(57)【要約】【課題】使用者が虚像を両眼視で観察する際の像の歪みに起因するストレスを低減できる表示装置を小型軽量に実現する。【解決手段】表示装置１００は、マイクロディスプレイ１０１と、凹面鏡１０４と、立体レンダラ１０５とを備える。マイクロディスプレイは、使用者の瞳間隔より狭い幅の表示面１１１を有し、表示面の中心位置が左右の瞳から等距離の位置にあり、表示面が視線方向に向けて配置される。凹面鏡は、マイクロディスプレイの表示像を１回反射して、使用者に左右対称に湾曲した虚像を観察せしめる位置に配置される。立体レンダラは、映像信号を処理して、マイクロディスプレイに表示像を表示させる。立体レンダラは、使用者が凹面鏡を介してマイクロディスプレイの表示像を左右両眼で同時に観察した際に、表示像の虚像が使用者を取り囲む立体面上に表示されているように認識させるような画像に映像信号を変換する。【選択図】図１
2018132756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者に装着され、前記使用者に虚像を視認させる表示像を表示する表示装置であって、
前記表示像を表示する表示面を有し、前記表示面の幅が前記使用者の瞳間隔より狭く、前記表示面の中心が前記使用者の左右の瞳から等距離の位置にあり、前記表示面が前記使用者の視線方向に向けて配置されるマイクロディスプレイと、
前記マイクロディスプレイの前記表示面に表示される前記表示像を１回反射して前記使用者に左右対称に湾曲した前記虚像を視認させる位置に配置される反射鏡と、
入力信号を処理して、前記マイクロディスプレイの前記表示面に表示される前記表示像を生成する立体レンダラと、を備え、
前記立体レンダラは、前記使用者が前記反射鏡を介して前記表示像の前記虚像を視認した際に、前記虚像が前記使用者を取り囲む立体面上に表示されていると前記使用者に視認させる前記表示像を生成するように、前記入力信号を処理する、表示装置。
【請求項２】
前記反射鏡は、回転楕円体状の反射面を有する凹面鏡である、
請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記立体レンダラは、前記入力信号を処理して、中央部が疎になり周辺部が密になるように、前記表示像の表示密度を変化させる、
請求項１に記載の表示装置。
【請求項４】
前記立体レンダラは、前記入力信号を処理して、中央部が明るく周辺部が暗くなるように、前記表示像の輝度を変化させる、
請求項１に記載の表示装置。
【請求項５】
前記立体レンダラは、前記入力信号を処理して、中央部の解像度が高く周辺部の解像度が低くなるように、前記表示像の精細度を変化させる、
請求項１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、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、テレビジョンの発光部が両眼の死角となるように配置され、テレビジョンの画像が凹面鏡によって両眼に集束される視覚装置を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１−１３３４７９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、使用者が両眼視で観察する際の像の歪みに起因するストレスを低減できる表示装置であって、小型軽量に実現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、使用者に装着され、使用者に虚像を視認させる表示像を表示する表示装置である。表示装置は、マイクロディスプレイと、反射鏡と、立体レンダラとを備える。マイクロディスプレイは、表示像を表示する表示面を有し、その表示面の幅が使用者の瞳間隔より狭く、その表示面の中心が左右の眼から等距離の位置にあり、その表示面が使用者の視線方向に向けて配置される。反射鏡は、マイクロディスプレイの表示面に表示される表示像を１回反射して使用者に左右対称に湾曲した虚像を視認させる位置に配置される。立体レンダラは、入力信号を処理して、マイクロディスプレイの表示面に表示される表示像を生成する。立体レンダラは、使用者が反射鏡を介して表示像の虚像を視認した際に、虚像が使用者を取り囲む立体面上に表示されていると使用者に視認させる表示像を生成するように、入力信号を処理する。
【発明の効果】
【０００６】
本開示における表示装置は、像の歪みを取り除くために光路長を伸ばしたり、左右の眼に独立した画像を見せるための光学的手段や電気的手段を必要とせずに使用者の両眼視によるストレスを低減でき、例えば単一のディスプレイ及び反射鏡によって小型軽量でかつ低廉に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、実施の形態１における表示装置の模式図である。
【図２】図２は、実施の形態１における表示装置でのマイクロディスプレイおよび左右の眼に認識されるイメージパターン図である。
【図３Ａ】図３Ａは、実施の形態１における表示装置での使用者に認識される３次元構造を示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａに示す３次元構造を使用者が認識する場合のマイクロディスプレイの表示像を示す模式図である。
【図４】図４は、映像信号を加工することにより、表示密度を変化させたマイクロディスプレイの表示像を示す模式図である。
【図５】図５は、映像信号を加工することにより、表示密度と輝度を変化させたマイクロディスプレイの表示像を示す模式図である。
【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、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【００１０】
（実施の形態１）
以下、図１〜３を用いて、実施の形態１を説明する。
【００１１】
［１−１．構成］
図１は、実施の形態１における表示装置の模式図である。表示装置１００は、マイクロディスプレイ１０１、凹面鏡１０４および立体レンダラ１０５を有する。
【００１２】
マイクロディスプレイ１０１は、使用者の右の瞳１０２と左の瞳１０３との間を結ぶ線分を二等分する点から、身体に触れない程度の使用者の視線方向のやや前方の位置に、その表示面１１１を使用者の視線方向に向けて配置される。マイクロディスプレイ１０１の幅は、使用者の右の瞳１０２と左の瞳１０３の間の間隔、すなわち瞳間隔より狭いため、使用者の前方の視界を妨げない。マイクロディスプレイ１０１の幅は、例えば標準的な成人男性の瞳間隔よりも狭い寸法に設定される。他の寸法についても同様である。
【００１３】
凹面鏡１０４は、マイクロディスプレイ１０１の使用者の視線方向の前方に左右対称な位置に配置され、その反射面である凹面側を使用者に向け、マイクロディスプレイ１０１上の点ａから発した映像光を１回反射し、使用者の右の瞳１０２と左の瞳１０３それぞれに入射させ、マイクロディスプレイ１０１に映し出される画像（表示像）を拡大反射する。凹面鏡１０４は反射鏡の一例である。
【００１４】
さらに、凹面鏡１０４は、縦方向の曲率半径が横方向の曲率半径よりやや小さく、縦方向と横方向の平均曲率半径が９５〜１５０ｍｍの範囲にある回転楕円体の一部を切り取ったような光学反射面を持つ。すなわち、使用者の左右の眼にそれぞれ対応する反射面を独立に持つのではなく、連続した単一の曲面を有する。
【００１５】
立体レンダラ１０５は、外部から供給される映像信号に基づき、マイクロディスプレイ１０１の表示面１１１に表示像を表示させる。立体レンダラ１０５は、外部から供給される映像信号を立体形の３次元立体表面にマッピングした際に、入力された映像信号を見やすくなるように加工する。立体レンダラ１０５は、例えばマイコン，ＦＰＧＡ，ＡＳＩＣ等の信号処理回路で構成される。立体レンダラ１０５が映像信号を加工する方法については後述する。映像信号は、入力信号の一例であり、使用者に伝達するための表示情報を含む。
【００１６】
上記の構成によって、使用者は凹面鏡１０４の視線方向の前方に虚像１０６を認識することができる。本実施の形態における表示装置１００は、例えば、使用者が装着した状態で、マイクロディスプレイ１０１及び凹面鏡１０４が上記のような配置になるように固定された支持部材（不図示）を備える。表示装置の支持部材は、例えば使用者の頭部に装着されるヘッドバンド、ヘルメット、帽子、眼鏡フレーム、ゴーグル等を含む。例えば、支持部材は、左右対称に凹面鏡１０４を支持し、マイクロディスプレイ１０１の表示面１１１における中心位置と凹面鏡１０４の反射面の中心位置とが対向するように各部を固定する。
【００１７】
［１−２．動作］
図１において、マイクロディスプレイ１０１の表示面１１１上の点ａから発した映像光は、凹面鏡１０４の反射面上の点ｂで反射され、使用者の右の瞳１０２の点ｃに入射する。同時に、表示面１１１上の点ａから発した映像光は、凹面鏡１０４の反射面上の点ｄで反射され、使用者の左の瞳１０３の点ｅに入射する。このとき、使用者は、線分ｃ−ｂと線分ｅ−ｄを延長した先にある交点ｆ、すなわち両眼視の輻輳点に虚像１０６を認識する。これを網膜の中心に像を結ぶように両眼の輻輳運動が起こる。
【００１８】
なお、凹面鏡１０４によって生成される虚像１０６は鏡像となるため、マイクロディスプレイ１０１は、あらかじめ左右反転した画像を表示する。
【００１９】
図２は、マイクロディスプレイ１０１に表示像２００として正方形の市松模様を表示した場合に、使用者の左右の眼に認識されるイメージを説明する図である。図１に示す表示装置１００の構成において、マイクロディスプレイ１０１に図２の（ａ）に示す表示像２００の正方形の市松模様を表示すると、左の眼には図２の（ｂ）に示す左眼画像２０１のように、右の眼には図２の（ｃ）に示す右眼画像２０２のように、相互に左右対称形の湾曲したイメージが使用者に認識される。
【００２０】
図３Ａ及び図３Ｂは、マイクロディスプレイ１０１の表示像３０１が左右の眼にそれぞれ認識されるとき、使用者が仮想的に認識する３次元構造３０２を説明する模式図である。図２のように同一のパターンをもつ画像が左右対称に湾曲しているとき、これらを両眼視によって融像すると、使用者は、マイクロディスプレイ１０１が平面であるにもかかわらず、左右の視差に応じて、中央部はやや遠く、上下はやや近づくような、立体像を認識する。即ち、図３Ａに示すような使用者を取り囲むような３次元構造３０２の内面に、図３Ｂに示すマイクロディスプレイ１０１の表示像３０１における表示情報が貼り付けられているように認識する。ここで、立体像は、図３Ａに示すような３次元構造３０２であり、左右対称に湾曲した虚像である。
【００２１】
そこで、図１の立体レンダラ１０５は、このような立体形状の３次元構造３０２の内面に表示像３０１が貼りついていると容易に認識されるように、そして、表示像３０１がそのような立体形状であるとした場合、矛盾がないように感じられるように、入力される映像信号を加工する。
【００２２】
加工の一例として、表示面１１１に表示される表示像の中央部を明るく、上下になるにつれて暗くなるように輝度を変化させるシェーディングを施せば、視差による立体形の立体感と調和する。また、表示像の中央部は使用者と正対するように感じられるので、中央部により重要度の高い情報を表示することで、情報のレイアウトの効果を高めることができる。他にも中央部から上下にかけて密度やボケなどの肌理勾配をもつテクスチャーをつけることによっても同様な効果を得ることができる。
【００２３】
図４は、映像信号を加工することにより、表示密度を変化させたマイクロディスプレイ１０１の表示像４０１を示す模式図である。図４に示す表示像４０１では、中央部に表示された文字（テキスト）は上下方向のサイズが大きく、上下になるにつれて上下方向のサイズは小さくなっている。文字の左右方向のサイズは基本的に一定である。即ち、上下方向に見ると、中央部の単位面積当たりの情報量は少なく、表示密度が疎であり、上下になるにつれて単位面積当たりの情報量は多くなり、表示密度は密になっている。このように、マイクロディスプレイ１０１の中央部から上下に行くにつれて、表示像４０１の上下方向の表示密度が密になるように、映像信号を加工することにより、使用者は表示像を両眼視した場合に立体像として認識しやすくなる。ここで、文字（テキスト）は映像信号に含まれる表示情報である。
【００２４】
図５は、映像信号を加工することにより、表示密度と輝度を変化させたマイクロディスプレイ１０１の表示像５０１を示す模式図である。図５に示す表示像５０１では、中央部に表示された図形（グラフィック）は上下方向のサイズが大きく、上下になるにつれて上下方向のサイズは小さくなるとともに、表示像５０１の中央部を明るく上下になるにつれて暗くなるように輝度を変化させている。即ち、上下方向に見ると、表示像５０１の中央部のコントラストは高く、上下になるにつれてコントラストが低い。このように、マイクロディスプレイ１０１の中央部から上下に行くにつれて、表示像４０１のコントラストが低くなるように、映像信号を加工することにより、中央部から上下になるにつれて表示像がボケるように表示され、使用者は表示像を両眼視した場合に立体像として認識しやすくなる。ここで、図形（グラフィック）は映像信号に含まれる表示情報である。
【００２５】
また、立体レンダラ１０５は、中央部の解像度が高く周辺部の解像度が低く、表示像の精細度が変化するように、映像信号を加工してもよい。例えば、中央部ではマイクロディスプレイ１０１の１画素単位で表示像を制御し、上部及び下部では４画素又は１６画素単位で表示像を制御することにより、表示像の精細度を変化させることができる。このように、映像信号を加工することにより、中央部から上下になるにつれて表示像がボケるように表示され、使用者は表示像を両眼視した場合に立体像として認識しやすくなる。
【００２６】
上記の例では、上下方向に表示密度、輝度、解像度を変化させる例を示したが、映像信号を加工する場合の方向は左右方向であってもよいし、上下方向と左右方向の両方であってもよい。即ち、中央部から周辺部にかけて表示密度、輝度、解像度を変化させることにより、使用者は表示像を両眼視した場合に立体像として認識しやすくなる。
【００２７】
なお、上下方向または左右方向の一方のみを変化させる場合には、曲率半径の小さい方向に変化させるほうがよい。
【００２８】
［１−３．効果等］
実施の形態１における表示装置１００においては、平面の表示面１１１に表示されるマイクロディスプレイ１０１の表示像が、使用者の両眼視による融像によって、あたかも立体物のように認識される。さらに、表示像が立体状に認識されることを促すように、立体レンダラ１０５によってあらかじめ映像信号を加工することによって、平面の表示面１１１に表示される表示像を立体物としてより自然に認識させることができる。あるいは、平面の表示面１１１に表示される表示情報を立体的にレイアウトすることで、より効果的に見せることができる。
【００２９】
すなわち、実施の形態１における表示装置１００においては、例えばあえて片目をつぶるなどして左眼単独あるいは右眼単独で見ると、湾曲した画像に認識されるものの、両眼視を行った場合は、表示像を立体物と認識させるのを容易にするレンダリングが施されているため、スムーズに両眼視による融像作用が働き、左右の視差によって仮想的な立体像（即ち、左右対称に湾曲した虚像）が認識される。
【００３０】
このため、実施の形態１における表示装置１００は、左右それぞれの眼に歪みのない画像を見せるために、光学的な歪みの補償のための光学部品を配置したり、左右それぞれにあらかじめ電気的に補正した画像を交互にみせるための光学シャッターを用いたりする必要はない。
【００３１】
さらに、実施の形態１における表示装置１００においては、図１に示すように、虚像１０６を観察する際に左右の眼の光軸である線分ｃ−ｂと線分ｅ−ｄとを延長した線が必ず点ｆで交差する。使用者によって左右の瞳間隔はさまざまであるが、この関係は常に成立する。
【００３２】
一方で、表示装置１００を使用するとき、左右の眼の光軸が一点で交差せず、遠方で開散するような状況があると、日常生活において裸眼で物体を見る限りそのようなことは起こらないため、使用者は不快感を生じる。このため、一般的に、両眼式の頭部装着型の表示装置は、さまざまな左右の瞳間隔に対しても上記の不快感を生じさせないために、それぞれの使用者の瞳間隔を調べたり、瞳間隔に合わせて左右の表示位置を調節したりするための機構や電気回路やプログラム実行装置を備えている。
【００３３】
これに対して、実施の形態１における表示装置１００は、そのような構成を一切必要としないため、単純な構成とすることができ、表示装置の軽量化、小型化、そしてローコスト化を図ることができる。
【００３４】
さらに、実施の形態１における表示装置１００においては、凹面鏡１０４の反射面は単一の連続した曲面で構成され、複雑な加工や接合を必要としない。このため、表示装置１００は、従来、表示装置としては用いられていない顔面防護用のシールドへの適用も可能である。
【００３５】
（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、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態１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。
【００３６】
実施の形態１で説明したマイクロディスプレイ１０１は、その幅が瞳間隔より狭く、使用者の顔と凹面鏡１０４の間に配置できるものであれば、透過型液晶、このほか反射型液晶、ＬＥＤアレイ、有機ＥＬ、電子ペーパーなどでもよい。
【００３７】
実施の形態１では、立体レンダラ１０５が外部から供給される映像信号をリアルタイムで加工するように説明したが、予め立体レンダラ１０５で行う加工を施した映像信号を直接マイクロディスプレイ１０１に供給してもよい。
【００３８】
実施の形態１では、マイクロディスプレイ１０１は、使用者の右の瞳１０２と左の瞳１０３との間を結ぶ線分を二等分する点から、身体に触れない程度の使用者の視線方向のやや前方の位置するように説明した。凹面鏡１０４に映る像の大きさが左右で異なると、両眼視の融像が困難になるため、凹面鏡１０４に映る像が概ね同じ大きさになるように、マイクロディスプレイ１０１は、使用者の右の瞳１０２と左の瞳１０３から同じ距離に位置すれば、多少上下に位置してもよい。
【００３９】
実施の形態１では、凹面鏡１０４の反射特性は、全反射でも、表示像と外界の景色を同時に観察できるように半透過でもよい。半透過の場合、透過率あるいは反射率のいずれか、あるいはその両方の分光特性はフラットでもよいし、必要な波長を選択的に反射・透過する特性でもよいし、場所によって透過率あるいは反射率のいずれか、あるいはその両方が変化してもよい。
【００４０】
実施の形態１では、凹面鏡１０４の反射面は、内面でもよいし外面でもよい、凹面鏡１０４の内部でもよい。
【００４１】
なお、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、置換え、付加、省略などを行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本開示は、移動しながら手を塞がずに、テキスト情報や、図面や写真などの画像情報や、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】
【００４３】
１００    表示装置
１０１    マイクロディスプレイ
１０２    右の瞳
１０３    左の瞳
１０４    凹面鏡
１０５    立体レンダラ
１０６    虚像
１１１    表示面
２００    表示像
２０１    左眼画像
２０２    右眼画像
３０１    表示像
３０２    ３次元構造
４０１    表示像
５０１    表示像
【図１】
2018132756.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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