特開 2022-160182 光学ユニットおよびそれを用いたヘッドマウントディスプレイ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022160182

(43)【公開日】2022-10-19

(54)【発明の名称】光学ユニットおよびそれを用いたヘッドマウントディスプレイ装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20221012BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20221012BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

H04N5/64 511A

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021064783

(22)【出願日】2021-04-06

(71)【出願人】

【識別番号】501009849

【氏名又は名称】株式会社日立エルジーデータストレージ

(74)【代理人】

【識別番号】110001689

【氏名又は名称】青稜弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】大石 耕太郎

(72)【発明者】

【氏名】毛利 考宏

【テーマコード（参考）】

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H199CA02

2H199CA03

2H199CA24

2H199CA27

2H199CA42

2H199CA45

2H199CA53

2H199CA64

2H199CA66

2H199CA67

2H199CA69

2H199CA85

2H199CA87

(57)【要約】

【課題】
小型化、軽量化を図りながら解像度の低下なく画面サイズを拡大できる光学ユニットおよびそれを用いたＨＭＤを提供する。
【解決手段】
ヘッドマウントディスプレイ装置の光学ユニットであって、光源から出射した光を集光する発光部と、発光部で集光された光を照明光として映像光を生成する表示部と、表示部からの映像光を投射する投射レンズと、投射レンズから投射された映像光の光軸を変位させる光軸変換素子と、光軸変換素子で光軸を変位させられた映像光を入力とし装着者の瞳孔に導く導光板を備えた構成とする。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヘッドマウントディスプレイ装置の光学ユニットであって、
光源から出射した光を集光する発光部と、
前記発光部で集光された光を照明光として映像光を生成する表示部と、
前記表示部からの映像光を投射する投射レンズと、
前記投射レンズから投射された映像光の光軸を変位させる光軸変換素子と、
前記光軸変換素子で光軸を変位させられた映像光を入力とし装着者の瞳孔に導く導光板を備えたことを特徴とする光学ユニット。

【請求項2】

請求項１に記載の光学ユニットにおいて、
前記表示部で生成する映像光で構成される第１の画像を分割した複数の分割画像をそれぞれ順番に前記表示部で生成し、前記投射レンズから投射された前記複数の分割画像を前記光軸変換素子によりそれぞれ異なる角度で光軸変位させて前記導光板に入力することで、前記第１の画像の拡大画像を生成することを特徴とする光学ユニット。

【請求項3】

請求項２に記載の光学ユニットにおいて、
前記光軸変換素子により前記複数の分割画像を光軸変位させる周期は少なくとも１２０Ｈｚであることを特徴とする光学ユニット。

【請求項4】

請求項３に記載の光学ユニットにおいて、
前記分割画像は前記第１の画像を２分割した画像であり、
前記光軸変換素子により２つの分割画像を光軸変位させる周期は１２０Ｈｚであることを特徴とする光学ユニット。

【請求項5】

請求項３に記載の光学ユニットにおいて、
前記分割画像は前記第１の画像を４分割した画像であり、
前記光軸変換素子により４つの分割画像を光軸変位させる周期は２４０Ｈｚであることを特徴とする光学ユニット。

【請求項6】

請求項１から５の何れか１項に記載の光学ユニットにおいて、
前記光軸変換素子は反射ミラーであって、該反射ミラーをモータで回転させることで前記映像光の光軸を変位させることを特徴とする光学ユニット。

【請求項7】

請求項１から５の何れか１項に記載の光学ユニットにおいて、
前記光軸変換素子は液晶パネルであって、該液晶パネルの領域分割した各セルでの屈折率を変えることで前記映像光の光軸を変位させることを特徴とする光学ユニット。

【請求項8】

制御装置と表示装置を有するヘッドマウントディスプレイ装置であって、
前記表示装置は駆動部と光学ユニットを有し、
前記光学ユニットは、
光源から出射した光を集光する発光部と、
前記発光部で集光された光を照明光として映像光を生成する表示部と、
前記表示部からの映像光を投射する投射レンズと、
前記投射レンズから投射された映像光の光軸を変位させる光軸変換素子と、
前記光軸変換素子で光軸を変位させられた映像光を入力とし装着者の瞳孔に導く導光板を備え、
前記制御装置によって前記光軸変換素子の光軸変位の制御を行なうことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。

【請求項9】

請求項８に記載のヘッドマウントディスプレイ装置において、
前記表示部で生成する映像光で構成される第１の画像を分割した複数の分割画像をそれぞれ順番に前記表示部で生成し、前記投射レンズから投射された前記複数の分割画像を前記光軸変換素子によりそれぞれ異なる角度で光軸変位させて前記導光板に入力することで、前記第１の画像の拡大画像を生成することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、虚像を投射して表示するヘッドマウントディスプレイ装置（ＨＭＤ:Head Mount Display。以下、ＨＭＤと記す）に関する。

【背景技術】

【0002】

ＨＭＤは、メガネ状やゴーグル状の虚像を発生させ映像を表示する装置である。ＨＭＤは小型パネルに生成した画像を投射レンズや導光板などの光学系を介し観測者の眼に伝達する光学系構成を有しており、観測者の観測する観測画面（ＦＯＶ：Field of view）の大きさは小型パネルのサイズとそれを何倍に拡大するかの光学系設計で決定される。よって、観測画面を大きくするニーズに対応するためには、パネルサイズを大きくするか光学系を大きくする必要があり、何れも体積が大きくなる方向であり、小型化、軽量化が要求されるＨＭＤにおいては、課題となっていた。

【0003】

本技術分野における背景技術として特許文献１がある。特許文献１では、ＭＥＭＳミラーと回折格子を組み合わせて、ＭＥＭＳミラーから出射した光の画角を回折格子で広げることで画角を広げる構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１８／０１７２９９４号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１では、ＭＥＭＳの描画速度が変わらなければ解像度は画角を広げた分だけ低下するという課題がある。

【0006】

本発明の目的は、上記課題に鑑み、小型化、軽量化を図りながら解像度の低下なく画面サイズを拡大できる光学ユニットおよびそれを用いたＨＭＤを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、その一例を挙げるならば、ヘッドマウントディスプレイ装置の光学ユニットであって、光源から出射した光を集光する発光部と、発光部で集光された光を照明光として映像光を生成する表示部と、表示部からの映像光を投射する投射レンズと、投射レンズから投射された映像光の光軸を変位させる光軸変換素子と、光軸変換素子で光軸を変位させられた映像光を入力とし装着者の瞳孔に導く導光板を備えた構成とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、小型化、軽量化を図りながら解像度の低下なく画面サイズを拡大できる光学ユニットおよびそれを用いたＨＭＤを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施例におけるＨＭＤの概略外観図である。

【図2】実施例におけるＨＭＤの概略機能構成図である。

【図3】実施例における映像表示部の概略構成図である。

【図4】実施例における導光板の構成を説明する図である。

【図5】実施例における光軸変換素子の作用を説明する図である。

【図6】実施例における光軸変換素子を用いた拡大表示を説明する図である。

【図7】実施例における光軸変換素子を用いた４倍の拡大表示を説明する図である。

【図8】実施例における光軸変換素子の構成として反射ミラーと回転機構を組み合わせた構成を説明する図である。

【図9】実施例における光軸変換素子の構成として液晶パネルを用いた構成を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施例について、図面を用いて詳細に説明する。

【実施例0011】

図１は、本実施例におけるＨＭＤの概略外観図である。図１において、ＨＭＤ１は、制御装置１０と、表示装置２０からなり、制御装置１０と表示装置２０はケーブル２９で接続されている。表示する映像信号１５は他の顧客端末等から送られ制御装置１０に入力される。そして、制御装置１０からの制御コマンドと映像信号１５がケーブル２９を介して表示装置２０に送られ、表示装置２０においてＨＭＤ１の装着者の眼の前に画像光を出力する。なお、図１は、メガネ状のＨＭＤを示している。また、制御装置１０と表示装置２０はケーブル２９を介さず一体でもよい。

【0012】

図２は、本実施例におけるＨＭＤの概略機能構成図である。図２において、制御装置１０は、表示装置２０へ制御コマンドと映像信号を送信する。

【0013】

表示装置２０は、駆動部２１と、光学ユニットである映像表示部２２で構成される。なお、図２の映像表示部２２の構成を１つ備えると片眼式のＨＭＤとなり、二つ備えると両眼式のＨＭＤとなり、図２の構成は、片眼／両眼の両方の方式のＨＭＤに対応できる構成である。

【0014】

図２において、映像表示部２２は、発光部３０と表示部４０からなる照明光学系５０と、表示部４０と投射部６０と導光部７０からなる投射光学系８０を備えている。なお、表示部４０は、照明光学系５０と投射光学系８０を兼ねている。

【0015】

発光部３０は、光源から出射した光を集光して表示部４０を照明する。

【0016】

表示部４０は、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon）や、ＤＬＰ（Digital Light Processing）（登録商標）等であり、制御装置１０から駆動部２１を介して入力される映像信号に基づいて、発光部３０で集光された光を照明光として変調、あるいは各画素を発光・消光して映像情報が重畳された映像光を生成する。

【0017】

投射部６０は表示部４０からの映像光を投射し、導光部７０で映像光を装着者の瞳孔に導く。導光部は、映像光を複製して広げることで、装着者の装着位置ずれがあっても映像光が装着者の瞳孔に到達できるようにする。

【0018】

駆動部２１は、発光部３０内の光源の駆動と、表示部４０への映像信号の送信と共に駆動を行う。

【0019】

図３は、本実施例における映像表示部２２の概略構成図である。図３において、映像表示部２２は、前述したように、発光部３０と表示部４０からなる照明光学系５０と、表示部４０と投射部６０を構成する投射レンズ６１と導光部７０を構成する導光板７１からなる投射光学系８０を備え、さらに、投射レンズ６１と導光板７１との間に光軸変換素子９０を有している。

【0020】

発光部３０は、光源３１と光源３３、集光レンズ３２、３４、ダイクロイックミラー３５、マイクロレンズアレイ（以下、ＭＬＡと記す）３６、結像レンズ３７を有している。なお、発光部３０は、ＰＢＳ４１を介して映像表示装置４２を照明できるのであれば、一部の部品が省略されていてもよいし、また、他の部品が追加されていてもよい。

【0021】

発光部３０において、光源３１は緑色の光（Ｇ光）を出射し、光源３３は、赤色光源と青色光源が同一パッケージに実装されており、赤色と青色の光（Ｒ光とＢ光）を出射する。なお、図３では、２色の光源が同一のパッケージに実装されている光源３３を例として示しているが、３色の光源の各々が独立したパッケージ内に実装されていても良いし、３色の光源が１つのパッケージ内に集積して実装されていても良い。

【0022】

光源３１から出射した光は、集光レンズ３２に入射する。集光レンズ３２は、その略合成焦点位置に光源３１が位置する関係で配置されている。光源３１から出射した光束は、集光レンズ３２に入射してコリメート光となる。光源３１からのコリメート光は、ダイクロイックミラー３５に向かって出射する。同様に、光源３３から出射した光は、集光レンズ３４に入射してコリメート光となり、ダイクロイックミラー３５に向かって出射する。ダイクロイックミラー３５は、Ｒ光とＢ光とＧ光の光軸を揃えて合成し、各色のコリメート光を合成して出射する。

【0023】

ＭＬＡ３６は、マイクロメートル単位の大きさのレンズが連続して配置された光学レンズであり、ダイクロイックミラー３５から出射した略コリメート光束を受光する。

【0024】

ＭＬＡ３６から出射した光束は、結像レンズ３７に入射する。結像レンズ３７は、コリメート光を集光しながらＰＢＳ４１に向かって結像させる。なお、結像される像は、ＭＬＡ３６の入射側に備えられたそれぞれのレンズの開口の像を重ね合わせたものになる。ＭＬＡ３６が備える開口を照明する光の強度分布は一様ではないが、後段の結像レンズ３７などによって重ね合わせられるため、均一な強度分布を持つ照明光を提供できる。

【0025】

表示部４０は、偏光光学素子であるＰＢＳ（Polarizing Beam Splitter：偏光ビームスプリッタ）４１と、映像表示装置４２を有している。なお、図３は、映像表示装置４２がＬＣＯＳの場合を示している。

【0026】

ＰＢＳ４１は、透明材質で構成され、入射面と反射面と出射面を有する光学材である。反射面は、結像レンズ３７の光軸に対して傾斜しており、偏光選択性の反射性能を有する。すなわち、Ｓ偏光は反射するがＰ偏光は透過する。そのため、結像レンズ３７からの光束がＰ偏光の場合、結像レンズ３７からの光束は反射面を透過し映像表示装置４２を照明する。

【0027】

映像表示装置４２は、ＬＣＯＳであって、液晶層と表示パネルで構成される。表示パネルは、発光部３０から入射した照明光を反射させる。液晶層は、発光部３０から入射した照明光の偏光を映像信号に基づいて変調し操作することで出射する光を制御する。これにより、映像表示装置４２は、映像信号に基づいて発光部３０から入射した光を変調して映像光を生成する。映像表示装置４２で生成した映像光は、ＰＢＳ４１を介して投射部６０を構成する投射レンズ６１に入射する。

【0028】

投射レンズ６１は、映像表示装置４２の像を投射する。映像表示装置４２の像を利用者から所望の距離に存在しているように網膜に結像するために、投射レンズ６１は映像表示装置４２の像を虚像として提供する。そのために、投射レンズ６１からの映像光は光軸変換素子９０を介して導光板７１へ出射する。

【0029】

導光板７１は、映像表示装置４２が生成した映像光を投射レンズ６１から取り込み、内部反射させて映像光を複製して広げることで利用者の眼前にまで導く。

【0030】

図４は、導光板の構成を説明する図である。図４において、（ａ）は、回折素子を用いた導光板であるＳＲＧ（Surface Relief Grating）方式導光板の模式図であって、入射光７２が接続プリズム７３を介してＳＲＧ方式導光板７４に入射し、ＳＲＧ方式導光板７４では、回折素子により回折と透過を繰り返し、入射光を複製して出射光７５を生成する。（ｂ）は、ＢＳＡ（Beam Splitter Array）方式導光板の模式図であって、入射光７２が接続プリズム７３を介してＢＳＡ方式導光板７６に入射し、ＢＳＡ方式導光板７６では、ビームスプリッタにより反射と透過を繰り返し、入射光を複製して出射光７５を生成する。

【0031】

本実施例では、導光板により映像光を複製して広げる前の導光板への入射光である小さな映像光の光軸を光軸変換素子９０により変位させることにより、表示エリアを拡大する。特に導光板方式を用いる光学系では、導光板入射角度が眼前で復元されるためその導光板入り口近傍での角度変換のみ行えばよい。また人間の観測能力以上に高速に行うことで、全画面同時に拡大表示可能である。以下、本実施例における、画面拡大の詳細について説明する。

【0032】

図５は、本実施例における光軸変換素子９０の作用を説明する図である。図５において、（ａ）は、導光板７１の入射部７７に入射する入射光と、入射光を導光し出射する導光／出射領域７８から出射光の関係を示している。すなわち、入射部に入射した光線の入射角度θを再現して出射部から出射光は出射する。人間の眼は角度情報を位置情報に変換するため、導光板では、入射光の入射角度を出射光で再現することで、入射光の位置情報を再現している。
（ｂ）は、入射光を光軸変換素子９０で光軸変換することで、出射光において角度情報をずらし、それにより、入射光の位置情報をずらす原理を説明する図である。すなわち、導光板７１の入射部７７に入射する前に、光軸変換素子９０にて、入射光の光線の角度を変える。これにより、導光板は、変わった光軸を再現して導光／出射領域７８から出射光を出射する。例えば、図に示すように、光軸変換素子９０通過後の光線の角度が点線から実線で示すように変わった場合、実線で示す“Ａ“という、入射光で構成される表示画面は点線で示す“Ａ“という表示画面に位置が変わったように、導光／出射領域７８からの出射光を見ている観測者は認識する。

【0033】

図６は、本実施例における光軸変換素子９０を用いた拡大表示を説明する図である。図６（ａ）において、光軸変換素子９０に入力する映像光からなる画像９５を、光軸変換素子９０により光軸を画像９５の画角分変位させれば、変位前の画角９６と変異後の画角９７で横に２倍の画角の表示を得ることができる。そのため、（ｂ）に示すように、光軸変換素子９０に入力する映像光からなる画像９５を左右に分割したそれぞれの分割画像を光軸変換素子９０により、高速に、例えばフレームレート１２０Ｈｚの周期で光軸を切り替えれば、人が知覚せず、疑似的に横に２倍の拡大表示を行うことができる。すなわち、映像表示装置４２で生成する映像光で構成される所定画像を２分割した２つの分割画像をそれぞれ順番に映像表示装置４２で生成し、投射レンズ６１から投射された２つの分割画像を光軸変換素子９０により、横に２倍の画角となるようにそれぞれ異なる角度で光軸変位させて導光板７１に入力することで、所定画像の２倍の拡大画像を生成することができる。なお、本実施例では、画角当たりの画素数を保ったまま表示領域を拡大させるため、解像度の低下はない。

【0034】

図７は、本実施例における光軸変換素子９０を用いた４倍の拡大表示を説明する図である。図７（ａ）は、光軸変換素子９０に入力する映像光からなる画像９５である。これに対して、（ｂ）に示すように、画像９５を上下左右に４分割したそれぞれの分割画像（１）（２）（３）（４）を（Ｃ）に示すように、光軸変換素子９０により、高速に、例えばフレームレート２４０Ｈｚの周期で光軸を切り替えれば、人が知覚せず、疑似的に４倍の拡大表示を行うことができる。

【0035】

なお、分割画像の境界部分は、境界を目立たなくするために数画素分を重ねてもよい。その場合、重なり部分は明るさがむらになるので、例えば、ＬＣＯＳ側で重なり部分の明るさを落とす等の処理を行ってもよい。なお、境界を重ねることで、重ねない場合に比べて光軸変異の変更角度を小さくできるというメリットがある。

【0036】

図８は、本実施例における光軸変換素子の構成として反射ミラーとモータ等の回転機構を組み合わせた構成を説明する図である。図８において、（ａ）は、光軸変換素子はＭＥＭＳミラー９１であって、ＭＥＭＳミラー９１を、反射点Ｏを中心に回転させることで光軸変換を行う。（ｂ）は、光軸変換素子はプリズムミラー９２であって、プリズムミラー９２をモータ９３の回転軸９４に接続し、プリズムミラー９２を、回転軸９４を中心に回転させることで光軸変換を行う。画面分割としては、右図に示したように、上下左右に分割してもよい。

【0037】

なお、光軸変換素子の光軸回転の制御は、制御装置１０から行い、例えば、ミラーの角度センサからの情報に基づいて制御すればよい。

【0038】

図９は、本実施例における光軸変換素子の構成として液晶パネルを用いた構成を説明する図である。図９において、光軸変換素子は液晶パネル９８であって、液晶パネル９８の領域分割した各セルでの電圧を変えて屈折率を変える。これにより、光軸を曲げたい方向に対して各セルの屈折率分布をつくり、疑似的にミラー／プリズムと同じ効果を得る。

【0039】

以上のように、本実施例によれば、ＨＭＤ光学系内に光軸を動的に傾ける機構を追加することにより、元の光学系を大きくすることなく、画面の表示可能領域を拡大することができる。これにより、小型化、軽量化を図りながら解像度の低下なく画面サイズを拡大できる光学ユニットおよびそれを用いたＨＭＤを提供できる。

【0040】

以上実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、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。

【符号の説明】

【0041】

１：ＨＭＤ、１０：制御装置、２０：表示装置、２１：駆動部、２２：映像表示部、３０：発光部、４０：表示部、５０：照明光学系、６０：投射部、７０：導光部、８０：投射光学系、４２：映像表示装置、６１：投射レンズ、７１：導光板、９０：光軸変換素子、７７：入射部、７８：導光／出射領域、９５：画像、９６：変位前の画角、９７：変異後の画角、９１：ＭＥＭＳミラー、９２：プリズムミラー、９８：液晶パネル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】