JP5250853B2 - 映像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents
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Description
Hw/f≦tan1’≦Kw/(f+δ) ・・・(1)
である。
0.3≦Hw/Hp≦0.8 ・・・(1A)
である。
tan1’≦Vw/f ・・・(2)
である。
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図2(a)(b)は、本発明の映像表示装置1の概念的な構成を、光路を展開して模式的に示す説明図であり、図2(a)は水平方向の光路を展開して、図2(b)は垂直方向の光路を展開してそれぞれ示している。この映像表示装置1は、光源2と、拡散手段3と、表示素子4と、レンズ5とを有して構成されている。
次に、拡散手段3の詳細について説明する。図2(a)(b)に示すように、拡散手段3における拡散面3aとは反対側の面は、非拡散面3bとなっている。そして、本実施形態では、拡散手段3は、拡散面3aが表示素子4と対向するように配置されている。つまり、拡散手段3における非拡散面3bは、光源2からの光が入射する光入射面となっており、拡散面3aは光射出面となっている。このように拡散手段3を配置したのは、以下の理由による。
次に、拡散手段3の拡散面3aの凹凸の影による観察映像の輝度ムラや色ムラを低減するための条件について説明する。
Hw/f≦tan1’≦Kw/(f+δ) ・・・(1)
である。なお、表示素子4の表示面は、レンズ5の像面(焦点距離f)付近に配置されており、これにより、観察者に虚像を提供する光学瞳Eが形成される。
開口率Hw/Hpは、表示素子4の拡散手段3の拡散方向における透過領域(開口部)の割合を表している。開口率Hw/Hpの値が大きいと、開口幅Hwが大きく遮光部BMが小さく、開口率Hw/Hpの値が小さいと、開口幅Hwが小さく遮光部BMが大きい。条件式(1A)の上限値を超えると拡散面3aの凹凸に起因する影の影響が目立ちやすくなり、下限値を下回ると、透過する光量が減少するため観察映像の明るさが不足しやすくなる。条件式(1A)は、拡散面3aの凹凸に起因する影の影響と、映像の明るさを考慮して決められた好ましい値である。
図4に示すように、拡散手段3の拡散方向に垂直な方向おける表示素子4の画素Aの開口幅をVw(mm)としたとき、本実施形態の映像表示装置1は、以下の条件式(2)を満足している。すなわち、
tan1’≦Vw/f ・・・(2)
である。
上記した、表示素子4の表示面から拡散手段3の拡散面3aまでの距離δは、拡散手段3のレンズ5による虚像と表示素子4の表示映像の虚像との視度の差が10ディオプタ以下となるように設定されることが望ましく、本実施形態では、上記両虚像の視度の差が例えば3ディオプタとなるように設定されている。その理由は、以下の通りである。
ところで、以上では、拡散方向が表示素子4の矩形の表示領域の長辺方向に沿うように(長辺に沿った各画素Aの配列方向に沿うように)、拡散手段3を配置した例について説明したが、例えば、拡散方向が表示素子4の矩形の表示領域の長辺方向と交差するように、拡散手段3を(回転させて)配置してもよい。
以上では、カラーフィルタを備えていない表示素子4を用いた例について説明したが、カラーフィルタを備えた表示素子を用いることも勿論可能である。この場合、光源2は、RGBの各LEDを同時に発光させればよい。
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
図8(a)は、本実施形態に係るHMDの概略の構成を示す平面図であり、図8(b)は、HMDの側面図であり、図8(c)は、HMDの正面図である。HMDは、映像表示装置11と、それを支持する支持手段12とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方(例えば左目用)のレンズを取り除いたような外観となっている。
次に、映像表示装置11の詳細な構成について説明する。
次に、上記構成の映像表示装置11の動作について説明する。光源21から出射された光は、集光レンズ22にて集光された後、拡散手段23でX方向に拡散され、RGBの混色が十分になされた均一な照明光として表示素子24に入射する。表示素子24に入射した光は、画像データに基づいて各画素ごとに変調され、映像光として出射される。つまり、表示素子24には、カラー映像が表示される。
次に、光源21およびホログラム光学素子34の特性について説明する。
ところで、本実施形態では、光学瞳Eは、上述したように、強度半値でX方向に8mm、Y方向に2mmの大きさとなるように設定されている。つまり、光学瞳Eは、Y方向、すなわち、ホログラム光学素子34の入射面(YZ平面)に平行な方向よりも、X方向、すなわち、上記入射面に垂直な方向に大きい。このように光学瞳Eの大きさを設定することにより、ホログラム光学素子34の波長特性(波長選択性)の影響をあまり受けずに、観察者は色ムラの少ない高画質の映像を観察することができる。その理由は以下の通りである。
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態2と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、実施の形態2または3と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
2 光源
3 拡散手段
3a 拡散面
3b 非拡散面
4 表示素子
5 レンズ(接眼光学系)
11 映像表示装置
12 支持手段
21 光源
21R、21R1、21R2 発光部(発光ダイオード)
21G、21G1、21G2 発光部(発光ダイオード)
21B、21B1、21B2 発光部(発光ダイオード)
22 集光レンズ(集光手段)
23 拡散手段
23a 拡散面
24 表示素子
25 裏面反射ミラー(光路折り曲げ部材)
25a 屈折面
25b 反射面
31 接眼光学系
32 接眼プリズム(第1の透明基板)
33 偏向プリズム(第2の透明基板)
34 ホログラム光学素子
A 画素
BM 遮光部
E 光学瞳
Claims (21)
- 点状の光源と、
複数のピッチで凹凸が一方向に形成された拡散面を有し、前記光源からの光を前記拡散面で前記一方向に拡散して射出する拡散手段と、
複数の画素と各画素の周囲に形成される遮光部とを有し、前記拡散手段からの光を各画素で変調して映像を表示する表示素子と、
前記表示素子からの映像光を光学瞳に導くことにより、前記光学瞳の位置にて前記映像の虚像を観察者に観察させる接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
前記拡散手段の拡散方向における前記表示素子の画素の開口幅をHwとし、前記拡散手段の拡散方向における最大の凹凸のピッチをKwとし、前記接眼光学系の焦点距離をfとし、前記表示素子の表示面から前記拡散手段の前記拡散面までの距離をδとしたとき、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする映像表示装置;
Hw/f≦tan1’≦Kw/(f+δ) ・・・(1)
である。 - 前記拡散手段の拡散方向における前記表示素子の画素のピッチをHpとするとき、前記拡散手段の拡散方向における前記表示素子の画素の開口率Hw/Hpは、以下の条件式(1A)を満足することを特徴とする請求項1に記載の映像表示装置;
0.3≦Hw/Hp≦0.8 ・・・(1A)
である。 - 前記拡散手段は、1から20μm程度の複数のピッチで凹凸が一方向に形成された拡散面を有することを特徴とする請求項1または2に記載の映像表示装置。
- 前記光源は、赤、緑、青の3色の光をそれぞれ発光する発光ダイオードを有しており、
各発光ダイオードは、前記拡散手段の拡散方向に並べて配置されていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の映像表示装置。 - 前記光源は、赤、緑、青の3色の光をそれぞれ発光する発光ダイオードを2組有しており、
前記表示素子における表示領域の中心と前記光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、
各組の発光ダイオードは、各色ごとに前記接眼光学系の光軸に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項4に記載の映像表示装置。 - 前記表示素子の表示面から前記拡散手段の前記拡散面までの距離δは、前記拡散手段の前記接眼光学系による虚像と前記表示素子の表示映像の虚像との視度の差が10ディオプタ以下となるように設定されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の映像表示装置。
- 前記拡散手段は、拡散方向が前記表示素子の矩形の表示領域の長辺方向と交差するように配置されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の映像表示装置。
- 前記拡散手段の拡散方向における拡散度は、前記拡散方向に垂直な方向の拡散度の10倍以上であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の映像表示装置。
- 前記拡散手段における前記拡散面とは反対側の面は、非拡散面であり、
前記拡散手段は、前記拡散面が前記表示素子と対向するように配置されていることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の映像表示装置。 - 前記拡散手段の拡散方向に垂直な方向に前記光源からの光を集光して前記拡散手段に導く集光手段をさらに備え、
前記光源と前記光学瞳とは、前記拡散手段の拡散方向に垂直な方向において共役となる位置に配置されていることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の映像表示装置。 - 前記集光手段は、前記拡散手段の拡散方向に平行な方向には、光学的パワーが無いか負であることを特徴とする請求項10に記載の映像表示装置。
- 前記拡散手段の拡散方向に垂直な方向おける前記表示素子の画素の開口幅をVwとしたとき、以下の条件式(2)を満足することを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の映像表示装置;
tan1’≦Vw/f ・・・(2)
である。 - 前記光源から前記表示素子までの光路を折り曲げる光路折り曲げ部材をさらに備え、
前記拡散手段は、前記光路折り曲げ部材と前記表示素子との間の光路中に設けられていることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の映像表示装置。 - 前記光路折り曲げ部材は、屈折面と反射面とを有しており、前記光源からの光を前記屈折面で屈折させ、前記反射面で反射させた後、再度前記屈折面で屈折させて前記拡散手段に導くことを特徴とする請求項13に記載の映像表示装置。
- 前記接眼光学系は、体積位相型で反射型のホログラム光学素子を含み、
前記ホログラム光学素子は、前記表示素子からの映像光を回折反射させて前記光学瞳に導くことを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の映像表示装置。 - 前記ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学的パワーを有していることを特徴とする請求項15に記載の映像表示装置。
- 前記表示素子における表示領域の中心と前記光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、
前記拡散手段の拡散方向は、前記ホログラム光学素子の光軸入射面に垂直な方向と略平行であることを特徴とする請求項16に記載の映像表示装置。 - 前記光源は、発光ダイオードで構成されており、
前記ホログラム光学素子の回折効率がピークとなる波長と、前記光源から出射される光の強度がピークとなる波長とが略等しいことを特徴とする請求項15から17のいずれかに記載の映像表示装置。 - 前記接眼光学系は、前記表示素子からの映像光を内部で全反射させて前記光学瞳に導く一方、外光を透過させて前記光学瞳に導く第1の透明基板を有していることを特徴とする請求項1から18のいずれかに記載の映像表示装置。
- 前記接眼光学系は、前記第1の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第2の透明基板を有していることを特徴とする請求項19に記載の映像表示装置。
- 請求項1から20のいずれかに記載の映像表示装置と、
前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
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