JP2006350138A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】観察者の頭部に搭載したときに、臨場感の高い画像を表示できる画像表示装置を提供する。
【解決手段】画像表示装置が、観察者の頭部に固定され、かつ投射される画像を観察者の上側視野領域及びこの上側視野領域より広い下側視野領域に対応して配置する画像配置手段を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置に関し、特に、観察者の頭部に搭載可能な画像表示装置に関する。

従来、観察者の頭部に搭載される画像表示装置として、画像表示手段と画像投射手段と結像レンズとを有する画像投影装置と、小型スクリーンとが一体化された画像表示装置の技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。これは、頭上に画像投影装置を配置して、前方に配置された曲面スクリーンに画像を投影するものである。
また、両目の前に小型の画像表示装置を配置して、そこで表示される画像を接眼レンズによって拡大し、その拡大された虚像を鑑賞する画像表示装置の技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−８１７８５号公報 特開平１０−２３９６３１号公報

しかしながら、従来の画像表示装置では必ずしも臨場感が十分であるとは限らなかった。
そこで、本発明は、観察者の頭部に搭載したときに、臨場感の高い画像を表示できる画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る画像表示装置は、画像を表示する画像表示手段と、前記表示された画像を投射する画像投射手段と、観察者の頭部に固定され、かつ前記投射される画像を前記観察者の上側視野領域及びこの上側視野領域より広い下側視野領域に対応して配置する画像配置手段と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、観察者の頭部に搭載したときに、臨場感の高い画像を表示できる画像表示装置を提供できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
画像表示装置によって臨場感の高い映像を表示するには、観察者の広い視野に映像を表示することが有効である。一般に、画像は水平方向が広いものが多い。このため、観察者に表示される画像は水平視野が広く、垂直視野は狭いものとなる。このような映像で臨場感の高い画像を観察者に提示するには、垂直視野が上下に対称に表示されるよりも、下側に広く画像が表示されたほうが高い臨場感が得られる。

図１は、本発明の第一の実施形態に係る画像表示装置１を横から見た状態を表す側面図である。図２は、本発明の第一の実施形態に係る画像表示装置１を図１のＡ１−Ａ２（観察者の目を通る水平面）に沿って水平に切断した状態を表す一部断面図である。
画像表示装置１は、画像投影装置１８（光源１１、表示素子１２、結像レンズ１３、集光レンズ１６、プリズム１７）と、スクリーン１４と、頭部固定手段１５と、映像データ蓄積部１９ａと、補正部１９ｂとから構成されている。

画像投影装置１８は、筐体内に光源１１、集光レンズ１６、プリズム１７、画像信号発生手段（図示せず）、及び電源（図示せず）などが配置されている。
画像投影装置１８は観察者の頭上に、頭部固定手段１５により配置される。結像レンズ１３のスクリーン側のレンズ面（以下、レンズ投影面とする）を通る水平面と観察者の眼との垂直距離をＨ（以下、垂直距離Ｈとする）は、できるだけ小さいことが好ましいからである。垂直距離Ｈが大きくなると、画像の歪が大きくなり、有効に使える画素領域が減少するので解像度が低下するからである。

光源１１は、表示素子１２によって形成した画像をスクリーン１４上に投射するもので、画像投射手段として機能する。通常、光源１１は、表示素子１２の後ろに配置される。
表示素子１２は、スクリーン１４に投影すべき画像を形成するもので、画像表示手段として機能する。例えば、液晶表示パネルのように、画像情報から実際の画像を形成する装置を備える。

結像レンズ１３は、光源１１によってスクリーン１４上に投射される画像を結像させるもので、画像配置手段として機能する。通常、結像レンズ１３は、一枚のレンズではなく複数のレンズからなるレンズ群であるが、この点は本実施形態に関し本質的ではないので、便宜上一枚のレンズとする。
ここで、結像レンズ１３のバックフォーカスｆ（結像レンズ１３の後方の焦点距離）が短いほうが、結像レンズ１３が小さくなり、軽量化し易くなる。結像レンズ１３が軽量化されると、結像レンズ１３と表示素子１２とを一体として画像投影装置１８本体から分離することが容易となる。

スクリーン１４は、投影すべき画像を表示するためのものである。
本実施の形態では、スクリーン１４の中心が観察者の眼の位置になるように配置されている。臨場感が得られるように広い視野に画像を表示するため、曲面、球面状、半球面状のスクリーンが使用される。本実施の形態では、半径２５ｃｍの半球形状のスクリーンが用いられている。スクリーン１４は、画像投影装置１８の前方に配置されている。

非平面のスクリーン１４は画像投影装置１８と一体になっている。非平面のスクリーン１４を用いているため、小型化を図ることができる。また、スクリーンと画像投影装置１８を一体化しているので、周囲の影響を受けずに（周囲に影響を与えずに）、投影することができ、かつスクリーン以外は視野に入らないため投影画像に没頭することができる。

頭部固定手段１５は、画像投影装置１８を、観察者の頭部に固定するもので、例えば、ヘルメットである。
集光レンズ１６は、光源１１からの光線をプリズム１７に効率良く収束させるものである。

プリズム１７は、結像レンズ１３の中心と表示素子１２の表示領域の中心を通る直線を、水平線に対して傾け、結像レンズ１３の光軸と光源１１の光軸とを一致させる。結像レンズ１３からの出射光を下方に向けることで、下側視野角を大きくし、臨場感の高い画像を表示させるためである。
仮にプリズム１７を用いず、画像投影装置１８全体を傾けると、装置の小型化が行い難くなる。
また、プリズム１７を用いることで、画像投影装置１８の重心と観察者の頭の中心とを一致させ、観察者が疲れにくくすることが容易となる。前記のように、解像度の低下を防止するためには結像レンズ１３と観察者の目との垂直距離Ｈを小さくすることが好ましい。このように、結像レンズ１３を配置しようとすると、画像投影装置１８の重心と観察者の頭の中心とを一致させにくくなり、長時間の使用が困難となる。プリズム１７を用いることで、結像レンズ１３を画像投影装置１８の本体と分離して配置することが容易となり、重心の位置の調節が容易となる。

映像データ蓄積部１９ａは、映像データを蓄積している記憶装置であって、例えば、ハードディスク、ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭなどを挙げることができる。
補正部１９ｂは、後述する歪補正がなされるもので、ＣＰＵとソフトウエアの組み合わせによって構成されている。歪補正は、スクリーンに生じる歪とは逆特性の歪をあらかじめ映像データに加えておき、スクリーン１４上に投影されたときに、歪が補正されるようにしたものである。歪補正がなされた映像データに基づいて、表示素子１２に画像が表示される。

映像データ蓄積部１９ａに記憶された映像データは、補正部１９ｂによって歪補正がなされる。歪補正がなされた映像データに基づいて、表示素子１２に画素の集合体による画像が表示される。光源１１によって、各画素から出て結像レンズ１３に入った光は、スクリーン１４上に実像を結び、スクリーン１４上に投影される。

画像表示装置１の画像の臨場感を高くするための条件について説明する。
まず、水平視野について説明する。水平視野角（観察者の両眼を通る水平断面において、スクリーン上に投影される画像の水平方向の両端部と観察者の眼を結ぶ２つの直線のなす角度）と誘導角について調べられている。誘導角とは、画像を傾けて提示したとき観察者が物理的な垂直・水平方向から自分の座標軸が傾いて感じる、その感じた傾き角度である。画面に提示された視覚刺激（画像の傾き）に対して、誘導される観察者の座標軸の傾き（誘導角）が大きければ大きいほど、観察者が臨場感を感じているということを示している。
結果によると、水平視野が広くなるに従って誘導角も大きくなる。水平視野角が１００°になると誘導角が飽和することが一般的に知られており、臨場感の高い映像を呈示するには水平視野角１００°以上あることが望ましい。

水平視野と臨場感に関して検討した結果、水平視野角１００°以上でも、さらに水平視野が広がるほど臨場感が高くなる結果を得た。水平視野角１５０°までは、水平視野が広がるほど臨場感が高くなる。水平視野角１５０°で観察者は水平視野のほぼ全領域に映像が呈示されたと感じる。従って、水平視野角は１００°以上、より好ましくは１５０°以上である。本実施の形態では水平視野角を１２０°とした。

必要な水平視野角を得るための結像レンズ１３の配置について説明する。図２に示すように、観察者の眼からスクリーン１４までの水平方向の距離をｒ_１とする。投影される画像についての観察者の水平視野角をαとする。結像レンズ１３の水平方向の投射画角をβとする。観察者の両眼を通る垂直面と、結像レンズ１３のスクリーン側のレンズ面（以下、レンズ投影面とする）との水平距離をIとする。

画像投影装置１８から非平面のスクリーン１４に投影される画像について、必要な水平視野角を確保するには、観察者の眼の位置と結像レンズ１３のレンズ投影面の位置とスクリーン１４の位置関係が重要である。
図２に示すように、観測者の水平視野角αのスクリーン１４上の点を点Ｕ１、Ｕ２とし、投射画角βの結像レンズ１３からスクリーン上に結像する画像の水平方向の端部を点Ｕ１、Ｕ２に一致させる。この場合の観察者の両眼を通る垂直面とレンズ投影面との距離をＡとする。点Ｕ１と点Ｕ２を通る水平な直線と、スクリーン１４の中心と観察者の眼を結ぶ直線との交点を点Ｖとし、観察者の眼から点Ｖまでの長さをＢ、点Ｖから点Ｕ１までの長さをＣとする。

観察者に水平視野角αの画像を呈示するためには、Ａ≦Ｉであればよい。Ａ＋Ｂ＝ｒ_１sin（α／２）／tan（β／２）、Ｂ＝ｒ_１cos（α／２）であるから、Ａ＝（Ａ＋Ｂ）−Ｂ＝ｒ_１sin（α／２）／tan（β／２）−ｒ_１cos（α／２）である。したがって、結像レンズ１３のレンズ投影面と観察者の両眼を通る垂直面との水平距離I（以下、単に水平距離Ｉとする）が式（１）の関係を満たせば、必要な水平視野角を得ることができる。

次に、垂直視野について説明する。前述のように、臨場感の高い画像を観察者に提示するには、垂直視野が上下に対称に表示されるよりも、下側に広く画像が表示されたほうが高い臨場感が得られる傾向にある。
観察者の眼とスクリーンの中心を通る垂直断面において、観察者の眼と投影された画像の下方端部を結ぶ直線と、水平の直線とがなす角度を下側視野角γとする。画面が球状のスクリーンの垂直視野について調べたところ、下側視野角γが４５°未満では視野が足りず、４５°以上で許容範囲となる。さらに６０°以上に画像を表示するとほぼ下側視野は十分であるという結果が得られた。また、下側視野角γ＝７５°以上で観測者は、下側の垂直視野のほぼ全領域に映像が表示されたと感じる。
上側の垂直視野に関しては、３０°が許容範囲、４５°以上でほぼ十分、さらに６０°以上で観測者は、上側の垂直視野のほぼ全領域に映像が表示されたと感じるという結果が得られた。

レンズ投影面を観察者の頭の後方にすれば、投射角度の小さい結像レンズでも必要な水平視野角αが得られるが、レンズ投影面を後ろにしすぎると、観察者の頭の影となってしまうことから、観察者の下側視野への画像の表示が困難となる。特に下側視野角６０°付近へ画像を表示すると、観察者の額の部分が影となってしまう。

下側視野角６０°以上の範囲に画像を表示できる水平距離Ｉの条件について説明する。図３は、本発明の第一の実施形態に係る画像表示装置１を横から見た状態を表す側面図である。観察者の下側視野角をγ＝６０°とする。レンズ投影面を通る水平面と観察者の眼との垂直距離をＨ、目から額までの垂直距離をｄ、観察者の目から下側視野角γ＝６０°方向のスクリーン１４までの距離をｒ_２とする。

レンズ投影面を点Ｆ、額を点Ｏ、下側視野角γ＝６０°方向のスクリーン１４上の点を点Ｄとする。点Ｆ、点Ｄに水平な２本の直線を引き、観察者の眼を通る垂直な直線との交点をそれぞれ点Ｇ、点Ｅとすると、２つの相似形のΔＯＤＥとΔＯＦＧが得られる。辺ＥＯ＝（ｒ_２sinγ＋ｄ）、辺ＤＥ＝ｒ_２cosγ、辺ＧＯ＝Ｈ−ｄ、辺ＦＧ＝Ｉであるため、三角形の比から、（ｒ_２sinγ＋ｄ）：（Ｈ−ｄ）＝ｒ_２cosγ：Ｉの関係が得られる。

sin６０°＝０．８６、cos６０°＝０．５であるから、下側視野角γ＝６０°以上の範囲に画像を表示するためには、水平距離Ｉが以下の式（２）の関係を満たす必要がある。

次に、見やすく、疲れにくい映像を表示するための条件について説明する。観察者の視線位置は、通常、下側視線角θ＝０°〜１５°の範囲である。ここで、下側視線角θは、観察者の眼とスクリーンの中心を通る垂直断面において、観察者の眼と下側視線方向のスクリーン上の点とを結ぶ直線と、水平の直線とがなす角度とする。

図４は、観察者の視線が下側視線角θ＝０°の場合における本発明の第一の実施形態に係る画像表示装置１を横から見た状態を表す側面図である。画像投影装置１８から投影される画像は、頭上から下側に向かって投影される。結像レンズ１３の中心と表示素子１２の表示領域の中心を通る直線ｍと、水平線とのなす角をδとする。レンズ投影面を点Ｍ、直線ｍと観察者の眼を通る垂直な直線との交点を点Ｊ、レンズ投影面を通る水平な直線と観察者の眼を通る垂直な直線との交点を点Ｎ、下側視線角θ＝０°方向のスクリーン１４上の点を点Ｋ，観察者の眼の位置を点Ｌとする。

ΔＪＫＬとΔＪＭＮは相似形である。ここで、観察者の眼とレンズ投影面を通る水平面との垂直距離Ｈ（以下、単に垂直距離Ｈとする）は、辺ＪＮの長さに対して十分大きいため（Ｈ≫ＪＮ）、辺ＬＪの長さは、垂直距離Ｈに近似できる（ＬＪ≒Ｈ）。したがって、観察者の下側視線角θ＝０°の場合には、式（３）の関係を満たす。
tan^−１（Ｈ／ｒ_１）＝δ ……式（３）

図５は、観察者の下側視線角θ＝１５°の場合における本発明の第一の実施形態に係る画像表示装置１を横から見た状態を表す側面図である。レンズ投影面を点Ｑ、直線ｍと観察者の眼を通る垂直な直線との交点を点Ｐ、レンズ投影面を通る水平な直線と観察者の眼を通る垂直な直線との交点を点Ｒ、下側視線角θ＝１５°方向のスクリーン１４上の点を点Ｓ，点Ｓを通る水平な直線と観察者の眼を通る垂直な直線との交点を点Ｔとする。

ΔＰＳＴとΔＰＱＲは相似形である。ここで、辺ＴＰの長さは、辺ＰＲの長さに対して十分大きいため（ＴＰ≫ＰＲ）、辺ＴＰの長さは、辺ＴＲの長さと近似できる（ＴＰ≒ＴＲ）。したがって、観察者の下側視線角θ＝１５°の場合には、式（４）の関係を満たす。
tan^−１｛（ｒ_１sin１５°＋Ｈ）／ｒ_１cos１５°｝＝δ ……式（４）

sin１５°＝０．２５、cos１５°＝０．９６である。式（３）、（４）から、δが式（５）の範囲内にあれば、画像中心領域が観察者の視線位置（θ＝０°〜１５°）に一致するため、見やすく、疲れにくい映像を呈示することができる。

眼からスクリーンまでの距離ｒ_１及びｒ_２は、頭部に搭載できる範囲で設定することができるが、略２０〜３０ｃｍが良い。ｒ_１、ｒ_２が近すぎると眼の調節安定位置よりも短くなり、眼への負担が大きくなる。また、ｒ_１、ｒ_２を長くすると装置が大きくなり、頭部に搭載するには負担がかかる。
ｒ_１及びｒ_２は必ずしも等しくなくてもよい。この場合、スクリーンは観察者の目を中心として、ｒ_１及びｒ_２を通る曲線とする。
目から額までの垂直距離ｄは眼と頭頂の距離の約１／２にあり、具体的には略６〜７ｃｍである。

本実施の形態では投射画角β＝１２０°の結像レンズを用いて、観察者の水平視野角α＝１２０°の映像を提示し、水平距離Ｉ＝０ｃｍ、垂直距離Ｈ＝１８ｃｍの位置にレンズ投影面を配置した。結像レンズ１３はδ＝約５５°傾け、画像の中心が目線位置に来るようにした。このようにして画像を表示したところ、水平視野角α＝１２０°の視野であって、観察者の額に邪魔されず、下側視野角がγ＝約６０°まで良好に画像が表示できることが確認できた。

なお、実際に画像を表示するに当たっては、スクリーン面の形状に合わせて画像の歪を補正して表示した。歪補正は、補正部１９ｂ（図１参照）によって、スクリーン１４に生じる歪とは逆特性の歪をあらかじめ映像データに加えておき、スクリーン１４上に投影されたときに、歪が補正されるようにするものである。
図６は、スクリーン面の形状に起因する画像の歪補正を表す図である。図６（ａ）は、歪補正なしの状態で非平面なスクリーン１４に対して斜め上から投影した場合の画像である。図６（ｂ）は、図６（ａ）とは、逆特性の歪である。映像データに図６（ｂ）の歪を加えておき、スクリーン１４上に投影すれば、歪の少ない投影画像（図６（ｃ））がスクリーン１４上に形成される。

以上により、歪のない自然な映像を観察者に表示でき、また、臨場感の高い映像を得ることができた。

（第２の実施形態）
第１の実施形態に係る画像表示装置１では、広角な結像レンズを用いることによって、必要な水平視野角及び下側視野角６０°を確保することができた。しかし、第１の実施形態の方法では、下側視野をさらに広げることは観察者の鼻が影になるので困難である。そこで、第２の実施形態では、さらに広い下側視野に画像を表示できる画像表示装置２について説明する。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る画像表示装置２を横から見た状態を表す側面図である。
第２の実施形態に係る画像表示装置２は、画像投影装置２８（光源２１、表示素子２２、結像レンズ２３、集光レンズ２７等を有する）と、反射部２４と、スクリーン２５と、頭部固定手段２６と、映像データ蓄積部２９ａと、補正部２９ｂとから構成されている。
画像投影装置２８は頭部固定手段２６により、観察者の頭上に配置される。
反射部２４は、結像レンズ２３から出射された出射光の一部を反射させ、下側視野を確保するためもので、例えば、反射鏡である。反射部２４を有することから、結像レンズ２３からの出射光を略水平方向としている。結像レンズ２３からの出射光を下側に傾ける必要が無くなったことから、本実施形態ではプリズムを用いず、また表示素子２２及び結像レンズ２３を画像投影装置２８の筐体と一体としている。

画像投影装置２８から投射された画像は、非平面のスクリーン２５に表示される。このとき、表示素子２２での画像の上部領域は、反射部２４により反射されて観察者の下側視野領域に表示される。反射部２４は観察者の上側視野角６０°以上の領域に取り付けられると、観察者の視野に入らず、観察者は気にならない。

図８は、第２の実施形態において、元画像（Ａ）と、表示素子２２に形成される画像（Ｂ）と、スクリーン２３上に投影される画像（Ｃ）との関係を表す図である。図８に示すように、元画像（Ａ）の下部の領域の画像を、表示素子２２に形成される画像（Ｂ）の上部の領域に上下反転して配置している。この元画像（Ａ）の下部の画像領域に対応している画像（Ｂ）の上部の画像領域を折り返し部分４１とする。実際にスクリーン２５上に投影すると、折り返し部分４１の画像はミラー反転のために上下の反転した鏡像として投影されるため、折り返し部分４１の上下をあらかじめ反転させている。また、元画像（Ａ）の上部の領域の画像がそのまま形成されている画像（Ｂ）の下部の画像領域を、非折り返し部分４２とする。
なお、説明を理解しやすくするために、図７の画像（Ｂ）は、歪補正を考慮しない状態を表している。

折り返し部分４１と非折り返し部分４２との間に、非表示状態とした非表示部４３を設けた。折り返し部分４１と非折り返し部分４２との間が連続していると、反射部２４に反射させる領域の調整が困難であるため、折り返し部分４１と非折り返し部分４２との間に非表示部４３を挿入し、この調整を容易にした。非表示部分４３は、例えば、画像領域全体（折り返し部分４１と非折り返し部分４２の総和）の５％程度とした。

本実施形態に係る画像表示装置２では、反射部２４によって画像投影装置２８から投射された光の一部が反射されることから、スクリーン２５上に画像（Ｃ）を投影するには、表示素子２２上での画像は画像（Ｂ）のようにする必要がある。そのため、非折り返し部分４２では走査線を上から下に順番に走査させ、折り返し部分４１では走査線を下から上に順番に走査させた。以下に、その詳細を述べる。

図９は、表示素子２２の構成の詳細を表すブロック図である。表示素子２２は、制御回路２２１とＸドライバ２２２とＹドライバ２２３と液晶表示パネル２２６とから構成されている。

メモリ２２０は、補正部２９ｂから出力されたデータを一時的に記憶するものである。
制御回路２２１は、メモリ２２０から画像データを読み取って、読み取った画像データを基に、Ｘドライバ２２２及びＹドライバ２２３を制御する回路である。制御回路２２１からＹドライバ２２３に供給される制御信号には、画信号のサンプリングの開始を指示する信号である走査開始信号Ｓ_０が含まれる。

液晶表示パネル２２６は、表示素子２２の画像の表示部である。液晶表示パネルの左右方向に沿って、複数の走査線（走査線の番号Ｎ＝１〜ｍ、ｍは画像表示装置の走査ライン数とする）が平行に配置されている。ここで、非折り返し部分４２の走査線の番号は、Ｎ＝１からＮ＝Ｌであり、折り返し部分４１の走査線の番号は、Ｎ＝Ｌ＋１からＮ＝Ｌ＋ｎであり、非表示部４３の走査線の番号はＮ＝Ｌ＋ｎ＋1からＮ＝ｍであるとする。
走査線が形成されている方向と直交する方向（縦方向）に沿って、信号線（図示せず）が平行に配置されている。複数の走査線（走査線の番号Ｎ＝１〜ｍ）と、複数の信号線との交点には、複数の画素がマトリクス状に配置されている。

Ｘドライバ２２２は、各信号線に表示用データ信号を供給して、これらを駆動するものである。
Ｙドライバ２２３は、各走査線（走査線の番号Ｎ＝１〜Ｌ及びＮ＝Ｌ＋１〜Ｌ＋ｎ）のそれぞれに走査信号を供給して、これらを順次駆動するものである。Ｙドライバ２２３は、非折り返し部４２の走査線（走査線の番号Ｎ＝１〜Ｌ）を走査するＹ１ドライバ２２４と、折り返し部４１の走査線（走査線の番号Ｎ＝Ｌ＋１〜Ｌ＋ｎ）を走査するＹ２ドライバ２２５に区分して考えることができる。

まず、Ｙ１ドライバ２２４が、非折り返し部４２の走査線をＮ＝1から順にＮ＝Ｌまで走査順序を上から下へ順番に走査する。その後引き続き、Ｙ２ドライバ２２５が、折り返し部４１の走査線をＮ＝Ｌ＋１、Ｎ＝Ｌ＋２、Ｎ＝Ｌ＋３と順にＮ＝Ｌ＋ｎまで走査順序を下から上へ順番に走査する。
非表示部分４３は、液晶表示パネル２２６に電圧無印加で黒を表示するノーマリーブラック液晶ディスプレイを用い、走査線の番号Ｎ＝Ｌ＋ｎ＋1からＮ＝ｍの走査線に信号を与えずに暗状態にすることで作成できる。
このようにして画像を表示すると、画像データは、折り返し部分４１と非折り返し部分４２に非表示部４３を挿入した画像となる。

図１０は、Ｙドライバ２２３の詳細を表すブロック図である。Ｙ１ドライバ２２４は、例えば、要素ドライバ７１〜７６を有する。Ｙ２ドライバ２２５は、例えば、要素ドライバ７７、７８を有する．各要素ドライバ７１〜７８は、走査開始信号Ｓ_０を端子Ｉへ与えられた場合、Ｋ本の走査線を順次走査する。そしてＫ本の走査を終了した場合、次段へ与える走査開始信号Ｓ_０を生成して端子Ｏから出力する。この走査開始信号Ｓ_０が次段の要素ドライバの端子Ｉへ入力され、走査が開始される。このようにして、Ｙ１ドライバ３３１は、Ｌ＝６Ｋ本の走査線を走査し、Ｙ２ドライバ３３２は、ｎ＝２Ｋ本の走査線を走査する。

スクリーン２５上に、折り返し部分４４と非折り返し部分４５が連続して表示されるように（図８（Ｃ）参照）、表示素子２２に表示される折り返し部分４１の画像を補正した。以下にその詳細を述べる。

表示素子２２の画像の折り返し部分４１は、反射部２４によって反射されてからスクリーン２５上に投影されるのに対し、非折り返し部分４２はスクリーン２５上に直接投影される。そのため、表示素子２２の画像の折り返し部分４１は、非折り返し部分４２よりもスクリーン２５に投影されるまでの光路が長い。この光路の長さの違いによって、折り返し部分４１がスクリーン２５に投影されたときの拡大率Ｒ１は、非折り返し部分４２がスクリーン２５に投影されたときの拡大率Ｒ２よりも大きい。この拡大率Ｒ１と拡大率Ｒ２の違いにより、スクリーン２５上の画像が不連続にならないように画像補正をおこなった。

図１１は、表示素子２２の折り返し部分４１の画像の拡大率Ｒ１と、非折り返し部分４２の画像の拡大率Ｒ２の相違に起因するスクリーン２５上の画像の不連続を補正する様子を示す図である。
画像（Ａ）は、元画像である。画像（Ｂ）は、表示素子２２上の画像である。画像（Ｃ）は、スクリーン２５上に投影された画像である。画像（Ｂ）の折り返し部分４１がＲ２／Ｒ１に縮小するようにあらかじめ映像データを補正しておけば、表示素子２２の画像は、画像（Ｂ）のように表示される。この画像（Ｂ）をスクリーン２５上に投影すれば、光路の長さの相違による拡大率の相違の問題は解消され、連続した画像（Ｃ）を表示することができる。
なお、説明を理解しやすくするために、図１１の表示素子２２の画像（Ｂ）は、非平面のスクリーン２５の形状に合わせるための歪補正を考慮しない状態を表している。

以上のように、第１の実施形態に係る画像表示装置１では、観察者の鼻が影になり表示されなかった下方視野領域にも良好な画像を表示することができ（図１１（Ｃ））、臨場感の高い画像が得られた。
折り返しの画像は、観察者の下側視野角４０°以上の領域に表示されると、不連続性が目立たなかった。そのため、折り返し部分４４はスクリーン２５に投影された画像の略２５％以下にすることが必要である。

本実施形態は、その他の点では、第１の実施形態と本質的に相違するところがないので説明を省略する。

（第３の実施形態）
第３の実施形態では、表示素子３２によって形成された画像を虚像として観察できるように、観察者の眼に集光する接眼光学系３３を用いたヘッドマウントディスプレイへの適用例について説明する。なお、第２の実施形態と本質的に相違しない点については、説明を省略する。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る画像表示装置３の一例を表す斜視図である。画像表示装置３は、例えば眼鏡のようにかけて、頭部に固定して使用する。

図１３は、図１２の破線の円Ｕで囲まれた領域について、画像表示装置３の内部構造を表す図である。図１３には、画像表示装置３の片眼のみの内部構造が示されているが、他方の片眼にも同様なものが設けられている。
本発明の第３の実施形態に係る画像表示装置３は、平面光源３１、表示素子３２、接眼光学系３３、頭部固定フレーム３９、映像データ蓄積部３０ａ、および補正部３０ｂから構成される。

平面光源３１は、表示素子３２に平行な光線を入射させるものであり、画像投影手段として機能する。一例として、ＬＥＤアレイ３１ａと、ＬＥＤアレイ３１ａに対応するレンチキュラーレンズ３１ｂとから構成されたものを示している。
ＬＥＤアレイ３１ａは、複数のＬＥＤが縦横平面状に配列されたものである。レンチキュラーレンズ３１ｂは、この複数のＬＥＤそれぞれと対応する複数のレンズ部を有する。それぞれのＬＥＤから発せられた光がレンズ部によって平行光に変換される。ＬＥＤを複数としているのは、ＬＥＤアレイ３１ａとレンチキュラーレンズ３１ｂ間の距離を小さくして平面光源３１を薄くするためである。これにより、画像表示装置３を眼鏡形状にすることが容易になる。

なお、平面光源３１としては、このようなＬＥＤアレイ３１ａとレンチキュラーレンズ３１ｂの組み合わせ以外であっても、平行光線を出射可能であればどのような構成であっても差し支えない。図１４は、平面光源３１の他の構成例を示す図であり、白色光源８１とパラボラ反射鏡８２とテーパー状導光体８３とから構成されている。パラボラ反射鏡８２は、白色光源８１からの光を平行光にして反射する、断面が放物線形状の反射鏡である。テーパー状導光体８３は、ガラス等の透明体からなり、斜面に断面鋸歯状の全反射フレネル面８４が設けられている。白色光源８１からの光は、パラボラ反射鏡８２により平行光にされ、テーパー状導光体８３の側面を透過し、全反射フレネル面８４で反射され、テーパー状導光体８３のもう一つの側面から角度ωで出射されて、平行光を得ることができる。

接眼光学系３３は、プリズム面３６と反射面３４、３５、３７とから構成される。
プリズム面３６は、表示素子３２から出射された光を全反射する。
反射面３４、３７は、プリズム面３６で反射された光をさらに反射、集光するものであり、光学素子として機能する、例えば、曲面反射鏡である。この結果、反射面３４、３７で反射された光は虚像を形成する。
反射面３５は、反射面３４で反射された光をさらに反射するものであり、反射部として機能する、例えば、反射鏡である。この結果、反射面３５で反射された光は観察者の下側視野領域に虚像を形成する。
以上のように、反射面３４、３７、３５は、像（虚像）を観察者の上側視野領域および下側視野領域に配置する画像配置手段として機能する。

頭部固定フレーム３９は、一例として眼鏡のように耳に引っ掛けるものであり、頭部固定手段として機能する。

表示素子３２を介して出射された光は、接眼光学系３３を介して観察者の眼に結像される。表示素子３２を介して出射された光は、接眼光学系３３のプリズム面３６で全反射され、反射面３７で反射されて、観察者の眼４０に導かれる。表示素子３２上の画像のうち、非折り返し部分の光はこの反射面３７で反射され、観察者の眼４０へと導かれる。一方、表示素子３２上の画像のうち、折り返し部分の光は、まず、プリズム面３６で全反射され、その後、反射面３４で反射されて、さらに反射面３５で反射されて観察者の眼に導かれ、観察者の下側視野に画像が表示される。観察者の下側視野４５°〜６０°の範囲に画像が表示されるように、反射面３４、３５の位置を調整した。

表示素子３２上の画像は、第２の実施形態と同様にして作成した。このようにして、接眼光学系３３を用いた画像表示装置３についても、観察者の下側視野角６０°付近に画像を表示でき、臨場感の高い画像が得られた。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張、変更可能であり、拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の第一の実施形態に係る画像表示装置を横から見た状態を表す側面図である。 本発明の第一の実施形態に係る画像表示装置を図１のＡ１−Ａ２に沿って水平に切断した状態を表す一部断面図である。 本発明の第一の実施形態に係る画像表示装置を横から見た状態を表す側面図である。 観察者の視線が下側視線角θ＝０°の場合における本発明の第一の実施形態に係る画像表示装置を横から見た状態を表す側面図である。 観察者の視線が下側視線角θ＝１５°の場合における本発明の第一の実施形態に係る画像表示装置１を横から見た状態を表す側面図である。 本発明のスクリーン面の形状に起因する画像の歪補正を表す図である。 本発明の第二の実施形態に係る画像表示装置を横から見た状態を表す側面図である。 第二の実施形態において、元画像（Ａ）と、表示素子での画像（Ｂ）と、スクリーン上に投影される画像（Ｃ）との関係を表す図である。 本発明の第二の実施形態に係る画像表示装置の表示素子の構成の詳細を表すブロック図である。 本発明の第二の実施形態に係る画像表示装置の表示素子のＹドライバの詳細を表すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る表示素子の折り返し部分の画像の拡大率Ｒ１と、非折り返し部分の画像の拡大率Ｒ２の相違に起因するスクリーン上の画像の不連続を補正する様子を示す図である。 本発明の第三の実施形態に係る画像表示装置の一例を表す斜視図である。 本発明の第三の実施形態に係る画像表示装置の内部構造の一例を表す図である。 本発明の第三の実施形態に係る画像表示装置の平面光源の他の構成例を示す図である。

符号の説明

１，２，３…画像表示装置、１１，２１…光源、１２，２２，３２…表示素子、１３，２３…結像レンズ、１４，２５…スクリーン、１５，２６…ヘルメット、１６，２７…集光レンズ、１７…プリズム、１８，２８…画像投影装置、１９ａ，２９ａ，３０ａ…映像データ蓄積部、１９ｂ，２９ｂ，３０ｂ…補正部、２４…反射部、２２０…メモリ、２２１…制御回路、２２２…Ｘドライバ、２２３…Ｙドライバ、２２４…Ｙ１ドライバ、２２５…Ｙ２ドライバ、２２６…液晶表示パネル、３１…平面光源、３１ａ…ＬＥＤアレイ、３１ｂ…レンチキュラーレンズ、３３…接眼光学系、３４，３５，３７…反射面、３６…プリズム面、３９…頭部固定フレーム、４０…観察者の眼、４１，４４…折り返し部分、４２，４５…非折り返し部分、４３…非表示部、７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８…要素ドライバ、８１…白色光源、８２…パラボラ反射鏡、８３…テーパー状導光体、８４…全反射フレネル面。

Claims (9)

1. 画像を表示する画像表示手段と、
   前記表示された画像を投射する画像投射手段と、
   観察者の頭部に固定され、かつ前記投射される画像を前記観察者の上側視野領域及びこの上側視野領域より広い下側視野領域に対応して配置する画像配置手段と、
   を具備することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記下側視野領域の下側視野角が、６０°以上である
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記画像配置手段が、前記投射される画像を結像する結像レンズと、前記画像が結像される非平面のスクリーンと、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記結像レンズと前記観察者の眼との水平距離Iが、次の式を満たすことを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
   

   

   ｒ_１：観察者の眼とスクリーンの水平距離
   α：投射される画像の水平方向視野角
   β：画像配置手段の水平方向投射画角
   Ｈ：観察者の眼と結像レンズの垂直距離
   ｄ：観察者の眼と額の垂直距離
   ｒ_２：観察者の眼とスクリーンの下側視野角６０°方向での距離
5. 前記画像表示手段の表示領域と前記結像レンズとを結ぶ直線が水平な直線となす角δが、次式の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
   

   
6. 前記画像配置手段が、前記結像レンズからの出射光の一部を前記下側視野領域に対応するように反射する反射部をさらに有する
   ことを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
7. 前記画像配置手段が、前記投射される画像を前記観察者の眼に集光する光学素子と、前記光学素子からの出射光の一部を前記下側視野領域に対応するように反射する反射部とを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
8. 前記画像表示手段の表示領域が、前記反射部に対応し、かつ第１の順序で走査される第１の領域と、前記反射部に対応せず、前記第１の順序と逆の順序で走査される第２の領域と、を有する
   ことを特徴とする請求項６又は７に記載の画像表示装置。
9. 前記画像表示手段の表示領域が、前記第１、第２の領域の間に配置され、画像を表示しない第３の領域をさらに有する
   ことを特徴とする請求項８に記載の画像表示装置。

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