JPH116977A - へッドマウントディスプレイ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 観察位置の制約が少なく、製造容易で安価、
コンパクトなヘッドマウントディスプレイ装置を提供す
ること。 【解決手段】 ２次元画像表示素子と、前記２次元画像
表示素子からの光束をコリメートするためのコリメータ
光学系と、前記コリメータ光学系の近傍に設置され前記
２次元画像表示素子からの光束のうち特定の偏光方向の
光を透過する第１偏光フィルタと、前記２次元画像表示
素子以外からの光が入射し、透過する光の偏光方向が前
記第１偏光フィルタと異なる第２偏光フィルタと、前記
第１偏光フィルタからの光を反射し前記第２偏光フィル
タからの光を透過し、両フィルタからの光を重ね合わせ
るためのハーフミラー光学系と、前記第１偏光フィルタ
からの光を透過する第１透過領域部と前記第２偏光フィ
ルタからの光を透過する第２透過領域部とを有する分割
偏光フィルタと、前記分割偏光フィルタの前記第１透過
領域部に対応して設けられているアフォーカル光学系部
を有する角倍率変換ユニットとからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、使用者が頭部に装
着して画像を観察する画像表示装置、いわゆるヘッドマ
ウントディスプレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ヘッドマウントディスプレイに関
する光学系の文献としては、「偏心光学系による広画角
ＨＭＤ」、「非対称非球面ミラーを用いた０ｆｆ−Ａｘ
ｉａｌＨＭＤ光学系の設計」（いずれも光学技術コンタ
クト ｖｏｌ．３３．Ｎｏ．８（１９９５））等に開示
されているようなものが知られている。これら文献に開
示された光学系は、例えば図５（ａ），（ｂ）に示すよ
うに、液晶表示装置（ＬＣＤ）などの２次元画像表示装
置と、リレー光学系と、接眼レンズとで構成されてお
り、図からも明らかなように基本的には偏芯光学系であ
る。そして、観察者の眼球の直前に視野を覆うような凹
面反射面を設けて、該反射面からの反射光がほぼ平行光
になるようにして、実像の形で形成された射出瞳、すな
わちアイポイントに観察者の瞳をあわせ、眼球に画像光
を入射させている。また、この凹面反射面をハーフミラ
ーとし、外景光も同時に観察できるようにもなってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来技術におい
ては、光学素子の大部分を偏芯して配置しなければなら
ないのみならず、通常は非球面、場合によっては非回転
対称な非球面を用いなければ収差が十分除去できなかっ
た。偏芯光学系の収差を十分除去するための非球面、特
に非回転対称な非球面は設計、製造が困難となるばかり
でなく、製造コストも非常に高くなり、問題である。

【０００４】また、アイポイントに観察者の瞳を合わせ
ることによって画像を観察しなければならないので、観
察者の眼球の位置とヘッドマウントディスプレイとの相
対的な位置関係についての拘束が大きいという問題もあ
る。

【０００５】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であり、観察者の眼球の位置について制約が少なく、構
成が簡単で、小型かつ安価なヘッドマウントディスプレ
イ装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のヘッドマウント
ディスプレイ装置は、２次元画像表示素子と、前記２次
元画像表示素子からの光束をコリメートするためのコリ
メータ光学系と、前記コリメータ光学系の近傍に設置さ
れ前記２次元画像表示素子からの光束のうち特定の偏光
方向の光を透過する第１偏光フィルタと、前記２次元画
像表示素子以外からの光が入射し、透過する光の偏光方
向が前記第１偏光フィルタと異なる第２偏光フィルタ
と、前記第１偏光フィルタからの光を反射し前記第２偏
光フィルタからの光を透過し、両フィルタからの光を重
ね合わせるためのハーフミラー光学系と、前記第１偏光
フィルタからの光を透過する第１透過領域部と前記第２
偏光フィルタからの光を透過する第２透過領域部とを有
する分割偏光フィルタと、前記分割偏光フィルタの前記
第１透過領域部を透過した光束のみが入射するように所
定の間隔で配置されているアフォーカル光学系部を有す
る角倍率変換ユニットと、から構成されている。

【０００７】かかる構成により、液晶表示装置などの２
次元表示素子に表示された画像からの光は、コリメータ
レンズ光学系により平行光とされる。そして第１偏光フ
ィルタにより特定の偏光方向、例えば直線偏光の光のみ
が透過し、続いてハーフミラーへ入射し観察者の方向へ
反射される。

【０００８】一方、２次元画像表示素子以外からきた
光、例えば外景からの光は、第１偏光フィルタとは異な
る偏光方向の光を透過する第２偏光フィルタへ入射す
る。ここで、第２偏光フィルタは第１偏光フィルタと直
角な方向の直線偏光成分の光を透過させることが望まし
い。第２偏光フィルタを透過した外景光はハーフミラ−
を透過し、２次元画像表示素子からの光と重ね合わされ
て観察者の方向へ導かれる。

【０００９】ハーフミラー光学系で反射された２次元画
像表示素子からの光は、分割偏光フィルタに入射し、当
該光のみを透過する第１透過領域部を透過後、その後方
に配置されている角倍率変換ユニットの複数のアフォー
カル光学系部に入射する。アフォーカル光学系部は、ガ
リレオ式またはケプラー式の光学系で構成することが望
ましい。好ましくは、複数のアフォーカル光学系部は観
察者の標準的な瞳径以下の間隔で配置されていることで
あり、そうすれば観察者は角倍率変換ユニットの近傍に
眼球を置けば、必ず２次元画像表示装置からの光を観察
することができる。

【００１０】ハーフミラーを透過した外景からの光は、
分割偏光フィルタに入射し当該光のみを透過する第２透
過領域部を透過し角倍率変換ユニットを素通りして観察
者の方向へ進む。従って観察者は、２次元画像表示素子
からの光と外景からの光を同時に重ねて観察することが
出来る。

【００１１】さらに、本発明では、外景からの光をコリ
メートしてハーフミラーに入射させことが望ましい。こ
れにより、２次元画像表示装置からの光もコリメートさ
れているので、観察者は両方の光を同じピントで観察す
ることができる。

【００１２】本発明では、基本的な構成として偏芯光学
系を使用していないので、簡便な構成で収差の少ない、
安価なヘッドマウンントディスプレイ装置を達成でき
る。また、複数のアフォーカル光学系部が観察者の標準
的な瞳径以下の間隔で配置されているので、観察者はア
イポイントに瞳を合わせる必要がなく、眼球位置の制約
が少ない状態で２次元画像表素子からの光を観察するこ
とができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を添付図面
に基づいて説明する。図１に本発明のヘッドアップディ
スプレイ装置の実施例を示す。２次元画像表示装置１で
表示されている２次元画像は、コリメータレンズ２によ
ってコリメートされ、コリメートされた光は第１偏光フ
ィルタ３を透過し直線偏光の光となる。そして、ハーフ
ミラー４で反射し偏向され、分割偏光フィルタ５に入射
する。分割偏光フィルタ５を拡大した正面図を図４
（ａ）、断面図を図４（ｂ）に示す。分割偏光フィルタ
５上には第１偏光フィルタと同じ偏光方向の光を透過す
る複数の第１領域部５ａが格子状に配置されている。ま
た、第１領域部５ａ以外の部分には、第１偏光フィルタ
を透過した光と直交する偏光方向の光、即ち第２偏光フ
ィルタからの光（外景光）を透過する第２領域部５ｂが
形成されている。

【００１４】分割偏光フィルタ５の後方に設置されてい
る角倍率変換ユニット６には、分割偏光フィルタ５の第
１透過領域部５ａに対応してガリレオ式またはケプラー
式のアフォーカル光学系が複数設けられている。このア
フォーカル光学系は図４（ｃ）に示すように入射光の角
倍率を変換して射出するものであり、人間の標準的な瞳
径以下の間隔で配列されている。従って、角倍率変換ユ
ニット６の近傍に眼球を置けば、それらからの射出光束
のうちいずれかが眼の瞳を通過し、２次元画像表示装置
１の表示する画像を見ることができる。さらに、角倍率
変換ユニット６の角倍率を適当な拡大倍率に設定してお
くことにより、肉眼で見たとき自然な視界で表示画像を
見ることが出来る。

【００１５】一方、外景（外界）からの光は第２偏光フ
ィルタ７を透過したあと、画像表示装置からの光とは直
交した方向の直線偏光とされ、ハーフミラー４を透過す
る。なお、ハーフミラー４と第２偏光フィルタ７とは貼
りあわせてもよい。次に、外景光は分割偏光フィルタ５
に入射し、分割偏光フィルタ５の２種類の領域小部分５
ａ、５ｂのうち、画像光が透過するのとは異なる方の小
部分５ｂのみ透過する。該小部分５ｂを透過した光束
は、該角倍率変換ユニット６を素通りして、該観察者の
眼に入射する。したがって、該観察者は該画像表示装置
１の表示する画像と外景とを同時に重ねて見ることがで
きる。

【００１６】さらに、外景中の観察物体が比較的近距離
にある場合は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、外景
光の光路の先頭に観察物体との距離に概等しい正の焦点
距離を有する正レンズ系９を配することが望ましい。か
かるレンズ９を設けることにより観察物体からの光をほ
ぼ０ディオプタに合わせることができる。従って、アフ
ォーカル光学系に入射する２次元画像表示装置からのコ
リメートされた光と外景からのコリメートされた光のデ
ィオプタを一致させることができるので、観察者は同じ
ピントで両者の像を観察することができる。なお、正レ
ンズ系９を２枚以上のレンズから構成して、それらの間
隔を変化させることによって、外景観察物体までの距離
に応じてその焦点距離を変化できるようにしても良い。

【００１７】図２に本発明の実施例の変形例を示す。図
２の光学系においては、第１及び第２偏光フィルタ、ハ
ーフミラー光学系を１つの偏光ビームスプリッタで構成
したものである。その他の作用は上記実施例と同様であ
る。

【００１８】

【発明の効果】本発明のヘッドマウントディスプレイ装
置によれば、アフォーカル光学系が多数並列する以外は
偏芯光学系は存在しない。従って、光学設計、製造の観
点からも偏芯光学系に比べて遙かに容易かつ安価なもの
が達成できる。

【００１９】また、角倍率変換ユニットを１つの光学素
子でできるので、個々の光学素子のアライメント精度も
従来技術に比較して緩やかでよい。さらに、アイポイン
トに観察者の瞳を合わせるという方式ではないので、比
較的眼球の位置についての制約はゆるやかで、眼鏡も邪
魔にならずに済む。加えて、従来技術においてはみかけ
視界の広角化は光学系全体の大型化に直結していたが、
本発明においては角倍率変換ユニットの厚みが多少変化
する程度で全体の大きさにはあまり影響せず、装置をコ
ンパクトにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のヘッドマウントディスプレイ装置の実
施例の構成を示す図である。

【図２】本発明のヘッドマウントディスプレイ装置の実
施例の変形例の構成を示す図である。

【図３】本発明のヘッドマウントディスプレイ装置の実
施例の他の変形例の構成を示す図である。

【図４】（ａ），（ｂ）は角倍率変換ユニットの拡大
図、（ｃ）は当該ユニットにおける光路図である。

【図５】（ａ），（ｂ）は従来の装置の構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ ２次元画像表示装置 ２ コリメータ ３ 第１偏光フィルタ ４ ハーフミラー ５ 分割偏光フィルタ ６ 角倍率変換ユニット ７ 第２偏光フィルタ ８ 偏光ビームスプリッタ ９ 正レンズ系

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元画像表示素子と、 前記２次元画像表示素子からの光束をコリメートするた
   めのコリメータ光学系と、 前記コリメータ光学系の近傍に設置され前記２次元画像
   表示素子からの光束のうち特定の偏光方向の光を透過す
   る第１偏光フィルタと、 前記２次元画像表示素子以外からの光が入射し、透過す
   る光の偏光方向が前記第１偏光フィルタと異なる第２偏
   光フィルタと、 前記第１偏光フィルタからの光を反射し前記第２偏光フ
   ィルタからの光を透過し、両フィルタからの光を重ね合
   わせるためのハーフミラー光学系と、 前記第１偏光フィルタからの光を透過する第１透過領域
   部と前記第２偏光フィルタからの光を透過する第２透過
   領域部とを有する分割偏光フィルタと、 前記分割偏光フィルタの前記第１透過領域部に対応して
   設けられているアフォーカル光学系部を有する角倍率変
   換ユニットと、からなることを特徴とするへッドマウン
   トディスプレイ装置。
2. 【請求項２】 前記第１偏光フィルタを透過する光の偏
   光方向と前記第２偏光フィルタを透過する光の偏光方向
   が互いに直交していることを特徴とする請求項１記載の
   へッドマウントディスプレイ装置。
3. 【請求項３】 前記角倍率変換ユニットの前記アフォー
   カル光学系部は人間の標準的な瞳の径以下の間隔で配置
   されていることを特徴とする請求項１または２記載のヘ
   ッドマウントディスプレイ装置。
4. 【請求項４】 前記第１偏光フィルタと前記第２偏光フ
   ィルタと前記ハーフミラー光学系が一体の偏光ビームス
   プリッタで構成されていることを特徴とする請求項１、
   ２または３記載のへッドマウントディスプレイ装置。
5. 【請求項５】 前記第２偏光フィルタへ入射する前記２
   次元画像表示素子以外からの光をコリメートするための
   第２のコリメータ光学系を有することを特徴とする請求
   項１，２，３または４記載のへッドマウントディスプレ
   イ装置。