JP5678460B2 - 頭部装着型ディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、観察者の頭部に装着され、画像（虚像）を表示する頭部装着型ディスプレイに関する。

近年、画像形成装置によって形成された２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるための虚像表示装置（画像表示装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、画像形成装置によって形成された２次元画像を虚像光学系により拡大虚像として観察者に観察させるために、ホログラム回折格子を用いた頭部装着型の画像表示装置も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

図１４は、観察者が眼鏡型の画像表示装置９０を装着している状態を示している。左側は正面図、右側は平面図である。画像表示装置９０は、画像を表示する左右の画像形成装置１１００Ｌ，１１００Ｒ、及び画像形成装置１１００Ｌ，１１００Ｒにて表示されている光が入射され、その光を観察者の瞳４１Ｌ，４１Ｒまで導く左右の導光手段（光学装置）１２００Ｌ，１２００Ｒを有する。画像形成装置１１００Ｌ，１１００Ｒ及び導光手段１２００Ｌ，１２００Ｒから構成された画像表示装置９０は、眼鏡型のフレーム１０１０に取り付けられている。観察者は、フレーム１０１０端部から延在するテンプル部１０１５を両耳にかけることにより、画像表示装置９０を観察者の頭部に装着する。

特開２００６−１６２７６７号公報 特開２００７−９４１７５号公報

しかし、観察者が画像表示装置９０を装着すると、図１４の右図に示したように、テンプル部１０１５が矢印Ａの方向に広がり、これに伴ってフレーム１０１０のフロント部１０１０ａが矢印Ｂの方向に変形する。このような現象が生じると、導光手段１２００Ｌ，１２００Ｒから出射される光によって生成される画像（虚像）の空間的な位置に変化が生じる。特に、両眼視タイプの頭部装着型のディスプレイの場合、このような現象により左右の画像の輻輳角が変化してしまう。その結果、予め調整された虚像までの空間的な距離に不整合が発生し、観察時、観察者に疲労が生じる。すなわち、図１４の右図に示したように、予め調整された左右の虚像の画面中心が交わる空間的な位置をＣ点とすると、フレーム１０１０のフロント部１０１０ａの変形に伴い、左右の虚像の画面中心が交わる空間的な位置がＤ点へ移動してしまい、結果的に輻輳角が増加してしまう。

このような課題を解決するために、フロント部１０１０ａの剛性を高めることも考えられるが、このような解決手段では、フレーム１０１０の断面積が増加したり、縦弾性係数の高い材料を用いる必要があり、その結果、フレーム１０１０の重量の増加、デザイン性の低下、コストの増加を招く恐れがある。

また、導光手段１２００Ｌ，１２００Ｒの全反射面に、傷や汚れが付くと、表示画像光の導光に部分的にロスや方位ずれが生じ、観察する画像を暗くしたり、解像力を落としたりといった品質劣化が発生する。

上記課題に対して、本発明の目的とするところは、観察者の頭部に装着されたときに生じるフレームの変形が、光学モジュールによって得られる画像と観察者の瞳との間の相対的な位置関係への影響を最小限に抑え、品質及びデザイン性の高い画像を表示する頭部装着型ディスプレイを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、観察者の頭部に装着される眼鏡型のフレームと、２つの画像生成装置と、前記２つの画像生成装置に一対一に連結され、全体として前記画像生成装置よりも観察者の顔の中心側に配置された２つの導光板を有し、前記画像生成装置から出射された光が入射され、導光され、観察者の瞳に向かって出射される２つの導光手段と、を有する２つの光学モジュールと、前記２つの導光手段を支持する光学板と、を備え、前記光学板は、前記フレームの中央部に取り付けられている頭部装着型ディスプレイが提供される。

前述のように、２つの画像生成装置をフレーム全体で支持すると、図１４に示したように、テンプル部１０１５が矢印Ａの方向に広がり、フレーム１０１０のフロント部１０１０ａが矢印Ｂの方向に変形する。この変形は、予め左右の虚像の画面中心が交わる空間的な位置をＣ点に調整したにもかかわらず、実際の空間的な位置をＤ点へ移動させてしまい、結果的に輻輳角を増加させてしまい、画像の劣化を招く。

しかしながら、かかる構成によれば、光学板が、２つの画像生成装置に連結された２つの導光板を支持した状態でフレームの中央部に取り付けられる。２つの画像生成装置は、全体として画像生成装置よりも観察者の顔の中心側に配置された２つの導光板に一対一に連結されている。これによれば、装着時、観察者の顔の外側に対称的に配置される２つの画像生成装置は、２枚の導光板を支持する光学板を通じてフレームの中央部に連結される。つまり、本発明に係る頭部装着型ディスプレイは、２枚の導光板の両側に位置する画像生成装置をフレームの中央部のみで支える構造になっている。

これによれば、２つの画像生成装置をフレーム全体で支持していないため、フレームのたわみが導光板の位置に影響を与えない。よって、光の導波路がずれない。これにより、左右の画像生成装置によって生成される画像の位置がずれてしまうことを回避でき、輻輳角をなくしてユーザに画像の違和感を与えることなく、品質を高い画像を快適に視聴してもらうことができる。以上から、本発明に係る頭部装着型ディスプレイによれば、観察者の頭部に装着されたときに生じるフレームの変形が、光学モジュールによって得られる画像と観察者の瞳との間の相対的な位置関係への影響を最小限に抑え、品質及びデザイン性の高い画像を提供することができる。

前記光学板は、フレーム取付部材を用いて前記フレームの中央部に固定されてもよい。

前記光学板の中央部は、補強材と接着層とを含む結合部材により補強されてもよい。

前記光学板は、前記２つの導光板の表面をカバーするように配置されてもよい。

前記光学板は、スペーサを含む接着層により前記２つの導光板に接着されてもよい。

前記光学板は、透明なガラスの平板であってもよい。

前記光学板は、レールを用いて前記２つの導光板のぞれぞれの周縁部分に連結されてもよい。

前記２つの導光手段は、前記２つの画像生成装置からそれぞれ出射された光を前記２つの導光板にてそれぞれ全反射を繰り返すことによりそれぞれ導光し、前記光学板は、前記２つの導光板の全反射面に接着されてもよい。

前記フレームの中央部は、それより外側の部分より厚く形成されてもよい。

前記２つの導光手段には、各導光板の入射側、出射側にそれぞれホログラム光学素子が配置されてもよい。

前記２つの導光板は、入射側内部に鏡を有し、出射側にハーフミラー膜を有してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、観察者の頭部に装着されたときに生じるフレームの変形が、光学モジュールによって得られる画像と観察者の瞳との間の相対的な位置関係への影響を最小限に抑え、品質及びデザイン性の高い画像を表示する頭部装着型ディスプレイを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの全体構成図である。 第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの斜視図（表側）である。 第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの斜視図（裏側）である。 第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの画像表示装置及び導光手段を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの全体構成図である。 第２実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの画像表示装置及び導光手段を説明するための図である。 第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの正面図である。 第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの平面図である。 第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの底面図である。 第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの右側面図である。 第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの左側面図である。 第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの背面図である。 第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの斜視図である。 従来の画像表示装置が眼鏡フレームに取り付けられた図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

なお、本発明の実施形態は次の順序で説明される。
＜第１実施形態＞
［頭部装着型ディスプレイの全体構成］
［支持方法］
［光学モジュールの構成及び動作］
＜第２実施形態＞
［頭部装着型ディスプレイの全体構成］
［光学モジュールの構成及び動作］

＜第１実施形態＞
［頭部装着型ディスプレイの全体構成］
まず、本発明の第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイについて、概念的に示した図１を参照しながら説明する。図１の下側は正面図、上側は平面図である。本実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０は、フレーム１００、光学モジュール２００Ｌ、２００Ｒ、光学板３００、結合部材４００及びノーズパッド５００を有している。

フレーム１００は、観察者の頭部に装着される眼鏡型のフレームである。フレーム１００は、観察者の正面に配置されるフロント部１００ａと、フロント部１００ａの両端に蝶番１００ｃを介して回動自在に取り付けられた２つのテンプル部１００ｂとから形成されていて、蝶番１００ｃを支点としてテンプル部１００ｂがフロント部１００ａに折りたたみ可能となっている。

本実施形態に係るフレーム１００は、リムがない点を除き、通常の眼鏡と概ね同じ構造を有する。フレーム１００を構成する材料は、金属や合金、プラスチック、これらの組み合わせといった、通常の眼鏡を構成する材料と同じ材料から構成される。

テンプル部１００ｂは、子供用や大人用等複数種類が用意されていて、取り付け換えることができる。たとえば、子供用のテンプル部１００ｂは、大人用のテンプル部１００ｂよりフロント部１００ａに対して角度が内側に傾斜するような形状になっている。これにより、子供でも装着感がよいように工夫されている。また、フロント部１００ａに対して上下の角度を変えるために形状の異なる複数種類のテンプル部１００ｂを取り付け換えることができる。たとえば、劇場の１階と２階とでは、観察者の見る角度が異なる。そこで、１階と２階とで上下の角度が異なるテンプル部１００ｂを取り付ける。これにより、１階と２階とで頭部装着型ディスプレイ１０に表示される字幕の位置を変えることができる。

光学モジュール２００Ｌ、２００Ｒは、左目用、右目用の虚像を生成し、それぞれの眼に向けて出射する。光学モジュール２００Ｌは、画像生成装置２１０Ｌ、及び導光板２２０Ｌを含む導光手段２３０Ｌを有している。画像生成装置２１０Ｌと導光板２２０Ｌとは、接着剤等により接合され、導光板２２０Ｌに対して画像生成装置２１０Ｌの位置がぶれないようになっている。

光学モジュール２００Ｒも同様に、画像生成装置２１０Ｒ、及び導光板２２０Ｒを含む導光手段２３０Ｒを有している。画像生成装置２１０Ｒと導光板２２０Ｒとは、接着剤等により接合され、導光板２２０Ｒに対して画像生成装置２１０Ｒの位置がぶれないようになっている。このようにして、画像生成装置２１０Ｌ、２１０Ｒは、全体として画像生成装置２１０Ｌ、２１０Ｒよりも観察者の顔の中心側に配置された導光板２２０Ｌ、２２０Ｒに一対一に連結されている。

導光手段２３０Ｌ、２３０Ｒは、画像生成装置２１０Ｌ、２１０Ｒから出射された光を導光板２２０Ｌ、２２０Ｒに入射し、導光板２２０Ｌ、２２０Ｒにてそれぞれ全反射を繰り返すことによりそれぞれ導光し、観察者の瞳に向かって出射させる。導光手段を含む光学モジュール２００Ｌ、２００Ｒの具体的構成及び動作については、後程説明する。

光学板３００は、透明なガラスの平板であり、強化ガラスから作製されている。本実施形態では、光学板３００は平板であるが、導光板２２０Ｌ，２２０Ｒが取り付け可能であれば平板である必要はない。光学板３００は、２つの導光手段２３０Ｌ、２３０Ｒを支持する。具体的には、光学板３００は、図示しない直径３０μｍ程度のビーズスペーサを含んだ接着剤を用いて、導光板２２０Ｌ，２２０Ｒの周辺部において光学板３００の裏面と導光板２２０Ｌ，２２０Ｒの表面とを接着する。これにより、光学板３００と導光板２２０Ｌ，２２０Ｒとに微小な空気層を形成しながら、光学板３００によって２つの導光板２２０Ｌ，２２０Ｒを支持する。２つの導光板２２０Ｌ，２２０Ｒのガラス表面は、内部全反射面として作用する必要があるため、このガラス表面は空気層にしておく必要がある。

結合部材４００は、観察者の２つの瞳の間に位置するフロント部１００ａの中央部分（通常の眼鏡におけるブリッジの部分に相当する）に取り付けられている。つまり、光学板３００は、結合部材４００を介してフロント部１００ａの中央部分に取り付けられる。結合部材４００は、光学板３００の中央部を補強する役割も担っている。具体的には、結合部材４００は、補強材としての金属プレートと接着層とを含み、接着層によって金属プレートと光学板３００の中央部とが接着される。

このように、この結合部材４００は、光学板３００の剛性を強めるためであり、かつ結合部材４００によって観察者の２つの瞳の間に位置するフレーム１００の中央部分に光学板３００を取りつけることができる。光学板３００は、例えばビスを用いてフレーム１００に取り付けられていてもよい。光学板３００は、フレーム取付部材４５０を用いてフレーム１００の中央部に固定される。結合部材４００及びフレーム取付部材４５０は一体化したステーとなっている。

フロント部１００ａの中央部分には、ノーズパッド５００が取り付けられている。具体的には、ノーズパッド５００は結合部材４００に取り付けられている。

なお、本実施形態では、導光板２２０Ｌ，２２０Ｒを挟んで光学板３００の反対側、すなわち、導光板２２０Ｌ，２２０Ｒの裏面にも導光板２２０Ｌ，２２０Ｒを保護するカバーガラス６００が設けられている。ただし、カバーガラス６００は、本実施形態の頭部装着型ディスプレイ１０に必須の構成要素ではなく、なくてもよい。

一方の画像生成装置には、例えばＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）に接続される配線７００が延びていて、ＰＣから画像生成装置２１０Ｒに画像データが送られるようになっている。一方の画像生成装置と他方の画像生成装置とは、光学板３００の上面に這わせたフレキシブル配線７５０により接続され、ＰＣから他方の画像生成装置にも画像データが送られるようになっている。なお、ＰＣと２つの画像生成装置２１０Ｌ，２１０Ｒとは無線によりデータ通信してもよい。

［支持方法］
本実施形態に係る眼鏡型の頭部装着型ディスプレイ１０は、フレーム１００の中央部分でのみ光学板３００を介して２つの光学モジュール２００Ｌ、２００Ｒを支持する構造となっている。そこで、次に、頭部装着型ディスプレイの支持方法について、図２及び図３を参照しながらより詳しく説明する。図２は、本実施形態に係る頭部装着型ディスプレイを表側から見た斜視図である。図３は、本実施形態に係る頭部装着型ディスプレイを裏側から見た斜視図である。

図２及び図３では、光学板３００、導光板２２０Ｌ，２２０Ｒ、カバーガラス６００が一体化されて、眼鏡部分を形成している。図２を見ると、フレーム１００のフロント部１００ａでは、光学板３００が取り付けられる中央部Ｐは、それより外側の部分Ｑより厚く形成されている。観察者がフレーム１００を頭部に装着する場合、通常フレーム１００の両端を開いて掛けることになるが、このとき応力がフレーム１００の中央部分に最も大きくかかる。そこで、破壊強度を上げるためにフレーム１００の中央部Ｐを厚くしている。これに対して、フレーム全体を厚くすると頭部装着型ディスプレイ１０が重くなってしまい装着時に掛けづらくなり使い勝手が悪い。そこで、フレーム１００の外側の部分Ｑは中央部Ｐより厚みがない構造としている。

頭部装着型ディスプレイ１０は、観察者の鼻の位置に対応してくぼみを有しているため、そのくぼみの近傍で光学板３００がひずみ易く破壊強度が弱くなる。そこで、光学板３００のくぼみにはレール８５０が取り付けられ、頭部装着型ディスプレイ１０の中央部分を補強するようになっている。

また、図３を参照すると、その際、光学板３００は、レール８５０を用いて光学板３００の裏面に接着された２つの導光板２２０Ｌ，２２０Ｒのぞれぞれの周縁部分、及びカバーガラス６００に連結される。同様にして、光学板３００は、その両端の外縁部においてもレール８００により補強され、２つの導光板２２０Ｌ，２２０Ｒのぞれぞれの周縁部分、及びカバーガラス６００に連結される。

前述のように、結合部材４００は、光学板３００の中央部にて光学板３００を補強する。具体的には、結合部材４００は、補強材としての矩形状の金属プレート４００ａと接着層とを含み、接着層によって金属プレート４００ａと光学板３００の中央部とが接着される。結合部材４００の形状は、任意であり、例えば、棒状、細長い板状を例示することができる。結合部材４００の材質としては、アルミニウム、マグネシウム、ステンレス、チタン、グラスファイバーカーボン等の金属や合金、プラスチック、これらの組み合わせが好ましい。結合部材４００には、ノーズパッド５００が取り付けられている。結合部材４００は、フレーム取付部材４５０に接合され、フレーム１００のフロント部１００ａに取り付けられている。

以上のように、本実施形態に係るかかる頭部装着型ディスプレイ１０によれば、そもそも頭部装着型ディスプレイ１０の中央部には鼻よけのくぼみがあって構造上弱い上、本実施形態では、フレーム１００の中央部分でのみ光学板３００を介して２つの光学モジュール２００Ｌ、２００Ｒを支持する構造となっている。このため、光学板３００の中央部でガラスが変形されやすく、応力は中央部分に集中する。そこで、金属プレート４００ａを光学板３００に貼りつけた結合部材４００やレール８５０等で破壊強度を高めている。

これに加えて、２つの光学モジュール２００Ｒ，２００Ｌの位置決めの精度を上げて所望の映像をきれいに見せるために、中央部分の合成、つまり弾性係数(ヤング率)を上げる工夫がなされている。例えば、カバーガラス６００の中央部の合成を上げるために、カバーガラス６００の中央部の材料を合成の高いものに変えたり、中央部だけ合成の高い材料を混入させて形成したり、カバーガラス６００の中央部にその他の部分より厚みを持たせることが好ましい。

［光学モジュールの構成及び動作］
次に、本実施形態に係る光学モジュール２００Ｌ、２００Ｒの構成及び動作について図４を参照しながら説明する。図４は、光学モジュール２００Ｌの概念図である。光学モジュール２００Ｒは、光学モジュール２００Ｌと左右対称に設けられているが、構造上は光学モジュール２００Ｌと同じであるため、ここでは説明を省略する。

光学モジュール２００Ｌは、画像生成装置２１０Ｌ及び導光手段２３０Ｌを有している。画像生成装置２１０Ｌは、画像形成部２１１及びコリメート光学系２１２を有している。画像形成部２１１及びコリメート光学系２１２は、筺体２１３（一点鎖線で示す）内に納められている。筺体２１３には、図示しない開口部が設けられていて、開口部を介してコリメート光学系２１２から光が出射される。筺体２１３は、導光手段２３０Ｌと接合されている。

画像形成部２１１は、２次元マトリクス状に配列された複数の画素を有している。コリメート光学系２１２は、画像形成部２１１の画素から出射された光を平行光とするように機能する。導光板２２０Ｌには、コリメート光学系２１２にて平行光とされた光が入射され、導光され、出射される。

画像形成部２１１は、光源２１１ａ、液晶表示装置（ＬＣＤ）２１１ｂ及び偏光ビームスプリッタ２１１ｃから構成されている。液晶表示装置（ＬＣＤ）２１１ｂ及び偏光ビームスプリッタ２１１ｃは、反射型空間光変調部を形成する。液晶表示装置（ＬＣＤ）２１１ｂは、ライト・バルブとしてのＬＣＯＳからなる。偏光ビームスプリッタ２１１ｃは、光源２１１ａから出射された光の一部を反射して液晶表示装置２１１ｂへと導き、かつ液晶表示装置２１１ｂによって反射された光の一部を通過させてコリメート光学系２１２へと導く。

液晶表示装置２１１ｂは、２次元マトリクス状に配列された複数の画素を有している。偏光ビームスプリッタ２１１ｃは、周知の構成、構造を有する。光源２１１ａから出射された無偏光の光は、偏光ビームスプリッタ２１１ｃに衝突する。その際、光のＰ偏光成分は偏光ビームスプリッタ２１１ｃを通過し、系外に出射される。一方、光のＳ偏光成分は偏光ビームスプリッタ２１１ｃにて反射され、液晶表示装置２１１ｂに入射し、液晶表示装置２１１ｂの内部で反射され、液晶表示装置２１１ｂから出射される。

ここで、液晶表示装置２１１ｂから出射された光のうち、「白」を表示する画素から出射した光にはＰ偏光成分が多く含まれ、「黒」を表示する画素から出射した光にはＳ偏光成分が多く含まれる。従って、液晶表示装置２１１ｂから出射され、偏光ビームスプリッタ２１１ｃに衝突する光のうち、Ｐ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２１１ｃを通過し、コリメート光学系２１２へと導かれる。一方、Ｓ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２１１ｃにおいて反射され、光源２１１ａに戻される。

液晶表示装置２１１ｂとしては、例えば、２次元マトリクス状に配列された３２０×２４０個の画素（液晶セルの数は画素数の３倍）を有している。例えば、コリメート光学系２１２は、例えば、凸レンズから構成され、平行光を生成させるために、コリメート光学系２１２における焦点距離の位置に液晶表示装置２１１ｂが配置されている。また、１画素は、赤色を出射する赤色発光副画素、緑色を出射する緑色発光副画素、及び青色を出射する青色発光副画素から構成される。

導光手段２３０Ｌは、導光板２２０Ｌ、第１偏向手段２４０及び第２偏向手段２５０を有している。入射された光は、導光板２２０の内部を全反射しながら伝播し、出射される。

第１偏向手段２４０は、導光板２２０Ｌに入射された光が導光板２２０Ｌの内部で全反射されるように導光板２２０Ｌに入射された光を反射させる。

第１偏向手段２４０は、例えば、アルミニウムや合金を含む金属から構成され、導光板２２０Ｌに入射された光を反射させる光反射膜（一種のミラー）や、導光板２２０Ｌに入射された光を回折させる回折格子（例えば、ホログラム回折格子膜）から構成することができる。

第２偏向手段２５０は、導光板２２０Ｌの内部を全反射しながら伝播した光を、複数回に亙り透過及び反射させる構成となっている。第２偏向手段２５０は、例えば、多層積層構造を有する光反射多層膜から構成され、導光板２２０Ｌから複数の光として出射させる。このような構成にあっては、入射側内部に鏡を有し、出射側にハーフミラー膜を有し、第１偏向手段２４０は、反射鏡として機能し、第２偏向手段２５０は、半透過鏡として機能する。

第２偏向手段２５０は、誘電体積層膜が多数積層された多数積層構造体や、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタ、ホログラム回折格子膜から構成することができる。誘電体積層膜は、例えば、高誘電率材料としてのＴｉＯ_２膜、及び低誘電率材料としてのＳｉＯ_２膜から形成されている。誘電体積層膜が多数積層された多数積層構造体に関しては、特表２００５−５２１０９９に開示されている。図面においては６層の誘電体積層膜を図示しているが、これに限定するものではない。誘電体積層膜と誘電体積層膜との間には、導光板２２０Ｌを構成する材料と同じ材料からなる薄片が挟まれている。

なお、第１偏向手段２４０においては、導光板２２０Ｌに入射された平行光が導光板２２０Ｌの内部で全反射されるように、導光板２２０Ｌに入射された平行光が反射（又は回折）される。一方、第２偏向手段２５０においては、導光板２２０Ｌの内部を全反射により伝播した平行光が複数回に亙り、反射（又は回折）され、導光板２２０Ｌから平行光の状態で出射される。

第１偏向手段２４０は、導光板２２０Ｌの第１偏向手段２４０を設ける部分２４０ａを切り出すことにより、導光板２２０Ｌに第１偏向手段２４０を形成する斜面を設け、係る斜面に光反射膜を真空蒸着した後、導光板２２０Ｌの切り出した部分２４０ａを第１偏向手段２４０に接着すればよい。また、第２偏向手段２５０は、導光板２２０Ｌを構成する材料と同じ材料（例えば、ガラス）と誘電体積層膜（例えば、真空蒸着法にて成膜することができる）とが多数積層された多層積層構造体を作製し、導光板２２０Ｌの第２偏向手段２５０を設ける部分Ｓを切り出して斜面を形成し、係る斜面に多層積層構造体を接着、研磨等を行って、外形を整えればよい。これにより、導光板２２０Ｌの内部に第１偏向手段２４０及び第２偏向手段２５０が設けられた導光手段２３０Ｌが形成される。

導光板２２０Ｌは、導光板の軸線（Ｙ方向）と平行に延びる２つの平行面（第１面Ｆ及び第２面Ｒ）を有している。第１面Ｆと第２面Ｒとは対向している。ここで、光が入射する導光板２２０Ｌの面を導光板入射面、光が出射する導光板２２０Ｌの面を導光板出射面としたとき、第１面Ｆによって導光板入射面及び導光板出射面が構成されていてもよいし、第２面Ｒによって導光板入射面及び導光板出射面が構成されていてもよい。ここでは、光入射面に相当する第１面Ｆから平行光が入射され、内部を全反射により伝播した後、光出射面に相当する第２面Ｒから出射される。

導光板２２０Ｌを構成する材料としては、石英ガラスやＢＫ７等の光学ガラスを含むガラスや、プラスチック材料（例えば、ＰＭＭＡ，ポリカーボネート樹脂、アクリル系樹脂、非晶性のポリプロピレン系樹脂、ＡＳ樹脂を含むスチレン系樹脂）を挙げることができる。導光板２２０Ｌの形状は、平版に限定するものではなく、湾曲した形状を有していてもよい。

以上の構成から、頭部装着型ディスプレイ１０に設けられた導光手段２３０Ｌ、２３０Ｒは、画像生成装置２１０Ｌ、２１０Ｒからそれぞれ出射された光を導光板２２０Ｌ、２２０Ｒにてそれぞれ全反射を繰り返すことによりそれぞれ導光する。光学板３００は、導光板２２０Ｌ、２２０Ｒの全反射面に接着される。導光板２２０Ｌ、２２０Ｒを伝播する光は、全反射しながら導波していくため、導光板２２０Ｌ、２２０Ｒに傷や汚れがあると導波が止まるか光路がずれてしまう。このため、光学板３００は、導光板２２０Ｌ、２２０Ｒを保護するとともに、導光板２２０Ｌ、２２０Ｒの表面に傷や汚れを付けないようにして、導光板２２０Ｌ、２２０Ｒにて確実に全反射が行われるようにするために必須の構成要件である。同様に、光学板３００と導光板２２０Ｌ、２２０Ｒとの間に空気層を設けたのも、空気層により確実に光を全反射させるためである。

第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０のより具体的な形状を描いた図を、図７〜図１３に示す。図７は、頭部装着型ディスプレイ１０の正面図、図８は平面図、図９は底面図、図１０は右側面図、図１１は左側面図、図１２は背面図、図１３は斜視図を示す。これらの図７〜図１３に示した頭部装着型ディスプレイ１０は意匠の創作としても捉えることができる。ここで、意匠に係る物品としては、意匠法施行規則別表第一に掲げる物品の区分と同程度の物品の区分でいうところの「データ表示機」に相当する。

また、当該意匠に係る物品の説明としては、次のように説明することもできる。すなわち、当該意匠に係る物品は、観察者の頭部に装着される眼鏡型のフレームと光学モジュールと光学板とを備えた頭部装着型ディスプレイである。

さらに、当該意匠に係る物品は、ノーズパッドがスライド式で上下に可動する可動式であってもよい。この場合には、眼鏡の装着者と非装着者の両者に対応できる。すなわち、ノーズパッドを上下に調整することにより、眼鏡をかけていない観測者が頭部装着型ディスプレイ１０を装着することに対応可能なだけでなく、観測者が眼鏡をかけたままその上に頭部装着型ディスプレイを重ねて装着することにも対応可能である。

以上、第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０について説明した。図１４に示したように、２つの光学モジュール２００Ｌ、２００Ｒをフレーム全体で支持すると、テンプル部１０１５が矢印Ａの方向に広がり、フレーム１００のフロント部１０１０ａが矢印Ｂの方向に変形する。この変形は、予め左右の虚像の画面中心が交わる空間的な位置をＣ点に調整したにもかかわらず、実際の空間的な位置をＤ点へ移動させてしまい、結果的に輻輳角を増加させてしまう。

しかしながら、第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０によれば、光学板３００が２つの画像生成装置２１０Ｌ，２１０Ｒに連結された２つの導光板２２０Ｌ、２２０Ｒを支持した状態でフレーム１００の中央部に取り付けられる。２つの画像生成装置２１０Ｌ、２１０Ｒは、全体として当該画像生成装置２１０Ｌ、２１０Ｒよりも観察者の顔の中心側に配置された２つの導光板２２０Ｌ、２２０Ｒに一対一に連結されている。このため、当該画像生成装置２１０Ｌ、２１０Ｒは、装着時、観察者の顔の外側に対称的に配置される。２つの画像生成装置２１０Ｌ、２１０Ｒは、２枚の導光板２２０Ｌ、２２０Ｒを支持する光学板３００を通じてフレーム１００の中央部Ｐに連結される。つまり、２枚の導光板２２０Ｌ、２２０Ｒの両側に位置する画像生成装置２１０Ｌ、２１０Ｒをフレーム１００の中央部Ｐのみで支える構造になっている。

これによれば、フレーム１００のたわみを最小限にし、かつたわみが生じたとしてもそのたわみの左右の差が影響を及ぼさないように、中央部分で光学モジュール２００Ｌ、２００Ｒを支持する。よって、装着時のフレーム１００のたわみが導光板２２０Ｌ、２２０Ｒの位置に影響を与えない。よって、光の導波路がずれない。従って、観察者がフレーム１００を頭部に装着したとき、テンプル部１００ｂが外側に向かって広がった状態となり、その結果、フレームが変形したとしても、係るフレームの変形によって、導光手段２３０Ｌ，２３０Ｒに変位（位置変化）が生じることがないか、生じたとしても極僅かである。それゆえ、左右の画像の輻輳角が変化してしまうことを確実に防止することができる。この結果、ユーザに快適に画像を視聴してもらうことができる。さらに、フレーム１００のフロント部１００ａの剛性を高める必要がないため、コストの増加を招くことなくフレームの重量増加を抑え、高いデザイン性、意匠性を有する構造の頭部装着型ディスプレイ１０を提供することができる。

＜第２実施形態＞
［頭部装着型ディスプレイの全体構成］
次に、本発明の第２実施形態に係る頭部装着型ディスプレイの全体構成について説明する。第２実施形態は、第１実施形態の変形例である。図５に示したように、第２実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０では、第１偏向手段２８０Ｌ、２８０Ｒ及び第２偏向手段２８５Ｌ、２８５Ｒは、導光板２２０Ｌ，２２０Ｒの表面に配設されている点で、導光板２２０Ｌ，２２０Ｒの切り出した部分に第１偏向手段２４０及び第２偏向手段２５０を形成した第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０と異なる。よって、この相異点を中心に第２実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０について説明する。

図５の上側の頭部装着型ディスプレイ１０の平面図に示したように、導光板２２０Ｌ，２２０Ｒの光学板側の表面には、各導光板の入射側、出射側にそれぞれ第１偏向手段２８０Ｌ、２８０Ｒ及び第２偏向手段２８５Ｌ、２８５Ｒとして、フィルム状のホログラム光学素子が張り付けられている。

本実施形態では、導光板２２０Ｌ，２２０Ｒの裏面にカバーガラス６００は設けられていない。このように、第２実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０にはカバーガラス６００はあってもなくてもよい。一方、第２実施形態では、特に、光学板３００は必須の構成要件である。その理由としては、本実施形態では、導光板２２０Ｌ，２２０Ｒの表面に張られたホログラム（フィルム）が非常に弱いため、これを光学板３００で保護する必要があるためである。

第１偏向手段２８０Ｌ、２８０Ｒは、導光板２２０Ｌ、２２０Ｒに入射された光を回折し、第２偏向手段２８５Ｌ、２８５Ｒは、導光板２２０Ｌ、２２０Ｒの内部を全反射により伝播させた光を、複数回に亙り回折する。ここで、第１偏向手段２８０Ｌ、２８０Ｒ及び第２偏向手段２８５Ｌ、２８５Ｒは、回折格子素子、具体的には反射型回折格子素子、より具体的には、反射型体積ホログラム回折格子からなる。以下の説明において、反射型体積ホログラム回折格子からなる第１偏向手段２８０Ｌ、２８０Ｒを、便宜上、「第１回折格子部材２８０ｌ、２８０ｒ」と呼び、反射型体積ホログラム回折格子からなる第２偏向手段２８０Ｌ、２８０Ｒを、便宜上、「第２回折格子部材２８５ｌ、２８５ｒ」と呼ぶ。

そして、本実施形態では、第１回折格子部材２８０ｌ、２８０ｒ及び第２回折格子部材２８５ｌ、２８５ｒを、異なるＰ種類（具体的に、Ｐ＝３であり、赤色、緑色、青色の３種類）の波長帯域（あるいは波長）を有するＰ種類の光の回折反射に対応させるために、反射型体積ホログラム回折格子からなるＰ層の回折格子層が積層された構成となっている。

第１回折格子部材及び第２回折格子部材の材料としては、フォトポリマー材料を挙げることができる。反射型体積ホログラム回折格子からなる第１回折格子部材及び第２回折格子部材の構成材料や基本的な構造は、従来の反射型体積ホログラム回折格子の構成材料や構造と同様である。ここで、反射型体積ホログラム回折格子とは、＋１次の回折光のみを回折反射するホログラム回折格子を意味する。回折格子部材には、その内部から表面に亙り干渉縞が形成されているが、係る干渉縞それ自体の形成方法は、従来の形成方法と同じとすればよい。具体的には、例えば、回折格子部材を構成する部材（例えば、フォトポリマー材料）に対して一方の側の第１の所定の方向から物体光を照射し、同時に回折格子部材を構成する部材に対して他方の側の第２の所定の方向から参照光を照射し、物体光と参照光とによって形成される干渉縞を、回折格子部材を構成する部材の内部に記録すればよい。第１の所定の方向、第２の所定の方向、物体光及び参照光の波長を適切に選択することにより、回折格子部材の表面における干渉縞の所望のピッチ、干渉縞の所望の傾斜角（スラント角）を得ることができる。ここで、干渉縞の傾斜角とは、回折格子部材（または、回折格子層）の表面と干渉光のなす角度を意味する。

第１回折格子部材及び第２回折格子部材を、反射型体積ホログラム回折格子からなるＰ層の回折格子層の積層構造から構成する場合、このような回折格子層の積層は、Ｐ層の回折格子層をそれぞれ別個に作製した後、Ｐ層の回折格子層を、例えば、紫外線硬化型接着剤を使用して積層（接着）すればよい。また、粘着性を有するフォトポリマー材料を用いて１層の回折格子層を作製した後、その上に順次粘着性を有するフォトポリマー材料を貼り付けて回折格子層を作製することにより、Ｐ層の回折格子層を作製してもよい。

第１回折格子部材２８０ｌ、２８０ｒ及び第２回折格子部材２８５ｌ、２８５ｒは、赤色の光を回折反射する回折格子層と、緑色の光を回折反射する回折格子層と、青色の光を回折反射する回折格子層とが積層された構造を有していてもよい。

［光学モジュールの構成及び動作］
次に、本実施形態に係る光学モジュール２００Ｌ、２００Ｒの構成及び動作について図６を参照しながら説明する。図６は、光学モジュール２００Ｌの概念図である。本実施形態においても、光学モジュール２００Ｒは、光学モジュール２００Ｌと左右対称に設けられているが、構造上は光学モジュール２００Ｌと同じであるため、ここでは説明を省略し、光学モジュール２００Ｌの構成及び動作についてのみ説明する。

図６では、第１回折格子部材２８０ｌ及び第２回折格子部材２８５ｌを１層で示した。なお、各回折格子層には１種類の波長帯域に対応する干渉縞が形成されている。また、異なるＰ種類の波長帯域を有するＰ種類の光の回折反射に対応するために、１層の回折格子層からなる第１回折格子部材及び第２回折格子部材にＰ種類の干渉縞が形成される構成とすることもできる。また、画角を例えば３等分して第１回折格子部材及び第２回折格子部材を、各画角に対応する回折格子層が積層された構成とすることもできる。このような構成を採用することにより、各波長帯域（又は、波長）を有する光が第１回折格子部材２８０ｌ及び第２回折格子部材２８５ｌにおいて回折反射されるときの回折効率の増加、回折受容角の増加、回折角の最適化を図ることができる。

図６（ｂ）に反射型体積ホログラム回折格子の拡大した模式的な一部断面図を示す。反射型体積ホログラム回折格子には、傾斜角φを有する干渉縞が形成されている。ここで、傾斜角φとは、反射型体積ホログラム回折格子の表面と干渉縞のなす角度を指す。干渉縞は、反射型体積ホログラム回折格子の内部から表面に亙って形成される。干渉縞は、ブラッグ条件を満たしている。ここで、ブラッグ条件とは、以下の式（１）を満足する条件を指す。

ｍ・λ＝２・ｄ・ｓｉｎ（Θ）・・・・（１）
式（１）中、ｍは正の整数、λは波長、ｄは格子面のピッチ（干渉縞を含む仮想平面の法線方向の間隔）、Θは干渉縞へ入射する角度の補角を意味する。また、入射角ψにて回折格子部材に光が侵入した場合の、補角Θ、傾斜角φ、入射角ψの関係は、式（２）の通りである。
Θ＝９０°−（φ＋ψ）・・・・（２）

第１回折格子部材２８０ｌは、前述の通りフィルムであり、導光板２２０Ｌの第２面Ｒに張り付けられている。第２回折格子部材２８５ｌも、前述の通りフィルムであり、導光板２２０Ｌの第１面Ｆに張り付けられている。第２面Ｒから導光板２２０Ｌに入射された平行光は、導光板２２０Ｌの内部を全反射により伝播し、複数回、回折反射し、導光板２２０Ｌの第２面Ｒから平行光のまま出射する。

そして、導光板２２０Ｌにあっても、赤色、緑色及び青色の３色の平行光が内部を全反射により伝播した後、出射される。このとき、導光板２２０Ｌが薄く導光板２２０Ｌの内部を進行する光路が長いため、各画角によって第２回折格子部材２８５ｌに至るまでの全反射回数は異なっている。より詳細に述べれば、導光板２２０Ｌに入射する平行光のうち、第２回折格子部材２８５ｌに近づく方向の角度をもって導光板２２０Ｌに入射する平行光の反射回数は、第２回折格子部材２８５ｌから離れる方向の角度をもって導光板２２０Ｌに入射する平行光の反射回数よりも少ない。これは、第１回折格子部材２８０ｌにおいて回折反射される平行光であって、第２回折格子部材２８５ｌに近づく方向の角度をもって導光板２２０Ｌに入射する平行光の方が、これと逆方向の角度をもって導光板２２０Ｌに入射する平行光よりも、導光板２２０Ｌの内部を伝播していく光が導光板２２０Ｌの内面と衝突するときの導光板２２０Ｌの法線となす角度が小さくなるからである。また、第２回折格子部材２８５ｌの内部に形成された干渉縞の形状と、第１回折格子部材２８０ｌの内部に形成された干渉縞の形状とは、導光板２２０Ｌの軸線に垂直な仮想面に対して対称な関係にある。

本実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０においても、２つの導光板２２０Ｌ，２２０Ｒを結合する光学板３００が設けられている。光学板３００には、その中央部にアルミ製の結合部材４００が貼り付けられている。この結合部材４００は、光学板３００の剛性を強めるためである。結合部材４００及び図示しないフレーム取付部材によって観察者の２つの瞳の間に位置するフレーム１００の中央部分に光学板３００及び光学モジュール２００Ｌ、２００Ｒを取りつけることができる。光学板３００は、例えばビス又は接着剤を用いてフレーム１００に取り付けられている。

光学モジュール２００Ｌ、２００Ｒの画像生成装置２１０Ｌ、２１０Ｒは、観察者の瞳よりも外側に位置している。２つの導光板２２０Ｌ、２２０Ｒと光学板３００とは、図示しない直径３０μｍ程度のビーズスペーサを介して２つの導光板２２０Ｌ，２２０Ｒの周辺部において接着されている。これは、２つの導光板２２０Ｌ，２２０Ｒのガラス表面は、内部全反射面として作用する必要があるため、このガラス表面は空気層にしておく必要があるためである。これにより、導光板は２２０Ｌ，２２０Ｒの表面に貼り付けられた入射側ホログラム（第１回折格子部材２８０ｌ、２８０ｒ）及び出射側ホログラム（第２回折格子部材２８５ｌ、２８５ｒ）を保護することができる。

フレーム１００は、観察者の正面に配置されるフロント部１００ａと、フロント部１００ａの両端に蝶番１００ｃを介して回動自在に取り付けられた２つのテンプル部１００ｂとから構成される。光学板３００は、アルミ製の結合部材４００を介して観察者の２つの瞳の間に位置するフロント部１００ａの中央部分に取り付けられている。フロント部１００ａの中央部分には、ノーズパッド５００が取り付けられている。

前述したとおり、第２実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０のその他の基本的構成は、第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０と同様であるため、説明を省略する。

以上に説明したように、第２実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０の構成によれば、第１実施形態に係る頭部装着型ディスプレイ１０と同様に、観察者がフレームを頭部に装着したとき、テンプル部１００ｂが外側に向かって広がった状態となり、その結果、フレームが変形したとしても、係るフレームの変形によって、導光手段の変位（位置変化）が生じることがないか、生じたとしても極僅かである。それゆえ、左右の画像の輻輳角が変化してしまうことを確実に防止することができる。この結果、ユーザに快適に画像を視聴してもらうことができる。さらに、フレーム１００のフロント部１００ａの剛性を高める必要がないため、コストの増加を招くことなくフレームの重量増加を抑え、高いデザイン性、意匠性を有する構造の頭部装着型ディスプレイ１０を提供することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、各実施形態において説明した頭部装着型ディスプレイの構成、構造は例示であり、適宜変更することができる。一例としては、導光板に表面レリーフ面型ホログラム（米国特許第２００４００６２５０５Ａ１参照）を配置してもよい。

第２実施形態に係る導光手段２３０Ｌ，２３０Ｒに対しては、回折格子素子を透過型回折格子素子から構成することもできる。あるいは、第１偏向手段及び第２偏向手段のうちのいずれか一方を反射型回折格子素子から構成し、他方を透過型回折格子素子から構成することもできる。あるいは、回折格子素子を反射型ブレーズド回折格子素子とすることもできる。

第１及び第２実施形態の変形例として、例えば、半導体発光素子が２次元マトリクス状に配列された発光パネルからなり、半導体発光素子のそれぞれの発光／非発光状態を制御することにより、半導体発光素子の発光状態を直接的に視認させることで画像を表示する、アクティブマトリクスタイプの画像形成部とすることもできる。この場合にも、画像形成部から出射される光は、コリメート光学系を介して導光板に入射される。

画像形成部は、赤色発光素子、緑色発光素子、青色発光素子のそれぞれの発光／非発光状態を制御するカラー表示用の画像形成を行ってもよい。この場合にも、画像形成部から出射される光は、コリメート光学系を介して導光板に入射される。

１０ 頭部装着型ディスプレイ
１００ フレーム
１００ａ フロント部
１００ｂ テンプル部
２００Ｌ、２００Ｒ 光学モジュール
２１０Ｌ、２１０Ｒ 画像生成装置
２１１ 画像形成部
２１１ａ 光源
２１１ｂ 液晶表示装置
２１２ コリメート光学系
２２０Ｌ、２２０Ｒ 導光板
２３０Ｌ、２３０Ｒ 導光手段
２４０、２８０Ｌ、２８０Ｒ 第１偏向手段
２５０、２８５Ｌ、２８５Ｒ 第２偏向手段
２８０ｌ、２８０ｒ 第１回折格子部材
２８５ｌ、２８５ｒ 第２回折格子部材
３００ 光学板
４００ 結合部材
４５０ フレーム取付部材
５００ ノーズパッド
６００ カバーガラス
８００，８５０ レール

Claims (9)

1. 観察者の頭部に装着される眼鏡型のフレームと、
   ２つの画像生成装置と、前記２つの画像生成装置に一対一に連結され、全体として前記画像生成装置よりも観察者の顔の中心側に配置された２つの導光板を有し、前記画像生成装置から出射された光が入射され、導光され、観察者の瞳に向かって出射される２つの導光手段と、を有する２つの光学モジュールと、
   前記２つの導光手段を支持する光学板と、を備え、
   前記光学板は、補強材と接着層とを含む結合部材を介して前記フレームの中央部に取り付けられ、前記光学板の中央部は、前記接着層により前記補強材と接着されることによって補強される頭部装着型ディスプレイ。
2. 前記光学板は、前記結合部材と一体化したステーであるフレーム取付部材を用いて前記フレームの中央部に固定される請求項１に記載の頭部装着型ディスプレイ。
3. 前記光学板は、装着時における前記観察者と反対側の前記２つの導光板の表面全体をカバーするように配置される請求項１または２のいずれか１項に記載の頭部装着型ディスプレイ。
4. 前記光学板は、スペーサを含む接着層により前記２つの導光板に接着される請求項１〜３のいずれか１項に記載の頭部装着型ディスプレイ。
5. 前記光学板は、透明なガラスの平板である請求項１〜４のいずれか１項に記載の頭部装着型ディスプレイ。
6. 前記２つの導光手段は、前記２つの画像生成装置からそれぞれ出射された光を前記２つの導光板にてそれぞれ全反射を繰り返すことによりそれぞれ導光し、
   前記光学板は、前記２つの導光板の全反射面に接着される請求項１〜５のいずれか１項に記載の頭部装着型ディスプレイ。
7. 前記フレームの中央部は、それより外側の部分より厚く形成される請求項１〜６のいずれか１項に記載の頭部装着型ディスプレイ。
8. 前記２つの導光手段には、各導光板の入射側、出射側にそれぞれホログラム光学素子が配置されている請求項１〜７のいずれか１項に記載の頭部装着型ディスプレイ。
9. 前記２つの導光板は、入射側内部に鏡を有し、出射側にハーフミラー膜を有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の頭部装着型ディスプレイ。
   

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