(57)【要約】  ブラックマトリクスの視認性を低下させつつ、シャープな画像表示を実現するヘッドマウントディスプレイを提供する。ヘッドマウントディスプレイは、ディスプレイパネルと、ディスプレイパネルに表示された画像を拡大する拡大光学系と、ディスプレイパネルと拡大光学系との間の光路に配置されたマイクロレンズアレイとを備える。マイクロレンズアレイは凹レンズが複数配列されてなり、凹レンズの凹面を拡大光学系に向けて配置されている。
2019044501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイパネルと、
該ディスプレイパネルに表示された画像を拡大する拡大光学系と、
前記ディスプレイパネルと前記拡大光学系との間の光路に配置されたマイクロレンズアレイとを備え、
前記マイクロレンズアレイが、凹レンズが複数配列されてなり、該凹レンズの凹面を前記拡大光学系に向けて配置されているヘッドマウントディスプレイ。
【請求項２】
前記マイクロレンズアレイが前記ディスプレイパネルの画像表示面に接して配置されている請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項３】
前記凹面に反射防止機能を備えている請求項１または２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項４】
前記凹面に、モスアイ構造が備えられている請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項５】
前記凹面に、反射防止膜が備えられている請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘッドマウントディスプレイは、ユーザの眼球の至近距離に映像を表示するディスプレイである。ヘッドマウントディスプレイとしては、特許文献１に開示されるようなゴーグル型および特許文献２に開示されるような眼鏡型などがある。いずれの場合もヘッドマウントディスプレイにおいては、ユーザの眼前に視野角の広い映像を表示させるために曲率の高い光学レンズを採用している。【０００３】
このように眼前に視野角の広い映像を表示させるために曲率の高い光学レンズを用いるヘッドマウントディスプレイでは、ディスプレイパネルの画素が拡大して見えるため、画素間のブラックマトリクス（画素格子）が目立ってしまい、画素がドットの並びとして視認されて画質が低下するという問題がある。【０００４】
この画質の低下を抑制する手法として、ディスプレイパネルと接眼レンズとの間に光学ローパスフィルタとして作用する、マイクロレンズアレイなどの光学素子を備えることが特許文献３に提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１４５６０７号公報
【特許文献２】特開平１１−３４６３３６号公報
【特許文献３】特開２０１６−１３９１１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図８は、特許文献３のヘッドマウントディスプレイの内部構成を示す図であり、ディスプレイパネル２００から接眼レンズ２１０への光路にマイクロレンズアレイ２３０を備えている。特許文献３には、このマイクロレンズアレイ２３０のローパスフィルタ効果、すなわち光を拡散させる効果により、画像がぼけるため、ディスプレイパネルのブラックマトリクスを目立たなくすることができる旨開示されている。【０００７】
図９に示すように、ディスプレイパネル２００には赤画素２１２Ｒ、緑画素２１２Ｇ、青画素２１２Ｂ（これらを総称するときは「画素２１２」と呼ぶ）が配置されており、それらの画素２１２の間にはブラックマトリクス２１４が存在する。図８に示されるような、一般的な凸型のマイクロレンズアレイ２３０を、凸面が接眼レンズ側となるように配置した場合、拡散効果を得るためには、図９に示すように、凸レンズで一旦収束させた後に広がる光線を用いる必要がある。しかしながら、このような光線は、隣接画素に拡散され、さらに隣接画素を超えて拡散される可能性が高い。具体的には、赤画素２１２Ｒからマイクロレンズアレイ２３０に入射してその凸面２３２から出力されて屈折された光線２４０は隣接する緑画素２１２Ｇ側に進行する。また、緑画素２１２Ｇからマイクロレンズアレイ２３０に入射してその凸面２３２から出力されて屈折された光線２４２は隣接する赤画素２１２Ｒ側に進行する。このように各画素２１２を出力した光が凸面２３２で大きく屈折されて進行することによって、ブラックマトリクス２１４を超えて隣接画素側に漏れるため、ブラックマトリクスを目立たなくする効果が得られるが、画像全体のシャープネスが低下して、画像が全体的にぼけてしまうという問題がある。【０００８】
本発明は上記事情に鑑み、ブラックマトリクスの視認性を低下させつつ、シャープな画像表示を実現するヘッドマウントディスプレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のヘッドマウントディスプレイは、ディスプレイパネルと、
ディスプレイパネルに表示された画像を拡大する拡大光学系と、
ディスプレイパネルと拡大光学系との間の光路に配置されたマイクロレンズアレイとを備え、
マイクロレンズアレイが、凹レンズが複数配列されてなり、凹レンズの凹面を拡大光学系に向けて配置されている。【００１０】
本発明のヘッドマウントディスプレイは、マイクロレンズアレイがディスプレイパネルの画像表示面に接して配置されていることが好ましい。【００１１】
本発明のヘッドマウントディスプレイは、凹面に反射防止機能を備えていることが好ましい。【００１２】
反射防止機能は、凹面に備えられたモスアイ構造もしくは誘電多層膜により実現することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のヘッドマウントディスプレイは、ディスプレイパネルと、ディスプレイパネルに表示された画像を拡大する拡大光学系との間の光路にマイクロレンズアレイを備えており、そのマイクロレンズアレイが複数の凹レンズが配列されてなり、凹レンズの凹面を拡大光学系に向けて配置されている。係る構成により、ブラックマトリックスの視認性を低下させ、かつ、シャープな画像表示を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態のヘッドマウントディスプレイの構成を上方から見た図である。
【図２】図１のヘッドマウントディスプレイの内部構成を説明するための図である。
【図３】凹マイクロレンズアレイによる効果を説明するための図である。
【図４】凹マイクロレンズアレイの断面図である。
【図５】凹マイクロレンズアレイの断面図である。
【図６】第２の実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成を示す斜視図である。
【図７】図６のヘッドマウントディスプレイの内部構成を説明するための図である。
【図８】従来技術のヘッドマウントディスプレイの内部構成を説明するための図である。
【図９】凸レンズからなるマイクロレンズアレイによる光拡散を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明のヘッドマウントディスプレイの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、第１の実施形態のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ:Head Mount Display）１を上方から見た概略構成図である。図１において、ゴーグル状の本体部２およびその内部構成を示すが、そのほかに、装着者が頭に装着する装着性を高めるための図示しない先頭部接触部、側頭部接触部などの各種接触部を備えている。
【００１７】
ＨＭＤ１は、眼前正面に備えられたディスプレイパネル１０と、左右の瞳の想定位置にそれぞれ配置された接眼レンズ２０と、ディスプレイパネル１０から接眼レンズ２０の光路に配置されたマイクロレンズアレイ(ＭＬＡ：Micro Lens Allay)３０とを備えている。本実施形態においては、接眼レンズ２０が、ディスプレイパネル１０の画像を拡大する拡大光学系を構成する。ＭＬＡ３０は、凹レンズが複数配列されてなる。以下において、凹ＭＬＡ３０、と称する。そして、凹ＭＬＡ３０は、凹レンズの凹面３２が接眼レンズ２０側となるように配置されている。
【００１８】
図２は、ＨＭＤ１の内部構成を説明するための図である。
ディスプレイパネル１０は、液晶パネルあるいは有機ＥＬパネルなど軽量かつ高精細なものが望ましい。凹ＭＬＡ３０は、凹面３２が接眼レンズ２０側となるように配置されており、ディスプレイパネル１０からの光は、凹ＭＬＡ３０を通過して凹面３２から接眼レンズ２０側に出射される。
【００１９】
凹ＭＬＡ３０は、ディスプレイパネル１０と拡大光学系（ここでは接眼レンズ２０）との間の光路に備えられていればよいが、隣接画素との混色を抑制する観点から、ディスプレイパネル１０に近接、もしくは接して配置されていることが好ましい。ここでディスプレイパネル１０の画像表示面は、ディスプレイパネル１０の接眼レンズ２０側に配置され、凹ＭＬＡ３０が、ディスプレイパネル１０の画像表示面に接して配置されていることが好ましい。ディスプレイパネル１０の画像表示面に接して凹ＭＬＡ３０が配置された構成としては、凹ＭＬＡ３０が画像表示面に粘着層を介して貼付されていてもよいし、接触させた状態で粘着層を備えず保持されていてもよい。また、ディスプレイパネルの製造段階で凹ＭＬＡ３０をディスプレイパネルに組み込んで、ディスプレイパネルとマイクロレンズアレイとが一体化されていてもよい。
【００２０】
ＨＭＤ１は、ユーザの眼２２０が接眼レンズ２０および凹ＭＬＡ３０を介してディスプレイパネル１０に表示された画像を観察する構成である。ＨＭＤのディスプレイパネル１０は小型であるが、接眼レンズ２０により拡大されて観察されるため、ユーザには、あたかも眼前に大型ディスプレイがあるかのように見える。凹ＭＬＡ３０を備えていない状態では、接眼レンズ２０による拡大作用により、ディスプレイパネル１０の画素間のブラックマトリクスが目立つようになりドットの並びが強調されて視認される。しかし、本実施形態のＨＭＤ１は、凹ＭＬＡ３０を備えており、凹ＭＬＡ３０の光拡散効果により、ディスプレイパネル１０のブラックマトリクスは目立たなくなる。
【００２１】
図３は、凹ＭＬＡ３０による光拡散効果を説明するための図である。
図３に示すように、ディスプレイパネル１０には、赤画素１２Ｒ、緑画素１２Ｇ、青画素１２Ｂが備えられている。なお、以下において、色の区別なく画素を総称する場合には、単に「画素１２」という。ディスプレイパネル１０の画素１２の間にはブラックマトリクス１４が存在する。既述の通り、凹ＭＬＡ３０が備えられていない状態では、接眼レンズ２０によって拡大して画素１２の並びを観察すると、ブラックマトリクス１４が目立つため、画素１２がドットの並びとして視認される。
【００２２】
一方、凹ＭＬＡ３０を備えた場合、その凹レンズの作用（図３参照）により、各画素１２からの光線４０が広がり、画素の境界間では隣接画素間の光が混ざり、隣接画素間のブラックマトリクス１４がぼけて目立たなくなる。また、凸レンズと比較して拡散方向への屈曲が緩やかであるため、隣接画素との混色を小さくすることができる。これにより、画像のシャープネスを維持することができる。なお、凹レンズは本質的に光拡散機能を備えているため画素間のブラックマトリクス低減のための作用を容易に得ることができる。したがって、凹ＭＬＡであれば、凹面が小さい曲率の曲面であってもブラックマトリクスを低減する効果を十分に得ることができる。曲率が小さい（すなわち曲率半径が大きい）場合には、レンズ面の凹凸高さ、すなわち、凹部と凸部の高低差が小さくなる。凹ＭＬＡは金型から形状を転写して作製されるが、凹凸高さが小さい場合は転写が容易でレンズ精度を高められるメリットが得られる。
また、光線を凸レンズを用いて拡散させる場合には、光線は、既述の通り、一旦収束したのちに拡散する光路を取らねばならないため、光学設計に制約が生じ易い。他方、凹レンズであれば本来的に光が拡散するので光学設計に制約が生じにくい。したがって、ＭＬＡを作製する際、および他の光学部材と組み合わせたＨＭＤにおける光路設計などを行う際に、凹ＭＬＡは凸ＭＬＡよりも設計の自由度が高く有利である。
【００２３】
なお、図３においては、画素１２のピッチと凹面３２のピッチとがほぼ１：１となる凹ＭＬＡ３０を示しているが、凹ＭＬＡ３０における凹面３２のピッチは画素１２ピッチと必ずしも一致していなくてもよい。１つの画素に対して複数の凹面３２が対応するように凹面３２のピッチが画素ピッチよりも小さくてもよい。凹面のピッチ、大きさ等は画素のピッチに応じて適宜定めればよい。
凹ＭＬＡ３０によるブラックマトリクスの除去、混色抑制（シャープな画像の実現）の効果が最適となるように、凹面のピッチおよび曲率を適宜設定すればよい。
【００２４】
凹ＭＬＡ３０における凹レンズの凹面の形状としては、凹レンズの曲率半径が、レンズピッチの１．５倍以上であることが好ましく、２倍以上であることがより好ましく、２．５倍以上であることがさらに好ましい。例えば、１ピクセル６０μｍ×６０μｍの場合（Ｒ／Ｇ／Ｂピッチ２０μｍの場合）には、凹ＭＬＡのレンズピッチは２０μｍ程度が好ましく、凹レンズの凹面の曲率半径は５０μｍ以上が好ましい。ここで、Ｒ／Ｇ／Ｂピッチとは、上述の画素１２のピッチである。
【００２５】
なお、凹ＭＬＡ３０の凹面３２には反射防止機能（反射防止層）を備えていることが好ましい。凹面３２に反射防止機能（反射防止層）を備えることにより、ディスプレイパネルから凹ＭＬＡ３０に入射した光の凹面３２での反射を抑制し、結果として凹ＭＬＡ３０内で多重反射を抑制できる。ある画素からの出力光が凹ＭＬＡ３０内で多重反射を繰り返すことにより、隣接画素あるいは隣接画素より離れた画素の領域から出射され、混色が生じる場合がある。すなわち多重反射を抑制することにより、混色が生じるのを効果的に抑制することができ、よりシャープな画像の表示が可能となる。
【００２６】
図４および図５は、反射防止機能（反射防止層）を凹面３２に備えた凹ＭＬＡ３０の断面図である。
図４に示す凹ＭＬＡ３０は、凹面３２にモスアイ構造３４が形成されている。モスアイ構造３４とは、図４に示すような微細な凹凸構造であり、反射防止機能を奏する構造である。モスアイ構造３４は、凹面３２自体が加工されて形成されていてもよいし、凹面３２の表面に別途の材料により構成されていてもよい。凹面３２の表面にアルミニウム、アルミナあるいは窒化アルミニウムなどアルミニウム含む薄膜を形成し、温水（例えば、８０℃以上）中に浸漬させることにより、ベーマイトからなる微細凹凸構造を形成することができる。このベーマイトからなる微細凹凸構造をモスアイ構造３４として凹面３２に備えることができる。あるいは、このベーマイトをエッチングマスクとして用い、ベーマイト表面側から反応性イオンエッチング処理を行うことにより凹面３２の表面をエッチングすることによりベーマイトの微細凹凸構造に応じた微細凹凸構造を凹面３２に形成することができる。このように凹面３２を微細凹凸加工することによって、ベーマイトよりも耐久性の高い微細凹凸構造を得ることができる。
【００２７】
図５に示す凹ＭＬＡ３０は、凹面３２に反射防止膜３６が形成されている。反射防止膜３６は、凹ＭＬＡ３０の屈折率よりも小さい屈折率を有する低屈折率層から構成することができる。反射防止膜３６としては、より高い反射防止機能を奏する、相対的に低い屈折率を有する低屈折率層と相対的に高い屈折率を有する高屈折率層とが交互に複数層積層されてなる誘電体多層膜を備えることが好ましい。
【００２８】
上記の通り、ＭＬＡ３０の凹面３２に備えられる反射防止機能を奏する構成としては、モスアイ構造または反射防止膜いずれであってもよい。上記のようにベーマイトを作製する方法を用いると、非常に簡易に均一な反射防止性能を奏する構成とすることができ、好ましい。
【００２９】
本発明のヘッドマウントディスプレイは、図１に示すようなゴーグル型に限るものではなく、眼鏡型であってもよい。図６は、本発明の第２の実施形態のヘッドマウントディスプレイの外観を示す斜視図である。また、図７は図６に示すヘッドマウントディスプレイの内部構成を示す図である。
【００３０】
図６に示す第２の実施形態のヘッドマウントディスプレイ１０１は眼鏡型のヘッドマウントディスプレイである。本実施形態のＨＭＤ１０１は、眼鏡フレーム１０２および眼鏡フレーム１０２に連なる眼鏡の蔓１０４、眼鏡フレームに嵌め込まれたメガネレンズ１０６を備えた眼鏡に、視野の一部に表示映像１４０を外界の像に重ねて表示するディスプレイユニット１０８が組み込まれた構成を有する。本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１０１において、表示映像１４０として写し出される動画もしくは静止画の制御信号は、眼鏡の蔓１０４の後端から外部に引き出された光ファイバ１０９を通して、別途に備えられた映像情報送信手段から供給される。
【００３１】
図７に示すように、ディスプレイユニット１０８は、ディスプレイパネル１１０、屈折レンズ１２０、平板ハーフミラー１２２を備えている。
ディスプレイパネル１１０には光ファイバ１０９を介して送られてきた画像（原画像）が表示される。屈折レンズ１２０はディスプレイパネル１１０の画面上の原画像を拡大して装着者の眼２２０に投ずる機能を有する。この屈折レンズ１２０が拡大光学系を構成する。平板ハーフミラー１２２は、屈折レンズ１２０から眼に至る光路の途中にあって、屈折レンズ１２０からの画像光を眼２２０に向けて反射させ、かつ、外界の像からの光を透過させる機能を有する。
【００３２】
そして、ディスプレイユニット１０８のディスプレイパネル１１０と拡大光学系である屈折レンズ１２０との間に凹ＭＬＡ３０が備えられている。
【００３３】
装着者の眼２２０には眼鏡からの視界の一部に、屈折レンズ１２０により拡大されたディスプレイパネル１１０に表示された原画像の虚像（表示映像）１４０があたかも前方にあるように、外界の像と重ねて映し出される。凹ＭＬＡ３０を備えたことにより、ディスプレイパネル１１０のブラックマトリクスの視認性を低下させることができ、装着者はブラックマトリクスをほとんど視認することなく、かつシャープな映像を虚像１４０として視認することができる。凹ＭＬＡ３０の作用効果は上記第１の実施形態のＨＭＤ１の場合と同様である。凹ＭＬＡ３０としては、図４または図５に示して説明した、凹面３２に射防止機能を備えたものを用いることがより好ましい点でも第１の実施形態の場合と同様である。
【００３４】
以上の通り、第１および第２の実施形態のヘッドマウントディスプレイではいずれの場合にも、ディスプレイパネルのブラックマトリクスの視認性を低下させつつ、シャープな画像表示を実現することができる。
なお、本発明のヘッドマウントディスプレイにおいて、ディスプレイパネル、拡大光学系の構成および配置は上記実施形態の構成に限るものではない。拡大光学系としては、例えば、凹面ミラーなどの反射鏡を備えた構成であってもよい。また、拡大光学系は１つの部品から構成されていてもよいが、複数の光学部品を組み合わせて構成されていてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１，１０１    ヘッドマウントディスプレイ
２    本体部
７    屈折レンズ
１０    ディスプレイパネル
１２    画素
１２Ｂ    青画素
１２Ｇ    緑画素
１２Ｒ    赤画素
１４    ブラックマトリクス
２０    接眼レンズ
３０    凹レンズのマイクロレンズアレイ
３２    凹面
３４    モスアイ構造
３６    反射防止膜
４０    光線
１０２    眼鏡フレーム
１０４    蔓
１０６    メガネレンズ
１０８    ディスプレイユニット
１０９    光ファイバ
１１０    ディスプレイパネル
１２０    屈折レンズ
１２２    平板ハーフミラー
１４０    表示映像（虚像）
２００    ディスプレイパネル
２１０    接眼レンズ
２１２    画素
２１２Ｂ    青画素
２１２Ｇ    緑画素
２１２Ｒ    赤画素
２１４    ブラックマトリクス
２２０    眼
２３０    凸レンズのマイクロレンズアレイ
２３２    凸面
２４０，２４２    光線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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2019044501.tif 000013
2019044501.tif 000014
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