JP2021056369A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents
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Abstract
【課題】左右間で視認する画像に差が発生することを抑制し、画像を視認する際の使用者の疲労を回避又は軽減できるヘッドマウントディスプレイを提供すること。【解決手段】画像表示する表示装置100A,100Bと、視度調整する視度調整装置DIa,DIbと、視度調整の度合に応じて表示画像の補正をする画像補正装置である補正処理回路GCa,GCbとを備え、左右それぞれで行う調整において、視度調整の後、視度調整の度合に応じた表示画像の補正をする。【選択図】図4
Description
本発明は、虚像を観察者に提示するヘッドマウントディスプレイ(HMD)に関する。
例えば、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)の一態様に相当する仮想現実及び拡張現実のシステムとして、眼の遠近調節すなわちピント調整を行うものであって、非テレセントリックな光学系も対象とし得るものが知られている(特許文献1)。
HMDについての小型化の要請に伴い、非テレセントリック光学系でHMDを構成することが望ましくなっている、あるいは必須的なものとなっている。しかし、非テレセントリック光学系の場合、視度調整(ピント調整)のために各部の位置調整をすると、画角の変化や画面歪曲が発生する可能性が高い。特に、両眼タイプのHMDの場合、左右で異なる視度に調整される可能性があり、その結果左右で異なる画面の大きさや歪曲状態となり、極端な視聴での疲労などに繋がるおそれがある。このため、特許文献1において、画像光の焦点変化に合わせて倍率変化を焦点変化と同期させてソフトウェア的に補償するようにしていても、例えば、左右の光学系に対して同じ補正テーブルで焦点変化に合わせて倍率補正をかけただけでは、左右間で視認する画像サイズに差が発生する等の事態が生じ得る。
本発明の一側面におけるヘッドマウントディスプレイは、左右の一方に対して画像表示する第1表示装置と、第1表示装置について視度調整する第1視度調整装置と、第1視度調整装置での視度調整の度合に応じて、第1表示装置による表示画像の補正をする第1画像補正装置と、左右の他方に対して画像表示する第2表示装置と、第2表示装置について視度調整する第2視度調整装置と、第2視度調整装置での視度調整の度合に応じて、第2表示装置による表示画像の補正をする第2画像補正装置とを備える。
〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第1実施形態に係るヘッドマウントディスプレイについて一例を説明する。
以下、図面を参照しつつ、本発明の第1実施形態に係るヘッドマウントディスプレイについて一例を説明する。
図1等に示すように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ(HMD)としての装着型表示装置100は、眼鏡のような外観を有している。なお、装着型表示装置100は、ケーブル109を介して外部装置EDに接続され、装着型表示装置100と外部装置EDとで、表示システム500が構成されている。外部装置EDは、装着型表示装置100に映し出すべき画像についての各種処理を行って、装着型表示装置100に対して映像信号等を出力するための装置であり、例えばスマホ(スマートフォン)等に必要なアプリをダウンロードすること等によって構成可能である。
装着型表示装置100は、HMDとして、画像形成を行うための光学的な本体部分である。図1等において、X、Y、及びZは、直交座標系であり、+X方向は、装着型表示装置100を装着した使用者US又は観察者USの両眼の並ぶ横方向に対応し、+Y方向は、使用者USにとっての両眼の並ぶ横方向に直交する下方向に相当し、+Z方向は、使用者USにとっての前方向又は正面方向に相当する。なお、X、Y、及びZについて、装着型表示装置100における方向として言い換えると、まず、X軸は、第1表示装置100A及び第2表示装置100Bを構成する2つの導光部材10a,10b(図2参照)が並ぶ方向に沿った軸に相当する。Z軸は、導光部材10a,10bからの画像光(映像光)の射出方向に沿った軸に相当する。Y軸は、X軸とZ軸との双方に直交する軸に相当する。
なお、装着型表示装置100と外部装置EDとを接続するケーブル109は、例えばUSB−TypeCコネクターで構成でき、USB−TypeCの代替モードで伝送される映像データを受信することで、スマホ等で構成される外部装置EDからの映像信号に基づいて、装着型表示装置100においてコンテンツ画像の映像表示が可能となっている。
図1等に示すように、装着型表示装置100は、この装着型表示装置100を使用する使用者(観察者)USに対して、虚像を視認させることができるだけでなく、外界像をシースルーで観察させることができる光学装置である。装着型表示装置100は、既述のように、ケーブル109を介して外部装置EDに対して通信可能に接続することができ、例えば外部装置EDから入力された映像信号に対応する虚像を形成することができる。なお、ここでは、装着型表示装置100を上記のような虚像を視認させる光学装置あるいは虚像表示装置として説明するが、このような光学装置としての装着型表示装置100に加え、外部装置EDの部分、あるいはこれに相当する部分までも含めた表示システム500の全体を、装着型表示装置あるいはHMDと捉えることもできる。
装着型表示装置100は、第1表示装置100Aと、第2表示装置100Bとを備える。第1表示装置100Aと第2表示装置100Bとは、左眼用の虚像と右眼用の虚像とをそれぞれ形成する部分である。左眼用の第1表示装置100Aは、使用者(観察者)USの眼前を透視可能に覆う第1虚像形成光学部101aと、画像光を形成する第1像形成本体部105aとを備える。右眼用の第2表示装置100Bは、使用者USの眼前を透視可能に覆う第2虚像形成光学部101bと、画像光を形成する第2像形成本体部105bとを備える。すなわち、第1表示装置100A及び第2表示装置100Bにより、左右の眼に対応した画像の表示がなされる。
第1及び第2像形成本体部105a,105bの後部には、頭部の側面から後方に延びるつる部分であるテンプル104が取り付けられており、使用者の耳やこめかみ等に当接することで装着型表示装置100の装着状態を確保する。また、第1像形成本体部105aは、カバー状の外装ケース105d内に、表示素子80、鏡筒38等を有し、同様に、第2像形成本体部105bは、外装ケース105d内に、表示素子80、鏡筒38等を有する。これらの光学的構成の具体的一例については、図2等を参照して後述する。
以下、図2等を参照して、上記のような虚像を形成する装着型表示装置100についての光学的な構造等について、一具体例を示す。
図2は、表示装置である装着型表示装置100の光学的な構成について示す概念的な平面図である。また、図3は、装着型表示装置100の光学的構造を説明するための平面図である。
まず、図2に示すように、第1及び第2虚像形成光学部101a,101bは、樹脂材料等で形成される導光体である第1及び第2導光部材10a,10bをそれぞれ含み、中央部材50によって、中央で連結されて一体的な部材として、透視型導光ユニット100Cを形成している。言い換えると、透視型導光ユニット100Cは、一対の導光部材10a,10bと中央部材50とを備える導光ユニットである。一対の導光部材10a,10bは、第1及び第2虚像形成光学部101a,101bを構成するものとして、画像光を内部に伝搬させつつ虚像形成に寄与する一対の光学部材である。中央部材50は、一対の光透過部50a,50bとこれらを繋ぐブリッジ部50cとを有し、樹脂材料等で形成される一体成形部品であり、一対の光透過部50a,50bが、一対の導光部材10a,10bに接合することで、第1表示装置100Aと第2表示装置100Bとを連結する連結部材として機能する。より具体的に説明すると、中央部材50において、一対の光透過部50a,50bのうちの一方である光透過部50aは、導光部材10aに接合され、他方である光透過部50bは、導光部材10bに接合される。なお、図示の例では、例えば図2に示すように、中央部材50のうち、ブリッジ部50cから光透過部50aにかけての部分及びブリッジ部50cから光透過部50bにかけての部分において、屈曲部分(折れ曲がり部分)を有しないように滑らかにつながっている。屈曲部分(折れ曲がり部分)あるいは段差部分のような箇所が無いことで、外界像が二重に見えてしまうことを回避している。
なお、透視型導光ユニット100Cは、導光によって使用者USに両眼用の映像を提供する複合型の導光装置20として、両端部つまり導光部材10a,10bの外端側で外装ケース105dに支持されている。
また、第1像形成本体部105aは、カバー状の外装ケース105d内に、表示素子80、鏡筒38、メイン回路基板MD、左眼用回路基板DL等を有する。メイン回路基板MDは、ケーブルとしてのフレキシブル基板FBにより各部と接続されている。一方、第2像形成本体部105bは、外装ケース105d内に、表示素子80、鏡筒38、右眼用回路基板DR等を有する。なお、外装ケース105dは、例えばマグネシウム合金等を材料としている。
例えば、第1像形成本体部105aにおいて、外装ケース105dに収納される表示素子80(80a)は、左眼用の虚像に対応する像を形成すべく画像光を射出する表示デバイスであり、例えば有機ELの表示パネルやLCD用のパネル等で構成される。投射レンズ30は、表示素子80からの画像光を射出するものであり、第1虚像形成光学部101aにおいて結像系の一部を構成する。鏡筒38は、投射レンズ30の一部として、投射レンズ30を構成する像形成用の光学素子(不図示)を保持する。なお、第2像形成本体部105bについても、外装ケース105dに収納される表示素子80(80b)と、鏡筒38を含む投射レンズ30とは、右眼用の虚像に対応する像を形成すべく同様の機能を果たす。また、以下では、左右の表示素子80について、左眼用のものを第1表示素子80aとし、右眼用のものを第2表示素子80bとして記載することもあるものとする。
以下、図3を参照して、装着型表示装置100に関する光学的構造について説明する。図3は、装着型表示装置100のうち、第1表示装置100Aの一部を示す図であり、特に第1虚像形成光学部101aの光学的構造を説明するものとなっている。装着型表示装置100は、既述のように、第1表示装置100A及び第2表示装置100B(図1等参照)で構成されるが、第1表示装置100Aと第2表示装置100Bとは、左右対称で同等の構造を有するため、第1表示装置100Aについてのみ説明し、第2表示装置100Bについては説明を省略する。なお、導光部材10aにおいて画像光の導光に際して光学的な機能を有する第1〜第5面S11〜S15を有する。これらのうち、眼前の主要な位置を占める第1面S11及び第3面S13は、平行な平面である。
光透過部50a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。
第1虚像形成光学部101aのうち導光部材10aは、接着層CCを介して光透過部50aと接合されている。つまり、光透過部50aの第2透過面S52は、導光部材10aの第2面S12に対向して配置され、同じ形状を有する。導光部材10aと光透過部50aとは、光学面を含む立体的形状を与える本体部材の表面を薄いハードコート層で被覆した構造を有する。導光部材10aや光透過部50aの本体部材は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば金型内に熱可塑性樹脂を注入し固化させることにより成形される。
以下、画像光GLの光路について概要を説明する。導光部材10aは、投射レンズ30から射出された画像光GLを、第1〜第5面S11〜S15での反射等により使用者(装着者)USの眼に向けて導光する。具体的には、投射レンズ30からの画像光GLは、まず光入射部11aに形成されている第4面S14の部分に入射して反射膜RMの内面である第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で全反射された画像光GLは、第2面S12に入射し、第2面S12に設けたハーフミラー15を部分的に透過しつつも部分的に反射されて光射出部11bに形成されている第1面S11の部分に再度入射して通過する。第1面S11を通過した画像光GLは、Z方向に略平行な光軸AXに沿って全体として進み、使用者USの眼が配置される射出瞳EPに略平行光束として入射する。つまり、使用者USは、虚像としての画像光により画像を観察することになる。
また、第1虚像形成光学部101aは、導光部材10aにより使用者USに画像光を視認させるとともに、導光部材10aと光透過部50aとを組み合わせた状態で、使用者USに歪みの少ない外界像を観察させるものともなっている。この際、第3面S13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、この部分を透過させる観察に関して視度が略0となり、外界光OLについて収差等をほとんど生じさせない。また、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。さらに、第1透過面S51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させない。以上により、使用者USは、光透過部50a越しに歪みのない外界像を観察することになる。
以上において、本実施形態では、導光部材10aや投射レンズ30で構成される光学系が、非テレセントリックなものとなっている。したがって、例えば第1表示素子80aからの射出光について、光軸AXに近い中心光の主光線は、光軸AXに対してほぼ平行(傾き0°)である一方、光軸AXから遠い周辺光の主光線は、10°程度の傾きをもっている。このような非テレセントリックな光学系で構成されている場合、各光学部材間の配置すなわち導光部材10aや投射レンズ30や第1表示素子80aの間での相対的な距離を少し変更するだけで、視度調整が可能となる。
本実施形態では、第1表示装置100Aについて視度調整すべく、双方向矢印AA1に示す光軸AXに沿って、第1表示素子80aを、投射レンズ30に対して移動可能としている。すなわち、第1表示装置100Aは、光軸AXの方向に移動させる第1光学部材としての第1表示素子80aを、第1非テレセントリック光学系としての導光部材10a及び投射レンズ30に対して移動させる構成としている。より具体的には、図示の例では、筐体状の治具JGにより第1表示素子80aの姿勢を固定し、駆動機構MM(MMa)により治具JGごと移動させることで、第1表示素子80aのパネル面が、光軸AXの方向に対して垂直となっている状態を維持したまま光軸AXの方向すなわち±Z方向に沿って進退可能としている。
また、詳しくは、図4を参照して後述するが、右眼用の第1表示素子80aを駆動させる駆動機構MMa(MM)は、ネジ機構等で構成され、左眼用回路基板DLを介してメイン回路基板MDに接続され、メイン回路基板MDからの指令に従って第1表示素子80aを移動させている。
ここで、上記のような非テレセントリックな光学系において光学部材の移動を行うと、形成される画像について、大きさや形状に変化が生じる。特に、本実施形態のように、左右で異なる方向から画像光を導くような構成の場合、右眼側と左眼側とで変化の仕方が異なる。このため、例えば右眼側と左眼側とで同一の画像を表示させようとしても、画像の変形の仕方や大きさが左右で異なっていることに起因する違和感やこれを頭の中で処理して整合させようとすることに伴う使用者USの疲労増大が懸念される。本実施形態では、かかる点を鑑みて、上記視度調整の度合に応じた画像補正、すなわち表示素子80aをどれくらい移動させたか(光学部材の移動量)を示す指標としてのディオプターDの値に応じた画像補正を左右のそれぞれに対して行うものとしている。つまり、視度調整が多くなるほど(表示素子80aの移動量が大きいほど)、画像補正の量も多くなる。
以下、図4のブロック図を参照して、装着型表示装置100のうち、視度調整に関する一構成例について説明する。図示のように、また、既述のように、装着型表示装置100は、第1表示素子80aを光軸AXに沿って移動させることで、視度調整を行っている。同様に、第2表示装置100Bにおいて視度調整するための構成として、第2表示装置100Bにおいても、筐体状の治具JGにより第2表示素子80bの姿勢を固定し、駆動機構MMbにより治具JGごと移動させることで、第2表示素子80bのパネル面が、光軸AXに対して垂直となっている状態を維持したまま光軸AXの方向に沿って進退可能としている。すなわち、第2表示装置100Bは、光軸AXの方向に移動させる第2光学部材としての第2表示素子80bを、第2非テレセントリック光学系としての導光部材10b及び投射レンズ30に対して移動させる構成としている。
メイン回路基板MDは、駆動機構MMa,MMbに対して、左眼用回路基板DL及び右眼用回路基板DRをそれぞれ介して接続している。より詳しく説明すると、メイン回路基板MDは、左眼用回路基板DL及び右眼用回路基板DRにそれぞれ対応するインターフェース部IFa,IFbから進退移動に対する指令を行うとともに、駆動機構MMa,MMbから移動の動作に関する情報として、移動量に関する情報を取得する。具体的な図示等を省略するが、例えば、外部装置ED(図1参照)に設けた各種指令として、表示素子80a,80bを駆動させることで定まる視度調整の度合について当該度合を示す視度(ディオプターDの値)を、使用者USに選択あるいは増減させるための調整ダイヤルやボタン等を準備しておき、視度の調整時に使用者USがボタンを押す等の操作を行うとこれを受けたメイン回路基板MDが、該当する駆動機構MMa,MMbの移動動作に関する指令を出す。また、例えば、メイン回路基板MDは、駆動機構MMa,MMbがネジ構造であれば、当該ネジの回転に関して、進退の向きやネジを回した回数等、第1表示素子80a及び第2表示素子80bにおける移動量を特定可能にするための情報取得をする。
以上のような処理動作をするため、図示の例では、メイン回路基板MDに視度調整回路DAが設けられている。この視度調整回路DAは、左眼用の駆動機構MMaの動作処理等必要な各種動作処理を行うための左眼用視度調整部DAaと、右眼用の右眼用視度調整部DAbとを有している。すなわち、左眼用視度調整部DAaは、駆動機構MMaと協働して、左眼用の視度調整を行う第1視度調整装置DIaとして機能し、右眼用視度調整部DAbは、駆動機構MMbと協働して、左眼用の視度調整を行う第2視度調整装置DIbとして機能する。また、第1視度調整装置DIa及び第2視度調整装置DIbは、特定した第1表示素子80a及び第2表示素子80bの移動量から視度調整の度合すなわちディオプターDの値が算出可能になっている。
また、上記のほか、視度調整回路DAは、駆動機構MMa,MMbの動作を検知する動作検知装置DDを有する。すなわち、視度調整回路DAにおいて、動作検知装置DDは、駆動機構MMa,MMbのうちいずれが動作しているかを検知する。動作検知装置DDは、検知結果に基づき、第1表示装置100A及び第2表示装置100Bのうち、視度調整のための動作すなわち駆動機構MMa,MMbの動作を検知した側については、視度調整用画面を表示する一方、動作検知装置DDは、当該動作を検知しなかった側については、非表示にする。これにより、使用者USは、視度調整を、片方の眼について順次行うようにできる。
視度調整回路DAは、以上の各部を動作させることで、右眼と左眼のそれぞれに対して、個別に視度調整を行うことを可能にするとともに、視度調整の度合を測定可能にしている。
視度調整回路DAは、右眼と左眼との双方についての視度調整が完了すると、その旨を、測定した結果としての視度調整の度合とともに、回路DA画像表示についての補正を行う補正処理回路GCに対して出力する。補正処理回路GCは、視度調整の完了確認後、補正を開始する。
以下、図5のブロック図を参照して、装着型表示装置100のうち、画像補正に関する一構成例について説明する。
まず、前提として、図示のように、メイン回路基板MDでは、映像処理回路GPにおいて、メモリーMC中の画像データやインターフェース部IFcを介して外部装置ED(図1参照)から外部入力される各種データに基づき画像形成のための各種処理が施されている。この場合において、さらに、図4において説明した視度調整回路DAにおける使用者USからの指令に従った視度調整がなされると、補正処理回路GCは、左眼用の画像と右眼用の画像との双方に対して、第1視度調整装置DIa及び第2視度調整装置DIbでの視度調整の度合に応じて、表示させるべき画像に対する補正を行う。
補正処理回路GCは、左眼用と右眼用とにおける歪み補正等を対応すべく、左眼用補正処理回路GCaと、右眼用補正処理回路GCbとで構成されている。左眼用補正処理回路GCa及び右眼用補正処理回路GCbは、第1視度調整装置DIa及び第2視度調整装置DIbにおいて発生した歪みやサイズの拡大あるいは縮小を補正すべく、ディストーション補正又はサイズ補正を行う。
このうち、左眼用補正処理回路GCaは、使用者USからの指令に従った視度調整の結果として、左眼用のユーザー入力値を受けると、これに応じた左眼用の表示画像の補正をする第1画像補正装置として機能する。つまり、左眼用補正処理回路GCaは、第1視度調整装置DIaでの視度調整の度合に応じて、第1表示装置100Aによる表示画像の補正をする第1画像補正装置である。
同様に、右眼用補正処理回路GCbは、第2視度調整装置DIbでの視度調整の度合に応じて、第2表示装置100Bによる表示画像の補正をする第2画像補正装置として機能する。
ここで、左眼用補正処理回路GCa及び右眼用補正処理回路GCbは、補正用の画像変換テーブルTTa,TTbに基づいて補正をしている。画像変換テーブルTTa,TTbでは、例えば、第1視度調整装置DIa及び第2視度調整装置DIbで測定された視度調整の度合に対応する補正量を、予め段階的に定めている。例えば、視度調整の度合が変化する範囲すなわち変化する視度(ディオプターDの値)の範囲、さらに言えば表示素子80a,80bを駆動させた際の移動量を10段階に区切って、各段階における1〜10の補正量に応じた補正パターン1〜10を定めておく、といった態様とすることが考えられる。この場合、左眼用補正処理回路GCa及び右眼用補正処理回路GCbは、視度調整の度合に応じて、10種類ある補正パターンのうちから一の補正パターンを選択することになる。あるいは、予め定めた10種類の補正パターンについて、視度(ディオプターDの値)の範囲が一部重なる部分を設けておくことで、重なった部分については、複数ある補正パターンから一の補正パターンを選択するようにしてもよい。すなわち、ある視度(ディオプターDの値)においては、複数ある補正パターン(例えば2つまたは3つの補正パターン)から一番合うと思うものを使用者USに選択させる、といった態様としてもよい。
以上のように、第1画像補正装置及び第2画像補正装置としての左眼用補正処理回路GCa及び右眼用補正処理回路GCbは、第1視度調整装置DIa及び第2視度調整装置DIbでの視度調整の度合に応じて、段階的に定められた画像変換テーブルTTa,TTb中の補正量から単数又は複数の補正パターンを選択する態様とすることができる。
左眼用補正処理回路GCa及び右眼用補正処理回路GCbは、選択された補正パターンに従って、映像処理回路GPからの画像を補正して、左眼用回路基板DL及び右眼用回路基板DRに出力し、左眼用回路基板DL及び右眼用回路基板DRは、それぞれ設けられているディスプレイドライバDDa,DDbによって左眼用補正処理回路GCa及び右眼用補正処理回路GCbからの補正画像に基づく画像表示動作が行われ、第1表示素子80a及び第2表示素子80bにおいて画像が表示される。
以下、図6を参照して、視度調整回路DAにおける視度調整に際して表示される解像パターンについて説明する。視度調整回路DAは、視度調整用画面の元画像として、例えば図6の第1領域AR1〜第3領域AR3に例示する解像パターンGGpを表示する。なお、各解像パターンGGpのうち、第1領域AR1に示す例のように、黒バックに白の解像線で構成したものとすると、片眼のみの表示でも疲労が少なく調整可能である。一方、第2領域AR2に示す例のように、白バックに黒の解像線で構成したものとすると、本実施形態のようにシースルー型であっても、背景を気にせず解像線に集中できる。上記のほか、例えば第3領域AR3に示す例のように、一般的な解像チャートパターンを表示してもよい。
本実施形態では、既述のように、動作検知装置DDによって、上記のような解像パターンによる視度調整を片眼ずつ行う構成としている。
具体的には、まず、図7のうち、第1領域BR1に示すように、解像パターンGGpを、左眼EYaによって視認される画像Gaとして映し出し、左眼EYaの視度調整を行うよう使用者USに促す。この際、右眼EYb側については、非表示の状態とすることで、左眼EYaの視度調整に集中させる。
左眼EYaの視度調整後、第2領域BR2に示すように、解像パターンGGpを、右眼EYbによって視認される画像Gbとして映し出し、右眼EYbの視度調整を行うよう使用者USに促す。この際、左眼EYa側については、非表示の状態とすることで、右眼EYbの視度調整に集中させる。
以上の表示動作を動作検知装置DDでの検知に基づき行う。動作検知装置DDは、上記表示切替を行うために、例えば使用者USによる視度検知に関する操作(例えばダイヤル調整の動作)が行われているか否かを検出している。当該操作が検知されている間は、該当する眼についての視度調整がなされ、双方ともに検知されない場合には、視度調整が完了したことを意味することになる。
以下、図8を参照して、補正処理回路GCにおける補正としての歪み補正等の各種補正に際して表示される解像パターンについて説明する。補正処理回路GC、あるいは、左眼用補正処理回路GCa及び右眼用補正処理回路GCbは、補正用画面の元画像として、例えば図8の第1領域CR1及び第2領域CR2に例示する補正用の画像パターンを表示する。例えば、第1領域CR1に示すような格子状の画像パターンGGsを、左右の双方に表示してもよい。この場合、両目に格子状の画像を表示させることによって、歪み状態によっては部分的に奥行き方向に歪んだように見えたり、部分的に線が一致しないように見え、部分的な奥行き歪みや線のズレが生じたりしていないかを確認できる。もし、問題がある場合には、例えば補正テーブルにおいて予め選択可能なものを用意しておき、これらのうちから、適宜選択させて調整すること等が考えられる。例えば、現状の選択肢から左右の映像のうちどちらか一方の補正パターンについて、他方の補正パターンに近づくものを選択可能にする態様とすることが考えられる。
また、上記の場合と異なり、第2領域CR2及び図9に示すように、左眼と右眼とで異なるパターン画像GGa,GGbを視認させる態様とすることもできる。具体的には、図示の場合、左眼用には、上下に横ラインを表示し、右眼用には、上下において3箇所ずつ点を表示している。この場合、使用者USが視認した結果、苦労なく上下それぞれのラインと点が一致できるか、すなわち使用者USが頭の中で描かれる仮想的な画像IGに示すようなものとして容易に認識できるかを確認する。この場合についても、もし、問題があれば、例えば補正テーブルにおいて適宜選択させて調整すること等が考えられる。
以下、図10のフローチャートを参照して、装着型表示装置100における視度調整及び歪み補正の動作について一例を説明する。ここでは、説明を簡略化するために、視度調整に際して、使用者USに視度調整用の調整ダイヤルを左右用に準備し、これを回すことで、左右それぞれについての視度調整がなされるものとして説明する。つまり、使用者USは、自身の遠近調節の能力に応じて、最も見やすい視度に位置合わせをすることになる。
装着型表示装置100の各部が起動すると、まず、視度調整及び歪み補正のうち、視度調整を行うべく、視度調整回路DAの左眼用視度調整部DAaは、左眼用の視度調整のためのダイヤルを回すことを使用者USに促して、当該ダイヤルが回される(ステップS101)。ステップS101において左眼用の視度調整ダイヤルが回されると、視度調整回路DAの動作検知装置DDは、これを検知し、左眼用の画像として、視度調整用の画像表示を行うとともに、右眼側を非表示とする(ステップS102)。すなわち、図7の第1領域BR1に例示したような表示態様が形成される。
次に、左眼用視度調整部DAaは、調整位置が決定したか否かを確認する(ステップS103)。調整位置の決定確認については、種々の手法を取り得るが、例えば、左眼用の視度調整ダイヤルとともに位置決定ボタンを用意しておき、当該ボタンが押されたことを検知したり、あるいは、例えば所定時間(3秒)以上左眼用の視度調整ダイヤルが回らない状態が続いていることを動作検知装置DDにおいて検知したりした場合に、調整位置が決定された(ステップS103:YES)ものとして取り扱うようにすることが考えられる。
一方、ステップS103において、動作検知装置DDにおいて左眼用の視度調整ダイヤルの回転が検知された状態が続いている等の場合には(ステップS103:NO)、ステップS102の動作を継続する。
次に、ステップS103において、左眼用の調整位置が決定されたことが確認されると、左眼用視度調整部DAaは、決定した調整位置に基づき算出される調整した視度の度合を、測定結果としてメモリーMCに記録するとともに動作を終了し、その一方で、視度調整回路DAの右眼用視度調整部DAbは、右眼用の視度調整のためのダイヤルを回すことを使用者USに促して、当該ダイヤルが回される(ステップS104)。
ステップS104において右眼用の視度調整ダイヤルが回されたことが動作検知装置DDで検知されると、右眼用の画像としての視度調整用の画像表示が行われるとともに、左眼側が非表示とする(ステップS105)。すなわち、図7の第2領域BR2に例示したような表示態様が形成される。
次に、右眼用視度調整部DAbは、調整位置が決定したか否かを確認し(ステップS106)、ダイヤルの回転が検知された状態が続いている等の場合には(ステップS106:NO)、ステップS105の動作を継続する一方、右眼用の調整位置が決定されたことが確認されると(ステップS106:YES)、右眼用視度調整部DAbは、決定した調整位置に基づき算出される調整した視度の度合を、測定結果としてメモリーMCに記録するとともに動作を終了する。また、これとともに、視度調整回路DAは、視度調整完了の旨と視度調整についての測定結果を、補正処理回路GCに対して出力する。
次に、視度調整回路DAからの出力を受けた補正処理回路GCすなわち左眼用補正処理回路GCa及び右眼用補正処理回路GCbは、視度調整についての測定結果に対応する補正量を補正用の画像変換テーブルTTa,TTbから選択する(ステップS107)。
ここで、ステップS106からステップS107への動作について、見方を変えると、第1画像補正装置及び第2画像補正装置としての左眼用補正処理回路GCa及び右眼用補正処理回路GCbは、第1表示装置100A及び第2表示装置100Bにおける視度調整の完了確認後、補正を開始する、という態様となっている。
ステップS107での選択の後、左眼用補正処理回路GCa及び右眼用補正処理回路GCbは、選択した補正内容に基づく補正用画像表示を行う(ステップS108)。すなわち、図9に例示したような画像表示を行う。また、この際、ステップS108において視認される画像表示の態様で良いか否かを使用者USに決定させるための最終ボタン(例えば「はい」ボタンと「いいえ」ボタン)を用意しておく。使用者USは、ステップS108に表示された状態から左右画像が一致視していると判断した場合には、当該最終ボタン(「はい」ボタン)を押すことで、視度調整及び歪み補正の動作が終了する。すなわち、ステップS108における表示態様に対して、当該最終ボタン(「はい」ボタン)が押されたことが確認されると(ステップS109:YES)、装着型表示装置100は、一連の動作を終了する。一方、ステップS109においてボタンが押されないあるいは否定の最終ボタン(「いいえ」ボタン)が押されたことが確認されると(ステップS109:NO)、視度調整回路DAは、ステップS107に戻って、補正量を補正用の画像変換テーブルTTa,TTbから別の一の補正量を選択し、以後の動作を繰り返す。
以上のように、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ(HMD)としての装着型表示装置100は、左右の一方に対して画像表示する第1表示装置100Aと、第1表示装置100Aについて視度調整する第1視度調整装置DIaと、第1視度調整装置DIaでの視度調整の度合に応じて、第1表示装置100Aによる表示画像の補正をする第1画像補正装置である左眼用補正処理回路GCaと、左右の他方に対して画像表示する第2表示装置100Bと、第2表示装置100Bについて視度調整する第2視度調整装置DIbと、第2視度調整装置DIbでの視度調整の度合に応じて、第2表示装置100Bによる表示画像の補正をする第2画像補正装置である右眼用補正処理回路GCbとを備える。
上記装着型表示装置100では、左右それぞれで行う調整において、視度調整の後、視度調整の度合に応じた表示画像の補正をすることで、左右の光学系の公差等の影響や使用者の左右の眼における視度の差異によって、左右間で視認する画像に差が発生することを抑制し、画像を視認する際の使用者(観察者)の疲労を回避又は軽減できる。
以下、上記した非テレセントリック光学系における視度調整の原理や上記態様において調整する量の一例等について説明する。
図11は、視度調整の原理について概念的に説明するための側面図である。上述の態様では、リレー系を組んでいるが、簡易的には、図11に示すような非テレセントリックな光学系としてのレンズLLと、表示素子PEのパネル位置PPとの関係で規定できる。ここでは、状態α1では、パネル位置PPがレンズLLの主点にある場合が示されており、状態α2では、パネル位置PPを主点に対してレンズLL側に近づけた場合が示されている。これらの場合において、視度(ディオプター)の値を、既述のようにDとすると、状態α1では、レンズLLの位置から虚像位置までの距離Xが無限大となり、D→0となるのに対して、状態α2では、レンズLLの位置から虚像位置までの距離Xが例えば、1m程度となり、D=−1程度となる。なお、ある光学系においては、例えば図3等に例示した態様のような光学系の場合、視度(ディオプター)Dとパネル位置PPの移動量すなわち表示素子80の光軸方向についての移動量との関係について、図12のグラフに示すようなものとなることが分かっている。すなわち、図12の場合について、図11の概念図で説明すれば、状態α1におけるパネル位置PP(すなわち表示素子80の位置)が、レンズLLの位置(すなわち投射レンズ30の位置)から27mmであり、この状態からパネル位置PP(表示素子80)をレンズLL(投射レンズ30)に近づけていくと、状態α2のような状態となっていく。図12の場合であれば、約2.5mmのパネル位置調整機構をもたせておけば、視度(ディオプター)Dが、0〜−4までの視度調整が可能となる。
一方、上記のような移動に伴って画像の歪みも発生する。例えば、図13は、視度調整に伴う歪み発生について説明するための概念図である。図13では、一例として、Dが、−0.25(虚像位置までの距離X=4m)の場合の形状をFG1で示し、−2(虚像位置までの距離X=50cm)の場合の形状をFG2で示し、これらを比較している。この場合、形状FG2が、形状FG1よりも大きくなっているが、その拡大率が、横方向(水平方向)については、5%程度であるのに対して、縦方向(垂直方向)については、10%程度となっている。すなわち、水平と垂直で拡大率が異なっている。さらに、本実施形態のようないわゆる横(水平)導光の場合、さらに画面の左側と右側での垂直拡大の仕方が右眼用と左眼用とで異なっている。本実施形態では、視度調整の後に適した歪み補正を選択することで、かかる問題を解消している。
例えば、FOV画面の拡大率が1%を超えると、画面端部での両眼視に不都合が生じる可能性があることが知られている。一方、上記水平と垂直とでの拡大率の差異を考慮すると、例えば最大で10%の画面歪みが生じる可能性があると考えられる。これに応じるべく、例えば補正用の画像変換テーブルTTa,TTbについて、10個程度用意することで、視度調整未調整時と同等の歪曲の無い状態で使用者USに視認させることができる。
〔第2実施形態〕
以下、図14を参照して、第2実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ(HMD)としての装着型表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る装着型表示装置300は、第1実施形態に係る装着型表示装置100の変形例であり、シースルーではなく、いわゆるクローズタイプの仮想現実(VR)を視認するものである点において、第1実施形態の場合と異なっている。ただし、上記以外の点については、第1実施形態の場合と同様であるので、上記以外の各部については、詳しい説明を省略する。
以下、図14を参照して、第2実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ(HMD)としての装着型表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る装着型表示装置300は、第1実施形態に係る装着型表示装置100の変形例であり、シースルーではなく、いわゆるクローズタイプの仮想現実(VR)を視認するものである点において、第1実施形態の場合と異なっている。ただし、上記以外の点については、第1実施形態の場合と同様であるので、上記以外の各部については、詳しい説明を省略する。
図14は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ(HMD)としての装着型表示装置300について説明するための概念的な側面図である。装着型表示装置300は、非テレセントリックな光学系としての投射光学系200と、表示素子80とで構成されており、表示素子80が筐体状の治具JGにより姿勢を固定され、駆動機構MMにより光軸AXそって治具JGごと移動されるものとなっている。また、投射光学系200は、レンズLS1とレンズLS1に設けられたハーフミラーHM1,HM2とで構成されており、例えば、表示素子80から射出される成分のうち、レンズLS1及びハーフミラーHM1,HM2での屈折や反射及び透過を経て図示に示すような光路を通るものが、眼EYに到達して、視認される画像光GLとなる。この場合も、例えば表示素子80の周辺光の主光線の角度θがある程度大きい非テレセントリックな光学系となっていることで、表示素子80の少しの動きで十分な範囲の視度調整が可能となる。
〔変形例及びその他の事項〕
以上で説明した構造は例示であり、同様の機能を達成できる範囲で、種々変更することができる。
以上で説明した構造は例示であり、同様の機能を達成できる範囲で、種々変更することができる。
例えば上記では、駆動機構MMについて、自動的に駆動させることも可能であるが、手動で動かす構成としてもよい。この場合も、移動量の測定をある程度の精度でできれば、移動の程度に応じて段階的な補正パターンを作成することができる。また、上記では、補正のための演算処理を軽減すべく、予め補正パターンを定めるものとしているが、補正量を都度計算したり、複数ある補正パターンを利用して中間的な補正量を算出する補間的な手法をとったりすることも考えられる。また、補正量について自動的に計算し補正パターンを設定するものとしてもよい。
以上の説明では、表示素子80が有機ELの表示パネルやLCD用のパネルであるとしたが、表示素子80は、LEDアレイ、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等に代表される自発光型の表示素子であってもよい。さらに、表示素子80は、レーザー光源とスキャナーとを組みあわせたレーザスキャナーを用いたディスプレイであってもよい。なお、LCDパネルに代えてLCOS(Liquid crystal on silicon)技術を用いることもできる。
以上のように、具体的な一態様における第1のヘッドマウントディスプレイは、左右の一方に対して画像表示する第1表示装置と、第1表示装置について視度調整する第1視度調整装置と、第1視度調整装置での視度調整の度合に応じて、第1表示装置による表示画像の補正をする第1画像補正装置と、左右の他方に対して画像表示する第2表示装置と、第2表示装置について視度調整する第2視度調整装置と、第2視度調整装置での視度調整の度合に応じて、第2表示装置による表示画像の補正をする第2画像補正装置とを備える。
上記ヘッドマウントディスプレイでは、左右それぞれで行う調整において、視度調整の後、視度調整の度合に応じた表示画像の補正をすることで、左右の光学系の公差等の影響や使用者の左右の眼における視度の差異によって、左右間で視認する画像に差が発生することを抑制し、画像を視認する際の使用者(観察者)の疲労を回避又は軽減できる。
具体的な側面において、第1視度調整装置は、第1表示装置を構成する第1光学部材を光軸方向に移動させることによって視度を調整し、第2視度調整装置は、第2表示装置を構成する第2光学部材を光軸方向に移動させることによって視度を調整する。この場合、第1光学部材の移動によって視度調整が可能となる。
別の側面において、第1表示装置は、第1表示素子と第1非テレセントリック光学系とを有し、第1視度調整装置は、第1光学部材としての第1表示素子を、第1非テレセントリック光学系に対して移動させ、第2表示装置は、第2表示素子と第2非テレセントリック光学系とを有し、第2視度調整装置は、第2光学部材としての第2表示素子を、第2非テレセントリック光学系に対して移動させる。この場合、非テレセントリック光学系に対して第1表示素子を移動させることで、簡易な移動構造によって視度調整が可能となる。
さらに別の側面において、第1画像補正装置は、第1表示装置による表示画像についてのディストーション補正又はサイズ補正をし、第2画像補正装置は、第2表示装置による表示画像についてのディストーション補正又はサイズ補正をする。この場合、第1及び第2表示装置における視度調整に伴って生じる画像の歪みや拡大縮小を第1及び第2補正装置において解消できる。
さらに別の側面において、第1画像補正装置及び第2画像補正装置は、補正用の画像変換テーブルに基づいて補正する。この場合、補正に関する演算処理の負担を軽減できる。
さらに別の側面において、補正用の画像変換テーブルは、第1視度調整装置及び第2視度調整装置での視度調整の度合に対応する補正量を、段階的に定めている。この場合、視度調整の度合に応じて、予め段階的に定めた補正量から選択することで、必要な補正ができる。
さらに別の側面において、第1画像補正装置及び第2画像補正装置は、第1表示装置及び第2表示装置における視度調整の完了確認後、補正を開始する。
さらに別の側面において、第1視度調整装置及び第2視度調整装置の動作を検知する動作検知装置を備え、動作検知装置は、第1表示装置及び第2表示装置のうち、動作を検知した側に視度調整用画面を表示し、動作を検知しなかった側を非表示にする。この場合、視度調整を片方ずつ着実に行うことができる。
以上のように、具体的な一態様における第2のヘッドマウントディスプレイは、画像表示する表示装置と、表示装置を構成する光学部材を光軸方向に移動させることによって、表示装置について視度調整する視度調整装置とを備える。上記ヘッドマウントディスプレイでは、光学部材の移動によって視度調整が可能となる。
10a,10b…導光部材、11a…光入射部、11b…光射出部、15…ハーフミラー、20…導光装置、30…投射レンズ、38…鏡筒、50…中央部材、50a,50b…光透過部、50c…ブリッジ部、80,80a,80b…表示素子、100…装着型表示装置、100A…第1表示装置、100B…第1表示装置、100C…透視型導光ユニット、104…テンプル、105d…外装ケース、109…ケーブル、200…投射光学系、300…装着型表示装置、500…表示システム、AA1…双方向矢印、AX…光軸、CC…接着層、D…視度(ディオプター)、DA…視度調整回路、DAa…左眼用視度調整部、DAb…右眼用視度調整部、DD…動作検知装置、DDa,DDb…ディスプレイドライバ、DIa…第1視度調整装置、DIb…第2視度調整装置、DL…左眼用回路基板、DR…右眼用回路基板、ED…外部装置、EP…射出瞳、EY…眼、EYa…左眼、EYb…右眼、FB…フレキシブル基板、FG1,FG2…形状、GC…補正処理回路、GCa…左眼用補正処理回路(第1画像補正装置)、GCb…右眼用補正処理回路(第2画像補正装置)、GGa,GGb…パターン画像、GGp…解像パターン、GGs…画像パターン、GL…画像光、GP…映像処理回路、Ga,Gb…画像、HM1,HM2…ハーフミラー、IFa,IFb,IFc…インターフェース部、IG…画像、JG…治具、LL…レンズ、LS1…レンズ、MC…メモリー、MD…メイン回路基板、MM,MMa,MMb…駆動機構、OL…外界光、PE…表示素子、PP…パネル位置、RM…反射膜、TTa,TTb…画像変換テーブル、US…使用者(装着者,観察者)、α1,α2…状態、θ…角度
Claims (9)
- 左右の一方に対して画像表示する第1表示装置と、
前記第1表示装置について視度調整する第1視度調整装置と、
前記第1視度調整装置での視度調整の度合に応じて、前記第1表示装置による表示画像の補正をする第1画像補正装置と、
左右の他方に対して画像表示する第2表示装置と、
前記第2表示装置について視度調整する第2視度調整装置と、
前記第2視度調整装置での視度調整の度合に応じて、前記第2表示装置による表示画像の補正をする第2画像補正装置と
を備えるヘッドマウントディスプレイ。 - 前記第1視度調整装置は、前記第1表示装置を構成する第1光学部材を光軸方向に移動させることによって視度を調整し、
前記第2視度調整装置は、前記第2表示装置を構成する第2光学部材を光軸方向に移動させることによって視度を調整する、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイ。 - 前記第1表示装置は、第1表示素子と第1非テレセントリック光学系とを有し、
前記第1視度調整装置は、前記第1光学部材としての前記第1表示素子を、前記第1非テレセントリック光学系に対して移動させ、
前記第2表示装置は、第2表示素子と第2非テレセントリック光学系とを有し、
前記第2視度調整装置は、前記第2光学部材としての前記第2表示素子を、前記第2非テレセントリック光学系に対して移動させる、請求項2に記載のヘッドマウントディスプレイ。 - 前記第1画像補正装置は、前記第1表示装置による表示画像についてのディストーション補正又はサイズ補正をし、
前記第2画像補正装置は、前記第2表示装置による表示画像についてのディストーション補正又はサイズ補正をする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。 - 前記第1画像補正装置及び前記第2画像補正装置は、補正用の画像変換テーブルに基づいて補正する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
- 前記補正用の画像変換テーブルは、前記第1視度調整装置及び前記第2視度調整装置での視度調整の度合に対応する補正量を、段階的に定めている、請求項5に記載のヘッドマウントディスプレイ。
- 前記第1画像補正装置及び前記第2画像補正装置は、前記第1表示装置及び前記第2表示装置における視度調整の完了確認後、補正を開始する、請求項1〜6のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
- 前記第1視度調整装置及び前記第2視度調整装置の動作を検知する動作検知装置を備え、
前記動作検知装置は、前記第1表示装置及び前記第2表示装置のうち、動作を検知した側に視度調整用画面を表示し、動作を検知しなかった側を非表示にする、請求項1〜7のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。 - 画像表示する表示装置と、
前記表示装置を構成する光学部材を光軸方向に移動させることによって、前記表示装置について視度調整する視度調整装置と
を備えるヘッドマウントディスプレイ。
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