JP2019012261A - 光学イメージング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の位置に画像を表示可能な光学イメージング装置の小型化、及び、画像の歪の抑制を両立する。【解決手段】光イメージング装置は、元画像に対応する光を屈折させる対物レンズを備え、負の屈折率を有する透過型ミラーを備え、透過型ミラーは、対物レンズで屈折した光を負の屈折率に応じて屈折させて透過させ、透過型ミラーを対称軸として対物レンズに対して対称となる結像点に、透過型ミラーの透過光を結像することにより、元画像に対応する空中画像を表示する。【選択図】図５

Description

本発明は、光学イメージング装置に関する。

近年、ユーザに没入感を与える手法として、ＡＲ（Augmented Reality）やＭＲ（Mixed
Reality）が注目されている。ＡＲやＭＲの中には、空中に画像を表示する技術を用いる
ものがある。

例えば、特許文献１は、空中に画像を表示するヘッドマウントディスプレイを開示して
いる。特許文献１のヘッドマウントディスプレイは、レンズと、再帰性反射型ミラーと、
を備える。

米国特許８８３７０５１号公報

しかし、特許文献１の技術では、再帰性反射型ミラーと光源との距離が短くなるほど、
再帰性反射型ミラーの屈折率が高くなる。従って、再帰性反射型ミラーで反射した光の結
像（つまり、空中に表示される画像）が歪む。換言すると、特許文献１の技術は、空中に
表示される画像の歪を防ぐために、再帰性反射型ミラーと光源との距離が十分に長いこと
が必要である。
従って、特許文献１のヘッドマウントディスプレイでは、小型化に制限がある。

つまり、従来、任意の位置に画像を表示可能な光学イメージング装置の小型化、及び、
画像の歪の抑制を両立することは難しい。

本発明の目的は、任意の位置に画像を表示可能な光学イメージング装置の小型化、及び
、画像の歪の抑制を両立することである。

本発明の一態様は、
元画像に対応する光を屈折させる対物レンズを備え、
負の屈折率を有する透過型ミラーを備え、
前記透過型ミラーは、
前記対物レンズで屈折した光を前記負の屈折率に応じて屈折させて透過させ、
前記透過型ミラーを対称軸として前記対物レンズに対して対称となる結像点に、前
記透過型ミラーの透過光を結像することにより、前記元画像に対応する画像を表示する、
光学イメージング装置である。

本発明によれば、任意の位置に画像を表示可能な光学イメージング装置の小型化、及び
、画像の歪の抑制を両立することができる。

本実施形態のエアマウントディスプレイの模式図。 図１のエアマウントディスプレイのユーザビューを示す図。 図１のエアマウントディスプレイの構成を示す図。 図３の透過型ミラーの一例である透過型二面コーナーリフレクタアレイミラーの模式図。 図３のエアマウントディスプレイの動作原理の説明図。 本実施形態の変形例１の説明図。 本実施形態の変形例２のエアマウントディスプレイの動作原理の説明図。 本実施形態の変形例４のエアマウントディスプレイの動作原理の説明図。 変形例４の仮想カメラ処理の概略図。 図８のエアマウントディスプレイにより表示される空中画像の一例を示す図。

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。なお、実施形態
を説明するための図面において、同一の構成要素には原則として同一の符号を付し、その
繰り返しの説明は省略する。

（１）エアマウントディスプレイの概要
本実施形態のエアマウントディスプレイの概要について説明する。図１は、本実施形態
のエアマウントディスプレイの模式図である。図２は、図１のエアマウントディスプレイ
のユーザビューを示す図である。

図１のエアマウントディスプレイ１０は、任意の位置（例えば、空中）に画像を表示可
能な光学イメージング装置の一例である。
エアマウントディスプレイ１０は、透過型ミラー１１を備える。

エアマウントディスプレイ１０は、透過型ミラー１１に対してユーザＵ側の空間（以下
「第１空間」という）ＳＰ１と、透過型ミラー１１に対してユーザＵと反対側の空間（以
下「第２空間」という）ＳＰ２と、を分離する。

エアマウントディスプレイ１０は、透過型ミラー１１を介して光ＯＰを第１空間ＳＰ１
に結像することにより、任意の位置（例えば、空中）に空中画像ＩＭＧ１を表示する。
エアマウントディスプレイ１０は、第２空間ＳＰ２に配置された物理オブジェクトＯＢ
Ｊ１の反射光ＲＯＰを第２空間ＳＰ２から第１空間ＳＰ１に透過させることにより、ユー
ザＵの網膜に結像する。

ユーザＵは、物理オブジェクトＯＢＪ１と、空中画像ＩＭＧ１と、を同時に観察するこ
とができる。図２に示すように、ユーザＵには、空中画像ＩＭＧ１が物理オブジェクトＯ
ＢＪ１に重畳して見える。

（２）エアマウントディスプレイの構成
本実施形態のエアマウントディスプレイの構成について説明する。図３は、図１のエア
マウントディスプレイの構成を示す図である。

図３に示すように、エアマウントディスプレイ１０は、筐体１０ａと、透過型ミラー１
１と、対物レンズ１２と、光源１３と、を備える。

筐体１０ａは、透過型ミラー１１と、対物レンズ１２と、光源１３と、を収容する。

透過型ミラー１１は、第１面１１ａと、第２面と１１ｂと、を有する。
第１面１１ａは、対物レンズ１２側（つまり、第２空間ＳＰ２）を向いている。
第２面１１ｂは、第１面１１ａの反対側（つまり、第１空間ＳＰ１）を向いている。

透過型ミラー１１は、筐体１０ａに回動可能に軸支されている。筐体１０ａに収容され
た透過型ミラー１１が回動すると、透過型ミラー１１は、筐体１０ａの外部において、対
物レンズ１２の光軸に対して傾斜角θ（０＜θ≦９０°）を形成する（つまり、対物レン
ズ１２の光軸に対して傾斜する）。
透過型ミラー１１は、負の屈折率を有する。

透過型ミラー１１は、例えば、以下のものを含む。
・オプティカルメタマテリアルミラー
・透過型二面コーナーリフレクタアレイミラー（Transmission Type Dihedral Corner Re
flector Array Mirror）

図３の対物レンズ１２は、光源１３の光（つまり、元画像ＩＭＧ０に対応する光）を屈
折させるように構成される。
対物レンズ１２は、例えば、以下のものを含む。
・両凸レンズ
・平凸レンズ
・球面レンズ
・非球面レンズ

光源１３は、例えば、以下のものを含む。
・元画像を表示する液晶ディスプレイ
・元画像を表示する有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ
・元画像に対応する光を発光するプロジェクタ

仮想線ＶＬ１１は、対物レンズ１２の光軸である。
仮想線ＶＬ１２は、透過型ミラー１１と仮想線ＶＬ１１との交点１１ｃを通り、且つ、
仮想線ＶＬ１１に直交する線である。

透過型ミラー１１は、仮想線ＶＬ１１に対して傾斜角θを形成する。
結像点ＩＰは、透過型ミラー１１を対称軸として対物レンズ１２に対して対称となる位
置である。結像点ＩＰと交点１１ｃとの焦点距離ｄは、対物レンズ１２と交点１１ｃとの
焦点距離ｄと等しい。
透過型ミラー１１を回動させると、傾斜角θが変化する。傾斜角θが変化すると、結像
点ＩＰの位置が変わる。

ｆは、ユーザＵの目ＵＥの角膜と結像点ＩＰとの距離である。
ｌは、ユーザＵの目ＵＥの角膜と網膜との距離である。
ｆ＝ｌの場合、ユーザＵの目ＵＥと結像点ＩＰとのピントが合うので、空中画像ＩＭＧ
１が鮮明に見える。

（２−１）透過型ミラーの構成
本実施形態の透過型ミラーの構成を説明する。図４は、図３の透過型ミラーの一例であ
る透過型二面コーナーリフレクタアレイミラーの模式図である。

図４Ａは、透過型ミラー１１の一例である透過型二面コーナーリフレクタアレイミラー
の外観を示している。
図４Ａに示すように、透過型ミラー１１は、第１面１１ａを含む第１層１１ｅと、第２
面１１ｂを含む第２層１１ｆと、を有する。第１層１１ｅ及び第２層１１ｆは、Ｙ方向に
積層されている。第１面１１ａは、第１層１１ｅ及び第２層１１ｆの積層方向（Ｙ方向）
について、第２面１１ｂと反対方向を向く。

図４Ｂは、図４Ａの領域Ｉの拡大図である。
図４Ｂに示すように、透過型ミラー１１は、複数の第１マイクロミラーシート１１ｈａ
と、複数の第２マイクロミラーシート１１ｈｂと、を有する。

第１層１１ｅの複数の第１マイクロミラーシート１１ｈａは、ピッチｐでＸ方向に沿っ
て配列されている。各第１マイクロミラーシート１１ｈａの反射面１１ｈａａは、第１マ
イクロミラーシート１１ｈａの配列方向（Ｘ方向）を向く。
第１層１１ｅに入射した光は、Ｘ方向に反射しながら進む。

第２層１１ｆの複数の第２マイクロミラーシート１１ｈｂは、ピッチｐでＺ方向に沿っ
て配列されている。各第２マイクロミラーシート１１ｈｂの反射面１１ｈｂａは、第２マ
イクロミラーシート１１ｈｂの配列方向（Ｚ方向）を向く。
第２層１１ｆに入射した光は、Ｚ方向に反射しながら進む。

（３）エアマウントディスプレイの動作原理
本実施形態のエアマウントディスプレイの動作原理を説明する。図５は、図３のエアマ
ウントディスプレイの動作原理の説明図である。

図５Ａに示すように、光源１３は、元画像ＩＭＧ０に対応する光ＯＰ０を発光する。

光ＯＰ０は、対物レンズ１２に入射する。対物レンズ１２は、光ＯＰ０を屈折させる。

透過型ミラー１１は、対物レンズ１２で屈折した光ＯＰ１を第１面１１ａで受ける。
透過型ミラー１１は、第１面１１ａで受けた光ＯＰ１を、負の屈折率に応じて屈折させ
て、第２面１１ｂから透過させる。

透過型ミラー１１の透過光ＯＰ２は、第１空間ＳＰ１内の結像点ＩＰで結像する。
これにより、結像点ＩＰに、透過光ＯＰ２に対応する空中画像ＩＭＧ１が表示される。
空中画像ＩＭＧ１は、元画像ＩＭＧ０が拡大された実像である。ピッチｐ（図４）が小さ
いほど、空中画像ＩＭＧ１のノイズは小さくなる。

換言すると、図５Ｂに示すように、エアマウントディスプレイ１０は、結像点ＩＰに、
バーチャル接眼レンズＶＬＥを形成する。バーチャル接眼レンズＶＬＥは、人間には見え
ないが、対物レンズ１２を実際に装着することなく、対物レンズ１２を介して元画像ＩＭ
Ｇ０に対応する実像を観察している感覚をユーザＵに与える。

（４）エアマウントディスプレイの使用例
本実施形態のエアマウントディスプレイの使用例について説明する。

（４−１）使用例１
使用例１について説明する。使用例１は、ユーザＵがエアマウントディスプレイ１０を
装着して使用する例である。

ユーザＵは、自身の頭部にエアマウントディスプレイ１０を装着する。つまり、ユーザ
Ｕは、エアマウントディスプレイ１０を、ヘッドマウントディスプレイとして使用する

元画像ＩＭＧ０のコンテンツは、例えば、以下のものを含む。
・ビデオゲーム
・映画
・３Ｄコンテンツ

一般的なヘッドマウントディスプレイは、ユーザＵの視界を閉鎖する。従って、ユーザ
Ｕに違和感を与え、且つ、視野角ｖを制限する。
しかし、エアマウントディスプレイ１０は、ユーザＵの視界を閉鎖しない。従って、ユ
ーザＵに違和感を与えることがなく、且つ、視野角ｖを制限することもない。

（４−２）使用例２
使用例２について説明する。使用例２は、ユーザＵがエアマウントディスプレイ１０か
ら離れた位置でエアマウントディスプレイ１０を使用する例である。

一例として、エアマウントディスプレイ１０は、自動車の内装（例えば、サンバイザ、
又は、ダッシュボード）に着脱可能に取り付けられる。

元画像ＩＭＧ０のコンテンツは、例えば、以下のものを含む。
・計器情報（一例として、速度、燃料の残量、バッテリの残量、及び、走行距離）
・ナビゲーション情報（一例として、目的地迄の経路を示す情報）
・映画

一般的なヘッドマウントディスプレイは、ユーザＵの視界を閉鎖するので、運転中に使
用することはできない。
しかし、エアマウントディスプレイ１０は、ユーザＵの視界を閉鎖しない。従って、ユ
ーザＵは、運転中であっても、エアマウントディスプレイ１０を安全に使用することがで
きる。

別の例として、エアマウントディスプレイ１０は、机に着脱可能に取り付けられる。

元画像ＩＭＧ０のコンテンツは、例えば、コンピュータにインストールされたアプリケ
ーション（一例として、ワープロアプリケーション）の画面を含む。

一般的なヘッドマウントディスプレイは、ユーザＵの視界を閉鎖する。従って、ユーザ
Ｕに違和感を与え、且つ、視野角ｖを制限する。
しかし、エアマウントディスプレイ１０は、ユーザＵの視界を閉鎖しない。従って、ユ
ーザＵに違和感を与えることがなく、且つ、視野角ｖを制限することもない。

ユーザＵは、エアマウントディスプレイ１０を装着する必要がないので、エアマウント
ディスプレイ１０の重さを気にすることなく、元画像ＩＭＧ０のコンテンツを体験するこ
とができる。
特に、一般的なヘッドマウントディスプレイは、エアマウントディスプレイ１０に比べ
て重いので、長時間の使用には適していない。エアマウントディスプレイ１０は、長時間
の使用であっても、ユーザＵに与える疲労を軽減することができる。

（５）小括
本実施形態について小括する。

本実施形態によれば、空中画像ＩＭＧ１は、透過型ミラー１１の透過光ＯＰ２の結像で
ある。従って、空中画像ＩＭＧ１の形状は、光源１３と対物レンズ１２との物体距離ｓ（
図３）には依存しない。従って、物体距離ｓに関わらず、空中画像ＩＭＧ１の歪を抑制す
ることができる。
これにより、エアマウントディスプレイ１０の小型化、及び、空中画像ＩＭＧ１の歪の
抑制を両立することができる。

本実施形態によれば、距離ｆが小さくなるほど、ユーザＵの視野角ｖは大きくなる。従
って、空中画像ＩＭＧ１の歪の抑制しながら、空中画像ＩＭＧ１を観察するユーザＵの視
野角ｖを拡げることができる。

一般に、人間は、物理的なレンズを介して対象物を観察すると、違和感を覚える。特に
、従来のヘッドマウントディスプレイは、ユーザの視界を閉鎖するため、ユーザに大きな
違和感を与える。
これに対して、本実施形態では、結像点ＩＰにバーチャル接眼レンズＶＬＥが形成され
るので、ユーザＵは、物理的なレンズ（例えば、対物レンズ１２）を介さずに（つまり、
裸眼で）、ピントの合った空中画像ＩＭＧ１を観察することができる。つまり、エアマウ
ントディスプレイ１０は、ユーザＵに違和感を与えることなく、空中画像ＩＭＧ１を観察
させることができる。その結果、ユーザＵの没入感を向上させることができる。

（６）変形例
本実施形態の変形例について説明する。

（６−１）変形例１
本実施形態の変形例１について説明する。図６は、本実施形態の変形例の説明図である
。

図６Ａに示すように、対物レンズ１２は、仮想線ＶＬ１１に沿って、移動可能である。
対物レンズ１２が移動すると、焦点距離ｄが変化する。

例えば、対物レンズ１２がＬＯ方向（つまり、光源１３から離れる方向）に移動すると
、焦点距離ｄが小さくなるので、結像点ＩＰは、ＲＲ方向（つまり、透過型ミラー１１に
近づく方向）に移動する。
この場合、図６Ｂに示すように、空中画像ＩＭＧ１は、ＲＲ方向に移動する。

変形例１によれば、対物レンズ１２を移動させることにより、結像点ＩＰ（つまり、空
中画像ＩＭＧ１の位置、又は、バーチャル接眼レンズＶＬＥの位置）を移動させることが
できる。

（６−２）変形例２
本実施形態の変形例２について説明する。図７は、本実施形態の変形例２のエアマウン
トディスプレイの動作原理の説明図である。

図７に示すように、変形例２のエアマウントディスプレイ１０は、対物レンズ１２（図
３）に代えて、空間光変調器２０を備える。

図７Ａに示すように、空間光変調器２０は、光源１３の光（つまり、元画像ＩＭＧ０に
対応する光）を変調するように構成される。

透過型ミラー１１は、空間光変調器２０によって変調された光ＯＰ１ａを第１面１１ａ
で受ける。
透過型ミラー１１は、第１面１１ａで受けた光ＯＰ１ａを、負の屈折率に応じて屈折さ
せて、第２面１１ｂから透過させる。

換言すると、図７Ｂに示すように、エアマウントディスプレイ１０は、結像点ＩＰに、
バーチャル空間光変調器ＶＳＬＭを形成する。バーチャル空間光変調器ＶＳＬＭは、ユー
ザＵには見えないが、対物レンズ１２を実際に装着することなく、元画像ＩＭＧ０に対応
する実像を観察している感覚をユーザＵに与えることができる。

空間光変調器２０は、変形例１の対物レンズ１２と同様に、仮想線ＶＬ１１に沿って、
移動可能である。
空間光変調器２０が移動すると、焦点距離ｄ（図７Ｂ）が変化する。
この場合、空間光変調器２０を移動させることにより、結像点ＩＰ（つまり、空中画像
ＩＭＧ１の位置、又は、バーチャル空間光変調器ＶＳＬＭの位置）を移動させることがで
きる。

更に、光源１３と透過型ミラー１１との間に、空間光変調器２０に代えて、第２透過型
ミラーが配置されてもよい。第２透過型ミラーの構成は、透過型ミラー１１と同様である
。

（６−３）変形例３
本実施形態の変形例３について説明する。変形例３は、透過型ミラー１１の映り込みを
防ぐ例である。

透過型ミラー１１への映り込み（例えば、物理オブジェクトＯＢＪ１や目ＵＥの像の映
り込み）を防ぐためには、透過型ミラー１１の透過光の方向を制約することが好ましい。

第１例として、光源１３の光の方向を制約することにより、透過型ミラー１１の透過光
（第２空間ＳＰ２から第１空間ＳＰ１に透過する光）の方向を制約することができる。光
源１３の光の方向を制約する方法は、以下の何れか、又は、それらの組合せである。
・光源１３の角度を調整する。
・光源１３の発光面を曲面にする。

第２例として、光源１３と透過型ミラー１１との間の第２空間ＳＰ２上に、光の方向を
制約するように構成された光フィルタを設けることにより、透過型ミラー１１の透過光（
第２空間ＳＰ２から第１空間ＳＰ１に透過する光）の方向を制約することができる。

第３例として、透過型ミラー１１の第１面１１ａに、光フィルタを設けることにより、
透過型ミラー１１の透過光（第２空間ＳＰ２から第１空間ＳＰ１に透過する光）の方向を
制約することができる。

第４例として、透過型ミラー１１の第２面１１ｂに、光フィルタを設けることにより、
透過型ミラー１１の透過光（第１空間ＳＰ１から第２空間ＳＰ２に透過する光）の方向を
制約することができる。

第５例として、透過型ミラー１１と目ＵＥとの間の第１空間ＳＰ１上に、光フィルタを
設けることにより、透過型ミラー１１の透過光（第１空間ＳＰ１から第２空間ＳＰ２に透
過する光）の方向を制約することができる。

変形例３によれば、透過型ミラー１１の透過光の方向が制約されるので、透過型ミラー
１１への映り込みを防ぐことができる。

（６−４）変形例４
本実施形態の変形例４について説明する。変形例４は、ライトフィールドを利用する光
学イメージングデバイスの例である。

（６−４−１）エアマウントディスプレイの動作原理
変形例４のエアマウントディスプレイ１０の動作原理を説明する。図８は、本実施形態
の変形例４のエアマウントディスプレイの動作原理の説明図である。

図８Ａに示すように、変形例４のエアマウントディスプレイ１０は、対物レンズ１２（
図３）に代えて、マイクロレンズアレイ４０を備える。また、エアマウントディスプレイ
１０は、画像処理部４１を備える。

画像処理部４１は、エアマウントディスプレイ１０に接続された画像生成装置から元画
像ＩＭＧ０を取得すると、元画像ＩＭＧ０に対する仮想カメラ処理を実行することにより
、複数の多視点元画像ＩＭＧ０ａを生成するように構成される。
この場合、光源１３は、仮想カメラ処理によって生成された複数の多視点元画像ＩＭＧ
０ａに対応する光を発光する。

マイクロレンズアレイ４０は、光源１３の光（つまり、複数の多視点元画像ＩＭＧ０ａ
に対応する光）ＯＰ４０を分散させるように構成される。マイクロレンズアレイ４０は、
複数のマイクロレンズから構成される。
各マイクロレンズは、光源１３の光ＯＰ４０を屈折させるように構成される。各マイク
ロレンズは、例えば、正六角形状を有する。複数のマイクロレンズは、例えば、格子状に
配列される。複数のマイクロレンズの配列は、各マイクロレンズの物理的な位置を示すレ
ンズ座標により定義される。レンズ座標は、マイクロレンズアレイ４０の中心に対する各
マイクロレンズの相対的な位置を示す。

透過型ミラー１１は、マイクロレンズアレイ４０によって分散された光ＯＰ４１を第１
面１１ａで受ける。
透過型ミラー１１は、第１面１１ａで受けた光ＯＰ４１を、負の屈折率に応じて屈折さ
せて、第２面１１ｂから透過させる。

透過型ミラー１１の透過光ＯＰ４２は、第１空間ＳＰ１内の結像点ＩＰで結像する。
これにより、結像点ＩＰに、透過光ＯＰ４２に対応する空中画像ＩＭＧ４が表示される
。空中画像ＩＭＧ４は、元画像ＩＭＧ０が拡大された実像であって、且つ、元画像ＩＭＧ
０のライトフィールドを有する。ピッチｐ（図４）が小さいほど、空中画像ＩＭＧ４のノ
イズは小さくなる。

換言すると、図８Ｂに示すように、エアマウントディスプレイ１０は、結像点ＩＰ４に
、バーチャルマイクロレンズアレイＶＭＬＡを形成する。バーチャルマイクロレンズアレ
イＶＭＬＡは、複数の仮想的なマイクロレンズから構成される。バーチャルマイクロレン
ズアレイＶＭＬＡは、ユーザＵには見えないが、マイクロレンズアレイ４０を実際に装着
することなく、マイクロレンズアレイ４０を通して元画像ＩＭＧ０に対応する実像を観察
している感覚をユーザＵに与えることができる。

（６−４−２）仮想カメラ処理
変形例４の仮想カメラ処理について説明する。図９は、変形例４の仮想カメラ処理の概
略図である。

図９Ａに示すように、画像処理部４１は、仮想空間ＶＳ上に、画像生成装置から取得し
た元画像ＩＭＧ０と、複数の仮想カメラＶＣと、を配置する。
仮想カメラＶＣの数は、マイクロレンズアレイ４０を構成するマイクロレンズの数と同
数である。
複数の仮想カメラＶＣの仮想空間ＶＳ上の配列は、各仮想カメラＶＣの位置を示すカメ
ラ座標により定義される。各カメラ座標は、各レンズ座標に対応する。
つまり、各仮想カメラＶＣは、各マイクロレンズと１対１に対応する。

図９Ｂに示すように、画像処理部４１は、画像生成装置から取得した元画像ＩＭＧ０か
ら、複数の多視点元画像ＩＭＧ０ａを生成する。各多視点元画像ＩＭＧ０ａは、仮想空間
に配置された仮想カメラによって撮像された像に相当する。

換言すると、複数の仮想カメラＶＣは、複数のマイクロレンズの配列に対応する複数の
角度から、元画像ＩＭＧ０を撮像するように構成される。画像処理部４１は、画像生成装
置から取得した元画像ＩＭＧ０を、異なる視点から見た多視点元画像ＩＭＧ０ａの集合に
変換する。

（６−４−３）空中画像
変形例４の空中画像について説明する。図１０は、図８のエアマウントディスプレイに
より表示される空中画像の一例を示す図である。

図８Ｂにおいて、ｆ≠ｌの位置にユーザの目ＵＥが位置する場合、目ＵＥと結像点ＩＰ
とのピントがずれる。この場合、図１０Ａに示すように、空中画像ＩＭＧ４は、複数の画
像ＩＭＧ４ａの集合に見える。

図８Ｂにおいて、ｆ＝ｌの位置にユーザの目ＵＥが位置する場合、目ＵＥと結像点ＩＰ
とのピントが合う。この場合、空中画像ＩＭＧ４は、立体画像ＩＭＧ４ｂに見える。
これは、光源１３が発光する光（つまり、複数の多視点元画像ＩＭＧ０ａに対応する光
）が、マイクロレンズアレイ４０によって、ライトフィールドが保持されたまま、透過型
ミラー１１に入射するためである。
空中画像ＩＭＧ４のライトフィールドは、ユーザＵの目ＵＥが特定の位置に位置する場
合、視差を生じさせる。つまり、空中画像ＩＭＧ４は、特定の位置に位置する目ＵＥにと
って、視差画像となる。
その結果、ユーザＵには、多視点元画像ＩＭＧ０ａの空中画像ＩＭＧ４が立体画像ＩＭ
Ｇ４ｂに見える。

マイクロレンズアレイ４０は、変形例１の対物レンズ１２と同様に、仮想線ＶＬ４１に
沿って、移動可能である。
マイクロレンズアレイ４０が移動すると、焦点距離ｄ（図８Ｂ）が変化する。

一例として、マイクロレンズアレイ４０が光源１３に近づく方向に移動すると、焦点距
離ｄが大きくなるので、結像点ＩＰは、透過型ミラー１１から離れる方向に移動する。こ
の場合、空中画像ＩＭＧ４は、焦点距離ｄに応じて拡大される。
別の例として、マイクロレンズアレイ４０が光源１３から離れる方向に移動すると、焦
点距離ｄが小さくなるので、結像点ＩＰは、透過型ミラー１１に近づく方向に移動する。
この場合、空中画像ＩＭＧ４は、目ＵＥと結像点ＩＰとの距離にかかわらず、ぼけがない
像として結像される。従って、ユーザＵに目ＵＥの位置を変えさせることなく、目ＵＥと
結像点ＩＰとのピントを合わせることができる。特に、目ＵＥの近い位置に鮮明な空中画
像ＩＭＧ４を提供することができる。
別の例として、元画像ＩＭＧ０に応じてマイクロレンズアレイ４０を移動させることに
より、マイクロレンズアレイ４０と光源１３との距離を動的に変化させる。この場合、元
画像ＩＭＧ０に応じて被写界深度を調整することができる。従って、ユーザＵに対して、
元画像ＩＭＧ０に応じてぼかされた空中画像ＩＭＧ４を提供することができる。

光源１３は、１対の光源であってもよい。
透過型ミラー１１は、中央で仕切られる（つまり、一対の透過型ミラーから構成される
）。
この場合、左目用の空中画像ＩＭＧ４と、右目用の空中画像ＩＭＧ４と、が形成される
。この２つの空中画像ＩＭＧ４は、ユーザＵの目ＵＥにとって視差画像となる。
その結果、ユーザＵには、多視点元画像ＩＭＧ０ａの空中画像ＩＭＧ４が立体画像ＩＭ
Ｇ４ｂに見える。

画像処理部４１は、省略可能である。
この場合、エアマウントディスプレイ１０は、画像処理部４１を備える画像生成装置か
ら、複数の多視点元画像ＩＭＧ０ａを取得する。
光源１３は、取得された複数の多視点元画像ＩＭＧ０ａに対応する光を発光する。

変形例４によれば、多視点元画像ＩＭＧ０ａに対応する空中画像ＩＭＧ４を形成するこ
とにより、立体画像を観察するためのレンズ（例えば、ヘッドマウントディスプレイ）を
装着していないユーザＵに立体画像ＩＭＧ４ｂを観察させることができる。
これにより、立体画像を観察するユーザＵの視野角を拡げることができる。

また、変形例４によれば、ライトフィールドが保持したまま空中画像ＩＭＧ４を形成す
ることにより、本実施形態に比べて、元画像ＩＭＧ０に対する空中画像ＩＭＧ４の歪みを
抑制することができる。その結果、ユーザＵにとって、より自然に見える空中画像ＩＭＧ
４を提供することができる。

（７）その他の変形例

上記実施形態では、エアマウントディスプレイ１０が光源１３を備える例を示したが、
光源１３は、エアマウントディスプレイ１０の外部に設けられてもよい。
図３の光源１３がエアマウントディスプレイ１０の外部に設けられる場合、筐体１０ａ
は、開口部を有する。光源１３の光は、開口部を介して対物レンズ１２に入射する。対物
レンズ１２は、開口部から入射した光を屈折させるように構成される。
図７Ａの光源１３がエアマウントディスプレイ１０の外部に設けられる場合、筐体１０
ａは、開口部を有する。光源１３の光は、開口部を介して空間光変調器２０に入射する。
空間光変調器２０は、開口部から入射した光を変調するように構成される。

光源１３は、エアマウントディスプレイ１０に接続された外部装置によって生成された
元画像ＩＭＧ０に対応する光を発光しても良い。外部装置は、例えば、以下のものを含む
。
・据え置き型ゲーム機
・携帯型ゲーム機
・パーソナルコンピュータ
・タブレット端末
・スマートフォン
・ファブレット
・ビデオプレイヤ
・テレビ

エアマウントディスプレイ１０は、空中以外の場所（例えば、水中）の結像点ＩＰに空
中画像ＩＭＧ１を表示してもよい。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の範囲は上記の実施形態に
限定されない。また、上記の実施形態は、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々
の改良や変更が可能である。また、上記の実施形態及び変形例は、組合せ可能である。

１０ ：エアマウントディスプレイ
１０ａ ：筐体
１１ ：透過型ミラー
１１ａ ：第１面
１１ｂ ：第２面
１１ｃ ：交点
１１ｄ ：回動軸
１１ｅ ：第１層
１１ｆ ：第２層
１１ｈａ ：第１マイクロミラーシート
１１ｈａａ ：反射面
１１ｈｂ ：第２マイクロミラーシート
１１ｈｂａ ：反射面
１２ ：レンズ
１３ ：光源
２０ ：空間光変調器
４０ ：マイクロレンズアレイ
４１ ：画像処理部

Claims (12)

1. 元画像に対応する光を屈折させる対物レンズを備え、
   負の屈折率を有する透過型ミラーを備え、
   前記透過型ミラーは、
   前記対物レンズで屈折した光を前記負の屈折率に応じて屈折させて透過させ、
   前記透過型ミラーを対称軸として前記対物レンズに対して対称となる結像点に、前
   記透過型ミラーの透過光を結像することにより、前記元画像に対応する空中画像を表示す
   る、
   光学イメージング装置。
2. 前記対物レンズは、複数のマイクロレンズから構成されるマイクロレンズアレイであり
   、
   前記マイクロレンズアレイは、前記元画像に対応する光を分散させる、
   請求項１に記載の光学イメージング装置。
3. 前記元画像に対して仮想カメラ処理を実行することにより、複数の多視点元画像を生成
   する画像処理部を備え、
   前記マイクロレンズアレイは、前記画像処理部によって生成された複数の多視点元画像
   に対応する光を分散させる、
   請求項２に記載の光学イメージング装置。
4. 元画像に対応する光を屈折させる対物レンズを備え、
   負の屈折率を有する透過型ミラーを備え、
   前記透過型ミラーは、前記対物レンズで屈折した光を前記負の屈折率に応じて屈折さ
   せて透過させることにより、前記透過型ミラーを対称軸として前記対物レンズに対して対
   称となる結像点にバーチャル接眼レンズを形成する、
   光学イメージング装置。
5. 前記バーチャル接眼レンズは、複数の仮想的なマイクロレンズから構成されるバーチャ
   ルマイクロレンズアレイである、
   請求項４に記載の光学イメージング装置。
6. 前記透過型ミラーは、
   前記対物レンズ側を向く第１面と、前記第１面の反対側を向く第２面と、を有し、
   前記対物レンズの光軸に対して傾斜し、
   前記対物レンズで屈折した光を前記第１面で受け、
   前記第１面で受けた光を前記第２面から透過させる、
   請求項１〜５の何れかに記載の光学イメージング装置。
7. 前記対物レンズは、前記対物レンズの光軸に沿って移動可能である、
   請求項１〜６の何れかに記載の光学イメージング装置。
8. 元画像に対応する光を変調する空間光変調器を備え、
   負の屈折率を有する透過型ミラーを備え、
   前記透過型ミラーは、
   前記空間光変調器によって変調された光を前記負の屈折率に応じて屈折させて透過
   させ、
   前記透過型ミラーを対称軸として前記空間光変調器に対して対称となる結像点に、
   前記透過型ミラーの透過光を結像することにより、前記元画像に対応する空中画像を表示
   する、
   光学イメージング装置。
9. 前記透過型ミラーは、
   前記空間光変調器側を向く第１面と、前記第１面の反対側を向く第２面と、を有し、
   前記空間光変調器の光軸に対して傾斜し、
   前記空間光変調器によって変調された光を前記第１面で受け、
   前記第１面で受けた光を前記第２面から透過させる、
   請求項８に記載の光学イメージング装置。
10. 前記空間光変調器は、前記空間光変調器の光軸に沿って移動可能である、
    請求項８又は９に記載の光学イメージング装置。
11. 前記元画像に対応する光を発光する光源を備える、
    請求項１〜１０の何れかに記載の光学イメージング装置。
12. 前記透過型ミラーの透過光の方向を制約する光フィルタを備える、
    請求項１〜１１の何れかに記載の光学イメージング装置。