(57)【要約】【課題】解像度を少なくとも従来程度としながらも、片眼で１２０度、両眼で１８０度以上の水平視野角をもつヘッドマウントディスプレイ装置を実現することにある。【解決手段】画像を表示するＬＣＤ１と、そのＬＣＤ１上の表示画像を出射するためのレンズ２と、凹面鏡４と凸面鏡３とを有する反射光学系とを具え、ＬＣＤ１上の表示画像の光がレンズ２を介して凸面鏡３に出射され、その出射光の凸面鏡３での反射光が凹面鏡４に入射し、その入射光の凹面鏡４での反射光束の虚像が所定位置の観測瞳５で観測されるように、ＬＣＤ１とレンズ２と凹面鏡４と凸面鏡３とが相対配置されている、広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置である。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する表示素子と、前記表示素子上の表示画像を出射するための屈折光学系と、凹面鏡と凸面鏡とを有する反射光学系と、を具え、
前記表示素子上の表示画像の光が前記屈折光学系を介して前記凸面鏡に出射され、その出射光の前記凸面鏡での反射光が前記凹面鏡に入射し、その入射光の前記凹面鏡での反射光束の虚像が所定観測瞳位置で観測されるように、前記表示素子と前記屈折光学系と前記反射光学系とが相対配置されている、広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置。
【請求項２】
前記凸面鏡が二葉双曲面鏡であり、その二葉双曲面鏡の一方の焦点位置が前記屈折光学系のレンズ主点の位置となることを特徴とする、請求項１記載の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置。
【請求項３】
前記凸面鏡が放物面鏡であり、かつ、前記屈折光学系からの出射光が平行光であることを特徴とする、請求項１記載の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置。
【請求項４】
前記凸面鏡が球面鏡であることを特徴とする、請求項１記載の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置。
【請求項５】
前記凹面鏡が球面鏡であり、前記凸面鏡がハーフミラーであることを特徴とする、請求項１記載の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置。
【請求項６】
前記凹面鏡が楕円面鏡であることを特徴とする、請求項１記載の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置。
【請求項７】
前記表示素子と前記屈折光学系と前記反射光学系とのうちの少なくとも二つの光学的相対位置を変える位置関係変更手段を具えることを特徴とする、請求項１記載の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置。
【請求項８】
前記表示素子と前記屈折光学系との間にハーフミラーが配置されるとともに、そのハーフミラーに対応して、前記観測瞳を撮像するための撮像素子が配置されていることを特徴とする、請求項７記載の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像ディスプレイ装置に関し、特には、頭部に搭載して使用するヘッドマウントディスプレイ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非特許文献１に示されているように、さまざまなタイプのヘッドマウントディスプレイ装置（ＨＭＤ）が提案されてきた。これを大別すると、表示素子とそれを直接拡大する接眼レンズとからなる接眼光学系と、表示画像をリレー光学系で一回結像させ、この結像面を接眼光学系で拡大する接眼リレー系とのタイブがある。広画角化を目指したものとしては、ＶＰＬ社から発売されたＥｙｅｐｈｏｎｅ０２が、８．６万画素のＬＣＤ（液晶表示素子）を拡大表示し、画角８０度を実現している。しかし、８．６万画素のＬＣＤは、解像度という点で不十分である。
【０００３】
また、凹面鏡を用いた偏心光学系で画角５０度のものや、キャノン株式会社の開発した、自由曲面プリズムをミラー系に使用して接眼リレー系で画角４３．５度を実現したものが知られている。オリンパス光学工業株式会社でも偏心凹面鏡を一枚用いて画角８０度を実現している。さらに、広視野角かつ高解像度なＨＭＤとしてはＮ−Ｖｉｓｉｏｎ社のＤａｔａｖｉｓｏｒ８０があり、片眼８０度、両眼視野で１２０度を実現している。また、ＬＣＤを片眼につき２面用いることで、１００度の視野を実現した例がある。
【０００４】
非特許文献２の例でも、片眼２面のＬＣＤを用い、接眼光学系で、１４０度の視野を実現している。しかし、人間の視野角は、片眼で水平１５０度、両眼で１８０度以上とも言われている。従って、上記従来の研究では、十分な視野角が得られていない。
【０００５】
非特許文献３の例では、ハーフミラーと凹面鏡とを用いたマクスウェル光学系により片眼視野最大１１０度を実現し、上記従来手法より広角である。但し、この光学系の場合、瞳孔径が視野角に影響し、光源が明るくなればなるほど瞳孔径が縮径して視野角が狭くなるという問題がある。
【０００６】
【非特許文献１】
ＨＭＤ特集，日本バーチャルリアリティ学会誌　１９９８年１２月、第３巻第２号、ｐ．５−４１
【非特許文献２】
奈良、伊福部、井野、高橋、山本、「広視野ＨＭＤによる視運動刺激が姿勢制御に与える影響」、日本バーチャルリアリティ学会論文集、１９９６年、Ｖｏｌ．１、Ｎｏ．１、ｐ．３３−３９
【非特許文献３】
稲見、川上、柳田、前田、舘、「マクスウエル光学系による広視野立体ディスプレイ」、日本バーチャルリアリティ学会論文誌、１９９９年、Ｖｏｌ．４、Ｎｏ．１、ｐ．２８７−２９４
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、現在用いられているヘッドマウントディスプレイ装置では、視野角の狭さが問題点の一つとして指摘されている。それゆえ本発明は、解像度を少なくとも従来程度としながらも、片眼で１２０度、両眼で１８０度以上の水平視野角をもつヘッドマウントディスプレイ装置を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置は、画像を表示する表示素子と、前記表示素子上の表示画像を出射するための屈折光学系と、凹面鏡と凸面鏡とを有する反射光学系と、を具え、前記表示素子上の表示画像の光が前記屈折光学系を介して前記凸面鏡に出射され、その出射光の前記凸面鏡での反射光が前記凹面鏡に入射し、その入射光の前記凹面鏡での反射光束の虚像が所定観測瞳位置で観測されるように、前記表示素子と前記屈折光学系と前記反射光学系とが相対配置されているものである。
【０００９】
かかる本発明の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置によれば、表示素子上の表示画像の光が屈折光学系を介して凸面鏡に出射され、その出射光の凸面鏡での反射光が、広視野角に対応可能な凹面鏡に入射し、その入射光の凹面鏡での反射光束の虚像が所定観測瞳位置で観測されるので、小型の装置で広角視野を実現することができる。ここで、前記凹面鏡や凸面鏡は、例えばアクリル等の樹脂を鏡面仕上げして作成することで、軽量化することができる。
【００１０】
なお、本発明の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置においては、前記凸面鏡が二葉双曲面鏡であって、その二葉双曲面鏡の一方の焦点位置が前記屈折光学系のレンズ主点の位置となっていても良い。また、前記凸面鏡が放物面鏡であって、かつ、前記屈折光学系からの出射光が平行光であっても良く、その一方前記凸面鏡が球面鏡であっても良い。また、本発明の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置においては、前記凹面鏡が球面鏡であって、かつ、前記凸面鏡がハーフミラーであっても良く、その一方前記凹面鏡が楕円面鏡であっても良い。
【００１１】
さらに、本発明の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置においては、前記表示素子と前記屈折光学系と前記反射光学系とのうちの少なくとも二つの光学的相対位置を変える位置関係変更手段を具えていても良く、このようにすれば、表示素子と屈折光学系と反射光学系とのうちの少なくとも二つの光学的相対位置を調整し得て、呈示映像を高精細化することができる。
【００１２】
そして、本発明の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置においては、前記表示素子と前記屈折光学系との間にハーフミラーが配置されるとともに、そのハーフミラーに対応して、前記観測眼を撮像するための撮像素子が配置されていても良く、このようにすれば、その撮像素子で撮像した観察瞳の位置に基づき前記位置関係変更手段で表示素子と屈折光学系と反射光学系とのうちの少なくとも二つの光学的相対位置を変えることで、観察瞳の位置の変化による瞳孔周囲の虹彩でのけられの影響のない映像呈示を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を実施例によって、図面に基づき詳細に説明する。ここに、図１〜図１０は、この発明の広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置の実施例の片眼分の構成をそれぞれ示している。
【００１４】
〔実施例１〕
図１（ａ）および（ｂ）は、凸面の双曲面鏡と凹面の楕円面鏡とを組み合わせた実施例１の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図であり、表示素子であるＬＣＤ（液晶表示素子）１からの光束は、屈折光学系のレンズ２により凸面の双曲面鏡３に入射する。レンズ２の主点は、双曲面鏡３の焦点Ｂに位置する。ここで、凹面の楕円面鏡４の焦点の一つを双曲面鏡３の焦点Ａに一致させると、入射光と双曲面鏡３との交点と双曲面鏡３の焦点Ａとを結ぶ直線上に反射される成分は、楕円面鏡４で反射して、楕円面鏡４のもう一方の焦点Ｃに向かう。すなわち、楕円面鏡４からの反射光と反対の側でその反射光と同軸上に虚像ができる。よって、焦点Ｃを観測瞳５の位置とすることで、虚像を観測させるかたちで画像呈示を行うことができる。
【００１５】
〔実施例２〕
図２（ａ）および（ｂ）は、凸面の放物面鏡と凹面の楕円面鏡とを組み合わせた実施例２の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図であり、表示素子であるＬＣＤ１からの光束は、屈折光学系のレンズ２により凸面の放物面鏡６に入射する。ここでのレンズ２は、例えばテレセントリックレンズといった、入射光が平行光として出射される屈折光学系である。ここで、凹面の楕円面鏡４の焦点の一つを放物面鏡６の焦点Ｄに一致させると、入射光と放物面鏡６との交点と放物面鏡６の焦点Ｄとを結ぶ直線上に反射される成分は、楕円面鏡４で反射して、楕円面鏡４のもう一方の焦点Ｃに向かう。すなわち、楕円面鏡４からの反射光と反対の側でその反射光と同軸上に虚像ができる。よって、焦点Ｃを観測瞳５の位置とすることで、虚像を観測させるかたちで画像呈示を行うことができる。
【００１６】
〔実施例３〕
図３（ａ）および（ｂ）は、凸面の球面鏡と凹面の楕円面鏡とを組み合わせた実施例３の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図であり、表示素子であるＬＣＤ１からの光束は、屈折光学系のレンズ２により凸面の球面鏡７に入射する。ここで、凹面の楕円面鏡４の焦点の一つを球面鏡７の中心Ｅに一致させると、入射光と球面鏡７との交点と球面鏡７の中心Ｅとを結ぶ直線上に反射される成分は、楕円面鏡４で反射して、楕円面鏡４のもう一方の焦点Ｃに向かう。すなわち、楕円面鏡４からの反射光と反対の側でその反射光と同軸上に虚像ができる。よって、焦点Ｃを観測瞳５の位置とすることで、虚像を観測させるかたちで画像呈示を行うことができる。
【００１７】
〔実施例４〕
図４（ａ）および（ｂ）は、凸面の双曲面鏡と凹面の球面鏡とを組み合わせた実施例４の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図であり、表示素子であるＬＣＤ１からの光束は、屈折光学系のレンズ２により凸面の双曲面鏡３に入射する。レンズ２の主点は、双曲面鏡３の焦点Ｂに位置する。ここで、凹面の球面鏡８の中心を双曲面鏡３の焦点Ａに一致させると、入射光と双曲面鏡３との交点と双曲面鏡３の焦点Ａとを結ぶ直線上に反射される成分は、球面鏡８で反射して、球面鏡８の中心に向かう。すなわち、球面鏡８からの反射光と反対の側でその反射光と同軸上に虚像ができる。よって、焦点Ａを観測瞳５の位置とし、双曲面鏡３をハーフミラーとすることで、画像呈示を行うことができる。
【００１８】
〔実施例５〕
図５（ａ）および（ｂ）は、凸面の放物面鏡と凹面の球面鏡とを組み合わせた実施例５の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図であり、表示素子であるＬＣＤ１からの光束は、屈折光学系のレンズ２により凸面の放物面鏡６に入射する。ここでのレンズ２は、例えばテレセントリックレンズといった入射光が平行光として出射される屈折光学系である。ここで、凹面の球面鏡８の中心を放物面鏡６の焦点Ｄに一致させると、入射光と放物面鏡６との交点と放物面鏡６の焦点Ｄとを結ぶ直線上に反射される成分は、球面鏡８で反射して、球面鏡８の中心に向かう。すなわち、球面鏡８からの反射光と反対の側でその反射光と同軸上に虚像ができる。よって、焦点Ｃを観測瞳５の位置とし、放物面鏡６をハーフミラーとすることで、画像呈示を行うことができる。
【００１９】
〔実施例６〕
図６（ａ）および（ｂ）は、凸面の球面鏡と凹面の球面鏡とを組み合わせた実施例６の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図であり、表示素子であるＬＣＤ１からの光束は、屈折光学系のレンズ２により凸面の球面鏡７に入射する。ここで、凹面の球面鏡８の中心を凸面の球面鏡７の中心Ｆに一致させると、入射光と凸面の球面鏡７との交点と凸面の球面鏡７の中心Ｆとを結ぶ直線上に反射される成分は、凹面の球面鏡８で反射して、凹面の球面鏡８の中心Ｆに向かう。すなわち、凹面の球面鏡８からの反射光と反対の側でその反射光と同軸上に虚像ができる。よって、凹面の球面鏡８の中心Ｆを観測瞳５の位置とし、凸面の球面鏡７をハーフミラーとすることで、画像呈示を行うことができる。
【００２０】
〔実施例７〕
図７（ａ）は、表示素子と屈折光学系と反射光学系との相対的な位置関係を変更可能とした実施例７の装置を側方から見た状態で示す説明図、図７（ｂ）は、その実施例７の装置のレンズ２の動きを上方から見た状態で示す説明図であり、この実施例の装置は、先の実施例の構成（図示例では図１に示す構成）の他、屈折光学系であるレンズ２の位置を図示のｘ，ｙ，ｚ軸に沿う三次元方向に変化させる、位置関係変更手段としての、例えばピエゾアクチュエーター等のレンズ移動機構９と、表示素子であるＬＣＤ１の位置をレンズ２と同様にｘ，ｙ，ｚ軸に沿う三次元方向に変化させる、位置関係変更手段としての、例えばピエゾアクチュエーター等のＬＣＤ移動機構１０と、を具えている。
【００２１】
この実施例７の装置において、ＬＣＤ移動機構１０により、ＬＣＤ１の位置を画素の１ピッチ以下（例えば１／２ピッチ）の距離だけｘ，ｙ軸方向に変化させることで、光学系の移動に伴う観測瞳５の位置の移動を生ぜずに、画素ずらしにより、画素数を増加させたと同様の効果が得られるので、解像度を向上させることができ、またＬＣＤ１の位置をｚ軸方向へ変化させることで、合焦位置を変化させ得て、観測者の注視位置に合焦位置を合わせることで鮮明な映像を提供することができる。またレンズ移動機構９により、レンズ２の位置をｘ，ｙ，ｚ軸方向に変化させることでも、投影位置がずれるので、同様に画素ずらしにより解像度を向上させることができる。そしてレンズ２の移動によれば、上下左右何れにずらしても反射光学系を含む光学系の構成が変化して、ＬＣＤ１からの出射光が凹面鏡に反射しても凹面鏡の焦点を通らなくなるので、観測瞳５の位置が凹面鏡の焦点位置からすこしずれた位置となり、これにより、虹彩でのけられを解消することができる。またけられの解消を行うと同時にレンズ２の移動量を適度に制御することで、上記のようにして高解像度化も同時に可能となる。なお、レンズ位置の違いに伴い、ＬＣＤ１から出射される映像も光学系に合わせて歪ませることが好ましい。
【００２２】
〔実施例８〕
図８は、表示素子と屈折光学系との位置関係を光学的に変更可能とした実施例８の装置の要部を側方から見た状態で示す説明図であり、この実施例の装置は、上記実施例７の構成において、機械的な移動機構９，１０に代えて、または加えて、図示のように、導電性光学透明材からなる透明板１１をＬＣＤ１とレンズ２との間に配設されている。この透明板１１は、屈折率または指向性が通電により変化するので、その透明板１１の枚数や板厚に応じてＬＣＤ１とレンズ２との相対的位置関係を光学的に変更することができ、これにより、レンズ２と反射鏡との間の位置関係を変化させずに解像度を向上させることができる。
【００２３】
〔実施例９〕
図９（ａ）は、ハーフミラーにより瞳部分を撮影可能とした実施例９の装置を側方から見た状態で示す説明図、図９（ｂ）は、その実施例９の装置のレンズ２の動きを上方から見た状態で示す説明図であり、この実施例の装置は、先の実施例の構成（図示例では図７に示す構成）の他、ＬＣＤ１とレンズ２との間に設置されたハーフミラー１２と、そのハーフミラー１２の側方に位置するレンズ１３および撮像素子１４とを具えており、観測瞳５の像をレンズ１３が拡大して撮像素子１４が撮影することで、瞳中心の観測を可能にしている。これにより、瞳位置が撮像素子１４の中央にくるように凸面鏡３に対するレンズ２の位置をレンズ移動機構９で制御することで、けられのない映像呈示を行うことができる。
【００２４】
〔実施例１０〕
図１０は、これもハーフミラーにより瞳部分を撮影可能とした実施例１０の装置を側方から見た状態で示す説明図であり、この実施例の装置は、図９に示す実施例９の構成において、レンズ移動機構９に代えて、凸面鏡３とレンズ２との間に配設された導電性光学透明材からなる透明板１１を具えている。この導電性の透明枚１１も、屈折率または指向性が通電により変化し、反射鏡とレンズ２およびＬＣＤ１との間の相対的位置関係を枚数や板厚に応じて光学的に変化させることができる。これにより、瞳位置が撮像素子１４の中央にくるように、この導電性透明枚１１の厚みを選択することで、けられのない映像呈示を行うことができる。
【００２５】
なお、上記各実施例における凹面の反射鏡（楕円面鏡４および球面鏡８）は何れも、各眼１２０度、両眼で１８０度以上の水平視野角と、各眼６０度の垂直視野角とをもたらす大きさのものとし、上記各実施例における凸面の反射鏡（双曲面鏡３、放物面鏡６および球面鏡７）は何れも、上記凹面の反射鏡の実質的に全体に反射光を入射し得る大きさのものとする。
【００２６】
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は、上述の例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載の範囲内で適宜変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、実施例１の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、実施例２の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、実施例３の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、実施例４の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、実施例５の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、実施例６の装置を側方および上方から見た状態でそれぞれ示す説明図である。
【図７】（ａ）は、実施例７の装置を側方から見た状態で示す説明図、（ｂ）は、その実施例７の装置のレンズ２の動きを上方から見た状態で示す説明図である。
【図８】実施例８の装置の要部を側方から見た状態で示す説明図である。
【図９】（ａ）は、実施例９の装置を側方から見た状態で示す説明図、（ｂ）は、その実施例９の装置のレンズ２の動きを上方から見た状態で示す説明図である。
【図１０】実施例１０の装置を側方から見た状態で示す説明図である。
【符号の説明】
１　ＬＣＤ
２，１３　レンズ
３　凸面の双曲面鏡
４　凹面の楕円面鏡
５　観測瞳
６　凸面の放物面鏡
７　凸面の球面鏡
８　凹面の球面鏡
９　レンズ移動機構
１０　ＬＣＤ移動機構
１１　透明板
１２　ハーフミラー
１４　撮像素子
Ａ〜Ｄ　焦点
Ｅ，Ｆ　中心
【図１】
2004094005.tif 000003
【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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【図１０】
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