JP6450944B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、外界と重ね合わせて映像が観察可能な表示装置に関する。

特許文献１には、平面透明基材上に形成された反射透過特性を有する膜を用い、表示素子からの映像光を観察者の瞳の方向に反射すると同時に外界光を透過させ、映像と外界とを重ね合わせて観察可能にするコンバイナを使用したヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）が開示されている。

コンバイナとしては、その平面上に反射透過膜として波長選択性を有する回折反射型のホログラフィック光学素子（ＨＯＥ：Ｈｏｌｏ−ｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）が開示されている。

特開２０１０−１４５７２１号公報

しかしながら、ＨＯＥには波長選択性だけでなく、角度選択性も有しており、反射波長域が狭いＨＯＥのコンバイナでは、映像光がコンバイナ面に入射する角度によって回折反射のピーク波長がシフトする。特に、画角が広い映像光の場合、画角の上下あるいは左右の両端ではその中心に比べ回折反射のピーク波長がシフトし、映像光の赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の波長間で反射回折波長域が一部重なり、それが人の瞳に入射されるとゴースト光となってしまう。

本開示は、光の入射角度によって透過あるいは反射の波長特性がシフトしてしまうことを抑制し、表示に必要な外界光と表示に必要な映像光とを観察可能な表示装置を提供する。

本開示における表示装置は、少なくとも第１波長帯域と第２波長帯域と第３波長帯域の光を用いて映像光を生成する映像光生成部と、外界光を透過すると共に映像光を反射し、観察者の瞳に導く光合成部と、を備え、光合成部は、映像光を反射する面が凹面形状の透明な基板と、基板の凹面形状側に、映像光を反射し、外界光の所定の波長帯域の光を透過する誘電体多層膜を有し、映像光は、映像光生成部から光合成部に直接入射し、誘電体多層膜は、映像光が光合成部に入射する入射角度と瞳への反射光の入射角度に基づいて波長特性をシフトさせる。

本開示における表示装置は、必要な外界光と必要な映像光とを広い画角で観察できる。

図１Ａは、実施の形態１にかかるＨＭＤの外観図である。 図１Ｂは、実施の形態１にかかるＨＭＤの側面図である。 図２は、実施の形態１にかかるＨＭＤの観察者使用時の模式図である。 図３は、水銀ランプと白色蛍光灯のピーク波長を示す図である。 図４は、３波長蛍光灯のピーク波長を示す図である。 図５は、ＬＥＤの信号機のピーク波長を示す図である。 図６は、実施の形態１における映像光生成部のＬＥＤ光源のピーク波長を示す図である。 図７は、実施の形態１における波長選択性の膜の波長反射特性を示す図である。 図８Ａは、実施の形態１における光合成部の基板の曲率が０の場合における観察者の視線方向が上向きの場合を説明する図である。 図８Ｂは、実施の形態１における光合成部の基板の曲率が０の場合における観察者の視線方向が正面の場合を説明する図である。 図８Ｃは、実施の形態１における光合成部の基板の曲率が０の場合における観察者の視線方向が下向きの場合を説明する図である。 図９Ａは、実施の形態１における光合成部の基板の曲率がＲの場合における観察者の視線方向が上向きの場合を説明する図である。 図９Ｂは、実施の形態１における光合成部の基板の曲率がＲの場合における観察者の視線方向が正面の場合を説明する図である。 図９Ｃは、実施の形態１における光合成部の基板の曲率がＲの場合における観察者の視線方向が下向きの場合を説明する図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態１）
以下、図１〜９Ｃを用いて、実施の形態を説明する。

[１．表示装置の構成]
本実施の形態では、表示装置の一例であるＨＭＤを用いて説明する。

図１Ａは、実施の形態１にかかるＨＭＤの外観図であり、図１Ｂは、実施の形態１にかかるＨＭＤの側面図であり、図２は、実施の形態１にかかるＨＭＤの観察者使用時の模式図である。ＨＭＤ１００は、光合成部１０１と、映像光生成部１０２と、これらを支持する支持部１０３で構成される。ＨＭＤ１００は、一般のメガネから例えば左眼用のレンズを取り除いたような外観となっている。光合成部１０１は、基板１０１ａと膜１０１ｂで構成される。映像光生成部１０２は、図示しない光源からの光を画像データに基づいて変調することにより映像を表示する光変調素子であり、例えば透過型あるいは反射型の液晶表示素子、あるいはＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー光学素子、または有機ＥＬ（Ｅｌｅｔｒｏ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）表示素子などである。

光合成部１０１は、映像光生成部１０２からの映像光を反射させて観察者の光学瞳２０１に導くとともに、外界光を透過させて瞳に導く光学部材である。したがって、観察者は、光学瞳２０１の位置にて、映像の虚像と外界とを重ね合わせて観察することができる。

[２．光合成部の特性]
光合成部１０１は、反射と透過の両方の機能を有しており、曲率Ｒ（Ｒは１以上の自然数）を有する透明な基板１０１ａと、基板１０１ａの凹面側に塗布された波長選択性の膜１０１ｂで構成される。基板１０１ａと波長選択性の膜１０１ｂは凹面鏡となり、反射された映像光を拡大させる機能を有する。

波長選択性の膜１０１ｂは、例えば、屈折率の異なる材料の薄膜を積層した膜で形成された誘電体多層膜であり、任意の波長領域のみ反射する波長選択性を有する。

誘電体多層膜は、複数の誘電体材料による光学薄膜を真空蒸着法やスパッタリング法を含む各種の物理的気相成長法（ＰＶＤ：Ｐｙｈｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を含む各種の化学的気相成長法（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、溶液塗布によるスピンコート法等によって形成することができる。

具体的には、波長選択性の膜１０１ｂは、例えば、低屈折率層と、低屈折率層よりも高い屈折率を有する高屈折率層とを積層、例えば、交互に複数積層した多層膜で構成する。これにより、第１光反射層及び第２光反射層における光の波長に依存した光透過率を所望の値に変化させることができる。ここで、低屈折率層を構成する材料としてはＳｉＯ _２ などがあり、高屈折率層を構成する材料としてはＮｂ _２ Ｏ _５ 、ＴｉＯ _２ 、ＺｒＯ _２ などが挙げられる。これらの誘電体材料は、無色透明で、光を吸収しないため、入射した光は損失なく、層の境界からの反射光の干渉を利用することで分光反射率を自由に設定でき、誘電体薄膜を数十層重ね、特定波長に対して１００％に近い反射率を得ることもできる。

したがって、この特定波長を映像光の波長と一致させることで、映像光を観察することができるとともに、特定波長以外の外界光を透過させることができ、外界も観察することができる。

波長選択性の膜１０１ｂとしては、ホログラフィック光学素子を用いてもよい。その場合は、基板１０１ａの曲率Ｒを考慮して、回折反射のピーク波長を計算する。

基板１０１ａと波長選択性の膜１０１ｂで構成される光合成部１０１は、映像光の波長を反射させると同時に、外界光も広く透過することが望まれる。特に、屋内では外界を照らす照明光の波長、屋外では信号機などの波長を遮らないようにする必要がある。具体的には、照明光としては、特定の波長にピークを有する水銀灯、蛍光灯、また、屋外ではＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）の信号機の波長を遮らないようにする必要がある。

図３は、照明光の一例として水銀灯と白色蛍光灯のピーク波長を示す図である。工場や倉庫は天上が高いため、強力な光源である水銀灯が広く使われている。また、事務所などでは、白色蛍光灯や３波長蛍光灯などが広く使われている。

図３において、横軸を波長、縦軸を相対強度とする。図３に示すように、水銀灯は、可視波長域内で４４０ｎｍ、５４５ｎｍおよび５８０ｎｍにピーク波長がある。また、白色蛍光灯は、比較的ブロードな特性を有するが、水銀灯と同様に、４４０ｎｍ、５４５ｎｍおよび５８０ｎｍにピーク波長がある。

図４は、３波長蛍光灯のピーク波長を示す図である。図４において、横軸を波長、縦軸を相対強度とする。３波長蛍光灯は、４４０ｎｍ、５４５ｎｍおよび６１５ｎｍにピーク波長がある。

なお、水銀灯、白色蛍光灯、３波長蛍光灯のピーク波長の半値幅は狭く、±１０ｎｍ以下である。

図５は、ＬＥＤの信号機のピーク波長を示す図である。ＬＥＤの信号機の青色は５００ｎｍ、黄色は５９５ｎｍ、赤色は６３０ｎｍの光源が用いられている。

外界光を観察するためには、透過波長域をできるだけ広くとり、特に、上述の水銀灯、白色蛍光灯、３波長蛍光灯そしてＬＥＤ信号機のピーク波長を確実に透過させる必要がある。一方、映像光を観察するためには、映像光生成部１０２の光源に、上述の波長と重ならない波長の光源を用意し、光源の波長を特定波長とする波長選択性の膜１０１ｂを形成する必要がある。

図６は、映像光生成部１０２の光源として用いるＬＥＤ光源のピーク波長を示す。ＬＥＤ光源として、ピーク波長が４７０ｎｍの青色ＬＥＤ、ピーク波長が５２５ｎｍの緑色ＬＥＤおよびピーク波長が６６０ｎｍの赤色ＬＥＤを用いる。

図７は、波長選択性の膜１０１ｂの波長反射特性を示す図である。透過させなければならない波長域として、４４０ｎｍ、５００ｎｍ、５４５ｎｍ、５８０ｎｍ、５９５ｎｍ、６１５ｎｍおよび６３０ｎｍと、映像光生成部１０２の光源の波長域として、４７０ｎｍ、５２５ｎｍおよび６６０ｎｍとから、波長選択性の膜１０１ｂの透過反射特性は決定される。

図７において、形成された膜１０１ｂは、４７５ｎｍを中心に±１０ｎｍ、５２５ｎｍを中心に±１０ｎｍそして６５０ｎｍを中心に±１０ｎｍの波長域においてほぼ１００％の反射率を有しており、それ以外の可視波長域ではほぼ０％の反射率、すなわち、ほぼ１００％の透過率を有する。このような波長選択性の膜１０１ｂが形成された光合成部１０１であれば、表示に必要な映像光と、水銀灯、白色蛍光灯、３波長蛍光灯そしてＬＥＤ信号機の光を確実に透過させた外界光が観察可能になる。

[３．光合成部の構成]
次に、光合成部１０１の曲率について説明する。図８Ａは、光合成部１０１の基板１０１ａの曲率が０の場合における観察者の視線方向が上向きの場合を説明する図であり、図８Ｂは、光合成部１０１の基板１０１ａの曲率が０の場合における観察者の視線方向が正面の場合を説明する図であり、図８Ｃは、光合成部１０１の基板１０１ａの曲率が０の場合における観察者の視線方向が下向きの場合を説明する図である。

波長選択性を有する誘電体多層膜にも、ホログラフィック光学素子と同様に、入射角度依存性があり、誘電体多層膜を構成する各層の厚さ方向に対し、斜めから光が入射したとき、光が膜の中を通る光路長が長くなる。そのため、入射角度が０度、すなわち垂直のときは、透過および反射の波長特性が最も長波長側になるのに対し、入射角度が大きくなると、波長特性が短波長側にシフトしてしまう。

具体的には、図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃに示すように、平面透明板の基板１０１ａに波長選択性の膜１０１ｂを形成した光合成部１０１の場合を説明する。例えば、図８Ａに示すように、観察者の光学瞳２０１の視線方向が上に向くと、瞳中心から光合成部１０１への入射角度θ _１ 度は、図８Ｂに示すように、観察者の光学瞳２０１の視線方向が正面を向いているときの入射角度θ _２ 度よりも大きくなり、波長選択性の膜１０１ｂの特定の波長特性は短波長側にシフトする。一方、図８Ｃに示すように、観察者の光学瞳２０１の視線方向が下に向くと、瞳中心から光合成部１０１への入射角度θ _３ 度は、観察者の光学瞳２０１の視線方向が正面を向いているときの入射角度θ _２ 度よりも小さくなり、波長選択性の膜１０１ｂの特定の波長特性は長波長側にシフトする。

波長選択性の膜１０１ｂの特定波長は観察者の光学瞳２０１の視線方向が正面を向いているときの入射角度を基準に決定されているため、観察者が左右に視線を向けた場合も同様に、波長選択性の膜１０１ｂの波長特性はシフトする。波長選択性の膜１０１ｂの波長特性が大きくシフトすると、ゴースト光が見えやすくなる。

図９Ａは、光合成部１０１の基板１０１ａの曲率がＲの場合における観察者の視線方向が上向きの場合を説明する図であり、図９Ｂは、光合成部１０１の基板１０１ａの曲率がＲの場合における観察者の視線方向が正面の場合を説明する図であり、図９Ｃは、光合成部１０１の基板１０１ａの曲率がＲの場合における観察者の視線方向が下向きの場合を説明する図である。本実施の形態では、光合成部１０１の基板１０１ａは、光学瞳２０１の中心Ｐを中心とする曲率Ｒの透明な基板１０１ａに波長選択性の膜１０１ｂを形成する構成とする。

図９Ａにおける、観察者の光学瞳２０１の視線方向が上を向いた時の瞳中心Ｐから光合成部１０１への入射角度θ _１ 度と、図９Ｂにおける、観察者の光学瞳２０１の視線方向が正面を向いた時の瞳中心Ｐから光合成部１０１への入射角度θ _２ 度と、図９Ｃにおける、観察者の光学瞳２０１の視線方向が下を向いた時の瞳中心Ｐから光合成部１０１への入射角度θ _３ 度はほとんど変化せず、ほぼ同じである。

本実施の形態において、基板１０１ａの曲率Ｒを７０ｍｍ、眼球の最前面から基板１０１ａの曲率中心までを３５ｍｍとした。基板１０１ａの曲率Ｒの設定値によって、画角を広く設定できる。

また、本実施の形態において、映像光生成部１０２は、光学瞳２０１の垂直方向に対して１５度の角度をもって設置する。このため、映像光生成部１０２からの映像光が光合成部１０１へ入射する入射角度と瞳中心Ｐへの反射光の入射角度とで、波長選択性の膜１０１ｂの波長特性がシフトするため、波長選択性の膜１０１ｂの波長特性を予めシフトさせて設定している。

[４．効果]
以上のように、本実施の形態の表示装置は、少なくとも第１波長帯域と第２波長帯域と第３波長帯域の光を用いて映像光を生成する映像光生成部と、外界光を透過すると共に映像光を反射する光合成部と、を備える。光合成部は、映像光を反射する面が凹面形状の透明な基板と、基板の凹面形状側に、映像光を反射し、外界光の所定の波長帯域の光を透過する膜を有する。

これにより、波長選択性を有する光合成部のコンバイナで表示素子の映像光を反射させると同時に特定の波長にピークをもつ照明光や、ＬＥＤ信号機の外界光を遮ることなく、映像と外界を同時に観察可能することができる。

さらに、光合成部は曲率Ｒの透明凹面板と波長選択性の膜からなっており、視線の移動あるいは画角の広い映像光がであっても瞳に入射される角度はほとんど変化しないため、波長選択性の膜の入射角度依存性による波長のシフト、すなわち色ずれを大きく低減できる。

本開示は、外界と重ね合わせて映像が観察可能なＨＭＤ等の表示装置に関し、特に検査、ピッキングなどの作業支援用途に適用可能である。

１００ ＨＭＤ
１０１ 光合成部
１０１ａ 基板
１０１ｂ 膜
１０２ 映像光生成部
２０１ 光学瞳

Claims (3)

1. 少なくとも第１波長帯域と第２波長帯域と第３波長帯域の光を用いて映像光を生成する映像光生成部と、
   外界光を透過すると共に前記映像光を反射し、観察者の瞳に導く光合成部と、を備え、
   前記光合成部は、
   前記映像光を反射する面が凹面形状の透明な基板と、
   前記基板の凹面形状側に、前記映像光を反射し、前記外界光の所定の波長帯域の光を透過する誘電体多層膜を有し、
   前記映像光は、前記映像光生成部から光合成部に直接入射し、
   前記誘電体多層膜は、前記映像光が光合成部に入射する入射角度と前記瞳への反射光の入射角度に基づいて波長特性をシフトさせる、
   表示装置。
2. 前記外界光の所定の波長帯域は、４４０ｎｍ±１０ｎｍ、５４５ｎｍ±１０ｎｍと６１５ｎｍ±１０ｎｍである、
   請求項１記載の表示装置。
3. 前記外界光の所定の波長帯域は、５００ｎｍ±１０ｎｍ、５９５ｎｍ±１０ｎｍおよび６３０ｎｍ±１０ｎｍである、
   請求項１記載の表示装置。
   

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