(57)【要約】【課題】虚像を使用者に視認させる表示装置において、虚像が視認される距離を調節し易くする。【解決手段】表示装置（１０）は、虚像（１１２）を視認させる映像を表示する。表示装置は、映像生成部（１０９）と、凹面鏡（１１０）と、支持機構（１００）とを備える。映像生成部は、映像を示す映像光を生成する。凹面鏡は、映像生成部から入射する映像光を反射する反射面（１１０ａ）を有する。支持機構は、反射面の法線方向に交差する第１の方向（ｙ）における凹面鏡の配置を調節するように、映像生成部及び凹面鏡を支持する。凹面鏡は、反射面上の位置毎に、第１の方向における第１の曲率半径、及び第１の方向に直交する第２の方向（ｘ）における第２の曲率半径を有する。第１及び第２の曲率半径は、反射面上の第１の方向における位置に応じてそれぞれ変化し、互いに異なる変化の割合を有する。凹面鏡の反射面は、楕円体に沿った形状を有する。【選択図】図５
2018124486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
虚像を視認させる映像を表示する表示装置であって、
前記映像を示す映像光を生成する映像生成部と、
前記映像生成部から入射する映像光を反射する反射面を有する凹面鏡と、
前記反射面の法線方向に交差する第１の方向における前記凹面鏡の配置を調節するように、前記映像生成部及び前記凹面鏡を支持する支持機構とを備え、
前記凹面鏡は、前記反射面上の位置毎に、前記第１の方向における第１の曲率半径、及び前記第１の方向に直交する第２の方向における第２の曲率半径を有し、
前記第１及び第２の曲率半径は、前記反射面上の前記第１の方向における位置に応じてそれぞれ変化し、互いに異なる変化の割合を有し、
前記凹面鏡の反射面は、楕円体の外面上の一部の領域に沿った形状を有し、
前記楕円体において、前記第１の方向の半径は、前記第２の方向の半径、及び前記第１及び第２の方向に直交する第３の方向の半径よりも長い
表示装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の曲率半径は、前記反射面上の位置が前記第１の方向において前記映像生成部から遠いほど増大し、
前記第１の曲率半径の変化の割合は、前記第２の曲率半径の変化の割合よりも大きい
請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記楕円体は、前記第１の方向（ｙ）、前記第２の方向（ｘ）及び前記第３の方向（ｚ）において、０よりも大きくて且つ１未満のパラメータａ、１以上１／ａ以下のパラメータｂ、及び０よりも大きいパラメータＲに基づき、式（１）によって規定される
請求項１又は２に記載の表示装置。
ｘ２＋ａｙ２＋ｂｚ２＝Ｒ２            （１）
【請求項４】
前記映像生成部から前記凹面鏡に入射する映像光の入射角は、前記パラメータａに対して式（２）の関係を満たす角度θを含む
請求項３に記載の表示装置。
ａ＝１−（ｓｉｎθ）２／ｃｏｓθ    （２）
【請求項５】
前記楕円体上で前記凹面鏡の反射面に対応する領域は、前記角度θによって規定される
請求項４に記載の表示装置。
【請求項６】
前記支持機構は、前記映像生成部と前記凹面鏡との間の位置関係を保持しながら、前記第１の方向における前記凹面鏡の位置及び向きの少なくとも一方を調節する
請求項１〜５のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項７】
前記支持機構は、前記第２の方向を回転軸として前記凹面鏡を回転して、前記凹面鏡の位置及び向きの少なくとも一方を調節する
請求項６に記載の表示装置。
【請求項８】
前記映像光が、前記凹面鏡の反射面のみにおいて反射される
請求項１〜７のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項９】
前記支持機構は、使用者の頭部に装着される
請求項１〜８のいずれか１項に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば使用者の頭部に装着して使用する表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、使用者の頭部に装着するポータブル型の視覚表示装置を開示している。特許文献１の視覚表示装置は、映像を表示する２次元表示素子と、２次元表示素子の映像を虚像として空中に拡大投影する凹面鏡と、凹面鏡を使用者の眼球直前に位置するように支持する支持手段とを備えている。特許文献１によると、視覚表示装置の使用者が広い画角において虚像を観察可能にするために、特有の曲率を有する凹面鏡を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−３０３０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、虚像を使用者に視認させる表示装置において、虚像が視認される距離を調節し易くすることができる表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示における表示装置は、虚像を視認させる映像を表示する。表示装置は、映像生成部と、凹面鏡と、支持機構とを備える。映像生成部は、映像を示す映像光を生成する。凹面鏡は、映像生成部から入射する映像光を反射する反射面を有する。支持機構は、反射面の法線方向に交差する第１の方向における凹面鏡の配置を調節するように、映像生成部及び凹面鏡を支持する。凹面鏡は、反射面上の位置毎に、第１の方向における第１の曲率半径、及び第１の方向に直交する第２の方向における第２の曲率半径を有する。第１及び第２の曲率半径は、反射面上の第１の方向における位置に応じてそれぞれ変化し、互いに異なる変化の割合を有する。凹面鏡の反射面は、楕円体の外面上の一部の領域に沿った形状を有する。楕円体において、第１の方向の半径は、第２の方向の半径、及び第１及び第２の方向に直交する第３の方向の半径よりも長い。
【発明の効果】
【０００６】
本開示における表示装置によると、虚像を使用者に視認させる表示装置において、虚像が視認される距離を調節し易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施の形態１における表示装置を示す模式図
【図２】実施の形態１における表示装置の装着状態を説明するための図
【図３】実施形態１における表示装置の凹面鏡を構成するための楕円体を示す斜視図
【図４】実施の形態１における楕円体と凹面鏡の反射面との関係を説明するための図
【図５】表示装置において虚像を近付ける調節方法を説明するための図
【図６】表示装置において虚像を遠ざける調節方法を説明するための図
【図７】実施の形態１における表示装置のマイクロディスプレイから凹面鏡までの光学距離と入射角との関係を示すグラフ
【図８】縦方向と横方向の曲率半径が異なる立体図形を例示する斜視図
【図９】実施の形態１における凹面鏡の反射面における反射位置と曲率半径との関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【０００９】
なお、出願人は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００１０】
（実施の形態１）
以下、図１〜９を参照して、実施の形態１を説明する。
【００１１】
１．構成
本実施形態に係る表示装置の構成について、図１，２を参照して説明する。図１は、実施の形態１における表示装置１０を示す模式図である。図２は、表示装置１０の装着状態を説明するための図である。
【００１２】
本実施形態に係る表示装置１０は、図１に示すように、支持機構１００と、マイクロディスプレイ１０９と、凹面鏡１１０とを備える。表示装置１０は、使用者１０２の頭部に装着して用いられるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）である。
【００１３】
図２には、表示装置１０の装着時の使用者１０２の瞳１１１と、マイクロディスプレイ１０９及び凹面鏡１１０との位置関係を示している。使用者１０２は、片眼の瞳１１１で凹面鏡１１０を覗くことにより、凹面鏡１１０越しに、マイクロディスプレイ１０９が生成する映像光に基づく虚像１１２（図１）を視認することができる。
【００１４】
以下、使用者１０２の視線の方向をｚ方向とし、視線のｚ方向に直交する鉛直方向をｙ方向（縦方向）とし、ｚ，ｙ方向に直交する水平方向をｘ方向（横方向）とする。また、ｙ方向における正負の方向をそれぞれ上方、下方という場合がある。
【００１５】
図１に戻り、支持機構１００は、使用者１０２が凹面鏡１１０の位置及び向きを調節可能に、凹面鏡１１０及びマイクロディスプレイ１０９を支持する。支持機構１００は、図１に示すように、ヘッドバンド１０１と、アーム１０３と、第１及び第２ピボット１０４，１０５と、ケース１０６とを備える。
【００１６】
ヘッドバンド１０１は、図１に示すように、使用者１０２の頭部の周囲を取り囲むように装着される。ヘッドバンド１０１により、表示装置１０が使用者１０２の頭部に固定される。
【００１７】
アーム１０３の一端には第１ピボット１０４が設けられ、他端には第２ピボット１０５が設けられている。アーム１０３は、第１ピボット１０４を介して、使用者１０２から見てヘッドバンド１０１の側面に取り付けられている。
【００１８】
第１ピボット１０４は、所定の摩擦力以上の力を加えることで、ｘ方向を回転軸として、ヘッドバンド１０１に対してアーム１０３を回転することが可能である。第１ピボット１０４は、上記のような力が加わっていない状態では、摩擦力に基づきヘッドバンド１０１に対するアーム１０３の回転角度を維持する。
【００１９】
第２ピボット１０５は、アーム１０３とケース１０６とを連結する。第２ピボット１０５は、第１ピボット１０４と同様に、力を加えることでＸ方向を回転軸としてアーム１０３に対してケース１０６を回転することが可能である。また、第２ピボット１０５は、力が加わっていない状態では、摩擦力に基づきアーム１０３に対するケース１０６の回転角度を維持する。
【００２０】
ケース１０６は、マイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０とを収容する。ケース１０６において、マイクロディスプレイ１０９を構成するバックライト１０７及び液晶パネル１０８と、凹面鏡１１０とが、相互の位置関係を一定に保つように取り付けられている。マイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０との位置関係については後述する。
【００２１】
マイクロディスプレイ１０９は、例えば透過型液晶デバイスであり、バックライト１０７と液晶パネル１０８とを備える。マイクロディスプレイ１０９は、例えば外部の映像信号源（不図示）に接続されている。マイクロディスプレイ１０９は、外部入力の映像信号に基づき虚像１１２を視認させるための映像を示す映像光を生成する映像生成部の一例である。
【００２２】
バックライト１０７は、例えばＬＥＤ光源などの光源素子を含む。バックライト１０７は、マイクロディスプレイ１０９において液晶パネル１０８を照明する照明光を発光する。
【００２３】
液晶パネル１０８は、外部の映像信号源からの映像信号に基づき、映像の濃淡を表すように画素ごとの液晶の透過率を変化させ、バックライト１０７からの照明光を映像光に空間変調する。これにより、マイクロディスプレイ１０９は、液晶パネル１０８において映像光に基づく映像を表示する。
【００２４】
マイクロディスプレイ１０９に表示される映像は、凹面鏡１１０を介して虚像１１２を使用者１０２に視認させるための映像である。虚像１１２は鏡像となるため、使用者１０２が正しい向きの虚像１１２を視認できるように、マイクロディスプレイ１０９は予め左右（ｘ方向）を反転させて映像を表示する。マイクロディスプレイ１０９に表示された映像に応じた映像光は、ケース１０６において凹面鏡１１０に出射される。
【００２５】
凹面鏡１１０は、特定の曲面形状及び反射特性に基づく反射面１１０ａを有する。凹面鏡１１０は、反射面１１０ａ上の位置毎に形状に応じた縦方向（ｙ）及び横方向（ｘ）の曲率半径を有する。凹面鏡１１０の反射面１１０ａの形状については後述する。反射面１１０ａは、凹面鏡１１０の内面であってもよいし外面であってもよい。また、反射面１１０ａは、凹面鏡１１０の内部に形成されてもよい。
【００２６】
凹面鏡１１０の反射特性は、例えば照明光（映像光）を全反射、或いは半透過する光学特性である。半透過の光学特性は、フラットな分光特性であってもよいし、特定の波長を選択的に反射／等価する分光特性であってもよい。
【００２７】
凹面鏡１１０は、反射面１１０ａにおいて、マイクロディスプレイ１０９からの映像光を使用者１０２の瞳１１１の方向に反射する。凹面鏡１１０の作用によって、使用者１０２から観察可能な結像距離に、実像であるマイクロディスプレイ１０９上の映像よりも拡大された虚像１１２が結像する。
【００２８】
本実施形態に係る表示装置１０では、支持機構１００を用いて凹面鏡１１０の配置を調節することにより、虚像１１２の結像距離の調節を可能にする。
【００２９】
一般に、頭部装着型の表示装置（ＨＭＤ）においては、使用者の視力や、ＨＭＤを用いる作業の対象物までの距離によって、見やすい虚像の結像距離が異なる。例えば、使用者が遠視の場合、虚像までの距離が近すぎると焦点を合わせられないことがある。また、机上で作業する場合、虚像までの距離が遠すぎると作業対象よりも向こう側に虚像が観察されるので、使用者が違和感を覚えることがある。このため、虚像の結像距離の調節（視度調節）機能は、ＨＭＤにおいて強く望まれる機能である。
【００３０】
ＨＭＤにおける視度調節機能の構成例としては、例えばマイクロディスプレイと凹面鏡を用いる表示装置において、マイクロディスプレイと凹面鏡の間隔を可変にする視度調節専用の機構を設ける構成が考えられる。このような構成においては、マイクロディスプレイと凹面鏡の間隔を変える際に、相互の位置関係において傾きや軸ズレなどの不要な動きを伴うと、使用者が観察する虚像に収差が発生し、表示像の読み取りに支障をきたす事態を招くことが想定される。
【００３１】
上記のような事態を防ぐために、マイクロディスプレイと凹面鏡の間隔を精密に変化させることができる堅牢な案内機構を設けることが考えられる。しかしながら、このような大掛かりな機構は装置構成の大型化と重量増加を伴う。ＨＭＤは使用者の身体に装着するので、装置構成の大型化によって使い勝手が悪くなり、重量増加によって使用者が疲労し易くなってしまう。このため、ＨＭＤにおいて、虚像の結像距離の調節機能は、強く望まれる機能であるにもかかわらず、割愛されることが多い。
【００３２】
これに対して、本実施形態に係る表示装置１０によると、上記のようなマイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０の間隔を可変にする大掛かりな機構を特に用いずに視度調節を実現できる。表示装置１０では、視度調節のために、本来、マイクロディスプレイ１０９や凹面鏡１１０を使用者１０２にとって適切な位置（標準位置）に移動し、それぞれの位置関係を保持するための支持機構１００の各部（アーム１０３や第１及び第２ピボット１０４，１０５）を用いる。表示装置１０における視度調節の方法については後述する。
【００３３】
１−１．標準位置の位置関係について
本実施形態に係る表示装置１０の標準位置におけるマイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０との位置関係について、図２を用いて説明する。
【００３４】
本実施形態に係る表示装置１０は、使用者１０２が凹面鏡１１０を覗いた反射面１１０ａ上の位置が特定の標準位置である場合に、虚像１１２が反射面１１０ａ越しの所定距離に視認されるように設計できる。このような設計は、例えば図２に示すように、マイクロディスプレイ１０９上の発光点Ｐ１と凹面鏡１１０上の反射点Ｐ２とを選択して行われる。
【００３５】
発光点Ｐ１は、マイクロディスプレイ１０９の映像中の特定の画素（例えば中心の画素）に応じた映像光を発光する基準の画素点である。反射点Ｐ２は、反射面１１０ａ上で標準位置の反射領域において発光点Ｐ１からの映像光が反射する反射位置を規定する点であり、例えば標準位置の反射領域の中心点である。
【００３６】
例えば設計時に、マイクロディスプレイ１０９上の発光点Ｐ１からの映像光が反射点Ｐ２で反射し、瞳１１１の点Ｐ３に到達する際の映像光の入射角θを考慮して、マイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０との向きが設定される。発光点Ｐ１から反射点Ｐ２への入射角θは、発光点Ｐ１から反射点Ｐ２への光路と、反射面１１０ａの反射点Ｐ２における法線との間の角度として定義される。
【００３７】
入射角θは定義上、０度以上９０度以下の範囲内の角度である。発光点Ｐ１から反射点Ｐ２への入射角θを設計の基準とする場合、設計基準の入射角θはより狭い範囲内で設定されることが考えられる。例えば、入射角θが小さくなると、凹面鏡１１０に写る虚像１１２が、マイクロディスプレイ１０９の影になって欠けてしまう。また、入射角θが大きくなると、凹面鏡１１０越しの虚像１１２の縦方向における寸法が短縮されてしまう。このような観点から、設計基準の入射角θは、例えばマイクロディスプレイ１０９の寸法に応じて虚像１１２が欠ける角度以上の範囲においてより小さい角度に設定される。
【００３８】
また、虚像１１２の結像距離を所望の設計値に設計するために、例えばマイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０との間隔が、発光点Ｐ１から反射点Ｐ２までの光路長および反射点Ｐ２における曲率半径などに基づき、設定される（式（３）参照）。
【００３９】
以上のようなマイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０との向き及び間隔などの相対的な位置関係は、本実施形態に係る支持機構１００（図１）のケース１０６により保持される。このため、使用者１０２は、支持機構１００の各部を調節することにより、設計値の結像距離に虚像１１２を観察することができる。
【００４０】
１−２．凹面鏡の反射面について
本実施形態に係る表示装置１０においては、表示装置１０の使用中に結像距離を調節しても見易い虚像１１２を実現するべく、凹面鏡１１０の反射面１１０ａの形状を設定する。本実施形態では、立体図形に基づき反射面１１０ａを構成する。立体図形に基づく反射面１１０ａについて、図３，４を用いて説明する。
【００４１】
図３は、本実施形態における凹面鏡１１０を構成するための楕円体２０１を示す斜視図である。本実施形態において、凹面鏡１１０の反射面１１０ａは、図３に示すように、半径Ｒの真球からｙ方向に引き伸ばされた立体図形である楕円体２０１の外面上の一部の領域に沿った形状に設定される。楕円体２０１において、ｙ方向の半径は、ｘ，ｚ方向の半径よりも長く、ｙ方向を含む断面の断面形状は楕円になる。楕円体２０１は、ｙ方向への引き伸ばしに加えて、半径Ｒの真球からｚ方向に押し縮められてもよい。楕円体２０１は、例えば次式（１）の二次曲面によって表される。
ｘ２＋ａｙ２＋ｂｚ２＝Ｒ２            …（１）
【００４２】
上式（１）において、係数ａは、０よりも大きくて且つ１未満の範囲内で設定されるパラメータである。また、係数ｂは、１以上１／ａ以下の範囲内で設定されるパラメータである。また、ｘ方向の半径Ｒは、０以上のパラメータとして適宜、設定される。
【００４３】
上式（１）における係数ａは、例えば、上述の発光点Ｐ１から反射点Ｐ２への入射角θ（図２参照）に基づき次式のように設定される。
ａ＝１−（ｓｉｎθ）２／ｃｏｓθ    …（２）
【００４４】
係数ａが上式（２）を満たす反射面１１０ａによると、反射点Ｐ２近傍において反射する映像光に基づく虚像をより見易くすることができる。なお、係数ａと上式（２）の関係を満たす角度θは、発光点Ｐ１から反射点Ｐ２への入射角θに限らず、マイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０との間で有り得る任意の入射角であってもよい。
【００４５】
図４は、楕円体２０１と凹面鏡１１０の反射面１１０ａとの関係を説明するための図である。凹面鏡１１０の反射面１１０ａの形状は、図４（ａ）に示すように、楕円体２０１の外面の一部を切り出した切り出し領域２０２の形状に設定される。切り出し領域２０２は、ｘｚ平面を赤道面とする緯度に基づき、楕円体２０１のｚ軸近傍から所定の緯度分、ｙ方向の上方にずれた位置を含む所定範囲の領域である。所定の緯度は、例えば発光点Ｐ１から反射点Ｐ２への入射角θ（図２参照）に設定される。
【００４６】
図４（ａ）に示す切り出し領域２０２は、図４（ｂ）に示すように、楕円体２０１をｘ軸周りに入射角θ分回転させ、回転後の楕円体２０１がｚ軸と交わる点の周囲の所定範囲を切り出すことによって得ることもできる。
【００４７】
なお、切り出し領域２０２を得るための角度θは、必ずしも発光点Ｐ１から反射点Ｐ２への入射角θに対応しなくてもよいし、係数ａと式（２）の関係を満たす角度θに一致しなくてもよい。
【００４８】
切り出し領域２０２に対応する反射面１１０ａの凹面鏡１１０は、楕円体２０１におけるｘ方向が支持機構１００の各ピボット１０４，１０５の回転軸に対応するように、ケース１０６に固定される（図１参照）。つまり、反射面１１０ａ（切り出し領域２０２）は、マイクロディスプレイ１０９からの映像光が使用者１０２の瞳１１１に向けて反射されるように、図４（ａ）の座標系からｙｚ平面上を移動し、ｙ，ｚ軸周りの回転をせずにｘ軸周りに回転した位置に設定される。
【００４９】
２．動作
以上のように構成された本実施形態に係る表示装置１０の動作について、以下説明する。
【００５０】
２−１．虚像の結像距離の調節方法について
まず、本実施形態に係る表示装置１０による虚像１１２の結像距離の調節方法、すなわち視度調節の方法について、図５，６を参照して説明する。図５は、表示装置１０において虚像１１２を近付ける調節方法を説明するための図である。図６は、虚像１１２を遠ざける調節方法を説明するための図である。
【００５１】
図５（ａ）は、表示装置１０において標準位置の反射領域が設定された状態において使用者の瞳１１１に入射する映像光の光路を例示している。使用者１０２は、支持機構１００（図１）におけるアーム１０３やケース１０６を掴み、適度な力で上下させることによって、各ピボット１０４，１０５の回転角度を調整し、図５（ａ）に示すような位置関係を設定できる。
【００５２】
図５（ａ）の位置関係において、マイクロディスプレイ１０９は、使用者１０２の視線よりもｙ方向の上方に配置される。凹面鏡１１０は、使用者１０２の視線、すなわち瞳１１１の点Ｐ３からのｚ軸の延長線が反射点Ｐ２を通る位置で、且つマイクロディスプレイ１０９の発光点Ｐ１からの映像光の反射点Ｐ２における反射光が、ｚ方向に沿って出射する向きに配置される。
【００５３】
表示装置１０において、マイクロディスプレイ１０９は、ケース１０６内で対向する凹面鏡１１０に映像光を照射する。表示装置１０は、凹面鏡１１０による映像光の反射光に基づき、マイクロディスプレイ１０９上の映像が拡大反転した虚像１１２を生成する。虚像１１２は、次式（３）に従い、凹面鏡１１０からマイクロディスプレイ１０９とは反対側の結像位置に結像する。
１／Ａ−１／Ｂ＝１／Ｆ      …（３）
【００５４】
上式（３）において、Ｆは、凹面鏡１１０の焦点距離であり、一般に凹面鏡１１０の曲率半径の１／２倍である。また、Ａは、マイクロディスプレイ１０９上の映像と凹面鏡１１０の反射面１１０ａとの間の第１の光学距離であり、Ｂは、反射面１１０ａと虚像１１２の結像位置との間の第２の光学距離である。
【００５５】
例えば、図５（ａ）に示すｙｚ平面上の位置関係において、焦点距離Ｆは、反射点Ｐ２における縦方向（ｙ）の曲率半径の１／２倍に対応する。また、第１の光学距離Ａは、発光点Ｐ１から反射点Ｐ２までの光路長に対応し、第２の光学距離Ｂは、反射点Ｐ２から虚像１１２の結像位置までの結像距離に対応する。
【００５６】
凹面鏡１１０において、発光点Ｐ１からの映像光が反射点Ｐ２において反射すると、反射光はｚ方向に沿って出射し、使用者１０２の瞳１１１の点Ｐ３に到達する。これにより、使用者１０２は、設計された結像距離における虚像１１２を観察することができる。
【００５７】
図５（ａ），（ｂ）は、虚像１１２を近付けるための調節前後の状態を示す。虚像１１２を近付けるための調節は、例えば図５（ａ）のような位置関係から、凹面鏡１１０を縦方向（ｙ）下方にずらすことによって行われる。例えば、使用者１０２は、ケース１０６を下方に移動させたり、第２ピボット１０５により図中時計回りに回転させたりすることにより、図５（ｂ）の位置関係に調節できる（図１参照）。
【００５８】
上記のような調節によると、使用者１０２の視線（ｚ軸）が凹面鏡１１０の反射面１１０ａを通る反射点Ｐ２’は、相対的に、ｙ方向において調節前の反射点Ｐ２よりも上方に移動する。これにより、マイクロディスプレイ１０９上の発光点Ｐ１から反射点Ｐ２’への映像光の入射角は、調節前の反射点Ｐ２への入射角よりも小さくなる。また、発光点Ｐ１から反射点Ｐ２’までの光路長は、調節前の反射点Ｐ２までの光路長よりも短くなる。
【００５９】
発光点Ｐ１から反射点Ｐ２’までの光路長は、式（３）における第１の光学距離Ａに対応している。このため、反射点Ｐ２’までの光路長が短くなることに応じて虚像１１２の結像距離も短くなる。これにより、使用者１０２が視認する虚像１１２を近付ける視度調節を行うことができる。
【００６０】
図６（ａ），（ｂ）は、虚像１１２を遠ざけるための調節前後の状態を示す。虚像１１２を遠ざけるための調節は、例えば図６（ａ）のような位置関係から、凹面鏡１１０を縦方向（ｙ）において上方にずらすことによって行われる。例えば、使用者１０２は、ケース１０６を上方に移動させたり、第２ピボット１０５により図中反時計回りに回転させたりすることにより、図６（ｂ）の位置関係に調節できる（図１参照）。
【００６１】
上記のような調節によると、使用者１０２の視線が凹面鏡１１０の反射面１１０ａを通る反射点Ｐ２”は、相対的に、ｙ方向において調節前の反射点Ｐ２よりも下方に移動する。これにより、マイクロディスプレイ１０９上の発光点Ｐ１から反射点Ｐ２”への映像光の入射角は、調節前の反射点Ｐ２への入射角よりも大きくなる。また、発光点Ｐ１から反射点Ｐ２”までの光路長は、調節前の反射点Ｐ２までの光路長よりも短くなる。
【００６２】
すると、式（３）に従い、調節後の反射点Ｐ２”までの光路長が長くなることに応じて虚像１１２の結像距離も長くなる。これにより、使用者１０２が視認する虚像１１２を遠ざける視度調節を行うことができる。
【００６３】
以上のように、本実施形態に係る表示装置１０によると、使用者１０２が、支持機構１００の各部を調節することで、マイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０の相対的な位置関係を一定に保ったまま、凹面鏡１１０上の反射領域を移動させることができる。これにより、マイクロディスプレイ１０９上の発光点と凹面鏡１１０上の反射点の距離を変化させ、虚像１１２の結像距離の調節、すなわち視度調節を行うことができる。
【００６４】
一例として、式（１）にａ＝０．９３１、ｂ＝１．０２６３、Ｒ＝５５を設定し、マイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０の間隔を２８ｍｍ、入射角θを１５度とすると、使用者１０２は、反射面１１０ａ越しに１０００ｍｍの距離において虚像１１２を観察することができる。ここで、凹面鏡１１０の反射面１１０ａ上で反射領域を上方に５ｍｍ移動させると、虚像１１２までの距離を５００ｍｍに近づけることができる。このように、反射領域を上方に移動させると虚像の距離を近づけ、逆に反射領域を下方に移動させると虚像の距離を遠ざけるように視度調節を行うことができる。
【００６５】
２−２．虚像の視度調節に関する知見
本願発明者は、以上のような視度調節に関して鋭意検討を行った。その結果、本願発明者は、反射領域の移動が乱視のような状態を招いて虚像１１２を明瞭に視認することが困難になるということを見出し、この困難を解消するための着想を得た。本願発明者の知見について、図７を用いて説明する。
【００６６】
図７は、表示装置１０におけるマイクロディスプレイ１０９から凹面鏡１１０までの光学距離と入射角θとの関係を示すグラフである。図７は、表示装置１０の視度調節時に反射領域を移動させた場合におけるマイクロディスプレイ１０９上の発光点Ｐ１と、凹面鏡１１０上の反射点Ｐ２，Ｐ２’，Ｐ２”との間の縦と横の光学距離の変化を示している（図５，６参照）。
【００６７】
縦の光学距離は、移動させた反射領域に対応する反射点Ｐ２，Ｐ２’，Ｐ２”と発光点Ｐ１との間の光路をｙｚ平面（縦向きの平面）上に射影した距離である。横の光学距離は、ｘ軸周りの回転により上記の反射点を通るように回転させたｘｚ平面（横向きの平面）上に、上記の反射点と発光点Ｐ１との間の光路を射影した距離である。
【００６８】
図７のグラフでは、凹面鏡１１０において反射領域が移動する反射面１１０ａ上の反射位置（反射点Ｐ２，Ｐ２’，Ｐ２”）を表すパラメータとして、横軸の入射角θを用いている。上述のとおり、入射角θは、反射面１１０ａの縦方向（ｙ）における上方の反射位置ほど小さく（図５）、下方の反射位置ほど大きくなる（図６）。
【００６９】
図７において、縦の光学距離は、入射角θが小さいほど短くなり、入射角θが大きいほど長くなるように変化している。つまり、反射面１１０ａ上で反射位置を上方に移動させた場合、反射位置がマイクロディスプレイ１０９に近づき、縦の光学距離は短くなる。また、反射位置を下方に移動させた場合、反射位置がマイクロディスプレイ１０９から遠ざかり、縦の光学距離は長くなる。
【００７０】
図７における横の光学距離は、入射角θ毎に縦の光学距離とは別の値を有する。横の光学距離は、入射角θが小さいほど短くなり、入射角θが大きいほど長くなるように変化している。この際、入射角θの変化、即ち反射位置の移動に対する縦の光学距離の変化の割合と、横の光学距離の変化の割合とは、互いに異なっている。反射位置を縦方向に移動させていることから、縦の光学距離の変化の割合は、横の光学距離の変化の割合よりも大きくなっている。
【００７１】
縦の光学距離によると、式（３）に基づき、縦向きの平面（ｙｚ平面）における虚像１１２の結像距離が規定される。一方、縦の平面に交差する横向きの平面（例えばｘｚ平面）における虚像１１２の結像距離は、横の光学距離を式（３）に適用することによって規定される。このため、上記のような縦と横の光学距離の違いにより、互いに交差する平面間で虚像１１２の結像位置がずれる非点収差を生じ、乱視のような状態になる。このような収差が甚だしい場合、使用者１０２が虚像を明瞭に視認することが困難になる。
【００７２】
以上のような困難を解消するために、本願発明者は、鋭意検討の結果、上記のような縦と横の光学距離の違いを吸収するように、凹面鏡１１０の反射面１１０ａにおける縦方向と横方向の曲率半径（あるいは焦点距離）を異ならせることを想到するに到った。以上の知見に基づく凹面鏡１１０の反射面１１０ａの作用について、以下説明する。
【００７３】
２−３．立体図形に基づく反射面の作用について
本実施形態では、縦方向と横方向の曲率半径が異なる立体図形に基づき、凹面鏡１１０の反射面１１０ａの形状を設定する。図８に、縦方向と横方向の曲率半径が異なる立体図形の一例を示す。
【００７４】
図８に例示するトーリック図形２０３（トーラス）は、いわゆるドーナツ状の立体図形である。トーリック図形２０３は、ｙｚ平面上で半径ｒを有する円に沿って、半径Ｒを有する球を移動させた軌跡における面の集合として、次式（４）によって表すことができる。
｛（ｘ２＋ｚ２）１／２−ｒ｝２＋ｙ２＝Ｒ２    …（４）
【００７５】
上式（４）によると、トーリック図形２０３は、ｘｚ平面およびｙｚ平面における二つの異なる曲率半径（ｒ＋Ｒ），Ｒを有する。このようなトーリック図形２０３に基づき、縦方向の曲率半径（ｒ＋Ｒ）及び横方向の曲率半径Ｒを有する反射面を設定できる。
【００７６】
式（４）のトーリック図形２０３（図８）に基づく反射面によると、各パラメータＲ，ｒを適切に選ぶことにより、例えば設計基準の入射角θ（図２参照）において、縦と横の光学距離に応じて縦方向及び横方向の焦点距離を合致させることができる。これにより、特定の入射角θにおいて、非点収差を解消した虚像を得ることができる。なお、図８では、ｒ＞Ｒの場合を図示しているが、反射面の設定時には適宜、ｒ＞Ｒに限らない範囲から各パラメータＲ，ｒを選択してもよい。
【００７７】
ここで、表示装置１０の使用中に視度調節を行う場合には、上述のとおり、縦と横の光学距離が異なる変化の割合において変化する（図７参照）。この際、式（４）による反射面１１０ａにおいては、視度調節によって反射位置が移動しても、縦方向及び横方向の曲率半径（ｒ＋Ｒ），Ｒは一定である。このため、視度調節を行う際に反射位置が標準位置から移動することにより、非点収差の発生を避け難い。
【００７８】
そこで、本実施形態では、楕円体２０１に基づき反射面１１０ａの形状を設定することにより（図３，４）、反射位置を移動させる際の非点収差を抑制する。図９を用いて、楕円体２０１に基づく反射面１１０ａの作用について説明する。
【００７９】
図９は、楕円体２０１に基づく凹面鏡１１０の反射面１１０ａにおける反射位置と曲率半径との関係を示すグラフである。図９のグラフでは、反射面１１０ａ上の反射位置を表すために、楕円体２０１（図４（ａ））における緯度を用いている。
【００８０】
図９において、縦方向の曲率半径は、楕円体２０１上で緯度が高いほど小さくなり、緯度が低いほど大きくなるように変化している。楕円体２０１上で緯度を高くすることは、反射面１１０ａ上で反射位置を上方に移動させることに対応する。また、緯度を低くすることは、反射位置を下方に移動させることに対応する。よって、図７，９によると、反射面１１０ａ上で反射位置を上方に移動させた場合、縦の光学距離が短くなると共に縦方向の曲率半径も小さくなり、反射位置を下方に移動させた場合、縦の光学距離が長くなると共に縦方向の曲率半径も大きくなることとなる。
【００８１】
図９における横方向の曲率半径は、緯度毎に縦方向の曲率半径とは別の値を有する。横方向の曲率半径は、縦方向の曲率半径の変化と共に、緯度が高いほど小さくなり、緯度が低いほど大きくなるように変化している。ここで、緯度の変化、即ち反射位置の移動に対する縦方向の曲率半径の割合は、横方向の曲率半径の変化の割合よりも大きくなっている。つまり、縦方向の曲率半径の変化の割合と、横方向の曲率半径の変化の割合とは、縦と横の光学距離の変化の割合と同様に（図７）、互いに異なっている。
【００８２】
虚像１１２の結像距離を規定する式（３）において、縦と横の光学距離はそれぞれ第１の光学距離Ａに適用されると共に、縦方向と横方向の曲率半径はそれぞれ焦点距離Ｆに適用される。このため、楕円体２０１に基づく反射面１１０ａによると、上記のような縦方向と横方向の曲率半径の違いによって縦と横の光学距離の違いを吸収し、例えばｙｚ平面及びｘｚ平面間における虚像１１２の結像距離（第２の光学距離Ｂ）のずれを低減できる。これにより、表示装置１０の視度調節時に反射位置を上下させる際に、虚像１１２における非点収差を抑制し、虚像１１２を見易くすることができる。
【００８３】
また、式（２）で楕円体２０１のパラメータａを表す角度θに、上述の設計基準の入射角θを設定することにより、標準の反射位置（図５（ａ））の近傍において特に精度良く虚像１１２の結像距離（第２の光学距離Ｂ）のずれを低減できる。また、楕円体２０１における切り出し領域２０２を規定する角度θと設計基準の入射角θとを対応させることにより、標準の反射位置近傍における非点収差をより抑制することができる。
【００８４】
３．効果等
以上のように、本開示における表示装置１０は、虚像１１２を視認させる映像を表示する表示装置である。表示装置１０は、マイクロディスプレイ１０９と、凹面鏡１１０と、支持機構１００とを備える。マイクロディスプレイ１０９は、映像を示す映像光を生成する。凹面鏡１１０は、マイクロディスプレイ１０９から入射する映像光を反射する反射面１１０ａを有する。支持機構１００は、反射面１１０ａの法線方向に交差する第１の方向（ｙ）における凹面鏡１１０の配置を調節するように、マイクロディスプレイ１０９及び凹面鏡１１０を支持する。凹面鏡１１０は、反射面１１０ａ上の位置毎に、第１の方向（ｙ）における第１の曲率半径、及び第１の方向（ｙ）に直交する第２の方向（ｘ）における第２の曲率半径を有する。第１及び第２の曲率半径は、反射面１１０ａ上の第１の方向（ｙ）における位置に応じてそれぞれ変化し、互いに異なる変化の割合を有する（図９参照）。
【００８５】
以上の表示装置１０によると、第１の方向（ｙ）において反射面１１０ａ上の位置を移動させることによって虚像１１２の結像距離を調節する際に、第１及び第２の曲率半径が互いに異なる変化の割合において変化する。これにより、虚像１１２の結像距離の調節時における非点収差を抑制し、虚像１１２が視認される距離を調節し易くすることができる。
【００８６】
本実施形態において、第１及び第２の曲率半径は、反射面１１０ａ上の位置が第１の方向（ｙ）においてマイクロディスプレイ１０９から遠いほど増大する。第１の曲率半径の変化の割合は、第２の曲率半径の変化の割合よりも大きい（図９参照）。
【００８７】
これにより、虚像１１２の結像距離の調節時に反射面１１０ａ上の位置が第１の方向（ｙ）においてマイクロディスプレイ１０９から遠ざけることに伴って変化する縦の光学距離と横の光学距離の違いを、縦方向及び横方向の曲率半径によって吸収できる。このため、非点収差をより抑制し、虚像１１２の視度調節を精度良く行うことができる。
【００８８】
また、本実施形態において、凹面鏡１１０の反射面１１０ａは、楕円体２０１の外面上の一部の切り出し領域２０２に沿った形状を有する。楕円体２０１において、第１の方向（ｙ）の半径は、第２の方向（ｘ）の半径、及び第１及び第２の方向（ｙ，ｘ）に直交する第３の方向（ｚ）の半径よりも長い。
【００８９】
これにより、楕円体２０１の形状に応じて、第１及び第２の曲率半径が互いに異なる変化の割合において変化する凹面鏡１１０の反射面１１０ａが構成され、視度調節を行っても見易い虚像１１２を簡単に実現できる。
【００９０】
また、本実施形態において、楕円体２０１は、第１の方向（ｙ）、第２の方向（ｘ）及び第３の方向（ｚ）において、０よりも大きくて且つ１未満のパラメータａ、１以上１／ａ以下のパラメータｂ、及び０よりも大きいパラメータＲに基づき、式（１）によって規定される。
【００９１】
これにより、式（１）の二次曲面において、各種パラメータａ，ｂ，Ｒに応じて簡単に凹面鏡１１０の反射面１１０ａを設定できる。これにより、単純な構造で、表示装置１０の使用環境や使用者の視力に合わせて虚像の結像距離を調節する、いわゆる視度調整機能を簡単に実現できる。
【００９２】
また、本実施形態において、マイクロディスプレイ１０９から凹面鏡１１０に入射する映像光の入射角は、パラメータａに対して式（２）の関係を満たす角度θを含む。また、本実施形態において、楕円体２０１上で凹面鏡１１０の反射面１１０ａに対応する領域は、上記の角度θによって規定される。これにより、式（２）の関係を満たす入射角θ近傍における虚像１１２の非点収差の発生をより良く抑制することができる。
【００９３】
また、本実施形態において、支持機構１００は、マイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０との間の位置関係を保持しながら、第１の方向（ｙ）における凹面鏡１１０の位置及び向きの少なくとも一方を調節する。これにより、予め設定されたマイクロディスプレイ１０９と凹面鏡１１０との間の位置関係を保持しながら、第１の方向（ｙ）における凹面鏡１１０の配置を変更し、簡単に虚像１１２の視度調節を行うことができる。
【００９４】
また、本実施形態において、支持機構１００は、第１及び第２ピボット１０４，１０５により、第２の方向（ｘ）を回転軸として凹面鏡１１０を回転して、凹面鏡１１０の位置及び向きの少なくとも一方を調節する。これにより、虚像１１２の視度調節のための第１の方向（ｙ）における凹面鏡１１０の配置変更を、凹面鏡１１０の回転により簡単に行える。
【００９５】
また、本実施形態における表示装置１０においては、映像光が、凹面鏡１１０の反射面１１０ａのみにおいて反射される。これにより、単純な光学系を用いて視度調節機能を有する表示装置１０を提供できる。なお、本実施形態に係る表示装置１０は、より複雑な光学系を有する装置に組み込まれて提供されてもよい。
【００９６】
また、本実施形態において、支持機構１００は、ヘッドバンド１０１により、使用者１０２の頭部に装着される。これにより、表示装置１０を頭部装着型の表示装置（ＨＭＤ）として提供できる。なお、表示装置１０は、例えばヘッドバンド１０１などの頭部装着用の部材とは別体で構成されてもよい。
【００９７】
（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置換、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記の各実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
【００９８】
実施の形態１では、凹面鏡１１０の反射面１１０ａは、式（１）の形で表現したが、同一性を保つ範囲で適宜数式を変形してもよい。例えば、平方根を級数展開し、その無限級数のうち、係数の小さなものを省略した数式を採用してもよい。
【００９９】
また、実施の形態１では、楕円体２０１から切り出し領域２０２を切り出すことによって凹面鏡１１０の反射面１１０ａを設定したが、本開示に係る凹面鏡の反射面はこれに限らない。例えば、楕円体２０１の外面の一部と局所的に一致する曲面から、凹面鏡の反射面に対応する領域を切り出してもよい。また、凹面鏡の反射面が、特定の曲面の一部に一致する部分とそれ以外の部分とを含んでもよい。
【０１００】
また、実施の形態１では、本開示に係る映像生成部の一例として、バックライト１０７と液晶パネル１０８を備える透過型液晶デバイスのマイクロディスプレイ１０９を説明した。本開示に係る映像生成部はこれに限らず、例えば反射型液晶デバイス、或いは有機ＥＬデバイスを構成するマイクロディスプレイであってもよいし、ＬＥＤアレイを備えるマイクロＬＥＤディスプレイであってもよい。
【０１０１】
また、実施の形態１では、表示装置１０のヘッドバンド１０１を、直接、使用者１０２の頭部に装着する例を説明した。ヘッドバンド１０１の装着方法はこれに限らず、例えば使用者１０２が帽子やヘルメットを使用する場合には、帽子やヘルメットにヘッドバンド１０１を装着してもよい。また、ヘッドバンド１０１に限らず、例えば帽子等に固定されるように表示装置１０を構成してもよい。眼鏡フレーム、帽子、ヘルメットなどを含めて表示装置１０の支持機構１００を構成してもよい。
【０１０２】
また、実施の形態１では、マイクロディスプレイ１０９の配置が使用者１０２の瞳１１１の上方である例を説明したが、マイクロディスプレイ１０９の配置はこれに限らない。マイクロディスプレイ１０９は使用者１０２の瞳１１１の下方になるように上下を反転してもよいし、マイクロディスプレイ１０９が瞳１１１の側方に位置するようにしてもよい。
【０１０３】
また、実施の形態１では、第１ピボット１０４、第２ピボット１０５及びアーム１０３に基づくリンク機構を有する支持機構１００を説明した。支持機構１００においては、必要に応じてリンク機構のリンクの数を増やしてもよいし、各リンクにおいて両端又は一端に回転軸を設けてもよい。また、本開示に係る支持機構は、直動のスライド機構で構成されてもよい。
【０１０４】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。
【０１０５】
したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【０１０６】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において、種々の変更、置換、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０７】
本開示は、例えば移動しながら手を塞がずに、図面やリストなどの画像や動画などの映像情報を参照したい用途で使用される頭部装着型の表示装置に適用可能である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０１  ヘッドバンド
１０２  使用者
１０３  アーム
１０４  第１ピボット
１０５  第２ピボット
１０６  ケース
１０７  バックライト
１０８  液晶パネル
１０９  マイクロディスプレイ
１１０  凹面鏡
１１１  瞳
１１２  虚像
２０１  楕円体
２０２  切り出し領域
【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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