JP6812649B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。

近年、ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと称す）等の装着型の表示装置が注目されている。このようなＨＭＤとして、観察者の眼の前に画像光を導く接眼光学系として凹面ミラーを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０５−１３４２０８号公報

ところで、上記凹面ミラーを用いる場合において、観察者に大きな画像を視認させるには画角を大きくする必要がある。このように画角を大きくするためには、凹面ミラーの曲面を観察者の鼻側では顔に近く、耳側では顔から離れるように配置する。凹面ミラーの観察者の耳側における前方への突出量が大きくなると、外観デザインが損なわれる。そこで、画角を保ったままで上記突出量を小さくするように凹面ミラーを傾けて配置することも考えられる。しかしながら、この場合、画像光を生成する画像光生成部や凹面ミラーに画像光を導く導光系が観察者の頭部に接触するおそれがある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、観察者の頭部への接触を抑制しつつ、外観を損なうことなく観察者に大きな画像を視認させることができる画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、画像光を射出する画像生成部と、前記画像光が入射するプリズム光学素子と、を備え、前記プリズム光学素子は、平面形状の第１の光屈折面が設けられた第１のプリズム部材と、前記プリズム部材の前記第１の光屈折面と反対側に設けられ、前記第１の光屈折面から遠ざかる方向に凸状となる凹面ミラーと、を有し、前記プリズム光学素子は、前記画像光が前記第１の光屈折面から入射し、前記凹面ミラーで反射するように配置されている画像表示装置が提供される。

第１態様に係る画像表示装置によれば、プリズム光学素子の第１の光屈折面によって画像光を屈折させることができる。よって、大きな画角を維持した状態で凹面ミラーのミラー突出量を抑えることで優れた外観デザインを保持しつつ、画像生成部及び導光光学系を使用者の頭部に接触させない位置に配置することができる。
したがって、観察者の頭部への接触を抑制しつつ、外観を損なうことなく大きな画像を視認させることができる。

上記第１態様において、前記画像光を前記プリズム光学素子に導く導光光学系をさらに備え、前記導光光学系は、複数のレンズを有するのが好ましい。
この構成によれば、導光光学系によりプリズム光学素子への入射時の屈折によって生じる収差を補正することができる。
さらに、上記第１態様においては、前記導光光学系は、前記複数のレンズ間に設けられて前記画像光を反射させる反射ミラーと、を有するのが望ましい。
この構成によれば、反射ミラーにより画像光の光軸を折り曲げることができる。よって、導光光学系が観察者の顔に沿って配置されるので、外観デザインを向上させることができる。

上記第１態様において、前記プリズム光学素子は、前記凹面ミラーの前記第１のプリズム部材と反対側に設けられ、前記第１のプリズム部材と同じ屈折率となるように設けられた第２のプリズム部材をさらに有し、前記第２のプリズム部材は、前記凹面ミラーと反対側に前記第１の光屈折面と平行となるように設けられた第２の光屈折面を有しており、前記凹面ミラーは、前記画像光の少なくとも一部を反射し、外界の光の少なくとも一部透過する部分反射膜であるのが好ましい。
この構成によれば、外界からの光入射面と光出射面とが平行な平面であるため、外界からプリズム光学素子に入射する光線の角度と、プリズム光学素子で屈折された後に出射される際の光線の角度とが変化しなくなる。よって、画像表示装置の使用者は凹面ミラー越しに見える外界の像（シースルー像）を歪むことなく視認することができる。

上記第１態様において、前記部分反射膜は振幅分割型の反射膜であるのが好ましい。
この構成によれば、凹面ミラー越しに外界の像（シースルー像）を良好に視認することができる。

上記第１態様において、前記部分反射膜は波長分割型の反射膜であるのが好ましい。
この構成によれば、凹面ミラー越しに外界の像（シースルー像）を良好に視認することができる。

第一実施形態のＨＭＤを使用者が装着した状態を示す図。 第一実施形態のＨＭＤの斜視図。 第一実施形態の画像表示部の構成を示す図。 比較例に係るＨＭＤの概略構成を示す図。 比較例に係るＨＭＤの概略構成を示す図。 第二実施形態の画像表示部の各部の構成を示す平面図。 第三実施形態の画像表示部の各部の構成を示す平面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第一実施形態）
本実施形態の画像表示装置は、使用者が頭に装着して使用するヘッドマウントディスプレイの一例である。以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）を、ＨＭＤと略記する。

図１は、使用者が本実施形態のＨＭＤを装着した状態を示す図である。図２は、本実施形態のＨＭＤの斜視図である。
図１に示すように、本実施形態のＨＭＤ３００は、使用者が眼鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用するものである。本実施形態のＨＭＤ３００は、反射型のＨＭＤである。本実施形態のＨＭＤ３００によれば、使用者は画像表示部により生成された画像を視認することができる。

図２に示すように、ＨＭＤ３００は、眼鏡に類似した形状を有する表示部１００と、使用者が手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御装置（コントローラー）１６０と、を備えている。表示部１００と制御装置１６０とは、有線または無線で通信可能に接続される。本実施形態では、表示部１００を構成する左眼用画像表示部１１０Ａおよび右眼用画像表示部１１０Ｂの各々と制御装置１６０とは、ケーブル１５０を介して有線で通信可能に接続され、画像信号や制御信号を通信する。

表示部１００は、メインフレーム（装置本体）１２０と、左眼用画像表示部１１０Ａと、右眼用画像表示部１１０Ｂと、を備えている。制御装置１６０は、表示部１７０と、操作ボタン部１８０と、を備えている。

表示部１７０は、例えば使用者に与える各種の情報や指示等を表示する。メインフレーム１２０は、使用者が耳に掛けるための一対のテンプル部１２２Ａ，１２２Ｂを備えている。メインフレーム１２０は、左眼用画像表示部１１０Ａと、右眼用画像表示部１１０Ｂと、を支持する部材である。

図３は、表示部１００の各部の構成を示す平面図である。さらに、図３では、表示部１００を装着する使用者Ｍを頭上から見た状態を図示している。

右眼用画像表示部１１０Ｂと左眼用画像表示部１１０Ａとは、同様の構成を有しており、双方の画像表示部内の各構成要素は左右対称に配置されている。そのため、以下では、右眼用画像表示部１１０Ｂを単に画像表示部１１０として詳細に説明し、左眼用画像表示部１１０Ａの説明を省略する。なお、図３においては、使用者Ｍの眼ＭＥの瞳孔中心を通り、かつ観察される画像の中心画角となる光線が通る経路を光軸１００ａｘとする。

図３に示すように、画像表示部１１０は、画像生成部１１と、リレー光学系（導光光学系）１２と、プリズム光学素子１３と、を備えている。画像生成部１１は、画像情報を含む画像光Ｇを射出する。画像生成部１１は、例えば、バックライトで照明された液晶表示素子や有機ＥＬ表示素子から構成される。

リレー光学系１２は、画像生成部１１から出射した画像光Ｇをプリズム光学素子１３へと導く（導光する）。リレー光学系１２は、少なくとも正のパワーと負のパワーとを含む光学系であり、全体として正のパワーを有する。本実施形態において、リレー光学系１２は、光入射側から順に、第１レンズ１２ａと、第２レンズ１２ｂと、第３レンズ１２ｃと、第４レンズ１２ｄと、を含む。なお、本実施形態では、リレー光学系１２は、第１レンズ１２ａ、第２レンズ１２ｂ、第３レンズ１２ｃ及び第４レンズ１２ｄの４枚のレンズで構成されているが、レンズの枚数は特に限定されない。

なお、リレー光学系１２は、プリズム光学素子１３への入射時の屈折によって生じる収差を補正するように、偏心した面から構成されている。そのため、光軸１００ａｘは実際に屈曲しているが、図３では簡略化して直線で示している。

図３に示すように、リレー光学系１２は全体として正のパワーを有するため、画像生成部１１から射出された画像光Ｇを集光して、プリズム光学素子１３の手前に中間像を形成する。

プリズム光学素子１３は、使用者Ｍの眼ＭＥの前に配置される。プリズム光学素子１３は、プリズム部材（第１のプリズム部材）１４と凹面ミラー１５とを含む。プリズム部材１４は、例えば、光学樹脂或いは光学ガラスから構成され、一方面１４ａ（眼ＭＥ側の面）に光屈折面（第１の光屈折面）１６を有し、他方面１４ｂ（眼ＭＥから遠い方の面）に曲面１７を有する。光屈折面１６は平面から構成される。曲面１７は光屈折面１６から遠ざかる方向に向かって凸となる凸曲面形状からなる。

光屈折面１６は、画像光Ｇを屈折させることで凹面ミラー１５へと導く。光屈折面１６は、光軸１００ａｘを使用者Ｍから遠ざける方向に画像光Ｇを屈折させる。

凹面ミラー１５は、例えば、曲面１７に金属膜を蒸着することで形成される。そのため、凹面ミラー１５は曲面１７の形状に倣った曲面形状を有する。本実施形態において、凹面ミラー１５は接眼光学系としての凹面ミラーとして機能し、画像生成部１１から射出された画像光Ｇを反射して良好に使用者Ｍの眼ＭＥに導く。具体的に凹面ミラー１５は、中間像からの光を集光して使用者Ｍの眼ＭＥの瞳孔近傍に射出瞳を形成する。

凹面ミラー１５で反射された画像光Ｇは、プリズム部材１４から出射される際、光屈折面１６で屈折されることで使用者Ｍの眼ＭＥに入射する。そのため、使用者Ｍは、凹面ミラー１５越しに拡大された虚像を視認することができる。

ところで、近年、ＨＭＤにおいては、さらなる広画角化が要求されている。
ここで、画角を大きくする場合に生じる問題について比較例を参照しながら説明する。図４、５は比較例に係るＨＭＤ１００Ａの概略構成を示す図であり、図４はＨＭＤ１００Ａにおいて画角を小さくする場合を示し、図５はＨＭＤ１００Ａにおいて画角を大きくする場合を示す。比較例に係るＨＭＤ１００Ａは、画像光Ｇを凹面ミラー１５Ａのみで使用者Ｍの眼ＭＥに導く点で本実施形態のＨＭＤ３００と異なる。なお、図４，５において、使用者Ｍの眼ＭＥの瞳孔中心を通り、かつ観察される画像光Ｇの中心画角となる光線が通る経路を光軸１０ａｘとする。

図４に示すように、凹面ミラー１５Ａの曲面は、使用者Ｍの鼻側では顔に近く、耳側では顔から離れるように配置される。画角θが大きくなると、図５に示すように、凹面ミラー１５Ａの突出量（以下、ミラー突出量Ｄと称す）が大きくなる。ミラー突出量Ｄが大きくなると外観デザインが損なわれるため、好ましくない。

そこで、画角θを維持した状態でミラー突出量Ｄを小さくすることが考えられる。このように画角θを維持した状態でミラー突出量Ｄを小さくする手法として凹面ミラー１５Ａの傾斜角αを小さくすることが考えられる。ここで、傾斜角αとは、凹面ミラー１５Ａのミラー面法線Ｈ１と光軸１０ａｘとが成す角度である。

しかしながら、図５から分かるように、傾斜角αを小さくすると、凹面ミラー１５Ａによる光軸１０ａｘの偏向角βが小さくなる。これにより、画像生成部１１Ａやリレー光学系１２Ａが使用者Ｍの頭部に近づくことで接触するといった問題が生じる。

これに対し、本実施形態のＨＭＤ３００によれば、プリズム光学素子１３の光屈折面１６によって画像光Ｇを屈折させることができる。すなわち、上記ミラー突出量Ｄを抑えるために上記傾斜角αを小さくした場合でも、光屈折面１６によって画像光Ｇを屈折させることで光軸１００ａｘを折り曲げて画像生成部１１及びリレー光学系１２を使用者Ｍの頭部に接触しない位置に位置させることができる。

例えば、図５において傾斜角αを３０度としなければならない場合でも、本実施形態によればプリズム光学素子１３を用いることで傾斜角αを１５度に抑えることができる。また、図４に示した偏向角βを６０度程度とした場合であっても、画像生成部１１及びリレー光学系１２が使用者Ｍの頭部に接触することがない。

例えば水平画角４０度の虚像を観察可能とする場合、図４に示したような凹面ミラー１５Ａだけの構成ではミラー突出量Ｄが約１７ｍｍとなるが、本実施形態のようにプリズム光学素子１３を用いた構成によればミラー突出量Ｄを約１０ｍｍまで薄くすることができる。

本実施形態によれば、プリズム光学素子１３を用いることによってミラー突出量Ｄが小さくなるので、使用者Ｍの眼ＭＥの前に位置する部材の厚さを薄くすることでＨＭＤ３００の外観デザインを向上させることができる。
したがって、使用者Ｍの頭部への接触を抑制しつつ、外観を損なうことなく大きな画像を視認させることが可能なＨＭＤ３００を提供することができる。

（第二実施形態）
続いて、第二実施形態に係る画像表示部について説明する。図６は本実施形態の画像表示部２１０の各部の構成を示す平面図である。なお、図６において、上記実施形態と共通の部材については同じ符号を付し、その詳細については説明を省略する。図６では、画像生成部１１の各画素から射出される画像光Ｇの主光線のみを図示している。

本実施形態の画像表示部２１０は、図６に示すように、画像生成部１１と、リレー光学系１１２と、プリズム光学素子１３と、を備えている。本実施形態において、リレー光学系１１２は、画像生成部１１とプリズム光学素子１３との間に設けられた反射ミラー５０を含んでいる。反射ミラー５０は、画像光Ｇを反射することで光軸１００ａｘを折り曲げる。

具体的に、リレー光学系１１２は、第１レンズ１１２ａと、第２レンズ１１２ｂと、第３レンズ１１２ｃと、第４レンズ１１２ｄと、反射ミラー５０とを含む。反射ミラー５０は、第２レンズ１１２ｂと第３レンズ１１２ｃとの間に配置される。

画像光Ｇは、第１レンズ１１２ａと第２レンズ１１２ｂとを透過した後、反射ミラー５０で反射されて第３レンズ１１２ｃと第４レンズ１１２ｄを透過する。これにより、画像光Ｇの光軸１００ａｘは反射ミラー５０によって使用者Ｍの顔の輪郭に沿って折り曲げられたものとなる。よって、リレー光学系１１２及び画像生成部１１が使用者Ｍの顔に沿って配置されるようになるので、小型化が図られるとともに優れた外観デザインを有する画像表示部２１０を提供することができる。よって、この画像表示部２１０を備えたＨＭＤ自体も小型且つデザイン性に優れたものとなる。

（第三実施形態）
続いて、第三実施形態に係る画像表示部について説明する。図７は本実施形態の画像表示部３１０の各部の構成を示す平面図である。なお、図７において、上記実施形態と共通の部材については同じ符号を付し、その詳細については説明を省略する。図７では、画像生成部１１の各画素から射出される画像光Ｇの主光線のみを図示している。

上記第一、第二実施形態では、反射型のＨＭＤに用いる画像表示装置を例に挙げたが、本実施形態の画像表示部は外界に画像光を重畳させるいわゆるシースルー型のＨＭＤに用いられる点で異なる。

本実施形態の画像表示部３１０は、図７に示すように、画像生成部１１と、リレー光学系１１２と、プリズム光学素子１１３と、を備えている。
本実施形態において、プリズム光学素子１１３は、プリズム部材１４と、プリズム部材（第２のプリズム部材）２０と、部分反射膜からなる凹面ミラー１１５とを含む。なお、凹面ミラー１１５を構成する部分反射膜としては、例えば、ハーフミラーを用いることができる。ハーフミラーとしては、金属を極薄く製膜して入射光の強度の一部を透過させる金属薄膜を用いることができる。

なお、ハーフミラーを構成する金属薄膜は光の吸収も大きいため、誘電体多層膜を用いて凹面ミラー１１５を形成してもよい。この場合、凹面ミラー１１５は振幅分割型の反射膜から構成されたものとなり、画像光Ｇを効率良く反射させることができる。

また、凹面ミラー１１５としては、特定の波長だけを反射（回折）させる体積ホログラム層を用いてもよい。この場合、凹面ミラー１１５は波長分割型の反射膜から構成されたものとなり、画像光Ｇに含まれる所望の波長帯の光を効率良く反射させることができる。

プリズム部材２０は、凹面ミラー１１５のプリズム部材１４と反対側に設けられる。プリズム部材２０は、例えば、光学樹脂或いは光学ガラスから構成され、プリズム部材１４と略同一の屈折率を有する。

プリズム部材２０は、凹面ミラー１１５と反対側に光屈折面１６と平行、すなわち平面からなる外面側光屈折面（第２の光屈折面）２１を有している。

ここで、使用者Ｍの眼ＭＥの前にプリズム部材１４のみが配置されていると外界が歪んで見えてしまう。これに対して、本実施形態によれば、凹面ミラー１１５の外界側にプリズム部材２０を配置することで、外界からの光の光路を補償することで外界が歪んで見えるのを抑制している。

具体的に、凹面ミラー１１５に対して眼ＭＥ側の光学樹脂（プリズム部材１４）と外界側の光学樹脂（プリズム部材２０）の屈折率とを略同じとすることで、プリズム部材１４の曲面１７で光が屈折しないようにしている。

上記第一実施形態で説明したように、水平画角が４０度程度の大きな虚像を観察する場合、プリズム光学素子１１３のミラー突出量Ｄは１０ｍｍ程度になる。このように厚いプリズム部材を通して外界を見る場合、シースルー像に歪みが生じやすくなる。

これに対し、本実施形態のプリズム光学素子１１３によれば外界からの光入射面と光出射面とが平行な平面であるため、外界からプリズム光学素子１１３に入射する光線の角度と、プリズム光学素子１１３で屈折された後に出射される際の光線の角度とが変化しない。そのため、ＨＭＤの使用者Ｍは、凹面ミラー１１５越しに見える外界の像（シースルー像Ｇ１）に歪みが生じないため、使用時における疲労感及び不快感が低減される。
したがって、本実施形態のＨＭＤの使用者Ｍによれば、歪みのないシースルー像Ｇ１に画像生成部１１からの画像光Ｇを重畳させて視認することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１１，１１Ａ…画像生成部、１２，１２Ａ，１１２…リレー光学系（導光光学系）、１３，１１３…プリズム光学素子、１４…プリズム部材（第１のプリズム部材）、１５，１５Ａ，１１５…凹面ミラー、１６…光屈折面、２０…プリズム部材（第２のプリズム部材）、５０…反射ミラー、３００，１００Ａ…ＨＭＤ（画像表示装置）、１００ａｘ…光軸、Ｇ…画像光、Ｍ…使用者、ＭＥ…眼。

Claims (5)

1. 画像光を射出する画像生成部と、
   前記画像光が入射するプリズム光学素子と、を備え、
   前記プリズム光学素子は、第１のプリズム光学部材と、第２のプリズム光学部材と、前記第１のプリズム光学部材と前記第２のプリズム光学部材との間に設けられた凹面ミラーを有し、
   前記第１のプリズム光学部材は、前記画像光が入射する第１の光屈折面を有し、
   前記第２のプリズム光学部材は、外界からの光が入射する第２の光屈折面を有し、
   前記凹面ミラーは、前記画像光の一部を反射し、前記外界からの光の一部を透過し、
   前記プリズム光学素子は、前記凹面ミラーに入射する前記画像光のうちの中心画角となる光線と、前記凹面ミラーが反射した前記画像光のうちの前記中心画角となる前記光線と、に直交する方向から見た断面視において、四角形であり、
   前記断面視において、前記第１の光屈折面は、前記四角形の第１の辺であり、
   前記断面視において、前記第２の光屈折面は、前記四角形の前記第１の辺と反対側の前記四角形の第２の辺であり、
   前記断面視において、前記凹面ミラーは、前記四角形の前記第１の辺と交差する第3の辺と、前記第1の辺と、の交点である第1の頂点から、前記第１の頂点の対角に位置する前記四角形の前記第２の辺と交差する第４の辺と、前記第２の辺と、の交点である第2の頂点まで延出し、前記第１の光屈折面から遠ざかる方向に凸状となることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記画像光を前記プリズム光学素子に導く導光光学系をさらに備え、
   前記導光光学系は、第１の光学レンズと、第２の光学レンズと、反射ミラーと、を有し、
   前記第１の光学レンズは、前記画像生成部と前記反射ミラーとの間に設けられ、
   前記第２の光学レンズは、前記反射ミラーと前記プリズム光学素子との間に設けられ、
   前記反射ミラーは、前記第１の光学レンズから入射した前記画像光を反射させて前記第２の光学レンズに入射させる反射面を有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記凹面ミラーは振幅分割型の反射膜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記凹面ミラーは波長分割型の反射膜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像表示装置。
5. 前記反射面は、前記第1の光学レンズから入射する前記画像光と前記第2の光学レンズに射出する前記画像光とのなす角度が鈍角であることを特徴とする請求項２に記載の画像表示装置。

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