(57)【要約】【課題】  画像を光学系により変倍して観察者に提示する場合に、変倍後の画像に対する違和感（歪み感）を軽減させるための技術を提供すること。【解決手段】  枠領域２０３ｂを遮蔽するために、枠状の遮蔽部材５０１を、ＬＣＤ２０３から距離Ｌだけ離間してＬＣＤ２０３に重ねる。光学系の焦点距離をｆ、人の瞳径として統計的に予め測定された値をＤ、枠領域の幅をＢ、遮蔽部材の一辺によって遮蔽する対象の枠領域の一辺において、遮蔽できていないであろう幅として予め統計的に測定された値をＡとすると、距離Ｌは次の式を満たす。距離Ｌ＜２×（Ｂ−Ａ）×ｆ／Ｄ。【選択図】  図５
2008203550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頭部装着型表示装置であって、
映像を表示する為の表示領域と、当該表示領域の枠領域とで構成される表示画面を有する表示装置と、
前記表示画面に表示される映像を拡大し、拡大された映像を、前記頭部装着型表示装置を頭部に装着している観察者の目に導くための光学系と、
前記枠領域を遮蔽するために、前記表示画面から距離Ｌだけ離間して前記表示画面に重ねる枠状の遮蔽部材とを有し、
前記光学系の焦点距離をｆ、人の瞳径として統計的に予め測定された値をＤ、前記枠領域の幅をＢ、前記遮蔽部材の一辺によって遮蔽する対象の前記枠領域の一辺において、遮蔽できていないであろう幅として予め統計的に測定された値をＡとすると、前記距離Ｌは以下の式
距離Ｌ＜２×（Ｂ−Ａ）×ｆ／Ｄ
を満たすことを特徴とする頭部装着型表示装置。
【請求項２】
前記枠領域は、常時黒表示が行われている領域であることを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【請求項３】
前記遮蔽部材は、前記光学系の持つ歪曲収差を逆補正する形状に歪ませていることを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察者の眼前に映像を表示する頭部装着型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、液晶等の映像表示素子に表示された映像を拡大し、観察者の眼前に表示することで、大画面映像を観察可能とした、頭部装着型映像表示装置が開発されている。
【０００３】
特許文献１に開示されている映像表示装置では、図６に示すように、装置本体１の外装フレーム２の内側には、観察者の左右それぞれの眼に対応した映像を表示する二次元映像表示素子であるＬＣＤ３が左右一対配置されている。そして、それぞれのＬＣＤ３の背後には、ＬＣＤ３を照明する一対のバックライト４が配置され、ＬＣＤ３の下方にはＬＣＤ３からの映像を両眼Ｅにそれぞれ拡大して導く一対のプリズム５が配置されている。そして、ＬＣＤ３に表示された映像は、観察者Ｍの両眼Ｅの前にそれぞれの観察光軸Ｌを介して導かれ、両プリズム５を通る間に拡大されて両眼Ｅの前に浮かぶようにそれぞれ投影される。
【０００４】
このとき、観察者に広画角の映像を提供しようとすると、プリズムによる拡大倍率を大きくする必要がある。プリズムによる拡大倍率を大きくすると、光学性能を維持するのが難しくなり、倍率色収差、像面湾曲等の光学収差が顕著に発生する。これらの収差を良好に補正しようとすると、光学系が複雑化、肥大化し、観察者に良好な装着状態を提供することが難しくなる。
【０００５】
そのため、特許文献２に開示されているように、表示すべき映像信号に所定のひずみ処理を施すことで表示前の映像データを歪ませておき、光学系を通過した時点でゆがみがキャンセルされるようになっているものがある。
【０００６】
また、特許文献３に開示されている例では、表示される映像についてはひずみ処理を行わないが、周辺部にひずみ形状をキャンセルする黒枠部を表示する構成が開示されている。
【０００７】
このような構成にすると、表示映像のゆがみが解消されるわけではないが、周辺枠部の４辺については直線で、４隅については直角で表示され、観察者が感じる映像の歪み感を軽減させることが可能となる。
【０００８】
また、自動車のフロントウィンドウに映像を投射する車載型の映像表示装置において、特許文献４では、フロントウィンドウによるゆがみをキャンセルする形状に、枠部材を配置した構成が開示されている。係る構成も同様に、表示される映像は、歪んだ状態のままであるが枠部の４辺、４隅がそれぞれ直線、直角として見えるので、観察者が感じる映像の歪み感を軽減することが可能となる。
【特許文献１】特開平11-174988号公報
【特許文献２】特開平5-127660号公報
【特許文献３】特開平8-149393号公報
【特許文献４】特開2004-268638号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２に開示されている技術では、映像を表示する為の領域の外側は、光学系による歪んだ映像が観察されてしまう。そのため、映像を表示する為の領域のエッジが歪んだ形状になってしまい、映像の品位を低下させる問題点を有している。
【００１０】
また、特許文献３に開示されている技術では、周辺部に補正用の枠形状を表示させるため、実際の映像に使用する表示素子数が少なくなってしまい、映像の解像度を低下させてしまう問題点を有する。
【００１１】
また、特許文献４に開示されている技術では、枠部材の形状を、搭載する車のフロントウィンドウの形状に応じた形状にする必要があり、複数種の形状を用意しなければならないため、コスト的に問題点を有している。
【００１２】
本発明は以上の問題に鑑みてなされたものであり、画像を光学系により変倍して観察者に提示する場合に、変倍後の画像に対する違和感（歪み感）を軽減させるための技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の目的を達成するために、例えば、本発明の頭部装着型表示装置は以下の構成を備える。
【００１４】
即ち、頭部装着型表示装置であって、
映像を表示する為の表示領域と、当該表示領域の枠領域とで構成される表示画面を有する表示装置と、
前記表示画面に表示される映像を拡大し、拡大された映像を、前記頭部装着型表示装置を頭部に装着している観察者の目に導くための光学系と、
前記枠領域を遮蔽するために、前記表示画面から距離Ｌだけ離間して前記表示画面に重ねる枠状の遮蔽部材とを有し、
前記光学系の焦点距離をｆ、人の瞳径として統計的に予め測定された値をＤ、前記枠領域の幅をＢ、前記遮蔽部材の一辺によって遮蔽する対象の前記枠領域の一辺において、遮蔽できていないであろう幅として予め統計的に測定された値をＡとすると、前記距離Ｌは以下の式
距離Ｌ＜２×（Ｂ−Ａ）×ｆ／Ｄ
を満たすことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構成によれば、画像を光学系により変倍して観察者に提示する場合に、変倍後の画像に対する違和感（歪み感）を軽減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照し、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、係る実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の好適な構成の例として説明するものであり、係る発明は、以下説明する実施形態に限定されるものではない。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る頭部装着型表示装置を適用したシステムの構成例を示すブロック図である。本実施形態に係るシステムは、カメラ１０１、コンピュータ１００、頭部装着型表示装置（ＨＭＤ）１１０，位置姿勢検出部１０７、により構成されている。
【００１８】
カメラ１０１は、現実空間の動画像を撮像するものであり、ＣＣＤ等の撮像素子や撮像レンズを有する、所謂、動画像撮像可能なカメラである。カメラ１０１が撮像した各フレームの画像（現実空間画像）は順次、コンピュータ１００に入力される。なお、同図では、カメラ１０１はＨＭＤ１１０と分離させて示しているが、実際には、カメラ１０１の撮像光軸が、観察者１９０の視線光軸と平行になるようにＨＭＤ１１０に取り付けられている。
【００１９】
ＨＭＤ１１０には、自身の位置姿勢を計測するためのセンサ１０９が取り付けられている。センサ１０９は、観察者１９０の目の位置姿勢を計測するために、観察者１９０の目の位置近くに取り付けることが好ましいが、センサ１０９の取り付け位置と、観察者１９０の目の位置姿勢関係が既知であれば、何れの位置に取り付けても良い。
【００２０】
１０８は、ＨＭＤ１１０が有する表示装置である。
【００２１】
位置姿勢検出部１０７は、センサ１０９が計測した結果をデータとしてコンピュータ１００に送出するものである。例えばセンサ１０９が磁気センサである場合、センサ１０９は、磁気の発信源（不図示）の位置を原点とし、原点で互いに直交する３軸をそれぞれｘ、ｙ、ｚ軸とする座標系（センサ座標系）における自身の位置姿勢を示す信号を位置姿勢検出部１０７に送出する。位置姿勢検出部１０７は、この信号に基づいて、センサ座標系におけるセンサ１０９の位置姿勢を示すデータを求め、これをコンピュータ１００に送出する。なお、センサにより計測した結果をデータとしてコンピュータ１００に送出するための構成については周知であるので、これ以上の説明は省略する。
【００２２】
次に、コンピュータ１００について説明する。
【００２３】
ＣＧ画像生成部１０６は、センサ１０９が観察者１９０の目の位置近くに取り付けられている場合には、位置姿勢検出部１０７から受けた位置姿勢を有する視点から見える仮想空間の画像（ＣＧ画像）を生成する。
【００２４】
一方、センサ１０９が観察者１９０の目の位置近くに取り付けられていない場合には、センサ１０９の取り付け位置と、観察者１９０の目の位置姿勢関係が既知である必要がある。この場合、ＣＧ画像生成部１０６は、位置姿勢検出部１０７から受けた位置姿勢をこの位置姿勢関係でもって変換し、観察者１９０の目の位置姿勢を求める。そして求めた位置姿勢を有する視点から見える仮想空間の画像（ＣＧ画像）を生成する。
【００２５】
なお、与えられた位置姿勢を有する視点から見える仮想空間の画像を生成するための処理、即ち、ＣＧ画像生成部１０６が行う処理は、周知のものであるので、これ以上の説明は省略する。
【００２６】
ＣＧ画像処理部１０５は、ＣＧ画像生成部１０６が生成した画像のデータを、後段の画像合成部１０３にとって適切なフォーマットに変換する。そしてＣＧ画像処理部１０５は、フォーマットを変換したＣＧ画像を後段の画像合成部１０３に送出する。
【００２７】
一方、撮像画像信号処理部１０２は、カメラ１０１から受けた現実空間画像のデータを、後段の画像合成部１０３に適切なフォーマットに変換し、フォーマット変換後の現実空間画像を、後段の画像合成部１０３に送出する。
【００２８】
画像合成部１０３は、撮像画像信号処理部１０２から受けた現実空間画像上に、ＣＧ画像処理部１０５から受けた仮想空間画像を合成した合成画像を生成する。なお、現実空間画像とＣＧ画像とを合成するための技術については様々なものがあり、何れを用いても、以下の説明は実質的には変わらない。
【００２９】
画像合成部１０３は、合成画像のデータを画像出力部１０４に送出する。画像出力部１０４は、この合成画像を表示装置１０８に適したフォーマットに変換し、画像信号としてこの表示装置１０８に対して送出する。これにより、表示装置１０８の表示画面上には、この画像信号に基づいた画像（画像合成部１０３が生成した合成画像）が表示されることになる。
【００３０】
図２は、表示装置１０８を光軸に平行な断面で切断した場合の断面図である。
【００３１】
表示装置１０８の外装フレーム２０２の内側には、観察者１９０の左右それぞれの眼に対応した映像を表示する二次元映像表示素子であるＬＣＤ（液晶画面）２０３が左右一対配置されている。そして、それぞれのＬＣＤ２０３の背後には、ＬＣＤ２０３を照明する一対のバックライト２０４が配置され、ＬＣＤ２０３の下方にはＬＣＤ２０３からの映像を両眼Ｅにそれぞれ拡大して導く一対のプリズム２０５が配置されている。そして、ＬＣＤ２０３に表示された映像は、観察者Ｍの両眼Ｅの前にそれぞれの観察光軸Ｌを介して導かれ、両プリズム２０５を通る間に拡大されて両眼Ｅの前に浮かぶようにそれぞれ投影される。
【００３２】
ここで、プリズム２０５による拡大倍率がある程度以上大きくなると、プリズム２０５のみで光学収差を補正することは難しくなる。
【００３３】
光学収差には色収差、像面湾曲、非点収差、歪曲等が存在する。これらの収差を全て除去することは設計的に非常に難しい上、レンズ構成が複雑になり、装置全体の大型化、コストアップを招いてしまう。
【００３４】
そのため、光学系の設計を全ての収差の補正に向けず、色収差、像面湾曲等の補正を重点的に行う設計手法が考えられる。例えば、歪曲収差については次のようにして対処する。即ち、ＬＣＤ２０３に表示される映像を、歪曲収差を逆補正する形状に歪ませる。これにより、観察者１９０は歪曲収差のない映像を見ることが可能となる。
【００３５】
図３は、歪曲収差を補正する仕組みを説明する図である。図３（ａ）の左側に示すようなグリッドで示される画像をそのままＬＣＤ２０３に表示すると、プリズム２０５を介して観察者１９０の目に届く画像は、図３（ａ）の右側に示すような、歪曲した画像となる。これは、プリズム２０５等の光学系の持つ歪曲歪み特性によるものである。
【００３６】
そこでこのような歪曲歪み特性を考慮し、図３（ｂ）の左側に示すような光学系の持つ歪曲収差を逆補正する形状に歪ませた画像をＬＣＤ２０３に表示すると、プリズム２０５を介して観察者１９０の目に届く画像は、図３（ｂ）の右側に示すような画像となる。即ち、図３（ａ）の左側に示すような、本来表示したい画像となる。
【００３７】
次に、観察者１９０に提示する画像の枠としての４辺が直線の状態で、且つこの４辺による方形の４隅が直角の状態で、この画像を観察者１９０に提示することで、歪み感の少ない良好な画像をこの観察者１９０に提示するための構成について説明する。
【００３８】
図４は、ＬＣＤ２０３の構成例を示す図である。同図に示す如く、ＬＣＤ２０３の表示画面は、映像を表示する為の表示領域２０３ａと、この表示領域２０３ａの枠領域２０３ｂとで構成されている。ＬＣＤ２０３を構成する各領域は何れも映像表示素子群でもって構成されており、表示領域２０３ａには、上記画像出力部１０４から出力された画像信号に従った画像が表示される。
【００３９】
一方、枠領域２０３ｂには、常時、何も表示しない。ここで、「何も表示しない」とは「上記黒表示を行っている」ことに等価であるとする。この枠領域２０３ｂは、表示領域２０３ａと同じ製造工程で形成されるが、液晶の偏光軸が常に黒表示になるように固定されており、電圧を印加しても偏光方向が変化しない。また、この枠領域２０３ｂの外側には、トランジスタ等の電子回路があり、信号伝達のケーブルがワイヤボンディングされている。ここで、この枠領域２０３ｂやその外側のエッジ形状は直線であり、歪曲収差が残った状態の光学系を通過すると歪んだ枠形状として観察される。
【００４０】
このため、特開平5-127660号公報にて開示されているように、光学系のゆがみをキャンセルする映像を映像表示領域内に表示しても、その映像表示領域の枠部分に相当する領域は歪んだ形状として観察されてしまう。
【００４１】
同様に、特開平8-149393号公報にて開示されているように、補正用の枠形状を表示させても、その外側にある電子回路等は歪んで観察されてしまう。さらには、枠形状を映像表示領域に表示するため、実際の映像に使用する表示素子数が少なくなってしまい、映像の解像度も低下してしまう。
【００４２】
そこで本実施形態では、表示領域２０３ａに表示される映像の解像度を低下させず、且つこの映像の品位を向上させるため、ＬＣＤ２０３上に重なるように遮蔽部材を表示装置１０８内に配置させる。その際、遮蔽部材とＬＣＤ２０３とはある距離だけ離間させる。この遮蔽部材は、枠状の部材であり、枠の内部を透過して表示領域２０３ａが見えるようになっている。即ち、この遮蔽部材は、枠領域２０３ｂ及びその外側を遮蔽するように取り付けられるものである。また、この遮蔽部材の形状は方形である。
【００４３】
しかし、この遮蔽部材を、光学系の持つ歪曲収差を逆補正する形状に歪ませても良い。この場合、観察者１９０が光学系を介してこの遮蔽部材を見ると、遮蔽部材の内周側のエッジの各辺は直線で構成されているように見え、内周側のエッジで構成される４隅は直角として見える。これにより、内周側のエッジで構成される領域内に透過して見える画像の枠としての４辺が直線の状態で、且つこの４辺による方形の４隅が直角の状態で、この画像を観察者１９０に提示することができる。
【００４４】
図７は、遮蔽部材５０１の外観例を示す図である。同図に示す如く、斜線で示した部分が、遮蔽部材５０１であり、斜線で示した部分でもって、枠領域２０３ｂ及びその外側を遮蔽する。遮蔽部材は、図５を参照して後述するような大きさの開口部を有し、また、遮蔽部材の幅は、ＬＣＤ２０３の外部にはみ出ない程度の幅である。
【００４５】
このようにすることで、特開2004-268638号公報に開示されている構成のように、複数種類の形状の遮蔽部材を作成する必要はなく、光学系に対応した形状の遮蔽部材のみを作成すればよく、設計負荷軽減、コストメリットを有している。
【００４６】
また、係る遮蔽部材は、枠領域２０３ｂ及びその外側を遮蔽するように取り付けられるものであるので、枠領域２０３ｂ及びその外側の部分が見えないため、歪んだ映像を見ることはなく、高品位な映像を提供することができる。
【００４７】
しかし、この遮蔽部材を配置するときに、遮蔽部材の内周側のエッジが表示領域２０３ａにかかってしまうと、表示領域２０３ａ内に表示されている映像が一部見えなくなってしまい、観察者１９０に提示する映像の品位は低下してしまう。また、遮蔽部材によって完全に表示領域２０３ａの外側を遮蔽できないと、回路部などが観察されてしまい、やはり映像の品位が低下してしまう。
【００４８】
従って、遮蔽部材を取り付ける場合、遮蔽部材の内周側のエッジが表示領域２０３ａにかからず、且つ表示領域２０３ａの外側について完全に遮蔽することができるようにする必要がある。しかし、遮蔽部材を量産することを考慮すると、遮蔽部材の内周、外周の縦横のサイズにはばらつきが生じてしまう。
【００４９】
本実施形態では、以上の点を鑑み、量産製造された遮蔽部材の内周側のエッジが表示領域２０３ａにかからず、且つ表示領域２０３ａの外側について完全に遮蔽することができるように、この遮蔽部材をＬＣＤ２０３上に取り付ける。
【００５０】
図５は、ＬＣＤ２０３、及び遮蔽部材５０１の断面図である。なお、同図の下方から上方に画像を表す光が射出されるものとする。ここで、表示領域２０３ａと枠領域２０３ｂとの境界位置における液晶表示素子の映像表示面からの射出光線の角度をω（映像表示面に対する角度）、光学系の焦点距離をｆ、人の瞳径として統計的に予め測定された値をＤとすると、以下の式が満たされる。
【００５１】
Ｄ／２＝ｆ×ｔａｎω      （式１）
本実施形態では、上記境界位置における液晶表示素子の映像表示面からの射出光線（光束）が、遮蔽部材５０１と衝突することなく、光学系に到達するように、遮蔽部材５０１とＬＣＤ２０３との距離Ｌを決定する。
【００５２】
ここで、遮蔽部材５０１の内周側のエッジと上記境界位置との差をＡとする。係る差Ａは、歩留まりとコストとの兼ね合いで最適値に設定されるものである。即ち、係る差Ａは、遮蔽部材５０１の一辺によって遮蔽する対象の枠領域２０３ｂの一辺において、遮蔽できていないであろう幅として予め統計的に測定された値として取り扱っても良い。また、枠領域２０３ｂの幅をＢとする。係る幅Ｂは、半導体露光装置で形成される範囲であり、値のばらつきはほとんどない。
【００５３】
この場合、以下の式が成り立つようなＬだけＬＣＤ２０３から離間した位置に遮蔽部材５０１を設置すれば、上記境界位置における液晶表示素子の映像表示面からの射出光線（光束）が、遮蔽部材５０１と衝突することなく、光学系に到達することができる。即ち、量産時のばらつきを見込んでも、遮蔽部材５０１の内周側のエッジが表示領域２０３ａ内に入ってくる恐れがなくなるため、量産の不良率を低減させることが可能となる。
【００５４】
Ｌ×ｔａｎω＜Ｂ−Ａ      （式２）
ここで、上記（式１）、（式２）をまとめると、以下の式が成立する。
【００５５】
Ｌ＜２×（Ｂ−Ａ）×ｆ／Ｄ      （式３）
従って、係る（式３）を満たすようなＬを１つ決め、決めたＬの分だけＬＣＤ２０３の表示面から離間した位置に遮蔽部材５０１を配する。
【００５６】
なお、本実施形態では、頭部装着型表示装置としてＨＭＤを用いたが、観察者の眼前に画像を提示するための表示装置であれば、ＨＭＤに限定するものではない。また、本実施形態では、ＬＣＤ２０３には、上記合成画像を表示する場合について説明したが、表示する情報はこれに限定するものではない。
【００５７】
以上の説明により、本実施形態によれば、表示領域２０３ａの外側を遮蔽する遮蔽部材を、表示領域２０３ａ内に表示された画像を遮ることのないように取り付けることができる。また、この取り付け位置を上記（式３）に従ったＬに基づいて決めることで、遮蔽部材の量産時のばらつきを見込んでも、遮蔽部材の内周側のエッジが表示領域２０３ａ内に入ってくる恐れがなくなるため、量産の不良率を低減させることが可能となる。
【００５８】
更に、表示領域２０３ａ内に表示される画像の４辺が直線として観察者に認識させることができると共に、この画像の４隅については直角として観察者に認識させることができ、歪み感の少ない良好な画像を観察者に提示することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施形態に係る頭部装着型表示装置を適用したシステムの構成例を示すブロック図である。
【図２】表示装置１０８を光軸に平行な断面で切断した場合の断面図である。
【図３】歪曲収差を補正する仕組みを説明する図である。
【図４】ＬＣＤ２０３の構成例を示す図である。
【図５】ＬＣＤ２０３、及び遮蔽部材５０１の断面図である。
【図６】従来の頭部装着型表示装置の構成例を示す図である。
【図７】遮蔽部材５０１の外観例を示す図である。
【図１】
2008203550.tif 000003
【図２】
2008203550.tif 000004
【図３】
2008203550.tif 000005
【図４】
2008203550.tif 000006
【図５】
2008203550.tif 000007
【図６】
2008203550.tif 000008
【図７】
2008203550.tif 000009