(57)【要約】【課題】ヘッドマウントディスプレイに関して、画質の劣化を有効に回避して、画素によるざらつき感を低減する。【解決手段】画像表示パネル２Ａのパネル面側に位相型回折格子５を配置したヘッドマウントディスプレイ１であって、位相型回折格子５は、表面形状が平坦な２次元の位相型回折格子であり、遅相軸方向の成す角度が９０度±１０度以内である第１及び第２の領域が繰り返し作製された液晶材料による位相差層であって、透過光に与える位相差が１／２波長である位相差層を備える。画像表示パネル２Ａの水平方向又は垂直方向の画素の配列方向に対して、第１及び第２の領域の繰り返し方向が４５度±１０度以内の角度を成すように配置され、（２１／２／２）・（ｐｄ／２λ）＞Ｌ＞０の関係式を満足する位置に配置される。【選択図】図１
2016206512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示パネルのパネル面側に位相型回折格子を配置したヘッドマウントディスプレイであって、
前記位相型回折格子は、
表面形状が平坦な２次元の位相型回折格子であり、
遅相軸方向の成す角度が９０度±１０度以内である第１及び第２の領域が繰り返し作製された液晶材料による位相差層であって、透過光に与える位相差が１／２波長である位相差層を備え、
前記画像表示パネルの水平方向又は垂直方向の画素の配列方向に対して、前記第１及び第２の領域の繰り返し方向が４５度±１０度以内の角度を成すように配置され、
前記画像表示パネルの画素ピッチｐ、前記画像表示パネルに設けられたカラーフィルタの位相型回折格子側面から位相型回折格子までの光学距離Ｌに関して
（２１／２／２）・（ｐｄ／２λ）＞Ｌ＞０
の関係式を満足する位置に配置された
ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項２】
前記位相型回折格子は、
前記第１及び第２の領域が矩形形状による領域であり、
前記位相差層が、前記第１及び第２の領域の繰り返しにより作製された
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】
前記位相型回折格子は、
１次元の位相型回折格子の積層により作製された
請求項１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、例えば液晶表示パネル等の画像表示パネルを使用したヘッドマウントディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヘッドマウントディスプレイの利用が種々に提案されている。ここでヘッドマウントディスプレイは、小型画像表示パネルの表示画像を、ユーザの目の前に配置した光学系により、直接、ユーザに提供するディスプレー装置である。ヘッドマウントディスプレイは、光学系と一体の専用の画像表示パネルにより画像表示する構成、スマートフォン等の情報携帯端末を着脱可能に保持して、この情報携帯端末により画像表示する構成等が提供されている。
【０００３】
このような画像表示パネルを使用した画像表示装置に関して、特許文献１には、回折格子を光学的ローパスフィルタとして使用して画質を向上する工夫が提案されている。また特許文献２には、画像表示パネルのパネル面にマイクロレンズアレイを配置することにより画質を向上する工夫が提案されている。
【０００４】
ところでヘッドマウントディスプレイは、結局、目の前に配置した光学系より画像表示パネルの表示画像を拡大して覗き見る構成であることにより、画素によるざらつき感が知覚される問題がある。
【０００５】
この問題を解決する１つの方法として、特許文献１に開示の手法の適用が考えられるものの、この方法を単純に適用したのでは、回折格子の凹凸形状により散乱光が発生し、却って画質が劣化する問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２８９０２８号公報
【特許文献２】特開平８−２４８２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ヘッドマウントディスプレイに関して、画質の劣化を有効に回避して、画素によるざらつき感を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ね、遅相軸方向が直交する領域の交互の繰り返しにより表面形状を平坦に位相型回折格子を構成するようにし、この位相型回折格子を適切に配置するとの着想に至り、本発明を完成するに至った。
【０００９】
具体的には、本発明では、以下のようなものを提供する。
【００１０】
（１）  画像表示パネルのパネル面側に位相型回折格子を配置したヘッドマウントディスプレイであって、
前記位相型回折格子は、
表面形状が平坦な２次元の位相型回折格子であり、
遅相軸方向の成す角度が９０度±１０度以内である第１及び第２の領域が繰り返し作製された液晶材料による位相差層であって、透過光に与える位相差が１／２波長である位相差層を備え、
前記画像表示パネルの水平方向又は垂直方向の画素の配列方向に対して、前記第１及び第２の領域の繰り返し方向が４５度±１０度以内の角度を成すように配置され、
前記画像表示パネルの画素ピッチｐ、前記画像表示パネルに設けられたカラーフィルタの位相型回折格子側面から前記位相型回折格子までの光学距離Ｌに関して
（２１／２／２）・（ｐｄ／２λ）＞Ｌ＞０
の関係式を満足する位置に配置されたヘッドマウントディスプレイ。
【００１１】
（１）によれば、表面形状が平坦な２次元の位相型回折格子であり、遅相軸方向の成す角度が９０度±１０度以内である第１及び第２の領域が繰り返し作製された液晶材料による位相差層であって、透過光に与える位相差が１／２波長である位相差層を備えることにより、０次光を低減し、散乱光の発生を低減してローパスフィルタとして機能させることができる。また画像表示パネルの水平方向又は垂直方向の画素の配列方向に対して、前記第１及び第２の領域の繰り返し方向が４５度±１０度以内の角度を成すように配置されることにより、モアレの発生を有効に回避することができる。また（２１／２／２）・（ｐｄ／２λ）＞Ｌ＞０の関係式を満足するように配置されていることにより、効率良く画素によるざらつき感を低減することができる。
【００１２】
（２）  （１）において、
前記位相型回折格子は、
前記第１及び第２の領域が矩形形状による領域であり、
前記位相差層が、前記第１及び第２の領域の繰り返しにより作製されたヘッドマウントディスプレイ。
【００１３】
（３）  （１）において、
前記位相型回折格子は、
１次元の位相型回折格子の積層により作製されたヘッドマウントディスプレイ。
【００１４】
（２）又は（３）によれば、より具体的構成により、ヘッドマウントディスプレイに関して、画質の劣化を有効に回避して、画素によるざらつき感を低減することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ヘッドマウントディスプレイに関して、画質の劣化を有効に回避して、画素によるざらつき感を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを示す図である。
【図２】位相型回折格子の配置の説明に供する図である。
【図３】位相型回折格子の詳細構成の説明に供する図である。
【図４】他の例による位相型回折格子の詳細構成の説明に供する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの構成を示す図である。このヘッドマウントディスプレイ１は、スマートフォンによる情報携帯端末２を着脱可能に保持し、ユーザ３の目の前に配置して使用される。ヘッドマウントディスプレイ１は、凸レンズ等による光学系４が設けられ、この光学系４を介して情報携帯端末２に設けられた画像表示パネル２Ａの表示画面を拡大して覗き見ることができるように構成される。これによりヘッドマウントディスプレイ１は、大画面の画像をユーザ３の眼前に提供できるように構成される。
【００１８】
ここでこの画像表示パネル２Ａには、液晶表示パネル、有機ＥＬパネル等、種々の構成を広く適用することができる。またヘッドマウントディスプレイ１は、情報携帯端末２による画像表示パネルを利用する場合に限らず、一体に保持された専用の画像表示パネルにより画像表示するようにしてもよい。またハーフミラー等の画像合成手段を使用して、目の前の風景と画像表示パネルによる画像とを重ね合わせてユーザに提供ようにしてもよい。
【００１９】
ここでこのようにして光学系４を介して拡大して画像表示パネル２Ａによる表示画像を覗き見る場合、画素によるざらつき感が知覚される。そこでこのヘッドマウントディスプレイ１では、光学系４と画像表示パネル２Ａとの間に、２次元の位相型回折格子５が設けられ、この位相型回折格子５の光学的ローパスフィルタとして機能により、画素によるざらつき感を低減する。
【００２０】
〔位相型回折格子の配置〕
ここで位相型回折格子５の回折による分離角（＋１次光と０次光との成す角）をθ、出射光の波長をλとすると、次式の関係式が成立する。なおここでｄは、位相型回折格子５の周期構造に係る繰り返しピッチｄである。
ｄ＝λ／ｔａｎθ        ……（１）
【００２１】
画像表示パネル２Ａに設けられたカラーフィルタ７の位相型回折格子５側面から位相型回折格子５までの光学距離をＬとする。分離角θにより位相型回折格子５において＋１次光と−１次光とにより形成されるカラーフィルタの像間距離（分離幅）をｈとすると、２ｔａｎθ＝ｈ／Ｌであることから、（１）式から次式を求めることができる。
ｄ＝２λ・Ｌ／ｈ        ……（２）
この（２）式を変形すると、次式の関係式が得られる。
ｈ＝２λ・Ｌ／ｄ        ……（３）
【００２２】
ここでカラーフィルタ７に設けられる画素間の遮光部であるブラックマトリックス７Ａの繰り返しピッチがｐ（位相型回折格子５の繰り返し方向のピッチである）である場合に、ｐ＝ｈであると、隣接するブラックマトリックス７Ａに係る回折光が重なり合ってユーザ３に提供され、これにより画素によるぎらつき感じが大きくなる。これに対してｐ＞ｈであると、隣接するブラックマトリックス７Ａに係る回折光が重なり合うことなくユーザに提供され、これにより画素によるざらつき感じを低減することができる。特にｐ＝ｈ／２であると、ブラックマトリックス７Ａ間の画素の中央に、隣接するブラックマトリックス７Ａに係る回折光を配置することになり、最も、画素によるざらつき感を低減することができる。このような原理によりこの実施形態では、画素によるざらつき感を低減する。なお分離角θが０である場合にも、隣接するブラックマトリックス７Ａに係る回折光が重なり合ってユーザ３に提供され、これにより画素によるぎらつき感が大きくなる。これらにより次式の関係式を満足するように設定して、画素によるぎらつき感を低減することができる。
ｐ＞ｈ＞０                ……（４）
【００２３】
しかしながら単純に、画素の配列方向に位相型回折格子５の繰り返し方向を設定したのでは、モアレが発生する恐れがある。そこでこの実施形態では、図２に示すように、画素の水平方向又は垂直方向の配列方向に対して斜め４５度の方向を、位相型回折格子５の繰り返し方向に設定する。なおこの図２の例は、像間距離ｈが、画素の斜め方向のピッチの２／３の場合である。このように斜め４５度により配置する場合、画像表示パネル２Ａの水平方向、垂直方向に係るピッチｐに対して、分離角θによる像間距離ｈが２１／２倍となる。これにより（４）式より
ｐ＞２１／２・ｈ＞０        ……（５）
の関係式を満足する場合には、画素によるざらつき感を低減することができる。ここでこの（４）式を変形すれば、次式の関係式を得ることができる。
（２１／２／２）・（ｐｄ／２λ）＞Ｌ＞０      ……（６）
なおこの斜め方向の傾きは、４５度±１０度以内、より好ましくは４５度±５度以内に設定して実用上充分にモアレを防止することができる。またこの角度範囲に設定することにより、垂直方向の画素間の境界に係るブラックマトリックスと、水平方向の画素間の境界に係るブラックマトリックスとの視覚上の差異（薄さの程度）を感じさせないようにすることができる。
【００２４】
これによりこの実施形態では、（６）式の関係式を満足するように間隔Ｌを設定して、好ましくは、（７）式の関係式を満足するように間隔Ｌを設定して、より好ましくは（８）式の関係式を満足するように間隔Ｌを設定して画素によるざらつき感を低減する。なお（８）式は、ｐ＝２１／２・ｈ／２の条件を満足する関係式である。
（３／４）・（２１／２／２）・（ｐｄ／２λ）＞Ｌ
＞（１／４）・（２１／２／２）・（ｐｄ／２λ）      ……（７）
（２１／２／４）（ｐｄ／２λ）＝Ｌ            ……（８）
【００２５】
〔位相型回折格子〕
ところでこのようにして位相型回折格子５により画素によるざらつき感を低減する構成にあっては、位相型回折格子５の周期構造に係る表面の凹凸形状により斜め入射光が散乱すると、その散乱光により画質が劣化する問題がある。そこでこの実施形態では、液晶材料による位相差層を使用して位相型回折格子を構成するようにして、遅相軸方向が直交する領域をこの位相差層に交互に繰り返すことにより、表面形状を平坦に位相型回折格子５を構成する。これによりこの実施形態では、位相型回折格子５の表面の凹凸形状による散乱光の発生を有効に回避し、この散乱光による画質劣化を防止する。なおこの遅相軸方向の成す角度は、直交の角度である９０度であることが最も好ましいものの、９０度±１０度以内により作製して、より好ましくは９０度±５度以内により作製して、実用上充分な特性を確保することができる。
【００２６】
またこの遅相軸方向の直交する領域における位相差がそれぞれλ／２となるように設定し、これによりこの直交する領域から出射される０次光を打消し合うようにし、０次光による画質劣化を有効に回避する。すなわち図１ついて説明したように、像間距離ｈにより画素によるざらつき感を低減する場合、＋１次光及び−１次光により画像表示することになるものの、位相型回折格子５からの０次光は、この＋１次光及び−１次光の像間に像を作成することになる。その結果、ヘッドマウントディスプレイ１では、この０次光による急激な輝度変化が発生する恐れがあり、＋１次光及び−１次光による画像表示に悪影響を与えることになる。しかしながら直交する領域の位相差をλ／２に設定すれば、０次光を充分に抑圧することができ、その結果、０次光による画像表示の影響を有効に回避することができる。なお可視光域の中心波長が５５０ｎｍであることにより、この位相差が２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下となるように作成して、十分に０次光の光量を抑圧して、０次光の影響による画質劣化を防止することができる。
【００２７】
〔位相型回折格子の詳細構成〕
図３は、位相型回折格子５を示す図である。位相型回折格子５は、例えばトリアセチルセルロース等の透明フィルム材による基材５Ａに配向層５Ｃ、位相差層５Ｂが順次作製される。位相型回折格子５は、位相差層５Ｂが紫外線硬化型液晶により形成され、この紫外線硬化型液晶の配向を配向層５Ｃの配向規制力によりパターンニングする。このパターンニングにより、位相型回折格子５は、上述した繰り返しピッチｄにより、遅相軸方向が直交する矩形形状による第１及び第２の領域Ａ及びＢが順次交互に２次元配置されて位相差層５Ｂが形成され、これによりこの第１及び第２の領域Ａ及びＢの繰り返し方向の周期構造により透過光を回折する。なお図３では、遅相軸方向を矢印により示す。なおこれにより第１及び第２の領域Ａ及びＢは、領域幅がｄ／２により作成される。なおこのように矩形形状による第１及び第２の領域Ａ及びＢにより位相差層５Ｂをパターンニングして位相型回折格子を構成する代わりに、図４に示すように、帯状領域Ａ及びＢにより遅相軸方向が直交する領域を形成して１次元の位相型回折格子１５Ａ及び１５Ｂを構成するようにして、この１次元の位相型回折格子１５Ａ及び１５Ｂの積層により２次元の位相型回折格子１５を構成するようにしてもよい。
【００２８】
位相型回折格子５は、光配向材料による光配向材料膜が作製された後、いわゆる光配向の手法によりこの光配向材料膜に直線偏光による紫外線を照射して配向層５Ｃが形成される。ここでこの光配向材料膜に照射する紫外線は、その偏光の方向が領域Ａ及び領域Ｂで９０度異なるように設定される。なお光配向層に代えて、基材５Ａのラビング処理により配向層を作成してもよく、ラビング処理によるライン状微細凹凸形状を賦型処理により基材５Ａの表面に作成して配向層を作成してもよい。位相差層５Ｂは、この配向層５Ｃの配向規制力により紫外線硬化型液晶が配向した状態で固化（硬化）して作成される。
【００２９】
〔実験結果〕
〔実施例１〕
市販のスマートフォンによる情報携帯端末を使用して画像表示するヘッドマウントディスプレイ（Ｇｏｏｇｌｅ社Ｃａｒｄｂｏａｒｄ）に、ａｐｐｌｅ社のｉＰｈｏｎｅ（画素ピッチ３２６ｐｐｉ（画素サイズ０．０７８ｍｍ×０．０７８ｍｍ））を装着し、左目用レンズ側にピッチｄ＝２００μｍ、位相差値２７５ｎｍ（＝λ／２）の位相型回折格子を斜め４５度の角度により配置した。ここで配置位置は、画像表示パネル（液晶表示パネル）のパネル面（視聴者側面）から５ｍｍであり、（２１／２／４）（ｐｄ／２λ）＝Ｌの関係を概ね満足する位置である。
【００３０】
このヘッドマウントディスプレイにおいて、右目と左目とでそれぞれ表示画面を観察したところ、右目ではブラックマトリックスによる画素形状が見て取られ、画素によるざらつき感が知覚された。しかしながら左目では、ブラックマトリックスが薄くなって観察され、画素によるざらつき感を充分に抑圧することができた。
【００３１】
〔実施例２〕
実施例１で使用したヘッドマウントディスプレイに、ａｐｐｌｅ社のｉＰＡＤ２（画素ピッチ１３２ｐｐｉ（画素サイズ０．１９２ｍｍ×０．１９２ｍｍ））を装着し、左目用レンズ側にピッチｄ＝２００μｍ、位相差値２７５ｎｍ（＝λ／２）の位相型回折格子を斜め４５度の角度により配置した。ここで配置位置は、画像表示パネルのパネル面から１２ｍｍであり、（２１／２／４）（ｐｄ／２λ）＝Ｌの関係を概ね満足する位置である。
【００３２】
このヘッドマウントディスプレイにおいて、右目と左目とでそれぞれ表示画面を観察したところ、右目ではブラックマトリックスによる画素形状が見て取られ、画素によるざらつき感が知覚された。しかしながら左目では、ブラックマトリックスが薄くなって観察され、画素によるざらつき感を充分に抑圧することができた。
【００３３】
〔比較例１〕
実施例１の構成において、位相型回折格子の配置位置を変更した。ここで配置位置は、画像表示パネルのパネル面から１０ｍｍであり、（２１／２／２）（ｐｄ／２λ）＝Ｌの関係を概ね満足する位置である。
【００３４】
このヘッドマウントディスプレイにおいて、右目と左目とでそれぞれ表示画面を観察したところ、右目及び左目でほぼ同等にブラックマトリックスによる画素形状が見て取られ、画素によるざらつき感が知覚された。
【００３５】
〔比較例２〕
実施例２の構成において、位相型回折格子の配置位置を変更した。ここで配置位置は、画像表示パネルのパネル面から２４ｍｍであり、（２１／２／２）（ｐｄ／２λ）＝Ｌの関係を概ね満足する位置である。
【００３６】
このヘッドマウントディスプレイにおいて、右目と左目とでそれぞれ表示画面を観察したところ、右目及び左目でほぼ同等にブラックマトリックスによる画素形状が見て取られ、画素によるざらつき感が知覚された。
【００３７】
〔比較例３〕
実施例１の構成において、本願に係る位相型回折格子に代えて、均一な透明材質の厚みを周期的に可変して作製した位相型回折格子型を配置して比較例３のヘッドマウントディスプレイを構成した。なおこの位相型回折格子は、ピッチ２００μｍにより断面矩形形状による凹部を２次元配置したものであり、いわゆる凹凸のレリーフ面を備えた位相型回折格子である。
【００３８】
このヘッドマウントディスプレイでは、位相型回折格子表面の凹部と凸部とつなぐエッジ面が全反射で明るくなり、このエッジ面で発生した迷光がヘッドマウントディスプレイの筐体内を照らし、その結果、表示画面のコントラストが低下し、画質が劣化することが知覚された。
【００３９】
〔他の実施形態〕
以上、本発明の実施に好適な具体的な構成を詳述したが、本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上述の実施形態の構成を種々に変更することができる。
【００４０】
すなわち上述の実施形態では、配向層の配向規制力により液晶材料を固化して位相差層を作製する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば位相差層に光配向性の液晶ポリマーを適用することにより、直接、配向状態及び未配向状態で液晶材料を固化して位相差層を作製し、配向層を省略するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１    ヘッドマウントディスプレイ
２    情報携帯端末
２Ａ  画像表示パネル
３    ユーザ
４    光学系
５，１５、１５Ａ、１５Ｂ    位相型回折格子
５Ａ  基材
５Ｂ  位相差層
５Ｃ  配向層
７Ａ  カラーフィルタ
７Ｂ  ブラックマトリックス
【図１】
2016206512.tif 000003
【図２】
2016206512.tif 000004
【図３】
2016206512.tif 000005
【図４】
2016206512.tif 000006