JP2018019399A - 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】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、映像出力素子、複数のレンズ素子及び結像素子を含み、前記映像出力素子は、映像光束を出力し、前記複数のレンズ素子を経由して前記結像素子に伝播させ、前記結像素子は、前記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、前記映像出力素子及び前記複数のレンズ素子は、前記装置本体の前記第一部分に設置され、前記投影対象は、参考面に位置し、前記映像出力素子の前記参考面上での投影は、前記投影対象の上方に位置する。
【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、洒落な外観を有し、且つ高い装着快適性も有する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、映像出力素子、複数のレンズ素子及び結像素子を含む。映像出力素子は、映像光束を出力し、レンズ素子を経由して結像素子に伝播させる。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。映像出力素子及びレンズ素子は、装置本体の第一部分に設置される。投影対象は、参考面に位置し、映像出力素子の参考面上での投影は、投影対象の上方に位置する。

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。本発明の実施例における映像表示装置は、その中の各光学素子が少なくとも装置本体の第一部分に分散して配置されるので、ヘッドマウントディスプレイの外観を洒落にし、良好な装着快適性を提供することができ、また、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及び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光源モジュールの光学システムを示す図である。

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110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4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及びミラー素子123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の伝播径路に設置され、且つレンズ素子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の伝播径路に設置され、且つミラー素子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、複数のレンズ素子121_1、121_2、121_3及びミラー素子123は、装置本体110の第一部分112に分散して設置される。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は、装置本体110の第一部分112に分散して設置されても良い。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、結像素子128は、例えば、半透過半反射型レンズ又は分光ミラーであり、例えば、塗布の方式でレンズに形成されても良いが、これに限定されない。

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を映像光束L2に変換し、そして、レンズ素子121_1、121_2、121_3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及びミラー素子123を経て結像素子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、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の伝播径路を変えるために用いられる。例えば、ミラー素子123は、映像光束L2をレンズ素子121_2からレンズ素子121_3へ反射するための反射ミラーを含む。本実施例におけるミラー素子123の数量は、１つであるが、光路の異なる設計方式に従って、ミラー素子123の数量は、複数であっても良い。即ち、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、環境光束L3は、例えば、装置本体110の第二部分114を通過して投影対象に投射し、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中の各素子を分散して設置する方式は、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に沿って分布する。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及びミラー素子123の分布領域は、例えば、第一部分112及び二部分114の接続箇所の隣接領域である。本実施例では、変換（変調）後の、映像出力素子126のニーズに合致した照明光束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、映像情報をもつ光束(即た、映像光束L2)になる。その後、映像光束L2は、さらに、レンズ素子121_1、121_2、121_3、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を参照する。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の形態及びレンズ素子の数量にある。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、レンズ素子の数量は、２つであり、且つ映像光束L2の伝播径路上での映像出力素子226とミラー素子223の間、及び、ミラー素子223と結像素子228との間にそれぞれ設置される。

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。つまり、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を基準とし、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。即ち、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箇所に位置しても良い。本実施例では、光源モジュール310は、例えば、図1〜図3に示すように、メガネのテンプルに設置される。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位置に設置されても良い。

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3を参照する。本実施例のヘッドマウントディスプレイ400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410の形態、レンズ素子の数量及びミラー素子の数量にある。また、便宜のため、図3には、光源モジュールが示されていない。

具体的に言えば、本実施例では、レンズ素子の数量は、４つであり、それぞれ、レンズ素子421_1、421_2、421_3、421_4である。レンズ素子421_1、421_2、421_3は、映像光束L2の伝播径路上での映像出力素子426とミラー素子423_1との間に設置される。レンズ素子421_4は、映像光束L2の伝播径路上でのミラー素子423_2と結像素子428との間に設置される。結像素子428は、例えば、第一部分412であってパッドに隣接する位置に設置される。本実施例では、ミラー素子の数量は、２つであり、それぞれ、ミラー素子423_1、423_2である。ミラー素子423_1、423_2は、映像光束L2の伝播径路上でのレンズ素子421_3とレンズ素子421_4との間に設置される。

本実施例では、レンズ素子421_1とミラー素子423_1との光軸A上での距離がd1であり、ミラー素子423_1とミラー素子423_2との光軸A上での距離がd2であり、ミラー素子423_2とレンズ素子421_4との光軸A上での距離がd3であり、また、結像素子428と投影対象700との距離がd4である。本実施例では、距離d1、d2、d3の総和と、距離d4との比は、2〜2.5であり、これにより、映像表示装置420の結像品質を向上させることができる。例えば、一実施例では、距離d1、d2、d3の総和が例えば38.33ｍｍであり、距離d4が例えば16.5ｍｍであり、両者の比は、約2.3である。上述の距離の比及びその大小は、例示に過ぎず、本発明は、これに限定されない。

また、本実施例におけるヘッドマウントディスプレイ400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4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5は、本発明の一実施例における光源モジュールの光学システムを示す図である。図4及び図5を参照する。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、レンズモジュール330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。レンズモジュール330は、例えば、１つ又は複数のレンズ素子、１つ又は複数のミラー素子、及びその組み合わせを含む。本発明は、レンズモジュール330に含まれる光学素子の種類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の伝播径路上での発光素子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の伝播径路上での光伝播素子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が要する照明光束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に焦点合わせする。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をレンズモジュール330に出力する。レンズモジュール330は、さらに、映像光束L2を結像素子328に焦点合わせする。結像素子328は、映像光束L1を投影対象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、レンズ素子312及レンズモジュール330に含まれるレンズ素子は、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)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素子の組み合わせであっても良い。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、波導管(wave guide)、光ファイバー素子(optical fiber)、積分ロッド(integral rod)又はライトパイプ(light pipe)などの類似した素子であっても良く、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（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、フレネルレンズ(Fresnel Lens)、液晶レンズ(Liquid Crystal Lens)、又は勾配屈折率レンズ(Gradient Reflective Index Lens、GRIN Lens)であっても良い。本発明は、光コリメーション素子314の種類について限定せず、そのうち、光コリメーション素子314により提供されたコリメーション後の照明光束L1が映像出力素子326に入射する面積は、映像出力素子326の有効出光面積よりも大きい。ここで、いわゆる映像出力素子326の有効出光面積とは、映像出力素子326が照明光束L1を変換する面積、例えば、液晶パネル中の液晶の変換可能な領域の面積を指し、映像出力素子326は、マイクロ反射ミラーDMDなどの光変換装置であっても良い。

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の進行方向を変え、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を遮蔽せず、これにより、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)、フレネルレンズレンズ(Fresnel Lens)などの類似した光学素子であっても良い。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、図2又は図3のヘッドマウントディスプレイ100、200又は400のようである。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、図2及び図3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。

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。本発明の実施例における映像表示装置は、その中の各光学素子が装置本体に分散して配置される。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、また、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、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、レンズの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えることもできる。

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、400：ヘッドマウントディスプレイ
110、210、410：装置本体
112、212、412：第一部分
114、214、414：第二部分
120、220、300、420：映像表示装置
121_1、121_2、121_3、221_1、221_2：レンズ素子
122、222、310：光源モジュール
123、223：ミラー素子
126、226、326、426：映像出力素子
128、228、328、428：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：レンズモジュール
700、800：投影対象
900：使用者
L1：照明光束
L2：映像光束
L3：環境光束
d1、d2、d3、d4：距離
A：光軸

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、映像出力素子、複数のレンズ素子及び結像素子を含み、
   前記映像出力素子は、映像光束を出力し、前記複数のレンズ素子を経由して前記結像素子に伝播させ、
   前記結像素子は、前記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、
   前記映像出力素子及び前記複数のレンズ素子は、前記装置本体の前記第一部分に設置され、
   前記投影対象は、参考面に位置し、前記映像出力素子の前記参考面上での投影は、前記投影対象の上方に位置する、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、
   前記複数のレンズ素子は、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る、ヘッドマウントディスプレイ。
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、
   前記映像表示装置は、さらに、光源モジュールを含み、
   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するために用いられ、
   前記映像出力素子は、前記照明光束に従って前記映像光束を出力し、前記複数のレンズ素子を経由して前記結像素子に伝播させ、
   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、
   前記光源モジュール、前記映像出力素子及び前記複数のレンズ素子は、前記装置本体の前記第一部分に分散して設置される、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、
   前記映像表示装置は、さらに、少なくとも一つのミラー素子を含み、
   前記少なくとも一つのミラー素子は、前記映像光束の伝播径路を変えるために用いられ、
   前記少なくとも一つのミラー素子、前記映像出力素子及び前記複数のレンズ素子は、前記装置本体の前記第一部分に分散して設置される、ヘッドマウントディスプレイ。
5. 請求項4に記載のヘッドマウントディスプレイであって、
   前記少なくとも一つのミラー素子は、前記映像光束の伝播径路上での前記複数のレンズ素子の間に設置される、ヘッドマウントディスプレイ。
6. 請求項4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は、第一レンズ素子、第二レンズ素子、第三レンズ素子及び第四レンズ素子を含み、
   前記少なくとも一つのミラー素子は、第一ミラー素子及び第二ミラー素子を含み、
   前記第一レンズ素子、前記第二レンズ素子、前記第三レンズ素子、前記第一ミラー素子、前記第二ミラー素子及び前記第四レンズ素子は、光軸上で、前記映像出力素子から前記結像素子への方向に順次配置され、
   前記第三レンズ素子と前記第一ミラー素子との光軸上での距離がd1、前記第一ミラー素子と前記第二ミラー素子との光軸上での距離がd2、前記第二ミラー素子と前記第四レンズ素子との光軸上での距離がd3、前記結像素子と前記投影対象との距離がd4である場合、距離d1、d2、d3の総和と、距離d4との比は、2〜2.5である、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一つに設置される、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、
   環境光束が前記装置本体の前記第二部分を通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。
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一つを含む、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、
    前記映像出力素子は、前記リムに設置され、
    前記複数のレンズ素子は、前記リム及び前記パッドの両者のうちの少なくとも一つに分散して設置される、ヘッドマウントディスプレイ。

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