特開 2023-22826 ヘッドマウントディスプレイ

(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】P2023022826

(43)【公開日】2023-02-15

(54)【発明の名称】ヘッドマウントディスプレイ

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20230208BHJP

   G02B 25/00 20060101ALI20230208BHJP

   G02B 17/08 20060101ALI20230208BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B25/00 A

G02B17/08 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022122458

(22)【出願日】2022-08-01

(31)【優先権主張番号】202110883882.0

(32)【優先日】2021-08-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(71)【出願人】

【識別番号】500093133

【氏名又は名称】中強光電股▲ふん▼有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】莊 福明

(72)【発明者】

【氏名】羅 欣祥

【テーマコード（参考）】

2H087

2H199

【Ｆターム（参考）】

2H087KA14

2H087LA12

2H087LA27

2H087RA04

2H087RA05

2H087RA12

2H087RA13

2H087RA41

2H087RA42

2H087RA45

2H087TA01

2H087TA02

2H087TA06

2H199CA23

2H199CA24

2H199CA27

2H199CA44

2H199CA50

2H199CA54

2H199CA58

2H199CA59

2H199CA60

2H199CA82

2H199CA87

(57)【要約】

【課題】本発明のヘッドマウントディスプレイは画像生成器、投影レンズアセンブリ及び導波路を含む。
【解決手段】画像生成器は画像光束を提供するように設置される。投影レンズアセンブリは画像光束の経路上に設置され、かつ、投影レンズアセンブリは像側と物体側を有する。画像生成器は像側に設置される。投影レンズアセンブリは第１レンズ及びレンズグループを含む。第１レンズは第１中心軸線を有する。レンズグループは画像生成器と第１レンズとの間に設置され、レンズグループは第２中心軸線を有する。第１レンズの第１中心軸線とレンズグループの第２中心軸線は重畳しない。導波路は画像光束の経路上に設置され、かつ、投影レンズアセンブリの物体側に位置する。ヘッドマウントディスプレイの投影レンズアセンブリは複数個のレンズを有し、かつ、軸対称レンズを採用したものであり、軽量薄型、低い歪み、高い画質等の長所を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ヘッドマウントディスプレイであって、
前記ヘッドマウントディスプレイは画像生成器、投影レンズアセンブリ及び導波路を含み、
前記画像生成器は画像光束を提供するように設置され、
前記投影レンズアセンブリは前記画像光束の経路上に設置され、かつ、前記投影レンズアセンブリは像側と物体側を有し、前記画像生成器は前記像側に設置され、前記投影レンズアセンブリは第１レンズ及びレンズグループを含み、
前記第１レンズは第１中心軸線を有し、
前記レンズグループは前記画像生成器と前記第１レンズとの間に設置され、前記レンズグループは第２中心軸線を有し、
前記第１レンズの第１中心軸線と前記レンズグループの第２中心軸線とが重畳せず、
前記導波路は前記画像光束の経路上に設置され、かつ、前記投影レンズアセンブリの物体側に位置することを特徴とする、ヘッドマウントディスプレイ。

【請求項2】

前記画像生成器は画像源を有し、かつ、前記画像源の発光面の法線と前記第２中心軸線との間に０度ではない夾角を有することを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項3】

前記夾角は１３度から１５度の範囲内にあることを特徴とする、請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項4】

前記投影レンズアセンブリは１枚から３枚の非球面レンズを含むことを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項5】

前記第１中心軸線と前記第２中心軸線との間に距離を有し、前記距離は１．５ｍｍから２．５ｍｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項6】

前記投影レンズアセンブリに含まれる各レンズは何れも軸対称レンズであることを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項7】

前記導波路は第１非軸対称光学面を有し、かつ、前記画像光束は前記投影レンズアセンブリを透過した後、前記第１非軸対称光学面から前記導波路に入射されることを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項8】

前記第１レンズと前記第１非軸対称光学面は隣接して設置されることを特徴とする、請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項9】

前記導波路はさらに第２非軸対称光学面及び第３非軸対称光学面を含み、かつ、前記画像光束は前記第２非軸対称光学面及び前記第３非軸対称光学面において反射されることを特徴とする、請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項10】

前記導波路は２つの球面を有し、かつ、前記画像光束は前記２つの球面において反射されることを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項11】

前記導波路は２つの球面を有し、前記画像光束は前記２つの球面の1つを透過した後ユーザの目に入ることを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項12】

前記導波路の屈折率は１．４５から１．６５の範囲内にあることを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【請求項13】

波長範囲が４５０ｎｍ～６５０ｎｍの前記画像光束の変調伝達関数は０．５より大きいことを特徴とする、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は表示装置に関し、特にヘッドマウントディスプレイに関する。

【背景技術】

【0002】

優れた表示効果を有するヘッドマウントディスプレイは拡張現実及び仮想現実技術において重要な役割を担い、優れた表示装置は、例えば、低い歪みと高い画質等の長所を備えた画像を生成することが求められる。また、表示装置は長時間に亘って着用される場合もあるため、軽量かつ薄型等の特徴を備えなければならない。その他、表示装置内の投影レンズアセンブリには複数個のレンズが含まれ、レンズ自体が優れた光学特性を有するほか、加工し易いか否かもそのコストを決める重要な要素の一つである。従来技術の表示装置では、画像の画質を高めるために、非軸対称レンズを含む投影レンズアセンブリの利用が必要になることもあるが、これにより表示装置の製造コストが大幅に増加してしまう。

【0003】

「背景技術」部分は本発明内容に対する理解を促すためのものであり、「背景技術」に開示された内容には当業者が既知の従来技術以外の一部構成が含まれている可能性がある。「背景技術」に開示された内容は、当該内容または本発明の一つ若しくは複数の実施例が解決しようとする課題が本発明の出願前に既に当業者に把握または認識されていたことを意味するものではない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明はヘッドマウントディスプレイを提供し、ヘッドマウントディスプレイは投影レンズアセンブリを有し、投影レンズアセンブリは複数個のレンズを有し、かつ、軸対称レンズを採用し、かつ、軽量薄型、低い歪み、高い画質等の長所を有する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一実施例によれば、画像生成器、投影レンズアセンブリ及び導波路を含むヘッドマウントディスプレイを提供する。画像生成器は画像光束を提供するように設置されている。投影レンズアセンブリは画像光束の経路上に設置され、かつ、投影レンズアセンブリは像側と物体側を有し、画像生成器は像側に設置されている。投影レンズアセンブリは第１レンズ及びレンズグループを含む。第１レンズは第１中心軸線を有する。レンズグループは画像生成器と第１レンズとの間に設置され、レンズグループは第２中心軸線を有する。第１レンズの第１中心軸線とレンズグループの第２中心軸線が重畳しない。導波路は画像光束の経路上に設置され、かつ、投影レンズアセンブリの物体側に位置する。

【0006】

以上により、本発明の実施例が提供するヘッドマウントディスプレイは、第１レンズの第１中心軸線とレンズグループの第２中心軸線が重畳しない特性を利用して、非軸対称レンズの使用を省き、軸対称レンズを使用して、製造コストを大幅に低減することができる。本発明の実施例が提供するヘッドマウントディスプレイは軽量薄型、低い歪み、高い画質等の長所も備えている。

【0007】

本発明の前記特徴と長所をより明確、分かりやすく示すために、以下は実施例に基づき、かつ図面を参照しながら詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の一実施例に基づくヘッドマウントディスプレイの概略図。

【図2】本発明の一実施例の画像生成器及び投影レンズアセンブリの概略図。

【図3】本発明の一実施例に基づくヘッドマウントディスプレイの変調伝達関数の曲線図。

【図4】本発明の一実施例に基づくヘッドマウントディスプレイの歪みの概略図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１及び図２を参照すると、図１は本発明の一実施例に基づくヘッドマウントディスプレイを示す概略図であり、図２は図１のヘッドマウントディスプレイにおける画像生成器及び投影レンズアセンブリを示す概略図である。ヘッドマウントディスプレイ１０００は画像生成器１０、投影レンズアセンブリ１００及び導波路２００を含む。

【0010】

画像生成器１０は画像光束ＩＬを提供するように設置されている。投影レンズアセンブリ１００は画像光束ＩＬの経路上に設置され、かつ、投影レンズアセンブリ１００は像側Ａ１と物体側Ａ２を有し、画像生成器１０は投影レンズアセンブリ１００の像側Ａ１に設置されている。導波路２００は投影レンズアセンブリ１００の物体側Ａ２に設置されている。投影レンズアセンブリ１００は第１レンズ１及びレンズグループ１００Ｌを含む。第１レンズ１は第１中心軸線Ｉ１を有する。第１中心軸線Ｉ１は第１レンズ１の幾何中心位置を通過する仮想線と定義されている。レンズグループ１００Ｌは画像生成器１０と第１レンズ１との間に設置され、レンズグループ１００Ｌは第２中心軸線Ｉ２を有する。第２中心軸線Ｉ２はレンズグループ１００Ｌの幾何中心位置の仮想線と定義されている。レンズグループ１００Ｌは物体側Ａ２から像側Ａ１まで順に配列された第２レンズ２、第３レンズ３、第４レンズ４及び第５レンズ５を含む。図２が示すように、第２の中心軸線１２はレンズグループ１００Ｌの各レンズ（第２レンズ２、第３レンズ３、第４レンズ４及び第５レンズ５）の中心を通る。言い換えれば、レンズグループの各レンズが同じ中心軸線Ｉ２を有する。第１レンズ１の第１中心軸線Ｉ１とレンズグループ１００Ｌの第２中心軸線Ｉ２は重畳しない。本発明の一実施例によれば、第１中心軸線Ｉ１と第２中心軸線Ｉ２との間に距離を有し、この距離は１．５ｍｍから２．５ｍｍの範囲内にあり、好ましくは２．１ｍｍから２．３ｍｍの範囲内にある。

【0011】

導波路２００は画像光束ＩＬの経路上に設置され、かつ、投影レンズアセンブリ１００の物体側Ａ２に位置する。導波路２００は光学面６１から光学面６７まで（以下は略して面６１から面６７までとする）を含み、画像光束ＩＬは光学面６１を透過した後、導波路２００に入り、かつ、光学面６７を透過した後導波路２００から出射される。瞳ＩＰはヘッドマウントディスプレイ１０００のユーザの瞳孔の位置である。ユーザは、目の瞳孔に入射された画像光束ＩＬによって、画像光束ＩＬが形成する画像（虚像）を見ることができる。

【0012】

画像生成器１０は面発光画像生成器であり、画像源及び保護カバーを含み、図２が示すように、保護カバーは像側面１０５及び物体側面１０６を有する。画像源は例えば反射式空間光変調器または透過式空間光変調器であり、反射式の液晶シリコン（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ，ＬＣＯＳ）またはデジタルマイクロミラー装置（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ－ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ， ＤＭＤ）または透光液晶パネル（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐａｎｅｌ）といったものがある。

【0013】

なお、画像源は発光面ＬＳを有する。画像源の発光面ＬＳの法線Ｉ３とレンズグループ１００Ｌの第２中心軸線Ｉ２との間に０度ではない夾角を有する。本発明の一実施例によれば、前記夾角は１３度から１５度の範囲内にある。さらに言うと、画像源の発光面ＬＳの法線Ｉ３とレンズグループ１００Ｌの第２中心軸線Ｉ２の延長線とが画像源の発光面ＬＳ上の一点において交差して夾角を成している。画像源の発光面ＬＳは投影レンズアセンブリ１００に対し傾斜して設置され、発光面ＬＳの法線Ｉ３が第２中心軸線Ｉ２と平行ではない。

【0014】

本実施例において、投影レンズアセンブリ１００の第１レンズ１、第２レンズ２、第３レンズ３、第４レンズ４及び第５レンズ５は何れも軸対称レンズであり、かつ、それぞれ像側Ａ１に向けて画像光束ＩＬを通過させる像側面１５、２５、４６、４５、５５、及び物体側Ａ２に向けて画像光束ＩＬを通過させる物体側面１６、２６、３６、４６、５６を有する。第３レンズ３と第４レンズ４が接合されて一つの接合レンズになっているため、図２では一つの部材番号４６でこの接合された第４レンズ４物体側面と第３レンズ３像側面を示している。

【0015】

本実施例の詳しい光学データは下表の示す通りであり、ここで、表１が示す像側面１５の曲率半径とは第１レンズ１の像側面１５が光軸領域における曲率半径を意味し、物体側面１６の曲率半径とは第１レンズ１の物体側面１６が光軸領域における曲率半径を意味し、その他も同様に類推する。表１に記載の間隔とは当該面と次の面の距離を指す。例えば、面６７の間隔（表１では４．６０８２１ミリメートルと記載）は面６７と面６６の距離である。物体側面１６の間隔（表１では－６．９０１４５ミリメートルと記載）は物体側面１６と次の表面（この例では像側面１５である）とが第１中心軸線Ｉ１における間隔であり、即ち、第１レンズ１が第１中心軸線Ｉ１における厚さは６．９０１４５ミリメートルであり、同様に類推する。

【0016】

【表1】

表１によれば、第１レンズ１は正メニスカスレンズである。第２レンズ２は負メニスカスレンズである。第３レンズ３は両凹レンズである。第４レンズ４及び第５レンズ５は何れも両凸レンズである。再度図１を参照すると、画像源の発光面ＬＳから画像光束ＩＬが発出され、画像光束ＩＬは第５レンズ５、第４レンズ４、第３レンズ３、第２レンズ２及び第１レンズ１を順に透過してから、さらに導波路２００の面６１を通って導波路２００に入射し、導波路２００内において面６２、面６３、面６４、面６５及び面６６に順に反射され、最後に面６７を通って導波路２００から出射され、瞳ＩＰに到達することが分かる。なお、実施例において、画像光束ＩＬは面６３、面６４及び面６５で全反射され、かつ、面６２及び面６６に反射膜がコーティングされている。導波路２００の屈折率は１．４５から１．６５の範囲内にある。

【0017】

本実施例において、導波路２００の面６１、面６２及び面６６は例えば自由曲面である。第２レンズ２の像側面２５、第３レンズ３の物体側面３６、第４レンズ４の像側面４５及び物体側面４６は何れも球面である。第１レンズ１の像側面１５及び物体側面１６、第２レンズ２の物体側面２６、第５レンズ５の像側面５５及び物体側面５６の合計５つの面は何れも非球面であり、これらの非球面は下記の式（１）によって定義される。

【0018】

【数1】

Ｙ：非球面曲線上の点と当該レンズの中心軸線の距離
Ｚ：非球面深さ、即ち、非球面上における光軸との距離がＹである点と非球面光軸上の頂点に接する接平面（ｔａｎｇｅｎｔ ｐｌａｎｅ）との間の垂直距離
Ｒ：レンズ表面の曲率半径
Ｋ：円錐係数
ａ_２ｉ：第２ｉ次非球面係数
前記非球面が式（１）における各項目の非球面係数は下表が示す通りである。ここで、表２の桝番号１６は第１レンズ１の物体側面１６の非球面係数を意味し、その他の桝も同様に類推する。

【0019】

【表2】

導波路２００の面６３、面６４、面６５及び面６７は何れも球面であり、これにより導波路２００をユーザの顔面の輪郭に近づけることができる。かつ、面６３、面６４、面６５及び面６７の曲率半径は何れも同じである。言い換えれば、環境光束は導波路２００を透過することができ、ユーザが導波路２００の外の実体物を見ている時に、導波路２００の屈折度（ｄｉｏｐｔｅｒ）がゼロになり、即ち、ユーザが見ている実体物は導波路２００によって拡大または縮小されることない。導波路２００の面６６は環境光束を透過させるコーティング層または素子である。導波路２００の面６１、面６２及び面６６の三者は非軸対称光学面であり、自由曲面または非球面等であってもよく、これらの非軸対称光学面は下記の式（２）によって定義される。

【0020】

【数2】

ｒ：曲率半径
φ：レンズ口径
ｋ：円錐係数
ｃ_ｍ，ｎ：ＸＹ多項式係数
前記非軸対称光学面の式（２）中の曲率半径ｒ及び各項係数ｋ及びｃ_ｍ，ｎは下表３が示す通りである。ここで、表３中の桝番号６１は面６１を示し、その他も同様に類推する。表３のｙに対応する数値は多項式係数ｃ_０，１を意味し、ｘ^２に対応する数値は多項式係数ｃ_２，０を意味し、ｙ^２に対応する数値は多項式係数ｃ_０，２を意味し、ｘ^２ｙに対応する数値は多項式係数ｃ_２，１に対応し、その他も同様に類推する。

【0021】

【表3】

さらに表４を参照し、表１における光学面のずれ（距離）値（ｍｍ）及び傾斜角度（度）を説明すると、表３中の桝番号６６は面６６を示し、桝番号１６は第１レンズ１の物体側面１６を示し、その他も同様に類推する。

【0022】

【表4】

図３を参照すると、本発明の一実施例に基づくヘッドマウントディスプレイの変調伝達関数の曲線図である。当業者にとって周知である当該曲線図において、各曲線がＸ軸との夾角の度数及びＹ軸との夾角の度数を示すものである。縦軸はヘッドマウントディスプレイのコントラストであり、横軸はヘッドマウントディスプレイのデフォーカス量でる。５０ｌｐ／ｍｍ（線対数／ミリメートル）の解像度に対し、ヘッドマウントディスプレイ１０００で発生する波長範囲を４５０ｎｍ～６５０ｎｍにする画像光束の変調伝達関数（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ＭＴＦ）は０．５より大きく、高い画質の要求を満たせる。変調伝達関数は全ての収差が結像品質に対する影響を網羅している。

【0023】

図４を参照すると、本発明の一実施例に基づくヘッドマウントディスプレイの歪みを示す概略図である。視野角（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ，ＦＯＶ）＝３０．７３×１７．５７×３５°であり、そのうち、水平方向（Ｘ方向）の視野角が３０．７３度、垂直Ｙ方向（Ｙ方向）の視野角が１７．５７度、対角線方向の視野角が３５度の場合、ヘッドマウントディスプレイ１０００の画面上下の歪み（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）はそれぞれ０．４６１％及び－１．８３７％にすぎない。

【0024】

以上を纏めると、本発明の実施例が提供するヘッドマウントディスプレイにおいて、第１レンズの第１中心軸線とレンズグループの第２中心軸線とが重畳せず、かつ、画像源の発光面の法線と第２中心軸線との間に０度ではない夾角を有し、導波路による非対称収差を解消することで、複数個の非軸対称レンズを使用せずに、複数個の軸対称レンズを使用して、製造コストを大幅に低減することができる。本発明の実施例が提供するヘッドマウントディスプレイは軽量薄型、低い歪み、高い画質等の長所も備えている。

【0025】

以上は本発明の好ましい実施例に過ぎず、これを以って本発明の実施範囲を制限すべきではない。即ち、本発明の請求の範囲及び発明の内容を基に行った簡単かつ等価な変更と修正はすべて本発明の範疇に属する。また、本発明の任意の実施例または請求項は必ずしも本発明で開示されたすべての目的または長所または特徴を備えるとは限らない。また、要約書と発明の名称は特許文献検索に利用されるものであり、本発明の権利範囲を制限するものではない。また、明細書または請求の範囲で言及される「第１」、「第２」等の用語は素子（ｅｌｅｍｅｎｔ）の名称を示し、または異なる実施例や範囲を区別するためのものであり、素子の数の上限または下限を制限するものではない。

【符号の説明】

【0026】

１、２、３、４、５ レンズ
１０ 画像生成器
１５、２５、４５、５５、１０５ 像側面
１６、２６、３６、４６、５６、１０６ 物体側面
６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７ 光学面
１００ 投影レンズアセンブリ
１００Ｌ レンズグループ
２００ 導波路
１０００ ヘッドマウントディスプレイ
Ａ１ 像側
Ａ２ 物体側
ＩＬ 画像光束
Ｉ１、Ｉ２ 中心軸線
Ｉ３ 法線
ＩＰ 瞳
ＬＳ 発光面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】