WO2025234099A1 - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

ヘッドマウントディスプレイ（１）は、第１解像度の第１表示画像（Ｄ１）を表示する第１表示パネル（１０）と、第１解像度よりも高い第２解像度の第２表示画像（Ｄ２）を表示する第２表示パネル（２０）と、第１表示パネル（１０）から出射される第１画像光の少なくとも一部を透過すると共に、第２表示パネル（２０）から出射される第２画像光の少なくとも一部を反射する光学ミラー（３０）と、光学ミラー（３０）を透過した第１画像光と、光学ミラー（３０）に反射された第２画像光が入射され、第１表示画像（Ｄ１）と第２表示画像（Ｄ２）とに基づく表示画像（Ｄ）をユーザに視認させる接眼レンズ（４０）と、第２表示パネル（２０）の表示面に対する第２画像光の出射角を規制する出射角規制手段（５０）と、を有する。

Description

ヘッドマウントディスプレイ

　本開示は、ヘッドマウントディスプレイに関する。

　特許文献１に示すように、画像を表示する表示パネルと、レンズを含む光学系を有するヘッドマウントディスプレイが知られている。

国際公開第２０１６／１３６６５７号

　本出願の発明者らは、解像度の高い画像を表示可能な表示パネルを含む複数の表示パネルと、それら表示パネルから出射される画像光を反射及び透過する光学ミラーとを用いたヘッドマウントディスプレイを提供することを検討している。複数の表示パネルと光学ミラーを用いた構成においては、画像光が意図しない方向に出射されることにより、いわゆるゴーストが発生してしまい、画質が劣化してしまうおそれがある。

　本開示の目的の一つは、画質の劣化を抑制可能なヘッドマウントディスプレイを提供することにある。

　本開示で提案するヘッドマウントディスプレイは、第１解像度の第１表示画像を表示する第１表示パネルと、前記第１解像度よりも高い第２解像度の第２表示画像を表示する第２表示パネルと、前記第１表示パネルから出射される第１画像光の少なくとも一部を透過すると共に、前記第２表示パネルから出射される第２画像光の少なくとも一部を反射する光学ミラーと、前記光学ミラーを透過した前記第１画像光と、前記光学ミラーに反射された前記第２画像光が入射され、前記第１表示画像と前記第２表示画像とに基づく表示画像をユーザに視認させる接眼レンズと、前記第２表示パネルの表示面に対する前記第２画像光の出射角を規制する出射角規制手段と、を有する。

本実施形態に係るＨＭＤを示す斜視図である。 本実施形態における表示パネル及び光学系の構成を模式的に示す図である。 表示画像の一例を示す図である。 出射角規制手段としてルーバーフィルムを用いた例を示す図である。 第２表示パネル及び光学ミラーの配置の一例を示す図である。 第２表示パネル及び光学ミラーの配置の一例を示す図である。 第２表示パネル及び光学ミラーの配置の一例を示す図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態（以下、本実施形態という）について説明する。以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ１を「ＨＭＤ（Head Mounted Display）１」と称する。また、以下の説明では、図中のＸ１及びＸ２が示す方向をそれぞれ右方及び左方とし、図中のＹ１及びＹ２が示す方向をそれぞれ上方及び下方とし、図中のＺ１及びＺ２が示す方向をそれぞれ前方及び後方とする。これら各方向は、ＨＭＤ１を装着したユーザから見た方向を示している。

［ＨＭＤ１の概要］
　図１は、本実施形態に係るＨＭＤを示す斜視図である。ＨＭＤ１は、ユーザの頭部を囲う装着バンドと、装着バンドの前部に支持される本体ハウジングと、を有しているとよい。ＨＭＤ１がユーザに装着された使用状態において、ユーザの眼前はＨＭＤ１により覆われる。本体ハウジングには、各表示パネル及び光学系等の各部材が収容されている。図１に示すＨＭＤ１は一例であって、装着バンドや本体ハウジングの形状等は図示のものに限られない。

　図２は、本実施形態における表示パネル及び光学系の構成を模式的に示す図である。図２に示すように、ＨＭＤ１は、第１表示パネル１０と、第２表示パネル２０と、光学ミラー３０と、接眼レンズ４０とを含む。なお、図２に示す太矢印は、画像光のうち直行光の進行方向を示している。直行光とは、表示面に対して垂直な方向に進む光である。

［第１表示パネル１０］
　第１表示パネル１０は、二次元画像又は三次元画像を表示するとよい。第１表示パネル１０は、例えば、液晶パネルや有機エレクトロルミネセンス表示装置であるとよいが、その種類は特に限定されない。

［第２表示パネル２０］
　第２表示パネル２０は、二次元画像又は三次元画像を表示するとよい。第２表示パネル２０は、例えば、液晶パネルや有機エレクトロルミネセンス表示装置であるとよいが、その種類は特に限定されない。本実施形態においては、第２表示パネル２０としてマイクロＯＬＥＤ（Organic Light-Emitting Diode）ディスプレイを用いた例を説明する。

［表示画像Ｄ］
　図３は、表示画像の一例を示す図である。図３においては、第１表示画像Ｄ１と第２表示画像Ｄ２に基づいて表示画像Ｄが形成されることを表している。

　第１表示パネル１０は、第１表示画像Ｄ１を表示する。第２表示パネル２０は、第１表示画像Ｄ１と共に表示画像Ｄを形成する第２表示画像Ｄ２を表示する。第２表示画像Ｄ２は、第１表示画像Ｄ１よりも解像度が高いとよい。例えば、第２表示画像Ｄ２の解像度は４Ｋ（画素数：３８４０×２１６０）又は８Ｋ（画素数：７６８０×４３２０）であるとよい。また、第２表示パネル２０は、第１表示パネル１０よりも小型であるとよい。すなわち、第２表示画像Ｄ２の面積は、第１表示画像Ｄ１の面積よりも小さいとよい。

　図３に示すように、第２表示画像Ｄ２は、表示画像Ｄの中央部に表示される画像であり、第１表示画像Ｄ１は、第２表示画像Ｄ２の周辺部に表示される画像であるとよい。このように、解像度の高い第２表示画像Ｄ２を、人間の視覚感度の高い領域に配置することで、ユーザＵは高画質な画像を視認することとなる。

　また、解像度が高く、かつ表示面積が大きい表示パネルを用いるとコストが増大してしまうところ、本実施形態のように、第１表示パネル１０と第２表示パネル２０を用いることで、表示パネルに要するコストを低減することが出来ると共に、ユーザＵに高画質な画像を視認させることができる。

　なお、第１表示画像Ｄ１のうち第２表示画像Ｄ２が表示される領域に対応する領域においては、図３に示すようにブランクとしてもよいし、第２表示画像Ｄ２と同じ画像を重ねて表示してもよい。

［光学ミラー３０］
　光学ミラー３０は、第１表示パネル１０から出射される第１画像光の少なくとも一部を透過すると共に、第２表示パネル２０から出射される第２画像光（射出光）の少なくとも一部を反射する機能を有する。

　図２において、粗いハッチングが施された領域は、第１表示パネル１０から出射されて光学ミラー３０を透過した第１画像光が通過する領域を示している。図２に示すように、第１表示パネル１０から出射された第１画像光の少なくとも一部は、光学ミラー３０を透過し、接眼レンズ４０に入射される。

　図２において、精細なハッチングが施された領域は、第２表示パネル２０から出射されて光学ミラー３０に反射された第２画像光が通過する領域を示している。図２に示すように、第２表示パネル２０から出射された第２画像光の少なくとも一部は、光学ミラー３０に反射され、接眼レンズ４０に入射される。

［接眼レンズ４０］
　接眼レンズ４０は、ＨＭＤ１の使用状態において、ユーザＵの右眼前及び左眼前のそれぞれに位置する凸レンズである。接眼レンズ４０は、入射された第１画像光及び第２画像光を屈折し、ユーザＵの網膜に入射させる。接眼レンズ４０は、第１表示パネル１０及び第２表示パネル２０に表示される画像を拡大してユーザに視認させる機能を有する。接眼レンズ４０は、その光軸４０Ｃが第１表示パネル１０の表示面に対して垂直となるように配置されているとよい。なお、接眼レンズ４０は、２枚以上のレンズで構成されてもよい。また、接眼レンズ４０は、フレネルレンズや液晶レンズであってもよい。

［液晶制御フィルム５０］
　ここで、第１表示パネル１０、第２表示パネル２０、及び光学ミラー３０を採用する構成においては、第２表示パネル２０から出射される第２画像光に起因して、いわゆるゴーストが発生し、表示画像Ｄの画質が劣化してしまうおそれがある。具体的には、光学ミラー３０を介さずに接眼レンズ４０に直接入射される第２画像光により、ゴーストが発生してしまうおそれがある。図２においては、ゴーストの発生の原因となる第２画像光の光路を、光路Ｐ１、Ｐ２として示している。例えば、光路Ｐ１を通過する第２画像光により第１表示画像Ｄ１にゴーストが発生し、光路Ｐ２を通過する第２画像光により第２表示画像Ｄ２にゴーストが発生してしまうおそれがある。そこで、本実施形態においては、第２表示パネル２０の表示面上に、出射角規制手段である液晶制御フィルム５０を設ける構成を採用した。

　液晶制御フィルム５０は、第２表示パネル２０の射出光の光量を射出方向に応じて低減させることが可能なフィルムである。例えば、液晶制御フィルム５０は、フィルム内に含まれる液晶分子の配列を変化させることにより、光路Ｐ１や光路Ｐ２を通過する方向に射出される射出光を遮蔽するとよい。第２表示パネル２０の表示面上に液晶制御フィルム５０を設けることにより、光路Ｐ１、Ｐ２を通る画像光が発生することを抑制することができる。その結果、ゴーストの発生による表示画像Ｄの画質の劣化を抑制できる。

　液晶制御フィルム５０により遮蔽される斜め光の範囲を広くすることでゴーストの発生を抑制することができる一方、液晶制御フィルム５０における第２画像光の透過率が下がってしまう。そのため、例えば、液晶制御フィルム５０により、直行光に対して２０°～３０°以上傾斜した斜め光を遮蔽するように、液晶分子の配列を制御するとよい。

［出射角規制手段の他の例］
　図２においては、出射角規制手段として液晶制御フィルム５０を例に挙げて説明したが、これに限られず、第２表示パネル２０の表示面に対する第２画像光の出射角を規制する機能を有するものであればよい。例えば、出射角規制手段は、液晶パネルの液晶分子の配列を変化させることにより、斜め光を遮蔽すると共に直行光を透過することが可能なフィルムであってもよい。出射角規制手段は、例えば、一般的にのぞき見防止フィルムとして用いられる市販のフィルムでもよい。また、出射角規制手段は、フィルム状の部材に限られず、第２表示パネル２０の射出光の光量を射出方向に応じて低減させる機能を有する光学部品であればよい。

　図４においては、出射角規制手段として、ルーバーフィルム１５０を採用した例を示している。ルーバーフィルム１５０は、複数の透過部１５０ａと、複数の遮光部１５０ｂとを含み、透過部１５０ａと遮光部１５０ｂとが交互に配置されるフィルムである。透過部１５０ａと遮光部１５０ｂとは、平面視において格子状又はストライプ状に形成されているとよい。遮光部１５０ｂは、ルーバーフィルム１５０の厚み方向に所定の高さを有する壁状であるとよい。ルーバーフィルム１５０を第２表示パネル２０の表示面上に設けることにより、ゴーストの発生を抑制できる。第２表示パネル２０から表示面に対して斜め方向に出射される第２画像光が遮光部１５０ｂにより遮蔽されるためである。より精度良くゴーストの発生を抑制するためには、遮光部１５０ｂの厚み方向の高さを高くしたり、平面視における遮光部１５０ｂの占める割合を多くしたりするとよい。この場合、ルーバーフィルム１５０の各壁の間の距離（ピッチ）については、ユーザから視認されるのを防ぐために、例えば２０μｍ以下が良い。

　また、第２表示パネル２０は、射出光の光量を射出方向に応じて低減させる機能を内蔵してもよい。また、第２表示パネル２０は、液晶分子の配列を変化させる機能を内蔵する液晶パネルであってもよい。この場合、液晶制御フィルム５０を別途設ける必要がない。

［第２表示パネル２０及び光学ミラー３０の配置について］
　本実施形態においては、光学ミラー３０として、特定の波長の光における透過と反射の比率が１：１であるハーフミラーを用いた。そして、側面視において、光学ミラー３０に対する第１表示パネル１０の表示面の傾斜角度θ１と、光学ミラー３０に対する第２表示パネル２０の表示面の傾斜角度θ２を同じとした。これにより、第１表示パネル１０から出射される第１画像光と、第２表示パネル２０から出射される第２画像光とが、光学ミラー３０に対して同じ角度で入射され、その結果、所望の表示画像Ｄを形成することができる。なお、光学ミラー３０の透過と反射の比率については、第１表示パネル１０と第２表示パネル２０との輝度を考慮して、最適な比率に調整してもよい。

　図２、図５においては、傾斜角度θ１＝傾斜角度θ２＝４１°である例を示している。なお、図５～図７において、直線１０Ｓは第１表示パネル１０の表示面に沿う平面を示しており、直線２０Ｓは第２表示パネル２０の表示面に沿う平面を示している。

　第１表示パネル１０、第２表示パネル２０、及び光学ミラー３０は、傾斜角度θ１及びθ２が４５°未満となるように配置されるのが好ましい。図６においては、傾斜角度θ１及び傾斜角度θ２が４５°である例を示しており、図７においては、傾斜角度θ１及び傾斜角度θ２が３０°である例を示している。

　図６に示すように、傾斜角度θ１及びθ２を比較的大きくすることで、表示画像Ｄにおいて第２表示画像Ｄ２の占める割合を大きくすることができる。これにより、高画質な表示画像をユーザに視認させることが可能となる。

　図７に示すように、傾斜角度θ１及びθ２を比較的小さくすることで、第２表示パネル２０は、その表示面が接眼レンズ４０の光軸４０Ｃに対して直交する面Ｓに対する傾斜角度θ３が９０°より大きくなるように配置される。これにより、第２表示パネル２０から出射される第２画像光が接眼レンズ４０に直接入射されにくくなる。そのため、出射角規制手段における第２画像光の出射角の規制範囲を緩和することができ、出射角規制手段における透過率を向上させることが出来る。

　なお、第２表示パネル２０は、ユーザＵからパネル自体が視認されないよう、ユーザＵの視界の外側に配置されているとよい。

［付記］
　例えば、ヘッドマウントディスプレイは、下記のような構成も可能である。
（１）
　第１解像度の第１表示画像を表示する第１表示パネルと、
　前記第１解像度よりも高い第２解像度の第２表示画像を表示する第２表示パネルと、
　前記第１表示パネルから出射される第１画像光の少なくとも一部を透過すると共に、前記第２表示パネルから出射される第２画像光の少なくとも一部を反射する光学ミラーと、
　前記光学ミラーを透過した前記第１画像光と、前記光学ミラーに反射された前記第２画像光が入射され、前記第１表示画像と前記第２表示画像とに基づく表示画像をユーザに視認させる接眼レンズと、
　前記第２表示パネルの表示面に対する前記第２画像光の出射角を規制する出射角規制手段と、
　を有するヘッドマウントディスプレイ。
（２）
　前記出射角規制手段は、前記第２表示パネルの射出光の光量を射出方向に応じて低減させることが可能な光学部品であって、前記第２表示パネルの表示面上に設けられている、
　（１）に記載のヘッドマウントディスプレイ。
（３）
　前記出射角規制手段は、射出光の光量を射出方向に応じて低減させる機能を有し、
　前記第２表示パネルは、前記出射角規制手段を内蔵する、
　（１）に記載のヘッドマウントディスプレイ。
（４）
　前記第２表示パネルは液晶パネルであって、
　前記出射角規制手段は、前記液晶パネルの液晶分子の配列を変化させることが可能なフィルムであって、前記第２表示パネルの表示面上に設けられている、
　（１）に記載のヘッドマウントディスプレイ。
（５）
　前記出射角規制手段は、液晶分子の配列を変化させる機能を有し、
　前記第２表示パネルは、前記出射角規制手段を内蔵する液晶パネルである、
　（１）～（４）のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
（６）
　前記出射角規制手段は、複数の透過部と複数の遮光部とを含み、前記透過部と前記遮光部とが交互に配置されるフィルムであって、前記第２表示パネルの表示面上に設けられている、
　（１）～（５）のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
（７）
　前記第２表示パネルは、前記接眼レンズの光軸に対して直交する面に対する表示面の傾斜角度が９０°より大きくなるように配置されている、
　（１）～（６）のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
（８）
　前記第１表示パネルは、前記光学ミラーに対する表示面の傾斜角度が４５°未満となるように配置されており、
　前記第２表示パネルは、前記光学ミラーに対する表示面の傾斜角度が４５°未満となるように配置されている、
　前記第２表示パネルは、前記接眼レンズの光軸に対して直交する面に対する表示面の傾斜角度が９０°より大きくなるように配置されている、
　（１）～（７）のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。

　１　ヘッドマウントディスプレイ、１０　第１表示パネル、２０　第２表示パネル、３０　光学ミラー、４０　接眼レンズ。

 

Claims (8)

1. 　第１解像度の第１表示画像を表示する第１表示パネルと、
   　前記第１解像度よりも高い第２解像度の第２表示画像を表示する第２表示パネルと、
   　前記第１表示パネルから出射される第１画像光の少なくとも一部を透過すると共に、前記第２表示パネルから出射される第２画像光の少なくとも一部を反射する光学ミラーと、
   　前記光学ミラーを透過した前記第１画像光と、前記光学ミラーに反射された前記第２画像光が入射され、前記第１表示画像と前記第２表示画像とに基づく表示画像をユーザに視認させる接眼レンズと、
   　前記第２表示パネルの表示面に対する前記第２画像光の出射角を規制する出射角規制手段と、
   　を有するヘッドマウントディスプレイ。
2. 　前記出射角規制手段は、前記第２表示パネルの射出光の光量を射出方向に応じて低減させることが可能な光学部品であって、前記第２表示パネルの表示面上に設けられている、
   　請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 　前記出射角規制手段は、射出光の光量を射出方向に応じて低減させる機能を有し、
   　前記第２表示パネルは、前記出射角規制手段を内蔵する、
   　請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 　前記第２表示パネルは液晶パネルであって、
   　前記出射角規制手段は、前記液晶パネルの液晶分子の配列を変化させることが可能なフィルムであって、前記第２表示パネルの表示面上に設けられている、
   　請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 　前記出射角規制手段は、液晶分子の配列を変化させる機能を有し、
   　前記第２表示パネルは、前記出射角規制手段を内蔵する液晶パネルである、
   　請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. 　前記出射角規制手段は、複数の透過部と複数の遮光部とを含み、前記透過部と前記遮光部とが交互に配置されるフィルムであって、前記第２表示パネルの表示面上に設けられている、
   　請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
7. 　前記第２表示パネルは、前記接眼レンズの光軸に対して直交する面に対する表示面の傾斜角度が９０°より大きくなるように配置されている、
   　請求項１～６のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
8. 　前記第１表示パネルは、前記光学ミラーに対する表示面の傾斜角度が４５°未満となるように配置されており、
   　前記第２表示パネルは、前記光学ミラーに対する表示面の傾斜角度が４５°未満となるように配置されている、
   　請求項１～６のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。