JP2010032997A

JP2010032997A - 映像表示装置、およびヘッドマウントディスプレイ

Info

Publication number: JP2010032997A
Application number: JP2008320875A
Authority: JP
Inventors: Mikio Shindo; 幹雄新藤
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-02-12
Also published as: JP2010033026A

Abstract

【課題】重量増加を有効に避けつつも使用者の眼精疲労や視力低下が従来に比べて軽減された映像表示装置を提供すること。
【解決手段】複数種類の波長の光を順次射出するバックライト部と、バックライト部から射出された各波長の光に映像信号に応じた変調をかけるフィールドシーケンシャル方式の透過型液晶表示素子と、変調された各波長の光が入射され、該入射された各波長の光を所定位置に導く導光部とを有する映像表示装置を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ユーザの頭部に装着される映像表示機器であるヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display、以下、「ＨＭＤ」と記す。）および該ヘッドマウントディスプレイに適した構成の映像表示装置に関連し、詳しくは、使用者の眼精疲労や視力低下等が少ないＨＭＤおよび映像表示装置に関する。

近年、ユーザの頭部に装着される映像表示機器であるＨＭＤが一般に知られている。ＨＭＤは、液晶表示パネル等の表示素子上に表示された映像を光学的に拡大し、拡大された虚像として使用者に観察させるように構成されている。このようなＨＭＤの一例が特許文献１に開示されている。

特開２００８−２１６８５２号公報

ところで、特許文献１に開示されたＨＭＤをはじめとする一般的なＨＭＤでは、使用者が表示素子の拡大映像を長時間見続けることによる眼精疲労や視力低下などが懸念される。ＨＭＤを長時間使用し続けたときにおいても眼精疲労や視力低下を生じ難くさせるためには、例えば表示素子を高解像度化や高輝度化して映像を鮮明にするなどの対応が必要である。表示素子を高解像度化や高輝度化するためには、例えば表示素子のサイズを大型化させて画素数を増やしたり一画素当たりの面積を大きくしたりすることが考えられる。

しかし、表示素子のサイズを大型化させた場合には表示素子の重量が増加するため、ＨＭＤの総重量も増加することとなる。ＨＭＤの総重量が重い場合には、ＨＭＤを長時間使用するほど使用者に身体的疲労を与えるという別の問題が発生する。また、表示素子を大型化させた場合には、表示画像が人間の視野角（通常±１６ｄｅｇ程度）を超えて視野に収まらない虞が生じる。そのため、虚像位置を遠ざける必要がある。かかる場合には、画像を写し出す位置を離すためＨＭＤを大型化させる必要があるため、フレームが掛かる耳や鼻を支点とした前廻りのモーメントが増加して使用者に更なる身体的疲労を与えかねない。或いは、使用者は、視野に収まり切らない画像全体を把握するため、終始眼球を動かす必要があり、更なる眼精疲労を引き起こす問題が生じる。

そこで、本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、重量増加を有効に避けつつも使用者の眼精疲労や視力低下が従来に比べて軽減されたＨＭＤおよび該ヘッドマウントディスプレイに適した構成の映像表示装置を提供することにある。

上記の課題を解決する本発明の一形態に係る映像表示装置は、複数種類の波長の光を順次射出するバックライト部と、バックライト部から射出された各波長の光に映像信号に応じた変調をかけるフィールドシーケンシャル方式の透過型液晶表示素子と、変調された各波長の光が入射され、該入射された各波長の光を所定位置に導く導光部とを有する映像表示装置を備えたことを特徴としている。

このようにフィールドシーケンシャル方式駆動の透過型液晶表示素子を映像表示装置に搭載することにより、映像表示装置の総重量を増加させることなく表示映像を高解像度化や高輝度化させて鮮明することができる。そのため、重量増加による使用者の身体的疲労が無いと同時に使用者の眼精疲労や視力低下が従来に比べて少ない。そのため、使用者は、映像表示装置を長時間快適に使用し続けることができる。

特に、眼前の光学ユニットが外界光を透過して外界視界に映像を重畳して表示するように構成された透過型ＨＭＤに適した構成の映像表示装置においては、外界光の影響により表示映像のコントラストが低下する問題があった。しかし、本発明に係る映像表示装置によれば、表示映像が高解像度化し且つ高輝度化するため、かかる問題が好適に改善される。

上記導光部は、変調された各波長の光をそれぞれ二分割する光分割素子を有し、該二分割された各波長の分割光をそれぞれ、透過型液晶表示素子に表示された画像の該透過型液晶表示素子内における画素位置関係が第一の所定位置、第二の所定位置で再現されるように該第一の所定位置、該第二の所定位置に導くように構成されてもよい。

別の側面によれば、本発明に係る映像表示装置は、バックライト部と透過型液晶表示素子とを有する表示素子ユニットを一対有する構成であってもよい。かかる場合に導光部は、一方の表示素子ユニットにより変調された各波長の光を第一の所定位置に導くと共に、他方の表示素子ユニットにより変調された各波長の光を第二の所定位置に導くように構成されている。

ここで、透過型液晶表示素子が有する透明基板は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板である。ここで使用されるＳＯＩ基板としては、例えばＳＯＳ（Silicon on Sapphire）基板、ＳＯＱ（Silicon on Quartz）基板、ＳＯＧ（Silicon on Glass）基板の何れかが挙げられる。このなかでもＳＯＳ基板は、サファイアの特徴として可視領域を含む赤外線領域から紫外線領域までの光透過性が極めて高いと共に表面硬度が高いため、透過型液晶パネルの透明基板として利用するには最適である。また、ＳＯＳ基板は、雑音カップリングが少ない低電圧で高速かつ低消費電力の電子回路の形成に有利であると共に耐放射線・耐高温特性に優れている。

また、上記の課題を解決する本発明の一形態に係るＨＭＤは、各波長の光を透過型液晶表示素子による表示映像の虚像として使用者に観察させるように、各波長の光を所定位置に導く導光部を持つ映像表示装置を該使用者の眼前で支持する支持手段を有した構成を持つ。

また、上記の課題を解決する本発明の別の形態に係るＨＭＤは、各波長の光を透過型液晶表示素子による表示映像の虚像として使用者の右眼、左眼で観察させるように、各波長の光を第一の所定位置、第二の所定位置に導く導光部を持つ映像表示装置を該使用者の眼前で支持する支持手段を有した構成を持つ。

本発明に係る映像表示装置およびＨＭＤによれば、表示素子のサイズを大型化することなく鮮明な映像を表示することができる。そのため、重量増加による使用者の身体的疲労が無いと同時に使用者の眼精疲労や視力低下が従来に比べて少ない。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態のＨＭＤ１の外観図である。図１に示されるように、ＨＭＤ１のフレーム２には光学部材（例えばＳＦ１１）からなる導光板１０が嵌め込まれている。フレーム２は、導光板１０を使用者の眼前に位置するように支持する。導光板１０の第一面１０ａの略中央には表示素子ユニット２０が、使用者の眼前に位置する箇所にはホログラフィック光学素子（Holographic Optical Element、以下、「ＨＯＥ」と記す。）３０Ｒ（または３１Ｒ、３２Ｒ）、３０Ｌ（または３１Ｌ、３２Ｌ）が、それぞれ接着等により第一面１０ａ上に密着固定されている。

表示素子ユニット２０は、例えばフィールドシーケンシャル（Field Sequential）方式で駆動する画像生成ユニットである。表示素子ユニット２０には、レーザ光源２１、拡散光学系２２、マイクロレンズアレイ２３、および表示素子２４が内蔵されている（後述の図２等参照）。レーザ光源２１は、Ｒ（ＨｅＮｅレーザ）、Ｇ（Ｈｄ：ＹＡＧレーザ）、Ｂ（Ｈｅ−Ｃｄレーザ）の各波長に対応したレーザ光源を有し、各波長の光を高速（例えば１８０Ｈｚ）で順次照射する。各波長の光は、拡散光学系２２、マイクロレンズアレイ２３に入射されて光量ムラのない均一な平行光に変換されて表示素子２４に入射される。

表示素子２４は、フィールドシーケンシャル方式で駆動する透過型液晶（LCD T-LCOS）パネルである。表示素子２４の透明基板には、応答速度が速くフィールドシーケンシャル方式に適したＳＯＳ基板が使用されている。ＳＯＳ基板を使用した透過型液晶パネルの詳細は、例えば国際公開ＷＯ２００６／０８３２９８公報に開示されている。なお、表示素子２４の透明基板には、ＳＯＳ基板の代替として他のＳＯＩ基板（例えばＳＯＱ基板やＳＯＧ基板）を使用することもできる。但し、各種ＳＯＩ基板のなかでもＳＯＳ基板は、サファイアの特徴として可視領域を含む赤外線領域から紫外線領域までの光透過性が極めて高いと共に表面硬度が高いため、透過型液晶パネルの透明基板として利用するには最適である。また、ＳＯＳ基板は、雑音カップリングが少ない低電圧で高速かつ低消費電力の電子回路の形成に有利であると共に耐放射線・耐高温特性に優れている。

表示素子２４は、各波長の光に画像エンジン（不図示）が生成する画像信号に応じた変調をかける。表示素子２４の有効領域の画素で変調された各波長の光は、所定の光束断面（該有効領域と略同じ形状）をもって導光板１０に入射される。なお、表示素子２４は、例えばＤＭＤ（Digital Mirror Device）や反射型液晶（LCOS）パネル、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等の他の形態の表示素子としてもよい。

なお、光利用効率を向上させるため、拡散光学系２２とマイクロレンズアレイ２３との間に拡散光学系２２からの入射光を特定の偏光状態にする偏光板を配置してもよい。

図２〜図４はそれぞれ、第一から第三実施形態のＨＭＤ１の構成を模式的に示す側面図である。図２〜図４の各図においては、図面を明瞭化するためフレーム２を図示省略している。以下、図２〜図４の各図を使用して各実施形態のＨＭＤ１の構成について順に説明する。なお、図２〜図４の各図に示されるように、ＨＭＤ１は、表示素子２４と導光板１０の中心を結ぶ中心線Ｘを挟み左右対称構造を有する。また、表示素子２４から導光板１０に入射される各波長の光は、後述するように二分割されて使用者の右眼、左眼のそれぞれに導光される。各眼に導光される各波長の光の光路も中心線Ｘを挟み左右対称である。各実施形態において説明の重複を避けるため、右眼に導光される光を詳細に説明する一方、左眼に導光される光の説明は省略する。

まず、図２を使用して第一実施形態のＨＭＤ１の構成を説明する。図２に示されるように、第一実施形態のＨＭＤ１は、表示素子２４と導光板１０との間の光路であって、導光板１０の第一面１０ａ上に埋設された回折光学素子（Diffractive Optical Element、以下、「ＤＯＥ」と記す。）４０を有する。ＤＯＥ４０は、例えば矩形状を有する。ＤＯＥ４０には、表示素子２４により変調された各波長の光が略垂直に順次入射される。ＤＯＥ４０は、表示素子２４から入射された光を右眼、左眼のそれぞれに導くため左右同一角度に回折して二分割する。ＤＯＥ４０は、波長が長い光ほど大きい回折角で回折する。すなわち、ＤＯＥ４０による各波長の光に対する回折角は、Ｒ、Ｇ、Ｂの順に大きい。

導光板１０の第二面１０ｂ上には、ＨＯＥ５０Ｒと５０Ｌが中心線Ｘを挟み左右対称に隙間無く配列され接着等により密着固定されている。ＨＯＥ５０Ｒおよび５０Ｌは、例えば矩形状を有する反射型の体積位相型ＨＯＥであって、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光に対応する干渉縞が各々に記憶されたフォトポリマーを三枚積層した構成を有する。すなわち、ＨＯＥ５０Ｒおよび５０Ｌは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光を反射しそれ以外の波長の光を透過する波長選択機能を有するように構成されている。

また、ＨＯＥ５０Ｒおよび５０Ｌは、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーとしてもよい。説明を加えると、使用波長がｎ（ｎは自然数）種類ある場合には、ＨＯＥ５０Ｒおよび５０Ｌの層構造は、各波長の光に対応する干渉縞が各々に記憶されたフォトポリマーをｎ枚積層したもの、或いは、各波長の光に対応する干渉縞が記憶された一層のフォトポリマーとなる。

また、二層のフォトポリマーによりＨＯＥ５０Ｒおよび５０Ｌを構成し、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長の光に対応する波長選択機能を付与することも可能である。例として、Ｒ、Ｇの各波長の光に対応する干渉縞が記憶された一層のフォトポリマーと、Ｂの波長の光に対応する干渉縞が記憶された一層のフォトポリマーの計二層によりＨＯＥ５０Ｒおよび５０Ｌを構成することが考えられる。なお、ＨＯＥ３０Ｒおよび３０Ｌも反射型の体積位相型ＨＯＥであり、ＨＯＥ５０Ｒおよび５０Ｌと干渉縞パターンが相違するものの、ＨＯＥ５０Ｒおよび５０Ｌと同一の層構造を有する。ＨＯＥ３０Ｒおよび３０Ｌと５０Ｒおよび５０Ｌは、例えば干渉縞パターンのピッチが略同一であってもよい。

ＨＯＥ５０Ｒは、順次入射される各波長の光をそれぞれ異なる角度を付与して回折する。ＨＯＥ５０Ｒによる回折作用により各波長の光は、導光板１０と空気との界面で全反射を繰り返して導光板１０内部を伝搬しＨＯＥ３０Ｒに入射される。このように回折作用により付与される回折角は波長に依存して相違するため、従来からの指摘されている不都合、つまり、導光板外部に射出される光の射出位置が波長毎にずれて色むらが生じることが懸念される。

そこで、本実施形態の特徴的構成要素であるＨＯＥ５０Ｒは、ＤＯＥ４０とは逆にＢ、Ｇ、Ｒの順に大きい回折角を付与しつつ、導光板１０（より正確にはＤＯＥ４０）に対する入射位置が略同一の（あるいは別の表現によれば、表示素子２４の有効領域内の略同一座標から射出された）全ての波長の光をＨＯＥ３０Ｒ上の略同位置に入射させるように回折する。すなわち、導光板１０の略同位置に入射される各波長の光は、波長に依存した回折角差により導光板１０内部で異なる光路を進行するものの、ＨＯＥ３０Ｒ上で再び重ね合わせられる。別の観点によれば、ＨＯＥ５０Ｒは、表示素子２４の有効領域に表示された画像の該有効領域内における画素位置関係がＨＯＥ３０Ｒ上で忠実に再現されるようにＲＧＢの各波長の光を回折する。

このように本実施形態においてＨＯＥ５０Ｒは、表示素子２４の有効領域内の略同一座標から射出された全ての波長の光をＨＯＥ３０Ｒ上の略同位置に入射させるように回折する。一方、別の実施形態においては、ＨＯＥ５０Ｒは、表示素子２４の有効領域内で相対的にずらされた本来同一画素をなす全ての波長の光をＨＯＥ３０Ｒ上の略同位置に入射させるように回折するように構成されてもよい。

ＨＯＥ３０Ｒ上で重ね合わせられた各波長の光は、ＨＯＥ３０Ｒにより回折されて導光板１０の第二面１０ｂから外部に略垂直に順次射出される。このように平行光として射出された各波長の光は、表示素子２４により生成された画像の虚像として使用者の網膜に結像する。また、使用者が拡大画像の虚像を観察できるように、ＨＯＥ３０Ｒにコンデンサ作用を付与してもよい。すなわち、ＨＯＥ３０Ｒの周辺領域に入射された光ほど瞳の中心に寄るように角度をもって射出され使用者の網膜に結像するようにしてもよい。あるいは、使用者に拡大画像の虚像を観察させるために、ＨＯＥ５０Ｒは、ＨＯＥ３０Ｒ上での画素位置関係が表示素子２４の有効領域に表示された画像の該有効領域内における画素位置関係に対して拡大された相似形状をなすようにＲＧＢの各波長の光を回折するようにしてもよい。

各波長の光は使用者の網膜上に高速で順次結像されるため、使用者は、表示素子２４による生成画像をカラー画像として認識することとなる。なお、使用者の眼と表示素子２４との実際の距離は数十ｍｍ程度に過ぎない。しかし、各波長の光は平行光として眼球に入射されるため、使用者は、無限遠視したときに表示素子２４による生成画像を明瞭に視認することができる。

別の観点によれば、ＨＯＥ５０Ｒは、導光板１０から射出される光束の断面が、表示素子２４からＤＯＥ４０に入射される光束の断面と略同一形状かつ等倍となるように各光線をＨＯＥ３０Ｒ上に入射させる。したがって、使用者は、表示素子２４による生成画像を略等倍で視認することができる。

このようにＨＯＥ５０Ｒによる回折作用により導光板１０内部で異なる光路を辿った各波長の光は、再び重ね合わせられるようにして導光板１０から射出されて使用者の眼に導光される。よって、各波長の光を伝搬する媒体が単一の導光板１０によって構成されているにも拘わらず、波長に依存した回折角差に起因する色むらの発生が良好に抑えられる。

また、各波長の光を伝搬する媒体を単層構造としたため、各波長の光を伝搬する光伝搬光学素子（導光板１０、ＤＯＥ４０、ＨＯＥ３０Ｒ、３０Ｌ、５０Ｒ、５０Ｌ）が単純な構成となる。かかる構成は、ＨＭＤ１の軽量化、製造コスト、リードタイム、歩留まり等の面で極めて有利である。なお、ＨＭＤ１を軽量化させることにより、例えば使用者の負担を軽減する効果が期待される。その結果、使用者は、ＨＭＤ１を長時間着用できるようになる。

また、ＨＭＤ１には、上述したように、フィールドシーケンシャル方式で駆動する表示素子ユニット２０が実装されている。そのため、ＨＭＤ１は、同時式の表示素子（射出面前面に例えばベイヤ配列等の所定の配列のＲＧＢカラーフィルタを有する表示素子）を持つ表示素子ユニットが実装された従来型ＨＭＤと比べて有利な効果を有している。

具体的には、従来型ＨＭＤでは１画素を構成するために複数のサブピクセルが必要であることから、表示素子自体を大型化しなければ高解像度化できない問題がある。一方、ＨＭＤ１では各セルが１画素を構成する（つまりサブピクセルが不要な構成である）ため、表示素子が小型でありつつも高い解像度（例えばＶＧＡ（Video Graphics Array））が実現される。ＨＭＤ１は、表示素子のサイズが従来型ＨＭＤと同一であるとき、従来型ＨＭＤと比べて解像度が例えば３〜４倍になる。ＨＭＤ１によれば、総重量が増加することなく表示映像が高精細化するため、重量増加による使用者の身体的疲労が無いと同時に使用者の眼精疲労や視力低下が従来に比べて少ない。そのため、使用者は、ＨＭＤ１を長時間快適に使用し続けることができる。

また、ＨＭＤ１は、従来型ＨＭＤと異なりサブピクセルのシーム部（配線部）が不要である。そのため、ＨＭＤ１は、表示素子自体を大型化させるまでもなく、従来型ＨＭＤと比べて開口率を高くして表示映像を高輝度化させることが容易である。さらに、ＨＭＤ１は、従来型ＨＭＤと異なりカラーフィルタを使用しないため、光源から射出された光の透過率が高い。かかる点からも、ＨＭＤ１は、表示映像の高輝度化に適した構成となっている。よって、ＨＭＤ１は、使用者の眼精疲労や視力低下が従来型ＨＭＤに比べて少ない。別の側面によれば、ＨＭＤ１は高開口率、高透過率であるため、従来型ＨＭＤと同じ輝度の映像を低消費電力で表示することができる。

ここで、眼前の光学ユニットが外界光を透過して外界視界に映像を重畳して表示するように構成された透過型ＨＭＤにおいては、外界光の影響により表示映像のコントラストが低下する。しかし、ＨＭＤ１は、表示映像が高解像度化、高輝度化されているため、表示映像のコントラスト低下が良好に抑えられている。

また、従来型ＨＭＤでは、光源の種類、使用波長等によっては、導光板１０内部を複数種類の波長の光が同時に伝搬する場合に干渉が生じてフリッカ等が発生する虞がある。しかし、ＨＭＤ１においてはフィールドシーケンシャル方式の表示システムが採用されているため、上記干渉は有効に避けられる。また、ＨＭＤ１ではリフレッシュレートが１８０Ｈｚ程度であり、従来型ＨＭＤ（６０Ｈｚ）と比べて高いため、フリッカが極めて少ない。かかる点からも、ＨＭＤ１は、使用者の眼精疲労や視力低下が従来型ＨＭＤに比べて少ない。フリッカの更なる低減をすべく、リフレッシュレートを２７０Ｈｚ（１．５倍速）〜５４０Ｈｚ（３倍速）に上げてもよい。

従来型ＨＭＤでは、表示映像の色、カラーバランスがカラーフィルタの特性で決まる。そのため、表示素子完成後に表示素子単体では色調整や色補正をすることができない。従来型ＨＭＤにおいて色調整や色補正を行うためには、画像エンジンによる電気的な色調整や色補正が必要である。しかし、電気的な色調整や色補正を行うほどノイズが発生して表示映像が劣化するため、電気的な色調整や色補正の程度は少ない方が望ましい。この点、ＨＭＤ１はカラーフィルタを有しないため、表示映像の色、カラーバランスが光源に依存する。すなわち、ＨＭＤ１によれば、光源の各波長の光の点灯輝度や点灯時間を調整することにより、表示映像の色、カラーバランスを光学的に調整又は補正することができる。ＨＭＤ１では表示映像に対する電気的な色調整や色補正の程度を少なく抑えられるため、ノイズの少ない鮮明な映像が表示されることとなる。

従来型ＨＭＤではカラーフィルタが使用されているため、カラーフィルタの経時変化や、光源の発熱又は温湿度等の使用環境によるカラーフィルタの退色が生じる問題がある。一方、ＨＭＤ１はカラーフィルタの経時変化や退色の問題が無く、耐環境性に優れているといえる。また、ＨＭＤ１では光源から射出された波長の光がカラーフィルタを介さない構成であるため、従来型ＨＭＤと比べて色再現性が高く、また、カラーフィルタの個体差による色のバラツキ（同一表示素子内でのピクセル毎のバラツキや表示素子毎のバラツキ）を考慮する必要がないといったメリットもある。

従来型ＨＭＤはＨＭＤ１と比べて画素構造や駆動方式等が複雑であり、また、製造工程数が多い（例えばカラーフィルタの取付工程が必要である）ため、歩留まりが悪い。一例として、従来型ＨＭＤでは、一つのサブピクセルに欠陥があればそのサブピクセルが属するピクセル全体、つまり３〜４のセルが不良とみなされるため、要求される品質がＨＭＤ１と比べて必然的に高くなるといった不利な点がある。別の表現によれば、ＨＭＤ１は、従来型ＨＭＤと比べて画素構造や駆動方式等が単純であり、また、製造工程が少ないため、歩留まりが良い。

次に、図３を使用して第二実施形態のＨＭＤ１の構成を説明する。なお、以降の実施形態において第一実施形態の構成と同一または同様の構成には同一または同様の符号を付して説明を省略する。

図３（ａ）に示されるように、第二実施形態のＨＭＤ１においては、表示素子２４と導光板１０との間の光路にＤＯＥ４１が配置されている。すなわち、第二実施形態のＨＭＤ１は、第一実施形態のＨＭＤ１と異なり導光板１０とＤＯＥ４１との間にエアギャップを有する。ＤＯＥ４１には、表示素子２４により変調された各波長の光が略垂直に順次入射される。ＤＯＥ４１は、表示素子２４から入射された光を右眼、左眼のそれぞれに導くため左右同一角度に回折して二分割する。分割された各光は、導光板１０の第一面１０ａに入射される。

第二実施形態のＨＭＤ１は、同一の干渉縞パターンを持つＨＯＥ５１Ｒと５１Ｌを有する。ＨＯＥ５１Ｒと５１Ｌは、互いの中心が一致し、かつ干渉縞パターンが１８０°反転された状態で積層されている。そして、積層された状態でその中心が中心線Ｘと一致するように導光板１０の第二面１０ｂ上に接着等により密着固定されている。なお、ＨＯＥ５１Ｒと５１Ｌは、それぞれが１〜３層のフォトポリマーからなる別個独立した要素であるが、別の実施形態では単一の要素、つまり一層のフォトポリマーより構成されてもよい。

導光板１０内部を伝搬されるＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の光路を図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の各図に示す。図３（ｂ）〜（ｄ）の各図に示されるように、ＨＯＥ５１Ｒ（または５１Ｌ）は、ＤＯＥ４１により右眼（または左眼）に導光されるように分割された各波長の光をそれぞれ異なる角度を付与して回折する。詳細には、ＨＯＥ５１Ｒは、各波長の光を導光板１０内部で全反射させつつ、導光板１０に対する入射位置が略同一の（あるいは別の表現によれば、表示素子２４の有効領域内の略同一座標から射出された）全ての波長の光をＨＯＥ３１Ｒ上の略同位置に入射させるように回折する。

このように第二実施形態においても第一実施形態と同様に、導光板１０の略同位置に入射される各波長の光は、波長に依存した回折角差により導光板１０内部で異なる光路を辿るものの、ＨＯＥ３１Ｒ上で再び重ね合わせられる。この結果、各波長の光は、導光板１０の第二面１０ｂから平行光として（またはＨＯＥ３０Ｒの周辺領域に入射された光ほど瞳の中心に寄るように角度をもって）射出され、表示素子２４により生成された画像の虚像として使用者の網膜に結像することとなる。

このように第二実施形態においても第一実施形態と同様に光伝搬光学素子（導光板１０、ＤＯＥ４１、ＨＯＥ３１Ｒ、３１Ｌ、５１Ｒ、５１Ｌ）を単純な構成とすることができ、ＨＭＤ１の軽量化、製造コスト、リードタイム、歩留まり等の面で極めて有利である。

ところで、第一実施形態においては、ＨＯＥ５０Ｒや５０Ｌによる回折光は、導光板１０ａとＤＯＥ４０との界面に入射された場合にその一部がＤＯＥ４０に戻る虞がある。これは、光量損失の原因となるため望ましくない。このため、第一実施形態においては、最小の回折角と導光板１０の厚みとを思料し、導光板１０ａとＤＯＥ４０との界面に回折光が入射しないよう導光板１０にある程度の厚みを持たせる必要があった。一方、第二実施形態においては、導光板１０とＤＯＥ４１との間にエアギャップを与えている。したがって、ＨＯＥ５１Ｒや５１Ｌによる回折光は、たとえ第一実施形態において導光板１０ａとＤＯＥ４０との界面であった領域に入射されたとしても導光板１０と空気との屈折率差により全反射することとなる。すなわち、第二実施形態においては、導光板１０の厚みを決定する際にＤＯＥ４１への戻り光を考慮する必要がない。このため、導光板１０の厚みを薄く設計することができ、ＨＭＤ１のさらなる軽量化に好適である。

続いて、図４を使用して第三実施形態のＨＭＤ１の構成を説明する。図４（ａ）に示されるように、第三実施形態のＨＭＤ１においては、表示素子２４と導光板１０との間の光路に何れの光学素子も配置されていない。すなわち、表示素子２４により変調された各波長の平行光は、第一面１０ａから導光板１０に直接入射される。

第三実施形態のＨＭＤ１は、同一の干渉縞パターンを持つＨＯＥ５２Ｒと５２Ｌを有する。ＨＯＥ５２Ｒと５２Ｌは、互いの中心が一致し、かつ干渉縞パターンが１８０°反転された状態で積層されている。そして、積層された状態でその中心が中心線Ｘと一致するように導光板１０の第二面１０ｂ上に接着等により密着固定されている。また、ＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌは、ＨＯＥ５０Ｒや５０Ｌ等と同様の回折機能とともにＤＯＥ４０等と同様の回折機能、つまり表示素子２４からの入射光を左右に二分割する機能も併せ持つ。ＨＯＥ５２Ｒおよび５２Ｌは、ＤＯＥとＨＯＥを一体形成した構成とも云える。なお、ＨＯＥ５２Ｒと５２Ｌは、第二実施形態と同様に単一の要素、つまり一層のフォトポリマーより構成されてもよい。

導光板１０内部を伝搬されるＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の光路を図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の各図に示す。図４（ｂ）〜（ｄ）の各図に示されるように、ＨＯＥ５２Ｒ（または５２Ｌ）は、各波長の光を右眼（または左眼）に導光されるように分割するとともにそれぞれ異なる角度を付与して回折する。より詳細には、ＨＯＥ５２Ｒは、各波長の光を二分割して導光板１０内部で全反射させ、かつ導光板１０に対する入射位置が略同一の（あるいは別の表現によれば、表示素子２４の有効領域内の略同一座標から射出された）全ての波長の光をＨＯＥ３２Ｒ上の略同位置に入射させるように回折する。

このように第三実施形態においても第一、第二実施形態と同様に、導光板１０の略同位置に入射される各波長の光は、波長に依存した回折角差により導光板１０内部で異なる光路を辿るものの、ＨＯＥ３２Ｒ上で再び重ね合わせられる。この結果、各波長の光は、導光板１０の第二面１０ｂから平行光として（またはＨＯＥ３０Ｒの周辺領域に入射された光ほど瞳の中心に寄るように角度をもって）射出され、表示素子２４により生成された画像の虚像として使用者の網膜に結像することとなる。

第三実施形態においても第一、第二実施形態と同様に光伝搬光学素子（導光板１０、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌ、５２Ｒ、５２Ｌ）を単純な構成とすることができ、ＨＭＤ１の軽量化、製造コスト、リードタイム、歩留まり等の面で極めて有利である。また、第三実施形態においては、ＤＯＥを削減できるため、ＨＭＤ１のさらなる軽量化、製造コストダウン、リードタイム短縮、歩留まり向上等が達成される。また、ＤＯＥによる光量損失も無くなるため、ＨＭＤ１全体としての光利用効率が向上する効果も得られる。

なお、第一から第三の各実施形態においては、右眼用、左眼用の表示素子を別個に備えること無く単板の表示素子２４を備える構成が採用されている。このため、製造コストダウン等の効果が得られる。また、共通の物点からの光（すなわち単板の表示素子２４の画像）を同一の光路長を経て使用者の各眼に導光している。このため、使用者の各眼に対して同期した画像を入射させることができる。

次に、これまで説明された各実施形態のＨＭＤ１の具体例を説明する。以下は、各具体例におけるＨＭＤ１の共通の仕様である。
λ_Ｂ：４５７．９
λ_Ｇ：５３２．０
λ_Ｒ：６３２．８
ｎ_Ｂ：１．８１６０
ｎ_Ｇ：１．７９４０
ｎ_Ｒ：１．７７８６
Ｌ_Ｒ：２３．５
Ｌ_Ｌ：２３．５
「λ_Ｂ」、「λ_Ｇ」、「λ_Ｒ」はレーザ光源２１から発光されて使用者の眼に導光されるＢ、Ｇ、Ｒの各光の波長（単位：ｎｍ）、「ｎ_Ｂ」、「ｎ_Ｇ」、「ｎ_Ｒ」はＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光に対する導光板１０の屈折率、「Ｌ_Ｒ」はＨＯＥ３０Ｒ（または３１Ｒ、３２Ｒ）の中心を通る法線Ｘ_Ｒと中心線Ｘとの距離（単位：ｍｍ）、「Ｌ_Ｌ」はＨＯＥ３０Ｌ（または３１Ｌ、３２Ｌ）の中心を通る法線Ｘ_Ｌと中心線Ｘとの距離（単位：ｍｍ）、をそれぞれ示す。

まず、第一実施形態の具体例を説明する。第一実施形態のＨＭＤ１の個別的な具体的数値構成は次の通りである。
ｔ：５．０
ｄ：０．５０４
θ_ＩＢ：０
θ_ＩＧ：０
θ_ＩＲ：０
θ_ＤＢ、θ’_ＩＢ：３０．０００
θ_ＤＧ、θ’_ＩＧ：３６．０００
θ_ＤＲ、θ’_ＩＲ：４４．８７０
θ’_ＤＢ、θ”_ＩＢ：３９．５０６
θ’_ＤＧ、θ”_ＩＧ：３８．４７４
θ’_ＤＲ、θ”_ＩＲ：３６．５３５
θ”_ＤＢ：０
θ”_ＤＧ：０
θ”_ＤＲ：０
「ｔ」は導光板１０の厚み（単位：ｍｍ）、「ｄ」はＤＯＥ４０（またはＤＯＥ４１）の回折ピッチ（単位：μｍ）、「θ_ＩＢ」、「θ_ＩＧ」、「θ_ＩＲ」はＤＯＥ４０（またはＤＯＥ４１）へのＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の入射角（単位：ｄｅｇ）、「θ_ＤＢ」、「θ_ＤＧ」、「θ_ＤＲ」はＤＯＥ４０（またはＤＯＥ４１）によるＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の回折角（単位：ｄｅｇ）、「θ’_ＩＢ」、「θ’_ＩＧ」、「θ’_ＩＲ」はＨＯＥ５０Ｒ（またはＨＯＥ５０Ｌ〜５２Ｌ、５１Ｒ、５２Ｒ）へのＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の入射角（単位：ｄｅｇ）、「θ’_ＤＢ」、「θ’_ＤＧ」、「θ’_ＤＲ」はＨＯＥ５０Ｒ（またはＨＯＥ５０Ｌ〜５２Ｌ、５１Ｒ、５２Ｒ）によるＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の回折角（単位：ｄｅｇ）、「θ”_ＩＢ」、「θ”_ＩＧ」、「θ”_ＩＲ」はＨＯＥ３０Ｒ（またはＨＯＥ３０Ｌ〜３２Ｌ、３１Ｒ、３２Ｒ）へのＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の入射角（単位：ｄｅｇ）、「θ”_ＤＢ」、「θ”_ＤＧ」、「θ”_ＤＲ」はＨＯＥ３０Ｒ（またはＨＯＥ３０Ｌ〜３２Ｌ、３１Ｒ、３２Ｒ）によるＢ、Ｇ、Ｒの各波長の光の回折角（単位：ｄｅｇ）を、それぞれ示す。

また、ＤＯＥ４０は５．２ｍｍ幅、ＨＯＥ３０Ｒ、３０Ｌは５．５ｍｍ幅ＨＯＥ５０Ｒ、５０Ｌは８．０ｍｍ幅を有する。なお、奥行き寸法（上記の幅（図２〜４の各図の紙面）に直交する方向の寸法）は、表示素子２４の有効領域や表示される画面サイズ等に応じて適宜決められる。

第一実施形態の具体例においてＨＭＤ１は、次の３つの条件を最低限満足するように設計されている。一つの条件は、ＤＯＥ４０に対する入射位置が略同一の全ての波長の光をＨＯＥ３０Ｒ（またはＨＯＥ３０Ｌ）上の略同位置に入射させることである。もう一つの条件は、導光板１０と空気との界面における反射角度を適切にコントロールするため、図２中、ＤＯＥ４０の左端（または右端）に入射、回折されたＢ光の第二面１０ｂへの最初の入射位置が中心線Ｘより右側（または左側）になるように回折角等を決定することである。残りの一つの条件は、ＨＯＥ５０Ｒまたは５０Ｌによる最小の回折角の光（すなわちＢ光）がＤＯＥ４０に再入射しないよう該最小の回折角の光および導光板１０の厚みｔを適切に選択することである。

次に、第二実施形態の具体例を説明する。第二実施形態のＨＭＤ１の個別的な具体的数値構成は次の通りである。
ｔ：２．０
ｄ：０．７１２
θ_ＩＢ：０
θ_ＩＧ：０
θ_ＩＲ：０
θ_ＤＢ：４０．０５４
θ_ＤＧ：４８．３８７
θ_ＤＲ：６２．７８５
θ’_ＩＢ：２０．７５４
θ’_ＩＧ：２４．６２９
θ’_ＩＲ：３０．０００
θ’_ＤＢ、θ”_ＩＢ：５８．３８４
θ’_ＤＧ、θ”_ＩＧ：５８．２０４
θ’_ＤＲ、θ”_ＩＲ：５７．９３２
θ”_ＤＢ：０
θ”_ＤＧ：０
θ”_ＤＲ：０

また、ＤＯＥ４１は５．２ｍｍ幅、ＨＯＥ３１Ｒ、３１Ｌは５．５ｍｍ幅、ＨＯＥ５１Ｒ、５１Ｌは７．２ｍｍ幅を有する。

第二実施形態の具体例においてＨＭＤ１は、次の２つの条件を最低限満足するように設計されている。一つの条件は、ＤＯＥ４１に対する入射位置が略同一の全ての波長の光をＨＯＥ３１Ｒ（またはＨＯＥ３１Ｌ）上の略同位置に入射させることである。もう一つの条件は、導光板１０と空気との界面における反射角度を適切にコントロールするため、図３中、ＤＯＥ４１の左端（または右端）に入射、回折されたＢ光の第二面１０ｂへの二回目の入射位置が、ＨＯＥ５１Ｒの右端（またはＨＯＥ５１Ｌの左端）より右側（または左側）になるように回折角等を決定することである。

第二実施形態においては、ＨＯＥ５１Ｒまたは５１Ｌによる回折光のＤＯＥ４１への入射を考慮する必要がないため、導光板１０の厚みｔを薄くしてＨＭＤ１を軽量化させることができる。また、厚みｔを薄型化させることにより各波長の光の全反射回数が増加する。かかる全反射回数の増加に伴い、ＤＯＥ４１に対する入射位置が略同一の全ての波長の光が第一面１０ａ上の略同位置に入射する頻度も高くなる。このため、第二面１０ｂから各波長の光が射出される位置（すなわちＨＯＥ３１Ｒ（またはＨＯＥ３１Ｌ）が配置される位置）を使用者の眼幅に合わせてより精細に設定できるようになる。

続いて、第三実施形態の具体例を説明する。第三実施形態のＨＭＤ１の個別的な具体的数値構成は次の通りである。
ｔ：２．０
θ’_ＩＢ：０
θ’_ＩＧ：０
θ’_ＩＲ：０
θ’_ＤＢ、θ”_ＩＢ：５２．５４９
θ’_ＤＧ、θ”_ＩＧ：５９．２１６
θ’_ＤＲ、θ”_ＩＲ：６６．９４９
θ”_ＤＢ：０
θ”_ＤＧ：０
θ”_ＤＲ：０

また、ＨＯＥ３２Ｒ、３２Ｌは５．５ｍｍ幅、ＨＯＥ５２Ｒ、５２Ｌは５．２ｍｍ幅を有する。

第三実施形態の具体例においてＨＭＤ１は、次の２つの条件を最低限満足するように設計されている。一つの条件は、導光板１０に対する入射位置が略同一の全ての波長の光をＨＯＥ３２Ｒ（またはＨＯＥ３２Ｌ）上の略同位置に入射させることである。もう一つの条件は、導光板１０と空気との界面における反射角度を適切にコントロールするため、図４中、ＨＯＥ５２Ｒの左端（またはＨＯＥ５２Ｌの右端）に入射、回折されたＢ光の第二面１０ｂへの二回目の入射位置がＨＯＥ５２Ｒの右端（またはＨＯＥ５２Ｌの左端）より右側（または左側）になるように回折角等を決定することである。なお、図４においては、図面縮尺の関係上二つ目の条件が満足されていないように見えるが、実際には当該条件が満足されていることを言い添えておく。

第三実施形態においては、ＨＯＥ５２Ｒまたは５２Ｌによる回折光のＤＯＥへの入射を考慮する必要がないため、導光板１０の厚みｔを薄くしてＨＭＤ１を軽量化させることができる。また、ＤＯＥを削減したことによるＨＭＤ１全体としての光利用効率向上、およびＨＭＤ１のさらなる軽量化、製造コストダウン、リードタイム短縮、歩留まり向上等が達成される。

第三実施形態においては、導光板１０の厚みｔをさらに薄型化させた設計もあり得る。導光板１０の厚みｔを１．８ｍｍまたは１．５ｍｍとした場合を例に考える。厚みｔが１．８ｍｍ、１．５ｍｍの場合はそれぞれ、次の具体的数値構成を満足することにより既に説明された第三実施形態と同様の効果が得られる。なお、ここで挙げられていない具体的数値構成は、既に説明された第三実施形態の具体的数値構成と同一である。
（厚みｔが１．８ｍｍの場合）
θ’_ＤＢ、θ”_ＩＢ：５５．４１９
θ’_ＤＧ、θ”_ＩＧ：６１．８０１
θ’_ＤＲ、θ”_ＩＲ：６９．０４５
（厚みｔが１．５ｍｍの場合）
θ’_ＤＢ、θ”_ＩＢ：６０．１２４
θ’_ＤＧ、θ”_ＩＧ：６５．９２５
θ’_ＤＲ、θ”_ＩＲ：７２．３００
このように導光板１０の厚みｔをさらに薄型化させることにより、ＨＭＤ１のさらなる軽量化が達成される。

以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、各実施形態の構成および具体的数値構成等に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えばＬ_ＲとＬ_Ｌの合計距離が使用者の眼幅に高精度に一致するように各実施形態の具体的数値構成を適宜選択する。これにより、使用者の眼幅に最適な位置から各波長の光が射出されるようにＨＭＤ１を構成することができる。

各実施形態のＨＭＤ１が有するＨＯＥは何れも反射型ＨＯＥであるが、ＨＯＥ３０Ｒ、３１Ｒ、３２Ｒ、３０Ｌ、３１Ｌ、および３２Ｌを透過型ＨＯＥに置き換えてＨＭＤ１を構成してもよい。図２〜４に示される第一から第三の各実施形態の変形例として、ＨＯＥ３０Ｒ、３１Ｒ、３２Ｒ、３０Ｌ、３１Ｌ、３２Ｌを透過型ＨＯＥであるＨＯＥ３０’Ｒ、３１’Ｒ、３２’Ｒ、３０’Ｌ、３１’Ｌ、３２’Ｌに置き換えた構成が考えられる。図５〜７のそれぞれに、第一から第三実施形態の変形例である第一から第三変形例のＨＭＤ１の構成を模式的な側断面図で示す。

第一から第三変形例においては、ＨＯＥ３０’Ｒ、３１’Ｒ、３２’Ｒ、３０’Ｌ、３１’Ｌ、および３２’Ｌは、図５〜７に示されるように、図２〜４の各実施形態のＨＯＥ３０Ｒ、３１Ｒ、３２Ｒ、３０Ｌ、３１Ｌ、３２Ｌの取付位置と正対する導光板１０の第二面１０ｂ上に取り付けられている。第一から第三変形例のＨＭＤ１は、透過型ＨＯＥを採用しているものの、性能的には第一から第三実施形態のＨＭＤ１と実質的に同じである。

また、第一から第三実施形態（または第一から第三変形例）のさらなる変形例としては、例えばＨＯＥ３０Ｒにより回折されて第二面１０ｂから射出された光束（または第二面１０ｂから射出されてＨＯＥ３０Ｒにより回折された光束）が入射される位置（つまり使用者の眼前にくる位置）に配置された接眼レンズをさらに有する構成も考えられる。

また、表示素子ユニット２０が有する光源２１は、例えばＲ、Ｇ、Ｂの各波長の光を高速で順次照射するＬＥＤ又はＬＤ（半導体レーザ）バックライトとしてもよい。

また、第一実施形態等のＨＭＤ１においては、左眼用、右眼用それぞれについて同一構成のＨＯＥが干渉縞パターンを１８０°反転された状態で配置されている。しかし、ＨＯＥは、左眼用と右眼用とで同一構成である必要はない。第一実施形態等のＨＭＤ１と実質的に同一の性能が担保される限り、左眼用、右眼用のＨＯＥは互いに相違する構成であってもよい。

図２〜図７に示された各ＨＭＤ１は単一の表示素子ユニット２０を有する構成であるが、別の実施形態のＨＭＤ１’は、左眼、右眼のそれぞれに対応する一対の表示素子ユニット２０を有する構成としてもよい。図８は、かかる実施形態のＨＭＤ１’の外観図である。図８に示されるように、ＨＭＤ１’が有する２つの表示素子ユニット２０はそれぞれ、導光板１０の第一面１０ａ上の、使用者の右眼前、左眼前にくる位置に配置されている。導光板１０の第二面１０ｂ上には、使用者の右眼前、左眼前にくる位置に、図５〜図７の変形例と同様の透過型ＨＯＥ（又は接眼レンズ）が配置されている。そのため、各表示素子ユニット２０から射出された各波長の光は、導光板１０の第一面１０ａに略垂直に入射されて第二面１０ｂから射出された後、透過型ＨＯＥ（又は接眼レンズ）を介して、表示素子２４により生成された画像の虚像として使用者の網膜に結像される。各表示素子ユニット２０の表示素子２４が生成する画像は、同期の取れた同一画像であってもよく、或いは両眼視差による立体視を実現するため、左右で異なる画像であってもよい。

本発明の実施形態のＨＭＤの外観図である。本発明の第一実施形態のＨＭＤの構成を模式的に示す側面図である。本発明の第二実施形態のＨＭＤの構成を模式的に示す側面図である。本発明の第三実施形態のＨＭＤの構成を模式的に示す側面図である。本発明の第一変形例のＨＭＤの構成を模式的に示す側面図である。本発明の第二変形のＨＭＤの構成を模式的に示す側面図である。本発明の第三変形例のＨＭＤの構成を模式的に示す側面図である。本発明の別の実施形態のＨＭＤの外観図である。

符号の説明

１ＨＭＤ
２フレーム
１０導光板
２０表示素子ユニット
３０Ｒ〜３２Ｒ、３０Ｌ〜３２Ｌ、５０Ｒ〜５２Ｒ、５０Ｌ〜５２ＬＨＯＥ
４０、４１ＤＯＥ

Claims

複数種類の波長の光を順次射出するバックライト部と、
前記バックライト部から射出された各波長の光に映像信号に応じた変調をかけるフィールドシーケンシャル方式の透過型液晶表示素子と、
前記変調された各波長の光が入射され、該入射された各波長の光を所定位置に導く導光部と、
を有したことを特徴とする映像表示装置。
前記導光部は、前記変調された各波長の光をそれぞれ二分割する光分割素子を有し、該二分割された各波長の分割光をそれぞれ、前記透過型液晶表示素子に表示された画像の該透過型液晶表示素子内における画素位置関係が第一の所定位置、第二の所定位置で再現されるように該第一の所定位置、該第二の所定位置に導くことを特徴とする、請求項１に記載の映像表示装置。
前記バックライト部と前記透過型液晶表示素子とを有する表示素子ユニットを一対有し、
前記導光部は、一方の前記表示素子ユニットにより変調された各波長の光を第一の所定位置に導くと共に、他方の前記表示素子ユニットにより変調された各波長の光を第二の所定位置に導くことを特徴とする、請求項１に記載の映像表示装置。
前記透過型液晶表示素子が有する透明基板は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板であることを特徴とする、請求項１から請求項３の何れかに記載の映像表示装置。
前記ＳＯＩ基板は、ＳＯＳ（Silicon on Sapphire）基板、ＳＯＱ（Silicon on Quartz）基板、ＳＯＧ（Silicon on Glass）基板の何れかであることを特徴とする、請求項４に記載の映像表示装置。
前記導光部により前記所定位置に導かれた各波長の光を前記透過型液晶表示素子による表示映像の虚像として使用者に観察させるように、請求項１、請求項４、請求項５の何れかに記載の映像表示装置を該使用者の眼前で支持する支持手段を有したことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
前記導光部により前記第一の所定位置、前記第二の所定位置に導かれた各波長の光をそれぞれ、前記透過型液晶表示素子による表示映像の虚像として使用者の右眼、左眼で観察させるように、請求項２又は請求項３を引用する請求項４又は請求項５の何れかに記載の映像表示装置を該使用者の眼前で支持する支持手段を有したことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。