特開 2024-82376 虚像表示装置及び頭部装着型表示装置

(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】P2024082376

(43)【公開日】2024-06-20

(54)【発明の名称】虚像表示装置及び頭部装着型表示装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20240613BHJP

   G09F 9/00 20060101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G09F9/00 313

G09F9/00 311

G09F9/00 359

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022196176

(22)【出願日】2022-12-08

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】井出 光隆

【テーマコード（参考）】

2H199

5G435

【Ｆターム（参考）】

2H199CA12

2H199CA23

2H199CA25

2H199CA42

2H199CA47

2H199CA66

2H199CA68

2H199CA70

2H199CA75

2H199CA85

2H199CA86

2H199CA87

5G435AA18

5G435BB12

5G435BB15

5G435CC09

5G435DD13

5G435EE12

5G435FF07

5G435GG02

5G435KK07

(57)【要約】

【課題】光学系全体が大型化してしまうことを回避しつつ画角を広くする。
【解決手段】虚像表示装置は、画像を表示する画素表示領域ＰＡと、外界を視認可能にする光透過領域Ａ２とを有する画像表示装置２２と、画像表示装置２２の顔側に配置され、各画素ＰＥに対応して設けられた複数の微小光学素子２３ｂを有し、画像表示装置２２から射出される映像光ＭＬを結像させる光学アレイ２３と、画像表示装置２２の外界側に配置され、画素表示領域ＰＡへの外界光ＯＬの入射を抑制する遮光部材２１と、を備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

画像を表示する画素表示領域と、外界を視認可能にする光透過領域とを有する画像表示装置と、
前記画像表示装置の顔側に配置され、各画素に対応して設けられた複数の微小光学素子を有し、前記画像表示装置から射出される映像光を結像させる光学アレイと、
前記画像表示装置の外界側に配置され、前記画素表示領域への外界光の入射を抑制する遮光部材と、
を備える、虚像表示装置。

【請求項2】

前記光学アレイは、前記微小光学素子として、前記画像表示装置を構成する前記画素又はサブ画素を個別に結像させるマイクロレンズを有する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項3】

前記画素表示領域は、前記画素又はサブ画素に対応する発光領域であり、
前記微小光学素子は、前記発光領域に対応する領域に配置される、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項4】

前記遮光部材は、前記外界光の入射を抑制する遮光層を有し、
前記遮光層は、前記画素表示領域の前記画素又はサブ画素に対応する領域に配置される、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項5】

前記微小光学素子は、前記画素表示領域に対応する大きさを有する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項6】

前記微小光学素子は、前記画素表示領域に対応する形状を有する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項7】

前記遮光部材は、前記外界光の入射を抑制する遮光層を有し、
前記微小光学素子は、前記遮光層に対応する大きさを有する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項8】

前記遮光部材は、前記外界光の入射を抑制する遮光層を有し、
前記遮光層は、前記画素表示領域に対応する大きさを有する、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項9】

前記遮光部材は、前記外界光の入射を抑制する遮光層を有し、
前記遮光層は、前記画素表示領域の前記画素又はサブ画素に対応する領域に配置される、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項10】

前記遮光部材と前記画像表示装置と前記光学アレイとは、固定されている、請求項１に記載の虚像表示装置。

【請求項11】

請求項１～１０のいずれか一項に記載の虚像表示装置を備える第１装置と、
請求項１～１０のいずれか一項に記載の虚像表示装置を備える第２装置と、
前記第１装置と前記第２装置とを支持し、頭部への装着を可能にするテンプルを含む支持装置と、
を備える、頭部装着型表示装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、虚像の観察を可能にする虚像表示装置及び頭部装着型表示装置に関し、特に外界像を視認可能にするシースルー型の虚像表示装置等に関する。

【背景技術】

【0002】

外界を視認可能にするシースルー型の虚像表示装置として、画像表示領域と、該画像表示領域を囲むように形成された透明表示領域とを有する液晶パネルと、光源から端部に入射されたバックライト光を導光する導光板とを備え、導光板が液晶パネルの画像表示領域にバックライト光を照射する発光領域と環境光を透過させる光透過領域とを備えるものが公知となっている（特許文献１）。この表示装置は、導光板の光透過領域及び液晶パネルの透明表示領域から環境光が観察者に到達するとともに、画像表示領域にバックライト光を照射しない期間に環境光が導光板の発光領域と液晶パネルの画像表示領域とを透過して観察者に到達するように構成されている。このような構成により、映像光と環境光とが重ね合わされたシースルー表示が実現されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１６／０５６２９８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記装置では、導光板の発光領域にドットの形成、散乱材の塗布等の加工がなされており、液晶パネルの画像表示領域を通過する環境光が、加工がなされた発光領域を通過することになるので、画像表示領域に対応する視野の中央付近でのシースルー透過率が低下する。視野の中央付近において高いシースルー透過率のシースルー表示を実現するためには、別途、シースルー透過率の高い光学系等が必要となり、大型化に繋がる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の一側面における虚像表示装置は、画像を表示する画素表示領域と、外界を視認可能にする光透過領域とを有する画像表示装置と、画像表示装置の顔側に配置され、各画素に対応して設けられた複数の微小光学素子を有し、画像表示装置から射出される映像光を結像させる光学アレイと、画像表示装置の外界側に配置され、画素表示領域への外界光の入射を抑制する遮光部材と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態の虚像表示装置の装着状態を説明する外観斜視図である。

【図2】表示光学系の光学的構造を説明する概念的な斜視図である。

【図3】複合表示部材の繰返単位を説明する概念的な拡大斜視図である。

【図4A】発光素子の具体的な構造の一例を説明する概念的な斜視図である。

【図4B】発光素子の別の例を説明する概念的な斜視図である。

【図5】図４Ａに対応して画素の配置を説明する平面図である。

【図6】第１実施形態の虚像表示装置の動作を説明する概念図である。

【図7】第２実施形態の虚像表示装置を説明する概念図である。

【図8】第３実施形態の虚像表示装置を説明する概念図である。

【図9】瞳拡大素子の一例を説明する図である。

【図10】瞳拡大素子の別の例を説明する図である。

【図11】表示光学系の変形例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

〔第１実施形態〕
以下、図１～６を参照して、本発明の第１実施形態に係る虚像表示装置等について説明する。

【0008】

図１は、ヘッドマウントディスプレイ、すなわち頭部装着型表示装置２００の装着状態を説明する斜視図である。頭部装着型表示装置（以下、ＨＭＤとも称する。）２００は、双眼型表示装置２０１であり、これを装着する観察者又は装着者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。図１等において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、＋Ｘ方向は、ＨＭＤ２００を装着した観察者又は装着者ＵＳの両眼ＥＹの並ぶ横方向に対応し、＋Ｙ方向は、装着者ＵＳにとっての両眼ＥＹの並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、＋Ｚ方向は、装着者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。±Ｙ方向は、鉛直軸又は鉛直方向に平行になっている。

【0009】

ＨＭＤ２００は、右眼用の第１虚像表示装置１００Ａと、左眼用の第２虚像表示装置１００Ｂと、虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂを支持する一対のテンプル１００Ｃと、情報端末であるユーザー端末８８とを備える。第１虚像表示装置１００Ａは、第１装置１Ａであり、上部に配置される第１表示駆動部１０２ａと、眼前を覆う第１表示光学系１０３ａと、第１表示光学系１０３ａを外界側又は前方側において覆う光透過カバー１０４ａとで構成される。第２虚像表示装置１００Ｂは、第２装置１Ｂであり、上部に配置される第２表示駆動部１０２ｂと、眼前を覆う第２表示光学系１０３ｂと、第２表示光学系１０３ｂを外界側又は前方側において覆う光透過カバー１０４ｂとで構成される。第１装置１Ａである第１虚像表示装置１００Ａと、第２装置１Ｂである第２虚像表示装置１００Ｂとを組み合わせたＨＭＤ２００は、広義の虚像表示装置でもある。一対のテンプル１００Ｃは、装着者ＵＳの頭部に装着される装着部材又は支持装置１０６であり、外観上一体化されている表示駆動部１０２ａ，１０２ｂを介して一対の表示光学系１０３ａ，１０３ｂの上端側と、一対の光透過カバー１０４ａ，１０４ｂの上端側とを支持している。一対の表示駆動部１０２ａ，１０２ｂを組み合わせたものを駆動装置１０２と呼ぶ。一対の光透過カバー１０４ａ，１０４ｂを組み合わせたものをシェード１０４と呼ぶ。

【0010】

図２は、第１表示光学系１０３ａの構造を説明する斜視図である。第１表示光学系１０３ａは、２次元的な画像を形成し映像光を射出する板状の複合表示部材２０を備える。複合表示部材２０は、光軸ＡＸに垂直なＸＹ面に平行に延びる板状の部材であり、遮光部材２１と、画像表示装置２２と、光学アレイ２３とを積層し、不図示の枠体によって一体化した構造を有する。複合表示部材２０は、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列された複数の繰返単位２０ａで構成される。繰返単位２０ａは、画像表示装置２２において、画像を形成する単位である画素ＰＥを含み、各画素ＰＥは、３つのサブ画素ＰＥａで構成される。遮光部材２１と画像表示装置２２と光学アレイ２３とは、所定の間隔を設けて接合され、固定されている。これにより、装置を比較的薄くすることができる。なお、遮光部材２１と画像表示装置２２と光学アレイ２３とは、密着してもよい。第１表示光学系１０３ａにおいて、眼ＥＹと光学アレイ２３との間の距離は、例えば１５ｍｍ程度である。

【0011】

第２表示光学系１０３ｂは、第１表示光学系１０３ａと光学的に同一であり、或いは第１表示光学系１０３ａを左右反転させたものであり、詳細な説明を省略する。

【0012】

図３は、複合表示部材２０の繰返単位２０ａを説明する部分拡大斜視図である。ここで、軸ＡＸａは、図１に示す光軸ＡＸに平行な軸である。

【0013】

遮光部材２１は、光透過性を有する平板２１ａ上に四角形の遮光層２１ｂを設けたものである。図３では、遮光層２１ｂは、平板２１ａの外界側に設けているが、画像表示装置２２側に設けてもよい。図示を省略するが、全体の遮光部材２１には、多数の遮光層２１ｂが、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列されている。つまり、遮光部材２１を構成する全遮光層２１ｂは、横のＸ方向及び縦のＹ方向に関して周期的に２次元配列されている。各遮光層２１ｂは、各繰返単位２０ａにおける画素区画に対応する領域に形成されている。遮光部材２１のうち遮光層２１ｂが設けられていない光透過領域Ａ１は、外界光ＯＬを透過させるが、遮光層２１ｂは、外界光ＯＬの通過を抑制する。

【0014】

遮光層２１ｂは、吸光性を有する塗料その他の物質で形成され、例えばインクジェット方式で目的の個所に塗布することができる。遮光層２１ｂは、平板２１ａ上において遮光層２１ｂを形成しない位置に事前に離型剤で形成される離型パターンを記録し、吸光物質のスプレーを全体に塗布し、離型パターンの箇所で吸光物質を除去することで、残った吸光物質層で形成されるものであってもよい。遮光層２１ｂは、光吸収作用を有する物質であれば、黒以外の色の塗料を用いてもよい。さらに、遮光層２１ｂは、フォトレジスト技術等を用いて平板２１ａ上において遮光層２１ｂを形成すべき箇所に金属パターンを形成し、金属パターンを酸化して吸収性を高めたものであってもよい。

【0015】

画像表示装置２２は、遮光部材２１の顔側に配置されている。画像表示装置２２は、自発光型の透明ディスプレイであり、例えば有機ＥＬディスプレイである。画像表示装置２２は、光透過性を有する平板２２ａ上に、発光領域ＥＡである発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂを設けたものである。発光領域ＥＡは、画素表示領域ＰＡとも呼び、発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂは、発光素子ＥＤとも呼ぶ。発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂは、駆動回路７１により映像光ＭＬを表示に必要なタイミング及び輝度で射出する。具体的には、赤色の発光層２２ｒは、赤色の映像光を表示に必要なタイミング及び輝度で射出し、緑色の発光層２２ｇは、緑色の映像光を表示に必要なタイミング及び輝度で射出し、青色の発光層２２ｂは、青色の映像光を表示に必要なタイミング及び輝度で射出する。図示を省略するが、全体の画像表示装置２２には、３つの発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂを一組とする多数の画素ＰＥが、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列されている。つまり、画像表示装置２２を構成する全画素ＰＥ、又は全組の発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂは、横のＸ方向及び縦のＹ方向に関して周期的に２次元配列されている。各画素ＰＥ、つまり一組の発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂは、各繰返単位２０ａにおける画素区画に対応する領域に形成されている。画像表示装置２２のうち発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂが設けられていない光透過領域Ａ２は、外界光ＯＬを透過させる。発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂは、少なくとも点灯タイミングで外界光ＯＬを遮断する。

【0016】

図４Ａは、発光素子ＥＤの具体的な構造の一例を説明する概念的な斜視図である。説明の都合上、図４Ａでは１つの発光素子ＥＤを示している。図示の発光素子ＥＤは、パッシブマトリクス型の表示セルである。発光素子ＥＤを支持する基板である平板２２ａは、光透過性を有するガラスやプラスチックで形成されている。平板２２ａ上には、横のＸ方向に延び光透過性を有する第１電極配線３５が形成され、第１電極配線３５上の表示箇所には、サブ画素ＰＥａに対応する発光層２２ｅが形成されている。発光層２２ｅは、図３に示す発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂのいずれかである。発光素子ＥＤは、例えば有機ＥＬ発光素子である。この場合、発光層２２ｅは、蛍光物質等を含む有機物質層であり、必要に応じて電子やホールの注入層（不図示）等を含む。発光層２２ｅを覆って縦のＹ方向に延び光透過性を有する第２電極配線３６が形成されている。第１及び第２電極配線３５，３６は、例えばＩＴＯ等の透明電極を用いている。外部から第１電極配線３５と第２電極配線３６とに必要な電力を供給することで、発光層２２ｅを選択的に発光させることができる。

【0017】

図４Ｂは、発光素子ＥＤの別の例を説明する概念的な斜視図である。説明の都合上、図４Ｂでは１つの発光素子ＥＤを示している。図示の発光素子ＥＤは、アクティブマトリクス型の表示セルである。発光素子ＥＤを支持する基板である平板２２ａは、光透過性を有するガラスやプラスチックで形成されている。平板２２ａ上には、共通電極である第１透明電極３１が一様に形成され、第１透明電極３１上の表示箇所にサブ画素ＰＥａに対応する発光層２２ｅと、スイッチ素子である駆動素子２２ｄとが形成されている。発光層２２ｅとその右上の駆動素子２２ｄとを組み合わせたものを発光素子ＥＤと呼ぶ。発光層２２ｅは、図３に示す発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂのいずれかである。発光素子ＥＤは、例えば有機ＥＬ発光素子である。発光層２２ｅを覆うように設けられた第２透明電極３２には、駆動素子２２ｄの出力が供給される。駆動素子２２ｄの端子（不図示）には、縦のＹ方向に延び光透過性を有する給電配線３３と、横のＸ方向に延び光透過性を有するスイッチ配線３４とが接続されている。外部からスイッチ配線３４に駆動信号を供給することにより、発光層２２ｅを選択的に発光させることができる。駆動素子２２ｄは、外界光ＯＬを遮断し、発光層２２ｅは、少なくとも点灯タイミングで外界光ＯＬを遮断する。

【0018】

以上のように、画像表示装置２２は、パッシブマトリクス型の自発光素子を含むものでもよいし、アクティブマトリクス型の自発光素子を含むものでもよい。また、画像表示装置２２は、光透過性を有する液晶、マイクロＬＥＤでもよい。アクティブマトリクス型の自発光素子では、各サブ画素ＰＥａに存在するトランジスタが光で誤作動を起こす場合や、トランジスタに用いられる金属膜に起因するぎらつきが発生する場合があるため、遮光部材２１を用いて発光素子ＥＤに入射する外界光ＯＬを抑制する。

【0019】

光学アレイ２３は、画像表示装置２２の顔側に配置されている。光学アレイ２３は、光透過性を有する平板２３ａ上に平面視において四角形又は矩形の微小光学素子２３ｂを設けたものである。図示を省略するが、全体の光学アレイ２３には、多数の微小光学素子２３ｂが、ＸＹ面に沿ってマトリクス状に配列されている。つまり、光学アレイ２３を構成する全微小光学素子２３ｂは、横のＸ方向及び縦のＹ方向に関して周期的に２次元配列されている。各微小光学素子２３ｂは、各繰返単位２０ａにおける画素区画に対応する領域に形成されている。微小光学素子２３ｂは、例えば１つの画素ＰＥ、具体的には、１つの発光領域ＥＡに対して１つ配置される。光学アレイ２３のうち微小光学素子２３ｂが設けられていない光透過領域Ａ３では、外界光ＯＬが透過し光学素子の作用を受けない。一方、微小光学素子２３ｂでは、遮光部材２１により外界光ＯＬの入射が抑制されており、発光領域ＥＡから射出された光が透過し光学素子の作用を受ける。

【0020】

既述のように、光学アレイ２３は、画像表示装置２２を構成する各画素ＰＥ又はサブ画素ＰＥａから射出される光を個別に結像させる複数の微小光学素子２３ｂを有する。微小光学素子２３ｂは、画像表示装置２２の近傍に配置されるので、虚像表示装置１００Ａを薄型にすることが容易になる。

【0021】

微小光学素子２３ｂは、例えばマイクロレンズＭＡである。この場合、全体の光学アレイ２３は、マイクロレンズアレイとなる。マイクロレンズＭＡは、例えば平面視で矩形形状を有する平凸レンズである。マイクロレンズＭＡは、各繰返単位２０ａにおいて、映像光ＭＬを個別に屈折させる。微小光学素子２３ｂが画素ＰＥから射出される光を結像させる場合、画素ＰＥに対応する複数の発光層２２ｅから射出されるカラーの映像光ＭＬを結像させる。微小光学素子２３ｂがサブ画素ＰＥａから射出される光を結像させる場合、サブ画素ＰＥａに対応する発光層２２ｅから射出される単色の映像光ＭＬを結像させる。

【0022】

図５は、画像表示装置２２における画素ＰＥの配置を説明する概念図である。画像表示装置２２は、四角形の輪郭を有する繰返区画２２ｓをＸ方向とＹ方向とに配列したものである。各繰返区画２２ｓは、左下に画素区画２２ｔを有し、繰返区画２２ｓのうち画素区画２２ｔを除く範囲には、光透過領域Ａ２が形成されている。画素区画２２ｔは、画像を表示する画素表示領域ＰＡである。画素区画２２ｔは、図４Ａに示す構造を有する発光素子ＥＤを有し、画素区画２２ｔ全体で、発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂを含むものとなっている。

【0023】

なお、図４Ｂに示す発光素子ＥＤの場合における画素の配置等は、図４Ａに示す発光素子ＥＤの場合と同様である。ただし、発光層２２ｒ，２２ｇ，２２ｂの周囲の光透過領域Ａ２は、図４Ｂに示す給電配線３３、スイッチ配線３４等が設けられた回路領域である。

【0024】

図５に示す画像表示装置２２において、図３に示す遮光部材２１の遮光層２１ｂと光学アレイ２３の微小光学素子２３ｂとを重ねて示している。図５では、説明の都合上、遮光層２１ｂ、画素区画２２ｔ、及び微小光学素子２３ｂの大きさを若干変えて示している。

【0025】

遮光部材２１の遮光層２１ｂは、画素表示領域ＰＡに対応する大きさを有する。これにより、外界光ＯＬが画素表示領域ＰＡに入射することをより抑制することができる。遮光層２１ｂは、画素区画２２ｔをカバーし、画素区画２２ｔよりも若干外側に広がった領域に形成されているが、画素区画２２ｔと一致する領域に形成されてもよい。

【0026】

微小光学素子２３ｂは、画素表示領域ＰＡに対応する大きさを有する。これにより、遮光部材２１の遮光層２１ｂが必要最低限の領域になるため、外界光ＯＬの透過率を上げることができる。微小光学素子２３ｂは、遮光部材２１の遮光層２１ｂに対応する大きさを有する。これにより、遮光層２１ｂで遮光された外界光ＯＬが微小光学素子２３ｂに入射することを防ぐことができる。微小光学素子２３ｂは、画素表示領域ＰＡに対応する形状を有する。これにより、遮光部材２１の遮光層２１ｂが必要最低限の領域になるため、外界光ＯＬの透過率を上げることができる。微小光学素子２３ｂは、画素区画２２ｔをカバーし、画素区画２２ｔよりも若干外側に広がった領域に形成されているが、画素区画２２ｔと一致する領域に形成されてもよい。

【0027】

遮光部材２１の遮光層２１ｂは、画素表示領域ＰＡの画素ＰＥ又はサブ画素ＰＥａに対応する領域に配置される。画素ＰＥ毎に設けられた遮光層２１ｂにより、外界光ＯＬが映像光ＭＬの経路に入り込んで迷光となることを回避しつつ、外界光ＯＬの透過率を上げることができる。微小光学素子２３ｂは、画素表示領域ＰＡ又は発光領域ＥＡに対応する領域に配置される。これにより、外界光ＯＬが微小光学素子２３ｂに入射することを抑制しつつ、発光領域ＥＡから顔側に射出された映像光ＭＬを虚像の形成に用いることができる。

【0028】

具体的には、遮光部材２１の遮光層２１ｂが画素表示領域ＰＡの画素ＰＥに対応する領域に配置された場合、微小光学素子２３ｂは、画素ＰＥに対応する領域に配置される。この場合、遮光層２１ｂは、画素ＰＥに入射する外界光ＯＬを抑制し、微小光学素子２３ｂは、画素ＰＥ毎の映像光ＭＬを結像させる。また、遮光層２１ｂがサブ画素ＰＥａに対応する領域に配置された場合、微小光学素子２３ｂは、サブ画素ＰＥａに対応する領域に配置される。この場合、遮光層２１ｂは、サブ画素ＰＥａに入射する外界光ＯＬを抑制し、微小光学素子２３ｂは、サブ画素ＰＥａ毎の映像光ＭＬを結像させる。

【0029】

なお、第１表示光学系１０３ａにおいて、視野角を大きくする場合、微小光学素子２３ｂの形状は、光学アレイ２３の外周側に配置される微小光学素子２３ｂほど、光が内側に曲がるものとしてもよい。例えば、光軸ＡＸからの距離に応じて、微小光学素子２３ｂの光学面の全体的な傾きを変化させる。また、光学アレイ２３の外周側に配置される微小光学素子２３ｂについて、外界光ＯＬが入射しない範囲で画素表示領域ＰＡ又は発光領域ＥＡの軸ＡＸａからシフトさせてもよい。

【0030】

図５を参照して、繰返区画２２ｓは、光透過領域Ａ２である外光視認画素Ｘ１と、画素区画２２ｔ又は画素表示領域ＰＡである映像光射出画素Ｘ２とを組み合わせたものとして見ることができ、シースルー画像表示画素ＴＸとも呼ぶ。シースルー画像表示画素ＴＸは、外界光ＯＬを局所的に遮断し、遮断した箇所で画素を形成するという観点で、背景を透視させる画素ということができる。遮光部材２１によって遮られなかった外界光ＯＬは、画像表示装置２２のシースルー画像表示画素ＴＸの一部である光透過領域Ａ２を通過し、光学アレイ２３の光透過領域Ａ３を通過する。一方、シースルー画像表示画素ＴＸの一部である画素表示領域ＰＡから射出された映像光ＭＬは、光学アレイ２３の微小光学素子２３ｂを集光作用又はレンズ作用を受けつつ通過し、画素表示領域ＰＡの虚像に変換される。

【0031】

画像表示装置２２は、例えば、大きさが２インチであり、視野角が１３０°程度である。画素ＰＥは、一辺が１０μｍ～５０μｍ程度の大きさを有する。なお、コリメートに近い光学系において、文字情報のみの場合には、画素ＰＥは、１００μｍ程度の大きさでもよい。繰返区画２２ｓのうち光透過領域Ａ２の面積の割合、すなわちシースルー開口率は、例えば、５％～１０％程度である。シースルー開口率が５％程度の場合、解像度は２Ｋ程度とすることができる。

【0032】

図６を参照して、画像表示装置２２の発光素子ＥＤ又は発光層２２ｅから射出された映像光ＭＬは、光学アレイ２３の微小光学素子２３ｂを経て虚像を形成する。ここで、遮光部材２１の遮光層２１ｂにより、外光視認画素Ｘ１と映像光射出画素Ｘ２とを組み合わせた繰返区画２２ｓから射出される外界光ＯＬ及び映像光ＭＬのうち、映像光ＭＬが分離して虚像を形成する。装着者の眼ＥＹには、透明ディスプレイである画像表示装置２２の画素ＰＥ又はサブ画素ＰＥａによって形成された画像が、画像表示装置２２の後方に所望の拡大率の虚像として観察される。一方、外界光ＯＬは、遮光部材２１の光透過領域Ａ１を通過し、画像表示装置２２のシースルー画像表示画素ＴＸの一部である光透過領域Ａ２を通過し、光学アレイ２３の光透過領域Ａ３を通過する。この際、外界光ＯＬは、遮光部材２１、画像表示装置２２、光学アレイ２３によって光学的作用又はレンズ作用を受けない。装着者の眼ＥＹには、通常の外界像が観察される。つまり、表示光学系１０３ａ，１０３ｂを介して外界像のシールスルー視が可能になる。

【0033】

以上で説明した第１実施形態の虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂは、画像を表示する画素表示領域ＰＡと、外界を視認可能にする光透過領域Ａ２とを有する画像表示装置２２と、画像表示装置２２の顔側に配置され、各画素ＰＥに対応して設けられた複数の微小光学素子２３ｂを有し、画像表示装置２２から射出される映像光ＭＬを結像させる光学アレイ２３と、画像表示装置２２の外界側に配置され、画素表示領域ＰＡへの外界光ＯＬの入射を抑制する遮光部材２１と、を備える。

【0034】

上記虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂでは、外界から遮光部材２１を通過した透過光が、光学素子の作用を受けずに通過し、画像表示装置２２の画素表示領域ＰＡから射出された映像光ＭＬが、光学素子の作用を受けて通過し虚像を形成する。すなわち、虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂは、映像光ＭＬと外界光ＯＬとを分離し、映像光ＭＬと外界光ＯＬとを共存させる。画像表示装置２２が光透過領域Ａ２を有することによりシースルーとなるため、別途リレー光学系等が不要であり、装置を小型化することができる。また、遮光部材２１が画素表示領域ＰＡへの外界光ＯＬの入射を抑制することにより、外界光ＯＬが画素表示領域ＰＡを経て光学アレイ２３に入射することを抑制する。これにより、外界光ＯＬは、光学素子の作用を受けないため、外界光ＯＬが多重像になって視認されることを防ぎ、シースルー性を向上させることができる。以上のように、画像表示装置２２に遮光部材２１及び光学アレイ２３を組み合わせることにより、装置を小型化しつつ視野角を大きくすることができる。

【0035】

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、第２実施形態の虚像表示装置、第１実施形態の虚像表示装置を部分的に変更したものであり、第１実施形態の虚像表示装置と共通する部分については説明を省略する。

【0036】

図７を参照して、第２実施形態の虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂ又はＨＭＤ２００では、複数の画素ＰＥに亘って遮光部材２１の遮光層２１ｂを配置する。複数の画素ＰＥの集まりを複合画素ＰＢと呼ぶ。複合画素ＰＢは、例えば、２×２、３×３等の画素ＰＥの集まりである。図示の例では、４つの画素ＰＥ、すなわち複合画素ＰＢをカバーするように遮光層２１ｂを配置している。本実施形態の虚像表示装置１００Ａ等は、高解像度になるにつれ、各画素ＰＥと１対１で遮光層２１ｂを配置することが困難である場合に有効である。この場合、画像表示装置２２において外界光ＯＬが透過する領域が減少するものの、画像表示装置２２全体としてはシースルー性を確保することができる。

【0037】

第２実施形態において、遮光部材２１の遮光層２１ｂのみでなく、光学アレイ２３の微小光学素子２３ｂも遮光層２１ｂと対応させて、複数の画素ＰＥに亘って配置してもよい。

【0038】

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、第３実施形態の虚像表示装置、第１実施形態の虚像表示装置を部分的に変更したものであり、第１実施形態の虚像表示装置と共通する部分については説明を省略する。

【0039】

図８を参照して、第３実施形態の虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂ又はＨＭＤ２００では、光学アレイ２３の顔側に瞳拡大素子２４を配置している。光学アレイ２３がマイクロレンズＭＡのような微小光学素子２３ｂを含むものである場合、微小光学素子２３ｂを発光源から離すと、アイボックスが比較的小さくなる。瞳拡大素子２４を設けることにより、装着者の眼ＥＹに対する光学系の配置の自由度が高まり、かつ眼ＥＹが動いても映像を快適に見ることができる。なお、画像表示装置２２から光学アレイ２３を離した場合、視野角を広げるために、マイクロレンズＭＡのレンズ形状を調整することが好ましい。瞳拡大素子２４は、例えば、多重反射を用いたものや回折形状を用いたもの等が挙げられる。

【0040】

図９は、多重反射を用いた瞳拡大素子２４の例を示す図である。図９に示す瞳拡大素子２４は、第１及び第２光学部材２４ａ，２４ｂを貼り合わせた平行平板部材である。各光学部材２４ａ，２４ｂは、複数の半透過反射ミラーＭと複数の透過性部材Ｔとを有している。半透過反射ミラーＭは、第１及び第２光学部材２４ａ，２４ｂの入射面に対して傾斜して形成されている。第１光学部材２４ａに設けられる各半透過反射ミラーＭは、第２光学部材２４ｂに設けられる各半透過反射ミラーＭと交差するように設けられている。

【0041】

第１光学部材２４ａにおいて、半透過反射ミラーＭ１は、第１光学部材２４ａに入射する映像光ＭＬのうち、一部を－Ｚ方向に透過させ、他の一部を－Ｘ方向に反射させる。半透過反射ミラーＭ２は、半透過反射ミラーＭ１の－Ｘ側に配置され、半透過反射ミラーＭ１で反射された映像光ＭＬの一部を－Ｚ方向に反射させ、他の一部を－Ｘ方向に透過させる。第２光学部材２４ｂにおいて、半透過反射ミラーＭ３は、第１光学部材２４ａの半透過反射ミラーＭ１の－Ｚ方向に配置され、半透過反射ミラーＭ１を透過した映像光ＭＬのうち、一部を－Ｚ方向に透過させ、他の一部を＋Ｘ方向に反射させる。半透過反射ミラーＭ４は、半透過反射ミラーＭ３の＋Ｘ側に配置され、半透過反射ミラーＭ３で反射された映像光ＭＬの一部を－Ｚ方向に反射させ、他の一部を＋Ｘ方向に透過させる。半透過反射ミラーＭ５は、半透過反射ミラーＭ３の－Ｘ側かつ半透過反射ミラーＭ２の－Ｚ側に配置され、半透過反射ミラーＭ２で反射された映像光ＭＬの一部を－Ｚ方向に透過させ、他の一部を＋Ｘ方向に反射させる。以上のように、瞳拡大素子２４において、映像光ＭＬを複数回反射させることにより、映像光ＭＬの光束径をＸ方向に拡大することができる。

【0042】

図１０は、回折形状を用いた瞳拡大素子２４の例を示す図である。図１０に示す瞳拡大素子２４は、光透過性を有する基板２４ｃと基板２４ｃの一方に設けられる第１ホログラム素子２４ｄと基板２４ｃの他方に設けられる第２ホログラム素子２４ｅとを有する。第１及び第２ホログラム素子２４ｄ，２４ｅは、反射型の回折素子を含む。第１及び第２ホログラム素子 ２４ｄ，２４ｅは、体積ホログラムの他、ナノインプリントで形成したものでもよい。

【0043】

第１ホログラム素子２４ｄは、入射される映像光ＭＬのうち、一部を透過させ、第２ホログラム素子２４ｅも入射される映像光ＭＬのうち、一部を透過させる。第２ホログラム素子２４ｅは、入射される映像光ＭＬの他の一部を第１ホログラム素子２４ｄに向けて回折させ、第１ホログラム素子２４ｄは、第２ホログラム素子２４ｅで回折されて戻ってきた回折光ＤＬを第２ホログラム素子２４ｅに再度向かうように回折させる。回折光ＤＬは、第１及び第２ホログラム素子２４ｄ，２４ｅをそのまま通過した直進光ＳＬと同一の方向に平行にシフトさせた状態で射出する。以上のように、瞳拡大素子２４において、映像光ＭＬを複数回（具体的には、２ｎ回）回折させることにより、映像光ＭＬの光束径をＸ方向に拡大することができる。

【0044】

なお、図示を省略するが、回折形状を用いた瞳拡大素子２４として、図１０に示すような反射型の回折素子ではなく、透過型の回折素子を用いてもよい。

【0045】

また、図示を省略するが、瞳拡大素子２４の代わりに、液晶レンズを設けてもよい。液晶レンズは、空間的に縦偏光と横偏光のいずれかの偏光に対して屈折率の変化により選択的にレンズとして作用する。具体的には、液晶レンズは、外界光ＯＬを屈折させずに映像光ＭＬを選択的に屈折させ、映像光ＭＬを平行光にコリメートする。液晶レンズを設ける場合、偏光板や波長板等を設けて外界光ＯＬと映像光ＭＬの偏光方向を調整する。複合表示部材２０に液晶レンズを組み合わせることにより、小型の光学系で大画面を表示することができる。ここで、大画面の表示とは、例えば、２．５ｍ前方に７０インチ以上の虚像を形成する場合を意味する。

【0046】

〔変形例その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【0047】

上記実施形態において、画像表示装置２２の画素表示領域ＰＡと光透過領域Ａ２の配置や大きさは、１画素に十分なシースルー領域が存在するように、適宜変更することができる。

【0048】

上記実施形態において、光学アレイ２３の微小光学素子２３ｂの外形形状を矩形形状としたが、円形形状でも楕円形形状でもよい。遮光部材２１の遮光層２１ｂの形状を画像表示装置２２の画素表示領域ＰＡの形状に沿ったものとし、外界光ＯＬが微小光学素子２３ｂに入射しないようにすることが好ましい。

【0049】

上記実施形態において、光学アレイ２３の微小光学素子２３ｂは、平凸レンズに限らず、ホログラム、液晶等の屈折率分布型の回折素子でもよい。回折素子の場合、マイクロレンズを用いた露光や、小径のピンホールを用いて露光時に回折を用いた方法等によって微小光学素子を作製する。また、微小光学素子２３ｂは、幾何学的位相レンズ、メタレンズ等であってもよい。

【0050】

また、微小光学素子２３ｂとして、マイクロレンズＭＡの代わりに、ピンホールを用いて焦点深度を調整してもよい。例えば、図１１に示すように、光学アレイ２３に設けた遮光領域１２３ｃの一部に光を通過させるピンホール１２３ｂを形成する。遮光領域１２３ｃは、遮光部材２１の遮光層２１ｂ及び画像表示装置２２の画素表示領域ＰＡに対応する大きさ及び形状を有する。ピンホール１２３ｂの大きさは、例えば画素ＰＥの大きさの１／５～１／１０程度である。画素ＰＥの画角に応じてピンホール１２３ｂを調整する。例えば、光軸ＡＸからの距離に応じて、ピンホール１２３ｂの位置をシフトさせる。

【0051】

上記実施形態において、画像表示装置２２と遮光部材２１とが一体となっていてもよい。例えば、画像表示装置２２の基板である平板２２ａの外界側表面において、画素表示領域ＰＡに対応する位置に遮光層２１ｂを設けてもよい。

【0052】

以上では、ＨＭＤ２００が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記虚像表示装置１００Ａ，１００Ｂは、頭部に装着せず双眼鏡のようにのぞき込むハンドヘルドディスプレイとしても用いることができる。つまり、本発明において、ヘッドマウントディスプレイには、ハンドヘルドディスプレイも含まれる。

【0053】

具体的な態様における虚像表示装置は、画像を表示する画素表示領域と、外界を視認可能にする光透過領域とを有する画像表示装置と、画像表示装置の顔側に配置され、各画素に対応して設けられた複数の微小光学素子を有し、画像表示装置から射出される映像光を結像させる光学アレイと、画像表示装置の外界側に配置され、画素表示領域への外界光の入射を抑制する遮光部材と、を備える。

【0054】

上記虚像表示装置では、画像表示装置が光透過領域を有することによりシースルーとなるため、別途リレー光学系等が不要であり、装置を小型化することができる。また、遮光部材が画素表示領域への外界光の入射を抑制することにより、外界光が画素表示領域を経て光学アレイに入射することを抑制する。これにより、外界光は、光学素子の作用を受けないため、外界光が多重像になって視認されることを防ぎ、シースルー性を向上させることができる。以上のように、画像表示装置に遮光部材及び光学アレイを組み合わせることにより、装置を小型化しつつ視野角を大きくすることができる。

【0055】

具体的な態様における虚像表示装置において、光学アレイは、微小光学素子として、画像表示装置を構成する画像又はサブ画素を個別に結像させるマイクロレンズを有する。マイクロレンズは、画像表示装置の近傍に配置されるので、虚像表示装置を薄型にすることが容易になる。

【0056】

具体的な態様における虚像表示装置において、画素表示領域は、画素又はサブ画素に対応する発光領域であり、微小光学素子は、発光領域に対応する領域に配置される。これにより、外界光が微小光学素子に入射することを抑制しつつ、発光領域から顔側に射出された映像光を虚像の形成に用いることができる。

【0057】

具体的な態様における虚像表示装置において、遮光部材は、外界光の入射を抑制する遮光層を有し、遮光層は、画素表示領域の画素又はサブ画素に対応する領域に配置される。画素毎に設けた遮光層により、外界光が映像光の経路に入り込んで迷光となることを回避しつつ、外界光の透過率を上げることができる。

【0058】

具体的な態様における虚像表示装置において、微小光学素子は、画素表示領域に対応する大きさを有する。これにより、遮光部材の遮光層が必要最低限の領域になるため、外界光の透過率を上げることができる。

【0059】

具体的な態様における虚像表示装置において、微小光学素子は、画素表示領域に対応する形状を有する。これにより、遮光部材の遮光層が必要最低限の領域になるため、外界光の透過率を上げることができる。

【0060】

具体的な態様における虚像表示装置において、遮光部材は、外界光の入射を抑制する遮光層を有し、微小光学素子は、遮光層に対応する大きさを有する。これにより、遮光層で遮光された外界光が微小光学素子に入射することを防ぐことができる。

【0061】

具体的な態様における虚像表示装置において、遮光部材は、外界光の入射を抑制する遮光層を有し、遮光層は、画素表示領域に対応する大きさを有する。これにより、外界光が画素表示領域に入射することをより抑制することができる。

【0062】

具体的な態様における虚像表示装置において、遮光部材は、外界光の入射を抑制する遮光層を有し、遮光層は、画素表示領域の画素又はサブ画素に対応する領域に配置される。

【0063】

具体的な態様における虚像表示装置において、遮光部材と画像表示装置と光学アレイとは、固定されている。これにより、装置を比較的薄くすることができる。

【0064】

具体的な態様における頭部装着型表示装置において、上述した虚像表示装置を備える第１装置と、上述した虚像表示装置を備える第２装置と、第１装置と第２装置とを支持し、頭部への装着を可能にするテンプルを含む支持装置とを備える。

【符号の説明】

【0065】

１Ａ…第１装置、１Ｂ…第２装置、２０…複合表示部材、２０ａ…繰返単位、２１…遮光部材、２１ａ…平板、２１ｂ…遮光層、２２…画像表示装置、２２ａ…平板、２２ｄ…駆動素子、２２ｅ，２２ｂ，２２ｇ，２２ｒ…発光層、２２ｓ…繰返区画、２２ｔ…画素区画、２３…光学アレイ、２３ａ…平板、２３ｂ…微小光学素子、２４…瞳拡大素子、３１，３２…透明電極、３３…給電配線、３４…スイッチ配線、３５，３６…電極配線、７１…駆動回路、８８…ユーザー端末、１００Ａ…第１虚像表示装置、１００Ｂ…第２虚像表示装置、１００Ｃ…テンプル、１０２…駆動装置、１０２ａ…第１表示駆動部、１０２ｂ…第２表示駆動部、１０３ａ…第１表示光学系、１０３ｂ…第２表示光学系、１０４…シェード、１０４ａ，１０４ｂ…光透過カバー、１０６…支持装置、１２３ｂ…ピンホール、１２３ｃ…遮光領域、２００…頭部装着型表示装置、２０１…双眼型表示装置、Ａ１，Ａ２，Ａ３…光透過領域、ＡＸ…光軸、ＡＸａ…軸、ＥＡ…発光領域、ＥＤ…発光素子、ＥＹ…眼、ＭＡ…マイクロレンズ、ＭＬ…映像光、ＯＬ…外界光、ＰＡ…画素表示領域、ＰＢ…複合画素、ＰＥ…画素、ＰＥａ…サブ画素、Ｔ…透過性部材、ＴＸ…シースルー画像表示画素、ＵＳ…装着者、Ｘ１…外光視認画素、Ｘ２…映像光射出画素

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】