JP2015230383A - 画像表示装置および画像表示システム - Google Patents
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Abstract
【課題】接眼光学系を用いることなく、虚像を適切に表示することが可能な小型の画像表示装置を提供する。
【解決手段】画像表示装置は、複数の画素を有し、複数の画素から出射する複数の光束を独立に変調可能な画像変調手段と、複数の画素から出射する複数の光束を、観察者の瞳孔内の点で交差する複数の平行光束に変換するレンズ手段とを有し、画像変調手段は、複数の平行光束が、虚像面に設けられた仮想の画素群から瞳孔内の点に入射する光束と一致するように、複数の光束を変調する。
【選択図】図9
【解決手段】画像表示装置は、複数の画素を有し、複数の画素から出射する複数の光束を独立に変調可能な画像変調手段と、複数の画素から出射する複数の光束を、観察者の瞳孔内の点で交差する複数の平行光束に変換するレンズ手段とを有し、画像変調手段は、複数の平行光束が、虚像面に設けられた仮想の画素群から瞳孔内の点に入射する光束と一致するように、複数の光束を変調する。
【選択図】図9
Description
本発明は、頭部などに装着して観察者の眼に近い位置で用いられる画像表示装置に関する。
従来から、画像表示装置に表示された画像を虚像として接眼光学系を介して拡大投影し、広画角画像として観察可能な装置が知られている。例えば、観察者の頭部に装着して虚像を観察することが可能な装置は、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)と呼ばれ、小型であって広画角画像を表示することが可能な装置として注目されている。しかしながら、通常、このような装置には、高画角画像を得るための接眼光学系が必要となる。このような接眼光学系は、口径が大きく、かつ、焦点距離が短い高倍率であるために光学系の厚肉化や収差補正のための多数のレンズが必要とされ、画像表示装置が大型化および重量化する。
特許文献1には、接眼光学系を用いることなく、虚像を表示することが可能な画像表示装置が開示されている。
しかしながら、特許文献1の構成では、虚像を所望の位置に表示することができない。また特許文献1の構成では、虚像の解像度が意図した解像度と一致せず、虚像が劣化したように見えてしまうことや、観察者の眼の位置によっては二重像が観察されてしまう、という問題もある。このように特許文献1の構成では、虚像を適切に表示することが困難である。
そこで本発明は、接眼光学系を用いることなく、虚像を適切に表示することが可能な小型の画像表示装置および画像表示システムを提供する。
本発明の一側面としての画像表示装置は、複数の画素を有し、該複数の画素から出射する複数の光束を独立に変調可能な画像変調手段と、前記複数の画素から出射する複数の光束を、観察者の瞳孔内の点で交差する複数の平行光束に変換するレンズ手段とを有し、前記画像変調手段は、前記複数の平行光束が、虚像面に設けられた仮想の画素群から前記瞳孔内の点に入射する光束と一致するように、前記複数の光束を変調する。
本発明の他の側面としての画像表示システムは、前記画像表示装置と、前記画像表示装置に画像情報を供給する画像情報供給装置とを有する。
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
本発明によれば、接眼光学系を用いることなく、虚像を適切に表示することが可能な小型の画像表示装置および画像表示システムを提供することができる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
(第一実施形態)
まず、図1を参照して、接眼光学系を用いずに虚像を表示することが可能な画像表示装置の原理について説明する。図1は、接眼光学系を用いずに虚像を表示することが可能な画像表示装置の説明図である。
まず、図1を参照して、接眼光学系を用いずに虚像を表示することが可能な画像表示装置の原理について説明する。図1は、接眼光学系を用いずに虚像を表示することが可能な画像表示装置の説明図である。
図1において、1はディスプレイ(2次元画像表示素子)である。ディスプレイ1は、複数の画素を有し、これらの画素から出射する光束を独立に変調可能な画像変調素子(画像変調手段)である。ディプレイ1としては、例えば、液晶ディスプレイや、有機ELディスプレイなどの自発光型の表示手段を用いることができる。2はMLA(マイクロレンズアレイ)である。MLA2は、ディスプレイ1の複数の画素から出射する複数の光束(全光束のうち少なくとも一部の光束)を、観察者の瞳孔内の点(光束集束点)で交差する複数の平行光束(コリメート光または単一指向性ビーム)に変換するレンズ手段である。3は観察者の眼(瞳)である。ディスプレイ1は、MLA2の個々の要素レンズから焦点距離fmだけ離れた位置に配置されている。MLA2は、ディスプレイ1上の画素から出射した光束を平行光束に変換し、MLA2の個々の要素レンズから平行光束が出射される。なお、各図においては、特に断りのない限り、全ての光束がその光束の光軸によって表される「光線」として示される。なお本実施形態において、画像表示装置(ディスプレイ1およびMLA2)と、画像表示装置に画像情報を供給する画像情報供給装置14(コンピュータ)とを備えた画像表示システムを提供することもできる。
ディスプレイ1の3つの画素は、MLA2の1つの要素レンズに対応している。ディスプレイ1の各画素からの光束は、所定の3つの方向に出射される。例えば、MLA2の要素レンズ2−2にはディスプレイ1の3つの画素1−2−a、1−2−b、1−2−cが対応している。画素1−2−a、1−2−b、1−2−cからの光束は、それぞれ、観察者の眼3(瞳)内の点3−a、3−b、3−c(光束集束点)に入射するよう調整(設計)されている。このような関係は、他の全ての要素レンズにおいても成立している。例えば要素レンズ2−3に対して3つの画素1−3−a、1−3−b、1−3−cが対応している。画素1−3−a、1−3−b、1−3−cからの光束は、それぞれ、観察者の眼3(瞳)内の点3−a、3−b、3−cに入射するように調整(設計)されている。
次に、図1に示される画像表示装置を用いて、接眼光学系を用いずに虚像を表示する原理について説明する。一例として、図1中の虚像4を表示する方法について説明する。虚像4(仮想光源列)は、画素4−1、4−2、4−3、4−4(仮想の画素群)で形成される。例えば画素4−1を観察者が認識するには、画素4−1から放射される画像表示光を模擬した光束(模擬光束)が観察者の瞳に入射すればよい。この模擬光束は、図1において、画素1−1−a、1−2−b、1−3−cから出射して要素レンズ2−1、2−2、2−3で平行光束に変換されて眼3(瞳)内の点3−a、3−b、3−cをそれぞれ通過する3つの光束に対応する。
図2は、模擬光束の説明図であり、虚像4の画素4−1からの3つの模擬光束が眼3(瞳)内の点3−a、3−b、3−cに入射する様子を示している。図3は、虚像4から出射した実際の光束の説明図であり、実際に虚像4の画素4−1自体が光って画像表示光を放射している場合における画像表示光束が観察者の眼3(瞳)に入射する様子を示している。
図2および図3からわかるように、光束の指向性という観点で見ると、両者は類似している。このため、観察者にとっては、図2および図3のいずれの状態でも、画素4−1から放射される光として認識されうる。本実施形態において、ディスプレイ1の画素1−1−a、1−2−b、1−3−cにそれぞれ同一の光強度および色を与えると、観察者は、これらの画素から放射されている光束が一つの画素4−1から放射されているものとして認識すると考えられる。同様に、虚像4上の画素4−2、4−3、4−4を観察者に認識させる場合においても、各画素の中心位置で交わる光束群同士にそれぞれ同一の光強度および色を与えることで、これを実現することができる。
図4は、虚像4を観察者に認識させるために、模擬光束が通過すべき点の条件を示す表である。図4は、模擬光束の通過点として、虚像4上の画素4−1〜4−4、ディスプレイ1上の画素1−1−a〜1−6−c、および、眼3(瞳)上の点a〜cの関係をそれぞれ示している。MLA2から出射して眼3(瞳)上の複数の異なる点に入射する複数の光束をまとめて観察することにより、虚像4上の1つの画素からの光束を模擬することになる(模擬光束が得られる)。このような模擬光束を得るには、ディスプレイ1の画素1−1−a、1−1−b、1−1−cに、観察者の眼3(瞳)内の点3−a、3−b、3−cに対する視差画像をそれぞれ表示すればよい。
なお、図1は平面図であるため、水平断面内での光学配置を示しているが、ディスプレイ1上の各画素、MLA2の各要素レンズ、眼3(瞳)上の各位置(光束通過点)は、いずれも2次元状に配置されている(2次元マトリクス配置となっている)。このため、同様の関係は鉛直面内でも成立し、その結果、2次元マトリクス画素で構成される虚像4が再生可能である。
このような構成により、観察者は、接眼光学系を用いずに虚像(眼の調節の近点よりも離れた位置の虚像)を観察することができる。その結果、HMDなどの画像表示装置の大型化や重量化を回避することが可能である。ここで、「眼の調節の近点」とは、眼の調節によって明瞭に対象物を見ることのできる最も近い点のことであり、明視の距離という場合もある。眼の調節の近点は、文献(内海隆:眼科検査法ハンドブック第3版、p62、1999)によると、10歳で7cm(14D)、20歳で10cm(10D)、30歳で14.3cm(7D)のように年齢に応じて変化する(D:視度を表すディオプター)。例えば、6.7cm(15D)よりも近い位置に本実施形態の虚像表示を行うMLA2(要素レンズ)を配置することにより、MLA2に眼の調節は合焦せず、再生される虚像のほうに合焦しやすくなる。
ところで、図1は、複数の平行光束の交点位置が、想定する虚像4上の画素の中心位置(例えば画素4−1の中心)と一致しているという前提で描かれている。しかし、平行光束の交点位置(複数の平行光束の中心の進行方向に対する逆延長線が互いに交差する交点を含む複数の平面のうちの一つの位置)と虚像4上の画素の中心位置とは、必ずしも一致するとは限らない。すなわち、図5に示されるように、平行光束の交点位置(交点面A)と想定する虚像4上の画素の中心位置(虚像面B)とが一致しない場合が考えられる。図5において、MLA2のレンズ主平面から虚像面Bまでの距離zbは、MLA2のレンズ主平面から交点面Aまでの距離zaよりも長い。なお、本明細書および図面において、距離のパラメータは全て「光学的距離」とみなして考えている。すなわち、「光学的距離=実際の距離/光学屈折率」という換算済みの数値である。このような場合、例えば画素4−1の情報を観察者に認識させようとしても、模擬光束は交点面Aから出射する光束を模擬しているため、観察者は画素4−1を認識することができない。
そこで本実施形態では、距離zaと距離zbとが互いに略一致するように画像表示装置を構成する。ここで、「略一致」とは、距離zaと距離zbとが厳密に一致する場合だけでなく、実質的に一致すると評価される場合も含む意味である。略一致の具体的範囲については後述する。
また、交点面Aと虚像面Bとが略一致している場合でも、虚像4の画素ピッチΔiが複数の平行光束の交点の間隔Δcと等しくないと(略一致していないと)、所望の解像度の虚像を観察することができない。例えば図6に示されるように、元の虚像4の画素ピッチΔiが複数の平行光束の交点の間隔Δcの1/2以下の場合を考える。このとき、図6に示される虚像4の画素4−1〜4−7のうち、観察者が認識可能な画素は画素4−1、4−3、4−5、4−7の4点のみとなり、虚像の解像度は1/2以下に劣化してしまう。また、虚像4の画素ピッチΔiと平行光束の交点の間隔Δcとの比が整数ではない場合、画素ピッチΔiを間隔Δcにサンプリングする際にうねりのような周期的画像劣化ノイズが発生し、より画像劣化が目立つ。
そこで本実施形態では、虚像4の画素ピッチΔiと平行光束の交点の間隔Δcとを等しくする(略一致させる)か、または、Δi/ΔcもしくはΔi/Δcが整数となるように設定する。具体的な方法については後述する。このように虚像4の画素ピッチΔiと平行光束の交点の間隔Δcとを設定することにより、予め用意する虚像4の解像度が最適化され、観察者により観察される虚像4の解像度劣化を最小限に低減することができる。
ところで、図1に示されるような光学特性を有する画像表示装置を実現するには、ディスプレイ1、MLA2、および、眼3(瞳)の各種光学パラメータの間に一定の関係が成立している必要がある。また、前述のように、虚像4の位置や解像度を最適化するには、その位置や解像度を、前記光学パラメータを用いて予め求めておくことが望ましい。そこで本実施形態では、これらの関係を予め求めておき、有効な条件で画像表示装置を構成する。
まず、各種光学パラメータとして、MLA2のレンズ主平面と眼3(瞳)内の光束集束点(点3−a〜3−c)との間の距離をze、MLA2のレンズ主平面とディスプレイ1上の画素との間の光学距離をzmとする。また、MLA2のレンズ主平面と平行光束(3つの直線)の交点(交点面A)との間の距離をzaとする。また、眼3(瞳)内の隣接する光束集束点(点3−a〜3−c)の間の距離(光束集束点ピッチ)をΔp、MLA2の要素レンズ間のピッチ(レンズピッチ)をΔl、ディスプレイ1の画素ピッチをΔdとする。
このとき、図7中に太線で示される2つの三角形の相似関係より、ディスプレイ1の画素ピッチΔdと眼3(瞳)内の隣接する光束集束点の間の距離(光束集束点ピッチΔp)との間に、以下の式(1)で表される関係が成立することが好ましい。
また、図8中に太線で示される2つの三角形の相似関係より、MLA2のレンズピッチΔlとディスプレイ1の画素ピッチΔdとの間に、以下の式(2)で表される関係が成立することが好ましい。
式(2)中のNは、眼3(瞳)内に形成される光束集束点の数である。これは、MLA2の一つの要素レンズに、ディスプレイ1のN個の画素が対応するということを意味する。
式(1)、(2)に従って、具体的な設計を行うことができる。標準的な接眼光学系ではアイレリーフを20mm程度確保する必要があるため、例えばze=20mmと設定される。また、人間の瞳孔径は3〜7mm程度である。このため、複数の模擬光束(模擬光束群)を観察者が常に同時に観察可能にするには、光束集束点ピッチΔpを1mm、光束集束点の数Nを3にそれぞれ設定することが好ましい。これらの数値を式(1)、(2)に代入すると、以下の式(3)、(4)が得られる。
式(3)、(4)より、ディスプレイ1の画素ピッチΔdを10μmに設定した場合、zm=200μm、Δl=2.98mmに設定すればよいことがわかる。
続いて、虚像4の位置および解像度の関係式を求める。前述のように、虚像4の位置(虚像面B)は、平行光束の交点面Aに略一致させる必要がある。このため、交点面Aの位置をその他の光学パラメータで表すことが必要になる。
図9は、光束の交点面Aの位置と虚像4の画素ピッチΔiとの関係図である。図9では、交点面Aでの複数の光束を詳細に説明するため、各種の構成部品を省き、光束の光軸を表す光線群のみが示されている。複数の光束は、図9中の太線で示されるように、光束集束点とMLA2の要素レンズの中心とを結ぶ直線の延長線上で互いに交わる。図9からわかるように、通常、光束集束点面CとMLA主平面Dとは平行である。このため、交点面Aも光束集束点面CおよびMLA主平面Dと平行な面となる。また、光束集束点およびMLA2の要素レンズの中心点は離散的に存在するため、交点面Aの位置も離散的に存在する。交点を形成する2つの光束の、光束集束点面C上での間隔とMLA主平面D上での間隔は、自然数m、nを用いて、mΔl、nΔpとそれぞれ表され、自然数m、nの組み合わせにより交点面Aは一意的に決定される。このとき、MLA主平面Dから交点面Aまでの距離zaは、以下の式(5)のように表される。
また、自然数m、n、および、自然数m、nの最大公約数μを用いて、交点面A上での光束の交点の間隔Δcは、以下の式(6)のように表される。
式(6)において、最大公約数μは、例えば(m,n)=(2,1)の場合と、(m,n)=(4,2)の場合は交点面Aが同一となり、かつ、光束の交点の間隔Δcも同一となることを示している。
続いて、交点面Aと虚像面Bとをどの程度一致させれば効果的であるか、すなわち前述の「略一致」の程度、について説明する。図5に示される交点面A上の光束の交点の間隔Δcは、式(6)のように表される。一方、想定する虚像面B上における虚像4の画素ピッチΔiは、図7中の太線で示される三角形の関係を、虚像面Bを含む関係に拡大したものと考えることができる。このため、虚像4の画素ピッチΔiは、以下の式(7)のように表される。
交点面Aと虚像面Bとに奥行き方向のずれがある場合、観察者から見て、そのずれは光束の交点の間隔Δcと虚像4の画素ピッチΔiとのずれ(ピッチずれ)という形で現れる。このピッチずれが虚像4の全画素にわたって1画素未満であれば、画像構成の破綻はないと考えてよい。そこで、光束の交点の間隔Δcと虚像4の画素ピッチΔiとのずれ(ピッチずれ)の画像最端部での累積値が1画素未満となる条件を求めればよい。虚像として表示される画像は、一般的に2次元の画素マトリクスとして表現される。このため、このときの縦と横の画素数のうち大きい方の画素数をNとすると、以下の条件式(8)が導かれる。
条件式(8)に式(6)、(7)を代入し、zbについて展開すると、以下の条件式(9)が得られる。
式(9)は、交点面Aと虚像面Bとをどの程度一致させるべきか、すなわち前述の「略一致」の程度を示す条件式となる。
このように本実施形態において、画像表示装置は、虚像面Bの位置(距離zb)が、式(5)から求められる光束の交点面Aの位置(距離za)と略一致するように設計される。このとき模擬光束群は、前述のように、MLA2により平行光束に変換されて観察者の眼3(瞳)に入射する。好ましくは、虚像面Bの位置(距離zb)において光束径が最も細くなるように調整することは、その位置から放射される光を模擬するのに都合がよい。このため好ましくは、MLA主平面とディスプレイとの間の距離zm、および、MLA2の要素レンズの焦点距離fmは、以下の式(10)を満たすように設計される。
また、予め虚像4として表示させたい画像の解像度(光束の交点の間隔Δc)は、式(6)を満たすように設定されることにより、画像の劣化を低減することができる。本実施形態において、虚像4の画素ピッチΔiと光束の交点の間隔Δcとを互いに等しくすることが最も望ましいが、これに限定されるものではない。例えば、Δi/ΔcまたはΔi/Δcが整数となるように設定することにより、画像サンプリング時に発生する周期的な画質劣化ノイズを低減することが可能である。
(第二実施形態)
次に、本発明の第二実施形態における画像表示装置について説明する。本実施形態は、観察者の眼の位置によっては二重像が観察されてしまう、という問題を解決するための構成例について示す。まず、この問題の発生理由について説明する。第一実施形態では、ディスプレイ1上のN個の画素群と、それに対応するMLA2の1つの要素レンズにより、3つの光束集束点(点3−a、3−b、3−c)が形成されることを説明した。しかし、MLA2を用いた光学系では、常に、「サイドローブの発生」という問題が存在する。サイドローブとは、特定の画素からの光のうち、定められた要素レンズのみでなく複数の要素レンズに入射することで所望の方向以外への指向性を持つ光である。これに対し、特定の画素からの光のうち、定められた要素レンズのみに入射し所望の方向への指向性を持った光のことをメインローブという。
次に、本発明の第二実施形態における画像表示装置について説明する。本実施形態は、観察者の眼の位置によっては二重像が観察されてしまう、という問題を解決するための構成例について示す。まず、この問題の発生理由について説明する。第一実施形態では、ディスプレイ1上のN個の画素群と、それに対応するMLA2の1つの要素レンズにより、3つの光束集束点(点3−a、3−b、3−c)が形成されることを説明した。しかし、MLA2を用いた光学系では、常に、「サイドローブの発生」という問題が存在する。サイドローブとは、特定の画素からの光のうち、定められた要素レンズのみでなく複数の要素レンズに入射することで所望の方向以外への指向性を持つ光である。これに対し、特定の画素からの光のうち、定められた要素レンズのみに入射し所望の方向への指向性を持った光のことをメインローブという。
図10は、メインローブによる正常な虚像観察の説明図である。図10中の太線で示されるように、画素1−1−a、1−2−a、1−3−a、1−4−aからの光は、それぞれ、MLA2の要素レンズ2−1、2−2、2−3、2−4に入射し、光束集束点3−aへの指向性を持っている。しかしながら、各画素からの光がそれぞれ異なる要素レンズに入射すると、前述のサイドローブが発生してしまう。
図11は、サイドローブによる二重像発生の説明図である。図11中の太点線で示されるように、画素1−1−a、1−2−a、1−3−a、1−4−aからの光は、それぞれ、図10の場合よりも紙面内で一つ下方のMLA2の要素レンズ2−2、2−3、2−4、2−5に入射し、光束集束点3−dへの指向性を持っている。光束集束点3−dに観察者が瞳を置くと、そこに集束する光束により虚像が観察できる。しかし、その虚像は本来、光束集束点3−aから見えるべき視差画像であり、光束集束点3−dから見えるべき視差画像ではない。また、虚像が見える方向も、図11から明らかなように、本来の虚像4の表示位置よりも紙面内上方にシフトした形で表示されてしまう。各画素からの光が拡散性を持っている場合などは、図10の状態と図11の状態とが同時に発生し得る。このため、サイドローブによる異常な虚像がメインローブによる正常な虚像に重畳して見えてしまう。例えば観察者の瞳が図11中の光束集束点3−b、3−c、3−dの3つを含むような位置に置かれたとき、観察者は、正常な虚像と異常な虚像の二重像を認識してしまうことになる。
そこで本実施形態の画像表示装置は、図12または図13に示されるように、サイドローブの発生を解消または低減するように構成される。図12は、本実施形態における画像表示装置の構成図であり、サイドローブの発生を低減させるための工夫をMLA2自体に施した構成例を示している。MLA2の各要素レンズの境界に、光を遮断(遮光)する隔壁2a(遮光手段)が設けられている。このような構成を実現するには、例えば要素レンズを1つずつ製造してそれらの側面に遮光塗料を塗布し、それらをMLA2の状態に並べて接着する方法などを用いることができる。
また、従来のMLA2を活用してサイドローブを低減する方法として、図13に示される構成がある。MLA2を観察者から見て表裏逆向きに配置し、かつ、MLA2とディスプレイ1との間に隔壁部品5(遮光手段)を挿入して配置する。隔壁部品5の黒い部分は遮光性部材であり、白い部分は透明部材または空気である。MLA2は逆向きに配置されているため、光学的主平面位置は図12の場合と略同一であり、光学的機能も同様である。ただし、遮光機能とレンズ機能とを分離しているため、部品の調達は図13の構成のほうが容易である。例えば、隔壁部品5は、厚みのある金属に精密パターンを施すことが可能なメタルマスク技術や、光硬化性樹脂とレーザービームスキャンとを組み合わせて精密な3次元物体造形を行う光造形技術などを用いて製作可能である。MLA2は、第一実施形態と同様のものを流用することができるため、図13の構成のほうが容易に実現可能である。
(第三実施形態)
次に、本発明の第三実施形態における画像表示装置について説明する。本実施形態は、MLA2の収差による虚像の位置ずれ、という問題を解決するための構成例について示す。まず、この問題の発生理由について説明する。
次に、本発明の第三実施形態における画像表示装置について説明する。本実施形態は、MLA2の収差による虚像の位置ずれ、という問題を解決するための構成例について示す。まず、この問題の発生理由について説明する。
第一の実施形態および第二の実施形態では、MLA2の光学的収差を考慮せず、主光線の幾何学的関係のみからディスプレイ1上の画素と虚像4上の画素との対応関係を求めている。しかしながら、実際には、MLA2の光学的収差の影響により、虚像4の結像位置にずれが発生する可能性がある。
図14は、MLA2の光学収差の影響の説明図である。ここでは、ディスプレイ1上の画素1−3−b、1−3−cと、MLA2の要素レンズ2−3に着目して説明する。画素1−3−bから出射した発散光は、要素レンズ2−3によりビーム6−3−bに変換される。画素1−3−bは、要素レンズ2−3の光軸に近く、収差は発生しにくい。このためビーム6−3−bは、幾何的な設計値どおりに略平行光となり、観察者の眼3(瞳)内の光束集束点3−bを通過する。このとき観察者は、図14中の短破線で示される方向(虚像4上の画素4−3の方向)から平行光が出射しているように見える。
一方、画素1−3−cから出射した発散光は、要素レンズ2−3によりビーム6−3−cに変換される。画素1−3−bは、要素レンズ2−3の光軸から遠く、収差が発生しやすい。このため、ビーム6−3−cは、収束光や発散光になってしまう現象や、観察者の眼3(瞳)の位置でのビームの中心位置が幾何的な設計値で定めた光束集束点3−bからずれてしまうという現象が発生する。このとき観察者からは、図14中の一点鎖線で示される方向からビーム(平行光)が出射しているように見え、本来の設計値である図中の長破線で示される方向(虚像4上の画素4−1の方向)から出射するビームのようには見えない。すなわち虚像4上において、観察者から見える方向と設計上の方向との間には、図14中の差εが生じる。
このような収差による影響を残した状態で、第一実施形態および第二実施形態と同様の画像データ生成を行い、ディスプレイ1上に画像を表示すると、虚像4が所望の方向および位置に結像せず、像面湾曲、歪み、または、ボケが発生することがある。
このような問題を解決するため、本実施形態においては、MLA2の光学的収差を考慮した厳密な光線追跡によって、ディスプレイ1上の画素と虚像4上の画素との対応関係を求める。
図15は、有効瞳領域によるビーム判定方法の説明図である。図15において、面Dはディスプレイ1の画素面であり、画素面上の点(x,y)に輝度が与えられるものとする。点(x,y)から出射した光は、MLA2の複数の要素レンズに入射する可能性があるが、ここでは中心座標(xm,ym)の要素レンズを通過するものとして考える。要素レンズから出射した光は、ビーム状になり、観察者の瞳孔位置である面Pに入射する。ここで、面P上でのビーム中心座標を(xp,yp)とする。ビーム中心座標(xp,yp)を用いて、ビームが虚像再生に有効であるか否かを判定する。このような判定は、画像表示装置の制御手段(不図示)により行われる。本実施形態では、観察者の瞳孔が配置されることを想定した面Pを設定し、面P上において瞳孔中心から一定半径内を有効瞳領域と定める。すなわち有効瞳領域は、観察者の瞳孔と同一の面上に、瞳孔の中心を中心とした円の内部領域として設定される。そして、ビーム中心座標(xp,yp)がこの有効瞳領域内に存在するか否かに応じて、そのビームの判定(有効または無効の判定)を行う。
例えば、有効瞳領域の半径をRとし、瞳孔中心が面P内の点(0,0)に配置されるものと想定すると、以下の式(11)の条件を満たす場合、そのビームは有効であると判定される。
なお、面D上の点(x,y)と要素レンズの中心座標(xm,ym)との対応関係は一通りに限定されるものではない。このため、複数の要素レンズの中心座標(xm,ym)に関して、ビームの判定を行うことが好ましい。
前述の判定にて有効であると判定されたビームについては、そのビームを構成する光線軌跡を虚像面(面I)まで逆追跡し、面I上でのビーム中心座標(x’,y’)を求める。このようにして、厳密な光線追跡に基づいた画素(x,y)と虚像点(x’,y’)の正確な対応関係を取得することができる。この関係は、例えば図16に示されるような対応表としてデータを保有しておき、虚像再生時の座標変換テーブルとして使用することができる。
例えば、虚像4として画像輝度分布I’(x’y’)を有する画像を表示させようとする場合、図16の座標変換テーブルに基づいて、(x’,y’)→(x,y)の変換を実施する。これにより、ディスプレイ1上の画像輝度分布I(x,y)を取得することができ、これをディスプレイ1上に表示すれば所望の虚像が観察可能となる。ただし、前述のように、実際には1つの点(x,y)に対して、複数の要素レンズ通過ビームが有効と判定される場合がある。このため、一対一の座標関係となるように選択ルールを定めておくことが好ましい。例えば、1つの点(x,y)に対して複数の要素レンズを通過するビームが有効と判定された場合、そのビームの面P上での中心座標(xp,yp)が瞳孔中心座標(0,0)に近い方を選択するというルールを設定することができる。このようなルールを定めておくことにより、(x’,y’)→(x,y)の変換は一意的に決定される。
前述のように、実際に虚像を表示する際には、(x’,y’)→(x,y)の変換を実施することになる。しかし、前述のビームの光線追跡方法では、(x,y)→(x’,y’)のデータ取得順序となっており、手順が逆であるため変換テーブルが作成しにくいという問題がある。そこでこの問題を解決するため、(x’,y’) →(x,y)の順序の光線追跡によるデータ取得が有効である。この方法の場合、光線追跡の出発点は虚像上の画素(x’,y’)となる。まず、図15に示される制御手段15は、画素(x’,y’)と要素レンズの中心座標(xm,ym)とを結ぶ直線が、有効瞳領域を通過するか否かを判定する。この判定は、複数の要素レンズについて行われる。制御手段15は、前記直線が有効瞳領域を通過すると判定した場合にのみ、そのビーム光が逆進して要素レンズ2に入射してディスプレイ1上に結像するような逆光線追跡を行う。すなわち制御手段15は、虚像4上の画素(仮想光源列の光源)、MLA2、および、有効瞳領域を通過する光線のみについて逆光線追跡を行う。そして制御手段15は、光線とディスプレイ1との交点位置に配置された画素に光を発するための輝度を与える。このときのディスプレイ1の面D上の結像位置(x,y)を、虚像上の画素(x’,y’)に対応する座標として取得することにより、容易に(x’,y’)→(x,y)の座標変換テーブル(データ変換テーブル)を得ることができる。記憶手段16は、逆光線追跡の結果を、予めデータ変換テーブルとして記憶することができる。そして制御手段15は、データ変換テーブルを用いて、ディスプレイ1に複数の光を変調させる。
なお、ビームの中心座標(xp,yp)や虚像上の画素(x’,y’)を算出する際、ビーム中心として、光線追跡ツールで出力されるビームスポットの「重心」位置を採用することが好ましい。図17は、スポットダイアグラムの例であり、ビームスポットの重心の説明図である。ビームスポットは、ビームの瞳を分割し各瞳中心を通過する光線群の像面上到達点を描画したものである。そして、これらの到達点がいずれも等しい重量を有するものと仮定した場合、面Pの釣り合い支持が実現できる点を重心という。重心は、その性質上、光線の粗密分布と相関性があり、光線密度の高い領域に存在することが多い。したがって、重心は観察者から見て最もビーム強度が高く見える点であり、実質的なビームの中心とみなすことができる。
(第四実施形態)
次に、本発明の第四実施形態における画像表示装置について説明する。本実施形態は、虚像の像高が高く虚像の周辺部を観察する際に像がけられて観察できないという問題を解決するための構成例を示す。
次に、本発明の第四実施形態における画像表示装置について説明する。本実施形態は、虚像の像高が高く虚像の周辺部を観察する際に像がけられて観察できないという問題を解決するための構成例を示す。
まず、図18および図19を参照して、前記問題点について説明する。図18および図19は、虚像の像高が高い場合の説明図であり、第三実施形態のように観察者の瞳孔が配置される面Pに有効瞳領域を設け、有効瞳領域を通過するビームで虚像再生を行う方法を示している。図18では、視野角が非常に高い位置の要素レンズから出射した光が有効瞳領域に入射する場合を示している。観察者が虚像の中心付近を観察する場合、観察者瞳孔と有効瞳領域とは略一致している。このため、観察者が見る虚像にはケラレが生じず、全面にわたって虚像を観察することができる。
一方、図19に示されるように、観察者の眼3(眼球)が回転して虚像の周辺を観察する場合、観察者瞳孔、有効瞳領域(面P)とは異なる位置に移動する。このため、瞳孔に画像表示光が入射しなくなり、観察者が見る虚像にケラレが発生する。そこで本実施形態では、図20に示されるように、「有効瞳領域」を面P上の円の内部ではなく、観察者の眼3(眼球)を中心とする3次元的な球体の内部に定義する。すなわち有効瞳領域は、観察者の眼球回転中心を中心とする球体の内部領域として設定される。
このような構成において、本実施形態の制御手段は、有効ビームの判定、および、(x’,y’)→(x,y)の座標変換処理を行う。すなわち制御手段は、中心座標(xm,ym)の要素レンズを出射したビームがこの有効瞳領域内を通過するか否かに応じて、ビームの有効/無効判定を行う。例えば、有効瞳領域の半径をRとし、瞳孔中心が面P内の点(0,0)に配置されると想定すると、ビームと有効瞳領域との関係は図21に示される関係となる。図21において、太線の矢印は、要素レンズから出射した光線の出射方向を表している。図21中のAは、眼球中心と要素レンズの中心との間の距離、θは要素レンズからの射出光線と要素レンズの光軸とのなす角度、αは眼球中心と要素レンズの中心座標とを結ぶ直線と、z軸(MLA2の中心を通りMLA2に垂直な軸)とのなす角度である。ビームが有効瞳領域を通過する条件は、以下の式(12)のように表される。
このため、要素レンズからの射出光線と要素レンズの光軸とのなす角度θが式(12)の条件を満たす場合、そのビームは有効であると判定される。なお、面D上の点(x,y)と要素レンズの中心座標(xm,ym)との対応関係は、一通りに限定されるものではない。このため、複数の要素レンズの中心座標(xm,ym)について、有効/無効の判定を行うことが好ましい。この方法によれば、面Pとは関係なく、観察者の瞳孔が向く方向から瞳孔に入射するビームを有効であると判定することができる。このため観察者は、虚像の周辺部をケラレなく観察することが可能となる。
ただしこの方法の場合、虚像の中心部および周辺部を同時に観察することはできない。図22および図23は、異常観察時および正常観察時の説明図をそれぞれ示している。図22に示されるように、図20と同様の虚像再生ビームが出射している状況で、観察者の眼球が虚像中心の方向を向いた場合を考える。このとき、観察者の瞳孔には、虚像周辺部を再生するビームは入射しない。しかし、図23に示されるように、MLA2の中心付近の要素レンズから出射するビームに関しては、前述の有効判定アルゴリズムにより、眼球中心付近と瞳孔の両方を通過するビームが有効とされる。このため、観察者の眼球が虚像中心部の方向を向いている場合、問題なく虚像中心部を観察することができる。すなわち本実施形態の方法においては、常に眼球が向いた方向の中心視野の虚像は観察可能であるが、周辺視野の虚像は観察することが難しい。
(第五実施形態)
次に、本発明の第五実施形態における画像表示装置について説明する。第四実施形態によれば、眼球の向く方向の中心視野の虚像は観察可能であるが、周辺視野の虚像は観察できない。それを解決するため、本実施形態の画像表示装置は、眼球運動の検出機構(検出手段)、および、検出機構による検出値に応じて表示画像を生成する画像処理部(画像処理手段)を有する。眼球運動の検出機構は、例えば、鈴木謙二「カメラの視線入力AF技術」、光学、23、pp25−26(1994)に開示されているような技術が用いて実現される。
次に、本発明の第五実施形態における画像表示装置について説明する。第四実施形態によれば、眼球の向く方向の中心視野の虚像は観察可能であるが、周辺視野の虚像は観察できない。それを解決するため、本実施形態の画像表示装置は、眼球運動の検出機構(検出手段)、および、検出機構による検出値に応じて表示画像を生成する画像処理部(画像処理手段)を有する。眼球運動の検出機構は、例えば、鈴木謙二「カメラの視線入力AF技術」、光学、23、pp25−26(1994)に開示されているような技術が用いて実現される。
図24は、本実施形態における画像表示装置の構成図である。図24において、7は照明手段であり、観察者の眼3(眼球)を照明する。照明手段7は、一般的には赤外線LEDを照明する。8は撮像手段であり、照明手段7により照明された眼3(眼球)の表面の輝度分布を撮像する。撮像手段8により撮像された輝度分布データは、画像処理部9に送られる。画像処理部9は、検出手段91、画像処理手段92、および、設定手段93を備えている。検出手段91は、画像解析により、観察者の瞳孔の位置を検出(算出)する。画像処理手段92は、瞳孔の位置に基づいて画像データを生成する。より具体的には、設定手段93は、検出された瞳孔の位置に応じて(瞳孔の位置に略一致するように)有効瞳領域を設定する。そして画像処理手段92は、有効瞳領域の位置に基づいて光の輝度分布を調整する。
このように画像処理部9は、第三実施形態で説明したようなアルゴリズムを用いて、有効なビームを生成するための画素(x,y)と虚像点(x’,y’)との組み合わせを求める。さらに画像処理部9は、画素(x,y)と虚像点(x’,y’)との関係から、ディスプレイ1上に表示すべき画像(画像データ)をリアルタイムに生成し、画像出力部10(画像出力手段)に画像データを送る。画像出力部10は、その画像データに基づいて、ディスプレイ1に所望の画像を表示する。
図24は、観察者の眼3(眼球)がMLA2の中心部を見ている場合における瞳孔と有効ビームとの関係を示している。このときの観察者にとって中心視となる虚像中心部および周辺視となる虚像高画角部の両方の画像生成ビームが眼3に入射する。このため観察者は、全面にわたってケラレのない虚像観察を行うことができる。一方、図25は、観察者の眼球がMLA2の周辺部を見ている場合における瞳孔と有効ビームとの関係を示している。このときの観察者にとって中心視となる虚像高画角部および周辺視となる虚像中央部の両方の画像生成ビームが眼3に入射する。この場合にも、観察者は、全面にわたってケラレのない虚像観察を行うことができる。このように本実施形態によれば、観察者の眼球回転に応じて適正な画像表示を行うことができる。このため、虚像全面にわたってケラレのない虚像観察が可能となる。
各実施形態において、画像変調手段(ディスプレイ1)は、複数の平行光束が、虚像面に設けられた仮想の画素群(仮想光源列)から瞳孔内の点に入射する光束(模擬光束)と一致するように、複数の光束を変調する。換言すると、仮想光源列の位置は、複数の平行光束の中心の進行方向に対する逆延長線が互いに交差する交点を含む複数の平面のうちの一つの位置と一致している。または、複数の平行光束の焦点位置は、仮想光源列の位置と一致しているともいえる。ここで、一致とは、厳密に一致する場合だけでなく実質的に一致していると評価される場合(略一致)の意味である。より具体的には、この略一致の程度は、前述の式(9)が成立する範囲に相当する。
好ましくは、レンズ手段(MLA2)は、コリメート光学系の集合体であるコリメート光学系アレイである。コリメート光学系アレイは、観察者の瞳孔から明視の距離よりも近い位置に配置される。仮想光源列は、観察者の瞳孔から明視の距離よりも遠い位置に仮想的に配置された光源列である。より好ましくは、コリメート光学系アレイは、観察者の瞳孔から視度にして15ディオプターよりも近い位置に配置されている。
各実施形態によれば、表示させたい虚像の位置を予め正確に把握し、その位置情報に基づく画像データを生成することができる。このため、作業効率がよく、観察される虚像にも不具合が発生しない。また、表示させたい虚像の解像度を予め正確に把握し、その解像度情報に従って最適化された画像データを用意することができる。このため、作業効率がよく、観察される虚像の画質劣化を低減することが可能となる。
また、マイクロレンズアレイのサイドローブによる二重像発生を低減することができる。また、マイクロレンズアレイの光学収差による虚像の歪みや結像ずれを相殺し、良好な結像状態を得ることができる。また、観察者の眼球回転に応じたビームの有効/無効判定を行うことにより、虚像の高画角部観察時にも光束のケラレのない、良好な虚像提示を実現することができる。また、観察者の眼球回転を検出し、その検出結果に応じた画像データ生成を行うことにより、観察者の眼球がどの方向に向いても虚像全面が光束のケラレなく観察できる状態を維持することができる。なお各実施形態は、虚像の観察を行わせる光学機器への応用が有効であり、特に観察者が自らの頭部に装着するなどして拡大虚像を観察するのに用いる画像表示装置への応用が有望である。
各実施形態によれば、接眼光学系を用いることなく、虚像を適切に表示することが可能な小型の画像表示装置および画像表示システムを提供することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
1 ディスプレイ(画像変調手段)
2 MLA(レンズ手段)
2 MLA(レンズ手段)
Claims (18)
- 複数の画素を有し、該複数の画素から出射する複数の光束を独立に変調可能な画像変調手段と、
前記複数の画素から出射する前記複数の光束を、観察者の瞳孔内の点で交差する複数の平行光束に変換するレンズ手段と、を有し、
前記画像変調手段は、前記複数の平行光束が、虚像面に設けられた仮想の画素群から前記瞳孔内の点に入射する光束と一致するように、前記複数の光束を変調することを特徴とする画像表示装置。 - 前記仮想の画素群の位置は、前記複数の平行光束の中心の進行方向に対する逆延長線が互いに交差する交点を含む複数の平面のうちの一つの位置と一致していることを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。
- 前記複数の平行光束の焦点位置は、前記仮想の画素群の位置と一致していることを特徴とする請求項1または2に記載の画像表示装置。
- 前記瞳孔内の点は、前記複数の平行光束が交差する複数の光束集束点であり、
前記レンズ手段の主平面と前記仮想の画素群との間の光学的距離をzb、前記レンズ手段の主平面と前記光束集束点との間の光学的距離をze、前記複数の平行光束の逆延長線が交差する複数の交点のピッチをΔc、隣接する前記複数の光束集束点の間の光学的距離をΔp、前記複数の光束集束点の数をNとするとき、
が成立することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の画像表示装置。 - 前記レンズ手段は、コリメート光学系の集合体であるコリメート光学系アレイであり、
前記コリメート光学系アレイは、前記観察者の瞳孔から明視の距離よりも近い位置に配置され、
前記仮想の画素群は、前記観察者の瞳孔から前記明視の距離よりも遠い位置に仮想的に配置された光源列である、ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の画像表示装置。 - 前記コリメート光学系アレイは、前記観察者の瞳孔から視度にして15ディオプターよりも近い位置に配置されていることを特徴とする請求項5に記載の画像表示装置。
- 前記仮想の画素群に含まれる複数の光源のピッチは、前記複数の平行光束の逆延長線の複数の交点のピッチと一致していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記レンズ手段は、光を遮光する遮光手段を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の画像表示装置。
- 前記瞳孔内の点は、前記複数の平行光束が交差する複数の光束集束点であり、
前記レンズ手段の主平面と前記光束集束点との間の光学的距離をze、前記レンズ手段の主平面と前記画像変調手段との間の光学的距離をzm、隣接する前記複数の光束集束点の間の光学的距離をΔp、前記レンズ手段のレンズピッチをΔl、前記画像変調手段の画素ピッチをΔd、前記複数の光束集束点の数をNとするとき、
が成立することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の画像表示装置。 - 前記レンズ手段の主平面と前記複数の平行光束の逆延長線が交差する複数の交点を含む複数の平面のうち一つの平面との光学的距離をzaとするとき、自然数m、nを用いて、
が成立することを特徴とする請求項9に記載の画像表示装置。 - 前記複数の平行光束の逆延長線が交差する複数の交点のピッチをΔcとすると、自然数m、nおよび、自然数m、nの最大公約数μを用いて、
が成立することを特徴とする請求項9または10に記載の画像表示装置。 - 前記仮想の画素群の光源、前記レンズ手段、および、前記観察者の有効瞳領域を通過する光線のみについて逆光線追跡を行う制御手段を更に有し、
前記制御手段は、前記光線と前記画像変調手段との交点位置に配置された画素に前記光を発するための輝度を与えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の画像表示装置。 - 前記逆光線追跡の結果を予めデータ変換テーブルとして記憶する記憶手段を更に有し、
前記制御手段は、前記データ変換テーブルを用いて、前記画像変調手段に前記複数の光を変調させることを特徴とする請求項12に記載の画像表示装置。 - 前記有効瞳領域は、観察者の瞳孔と同一の面上に、該瞳孔の中心を中心とした円の内部領域として設定されていることを特徴とする請求項12または13に記載の画像表示装置。
- 前記有効瞳領域は、観察者の眼球回転中心を中心とする球体の内部領域として設定されていることを特徴とする請求項12または13に記載の画像表示装置。
- 前記観察者の瞳孔の位置を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記瞳孔の位置に基づいて画像データを生成する画像処理手段と、を有することを特徴とする請求項1乃至15のいずれか1項に記載の画像表示装置。 - 前記検出手段により検出された前記瞳孔の位置に応じて有効瞳領域の位置を設定する設定手段を更に有し、
前記画像処理手段は、前記有効瞳領域の位置に基づいて前記光の輝度分布を調整することを特徴とする請求項16に記載の画像表示装置。 - 請求項1乃至17のいずれか1項に記載の画像表示装置と、
前記画像表示装置に画像情報を供給する画像情報供給装置と、を有することを特徴とする画像表示システム。
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