JP7259390B2 - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関する。

特許文献１には、下方視界を確保し開放感を高めたシースルー型のヘッドマウントディスプレイが開示されている。特許文献１の図５のヘッドマウントディスプレイは、液晶表示素子と、偏光ビームスプリッタと、凹面ハーフミラーと、１／４波長板と、偏光性の回折素子と、を備えている。偏光ビームスプリッタは、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。偏光性の回折素子は、偏光ビームスプリッタによって反射される偏光方向の光を回折し、偏光ビームスプリッタによって透過される偏光方向の光を透過する。

特許文献１の図６のヘッドマウントディスプレイは、液晶表示素子と、凹面ハーフミラーと、平面ハーフミラーと、第１の偏光手段と、第２の偏光手段とを備えている。第１の偏光手段は、Ｐ偏光を透過する偏光板である。第２の偏光手段は、Ｐ偏光を吸収し、Ｓ偏光を透過する偏光板である。二つの偏光板は、透過軸が直交するように配置されている。

特開平１１－９５１６０号公報

特許文献１の図５では、偏光性の回折素子を用いているため、回折光に波長依存性が生じてしまう。下方からの外光を不要光として排除する場合、特定の波長の光が、表示光と重畳されて視認されてしまうおそれがある。

特許文献１の図６では、液晶表示素子からの表示光が、平面ハーフミラーを２回透過する。このため、表示光の減衰が大きくなってしまう。また、第２の偏光手段がＳ偏光を透過するためヘッドマウントディスプレイ内部に強い下からの不要光が入射し、適切に下方からの不要光を遮光することができないおそれがある。よって、下方からの不要光が迷光として、ユーザに視認されてしまうおそれがある。

本開示は上記の点に鑑みなされたものであり、開放感を得ながら外光と表示光とを適切に重畳することができるヘッドマウントディスプレイを提供することを目的とする。

本実施形態にかかるヘッドマウントディスプレイは、表示画像を形成するための表示光と、ヘッドマウントディスプレイを装着したユーザの前方からの外光とを合成するコンバイナと、前記コンバイナと前記ユーザの左眼及び右眼との間に配置され、偏光状態に応じて光を透過又は反射する偏光ビームスプリッタであって、前記表示光を前記コンバイナに向けて反射するとともに、前記コンバイナで反射した前記表示光を透過する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタと前記コンバイナとの間に配置された１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタの下に配置され、下部窓として機能する偏光子と、を備えたものである。

本開示によれば、開放感を得ながら外光と表示光を適切に重畳することができるヘッドマウントディスプレイ、表示方法、及び表示システムを提供することを目的とする。

本実施の形態にかかるヘッドマウントディスプレイの一部の構成を示す図である。 本実施の形態にかかるヘッドマウントディスプレイの機能ブロックを示す図である。 実施の形態１にかかるヘッドマウントディスプレイの光学系の構成を模式的に示す図である。 実施の形態２にかかるヘッドマウントディスプレイの光学系の構成を模式的に示す側面図である。 実施の形態２にかかるヘッドマウントディスプレイの光学系の構成を模式的に示す上面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本開示が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載および図面は、適宜、簡略化されている。

実施の形態１．
本実施の形態にかかるヘッドマウントディスプレイ、及びその表示方法について、図を参照して説明する。図１はヘッドマウントディスプレイ１００の一部の構成を模式的に示す斜視図である。図２はヘッドマウントディスプレイ１００の一部の機能ブロックを示す図である。図１、図２では、主として、ヘッドマウントディスプレイ１００の画像表示に関する構成が示されている。図１では、ヘッドマウントディスプレイ１００の内部構成が示されており、実際には、図１に示す各構成要素がカバーなどで覆われていてもよい。

ヘッドマウントディスプレイ１００は、ゲーム用、エンターテインメント用、産業用、医療用、フライトシミュレータ用などの様々な用途に適用可能である。ヘッドマウントディスプレイ１００は、例えばＡＲ（Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）ヘッドマウントディスプレイやＭＲ（Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）ヘッドマウントディスプレイである。

以下、説明の明確化のため、ＸＹＺ３次元直交座標系を用いて説明を行う。ユーザを基準として、前後方向（奥行方向）をＺ方向、左右方向（水平方向）をＸ方向、上下方向（鉛直方向）をＹ方向とする。前方向が＋Ｚ方向、後ろ方向が－Ｚ方向、右方向を＋Ｘ方向、左方向を－Ｘ方向、上方向を＋Ｙ方向、下方向を－Ｙ方向とする。

図示しないユーザが、ヘッドマウントディスプレイ１００を装着している。ヘッドマウントディスプレイ１００は、表示素子部１０１と、フレーム１０２と、左眼用光学系１０３Ｌと、右眼用光学系１０３Ｒと、制御部１０５を備えている。制御部１０５は、制御部１０５Ｌと制御部１０５Ｒとを備えている。

フレーム１０２はゴーグル形状や眼鏡形状を有しており、図示しないヘッドバンドなどによりユーザの頭部に装着される。フレーム１０２には、表示素子部１０１、左眼用光学系１０３Ｌ、右眼用光学系１０３Ｒ、制御部１０５Ｌ、制御部１０５Ｒが取り付けられている。なお、図１では、両眼式のヘッドマウントディスプレイ１００が図示されているが、眼鏡形状を有するヘッドマウントディスプレイや、単眼式のヘッドマウントディスプレイであってもよい。

表示素子部１０１は、左眼用表示素子１０１Ｌと右眼用表示素子１０１Ｒを備えている。左眼用表示素子１０１Ｌは、左眼用の表示画像を生成する。右眼用表示素子１０１Ｒは、右眼用の表示画像を生成する。左眼用表示素子１０１Ｌ、及び右眼用表示素子１０１Ｒはそれぞれ液晶モニタや有機ＥＬ（Electro-Luminescence）モニタなどのフラットパネルディスプレイを備えている。左眼用表示素子１０１Ｌ、及び右眼用表示素子１０１Ｒは曲面形状を有するディスプレイでもよい。左眼用表示素子１０１Ｌと右眼用表示素子１０１Ｒは、それぞれアレイ状に配置された複数の画素を備えている。ここでアレイ状の配置とは、２次元行列の配置だけでなく、ペンタイル配列などでもよい。左眼用表示素子１０１Ｌは右眼用表示素子１０１Ｒの左側（－Ｘ側）に配置されている。

表示素子部１０１の上方（＋Ｙ側）には、制御部１０５が設けられている。制御部１０５には、外部からの映像信号、制御信号、電源が供給されている。例えば、ＨＤＭＩ（登録商標）などの有線接続、又はＷｉＦｉ（登録商標）やＢｌｕｅＴｏｏｔｈ（登録商標）等の無線接続によって、映像信号等が制御部１０５に入力される。ヘッドマウントディスプレイ１００は、映像信号を生成する映像生成部（図示せず）を備えていてもよく、制御部１０５には、映像生成部が生成した映像信号等が入力されてもよい。

制御部１０５Ｌ、制御部１０５Ｒはそれぞれ、ディスプレイの駆動回路等を備えている。制御部１０５Ｌは、映像信号、制御信号等に基づいて、左眼用画像の表示信号を生成して、左眼用表示素子１０１Ｌに出力する。これにより、左眼用表示素子１０１Ｌは、左眼用画像を表示するための表示光を出力する。制御部１０５Ｒは、映像信号、制御信号等に基づいて、右眼用画像の表示信号を生成して、右眼用表示素子１０１Ｒに出力する。これにより、右眼用表示素子１０１Ｒは、右眼用の表示画像を表示するための表示光を出力する。つまり、制御部１０５は表示信号を表示素子部１０１に出力する。

なお、表示素子部１０１は、左眼用表示素子１０１Ｌと右眼用表示素子１０１Ｒを別々の表示素子とする構成に限らず、単一の表示素子とする構成としてもよい。単一の表示素子が、左眼用の表示画像と右眼用の表示画像とを生成してもよい。この場合、表示素子部１０１は、ディスプレイの表示領域の片側の一部を用いて、左眼用画像を生成し、反対側の一部を用いて、右眼用画像を生成する。

表示素子部１０１、制御部１０５等の一部又は全部は、フレーム１０２に固定されている構成に限らず、フレーム１０２に対して脱着可能に設けられていてもよい。例えば、スマートホン又はタブレットコンピュータ等をフレーム１０２に対して取り付けることで、表示素子部１０１、制御部１０５等を実現してもよい。この場合、スマートホン等にヘッドマウントディスプレイ用の表示画像を生成するアプリケーションプログラム（アプリ）を予めインストールしておけばよい。

左眼用光学系１０３Ｌは、左眼用表示素子１０１Ｌが出力した表示光を、左眼用画像としてユーザの左眼ＥＬに導く。右眼用光学系１０３Ｒは、右眼用表示素子１０１Ｒが出力した表示光を、右眼用画像としてユーザの右眼ＥＲに導く。左眼用光学系１０３Ｌは右眼用光学系１０３Ｒの左側（－Ｘ側）に配置されている。左眼用光学系１０３Ｌは、ユーザの左眼ＥＬの前方（＋Ｚ方向）に配置されている。右眼用光学系１０３Ｒは、ユーザの右眼ＥＲの前方（＋Ｚ方向）に配置されている。ユーザは、表示素子部１０１が生成した表示画像の虚像を正面前方（＋Ｚ方向）に視認することができる。

本実施の形態にかかるヘッドマウントディスプレイ１００は、半透過型のヘッドマウントディスプレイ１００である。従って、左眼用光学系１０３Ｌ、及び右眼用光学系１０３Ｒは、後述するコンバイナを備えている。半透過型のヘッドマウントディスプレイ１００では、表示素子部１０１からの表示光と、外光とが、左眼ＥＬ及び右眼ＥＲに入射する。よって、ユーザは、前方（＋Ｚ方向）の景色に表示画像が重畳した重畳画像を視認することができる。

以下、左眼用光学系１０３Ｌと右眼用光学系１０３Ｒ（以下、まとめて単に光学系と称する）の例について説明する。図３は、光学系を模式的に示す側面図である。なお、左眼用光学系１０３Ｌと右眼用光学系１０３Ｒとは同様の構成となっているため、図３においては、左眼用光学系１０３Ｌについてのみ説明を行う。

左眼用光学系１０３Ｌは、コンバイナ１２１Ｌと、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌと、１／４波長板１２３Ｌと、偏光子１２４Ｌと、を備えている。コンバイナ１２１Ｌ、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌ、１／４波長板１２３Ｌ、及び偏光子１２４Ｌは、図１で示したフレーム１０２に固定されている。

コンバイナ１２１Ｌと偏光ビームスプリッタ１２２Ｌと１／４波長板１２３Ｌは、ユーザの左眼ＥＬの正面前方（＋Ｚ方向）に配置されている。また、コンバイナ１２１Ｌは、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの前方（＋Ｚ方向）に配置されている。コンバイナ１２１Ｌと偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとの間に、１／４波長板１２３Ｌが配置されている。つまり、＋Ｚ側から－Ｚ側に向かうにつれて、コンバイナ１２１Ｌ、１／４波長板１２３Ｌ、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌ、左眼ＥＬの順に配置されている。

左眼用表示素子１０１Ｌは、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの上方（＋Ｙ方向）に配置されている。つまり、左眼用表示素子１０１Ｌは、左眼ＥＬの斜め上に配置されている。偏光子１２４Ｌは、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの下方（－Ｙ方向）に配置されている。つまり、偏光子１２４Ｌは、左眼ＥＬの斜め下に配置されている。

コンバイナ１２１Ｌはハーフミラー等のビームスプリッタであり、入射光の一部を反射して、一部を透過する。よって、後述する表示光Ｌ１２のコンバイナ１２１Ｌにおける反射の比率とユーザの前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２１の反射の比率とが等しいとすると、外光Ｌ２１のほぼ半分がコンバイナ１２１Ｌを透過する。コンバイナ１２１Ｌは凹面鏡となっている。コンバイナ１２１Ｌは、表示光Ｌ１２の反射の比率を増やし外光Ｌ２１の透過の比率を減らしてもよいし、表示光Ｌ１２の反射の比率を減らし外光Ｌ２１の透過の比率を増やしてもよい。

偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは、偏光状態に応じて、光を透過又は反射する。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとしては、反射型偏光板を用いることができる。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの透過軸は、紙面と平行になっている。図３において、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは、紙面と平行な偏光成分を透過して、紙面と直交する偏光成分を反射する。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を反射する。無偏光の光が偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに入射すると、Ｐ偏光の透過光と、Ｓ偏光の反射光とに分岐される。

１／４波長板１２３Ｌは、直交する偏光成分に９０°の位相差を与える。光が１／４波長板１２３Ｌを透過することで、偏光状態が変化する。例えば、直線偏光が１／４波長板１２３Ｌを透過すると、円偏光に変換される。円偏光が１／４波長板１２３Ｌを透過すると直線偏光に変換される。１／４波長板１２３Ｌは、ＸＹ平面に平行に配置されている。

偏光子１２４Ｌは、斜め下方の視界を得るための下部窓として機能する。前方斜め下からの左眼ＥＬに向かう外光Ｌ４１が偏光子１２４Ｌを透過する。ユーザが偏光子１２４Ｌを介して斜め下方を視認することができる。ユーザは偏光子１２４Ｌの大きさに応じた下方視界を得ることができる。偏光子１２４Ｌは、ＸＺ平面に沿って配置された偏光板である。

偏光子１２４Ｌは例えば、ワイヤーグリッド偏光子や、誘電体膜の偏光子である。偏光子１２４Ｌは、図３に示すようにＸＺ平面に平行に配置される構成に限らない。例えば偏光子１２４Ｌは、－Ｚ側が高くなり、かつ、＋Ｚ側が低くなる傾斜をつけて配置されてもよい。一般にワイヤーグリッド偏光子は、誘電体膜の偏光子と比較して、入射する光の入射角の傾きが大きい場合であっても優れた偏光特性を有する。優れた偏光特性とは、所望の方向の偏光を透過し、それと異なる方向の偏光を反射することである。よって偏光子１２４Ｌが傾斜をつけて配置される場合には、ワイヤーグリッド偏光子を偏光子１２４Ｌとして選択するのがよい。偏光子１２４Ｌが傾斜をつけて配置され、かつ誘電体膜の偏光子を偏光子１２４Ｌとして選択する場合には、後述する不要反射光Ｌ３１の入射角に最適化された偏光特性を有する誘電体膜の偏光子を選択するのがよい。

偏光子１２４Ｌとして、吸収型の偏光板を用いることができる。偏光子１２４Ｌの透過軸は、紙面と平行になっている。図３において、偏光子１２４Ｌは、紙面に平行な偏光成分を透過し、紙面に直交する偏光成分を吸収する。偏光子１２４Ｌは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を吸収する。なお、偏光子１２４Ｌとして、反射型の偏光板を用いてもよい。偏光子１２４Ｌは、コンバイナ１２１Ｌから左眼ＥＬまでの表示光の光路の外側に配置されている。

左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１について説明する。左眼用表示素子１０１Ｌの表示面は、鉛直下方（－Ｙ方向）に向いている。したがって、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１は、－Ｙ方向に出射される。左眼用表示素子１０１Ｌは、例えば、液晶表示パネルを有する液晶モニタである。液晶表示パネルはバックライトからの光の偏光状態を制御することで、光を空間変調する。そのため、左眼用表示素子１０１Ｌの液晶パネルの出射側には、偏光フィルム１０１１Ｌが貼り付けられている。偏光フィルム１０１１Ｌは、紙面と直交する直線偏光を透過して、紙面と平行な直線偏光を吸収する。よって、左眼用表示素子１０１Ｌが発生する表示光Ｌ１１が直線偏光となっている。図３において、表示光Ｌ１１は紙面と直交する方向の直線偏光となっており、この方向を第１の方向とする。

左眼用表示素子１０１Ｌの下方（－Ｙ方向）には偏光ビームスプリッタ１２２Ｌが傾斜して配置されている。よって、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは表示光Ｌ１１を前方（＋Ｚ方向）に反射する。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは、表示光Ｌ１１をコンバイナ１２１Ｌに向けて反射する。表示光Ｌ１１は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに対してＳ偏光となっている。表示光Ｌ１１のほぼ全てが、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌによって反射される。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌで前方（＋Ｚ方向）に反射した表示光Ｌ１１の反射光を表示光Ｌ１２とする。

偏光ビームスプリッタ１２２Ｌで反射した表示光Ｌ１２は、１／４波長板１２３Ｌを介して、コンバイナ１２１Ｌに入射する。コンバイナ１２１Ｌは、後方（－Ｚ方向）に表示光Ｌ１２を反射する。コンバイナ１２１Ｌは、表示光Ｌ１２を偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに向けて反射する。さらに、コンバイナ１２１Ｌは凹面鏡であり、表示光Ｌ１２を左眼ＥＬに向けて集光するように、表示光Ｌ１２を反射する。コンバイナ１２１Ｌで反射された表示光Ｌ１２の反射光を表示光Ｌ１３とする。表示光Ｌ１３は、１／４波長板１２３Ｌを介して、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに入射する。

コンバイナ１２１Ｌと偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとの間には、１／４波長板１２３Ｌが設けられている。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとコンバイナ１２１Ｌとの間を往復する表示光は、１／４波長板１２３Ｌを２回透過するため、表示光の偏光方向が９０°回転する。つまり、表示光Ｌ１３は、表示光Ｌ１１の偏光方向と直交する直線偏光となっている。図３において、１／４波長板１２３Ｌを透過した表示光Ｌ１３は、紙面と平行な方向の直線偏光となり、この方向を第２の方向とする。光軸と直交する平面において、第１の方向と第２の方向とは直交する関係である。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの透過軸は第２の方向と平行になっている。

表示光Ｌ１３は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに対してＰ偏光となっているため、表示光Ｌ１３のほぼ全てが、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過する。このように、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとコンバイナ１２１Ｌとの間に、１／４波長板１２３Ｌを配置することで、表示光の損失を抑制することができる。

偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過した表示光Ｌ１３が左眼ＥＬに入射する。このように、左眼用光学系１０３Ｌが、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光を、ユーザの左眼ＥＬに導く。表示光Ｌ１３が表示画像を形成する。光学系により、ユーザの前方（＋Ｚ方向）に虚像を表示させることができる。

次に、ユーザの前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２１について説明する。ユーザの前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２１のほぼ半分がコンバイナ１２１Ｌを透過する。外光Ｌ２１は、１／４波長板１２３Ｌを透過して、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに入射する。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌは、外光Ｌ２１を２つに分岐する。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過した外光Ｌ２１を外光Ｌ２２とする。外光Ｌ２２は、紙面と平行な直線偏光となる。

外光Ｌ２１のＰ偏光成分が偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過して、外光Ｌ２２となる。Ｐ偏光の外光Ｌ２２は、左眼ＥＬに入射する。外光Ｌ２１のＳ偏光成分が偏光ビームスプリッタ１２２Ｌで反射して、左眼用表示素子１０１Ｌに入射する。外光Ｌ２１は無偏光である場合、１／４波長板１２３Ｌを通過しても無偏光のままである。１／４波長板１２３Ｌを通過した無偏光の外光Ｌ２１は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成とがほぼ等しい量であると考えられるため、外光Ｌ２１のほぼ半分を占める偏光成分であるＰ偏光成分が偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過する。

ヘッドマウントディスプレイ１００が半透過型であるため、コンバイナ１２１Ｌは、前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２１と左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１を合成する。ユーザの前方（＋Ｚ方向）にコンバイナ１２１Ｌを設けることで、ヘッドマウントディスプレイ１００を光学シースルー方式とすることができる。ユーザの前方（＋Ｚ方向）の景色に、表示画像が重畳される。つまり、ユーザは、表示画像が重畳された景色を視認することができる。

次に、机や衣服などの物体１５０で反射して、上方（＋Ｙ方向）に進む不要反射光Ｌ３１について説明する。不要反射光Ｌ３１は、下部窓である偏光子１２４Ｌに入射する。偏光子１２４Ｌの透過軸は第２の方向と平行になっている。偏光子１２４Ｌは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を吸収する。よって、不要反射光Ｌ３１のＰ偏光成分のみが偏光子１２４Ｌを透過して、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに入射する。偏光子１２４Ｌを透過した不要反射光Ｌ３１を不要反射光Ｌ３２とする。

不要反射光Ｌ３２は、紙面と平行な直線偏光となる。不要反射光Ｌ３２は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌに対して、Ｐ偏光となる。よって、不要反射光Ｌ３２のほぼ全てが偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過して、左眼用表示素子１０１Ｌに入射する。不要反射光Ｌ３２は、左眼用表示素子１０１Ｌの偏光フィルム１０１１Ｌで吸収される。これにより、不要反射光Ｌ３２がフレーム１０２内で迷光となるのを防ぐことができる。偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの真下（－Ｙ側）からの不要反射光Ｌ３２が表示光Ｌ１３と重なって視認されることを防ぐことができ、映像品質の劣化を抑制することができる。

不要反射光Ｌ３１は、物体１５０で反射した反射光であるため、Ｐ偏光成分よりもＳ偏光成分が多い。よって、Ｓ偏光成分を吸収又は反射する偏光子１２４Ｌを用いることで、効果的に不要反射光Ｌ３２を遮光することができる。つまり、Ｐ偏光を透過するように偏光子１２４Ｌを配置することで、不要反射光Ｌ３１を適切に遮光することができる。不要反射光Ｌ３２が偏光ビームスプリッタ１２２Ｌで左眼ＥＬの方向に反射されることがない。これにより、ユーザの下方からの不要反射光Ｌ３１が、表示光Ｌ１３や外光Ｌ２２と重なって視認されることを防ぐことができる。よって、コントラストの低下を防ぐことができる。

次に、前方斜め下から左眼ＥＬに向かう外光Ｌ４１について説明する。外光Ｌ４１は、下部窓としての偏光子１２４Ｌに入射する。偏光子１２４Ｌは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を吸収する。よって、外光Ｌ４１のＰ偏光成分のみが偏光子１２４Ｌを透過して、左眼ＥＬに入射する。偏光子１２４Ｌを透過した外光Ｌ４１を外光Ｌ４２とする。外光Ｌ４２は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを介さずに、左眼ＥＬに入射する。このように、斜め前方から左眼ＥＬに向かう外光Ｌ４１の一部が偏光子１２４Ｌで遮光され、一部が左眼ＥＬに入射する。偏光子１２４Ｌを下部窓して用いることで、斜め下方の視界を確保することができる。

本実施の形態の構成によれば、斜め下方の視界を確保しながら、下方からの不要反射光Ｌ３２が表示光Ｌ１３に重なるのを防ぐことができる。よって、コントラストの低下を抑制することができる。さらに、コンバイナ１２１Ｌと左眼ＥＬとの間に、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌ及び１／４波長板１２３Ｌが配置されている。このため、表示光Ｌ１３の輝度低下を防ぐことができる。高品質な表示画像を得ることができる。特にＡＲやＭＲに用いられる光学式シースルータイプのヘッドマウントディスプレイでは、外光と同程度に明るく高コントラストの表示画像を得ることが重要である。本実施の形態の構成により、明るく高コントラストの表示画像を得ることができる。よって、適切に外光と表示光とを重畳することができる。

さらに、偏光子１２４Ｌを下部窓として用いることで、斜め下方まで視界を拡げることができ、開放感の高い状態で使用することができる。さらに、足下周辺が見えることができるため、ユーザ前方の机などに設置された操作機器などを視認することができる。

特許文献１の図５の構成では、回折格子を用いているため、波長依存性が生じてしまう。よって、特許文献１では、表示画像に下方からの外光に含まれる特定の波長の光が、表示画像に重畳してしまうおそれがある。本実施の形態では、波長依存性のない偏光子を用いているため、特許文献１の図５に比べて、適切に外光と表示光とを重畳することができる。

実施の形態２．
本実施の形態にかかるヘッドマウントディスプレイについて、図４、図５を用いて説明する。図４は、ヘッドマウントディスプレイの光学系を模式的に示す側面図である。図５は、ヘッドマントディスプレイの光学系を模式的に示す上面図である。実施の形態２では、実施の形態１の構成に対して、側部窓となる側方偏光子１２５Ｌ、及び側方偏光子１２５Ｒが追加されている。

側方偏光子１２５Ｌ、及び側方偏光子１２５Ｒ以外の基本的な構成は、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。例えば、外光や表示光は、実施の形態１と同様となっているため、図４、及び図５では、外光や表示光が省略されている。また、図５では、説明の明確化のため、左眼用表示素子１０１Ｌ、右眼用表示素子１０１Ｒを省略している。側方偏光子１２５Ｌ、及び側方偏光子１２５Ｒは、偏光子１２４Ｌと同様に、吸収型偏光板となっている。もちろん、側方偏光子１２５Ｌ、及び側方偏光子１２５Ｒは、吸収型の偏光板に限られるものではなく、反射型の偏光板であってもよい。

側方偏光子１２５Ｌは、ヘッドマウントディスプレイ１００の左側面のうち、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌと偏光子１２４Ｌとの間の空間の左側方（－Ｘ側）に配置されている。ヘッドマウントディスプレイ１００の左側面とは、ヘッドマウントディスプレイ１００における左側方（－Ｘ側）の端面のことである。つまり、側方偏光子１２５Ｌは、ヘッドマウントディスプレイ１００の側面の一部を構成するように配置されている。具体的には、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌ及び偏光子１２４Ｌよりも左側（－Ｘ側）に、側方偏光子１２５Ｌが配置されている。側方偏光子１２５Ｌは、偏光子１２４Ｌが透過する直線偏光と同じ方向の直線偏光を透過する。つまり、側方偏光子１２５Ｌは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を吸収する。

ＺＹ平面視において、側方偏光子１２５Ｌは、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの傾斜角度に応じた三角形状の窓になっている。もちろん、側方偏光子１２５Ｌの形状は、三角形以外の形状であってもよい。側方偏光子１２５Ｌは、左側（－Ｘ側）の側部窓として機能する。つまり、ユーザは側方偏光子１２５Ｌを介して左側（－Ｘ側）の景色を視認することができる。ユーザはコンバイナ１２１Ｌよりも左側（－Ｘ側）に視界を得ることができる。

側方偏光子１２５Ｒは、ヘッドマウントディスプレイ１００の右側面のうち、偏光ビームスプリッタ１２２Ｒと偏光子１２４Ｒとの間の空間の右側方（＋Ｘ側）に配置されている。ヘッドマウントディスプレイ１００の右側面とは、ヘッドマウントディスプレイ１００における右側方（＋Ｘ側）の端面のことである。つまり、側方偏光子１２５Ｒは、ヘッドマウントディスプレイ１００の側面の一部を構成するように配置されている。具体的には、偏光ビームスプリッタ１２２Ｒ及び偏光子１２４Ｒよりも右側（＋Ｘ側）に、側方偏光子１２５Ｒが配置されている。側方偏光子１２５Ｒは、偏光子１２４Ｒが透過する直線偏光と同じ方向の直線偏光を透過する。つまり、側方偏光子１２５Ｒは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を吸収する。

ＺＹ平面視において、側方偏光子１２５Ｒは、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの傾斜角度に応じた三角形状の窓になっている。もちろん、側方偏光子１２５Ｒの形状は、三角形以外の形状であってもよい。側方偏光子１２５Ｒは、右側（＋Ｘ側）の側部窓として機能する。つまり、ユーザは側方偏光子１２５Ｒを介して右側（＋Ｘ側）の景色を視認することができる。ユーザはコンバイナ１２１Ｒよりも右側（＋Ｘ側）に視界を得ることができる。

偏光子１２４Ｌと側方偏光子１２５Ｌとは、１つの偏光子を折り曲げて成形されてもよく、曲面形状に成形されてもよい。偏光子１２４Ｒと側方偏光子１２５Ｒとは、１つの偏光子を折り曲げて成形されてもよく、曲面形状に成形されてもよい。ヘッドマウントディスプレイ１００は、偏光子１２４Ｌと偏光子１２４Ｒとを有する構成に限らず、偏光子１２４Ｌだけ有していても、偏光子１２４Ｒだけ有していてもよい。

ヘッドマウントディスプレイ１００の側面の一部領域に側方偏光子１２５Ｌ、１２５Ｒを配置することで、左右両側に広い視界を得ることができる。よって、外光と表示光とを適切に重畳させながら、さらに開放感を高めることができる。

図３～図５は、光学系の一例を示すものであり、光学系は、図３～図５の構成に限られるものではない。光学系は、表示素子部１０１からの表示光と外光とを、左眼ＥＬ及び右眼ＥＲに導くことができるものであればよい。例えば、コンバイナ１２１Ｌとして、平面鏡のハーフミラーを用いることができる。この場合、表示光を左眼ＥＬに集光するためのレンズ等を偏光ビームスプリッタ１２２Ｌと左眼用表示素子１０１Ｌとの間に配置すればよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態１、２に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

ＥＬ 左眼
ＥＲ 右眼
１００ ヘッドマウントディスプレイ
１０１ 表示素子部
１０１Ｌ 左眼用表示素子
１０１Ｒ 右眼用表示素子
１０２ フレーム
１０３Ｌ 左眼用光学系
１０３Ｒ 右眼用光学系
１２１Ｌ、１２１Ｒ コンバイナ
１２２Ｌ、１２２Ｒ 偏光ビームスプリッタ
１２３Ｌ、１２３Ｒ １／４波長板
１２４Ｌ、１２４Ｒ 偏光子
１２５Ｌ、１２５Ｒ 側方偏光子
Ｌ１１～Ｌ１３ 表示光
Ｌ２１、Ｌ２２ 外光
Ｌ３１、Ｌ３２ 不要反射光
Ｌ４１、Ｌ４２ 外光

Claims (5)

1. 表示画像を形成するための表示光と、ヘッドマウントディスプレイを装着したユーザの前方からの外光とを合成するコンバイナと、
   前記コンバイナと前記ユーザの左眼及び右眼との間に配置され、偏光状態に応じて光を透過又は反射する偏光ビームスプリッタであって、前記表示光を前記コンバイナに向けて反射するとともに、前記コンバイナで反射した前記表示光を透過する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタと前記コンバイナとの間に配置された１／４波長板と、
   前記偏光ビームスプリッタの下に配置され、下部窓として機能し、前記偏光ビームスプリッタが透過する偏光成分と同じ偏光成分を透過する偏光子と、を備えたヘッドマウントディスプレイ。
2. 前記偏光子が、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射又は吸収する請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記偏光子の透過軸と平行な直線偏光を前記偏光ビームスプリッタが透過する請求項１、又は２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 前記表示光を発生する表示素子をさらに備え、
   前記表示素子が発生する前記表示光が、前記偏光ビームスプリッタの透過軸と直交する直線偏光となっている請求項１～３のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. ヘッドマウントディスプレイの側面の一部を構成するように配置された側方偏光子をさらに備えた請求項１～４のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
   
   

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