JPH1152285A - ヘッドマウントディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で低コストのヘッドマウントディスプレ
イ装置を提供する。 【解決手段】 光源１は、発光手段として赤色光、緑色
光、及び青色光を放射する発光ダイオード素子を集積し
たものである。光源１から放射される光ビームは、レン
ズ２により平行光の光ビームに変換された後、投射光お
よび反射光分離光学系を形成するハーフミラー４を介し
てマイクロ偏向ミラーアレイ型空間光変調素子３のミラ
ー面に照射される。この空間光変調素子３は、光ビーム
の色に対応する色の画像信号光をハーフミラー４方向に
反射する。反射された画像信号光は、ハーフミラー４、
投影レンズ５およびハーフミラー６を介してユーザの眼
７に入射し、その網膜上で結像する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はヘッドマウントディ
スプレイ装置に係り、特にカラー画像を表示するのに好
適なヘッドマウントディスプレイ装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】カラー画像を表示するヘッドマウントデ
ィスプレイ（ＨＭＤ）装置では、従来から光源の発光手
段として、赤色光、緑色光、及び青色光をそれぞれ放射
する３種類の発光ダイオードが用いられている。

【０００３】この種の装置は、例えば特開平７−２１２
６８０号公報に開示されているように、駆動信号に基づ
いて３色の発光ダイオードを速い周期で循環的にかつ連
続して交互に発光させるとともに、各発光ダイオードか
ら出射された赤色光、緑色光、及び青色光を２枚のダイ
クロイックミラーを用いて合成するように構成される。
これにより赤色光、緑色光、及び青色光が速い周期で循
環的にかつ連続的に順次時間的に配列してなる３色光を
形成する。この３色光はレンズにより平行光の光ビーム
に変換された後、投射光および反射光分離光学系を形成
するハーフミラーを介してマイクロ偏向ミラーアレイ型
空間光変調素子のミラー面に照射する。マイクロ偏向ミ
ラーアレイ型空間光変調素子においては、変調素子駆動
回路から供給されるデータ信号に応じて、ミラー面に照
射される光ビームが赤色光のときには、映像信号に基づ
く映像データの赤色成分に基づきミラーアレイを偏向す
ることにより赤色光の画像信号光をハーフミラー方向に
反射し、ミラー面に入射する光ビームが緑色光のときに
は、当該映像データの緑色成分に基づきミラーアレイを
偏向することにより緑色光の画像信号光をハーフミラー
方向に反射し、かつ、ミラー面に入射する光ビームが青
色光のときには、当該映像データの青色成分に基づきミ
ラーアレイを偏向することにより青色光の画像信号光を
ハーフミラー方向に反射する。このマイクロ偏向ミラー
アレイ型空間光変調素子によってハーフミラー方向に反
射された各色の画像信号光は、この後ハーフミラー、投
影レンズおよびハーフミラーを介してユーザの眼に入射
し、その網膜上で結像する。これにより、ユーザの眼の
網膜上に映像信号に基づく映像データの赤色成分、緑色
成分、および、青色成分だけでなる部分的な虚像を、速
い周期で循環的にかつ連続的に呈示することができる。

【０００４】このように構成することにより、ユーザに
動的なカラーの画像が表示されているように認識させ得
る。この時、ユーザの眼にはハーフミラーを介して外界
光が入射する。これにより、映像信号に基づく虚像を外
景に重ね合わせた状態で呈示し得るようになされてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
のヘッドマウントディスプレイ装置では、光源の発光手
段として赤色光、緑色光、及び青色光をそれぞれ放射す
る３個の発光ダイオードを具備しており、この赤色光、
緑色光、及び青色光を合成するために、２枚のダイクロ
イックミラーを必要とする。このため、この技術をヘッ
ドマウントディスプレイ装置に適用した場合、光源のス
ペースが大きくなり、ひいては装置全体が大型になると
いう問題がある。また、３個の発光ダイオードと２枚の
ダイクロイックミラーを使用することから、コストがか
かるといった問題もある。

【０００６】従って本発明の目的は、小型で低コストの
ヘッドマウントディスプレイ装置を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、赤色発光ダ
イオード素子、青色発光ダイオード素子及び緑色発光ダ
イオード素子を集積して構成した光源と、前記光源から
の光ビームが照射されることによって前記光ビームの色
に対応する色の画像信号光を反射する空間光変調器と、
前記空間光変調器により反射された画像信号光を投影す
るための投影レンズとを有するヘッドマウントディスプ
レイ装置により、達成される。

【０００８】本発明では、本装置における光源を、各色
の発光ダイオード素子の特色を生かし、全体として一つ
の光源として機能するようにしている。そのため、赤色
発光ダイオード素子、青色発光ダイオード素子及び緑色
発光ダイオード素子を集積して、一つの光源を構成す
る。各発光ダイオード素子の基板の一辺は３００〜３５
０μｍであり、隣接する各素子基板の間隔は約１００μ
ｍである。しかも、各発光ダイオード素子はエポキシ樹
脂で封止され、光源はその直径が約３ｍｍとなり、極め
て小型化される。

【０００９】本発明に係るヘッドマウントディスプレイ
装置では、従来のようなダイクロイックミラーは不要で
あり、かつ複数の各色発光ダイオードは集積化されてい
るので、小型で低コストの装置が実現できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】

（実施例１）図１は、本発明の一実施例であり、空間光
変調器としてマイクロ偏向ミラーアレイ型空間光変調素
子を用いたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）装置
の正面図を示すものであり、図２は、この装置の平面図
である。

【００１１】図１及び図２において、光源１は、発光手
段として赤色光、緑色光、及び青色光を放射するそれぞ
れ１個の発光ダイオード素子を集積したものである。

【００１２】光源１は、図示しない駆動回路から供給さ
れる駆動信号に基づいて、各色の発光ダイオード素子を
速い周期で循環的にかつ連続して交互に発光させること
により、赤色光、緑色光、及び青色光が速い周期で循環
的にかつ連続的に順次時間的に配列してなる３色光を形
成する。この３色光は、レンズ２により平行光の光ビー
ムに変換された後、投射光および反射光分離光学系を形
成するハーフミラー４を介してマイクロ偏向ミラーアレ
イ型空間光変調素子３のミラー面に照射される。

【００１３】マイクロ偏向ミラーアレイ型空間光変調素
子３においては、変調素子駆動回路から供給されるデー
タ信号に応じて、ミラー面に照射される光ビームが赤色
光のときには、映像信号に基づく映像データの赤色成分
に基づいてミラーアレイを偏向することにより、赤色光
の画像信号光をハーフミラー４方向に反射する。ミラー
面に入射する光ビームが緑色光のときには、映像データ
の緑色成分に基づいてミラーアレイを偏向することによ
り、緑色光の画像信号光をハーフミラー４方向に反射す
る。ミラー面に入射する光ビームが青色光のときには、
映像データの青色成分に基づいてミラーアレイを偏向す
ることにより、青色光の画像信号光をハーフミラー４方
向に反射する。

【００１４】このマイクロ偏向ミラーアレイ型空間光変
調素子３によってハーフミラー４方向に反射された各色
の画像信号光は、例えば図中の文字Ａのように、ハーフ
ミラー４、投影レンズ５およびハーフミラー６を介して
ユーザの眼７に入射し、その網膜上で結像する。これに
より、ユーザの眼７の網膜上に映像信号に基づく映像デ
ータの赤色成分、緑色成分、及び青色成分だけでなる部
分的な虚像を、速い周期で循環的にかつ連続的に呈示す
ることができる。かくして、ユーザに動的なカラーの画
像が表示されているように認識させ得るようにされてい
る。この時、ユーザの眼７にはハーフミラー６を介して
外界光が入射する。これにより本ＨＭＤ装置では、映像
信号に基づく虚像を外景に重ね合わせた状態で呈示し得
るように構成される。なお図中、１４はＨＭＤ装置の
枠、１５は人の鼻を示す。

【００１５】図３（ａ）、（ｂ）は、光源１の具体的構
成例を示す図である。図３（ａ）は、赤色発光ダイオー
ド素子１０１、緑色発光ダイオード素子１０２、及び青
色発光ダイオード素子１０３を、図の破線で示すような
三角形の各頂点に配列して集積した例を示す。各色の発
光ダイオード素子は、紙面に垂直な方向に放射する。各
素子は基板を有し、その基板の一辺は３００〜３５０μ
ｍであり、隣接する各素子基板の間隔は約１００μｍで
ある。この集積した発光ダイオードの光源１は、エポキ
シ樹脂で封止されており、その直径は約３ｍｍである。
この光源１に駆動信号を供給し、各色の発光ダイオード
素子を速い周期で循環的にかつ連続して交互に発光させ
ることにより、赤色光、緑色光、及び青色光が速い周期
で循環的にかつ連続的に順次時間的に配列してなる３色
光を形成できる。

【００１６】図３（ｂ）は、緑色光を放射する発光ダイ
オード素子の強度が赤色光、及び青色光の強度よりも相
対的に低い場合に、赤色発光ダイオード素子１０１及び
青色発光ダイオード素子１０３と、緑色光を放射する２
個の発光ダイオード素子１０２とを、図の破線のように
四角形の各頂点に配列して集積した例である。各色の発
光ダイオード素子は紙面に垂直方向に放射する。各素子
は基板を有し、その基板の一辺は３００〜３５０μｍで
あり、隣接する各素子基板の間隔は約１００μｍであ
る。この集積した発光ダイオードの光源１は、エポキシ
樹脂で封止され、その直径は約３ｍｍである。この集積
した発光ダイオードに駆動信号を供給し、各色の発光ダ
イオード素子を速い周期で循環的にかつ連続して交互に
発光させることにより、赤色光、緑色光、および、青色
光が速い周期で循環的にかつ連続的に順次時間的に配列
してなる３色光を形成できる。このとき、２個の緑色発
光ダイオード素子は同時に発光するので、赤色光、緑色
光、及び青色光の強度のバランスをとることができる。

【００１７】上述の集積した発光ダイオードからの３色
光を、空間光変調器によって供給される各色の映像信号
に基づいて空間変調した後、ユーザの眼の網膜上で結像
させることにより、ユーザに動的なカラーの画像を呈示
することができる。 （実施例２）図４は、本発明の他の実施例であり、空間
光変調器として反射型分散型液晶素子８を用いたヘッド
マウントディスプレイ装置の概略図である。図は片目対
応部分を示すものであるが、ＨＭＤ装置としては、この
ような構成が両目分具備される。

【００１８】図４において、光源１は、発光手段として
赤色光、緑色光、及び青色光を放射する各１個の発光ダ
イオード素子基板を、図３（ａ）で説明したように、三
角形の各頂点に配列して集積したものである。

【００１９】光源１においては、この集積した発光ダイ
オード素子に図示しない駆動回路から供給される駆動信
号に基づいて各色の発光ダイオード素子を速い周期で循
環的にかつ連続して交互に発光させることにより、赤色
光、緑色光、及び青色光が速い周期で循環的にかつ連続
的に順次時間的に配列してなる３色光を形成するように
なされている。この３色光はレンズ２により平行光の光
ビームに変換された後、投射光および反射光分離光学系
を形成するハーフミラー４を介して反射型分散型液晶素
子８の反射面に照射する。

【００２０】反射型分散型液晶素子８においては、図示
しない反射型分散型液晶素子駆動回路から供給されるデ
ータ信号に応じて、反射面に照射される光ビームが赤色
光のときには、映像信号の赤色成分により液晶素子反射
率を変調し、それによって赤色の画像信号光が形成さ
れ、この赤色の画像信号光はハーフミラー４方向に反射
する。反射面に入射する光ビームが緑色光のときには、
映像信号の緑色成分により液晶素子反射率を変調し、そ
れによって緑色の画像信号光が形成され、この緑色の画
像信号光はハーフミラー４方向に反射する。反射面に入
射する光ビームが青色光のときには、映像信号の青色成
分により液晶素子反射率を変調し、それによって青色の
画像信号光が形成され、この青色の画像信号光はハーフ
ミラー４方向に反射する。

【００２１】この反射型分散型液晶素子８によってハー
フミラー４方向に反射された各色の画像信号光は、この
後ハーフミラー４、投影レンズ５およびハーフミラー６
を介してユーザの眼７に入射し、その網膜上で結像す
る。これにより、ユーザの眼７の網膜上に映像信号に基
づく映像データの赤色成分、緑色成分、及び青色成分だ
けでなる部分的な虚像を、速い周期で循環的にかつ連続
的に呈示することができ、かくしてユーザに動的なカラ
ーの画像が表示されているように認識させ得るようにな
されている。この時、ユーザの眼７にはハーフミラー６
を介して外界光が入射する。これにより、映像信号に基
づく虚像を外景に重ね合わせた状態で呈示し得るように
なされている。 （実施例３）反射型液晶素子は、実施例２で説明した反
射型分散型液晶素子８に限定されるわけではない。例え
ば、ねじれネマティック型液晶素子を偏光子と検光子で
挟み偏光面を回転させることにより、光変調を行うこと
ができる。

【００２２】図５は、本発明の他の実施例であり、反射
型ねじれネマティック型液晶素子９と偏光ミラー１０を
用いたヘッドマウントディスプレイ装置の概略図を示
す。この場合、偏光ミラーにより、偏光子と検光子を兼
ねさせることができる。なお、図は片目対応部分を示す
ものであるが、ＨＭＤ装置としては、このような構成が
両目分具備される。

【００２３】光源１には、実施例２と同様に、集積した
発光ダイオードを用いている。光源１からの光ビーム
は、レンズ２を介して偏光ミラー１０で偏光され、反射
型ねじれネマティック型液晶素子９に照射される。反射
型ねじれネマティック型液晶素子９においては、図示し
ない液晶素子駆動回路から供給されるデータ信号に応じ
て、偏光ミラー１０から照射される光ビームが赤色光の
ときには、映像信号の赤色成分に対応する液晶素子で偏
光面を回転させ、それによって赤色の画像信号光が形成
され、この赤色の画像信号光は偏光ミラー１０を透過す
る。偏光ミラー１０から照射される光ビームが緑色光の
ときには、映像信号の緑色成分に対応する液晶素子で偏
光面を回転させ、それによって緑色の画像信号光が形成
され、この緑色の画像信号光は偏光ミラー１０を透過す
る。偏光ミラー１０から照射される光ビームが青色光の
ときには、映像信号の青色成分に対応する液晶素子で偏
光面を回転させ、それによって青色の画像信号光が形成
され、この青色の画像信号光は偏光ミラー１０を透過す
る。

【００２４】この反射型ねじれネマティック型液晶素子
９によって偏光ミラー１０方向に反射された各色の画像
信号光は、この後偏光ミラー１０を透過し、投影レンズ
５およびハーフミラー６を介してユーザの眼７に入射
し、その網膜上で結像する。これにより、ユーザの眼７
の網膜上に映像信号に基づく映像データの赤色成分、緑
色成分、及び青色成分だけでなる部分的な虚像を、速い
周期で循環的にかつ連続的に呈示することができ、かく
してユーザに動的なカラーの画像が表示されているよう
に認識させ得るようになされている。この時、ユーザの
眼７にはハーフミラー６を介して外界光が入射する。こ
れにより、映像信号に基づく虚像を外景に重ね合わせた
状態で呈示し得るようになされている。 （実施例４）空間光変調器として実施例２で説明した反
射型分散型液晶素子８に代えて液晶素子内の画素を赤
色、緑色、青色それぞれの画像信号で変調できるように
分割し、かつ、分割した各画素の表面にそれぞれ赤色、
緑色、青色のフィルタを被着した型の液晶素子を用いて
もよい。

【００２５】この場合、光源１の集積した発光ダイオー
ド素子からの速い周期で循環的にかつ連続的に順次時間
的に配列してなる３色光を、それぞれ赤色、緑色、青色
のフィルタを被着した型の液晶素子によって、供給され
る各色の映像信号に基づいて空間変調し、各色の画像信
号光を形成する。各色の画像信号光は、この後ハーフミ
ラー４、投影レンズ５およびハーフミラー６を介してユ
ーザの眼７に入射し、その網膜上で結像する。 （実施例５）上述の実施例４においては、赤色光、緑色
光、及び青色光を時系列的に変調し、順次液晶素子に照
射することにより、カラー画像信号光を形成したが、光
源１の赤色、緑色、及び青色の各発光ダイオード素子の
発光を連続的に行うことによっても行うことができる。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、赤色光、緑色光、及び
青色光をそれぞれ放射する発光ダイオード素子を集積し
た光源を用いることにより、発光部分を小さくし、これ
により装置全体を小型にすることができる。また、光源
の部品点数を削減できるので、装置の低コスト化を実現
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図であり、空間光変調
器としてマイクロ偏向ミラーアレイ型空間光変調素子を
用いたヘッドマウントディスプレイ装置の正面図を示す
ものである。

【図２】本発明の一実施例を示す図であり、空間光変調
器としてマイクロ偏向ミラーアレイ型空間光変調素子を
用いたヘッドマウントディスプレイ装置の平面図を示す
ものである。

【図３】光源の具体的構成例を示す図であり、（ａ）は
赤、緑、青の3色の発光ダイオード素子を三角形の各頂
点に配列して集積したもの、（ｂ）は赤、青の２色の発
光ダイオード素子と２つの緑の発光ダイオード素子を四
角形の各頂点に配列して集積したものを示す。

【図４】本発明の他の実施例であり、空間光変調器とし
て反射型分散型液晶素子を用いたヘッドマウントディス
プレイ装置の概略図である。

【図５】本発明の他の実施例であり、反射型ねじれネマ
ティック型液晶素子と偏光ミラーを用いたヘッドマウン
トディスプレイ装置の概略図を示す。

【符号の説明】

１ 光源 ２ レンズ ３ マイクロ偏向ミラーアレイ型空間光変調素子 ４ ハーフミラー ５ 投影レンズ， ６ ハーフミラー ７ 眼 １５ 鼻

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤色発光ダイオード素子、青色発光ダイ
   オード素子及び緑色発光ダイオード素子を集積して構成
   した光源と、前記光源からの光ビームが照射されること
   によって前記光ビームの色に対応する色の画像信号光を
   反射する空間光変調器と、前記空間光変調器により反射
   された画像信号光を投影するための投影レンズとを有す
   ることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。
2. 【請求項２】 前記光源は、赤色発光ダイオード素子、
   青色発光ダイオード素子及び緑色発光ダイオード素子を
   それぞれ三角形の各頂点に配置して構成したことを特徴
   とする請求項１記載のヘッドマウントディスプレイ装
   置。
3. 【請求項３】 前記光源は、赤色発光ダイオード素子、
   青色発光ダイオード素子及び２つの緑色発光ダイオード
   素子をそれぞれ四角形の各頂点に配置して構成したこと
   を特徴とする請求項１記載のヘッドマウントディスプレ
   イ装置。
4. 【請求項４】 前記各発光ダイオード素子の隣接する素
   子間の間隔がそれぞれ約１００μｍであることを特徴と
   する請求項２又は３記載のヘッドマウントディスプレイ
   装置。
5. 【請求項５】 前記光源は、赤色発光ダイオード素子、
   青色発光ダイオード素子及び緑色発光ダイオード素子を
   エポシキ樹脂により封止して構成されたことを特徴とす
   る請求項１乃至４のいずれかに記載のヘッドマウントデ
   ィスプレイ装置。
6. 【請求項６】 赤色発光ダイオード素子、青色発光ダイ
   オード素子及び緑色発光ダイオード素子を集積してなる
   光源と、前記光源からの光ビームを方向転換するミラー
   と、前記ミラーからの平行光ビームが照射され映像デー
   タに応じて駆動される空間光変調器と、前記空間光変調
   器からの反射光を前記ミラーを介して入射し投影する投
   影レンズとを有することを特徴とするヘッドマウントデ
   ィスプレイ装置。
7. 【請求項７】 前記空間光変調器として、マイクロ偏向
   ミラーアレイ型空間光変調素子を用いることを特徴とす
   る請求項６記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
8. 【請求項８】 前記空間光変調器として、反射型液晶素
   子を用いることを特徴とする請求項６記載のヘッドマウ
   ントディスプレイ装置。
9. 【請求項９】 前記反射型液晶素子として、分散型液晶
   素子を用いることを特徴とする請求項８記載のヘッドマ
   ウントディスプレイ装置。
10. 【請求項１０】 前記反射型液晶素子として、ねじれネ
    マティック型液晶素子を用いることを特徴とする請求項
    ８記載のヘッドマウントディスプレイ装置。
11. 【請求項１１】 前記反射型液晶素子として、液晶素子
    内の画素を赤色、緑色、青色のそれぞれの画像信号で変
    調できるように分割し、かつ、分割した各画素の表面に
    それぞれ赤色、緑色、青色のフィルタを被着した液晶素
    子を用いることを特徴とする請求項８記載のヘッドマウ
    ントディスプレイ装置。
12. 【請求項１２】 前記光源の各発光ダイオード素子を連
    続的に発光させることを特徴とする請求項１１記載のヘ
    ッドマウントディスプレイ装置。
13. 【請求項１３】 赤色発光ダイオード素子、青色発光ダ
    イオード素子及び緑色発光ダイオード素子を集積して構
    成した光源から順次各色の光ビームを放射する工程と、
    前記光源からの光ビームが照射される空間光変調器によ
    り前記光ビームの色に対応する色の画像信号光を反射す
    る工程と、前記空間光変調器により反射された画像信号
    光を投影する工程とを有することを特徴とする画像表示
    方法。