特許 7551584 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-06

(45)【発行日】2024-09-17

(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 20060101AFI20240909BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20240909BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

H04N5/64 511A

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2021149510

(22)【出願日】2021-09-14

(65)【公開番号】P2023042284

(43)【公開日】2023-03-27

【審査請求日】2024-01-19

(73)【特許権者】

【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】久野 拓馬

(72)【発明者】

【氏名】中村 俊輝

【審査官】山本 貴一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１０１７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】独国特許出願公開第１０２００７０４８５２２（ＤＥ，Ａ１）

【文献】特開２０２１－０３３０７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０７１４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０９１９８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０３３１９１８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／１６８３４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０９４７１２５７（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／０１，２７／０２

Ｈ０４Ｎ ５／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ユーザの視野内に映像を表示するヘッドマウントディスプレイであって、
表示する映像を生成する映像表示部と、
前記映像表示部からの映像光を複製する第１導光板と第２導光板とを備え、
前記第１導光板及び前記第２導光板は夫々映像光を内部反射で閉じ込める平行な１組の主面を有し、
前記第１導光板は映像光を内部へ反射する入射面と前記第２導光板へ映像光を出射する２つ以上の出射反射面を備え、
前記第２導光板は前記第１導光板からの映像光を内部へ結合する入力部とユーザの瞳へ映像光を出射する出力部を備え、
前記第１導光板の前記入射面から一番遠い出射反射面において青色波長領域の反射率が緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高い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】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
青色波長領域の反射率が緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高い前記出射反射面において、
青色波長領域の反射率は赤色波長領域の反射率の１．０倍～２．０倍の範囲にあ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3】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第１導光板の２つ以上の出射反射面において、青色波長領域の反射率が緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高いことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

【請求項4】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第１導光板の２つ以上の出射反射面において、青色波長領域の反射率と赤色波長領域の反射率の比は前記入射面から遠くなるほど大きくな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5】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
青色波長領域の反射率が緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高い前記出射反射面において、
該出射反射面の反射率は、（青色波長領域の反射率）＞（緑色波長領域の反射率）＞（赤色波長領域の反射率）の波長依存性を持つことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

【請求項6】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記映像表示部の映像光を拡大し前記第１導光板に投射する投射部を有し、
前記第１導光板の２つ以上の出射反射面の面間隔は前記投射部の光径よりも小さいことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

【請求項7】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第１導光板の前記入射面と前記出射反射面は互いに平行かつ前記主面とは異なる角度であ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8】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第１導光板の主面に対する前記出射反射面の傾き角度は所定の角度θであって、
前記角度θは２０°～４０°の範囲にあ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9】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第１導光板の２つ以上の出射反射面の反射率は前記入射面から遠くなるほど高いことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

【請求項10】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第２導光板の出力部は２つ以上の部分反射面であ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11】

請求項１０に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記部分反射面の反射率が１０％以下であ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12】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第２導光板の入力部は２つ以上の入力反射面であ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13】

請求項１２に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記２つ以上の入力反射面の反射率は前記第２導光板の出力部に近いほど低くな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14】

請求項１２に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記２つ以上の入力反射面の前記出力部から一番遠い入力反射面において青色波長領域の反射率が緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高いことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

【請求項15】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
前記第２導光板は回折格子又は体積ホログラムを備えた導光板であ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16】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
電力を供給する電力供給部と、
ユーザの位置や姿勢を検出するセンシング部と、
音声信号の入力または出力を行う音声処理部と、
前記電力供給部と前記センシング部と前記音声処理部の制御を行う制御部を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

【請求項17】

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
ユーザの頭の動きを検出する加速度センサと、
前記加速度センサで検出したユーザの頭の動きに応じて表示コンテンツを変えるヘッドトラッキング部と、
電力を供給する電力供給部と、
音声信号の入力または出力を行う音声処理部と、
前記加速度センサと前記ヘッドトラッキング部と前記電力供給部と前記音声処理部の制御を行う制御部を備えたことを特徴とする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、ユーザの頭部に装着され視野内に映像を表示するヘッドマウントディスプレイに関する。

【背景技術】

【0002】

ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも略す）のようなウェアラブルデバイスは、良好な視界の確保や映像の視認性といった表示性能だけでなく、小型であるとともに軽量であり、装着性に優れる構造が要求される。ＨＭＤは、導光板を用いることでシースルー性を備えた映像表示装置を実現できる。また、導光板は、映像光を複製してユーザに投射するので、広いアイボックス（ユーザが映像を視認できるエリア）を実現できる。また、導光板は、全反射による光の閉じ込めを用いて映像光をユーザの目に伝搬させるため、薄型化と、小型、軽量化が図れるという特徴がある。

【0003】

本技術分野における先行技術文献として特許文献１がある。特許文献１には、投射部からの映像光を複製する第１導光板と第２導光板とを備え、第１導光板は映像光を内部へ反射する入力部と、第２導光板へ映像光複製して出射する部分反射面を備え、第２導光板は第１導光板からの映像光を内部へ結合する結合部と、ユーザの瞳へ映像光を複製して出射する出力部とを備えたＨＭＤが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－１１６２６１号公報

【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、第１導光板と第２導光板とを備えることで、表示映像の大視野角化を実現している。

【0006】

しかしながら、薄型化と、小型、軽量化を図りながら、さらなる表示映像の広画角化を図るには、導光板が全反射で映像光を伝搬できるように導光板硝材の屈折率を大きくする必要がある。ここで、導光板硝材の高屈折率化は、特に青色波長側で導光板による光吸収が大きくなり、特に導光板内部の伝搬経路が長く入射面から一番遠い反射面から出射される映像光の青色波長側の出射効率が低下する。そのため表示映像に色ムラが発生するという課題が生じる。

【0007】

特許文献１では、上記、導光板硝材の高屈折率化に伴う表示映像の色ムラについて考慮されていない。

【0008】

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、薄型化と、小型、軽量化を図りながら、さらなる広画角な映像を表示可能でかつ色ムラのない映像を表示可能なＨＭＤを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、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ヘッドマウントディスプレイであって、表示する映像を生成する映像表示部と、映像表示部からの映像光を複製する第１導光板と第２導光板とを備え、第１導光板及び第２導光板は夫々映像光を内部反射で閉じ込める平行な１組の主面を有し、第１導光板は映像光を内部へ反射する入射面と第２導光板へ映像光を出射する２つ以上の出射反射面を備え、第２導光板は第１導光板からの映像光を内部へ結合する入力部とユーザの瞳へ映像光を出射する出力部を備え、第１導光板の入射面から一番遠い出射反射面において青色波長領域の反射率が緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高い構成とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、薄型化と、小型、軽量化を図りながら、さらなる広画角な映像を表示可能でかつ色ムラのない映像が表示可能なＨＭＤを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1A】実施例１におけるＨＭＤの機能ブロック構成図である。

【図1B】図１Ａに示したＨＭＤのハードウェア構成の一例を示すブロック構成図である。

【図2】実施例１における虚像映像生成部のブロック構成図である。

【図3】実施例１におけるＨＭＤの使用形態を示す図である。

【図4】実施例１における第１導光板及び第２導光板の構成図である。

【図5A】実施例１における課題を説明するための虚像の光路を説明する図である。

【図5B】実施例１における課題を説明するための虚像の明るさの分布を説明する図である。

【図6A】実施例１における第１導光板の出射反射面の反射率の波長特性を説明する図である。

【図6B】実施例１における虚像の明るさの分布を説明する図である。

【図7A】実施例１における第１導光板の出射反射面の反射率の他の波長特性を説明する図である。

【図7B】実施例１における第１導光板の出射反射面の反射率の他の波長特性を説明する図である。

【図7C】実施例１における虚像の明るさの他の分布を説明する図である。

【図8A】実施例１における第１導光板及び第２導光板の詳細な構成を説明する上面図である。

【図8B】実施例１における第１導光板及び第２導光板の詳細な構成を説明する側面図である。

【図9A】実施例１における第１導光板及び第２導光板の詳細な構成および光路を説明する図である。

【図9B】実施例１における第１導光板及び第２導光板の詳細な構成および光路を説明する図である。

【図10】実施例２における第１導光板及び第２導光板の構成図である。

【図11】実施例２における第２導光板の構成を説明する図である。

【図12】実施例２における第２導光板の変形例を説明する図である。

【図13】実施例３におけるＨＭＤの使用例を示す図である。

【図14】実施例３におけるＨＭＤの機能ブロック構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

【実施例1】

【0013】

図１Ａは、本実施例におけるＨＭＤの機能ブロック構成図である。図１Ａにおいて、ＨＭＤ１は、虚像映像生成部１０１と、制御部１０２と、画像信号処理部１０３と、電力供給部１０４と、記憶部１０５と、センシング部１０６と、通信部１０７と、音声処理部１０８と、撮像部１０９と、入出力部９１～９３とを有する。

【0014】

虚像映像生成部１０１は、後述する小型ディスプレイ部で生成した映像を虚像として拡大投射して、装着者（ユーザ）の視界に拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）や混合現実（ＭＲ：Mixed Reality）の映像を表示する。

【0015】

制御部１０２は、ＨＭＤ１全体を統括的に制御する。制御部１０２は、ＣＰＵ等の演算装置によってその機能が実現される。画像信号処理部１０３は、虚像映像生成部１０１内の表示部に対し、表示用の映像信号を供給する。電力供給部１０４は、ＨＭＤ１の各部に対し電力を供給する。

【0016】

記憶部１０５は、ＨＭＤ１の各部の処理に必要な情報や、ＨＭＤ１の各部で生成された情報を記憶する。また、制御部１０２の機能がＣＰＵによって実現される場合、ＣＰＵが実行するプログラムやデータを記憶する。記憶部１０５は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶デバイスで構成される。

【0017】

センシング部１０６は、コネクタである入出力部９１を介して各種センサと接続され、各種センサによって検出された信号に基づいて、ＨＭＤ１の姿勢（すなわちユーザの姿勢、ユーザの頭の向き）や、動き、周囲温度等を検出する。各種センサとして、例えば、傾斜センサや加速度センサ、温度センサ、ユーザの位置情報を検出するＧＰＳ（Global Positioning System）のセンサ等が接続される。

【0018】

通信部１０７は、コネクタである入出力部９２を介して、近距離無線通信、遠距離無線通信、または有線通信によって、外部の情報処理装置と通信を行う。具体的には、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）、移動体通信ネットワーク、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ、登録商標）、高精細度マルチメディアインターフェース（ＨＤＭＩ（登録商標））等によって通信を行う。

【0019】

音声処理部１０８は、コネクタである入出力部９３を介して、マイクやイヤホン、スピーカ等の音声入出力装置と接続され、音声信号の入力または出力を行う。撮像部１０９は、例えば小型カメラや小型ＴＯＦ（Time Of Flight）センサであり、ＨＭＤ１のユーザの視界方向を撮影する。

【0020】

図１Ｂは、ＨＭＤ１のハードウェア構成の一例を示すブロック構成図である。図１Ｂに示すように、ＨＭＤ１は、ＣＰＵ２０１と、システムバス２０２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２０３と、ＲＡＭ２０４と、ストレージ２１０と、通信処理器２２０と、電力供給器２３０と、ビデオプロセッサ２４０と、オーディオプロセッサ２５０と、センサ２６０とを有して構成されている。

【0021】

ＣＰＵ２０１は、ＨＭＤ１全体を制御するマイクロプロセッサユニットである。ＣＰＵ２０１は図１Ａにおける制御部１０２に対応するものである。システムバス２０２は、ＣＰＵ２０１とＨＭＤ１内の各動作ブロックとの間でデータを送受信するためのデータ通信路である。

【0022】

ＲＯＭ２０３は、オペレーティングシステム等の基本動作プログラムやその他の動作プログラムが格納されたメモリであり、例えば、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）やフラッシュＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭを用いることができる。

【0023】

ＲＡＭ２０４は、基本動作プログラムやその他の動作プログラム実行時のワークエリアとなる。ＲＯＭ２０３及びＲＡＭ２０４は、ＣＰＵ２０１と一体の構成であってもよい。また、ＲＯＭ２０３は、図１Ｂに示したような独立構成ではなく、ストレージ２１０内の一部記憶領域を使用してもよい。

【0024】

ストレージ２１０は、ＨＭＤ１の動作プログラムや動作設定値、ＨＭＤ１を使用するユーザの個人情報２１０ａ等を記憶する。以下では特に例示していないが、ネットワーク上からダウンロードした動作プログラムや、その動作プログラムが作成した各種データを記憶してもよい。また、ストレージ２１０の一部記憶領域をＲＯＭ２０３の機能の一部または全部を代替してもよい。ストレージ２１０には、例えば、フラッシュＲＯＭやＳＳＤ、ＨＤＤ等のデバイスを用いてよい。ＲＯＭ２０３、ＲＡＭ２０４、ストレージ２１０は、記憶部１０５に対応するものである。なお、ＲＯＭ２０３やストレージ２１０に記憶された上記動作プログラムは、ネットワーク上の各装置からダウンロード処理を実行することにより、更新及び機能拡張することができる。

【0025】

通信処理器２２０は、ＬＡＮ（Local Area Network）通信器２２１、電話網通信器２２２、ＮＦＣ（Near Field Communication）通信器２２３、ＢｌｕｅＴｏｏｔｈ通信器２２４を有して構成される。通信処理器２２０は図１Ａにおける通信部１０７に対応するものである。図１Ｂでは、通信処理器２２０にＬＡＮ通信器２２１、ＮＦＣ通信器２２３、ＢｌｕｅＴｏｏｔｈ通信器２２４が含まれる場合を例示しているが、図１Ａで説明したように、これらが入出力部９２を介してＨＭＤ１外部の機器として接続されていてもよい。ＬＡＮ通信器２２１は、アクセスポイントを介してネットワークと接続され、ネットワーク上の装置との間でデータを送受信する。ＮＦＣ通信器２２３は、対応するリーダ／ライタが近接した際に無線通信してデータを送受信する。ＢｌｕｅＴｏｏｔｈ通信器２２４は、近接する情報処理装置と無線通信してデータを送受信する。なお、ＨＭＤ１は、移動体電話通信網の基地局との間で通話およびデータを送受信する電話網通信器２２２を有していてもよい。

【0026】

虚像映像生成機構２２５は図１Ａにおける虚像映像生成部１０１に対応するものである。虚像映像生成機構２２５の具体的な構成については、図２を用いて後述する。

【0027】

電力供給器２３０は、所定の規格でＨＭＤ１に電力を供給する電源機器である。電力供給器２３０は、図１Ａにおける電力供給部１０４に対応するものである。図１Ｂでは、ＨＭＤ１に電力供給器２３０が含まれる場合を例示しているが、これらが入出力部９１～９３のいずれかを介してＨＭＤ１の外部機器として接続され、ＨＭＤ１が当該外部機器から電源の供給を受けてもよい。

【0028】

ビデオプロセッサ２４０は、ディスプレイ２４１と、画像信号処理プロセッサ２４２と、カメラ２４３とを有して構成される。画像信号処理プロセッサ２４２は図１Ａにおける画像信号処理部１０３に対応するものである。また、カメラ２４３は図１Ａにおける撮像部１０９に対応するものであり、ディスプレイ２４１は後述する小型ディスプレイ部に対応するものである。図１Ｂでは、ビデオプロセッサ２４０にディスプレイ２４１とカメラ２４３とが含まれる場合を例示しているが、図１Ａで説明したように、これらが入出力部９３を介してＨＭＤ１の外部機器として接続されていてもよい。

【0029】

ディスプレイ２４１は、画像信号処理プロセッサ２４２が処理した画像データを表示する。画像信号処理プロセッサ２４２は、入力された画像データをディスプレイ２４１に表示させる。カメラ２４３は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ等の電子デバイスを用いてレンズから入力した光を電気信号に変換することにより、周囲や対象物の画像データを入力する撮像装置として機能するカメラユニットである。

【0030】

オーディオプロセッサ２５０は、スピーカ２５１と、音声信号プロセッサ２５２と、マイク２５３とを有して構成される。オーディオプロセッサ２５０は図１Ａにおける音声処理部１０８に対応するものである。図１Ｂでは、オーディオプロセッサ２５０にスピーカ２５１とマイク２５３とが含まれる場合を例示しているが、図１Ａで説明したように、これらが入出力部９３を介してＨＭＤ１の外部機器として接続されていてもよい。

【0031】

スピーカ２５１は、音声信号プロセッサ２５２が処理した音声信号を出力する。音声信号プロセッサ２５２は、入力された音声データをスピーカ２５１に出力する。マイク２５３は、音声を音声データに変換し、音声信号プロセッサ２５２に出力する。

【0032】

センサ２６０は、ＨＭＤ１の状態を検出するためのセンサ群であり、ＧＰＳ受信機２６１と、ジャイロセンサ２６２と、地磁気センサ２６３と、加速度センサ２６４と、照度センサ２６５と、近接センサ２６６とを有して構成される。センサ２６０はセンシング部１０６に対応するものである。図１Ｂでは、センサ２６０にＧＰＳ受信機２６１と、ジャイロセンサ２６２と、地磁気センサ２６３と、加速度センサ２６４と、照度センサ２６５と、近接センサ２６６とが含まれる場合を例示しているが、図１Ａで説明したように、これらが入出力部９１を介してＨＭＤ１の外部機器として接続されていてもよい。これらの各センサは従来から知られている一般的なセンサ群であるため、ここではその説明を省略する。また、図１Ｂに示したＨＭＤ１の構成はあくまで一例であり、必ずしもこれらの全てを備えていなくてもよい。

【0033】

図２は、本実施例における虚像映像生成部１０１のブロック構成図である。虚像映像生成部１０１は、映像表示部１２０、投射部１２１、第１導光板１２２、および第２導光板１２３で構成される。映像表示部１２０は、表示する映像を生成する装置であって、ＬＥＤやレーザなどの光源からの光を内蔵する小型ディスプレイ部に照射する。小型ディスプレイ部は、映像を表示するための素子であり、液晶ディスプレイ、デジタルマイクロミラーデバイス、有機ＥＬディスプレイ、マイクロＬＥＤディスプレイ、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、ファイバスキャニングデバイス等が用いられる。投射部１２１は、投射レンズを有し、映像表示部１２０の映像光を拡大し、虚像として投射する装置である。第１導光板１２２はアイボックス拡大のために映像光の複製を行う。第２導光板１２３は、第１導光板１２２とは異なる方向にアイボックス拡大の為の映像光複製を行いかつ投射部１２１および第１導光板１２２からの映像光をユーザの瞳２０へ伝達する。ユーザは、映像光が瞳２０内の網膜に結像されることで映像を視認できる。

【0034】

図３は、本実施例におけるＨＭＤ１の使用形態を示す図である。図３は、ユーザ２の頭上方向から見下ろした状態を示し、Ｘ軸は水平方向、Ｙ軸は垂直方向、Ｚ軸はユーザ２の視線方向である視軸方向である。以後の図面においても、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の方向を同様に定義する。

【0035】

図３に示すように、ＨＭＤ１は、ユーザ２の頭部に装着され、虚像映像生成部１０１で生成した映像を第２導光板１２３を介してユーザの瞳２０に伝播させる。その際ユーザ２は、視野内の一部の映像表示領域１１１に、外界が視認可能な状態（シースルー型）で映像（虚像）を視認できる。なお、図３では片眼に映像を表示する構成を示しているが、両眼の構成としても構わない。また、ＨＭＤ１は、図１Ａの撮像部１０９において、ユーザ２の視野範囲を撮影することも可能である。

【0036】

図４は、本実施例における第１導光板及び第２導光板の構成図である。虚像映像生成部１０１により形成されるアイボックスは、映像の視認性の観点から２次元方向に拡大されることが望ましい。アイボックスを２次元に拡大するために、図４では第１導光板１２２によって水平方向のアイボックスを拡大する。第１導光板１２２は、映像光を第１導光板１２２の内部へ反射する入射面１３０と映像光を内部反射となる全反射で閉じ込める主要な２つの平行平面である主面１３１、１３２と、内部の映像光を第１導光板外へ出射する２つ以上の出射反射面群１３３とを備える。第２導光板１２３は、映像光を第２導光板１２３の内部へ反射する入射面１４０（入力部）と映像光を全反射で閉じ込める主要な２つの平行平面である主面１４１、１４２と、内部の映像光を第２導光板外へ出射する出射反射面群１４３（出力部）とを備える。第２導光板１２３はユーザの瞳２０に向かって映像を出射する。このように、本実施例における虚像映像生成部１０１は、第１導光板１２２及び第２導光板１２３は夫々映像光を内部反射で閉じ込める平行な１組の主面１３１、１３２及び１４１、１４２を有し、第１導光板１２２は映像光を内部へ反射する入射面１３０と、第２導光板１２３へ映像光を出射する２つ以上の出射反射面群１３３を備え、入射面１３０と出射反射面群１３３は互いに平行かつ主面とは異なる角度であり、第２導光板１２３は第１導光板１２２からの映像光を内部へ結合する入射面１４０（入力部）と、ユーザの瞳２０へ映像光を出射する出射反射面群１４３（出力部）を有している。

【0037】

第１導光板１２２の出射反射面群１３３と第２導光板１２３の出射反射面群１４３は一部の光を反射し、一部の光を透過又は吸収する部分反射面であり、部分反射面はアレイ状に配列する。第１導光板１２２の出射反射面群１３３の配列方向と第２導光板１２３の出射反射面群１４３の配列方向とが異なることでアイボックスの２次元方向拡大を実現できる。したがって映像表示部１２０及び投射部１２１の光径Ｐを小さく（Ｆ値を大きく）でき虚像映像生成部１０１の大幅な小型化を実現できる。

【0038】

第１導光板１２２の出射反射面群１３３は画質の観点から反射映像光に角度ズレが生じないよう互いに平行であることが望ましい。同様に第２導光板１２３の出射反射面群１４３も互いに平行であることが望ましい。平行度が低下すると出射反射面群１３３または１４３の反射後の光線角度が反射面毎に異なり迷光が生じて画質が劣化する。

【0039】

また、第１導光板１２２の入射面１３０と出射反射面群１３３も平行とすると加工工程が簡素化され製造コストを低減できる。これは各反射膜を製膜した平板を積み上げて接着一体化し切り出すことで、入射面から出射反射面までをまとめて加工できる上、複数枚の第１導光板を切り出すことが可能となる。入射面１３０の角度が異なる場合、導光板を切り出し、更に入射面を所定の角度に切断する工程の後に入射面を製膜する必要がある。第２導光板１２３の入射面１４０と出射反射面群１４３も同様に平行であることで加工を簡素化しコストを抑制できる。

【0040】

また、図４では表示映像（虚像）の４つの隅の画角の大まかな光路を太線の矢印で示している。画角左側（位置１、位置３）の光は、第１導光板１２２の入射面１３０に近い側の出射反射面から瞳２０に伝搬し、画角右側（位置２、位置４）の光は第１導光板１２２の入射面１３０から遠い側の出射反射面から瞳２０に伝搬する。また、画角上側（位置１、位置２）の光は、第２導光板１２３の入射面１４０に近い側の出射反射面から瞳２０に伝搬し、画角下側（位置３、位置４）の光は第２導光板１２３の入射面１４０から遠い側の出射反射面から瞳２０に伝搬する。

【0041】

以上、第１導光板１２２と第２導光板１２３は、図４に示したように、第１導光板１２２から出射した映像光を第２導光板１２３は受け取るため、第１導光板の主面１３１、１３２と第２導光板の主面１４１、１４２は異なる平面内にあり、第１導光板の主面１３１、１３２は第２導光板の主面１４１、１４２より投射部１２１に近い側に配置され、夫々の２つの主面１３１、１３２と１４１、１４２は平行に配置される。また第１導光板の主面１３１から出射した映像光を第２導光板の入射面１４０が効率よく受け取る為には第１導光板１２２と第２導光板１２３が近接している必要がある。

【0042】

次に導光板硝材の屈折率について述べる。導光板は全反射により映像光を伝搬している。そのため導光板が伝搬できる映像光の画角は導光板硝材の屈折率で決まる臨界角度で制限されている。導光板硝材の屈折率を大きくすると臨界角度が小さくなるため、より画角の広い映像光を伝搬できるようになる。また、導光板硝材の屈折率を高くすることで光の広がりが抑制されるので、導光板を小型、軽量化できるメリットがある。

【0043】

しかし、通常よく用いられるＢＫ７のような硝材と比較して高屈折率の硝材の場合は、光吸収が大きくなる。また、高屈折率硝材の光吸収は波長が短くなるにつれて増加し、特に青色波長側で大きい。そのため高屈折率硝材からなる導光板では、特に、導光板内部の伝搬経路が長く入射面から一番遠い反射面から出射される映像光の青色波長側の出射効率が低下する。そのため表示映像に色ムラが発生するという課題が生じる。

【0044】

この課題の詳細について図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。図５Ａは上部から見た虚像映像生成部１０１と、虚像映像生成部１０１が表示する虚像と各画角Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に対応する光路を示している。ここで、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、それぞれ、映像表示領域１１１の左端、中央、右端の画角である。図５Ｂは図５Ａの虚像の点線Ｑでの明るさを示したものである。

【0045】

図５Ａの虚像の画角Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３に対応する映像光はそれぞれ第１導光板１２２の出射反射面Ｒ１、Ｒ（Ｎ/２）、ＲＮで反射して瞳２０に伝搬される。ここで、第１導光板１２２の出射反射面群はＮ枚の出射反射面からなり、入射面１３０に近い側からＲ１～ＲＮとする（Ｎは整数）。

【0046】

図５Ａの画角左端Ｐ１の虚像は出射反射面Ｒ１で反射して瞳２０に伝搬した光である。出射反射面Ｒ１で反射した光は、その他の出射反射面から反射される光と比較して第１導光板１２２内部を伝搬する距離が小さく、第１導光板１２２の硝材の吸収による影響は少ない。そのため虚像の明るさは図５ＢのＰ１のように赤、緑と青で差は小さい。

【0047】

図５Ａの画角中央Ｐ２の虚像は、第１導光板１２２の出射反射面群のうち中央に配置された出射反射面Ｒ（Ｎ/２）で反射して瞳２０に伝搬した光である。この出射反射面Ｒ（Ｎ/２）で反射した光は、画角左端Ｐ１と比較して第１導光板１２２内部を伝搬する距離が大きくなる。そのため硝材の光吸収の影響を受ける。高屈折率の硝材の光吸収は波長が短くなるにつれて増加し、特に青色波長領域で光吸収が大きいため青色波長領域の出射効率が低下する。結果として図５ＢのＰ２のように赤色波長領域、緑色波長領域の明るさと比較して青色波長領域の明るさが低下する。

【0048】

図５Ａの画角右端Ｐ３の虚像は出射反射面ＲＮで反射して瞳２０に伝搬した光である。この光は導光板の出射反射面のうち入射面から最も遠い、すなわち最も奥に配置された出射反射面ＲＮで反射して出射された光であり、画角の中で第１導光板１２２内部を伝搬する距離が最も大きい。そのため硝材の光吸収の影響が最も顕著に現れる。結果として図５ＢのＰ３に示すように赤色波長領域、緑色波長領域の明るさと比較して青色波長領域の明るさが低下し、最も顕著に色むらが生じる。

【0049】

以上のように、導光板の入射面から導光板内部の伝搬経路が長いほど、すなわち入射面から奥に行くほど導光板硝材の光吸収の影響が大きくなり、結果として図５Ｂのように画角の右側にいくにつれて赤色に対して青色の明るさが小さくなり、表示映像に色むらが生じることとなる。以下、これらの解決法について説明する。

【0050】

図６Ａ、図６Ｂを用いて、本実施例における第１導光板１２２で生じる色むらの解決手法を述べる。図６Ａは出射反射面Ｒ１、Ｒ（Ｎ/２）、ＲＮそれぞれの反射率の波長特性を示している。図６Ｂは本解決手法を用いた場合の図５Ａの虚像の点線Ｑでの明るさを示したものである。

【0051】

前述したように入射面１３０から離れた位置にある出射反射面から反射して出射される光ほど導光板内部を伝搬する距離が長くなるので、導光板硝材の吸収の影響を大きく受けることとなる。そのため、導光板硝材の光吸収の大きさを考慮して出射反射面の反射率の波長特性を決めることで色むらを改善することができる。

【0052】

図６Ａに本解決手法による出射反射面Ｒ１、Ｒ（Ｎ/２）、ＲＮの反射率の波長特性の一例を示す。画角左端Ｐ１の映像光を出射する出射反射面Ｒ１では硝材による吸収による影響が小さいため、波長依存性を略無くすことで、青色波長領域、緑色波長領域、赤色波長領域の映像光を略均一に出射することができる。

【0053】

画角中央Ｐ２の映像光を出射する出射反射面Ｒ（Ｎ/２）では硝材による光吸収を考慮して、青色波長領域の反射率が緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高くすることで導光板硝材による光吸収による出射効率低下をキャンセルして色むらを改善することができる。

【0054】

さらに画角右端Ｐ３の映像光を出射する出射反射面ＲＮでも同様に青色波長領域の反射率が緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高くすることで導光板硝材による光吸収による出射効率低下をキャンセルして色むらを改善することができる。また出射反射面ＲＮは、出射反射面Ｒ（Ｎ/２）と比較して入射面１３０から離れた位置に配置されており、第１導光板１２２を伝搬する距離が大きく、より導光板硝材の光吸収の影響をより受けるので、青色波長領域の反射率と赤色波長領域の反射率の比、（青色波長領域の反射率）／（赤色波長領域の反射率）を出射反射面Ｒ（Ｎ/２）よりも大きくすることで、より色むらをより改善することができる。なお、図６Ａにおいて、出射反射面Ｒ１、Ｒ（Ｎ/２）、ＲＮの反射率の絶対値がＲＮのほうが大きくなっている理由は、出射反射面ＲＮでは出射反射面Ｒ１、Ｒ（Ｎ/２）を透過した光が入射するため光量が出射反射面Ｒ１、Ｒ（Ｎ/２）に比して減るため、それをカバーするためである。

【0055】

また、ここでいう青色波長領域、緑色波長領域、赤色波長領域は、プロジェクタ光源の三原色波長領域に対応したものであることが好ましく、例えば青色波長領域が３８０ｎｍ～４８０ｎｍ、緑色波長領域が４８０ｎｍ～５８０ｎｍ、赤色波長領域が５８０ｎｍ～６８０ｎｍである。

【0056】

なお、図６Ａ、図６Ｂでは、出射反射面Ｒ１、Ｒ（Ｎ/２）、ＲＮの３か所の反射特性を説明したが、同様の考え方で他の出射反射面の反射特性を定めることで画角全体の色むらを改善することができる。

【0057】

上記をまとめると、少なくとも、第１導光板の入射面から一番遠い出射反射面において青色波長領域の反射率が緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高くすることで色むらを改善できる。

【0058】

より好ましくは、第１導光板の入射面から一番遠い出射反射面において、それよりも１つ手前の出射反射面よりも、青色波長領域の反射率を緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高くすることでより広い画角の色むらを改善することができる。

【0059】

また、２つ以上の出射反射面において青色波長領域の反射率を緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高くした場合、青色波長領域の反射率と赤色波長領域の反射率の比、すなわち、（青色波長領域の反射率）／（赤色波長領域の反射率）を入射面１３０から遠くなる出射反射面ほど大きくすることで、光伝搬につれて大きくなる色むらを改善することができる。

【0060】

次に具体的な反射率の波長特性について述べる。通常光学部品として使用される高屈折率硝材において厚さ１０ｍｍ当たりの透過率は赤色波長領域では略１００％であるのに対して青色波長領域では９９％～９５％である。

【0061】

映像光が導光板に入射して導光板の最も奥に配置された出射反射面で反射して出射される場合、映像光が導光板を伝搬する光路の長さを概算すると、図５Ａに示す、導光板の入射面１３０と、入射面１３０から最も離れた出射反射面までの距離Ｌｗと全反射で伝搬する全反射角度φを用いて、Ｌｗ／ｓｉｎφ 式（１）と書ける。

【0062】

導光板の入射面１３０から最も離れた出射反射面までの距離Ｌｗは、通常の導光板サイズから２０ｍｍ～６０ｍｍである。映像光が導光板の最も奥に配置された出射反射面で反射して出射される場合、臨界角度に近い全反射角度で伝搬しているため全反射角度φは約３０度～４０度の範囲にある。以上より映像光が導光板に入射して導光板の最も奥に配置された出射反射面で反射して出射される場合、映像光が導光板を伝搬する光路の長さは、式（１）から一番広い範囲として３０ｍｍ～１２０ｍｍとなる。

【0063】

通常光学部品として使用される高屈折率硝材において厚さ１０ｍｍ当たりの透過率ｔは青色波長領域では９５％～９９％である。映像光が導光板に入射して導光板の最も奥に配置された出射反射面で反射して出射される場合、青色波長領域の映像光の透過率ＴはＴ＝ t＾（S ÷１０ｍｍ)で計算でき、透過率Ｔは５０％～９６％となる。よって赤色波長領域の略１００％の反射率に対して青色波長領域の反射率を１．０倍～２．０倍程度の範囲で高くすると色むらが改善されることとなる。

【0064】

図６Ａで説明した反射特性では出射反射面Ｒ１の反射率の波長依存性が略無い反射特性としていたが、波長依存性が略無い反射特性を実現することは反射膜製造の観点で困難であることが多い。また、異なる波長依存性を有する誘電体を多層化して平均化する目的で、反射面を形成する誘電体を波長依存性が略無くなるまで多層化しようとすると、反射膜の製造難易度が高くなり、加えて反射膜の蒸着に要する時間が多くなるため導光板の製造コストが高くなる。

【0065】

また、出射反射面Ｒ１のように入射面１３０から近い側に配置された出射反射面は、映像光が出射反射面に入射する入射角度が他の出射反射面と比較して大きいため波長依存性が略無い反射特性を実現することがより難しくなり、誘電体をより多層化する必要が出てくる。この課題は、表示映像を広画角化すると、出射反射面に入射する入射角度も大きくなるので表示映像の広画角化の際により顕著化する。

【0066】

そこで出射反射面Ｒ１の反射特性を波長依存性が略無い反射特性としなくとも、次のようにすることで解決できる。例えば図７Ａに示すように、出射反射面Ｒ１の反射率を、（青色波長領域の反射率）＞（緑色波長領域の反射率）＞（赤色波長領域の反射率）のように波長が大きくなるにつれて反射率が低下する反射特性とする。加えて（青色波長領域の反射率）および（緑色波長領域の反射率）および（赤色波長領域の反射率）の比率を出射反射面群１３３で略等しくする。なお、出射反射面Ｒ１、Ｒ（Ｎ/２）、ＲＮでの反射率の絶対値が異なるのは、入射光量の減少に対して出射光量を均一化するためである。

【0067】

そして、図６Ａ、図６Ｂで説明したように、導光板の青色波長領域の吸収による色むらを低減するために、青色波長領域の反射率と赤色波長領域の反射率の比、すなわち（青色波長領域の反射率）／（赤色波長領域の反射率）を入射面１３０から遠くなるほど大きくする。そうすることで、導光板の青色波長領域の吸収による青色波長領域の出射効率低下分も考慮して色むらを低減することができる。一例としてこの場合の反射特性を図７Ｂに示している。

【0068】

このようにすると、図７Ｃに示すように映像のどの画角においても映像光の青色波長領域、緑色波長領域、赤色波長領域の明るさの比率を一定とすることができ、色むらを低減することができる。なお、このような反射特性とした場合、映像表示部１２０が表示する映像の色度と最終的に第２導光板１２３が出射して瞳２０に届く映像の色度が異なる。例えば図７Ｃでは、青色が強い映像となる。そのため瞳２０に届く映像の色度を所望の値になるように、あらかじめ映像表示部１２０の色度を調整する必要がある。

【0069】

以上のような反射膜特性とすることで、反射膜の製造難易度が大幅にさがり、低コストな薄い反射膜であってもユーザにとって色むらのない映像を表示可能な導光板とすることができる。

【0070】

次に、図８Ａ、図８Ｂを用いて本実施例における第１導光板及び第２導光板の構成の詳細について説明する。図８Ａは本実施例における第１導光板１２２及び第２導光板１２３をＹ軸の垂直方向の上部から示した上面図であり、図８Ｂは本実施例における第１導光板１２２及び第２導光板１２３をＸ軸の水平方向から示した側面図である。

【0071】

本実施例では、図８Ａに示すように、第１導光板１２２の出射反射面群１３３はＮ枚の出射反射面から構成されており、Ｎ枚の出射反射面を入射面１３０に近い側からＲ１～ＲＮとする（Ｎは整数）。また、出射反射面の間隔を入射面１３０に近い側からＬ１～ＬＮ－１とする。また、図８Ｂに示すように、第２導光板１２３の出射反射面群１４３はＭ枚の出射反射面から構成されており、Ｍ枚の出射反射面を入射面１４０に近い側からＶ１～ＶＭとする（Ｍは整数）。また、出射反射面の間隔を入射面１４０に近い側からＨ１～ＨＭ－１とする。

【0072】

第１導光板１２２内の映像光は出射反射面群１３３の部分反射面で徐々に反射され光量を減らしながら内部を進み、最終的に出射反射面群１３３の最終面ＲＮで全ての映像光が第２導光板１２３へ出力されることで効率を向上できる。したがって、出射反射面群１３３の出射反射面は入射面に近い側から最終面ＲＮに向かって反射率が徐々に高くなる構成とすることでアイボックス内での映像光の光量均一性が向上する。

【0073】

第２導光板はＨＭＤとしてのシースルー性を保持するために出射反射面群１４３の反射率は出射反射面群１３３の反射率よりも低くなる。反射率が低いため出射反射面群１４３の反射率はすべて同じ（同じ反射膜）としても大きな輝度ムラ要因とはならず、むしろ同一の成膜工程で加工でき製造コストを低減できる。特に輝度均一性とシースルー性の確保の観点で第２導光板の出射反射面群１４３の反射率は１０％以下とするのが望ましい。

【0074】

一方で、シースルー性よりも光利用効率を重視して反射率を高めの設定とした場合は、出射反射面群１４３の反射膜は入射面に近い側から徐々に反射率を高めた膜としてアイボックス内での映像光の光量均一性をよくして画質を向上しても良い。

【0075】

第１導光板１２２の出射反射面群１３３の面間隔Ｌ１～ＬＮ－１及び第２導光板１２３の出射反射面群１４３の面間隔Ｈ１～ＨＭ－１が投射部１２１の光径Ｐよりも広い場合、隣接する複製映像光同士のオーバーラップが不十分となり映像光量の少ないアイボックス領域が生じる。そこで、出射反射面群１３３の面間隔Ｌ１～ＬＮ－１及び第２導光板１２３の出射反射面群１４３の面間隔Ｈ１～ＨＭ－１は投射部１２１の光径Ｐより小さくすることでアイボックスや視認映像内の輝度均一性が向上する。

【0076】

次に、詳細な出射反射面の傾き角度θと全反射臨界角の幾何学的条件について図９Ａ、図９Ｂを用いて説明する。平行平面である主面１３１、１３２に対して出射反射面群１３３は導光板外へ映像光を出射するよう方向を変える為に所定の傾き角θを持つ。図９Ａにおいて実線Ａは画角中央の光線、１点鎖線Ｂと２点鎖線Ｃは画角端の光線を夫々表す。画角中心の光線Ａは入射面１３０で反射後に、平行な主面１３１及び１３２に対して入射角度２θで進む。また光線ＢとＣは入射面１３０での屈折を考慮すると、導光板内での主面１３１及び１３２に対する入射角は２θに±ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（Φ／２）／ｎ］の範囲となる。迷光回避の観点から光線Ｂは、
２θ＋ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（Φ／２）／ｎ］＜９０° 式（２）
を満たす必要がある。また全反射条件を満たすために光線Ｃは、
２θ－ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（Φ／２）／ｎ］＜ａｒｃｓｉｎ［１／ｎ］ 式（３）
を満たす必要がある。ｎは基板の屈折率である。通常屈折率ｎは１．５～２．０程度であり、画角Φ２０～５０°程度の映像を表示する場合、入射面１３０と出射反射面群１３３の傾き角θは２０°～４０°の範囲となる。

【0077】

第２導光板においても同様の条件を満たす必要があり、入射面１４０と出射反射面群１４３の傾き角θは２０°～４０°の範囲となる。

【0078】

図９Ｂは、第１導光板１２２及び第２導光板１２３内での反射面への光線の入射と反射の様子を示した概略図である。図９Ｂにおいて、第１導光板１２２及び第２導光板１２３内で所定の画角をもった映像光は出射面群に所定の角度範囲で入射し導光板外へ出力される（正常反射）。一方で、導光板内で光線は閉じ込めを受けている為、出射反射面群１３３、１４３の裏面から入射して反射光の発生する状態（裏面反射）が生じる。この裏面反射は不要な反射であり迷光の発生や効率低下の要因となる。

【0079】

幾何学的な配置から出射反射面群１３３、１４３の反射面に対する入射角度の範囲は、正常反射はθ±ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（Φ／２）／ｎ］であり、裏面反射は３θ±ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（Φ／２）／ｎ］となる。通常、部分反射面を成す反射膜と導光板硝材は屈折率差があるため、裏面反射は入射角度θｂが９０度に近づくにつれて急激に高くなる。そのためすべての映像光でθｂを９０度以下、好ましくは８６度以下、より好ましくは８３度以下にする必要がある。よって少なくとも次の式（４）、
３θ＋ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（Φ／２）／ｎ］＜９０° 式（４）
を満たす必要がある。

【0080】

次に、第２導光板１２３のシースルー性について説明する。図８Ｂにおいて、光線４００は、第２導光板１２３の出射反射面群１４３を通過して瞳２０に入射する外界からの光線を表しており、一例として外界からの光線４００が出射反射面群１４３の出射反射面Ｖ１に入射する例を示している。

【0081】

外界からの光線４００は出射反射面Ｖ１を透過して瞳２０に届く光路と出射反射面Ｖ１で反射して、隣接する出射反射面Ｖ２で反射して瞳２０に光路に分かれる。出射反射面Ｖ１を透過して瞳に届く光量をＩ１、隣接する出射反射面Ｖ２で反射して瞳２０に届く光量をＩ２とする。

【0082】

Ｉ１とＩ２の光量が同程度である場合、外界の光が出射反射面群１４３によって分裂するためユーザにとって外界が二重に見えるという課題が生じる。そのためＩ２の光量をＩ１の光量よりも十分小さくする必要がある。外界からの光線４００の光量をＩ０、出射反射面Ｖ１の反射率をｒ１、出射反射面Ｖ２の反射率をｒ２とすると、Ｉ１＝（１－ｒ１）×Ｉ０，Ｉ２＝ｒ１×ｒ２×Ｉ０，となる。分裂した光のコントラストＣをＣ＝Ｉ１／Ｉ２で定義すると、Ｃ＝（１－ｒ１）／ｒ１×ｒ２となる。

【0083】

ユーザは二重像を視認できないようにするにはＩ１に対してＩ２の光量を１００分の１以下にすることが望ましく、１５０分の１以下にすることがより望ましい。つまりコントラストＣを１００以上となることが望ましく、１５０以上とすることがより望ましい。

【0084】

同一の成膜工程で加工でき製造コストを低減できるように出射反射面群１４３をすべて同一膜とした場合を考える。このとき出射反射面群１４３の反射率はすべて等しく、その反射率をｒとする。コントラストはＣ＝（１－ｒ）/ｒ＾２となる。前述した二重像の視認性の観点から、コントラストＣを１００以上となることが望ましく、１５０以上とすることが望ましいので、反射率ｒは１０％以下であることが望ましく、８％以下であることがより望ましい。

【0085】

以上のように、本実施例によれば、薄型化と小型、軽量化を図りながら、さらなる広画角な映像を表示可能でかつ色ムラのない映像が表示可能な導光板を用いたＨＭＤを提供できる。

【実施例2】

【0086】

図１０は、本実施例における導光板の構成図である。図１０において、図４と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１０において、図４と異なる点は、第２導光板１２３の入射面１４０が複数の入力反射面から構成されている点である。

【0087】

図１０には、例として第１導光板１２２の入射面１３０から遠い側の出射反射面から第２導光板１２３に入射し瞳２０に伝搬する画角右側の画角位置２と画角位置４の光路を図示している。第１導光板１２２からの映像光を結合する第２導光板１２３の入射面１４０は所定の幅の広さがないと映像光を受け取ることができない。所定の幅の広さがないと特に画角位置２と画角位置４で映像光を受け取ることが困難となり、画角位置２と画角位置４の部分の映像が表示できなかったり、画角位置２と画角位置４の部分の輝度が低下したりするという課題が生じる。特に表示映像を広画角化しようとするとこの課題が顕著化する。

【0088】

しかし第２導光板の入射面１４０の面積を増やすために導光板を厚くした場合、内部で閉じ込められた映像光の全反射の間隔が広くなり複製映像光の出射間隔が広くなり輝度ムラを生じる。また厚み増加による重量や製造コストの増加も生じる。

【0089】

そこで、第２導光板１２３の厚みを増やさずに第１導光板１２２からの映像光の結合効率を高める方法として、入射面１４０を複数の反射面から構成する方法がある。入射面を複数枚設けることで厚みを増やさずに実効的な入射面の面積を増大できる。

【0090】

図１１は本実施例における導光板をＸ軸の水平方向から図示したものである。図１１では、第２導光板１２３の入射面１４０は４枚の入力反射面から構成されており、４枚の入力反射面を出射反射面群１４３（出力部）から遠い側からＣ０～Ｃ３とする。また入力反射面の間隔を出射反射面群１４３（出力部）から遠い側からＷ１～Ｗ３とする。

【0091】

映像光の画質を維持する為には複数の入力反射面Ｃ０～Ｃ３は夫々平行であることが望ましい。

【0092】

また、入力反射面Ｃ０を反射した映像光は入力反射面Ｃ１及び入力反射面Ｃ２及び入力反射面Ｃ３を透過する必要がある。したがって、第１導光板１２２からの映像光の結合効率を高めるためには入力反射面Ｃ０は１００％に近い高い反射率とするのが良い。

【0093】

また、複数の入力反射面Ｃ０～Ｃ３は第２導光板１２３の出射反射面群１４３（出力部）に近づくほど反射率を低くすることで、第１導光板１２２からの映像光を第２導光板と結合するときに生じる映像の輝度ムラを少なくすることができる。

【0094】

また、第２導光板１２３の吸収で生じる色むらを複数の入力反射面の反射率の波長依存性により低減することができる。図１１に、画角下側の光が瞳２０に入射する光路を矢印５００で示し、画角上側の光が瞳２０に入射する光路を点線矢印５０１で示す。また、画角下側の光が第１導光板１２２から第２導光板１２３に結合するときの光路を矢印５０２で示し、画角下側の光が第１導光板１２２から第２導光板１２３に結合するときの光路を点線矢印５０３で示す。

【0095】

図１１に示すように、画角上側よりも画角下側の方が第２導光板を伝搬する光路が長い。そのため画角下側の映像光は導光板硝材の青色波長領域の吸収による影響が大きく、青色波長側の出射効率が低下し、色むらが発生する。

【0096】

画角下側の映像光は第１導光板から第２導光板の結合時、複数の入力反射面のうち出射反射面群１４３（出力部）に遠い入力反射面で結合する。したがって、少なくとも、複数の入力反射面のうち出射反射面群１４３（出力部）から一番遠い入力反射面（図１１ではＣ０）の青色波長領域の反射率を緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高くすれば画角下側の映像光の青色波長側の出射効率が向上し、色むらを低減することができる。

【0097】

より好ましくは、第２導光板の出力部から一番遠い入力反射面において、それよりも１つ手前の入力反射面よりも、青色波長領域の反射率を緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高くすることでより広い画角の色むらを改善することができる。

【0098】

また、２つ以上の入力反射面において青色波長領域の反射率を緑色波長領域および赤色波長領域の反射率よりも高くした場合、青色波長領域の反射率と赤色波長領域の反射率の比、すなわち、（青色波長領域の反射率）／（赤色波長領域の反射率）を出力部から遠くなる入力反射面ほど大きくすることで、光伝搬につれて大きくなる色むらを改善することができる。

【0099】

また、複数の入力反射面の隣接する反射面の間隔Ｗ１～Ｗ３が投射部１２１の光径Ｐよりも広い場合、隣接する複製映像光同士のオーバーラップが不十分となり映像光量の少ないアイボックス領域が生じる。そこで、隣接反射面の間隔Ｗ１～Ｗ３は投射部１２１の光径Ｐより小さくすることでアイボックスや視認映像内の輝度均一性が向上する。

【0100】

以上、本実施例に示した構成により、広画角の映像光が入射された場合にも、導光板のサイズ増加を抑制しつつアイボックスを拡大して高品質な映像を表示できる。

【0101】

なお、ここまでは第１導光板１２２と第２導光板１２３に出射反射面群を用いた構成について説明してきたが、異なる方式を用いた導光板でアイボックスを拡大してもよい。例えば図１２は、第２導光板に回折格子や体積ホログラムを用いた導光板の例を示している。図１２において、第２導光板１２３には入射面１４０の代わりに入力部１４６が設けられる。入力部１４６は表面レリーフ回折格子や体積ホログラムであり、入力された映像光の進行方向を偏向し導光板内部へと導く。出力部１４７にも同様に表面レリーフ回折格子や体積ホログラムが形成されており導光板内を伝搬した映像光の一部を瞳２０へ偏向することで、アイボックスを拡大しつつ映像表示を実現する。出力部１４７の表面レリーフ回折格子や体積ホログラムは外界の光に対する回折効率を低減させた設計とすることで、第２導光板はシースルー性を持つ。

【実施例3】

【0102】

本実施例では、上記実施例１、２で述べたＨＭＤの応用例について説明する。図１３は、本実施例におけるＨＭＤの使用例を示す図である。

【0103】

図１３において、ユーザ２の視界には、ＨＭＤ１からの映像（虚像）表示領域１１１にコンテンツが表示される。例えば産業機器の点検や組立て等における作業手順書３０１や図面３０２が表示される。映像表示領域１１１には限りがあるので、これら作業手順書３０１や図面３０２を同時に表示するとコンテンツが小さくなり視認性が悪くなる。そこでユーザ２の頭の向きを加速度センサで検出するヘッドトラッキングを行い、頭の向きに応じて表示コンテンツを変えることで視認性を改善できる。すなわち、図１３において、ユーザ２は左を向いた状態で映像表示領域１１１に作業手順書３０１が表示されているが、ユーザが右を向くと、映像表示領域１１１に図面３０２が表示され、あたかも、作業手順書３０１と図面３０２を広い視野で視認できる仮想の映像表示領域１１２があるように表示することができる。

【0104】

これにより、視認性が改善されるとともに、ユーザ２は、作業対象物（機器や工具など）と作業指示を同時に視認しながら作業を実行することができるので、より確実な作業が可能となりミスを低減することができる。

【0105】

図１４は、本実施例におけるＨＭＤの機能ブロック構成図である。図１４において、図１と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図１４において、図１と異なる点は、特にヘッドトラッキング機能を付加した点である。すなわち、ＨＭＤ１の画像信号処理部１０３Ａには、ヘッドトラッキング部１０３Ｈを設けている。ヘッドトラッキング部１０３Ｈはセンシング部１０６Ａの加速度センサ１０６Ｈの情報をもとにユーザ２の頭の向きを検出し、頭の向きに応じて表示コンテンツを変更する。

【0106】

また、ＨＭＤは屋内外で使用する。従って、周囲環境の明るさに応じて表示映像の輝度も調節する必要がある。一例として、センシング部１０６Ａに照度センサ１０６Ｍを搭載し、照度センサの出力に応じて画像信号処理部１０３Ａが表示する映像の輝度を調節すればよい。

【0107】

以上実施例について説明したが、本発明は、薄型化と小型、軽量化を図りながら、さらなる広画角な映像を表示可能でかつ色ムラのない映像が表示可能なＨＭＤを提供することで、加工材料の量を抑えることができる。そのため、炭素排出量を減らし、地球温暖化を防止することができ、ＳＤＧｓ(Sustainable Development Goals)を実現するための特に項目７のエネルギーに貢献する。

【0108】

また、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、上記のＨＭＤおよび虚像映像生成部の機能構成は、理解を容易にするために、主な処理内容に応じて分類したものである。構成要素の分類の仕方や名称によって、本発明が制限されることはない。ＨＭＤおよび虚像映像生成部の構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。

【0109】

また、本発明はＨＭＤだけでなく、各実施例で説明した虚像映像生成部の構成を有する他の映像（虚像）表示装置にも同様に適用できることは言うまでもない。

【0110】

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る。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・置換をすることも可能である。

【符号の説明】

【0111】

１：ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、１０１：虚像映像生成部、１０２：制御部、１０３：画像信号処理部、１０４：電力供給部、１０５：記憶部、１０６：センシング部、１０７：通信部、１０８：音声処理部、１０９：撮像部、９１～９３：入出力部、１１１：映像表示領域、１１２：仮想の映像表示領域、１２０：映像表示部、１２１：投射部、１２２：第１導光板、１２３：第２導光板、１３１、１３２、１４１、１４２：主面、１３０、１４０：入射面、１３３、１４３：出射反射面群、１４６：入力部、１４７：出力部、１０３Ｈ：ヘッドトラッキング部、１０６Ｈ：加速度センサ

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】