JP2004094005A - 広視野角ヘッドマウントディスプレイ装置 - Google Patents
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Abstract
【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
Description
【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
Claims (8)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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