JP2016212150A

JP2016212150A - 観察光学装置、メガネ、コンタクトレンズおよび画像表示システム

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Publication number: JP2016212150A
Application number: JP2015092989A
Authority: JP
Inventors: 三宅　信行; Nobuyuki Miyake; 信行三宅; 清茂芝崎; Kiyoshige Shibazaki; 博久太平; Hirohisa Taira; 克大島竹; Katsuhiro Shimatake
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2016-12-15

Abstract

【課題】装着者に装着される表示装置において、画像生成部および表示光学系を搭載することで装置全体が大型化および重量化するという課題があった。
【解決手段】観察者に装着可能であって、光線が透過する透過部と、透過部に設けられた光線切替部とを備え、光線切替部は、観察者が透過部を通して見る観察像に対して異なる方向からの光線による表示像と前記観察像との合成を切り替える観察光学装置が提供される。上記観察光学装置と、表示像を出力する画像出力装置とを有する画像表示システムがさらに提供されてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、観察光学装置、メガネ、コンタクトレンズおよび画像表示システムに関する。

装着者に装着される表示装置において、画像生成部を当該表示装置に搭載し、表示光学系を用いて画像生成部で生成された画像を、外界像に重畳させるものがある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１特開２０１３−２２５０４２

しかしながら、画像生成部および表示光学系を搭載することで装置全体が大型化および重量化するという課題があった。

本発明の第１の態様においては、観察者に装着可能であって、光線が透過する透過部と、透過部に設けられた光線切替部とを備え、光線切替部は、観察者が透過部を通して見る観察像に対して異なる方向からの光線による表示像と前記観察像との合成を切り替える観察光学装置が提供される。

本発明の第２の態様においては、画像表示システムであって、上記観察光学装置と、表示像を出力する画像出力装置とを備える。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態の画像表示システム１０が使用される状態を示す概略図である。画像表示システム１０の観察光学装置１００の斜視図である。透過部１１０と光線切替部１２０との位置関係を示す正面図である。回路部１８２の機能を示すブロック図である。光線切替部１２０の構成を模式的に示す断面図である。光線切替部１２０により光路が切り替えられた状態を模式的に示す断面図である。観察像２０の一部の領域に表示像４０が表示されている状態を示す模式図である。光線切替部１２０が配される領域の別例を示す正面図である。光線切替部１２０の別例を示す正面図である。他の光線切替部１２５の構成を模式的に示す断面図である。さらに他の光線切替部１２６の構成を模式的に示す断面図である。他の回路部１８３の機能を示すブロック図である。図１２に対応する画像出力装置２００の機能を示すブロック図である。観察者１２の眼１４に直接装着して用いられるコンタクトレンズ１０８を概略的に示す正面図である。他のコンタクトレンズ１９０を概略的に示す正面図である。光線切替部１９２の構成を模式的に示す断面図である。さらに他の光線切替部１９５の構成を概略的に示す断面図である。観察者１２が自動車の運転者である応用例を示す。観察者１２が椅子に腰かけた状態で用いる応用例を示す。観察者１２がビデオカメラに向けて原稿を読むアナウンサー等である応用例を示す。観察者１２が机に向かって勉強している応用例を示す。観察者１２が首から画像出力装置２００を吊り下げている応用例を示す。観察者１２が画像出力装置２００として携帯用のプロジェクタ、例えば首掛けのプロジェクタを用いる応用例を示す。複数の観察者１２で表示像４０を見る応用例を示す。観察者１２が執刀医である応用例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態の画像表示システム１０が使用される状態を示す概略図である。画像表示システム１０は、観察光学装置１００と画像出力装置２００とを有する。同図の例において、画像出力装置２００はスマートフォンである。なお、画像出力装置２００は、例えば、タブレット型端末や腕時計型端末等であってもよい。

図２は、観察光学装置１００の斜視図である。本実施形態の観察光学装置１００は、観察者１２が正面の観察像２０を観察しつつ、顔を動かすことなく正面にはない表示像４０も見ることができる。また、本実施形態の観察光学装置１００には、画像出力装置としてのディスプレイを設ける必要がないので、観察光学装置１００をシンプルに構成することができる。これによって、ユーザは自分が持っているスマートフォンやタブレット等の画像出力装置を使って、観察像２０と表示像４０とを重ねて用いる拡張現実（ＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａｌｉｔｙ）を実現することができる。さらに、本実施形態では、画像出力装置２００は、地図や雑誌などの画像媒体を含み、観察光学装置１００において光路を切り替えて用いているので、地図や雑誌などの情報を必要に応じて観察像２０に重ねて用いることができる。

図１および図２に示す例において、観察光学装置１００はメガネ１０２として観察者１２の顔に装着可能である。観察光学装置１００は、メガネ１０２の本体としてのフレーム１０４と、当該フレーム１０４に保持された、透過部１１０、撮像部２５０、回路部１８２および電池１０６を備える。透過部１１０の一部の領域には、光線切替部１２０が設けられる。

透過部１１０は、観察光学装置１００が観察者１２に装着された場合に眼１４の前面に位置する。すなわち、透過部１１０は通常のメガネにおけるレンズに相当する。当該透過部１１０は、視力調整等のためのレンズパワーがあってもよく、なくてもよい。透過部１１０には、光線が透過する。

撮像部２５０は、メガネ１０２の周囲を撮像して撮像画像を生成する。撮像部２５０としては、例えば、カメラ、ビデオ、撮像素子等である。その撮像範囲に画像出力装置２００が写り込むように、できるだけ広角であることが好ましい。広い撮像範囲を確保するために、互いに異なる撮像範囲を撮像する複数の撮像部２５０が設けられてもよい。また、後述する光線切替部１２０で切り替え可能な光路の範囲に対応する撮像範囲が撮像されるようになっていてもよい。

図３は、透過部１１０と光線切替部１２０との位置関係を示す正面図である。図３に示す例において、光線切替部１２０は透過部１１０の中心を避けて一方寄りの少し下方の矩形の領域に配される。光線切替部１２０は、二次元的に配された複数の液晶部１３２を有する。

図４は、回路部１８２の機能を示すブロック図である。回路部１８２は、画像処理部２６０と、電圧制御部１４０と、格納部２６２とを有する。当該回路部１８２はＡＳＩＣ等により回路として組み込まれてもよいし、ＣＰＵ等の回路に対してソフトウェアプログラムとして実現されてもよい。

画像処理部２６０は、撮像部２５０で生成された撮像画像を画像処理して、画像出力装置２００の位置を特定する。この場合に例えば、格納部２６２には画像出力装置２００の画像のテンプレートが格納されており、画像処理部２６０は当該格納部２６２のテンプレートを参照して、画像マッチングにより撮像画像内での画像出力装置２００の位置を特定する。画像処理部２６０は、画像出力装置２００の位置が特定できない場合に、その旨を音、光等を用いて出力してもよい。

電圧制御部１４０は、画像処理部２６０により特定された画像出力装置２００の位置の方向に光線切替部１２０の光路を切り替えるよう制御する。この場合に例えば、格納部２６２には、撮像画像内の位置に対応付けて、制御すべき液晶部１３２を特定する情報とそれに与える電圧値のテーブルが格納されている。電圧制御部１４０は画像処理部２６０から撮像画像内の位置を受け取り、格納部２６２のテーブルを参照することにより、光線切替部１２０を通過する画像出力装置２００からの光線が観察者の眼１４に到達するように光路を制御する。なお画像処理部２６０により画像出力装置２００の位置を特定することに代えて、プリセットされた方向に光路を切り替えるようにしてもよい。

図５は、光線切替部１２０の構成を模式的に示す断面図である。図５の光線切替部１２０は、屈折率可変素子として液晶１３１を用いた例を示している。

液晶１３１は平板状の基板１３０と鋸刃状の共通電極１３４との間に封止される。当該液晶１３１は例えばカイラルネマテック液晶で、電圧をかけることで屈折率が変化する。

基板１３０には各鋸刃形状に対応した複数の個別電極１３６が形成されている。これにより、個別電極１３６が設けられた領域ごとに液晶部１３２が形成される。個別電極１３６は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、インジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ）等を用いて、光を透過する透明電極によって形成されている。また、個別電極１３６の各々にはトランジスタ等のスイッチ１４２の一端が接続される。

スイッチ１４２の他端と共通電極１３４との間には交流電源１４４が配される。交流電源１４４は電池１０６の電力に基づいて電圧制御部１４０の制御により交流電圧を発生する。

図５に示す状態において、スイッチ１４２はいずれも開いている。液晶１３１は電圧をかけない状態において捩じれ配列する。液晶１３１の捩じれのピッチが光の波長に比べて十分に小さければ、この状態で液晶１３１は、屈折率ｎ_１（＝（ｎ_ｅ＋ｎ_０）／２）の等方的媒質としてふるまう。ここで、ｎ_ｅは液晶分子長軸方向の偏光に対する屈折率、ｎ_０は短軸方向の偏光に対する屈折率であり、ｎ_ｅ＞ｎ_０である。

よって、透過部１１０の材料として屈折率がｎ_１またはこれに近い樹脂やガラス等を選んでおくことにより、光線切替部１２０を通る光線は屈折しない。言い換えれば、光線切替部１２０を通る光線の偏向角は０度である。したがって、観察者１２の眼１４には当該観察者１２が向いている方向からの光線が入射し、観察者１２は正面の外界の観察像２０を通常の状態で見ることができる。

図６は、光線切替部１２０により光路が切り替えられた状態を示す。電圧制御部１４０がスイッチ１４２を閉じると、当該スイッチ１４２に対応した液晶部１３２の液晶１３１に電圧が加えられる。これにより液晶１３１は図６に示すように配列し、屈折率ｎ_１よりも小さい屈折率ｎ_０の等方的媒質としてふるまう。

交流電源１４４のピーク電圧を制御することにより、液晶１３１にｎ_１とｎ_０の中間の屈折率を生じさせることもできる。なお、個別電極１３６とスイッチ１４２との組が液晶部１３２ごとに設けられているので、液晶部１３２ごとに互いに独立して屈折率を変化させることができる。

これにより、透過部１１０との間に屈折率差が生じて、光線が屈折する。言い換えれば、光線切替部１２０を通る光線は交流電源１４４のピーク電圧に対応した偏向角で偏向し、図５の状態に対して光路が切り替えられる。図６に示す状態において、観察者１２の眼１４には当該観察者１２が向いている方向よりも下方からの光線が入射する。

電圧制御部１４０は、上記の通り交流電源１４４のピーク電圧を、画像出力装置２００の位置に対応して制御している。よって、観察者１２は図５と同じ方向を向いたままで、当該方向とは異なる方向に置かれている画像出力装置２００に表示されている表示像４０を見ることができる。このとき、光線切替部１２０以外の透過部１１０では、何ら透過光線に変化はなく、通常通り観察者の正面を観察できることは言うまでもない。従って、観察者は通常状態では、観察光学装置の掛けた状態での全視野にて正面の物体を観察することができる。そして、上記のとおり光線切替部１２０を動作させることにより、この部分を通過する光線により、観察視野の一部において画像出力装置２００に表示されている表示像４０を見ることができる。視野の一部における表示像は、光線切替部１２０の透過率に応じて、前方視野像に重ねて画像出力装置２００の表示像を見ることができる。また、光線切替部１２０が透過光を完全に遮光して、この部分にて画像出力装置２００の表示像のみを観察することも可能である。さらに、光線切替部１２０の透過率及び画像出力装置２００そのものの表示像の光強度を変えることによって、正面の観察像の明るさに応じた見やすい状態で、両者の像を観察するように構成することができる。

図７は、観察像２０の一部の領域に表示像４０が表示されている状態を示す模式図である。図６に示す状態において、観察者１２には図７のように光線切替部１２０の位置に対応して、表示像４０が観察像２０の一部の上に見えている。この場合に、表示像４０が見えている領域で観察像２０は見えていないので、観察像２０に対する表示像４０の強度が最大である、ということもできる。なお、透過部１１０における光線切替部１２０が配されていない領域には、光線切替部１２０が図５の状態であるか図６の状態であるかに関わらず、観察像２０が見えている。すなわち、光線切替部１２０によって、観察像２０が見えている領域に対する表示像が見えている領域の面積比を切り替えることができるので、観察光学装置１００は、表示像と観察像との合成を切り替えると言える。

なお、光線切替部１２０の透過率制御に関しては、図５に示す状態と図６に示す状態とを交互に切り替えるデューティ比によって、観察像２０に対する表示像４０の明るさを実質的に調整することができる。観察像２０に対する表示像４０の強度、いいかえれば、表示像４０から観察像２０が透けて見える程度を調整することができる。図６に示す状態の時間が短いすなわちデューティ比が小さいほど、表示像４０の明るさが小さくなり、観察者１２には、表示像４０が透けて観察像２０に重畳した状態が観察される。なお、デューティ比は光路を切り替えるための液晶部１３２の個数でも良い。すなわち、光線切替部１２０の切り替え時間や切り替える液晶部１３２の個数によって、表示像４０と観察像２０との明るさ比を調整することができるので、観察光学装置１００は、表示像と観察像との合成を切り替えると言える。

図５および図６の光線切替部１２０は電圧により液晶部１３２の屈折率を変化させたが、これに代えてまたはこれに加えて、温度で屈折率を変化させてもよい。この場合に例えば、個別電極１３６の位置にヒータを配し、電圧制御部１４０に代えて温度制御部が当該ヒータへのスイッチを開閉することで屈折率を制御する。これによっても光線切替部１２０の光路を切り替えることができる。すなわち、観察光学装置１００は、表示像と観察像との合成を切り替えると言える。

図８は、光線切替部１２０が配される領域の別例である。図８の例において、光線切替部１２０は透過部１１０のほぼ全面に配される。これにより、表示像４０を大きな視野内に表示することができる。

図９は、光線切替部１２０の別例である。図９において、透過部１１０の中央部分には光線切替部１２０は設けられていない。

中央よりも下に下領域１２１が設けられ、当該下領域１２１には、図５に示した向きの鋸刃状を有する液晶部１３２が配される。さらに、中央より上の上領域１２２には図５の上下を反転させた鋸刃状を有する液晶部１３２が配される。図中左すなわち観察者１２からみて中央よりも右の右領域１２３には、図５の上を図中右すなわち観察者１２からみて左とする向きの鋸刃状を有する液晶部１３２が配される。図中右すなわち観察者１２からみて中央よりも左の左領域１２４には、図５の上を図中左すなわち観察者１２からみて右とする向きの鋸刃状を有する液晶部１３２が配される。

図９の例によれば、画像出力装置２００が観察者１２の顔の向きに対して上下左右のいずれにある場合でも、対応する領域の液晶部１３２を駆動することにより、当該画像出力装置２００に向けて光路を切り替えることができる。これにより、画像出力装置２００が観察者１２の顔の向きに対して上下左右のいずれにある場合でも、観察者１２は顔の向きを変えずに画像出力装置２００の表示像４０をみることができる。

図１０は、他の光線切替部１２５の構成を模式的に示す断面図である。図１０の光線切替部１２５は、反射角可変素子としてハーフミラー１５２を用いた例を示した。当該ハーフミラー１５２はＭＥＭＳの技術により形成される。

ハーフミラー１５２は、ミラー面とミラー支持部とを備える。ハーフミラー１５２は、ミラー支持部の一端にミラー面が設けられおり、紙面に平行な方向におけるハーフミラー１５２の断面形状が概略Ｔ字型を有している。また、ハーフミラー１５２のミラー支持部の他端は基板１３０に取り付けられる。基板１３０には複数のハーフミラー１５２のそれぞれに対応した位置に、第１電極１５４および第２電極１５６が配される。第１電極１５４および第２電極１５６の組はスイッチ１６２の一端に接続される。スイッチ１６２の他端は直流電源１５８に接続される。なお、透過部１１０の少なくとも光線切替部１２５が設けられる領域はハーフミラー１５２が傾斜できる空間が設けられていることが好ましい。

上記構成において、スイッチ１６２が開かれている場合は、図１０の一番上のハーフミラー１５２のように当該ハーフミラー１５２は傾いておらず、言い換えれば傾斜角は０である。また、光線の少なくとも一部はハーフミラー１５２を透過する。よって、観察者１２の眼１４には観察像２０が入射する。なお、ハーフミラー１５２の透過率は、用途や使用環境などに合わせて、０％〜１００％の様々な態様が用いられる。

一方、スイッチ１６２の一方が閉じている場合にはそれに対応した方向にハーフミラー１５２が傾く、図１０の上から二番目のハーフミラー１５２を例にとれば、当該ハーフミラー１５２における第２電極１５６側のスイッチ１６２が閉じている。よって、第２電極１５６に直流電源１５８の電圧が掛り、その静電力によってハーフミラー１５２の下部分を引き付ける。これにより、ハーフミラー１５２が傾斜する。ハーフミラー１５２が傾斜することにより、その反射方向が眼１４に向うような入射角の光路からの光線が眼１４に届く。

直流電源１５８の電圧を制御することにより、ハーフミラー１５２の傾斜角を可変にできる。なお、第１電極１５４、第２電極１５６およびスイッチ１６２の組がハーフミラー１５２ごとに設けられているので、ハーフミラー１５２ごとに互いに独立して傾斜角を変化させることができる。

これにより、ハーフミラー１５２から眼１４への光路が切り替えられる。言い換えれば、光線切替部１２０を通る光線は直流電源１５８の電圧に対応した偏向角で偏向する。この例においても、電圧制御部１４０が直流電源１５８の電圧を画像出力装置２００の位置に対応して制御することにより、観察者１２は向きを変えずに、画像出力装置２００に表示されている表示像４０を見ることができる。また、反射角可変素子を用いることで、画像出力装置２００が眼１４よりも後方にある場合にも画像出力装置２００からの表示像４０を見ることができる。

なお、図１０に示す静電吸引力に代えて、形状記憶合金の温度変化を用いてもよい。この場合に、ハーフミラーの少なくとも一部が形状記憶合金で形成され、当該ハーフミラーに対してヒータを設けて、温度制御部によりヒータの温度を制御することで傾斜角を制御してもよい。

図１１は、さらに他の光線切替部１２６の構成を模式的に示す断面図である。図１１の光線切替部１２６は、ロータリープリズム１７０を用いた例を示した。

複数のロータリープリズム１７０の各々は、連結部１７６と、当該連結部１７６により相対的に回転可能に向かい合わされた一対のプリズム片１７２、１７４とを有する。さらに、一対のプリズム片１７２、１７４の組ごとに、プリズム片１７４を回転させる駆動部１７８が設けられる。なお、透過部１１０の少なくとも光線切替部１２６が設けられる領域はプリズム片１７４が回転できる空間が設けられていることが好ましい。

上記構成において、各ロータリープリズム１７０の楔状のプリズム片１７２、１７４が相対的に等速逆回転することにより、一定の子午面内（図中の紙面内）で、連続的に光線の偏向角度を変えることができる。なお、一対のプリズム片１７２、１７４を一体的に回転させることによって、光線が偏向する子午面の方向を任意に変えることも可能である。従って、この一対のプリズム片１７２、１７４からなるロータリープリズム１７０の偏向角の方向（入射光線と偏向光線とのなす面）が予め決められる場合には、その子午面を固定した状態で、プリズム片１７２、１７４を等速相対逆回転させることで、その面内での偏向角度を任意に変えることが可能である。

図１１の一番上のロータリープリズム１７０のように、向かい合っていない方の端面が互いに平行な場合は、ロータリープリズム１７０を透過する互いに平行な光線におけるロータリープリズム１７０内の光路長が同じなので、光線は屈折しない。よって、観察者１２の眼１４には観察像２０が入射する。

一方、図１１の上から二番目のロータリープリズム１７０のように、向かい合っていない方の端面が互いに平行でない場合は、ロータリープリズム１７０を透過する互いに平行な光線におけるロータリープリズム１７０内の光路長が異なるので、光線は屈折する。ロータリープリズム１７０の周囲が空気でプリズム片１７２、１７４の屈折率が空気よりも高い場合には、図１１に示すように屈折する。

プリズム片１７２に対するプリズム片１７４の相対回転角を制御することにより、屈折角を可変にできる。また、一対のプリズム片１７２、１７４を一緒に回転させることにより、屈折角の大きさを変えずにその空間的な向きを回転させることができる。なお、一対のプリズム片１７２、１７４に対して駆動部１７８が設けられているので、ロータリープリズム１７０ごとに互いに独立して屈折角を変化させることができる。これにより、観察者１２は向きを変えずに、画像出力装置２００に表示されている表示像４０を見ることができる。

さらに光線切替部の他の例として、音響光学素子を用いて光路を切り替えてもよい。

図１２は、他の回路部１８３の機能を示すブロック図である。回路部１８３は、図４の画像処理部２６０に代えて、通信部２６４を有する。通信部２６４は、画像出力装置２００と無線通信する。

図１３は、図１２に対応する画像出力装置２００の機能を示すブロック図である。画像出力装置２００は、通信部２１０と、台形補正部２２０と、画像生成部２３０とを有する。

観察光学装置１００の通信部２６４は、画像出力装置２００の通信部２１０と、例えば近距離無線通信、赤外線通信等で互いに通信し、画像出力装置２００の位置に関する情報を取得する。電圧制御部１４０は、図４の場合と同じく当該位置の方向に光線切替部１２０の光路を切り替えるよう制御する。これにより、図１から図１１の実施形態における撮像部２５０および画像処理部２６０等を省略することができる。

画像出力装置２００の通信部２１０は、上記方向の情報を取得して、台形補正部２２０に受け渡す。画像出力装置２００の画像生成部２３０は、観察者１２に表示する原画像のデータを生成する。ここで、原画像は例えば、当該画像出力装置２００と正対した場合に歪なく観察することができる画像である。

台形補正部２２０は、画像生成部２３０の原画像を、通信部２１０が取得した方向から見た場合に歪が少なくなるように、台形補正して、補正後の画像を表示像４０として表示する。この場合に形に加えて画像の向きを補正してもよい。これらにより、観察者１２が歪の少ない表示像４０を見ることができる。

観察光学装置１００の他の例として、観察光学装置１００は、撮像部２５０からの画像を処理する画像処理部２６０、又は画像出力装置２００の通信部２１０との通信に代えて、画像出力装置２００の位置を検出するための位置検出部を備えていても良い。例えば、位置検出部は赤外線センサーであり、位置検出部から赤外線を発生させ、画像出力装置２００によって反射された赤外線を検出することによって、画像出力装置２００の位置を検出する。これにより、図１から図１１の実施形態における撮像部２５０及び画像処理部２６０や図１２の実施形態における通信部２１０等を省略することができる。なお、位置検出部は、磁気センサー、電波センサー等であっても良い。

図１４は、観察光学装置１００の他の例としての、観察者１２の眼１４に直接装着して用いられるコンタクトレンズ１０８を概略的に示す正面図である。図１４において、図１から図１３と同じ構成には同じ参照番号を付して説明を省略する。メガネ１０２の場合と同様に、コンタクトレンズ１０８の透過部１１０には視力矯正等のレンズパワーがあってもよいし、なくてもよい。

コンタクトレンズ１０８には外部から無線で給電するためのアンテナ１８５が設けられている。アンテナ１８５は回路部１８３と電気的に接続されている。なお、コンタクトレンズ１０８にバッテリーを内蔵することによって、アンテナ１８５を省略してもよい。例えば、バッテリーへの充電は、コンタクトレンズ１０８の洗浄中に電圧を印加することや洗浄液による化学反応を利用すること等によって行ってもよい。

図１４に示す例において、光線切替部１２０は、中央の領域を避けてその周囲に同心円状に配されている。これに代えて、中央の領域に配されていてもよい。また、光線切替部１２０に代えて、光線切替部１２５、１２６等が用いられてもよい。さらに、当該コンタクトレンズ１０８に撮像部が設けられてもよい。例えば、撮像部としてレンズレスカメラを用いて、観察者が見ている像や画像出力装置２００等を撮影できるようにしても良い。また、これに代えて、通信や赤外線センサー等により画像出力装置２００の位置を特定してもよい。

図１５は観察光学装置１００のさらに他の例としてのコンタクトレンズ１９０を概略的に示し、図１６はコンタクトレンズ１９０の光線切替部１９２の断面を模式的に示す。コンタクトレンズ１９０において図１４のコンタクトレンズ１０８と同じ構成については同じ参照番号を付して説明を省略する。

コンタクトレンズ１９０の中央の領域には光線切替部１９２が配される。光線切替部１９２は、観察者の瞳孔１９１よりも小さいことが好ましい。

光線切替部１９２は、ハーフミラー１９４および液晶シャッタ１９３とを備える。液晶シャッタ１９３は、ハーフミラー１９４で反射して観察者の眼１４に向う光線の、ハーフミラー１９４への入射側に配される。図１６の例では、ハーフミラー１９４は下方からの光線を眼１４に向けて反射するので、液晶シャッタ１９３はハーフミラー１９４の前面下方に配される。

上記構成によれば、液晶シャッタ１９３が開いている場合には、ハーフミラー１９４を透過した観察像２０と、ハーフミラー１９４で反射した表示像４０とが合成されて眼１４に入射する。一方、液晶シャッタ１９３が閉じている場合には、ハーフミラー１９４を透過した観察像２０が眼１４に入射するが、表示像４０は入射しない。これは液晶シャッタ１９３の開閉によって表示像４０の光線の光路を切り替えているので、観察光学装置１００は表示像４０と観察像２０との合成を切り替えているといえる。液晶シャッタ１９３は単なる開閉ではなく、透過率を中間的な値に制御したり、開閉を時分割したデューティ制御したりすることで、観察像２０に対する表示像４０の強度を調整することができる。

光線切替部１９２において液晶シャッタ１９３とハーフミラー１９４は一組であってもよく、複数組が二次元的に配されていてもよい。また、当該光線切替部１９２を、コンタクトレンズ１９０に代えて図２のようなメガネ１０２に用いてもよい。

図１７は、観察光学装置１００に用いることができる、さらに他の光線切替部１９５の断面を概略的に示す。光線切替部１９５は、偏光ビームスプリッタ１９６と、液晶シャッタ１９７とを有する。

図１７の例において、偏光ビームスプリッタ１９６は図中左からのＰ偏光を透過し、下方からのＳ偏光を反射するコンバイナの機能を有する。偏光ビームスプリッタ１９６の下面には、液晶シャッタ１９７が配される。

上記構成によれば、液晶シャッタ１９７が開いている場合には、偏光ビームスプリッタ１９６を透過した観察像２０と、偏光ビームスプリッタ１９６で反射した表示像４０とが合成されて眼１４に入射する。一方、液晶シャッタ１９７が閉じている場合には、偏光ビームスプリッタ１９６を透過した観察像２０が眼１４に入射するが、表示像４０は入射しない。これは液晶シャッタ１９３の開閉によって表示像４０の光線の光路を切り替えているので、観察光学装置１００は表示像４０と観察像２０との合成を切り替えているといえる。液晶シャッタ１９７は単なる開閉ではなく、透過率を中間的な値に制御したり、開閉を時分割したデューティ制御したりすることで、観察像２０に対する表示像４０の強度を調整することができる。

上記いずれの実施形態においても、光線切替部１２０の複数の液晶部１３２等ごとに独立して光路を切り替えられる。これに代えて、光線切替部１２０の全体でまたは領域ごとにまとめて複数の液晶部１３２等の光路を切り替えてもよい。また、光線切替部１２０は、メガネ１０２やコンタクトレンズ１９０等の透過部１１０において、その表面又は内部に設けられても良い。さらに、光線切替部１２０は、透過部１１０に対して着脱可能に構成されても良い。

いずれの実施形態においても、光線切替部１２０等が設けられた領域に、表示像４０を透過するフィルタを配してもよい。例えば、表示像４０がＲＧＢの三つの波長の光源に基づいて生成されている場合に、当該三つの波長に対応する波長を透過して他を吸収又は反射するバンドパスフィルタを設ける。それに代えてまたはそれに加えて、表示像４０が偏光している場合には当該偏光に対応する偏光方向を透過し、それに直交する偏光を吸収又は反射する偏光フィルタを設けてもよい。

他の実施形態として、観察光学装置１００はタッチセンサーやスイッチボタン等のコントローラを備え、コントローラで操作することにより光線切替部１２０の光路を切り替えてもよい。また、観察光学装置１００は視線検出装置を備え、観察者１２の眼の動きによって光線切替部１２０の光路や観察光学装置１００のオン・オフを切り替えるようにしてもよい。なお、観察光学装置１００は、画像出力装置２００との組ではなく、単体で用いられてもよい。

以下、図面を用いて画像表示システムの応用例を説明する。

図１８は、前述した図２に示した観察光学装置１００を装着した観察者１２が自動車の運転者である応用例を示す。図１８において、画像出力装置２００は、経路案内装置のモニタまたはサラウンドビューのモニタであって、ダッシュボードの前面に配される。この場合に観察者１２は観察光学装置１００を装着することにより、光線切替部１２０を作動させることによって運転中に前面を観察像２０として観察しながら、顔を動かさずに画像出力装置２００の表示像４０も見ることができる。運転者は通常はメガネ１０２を単なる視力矯正用のメガネとしてまたはサングラスとして使用することができ、必要に応じてスイッチをオンすることにより光線切替部１２０を作動させて、モニタからの画像を、運転中に観察方向から視野を変えることなく、観察することができる。また、経路案内装置等のモニタに代えて、表示像４０としてサイドミラーに映る像をみることができるように観察光学装置１００が制御されてもよい。表示像４０としてまた、ダッシュボード上に置かれた地図、雑誌等をみることができるように観察光学装置１００が制御されてもよい。これによって、自動車のフロントガラスやディスプレイ等に新たな装置や機構を設ける必要がないので、観察像２０と表示像４０とを重ねて見る拡張現実をシンプルな構成で実現することができる。また、本実施形態の画像表示システム１０を、自動車の運転者に限らず、自転車、自動二輪車、船舶、電車、航空機等の運転者が用いてもよい。

図１９は、観察光学装置１００を装着した観察者１２が椅子に腰かけた状態で用いる応用例を示す。図１９において、膝元に雑誌２０１等が置かれている。この場合に観察者１２が観察光学装置１００を装着することにより、任意の方向を観察像２０として観察しながら、顔を動かさずに表示像４０として雑誌２０１等をみることができる。例えば、音楽コンクールにおいて演奏者を見ながら膝元にあるパンフレットを重ねて見ることや、スポーツ観戦において試合を見ながらディスプレイに表示されている実況映像を重ねて見ることができる。この場合に観察者１２は、ディスプレイを見る必要がないときは、メガネ１０２をかけたまにしておき、単なる視力矯正用のメガネとしてまたはサングラスとして使用することができる。

図２０は、観察者１２がＴＶカメラやビデオカメラ等の撮影装置に向けて原稿を読むアナウンサー等である応用例を示す。図２０において、画像出力装置２００は、撮影装置に写らない位置に配されており、表示像４０として原稿を表示している。この場合にアナウンサー等が観察光学装置１００を装着することにより、原稿を読まないときはメガネ１０２を単なる視力矯正用のメガネとしてまたはサングラスとして使用することでビデオカメラに目線を向けて話をしつつ、必要に応じてスイッチをオンすることにより光線切替部１２０を作動させて、撮影装置に視線を向けたままで、画像出力装置２００の表示像４０をみて、原稿を読むことができる。また、例えば、カラオケやライブなどで、視線を観客に向けたまま、画像出力装置２００に表示された歌詞や階調等を見ることや、講演や討論会などで視線を観客に向けたまま、原稿を見ること等で、本実施形態の態様を用いることができる。

図２１は、観察者１２が机に向かって勉強している応用例を示す。図２１において、例えば先生が黒板２０２に問題を書いて、生徒である観察者１２が机の上の解答用紙に解答を書く。この場合に観察者１２が観察光学装置１００を装着して、メガネのスイッチをオンにすることにより光線切替部１２０を動作させて、解答用紙から眼を離さずに黒板２０２の問題をみることができ、解答時にはスイッチをオフして目線を移動させずに解答に集中することができる。他の例として、観察者１２が教科書とノートとを開いており、教科書を観察像２０として観察しながらノートを表示像４０として併せて見ながら当該ノートに書き込みをすることができる。これによって、教科書に直接解答を書き込むことなく、反復学習を行うことができる。

図２２は、観察者１２が首から画像出力装置２００を吊り下げている応用例を示す。図２２において、画像出力装置２００はスマートフォンまたは専用の端末等であって、首から吊り下げた状態でその表示面が下方から観察者１２の顔の方を向くようになっている。この場合に観察者１２が観察光学装置１００を装着することにより、任意の方向を向いたままで、画像出力装置２００の表示像４０も併せてみることができる。さらに、観察者１２が当該スマートフォン等の画面に指を置けばそれが見えるので、正面を向いたままでスマートフォン等への操作をすることができる。よって、観察者１２は、歩行等において、通常はメガネ１０２を視力矯正用のメガネとしてまたはサングラスとして使用することで正面の状況を把握し、必要に応じてスイッチをオンすることにより光線切替部１２０を作動させて、正面の状況を把握したままでスマートフォン等から情報を得たり当該スマートフォンへの操作をすることができる。

図２３は、観察者１２が画像出力装置２００として携帯用のプロジェクタ、例えば首掛けのプロジェクタを用いる応用例を示す。図２３において、画像出力装置２００はプロジェクタとして、観察者１２の首に掛けられた状態で観察者１２の前方に表示像４０を投影する。この場合に観察者１２が観察光学装置１００を装着することにより、任意の方向を向いたままで、画像出力装置２００の表示像４０も併せてみることができる。

図２４は、複数の観察者１２で表示像４０を見る応用例を示す。図２４において、会議等において、プロジェクタ等の画像出力装置２００からＯＨＰ等のスライドが表示像４０として表示されている。この場合に、複数の観察者１２のそれぞれが観察光学装置１００を装着することにより、互いに向き合っていながらにして、共通の表示像４０を見ることができる。また、表示像４０を見る必要がないときにはスイッチをオフして、メガネ１０２を視力矯正用のメガネとしてまたはサングラスとして使用することができる。

図２５は、観察者１２が執刀医である応用例を示す。図２５において、患者に関する脈拍等のデータが表示像４０として画像出力装置２００に表示されている。この場合に観察者１２が観察光学装置１００を装着することにより、手術している患部から顔をそらさずに、表示像４０を見ることができる。ここで、表示像４０が観察者１２にとって観察像２０に重畳するように、例えば、観察像２０の患部の位置に、表示像４０から患部であることを示す像が重畳するような位置関係となるように、画像出力装置２００および観察光学装置１００が制御されることが好ましい。また、表示像４０を見る必要がないときにはスイッチをオフして、メガネ１０２を体液等の付着を防止するアイウェアとして、さらにそれに加えて視力矯正用のメガネまたはサングラスとして使用することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０画像表示システム、１２観察者、１４眼、２０観察像、４０表示像、１００観察光学装置、１０２メガネ、１０４フレーム、１０６電池、１０８コンタクトレンズ、１１０透過部、１２０光線切替部、１２１下領域、１２２上領域、１２３右領域、１２４左領域、１２５光線切替部、１２６光線切替部、１３０基板、１３１液晶、１３２液晶部、１３４共通電極、１３６個別電極、１４０電圧制御部、１４２スイッチ、１４４交流電源、１５２ハーフミラー、１５４第１電極、１５６第２電極、１５８直流電源、１６２スイッチ、１７０ロータリープリズム、１７２プリズム片、１７４プリズム片、１７６連結部、１７８駆動部、１８２回路部、１８３回路部、１８５アンテナ、１９０コンタクトレンズ、１９１瞳孔、１９２光線切替部、１９３液晶シャッタ、１９４ハーフミラー、１９５光線切替部、１９６偏光ビームスプリッタ、１９７液晶シャッタ、２００画像出力装置、２０１雑誌、２０２黒板、２１０通信部、２２０台形補正部、２３０画像生成部、２５０撮像部、２６０画像処理部、２６２格納部、２６４通信部

Claims

観察者に装着可能であって、
光線が透過する透過部と、
前記透過部に設けられた光線切替部と
を備え、
前記光線切替部は、
前記観察者が前記透過部を通して見る観察像に対して異なる方向からの光線による表示像と前記観察像との合成を切り替える観察光学装置。
前記光線切替部は、
前記表示像が前記観察像の少なくとも一部に重畳するように光路を切り替える請求項１に記載の観察光学装置。
前記光線切替部は、屈折率可変素子により光路を切り替える請求項１または２に記載の観察光学装置。
前記屈折率可変素子は、屈折率が可変な液晶部を有し、
前記液晶部は電極を有し、
前記電極に加える電圧を制御することで屈折率を制御する電圧制御部を備える請求項３に記載の観察光学装置。
前記屈折率可変素子は、屈折率が可変な液晶部を有し、
前記液晶部はヒータを有し、
前記ヒータの温度を制御することで屈折率を制御する温度制御部を備える請求項３に記載の観察光学装置。
前記屈折率可変素子は、前記液晶部を複数有し、
前記複数の液晶部は互いに独立して屈折率が可変な請求項４または５に記載の観察光学装置。
前記光線切替部は、反射角可変素子により光路を切り替える請求項１または２に記載の観察光学装置。
前記反射角可変素子は、傾斜角が可変なハーフミラーを有し、
前記ハーフミラーは電極を有し、
前記電極に加える電圧を制御することで傾斜角を制御する電圧制御部を備える請求項７に記載の観察光学装置。
前記反射角可変素子は、傾斜角が可変なハーフミラーを有し、
前記ハーフミラーはヒータを有し、
前記ヒータの温度を制御することで傾斜角を制御する温度制御部を備える請求項７に記載の観察光学装置。
前記反射角可変素子は、前記ハーフミラーを複数有し、
前記複数のハーフミラーは互いに独立して傾斜角が可変な請求項８または９に記載の観察光学装置。
前記光線切替部は、ロータリープリズムにより光路を切り替える請求項１または２に記載の観察光学装置。
前記ロータリープリズムは、相対的に回転可能に向かい合わされた一対のプリズム片と、前記一対のプリズム片を相対的に回転駆動する駆動部とを備える請求項１１に記載の観察光学装置。
前記ロータリープリズムは、前記一対のプリズム片を複数組有し、
前記複数組のプリズム片は互いに独立して回転可能な請求項１２に記載の観察光学装置。
表示像を出力する画像出力装置の位置を取得する位置取得部をさらに備え、
前記光線切替部は、光路を前記画像出力装置の方向に切り替える請求項１から１３のいずれか１項に記載の観察光学装置。
前記位置取得部は、周囲を撮像する撮像部と、前記撮像部により生成された撮像画像を画像処理して前記画像出力装置の位置を特定する画像処理部とを有する請求項１４に記載の観察光学装置。
前記位置取得部は、前記画像出力装置との通信により前記画像出力装置の位置を特定する請求項１４または１５に記載の観察光学装置。
前記光線切替部は、前記画像出力装置に表示された台形補正が施された表示像を観察像と合成するように光路を切り替える請求項１４から１６のいずれか１項に記載の観察光学装置。
前記光線切替部は、
前記表示像の波長に対応したバンドパスフィルタを有する請求項１４から１７のいずれか１項に記載の観察光学装置。
前記光線切替部は、
前記表示像の偏光に対応した偏光フィルタを有する請求項１４から１８のいずれか１項に記載の観察光学装置。
請求項１から１９のいずれか１項に記載の観察光学装置と、
表示像を出力する画像出力装置と
を有する画像表示システム。
前記観察者に支持されるフレームと、
前記フレームに支持され、前記観察者に装着された場合に前記観察者の目の前方に前記透過部が配置される、請求項１から１９のいずれか１項に記載の観察光学装置と
を有するメガネ。
前記観察者の目に直接装着して用いる請求項１から１９のいずれか１項に記載の観察光学装置を有するコンタクトレンズ。