JP2019109435A - 表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】明暗差による円弧状や筋状の模様を低減できる表示装置を提供する。【解決手段】本発明の表示装置は、画像生成部と、投射光学系と、を備え、投射光学系は、複数の曲面ミラーを有する光学素子を含み、複数の曲面ミラーは、第1方向に沿って配列され、画像生成部に近い側に位置する曲面ミラーの傾斜よりも画像生成部から遠い側に位置する曲面ミラーの傾斜の方が大きい。複数の曲面ミラーは、光学素子の厚さ方向である第2方向における位置が第1方向に沿って変化した曲面ミラーを含んでいる。【選択図】図1
Description
本発明は、表示装置に関する。
近年、フレネル構造のミラーアレイを備えたヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなどの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、フレネルレンズを構成する各凸条部の幅が互いに異なる光学素子を備えたヘッドアップディスプレイが開示されている。特許文献1には、互いに隣接する凸条部の幅を互いに異ならせることで光の回折効果を抑制し、回折効果に伴って生じる縞模様を抑制することによって、ヘッドアップディスプレイの見易さが向上できると記載されている。
下記の特許文献2には、複数の曲面ミラーを有する光学素子を備えたヘッドマウントディスプレイが開示されている。特許文献2には、複数の曲面ミラーが曲面上に配置されている光学素子の例が記載されている。
この種の光学素子を備えた表示装置においては、観察者の目に明暗差によって生じる円弧状や筋状の模様が視認されることが問題となっている。特許文献1には、光の回折効果に伴う縞模様を抑制できると記載されているが、回折効果とは異なるモードの上記の表示不良が発生する場合があり、特許文献1の技術では対策がまだ不十分である。特許文献2の技術も、上記の問題を解決できるものではない。
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って、明暗差による円弧状や筋状の模様を低減できる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表示装置は、画像情報を含む光を射出する画像生成部と、前記画像生成部からの光を射出瞳に向けて導き、前記射出瞳の位置において前記光による像を生成する投射光学系と、を備え、前記投射光学系は、前記光の一部を前記射出瞳に向けて反射させるとともに前記光の他の一部を透過させる、複数の曲面ミラーを有する光学素子を含み、前記複数の曲面ミラーは、第1方向に沿って配列され、前記複数の曲面ミラーは、前記画像生成部に近い側に位置する曲面ミラーの傾斜よりも前記画像生成部から遠い側に位置する曲面ミラーの傾斜の方が大きく、前記複数の曲面ミラーは、前記光学素子の厚さ方向である第2方向における位置が、下記の(1)式を満たすz(η)にある曲面ミラーを含むことを特徴とする。
z(η)=1/tanβ[(sinη0−sinη)/cosη0−(η0−η)] …(1)
ただし、
β:光学素子の観察者側の面における光の屈折角
η:η=arcsin(sinθ/n)
θ:光学素子からの光の射出角
n:光学素子の媒質の屈折率
η0:光学素子においてθが最大となる位置におけるη
z(η)=1/tanβ[(sinη0−sinη)/cosη0−(η0−η)] …(1)
ただし、
β:光学素子の観察者側の面における光の屈折角
η:η=arcsin(sinθ/n)
θ:光学素子からの光の射出角
n:光学素子の媒質の屈折率
η0:光学素子においてθが最大となる位置におけるη
本発明の一つの態様の表示装置によれば、一つの曲面ミラーから射出される光によって生じる明領域と暗領域の幅の比(後述するデューティー比)を複数の曲面ミラーにわたって略一定にすることができる。これにより、観察者は、円弧状の明暗差による筋状の模様を視認しにくくなる。筋状模様が観察者の目に知覚されにくくなる理由については後述する。
本発明の一つの態様の表示装置においては、前記複数の曲面ミラーは、前記第1方向の中央部に位置する第1曲面ミラーと、前記第1方向の一方の端部に位置する第2曲面ミラーと、を含み、前記第1曲面ミラーの前記第2方向における位置と前記第1曲面ミラーに隣り合う曲面ミラーの前記第2方向における位置との間の変化量が、前記第2曲面ミラーの前記第2方向における位置と前記第2曲面ミラーに隣り合う曲面ミラーの前記第2方向における位置との間の変化量よりも大きくてもよい。
この構成によれば、中央部に位置する第1曲面ミラーと隣り合う曲面ミラーとの間の壁面の高さは、少なくとも一方の端部に位置する第2曲面ミラーと隣り合う曲面ミラーとの間の壁面の高さよりも低くなる。これにより、第1曲面ミラー内での暗領域の幅を、第2曲面ミラー内での暗領域の幅程度にまで小さくすることができる。その結果、第1曲面ミラーと第2曲面ミラーとにおいて、明領域と暗領域の幅の比を概ね揃えることができ、観察者の目の位置が光学素子の中心位置に一致しているときに画像の中心部に現れる筋状の模様を低減することができる。
本発明の一つの態様の表示装置において、前記複数の曲面ミラーは、第1透明部材と第2透明部材との間に挟持され、前記第1透明部材および前記第2透明部材の互いに対向する面とは反対側の面は、互いに平行な平面であってもよい。
この構成によれば、光は第1透明部材と第2透明部材との内部を進行しつつ、複数の曲面ミラーに入射する。この際、第1透明部材および第2透明部材の面同士が互いに平行な平面であれば、光がこれらの面で反射を何回繰り返しても、曲面ミラーに対する光の入射角が変化しない。そのため、各曲面ミラーから射出瞳に向けて射出される光の量を確保することができる。
本発明の一つの態様の表示装置において、前記複数の曲面ミラーの各々は、前記光の一部を透過させ、前記光の他の一部を透過させる部分反射膜を備えていてもよい。
この構成によれば、部分反射膜の仕様を適宜調整することによって、各曲面ミラーの反射率、透過率等の特性を制御することができる。
本発明の一つの態様の表示装置において、前記投射光学系は、前記画像生成部からの光を前記光学素子に向けて反射させる凹面ミラーをさらに含んでいてもよい。
この構成によれば、凹面ミラーの形状を適宜調整することによって光学素子に入射する光の角度を調整することができ、例えば平行光を光学素子に入射させることにより、各曲面ミラーのデューティー比を所望の値に制御しやすくなる。また、投射光学系にレンズを用いた場合、レンズが波長分散を有しているため、色付きが生じる、装置が大型化する等の問題があるのに対し、凹面ミラーを用いた場合、色付きが抑えられ、かつ小型、軽量の表示装置を実現することができる。
本発明の一つの態様の表示装置において、前記光学素子と前記凹面ミラーとは、一体の部材で構成されていてもよい。
この構成によれば、光学素子と凹面ミラーとの位置合わせ精度を容易に確保することができる。
以下、本発明の一実施形態について、図面を用いて説明する。
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平面図である。図1は、HMDを装着した使用者を頭上から見た状態を図示している。図2は、HMDが備える光学素子の斜視図である。図3は、光学素子の平面図である。図4は、光学素子の正面図である。
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。
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平面図である。図1は、HMDを装着した使用者を頭上から見た状態を図示している。図2は、HMDが備える光学素子の斜視図である。図3は、光学素子の平面図である。図4は、光学素子の正面図である。
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HMD100(表示装置)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HMD100は、シースルー型(透過型)のHMDである。そのため、本実施形態のHMD100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、HMD100の外部の景色等の外界の像を視認できる。
なお、以下では、使用者がHMD100を頭部に装着した際に、HMD100の射出瞳の位置が使用者の目の位置と一致しているものとして説明する。
なお、以下では、使用者がHMD100を頭部に装着した際に、HMD100の射出瞳の位置が使用者の目の位置と一致しているものとして説明する。
HMD100は、その他、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、図示略)を備えている。HMD100と制御装置とは、有線または無線で通信可能に接続されていればよく、画像信号や制御信号を通信する。
HMD100は、フレーム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。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。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。
画像表示部110は、画像生成部11と、補正光学系12と、投射光学系13と、を備えている。
画像生成部11は、例えば液晶パネル、有機ELパネル等の表示パネルで構成されている。画像生成部11は、画像情報を含む光を射出する。その他、画像生成部11は、複数の発光色のレーザー光源とMEMSミラー等を含む光走査型の画像生成手段から構成されていてもよい。
補正光学系12は、画像生成部11と投射光学系13との間、より詳細には画像生成部11と凹面ミラー24との間に設けられている。本実施形態では、補正光学系12は、第1補正レンズ21と第2補正レンズ22との2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12は、画像生成部11からの光による像を補正するが、例えば凹面ミラー24の形状や曲率の調整によって補正が可能であれば、必ずしも設けなくてもよい。
投射光学系13は、凹面ミラー24と、光学素子25と、を備えている。投射光学系13は、画像生成部11からの光を射出瞳の位置に向けて導き、画像生成部11からの光による像を射出瞳の位置、すなわち観察者の瞳の位置に生成する。凹面ミラー24は、画像生成部11からの光を光学素子25に向けて反射させる。本実施形態の場合、凹面ミラー24で反射した光は平行化され、平行光が光学素子25に入射する。
凹面ミラー24は、入射した光の一部を反射させ、入射した光の他の一部を透過させる曲面状の部分反射ミラーで構成されている。部分反射ミラーは、例えばプラスチック等の透明板の一面に、透明板の一面に垂直な方向とのなす入射角が所定の角度よりも大きい光を反射することによって偏向させ、入射角が所定の角度よりも小さい光を透過させる入射角依存性を有する部分反射膜が設けられた構成を有している。
上記の所定の角度は、部分反射膜の設計により適宜調整が可能である。凹面ミラー24は、画像生成部11から射出された光が大きい入射角で入射して反射する向きに配置されている。したがって、観察者が凹面ミラー24を見たときには、入射角が小さい外光が凹面ミラー24を透過して観察者の瞳に到達し、外界の像を視認することができる。
凹面ミラー24は、このような向きに配置されるため、顔に沿って位置することになる。このように、凹面ミラー24はHMD100の外形を顔に沿ったものとする役割も持っており、表示装置100の小型化、デザイン性の向上に寄与する。また、凹面ミラー24は、ダイクロイックミラーを用いることで異なる色毎に光を反射させるようにしてもよい。
図2および図3に示すように、光学素子25は、第1透明部材31と、第2透明部材32と、複数の曲面ミラー33と、を備えている。複数の曲面ミラー33は、第1透明部材31と第2透明部材32との間に挟持されている。第1透明部材31の第2透明部材32と対向する第1面31aとは反対側の第2面31b(外界側の面)は、平面である。同様に、第2透明部材32の第1透明部材31と対向する第1面32aとは反対側の第2面32b(観察者側の面)は、平面である。第1透明部材31の第2面31bと第2透明部材32の第2面32bとは、互いに平行である。
図4に示すように、観察者の目から見ると、複数の曲面ミラー33は、光学素子25の一方向(矢印Jの方向)に沿って配列されている。複数の曲面ミラー33の各々は、複数の曲面ミラー33の配列方向Jにおける光学素子25の外側に中心を有する円弧状の形状を有している。複数の曲面ミラー33の形状をなす円弧は、全て同心円である。
図3に示すように、第1透明部材31と第2透明部材32とが互いに接触する界面は、鋸歯状の凹凸形状を有している。凹凸形状のうち、第1透明部材31の第2面31bに対して傾斜した複数の傾斜面のそれぞれに、曲面ミラー33が設けられている。曲面ミラー33は、光の一部を透過させ、光の他の一部を透過させる部分反射膜34を備えている。部分反射膜34には、例えばアルミニウム等の金属膜、誘電体多層膜等が用いられる。第1透明部材31の第2面31bに対して垂直な複数の壁面35には、光吸収性を有する膜が設けられていてもよいし、膜が設けられていない光透過面であってもよい。
複数の曲面ミラー33の各々は、光学素子25の厚さ方向Zにおける位置が複数の曲面ミラー33の配列方向に沿って変化している。ここで、各曲面ミラー33の位置は、図3における曲面ミラー33の中央の位置で定義する。本実施形態の場合には、第1透明部材31と第2透明部材32とが平行平板を構成するため、各曲面ミラー33の位置は、第1透明部材31の第2面31b(第2透明部材32の第2面32b)からの距離に対応する。
複数の曲面ミラー33のうち、画像生成部11から遠い側の端部(図3の左端)の曲面ミラー33は、第2透明部材32の第2面32b側(観察者側)に位置し、画像生成部11に近い側の端部(図3の右端)の曲面ミラー33は、第1透明部材31の第2面31b側(外界側)に位置している。それ以外の曲面ミラー33は、位置が曲線状に変化している。図3において、各曲面ミラー33の位置を通る曲線を2点鎖線Qで示す。これに伴い、各壁面35の高さは、複数の曲面ミラー33の配列方向Jに沿って変化している。具体的には、複数の壁面35のうち、中央の壁面は、その両側の壁面35よりも低くなっている。
ここで、従来の光学素子の問題について説明する。
図12は、従来の光学素子の平面図である。
図12に示すように、従来の光学素子125において、複数の曲面ミラー133のピッチL5は、複数の曲面ミラー133の配列方向Jの位置によらずに一定であった。
図12は、従来の光学素子の平面図である。
図12に示すように、従来の光学素子125において、複数の曲面ミラー133のピッチL5は、複数の曲面ミラー133の配列方向Jの位置によらずに一定であった。
図5は、複数の曲面ミラー133の作用を説明するための模式図であって、複数の曲面ミラー133のうち、配列方向Jの位置が互いに異なる3つの曲面ミラー133で代表して光の振る舞いを説明する。3つの曲面ミラー133の位置は、画像生成部11から相対的に遠い側から順に、位置A、位置B、位置Cとする。図5では、補正光学系12を1つのレンズに省略して示した。
本実施形態と同様、この例でも、凹面ミラー24によって平行化された光が光学素子125に入射するものと仮定する。したがって、図5に示すように、3つの曲面ミラー133の位置において光学素子125に入射する光の入射角β0は、同一である。ただし、位置C、位置B、位置Aの順に曲面ミラー133の傾斜が大きくなっていることにより、各曲面ミラー133で反射して光学素子125から射出される光の進行方向は互いに異なり、各光は射出瞳の位置、すなわち観察者の目EYに集束するように進む。
図6は、光学素子125の3個所の曲面ミラー133A,133B,133Cにおける光の反射の様子を示す模式図である。
図6に示すように、光学素子125の第1面125aに対する光の入射角β0を59.4°とし、第1面125aにおける光の屈折角βを35°とする。画像生成部11から遠い側の位置Aにおいては、曲面ミラー133Aの傾斜角αを22.5°とし、第1面125aからの光の射出角θを+15°とする。中央の位置Bにおいては、曲面ミラー133Bの傾斜角αを17.5°とし、第1面125aからの光の射出角θを0°とする。画像生成部11に近い側の位置Cにおいては、曲面ミラー133Cの傾斜角αを12.5°とし、第1面125aからの光の射出角θを−15°とする。
図6に示すように、光学素子125の第1面125aに対する光の入射角β0を59.4°とし、第1面125aにおける光の屈折角βを35°とする。画像生成部11から遠い側の位置Aにおいては、曲面ミラー133Aの傾斜角αを22.5°とし、第1面125aからの光の射出角θを+15°とする。中央の位置Bにおいては、曲面ミラー133Bの傾斜角αを17.5°とし、第1面125aからの光の射出角θを0°とする。画像生成部11に近い側の位置Cにおいては、曲面ミラー133Cの傾斜角αを12.5°とし、第1面125aからの光の射出角θを−15°とする。
ここで、曲面ミラー133A,133B,133Cに用いられる部分反射膜134の反射率をr(0<r<1)とする。例えば位置Bの曲面ミラー133Bに着目したとき、曲面ミラー133Bのうちの符号B1で示す領域は、光が隣の曲面ミラー133B1に入射することなく当該曲面ミラー133Bに入射する領域である。領域B1において、入射光の強度を1としたときの反射光の相対強度R1は、R1=rとなる。
これに対して、符号B0で示す領域は、隣の曲面ミラー133B1に入射することなく当該曲面ミラー133Bに向かう光が到達しない領域である。領域B0に到達する光があるとすれば、隣の曲面ミラー133B1を透過した光である。例えば壁面135に光吸収性が付与されている場合、隣の曲面ミラー133B1を透過した光は壁面135で吸収され、領域B0に到達しない。この場合、領域B0の反射光の相対強度R0は、R0=0である。したがって、R1>R0である。一方、壁面135が光透過性である場合、隣の曲面ミラー133B1を透過した光は、壁面135を介して領域B0に入射し、一部が反射する。この場合、領域B0における反射光の相対強度R0は、R0=r×(1−r)である。0<r<1であるから、R1>R0である。
このように、壁面135の特性に係わらず、領域B1における反射光の相対強度R1は、領域B0における反射光の相対強度R2よりも大きくなる。すなわち、観察者の目から見ると、1つの曲面ミラー133Bにおいて、領域B1と領域B0との間で明暗差が生じる。以上のことは、位置Aの曲面ミラー133A、位置Cの曲面ミラー133Cでも同様である。したがって、観察者が光学素子125を見ると、明るい領域と暗い領域とが交互に繰り返された円弧状や筋状の模様が見えることになる。以下、領域A1,B1,C1を明領域と称し、領域A0,B0,C0を暗領域と称する。
射出瞳から見たときの明領域A1,B1,C1の幅をそれぞれwr1とし、射出瞳から見たときの暗領域A0,B0,C0の幅をwr2としたとき、下記の(1)式で表されるaをデューティー比と定義する。
a=wr1/(wr1+wr2) …(1)
a=wr1/(wr1+wr2) …(1)
図6に示すように、曲面ミラー133におけるデューティー比は、光学素子125内での曲面ミラー133の位置(位置A、位置B、位置C)、すなわち、観察者が見る角度によって変化することがわかる。
光学素子125の媒質(第1透明部材および第2透明部材)の屈折率をnとしたとき、下記の(2)式の関係を満たすηを用いると、
n×sinη=sinθ …(2)
デューティー比aは、下記の(3)式のように表すことができる。
a=cosβ/cosη …(3)
n×sinη=sinθ …(2)
デューティー比aは、下記の(3)式のように表すことができる。
a=cosβ/cosη …(3)
図7は、観察者が見る角度、すなわち、光学素子からの光の射出角度とデューティー比との関係を示すグラフである。図7において、横軸は光の射出角θ(deg)を示し、縦軸はデューティー比を示す。
図7に示すように、この例では、デューティー比が略0.82〜0.83の範囲で変化するとともに、射出角θが0°のときにデューティー比が最小値を示す。
図7に示すように、この例では、デューティー比が略0.82〜0.83の範囲で変化するとともに、射出角θが0°のときにデューティー比が最小値を示す。
ここで、本発明者は、このようなデューティー比が変化している筋状パターンが観察者にどのように知覚されるかを考察するために、図8に示すように、矩形波状に光強度が変化するモデルを想定した。
(5)式から、デューティー比aが0.5<a<1の範囲にあるときには、デューティー比aが小さくなると、すなわち、デューティー比が0.5に近い程、筋状のパターンがより強くなることがわかる。この筋状パターンを観察すると、観察者には筋状模様があるかのように知覚される可能性がある。そのため、HMDにこの光学素子を利用すると、この筋状のパターンが表示画像に重畳されて視認される。さらに、図9に示すように、この筋状のパターンの見え方が観察者の見る角度によって異なるという問題も引き起こす。この例では、射出角θが0°のとき、すなわち、観察者が表示画像の中央を見たときに筋状模様が知覚される可能性が高い。
そこで、本発明者は、複数の曲面ミラーの各々の位置を光学素子の厚さ方向に沿って変えることにより、複数の曲面ミラーにわたってデューティー比を均一にすることを考えた。光学素子の厚さ方向に曲面ミラーを移動させた場合、壁面の高さを小さくすることができ、これに伴って暗領域を狭くすることができる。このことを利用すれば、複数の曲面ミラーにわたってデューティー比を均一にすることができる。
本発明者は、詳細な検討から、光の射出角θが最大となるとき(本実施形態ではθ=15°)のηをη0とすると、すなわち、本実施形態では、(2)式から、
η0=arcsin(sin15°/n)となる角度をη0とすると、任意の曲面ミラーを、以下の(6)式で求められるδzの分だけ隣り合う曲面ミラーから変位させることによって、デューティー比を均一にできることを見出した。
η0=arcsin(sin15°/n)となる角度をη0とすると、任意の曲面ミラーを、以下の(6)式で求められるδzの分だけ隣り合う曲面ミラーから変位させることによって、デューティー比を均一にできることを見出した。
図10は、光の射出角θと曲面ミラーの位置変化量δzとの関係を示すグラフである。図10において横軸は光の射出角θ[deg]であり、縦軸は位置変化量δz/pitchである。すなわち、位置変化量δzについては、曲面ミラーのピッチで規格化した値を縦軸とした。
図10のグラフは、例えばθ=0°の位置にある曲面ミラーのデューティー比をθ=15°の位置にある曲面ミラーのデューティー比に一致させる場合、θ=0°の位置にある曲面ミラーを光学素子の厚さ方向にピッチの0.022倍の距離ずらした位置に配置すればよいことを示している。したがって、最適化された各曲面ミラーの位置はδzを積算すれば求めることができる。
(6)式を積分すると、以下の(7)式が得られる。つまり、(6)式は余弦関数と定数項から成り立っているため、これらを積分すると、曲面ミラーの位置は正弦関数と一次関数を足し合わせた数式で表されることが理解できる。
例えば、屈折率1.5の媒質からなる光学素子からの射出角θが±15°の範囲において、屈折角β=35°で21枚の曲面ミラーを配置する場合、図11に点で示した位置に各曲面ミラーを配置すればよい。図11の縦軸はピッチで規格化されているため、例えば射出瞳から曲面ミラーまでの距離が40mmであれば、曲面ミラーのピッチは0.7mmとなる。そのため、両端の曲面ミラーの位置を、0.2mmずらせばよい。
以上の考察より、本実施形態の光学素子25の場合、図3に示すように、複数の曲面ミラー33の各々の厚さ方向Zにおける位置は、複数の曲面ミラー33の配列方向Jに沿って変化している。曲面ミラー33の位置をz(η)としたとき、位置z(η)は、上記の(6)式を満たしている。
ただし、
β:光学素子の観察者側の面における光の屈折角
η:η=arcsin(sinθ/n)
θ:光学素子からの光の射出角
n:光学素子の媒質の屈折率
η0:光学素子においてθが最大となる位置におけるη
ただし、
β:光学素子の観察者側の面における光の屈折角
η:η=arcsin(sinθ/n)
θ:光学素子からの光の射出角
n:光学素子の媒質の屈折率
η0:光学素子においてθが最大となる位置におけるη
また、図3に示すように、複数の曲面ミラー33の配列方向Jにおいて、中央部に位置する第1曲面ミラー331と当該第1曲面ミラー331に隣り合う曲面ミラーとの間の位置の変化量δz1は、少なくとも一方の端部に位置する第2曲面ミラー332と当該第2曲面ミラー332に隣り合う曲面ミラーとの間の位置の変化量δz2よりも大きい。言い換えると、図3において、複数の曲面ミラーの位置を通る曲線Qの勾配は、中央部で大きく、端部で小さくなっている。
なお、曲面ミラー33の厚さ方向Zの位置の変位は、複数の曲面ミラー33のうちの一部の曲面ミラー33だけに適用することもできる。例えばデューティー比が特に小さい範囲、例えば射出角θが±5°の範囲内に位置する曲面ミラー33だけ位置を変位させてもよい。この場合、複数の曲面ミラー33の全体での位置変位を0.1mmに小さくできるため、より薄型の光学素子25を実現できる。
その他、図11で示された所定の変位量より小さい変位量を一部の曲面ミラー33に適用すれば、表示品質と曲面ミラー33の全体の厚さとを適宜調整することができる。さらに、曲面ミラー33の変位に応じて、光学素子25の表面を湾曲させることもできる。この場合、曲面ミラー33から光学素子25の表面までの距離を一定にできるため、光学素子25の厚さを小さくすることが可能である。
複数の曲面ミラー33は、同じ曲率であってもよいし、互いに異なる曲率を有していてもよい。また、曲面ミラー33の形状は、非球面であってもよく、非球面係数が曲面ミラー33ごとに異なっていてもよい。
各曲面ミラー33の幅は、特に限定されないが、大き過ぎると、光学素子25の厚みが増すことで重量が増加し、小さ過ぎると、光の回折による解像度の低下が生じる。その観点から、各曲面ミラー33の幅は、0.1〜1mm程度とすることが望ましい。
また、第1透明部材31の屈折率と第2透明部材32の屈折率とが大きく異なると、シースルー光(外界光)が曲がってしまい、観察者に違和感を与える。したがって、第1透明部材31の屈折率と第2透明部材32の屈折率とは、できるだけ一致させることが望ましい。そのため、第1透明部材31と第2透明部材32とは、同じ材料で構成することが望ましい。
以上述べたように、本実施形態のHMD100によれば、明暗差による円弧状や筋状の模様を人間の目に知覚されにくくすることができる。これにより、表示画像の視認性を高めることができる。例えば観察者の目の位置が光学素子25の中心位置に一致しているときに画像の中心部に現れる筋状の模様を知覚しにくくできる。
また、本実施形態の場合、複数の曲面ミラー33が第1透明部材31と第2透明部材32との間に挟持され、第1透明部材31の第2面31bと第2透明部材32の第2面32bとが互いに平行であるため、光がこれらの面で反射を何回繰り返しても、曲面ミラー33に対する光の入射角が変化しない。そのため、各曲面ミラー33から観察者の目に向けて射出される光の量を確保することができる。
また、本実施形態の場合、複数の曲面ミラー33の各々が部分反射膜34を備えているため、部分反射膜34の仕様を適宜調整することによって、各曲面ミラー33の反射率、透過率等の特性を制御することができる。
また、本実施形態の場合、投射光学系13が凹面ミラー24を備えているため、凹面ミラー24の形状を適宜調整することによって、光学素子25に入射する光の発散角を調整することができる。例えば平行光を光学素子25に入射させることにより、各曲面ミラー33のデューティー比を所望の値に制御しやすくなる。また、仮に投射光学系にレンズを用いた場合、レンズが波長分散を有しているため、色付きが生じる、装置が大型化する等の問題がある。これに対し、本実施形態では、凹面ミラー24が用いられているため、色付きが抑えられ、かつ小型、軽量のHMD100を実現することができる。
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、投射光学系を構成する光学素子と凹面ミラーが別体の部材で構成されていたが、光学素子と凹面ミラーが一体の部材で構成されていてもよい。この構成によれば、光学素子と凹面ミラーとの位置合わせ精度を容易に確保することができる。
例えば上記実施形態では、投射光学系を構成する光学素子と凹面ミラーが別体の部材で構成されていたが、光学素子と凹面ミラーが一体の部材で構成されていてもよい。この構成によれば、光学素子と凹面ミラーとの位置合わせ精度を容易に確保することができる。
また、上記実施形態では、複数の曲面ミラーのうち、中央の曲面ミラーのデューティー比が端部の曲面ミラーのデューティー比よりも小さく、中央の曲面ミラーの位置の変化量が端部の曲面ミラーの位置の変化量よりも大きい例を挙げたが、光学素子に対する光の入射角、複数の曲面ミラーと射出瞳との位置関係等の要因によっては必ずしも中央の曲面ミラーのデューティー比が小さいとは限らない。例えば、表示画像の中央が複数の曲面ミラーの中央と異なる場合、画像生成部から遠い側、もしくは画像生成部に近い側の端部の曲面ミラーのデューティー比が他よりも小さくなる場合がある。その場合でも、デューティー比が小さい位置の曲面ミラーの位置の変化量を大きくすればよい。
その他、表示装置の各構成要素の数、配置、形状、材料等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。
11…画像生成部、13…投射光学系、24…凹面ミラー、25…光学素子、31…第1透明部材、32…第2透明部材、33…曲面ミラー、34…部分反射膜、100…HMD(表示装置)、331…第1曲面ミラー、332…第2曲面ミラー。
Claims (6)
- 画像情報を含む光を射出する画像生成部と、
前記画像生成部からの光を射出瞳に向けて導き、前記射出瞳の位置において前記光による像を生成する投射光学系と、を備え、
前記投射光学系は、前記光の一部を前記射出瞳に向けて反射させるとともに前記光の他の一部を透過させる、複数の曲面ミラーを有する光学素子を含み、
前記複数の曲面ミラーは、第1方向に沿って配列され、
前記複数の曲面ミラーは、前記画像生成部に近い側に位置する曲面ミラーの傾斜よりも前記画像生成部から遠い側に位置する曲面ミラーの傾斜の方が大きく、
前記複数の曲面ミラーは、前記光学素子の厚さ方向である第2方向における位置が、下記の(1)式を満たすz(η)にある曲面ミラーを含むことを特徴とする表示装置。
z(η)=1/tanβ[(sinη0−sinη)/cosη0−(η0−η)] …(1)
ただし、
β:光学素子の観察者側の面における光の屈折角
η:η=arcsin(sinθ/n)
θ:光学素子からの光の射出角
n:光学素子の媒質の屈折率
η0:光学素子においてθが最大となる位置におけるη - 前記複数の曲面ミラーは、前記第1方向の中央部に位置する第1曲面ミラーと、前記第1方向の一方の端部に位置する第2曲面ミラーと、を含み、
前記第1曲面ミラーの前記第2方向における位置と前記第1曲面ミラーに隣り合う曲面ミラーの前記第2方向における位置との間の変化量が、前記第2曲面ミラーの前記第2方向における位置と前記第2曲面ミラーに隣り合う曲面ミラーの前記第2方向における位置との間の変化量よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の表示装置。 - 前記複数の曲面ミラーは、第1透明部材と第2透明部材との間に挟持され、
前記第1透明部材および前記第2透明部材の互いに対向する面とは反対側の面は、互いに平行な平面であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の表示装置。 - 前記複数の曲面ミラーの各々は、前記光の一部を透過させ、前記光の他の一部を透過させる部分反射膜を備えていることを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の表示装置。
- 前記投射光学系は、前記画像生成部からの光を前記光学素子に向けて反射させる凹面ミラーをさらに含む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表示装置。
- 前記光学素子と前記凹面ミラーとが一体の部材で構成されていることを特徴とする請求項5に記載の表示装置。
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