(57)【要約】【課題】観察者の瞳の位置が表示光学系の射出瞳の位置に一致していることを直感的に分かりやすく、かつ高い精度で確認できるようにする。【解決手段】画像観察装置は、画像を表示する画像表示手段１０２と、該画像表示手段からの表示光束を射出瞳１０８に導く表示光学系１０１と、観察者の瞳の位置が表示光学系の射出瞳の位置に一致したことを該観察者に認識させるための指標光束を表示光学系の射出瞳１０８に導く通知光学系１０５〜１０７とを有する。通知光学系の射出瞳１０９の径は、表示光学系の射出瞳１０８の径よりも小さい。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する画像表示手段と、
該画像表示手段からの表示光束を射出瞳に導く表示光学系と、
観察者の瞳の位置が前記射出瞳の位置に一致したことを該観察者に認識させるための指標光束を前記射出瞳に導く通知光学系とを有し、
前記通知光学系の射出瞳の径が、前記表示光学系の前記射出瞳の径よりも小さいことを特徴とする画像観察装置。
【請求項２】
前記通知光学系の前記射出瞳の径は、前記表示光学系の前記射出瞳の径の１／５以下であることを特徴とする請求項１に記載の画像観察装置。
【請求項３】
前記通知光学系の前記射出瞳の中心位置が、前記表示光学系の前記射出瞳の中心位置に一致していることを特徴とする請求項１または２に記載の画像観察装置。
【請求項４】
前記画像表示手段、前記表示光学系および前記通知光学系が前記観察者の両眼用として二組設けられており、該二組がそれぞれ前記観察者の眼幅方向に一体で移動可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の画像観察装置。
【請求項５】
前記通知光学系は、前記表示光学系と該表示光学系の前記射出瞳との間に配置された光学要素を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の画像観察装置。
【請求項６】
前記通知光学系は、前記指標光束により指標画像を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の画像観察装置。
【請求項７】
前記指標画像は、前記指標光束により形成された虚像であることを特徴とする請求項６に記載の画像観察装置。
【請求項８】
前記通知光学系は、ホログラムを用いて前記指標画像を形成することを特徴とする請求項７に記載の画像観察装置。
【請求項９】
前記通知光学系は、ハーフミラーを用いて前記指標光束を前記通知光学系の前記射出瞳に導くことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の画像観察装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示された画像の拡大像を表示光学系を通して観察者に提示する画像観察装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表示光学系を通して液晶パネル等の画像表示素子に表示された画像の拡大像を観察者の眼に提示する画像観察装置として、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head-Mounted Display）等がある。このような画像観察装置により画像を良好に観察するためには、観察者は眼（瞳）の位置を表示光学系の射出瞳の位置に一致させることが望ましい。ただし、観察者の主観で自らの瞳と表示光学系の射出瞳との位置合わせを行うことは困難または面倒である。
【０００３】
特許文献１には、観察者の瞳の位置が表示光学系の射出瞳の位置からずれることによって観察者が特定の指標が視認されるようにした画像観察装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２６０８７１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、観察者の瞳の位置が表示光学系の射出瞳の位置からずれることによって指標が視認されるよりも、もっと直感的に分かりやすく、かつ高い精度で観察者の瞳の位置が表示光学系の射出瞳の位置が一致していることが確認できた方が好ましい。本発明は、そのような確認が可能な画像観察装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての画像観察装置は、画像を表示する画像表示手段と、該画像表示手段からの表示光束を射出瞳に導く表示光学系と、観察者の瞳の位置が表示光学系の射出瞳の位置に一致したことを該観察者に認識させるための指標光束を表示光学系の射出瞳に導く通知光学系とを有する。通知光学系の射出瞳の径が、表示光学系の射出瞳の径よりも小さいことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、観察者は直感的に分かりやすく、かつ高い精度で瞳の位置が表示光学系の射出瞳の位置に一致していることを確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施例１であるＨＭＤの構成を示す図。
【図２】実施例１のＨＭＤの射出瞳を示す図。
【図３】実施例１のＨＭＤを用いて観察者が画像を観察している状態を示す図。
【図４】実施例１のＨＭＤの射出瞳に対して観察者の瞳がずれた状態を示す図。
【図５】実施例１のＨＭＤの射出瞳に対して観察者の瞳がずれた状態を示す別の図。
【図６】実施例１のＨＭＤにおける通知光学系による指標画像が提示されている状態を示す図。
【図７】実施例１のＨＭＤにおける通知光学系による指標画像が提示されている状態を示す別の図。
【図８】実施例１のＨＭＤにおける通知光学系による指標画像が提示されている状態を示すさらに別の図。
【図９】実施例１のＨＭＤにおける表示光学系が提示する画像を表す模式図である。
【図１０】実施例１における指標画像の例を示す図。
【図１１】本発明の実施例２であるＨＭＤの構成を示す図。
【図１２】本発明の実施例３であるＨＭＤの構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明の実施例１である画像観察装置としてのＨＭＤの構成を示している。この図は、観察者の眼球１０３の中心を通る垂直断面を示している。つまり、図１の紙面に垂直な方向に観察者の両眼が配置されており、それぞれの眼に対して図１に示す構成が設けられている。図１において、観察者の眼球１０３の視軸方向を＋Ｚ方向とし、＋Ｚ方向に対して直交する水平方向および垂直方向にそれぞれ＋Ｘ方向（図１の紙面の手前方向）および＋Ｙ方向（上方向）とする。
【００１１】
１０１は表示光学系であり、それぞれパワーを有する３つの光学面で構成されるプリズムにより構成される。表示光学系１０１は、観察者に対して後述する画像表示素子に表示された画像の拡大虚像を提示する。本実施例における表示光学系１０１は偏心光学系であり、図１に示す垂直断面内で偏心している。ただし、この表示光学系１０１は例に過ぎず、観察者に拡大虚像を提示できる光学系であればどのような構成を有していてもよい。
【００１２】
画像表示素子（画像表示手段）１０２は、液晶パネルや有機ＥＬパネルにより構成される。ただし、画像表示素子に代えて、レーザ光源と走査デバイスとを組み合わせて観察者に対して画像を表示するデバイスを用いてもよい。１００はＨＭＤの筐体であり、画像表示素子１０２および表示光学系１０１を保持する。
【００１３】
図１は、画像表示素子１０２から出射し、表示光学系１０１を通って観察者１０３の瞳に至る表示光束のうち複数の主光線のみを示している。観察者は、眼球１０３の瞳をこれらの主光線が交わる点、すなわち表示光学系１０１の射出瞳の位置に配置することで画像表示素子１０２に表示された画像（映像）の拡大虚像を視認することができる。
【００１４】
観察者の眼球１０３（表示光学系１０１の射出瞳）と表示光学系１０１との間には、筐体１００に取り付けられた保護カバー１０４が設けられている。保護カバー１０４は、筐体１００とともに、その内部に配置された表示光学系１０１や不図示の電気回路を保護する。保護カバー１０４は透明な平板である。ただし、保護カバー１０４における中央部（観察者の眼球１０３から＋Ｚ方向の部分）および下部にはそれぞれ、光学要素１０５および光学要素１０６が設けられている。
【００１５】
また、１０７は通知用光源であり、通知光学系を介して観察者の眼球１０３の瞳の位置が表示光学系１０１の射出瞳の位置に一致したことを観察者に通知する（認識させる）ための指標を形成する光束（以下、指標光束という）を発する。本実施例では。通知用光源として可視光レーザ光源を用いる。
【００１６】
光学要素１０６はミラーであり、通知用光源１０７からの指標光束を反射して保護カバー１０４内にて光学要素１０５に導く。なお、光学要素１０６は通知用光源１０７と光学要素１０５との配置関係によっては不要であり、筐体１００内の部品配置や構成等に応じて必要に応じて配置される。
【００１７】
本実施例では、通知光学系にホログラムを使用する。光学要素１０５は、ホログラフィック光学素子であり、通知用光源１０７からの光を受けて、観察者の眼球１０３に向けて予め記録された画像の虚像（ホログラム像）を再生するように機能する。この再生されたホログラム像を、観察者の瞳の位置が表示光学系１０１の射出瞳の位置に一致したことを観察者に認識させるための指標画像として利用する。光学要素１０５，１０６を含む保護カバー１０４および通知用光源１０７は、通知光学系を構成する。
【００１８】
図２は、表示光学系１０１の射出瞳１０８を示している。本実施例では、射出瞳１０８は直径が８ｍｍの円形状を有する。図３は、観察者が眼球１０３の瞳の位置を表示光学系１０１の射出瞳１０８の位置に一致させて映像を観察している理想的な状態を示している。なお、観察者の眼球１０３内の瞳は、観察する映像によっても変化するが、本実施例では直径３ｍｍであるとする。
【００１９】
一方、図４は、観察者の眼球１０３の瞳の位置が射出瞳１０８に対して＋Ｙ方向に２ｍｍだけずれた状態、すなわち瞳位置の不一致が生じた状態を示している。このような瞳位置の不一致が何ｍｍまで許容されるかは表示光学系１０１に依存するが、一般には、数ｍｍ程度の不一致でも観察される映像の品位が劣化する。本実施例における表示光学系は、１ｍｍの瞳位置の不一致まではほとんど映像の品位は劣化せず、２ｍｍの瞳位置の不一致までは許容できる光学系である。このため、図４の状態は、映像の観察を行うことは可能であるものの、より正確に瞳位置を一致させることが望ましい状態である。
【００２０】
さらに、図５は、＋Ｙ方向に４ｍｍの瞳位置の不一致が生じた状態を示している。図５の状態では、映像の品位の劣化が図４の状態よりも顕著であり、長時間この状態で映像を観察すると、観察者の疲労の原因となるおそれがある。
【００２１】
図６は、通知光学系の通知用光源１０７を発光させた（通知光学系を動作させた）状態を示している。通常、通知用光源１０７は表示光学系１０１を通して映像観察が行われている際には発光せず、観察者が瞳の位置を射出瞳１０８の位置に合わせるのに必要なタイミングで発光する。通知用光源１０７を発光させる際には、表示光学系１０１からの映像を表示したままでもよいし、映像の表示を停止してもよい。この通知用光源１０７は、所定のスイッチでｏｎ／ｏｆｆを切り替えてもよいし、調整モードが開始すると自動的に通知用光源１０７をｏｎし、調整モードが終了すると光源をｏｆｆするようにしてもよい。通知用光源１０７から発せられたレーザ光は、保護カバー１０４の下部に入射して光学要素１０６により上方（＋Ｙ方向）に向きを変えられ、光学要素１０５に照射される。その結果、観察者にホログラム像（指標画像）を視認させるホログラム再生が行われる。観察者は瞳の位置を通知光学系の射出瞳１０９の位置に合わせることでホログラム像を視認することができる。つまり、観察者は瞳の位置が表示光学系１０１の射出瞳１０８の位置に一致したことを認識することができる。
【００２２】
本実施例では、通知光学系の射出瞳１０９は直径１ｍｍの円形を有する。この射出瞳１０９の中心位置は、図中に破線で記載された表示光学系１０１の主光線の交差位置である射出瞳１０８の中心位置に一致している。通知用光源１０７を発光させる際に表示光学系１０１からの映像も表示する場合には、通知光学系の光束は表示光学系１０１の画角の一部の光束と重なる。
【００２３】
このように、本実施例では、通知光学系の射出瞳１０９の直径（１ｍｍ）を表示光学系１０１の射出瞳１０８の直径（８ｍｍ）より小さくした上で通知光学系の射出瞳１０９の中心位置を表示光学系１０１の射出瞳１０８の中心位置に一致させている。これにより、図７に示すように、観察者はホログラム像を視認することで、その瞳の位置を表示光学系１０１の射出瞳１０８の位置に正確にかつ容易に合わせることができる。このような効果を得るためには、通知光学系の射出瞳１０９の直径は、表示光学系１０１の射出瞳１０８の直径の１／５以下であることが好ましい。
【００２４】
上述したように通知光学系の射出瞳１０９の直径は１ｍｍであり、図７に示す状態から観察者の瞳の位置が１ｍｍずれても観察者は通知光学系により形成されたホログラム像を観察することが可能である。
【００２５】
図９は、通知光学系を動作させない状態で表示光学系１０１を通して観察される映像の例を示している。１１０は観察画面を示している。一方、図１０は、図７または図８に示すように通知光学系を動作させた状態で観察者に視認される指標画像としてのホログラム像（枠で囲まれたＯＫの像）１１１を示している。図では黒く示しているが、ホログラム像は赤や黄等の視認し易い色で観察画面１１０の中央に提示することが望ましい。この指標画像は例であり、文字、明るさ、大きさ、色および提示位置は観察者に視認されやすいように適宜決めればよい。
【００２６】
図８は、図４に示したように観察者の瞳が通知光学系の射出瞳１０９の中心位置に対してよりも＋Ｙ方向に２ｍｍだけずれた状態での通知光学系からの指標光束を示している。この状態では、指標光束の一部または全部が観察者の網膜には到達せず、ホログラム像の一部または全部を視認することができなくない。これにより、観察者は瞳の位置が適正な位置からずれていることを直感的に理解することができ、頭部に対するＨＭＤの装着位置をホログラム像の全体が視認できる位置に調整することで、快適に良好な品位の映像を観察することが可能となる。
【００２７】
なお、光学要素１０５は表示光学系１０１からの表示光束の光路内に存在するが、光学要素１０５の面積は通知光学系の画角や射出瞳径が小さいために小さく、かつ透過率が高いので、通常の映像観察の妨げになることはない。
【００２８】
また、本実施例では、画像表示素子１０２、表示光学系１０１および通知光学系が観察者の両眼用として二組設けられており、該二組がそれぞれ観察者の眼幅方向に一体で移動可能（位置調整可能）である。
【００２９】
なお、本実施例では、通常の映像観察時ではないときに指標画像を提示する場合について説明したが、必要に応じて映像観察中に指標画像を提示してもよい。また、本実施例では＋Ｙ方向での瞳位置の一致および不一致について説明したが、−Ｙ方向、±Ｘ方向および±Ｚ方向についても同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００３０】
図１１は  本発明の実施例２であるＨＭＤの構成を示している。本実施例における通知光学系は、通知用光源（レーザ光源）２０７からの指標光束を、実施例１の表示光学系１０１に代えて用いられている表示光学系２０１の内部を通して保護カバー２０４の下部に設けられた光学要素２０６に導く。
【００３１】
表示光学系２０１における射出瞳（２０８）側とは反対側の光学面２１０には、画像表示素子１０２からの表示光束を反射させるための可視光反射膜が形成されている。このため、該反射膜の下部における表示光束の反射領域外）に直径１ｍｍ程度の開口を形成し、この開口を通して通知用光源２０７からの指標光束を表示光学系２０１の内部に入射させる。
【００３２】
また、表示光学系２０１における射出瞳側の光学面２１１は、内部全反射により表示光束を反射させるために、反射膜は設けられていないため、指標光束はそのまま光学面２１１から出射することができる。
【００３３】
光学要素２０６はミラーであり、表示光学系２０１から入射した指標光束を上方に反射して保護カバー２０４内を通して光学要素２０５に導く。光学要素２０５は、実施例１と同様にホログラフィック光学素子であり、指標光束を受けることで観察者に指標画像としてのホログラム像を視認させる。
【００３４】
本実施例でも、通知光学系の射出瞳２０９と表示光学系２０１の射出瞳２０８の直径および中心位置の関係は実施例１と同じである。したがって、観察者はホログラム像を視認することで、その瞳の位置を表示光学系１０１の射出瞳２０８の位置に正確にかつ容易に合わせることができる。本実施例では、表示光学系２０１の一部を利用して通知光学系を構成することで、ＨＭＤの小型化が可能である。
【実施例３】
【００３５】
図１２は  本発明の実施例３であるＨＭＤの構成を示している。本実施例の通知光学系は、実施例１，２のようなホログラムを用いずに、指標光束としてコリメートされた光束を用い、これを反射して射出瞳に導く。画像表示素子１０２および表示光学系１０１は実施例１と同じものである。
【００３６】
３０１は発光素子であり、文字や記号等の画像パターンを形成するように発光可能なＬＥＤ、液晶パネルおよび有機ＥＬディスプレイ等により構成される。３０２は発光素子３０１からの光束をコリメートするコリメータである。コリメータによりコリメートされた指標光束は、保護カバー３０４内に設けられた光学要素としての反射面３０６により反射されて、保護カバー３０５内を内部全反射しながら上方に進む。そして、光学要素である反射面３０５で反射されて保護カバー３０４から出射し、射出瞳３０９にて上記画像パターンに対応する指標画像を提示する。
【００３７】
本実施例でも、通知光学系の射出瞳３０９と表示光学系１０１の射出瞳１０８の直径および中心位置の関係は実施例１と同じである。したがって、観察者は指標画像を視認することで、その瞳の位置を表示光学系１０１の射出瞳１０８の位置に正確にかつ容易に合わせることができる。
【００３８】
本実施例の反射面３０５は、ハーフミラーで構成されており、表示光学系１０１を通した映像観察を妨げない透過率を有する。本実施例では、所定の画像パターンで発光する発光素子３０１、コリメータ３０２および反射面３０５，３０６といった簡易な部品構成により通知光学系を構成することができる。
【００３９】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１０１，２０１  表示光学系
１０２  画像表示素子
１０３  （観察者の）眼球
１０４，２０４，３０４  保護カバー
１０５，２０５，３０５  光学要素
１０８  （表示光学系の）射出瞳  
１０９，２０９，３０９  （通知光学系の）射出瞳
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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