軸AX1とが鋭角(例えば60°)をなすような位置関係にある。言い換えると、第1ミラー24は、第2ミラー25に対して観察者の後方側、すなわち、観察者の耳に近い側に位置する。また、補正光学系12および画像生成部11は、さらに第1ミラー24の後方側に位置する。そのため、本実施形態の表示装置100によれば、第1ミラー24、補正光学系12および画像生成部11が観察者の視野を妨げるおそれが少なく、外界の像を広い範囲で視認することができる。さらに、第1ミラー24が半透過反射ミラーであり、第1ミラー24を通して外界の像を視認できる。観察者は、視野の中央にある第2ミラー25に加え、視野の端にある第1ミラー24を通して外界の像を視認できるため、視野をさらに広げることができる。
本発明者らは、第1ミラーを有しておらず、第2ミラーのみを通して外界を視認できる従来の表示装置、第1ミラーが反射ミラーで構成されている実施例1の表示装置、および第1ミラーが半透過反射ミラーで構成されている実施例2の表示装置を試作し、各表示装置を装着した際の観察者の視野を比較した。その結果を図6に示す。
図6において、従来の表示装置における視野を符号T1で示し、実施例1の表示装置における視野を符号T2で示し、実施例2の表示装置における視野を符号T3で示す。
図6に示すように、従来の表示装置における視野T1は、観察者の正面を中心とした狭い範囲であった。これに対し、実施例1の表示装置における視野T2は、観察者の正面を中心として第1ミラーの端部までとなり、視野T1に比べて広げることができた。さらに、実施例2の表示装置は第1ミラーを通して外界を視認できるため、視野T3は視野T2に比べて広げることができた。
また、本実施形態の表示装置100では、観察者の頭部Hの前側を第1ミラー24および第2ミラー25が占め、補正光学系12および画像生成部11が観察者の耳に近い側頭部に位置する。第1ミラー24および第2ミラー25は充分に軽量化を図れるのに対し、補正光学系12および画像生成部11は多くの部品を有し、軽量化には限界がある。ここで、補正光学系12および画像生成部11が観察者の耳に近い側頭部に位置することにより、表示装置100の重心は耳に近い位置にくる。そのため、観察者が表示装置100を装着し、例えば頭部を動かしたときなどにも表示装置100が頭部に安定して保持されやすい、という効果が得られる。
また、第1ミラー24は、射出瞳の光軸AX1に平行な軸AX3に対して傾いて配置されるため、顔に沿って位置することになる。また、第1ミラー24と第2ミラー25との間の光路上に中間像が生成されるため、光路上に光が絞られた部分(図7に符号Fで示す)が形成され、頭部Hと干渉するおそれが少ない。その結果、表示装置100の外形を顔に沿わせることができ、表示装置100を小型でスマートなものとすることができる。さらに、例えば第2ミラー25上に中間像を生成すると、第2ミラー25上に欠陥があった場合にこの欠陥が画像に大きく影響することがある。これに対し、第1ミラー24と第2ミラー25との間の光路上に中間像を生成させるようにすると、この欠陥の画像への影響を最小限に抑えることができる。
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態について、図7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2ミラーの構成が第1実施形態と異なる。
図7は、本実施形態のHMDの平面図である。
図7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。
第1実施形態においては、第2ミラー25は、ホログラフィックミラーにより構成され、第1ミラー24から大きい入射角で入射した光を観察者の瞳に入射させていた。これに対して、図7に示すように、本実施形態の表示装置102において、導光光学系30を構成する第2ミラー31は、入射光の入射角が所定の角度よりも大きい光を反射させ、入射光の入射角が所定の角度よりも小さい光を透過させる、入射角依存性を有する半透過反射膜が施された構成を有する。この場合、光の入射角と反射角とが等しくなるため、第2ミラー31は、射出瞳の光軸AX1と第1ミラー24から第2ミラー25に向かう光の光軸AX2とのなす角が鋭角となるように、射出瞳の光軸AX1と接平面とのなす角度が45°よりも小さくなるように配置されている。
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、広い視野を有する表示装置を実現できる、装着安定性やデザイン性に優れた表示装置を実現できる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。なお、第2ミラー25は、フレネルレンズ等により構成されていてもよい。
[第3実施形態]
以下、本発明の第3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、第1ミラーおよび第2ミラーの構成が第1実施形態と異なる。
図8は、本実施形態のHMDの平面図である。
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。
第1実施形態においては、第1ミラー24と第2ミラー25とは、別体のミラーであった。これに対して、図8に示すように、本実施形態の表示装置104では、導光光学系40を構成する第1ミラーと第2ミラーとは一体のミラー41で構成されている。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、広い視野を有するHMDを実現できる、装着安定性やデザイン性に優れたHMDを実現できる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。また、この構成によれば、部品点数が少なく、装置構成の簡素化を図ることができる。
[第4実施形態]
以下、本発明の第4実施形態について、図9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ミラーおよび第2ミラーの構成が第1実施形態と異なる。
図9は、本実施形態のHMDの平面図である。
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。
第1実施形態においては、第1ミラー24と第2ミラー25とは別体であり、右眼用画像表示部110Bの各ミラーと左眼用画像表示部110Aの各ミラーとは別体であった。これに対して、図9に示すように、本実施形態の表示装置106では、右眼用画像表示部116Bの第1ミラーと第2ミラーおよび左眼用画像表示部116Aの第1ミラーと第2ミラーの全てが一体のミラー51で構成されている。
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、広い視野を有するHMDを実現できる、装着安定性やデザイン性に優れたHMDを実現できる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。また、この構成によれば、部品点数が少なく、装置構成の簡素化を図ることができる。
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では、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、ミラーや上述のフレネルレンズに限らず、例えばプリズム等を備えたものであってもよい。その他、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。
11…画像生成部、12…補正光学系、13,30,40…導光光学系、24…第1ミラー(第1偏向部)、25…第2ミラー(第2偏向部)、100,102,104,106…表示装置。

Claims (7)

  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による像を射出瞳の位置に向かうように生成する導光光学系と、
    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偏向部から前記第2偏向部に向かう光の光軸と前記射出瞳の光軸とが鋭角をなし、
    前記第1偏向部が、ミラーで構成され、
    前記ミラーが、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あることを特徴とする画像表示装置。
  2. 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ホログラフィックミラーであることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
  3. 前記第2偏向部が、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ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
  4. 前記第1偏向部と前記第2偏向部との間の光路上に、中間像が生成されることを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の画像表示装置。
  5. 前記第2偏向部は、前記第1偏向部で光が偏向されることで生じた像歪みを補正することを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の画像表示装置。
  6. 前記第1偏向部と前記画像生成部との間の光路上に、前記像を補正する補正光学系を備えたことを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の画像表示装置。
  7. 前記第1偏向部と前記第2偏向部とが、一体のミラーで構成されていることを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の画像表示装置。
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