JP6535456B2 - 映像投射装置及びヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、映像表示装置を用いてユーザの視界中へ映像を表示するヘッドマウントディスプレイに関するものである。

ゴーグル型や眼鏡型のヘッドマウントディスプレイを用いて所定の情報を表示する、いわゆるウェアラブルな情報表示装置の光学系構成について、各種方法が提案されている。

例えば特許文献１では、シーアラウンドさらにはシースルー機構を有しながらも小型・軽量で、外界視界が大きく、低消費電力で電子像の輝度が高く、使いやすい頭部装着型画像表示装置に関する方法が記載されている。

特開２００６−３８７９号公報

ウェアラブルデバイスとしてのヘッドマウントディスプレイは、装着した状態で、日常生活や保守点検などの作業を行うことを想定している。したがって、ヘッドマウントディスプレイがユーザの視界を遮ることの無いよう、高いシースルー機能と、作業中に視線が移動した際にも高品質なヘッドマウントディスプレイの映像を視認できる必要性ある。

更に前記シースルー機能に加えて、長時間駆動を実現する為の低消費電力、携帯性や装着性を高める為の小型化がユーザの利便性を高めるうえで重要である。

例えば特許文献１では、接眼窓保持部を構成する部材の使用者の視軸方向への投影断面の幅を４ ｍ ｍ 以下として、その接眼窓保持部材を人間の平均的な瞳孔径（ ４ ｍ ｍ ） よりも細くすることで、装置を視野内に配置しても外界を完全に遮ることがなく、シースルー効果が得られる点が記載されている。

しかし、使用者の視軸方向への投影断面の幅を瞳径と同じ４ｍｍとすると、視線移動で瞳が移動すると、瞳内へ信号光が入射しなくなり、視界中に投射された映像が見えなくなる又は一部に欠けが生じてしまうという課題がある。

本発明はこれらの課題に鑑みてなされたものであって、ヘッドマウントディスプレイの映像投射光学系において、視線が移動した際にも高品質な映像の視認が可能で、かつ小型で高いシースルー機能を有したヘッドマウントディスプレイを提供することを目的とする。

上記目的は、その一例として特許請求の範囲に記載する構成により達成できる。本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ユーザの視野内に映像を表示する映像表示装置であって、該映像表示装置は、映像を生成する映像生成部と、映像生成部に光を照明する照明部と、前記映像生成部で生成された映像をユーザの視野内に虚像として投射する投射部とを有し、前記投射部は、映像生成部からの信号光を瞳の方向へ折曲げるハーフミラー膜が形成されたプリズムと虚像を生成するレンズとが一体化されたプリズムレンズと、前記信号光の所定の領域の光を通過させる開口制限手段と、を備える映像表示装置である。

本発明によれば、ヘッドマウントディスプレイの映像投射光学系において、視線が移動した際にも高品質な映像の視認が可能で、かつ小型でシースルー機能を有した利便性の良いヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

本発明におけるヘッドマウントディスプレイの形態を表した概略図 映像表示手段の簡略図 開口制限手段を設けた映像表示装置の一例の簡略図 開口制限手段を設けた映像表示装置と画面端から出射する光線の簡略図 開口制限手段を設けた映像表示装置と画面端から出射する光線の簡略図 プリズムレンズを用いた映像表示装置の概略図 開口制限手段とプリズムレンズとを一体化した場合の映像表示装置の概略図 レンズとキューブ型プリズムとを透明接着して構成したプリズムレンズを用いた映像表示装置の概略図 反射型の液晶素子を用いた映像表示装置の光学系の概略図 マルチチップ光源と、小型の光積分器を用いた映像表示装置の概略図 調光性光学部材層を搭載した映像表示装置の構成の概略図 ヘッドマウントディスプレイのブロック図の一例を示した概略図 ヘッドマウントディスプレイの作業指示機能の様子を表した概略図

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。

本発明を適用した映像表示装置およびそれを備えたヘッドマウントディスプレイの実施形態の一例について、以下図面を用いて説明する。なお、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、各図において同じ作用を示す構成要素は、同じ符号を用いて示している。

図１は、本発明によるヘッドマウントディスプレイの第１の実施例の形態を表した概略図である。
ヘッドマウントディスプレイ１００はユーザの頭部１０１に装着し、外界が視認可能な状態でユーザの視野内の一部に映像を表示させる映像表示装置１０２を搭載した、シースルー型のヘッドマウントディスプレイである。ユーザの視野内の領域１０３に映像を表示する。また、ユーザの視野範囲の一部を撮影する撮影手段１０４を搭載している。

前記映像表示装置１０２は例えば、ヘッドマウントディスプレイ１００に搭載された液晶やデジタルマイクロミラーデバイス等に表示された映像を、レンズやホログラムや、光ファイバ等を用いた所定の光学手段によってユーザの視野内へ伝達し、ユーザの網膜上に結像させることで映像として認識させる構成であればよい。 前記撮像手段はカメラ等を用いればよい。

ヘッドマウントディスプレイは、装着した状態で、日常生活においてユーザへの簡易情報表示や、保守点検作業において作業指示の表示等の用途に用いることが期待されている。したがって、ヘッドマウントディスプレイには、ユーザの視界を遮ることの無いよう、高いシースルー機能や、視線が移動した際にも周辺まで高品質な映像が視認できる高い視認性、小型化による装着性向上が強く求められる。

図２（Ａ）（Ｂ）に、映像表示装置１０２の一例の簡略図を示す。光を発光する光源部及び照明部１１１と、映像を生成し画像を表示する映像生成部１１０と、映像生成部の虚像を生成するレンズ１１２とからなる。例えば照明部１１１はＬＥＤと拡散導光板とすればよい。また映像生成部には透過又は反射型の液晶やデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）などのマイクロディスプレイを用いればよい。レンズ１１２を出射した光はユーザの眼１０５へ入射し、瞳孔１１５から眼内へ光が取り込まれ網膜上に結像することで、ユーザは映像生成部１１０の虚像を視認することができる。

このとき図２（Ａ）に示すように、レンズ出射光の中心部１１３の光を瞳孔１１５に取込んだ場合、ユーザは虚像１１６の様な歪みが少なく解像度の高い映像を視認することができる。しかし、図２（Ｂ）の様にユーザの視線がずれた際や、ユーザの瞳孔に対して正しくヘッドマウントディスプレイが位置決めされなかった際には、収差成分の大きい領域の光１１４を瞳孔内に取込むこととなり、ユーザが視認する虚像１１６はボケて歪んだ像となり、画像品質が劣化する。

ウェアラブルデバイスとして重要な装着性の向上をヘッドマウントディスプレイで図るうえで小型軽量化が重要である。図２の用に単レンズ構成とすることで、光学系は簡素で小型、低コスト化が可能であるが、一方、前述のようにレンズ周囲では収差劣化が発生する為、視線移動等の際に、周囲の収差光成分を多く取り込む場合には、映像が劣化するという課題が避けられないという課題ある。

そこで、映像表示装置１０２を図３（Ａ）（Ｂ）の簡略図に示すような構成とすることで、収差光成分の多い周辺領域の光を瞳孔内に取込むことを抑制し、ユーザが視線を移動した際にも、周辺まで高画質な映像を視認できるヘッドマウントディスプレイとすることができる。

図３（Ａ）にはレンズ１１２の周囲に開口制限手段として遮光帯１１７を設けた映像表示装置の一例の簡略図を示している。遮光帯により収差光成分の多い周辺領域の光１１４を瞳孔内に取込むことを抑制し、ユーザが視線を移動した際にも、より中心に近い領域の光１１３のみを瞳孔１１５に取込むことができ、周辺まで高画質な映像を視認できる。

図３（Ｂ）には独立した遮光帯は設けずに、レンズ１１２の口径を制限することで、レンズと開口制限手段を一体化した例を示している。レンズ入射面の端面部によって、レンズへの光の入射領域を制限する構成となっている。レンズ外形で制限した際は、レンズ端面１１８での光の反射による、迷光の発生を抑制する為に、端面を砂擦り状にし、かつ黒塗りすることで内面の反射を抑制するとよい。

しかし、図３に示した構成のように、単純に周囲を遮光しただけでは、以下に述べるような課題が新たに生じる為、ユーザの視線の移動量を踏まえた遮光幅とする必要がある。図４及び図５に開口制限手段として遮光帯１１７を設けた映像表示装置の一例の簡略図を示した。図３と異なるのは図４では映像生成部１１０の画面の端の画素から出射した光がユーザの瞳孔１１５へ到達するまでの光の経路を示している点である。図４（Ａ）では視線は正面視軸方向を向いている。この時は映像生成部１１１の画面の端の画素から出射した光１２０はユーザの瞳孔１１５へ入射している領域があり、ユーザは画面の端まで視認することができる。しかし、図５のようにユーザが視線を動かした際は、映像生成部１１１の画面の端の画素から出射した光１２０はユーザの瞳孔１１５へ入射しない。したがって、ユーザは画面の端まで虚像を視認することができず、画面が見切れている状態となる。

ヘッドマウントディスプレイの映像表示装置の投射部は、一般的にレンズの中心部を通った光は収差が小さく、周辺部を通る光線ほど収差成分が大きくなる。したがって、なるべく不要な周囲の光は瞳孔へ透過しない構成としつつ、ユーザが作業中に高い頻度で視線を動かす範囲は確保できるよう開口制限手段の開口サイズを決定する必要がある。また、その範囲以内において、レンズ形状を非球面化し、収差を抑制する必要がある。

そこで、開口制限手段の開口サイズまたはレンズと開口制限手段を一体化しレンズ外形で開口を制限する場合はレンズサイズをＳとし、レンズから瞳孔までの空気中換算した光軸長をＬとし、瞳孔のサイズをΦとし、映像生成部１１０の画面の端の画素から出射した光１２０の正面視軸方向に対する角度をＦＯＶとし、視線の移動による視軸の傾き角度をθとし、眼球１０５のサイズをＤとし、視線の移動による瞳孔中心の移動量をΔと表すこととする。前記ＦＯＶは虚像の画角（半角）に相当する量である。

このとき、前記Δは式（１）の様に書くことができる。

Δ＝（Ｄ／２）Ｓｉｎθ 式（１）

視線を傾ける前の正面視野の水平又は垂直方向に射影した際の瞳孔の大きさをΦＰとすると、ΦＰは式（２）のように書くことができる。

ΦＰ＝Φ×Ｃｏｓθ 式（２）

画面の端の画素から出射した光１２０の視線を傾ける前の正面視野の水平又は垂直方向に射影した際の、有効領域の端の位置ＯＥとし、瞳孔の端の部分の位置をＰＥとすると、ＯＥがＰＥよりも大きければ、画面の端の画素から出射した光１２０が、ユーザの瞳孔内に取込まれ、ユーザは画面の端まで視認をすることができる。（図５において紙面の上方向を正、下方向を負として符号をつけた場合。）
ここで、前記ＯＥは式（３）のように書くことができる。

ＯＥ＝Ｓ／２―Ｌ×Ｔａｎ（ＦＯＶ） 式（３）

次に前記ＰＥは式（４）のように書くことができる。

ＰＥ＝Δ―ΦＰ／２ 式（４）

したがって、以下の式（５）の条件を満たすような開口制限手段の開口サイズＳとしたときに、ユーザは画面の端まで視認をすることができる。

Ｓ／２―Ｌ×Ｔａｎ（ＦＯＶ）＞Δ―ΦＰ／２ 式（５）

変形することで式（６）をみたす開口サイズＳとすればよい。

Ｓ＞２Δ―ΦＰ＋２Ｌ×Ｔａｎ（ＦＯＶ） 式（６）

式（６）に記載の通り、開口サイズＳは虚像の画角ＦＯＶによって変わる。したがって、虚像の水平方向と垂直方向で必要な開口サイズＳは変化するので、視野の水平／垂直に相当する方向の開口サイズＳが夫々異なった形状とした映像表示装置とすればよい。

ここで、さらに眼球サイズ等の平均的な数値を用いて式（６）を具体化する。平均的な眼球のサイズは２３ｍｍ、瞳孔サイズは３〜４ｍｍ、ヒトが分解能良く注視できる領域の画角は２０°〜３０°（全角）とされ、この範囲内で視線が動くものと考えることとする。

そこで、視線移動時も画面の視認できるヘッドマウントディスプレイとするには、画面に欠けが生じない視野移動の範囲を狭く設定した場合のＤ＝２３ｍｍ、Φ＝３ｍｍ、θ＝１０°と、視野移動の範囲を広くとることを優先して場合の、Ｄ＝２３ｍｍ、Φ＝３ｍｍ、θ＝１５°の範囲内で開口サイズＳを設定する必要がある。この条件は式（７）の様に表すことができる。

１．０４＋２Ｌ×Ｔａｎ（ＦＯＶ）＜Ｓ＜３．０６＋２Ｌ×Ｔａｎ（ＦＯＶ） 式（７）

前記式（７）の範囲を満たすような開口サイズＳを持った開口制限手段を設けることで、視線が移動した際にも画面に欠けが生じることなく、かつ収差の大きな周辺部光の瞳への取込みを抑制することで、視線が移動した際にも、高画質な映像をユーザに視認させることができる。これは、視野の水平及び垂直方向において夫々成り立つ関係式である。

次に、映像表示装置の多様な構成例について、詳しく説明する。図６はプリズムレンズを用いた映像表示装置の概略図である。瞳の前に光路を折り曲げる反射面を設けた構成とすることで、ユーザの顔の横方向から投射する構成とすることができ、装着性を高めることができる。具体的には、ハーフミラー膜１３０をもったプリズムレンズ１３１を設ければよい。入射面１３２はレンズ１１２と同様のレンズ機能を持っており、かつプリズム部と一体成型された構成とすればよい。開口制限手段１１７及び入射面１３２を通過した光はハーフミラー膜１３０で光路が折り曲げられ、ユーザの瞳へ入射する。また、プリズムの反射膜はハーフミラー膜とすることで、プリズム越しに外界の視認も可能となり、ヘッドマウントディスプレイの映像表示装置にシースルー性を持たせることができる。

開口制限手段の開口サイズＳ、瞳孔のサイズをΦとし、映像生成部１１０の画面の端の画素から出射した光１２０の正面視軸方向に対する角度ＦＯＶ、視線の移動による視軸の傾き角度θ、眼球サイズＤは図５を用いて説明した部分と同様の考え方をすればよい。

ただし、光軸長Ｌはプリズムレンズ入射面１３２から瞳孔１１５までの光軸上の長さとなる。瞳孔からプリズムまでの距離をＬＥ、プリズム内部を通過する光軸長部分をＬ’とする。プリズム屈折率ｎを用いてＬ’／ｎとして空気中の光軸長へ換算して、前記ＬＥとＬ’／ｎの和が光軸長Ｌとすればよい。これらを用いて式（７）の範囲となるよう開口サイズＳを決めればよい。

図７は開口制限手段とプリズムレンズ１３１の入射面１３２とを一体化した場合のプリズムレンズを用いた映像表示装置の概略図である。前記プリズムレンズ入射面の端面部によって、プリズムレンズへの光の入射領域を制限する構成となっている。レンズと開口制限手段を一体化しているので、レンズ外形サイズＳを式（７）で示した範囲内となるようにすればよい。レンズ外形で制限した際は、プリズムレンズ端面での光の反射による、迷光の発生を抑制する為に、端面を砂擦り状にし、かつ黒塗りすることで内面の反射を抑制するとよいが、シースルー性を維持する為には、正面視軸方向に垂直な端面は光学鏡面とし、視野垂直方向に垂直な端面は砂擦り状かつ黒塗りとする。図７の構成により、開口制限を独立して設ける必要が無く安価で、かつ迷光の発生を抑制した構成とすることができる。

図８はレンズ１４０とキューブ型プリズム１４１とを接着面１４２で透明接着して構成したプリズムレンズ１３１を用いた映像表示装置の概略図である。レンズとプリズムを一体成型せずに、夫々物の部品として製造し貼り合せることで、複雑な形状での高精度な成型が難しいガラスにいてもプリズムレンズを製造することができる。レンズ部もプリズムの外形にあわせて、四角形にカットした構成とすればよい。プリズムレンズにガラスを用いることで温度による特性の変化を抑制でき、信頼性を向上できる。

前記の図６乃至８の光学系においても、これまでと同様の考え方ができ、式（７）を満たすよう開口制限手段の開口サイズ又はプリズムレンズ入射面のサイズＳを決定すれば、視野を移動した際も映像が視認できかつ、不要な周辺部の光を瞳孔内に取込むことが無いので、画像の劣化を抑制することができる。

前記の式（７）における光軸長Ｌおよび画角ＦＯＶについての一般的な値について、以下に記載する。まず光軸長Ｌの要素である瞳からプリズムまでの距離はユーザが眼鏡等を装着している場合も考慮して２０ｍｍ〜２５ｍｍ程度とするのが望ましい、加えてプリズムレンズ内の光軸上の厚みは１０ｍｍ〜１５ｍｍ程度であり、市場への供給量の大きい安価な光学ガラス又はプラスチックの屈折率は１．５程度である。したがって、光軸長Ｌは３０ｍｍ程度となるのが一般的である。

視界中の画面が小さすぎると、文字等を表示した際に読むことが難しくなる。一方で、画面が大きすぎると、視界の中で邪魔になる点や、映像表示装置自体が大きくなってしまい、装着性が損なわれる。そこで画角ＦＯＶは画面水平方向が６〜９°（ＦＯＶ−Ｈ）、水平方向で３〜６°（ＦＯＶ−Ｖ）程度となるのが一般的である。（画角ＦＯＶは半角を表しているので、視野全体では、前記した値の倍にあたる画角に画面が表示される。）したがって、Ｌを３０ｍｍとし、ＦＯＶを前記の条件において２Ｌ×Ｔａｎ（ＦＯＶ）の値は水平方向が式（８）、垂直方向が式（９）の範囲となる。

６．３１＜２Ｌ×Ｔａｎ（ＦＯＶ−Ｈ）＜９．５０ 式（８）
３．１４＜２Ｌ×Ｔａｎ（ＦＯＶ−Ｖ）＜６．３１ 式（９）

前記の式（８）及び式（９）の範囲内で式（７）へ代入すると、開口制限手段の開口サイズＳは画面水平及び垂直に相当する方向で、夫々、式（１０）及び式 （１１）に範囲とする必要がある。

７．３５＜Ｓ（水平）＜１２．５６ 式（１０）
４．１８＜Ｓ（垂直）＜９．３７ 式（１１）

以上の様に、ユーザの視線が動いた際にも、周辺まで高画質な映像表示が可能な映像表示装置を提供するには、前記開口制限手段の開口サイズまたは、プリズムレンズと開口制限手段が一体化されている場合は、プリズムレンズ入射面１３２のサイズが、画面水平方向に相当する方向（図６乃至８では、正面視軸方向）では式（１０）の範囲となり、画面垂直方向の相当する方向（図６乃至８では、視野垂直方向）では式（１１）の範囲となるようにすれば良い。

また、開口サイズの範囲内を透過する光線の収差を抑える為にプリズムレンズ入射面１３２の形状を非球面形状とするとよい。特に、周囲の光線は球面レンズでは屈折により光線が中心部よりも大きく曲がってしまう為、これを抑制する為に、前記プリズムレンズ入射面１３２のレンズ面形状は非球面形状の凸レンズであり、レンズ中心部の曲率よりも、周辺部の曲率が小さくなる構成とすればよい。

また、前記映像生成部で生成された映像を出射する出射部と、前記映像生成部から出射した映像が入射する前記投射部の入射部１３２の間は信号光が空気中を伝送される構成とするとよい。透明でプリズムレンズの視野垂直方向のサイズよりも小さい支持部（図示せず）で投射部のプリズムレンズを保持することで、ユーザの視界を遮る構造／光学部材を抑制でき、シースルー性を向上できる。

以上、ユーザの視野内に映像を虚像として表示する映像表示装置であって、該映像投射表示装置は、映像を生成する映像生成部と、映像生成部に光照明する照明部と、前記映像生成部で生成された映像をユーザの視野内に虚像として投射する投射部とから成り、前記投射部は、虚像を生成するレンズと映像生成部からの信号光を瞳の方向へ折曲げるハーフミラー膜が形成されたプリズムが所定の手段により一体化されたプリズムレンズと、前記プリズムレンズ部入射面に設けられ、映像生成部からの信号光の所定の領域の光を通過させる開口制限手段を備えたことを特徴とする映像表示装置により、視線が移動した際にも高品質な映像の視認が可能であって、かつシースルー機能を有した利便性の良いヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

第２の実施例について図９用いて説明する。これまで映像生成部１１０として透過型の液晶を想定した構成で説明をしてきたが、本実施例では、映像生成部１１０として反射型の液晶素子を用いている。図９に反射型の液晶素子を用いた映像表示装置の光学系の一例の概略図を示す。反射型の液晶素子を用いた場合には偏光選択性のビームスプリッタ１５０を用いて照明部１１１からの照明光と瞳孔への投射光を分離する構成とすればよい。映像表示装置のその他の部分は第１の実施例と同様の構成とすればよい。映像生成部を反射型の液晶素子とすることで光の利用効率が高まり、省電力なヘッドマウントディスプレイを提供することができる。また、映像を生成する機能を持っていれば、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）等のマイクロディスプレイへ変更してかまわない。これらは一例であり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

以上の構成による映像表示装置を搭載することで、視線を移動した際にも周辺まで高画質な映像の視認が可能でかつ省電力で明るいヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

第３の実施例について図１０用いて説明する。本実施例では、映像生成部に反射型液晶を搭載し、照明部に複数の光源を１個の筐体に搭載したマルチチップ光源１５１と、各チップ光源からの光の混色性及び均質性を高める小型の光積分器を用いた映像表示装置について説明する。映像表示装置のその他の部分は第１の実施例と同様の構成とすればよい。

ヘッドマウントディスプレイの映像表示装置に、赤、緑、青の３色の光源を時間分割しカラー化するフィールドシーケンシャルカラー（以下、ＦＳＣ）方式を用いる場合、混色性と均質性の高い３色の光線を、映像表示装置内に搭載された映像生成部に照明しなければならない。そこで、複数の光源を１個の筐体に搭載したマルチチップ光源を搭載した映像表示装置の照明部を小型化するため、混色性と均質性を高める小型の光積分器１５２を搭載する。

光源１５１は、赤、緑、青の波長帯の光を出射する赤チップ１５３、緑チップ１５４、青チップ１５５が１個の筐体内に搭載されたマルチチップ光源である。なを、赤、緑、青のチップの配置は図示したものに限定されるものではなく、自由に変更して構わない。

光積分器１５２は、四角柱の形状をしており、その内部は所定の透明度の高い媒質Ａで満たされている。また、光積分器１５２は、入出射面１５６、１５７と、ＴＩＲ側面１５８乃至１６１がある。

入出射面１５６、１５７は、光が入射する面、または出射する面である。

スネルの法則より、臨界角より大きい光線は屈折率の高い媒質から屈折率の低い媒質へ進行できず、全反射（Ｔｏｔａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ以下ＴＩＲと記す）することが知られている。ＴＩＲ側面１５８乃至１６１は、入出射面１５６、１５７から入射した光をＴＩＲにて閉じ込める機能を有する面である。

光積分器１５２の内部には、媒質Ａとは異なる屈折率の透明度の高い媒質Ｂで満たされた散乱粒子１６２がランダムに充填されている。前記スネルの法則に従い、光線は、屈折率の異なる媒質を通過するときに、入射する角度とは異なる角度で出射する。散乱粒子１６２は、その原理を用い、進行する光線の角度を変更させることで散乱させる機能を有する。 散乱粒子は、球状、またはその他の形状でも構わない。

光積分器１５２から出射した光は集光レンズ１６３および１６４によって集光され、所定の偏光方向の光だけを透過する偏光フイルム１６５を通過した後に、偏光性ビームスプリッタ１５０へ入射する。光は偏光性ビームスプリッタ内の偏光選択性の反射面１６６で反射した後に、波長板機能付きミラー１６７によって、偏光軸が約９０°回転されて反射され再び偏光性ビームスプリッタ１５０を通過した後に、映像生成部１１０を照明する。前記光積分器からの光で照明された映像生成部１１０の虚像を実施例１に記載のアイプリズム１３１によってユーザの視界の中に投射する。

前記光積分器を用いることで、光を閉じ込めつつ拡散することができ、マルチチップ光源からの光を効率よく混色し均質化することができ、小型で高効率な映像表示装置１００の照明部１１１を提供することができる。また、映像生成部にＦＳＣ方式のマイクロディスプレイを採用することで、赤、緑、青の３色の画素を夫々設ける必要が無く、高解像度化及び高効率化を図ることができる。

以上の様に、映像生成部に反射型液晶を搭載し、照明部に複数の光源を１個の筐体に搭載したマルチチップ光源１５１と、各チップ光源からの光の混色性及び均質性を高める小型の光積分器を用いた映像表示装置とすることで、視線が移動した際にも高品質で高解像度な映像の視認が可能であって、かつ小型高効率でシースルー機能を有したヘッドマウントディスプレイを提供することができるという利点がある。

第４の実施例について図１１用いて説明する。本実施例では、屋外でヘッドマウントディスプレイを使用する際に、高コントラストな映像で情報を表示することができる。

図１１は本実施例におけるヘッドマウントディスプレイに搭載する映像表示装置の構成の概略を示した図である。映像表示装置の構成は実施例１で記載した構成と虚像を生成する部分に関しては同様で構わない。第１の実施例と異なる点は、プリズムレンズ１３１に、外光に応じて発色する調光性光学部材層１７０が設けられていることである。

前記調光性光学部材は、太陽光や紫外線によって色が変わる調光性（フォトクロミック性）をもつ光学部材とすればよい。紫外線のエネルギーによって発色し、可視光や熱のエネルギーにより退色するという機能をもつ。したがって、屋内にいるときは透明であり、外に出て太陽光による強い紫外線に晒されると発色してサングラスの様になり、光をカットすることができる。

また、前記調光性光学部材層１７０は、液晶を使った電子式の光量調節機構を設けたものとしても良い。

シースルー性の高いヘッドマウントディスプレイを太陽光によって非常に明るい屋外環境で使用すると、表示画面の明るさが不足し、暗く感じられ視認性が低下する。すなわち周囲環境輝度に対する表示画面輝度のコントラストが低下しているということである。そこで、前記調光性光学部材層をクリア光学ブロックの顔の前後に相当する方向に垂直でかつユーザの瞳から遠い側の垂直面側に設けることで、太陽光の強い屋外においては周囲環境の光を一定量カットすることでヘッドマウントディスプレイの表示画面のコントラストを高め視認性を向上することができる。屋内の輝度の低いところにおいては、調光機能により前記調光性光学部材層は透明となり、輝度の小さい環境でのシースルー性を確保することができる。以上の構成により、屋外においても高コントラストで視認性の高いヘッドマウントディスプレイを提供することができるという利点がある。

図１２は、第１及至第４の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１００のブロック図の一例を示した概略図である。１００はヘッドマウントディスプレイ、２０１はヘッドマウントディスプレイ１００全体を制御するコントロール部、１０４は撮像手段、１０３は映像表示装置、２０２は電源供給手段、２０３は記憶媒体、２０４はセンサ入出力部、２０５はセンシング手段、２０６は通信手段、２０７は通信入出力部、２０８はマイクやイヤホンに相当する音声入出力部、２０９は音声処理手段である。

なお制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。

通信手段２０６は、通信入出力部２０７を介したネットワークとの接続を無線通信により行う。例えば、ヘッドマウントディスプレイ１００が直接インターネット等の基地局に接続して情報を取得する構成とすることや、少なくとも撮像部及び表示制御部を備えたヘッドマウントディスプレイとして、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉｆｉ（登録商標）、ＵＨＦ、ＶＨＦなどの近距離/遠距離無線通信により別筐体の情報端末（スマートフォンやタブレット型端末、ＰＣ等）と通信を行い、インターネット等との接続と主な処理を前記情報端末が行うような構成としてもよい。

またセンシング手段２０５としては、傾斜センサや加速度センサなどユーザの体勢や向き、動きを検出するもの、視線センサや温度センサなどユーザの身体状態を検出するもの、ＧＰＳセンサによるユーザの現在位置の検出、感圧センサや静電容量センサなどユーザの指示入力を検知する入出力Ｉ／Ｆとして用いられるもの、近接センサによるユーザの装着の有無の検知など、複数のセンサを搭載可能である。

図１３にヘッドマウントディスプレイの作業指示機能の様子を表した概略図を示す。ＧＰＳセンサによる位置情報の取得と、撮像手段による周囲の風景の検出及び認識により、前記映像表示装置を通じてユーザへ拡張現実（ＡＲ）として、例えば保守点検などの作業において、視界の中の点検個所を指し示すように案内する矢印２２０等をＡＲとして表示させることが可能である。

前記した構成を備えたヘッドマウントディスプレイとすることで、小型かつ軽量で装着性及び携帯性が高く、さらに、ユーザの視界を遮ることが無いシースルー機能を有し、高品質な映像表示ができるヘッドマウントディスプレイとすることができる。

以上、本発明に従う映像表示装置及びそれを用いたヘッドマウントディスプレイの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良や変形を行うことができる。つまり、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００…ヘッドマウントディスプレイ
１０１…ユーザ
１０２…映像表示装置
１０３…映像表示範囲
１０４…撮像手段
１０５…眼球
１１０…光源部
１１１…映像生成部
１１２…レンズ
１１５…瞳孔
１１７…開口制限手段
１３１…プリズムレンズ
１４０…レンズ
１４１…キューブ型プリズム
１５１…偏光性ビームスプリッタ
１５１…光源
１５２…光積分器
１７０…調光性光学部材層
２０１…コントローラ
２０２…電力供給手段
２０３…記憶媒体
２０４…センサ入出力部
２０５…センシング手段
２０６…通信手段
２０７…通信入出力部
２０８…音声入出力部
２０９…音声処理手段

Claims (10)

1. ユーザの視野内に映像を表示する映像表示装置であって、
   該映像表示装置は、
   映像を生成する映像生成部と、
   映像生成部に光を照明する照明部と、
   前記映像生成部で生成された映像をユーザの視野内に虚像として投射する投射部とを有し、
   前記投射部は、
   映像生成部からの信号光を瞳の方向へ折曲げるハーフミラー膜が形成されたプリズムと虚像を生成するレンズとが一体化されたプリズムレンズと、
   前記プリズムレンズに設けられ、前記信号光の所定の領域の光を通過させる開口制限手段と、
   を備え、
   前記レンズのレンズ面形状は非球面形状の凸レンズであり、レンズ中心部の曲率よりも、周辺部の曲率が小さくなっている映像表示装置。
2. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   前記開口制限手段は、
   前記プリズムレンズのレンズ入射面のうちの周辺領域に設けられた光を遮光する遮光帯であること
   を特徴とする映像表示装置。
3. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   前記開口制限手段は、
   前記プリズムレンズの前記レンズの端面を、砂面でかつ黒く塗装されたものとすることにより構成されていることを特徴とする映像表示装置。
4. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   前記開口制限手段は、
   視野垂直方向に垂直に配置されたプリズムレンズの端面を、砂面でかつ黒く塗装されたものとすることにより構成されており、
   視軸方向に垂直に配置されたプリズムレンズの端面は光学鏡面であること、
   を特徴とする映像表示装置。
5. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   虚像画面の水平又は垂直方向の画角をＦＯＶ、
   前記開口制限手段の画面水平又は垂直方向に相当する方向の開口サイズをＳ［ｍｍ］、
   前記レンズのレンズ面から瞳孔までの光軸長をＬ［ｍｍ］、
   としたとき、前記開口サイズＳは、
   １．０４＋２Ｌ×Ｔａｎ（ＦＯＶ）＜ Ｓ ＜３．０６＋２Ｌ×Ｔａｎ（ＦＯＶ）
   の範囲内にあることを特徴とする映像表示装置。
6. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   前記開口制限手段の画面水平方向に相当する方向の開口サイズは、
   ７．３５ｍｍから１２．５６ｍｍの範囲にあって
   前記開口制限手段の画面垂直方向に相当する方向の開口サイズは、４．１８ｍｍから９．３７ｍｍの範囲にあることを特徴とする映像表示装置。
7. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   画面水平方向に相当する方向の前記レンズの入射面の開口サイズは、
   ７．３５ｍｍから１２．５６ｍｍの範囲にあって
   画面垂直方向に相当する方向の前記レンズの入射面の開口サイズは、４．１８ｍｍから９．３７ｍｍの範囲にあることを特徴とする映像表示装置。
8. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   前記照明部には、
   光を拡散させる光積分器であって、
   該光積分器は、光を入射する入射面と、前記光を出射する出射面と、前記入射面と前記出射面とをつなぐ側面があり、
   前記光積分器の内部は、所定の屈折率を持つ材質である導光部材で満たされており、
   該導光部材は、前記入射面と前記出射面との間に、前記導光部材中を伝播する前記光を散乱させる散乱粒子を含有し、
   前記光は、前記入射面側から前記出射面方向へ前記導光部材の内部で散乱されながら伝播すると共に、
   前記散乱された散乱光の少なくとも一部が前記側面で反射され、
   前記出射面へと導光される光積分器を備えたことを特徴とする映像表示装置。
9. 請求項１に記載の映像表示装置であって、
   前記映像生成部は生成された映像を出射する出射部を備え、
   前記投射部は、前記映像生成部から出射した映像が入射する入射部を備え、
   前記映像生成部の前記出射部と前記投射部の前記入射部の間は映像が空気伝送されることを特徴とする映像投射装置。
10. 請求項１に記載の映像表示装置と、
    ユーザの視界方向を撮影する撮像手段と、
    電源を供給する電源供給手段と、
    情報を記録する為の記憶媒体と、
    ユーザの位置や姿勢を検出する為のセンシング手段と、
    外部機器と通信する為の通信手段と、
    マイクやイヤホンで音声の入出力を行う音声処理手段と、
    装置全体の制御を行うコントロール部とを搭載したヘッドマウントディスプレイ。

Images