JP6566025B2 - 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents
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Description
本発明は、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に観察させる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも称する)とに関するものである。
従来から、体積位相型ホログラム(HOE;Holographic Optical Element)を用いて観察者に映像(虚像)を観察させる映像表示装置が種々提案されている。例えば、特許文献1では、表示素子から出射された映像光を、接眼プリズムの対向する2平面で全反射させた後、平面状のHOEで回折反射させて観察者の瞳に導くようにしている。接眼プリズムにおいて、HOEが貼り付けられる面(貼付面)は、上記2平面に対して傾斜して設けられている。HOEにて、貼付面での正反射方向とは異なる角度で映像光を回折反射させることにより、上記2平面に対する貼付面の傾斜角度を小さくして接眼プリズムの厚さを薄くし、これによって装置の小型化を図っている。
ところが、HOEを平らな形状のままで貼付面の傾斜角度を変更した場合、画像中心にあたる画角において、貼付面で正反射する角度に回折角度を設定した場合と比べて、表示素子からHOEまでの光路長が画像(表示面)上の位置によって異なり、しかもその光路長の画像上の位置による差が、貼付面の傾斜角度が小さくなるほど増大する。HOEを用いた場合、貼付面の形状とは関係なく回折方向を決めることが可能ではあるが、上記のように、表示素子からHOEまでの光路長が画像上の位置によって異なる場合、画角中心に対応する主光線近傍で像面湾曲の補正条件を満足するようにHOEを設計しても、画角中心から外れた位置では理想的な状態では必ずしもなくなる。また、上記光路長が画像上の位置によって異なる場合、HOEは、表示素子からの光路長が長い側(例えば画角下端に対応)でより弱いパワーを持ち、短い側(例えば画角上端に対応)でより強いパワーを持つことになり、その結果、コマ収差が発生する。したがって、貼付面の傾斜角度を小さくして接眼プリズムを薄型化するにあたっては、画面全体にわたって像面湾曲を補正しつつ、コマ収差を低減することが望まれる。
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、接眼プリズムの薄型の構成で、画面全体にわたって像面湾曲を補正しつつ、コマ収差を低減することができる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたHMDとを提供することにある。
本発明の一側面に係る映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、前記表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、前記接眼光学系は、前記映像光を内部で導光する接眼プリズムと、前記接眼プリズムの内部で導光された前記映像光を回折反射する体積位相型のホログラム光学素子とを有しており、前記接眼プリズムは、互いに平行な2つの平面と、前記2つの平面を連結し、前記ホログラム光学素子が貼り付けられる貼付面とを有しており、前記映像光は、前記2つの平面で少なくとも1回ずつ全反射した後に前記ホログラム光学素子に入射し、前記貼付面は、一方向においてのみ曲率を有する形状であって、前記表示素子の法線と前記2つの平行な平面の法線とを含み、かつ、前記表示素子の表示面の中心を含む断面内で曲率を有しており、前記断面内において、前記表示面の中心および中心以外の少なくとも1点から射出された各光が、前記ホログラム光学素子にて回折反射されるときの各回折方向は、前記各光の前記貼付面での正反射の方向に対して、同じ側にゼロ以外の角度差が生じる方向である。
本発明の他の側面に係るヘッドマウントディスプレイは、上述した映像表示装置と、前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有している。
上記の構成によれば、接眼プリズムの貼付面を、一方向においてのみ曲率を有する形状とし、貼付面が曲率を有する断面内で、表示面の中心を含む各点から射出された各光の回折方向を、正反射方向に対して同じ側に角度差が生じるように設定することにより、接眼プリズムの薄型の構成で、画面全体にわたって像面湾曲を補正しつつ、コマ収差を低減することが可能となる。
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本明細書において、数値範囲をa〜bと表記した場合、その数値範囲に下限aおよび上限bの値は含まれるものとする。また、本発明は、以下の内容に限定されるものではない。
(映像表示装置について)
図1は、本実施形態の映像表示装置1の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置1は、照明光学系2と、偏光板3と、偏光ビームスプリッタ(PBS)4と、表示素子5と、接眼光学系6とを有している。
図1は、本実施形態の映像表示装置1の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置1は、照明光学系2と、偏光板3と、偏光ビームスプリッタ(PBS)4と、表示素子5と、接眼光学系6とを有している。
なお、説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。接眼光学系6によって形成される光学瞳Pの中心と表示素子5の表示面の中心とを光学的に結ぶ軸およびその軸の延長線を中心軸とする。そして、中心軸と一致する光線がHOE23に入射するときの、入射光線と反射光線とを含む平面を、中心軸平面と呼ぶ。そして、接眼光学系6のHOE23の中心軸平面に垂直な方向をX方向とする。また、各光学部材の中心軸との交点における、面法線と垂直な面内で、X方向に垂直な方向をY方向とする。そして、X方向およびY方向に垂直な方向をZ方向とする。このような定義を用いると、例えば、表示素子5の法線と接眼光学系6の後述する2つの平行な面21b・21cの法線とを含み、かつ、表示素子5の表示面の中心を含む断面は、YZ断面となる。
照明光学系2は、表示素子5を照明するものであり、光源11と、照明ミラー12と、拡散板13とを有している。
光源11は、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色に対応する光を出射するRGB一体型のLEDで構成されている。複数の発光点(RGBの各発光点)は、水平方向(X方向)に略直線状に並んでいる。光源11から出射される光の波長は、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で、462±12nm(B光)、525±17nm(G光)、635±11nm(R光)である。なお、光源11は、レーザ光源であってもよい。
本実施形態では、光源11は、RGB一体型のLEDを2対備えている。そして、RGBのそれぞれについて、HOE23の中心軸平面に対して各発光点が対称に位置するように、各発光点が略直線状に並んでいる(例えばBGRRGBの順に発光点がX方向に並んでいる)。これにより、RGBの光強度の分布をX方向で対称にすることができる。
照明ミラー12は、光源11から出射された光(照明光)を拡散板13に向けて反射させるとともに、Y方向に関して、光学瞳Pと光源11とが略共役となるように、照明光を曲げる光学素子である。
拡散板13は、光源11の複数の発光点が並ぶX方向に入射光を例えば40°拡散し、Y方向には入射光を拡散しない一方向拡散板である。拡散板13は、偏光板3の表面に保持されている。
偏光板3は、拡散板13を介して入射する光のうち、所定の偏光方向の光を透過させてPBS4に導く。
PBS4は、偏光板3を透過した光を反射型の表示素子5の方向に反射させる一方、表示素子5にて反射された光のうち、画像信号オンに対応する光(偏光板3を透過した光とは偏光方向が直交する光)を透過させる平板状の偏光分離素子であり、接眼光学系6の後述する接眼プリズム21の光入射面(面21a)の近傍に設けられている。
表示素子5は、照明光学系2からの光を変調して映像を表示する表示素子であり、本実施形態では、反射型の液晶表示素子で構成されている。表示素子5はカラーフィルタを有する構成であってもよいし、光源11のRGBごとの時分割発光に同期して、発光色に対応するRGBの画像が表示されるように、時分割で駆動される構成であってもよい。
表示素子5は、PBS4からほぼ垂直に入射する光がほぼ垂直に反射されてPBS4に向かうように配置されている。これにより、反射型の表示素子に対して大きな入射角で光を入射させる構成に比べて、解像度を増大させるような光学設計が容易となる。表示素子5の表示面は長方形となっており、表示面の長手方向がX方向となり、短手方向がY方向となるように配置されている。
また、表示素子5は、照明ミラー12からPBS4に向かう光路に対して光源11と同じ側に配置されている。これにより、照明光学系2から表示素子5までの光学系全体をコンパクトに構成することができる。
接眼光学系6は、表示素子5からの映像光を観察者の瞳(光学瞳P)に導くための光学系であり、非軸対称(非回転対称)な正の光学パワーを有している。この接眼光学系6は、接眼プリズム21と、偏向プリズム22と、HOE23とを有している。
接眼プリズム21は、表示素子5からPBS4を介して入射する映像光を内部で導光する一方、外界像の光(外光)を透過させるものであり、平行平板の上端部を上端に向かうほど厚くし、下端部を下端に向かうほど薄くした形状で構成されている。
接眼プリズム21は、面21a〜面21dを有している。面21aは、表示素子5からPBS4を介して映像光が入射する光入射面である。面21b・21cは、光学瞳Pとほぼ平行に位置し、互いに対向する2つの平行な平面であり、映像光を全反射させて導光する全反射面となっている。そのうち、光学瞳P側の面21bは、HOE23で回折反射される映像光の出射面を兼ねている。面21dは、面21b・21cを連結し、HOE23が貼り付けられる貼付面である。面21dは、面21b・21cを連結しているため、面21b・21cと平行とはなっていない(面21b・21cに対して傾いている)。
接眼プリズム21は、その下端部に配置されるHOE23を挟むように偏向プリズム22と接着剤で接合されている。本実施形態では、接眼プリズム21を構成する面のうち、HOE23が貼り付けられる面21d以外で映像光が透過する面(光入射面21a、面21b・21d)は、平面となっている。また、接眼プリズム21において、HOE23が貼り付けられる面21dは、Y方向においてのみ曲率を有する曲面となっており、YZ断面内でのみ曲率を有している。
偏向プリズム22は、接眼プリズム21とHOE23を介して貼り合わされて略平行平板を形成している。偏向プリズム22を接眼プリズム21と貼り合わせることで、外光が接眼プリズム21の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム22でキャンセルすることができ、観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
HOE23は、接眼プリズム21に接して設けられ、接眼プリズム21内部で導光された映像光を回折反射する体積位相型で反射型のホログラム光学素子である。HOE23は、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で、例えば465±5nm(B光)、521±5nm(G光)、634±5nm(R光)の3つの波長域の光を回折(反射)させる。すなわち、HOE23のRGBの回折波長は、RGBの映像光の波長(光源11の発光波長)とほぼ対応している。
上記の構成において、照明光学系2の光源11から出射された光は、照明ミラー12で反射され、拡散板13にてX方向にのみ拡散された後、所定の偏光方向の光のみが偏光板3を透過する。そして、偏光板3を透過した光は、PBS4で反射され、表示素子5に入射する。
表示素子5では、入射光が画像信号に応じて変調される。このとき、画像信号オンに対応する映像光は、表示素子5にて入射光とは偏光方向が直交する光に変換されて出射されるため、PBS4を透過して接眼プリズム21の内部に面21aから入射する。一方、画像信号オフに対応する映像光は、表示素子5にて偏光方向が変換されずに出射されるため、PBS4で遮断され、接眼プリズム21の内部に入射しない。
接眼プリズム21では、入射した映像光が接眼プリズム21の対向する2つの面21c・21bで少なくとも1回ずつ全反射された後、HOE23に入射し、そこで回折反射されて面21bから出射され、光学瞳Pに達する。したがって、この光学瞳Pの位置では、観察者は、表示素子5に表示された映像を虚像として観察することができる。
一方、接眼プリズム21、偏向プリズム22およびHOE23は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像をシースルーで観察することができる。したがって、表示素子5に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。
(貼付面の形状およびHOEの設計について)
図2は、YZ断面内において、表示素子5からの映像光がHOE23で回折反射されるときの回折方向と、上記映像光の面21dでの正反射方向との関係を示している。なお、同図では、表示素子5からの映像光のうち、表示面の中心(画角中心に対応する位置)、表示面の画角上端に対応する位置、および表示面の画角下端に対応する位置からそれぞれ射出された映像光の主光線(光束の中心光線)の光路を示している。表示面の中心、表示面の画角上端に対応する位置、表示面の画角下端に対応する位置からそれぞれ射出される映像光およびその回折光を、実線A1、A2、A3で示し、上記各映像光の面21dでの正反射方向を、それぞれ破線B1、B2、B3で示す。
図2は、YZ断面内において、表示素子5からの映像光がHOE23で回折反射されるときの回折方向と、上記映像光の面21dでの正反射方向との関係を示している。なお、同図では、表示素子5からの映像光のうち、表示面の中心(画角中心に対応する位置)、表示面の画角上端に対応する位置、および表示面の画角下端に対応する位置からそれぞれ射出された映像光の主光線(光束の中心光線)の光路を示している。表示面の中心、表示面の画角上端に対応する位置、表示面の画角下端に対応する位置からそれぞれ射出される映像光およびその回折光を、実線A1、A2、A3で示し、上記各映像光の面21dでの正反射方向を、それぞれ破線B1、B2、B3で示す。
本実施形態では、YZ断面内において、表示面の中心から射出された光が、HOE23にて回折反射されるときの回折方向は、面21dでの正反射方向に対して、ゼロ以外の角度差θ1が生じる方向である(実線A1、破線B1参照)。また、表示面の中心以外の点から射出された光が、HOE23にて回折反射されるときの回折方向は、面21dでの正反射方向に対して、ゼロ以外の角度差θ2・θ3が生じる方向である(実線A2・A3、破線B2・B3参照)。しかも、上記の各角度差θ1〜θ3は、それぞれの映像光の面21dでの正反射方向に対して同じ側(ここではHOE23への映像光の入射側)に生じている。言い換えれば、表示面の中心およびそれ以外の点から射出された各光のいずれについても、面21dに入射する位置での正反射角(面法線に対する角度)よりも、HOE23に入射する位置での回折角(面法線に対する角度)のほうが小さい。そして、上記正反射角と上記回折角との差が、上記角度差θ1〜θ3となっている。なお、角度差θ1〜θ3の値は、互いに異なっている。
なお、図2にて図示されている映像光だけでなく、表示面上の全ての点から射出される映像光について、HOE23での回折方向は、面21dでの正反射方向に対して、上記と同様にゼロ以外の角度差が生じる方向となっている。そして、上記角度差は、面21dでの正反射方向に対して、他の映像光について角度差が生じる側と同じ側(HOE23への映像光の入射側)に生じている。
図3は、光学瞳Pに向かう映像光を光学瞳P側から逆トレースしたときの面21dでの正反射方向を示したものである。なお、実線A1〜A3で示した各光を逆トレースしたときの面21dでの正反射方向を、それぞれ破線C1〜C3で示す。面21dは、上述したように、一方向においてのみ曲率を有する形状となっており、YZ断面(中心軸平面)と平行な面内で曲率を有している。すなわち、面21dとXZ平面と平行な任意の面との交線および面21dとXY平面と平行な任意の面との交線は、いずれも直線となる。光学瞳Pから逆トレースした各光は、基準となる光(例えば画角中心の光)に対して、画角に相当する角度差を持っているが、正反射の方向(破線C1〜C3参照)は互いに平行に近い状態となっており、面21dの持つパワーの程度がわかる。
本実施形態のように、YZ断面内において、表示面の中心から射出される光(画角中心の映像光)の回折方向を、正反射方向から角度差θ1だけずれる方向とし、かつ、表示面の中心以外の点から射出される光(画角中心以外の映像光)の回折方向を、正反射方向に対して、画角中心の映像光が回折される側と同じ側に角度差θ2・θ3だけずれる方向とすることにより、面21dを2平面(面21b・21c)と平行に近づくように傾けて、接眼プリズム21を薄型化することが可能となる。なお、このような接眼プリズム21の薄型化の効果は、少なくとも、表示面の中心から射出された光と、表示面の中心以外の1点から射出された光とについて、正反射方向に対して同じ側に角度差が生じるように回折方向を設定することによって得ることができる。そして、表示面から射出される全ての光について上記角度差が生じるように回折方向を設定することにより、接眼プリズム21の薄型化の効果を確実に得ることができる。
また、YZ断面内でのみ面21dに曲率を持たせ、かつ、画角中心の映像光の回折方向を正反射方向から(角度差θ1だけ)ずらしていることにより、HOE貼付面を平面とした構成や、画角中心の映像光の回折方向と正反射方向とを一致させた構成に比べて、接眼プリズム21を薄型化したときに、表示素子5からHOE23までの光路長の、画像(表示面)上の位置による差が拡大するのを抑えることができる。これにより、画角中心のみならず、画角中心から外れた位置でも像面湾曲を補正できるような設計が可能となる。また、接眼プリズム21の薄型化に伴って上記光路長の位置による差が拡大するのを抑えることができるため、HOE23において光路長の長い側と短い側とでパワーの差が拡大するのを抑えることができる。これにより、上記パワーの差に起因するコマ収差を低減することが可能となる。つまり、接眼プリズム21が薄型の構成で、画面全体にわたって像面湾曲を補正しつつ、コマ収差を低減することが可能となる。
また、上述した角度差(例えばθ1〜θ3)は、面21dでの正反射の方向に対して、HOE23への映像光の入射側に生じている。このように角度差を生じさせることにより、薄型の構成で像面湾曲とコマ収差とを補正する上述の効果を確実に得ることができる。
また、面21dが例えばX方向およびY方向の2方向において曲率を持っていると、面21dに、シート状のホログラム感光材料を貼り付けることが困難となり、そのシート状のホログラム感光材料を用いてHOE23を作製することが困難となる。これに対して、本実施形態では、面21dが中心軸平面に平行な断面内でのみ(Y方向の一方向にのみ)曲率を有しているので、シート状のホログラム感光材料を面21dに貼り付けることが容易であり、貼り付けたホログラム感光材料を露光して、HOE23を作製することが容易となる。
また、接眼光学系6のHOE23は、波長選択性を有しており、所定の波長域の光しか回折反射しない。このため、表示素子5として、例えば有機EL(Electro-Luminescence)表示装置のようなブロードな発光特性を有する自発光型のものを用いると、HOE23にて回折反射されない映像光が生じ、光利用効率が低下する。この点、本実施形態では、表示素子5は、照明光学系2からの光を変調して映像を表示するLCDのような表示素子で構成されているため、LEDやレーザ光源などの光源、つまり、半値波長幅が狭く、HOE23の回折波長域とほぼ一致する波長域の光を出射する光源を照明光学系2に用いて装置を構成することができる。これにより、表示素子5からの映像光をHOE23にて効率よく回折させることができ、光利用効率の向上を図ることができる。
(露光時の全反射条件を考慮した貼付面の傾きおよび形状の設定について)
図4は、HOE23を空気に置き換えたときに、表示素子5からの映像光が面21dを透過する様子を模式的に示している。なお、同図では、画角中心の映像光の主光線と、画角上端および画角下端に対応する映像光の主光線のみを示している。いずれの映像光の主光線についても、面21dを透過する光路が存在しており、全反射条件は満たしていないことがわかる。本実施形態では、図示した光線だけでなく、YZ面内の画角全域の光線について、全反射条件を満たすことがないように、面21dの傾斜角度と曲率(湾曲量)とを設定している。その理由は、以下の通りである。
図4は、HOE23を空気に置き換えたときに、表示素子5からの映像光が面21dを透過する様子を模式的に示している。なお、同図では、画角中心の映像光の主光線と、画角上端および画角下端に対応する映像光の主光線のみを示している。いずれの映像光の主光線についても、面21dを透過する光路が存在しており、全反射条件は満たしていないことがわかる。本実施形態では、図示した光線だけでなく、YZ面内の画角全域の光線について、全反射条件を満たすことがないように、面21dの傾斜角度と曲率(湾曲量)とを設定している。その理由は、以下の通りである。
反射型のHOE23を作製する際、ホログラム感光材料の両面から2光束を照射してこれらを干渉させることが必要である。このとき、2光束のいずれか一方は、映像観察時の光路において、HOE23を透過した延長線上から反対向きに照射する必要がある。例えば、一方の光束を光学瞳P側から接眼プリズム21を介してホログラム感光材料に照射する場合、他方の光束を、HOE23に対して映像光の入射側とは反対側からホログラム感光材料に照射する必要がある。
ここで、ホログラム感光材料の一方の面を接眼プリズム21に貼り付け、他方の面を開放した状態で(空気と接した状態で)HOE23を作製することを想定した場合、接眼プリズム21の面21dにおいて、映像光が全反射条件を満たしてしまうと、接眼プリズム21とホログラム感光材料とは近い屈折率を持つように選択されているために、ホログラム感光材料の射出面においてもやはり全反射が起こり、上述の延長線(映像光がHOE23を透過する光路)が存在しなくなる。つまり、この場合、映像光の入射側とは反対側からホログラム感光材料を露光して、HOE23を作製することができなくなる。
したがって、一方の光束を映像光の光路と一致させ、他方の光束を、HOE23に対して回折光が生じる側とは反対側の延長線上からホログラム感光材料に照射して、HOE23を作製することが必要となる。しかし、この場合でも、映像光が全反射条件を満たしてしまうと、映像光と光路を一致させた側の光がホログラム感光材料の射出面で全反射し、自身と干渉してホログラムを作ってしまう。このホログラムは、本来作製したいホログラムとは異なる光学特性を持ち、強いゴーストを発生させてしまう。
これに対して、ホログラム感光材料を接眼プリズム21と他のプリズムとで両面から挟み込んだ状態でホログラム感光材料を露光すれば、上述の全反射条件を考慮することなく、HOE23を作製することができる。しかし、本実施形態のように、接眼プリズム21においてHOE23が貼り付けられる面21dがYZ断面内で湾曲していると、ホログラム感光材料に対して接眼プリズム21とは反対側に位置するプリズムの面も、面21dに沿うように精度よく湾曲させる必要があり、上記プリズムを隙間なくホログラム感光材料に密着させることが困難となる。なお、エマルジョンオイルを介して上記プリズムをホログラム感光材料に密着させる手法もあるが、HOE23の作製後にエマルジョンオイルをきれいに拭き取る必要があり、手間がかかるため、望ましくはない。
したがって、HOE23を空気に置き換えたときに、表示素子5からの映像光が、接眼プリズム21の面21dにおいて全反射せずに空気側に透過するように、面21dの傾斜角度と曲率とを設定することにより、HOE23の作製時に、ホログラム感光材料の片側(接眼プリズム21とは反対側)を空気にした状態で、つまり、他のプリズムをホログラム感光材料に密着させることなく、かつ、ゴーストとなるホログラムを生じさせることなく、HOE23を作製することができ、HOE23の作製が容易となる。また、他のプリズムを用いなくて済むので、他のプリズムをホログラム感光材料に密着配置するためのエマルジョンオイルも不要となり、その拭き取り工程も勿論不要となる。
なお、本実施形態では、HOE23を空気に置き換えたときに、表示素子5からの映像光の全てが、接眼プリズム21の面21dにおいて全反射せずに空気側に透過する構成となっているが、少なくとも、HOE23の有効領域、つまり、映像光を光学瞳Pの方向に回折させる領域において、映像光が全反射せずに透過する構成であればよい。このことから、HOE23を空気に置き換えたときに、表示素子5からの映像光の少なくとも一部が面21dにおいて全反射せずに空気側に透過する構成であれば、上述の効果を得ることができると言える。
なお、ホログラム感光材料の片側の空気中に、映像光の色補正のための光学部材(例えば色補正プリズム)をホログラム感光材料とは非接触で配置し、上記光学部材を介してホログラム感光材料を露光してもよい。
(HMDについて)
次に、本実施形態の映像表示装置の応用例であるHMDについて説明する。図5A、図5Bおよび図5Cは、本実施形態のHMD40の上面図、正面図、下面図であり、図6は、HMD40の正面側からの斜視図である。HMD40は、上述した映像表示装置1と、フレーム42と、レンズ43と、鼻当て44と、位置調整機構45とを有している。
次に、本実施形態の映像表示装置の応用例であるHMDについて説明する。図5A、図5Bおよび図5Cは、本実施形態のHMD40の上面図、正面図、下面図であり、図6は、HMD40の正面側からの斜視図である。HMD40は、上述した映像表示装置1と、フレーム42と、レンズ43と、鼻当て44と、位置調整機構45とを有している。
映像表示装置1は、筐体1a内に、上述した照明光学系2、偏光板3、PBS4および表示素子5を有しており、接眼光学系6の上端部も筐体1a内に位置している。接眼光学系6は、接眼プリズム21および偏向プリズム22の貼り合わせによって構成されており、右眼用レンズ43Rの前方(観察者とは反対側の外界側)に位置している。筐体1a内の光源11および表示素子5は、筐体1aを貫通して設けられるケーブル(図示せず)を介して、図示しない回路基板と接続されており、回路基板から光源11および表示素子5に駆動電力や映像信号が供給される。
なお、映像表示装置1は、静止画や動画を撮影する撮像装置、マイク、スピーカー、イヤホンなどをさらに備え、外部のサーバーや端末とインターネット等の通信回線を介して、撮像画像および表示画像の情報や音声情報をやりとり(送受信)する構成であってもよい。
フレーム42は、観察者の頭部に装着され、映像表示装置1を観察者の眼前で支持する支持部材である。このフレーム42は、観察者の左右の側頭部に当接するテンプルを含んでいる。
レンズ43は、観察者の右眼および左眼の眼前に配置される右眼用レンズ43Rおよび左眼用レンズ43Lを含んでいる。右眼用レンズ43Rおよび左眼用レンズ43Lは、右連結部46Rおよび左連結部46Lを介して、位置調整機構45と連結されている。右眼用レンズ43Rおよび左眼用レンズ43Lは、視力矯正用のレンズであってもよいし、視力矯正を行わない単なるダミーレンズであってもよい。
鼻当て44は、観察者の鼻と当接する右鼻当て44Rおよび左鼻当て44Lを含んでいる。右鼻当て44Rおよび左鼻当て44Lは、右連結部47Rおよび左連結部47Lを介して、位置調整機構45と連結されている。
位置調整機構45は、フレーム42に対して鼻当て44を観察者の眼幅方向に垂直な上下方向に相対的に移動させることにより、フレーム42で支持された映像表示装置1の上下方向の位置を調整する機構である。なお、位置調整機構45を設けることなく、レンズ43および鼻当て44をフレーム42に直接固定した構成としてもよい。
HMD40を観察者の頭部に装着し、表示素子5に映像を表示すると、その映像光が接眼光学系6を介して光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置に観察者の瞳を合わせることにより、観察者は、映像表示装置1の表示映像の拡大虚像を観察することができる。また、これと同時に、観察者は接眼光学系6を介して、外界像をシースルーで観察することができる。
このように、映像表示装置1が支持部材としてのフレーム42で支持されることにより、観察者は映像表示装置1から提供される映像をハンズフリーで長時間安定して観察することができる。
なお、図5A等では、映像表示装置1の接眼光学系6と、レンズ43とを別体で構成しているが、接眼光学系6をレンズ43と一体化した構成とすることも可能である。また、映像表示装置1を2つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。
(実施例)
以下、図1で示した映像表示装置1の数値実施例について、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。
以下、図1で示した映像表示装置1の数値実施例について、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。
表1に、実施例の映像表示装置1のコンストラクションデータ等を示す。表1に示す面データ中、Si(i=1、2、3、・・・)は、光源11から光学瞳Pに至る光路中で、光学瞳P側から数えてi番目の面を示しており、面データは面Siの配置データを示している。
実施例では、S1は接眼プリズム21の映像光出射面、S2は接眼プリズム21の面21d(HOE貼付面)、S3は面21b(全反射面(S1と同一平面))、S4は面21c(全反射面)、S5は面21a(接眼プリズム21への映像光の入射面)、S6はPBS4の出射面、S7はPBS4の入射面、S8は表示素子5のカバーガラス表面、S9は表示素子5の液晶面、S10は表示素子5のカバーガラス表面、S11はPBS4の反射面、S12は偏光板3の出射面、S13は偏光板3と拡散板13との境界面、S14は拡散板13の入射面、S15は照明ミラー12の反射面、S16は光源11のLED発光面、である。
各面Siの配置は、面データ中の基準点座標(x,y,z)と回転角度(ADE)の各面データでそれぞれ特定される。面Siの基準点座標は、その基準点をローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点として、グローバルな直交座標系(x,y,z)におけるローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点の座標(x,y,z)で表されており(単位:mm)、その基準点を中心とするX軸回りの回転角度ADEで面Siの傾きが表されている(単位:°;X軸の正方向に対して反時計回りがX回転の回転角度の正方向である。)。ただし、座標系はすべて右手系で定義されており、グローバルな直交座標系(x,y,z)は出射面S1のローカルな直交座標系(X,Y,Z)と一致した絶対座標系になっている。したがって、X方向,Y方向は、面Siの基準点を原点とし、かつ、基準点での法線をZ軸とする直交座標系(X,Y,Z)における座標軸方向である。図1において、X方向は紙面に垂直方向(画角の左右方向)、Y方向は紙面の上下方向(画角の上下方向)である。
HOEの基準波長、つまりHOEを作製する際の製造波長(規格化波長)および再生波長はともに532nmであり、回折光の使用次数は1次である。HOEの回折構造を有する面Si(HOE面)は、その基準点を原点とするローカルな直交座標系(X,Y,Z)を用いた以下の式(DS)で定義される。式(DS)に示すように、位相関数φはHOEの位置(X,Y)による生成多項式(二元多項式)であり、表2に示す回折面データは、その位相係数A(j,k)をXの次数とYの次数とに対応させて示している(1行目:Xの次数、1列目:Yの次数)。なお、回折面データにおいて表記の無い項の係数は0であり、すべてのデータに関してE−n=×10-nである。
φ=ΣΣ{A(j,k)・Xj・Yk} ・・・(DS)
ただし、
φ:位相関数、
A(j,k):Xのj次、Yのk次の位相係数(HOE係数)、
である。
φ=ΣΣ{A(j,k)・Xj・Yk} ・・・(DS)
ただし、
φ:位相関数、
A(j,k):Xのj次、Yのk次の位相係数(HOE係数)、
である。
表3および表4に示す自由曲面データに関し、自由曲面(XY多項式面)からなる面Siは、その基準点を原点とするローカルな直交座標系(X,Y,Z)を用いた以下の式(FS)で定義される(球面項を示す部分は存在していない。)。表3および表4に示す自由曲面データは、その自由曲面係数B(j,k)をXの次数とYの次数とに対応させて示している(1行目:Xの次数、1列目:Yの次数)。なお、自由曲面データにおいて表記の無い項の係数は0であり、すべてのデータに関してE−n=×10-nである。
Z=ΣΣ{B(j,k)・Xj・Yk} ・・・(FS)
ただし、
Z:座標(X,Y)の位置でのZ方向(中心軸方向)のサグ量(mm)、
B(j,k):Xのj次、Yのk次の多項式自由曲面係数、
である。
Z=ΣΣ{B(j,k)・Xj・Yk} ・・・(FS)
ただし、
Z:座標(X,Y)の位置でのZ方向(中心軸方向)のサグ量(mm)、
B(j,k):Xのj次、Yのk次の多項式自由曲面係数、
である。
実施例との比較のため、HOE23が貼り付けられる面21d(HOE貼付面)について、傾斜はそのままで(実施例と同じとし)、湾曲(曲率)だけをゼロとしたものを比較例とした。図7は、実施例の映像表示装置における像面湾曲を示し、図8は、比較例の映像表示装置における像面湾曲を示している。図7および図8において、縦軸がデフォーカス量(ディオプター)であり、横軸が画角(°)である。また、図9は、実施例および比較例の各映像表示装置におけるコマ収差をそれぞれ示している。図9において、縦軸が横収差量(μm)であり、横軸が上下方向の画角(°)である。
実施例のようにHOE貼付面を湾曲させても、比較例のようにHOE貼付面を湾曲させなくても、像面湾曲については同程度まで補正できているが、コマ収差については、実施例のほうが低減されており、HOE貼付面を湾曲させたことによる効果が顕著に現れていることがわかる。
以上で説明した本実施形態の映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイは、以下の構成であってもよいと言える。
本実施形態の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、前記表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、前記接眼光学系は、前記映像光を内部で導光する接眼プリズムと、前記接眼プリズムの内部で導光された前記映像光を回折反射する体積位相型のホログラム光学素子とを有しており、前記接眼プリズムは、互いに平行な2つの平面と、前記2つの平面を連結し、前記ホログラム光学素子が貼り付けられる貼付面とを有しており、前記映像光は、前記2つの平面で少なくとも1回ずつ全反射した後に前記ホログラム光学素子に入射し、前記貼付面は、一方向においてのみ曲率を有する形状であって、前記表示素子の法線と前記2つの平行な平面の法線とを含み、かつ、前記表示素子の表示面の中心を含む断面内で曲率を有しており、前記断面内において、前記表示面の中心および中心以外の少なくとも1点から射出された各光が、前記ホログラム光学素子にて回折反射されるときの各回折方向は、前記各光の前記貼付面での正反射の方向に対して、同じ側にゼロ以外の角度差が生じる方向である。
前記断面内で前記各光について生じる前記各角度差は、前記各光の前記貼付面での正反射の方向に対して、前記各光の前記ホログラム光学素子への入射側にそれぞれ生じてもよい。
前記表示素子は、照明光学系からの光を変調して映像を表示してもよい。
前記ホログラム光学素子を空気に置き換えたとき、前記表示素子からの映像光が、前記接眼プリズムの前記貼付面において全反射せずに、その少なくとも一部が前記空気側に透過することが望ましい。
本実施形態のヘッドマウントディスプレイは、上述した映像表示装置と、前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有している。
本発明の映像表示装置は、例えばHMDに利用可能である。
1 映像表示装置
2 照明光学系
5 表示素子
6 接眼光学系
21 接眼プリズム
21b 面
21c 面
21d 面(貼付面)
23 HOE(ホログラム光学素子)
40 HMD(ヘッドマウントディスプレイ)
42 フレーム(支持部材)
2 照明光学系
5 表示素子
6 接眼光学系
21 接眼プリズム
21b 面
21c 面
21d 面(貼付面)
23 HOE(ホログラム光学素子)
40 HMD(ヘッドマウントディスプレイ)
42 フレーム(支持部材)
Claims (5)
- 映像を表示する表示素子と、
前記表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、
前記接眼光学系は、
前記映像光を内部で導光する接眼プリズムと、
前記接眼プリズムの内部で導光された前記映像光を回折反射する体積位相型のホログラム光学素子とを有しており、
前記接眼プリズムは、
互いに平行な2つの平面と、
前記2つの平面を連結し、前記ホログラム光学素子が貼り付けられる貼付面とを有しており、
前記映像光は、前記2つの平面で少なくとも1回ずつ全反射した後に前記ホログラム光学素子に入射し、
前記貼付面は、一方向においてのみ曲率を有する形状であって、前記表示素子の法線と前記2つの平行な平面の法線とを含み、かつ、前記表示素子の表示面の中心を含む断面内で曲率を有しており、
前記断面内において、
前記表示面の中心および中心以外の少なくとも1点から射出された各光が、前記ホログラム光学素子にて回折反射されるときの各回折方向は、前記各光の前記貼付面での正反射の方向に対して、同じ側にゼロ以外の角度差が生じる方向である、映像表示装置。 - 前記断面内で前記各光について生じる前記各角度差は、前記各光の前記貼付面での正反射の方向に対して、前記各光の前記ホログラム光学素子への入射側にそれぞれ生じる、請求項1に記載の映像表示装置。
- 前記表示素子は、照明光学系からの光を変調して映像を表示する、請求項1または2に記載の映像表示装置。
- 前記ホログラム光学素子を空気に置き換えたとき、
前記表示素子からの映像光が、前記接眼プリズムの前記貼付面において全反射せずに、その少なくとも一部が前記空気側に透過する、請求項1から3のいずれかに記載の映像表示装置。 - 請求項1から4のいずれかに記載の映像表示装置と、
前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持部材とを有している、ヘッドマウントディスプレイ。
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