(57)【要約】【課題】  複数の表示素子で形成した部分表示画像を連結した合成表示画像を虚像として提供しつつ、観察者の瞳が所定の位置からずれても、隙間等が生じない合成表示画像を虚像として提供することができる表示装置を提供する。【解決手段】  部分表示画像を表示する表示素子１１１と、部分表示画像に基づく画像表示光Ｌを前方に出射する投影光学系１１２とを有する投影ユニット１１を複数、備えるとともに、複数の投影ユニット１１から出射された画像表示光Ｌを連結した合成表示画像の虚像として観察者の眼Ｅに導く虚像光学系２を備える表示装置１０であって、複数の投影ユニット１１と虚像光学系２との間に配置されるスクリーン１２を備え、複数の投影ユニット１１から出射された画像表示光Ｌは、虚像光学系２に達する前に、スクリーン１２で１枚の実像として結像されるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部分表示画像を表示する表示素子と、当該部分表示画像に基づく画像表示光を前方に出射する投影光学系とを有する投影ユニットを複数、備えるとともに、
前記複数の投影ユニットから出射された画像表示光を連結し、合成表示画像を１枚の虚像として観察者の眼に導く虚像光学系を備える表示装置であって、
前記複数の投影ユニットと虚像光学系との間に配置されるスクリーンを備え、
前記複数の投影ユニットから出射された画像表示光は、前記虚像光学系に達する前に、前記スクリーンで１枚の実像として結像されることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
前記複数の投影ユニットの投影光学系の光軸がスクリーンに向かって互いに平行となるように、前記複数の投影ユニットは配置されていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記複数の投影ユニットと虚像光学系とスクリーンとは、前記観察者の頭部に装着されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示素子に表示された表示画像を虚像として観察者の眼に導く表示装置に関し、特に観察者の頭部に装着される表示装置（例えば、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ等）に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ＣＲＴやＬＣＤ等の表示素子に表示された表示画像を、コンバイナ等の虚像光学系を介して観察者の前方に虚像として表示するヘッドマウントディスプレイ（表示装置）が知られている。このようなヘッドマウントディスプレイは、例えば、１個のＬＣＤを有する投影ユニットと、観察者の眼前に配置されるコンバイナと、ＬＣＤに画像信号を出力する制御部とを備える。ヘッドマウントディスプレイにおいて、ＬＣＤで表示された表示画像に基づく画像表示光は、投影ユニットから出射された後、コンバイナで反射されることで、観察者の眼に導かれるようになっている。これにより、観察者は表示画像を虚像として観察するとともに、コンバイナを透過する光により前方実在物も視認することができる。このとき、観察者によって観察される虚像の画素数は、ＬＣＤの画素数と同じになる。
【０００３】
ところで、このようなヘッドマウントディスプレイで画素密度が高い虚像を観察者に提供するには、画素密度が高いＬＣＤを用いればよいが、ＬＣＤの製造上、画素密度の高密度化には、ＬＣＤのコストが高くなるとともに限界がある。
そこで、ＬＣＤの画素密度が低くても、複数のＬＣＤを並べて用いることにより、画素密度が高い虚像を観察者に提供することができるヘッドマウントディスプレイがある（例えば、特許文献１参照）。
図５は、３個のＬＣＤを用いたヘッドマウントディスプレイの概略構成の一例を示す構成図である。ヘッドマウントディスプレイ５０は、３個のＬＣＤ５１ａ、５１ｂ、５１ｃを有する投影ユニット群５１と、観察者の眼Ｅ前に配置されるホログラム光学素子（虚像光学系）５２と、３個のＬＣＤ５１ａ、５１ｂ、５１ｃに画像信号を出力する制御部（図示せず）とを備える。
投影ユニット群５１は、第一ＬＣＤ５１ａと第二ＬＣＤ５１ｂと第三ＬＣＤ５１ｃとからなり、第一ＬＣＤ５１ａと第二ＬＣＤ５１ｂと第三ＬＣＤ５１ｃとがこの順に横一列で並列に配列されている。そして、第一ＬＣＤ５１ａで表示された部分表示画像（画素数Ｍ×Ｎ）に基づく画像表示光は、第一ＬＣＤ５１ａから出射された後、ホログラム光学素子５２の右部で反射されることで、観察者の眼Ｅに導かれるようになっている。また、第二ＬＣＤ５１ｂで表示された部分表示画像（画素数Ｍ×Ｎ）に基づく画像表示光は、第二ＬＣＤ５１ｂから出射された後、ホログラム光学素子５２の中央部で反射されることで、観察者の眼Ｅに導かれるようになっている。さらに、第三ＬＣＤ５１ｃで表示された部分表示画像（画素数Ｍ×Ｎ）に基づく画像表示光は、第三ＬＣＤ５１ｃから出射された後、ホログラム光学素子５２の左部で反射されることで、観察者の眼Ｅに導かれるようになっている。
【０００４】
これにより、ヘッドマウントディスプレイ５０を装着した観察者は、第一ＬＣＤ５１ａの部分表示画像と、第二ＬＣＤ５１ｂの部分表示画像と、第三ＬＣＤ５１ｃの部分表示画像とを横一列に連結した合成表示画像を虚像として観察することができる。図６は、従来のヘッドマウントディスプレイ５０において、観察者によって観察される虚像の一例を示す図である。観察者によって観察される虚像は、３個の部分表示画像を連結した合成表示画像となり、その結果、虚像の画素数は３Ｍ×Ｎとなっている。
【特許文献１】特開平６−５１２３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、３個のＬＣＤ５１ａ、５１ｂ、５１ｃを用いたヘッドマウントディスプレイ５０においては、観察者の瞳が所定の位置（設計瞳位置）にあるときには、観察者は横一列に連続した合成表示画像を虚像として観察することができるが、観察者の瞳が所定の位置からずれてしまうと、第一ＬＣＤ５１ａの部分表示画像と第二ＬＣＤ５１ｂの部分表示画像と第三ＬＣＤ５１ｃの部分表示画像との間に隙間や不自然なつなぎ目等が形成されるような不連続な合成表示画像が虚像として観察されるという欠点があった。
そこで、本発明は、複数のＬＣＤ等の表示素子で形成した部分表示画像を連結した合成表示画像を虚像として提供しつつ、観察者の瞳が所定の位置からずれても、隙間や不自然なつなぎ目等が生じない合成表示画像を虚像として提供することができる表示装置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】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた本発明の表示装置は、部分表示画像を表示する表示素子と、当該部分表示画像に基づく画像表示光を前方に出射する投影光学系とを有する投影ユニットを複数、備えるとともに、前記複数の投影ユニットから出射された画像表示光を連結し合成表示画像を１枚の虚像として観察者の眼に導く虚像光学系を備える表示装置であって、前記複数の投影ユニットと虚像光学系との間に配置されるスクリーンを備え、  前記複数の投影ユニットから出射された画像表示光は、前記虚像光学系に達する前に、前記スクリーンで１枚の実像として結像されるようにしている。
【０００７】
本発明の表示装置によれば、複数の投影ユニットと、スクリーンと、虚像光学系とをこの順に備える。
まず、一の表示素子で表示された部分表示画像に基づく画像表示光が、投影光学系から前方に出射されることで、スクリーンの一部に導かれる。また、他の一の表示素子で表示された部分表示画像に基づく画像表示光は、投影光学系から前方に出射されることで、スクリーンの他の一部に導かれる。このとき、複数の投影ユニットから出射された画像表示光は、一の表示素子の部分表示画像と他の一の表示素子の部分表示画像とを連結した合成表示画像となるように、スクリーンで１枚の実像として結像される。つまり、隙間や不自然なつなぎ目等が生じていない合成表示画像がスクリーンに一旦形成される。
そして、スクリーンで形成された合成表示画像に基づく画像表示光が、虚像光学系で反射若しくは屈折されることで、観察者の眼に導かれる。これにより、観察者は、一の表示素子の部分表示画像と他の一の表示素子の部分表示画像とを連結した合成表示画像を虚像として観察する。このとき、観察者によって観察される虚像は、複数の部分表示画像を連結した合成表示画像となり、その結果、虚像の画素密度は高くなっている。また、隙間や不自然なつなぎ目等が生じていない合成表示画像がスクリーンに一旦形成されているので、隙間や不自然なつなぎ目等が生じない合成表示画像を虚像として観察者は観察することができる。
【発明の効果】
【０００８】
以上のように、本発明の表示装置によれば、画素密度が低い表示素子を用いても、複数の表示素子で形成した部分表示画像を連結することにより、画素密度が高い合成表示画像を虚像として提供することができる。
さらに、観察者の瞳が所定の位置からずれても、隙間や不自然なつなぎ目等が生じない合成表示画像を虚像として提供することができる。
【０００９】
（他の課題を解決するための手段および効果）
また、本発明の表示装置は、前記複数の投影ユニットの投影光学系の光軸がスクリーンに向かって互いに平行となるように、前記複数の投影ユニットは配置されているようにしてもよい。
さらに、本発明の表示装置は、前記複数の投影ユニットと虚像光学系とスクリーンとは、前記観察者の頭部に装着されるようにしてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような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で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態であるヘッドマウントディスプレイ（表示装置）の概略構成の一例を示す構成図である。また、図２は、図１に示すヘッドマウントディスプレイのＬＣＤ（表示素子）とスクリーンとの位置関係を示す斜視図である。さらに、図３は、図１に示すヘッドマウントディスプレイにおいて、観察者によって観察される虚像の一例を示す図である。
ヘッドマウントディスプレイ１０は、４個のＬＣＤ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄを有する投影ユニット群１１と、１個の平板のスクリーン１２と、観察者の眼Ｅ前に配置されるコンバイナ（虚像光学系）２と、４個のＬＣＤ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄに画像信号を出力する制御部３０とを備える。なお、ヘッドマウントディスプレイ１０は、観察者の頭部に装着されるものである。
【００１２】
スクリーン１２は、投影ユニット群１１とコンバイナ２との間に配置された１個の平板である。スクリーン１２において、投影ユニット群１１側の面が、部分表示画像に基づく画像表示光Ｌを投影ユニット群１１から受ける入射面となり、コンバイナ２側の面が、部分表示画像に基づく画像表示光Ｌをコンバイナ２へ出射する出射面となる。
【００１３】
投影ユニット群１１は、第一投影ユニット１１ａと第二投影ユニット１１ｂと第三投影ユニット１１ｃと第四投影ユニット１１ｄとからなる。
第一投影ユニット１１ａは、部分表示画像を表示する１個のＬＣＤ１１１ａと、ＬＣＤ１１１ａの前方に配置される投影光学系１１２ａとを有する。
ＬＣＤ１１１ａは、制御部３０からの画像信号に基づいて、部分表示画像（画素数Ｍ×Ｎ）を表示する。そして、ＬＣＤ１１１ａは、部分表示画像に基づく画像表示光Ｌを前方の投影光学系１１２ａに出射する。投影光学系１１２ａは、部分表示画像に基づく画像表示光Ｌを入射面で受けて、その後、出射面から画像表示光Ｌを前方のスクリーン１２に拡大し実像を形成するように出射する。
なお、第二投影ユニット１１ｂと第三投影ユニット１１ｃと第四投影ユニット１１ｄとも、第一投影ユニット１１ａと同様の構造となるので、ここでは説明を省略する。
【００１４】
このような第一投影ユニット１１ａと第二投影ユニット１１ｂと第三投影ユニット１１ｃと第四投影ユニット１１ｄとの合計４個の投影ユニットは、縦２列横２列となるように配列されて固定されている。このとき、図２に示すように、前方から見ると、左上に第一投影ユニット１１ａのＬＣＤ１１１ａ、右上に第二投影ユニット１１ｂのＬＣＤ１１１ｂ、左下に第三投影ユニット１１ｃのＬＣＤ１１１ｃ、右下に第四投影ユニット１１ｄのＬＣＤ１１１ｄがそれぞれ配置される。なお、図２において投影光学系の図示を省略している。
また、第一投影ユニット１１ａの投影光学系１１２ａの光軸と第二投影ユニット１１ｂの投影光学系１１２ｂの光軸と第三投影ユニット１１ｃの投影光学系１１２ｃの光軸と第四投影ユニット１１ｄの投影光学系１１２ｄの光軸とは、スクリーン１２に向かって互いに平行となるように、第一投影ユニット１１ａと第二投影ユニット１１ｂと第三投影ユニット１１ｃと第四投影ユニット１１ｄとは配置されている。これにより、図２に示すように前方から見ると、ＬＣＤ１１１ａの部分表示画像はスクリーン１２の左上部に投影され、ＬＣＤ１１１ｂの部分表示画像はスクリーン１２の右上部に投影され、ＬＣＤ１１１ｃの部分表示画像はスクリーン１２の左下部に投影され、ＬＣＤ１１１ｄの部分表示画像はスクリーン１２の右下部に投影される。このとき、ＬＣＤ１１１ａの部分表示画像とＬＣＤ１１１ｂの部分表示画像とＬＣＤ１１１ｃの部分表示画像とＬＣＤ１１１ｄの部分表示画像とを連結した合成表示画像となるように、スクリーン１２で１枚の実像として結像される。つまり、隙間や不自然なつなぎ目等が生じていない合成表示画像がスクリーン１２に一旦形成される。
【００１５】
制御部３０は、ＣＰＵ３１を備える。ＣＰＵ３１が実行する制御・演算内容を機能ごとに分けて説明すると、合成表示画像を作成する合成表示画像作成部３２と、４個のＬＣＤ１１１ａ、１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄに画像信号を出力する画像信号出力部３３とを有する。
合成表示画像作成部３２は、合成表示画像を作成する制御を行う。具体的には、図３に示すような画像が観察者によって虚像として観察されるように、１枚の合成表示画像を作成する。
【００１６】
画像信号出力部３３は、４個のＬＣＤ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄに画像信号を出力する制御を行う。具体的には、まず、合成表示画像作成部３２で作成した１枚の合成表示画像を、縦２列横２列となるように４枚の部分表示画像に分離する。次に、図４に示すように４枚の部分表示画像の鏡像４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを作成する。そして、ＬＣＤ１１１ａに部分表示画像４０ａを示す画像信号を出力し、ＬＣＤ１１１ｂに部分表示画像４０ｂを示す画像信号を出力し、ＬＣＤ１１１ｃに部分表示画像４０ｃを示す画像信号を出力し、ＬＣＤ１１１ｄに部分表示画像４０ｄを示す画像信号を出力する。
【００１７】
コンバイナ２は、スクリーン１２で形成された合成表示画像に基づく画像表示光Ｌを反射することで、合成表示画像を１枚の虚像として観察者の眼Ｅに導く。
コンバイナ２は、観察者の眼Ｅの前方に配置される第一光学素子２１と、観察者の眼Ｅから第一光学素子１１の前方に空間を介して配置される第二光学素子２２とを有する。第一光学素子２１と第二光学素子２２とは、例えば、それぞれハーフミラーやホログラム素子により構成される。よって、第一光学素子２１及び第二光学素子２２は、入射光を反射させるとともに、透過させるビームスプリット機能を有する。
【００１８】
ここで、第一光学素子２１の観察者側の反対面を、第一光路変更面２１ａとし、第一光学素子２１の観察者側の面を、第一通過面２１ｂとする。また、第二光学素子２２の観察者側の面を、第二光路変更面２２ａとし、第二光学素子２２の観察者側の反対面を第二通過面２２ｂとする。
第一光路変更面２１ａは、入射光（画像表示光Ｌ）を発散させる凸曲面形状であるとともに、第二光路変更面２２ａは、入射光を収束させる凹曲面形状である。なお、第一光路変更面２１ａ、第二光路変更面２２ａ、第一通過面２１ｂ及び第二通過面２２ｂは、例えば、「軸はずし回転対称非球面」である。
【００１９】
上記軸はずし回転対称非球面は、ｘｙｚ座標空間において下記の数式（１）で示す形状関数により特定される非球面において、その非球面の回転対称軸から偏心した中心を有する面で表される。ここで、数式（１）において、ρ２＝ｘ２＋ｙ２、ｃ＝１／Ｒである。なお、数式（１）は、２次曲面係数Ｋと非球面係数αｉ（ｉ＝１〜ｎ）とが０であるときに、球面を表し、その球面の半径がＲとなる。よって、非球面とは、数式（１）において、少なくとも一つの非球面係数αｉか、２次曲面係数Ｋが０でないことをいう。
【００２０】
【数１】
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【００２１】
なお、軸はずし回転対称非球面を定義する曲率ｃ、２次曲面係数Ｋ及び非球面係数αｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、ヘッドマウントディスプレイ１０における実像（部分表示画像）に対する観察対象の虚像の倍率、ヘッドマウントディスプレイ１０から観察者の眼Ｅまでの光路長等に応じて、虚像を観察者の前遠方位置に明瞭に形成できるように決定される。
また、第一光学素子２１及び第二光学素子２２は、厚さが均一な板状体である。第一光学素子２１は、例えば、第一光路変更面２１ａと第一通過面２１ｂとを互いに同じ形状とされることで、厚さを均一にされる。一方、第二光学素子２２も、例えば、第二光路変更面２２ａと第二通過面２２ｂとを互いに同じ形状とされることで、厚さを均一にされる。
【００２２】
ここで、コンバイナ２が画像表示光Ｌを観察者の眼Ｅに導く仕組みについて説明する。まず、スクリーン１２から出射され、第一光路変更面２１ａに至った画像表示光Ｌは、第一光路変更面２１ａで第二光路変更面２２ａに向かうように反射される。さらに、第二光路変更面２２ａに至った画像表示光Ｌは、第二光路変更面２２ａで第一光路変更面２１ａに向かうように反射される。そして、第一光学素子２１に至った画像表示光Ｌは、第一光学素子２１を透過することにより、観察者の眼Ｅに導かれる。よって、コンバイナ２は、画像表示光Ｌを観察者の眼Ｅに導くことで、観察対象の虚像を形成する。
【００２３】
以上のように、ヘッドマウントディスプレイ１０によれば、画素密度が低いＬＣＤ（画素数Ｍ×Ｎ）１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄを用いても、４個のＬＣＤ１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄで形成した部分表示画像を連結することにより、画素密度が高い合成表示画像（画素数２×（Ｍ×Ｎ））を虚像として提供することができる。さらに、観察者の瞳が所定の位置からずれても、隙間や不自然なつなぎ目等が生じない合成表示画像を虚像として提供することができる。
【００２４】
（他の実施形態）
（１）上述したヘッドマウントディスプレイ１０において、４個の投影ユニット１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを備える構成としたが、４個の投影ユニットに限らず、所望の画素密度となる虚像を観察者に提供するために、９個や１６個等の必要な個数の投影ユニットを備えるような構成としてもよい。
（２）上述したヘッドマウントディスプレイ１０において、１枚のスクリーン１２を備える構成としたが、縦２列横２列となるように４枚のスクリーンに分離することが可能となるような構成としてもよい。このような構成によれば、投影ユニットの個数を容易に変更することができるようになる。
（３）上述したヘッドマウントディスプレイ１０において、制御部３０は合成表示画像を重なる部分がないように４つの部分表示画像に分離する構成としたが、制御部は合成表示画像を一部分が重なるように４つの部分表示画像に分離するような構成としてもよい。
（４）上記画像表示光を観察者の両方の眼に導くようにしてもよく、上記第二光路変更面は、全反射ミラーにより構成されてもよい。
（５）ヘッドマウントディスプレイに限らず、観察者の前方に設置するヘッドアップディスプレイのような形態であってもよい。
（６）上述したヘッドマウントディスプレイ１０において、画像表示光Ｌを反射することで、合成表示画像を１枚の虚像として観察者の眼Ｅに導くコンバイナ２を備える構成としたが、画像表示光を屈折することで、合成表示画像を１枚の虚像として観察者の眼に導く虚像光学系を備えるような構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、表示素子に表示された表示画像を虚像として観察者の眼に導く表示装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態であるヘッドマウントディスプレイの概略構成の一例を示す構成図である。
【図２】図１に示すヘッドマウントディスプレイのＬＣＤとスクリーンとの位置関係を示す斜視図である。
【図３】図１に示すヘッドマウントディスプレイにおいて、観察者によって観察される虚像の一例を示す図である。
【図４】４つの部分表示画像の鏡像の一例を示す図である。
【図５】特許文献１に記載のヘッドマウントディスプレイの概略構成の一例を示す構成図である。
【図６】特許文献１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、観察者によって観察される虚像の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
２  コンバイナ（虚像光学系）
１０  ヘッドマウントディスプレイ（表示装置）
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ  投影ユニット
１２  スクリーン
２１  第一光学素子
２２  第二光学素子
１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ  ＬＣＤ（表示素子）
１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄ  投影光学系
Ｌ  画像表示光
Ｅ  観察者の眼
【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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