JP2008176096A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実像と重ね合わせて表示する虚像をクリアに視認可能とする。
【解決手段】観察者が遠くを見るときのようにその眼の焦点が遠点となっている場合には、観察者の頭部の姿勢は水平に保たれている場合が多く、観察者の眼の焦点が近点近傍となっている場合には、観察者は、一般には下を向いている場合が多い。そこで、観察者の頭部の姿勢を検知し、その姿勢がほぼ水平であることが検知された場合には、虚像の見かけ上の位置を、例えば無限遠に設定し、頭部が傾いていることが検知された場合には、虚像の見かけ上の位置と観察者の距離を短くするように設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、外部から取り入れた外光を、観察者の網膜に至るように入射させつつ、画像情報に基づいた画像光を網膜に投射することにより、外光による実像と画像光による虚像とを同時に観察者に視認させる画像表示装置に関する。

従来より、画像情報に基づいた画像光による虚像を、外部から取り入れた外光による実像と重ねて、観察者に視認させる画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このような画像表示装置は、観察者に対して様々な利便性を供与する。例えば、この画像表示装置を用いれば、虚像としての地図の画像を見ながら、実像としての外景を見て歩くこともできるようになる。
特開２００４−１９１９６２号公報

この種の画像表示装置を用いて、画像光によるクリアな虚像を、外光による実像とともに観察者が視認するためには、実像が網膜上に結像している状態で、虚像も網膜上に正確に結像している必要がある。このため、画像表示装置では、実像と虚像を重ね合わせたときの虚像のボケを防止すべく、虚像の結像状態の調整（すなわち、網膜から虚像の呈示位置までの距離の調整）を手動で行えるようにしているものもある。

しかしながら、観察者は、遠くを見る場合と近くを見る場合とでは、自らの眼において、無意識のうちに毛様体筋を収縮させて水晶体の曲率及び厚さを変えており、いずれか一方の状態で虚像がはっきり見えるようにその呈示位置を調整したとしても、他方の状態では水晶体が変化してその呈示位置では虚像がぼけて見えてしまうという不都合があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、虚像を、実像とともに、よりクリアに視認することができる画像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の画像表示装置は、画像情報に基づいた画像光を形成する画像形成部と、所定の呈示位置に、前記画像光による虚像が視認されるように構成され、前記虚像を外部から取り入れた外光による実像と重ねて前記観察者の網膜上に投射可能なシースルー光学系と、を備える画像表示装置であって、前記観察者の頭部の姿勢を検知する姿勢検知部と、前記姿勢検知部によって検知された姿勢情報に応じて、前記虚像の呈示位置までの距離を変更する虚像位置設定部と、を備えることを特徴とする画像表示装置である。

また、請求項２に記載の画像表示装置によれば、前記姿勢検知部は、前記観察者の視線方向を含む鉛直断面内における前記頭部の水平面からの傾斜角度を検知し、前記虚像位置設定部は、前記検知された前記頭部の傾斜角度に応じて、前記虚像の呈示位置までの距離を変更することを特徴とする。

また、請求項３に記載の画像表示装置によれば、前記虚像位置設定部は、前記虚像の呈示位置を、調整可能な調整部を備えることを特徴とする。

また、請求項４に記載の画像表示装置によれば、前記調整部は、前記虚像の呈示位置を、段階的に調整可能であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の画像表示装置によれば、前記姿勢検知部によって検知された姿勢情報に応じた前記虚像の呈示位置の変更を解除する解除手段をさらに備えることを特徴とする。

また、請求項６に記載の画像表示装置によれば、前記画像形成部は、前記画像情報に応じた光を２次元方向に走査することにより前記画像光を形成し、前記虚像位置設定部は、前記導光部の走査により形成される前記画像光の波面の曲率を変調することにより、前記虚像の呈示位置を変更することを特徴とする。

また、請求項７に記載の画像表示装置によれば、前記虚像位置設定部は、前記観察者の左眼で視認される前記虚像と、前記観察者の右眼で視認される前記虚像との両眼視差量を変更することにより、前記虚像の呈示位置を変更することを特徴とする。

請求項１に記載の画像表示装置によれば、姿勢検知部が、観察者の頭部の姿勢情報を検知する。ここで、観察者の頭部の姿勢が変化すれば、観察者の視線の方向も変化し、その視線方向が変化すれば、観察者の眼の焦点位置も変化するのが一般的である。そこで、虚像位置設定部は、姿勢検知部で検知された観察者の頭部の姿勢情報に応じて、虚像の呈示位置までの距離を変更する。このようにすれば、観察者が、遠くを見た場合と、近くを見た場合とで、虚像の呈示位置が変更されるようになる。この結果、観察者が、遠くを見た場合でも、近くを見た場合でも、その網膜上に虚像を良好に結像させることができるようになる。

また、請求項２に記載の画像表示装置によれば、観察者の視線方向を含む鉛直断面内における頭部の水平面からの傾斜角度を検知するので、観察者の頭部の上下方向の姿勢の変化に伴う視線方向の変化に応じて、虚像の呈示位置までの距離を変更することができるようになる。

また、請求項３に記載の画像表示装置によれば、虚像位置設定部により、観察者から虚像の呈示位置までの距離を調整できるようにしたので、観察者の眼の焦点距離の変化により適正に合わせられるようになる。

また、請求項４に記載の画像表示装置によれば、観察者から虚像の呈示位置までの距離を段階的に調整できるようにしたので、観察者の眼の焦点距離の変化に簡易な構成で合わせられるようになる。

また、請求項５に記載の画像表示装置によれば、観察者の頭部の姿勢情報に応じた虚像の呈示位置の変更を解除できるので、観察者の頭部の姿勢と虚像の呈示位置との関係が適正でない場合や、頭部の姿勢が安定しない場合などのかえって虚像を見にくくなる状態を容易に解除できる。

また、請求項６に記載の画像表示装置によれば、画像情報に応じた光が観察者の網膜上で２次元走査され、その走査により形成される画像光の波面曲率を変調する。これにより、観察者から虚像の呈示位置までの距離の変更を、ビーム径に相当する大きさの波面曲率手段で実現できるため、波面曲率手段などを小型化でき、結果として、装置全体の小型化を実現することができる。

また、請求項７に記載の画像表示装置によれば、左眼で視認される虚像と右眼で視認される虚像との両眼視差量を変更する。これにより、観察者から虚像の呈示位置までの距離の変更を、画像の変更のみで行えるので、レンズなどを複雑な構成としなくてよく、装置の小型化、低コスト化を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

図１には、本発明の一実施形態に係る画像表示装置の斜視図が示されている。本実施形態に係る画像表示装置は、いわゆるシースルー型のディスプレイである。図１に示されるように、この画像表示装置１００は、頭部装着部（以下、「ヘッドマウント」と称する）１１と、コントローラ１３とを備えている。ヘッドマウント１１は、観察者の頭部に装着されて使用され、コントローラ１３は、観察者の他の部分、例えば、腰に装着されて使用される。

ヘッドマウント１１とコントローラ１３とは、ケーブルＬを介して接続されている。ケーブルＬには、光ファイバ、電力供給ライン、通信線等（図３参照）が組み込まれており、これらを介して、ヘッドマウント１１とコントローラ１３との間の光の転送、データ通信などが行われている。

図１に示されるように、ヘッドマウント１１は、観察者に装着される眼鏡形状のマウント本体１１ａと、射出する画像光を走査する光走査部１１ｂと、観察者の頭部の姿勢（すなわち、頭の向き）に関する情報を検知する、姿勢検知部としての姿勢情報検知センサ１１ｃとを備えている。

マウント本体１１ａには、シースルー光学系としてのレンズ等の光学系が、眼鏡と同様に、左右の眼に対してそれぞれ１つずつ設けられている。図２には、この画像表示装置が、観察者に装着された状態での上面図が示されている。図２に示されるように、観察者がその頭部Ｈにヘッドマウント１１を眼鏡と同様にして装着された状態で、マウント本体１１ａの左右の眼各々に対応して設けられた光学系はプリズム９５を備えている。これにより、この光学系では、外界からの光Ｚ２がそのまま透過して、観察者の両眼１０の瞳孔Ｅ及び最終的に網膜Ｆに導かれるようになっており、光走査部１１ｂから射出された光（画像光）Ｚ１が、プリズム９５の全反射によって観察者の両眼の網膜Ｆに導かれるようになっている。この結果、観察者は、ヘッドマウント１１を装着した状態で外光による実像を視認しつつ、画像光による虚像を視認することができるようになっている。

画像形成部の一部を構成する光走査部１１ｂも、観察者の左右の眼に対応してそれぞれ１つずつ設けられている。光走査部１１ｂは、コントローラ１３からケーブルＬを介して送られた画像光が、観察者の左右の眼の網膜上で走査されるように、その画像光を垂直方向及び水平方向に走査する。

姿勢情報検知センサ１１ｃは、観察者の頭部Ｈの姿勢を検知するセンサである。このようなセンサとしては、例えば、角度センサ、ジャイロセンサ、磁気方位センサなどを採用することが可能である。なお、これらのセンサについては、例えば、特開２００３−２５５２４４号公報又は特許第３００８０７４号公報等に開示されているので、詳細な説明を省略する。この姿勢情報検知センサ１１ｃによって検知された頭の姿勢情報は、後述するように、画像光により形成される虚像の見かけ上の位置（すなわち虚像の呈示位置）と観察者との距離を決定するための情報として用いられる。

一方、画像形成部の一部及び虚像位置設定部を構成するコントローラ１３は、画像情報に基づいた画像光を生成して、ケーブルＬを介してヘッドマウント１１に送るほか、画像表示装置１００全体を統括制御する。

図３には、本実施形態に係る画像表示装置１００の内部構成が概略的に示されている。上述したように、この画像表示装置１００は、ヘッドマウント１１とコントローラ１３とを備えているが、そのうち、コントローラ１３は、図３に示されるように、外部から供給される映像信号Ｓに応じて強度変調された光束を生成する光束生成部２０と、画像表示装置１００全体を制御する制御部５０と、観察者の操作入力を受け付けるマンマシンインターフェイスである入力部５５と、姿勢情報検知センサ１１ｃから送られる姿勢情報を検出するセンサ検出回路１５０とを備えている。実際には、図２にも示されるように、この光束生成部２０と光走査部１１ｂとは、観察者の左右の眼１０にそれぞれ対応して設けられている。

［光束生成部］
図３に示されるように、光束生成部２０は、映像信号駆動回路２１と、光源部３０と、光合成部４０とを備えている。

映像信号駆動回路２１には、制御部５０から供給される映像信号Ｓが入力されている。映像信号駆動回路２１は、入力された映像信号Ｓより水平同期信号や垂直同期信号等の同期信号を抽出して出力するとともに、該映像信号Ｓを例えば８ビットのディジタル信号にＡ／Ｄ変換する。そして、映像信号駆動回路２１は、制御部５０の制御の下、Ａ／Ｄ変換されたディジタル信号に対し、フレームメモリ（不図示）への読み書きを行うなどして、種々のデータ変換を行った後、さらに１０ビットＤ／Ａ変換を行って、出射タイミングや出射レベル（輝度）を制御された青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤（Ｒ）の各映像信号２２ａ〜２２ｃに変換して出力する。

また、映像信号駆動回路２１は、ヘッドマウント１１の光走査部１１ｂで使用される垂直同期信号２３、水平同期信号２４及び奥行き信号２５を出力する。

光源部３０は、青色の光束を発生させるＢレーザ３４およびＢレーザ３４を駆動するＢレーザ駆動回路３１と、緑色の光束を発生させるＧレーザ３５およびＧレーザ３５を駆動するＧレーザ駆動回路３２と、赤色の光束を発生させるＲレーザ３６およびＲレーザ３６を駆動するＲレーザ駆動回路３３とを備えている。各レーザ３４，３５，３６は、例えば、半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成することが可能である。光源部３０は、映像信号駆動回路２１から入力される３つの映像信号（Ｂ，Ｇ，Ｒ）２２ａ〜２２ｃに対応する光束を生成して出力する。

光合成部４０は、これらの３つの光束を１つの光束に結合して任意の光束を生成する。さらに詳細には、光合成部４０は、光源部３０から入射されるレーザ光を平行光にコリメートするように設けられたコリメート光学系４１，４２，４３と、このコリメートされたレーザ光を合成するためのダイクロイックミラー４４，４５，４６と、合成された光を光ファイバ１２０に導く結合光学系４７とを備えている。各レーザ３４，３５，３６から出射されたレーザ光は、コリメート光学系４１，４２，４３によってそれぞれ平行化された後に、ダイクロイックミラー４４，４５，４６に入射される。その後、これらのダイクロイックミラー４４，４５，４６により、各レーザ光が波長に関して選択的に反射・透過させられる。

より具体的には、Ｂレーザ３４から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系４１によってコリメートされた後に、ダイクロイックミラー４４に入射される。Ｇレーザ３５から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系４２を経てダイクロイックミラー４５に入射される。Ｒレーザ３６から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系４３を経てダイクロイックミラー４６に入射される。それら３つのダイクロイックミラー４４，４５，４６にそれぞれ入射した３原色のレーザ光は、波長選択的に反射または透過して結合光学系４７に達し、集光され光ファイバ１２０へ出力される。

［光走査部］
光走査部１１ｂは、光束生成部２０で生成された光束を、水平方向及び垂直方向に走査すると共に、このように走査された光束（以下、「表示用走査光束」と称する）を瞳孔Ｅへ向けて出射する。

図３に示されるように、光走査部１１ｂは、光合成部４０から出射された光束の波面曲率を変調するための波面変調部６０と、波面曲率が変調された光束を水平方向に走査する水平走査部７０と、この水平走査部７０によって水平方向に走査された光束を収束するリレー光学系７５と、リレー光学系７５を介して入射されるレーザ光束を垂直方向に走査する垂直走査部８０とを備えている。

［波面変調部］
波面変調部６０は、光束生成部２０から光ファイバ１２０によって伝搬された光束を再度平行光にコリメートするコリメート光学系６１と、このようにコリメートされた光束を、透過光と、透過光の垂直方向に反射された反射光とに分離するビームスプリッタ６２と、ビームスプリッタ６２に反射された光束を収束する焦点距離ｆの凸レンズ６３と、凸レンズ６３に収束された光束を入射方向に反射する可動ミラー６４とを備えている。

この波面変調部６０は、可動ミラー６４を、凸レンズ６３に対して接近させるか又は凸レンズ６３から離れる向きに変位させる波面変調駆動回路６５をさらに備えている。

以上のように構成された波面変調部６０においては、光束生成部２０から入射した光束がビームスプリッタ６２で反射し、凸レンズ６３を通った後、可動ミラー６４で反射する。そして、再度、凸レンズ６３を通った後に、ビームスプリッタ６２を透過して水平走査部７０へ出射される。波面変調部６０では、波面変調駆動回路６５の駆動の下、可動ミラー６４の位置を出射方向へ変更することにより、画像光の波面曲率を変調することが可能となっている。

ここで、波面変調部６０における波面曲率の変調の様子について説明する。図４（Ａ）、図４（Ｂ）には、波面変調部６０による波面曲率の変調の様子を示す模式図が示されている。ここで、可動ミラー６４は、画像光を反射させるために設けられた反射ミラー６４₁と、該反射ミラー６４₁をＸ軸方向に変位させる圧電アクチュエータ６４₂とを備えている。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示されるように、波面変調部６０のビームスプリッタ６２には、コリメート光学系６１によって平行光にコリメートされたレーザ光が、入射光として−Ｙ方向に入射される。入射されたレーザ光の光量のうち約５０％がビームスプリッタ６２の斜面で反射され、その反射方向（−Ｘ方向）に設けられた凸レンズ６３に入射する。

ところで、図４（Ａ）に示されるように、波面変調部６０より可動ミラー６４の圧電アクチュエータ６４₂に印加される駆動電圧が０または所定の基準値の場合に、可動ミラー６４の反射ミラー６４₁の反射面の位置は、凸レンズ６３の主点に対し距離ｆだけ離れた位置（すなわち、凸レンズ６３の焦点距離の位置）に位置決めされる。そして、反射ミラー６４₁の反射面と凸レンズ６３の主点との間の距離がｆである場合には、凸レンズ６３に入射したレーザ光は屈折されて収束し、反射ミラー６４₁の反射面上で焦点を結ぶように設定されている。この状態では、レーザ光は、反射ミラー６４₁の反射面によって入射光と同軸方向に反射され（＋Ｘ方向）、反射ミラー６４₁への入射の際には収束光であったレーザ光が、反射後には拡散光となって凸レンズ６３に再度入射する。

反射ミラー６４₁の反射面で＋Ｘ方向に反射され凸レンズ６３に入射した拡散光は、反射ミラー６４₁の反射面に反射される前に凸レンズ６３が収束した収束光の収束角度と同じ広がり角度を持ち、さらに収束時と同一の光学系において同一の光路を通過するので、この拡散光は凸レンズ６３の通過時に収束時と同じ角度で屈折され、平行光にコリメートされることになる。平行光にコリメートされたレーザ光は再度ビームスプリッタ６２に入射され、その光量の約５０％がビームスプリッタ６２の斜面を通過し、コリメート光学系６１からの入射光とは直角を成す方向（＋Ｘ方向）に、波面変調部６０からの出射光として出射されるようになる。

一方、図４（Ｂ）には、波面変調駆動回路６５の駆動により所定の駆動電圧が圧電アクチュエータ６４₂に印加され、反射ミラー６４₁が＋Ｘ方向に変位した状態が示されている。ここで、反射ミラー６４₁の反射面と凸レンズ６３の主点との距離がｆ−ｄに変動したものとする。この場合、コリメート光学系６１から−Ｙ方向に平行光として入射された入射光であるレーザ光は、ビームスプリッタ６２の斜面でその約５０％を−Ｘ方向に反射され凸レンズ６３に入射される。凸レンズ６３は、＋Ｘ方向から入射されたレーザ光を屈折して収束させるように−Ｘ方向に出射するが、反射ミラー６４₁の反射面は、凸レンズ６３の有する焦点距離ｆよりｄだけ凸レンズ６３に近い位置に変位しているので、この状態では、レーザ光は反射ミラー６４₁の反射面上では１点には収束していない。このレーザ光は反射ミラー６４₁の反射面によって＋Ｘ方向に反射された後に、距離ｄだけ進んだ位置、すなわち距離ｆ−２ｄの位置で焦点を結び、凸レンズ６３に再度入射する。

凸レンズ６３は入射されたレーザ光を、その広がりを収束する方向に屈折させるが、距離ｆ−２ｄで焦点を結んだレーザ光は凸レンズ６３に入射することで、レーザ光の広がり角度は小さくなるものの平行光にはコリメートされず、凸レンズ６３を通過したレーザ光は凸レンズ６３の通過後の広がり角度を維持したままビームスプリッタ６２に入射する。ビームスプリッタ６２に入射したレーザ光はその約５０％がその斜面を通過し、その広がり角度を維持したまま、すなわち拡散光として＋Ｘ方向に出射される。波面変調部６０は出射光として所定の広がり角度を有するレーザ光、すなわち平行光とは異なり波面曲率の大きな拡散光としてレーザ光を出射する。

波面変調部６０から出射されたレーザ光は、水平走査部７０のポリゴンミラー７１の偏向面に入射する。可動ミラー６４の反射ミラー６４₁の反射面と凸レンズ６３の主点との距離がｆである場合には、このレーザ光は、平行光として射出され、この場合、ポリゴンミラー７１の偏向面上での波面曲率は、無限遠から発せられた光と同等の波面曲率となる。一方、このレーザ光束が、拡散光として出射された場合には、ポリゴンミラー７１の偏向面における、このレーザ光束の波面曲率は、見かけ上の発光点Ａから発せられた光と同等の波面曲率となる。なお、上述した波面変調の詳細については、例えば特開２００３−２９５１０８号明細書等に開示されているので、これ以上の詳細な説明を省略する。

本実施形態では、リレー光学系７５によってポリゴンミラー７１の偏向面上で結像する像とガルバノミラー８１の偏向面上で結像する像とが共役の関係となり、リレー光学系７５によってガルバノミラー８１の偏向面上で結像する像と観察者の瞳孔Ｅの位置で結像する像とがそれぞれ共役の関係となるように各リレー光学系が設けられているので、ポリゴンミラー７１の偏向面上で結像する像が、観察者の瞳孔Ｅの位置で最終的に結像するようになる。従って、ポリゴンミラー７１の偏向面上におけるレーザ光の波面曲率が、観察者の瞳孔Ｅの位置におけるそのレーザ光の波面曲率と同じとなる。例えば、観察者が瞳孔Ｅから眼の中に入射したレーザ光の見かけ上の発光点Ａにピントを合わせると、レーザ光は観察者の網膜上で結像する。

ところで、観察者は、眼のピント合わせ動作により、レーザ光の波面曲率の違いを識別することができるので、観察者はレーザ光の波面曲率の違いから像に対する遠近感を認識することができる。すなわち、波面曲率の大きいレーザ光は近い位置より発せられたと感じ、波面曲率の小さいレーザ光は遠い位置より発せられたと感じるようになる。したがって、この場合、観察者には見かけ上の発光点Ａと、瞳孔Ｅの位置に共役な偏向面との距離に相当する位置に、レーザ光の発光点が存在するように認識される。

このように、波面変調駆動回路６５の駆動で、凸レンズ６３と可動ミラー６４との間隔を変更することにより、コリメート光学系６１から入射して水平走査部７０へ向かう光束の波面曲率を変更すれば、観察者から虚像の呈示位置までの距離を変更することができる。この波面変調駆動回路６５は、制御部５０の制御の下、映像信号供給回路２１から出力される奥行き信号２５に基づいて波面曲率を変更する。

なお、前述した波面曲率変調手段は一例であって、種々の形態にて実施が可能なことはいうまでもない。例えば、レンズ形状や屈折率等で焦点位置を変更できる可変焦点レンズ等をコリメータレンズ６１の後段に配置したり、コリメータレンズ６１そのものに置き換えたりすることも可能であるが、本出願人の出願に係る特開２００３−２９５１０８号明細書等で前述した例と同様に開示済みであるため詳細な説明を省略する。

［水平走査部７０、垂直走査部８０］
また、水平走査部７０及び垂直走査部８０は、波面変調部６０から入射された光束を、水平方向と垂直方向に走査し、表示用走査光束に変換する。

水平走査部７０は、光束を水平方向に走査するためのポリゴンミラー７１と、このポリゴンミラー７１を駆動させる水平走査駆動回路７２とを備えており、垂直走査部８０は、光束を垂直方向に走査するためのガルバノミラー８１と、このガルバノミラー８１を駆動させる垂直走査駆動回路８２とを備えている。なお、映像信号駆動回路２１から入力される垂直同期信号２３、水平同期信号２４にしたがって、水平走査駆動回路７２と垂直走査駆動回路８２は、映像信号供給回路２１から出力される垂直同期信号２３と水平同期信号２４とに基づいてそれぞれ駆動する。

また、水平走査部７０と垂直走査部８０との間での光束を中継するリレー光学系７５が設けられている。波面変調部６０から入射した光束は、ポリゴンミラー７１によって水平方向に走査され、リレー光学系７５を通って、ガルバノミラー８１によって垂直方向に走査されて、表示用走査光束として、リレー光学系９０ａへ出射される。このようにして、走査部１１ｂは、光束生成部２０で生成された光束を、画像表示のために水平方向及び垂直方向に走査する。

［リレー光学系］
マウント本体１１ａのリレー光学系９０ａは、正の屈折力を持ったレンズ系９１ａ、９４ａを有している。垂直走査部８０から出射された表示用走査光束は、レンズ系９１ａによって、それぞれの光束がその光束の中心線を相互に平行にされ、かつ、それぞれ収束光束に変換される。そして、レンズ系９４ａによってほぼ平行な光束となるとともに、これらの光束の中心線が、観察者の瞳孔Ｅに収束されるように変換される。そして、レンズ系９４ａから出力された画像光は、プリズム９５によって反射されて、観察者の瞳孔Ｅに導かれる。

［姿勢情報検知センサ］
次に、姿勢情報検知センサ１１ｃについて説明する。

例えば、図５（Ａ）に示されるように、観察者が遠くを見るときのようにその眼の焦点が遠点（例えば、無限遠）に合っている場合には、観察者の頭部Ｈの姿勢は、水平に保たれていることが多い。一方、図５（Ｂ）に示されるように、観察者が読書をする際のようにその眼の焦点が近点に合っている場合には、観察者は下を向いていて、観察者の頭部Ｈの姿勢は水平面に対して傾斜していることが多い。

そこで、姿勢情報検知センサ１１ｃは、このような観察者の頭部Ｈの姿勢情報を検知して、その姿勢情報が含まれる検知信号を、センサ検出回路１５０に送る。センサ検出回路１５０は、その信号に含まれる姿勢情報を、制御部５０に送る。制御部５０は、後述するように、この姿勢情報に基づいて、ピント調整信号Ｐを映像信号駆動回路２１に出力する。映像信号駆動回路２１は、このピント調整信号Ｐに含まれる指令に従って、奥行き信号２５を出力する。

［制御部］
制御部５０は、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３等を備えている。制御部５０は、例えば、ＲＯＭ５２に格納された制御プログラムをＣＰＵ５１が実行することにより、上述したヘッドマウント１１、コントローラ１３の各部を制御する。特に、制御部５０は、姿勢情報検知センサ１１ｃによって検知された頭部Ｈの姿勢情報に基づいて、その姿勢が変化したと判断した場合には、ピント調整信号Ｐを映像信号駆動回路２１に出力する。映像信号駆動回路２１は、入力されたピント調整信号Ｐに従って、奥行き信号２５を出力する。

次に、本実施形態に係る画像表示装置の動作について説明する。図６には、画像表示装置の制御部５０のＣＰＵで実行される制御アルゴリズムを示すフローチャートが示されている。本実施形態では、制御部５０の制御により、波面曲率を２段階に変更することが可能となっている。すなわち、図４（Ａ）に示される状態と、図４（Ｂ）に示される状態との２段階に設定可能であるものとする。なお、図４（Ａ）に示される波面変調部６０の反射ミラー６４₁の位置を、以下では、「メイン位置」と呼び、図４（Ｂ）に示される波長変調部６０の反射ミラー６４₁の位置を、以下では、「近距離位置」と呼ぶものとする。

図６に示されるように、まず、ステップ２０１において、機器の初期設定を行う。ここでは、姿勢情報検知センサ１１ｃの初期化（例えば、観察者の頭部Ｈの姿勢の水平位置のセッティングなど）や、反射ミラー６４₁の反射面と凸レンズ６３の主点との距離ｆ−ｄの値や、観察者の頭部Ｈの傾斜角度の閾値等を設定する。

次のステップ２０３では、波面変調部６０の反射ミラー６４₁の位置を、「メイン位置」に切り替える。これにより、波面変調部６０から射出されるレーザ光は平行光となり、虚像の焦点距離が遠方に設定されるので、図５（Ａ）に示されるような姿勢で、観察者が遠方の実像を見続ける限り、遠くの実像とクリアな虚像とを同時に見ることが可能となる。

次のステップ２０５では、姿勢情報検知センサ１１ｃで検知された姿勢情報を参照して、観察者の頭部Ｈの姿勢に関する情報が変わるまで待つ。姿勢情報検知センサによって検知された傾斜角度が、上記ステップ２０１で設定された頭部Ｈの傾きの閾値を超えたものと判断された場合には、ここでの判断が肯定される。

次のステップ２０５において判断が肯定されると、ステップ２０７に進む。ステップ２０７では、波面変調部６０の反射ミラー６４₁の位置を、「近距離位置」に切り替える。次のステップ２０９では、次の姿勢情報検知センサ１１ｃで検知された姿勢情報を参照して、観察者の頭部Ｈの姿勢が変わるまで待つ。ここで、再び、観察者の頭部Ｈの姿勢が変化したと判断した場合には、ステップ２０３に戻り、波面変調部６０の反射ミラー６４₁の位置を、「メイン位置」に切り替える。以降、ステップ２０３〜ステップ２０９が繰り返され、ステップ２０５、ステップ２０９における判断が肯定される度に、波面変調部６０の反射ミラー６４₁の位置の切り替えが行われる。

以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、姿勢情報検知センサ１１ｃが、観察者の頭部Ｈの姿勢情報を検知する。観察者の頭部Ｈの姿勢が変化すれば、観察者の視線方向も変化し、その視線方向が変化すれば、観察者の眼の焦点距離も変化するのが一般的である。したがって、コントローラ１３が、姿勢情報検知センサ１１ｃで検知された観察者の頭部Ｈの姿勢の変化に合わせて虚像の呈示位置を変更すれば、観察者の焦点位置の変化に合わせて虚像の呈示位置が変更されるようになる。この結果、観察者が、遠くを見た場合でも、近くを見た場合でも、その網膜Ｆ上に虚像を良好に結像させることができるようになる。

また、本実施形態によれば、姿勢情報検知センサ１１ｃによって検知された観察者の頭部Ｈの姿勢情報に応じて、少なくとも、観察者から虚像の呈示位置までの距離を変更することができるため、虚像の呈示位置を、観察者の眼の焦点距離の変化に合わせて変えることができるようになる。

また、本実施形態では、姿勢情報検知センサ１１ｃが、観察者の視線方向を含む鉛直断面内における頭部Ｈの水平面からの傾斜角度を検知するので、観察者の視線方向の上下方向の変化を検知することができるようになる。

また、本実施形態では、虚像の呈示位置を調整可能な調整部として、波面変調部６０を備えている。この波面変調部６０により、観察者から虚像の呈示位置までの距離を、観察者の眼の焦点距離に合わせて調整できるようになる。

また、本実施形態では、虚像の呈示位置を段階的に調整可能となっている。このようにすれば、観察者から虚像の呈示位置までの距離を、観察者の眼の焦点距離に合わせて段階的に調整できるようになる。本実施形態では、虚像に対する調整可能な焦点距離を２段階としたが、本発明はこれには限られず、虚像の焦点距離は３段階以上に設定可能であってもよい。

もっとも、各段階における虚像の呈示位置は、連続的に調整可能となっていてもよい。すなわち、反射ミラー６４₁の反射面のＸ位置を連続的に変化させて、図４（Ｂ）に示される見かけ上の発光点Ａを、Ｘ軸方向に連続的に（無限遠まで）変えられるようにしてもよい。

もっとも、場合によっては、虚像をぼやけさせ観察者に視認させたくない場合もある。このような場合に対応すべく、本実施形態に係る画像表示装置１００では、姿勢情報検知センサ１１ｃによって検知された観察者の頭部Ｈの姿勢による波面変調部６０における波面の曲率の変調を停止するようにしてもよい。このようにすれば、観察者から虚像の呈示位置までの距離が固定となるので、遠くを見た場合と近くを見た場合とのいずれかでは、虚像を意図的にぼやけさせることが可能となる。また、頭部Ｈの姿勢が必ずしも視線と一致しない場合など、虚像の呈示位置が観察者にとって不適切な場合などにも、このようにすれば有効となる。

また、本実施形態に係る画像表示装置では、左眼と右目の網膜に対して両眼視差を与えてやることにより、虚像の立体度をさらに増すことも可能である。図７（Ａ）、図７（Ｂ）には、両眼視差量によって立体感（奥行感）のある虚像を、観察者に視認させるための原理を説明するための模式図が示されている。図７（Ａ）、図７（Ｂ）において、Ｍは、観察者に視認させる虚像であり、ＭＬは、左眼の網膜に結像させるべき像、ＭＲは、右眼の網膜に結像させるべき像である。例えば、図７（Ａ）に示されるように、両矢印で示されるように両眼視差量を小さくすれば、その虚像Ｍは遠く（距離Ｌ１）に存在するように感じられるようになる。一方、図７（Ｂ）に示されるように、虚像の見かけ上の位置が観察者に対して近くなっている場合には、両矢印で示されるように、両眼視差量を大きくしてやれば、その虚像は近く（距離Ｌ２）にあるように感じられるようになる。

したがって、姿勢情報検知センサ１１ｃによって検知される観察者の頭部Ｈの姿勢が水平付近である場合には、図７（Ａ）に示されるように、左右の両眼の両眼視差量を小さくする。一方、姿勢情報検知センサによって検知される観察者の頭部Ｈの姿勢がある程度以上傾いている場合には、図７（Ｂ）に示されるように、左右の両眼の視差量を大きくする。このようにすれば、観察者が、遠くを見た場合と近くを見た場合とで、虚像の見かけ上の位置を実像の位置にかなり近づけることができるので、観察者は、虚像を、実像とともによりクリアに視認し易くなる。

本実施形態に係る画像表示装置１００は、赤、緑、青の微弱な光束を２次元光走査して観察者の瞳孔に投入することにより網膜上に直接描画を行う、いわゆる網膜走査型のディスプレイである。しかしながら、画像光により虚像と外光による実像とを同時に観察者に視認させるシースルーディスプレイとしては、液晶方式のものもある。本発明は、この液晶方式のシースルーディスプレイにも適用することができる。

液晶方式のシースルーディスプレイでは、主として、液晶表示部と観察者の眼との間に設けられたズームレンズなどを用いて観察者から見た虚像の呈示位置との距離を変更することになる。また、液晶方式のシースルーディスプレイにおいても、上述したような両眼視差量を、観察者が遠くを見た場合と近くを見た場合とで変更することにより、虚像の奥行感を増すことができるのは勿論である。

なお、上記実施形態では、観察者の上下方向の視線の変化に関連する頭部の姿勢の変化、すなわち観察者の視線方向を含む鉛直断面内における頭部の水平面からの傾斜角度に応じて虚像の見かけ上の位置を変動させたが、本発明はこれに限られず、水平方向の視線の変化に関連する頭部の姿勢の変化に応じて虚像の見かけ上の位置を変動させるようにしてもよい。

なお、上記実施形態では、観察者の頭部の姿勢を検知するセンサとして、角度センサ、ジャイロセンサ、方位センサ（例えば、地磁気センサ）等を採用したが、このほか、加速度センサ、赤外線センサなど、各種センサを採用することも可能である。赤外線センサとしては、視線方向の障害物の有無を検知するセンサを採用することができる。

以上述べたように、本発明の画像表示装置は、外光による実像と、画像光による虚像とを同時に視認させるのに適している。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置の構成を示す模式図である。 ヘッドマウントを装着した状態での上面図である。 図１の画像表示装置の内部構成を示す模式図である。 図４（Ａ）は、観察者が遠方焦点を見ている様子を示す模式図であり、図４（Ｂ）は、観察者が近焦点を見ている様子を示す模式図である。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、波面変調部における波面変調の様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る画像表示装置の動作を示すフローチャートである。 図７（Ａ）、図７（Ｂ）は、視差量を説明するための図である。

符号の説明

１０ 眼
１１ ヘッドマウント
１１ａ マウント本体
１１ｂ 光走査部
１１ｃ 姿勢情報検知センサ
１３ コントローラ
２０ 光束生成部
２１ 映像信号駆動回路
２２ａ〜２２ｃ 映像信号
２３ 垂直同期信号
２４ 水平同期信号
２５ 奥行き信号
３０ 光源部
３１ Ｂレーザ駆動回路
３２ Ｇレーザ駆動回路
３３ Ｒレーザ駆動回路
３４ Ｂレーザ
３５ Ｇレーザ
３６ Ｒレーザ
４０ 光合成部
４１、４２、４３ コリメート光学系
４４、４５、４６ ダイクロイックミラー
４７ 結像光学系
５０ 制御部
５１ ＣＰＵ
５２ ＲＯＭ
５３ ＲＡＭ
５５ 入力部
６０ 波面変調部
６１ コリメート光学系
６２ ビームスプリッタ
６３ 凸レンズ
６４ 可動ミラー
６５ 波面変調駆動回路
７０ 水平走査部
７１ ポリゴンミラー
７２ 水平走査駆動回路
７５ リレー光学系
８０ 垂直走査部
８１ ガルバノミラー
８２ 垂直走査駆動回路
１００ 画像表示装置
１２０ 光ファイバ
Ａ 発光点
Ｅ 瞳孔
Ｆ 網膜
Ｈ 頭部
Ｌ ケーブル
Ｐ ピント調整信号
Ｓ 映像信号

Claims (7)

1. 画像情報に基づいた画像光を形成する画像形成部と、
   所定の呈示位置に、前記画像光による虚像が視認されるように構成され、前記虚像を外部から取り入れた外光による実像と重ねて前記観察者の網膜上に投射可能なシースルー光学系と、を備える画像表示装置であって、
   前記観察者の頭部の姿勢を検知する姿勢検知部と、
   前記姿勢検知部によって検知された姿勢情報に応じて、前記観察者から前記虚像の呈示位置までの距離を変更する虚像位置設定部と、を備えることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記姿勢検知部は、前記観察者の視線方向を含む鉛直断面内における前記頭部の水平面からの傾斜角度を検知し、
   前記虚像位置設定部は、前記検知された前記頭部の傾斜角度に応じて、前記虚像の呈示位置までの距離を変更することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記虚像位置設定部は、前記観察者から前記虚像の呈示位置までの距離を、調整可能な調整部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
4. 前記調整部は、
   前記観察者から前記虚像の呈示位置までの距離を、段階的に調整可能であることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記姿勢検知部によって検知された姿勢情報に応じた前記虚像の呈示位置の変更を解除する解除手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の画像表示装置。
6. 前記画像形成部は、
   前記画像情報に応じた光を２次元方向に走査することにより前記画像光を形成し、
   前記虚像位置設定部は、
   前記導光部の走査により形成される前記画像光の波面曲率を変調することにより、前記虚像の呈示位置を変更することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の画像表示装置。
7. 前記虚像位置設定部は、
   前記観察者の左眼で視認される前記虚像と、前記観察者の右眼で視認される前記虚像との両眼視差量を変更することにより、前記虚像の呈示位置を変更することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の画像表示装置。

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