(57)【要約】【課題】直視型の画像表示装置において、観察者が表示画像にピントを合わせる作業を簡単化する。【解決手段】直視型の画像表示装置において、画像信号に応じた画像光を形成する画像光形成部１０２と、その形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部１４８との間における光路上に、瞳孔１２の位置と光学的に共役な瞳孔共役位置を設定し、その瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に多焦点レンズ１６０を設置する。これにより、同じ表示画像が複数の焦点を有することになるため、観察者は表示画像にピントを合わせ易くなる。【選択図】図２
2011215185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置であって、
画像信号に応じた画像光を形成する画像光形成部と、
その形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部と
を含み、
前記画像光形成部と前記出射部との間における光路上に、前記瞳孔の位置と光学的に共役な瞳孔共役位置が存在し、
当該画像表示装置は、さらに、
前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置された多焦点光学素子を含む画像表示装置。
【請求項２】
さらに、前記画像光形成部から前記多焦点光学素子に入射しようとする画像光のうち、最終的に前記瞳孔に入射させたくない部分を、前記多焦点光学素子から出射しないように遮断する絞りを含む請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記多焦点光学素子は、各々、有限の焦点距離を有する複数の領域を有し、
それら複数の領域は、少なくとも部分的に、前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、互いに隣接する領域間において前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、前記多焦点光学素子内において、その多焦点光学素子の光軸まわりに回転対称的に幾何学的に配置されている請求項１または２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記画像光形成部は、
光源と、
その光源からの入射光を用いて前記画像光を形成する液晶または有機ＥＬであって前記画像信号に応じて作動するものと
を含む請求項１ないし３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記画像光形成部は、
前記画像信号に応じた強度を有する光を出射する光源と、
その光源からの入射光を走査することによって前記画像光を形成する光走査部と
を含む請求項１ないし３のいずれかに記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置に関するものであり、特に、その画像表示装置による表示画像に観察者がピントを合わせる作業を簡単化する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置が既に知られている（例えば、特許文献１参照。）。この種の画像表示装置は、一般に、（ａ）画像信号に応じた画像光を形成する画像光形成部と、（ｂ）その形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部とを含むように構成される。この直視型の画像表示装置によれば、観察者は、画像が投影されるスクリーンを媒介にすることなく、画像を直接的に観察することができる。
【０００３】
直視型の画像表示装置を、画像光形成方式によって分類すると、空間変調型、すなわち、前記画像光形成部が、光源と、その光源からの入射光を用いて前記画像光を形成する液晶または有機ＥＬであって前記画像信号に応じて作動するものとを含むように構成されたものと、走査型、すなわち、前記画像光形成部が、前記画像信号に応じた強度を有する光を出射する光源と、その光源からの入射光を走査することによって前記画像光を形成する光走査部とを含むように構成されたものとに分類される。
【０００４】
また、直視型の画像表示装置を、表示画像の観察方式によって分類すると、シースルー型、すなわち、観察者が、当該画像表示装置による表示画像に重ねて、現実外界を観察することが可能にするものと、密閉型、すなわち、現実外界からの入射光を遮断し、観察者が、表示画像のみを観察することを可能にするものとに分類される。
【０００５】
また、直視型の画像表示装置は、観察者への装着方式によって分類すると、ヘッドマウント型、すなわち、観察者の頭部に装着されてその頭部と一体的に移動するものと、覗き込み型、すなわち、観察者から独立して設置され、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカムコーダなどの撮像装置用の電子ビューファイダに代表されるものとに分類される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−９８５７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
いずれにしても、直視型の画像表示装置を用いて観察者が表示画像を観察するためには、一般に、観察者が、表示画像にピントを合わせる作業が簡単であることが、当該画像表示装置の使い勝手を向上させるために重要である。
【０００８】
しかし、従来の直視型の画像表示装置は、同じ画像が単一の焦点しか有しないように画像光を形成するように構成されていた。そのため、従来の直視型の画像表示装置では、観察者が表示画像にピントを合わせる作業が煩雑で、面倒であった。以下、さらに具体的に説明する。
【０００９】
まず、従来のシースルー型の画像表示装置を用いる場合について説明する。この場合、観察者は、現実外界にピントが合っている状態で、表示画像にもピントを合わせようとすると、偶然でないと、現実外界と表示画像とに一緒にピントが合わないし、合うことがあったとしても、その頻度は非常に低い。現実外界の奥行きと表示画像の奥行きとが常に互いに一致することは保証されていないからである。
【００１０】
その結果、観察者は、現実外界へのピント合わせ作業はさておき、表示画像にピントを合わせようとするが、同じ画像が単一の焦点しか有しないように画像光が形成されるうえに、観察者は、少なからず試行錯誤に依存しない限り、表示画像にピントを合わせることができない。そのため、従来のシースルー型の画像表示装置では、観察者が表示画像にピントを合わせる作業が煩雑で、面倒であった。
【００１１】
次に、従来の密閉型の画像表示装置である場合について説明する。この場合、観察者は、観察開始当初に、表示画像にピントを合わせようとするが、表示画像が全く見えていない状態でその表示画像にピントを合わせなければならない場合がある。この場合、観察者は、無意識に、眼を動作させ、表示画像にピントを合わせようと試行する。このときの最初のピント位置は、観察者の習慣や癖に基づくものであるから、観察者によってまちまちであり、それにもかかわらず、上述のように、同じ画像が単一の焦点しか有しないように画像光が形成される。
【００１２】
そのため、従来のシースルー型の画像表示装置と同様に、従来の密閉型の画像表示装置も、観察者が表示画像にピントを合わせる作業が煩雑で、面倒であった。
【００１３】
以上説明した事情を背景にして、本発明は、表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置において、観察者が表示画像にピントを合わせる作業を簡単化することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載するが、このように、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することにより、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能となる。
【００１５】
（１）  表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置であって、
画像信号に応じた画像光を形成する画像光形成部と、
その形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部と
を含み、
前記画像光形成部と前記出射部との間における光路上に、前記瞳孔の位置と光学的に共役な瞳孔共役位置が存在し、
当該画像表示装置は、さらに、
前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置された多焦点光学素子を含む画像表示装置。
【００１６】
ここに、「光路」は、例えば、前記画像形成部が光源を有する場合に、その光源と前記出射部との間における光路を意味するように解釈することが可能である。また、「瞳孔共役位置」および「瞳孔共役位置と実質的に同じ位置」は、前記画像光形成部が複数の光学部品の組合せである場合に、それら光学部品間の空間に存在することが可能であり、また、同様に、前記出射部が複数の光学部品の組合せである場合に、それら光学部品間の空間に存在することが可能である。また、「多焦点光学素子」は、前記画像形成部を構成する部品に一体的に形成したり別体的に装着することも、前記出射部を構成する部品に一体的に形成したり別体的に装着することも、それら部品から分離して設置することも可能である。
【００１７】
（２）  さらに、前記画像光形成部から前記多焦点光学素子に入射しようとする画像光のうち、最終的に前記瞳孔に入射させたくない部分を、前記多焦点光学素子から出射しないように遮断する絞りを含む（１）項に記載の画像表示装置。
【００１８】
（３）  前記多焦点光学素子は、各々、有限の焦点距離を有する複数の領域を有し、
それら複数の領域は、少なくとも部分的に、前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、互いに隣接する領域間において前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、前記多焦点光学素子内において、その多焦点光学素子の光軸まわりに回転対称的に幾何学的に配置されている（１）または（２）項に記載の画像表示装置。
【００１９】
（４）  前記画像光形成部は、
光源と、
その光源からの入射光を用いて前記画像光を形成する液晶または有機ＥＬであって前記画像信号に応じて作動するものと
を含む（１）ないし（３）項のいずれかに記載の画像表示装置。
【００２０】
（５）  前記画像光形成部は、
前記画像信号に応じた強度を有する光を出射する光源と、
その光源からの入射光を走査することによって前記画像光を形成する光走査部と
を含む（１）ないし（３）項のいずれかに記載の画像表示装置。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、観察者が表示画像にピントを合わせようとする際に、同じ表示画像が複数の焦点を有するように画像光が形成されるため、同じ表示画像が単一の焦点しか有しないように画像光が形成される場合より、観察者は、表示画像にピントを合わせることが簡単となる。その結果、本発明によれば、直視型の画像表示装置の使い勝手が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）を示す系統図である。
【図２】図２は、図１に示すＨＭＤ内の光路のうちの要部を簡略的に示す光路図である。
【図３】図３（ａ）は、図１および図２に示す多焦点レンズの一例を示す側面図であり、図３（ｂ）は、その多焦点レンズの別の例を示す側面図である。
【図４】図４（ａ）は、図１および図２に示す多焦点レンズの一例を示す断面図であり、図４（ｂ）は、その多焦点レンズの別の例を示す正面図であり、図４（ｃ）は、その多焦点レンズのさらに別の例を示す断面図である。
【図５】図５は、図１および図２に示す多焦点レンズの複数の領域からの複数の出射光が眼内において結像する様子を説明するための光路図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の第２実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）における多焦点レンズを示す正面図であり、図６（ｂ）は、その多焦点レンズを選択的に、かつ、部分的に覆う２種類のマスクを示す正面図である。
【図７】図７は、本発明の第３実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）を示す系統図である。
【図８】図８は、図７に示すＨＭＤ内の光路のうちの要部を簡略的に示す光路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のうちのいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
図１には、本発明の第１実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）が系統的に表されている。このＨＭＤは、観察者の頭部（図示しない）に装着された状態で使用される。
【００２５】
このＨＭＤは、画像信号に応じた強度の光束としてのレーザビームを２次元的に走査し、その走査されたレーザビームを観察者の眼１０の瞳孔１２に入射させ、その眼１０の網膜１４上に画像を直接に投影表示する網膜走査型の画像表示装置の一例である。このＨＭＤは、前記（１）項における「直視型の画像表示装置」の一例を構成している。
【００２６】
なお付言するに、本実施形態は、本発明をヘッドマウント型の画像表示装置に適用した場合の一例であるが、覗き込み型の画像表示装置に本発明を適用することも可能である。また、本実施形態は、本発明を密閉型の画像表示装置に適用した場合の一例であるが、シースルー型の画像表示装置に本発明を適用することも可能である。
【００２７】
光源ユニット２０は、３原色（ＲＧＢ）を有する３つのレーザビーム（すなわち、波長が互いに異なる３色の成分光）を１つのレーザビーム（合成光）に結合して任意色のレーザビームを生成するために、赤色のレーザビームを発するＲレーザ３０と、緑色のレーザビームを発するＧレーザ３２と、青色のレーザビームを発するＢレーザ３４とを備えている。
【００２８】
各レーザ３０，３２，３４は、本実施形態においては、レーザダイオードとして構成されている。本実施形態においては、それらレーザ３０，３２，３４がそれぞれ、前記（５）項における「光源」の一例を構成する。それらレーザ３０，３２，３４から出射した複数本のレーザビームはそれぞれ、コリメート光学系４０，４２，４４によって平行光化される。その後、各レーザビームは、波長依存性を有する各ダイクロイックミラー５０，５２，５４に入射させられ、それにより、各レーザビームが波長に関して選択的に反射・透過させられ、それら３つのダイクロイックミラー５０，５２，５４を代表する１つのダイクロイックミラー５０に最終的に入射して１本のレーザビームに結合される。
【００２９】
その後、その１本のレーザビームは、結合光学系５６によって集光され、光ファイバ８２に入射する。光ファイバ８２に入射したレーザビームは、光伝送媒体としての光ファイバ８２中を伝送され、その光ファイバ８２の後端から放射させられるレーザビームを平行光化するコリメート光学系８４を経て光走査部２４に入射する。
【００３０】
以上、光源ユニット２０のうち光学的な部分を説明したが、以下、電気的な部分を説明する。光源ユニット２０は、コンピュータ（図示しない）を主体とする信号処理回路６０を備えている。信号処理回路６０は、外部から供給された映像信号（前記（１）項における「画像信号」の一例である）に基づき、各レーザ３０，３２，３４を駆動するための信号処理と、レーザビームの走査を行うための信号処理とを行うように設計されている。
【００３１】
各レーザ３０，３２，３４を駆動するため、信号処理回路６０は、外部から供給された映像信号に基づき、網膜１４上に投影すべき画像上の各画素ごとに、レーザビームにとって必要な色と強度とを実現するために必要な駆動信号（前記映像信号を反映する信号）を、各レーザドライバ７０，７２，７４を介して各レーザ３０，３２，３４に供給する。
【００３２】
光走査部２４は、ＨＳスキャナ（高速スキャナ、主スキャナの一例）１００とＬＳスキャナ（低速スキャナ、副スキャナの一例）１０２とを備えている。ＨＳスキャナ１００は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザビームを主走査方向に相対的に高速で走査する光学系である。これに対し、ＬＳスキャナ１０２は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザビームを、主走査方向とは直交する副走査方向に相対的に低速で走査する光学系である。
【００３３】
具体的に説明するに、ＨＳスキャナ１００は、本実施形態においては、機械的偏向を行うミラー１２０を備えた弾性体１２４のねじり共振によってそのミラー１２０を揺動させ、それにより、入射したレーザビームを主走査方向に走査する。このＨＳスキャナ１００は、駆動回路１２６を有しており、この駆動回路１２６は、信号処理回路６０から供給される駆動信号により、ミラー１２０を駆動する。
【００３４】
図１に示すように、ＨＳスキャナ１００によって走査されたレーザビームは、第１リレー光学系１３０によってＬＳスキャナ１０２に伝送される。第１リレー光学系１３０は、前段の光学系であるレンズ１３２と、後段の光学系であるレンズ１３４とを備えている。
【００３５】
ＬＳスキャナ１０２は、機械的偏向を行う揺動ミラーとしてのガルバノミラー１４０を非共振モードで強制的に電磁駆動し、それにより、入射したレーザビームを副走査方向に走査する。ガルバノミラー１４０には、ＨＳスキャナ１００から走査されて出射したレーザビームがリレー光学系１３０によって集光されて入射するようになっている。ＬＳスキャナ１０２は、駆動回路１４２を有しており、その駆動回路１４２は、信号処理回路６０から供給される駆動信号（または同期信号）により、ガルバノミラー１４０を駆動する。
【００３６】
以上説明したＨＳスキャナ１００とＬＳスキャナ１０２との共同により、レーザビームが２次元的に走査される。その走査されたレーザビームによって表現される画像光は、第２リレー光学系１５０を経て、かつ、このＨＭＤのハウジング（図示しない）に透光部として形成された出射部１４８（図２参照）から出射して、観察者の眼１０に照射される。第２リレー光学系１５０は、前段の光学系であるレンズ１５２と、後段の光学系であるレンズ１５４とを備えている。本実施形態においては、それらＨＳスキャナ１００とＬＳスキャナ１０２とは、互いに共同して、前記（５）項における「光走査部」の一例を構成している。
【００３７】
図２には、図１に示すＨＭＤにおける光路が簡略化されて示されている。具体的に説明するに、主走査系であるＨＳスキャナ１００と副走査系であるＬＳスキャナ１０２との間に第１リレー光学系１３０が存在する。この第１リレー光学系１３０においては、レンズ１３２とレンズ１３４とが同一光軸上において並んでいる。それらレンズ１３２と１３４との間に中間像面ＩＰ１が存在する。
【００３８】
ＬＳスキャナ１０２と眼１０との間に第２リレー光学系１５０が存在する。この第２リレー光学系１５０においては、レンズ１５２とレンズ１５４とが同一光軸上において並んでいる。それらレンズ１５２と１５４との間に中間像面ＩＰ２が存在する。
【００３９】
第１リレー光学系１３０と第２リレー光学系１５０との間に、ＬＳスキャナ１０２のガルバノミラー１４０が配置されており、このガルバノミラー１４０は、瞳孔１２と光学的に共役な瞳孔共役位置に設置されている。本実施形態においては、この瞳孔共役位置と実質的に同じ位置（例えば、ガルバノミラー１４０の可及的近傍位置）に、多焦点レンズ１６０が設置されている。
【００４０】
具体的には、図３（ａ）に示すように、多焦点レンズ１６０は、ガルバノミラー１４０の下流側の位置であって、そのガルバノミラー１４０にできる限り近い位置に設置されている。さらに具体的には、多焦点レンズ１６０は、ガルバノミラー１４０の揺動軌跡から逃げた位置に設置されており、ガルバノミラー１４０の揺動を阻害しない。
【００４１】
ただし、多焦点レンズ１６０は、他の位置に設置することが可能であり、例えば、ガルバノミラー１４０の反射面に装着することが可能である。この場合には、多焦点レンズ１６０を前記瞳孔共役位置と同じ位置に設置することが可能となる。
【００４２】
また、多焦点レンズ１６０は、前記（１）項における「多焦点光学素子」の一例であるが、その「多焦点光学素子」を、図３（ｂ）に示すように、多焦点ミラー１６１として実施することも可能である。ここに、「多焦点光学素子」は、一般に、光軸上の異なる複数の位置に焦点を有する光学素子として定義される。
【００４３】
多焦点ミラー１６１は、ガルバノミラー１４０に別体的に装着される場合や、ガルバノミラー１４０自体が多焦点機能を有するように、ガルバノミラー１４０に一体的に、例えば、回折格子として、形成される場合がある。それらの場合には、多焦点ミラー１６１を前記瞳孔共役位置と同じ位置に設置することが可能である。
【００４４】
図４（ａ）には、多焦点レンズ１６０の一例である多焦点レンズ１６２が断面図で示されている。この多焦点レンズ１６２は、近点と遠点という２つの焦点を有しており、それら焦点は、多焦点レンズ１６０の回折格子の回折作用により、実現される。
【００４５】
具体的には、この多焦点レンズ１６２は、各々、有限の焦点距離を有する複数の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４を有している。領域Ｒ１およびＲ３から成る第１グループは、焦点距離を互いに共有し、残りの領域Ｒ２およびＲ４から成る第２グループも、焦点距離を互いに共有するが、第１グループと第２グループとでは、焦点距離が互いに異なっており、第１グループは、近方視用であって、近点において焦点を有する一方、第２グループは、遠方視用であって、遠点点において焦点を有する。
【００４６】
それら領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４は、この多焦点レンズ１６２において、その多焦点レンズ１６２の光軸まわりに回転対称的（光軸まわりに同一断面を回転させて形成される形状）に配置されている。具体的には、領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４は、それぞれ円形または円環状を成すとともに、前記光軸まわりに互いに同心的に配置されている。それら領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３およびＲ４は、互いに隣接する領域間において焦点距離に関して互いに異なるように、多焦点レンズ１６２の半径方向に配列されている。
【００４７】
なお付言するに、本実施形態においては、多焦点レンズ１６２の形状が回転対称性を有するが、例えば、多焦点レンズ１６２が、それの光軸を通過する少なくとも１つの直径によって分割された少なくとも２つの領域がそれぞれ、互いに異なる焦点を有するというように、多焦点レンズ１６２の形状が回転対称性を有しない態様で本発明を実施することが可能である。
【００４８】
図４（ｂ）には、多焦点レンズ１６０の別の例である多焦点レンズ１６４が正面図で示されている。この多焦点レンズ１６４は、多焦点レンズ１６２と同様に、近点と遠点という２つの焦点を有しており、それら焦点は、多焦点レンズ１６２とは異なり、多焦点レンズ１６４の屈折作用により、実現される。
【００４９】
この多焦点レンズ１６４は、各々、有限の焦点距離を有する複数の領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４およびＲ５を有している。領域Ｒ１，Ｒ３およびＲ５から成る第１グループは、焦点距離を互いに共有し、残りの領域Ｒ２およびＲ４から成る第２グループも、焦点距離を互いに共有するが、第１グループと第２グループとでは、焦点距離が互いに異なっており、第１グループは、遠方視用であって、遠点において焦点を有する一方、第２グループは、近方視用であって、近点において焦点を有する。
【００５０】
それら領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４およびＲ５は、多焦点レンズ１６２と同様に、回転対称的に配置されているとともに、互いに隣接する領域間において焦点距離に関して互いに異なるように、多焦点レンズ１６４の半径方向に配列されている。
【００５１】
図４（ｃ）には、多焦点レンズ１６０のさらに別の例である多焦点レンズ１６６が断面図で示されている。この多焦点レンズ１６６も回転対称性を有する。この多焦点レンズ１６６は、曲率半径が互いに異なり、屈折力（レンズパワー）も互いに異なる２つの領域Ｒ１およびＲ２を有している。この多焦点レンズ１６６は、近点と遠点という２つの焦点を有しており、それら焦点は、多焦点レンズ１６６の屈折作用により、実現される。領域Ｒ１は、近点において焦点を有する一方、領域Ｒ２は、遠点において焦点を有する。
【００５２】
図５には、多焦点レンズ１６０からの出射光が網膜１４上に結像する様子が光路図で表されている。図５に示す例においては、多焦点レンズ１６０が、それの光軸まわりに互いに同心的に配列された複数の領域Ｒ１，Ｒ２およびＲ３を有する。それら領域Ｒ１，Ｒ２およびＲ３は、この順序で、光軸から半径方向外向きに並んでいる。領域Ｒ１およびＲ３は、遠点において焦点を有する一方、領域Ｒ２は、近点において焦点を有する。
【００５３】
領域Ｒ１からの出射光Ｌ１は、瞳孔１２を通過して、点Ｐ１（遠点）において結像する。また、領域Ｒ２からの出射光Ｌ２は、瞳孔１２を通過して、点Ｐ２（近点）において結像する。また、領域Ｒ３からの出射光Ｌ３は、瞳孔１２を通過して、点Ｐ１（遠点）において結像する。
【００５４】
このように、本実施形態においては、同じ画像が、互いに異なる焦点を有する複数の光によって形成される。したがって、観察者は、同じ画像を、複数の焦点位置のいずれかにおいてピントが合った状態で観察することが可能となる。すなわち、焦点深度が深くなったのと同等の光学的効果が得られるのである。
【００５５】
この密閉型のＨＭＤを起動させると、観察者は、このＨＭＤによる表示画像を観察するために、本能的な動作として、何かにピントを合わせようとする。このときの最初のピント位置は、観察者の習慣や嗜好によって異なる。本実施形態によれば、このとき、表示画像が複数の焦点を有するため、唯一の焦点しか有しない場合に比較して、観察者が、その表示画像にピントを合わせるための動作、すなわち、眼１０による焦点距離の修正動作が単純化される。その結果、このＨＭＤの使い勝手が向上する。
【００５６】
従来であれば、このＨＭＤから瞳孔１２に瞬間的に入射する１本のビームの直径が大きいほど、そのビームの焦点深度が浅くなり、その結果、観察者は、いずれの奥行きを有するのか事前には分からない表示画像にピントを合わせることが煩雑で、面倒であった。これに対し、本実施形態によれば、同じ画像が複数の焦点を有するように画像光が形成されるため、１本のビームの焦点深度が浅くても、観察者は表示画像にピントを合わせ易くなり、その結果、このＨＭＤの使い勝手が向上する。
【００５７】
さらに、本実施形態においては、多焦点レンズ１６０は、前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置されているため、図５に示す複数の領域Ｒ１，Ｒ２およびＲ３からの３つの出射光が、すべての画角において、互いに分離した状態で、瞳孔１２に通過する。このとき、多焦点レンズ１６０内の各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の光学的特性と、瞳孔１２に入射する各出射光の光学的特性とが互いに一致する。したがって、本実施形態によれば、瞳孔１２に入射する各出射光の光学的特性を個別に所望のものにするために、多焦点レンズ１６０内の各領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の光学的特性を個別にチューニングすることが可能となり、その結果、チューニングし易さが向上する。
【００５８】
図５に示す多焦点レンズ１６０を使用する場合には、最も中央に位置する領域Ｒ１は遠点用、その領域Ｒ１に半径方向外側に隣接する領域Ｒ２は近点用、その領域Ｒ２に半径方向外側に隣接する領域Ｒ３は遠点用というように、多焦点レンズ１６０の光軸から半径方向に遠ざかるにつれて、複数の領域Ｒ１，Ｒ２およびＲ３が、互いに隣接する領域間において焦点距離が互いに異なるように、交互に並ぶように配置されている。
【００５９】
前述のように、多焦点レンズ１６０は、前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置されているため、複数の領域Ｒ１，Ｒ２およびＲ３からの３つの出射光が、すべての画角において、互いに分離した状態で、瞳孔１２に通過する。よって、本実施形態によれば、瞳孔１２には、それの光軸から半径方向に遠ざかるにつれて、遠点用の光と近点用の光とが交互に並ぶように入射することになる。
【００６０】
ところで、瞳孔１２が開いている状態における瞳孔１２の大きさ、すなわち、瞳孔径は、常に一定ではなく、瞳孔１２に入射する光の照度（明るさ）によって変化する。これに対し、本実施形態においては、通常の照度（例えば、昼光や室内光程度の照度）において、少なくとも２つの領域Ｒ１およびＲ２（焦点距離が互いに異なり、かつ、光軸に最も近い２つの領域）からの出射光が必ず一緒に瞳孔１２に入射するように、多焦点レンズ１６０の幾何学が選択されている。すなわち、少なくとも２つの領域Ｒ１およびＲ２の半径方向寸法は、瞳孔径と整合するように、設定されているのである。
【００６１】
したがって、本実施形態によれば、通常の照度であるかまたはそれより暗い環境において、少なくとも２つの領域Ｒ１およびＲ２からの出射光が必ず一緒に瞳孔１２に入射し、よって、ほとんどすべての通常の照度において、すなわち、瞳孔径の如何を問わず、同じ画像が複数の焦点を有するように形成された画像光が瞳孔１２に入射する。その結果、観察者は、瞳孔径の如何を問わず、表示画像にピントを合わせ易くなり、その結果、このＨＭＤの使い勝手が向上する。
【００６２】
本実施形態においては、多焦点レンズ１６０が、２つの焦点を有するように設計されているが、３以上の焦点を有する態様で本発明を実施することが可能である。この態様においては、多焦点レンズ１６０が、３以上の焦点に対応する３以上の領域を有するとともに、互いに隣接する領域間において焦点距離が互いに異なるように、それら領域が並ぶ順序を決めることが可能である。
【００６３】
図２に示すように、本実施形態においては、さらに、多焦点レンズ１６０に光学的に関連付けて絞り１７０が設置されている。具体的には、この絞り１７０は、第１リレー光学系１３０から多焦点レンズ１６０に入射しようとする画像光のうち、最終的に瞳孔１２に入射させたくない部分（不要光または外乱光）を、多焦点レンズ１６０から出射しないように遮断するという機能実現のために設置されている。この絞り１７０によれば、不要光が瞳孔１２に入射することが抑制され、その結果、不要光に起因したノイズが表示画像に出現してそれの品質が劣化してしまうことが防止される。
【００６４】
この絞り１７０は、多焦点レンズ１６０の近傍位置（例えば、接触する位置、可及的に接近した位置）に設置され、その結果、前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置されている。したがって、この絞り１７０から出射する光の光学的特性は、瞳孔１２に入射する光の光学的特性と一致する。よって、この絞り１７０の形状等の条件次第で、瞳孔１２に入射する光の光学的特性を確実に改善することが容易である。その結果、本実施形態によれば、この絞り１７０が、瞳孔共役位置から外れた位置に設置されている場合とは異なり、この絞り１７０をそれの機能が全うされるように設計することが容易となる。
【００６５】
次に、本発明の第２実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）を説明する。ただし、本実施形態は、第１実施形態に対し、多焦点レンズ１６０に関連する光学部品が追加されている点でのみ異なり、他の要素については共通であるため、異なる要素についてのみ詳細に説明し、共通する要素については重複した説明を省略する。
【００６６】
図６（ａ）は、本実施形態に従うＨＭＤにおける多焦点レンズ１６０を示す正面図である。このＨＭＤは、図１に示すＨＭＤと基本的に共通する構成を有しているため、重複した説明を省略する。
【００６７】
図５に示すように、第１実施形態においては、多焦点レンズ１６０から出射した、遠点用の光Ｌ１およびＬ３と、近点用の光Ｌ２とが、常に一緒に瞳孔１２に入射する。このことは、観察者が、いずれかの光を使って、表示画像にピントを合わせることに成功した後も、継続する。このとき、それら光Ｌ１，Ｌ２およびＬ３のすべてが観察者にとって必要であるわけではなく、観察者のピントが遠点に合えば、近点用の光Ｌ２は不要光となるし、逆に、観察者のピントが近点に合えば、遠点用の光Ｌ１およびＬ３は不要光となる。それら不要光は、放置すると、観察者が表示画像を観察することを阻害する可能性がある。
【００６８】
図６（ａ）に示すように、本実施形態に従うＨＭＤにおいては、多焦点レンズ１６０が、中央に位置する円形状の領域Ｒ１と、それの外側に位置する円環状の領域Ｒ２とを有している。多焦点レンズ１６０のうち、領域Ｒ１は、遠点用の光を出射する部分であるのに対し、領域Ｒ２は、近点用の光を出射する部分である。
【００６９】
図６（ｂ）に示すように、このＨＭＤにおいては、多焦点レンズ１６０を選択的に、かつ、部分的に覆う第１および第２のマスク２００および２１０が、第１実施形態と共通の構成に対して追加されている。第１のマスク２００は、概して円板状を成すとともに、中央に円形状の遮光部２２０、それの外側に円環状の透光部２２２をそれぞれ有している。これに対し、第２のマスク２１０は、概して円板状を成すとともに、中央に円形状の透光部２３０、それの外側に円環状の遮光部２３２をそれぞれ有している。
【００７０】
いずれのマスク２００および２１０も、多焦点レンズ１６０に位置的に関連付けて設置されている。各マスク２００，２１０は、作用位置と非作用位置とに選択的に移動させられる。作用位置は、多焦点レンズ１６０への入射光または多焦点レンズ１６０からの出射光を遮断し得る位置であり、例えば、多焦点レンズ１６０の上流側近傍位置または下流側近傍位置である。これに対し、非作用位置は、その作用位置から退避した位置である。各マスク２００，２１０の移動は、例えば、各マスク２００，２１０を回転または直線移動させる各アクチュエータ（図示しない）を、観察者からの指令に応じて制御することによって行うことが可能である。
【００７１】
観察者は、遠点にピントが合った後に、第１のマスク２００を非作用位置に移動させる一方、第２のマスク２１０を作用位置に移動させるための指令をこのＨＭＤに出力する。そうすると、第２のマスク２１０が作用位置に移動し、それの遮光部２３２により、多焦点レンズ１６０のうちの近点用の領域Ｒ２が遮光される。これに対して、観察者は、近点にピントが合った後に、第２のマスク２１０を非作用位置に移動させる一方、第１のマスク２００を作用位置に移動させるための指令をこのＨＭＤに出力する。そうすると、第１のマスク２００が作用位置に移動し、それの遮光部２２０により、多焦点レンズ１６０のうちの遠点用の領域Ｒ１が遮光される。
【００７２】
したがって、本実施形態によれば、観察者のピントが遠点に合った場合には、遠点用の光のみが瞳孔１２に入射するため、今回は不要光である近点用の光が瞳孔１２に一緒に入射せずに済むから、表示画像においてノイズが減って画質がより鮮明になるとともに、観察者は、遠点用の光のみに集中することが可能となる。これに対し、観察者のピントが近点に合った場合には、近点用の光のみが瞳孔１２に入射するため、今回は不要光である遠点用の光が瞳孔１２に一緒に入射せずに済むから、表示画像においてノイズが減って画質がより鮮明になるとともに、観察者は、近点用の光のみに集中することが可能となる。その結果、いずれの場合にも、観察者のピントが表示画像に合った後には、同じ画像が複数の焦点を有するように画像光を形成するために多焦点レンズ１６０が存在するにもかかわらず、このＨＭＤの画質および使い勝手が、多焦点レンズ１６０を有しない場合とほぼ同等なものとなる。
【００７３】
なお付言するに、本実施形態においては、２種類のマスク２００および２１０が採用されているが、いずれかを省略することが可能である。また、本実施形態においては、マスク２００および２１０がいずれも機械的な部品として構成されているが、いずれかまたは双方を液晶によって構成することが可能である。マスクを液晶によって構成する場合には、１つのマスクのみで、遠点用の光の遮断と近点用の光の遮断とを選択的に実現することが可能であり、また、そのマスクは、前記光軸上の所定位置に移動不能に設置することが可能である。
【００７４】
次に、本発明の第３実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置（以下、「ＨＭＤ」と略称する。）を説明する。
【００７５】
まず概略的に説明するに、このＨＭＤは、光源から一斉に入射した面状の光を、空間変調素子を用いて、各画素ごとに空間的に変調し、そのようにして形成された画像光を観察者の瞳孔を経て直接的に観察者の網膜上に投影し、それにより、観察者が画像を虚像として観察することを可能にするように構成されている。すなわち、このＨＭＤは、空間変調型なのである。
【００７６】
具体的には、このＨＭＤは、図７に示すように、光源部３１２と、画像光形成部３１４と、リレー光学系３１６と、接眼光学系３１８とを、それらの順に、互いに直列に並ぶように備えている。本実施形態においては、光源部３１２と画像光形成部３１４とが互いに共同して、前記（１）項における「画像光形成部」の一例を構成している。
【００７７】
光源部３１２は、光源としての白色ＬＥＤ３２０と、その白色ＬＥＤ３２０からの白色光をコリメートするコリメートレンズ３２２とを含むように構成されている。白色ＬＥＤ３２０は、ＬＥＤドライバ３２４によって駆動され、それにより、白色光を発光する。なお、本実施形態においては、光源部３１２が、白色ＬＥＤ３２０とコリメートレンズ３２２とを含むように構成されているが、これに代えて、例えば、バックライトを主体として構成することが可能である。
【００７８】
画像光形成部３１４は、フラットパネルディスプレイ（空間変調素子の一例）としてのＬＣＤ（液晶ディスプレイ）３３０を含むように構成されている。ＬＣＤ３３０は、コリメートレンズ３２２からの白色光を、各画素ごとに、３色の成分光（ＲＧＢ）に分解するカラーフィルタ（ＲＧＢフィルタ）と、各成分光の透過度を制御する液晶パネルとを含むように構成されている。その液晶パネルは、複数個の画素を有しており、各画素ごとに、各成分光の透過度を制御する。ＬＣＤ３３０は、ＬＣＤドライバ３３２によって駆動され、それにより、白色ＬＥＤ３２０から出射した白色光に対して空間変調を施す。
【００７９】
本実施形態においては、フラットパネルディスプレイの一例としてＬＣＤ３３０が採用されているが、これに限定されることなく、例えば、有機エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）としたり、デジタルマイクロミラーデバイスとすることが可能である。
【００８０】
リレー光学系３１６は、前段リレーレンズ３４０と後段リレーレンズ３４２とを含むように構成されている。前段リレーレンズ３４０の前側焦点位置にＬＣＤ３３０が、その後側焦点位置に多焦点レンズ３５０がそれぞれ配置され、また、後段リレーレンズ３４２の前側焦点位置に多焦点レンズ３５０が配置されている。多焦点レンズ３５０は、第１実施形態における多焦点レンズ１６０と基本的な構成を共通にしているため、重複した説明を省略する。
【００８１】
接眼光学系３１８は、接眼レンズ３６０と、その接眼レンズ３６０からの画像光をユーザの瞳孔に誘導する光ガイドとしてのハーフミラー３６２とを含むように構成されている。本実施形態においては、その光ガイドがハーフミラー３６２として構成されているため、ユーザは、ハーフミラー３６２を通して現実外界を観察すると同時に、接眼レンズ３６０からの画像光を、ハーフミラー３６２の反射によって受光して表示画像を観察することが可能である。すなわち、このＨＭＤは、現実外界に重ねて表示画像を観察可能なシースルー型なのである。
【００８２】
図８には、このＨＭＤが光路図で示されている。多焦点レンズ３５０は、リレー光学系３１６の瞳孔共役位置とちょうど同じ位置、すなわち、前段リレーレンズ３４０の後側焦点位置と一致し、かつ、後段リレーレンズ３４２の前側焦点位置と一致する位置に設置されている。なお、図８においては、ハーフミラー３６２が省略されている。
【００８３】
したがって、本実施形態によれば、空間変調型のＨＭＤにおいて、第１実施形態に従う走査型のＨＭＤと共通する効果を得ることができる。
【００８４】
ただし、第１実施形態とは異なり、本実施形態に従うＨＭＤは、シースルー型である。この場合、観察者は、現実外界にピントが合っている状態で、表示画像にもピントを合わせようとする。しかし、現実外界の奥行きと表示画像の奥行きとが常に互いに一致することは保証されていない。これに対し、本実施形態によれば、参照画像が、複数の焦点距離を有しているため、観察者は参照画像にピントを合わせ易くなる。また、観察者は、参照画像を、参照画像にも現実外界にもピントが合った状態で観察するが容易となる。その結果、このＨＭＤの使い勝手が向上する。
【００８５】
以上、本発明の実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記［発明の開示］の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。
【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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