WO2020170515A1 - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

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WO2020170515A1
WO2020170515A1 PCT/JP2019/044237 JP2019044237W WO2020170515A1 WO 2020170515 A1 WO2020170515 A1 WO 2020170515A1 JP 2019044237 W JP2019044237 W JP 2019044237W WO 2020170515 A1 WO2020170515 A1 WO 2020170515A1
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light
display
combiner
beam splitter
eye
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PCT/JP2019/044237
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Inventor
伊藤　文彦
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株式会社Ｊｖｃケンウッド
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/205—Neutral density filters

Definitions

  • the present invention relates to a head mounted display.
  • Patent Document 1 discloses a see-through type head mounted display.
  • the head mount display of FIG. 5 of Patent Document 1 includes a liquid crystal display element, a polarization beam splitter, a concave half mirror, a quarter wavelength plate, and a polarizing diffraction element.
  • the polarization beam splitter reflects S-polarized light and transmits P-polarized light.
  • the polarizing diffractive element diffracts light in the polarization direction reflected by the polarization beam splitter and transmits light in the polarization direction transmitted by the polarization beam splitter.
  • the head mounted display of FIG. 6 of Patent Document 1 includes a liquid crystal display element, a concave half mirror, a flat half mirror, a first polarizing means, and a second polarizing means.
  • the first polarizing means is a polarizing plate that transmits P-polarized light.
  • the second polarizing means is a polarizing plate that absorbs P-polarized light and transmits S-polarized light.
  • the two polarizing plates are arranged so that their transmission axes are orthogonal to each other.
  • Patent Document 1 there is a problem in that there is a difference in the brightness of outside light.
  • external light from the front is attenuated by the half mirror, the polarization beam splitter, and the like.
  • external light from below diagonally below enters the user's eye without passing through the half mirror.
  • External light from diagonally below is visible without being attenuated. Therefore, there is a problem in that there is a difference between the brightness of external light from the front and the brightness of external light from diagonally below the front.
  • the present disclosure has been made in view of the above points, and an object of the present disclosure is to provide a head mounted display capable of appropriately visually recognizing an outside scene.
  • the head mounted display includes a combiner that combines display light for forming a display image and external light from the front of the user who wears the head mounted display, and external light from below the combiner. And a dimming portion having a transmittance equal to or lower than the transmittance of the combiner.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing a configuration of an optical system of the head mounted display according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram schematically showing a configuration of an optical system of the head mounted display according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing a configuration of an optical system of a head mounted display according to a third embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing the configuration of an optical system of a head mounted display according to a fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a diagram schematically showing a configuration of an optical system of a head mounted display according to a fifth embodiment.
  • FIG. 19 is a side view schematically showing the configuration of the optical system of the head mounted display according to the seventh embodiment.
  • FIG. 19 is a top view schematically showing the configuration of the optical system of the head mounted display according to the seventh embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a part of the configuration of the head mounted display 100.
  • FIG. 2 is a diagram showing some functional blocks of the head mounted display 100. 1 and 2 mainly show a configuration relating to image display of the head mounted display 100.
  • FIG. 1 shows the internal configuration of the head mounted display 100, and in practice, each component shown in FIG. 1 may be covered with a cover or the like.
  • the head mounted display 100 is applicable to various applications such as games, entertainment, industrial, medical, and flight simulator.
  • the head mount display 100 is, for example, an AR (Augmented Reality) head mount display or an MR (Mixed Reality) head mount display.
  • the front-back direction is the Z direction
  • the left-right direction is the X direction
  • the up-down direction is the Y direction.
  • the front direction is +Z direction
  • the rear direction is -Z direction
  • the right direction is +X direction
  • the left direction is -X direction
  • the up direction is +Y direction
  • the down direction is -Y direction.
  • the head mounted display 100 includes a display element unit 101, a frame 102, a left eye optical system 103L, a right eye optical system 103R, and a control unit 105.
  • the control unit 105 includes a control unit 105L and a control unit 105R.
  • the frame 102 has a goggle shape and a spectacle shape, and is attached to the user's head with a headband or the like not shown.
  • the display element unit 101, the left-eye optical system 103L, the right-eye optical system 103R, the control unit 105L, and the control unit 105R are attached to the frame 102.
  • the binocular head mounted display 100 is shown in FIG. 1, a head mounted display having a spectacle shape or a monocular head mounted display may be used.
  • the display element unit 101 includes a left-eye display element 101L and a right-eye display element 101R.
  • the left-eye display element 101L generates a display image for the left eye.
  • the right-eye display element 101R generates a display image for the right eye.
  • the left-eye display element 101L and the right-eye display element 101R each include a flat panel display such as a liquid crystal monitor or an organic EL (Electro-Luminescence) monitor.
  • the left-eye display element 101L and the right-eye display element 101R may be displays having curved shapes.
  • the left-eye display element 101L and the right-eye display element 101R each include a plurality of pixels arranged in an array.
  • the array arrangement is not limited to a two-dimensional matrix arrangement, but may be a pentile arrangement or the like.
  • the left-eye display element 101L is arranged on the left side ( ⁇ X side) of the right-eye display element 101R.
  • a control unit 105 is provided above the display element unit 101 (+Y side).
  • the control unit 105 is supplied with video signals, control signals, and power from the outside.
  • a video signal or the like is input to the control unit 105 by a wired connection such as HDMI (registered trademark) or a wireless connection such as WiFi (registered trademark) or BlueTooth (registered trademark).
  • the head mounted display 100 may include a video generation unit (not shown) that generates a video signal, and the control unit 105 may receive the video signal generated by the video generation unit and the like.
  • the control unit 105L and the control unit 105R have hardware resources such as a CPU (Central Processing Unit) and a memory, and operate according to a computer program stored in the memory. Further, each of the control unit 105L and the control unit 105R includes a display drive circuit and the like.
  • the control unit 105L generates a display signal of the image for the left eye based on the video signal, the control signal and the like, and outputs the display signal to the display element 101L for the left eye. As a result, the left-eye display element 101L outputs display light for displaying the left-eye image.
  • the control unit 105R generates a display signal of an image for the right eye based on the video signal, the control signal, and the like, and outputs the display signal to the display element 101R for the right eye.
  • the right-eye display element 101R outputs display light for displaying a display image for the right eye. That is, the control unit 105 outputs the display signal to the display element unit 101.
  • the display element unit 101 is not limited to the configuration in which the left-eye display element 101L and the right-eye display element 101R are separate display elements, and may be a single display element.
  • a single display element may generate a display image for the left eye and a display image for the right eye.
  • the display element unit 101 uses one part of the display area of the display to generate a left-eye image, and uses the other part of the display area to generate a right-eye image.
  • a part or all of the display element unit 101, the control unit 105, and the like are not limited to being fixed to the frame 102, but may be detachably provided to the frame 102.
  • the display element unit 101, the control unit 105, and the like may be realized by attaching a smart phone, a tablet computer, or the like to the frame 102.
  • an application program (app) that generates a display image for a head mounted display may be installed in advance on a smart phone or the like.
  • the left-eye optical system 103L guides the display light output from the left-eye display element 101L to the user's left-eye EL as a left-eye image.
  • the right-eye optical system 103R guides the display light output from the right-eye display element 101R to the right eye of the user as the right-eye image PR.
  • the left-eye optical system 103L is arranged on the left side ( ⁇ X side) of the right-eye optical system 103R.
  • the left-eye optical system 103L is arranged in front of the left eye EL of the user (+Z direction).
  • the right-eye optical system 103R is arranged in front of the right eye ER of the user (+Z direction). The user can visually recognize the virtual image of the display image generated by the display element unit 101 in front of the front (+Z direction).
  • the head mounted display 100 is a transflective head mounted display 100. Therefore, the left-eye optical system 103L and the right-eye optical system 103R include a combiner described later.
  • the semi-transmissive head mounted display 100 display light from the display element unit 101 and external light enter the left eye EL and the right eye ER. Therefore, the user can visually recognize the superimposed image in which the display image is superimposed on the scenery in the front (+Z direction).
  • left-eye optical system 103L and the right-eye optical system 103R (hereinafter collectively referred to as an optical system) will be described. Since the left-eye optical system 103L and the right-eye optical system 103R have the same configuration, only the left-eye optical system 103L will be described below.
  • FIG. 3 is a side view schematically showing the optical system according to the first embodiment.
  • the left-eye optical system 103L includes a combiner 121L, a polarization beam splitter 122L, a quarter-wave plate 123L, and a light reduction unit 130L.
  • the combiner 121L, the polarization beam splitter 122L, the quarter-wave plate 123L, and the dimming unit 130L are fixed to the frame 102 shown in FIG.
  • the combiner 121L, the polarization beam splitter 122L, and the quarter-wave plate 123L are arranged in front of the front of the left eye EL of the user (+Z direction). Further, the combiner 121L is arranged in front of the polarization beam splitter 122L (+Z direction).
  • the quarter-wave plate 123L is arranged between the combiner 121L and the polarization beam splitter 122L. That is, the combiner 121L, the quarter-wave plate 123L, the polarization beam splitter 122L, and the left eye EL are arranged in this order from the +Z side to the ⁇ Z side.
  • the left-eye display element 101L is arranged above the polarization beam splitter 122L (+Y direction). That is, the left-eye display element 101L is arranged diagonally above and in front of the left-eye EL.
  • the light reduction unit 130L is arranged below the polarization beam splitter 122L (-Y direction). That is, the light reduction unit 130L is arranged diagonally below and in front of the left eye EL.
  • the combiner 121L is a beam splitter such as a half mirror, which reflects a part of the incident light and transmits a part thereof. Therefore, assuming that the ratio of the reflection of the display light L12 to be described later on the combiner 121L is equal to the ratio of the reflection of the external light L21 from the front of the user (+Z direction), almost half of the external light L21 is transmitted through the combiner 121L.
  • the combiner 121L is a concave mirror.
  • the combiner 121L may increase the reflection ratio of the display light L12 and reduce the transmission ratio of the external light L21, or may reduce the reflection ratio of the display light L12 and increase the transmission ratio of the external light L21.
  • the polarization beam splitter 122L transmits or reflects light depending on the polarization state.
  • a reflective polarizing plate can be used as the polarization beam splitter 122L.
  • the transmission axis of the polarization beam splitter 122L is parallel to the paper surface.
  • the polarization beam splitter 122L transmits a polarization component parallel to the paper surface and reflects a polarization component orthogonal to the paper surface.
  • the polarization beam splitter 122L transmits P-polarized light and reflects S-polarized light. When non-polarized light enters the polarization beam splitter 122L, it is split into P-polarized transmitted light and S-polarized reflected light.
  • the quarter-wave plate 123L gives a 90° phase difference to orthogonal polarization components.
  • the light is transmitted through the quarter-wave plate 123L to change the polarization state. For example, when linearly polarized light passes through the quarter-wave plate 123L, it is converted into circularly polarized light. When the circularly polarized light passes through the quarter-wave plate 123L, it is converted into linearly polarized light.
  • the 1/4 wavelength plate 123L is arranged parallel to the XY plane.
  • the light reduction unit 130L includes a light reduction filter 131L such as an ND (Neutral Density) filter.
  • ND Neutral Density
  • an ND filter having a transmittance of 25% is used as the light reduction unit 130L.
  • the light reduction unit 130L functions as a lower window for obtaining a field of view obliquely below and forward.
  • External light L41 that is directed obliquely to the left and goes to the left eye EL passes through the neutral density filter 131L. Since the user can see the front diagonally below through the neutral density filter 131L, a downward field of view corresponding to the size of the area of the neutral density filter 131L is secured.
  • the neutral density filter 131L is arranged parallel to the XZ plane.
  • the angle at which the neutral density filter 131L is installed is not particularly limited.
  • the neutral density filter 131L may be arranged with an inclination such that the ⁇ Z side becomes high and the +Z side becomes low.
  • the light reduction unit 130L is arranged outside the optical path of the display light from the combiner 121L to the left eye EL.
  • the display light L11 from the left-eye display element 101L will be described.
  • the display surface of the left-eye display element 101L faces vertically downward ( ⁇ Y direction). Therefore, the display light L11 from the left-eye display element 101L is emitted in the ⁇ Y direction.
  • the left-eye display element 101L is, for example, a liquid crystal monitor having a liquid crystal display panel.
  • the liquid crystal display panel spatially modulates the light by controlling the polarization state of the light from the backlight. Therefore, the polarizing film 1011L is attached to the exit side of the liquid crystal panel of the left-eye display element 101L.
  • the polarizing film 1011L transmits linearly polarized light which is orthogonal to the paper surface and absorbs linearly polarized light which is parallel to the paper surface. Therefore, the display light L11 is linearly polarized light.
  • the display light L11 is linearly polarized light in a direction orthogonal to the paper surface, and this direction is referred to as a first direction.
  • the polarization beam splitter 122L is arranged obliquely below the left-eye display element 101L (-Y direction). Therefore, the polarization beam splitter 122L reflects the display light L11 forward (+Z direction). The polarization beam splitter 122L reflects the display light L11 toward the combiner 121L. The display light L11 is S-polarized with respect to the polarization beam splitter 122L. Almost all of the display light L11 is reflected by the polarization beam splitter 122L. The reflected light of the display light L11 reflected forward (+Z direction) by the polarization beam splitter 122L is referred to as display light L12.
  • the display light L12 reflected by the polarization beam splitter 122L is incident on the combiner 121L via the quarter-wave plate 123L.
  • the combiner 121L reflects the display light L12 backward ( ⁇ Z direction).
  • the combiner 121L reflects the display light L12 toward the polarization beam splitter 122L.
  • the combiner 121L is a concave mirror and reflects the display light L12 so as to focus the display light L12 toward the left eye EL.
  • the reflected light of the display light L12 reflected by the combiner 121L is referred to as display light L13.
  • the display light L13 is incident on the polarization beam splitter 122L via the quarter-wave plate 123L.
  • a quarter wave plate 123L is provided between the combiner 121L and the polarization beam splitter 122L. Display light traveling back and forth between the polarization beam splitter 122L and the combiner 121L is transmitted through the quarter-wave plate 123L twice, so that the polarization direction of the display light is rotated by 90°. That is, the display light L13 is linearly polarized light orthogonal to the polarization direction of the display light L11. In FIG. 3, the display light L13 transmitted through the quarter-wave plate 123L becomes linearly polarized light in a direction parallel to the paper surface, and this direction is referred to as a second direction. On the plane orthogonal to the optical axis, the first direction and the second direction are orthogonal to each other. The transmission axis of the polarization beam splitter 122L is parallel to the second direction.
  • the display light L13 is P-polarized with respect to the polarization beam splitter 122L, almost all of the display light L13 passes through the polarization beam splitter 122L.
  • the quarter-wave plate 123L between the polarization beam splitter 122L and the combiner 121L, it is possible to suppress the loss of display light.
  • the display light L13 that has passed through the polarization beam splitter 122L enters the left eye EL.
  • the left-eye optical system 103L guides the display light from the left-eye display element 101L to the left eye EL of the user.
  • the display light L13 forms a display image.
  • the optical system can display a virtual image in front of the user (+Z direction).
  • the external light L21 from the front of the user (+Z direction) will be described. Almost half of the external light L21 from the front of the user (+Z direction) passes through the combiner 121L.
  • the outside light L21 passes through the quarter-wave plate 123L and enters the polarization beam splitter 122L.
  • the polarization beam splitter 122L splits the external light L21 into two.
  • the external light L21 that has passed through the polarization beam splitter 122L is referred to as external light L22.
  • the outside light L22 is linearly polarized light parallel to the paper surface.
  • the P-polarized light component of the external light L21 passes through the polarization beam splitter 122L and becomes the external light L22.
  • the P-polarized external light L22 enters the left eye EL.
  • the S-polarized component of the external light L21 is reflected by the polarization beam splitter 122L and enters the left-eye display element 101L.
  • the external light L21 is unpolarized, it remains unpolarized even when passing through the quarter-wave plate 123L. It is considered that the unpolarized external light L21 that has passed through the quarter-wave plate 123L has a P-polarized component and an S-polarized component that are substantially equal to each other.
  • the component passes through the polarization beam splitter 122L.
  • the combiner 121L combines the external light L21 from the front (+Z direction) and the display light L11 from the left-eye display element 101L.
  • the head mounted display 100 can be of an optical see-through type.
  • the display image is superimposed on the scenery in front of the user (+Z direction). That is, the user can visually recognize the scenery on which the display image is superimposed.
  • the transmittance of the combiner 121L is 50%. Therefore, half of the outside light L21 passes through the combiner 121L. Further, the outside light L21 passes through the polarization beam splitter 122L.
  • the transmittance of the polarization beam splitter 122L for the external light L21 is 50%. Almost half of the external light L21 that has passed through the quarter-wave plate 123L passes through the polarization beam splitter 122L. Therefore, the outside light L21 is attenuated to 25% by passing through the combiner 121L and the polarization beam splitter 122L. That is, 1/4 of the external light L21 that has entered the combiner 121L enters the left eye EL.
  • the transmittance of the quarter-wave plate 123L is 100%.
  • the outside light L41 enters the neutral density filter 131L as a lower window.
  • the neutral density filter 131L transmits 25% of the incident light and absorbs or reflects the remaining 75%. Part of the external light L41 passes through the neutral density filter 131L and enters the left eye EL.
  • the external light L41 that has passed through the neutral density filter 131L is referred to as external light L42.
  • the external light L42 enters the left eye EL without passing through the polarization beam splitter 122L.
  • the dimming unit 130L includes a dimming filter 131L having a transmittance of 25%.
  • the outside light L41 is attenuated to 25% by passing through the light reduction unit 130L.
  • External light L42 attenuated to 25% enters the left eye EL. Therefore, the brightness of the scenery through the neutral density filter 131L and the brightness of the scenery through the combiner 121L can be matched. Therefore, the user can appropriately visually recognize the outside scenery.
  • the transmittance of the external light L21 at the combiner 121L is Tc
  • the transmittance of the external light L41 at the dimming unit 130L is Tw
  • the transmittance of the external light L21 at the polarization beam splitter 122L is Tm.
  • Tw is preferably Tc or less. Further, Tw is preferably Tm or less.
  • the brightness of the front view visually recognized through the combiner 121L and the view diagonally below the front viewed through the dimming unit 130L are made uniform. You can Thereby, the difference in brightness depending on the viewing direction can be suppressed, and the user can view the natural scenery.
  • the field of view can be expanded to the front and diagonally below, and the head-mounted display can be used in a highly open state. It is possible to suppress the difference in brightness between the external light L22 from the front (+Z direction) that has passed through the combiner 121L and the polarization beam splitter 122L and the external light L42 that has obliquely transmitted from the lower front and has passed through the dimming unit 130L. The user can appropriately visually recognize the outside scenery. Further, since the area around the feet can be seen, the operating device installed on the desk or the like in front of the user can be visually recognized.
  • the transmittance of Tc is 40%, the transmittance of Tw may be lowered accordingly.
  • an antireflection coating may be applied to the surface of each element.
  • stray light in the left-eye optical system 103L can be suppressed.
  • an absorption type ND filter as the neutral density filter 131L, stray light in the left-eye optical system 103L can be suppressed.
  • a quarter-wave plate 123L is arranged between the polarization beam splitter 122L and the combiner 121L.
  • the loss of the display light L11 from the left-eye display element 101L can be suppressed. Therefore, a bright display image with high contrast can be superimposed on the scene in front.
  • Embodiment 2 The left-eye optical system 103L of the head mounted display 100 according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
  • the configuration of the light reducing unit 130L is different from that of the first embodiment.
  • the configuration other than the light reducing unit 130L is the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • the display lights L11 to L13 are omitted because they are the same as those in the first embodiment.
  • the light reduction unit 130L includes a polarizer 132L and a light reduction filter 133L.
  • An absorption type polarizing plate can be used as the polarizer 132L.
  • the transmission axis of the polarizer 132L is parallel to the paper surface.
  • the polarizer 132L transmits a polarization component parallel to the paper surface and absorbs a polarization component orthogonal to the paper surface.
  • the polarizer 132L transmits P-polarized light and absorbs S-polarized light.
  • a reflective polarizing plate may be used as the polarizer 132L.
  • the polarizer 132L is arranged parallel to the XZ plane.
  • the polarizer 132L is, for example, a wire grid polarizer or a dielectric film polarizer.
  • the polarizer 132L is not limited to the configuration arranged in parallel with the XZ plane as shown in FIG.
  • the polarizer 132L may be arranged with an inclination such that the ⁇ Z side is high and the +Z side is low.
  • the wire grid polarizer has excellent polarization characteristics as compared with a polarizer having a dielectric film even when the incident angle of incident light is large.
  • An excellent polarization property is to transmit polarized light in a desired direction and reflect polarized light in a different direction.
  • the polarizer 132L when the polarizer 132L is arranged with an inclination, it is preferable to select the wire grid polarizer as the polarizer 132L.
  • the polarizer 132L When the polarizer 132L is arranged with an inclination and the polarizer of the dielectric film is selected as the polarizer 132L, the dielectric film having the polarization characteristic optimized for the incident angle of the unnecessary reflected light L31 described later. It is better to choose a polarizer of
  • the neutral density filter 133L is arranged on the polarizer 132L (+Y side).
  • As the neutral density filter 133L an ND filter having a transmittance of 50% can be used.
  • FIG. 4 shows a configuration in which the neutral density filter 133L is stacked on the polarizer 132L (on the +Y side), the order of the polarizer 132L and the neutral density filter 133L may be reversed.
  • the polarizer 132L may be laminated on the neutral density filter 133L (+Y side).
  • the neutral density filter 133L and the polarizer 132L may be integrally molded.
  • the external light L41 When the external light L41 is non-polarized, it is considered that the external light L41 has a P-polarized component and an S-polarized component that are substantially equal to each other. Take 132L.
  • the unnecessary reflected light L31 reflected by an object 150 such as a desk or clothes and traveling upward (+Y direction) will be described.
  • the unnecessary reflected light L31 enters the light reducing unit 130L, which is a lower window.
  • the transmission axis of the polarizer 132L is parallel to the second direction.
  • the polarizer 132L transmits P-polarized light and absorbs S-polarized light. Therefore, only the P-polarized component of the unnecessary reflected light L31 is transmitted through the light reduction unit 130L.
  • the unnecessary reflected light L31 that has passed through the light reduction unit 130L is referred to as unnecessary reflected light L32. ..
  • the unnecessary reflected light L31 is the reflected light reflected by the object 150, it has more S-polarized components than P-polarized components. Therefore, the unnecessary reflected light L31 can be effectively shielded by using the polarizer 132L that absorbs or reflects the S-polarized component. That is, by disposing the polarizer 132L so as to transmit the P-polarized light, the unnecessary reflected light L31 can be appropriately shielded.
  • the unnecessary reflected light L32 transmitted through the polarizer 132L that absorbs or reflects the S-polarized component is P-polarized. Further, as described above, the polarization beam splitter 122L transmits P-polarized light and reflects S-polarized light. Therefore, the P-polarized unnecessary reflected light L32 is not reflected by the polarization beam splitter 122L toward the left eye EL. As a result, it is possible to prevent the unnecessary reflected light L31 from below the user from being visually recognized as overlapping with the display light L13 and the external light L22. Therefore, it is possible to prevent a decrease in contrast.
  • Patent Document 1 since a diffraction grating is used, wavelength dependence occurs. Therefore, in the third embodiment of Patent Document 1, there is a possibility that light having a specific wavelength included in external light from below in the display image may be superimposed on the display image. In the present embodiment, since a polarizer having no wavelength dependence is used, it is possible to appropriately superpose the external light and the display light as compared with the third embodiment of Patent Document 1.
  • the unnecessary reflected light L32 becomes linearly polarized light parallel to the paper surface.
  • the unnecessary reflected light L32 is P-polarized with respect to the polarization beam splitter 122L. Therefore, almost all of the unnecessary reflected light L32 passes through the polarization beam splitter 122L and enters the left-eye display element 101L.
  • the unnecessary reflected light L32 is absorbed by the polarizing film 1011L of the left-eye display element 101L. This can prevent the unnecessary reflected light L32 from becoming stray light in the frame 102. It is possible to prevent the unnecessary reflected light L32 from directly under the polarization beam splitter 122L (on the ⁇ Y side) from overlapping with the display light L13 to be visually recognized, and suppress deterioration of the image quality.
  • the configuration of the present embodiment it is possible to prevent the unnecessary reflected light L32 from below from overlapping the display light L13 while securing the field of view diagonally below and forward. Therefore, a high-quality display image can be obtained by the bright display light L13 having high contrast. Particularly in an optical see-through type head mounted display used for AR and MR, it is important to obtain a display image which is as bright as external light and has high contrast. With the structure of this embodiment, a bright and high-contrast display image can be obtained. External light and display light can be appropriately overlapped.
  • Embodiment 3 The left-eye optical system 103L of the head mounted display 100 according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
  • a beam splitter 125L is used instead of the polarization beam splitter 122L in FIG.
  • the quarter wave plate 123L is removed. Structures other than these are the same as those in the first embodiment, and therefore description thereof will be omitted.
  • the beam splitter 125L splits light regardless of the polarization state.
  • the beam splitter 125L is a half mirror having a transmittance Tm of 50% and a reflectance of 50%. That is, almost half of the light incident on the beam splitter 125L is transmitted, and the other half is reflected.
  • the transmittance Tc of the combiner 121L is 50% as in the first embodiment.
  • the display light L11 generated in the display element unit 101 will be described.
  • the display light L11 is linearly polarized light perpendicular to the paper surface. Almost half of the display light L11 from the display element unit 101 is reflected by the beam splitter 125L toward the combiner 121L.
  • the reflected light of the display light L11 reflected by the beam splitter 125L is referred to as display light L12.
  • Almost half of the display light L12 is reflected by the combiner 121L.
  • the reflected light of the display light L12 reflected by the combiner 121L is referred to as display light L13. Almost half of the display light L13 passes through the beam splitter 125L.
  • the external light L21 from the front (+Z direction) will be described. Almost half of the outside light L21 passes through the combiner 121L. Almost half of the outside light L21 passes through the beam splitter 125L. Therefore, the outside light L21 is attenuated to 25% by passing through the combiner 121L and the beam splitter 125L.
  • the outside light L21 that has passed through the combiner 121L and the beam splitter 125L is referred to as outside light L22.
  • External light L22 attenuated to 25% enters the left eye EL.
  • the light reduction unit 130L includes a light reduction filter 131L having a transmittance of 25%.
  • the outside light L41 is attenuated to 25% by passing through the light reduction unit 130L.
  • External light L42 attenuated to 25% enters the left eye EL. It is possible to make the brightness of the front view visually recognized through the combiner 121L and the brightness of the front diagonally lower view visually recognized through the dimming unit 130L. This allows the user to visually recognize the natural scenery.
  • the 1/4 wavelength plate 123L is unnecessary as compared with the first and second embodiments using polarization separation. Therefore, the number of parts can be reduced.
  • the light reduction unit 130L may include the polarizer 132L and the light reduction filter 133L.
  • the polarizer 132L is an absorption type polarizing plate that absorbs linearly polarized light orthogonal to the paper surface
  • the display light L11 transmitted through the beam splitter 125L is absorbed by the polarizer 132L. Therefore, the display light L11 transmitted through the beam splitter 125L can be prevented from becoming stray light.
  • the combiner 121L is not the concave half mirror but the plane half mirror 127L. Further, a lens unit 126L is arranged in the optical path between the left-eye display element 101L and the beam splitter 125L. Note that the other configurations are common to those of the third embodiment, and thus the description thereof will be appropriately omitted. For example, in FIG. 6, the display lights L11 to L13 from the left-eye display element 101L are the same as those in the third embodiment, and are not shown.
  • the lens unit 126L is arranged directly above the beam splitter 125L (+Y side).
  • the lens unit 126L refracts the display light from the left-eye display element 101L.
  • the lens unit 126L is a magnifying lens system that magnifies and projects the image of the left-eye display element 101L. Therefore, a display image is formed as in the above embodiment.
  • the dimming unit 130L is provided as a lower window. Therefore, the brightness of the external light L22 and the external light L42 can be made uniform. Also in the fourth embodiment, the light reducing unit 130L may be configured by the polarizer 132L and the light reducing filter 133L as in the second embodiment. This makes it possible to obtain the same effects as the effects shown in the above-described embodiment.
  • Embodiment 5 The left-eye optical system 103L of the head mounted display 100 according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG. 7.
  • the structure of the combiner 121L is different from that of the first embodiment. Note that the other configurations are similar to those of the first embodiment, and thus the description thereof will be appropriately omitted.
  • the display lights L11 to L13 from the display element 101L for the left eye are the same as those in the first embodiment, and are not shown.
  • the concave half mirror 128L arranged in front of the user (+Z direction) becomes the combiner 121L. Specifically, from the position where the concave half mirror 128L, which serves as the combiner 121L, extends the upper end of the polarization beam splitter 122L in the front direction (+Z direction), the upper end of the polarization beam splitter 122L is moved downward ( ⁇ Y direction). To the position where it was stretched to. That is, the concave half mirror 128L is arranged from the portion where the display light L12 from the left-eye display element 101L is incident to the portion where the external light L41 is incident.
  • a portion of the concave half mirror 128L in front of the polarization beam splitter 122L (+Z direction) serves as a combiner 121L. Specifically, in the concave half mirror 128L, the part where the display light L11 is incident becomes the combiner 121L.
  • part of the concave half mirror 128L becomes the dimming unit 130L. That is, of the concave half mirror 128L, the portion in the downward direction ( ⁇ Y direction) of the polarization beam splitter 122L serves as the light reducing section 130L. Further, the concave half mirror 128L has an area size that functions as a lower window as well as the combiner 121L.
  • the light reduction unit 130L is composed of a part of the concave half mirror 128L and a polarizer 132L.
  • the polarizer 132L transmits P-polarized light and absorbs S-polarized light.
  • the transmittance of the polarizer 132L is 50%.
  • the transmittance of the concave half mirror 128L is 50%. Therefore, the total transmittance of the light reducing section 130L is 25%.
  • the external light L41 is attenuated to 25% by passing through the light reduction unit 130L. External light L42 attenuated to 25% enters the left eye EL.
  • the outside light L21 passes through the concave half mirror 128L that functions as the combiner 121L. Further, the external light L21 that has passed through the combiner 121L passes through the polarization beam splitter 122L. Therefore, the outside light L21 is attenuated to 25% by passing through the combiner 121L and the polarization beam splitter 122L. External light L22 attenuated to 25% enters the left eye EL. Therefore, as in the first to fourth embodiments, it is possible to make the brightness of the front diagonally lower scene and the brightness of the front scene uniform.
  • the arrangement of the polarizer 132L is not limited to the configuration shown in FIG.
  • the polarizer 132L is arranged on the upper side (+Y side) of the concave half mirror 128L, that is, between the concave half mirror 128L and the polarization beam splitter 122L, but the polarizer 132L is the concave half mirror 128L. It may be arranged on the lower side (-Y side).
  • the polarizer 132L has a curved surface shape along the concave half mirror 128L, but it may be a flat plate-shaped polarizing plate as shown in FIG.
  • a neutral density filter having a transmittance of 50% may be used instead of the polarizer 132L.
  • the beam splitter 125L shown in the third embodiment or the like may be used instead of the polarization beam splitter 122L.
  • the transmittance Tw of the light reducing unit 130L, the transmittance Tc of the combiner 121L, the transmittance Tm of the polarization beam splitter 122L, and the transmittance Tm of the beam splitter 125L are limited to the above values. Not something. Tw, Tc, and Tm can be arbitrarily set as appropriate.
  • the transmittance Tw of the light reduction unit 130L may be equal to or lower than the transmittance Tc of the combiner 121L.
  • the value of Tw does not have to exactly match the value of the product of Tm and Tc. That is, the transmissivity may be set so that the difference between the brightness of the scene below the front and the brightness of the scene in the front is not noticeable.
  • Tw may be Tc or less.
  • Tw may be Tm or less.
  • the value of the product of Tm and Tc is 1, the value of Tw may be in the range of 0.7 to 1.
  • the left-eye optical system 103L of the head mounted display 100 according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG.
  • a single mirror system is used. That is, the polarization beam splitter 122L or the beam splitter 125L is not provided between the left eye EL and the combiner 121L.
  • a part of the concave half mirror 128L serves as a combiner 121L, and a part of the concave half mirror 128L serves as a light reducing unit 130L.
  • the installation angle of the display element 101L for the left eye is different from that of the first to fifth embodiments.
  • the left-eye display element 101L is arranged diagonally. That is, the display surface of the left-eye display element 101L faces downward ( ⁇ Y direction) and front (+Z direction).
  • the display light L11 from the left-eye display element 101L is emitted in the ⁇ Y direction and the +Z direction.
  • the concave half mirror 128L is arranged below ( ⁇ Y direction) and in front (+Z direction) of the left-eye display element 101L.
  • the concave half mirror 128L is arranged from a portion where the display light L11 is incident to a portion where the outside light L41 is incident.
  • the concave half mirror 128L transmits half of the light and reflects the other half.
  • the combiner 121L reflects the display light L11 from the left-eye display element 101L toward the left eye EL.
  • the combiner 121L is a concave mirror and reflects the display light L11 so as to focus the display light L11 toward the left eye EL.
  • the reflected light of the display light L11 reflected by the combiner 121L is referred to as display light L12.
  • the left-eye optical system 103L guides the display light L12 from the left-eye display element 101L to the left-eye EL.
  • the optical system can display a virtual image in front of the user (+Z direction).
  • the outside light L21 passes through the combiner 121L and enters the left eye EL.
  • the external light L21 that has passed through the combiner 121L is referred to as external light L22.
  • the transmittance of the combiner 121L is 50%. Therefore, the outside light L21 is attenuated to 50% by passing through the combiner 121L. Then, the external light L22 attenuated to 50% enters the left eye EL. As a result, the display image can be superimposed on the scenery in the front (+Z direction).
  • the light reduction unit 130L is configured by a part of the concave half mirror 128L. Therefore, the transmittance of the light reducing unit 130L is also 50%.
  • the external light L41 is attenuated to 50% by passing through the light reduction unit 130L.
  • the external light L41 that has passed through the light reduction unit 130L is referred to as external light L42.
  • the external light L42 attenuated by 50% enters the left eye EL.
  • the combiner 121L and the light reducing unit 130L have the same transmittance. Therefore, as in the first to fifth embodiments, it is possible to make the brightness of the front obliquely downward view and the brightness of the frontal view uniform. The user can appropriately visually recognize the outside scenery.
  • the light reduction unit 130L is configured by the concave half mirror 128L, but the light reduction unit 130L may be configured by the light reduction filter as shown in the first embodiment and the like. That is, the combiner 121L and the dimming unit 130L can be configured by different optical components. In this case, a dark filter having a reflectance of 50% can be used as the dark portion 130L.
  • a polarizer 132L may be used as in the second embodiment. In this case, the light reduction unit 130L is composed of only the polarizer 132L.
  • Embodiment 7 The head mounted display according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 9 and 10.
  • FIG. 9 is a side view schematically showing the optical system of the head mounted display.
  • FIG. 10 is a top view schematically showing the optical system of the head mounted display.
  • a side polarizer 141L and a side polarizer 141R which are side windows are added to the configuration of the first embodiment.
  • Polarizers 124L and 124R functioning as lower windows are provided in place of the dimming unit 130L.
  • the basic configuration other than the lateral polarizer 141L and the lateral polarizer 141R is the same as that of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted.
  • the polarizers 124L and 124R are similar to the polarizers 132L and 132R, and transmit the P-polarized component and absorb the S-polarized component. Since the external light and the display light are the same as those in the first and second embodiments, the external light and the display light are omitted in FIGS. 9 and 10. Further, in FIG. 10, the left-eye display element 101L and the right-eye display element 101R are omitted for clarity of explanation.
  • the side polarizer 141L and the side polarizer 141R are absorption type polarizing plates.
  • the side polarizer 141L and the side polarizer 141R are not limited to the absorption type polarizing plate, but may be a reflection type polarizing plate.
  • the side polarizer 141L is arranged on the left side of the head mounted display 100 on the left side ( ⁇ X side) of the space between the polarization beam splitter 122L and the polarizer 124L.
  • the left side surface of the head mounted display 100 is the left side ( ⁇ X side) end surface of the head mounted display 100. That is, the side polarizer 141L is arranged so as to form a part of the side surface of the main body of the head mounted display 100.
  • the side polarizer 141L is arranged on the left side ( ⁇ X side) of the polarization beam splitter 122L and the polarizer 124L.
  • the side polarizer 141L transmits linearly polarized light in the same direction as the linearly polarized light transmitted by the polarizer 124L. That is, the side polarizer 141L transmits P-polarized light and absorbs S-polarized light.
  • the side polarizer 141L is a triangular window corresponding to the tilt angle of the polarization beam splitter 122L.
  • the shape of the side polarizer 141L may be a shape other than a triangle.
  • the side polarizer 141L functions as a left side ( ⁇ X side) side window. That is, the user can visually recognize the view on the left side ( ⁇ X side) through the side polarizer 141L. The user can obtain a view on the left side ( ⁇ X side) of the combiner 121L.
  • the side polarizer 141R is arranged on the right side of the head mounted display 100 on the right side (+X side) of the space between the polarization beam splitter 122R and the polarizer 124R.
  • the right side surface of the head mounted display 100 is an end surface on the right side (+X side) of the head mounted display 100. That is, the side polarizer 141R is arranged so as to form a part of the side surface of the main body of the head mounted display 100.
  • the side polarizer 141R is arranged on the right side (+X side) of the polarization beam splitter 122R and the polarizer 124R.
  • the side polarizer 141R transmits linearly polarized light in the same direction as the linearly polarized light transmitted by the polarizer 124R. That is, the side polarizer 141R transmits P-polarized light and absorbs S-polarized light.
  • the side polarizer 141R is a triangular window corresponding to the tilt angle of the polarization beam splitter 122L in the ZY plan view.
  • the shape of the side polarizer 141R may be a shape other than a triangle.
  • the side polarizer 141R functions as a right side (+X side) side window. That is, the user can visually recognize the right side (+X side) view through the side polarizer 141R. The user can obtain a view on the right side (+X side) of the combiner 121R.
  • the polarizer 124L and the side polarizer 141L may be formed by bending one polarizer or may be formed in a curved shape.
  • the polarizer 124R and the side polarizer 141R may be formed by bending one polarizer, or may be formed in a curved shape.
  • the head mounted display 100 is not limited to the configuration including the polarizer 124L and the polarizer 124R, and may include only the polarizer 124L or the polarizer 124R.
  • the polarizers 124L and 124R functioning as lower windows for obtaining the obliquely downward field of view are provided, but as in the first to sixth embodiments, the dimming units 130L and 130R are provided. It may be provided.
  • optical system 3 to 10 show an example of the optical system, and the optical system is not limited to the configurations of FIGS. 3 to 10.
  • the optical system only needs to be capable of guiding the display light and the external light from the display element unit 101 to the left eye EL and the right eye ER.
  • a flat mirror half mirror can be used as the combiner 121L.
  • a lens or the like for condensing the display light on the left eye EL may be arranged between the polarization beam splitter 122L and the left eye display element 101L.
  • Embodiments 1 to 7 can be combined as appropriate.
  • the light reducing units 130L and 130R may be provided in the seventh embodiment.
  • the neutral density filters 133L and 133R may be added to the configuration of FIG. 9 as in the second embodiment.
  • the present embodiment can be applied to a head mounted display.

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Abstract

外部の景色を適切に視認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。　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（１２１Ｌ）と、コンバイナ（１２１Ｌ）の下方からの外光の一部を透過し、コンバイナ（１２１Ｌ）の透過率以下の透過率を有する減光部（１３０Ｌ）と、を備えている。

Description

ヘッドマウントディスプレイ
　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、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。
　また、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の構成では、外光の明るさに差が生じてしまうという問題点がある。例えば、前方からの外光は、ハーフミラー及び偏光ビームスプリッタ等で、減衰してしまう。一方、表示画像よりも下側の景色を視認するために、前方斜め下の視界を確保する場合、前方斜め下からの外光はハーフミラーを介さずにユーザの眼に入射する。前方斜め下からの外光は減衰されずに視認される。よって、前方からの外光と、前方斜め下からの外光の明るさに差が生じてしまうという問題点がある。
　本開示は上記の点に鑑みなされたものであり、外部の景色を適切に視認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、前記コンバイナよりも下方からの外光の一部を透過し、前記コンバイナの透過率以下の透過率を有する減光部と、を備えたものである。
　本開示によれば、外部の景色を適切に視認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図である。 実施の形態３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４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５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６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７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７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。
　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ＣＰＵ(Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ)、及びメモリなどのハードウェア資源を備えており、メモリに格納されたコンピュータプログラムにしたがって動作する。さらに、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ＰＲとしてユーザの右眼に導く。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）の具体的な実施形態について説明する。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、以下の説明では、左眼用光学系１０３Ｌについてのみ説明を行う。
　実施の形態１．
　図３は、実施の形態１にかかる光学系を模式的に示す側面図である。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、減光部１３０Ｌ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、及び減光部１３０Ｌ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の前方斜め上に配置されている。減光部１３０Ｌ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、減光部１３０Ｌは、左眼ＥＬの前方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。
　減光部１３０Ｌは、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタなどの減光フィルタ１３１Ｌを有している。ここでは、透過率２５％のＮＤフィルタを減光部１３０Ｌとして用いている。減光部１３０Ｌは、前方斜め下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が減光フィルタ１３１Ｌを透過する。ユーザが減光フィルタ１３１Ｌを介して前方斜め下を視認することができるため、減光フィルタ１３１Ｌの面積の大きさに応じた下方視界が確保される。減光フィルタ１３１Ｌは、ＸＺ平面に平行に配置されている。もちろん、減光フィルタ１３１Ｌを設置する角度は特に限定されるものではない。例えば減光フィルタ１３１Ｌ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。減光部１３０Ｌ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）に面している。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、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。
　コンバイナ１２１Ｌの透過率は５０％となっている。よって、外光Ｌ２１の半分がコンバイナ１２１Ｌを透過する。さらに、外光Ｌ２１は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過する。外光Ｌ２１が無偏光であると、外光Ｌ２１に対する偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの透過率は５０％となる。１／４波長板１２３Ｌを通過した外光Ｌ２１のほぼ半分が偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過する。よって、外光Ｌ２１は、コンバイナ１２１Ｌと偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過することで、２５％に減衰する。つまり、コンバイナ１２１Ｌに入射した外光Ｌ２１の１／４が、左眼ＥＬに入射する。なお、１／４波長板１２３Ｌの透過率を１００％としている。
　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、下部窓としての減光フィルタ１３１Ｌに入射する。減光フィルタ１３１Ｌは、入射した光の２５％を透過して、残り７５％を吸収又は反射する。外光Ｌ４１の一部が減光フィルタ１３１Ｌを透過して、左眼ＥＬに入射する。減光フィルタ１３１Ｌ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、前方斜め下から左眼ＥＬに向かう外光Ｌ４１の一部が減光フィルタ１３１Ｌで遮光され、一部が左眼ＥＬに入射する。減光フィルタ１３１Ｌを下部窓として用いることで、前方下側の視界を確保することができる。
　ここで、減光部１３０Ｌは、透過率が２５％の減光フィルタ１３１Ｌから構成されている。外光Ｌ４１は、減光部１３０Ｌを通過することで、２５％に減衰する。２５％に減衰した外光Ｌ４２が左眼ＥＬに入射する。よって、減光フィルタ１３１Ｌを介した景色の明るさと、コンバイナ１２１Ｌを介した景色との明るさとを揃えることができる。よって、ユーザは、外部の景色を適切に視認することができる。
　コンバイナ１２１Ｌでの外光Ｌ２１の透過率をＴｃ、減光部１３０Ｌでの外光Ｌ４１の透過率をＴｗ、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌでの外光Ｌ２１の透過率をＴｍとする。Ｔｗは、Ｔｃ以下であることが好ましい。さらに、ＴｗはＴｍ以下であることが好ましい。これにより、前方斜め下の景色と前方の景色との明るさの違いを抑制することができる。前方斜め下の視界が前方の視界よりも明るくなるのを防ぐことができるため、ユーザが自然な景色を視認することができる。ヘッドマウントディスプレイ１００の視認性を向上することができる。
　Ｔｗ＝Ｔｃ＊ＴｍとなるようにＴｗを定めることで、コンバイナ１２１Ｌを介して視認される前方の景色と、減光部１３０Ｌを介して視認される前方斜め下の景色との明るさを揃えることができる。これにより、視認方向による明るさの違いを抑制することができ、ユーザが自然な景色を視認することができる。
　上記のように、減光部１３０Ｌを下部窓として用いることで、前方斜め下まで視界を拡げることができ、開放感の高い状態でヘッドマウントディスプレイを使用することができる。コンバイナ１２１Ｌ及び偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過した前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２２と、減光部１３０Ｌを透過した前方斜め下からの外光Ｌ４２の明るさの違いを抑制することができる。ユーザは、外部の景色を適切に視認することができる。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。
　上記の説明では、Ｔｗ＝２５％、Ｔｃ＝５０％、Ｔｍ＝５０％として説明したが、これらの透過率の値は特に限定されるものではない。例えば、Ｔｃの透過率を４０％とする場合、それに合わせてＴｗの透過率を下げればよい。具体的にはＴｗ＝２０％（＝４０％＊５０％）とすることが好ましい。
　また、コンバイナ１２１Ｌ、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌ、１／４波長板１２３Ｌ、減光フィルタ１３１Ｌ等の光学素子に対して、各素子の表面に反射防止コートを施してもよい。これにより、左眼用光学系１０３Ｌ内での迷光を抑制することができる。また、減光フィルタ１３１Ｌとして吸収型のＮＤフィルタを用いることで、左眼用光学系１０３Ｌ内での迷光を抑制することができる。
　また、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が配置されている。左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１の損失を抑制することができる。よって、コントラストが高く、明るい表示画像を前方の景色に重畳することができる。
実施の形態２．
　実施の形態２にかかるヘッドマウントディスプレイ１００の左眼用光学系１０３Ｌについて、図４を用いて説明する。実施の形態２では、減光部１３０Ｌの構成が実施の形態１と異なっている。減光部１３０Ｌ以外の構成については、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。例えば、図４では、表示光Ｌ１１～Ｌ１３については、実施の形態１と同様であるため、省略している。減光部１３０Ｌは、偏光子１３２Ｌと減光フィルタ１３３Ｌとを備えている。
　偏光子１３２Ｌとして、吸収型の偏光板を用いることができる。偏光子１３２Ｌの透過軸は、紙面と平行になっている。図４において、偏光子１３２Ｌ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１３２Ｌは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を吸収する。なお、偏光子１３２Ｌとして、反射型の偏光板を用いてもよい。偏光子１３２Ｌは、ＸＺ平面に平行に配置されている。
　偏光子１３２Ｌ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１３２Ｌ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１３２Ｌ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１３２Ｌ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１３２Ｌとして選択するのがよい。偏光子１３２Ｌ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１３２Ｌ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１３２Ｌの上（＋Ｙ側）には、減光フィルタ１３３Ｌが配置されている。減光フィルタ１３３Ｌは、透過率が５０％のＮＤフィルタを用いることができる。なお、図４では、偏光子１３２Ｌの上（＋Ｙ側）に減光フィルタ１３３Ｌが積層されている構成が示されているが、偏光子１３２Ｌと減光フィルタ１３３Ｌとの順番は反対であってもよい。例えば、減光フィルタ１３３Ｌの上（＋Ｙ側）に偏光子１３２Ｌが積層されていてもよい。減光フィルタ１３３Ｌと偏光子１３２Ｌは一体的に成形されていてもよい。
　外光Ｌ４１が無偏光である場合、外光Ｌ４１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Ｌ４１の５０％の成分であるＰ偏光成分が偏光子１３２Ｌをする。偏光子１３２Ｌを通過した外光Ｌ４１は、減光フィルタ１３３Ｌを通過する。減光フィルタ１３３Ｌの透過率が５０％であるため、減光部１３０Ｌ全体での透過率は２５％（＝５０％＊５０％）となる。よって、実施の形態１と同様に、前方の景色と前方斜め下の景色との明るさを揃えることができる。
　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、下部窓である減光部１３０Ｌに入射する。偏光子１３２Ｌの透過軸は第２の方向と平行になっている。偏光子１３２Ｌ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偏光成分のみが減光部１３０Ｌを透過する。減光部１３０Ｌ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１３２Ｌを用いることで、効果的に不要反射光Ｌ３１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１３２Ｌ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。
　Ｓ偏光成分を吸収又は反射する偏光子１３２Ｌを透過した不要反射光Ｌ３２はＰ偏光となっている。また前述のとおり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。よってＰ偏光の不要反射光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。
　特許文献１の第三の形態では、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の第三の形態では、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の第三の形態に比べて、適切に外光と表示光とを重畳することができる。
　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。
　本実施の形態の構成によれば、前方斜め下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、コントラストが高く、明るい表示光Ｌ１３により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。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３．
　実施の形態３にかかるヘッドマウントディスプレイ１００の左眼用光学系１０３Ｌについて、図５を用いて説明する。実施の形態３では、図３の偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの代わりに、ビームスプリッタ１２５Ｌが用いられている。さらに、１／４波長板１２３Ｌが取り除かれている。これら以外の構成については、実施の形態１と同様であるため説明を省略する。
　ビームスプリッタ１２５Ｌは、偏光状態にかかわらず、光を分岐する。例えば、ビームスプリッタ１２５Ｌは、透過率Ｔｍ５０％、反射率５０％のハーフミラーとなっている。つまり、ビームスプリッタ１２５Ｌに入射した光のほぼ半分が透過して、残り半分が反射する。コンバイナ１２１Ｌの透過率Ｔｃは実施の形態１と同様に５０％である。
　表示素子部１０１で発生した表示光Ｌ１１について説明する。表示光Ｌ１１は、紙面に垂直な直線偏光となっている。表示素子部１０１からの表示光Ｌ１１のほぼ半分が、ビームスプリッタ１２５Ｌでコンバイナ１２１Ｌの方向に反射される。ビームスプリッタ１２５Ｌで反射した表示光Ｌ１１の反射光を表示光Ｌ１２とする。表示光Ｌ１２のほぼ半分がコンバイナ１２１Ｌで反射する。コンバイナ１２１Ｌで反射した表示光Ｌ１２の反射光を表示光Ｌ１３とする。表示光Ｌ１３のほぼ半分がビームスプリッタ１２５Ｌを透過する。
　前方（＋Ｚ方向）からの外光Ｌ２１について説明する。外光Ｌ２１のほぼ半分がコンバイナ１２１Ｌを透過する。外光Ｌ２１のほぼ半分が、ビームスプリッタ１２５Ｌを透過する。したがって、外光Ｌ２１は、コンバイナ１２１Ｌ、及びビームスプリッタ１２５Ｌを通過することで、２５％に減衰する。コンバイナ１２１Ｌ、及びビームスプリッタ１２５Ｌを透過した外光Ｌ２１を外光Ｌ２２とする。２５％に減衰した外光Ｌ２２が左眼ＥＬに入射する。
　前方斜め下からの外光Ｌ４１について説明する。実施の形態１と同様に、減光部１３０Ｌは、透過率２５％の減光フィルタ１３１Ｌから構成されている。外光Ｌ４１は、減光部１３０Ｌを通過することで、２５％に減衰する。２５％に減衰した外光Ｌ４２が左眼ＥＬに入射する。コンバイナ１２１Ｌを介して視認される前方の景色と、減光部１３０Ｌを介して視認される前方斜め下の景色との明るさを揃えることができる。これにより、ユーザが自然な景色を視認することができる。
　本実施の形態の構成では、偏光分離を用いた実施の形態１、２に比べて、１／４波長板１２３Ｌが不要となる。よって、部品点数を減少することができる。
　また、本実施の形態３においても、実施の形態２と同様に、減光部１３０Ｌが偏光子１３２Ｌと減光フィルタ１３３Ｌを備えていてもよい。この場合、偏光子１３２Ｌが、紙面と直交する直線偏光を吸収する吸収型の偏光板とすると、ビームスプリッタ１２５Ｌを透過した表示光Ｌ１１が偏光子１３２Ｌで吸収される。よって、ビームスプリッタ１２５Ｌを透過した表示光Ｌ１１が迷光となるのを防ぐことができる。
実施の形態４．
　実施の形態４にかかるヘッドマウントディスプレイ１００の左眼用光学系１０３Ｌについて、図６を用いて説明する。実施の形態４では、コンバイナ１２１Ｌが凹面ハーフミラーではなく、平面ハーフミラー１２７Ｌとなっている。さらに、左眼用表示素子１０１Ｌとビームスプリッタ１２５Ｌとの間の光路中に、レンズユニット１２６Ｌが配置されている。なお、その他の構成については、実施の形態３と共通するため、適宜説明を省略する。例えば、図６では、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１～Ｌ１３は、実施の形態３と同様であるため、図示を省略している。
　レンズユニット１２６Ｌは、ビームスプリッタ１２５Ｌの真上（＋Ｙ側）に配置されている。レンズユニット１２６Ｌは、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光を屈折する。具体的には、レンズユニット１２６Ｌは、左眼用表示素子１０１Ｌの像を拡大投影する拡大レンズ系となっている。よって、上記の実施の形態と同様に、表示画像が形成される。
　本実施の形態においても、減光部１３０Ｌが下部窓として設けられている。よって、外光Ｌ２２と外光Ｌ４２の明るさを揃えることができる。実施の形態４においても、実施の形態２と同様に減光部１３０Ｌが、偏光子１３２Ｌと減光フィルタ１３３Ｌによって構成されていてもよい。これにより、上記の実施の形態で示した効果と同様の効果を得ることができる。
実施の形態５．
　実施の形態５にかかるヘッドマウントディスプレイ１００の左眼用光学系１０３Ｌについて、図７を用いて説明する。コンバイナ１２１Ｌの構成が、実施の形態１と異なっている。なお、その他の構成については、実施の形態１と同様であるため、適宜説明を省略する。例えば、図７では、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１～Ｌ１３は、実施の形態１と同様であるため、図示を省略している。
　ユーザの前方（＋Ｚ方向）に配置された凹面ハーフミラー１２８Ｌがコンバイナ１２１Ｌとなる。具体的には、コンバイナ１２１Ｌとなる凹面ハーフミラー１２８Ｌが、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの上端部を正面方向（＋Ｚ方向）に延伸した位置から、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの上端部を下方向（－Ｙ方向）に延伸した位置まで延びている。つまり凹面ハーフミラー１２８Ｌは、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１２が入射する部分から、外光Ｌ４１が入射する部分まで配置されている。凹面ハーフミラー１２８Ｌの偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの前方（＋Ｚ方向）にある部分がコンバイナ１２１Ｌとなる。具体的には、凹面ハーフミラー１２８Ｌにおいて、表示光Ｌ１１が入射する部分がコンバイナ１２１Ｌとなる。
　さらに、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部が減光部１３０Ｌとなる。つまり、凹面ハーフミラー１２８Ｌのうち、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの下方向（－Ｙ方向）にある部分が減光部１３０Ｌとなる。また凹面ハーフミラー１２８Ｌが、コンバイナ１２１Ｌだけでなく下部窓として機能するような面積の大きさを有している。
　減光部１３０Ｌは、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部と偏光子１３２Ｌによって構成されている。偏光子１３２Ｌは、Ｐ偏光を透過して、Ｓ偏光を吸収する。また、外光Ｌ４１が無偏光の場合、偏光子１３２Ｌの透過率は、５０％となっている。凹面ハーフミラー１２８Ｌの透過率は５０％となっている。よって、減光部１３０Ｌの全体の透過率は２５％となる。外光Ｌ４１は、減光部１３０Ｌを透過することで、２５％に減衰する。２５％に減衰した外光Ｌ４２が左眼ＥＬに入射する。
　外光Ｌ２１は、コンバイナ１２１Ｌとして機能する凹面ハーフミラー１２８Ｌを透過する。さらに、コンバイナ１２１Ｌを透過した外光Ｌ２１は、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを透過する。よって、外光Ｌ２１は、コンバイナ１２１Ｌ、及び偏光ビームスプリッタ１２２Ｌを通過することで、２５％に減衰する。２５％に減衰した外光Ｌ２２が左眼ＥＬに入射する。よって、実施の形態１～４と同様に、前方斜め下の景色と、前方の景色との明るさを揃えることができる。
　なお、偏光子１３２Ｌの配置は、図７に示す構成に限られるものではない。例えば、図７では、偏光子１３２Ｌが、凹面ハーフミラー１２８Ｌの上側（＋Ｙ側）、つまり凹面ハーフミラー１２８Ｌと偏光ビームスプリッタ１２２Ｌとの間に配置されているが、偏光子１３２Ｌが凹面ハーフミラー１２８Ｌの下側（－Ｙ側）に配置されていてもよい。また、図７では、偏光子１３２Ｌが凹面ハーフミラー１２８Ｌに沿った曲面形状を有しているが、図４に示したように平板状の偏光板であってもよい。また、偏光子１３２Ｌの代わりに、透過率５０％の減光フィルタを用いてもよい。さらに、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの代わりに、実施の形態３などで示したビームスプリッタ１２５Ｌを用いてもよい。
　なお、実施の形態１～５において、減光部１３０Ｌの透過率Ｔｗ、コンバイナ１２１Ｌの透過率Ｔｃ、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌの透過率Ｔｍ、ビームスプリッタ１２５Ｌの透過率Ｔｍは、上記の値に限定されるものではない。適宜、Ｔｗ、Ｔｃ、Ｔｍを任意の値にすることができる。減光部１３０Ｌの透過率Ｔｗは、コンバイナ１２１Ｌの透過率Ｔｃ以下であればよい。
　Ｔｗの値は厳密にＴｍとＴｃとの積の値と一致してしなくてもよい。つまり、前方斜め下の景色の明るさと前方の景色の明るさの違いが目立たなくなるように、透過率を設定すればよい。例えば、ＴｗがＴｃ以下であればよい。また、ＴｗがＴｍ以下であればよい。ＴｍとＴｃとの積の値を１とした場合、Ｔｗの値は０．７～１の範囲でもよい。
　実施の形態６．
　実施の形態６にかかるヘッドマウントディスプレイ１００の左眼用光学系１０３Ｌについて、図８を用いて説明する。実施の形態６では、実施の形態１～５と異なり、１枚ミラー方式となっている。つまり、左眼ＥＬとコンバイナ１２１Ｌとの間に、偏光ビームスプリッタ１２２Ｌ、又はビームスプリッタ１２５Ｌが設けられていない。また、実施の形態５と同様に、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部がコンバイナ１２１Ｌとなり、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部が減光部１３０Ｌとなる。
　左眼用表示素子１０１Ｌの設置角度が、実施の形態１～５と異なっている。左眼用表示素子１０１Ｌは、斜めに配置されている。つまり、左眼用表示素子１０１Ｌの表示面は、下方（－Ｙ方向）及び、前方（＋Ｚ方向）に面している。左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１は、－Ｙ方向及び＋Ｚ方向に出射される。凹面ハーフミラー１２８Ｌは、左眼用表示素子１０１Ｌの下方（－Ｙ方向）及び前方（＋Ｚ方向）に配置されている。凹面ハーフミラー１２８Ｌは、表示光Ｌ１１が入射する部分から、外光Ｌ４１が入射する部分まで配置されている。凹面ハーフミラー１２８Ｌは光の半分を透過して、残りの半分を反射する。
　よって、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部がコンバイナ１２１Ｌとして機能する。コンバイナ１２１Ｌは左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１１を左眼ＥＬに向けて反射する。コンバイナ１２１Ｌは凹面鏡であり、表示光Ｌ１１を左眼ＥＬに向けて集光するように、表示光Ｌ１１を反射する。コンバイナ１２１Ｌで反射された表示光Ｌ１１の反射光を表示光Ｌ１２とする。左眼用光学系１０３Ｌが、左眼用表示素子１０１Ｌからの表示光Ｌ１２を、左眼ＥＬに導く。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。
　また、外光Ｌ２１はコンバイナ１２１Ｌを透過して、左眼ＥＬに入射する。コンバイナ１２１Ｌを透過した外光Ｌ２１を外光Ｌ２２とする。コンバイナ１２１Ｌの透過率は、５０％となっている。よって、外光Ｌ２１は、コンバイナ１２１Ｌを透過することで、５０％に減衰する。そして、５０％に減衰した外光Ｌ２２が、左眼ＥＬに入射する。これにより、前方（＋Ｚ方向）の景色に表示画像を重畳させることができる。
　減光部１３０Ｌは、凹面ハーフミラー１２８Ｌの一部によって構成されている。よって、減光部１３０Ｌの透過率も５０％となる。外光Ｌ４１は、減光部１３０Ｌを透過することで、５０％に減衰する。減光部１３０Ｌを透過した外光Ｌ４１を外光Ｌ４２とする。５０％に減衰した外光Ｌ４２が、左眼ＥＬに入射する。コンバイナ１２１Ｌと減光部１３０Ｌの透過率が等しくなっている。よって、実施の形態１～５と同様に、前方斜め下の景色と、前方の景色との明るさを揃えることができる。ユーザが、外部の景色を適切に視認することができる。
　なお、図８では、減光部１３０Ｌが凹面ハーフミラー１２８Ｌによって構成されているが、実施の形態１等で示したように、減光部１３０Ｌを減光フィルタで構成してもよい。つまり、コンバイナ１２１Ｌと減光部１３０Ｌを別の光学部品で構成することができる。この場合、減光部１３０Ｌとして、反射率５０％の減光フィルタを用いることができる。あるいは、減光部１３０Ｌとして、実施の形態２等のように、偏光子１３２Ｌを用いてもよい。この場合、減光部１３０Ｌが偏光子１３２Ｌのみで構成される。
実施の形態７．
　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９、図１０を用いて説明する。図９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１０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上面図である。実施の形態７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１４１Ｌ、及び側方偏光子１４１Ｒが追加されている。下部窓として機能する偏光子１２４Ｌ、１２４Ｒが減光部１３０Ｌの代わりに設けられている。
　側方偏光子１４１Ｌ、及び側方偏光子１４１Ｒ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、偏光子１２４Ｌ、１２４Ｒは、偏光子１３２Ｌ、１３２Ｒと同様であり、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を吸収する。外光や表示光は、実施の形態１、２と同様となっているため、図９、及び図１０では、外光や表示光が省略されている。また、図１０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１４１Ｌ、及び側方偏光子１４１Ｒ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１４１Ｌ、及び側方偏光子１４１Ｒ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１４１Ｌ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１４１Ｌは、ヘッドマウントディスプレイ１００本体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１４１Ｌが配置されている。側方偏光子１４１Ｌ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１４１Ｌ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１４１Ｌ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１４１Ｌの形状は、三角形以外の形状であってもよい。側方偏光子１４１Ｌ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１４１Ｌ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１４１Ｒ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１４１Ｒは、ヘッドマウントディスプレイ１００本体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１４１Ｒが配置されている。側方偏光子１４１Ｒ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１４１Ｒ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１４１Ｒ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１４１Ｒの形状は、三角形以外の形状であってもよい。側方偏光子１４１Ｒ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１４１Ｒ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１４１Ｌ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１４１Ｒ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本体の側面の一部領域に側方偏光子１４１Ｌ、１４１Ｒ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。
　また、本実施の形態では、斜め下方の視界を得るための下部窓として機能する偏光子１２４Ｌ、１２４Ｒが設けられているが、実施の形態１～６のように、減光部１３０Ｌ、１３０Ｒを設けてもよい。
　図３～図１０は、光学系の一例を示すものであり、光学系は、図３～図１０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１～７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。なお、実施の形態１～７は適宜組み合わせることが可能である。例えば、実施の形態７に減光部１３０Ｌ、１３０Ｒを設けてもよい。例えば、図９の構成に、実施の形態２のように減光フィルタ１３３Ｌ、１３３Ｒを追加してもよい。
　この出願は、２０１９年２月１９日に出願された日本出願特願２０１９－２７１７０、及び２０１９年２月１９日に出願された日本出願特願２０１９－２７１７１を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
　本実施形態は、ヘッドマウントディスプレイに適用可能である。
　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　コンバイナ
　１２２Ｌ　偏光ビームスプリッタ
　１２３Ｌ　１／４波長板
　１２５Ｌ　ビームスプリッタ
　１２６Ｌ　レンズユニット
　１２８Ｌ　凹面ハーフミラー
　１３０Ｌ　減光部
　１３１Ｌ　減光フィルタ
　１３２Ｌ　偏光子
　１３３Ｌ　減光フィルタ
　１４１Ｌ　側方偏光子

Claims (7)

  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、
    　前記コンバイナよりも下方からの外光の一部を透過し、前記コンバイナの透過率以下の透過率を有する減光部と、を備えたヘッドマウントディスプレイ。
  2. 　前記減光部の上方であって、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るビームスプリッタをさらに備え、
    　前記ビームスプリッタは、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された前記表示光を透過し、
    　前記減光部の透過率は、前記ビームスプリッタの透過率以下である請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  3. 　前記コンバイナでの透過率をＴｃ、前記減光部の透過率をＴｗ、前記ビームスプリッタの透過率をＴｍとした場合に、
    　前記減光部の透過率は、Ｔｗ＝Ｔｃ＊Ｔｍを満たすＴｗから所定の値までの範囲となる請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  4. 　前記ビームスプリッタが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り、
    　前記ビームスプリッタと前記コンバイナとの間に１／４波長板が設けられている請求項２、又は３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  5. 　前記減光部が偏光子を備えている請求項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。
  6. 　前記減光部がＮＤフィルタを備えている請求項１～５のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  7. 　ヘッドマウントディスプレイ本体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５に記載のヘッドマウントディスプレイ。
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