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公開番号2024102735
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-31
出願番号2023006825
出願日2023-01-19
発明の名称頭部装着型表示装置及び光学ユニット
出願人セイコーエプソン株式会社
代理人個人,個人
主分類G02B 27/02 20060101AFI20240724BHJP(光学)
要約【課題】光学系全体が大型化してしまうことを回避しつつ画角を広くする。
【解決手段】頭部装着型表示装置200は、右眼用の第1散乱領域40aと、左眼用の第2散乱領域40bとを有する散乱部材22と、第1散乱領域40aに映像光MLを照射する第1投射光学系10aと、第2散乱領域40bに映像光MLを照射する第2投射光学系10bと、散乱部材22の顔側に配置され、第1散乱領域40a及び第2散乱領域40bに対応して設けられ散乱部材22で散乱された映像光MLを第1偏光方向に制限する第1偏光領域23bを有する第1偏光部材61と、第1偏光部材61の位置から外界側に配置され、外界光OLを第2偏光方向に制限する第2偏光領域25cを有する第2偏光部材62と、第1偏光部材61の顔側に配置され、映像光MLの偏光に対して選択的に作用する屈折力を有する偏光分離レンズ素子150a,150bと、を備える。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
右眼用の映像光を散乱させる第１散乱領域と、左眼用の映像光を散乱させる第２散乱領域とを有する散乱部材と、
前記第１散乱領域に前記映像光を照射する第１投射光学系と、
前記第２散乱領域に前記映像光を照射する第２投射光学系と、
前記散乱部材の外界側に配置され、前記第１散乱領域及び前記第２散乱領域への外界光の入射を抑制する遮光部材と、
前記散乱部材の顔側に配置され、前記第１散乱領域及び前記第２散乱領域に対応して設けられ前記散乱部材で散乱された前記映像光を第１偏光方向に制限する第１偏光領域を有する第１偏光部材と、
前記第１偏光部材の位置から外界側に配置され、前記外界光を前記第１偏光方向と異なる第２偏光方向に制限する第２偏光領域を有する第２偏光部材と、
前記第１偏光部材の顔側に配置され、前記映像光の偏光に対して選択的に作用する屈折力を有する偏光分離レンズ素子と、
を備える、頭部装着型表示装置。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記散乱部材は、前記第１散乱領域と、前記第２散乱領域と、外界を視認可能にする光透過領域とを有する、請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項３】
前記散乱部材は、互いに部分的に重複する右眼用の第１観察領域と左眼用の第２観察領域とを有し、
重複する共通観察領域で、前記第１散乱領域と前記第２散乱領域とは、相互に割り込むように配置されている、請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項４】
前記共通観察領域で、前記第１散乱領域と前記第２散乱領域とがそれぞれ正方格子状又は長方格子状に配置され、全体として面心格子状に配列されている、請求項３に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項５】
前記第１散乱領域と前記第２散乱領域とは、視線方向に合わせた角度特性を有する、請求項３に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項６】
前記第１偏光領域は、前記散乱領域に対応して離散的に設けられる、請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項７】
前記遮光部材は、前記外界光の入射を抑制する遮光層を有し、
前記遮光層は、前記第１散乱領域及び前記第２散乱領域に対応する大きさを有する、請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項８】
前記偏光分離レンズ素子は、複数の画素を包括的に結像させる偏光分離液晶レンズである、請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項９】
前記第１投射光学系は、画像を表示する第１画像表示パネルを有し、前記第１画像表示パネルの発光領域からの射出光を前記映像光として前記第１散乱領域に投影し、
前記第２投射光学系は、画像を表示する第２画像表示パネルを有し、前記第２画像表示パネルの発光領域からの射出光を前記映像光として前記第２散乱領域に投影する、請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項１０】
前記第１投射光学系は、走査のために駆動される微小ミラーにより、レーザー光源からの変調光を前記映像光として前記第１散乱領域に投影し、
前記第２投射光学系は、走査のために駆動される微小ミラーにより、レーザー光源からの変調光を前記映像光として前記第２散乱領域に投影する、請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、虚像の観察を可能にする頭部装着型表示装置及び光学ユニットに関し、特に外界像を視認可能にするシースルー型の頭部装着型表示装置等に関する。
続きを表示（約 3,500 文字）【背景技術】
【０００２】
外界を視認可能にするシースルー型の虚像表示装置として、画像表示領域と、該画像表示領域を囲むように形成された透明表示領域とを有する液晶パネルと、光源から端部に入射されたバックライト光を導光する導光板とを備え、導光板が液晶パネルの画像表示領域にバックライト光を照射する発光領域と環境光を透過させる光透過領域とを備えるものが公知となっている（特許文献１）。この表示装置は、導光板の光透過領域及び液晶パネルの透明表示領域から環境光が観察者に到達するとともに、画像表示領域にバックライト光を照射しない期間に環境光が導光板の発光領域と液晶パネルの画像表示領域とを透過して観察者に到達するように構成されている。このような構成により、映像光と環境光とが重ね合わされたシースルー表示が実現されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
国際公開第２０１６／０５６２９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記装置では、導光板の発光領域にドットの形成、散乱材の塗布等の加工がなされており、液晶パネルの画像表示領域を通過する環境光が、加工がなされた発光領域を通過することになるので、画像表示領域に対応する視野の中央付近でのシースルー透過率が低下する。視野の中央付近において高いシースルー透過率のシースルー表示を実現するためには、別途、シースルー透過率の高い光学系等が必要となり、大型化に繋がる。また、上記装置では、小型化のため液晶パネルを両眼に近づけつつ両眼に共通する映像を表示することは容易でない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一側面における頭部装着型表示装置は、右眼用の映像光を散乱させる第１散乱領域と、左眼用の映像光を散乱させる第２散乱領域とを有する散乱部材と、第１散乱領域に映像光を照射する第１投射光学系と、第２散乱領域に映像光を照射する第２投射光学系と、散乱部材の外界側に配置され、第１散乱領域及び第２散乱領域への外界光の入射を抑制する遮光部材と、散乱部材の顔側に配置され、第１散乱領域及び第２散乱領域に対応して設けられ散乱部材で散乱された映像光を第１偏光方向に制限する第１偏光領域を有する第１偏光部材と、第１偏光部材の位置から外界側に配置され、外界光を第１偏光方向と異なる第２偏光方向に制限する第２偏光領域を有する第２偏光部材と、第１偏光部材の顔側に配置され、映像光の偏光に対して選択的に作用する屈折力を有する偏光分離レンズ素子とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
第１実施形態の頭部装着型表示装置の装着状態を説明する外観斜視図である。
頭部装着型表示装置の光学的構造を説明する概念的な平面視図である。
表示光学系の光学的構造を説明する概念的な斜視図である。
表示光学系の光学的構造を説明する概念的な側面図である。
複合表示部材の繰返単位又はサブ画素を説明する概念的な拡大斜視図である。
遮光部材を説明する平面図である。
散乱部材を説明する平面図である。
パターン偏光部材を説明する平面図である。
画素区画でのサブ画素スポットの照射状態の例を説明する図である。
第１散乱領域及び第２散乱領域を説明する拡大概念図である。
遮光部材、散乱部材、及びパターン偏光部材を重ねて示した図である。
共通観察領域において散乱部材等を重ねて示した図である。
投射光学系を説明する概念図である。
投射光学系で形成される画素又はサブ画素を説明する図である。
偏光分離レンズ素子の構造及び機能を説明する概念的な斜視図である。
頭部装着型表示装置の片眼の動作を説明する概念図である。
頭部装着型表示装置の片眼の動作を説明する概念図である。
頭部装着型表示装置のうち両眼に共通する部分での動作を説明する図である。
第２実施形態の頭部装着型表示装置を説明する概念図である。
第３実施形態の頭部装着型表示装置を説明する概念図である。
第３実施形態のパターン偏光部材を説明する平面図である。
第４実施形態の頭部装着型表示装置を説明する概念図である。
第４実施形態の頭部装着型表示装置の変形例を説明する概念図である。
第５実施形態の頭部装着型表示装置を説明する概念図である。
第５実施形態の複合表示部材の具体的構造の一例を示す。
頭部装着型表示装置のうち両眼に共通する部分での動作を説明する図である。
第６実施形態の複合表示部材を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
〔第１実施形態〕
以下、図１～１４を参照して、本発明の第１実施形態に係る頭部装着型表示装置等について説明する。
【０００８】
図１は、ヘッドマウントディスプレイ、すなわち頭部装着型表示装置２００の装着状態を説明する斜視図である。頭部装着型表示装置（以下、ＨＭＤとも称する。）２００は、双眼型表示装置２０１であり、これを装着する観察者又は装着者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。図１等において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、＋Ｘ方向は、ＨＭＤ２００を装着した観察者又は装着者ＵＳの両眼ＥＹの並ぶ横方向に対応し、＋Ｙ方向は、装着者ＵＳにとっての両眼ＥＹの並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、＋Ｚ方向は、装着者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。±Ｙ方向は、鉛直軸又は鉛直方向に平行になっている。
【０００９】
ＨＭＤ２００は、外観的な部分として、駆動装置１０２と、シェード状部材１０４と、一対のテンプル１００Ｃと、情報端末であるユーザー端末９０とを備える。ＨＭＤ２００は、光学的な部分として、右眼用の第１虚像表示装置１００Ａと、左眼用の第２虚像表示装置１００Ｂとを備える。第１虚像表示装置１００Ａは、駆動装置１０２のうち右眼の前方上方に配置される第１表示駆動部１０２ａと、全体として眼前を覆う第１表示光学系１０３ａとで構成される。第２虚像表示装置１００Ｂは、駆動装置１０２のうち左眼の前方上方に配置される第２表示駆動部１０２ｂと、全体として眼前を覆う第２表示光学系１０３ｂとで構成される。ここで、第１表示光学系１０３ａは、シェード状部材１０４のうち右側の第１部分１０４ａ、中央の第３部分１０４ｃ、第１部分１０４ａの背後に配置された第１偏光分離レンズ素子１５０ａ等を構成要素とする。第２表示光学系１０３ｂは、シェード状部材１０４のうち左側の第２部分１０４ｂ、中央の第３部分１０４ｃ、第２部分１０４ｂの背後に配置された第２偏光分離レンズ素子１５０ｂ等を構成要素とする。つまり、中央の第３部分１０４ｃは、第１虚像表示装置１００Ａと第２虚像表示装置１００Ｂとに共通の部分となっている。第１虚像表示装置１００Ａと第２虚像表示装置１００Ｂとを組み合わせたＨＭＤ２００は、広義の虚像表示装置でもある。一対のテンプル１００Ｃは、装着者ＵＳの頭部に装着される装着部材又は支持装置１０６である。テンプル１００Ｃは、外観上一体化されている表示駆動部１０２ａ，１０２ｂを介してシェード状部材１０４の上端側と、一対の偏光分離レンズ素子１５０ａ，１５０ｂの上端側とを支持している。
【００１０】
図２は、第１表示光学系１０３ａ及び第２表示光学系１０３ｂの構造を説明する概念的な平面図である。第１表示光学系１０３ａは、第１投射光学系１０ａと、複合表示部材１２０ａと、第１偏光分離レンズ素子１５０ａとを備える。第２表示光学系１０３ｂは、第２投射光学系１０ｂと、複合表示部材１２０ｂと、第２偏光分離レンズ素子１５０ｂとを備える。右眼用の複合表示部材１２０ａは、シェード状部材１０４の第１部分１０４ａ及び第３部分１０４ｃに相当し、第１投射光学系１０ａから右眼用の映像光ＭＬが照射される。左眼用の複合表示部材１２０ａは、シェード状部材１０４の第２部分１０４ｂ及び第３部分１０４ｃに相当し、第２投射光学系１０ｂから左眼用の映像光ＭＬが照射される。
（【００１１】以降は省略されています）

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