JP2021152565A - 表示装置及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を大型化することなく射出瞳を適切な配置及びサイズとなるように形成すること。【解決手段】表示装置１００は、画像光ＩＬの光束を拡大する瞳拡大部材４１と、瞳拡大部材４１の射出側に配置されるシャッター部材４２と、シャッター部材４２の動作を制御する制御装置８０と、瞳位置を検出する瞳検出装置５０と、を備え、制御装置８０は、瞳検出装置５０により検出された瞳位置に応じて射出瞳が形成されるようにシャッター部材４２の開口すなわち透過開口パターンＡＰの位置と大きさとを制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、虚像を観察者に提示する表示装置及び光学素子に関し、特に瞳の位置や視聴の状況に応じて適切な表示が可能な表示装置等に関する。

表示装置として、虚像表示用の光学系と、光学系全体を移動させ瞳孔に対する位置調整を可能にする連結部と、射出瞳の有効径及び形状を変更する射出瞳変更部と、を備えるものが開示されている（特許文献１）。ここで、射出瞳変更部は、特性が異なる複数の回折格子を透明樹脂板に設けたものであり、使用者に合わせて透明樹脂基板の回転位置を変化させ、使用する回折格子を切り替えることによって、射出瞳の有効径及び形状を変更している。

特開２０１１−０７５９５１号公報

上記先行技術では、使用者に合わせて透明樹脂板を回転させて光路上に配置される回折格子を切り替えるため、射出瞳の有効径の変更範囲や調整段階を増やそうとすると透明樹脂基板の大きさを大きくしなければならず、装置が大型化してしまう。

本発明の一側面における表示装置は、画像光の光束を拡大する瞳拡大部材と、瞳拡大部材から射出された画像光の光束が入射するシャッター部材と、シャッター部材の動作を制御する制御装置とを備え、制御装置は、所定の条件に応じて射出瞳が形成されるようにシャッター部材の開口の位置と大きさとを制御する。

実施形態の表示装置を説明する平面図である。 表示装置の構造を説明する概念的な図である。 表示装置を含むヘッドマウントディスプレイの外観を説明する斜視図である。 瞳拡大部材の構造の一例を説明する図である。 瞳拡大部材の構造の別の例を説明する図である。 表示装置による第１の表示状態を説明する概念図である。 表示装置による第２の表示状態における一動作状態を説明する概念図である。 表示装置による第２の表示状態における別の動作状態を説明する概念図である。 シャッター部材の透過開口パターンをさらに変化させた例を説明する図である。

図１は、表示装置１００の一実施形態を示す平面図である。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、表示装置１００を装着した観察者又は装着者ＵＳの両眼ＥＹの並ぶ横方向に対応し、＋Ｙ方向は、装着者ＵＳにとっての両眼ＥＹの並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、＋Ｚ方向は、装着者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。

図２は、図１に示す表示装置１００の機能的な構造を説明する概念図であり、図３は、図１に示す表示装置１００を含むヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する。）２００の外観を説明する斜視図である。図２において、ＸＹＺ座標系は、装着者ＵＳの眼ＥＹを基準に記載されており、表示装置１００中の後述する光学装置３０の前段部分等における実際の座標系とは必ずしも一致していないが、説明の便宜上記載している。図３において、右眼用の表示装置１００Ａだけでなく、左眼用の表示装置１００Ｂも記載されているが、右眼用の表示装置１００Ａと左眼用の表示装置１００Ｂとは、光学的に左右を反転させたものであり、以後では、右眼用の表示装置１００Ａを代表の表示装置１００として説明する。

図１及び２に示すように、表示装置１００は、画像光ＩＬを射出する像生成装置１０と、像生成装置１０からの画像光ＩＬを装着者ＵＳの瞳ＰＵの位置に導く光学装置３０とを備える。像生成装置１０は、画像を表示するための光源光Ｌ１を出射する光源装置１１と、光源装置１１から出射された光源光Ｌ１を走査する走査装置１２と、走査装置１２からの走査光Ｌ２を一旦収束させるリレーレンズ１３とを含む。光学装置３０は、像生成装置１０からの走査光Ｌ２すなわち画像光ＩＬを受けて所望の形状及び配置で入射瞳を形成する光学素子３１と、光学素子３１から射出された画像光ＩＬを投射する投射系３２とを備える。

図１に示すように、像生成装置１０において、光源装置１１は、本体１１ａとミラー１１ｂとを備える。本体１１ａは、図示を省略するが、例えば赤色光を出射する赤色用レーザーダイオード（以下、レーザーダイオードをＬＤとも称する。）、緑色光を出射する緑色用ＬＤ、及び青色光を出射する青色用ＬＤを有しているとともに、これらのＬＤからの光路を合成するハーフミラー又はダイクロイックミラー等を有している。赤色用ＬＤ、緑色用ＬＤ、及び青色用ＬＤは、制御装置８０（図２参照）による制御の下、表示すべき画像の各画素又は各ドットに対応する光強度に変調した光ビームを光源光Ｌ１として出射する。

走査装置１２は、光源装置１１から射出された光源光Ｌ１を画像の横方向及び縦方向に対応する２方向に走査し、走査された光は、リレーレンズ１３を介して投影用の光学装置３０に入射する。走査装置１２において、画像の横方向とは、ＸＺ面内で設定された特定方向に対応し、画像の縦方向とは、Ｙ方向に対応するが、光学装置３０内での光路の折り曲げによって、走査装置１２における画像の横方向は、両眼ＥＹの並ぶ横方向と一致しないものとなっている。走査装置１２は、例えば、シリコン基板等を用いてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により形成したマイクロミラーデバイスによって実現することができる。その際、走査装置１２は、１つの走査機構によって、入射光を画像の横方向及び縦方向に対応する２方向に走査する構成を採用することができる。走査装置１２については、画像の横方向及び縦方向に対応する２方向の一方方向に入射光を走査する第１走査機構と、２方向の他方方向に入射光を走査する第２走査機構とによって構成してもよい。走査装置１２も、制御装置８０（図２参照）による制御の下、入射した光源光Ｌ１を走査光Ｌ２として２次元的な角度方向に走査する。

リレーレンズ１３は、走査装置１２から走査によって異なる角度方向に射出された走査光Ｌ２を収束させ、光学素子３１の入射端の略一点に集める。

図２に示すように、光学装置３０において、光学素子３１は、画像光ＩＬの光束を拡大する瞳拡大部材４１と、瞳拡大部材４１の射出側に配置され瞳拡大部材４１からの光束が入射するシャッター部材４２とを備える。光学素子３１は、構造については後述するが、入射端ＩＳにおいて例えば１ｍｍ程度であった画像光の光束を射出端ＥＳにおいて例えば１０ｍｍ程度に拡大する。この際、光学素子３１は、入射端ＩＳに入射する画像光ＩＬの角度情報を維持する。シャッター部材４２は、光学素子３１の射出端ＥＳに接合するように固定されている。瞳拡大部材４１の光射出面である射出端ＥＳは、光学装置３０の入射瞳と略同じ位置に配置される。シャッター部材４２は、制御装置８０からの制御信号に応じて入射瞳が形成されるように開口の位置と大きさとを調整する。つまり、シャッター部材４２は、制御装置８０により、所定の条件に応じて装着者ＵＳの両眼ＥＹ想定した位置に射出瞳が形成されるように開口の位置と大きさとを制御される。シャッター部材４２は、２次元配列された画素又は区画単位で入射光を透過させ或いは遮断するパターンフィルターであり、開口としての透過開口パターンを形成する。シャッター部材４２は、例えば画素単位で光の透過及び遮断を行う液晶光学素子で形成され、制御装置８０による制御の下、所定のタイミングでＸＹ面内において透過開口パターンとして例えば円形の光透過領域である開口を形成することができ、この開口のサイズを増減させることができるとともに、この開口をＸＹ面内で自在に移動させることができる。

図２に示す例では、入射瞳の拡大を説明しやすくする観点で画像光ＩＬを一旦絞り込んだ状態で瞳拡大部材４１の入射端ＩＳに入射させる構造としているが、画像光ＩＬがある程度の広がりを有する状態で瞳拡大部材４１の入射端ＩＳに入射させることもできる。

図４は、瞳拡大部材４１の構造の一例を説明する図である。瞳拡大部材４１は、第１部材４１ａと第２部材４１ｂとを有する。第１部材４１ａは、平行平板である多数の光透過層４３ａと、光透過層４３ａ間に形成されたハーフミラー層４３ｂと、光透過層４３ａ間で最も外側に形成されたミラー層４３ｃとを備える。光透過層４３ａ又はミラー層４３ｃは、例えば光透過性を有する樹脂やガラスで形成され、ハーフミラー層４３ｂは、例えば金属膜や誘電体多層膜で構成することができる。入射端ＩＳに入射した走査光Ｌ２の平行光束は、ハーフミラー層４３ｂやミラー層４３ｃで反射されて分岐され折り返されつつ射出端ＥＳ’からＸ方向に拡大された平行光束Ｌ３として射出される。第２部材４１ｂも、第１部材４１ａと同様の構造を有するが、多数の光透過層４３ａの積層方向やハーフミラー層４３ｂの配列方向が異なり、第２部材４１ｂの入射端ＩＳ’に入射した平行光束Ｌ３は、射出端ＥＳにおいてＹ方向に拡大され、結果的にＸ方向及びＹ方向に幅が拡大された平行光束Ｌ４、つまり画像の横方向及び縦方向に関して拡大された画像光ＩＬが射出される。図示を省略しているが、第１部材４１ａの入射端ＩＳに対して任意の方向及び角度に傾斜して入射した走査光Ｌ２も、光束が拡大されかつ角度が保存された画像光ＩＬとして瞳拡大部材４１から射出される。図４に示す瞳拡大部材４１の構造は単なる一例である。瞳拡大部材４１の構造については、特開２０１８−５４６７１号公報等に詳細な説明がなされている。図４に示すようなハーフミラー層４３ｂによる分割型の瞳拡大部材４１を用いる場合、光透過層４３ａ及びハーフミラー層４３ｂの間隔や数を増やせば光束の幅を増やすことができる。

図５は、瞳拡大部材４１の構造の別の例を説明する図である。瞳拡大部材４１は、第１素子１４１ａと第２素子１４１ｂとを有する。第１素子１４１ａは、複数の板状の回折部材４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，…を有し、各回折部材４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，…には、両表面にストライプ状の回折格子４６，１４６が形成されている。第１段の回折部材４５ａにおいて、入射側の回折格子４６と射出側の回折格子１４６とは、格子パターン方向と格子周期とを一致させた２対の回折格子である。同様に、第２段の回折部材４５ｂにおいて、入射側の回折格子４６と射出側の回折格子１４６とは、格子周期を一致させた２対の回折格子である。なお、一方の回折部材４５ａの回折格子４６と他方の回折部材４５ｂの回折格子４６とは、格子周期が異なっていてもよい。入射端ＩＳに入射した走査光Ｌ２の平行光束は、回折格子４６で０次光や１次回折光に分岐されつつＸ方向に拡大された平行光束Ｌ３として射出される。なお、図面では、一本の走査光Ｌ２を描いているが、走査光Ｌ２は入射端ＩＳに沿った方向に広がりを有する。また、回折光の一部は説明簡略化のため図示を省略している。第２部材１４１ｂも、第１部材１４１ａと同様の構造を有するが、回折部材４５ａ，４５ｂ，…に設けた回折格子４６の方向や回折部材４５ａ，４５ｂ，…を積み重ねる方向が異なり、第２部材２４１ｂの入射端ＩＳ’に入射した平行光束Ｌ３は、射出端ＥＳにおいてＹ方向に拡大され、結果的にＸ方向及びＹ方向に幅が拡大された平行光束Ｌ４、つまり画像の横方向及び縦方向に関して拡大された画像光ＩＬとして射出される。図示を省略しているが、第１部材４１ａの入射端ＩＳに対して傾いた方向から入射した走査光Ｌ２も、光束が拡大されかつ角度が保存された画像光ＩＬとして瞳拡大部材４１から射出される。図５に示す瞳拡大部材４１の構造は単なる一例である。瞳拡大部材４１の構造については、特開２０１６−９５４４４号公報等に詳細な説明がなされている。図５に示すような回折型の瞳拡大部材４１を用いることで、光束の大きなシフトを多重に達成することができ、瞳拡大部材４１を小型化することができる。

図２に戻って、投射系３２は、光学素子３１の光射出面である入射瞳面Ｓ１から射出される画像光ＩＬを装着者ＵＳの眼ＥＹについて瞳ＰＵの配置が想定される射出瞳面Ｓ２に投射する。入射瞳面Ｓ１と射出瞳面Ｓ２とは共役な配置となっている。これにより、瞳ＰＵには、走査装置１２による走査光Ｌ２の走査角に対応する方向からの平行光としての画像光ＩＬが入射し、装着者ＵＳは、各走査角での輝度に対応する虚像を観察することができる。走査角の広がりは、表示領域や映像画面に相当するものとなる。

図１に示すように、具体的な投射系３２は、光学装置３０の光射出側に配置される光学部材３２ａと、光学部材３２ａから出射された画像光ＩＬを偏向部材３２ｃに向けて反射するミラー３２ｂと、ミラー３２ｂで反射された画像光ＩＬを装着者ＵＳの瞳ＰＵに向けて反射する偏向部材３２ｃとを有している。光学部材３２ａは、レンズ、プリズム、ミラー等で構成することができる。ミラー３２ｂは、反射膜ＲＭで覆われた内側で画像光ＧＬを反射する平面ミラーであるが、非球面や自由曲面のミラーとすることができる。偏向部材３２ｃは、光透過性を有する湾曲した板状部材３２ｆの内面が反透過性のハーフミラーＨＭで覆われたものであり、ハーフミラーＨＭは、画像光ＩＬを部分的に反射する。ハーフミラーＨＭは、自由曲面であるが、これに限るものではない。ハーフミラーＨＭは、金属膜や誘電体多層膜で構成することができるが、これに限るものではない。偏向部材３２ｃを反透過性とすることにより、装着者ＵＳは、外界像を観察しつつ画像光ＩＬに対応する虚像を観察することができる。

なお、図１に示す投射系３２は、単なる例示であり、例えばミラー３２ｂを省略した光学系とすることができ、或いは一部又は全部を導光体で構成し、導光体の内面で反射する光学系とすることができる。また、例えば偏向部材３２ｃは、板状部材３２ｆの表層にホログラム光学素子（ＨＯＥ）を形成したものであってもよい。

図２を参照して、表示装置１００は、瞳検出装置５０を有する。瞳検出装置５０は、投射系３２に対する装着者ＵＳの眼ＥＹにおける瞳ＰＵの位置を検出している。瞳検出装置５０は、１以上のカメラや光源を備え、制御装置８０による制御の下、近赤外や可視の波長域で眼ＥＹの瞳ＰＵの像を計測している。制御装置８０は、瞳検出装置５０の計測結果に基づいて、投射系３２に対する瞳ＰＵの配置方向を検出することができ、より高精度には、瞳ＰＵの方位及び距離並びに視線方向を検出することもできる。ここで、眼ＥＹにおける瞳ＰＵとは、原則として瞳孔を意味するが、例えば瞳ＰＵの方位等を検出する場合や瞳ＰＵに対して投射系３２の入射瞳面Ｓ１をアライメントする場合は、瞳孔の周りの虹彩を含めて瞳ＰＵと呼ぶ場合がある。

表示装置１００において、像生成装置１０、光学装置３０、瞳検出装置５０等は、支持体７１に支持されて相対的な配置が固定されている。支持体７１は、ガイド機構７３等を介して図３に示すフレーム２０１に支持されており、駆動装置７５に駆動されてフレーム２０１に対してＸＹの２方向に２次元的に移動させることができる。制御装置８０による制御の下、瞳検出装置５０による計測結果を利用して瞳ＰＵの配置や向きを検出しつつ、駆動装置７５を適宜動作させることにより、表示装置１００全体を装着者ＵＳの眼ＥＹ又は瞳ＰＵに対して上下及び左右に関して適切に配置することができる。駆動装置７５やガイド機構７３は、像生成装置１０と光学装置３０とを一体的に変位させる配置調整装置７９として機能している。つまり、配置調整装置７９によって、像生成装置１０と光学装置３０とをまとめて移動させることができる。なお、配置調整装置７９は、表示装置１００全体を装着者ＵＳの眼ＥＹに対してＸＹＺの３方向に３次元的に移動させるものであってもよい。

表示装置１００又はＨＭＤ２００には、外界観察用カメラ６０も設けられている。外界観察用カメラ６０は、制御装置８０による制御の下、外界像を撮影し、制御装置８０は、外界像のデータを外界観察用カメラ６０から受け取って表示動作に活用する。これにより、例えば外界像又は対象物に重ねて画像やデータといった仮想的な視覚情報を付加するＡＲ（Augmented Reality）表示が可能になる。

制御装置８０は、図示を省略する通信部から取得した画像信号や内部で生成した画像信号に基づいて光源装置１１と走査装置１２とを同期させつつ動作させて画像光ＩＬを形成し、光学装置３０によって射出瞳面Ｓ２に画像光ＩＬを入射させ、ここに眼ＥＹが存在すれば眼底に画像又は映像を形成する。表示のための画像情報やコンテンツは、制御装置８０が保持するものに限らず、表示装置１００に有線で或いは無線で接続可能な外部装置から入力されるものであってもよい。この際、制御装置８０は、瞳検出装置５０によって瞳ＰＵの配置方向等を監視しており、駆動装置７５の制御によって、表示装置１００を装着者ＵＳの眼ＥＹ又は瞳ＰＵに対して適切に配置することができる。さらに、制御装置８０は、表示装置１００の表示状態や眼ＥＹの状態といった所定の条件に応じて射出瞳が形成されるように、光学素子３１におけるシャッター部材４２の開口の位置や大きさを制御することができ、例えば表示する画像の内容や瞳ＰＵの位置や向きに応じてシャッター部材４２の開口を変更し、眼ＥＹの瞳ＰＵの配置や画像に適合させた射出瞳を設定することができる。

図６を参照して、表示装置１００による第１の表示状態について説明する。図６において、第１領域ＡＲ１は、図２に対応し表示装置１００における画像光ＩＬの状態を説明する概念的側面図であり、第２領域ＡＲ２は、光学装置３０の瞳拡大部材４１の開口状態を説明する概念的正面図であり、第３領域ＡＲ３は、瞳拡大部材４１の開口状態の変形例を説明する概念的正面図である。

第１の表示状態は、比較的高精細での表示を目的とする動作モードで実行されるものであり、例えば映像視聴の場合の表示がこれに相当する。映像視聴とは、表示領域全体で映像を視聴すること、具体的には文章、絵、動画などの映像を画面全体で表示する場合がこれに該当する。表示装置１００によって映像視聴用のコンテンツを表示している映像視聴時は、例えば映画のような細部の表現を重視した精細な画像に対する要求が高くなっている。よって、開口数の大きな状態での結像が望ましく、制御装置８０は、第１領域ＡＲ１及び第２領域ＡＲ２に示すように、瞳拡大部材４１の射出側に設けられたシャッター部材４２の透過開口パターンＡＰを比較的大きくしつつ、透過開口パターンＡＰを投射系３２によって投影した輪郭が装着者ＵＳの瞳ＰＵの輪郭と同芯となるようにする。ここで、透過開口パターンＡＰは、投射系３２の入射瞳ＰＮ又は開口絞りに対応し、透過開口パターンＡＰを投影した領域は、投射系３２の射出瞳ＰＸ又はアイリング位置に対応する。透過開口パターンＡＰは、射出瞳ＰＸが例えば直径３ｍｍ程度の円となるように設定されている。透過開口パターンＡＰ又は入射瞳ＰＮは、画質確保の観点で円形としているが、楕円形や６角形その他の多角形とすることもできる。なお、透過開口パターンＡＰの配置は、瞳拡大部材４１の中央からずらした位置とするここともできる。例えば、駆動装置７５による表示装置１００の瞳ＰＵに対する配置調整を補うように、過開口パターンＡＰをＸＹ方向に適宜シフトさせることもできる。

第３領域ＡＲ３に示すシャッター部材４２は、画素が低密度となっている。この場合、透過開口パターンＡＰ又は入射瞳ＰＮは、シャッター部材４２の画素の区画を反映した直線部分からなる輪郭を有するものとなる。

第１の表示状態のように映像視聴用のコンテンツを表示している場合、装着者ＵＳは、通常、対象の映像を注視し、視線が一定方向に固定される傾向が強いと考えられる。よって、制御装置８０は、映像視聴用のコンテンツの表示に際してシャッター部材４２の開口である透過開口パターンＡＰを一定位置に固定する。具体的には、シャッター部材４２の射出端ＥＳの中央と透過開口パターンＡＰの中央とが合うようにシャッター部材４２の開口位置を設定する。映像視聴時は、上記のように視線が一定方向に固定される傾向が強く、透過開口パターンＡＰを一定位置に固定することで、視線に応じて敏感に変動する動作を回避することができる。ただし、制御装置８０は、瞳検出装置５０の計測結果に基づいて瞳ＰＵの配置方向を検出することができるので、瞳ＰＵの配置方向に追従してシャッター部材４２上の透過開口パターンＡＰを移動させてもよい。

図７及び８を参照して、表示装置１００による第２の表示状態について説明する。図７において、第１領域ＢＲ１は、装着者ＵＳの眼ＥＹが正面視の状態にあるときを示し、第２領域ＢＲ２は、眼ＥＹの向きに対応させた瞳拡大部材４１の開口状態を説明する図である。図８において、第１領域ＣＲ１は、装着者ＵＳの眼ＥＹが右向きすなわち−Ｘ向きに傾いた状態にあるときを示し、第２領域ＣＲ２は、眼ＥＹの向きに対応させた瞳拡大部材４１の開口を説明する図である。

第２の表示状態は、虚像のフォーカス範囲を広くする表示、つまり焦点深度を深くする表示を目的とする動作モードで実行されるものであり、例えばＡＲ表示の場合の表示がこれに相当する。表示装置１００によってＡＲコンテンツを表示しているＡＲ表示の場合は、ＡＲ表示では、通常、表示領域のうち一部であって１箇所以上の領域で画像を表示する。ＡＲ表示の場合は、多様な距離にある背景中の対象物に重ねて表示を行う必要があり、フォーカスフリーの表示が望ましい。つまり、マックスウェル視に近い開口数の小さな状態での結像が望ましく、かつ、装着者ＵＳが視野の端を見た場合にも画像かけを防止するべく瞳ＰＵを外さないように画像光ＩＬを入射させる必要がある。一方で、ＡＲ表示の場合は、あまり高精細な画像の表示は要求されないことが多い。制御装置８０は、第１領域ＡＲ１及び第２領域ＡＲ２に示すように、瞳拡大部材４１の射出側に設けられたシャッター部材４２の透過開口パターンＡＰを比較的小さくしつつ、透過開口パターンＡＰを投影した輪郭が装着者ＵＳの瞳ＰＵ内の中心に近くなるようにする。ここで、透過開口パターンＡＰは、投射系３２の入射瞳ＰＮ又は開口絞りに対応し、透過開口パターンＡＰを投影した領域は、投射系３２の射出瞳ＰＸ又はアイリング位置に対応する。透過開口パターンＡＰのサイズは、マックスウェル視に近い状態を確保する観点で、射出瞳ＰＸのサイズを直径１ｍｍ程度にするものであることが望ましい。透過開口パターンＡＰ又は入射瞳ＰＮは、画質確保の観点で円形であるが、楕円形や多角形とすることもできる。

図９は、シャッター部材４２の透過開口パターンＡＰをさらに変化させた例であり、第１領域ＤＲ１は、装着者ＵＳの眼ＥＹが左向きすなわち＋Ｘ向きに傾いた状態となっている場合に合わせた瞳拡大部材４１の透過開口パターンＡＰを説明する図である。さらに、第２領域ＤＲ２は、上向きの眼ＥＹに対応させた透過開口パターンＡＰを示し、第３領域ＤＲ３は、右上向きの眼ＥＹに対応させた透過開口パターンＡＰを示す。以上では、透過開口パターンＡＰが空間的に離散的に移動した状態を説明しているが、透過開口パターンＡＰをＸ方向及びＹ方向に沿って略連続的に移動させることができる。

図６及び７の対比から明らかなように、制御装置８０は、表示しているコンテンツがＡＲコンテンツか、映像視聴用のコンテンツかの、コンテンツの種類に応じてシャッター部材４２の透過開口パターンＡＰすなわち開口の大きさを変更する。より具体的には、制御装置８０は、ＡＲコンテンツの表示の場合よりも映像視聴用のコンテンツの表示の場合に透過開口パターンＡＰを小さくし、射出瞳ＰＸのサイズを小さくする。制御装置８０は、走査装置１２による走査光Ｌ２の走査角の広がりに対応する表示領域のサイズが大きくなると射出瞳ＰＸを大きくし、かかる表示領域のサイズが小さくなると射出瞳ＰＸを小さくする。ＡＲコンテンツの表示時は、一般に虚像のフォーカス範囲を広くする要求が高く、映像視聴時は、一般に精細な画像に対する要求が相対的に高く、以上のようなシャッター部材４２の開口の切り替えにより、状況に応じた表示が可能になる。

以上の説明では、映像視聴の場合に図６に示す第１の表示状態とし、ＡＲ表示の場合に図７等に示す第２の表示状態としたが、これは単なる一例であり、例えば装着者ＵＳの眼ＥＹの注視の度合いを考慮して、シャッター部材４２の開口の大きさを切り替えることで表示状態を切り替えることができる。このよう動作では、制御装置８０は、装着者ＵＳが画像を注視している場合に、シャッター部材４２の開口である透過開口パターンＡＰの大きさを、装着者ＵＳが画像を注視していない場合よりも大きくする。制御装置８０は、瞳検出装置５０の計測結果に基づいて瞳ＰＵの配置方向を検出することができるので、瞳検出装置５０の検出結果に基づいて瞳ＰＵの位置（以下、瞳位置とも称する。）の動きの変化が大きいか否かを判定することができる。装着者ＵＳの瞳位置の動きの変化が大きい場合、一般的に画像を注視していないと言え、装着者ＵＳの瞳位置の動きの変化が小さい場合、一般的に画像を注視していると言える。このような基準に基づいて、制御装置８０は、瞳位置の動きの変化が小さい場合、装着者ＵＳが画像を注視していると判定し、例えば図６に示すようにシャッター部材４２の透過開口パターンＡＰすなわち開口の大きさを大きくし、瞳位置の動きの変化が大きい場合、装着者ＵＳが画像を注視していない判定し、例えば図７に示すようにシャッター部材４２の透過開口パターンＡＰすなわち開口の大きさを小さくする。これにより、画像を注視している場合は、画像の精細度を上げることができ、高画質を印象付けることができる。逆に、画像を注視していない場合は、画質の劣化に気づきにくいがフォーカスを合わせやすくなる。

以上のように装着者ＵＳが画像を注視していると判定し、所定の条件に応じて動作する場合として、シャッター部材４２の透過開口パターンＡＰのサイズを大きくした場合であっても、瞳ＰＵの配置方向に追従してシャッター部材４２上の透過開口パターンＡＰを移動させることができる。この際、シャッター部材４２上の透過開口パターンＡＰの移動速度を緩慢にするといった処理も可能である。逆に、装着者ＵＳが画像を注視していないと判定し、シャッター部材４２の透過開口パターンＡＰのサイズを小さくした場合、瞳ＰＵの配置方向に追従してシャッター部材４２上の透過開口パターンＡＰを移動させることが望ましい。この際、シャッター部材４２上の透過開口パターンＡＰの移動速度を迅速にするといった処理も可能である。

以上の説明では、第２の表示状態として、ＡＲ表示を行う場合や装着者ＵＳが画像を注視していない場合にシャッター部材４２の透過開口パターンＡＰを比較的小さくする場合を説明した。しかしながら、このような動作に限らず、例えば光学装置３０による虚像までの距離が遠方に設定されている場合において、瞳検出装置５０を利用した視線検出によって装着者ＵＳの眼ＥＹが比較的近距離を観察していることを検出した場合、虚像がボケないように透過開口パターンＡＰを小さくするといった動作も可能である。

上記実施形態の表示装置１００によれば、制御装置８０が所定の条件に応じて射出瞳ＰＸが形成されるようにシャッター部材４２の開口すなわち透過開口パターンＡＰの位置と大きさとを制御するので、瞳拡大部材４１を切り換えることなくシャッター部材４２の開口の調整によって、射出瞳ＰＸを適切な配置及びサイズとなるように形成することができ、装置の大型化を簡易に回避することができる。なお、例えば射出瞳を広くすると精細な画像表示が可能になり、射出瞳を狭くすると虚像のフォーカス範囲が広くなる。

上記実施形態の光学素子３１によれば、シャッター部材４２が制御信号に応じて入射瞳が形成されるように開口すなわち透過開口パターンＡＰの位置と大きさとを調整するので、瞳拡大部材４１を切り換えることなくシャッター部材４２の調整によって、開口を拡大しつつ開口の位置と大きさとを調整することができ、装置の大型化を簡易に回避しつつ自由な開口絞りすなわち入射瞳ＰＮの設定が可能になる。なお、開口絞りを大きくすることで精細な画像表示を形成することが可能になり、開口絞りを小さくしつつ適切に配置することで有効な光束を利用しつつ焦点深度を広くすることができる。

〔変形例及びその他の事項〕
以上で説明した表示装置１００の具体的構造は、単なる例示であり、同様の機能を達成できる範囲で、様々な変更が可能である。例えば、上記実施形態では、表示装置１００をＨＭＤ２００に組み込んでいるが、表示装置１００をヘッドアップディスプレイに組み込むことができる。

表示装置１００は、外界像を観察できるシースルー型のものに限らず、外界像を遮断するクローズドタイプのＨＭＤに適用することができる。

以上では、高精彩な表示が要求されない第２の表示状態の時に、シャッター部材４２において、透過開口パターンＡＰを画像の横方向及び縦方向に変化させているが、透過開口パターンＡＰを画像の横方向つまり±Ｘ方向のみに移動させるものとすることができる。この場合、具体的には、図７の第２領域ＢＲ２、図８の第２領域ＣＲ２、及び図９の第１領域ＤＲ１に示すように透過開口パターンＡＰの配置が変化する。

上記実施形態では、瞳拡大部材４１によって画像の横方向及び縦方向に関して拡大された画像光ＩＬを形成しているが、画像の横方向又は縦方向の一方のみに拡大された画像光ＩＬを形成すこともできる。この場合、シャッター部材４２は、画像の横方向又は縦方向の一方のみに透過開口パターンＡＰを移動させるようなものとなる。

瞳検出装置５０は、カメラを用いたものに限らず、使用者の眼ＥＹから離れた周りに電極を配置して眼電位を計測し、その結果に基いて使用者の眼ＥＹにおける瞳ＰＵの位置や動きを検出してもよい。

上記実施形態では、瞳検出装置５０の検出結果を用いてシャッター部材４２の開口すなわち透過開口パターンＡＰの位置と大きさとを制御するが、装着者ＵＳが操作するキーやタッチパネルからの指令信号に応じてシャッター部材４２の透過開口パターンＡＰの位置や大きさを制御することもできる。この場合、操作するキーやタッチパネルからの指令信号も射出瞳を形成する所定の条件の１つである。

具体的な態様における表示装置は、画像光の光束を拡大する瞳拡大部材と、瞳拡大部材から射出された画像光の光束が入射するシャッター部材と、シャッター部材の動作を制御する制御装置とを備え、制御装置は、所定の条件に応じて射出瞳が形成されるようにシャッター部材の開口の位置と大きさとを制御する。

上記表示装置では、制御装置が所定の条件に応じて射出瞳が形成されるようにシャッター部材の開口の位置と大きさとを制御するので、瞳拡大部材を切り換えることなくシャッター部材の開口の調整によって、射出瞳を適切な配置及びサイズとなるように形成することができ、装置の大型化を簡易に回避することができる。なお、例えば射出瞳を広くすると精細な画像表示が可能になり、射出瞳を広くすると虚像のフォーカス範囲が広くなる。

具体的な側面において、使用者の眼の瞳位置を検出する瞳検出装置を備え、制御装置は、瞳検出装置により検出された瞳位置に応じてシャッター部材の開口の位置を制御する。

別の側面において、制御装置は、瞳検出装置の検出結果に基づいて瞳位置の動きの変化が大きいか否かで画像を注視しているのか否かを検出し、画像を注視している場合に、シャッター部材の開口の大きさを、画像を注視していない場合よりも大きくする。これにより、画像を注視している場合に画像の精細度を上げることができ、高画質を印象付けることができる。

別の側面において、制御装置は、表示しているコンテンツがＡＲコンテンツか、映像視聴用のコンテンツかの、コンテンツの種類に応じてシャッター部材の開口の大きさを変更する。

別の側面において、制御装置は、映像視聴用のコンテンツを表示の場合のシャッター部材の開口の大きさよりも、ＡＲコンテンツを表示の場合のシャッター部材の開口の大きさを小さくする。ＡＲコンテンツの表示時は、一般に虚像のフォーカス範囲を広くする要求が高く、映像視聴時は、一般に精細な画像に対する要求が相対的に高く、状況に応じた表示が可能になる。

別の側面において、制御装置は、映像視聴用のコンテンツの表示に際してシャッター部材の開口の位置を一定位置に固定する。映像視聴時は、視線が一定方向に固定される傾向が強く、視線に応じて敏感に変動する動作を回避することができる。

別の側面において、瞳拡大部材は、複数の光透過層の間にハーフミラー層が形成された部材である。この場合、光透過層及びハーフミラー層の間隔や数を増やせば光束の幅を増やすことができる。

別の側面において、瞳拡大部材は、格子周期を一致させた２対の回折格子が形成された部材である。この場合、瞳拡大部材を小型化することが容易になる。

さらに別の側面において、シャッター部材は、透過開口パターンを形成する液晶光学素子である。この場合、液晶光学素子によって高い自在性で透過開口パターンを形成することができる。

さらに別の側面において、瞳拡大部材は、横方向に関して画像光の光束を拡大し、シャッター部材は、横方向に関して画像光の光束の透過領域を変更する。瞳孔の動きは、比較的横方向が大きく、瞳孔の動きを反映して射出瞳を配置することができる。

さらに別の側面において、像生成装置と、像生成装置からの画像光を瞳位置に導く光学装置と、像生成装置と光学装置とを一体的に変位させる配置調整装置とを備え、光学装置は、瞳拡大部材及びシャッター部材を含み、配置調整装置は、瞳検出装置により検出された瞳位置に応じて、像生成装置と光学装置とを一体的に変位させる。装着者の眼に適合させて像生成装置及び光学装置を配置することで、画像や像光の欠落を防止することができる。

さらに別の側面において、瞳拡大部材の光射出面は、光学装置の入射瞳と略同じ位置に配置される。この場合、瞳拡大部材の光射出面が装着者眼の瞳孔に投影され、シャッター部材によって射出瞳が調整される。

具体的な態様における光学素子は、画像光の光束を拡大する瞳拡大部材と、瞳拡大部材の射出側に配置され、制御信号に応じて入射瞳が形成されるように開口の位置と大きさとを調整するシャッター部材とを備える。

上記光学素子では、シャッター部材が制御信号に応じて入射瞳が形成されるように開口の位置と大きさとを調整するので、瞳拡大部材を切り換えることなくシャッター部材の調整によって、開口を拡大しつつ開口の位置と大きさとを調整することができ、装置の大型化を簡易に回避しつつ自由な開口絞りの設定が可能になる。なお、開口絞りを大きくすることで精細な画像表示を形成することが可能になり、開口絞りを小さくしつつ適切に配置することで有効な光束を利用しつつ焦点深度を広くすることができる。

１０…像生成装置、１１…光源装置、１２…走査装置、３０…光学装置、３１…光学素子、３２…投射系、３２ｃ…偏向部材、４１…瞳拡大部材、４２…シャッター部材、４３ａ…光透過層、４３ｂ…ハーフミラー層、４３ｃ…ミラー層、４５ａ，４５ｂ，４５ｃ…回折部材、４６，１４６…回折格子、５０…瞳検出装置、６０…外界観察用カメラ、７５…駆動装置、７９…配置調整装置、８０…制御装置、１００…表示装置、１００Ａ，１００Ｂ…表示装置、ＡＰ…透過開口パターン、ＥＹ…眼、ＧＬ…画像光、ＨＭ…ハーフミラー、２００…ヘッドマウントディスプレイ、ＩＬ…画像光、Ｌ１…光源光、Ｌ２…走査光、ＰＮ…入射瞳、ＰＵ…瞳、ＰＸ…射出瞳、Ｓ１…入射瞳面、Ｓ２…射出瞳面、ＵＳ…装着者

Claims (13)

1. 画像光の光束を拡大する瞳拡大部材と、
   前記瞳拡大部材から射出された前記画像光の光束が入射するシャッター部材と、
   前記シャッター部材の動作を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、所定の条件に応じて射出瞳が形成されるように前記シャッター部材の開口の位置と大きさとを制御する、表示装置。
2. 使用者の眼の瞳位置を検出する瞳検出装置を備え、
   前記制御装置は、前記瞳検出装置により検出された瞳位置に応じて前記シャッター部材の開口の位置を制御する、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記制御装置は、前記瞳検出装置の検出結果に基づいて瞳位置の動きの変化が大きいか否かで画像を注視しているのか否かを検出し、画像を注視している場合に、前記シャッター部材の開口の大きさを、画像を注視していない場合よりも大きくする、請求項１に記載の表示装置。
4. 前記制御装置は、表示しているコンテンツがＡＲコンテンツか、映像視聴用のコンテンツかの、コンテンツの種類に応じて前記シャッター部材の開口の大きさを変更する、請求項１及び２のいずれか一項に記載の表示装置。
5. 前記制御装置は、前記映像視聴用のコンテンツを表示の場合の前記シャッター部材の開口の大きさよりも、前記ＡＲコンテンツを表示の場合の前記シャッター部材の開口の大きさを小さくする、請求項４に記載の表示装置。
6. 前記制御装置は、前記映像視聴用のコンテンツの表示に際して前記シャッター部材の開口の位置を一定位置に固定する、請求項４及び５のいずれか一項に記載の表示装置。
7. 前記瞳拡大部材は、複数の光透過層の間にハーフミラー層が形成された部材である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の表示装置。
8. 前記瞳拡大部材は、格子周期を一致させた２対の回折格子が形成された部材である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の表示装置。
9. 前記シャッター部材は、透過開口パターンを形成する液晶光学素子である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の表示装置。
10. 前記瞳拡大部材は、横方向に関して画像光の光束を拡大し、前記シャッター部材は、横方向に関して前記画像光の光束の透過領域を変更する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の表示装置。
11. 像生成装置と、前記像生成装置からの画像光を瞳位置に導く光学装置と、前記像生成装置と前記光学装置とを一体的に変位させる配置調整装置とを備え、
    前記光学装置は、前記瞳拡大部材及び前記シャッター部材を含み、
    前記配置調整装置は、前記瞳検出装置により検出された瞳位置に応じて、前記像生成装置と前記光学装置とを一体的に変位させる、請求項２及び３のいずれか一項に記載の表示装置。
12. 前記瞳拡大部材の光射出面は、前記光学装置の入射瞳と略同じ位置に配置される、請求項１１に記載の表示装置。
13. 画像光の光束を拡大する瞳拡大部材と、
    前記瞳拡大部材の射出側に配置され、制御信号に応じて入射瞳が形成されるように開口の位置と大きさとを調整するシャッター部材とを備える、
    光学素子。

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