JP7282437B2 - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、２０１９年９月３０日付で韓国特許庁に提出された韓国特許出願第１０－２０１９－０１２１２０２号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本発明に組み込まれる。

本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関し、具体的には、着用者の頭部に着用されて画像を伝達するヘッドマウントディスプレイにおいて、ディスプレイソースから出力する光をレンズで集光し、前記着用者の身体情報に基づいてレンズまたはディスプレイソースの位置を調節することにより、視野角を拡張させることができるヘッドマウントディスプレイに関する。

最近、拡張現実（ＡＲ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）、複合現実（ＭＲ：Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）、または仮想現実（ＶＲ：Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）を実現するディスプレイ装置への需要が高まっているが、小型画像表示素子から出力された画像を光学系を用いて拡大し、これによる虚像を眼で見るようにしかつ、まるで一定の距離に大型のスクリーンをおいて画像を見るのと同じ効果があるディスプレイ装置が開発されている。また、このようなディスプレイ装置は、大半が頭に眼鏡と同様の方法で着用する形態を有しているため、ヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＨＭＤ）装置と呼ばれる。

このようなヘッドマウントディスプレイの実現のための光学系は、外部の光景（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｖｉｅｗ）を見ながら画像が実現されるシースルー（Ｓｅｅ－ｔｈｒｏｕｇｈ）方式と、外部が見られないシークローズド（Ｓｅｅ－ｃｌｏｓｅｄ）方式とがある。これらのうち、シースルー方式のヘッドマウントディスプレイ装置は、外部の光景とディスプレイ画像が同時に見られることから、ヘッドマウントディスプレイを着用して日常生活をするのに支障がなく、ＩｏＴ、ナビゲーションなど多様な適用が可能である。

シースルー方式のヘッドマウントディスプレイ装置は、ディスプレイ素子と、ディスプレイ素子から出力される表示光を着用者の眼まで伝達するための複数の光学部品を含む光学系とから構成される。ヘッドマウントディスプレイ装置は、人の頭部に着用されなければならないという点から、前記装置に用いられる光学部品は重量および空間の制約がつきまとう。このような問題を解決すべく、回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＤＯＥ）またはホログラフィック光学素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ：ＨＯＥ）を用いたヘッドマウントディスプレイ装置が研究されている。

前述した背景技術は発明者が本開示の実施例の導出のために保有し、または導出過程で習得した技術情報であって、必ずしも本文書に開示された実施例が出願前に一般の公衆に公開された公知技術であるとは限らない。

ヘッドマウントディスプレイに回折光学素子を用いる場合に、色分離効率が低くてイメージクロストーク（ｃｒｏｓｓｔａｌｋ）が発生する問題があり、ヘッドマウントディスプレイに回折光学素子またはホログラフィック光学素子を用いる場合に、光ガイドを追加的に用いると光損失が大きくなる問題がある。

本発明が達成しようとする技術的課題は、ホログラフィック光学素子を用いて画像を実現することにより、着用者が前記画像を視認できる領域であるアイモーションボックス（Ｅｙｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｂｏｘ）を一定レベルに確保することができ、ディスプレイソースとホログラフィック光学素子との間の光経路上にレンズ（結像レンズ）を配置させることにより、着用者の視野角（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ、ＦＯＶ）を拡張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である。

さらに、本発明は、ディスプレイソースおよびレンズの位置を調節することにより、アイモーションボックス（Ｅｙｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｂｏｘ）を一定レベルに確保し、着用者の視野角（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ、ＦＯＶ）を拡張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である。

ただし、本文書に開示された実施例が解決しようとする課題は前述した課題に制限されず、述べていないさらに他の課題は下記の記載から当業者に明確に理解されるであろう。

本発明の一実施態様は、着用者の頭部に着用されて画像を伝達するヘッドマウントディスプレイにおいて、前記着用者の眼の側方に配置され、画像表示光を出力するディスプレイソースと、前記画像表示光を集光する第１レンズと、前記着用者の眼の前方に配置され、前記第１レンズを通過した前記画像表示光を着用者の眼に指向させるホログラフィック光学素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ、ＨＯＥ）と、前記ディスプレイソースおよび前記第１レンズの少なくとも１つの位置を調節するコントローラと、を含むヘッドマウントディスプレイを提供する。

本発明の一実施態様によれば、前記コントローラは、前記着用者の眼の前方に配置され、前記着用者の身体情報を取得するセンサ部と、取得された身前記体情報に基づいて前記第１レンズおよび前記ディスプレイソースの予め定められた位置を計算する制御部と、前記着用者の眼の側方に配置され、前記第１レンズおよびディスプレイソースの位置を前記予め定められた位置に位置させる作動部と、を含むものであってもよい。

本発明の一実施態様によれば、前記ディスプレイソースは、液晶ディスプレイパネルまたは有機発光ダイオードディスプレイパネルを含むものであってもよい。

本発明の一実施態様によれば、前記着用者の眼の前方に配置され、前記ホログラフィック光学素子が一面に形成された第２レンズをさらに含むものであってもよい。

本発明の一実施態様によれば、外部光が前記着用者の眼側の面に対向する面から前記第２レンズおよびホログラフィック光学素子のいずれか１つ以上を透過して、前記着用者の眼に入射するものであってもよい。

本発明の一実施態様によれば、前記ディスプレイソース、前記第１レンズ、前記第２レンズおよびコントローラは、眼鏡、ゴーグルおよびヘルメットの少なくとも１つに設けられたものであってもよい。

本発明の一実施態様によれば、前記ディスプレイソース、前記第１レンズ、前記第２レンズおよびコントローラは、前記着用者の両眼にそれぞれ対応するように左右一対が提供されるものであってもよい。

本発明の一実施態様によれば、前記ディスプレイソースおよび前記第１レンズが眼鏡のつる（テンプル）の内部に配置され、前記ディスプレイソースからの画像表示光が前記ホログラフィック光学素子の法線に対して所定の角度で斜めに入射するものであってもよい。

本発明の一実施態様によれば、前記第１レンズは、前記着用者の眼の前記画像に対する目標視野角を満足するように計算された焦点距離を有するものであってもよい。

本発明の一実施態様によれば、前記ホログラフィック光学素子は、前記着用者の眼の前記画像に対する目標視野角を満足するように計算された焦点距離が記録されているものであってもよい。

本発明の一実施態様によれば、前記センサ部は、眼鏡フレームの内部に位置し、前記制御部および前記作動部は、眼鏡のつるの内部に位置するものであってもよい。

本発明の一実施態様によれば、前記身体情報は、着用者の頭形、着用者の眼の位置、着用者の眼間の距離およびこれらの組み合わせからなる群より選択された１つであってもよい。

本発明の一実施態様によれば、前記制御部は、前記着用者の眼の前記画像に対する目標視野角を満足するように前記第１レンズおよび前記ディスプレイソースの前記予め定められた位置を計算するものであってもよい。

本発明の一実施態様に係るヘッドマウントディスプレイは、ホログラフィック光学素子およびレンズを用い、ディスプレイソースおよび前記レンズの位置を調節することにより、一定レベルのアイモーションボックス（Ｅｙｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｂｏｘ）を確保すると同時に、実現された画像の視認が可能な視野角の大きさを拡張することができる。

本発明の一実施態様に係るヘッドマウントディスプレイは、ホログラフィック光学素子を用いることにより、イメージクロストークを低減し、色分離が明確な画像を提供することができる。

本発明の一実施態様に係るヘッドマウントディスプレイの概略図である。 本発明の一実施態様に係るヘッドマウントディスプレイが実現する視野角を説明する図である。 本発明の一実施態様に係るヘッドマウントディスプレイが実現するアイモーションボックスを説明する図である。 多様な実施例によるヘッドマウントディスプレイに含まれる構成素子の物理的構造を説明する図である。 一実施例によるヘッドマウントディスプレイに含まれるホログラフィック光学素子の作製を説明する一例を示す図である。 一実施例によるヘッドマウントディスプレイに含まれるホログラフィック光学素子の作製を説明する他の例を示す図である。

本発明は、添付した図面とともに詳細に後述する実施例を参照すれば明確になるであろう。しかし、本発明は以下に開示される実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現され、単に本実施例は本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によってのみ定義される。

本明細書で使われた用語は実施例を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。

本明細書において、単数形は、文章で特に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使われる「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及された構成要素、段階、動作および／または素子は、１つ以上の他の構成要素、段階、動作および／または素子の存在または追加を排除しない。

本明細書において、第１、第２などの用語は多様な構成要素を説明するのに使われるが、構成要素は用語によって限定されてはならない。用語は１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ使われる。

本発明の一実施態様は、着用者の頭部に着用されて画像を伝達するヘッドマウントディスプレイにおいて、前記着用者の眼の側方に配置され、画像表示光を出力するディスプレイソースと、前記画像表示光を集光する第１レンズと、前記着用者の眼の前方に配置され、前記第１レンズを通過した前記画像表示光を着用者の眼に指向させるホログラフィック光学素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ、ＨＯＥ）と、前記ディスプレイソースおよび前記第１レンズの少なくとも１つの位置を調節するコントローラと、を含むヘッドマウントディスプレイを提供する。

本発明の一実施態様に係るヘッドマウントディスプレイは、ホログラフィック光学素子およびレンズを用い、ディスプレイソースおよび前記レンズの位置を調節することにより、一定レベルのアイモーションボックス（Ｅｙｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｂｏｘ）を確保すると同時に、実現された画像の視認が可能な視野角の大きさを拡張することができる。

図１は、本発明の一実施態様に係るヘッドマウントディスプレイの概略図である。

本発明の一実施態様によれば、ヘッドマウントディスプレイ１００は、ディスプレイソース１１０と、第１レンズ１２０と、ホログラフィック光学素子１３０と、コントローラ１６０と、を含むことができる。図１を参照すれば、ヘッドマウントディスプレイ１００は、人の頭に装着され、着用者の眼１０の側方に位置するディスプレイソース１１０によって画像情報を含んだ画像表示光が出力され、出力された画像表示光は、第１レンズ１２０とホログラフィック光学素子１３０によって着用者の眼に指向される。ヘッドマウントディスプレイ１００は、ディスプレイソース１１０、第１レンズ１２０、ホログラフィック光学素子１３０を通して画像情報を含んだ画像表示光の虚像を形成し、着用者は前記虚像をまるで一定の距離にスクリーンをおいて画像を見るのと同一に認識することができる。さらに、前記コントローラは、着用者の視野角を拡張するために、前記ディスプレイソースおよび前記第１レンズの少なくとも１つの位置を調節することができる。

本発明の一実施態様によれば、前記コントローラ１６０は、ディスプレイソース１１０および前記第１レンズ１２０の少なくとも１つの位置を調節することができる。上述のように、前記コントローラがディスプレイソース１１０および前記第１レンズ１２０の少なくとも１つの位置を調節することにより、前記ホログラフィック光学素子１３０と前記第１レンズ１２０との距離Ｌ１および／または前記第１レンズ１２０と前記ディスプレイソース１１０との距離Ｌ２を調節して、着用者によって異なる身体情報に基づいて視野角（Ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）を最大に確保することができる。

本発明の一実施態様によれば、前記コントローラは、前記着用者の眼の前方に配置され、前記着用者の身体情報を取得するセンサ部１６１と、前記取得された身体情報に基づいて前記第１レンズおよびディスプレイソースの予め定められた位置を計算する制御部１６３と、前記着用者の眼の側方に配置され、前記第１レンズおよびディスプレイソースの位置を予め定められた位置に位置させる作動部１６５と、を含むものであってもよい。上述のように、前記ホログラフィック光学素子１３０と前記第１レンズ１２０との距離Ｌ１および／または前記第１レンズ１２０と前記ディスプレイソース１１０との距離Ｌ２を調節して、着用者によって異なる身体情報に基づいて視野角（Ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）を最大に確保することができる。

本発明の一実施態様によれば、前記センサ部１６１は、前記着用者の眼の前方に配置され、前記着用者の身体情報を取得することができる。上述のように、前記センサ部１６１が前方に位置することにより、前記着用者の身体情報を正確かつ容易に測定することができ、前記身体情報を取得して、着用者によって身体条件に合わせて前記第１レンズおよびディスプレイソースを調節することができる。

本発明の一実施態様によれば、前記制御部１６３は、前記取得された身体情報に基づいて前記第１レンズおよび／または前記ディスプレイソースの予め定められた位置を計算することができる。具体的には、前記制御部１６３は、前記センサ部１６１によって取得された身体情報を分析して、着用者の視野角が狭くまるか、広くなると計算された場合、前記第１レンズおよび前記ディスプレイソースの位置を調節して、前記着用者の視野角を最大に確保することができる。

本発明の一実施態様によれば、前記作動部１６５は、前記着用者の眼の側方に配置され、前記第１レンズおよび／またはディスプレイソースの位置を予め定められた位置に位置させることができる。具体的には、前記制御部１６３で着用者の身体情報に応じて位置が定められると、前記動作部によって前記第１レンズおよび／または前記ディスプレイソースの位置を移動させて、前記ホログラフィック光学素子１３０と前記第１レンズ１２０との距離Ｌ１および／または前記第１レンズ１２０と前記ディスプレイソース１１０との距離Ｌ２を調節し、これによって着用者によって視野角（Ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）を最大に確保することができる。

本発明の一実施態様によれば、ディスプレイソース１１０は、画像情報を有する電気的信号を受信し、前記画像情報に関する画像表示光を出力することができる。ディスプレイソース１１０は、画像を表示可能な小型のディスプレイパネルであってもよい。例えば、ディスプレイソース１１０は、液晶ディスプレイ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ、ＬＣＤ）パネルまたは有機発光ダイオード（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ、ＯＬＥＤ）で構成されるディスプレイパネルを含むことができる。

本発明の一実施態様によれば、第１レンズ１２０は、ディスプレイソースから放出される画像表示光を集光する役割を果たす。ディスプレイソース１１０と第１レンズ１２０の配置は、ディスプレイソース１１０から放出された画像表示光が直に第１レンズ１２０に向かうように構成される。

本発明の一実施態様によれば、ホログラフィック光学素子１３０は、第１レンズ１２０を通過した画像表示光をヘッドマウントディスプレイ１００の着用者の眼１０に指向させることができる。すなわち、第１レンズ１２０を通過した画像表示光は、ホログラフィック光学素子１３０の法線に対して所定の角度で入射し、同じ角度の反射角ではない異なる角度で反射して着用者の眼に向けることができる。ホログラフィック光学素子１３０は、一定の角度で入射してくる画像表示光を事前に設計された方向、すなわち、着用者の眼のある方向に回折させるように設計される反射型ホログラフィック光学素子１３０であってもよい。

本発明の一実施例において、ヘッドマウントディスプレイ１００は、眼鏡の形態で実現できる。一実施例によるヘッドマウントディスプレイ１００は、着用者の眼の前方に配置される眼鏡レンズ、すなわち第２レンズ１５０をさらに含むことができる。この場合、ディスプレイソース１１０および第１レンズ１２０は、着用者の眼１０の側方に配置されるように眼鏡のつる（図示せず）の内部に形成され、ホログラフィック光学素子１３０は、第２レンズ１５０の一面に膜状にコーティングされる。ホログラフィック光学素子１３０は、第２レンズ１５０の着用者の眼側の一面に形成されるか、外部から放射された光が入射する第２レンズ１５０の他面に形成されてもよい。図示の実施例において、眼鏡レンズ、すなわち第２レンズは、平面形態で示したが、これに限定されず、第２レンズは、曲面形態を有してもよく、眼鏡フレームの形態によって左右の第２レンズ（眼鏡レンズ）の一対が互いに並んでいない光軸を有するように形成されてもよい。

本発明の一実施例によるヘッドマウントディスプレイ１００において、ディスプレイソース１１０および第１レンズ１２０は、着用者の眼１０の側方に配置されるように眼鏡のつる（図示せず）の内部に形成され、ホログラフィック光学素子１３０は、第２レンズ１５０の一面に形成される。この場合、ディスプレイソース１１０から放出された画像表示光は、レンズを通過しながら集光され、レンズを通過した画像表示光は、ホログラフィック光学素子１３０に所定の角度で斜めに入射して着用者の眼１０に回折されて入射できる。したがって、一実施例による眼鏡の形態を有するヘッドマウントディスプレイ１００は、一定の情報を含んだ画像を着用者の眼１０に伝達することができる。

本発明の一実施例によるヘッドマウントディスプレイ１００は、第２レンズ１５０上にホログラフィック光学素子１３０が形成されるので、ヘッドマウントディスプレイ１００は、前記第２レンズ１５０の他面から入射して第２レンズ１５０および／またはホログラフィック光学素子１３０を透過する外部光と、眼鏡のつるに形成されたディスプレイソース１１０から放出されてホログラフィック光学素子１３０で回折される画像表示光とを、同時に着用者の眼１０に入射させるように構成される。

本発明の一実施例によるヘッドマウントディスプレイ１００は、着用者の両眼に画像情報を伝達するために左右対称に形成される。図示の実施例は、着用者の右眼に画像表示光を伝達するように構成されているが、これに限定されず、着用者の左眼にも画像表示光を伝達するように眼鏡の左つるおよび左眼鏡レンズ（第２レンズ）にディスプレイソース、第１レンズ、ホログラフィック光学素子およびコントローラがさらに備えられてもよい。また、ヘッドマウントディスプレイ１００は、眼鏡の形態だけでなく、ゴーグルまたはヘルメットの形態で実現されてもよい。

図２は、本発明の一実施態様に係るヘッドマウントディスプレイが実現する視野角を説明する図である。本発明の一実施態様によれば、ディスプレイソース１１０は、小型の長方形のディスプレイパネルであってもよいし、画像情報を含んだ画像表示光を前記長方形それぞれの地点から放出することができる。図２を参照すれば、ディスプレイソース１１０から放出された画像表示光は、第１レンズ１２０を通過しながら画像に対する中間像１１１を形成することができる。前記画像に対する中間像１１１から放出された光は、ホログラフィック光学素子１３０によって回折されて着用者の眼１０に指向されることにより、ホログラフィック光学素子１３０は、前記中間像に対する虚像１１２を形成することができる。ホログラフィック光学素子１３０および第１レンズ１２０によって形成された虚像１１２は、ディスプレイソース１１０から放出された画像表示光に含まれた画像情報を、ヘッドマウントディスプレイ１００を装着した着用者に表示する。

この時、視野角（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ、ＦＯＶ）は、着用者の眼などによってディスプレイソース１１０それぞれの地点から放出する画像表示光で形成された虚像を一度に観測できる領域の大きさを角（ａｎｇｌｅ）で表現して示すことができる。

本発明の一実施例によれば、第１レンズ１２０は、ディスプレイソース１１０およびホログラフィック光学素子１３０の間の画像表示光の光経路上に配置することにより、画像表示光の中間像１１１を形成するので、ディスプレイソース１１０がまるで中間像１１１の形成された位置から画像表示光を放出する効果をもたらすことができ、ホログラフィック光学素子によって最終的に形成される虚像に対する視野角が拡張できる。より具体的には、多様な実施例によりディスプレイソース１１０およびホログラフィック光学素子１３０の間に第１レンズが挿入配置された場合に、第１レンズがない比較例に比べて視野角が３倍以上拡張できる。

図３は、本発明の一実施態様に係るヘッドマウントディスプレイが実現するアイモーションボックスを説明する図である。具体的には、図３は、ディスプレイソース１１０の両端および中央からそれぞれ放出される画像表示光が着用者の眼に入射する光経路およびそれぞれの光経路から眼に入射する画像表示光の入射可能範囲を陰影で示したものである。図３を参照すれば、ディスプレイソース１１０の中央から放出された画像表示光は、着用者の眼の視軸に対して並ぶ入射範囲（陰影で示される）で着用者の眼に入射し、ディスプレイソース１１０の両端から放出された画像表示光は、着用者の眼の視軸に対して一定の角度（例えば、視野角の半分）で左右に傾いた方向と並ぶ所定の入射範囲（陰影で示される）で入射できる。この場合、ディスプレイソース１１０の両端および中央から放出された画像表示光の入射範囲が重畳する部分は、アイモーションボックス（Ｅｙｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｂｏｘ、ＥＭＢ）といえる。

本明細書において、アイモーションボックス（Ｅｙｅ Ｍｏｔｉｏｎ Ｂｏｘ、ＥＭＢ）は、実現された画像を視認できる領域として定義される。すなわち、ヘッドマウントディスプレイをなす光学系が形成するアイモーションボックス内に着用者の眼が配置できていてこそ、着用者がヘッドマウントディスプレイを通して伝達しようとする画像を正しく認識することができる。したがって、一定レベル以上のアイモーションボックスが確保されてこそ、着用者の頭および眼間の距離に応じて異なる視軸がアイモーションボックス内に形成され、着用者の視軸がアイモーションボックス内に形成されてこそ、ヘッドマウントディスプレイを通して伝達しようとする画像の実現が可能になる。

本発明の一実施態様に係るヘッドマウントディスプレイ１００は、第１レンズ１２０をディスプレイソース１１０およびホログラフィック光学素子１３０の間に配置することにより、第１レンズのみない場合に比べてアイモーションボックスの大きさはやや減少するが、ヘッドマウントディスプレイ１００が画像を提供するための一定レベル（例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍ）以上のアイモーションボックスを確保することができ、かつ、視野角を拡張することができる。

図４は、多様な実施例によるヘッドマウントディスプレイに含まれる光学系の物理的構造を説明する図である。図４は、図１～図３のいずれか１つにおいてホログラフィック光学素子１３０の光学的作用（例えば、回折）による曲がった光経路を展開して、前記光経路がディスプレイソース、第１レンズおよび着用者の眼または視軸の形成する直線と同一線上に配列されるように、ホログラフィック光学素子１３０を１つの仮想レンズ１３１に代替して示す。ホログラフィック光学素子１３０を１つの仮想レンズ１３１に代替して示された構造において、ディスプレイソース１１０の大きさに合った適当な焦点距離を有する第１レンズ１２０およびホログラフィック光学素子１３０に記録すべき光学的特性を導出することができる。

図４（ａ）および図４（ｂ）を参照すれば、図１～図３のホログラフィック光学素子１３０のＯｆｆ－ａｘｉｓ反射構造を展開して、同一直線上にディスプレイソース１１０、レンズ１２０および着用者の眼１０が位置すると仮定し、レンズ１２０の焦点距離ＦＬ２、およびホログラフィック光学素子１３０に記録すべき光学的特性（例えば、ホログラフィック光学素子の焦点距離ＦＬ１またはホログラフィック光学素子の大きさの半分Ｒ１）を導出することができる。

本発明の一実施例において、ディスプレイソース１１０は、横が約１０ｍｍ、縦約７ｍｍである長方形のディスプレイパネルを用いると仮定すれば、視野角ＦＯＶは、下記数式１で導出される。

前記ＦＯＶは、着用者の眼を通して画像の虚像が一度に見られる視野角であり、ＥＲは、眼１０とホログラフィック光学素子１３０との間の直線距離であり、Ｒ１は、ホログラフィック光学素子１３０の大きさの半分である。上記数式１によりＲ１を得ることができ、Ｒ１の２倍は、前記ＦＯＶを実現するために記録されるべきホログラフィック光学素子の最小の大きさになる。

上記数式２は、ホログラフィック光学素子１３０と眼１０との間の距離ＥＲと目標の視野角ＦＯＶによりホログラフィック光学素子１３０の記録されるべき最小の大きさ（Ｒ１の２倍の大きさ）を導出することができる。

図４（ａ）に示された光により、下記の数式３を得ることができる。

ここで、Ｌ１は、第１レンズ１２０と仮想レンズ１３１との間の距離であり、Ｌ２は、第１レンズ１２０とディスプレイソース１１０との間の距離であり、ＰＤは、Ｌ１とＬ２とを合わせた仮想レンズ１３１とディスプレイソース１１０との間の距離であり、ＰＳは、ディスプレイソース１１０の横長さである。

上記数式３により第１レンズ１２０と仮想レンズ１３１との間の距離および第１レンズ１２０とディスプレイソース１１０との間の距離が、Ｌ１＝ＰＤ／｛（１＋ＰＳ）／２・Ｒ１｝、Ｌ２＝ＰＤ－Ｌ１でそれぞれ導出される。

また、ＦＬ１は、仮想レンズ１３１の焦点距離であり、ＦＬ２は、第１レンズ１２０の焦点距離であるとした時、レンズの公式に代入すれば、下記数式４および５で表現することができる。

上記数式４および５によりホログラフィック光学素子１３０に記録すべき焦点距離ＦＬ１と、ディスプレイソース１１０とホログラフィック光学素子１３０との間に視野角の拡張のために追加的に配置される第１レンズ１２０の焦点距離を、下記の数式６および数式７で導出することができる。

本発明の一実施例において、下記の表１を参照すれば、着用者の眼１０とホログラフィック光学素子１３０との間の直線距離ＥＲは２１．０ｍｍ、Ｌ１とＬ２とを合わせた仮想レンズ１３１とディスプレイソース１１０との間の距離ＰＤは６０．０ｍｍ、ディスプレイソース１１０の横長さＰＳは１０．０ｍｍ、視野角ＦＯＶは３５．０度に指定した条件で、上記数式１～５により、ホログラフィック光学素子の最小の大きさの半分Ｒ１、第１レンズ１２０と仮想レンズ１３１との間の距離Ｌ１、第１レンズ１２０とディスプレイソース１１０との間の距離Ｌ２、ホログラフィック光学素子１３０に記録すべき焦点距離ＦＬ１、およびディスプレイソース１１０とホログラフィック光学素子１３０との間に視野角の拡張のために追加的に配置される第１レンズ１２０の焦点距離ＦＬ２を、下記表１のように導出することができる。前記導出された５つの値で設定された構成素子がヘッドマウントディスプレイに含まれることで画像のディスプレイが実現できる。

すなわち、ホログラフィック光学素子１３０に記録すべき焦点距離は約１３ｍｍであり、第１レンズ１２０の焦点距離は約１１ｍｍであり、第１レンズ１２０とホログラフィック光学素子１３０との間の距離Ｌ１は約３５ｍｍであり、第１レンズ１２０とディスプレイソース１１０との間の距離Ｌ２は約２５ｍｍであるヘッドマウントディスプレイの実現が可能になる。

図１を参照すれば、本発明の一実施例によるヘッドマウントディスプレイ１００は、眼鏡の形態で実現され、ディスプレイソース１１０および第１レンズ１２０は、着用者の眼１０の側方に配置されるように眼鏡のつる（図示せず）の内部に形成され、ホログラフィック光学素子１３０は、着用者の眼１０の前方に配置される眼鏡レンズ（第２レンズ）１５０の一面に膜状にコーティングされる。ディスプレイソース１１０から、画像表示光は、ホログラフィック光学素子１３０の法線または着用者の眼の視軸に対してθの角度をもって入射し、ホログラフィック光学素子１３０によって回折されて、ホログラフィック光学素子１３０の法線または着用者の眼の視軸と並んで着用者の眼に入射できる。

例えば、眼鏡内にディスプレイソース１１０、第１レンズ１２０およびホログラフィック光学素子１３０が含まれる構造上、前記θは約５０度であってもよい。また、レンズ１２０は、焦点距離が約１０ｍｍ、口径が約１０ｍｍであってもよい。さらに、ホログラフィック光学素子１３０は、第２レンズ上に形成できる約２０ｍｍ～４０ｍｍであってもよい。図５は、一実施例によるヘッドマウントディスプレイに含まれるホログラフィック光学素子の作製を説明する一例を示す。図６は、一実施例によるヘッドマウントディスプレイに含まれるホログラフィック光学素子の作製を説明する他の例を示す。

本発明の一実施態様によれば、ホログラフィック光学素子１３０は、ホログラフィック光学素子の法線に対して所定の角度で入射した光が同じ角度の反射角ではない異なる角度で反射する回折効率を有するように作製できる。具体的には、ホログラフィック光学素子は、前記法線に対して５０゜で入射した光が、前記法線に対して０゜で反射する回折効率を有するように作製できる。

本発明の一実施態様によれば、前記ホログラフィック光学素子１３０は、図４に関する説明において、上述した数式により導出される最小の大きさを有するように作製できる。

本発明の一実施態様によれば、前記ホログラフィック光学素子１３０は、図４に関する説明において、上述した数式により導出される焦点距離ＦＬ１が記録されるように作製できる。

本発明の一実施態様によれば、前記センサ部１６１は、コントローラの外部に備えられる。具体的には、前記センサ部１６１が眼鏡のつるではない眼鏡フレームに位置してもよい。上述のように前記センサ部１６１がコントローラの外部に備えられることにより、前記ヘッドマウントディスプレイの構造を単純化させ、着用者の身体情報を正確に取得することができる。

本発明の一実施態様によれば、前記センサ部１６１は、眼鏡フレームの内部に位置してもよい。具体的には、前記センサ部１６１は、前記着用者の眼の前方に配置された眼鏡フレームの内部に位置し、着用者の眼に向けて位置してもよい。上述のように前記センサ部１６１が着用者の眼の前方に位置した眼鏡フレームの内部にて着用者の眼に向けて備えられることにより、着用者の身体情報を正確に測定および／または取得することができる。

本発明の一実施態様によれば、前記制御部１６３および／または作動部１６５は、眼鏡のつるの内部に位置するものであってもよい。上述のように着用者の眼の側方である眼鏡のつるの内部に備えられることにより、前記ヘッドマウントディスプレイの構造を単純化且つ軽量化させることができる。

本発明の一実施態様によれば、前記身体情報は、着用者の頭形、着用者の眼の位置、着用者の眼間の距離およびこれらの組み合わせからなる群より選択された１つであってもよい。具体的には、前記センサ部１６１によって取得される前記身体情報は、着用者の頭形、着用者の眼の位置、着用者の眼間の距離およびこれらの組み合わせからなる群より選択された１つであってもよく、前記着用者の視野角を拡張させるために必要な情報に該当する場合、すべて取得可能である。より具体的には、着用者の瞳孔の大きさ、着用者の虹彩が閉じている状態、着用者の眼元の骨格における眼球の陥没した深さなどであってもよい。上述した身体情報により、前記ホログラフィック光学素子１３０と前記第１レンズ１２０との距離Ｌ１および／または前記第１レンズ１２０と前記ディスプレイソース１１０との距離Ｌ２を調節して、着用者によって異なる身体情報に基づいて視野角（Ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）を最大に確保することができる。

本発明の一実施態様によれば、前記制御部１６３は、前記着用者の眼の前記画像に対する目標視野角を満足するように前記第１レンズおよびディスプレイソースの予め定められた位置を計算するものであってもよい。具体的には、前記制御部１６３は、前記着用者の身体情報を取得したものに基づいて前記第１レンズおよび前記ディスプレイソースの予め定められた位置を計算し、前記動作部によって前記第１レンズおよび前記ディスプレイソースの位置を調節することにより、前記ホログラフィック光学素子１３０と前記第１レンズ１２０との距離Ｌ１および／または前記第１レンズ１２０と前記ディスプレイソース１１０との距離Ｌ２を調節して、着用者によって異なる身体情報に基づいて視野角（Ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）を最大に確保することができる。

図５および図６を参照すれば、多様な実施例によるホログラフィック光学素子１３０は、透明な基板１３３（例：ガラス、プラスチックまたは眼鏡レンズ）に感光物質１４０を配置させ、所定の角度をもって前記感光物質の前面および後面をそれぞれ照射する可干渉性（ｃｏｈｅｒｅｎｔ）の２つのレーザビームを用いて前記感光物質に干渉パターンを記録することにより作製できる。図示のように、第１レーザビームのシルエット（陰影で表示される）および第２レーザビームのシルエット（陰影で表示される）が感光物質上に重畳する領域に干渉パターンが形成され、前記重畳する領域によってホログラフィック光学素子の大きさが決定可能である。また、図４に関して上述したように、第１レンズ１２０を追加する場合、ホログラフィック光学素子１３０に記録されるべき焦点距離ＦＬ１を計算し、第１レーザビームが広がり始める一地点と感光物質１４０との間の垂直距離を計算された焦点距離ＦＬ１に設定することにより、ホログラフィック光学素子に焦点距離ＦＬ１を記録することができる。

図５を参照すれば、第１レンズ１２０を追加する場合、計算された焦点距離を有するホログラフィック光学素子を記録するために、第１レーザは、感光物質１４０の一面と前記焦点距離だけ垂直に離れた一地点から広がり始める円錐状のビームを照射する。この時、第２レーザは、感光物質１４０の他面に円筒状のビームを照射する。感光物質１４０中にて第１レーザビームおよび第２レーザビームの相互作用によって干渉パターンの形成される領域がホログラフィック光学素子になることができ、ホログラフィック光学素子の大きさを決定する。この場合、感光物質１４０の厚さと露光時間を異ならせて記録することにより、最大回折効率を有するホログラフィック光学素子が作製できる。

図６を参照すれば、第１レンズ１２０を追加する場合、計算された焦点距離が短くて短い焦点距離を有するホログラフィック光学素子を記録しなければならない場合、第１レーザは、感光物質１４０の一面と前記焦点距離だけ垂直に離れた一地点から広がり始める円錐状のビームを照射し、第２レーザは、集光しながら進行する円錐状のビームを感光物質１４０の他面に照射する方法も可能である。感光物質１４０中にて第１レーザビームおよび第２レーザビームの相互作用によって干渉パターンの形成される領域がホログラフィック光学素子になることができ、ホログラフィック光学素子の大きさを決定する。この場合、感光物質１４０の厚さと露光時間を異ならせて記録することにより、最大回折効率を有するホログラフィック光学素子が作製できる。

たとえ、本発明が上述した好ましい実施例に関して説明されたが、発明の要旨と範囲を逸脱することなく多様な修正や変形をすることが可能である。したがって、添付した特許請求の範囲には、本発明の要旨に属する限り、かかる修正や変形を含む。

１０：着用者の眼
１００：ヘッドマウントディスプレイ
１１０：ディスプレイソース
１１１：中間像
１１２：虚像
１２０：第１レンズ
１３０：ホログラフィック光学素子
１３１：仮想レンズ
１４０：感光物質
１５０：第２レンズ
１６０：コントローラ
１６１：センサ部
１６３：制御部
１６５：作動部

Claims (11)

1. 着用者の頭部に着用されて画像を伝達するヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記着用者の眼の側方に配置され、画像表示光を出力するディスプレイソースと、
   前記画像表示光を集光する第１レンズと、
   前記着用者の眼の前方に配置され、前記第１レンズを通過した前記画像表示光を着用者の眼に指向させるホログラフィック光学素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ、ＨＯＥ）と、
   前記ディスプレイソースおよび前記第１レンズの少なくとも１つの位置を調節するコントローラと、を含み、
   前記コントローラは、
   前記着用者の眼の前方に配置され、前記着用者の身体情報を取得するセンサ部と、
   取得された前記身体情報に基づいて前記第１レンズおよび前記ディスプレイソースの予め定められた位置を計算する制御部と、
   前記着用者の眼の側方に配置され、前記第１レンズおよび前記ディスプレイソースの位置を前記予め定められた位置に位置させる作動部と、を含み、
   前記身体情報は、着用者の頭形、着用者の眼の位置及び着用者の眼間の距離を含む、ヘッドマウントディスプレイ。
2. 前記ディスプレイソースは、液晶ディスプレイパネルまたは有機発光ダイオードディスプレイパネルを含む、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記着用者の眼の前方に配置され、前記ホログラフィック光学素子が一面に形成された第２レンズをさらに含む、請求項１または２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 外部光が前記着用者の眼側の面に対向する面から前記第２レンズおよび前記ホログラフィック光学素子のいずれか１つ以上を透過して、前記着用者の眼に入射する、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 前記ディスプレイソース、前記第１レンズ、前記第２レンズおよび前記コントローラは、眼鏡、ゴーグルおよびヘルメットの少なくとも１つに設けられている、請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. 前記ディスプレイソース、前記第１レンズ、前記第２レンズおよび前記コントローラは、前記着用者の両眼にそれぞれ対応するように左右一対が提供される、請求項５に記載のヘッドマウントディスプレイ。
7. 前記ディスプレイソースおよび前記第１レンズが眼鏡のつるの内部に配置され、前記ディスプレイソースからの画像表示光が前記ホログラフィック光学素子の法線に対して所定の角度で斜めに入射する、請求項５または６に記載のヘッドマウントディスプレイ。
8. 前記第１レンズは、前記着用者の眼の前記画像に対する目標視野角を満足するように計算された焦点距離を有する、請求項１～６の何れか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
9. 前記ホログラフィック光学素子は、前記着用者の眼の前記画像に対する目標視野角を満足するように計算された焦点距離が記録されている、請求項１～８の何れか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
10. 前記センサ部は、眼鏡フレームの内部に位置し、
    前記制御部および前記作動部は、眼鏡のつるの内部に位置する、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
11. 前記制御部は、前記着用者の眼の前記画像に対する目標視野角を満足するように前記第１レンズおよび前記ディスプレイソースの前記予め定められた位置を計算する、請求項２または１０に記載のヘッドマウントディスプレイ。

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