JP2003504663A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

ヘッドマウントディスプレイ

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JP2003504663A
JP2003504663A JP2001508635A JP2001508635A JP2003504663A JP 2003504663 A JP2003504663 A JP 2003504663A JP 2001508635 A JP2001508635 A JP 2001508635A JP 2001508635 A JP2001508635 A JP 2001508635A JP 2003504663 A JP2003504663 A JP 2003504663A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、画像表示装置(201)及び光学系を設けたヘッドマウントディスプレイに関するものである。この光学系は、入射側から順に配列された、第１λ/4板(203)、半透過鏡(205)、レンズ(207)、第２λ/4板(209)、及び偏波面依存鏡(211)から構成され、画像表示装置によって形成された画像をユーザの網膜に投射する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、画像表示装置及び光学系を設けたヘッドマウントディスプレイに関
するものであり、この光学系が、半透過鏡、レンズ素子、偏波面依存鏡及び２つ
のλ/4板から構成されて、光ビームを組合せて、この画像表示装置によって形成
される画像をユーザの網膜に投射するようにしたものである。
【０００２】 （背景技術） 上述した種類の装置は、欧州特許出願第0 803 756号より知られている。この
文書に記載されているヘッドマウントディスプレイでは、液晶表示パネルによっ
て画像を形成し、この画像を光学系によって、ヘッドマウントディスプレイの出
射瞳を通して、ユーザの網膜に投射する。使用中には、この出射瞳がヘッドマウ
ントディスプレイのユーザの瞳孔と一致して、網膜上に画像が形成される。ユー
ザはヘッドマウントディスプレイを装着して、例えばＴＶまたはビデオ画像、あ
るいは携帯型の情報及び通信システムに関連する画像を表示することができる。
【０００３】 既知のヘッドマウントディスプレイでは、光学系は画像表示装置から見て、偏
波面依存鏡、レンズ素子、第１λ/4板、半透過鏡、第２λ/4板、及び偏光器が連
続するように構成される。偏波面依存性の反射によって、形成される画像の放射
が、レンズ素子を３回、効率的に通過することができる。さらに、光学的な結像
エラーが低減されるように、偏波面依存鏡の第１面を曲面にすることができる。
偏波面依存鏡を得るために、この曲面上に偏波面依存層を設ける。 こうした曲面上の偏波面依存の箔を設けることは、複雑なプロセスとなりうる
。
【０００４】 （発明の開示） 本発明の目的は、比較的単純な方法で製造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にある。この目的のために、本発明による装置は、画
像表示装置から見て、第１λ/4板、半透過鏡、レンズ素子、第２λ/4板、及び偏
波面依存鏡を、この順に続けて配列させたことを特徴とする。光学素子のこうし
た順序により、最終的に画像を形成する放射が、これらのレンズ素子を３回通過
することにもなる。さらに、この半透過鏡を中空鏡として形成することができる
。この構成の利点は、慣例的かつ簡単な方法で提供される半透過層で中空鏡をコ
ーティングできるということである。偏波面依存層は簡単な方法で平板上に設け
ることができる。これらの光学素子のこうした配列により、ヘッドマウントディ
スプレイの生産が簡単化されて、コスト節約の効果が生じる。既知の装置と比較
したさらなる利点は、既知の装置で、ユーザの側から見て最初の素子として配列
された偏光素子は、本発明によるヘッドマウントディスプレイでは不要となると
いうことである。
【０００５】 本発明によるヘッドマウントディスプレイの特に好適な例は、第１λ/4板の光
軸が、第２λ/4板の光軸と直交していることを特徴とする。結果として、色収差
の抑制が行われて、画像のコントラストが強調される。この方法自体は、先に引
用した欧州特許出願第0 803 756号より既知である。
【０００６】 本発明によるヘッドマウントディスプレイのさらなる好適例は、半透過鏡、レ
ンズ素子、第２λ/4板、及び偏波面依存鏡を統合した光学部分から構成されるこ
とを特徴とする。光学的な構成要素を１つの光学部に統合することにより、生産
中におけるヘッドマウントディスプレイの組み立てが簡単化される。
【０００７】 本発明によるヘッドマウントディスプレイのさらなる好適例は、少なくとも、
非球面を有する光学素子を具えていることを特徴とする。非球面を有する光学要
素を使用することにより、コマ収差、非点収差、像面湾曲のような結像エラーを
低減することができる。
【０００８】 本発明によるヘッドマウントディスプレイのさらなる好適例は、第２λ/4板及
び偏波面依存鏡が曲面を有することを特徴とする。その結果、第２λ/4板及び偏
波面依存鏡を、半透過鏡及びレンズ素子と共に、単に１つの光学部分に統合する
ことができる。 本発明の、これら及び他の要点は、以下に説明する実施例より明らかになる。
【０００９】 （発明を実施するための最良の形態） 以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。 図１に、本発明によるヘッドマウントディスプレイ１００の第１実施例を示す
。図１にはヘッドマウントディスプレイの一部分のみを示し、これは例えば、照
明ユニット（図示せず）付きの透過型液晶画像表示パネル１０１のような画像表
示装置、及び光学系から構成される。この光学系は、画像表示パネル１０１から
見た順に、第１λ/4板１０３、好ましくは中空の半透過鏡１０５、レンズ素子１
０７、第２λ/4板１０９、及び偏波面依存鏡１１１から構成される。偏波面依存
鏡１１１は、例えば３Ｍ(TM)社供給の倍輝度強調フィルム（ＤＢＥＦ）のタイプ
の反射偏光板から構成される。この光学系は、透過型液晶画像表示パネル１０１
によって形成される画像をユーザの網膜に投射する。図１に、画像表示パネルの
画素の放射経路を示す。ヘッドマウントディスプレイが動作中であり、ユーザが
これを装着している際には、液晶画像表示パネル１０１によって形成された画像
の放射が第１λ/4板１０３に入射する。λ/4板１０３は、第１方向に偏光した放
射を、例えば右旋性に偏光した放射のような円偏光した放射に変換して、この放
射は半透過鏡１０５に入射する。半透過鏡１０５は前記右旋性に偏光した放射の
一部を通過させて、レンズ素子１０７を通して第２λ/4板１０９に向ける。第２
λ/4板１０９は、右旋性に偏光した放射を、偏光の第１方向と直交する第２方向
に偏光した放射に変換する。その後に、第２方向に偏光した放射は反射偏光板１
１１に入射する。反射偏光版１１１は、第２方向に偏光したすべての放射を第２
λ/4板１０９に向けて反射させる。反射偏光板１１１が第２方向に偏光したすべ
ての放射を反射させるので、既知のヘッドマウントディスプレイに使用されてい
るような、コントラストを強調するためのさらなる偏光板は不要である。第２λ
/4板１０９は、第２方向に偏光した放射を右旋性に偏向した放射に変換して、こ
の放射はレンズ素子１０７を通って中空の半透過鏡１０５に入射する。半透過鏡
１０５は前記右旋性に偏光した放射の一部を反射させて、レンズ素子１０７を通
して第２λ/4板１０９に向け、かつ右旋性の偏光を左旋性の偏光に変換する。こ
の左旋性に偏光した放射は第２λ/4板１０９に入射して、第２λ/4板１０９は左
旋性に偏光した放射を第１方向に偏光した放射に変換する。その後に、この第１
方向に偏光した放射は、再び反射偏光板１１１に入射する。しかし、ここで反射
偏光板１１１は第１方向に偏光した放射を通過させて、ユーザの目（図示せず）
に向ける。第１λ/4板及び第２λ/4板の光軸は共に、偏光の第１方向に対して４
５°に延伸する。
【００１０】 画像のコントラストを強調するための、色収差の抑制を得るために、第１λ/4
板１０３の光軸が第２λ/4板１０９の光軸と直交するように、λ/4板１０３、１
０９を配列させることができる。こうした第１及び第２λ/4板１０３、１０９の
光軸の配列は、欧州特許出願第0 803 756号より既知である。第１λ/4板の光軸
が第２λ/4板の光軸と直交するようにλ/4板を配列させた実施例を、図２に示す
。
【００１１】 図２に、ヘッドマウントディスプレイ２００の一部分を示し、光学素子２０１
〜２１１の配列は、図１に示すような光学素子１０１〜１１１の配列と同様であ
る。しかし、第１及び第２λ/4板の光軸は、互いに直交するように位置している
。ヘッドマウントディスプレイが動作中であり、ユーザがこれを装着している際
には、液晶画像表示パネル２０１によって形成される画像の画素の放射が第１λ
/4板２０３に入射する。第１λ/4板２０３の光軸と偏光の第１方向との間の角度
は、例えば＋４５°である。このλ/4板２０３は、第１方向に偏光した放射を、
例えば右旋性に偏光した放射のような円偏光した放射に変換し、この放射は半透
過鏡２０５に入射する。半透過鏡２０５は右旋性に偏光した放射の一部を通過さ
せて、レンズ素子２０７を通して第２λ/4板２０９に向ける。第２λ/4板の光軸
は、偏光の前記第１方向に対して−４５°の角度に延伸し、従って第１λ/4板２
０３の光軸と直交する。第２λ/4板２０９は、前記右旋性に偏光した放射を第１
方向に偏光した放射に変換する。その後に、第１方向に偏光した放射は反射偏光
板２１１に入射する。反射偏光板２１１は、第１方向に偏光したすべての放射を
、第２λ/4板２０９に向けて反射させる。第２λ/4板２０９は、第１方向に偏光
した放射を右旋性に偏光した放射に変換して、この放射はレンズ素子２０７を通
って中空の半透過鏡２０５に入射する。半透過鏡２０５は、前記右旋性に偏光し
た放射の一部を反射させて、レンズ素子２０７を通して第２λ/4板２０９に向け
、かつ右旋性の偏光を左旋性の偏光に変換する。第２λ/4は左旋性に偏光した放
射を、偏光の第１方向と直交する第２方向に偏光した放射に変換する。その後に
、第２方向に偏光した放射は再び反射偏光板２１１に入射する。しかし、ここで
偏光板２１１は第２方向に偏光した放射を通過させて、ユーザの目（図示せず）
に向ける。
【００１２】 第１λ/4板の光軸が第２λ/4板の光軸と直交するヘッドマウントディスプレイ
の代わりに、偏光の第１方向と＋４５°の角度の光軸の方向を有する、色収差消
しの第１λ/4板、及び色収差消しの第２λ/4板を用いることができる。色収差消
しのλ/4板は例えば「Bernhard Halle Nachf. GmbH & Co.」から供給されている
。
【００１３】 コマ収差、非点収差、及び像面湾曲のような画像エラーを低減させるために、
例えば中空の半透過鏡２０５の曲面のような、上述したヘッドマウントディスプ
レイの実施例における光学素子の複数の曲面を、非球面にすることが好ましい。
【００１４】 ヘッドマウントディスプレイの組み立てをさらに簡略化するために、例えば半
透過鏡、レンズ素子、第２λ/4板、及び偏波面依存鏡のような複数の光学素子を
、１つの光学部分に統合することができる。そしてλ/4板及び偏波面依存鏡を共
に曲面にすることができる。
【００１５】 図３に、本発明によるヘッドマウントディスプレイの一部分３００の例を示し
、これは例えば透過型液晶パネル３０１のような画像表示装置、及び光学系から
構成される。この光学系は、第１λ/4板３０３及び統合光学部３０２から構成さ
れ、統合光学部３０２は、光学系の光軸に沿って順に、半透過鏡３０５、第１レ
ンズ素子３０７、第２λ/4板３０９、第２レンズ素子３１０、及び偏波面依存鏡
３１１を統合したものである。半透過鏡３０５は、第１レンズ素子３０７の第１
面上に設けた半透過層によって形成される。第２λ/4板３０９は、例えば第１レ
ンズ素子３０７の第２面上に設けたλ/4箔で構成される。さらに、第２レンズ素
子３１０の第１面は、λ/4板３０９に結合されている。例えばＤＢＥＦタイプの
反射偏光板をこの第２面上に設けることによって、偏波面依存鏡３１１を第２レ
ンズ素子３０７の第２面上に配列させることができる。さらに、第１及び第２レ
ンズ素子３０７、３１０は、ガラス製またはポリカーボネート製とすることがで
きる。ヘッドマウントディスプレイが動作中であり、ユーザがこれを装着してい
る際には、液晶画像表示パネル３０１によって形成される画像のピクセルの放射
がλ/4板３０３に入射する。第１λ/4板３０３の光軸と偏光の第１方向との間の
角度は、例えば＋４５°である。λ/4板３０３は、第１方向に偏光した放射を、
例えば右旋性に偏光した放射のような円偏光した放射に変換して、この放射は半
透過鏡３０５に入射する。半透過鏡３０５は右旋性に偏光した放射の一部を通過
させて、第１レンズ素子３０７を通してλ/4箔３０９に向ける。λ/4箔の光軸は
偏光の第１方向に対して−４５°の角度に延伸し、従って第１λ/4板３０３の光
軸と直交する。λ/4箔３０９は、右旋性に偏光した放射を第１方向に偏光した放
射に変換する。その後に、第１方向に偏光した放射は、第２レンズ素子３１０を
通過して反射偏光板３１１に入射する。反射偏光板３１１は、第１方向に偏光し
たすべての放射を反射させて、第２レンズ素子３１０を通してλ/4箔３０９に向
ける。λ/4箔３０９は第１方向に偏光した放射を右旋性に偏光した放射に変換し
て、この放射はレンズ素子３０７を通って中空の半透過鏡３０５に入射する。半
透過鏡３０５は右旋性に偏光した放射の一部を反射させて、レンズ素子３０７を
通してλ/4箔３０９に向け、かつ右旋性の偏光を左旋性の偏光に変換する。λ/4
箔３０９は左旋性に偏光した放射を、偏光の第１方向と直交する第２方向に偏光
した放射に変換する。その後に、第２方向に偏光した放射は第２レンズ素子３１
０を通って、再び反射偏光板３１１に入射する。しかし、ここで反射偏光板３１
１は第２方向に偏光した放射を通過させて、ユーザの目（図示せず）に向ける。
【００１６】 上述したヘッドマウントディスプレイの実施例の透過型液晶画像表示パネルの
代わりに、関連の照明システムを有する反射型液晶画像表示パネルを使用するこ
とができる。また第１方向のディレクタを有する直線偏光器と組合せた陰極線管
も使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるヘッドマウントディスプレイの第１実施例を示す図である。
【図２】 本発明によるヘッドマウントディスプレイの第２実施例を示す図である。
【図３】 本発明によるヘッドマウントディスプレイの第３実施例を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5G435 AA17 BB17 DD11 FF05 HH03 LL07

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 画像表示装置及び光学系を設けて、該光学系が、半透過鏡、レン
    ズ素子、偏波面依存鏡、及び２つのλ/4板から構成されて、光ビームを組合せて
    、前記画像表示装置によって形成される画像をユーザの網膜に投射するようにし
    たヘッドマウントディスプレイにおいて、 前記表示装置から見て、前記第１λ/4板、前記半透過鏡、前記レンズ素子、前
    記第２λ/4板、及び前記偏波面依存鏡を、この順に続けて配列させたことを特徴
    とするヘッドマウントディスプレイ。
  2. 【請求項２】 前記第１λ/4板の光軸が、前記第２λ/4板の光軸と直交している
    ことを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  3. 【請求項３】 前記半透過鏡、前記レンズ素子、前記第２λ/4板、及び前記偏波
    面依存鏡を統合した統合光学部を具えていることを特徴とする請求項１に記載の
    ヘッドマウントディスプレイ。
  4. 【請求項４】 少なくとも、非球面を有する光学素子を具えていることを特徴と
    する請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  5. 【請求項５】 前記λ/4板及び前記偏波面依存鏡が曲面を有することを特徴とす
    る請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
JP2001508635A 1999-07-02 2000-06-27 ヘッドマウントディスプレイ Pending JP2003504663A (ja)

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EP99202150 1999-07-02
EP99202150.1 1999-07-02
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