(57)【要約】【課題】  対象物面Ｏに配置された対象物の観察者Ｍによって知覚可能な画像を、この対象物に重ね合わせて生成する。【解決手段】  装置は、画像面Ｂに画像を生成する画像生成装置１と、拡張装置７とを有し、その画像生成装置１および拡張装置７は、観察者Ｍの頭に取り付け可能な支持装置１２に装着される。画像生成装置１は、液晶レンズ４の屈折率を調節する制御装置６と、調節可能な屈折率を有する液晶レンズ４を有するとともに、画像面Ｂから支持装置１２への距離を変更可能な焦点調節装置３を有する。支持装置１２が観察者Ｍの頭部に取り付けられたとき、拡張装置７は、観察者Ｍのために生成された画像を対象物に重ね合せ、制御装置６は、対象物面Ｏが画像面Ｂと一致するように液晶レンズ４の屈折率を調節する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物面Ｏにある対象物の観察者Ｍによって知覚可能な画像を、前記対象物に重ね合わせて生成するための表示装置において、該装置は、画像面Ｂに画像を生成する画像生成装置１と、拡張装置７とを備え、前記画像生成装置１および前記拡張装置７は、前記観察者Ｍの頭に取り付け可能な支持装置１２に装着され、前記画像生成装置１は、前記レンズ４の屈折率を調節する制御装置６と、調節可能な屈折率を有するレンズ４を有するとともに前記画像面Ｂから前記支持装置１２までの距離を変更可能な焦点調節装置３とを備え、前記支持装置１２が前記観察者Ｍの頭に取り付けられたときに、前記拡張装置７は、前記観察者Ｍのために生成された画像を対象物に重ね合せ、前記制御装置６は、前記対象物面Ｏが前記画像面Ｂと一致するように前記レンズ４の屈折率を調節する、表示装置。
【請求項２】
前記支持装置１２に取り付けられた測定モジュール１０，１１を備え、前記測定モジュール１０，１１は、前記対象物面Ｏから前記支持装置１２まで距離を、前記測定モジュール１０，１１によって検出された距離の関数として調節された前記レンズ４の屈折率によって検出する、請求項１記載の表示装置。
【請求項３】
前記焦点調節装置３は、前記画像面Ｂが前記対象物面Ｏと一致し続けるような方法で、前期対象物面Ｏと前記支持装置１２との間の距離に応じて前記レンズ４の屈折率を変える自動焦点調節装置を備えている、請求項１または２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記レンズ４は、液晶などの電気光学的な材料によって少なくとも部分的に形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項５】
前記レンズ４の屈折率を調節する前記制御装置６は、前記レンズ４に所定の電圧を印加する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項６】
前記拡張装置７は、ミラー、スプリッターミラー９またはスプリッター格子を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項７】
前記測定モジュールは、前記支持装置１２を頭に取り付けたときに、前記支持装置１２と前記対象物面Ｏとの間の距離を、前記観察者Ｂの眼によって検出する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項８】
前記測定モジュールは、前記支持装置１２を頭に取り付けたときに、前記対象物面Ｏと前記支持装置１２との間の距離を対象物そのものによって検出する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の表示装置。
【請求項９】
前記画像生成装置１は、前記支持装置１２が頭部に取り付けられたときに、画像モジュール２から前記焦点調節装置３を通って前記観察者Ｍの目にいたる射出ビーム通路と、画像生成の前記画像モジュール２とを備え、前記測定モジュール１０，１１は、前記画像モジュール２と前記レンズ４との間の射出ビームの通路に、対象物から来て前記レンズ４を検出器１１での対象物の画像の鮮明さの関数として、前記制御装置６に信号を出力する前記検出器１１へと通過光を導く分光装置１０と、前記検出器１１とを備え、前記画像生成装置１および前記測定モジュール１０，１１は、前記レンズ４の屈折率を調節して対象物を前記検出器１１上に鮮明に結像させたときに、前記画像面Ｂが前記対象物面Ｏと一致するように設計されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物面にあり、観察者によって知覚可能な対象物の画像を、対象物に重ね合わせて生成するための表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような装置には、例えばヘッドマウントディスプレイ装置（ＨＭＤ）があり、生成された画像の対象物への重ね合わせはしばしば拡張表現と呼ばれている。
生成画像から観察者までの距離を変更可能とさせる焦点調節装置を備えていないＨＭＤ装置がある。このような装置は、適応能力が低下した、特に高齢の観察者には使用できない。
【０００３】
また、生成画像から観察者までの距離を調節できるような焦点調節装置を備えたＨＭＤ装置が公知である。しかしこれには、レンズおよび画像要素の少なくとも一方を手動で移動させるために、少なくとも１つの、十分大きな回転ハンドルをＨＭＤ装置に備える必要がある。ＨＭＤ装置が自動的に焦点合わせをできるとすれば、それにはモータ駆動を必要とする厳しい付加的要件が伴う（特許文献１）。このことはＨＭＤ装置の重量を重くするとともに、取り扱いを煩雑にする。
【特許文献１】特開平７−３３３５５２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
こうした観点から、本発明の目的は、対象物面にあり、観察者によって知覚可能な対象物の画像を、この対象物に重ね合わせて生成する、軽量化および小型化可能の表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、対象物面Ｏにある対象物の観察者Ｍによって知覚可能な画像を、前記対象物に重ね合わせて生成するための表示装置において、該装置は、画像面Ｂに画像を生成する画像生成装置１と、拡張装置７とを備え、前記画像生成装置１および前記拡張装置７は、前記観察者Ｍの頭に取り付け可能な支持装置１２に装着され、前記画像生成装置１は、前記レンズ４の屈折率を調節する制御装置６と、調節可能な屈折率を有するレンズ４を有するとともに前記画像面Ｂから前記支持装置１２までの距離を変更可能な焦点調節装置３とを備え、前記支持装置１２が前記観察者Ｍの頭に取り付けられたときに、前記拡張装置７は、前記観察者Ｍのために生成された画像を対象物に重ね合せ、前記制御装置６は、前記対象物面Ｏが前記画像面Ｂと一致するように前記レンズ４の屈折率を調節することを要旨とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、前記支持装置１２に取り付けられた測定モジュール１０，１１を備え、前記測定モジュール１０，１１は、前記対象物面Ｏから前記支持装置１２まで距離を、前記測定モジュール１０，１１によって検出された距離の関数として調節された前記レンズ４の屈折率によって検出する、請求項１記載のことを要旨とする。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の表示装置において、前記焦点調節装置３は、前記画像面Ｂが前記対象物面Ｏと一致し続けるような方法で、前期対象物面Ｏと前記支持装置１２との間の距離に応じて前記レンズ４の屈折率を変える自動焦点調節装置を備えている、ことを要旨とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の表示装置において、前記レンズ４は、液晶などの電気光学的な材料によって少なくとも部分的に形成される、ことを要旨とする。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の表示装置において、前記レンズ４の屈折率を調節する前記制御装置６は、前記レンズ４に所定の電圧を印加する、ことを要旨とする。
【００１０】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の表示装置において、前記拡張装置７は、ミラー、スプリッターミラー９またはスプリッター格子を有する、ことを要旨とする。
【００１１】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の表示装置において、前記測定モジュールは、前記支持装置１２を頭に取り付けたときに、前記支持装置１２と前記対象物面Ｏとの間の距離を、前記観察者Ｂの眼によって検出する、ことを要旨とする。
【００１２】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の表示装置において、前記測定モジュールは、前記支持装置１２を頭に取り付けたときに、前記対象物面Ｏと前記支持装置１２との間の距離を対象物そのものによって検出する、ことを要旨とする。
【００１３】
請求項９に記載の発明は、請求項のいずれか１項に記載の表示装置において、前記画像生成装置１は、前記支持装置１２が頭部に取り付けられたときに、画像モジュール２から前記焦点調節装置３を通って前記観察者Ｍの目にいたる射出ビーム通路と、画像生成の前記画像モジュール２とを備え、前記測定モジュール１０，１１は、前記画像モジュール２と前記レンズ４との間の射出ビームの通路に、対象物から来て前記レンズ４を検出器１１での対象物の画像の鮮明さの関数として、前記制御装置６に信号を出力する前記検出器１１へと通過光を導く分光装置１０と、前記検出器１１とを備え、前記画像生成装置１および前記測定モジュール１０，１１は、前記レンズ４の屈折率を調節して対象物を前記検出器１１上に鮮明に結像させたときに、前記画像面Ｂが前記対象物面Ｏと一致するように設計されている、前記ことを要旨とする。
【００１４】
この目的は、対象物面にあり、観察者によって知覚可能な対象物の画像を、対象物に重ね合わせて生成する表示装置によって達成される。この装置は、画像面に画像を生成する画像生成装置と、拡張装置とを備え、その画像生成装置および拡張装置は観察者の頭に取り付け可能な支持装置に装着され、その画像生成装置は、レンズの屈折率を調節する制御装置と、調節可能な屈折率を有したレンズを有するとともに、画像面から支持装置への距離を変更可能な焦点調節装置とを備え、支持装置が観察者の頭に取り付けられたときに、拡張装置は観察者のために生成された画像を対象物に重ね合せ、制御装置は対象物面が画像面と一致するようにレンズの屈折率を調節する。
【００１５】
本発明による表示装置は、可変、即ち調節可能の屈折率を有するレンズを備えているので、画像面の位置は、レンズまたは他の要素の機械的動作を必要とせずに、変更、および調節することができる。その結果、レンズを機械的に移動させる回転ハンドルまたはモータ駆動を備える必要がなくなり、表示装置は全体的な構造として小型かつ軽量になる。調節された屈折率はレンズ全体に対して同一であってもよいし、または異なっていてもよい（この場合には、所望の屈折率の配分が存在する）。
【００１６】
ここで理解されているレンズは、それによって光学的な結像を行うことができる（即ち、光線が異なった点、画像点を通過するように、対象物点から来る光線の経路がレンズによって変化させられる）光学的素子である。特に、レンズはフレネルレンズまたは回折光
学素子であってもよい。そのようなレンズの例は、オランダ国、オコテック  デルフト（Ｏｋｏｔｅｃｈ  Ｄｅｌｆｔ）、による「モーダル液晶レンズ、およびダーラム大学による「モーダルアドレス液晶（Ｍｏｄａｌｌｙ  Ａｄｄｒｅｓｓｅｄ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ）」の記事に見出すことが出来る。ここでわかるように、対象物面と画像面の一致は、両面間の最大距離が、観察者が対象物と画像を同時に鮮明に知覚できるようになっていることを意味している。好適には、両方の面が実際に一致している。
【００１７】
特に、表示装置は、支持装置に装着された測定モジュールを備えていてもよく、前記測定モジュールは、距離の関数として調節されたレンズの屈折率によって、対象物面から支持装置までの距離を検出する。測定モジュールによる距離の検出は、直接的または間接的に実行されてもよい。これは、距離が直接算出されるか、または距離を導き出すことができるであろう量が算出されることを意味している。間接的な距離の算出は、それ自身で算出される具体的な距離の値を必要とするものではなく、対象物面が画像面と一致するように、検出された量によってレンズの屈折率の調節が可能であれば十分である。
【００１８】
本実施態様は、対象物面に生成された画像の簡単で自動的な「焦点調節」を可能にする。特に、焦点調節装置は、画像面が対象物面とより一致するような方法で対象物面と支持装置間の距離の変化に応じて屈折率を変える自動焦点調節装置として提供できる。これは、観察者が生成された画像を対象物面に常時、確実に見出すことができるようにし（例えば、それが動いていても）、装置の使い勝手が非常に満足のいくものとなる。
【００１９】
本発明による表示装置の好適な実施態様において、レンズは、電気光学的な材料（好適には液晶）で少なくとも部分的に形成される。このようなレンズは経済的に製造でき、その結果廉価な表示装置を提供することができる。
【００２０】
本発明による表示装置において、レンズの屈折率を調節する制御装置は、レンズに所定の電圧を印加してもよい。これは、容易にかつ正確に実現可能である。
これは、液晶を使用する際に特に有利であり、例えば、ネマチック液晶（ツイストおよび非ツイスト形態の）、および強誘電性液晶も活用することができる。これらの液晶は、低電圧（例えば２〜１０ボルト）で、および非常に低いエネルギー消費で既に実現されている０．２までの屈折率の変化を可能にしている。これらの低電圧（および、低いエネルギー消費も）は、簡単な方法で、かつ軽量に（例えば、１つ以上の電池の使用、または少なくとも１つの太陽電池によって）実現可能であり、その結果表示装置の重さを軽量に維持できる。
【００２１】
ネマチック液晶レンズは、特に２０〜５０℃の温度範囲において良好な特性を示す利点を持っている。強誘電性液晶は、非常に高速なスイッチング時間、したがって屈折率の変化が非常に高速であるという特別な利点を持っている。
【００２２】
さらに、表示装置の拡張装置は、ミラー、スプリッターミラー、またはスプリッター格子を有していてもよい。拡張装置がミラーを備えている場合、重ね合せは、観察者が生成された画像と対象物を互いに隣接して、または直接隣どうしに配置されていると知覚するように行なわれる。スプリッターミラーによる重ね合せにおいては、生成された画像と対象物は、観察者に対して互いに重なって配置されるかもしれない。当然、観察者が一部分は重ね合せと、一部分は表示を知覚できるように、拡張装置がミラーとスプリッターミラーの組み合わせを備えることも可能であり、そこでは対象物と画像は互いに隣に位置している。
【００２３】
本発明による表示装置のさらなる利点は、限りなく可変可能な調節ができ、画像面を移動させる駆動部品も必要としないことである。
本発明による表示装置において、測定モジュールは、好適には支持装置が頭に取り付けられたときに、観察者の眼によって支持装置と対象物面間の距離を検出する。これは、例えば観察者の眼底の測定で実現することができる。この種の距離検出においては、必要な距離は、観察者が現在知覚している対象物または対象物の一部を検出しないで素早くかつ正確に算出することができる。さらにこの変形例として、観察者は焦点が可変の眼鏡をかけていてもよい。
【００２４】
他の選択肢として、本発明による表示装置において、測定モジュールは、支持装置が頭に取り付けられたとき、対象物そのものに基づいて対象物面と支持装置間の距離を検出することが可能である。このことは、瞬時の眼、およびまぶたの少なくとも一方の動きに関係なく、観察者と対象物間の正確な距離を常に算出できるという利点を有している。さらに、この距離を検出するとき、対象は撮影されてもよいし、生成される画像に関連付けて計測されてもよい。したがって、例えば装置の保守中に、観察者が現在視認している装置（または対象物の）の区域に基づいて、対応付けられた方法で生成された画像によって観察者に適切な情報を与えることが可能である。前記情報はチェックすべき値に関する取り付け指示または注意であってもよい。
【００２５】
本発明による表示装置の好適な実施態様において、画像生成装置は、支持装置が頭に取り付けられたとき、画像モジュールから焦点調節装置を通って観察者の眼に至る射出ビーム通路と、画像化する画像モジュールとを備える。測定モジュールは、画像モジュールとレンズとの間の射出ビーム通路において、対象物から来てレンズを通過した光を、検出器での対象物の画像の鮮明さの関数として制御装置に信号を出力する検出器に導く分光装置と、検出器とを備える。画像生成装置および測定モジュールは、レンズの屈折率を調節して検出器の対象物に焦点を合わせると、画像面が対象物面と同時に一致するように設計されている。これによって小型で軽量な装置を提供でき、対象物面（対象物面と一致した画像面）での画像の焦点調節は簡単な方法で行うことができる。
【００２６】
画像モジュールとして、背景照明されたＬＣＤまたはＬＥＤなどの照明ディスプレイを用いてもよい。当然、非照明型ディスプレイも用いることができる。この場合、画像モジュールは、照明されて選択的に光を（個々の傾斜鏡の位置の関数として）反射する、いわゆる（空間的）光弁（例えば、行および列に配置され個別に制御可能な複数の傾斜鏡を備える傾斜鏡マトリクス）でもよく、その組み合わせが次に生成された画像を創りだす。画像モジュールは単色、または多色画像も生成できる。
【００２７】
本発明による表示装置の好適な実施態様において、焦点調節装置は、調節可能な屈折率を有する２つまたは３つ以上のレンズを備え、その屈折率は制御装置によって設定、または調節することができる。
【００２８】
本発明による表示装置は、観察者の眼の片方または両方に適応する構造として提供されてもよい。観測者が両眼で見られるような構造の場合、画像は両方の眼に対して同じでもよいし、違っていてもよい。特に、画像の空間的表示が可能である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明により、小型かつ軽量なヘッドマウントディスプレイが製造される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図２に示されるように、説明する実施形態における表示装置は、画像モジュール２（この場合、照明型ディスプレイ）と、焦点調節装置３とを有する画像生成装置１とを備えている。
【００３１】
焦点調節装置３は、さらなるレンズ５と共に液晶レンズ４を備え、表示装置の制御装置６によって前記液晶レンズ４に電圧を印加することができる。印加される電圧の強さによって、所定の屈折率、または屈折率の配分が液晶レンズ４について調節される。
【００３２】
表示装置は、第１の立方体光線分割器８、および第２の立方体光線分割器９を有する拡張装置７をさらに備える。立方体光線分割器８，９は、画像モジュール２から来る光が、第１の立方体光線分割器８で９０度偏向されて、次に９０度の偏向を行う第２の立方体光線分割器９に当たるように配置されている。第２の立方体光線分割器９によって偏向された光は、その後観察者Ｍの眼Ａに当たる。観察者Ｍは、第２の立方体光線分割器９を通して自分の周囲を知覚することができる。ここに説明した例では、観察者Ｍは対象物面Ｏに位置する対象（図示せず）を見ている。立方体光線分割器８、９の代わりに、当業者に公知の他のビーム分割器も同様に使用可能である。
【００３３】
さらに、表示装置はさらに測定モジュールを備え、この測定モジュールは、画像モジュール２および焦点調節装置３の間に配置されるビーム分割器１０と、自動焦点センサ１１とを有する。ビーム分割器１０は、第１の立方体光線分割器８を通過して焦点調節装置３を通過した対象物からの光が、ビーム分割器１０によって自動焦点センサ１１上に偏向されるように配置されている。自動焦点センサ１１は、この上の対象物の像の鮮明さに応じて、制御装置６に印加される信号を出力する。
【００３４】
拡張装置７のみならず画像生成装置１、および焦点調節装置３はすべて、それらが搭載された状態において、観察者Ｍが第２の立方体光線分割器９を通して自分の周囲を知覚可能に眼鏡をかける方式で頭に取り付け可能な支持装置１２（図１にのみ示す）に装着されている。
【００３５】
制御装置６は支持装置１２に装着されていてもよい。しかし、制御装置は支持装置から分離されていてもよい。画像モジュール２を制御するために使用される画像制御装置１３についても同様である。したがって、説明した例においては、画像制御装置１３だけでなく制御装置６も支持装置１２に装着されていないので、それらを図１には示していない。画像制御装置１３と画像モジュール２の間の接続は、制御装置６と、自動焦点センサ１１だけでなく屈折率可変レンズとの間の接続と同様に、無線方式（例えば無線リンクによって）、および有線手段によって実現することができる。
【００３６】
表示装置の光学的構造は、観察者Ｍが対象物面Ｏの対象物を鮮明に知覚していることを自動焦点センサ１１が検出した場合に、生成された画像が観察者Ｍによって知覚可能な画像面Ｂが対象物面Ｏに一致するように選択されている。対象物面Ｏ上への焦点合わせは、自動焦点センサ１１によって出力された信号の関数または信号の値によって調節される液晶レンズ４の屈折率を適切に調節して行われる。このように、対象物から支持装置１２までの距離を検出する閉ループがある。前記の距離検出は、それによって画像面Ｂも同じく対象物面Ｏに既に配置されているように行われる。液晶レンズ４の屈折率の選択的な調節による、対象物から支持装置１２（または観察者Ｍまで）までの距離の算出は、このように画像面Ｂを対象物面Ｏに一致させるのにも既に用いられている。
【００３７】
特に、制御装置６および測定モジュールは、対象物面Ｏと観察者Ｍ間の距離を絶えず算出し、それに応じて液晶レンズ４の屈折率を再調節または調節するように設計されている。したがって、観察者Ｍが対象物面Ｏに生成された画像を常に鮮明に知覚できる自動焦点調節が行われる。この自動焦点機能は、好都合にも機械的な可動部分を必要としない。
【００３８】
表示装置のさらなる実施形態（図示せず）において、焦点調節装置は、制御装置によって屈折率を調節できる２つまたはそれ以上の液晶レンズを備えている。
第２の立方体光線分割器９の代わりに偏向ミラー（図示せず）も使用することができる。その場合、偏向ミラーは、視野の一部のみが偏向ミラーによって覆われるような大きさにされる。この場合、知覚可能な対象物への生成された画像の重ね合わせは、横に並んだ重ね合わせになる。
【００３９】
図１，２を組み合わせて説明した表示装置は、観察者Ｍの１つの眼Ａに対してのみ使用されるものである。当然、それは両眼に対しても使用することができる。これは、例えば拡張装置７をそれに応じて拡張して実現することができる。当然、画像分離装置、測定モジュールを備える別の焦点調節装置、および別の拡張装置もまた、第２の眼のために用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】観察者の頭部に取り付けられた本発明の表示装置の概略を示す側面図。
【図２】図１の表示装置の拡大図を概略的に示す側面図。
【符号の説明】
【００４１】
Ｏ…対象物面、Ｍ…観察者、Ｂ…画像面、１…画像生成装置、７…拡張装置、１２…支持装置、４…レンズ、６…制御装置、３…焦点調節装置、Ａ…眼。
【図１】
2004252429.tif 000003
【図２】
2004252429.tif 000004