JP7196038B2 - 映像表示装置、及びそれを用いたヘッドマウントディスプレイ - Google Patents
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Description
図1は本実施例におけるHMDの使用形態を示す図である。図1に示すように、HMD101はユーザ2の頭部に装着され、外界が視認可能な状態でユーザ2は図示しない映像表示装置からの映像をユーザの瞳15を介して虚像3として視認できる。なお、図1では片眼に映像を表示する場合を図示したが、両眼の構成としてもよい。
図3は、本実施例における映像表示装置の機能ブロック構成図である。映像示装置1は、映像生成部4と、投射光学部5と、映像光複製部6と、導光部7とを有する。
次に導光板の構成を説明する。図5は、本実施例における導光板の構成図である。図5において、(a)は導光板8の正面図、(b)は導光板8の平面図を示している。
次に部分反射面アレイ14の反射面間隔について説明する。図6は、本実施例における導光板8の一部分を示した図であり、部分反射面アレイの面間隔を説明する図である。
次に、部分反射面アレイ14の第2の内面反射面12に対する角度θについて説明する。図7は、本実施例における導光板内部および導光板から出射される映像光の光路を示す図である。
θr=2θ-arcsin(sinα÷n) …(1)
θrで入射する光が全反射する条件は、導光板8の屈折率で決まる臨界角θc=arcsin(1÷n)を用いて式(2)のように書ける。
θr=2θ-arcsin(sinα÷n)>θc …(2)
θ>0.5×(arcsin(sin(FOV_H÷2)÷n)+θc) …(3)
θb=θ+θr=3θ-arcsin(sinα÷n) …(4)
よって少なくとも式(5)を満たす必要がある。
3θ+arcsin((sin(FOV_H÷2)÷n)<90 …(5)
θの条件に直すと、
θ<30-(arcsin(sin(FOV_H÷2)÷n)÷3 …(6)
式(3)、(6)から、望ましい部分反射面の角度θの範囲が導光板屈折率nと映像光の水平画角FOV_Hで求まる。
部分反射面アレイ14の反射率は、部分反射面13の反射率をそれぞれ異ならせた構成も考えることができるが、複数のコーティングの設計や実装等が必要なためコストが増加する。そのため、コスト面から略等反射率を持つ部分反射面で部分反射面アレイを構成することが望ましい。
図8は、本実施例における瞳拡大プリズムの構成を説明する図である。図8において、(a)、(b)及び(c)は、それぞれ瞳拡大プリズム9の側面図、正面図及び平面図を示している。図8において、瞳拡大プリズム9は、入射面22と、出射面23を有し、複数の部分反射面24を有する。部分反射面24は、互いに略平行である。図8では一例として4枚の部分反射面24を備えた瞳拡大プリズム9を示しているが、部分反射面の枚数は4枚より少なくて多くても構わない。以降、部分反射面24は、入射面22に近い側から順に第一の部分反射面、第二の部分反射面のように称する。
図9は、本実施例における投射光学部5の一例である投射光学ユニット10を示す図である。図9では、投射光学ユニット10は2枚のレンズ28A、28B、を有している例を示す。図9において、29は投射光学ユニット10の射出瞳を示し、30は投射光学ユニット10の射出瞳径を、46は投射レンズ径を表している。なお、投射レンズ径といった場合、最も映像光複製部6に近いレンズの外径を指す。投射光学ユニット10を出射した映像光は、映像光複製部6によって複製されて複数映像光となった後、導光板8に入射する。射出瞳29が導光板入射面位置から大きくはなれていると、導光板入射時に射出瞳29が欠けることになり、輝度をムラが生じる。また、映像光の導光板8へのカップリング効率が低下する。そのため、投射光学部5の射出瞳29の位置は映像投射部よりも映像光複製部6に近い位置にある方がよく、映像光複製部6の内部にあるとなおよい。また投射光学部5の射出瞳29の位置は導光板8の入射面16の位置と略等しいとよい。これにより射出瞳欠けによる輝度ムラを低減し、映像光複製部6が出射した映像光の導光板8へのカップリング効率を高め、映像表示装置全体の光利用効率を高めることができる。
次に、瞳拡大プリズムが射出瞳を複製する際、輝度ムラが生じないための構成について説明する。
瞳拡大プリズム9に入射した映像光は、瞳拡大プリズム9の内部を伝搬する間に、複数の部分反射面24で反射または透過するごとに強度が減衰する。そこで、部分反射面の反射率を入射面側から離れていくに従って次第に大きくすることによって、瞳拡大プリズム9が出力する映像光の強度密度を略一定にでき、利用者が視認する映像の輝度ムラを低減できる。特に瞳拡大プリズム9の部分反射面24のうちで最上部に配置された(最も入射面から離れた部分反射面)部分反射面24はアルミニウムや銀によるミラーコートが望ましい。このような構成とすることで瞳拡大プリズム9に入射した映像光の略すべてを出射し利用することができる。
次に、瞳拡大プリズム9と導光板8の結合方法について説明する。まず前提として、導光板8への入射光と映像歪みの関係について説明する。図12は、本実施例における導光板への入射光と映像歪みの関係を説明する図である。図12においては、簡略化のため瞳拡大プリズム9及びその光路は省略している。図12(a)は画角中心の主光線が導光板8の入射面16から入射し、部分反射面13で反射し、導光板8の正面から出射されるまでの光路を示している。図12(a)に示すように導光板の頂角18の角度αが部分反射面角度θの2倍の2θでないと、入射面16で画角中心の主光線が屈折するため、映像の歪みが発生する。そのため図12(b)のように導光板の頂角18を2θとすることで、画角中心の主光線が屈折せず、導光板から出射されるため映像歪みを無くすことができる。
図15は、本実施例における瞳拡大プリズムに入射する映像光の光路を説明する図である。すなわち、投射光学ユニット10から出射して瞳拡大プリズム9に入射し、瞳拡大プリズム9の内部を伝搬する映像光の光線の一例を示す図である。
次に、小型化の観点から瞳拡大プリズム9の外形について説明する。図16は瞳拡大プリズム9を上側から見た図であり、光束径38は投射光学部から出射される映像光のうち最も光束が大きくなる径を示している。図16(a)で示した瞳拡大プリズム9において光束径38が無い領域をカットすることができる。一例を図16(b)、(c)に示した。図16(b)は側面37が側面25と平行になるようにカットした瞳拡大プリズム9である。図16(c)は光束径38が削れないように小型化のため図16(b)をさらにカットした瞳拡大プリズム9である。図16(b)、(c)は図16(a)と比較して小型であるが、外形を成す辺が1個増加しており、図16(a)の瞳拡大プリズム9と比較して、カットのための工程が加わる。また、図16(b)と(c)を比較すると、側面37が側面25と平行である図16(b)の瞳拡大プリズム9の方がカットのための治具が減るため、安価に製造可能である。以上、光束径38が削れないような一例を示したが、小型化に重点をおいて、光束径38を削るようなカットをしてもよい。
Claims (11)
- ユーザに映像を投射する映像表示装置であって、
該映像表示装置は、
映像光を生成する映像生成部と、
該映像生成部で生成された映像光を投射する投射光学部と、
該投射光学部で投射された映像光を複製して出射する映像光複製部と、
該映像光複製部で複製された映像光をユーザに投射する導光部を備え、
前記投射光学部は少なくとも1個の投射レンズを備え、
前記映像光複製部が映像光を複製する間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記映像光複製部は入射する映像光の一部を反射し一部を透過する複数の部分反射面を有し、該複数の部分反射面は前記入射する映像光の光軸に対して斜めに配置されており、
前記映像光複製部は、映像光が入射する入射面と、前記複数の部分反射面と、複製した映像光を出射する出射面を備えたプリズムからなり、前記複数の部分反射面の間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記映像光複製部は、前記入射面に近い第1の部分反射面と次に近い第2の部分反射面を有し、前記第2の部分反射面での反射光が全て前記第1の部分反射面を透過することを特徴とする映像表示装置。 - ユーザに映像を投射する映像表示装置であって、
該映像表示装置は、
映像光を生成する映像生成部と、
該映像生成部で生成された映像光を投射する投射光学部と、
該投射光学部で投射された映像光を複製して出射する映像光複製部と、
該映像光複製部で複製された映像光をユーザに投射する導光部を備え、
前記投射光学部は少なくとも1個の投射レンズを備え、
前記映像光複製部が映像光を複製する間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記映像光複製部は入射する映像光の一部を反射し一部を透過する複数の部分反射面を有し、該複数の部分反射面は前記入射する映像光の光軸に対して斜めに配置されており、
前記映像光複製部は、映像光が入射する入射面と、前記複数の部分反射面と、複製した映像光を出射する出射面を備えたプリズムからなり、前記複数の部分反射面の間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記投射レンズの光軸が前記プリズムの中心軸に対して前記プリズムの出射方向とは逆方向に偏心して配置されていることを特徴とする映像表示装置。 - ユーザに映像を投射する映像表示装置であって、
該映像表示装置は、
映像光を生成する映像生成部と、
該映像生成部で生成された映像光を投射する投射光学部と、
該投射光学部で投射された映像光を複製して出射する映像光複製部と、
該映像光複製部で複製された映像光をユーザに投射する導光部を備え、
前記投射光学部は少なくとも1個の投射レンズを備え、
前記映像光複製部が映像光を複製する間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記映像光複製部は入射する映像光の一部を反射し一部を透過する複数の部分反射面を有し、該複数の部分反射面は前記入射する映像光の光軸に対して斜めに配置されており、
前記映像光複製部は、映像光が入射する入射面と、該入射面から入射した映像光を反射する反射面と、該反射面で反射した映像光を複製するための複数の部分反射面と、該複製した映像光を出射する出射面を備えたプリズムからなり、
前記複数の部分反射面の間隔は前記投射レンズの外径よりも小さく、
前記投射光学部と前記プリズムは、前記投射レンズの中心軸を通る光が前記反射面で反射した光軸が前記プリズムの中心軸に対して該プリズムの出射方向とは逆方向に偏心するように配置されていることを特徴とする映像表示装置。 - 請求項2に記載の映像表示装置であって、
前記プリズムが映像光を複製する方向を第一の方向とし、
前記複数の部分反射面のそれぞれの反射率は前記入射面側から第一の方向に行くにつれて高くなることを特徴とする映像表示装置。 - 請求項2に記載の映像表示装置であって、
前記プリズムは、前記複数の部分反射面の間隔が1mmから15mmの範囲にあることを特徴とする映像表示装置。 - 請求項2に記載の映像表示装置であって、
前記プリズムは、前記部分反射面の前記出射面と直行する面からの角度が45度より大きいことを特徴とする映像表示装置。 - 請求項2に記載の映像表示装置であって、
前記プリズムは、前記部分反射面をオプティカルコンタクトにより接合したことを特徴とする映像表示装置。 - 請求項2に記載の映像表示装置であって、
前記プリズムは映像歪み補正機能を有することを特徴とする映像表示装置。 - 請求項8に記載の映像表示装置であって、
前記映像歪み補正機能は、前記プリズムが映像光を出射する際、所定の角度に屈折して出射することを特徴とする映像表示装置。 - 請求項2に記載の映像表示装置であって、
前記投射光学部の射出瞳は、前記投射光学部よりも前記映像光複製部に近い位置にあることを特徴とする映像表示装置。 - 請求項10に記載の映像表示装置であって、
前記投射光学部の射出瞳は、前記投射光学部の内部にあることを特徴とする映像表示装置。
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