(57)【要約】【課題】観察者が虚像を見る際の違和感や疲労を軽減できる虚像表示装置を提供する。【解決手段】本発明の虚像表示装置は、第１の偏光方向を有する第１の偏光と、第２の偏光方向を有する第２の偏光と、を切り替え可能に射出する表示部と、複屈折材料を含み、表示部から射出された第１の偏光と第２の偏光とが入射する接眼光学系と、表示部を制御する制御装置と、を備える。接眼光学系は、第１の偏光に対する第１の前側焦点と第２の偏光に対する第２の前側焦点とを有する。制御装置は、表示部から射出された第１の偏光からなる第１の虚像を接眼光学系の光軸上の第１の位置に生成させ、表示部から射出された第２の偏光からなる第２の虚像を光軸上の第２の位置に生成させるように、表示部を制御し、表示部は、接眼光学系と第１の前側焦点との間かつ接眼光学系と第２の前側焦点との間に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の偏光方向を有する第１の偏光と、前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する第２の偏光と、を切り替え可能に射出する表示部と、
複屈折材料を含んで構成され、前記表示部から射出された前記第１の偏光と前記第２の偏光とが入射する接眼光学系と、
前記表示部を制御する制御装置と、
を備え、
前記接眼光学系は、前記第１の偏光に対する第１の前側焦点と前記第２の偏光に対する第２の前側焦点とを有し、
前記制御装置は、前記表示部から射出された前記第１の偏光からなる第１の虚像を前記接眼光学系の光軸上における第１の位置に生成させ、前記表示部から射出された前記第２の偏光からなる第２の虚像を前記光軸上における前記第１の位置とは異なる第２の位置に生成させるように、前記表示部を制御し、
前記表示部は、前記接眼光学系と前記第１の前側焦点との間、かつ前記接眼光学系と前記第２の前側焦点との間に配置されている、虚像表示装置。
【請求項２】
前記第１の偏光は、前記複屈折材料に対する常光線であり、
前記第２の偏光は、前記複屈折材料に対する異常光線である、請求項１に記載の虚像表示装置。
【請求項３】
観察者の眼から前記第１の位置までの距離は、観察者の眼から前記第２の位置までの距離よりも長い、請求項２に記載の虚像表示装置。
【請求項４】
前記表示部は、偏光を射出する表示素子と、前記表示素子から射出された前記偏光の偏光方向を前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とのいずれかに切り替える偏光方向切り替え素子と、を有する、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項５】
前記表示部は、前記第１の偏光を射出する第１の表示素子と、前記第２の偏光を射出する第２の表示素子と、前記第１の表示素子から射出された前記第１の偏光を透過して前記接眼光学系に入射させるとともに、前記第２の表示素子から射出された前記第２の偏光を反射して前記接眼光学系に入射させる偏光合成素子と、を有する、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項６】
前記表示部は、非偏光を射出する第１の表示素子と、非偏光を射出する第２の表示素子と、前記第１の表示素子から射出された前記非偏光に含まれる前記第１の偏光を透過して前記接眼光学系に入射させるとともに、前記第２の表示素子から射出された前記非偏光に含まれる前記第２の偏光を反射して前記接眼光学系に入射させる偏光合成素子と、を有する、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項７】
前記接眼光学系の入射面から前記第１の表示素子までの光路長と、前記接眼光学系の入射面から前記第２の表示素子までの光路長と、が等しい、請求項５または請求項６に記載の虚像表示装置。
【請求項８】
前記接眼光学系から射出された光が入射し、入射した光のうちの一部を観察者の眼に向けて反射し、他の一部を透過する反射素子をさらに備え、
前記表示部および前記接眼光学系は、前記表示部の光軸および前記接眼光学系の光軸が前記反射素子の中心と前記観察者の眼とを結ぶ直線と交差するように、設けられている、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
【請求項９】
観察者の右眼に向けて光を射出する第１の虚像表示装置と、
観察者の左眼に向けて光を射出する第２の虚像表示装置と、
を備え、
前記第１の虚像表示装置および前記第２の虚像表示装置のそれぞれは、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の虚像表示装置で構成されている、ヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１０】
観察者の視線方向または輻輳角を検出する検出装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記検出装置の検出結果に基づいて、観察者が相対的に遠くの外界像を見ていると判断した場合に前記第１の虚像を生成させ、観察者が相対的に近くの外界像を見ていると判断した場合には前記第２の虚像を生成させる、請求項９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、虚像表示装置およびヘッドマウントディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、観察者の眼前に呈示した虚像を視認させる虚像表示装置が知られている。例えば下記の特許文献１には、液晶パネルと、液晶パネルから射出された光の偏光方向を局所的にスイッチングする偏光スイッチング用液晶セルと、偏光スイッチング用液晶セルから射出された光を偏光方向に応じて屈折させる複屈折板と、複屈折板から射出された光を観察者の眼に投射する接眼レンズと、を備えた画像表示装置が開示されている。この画像表示装置では、観察者は、液晶パネルが生成する画像を虚像として視認する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２０９９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
虚像表示を応用した電子機器として、例えばヘッドマウントディスプレイのように、観察者が身体に装着する形態の表示装置が知られている。この種の表示装置として、表示装置が生成する虚像に加えて外界像も同時に視認できる表示装置、いわゆるシースルー型の表示装置が提案されている。シースルー型の表示装置を用いる観察者は、様々な位置の外界像を見る場合があるが、虚像の発生位置が常に固定されていると、虚像と外界像とが見にくく、虚像と外界像との見え方に違和感が生じる、観察者が眼の疲労を感じる、等の課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の虚像表示装置は、第１の偏光方向を有する第１の偏光と、前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する第２の偏光と、を切り替え可能に射出する表示部と、複屈折材料を含んで構成され、前記表示部から射出された前記第１の偏光と前記第２の偏光とが入射する接眼光学系と、前記表示部を制御する制御装置と、を備え、前記接眼光学系は、前記第１の偏光に対する第１の前側焦点と前記第２の偏光に対する第２の前側焦点とを有し、前記制御装置は、前記表示部から射出された前記第１の偏光からなる第１の虚像を前記接眼光学系の光軸上における第１の位置に生成させ、前記表示部から射出された前記第２の偏光からなる第２の虚像を前記光軸上における前記第１の位置とは異なる第２の位置に生成させるように、前記表示部を制御し、前記表示部は、前記接眼光学系と前記第１の前側焦点との間、かつ前記接眼光学系と前記第２の前側焦点との間に配置されている。
【０００６】
本発明の一つの態様の虚像表示装置において、前記第１の偏光は、前記複屈折材料に対する常光線であり、前記第２の偏光は、前記複屈折材料に対する異常光線であってもよい。
【０００７】
本発明の一つの態様の虚像表示装置において、観察者の眼から前記第１の位置までの距離は、観察者の眼から前記第２の位置までの距離よりも長くてもよい。
【０００８】
本発明の一つの態様の虚像表示装置において、前記表示部は、偏光を射出する表示素子と、前記表示素子から射出された前記偏光の偏光方向を前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向とのいずれかに切り替える偏光方向切り替え素子と、を有していてもよい。
【０００９】
本発明の一つの態様の虚像表示装置において、前記表示部は、前記第１の偏光を射出する第１の表示素子と、前記第２の偏光を射出する第２の表示素子と、前記第１の表示素子から射出された前記第１の偏光を透過して前記接眼光学系に入射させるとともに、前記第２の表示素子から射出された前記第２の偏光を反射して前記接眼光学系に入射させる偏光合成素子と、を有していてもよい。
【００１０】
本発明の一つの態様の虚像表示装置において、前記表示部は、非偏光を射出する第１の表示素子と、非偏光を射出する第２の表示素子と、前記第１の表示素子から射出された前記非偏光に含まれる前記第１の偏光を透過して前記接眼光学系に入射させるとともに、前記第２の表示素子から射出された前記非偏光に含まれる前記第２の偏光を反射して前記接眼光学系に入射させる偏光合成素子と、を有していてもよい。
【００１１】
本発明の一つの態様の虚像表示装置において、前記接眼光学系の入射面から前記第１の表示素子までの光路長と、前記接眼光学系の入射面から前記第２の表示素子までの光路長と、が等しくてもよい。
【００１２】
本発明の一つの態様の虚像表示装置は、前記接眼光学系から射出された光が入射し、入射した光のうちの一部を観察者の眼に向けて反射し、他の一部を透過する反射素子をさらに備えていてもよく、前記表示部および前記接眼光学系は、前記表示部の光軸および前記接眼光学系の光軸が前記反射素子の中心と前記観察者の眼とを結ぶ直線と交差するように、設けられていてもよい。
【００１３】
本発明の一つの態様のヘッドマウントディスプレイは、観察者の右眼に向けて光を射出する第１の虚像表示装置と、観察者の左眼に向けて光を射出する第２の虚像表示装置と、を備え、前記第１の虚像表示装置および前記第２の虚像表示装置のそれぞれは、本発明の一つの態様の虚像表示装置で構成されている。
【００１４】
本発明の一つの態様のヘッドマウントディスプレイは、観察者の視線方向または輻輳角を検出する検出装置をさらに備えていてもよく、前記制御装置は、前記検出装置の検出結果に基づいて、観察者が相対的に遠くの外界像を見ていると判断した場合に前記第１の虚像を生成させ、観察者が相対的に近くの外界像を見ていると判断した場合には前記第２の虚像を生成させるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態の虚像表示装置の概略構成図であって、第１の虚像が生成された状態を示す。
【図２】第１実施形態の虚像表示装置の概略構成図であって、第２の虚像が生成された状態を示す。
【図３】表示部の概略構成図であって、表示部から第１の偏光が射出された様子を示す。
【図４】表示部の概略構成図であって、表示部から第２の偏光が射出された様子を示す。
【図５】第２実施形態の虚像表示装置の概略構成図である。
【図６】第３実施形態の虚像表示装置の概略構成図である。
【図７】第４実施形態の虚像表示装置の概略構成図である。
【図８】第５実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図４を用いて説明する。
図１は、第１実施形態の虚像表示装置を示す概略構成図であって、第１の虚像が生成された状態を示す。
図２は、第１実施形態の虚像表示装置を示す概略構成図であって、第２の虚像が生成された状態を示す。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００１７】
図１および図２に示すように、本実施形態の虚像表示装置１１は、表示部１２と、接眼光学系１３と、制御装置１４と、を備えている。接眼光学系１３は、複屈折材料を含んで構成されており、表示部１２から射出された第１の偏光Ｐ１と第２の偏光Ｐ２とが入射する。制御装置１４は、表示部１２を制御する。表示部１２は、接眼光学系１３と第１の前側焦点Ｆ１との間、かつ接眼光学系１３と第２の前側焦点Ｆ２との間に配置されている。なお、第１の前側焦点Ｆ１および第２の前側焦点Ｆ２については、後で説明する。
【００１８】
図３は、表示部１２を示す概略構成図であって、表示部１２から第１の偏光Ｐ１が射出された様子を示す。図４は、表示部１２を示す概略構成図であって、表示部１２から第２の偏光Ｐ２が生成された状態を示す。
【００１９】
図３および図４に示すように、表示部１２は、表示素子１２１と、偏光方向切り替え素子１２２と、を有している。
【００２０】
表示素子１２１は、複数の画素を有する液晶パネルから構成されている。液晶パネルの表示モード、内部の構成等については、特に限定されない。液晶パネルは、特定の偏光方向、具体的には、図３および図４の紙面に平行な偏光方向を有する直線偏光を射出する。以下、各図において、紙面に平行な偏光方向を第１の偏光方向と称し、第１の偏光方向に直交し、紙面に垂直な方向の偏光方向を第２の偏光方向と称する。本実施形態では、液晶パネルは、第１の偏光方向を有する第１の偏光Ｐ１を射出する。
【００２１】
偏光方向切り替え素子１２２は、液晶パネルから構成されている。偏光方向切り替え素子１２２を構成する液晶パネルは、表示素子１２１から射出される光の偏光方向を一様に切り替えればよいため、表示素子１２１を構成する液晶パネルと異なり、複数の画素を有する必要はない。偏光方向切り替え素子１２２を構成する液晶パネルは、液晶層を挟んで互いに対向する２枚の基材の対向面のそれぞれに一つの電極が設けられていればよい。
【００２２】
偏光方向切り替え素子１２２は、一対の電極間に供給する電圧を調整することによって、液晶パネルの液晶の配向状態を変化させる。これにより、偏光方向切り替え素子１２２は、表示素子１２１から射出された光の偏光方向を、図４のように９０°回転させるか、図３のように回転させないか、を切り替えることができる。このようにして、偏光方向切り替え素子１２２は、表示素子１２１から射出された偏光の偏光方向を第１の偏光方向と第２の偏光方向とのいずれかに切り替える。
【００２３】
このようにして、表示部１２は、第１の偏光方向を有する第１の偏光Ｐ１と、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する第２の偏光Ｐ２と、を切り替え可能に射出する。
【００２４】
図１および図２に示すように、接眼光学系１３は、光入射側から順に設けられた第１レンズ１３１、第２レンズ１３２、および第３レンズ１３３で構成されている。第２レンズ１３２は、複屈折性を有する複屈折レンズで構成されている。第２レンズ１３２は、例えば方解石等のような一軸性結晶の複屈折材料から構成されている。第２レンズ１３２は、方解石の光軸が接眼光学系１３の光軸ＡＸ１に対して垂直になるように構成されている。第１レンズ１３１および第３レンズ１３３は、例えばガラス等のような等方屈折率材料から構成されている。
【００２５】
接眼光学系１３は、図１に示すように、表示部１２から射出された第１の偏光Ｐ１からなる第１の虚像Ｖ１を接眼光学系１３の光軸ＡＸ１上における第１の位置に生成させ、図２に示すように、表示部１２から射出された第２の偏光Ｐ２からなる第２の虚像Ｖ２を光軸ＡＸ１上における第１の位置とは異なる第２の位置に生成する。
【００２６】
制御装置１４は、表示部１２から射出された第１の偏光Ｐ１からなる第１の虚像Ｖ１を接眼光学系１３の光軸ＡＸ１上における第１の位置に生成させ、表示部１２から射出された第２の偏光Ｐ２からなる第２の虚像Ｖ２を光軸ＡＸ１上における第２の位置に生成させるように、表示部１２の偏光方向切り替え素子１２２を制御する。
【００２７】
図１に示すように、表示部１２から第１の偏光Ｐ１が射出された場合、第１の偏光Ｐ１は、接眼光学系１３の第２レンズ１３２を構成する複屈折材料に対する常光線である。このとき、接眼光学系１３は、接眼光学系１３の入射面１３ａから距離ＦＦｏだけ離れた位置に第１の前側焦点Ｆ１を有する。
【００２８】
ここで、表示部１２から接眼光学系１３の入射面１３ａまでの距離をａとし、接眼光学系１３の入射面１３ａから第１の虚像Ｖ１までの距離をｂｏとする。接眼光学系１３の入射面１３ａは、第１レンズ１３１の入射面と定義する。
【００２９】
一方、図２に示すように、表示部１２から第２の偏光Ｐ２が射出された場合、第２の偏光Ｐ２は、接眼光学系１３の第２レンズ１３２を構成する複屈折材料に対する異常光線である。このとき、接眼光学系１３は、接眼光学系１３の入射面１３ａから距離ＦＦｅだけ離れた位置に第２の前側焦点Ｆ２を有する。このように、接眼光学系１３は、第１の偏光Ｐ１に対する第１の前側焦点Ｆ１と、第２の偏光Ｐ２に対する第２の前側焦点Ｆ２と、を有する。
【００３０】
ここで、表示部１２から接眼光学系１３の入射面１３ａまでの距離を図１と同様にａとし、接眼光学系１３の入射面１３ａから第２の虚像Ｖ２までの距離をｂｅとする。この場合、ｂｅ≠ｂｏである。
【００３１】
接眼光学系１３は、第１の偏光Ｐ１が方解石に対して常光線として入射し、第２の偏光Ｐ２が方解石に対して異常光線として入射するように、方解石の光学軸が配置されている。方解石の主屈折率は、常光線に対して約１．６６であり、異常光線に対して約１．４９である。このような主屈折率の大小関係から、接眼光学系１３の第１の偏光Ｐ１に対する前側焦点距離ＦＦｏと、第２の偏光Ｐ２に対する前側焦点距離ＦＦｅとの関係は、以下の（１）式のようになる。
ＦＦｅ＞ＦＦｏ  …（１）
【００３２】
このとき、表示部１２から接眼光学系１３の入射面１３ａまでの距離ａが共通であれば、接眼光学系１３の入射面１３ａから第１の虚像Ｖ１までの距離ｂｏと、接眼光学系１３の入射面１３ａから第２の虚像Ｖ２までの距離ｂｅとの関係は、以下の（２）式のようになる。
ｂｏ＞ｂｅ  …（２）
【００３３】
観察者の眼Ｅから接眼光学系１３までの距離は共通であるため、（２）式の関係から、観察者の眼Ｅから第１の虚像Ｖ１が生成される第１の位置までの距離は、観察者の眼Ｅから第２の虚像Ｖ２が生成される第２の位置までの距離よりも長くなる。すなわち、観察者の眼Ｅから見て、第１の虚像Ｖ１は、第２の虚像Ｖ２よりも遠くに見える。
【００３４】
このように、表示部１２から射出される光の偏光方向を切り替えることにより、虚像を呈示する位置を変えることができる。具体的な距離ｂｏおよび距離ｂｅの値は、表示部１２から接眼光学系１３の入射面１３ａまでの距離ａ、第１の偏光Ｐ１に対する前側焦点距離ＦＦｏ、および第２の偏光Ｐ２に対する前側焦点距離ＦＦｅが確定すれば、以下の（３）式、（４）式を用いて求めることができる。
１／ａ＋１／ｂｏ＝１／ＦＦｏ  …（３）
１／ａ＋１／ｂｅ＝１／ＦＦｅ  …（４）
【００３５】
本実施形態における各部の寸法の一例を挙げると、表示素子１２１の対角線寸法は、０．５インチ以上、１インチ以下である。接眼光学系１３の直径は３０ｍｍ以下であり、接眼光学系１３の厚さは２０ｍｍ以下である。表示部１２から接眼光学系１３の入射面１３ａまでの距離ａは、１５〜７５ｍｍである。第１の偏光Ｐ１に対する前側焦点距離ＦＦｏ、および第２の偏光Ｐ２に対する前側焦点距離ＦＦｅは、２０〜８０ｍｍである。接眼光学系１３の入射面１３ａから第１の虚像Ｖ１までの距離ｂｏ、および接眼光学系１３の入射面１３ａから第２の虚像Ｖ２までの距離ｂｅは、５００〜５０００ｍｍである。
【００３６】
虚像の位置を調整する手段として、例えば接眼光学系を光軸に沿って移動させることが考えられる。ところが、この構成では、接眼光学系の移動機構が必要になるため、表示装置が大型化する、表示装置の重量が増加する等の問題がある。これに対し、本実施形態によれば、接眼光学系１３を移動するための機構等を備える必要がなく、観察者の眼Ｅから異なる２つの距離に虚像Ｖ１，Ｖ２を呈示できる虚像表示装置１１を提供することができる。
【００３７】
上述したように、本実施形態の虚像表示装置１１は、例えば０．５インチ以上、１インチ以下の表示素子１２１を備えた小型の虚像表示装置である。そのため、本実施形態では、接眼光学系１３の移動機構が不要となることにより小型化の効果が損なわれることがない。
【００３８】
また、本実施形態の虚像表示装置１１においては、観察者がフリッカーを感じない程度の速さで偏光方向を切り替えることにより、観察者に、第１の虚像Ｖ１と第２の虚像Ｖ２とが同時に呈示されているように知覚させることも可能である。
【００３９】
［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。
第２実施形態の虚像表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、表示部の構成が第１実施形態と異なる。そのため、虚像表示装置の全体構成の説明は省略し、表示部について説明する。
図５は、第２実施形態の虚像表示装置の概略構成図である。
図５において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４０】
図５に示すように、第２実施形態の虚像表示装置２１は、表示部２２と、接眼光学系１３と、制御装置２４と、を備えている。表示部２２は、第１の表示素子２２１と、第２の表示素子２２２と、偏光合成素子２２３と、を有している。すなわち、本実施形態の虚像表示装置２１は、第１実施形態と異なり、表示部２２が２つの表示素子２２１，２２２と偏光合成素子２２３とを備えており、偏光方向切り替え素子を備えていない。
【００４１】
第１の表示素子２２１は、偏光合成素子２２３の第１面２２３ａに対向して設けられ、第１面２２３ａに向けて第１の偏光方向を有する第１の偏光Ｐ１を射出する。第２の表示素子２２２は、偏光合成素子２２３の第１面２２３ａに直交する第２面２２３ｂに対向して設けられ、第２面２２３ｂに向けて第２の偏光方向を有する第２の偏光Ｐ２を射出する。
【００４２】
第１の偏光Ｐ１を射出する第１の表示素子２２１、および第２の偏光Ｐ２を射出する第２の表示素子２２２として、例えば液晶表示素子を用いることができる。または、上記の表示素子２２１，２２２として、非偏光の画像光を射出する有機ＥＬ表示素子の光射出面に偏光板が配置されることによって偏光が射出される表示素子を用いることができる。
【００４３】
偏光合成素子２２３は、２つの直角三角柱状のプリズムと、２つのプリズムの貼合面に設けられた偏光分離膜と、を有する偏光ビームスプリッターから構成されている。偏光分離膜は、偏光分離膜に対するＰ偏光を透過し、偏光分離膜に対するＳ偏光を反射する。
【００４４】
第１の偏光Ｐ１は、接眼光学系１３の第２レンズ１３２を構成する複屈折材料に対して常光線となるとともに、偏光分離膜に対してはＰ偏光となるため、偏光合成素子２２３の偏光分離膜を透過して接眼光学系１３に入射する。一方、第２の偏光Ｐ２は、接眼光学系１３の第２レンズ１３２を構成する複屈折材料に対して異常光線となるとともに、偏光分離膜に対してはＳ偏光となるため、偏光合成素子２２３の偏光分離膜で反射されて接眼光学系１３に入射する。このように、偏光合成素子２２３は、第１の表示素子２２１から射出された第１の偏光Ｐ１を透過して接眼光学系１３に入射させるとともに、第２の表示素子２２２から射出された第２の偏光Ｐ２を反射して接眼光学系１３に入射させる。
【００４５】
接眼光学系１３の入射面１３ａから第１の表示素子２２１までの光路長と、接眼光学系１３の入射面１３ａから第２の表示素子２２２までの光路長と、は等しい。また、異常光線に対する接眼光学系１３の入射面１３ａから第２の前側焦点Ｆ２までの光路長は、常光線に対する接眼光学系１３の入射面１３ａから第１の前側焦点Ｆ１までの光路長よりも長い。そのため、第１実施形態で説明したように、接眼光学系１３の入射面１３ａから第１の表示素子２２１の虚像（第１の虚像Ｖ１）までの距離は、接眼光学系１３の入射面１３ａから第２の表示素子２２２の虚像（第２の虚像Ｖ２）までの距離よりも長くなる。
【００４６】
したがって、本実施形態の場合、２つの表示素子２２１，２２２のうち、第１の表示素子２２１のみを点灯すると、第１の虚像Ｖ１のみが呈示される。一方、第２の表示素子２２２のみを点灯すると、第１の虚像Ｖ１よりも近い位置に第２の虚像Ｖ２のみが呈示される。また、第１の表示素子２２１と第２の表示素子２２２とを同時に点灯すると、第１の虚像Ｖ１と第２の虚像Ｖ２の両方が同時に呈示される。
【００４７】
本実施形態においても、接眼光学系１３を移動するための機構等を備えることなく、観察者の眼Ｅから異なる２つの距離に虚像Ｖ１，Ｖ２を呈示できる虚像表示装置２１を提供することができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００４８】
［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図６を用いて説明する。
第３実施形態の虚像表示装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、表示部の構成が第１実施形態と異なる。そのため、虚像表示装置の全体構成の説明は省略し、表示部について説明する。
図６は、第３実施形態の虚像表示装置の概略構成図である。
図６において、第１実施形態および第２実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４９】
図６に示すように、第３実施形態の虚像表示装置３１は、表示部３２と、接眼光学系１３と、制御装置３４と、を備えている。表示部３２は、第１の表示素子３２１と、第２の表示素子３２２と、偏光合成素子２２３と、を有している。
【００５０】
本実施形態の表示部３２は、第２実施形態の表示部２２と類似している。ただし、第２実施形態の表示部２２は、特定の偏光方向を持った光を射出する表示素子を備えていたのに対し、本実施形態の表示部３２は、特定の偏光方向を持たない光、いわゆる非偏光を射出する表示素子を備えた点で異なっている。
【００５１】
第１の表示素子３２１は、偏光合成素子２２３の第１面２２３ａに対向して設けられ、第１面２２３ａに向けて非偏光Ｐ３を射出する。第２の表示素子３２２は、偏光合成素子２２３の第２面２２３ｂに対向して設けられ、第２面２２３ｂに向けて非偏光Ｐ３を射出する。
【００５２】
非偏光Ｐ３を射出する第１の表示素子３２１、および非偏光Ｐ３を射出する第２の表示素子３２２として、例えば有機ＥＬ表示素子を用いることができる。または、上記の表示素子として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）技術を用いたマイクロミラー表示素子を用いることができる。
【００５３】
偏光合成素子２２３において、第１の表示素子３２１から射出された非偏光Ｐ３のうち、Ｐ偏光成分は、偏光分離膜を透過して第１の偏光Ｐ１として接眼光学系１３に入射する。第１の偏光Ｐ１は、接眼光学系１３の第２レンズ１３２を構成する複屈折材料に対して常光線となる。一方、第２の表示素子３２２から射出された非偏光Ｐ３のうち、Ｓ偏光成分は、偏光分離膜で反射して第２の偏光Ｐ２として接眼光学系１３に入射する。第２の偏光Ｐ２は、接眼光学系１３の第２レンズ１３２を構成する複屈折材料に対して異常光線となる。このように、偏光合成素子２２３は、第１の表示素子３２１から射出された非偏光Ｐ３に含まれる第１の偏光Ｐ１を透過して接眼光学系１３に入射させ、第２の表示素子３２２から射出された非偏光Ｐ３に含まれる第２の偏光Ｐ２を反射して接眼光学系１３に入射させる。
虚像表示装置３１のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００５４】
接眼光学系１３の入射面１３ａから第１の表示素子３２１までの光路長と、接眼光学系１３の入射面１３ａから第２の表示素子３２２までの光路長と、は等しい。また、異常光線に対する接眼光学系１３の入射面１３ａから第２の前側焦点Ｆ２までの光路長は、常光線に対する接眼光学系１３の入射面１３ａから第１の前側焦点Ｆ１までの光路長よりも長い。そのため、接眼光学系１３の入射面１３ａから第１の表示素子３２１の虚像（第１の虚像Ｖ１）までの距離は、接眼光学系１３の入射面１３ａから第２の表示素子３２２の虚像（第２の虚像Ｖ２）までの距離よりも長くなる。
【００５５】
したがって、本実施形態の場合、２つの表示素子３２１，３２２のうち、第１の表示素子３２１のみを点灯すると、第１の虚像Ｖ１のみが呈示される。第２の表示素子３２２のみを点灯すると、第１の虚像Ｖ１よりも近い位置に第２の虚像Ｖ２のみが呈示される。また、第１の表示素子３２１と第２の表示素子３２２とを同時に点灯すると、第１の虚像Ｖ１と第２の虚像Ｖ２の両方が同時に呈示される。
【００５６】
本実施形態においても、接眼光学系１３を移動するための機構等を備えることなく、観察者の眼Ｅから異なる２つの距離に虚像Ｖ１，Ｖ２を呈示できる虚像表示装置３１を提供することができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００５７】
［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図７を用いて説明する。
第４実施形態の虚像表示装置の基本構成は第３実施形態と同様であり、反射素子を用いて光路を折り曲げた点が第３実施形態と異なる。そのため、虚像表示装置の全体構成の説明は省略する。
図７は、第４実施形態の虚像表示装置の概略構成図である。
図７において、第３実施形態で用いた図６と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００５８】
図７に示すように、第４実施形態の虚像表示装置４１は、表示部３２と、接眼光学系１３と、反射素子４３と、制御装置４４と、を備えている。表示部３２は、第１の表示素子３２１と、第２の表示素子３２２と、偏光合成素子２２３と、を有している。すなわち、表示部３２は、第３実施形態の表示部３２と同一の構成を有している。
【００５９】
反射素子４３は、接眼光学系１３から射出された光が入射し、入射した光のうちの一部を観察者の眼Ｅに向けて反射し、他の一部を透過する。反射素子４３は、例えばハーフミラー等の光学素子から構成されている。ただし、反射素子４３における反射率および透過率は、必ずしも５０％でなくてもよい。すなわち、反射素子４３の反射光と透過光との割合は、特に限定されず、所望の値に設定されていればよい。
【００６０】
表示部３２および接眼光学系１３は、表示部３２および接眼光学系１３の光軸ＡＸ１が反射素子４３の中心と観察者の眼Ｅとを結ぶ直線ＡＸ２と交差するように、設けられている。本実施形態では、表示部３２および接眼光学系１３の光軸ＡＸ１と直線ＡＸ２とは、９０°の角度で交差しているが、９０°以外の角度で交差していてもよい。
虚像表示装置４１のその他の構成は、第１実施形態と同様である。
【００６１】
本実施形態においても、接眼光学系１３を移動するための機構等を備えることなく、観察者の眼Ｅから異なる２つの距離に虚像Ｖ１，Ｖ２を呈示できる虚像表示装置４１を提供することができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
第１〜第３実施形態の虚像表示装置１１，１２，１３においては、観察者の眼Ｅの前に接眼光学系や表示部が配置されているため、虚像を見ることはできても、虚像とともに外界像を見ることが難しい。この問題に対して、本実施形態の虚像表示装置４１においては、観察者の眼Ｅの前に入射光の一部を反射し、他の一部を透過する反射素子４３が配置されているため、外界像を見ることができるとともに、外界像に虚像を重畳させて見ることができる、いわゆるシースルー型のヘッドマウントディスプレイに適用することができる。
【００６３】
［第５実施形態］
以下、本発明の第５実施形態について、図８を用いて説明する。
第５実施形態では、第４実施形態の虚像表示装置を２組用いたヘッドマウントディスプレイの構成例を挙げる。そのため、虚像表示装置の構成の説明は省略する。
図８は、第５実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図である。
図８において、第４実施形態で用いた図７と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００６４】
図８に示すように、本実施形態のヘッドマウントディスプレイ５１は、右眼用虚像表示装置５２Ｒ（第１の虚像表示装置）と、左眼用虚像表示装置５２Ｌ（第２の虚像表示装置）と、検出装置５３と、制御装置５４と、を備えている。
【００６５】
右眼用虚像表示装置５２Ｒは、観察者の右眼ＲＥに向けて光を射出する。左眼用虚像表示装置５２Ｌは、観察者の左眼ＬＥに向けて光を射出する。右眼用虚像表示装置５２Ｒと左眼用虚像表示装置５２Ｌとは、同一の構成を有しており、第４実施形態の虚像表示装置４１が用いられている。各虚像表示装置５２Ｒ，５２Ｌの構成要素は、ヘッドマウントディスプレイ５１の中心軸ＡＸ０に対して左右対称に配置されている。右眼用虚像表示装置５２Ｒと左眼用虚像表示装置５２Ｌとは、中心軸ＡＸ０上に互いに重畳するように虚像Ｖ１，Ｖ２を生成する。そのため、観察者は、虚像Ｖ１，Ｖ２の生成位置だけでなく、虚像Ｖ１，Ｖ２を見る際の輻輳角の違いによっても、２つの虚像Ｖ１，Ｖ２の位置の違いを認識する。
【００６６】
図８では、右眼用虚像表示装置５２Ｒおよび左眼用虚像表示装置５２Ｌのそれぞれが第３実施形態の表示部３２を含む第４実施形態の虚像表示装置４１を備えている例を挙げたが、この構成に代えて、右眼用虚像表示装置５２Ｒおよび左眼用虚像表示装置５２Ｌのそれぞれが第１実施形態の表示部１２または第２実施形態の表示部２２を備えていてもよい。
【００６７】
検出装置５３は、ヘッドマウントディスプレイ５１の任意の位置に設けられ、観察者の視線方向または輻輳角を検出する。検出装置５３として、公知の視線検出センサー等を用いることができる。
【００６８】
制御装置５４は、検出装置５３の検出結果に基づいて、観察者が相対的に遠くの外界像を見ていると判断した場合に第１の虚像Ｖ１を生成させ、観察者が相対的に近くの外界像を見ていると判断した場合には第２の虚像Ｖ２を生成させるように、各虚像表示装置５２Ｒ，５２Ｌを制御する。
【００６９】
例えばヘッドマウントディスプレイを装着した観察者が自身の近くの外界像を見ている際に虚像を重畳させる場合、虚像が観察者から離れた遠方に呈示されると、眼の焦点が外界像と虚像の双方に合わないため、外界像と虚像の双方を見にくい、眼が疲れる、といった問題が生じる。逆に、観察者が遠くの外界像を見ている際に虚像が観察者の近くに呈示された場合にも、同様の問題が生じる。
【００７０】
そこで、本実施形態のヘッドマウントディスプレイ５１においては、検出装置５３が観察者の視線方向または輻輳角を検出し、検出結果を制御装置５４に送信する。制御装置５４は、検出装置５３の検出結果に基づいて、観察者が相対的に遠くの外界像を見ているか、観察者が相対的に近くの外界像を見ているかを判断する。このときの判断基準は、第１の虚像Ｖ１と第２の虚像Ｖ２との位置関係に応じて、予め適宜設定されていればよい。
【００７１】
制御装置５４は、検出装置５３の検出結果に基づいて、観察者が相対的に遠くの外界像を見ていると判断した場合には、観察者から遠い第１の位置に第１の虚像Ｖ１を生成させるように、表示部３２を制御する。一方、制御装置５４は、観察者が相対的に近くの外界像を見ていると判断した場合には、観察者に近い第２の位置に第２の虚像Ｖ２を生成させるように、表示部３２を制御する。
【００７２】
本実施形態のヘッドマウントディスプレイ５１によれば、上記のように、観察者が遠くの外界像を見ているときには遠い位置に、観察者が近くの外界像を見ているときには近い位置に虚像Ｖ１，Ｖ２を呈示することができる。これにより、外界像と虚像の双方が見やすく、眼が疲れにくい、シースルー型のヘッドマウントディスプレイ５１を提供することができる。
【００７３】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、接眼光学系が、等方屈折率材料からなる第１レンズ、複屈折材料からなる第２レンズ、および等方屈折率材料からなる第３レンズの３枚のレンズで構成されていたが、例えば、複屈折材料からなる１枚のレンズで構成されていてもよいし、複屈折材料からなる複数枚のレンズで構成されていてもよい。また、収差補正用のレンズ等を適宜組み合わせてもよく、レンズの枚数についても特に限定されない。また、複屈折材料として、上記実施形態の方解石に代えて、例えば液晶を用いてもよい。
【００７４】
第５実施形態においては、制御装置が視線検出センサー等の検出装置の検出結果に基づいて遠くの位置に第１の虚像を生成するか、近くの位置に第２の虚像を生成するかを制御していたが、この構成に代えて、ヘッドマウントディスプレイは、例えば観察者が虚像の生成位置を選択するためのスイッチ等の入力手段を備えていてもよい。この場合、制御装置は、入力手段から得た観察者の選択結果に基づいて、観察者が遠くの位置に虚像を生成することを選択したときに第１の虚像を生成し、観察者が近くの位置に虚像を生成することを選択したときには第２の虚像を生成するように、表示部を制御すればよい。
【００７５】
また、第５実施形態では、右眼用虚像表示装置と左眼用虚像表示装置とを備え、観察者が両眼で虚像を視認するヘッドマウントディスプレイの例を挙げたが、この構成に代えて、例えば第４実施形態の虚像表示装置を一つだけ備え、観察者が片方の眼のみで虚像を視認するヘッドマウントディスプレイを構成してもよい。また、上記実施形態の虚像表示装置を用いてヘッドアップディスプレイを構成することもできる。
【００７６】
その他、上記実施形態で例示した虚像表示装置およびヘッドマウントディスプレイの各構成要素の数、配置、形状、材料、寸法等の具体的構成については、適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１１，２１，３１，４１…虚像表示装置、１２，２２，３２…表示部、１３…接眼光学系、１３ａ…（接眼光学系の）入射面、１４，２４，３４，４４，５４…制御装置、４３…反射素子、５１…ヘッドマウントディスプレイ、５２Ｒ…右眼用虚像表示装置（第１の虚像表示装置）、５２Ｌ…左眼用虚像表示装置（第２の虚像表示装置）、５３…検出装置、１２１…表示素子、１２２…偏光方向切り替え素子、２２１，３２１…第１の表示素子、２２２，３２２…第２の表示素子、２２３…偏光合成素子、ＡＸ１…（接眼光学系の）光軸、Ｅ…（観察者の）眼、Ｆ１…第１の前側焦点、Ｆ２…第２の前側焦点、Ｐ１…第１の偏光、Ｐ２…第２の偏光、Ｐ３…非偏光、Ｖ１…第１の虚像、Ｖ２…第２の虚像。
【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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