WO2021085007A1

WO2021085007A1 - ヘッドマウントディスプレイ

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Publication number: WO2021085007A1
Application number: PCT/JP2020/036786
Authority: WO
Inventors: 俊輝中村; 拓馬久野; 竜志鵜飼; 考宏毛利; 允史内山
Original assignee: 株式会社日立エルジーデータストレージ
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2021-05-06
Also published as: JP7432339B2; US20230144703A1; CN114450621A; JP2021071497A

Abstract

本発明の目的は、光学系の小型化・高効率化とアイボックスの拡大とを両立させるヘッドマウントディスプレイを提供することである。　上記目的を達成するために、ユーザの視野内に映像を表示するヘッドマウントディスプレイであって、表示する映像を生成する映像表示部と、映像表示部からの映像光を投射する投射部と、投射部からの投射光のアイボックスを拡大する映像回転複製部と、映像回転複製部からの映像光をユーザの瞳へ伝達する導光部を有し、映像回転複製部は入射面と出射面および少なくとも２つ以上の反射面を備え、入射面と出射面の成す角度が９０°より大きい構成とした。

Description

ヘッドマウントディスプレイ

　本発明は、ユーザの頭部に装着され視野内に映像を表示するヘッドマウントディスプレイに関する。

　ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも略す）のようなウェアラブルデバイスは、良好な視界の確保や映像の視認性といった表示性能だけでなく、小型であるとともに装着性に優れる構造が要求される。

　本技術分野における先行技術文献として特許文献１がある。特許文献１には、光を透過させる平面の基板、内部反射全体によって基板中へ光を連結するための光学手段、及び基板に所有される複数の部分反射面を含み、部分反射面が、互いに平行であると共に基板のどの縁に対しても平行ではない構成の光学デバイスが開示されている。

特表２００３－５３６１０２号公報

　ＨＭＤの光学系は、光源部が発する光を小型ディスプレイ部へ伝える照明部を備えた映像表示部と、映像表示部により生成された映像光（虚像）を投射する投射部を有する。ＨＭＤがユーザの瞳に対して位置ずれが生じると画面の見切れが生じてしまうため、瞳複製部及び導光部によってアイボックスの拡大を行う一方で、アイボックス拡大により光学系サイズの増加や光学効率の低下という課題が生じる。

　さらに、映像表示部に配置する小型ディスプレイは一般的に縦横の画面アスペクトの異なる素子である。表示画面として、水平方向のアスペクトの長い映像を表示する場合、投射部の水平面内方向には、小型ディスプレイからの映像光の画面長辺方向が対応して入射する必要がある。この制約により、小型ディスプレイの長辺方向が虚像映像生成部の幅を大型化し、ＨＭＤのデザイン性が低下するという課題がある。

　前記特許文献１においては、光学系のアイボックス拡大や水平方向に長辺のある画像の表示とＨＭＤ光学系の小型化・高効率化との両立を図る上で、これらの問題について何ら考慮されていない。

　本発明の目的は、光学系の小型化・高効率化とアイボックスの拡大とを両立させるＨＭＤ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、ユーザの視野内に映像を表示するヘッドマウントディスプレイであって、表示する映像を生成する映像表示部と、映像表示部からの映像光を投射する投射部と、投射部からの投射光のアイボックスを拡大する映像回転複製部と、映像回転複製部からの映像光をユーザの瞳へ伝達する導光部を有し、映像回転複製部は入射面と出射面および少なくとも２つ以上の反射面を備え、入射面と出射面の成す角度が９０°より大きい構成とした。

　本発明によれば、光学系の小型化・高効率化とアイボックスの拡大とを両立させるＨＭＤを提供できる。

実施例１におけるＨＭＤのブロック構成図である。実施例１における虚像映像生成部のブロック構成図である。実施例１におけるＨＭＤの使用形態を示す図である。従来の虚像映像生成部の構成図である。実施例１における映像回転複製部を備えた虚像映像生成部の構成図である。実施例１における映像回転複製部の構成図である。実施例２における映像回転複製部の構成図である。実施例３における映像回転複製部の構成図である。実施例４における映像回転複製部を備えた虚像映像生成部の構成図である。実施例５における虚像映像生成部の構成図である。実施例６における虚像映像生成部の構成図である。実施例７における虚像映像生成部の構成図である。実施例７における映像回転複製部の構成図である。実施例８におけるテレセントリック光学系の概要を示す図である。実施例９における虚像映像生成部の構成図である。実施例１０における虚像映像生成部の構成図である。実施例１１における虚像映像生成部の構成図である。実施例１２におけるＨＭＤの使用例を示す図である。実施例１２におけるＨＭＤのブロック構成図である。

　以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。

　図１は、本実施例におけるＨＭＤのブロック構成図である。図１において、ＨＭＤ１は、虚像映像生成部１０１と、制御部１０２と、画像信号処理部１０３と、電力供給部１０４と、記憶部１０５と、センシング部１０６と、通信部１０７と、音声処理部１０８と、撮像部１０９と、入出力部９１～９３とを有する。

　虚像映像生成部１０１は、小型ディスプレイ部（マイクロディスプレイ）に表示した映像を虚像として拡大投射して、装着者（ユーザ）の視界に拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）や混合現実（ＭＲ：Mixed Reality）の映像を表示する。

　制御部１０２は、ＨＭＤ１全体を統括的に制御する。制御部１０２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置によってその機能が実現される。画像信号処理部１０３は、虚像映像生成部１０１内の表示部に対し、表示用の映像信号を供給する。電力供給部１０４は、ＨＭＤ１の各部に対し電力を供給する。

　記憶部１０５は、ＨＭＤ１の各部の処理に必要な情報や、ＨＭＤ１の各部で生成された情報を記憶する。また、制御部１０２の機能がＣＰＵによって実現される場合、ＣＰＵが実行するプログラムやデータを記憶する。記憶部１０５は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶デバイスで構成される。

　センシング部１０６は、コネクタである入出力部９１を介して各種センサと接続され、各種センサによって検出された信号に基づいて、ＨＭＤ１の姿勢（すなわちユーザの姿勢、ユーザの頭の向き）や、動き、周囲温度等を検出する。各種センサとして、例えば、傾斜センサや加速度センサ、温度センサ、ユーザの位置情報を検出するＧＰＳ（Global Positioning System）のセンサ等が接続される。

　通信部１０７は、コネクタである入出力部９２を介して、近距離無線通信、遠距離無線通信、または有線通信によって、外部の情報処理装置と通信を行う。具体的には、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）、移動体通信ネットワーク、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ、登録商標）、高精細度マルチメディアインターフェース（ＨＤＭＩ（登録商標））等によって通信を行う。

　音声処理部１０８は、コネクタである入出力部９３を介して、マイクやイヤホン、スピーカー等の音声入出力装置と接続され、音声信号の入力または出力を行う。撮像部１０９は、例えば小型カメラや小型ＴＯＦ（Time Of Flight）センサであり、ＨＭＤ１のユーザの視界方向を撮影する。

　図２は、本実施例における虚像映像生成部１０１のブロック構成図である。虚像映像生成部１０１は、映像表示部１２０、投射部１２１、映像回転複製部１２２、および導光部１２３で構成される。映像表示部１２０は、表示する映像を生成する処理部であって、ＬＥＤやレーザなどの光源からの光を図示しない内蔵する小型ディスプレイ部に照射する。小型ディスプレイ部は、映像を表示するための素子であり、液晶ディスプレイ、デジタルマイクロミラーデバイス、有機ＥＬディスプレイ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等が用いられる。投射部１２１は、映像表示部１２０の映像光を拡大し、虚像として投射する。映像回転複製部１２２は映像の回転とアイボックス拡大のための瞳複製を行う。導光部１２３は、投射部１２１および映像回転複製部１２２からの映像光をユーザの瞳２０へ伝達する。ユーザは、映像光が瞳２０に結像されることで映像を視認できる。

　図３は、本実施例におけるＨＭＤ１の使用形態を示す図である。図３は、ユーザ２の頭上方向から見下ろした状態を示し、Ｘ軸は水平方向、Ｙ軸は垂直方向、Ｚ軸はユーザ２の視線方向である視軸方向である。以後の図面においても、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の方向を同様に定義する。

　ＨＭＤ１はユーザ２の頭部に装着され、虚像映像生成部１０１で生成した映像を導光部１２３を介してユーザの瞳２０に伝播させる。その際ユーザ２は、視野内の一部の映像表示領域１１１に、外界が視認可能な状態（シースルー型）で映像（虚像）を視認できる。図３では片眼に映像を表示する構成を示しているが、両眼の構成としても構わない。またＨＭＤ１は、図１の撮像部１０９において、ユーザ２の視野範囲を撮影することも可能である。

　次に、ミラーアレイ型の導光部１２３を用いた虚像映像生成部１０１の従来の構成図を４に示す。図４において、（ａ）は、視軸方向であるＺ軸方向から見た虚像映像生成部１０１を示しており、（ｂ）は、垂直方向であるＹ軸方向から見た虚像映像生成部１０１を示している。導光部１２３は主要な２つの平行平面１７１、１７２を有した平板状で、かつアイボックスを拡大するために内部に少なくとも２つ以上の部分反射面であるビームスプリッタミラーアレイ１７３を有する。映像光の一部を反射する反射膜を有したミラーアレイ部１２６により、投射部１２１の射出瞳をＸ軸方向へ複製する機能を有する。また反射信号光に角度ズレが生じないようビームスプリッタミラーアレイ１７３は互いに略平行であることが望ましい。

　虚像映像生成部１０１により形成されるアイボックスは、映像の視認性の観点から２次元方向に拡大されることが望ましい。導光部１２３は水平方向のみのアイボックス拡大となるので、光学エンジンは垂直方向に光ビーム径の大きな映像光を入力する必要がある。したがって映像表示部１２０の光学系の当該方向のＦ値を小さくする必要があり、図４（ａ）における映像表示部１２０及び投射部１２１の寸法Ａ部分が大きくなり、虚像映像生成部１０１が大型化する。ＨＭＤは身に着けて使うという装置としての特性から、重量や、外観のデザイン性も重要な要素であり、商品価値を高めるうえで重要なポイントとなる。

　加えて、視力補正用の眼鏡を装着したユーザへ対応する場合の課題がある。すなわち、図４の従来構成では、図４（ｂ）に示すように、投射部１２１、映像表示部１２０が導光部１２３よりも瞳側にあるため、視力補正用の眼鏡のフロントと丁番をつなぐ角部が投射部１２１及び映像表示部１２０と干渉しないためには、投射部１２１及び映像表示部１２０をユーザの顔の側面外側に移動させる必要がある。よって、導光部１２３から出射する映像をユーザの瞳２０に届けるためには導光部１２３の水平方向を長くする必要がある。また、投射部からユーザの瞳までの距離が長くなるとアイボックスは縮小するので、それに応じて垂直方向のアイボックスを広くする必要があり映像表示部１２０と投射部１２１の寸法Ａが更に増加する。

　また、図４（ｂ）に示すように、映像表示部１２０に配置する小型ディスプレイ部１２５は一般的に縦横の画面アスペクトの異なる素子である。導光部１２３から表示する画面として、水平方向に長いアスペクトの映像表示を行う場合、投射部１２１の水平面内(ＸＺ面)方向には小型ディスプレイから投射部へ入射する映像光の画面長辺方向とが対応する必要がある。この制約により、小型ディスプレイの長辺方向により寸法Ｂ部分が大きくなり、映像表示部１２０が大型化し、ＨＭＤのデザイン性を損なう課題がある。

　このように、ＨＭＤでは、アイボックスの拡大及び水平方向に長辺をもつアスペクト画像の表示に対して小型化・高輝度化を両立するうえで課題がある。以下、これらの解決法について説明する。

　図５は、本実施例における虚像映像生成部の構成図である。図５において、図４と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図５において、（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図４と同様に、虚像映像生成部１０１を、Ｚ軸方向から見た場合と、Ｙ軸方向から見た場合を示している。本実施例では映像回転複製部１２２によって上記課題を解決する。

　前述したように、虚像映像生成部１０１により形成されるアイボックスは、映像の視認性の観点から２次元方向に拡大されることが望ましい。アイボックスを２次元に拡大するために、垂直方向は映像回転複製部１２２によってアイボックスを拡大する。映像回転複製部１２２は、内部に導光部１２３の方向へ映像光を反射する、少なくとも２つ以上の部分反射面である出射反射面から成る出射反射面群を備えている。図５（ａ）に示すように、本実施例では出射反射面群として１３１～１３４を備えた例を示している。これらの出射反射面群１３１～１３４は互いに略平行であることが望ましい。また図５では出射反射面が４枚の構成を示したが必ずしもこれに限定されるものではない。本構成とすることにより投射部１２１からの映像光のビーム径を小径化できる。したがって、光学系のＦ値を上げることができ、映像表示部１２０及び投射部１２１の前記寸法Ａに相当する部分を小型化できる。

　更に、前記寸法Ｂの部分を小型化するために、図５（ｂ）に示すように、小型ディスプレイ部１２５を投射部１２１に対して９０°回転した構成とした。この場合、投射部１２１の水平面内(ＸＺ面)において、小型ディスプレイ部１２５から投射部１２１へ入射する方向には映像光の画面短辺方向が対応する為、映像表示部１２０と投射部１２１の寸法Ｂを小さくでき、虚像映像生成部１０１の小型化とデザイン性の向上が図れる。しかしこの場合、視認できる映像は縦方向に長いアスペクトの画面となる課題が生じる。そこで映像回転複製部１２２には投射部１２１からの映像光を内部へと反射する入射反射面１３０を設け、入射反射面１３０の法線と出射反射面群１３１～１３４の法線は所定のねじれ角度を有する構成とすることで、導光部１２３から視認する画面を所定の角度回転することができる。例えば小型ディスプレイ部１２５を９０°回転した場合は、前記入射反射面の法線と出射反射面群の法線の所定のねじれ角度は９０°となる。映像回転複製部１２２を出射した映像光は導光部に全反射で伝搬できるよう、結合部１２４を介して導光部１２３へ入射する。

　このように、映像回転複製部１２２を用いた構成とすることで、アイボックスを２次元に拡大しつつ、小型でデザイン性の良い虚像映像生成部１０１を提供することとができる。なお、導光部と映像回転複製部の瞳複製方向が必ずしも図示した方向でなくてもよく、２次元にアイボックスの拡大を行えればよい。

　本実施例の構成のさらなる優位点として、視力補正用の眼鏡を装着したユーザも装着可能なＨＭＤとする上で、装置を小型化できる効果がある。すなわち、図５（ｂ）に示すように、結合部１２４を介してユーザの瞳２０がある側の反対側から導光部１２３へ映像光を入射することができる。これにより、映像回転複製部１２２、投射部１２１、映像表示部１２０を、従来よりも、導光部１２３に対して瞳がある反対側に配置できる。よって、従来構成の前述した視力補正用の眼鏡を装着したユーザへ対応する場合の課題に対して、ユーザの視力補正用の眼鏡と干渉することなく、導光部１２３の水平方向の寸法を従来構成より短くできる。これによりアイボックスの拡大量を減らすことができるため、映像回転複製部のサイズ（特に垂直方向）の抑制や、出射反射面の削減により製造コストを低減できる。

　このように、映像回転複製部１２２を用いることで、投射レンズからの映像光の出射方向と導光部への映像光の入射方向を異ならせ、かつ導光部の外側から映像光を入力できる構成とすることで、視力補正用の眼鏡を装着したユーザへの対応と小型化及び製造コスト低減を両立できる構成とすることができる。

　さらに、本実施例における具体的な映像回転複製部１２２の構成について図６を用いて説明する。図６において、（ａ）は映像回転複製部１２２の外観図、（ｂ）は映像回転複製部１２２を出射反射面１３１～１３４及び出射面１３５に平行な方向から見た概略図、（ｃ）は映像回転複製部１２２を出射面１３５かつ入射面１３６に平行な方向から見た外観図である。なお、説明のために、入射反射面１３０にハッチングを付している。

　投射部１２１から入射し入射反射面１３０で反射した映像光が、出射反射面１３１～１３４で反射する前に映像回転複製部１２２の出射面１３５へ入射すると、内面全反射により迷光が生じる。幾何学的な構成上、特に出射面１３５側は入射反射面１３０から出射反射面までの距離があるので内面反射による迷光が出やすい。

　そこで、図６（ｂ）に点線に示したように所定の画角範囲をもつ映像光が入射反射面１３０で出射面１３５側へ反射する成分が出ないようにし、かつ画面の回転には影響を与えない幾何学的な構成とするためには、図６（ｃ）に示すように、入射面１３６と出射面１３５の成す角θ１が９０°以上であり、図６（ｂ）に示すように、出射反射面１３１～１３４と出射面１３５の法線と成す角θ２が４５°以上とする必要がある。また角度θ１とθ２はθ２×２＝θ１の関係を満たすことで、導光部１２３からの映像の回転や画角のオフセット等へ影響せずに、映像回転複製部１２２内での映像光伝搬角度を調節して内部での迷光発生を抑制することができる。

　また、画面の輝度ムラ抑制の観点から、出射反射面１３１～１３４の各反射面の間隔Ｌ１～Ｌ３は夫々、投射部１２１を構成する投射レンズの外径よりも小さいことが望ましい。これにより映像光は切れ目なく複製されるため輝度ムラを抑制できる。更には投射部１２１により形成される射出瞳径よりも間隔Ｌ１～Ｌ３を夫々小さくすることで、より複製される映像光に切れ目がなくなるため輝度ムラを抑制できる。

　以上のように、本実施例によれば、光学系の小型化・高効率化とアイボックスの拡大とを両立させるＨＭＤを提供できる。

　図７は本実施例における映像回転複製部の構成図である。図７において、図６と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図７において、図６と異なる点は、入射反射面１３０と入射反射面１３０に最も近い出射反射面１３４の一部が交差している点である。内部反射による迷光を回避する場合、前記の通り映像光は点線で示したような経路となる為、入射反射面１３０と出射反射面１３４の一部に交差があっても実質的な映像品質には影響なく、映像回転複製部１２２の入射反射面１３０と出射反射面１３１～１３４の距離を縮め小型化することができる。

　よって、本実施例によれば、より光学系の小型化を図ったＨＭＤを提供できる。

　図８は本実施例における映像回転複製部の構成図である。図８において、図６と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図８において、図６と異なる点は、入射反射面１３０と出射反射面１３１～１３４は一体化されずに入射反射面１３０を有した第１プリズム１２２ａと出射反射面１３１～１３４を有した第２プリズム１２２ｂに分離されていることである。図６のように、入射反射面１３０と出射反射面１３１～１３４を一体化したプリズムの作製は、複数反射面の接合と切断の工程が複雑となり製造コストを上昇させる。これに対して、本実施例のように、入射反射面１３０と出射反射面１３１～１３４を分離して、単純な３角プリズムに近い形状の第１、第２プリズムを夫々作製することでコストを抑制できる。

　よって、本実施例によれば、光学系の小型化・高効率化とアイボックスの拡大とを両立させるとともに、より安価なＨＭＤを提供できる。

　図９は本実施例における虚像映像生成部の構成図である。図９において、図５と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図９において、図５と異なる点は、導光部１２３の構成が異なる点である。

　図９において、本実施例における導光部１２３は、回折格子、体積ホログラム、ビームスプリッタアレイ（ＢＳＡ）等を用いた導光部構成とすることで、シースルー性を備えたＨＭＤとすることができる。

　図９（ａ）は導光部１２３に体積ホログラムを用いている。すなわち、導光部内を伝搬した映像光をユーザの瞳２０へ出力する手段として、ミラーアレイではなく体積型ホログラム１４０により回折する場合の例である。図９（ｂ）は導光部１２３が表面掘り込み式回折格子を用いている。導光部への映像光入力手段として表面掘り込み式回折格子１４１を備え、取り込んだ光を全反射で平行平板内を伝播させ映像光をユーザの瞳２０へ出力する手段として、表面掘り込み式回折格子１４２を用いる場合の例である。

　よって、本実施例によれば、実施例１での効果を有するとともに、シースルー性を備えたＨＭＤを提供できる。

　図１０は、本実施例における虚像映像生成部の構成図である。図１０において、図５と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１０において、図５と異なる点は、映像表示部１２０の具体構成を記載している点である。

　図１０において、映像表示部１２０は、小型ディスプレイ部１２５と、光源部が発する光を小型ディスプレイ部１２５へ伝える照明光学系１６９からなる。

　照明光学系１６９において、光源部として、緑色（Ｇ）の光源部１５０と、赤色（Ｒ）及び青色（Ｂ）の光源部１５１を備える。各光源からの光は集光レンズ１５２，１５３によって略コリメート化される。各色光源からの略コリメート光は、色合成部１５４によって合成される。

　ここでは色合成部１５４に楔形のダイクロイックミラーを用いた例を示している。ダイクロイックミラーは、Ｒ光とＢ光とＧ光の略コリメート光を合成して出射する。このとき各色の光軸は必ずしも完全に一致している必要はなく、所定の面で強度分布が略一致するようにあえて光軸をわずかにずらしても構わない。

　色合成された光は、仮想的な２次光源となるマイクロレンズアレイ１５５へ入射する。マイクロレンズアレイ１５５は、色合成部１５４から出射した略コリメート光束で照明される。マイクロレンズアレイ１５５を用いることで、小型ディスプレイ部１２５の所定の範囲のみに光を集めることができる。また、小型ディスプレイ部１２５上での照明光の輝度分布を均一化できる。

　折り曲げミラー１５６は、マイクロレンズアレイ１５５から小型ディスプレイ部１２５への光路を折り曲げる作用がある。すなわち、折り曲げミラー１５６を挿入することで、映像表示部１２０の寸法Ａの長さを短くすることができる。コンデンス光学部材１５７としてのコンデンスレンズは、マイクロレンズアレイ１５５のセル像を小型ディスプレイ部１２５へ結像させる。

　小型ディスプレイ部１２５にＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon、登録商標）等を用いる場合は、偏光分岐素子１５８で映像表示部１２０と投射部１２１への光路を切り分ける。図１０では偏光分岐素子１５８に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いた例を示す。投射部１２１は、複数枚からのレンズからなる投射光学系で、小型ディスプレイ部１２５からの映像光を画角に応じて角度を変えて無限遠または虚像として投射する。投射部１２１からの映像光は映像回転複製部１２２を介して導光部１２３へ入射され、ユーザはシースルー性を確保した状態で映像を視認できる。

　このように、本実施例によれば、映像表示部１２０の垂直方向の寸法Ａを短縮しつつ画質を向上することができる。

　図１１は、本実施例における虚像映像生成部の構成図である。図１１において、図１０と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１１において、図１０と異なる点は、偏光フィルタ１６０、１／４波長板１６１、偏光フィルタ１６２、拡散板１６３を追加している点である。

　小型ディスプレイ部１２５にＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon、登録商標）等を用いて、偏光分岐素子１５８で映像表示部１２０と投射部１２１への光路を切り分ける場合、図１１に示すように、所定の偏光で照明するために、偏光フィルタ１６２を配置して事前に必要な偏光成分のみを取り出すようにする。偏光フィルタ１６２は、迷光対策やコントラストの点でも有利に作用する。

　また、偏光フィルタ１６０と１／４波長板１６１は、投射部１２１や導光部１２３からの戻り光による迷光を抑制する。

　また、光学系を高効率・高輝度化するために、映像表示部にマイクロレンズアレイを用いることが有効である。これに関して本件発明者は、映像表示部にマイクロレンズアレイを採用した場合、マイクロレンズアレイの共役像が投射レンズの射出瞳にも形成される現象を見出した。すなわち、上記光学系で映像を視認する場合、マイクロレンズアレイ１５５によって複製された光源部１５０の共役像が、マイクロレンズアレイ１５５の出射面に形成される。また、マイクロレンズアレイ１５５の出射面と投射部１２１の射出瞳は略共役な位置関係にある。よって、投射部１２１の射出瞳位置には、マイクロレンズアレイ１５５のレンズセル出射面の共役像と、マイクロレンズアレイ１５５の出射面に形成された上記光源部１５０の共役像の更なる共役像が形成される。従って、ユーザが導光部１２３越しに映像を見ると、映像の手前に、マイクロレンズセルの共役像と光源の共役像が重畳されたように見えてしまい、映像の視認性が低下するという課題が生じる。

　なお、映像回転複製部１２２及び導光部１２３はアイボックスを拡大するために投射部１２１の射出瞳を複製する機能を有するため、複製回数が多いと各共役像が繰り返し重なり合って目立たなくなることもある。一方で、ビームスプリッタミラーアレイ型の導光部１２３を用いた場合は、他の方式に比べ原理的に複製回数が少なくなり、上記共役像により映像の視認性は大きく低下する。

　そこで、本実施例では、導光部１２３で複製された周期的なマイクロレンズアレイ（レンズセル）と光源の共役像を抑制するために、マイクロレンズアレイ１５５と小型ディスプレイ部１２５の間に拡散板１６３を追加している。これにより、小型ディスプレイ部１２５の拡大像である映像（虚像）の解像度には影響を与えることなく、マイクロレンズセルと光源の共役像のみをぼかして目立たなくすることができる。

　ここで拡散板１６３の位置は、マイクロレンズアレイ１５５から離しコンデンスレンズ１５７に近い位置に配置する。この例ではコンデンスレンズ１５７直後（図面上側）に配置したが、コンデンスレンズ１５７の前側（図面下側）でもよい。コンデンスレンズ１５７に近い位置に配置することで、拡散板１６３の拡散角を小さくでき、拡散板１６３挿入による効率低下を抑えつつ、マイクロレンズセルと光源の共役像のみをぼかすことができる。

　また、拡散板１６３による偏光への影響を考慮し、偏光フィルタ１６２の位置を拡散板１６３の直後に配置する構成としている。その際、拡散板１６３と偏光フィルタ１６２を偏光分岐素子１５８に貼り合わせて、一体化した構成として例示している。

　一方、拡散板１６３とコンデンスレンズ１５７を一体化することも可能である。その場合、拡散板１６３の代わりにコンデンスレンズ１５７の表面を砂摺り状の面として、拡散機能を付加した構成としても良い。

　このように、本実施例によれば、導光部に越しに見える共役像を解消する拡散板を用いることで、映像表示部の照明光学系をマイクロレンズアレイを用いたケーラー照明系とし高効率・高輝度化を実現できる。

　図１２は、本実施例における虚像映像生成部の構成図である。図１２において、図１１と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１２において、図１１と異なる点は、偏光分岐素子１５８としてワイヤーグリッドフィルム１５９を配置した点である。また、ワイヤーグリッドフィルム１５９が歪まないよう光学的に透明な基板１６４へ貼り付けた構成を示している。この構成により、偏光分岐素子をワイヤーグリッドフィルムとすることでコストを抑制できる。

　また、映像表示部１２０の拡散板１６３は映像光を拡散させるため共役像の解消に加え、光学系のＦ値を低下させる効果がある。したがって投射部１２１のＦ値も低下させた構成とすることで射出瞳が拡大し、アイボックスが拡大する。この場合、図１３に示したように映像回転複製部１２２の出射反射面１３１を１面とする構成としてもよい。これにより、出射反射面を減らすことができ映像回転複製部の製造コストを低減できる。

　図１４は、本実施例におけるテレセントリック光学系の概要を示す図である。ここでは映像表示部１２０の構成として、マイクロレンズアレイ１５５と小型ディスプレイ部１２５の間に、コンデンス光学部材を配置している。ここではコンデンス光学部材として、単一のコンデンスレンズ１５７を用いている。またコンデンスレンズ１５７とマイクロレンズアレイ１５５の間には折り曲げミラー１５６を配置している。

　加えて小型ディスプレイ部１２５を反射型の液晶ディスプレイとした場合、コンデンスレンズ１５７と小型ディスプレイ部１２５の間には、偏光ビームスプリッタやワイヤーグリッドフィルムなどの偏光分岐素子１５８を配置する必要がある。ここでは偏光分岐素子１５８として、ワイヤーグリッドフィルム１５９を光学的に透明な基板１６４へ貼り付けた構成を示している。

　テレセントリック光学系とするには、マイクロレンズアレイ１５５とコンデンスレンズ１５７の間隔、及びコンデンスレンズ１５７と小型ディスプレイ部１２５の間隔が、夫々レンズの焦点距離ｆとする必要がある。したがって一般的なテレセントリック光学系では、幾何学的な対称性から偏光分岐素子１５８と折り曲げミラー１５６の反射面サイズは略同じ面積が必要となる。

　図１５は、本実施例における虚像映像生成部の構成図である。図１５において、図１１と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１５において、図１１と異なる点は、折り曲げミラー１５６の反射面面積が偏光分岐素子１５８の反射面面積よりも小さくした点である。

　すなわち、導光部１２３は投射部１２１の射出瞳の映像光をすべて内部に取り込むことが難しい場合があり、射出瞳の一部の映像光を取り込む場合が多い。これらを鑑みた場合、折り曲げミラー１５６の有効エリアは偏光分岐素子１５８の反射面の有効エリアよりも小さいサイズとしても効率の低下がない。

　よって、本実施例によれば、折り曲げミラー１５６の反射面を偏光分岐素子１５８反射面よりも小さな面積とすることで小型化できるという効果がある。

　図１６は、本実施例における虚像映像生成部の構成図である。図１６において、図１１と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１６において、図１１と異なる点は、小型ディスプレイ部１２５にデジタルマイクロミラーデバイス型のディスプレイ１２５Ｄを用いた点である。デジタルマイクロミラーデバイス型のディスプレイ１２５Ｄは偏光の切り分けが不要であり光利用効率を向上できる。

　図１６において、光源部からの照明光は、２枚に分かれたコンデンスレンズ１５７ａへ入射後し、折り曲げミラー１５６で反射されコンデンスレンズ１５７ｂへ入射する。コンデンスレンズ１５７ａ、１５７ｂを通過した光束は、全反射プリズム１６５の斜面を通過し、デジタルマイクロミラーデバイス型のディスプレイ１２５Ｄに照射される。デジタルマイクロミラーデバイス型のディスプレイ１２５Ｄのマイクロミラー面を反射した光束は、角度を変えて再び全反射プリズム１６５に入射し、斜面を全反射する。全反射した映像光は、投射部１２１及び映像回転複製部１２２を通して導光部１２３へ入射し、ユーザの視野内へ映像を表示する。デジタルマイクロミラーデバイス型のディスプレイ１２５Ｄへ斜めに照明光をあてる必要があり、折り曲げミラー１５６の反射角度を浅くできるため、映像表示部１２０の垂直方向の寸法Ａを縮小できる。

　小型ディスプレイ部１２５にデジタルマイクロミラーデバイス型のディスプレイ１２５Ｄを用いた場合、映像では黒色に表示したい部分の光（以下ＯＦＦ光と呼ぶ）はデジタルマイクロミラーデバイスによって光軸が傾けられて投射部方向へ進む。このＯＦＦ光を投射部が取り込むと表示画面はきちんとした黒色とならず、画面コントラストの低下や迷光の発生要因となる。よって、ＯＦＦ光が映像回転複製部へ入射しないよう投射部と映像回転複製部の間又は映像回転複製部の入射面にＯＦＦ光を遮光する遮光部１７０を設けることで、コントラストの低下や迷光の発生を抑制できる。

　図１７は本実施例における虚像映像生成部の構成図である。図１７において、図１０と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１７において、図１０と異なる点は、小型ディスプレイ部１２５に自発光型のディスプレイ１２５Ｏを用いた点である。これにより、照明光学系が不要となり大幅に小型化される。自発光型のディスプレイとしては有機ＥＬディスプレイやマイクロＬＥＤディスプレイを用いればよい。

　本実施例では、各実施例で述べたＨＭＤの応用例について説明する。図１８は、本実施例におけるＨＭＤの使用例を示す図である。

　図１８において、ユーザ２の視界には、ＨＭＤ１からの映像（虚像）表示領域１１１にコンテンツが表示される。例えば産業機器の点検や組立て等における作業手順書２０１や図面２０２が表示される。映像表示領域１１１には限りがあるので、これら作業手順書２０１や図面２０２を同時に表示するとコンテンツが小さくなり視認性が悪くなる。そこでユーザ２の頭の向きを加速度センサで検出するヘッドトラッキングを行い、頭の向きに応じて表示コンテンツを変えることで視認性を改善できる。すなわち、図１８において、ユーザ２は左を向いた状態で映像表示領域１１１に作業手順書２０１が表示されているが、ユーザが右を向くと、映像表示領域１１１に図面２０２が表示され、あたかも、作業手順書２０１と図面２０２を広い視野で視認できる仮想の映像表示領域１１２があるように表示することができる。

　これにより、視認性が改善されるとともに、ユーザ２は、作業対象物（機器や工具など）と作業指示を同時に視認しながら作業を実行することができるので、より確実な作業が可能となりミスを低減することができる。

　図１９は、本実施例におけるＨＭＤのブロック構成図である。図１９において、図１と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１９において、図１と異なる点は、特にヘッドトラッキング機能を付加した点である。すなわち、ＨＭＤ１の画像信号処理部１０３Ａには、ヘッドトラッキング部１０３Ｈを設けている。ヘッドトラッキング部１０３Ｈはセンシング部１０６Ａの加速度センサ１０６Ｈの情報をもとにユーザ２の頭の向きを検出し、頭の向きに応じて表示コンテンツを変更する。

　また、ＨＭＤは屋内外で使用する。従って、周囲環境の明るさに応じて表示映像の輝度も調節する必要がある。一例として、センシング部１０６Ａに照度センサ１０６Ｍを搭載し、照度センサの出力に応じて画像信号処理部１０３Ａが表示する映像の輝度を調節すればよい。

　以上、本発明に係る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、上記のＨＭＤおよび虚像映像生成部の機能構成は、理解を容易にするために、主な処理内容に応じて分類したものである。構成要素の分類の仕方や名称によって、本発明が制限されることはない。ＨＭＤおよび虚像映像生成部の構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。

　また、本発明はＨＭＤだけでなく、各実施例で説明した虚像映像生成部の構成を有する他の映像（虚像）表示装置にも同様に適用できることは言うまでもない。

　また、ある実施例の構成の一部を実施例の構成に置き換えることが可能である。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・置換をすることも可能である。

　１：ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、１０１：虚像映像生成部、１０２：制御部、１０３：画像信号処理部、１０４：電力供給部、１０５：記憶部、１０６：センシング部、１０７：通信部、１０８：音声処理部、１０９：撮像部、９１～９３：入出力部、１１１：映像表示領域、１１２：仮想の映像表示領域、１２０：映像表示部、１２１：投射部、１２２：映像回転複製部、１２３：導光部、１２５：小型ディスプレイ部、１３０：入射反射面、１３１～１３４：出射反射面、１３５：出射面、１３６：入射面、１４０：体積型ホログラム、１４１、１４２：表面掘り込み式回折格子、１５０、１５１：光源部、１５４：色合成部、１５５：マイクロレンズアレイ、１５６：折り曲げミラー、１５７：コンデンスレンズ（コンデンス光学部材）、１５８：偏光分岐素子、１５９：ワイヤーグリッドフィルム、１６０、１６２：偏光フィルタ、１６１：１／４波長板、１６３：拡散板、１６９：照明光学系、１７０：遮光部。

Claims

　ユーザの視野内に映像を表示するヘッドマウントディスプレイであって、
　表示する映像を生成する映像表示部と、
　前記映像表示部からの映像光を投射する投射部と、
　前記投射部からの投射光のアイボックスを拡大する映像回転複製部と、
　前記映像回転複製部からの映像光をユーザの瞳へ伝達する導光部を有し、
　前記映像回転複製部は入射面と出射面および少なくとも２つ以上の反射面を備え、前記入射面と前記出射面の成す角度が９０°より大きいことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
　請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　前記映像回転複製部の前記２つ以上の反射面のうち、第１反射面の法線と第２反射面の法線は所定のねじれ角度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。
　請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　前記映像回転複製部の前記２つ以上の反射面は、前記投射部からの映像光を内部へと反射する入射反射面と、前記導光部の方向へ映像光の一部を反射する少なくとも２つ以上の出射反射面から成る出射反射面群であって、
　前記出射反射面は互いに略平行であって、
　前記入射反射面の法線と前記出射反射面群の法線は所定のねじれ角度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。
　請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイであって
　前記映像回転複製部は映像光が入射する入射面と前記出射反射面群と映像光を出射する出射面を備えたプリズムであり、
　前記投射部は投射レンズを備え、
　前記出射反射面群の面間隔は前記投射レンズの外径よりも小さいことを特徴とする映像表示装置。
　請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　前記投射部からの映像光の出射方向と前記導光部への映像光の入射方向が異なり、前記映像回転複製部を出射した映像光は前記導光部のユーザの瞳がある側の反対側から前記導光部へ入射することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
　請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　前記入射反射面の法線と前記出射反射面群の法線のねじれ角度は９０°であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
　請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　前記映像回転複製部の入射面と出射面の成す角度をθ１とし、前記出射反射面群と前記出射面の法線と成す角度をθ２としたとき、前記角度θ１とθ２はθ２×２＝θ１の関係を満たすことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
　請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　前記導光部は、主要な２つの平行平面を有した平板状で構成され、内部に少なくとも２つ以上の出射反射面を有し、前記２つ以上の出射反射面は互いに平行であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
　請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　前記映像表示部は、
　光を出射する光源部と、
　前記光源部からの光で照明され仮想的な２次光源となるマイクロレンズアレイと、
　映像を生成する小型ディスプレイ部と、
　前記マイクロレンズアレイからの光を前記小型ディスプレイ部に集光するコンデンス光学部材と、
　前記マイクロレンズアレイからの光を拡散する拡散板を有し、
　前記拡散板は、前記コンデンス光学部材と前記小型ディスプレイ部の間に配置されたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
　請求項９に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　前記映像表示部は、光路を折り曲げるための折り曲げミラーと、
　前記小型ディスプレイ部で反射後の映像光を前記投射部へ導くための偏光分岐素子を備え、
　前記折り曲げミラーの反射面面積は前記偏光分岐素子の反射面面積より小さいことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
　請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　前記映像表示部と投射部との間に１／４波長板と所定の偏光を透過する偏光フィルタを備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
　請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　前記導光部は表面掘り込み式の回折格子又は体積ホログラムを備えた導光部であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
　請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　前記映像表示部にデジタルマイクロミラーデバイス方式の小型ディスプレイを搭載し、
　所定の領域の光が前記導光部に入射するのを防ぐ遮光部を、前記投射部と前記映像回転複製部の間又は前記映像回転複製部の入射面に備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
　請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　電力を供給する電力供給部と、
　情報を記憶する記憶部と、
　ユーザの位置や姿勢を検出するセンシング部と、
　外部装置と通信を行う通信部と、
　音声信号の入力または出力を行う音声処理部と、
　装置全体の制御を行う制御部と、
　を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
　請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
　ユーザの頭の動きを検出する加速度センサと、
　ユーザの頭の動きに応じて表示コンテンツを変えるヘッドトラッキング部と、
　電力を供給する電力供給部と、
　情報を記憶する記憶部と、
　外部装置と通信を行う通信部と、
　音声信号の入力または出力を行う音声処理部と、
　装置全体の制御を行う制御部と、
　を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。