JP2011145488A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】２Ｄ表示と３Ｄ表示の双方に支障がなく低コストかつ小型軽量で広視野角のヘッドマウントディスプレイを実現する。
【解決手段】表示素子２を含む画像表示部と、画像振り分けのための光学部品３Ａと、左右の２つのレンズ４Ｒ,４Ｌとを有する。画像表示部は、右眼用画像と左眼用画像とを表示するときの画像の横方向のずらし量が、所定範囲に設定されている。ここで所定範囲とは、前記表示素子で単一画像を表示するときの当該単一画像を前記２つのレンズまたはレンズ群を通してみたときに両眼間隔に起因して生じる画像ズレを補正可能な範囲である。
【選択図】図１

Description

本発明は、単一の表示素子を有し、表示素子が眼前にくるように頭や耳に装着してヘッドマウントするヘッドマウントディスプレイに関する。

＜背景技術１＞
３次元（３Ｄ）メガネを用いる表示装置に関して、スクリーンまたはディスプレイの比較的遠くの大きな画面に左眼用と右眼用の画像を重ねて表示し、画面から離れた鑑賞者が３Ｄメガネを装着して鑑賞するシステムが知られている。
この場合の３Ｄメガネは、光学フィルタや液晶シャッタが付いているが表示素子（表示パネル）自体を持たないため、比較的小型、軽量である。このような３Ｄ映画用システムとしてはＲｅａｌ Ｄ、Ｄｏｌｂｙ ３Ｄ（商標名）、ＩＭＡＸ ３Ｄ（商標名）などが実用化されている。パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等のゲーム用途ではＮＶＩＤＩＡ社の３Ｄ Ｖｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ（商標名）などが実用化されている。

人が装着する３Ｄメガネ等の外部に表示素子を有する３Ｄ表示装置を、以下、外部表示型の３Ｄ表示装置と呼ぶ。これに関連して特許文献２のような提案がある。
また、動きのある２次元（２Ｄ）画像から擬似３Ｄ画像を生成する外部表示型の３Ｄ表示装置関連では特許文献１のような提案がある。

＜背景技術２＞
小型軽量の２Ｄまたは３Ｄの表示システムとして表示素子を内部に備えるヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと呼ぶ）がある。
ＨＭＤは、単眼用のものと両眼視用のものが市販されている。２Ｄと３Ｄの両方を扱えるＨＭＤは左眼用と右眼用に独立の２つの小型表示素子を用いている。２つの小型表示素子を目の間隔に合わせてならべて配置することで、左右の画像を目の間隔分左右にずらして表示している。

＜背景技術３＞
医療用の特定の用途では、３ＤメガネやＨＭＤのような装置を着脱することが煩わしく、手術などでは手が塞がって着脱ができない場面が多い。
このような要請に応じて、３Ｄ画像を顔面の近くに表示させる立体映像表示装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平０９−４４１４１号公報 特許第３０１６２４９号明細書 特開２００２−３６５５８９号公報

背景技術１で述べた３Ｄシステムは、画像表示を行うスクリーンやディスプレイ等の表示素子を含めるとシステム全体が大きく持ち運びが難しい。
また、２Ｄ画像や遠方の画像は左右の視差がない１枚の画像として表示する。そのためシステムをそのまま縮小してＨＭＤとしても、目とディスプレイの位置が近く、接眼レンズの効果もあるため、２重にぶれた画像として認識され正常な画像を見ることはできない。

特許文献１の提案には動きのある２Ｄ画像から擬似３Ｄ画像を作る処理の一部として左右画像をディスプレイ上で目の間隔に相当する分をずらすことが記述されている。したがって、もしこのシステムをそのままＨＭＤにした場合はずらした部分については画像が２重にぶれる不具合が解決する。
ただし、特許文献１で画像をずらす目的は擬似３Ｄ化したときの箱庭効果対策であり、ＨＭＤに応用することを意図したものではない。したがって、特許文献１の提案では、きちんと３Ｄ化されている画像や動きのない２Ｄ画像は擬似３Ｄ化の処理がされないので、そこに含まれる画像をずらす処理もなくなってしまう。

さらに、いずれの外部表示型の３Ｄ表示装置も適切な視聴距離を取る必要があることと、表示素子のサイズ制限のために視野角を大きくすることが難しい。

背景技術２の２つの小型表示素子を用いた両眼視用ＨＭＤでは、小さな表示素子からの比較的小さい画像をレンズなどの光学系で広視野角にする場合は、光学系が重く高価になる。また、高精細化した表示素子を２個使うと表示素子の総画素数が多くなりコストが高くなる。

より詳細には、単純な光学系を用いて大きな表示素子を２つ並べて使うことを考えた場合、２つの表示画像の中心を左右それぞれの目の位置に合わせる必要があるため、並べた表示素子がぶつからないように表示素子の大きさが制限される。この場合、特許文献２のような光学系を用いれば大きな表示素子が使えるが、光学系が複雑で重く、高価になる。
以上により、背景技術２の手法では、ＨＭＤへの適用に際し、広視野角化や高精細化、さらには小型化および低コスト化が難しい。

特許文献３には、手術用顕微鏡の立体表示装置が開示されている。これはＨＭＤではなく据え置き型の装置であり、背景技術２のＨＭＤタイプよりアイレリーフ（最も眼に近いレンズ面の頂点から射出瞳までの距離）を大きく取る目的で提案されている。
アイレリーフを大きく取り、かつ顕微鏡視野を十分確保するために、立体視するための左右画像の一部を接眼レンズ上で重ね表示し、これに合わせる形で表示素子上でも左右画像をわずかに重ね表示する実施例が特許文献３に示されている。
この方式は、接眼レンズが大型かつ複雑で重く、ＨＭＤに適用することは難しい。

本発明は、前述の背景技術の課題を解消し、２Ｄ表示と３Ｄ表示の双方に支障がなく、低コストで小型軽量であり、かつ広視野角で高精細なヘッドマウントディスプレイを実現するものである。

本発明に関わるヘッドマウントディスプレイは、表示素子を含む画像表示部と、画像振り分けのための光学部品と、左右の２つのレンズまたはレンズ群とを有する。
前記画像表示部は、右眼用と左眼用のそれぞれの画像を単一の表示素子上で横方向にずらし、一部を重ねて表示する。
前記光学部品は、前記画像表示部で表示した右眼用画像と左眼用画像を左右の眼に振り分ける機能をもつ。
前記２つのレンズまたはレンズ群は、前記光学部品と左右の眼の視認位置との間に挿入されている。

前記画像表示部は、前記右眼用画像と前記左眼用画像とを表示するときの画像の横方向のずらし量が、所定範囲に設定されている。ここで所定範囲とは、前記画像表示部で単一画像を表示するときの当該単一画像を前記２つのレンズまたはレンズ群を通してみたときに両眼間隔に起因して生じる画像ズレを補正可能な範囲である。

本発明では好適に、前記右眼用画像と前記左眼用画像の横方向の重ね中心から、一方の画像の他方の画像中心側の端辺までの一方の片側ずらし量と、他方の画像の一方の画像中心側の端辺までの他方の片側ずらし量が、共に、１.５[ｃｍ]以上４[ｃｍ]以下の範囲に収まっている。

さらに好適に、前記片側ずらし量をｘ、左右眼球の間隔をｅ、眼球の中心と前記表示素子との距離をｓ、左右眼球それぞれの中心と、対応する前記レンズを通して表示素子を見ることで得られる虚像との距離をｖとしたときに、「ｘ＝ｅ／２＊(ｖ−ｓ)／ｖ」の式が成り立つ。この式において、小型ヘッドマウントディスプレイの奥行きサイズの許容範囲からｓ≦１５[ｃｍ]とする。また、左右眼球のバラツキ範囲から４[ｃｍ]≦ｅ≦８[ｃｍ]とする。さらに、虚像位置は裸眼でピントが合い疲れない範囲であるｖ≧３０[ｃｍ]とする。これらの数値範囲を全て満たすｘの範囲が１.５[ｃｍ]≦ｘ≦４[ｃｍ]となる。そして、右眼画像と左眼画像について前記１.５[ｃｍ]以上４[ｃｍ]以下の横方向のずらし量範囲を用いる。

以上の構成によれば、３Ｄ表示のときは、表示素子に表示された左右の右眼用画像と左眼用画像が、それぞれ光学部品で左右に振り分けられ、接眼レンズを通して左右の眼の瞳網膜上で結像する。このとき、左右の２つのレンズは光学的に独立であり、それぞれのレンズを経由した画像を構成する光は混じることなく左右それぞれの眼に到達する。このとき表示素子上で右眼用画像と左眼用画像が一部重なっているため広画角の画像光がそれぞれの眼に到達する。
このようにして、サイズの割に比較的ワイドな広角の３Ｄ画像を鑑賞できる。また、３Ｄ表示のときの左右の画像のずらし量とは独立に、２Ｄ表示や遠景画像のときに画像がずれて見えない範囲、例えば１.５[ｃｍ]以上４[ｃｍ]以下に設定されている。
そのため、２Ｄ表示画像と３Ｄ表示画像を１つの小型で広画角なヘッドマウントディスプレイで鑑賞できる。

本発明によれば、２次元表示と３次元表示の双方に支障がなく低コストかつ小型軽量で広視野角のヘッドマウントディスプレイを実現することが可能となる。

第１の実施形態に関わるＨＭＤの概略構成図（上面視）である。 第１の実施形態に関わるＨＭＤの概略構成図（側面視）である。 表示位置の近接で視認に支障が生じる画像例を示す図である。 視認時の支障を示す図（人の眼での認識画像図）である。 画像のずらし量を求めるときのパラメータ説明図である。 非３Ｄ表示画像で、画像ずれがなく視認できる右眼用画像と左眼用画像の表示図である。 図６の画像表示を、本実施形態に関わるＨＭＤを用いて近接距離で見たときの認識画像図（効果を示す図）である。 比較例のＨＭＤの構成図である。 第２の実施形態に関わるＨＭＤの概略構成図（上面視）である。 第３の実施形態に関わるＨＭＤの概略構成図（上面視）である。 第１変形例のＨＭＤ構成図である。 第１変形例の他のＨＭＤ構成図である。 第１変形例の他のＨＭＤ構成図である。 第２変形例のＨＭＤ構成図である。 第２変形例の他のＨＭＤ構成図である。

本発明の実施形態を、図面を参照して以下の順に説明する。
１．第１の実施の形態：表示素子と光学部品（シャッタ機構）が平行配置された実施形態。
２．第２の実施の形態：表示素子が曲面を有する場合の実施形態。
３．第３の実施の形態：表示素子と光学部品が共に曲面形状を有する場合の実施形態。
４．第１変形例：光学部品に関する変形例。
５．第２変形例：表示素子形状に関する変形例。
６．その他の変形例。

＜１．第１の実施の形態＞

［装置構成］
図１は、第１の実施形態に関わるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）を、人のヘッドに眼前に表示素子がくるように装着したときの、上方から見た概略構成図である。また、図２には、横（顔の左手）から見たＨＭＤの装着例を示す。なお、図１は、画像データ変換回路をＨＭＤ１に設けた場合の例を示すものである。この例では、画像データ変換回路５は装置全体の大きさからすると実際は小型の回路であるが、図１および図２では誇張して描いている。

図１に図解するＨＭＤ１は、不図示のゴーグルやメガネ状の装着枠部材に、図示した各部を装備させて構成される。不図示の装着枠部材は顔形状、耳や鼻などにフィットすることで各部の位置だしができるようになっている。脱落防止のためには、ヘッドに固定する部分、あるいは、こめかみを内側に押さえ、または、耳等に掛かる装着枠部材構造となっている。

不図示の装着枠部材の先端面付近には、符号“２”により示す表示素子が固定されている。
表示素子２は、液晶表示素子または有機ＥＬ表示素子等であり、その画像化のために光に階調差を設ける方式はＬＥＤ発光やライトバルブのようなものでもよいし、その他の方式であってもよい。なお、軽量化と低コストの観点からは、液晶表示素子または有機ＥＬ表示素子が望ましい。

表示素子２のサイズに限定はないが、後述するように左右の３Ｄ画像を一部重ねて表示する構成から、広角画像の視認が可能である。なお、図１では、破線は、左右の眼に入る画像が一部重なっていることを示している。その左右外側の光線角度が表示素子面に対して浅い分だけ、より大きなサイズの表示素子を採用できる。但し、コストや重さから限界があり、それらの商品価値の観点と、広角画像の観点から表示素子のサイズが決められる。

表示素子２と、左右の眼（眼がくると想定される位置）との間には、表示素子２側から光学部品としてのシャッタ機構３Ａと、２つの接眼レンズ４Ｒ,４Ｌとが配設されている。

シャッタ機構３Ａは、右眼画像の経路と左眼画像の経路の不使用側で、物理的に光を遮る絞り板やフィルタ等であってもよい。あるいは、液晶等の光変調（但し、この場合、光透過、光遮断の機能のみ）を利用してシャッタリングを行うものでもよい。物理的な手段の場合、それを光路に出し入れする、または、開閉のための機構が必要であり、そのことが小型化、低コスト化に不利であれば、光学的にシャッタリングを行う液晶シャッタ等が望ましい。

接眼レンズ４Ｒ,４Ｌは、左右の眼からの位置だしが可能な位置に配置されており、左右独立に入射像光を集光し、左右の眼の瞳網膜上に結像させる。ここで独立に光を集光するには光学的に独立である必要があり、より詳細には、それぞれのレンズを経由した画像を構成する光は混じることなく左右それぞれの眼に到達するように各レンズの設計がなされている。レンズ単体では光が混じるようであれば、混じらないための機構が別に必要となる。
なお、レンズ材料に限定はないが軽量化のためにはプラスチック等が望ましい。また、両眼距離に合わせてレンズの相対位置調整機構を備えてもよい。

シャッタ機構３Ａが電気的に制御される光学シャッタ、例えば液晶シャッタの場合、その電気的制御が必要である。
本例では、このシャッタ制御と表示素子２の表示データ生成のための回路として画像データ変換回路５をＨＭＤ１に備える。
画像データ変換回路５は、メガネタイプならフレーム等に埋め込まれた小型の回路であってもよいし、少し大型なら鑑賞者の頭等に取り付けるボックス内に実装された回路であってもよい。通常、表示素子（および電気的制御ならシャッタ機構３Ａ）を駆動する電源が必要である。画像データ変換回路５は電源の近くにまとめて配備されるようにしてもよいし、電源（例えば電池）とともにＨＭＤ１の外枠部分に埋め込むようにしてもよい。
なお、画像データ変換回路５は、ＨＭＤ１ではなく、外部の機器に設けることも可能である。別の画像供給側の装置、例えばパーソナルコンピュータ(ＰＣ)、ＡＶ据え置き機器あるいはモバイル機器に画像データ変換回路５を設けてもよい。この場合、変換されたデータをＨＭＤ１が、この外部の機器から有線、無線、または、メモリカード等のメディアを介して受け取る構成とするとよい。

画像データ変換回路５は、有線の入力端子、ワイヤレスアンテナ、または、メモリカードインターフェイス等の画像データの入力部を備える。
画像データ変換回路５は、この入力部から入力された画像データに対し適切な左右横方向のずらし処理を行い、表示素子２に出力する。適切なずらし量は、ヘッドマウントディスプレイの表示素子２と眼の距離、両眼の間隔、虚像位置から計算できる。

入力された画像データが２Ｄ用の場合、１系統の２Ｄ画像データをそれぞれ左右にずらして右眼用と左眼用の別データとする。表示素子２と光学系に対応した適切なずらし量とすることで、２Ｄ画像をあらかじめ決めた適切な虚像位置に表示する。好適には２Ｄ表示画面の虚像位置をたとえば２[ｍ]前後に設定すればヘッドマウントディスプレイの利用者からは２[ｍ]先に２Ｄ画面が浮かんでいるように見える。

入力された画像データが左右のカメラで撮影された２系統の３Ｄデータの場合、２Ｄ画像データと同様に本案のヘッドマウントディスプレイの表示素子と光学系に対応した適切なずらし量を画像データ変換回路５で付加して表示素子へ供給する。
左右のカメラでとった画像中でほぼ無限遠とみなせる遠景の画像は左右の撮影画枠のなかでほぼ同じ位置にある。本案のヘッドマウントディスプレイの表示素子２上に表示する画像の左右画像ずらし量としては、撮影した画枠が両眼の間隔だけ左右にずれていればよい。そこで左右の３Ｄ入力画像を、画像データ変換回路５でそれぞれ目の間隔だけ、好適には表示素子２上で６[ｃｍ]程度(ｘ＝６／２[ｃｍ]＝３[ｃｍ])ずらして表示素子２に供給する。

２Ｄ、３Ｄにかかわらず前述のような左右ずらし処理のほかに鑑賞者の操作指示による虚像位置や色、コントラスト、輝度、表示画角(表示画素数)等の調整や、光学系で生じる各種歪補正、色ずれ補正を同時に行ってもよい。
なお、３Ｄ表示と２Ｄ表示の区別は、入力データそのもので自動判別されるが、外部操作によって表示モードを切り換えてもよい。

表示素子２は、その駆動制御回路を内部に装備する場合と、外部の例えば画像データ変換回路５と同じ回路システム内に駆動制御回路を有する場合がある。
駆動制御回路が外部にある場合、画像データ変換回路５からの画像データは、この駆動制御回路を経由して表示素子２に入力される。

本実施形態では、右眼用画像と左眼用画像の重ね具合に特徴があり、その重ね具合は、駆動制御回路の制御によって実現される。
より詳細には、表示素子２で右眼用画像と左眼用画像とを表示するときの画像の横方向（図１の左右方向）のずらし量が、所定範囲に設定されている。ここで所定範囲とは、表示素子２で単一画像（例えば２Ｄ画像、３Ｄ画像ソース中でも視差情報を持たない遠景等の画像）を表示するときの当該単一画像を２つの接眼レンズ４Ｒ，４Ｌを通してみたときに両眼間隔に起因して生じる画像ズレを補正可能な範囲である。ここで“両眼間隔”とは、図１で符号“ｅ”で示す左右眼球の中心の間隔をいう。

［３Ｄ用の２画像間ずれ量］
以下、このずれ量を規定する理由と、その具体的な設定範囲を、図面を参照して説明する。

一般に、３Ｄ映画やＰＣ（パーソナルコンピュータ）のゲームシステム等も立体的な視野を得るために左右画像をずらして表示し、それを左右の眼に振り分ける機構を持っている場合がある。

しかしながら、このようなシステムの物理的サイズを単に縮小してもヘッドマウントディスプレイとしては使えない。

例えば、一例として図３のような２Ｄ画像、または、左右でほとんど差がない遠景画像を図１および図２に示すような外形のヘッドマウントディスプレイに表示した場合、眼と表示素子の距離が短い。このために、２Ｄ画像や遠景画像は、図４のような２重画像として認識されてしまう。

そこで、本実施形態では、３Ｄ表示における右眼用画像と左眼用画像のずれ量を、所定範囲の一例として、例えば、１.５[ｃｍ]以上４[ｃｍ]以下の範囲内に設定する。この設定は、前述した表示素子２の表示制御部が実行する。あるいは、この設定は、時系列の画像データ自身で規格化されている。

次に、この所定範囲の具体的数値の根拠を、図５を用いて説明する。
図５は、距離のパラメータの説明図である。
図５において、表示素子２の表示面に、片側ずらし量がｘである右眼用画像ＰＲと左眼用画像ＰＬとが一部重ねて表示されている。

図５に符号“ｃ”で示す破線は、２つの画像の横方向の重ね中心を通る表示面の垂線である。ここでの前提としては、この垂線は両眼間隔ｅの丁度中央を通るような位置合わせが正確になされている。
上記片側ずらし量ｘは、この重ね中心線ｃから、左眼用画像ＰＬ側に延びた右眼用画像ＰＲの端辺までの距離である。あるいは、上記片側ずらし量ｘは、重ね中心線ｃから、右眼用画像ＰＲ側に延びた左眼用画像ＰＬの端辺までの距離である。

また、眼球の中心から表示素子２までの距離を“ｓ”とする。さらに、接眼レンズ４Ｒ,４Ｌを通して表示素子２に表示される２Ｄ画像または遠景画像（図５では不図示）の、上記片側ずらし量ｘを規定する画像部分を見たときに、その画像部分の虚像位置（符号Ｐｖ）の眼中心までの距離を“ｖ”とする。
これらの距離の規定の下、以下の式（１）が成り立つ。

［数１］
ｘ＝ｅ／２＊(ｖ−ｓ)／ｖ…（１）

この式において、小型ヘッドマウントディスプレイの奥行きサイズの許容範囲（実用的な商品としてサイズ、重さ、デザインの制限から得た最大値）から、ｓ≦１５[ｃｍ]とする。
また、左右眼球のバラツキ範囲から４[ｃｍ]≦ｅ≦８[ｃｍ]とする。

左右眼球距離のバラツキについては、以下に根拠を示す。
一般に、大人の眼の間隔が６ｃｍ前後とされている。
また、「生まれた時の赤ちゃんの眼球は直径１６.５〜１７[ｍｍ]しかありませんが、３歳で２２.５[ｍｍ]、その後１４歳までに毎年０〜１[ｍｍ]ずつ成長して、大人で２３〜２４[ｍｍ]になるといわれています」（オリンパスビジュアルコミュニケーションズ株式会社http://www.ep-s.jp/library/basic04.htmlより抜粋）。
そのため、６±２[ｃｍ]（平均±３３[％]）程度の範囲に、乳幼児を除くほとんどの人の左右眼球距離が含まれるものと推定できる。

式（１）に戻ると、虚像位置は裸眼でピントが合い疲れない範囲であるｖ≧３０[ｃｍ]とする。この虚像位置の範囲は、人が裸眼でピントを合わせることができ、疲れずに本や画面を見ることができる値から類推して選択した。

以上の数値範囲を全て満たすｘの範囲が−１.５[ｃｍ]≦ｘ≦４[ｃｍ]となる。
ただし、右眼画像と左眼画像について前記ｘの範囲を両方とも満足する範囲として、前述した１.５[ｃｍ]以上４[ｃｍ]以下の範囲が規定される。

図６は、液晶シャッタなどの光学部品で左右の眼に振り分けられる左眼用画像と右眼用画像を重ねて表示した図である。
本実施形態では、左右画像を３Ｄ化のためのずらし量とは別に、２Ｄ画像または遠景の３Ｄ画像も含め、画像全体を一律に、例えば図６のように、右眼用画像ＰＲと左眼用画像ＰＬでずらして表示する。
これにより、図７のように正常な、つまり画像が２重に見えない正規の画像が観察者において認識できるようになる。

なお、小型で実用的なヘッドマウントディスプレイでは、２Ｄ画像または遠景の３Ｄ画像も含めた非３Ｄ画像における、右眼用画像と左眼用画像の片側ずらし量ｘを、上述した所定範囲内とすれば、この正常な画像を認識できる効果が得られる。
この非３Ｄ画像用のずらし量と、３Ｄ画像用のずらし量とは、図１の表示素子２を駆動制御する駆動制御部が切り換えて、それぞれのずらし量に応じた画像表示を行うことで実施化される。

ところで、背景技術２で述べたように、左眼用と右眼用に独立の２つの小型表示素子２０Ｒ,２０Ｌを用いると（図８）、２重画像の問題は起こらない。しかし、視野角が狭く画面に迫力がない。また、表示素子が小型であるため、高精細化が難しく、出来ても価格が高い。同じ解像度の画を表示するには、２倍の画素密度が必要になるため価格が高い割に画素密度を細かくすることが困難である。

この比較例と異なり、本実施形態では、単一の表示素子２に広画角画像を表示させても、２Ｄ画像表示等で画像が２重にだぶって見えることを有効に防止することができる。

なお、背景技術３で述べた特許文献３では表示素子上で目の間隔に対応して左右画像をずらすことが記載されている。しかし、背景技術３の技術は、大型で複雑な左右接眼レンズを部分的に重ねて使用することが特徴で、装置サイズが大きい据え置き型であることが前提となっているためＨＭＤには適用しがたい。

本実施形態では、表示面にさらに眼を近づけたときに２Ｄ画像や遠景画像の単一画像を見るときに画像が２重に見えないための仕様として、ずらし量が規定されている。接眼レンズも虚像が上記所定範囲で前提とした距離ｖを満たすように形状、材質、その他光学パラメータが決められている。

本案のようにヘッドマウントディスプレイに特化して適切な左右のずらし量を選択した場合、表示素子と眼を近づけることが光学的に容易となる。
このため、ＴＶやＰＣ用ディスプレイを見る場合よりずっと大きな視野角とすることが容易となる。これに付随して本案では人間の眼の視野が左右で違うことに対応して不要な表示を行わない。この点においても従来の３Ｄ映画やＰＣゲームシステムではスクリーンまたはディスプレイに左右画像を表示装置の幅いっぱいに表示する点で異なっている。

本実施形態によれば、１つの表示素子に左右それぞれの画像をヘッドマウントディスプレイに適した量だけ左右にずらして表示する。また、２つの画像をシャッタ機構等で左右の眼へ振り分けるので、光学系としては他に焦点深度を調整するための接眼レンズがあればよい。そのため適切なサイズの表示素子と組み合わせることで、従来方式にくらべ圧倒的に広い視野のヘッドマウントディスプレイを容易に実現できる。
このとき、接眼レンズの形状等が、画像のずれ量が上記所定範囲となるように適合している。その適合可能なレンズ形状は、後述の変形例等でも説明する。

左右画像の一部を重ねて表示するため、表示素子を左右別にもつ場合より総画素数が減りコストが下がる。また重ね表示により右眼の左側視野、左眼の右側視野を広げることが容易となる。

人間の眼は左右で視野に差があり片眼でしか見えない領域がある。そのような領域の表示を省略することで表示用の画像データが減らせ、しかも両眼を合わせた視野は広いままにできる。

近年、液晶等の表示素子技術が進歩し、高精細かつ薄く軽いものが実現できるようになったが、これを十分活用できるヘッドマウントディスプレイの構成方式はなかった。
本実施形態によれば、小型軽量でコストが安い上、２Ｄ表示等に支障がないヘッドマウントディスプレイを実現することが容易となった。

＜２．第２の実施形態＞
図９は、第２の実施形態に関わる図１に対応した図である。
図９が図１と異なる点は、表示素子２Ａが、その表示面が両眼からの距離が横方向の行程で均一化される向きに曲がった曲面形状を有することである。ここで均一化される向きとは、必ず均一化するまで曲げられているとは限らず、少しでも図１より均一化する向きに曲げられていれば足りる。このような表示素子２Ａは、曲げることが容易なペーパディスプレイの実現に適した方式、たとえば有機ＥＬディスプレイが好適である。
その他の構成は、図９は図１と共通する。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同じ効果に加え、同じ面積の表示素子でより大きい視野角が得られるという効果がある。

＜３．第３の実施の形態＞
図１０は、第３の実施形態に関わる図１に対応した図である。
図１０が図１と異なる点の第１は、第２実施形態で述べたように表示素子２Ａが、その表示面が両眼からの距離が横方向の行程で均一化される向きに曲がった曲面形状を有することである。
相違点の第２は、接眼レンズ４Ｒ,４Ｌが、画像の横方向のずらし量ｘに対応して、レンズの中央部と周辺部で焦点距離が異なる多焦点構造または焦点距離を連続的に変化させた非球面構造を有することである。
相違点の第３は、シャッタ機構３Ｂが、レンズ面に合わせて、眼球からの距離が均一化する向きに曲げられていることである。ここで均一化される向きとは、必ず均一化するまで曲げられているとは限らず、少しでも図１より均一化する向きに曲げられていれば足りる。このようなシャッタ機構３Ｂは、光透過方式の液晶シャッタ等が好適である。
その他の構成は、図１０は図１と共通する。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同じ効果に加え、少ない面積で大きい視野角に対応できるという効果が得られる。また、平面上に配置されたシャッタの端では視線が斜め方向となるため液晶シャッタやフィルタでは光の透過率が中央部と異なってしまう。本実施形態では、その光透過率の乖離を軽減できる。

＜４．第１変形例＞
図１１〜図１３は、シャッタ機構に代わる光学部品の変形例を示す、図１に対応する図である。
図１１では、シャッタ機構３Ａ（図１）に代えて、光の波長別に選択透過する光学フィルタ３ＣＲ,３ＣＬがレンズ前面に配置されている。光学フィルタ３ＣＲ,３ＣＬは、左右に赤と青のフィルムが貼られた３Ｄメガネと同様な機能を果たし、３Ｄ表示画像は色ずれにより視差をもたせている。

図１２は、シャッタ機構３Ａ（図１）に代えて、表示素子２側の第１偏光フィルタ３Ｆと、レンズ側の左右で分離された第２偏光フィルタ３ＬＲ,３ＬＬとで、光学部品が構成されている。
第１偏光フィルタ３Ｆと第２偏光フィルタ３ＬＲ,３ＬＬの一方、第１偏光フィルタ３Ｆと第２偏光フィルタ３ＬＲ,３ＬＬの他方の２組の組み合わせでは、透過光の光の偏光位相が９０度異なっている。これにより、表示素子２（この場合、液晶表示素子）の出射光の偏光の向きを制御することで、左右のレンズに到達する画像光を左右で切り換えることができる。

図１３は、シャッタ機構３Ａ（図１）に代えて、光学部品をレンチキュラーレンズ３Ｄで構成している。
レンチキュラーレンズ３Ｄにより、左右の画像光が、その出射面で異なる方向に振り分けられる。

＜５．第２変形例＞
第２変形例は、表示素子形状に関する。
図１４に示す表示素子２Ｂのように、複数の平面から擬似曲面を形成するようにしてもよい。
また、図１５に示すように、光学部品（３Ａ,３Ｂ,３Ｃ,３ＬＲ,３ＬＬ,３Ｄ）も複数の擬似曲面を形成するようにしても構わない。
これらの第２変形例は、曲げることができない表示素子でも曲面形状化と同等の効果を奏するようにするために有用である。
さらに、図１５に示すように、表示素子とレンズ間距離に応じて接眼レンズを非球面とし、あるいは、複数レンズを組み合わせてもよい。

＜６．その他の変形例＞
接眼レンズをメガネのように眼に接近配置し、表示素子はレンズからおおよそ焦点距離分離した上で、接眼レンズより大きめのサイズとすることで広い視野を確保できる。
なお、接眼レンズは交換可能とし、使用者の視力補正のためにメガネの機能を合わせもってもよい。

なお、以上の実施形態と変形例の組み合わせは任意である。

１…ＨＭＤ、２,２Ａ…表示素子、３Ａ〜３Ｄ…シャッタ機構等の光学部品、４Ｒ,４Ｌ…接眼レンズ、５…画像データ変換回路、ＰＲ…右眼用画像、ＰＬ…左眼用画像、ｘ…片側ずらし量

Claims (9)

1. 右眼用と左眼用のそれぞれの画像を単一の表示素子上で横方向にずらし、一部を重ねて表示する画像表示部と、
   前記画像表示部で表示した右眼用画像と左眼用画像を左右の眼に振り分ける光学部品と、
   前記光学部品と左右の眼の視認位置との間に挿入された左右の２つのレンズまたはレンズ群と、
   を有し、
   前記画像表示部は、前記右眼用画像と前記左眼用画像とを表示するときの画像の横方向のずらし量が、前記画像表示部の表示素子に表示した単一画像を前記２つのレンズまたはレンズ群を通してみたときに両眼間隔に起因して生じる画像ズレを補正可能な範囲となるように構成されている
   ヘッドマウントディスプレイ装置。
2. 前記右眼用画像と前記左眼用画像の横方向の重ね中心から、一方の画像の他方の画像中心側の端辺までの一方の片側ずらし量と、他方の画像の一方の画像中心側の端辺までの他方の片側ずらし量が、共に、１.５[ｃｍ]以上４[ｃｍ]以下の範囲に収まっている
   請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記片側ずらし量をｘ、左右眼球の間隔をｅ、装着時に想定される眼球の中心と前記表示素子との距離をｓ、左右眼球それぞれの中心と、対応する前記レンズを通して表示素子を見ることで得られる虚像との距離をｖとしたときに、
   ｘ＝ｅ／２＊(ｖ−ｓ)／ｖ
   の式において、小型ヘッドマウントディスプレイの奥行きサイズの許容範囲からｓ≦１５[ｃｍ]とし、左右眼球のバラツキ範囲から４[ｃｍ]≦ｅ≦８[ｃｍ]とし、虚像位置は裸眼でピントが合い疲れない範囲であるｖ≧３０[ｃｍ]としてｘの範囲が１.５[ｃｍ]≦ｘ≦４[ｃｍ]と得られ、右眼画像と左眼画像について前記１.５[ｃｍ]以上４[ｃｍ]以下の横方向のずらし量範囲を用いる
   請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 前記レンズは、前記表示素子で表示される前記右眼用画像と前記左眼用画像とを虚像位置に重ねて見せるために、前記画像の横方向のずらし量に対応した接眼レンズである
   請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 前記接眼レンズは、前記画像の横方向のずらし量に対応して、レンズの中央部と周辺部で焦点距離が異なる多焦点構造または焦点距離を連続的に変化させた非球面構造を有する
   請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. 前記表示素子の画像表示面が横方向位置で左右の眼の瞳からの距離を均一化する曲面、または、複数の平面で構成した近似曲面となっている
   請求項５に記載のヘッドマウントディスプレイ。
7. 前記光学部品は、光学的なフィルタまたはシャッタまたは表示素子上のレンチキュラーレンズにより、前記右眼用画像と前記左眼用画像を左右の眼へ振り分ける構造を有する
   請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
8. 前記光学的なフィルタまたはシャッタまたは表示素子上のレンチキュラーレンズが、横方向位置で左右の眼の瞳からの距離を均一化する曲面、または、複数の平面で構成した近似曲面となっている全体形状を有する
   請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイ。
9. 外部から供給される２次元画像データまたは３次元画像データから、上記の適切なずらし量をもつ右眼用画像データと左眼用画像データを作成し、表示素子へ供給する画像データ変換回路を有する
   請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。

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