(57)【要約】      （修正有）【課題】輻輳調節矛盾に起因する視覚疲労を被ることなく立体像を視ることが可能なヘッドマウントディスプレイディスプレイを提供する。【解決手段】ＨＭＤ１０は、１つの元画像をシフトすることにより複数の視差画像を画面上に生成する画像生成装置１３、画面上に生成される画像の虚像を複数の視点のそれぞれから観察可能にする結像装置１１ａ，１１ｂ、及び画像生成装置を制御して複数の視差画像を順次画面上に生成するとともに、この視差画像の虚像を複数の視点のうちの対応する視点から観察可能にする制御装置を備え、複数の視点の間隔はユーザの瞳孔径より小さいとする。複数の視差画像をそれぞれアイボックス内の異なる視点を介して映し出すことで、各視点を介して視ることのできる複数の視差画像のそれぞれについて被写界深度が拡大し、それによって輻輳性調節に応じて眼のピントが自然に立体像に合うようになり、視覚疲労を軽減することができる。【選択図】図１
2020118963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の視差画像を一面上に生成する画像生成装置と、
前記一面上に生成される画像の虚像を、ユーザの少なくとも一方の眼のアイボックス内に配列される複数の視点のそれぞれから観察可能にする結像装置と、
前記画像生成装置を制御して前記複数の視差画像を順次、前記一面上に生成するとともに、該一面上に生成された視差画像の虚像を前記結像装置を制御して前記複数の視点のうちの対応する視点から観察可能にする制御装置と、
を備えるヘッドマウントディスプレイ。
【請求項２】
前記結像装置は、前記一面を介して、前記アイボックス内の複数の視点にそれぞれ光を送る複数の光源を有し、
前記制御装置は、前記結像装置を制御して前記複数の光源を順次、点灯するとともに、該光源の点灯と同期して、前記画像生成装置を制御して前記複数の視差画像を順次、前記一面上に生成する、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】
前記制御装置は、前記結像装置を制御して前記複数の光源から選択される一部の光源を順次、点灯する、請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項４】
前記結像装置は、前記一面を介して、前記アイボックス内の複数の視点に光を送る共通の光源及び前記アイボックス内又は近傍に配置されて前記共通の光源からの光を遮断する複数のシャッタを有し、
前記制御装置は、前記結像装置を制御して前記複数のシャッタを順次、開放するとともに、該シャッタの開放と同期して、前記画像生成装置を制御して前記複数の視差画像を順次、前記一面上に生成する、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項５】
前記結像装置は、前記一面を介して、前記アイボックス内の複数の視点に光を送る共通の光源、該光源の光を前記複数の視点のうちのいずれかに集光する少なくとも１つの光学素子、並びに前記共通の光源及び前記光学素子のうちの少なくとも１つを主視線に交差する方向に移動する第１の駆動装置を有し、
前記制御装置は、前記第１の駆動装置を制御して前記共通の光源及び前記光学素子のうちの少なくとも１つをユーザが画像のちらつきを感じない速度で移動するとともに、該移動と同期して、前記画像生成装置を制御して前記複数の視差画像を順次、前記一面上に生成する、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項６】
前記複数の視差画像は、元画像を、前記複数の視点のそれぞれの位置に応じて前記一面に平行な少なくとも一軸方向にシフトして生成される、請求項１から５のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項７】
前記画像生成装置は、前記元画像を表示する画面を、前記一面に平行な少なくとも一軸方向に移動する第２の駆動装置を含む、請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項８】
前記第２の駆動装置は、前記画面を縦方向及び横方向にそれぞれ移動する２つの駆動装置を含み、前記横方向の移動ストロークは前記縦方向の駆動ストロークより長い、請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項９】
前記画像生成装置は、電界を印加することで前記一面に平行な少なくとも一軸方向に光路シフトする液晶パネルにより元画像を前記一面に平行な少なくとも一軸方向にシフトする、請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１０】
前記複数の視点の間隔は、前記ユーザの瞳孔径より小さい、請求項１から９のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１１】
前記結像装置は、前記複数の視差画像の虚像をそれぞれユーザの左眼及び右眼の一方のアイボックス内に配列される複数の視点から観察可能にする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１２】
前記画像生成装置は、さらに、別の複数の視差画像を前記一面に生成し、
前記結像装置は、さらに、前記一面上に生成される画像の虚像を、ユーザの他方の眼のアイボックス内に配列される別の複数の視点のそれぞれから観察可能にし、
前記制御装置は、さらに、前記画像生成装置を制御して前記別の複数の視差画像を順次、前記一面上に生成するとともに、該一面上に生成された視差画像の虚像を前記結像装置を制御して前記別の複数の視点のうちの対応する視点から観察可能にする、請求項１から１０のいずれか一項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】
近年、仮想現実（ＶＲ）技術及び拡張現実（ＡＲ）技術の研究開発が進み、医療、設計などのプロフェッショナル分野からゲーム、娯楽などの一般コンシューマ分野までの幅広い分野における利用が期待されるようになった。ＶＲ技術及びＡＲ技術では、頭部に装着するディスプレイ装置であり、左右の眼のそれぞれに対応する視差画像を虚像として表示することでユーザに対して立体像を映し出すヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）が使用される（例えば、特許文献１参照）。なお、このように左右の眼に対応する視差画像を表示する立体表示方式を二眼式立体表示（単に、二眼表示とも呼ぶ）と呼ぶ。ＨＭＤでは、特に画角が大きい広角な立体像を表示することにより、ユーザに高い没入感を与えることができる。
【０００３】
二眼式立体表示では、輻輳調節矛盾に起因する視覚疲労により長時間の利用が妨げられ、若年者の利用が制限されるという問題がある（例えば、特許文献２参照）。ここで、輻輳は、注視点が網膜の中心にくるように左右の眼球が回転したとき、眼球の回転角情報より三角測量の原理で奥行きを知覚する。調節は、人間の眼は注視点に対して自動的にピントを合わせるが、眼のピント合わせ情報より奥行きを知覚する。左右の眼に対応した視差画像を表示面に表示すると、左右の眼球が回転して立体像を捉えることで輻輳により立体像の奥行きを正しく知覚する一方、両眼のピントは視差画像を表示している表示面に合うため調節によっては立体像の奥行きを正しく知覚することができない。輻輳と調節の間には相互作用があり輻輳により知覚した奥行きに眼のピントを誘導する輻輳性調節と呼ばれる作用があるが、これが二眼式立体表示による立体像に対しては機能できない。このように、輻輳と調節との間の矛盾により視覚疲労が生じると言われている。ＶＲ技術及びＡＲ技術においては、虚像を数ｍ先から無限遠までの遠方に結像し、立体像を近方の手作業空間に表示して立体像をインタラクティブに操作することがあり、輻輳と調節との間の矛盾はより深刻である。
【０００４】
上記の問題に対して、非特許文献１には、立体像を高速で時分割表示するＤＭＤ及び光軸方向の任意の位置に立体像を結像するための可変焦点距離ミラーを用いて、光軸方向に複数の像を結像する立体表示方式が開示されている。この方式では、それぞれの結像面に対する被写界深度を連結してこれを実質的に広げることで、立体像への眼のピント合わせを可能にする。しかし、高速表示するディスプレイ、可変焦点距離ミラー等の高価なデバイスが必要となる。また、そのようなデバイスの有効径が小さいためＨＭＤの画角が小さくなるという問題もある。
【０００５】
また、非特許文献２には、センサを用いて眼の輻輳位置を検出し、可変焦点距離レンズを用いることにより又はモータを用いてディスプレイを移動させることにより検出した位置に虚像を結像することで、輻輳と調節による奥行き知覚位置を一致させる表示方式が開示されている。この方式では、眼の輻輳位置を高精度で検出するセンサが必要になる。可変焦点距離レンズを用いる方法では、可変焦点距離レンズの有効径が小さいため画角が小さくなるという問題もある。また、モータを用いてディスプレイを移動させる方法では、ディスプレイの移動量が数mmと大きいため輻輳位置の移動に高速に追従駆動できないという問題もある。
【０００６】
また、非特許文献３には、フラットパネルディスプレイに取り付けられたレンズアレイにより光線の進行方向を制御するインテグラルイメージング方式の立体表示方式が開示されている。光線密度を増して光線群を高密度に制御することで立体像への眼のピント合わせが可能になる。この方式では、高い解像度を有するディスプレイを必要とする。
【０００７】
図１１に、メガネなし立体表示を実現する多眼式立体表示（単に、多眼表示とも呼ぶ）の原理を示す。多眼表示では、空間に複数の視点を設定し、各視点位置からその位置に応じた視差を有する視差画像が観察されるようにすることで、立体メガネを装着しなくとも、運動視差を有する立体表示を可能とする。このような立体表示においても、二眼式立体表示と同様に、両眼に異なる視差画像を表示することで立体視を可能にするので輻輳調節矛盾に起因する視覚疲労が生じる。ここで、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように視点間隔を眼の瞳孔径以下と小さくして、２つ以上の視点が瞳孔内に入るように複数の視点を設定すると（これを超多眼式立体表示、或いは単に超多眼表示と呼ぶ）、ディスプレイのスクリーンから出射した２本以上の光線が立体像の一点を通り、次いで異なる視点を通って同時に瞳孔内に入る。このとき、図１２Ａに示すように眼のピントを立体像に合わせた場合、光線が網膜上の一点に集光するのに対して、図１２Ｂに示すようにスクリーン上に合わせた場合、光線は網膜上の一点に集光しない。従って、輻輳性調節により、眼のピントが輻輳により誘導されて立体像に移動した場合にボケが少ない立体像を観察することができ、これにより輻輳調節矛盾が解決して視覚疲労を解消することができる。
【０００８】
眼の被写界深度、すなわち眼球結像系において事実上ボケがない網膜像が得られる物体の光軸方向の存在範囲は、眼球結像系の瞳の大きさによって決まる。図１３Ａに示すように、視点間隔が瞳孔径より大きい多眼表示では、スクリーンの１点から出射した光線は視点位置において視点間隔程度の広がりを有するため、眼の被写界深度は眼球結像系の瞳である瞳孔径によって決まる。図１３Ｂに示すように、超多眼表示では、光線の広がりとなる視点間隔は瞳孔径より小さくなりこれが実質的な瞳の大きさを与えるため、眼の被写界深度は視点間隔によって決まる。ここで、被写界深度の大きさは瞳孔径に反比例するため、超多眼表示は眼の被写界深度を拡大する効果をもつ。その拡大された被写界深度内に立体像が表示されると、網膜に映る像にボケを知覚されなくなるため、輻輳性調節によって眼のピントが自然に立体像に合うこととなる。
特許文献１  国際公開第２０１５／１３７１６５号
特許文献２  特開平９−２９７２８２号公報
非特許文献１  X. Hu and H. Hua, "High-resolution optical see-through multi-focal-plane head-mounted display using freeform optics," Optics Express, vol.22, 13896 (2014).
非特許文献２  N. Padmanaban, R. Konrad, T. Stramer, E. A. Cooper, and G. Wetzstein, "Optimizing virtual reality for all users through gaze-contingent and adaptive focus displays," Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., vol.114, 2183-2188 (2017).
非特許文献３  D. Lanman and D. Luebke, "Near-eye light field displays," ACM Trans. Graph., vol.32, 220 (2013).
非特許文献４  T. Ueno and Y. Takaki, "Super multi-view near-eye display to solve vergence-accommodation conflict," Opt. Express, vol.26, no.23, 30703-30715 (2018).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、瞳孔径は周囲の明るさによって２〜８ｍｍと変化し、平均で５ｍｍであるから、実用的な視域幅を有する超多眼立体ディスプレイを実現するには、多数の視点を発生する必要がある。超多眼表示をＨＭＤに導入した超多眼ＨＭＤ（例えば、非特許文献４）において、ＨＭＤの使用における視覚疲労を解決するためには、左右の眼のそれぞれに対して瞳孔径以下の間隔で視点を形成する必要がある。左右の眼に対する視域（アイボックス）の大きさは１０×１０ｍｍ２程度であるから、水平方向と垂直方向に視差を有するフルパララックス表示を行う場合には左右の眼のそれぞれに対して５×５程度の視点が必要となり、水平方向にのみ視差を有する水平視差型表示を行う場合には５程度の視点が必要となる。
【００１０】
超多眼ＨＭＤの実現方法として、時分割方式及びレンズアレイ方式が考えられる。時分割方式では、ディスプレイを高速に駆動して各視点に画像を表示する。この方式では、ディスプレイの解像度を維持することができるが、視点数に比例して高速に画像表示する高フレームレートなディスプレイを必要とする。レンズアレイ方式では、ディスプレイにレンズアレイを取り付けて視点を発生させる。この方式では、視点数に比例してより高い解像度を有するディスプレイを必要とする。このように、超多眼ＨＭＤでは、多数の視点のそれぞれに視差画像を表示できる高価なハードウエアが必要となるため、また多数の視点のそれぞれに対して視差画像をカメラで撮影したりコンピュータで合成する必要があるため、その実現が難しいという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様においては、複数の視差画像を一面上に生成する画像生成装置と、一面上に生成される画像の虚像を、ユーザの少なくとも一方の眼のアイボックス内に配列される複数の視点のそれぞれから観察可能にする結像装置と、画像生成装置を制御して複数の視差画像を順次、一面上に生成するとともに、一面上に生成された視差画像の虚像を結像装置を制御して複数の視点のうちの対応する視点から観察可能にする制御装置と、を備えるヘッドマウントディスプレイが提供される。
【００１２】
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る擬似超多眼ＨＭＤの概略構成を示す。
【図２】擬似超多眼ＨＭＤの制御系の構成を示す。
【図３Ａ】擬似超多眼表示の一態様（立体像が虚像に対して視点と逆側にある場合）を示す。
【図３Ｂ】擬似超多眼表示の一態様（立体像が虚像より視点側にある場合）を示す。
【図４】擬似超多眼ＨＭＤにおける眼の被写界深度を示す。
【図５Ａ】擬似超多眼ＨＭＤによる疑似超多眼表示の実施例を示す。
【図５Ｂ】二眼式立体表示による比較例を示す。
【図６】第１の変形例に係る単眼用擬似超多眼ＨＭＤの概略構成を示す。
【図７】第２の実施形態に係る擬似超多眼ＨＭＤの概略構成を示す。
【図８】第２の変形例に係る単眼用擬似超多眼ＨＭＤの概略構成を示す。
【図９】第３の実施形態に係る擬似超多眼ＨＭＤの概略構成を示す。
【図１０】第３の変形例に係る単眼用擬似超多眼ＨＭＤの概略構成を示す。
【図１１】多眼式立体表示の原理を示す。
【図１２Ａ】超多眼表示の一態様（立体像に眼のピントを合わせた場合）を示す。
【図１２Ｂ】超多眼表示の一態様（スクリーンに眼のピントを合わせた場合を示す。
【図１３Ａ】多眼式立体表示における眼の被写界深度を示す。
【図１３Ｂ】超多眼立体表示における眼の被写界深度を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１５】
図１及び図２に、それぞれ、第１の実施形態に係るＶＲ用の擬似超多眼ＨＭＤ（混乱のない限り、単にＨＭＤと呼ぶ）１０の概略構成及びＨＭＤ１０の制御系の構成を示す。図１及びその他の図面において、ユーザの左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂを図面上下方向に並べ、この方向を横方向（図面下方を左方及び図面上方を右方）、図面左右方向を前後方向（図面左方を前方及び図面右方を後方）、横方向及び前後方向のそれぞれに直交する方向を縦方向とする。なお、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの中心を通って前後方向に延びる基準線を中心線Ｌ、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂのそれぞれから中心線Ｌに平行に図面左に延びる基準線を主視線Ｌａ，Ｌｂとする。ＨＭＤ１０は、簡便な構成により、輻輳調節矛盾に起因する視覚疲労を被ることなく立体像を視ることを可能とするものであり、画像生成装置１３、左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂ、及び制御装置５０を備える。
【００１６】
なお、画像生成装置１３並びに左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂの構成各部は、フレーム（不図示）により保持されている。フレームの形状は、一例として、画像生成装置１３（の表示装置１３ｄ）を内側に保持するよう前面が閉じ、表示装置１３ｄの表示画面を後側から覗くことができるよう背面が開き、表示装置１３ｄを覗く両眼の周囲を覆うよう前面の周囲を側面が囲む形状とする。また、フレームの一側面からユーザの後頭部を周って他側面に接続することで、ＨＭＤ１０をユーザの顔前に装着する装着バンド（不図示）を設けてもよい。なお、ユーザがＨＭＤ１０を装着した状態において、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの視域内にそれぞれ視点群Ｐａ，Ｐｂが配置されるよう、左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂがフレーム内に保持されているものとする。
【００１７】
画像生成装置１３は、複数の視差画像を一面上に生成する装置である。ここで、複数の視差画像は、左眼及び右眼のそれぞれについて、１つの元画像を、複数の視点のそれぞれの位置に応じて一面に平行な少なくとも一軸方向にシフトすることにより生成される。表示装置により複数の視差画像を時分割表示する場合、視点数倍のビデオレートを有する表示装置を要するところ、これによれば、複数の視差画像を、１つの元画像からこれを複数の視点のそれぞれの位置に応じて一面に平行な少なくとも一軸方向にシフトすることで簡便に生成することができる。画像生成装置１３は、表示装置１３ｄ及び駆動装置１３ｃを含む。
【００１８】
表示装置１３ｄは、複数の視差画像を画面上に表示する装置であり、液晶パネル等のフラットパネルディスプレイを採用することができる。表示装置１３ｄは、左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂの主視線Ｌａ，Ｌｂ上に位置して左眼用及び右眼用視差画像１３ａ，１３ｂをそれぞれ表示する２つの領域を含む。なお、単一の画面を有する表示装置１３ｄに代えて、左眼用及び右眼用視差画像１３ａ，１３ｂをそれぞれ表示する２つの表示装置を使用してもよい。
【００１９】
駆動装置１３ｃは、表示装置１３ｄの画面を主視線Ｌａ，Ｌｂに交差する方向、例えば画面に平行な少なくとも一軸方向に駆動する装置であり、ステッピングモータ、ピエゾ素子等、任意の適当なアクチュエータを採用することができる。本実施形態では、駆動装置１３ｃは、横方向及び縦方向の二軸方向にそれぞれ移動する第１及び第２駆動装置を含んで構成される。ここで、第１駆動装置の（横方向の）移動ストロークは第２駆動装置の（縦方向の）移動ストロークより長くしてもよい。これによれば、人の眼が横方向に長いことに対応して、縦方向より横方向に並ぶ多くの視点に視差画像を生成することができる。また、第１駆動装置の移動速度（例えば、振動速度）は第２駆動装置の移動速度より速いとしてもよい。それにより、第１駆動装置により画面を横方向に複数回シフトし、次いで第２駆動装置により縦方向に１回シフトし、次いで第１駆動装置により画面を横方向を先と逆に複数回シフトし、次いで第２駆動装置により縦方向に１回シフトすることを繰り返すことにより、画面をこれに平行な二軸方向に効率良く移動することができる。例えば、視点群Ｐａ，Ｐｂ内の横方向の視点数ＮＸ及び縦方向の視点数ＮＹ（全視点数ＮＸ×ＮＹ）及び表示装置１３ｄのビデオレートｆ３Ｄに対して、横方向の振動数はＮＹｆ３Ｄ／２、縦方向の振動数はｆ３Ｄ／２とする。ただし、横方向と縦方向のシフトの行きと帰りの両方で視点形成を行うので、２で割った。
【００２０】
上述の構成の画像生成装置１３により、駆動装置１３ｃにより、１つの元画像を表示する表示装置１３ｄの画面をこれに平行な二軸方向に移動することで、元画像を二軸方向に順次シフトすることにより疑似的に、複数の視差画像を画面に平行な一面上に生成することができる。なお、シフトの速度は、ユーザが画像のちらつきを感じない程度の速度、例えば３０〜６０Ｈｚとする。これにより、複数の視差画像を生成するために高いビデオレートの表示装置を採用する必要がない。
【００２１】
左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂは、画像生成装置１３により表示装置１３ｄの画面上に生成される左眼用及び右眼用視差画像１３ａ，１３ｂの虚像を、それぞれ、ユーザの左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂのアイボックス内にそれぞれ配列される視点群Ｐａ，Ｐｂから観察できるように結像する装置である。
【００２２】
左眼用結像装置１１ａは、光源アレイ１２ａ、ミラー１６ａ、結像素子１４ａ，１５ａを有する。
【００２３】
光源アレイ１２ａは、表示装置１３ｄの画面を介して、左眼Ｅａのアイボックス内の視点群Ｐａを構成するそれぞれの視点に光を送る複数の光源を有する。光源アレイ１２ａは、視点群Ｐａを構成する視点と同数の光源を、視点の配列に対応して横方向の一軸方向のみに又は縦方向及び横方向の二軸方向に配列することで構成することができる。本実施形態では、光源アレイ１２ａは、光源を二軸方向に配列して構成されているものとする。なお、個々の光源として、例えば、ＬＥＤを採用することができる。光源アレイ１２ａは、主視線Ｌａに対して左側に配置される。
【００２４】
ミラー１６ａは、光源アレイ１２ａから発せられる光を視点群Ｐａに向けて反射する光学素子である。ミラー１６ａは、主視線Ｌａ上で、表示装置１３ｄの画面上の左眼用視差画像１３ａが表示される領域の前方に配置されている。
【００２５】
結像素子１４ａ，１５ａは、それぞれ、左眼用視差画像１３ａが表示される表示装置１３ｄの画面上の領域に対して前方（すなわち、光源アレイ１２ａ側）及び後方（すなわち、視点群Ｐａ側）に配置される。結像素子１５ａにより左眼用視差画像１３ａを虚像表示面Ｖａ上に虚像結像するとともに、結像素子１４ａ，１５ａより構成される結像光学系により光源アレイ１２ａ内の複数の光源を実像結像して視点群Ｐａ内の複数の視点を生成する。それにより、左眼用視差画像１３ａの虚像が視点群Ｐａのうちの視点から観察できる。結像素子１４ａ，１５ａとしてレンズ素子を採用することができるが、これらにさらに別の光学素子を組み合わせて光学系を構成してもよい。
【００２６】
右眼用結像装置１１ｂは、光源アレイ１２ｂ、ミラー１６ｂ、結像素子１４ｂ，１５ｂを有する。光源アレイ１２ｂ、ミラー１６ｂ、結像素子１４ｂ，１５ｂは、それぞれ、左眼用結像装置１１ａの光源アレイ１２ａ、ミラー１６ａ、及び結像素子１４ａ，１５ａと同様に構成される。ただし、中心線Ｌに対して左右対称に配置される。
【００２７】
左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂによりそれぞれ左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂを介して、表示装置１３ｄの画面上の左眼用及び右眼用視差画像１３ａ，１３ｂを視ると、それらの虚像がそれぞれ虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上に映し出される。虚像表示面Ｖａ，Ｖｂの重複領域において虚像表示面Ｖａ上の虚像を左眼Ｅａにより視ると同時に虚像表示面Ｖｂ上の虚像を右眼Ｅｂにより視ることで、両眼から重複領域を臨む領域内で虚像を立体視することができる。つまり、立体像が映し出される。
【００２８】
制御装置５０は、画像生成装置１３を制御して複数の視差画像を順次、一面上に生成するとともに、その一面上に生成された視差画像の虚像を左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂを制御してそれぞれ視点群Ｐａ，Ｐｂのうちの対応する視点から観察可能にする装置である。制御装置５０として、例えば、マイクロコンピュータを採用することができる。
【００２９】
制御装置５０は、左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂを制御して光源アレイ１２ａ，１２ｂのそれぞれの複数の光源を順次、点灯して対応する視点を発生するとともに、この光源の点灯と同期して、画像生成装置１３を制御して左眼及び右眼に対する各１つの元画像を表示する表示装置１３ｄの画面を、点灯した光源に対応して発生する視点の位置に応じて画面に平行な一軸方向又は二軸方向にシフトすることにより、複数の左眼用及び右眼用視差画像１３ａ，１３ｂを順次、画面に平行な一面上に生成する。なお、シフトの速度は、ユーザが画像のちらつきを感じない程度の速度、例えば３０〜６０Ｈｚとする。それにより、左眼及び右眼のそれぞれについて、一面上に生成される複数の視差画像の虚像を対応する視点で順次、観察可能にして、複数の視差画像をそれぞれアイボックス内の異なる視点を介して映し出す。
【００３０】
なお、光源アレイ１２ａ，１２ｂのそれぞれが有する複数の光源のすべてを使用するに限らず、複数の光源から選択される一部の光源のみを使用することとしてもよい。斯かる場合、制御装置５０は、左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂを制御して、複数の光源のうちの一部の光源を順次、点灯する。それにより、個々のユーザの眼のアイボックスの位置に応じて使用する光源を選択することで、適切に視点をアイボックス内に配置することができる。
【００３１】
本実施形態に係るＭＨＤ１０に対して採用する擬似超多眼表示について説明する。各眼のアイボックスの幅は例えば１０ｍｍと小さく、その内に配列する視点の数は横方向及び縦方向のそれぞれについて数個であること、視点間隔は例えば１〜５ｍｍ程度と小さいことから、各眼に表示すべき複数の視差画像の間の違いは小さい。ここで、立体表示の奥行き範囲（すなわち、立体像９の前後方向の表示範囲）は小さいと仮定することにより、各眼に表示する複数の視差画像は、同一の画像（元画像と呼ぶ）をシフトすることで近似的に生成できる。シフト量は、立体表示の奥行き位置と視点位置に応じて適切に決めることができる。このように、各眼に表示する複数の視差画像を同一の画像から生成する超多眼表示を擬似超多眼表示と呼ぶ。ただし、左右の眼には異なる視差を有する元画像を使用する。
【００３２】
図３Ａ及び図３Ｂに示す擬似超多眼表示の例よりわかるように、視差画像のシフト量ｓは、立体表示の中心（すなわち、立体像９の表示中心）から視点群Ｐａ，Ｐｂまでの距離ｚｃ、虚像表示面Ｖａ，Ｖｂから視点群Ｐａ，Ｐｂまでの距離ｌ、横方向の視点間隔ｄを用いて、
ｓ＝（１−ｌ／ｚｃ）ｄ
と与えられる。ただし、立体表示の中心が虚像表示面Ｖａ，Ｖｂより視点群Ｐａ，Ｐｂ側にあるか、逆側にあるかによって、シフトの方向を逆にする。なお、駆動装置１３ｃによる表示装置１３ｄの画面のシフト量は、結像素子１５ａの結像倍率Ｍを用いてｓ／Ｍと与えられる。
【００３３】
図３Ａに、立体像９が虚像表示面Ｖａ，Ｖｂに対して視点群Ｐａ，Ｐｂと逆側にある場合の擬似超多眼表示の一例を示す。この例では、一例として、視点群Ｐａ，Ｐｂはそれぞれ横方向に配列された５つの視点Ｐａ１〜Ｐａ５，Ｐｂ１〜Ｐｂ５を含む。左眼用の視差画像Ｖａ１〜Ｖａ３について、視点Ｐａ１に対して左に位置する視点Ｐａ２に対応する視差画像Ｖａ２は、左眼に対する視差を有する元画像を視差画像Ｖａ１に対してシフト量ｓだけ左にシフトして生成される。視点Ｐａ２に対して左に位置する視点Ｐａ３に対応する視差画像Ｖａ３は、元画像を視差画像Ｖａ２に対してシフト量ｓだけ左にシフトして生成される。視点Ｐａ４，Ｐａ５に結像される視差画像も同様に生成される。右眼用の視差画像Ｖｂ１〜Ｖｂ３について、視点Ｐｂ１に対して右に位置する視点Ｐｂ２に対応する視差画像Ｖｂ２は、右眼に対する視差を有する別の元画像を視差画像Ｖｂ１に対してシフト量ｓだけ右にシフトして生成される。視点Ｐｂ２に対して右に位置する視点Ｐｂ３に対応する差画像Ｖｂ３は、元画像を視差画像Ｖｂ２に対してシフト量ｓだけ右にシフトして生成される。視点Ｐｂ４，Ｐｂ５に対応する視差画像も同様に生成される。
【００３４】
図３Ｂは、立体像９が虚像表示面Ｖａ，Ｖｂより視点群Ｐａ，Ｐｂ側にある場合の擬似超多眼表示の一例を示す。この例では、図３Ａの例と同様に、視点群Ｐａ，Ｐｂはそれぞれ横方向に配列された５つの視点Ｐａ１〜Ｐａ５，Ｐｂ１〜Ｐｂ５を含む。左眼用の視差画像Ｖｂ１〜Ｖｂ３について、視点Ｐａ１に対して左に位置する視点Ｐａ２に対応する視差画像Ｖａ２は、左眼に対する視差を有する元画像を視差画像Ｖａ１に対してシフト量ｓだけ右にシフトして生成される。視点Ｐａ２に対して左に位置する視点Ｐａ３に対応する視差画像Ｖａ３は、元画像を視差画像Ｖａ２に対してシフト量ｓだけ右にシフトして生成される。視点Ｐａ４，Ｐａ５に対応する視差画像も同様に生成される。右眼用の視差画像Ｖｂ１〜Ｖｂ３について、視点Ｐｂ１に対して右に位置する視点Ｐｂ２に対応する視差画像Ｖｂ２は、右眼に対する視差を有する別の元画像を視差画像Ｖｂ１に対してシフト量ｓだけ左にシフトして生成される。視点Ｐｂ２に対して右に位置する視点Ｐｂ３に対応する視差画像Ｖｂ３は、元画像を視差画像Ｖｂ２に対してシフト量ｓだけ左にシフトして生成される。視点Ｐｂ４，Ｐｂ５に対応する視差画像も同様に生成される。
【００３５】
なお、アイボックス内に縦方向に配列された複数の視点のそれぞれに対応する視差画像も、上の例と同じ原理で、左眼又は右眼に対する視差を有する１つの元画像を上下にシフトすることにより生成することができる。また、アイボックス内に縦方向及び横方向に二次元配列された複数の視点のそれぞれに対応する視差画像も、上の例と同じ原理で、左眼又は右眼に対する視差を有する１つの元画像を上下左右にシフトすることにより生成することができる。
【００３６】
図４に、擬似超多眼ＨＭＤにおける眼の被写界深度を示す。擬似超多眼表示では、視差画像のシフト量ｓを変えることで、前後方向に関する立体表示の中心位置を変えることができる。視点間隔ｄ（すなわち、複数の視点のそれぞれの幅）をユーザの瞳孔径より小さくすることにより、各視点を介して視ることのできる複数の視差画像のそれぞれについて、超多眼表示と同様に、眼の被写界深度Ｄを瞳孔径より定まる深度より拡大する効果が得られる。これにより、擬似超多眼表示においても、拡大された被写界深度内に立体像を表示すると、網膜に映る像にボケを知覚されなくなるため、輻輳性調節によって眼のピントが自然に立体像９に合うこととなる。そのため、輻輳調節矛盾による視覚疲労を軽減することが可能となる。
【００３７】
本実施形態に係るＨＭＤ１０による擬似超多眼立体表示の実施例について説明する。表示装置１３ｄとして、解像度２，５６０×１，４４０、画素ピッチ５２μｍ、リフレッシュレート５０Ｈｚの液晶パネルを用いた。光源アレイ１２ａ，１２ｂとして、２．５ｍｍピッチ及び８×８配列の２次元白色ＬＥＤアレイを用いた。なお、８×８のＬＥＤのうちから選択したＮＸ×ＮＹ個のＬＥＤを使用する。駆動装置１３ｃとして、１回のシフト量３３μｍを有するリニアタイプのステッピングモータを２つ用いて、表示装置１３ｄの画面を横方向及び縦方向に二次元振動するようにした。一回の二次元振動の間にすべての視点を順次点灯する。
【００３８】
ただし、表示装置１３ｄの画面上での各眼への画像表示の解像度は６９１×６９１（３５．９×３５．９ｍｍ２）とした。視点群Ｐａ，Ｐｂから虚像Ｖａ，Ｖｂまでの距離は６００ｍｍ、結像倍率は１５．０倍、虚像の画面サイズは３０．０インチ（５４０×５４０ｍｍ２）とした。画角は４８．５度である。視点間隔は２．０ｍｍとし、視点数は（ＮＸ×ＮＹ＝）４×３とした。光源アレイ１２ａ，１２ｂと駆動装置１３ｃの２つのステッピングモータとの同期には小型マイコンを用いた。
【００３９】
なお、視点群Ｐａ，Ｐｂから立体像９の表示中心までの距離を８００ｍｍとした。この場合の視差画像のシフト量ｓは０．５００ｍｍである。一視点に対応する表示装置１３ｄのシフト量ｓ／Ｍは３３μｍであり、ステッピングモータの１回のシフト量に等しい。
【００４０】
図５Ａに、本実施形態に係るＨＭＤ１０による疑似超多眼表示の実施例を示す。ここで、立体像は、立方体、球、及び四角錐の３つの物体を用いて構成し、視点群Ｐａ，Ｐｂからの距離（左図）７００ｍｍ、（中図）８００ｍｍ、（右図）１，０００ｍｍとして左眼用及び右眼用の視差画像をコンピュータグラフィックスにより生成し、表示装置１３ｄの画面上に表示した。網膜像を評価するために、カメラを左眼Ｅａの位置に置いて、立体像の表示位置にピントを合わせて撮影した結果が図中に示されている。
【００４１】
図５Ｂに、二眼式立体表示による比較例を示す。この例では、駆動装置１３ｃを稼働せず、表示装置１３ｄの画面を移動しなかったことを除いて、上述の実施例と同様に撮影を行った。すなわち、すべての視点に対して同一の視差画像を表示した。比較例では、ピント位置が虚像位置から離れるにつれてボケが大きくなっていることがわかる。その場合、輻輳で知覚した奥行き位置に眼のピントを合わせることができず、輻輳調節矛盾に起因する視覚疲労が生じる。
【００４２】
これに対して、図５Ａの実施例では、ボケが小さく、ピント位置を７００ｍｍから１，０００ｍｍに変えても画像の変化はほとんどないことがわかる。そのため、輻輳で知覚した奥行き位置に眼のピントを合わせることができ、輻輳調節矛盾に起因する視覚疲労を軽減することができる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態に係るＨＭＤ１０によれば、複数の視差画像を一面上に生成する画像生成装置１３、一面上に生成される画像の虚像を、ユーザの少なくとも一方の眼のアイボックス内に配列される複数の視点のそれぞれから観察可能にする左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂ、及び画像生成装置１３を制御して複数の視差画像を順次、一面上に生成するとともに、この一面上に生成された視差画像の虚像を左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂを制御して複数の視点のうちの対応する視点から観察可能にする制御装置５０を備える。ここで、左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂにより、光源アレイ１２ａ，１２ｂに含まれる複数の光源を順次、点灯して、表示装置１３ｄの画面を介して、アイボックス内の複数の視点にそれぞれ光を送るとともに、これと同期して、左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂにより、元画像を表示する表示装置１３ｄの画面を画面に平行な少なくとも一軸方向に移動することで、元画像を少なくとも一軸方向に順次シフトして複数の視差画像を疑似的に順次、画面に平行な一面上に生成する。ここで、複数の視点の間隔は、ユーザの瞳孔径より小さく定められている。人間の瞳孔径は２〜８ｍｍで変化して平均５ｍｍであるから、視点間隔は１〜５ｍｍ程度に設定する。それにより、複数の視差画像をそれぞれアイボックス内の異なる視点を介して映し出すことで、各視点を介して観察できる複数の視差画像のそれぞれについて被写界深度が拡大し、拡大された被写界深度内に立体像を表示すると輻輳性調節により眼のピントが自然に立体像に合うことになり、これにより視覚疲労を軽減することができる。
【００４４】
また、左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂを構成する光学素子には、可変焦点距離レンズなどの特別な光学素子を必要とせず従来のＨＭＤで利用されているミラー、レンズ素子等を利用できるため、低コストで広画角な立体表示を実現することができる。また、表示装置１３ｄの画面に表示する視差画像は、従来の二眼式ＭＨＤと同様に左眼及び右眼に対応する２つのみであるから、従来の二眼式ＭＨＤにおける画像作成方法及びコンテンツを利用することができる。
【００４５】
なお、本実施形態に係るＭＨＤ１０では、光源アレイ１２ａは光源を横方向及び縦方向の二軸方向に配列して構成され、それら複数の光源を順次、点灯することで二軸方向に視点を順次、生成し、これに合わせて表示装置１３ｄの画面を二軸方向にシフトすることで、二軸方向に超多眼効果を得ることとしたが、これに代えて、光源を横方向に配列して光源アレイを構成し、これを用いて横方向に視点を生成し、これに合わせて表示装置１３ｄの画面を横方向にシフトすることとしてもよい。これにより、横方向に超多眼効果を得ることができる。また、光源を縦方向に配列して光源アレイを構成し、これを用いて縦方向に視点を生成し、これに合わせて表示装置１３ｄの画面を縦方向にシフトすることとしてもよい。これにより、縦方向に超多眼効果を得ることができる。
【００４６】
なお、本実施形態に係るＨＭＤ１０は両眼用ＨＭＤとして構成されるが、同様に、左眼用又は右眼用の片眼用ＨＭＤを構成することもできる。
【００４７】
図６に、第１の変形例に係る単眼用擬似超多眼ＨＭＤ（単に、ＨＭＤとも呼ぶ）１１０の概略構成を示す。ＨＭＤ１１０は、一例として右眼に装着するＨＭＤであり、画像生成装置１１３、右眼用結像装置１１ｂ、及び制御装置５０（図２参照）を備える。右眼用結像装置１１ｂ及び制御装置５０は、先述のそれらと同様に構成される。ここで、右眼用結像装置１１ｂは、複数の視差画像の虚像をそれぞれユーザの右眼Ｅｂのアイボックス内に配列される視点群Ｐｂのうちの視点から観察可能にする。
【００４８】
画像生成装置１１３は、表示装置１１３ｄ及び駆動装置１１３ｃを含む。表示装置１１３ｄは、右眼用の複数の視差画像を画面上に表示する装置であり、先述の表示装置１３ｄと同様に構成することができる。表示装置１１３ｄは、右眼Ｅｂの主視線Ｌｂ上に位置して右眼用視差画像１１３ｂを表示する。駆動装置１１３ｃは、表示装置１１３ｄの画面を主視線Ｌｂに交差する方向、例えば画面に平行な少なくとも一軸方向にシフトする装置であり、先述の駆動装置１３ｃと同様に構成することができる。
【００４９】
左眼に装着するＨＭＤも、右眼用のＨＭＤ１１０と同様に、ただし左右の構成を逆にすることで構成することができる。
【００５０】
上述の構成のＨＭＤ１１０によれば、ユーザの左眼及び右眼の一方に対して映し出される立体像の表示位置をユーザが見る物体の位置に合わせることができ、さらに眼の被写界深度が拡大するため、立体像に眼のピントを合わせ易くなる。
【００５１】
図７に、第２の実施形態に係る擬似超多眼ＨＭＤ（単にＭＨＤとも呼ぶ）２０の概略構成を示す。ＨＭＤ２０は、画像生成装置１３、左眼用及び右眼用結像装置２１ａ，２１ｂ、及び制御装置５０（図２参照）を備える。
【００５２】
なお、画像生成装置１３並びに左眼用及び右眼用結像装置２１ａ，２１ｂの構成各部は、フレーム（不図示）により保持されている。フレームは、先述のＨＭＤ１０のフレームと同様に構成することができる。
【００５３】
画像生成装置１３は、先述の画像生成装置１３と同様に構成される。
【００５４】
左眼用及び右眼用結像装置２１ａ，２１ｂは、画像生成装置１３により表示装置１３ｄの画面上に生成される左眼用及び右眼用視差画像１３ａ，１３ｂの虚像を、それぞれ、ユーザの左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂのアイボックス内にそれぞれ配列される視点群Ｐａ，Ｐｂから観察可能にする。
【００５５】
左眼用結像装置２１ａは、バックライト２２（の領域２２ａ）、結像素子２５ａ、及びシャッタアレイ２６ａを有する。
【００５６】
バックライト２２は、表示装置１３ｄの画面を照明し、これを介して左眼Ｅａのアイボックス内の視点群Ｐａに光を送る光源（共通の光源の一例）である。バックライト２２は、一例として、一面から照明光を射出し、表示装置１３ｄの画面の全面を照明するよう構成されている。主視線Ｌａ上に位置するバックライト２２の領域２２ａから射出される光により左眼用視差画像１３ａを表示する表示装置１３ｄの画面上の領域を照明し、表示装置１３ｄの画面からの出射光を拡散させることで、左眼用視差画像１３ａを映し出す光線が左眼Ｅａのアイボックス全体に拡げられる。
【００５７】
結像素子２５ａは、左眼用視差画像１３ａが表示される表示装置１３ｄの画面上の領域に対して後方（すなわち、視点群Ｐａ側）に配置される。結像素子２５ａにより、左眼用視差画像１３ａを虚像表示面Ｖａ上に虚像結像する。結像素子２５ａとしてレンズ素子を採用することができるが、これらにさらに別の光学素子を組み合わせて光学系を構成してもよい。
【００５８】
シャッタアレイ２６ａは、開閉可能な複数のシャッタを有する装置である。シャッタアレイ２６ａは、左眼Ｅａのアイボックス内又は近傍に配置され、複数のシャッタのそれぞれを開閉してバックライト２２から射出され、画面を介した光を部分的に通過又は遮断する。シャッタアレイ２６ａは、視点群Ｐａのうちの視点と同数又はより多数のシャッタを、視点の配列に対応して横方向の一軸方向のみに、縦方向の一軸方向のみに、又は縦方向及び横方向の二軸方向に配列することで構成することができる。シャッタアレイ２６ａとして、例えば、複数の液晶素子に駆動電圧を印加して光の透過率を制御する液晶シャッタ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術により製造される微小なシャッタを静電力で開閉する静電駆動式のマイクロシャッタアレイ等を採用することができる。
【００５９】
シャッタアレイ２６ａにより、複数のシャッタのそれぞれを開くことで、それぞれの位置に虚像Ｖａを観察することができる視点が形成される。それにより、視点群Ｐａが発生する。
【００６０】
右眼用結像装置２１ｂは、上述のバックライト２２（の領域２２ｂ）、結像素子２５ｂ、及びシャッタアレイ２６ｂを有する。結像素子２５ｂ及びシャッタアレイ２６ｂは、それぞれ、左眼用結像装置２１ａの結像素子２５ａ及びシャッタアレイ２６ａと同様に構成される。ただし、中心線Ｌに対して左右対称に配置される。
【００６１】
左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂによりそれぞれ左眼用及び右眼用結像装置２１ａ，２１ｂを介して、表示装置１３ｄの画面上の左眼用及び右眼用視差画像１３ａ，１３ｂを視ると、それらの虚像がそれぞれ虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上に映し出される。虚像表示面Ｖａ，Ｖｂの重複領域において虚像表示面Ｖａ上の虚像を左眼Ｅａにより視ると同時に虚像表示面Ｖｂ上の虚像を右眼Ｅｂにより視ることで、両眼から重複領域を臨む領域内で虚像を立体視することができる。つまり、立体像が映し出される。
【００６２】
制御装置５０は、左眼用及び右眼用結像装置２１ａ，２１ｂを制御してシャッタアレイ２６ａ，２６ｂのそれぞれの複数のシャッタを順次、開放して複数の視点を順次、発生させるとともに、このシャッタの開放（すなわち、視点の発生）と同期して、画像生成装置１３を制御して左眼及び右眼に対する各１つの元画像を表示する表示装置１３ｄの画面を、発生した視点の位置に応じて画面に平行な一軸方向又は二軸方向にシフトすることにより、複数の左眼用及び右眼用視差画像１３ａ，１３ｂを順次、画面に平行な一面上に生成する。それにより、左眼及び右眼のそれぞれについて、一面上に生成される複数の視差画像を対応する視点に順次、結像して、複数の視差画像をそれぞれアイボックス内の異なる視点を介して映し出す。
【００６３】
なお、シャッタアレイ２６ａ，２６ｂのそれぞれが有する複数のシャッタのすべてを開閉するに限らず、複数のシャッタから選択される一部のシャッタのみを開閉することとしてもよい。斯かる場合、制御装置５０は、左眼用及び右眼用結像装置２１ａ，２１ｂを制御して、複数のシャッタのうちの一部のシャッタを順次、開閉する。それにより、個々のユーザの眼のアイボックスの位置に応じて開閉するシャッタを選択することで、適切に視点をアイボックス内に形成することができる。
【００６４】
なお、本実施形態に係るＭＨＤ２０では、シャッタアレイ２６ａ，２６ｂはシャッタを横方向及び縦方向の二軸方向に配列して構成され、それら複数のシャッタを順次、開閉することで二軸方向に視点を順次、生成し、これに合わせて表示装置１３ｄの画面を二軸方向にシフトすることで、二軸方向に超多眼効果を得ることとしたが、これに代えて、シャッタを横方向に配列してシャッタアレイを構成し、これを用いて横方向に視点を生成し、これに合わせて表示装置１３ｄの画面を横方向にシフトすることとしてもよい。これにより、横方向に超多眼効果を得ることができる。また、シャッタを縦方向に配列してシャッタアレイを構成し、これを用いて縦方向に視点を生成し、これに合わせて表示装置１３ｄの画面を縦方向にシフトすることとしてもよい。これにより、縦方向に超多眼効果を得ることができる。
【００６５】
なお、本実施形態に係るＨＭＤ２０は両眼用ＨＭＤとして構成されるが、同様に、左眼用又は右眼用の片眼用ＨＭＤを構成することもできる。
【００６６】
図８に、第２の変形例に係る単眼用擬似超多眼ＨＭＤ（単に、ＨＭＤとも呼ぶ）１２０の概略構成を示す。ＨＭＤ１２０は、一例として右眼に装着するＨＭＤであり、画像生成装置１１３、右眼用結像装置２１ｂ、及び制御装置５０（図２参照）を備える。画像生成装置１１３は、第１の変形例に係るＭＨＤ１１０におけるそれと同様に構成される。右眼用結像装置２１ｂ及び制御装置５０は、第２の実施形態に係るＭＨＤ２０におけるそれらと同様に構成される。ここで、右眼用結像装置２１ｂは、複数の視差画像をそれぞれユーザの右眼Ｅｂのアイボックス内に配列される視点群Ｐｂのうちの視点に結像する。
【００６７】
左眼に装着するＨＭＤも、右眼用のＨＭＤ１２０と同様に、ただし左右の構成を逆にすることで構成することができる。
【００６８】
上述の構成のＨＭＤ１２０によれば、ユーザの左眼及び右眼の一方に対して映し出される立体像の表示位置をユーザが見る物体の位置に合わせることができ、さらに眼の被写界深度が拡大するため、立体像に眼のピントを合わせ易くなる。
【００６９】
図９に、第３の実施形態に係る擬似超多眼ＨＭＤ（単にＭＨＤとも呼ぶ）３０の概略構成を示す。ＨＭＤ３０は、画像生成装置１３、左眼用及び右眼用結像装置３１ａ，３１ｂ、及び制御装置５０（図２参照）を備える。
【００７０】
なお、画像生成装置１３並びに左眼用及び右眼用結像装置３１ａ，３１ｂの構成各部は、フレーム（不図示）により保持されている。フレームは、先述のＨＭＤ１０のフレームと同様に構成することができる。
【００７１】
画像生成装置１３は、先述の画像生成装置１３と同様に構成される。
【００７２】
左眼用及び右眼用結像装置３１ａ，３１ｂは、画像生成装置１３により表示装置１３ｄの画面上に生成される左眼用及び右眼用視差画像１３ａ，１３ｂの虚像を、それぞれ、ユーザの左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂのアイボックス内にそれぞれ配列される視点群Ｐａ，Ｐｂから観察可能にする。
【００７３】
左眼用結像装置３１ａは、光源３２ａ、ミラー３６ａ、結像素子３４ａ，３５ａ、及び駆動装置３６を有する。
【００７４】
光源３２ａは、表示装置１３ｄの画面を介して、左眼Ｅａのアイボックス内の視点群Ｐａのうちのそれぞれの視点に光を送る単一の光源（共通の光源の一例）である。光源として、例えば、ＬＥＤを採用することができる。光源３２ａは、主視線Ｌａに対して左側に配置される。
【００７５】
ミラー３６ａは、光源３２ａから発せられる光を視点群Ｐａに向けて反射する光学素子である。ミラー３６ａは、主視線Ｌａ上で、表示装置１３ｄの画面上の左眼用視差画像１３ａが表示される領域の前方に配置されている。
【００７６】
結像素子３４ａ，３５ａは、光源３２ａの光を視点群Ｐａのうちのいずれかの視点に集光する光学素子であり、それぞれ、左眼用視差画像１３ａが表示される表示装置１３ｄの画面上の領域に対して前方（すなわち、光源３２ａ側）及び後方（すなわち、視点群Ｐａ側）に配置される。結像素子３５ａにより左眼用視差画像１３ａを虚像表示面Ｖａ上に虚像結像するとともに、結像素子３４ａ，３５ａより構成される結像光学系により光源３２ａを実像結像して視点群Ｐａ内の複数の視点を生成する。それにより、左眼用視差画像１３ａが視点群Ｐａのうちの視点に結像される。結像素子３４ａ，３５ａとしてレンズ素子を採用することができるが、これらにさらに別の光学素子を組み合わせて光学系を構成してもよい。なお、本実施形態では、結像素子３５ａは、右眼用結像装置３１ｂの結像素子３５ｂと連結されている。
【００７７】
駆動装置３６は、結像素子３５ａ（及び３５ｂ）を表示装置１３ｄの画面に平行な少なくとも一軸方向に移動して、結像素子３５ａ（及び３５ｂ）により生成される視点を移動する装置である。これにより、左眼Ｅａ（及びＥｂ）のアイボックス内に視点群Ｐａ（及びＰｂ）が発生する。
【００７８】
駆動装置３６は、ステッピングモータ、ピエゾ素子等、任意の適当なアクチュエータを採用することができる。本実施形態では、駆動装置３６は、横方向及び縦方向の二軸方向にそれぞれ移動する第３及び第４駆動装置を含んで構成される。ここで、第３駆動装置の（横方向の）移動ストロークは第４駆動装置の（縦方向の）移動ストロークより長くしてもよい。これによれば、人の眼が横方向に長いことに対応して、縦方向より横方向に多くの視点を発生することができる。また、第３駆動装置の移動速度（例えば、振動速度）は第４駆動装置の移動速度より速いとしてもよい。それにより、第３駆動装置により結像素子３５ａ（及び３５ｂ）を横方向に複数回シフトし、次いで第４駆動装置により縦方向に１回シフトすることを繰り返すことにより、結像素子３５ａ（及び３５ｂ）を二軸方向に効率良く移動することができる。
【００７９】
右眼用結像装置３１ｂは、光源３２ｂ、ミラー３６ｂ、結像素子３４ｂ，３５ｂ、及び駆動装置３６を有する。なお、本実施形態では、駆動装置３６は、左眼用及び右眼用結像装置３１ａ，３１ｂで共有されている。光源３２ｂ、ミラー３６ｂ、結像素子３４ｂ，３５ｂは、それぞれ、左眼用結像装置３１ａの光源３２ａ、ミラー３６ａ、及び結像素子３４ａ，３５ａと同様に構成される。ただし、中心線Ｌに対して左右対称に配置される。
【００８０】
左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂによりそれぞれ左眼用及び右眼用結像装置３１ａ，３１ｂを介して、表示装置１３ｄの画面上の左眼用及び右眼用視差画像１３ａ，１３ｂを視ると、それらの虚像がそれぞれ虚像表示面Ｖａ，Ｖｂ上に映し出される。虚像表示面Ｖａ，Ｖｂの重複領域において虚像表示面Ｖａ上の虚像を左眼Ｅａにより視ると同時に虚像表示面Ｖｂ上の虚像を右眼Ｅｂにより視ることで、両眼から重複領域を臨む領域内で虚像を立体視することができる。つまり、立体像が映し出される。
【００８１】
制御装置５０は、左眼用及び右眼用結像装置３１ａ，３１ｂが共有する駆動装置３６を制御して結像素子３５ａ，３５ｂを移動して順次、視点群Ｐａ，Ｐｂのうちの視点を発生するとともに、この結像素子３５ａ，３５ｂの移動と同期して、画像生成装置１３を制御して左眼及び右眼に対する各１つの元画像を表示する表示装置１３ｄの画面を、発生した視点の位置に応じて画面に平行な一軸方向又は二軸方向にシフトすることにより、複数の左眼用及び右眼用視差画像１３ａ，１３ｂを順次、画面に平行な一面上に生成する。それにより、左眼及び右眼のそれぞれについて、一面上に生成される複数の視差画像の虚像を対応する視点から順次、観察可能にして、複数の視差画像をそれぞれアイボックス内の異なる視点を介して映し出す。
【００８２】
なお、本実施形態に係るＭＨＤ３０では、駆動装置３６により結像素子３５ａ，３５ｂを横方向及び縦方向の二軸方向に移動することで二軸方向に視点を順次、生成し、これに合わせて表示装置１３ｄの画面を二軸方向にシフトすることで、二軸方向に超多眼効果を得ることとしたが、これに代えて、結像素子３５ａ，３５ｂを横方向に移動することで横方向に視点を生成し、これに合わせて表示装置１３ｄの画面を横方向にシフトすることとしてもよい。これにより、横方向に超多眼効果を得ることができる。また、結像素子３５ａ，３５ｂを縦方向に移動することで縦方向に視点を生成し、これに合わせて表示装置１３ｄの画面を縦方向にシフトすることとしてもよい。これにより、縦方向に超多眼効果を得ることができる。
【００８３】
なお、本実施形態に係るＭＨＤ３０では、駆動装置３６により結像素子３５ａ，３５ｂを移動することで、光源３２ａ，３２ｂの光を集光する位置（すなわち、視点位置）を移動して左眼Ｅａ及び右眼Ｅｂのアイボックス内に視点群Ｐａ，Ｐｂを発生することとしたが、これに代えて、光源３２ａ，３２ｂ、ミラー３６ａ，３６ｂ、又は結像素子３４ａ，３４ｂ等の左眼用及び右眼用結像装置３１ａ，３１ｂに含まれるいずれか１つ又は複数の光学素子を移動することで、視点群Ｐａ，Ｐｂを発生することとしてもよい。
【００８４】
なお、本実施形態に係るＭＨＤ３０では、駆動装置３６により結像素子３５ａ，３５ｂ等の左眼用及び右眼用結像装置３１ａ，３１ｂに含まれるいずれか１つ又は複数の光学素子を表示装置１３ｄの画面に平行な少なくとも一軸方向に移動することで視点群Ｐａ，Ｐｂを発生することとしたが、これに代えて又はこれに組み合わせて、左眼用及び右眼用結像装置３１ａ，３１ｂに含まれるいずれか１つ又は複数の光学素子を表示装置１３ｄの画面に対して傾斜することで、視点群Ｐａ，Ｐｂを発生することとしてもよい。
【００８５】
なお、本実施形態に係るＨＭＤ３０では、駆動装置３６により左眼用及び右眼用結像装置３１ａ，３１ｂにそれぞれ含まれる結像素子３５ａ，３５ｂを共通に移動する構成を採用したが、これに代えて、２つの駆動装置を用いて結像素子３５ａ，３５ｂを個別に移動する構成を採用してもよい。
【００８６】
なお、本実施形態に係るＨＭＤ３０は両眼用ＨＭＤとして構成されるが、同様に、左眼用又は右眼用の片眼用ＨＭＤを構成することもできる。
【００８７】
図１０に、第３の変形例に係る単眼用擬似超多眼ＨＭＤ（単に、ＨＭＤとも呼ぶ）１３０の概略構成を示す。ＨＭＤ１３０は、一例として右眼に装着するＨＭＤであり、画像生成装置１１３、右眼用結像装置３１ｂ、及び制御装置５０（図２参照）を備える。画像生成装置１１３は、第１の変形例に係るＭＨＤ１１０におけるそれと同様に構成される。右眼用結像装置３１ｂ及び制御装置５０は、第３の実施形態に係るＭＨＤ３０におけるそれらと同様に構成される。ここで、右眼用結像装置３１ｂは、複数の視差画像をそれぞれユーザの右眼Ｅｂのアイボックス内に配列される視点群Ｐｂのうちの視点に結像する。
【００８８】
左眼に装着するＨＭＤも、右眼用のＨＭＤ１３０と同様に、ただし左右の構成を逆にすることで構成することができる。
【００８９】
上述の構成のＨＭＤ１３０によれば、ユーザの左眼及び右眼の一方に対して映し出される立体像の表示位置をユーザが見る物体の位置に合わせることができ、さらに眼の被写界深度が拡大するため、立体像に眼のピントを合わせ易くなる。
【００９０】
なお、第１から第３の実施形態に係るＨＭＤ１０，２０，３０及び第１から第３の変形例に係るＨＭＤ１１０，１２０，１３０では、元画像を表示する表示装置１３ｄ，１１３ｄの画面を駆動装置１３ｃ，１１３ｃにより少なくとも一軸方向に移動することで複数の視差画像を疑似的に生成することとしたが、これに代えて、高いビデオレートの表示装置を用いて、元画像を画面上の表示可能な領域内で少なくとも一軸方向にシフトして時分割表示することで、画面上に複数の視差画像を順次生成してもよい。また、表示装置１３ｄ，１１３ｄとして、例えば、液晶素子に電界を印加することにより少なくとも一軸方向に光路をシフトするピクセルシフト技術を組み込んだ液晶パネルを光路内に配置することで、元画像を画面内で少なくとも一軸方向に順次シフトして複数の視差画像を疑似的に生成することとしてもよい。
【００９１】
なお、ＡＲ用のＨＭＤは、第１から第３の実施形態に係るＨＭＤ１０，２０，３０及び第１から第３の変形例に係るＨＭＤ１１０，１２０，１３０において、例えば、フレームの前面を透光性部材により形成し、画像生成装置１３，１１３を左眼用及び右眼用視差画像をそれぞれ生成する２つの装置に置き換え、それぞれの装置を左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂとともに主視線Ｌａ，Ｌｂから横方向に離間して配置し、主視線Ｌａ，Ｌｂ上にハーフミラーを配置することで構成することができる。ハーフミラーにより、光源アレイ１２ａ，１２ｂ、バックライト２２、又は光源３２ａ，３２ｂから発生され画像生成装置を透過した光を反射するとともに前方の目標物からの光或いは背景光を透過し、それぞれの光を重ねることで、目標物又は背景に立体像を重ねるシースルー機能が実現される。
【００９２】
なお、第１から第３の実施形態に係るＨＭＤ１０，２０，３０及び第１から第３の変形例に係るＨＭＤ１１０，１２０，１３０において、画像生成装置１３並びに左眼用及び右眼用結像装置１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ，３１ａ，３１ｂにより表示される左眼用及び右眼用視差画像はカラーでもモノクロでもよい。カラーの場合に、色収差を補正する光学系をさらに備えてもよい。
【００９３】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【００９４】
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００９５】
９…立体像、１０，２０，３０…擬似超多眼ＨＭＤ（ＨＭＤ）、１１ａ，２１ａ，３１ａ…左眼用結像装置、１１ｂ，２１ｂ，３１ｂ…右眼用結像装置、１２ａ，１２ｂ…光源アレイ、１３…画像生成装置、１３ａ…左眼用視差画像、１３ｂ…右眼用視差画像、１３ｃ…駆動装置、１３ｄ…表示装置、１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，２５ａ，２５ｂ，３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ…結像素子、１６ａ，１６ｂ…ミラー、２２…バックライト、２２ａ，２２ｂ…領域、２６ａ，２６ｂ…シャッタアレイ、３１ａ…左眼用結像装置、３１ｂ…右眼用結像装置、３２ａ，３２ｂ…光源、３６…駆動装置、３６ａ，３６ｂ…ミラー、５０…制御装置、１１０，１２０，１３０…単眼用擬似超多眼ＨＭＤ（ＨＭＤ）、１１３…画像生成装置、１１３ｂ…右眼用視差画像、１１３ｃ…駆動装置、１１３ｄ…表示装置、Ｅａ…左眼、Ｅｂ…右眼、Ｌ…中心線、Ｌａ，Ｌｂ…主視線、Ｐａ，Ｐｂ…視点群、Ｐａ１〜Ｐａ５，Ｐｂ１〜Ｐｂ５…視点、Ｖａ，Ｖｂ…虚像表示面（虚像）、Ｖａ１〜Ｖａ３，Ｖｂ１〜Ｖｂ３…視差画像。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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