JP6778823B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置に関する。

ユーザが頭部に装着して、表示部に表示される映像を、レンズを通して視覚することで、臨場感のある映像を鑑賞することができるヘッドマウントディスプレイが存在する。

このようなヘッドマウントディスプレイにおいては、表示される映像の見やすさを確保するために、表示部から出射される映像光がユーザの眼に至るまでの長さをできるだけ長くすることが望ましい。

ここで上述の長さを確保しつつヘッドマウントディスプレイを小型化させるために、表示部から出射される映像光がユーザの眼に至るまでの間に何度か反射するようにすることが考えられる。

しかしこのようにした場合は、表示される映像の光とは空気換算光路長が異なる別の光路を経由してユーザの眼に届く光によって生じるゴーストがユーザに視認され、その結果、表示される映像が見えにくくなることがあった。また表示部から出射される光の一部が表示される映像の光とはならずにゴーストの光となることによって、表示される映像が暗くなることがあった。そして上記の課題は、ヘッドマウントディスプレイに限らず、例えば表示される映像を見る人との間の長さに制限がある車載メータなどのような表示装置においても同様に発生する。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的の１つは、ゴーストの発生を抑制できる表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る表示装置は、映像を表示する表示部と、レンズと、前記表示部に隣接して配置されている第１の偏光板と、前記第１の偏光板に隣接して配置されている第１の１／４波長板と、前記レンズに隣接して配置されている第２の偏光板と、前記第２の偏光板に隣接して配置されている第２の１／４波長板と、前記第１の１／４波長板と前記第２の１／４波長板との間に配置されているビームスプリッタと、を含み、前記ビームスプリッタは、前記表示部から出射されてから前記レンズを透過するまでの間に、前記第２の偏光板で反射し、その後前記ビームスプリッタで反射する第１の光の空気換算光路長と、前記表示部から出射されてから前記レンズを透過するまでの間に、前記ビームスプリッタで反射し、その後前記第１の偏光板で反射する第２の光の空気換算光路長と、が同じとなる位置に配置されている。

本発明の一態様では、前記ビームスプリッタは、前記第１の１／４波長板の前記レンズ側の面から前記ビームスプリッタのミラー面までの空気換算光路長と前記第２の１／４波長板の前記表示部側の面からビームスプリッタのミラー面までの空気換算光路長とが同じとなる位置に配置されている。

また、本発明の一態様では、前記第１の偏光板は前記第１の１／４波長板と接触しており、前記第２の偏光板は前記第２の１／４波長板と接触している。

本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの一例を示す外観図である。 図１に示すヘッドマウントディスプレイの光学系の一例を模式的に示す模式図である。 空気換算光路長について説明する説明図である。

以下、本発明の一実施形態について図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）１０の一例を示す外観図である。図２は、図１に示すＨＭＤ１０の光学系の一例を模式的に示す図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係るＨＭＤ１０の光学系には、表示部１２、第１の偏光板１４ａ、第２の偏光板１４ｂ、第１の１／４波長板１６ａ、第２の１／４波長板１６ｂ、ビームスプリッタ１８、レンズ２０が含まれている。

そして第１の偏光板１４ａは、表示部１２に隣接して配置されている。また、第１の１／４波長板１６ａは、第１の偏光板１４ａに隣接して配置されている。また、第２の偏光板１４ｂは、レンズ２０に隣接して配置されている。また、第２の１／４波長板１６ｂは、第２の偏光板１４ｂに隣接して配置されている。また、ビームスプリッタ１８は、第１の１／４波長板１６ａと第２の１／４波長板１６ｂとの間に配置されている。このようにして、本実施形態に係るＨＭＤ１０の光学系では、表示部１２、第１の偏光板１４ａ、第１の１／４波長板１６ａ、ビームスプリッタ１８、第２の１／４波長板１６ｂ、第２の偏光板１４ｂ、レンズ２０、がこの順で、互いに隣接して配置されている。

図１に示すように表示部１２は、ＨＭＤ１０の前側に配置されている、例えば液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイ等のディスプレイである。表示部１２は、例えばＨＭＤ１０に記憶されている映像や、ＨＭＤ１０と通信可能な装置から送信される映像信号が表す映像等の映像を表示させる。本実施形態に係る表示部１２は、例えば左目用の画像と右目用の画像を表示することによって三次元画像を表示させることができるようになっている。なお表示部１２は三次元画像の表示ができず二次元画像の表示のみができるものであっても構わない。

第１の偏光板１４ａ及び第２の偏光板１４ｂは、本実施形態では例えば、入射する光のうち直線偏光成分の光を透過する光学素子である。ここでは例えば、第１の偏光板１４ａ及び第２の偏光板１４ｂは、いずれも同じ方向（例えば縦方向）の直線偏光成分の光を透過させることとする。

第１の１／４波長板１６ａ及び第２の１／４波長板１６ｂは、本実施形態では例えば、入射する直線偏光の光を円偏光に変えて出射し、入射する円偏光の光を直線偏光に変えて出射する光学素子である。

第１の１／４波長板１６ａや第２の１／４波長板１６ｂでは、入射する光の進行方向によって、偏光の変化が異なるようになっている。

図２の例では、例えば、第１の１／４波長板１６ａや第２の１／４波長板１６ｂに対して、図２における右方向に、縦方向の直線偏光の光が入射した際には、光の進行方向に沿って見た場合に右回りとなる円偏光の光が出射される。また例えば、図２における右方向に、光の進行方向に沿って見た場合に右回りとなる円偏光の光が入射した際には、横方向の直線偏光の光が出射される。また例えば、図２における右方向に、横方向の直線偏光の光が入射した際には、光の進行方向に沿って見た場合に左回りとなる円偏光の光が出射される。また例えば、図２における右方向に、光の進行方向に沿って見た場合に左回りとなる円偏光の光が入射した際には、縦方向の直線偏光の光が出射される。

また例えば、図２における左方向に、縦方向の直線偏光の光が入射した際には、光の進行方向に沿って見た場合に左回りとなる円偏光の光が出射される。また例えば、図２における左方向に、光の進行方向に沿って見た場合に左回りとなる円偏光の光が入射した際には、横方向の直線偏光の光が出射される。また例えば、図２における左方向に、横方向の直線偏光の光が入射した際には、光の進行方向に沿って見た場合に右回りとなる円偏光の光が出射される。また例えば、図２における左方向に、光の進行方向に沿って見た場合に右回りとなる円偏光の光が入射した際には、縦方向の直線偏光の光が出射される。

ここで第１の偏光板１４ａの偏光方向に対する第１の１／４波長板１６ａの光学軸の向きは厳密に設定する必要がある。そのため第１の偏光板１４ａと第１の１／４波長板１６ａとは接触するようにしてもよい。こうすれば、第１の偏光板１４ａの偏光方向に対する第１の１／４波長板１６ａの光学軸の向きの設定が容易となる。また同様に、第２の偏光板１４ｂの偏光方向に対する第２の１／４波長板１６ｂの光学軸の向きは厳密に設定する必要がある。そのため第２の偏光板１４ｂと第２の１／４波長板１６ｂとは接触するようにしてもよい。こうすれば、第２の偏光板１４ｂの偏光方向に対する第２の１／４波長板１６ｂの光学軸の向きの設定が容易となる。

ビームスプリッタ１８は、本実施形態では例えば、入射する光の一部を透過し残りをミラー面１８ａで反射する光学素子である。図２に示すように、ミラー面１８ａは、ビームスプリッタ１８の表示部１２側の面であってもよい。ここでビームスプリッタ１８として、入射する光の半分を透過し残りの半分をミラー面１８ａで反射するハーフミラーを用いてもよい。

レンズ２０は、入射する光を屈折させてユーザの眼に収束させる光学素子である。

図２に示すように本実施形態では上述のように、表示部１２は映像の光である光２２を出射させる。そして、表示部１２が出射する光２２のうち、縦方向の直線偏光成分の光２２だけが、第１の偏光板１４ａを透過する。

そしてこの光２２は、第１の１／４波長板１６ａを透過することで、光の進行方向に沿って見た場合に右回りとなる円偏光の光２２に変わる。

そしてこの光２２の一部がビームスプリッタ１８を透過し、残りがミラー面１８ａで反射する。例えば光２２の半分がビームスプリッタ１８を透過し、残りの半分がミラー面１８ａで反射する。ミラー面１８ａで反射する光２２は、光の進行方向に沿って見た場合に左回りとなる円偏光の光となる。以下、ビームスプリッタ１８を透過する光２２を第１の光２２ａと呼び、ビームスプリッタ１８で反射する光２２を第２の光２２ｂと呼ぶこととする。

ビームスプリッタ１８を透過した第１の光２２ａは、第２の１／４波長板１６ｂを透過することで、横方向の直線偏光の光に変わる。そしてこの第１の光２２ａは、第２の偏光板１４ｂで反射する。

第２の偏光板１４ｂで反射した、横方向の直線偏光の光である第１の光２２ａは、第２の１／４波長板１６ｂを透過することで、光の進行方向に沿って見た場合に右回りとなる円偏光の光となる。

第２の１／４波長板１６ｂを透過した、光の進行方向に沿って見た場合に右回りとなる円偏光の光である第１の光２２ａの一部は、ビームスプリッタ１８で反射することで、光の進行方向に沿って見た場合に左回りとなる円偏光の光となる。なお、第１の光２２ａのうちの残りは、ビームスプリッタ１８を透過するが、この光はユーザの視覚に与える影響が少ないので、以下の説明では省略する。

ビームスプリッタ１８で反射した、光の進行方向に沿って見た場合に左回りとなる円偏光の光である第１の光２２ａは、第２の１／４波長板１６ｂを透過することで縦方向の直線偏光の光となる。そしてこの第１の光２２ａは第２の偏光板１４ｂ、及び、レンズ２０を透過して、ユーザの眼に届くこととなる。

一方、ビームスプリッタ１８で反射した、光の進行方向に沿って見た場合に左回りとなる円偏光の光である第２の光２２ｂは、第１の１／４波長板１６ａを透過することで横方向の直線偏光の光となる。そしてこの第２の光２２ｂは、第１の偏光板１４ａで反射する。

第１の偏光板１４ａで反射した、横方向の直線偏光の光である第２の光２２ｂは、第１の１／４波長板１６ａを透過することで、光の進行方向に沿って見た場合に左回りとなる円偏光の光となる。

そして第１の１／４波長板１６ａを透過した、光の進行方向に沿って見た場合に左回りとなる円偏光の光である第２の光２２ｂの一部は、ビームスプリッタ１８を透過する。なお、第２の光２２ｂのうちの残りは、ビームスプリッタ１８のミラー面１８ａで反射されるが、この光はユーザの視覚に与える影響が少ないので、以下の説明では省略する。

ビームスプリッタ１８を透過した、光の進行方向に沿って見た場合に左回りとなる円偏光の光である第２の光２２ｂは、第２の１／４波長板１６ｂを透過することで、縦方向の直線偏光の光となる。そしてこの第２の光２２ｂは、第２の偏光板１４ｂ、及び、レンズ２０を透過して、ユーザの眼に届くこととなる。

ここで第１の光２２ａの空気換算光路長と第２の光２２ｂの空気換算光路長とが異なるとゴーストが生じ、その結果、表示される映像が見えにくくなることがあった。また表示部１２から出射される光の一部が表示される映像の光とはならずにゴーストの光となることによって、表示される映像が暗くなることがあった。

そこで本実施形態では以下のようにして第１の光２２ａの空気換算光路長と第２の光２２ｂの空気換算光路長とが同じになるようにした。

ここで図３を参照しながら空気換算光路長について説明する。図３に示すように、厚さがｔであり、屈折率がｎである媒質３０を想定する。そして空気と媒質３０との入射側の境界面３２ａ上の位置Ｐにおいて、空気から媒質３０に入射角θ１で入射する光が、屈折角θ２で媒質３０内を進むこととする。

そしてこの光が、空気と媒質３０との出射側の境界面３２ｂ上の位置Ｑにおいて媒質３０から出射することとする。なお境界面３２ａと境界面３２ｂとは平行であることとする。そして媒質３０が空気であると仮定した際におけるこの光の位置Ｑに相当する位置を位置Ｒとする。ここでは例えば図３に示すように、位置Ｐにおいて媒質３０に入射する光を延長した線と、位置Ｑを通る境界面３２ｂの法線との交点の位置を位置Ｒとする。そして境界面３２ａから位置Ｒまでの長さをｘとする。

この場合、スネルの法則により、ｓｉｎθ１＝ｎ・ｓｉｎθ２との関係が成立する。なおここでは空気の屈折率を１としている。そしてｘ・ｔａｎθ１＝ｔ・ｔａｎθ２の関係も成立する。よって、ｘ＝（ｔ／ｎ）・（ｃｏｓθ１／ｃｏｓθ２）となる。ここでθ１もθ２も充分小さいという仮定による近似を導入すると、ｘ＝ｔ／ｎとの関係が成立する。よって、厚さがｔであり、屈折率がｎである媒質３０の空気換算光路長は、ｔ／ｎとなる。

以上を踏まえると、第１の光２２ａの空気換算光路長は、ｔａ／ｎａ＋ｔｂ／ｎｂ＋Ｌ１＋３・ｔｃ／ｎｃ＋３Ｌ２＋３・ｔｄ／ｎｄ＋ｔｅ／ｎｅとなる。また第２の光２２ｂの空気換算光路長は、ｔａ／ｎａ＋３・ｔｂ／ｎｂ＋３Ｌ１＋ｔｃ／ｎｃ＋Ｌ２＋ｔｄ／ｎｄ＋ｔｅ／ｎｅとなる。

なお上述の式では、図２に示すように、第１の偏光板１４ａ、第１の１／４波長板１６ａ、ビームスプリッタ１８、第２の１／４波長板１６ｂ、第２の偏光板１４ｂの厚さが、それぞれ、ｔａ、ｔｂ、ｔｃ、ｔｄ、ｔｅと表現されている。

また第１の１／４波長板１６ａのレンズ２０側の面とビームスプリッタ１８の表示部１２側の面（ミラー面１８ａ）との間の長さがＬ１と表現されている。また、ビームスプリッタ１８のレンズ２０側の面と第２の１／４波長板１６ｂの表示部１２側の面との間の長さがＬ２と表現されている。

また第１の偏光板１４ａ、第１の１／４波長板１６ａ、ビームスプリッタ１８、第２の１／４波長板１６ｂ、第２の偏光板１４ｂの屈折率が、それぞれ、ｎａ、ｎｂ、ｎｃ、ｎｄ、ｎｅと表現されている。

この場合、Ｌ１＝Ｌ２＋ｔｃ／ｎｃ＋ｔｄ／ｎｄ−ｔｂ／ｎｂとの関係式が導かれる。そして本実施形態では、第１の光２２ａの空気換算光路長と第２の光２２ｂの空気換算光路長とが同じになる位置、すなわち、Ｌ１とＬ２との間で上述の関係が成立する位置にビームスプリッタ１８が配置される。

ここで例えば、第１の１／４波長板１６ａと第２の１／４波長板１６ｂとが同じ厚さであり同じ屈折率であるとする。この場合、ｔｄ／ｎｄ−ｔｂ／ｎｂの値は０となる。よってこの場合は、Ｌ１＝Ｌ２＋ｔｃ／ｎｃとの関係式が成立する。この関係式は、第１の１／４波長板１６ａのレンズ２０側の面からビームスプリッタ１８のミラー面１８ａまでと第２の１／４波長板１６ｂの表示部１２側の面からビームスプリッタ１８のミラー面１８ａまでとで空気換算光路長が同じであることを意味する。

そこで、以上の点、及び、第１の１／４波長板１６ａと第２の１／４波長板１６ｂとが同じ厚さであり同じ屈折率である可能性が高いことを踏まえ、Ｌ１＝Ｌ２＋ｔｃ／ｎｃとの関係が成立する位置にビームスプリッタ１８が配置されるようにしてもよい。例えば第１の１／４波長板１６ａのレンズ２０側の面からミラー面１８ａまでの空気換算光路長と第２の１／４波長板１６ｂの表示部１２側の面からミラー面１８ａまでの空気換算光路長とが同じとなる位置にビームスプリッタ１８が配置されるようにしてもよい。

また本実施形態では、第１の光２２ａの空気換算光路長及び第２の光２２ｂの空気換算光路長は、いずれもレンズ２０の焦点距離ｆ０となるよう、各部材の配置は決定される。

ここで第１の光２２ａの空気換算光路長及び第２の光２２ｂの空気換算光路長をｆ０とする。この場合、Ｌ１＝ｆ０／４−ｔａ／（４・ｎａ）−ｔｂ／ｎｂ−ｔｅ／（４・ｎｅ）との関係式、及び、Ｌ２＝ｆ０／４−ｔａ／（４・ｎａ）−ｔｃ／ｎｃ−ｔｄ／ｎｄ−ｔｅ／（４・ｎｅ）との関係式が導かれる。このことを踏まえ、これらの関係式を満足する位置に、表示部１２、第１の偏光板１４ａ、第１の１／４波長板１６ａ、ビームスプリッタ１８、第２の１／４波長板１６ｂ、第２の偏光板１４ｂ、及び、レンズ２０が配置されるようにしてもよい。

以上で説明したように本実施形態では、第１の光２２ａの空気換算光路長と第２の光２２ｂの空気換算光路長とが同じになる位置にビームスプリッタ１８が配置される。すなわち、Ｌ１とＬ２との間でＬ１＝Ｌ２＋ｔｃ／ｎｃ＋ｔｄ／ｎｄ−ｔｂ／ｎｂとの関係式を満足する位置にビームスプリッタ１８が配置される。このようにして本実施形態によれば、ゴーストの発生を抑制できることとなる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば本実施形態をＨＭＤ１０以外の、例えば表示される映像を見る人との間の長さに制限がある車載メータなどの表示装置に応用してもよい。

また、上記の具体的な文字列や数値及び図面中の具体的な文字列や数値は例示であり、これらの文字列や数値には限定されない。

Claims (3)

1. 映像を表示する表示部と、
   レンズと、
   平面状の第１の偏光板と、
   平面状の第１の１／４波長板と、
   平面状の第２の偏光板と、
   平面状の第２の１／４波長板と、
   平面状のビームスプリッタと、を含み、
   前記レンズは前記表示部の表示面に対向して配置されており、
   前記第１の偏光板、前記第１の１／４波長板、前記第２の偏光板、前記第２の１／４波長板、及び、前記ビームスプリッタは、前記表示部と前記レンズとの間に、前記表示部の表示面から前記レンズに向かって出射される映像光の光軸に沿って、前記表示部から前記レンズに向かって、前記第１の偏光板、前記第１の１／４波長板、前記ビームスプリッタ、前記第２の１／４波長板、前記第２の偏光板の順に、前記表示部の表示面に対向する面及び前記レンズに対向する面が前記光軸に対して垂直になるよう配置されており、
   前記ビームスプリッタは、前記表示部から出射されてから前記レンズを透過するまでの間に、前記第２の偏光板で反射し、その後前記ビームスプリッタで反射する光路を経由する第１の光の空気換算光路長と、前記表示部から出射されてから前記レンズを透過するまでの間に、前記ビームスプリッタで反射し、その後前記第１の偏光板で反射する光路を経由する第２の光の空気換算光路長と、が同じとなる位置に配置されている、
   ことを特徴とする表示装置。
2. 前記ビームスプリッタは、前記第１の１／４波長板の前記レンズ側の面から前記ビームスプリッタのミラー面までの空気換算光路長と前記第２の１／４波長板の前記表示部側の面からビームスプリッタのミラー面までの空気換算光路長とが同じとなる位置に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記第１の偏光板は前記第１の１／４波長板と接触しており、
   前記第２の偏光板は前記第２の１／４波長板と接触している、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。

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