JP6697559B2 - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本願には、２０１７年１０月２４日に出願した「頭部装着型表示装置」と題する第２０１７１１００２５６４９号中国特許出願の全体が参照により組み込まれる。

本発明は、仮想現実（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ）の技術に関し、特にその技術を用いた頭部装着型表示装置に関する。

ＶＲ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｒｅａｌｉｔｙ、仮想現実）技術は、仮想世界を創り出し体験することが可能なコンピューターシミレーションシステムのことである。このシステムにおいて、使用者に多種の情報を融合した３次元ダイナミック画像と実体行為のシステムシミレーションを堪能できるモデル環境はコンピューターによって生成される。技術の進展に伴い、ＶＲ技術を用いた頭部装着型表示装置は、ゲーム、不動産、旅行などの分野で幅広く使用されている。

携帯電話のスクリーンをディスプレーとするＶＲ頭部装着型表示装置においては、現状では、携帯電話のスクリーンのサイズ（２〜５インチ）の関係で、ＶＲ頭部装着型表示装置のサイズが制限され、小型化しにくいため、長期間装着及び携帯する場合不便である。一方、マイクロ表示デバイスをディスプレーとするＶＲ頭部装着型表示装置においては、マイクロ表示デバイスのサイズ（１インチ以下）の関係でＶＲ頭部装着型表示装置の視野角が制限されるため、使用者の体験満足度が低下する。
従って、ＶＲ頭部装着型表示装置のサイズの縮小と視野角の拡大を両立させることが、解決すべき技術的課題である。

本発明では、サイズの縮小と同時に視野角を効果的に拡大することが可能な頭部装着型表示装置を提供する。

本発明では以下の頭部装着型表示装置を提供する。
すなわち、本発明の頭部装着型表示装置は、同軸に順次、第一正レンズ、第二正レンズ及びマイクロ表示デバイスが設けられ、
上記第一正レンズの入光面は上記第二正レンズの出光面に隣接し、上記第二正レンズの入光面は前記マイクロ表示デバイスに隣接し、
上記第二正レンズの出光面は凸面フレネル面で、上記第一正レンズの入光面は平面フレネル面である。
上記第一正レンズの出光面は平面回折面とすることができる。
また、上記第二正レンズの入光面は凹非球面とすることができる。
上記マイクロ表示デバイスのディスプレーの中心点から、上記第一正レンズの出光面の中心点までの距離ＴＴＬは１８ｍｍ以下とすることが好ましい。

上記第一正レンズの中心点から人の目までの距離Ｔ０は０．７ＴＴＬ＜Ｔ０＜０．８ＴＴＬ、上記第一正レンズの中心厚さＴ１は０．１ＴＴＬ＜Ｔ１＜０．２ＴＴＬ、の関係を満たすことが好ましい。
上記第二正レンズの中心厚さＴ２は０．２ＴＴＬ＜Ｔ２＜０．３ＴＴＬの関係を満たすことが好ましい。
上記装置の焦点距離Ｆは０．８ＴＴＬ＜Ｆ＜０．９ＴＴＬの関係を満たすことが好ましい。
上記第一正レンズの入光面のフレネル曲率半径Ｒは、−２Ｆ＜Ｒ＜−Ｆの関係を満たすことが好ましい。
上記第一正レンズの焦点距離Ｆ１は、Ｆ１＜２Ｆ、上記第二正レンズの焦点距離Ｆ２はＦ２＞２Ｆ、の関係を満たすことは好ましい。

上記第一正レンズの屈折率ｎ１と分散ｖ１は、１．５＜ｎ１＜１．５５、５５＜ｖ１＜６０、前記第二正レンズの屈折率ｎ２と分散ｖ２は １．５＜ｎ２＜１．５５、５５＜ｖ2＜６０、の関係を満たすことが好ましい。

本発明では、２つの正レンズが用いられた、頭部装着型表示装置の接眼レンズを通じてマイクロ表示デバイスから表示される虚像を視認させる。ここで、マイクロ表示デバイスに隣接する第二正レンズの出光面は凸面フレネル面で、そこに屈折されたスクリーン光をサイド光線に変えて、人間の目に隣接する第一正レンズの入光面に屈折させることが可能である。該第一正レンズの入光面は平面フレネル面で、第二正レンズから屈折されたスクリーン光を整形し、そして設定された角度より人間の目に屈折させることが可能である。上記の構成では、接眼レンズとマイクロ表示デバイスの整合性により、短い軸方向距離及び約９０°の視野角に達することから、頭部装着型表示装置のサイズを縮小すると同時に視野角を効果的に拡大することが可能となる。

本発明の実施例もしくは既存技術の技術案をより明白に説明するために、以下では実施例もしくは既存技術を示す図面に基づき簡単に説明する。無論、以下の図面は本発明の実施例であり、本分野における当業者は、創作活動をすることなく、以下の図面に基づき他の関連図までも把握することができる。
本発明の実施例の頭部装着型表示装置の構成を示す図である。 本発明の実施例の頭部装着型表示装置におけるディスプレーの限界解像度によるＭＴＦ曲線である。 本発明の実施例の頭部装着型表示装置におけるディスプレーの１／２限界解像度によるＭＴＦ曲線である。 本発明の実施例の頭部装着型表示装置における光学フィールド曲率と歪みの一例を示した図である。 本発明の実施例の頭部装着型表示装置の点列図である。 本発明の実施例の頭部装着型表示装置のシステム色収差曲線の一例を示した図である。

本発明の目的、技術案及びメリットをさらに明白にするために、以下では本発明における具体的な実施例及び対応する図面を用いて、本発明の技術案に対し明確及び総括的に説明する。無論、その実施例は単なる一例であり、本発明における実施例の全部ではない。また、本分野における当業者が、創作的な活動によらず、本発明の実施例に基づき想到した他の実施例は全て、本発明により保護されることになる。
図１は、本発明の実施例の頭部装着型表示装置の構成を示す図である。図１に示す通り、該装置は以下のような構成となっている。

同軸に順次、第一正レンズ１１、第二正レンズ１２及びマイクロ表示デバイス１３が設けられる。ここで、第一正レンズ１１の入光面Ｓｉ１は第二正レンズの出光面Ｓｅ２に隣接し、第二正レンズ１２の入光面Ｓｉ２はマイクロ表示デバイス１３に隣接する。

ここで、マイクロ表示デバイス１３は有効な表示面積が１インチ以下であり、例えば、ＬＣｏＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ、シリコン液晶）、ＯＬＥＤ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ、有機発光ダイオード）等である。このような表示デバイスは通常サイズと重さに利点を有し、好適に用いれば頭部装着型表示装置のサイズを縮小すると同時に視野角を効果的に拡大することが可能となる

上記構成では、マイクロ表示デバイス１３より画像が表示される際に発するスクリーン光は、第二正レンズの入光面Ｓｉ２を介して第二正レンズの出光面Ｓｅ２に入射する。そしてＳｅ２よりサイド光線に変えられて第一正レンズの入光面Ｓｉ１で屈折し、さらにＳｉ１より整形されてから設定された角度で人間の目に屈折される。これにより、人間の目から、マイクロ表示デバイス１３に表示された画像を視認可能となる。

ここで、第二正レンズ１２の出光面Ｓｅ２は凸面フレネル面である。Ｓｅ２は大きな角度で光を屈折できるため、マイクロ表示デバイス１３から発した発散角度の大きい光線を、大きな入射高度及び小さな発散角度で第一正レンズ１１の入光面Ｓｉ１に入射させることが可能となる。これにより、Ｓｉ１に入射したエッジ光線及び主光線は、大きな発散角度及び小さな入射高度で人間の目に入射するため、視野角を拡大する目的が達成される。

好ましい実施形態では、第一正レンズ１１の出光面Ｓｅ１は平面回折面でも良い。該平面回折面には一定の数のスリットがエッチングされる。各スリットの幅は１〜２μｍ前後で良い。該回折面は、屈折面と光の焦度を互いに補い合うことができるため、システム全体の色収差の低下及び結像鮮明度の向上が可能となる。

好ましい実施形態では、第二正レンズ１２の入光面Ｓｉ２は凹非球面でも良い。一方、Ｓｉ２を凹面に設計することにより、第二正レンズ１２は高効率で光を集中できるため、マイクロ表示デバイス１３から発したスクリーン光のほとんどを、可能な限り接収し、送ることができる。一方、凹非球面の曲率半径は中心からエッジまで所定の変化が連続して発生するため、各出射光線の方向が正確に制御されるため、屈折した光線が第二正レンズ１２の出光面Ｓｅ２の目標位置に到着することが保証される。

本実施例の好ましい形態として、マクロ表示デバイス１３から発したスクリーン光線の屈折度需要を確定してから、逆設計を行い、曲率半径が変化する凹非球面Ｓｉ２を得ることも可能である。好ましい実施形態では、加工及び検出の利便性を保証するために、Ｓｉ２の面型を偶数回非球面に設計しても良い。以下の偶数回非球面方程式に従い、Ｓｉ２の面型を設計しても良い。

ここで、ｚは光軸の方向に沿う座標で、ｒはレンズの高さ方向に沿う縦座標である。ｃは非球面の中心点の曲率に関する二次項の係数で、ｃ＝１／ｒ０、ｒ０は非球面中心点の曲率半径である。ｋは円錐の係数で、ｋ＝−ｅ^２である。ａ_ｉは各偶数次項の係数である。好ましい形態として、本実施例を実際に設計する際、Ｎ＝４、即ち偶数次項を最大８乗にしても良い。

好ましい形態として本実施例では、Ｓｉ２の面型を奇数回非球面に設計しても良い。以下の奇数回非球面方程式に従い、Ｓｉ２の面型を設定しても良い。


ここで、β_ｉは各奇数次項の係数である。

図１に示す通り、マイクロ表示デバイス１３のディスプレーの中心点から第一正レンズ１１の出光面Ｓｅ１の中心点までの距離をＴＴＬ（ｔｏｔａｌ ｔｒａｃｋ ｌｅｎｇｔｈ、光線追跡長さ）とする。本実施例の頭部装着型表示装置において、第一正レンズ１１と第二正レンズ１２に強い屈折力があるため、ＴＴＬは１８ｍｍ以下になりうる。既存の頭部装着型表示装置に対し、本実施例におけるＴＴＬは小さく、頭部装着型表示装置のサイズが大幅に縮小されるため、携帯する場面での利便性が大幅に向上する。

図１に示す通り、使用者は本実施例の頭部装着型表示装置を装着した状態では、目は光学システムにおいて瞳孔の位置にある。第一正レンズ１１の中心点から人間の目までの距離をＴ０とする。使用者に頭部装着型表示装置を装着し高品質の画像を視認させるために、Ｔ０を０．７ＴＴＬ＜Ｔ０＜０．８ＴＴＬの関係を満たす長さに設定しても良い。好ましい形態として、各種の髪型に合わせるために、Ｔ０の長さを、頭部装着型表示装置に調整可能な部品を設けて調整しても良い。

また、好ましい形態として、第一正レンズ１１の中心厚さＴ１を０．１ＴＴＬ＜Ｔ１＜０．２ＴＴＬ、第二正レンズ１２の中心厚さＴ２を０．２ＴＴＬ＜Ｔ２＜０．３ＴＴＬ、装置の焦点距離Ｆを０．８ＴＴＬ＜Ｆ＜０．９ＴＴＬの関係を満たすように設定しても良い。好ましい形態として、第一正レンズ１１の入光面Ｓｉ１のフレネル曲率半径Ｒを−２Ｆ＜Ｒ＜−Ｆ、第一正レンズ１１の焦点距離Ｆ１をＦ１＜２Ｆ、第二正レンズ１２の焦点距離Ｆ２をＦ２＞２Ｆ、の関係を満たすように設定しても良い。例えば、反復改良により、マイクロ表示デバイス１３の表示チップのピクセルサイズが８．６４ｕｍである場合、Ｆ＝１４．５ｍｍ、Ｆ１＝２５．８ｍｍ、Ｆ２＝３４．３ｍｍに選定しても良い。

本実施例では、上記構成及びパラメーター設計により、頭部装着型表示装置において光学システムの半視野角θは９０°になる。即ちｔａｎθは０．９５〜１．０５になる。これにより、頭部装着型表示装置を装着して虚像を視認する場合、深い堪能感及びリアル感を実感できる。

好ましい実施形態では、第一正レンズ１１及び第二正レンズ１２を加工するためにプラスチック材質を使用しても良い。プラスチック材質は加工しやすく且つ軽いため、頭部装着型表示装置を小型にできる。ここで、第一正レンズ１１の屈折率ｎ１と分散ｖ１は、１．５＜ｎ１＜１．５５、５５＜ｖ１＜６０、第二正レンズ１２の屈折率ｎ２と分散ｖ２は １．５＜ｎ２＜１．５５、５５＜ｖ2＜６０、の関係を満たす。好ましい形態として、実際に第一正レンズ及び第二正レンズを加工する際、本実施例ではＫ２６Ｒ型のプラスチック材質を使用する。Ｋ２６Ｒ型のプラスチック材質の屈折率は１．５３５で、分散は５５．６である。

本実施例では、２つの正レンズが用いられた、頭部装着型表示装置の接眼レンズを通じてマイクロ表示デバイスに表示される虚像を視認させる。ここで、マイクロ表示デバイスに隣接する第二正レンズの出光面は凸面フレネル面で、そこで屈折したスクリーン光をサイド光線に変えて、人間の目に隣接する第一正レンズの入光面で屈折させることが可能である。該第一正レンズの入光面は平面フレネル面であり、第二正レンズで屈折したスクリーン光を整形し、設定された角度で人間の目に屈折させることが可能である。上記構成では、接眼レンズとマイクロ表示デバイスの整合性により、短い軸方向距離及び約９０°の視野角に達することから、頭部装着型表示装置のサイズを縮小すると同時に視野角を効果的に拡大することが可能となる。そして、第一正レンズ及び第二正レンズのレンズは加工及び成型しやすい形になっているため、接眼レンズにおいて広い視野角、超薄型、及び色収差がない等の設計要請に対応できる。また、２つの正レンズからなる接眼レンズは、構成が簡単で、原価も低い。また、本実施例では第一正レンズの出光面は回折面で、その面において負の色収差は光学システム全体の色収差を好適に校正できるため、光学システムにおいて高品質の結像及び鮮明な画像が生成される。

以下では、表１及び表２を用いて、本発明の実施例の頭部装着型表示装置における光学システムについて具体例で説明する。表１は実行可能な設計案を提供する。表１では、Ｓｕｒｆａｃｅは人間の目からディスプレーまでの順に番号を付けた光学面を、Ｔｙｐｅは各光学面の面型を、Ｃは各光学面の曲率を、Ｔは各光学面と次の光学面との距離を、Ｇｌａｓｓは各光学面の材質を、Ｓｅｍｉ−Ｄｉａｍｅｔｅｒは各光学面の口径を、Ｃｏｎｉｃは二次曲面定数を表す。

表１では、Ｓｕｒｆａｃｅ１は人間の目の所在面を、Ｓｕｒｆａｃｅ２は第一正レンズ１１の出光面Ｓｅ１を、Ｓｕｒｆａｃｅ３は第一正レンズ１１の入光面Ｓｉ１を、Ｓｕｒｆａｃｅ４は第二正レンズ１２の出光面Ｓｅ２を、Ｓｕｒｆａｃｅ５は第二正レンズ１２の入光面Ｓｉ２を、Ｓｕｒｆａｃｅ６はマイクロ表示デバイス１３の保護ガラスの出光面を、Ｓｕｒｆａｃｅ７はマイクロ表示デバイス１３の保護ガラスの入光面を、Ｓｕｒｆａｃｅ８はマイクロ表示デバイス１３のディスプレーを表す。

表１に示す通り、実行可能な設計案では、第一正レンズ１１の厚さは２．５ｍｍで、該出光面Ｓｅ１の中心点から人間の目までの距離は１４ｍｍで、該入光面Ｓｉ１のフレネル曲率半径は−１５．８６８ｍｍである。第二正レンズ１２の厚さは４ｍｍで、該出光面Ｓｅ２のフレネル曲率半径は３９．８１５ｍｍで、Ｓｅ２からＳｉ１の中心点までの距離は０．５ｍｍで、入光面Ｓｉ２の中心点の曲率半径は２８．５２７である。Ｓｉ２からマイクロ表示デバイス１３のディスプレーまでの距離は１０ｍｍで、ディスプレーの保護ガラスの厚さは０．５ｍｍで、ディスプレーの厚さは０．３５２ｍｍである。

このような設計によれば、光学システムのＴＴＬはＴＴＬ＝２．５＋０．５＋４＋１０＋０．５＋０．３２５＝１７．８２５ｍｍになり、軸は既存技術では達成できない長さに縮小される。
本設計では、偶数回非球面係数α２、α３、α４は以下の表の通りである。

上記設計に基づき、ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ、調整伝達関数）曲線、光学フィールド曲率、及び歪み図、点列図、色収差曲線図を制作し、目標の光学システムの結像品質に対し分析を行っても良い。

図２ａは、本発明の実施例の頭部装着型表示装置におけるディスプレーの限界解像度によるＭＴＦ曲線で、図２ｂは、ディスプレーの１／２限界解像度によるＭＴＦ曲線である。図２ａと図２ｂでは、それぞれの色はそれぞれの視野の光線を表し、横座標は光学システムの点から光学システムの中心までの距離を、縦座標は結像品質と実物との相似度のパーセンテージを表す。ＭＴＦは総括的に光学システムの結像品質を反映している。ＭＴＦの曲線は平滑であればあるほど、そしてＸ軸に対する高さ（即ち１への近似度）が高ければ高いほど、該光学システムの結像品質が良いことを示す。図２ａと図２ｂからは、それぞれの色の曲線は平滑且つ緊密で、曲線が表すＭＴＦの値が高いことがわかる。、そして図２ｂからは、ディスプレーの１／２限界解像度である場合、０．６視野以内のＭＴＦの値は全て０．２以上となり、光学システムの結像の収差が良好に校正されたことがわかる。

図３は本発明の実施例の頭部装着型表示装置における光学フィールド曲率と歪みの一例を示す図である。図３の左の図はフィールド曲率（Ｆｉｅｌｄ Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ）を表す。ここで、波長は色により区別され、実線は正接（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ）フィールド曲率を、点線は弓形（ｓａｇｉｔｔａｌ）フィールド曲率を表し、両者の差は光学システムの非点収差になる。非点収差とフィールド曲率は軸外視野光線に影響する重要な収差であり、非点収差が大きすぎるとシステム軸外光線の結像品質に重大な影響を及ぼし、フィールド曲率により中心とエッジの最良結像は同一平面からずれることになる。図３の左の図より、本実施例の光学システムのフィールド曲率と非点収差は全て０．５ｍｍ以内に校正されることが分かる。図３の右の図から、本実施例の光学システムの歪み（Ｆ−Ｔａｎ（ｔｈｅｔａ）ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）は３５％以下であることが分かる。

図４は本発明の実施例の頭部装着型表示装置の点列図である。点列図は光学システムの各視野光線が像面に集まり拡散ライトスポットになったことを表す。点列図のＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ、二乗平均平方根）の半径は小さければ小さいほどシステムにおける結像品質は良いことになる。図４では、本実施例の光学システムの拡散ライトスポットのＲＭＳの直径は全て３０ｕｍ以下であることから、収差は良好に校正されたことが分かる。

図５は本発明の実施例の頭部装着型表示装置のシステム色収差曲線の一例を示す図である。図５では、横軸は色収差を、縦軸は視野角を表す。曲線と縦軸との偏差度は色収差の変化を表し、偏差度が大きければ大きいほど色収差は大きいことになる。図５では、最大半視野角（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｆｉｅｌｄ）は４５°であり、色収差は３５ｕｍ以内に制御されている。

本文中の「第一」、「第二」等の文言は、情報、装置、モジュール等を区別するために使用され、前後の順序を示すものではない。また、「第一」と「第二」は異なるタイプとは限らない。

更に専門用語「含有」、「包含」もしくはその他のいかなる変形は、非排他的な意味を有する。そのため、一系列の要素を含めた過程、方法、商品及び装置は、その一系列の要素以外に、明確に記載していない他の要素、もしくは、その過程、方法、商品及び装置における固有の要素も含むことになる。より多くの条件が付かない限り、文章「……を含む」で限定される要素には、……といった要素を含む過程、方法、商品及び装置は他の同様な要素も含む可能性がある。

上記の内容は単に本発明の実施例に過ぎず、本発明を限定することはない。当業者であれば本発明にはかなりの変更を加える余地がある。本発明の技術的思想と本質に基づいた変更、同等な変換、改良等は全て、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

Claims (8)

1. 頭部装着型表示装置であって、
   同軸に順次、第一正レンズ、第二正レンズ及びマイクロ表示デバイスが設けられ、
   前記第一正レンズの入光面は前記第二正レンズの出光面に隣接し、前記第二正レンズの入光面は前記マイクロ表示デバイスに隣接して、
   前記第二正レンズの出光面は凸面フレネル面で、前記第一正レンズの入光面は平面フレネル面であり
   前記マイクロ表示デバイスのディスプレーの中心点から、前記第一正レンズの出光面の中心点までの距離ＴＴＬは１８ｍｍ以下であり、
   前記第一正レンズの中心点から人の目までの距離Ｔ０は０．７ＴＴＬ＜Ｔ０＜０．８ＴＴＬの関係を満たし、
   前記第一正レンズの中心厚さＴ１は０．１ＴＴＬ＜Ｔ１＜０．２ＴＴＬの関係を満たすことを特徴とする装置。
2. 前記第一正レンズの出光面は平面回折面であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第二正レンズの入光面は凹非球面であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記第二正レンズの中心厚さＴ２は０．２ＴＴＬ＜Ｔ２＜０．３ＴＴＬの関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 焦点距離Ｆは０．８ＴＴＬ＜Ｆ＜０．９ＴＴＬの関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記第一正レンズの入光面のフレネル曲率半径Ｒは−２Ｆ＜Ｒ＜−Ｆの関係を満たすことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記第一正レンズの焦点距離Ｆ１はＦ１＜２Ｆ、前記第二正レンズの焦点距離Ｆ２はＦ２＞２Ｆの関係を満たすことを特徴とする請求項５に記載の装置。
8. 前記第一正レンズの屈折率ｎ１と分散ｖ１は、１．５＜ｎ１＜１．５５、５５＜ｖ１＜６０、前記第二正レンズの屈折率ｎ２と分散ｖ２は １．５＜ｎ２＜１．５５、５５＜ｖ２＜６０の関係を満たすことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の装置。