JPH11326818A - 頭部装着型表示装置及び拡大画像生成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ゴーストの無い高品質の画像を見せることが
できるようにする。 【解決手段】 ハーフミラー部２は、３層構造となって
いる。各層を形成しているのは、ＬＣＤ１に近いほうか
ら、ハーフミラー２ａ、偏光フィルタ２ｂ、１／４λ板
２ｃである。ハーフミラー部２で反射される光の進路に
は、凹面ミラー３が配置されている。この凹面ミラー３
は、ハーフミラー部２に正対している。このような構成
の光学系において、利用者に見せるべき画像は、光４
ａ、４ｂ、４ｃで示す光路を通り、出射光４ｄとなる。
利用者は、この出射光４ｄを見ることで、ＬＣＤ１に表
示された画像の拡大虚像を見ることができる。それ以外
の光路、すなわち１／４λ板２ｃの裏面での反射を伴う
光路を通る光は、偏光フィルタ２ｂを通る際に直線偏光
となり、１／４λ板２ｃを往復することで偏光面が９０
度回転する。そして、再度偏光フィルタ２ｂに入射する
ことで吸収される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は使用者の頭部に装着
して使用される頭部装着型表示装置及びそのような頭部
装着型表示装置で表示すべき拡大画像を生成するための
拡大画像生成方法に関し、特に内部の光学系にハーフミ
ラーを使用した頭部装着型表示装置及びハーフミラーを
使用して拡大画像を生成するための拡大画像生成方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、バーチャルリアリティなどの臨場
感を高めるために、頭部装着型表示装置が用いられてい
る。頭部装着型表示装置は、リングとディスプレイ部と
で基本的に構成され、リングを頭部に掛けることで、ち
ょうど眼鏡を掛けている感覚で装着するようになってい
る。そして、コンピュータグラフィックスやビデオ装置
から入力された映像を、眼鏡のレンズに当たる部分に写
し出す。映し出された映像は、２メートル先の虚像とし
て利用者の視界に入る。これにより、利用者は、あたか
も２ｍ先に５０インチの大迫力画面を見ているように体
感することができる。

【０００３】図６は、従来の頭部装着型表示装置の光学
系を示す図である。頭部装着型表示装置では、ビデオ装
置等からの画像情報を表示するのには、液晶表示パネル
（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）１１を用いてい
る。このＬＣＤ１１の画像表示面の正面に、ハーフミラ
ー１２が配置されている。ハーフミラー１２は、ＬＣＤ
１１から出射される光の軸に対し、傾けて配置されてい
る。ハーフミラー１２で反射される光の光路上には、凹
面ミラー１３が配置されている。この凹面ミラー１３
は、ハーフミラー１２に正対している。また、凹面ミラ
ー１３の焦点距離は、ＬＣＤ１１から凹面ミラー１３ま
での光路長よりも長い。

【０００４】このような構成の頭部装着型表示装置にお
いて、ＬＣＤ１１に画像が表示されると、その画像の光
２１が、ハーフミラー１２に投射される。ハーフミラー
１２に投射された光２１は、ハーフミラー１２の表面で
反射され、凹面ミラー１３の方向へ進む光２２となる。
凹面ミラー１３に達した光２２は、凹面ミラー１３で反
射され、ハーフミラー１２の方向へ進む光２３となる。
この際、凹面ミラー１３の焦点距離がＬＣＤ１１から凹
面ミラー１３までの光路長よりも長いことから、拡大さ
れた虚像が生成される。凹面ミラー１３で反射された光
２３は、ハーフミラー１２を透過し、頭部装着型表示装
置の外部への出射光２４となる。そして、利用者は、出
射光２４を見ることで拡大された虚像を視認することが
できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のような
光学系では、ゴーストが生じるという問題がある。ゴー
ストが発生してしまうのは、以下に示す光路を通る光が
存在するためである。なお、以下の説明において、ハー
フミラー１２のＬＣＤ側の面を表側とする。

【０００６】図７は、ゴーストを発生させる第１の光路
を示す図である。ＬＣＤ１１が表示した画像の光３１
は、ハーフミラー１２の内部に入射し、裏側の面で反射
する。裏面で反射した光３２は、凹面ハーフミラー１３
に達し、そこで反射する。凹面ハーフミラー１３で反射
された光３３は、ハーフミラー１２を透過し、外部への
出射光３４となる。以後、このような光路の光を、第１
のゴースト光と呼ぶ。

【０００７】図８は、ゴーストを発生させる第２の光路
を示す図である。ＬＣＤ１１が表示した画像の光４１
は、ハーフミラー１２の表面で反射される。表面で反射
された光４２は、凹面ハーフミラー１３に達し、そこで
反射する。凹面ハーフミラー１３で反射された光４３
は、ハーフミラー１２の内部へ入射する。そして、ハー
フミラーの裏面で反射する。裏面で反射した光４４は、
再度表面で反射され、出射光４５となる。以後、このよ
うな光路の光を、第２のゴースト光と呼ぶ。

【０００８】このように、ハーフミラー１２の裏側反射
に起因して、正常な光路以外に２通りの光路が存在す
る。その結果ゴーストが発生し、利用者が視認する画像
の品質が落ちていた。

【０００９】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、ゴーストの無い高品質の画像を見せることの
できる頭部装着型表示装置を提供することを目的とす
る。また、本発明の他の目的は、ゴーストの無い高品質
の拡大画像を生成するための拡大画像生成方法に関す
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、使用者の頭部に装着して使用される頭部
装着型表示装置において、画像を表示する画像表示部
と、前記画像表示部の表示する画像の光を表側の面で反
射するように配置されたハーフミラーと、前記ハーフミ
ラーの裏側に配置された偏光フィルタと、前記ハーフミ
ラーから見て前記偏光フィルタの後方に配置された１／
４λ板と、前記画像表示部で表示された画像が前記ハー
フミラーで反射された場合の光の光路上に、前記ハーフ
ミラーに正対して配置された凹面ミラーと、を有するこ
とを特徴とする頭部装着型表示装置が提供される。

【００１１】このような頭部装着型表示装置によれば、
画像表示部に表示された画像はハーフミラーに照射され
る。照射された光は、ハーフミラーの表側の面で反射す
る光と透過する光とに分かれる。このとき、ハーフミラ
ーを透過した光は、偏光フィルタで一定の偏光面を有す
る直線偏光に変換される。そして、１／４λ板に入射
し、一部の光が１／４λ板の裏面で反射され、再度偏光
フィルタに入射する。この光は、１／４λ板を往復した
ことにより偏光面が９０度回転している。そのため、偏
光フィルタを透過できず、吸収される。一方、ハーフミ
ラーの表側の面で反射した光は、凹面ミラーの方向へ進
み、凹面ミラーで反射されることにより、拡大虚像を生
成する。凹面ミラーで反射された光は、ハーフミラー入
射する。そして、ハーフミラー、偏光フィルタ、及び１
／４λ板と透過し出射する光と、１／４λ板の裏面で反
射する光とに分かれる。１／４λ板の裏面で反射した光
は、再度１／４λ板を透過し偏光フィルタに入射する。
この光は、凹面ミラーで反射されてから一度偏光フィル
タを通り、その後１／４λ板を往復していることから、
偏光フィルタを通った際の偏光面から９０度回転してい
る。そのため、１／４λ板の裏面で反射した光は、偏光
フィルタを透過することができず、吸収される。

【００１２】また、上記課題を解決するために、使用者
の頭部に装着して使用される頭部装着型表示装置で表示
すべき拡大画像を生成するための拡大画像生成方法おい
て、前記画像表示部の表示する光を表側の面で反射する
ように配置されたハーフミラー、前記ハーフミラーの裏
側に配置された偏光フィルタ、及び前記ハーフミラーか
ら見て前記偏光フィルタの後方に配置された１／４λ板
からなるハーフミラー部によって、表示すべき画像を反
射し、前記ハーフミラー部で反射された光を凹面ミラー
によって、前記ハーフミラー部に向かって反射すること
で、前記画像の拡大虚像を生成する、ことを特徴とする
拡大画像生成方法が提供される。

【００１３】この拡大画像生成方法によれば、画像表示
部の表示する光のうち、ほとんどの光はハーフミラーの
表側の面で反射されるが、一部の光はハーフミラーを透
過する。ハーフミラーの表側の面で反射されず透過した
光は、偏光フィルタを透過した後、その一部が１／４λ
板の裏側の面で反射され、偏光フィルタに戻される。偏
光フィルタに戻された光は、偏光フィルタを透過したと
きの直線偏光から偏光面が９０度回転した直線偏光とな
っている。従って、偏光フィルタに入射された際に吸収
される。また、凹面ミラーで反射された光は、ハーフミ
ラーに入射する。ハーフミラーに入射した光は、ハーフ
ミラー、偏光フィルタを透過する。そして、多くの光は
１／４λ板を透過して出射光となるが、その一部は１／
４λ板の裏面で反射する。１／４λ板の裏面で反射した
光は、１／４λ板を通り再度偏光フィルタに入射する。
この光は、１／４λ板を往復することで偏光面が９０度
回転した後、再度偏光フィルタに入射するため、偏光フ
ィルタで吸収される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の頭部装着型表示
装置の光学系を示す図である。本発明の頭部装着型表示
装置において、ＬＣＤ１の画像表示面の正面には、ハー
フミラー部２が、ＬＣＤ１から出射された光を利用者の
視線前方へ反射するような角度で配置されている。この
ハーフミラー部２は、３層構造となっている。各層を形
成しているのは、ＬＣＤ１に近いほうから、ハーフミラ
ー２ａ、偏光フィルタ２ｂ、１／４λ板２ｃである。ハ
ーフミラー部２で反射される光の進路には、凹面ミラー
３が配置されている。この凹面ミラー３は、ハーフミラ
ー部２に正対している。

【００１５】このような構成の光学系において、利用者
に見せるべき画像は、次のような光路で伝搬する。ＬＣ
Ｄ１で表示された画像の光４ａは、ハーフミラー部２の
前面で反射される。反射された光４ｂは、凹面ミラー３
で反射される。反射された光４ｃは、ＬＣＤ１が表示し
た画像の拡大虚像を表す。凹面ミラー３で反射された光
４ｃはハーフミラー部２に入射し、ハーフミラー２ａ、
偏光フィルタ２ｂ、及び１／４λ板２ｃを透過し、出射
光４ｄとなる。利用者は、この出射光４ｄを見ること
で、ＬＣＤ１に表示された画像の拡大虚像を見ることが
できる。

【００１６】次に、従来発生していたゴースト光の本発
明での光路を説明する。図２は、第１のゴースト光の光
路を示す図である。第１のゴースト光は、ＬＣＤ１から
出た光５ａが、ハーフミラー部２の表面で反射せずに内
部に入射する。そして、ハーフミラー２ａと偏光フィル
タ２ｂとを透過する。ここで、偏光フィルタ２ｂを透過
するのは、一方向の振動方向を持った光束のみであり、
直線偏光となって出射する。偏光フィルタ２ｂを通った
光５ｂは、１／４λ板２ｃに入射し、１／４λ板２ｃの
裏面で反射する。１／４λ板２ｃを通ることにより、直
線偏光中の互いに垂直な成分の位相が１／４λ（λは、
光の波長）だけずれる。そのため、１／４λ板２ｃの裏
面に達したときには、光５ｂは円偏光となっている。

【００１７】１／４λ板２ｃの裏面で反射した光５ｃは
再度１／４λ板２ｃの中を通り、偏光フィルタ２ｂに入
射する。偏光フィルタ２ｂに入射した光５ｂは、１／４
λ板２ｃを往復しているため、互いに垂直な成分の位相
差は１／２λとなる。位相が１／２λだけずれると、元
の直線偏光に対して偏光面が９０度ずれた直線偏光とな
る。すなわち、１／４λ板２ｃから偏光フィルタ２ｂに
入射する際には、偏光フィルタ２ｂを通過可能な光の振
動面と直交する振動面の直線偏光となっている。そのた
め、光５ｃは、偏光フィルタ２ｂで吸収され消失する。

【００１８】図３は、第２のゴースト光の光路を示す図
である。第２のゴースト光は、ＬＣＤ１から出た光６ａ
が、ハーフミラー部２の表面で反射する。反射した光６
ｂは凹面ミラー３で反射し、ハーフミラー部２へ戻され
る。ハーフミラー部２へ戻された光６ｃは、ハーフミラ
ー部２へ入射する。そして、ハーフミラー２ａ、偏光フ
ィルタ２ｂの順で透過する。偏光フィルタ２ｂから出力
される光６ｄは、一定の方向の偏光面を有する直線偏光
である。光６ｄは、１／４λ板２ｃの裏側の面で反射す
る。光６ｄは、１／４λ板２ｃの裏側に達した時点で互
いに直行する２つの成分の位相が１／４λだけずれて、
円偏光になっている。反射された光６ｅは、１／４λ板
２ｃを透過して、偏光フィルタ２ｂに入射する。光６ｅ
は１／４λ板２ｃを透過したことで、さらに位相が１／
４λだけずれ直線偏光となる。この直線偏光は、偏光フ
ィルタ２ｂを透過できる光の偏光面に対して直交する偏
光面を有している。そのため、光６ｅは、偏光フィルタ
２ｂで吸収され消失する。

【００１９】以上のようにして、２種類のゴースト光を
除去することができる。次に、図１に示したような光学
系を採用した頭部装着型表示装置の全体構造を説明す
る。

【００２０】図４は、頭部装着型表示装置の構造を示す
図である。頭部装着型表示装置１００には、バックライ
ト１１０が設けられ、左右にそれぞれ設けられた液晶表
示パネル（ＬＣＤ）１２１，１２２を上方から照明して
いる。ＬＣＤ１２１，１２２は、図示しないビデオ装置
等からの画像を表示する。ＬＣＤ１２１，１２２のう
ち、利用者に対して左側（図中、右側）に設けられたＬ
ＣＤ１２１には左目用の映像が表示され、利用者に対し
て右側（図中、左側）に設けられたＬＣＤ１２２には右
目用の映像が表示される。また、ＬＣＤの画像表示面
（図中、下側の面）には、偏光フィルタが取り付けられ
ている。

【００２１】ＬＣＤ１２１、１２２の下側には、ハーフ
ミラー部１３１，１３２が設けられている。ハーフミラ
ー部１３１，１３２は、ＬＣＤ１２１，１２２からの光
を、利用者の前方に向かって反射するように配置されて
いる。ハーフミラー部１３１，１３２は３層構造をして
おり、ＬＣＤ１２１，１２２に近い方からハーフミラ
ー、偏光フィルタ及び１／４λ板の順に配置されてい
る。なお、ハーフミラー部１３１，１３２内の偏光フィ
ルタは、ＬＣＤ１２１，１２２に取り付けられた偏光フ
ィルタと同じ振動方向の光を通すような向きで配置され
ている。

【００２２】ハーフミラー部１３１，１３２から反射さ
れた光の光路上には、ハーフミラー部１３１，１３２に
正対するようにして凹面ハーフミラー１４１，１４２が
設けられている。また、利用者から見て凹面ハーフミラ
ー１４１，１４２の先には、液晶シャッター１５０が設
けられている。この液晶シャッター１５０は、外界から
入射する光の透過量を自由に変更することができる。

【００２３】図５は、図４に示した頭部装着型表示装置
の光学系を示す図である。これは、図４の頭部装着型表
示装置１００の左目用の光学系の断面図である。この図
を用いて、頭部装着型表示装置１００の作用を説明す
る。なお、右目用の光学系と左目用の光学系とにおける
光の作用は同じであるため、以下の説明では、左目用の
光学系における作用のみを説明する。

【００２４】頭部装着型表示装置１００のＬＣＤ１２１
に、情報処理部から送られた画像が表示されると、その
画像はバックライト１１０で図中下側に向かって照らし
出される。その際、ＬＣＤ１２１の下面に取り付けられ
た偏光フィルタ１２１ａによって、一定の振動方向を有
する光だけが出射される。

【００２５】出射された光は、ハーフミラー部１３１の
表面で反射し、利用者の前方に向かって進む。ハーフミ
ラー部１３１で反射された光は、凹面ハーフミラー１４
１で反射されて、再びハーフミラー１３１に戻される。
凹面ハーフミラー１４１から戻された画像は、ハーフミ
ラー１３１を透過し、利用者の目２０１の網膜に結像す
る。

【００２６】この時、利用者が見るのは、利用者の前方
に表示される仮想的な画面２０２に表示される虚像であ
る。目２０１で見る画面２０２の大きさは、凹面ハーフ
ミラー１４１で反射した画像が目２０１に入射するとき
の視野角と、目２０１で見ている全視野角の比で感じる
ものである。本実施の形態では、視野角を３０度に設定
しているので、２ｍの虚像距離に換算すると、５２型の
大画面を見ていることになる。

【００２７】しかも、ハーフミラー部１３１が、ハーフ
ミラー、偏光フィルタ及び１／４λ板の３層構造である
ため、前述のようにゴースト光は偏光フィルタで吸収さ
れる。その結果、利用者は、鮮明な画像を見ることがで
きる。なお、ハーフミラー部１３１中の偏光フィルタ
は、ＬＣＤ１２１に取り付けられた偏光フィルタ１２１
ａと同じ偏光面の光を通すため、ハーフミラー部１３１
に偏光フィルタを取り付けたことによる光量の損失はほ
とんどない。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明の頭部装着型
表示装置では、ハーフミラーの裏側に偏光フィルタと１
／４λ板とを配置したため、画像表示部で表示された画
像の光がハーフミラーを透過して１／４λ板の裏面で反
射したり、あるいは凹面ミラーから反射した光が１／４
λ板の裏面で反射した場合でも、それらの光は偏光フィ
ルタで吸収される。その結果、ゴーストの発生を防ぐこ
とができる。

【００２９】また、本発明の拡大画像生成方法では、ハ
ーフミラー、偏光フィルタ及び１／４λ板からなるハー
フミラー部によって、表示すべき画像を反射するように
したため、ゴーストの発生原因となる光を偏光フィルタ
で吸収することができ、ゴーストのない拡大画像を生成
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の頭部装着型表示装置の光学系を示す図
である。

【図２】第１のゴースト光の光路を示す図である。

【図３】第２のゴースト光の光路を示す図である。

【図４】頭部装着型表示装置の構造を示す図である。

【図５】図４に示した頭部装着型表示装置の光学系を示
す図である。

【図６】従来の頭部装着型表示装置の光学系を示す図で
ある。

【図７】ゴーストを発生させる第１の光路を示す図であ
る。

【図８】ゴーストを発生させる第２の光路を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…ＬＣＤ、２…ハーフミラー部、２ａ…ハーフミラ
ー、２ｂ…偏光フィルタ、２ｃ…１／４λ板、３…凹面
ミラー、４ａ，４ｂ，４ｃ…光、４ｄ…出射光

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 使用者の頭部に装着して使用される頭部
   装着型表示装置において、 画像を表示する画像表示部と、 前記画像表示部の表示する画像の光を表側の面で反射す
   るように配置されたハーフミラーと、 前記ハーフミラーの裏側に配置された偏光フィルタと、 前記ハーフミラーから見て前記偏光フィルタの後方に配
   置された１／４λ板と、 前記画像表示部で表示された画像が前記ハーフミラーで
   反射された場合の光の光路上に、前記ハーフミラーに正
   対して配置された凹面ミラーと、 を有することを特徴とする頭部装着型表示装置。
2. 【請求項２】 前記画像表示部は、画像を表示する面に
   表示部用偏光フィルタが取り付けられた液晶表示パネル
   であり、 前記偏光フィルタは、前記表示用偏光フィルタを透過す
   る光と同じ振動方向の光を透過するように配置されてい
   る、 ことを特徴とする請求項１記載の頭部装着型表示装置。
3. 【請求項３】 使用者の頭部に装着して使用される頭部
   装着型表示装置で表示すべき拡大画像を生成するための
   拡大画像生成方法おいて、 前記画像表示部の表示する光を表側の面で反射するよう
   に配置されたハーフミラー、前記ハーフミラーの裏側に
   配置された偏光フィルタ、及び前記ハーフミラーから見
   て前記偏光フィルタの後方に配置された１／４λ板から
   なるハーフミラー部によって、表示すべき画像を反射
   し、 前記ハーフミラー部で反射された光を凹面ミラーによっ
   て、前記ハーフミラー部に向かって反射することで、前
   記画像の拡大虚像を生成する、 ことを特徴とする拡大画像生成方法。