JPH10319240A

JPH10319240A - ヘッドマウンテッドディスプレイ

Info

Publication number: JPH10319240A
Application number: JP9132139A
Authority: JP
Inventors: Takao Tomono; 孝夫友野; Yasuhiro Ogasawara; 康裕小笠原; Kiichi Kamiyanagi; 喜一上柳
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-05-22
Filing date: 1997-05-22
Publication date: 1998-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】装着感をあまり感じないヘッドマウンテッド
ディスプレイを提供する。【解決手段】画像供給装置から画像信号がＬＣＤ５に
供給されると、ＬＣＤ５は、画像信号に応じた表示光を
出射する。この表示光は、ＦＯＰ７によって伝送され、
出射端面７ｂに中間像として結像した後、メガネレンズ
３の端面３ｂからホログラム膜４に入射する。ホログラ
ム膜４に入射した表示光は、ホログラム膜４の回折作用
により、眼８に導入されるが、同時にホログラム膜４の
レンズ作用により、ＨＭＤ１を装着している人の前方に
虚像５ａを表示する。光景の外界光は、ホログラム膜４
およびメガネレンズ３を透過して装着者の眼に入射す
る。従って、その虚像５ａが装着者の眼８に外界の光景
と同時に視認される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、メガネ型、ゴーグ
ル型、ヘルメット型等のヘッドマウンテッドディスプレ
イに関し、特に、装着感をあまり感じないようにしたヘ
ッドマウンテッドディスプレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】頭部に装着して画像を見ることのできる
小型画像表示装置として、例えば、ヘッドマウンテッド
ディスプレイ（ＨＭＤ）が知られている。このＨＭＤ
は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等に代表される表示素
子からなる画像表示部と、収差補正と拡大機能を備えた
レンズとミラーからなる画像伝送部とを眼前に配置し、
これらの画像表示部と画像伝送部とをベルト等の装着機
構で頭部に固定するものである。動画像を画像表示部の
表示素子で表示すると、この表示された動画像は、画像
伝送部のレンズとミラーが有する収差補正と拡大機能に
よって見やすい場所に大画面の仮想スクリーンで表示さ
れ、装着者に視認される。

【０００３】この種のＨＭＤは、航空機用として高度、
速度等の飛行情報を表示するものから、個人シアタ用と
して映画、テレビゲーム、人工現実感を表示するものが
開発され、製品化されている。また、最近では、携帯型
コンピュータ (wearable computer)用のディスプレイと
しての研究も始まっている。

【０００４】このようなＨＭＤには、外界を見ることの
できるシースルー型と、外界を見ることのできないクロ
ーズ型がある。人工現実感を表示する場合は、クローズ
型の方が好ましい場合もあるが、携帯用としては大抵の
場合、シースルー型の方が向いている。シースルー型の
ＨＭＤは、上記画像表示部および画像伝送部の他に、シ
ースルー機能を有するビームコンバイナを備える。この
ビームコンバイナは、特定の波長に対して鋭い波長選択
性があり、その波長のみを反射あるいは回折させること
ができるため、特定の波長の１００％の画像表示光とそ
の波長を除いた１００％の外界光を重ねて見ることがで
きる。

【０００５】図９は、シースルー型の従来のＨＭＤとし
て、例えば、米国特許第５，０３５，４７４号に示され
ているものを示す。このＨＭＤ１００は、画像表示面１
０１に画像を表示するＣＲＴと、画像表示面１０１から
出射された表示光１０１ａを中間結像面１０２に結像さ
せるプリズムシステム１０３およびリレーレンズ１０４
と、中間結像面１０２から発散光となった表示光１０１
ａを略平行光束にして観察者の眼Ｅに入射するホログラ
ムコンバイナ１０５とを有する。この中間結像面１０２
は、観察者が平面の虚像１０７を観察できるように、歪
曲した面で構成されている。また、プリズムシステム１
０３およびリレーレンズ１０４の光軸と外界の光景１０
６より出射される水平の外界光１０６ａとのなす角度θ
₁は、５８°に設定され、ホログラムコンバイナ１０５
の法線軸ＬＸとリレーレンズ１０４の光軸とのなす角
度、即ち、リレーレンズ１０４からの表示光１０１ａの
ホログラムコンバイナ１０５への入射角θ₂は、２７．
７６°に設定され、ホログラムコンバイナ１０５の法線
軸ＬＸとリレーレンズ１０４からの表示光１０１ａの回
折光１０１ｂおよび外界光１０６ａの透過光１０６ｂと
のなす角度、即ち、反射角θ₃は３０．２４°に設定さ
れている。また、ホログラムコンバイナ１０５は傾斜角
度θ₄として、５９．７°だけ傾けて図示されていない
バイザー上に設置されている。

【０００６】以上のＨＭＤ１００において、画像表示面
１０１に表示された画像の表示光１０１ａは、プリズム
システム１０３およびリレーレンズ１０４を透過するこ
とにより中間結像面１０２に収束して中間像として結像
する。中間結像面１０２の中間像は、発散光となってレ
ンズ作用を有するホログラムコンバイナ１０５によって
略平行光束の回折光１０１ｂにされて観察者の眼Ｅに入
射する。光景１０６の外界光１０６ａは、ホログラムコ
ンバイナ１０５を透過して透過光１０６ｂとして観察者
の眼Ｅに入射する。従って、観察者は、無限遠にＣＲＴ
の画像表示面１０１からの表示光１０１ａに基づく平面
の虚像１０７を外界の光景１０６に重畳して観察するこ
とができる。このとき、表示光１０１ａの回折光１０１
ｂおよび外界光１０６ａの透過光１０６ｂの光量は減少
しない。

【０００７】図１０は、クローズ型の従来のＨＭＤとし
て、例えば、特開平７−２７０７１５号公報に示されて
いるものを示す。このＨＭＤ２００は、画像を表示する
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）２０１と、凹面ハーフミラ
ー２０２およびコレスティック液晶２０３からなる眼前
光学系２０４と、ＬＣＤ２０１の前面に配置され、眼前
光学系２０４による像面湾曲を補正する複数の光ファイ
バー２０５ａからなるファイバープレート２０５とを備
えている。凹面ハーフミラー２０２、コレスティック液
晶２０３およびファイバープレート２０５は、ＬＣＤ２
０１の光軸２０１ａ上に配置されている。

【０００８】以上のＨＭＤ２００において、ＬＣＤ２０
１からの表示光２０１ｂは、凹面ハーフミラー２０２を
透過し、コレスティック液晶２０３で反射され、更に凹
面ハーフミラー２０２の凹面で反射されて、コレスティ
ック液晶２０３を透過し、観察者の眼に入射する。観察
者の眼には、ＬＣＤ２０１の画像が平面で拡大観察され
る。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図９に示すシ
ースルー型の従来のＨＭＤ１００によると、平面の虚像
１０７を得るためにプリズムシステム１０３およびリレ
ーレンズ１０４からなる複雑なレンズ系を用いているた
め、ディスプレイが大型化し、重くなるという欠点があ
る。また、ホログラムコンバイナ１０５は、観察者の眼
Ｅの視軸Ｅａに対し、傾斜して配置されているため、そ
の分前方への突出長さがなくなり、頭部に装着したとき
にバランスが悪くなって装着者への負担が大きくなると
いう欠点がある。

【００１０】また、図１０に示すクローズ型の従来のＨ
ＭＤ２００によると、凹面ハーフミラー２０２、コレス
ティック液晶２０３およびファイバープレート２０５
は、ＬＣＤ２０１の光軸２０１ａ上に配置されているた
め、図９のＨＭＤ１００と同様に、前方への突出長さが
長くなるという欠点がある。

【００１１】従って、本発明の目的は、装着感をあまり
感じないヘッドマウンテッドディスプレイを提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、画像表示光を出射する画像表示手段と、前
記画像表示手段からの前記画像表示光を出射端面から装
着者の視軸に対し斜め方向へ出射する光ファイバー束
と、前記装着者の前記視軸上に配置され、前記光ファイ
バー束の前記出射端面からの前記画像表示光を回折ある
いは反射させて前記装着者の眼に導き、前記装着者に前
記画像表示光に基づく虚像を視認させる眼前光学手段を
備えたことを特徴とするヘッドマウンテッドディスプレ
イを提供する。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施の形
態に係るヘッドマウンテッドディスプレイ（以下「ＨＭ
Ｄ」という。）を示し、同図(a) はその斜視図、同図
(b) はその断面図である。このＨＭＤ１は、メガネ型Ｈ
ＭＤであり、メガネフレーム２と、このメガネフレーム
２に嵌め込まれた左右一対の透明あるいは半透明のメガ
ネレンズ３，３と、各メガネレンズ３，３の主面として
の第１面３ａの中央にそれぞれ形成された非対称反射型
のホログラム膜４，４と、表示光を出射する画像表示手
段としての左右一対の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）５，
５と、各ＬＣＤ５，５に照明光をそれぞれ照射する照明
光源部６，６と、ＬＣＤ５からの表示光をメガネレンズ
３の端面３ｂに入射する左右一対のファイバーオプテッ
クスプレート（ＦＯＰ）７，７とを有して構成されてい
る。

【００１４】メガネフレーム２は、装着者の鼻に当接す
るパット２ａ，２ａと、ＬＣＤ５，照明光源部６および
ＦＯＰ7 を収容する収容部２ｂ，２ｂとを備える。

【００１５】メガネレンズ３は、例えば、第２面３ｃの
曲率半径が８７ｍｍ、厚さ６ｍｍを有し、パイレックス
ガラス、ソーダガラス等のガラス、あるいはプラスチッ
ク等の材料からなる。なお、メガネレンズ３には、装着
者の視力に応じた度が付いていてもよい。

【００１６】ホログラム膜４は、メガネレンズ３の第１
面３ａに、例えば、直径約２０ｍｍの範囲にホログラム
感光材料を塗布し後述する方法で形成され、表面にホロ
グラム膜４を保護する保護膜４０が被着される。このホ
ログラム感光材料には、例えば、フォトポリマー、フォ
トレジスト、フォトクロミック、フォトダイクロミッ
ク、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイクロメートゼ
ラチン、プラスチック、強誘電体、磁気光学材料、電気
光学材料、非晶質半導体、フォトリフラクチィブ材料等
が用いられる。また、保護膜４０には、非晶質ポリオレ
フィン、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタア
クリレート（ＰＭＭＡ）、パーフルオロアルコキシポリ
エチレン（ＰＦＡ）等が用いられる。

【００１７】ＬＣＤ５は、透過型のものであり、例え
ば、３００×６００の１８万画素を備え、０．７インチ
の１０ｍｍ×１４ｍｍのサイズを有している。なお、画
像表示手段としては、他に、反射型のＬＣＤ、ＥＬディ
スプレイ、プラズマディスプレイ、あるいは、マイクロ
マシン技術によって作製されたマイクロ可動ミラーを用
いたディスプレイ等を用いることができるが、これらの
中で透過型あるいは反射型のＬＣＤが小型化点で好まし
い。

【００１８】図２は、ＦＯＰ７の詳細を示す。ＦＯＰ７
は、ＬＣＤ３からの表示光を所定の縮小率、例えば１／
３に縮小して出射するように構成されている。すなわ
ち、ＦＯＰ７は、入射側の太さが６μｍ、出射側の太さ
が２μｍのテーパー比３：１の形状を有する長さ約２０
ｍｍの４９５万本の光ファイバー７０を束ねて構成され
ている。また、ＦＯＰ７が、入射端面７ａがＬＣＤ５に
密着し、入射端面７ａのサイズがＬＣＤ５と同一の１０
ｍｍ×１４ｍｍ、出射端面７ｂのサイズが約３．３ｍｍ
×４．７ｍｍとなっている。また、出射端面７ｂは、装
着者がホログラム膜４の前方に形成される虚像５ａが平
面で観察できるように歪曲した面、例えば略凸球面とな
っている。

【００１９】図３は、このＨＭＤ１の光学系の詳細を示
す。なお、同図は右側の要部を示す。

【００２０】ホログラム膜４は、大きな非対称光学系(L
arge-off axis)を構成している。すなわち、ホログラム
膜４は、図３に示すように、メガネレンズ３の光軸（Ｚ
軸）と一致する第１の光軸４ａと、第１の光軸４ａに対
して５８°〜８８°の角度θの第２の光軸４ｂとを有し
ている。また、ホログラム膜４、主としてホログラム膜
４の屈折率とメガネレンズ３の屈折率との比、およびホ
ログラム膜４の屈折率の変調に基づいて、ＬＣＤ５から
入射される表示光に対して５５％以上の回折効果を有す
るように厚さ（５μｍ以上）が決定される。例えば、ホ
ログラム膜４の屈折率をｎ₁、メガネレンズ３の屈折率
をｎ₂としたとき、ホログラム膜４の屈折率ｎ₁の変調
が０．０６以上の条件下で、屈折率ｎ₂とｎ₁の比が、
ｎ₂／ｎ ₁＜０．８のときは、２０μｍ以上とし、ｎ₂
／ｎ₁≧０．８のときは、７μｍ〜８μｍとする。ｎ₂
／ｎ₁＜０．８のときに、ホログラム膜４の厚さを２０
μｍ以上とすることにより、ホログラム膜４の全ての領
域で１００％の回折効率ηが得られる。また、ｎ₂／ｎ
₁≧０．８のときに、ホログラム膜４の厚さを７μｍ〜
８μｍとすることにより、最低でも５５％の回折効率η
が得られる。

【００２１】照明光源部６は、図３に示すように、光源
６０と、光源６０からの光をＬＣＤ５の背面に平行のバ
ックライト光６ａとして照射する反射・回折光学素子６
１とから構成されている。光源６０には、蛍光管、ＬＥ
Ｄ等が用いられる。反射・回折光学素子６１には、反射
型ホログラム光学素子、回折型光学素子等が用いられ
る。光源６０からの光は、反射・回折光学素子６１によ
って平行光に変換された後、ＬＣＤ５の背面に入射され
る。ＦＯＰ７に平行光を入射してバックライト光６ａの
指向性を高めているので、発散光を用いたのと比較して
光の利用効率が向上し、明るい虚像５ａを見ることがで
きる。また、照明光源部６は、光源６０および反射・回
折光学素子６１から構成されて小型化されているので、
照明光源部６をメガネフレーム２に内蔵することができ
る。

【００２２】次に、このＨＭＤ１の製造方法を図４を参
照して説明する。

【００２３】図４は、ホログラム膜４を作製するホログ
ラム膜作製装置を示す。このホログラム膜作製装置１０
は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１１、第１，第２および第３のミ
ラー１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ、ハーフミラー１３、第１
および第２の拡大レンズ１４Ａ，１４Ｂ、およびコリメ
ータレンズ１５を備える。

【００２４】まず、メガネレンズ３の第１面３ａ上のホ
ログラム膜４を形成すべき領域に、ホログラム感光材料
として、例えば、フォトポリマー４ｃをスピンコートす
る。このとき、回転スピード等を制御することにより、
膜厚が均一なフォトポリマー４ｃを形成する。

【００２５】次に、フォトポリマー４ｃが形成されたメ
ガネレンズ３を図４に示す所定の位置に配置する。ホロ
グラム膜作製装置１０のＨｅ−Ｎｅレーザ１１からレー
ザビーム１１ａを出射させると、そのレーザビーム１１
ａは第１のミラー１２Ａで曲げられた後、ハーフミラー
１３で２つのビーム１３ａ，１３ｂに分けられる。ハー
フミラー１３を透過したビーム１３ａは、第２のミラー
１２Ｂで曲げられた後、第１の拡大レンズ１４Ａで発散
波に変換された後、コリメータレンズ１５によって平面
波に変換される。ハーフミラー１３で反射したもう一方
のビーム１３ｂは、第３のミラー１２Ｃで曲げられた
後、第２の拡大レンズ１４Ｂによって発散波に変換され
る。その発散波は、発散波の光軸とＺ軸とのなす角度θ
が図３に示す角度θと同じ角度でフォトポリマー４ｃの
裏側から入射する。フォトポリマー４ｃの表側から入射
するビーム１３ａと、フォトポリマー４ｃの裏側から入
射するビーム１３ｂは、フォトポリマー４ｃ上で干渉縞
を形成する。フォトポリマー４ｃ上に形成された干渉縞
は、現像工程を経てホログラムが記録され、ホログラム
膜４が完成する。次に、メガネレンズ３上に作製された
ホログラム膜４の表面を保護するため、保護膜４１を紫
外線硬化接着剤を用いて接着する。その後、メガネフレ
ーム２に、メガネレンズ３，３を嵌め込み、メガネフレ
ーム２の収容部２ｂ，２ｂに、ＬＣＤ５，５、バックラ
イト部６，６、ＦＯＰ７，７を内蔵し、本ＨＭＤ１が完
成する。なお、ホログラム膜４を平面波と発散波で作製
する方法を述べたが、収束波と発散波でも作製すること
ができる。また、メガネレンズ３の第１面３ａ全体にホ
ログラム感光材料を塗布し、必要な領域にホログラムを
記録してもよい。

【００２６】次に、第１の実施の形態に係るＨＭＤ１の
動作を図３を参照して説明する。図示しない画像供給装
置から画像信号がＬＣＤ５に供給されると、ＬＣＤ５
は、照明光源部６からの平行なバックライト光６ａに基
づいて、画像信号に応じた平行な表示光５ｂを出射す
る。この表示光５ｂは、ＦＯＰ７によって伝送され、出
射端面７ｂに中間像として結像した後、発散光となって
メガネレンズ３の端面３ｂからホログラム膜４に入射す
る。ホログラム膜４に入射した表示光５ｂは、ホログラ
ム膜４の回折作用により、回折光５ｃとして装着者の眼
Ｅに導入されるとももに、ホログラム膜４のレンズ作用
により、メガネレンズ３の前方に虚像５ａを表示する。
光景８の外界光８ａは、保護膜４０、ホログラム膜４お
よびネガネレンズ３を透過して透過光８ｂとして装着者
の眼Ｅに導入する。従って、虚像５ａが装着者の眼Ｅに
光景８と同時に視認される。

【００２７】次に、上述した第１の実施の形態に係るＨ
ＭＤ１の効果を説明する。 (イ) ＦＯＰ７の出射端面７ｂが虚像５ａの収差を補正す
る形状となっているので、平面の虚像５ａを視認するこ
とができる。 (ロ) ＦＯＰ７の出射端面７ｂが中間像結像面になるの
で、レンズ系を使用して中間結像面を形成する必要がな
くなり、さらに、メガネフレーム２にホログラム膜４、
ＬＣＤ５および照明光源部６を内蔵させることができる
ため、ＨＭＤ１の小型化が図れる。 (ハ) ＦＯＰ７の重さは１つ１８ｇであり、左右２つで３
６ｇであるので、ＨＭＤ１全体の重さを１００ｇ以下に
することが可能になり、軽量化が図れる。 (ニ) ビームコンバイナとして大きな非対称光学系のホロ
グラム膜４を用いているので、前方への突出長さが通常
のメガネと同程度に短くなる。 (ホ) ＨＭＤ１全体の重さが１００ｇと軽く、しかも前方
への突出長さが短いので、装着したときのバランスが良
好となることから、装着者への負担が軽くなり、ＨＭＤ
１の装着感をあまり感じなくて済む。 (ヘ) ＬＣＤ５は、配線等により表示面積の１／４程度の
領域に画像光出射領域が存在すると仮定すると、画像光
出射領域に対応する光ファイバー７０の数は１２４万本
となり、ＬＣＤ５の１画素当たり６．９本の光ファイバ
ー７０が画像表示光を伝送することになる。これより、
ＬＣＤ５の解像度がそのまま保たれた虚像５ａを得るこ
とができる。

【００２８】図５は、本発明の第２の実施の形態に係る
ＨＭＤの右側の要部を示す。このＨＭＤ１は、第１の実
施の形態とは、ＬＣＤ５、照明光源部６およびＦＯＰ７
のみが異なり、他は第１の実施の形態と同様に構成され
ている。

【００２９】ＬＣＤ５は、第１の実施の形態よりも小型
で高密度の反射型のものを用い、例えば、画素ピッチ
８．３μｍ×６．３μｍ程度の１２８０×１０２４の約
１３０万画素からなり、８ｍｍ×８．５ｍｍのサイズを
有している。

【００３０】照明光源部６は、２次元に配列されたＬＥ
Ｄアレイ６２と、ＬＥＤアレイ６２の前面に配置され、
ＬＥＤアレイ６２からの出射光を平行光６３ａにするマ
イクロレンズアレイ６３と、マイクロレンズアレイ６３
からの平行光６３ａを４５度で反射してＬＣＤ５の正面
に照明光６４ａとして照射するビームスプリッタ６４と
を備えている。

【００３１】ＦＯＰ７は、入射側の太さが６μｍ、出射
側の太さが２μｍのテーパー比３：１の形状を有する長
さ約２０ｍｍの約１８９万本の光ファイバー７０を束
ね、入射端面７ａがＬＣＤ５に密着し、入射端面７ａの
サイズがＬＣＤ５と同一の８ｍｍ×８．５ｍｍ、出射端
面７ｂのサイズが約２．７ｍｍ×２．９ｍｍとなってい
る。また、出射端面７ｂは、第１の実施の形態と同様
に、装着者が虚像５ａを平面で観察できるように歪曲し
た面になっている。

【００３２】次に、第２の実施の形態に係るＨＭＤ１の
動作を説明する。照明光源部６のＬＥＤアレイ６２から
の出射光は、マイクロレンズアレイ６３によって平行光
６３ａになり、ビームスプリッタ６４で４５度に反射し
て、ＦＯＰ７の出射端７ｂに照明光６４ａとして入射
し、ＬＣＤ５に到達する。ＬＣＤ５は、ビームスプリッ
タ６４からの照明光６４ａに基づいて、画像信号に応じ
た平行な表示光５ｂを出射する。この表示光５ｂは、Ｆ
ＯＰ７によって伝送され、出射端面７ｂに中間像として
結像した後、発散光となってビームスプリッタ６４を通
ってメガネレンズ３の端面３ｂからホログラム膜４に入
射する。ホログラム膜４に入射した表示光５ｂは、ホロ
グラム膜４の回折作用により、回折光５ｃとして装着者
の眼Ｅに導入されるとともに、ホログラム膜４のレンズ
作用により、メガネレンズ３の前方に虚像５ａを表示す
る。光景８の外界光８ａは、保護膜４０、ホログラム膜
４およびネガネレンズ３を透過して透過光８ｂとして装
着者の眼Ｅに導入する。従って、その虚像５ａが装着者
の眼Ｅに外界８と同時に視認される。このとき、装着者
は、画素数１２８０×１０２４個の高解像度の虚像５ａ
を観察することができる。

【００３３】上述した第２の実施の形態に係るＨＭＤ１
によれば、装着者は、第１の実施の形態と比較して解像
度の高い虚像を観察することができる。また、第１の実
施の形態よりも小型なＬＣＤ５を用いることにより、よ
り小型化を図ることができる。

【００３４】図６は、本発明の第３の実施の形態に係る
ＨＭＤを示す。この第３の実施の形態は、第１の実施の
形態に係るＨＭＤ１において、外界光の透過率を制御す
る調光機能を付与したものである。この第３の実施の形
態に係るメガネレンズ３は、第１面３ａに、ホログラム
膜４、調光層４１および保護膜４０をこの順序で形成し
てなる。調光層４１は、ホログラム膜４の上に蒸着され
たＳ_iＯ₂からなるバッファ層４１ａと、バッファ層４
１ａの上に蒸着された第１透明ガラス電極（ＩＴＯ）４
１ｂと、第１透明ガラス電極（ＩＴＯ）４１ｂの上にコ
ーティングされた５層からなるエレクトロクロミック素
子（ＥＣ層）４１ｃと、ＥＣ層４１ｃの上に図示しない
ＷＯ₃，Ｔａ₂Ｏ₅，ＩｒＯ_XＮＯ層を介して成膜され
た第２透明ガラス電極（ＩＴＯ）４１ｄから構成されて
いる。

【００３５】この２つのＩＴＯ４１ｂと４１ｄの間に、
制御部４２によって制御された電圧を印加すると、透過
率が制御される。制御部４２は外光センサ４３ａとマニ
ュアルキー４３ｂを有し、何れかの信号に基づいて直流
電圧Ｖ_DCを分圧し、その分圧された電圧をＩＴＯ４１ｂ
と４１ｄの間に印加する。この制御により透過率は１０
％から８０％の範囲で調節することができる。これによ
り、外界光を除去したり、調光することができ、シース
ルーでの使用を選択したり、画像表示のみを選択するこ
とができる。

【００３６】図７は、本発明の第４の実施の形態に係る
ＨＭＤを示す。このＨＭＤ１は、ゴーグル型ＨＭＤであ
り、ヘッドバンド２０によって頭部に装着されるゴーグ
ル２１と、ゴーグル２１に嵌め込まれた透明あるいは半
透明の単一の基板３０とを備え、基板３０の外側の面
（ＬＣＤからの表示光が入射する面）に、第１の実施の
形態と同様に左右一対のホログラム膜４を形成し、ゴー
グル２に、第１の実施の形態と同様に、ＬＣＤ、照明光
源部、およびＦＯＰを左右一対設けている。この第４の
実施の形態によれば、本ＨＭＤ１を航空機用のＨＭＤに
適用した場合は、外界と飛行情報を同時に視認すること
ができ、自動車用のＨＭＤに適用した場合は、外界と交
通情報を同時に視認することができるので、飛行中ある
いは走行中に優れた瞬読性を発揮することができる。

【００３７】図８は、本発明の第５の実施の形態に係る
ＨＭＤを示す。このＨＭＤは、ヘルメット型ＨＭＤであ
り、ヘルメット２２と、ヘルメット２２にビス２３によ
って開閉可能に取り付けられた透明あるいは半透明の単
一の基板３１とを備え、基板３１の外側の面に、第１の
実施の形態と同様に左右一対のホログラム膜４を形成
し、ヘルメット２２の内部に、第１の実施の形態と同様
に、ＬＣＤ、照明光源部、およびＦＯＰを左右一対設け
ている。この第５の実施の形態によれば、第４の実施の
形態と同様の効果を奏する。

【００３８】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れず、種々な変形が可能である。例えば、上記実施の形
態では、シースルー型について説明したが、クローズ型
にしてもよい。この場合は、外界光が装着者の眼に入ら
ないように基板の外側の面に遮光シートを貼ってもよ
く、ヘルメットやゴーグル等の他の部材で基板全体を覆
ってもよい。また、左右一対の画像表示手段は、立体的
な虚像を装着者に視認させる構成としてもよい。例え
ば、左右のテレビカメラでそれぞれ撮影した画像を左右
の画像表示手段で表示することにより、装着者は、立体
的な虚像を見ることができる。また、上記実施の形態で
は、基板の外側の面にホログラム膜を形成したが、基板
の内側の面に形成してもよい。

【００３９】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、光
ファイバー束の出射端面が中間結像面となるので、レン
ズ系を使用して中間結像面を形成する必要がなくなるこ
とから、小型・軽量化が図れる。また、画像表示手段か
らの画像表示光を光ファイバー束によって視軸に対し斜
め方向へ出射しているので、前方への突出長さが短くな
り、装着したときのバランスが良好となる。この結果、
装着者への負担が軽くなり、装着感をあまり感じないヘ
ッドマウンテッドディスプレイを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係るＨＭＤを示
し、(a) はその斜視図、(b) はその断面図である。

【図２】第１の実施の形態に係るＦＯＰの詳細を示す図
である。

【図３】第１の実施の形態に係る光学系の詳細を示す図
である。

【図４】第１の実施の形態に係るホログラム膜作製装置
を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係るＨＭＤの要部
断面図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態に係るＨＭＤの要部
構成図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態に係るＨＭＤの概略
構成図である。

【図８】本発明の第５の実施の形態に係るＨＭＤの概略
構成図である。

【図９】シースルー型の従来のＨＭＤの構成図である。

【図１０】クローズ型の従来のＨＭＤの構成図である。

【符号の説明】

１ヘッドマウンテッドディスプレイ（ＨＭＤ）２メガネフレーム２ａパット２ｂ収容部３メガネレンズ３ａ第１面３ｂ端面３ｃ第２面４ホログラム膜４ａ第１の光軸４ｂ第２の光軸４ｃフォトポリマー５液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）５ａ虚像５ｂ表示光５ｃ回折光６照明光源部６ａバックライト光７ファイバーオプテックスプレート（ＦＯＰ）７ａ入射端面７ｂ出射端面８光景８ａ外界光８ｂ透過光１０ホログラム膜作製装置１１Ｈｅ−Ｎｅレーザ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ第１，第２および第３のミラ
ー１３ハーフミラー１３ａ，１３ｂビーム１４Ａ，１４Ｂ第１および第２の拡大レンズ１５コリメータレンズ２０ヘッドバンド２１ゴーグル２２ヘルメット２３ビス３０，３１基板４０保護膜４１調光層４１ａバッファ層４１ｂ第１透明ガラス電極（ＩＴＯ）４１ｃエレクトロクロミック素子（ＥＣ層）４１ｄ第２透明ガラス電極（ＩＴＯ）４２制御部４３ａ，４３ｂ外光センサ６０光源６１反射・回折光学素子６２ＬＥＤアレイ６３マイクロレンズアレイ６３ａ平行光６４ビームスプリッタ６４ａ照明光７０光ファイバーＥ眼

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画像表示光を出射する画像表示手段と、前記画像表示手段からの前記画像表示光を出射端面から
装着者の視軸に対し斜め方向へ出射する光ファイバー束
と、前記装着者の前記視軸上に配置され、前記光ファイバー
束の前記出射端面からの前記画像表示光を回折あるいは
反射させて前記装着者の眼に導き、前記装着者に前記画
像表示光に基づく虚像を視認させる眼前光学手段を備え
たことを特徴とするヘッドマウンテッドディスプレイ。
【請求項２】前記光ファイバー束の前記出射端面は、前
記虚像の収差を補正する所定の形状を有する構成の請求
項１記載のヘッドマウンテッドディスプレイ。
【請求項３】前記眼前光学手段は、外界光を前記装着者
の眼に導く構成の請求項１記載のヘッドマウンテッドデ
ィスプレイ。
【請求項４】前記眼前光学手段は、透明あるいは半透明
のガラス，プラスチック等からなる基板と、前記基板の
主面に形成されたホログラム膜を備えた構成の請求項１
記載のヘッドマウンテッドディスプレイ。
【請求項５】前記光ファイバー束は、前記画像表示手段
からの前記画像表示光を前記出射端面から前記基板の端
面に出射する構成の請求項４記載のヘッドマウンテッド
ディスプレイ。
【請求項６】前記光ファイバー束は、入射端面が前記画
像表示手段の表示画面に密着した構成の請求項１記載の
ヘッドマウンテッドディスプレイ。
【請求項７】前記光ファイバー束は、前記画像表示手段
からの前記画像表示光を縮小して出射する構成の請求項
１記載のヘッドマウンテッドディスプレイ。
【請求項８】前記光ファイバー束は、前記光ファイバー
束を構成する光ファイバーの数が前記画像表示手段の画
素数より多い構成の請求項１記載のヘッドマウンテッド
ディスプレイ。
【請求項９】前記画像表示手段は、透過型あるいは反射
型の液晶ディスプレイ、ＥＬディスプレイ、プラズマデ
ィスプレイ、あるいはマイクロマシン技術によって作製
されたマイクロ可動ミラーを用いたディスプレイからな
る構成の請求項１記載のヘッドマウンテッドディスプレ
イ。
【請求項１０】前記透過型の液晶ディスプレイは、照明
光を照射する光源と、前記照明光を反射あるいは回折さ
せて平行光として前記液晶ディスプレイの背面に照射す
る反射型ホログラム光学素子あるいは回折型光学素子を
備えた構成の請求項９記載のヘッドマウンテッドディス
プレイ。
【請求項１１】前記反射型の液晶ディスプレイは、照明
光を照射する光源と、前記光源の前面に配置され、前記
照明光を平行光にするマイクロレンズアレイと、前記マ
イクロレンズアレイからの前記平行光を前記液晶ディス
プレイの正面に照射するビームスプリッタを備えた構成
の請求項９記載のヘッドマウンテッドディスプレイ。
【請求項１２】前記基板は、前記ホログラム膜の屈折率
の０．８倍以上の屈折率を有する構成の請求項４記載の
ヘッドマウンテッドディスプレイ。
【請求項１３】前記ホログラム膜は、前記視軸と一致す
る第１の光軸と、前記第１の光軸に対して５８°〜８８
°の角度の第２の光軸を有して構成された請求項４記載
のヘッドマウンテッドディスプレイ。
【請求項１４】前記ホログラム膜は、５μｍ以上の厚さ
を有する構成の請求項４記載のヘッドマウンテッドディ
スプレイ。
【請求項１５】前記ホログラム膜は、主として前記ホロ
グラム膜の屈折率と前記基板の屈折率との比、および前
記ホログラム膜の屈折率の変調に基づいて、前記画像表
示手段から入射される前記画像表示光に対して５５％以
上の回折効果を有するように厚さが決定された請求項４
記載のヘッドマウンテッドディスプレイ。
【請求項１６】前記ホログラム膜は、フォトポリマー、
フォトレジスト、フォトクロミック、フォトダイクロミ
ック、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイクロメート
ゼラチン、プラスチック、強誘電体、磁気光学材料、電
気光学材料、非晶質半導体、フォトリフラクチィブ材料
から選択された材料によって形成される構成の請求項４
記載のヘッドマウンテッドディスプレイ。
【請求項１７】前記ホログラム膜は、保護膜によって被
覆された構成の請求項４記載のヘッドマウンテッドディ
スプレイ。
【請求項１８】前記画像表示手段、前記光ファイバー
束、および前記眼前光学手段は、メガネフレームに取り
付けられた構成の請求項１記載ヘッドマウンテッドディ
スプレイ。
【請求項１９】前記画像表示手段、前記光ファイバー
束、および前記眼前光学手段は、ゴーグルあるいはヘル
メットに取り付けられた構成の請求項１記載ヘッドマウ
ンテッドディスプレイ。
【請求項２０】前記画像表示手段は、左右一対を有し、
立体的な前記虚像を前記装着者に視認させる前記画像表
示光を出射する構成の請求項１記載のヘッドマウンテッ
ドディスプレイ。
【請求項２１】前記眼前光学手段は、外界光を遮断ある
いは透過させる調光手段を備える構成の請求項３記載ヘ
ッドマウンテッドディスプレイ。
【請求項２２】前記調光手段は、エレクトロクロミック
素子である構成の請求項２１記載ヘッドマウンテッドデ
ィスプレイ。