JP2018018077A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、装置本体及び映像表示装置を含むヘッドマウントディスプレイを提供する。
【解決手段】装置本体は第一部分及び第一部分に接続される第二部分を含む。映像表示装置は装置本体に設置される。映像表示装置は映像画面を投影対象に投影する。映像表示装置は映像出力素子、複数のレンズ素子、光拡散素子及び結像素子を含む。結像素子は映像光束を投影対象に投影して映像画面を表示させる。レンズ素子は第一レンズ素子及び第二レンズ素子を含む。映像出力素子は映像光束の伝播経路上で且つ第一レンズ素子と第二レンズ素子との間に中間映像を生成する。光拡散素子は映像光束の伝播経路上での中間映像を中心とする所定区間に設置される。
【選択図】図１

Description

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。

接眼ディスプレイ(Near Eye Display、NED)又はヘッドマウントディスプレイ(Head-Mounted Display、HMD)は、今のところ、大きな潜在力のあるウェアラブル表示装置である。接眼ディスプレイは、応用上では、環境映像を同時に見ることができるかに基づいて、拡張現実(Augmented Reality、AR)及び仮想現実(Virtual Reality、VR)という２種類に分けられている。仮想現実について言えば、仮想世界にふけっている真実感、即ち、目の極限を超えた広視野角が重要視されている。拡張現実への要求は、如何に小型・軽量化の前提で最高の映像品質を提供するかである。今のところ、拡張現実のヘッドマウントディスプレイは、その光学技術の発展のキーポイントは、如何に視野(Field of View、FOV)、体積、重量及び外観という４つの肝心なニーズを同時に配慮するかである。

従来のヘッドマウントディスプレイのアーキテクチャでは、映像出力素子のニーズに合致する変調後の照明光束は、光源モジュールから出力される。照明光束は、映像出力素子を通過した後に、映像情報を持つ光束、即ち、映像光束になる。その後、映像光束は、さらに１つ又は複数のレンズ素子及び／又はミラー素子、及び結像素子を通過した後に、投影対象、例えば、使用者の目に入射する。そして、目の水晶体により映像光束を網膜に焦点合わせして結像させる。一般的に言えば、投影対象に投影した映像光束は、その投影領域は、円形を例とすると、直径が約1.6乃至2.0ｍｍの円形面積の大小（サイズ）である。これは、使用者の目の瞳孔が映像光束の投影位置に正確に位置しなければ、虚像をはっきり見ることがでないことを表す。しかし、使用者の顔部における五官のサイズがそれぞれ異なるため、1組の調整装置を増設することで、映像光束の投影位置を異なる使用者の目の瞳孔に位置させることができる。また、ヘッドマウントディスプレイに光導波路素子が用いられる従来のアーキテクチャでは、２組のビームスプリッターアレイ(Beam Splitter Array)を用いて、映像光束の投影領域の２つの異なる方向（縦方向及び横方向）上での長さを拡張する必要があるため、ヘッドマウントディスプレイ全体の体積が大きくなり、且つコストも高くなる。

なお、この“背景技術”の部分が、本発明の内容への理解を助けるためだけのものであるため、この“背景技術”の部分に開示されている内容は、当業者に知られていない技術を含む可能性がある。よって、この“背景技術”の部分に開示されている内容は、該内容、又は、本発明の１つ又は複数の実施例が解決しようとする課題が本発明出願前に既に当業者に周知されていることを意味しない。

本発明の目的は、使用者の視野（Field of View、FOV）を拡大させ、体積が小さく、重量が軽く、また、良好な装着快適性を提供することができるヘッドマウントディスプレイを提供することにある。

本発明の他の目的及び利点は、本発明に開示されている技術的特徴からさらに理解することができる。

上記の１つ又は一部又は全部の目的或いは他の目的を達成するために、本発明の一実施例では、ヘッドマウントディスプレイが提供され、それは、装置本体及び映像表示装置を含む。装置本体は、第一部分及び第一部分に接続される第二部分を含む。映像表示装置は、装置本体に設置される。映像表示装置は、映像画面を投影対象に投影するために用いられる。映像表示装置は、映像出力素子、複数のレンズ素子及び光拡散素子を含む。映像出力素子が出力した映像光束は、レンズ素子及び光拡散素子を経由して虚像方式で投影対象に投影し、映像画面を表示させる。レンズ素子は、第一レンズ素子及び第二レンズ素子を含む。映像出力素子は、映像光束の伝播経路に位置し、映像出力素子は、第一レンズ素子と第二レンズ素子との間に中間映像（intermediate image）を生成する。光拡散素子は、映像光束の伝播経路において中間映像を中心とする所定区間に設置される。

上記により、本発明の実施例は、少なくとも以下の１つの利点又は機能／効果を有する。即ち、本発明の実施例による映像表示装置は、その光拡散素子が映像光束の伝播経路において中間映像を中心とする所定区間に設置されるので、映像光束は、投影対象における投影面積が大きく、且つヘッドマウントディスプレイは、良好な装着快適性を提供することができるのみならず、使用者の視野（Field of View、FOV）を拡大させ、ヘッドマウントディスプレイの体積を小さくし重量を軽くすることもできる。

本発明の上記の特徴及び利点をより明らかにするために、以下、実施例を挙げ、添付した図面を参照することにより、詳細に説明する。

本発明の一実施例におけるヘッドマウントディスプレイを示す概要図である。 本発明の他の実施例におけるヘッドマウントディスプレイを示す概要図である。 本発明の一実施例における映像表示装置の光学系を示す概要図である。 本発明の一実施例における光源モジュールの光学系を示す概要図である。 本発明の他の実施例における映像表示装置の光学系を示す概要図である。 本発明の一実施例における映像光束の投影対象までの投影を示す側面図である。 図6Aに示す映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。 図6Aに示す映像光束の投影平面までの投影を示す立体図である。 本発明の一実施例における映像光束の投影対象までの投影を示す側面図である。 図7Aに示す映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。 図7Aに示す映像光束の投影平面までの投影を示す立体図である。 本発明の一実施例における映像光束の投影対象までの投影を示す側面図である。 図7Aに示す映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。 図8Aに示す映像光束の投影平面までの投影を示す立体図である。 本発明の一実施例における映像光束の投影対象までの投影を示す側面図である。 図9Aに示す映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。 図9Aに示す映像光束の投影平面までの投影を示す立体図である。 本発明の一実施例における映像光束の投影対象までの投影を示す側面図である。 図10Aに示す映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。 図10Aに示す映像光束の投影平面までの投影を示す立体図である。 本発明の一実施例における光導波路素子の断面図である。 図11に示す実施例における光導波路素子の立体図である。 図11に示す実施例における光導波路素子の光入力端の光点（light spot）図である。 本発明の一実施例における映像光束の光導波路素子への投影を示す立体図である。 図1に示す映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。 本発明の一実施例における光拡散素子の表面微細構造を示す概要図である。

本発明の上記した及び他の技術の内容、特徴、機能及び効果は、添付した図面に基づく次のような好ましい実施例の詳細な説明により明確になる。なお、次の実施例に言及されている方向についての用語、例えば、上、下、左、右、前又は後などは、添付した図面の方向に過ぎない。よって、使用されている方向の用語は、本発明を説明するためだけのものであり、本発明を限定するためのものではない。

図1は、本発明の一実施例におけるヘッドマウントディスプレイを示す概要図である。図1に示すように、本実施例のヘッドマウントディスプレイ100は、装置本体110及び映像表示装置120を含む。装置本体110は、第一部分112及び第一部分112に接続される第二部分114を含む。本実施例では、装置本体110は、例えば、メガネを含むが、メガネの態様は、本発明を限定しない。第一部分112は、リム（レンズを固定している部分）、テンプル（つる（メガネを支えるパーツ））及びパッド（鼻あて（鼻を両脇から挟んでメガネを支えるための部分））の三者のうちの少なくとも１つを含む。本実施例では、リム、テンプル及びパッドは、例えば、それぞれ制作されてから、ネジなどのような固定素子(fixer)で組み立てられても良い。一実施例では、リム、テンプル及びパッドの三者は、一体成形されても良い。なお、本発明では、装置本体110の態様について限定しない。第二部分114は、レンズを含み、レンズの数は、例えば、１つ又は２つ以上であり、また、レンズは、リムに組み立てられる。他の実施例では、第一部分112及び第二部分114は、一体成形されても良く、例えば、ゴーグル(goggle)のようなアーキテクチャであっても良い。

本実施例では、映像表示装置120は、装置本体110に設置される。映像表示装置120は、映像画面を投影対象に投影するために用いられる。投影対象は、例えば、使用者の目（図3の投影対象800）である。本実施例では、映像表示装置120は、光源モジュール122、映像出力素子126、結像素子128、複数のレンズ素子121_1、121_2、121_3、ミラー素子123及び光拡散素子127を含む。本実施例では、レンズ素子121_1、121_2、121_3は、映像光束L2の伝播経路に設置され、レンズ素子121_1、121_2、121_3は、映像出力素子126と結像素子128との間に設置される。ミラー素子123は、映像光束L2の伝播経路に設置され、ミラー素子123は、レンズ素子121_2と121_3との間に設置される。本実施例では、光源モジュール122、映像出力素子126、レンズ素子121_1（第一レンズ素子）、121_2（第二レンズ素子）、121_3（第三レンズ素子）、光拡散素子127及びミラー素子123は、装置本体110の第一部分112に分散設置される。

例えば、光源モジュール122は、テンプルに設置されても良い。映像出力素子126は、リムに設置されても良い。レンズ素子121_1、121_2、121_3及び光拡散素子127は、装置本体110の第一部分112に分散設置される。本実施例では、結像素子128は、装置本体110の第一部分112及び第二部分114の両者のうちの１つに設置される。例えば、結像素子128は、メガネのレンズに統合されても良く、又は、レンズの内側であってレンズに貼り付けられる箇所に位置しても良く、或いは、結像素子128は、パッドの位置に隣接する第一部分112の位置に設置されても良い（図示せず）。

本実施例では、光源モジュール122は、照明光束L1を映像出力素子126に出力するために用いられる。映像出力素子126は、照明光束L1を変換し映像光束L2を形成し、また、映像出力素子126は、映像光束L2をレンズ素子121_1、121_2、121_3、光拡散素子127及びミラー素子123に出力する。映像光束L2は、レンズ素子121_1、121_2、121_3、光拡散素子127及びミラー素子123を経由して結像素子128に伝播する。結像素子128は、さらに映像光束L2を虚像投影方式で投影対象に投影して映像画面を表示させる。言い換えると、本実施例では、結像素子128は、映像光束L2を虚像投影方式で投影対象に投影して映像画面を表示させる。本実施例では、ミラー素子123は、映像光束L2の伝播経路を変えるために用いられる。例えば、ミラー素子123は、反射ミラーを含み、それは、映像光束L2をレンズ素子121_2からレンズ素子121_3に反射するために用いられる。本実施例のミラー素子123の数量は、１つを例としているが、異なる光路の設計方式により、ミラー素子123の数量は、複数であっても良い。なお、本発明は、ミラー素子123の数量について限定しない。

本実施例では、映像出力素子126は、映像光束L2の伝播経路に位置し、映像出力素子126は、レンズ素子121_1と121_2との間に、中間映像を、例えば、図3の中間映像Mのように生成する。本実施例では、光拡散素子127は、映像光束L2の伝播経路において中間映像を中心とする所定区間に設置される。一実施例では、光拡散素子127は、例えば、映像光束L2の伝播経路上での中間映像Mの生成位置に設置される。なお、本発明は、光拡散素子127の上記所定区間における設置位置について限定しない。

本実施例では、環境光束L3は、例えば、装置本体110の第二部分114を通過し、且つ投影対象に投影し、これにより、ヘッドマウントディスプレイ100は、拡張現実の機能を提供することができる。なお、本発明の実施例における映像表示装置120の各素子の分散設置方式は、仮想現実又は複合現実(Mixed Reality、MR)のヘッドマウントディスプレイに用いることもでき、即ち、本発明では、映像表示装置120の応用について限定しない。

本実施例では、映像出力素子126、レンズ素子121_1、121_2、121_3、光拡散素子127及びミラー素子123は、第一部分112及び第二部分114に沿って分布している。例えば、本実施例では、映像出力素子126、レンズ素子121_1、121_2、121_3、光拡散素子127及びミラー素子123の分布領域は、第一部分112と第二部分114との接続箇所の隣接する領域である。本実施例では、映像出力素子126のニーズに合致する色変調後の照明光束L1は、光源モジュール122から発する。照明光束L1は、映像出力素子126を通過した後に、映像情報を帯びる光束、即ち、映像光束L2を成す。その後、映像光束L2は、さらにレンズ素子121_1、121_2、光拡散素子127、レンズ素子121_3とミラー素子123、及び結像素子128を通過した後に使用者の目に入射し、そして、その水晶体により映像光束L2を網膜に焦点合わせして結像させる(例えば、虚像)。

本発明の実施例は、装置本体（例えば、メガネ）の態様について限定しない。図2は、本発明の他の実施例におけるヘッドマウントディスプレイを示す概要図である。図1及び図2に示すように、本実施例のヘッドマウントディスプレイ200は、図1に示す実施例のヘッドマウントディスプレイ100に類似したが、両者の相違点は、主に、例えば、装置本体210の態様にある。例えば、本実施例では、装置本体210の第一部分212は、第二部分214の辺縁を完全に覆わない。

本実施例では、投影対象は、参考面に位置し、且つ映像出力素子226の参考面上での投影は、投影対象の上方に位置する。例えば、投影対象は、使用者900の目であり、参考面は、使用者900の顔面である。本実施例では、映像出力素子226の使用者900の顔面上での投影は、目の上方であって、眉毛に接近する箇所に位置する。言い換えると、映像出力素子226の参考面上での投影は、投影対象の上方に位置する。本実施例では、レンズ素子221_1、221_2は、目の内側であって、鼻に近いが、耳から離れる箇所に位置する。

本実施例では、使用者900を基準に、例えば、光源モジュール222は、使用者900の左側に設置される。光路の進行方向は、左から右へ、そして、再び左へとなる。言い換えると、映像光束L2は、使用者900の眉毛から鼻へ、そして、鼻から目へ伝播する。また、本実施例では、結像素子228は、レンズにご統合されてレンズと一体に結合されても良く、或いは、図1に示すように、レンズの内側であって、レンズに貼り付けられる箇所に位置しても良い。

また、本実施例におけるヘッドマウントディスプレイ200の各素子の設置位置及操作方式は、図1に示す実施例の記載を参照することができるため、ここでは、その詳しい説明を省略する。

図3は、本発明の一実施例における映像表示装置を示す概要図である。図4は、本発明の一実施例のおける光源モジュールを示す概要図である。図3及び図4に示すように、本実施例の映像表示装置300は、光源モジュール310、映像出力素子326、第一レンズ素子330、光拡散素子370、第二レンズ素子340及び結像素子328を含む。本実施例では、レンズモジュール330は、映像光束L2の伝播経路に設置され、レンズモジュール330は、映像出力素子326と結像素子328との間に設置される。便宜のため、映像出力素子326と結像素子328との間については、図3は、第一レンズ素子330、光拡散素子370及び第二レンズ素子340のみを示している。なお、このアーキテクチャは、本発明を限定しない。他の実施例では、映像出力素子326と第一レンズ素子330との間、及び、第二レンズ素子340と第二レンズ素子340との間には、１つ又は複数の他の光学素子を設けても良いが、本発明は、これについて限定しない。

本実施例では、光源モジュール310は、発光素子322、レンズ素子312、光伝播素子324及び光コリメーション素子314を含む。本実施例では、レンズ素子312は、照明光束L1の伝播経路に設置され、レンズ素子312は、発光素子322と光伝播素子324との間に設置される。光コリメーション素子314は、照明光束L1の伝播経路に設置され、光コリメーション素子314は、光伝播素子324と映像出力素子326との間に設置される。

具体的に言えば、本実施例では、発光素子322は、映像出力素子326のニーズに合致する色変換後の照明光束L1を提供し、また、照明光束L1をレンズ素子312に出力する。レンズ素子312は、照明光束L1を光伝播素子324に焦点合わせる。光伝播素子324は、照明光束L1をレンズ素子312から光コリメーション素子314に伝播させる。続いて、光コリメーション素子314は、照明光束をコリメーション化し、且つコリメーション化後の照明光束L1を映像出力素子326に伝播させる。映像出力素子326は、照明光束L1に従って映像光束L2を第一レンズ素子330、光拡散素子370及び第二レンズ素子340に出力する。第一レンズ素子330は、映像出力素子326が生成した発散の映像光束L2を集めて、焦点合わせて、中間映像Mを形成する。第二レンズ素子340は、さらに中間映像Mから発した映像光束L2を結像素子328に焦点合わせる。結像素子328は、映像光束L2を投影対象800に投影して映像画面を表示させる。投影対象800は、例えば、使用者の目である。

本実施例では、映像出力素子326は、映像光束L2の伝播経路に位置し、映像出力素子326は、第一レンズ素子330と第二レンズ素子340との間に中間映像Mを生成する。本実施例では、光拡散素子370は、映像光束L2の伝播経路上で中間映像Mを中心とする所定区間dに設置される。例えば、異なる第一レンズ素子330の設計により、中間映像Mは、曲面又は平面のものである可能性がある。光拡散素子370は、例えば、平面光学素子であり、映像出力素子326の光軸中心から中間映像Mの光軸中心までの間の距離が1とされると、その設置領域は、中間映像Mを中心する前後に10%を加減する区間である。よって、光拡散素子370を通過した後の映像光束L2は、その発散角が拡大され、投影平面EPに集められた投影面積（例えば、映像光束L2の光点）も拡大される。本実施例では、光拡散素子370の所定区間d内での設置位置の違いにより、光拡散素子370を経由して投影対象800に投影した映像光束L2の投影面積も異なる。本実施例では、上記投影面積は、例えば、映像光束L2が投影平面EPに投影した横断面積である。投影平面EPは、例えば、使用者の瞳孔の位置に位置する平面である。一実施例では、光拡散素子370は、例えば、映像光束L2の伝播経路上での中間映像Mの生成位置に設置される。なお、本発明は、光拡散素子370の上記所定区間における設置位置について限定しない。

本実施例では、映像出力素子326は、例えば、スキャン光学系を含み、そのうちのスキャンミラー（scanning mirror）は、入射した照明光束L1を異なる位置にスキャンして映像光束L2を生成する。本実施例では、スキャン光学系のアーキテクチャは、本発明の属する技術分野における任意のスキャン光学系のアーキテクチャにより実施されても良いが、本発明は、これについて限定しない。また、その詳細なアーキテクチャ及びその実施方式は、当業者にとって自明であるため、ここでは、その詳しい説明を省略する。

本実施例では、第一レンズ素子330及び第二レンズ素子340が含むレンズ素子は、例えば、レンズ（Lens）、ミラー（Mirror）、曲面ミラー（Curve Mirror）、プリズム（Prism）、ミラープリズム（Mirror-Prism）、ミラーレンズ（Mirror-Lens）、プリズムレンズ（Pirsm-Lens）、フリーフォームレンズ／ミラー（freeform lens／mirror）又はフレネルレンズ（Fresnel Lens）などの各種の異なる態様のレンズ素子の組み合わせである。本発明は、レンズ素子312及びレンズモジュール330の種類について限定しない。

本実施例では、光伝播素子324は、例えば、導波管（wave guide）、光ファイバー（optical fiber）、積分ロッド（integral rod）又はライトパイプ（light pipe）などのような素子であるが、本発明は、光伝播素子324の種類について限定しない。本実施例では、少なくとも、光伝播素子324から出力された照明光束L1の光形分布を映像出力素子326のニーズに合致させるために、光ファイバー324と映像出力素子326との間に光コリメーション素子314を、照明光束L1が映像出力素子326に進入する光形分布を調整するように設置する。光コリメーション素子314は、例えば、フレネルレンズ、液晶レンズ（Liquid Crystal Lens）又はGRINレンズ（Gradient Reflective Index Lens；GRIN Lens）であっても良い。なお、本発明は、光コリメーション素子314の種類について限定しない。

本実施例では、結像素子328は、レンズモジュール330から受けた映像光束L2の進行方向を変更すために用いられ、これにより、映像光束L2を投影対象800に伝播させ、また、環境光束L3を完全に遮蔽しないため、使用者は、環境の映像を見ることもできる。本実施例では、結像素子328は、例えば、半透過半反射型光学素子、曲面半反射ミラー（curve half-mirror）、液晶レンズ（Liquid Crystal Lens）、回折素子（diffraction component）、ホログラフィー素子（holography component）、フレネルレンズ（Fresnel Lens）などのような光学素子である。なお、本発明は、結像素子328の種類について限定しない。

本実施例では、映像表示装置300の、その対応する装置本体上での設置方式は、例えば、図1又は図2に示すヘッドマウントディスプレイ100又は200のようである。光源モジュール310は、例えば、図1又は図2に示すように、メガネのテンプルの所に設置される。なお、本発明は、光源モジュール310の設置位置について限定しない。一実施例では、実際のニーズに応じて、光源モジュール310は、リム又は他の適切な処に設置されても良い。また、本実施例における映像表示装置300の各素子の設置位置及び操作方式は、図1及び図2に示す実施例を参照することができるため、ここでは、その詳しい説明を省略する。

図5は、本発明の他の実施例における映像表示装置を示す概要図である。図3及び図5に示すように、本実施例のヘッドマウントディスプレイ400は、図3に示す実施例のヘッドマウントディスプレイ300に類似したが、両者の相違点は、主に、例えば、光拡散素子470の設置位置にある。本実施例では、光拡散素子470は、映像光束L2の伝播経路上での中間映像Mの生成位置に設置される。本実施例では、映像表示装置400は、光源モジュール410、映像出力素子426、第一レンズ素子430、光拡散素子470、第二レンズ素子440及び結像素子428を含む。映像表示装置400は、映像光束L2を、光拡散素子470を経由して投影対象700に投影して映像画面を表示させるために用いられる。投影対象700は、例えば、使用者の目である。よって、映像光束L2の投影対象700における投影面積が大きい。

また、本実施例における映像表示装置400の各素子の設置位置及び操作方式は、図1乃至図3に示す実施例を参照することができるため、ここでは、その詳しい説明を省略する。

本発明の実施例では、光拡散素子の上記所定区間内での設置位置の違いにより、光拡散素子を経由して投影対象に投影した映像光束の投影面積も異なる。また、映像光束の投影対象における投影光形は、光拡散素子の形状により決定される。

図6Aは、本発明の一関連例における映像光束の投影対象までの投影を示す側面図である。図6Bは、図6Aの映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。図6Cは、図6Aの映像光束の投影平面までの投影を示す立体図である。図6A乃至図6Cに示すように、本関連例における映像光束L2は、例えば、光拡散素子の作用を受けず、直接、中間映像Mの生成位置から第二レンズ素子540に伝播する。この関連例では、映像光束L2は、投影平面EPに投影し、その投影領域は、円形を例とすると、直径が約0.9ｍｍの円形面積に対応する大小（サイズ）である。

図7Aは、本発明の一実施例における映像光束の投影対象までの投影を示す側面図である。図7Bは、図7Aの映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。図7Cは、図7Aの映像光束の投影平面までの投影を示す立体図である。図7A乃至図7Cに示すように、本実施例の映像光束L2は、例えば、光拡散素子670の作用を受けた後に、第二レンズ素子640に伝播する。本実施例では、映像光束L2は、投影平面EPに投影し、その投影領域は、円形を例とすると、直径が約3ｍｍの円形面積に対応する大小（サイズ）である。また、本実施例では、光拡散素子670の断面形状が円形であるため、映像光束L2の投影対象における投影光形は、光拡散素子670の形状により決定され、実質的に光拡散素子670の形状と一致し、即ち、円形である。本実施例では、図3を例とすると、中間映像Mを中心とし、光拡散素子670は、例えば、所定区間dに設置される。

図8Aは、本発明の他の実施例における映像光束の投影対象までの投影を示す側面図である。図8Bは、図8Aの映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。図8Cは、図8Aの映像光束の投影平面までの投影を示す立体図である。図8A乃至図8Cに示すように、本実施例の映像光束L2は、例えば、光拡散素子770の作用を受けた後に、第二レンズ素子740に伝播する。本実施例では、映像光束L2は、投影平面EPに投影し、その投影領域は、円形を例とすると、直径が約5ｍｍの円形面積に対応する大小（サイズ）である。また、本実施例では、光拡散素子770の形状は、円形であるため、映像光束L2の投影対象における投影光形は、光拡散素子770の形状により決定され、実質的に光拡散素子770の形状と一致し、即ち、円形である。本実施例では、図3を例とすると、中間映像Mを中心とし、光拡散素子770は、例えば、所定区間dに設置される。

図9Aは、本発明の他の実施例における映像光束の投影対象までの投影を示す側面図である。図9Bは、図9Aの映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。図9Cは、図9Aの映像光束の投影平面までの投影を示す立体図である。図9A乃至図9Cに示すように、本実施例の映像光束L2は、例えば、光拡散素子870の作用を受けた後に、第二レンズ素子840に伝播する。本実施例では、映像光束L2は、投影平面EPに投影し、その投影領域は、楕円形を例とすると、長軸が約5ｍｍ且つ短軸が3ｍｍの楕円形面積に対応する大小（サイズ）である。また、本実施例では、光拡散素子870の形状は、楕円形であるため、映像光束L2の投影対象における投影光形は、光拡散素子870の形状により決定され、実質的に光拡散素子870の形状と一致し、即ち、楕円形である。本実施例では、図3を例とすると、中間映像Mを中心とし、光拡散素子870は、例えば、所定区間dに設置される。

図10Aは、本発明の他の実施例における映像光束の投影対象までの投影を示す側面図である。図10Bは、図10Aの映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。図10Cは、図10Aの映像光束の投影平面までの投影を示す立体図である。図10A乃至図10Cに示すように、本実施例の映像光束L2は、例えば、光拡散素子970の作用を受けた後に、第二レンズ素子940に伝播する。本実施例では、映像光束L2は、投影平面EPに投影し、その投影領域は、楕円形を例とすると、長軸が約4ｍｍ且つ短軸が約2.5ｍｍの楕円形面積に対応する大小（サイズ）である。また、本実施例では、光拡散素子970の形状は、楕円形であるため、映像光束L2の投影対象における投影光形は、光拡散素子970の形状により決定され、実質的に光拡散素子970の形状と一致し、即ち、楕円形である。本実施例では、図3を例とすると、中間映像Mを中心とし、光拡散素子970は、例えば、所定区間dに設置される。

図2に示す実施例では、結像素子228は、レンズに統合されてレンズと一体に結合されても良く、又は、図1に示すように、レンズの内側であって、レンズに貼り付けられる処に位置しても良いが、本発明は、これに限定されない。一実施例では、映像表示装置は、結像素子を含まなくても良く、この場合、光導波路素子を用いて光拡散素子からの映像光束L2を受け、また、該光導波路素子により、映像光束L2を使用者900の目（他の投影対象）に投影しても良い。光導波路素子は、例えば、レンズの一部又は全部である。

図11は、本発明の一実施例における光導波路素子の断面図である。図12は、図11に示す実施例の光導波路素子の立体図である。図13は、図11に示す実施例の光導波路素子の光入力端の光点図である。図11乃至図13に示すように、本実施例の映像光束L2は、例えば、レンズ素子（例えば、図2のレンズ素子221_1、221_2、221_3）及び光拡散素子（例えば、図2の光拡散素子227）を経由して光導波路素子1000に伝播する。光導波路素子1000は、映像光束L2を虚像方式で投影対象EB、例えば、使用者900の目に投影する。本実施例では、光導波路素子1000は、映像光束L2の投影光形（即ち、光点）を調整することにより、映像光束L2が投影対象EBに投影する投影面積を拡大することができる。

具体的に言えば、本実施例では、光導波路素子1000は、導波部1100及び結像部1200を含む。導波部1100は、映像光束L2を受ける。導波部1100は、光入力端S1及び光出力端S2を含む。光入力端S1は、例えば、光入力表面を含み、映像光束L2は、光入力端S1の光入力表面から光導波路素子1000の導波部1100に入力する。光出力端S2は、例えば、導波部1100と結像部1200との接続面である。映像光束L2は、出力端S2を経由して導波部1100から出力し、且つ結像部1200に進入する。本実施例では、導波部1100の光伝播媒体は、光入力端S1から光出力端S2まで連続して分布しており、且つ光入力端S1及び光出力端S2は、それぞれ、導波部1100の対向する両側に位置し、光入力端S1から導波部1100に進入した映像光束L2は、導波部1100内で全反射されて光出力端S2に伝播する。本実施例では、導波部1100の光入力端S1の光入力面は、長方形であり、映像光束L2の光入力端S1における投影光形は、長楕円形であり、図13に示すようである。そのうち、導波部1100の光伝播媒体は、例えば、ガラス（光学ガラス、例えば、石英ガラス又はBK7ガラス）、プラスチック材料（例えば、PMMA、PC、アクリル樹脂、APP樹脂、AS樹脂を含むスチレン樹脂など）などの透光材料である。

本実施例では、導波部1100は、映像光束L2の投影対象EB上での第一方向Zの投影光形を調整することができ、例えば、映像光束L2の投影対象EB上での第一方向Zの投影光形の長さを増加させることができる。結像部1200は、ビームスプリッターアレイを含む。上記ビームスプリッターアレイは、第二方向Xに配列され且つ互いに平行に設置される複数のビームスプリッターBS1〜BS8を含み、各ビームスプリッターBS1〜BS8は、一部の光が透過し且つ一部の光が反射されることを許す光学素子、例えば、分光器（beam splitter）であっても良く、これにより、導波部1100からの映像光束L2を虚像方式で投影対象EBに投影することができる。なお、ビームスプリッターBS1〜BS8の数量及び配列方式は、本発明を限定しない。本実施例では、結像部1200は、映像光束L2の投影対象EB上での第二方向Xの投影光形を調整することができ、例えば、映像光束L2の投影対象EB上での第二方向Xの投影光形の長さを増加させることができる。

本実施例では、結像部1200の厚みWTは、1.95ｍｍであり、結像部1200と投影対象EBとの距離ERは、15ｍｍである。投影対象EBは、長方形であり、その長さ及び幅は、それぞれ、10ｍｍ及び8ｍｍであり。使用者900の視野Φは、60度である。光入力端S1の光入力面は、長方形であり、その長さ及び幅は、それぞれ、13ｍｍ及び3.63ｍｍである。なお、上記各種の光学パラメータ又は構造パラメータは、例示に過ぎず、本発明を限定しない。本実施例では、導波部1100の光伝播媒体は、光入力端S1から光出力端S2まで連続して分布しており、導波部1100は、ビームスプリッターを含まなくても、映像光束L2の投影対象EB上での第一方向Zの投影光形の長さを増加させることができる。よって、このような設計は、光導波路素子1000のアーキテクチャを簡略化し、光導波路素子1000の製造コストを削減することができる。また、ビームスプリッターを含む従来技術中での導波部に比べ、本実施例の導波部は、ビームスプリッターを含まず、投影対象EBの使用者900の視野Φを増大することができ、また、その大小（サイズ）は、ビームスプリッターにより制限されない。

図14は、本発明の一実施例における映像光束の光導波路素子までの投影を示す立体図である。図15は、図14に示す映像光束の投影平面までの投影を示す概要図である。図11乃至図15に示すように、本実施例の映像光束L2は、例えば、光拡散素子1470の作用を受けた後に、第二レンズ素子1440を経由してミラー素子1428に伝播する。本実施例では、映像光束L2は、ミラー素子1428により反射された後に、投影平面EP（投影対象）に投影する。本実施例では、映像光束L2を生成する映像表示装置の一部の素子は、上記実施例における映像表示装置の一部の素子の配置位置と同じであるが、異なる点は、本実施例において結像素子が配置されず、ミラー素子1428を用いて光拡散素子1470からの映像光束L2を光導波路素子1000に伝播させ、また、本実施例における光導波路素子1000が上記実施例における投影対象の位置に設置され、例えば、光入力端S1の光入力面が投影平面EPに位置することにある。続いて、光導波路素子1000は、光入力端S1から入力される映像光束L2を他の投影対象EBに投影する。使用者900の目は、例えば、投影対象EBに位置し、これにより、比較的多くの映像光束L2を受けることができる。一実施例では、映像表示装置は、ミラー素子1428を含まず、光導波路素子1000を用いて第二レンズ素子1440からの映像光束L2を受けても良く、また、光導波路素子1000は、映像光束L2を使用者900の目に投影する。また、環境光束は、該光導波路素子1000の結像部1200を通過し、且つ該他の投影対象EBに投影することができ、これにより、使用者は、同時に、背景環境及び映像光束L2が生成した虚像を見ることができる。

本実施例では、光拡散素子1470は、光導波路素子1000の光入力端S1に入力される映像光束L2の投影光形を、光入力端S1の光入力面の形状に合致するように調整することができる。例えば、本実施例の導波部の光入力面は、長方形であり、光拡散素子1470は、映像光束L2の光入力端S1における投影光形を楕円形に調整し、即ち、光拡散素子1470は、映像光束L2の投影対象EB上での第一方向Zの投影光形を、図12、図13及び図15に示すように拡大することができる。図15に示すのは、映像光束L2が投影平面EP（即ち、光入力面）に投影した投影光形であり、それは、楕円形であり、長方形の光入力面に合致する。本実施例では、光拡散素子1470は、映像光束L2の伝播経路上で且つ中間映像Mを中心とする所定区間に設置され、これにより、光入力端S1に入力される映像光束L2の投影光形を、光入力面の形状に合致するように調整することで、システムの光学効率を向上させることができる。ヘッドマウントディスプレイに光導波路素子が用いられる従来のアーキテクチャに比べ、本発明の表示装置は、1組のみのビームスプリッターアレイを使用することにより、映像光束L2の投影光形の第一方向Z及び第二方向X上での長さを増加させることができ、また、映像光束L2が投影対象EBに投影した投影面積を拡大することもできる。

図16は、本発明の一実施例における光拡散素子の表面微細構造を示す概要図である。図16に示すように、本実施例では、光拡散素子1470を例とすると、その表面微細構造は、例えば、一方向上で配列され且つ他の方向上で延伸する複数の微細構造ユニット（符号を付けず）を含む。このような微細構造を有する光拡散素子1470は、入力端S1に入力される映像光束L2の投影光形を、光入力面の形状に合致するように調整することができる。よって、本実施例では、映像光束L2の投影対象における投影光形は、光拡散素子1470の微細構造の設計により決定される。なお、光拡散素子1470の微細構造は、例示に過ぎず、本発明を限定しない。

以上を纏めると、本発明の実施例は、少なくとも、以下の１つの利点又は効果／機能を有する。即ち、本発明の実施例による映像表示装置では、光拡散素子を経由して投影対象に投影した映像光束は、その投影面積が19.6ｍｍ^２よりも大きい。ヘッドマウントディスプレイは、投影位置を調整する調整システムを増設する必要がなく、これにより、ヘッドマウントディスプレイ自身の重量を軽くすることができ、また、使用者がヘッドマウントディスプレイを装着した後に投影位置を調整する必要もなく、これにより、ヘッドマウントディスプレイの使用利便性を向上させることができる。また、本発明の実施例による映像表示装置は、使用者の視野（Field of View、FOV）を拡大させ、ヘッドマウントディスプレイを小型化及び軽量化することもできる。

また、映像表示装置の各光学素子は、装置本体において分散配置される。このような配置方式は、装置本体上での各光学素子の集中配置による狭隘空間を改善することができるのみならず、その重量を使用者の異なる部位にそれぞれ分担させることもできる。よって、ヘッドマウントディスプレイの重量配分が均一であり、良好な装着快適性を提供することができる。また、結像素子がメガネのレンズに統合され、又は、レンズ内側でレンズに貼り付けられるので、ヘッドマウントディスプレイの外観を洒落にし、唐突感及び違和感を大幅に抑制することができる。また、光導波路素子を用いるヘッドマウントディスプレイは、1組のみのビームスプリッターアレイを配置することで、映像光束が投影対象に投影した投影面積を拡大することができ、これにより、導波路素子のアーキテクチャを簡略化し、ヘッドマウントディスプレイのコストを削減することもでできる。

本発明は、前述した好適な実施例に基づいて以上のように開示されたが、前述した好適な実施例は、本発明を限定するためのものでなく、当業者は、本発明の精神と範囲を離脱しない限り、本発明に対して些細な変更と潤色を行うことができるので、本発明の保護範囲は、添付した特許請求の範囲に定まったものを基準とする。また、本発明の何れの実施例又は特許請求の範囲は、本発明に開示された全ての目的又は利点又は特徴を達成する必要がない。また、要約の一部と発明の名称は、文献の検索を助けるためのみのものであり、本発明の権利範囲を限定するものでない。また、本明細書又は特許請求の範囲に言及びしている「第一」、「第二」などの用語は、要素（element）に名前を付け、または、異なる実施例又は範囲を区別するためのもののみであり、要素の数量上の上限又は下限を限定するためのものでない。

100、200：ヘッドマウントディスプレイ
110、210：装置本体
112、212：第一部分
114、214：第二部分
120、220、300、400：映像表示装置
121_1、121_2、121_3、221_1、221_2、221_3：レンズ素子
122、222、310、410：光源モジュール
123、223、1428：ミラー素子
126、226、326、426：映像出力素子
127、227、370、470、670、770、870、970、1470：光拡散素子
128、228、328、428、528、628、728、828、928：結像素子
312：レンズ素子
314：光コリメーション素子
322：発光素子
324：光伝播素子
330、430：第一レンズ素子
340、440、540、640、740、840、940、1440：第二レンズ素子
700、800、EB：投影対象
900：使用者
L1：照明光束
L2：映像光束
L3：環境光束
d：所定区間
EP：投影平面
M：中間映像
1000：光導波路素子
1100：導波部
1200：結像部
S1：光入力端
S2：光出力端
WT：結像部の厚み
ER：結像部と投影対象との距離
BS1〜BS8：ビームスプリッター
X、Y、Z：方向
Φ：視野

Claims (18)

1. ヘッドマウントディスプレイであって、
   第一部分及び前記第一部分に接続される第二部分を含む装置本体；及び
   前記装置本体に設置され、映像画面を投影対象に投影するための映像表示装置を含み、
   前記映像表示装置は、映像出力素子、複数のレンズ素子及び光拡散素子を含み、
   前記映像出力素子が出力した映像光束は、前記複数のレンズ素子及び前記光拡散素子を経由して虚像投影方式で前記投影対象に投影し、前記映像画面を表示させ、
   前記複数のレンズ素子は、第一レンズ素子及び第二レンズ素子を含み、
   前記映像出力素子は、前記映像光束の伝播経路上で且つ前記第一レンズ素子と前記第二レンズ素子との間に、中間映像を生成し、
   前記光拡散素子は、前記映像光束の伝播経路上での前記中間映像を中心とする所定区間に設置される、ヘッドマウントディスプレイ。
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、
   前記光拡散素子は、前記映像光束の伝播経路上で且つ前記中間映像の生成位置に設置される、ヘッドマウントディスプレイ。
3. 請求項2に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記複数のレンズ素子及び前記光拡散素子は、前記装置本体の前記第一部分に設置される、ヘッドマウントディスプレイ。
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、
   前記光拡散素子を経由して前記投影対象に投影した前記映像光束は、その投影面積が19.6ｍｍ^２よりも大きい、ヘッドマウントディスプレイ。
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、
   前記映像光束の前記投影対象における投影光形は、前記光拡散素子の微細構造により決定される、ヘッドマウントディスプレイ。
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、
   前記映像出力素子は、スキャン光学系を含む、ヘッドマウントディスプレイ。
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、
   前記映像表示装置は、光源モジュールをさらに含み、
   前記光源モジュールは、照明光束を前記映像出力素子に出力し、
   前記映像出力素子が前記照明光束に基づいて出力した前記映像光束は、前記複数のレンズ素子及び前記光拡散素子を経由して前記投影対象に投影し、
   前記光源モジュールは、前記装置本体の前記第一部分に設置される、ヘッドマウントディスプレイ。
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、
   前記映像表示装置は、結像素子をさらに含み、
   前記映像光束は、前記複数のレンズ素子及び前記光拡散素子を経由して前記結像素子に伝播し、
   前記結像素子は、前記映像光束を虚像方式で前記投影対象に投影して前記映像画面を表示させる、ヘッドマウントディスプレイ。
9. 請求項8に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記結像素子は、前記装置本体の前記第一部分及び前記第二部分の両者のうちの１つに設置される、ヘッドマウントディスプレイ。
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、
    環境光束が前記装置本体の前記第二部分を透過して前記投影対象に投影する、ヘッドマウントディスプレイ。
11. 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、
    前記装置本体は、メガネを含み、前記第二部分は、レンズを含み、前記第一部分は、リム、テンプル及びパッドの三者のうちの少なくとも１つを含む、ヘッドマウントディスプレイ。
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、
    前記装置本体の前記第二部分は、少なくとも１つの光導波路素子を含み、
    前記少なくとも１つの光導波路素子は、前記投影対象の位置に設置され、
    前記映像光束は、前記複数のレンズ素子及び前記光拡散素子を経由して前記少なくとも１つの光導波路素子に伝播し、
    前記映像光束を受け入れる前記少なくとも１つの光導波路素子は、前記映像光束を虚像方式で他の投影対象に投影し、
    前記少なくとも１つの光導波路素子は、前記映像光束の投影光形を調整し、前記映像光束が前記他の投影対象に投影する投影面積を拡大する、ヘッドマウントディスプレイ。
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、
    前記少なくとも１つの光導波路素子は、導波部を含み、
    前記導波部は、前記映像光束を受け入れ、前記映像光束の前記他の投影対象上での第一方向の投影光形を調整する、ヘッドマウントディスプレイ。
14. 請求項13に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
    前記導波部は、光入力端及び光出力端を含み、
    前記映像光束は、前記光入力端から前記導波部に入力し、また、前記導波部の前記光出力端から出力し、
    前記導波部の光伝播媒体は、前記光入力端から前記光出力端まで連続して分布している、ヘッドマウントディスプレイ。
15. 請求項13に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
    前記光導波路素子は、結像部をさらに含み、
    前記少なくとも１つの光導波路素子から入力した前記映像光束は、前記結像部に伝播し、
    前記結像部は、前記映像光束の前記他の投影対象上での第二方向の投影光形を調整する、ヘッドマウントディスプレイ。
16. 請求項15に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
    前記結像部は、ビームスプリッターアレイを含み、
    前記ビームスプリッターアレイは、前記第二方向に沿って配列され且つ互いに平行して設置される複数のビームスプリッターを含む、ヘッドマウントディスプレイ。
17. 請求項13に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
    前記導波部の前記光入力端は、光入力面を含み、
    前記光入力面は、前記投影対象の位置に設置され、
    前記光拡散素子は、前記光入力面に入力する前記映像光束の投影光形を、前記光入力面の形状に合致するように調整する、ヘッドマウントディスプレイ。
18. 請求項17に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
    前記導波部の前記光入力面は、長方形であり、
    前記光拡散素子は、前記映像光束の前記光入力面における投影光形を楕円形に調整する、ヘッドマウントディスプレイ。

Images