JP2018018078A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ヘッドマウントディスプレイを提供する。【解決手段】かかるヘッドマウントディスプレイは、装置本体及び映像表示装置を含み、前記装置本体は、第一部分と、前記第一部分に接続される第二部分とを含み、前記映像表示装置は、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に用いられ、前記映像表示装置は、光ファイバー素子及び結像素子を含み、前記光ファイバー素子は、照明光束を伝播させるために用いられ、前記結像素子は、映像光束を前記投影対象に投影し、前記映像画面を表示させ、前記光ファイバー素子は、前記装置本体の前記第一部分に設置され、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。【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。

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)を広げることができると共に、小型化且つ軽量化することも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。

本発明のもう１つの目的は、装着快適性が高いヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

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。

上述の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、本発明の一実施例によれば、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、第一部分と、第一部分に接続される第二部分とを含む。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、光ファイバー素子及び結像素子を含む。光ファイバー素子は、照明光束を伝播させるために用いられる。結像素子は、映像光束を虚像投影方式で投影対象に投影し、映像画面を表示させるために用いられる。光ファイバー素子は、装置本体の第一部分に設置される。結像素子は、装置本体の第一部分及び第二部分の両者のうちの１つに設置される。

上述により、本発明の実施例は、少なくとも、次の１つの利点又は効果を有する。本発明の実施例による映像表示装置は、映像画面を表示するために必要な照明光束を光ファイバー素子で伝播させるので、ヘッドマウントディスプレイの外観を洒落にし、高い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)を広げ、ヘッドマウントディスプレイを小型化且つ軽量化することもできる。

本発明の上述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システムを示す図である。 本発明の一実施例における発光素子が照明光束を光ファイバー素子に出力する様子を示す図である。 本発明の一実施例における光ファイバー素子の断面図である。 本発明の他の実施例における光ファイバー素子の断面図である。 本発明の一実施例における光コリメーション素子の側面図である。 本発明の他の実施例における光コリメーション素子の側面図である。

本発明の上述した及び他の技術的内容、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と、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、メガネの形態は、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、装置本体の形態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つであり、また、レンズは、リムに設けられる。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)のような構造であっても良い。

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、映像画面を虚像投影方式で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)であっても良い。言い換えれば、使用者の目に見えた映像画面は、虚像を拡大する方式で現れている。

本実施例では、映像表示装置120は、発光素子122、光ファイバー素子124、映像出力素子126及び結像素子128を含む。本実施例では、発光素子122、光ファイバー素子124及び映像出力素子126は、装置本体110の第一部分112に設置される。例えば、発光素子122は、リム及テンプルの両者のうちの少なくとも１つに設置されても良い。映像出力素子126は、リム及パッドの両者のうちの少なくとも１つに設置されても良い。光ファイバー素子124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つに設置されても良い。光ファイバー素子124は、例えば、直線の形でリムの所定方向に延伸しても良く、或いは、曲線又は折れ線の形でリムの複数の異なる方向に延伸しても良い。なお、本発明では、光ファイバー素子を装置本体の第一部分に配置する方法について限定しない。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つに設置されても良い。例えば、結像素子128は、メガネのレンズに統合されも良く、又は、レンズの内側であってレンズに貼り付けられるところに位置しても良い。

本実施例では、発光素子122は、照明光束(例えば、図3の照明光束L1)を光ファイバー素子124に出力するために用いられる。光ファイバー素子124は、照明光束を、発光素子122から映像出力素子126に伝播させる。映像出力素子126は、照明光束L1を映像光束L2に変換し、映像光束L2を結像素子128に出力する。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、映像画面を表示させる。言い換えると、本実施例では、光ファイバー素子124は、照明光束L1を伝播させるために用いられる。結像素子128は、映像光束を投影対象に投影し、映像画面を表示させる。本実施例では、環境光束L3が、例えば、装置本体110の第二部分114を通過し投影対象に投影し、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光ファイバー素子124を利用して照明光束を伝播させる伝播方法は、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、光ファイバー素子の応用について限定しない。

本実施例では、ヘッドマウントディスプレイ100は、光ファイバー素子124を、照明光束L1の発光素子122と映像出力素子126との間の伝播媒質として使用する。発光素子122は、例えば、使用者の耳近傍のメガネのテンプルに設置されるが、これに限定されない。発光素子122が発した照明光束L1が、光ファイバー素子124に入った後に、光ファイバー素子124の可撓性を用いて、光ファイバー素子124をメガネのリムに沿って使用者の鼻近傍のメガネのパッドに延伸させ、照明光束L1を映像出力素子126に伝播させることができる。また、一実施例では、リムは、例えば、光ファイバー素子124を覆うことで、光ファイバー素子124を装置本体110の第一部分112のリム内に埋めるために用いられても良く、これにより、ヘッドマウントディスプレイ100は、外観上では、普通のメガネと同じようになる。

本発明の実施例では、装置本体(例えば、メガネ)の形態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の形態にある。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。

図2を参照する。本実施例では、発光素子222及び映像出力素子226は、それぞれ、メガネのリムの２つの異なる且つ互いに離れる位置に設置される。ヘッドマウントディスプレイ200は、光ファイバー素子224の可撓性を用いて、光ファイバー素子224をメガネのリムに沿って延伸させ、これにより、使用者900の耳近傍のメガネのテンプルにある発光素子222が発した照明光束L1は、鼻近傍のメガネのパッドに位置する映像出力素子226に伝播することができる。発光素子222を耳近傍のメガネのテンプルに設けることで、鼻近傍のメガネのパッドの狭隘空間を改善することができる。本実施例では、発光素子222及び映像出力素子226がそれぞれメガネのテンプル及びパッド近傍の２つの異なる位置に設置されるため、その重量もそれぞれ使用者の耳及び鼻により分担される。よって、ヘッドマウントディスプレイ200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。本実施例では、結像素子128がメガネのレンズに統合され、又は、レンズの内側でレンズに貼り付けられ、且つ照明光束を伝播させる光ファイバー素子224が、例えば、リム内に埋められ得るので、ヘッドマウントディスプレイ200の外観を洒落にし、唐突感及び違和感を大幅に抑えることができる。

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び操作方法については、図1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3は、本発明の一実施例における映像表示装置の光学システムを示す図である。図3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、レンズ素子330(第二レンズ素子)及び結像素子328を含む。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(第一レンズ素子)、光ファイバー素子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の伝播径路上での発光素子322と光ファイバー素子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の伝播径路上での光ファイバー素子324と映像出力素子326との間に設置される。レンズ素子330は、映像光束L2の伝播径路上での映像出力素子326と結像素子328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、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を光ファイバー素子324に焦点合わせする。光ファイバー素子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、照明光束に対してコリメーションを行い、そして、コリメーションが行われた照明光束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をレンズ素子330に出力する。レンズ素子330は、さらに、映像光束L2を結像素子328に焦点合わせする。最後に、結像素子328は、映像光束L1を虚像投影方式で投影対象800に投影し、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のヘッドマウントディスプレイ100又は200と同様であっても良い。例えば、光コリメーション素子314に対して、発光素子322及びレンズ素子312は、その装置本体の第一部分の第一位置、例えば、使用者の耳近傍のメガネのテンプルに集中的に設置されても良い。また、発光素子322及びレンズ素子312に対して、光コリメーション素子314及び映像出力素子326は、その装置本体の第一部分の第二位置、例えば、使用者の鼻近傍のメガネのパッドに集中的に設置されても良い。本実施例では、図1又は図2のヘッドマウントディスプレイ100又は200に示すように、光ファイバー素子324は、例えば、曲線の形で装置本体の複数の異なる方向に延伸し、レンズ素子312及び光コリメーション素子314に光結合される。一実施例では、光ファイバー素子324は、折れ線の形で装置本体の複数の異なる方向に延伸し、レンズ素子312及び光コリメーション素子314に光結合されても良い。或いは、光ファイバー素子324は、直線の形で装置本体の所定方向に延伸し、レンズ素子312及び光コリメーション素子314に光結合されても良い。

本実施例では、レンズ素子312及レンズ素子330は、例えば、レンズ(Lens)、平面鏡(Mirror)、曲面鏡(Curve Mirror)、プリズム(Prism)、平面プリズム(Mirror-Prism)、平面レンズ(Mirror-Lens)又はプリズムレンズ(Pirsm-Lens)などの各種の異なる形態のレンズの組み合わせであっても良い。なお、本発明は、レンズ素子の種類について限定しない。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法については、図1及び図2に示す実施例を参照することができる。

図4は、本発明の一実施例における発光素子が照明光束を光ファイバー素子に出力する様子を示す図である。図3及図4を参照する。図3の映像表示装置300を例とするが、便宜のため、図4には、発光素子322及び光ファイバー素子324のみを示し、また、発光素子322が光ファイバー素子324の入口端に直接設置される。本実施例では、発光素子322は、映像出力素子326に照明光束L1を提供する以外に、電子回路(図示せず)の制御により、映像出力素子326と同期作動することもできる。本実施例では、発光素子322は、例えば、発光ダイオード(Light Emitting Diode、LED)、レーザーダイオード(Laser Diode、LD)又は他の小型化発光素子（例えば、光電素子）であっても良い。なお、本発明は、発光素子の種類について限定しない。

再び図3を参照する。本実施例では、発光素子322が発した照明光束L1は、発散光であり、レンズ素子312を経て、光ファイバー素子324の入力端に焦点合わせし、これにより、照明光束L1が光ファイバー素子324に進入する光結合効率を向上させることができる。光ファイバー素子324は、照明光束L1を、その出力端から映像出力素子326に伝播させる。本実施例では、光ファイバー素子324は、例えば、マルチモード光ファイバー(multimode fiber)である。照明光束L1のマルチモード光ファイバー内での伝播方式は、図4に示すようである。光ファイバー素子324の内部のコア(Core)は、高屈折率材質であり、コアを覆う外層のクラッド層(Cladding)は、低屈折率材質である。よって、照明光束L1は、コアとクラッド層との境界面において全反射され、これにより、コア内の照明光束L1は、全反射により絶えず伝播し前進することができる。

図5及び図6は、本発明の異なる実施例における光ファイバー素子の断面図である。図4〜図6を参照する。本発明の好適な実施例では、マルチモード光ファイバーのコアの直径の大小は、例えば、50マイクロメートル〜125マイクロメートルであり、そのうち、コアの直径は、シングル光ファイバー直径である。光ファイバー素子324は、例えば、複数の光ファイバー束を含み、その横断面は、例えば、図5及び図6に示す光ファイバーアレー(Optical Fiber Array)324A又は324Bである。この種の光ファイバー束の構造は、照明光束L1が光ファイバー素子324に光結合される時の収光面積を増やすことができる。なお、本発明は、光ファイバー素子の種類について限定しない。

図7及び図8は、本発明の異なる実施例における光コリメーション素子の側面図である。図4、図7及び図8を参照する。本発明の好適な実施例では、少なくとも、光ファイバー素子324から出力された照明光束L1の光形（light form）分布を、映像出力素子326のニーズに合致させるために、光ファイバー素子324と映像出力素子326との間に光コリメーション素子314を設置し、これにより、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ことができる。光コリメーション素子314は、例えば、図7に示すようなレンズ素子(collimating lens)であっても良く、又は、図8に示すような勾配屈折率レンズ(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の種類について限定せず、例えば、フレネルレンズ(Fresnel Lens)、液晶レンズ(Liquid Crystal Lens)であっても良い。

以上を纏めると、本発明の実施例は、少なくとも、次の１つの利点又は効果を有する。本発明の実施例による映像表示装置は、映像画面を表示するために必要な照明光束を光ファイバー素子で伝播させる。光ファイバー素子の可撓性を利用して、光ファイバー素子を装置本体上で延伸させ、異なる位置にある発光素子及び映像出力素子に光結合させることができる。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よりそれぞれ分担することもできる。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、高い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、且つ照明光束を伝播させる光ファイバー素子がリム内に埋められ得るので、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。

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：映像表示装置
122、222、322：発光素子
124、224、324、324A、324B：光ファイバー素子
126、226、326：映像出力素子
128、228、328：結像素子
310：光源モジュール
312、330：レンズ素子
314、314A、314B：光コリメーション素子
800：投影対象
900：使用者
L1：照明光束
L2：映像光束
L3：環境光束

Claims (10)

1. ヘッドマウントディスプレイであって、
   装置本体及び映像表示装置を含み、
   前記装置本体は、第一部分と、前記第一部分に接続される第二部分とを含み、
   前記映像表示装置は、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に用いられ、
   前記映像表示装置は、光ファイバー素子及び結像素子を含み、
   前記光ファイバー素子は、照明光束を伝播させるために用いられ、
   前記結像素子は、映像光束を前記投影対象に投影し、前記映像画面を表示させ、
   前記光ファイバー素子は、前記装置本体の前記第一部分に設置され、
   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。
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、
   前記映像表示装置は、さらに、発光素子及び映像出力素子を含み、
   前記発光素子は、前記照明光束を前記光ファイバー素子に出力し、
   前記光ファイバー素子は、前記照明光束を、前記発光素子から前記映像出力素子に伝播させ、
   前記映像出力素子は、前記照明光束を前記映像光束に変換し、前記映像光束を前記結像素子に出力し、
   前記結像素子は、前記映像光束を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、
   前記発光素子及び前記映像出力素子は、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。
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、
   前記発光素子及び前記光ファイバー素子は、光源モジュールを形成し、
   前記光源モジュールは、さらに、
   前記照明光束の伝播径路上での前記発光素子と前記光ファイバー素子との間に設置され、前記照明光束を前記光ファイバー素子に焦点合わせするための第一レンズ；及び
   前記照明光束の伝播径路上での前記光ファイバー素子と前記映像出力素子との間に設置され、前記照明光束に対してコリメーションを行い、コリメーションが行われた前記照明光束を前記映像出力素子に伝播させるための光コリメーション素子を含む、ヘッドマウントディスプレイ。
4. 請求項3に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記発光素子及び前記第一レンズは、前記光コリメーション素子に対して、前記装置本体の前記第一部分の第一位置に集中的に設置され、
   前記光コリメーション素子及び前記映像出力素子は、前記発光素子及び前記第一レンズに対して、前記装置本体の前記第一部分の第二位置に集中的に設置される、ヘッドマウントディスプレイ。
5. 請求項3に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記光ファイバー素子は、直線の形で所定方向に延伸し、前記第一レンズ及び前記光コリメーション素子に光結合される、ヘッドマウントディスプレイ。
6. 請求項3に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記光ファイバー素子は、曲線又は折れ線の形で複数の異なる方向に延伸し、前記第一レンズ及び前記光コリメーション素子に光結合される、ヘッドマウントディスプレイ。
7. 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、
   前記映像表示装置は、さらに、第二レンズを含み、
   前記第二レンズは、前記映像光束の伝播径路上での前記映像出力素子と前記結像素子との間に設置され、前記映像光束を前記結像素子に焦点合わせするために用いられる、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、
   環境光束が、前記装置本体の前記第二部分を通過し前記投影対象に投影する、ヘッドマウントディスプレイ。
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。
10. 請求項9に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
    前記光ファイバー素子は、前記リム及び前記テンプルの両者のうちの少なくとも１つに設置される、ヘッドマウントディスプレイ。

Images