JP3556389B2 - Head mounted display device - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人の左右の眼に別々の画像を提示し、かつ、その画像を電気的に制御することにより、動画の自然な３次元立体表示を行うための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】
従来の電気的に書き換えが可能な動画の立体表示を行うヘッドマウントディスプレイ装置としては、図１７に示すような平面表示装置、例えば、液晶表示装置（ＬＣＤ）と凸レンズを用いるものがよく知られている。この方式の原理について以下に述べる。３次元物体α１を異なる方向から見た像（これを視差像と呼ぶ）を、例えばカメラα２Ｌ、α２Ｒによって撮像する。このカメラα２Ｌ、α２Ｒからの映像をそれぞれ左右のＬＣＤα３Ｌ、α３Ｒに入力し、表示する。
【０００３】
観察者は、左右のＬＣＤα３Ｌ、α３Ｒの別な表示画像をそれぞれ別々の凸レンズα４Ｌ、α４Ｒを通して、左右の眼α５Ｌ、α５Ｒで別々に観察する。これにより、観察者は同時に両眼に視差像α６を観察でき、両眼視差による立体視が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、前記従来の技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。
【０００５】
前記従来の方式では、奥行き方向の一定の範囲における両眼視差を提示することはできるが、両眼視差、輻輳と、眼のピントとの間に矛盾が生ずるため、自然な立体視が困難である。すなわち、この方式では、眼のピントは凸レンズα４Ｌ、α４Ｒの焦点距離とＬＣＤα３Ｌ、α３Ｒの位置により決まる位置に固定される。
【０００６】
また、この方式で両眼の輻輳角の変化量を大きくとるためには、ＬＣＤα３Ｌ、α３Ｒのサイズを精細度を保ちながらきわめて大きくする必要がある。このように、この方式では自然な立体視にとって必要な両眼視差、輻輳、眼のピントとの間に矛盾が生じ、疲労感を感じるという問題があった。
【０００７】
立体感を感じる生理的要因をほぼ満たす方式としては、ホログラフィがよく知られている。しかし、ホログラフィは、撮像にコヒーレント光が必要であることや、情報量が膨大であるため、高速な電気的書き換えが困難であり、動画に適応できないこと等の問題点を有する。
【０００８】
本発明の目的は、立体感の主な生理的要因である両眼視差、輻輳、眼のピントなどを満足し、動画に対応できる高速で電気的書き換え可能なヘッドマウントディスプレイ装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００１１】
（１）２次元表示装置と焦点距離が可変な可変焦点レンズとから構成される可変焦点レンズ付２次元表示装置と、前記２次元表示装置及び可変焦点レンズを制御する制御装置とを備え、人の左右の眼に前記可変焦点レンズ付２次元表示装置を各々装着するヘッドマウントディスプレイ装置であって、前記可変焦点レンズは、固定焦点レンズ又は固定偏向機構を固定焦点レンズに組み込んだ固定光学素子と、屈折率可変物質とを有する層と、該層を挾持する少なくとも一対の透明電極とからなり、前記屈折率可変物質は、分子の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶であり、かつ、異なる周波数ｆ１と周波数ｆ２において、液晶分子の向きによる誘電率の差の符号が異なる物性を有する二周波駆動液晶であり、前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数ｆ１及び周波数ｆ２を各々有する電圧Ｖ１及びＶ２を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記２次元表示装置に２次元像を順次に表示させる手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
（２）２次元表示装置と焦点距離が可変な可変焦点レンズと光偏向角度が可変な偏向手段とから構成される可変焦点レンズ付２次元表示装置と、前記２次元表示装置及び可変焦点レンズを制御する制御装置とを備え、人の左右の眼に前記可変焦点レンズ付２次元表示装置を各々装着するヘッドマウントディスプレイ装置であって、前記可変焦点レンズは、固定焦点レンズと屈折率可変物質とを有する層と、該層を挾持する少なくとも一対の透明電極とからなり、前記屈折率可変物質は、分子の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶であり、かつ、異なる周波数ｆ１と周波数ｆ２において、液晶分子の向きによる誘電率の差の符号が異なる物性を有する二周波駆動液晶であり、前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数ｆ１及び周波数ｆ２を各々有する電圧Ｖ１及びＶ２を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記２次元表示装置に２次元像を順次に表示させる手段を備え、前記偏向手段は、前記２次元表示装置と眼の間に配置され、前記可変焦点レンズの焦点距離が長くなり前記２次元表示装置の表示像の虚像の奥行き位置が眼に近付く場合に、前記２次元表示装置の表示像全体を左右の眼の中心に近付く方向に偏向させることを特徴とする。
【００１４】
（３）前記（２）に記載されるヘッドマウントディスプレイ装置において、前記固定焦点レンズは、球面もしくは非球面の単レンズあるいはフレネルレンズを有することを特徴とする。
【００１５】
（４）前記（２）に記載されるヘッドマウントディスプレイ装置において、前記偏向手段は、固定プリズムと第２の屈折率可変物質を有する層と、該層を挾持する少なくとも一対の第２の透明電極とからなることを特徴とする。
【００１６】
（５）前記（４）に記載されるヘッドマウントディスプレイ装置において、前記固定プリズムは、単体プリズムあるいは微小なプリズムを並べたマルチプリズムを有することを特徴とする。
【００１７】
（６）前記（４）または（５）に記載されるヘッドマウントディスプレイ装置において、前記第２の屈折率可変物質は、分子の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶であることを特徴とする。
【００１８】
（７）前記（４）または（５）に記載されるヘッドマウントディスプレイ装置において、前記第２の屈折率可変物質は、高分子分散型液晶であり、かつ、液晶の粒径あるいは高分子の粒径が、可視光の波長よりも小さいことを特徴とする。
【００１９】
（８）２次元表示装置と焦点距離が可変な可変焦点レンズと光偏向角度が可変な偏向手段とから構成される可変焦点レンズ付２次元表示装置と、前記２次元表示装置及び可変焦点レンズを制御する制御装置とを備え、人の左右の眼に前記可変焦点レンズ付２次元表示装置を各々装着するヘッドマウントディスプレイ装置であって、前記可変焦点レンズは、前記偏向手段と一体化されており、固定偏向機構を固定焦点レンズに組み込んだ固定光学素子と屈折率可変物質とを有する層と、該層を挾持する少なくとも一対の透明電極とからなり、前記屈折率可変物質は、分子の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶であり、かつ、異なる周波数ｆ１と周波数ｆ２において、液晶分子の向きによる誘電率の差の符号が異なる物性を有する二周波駆動液晶であり、前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数ｆ１及び周波数ｆ２を各々有する電圧Ｖ１及びＶ２を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記２次元表示装置に２次元像を順次に表示させる手段を備え、前記偏向手段は、前記可変焦点レンズの焦点距離が長くなり前記２次元表示装置の表示像の虚像の奥行き位置が眼に近付く場合に、前記２次元表示装置の表示像全体を左右の眼の中心に近付く方向に偏向させることを特徴とする。
【００２０】
（９）前記（８）に記載されるヘッドマウントディスプレイ装置において、前記固定偏向機構を固定焦点レンズに組み込んだ固定光学素子は、球面あるいは非球面の単レンズもしくはフレネルレンズの表面と光学軸とのなす角度を増加もしくは減少させるものであることを特徴とする。
【００２１】
すなわち、本発明は、２次元表示装置と、焦点距離が可変な可変焦点レンズと、これらの制御装置とを備え、これらの装置を人の左右の眼に各々装着し、２次元表示装置と可変焦点レンズとを同期運転させ、かつ２次元表示装置を可変焦点レンズを通して観察する。この際、可変焦点レンズの焦点距離の変化により、可変焦点レンズが作り出す像が奥行き方向に変化するため、実際に３次元の空間像を提示でき、立体感の生理的要因である両眼視差、輻輳、眼のピントに矛盾を生じない３次元表示を高速に電気的書換え可能な形で再生できる。
【００２２】
【実施の形態】
以下に、本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
なお、以下に示す実施形態では、観察者が立体感を感じ易い方向であることから観察者の両眼を含む平面内において主に説明を行うが、その意味するところは明らかである。
【００２４】
（実施形態１）
図１は本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の実施形態１の概略構成を示す斜視図であり、図２は図１の観察者の両眼を含む面における平面図である。
【００２５】
図１及び図２において、１１Ｒ，１１Ｌは２次元表示装置であり、例えば、ＣＲＴ装置、液晶表示装置、ＥＬ表示装置、プラズマ表示装置、レーザースキャン型描画装置、プロジェクション型表示装置などを用いる。１２Ｒ，１２Ｌは可変焦点レンズであり、例えば、液晶レンズなどを用いる。１３Ｒ，１３Ｌは制御装置であり、前記２次元表示装置１１Ｒ，１１Ｌ及び可変焦点レンズ１２Ｒ，１２Ｌを制御するものである。１４Ｒは右眼用ヘッドマウントディスプレイ装置であり、２次元表示装置１１Ｒ、可変焦点レンズ１２Ｒ及び制御装置１３Ｒで構成される。１４Ｌは左眼用ヘッドマウントディスプレイ装置であり、２次元表示装置１１Ｌ、可変焦点レンズ１２Ｌ及び制御装置１３Ｌで構成される。１５Ｒは右眼、１５Ｌは左眼、１６Ｒ、１６Ｌは表示像、１７は虚像、Ｓは仕切である。
【００２６】
本実施形態１のヘッドマウントディスプレイ装置は、図１及び図２に示すように、可変焦点レンズ１２Ｒ、この可変焦点レンズ１２Ｒの焦点距離より可変焦点レンズ１２Ｒ側に近く配置された２次元表示装置１１Ｒ及び制御装置１３Ｒからなる右眼用ヘッドマウントディスプレイ装置１４Ｒと、同様に、２次元表示装置１１Ｌ、可変焦点レンズ１２Ｌ及び制御装置１３Ｌからなる左眼用ヘッドマウントディスプレイ装置１４Ｌとで構成され、これらの右眼用ヘッドマウントディスプレイ装置１４Ｒを右眼１５Ｒに、左眼用ヘッドマウントディスプレイ装置１４Ｌを左眼１５Ｌに各々装着して用いる。
【００２７】
この構成において、２次元表示装置１１Ｒの表示像１６Ｒを可変焦点レンズ１２Ｒを通して右眼１５Ｒで、２次元表示装置１１Ｌの表示像１６Ｌを可変焦点レンズ１２Ｌを通して左眼１５Ｌで見ると、例えば、虚像１７となる。ここで、可変焦点レンズ１２Ｒ，１２Ｌの焦点距離を変化させると、図３に示すように、虚像の奥行き位置が変化し、例えば、虚像１８となる。ここで、図４に示すように、立体像１９は、例えば、奥行き方向に標本化した２次元像（以下、奥行き標本化像とする）の集まり１１０として表現できる。
【００２８】
そこで、この奥行き標本化像を順次に２次元表示装置１６Ｒ，１６Ｌに表示していき、制御装置１３Ｒ，１３Ｌによってこの表示にあわせて可変焦点レンズ１２Ｒ，１２Ｌの焦点距離を変化させることにより、立体像を奥行き標本化像の集まり１１０として表示でき、バリフォーカル型３次元表示を実現することができる。
【００２９】
このように本実施形態１では、実際に虚像の奥行き方向が変化するため、図１５に示す従来の手法で生じていた眼のピントと両眼視差や輻輳の間における矛盾を解消できる。したがって、立体感の主な生理的要因である眼のピント、両眼視差、輻輳を満足できるようになり、自然な立体視が実現できる。
【００３０】
また、本実施形態１では、可変焦点レンズ１２Ｒ，１２Ｌの焦点距離（正負を含む）を小さくすると、虚像の奥行き位置が眼より遠くになるが、それとともに２次元表示装置１６Ｒ，１６Ｌの表示像も拡大される。したがって、虚像の大きさを同じにするためには、可変焦点レンズ１２Ｒ，１２Ｌの焦点距離の動きに対応して２次元表示装置１６Ｒ，１６Ｌの表示像の大きさを変化させる必要がある。
【００３１】
しかし、この性質により２次元表示装置のカバーできる視野域は眼より遠くなるほど大きくなることから、人の通常の視野の状態に近い自然な状態を実現することができる利点を有する。
【００３２】
さらに、２次元表示装置１６Ｒ，１６Ｌの、例えば、画素数あるいは表示ライン数などは変化しないため、虚像が眼より遠くなるにしたがって、例えば、画素の大きさや表示ラインの幅は大きくなるが、眼からの視角は変わらないため、人の感じる画像の精細度は変化しない利点も有する。
【００３３】
図５は奥行き知覚に関与する諸要因と奥行き感度の関係を示す図であり、各立体感要因についての実測ならびに計算値から概算された奥行き感度を図示したものである。
【００３４】
図６は輻輳−調節の対応関係と許容範囲を示す図であり、中央４５°の実線は輻輳−調節が完全に対応している部分で、その近傍の領域は、焦点深度などによって許容できる範囲を示す。許容基準として視力（ε）、ボケ検出能力（δ）を採用することにより少し範囲が異なるが、実際の２眼式立体範囲よりは非常に狭い。外側の曲線は、両眼の融像限界を示し、黒点実線は最大融像限界（輻輳許容限界）、点線は２重像状態から再度融像が成立する範囲（再融像限界）、破線は画像呈示時間０．５秒にした時の融像限界（短時間呈示０．５秒での輻輳限界）を示す。動画像に対しては破線範囲以内の立体効果でないと、長時間観察でかなりの疲労感が生じる。ＭＷは輻輳角、Ｄはディオプターである。
【００３５】
本発明において、例えば、奥行き標本化を用いる場合には、その標本化数を規定する必要がある。ここで、人の眼のピントは、図５に示すように視距離が近距離（２ｍ程度以下）の場合にしか作用せず、また、奥行き分解能は最高でも視距離の１／１０以上と比較的低く、かつ、図６に示すように輻輳角との間にも許容範囲がある。このため、実際には、例えば、２０〜４０以上の奥行き標本化数とすれば、自然な立体視が実現できる。
【００３６】
なお、本実施形態１では、立体像を奥行き標本化像の集まりとして表現する場合について示したが、他にも立体像を、例えば、線画の集まりとして表現するなど多くの方法があることは明らかである。
【００３７】
なお、図１及び図２に示した構成は一例であり、鏡、レンズ、プリズムなどを用いて光路を折曲げることにより、装置の小型化が可能なことは明らかである。
【００３８】
（実施形態２）
図７は本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の実施形態２の概略構成を示す図であり、２１Ｒ，２１Ｌは２次元表示装置、２２Ｒ，２２Ｌは可変焦点レンズ、２３Ｒ，２３Ｌは制御装置、２４Ｒ，２４Ｌは偏向装置、２５Ｒ，２５Ｌは表示像、１７は虚像である。前記偏向装置２４Ｒ，２４Ｌとしては、例えば、液晶プリズム、可動ミラー、液体プリズムなどを用いる。本実施形態２は、輻輳角とピント調節の自然な対応関係を容易に作り出すための実施形態である。
【００３９】
本実施形態２のヘッドマウントディスプレイ装置は、図７に示すように、２次元表示装置２１Ｒ，２１Ｌ、可変焦点レンズ２２Ｒ，２２Ｌ及びこれらを制御する制御装置２３Ｒ，２３Ｌで構成される。
【００４０】
ここで、ヘッドマウントディスプレイ装置においては、表示する立体像の奥行き位置が眼に近づくと大きな輻輳角を作り出すために、左右の眼で観察する左像と右像を左右眼の中心方向に近づける必要がある。前記実施形態１のヘッドマウントディスプレイ装置では、この作用を２次元表示装置２１Ｒ，２１Ｌを用いて行うため、実際に表示像を左右眼の中心方向に近づけて表示する。このため、２次元表示装置２１Ｒ，２１Ｌの表示像の制御が複雑になってしまう。また、輻輳角を大きく変化させる場合には、２次元表示装置を視野以上の必要以上に左右方向に大きくする必要などが生じる。
【００４１】
これに対して、本実施形態２では、輻輳角を生じさせるための左像と右像の左右方向の動きを、偏向装置２４Ｒ，２４Ｌによって行う。すなわち、２次元表示装置２１Ｒ，２１Ｌと可変焦点レンズ２２Ｒ，２２Ｌの動作は、実施形態１と同様であるが、偏向装置２４Ｒ，２４Ｌによって、可変焦点レンズ２２Ｒ，２２Ｌの焦点距離が長くなり、２次元表示装置２１Ｒ，２１Ｌの表示像２５Ｒ，２５Ｌの虚像の奥行き位置が左右の眼に各々近づくにつれて、偏向装置２４Ｒ，２４Ｌによって２次元表示装置２１Ｒ，２１Ｌの表示像を左右眼の中央位置に近づける。
【００４２】
これにより、本実施形態２のヘッドマウントディスプレイ装置における２次元表示と輻輳角制御が分離されて制御し易くなり、かつ、２次元表示装置２１Ｒ、２１Ｌの表示面全体を有効に使用することが可能となる。すなわち、虚像１７が左右の眼から遠いときには輻輳角が小さく、虚像１７が左右の眼に近いときには輻輳角が大きくなるようにでき、輻輳角と眼のピントを容易に満足できる利点を有する。
【００４３】
本実施形態２では、偏向装置２４Ｒ，２４Ｌが可変焦点レンズ２２Ｒ、２２Ｌよりも２次元表示装置２１Ｒ，２１Ｌ側にある場合を示したが、この偏向装置２４Ｒ，２４Ｌが可変焦点レンズ２２Ｒ、２２Ｌよりも左右眼側にある場合でも同様の効果が得られることは明らかである。
【００４４】
また、図７の実施形態２では、偏向装置２４Ｒ，２４Ｌと可変焦点レンズに別々の装置を用いる場合について示したが、例えば、図８に示すように、偏向装置と可変焦点レンズ２２Ｒ，２２Ｌを一体化した可変光学装置２６Ｒ，２６Ｌ（例えば、実施形態６にその一例を示す）を用いる場合でも同様の効果を得られ、かつ、装置の小型化等において極めて有効であることは明らかである。
【００４５】
（実施形態３）
本発明においては、前記実施形態１、２において示したように、奥行き方向に時分割で眼の残像現象を利用して、立体像を再現する。このため、奥行き方向への像の移動は、眼の残像時間（例えば１６ｍｓ）内に行う必要があり、可変焦点レンズには高速性が要求される。しかし、従来の液晶レンズ（例えば昭和５９年度科学研究費補助金研究成果報告書 Ｎｏ．５９８５００４８に記載の「液晶レンズ」など参照）では、動作速度は数秒以上と極めて遅く、立体表示装置に適用できなかった。
【００４６】
そこで、本発明では、立体表示装置に適用可能な高速な可変焦点レンズ構造として、図９に示す可変焦点レンズ｛本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の可変焦点レンズの一実施形態（実施形態３）｝を用いる。図９において、３１は固定焦点のレンズであり、例えば、ガラスやプラスチック製の単レンズ、あるいはフレネルレンズなどを用いる。３２は屈折率可変物質であり、例えば、二周波駆動液晶、高分子分散型液晶などを用いる。３３，３４は透明電極であり、例えば、ＩＴＯ膜、ＳｎＯＸ膜などを用いる。３５は駆動装置、３６は入射光、３７，３８は出射光である。
【００４７】
本実施形態３の可変焦点レンズは、図９に示すように、固定焦点のレンズ３１と、屈折率可変物質３２と、これら固定焦点レンズ３１と屈折率可変物質３２を一定の間隔距離で挾んだ一対の透明電極３３，３４から構成される。
【００４８】
屈折率可変物質３２として二周波駆動液晶を用いる場合について示す。屈折率可変物質（二周波駆動液晶）３２は、屈折率異方性と誘電率異方性を有する。その誘電率異方性の符号は印加電界の周波数によって変化するため、透明電極３３，３４への印加電界の周波数の変化により、屈折率可変物質３２の分子の向きを電界の向きに対して変化できる。したがって、屈折率異方性に基づき、入射光３６が感じる屈折率を、印加電界の周波数変化により変えられるため、本実施形態３の可変焦点レンズの焦点距離を変化できる。
【００４９】
次に、本実施形態３における可変焦点レンズの駆動法の一例を説明する。
【００５０】
図１０は可変焦点レンズの駆動法の一例を説明するための図であり、（ａ）は駆動電圧波形として正弦波を用いた場合、（ｂ）は駆動電圧波形として矩形波を用いた場合である。図１０において、Ｔ１は低い周波数の信号を出力する時間、Ｔ２は高い周波数の信号を出力する時間、Ｔ３はＴ１とＴ２とを加算した時間を示す。
【００５１】
図１０に示す駆動波形は、二周波駆動液晶を駆動するための駆動電圧波形であり、例えば、周波数ｆ１（Δε１＞０）と周波数ｆ２（Δε２＜０）との異なる２つの周波数の信号を印加するときで誘電率異方性Δεの符号が異なる時である。
【００５２】
図１０から明らかなように、駆動手段の駆動出力の振幅は等しいかあるいはほぼ等しい周波数ｆ１を主周波数とする電界と、周波数ｆ２を主周波数とする電界とを、一定のデューティ比と一定の周期とからなる。
【００５３】
前述する電界を印加された二周波駆動液晶の分子は、長軸を電界に沿って配向させる力（周波数ｆ１を印加したときの力）と、長軸を電界に垂直に配向させる力（周波数ｆ２を印加したときの力）とを周期的かつ交互に受けることになる。
【００５４】
このとき、他に二周波駆動液晶の分子を拘束する力がなければ、液晶は周波数ｆ１と周波数ｆ２の切り替わりにしたがって、急激にデジタル的（二値的）な変化をすることとなり、立体表示装置に必要となる連続したアナログ動作を行わせることができない。
【００５５】
しかしながら、実際の液晶には粘性をはじめとして、液晶の結晶としての拘束力等の液晶分子の方向転換を阻害する力が働くので、前述する駆動信号によって働く力と均衡し、広い領域にわたってほぼ均一で高速な液晶のアナログ的かつ周期的な配向運動が可能となる。
【００５６】
ただし、前述する駆動信号で可変焦点レンズを駆動する場合、周波数ｆ１と周波数ｆ２とからなる駆動信号を周期的に一定の時間印加することが重要である。
【００５７】
例えば、周波数ｆ１と周波数ｆ２とからなる駆動信号を１回だけ印加した場合では、液晶の均一性が損なわれる、あるいは、散乱が大きくなる等の現象が表れるだけであり、可変焦点レンズとしての実用性には乏しい効果しか発現しない。
【００５８】
図９に示す可変焦点レンズの透明電極３３，３４に印加される駆動電圧として正弦波もしくは矩形波を用いた場合、図１０に示すように、二周波駆動液晶（屈折率可変物質３２）の誘電率異方性が正となる周波数ｆ１と誘電率異方性が負となる周波数ｆ２とを主な周波数として含む電界を交互に印加することにより、液晶を交互に電界に対して平行にしたり垂直にしたりできる。液晶はその分子軸に対して屈折率の異方性を有しているため、これにより屈折率を周期的に変化できる。したがって、このような駆動を行うことにより前記可変焦点レンズの焦点距離を周期的に変化できる。なお、可変焦点レンズの駆動法の詳細については、本出願人が先に出願した特願平８−４７６５４号明細書を参照されたい。
【００５９】
本実施形態３における可変焦点レンズは、前述したように主に電界によってその屈折率を変化できるため、その電界を大きくすることにより、可変焦点レンズの焦点距離の変化速度を容易に高速化できる利点を有している。また、透明電極３３，３４を、固定焦点レンズ３１と屈折率可変物質３２を挾む位置に配置できるため、透明電極３３，３４の間隔を一定にでき、均一な電界を屈折率可変物質３２に印加できる利点を有する。
【００６０】
また、本実施形態３の可変焦点レンズは、図１１に示すように、屈折率可変物質３２側の透明電極３３上に、配向膜３１０（例えば、ポリイミド、ＰＶＡ、ＰＶＢ、斜方蒸着ＳｉＯなど）を含む構成とし、配向膜３１０に、例えば、ラビング法などによる配向処理を加えることにより、この上の二周波駆動液晶（屈折率可変物質３２）の分子を一定の方向に配向させることができる。これにより、屈折率可変物質３２が配向膜３１０に平行（電界に対してほぼ垂直）となるような電界の場合に、屈折率可変物質３２を広い領域において均一な配向状態とすることができ、入射光３６の偏向状態をこの配向方向と一致させ、屈折率可変物質３２の屈折率変化を入射光３６に効率良く伝えることが可能となり、かつ屈折率可変物質３２が種々の方向にばらばらに向くことによって生じる散乱、白濁を防ぐことができる。
【００６１】
（実施形態４）図１２は本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の可変焦点レンズの他の実施形態（実施形態４； 但し、特許請求の範囲には含まれない。）の概略構成を示す図である。図１２において、４１は固定焦点のレンズ、４２は高分子分散型液晶、４３，４４は透明電極、４５は駆動装置、４６は入射光、４７，４８は出射光、４９は高分子、４１０は液晶である。
【００６２】
本実施形態４は、図１２に示すように、屈折率可変物質として高分子分散型液晶４２を用いる場合である。高分子分散型液晶４２は、例えば、高分子４９の中に粒径の小さな液晶４１０が数多く分散されている構造を有する。
【００６３】
この高分子分散型液晶４２では、例えば、液晶４１０の粒径が小さいために高分子４９と液晶４１０との界面の面積が体積に比べて大きくなり、この界面での液晶４１０の束縛力が大きくなるため、応答速度が１ｍｓ以上と高速である利点を有する。
【００６４】
しかし、通常の高分子分散型液晶４２においては、例えば、液晶４１０の粒径が可視光の波長と同程度以上であり、散乱が大きく、透過度や解像度が低下するため、可変焦点レンズとして本発明には適用できない。
【００６５】
そこで、本実施形態４では、例えば、液晶４１０の粒径を可視光の波長よりも充分に小さく、例えば１００ｎｍ以下とすることを特徴とする。これにより、散乱を充分に抑制でき、高い透過度と解像度を有する利点があり、高速な可変焦点レンズとして本発明に適用できる。
【００６６】
本実施形態４では、例として液晶４１０を微小な粒として高分子４９中に分散させる場合について示したが、逆に高分子４９を微小な粒として液晶中に分散させても同様な効果が得られることは明らかである。
【００６７】
（実施形態５）
図１３は本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の偏向装置の一実施形態（実施形態５）の概略構成を示す図である。図１３において、５１は固定プリズムであり、例えば、ガラスやプラスチック製の単体プリズムあるいは微小プリズムを並べたマルチプリズムなどを用いる。５２は屈折率可変物質であり、例えば、二周波駆動液晶、高分子分散型液晶などを用いる。５３，５４は透明電極、５５は駆動装置、５６は入射光、５７，５８は出射光である。
【００６８】
本実施形態５の偏向装置は、図１３に示すように、固定プリズム５１と、屈折率可変物質５２と、これら固定プリズム５１と屈折率可変物質５２を一定の間隔距離で挾んだ一対の透明電極５３，５４から構成される。
【００６９】
まず、屈折率可変物質５２として二周波駆動液晶を用いる場合について説明する。前記実施形態３で示した装置と同様に、透明電極５３、５４への印加電界の周波数の変化により、屈折率可変物質５２の分子の向きを電界の向きに対して変化でき、屈折率異方性に基づいて入射光５６が感じる屈折率を印加電界の周波数変化により変えられる。このため、スネルの屈折の法則に基づき、本実施形態５の偏向装置の光偏向角度を変化させることができる。
【００７０】
また、本実施形態５における偏向装置は、前記実施形態３で示した装置と同様に、主に電界によってその屈折率を変化できるため、偏向装置の光偏向角の変化速度を容易に高速化できる利点を有している。また、透明電極５３を固定プリズム５１と屈折率可変物質５２を挾む位置に配置できるため、透明電極５３、５４の間隔を一定でき、均一な電界を屈折率可変物質５２に印加できる利点を有する。
【００７１】
また、本実施形態５の偏向装置は、前記実施形態３で示した装置と同様に、図１４に示すように、屈折率可変物質５２側の透明電極５３上に、配向膜５１０（例えばポリイミド、ＰＶＡ、ＰＶＢ、斜方蒸着ＳｉＯなど）を含む構成とし、配向膜５１０に、例えば、ラビング法などによる配向処理を加えることにより、この上の二周波駆動液晶（屈折率可変物質５２）の分子を一定の方向に配向膜移行させることができ、広い領域で均一な配向状態を実現できる。
【００７２】
したがって、入射光５６の偏光状態をこの配向方向と一致させることで、屈折率可変物質５２の屈折率変化を入射光５６に効率よく伝えることが可能となり、かつ屈折率可変物質５２が種々の方向にばらばらに向くことによって生じる散乱、白濁を防ぐことができる。
【００７３】
次に、屈折率可変物質として、前記実施形態４に示した装置と同様に、高分子分散型液晶を用いることも有効である。高分子分散型液晶を用いることにより、応答速度を１ｍｓ以上と高速にできる利点を有する。さらに、前記実施形態４に示した装置と同様に、例えば、液晶の粒径を可視光の波長よりも充分に小さく、例えば、１００ｎｍ以下とすることにより、散乱を充分に抑制でき、高い透過度と解像度を得られる利点があり、高速な光偏向装置として本発明に適用できる。
【００７４】
（実施形態６）
図１５は本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の可変光学装置の一実施形態（実施形態６）の概略構成を示す図である。図１５において、６１は固定光学素子であり、固定焦点レンズ（例えば、ガラスやプラスチック製の単レンズあるいはフレネルレンズなど）に固定偏向機構（例えば、単体プリズムあるいは微小プリズムを並べたマルチプリズムなど）を組合せたものである。６２は屈折率可変物質、６３，６４は透明電極、６５は駆動装置、６６は入射光、６７，６８は出射光である。
【００７５】
本実施形態６の可変光学装置は、図１５に示すように、固定光学素子６１と、屈折率可変物質６２と、これら固定光学素子６１と屈折率可変物質６２を一定の間隔距離で挾んだ一対の透明電極６３，６４から構成される。
【００７６】
例えば、固定焦点レンズとしてフレネルレンズを用いた場合には、固定光学素子６１は、図１５に示すように、各フレネル面のフレネル角を所望の光偏向角度範囲に応じて一方向に傾けた構造とすることにより、実現できる。また、固定焦点レンズとして単体レンズを用いた場合には、固定光学素子６１はレンズ面を所望の光偏向角度範囲に応じて一方向に傾けた構造とすることにより実現できる。
【００７７】
まず、屈折率可変物質６２として二周波駆動液晶を用いる場合について説明する。前記実施形態３及び実施形態５で示した装置と同様に、透明電極６３，６４への印加電界の周波数の変化により、屈折率可変物質６２の分子の向きを電界の向きに対して変化でき、屈折率異方性に基づいて入射光６６が感じる屈折率を印加電界の周波数変化により変えられる。このため、本実施形態６の可変光学装置の焦点距離と光の偏向角を変化することができる。
【００７８】
本実施形態６の可変光学装置は、前記実施形態３及び実施形態５で示した装置と同様に、主に電界によってその屈折率を変化できるため、焦点距離と偏向角の変化速度を容易に高速化できる利点を有している。また、透明電極６３を固定光学素子６１と屈折率可変物質６２を挾む位置に配置できるため、透明電極６３，６４の間隔を一定にでき、均一な電界を屈折率可変物質６２に印加できる利点を有する。
【００７９】
また、本発明の可変光学装置は、前記実施形態３及び実施形態５で示した装置と同様に、図１６に示すように、屈折率可変物質６２側の透明電極６３上に、配向膜６１０（例えばポリイミド、ＰＶＡ、ＰＶＢ、斜方蒸着ＳｉＯなど）を含む構成とし、配向膜６１０に例えばラビング法などによる配向処理を加えることにより、この上の二周波駆動液晶（屈折率可変物質６２）の分子を一定の方向に配向させることができ、広い領域において均一な配向状態を実現できる。したがって、入射光６６の偏光状態をこの配向方向と一致させることにより、屈折率可変物質６２の屈折率変化を入射光６６に効率よく伝えることが可能となり、かつ屈折率可変物質６２が種々の方向にばらばらに向くことによって生じる散乱、白濁を防ぐことができる。
【００８０】
次に、屈折率可変物質として、前記実施形態４及び実施形態５に示した装置と同様に、高分子分散型液晶を用いることも有効である。高分子分散型液晶を用いることにより、応答速度を１ｍｓ以上と高速にできる利点を有する。さらに、実施形態４、５に示した装置と同様に、例えば液晶の粒径を可視光の波長よりも充分に小さく、例えば１００ｎｍ以下とすることにより、散乱を充分に抑制でき、高い透過度と解像度を得られる利点があり、高速な可変光学装置として本発明に適用できる。
【００８１】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００８２】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
【００８３】
２次元表示装置と可変焦点レンズとを含む装置を人の左右の眼に各々装着し、２次元表示装置の表示像を可変焦点レンズを通して観察し、可変焦点レンズの焦点距離を変化させ、２次元表示装置の表示像の虚像の位置を奥行き方向に変化させることにより、立体感の主な生理的要因である両眼視差、輻輳、眼のピントに矛盾を生じないような３次元像を高速で電気的書換え可能な形で再生できる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の実施形態１の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１の観察者の両眼を含む面における平面図である。
【図３】本実施形態１のヘッドマウントディスプレイ装置の動作を説明するための図である。
【図４】本実施形態１のヘッドマウントディスプレイ装置の動作を説明するための図である。
【図５】奥行き知覚に関与する諸要因と奥行き感度の関係を示す図である。
【図６】輻輳−調節の対応関係と許容範囲を示す図である。
【図７】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の実施形態２の概略構成を示す図である。
【図８】本実施形態２のヘッドマウントディスプレイ装置の変形例の概略構成を示す図である。
【図９】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の可変焦点レンズの一実施形態（実施形態３）の概略構成を示す図である。
【図１０】本実施形態３の可変焦点レンズの駆動法を説明するための図である。
【図１１】本実施形態３の可変焦点レンズの変形例の概略構成を示す図である。
【図１２】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の可変焦点レンズの他の実施形態（実施形態４）の概略構成を示す図である。
【図１３】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の偏向装置の一実施形態（実施形態５）の概略構成を示す図である。
【図１４】本実施形態５の偏向装置の変形例の概略構成を示す図である。
【図１５】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置の可変光学装置の一実施形態（実施形態６）の概略構成を示す図である。
【図１６】本実施形態６の可変光学装置の変形例の概略構成を示す図である。
【図１７】従来の立体表示装置の例の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１１Ｒ，１１Ｌ，２１Ｒ，２１Ｌ…２次元表示装置、
１２Ｒ，１２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｌ…可変焦点レンズ、
１３Ｒ，１３Ｌ，２３Ｒ，２３Ｌ…制御装置、
１４Ｒ…右眼用装置（ヘッドマウントディスプレイ装置）、１４Ｌ…左眼用装置、１５Ｒ…右眼、１５Ｌ…左眼、
１６Ｒ，１６Ｌ，２５Ｒ，２５Ｌ…表示像、
１７，１８…虚像、２４Ｒ，２４Ｌ…偏向装置、
３１，４１…固定焦点のレンズ、
３２，５２，６２…屈折率可変物質、
３３，３４，４３，４４，５３，５４，６３，６４…透明電極、
３５，４５，５５，６５…駆動装置、
３６，４６，５６，６６…入射光、
３７，３８，４７，４８，５７，５８，６７，６８…出射光、
４２は高分子分散型液晶、
４９…高分子、４１０…液晶、
５１…固定プリズム、６１…固定光学素子。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a head-mounted display device for presenting a natural three-dimensional three-dimensional moving image by presenting separate images to the left and right eyes of a person and electrically controlling the images. .
[0002]
[Prior art]
As a conventional head mounted display device for performing stereoscopic display of an electrically rewritable moving image, a flat display device as shown in FIG. 17, for example, a device using a liquid crystal display device (LCD) and a convex lens is well known. I have. The principle of this method will be described below. Images of the three-dimensional object α1 viewed from different directions (this is called a parallax image) are captured by, for example, the cameras α2L and α2R. The images from the cameras α2L and α2R are input and displayed on the left and right LCDs α3L and α3R, respectively.
[0003]
The observer observes different display images on the left and right LCDs α3L and α3R through different convex lenses α4L and α4R, respectively, with the left and right eyes α5L and α5R. Accordingly, the observer can observe the parallax image α6 with both eyes at the same time, and stereoscopic viewing with binocular parallax becomes possible.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventor has found the following problems as a result of studying the above conventional technology.
[0005]
In the conventional method, binocular parallax in a certain range in the depth direction can be presented, but since binocular parallax, convergence, and inconsistency between the focus of the eye occur, natural stereoscopic vision is difficult. is there. That is, in this method, the focus of the eye is fixed at a position determined by the focal lengths of the convex lenses α4L and α4R and the positions of the LCDs α3L and α3R.
[0006]
Further, in order to increase the amount of change in the convergence angle of both eyes in this method, it is necessary to extremely increase the size of the LCDs α3L and α3R while maintaining the definition. As described above, in this method, inconsistency arises between binocular parallax, convergence, and focus of the eyes, which are necessary for natural stereoscopic vision, and there is a problem that a feeling of fatigue is felt.
[0007]
Holography is a well-known method that almost fulfills the physiological factors that give a three-dimensional effect. However, holography has problems that coherent light is required for imaging and that the amount of information is enormous, so that high-speed electrical rewriting is difficult and cannot be applied to moving images.
[0008]
An object of the present invention is to provide a high-speed, electrically rewritable head-mounted display device that satisfies binocular parallax, convergence, eye focus, and the like, which are main physiological factors of a three-dimensional effect, and that can support moving images. is there.
[0009]
The above and other objects and novel features of the present invention will become apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The outline of a representative invention among the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0011]
(1) A two-dimensional display device with a variable focus lens, comprising a two-dimensional display device and a variable focus lens having a variable focal length, and a control device for controlling the two-dimensional display device and the variable focus lens. The two-dimensional display device with a varifocal lens is attached to the left and right eyes, respectively.DoHead mounted display deviceWherein the variable focus lens is a fixed optical element incorporating a fixed focus lens or a fixed deflection mechanism in the fixed focus lens, a layer having a variable refractive index material, and at least one pair of transparent electrodes sandwiching the layer. The variable-refractive-index substance is a liquid crystal having dielectric anisotropy and refractive index anisotropy depending on the direction of molecules, and has a difference in dielectric constant depending on the direction of liquid crystal molecules at different frequencies f1 and f2. Is a dual-frequency driving liquid crystal having different physical properties, and the control device sets a voltage V1 and a voltage V2 having a frequency f1 and a frequency f2 as a driving signal for driving the varifocal lens with a constant duty ratio. The focal length of the varifocal lens is changed in an analog and periodic manner by alternately outputting at a fixed cycle and applying the drive signal for a fixed time. Together, in synchronism with the change in focal length of the variable focus lens, characterized by comprising means for sequentially displaying the 2-dimensional image on the two-dimensional display device.
[0012]
(2) Two-dimensional display device and variable focal length lens with variable focal lengthAnd lightA variable-focus lens-equipped two-dimensional display device including a deflecting means having a variable deflection angle; and a control device for controlling the two-dimensional display device and the variable-focus lens. A head-mounted display device to which each of the attached two-dimensional display devices is attached,The variable focus lens includes a layer having a fixed focus lens and a variable refractive index material, and at least a pair of transparent electrodes sandwiching the layer. The variable refractive index material has a dielectric anisotropy depending on the direction of molecules. And a liquid crystal having a refractive index anisotropy, and a two-frequency driving liquid crystal having physical properties in which the sign of the difference in dielectric constant according to the orientation of liquid crystal molecules differs at different frequencies f1 and f2.The control device includes:As drive signals for driving the varifocal lens, voltages V1 and V2 having frequencies f1 and f2, respectively, are alternately output at a fixed duty ratio and a fixed cycle, and the drive signal is applied for a fixed time. By changing the focal length of the varifocal lens in an analog and periodic manner,Means for sequentially displaying a two-dimensional image on the two-dimensional display device in synchronization with a change in the focal length of the varifocal lens, wherein the deflecting means is disposed between the two-dimensional display device and an eye; When the focal length of the varifocal lens is long and the depth position of the virtual image of the display image of the two-dimensional display device approaches the eye, the entire display image of the two-dimensional display device is deflected in a direction approaching the center of the left and right eyes. It is characterized by making it.
[0014]
(3)2In the head-mounted display device described in (1), the fixed focus lens has a spherical or aspherical single lens or a Fresnel lens.
[0015]
(4)2In the head-mounted display device according to (1), the deflecting unit includes a fixed prism.SecondA layer having a variable refractive index material and at least one pair of layers sandwiching the layer;SecondAnd a transparent electrode.
[0016]
(5)4), The fixed prism has a single prism or a multi-prism in which minute prisms are arranged.
[0017]
(6)4) or (5)The head-mounted display device described in the above),The second variable refractive index material is a liquid crystal having dielectric anisotropy and refractive index anisotropy depending on the direction of molecules.It is characterized by that.
[0018]
(7)4) or (5)The head-mounted display device described in the above),The second refractive index variable substance is a polymer dispersed liquid crystal, and the particle diameter of the liquid crystal or the particle diameter of the polymer is smaller than the wavelength of visible light.It is characterized by the following.
[0019]
(8)A two-dimensional display device with a variable focus lens, comprising a two-dimensional display device, a variable focus lens having a variable focal length, and a deflection means having a variable light deflection angle, and control for controlling the two-dimensional display device and the variable focus lens A two-dimensional display device with a varifocal lens is attached to the left and right eyes of a person.Head mounted display deviceWherein the variable focus lens is integrated with the deflecting means, and a layer having a fixed optical element and a variable refractive index material having a fixed deflection mechanism incorporated in the fixed focus lens, and at least a layer sandwiching the layer. Consists of a pair of transparent electrodes,The refractive index variable substance is a liquid crystal having dielectric anisotropy and refractive index anisotropy depending on the direction of molecules.And a two-frequency driving liquid crystal having physical properties in which the sign of the difference in the dielectric constant depending on the orientation of the liquid crystal molecule differs at different frequencies f1 and f2, and the control device controls the driving for driving the varifocal lens. As a signal, voltages V1 and V2 having a frequency f1 and a frequency f2, respectively, are alternately output at a fixed duty ratio and a fixed cycle, and the drive signal is applied for a fixed time, so that the focal length of the varifocal lens is changed. And a means for sequentially displaying a two-dimensional image on the two-dimensional display device in synchronization with a change in the focal length of the varifocal lens, and the deflecting means comprises: When the focal length of the focal lens becomes longer and the depth position of the virtual image of the display image of the two-dimensional display device approaches the eye, the entire display image of the two-dimensional display device is displayed. It is deflected in the direction toward the center of the right eyeIt is characterized by that.
[0020]
(9)8)In the head mounted display device described in,A fixed optical element incorporating a fixed deflection mechanism in a fixed focus lens increases or decreases the angle between the optical axis and the surface of a spherical or aspherical single lens or Fresnel lens.It is characterized by the following.
[0021]
That is, the present invention includes a two-dimensional display device, a variable focal length lens having a variable focal length, and these control devices. The focus lens is operated synchronously, and the two-dimensional display device is observed through the variable focus lens. At this time, since the image created by the variable focus lens changes in the depth direction due to a change in the focal length of the variable focus lens, a three-dimensional spatial image can be actually presented, and binocular parallax, which is a physiological factor of the stereoscopic effect, It is possible to reproduce a three-dimensional display which does not cause inconsistency in convergence and eye focus at a high speed in an electrically rewritable form.
[0022]
Embodiment
Hereinafter, embodiments of a head mounted display device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0023]
In the embodiment described below, the description is mainly given in a plane including both eyes of the observer because the direction is a direction in which the observer easily perceives a three-dimensional effect, but the meaning is clear.
[0024]
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a head mounted display device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view of a plane including both eyes of an observer in FIG.
[0025]
1 and 2, reference numerals 11R and 11L denote two-dimensional display devices, for example, a CRT device, a liquid crystal display device, an EL display device, a plasma display device, a laser scan type drawing device, a projection type display device, and the like. 12R and 12L are variable focus lenses, for example, using a liquid crystal lens or the like. Reference numerals 13R and 13L denote control devices for controlling the two-dimensional display devices 11R and 11L and the
[0026]
As shown in FIGS. 1 and 2, the head mounted display device of the first embodiment includes a
[0027]
In this configuration, when the display image 16R of the two-dimensional display device 11R is viewed with the
[0028]
Therefore, the depth sampled images are sequentially displayed on the two-dimensional display devices 16R, 16L, and the focal lengths of the
[0029]
As described above, in the first embodiment, since the depth direction of the virtual image actually changes, the contradiction between the focus of the eye, the binocular disparity, and the convergence, which has occurred in the conventional method illustrated in FIG. 15, can be resolved. Therefore, the focus, the binocular parallax, and the convergence of the eyes, which are the main physiological factors of the stereoscopic effect, can be satisfied, and natural stereoscopic vision can be realized.
[0030]
In the first embodiment, when the focal lengths (including positive and negative) of the
[0031]
However, the two-dimensional display device has a field of view that can be covered by this property as the distance from the eyes increases, so that the two-dimensional display device has an advantage that a natural state close to a normal field of view of a person can be realized.
[0032]
Further, since the number of pixels or the number of display lines of the two-dimensional display devices 16R and 16L does not change, for example, as the virtual image becomes farther from the eye, for example, the size of the pixel or the width of the display line increases. Since there is no change in the viewing angle from, there is an advantage that the definition of the image perceived by a human does not change.
[0033]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between various factors related to depth perception and depth sensitivity, and illustrates depth sensitivity estimated from actual measurement and calculated values for each stereoscopic effect factor.
[0034]
FIG. 6 is a diagram showing the correspondence between the convergence-adjustment and the permissible range. The solid line at the center 45 ° corresponds to the portion where the convergence-adjustment completely corresponds, and the area near the solid line is the allowable range depending on the depth of focus. Is shown. Although the range is slightly different by adopting the visual acuity (ε) and the blur detection ability (δ) as the acceptance criteria, it is much narrower than the actual two-lens stereoscopic range. The outer curve indicates the fusion limit of both eyes, the solid black line indicates the maximum fusion limit (convergence allowable limit), the dotted line indicates the range in which fusion is established again from the double image state (re-fusion limit), and the broken line indicates The fusion limit when the image presentation time is set to 0.5 seconds (the convergence limit in a short presentation time of 0.5 seconds) is shown. Unless the three-dimensional effect is within the range of the broken line for the moving image, a considerable feeling of fatigue occurs in long-term observation. MW is the convergence angle, and D is diopter.
[0035]
In the present invention, for example, when depth sampling is used, it is necessary to define the number of samples. Here, the focus of the human eye works only when the visual distance is a short distance (about 2 m or less) as shown in FIG. 5, and the depth resolution is at most 1/10 of the visual distance or more. 6, and there is an allowable range between the convergence angle as shown in FIG. Therefore, in practice, for example, if the depth sampling number is set to 20 to 40 or more, natural stereoscopic vision can be realized.
[0036]
In the first embodiment, a case has been described in which a stereoscopic image is represented as a collection of depth sampled images. However, it is apparent that there are many other methods such as expressing a stereoscopic image as a collection of line drawings. It is.
[0037]
The configuration shown in FIGS. 1 and 2 is an example, and it is clear that the device can be miniaturized by bending the optical path using a mirror, a lens, a prism, or the like.
[0038]
(Embodiment 2)
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a head-mounted display device according to a second embodiment of the present invention, wherein 21R and 21L are two-dimensional display devices, 22R and 22L are varifocal lenses, 23R and 23L are control devices, and 24R and 24L. Is a deflecting device, 25R and 25L are display images, and 17 is a virtual image. As the
[0039]
As shown in FIG. 7, the head-mounted display device according to the second embodiment includes two-dimensional display devices 21R and 21L, variable focus lenses 22R and 22L, and control devices 23R and 23L for controlling these.
[0040]
Here, in the head mounted display device, in order to create a large angle of convergence when the depth position of the stereoscopic image to be displayed approaches the eye, it is necessary to bring the left image and the right image observed by the left and right eyes closer to the center direction of the left and right eyes. There is. In the head mounted display device according to the first embodiment, since this operation is performed using the two-dimensional display devices 21R and 21L, the display image is actually displayed closer to the center of the left and right eyes. Therefore, control of the display images of the two-dimensional display devices 21R and 21L becomes complicated. Further, when the convergence angle is largely changed, it is necessary to enlarge the two-dimensional display device in the left-right direction more than necessary beyond the visual field.
[0041]
On the other hand, in the second embodiment, the left and right movements of the left image and the right image for generating the convergence angle are performed by the
[0042]
Thereby, the two-dimensional display and the convergence angle control in the head-mounted display device according to the second embodiment are separated and easily controlled, and the entire display surfaces of the two-dimensional display devices 21R and 21L can be effectively used. It becomes. That is, when the virtual image 17 is far from the left and right eyes, the angle of convergence can be small, and when the virtual image 17 is close to the left and right eyes, the angle of convergence can be increased. This has an advantage that the convergence angle and the focus of the eye can be easily satisfied.
[0043]
In the second embodiment, the case where the
[0044]
Further, in the second embodiment of FIG. 7, the case where separate devices are used for the
[0045]
(Embodiment 3)
In the present invention, as described in the first and second embodiments, a three-dimensional image is reproduced using the afterimage phenomenon of the eye in a depth direction by time division. For this reason, it is necessary to move the image in the depth direction within the afterimage time of the eye (for example, 16 ms), and the varifocal lens is required to have high speed. However, a conventional liquid crystal lens (for example, see “Liquid Crystal Lens” described in 1984 Scientific Research Grant Subsidy Research Report No. 59850048) has an extremely low operation speed of several seconds or more, and is applicable to a stereoscopic display device. Did not.
[0046]
Therefore, in the present invention, as a high-speed variable focus lens structure applicable to a stereoscopic display device, a variable focus lens shown in FIG. 9 {one embodiment of a variable focus lens of a head mounted display device according to the present invention (third embodiment)}. Is used. In FIG. 9, reference numeral 31 denotes a fixed focus lens, for example, a single lens made of glass or plastic, a Fresnel lens, or the like. Reference numeral 32 denotes a variable-refractive-index substance, for example, a dual-frequency driving liquid crystal, a polymer dispersed liquid crystal, or the like. 33 and 34 are transparent electrodes, for example, ITO film, SnOXA film or the like is used. 35 is a driving device, 36 is incident light, and 37 and 38 are outgoing light.
[0047]
As shown in FIG. 9, the variable focus lens according to the third embodiment has a fixed focus lens 31, a variable refractive index material 32, and the fixed focus lens 31 and the variable refractive index material 32 sandwiched at a fixed distance. It is composed of a pair of transparent electrodes 33 and 34.
[0048]
The case where a dual frequency driving liquid crystal is used as the refractive index variable substance 32 will be described. The refractive index variable substance (dual frequency driving liquid crystal) 32 has a refractive index anisotropy and a dielectric anisotropy. Since the sign of the dielectric anisotropy changes depending on the frequency of the applied electric field, the direction of the molecules of the refractive index variable substance 32 changes with respect to the direction of the electric field by changing the frequency of the applied electric field to the transparent electrodes 33 and 34. it can. Therefore, based on the refractive index anisotropy, the refractive index felt by the incident light 36 can be changed by changing the frequency of the applied electric field, so that the focal length of the varifocal lens of the third embodiment can be changed.
[0049]
Next, an example of a method of driving the variable focus lens according to the third embodiment will be described.
[0050]
FIGS. 10A and 10B are diagrams for explaining an example of a method of driving the variable focus lens. FIG. 10A shows a case where a sine wave is used as a drive voltage waveform, and FIG. 10B shows a case where a rectangular wave is used as a drive voltage waveform. is there. In FIG. 10, T1Is the time to output a low frequency signal, T2Is the time to output a high frequency signal, T3Is T1And T2Indicates the time obtained by adding
[0051]
The drive waveform shown in FIG. 10 is a drive voltage waveform for driving the dual-frequency drive liquid crystal, and for example, has a frequency f1 (Δε1> 0) and frequency f2 (Δε2<0) when signals of two different frequencies are applied and the sign of the dielectric anisotropy Δε is different.
[0052]
As is apparent from FIG. 10, the amplitude of the driving output of the driving means is equal or almost equal. The electric field having the main frequency of the frequency f1 and the electric field having the main frequency of the frequency f2 are formed by a constant duty ratio and a constant period. Consists of
[0053]
The molecules of the two-frequency driving liquid crystal to which the above-described electric field is applied have a force for aligning the major axis along the electric field (force when the frequency f1 is applied) and a force for aligning the major axis perpendicular to the electric field (frequency f2). Is applied periodically and alternately.
[0054]
At this time, if there is no other force to restrain the molecules of the two-frequency drive liquid crystal, the liquid crystal will rapidly change digitally (binary) in accordance with the switching between the frequency f1 and the frequency f2. Cannot perform the necessary continuous analog operation.
[0055]
However, the actual liquid crystal is affected by a force that inhibits the direction change of the liquid crystal molecules, such as the viscosity, the binding force of the liquid crystal as well as the viscosity, and is balanced with the force exerted by the driving signal described above, and is substantially uniform over a wide area. Thus, high-speed, high-speed analog and periodic alignment movement of the liquid crystal is enabled.
[0056]
However, when driving the varifocal lens with the above-described drive signal, it is important to periodically apply a drive signal having the frequency f1 and the frequency f2 for a certain period of time.
[0057]
For example, when a drive signal consisting of the frequency f1 and the frequency f2 is applied only once, a phenomenon such as loss of uniformity of the liquid crystal or an increase in scattering only appears. Only a poor effect is exhibited.
[0058]
When a sine wave or a rectangular wave is used as the drive voltage applied to the transparent electrodes 33 and 34 of the variable focus lens shown in FIG. 9, as shown in FIG. The liquid crystal is alternately made parallel or perpendicular to the electric field by alternately applying an electric field including, as main frequencies, a frequency f1 at which the dielectric anisotropy is positive and a frequency f2 at which the dielectric anisotropy is negative. You can do it. Since the liquid crystal has anisotropy of the refractive index with respect to the molecular axis, the refractive index can be changed periodically. Therefore, by performing such driving, the focal length of the varifocal lens can be changed periodically. For details of the driving method of the variable focus lens, refer to Japanese Patent Application No. 8-47654 filed earlier by the present applicant.
[0059]
As described above, since the refractive index of the varifocal lens according to
[0060]
As shown in FIG. 11, the varifocal lens of the third embodiment has an alignment film 310 (for example, polyimide, PVA, PVB, obliquely deposited SiO, etc.) on the transparent electrode 33 on the refractive index variable material 32 side. By applying an alignment treatment to the alignment film 310 by, for example, a rubbing method, the molecules of the dual-frequency driven liquid crystal (the refractive index variable substance 32) can be aligned in a certain direction. Accordingly, in the case of an electric field in which the refractive index variable substance 32 is parallel to the alignment film 310 (substantially perpendicular to the electric field), the refractive index variable substance 32 can be uniformly aligned in a wide area, The polarization state of the
[0061]
(Embodiment 4) FIG. 12 shows another embodiment of a variable focus lens of a head mounted display device according to the present invention (Embodiment 4).However, is not included in the claims.FIG. 12, reference numeral 41 denotes a fixed-focus lens, 42 denotes a polymer-dispersed liquid crystal, 43 and 44 denote transparent electrodes, 45 denotes a driving device, 46 denotes incident light, 47 and 48 output light, 49 denotes a polymer, and 410 denotes a polymer. It is a liquid crystal.
[0062]
In the fourth embodiment, as shown in FIG. 12, a polymer dispersed liquid crystal 42 is used as a variable refractive index substance. The polymer-dispersed liquid crystal 42 has, for example, a structure in which a large number of liquid crystals 410 having a small particle diameter are dispersed in a polymer 49.
[0063]
In the polymer-dispersed liquid crystal 42, for example, since the particle size of the liquid crystal 410 is small, the area of the interface between the polymer 49 and the liquid crystal 410 is larger than the volume, and the binding force of the liquid crystal 410 at this interface is large. Therefore, there is an advantage that the response speed is as fast as 1 ms or more.
[0064]
However, in the ordinary polymer-dispersed liquid crystal 42, for example, the particle size of the liquid crystal 410 is equal to or larger than the wavelength of visible light, scattering is large, and transmittance and resolution are reduced. Not applicable to the invention.
[0065]
Thus, the fourth embodiment is characterized in that, for example, the particle size of the liquid crystal 410 is sufficiently smaller than the wavelength of visible light, for example, 100 nm or less. Thereby, scattering can be sufficiently suppressed, and there is an advantage of having high transmittance and resolution, and the present invention can be applied to the present invention as a high-speed varifocal lens.
[0066]
In the fourth embodiment, as an example, the case where the liquid crystal 410 is dispersed as fine particles in the polymer 49 has been described, but the same effect can be obtained by dispersing the polymer 49 as fine particles in the liquid crystal. It is clear that
[0067]
(Embodiment 5)
FIG. 13 is a view showing a schematic configuration of an embodiment (Embodiment 5) of the deflection device of the head mounted display device according to the present invention. In FIG. 13, reference numeral 51 denotes a fixed prism, for example, a single prism made of glass or plastic or a multi-prism in which minute prisms are arranged. Reference numeral 52 denotes a variable refractive index substance, for example, a dual frequency driving liquid crystal, a polymer dispersed liquid crystal, or the like. 53 and 54 are transparent electrodes, 55 is a driving device, 56 is incident light, and 57 and 58 are outgoing light.
[0068]
As shown in FIG. 13, the deflecting device according to the fifth embodiment includes a fixed prism 51, a variable refractive index material 52, and a pair of transparent members sandwiching the fixed prism 51 and the variable refractive index material 52 at a fixed distance. It is composed of electrodes 53 and 54.
[0069]
First, a case where a dual-frequency drive liquid crystal is used as the refractive index variable substance 52 will be described. As in the device described in the third embodiment, the direction of the molecules of the refractive index variable substance 52 can be changed with respect to the direction of the electric field by changing the frequency of the electric field applied to the transparent electrodes 53 and 54, and the refractive index anisotropy is obtained. The refractive index felt by the incident light 56 can be changed by the frequency change of the applied electric field based on the characteristics. Therefore, the light deflection angle of the deflecting device of the fifth embodiment can be changed based on Snell's law of refraction.
[0070]
Further, since the refractive index of the deflecting device according to the fifth embodiment can be changed mainly by an electric field, similarly to the device described in the third embodiment, the changing speed of the light deflection angle of the deflecting device can be easily increased. Has advantages. Further, since the transparent electrode 53 can be arranged at a position sandwiching the fixed prism 51 and the variable refractive index material 52, the distance between the transparent electrodes 53 and 54 can be fixed, and a uniform electric field can be applied to the variable refractive index material 52. .
[0071]
Further, as in the device described in the third embodiment, the deflection device of the fifth embodiment has an alignment film 510 (for example, polyimide, polyimide, etc.) on the transparent electrode 53 on the refractive index variable substance 52 side, as shown in FIG. PVA, PVB, obliquely deposited SiO, or the like), and the alignment film 510 is subjected to an alignment process by, for example, a rubbing method, so that the molecules of the dual-frequency driven liquid crystal (variable refractive index material 52) are removed. The alignment film can be transferred in a certain direction, and a uniform alignment state can be realized in a wide area.
[0072]
Therefore, by making the polarization state of the
[0073]
Next, it is also effective to use a polymer-dispersed liquid crystal as the refractive index variable substance, as in the device described in the fourth embodiment. The use of the polymer-dispersed liquid crystal has an advantage that the response speed can be as high as 1 ms or more. Further, similarly to the device described in the fourth embodiment, for example, by setting the particle size of the liquid crystal sufficiently smaller than the wavelength of visible light, for example, 100 nm or less, scattering can be sufficiently suppressed, and high transmittance can be obtained. Therefore, the present invention can be applied to the present invention as a high-speed light deflection device.
[0074]
(Embodiment 6)
FIG. 15 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment (Embodiment 6) of the variable optical device of the head mounted display device according to the present invention. In FIG. 15, reference numeral 61 denotes a fixed optical element, which is provided with a fixed deflecting mechanism (for example, a single prism or a multi-prism in which micro prisms are arranged) on a fixed focus lens (for example, a single lens or a Fresnel lens made of glass or plastic). It is a combination. 62 is a variable refractive index material, 63 and 64 are transparent electrodes, 65 is a driving device, 66 is incident light, and 67 and 68 are outgoing light.
[0075]
As shown in FIG. 15, the variable optical device of the sixth embodiment sandwiches a fixed optical element 61, a variable
[0076]
For example, when a Fresnel lens is used as a fixed focus lens, the fixed optical element 61 has a structure in which the Fresnel angle of each Fresnel surface is inclined in one direction according to a desired light deflection angle range as shown in FIG. Can be realized. When a single lens is used as the fixed focus lens, the fixed optical element 61 can be realized by a structure in which the lens surface is inclined in one direction according to a desired light deflection angle range.
[0077]
First, a case where a two-frequency driving liquid crystal is used as the refractive index
[0078]
The variable optical device of the sixth embodiment can change the focal length and the deflection angle easily at a high speed because the refractive index can be changed mainly by an electric field, similarly to the devices shown in the third and fifth embodiments. It has the advantage that can be made. Further, since the transparent electrode 63 can be arranged at a position sandwiching the fixed optical element 61 and the variable
[0079]
As shown in FIG. 16, the variable optical device according to the present invention has an alignment film 610 (see FIG. 16) on the transparent electrode 63 on the refractive index
[0080]
Next, it is also effective to use a polymer-dispersed liquid crystal as the refractive index variable substance, similarly to the devices shown in the fourth and fifth embodiments. The use of the polymer-dispersed liquid crystal has an advantage that the response speed can be as high as 1 ms or more. Further, similarly to the devices shown in
[0081]
As described above, the invention made by the inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and can be variously modified without departing from the gist thereof. Of course.
[0082]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative inventions among the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0083]
A device including a two-dimensional display device and a variable focus lens is attached to each of the left and right eyes of a person, a display image of the two-dimensional display device is observed through the variable focus lens, and the focal length of the variable focus lens is changed. By changing the position of the virtual image of the display image of the display device in the depth direction, a three-dimensional image that does not cause inconsistency in binocular parallax, convergence, and eye focus, which are main physiological factors of the three-dimensional effect, can be formed at high speed. It has the advantage that it can be reproduced in an electrically rewritable form.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a first embodiment of a head mounted display device according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a plane including both eyes of the observer in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram for explaining an operation of the head mounted display device according to the first embodiment.
FIG. 4 is a diagram for explaining an operation of the head mounted display device according to the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between various factors involved in depth perception and depth sensitivity.
FIG. 6 is a diagram showing a correspondence relationship between congestion and adjustment and an allowable range.
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a head-mounted display device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a schematic configuration of a modified example of the head mounted display device according to the second embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment (Embodiment 3) of the variable focus lens of the head mounted display device according to the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining a method of driving the varifocal lens according to the third embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing a schematic configuration of a modified example of the variable focus lens according to the third embodiment.
FIG. 12 is a diagram showing a schematic configuration of another embodiment (Embodiment 4) of the variable focus lens of the head mounted display device according to the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment (Embodiment 5) of the deflection device of the head mounted display device according to the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a schematic configuration of a modification of the deflection device of the fifth embodiment.
FIG. 15 is a diagram showing a schematic configuration of an embodiment (Embodiment 6) of the variable optical device of the head mounted display device according to the present invention.
FIG. 16 is a diagram illustrating a schematic configuration of a modification of the variable optical device according to the sixth embodiment.
FIG. 17 is a diagram illustrating a schematic configuration of an example of a conventional stereoscopic display device.
[Explanation of symbols]
11R, 11L, 21R, 21L ... two-dimensional display device,
12R, 12L, 22R, 22L ... variable focus lens,
13R, 13L, 23R, 23L ... control device,
14R: Right eye device (head mounted display device), 14L: Left eye device, 15R: Right eye, 15L: Left eye,
16R, 16L, 25R, 25L ... display image,
17, 18 ... virtual image, 24R, 24L ... deflecting device,
31, 41 ... fixed focus lens,
32, 52, 62 ... variable refractive index substance,
33, 34, 43, 44, 53, 54, 63, 64 ... transparent electrodes,
35, 45, 55, 65 ... driving device,
36, 46, 56, 66 ... incident light,
37, 38, 47, 48, 57, 58, 67, 68 ... outgoing light,
42 is a polymer dispersed liquid crystal,
49 ... polymer, 410 ... liquid crystal,
51: fixed prism, 61: fixed optical element.
Claims (9)
前記可変焦点レンズは、固定焦点レンズ又は固定偏向機構を固定焦点レンズに組み込んだ固定光学素子と、屈折率可変物質とを有する層と、該層を挾持する少なくとも一対の透明電極とからなり、
前記屈折率可変物質は、分子の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶であり、かつ、異なる周波数ｆ１と周波数ｆ２において、液晶分子の向きによる誘電率の差の符号が異なる物性を有する二周波駆動液晶であり、
前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数ｆ１及び周波数ｆ２を各々有する電圧Ｖ１及びＶ２を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記２次元表示装置に２次元像を順次に表示させる手段を備えた
ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。A two-dimensional display device with a variable focal length lens, comprising a two-dimensional display device and a variable focal length lens having a variable focal length; and a control device for controlling the two-dimensional display device and the variable focal length lens. A head-mounted display device, wherein the two-dimensional display device with a variable focus lens is attached to an eye,
The variable focus lens includes a fixed optical element having a fixed focus lens or a fixed deflection mechanism incorporated in the fixed focus lens, a layer having a variable refractive index material, and at least a pair of transparent electrodes sandwiching the layer.
The refractive index variable substance is a liquid crystal having dielectric anisotropy and refractive index anisotropy depending on the direction of the molecule, and the sign of the difference in the dielectric constant depending on the direction of the liquid crystal molecule at different frequencies f1 and f2. It is a dual frequency drive liquid crystal having different physical properties,
The control device alternately outputs voltages V1 and V2 having a frequency f1 and a frequency f2, respectively, at a constant duty ratio and a constant cycle as a drive signal for driving the varifocal lens, and Is applied for a fixed time, thereby changing the focal length of the varifocal lens in an analog and periodic manner, and synchronizing with the change in the focal length of the varifocal lens, a two-dimensional image is displayed on the two-dimensional display device. A head-mounted display device comprising means for sequentially displaying images.
前記可変焦点レンズは、固定焦点レンズと屈折率可変物質とを有する層と、該層を挾持する少なくとも一対の透明電極とからなり、
前記屈折率可変物質は、分子の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶であり、かつ、異なる周波数ｆ１と周波数ｆ２において、液晶分子の向きによる誘電率の差の符号が異なる物性を有する二周波駆動液晶であり、
前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数ｆ１及び周波数ｆ２を各々有する電圧Ｖ１及びＶ２を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記２次元表示装置に２次元像を順次に表示させる手段を備え、
前記偏向手段は、前記２次元表示装置と眼の間に配置され、前記可変焦点レンズの焦点距離が長くなり前記２次元表示装置の表示像の虚像の奥行き位置が眼に近付く場合に、前記２次元表示装置の表示像全体を左右の眼の中心に近付く方向に偏向させる
ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。A two-dimensional display device with a variable focus lens, comprising a two-dimensional display device, a variable focus lens having a variable focal length, and a deflection means having a variable light deflection angle, and control for controlling the two-dimensional display device and the variable focus lens A head-mounted display device comprising a device, and each of the two-dimensional display device with a variable focus lens attached to the left and right eyes of a person,
The variable focus lens includes a layer having a fixed focus lens and a variable refractive index material, and at least one pair of transparent electrodes sandwiching the layer,
The refractive index variable substance is a liquid crystal having dielectric anisotropy and refractive index anisotropy depending on the direction of the molecule, and the sign of the difference in the dielectric constant depending on the direction of the liquid crystal molecule at different frequencies f1 and f2. It is a dual frequency drive liquid crystal having different physical properties,
The control device alternately outputs voltages V1 and V2 having a frequency f1 and a frequency f2, respectively, at a constant duty ratio and a constant cycle as a drive signal for driving the varifocal lens, and Is applied for a fixed time, thereby changing the focal length of the varifocal lens in an analog and periodic manner, and synchronizing with the change in the focal length of the varifocal lens, a two-dimensional image is displayed on the two-dimensional display device. There is a means for displaying sequentially,
The deflecting unit is disposed between the two-dimensional display device and the eye, and when the focal length of the varifocal lens increases and the depth position of the virtual image of the display image of the two-dimensional display device approaches the eye, A head-mounted display device, which deflects the entire display image of the three-dimensional display device in a direction approaching the centers of the left and right eyes.
前記固定焦点レンズは、球面もしくは非球面の単レンズあるいはフレネルレンズを有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。The head-mounted display device according to claim 2 ,
The fixed mount lens includes a spherical or aspherical single lens or a Fresnel lens.
前記偏向手段は、固定プリズムと第２の屈折率可変物質を有する層と、該層を挾持する少なくとも一対の第２の透明電極とからなることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。The head-mounted display device according to claim 2,
A head mounted display device, wherein the deflecting means comprises a layer having a fixed prism and a second variable refractive index material, and at least a pair of second transparent electrodes sandwiching the layer.
前記固定プリズムは、単体プリズムあるいは微小なプリズムを並べたマルチプリズムを有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。The head-mounted display device according to claim 4 ,
The head-mounted display device, wherein the fixed prism has a single prism or a multi-prism in which minute prisms are arranged.
前記第２の屈折率可変物質は、分子の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。The head-mounted display device according to claim 4 or 5 ,
The head-mounted display device, wherein the second variable refractive index material is a liquid crystal having a dielectric anisotropy and a refractive index anisotropy depending on a direction of a molecule.
前記第２の屈折率可変物質は、高分子分散型液晶であり、かつ、液晶の粒径あるいは高分子の粒径が、可視光の波長よりも小さいことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。The head-mounted display device according to claim 4 or 5 ,
The head mounted display device, wherein the second variable refractive index material is a polymer dispersed liquid crystal, and a particle diameter of the liquid crystal or a particle diameter of the polymer is smaller than a wavelength of visible light.
前記可変焦点レンズは、前記偏向手段と一体化されており、固定偏向機構を固定焦点レンズに組み込んだ固定光学素子と屈折率可変物質とを有する層と、該層を挾持する少なくとも一対の透明電極とからなり、
前記屈折率可変物質は、分子の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶であり、かつ、異なる周波数ｆ１と周波数ｆ２において、液晶分子の向きによる誘電率の差の符号が異なる物性を有する二周波駆動液晶であり、
前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数ｆ１及び周波数ｆ２を各々有する電圧Ｖ１及びＶ２を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記２次元表示装置に２次元像を順次に表示させる手段を備え、
前記偏向手段は、前記可変焦点レンズの焦点距離が長くなり前記２次元表示装置の表示像の虚像の奥行き位置が眼に近付く場合に、前記２次元表示装置の表示像全体を左右の眼の中心に近付く方向に偏向させる
ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。 A two-dimensional display device with a variable focus lens, comprising a two-dimensional display device, a variable focus lens having a variable focal length, and a deflection means having a variable light deflection angle, and control for controlling the two-dimensional display device and the variable focus lens A head-mounted display device comprising a device, and each of the two-dimensional display device with a variable focus lens attached to the left and right eyes of a person ,
The varifocal lens is integrated with the deflecting means, and includes a layer having a fixed optical element having a fixed deflecting mechanism incorporated in the fixed focus lens and a variable refractive index material, and at least one pair of transparent electrodes sandwiching the layer. Ri Do not from the,
The refractive index variable substance is a liquid crystal having dielectric anisotropy and refractive index anisotropy depending on the direction of the molecule, and the sign of the difference in the dielectric constant depending on the direction of the liquid crystal molecule at different frequencies f1 and f2. It is a dual frequency drive liquid crystal having different physical properties,
The control device alternately outputs voltages V1 and V2 having a frequency f1 and a frequency f2, respectively, at a constant duty ratio and a constant cycle as a drive signal for driving the varifocal lens, and Is applied for a fixed time, thereby changing the focal length of the varifocal lens in an analog and periodic manner, and synchronizing with the change in the focal length of the varifocal lens, a two-dimensional image is displayed on the two-dimensional display device. There is a means for displaying sequentially,
The deflecting unit may be configured such that when the focal length of the varifocal lens increases and the depth position of the virtual image of the display image of the two-dimensional display device approaches the eye, the entire display image of the two-dimensional display device is centered between the left and right eyes. A head-mounted display device, which deflects light in a direction approaching the display.
前記固定偏向機構を固定焦点レンズに組み込んだ固定光学素子は、球面あるいは非球面の単レンズもしくはフレネルレンズの表面と光学軸とのなす角度を増加もしくは減少させるものであることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。The head-mounted display device according to claim 8 ,
A fixed optical element in which the fixed deflection mechanism is incorporated in a fixed focal length lens increases or decreases an angle between a surface of a spherical or aspherical single lens or a Fresnel lens and an optical axis. Display device.
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