JP2017158131A - 頭部搭載型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】左右一対の表示装置を設けて両眼視による映像認識を可能とするものであって、画像表示を大きいものと感じさせつつ装置の小型化を図ることのできる頭部搭載型表示装置を提供すること。【解決手段】第１及び第２表示装置１００Ａ，１００Ｂにおいて、左右の眼に共通内容の画像表示を行う第１及び第２共通表示エリアをそれぞれ有していることで、両眼視による画像コンテンツの視認を可能とするものとし、例えば立体視画像を視認させる。さらに、第１及び第２表示装置１００Ａ，１００Ｂのうち少なくとも一方において拡張表示エリアを有することで違和感なく表示エリアを拡張させて共通表示エリアの表示だけの場合よりも画像表示を大きいものに見せる。【選択図】図２

Description

本発明は、頭部に装着して映像素子等によって形成された映像を観察者に提示する頭部搭載型表示装置に関する。

観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも言う）等の頭部搭載型表示装置（あるいは虚像表示装置）として、左右一対の表示装置を設けて両眼に映像光をそれぞれ投影する両眼タイプのものが知られている（特許文献１〜３参照）。

頭部搭載型表示装置においては、装着性の問題から小型化の要請が強い一方、画像表示を大きくしたい（情報表示量を増やしたい）という、相反する要望がある。すなわち、一般に、画像表示を大きくするために眼に入射する映像光の入射角度を広げようとすると、光学系延いては装置全体が大型化してしまうことになり、逆に、装置を小型化するために光学系等を小さくすると、画像表示エリアが小さくなり、情報表示量が少なくなってしまう、という問題がある。

これに対して、左右の眼に互いに異なる２つの画面がそれぞれ視認されると、人間の大脳中枢において融像処理が行なわれ、当該異なる２つの画面があたかもつながっているように見えるになることを利用し、１つの大きな画面が置かれているかのように見せるもの（引用文献１，２参照）が知られている。

また、左右一対の虚像形成部を有して虚像を形成するものにおいて、台形補正による補正量を減らすために、複数の分割映像領域を設けて領域の有効活用を図るもの（引用文献３参照）も知られている。

ところで、近年、左右一対の表示装置を設けた両眼タイプのＨＭＤにおいては、例えば左右の視差に応じた画像を形成することで立体視画像を視認させたいといった要請もある。例えば上記引用文献１，２のように左右の眼に異なる画像をつながっているように視認させることで、左右に延長された画像を形成させる場合、立体視画像を視認させることは難しいと考えられる。

特開平７−３０２０６３号公報 特開平７−３０２０６４号公報 特開２０１４−１０３４８０号公報

本発明は、左右一対の表示装置を設けて両眼視による映像認識を可能とするものであって、画像表示を大きいものと感じさせつつ装置の小型化を図ることのできる頭部搭載型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、本発明の頭部搭載型表示装置は、左右の眼にそれぞれ対応して視認させるべき画像表示をそれぞれ行う第１及び第２表示部を備え、第１及び第２表示部は、共通内容の画像表示を行う第１及び第２共通表示エリアをそれぞれ有し、第１及び第２表示部のうち少なくとも一方は、画像表示のエリアを拡張する拡張表示エリアを有する。ここで、共通表示エリアにおいて表示させる共通内容については、２Ｄの画像（平面視画像）や３Ｄの画像（立体視画像）による種々のコンテンツの映像が対象となり、具体例としては、映画等の動画画像や、各種アプリケーションの画面、各種ＵＩ画面等が考えられる。

上記頭部搭載型表示装置では、第１及び第２表示部において左右の眼に共通内容の画像表示を行う第１及び第２共通表示エリアをそれぞれ有していることで、両眼視による画像コンテンツの視認を可能とするものとなっている。すなわち、共通内容の表示態様によって例えば左右の眼の視差に応じて右側の画像と左側の画像とをずらすことで立体視画像（３Ｄの画像）の視認が可能となる。この上で、第１及び第２表示部のうち少なくとも一方において拡張表示エリアを有することで違和感なく表示エリアを拡張させて共通表示エリアの表示だけの場合よりも画像表示を大きいものに見せることができる。また、この場合、共通表示エリアの表示の分のみ光学系等を増大させればよいので、装置全体の大型化によって表示エリアを広げる場合に比べて装置の小型化を図ることができる。

本発明の具体的な側面では、第１表示部と第２表示部とは、拡張表示エリアとして、互いに他方における表示とは異なる内容の画像表示をそれぞれ行う第１拡張表示エリアと第２拡張表示エリアとをそれぞれ有する。この場合、第１拡張表示エリアにおいて、例えば各種情報の表示といった種々の態様の表示が可能になる。

本発明の別の側面では、第１及び第２表示部は、第１及び第２共通表示エリアでの画像表示において立体視画像を形成させる。この場合、立体視画像を視認させることができる。

本発明のさらに別の側面では、第１及び第２表示部は、第１及び第２共通表示エリアによる視認範囲として、少なくとも弁別視野の範囲を含む画像表示を行う。この場合、視機能が優れた範囲において、両眼視による画像視認が可能となる。

本発明のさらに別の側面では、第１及び第２表示部は、第１及び第２共通表示エリアによる視認範囲として、画角１０°の範囲を含む画像表示を行う。この場合、例えば文字が認識可能な範囲において、両眼視による画像視認が可能となる。

本発明のさらに別の側面では、第１及び第２表示部は、第１及び第２共通表示エリアによる視認範囲を、映像フォーマットに準ずる縦横比とする画像表示を行う。この場合、両眼視の範囲において、映像フォーマットに準ずる縦横比で視認させることができる。

本発明のさらに別の側面では、第１及び第２表示部は、左右の眼の光軸の中心を基準として第１及び第２共通表示エリアを重ねて視認させる画像表示を行う。この場合、第１及び第２共通表示エリアの画像を１つの画像として認識させることができる。

本発明のさらに別の側面では、第１及び第２表示部は、左右の眼にそれぞれ対応した映像光を生じさせるパネル型の第１及び第２画像表示素子をそれぞれ有する。この場合、パネル型の画像表示素子により、例えばパネルの表示領域における画像形成の調整により表示エリアの調整を行うことができる。

本発明のさらに別の側面では、第１及び第２画像表示素子は、１つの表示パネル領域をそれぞれ有し、当該表示パネル領域を、第１及び第２共通表示エリアの映像光を生じさせる第１領域と拡張表示エリアの映像光を生じさせる第２領域とに応じて分割している。この場合、１つの表示パネル領域の領域分割によって拡張表示エリア共通表示エリアと拡張表示エリアとの調整が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、第１及び第２画像表示素子は、第１及び第２共通表示エリアと拡張表示エリアとに応じて個別の表示パネル領域をそれぞれ有している。この場合、個別の表示パネル領域の調整によって拡張表示エリア共通表示エリアと拡張表示エリアとの調整が可能になる。

本発明のさらに別の側面では第１及び第２表示部は、中心光軸から、第１及び第２画像表示素子の表示パネル領域の中心をずらしている。この場合、表示パネル領域の中心からずらすことで拡張表示が可能になる。

本発明のさらに別の側面では、拡張表示エリアは、第１共通表示エリア及び／又は第２共通表示エリアの外縁側に連続的に隣接している。この場合、領域の境界部分が違和感なく連続的に繋がっているように見せることができる。

一実施形態に係る頭部搭載型表示装置を示す図である。 （Ａ）は、映像光の光路について概念的に説明する図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は、左右一対の映像素子の一例を概念的に示す図であり、（Ｄ）及び（Ｅ）は、左右一対の導光部材での導光においてハーフミラー上での映像光の通過領域を概念的に示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、左右一対の各映像領域について示す図であり、（Ｃ）は、両眼視により認識される映像領域の全体について概念的に示す図である。 両眼視により認識される画像全体の様子の一例を示す図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、観察者の視野について説明するための概念的な図である。 観察者の視野と両眼視により認識される画像の表示範囲との関係を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、一変形例における左右一対の各映像領域について示す図であり、（Ｃ）は、両眼視により認識される映像領域について概念的に示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、左右一対の映像素子の一変形例を概念的に示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、他の一変形例における左右一対の各映像領域について示す図であり、（Ｃ）は、両眼視により認識される映像領域について概念的に示す図である。（Ｄ）及び（Ｅ）は、別の一変形例における左右一対の各映像領域について示す図であり、（Ｆ）は、両眼視により認識される映像領域について概念的に示す図である。 （Ａ）は、さらに別の一変形例について説明するための正面図であり、（Ｂ）は、表示部の構造を説明する平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、左右一対の各映像領域について一つの状態を示す図であり、（Ｃ）は、（Ａ）及び（Ｂ）に示した状態での両眼視により認識される映像領域の全体について概念的に示す図であり、（Ｄ）及び（Ｅ）は、左右一対の各映像領域について別の一つの状態を示す図であり、（Ｆ）は、（Ｄ）及び（Ｅ）に示した状態での両眼視により認識される映像領域の全体について概念的に示す図である。

以下、図１等を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る頭部搭載型表示装置について詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態の頭部搭載型表示装置１００は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この頭部搭載型表示装置１００を装着した観察者又は使用者に対して虚像による画像光（映像光）を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができる虚像表示装置である。頭部搭載型表示装置１００は、観察者の眼前を透視可能に覆う第１及び第２光学部材１０１ａ，１０１ｂと、両光学部材１０１ａ，１０１ｂを支持する枠部１０２と、枠部１０２の左右両端から後方のつる部分（テンプル）１０４にかけての部分に付加された第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂとを備える。ここで、図面上で左側の第１光学部材１０１ａと第１像形成本体部１０５ａとを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する第１表示部である。また、図面上で右側の第２光学部材１０１ｂと第２像形成本体部１０５ｂとを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成する第２表示部である。なお、図１と図２（Ａ）とを比較することで、例えば第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂは、鏡筒部（図示略）に収納される投射レンズ３０や、画像表示装置８０でそれぞれ構成されることが分かる。すなわち、図２（Ａ）に示す投射レンズ３０や画像表示装置８０等が図１に示す第１及び第２像形成本体部１０５ａ，１０５ｂの内部にそれぞれ収納されている。例えば、第１像形成本体部１０５ａは、画像表示装置８０と投射レンズ３０とで構成されているとも言える。

以下、図２（Ａ）を参照して、頭部搭載型表示装置１００のうち、光学系の各構成について説明する。なお、本実施形態では、光学系の各構成は、左右一対の対称的なものとなっており、同様の機能や作用をするものとなっている。

画像表示装置８０（右眼用の画像表示装置８０Ｒ及び左眼用の画像表示装置８０Ｌ）は、例えば有機ＥＬ等の自発光型の素子構成される画像表示素子（映像素子）とすることができる。また、例えば透過型の空間光変調装置である画像表示素子（映像素子）のほか、画像表示素子へ照明光を射出するバックライトである照明装置（不図示）や動作を制御する駆動制御部（不図示）を有する構成としてもよい。

投射レンズ３０は、構成要素として、例えば入射側光軸ＡＸに沿って並ぶ複数（例えば３つ）の光学素子（レンズ）を備える投射光学系であり、これらの光学素子が既述のように、鏡筒部によって収納・支持されている。なお、当該光学素子は、例えば非軸対称な非球面（非軸対称非球面）と軸対称な非球面（軸対称非球面）との双方を含む非球面レンズで構成することで、導光部材１０の一部と協働して導光部材１０の内部に表示像に対応する中間像を形成するものとすることができる。投射レンズ３０は、画像表示装置８０で形成された映像光を導光装置２０に向けて投射し入射させる。

導光装置２０は、導光及び透視用の導光部材１０と、透視用の光透過部材５０とで構成されている。導光部材１０は、プリズム型の導光装置２０の一部であり、一体の部材であるが、光射出側の第１導光部分１１と光入射側の第２導光部分１２とに分けて捉えることができる。光透過部材５０は、導光部材１０の透視機能を補助する部材（補助光学ブロック）であり、導光部材１０と一体的に固定され１つの導光装置２０となっている。導光装置２０は、例えば投射レンズ３０を収納する鏡筒部にネジ止めされることにより、投射レンズ３０に対して精度よく位置決め固定されている。

導光部材１０は、光学的な機能を有する側面として、第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５を有している。これらのうち、第１面Ｓ１１と第４面Ｓ１４とが連続的に隣接し、第３面Ｓ１３と第５面Ｓ１５とが連続的に隣接する。また、第１面Ｓ１１と第３面Ｓ１３との間に第２面Ｓ１２が配置されている。第２面Ｓ１２の表面には、ハーフミラー層１５が付随して設けられている。このハーフミラー層１５は、光透過性を有する反射膜（すなわち半透過反射膜）であり、金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成され映像光に対する反射率が適宜設定されている。

光透過部材５０は、既述のように導光部材１０と一体的に固定され１つの導光装置２０となっており、導光部材１０の透視機能を補助する部材（補助光学ブロック）である。光透過部材５０は、光学的な機能を有する側面として、第１透過面Ｓ５１と、第２透過面Ｓ５２と、第３透過面Ｓ５３とを有する。第２透過面Ｓ５２は、第１透過面Ｓ５１と第３透過面Ｓ５３との間に配置されている。第１透過面Ｓ５１は、導光部材１０の第１面Ｓ１１を延長した面上にあり、第２透過面Ｓ５２は、第２面Ｓ１２に対して接合され一体化されている曲面であり、第３透過面Ｓ５３は、導光部材１０の第３面Ｓ１３を延長した面上にある。

以下、導光装置２０における外界像の観察について簡単に説明する。導光装置２０は、導光部材１０での映像光の導光により観察者に映像光を視認させるとともに、導光部材１０と光透過部材５０との協働により観察者に歪みの少ない外界像を観察させるものとなっている。すなわち、視認させるべき外界像を構成する成分光としての外界光のうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも導光部材１０側に入射したものは、第１導光部分１１の第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とを通過するが、この際、第３面Ｓ１３と第１面Ｓ１１とが互いに略平行な平面（視度略０）となっていることで、収差等をほとんど生じない。また、外界光のうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２よりも光透過部材５０側に入射したものは、これに設けた第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とを通過する際に、第３透過面Ｓ５３と第１透過面Ｓ５１とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等を生じない。さらに、外界光のうち、導光部材１０の第２面Ｓ１２に対応する光透過部材５０に入射するものは、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とを通過する際に、第３透過面Ｓ５３と第１面Ｓ１１とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じない。以上により、観察者は、光透過部材５０越しに歪みのない外界像を観察することになる。

以下、図２（Ａ）等を参照して映像光（ここでは映像光ＧＬとする。）の光路について概略説明する。図２（Ａ）は、映像光ＧＬの光路について概念的に示しており、また、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）は、映像光ＧＬを射出させる左右一対の画像表示素子（映像素子）である画像表示装置８０Ｒ，８０Ｌの一例を概念的に示している。各画像表示装置８０Ｒ，８０Ｌは、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示す表示パネル領域ＰＲ，ＰＬを光射出面として、左右それぞれにおいて映像光ＧＬを投射レンズ３０に向けて射出させる。投射レンズ３０は、導光部材１０に向けて映像光ＧＬを投射する。導光部材１０は、投射レンズ３０から映像光ＧＬを入射させるとともに第１〜第５面Ｓ１１〜Ｓ１５での反射等により観察者の眼に向けて導光する。具体的には、投射レンズ３０からの映像光ＧＬは、まず、第４面Ｓ１４に入射して第５面Ｓ１５で反射され、第４面Ｓ１４に内側から再度入射して全反射され、第３面Ｓ１３に入射して全反射され、第１面Ｓ１１に入射して全反射される。第１面Ｓ１１で全反射された映像光ＧＬは、第２面Ｓ１２に入射し、第２面Ｓ１２に設けたハーフミラー層１５を部分的に透過しつつも部分的に反射されて第１面Ｓ１１に再度入射して通過する。第１面Ｓ１１を通過した映像光ＧＬは、観察者の眼又はその等価位置に略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての映像光により画像を観察することになる。また、映像光ＧＬは、光軸ＡＸを基準として観察者の眼ＥＹにおいて中心と視認されるように映像光が射出されるものとなっている。

特に、本実施形態では、映像光ＧＬは、両眼視のための中央側の主たる映像を形成するものとなる成分光ＧＬｐと、左右一方のそれぞれによる片眼視のための周辺側の従たる映像を形成するものとなる成分光ＧＬａ，ＧＬｂとで構成されている。成分光ＧＬｐは、視線の軸に対応して（すなわち真正面として視認される角度で射出される軸に対応して）設定される中心光軸ＡＸを基準に対称性のある画像を形成すべく例えば中心光軸ＡＸを中心として左右対称な光線束となって左右一対の画像表示装置８０（８０Ｒ，８０Ｌ）から射出されている。これに対して、周辺側の画像を形成する成分光ＧＬａ，ＧＬｂは、偏ったものとなっている。例えば右眼用の画像表示装置８０Ｒから射出される成分光ＧＬａは、右眼の周辺側において片眼視のための画像を形成すべく、光軸ＡＸに対して、画像表示装置８０Ｒのパネル面が内側（観察者に近い左側）にシフトしている。言い換えると、第１及び第２表示装置１００Ａ，１００Ｂは、中心光軸ＡＸから、表示パネル領域ＰＲ，ＰＬの中心をずらしている。なお、成分光ＧＬａは、図中において光路をたどると明らかなように、成分光ＧＬｐが射出される範囲よりもさらに右側の領域から傾斜して射出される。同様に、左眼用の画像表示装置８０Ｌから射出される成分光ＧＬｂは、中心光軸ＡＸ画像表示装置８０Ｌのパネル面に対して内側（観察者に近い右側）にシフトしており、成分光ＧＬｐが射出される範囲よりもさらに左側の領域から傾斜して射出される。以上について見方を換えると、成分光ＧＬｐの射出範囲に対して（内側に）拡張させた範囲において成分光ＧＬａ，ＧＬｂを射出させており、全体として、中心光軸ＡＸを基準とした場合に内側に拡張させた範囲で光線束全体が形成されるものとなっている。

ここで、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）等を参照して、上述した映像光ＧＬの各成分光ＧＬｐ，ＧＬａ，ＧＬｂの射出位置等に関して説明する。まず、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示すように、映像光ＧＬの射出面である画像表示装置８０Ｒ，８０Ｌの表示パネル領域ＰＲ，ＰＬにおいては、成分光ＧＬｐと成分光ＧＬａ，ＧＬｂとでは射出位置が異なっている。すなわち、各表示パネル領域ＰＲ，ＰＬは、中心側を含む範囲に設けられる成分光ＧＬｐを射出させる第１領域ＰＲ１，ＰＬ１と、第１領域ＰＲ１，ＰＬ１の周辺側に設けられて成分光ＧＬａ，ＧＬｂを射出させる第２領域ＰＲ２，ＰＬ２とに分割されてそれぞれ構成されている。すなわち、第１領域ＰＲ１，ＰＬ１から両眼視のための成分光ＧＬｐが射出され、第２領域ＰＲ２，ＰＬ２から対応する片方の眼にだけ視認される映像を形成するための成分光ＧＬａ，ＧＬｂが射出される。また、以上のように１つの表示パネル領域ＰＲ，ＰＬを分割して成分光ＧＬｐと成分光ＧＬａ，ＧＬｂとが形成される場合、領域の境界部分は、連続的に繋がって隣接していることになる。

また、導光装置２０から取り出される際の映像光ＧＬの各成分光ＧＬｐ，ＧＬａ，ＧＬｂの射出位置について、例えば図２（Ｄ）及び２（Ｅ）に示すように画像取出しのための反射面であるハーフミラー層１５（右眼用のハーフミラー層１５Ｒ及び左眼用のハーフミラー層１５Ｌ）について見ると、成分光ＧＬｐを反射する第１反射領域ＡＲ１，ＡＬ１と、成分光ＧＬａ，ＧＬｂを反射する第２反射領域ＡＲ２，ＡＬ２とは、一部重畳している。しかしながら、全体としては、第２反射領域ＡＲ２，ＡＬ２が第１反射領域ＡＲ１，ＡＬ１よりも外側（観察者から遠い側）にシフトしている。第２反射領域ＡＲ２，ＡＬ２から射出される成分光ＧＬａ，ＧＬｂは、成分光ＧＬｐよりも傾斜した角度で導光装置２０から射出され観察者の眼ＥＹに到達する結果、観察者は、成分光ＧＬａ，ＧＬｂに由来する画像（映像）を成分光ＧＬｐに由来する画像（映像）よりも外側にあるものとして視認する。

図３（Ａ）、３（Ｂ）及び３（Ｃ）は、上記のようにして観察者の左右の眼ＥＹ（ＥＹａ，ＥＹｂ）により視認される虚像に対応する仮想上の各映像領域を映像領域ＰＡａ，ＰＡｂとして示し、さらに、両眼ＥＹａ，ＥＹｂで視認した結果、観察者の脳内において認識される仮想上の全体映像領域を映像領域ＰＡとする。ここでは、各映像領域ＰＡａ，ＰＡｂのうち、上述した成分光ＧＬｐに由来して視認される映像領域を第１映像領域Ｐａ１，Ｐｂ１とし、成分光ＧＬａ，ＧＬｂに由来して視認される映像領域を第２映像領域Ｐａ２，Ｐｂ２とする。この場合、図３（Ｃ）に示す映像領域ＰＡについては、第１映像領域Ｐａ１，Ｐｂ１が重畳して視認される第１映像領域ＰＡｃと、第２映像領域Ｐａ２，Ｐｂ２とがつながって形成された１つの領域として視認される。

以下、上記のような映像領域の認識について説明する。前提として、観察者の眼ＥＹａ，ＥＹｂとして想定される基準位置（視線の光軸）に基づいて左右一対の成分光ＧＬｐを射出させる。これにより、両眼ＥＹａ，ＥＹｂに同等の画像を視認させると、観察者は、左右の眼ＥＹａ，ＥＹｂから入った当該画像を１つの画像として認識する。すなわち、各映像領域ＰＡａ，ＰＡｂのうち視線の光軸を基準に第１映像領域Ｐａ１，Ｐｂ１で共通する内容の画像が形成されることで、図３（Ｃ）の中央部において１つの映像領域（第１映像領域ＰＡｃ）として認識されることになる。この場合、さらに、観察者は、第１映像領域ＰＡｃを左右に拡張させた第２映像領域Ｐａ２，Ｐｂ２についても第１映像領域ＰＡｃから連続した領域として違和感なく認識できることが知られている。結果的に、観察者は、第１映像領域ＰＡｃ及び第２映像領域Ｐａ２，Ｐｂ２を繋げた全体を１つの大きな映像領域として捉えるものとなる。

以上のように、本実施形態の頭部搭載型表示装置１００は、共通内容の画像表示を行うためのエリアと、当該エリアを拡張させるために隣接するように設けられる拡張エリアとを形成させこれらを一体の画像表示エリアとして捉えさせる構成となっている。以下、共通内容の画像表示を行うエリアを共通表示エリアと呼ぶものとし、拡張エリアを拡張表示エリアと呼ぶものとする。共通表示エリアにおいて表示させる共通内容については、２Ｄの画像（平面視画像）や３Ｄの画像（立体視画像）による種々のコンテンツの映像が対象となり、具体例としては、映画等の動画画像や、各種アプリケーションの画面、各種ＵＩ画面等が考えられる。共通表示エリアや拡張表示エリアは、物理的な空間としては、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示す各表示パネル領域ＰＲ，ＰＬの第１領域ＰＲ１，ＰＬ１や第２領域ＰＲ２，ＰＬ２、あるいは、図２（Ｄ）及び２（Ｅ）に示す第１反射領域ＡＲ１，ＡＬ１や第２反射領域ＡＲ２，ＡＬ２で規定することができる。また、ここでは、これをさらに拡張させて、上記物理的な空間に対応して仮想的な範囲として認識される図３（Ａ）〜３（Ｃ）の映像領域ＰＡａ，ＰＡｂ，ＰＡのような領域（仮想的な空間）として捉えることも可能であるものとする。なお、共通内容の画像表示を行う共通表示エリアのうち、右眼において視認させるための画像表示を行う共通表示エリアを第１共通表示エリアとし、左眼において視認させるための画像表示を行う共通表示エリアを第２共通表示エリアとする。さらに、拡張表示エリアのうち、右眼において視認させるための画像表示を行う拡張表示エリアを第１拡張表示エリアとし、左眼において視認させるための画像表示を行う拡張表示エリアを第２拡張表示エリアとする。上記の場合、中央の共通表示エリア（第１及び第２共通表示エリア）と左右にそれぞれ拡張される第１拡張表示エリア及び第２拡張表示エリアとを統合した表示エリアが視認される表示エリアの全体ということになる。なお、上記の場合、拡張表示エリアは、共通表示エリア（第１共通表示エリアや第２共通表示エリア）の外縁側に連続的に隣接しており、違和感なく連続した画像として認識させるものとなっている。

さらに、上記の例では、共通表示エリアすなわち両眼視される範囲である図３（Ｃ）の映像領域ＰＡｃでは、画素単位で完全に一致させた２Ｄの画像（平面画像）を表示させるだけでなく、共通した画像でありながら左右の視差に応じて画像をずらすことで、３Ｄの画像（立体視画像）を表示させることも可能である。一方、拡張表示エリアすなわち片眼にのみ視認される第２映像領域Ｐａ２，Ｐｂ２については、２Ｄの画像表示のみが可能となる。

図４は、図３（Ｃ）に対応する図であり、両眼視と片眼視とにより認識される画像全体の様子の一例を示す図である。この場合、例えば、表示される画像オブジェクトＯＢ１〜ＯＢ３のうち、例えば中央の映像領域ＰＡｃに表示される画像オブジェクトＯＢ１（ロケットの画像オブジェクト）は、適宜画像処理を施すことで立体視画像が可能である。一方、周辺側の映像領域Ｐａ２，Ｐｂ２に表示される画像オブジェクトＯＢ２，ＯＢ３（惑星の画像や月の画像オブジェクト）は、片眼視のため、平面画像のみの表示が可能となっている。しかしながら、例えば中央の映像領域ＰＡｃを十分広くとるように画像形成させることで、あたかも表示エリアの画像全体において立体視画像を行っているかのように見せることが可能である。

以下、図５等を参照して、観察者の視野範囲の特性について説明する。まず、図５（Ａ）〜５（Ｃ）は、観察者の視野について説明するための概念的な図であり、図５（Ａ）は、水平視野の様子を示し、図５（Ｂ）は、鉛直（垂直）視野の様子を示し、図５（Ｃ）は、面に投影された視野（視線方向についての視野の広がり）の様子を示している。ここで、各図中において、弁別視野Ｖ１とは、視力などの視機能が優れている中心領域（画角約５°以内）であり、有効視野Ｖ２とは、眼球運動だけで瞬時に情報需要できる領域（水平約３０°、垂直２０°以内）であり、安定注視野Ｖ３とは、眼球・頭部運動で無理なく注視でき、効果的な情報需要ができる領域（水平６０〜９０°、垂直４５〜７０°以内）である。これらのうち、弁別視野Ｖ１を念頭において、例えば映像を眺めている観察者の視線方向は、通常ほぼ正面方向であると考えれば、弁別視野Ｖ１に対して画像の中心から十分な範囲に映像領域ＰＡｃを設けて立体視画像が形成可能な範囲が視機能が優れた範囲を含むようにすることで、あたかも表示エリアの画像全体において立体視画像を行っているかのように見せることができる。すなわち、例えば図６に示すように、映像領域ＰＡｃが、少なくとも弁別視野Ｖ１（画角５°程度）の範囲を視認範囲として含む、さらには、文字を識別できる範囲と考えられる画角１０°の範囲である視野ＶＸ（有効視野Ｖ２よりは狭い範囲）を視認範囲として含むようにすることで、立体画像の視認や文字の多い画像の認識等種々の画像の視認を確保した上で画像表示エリアを拡張させることができる。

またここで、図４に戻って、別の観点として、拡張させた画像表示エリア（共通表示エリア及び拡張表示エリア）の全体すなわち映像領域の全体である映像領域ＰＡについてのアスペクト比（縦横比）、すなわち図示における映像領域ＰＡの短辺幅ＤＹと長辺幅ＤＸとの比率について説明する。アスペクト比については、種々の設定が可能であるが、例えば映像フォーマットに準ずる縦横比とすることもできる。さらに、図示における映像領域ＰＡｃ（両眼視可能な領域）の短辺幅ＤＹ１と長辺幅ＤＸ１との比率について映像フォーマットに準ずる縦横比としてもよい。なお、映像フォーマットの縦横比としては、例えば３：４や９：１６のほか、１：２．３５のシネスコのサイズ等が考えられる。また、上記では、画像表示エリア（共通表示エリア及び拡張表示エリア）として仮想的な映像領域ＰＡ等により説明したが、同様のことを物理的空間において考察することができ、例えば本実施形態のようにパネル型の構造である場合、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）に示す各表示パネル領域ＰＲ，ＰＬの第１領域ＰＲ１，ＰＬ１や第２領域ＰＲ２，ＰＬ２の縦横比の設定によって視認される映像についてのアスペクト比を所望の映像フォーマットに準ずる縦横比となるようにできる。なお、パネル型の構造について、より具体的に一例をあげれば、右眼用及び左眼用の画像はそれぞれ縦７２０横１５８０とし、左の表示エリアの左から３０１列目と右表示エリアの１列目の画素を一致させ、左表示エリアの左から１５８０列目と右表示エリアの１２８０列目の画素を一致させるよう調整させるようにしておく、といった調整を行うことが考えられる。なお、もっと大雑把には、例えば、各表示装置１００Ａ，１００Ｂにおいては、２．５ｍ先に６０インチ相当の画像があるように虚像による表示を行わせるものとした場合に、これらを上記のように適宜重畳させて視認させることで、８０インチ相当の画像を認識させることができる。また、例えば、各表示装置１００Ａ，１００Ｂが形成する映像領域の１／４〜半分以上が重畳して視認される（両眼視される）映像領域ＰＡｃとなっていることで、映像領域ＰＡｃのみにおいて画像として認識できるのに十分な範囲を確保できる。一方、片眼視のエリアについても種々の範囲とすることができるが、例えば、映画の字幕用の文字等を認識するのに必要最低限の画素数分の領域を確保するものとする。

以上のように、本実施形態に係る頭部搭載型表示装置１００は、双方の眼に対して画像表示を行う両眼視タイプであり、表示画像の一部については左右で表示内容が異なる拡張した領域（エリア）を設けているが、両眼に共通した内容の画像を見せる共通する領域（エリア）も有している。これにより、観察者に、拡張した領域まで含めた映像全体を両眼視によって視認していると知覚させることができる。これに対して、片側の眼に対してのみ画像表示を行う片眼視タイプの場合、一方の眼で表示画像を見て他方の眼で外界を見ることで、視認される対象が左右で全く異なった状態となり得るので、例えば左右の眼の視線が混じらない状態が起き、斜視になってしまう可能性がある。両眼視タイプであり左右の眼に共通内容の画像を視認させる頭部搭載型表示装置１００では、上記片眼視タイプの場合のような状態となることで斜視になる、という可能性が回避される。

以下、頭部搭載型表示装置１００において映し出す画像コンテンツに関する一変形例について説明する。図４に示すような全体として１つの内容の映像を視認させる場合の他に、例えば図７（Ａ）、７（Ｂ）及び７（Ｃ）に示すように、中央の映像領域ＰＡｃ（両眼視可能な領域）にメイン画像（牛の部分）を映し出すとともに、右眼のみで見える映像領域Ｐａ２には注意情報、天気予報等を映し出左眼のみで見える映像領域Ｐｂ２にはナビ情報等を映し出すといったサブ的な情報画像を周辺側に表示させるものとしてもよい。つまり、右眼側の映像領域Ｐａ２と左眼側の映像領域Ｐｂ２とにおいて、異なるタイプの画像コンテンツを表示させるものにもできる。

また、上記では、図２（Ｂ）及び２（Ｃ）を参照して説明したように、１つの表示パネル領域ＰＲ，ＰＬを分割して成分光ＧＬｐと成分光ＧＬａ，ＧＬｂとが形成されるものとしているが、これに限らず、例えば図８（Ａ）及び８（Ｂ）に示すように、第１画像表示素子１８１ＲＲ（又は１８１ＬＬ）と第２画像表示素子１８２ＲＲ（又は１８２ＬＬ）との２つの画像表示素子で１つの画像表示装置１８０Ｒ（又は１８０Ｌ）を構成するものとしてもよい。すなわち、第１及び第２共通表示エリアと拡張表示エリアとに応じて個別の表示パネル領域（第１領域ＰＲ１，ＰＬ１や第２領域ＰＲ２，ＰＬ２）をそれぞれ有するようにしてもよい。

また、上記では、左右一対の各映像領域ＰＡａ，ＰＡｂについて、双方がともに拡張表示エリアをそれぞれ形成するものとしているが、例えば図９（Ａ）、９（Ｂ）及び９（Ｃ）に示すように、どちらか一方のみが拡張表示エリアを形成するものとしてもよい。なお、図示の場合、右側の映像領域ＰＡａのみが第１映像領域Ｐａ１と第２映像領域Ｐａ２との双方を有し、左側の映像領域ＰＡｂは、第１映像領域Ｐｂ１のみとなっている。

さらに、上記では、周辺側として右側又は左側に拡張表示エリアを形成させるものとしているが、これに限らず、例えば図９（Ｄ）、９（Ｅ）及び９（Ｆ）に示すように、右側や左側への拡張に加え、さらに、上下方向について、第３映像領域Ｐ３や、第４映像領域Ｐ４を有するものとしてもよい。

以上のように、本実施形態の頭部搭載型表示装置１００では、第１及び第２表示部である第１及び第２表示装置１００Ａ，１００Ｂにおいて、左右の眼に共通内容の画像表示を行う第１及び第２共通表示エリアをそれぞれ有していることで、両眼視による画像コンテンツの視認を可能とするものとなっている。すなわち、共通内容の表示態様によって例えば立体視画像の視認が可能となっている。この上で、第１及び第２表示装置１００Ａ，１００Ｂのうち少なくとも一方において拡張表示エリアを有することで違和感なく表示エリアを拡張させて共通表示エリアの表示だけの場合よりも画像表示を大きいものに見せることができる。また、この場合、共通表示エリアの表示の分のみ光学系等を増大させればよいので、装置全体の大型化によって表示エリアを広げる場合に比べて装置の小型化を図ることができる。

以下、図１０（Ａ）及び１０（Ｂ）を参照して、頭部搭載型表示装置の別の一例について説明する。図示の頭部搭載型表示装置２００は、観察者の眼前を透視可能に覆う第１及び第２光学部材２０１ａ，２０１ｂと、両光学部材２０１ａ，２０１ｂを支持するフレーム１０７と、フレーム１０７の左右両端から後方にかけての部分に固定された第１及び第２駆動部２０５ａ，２０５ｂと、２次元的に走査される信号光を射出する第１及び第２映像素子２０６ａ，２０６ｂとを備える。図面上で左側の第１光学部材２０１ａと第１駆動部２０５ａと第１映像素子２０６ａとを組み合わせた第１表示装置１００Ａは、右眼用の虚像を形成する部分である。また、図面上で右側の第２光学部材２０１ｂと第２駆動部２０５ｂと第２映像素子２０６ｂとを組み合わせた第２表示装置１００Ｂは、左眼用の虚像を形成する部分であり、第１表示装置１００Ａの左右を反転させただけであり、第１表示装置１００Ａと同じ機能を有する。

第１表示装置１００Ａにおいて、第１映像素子２０６ａは、強度変調された信号光を形成するとともに当該信号光を走査光ＴＬとして射出する。第１光学部材２０１ａは、第１映像素子２０６ａからの走査光ＴＬを反射することによって映像光ＧＬを形成する被照射部材であるが、映像光ＧＬを眼ＥＹに導く機能を有する。第１駆動部２０５ａは、第１映像素子２０６ａに対して不図示の光ファイバー等を介して照明光を供給する光源、それらの動作の制御回路等を含む本体部分２８０を有する。

第１映像素子２０６ａは、鼻当て部材１０８ａに組み付けられており、フレーム１０７に対して間接的に固定されている。第１映像素子２０６ａは、本体部分２８０からの制御信号に基づいて照明光を変調する信号光変調部２８１と、信号光変調部２８１を経た信号光を走査しつつ射出させる走査光学系２８２とを有する。ここで、走査光学系２８２は、ＭＥＭＳミラー等で構成され、信号光変調部２８１による信号光の変調に同期させて姿勢を変化させることにより、信号光の光路を調整することで第１光学部材２０１ａの内面への光線の射出角度を縦横に変化させる２次元走査を行う。

第１光学部材２０１ａは、第１映像素子２０６ａの前方又は光射出方向において観察者の眼ＥＹの前方を覆うように配置されている。第１光学部材２０１ａは、走査光の照射を受ける半透過膜である半透過反射膜２８５と、半透過反射膜２８５を支持固定する支持部材２８６とを有している。これにより、観察者の眼ＥＹには、虚像のみならず、外界からの光も入ることになり、頭部搭載型表示装置２００は、双方を重畳して観察可能にするシースルーの構成となっている。

上記のような構成の頭部搭載型表示装置２００においても、走査光学系２８２による走査の範囲を調整することで所期の目的を達成することができる。

この発明は、上記の各実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

上記において、共通表示エリアと拡張表示エリアとについてのリサイズや位置変更を、例えば、表示する内容やユーザーによる設定等により行うことが考えられる。具体的には、図１１（Ａ）〜１１（Ｆ）に例示するように、左右の眼により視認される虚像に対応する各映像領域ＰＡａ，ＰＡｂについて、映像領域ＰＡａにおける第１映像領域Ｐａ１と第２映像領域Ｐａ２や、映像領域ＰＡｂを構成する第１映像領域Ｐｂ１と第２映像領域Ｐｂ２の大きさや形状、配置を変更可能としてもよい。すなわち、図１１（Ａ）、１１（Ｂ）及び１１（Ｃ）において１つの視認状態として示すように、第１映像領域Ｐａ１，Ｐｂ１が重畳して視認される第１映像領域ＰＡｃの左右に拡張するように第２映像領域Ｐａ２，Ｐｂ２を設けた表示とする第１の表示状態から、図１１（Ｄ）、１１（Ｅ）及び１１（Ｆ）において別の１つの視認状態として示すように、第１映像領域ＰＡｃの上下に拡張するように第２映像領域Ｐａ２，Ｐｂ２を設けた表示とする第２の表示状態に切り換え可能とする、といった態様とすることが考えらえる。また、この際、図１１（Ｃ）及び１１（Ｆ）に示すように、第１映像領域ＰＡｃ（Ｐａ１，Ｐｂ１）は、左右の映像領域ＰＡａ，ＰＡｂのうち、重なっている領域内に設定する一方、第２映像領域Ｐａ２は映像領域ＰＡａの範囲内でかつ映像領域ＰＡｂから外れた範囲を含み、第２映像領域Ｐｂ２は映像領域ＰＡｂの範囲内でかつ映像領域ＰＡａから外れた範囲を含むように拡張させてもよい。

上記において、画像表示装置８０としては、種々のものを利用可能であり、例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。

上記の説明では、第２面Ｓ１２のハーフミラー層を例えば金属反射膜や誘電体多層膜としたが、平面又は曲面のホログラム素子に置き換えることができる。

上記の説明では、導光部材１０等が眼の並ぶ横方向に延びているが、導光部材１０を縦方向に延びるように配置することもできる。この場合、導光部材１０は、直列的ではなく並列的に平行配置された構造を有することになる。

上記の説明では、画像光と外界光とを重畳させる態様についてのみ説明しているが、例えば重畳させずに画像光のみにする態様と外界光のみにする態様とを切り替えて観察することができる虚像表示装置において適用してもよい。

また、本願発明の技術を、ディスプレイと撮像装置とで構成されるいわゆるビデオシースルーの製品に対応させるものとしてもよい。

１０…導光部材、１１…導光部分、１２…導光部分、１５，１５Ｌ，１５Ｒ…ハーフミラー層、２０…導光装置、３０…投射レンズ、５０…光透過部材、８０…画像表示装置、８０Ｒ，８０Ｌ…画像表示装置、１００…頭部搭載型表示装置、１００Ａ…第１表示装置（第１表示部）、１００Ｂ…第２表示装置（第２表示部）、１０１ａ，１０１ｂ…光学部材、１０２…枠部、１０５ａ，１０５ｂ…像形成本体部、１０７…フレーム、１０８ａ…鼻当て部材、１８０Ｒ，１８０Ｌ…画像表示装置、１８１ＲＲ，１８１ＬＬ…第１画像表示素子、１８２ＲＲ，１８２ＬＬ…第２画像表示素子、２００…頭部搭載型表示装置、２０１ａ，２０１ｂ…光学部材、２０５ａ，２０５ｂ…駆動部、２０６ａ，２０６ｂ…映像素子、２８０…本体部分、２８１…信号光変調部、２８２…走査光学系、２８５…半透過反射膜、２８６…支持部材、ＡＲ１，ＡＬ１…第１反射領域、ＡＲ２，ＡＬ２…第２反射領域、ＡＸ…光軸、ＤＸ…長辺幅、ＤＸ１…長辺幅、ＤＹ…短辺幅、ＤＹ１…短辺幅、ＥＹ，ＥＹａ，ＥＹｂ…眼、ＧＬ…映像光、ＧＬｐ，ＧＬａ，ＧＬｂ…成分光、ＯＢ１-ＯＢ３…画像オブジェクト、ＰＡ…映像領域（共通表示エリア）、ＰＡａ…第１映像領域（第１共通表示エリア）、ＰＡｂ…第２映像領域（第２共通表示エリア）、ＰＲ，ＰＬ…表示パネル領域、ＰＲ１，ＰＬ１…第１領域、ＰＲ２，ＰＬ２…第２領域、Ｐａ１，Ｐｂ１…第１映像領域（拡張表示エリア、第１拡張表示エリア）、Ｐａ２，Ｐｂ２…第２映像領域（拡張表示エリア、第２拡張表示エリア）、Ｐ３…第３映像領域、Ｐ４…第４映像領域、Ｓ１１−Ｓ１５…面、Ｓ５１−Ｓ５３透過面、ＴＬ…走査光、Ｖ１…弁別視野、Ｖ２…有効視野、Ｖ３…安定注視野、ＶＸ…視野

Claims (12)

1. 左右の眼にそれぞれ対応して視認させるべき画像表示をそれぞれ行う第１及び第２表示部を備え、
   前記第１及び第２表示部は、共通内容の画像表示を行う第１及び第２共通表示エリアをそれぞれ有し、前記第１及び第２表示部のうち少なくとも一方は、画像表示のエリアを拡張する拡張表示エリアを有する、頭部搭載型表示装置。
2. 前記第１表示部と第２表示部とは、前記拡張表示エリアとして、互いに他方における表示とは異なる内容の画像表示をそれぞれ行う第１拡張表示エリアと第２拡張表示エリアとをそれぞれ有する、請求項１に記載の頭部搭載型表示装置。
3. 前記第１及び第２表示部は、前記第１及び第２共通表示エリアでの画像表示において立体視画像を形成させる、請求項１及び２のいずれか一項に記載の頭部搭載型表示装置。
4. 前記第１及び第２表示部は、前記第１及び第２共通表示エリアによる視認範囲として、少なくとも弁別視野の範囲を含む画像表示を行う、請求項１〜３のいずれか一項に記載の頭部搭載型表示装置。
5. 前記第１及び第２表示部は、前記第１及び第２共通表示エリアによる視認範囲として、画角１０°の範囲を含む画像表示を行う、請求項４に記載の頭部搭載型表示装置。
6. 前記第１及び第２表示部は、前記第１及び第２共通表示エリアによる視認範囲を、映像フォーマットに準ずる縦横比とする画像表示を行う、請求項１〜５のいずれか一項に記載の頭部搭載型表示装置。
7. 前記第１及び第２表示部は、左右の眼の光軸の中心を基準として前記第１及び第２共通表示エリアを重ねて視認させる画像表示を行う、請求項１〜６のいずれか一項に記載の頭部搭載型表示装置。
8. 前記第１及び第２表示部は、左右の眼にそれぞれ対応した映像光を生じさせるパネル型の第１及び第２画像表示素子をそれぞれ有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の頭部搭載型表示装置。
9. 前記第１及び第２画像表示素子は、１つの表示パネル領域をそれぞれ有し、当該表示パネル領域を、前記第１及び第２共通表示エリアの映像光を生じさせる第１領域と前記拡張表示エリアの映像光を生じさせる第２領域とに応じて分割している、請求項８に記載の頭部搭載型表示装置。
10. 前記第１及び第２画像表示素子は、前記第１及び第２共通表示エリアと前記拡張表示エリアとに応じて個別の表示パネル領域をそれぞれ有している、請求項８に記載の頭部搭載型表示装置。
11. 前記第１及び第２表示部は、中心光軸から、前記第１及び第２画像表示素子の表示パネル領域の中心をずらしている、請求項８〜１０のいずれか一項に記載の頭部搭載型表示装置。
12. 前記拡張表示エリアは、前記第１共通表示エリア及び／又は第２共通表示エリアの外縁側に連続的に隣接している、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の頭部搭載型表示装置。

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