JP7307031B2 - 虚像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロレンズアレイを用いた虚像投射装置に関する。

虚像投射装置として、利用者が頭部に装着して利用するヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mounted Display）が知られている。ＨＭＤは、画像パターンを表示する表示部と投射器の組合せによって映像を投射するものであって、利用者は映像の虚像を視覚により認識することにより、様々な情報を取得することができる。

本技術分野における先行技術として特許文献１がある。特許文献１では、光源部からの光をマルチレンズアレイと結像レンズによって高効率に表示部を照明する虚像投射装置が開示されている。

国際公開第２０１９／１０７０４４号

高輝度を得るために表示部の照明をマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）を使用したケーラー照明とする場合、投射器の射出瞳位置にＭＬＡの表面が結像する。ＭＬＡのレンズセル内は光源の平面強度分布が反映されるため、ＭＬＡ表面結像位置で周期的に強度分布を持ってしまう。これが輝度むらとして顕在化するという課題がある。特許文献１では、この輝度むらについて考慮されていない。

発明の目的は、輝度むらを低減可能な虚像投射装置を提供することである。

本発明は、その一例を挙げるならば、映像光を生成する虚像投射装置であって、光を出射する光源と、光源から出射した光を所定の角度分布の光として出射するマイクロレンズアレイと、マイクロレンズアレイからの光を集光する結像レンズと、結像レンズで集光された光によって照明され映像を生成する表示部と、表示部で生成された映像を映像光として投射する投射部を備え、マイクロレンズアレイはレンズセルの短辺方向が直線に並ばないように配置されている。

本発明によれば、輝度むらを低減可能な虚像投射装置を提供できる。

実施例１におけるＨＭＤの光学系である映像表示部の構成図である。 図１におけるＨＭＤの光学系の光の結像位置を説明する概略図である。 通常のＭＬＡのレンズセル配列及びＭＬＡのレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。 実施例１におけるＭＬＡのレンズセルの配置及びＭＬＡのレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。 実施例１におけるＭＬＡのレンズセルの他の配置及びＭＬＡのレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。 実施例２におけるスペクトル分布の広い平行光を入れた場合の導光部の内部の映像光の伝搬を説明する図である。 実施例２におけるスペクトル分布の広い近距離からの発散（収束）光を入れた場合の導光部の内部の映像光の伝搬を説明する図である。 実施例２におけるＭＬＡのレンズセルが縦横に整列され短辺方向が導光部の伝搬方向と一致する場合のレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。 実施例２におけるＭＬＡのレンズセルの短辺方向が千鳥配置で、短辺方向が導光部の伝搬方向と一致する場合のレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。 実施例３におけるＭＬＡのレンズセルが縦横に整列されＭＬＡのレンズセルのアスペクト比が光源の発光領域形状のアスペクト比と近い場合のレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。 実施例３におけるＭＬＡのレンズセルの短辺方向が千鳥配置で、ＭＬＡのレンズセルのアスペクト比が光源の発光領域形状のアスペクト比と近い場合のレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。なお、本実施例では、虚像投射装置の１例としてＨＭＤを用いて説明する。

図１は、本実施例におけるＨＭＤの光学系である映像表示部の構成図である。図１において、映像表示部１０は、光源部２０とＭＬＡ３０と結像レンズ４０からなる照明部５０と、表示部６０と、投射器７０と、導光部８０を備えている。表示部６０は、別途入力される映像信号に基づいて、照明部５０から入射した光を変調して映像情報が重畳された映像光を生成する。投射器７０は表示部６０からの映像光を投射し、導光部８０で映像光を装着者の瞳孔に導く。導光部は、映像光を複製して広げることで、装着者の装着位置ずれがあっても映像光が装着者の瞳孔に到達できるようにする。

図２は、図１における光学系の光の結像位置を説明する概略図である。図２において、図１と同じ構成は同じ符号を付している。図２において、光源部２０は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の光をそれぞれ出射する光源２１として例えば３つのＬＥＤを備え、これらの光源２１から出射した光は、集光レンズ２２で集光され図示しない色合成部で各色の光束を合成することで、フルカラーの映像光を提供するための照明光を生成する。

ＭＬＡ３０は、入射面と出射面に対向したレンズを複数備えている。入射面に備えられたレンズは、入射した略平行光を出射面に備えているレンズに向かって集光する。一方、ＭＬＡ３０の出射面に備えられたレンズは、それぞれ対向する入射面に備えられたレンズの開口形状に対応した所定の角度分布の光を出射する
結像レンズ４０は、ＭＬＡ３０が出射する光束を表示部６０に向かって結像させる。高輝度を得るために表示部６０の照明をＭＬＡ３０を使用したケーラー照明とし、ＭＬＡ３０の入射面に備えられたそれぞれのレンズの開口の像を拡大して表示部０の全域に照明するので、結像される像は、それぞれのレンズの像が重ね合わせたものになる。

表示部６０からの光を投射器７０にて投射することは、同時に投射器７０の射出瞳位置にＭＬＡ３０の表面の像を結像することになる。この結像面は虚像とは通常異なる位置にあるため、虚像を注視している状態では明瞭には見えないものの、ぼけた状態で瞳孔に入る。ＭＬＡ３０表面の像は輝度均一とすることは困難なため、ぼけた状態とはいえ、輝度むらとして認識される。この輝度むら解消にはＭＬＡ３０から表示部６０の間（結像レンズ４０近辺が望ましい）に適度な拡散板を入れて像を強制的にぼかすことで解消できるが、拡散による効率の低下が避けられない。

図３は、通常のＭＬＡのレンズセル配列及びＭＬＡのレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。

図３に示すように、通常のＭＬＡのレンズセルは縦横に整列されている。一方、光源であるＬＥＤの発光領域形状は、一般的に正方アスペクト比（１：１）であり、ＭＬＡのレンズセルが例えば１６：９のアスペクト比であった場合、このようなＬＥＤとの組み合わせでは、図３に示すように、レンズセル１個の中にＬＥＤの発光領域形状が映りこむ形となり、ＭＬＡのレンズセルの短辺方向の境界は暗くなりやすい。特に、一列に並ぶことで目立ちやすくなる。

そこで、本実施例では、少なくとも、ＭＬＡのレンズセルの短辺方向が直線に並ばないように配置する。これにより規則性を減らし目立たなくすることで輝度むらが低減できる。

図４は、本実施例におけるＭＬＡのレンズセルの配置の一例である。図４においては、ＭＬＡのレンズセルの短辺方向を千鳥配置とした例である。

また、図５は、本実施例におけるＭＬＡのレンズセルの配置の他の例である。図５においては、ＭＬＡのレンズセルの短辺方向を複数段にわたってずらして配置する。図５では、４段にわたってずらし、それを繰り返すように配置している。

なお、ＭＬＡのレンズセルの短辺方向が直線に並ばないようにする配置としては、図４や図５に限定されず、例えば、ランダムに配置してもよい。

このように、本実施例によれば、輝度むらを低減可能な虚像投射装置を提供できる。

本実施例では、導光部内の伝搬のために回析を使用する場合、回析角度の波長依存性を利用した輝度むら低減について説明する。

図６は、本実施例の前提となる、導光部の内部の映像光の伝搬を説明する図である。図６において、入力される映像光として波長分布の広い映像光を入力した場合、例えば、波長λ１の入力Ｉｎ１と波長λ２の入力Ｉｎ２が導光部に入力されると、回折の場合、回折角度の波長依存性が強く、図示したように、波長によって伝搬位置がずれるため、波長分布の広い光（ＬＥＤなど）は、図における横方向の伝搬方向に連続的に射出光位置がＯｕｔ１とＯｕｔ２のようにずれて重なる。しかしながら、図６においては、本来の映像は結像面が遠く略平行光のため入力光は略平行であり、出射光も略平行となり出射角度は同じとなる。ここで、人間の目は対象の点の方向（角度）を認識し、それを基に両眼の視差等による距離認識を経て、空間認識する。よって、観測者からは角度のみで像のずれが認識されるので、図６における射出光位置のずれは像のずれに影響しない。

図７は、波長分布の広い近距離からの発散（収束）光を入れた場合の導光部の内部の映像光の伝搬を説明する図である。図７において、入力信号と出力信号は図６と同様の符号を付しているが、ＭＬＡ表面結像面は観測者の眼に近く非平行光であるため、入力光Ｉｎ１、Ｉｎ２は発散または収束光であり、図６と同様に波長によって伝搬位置がずれ、出射光位置がＯｕｔ１とＯｕｔ２のようにずれると共に、出射角度が異なる。よって、射出光位置のずれは像位置のずれとして認識され、波長によって伝搬方向にずれた像が重なることでぼけてみえる。

図８は、本実施例におけるＭＬＡのレンズセルが縦横に整列され短辺方向が導光部の伝搬方向と一致する場合のレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。ＭＬＡのレンズセルが通常配置で短辺方向が導光部の伝搬方向と一致する場合、広い波長幅を有する光源からの光を導光部に入力すると、導光部の回折角度の波長依存性により、図８に示すように、実線、点線、鎖線が近似色の異なる波長とすると、導光部の伝搬方向に像がずれて観測される。よって、ＭＬＡのレンズアレイのパターン結像面に見える像の導光部の伝搬方向の輝度むらを軽減できる。なお、図８では、導光部の伝搬方向のみ輝度むらが低減されるので一方向のみの低減であり、その低減効果は不十分である。

図９は、本実施例におけるＭＬＡのレンズセルの短辺方向が千鳥配置で、短辺方向が導光部の伝搬方向と一致する場合のレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。図９においては、実施例１の図４に示すように、ＭＬＡのレンズセルの短辺方向が直線に並ばないように千鳥配置にし、かつ、ＭＬＡのレンズセルの短辺方向が導光部の伝搬方向と一致するように配置する。これにより、２方向の輝度むらの低減が可能となる。言い換えれば、ＭＬＡのレンズセルの短辺方向が導光部の伝搬方向と一致し、千鳥配置のように導光部の伝搬方向と異なる方向にレンズセルの短辺方向をずらすように配置する。なお、本実施例においては、レンズセルの短辺方向が直線に並ばないように配置すればよく、千鳥配置に限定されるものではなく、例えば、図５のようにレンズセルの短辺方向を複数段にわたってずらして配置してもよく、ランダム配置としてもよい。

このように本実施例によれば、より輝度むらを低減可能な虚像投射装置を提供できる

本実施例では、光源の発光領域形状のアスペクト比とＭＬＡのレンズセルのアスペクト比を近くすることでＭＬＡのレンズアレイのパターン結像面に見える像の輝度むらを低減する例について説明する。

光源の発光領域形状が、ＭＬＡのレンズセルの形状、つまり照明したい領域の形状に近いほど、レンズアレイのパターン結像面に見える像のレンズセルの短辺方向の境界の暗い領域が小さくなり輝度むらが軽減される。また、光源の発光領域形状と投射する映像の形状が近いほど光利用効率は大きくなる。もちろん光源、レンズセル、投射映像の各形状アスペクト比が一致することで、むらは最小となり、光利用効率は最大となるので最も望ましいが、完全に一致させることは現実的に難しい。

そこで、ＭＬＡのレンズセルのアスペクト比を光源の発光領域形状のアスペクト比に近づけることでＭＬＡのレンズアレイのパターン結像面に見える像の輝度むらを低減することが出来る。

また、ＭＬＡのレンズセルのアスペクト比の値を光源の発光領域形状のアスペクト比の値と投射映像のアスペクト比の値の間とすることでＭＬＡのレンズアレイのパターン結像面に見える像の輝度むらを低減すると共に光利用効率も高くできる。

図１０は、本実施例における、ＭＬＡのレンズセルが縦横に整列され、ＭＬＡのレンズセルのアスペクト比が光源の発光領域形状のアスペクト比と近い場合のレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。図１０に示すように、例えば、光源であるＬＥＤの発光領域形状が正方アスペクト比（１：１）であった場合、ＭＬＡのレンズセルのアスペクト比を１６：９から１６：１０や、３：２、４：３、５：４のように、その比の値を１に近づけるように小さくすれば、図３の場合に比べて、レンズセルの短辺方向の境界の暗い領域が小さくなり輝度むらが軽減される。

また、図１１は、本実施例における、ＭＬＡのレンズセルの短辺方向が千鳥配置で、ＭＬＡのレンズセルのアスペクト比が光源の発光領域形状のアスペクト比と近い場合のレンズアレイのパターン結像面に見える像の模式図である。図１１において、図１０と同様にＭＬＡのレンズセルのアスペクト比を光源の発光領域形状のアスペクト比に近づけ、かつ、ＭＬＡのレンズセルの短辺方向を図４と同様に千鳥配置とすることで、より輝度むらを目立たなくさせ、輝度むら低減を実現できる。なお、本実施例においては、レンズセルの短辺方向が直線に並ばないように配置すればよく、千鳥配置に限定されるものではなく、例えば、図５のようにレンズセルの短辺方向を複数段にわたってずらして配置やランダム配置としてもよい。

このように本実施例によれば、光源の発光領域形状とＭＬＡのレンズセルのアスペクト比を近づけることでＭＬＡのレンズアレイのパターン結像面に見える像の輝度むらを低減可能な虚像投射装置を提供できる。また、ＭＬＡのレンズセルのアスペクト比を光源の発光領域形状のアスペクト比と投射映像のアスペクト比の間とすることでＭＬＡのレンズアレイのパターン結像面に見える像の輝度むらを低減すると共に光利用効率も高くできる虚像投射装置を提供できる。

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０：映像表示部、２０：光源部、２１：光源、２２：集光レンズ、３０：マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）、４０：結像レンズ、５０：照明部、６０：表示部、７０：投射器、８０：導光部

Claims (3)

1. 映像光を生成する虚像投射装置であって、
   光を出射する光源と、
   該光源から出射した光を所定の角度分布の光として出射するマイクロレンズアレイと、
   前記マイクロレンズアレイからの光を集光する結像レンズと、
   前記結像レンズで集光された光によって照明され映像を生成する表示部と、
   前記表示部で生成された映像を映像光として投射する投射部を備え、
   前記マイクロレンズアレイはレンズセルの短辺方向が直線に並ばないように配置されており、
   前記投射部から投射された映像光を導光する導光部を備え、
   前記マイクロレンズアレイはレンズセルの短辺方向が前記導光部の伝搬方向と一致して配置されていることを特徴とする虚像投射装置。
2. 映像光を生成する虚像投射装置であって、
   光を出射する光源と、
   該光源から出射した光を所定の角度分布の光として出射するマイクロレンズアレイと、
   前記マイクロレンズアレイからの光を集光する結像レンズと、
   前記結像レンズで集光された光によって照明され映像を生成する表示部と、
   前記表示部で生成された映像を映像光として投射する投射部を備え、
   前記マイクロレンズアレイはレンズセルの短辺方向が直線に並ばないように千鳥配置とし、
   前記投射部から投射された映像光を導光する導光部を備え、
   前記マイクロレンズアレイはレンズセルの短辺方向が前記導光部の伝搬方向と一致して配置されていることを特徴とする虚像投射装置。
3. 映像光を生成する虚像投射装置であって、
   光を出射する光源と、
   該光源から出射した光を所定の角度分布の光として出射するマイクロレンズアレイと、
   前記マイクロレンズアレイからの光を集光する結像レンズと、
   前記結像レンズで集光された光によって照明され映像を生成する表示部と、
   前記表示部で生成された映像を映像光として投射する投射部を備え、
   前記マイクロレンズアレイはレンズセルの短辺方向が直線に並ばないように複数段にわたってずらして配置されており、
   前記投射部から投射された映像光を導光する導光部を備え、
   前記マイクロレンズアレイはレンズセルの短辺方向が前記導光部の伝搬方向と一致して配置されていることを特徴とする虚像投射装置。

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