JP6424552B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置に関する。

近年、ウェアラブル情報機器の一つとして、ヘッドマウントディスプレイなどの観察者の頭部に装着して使用する方式の画像表示装置が提供されている。例えば、下記の特許文献１には、光源と、光源からの光を変調して映像を表示する表示素子と、表示素子からの映像光を観察者の瞳に導く観察光学系と、を備えた映像表示装置が開示されている。この映像表示装置においては、観察者の眼前にホログラフィック光学素子が配置され、ホログラフィック光学素子が外界からの光を透過する。これにより、観察者は、表示素子からの映像に加えて外界の像を視認することができる。表示素子からの映像と外界の像の双方を同時に視認できる画像表示装置を、以下、シースルー型の画像表示装置と称することもある。この映像表示装置では、ホログラフィック光学素子のみが光学パワーを有しているため、ホログラフィック光学素子に起因する収差や歪曲を補正することが難しい。そのため、高い解像度で広い画角の画像、すなわち大きなサイズの画像を表示することが難しい。

また、特許文献１では、表示素子の例として液晶表示素子が挙げられているが、液晶表示素子のように２次元的な外形を持つデバイスを用いた場合、表示素子が大型化するという問題がある。そこで、表示素子を小型化するために、下記の特許文献２，３には、ミラーを駆動して２次元的に光を走査する走査手段を備えた画像表示装置が開示されている。ところが、特許文献２の装置においては、走査されるレーザー光の径が細い場合に、眼が移動したときにレーザー光が瞳の位置から外れ、画像が見えなくなるという問題がある。また、人によって右眼と左眼との間隔、いわゆる眼幅が異なるため、使用者が変わると、画像が見えなくなるという問題がある。

一方、特許文献３には、走査された光を眼前に導く導光板の光射出領域に光偏向手段を設け、画像光を光射出領域全体に広げて射出させることにより、眼が移動しても画像が見えるようにした画像表示装置が開示されている。このように画像光を広げることで射出瞳を拡大する機能のことを、以下、瞳拡大機能と称する。ところが、特許文献３の装置では、画像表示に必要な観察者の眼前の領域以外にも導光板が延伸し、顔の側方に導光板が張り出す形となるため、装置が大型化するとともに外観上好ましくない。

特許文献４には、眼前に配置されたミラーで接眼光学系を構成する場合の瞳拡大機能を有する映像表示装置が開示されている。具体的に、この映像表示装置では、凹面ミラーと眼との間に回折格子が配置され、凹面ミラーで反射した光が複数の光束に分割されることにより、瞳拡大機能が発揮される。ところが、この構成では、観察者の眼前に回折格子が配置されるため、シースルー性が損なわれる。

特開２０１２−１３９０８号公報 再公表ＷＯ２００９／０４１０５５号公報 特開２０１１−７０１４１号公報 特開平７−７２４２２号公報

以上述べたように、特許文献１−４の従来の画像表示装置においては、高解像度かつ大きなサイズの画像表示が難しい、眼の移動や眼幅の変化によって画像が見えなくなる、画像表示装置が大型化して外観上好ましくない、シースルー性が損なわれる、等の種々の問題がある。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであり、シースルー性を確保しつつ、眼の移動や眼幅の変化によらずに画像を視認でき、大きなサイズの画像を高い品質で表示でき、小型で装着性や外観に優れた画像表示装置を提供することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の画像表示装置は、光を射出する光源光学系と、前記光源光学系から射出された光を反射させるミラーと、前記ミラーで反射した光を走査して画像光とする光走査デバイスと、前記光走査デバイスから射出された光のビーム径を拡大する瞳拡大光学系と、前記瞳拡大光学系から射出された光が入射され、前記画像光の形状および収差を補正する補正光学系と、前記補正光学系から射出された光を偏向させて前記射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる偏向光学系と、を備えたことを特徴とする。

本発明の一つの態様の画像表示装置においては、光源光学系から射出された光を光走査デバイスにより走査することで画像光を生成する。光源光学系から射出された光を反射するミラーが設けられているため、光源光学系と光走査デバイスとの間の光路が折り返される。これにより、画像を生成する光学系の小型化が図れるとともに、画像表示装置の重心が後側（観察者の耳に近い側）に位置することで装着感に優れたものとなる。また、瞳拡大光学系は、光走査デバイスと補正光学系との間の光路上に位置するため、観察者の眼前に位置しない構成とすることができる。これにより、眼の移動や眼幅変動の影響を低減できる瞳拡大機能を有しつつ、シースルー性を確保することができる。

また、瞳拡大光学系の作用によって偏向光学系に入射する光の径が大きくなる。このとき、偏向光学系の設計を最適化したとしても、偏向光学系単独では収差や歪曲を補正しきれず、特に画像のサイズ、すなわち画角が大きい場合に画像の品質が低下するおそれがある。この点、本発明の一つの態様の画像表示装置は、画像光の形状および収差を補正する補正光学系を備えているため、例えば偏向光学系に起因する収差や歪曲が補正され、高品質の画像が得られる。このように、本発明の一つの態様によれば、シースルー性を確保しつつ、眼の移動や眼幅の変化によらずに画像を視認でき、大きなサイズの画像を高い品質で表示でき、小型で装着性や外観に優れた画像表示装置を提供できる。

本発明の一つの態様の画像表示装置において、前記偏向光学系は、ホログラフィックミラーで構成されていてもよい。
ホログラフィックミラーは、充分に大きい入射角で入射した光であっても、その光を正面側に反射することができ、反射した光を射出瞳に導くことができる。そのため、偏向光学系をホログラフィックミラーで構成することにより、偏向光学系を射出瞳の光軸に対して垂直に近い角度に配置でき、画像表示装置の眼前に位置する部位を薄くできる。その結果、外観に優れた画像表示装置を実現できる。

本発明の一つの態様の画像表示装置は、前記補正光学系が複数のレンズを備え、前記複数のレンズのうち少なくとも一つのレンズは、前記射出瞳に近い側の厚みが厚く、前記射出瞳から遠い側の厚みが薄い楔形状を有していてもよい。
この構成によれば、補正光学系の光軸を観察者の頭部に沿った方向に曲げることができる。その結果、画像表示装置全体の光学系も頭部に沿った配置とすることができ、外観や装着感に優れた画像表示装置を実現できる。

本発明の一つの態様の画像表示装置において、前記瞳拡大光学系は、断面形状が台形であり、前記瞳拡大光学系は、前記台形の互いに沿うように配置された２辺のうち短辺が前記射出瞳に近い側に位置し、長辺が前記射出瞳から遠い側に位置する向きに配置されていてもよい。
この構成によれば、瞳拡大光学系によって光学系の光軸を観察者の頭部に沿った方向に曲げることができる。その結果、外観や装着感に優れた画像表示装置を実現できる。

本発明の一つの態様の画像表示装置において、前記ミラーは、前記光源光学系から入射されて前記ミラーで反射した光の光路が前記ミラーに入射する光の光路に対して前記射出瞳から離れる側に位置するように、傾いて配置されていてもよい。
この構成によれば、光走査デバイスを光源光学系よりも観察者の頭部から遠い位置に配置できる。その結果、画像表示装置の頭側部に位置する部分の厚みを薄くでき、外観や装着感に優れた画像表示装置を実現できる。

本発明の一つの態様の画像表示装置において、前記光源光学系は、光源部と、前記光源部からの光を伝播させる光ファイバーと、前記光ファイバーから射出された光が入射するコリメーターレンズと、を備えていてもよい。
この構成によれば、光走査デバイスを光源光学系よりも観察者の頭部から遠い位置に配置できる。その結果、画像表示装置の頭側部に位置する部分の厚みを薄くでき、外観や装着感に優れた画像表示装置を実現できる。

使用者が本発明の一実施形態の画像表示装置を装着した状態を示す図である。 画像表示装置全体の斜視図である。 画像表示装置の構成を示す平面図である。 画像表示装置の各部の位置関係を示す平面図である。

以下、本発明の一実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
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。
なお、以下の全ての図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

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、シースルー型（透過型）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でき、かつ、ＨＭＤ３００の外部の景色等の外界の像も視認できる。

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装置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）２００と、を備えている。表示装置１００と制御装置２００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、表示装置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２００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。

表示装置１００は、メインフレーム１２０と、サブフレーム１３０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２００は、表示部２１０と、操作ボタン部２５０と、を備えている。表示部２１０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、リム部１２１と、使用者が耳に掛けるための一対のテンプル部１２２Ａ，１２２Ｂと、を備えている。サブフレーム１３０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、表示装置１００の各部の構成を示す平面図である。さらに、図３では、表示装置１００を装着する使用者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。

図３に示すように、画像表示部１１０は、画像生成部１１と、瞳拡大光学系１２と、補正光学系１３と、ホログラフィックミラー１４と、を備えている。画像生成部１１は、画像情報を含む光を射出する。瞳拡大光学系１２は、後述する光走査デバイス１７から射出された光のビーム径を拡大する。補正光学系１３は、瞳拡大光学系１２から射出された光が入射され、画像生成部１１で生成された画像情報を含む光の像の形状および収差を補正する。ホログラフィックミラー１４は、補正光学系１３から射出された光を偏向させて射出瞳Ｇの位置に導くとともに、外光の一部を透過させる。
本実施形態のホログラフィックミラー１４は、特許請求の範囲の偏向光学系に対応する。

画像生成部１１は、光源光学系１５と、ミラー１６と、光走査デバイス１７と、を備えている。光源光学系１５は、内部の半導体レーザーで生成された光を射出する。ミラー１６は、光源光学系１５から射出された光を反射し、光の光路を折り返す。光走査デバイス１７は、ミラー１６で反射した光を走査する。

光源光学系１５は、光源部２５と、ピックアップレンズ２６と、光ファイバー２７と、コリメーターレンズ２８と、を備えている。光源部２５は、例えば赤色光を射出する半導体レーザー、緑色光を射出する半導体レーザー、および青色光を射出する半導体レーザーを含む複数の固体光源（図示略）を備えている。各半導体レーザーから射出される各色光は、画像信号に応じて変調され、変調された各色光が合成され、画像光として光源部２５から射出される。ピックアップレンズ２６は、光源部２５から射出した光を後段の光ファイバー２７に伝達する。光ファイバー２７は、光源部２５からピックアップレンズ２６を経て入射した光を後段の光学系に導く。コリメーターレンズ２８は、光ファイバー２７から入射した光を平行化する。

光源光学系１５から射出された光は、ミラー１６で反射することで光路が折り返され、光走査デバイス１７に導かれる。本実施形態の場合、ミラー１６は、ミラー１６で反射した光の光路Ｌ２がミラー１６に入射する光の光路Ｌ１に対して射出瞳Ｇから離れる側に位置するように、傾いて配置されている。換言すると、ミラー１６は、反射面から延びる法線Ｖが観察者の頭部Ｈから遠ざかる方向に延びる向きに傾いて配置されている。これにより、光源光学系１５から光走査デバイス１７にかけての光路は、観察者の頭部Ｈに近い位置から離れる方向に折り返される。

光走査デバイス１７は、例えばＭＥＭＳミラー（図示略）を備えている。光走査デバイス１７は、光源光学系１５の変調動作に合わせてＭＥＭＳミラーの姿勢を変化させ、光を２次元的に走査する。このようにして、光走査デバイス１７は、画像情報を含む光を射出する。

光走査デバイス１７から射出された光は、瞳拡大光学系１２に入射する。瞳拡大光学系１２は、複数の平行平板（図示略）と、複数のハーフミラー（図示略）と、を備えている。複数の平行平板は、ハーフミラーを介して接合されている。瞳拡大光学系１２は、一対の端面が平行平板の厚さ方向に対して傾斜するようにカットされている。これら一対の端面のそれぞれは、光入射端面１２ａと光射出端面１２ｂとなる。このように、瞳拡大光学系１２の水平断面形状は台形である。瞳拡大光学系１２は、台形の互いに平行な２辺のうち、短辺が射出瞳Ｇに近い側に位置し、長辺が射出瞳Ｇから遠い側に位置する向きに配置されている。

瞳拡大光学系１２においては、光入射端面１２ａから入射した光が複数のハーフミラーで透過および反射を繰り返した後、光射出端面１２ｂから射出される。光射出端面１２ｂから射出された光の幅は、光入射端面１２ａに入射した光の幅に対して拡大される。また、光入射端面１２ａへの光の入射角度と光射出端面１２ｂからの光の射出角度とは一致する。したがって、例えば光入射端面１２ａに対して垂直に入射した光は光射出端面１２ｂから垂直に射出され、光入射端面１２ａに対して所定の入射角度で入射した光は、光射出端面１２ｂから入射角度と等しい射出角度で射出される。これにより、光が瞳拡大光学系１２を透過する際、光路は台形の短辺側に曲がる。

補正光学系１３は、瞳拡大光学系１２とホログラフィックミラー１４との間に設けられている。補正光学系１３は、瞳拡大光学系１２から射出された光が入射され、ホログラフィックミラー１４に起因して生じる像の収差や歪曲を補正する。補正光学系１３は、光入射側から順に、第１補正レンズ２１と、第２補正レンズ２２と、第３補正レンズ２３と、を備えている。本実施形態では、補正光学系１３は、第１補正レンズ２１、第２補正レンズ２２および第３補正レンズ２３の３枚のレンズで構成されているが、補正レンズの枚数は特に限定されない。

補正光学系を構成する３枚の補正レンズのうち、第１補正レンズ２１と第３補正レンズ２３とは、射出瞳Ｇ（すなわち観察者の頭部Ｈ）に近い側の厚みが厚く、射出瞳Ｇから遠い側の厚みが薄い楔形状を有している。本実施形態では、２枚の補正レンズが楔形状を有する例を示したが、楔形状を有する補正レンズの枚数は必ずしも２枚に限ることはなく、少なくとも１枚のレンズが楔形状を有していればよい。

ホログラフィックミラー１４は、補正光学系１３から射出された光を射出瞳Ｇに向けて反射して画像を生成する一方、外光の一部を透過する。ホログラフィックミラー１４は、体積ホログラムを有し、体積ホログラムパターンの変更により光の入射角と反射角とを任意に調整することができる。そのため、ホログラフィックミラー１４が観察者の顔の前面に略平行に配置されていても、補正光学系１３から大きい入射角で入射した光を射出瞳、すなわち観察者の瞳に導くことができる。また、補正光学系１３とホログラフィックミラー１４との間の光路上には中間像が生成される。

図４は、表示装置１００の各部の位置関係を示す平面図である。
図４に示すように、ホログラフィックミラー１４の中心Ｃ１を通る接平面Ｆを想定する。ホログラフィックミラー１４は、射出瞳Ｇの光軸ＡＸ１と接平面Ｆに垂直な軸ＡＸ２とのなす角度θ１が５°以下になるように配置されている。この角度を前提として、ホログラフィックミラー１４と補正光学系１３との光学設計を最適化する。例えば偏向光学系として一般のハーフミラーを用いたとすると、偏向光学系を光軸ＡＸ１に対して４５°に傾ける必要がある。これに対し、本実施形態の場合、このようにホログラフィックミラー１４が射出瞳Ｇの光軸ＡＸ１に対して垂直に近い角度に配置できるため、観察者の眼前に位置する画像表示部１１０を薄型化することができる。

射出瞳Ｇからホログラフィックミラー１４の中心Ｃ１までの距離Ｔ１は３０ｍｍ以上となるように設定される。したがって、表示装置１００を装着した状態で、観察者の瞳からホログラフィックミラー１４の中心Ｃ１までの距離は３０ｍｍ以上となる。この構成により、補正光学系１３から射出される径の大きな光をホログラフィックミラー１４に斜めに入射させるための空間が確保される。これにより、広い画角範囲の光を観察者の眼に導くことができ、大きなサイズの画像を見ることができる。

補正光学系１３は、射出瞳Ｇの光軸ＡＸ１と補正光学系１３の光軸ＡＸ３とのなす角度θ２が５５°以上となるように配置されている。この構成によれば、補正光学系１３をホログラフィックミラー１４の斜め後方に離して配置することができる。これにより、観察者が通常（視力矯正用）の眼鏡を掛けたままで表示装置１００を装着することができる。

さらに、補正光学系１３は、射出瞳Ｇの光軸ＡＸ１とのなす角度θ３が５０°となる範囲の外側に配置されている。このようにすれば、射出瞳Ｇの光軸ＡＸ１に対して５０°以内の範囲に補正光学系１３を含めた他の光学系が配置されないことになる。これにより、観察者の視野が充分に確保され、良好なシースルー性を得ることができる。

本実施形態のＨＭＤ３００においては、画像生成部１１に、光源光学系１５から射出された光を反射するミラー１６が設けられているため、光源光学系１５と光走査デバイス１７との間の光路が折り返される。これにより、画像生成部１１の小型化、ひいては表示装置１００全体の小型化が図れる。

また、観察者の頭部Ｈの前側をホログラフィックミラー１４が占め、観察者の耳に近い側頭部側を補正光学系１３、瞳拡大光学系１２、光走査デバイス１７および光源光学系１５が占める。ホログラフィックミラー１４は充分に軽量化できるのに対し、その他の光学部品の軽量化には限界がある。ホログラフィックミラー１４以外の光学系が観察者の耳に近い側頭部に位置することにより、表示装置１００の重心は耳に近い位置にくる。そのため、観察者が表示装置１００を装着し、例えば頭部を動かしたときなどにも表示装置１００が頭部に安定して保持されやすい、という効果が得られる。

瞳拡大光学系１２は、光走査デバイス１７と補正光学系１３との間の光路上に位置するため、観察者の眼前に位置しない構成となる。これにより、眼の移動や眼幅変動の影響を低減できる瞳拡大機能を有しつつ、良好なシースルー性を確保することができる。また、瞳拡大光学系１２の作用によってホログラフィックミラー１４に入射する光の径が大きくなるが、ホログラフィックミラー１４の光学設計を最適化したとしても収差や歪曲を補正しきれず、特に画像のサイズが大きい、すなわち画角が大きい場合に画像の品質が低下する虞がある。この点、本実施形態のＨＭＤ３００は補正光学系１３を備えているため、ホログラフィックミラー１４に起因する収差や歪曲が補正され、高品質の画像が得られる。このように、本実施形態によれば、シースルー性を確保しつつ眼の移動や眼幅の変化によらずに画像を視認でき、大きなサイズの画像を高い品質で表示でき、小型で装着性や外観に優れたＨＭＤを提供できる。

上述したように、本実施形態のＨＭＤ３００においては、瞳拡大光学系１２の向き、補正光学系１３を構成する一部の補正レンズの形状等を工夫したことにより、光学系全体の光路が観察者の顔に沿った形態となる。また、補正光学系１３とホログラフィックミラー１４との間の光路上に中間像が生成されるため、この光路上において光が絞られ、光が頭部Ｈと干渉するおそれが少ない。その結果、表示装置１００の外形を顔に沿わせることができ、表示装置１００の外観をスマートなものとすることができる。

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。
例えば上記実施形態では、偏向光学系としてホログラフィックミラーを用いたが、ホログラフィックミラーに限らず、例えばフレネルレンズ、プリズム等の偏向光学系を用いてもよい。その他、画像表示装置の各部の具体的な構成については、上記実施形態に限ることなく、適宜変更が可能である。

１２…瞳拡大光学系、１３…補正光学系、１４…ホログラフィックミラー（偏向光学系）、１５…光源光学系、１６…ミラー、１７…光走査デバイス、２５…光源部、２７…光ファイバー、２８…コリメーターレンズ。

Claims (7)

1. 光を射出する光源光学系と、
   前記光源光学系から射出された光を反射させるミラーと、
   前記ミラーで反射した光を走査して画像光とする光走査デバイスと、
   前記光走査デバイスから射出された光のビーム径を拡大する瞳拡大光学系と、
   前記瞳拡大光学系から射出された光が入射され、前記画像光の形状および収差を補正する補正光学系と、
   前記補正光学系から射出された光を偏向させて前記射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる偏向光学系と、を備え、
   前記補正光学系が複数のレンズを備え、
   前記複数のレンズのうち少なくとも一つのレンズは、前記射出瞳に近い側の厚みが厚く、前記射出瞳から遠い側の厚みが薄い楔形状を有することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記瞳拡大光学系は、断面形状が台形であり、
   前記瞳拡大光学系は、前記台形の互いに沿うように配置された２辺のうち短辺が前記射出瞳に近い側に位置し、長辺が前記射出瞳から遠い側に位置する向きに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 光を射出する光源光学系と、
   前記光源光学系から射出された光を反射させるミラーと、
   前記ミラーで反射した光を走査して画像光とする光走査デバイスと、
   前記光走査デバイスから射出された光のビーム径を拡大する瞳拡大光学系と、
   前記瞳拡大光学系から射出された光が入射され、前記画像光の形状および収差を補正する補正光学系と、
   前記補正光学系から射出された光を偏向させて前記射出瞳の位置に導くとともに、外光の一部を透過させる偏向光学系と、を備え、
   前記瞳拡大光学系は、断面形状が台形であり、
   前記瞳拡大光学系は、前記台形の互いに沿うように配置された２辺のうち短辺が前記射出瞳に近い側に位置し、長辺が前記射出瞳から遠い側に位置する向きに配置されていることを特徴とする画像表示装置。
4. 前記補正光学系が複数のレンズを備え、
   前記複数のレンズのうち少なくとも一つのレンズは、前記射出瞳に近い側の厚みが厚く、前記射出瞳から遠い側の厚みが薄い楔形状を有することを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記偏向光学系が、ホログラフィックミラーで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の画像表示装置。
6. 前記ミラーは、前記光源光学系から入射されて前記ミラーで反射した光の光路が前記ミラーに入射する光の光路に対して前記射出瞳から離れる側に位置するように、傾いて配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の画像表示装置。
7. 前記光源光学系は、光源部と、前記光源部からの光を伝播させる光ファイバーと、前記光ファイバーから射出された光が入射するコリメーターレンズと、を備えたことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の画像表示装置。

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