(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察者の視界領域に設けられたホログラムコンバイナに光画像生成手段から光画像を投光し、ホログラムコンバイナにより収束させて観察者の網膜に映像を直接投影して観察させる画像表示装置において、前記観察者の左右両眼にそれぞれ対応する２つの光画像生成手段と、前記ホログラムコンバイナに対して光の入射角度を変更させるように前記光画像生成手段を移動させる移動手段と、観察者の瞳の位置を検出する瞳位置検出手段とを備え、前記瞳位置検出手段の出力に基づき観察者の眼間距離を算出し、算出された眼間距離に基づき前記移動手段を動作させて前記ホログラムコンバイナによる光の収束点の位置を調整するように制御することを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像表示装置に係り、画像生成手段に表示された画像を虚像又は実像として観察者に表示する装置に関し、ヘッドマウントディスプレイに用いて好適な画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
画像表示装置に表示された画像からの光束を観察者の顔面の極近くに配置された光学系により直接目に投光し、等価的に大画面の画像情報を虚像として観察させるようにした画像表示装置が提案されている。この種の装置は、液晶表示装置に表示された画像情報に基づく光束を拡大レンズを介して観察者の瞳に収束させて、観察者の瞳から所定の距離、例えば５ｍ前方の虚像面上に虚像として表示を行うものである。
【０００３】
上記した装置において、大画面の画像を表示しようとすると、装置に使用するレンズの口径を大きくする必要がある。
【０００４】
しかしながら、両眼の間隔は約６５ｍｍであり、レンズを大型化するのにも限度があると共に、装置自体の重量が増加するという問題がある。
【０００５】
そこで、小型・軽量で、大画面表示が可能なヘッドマウントディスプレイタイプの立体画像表示装置として、ホログラフィック光学素子を用いたディスプレイが種々提案されている。例えば、１９９８年映像情報メディア学会年次大会（ＩＴＥ’９８：１９９８ＩＴＥ  Ａｎｎｕａｌ  Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ）１６−６「ホログラフィック光学素子を用いたヘッドマウントディスプレイの試作」に詳しい。図９は、上記ホログラフィック光学素子を用いた装置の原理を示す概略構成図である。
【０００６】
図９に示すように、観察者４の両耳の横から画像表示光束を反射型ホログラムコンバイナ３１に与える。このホログラムコンバイナ３１には、右眼用のレンズ領域と左眼用のレンズ領域が形成されている。それぞれの領域には、ホログラムの干渉縞が記録されている。そして、右眼用の画像表示光束はホログラムコンバイナ３１で回折反射されて右眼５Ｒに収束して入射する。同様に、左眼用の画像表示光束はホログラムコンバイナ３１で回折反射されて左眼５Ｌに収束して入射する。
【０００７】
このように、ホログラムコンバイナ３１を用いれば、右眼と左眼に別々に映像を入れることができ、視差を与えた２つの像を使えば左右の眼それぞれに視差のある像が入り、立体視を行うことができる。しかも、ホログラムコンバイナ３１には、波長選択性があるので、前方景色からの光の大部分はホログラムコンバイナを通過することになり、現実世界を明るく見ることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来のホログラムコンバイナを用いた画像表示装置においては、小型・軽量のシースルー機能を有する装置を提供することができる。しかしながら、上記した装置においては、ホログラムコンバイナで光束を収束させて、観察者のそれぞれ左右の瞳の位置に与えるように構成しているために、装置で想定した眼間距離と観察者の実像の眼間距離とに数ミリの差があっても、回折光を左右それぞれの目で同時に見ることができないという問題があった。
【０００９】
この発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたものにして、個人個人の眼間距離に対応し、回折光を左右それぞれの目で確実に見ることができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明は、観察者の視界領域に設けられたホログラムコンバイナに光画像生成手段から光画像を投光し、ホログラムコンバイナにより収束させて観察者の網膜に映像を直接投影して観察させる画像表示装置において、前記観察者の左右両眼にそれぞれ対応する２つの光画像生成手段と、前記ホログラムコンバイナに対して光の入射角度を変更させるように前記光画像生成手段を移動させる移動手段と、観察者の瞳の位置を検出する瞳位置検出手段とを備え、前記瞳位置検出手段の出力に基づき観察者の眼間距離を算出し、算出された眼間距離に基づき前記移動手段を動作させて前記ホログラムコンバイナによる光の収束点の位置を調整するように制御することを特徴とする。
【００１２】
ホログラムコンバイナへの映像光の入射角度を変更させることにより、ホログラムコンバイナで回折された光の収束点は変化する。そこで、この発明では、眼間距離に対応して、光画像生成手段を移動させ、ホログラムコンバイナへの映像光の入射角度を変更させる。この結果、観察者の左右の眼に確実に回折光を入射させ、映像を観察させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。図１は、この発明の第１の実施の形態を示す要部概略図である。
【００１４】
この実施の形態は、ゴーグル状又はヘルメットなどの部材に固定された装置を観察者の頭部に装着するシースルー機能を有するヘッドマウントディスプレイに適用したものである。尚、図においては、頭部に装着する部材等は省略して示している。
【００１５】
図１に示すように、観察者４の両耳近傍に光画像生成手段としての右眼用画像表示装置１Ｒと左眼用画像表示装置１Ｌが配置されている。上記画像表示装置１Ｒ、１Ｌには、２つの画像を別個に表示させることができる。
【００１６】
この右眼用画像表示装置１Ｒと左眼用画像表示装置１Ｌには、液晶表示素子等からなる面発光表示装置１０と、面発光表示装置１０からの映像光を平行光にするためのピーンホールを有する遮光板１１及びレンズ１２と、映像光をホログラムコンバイナ３に案内するための全反射ミラー１３と、を備える。そして、右眼用画像表示装置１Ｒと左眼用画像表示装置１Ｌからは反射型のホログラムコンバイナ３に所定の角度で平行光からなる映像光が与えられる。
【００１７】
また、上記した右眼用画像表示装置１Ｒ、左眼用画像表示装置１Ｌは、ホログラムコンバイナ３への光の入射角度が変更可能なように、移動自在に取り付けられ、角度調整部６Ｒ、６Ｌによりホログラムコンバイナ３に対して所望の角度に調整される。この角度調整部６Ｒ、６Ｌは、右眼用画像表示装置１Ｒ、左眼用画像表示装置１Ｌを図中矢印方向に移動するための駆動部（図示せず）を備え、後述する制御部２０により制御される。
【００１８】
更に、この実施の形態においては、観察者４の前方の視野の阻害にならない箇所に観察者４の眼間距離を測定するために用いられるＣＣＤカメラ２１Ｌ、２１Ｒが設けられている。このＣＣＤカメラ２１Ｌで観察者４の左眼５Ｌ、ＣＣＤカメラ２１Ｒで観察者４の右眼５Ｒを撮像し、両カメラの出力を制御部２０に与え、制御部２０が画像解析法に基づき、観察者４の眼間距離、すなわち、瞳の位置を算出する。
【００１９】
上述したホログラムコンバイナ３は、レンズ機能とコンバイナ機能を併せ持ち、基板上にホログラム感材を設け、このホログラム感材に所定のホログラムを形成したものである。ホログラムコンバイナ３は、図２に示すように、右眼用のホログラム領域３Ｒ、左眼用のホログラム領域３Ｌの２つの領域により構成され、２光束法に基づいた露光法により作成される。それぞれの領域には、ホログラムの干渉縞が形成されており、両者の共通部分である領域３Ｃには２つの干渉縞が二重露光されている。
【００２０】
このホログラムコンバイナ３は、現実情景と右眼用、左眼用画像表示装置１Ｒ、１Ｌからの映像を重畳表示するシースルーヘッドマントディスプレイを構成するもので、異なる方向から入射される右眼用及び左眼用の映像光を回折によって両眼に収束して分離する。そして、左右の眼の瞳にそれぞれ収束された光は眼の水晶体レンズの主点に集光し、網膜に直接投影されるものである。
【００２１】
図１に示すように、右眼用画像表示装置１Ｒから出射された光画像の平行光束はホログラムコンバイナ３で回折反射され、その光束を観察者４の右眼５Ｒに収束させて網膜上に直接投影させる。同様に、左眼用画像表示装置１Ｌから出射された光画像の平行光束は回折反射されて、その光束を観察者４の左眼５Ｌに収束させて網膜上に直接投影させる。
【００２２】
右眼用の画像表示装置１Ｒで表示された画像情報は拡大された画像として観察者の右眼５Ｒで観察され、左眼用の画像表示装置１Ｌで表示された画像情報は拡大された画像として観察者４の左眼５Ｌで観察される。
【００２３】
そして、右眼用画像表示装置１Ｒと左眼用画像表示装置１Ｌには、両眼視差に応じた視差画像を表示させ、それぞれ右眼５Ｒ、左眼５Ｌへ入射させることにより、立体映像を観察させることができる。
【００２４】
この実施の形態においては、ホログラムコンバイナ３は、眼間距離が６５ｍｍの状態のときを基本として設計されており、入射角度が３０度の２つの方向から入射された光を眼間距離が６５ｍｍの瞳の位置に収束点を持つように構成されている。ところで、前述したように、このタイプのディスプレイ装置は左右の眼の網膜上に直接投影させるため、眼間距離が６５ｍｍ以外の人では、回折光を左右それぞれの目で同時に見ることができない。そこで、この実施の形態では、ホログラムコンバイナ３への映像光の入射角度を変更させて、ホログラムコンバイナ３で回折された光の収束点を変化させて、眼間距離の調整を行うように構成している。
【００２５】
図５は、ホログラムコンバイナ３への光の入射角度と収束位置との関係を示す模式図である。図５に示すように、ホログラムコンバイナ３への平行光の入射角度が小さくなると収束位置は中央部に近づき、その結果、適応する眼間距離は狭くなる。逆に、ホログラムコンバイナ３への平行光の入射角度が大きくなると収束位置は中央部から遠のき、その結果、適応する眼間距離は広くなる。
【００２６】
図６に、入射角度３０度の時に、基準眼間距離に収束するように基本設計したホログラムコンバイナ３において、入射角度を変更させたときの状態を示す。入射角度が１５度の時は中央部に１０ｍｍずれ、入射角度が４５度の時には中央部より１５ｍｍ遠ざかる。尚、図６は、右眼の場合を上面より見た図である。従って、入射角度を１５度から４５度までの範囲で移動させることにより、眼間距離は標準値Ｄに対して、最小値（Ｄ−２０）ｍｍから最大値（Ｄ＋３０）ｍｍの範囲で調整することができる。
【００２７】
上記のように、入射角度を調整することにより、個人個人の眼間距離を調整することができる。この時、入射光が平行光なので、画像の歪みは発生しない。
【００２８】
前述したように、この実施の形態では、眼間距離を測定するためのＣＣＤカメラ２１Ｌ、２１Ｒからの出力に基づいて、制御部２０が眼間距離を算出する。そして、算出した眼間距離に対応するホログラムコンバイナ３への入射角度になるように、角度調整部６Ｌ、６Ｒを制御して、左眼用画像表示装置１Ｌ及び／又は右眼用画像表示装置１Ｒを移動させている。
【００２９】
次に、眼間距離の測定の一例を図３及び図４を参照して説明する。この実施の形態では、基本眼間距離を６５ｍｍとしている。従って、前述した眼間距離を測定するためのＣＣＤカメラ２１Ｌ、２１Ｒも眼間距離が６５ｍｍのときを基準として固定されている。
【００３０】
図３は、ＣＣＤカメラの固定位置と観察者の眼の位置との関係を示す模式図、図４は、左眼用ＣＣＤカメラ２１Ｌ画像の一例を模式図である。
【００３１】
上記したように、この実施の形態では、眼間距離が６５ｍｍの時を基準としているので、ＣＣＤカメラ２１Ｌ、２１Ｒの画面中心間を６５ｍｍにして固定している。そして、図４に示すように、ＣＣＤカメラとして、例えば、４８０画素×６４０画素のカメラを用いた場合につき説明する。１画素当たりのスケールＰｍｍとすると、画像解析法により、画面の中心から瞳孔中心までのずれが何画素あるか、制御部２０が解析し、そのずれ量Ｋを求める。１画素当たりのスケールをＰｍｍとすると、画面中心線よりＫ×Ｐ（ｍｍ）ずれていることが分かる。上記ずれ量Ｋは、画面中心線より眼間距離が狭くなる方向を（−）、広くなる方向を（＋）とすれば、眼間距離Ｓは、下記の式で求めることができる。
【００３２】
【数１】
0003698582.tif 000002
【００３３】
この実施の形態では、Ｄは６５ｍｍである。
【００３４】
制御部２０は上記の式に基づき、観察者４の眼間距離を算出する。その算出結果に基づき、前述した角度調整部６Ｒ、６Ｌを制御し、左眼用画像表示装置１Ｌ及び／又は右眼用画像表示装置１Ｒを移動させ、ホログラムコンバイナ３への平行光の入射角度を調整する。
【００３５】
前述したように、入射角度を１５度から４５度までの範囲で移動させることにより、眼間距離は標準値Ｄ（６５ｍｍ）に対して、最小値（Ｄ−２０）ｍｍから最大値（Ｄ＋３０）ｍｍの範囲で調整することができる。従って、子供から大人まで色々な人に対して最適な眼間距離の調整が行える。
【００３６】
次に、この発明の第２の実施の形態につき図７に従い説明する。第２の実施の形態においては、画像表示装置として、第１の実施の形態のものが面発光型表示装置を用いているのに対し鏡面反射型光変調器を用いている点が相違しており、他の構成は第１の実施の形態と同じであるので、説明の重複を避けるために同一部分には同一符号を付し、説明を割愛する。
【００３７】
図７に示すように、観察者４の両耳近傍に右眼用画像表示装置１Ｒと左眼用画像表示装置１Ｌが配置されている。この右眼用画像表示装置１Ｒと左眼用画像表示装置１Ｌには、光源としてのレーザ１５、このレーザから光を平行光にするレンズ１６、全反射ミラー１７、鏡面反射型光変調器１８と、を備える。
【００３８】
この鏡面反射型光変調器１８は、一平面状にマトリックス状に多数の微小ミラーが配置され、このミラーの向きを変化させることにより、所定の方向に反射される光をオン／オフし、映像光を出射するものである。この実施の形態では、光源としてのレーザ１５から出射された光をレンズ１６で平行光にして、ミラー１７で鏡面反射型変調器１８にその光を照射する。この鏡面反射型光変調器１８の微小ミラーの向きを変化させて、映像光を作成し、その映像光を所定の角度でホログラムコンバイナ３に与えるものである。
【００３９】
この実施の形態においても、眼間距離を測定するためのＣＣＤカメラ２１Ｌ、２１Ｒからの出力に基づいて、制御部２０が眼間距離を算出する。そして、算出した眼間距離に対応するホログラムコンバイナ３への入射角度になるように、角度調整部６Ｌ、６Ｒを制御して、左眼用画像表示装置１Ｌ及び／又は右眼用画像表示装置１Ｒを移動させて、入射光の入射角度を変更して調整している。
【００４０】
次に、この発明の第３の実施の形態につき図８に従い説明する。図８は、この発明の第３の実施の形態を示す要部概略図である。
【００４１】
この第３の実施の形態は、第１及び第２の実施の形態と同様に、ゴーグル状又はヘルメットなどの部材に固定された装置を観察者の頭部に装着するシースルー機能を有するヘッドマウントディスプレイに適用したものである。尚、図においては、頭部に装着する部材等を省略して示している。前述した第１及び第２の実施の形態がホログラムコンバイナとして反射型ホログラムコンバイナを用いているのに対して、この第３の実施の形態においては、透過型ホログラムコンバイナを用いている点が相違している。第１及び第２の実施の形態と同一部分には同一符号を付す。
【００４２】
第１の実施の形態又は第２の実施の形態と同様に構成された光画像生成手段としての右眼用画像表示装置１Ｒと左眼用画像表示装置１Ｌが、透過型のホログラムコンバイナ１３の背面側下方部に配置されている。上記画像表示装置１Ｒ、１Ｌには、２つの画像を別個に表示させることができる。右眼用画像表示装置１Ｒと左眼用画像表示装置１Ｌから透過型ホログラムコンバイナ１３に所定の入射角度で平行光からなる映像光が与えられる。
【００４３】
上記した右眼用画像表示装置１Ｒ、左眼用画像表示装置１Ｌは、ホログラムコンバイナ１３への光の入射角度が変更可能なように、移動自在に取り付けられ、角度調整部６Ｒ、６Ｌによりホログラムコンバイナ３に対して所望の角度に調整される。この角度調整部６Ｒ、６Ｌは、右眼用画像表示装置１Ｒ、左眼用画像表示装置１Ｌを図中矢印方向に移動するための駆動部（図示せず）を備え、制御部２０により制御される。
【００４４】
この第３の実施の形態においても、観察者４の前方の視野の阻害にならない箇所に観察者４の眼間距離を測定するために用いられるＣＣＤカメラ２１Ｌ、２１Ｒが設けられている。このＣＣＤカメラ２１Ｌで観察者４の左眼５Ｌ、ＣＣＤカメラ２１Ｒで観察者４の右眼５Ｒを撮像し、両カメラの出力を制御部２０に与え、制御部２０が画像解析法に基づき、観察者４の眼間距離、すなわち、瞳の位置を算出する。
【００４５】
このホログラムコンバイナ１３は、前述した第１の実施の形態と同様にレンズ機能とコンバイナ機能を併せ持ち、基板上にホログラム感材を設け、このホログラム感材に所定のホログラムを形成したものである。ホログラムコンバイナ１３は、右眼用のホログラム領域、左眼用のホログラム領域の２つの領域により構成され、２光束法に基づいた露光法により作成される。それぞれの領域には、ホログラムの干渉縞が形成されており、両者の共通部分である領域には２つの干渉縞が二重露光されている。
【００４６】
このホログラムコンバイナ１３は、現実情景と右眼用、左眼用画像表示装置１Ｒ、１Ｌからの映像を重畳表示するシースルーヘッドマントディスプレイを構成するもので、異なる方向から入射される右眼用及び左眼用の映像光を回折によって両眼に収束して分離する。そして、左右の眼の瞳にそれぞれ収束された光は眼の水晶体レンズの主点に集光し、網膜に直接投影される。
【００４７】
図８に示すように、右眼用画像表示装置１Ｒから出射された光画像の平行光束はホログラムコンバイナ３で回折透過され、その光束を観察者４の右眼５Ｒに収束させて網膜上に直接投影させる。同様に、左眼用画像表示装置１Ｌから出射された光画像の平行光束は回折透過されて、その光束を観察者４の左眼５Ｌに収束させて網膜上に直接投影させる。
【００４８】
右眼用の画像表示装置１Ｒで表示された画像情報は拡大された画像として観察者の右眼５Ｒで観察され、左眼用の画像表示装置１Ｌで表示された画像情報は拡大された画像として観察者４の左眼５Ｌで観察される。
【００４９】
そして、右眼用画像表示装置１Ｒと左眼用画像表示装置１Ｌには、両眼視差に応じた視差画像を表示させ、それぞれ右眼５Ｒ、左眼５Ｌへ入射させることにより、立体映像を観察させることができる。
【００５０】
この実施の形態においては、ホログラムコンバイナ１３は、眼間距離が６５ｍｍの状態のときを基本として設計されており、入射角度が３０度の２つの方向から入射された光を眼間距離が６５ｍｍの瞳の位置に収束点を持つように構成されている。このため、この第３の実施の形態においても、ホログラムコンバイナ１３への映像光の入射角度を変更させて、ホログラムコンバイナ１３で回折された光の収束点を変化させて、眼間距離の調整を行うように構成している。すなわち、ＣＣＤカメラ２１Ｒ、２１Ｌの出力に基づき制御部２０は観察者４の眼間距離を算出する。その算出結果に基づき、前述した角度調整部６Ｒ、６Ｌを制御し、左眼用画像表示装置１Ｌ及び／又は右眼用画像表示装置１Ｒを移動させ、ホログラムコンバイナ１３への平行光の入射角度を調整する。
【００５１】
この第３の実施の形態においても、ホログラムコンバイナ１３への入射角度を１５度から４５度までの範囲で移動させることにより、眼間距離は標準値Ｄ（６５ｍｍ）に対して、最小値（Ｄ−２０）ｍｍから最大値（Ｄ＋３０）ｍｍの範囲で調整することができる。従って、子供から大人まで色々な人に対して最適な眼間距離の調整が行える。
【００５２】
尚、上記した実施の形態においては、眼間距離の検出にＣＣＤカメラを用いたが、他の方法により眼間距離を検出してもよい。例えば、リンバストラッキング法により眼間距離を検出するように構成してもよい。
【００５３】
また、上記第１の実施の形態においては、平行光を作成する方法として、ピンホールを有する遮光板１１とレンズ１２を用いたが、他の方法により平行光を作成してもよい。例えば、液晶表示装置のバックライトとして、予め光源を平行光にしたものを用いたり、面発光装置として、ＬＥＤアレイを用いた場合には、アレイの前面にマイクロレンズアレイを配置し、平行光にするなどの方法を用いることもできる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ホログラムコンバイナにより収束させて観察者の網膜に映像を直接投影して観察させる画像表示装置において、眼間距離の違いに関係なく確実に左右の眼に回折光を入射させることができ、最適に映像を観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す要部概略図である。
【図２】この発明に用いられるホログラムコンバイナの平面図である。
【図３】ＣＣＤカメラの固定位置と観察者の眼の位置との関係を示す模式図である。
【図４】左眼用ＣＣＤカメラ２１Ｌ画像の一例を示す模式図である。
【図５】この発明におけるホログラムコンバイナへの光の入射角度と収束位置との関係を示す模式図である。
【図６】入射角度３０度の時に基準眼間距離に収束するホログラムコンバイナにおいて、光の入射角度と収束位置との関係を示す模式図である。
【図７】この発明の第２の実施の形態を示す要部概略図である。
【図８】この発明の第３の実施の形態を示す要部概略図である。
【図９】ホログラフィック光学素子を用いた装置の原理を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１Ｒ  右眼用画像表示装置
１Ｌ  左眼用画像表示装置
３  ホログラムコンバイナ
４  観察者
５Ｒ  右眼
５Ｌ  左眼
６  角度調節部
２０  制御部
２１Ｒ  ＣＣＤカメラ
２１Ｌ  ＣＣＤカメラ
【図１】
0003698582.tif 000003
【図２】
0003698582.tif 000004
【図３】
0003698582.tif 000005
【図４】
0003698582.tif 000006
【図５】
0003698582.tif 000007
【図６】
0003698582.tif 000008
【図７】
0003698582.tif 000009
【図８】
0003698582.tif 000010
【図９】
0003698582.tif 000011