(57)【要約】      （修正有）【課題】３次元動画表示を行うヘッドマウントディスプレイで問題となる目の輻輳角と焦点距離の矛盾の問題を軽減する。またヘッドマウントディスプレイとメガネ併用の必要性や焦点距離調整の必要性も軽減する。【解決手段】シャッタ機構３Ｒは、装着時に想定される両眼の瞳の位置と大きさをもつ瞳想定領域と表示素子２との間に複数の光学的な局部開口３Ａを形成する。そして、当該局部開口３Ａの位置を時間とともに高速で切り換える。同期表示制御部５は、表示素子２の表示面における部分的な画像２Ａの表示位置をシャッタ機構３Ｒの局部開口３Ａの位置に同期して高速に切り替える。【選択図】図１
2011145607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子と、
装着時に想定される両眼の瞳の位置と大きさをもつ瞳想定領域と前記表示素子との間に複数の光学的な局部開口を介在させ、当該局部開口の位置を時間とともに高速で切り換えるシャッタ機構と、
前記表示素子の表示面における部分的な画像の表示位置を前記シャッタ機構の前記局部開口の位置に同期して高速に切り替える表示制御部と、
を有するヘッドマウントディスプレイ。
【請求項２】
前記複数の局部開口は互いの距離をとって規則的に面状配置され、
局部開口間の最低距離が、前記瞳想定領域に同時に２つ以上の局部開口からの線状画像光が入射されない値に規定される
請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項３】
前記シャッタ機構と前記表示制御部は、前記瞳想定領域における視認画像で、局部開口が前記最低距離以上離れて規則的に配置されていることが画像分割や光の強弱である画像ムラとなって見えないほど高い残像効果が得られるように高速に、前記局部開口と前記部分的な画像の位置を同期制御する
請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項４】
前記表示素子および前記表示制御部は、前記部分的な画像と前記局部開口とを同期制御する際に、部分的な画像の中心から局部開口の中心を通る方向の先に前記瞳想定領域が存在するように、同期制御する部分的な画像と局部開口との相対位置を制御する
請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項５】
前記瞳想定領域は、前記瞳の最大直径である６[ｍｍ]に、装着時の位置ずれマージン幅を加えた直径をもつ仮想円形領域である
請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項６】
前記表示素子の画素ピッチ、前記シャッタ機構の前記局部開口の制御単位のピッチ、または、その両方のピッチが、中央部と周辺部で異なり、中央部より周辺部のピッチが大きくなっている
請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイ
【請求項７】
前記表示素子の画素ピッチ、前記シャッタ機構の前記局部開口の制御単位のピッチ、または、その両方のピッチが、中央部と周辺部で異なり、中央部より周辺部のピッチが大きくなっている
請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ
【請求項８】
前記表示素子の表示面、前記シャッタ機構の局部開口の位置制御を行う面、または、その両方の面が、瞳から表示素子またはシャッタ機構への距離が平行な平面構成にくらべてより均等となる曲面である
請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項９】
前記表示素子の表示面、前記シャッタ機構の局部開口の位置制御を行う面、または、その両方の面が、瞳から表示素子またはシャッタ機構への距離が平行な平面構成にくらべてより均等となる曲面である
請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示素子を有し、表示素子が眼前にくるように頭や耳に装着してヘッドマウントするヘッドマウントディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）では、表示素子をレンズや反射鏡などの静的な光学系を通して見る構成になっている。この構成では、表示素子による画像は光学系で決まる見かけ上の固定距離地点（虚像位置）に存在するように見える。
【０００３】
ピンホールカメラが知られている。
通常のレンズを用いたカメラではピントを合わせた対象物より前後にずれた物はぼけた画像が撮影される。これに対し、ピンホールを用いたカメラでは対象物の距離や、ピンホールとフィルムの距離によらずピントのあった画像が撮影できることが知られている。このような性質はパンフォーカス（deep focus）と呼ばれている。
【０００４】
ディスプレイ素子の手前に多数のピンホールを平面状に規則的に並べてディスプレイ素子から出た光線の射出方向を制限し、目の位置に応じて適切な立体画像を提供するアイデアが知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、上記のピンホール位置を、液晶素子などを用いて可変とする案もあるが、その目的は複数または変化する視聴者の目の位置に対応して３Ｄ表示をするためのものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５２３６０５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
３Ｄ表示を行うＨＭＤでは、左右の画像のずれから感知される距離と上記の固定距離上の表示位置がずれると、違和感や焦点距離の不一致が起きて眼精疲労や頭痛などの不具合発生が懸念される。
また、メガネを常用している人がＨＭＤを使うときメガネを着用し、その上からＨＭＤを装着できるようにするには、ＨＭＤサイズを大きくする必要がある。メガネを外してＨＭＤを装着すると、ぼやけた画像を見ることになる。
上記の焦点が合わないことで生じる問題に対し、ピンホールを用いたパンフォーカス化による対処は容易に考え付くが、その場合は画像が極端に暗くなり、視野も狭まってしまう。
【０００７】
特許文献１のようにＨＭＤより大型の表示装置を想定し複数ピンホールを用いたものでは、瞳とピンホール間の距離が長いためピンホール間隔と画素ピッチを同程度にすることが容易で、画像全体をそれなりの解像度で表示できる。
【０００８】
ところが、上記特許文献１に記載の技術をＨＭＤにそのまま適用した場合は、ピンホールまたはシャッタ機構と目の距離が近いため、ピンホール間隔をあまり小さくすると表示素子上の１点から出た光が複数のピンホール経由で目に届いてしまい、パンフォーカス効果が無くなってしまう。
かといってピンホール間隔を表示素子の画素間隔より大きくした場合は、網目越しに覗いたような細かく分割された画像表示になってしまう。
【０００９】
本発明は、上記した問題がない、あるいは軽減されたヘッドマウントディスプレイを新たに提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に関わるヘッドマウントディスプレイは、表示素子と、シャッタ機構と、表示制御部とを有する。
前記シャッタ機構は、複数の光学的な局部開口の形成を制御するものである。シャッタ機構は、装着時に想定される両眼の瞳の位置と大きさをもつ瞳想定領域と前記表示素子との間に複数の光学的な局部開口を介在させる。そして、当該局部開口の位置を時間とともに高速で切り換える。
前記表示制御部は、前記表示素子の表示面における部分的な画像の表示位置を前記シャッタ機構の前記局部開口の位置に同期して高速に切り替える。
【００１１】
以上の構成によれば、局部開口同士の距離を、同時に２以上の局部開口を通した線状画像光が瞳に届かないように大きくしても、局部位置の高速切り替え動作によって局部開口が離れていることによる画像光の強弱等のムラがない。また、局部開口に同期して局部開口を通すべき部分的な画像表示が行われる。この表示範囲が狭い部分的な画像は、対応する１つの局部開口を通ったときだけ瞳位置を規定する瞳想定領域に届く。他の局部開口を通っても、その先には瞳がないため画像の視認には影響しない。
このような局部の画像光で表示画像をスキャン表示させると、ある短い時間だけ瞳に届く各画像光は線状であり、視認画像は、このような多数の線状画像光の集合として見えるため、ピントがぼけた画像とならない。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、３Ｄ表示を行うＨＭＤにおける輻輳角と焦点距離の矛盾による問題を軽減でき、またメガネを併用する必要性や焦点距離調整の必要性が少ないヘッドマウントディスプレイを新たに提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に関わるＨＭＤの概略構成図（上面視）である。
【図２】シャッタ機構の局部開口の開口制御法を例示するための模式図である。
【図３】シャッタ機構に設けられた複数の局部開口を通る光路を示す説明図である。
【図４】第２比較例の大型ディスプレイを用いたマルチピンホール表示方式における１ピンホールの視野サイズの説明図である。
【図５】第３比較例のＨＭＤにおいて１つのピンホールを通した視野サイズの説明図である。
【図６】第２の実施形態におけるシャッタ機構の局部開口の開口形状を示す模式図である。
【図７】第３の実施形態に関わるＨＭＤの概略構成図（上面視）である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態を、図面を参照して以下の順に説明する。
以下、次の順で説明を行う。
１．第１の実施の形態：単一表示素子とシャッタ機構が平行配置された実施形態。
２．第２の実施の形態：シャッタ機構の開口面積を外側ほど大きくして、瞳位置からの開口視野面積を均一化した実施形態。
３．第３の実施の形態：単一表示素子とシャッタ機構が共に曲面をもつ形状を有する実施形態。
【００１５】
＜１．第１の実施の形態＞
［装置構成］
図１は、第１の実施形態に関わるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）を、人のヘッドに眼前に表示素子がくるように装着したときの、上方から見た概略構成図である。
図１に図解するＨＭＤ１は、不図示のゴーグルやメガネ状の装着枠部材に、図示した各部を装備させて構成される。不図示の装着枠部材は顔形状、耳や鼻などにフィットすることで各部の位置出しができるようになっている。脱落防止のためには、ヘッドに固定する部分、あるいは、こめかみを内側に押さえ、または、耳等に掛かりあう装着枠部材構造となっている。
【００１６】
不図示の装着枠部材の先端面付近には、符号“２”により示す表示素子が固定されている。
表示素子２のサイズや重量はＨＭＤのデザインや装着感に大きく影響するため、表示素子２としては液晶や有機ＥＬなどの軽量かつ高精細なものが望ましい。
【００１７】
左右の瞳がくると想定される位置で、瞳の大きさに対応した大きさの瞳想定領域を想定する。この瞳想定領域と表示素子２との間には、表示素子２側から光学部品としてのシャッタ機構３と、２つの接眼レンズ４Ｒ,４Ｌとが配設されている。
【００１８】
シャッタ機構３は、液晶等の光変調（但し、この場合は光透過、光遮断の機能のみ）を利用してシャッタリングを行うものが望ましい。後述するように高速で表示と同期制御する必要があるため、表示素子２と同じような機構であることが有利である。
詳細は後述するが、シャッタ機構３は、瞳の径にくらべかなり小さい複数の局所開口を線状画像光の透過窓として開ける役目がある。しかも、高速で位置切り替えを行う必要がある。したがって、物理的（機構的）なシャッタでも原理的には可能であるが、機構は変えないでその材料等の光学的性質を変化させるものが高速切り換えの点で望ましい。
【００１９】
接眼レンズ４Ｒ,４Ｌは、本発明が非適用のＨＭＤと同様に、表示素子上の画像を適切な虚像位置に見せるために使われる。ピンホールによるパンフォーカス化の効果は有限なため、よりピントを合いやすくするために接眼レンズ４Ｒ,４Ｌをピンホールと併用する。
なお、レンズ材料に限定はないが軽量化のためにはプラスチック等が望ましい。また、両眼距離に合わせてレンズの相対位置調整機構を備えてもよい。
【００２０】
シャッタ機構３が電気的に制御される光学シャッタ、例えば液晶シャッタの場合、その局部開口を電気的に制御する必要がある。また、局部開口に対応した位置と大きさで、かつ同期した部分的な画像を表示素子２に表示させ、これを切り替える必要もある。
本例では、このシャッタ制御と、表示素子２に部分画像を表示するときの表示データ生成制御のための回路として、同期表示制御部５をＨＭＤ１に備えることが望ましい。同期制御のための要件は後述する。
【００２１】
同期表示制御部５は、ＨＭＤ１がメガネタイプならフレーム等に埋め込まれた小型の回路であってもよいし、少し大型なら鑑賞者の頭等に取り付けるボックス内に実装された回路であってもよい。通常、表示素子（および電気的制御ならシャッタ機構３）を駆動する電源が必要である。同期表示制御部５は電源の近くにまとめて配備されるようにしてもよいし、電源（例えば電池）とともにＨＭＤ１の外枠部分に埋め込むようにしてもよい。
なお、同期表示制御部５は、ＨＭＤ１ではなく、外部の機器に設けることも可能である。別の画像供給側の装置、例えばパーソナルコンピュータ(ＰＣ)、ＡＶ据え置き機器あるいはモバイル機器に同期表示制御部５を設けてもよい。この場合、変換されたデータをＨＭＤ１が、この外部の機器から有線、無線、または、メモリカード等のメディアを介して受け取る構成とするとよい。
【００２２】
同期表示制御部５は、有線の入力端子、ワイヤレスアンテナ、または、メモリカードインターフェイス等の画像データの入力部を備える。
【００２３】
同期表示制御部５により生成されて制御される画像は、２Ｄ画像と３Ｄ画像のどちらでもよい。
なお、シャッタ機構３による局部開口と、表示素子２による部分的画像の同期制御は、局部開口を通す線状画像光の集合として画像表示を行うものである。このような線状画像光により構成された画像はピントが殆んどずれない。そのため、局部開口のピッチを線状画像光の干渉がない範囲で十分小さくできる場合は、接眼レンズ４Ｒ,４Ｌが不要な場合もある。
【００２４】
［シャッタ機構の局部開口の例］
図２は、シャッタ機構の局部開口の開口制御法を例示するための模式図である。
図２はシャッタ機構の一部分を示す。１つの升目が１つの開口制御単位を表す。例えば、開口制御単位９つを１グループとし、升目中の数字の順序で時分割に局部開口を移動させる。図２では５番目の開口制御単位内の局部開口が開いた瞬間を示している。なお、シャッタ機構の開口制御単位のサイズが、１つの開口制御サイズ（局部開口サイズ）よりも小さい場合は、局部開口の位置変更ピッチを開口制御単位のサイズより小さくしてもよい。この場合、例えば数字の５番と６番の升目の間に局部開口が開く場合もあり得る。
【００２５】
［シャッタ機構の複数開口と表示画素の関係の例］
図３に、眼と表示素子２とを上から見たときのシャッタ機構３に設けられた複数の局部開口３Ａを通る光路を示している。
白い放射状の図形が表示素子２の部分表示とシャッタ機構の局所開口を経由して瞳に到達する光線を示している。表示素子２からは図示された光線以外の方向へも光が出ていて、その一部は局部開口経由で外へ漏れるものもあるが、瞳の方向からは外れるので視覚領域には入ってこない。例えば図３において、斜線で示す光線Ｌ２は、同じ表示位置（部分的な画像２Ａ）から出て瞳に到達する光線Ｌ１と異なる局部開口３Ａを通っているため、瞳に入らない。このように、ある時間でみると、ある１つの表示位置（部分的な画像２Ａ）から出た光線が１本だけ瞳に到達し、光線Ｌ２を含むその他の光線は瞳に到達しないように制御することが、画像が干渉しないために望まれる。
このことが満たされるように、画素表示及びシャッタ局部開口の間隔を適切に選択し、不要な光線は瞳に入らないようにする。
【００２６】
但し、実際の瞳位置は人により、また、装着具の取り付け位置出しが十分でない場合にもバラツキをもつ。したがって、このようなバラツキが多少あっても画像光同士の干渉（瞳への同時到達）がないような大きさと位置の瞳想定領域（仮想瞳領域）を想定して、画素表示及びシャッタ局部開口の間隔を規定することが望ましい。この仮想瞳領域は実際の瞳の大きさ（直径が２[ｍｍ]〜最大６[ｍｍ]程度に変化）より大きく、その分、装着具の取り付け精度等を考慮した余裕を持たせている。
例えば瞳想定領域は、瞳の最大直径である６[ｍｍ]に、装着時の位置ずれマージン幅を加えた直径をもつ仮想円形領域である。
【００２７】
［同期表示制御の望ましい要件］
以上の望ましい要件を正確に述べると以下のごとくである。
（１）前提として、複数の局部開口３Ａは互いの距離をとって規則的に面状配置されることが必要である。
（２）この場合の要件として、局部開口３Ａ間の最低距離が、瞳想定領域（装着時に位置が想定される両眼の瞳に対応した大きさの仮想瞳領域）に同時に２つ以上の局部開口からの線状画像光が入射されない値に規定される。
【００２８】
なお、ＨＭＤ１に瞳位置合わせ機能を持たしてもよい。たとえば、ＨＭＤ１装着時に瞳の真正面から真正面の局所開口を通して１本の光線が出ており、それが良く見える位置にＨＭＤ１を装着するようにしてもよい。
【００２９】
以上の構成では、同期表示制御部５による表示と開口を同期して移動させる速度が余りに遅いと、移動制御を行わないスタティックな場合に問題となる網目状の表示ムラの抑制ができない。これを防止するための要件は、以下のごとくである。
（３）シャッタ機構３と同期表示制御部５は、瞳想定領域における視認画像で、局部開口３Ａが上記した最低距離以上離れて規則的に配置されていることが画像分割や光の強弱である画像ムラとなって見えないほど高い残像効果が得られるようにする。このためには、高速に、局部開口３Ａと部分的な画像の位置を同期制御する。
【００３０】
また、位置的な同期ずれがあると画像そのものがきれいに見えない。同期ずれのない要件としては、以下のごとくである。
（４）部分的な画像と局部開口とを同期制御する際に、部分的な画像２Ａの中心から局部開口３Ａの中心を通る方向（例えば図３に示す光線Ｌ１の中軸方向）の先に瞳想定領域が存在する必要がある。この必要が満たされるように、表示素子２および同期表示制御部５は、同期制御する部分的な画像２Ａと局部開口３Ａとの相対位置を制御する。
【００３１】
［比較例との対比における効果］
次に、ＨＭＤやピンホール画像表示に関する比較例を説明し、それらとの対比において本実施形態の効果を述べる。
【００３２】
《第１比較例》
図４に、大型ディスプレイを用いたマルチピンホール表示方式における１ピンホールの視野サイズの説明図を示す。
この大型ディスプレイではマルチピンホールを規則的に多数開口したフロントパネル３０から表示素子２０までは０.５[ｍ]、フロントパネル３０から視認位置（瞳位置）までは２[ｍ]を想定する。
この例において、１つのピンホール経由で見える画素範囲(直径)は約６×０.５／２≒１.５[ｍｍ]にピンホール径を加えたものである。よって、マルチピンホールの間隔は２〜３[ｍｍ]は可能で、横幅１〜２[ｍ]の大型表示素子を用いれば水平方向で５００〜１０００画素の解像度で表示が可能である。
【００３３】
《第２比較例》
図５は、ＨＭＤにおいて１つのピンホールを通した視野サイズの説明図である。第１比較例で０.５[ｍ]、２[ｍ]とした距離は、共に４[ｃｍ]を想定する。
第２比較例は、第１の実施形態のＨＭＤ１において、局所開口（ピンホールに相当）の同期切り替え制御を行わない場合に該当する。
【００３４】
この例において１つのピンホール経由で見える画素範囲(直径)は約６[ｍｍ]である。マルチピンホールにする場合はピンホール間隔が約３[ｍｍ]以上必要となる。
一方、表示素子２０の横幅が２０[ｃｍ]で画素数が水平画素数を１０００とすれば１画素幅は０.２[ｍｍ]となる。よって表示画素ピッチよりもピンホールピッチが大きく、ピンホール位置が固定では網目状の表示となる。
【００３５】
以上の比較例に対して、本実施形態では以下の効果が得られる。
ピンホールカメラと同じ原理でパンフォーカス（英語ではdeep focus）に近づけることができる。そのためヘッドマウントディスプレイによる３Ｄ表示での輻輳と焦点距離の矛盾を軽減でき、長時間使用時の眼精疲労等医学的な問題を減らせる。
メガネによる視力補正を必要とする人でもメガネなしでボケが少ない映像を見ることができる。
【００３６】
複数の局部開口(ピンホールに相当)を用いるので１ピンホール方式に比べて表示画像が明るく、視野も広い。
【００３７】
複数のピンホールが固定位置の前記第３比較例の場合、パンフォーカス効果を得るには１つの表示画素からの光線が１つのピンホールのみを経由して瞳に入射する必要がある。そのためにはピンホールの間隔を瞳の最大径を考慮してある程度離す必要がある。その場合、複数のピンホール経由の画像は表示素子の画像の一部しか表示できず網目越しに覗いているような画像となる。
【００３８】
本案では局部開口３Ａ（ピンホールに相当）の位置と対応した表示素子２の発光領域（部分的な画像）を高速に切り替えて行くので残像効果により複数の局部開口ごとに画像のつなぎ目が目立たず表示素子２の画像すべてを見ることができる。
【００３９】
＜２．第２の実施の形態＞
図６は、第２の実施形態におけるシャッタ機構の局部開口の開口形状を示す模式図である。
図６に示す各矩形領域は、図２の升目と同様に開口制御単位を表す。１つの開口制御単位に、１つまたは一定数の局部開口が存在する。つまり、図６に示す矩形領域は、局部開口の密度を表している。具体的には、画面中心ほど矩形領域面積が小さいのでその密度（＝個数／面積）も高く、外側になるほど密度が低くなる。
【００４０】
このように局部開口の配置ピッチを外側ほど疎にしたのは、眼球から見込む画像または局部開口の視野角を面位置によらず一定とするためである。つまり、画像中心では真っ直ぐに光線が瞳に入るため、ほぼ図示した面積の開口制御単位となる。これに対し、外側ほど斜めから見ることになるので図示の大きさより開口制御単位の視野面積（瞳から見える面積）が狭くなる。結果として、視野面積は画面内で均一化される。
なお、局部開口は、どの開口制御単位にも同じ数で設けられているため、開口制御単位の視野面積の増減は、そのまま局部開口の視野面積の増減となる。
【００４１】
第２の実施形態では、図６と図２の違いがあるが、その他の構成は第１の実施形態と同様である。
したがって、第１の実施形態で述べた効果が、本実施形態でも得られる。
加えて、第２の実施形態では、不必要な画面端の解像度を必要十分に抑えることで表示素子の画素数やシャッタ機構の制御単位数を減らせるという効果がある。
【００４２】
＜３．第３の実施の形態＞
図７は、第３の実施形態に関わる図１に対応した図である。
図７が図１と異なる点の第１は、表示素子２Ｂが、その表示面が両眼からの距離が横方向の行程で均一化される向きに曲がった曲面形状を有することである。
相違点の第２は、接眼レンズ４Ｒ,４Ｌが、表示面の曲がりに対応して、レンズの中央部と周辺部で焦点距離が異なる多焦点構造または焦点距離を連続的に変化させた非球面構造を有することである。
相違点の第３は、シャッタ機構３Ｂが、レンズ面に合わせて、眼球からの距離が均一化する向きに曲げられていることである。ここで均一化される向きとは、必ず均一化するまで曲げられているとは限らず、少しでも図１より均一化する向きに曲げられていれば足りる。このようなシャッタ機構３Ｂは、光透過方式の液晶シャッタ等が好適である。
その他の構成は、図７は図１と共通する。
【００４３】
本実施形態によれば、第１の実施形態と同じ効果に加え、少ない面積で大きい視野角に対応できるという効果が得られる。また、平面上に配置されたシャッタの端では視線が斜め方向となるため液晶シャッタやフィルタでは光の透過率が中央部と異なってしまう。本実施形態では、その光透過率の乖離を軽減できる。
【符号の説明】
【００４４】
１…ＨＭＤ、２,２Ｂ…表示素子、２Ａ…部分的な画像、３,３Ｂ…シャッタ機構、３Ａ…局所開口、４Ｒ,４Ｌ…接眼レンズ、５…同期表示制御部
【図１】
2011145607.tif 000003
【図２】
2011145607.tif 000004
【図３】
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【図４】
2011145607.tif 000006
【図５】
2011145607.tif 000007
【図６】
2011145607.tif 000008
【図７】
2011145607.tif 000009