JP2021184050A - 映像表示装置、ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】迷光を抑制して高品質な映像を出力できる映像表示装置を提供する。【解決手段】本発明に係る映像表示装置は、導光部の周りを覆う保護カバー部を備え、前記保護カバー部は凹レンズと凸レンズを備え、前記凹レンズと前記導光部は４ｍｍ以下の間隔で配置され、前記凸レンズと前記導光部は５ｍｍ以下の間隔で配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、ユーザに対して映像を投射する映像表示装置に関する。

ヘッドマウントディスプレイのなかには、シースルー型のものがある。シースルー型のヘッドマウントディスプレイは、ユーザが装着したとき、外界映像を透過してユーザへ提示するとともに、ヘッドマウントディスプレイ自身も映像をユーザに対して投射するように構成されている。

特許文献１は、シースルー・ディスプレイのための好ましい視覚的適応装置を記載している。特許文献１には、「見る人の共通焦点面で第１のイメージと第２のイメージとをオーバーレイする方法は、第１のイメージを形成し、ビューワーの瞳孔に対する軸に沿って第１のイメージと第２のイメージとを案内する。更に、方法は、第１のイメージおよび第２のイメージを適応型発散光学系において調節可能に発散させて、共通焦点面で第１のイメージの焦点が合うようにし、第２のイメージを適応型収束光学系において調節可能に収束させて、共通焦点面で第２のイメージの焦点が合うようにする。」と記載されている（要約参照）。

特許文献２には、「Fixed position optical devices for displaying augmented reality images are provided herein. In one embodiment an optical device includes a AIIE having a waveguide that reflects a computer generated image along a central viewing axis, the computer generated image being received from an image generator optically coupled to the waveguide, and a fixed lens assembly for coupling a background image with the computer generated image to create the augmented reality display, the fixed lens assembly including a proximal lens disposed on one side of the waveguide, the proximal lens being fixedly spaced apart from the waveguide at a first distance, and a distal lens disposed on an opposing side of the AIIE from the one side, the distal lens being fixedly spaced apart from the waveguide at a second distance.」と記載されている（Ａｂｓｔｒａｃｔ参照）。

特表２０１４−５０５８９９ ＵＳ２０１７／００４５７４２

特許文献１は、映像を出力する導光部の手前のユーザ側に凹レンズ、外側に凸レンズを備え、両レンズのパワーを電子的に調節可能なヘッドマウントディスプレイを記載している。しかし特許文献１は、導光部と凹レンズとの間の配置間隔および導光部と凸レンズとの間の配置間隔に関して記述していない。これらの配置間隔が適切に構成されていない場合、例えば凹レンズと凸レンズが導光部からある程度離れると、迷光が発生し映像品質が低下する可能性がある。

特許文献２は、映像を出力する導光部の手前のユーザ側に凹レンズ、外側に凸レンズを備え、導光部と凹レンズとの間、および導光部と凸レンズとの間に間隔を空けて配置するヘッドマウントディスプレイを記載している。しかし特許文献２は、各レンズと導光部との間の配置間隔について具体的な数値を指定しておらず、特許文献１と同様に迷光に関する記述はない。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、迷光を抑制して高品質な映像を出力できる映像表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る映像表示装置は、導光部の周りを覆う保護カバー部を備え、前記保護カバー部は凹レンズと凸レンズを備え、前記凹レンズと前記導光部は４ｍｍ以下の間隔で配置され、前記凸レンズと前記導光部は５ｍｍ以下の間隔で配置されている。

本発明に係る映像表示装置によれば、迷光を抑制して高品質な映像を出力できる映像表示装置を提供することができる。上記した以外の課題、構成、および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施形態１に係る映像表示装置１を搭載したヘッドマウントディスプレイ５の使用形態を示す図である。 映像表示装置１の機能ブロック図である。 保護カバー部９と導光部８の構成例を示す図である。 導光部８から出力された映像１０１が角度θａで凹レンズ１３に入射し、ユーザの眼４に向かうまでの２つの光路を示す。 外界の景色１０５が凸レンズ１２に入射し、ユーザの眼４に向かうまでの２つの光路を示す。 図３において凹レンズ１３のユーザ側の面と凸レンズ１２の外界側の面が平面となった変形例を示す。 図３において凹レンズ１３の導光部８側の面と凸レンズ１２の導光部８側の面が平面となった変形例を示す。 保護カバー部９が映像表示装置１の筐体に対して着脱可能となる着脱機構１５を備えた構成例を示す。 導光部８と保護カバー部９を支持部１７によって接着し一体とした構成例を示す。 実施形態２に係る映像表示装置１の構成例を示す図である。 図１と同様に映像表示装置１を搭載したヘッドマウントディスプレイ５の使用形態の例を示す図である。 映像表示装置１を搭載したヘッドマウントディスプレイ５の機能構成を示すブロック図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る映像表示装置１を搭載したヘッドマウントディスプレイ５の使用形態を示す図である。ヘッドマウントディスプレイ５は、ユーザ３の頭部に装着される。ユーザ３は、外界が視認可能な状態で、映像表示装置１からの映像を虚像２として視認できる。図１では片眼に映像を表示する場合を図示したが、両眼に表示してもよい。

図２は、映像表示装置１の機能ブロック図である。映像表示装置１は、映像生成部６、投射光学部７、導光部８、保護カバー部９を有する。

映像生成部６は、光源と照明光学部と映像を生成する映像生成装置で構成されている。光源としてはＲＧＢのＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）またはＲＧＢのＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などが挙げられる。光源として白色のＬＥＤを用いてもよい。この場合は映像生成素子にカラーフィルタを具備する必要がある。

照明光学部は、光源の光を均一に映像生成素子に照明する。映像生成装置としては、液晶またはデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）などを用いればよい。映像生成装置として有機ＥＬやμＬＥＤなどの自発光映像生成素子を用いてもよい。この場合、光源および照明光学部が不要となり、映像生成部の小型軽量化が可能となる。

投射光学部７は、１枚または複数のレンズからなる投射レンズを備えており、映像生成装置が生成した映像を投射する。

導光部８は、光（映像）が導光部８の内部を全反射することによって導光するように構成されている。導光部８は、例えば回折格子、体積ホログラムなどによって構成することができる。複数の部分反射面によって光をユーザの眼４に向かって出力することにより、シースルー性を備えたヘッドマウントディスプレイ５を構成することができる。

保護カバー部９は、導光部８の周りを覆い、導光部８を傷や衝撃から守る。保護カバー部９は、導光部８を挟んでユーザ側と外界側にそれぞれ凹レンズと凸レンズを備えることにより、導光部８から出力された映像の視認性やシースルーで見える外界の景色の視認性を補正する。

図３は、保護カバー部９と導光部８の構成例を示す図である。保護カバー部９は、凹レンズ１３と凸レンズ１２を備える。凹レンズ１３は導光部８とユーザの眼４との間に位置し、凸レンズ１２は導光部８より外界側に位置する。凹レンズ１３と導光部８との間は第１間隔ｄ_ａが空いており、凸レンズ１２と導光部８との間は第２間隔ｄ_ｂが空いている。

凹レンズ１３は両面に曲面を持ち、ユーザ側に曲率半径ｒ_１、導光部側に曲率半径ｒ_２の面を備える。凸レンズ１２は両面に曲面を持ち、導光部側に曲率半径ｒ_３、外界側に曲率半径ｒ_４の面を備える。両曲面レンズは補正面が２つあるので、片面が平面である平凹レンズや平凸レンズに比べて解像度の補正能力が高い。凹レンズ１３と凸レンズ１２は、メニスカス形状としてもよい。凹レンズ１３と凸レンズ１２のうち一部を非球面形状としてもよい。この場合、曲率半径に高次項を加えた非球面形状を採用することにより、視野周辺の視認性が向上する。

映像表示装置１から出力される映像は、導光部８からユーザの眼４に向かって出力され、凹レンズ１３を通過してユーザの眼４に入る。ユーザは虚像として映像を視認できる。凹レンズ１３が無い場合、ユーザは映像を無限遠位置に投影されたものとして視認する。導光部８の内部では、映像を視認可能な視点範囲を拡大するために映像光を複製する。この際に、有限位置に投影する映像光を導光部８へ入力すると、複製時に投影映像も複数に分離されることとなる。映像光を無限遠に投影することにより、分裂することなく映像を投影できる。したがって、導光部８自身は無限遠にのみ映像表示できる。

上記構成に起因して、ユーザが実際に映像表示装置１を装着する際、視線を無限遠の出力映像と有限距離にある外界との間で行き来させる必要がある。無限遠に投影された映像は視認性が悪く、ユーザの眼４のピント移動量は大きくなり、眼４の疲労感を増加させてしまうという課題がある。

また、導光部８は薄くて壊れやすく、接触すると導光部８内の全反射条件が破れて出力映像の一部が欠けるなどして映像品質が低下するので、触れることができない。映像表示装置１を使用する際は導光部８を覆う保護カバー部９をつけることが望ましい。

本実施形態１においては、これらの課題を解決するために、凹レンズ１３と凸レンズ１２を備えた保護カバー部９を利用する。導光部８とユーザの眼４との間に凹レンズ１３を配置することにより、映像は凹レンズ１３によって投影位置を補正され、投影位置を無限遠からユーザ側へ近づけることができる。映像投影位置は凹レンズ１３の焦点距離となり、凹レンズ１３の焦点距離が短いほど補正後の映像投影位置はユーザ側に近づく。

しかし、凹レンズ１３によって外界の景色も近づくこととなり、外界の遠近感が変わってしまう。そこで、導光部８より外側に凸レンズ１２を配置する。外界の景色は、凸レンズ１２、導光部８、凹レンズ１３の順で通過してユーザの眼４に入る。この時、外界の景色は凸レンズ１２と凹レンズ１３を合わせたレンズのパワー（屈折力）によって視認性を補正される。凹レンズ１３の焦点距離が凸レンズ１２の焦点距離とほぼ等しい場合、凹レンズ１３と凸レンズ１２を合わせたレンズのパワーはほぼ０となり、外界の景色は視度補正がかからず視認することができる。これより、外界の視認距離を変えることなく、ヘッドマウントディスプレイ５からの映像のみ投影位置をユーザ側に近づくよう補正できる。ヘッドマウントディスプレイ使用時にユーザは視線を出力映像と有限距離にある外界との間で行き来させるが、映像投影位置のみがユーザ側に補正されることにより、ユーザのピント移動量が減少し、目の疲労を軽減でき、かつ視認性を向上できる。

また、凹レンズ１３と凸レンズ１２と保護カバー部９を一体化することにより、導光部８を覆い保護する機能と映像視認性を補正する機能を合わせて持つことができる。

保護カバー部９と導光部８が接触すると、導光部８内を全反射することによって伝搬している映像光の全反射条件が破れることにより、光が保護カバーへ漏れ出し、出力映像の一部が欠けるなどして映像品質が低下する。したがって出力映像の品質を保つためには、保護カバー部９と導光部８が接触しないように、間隔を空ける必要がある。しかし、間隔を空けすぎると迷光が発生してしまい、映像品質が低下することとなる。ここからは保護カバー部９と導光部８による迷光の発生要因について説明する。

図４は、導光部８から出力された映像１０１が角度θａで凹レンズ１３に入射し、ユーザの眼４に向かうまでの２つの光路を示す。１つの光路は、映像１０１が凹レンズ１３に入射し、凹レンズで反射せず直進する場合（１０４）を示す。もう１つの光路は、映像１０１が凹レンズ１３に当たって反射し（１０２）、導光部に当たってさらに反射する場合（１０３）を示す。凹レンズ１３の表面は曲率があるので、１０２の反射角にずれが生じ、１０３と１０４との間で角度差Δθａが生じる。導光部８と凹レンズ１３との間の間隔ｄ_ａが大きい時、１０１の反射位置が凹レンズ１３中心から遠ざかり、１０２の反射角が大きくずれることとなる。この結果、角度差Δθａが大きくなり、ユーザには映像がずれて２重に見え、視認性が悪化する。視認性の悪化を抑えるには、導光部８と凹レンズ１３との間の間隔ｄ_ａを指定する必要がある。

凹レンズ１３の導光部８側の曲率半径をｒ_２とする。このとき角度ずれΔθａは次式で表される。

Δθａ＝４ｓｉｎ^―１（ｄ_ａｔａｎθａ÷ｒ_２） 式（１）

視力１．０のユーザに２重像を識別させないための条件は、角度ずれΔθａを１分角以下に抑えることである。Δθａ≦１分角の条件下で、式（１）を第１間隔ｄ_ａに関して変形すると次式のようになる。

ｄ_ａ≦ｒ_２ｓｉｎ（１÷２４０°）÷ｔａｎθａ 式（２）

第１間隔ｄ_ａが最大となる場合を考える。屈折率１．５の材質を使用した曲率半径の等しい両凹レンズにおいて、焦点距離を後述する最大の１０ｍと仮定したとき、凹レンズ１３の曲率半径ｒ_２は１０ｍと算出される。また、映像視野の小さい２０度のヘッドマウントディスプレイを仮定したとき、出力映像の入射角θａは１０度となる。この場合のｄ_ａの条件は次式で表される。

ｄ_ａ≦４ｍｍ 式（３）

式（３）より、２重像の発生を抑え、映像の視認性向上を図るためには、導光部８と凹レンズ１３との間の間隔ｄ_ａを５ｍｍ以下とすることが望ましい。

図５は、外界の景色１０５が凸レンズ１２に入射し、ユーザの眼４に向かうまでの２つの光路を示す。１つの光路は、外界の景色１０５が凸レンズ１２に入射し、導光部８で反射せず直進した場合（１０８）を示す。もう１つの光路は、外界の景色１０５が導光部８に当たって反射し（１０６）、凸レンズに当たってさらに反射する場合（１０７）を示す。凸レンズ１２の表面は曲率があるので、１０７の反射角にずれが生じ、１０７と１０８との間で角度差Δθｂが生じる。導光部８と凸レンズ１２の間隔ｄ_ｂが大きいとき、１０６の反射位置が凸レンズ中心から遠ざかり、１０７の反射角が大きくずれることとなる。この結果、角度差Δθｂが大きくなり、ユーザには映像がずれて２重に見え、視認性が悪化する。視認性の悪化を抑えるには、導光部８と凸レンズ１２との間の間隔ｄ_ｂを指定する必要がある。

凸レンズ１２の導光部８側の曲率半径をｒ_３とする。このとき角度ずれΔθｂは次式で表される。

Δθｂ＝２ｓｉｎ^−１（ｄ_ｂｔａｎθｂ÷ｒ_３） 式（４）

視力１．０のユーザに２重像を識別させないための条件は、角度ずれΔθｂを１分角以下に抑えることである。Δθｂ≦１分角の条件下で、式（４）を第２間隔ｄ_ｂに関して変形すると次式のようになる。

ｄ_ｂ≦ｒ_３ｓｉｎ（１÷１２０°）÷ｔａｎθｂ 式（５）

第２間隔ｄ_ｂが最大となる場合を考える。屈折率１．５の材質を使用した曲率半径の等しい両凸レンズにおいて、焦点距離を後述する最大の１０ｍと仮定したとき、凸レンズ１２の曲率半径ｒ_３は１０ｍと算出される。人間の目の有効視野は３０度であるので、外界の景色の入射角θｂは１５度となる。この場合のｄ_ｂの条件は次式で表される。

ｄ_ｂ≦５ｍｍ 式（６）

式（６）より、２重像の発生を抑え、外界の景色の視認性向上を図るためには、導光部８と凸レンズ１２との間の間隔ｄ_ｂを５ｍｍ以下とすることが望ましい。

以上の検討によれば、凹レンズ１３と凸レンズ１２を備えた保護カバー部９を備えた映像表示装置１において、凹レンズ１３と導光部８との間の間隔ｄａを４ｍｍ以下で配置し、凸レンズ１２と導光部８との間の間隔ｄｂを５ｍｍ以下で配置することにより、迷光の視認を抑制し、高品質な映像表示を実現できる。

ここまでは凹レンズ１３の視度補正効果を凸レンズ１２によってキャンセルする構成について説明してきた。さらに以下のように、凹レンズ１３と凸レンズ１２の視度を変えることにより、近視や遠視用のメガネの機能を保護カバー部９に一体化できる。以下ではその構成例について説明する。

凹レンズ１３の焦点距離が凸レンズ１２の焦点距離より小さい場合、凹レンズ１３と凸レンズ１２を合わせたレンズのパワーはマイナスとなり、保護カバー部９は外界の景色に対して近視補正効果をもつ。ユーザが近視の場合はこの構成が有用となり、近視用メガネを使用せずに外界の景色の視度補正が可能となる。したがって、映像は凹レンズ１３によって投影位置をユーザ側に近づくように補正されて視認性が上がり、同時に、外界の景色は凹レンズ１３と凸レンズ１２を合わせたマイナスの視度補正効果を得る。

凹レンズ１３の焦点距離が凸レンズ１２の焦点距離より大きい場合、凹レンズ１３と凸レンズ１２を合わせたレンズのパワーはプラスとなり、保護カバー部９は外界の景色に対して遠視補正効果をもつ。ユーザが遠視の場合はこの構成が有用となり、遠視用メガネを使用せずに外界の景色の視度補正が可能となる。したがって、映像は凹レンズによって投影位置をユーザ側に近づくように補正されて視認性が上がり、同時に、外界の景色は凹レンズ１３と凸レンズ１２を合わせたプラスの視度補正効果を得る。

ヘッドマウントディスプレイが出力する映像の投影位置は０．０７ｍ以上１０ｍ以下とすることが望ましい。したがって凹レンズ１３の焦点距離は０．０７ｍ以上１０ｍ以下とすることが望ましい。０．０７ｍとは、人間が目のピント調整によってはっきりと対象物を見ることのできる最も近い距離であり、凹レンズ１３の焦点距離を０．０７ｍより小さくした場合、出力映像にピントを合わせることができなくなる。凹レンズ１３の焦点距離を１０ｍより大きくした場合、レンズのパワーが小さくなり補正効果がほぼ０となる。凹レンズ１３の焦点距離を０．０７ｍ以上１０ｍ以下とすることにより、映像を適切な位置に投影することができる。

凸レンズ１２の焦点距離は凹レンズ１３と同様に０．０７ｍ以上１０ｍ以下とすることが望ましい。これにより、凹レンズ１３のレンズのパワーを凸レンズ１２によって打ち消すことが可能となる。

図６は、図３において凹レンズ１３のユーザ側の面と凸レンズ１２の外界側の面が平面となった変形例を示す。レンズ曲面が保護カバー部９の内側にあり、保護カバー部９の外側が平面となっている。したがって、外部環境の屈折率が変わった場合であっても、接触面が平面であるので、レンズのパワーは変わらない。例えば、映像表示装置１を搭載したヘッドマウントディスプレイ５を水泳時に装着して使用する際、水中でも視度補正効果を発揮できる。また、保護カバー部９の外側が平面であるので、表面に付着した汚れを落としやすくメンテナンス性が良い。

図７は、図３において凹レンズ１３の導光部８側の面と凸レンズ１２の導光部８側の面が平面となった変形例を示す。導光部８に向き合う凹レンズ面と凸レンズ面が平面であるので、保護カバー部９を導光部８と平行に取り付けることにより、余分な隙間を空けずにレンズと導光部８との間の距離を近付けることができ、凹レンズ１３と導光部８と凸レンズ１２を合わせた全体の厚みを薄くすることができる。また、保護カバー部９の内側が平面であるので、例えば金型を使って保護カバー部９を製造する際、保護カバー部９の内部構造を成型するための金型構成を簡素化でき製造性や製造コストに優れる。

図６と図７において、レンズの片側を平面とすることに代えて、曲率半径が他面側よりも大きい球面としてもよい。この場合であっても、図６と図７の構成と同様の効果をある程度発揮することができる。ただし曲率半径をできる限り大きくすることにより、平面に近づけることが望ましい。

図６と図７のように、レンズの片面が平面（または平面に近い大きな曲率半径を有する曲面）である場合であっても、レンズの両面が曲面である場合と同等の映像補正効果を発揮するためには、レンズと導光部８との間の間隔を、両曲面レンズの場合よりもさらに近づける必要がある。したがって図６と図７の場合においても、式３と式６の関係は有用であることを付言しておく。

図８は、保護カバー部９が映像表示装置１の筐体に対して着脱可能となる着脱機構１５を備えた構成例を示す。着脱機構１５の例として図８に示すフック形状が考えられる。フック形状とは、先端に出っ張りがある、または先端が曲がっている形状を指し、映像表示装置１の筐体にフックが引っかかることによって着脱が可能となる。この時、保護カバー部９は導光部８と接触せず、映像表示装置１の筐体で支えられる。着脱機構１５は、保護カバー部９と映像表示装置１の筐体をねじ止めする構成としてもよい。ねじ止めによる着脱機構はフック形状による着脱より強固な固定が可能となる。保護カバー部９が着脱可能であるので、レンズ交換することができ、ユーザ３の視力に合わせてレンズのパワーを調整することにより適切な視度補正効果を得ることができる。

保護カバー部９を映像表示装置１の筐体に差し込んだ際に保護カバー部９と筐体が接触する部分に、シーリング部１６が配置されている。シーリング部１６の例として、Ｏリングを用いることができる。保護カバー部９と映像表示装置１の筐体の間がシーリングされることにより、保護カバー部９の内側が密閉され、防水機能を持つことができる。加えて、保護カバー部９の内部内側に窒素等の乾燥ガスを充填することにより、導光部８や保護カバー部９の曇り止め効果を得ることができる。

図８では着脱機構１５とシーリング部１６の双方を備えている場合を図示したが、シーリング部１６を備えずに着脱機構１５を備える構成、もしくは着脱機構１５を備えずにシーリング部１６を備える構成としてもよい。

図９は、導光部８と保護カバー部９を支持部１７によって接着し一体とした構成例を示す。図９上側にユーザ３側から見た図を、図９下側にユーザ３の上側から見た図を示す。映像光は、導光部８の入力部から出力部へ向かって導光方向１９に沿って導光部８内の光伝搬範囲１８を全反射しながら伝搬する。光伝搬範囲１８は導光部８の方式によって形状が異なり、図９に示すように導光部８の入力部側が太く、出力部へ向かうほど細くなっていく場合もあれば、逆に導光部の入力部側が細く、出力部へ向かうほど太くなっていく場合もある。

支持部１７が導光部内の光伝搬範囲１８と重なると、導光部８内の全反射条件が破れ、光が支持部１７へ漏れ出してしまい、出力映像の一部が欠けるなどして映像品質が低下する。そこで光伝搬範囲１８から外側の領域で支持部１７を導光部８と接着すればよい。１例として、導光方向１９の根元部かつ導光部の周辺部２点と、導光方向１９の先端部かつ導光部の周辺部２点の計４点に、支持部１７を配置する。これにより出力映像の品質を保つことができる。

＜実施の形態２＞
図１０は、本発明の実施形態２に係る映像表示装置１の構成例を示す図である。図１０において、図１から図９と同じ符号は同じ部品を示すので、再度の説明は省略する。実施形態１においては凹レンズ１３と凸レンズ１２は単焦点レンズとしたが、実施形態２においては、凹レンズ１３と凸レンズ１２が多焦点レンズとして構成されている。多焦点レンズは、レンズが少なくとも２つ以上の複数のレンズ領域に分けられ、各レンズ領域はそれぞれ異なる焦点距離を有する。以下、凹レンズ１３と凸レンズ１２はそれぞれ２つのレンズ領域を備える２重焦点レンズの例を説明するが、３つ以上の焦点を持つ多焦点レンズや、曲率が連続的（または段階的）に変わりシームレスに焦点距離が変化するレンズであってもよい。多焦点レンズ以外の構成は実施形態１と同様である。

図１０において、凹レンズ１３は凹レンズ上方領域２２と凹レンズ下方領域２３の２つの領域に分かれており、凸レンズ１２は凸レンズ上方領域２５と凸レンズ下方領域２６の２つの領域に分かれている。図１０上側にユーザ３側の右側から見た図を、図１０下側にユーザ３の上側から見た図を示す。凹レンズ上方領域２２と凹レンズ下方領域２３はそれぞれ異なる焦点距離を有し、凸レンズ上方領域２５と凸レンズ下方領域２６もそれぞれ異なる焦点距離を有する。凹レンズ上方領域２２と凹レンズ下方領域２３との間のつなぎ目２４は、曲率が連続的（または段階的）に変わり、２つの領域がシームレスでつながれていることが望ましい。凸レンズ上方領域２５と凸レンズ下方領域２６との間のつなぎ目２７においても同様である。

曲率が段階的に変わるとは、レンズ領域間のつなぎ目において、曲率が一方から他方へステップ状に（離散的に）変化することを意味し、連続的に変わるとは、つなぎ目における曲率の変化が離散的ではなく連続していることを意味することを付言しておく。

凹レンズ上方領域２２の焦点距離が凸レンズ上方領域２５の焦点距離より小さい場合、凹レンズ１３と凸レンズ１２を合わせたレンズのパワーはマイナスとなり、保護カバー部９の上方領域は外界の景色に対して近視補正効果をもつ。凹レンズ下方領域２３の焦点距離が凸レンズ下方領域２６の焦点距離より大きい場合、凹レンズ１３と凸レンズ１２を合わせたレンズのパワーはプラスとなり、保護カバー部９の下方領域は外界の景色に対して遠視補正効果をもつ。例えばユーザが近視かつ老眼の場合、この構成により、遠近両用メガネを使用せずに保護カバー部９の上方と下方のそれぞれで外界の視認性を補正し、かつ映像投影位置を手前に変更できる。

凹レンズ下方領域２３の焦点距離が凹レンズ上方領域２２の焦点距離より小さい場合、下方領域における映像投影位置は上方領域に比べて手前にくる。人間は視界の上方領域で遠距離にある物体を視認し、視界の下方領域で手元にある物体を視認する。この構成により、遠距離の物体を見る視界の上方領域では、映像投影位置を物体のある有限距離まで近付け、手元の物体を見る視界の下方領域では、映像投影位置をより近距離の手元まで近付けることができる。視界の上方領域と下方領域のそれぞれで映像投影位置を物体位置に近づけることにより、ユーザのピント移動量が減少し、目の疲労を軽減できる。

以上の構成をまとめると、以下のように説明することができる。凹レンズ１３は少なくとも２つ以上の領域に分割され、凹レンズ１３の分割領域はそれぞれ異なる焦点距離を有し、凸レンズ１２は少なくとも２つ以上の領域に分割され、凸レンズ１２の分割領域はそれぞれ異なる焦点距離を有する。これにより、視界の上方下方のそれぞれで映像投影位置を物体位置に近づけることができる。したがってユーザのピント移動量が減少し、目の疲労を軽減できる。

あるいは以下のように説明することもできる。凹レンズ１３は少なくとも２つ以上の領域に分割され、凹レンズ１３の分割領域はそれぞれ異なる曲率を有し、かつ各領域のつなぎ目は曲率が段階的に変わってシームレスにつながり、凸レンズ１２は少なくとも２つ以上の領域に分割され、凸レンズ１２の分割領域はそれぞれ異なる曲率を有し、かつ各領域のつなぎ目は曲率が連続的（または段階的）に変わってシームレスにつながるように構成する。これにより、視界の上方下方のそれぞれで映像投影位置を物体位置に近づけることができる。したがってユーザのピント移動量が減少し、目の疲労を軽減でき、かつ領域がシームレスにつながるので境界が目立たない。

＜実施の形態３＞
本発明の実施形態３では、実施形態１〜２で説明した映像表示装置１を搭載したヘッドマウントディスプレイ５の具体例について説明する。

＜実施の形態３：映像投影位置に対する表示内容の変更方法の例＞
図１１は、図１と同様に映像表示装置１を搭載したヘッドマウントディスプレイ５の使用形態の例を示す図である。ヘッドマウントディスプレイ５はユーザ３の頭部に装着され、ユーザ３は外界が視認可能な状態で映像表示装置１からの映像を虚像として視認する。図１１では虚像の投影位置を２パターンに分けて図示している。近距離に投影した虚像を２０、遠距離に投影した虚像を２１で示す。人間の視力は距離に応じて変わり、遠距離の方が近距離に比べて視力が高い。つまり、遠距離にある物体は近距離にある物体に比べてはっきりと見え、細かい構造を視認することができる。映像表示装置１が映像を投影する際、近距離に投影する場合は表示内容を大きくし、遠距離に投影する場合は表示内容を小さくすることにより、人間の視認性に合わせて適切に情報を提供できる。

＜実施の形態３：ヘッドマウントディスプレイの機能構成について＞
図１２は、映像表示装置１を搭載したヘッドマウントディスプレイ５の機能構成を示すブロック図である。ヘッドマウントディスプレイ５は映像表示装置１の他に、ヘッドマウントディスプレイ５全体を制御するコントローラ２０５、外部情報２０１を取得するセンシング手段２０４、外部サーバ２０２と通信する通信手段２０３、電力供給手段２０７、記憶媒体２０６、操作入力手段２０８、を備える。制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。

外部情報２０１は例えばユーザ３の体勢、向き、動きや外界の明るさ、音、空間情報をなどである。

センシング手段２０４は、ユーザ３の体勢、向き、動きを検出する。このようなセンシング手段２０４の例として、傾斜センサ、加速度センサやＧＰＳセンサなどが挙げられる。センシング手段２０４は、外界の明るさ、音、空間情報などを検出してもよい。このようなセンシング手段２０４の例として、照度センサ、音センサ、赤外線センサなどの撮像素子が挙げられる。

通信手段２０３は、外部サーバ２０２（例えばスマートフォン、タブレット、ＰＣなどの電子機器）とアクセスできる通信装置であり、例えばＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標），Ｗｉｆｉ（登録商標）などで実現できる。

操作入力手段２０８は、ユーザ３からヘッドマウントディスプレイ５に対する操作指示を受け取る。操作入力手段２０８は例えば、音センサを用いた音声認識、感圧センサあるいは静電容量センサを用いたタッチパネル入力、赤外線センサを使用したジェスチャ入力などによって実現できる。

表示内容調整手段２０９は、図１１で示した映像投影位置の遠近によって表示内容を拡大縮小する方法が例としてあげられる。ユーザ３の使用環境に合わせて表示内容を適切に調整することで、視認性を向上できる。

＜本発明の変形例について＞
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

以上の実施形態において、ヘッドマウントディスプレイ５が備えるコントローラ２０５、表示内容調整手段２０９、などの機能部は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアを演算装置が実行することにより構成することもできる。

１ 映像表示装置
２ 虚像
３ ユーザ
４ 眼
５ ヘッドマウントディスプレイ
６ 映像生成部
７ 投射光学部
８ 導光部
９ 保護カバー部
１２ 凸レンズ
１３ 凹レンズ
１５ 着脱機構
１６ シーリング部
１７ 支持部
１８ 光伝搬範囲
１９ 導光方向
２２ 凹レンズ上方領域
２３ 凹レンズ下方領域
２４ つなぎ目
２５ 凸レンズ上方領域
２６ 凸レンズ下方領域
２７ つなぎ目
１０１ 映像
２０１ 外部情報
２０２ 外部サーバ
２０３ 通信手段
２０４ センシング手段
２０５ コントローラ
２０６ 記憶媒体
２０７ 電力供給手段
２０８ 操作入力手段
２０９ 表示内容調整手段

Claims (14)

1. ユーザに対して映像を投射する映像表示装置であって、
   映像光を生成する映像生成部、
   前記映像光を投射する投射光学部、
   前記映像光を前記ユーザに対して伝搬させる導光部、
   前記導光部の周りを覆う保護カバー部、
   を備え、
   前記保護カバー部は、前記導光部を挟んで対向配置された凹レンズと凸レンズを備え、
   前記凹レンズは、前記導光部が出射した前記映像光を受け取る位置に配置されており、
   前記凸レンズは、外界からの光を前記導光部に対して出射する位置に配置されており、
   前記凹レンズと前記導光部との間の間隔は４ｍｍ以下であり、
   前記凸レンズと前記導光部との間の間隔は５ｍｍ以下である
   ことを特徴とする映像表示装置。
2. 前記凹レンズの焦点距離は０．０７ｍ以上１０ｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
3. 前記凸レンズの焦点距離は０．０７ｍ以上１０ｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
4. 前記凹レンズと前記凸レンズのうち少なくともいずれかは非球面部分を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
5. 前記凹レンズは、第１曲率半径を有する第１レンズ面と、前記第１曲率半径よりも大きい第２曲率半径を有するかまたは平面として構成されている第２レンズ面とを有し、
   前記凸レンズは、第３曲率半径を有する第３レンズ面と、前記第３曲率半径よりも大きい第４曲率半径を有するかまたは平面として構成されている第４レンズ面とを有する
   ことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
6. 前記映像表示装置はさらに、前記保護カバー部を前記映像表示装置の筐体に対して着脱することができる着脱機構を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
7. 前記着脱機構は、
   前記筐体に対して前記保護カバー部を挿し込んでフックによって固定する構造を有するか、
   または、
   前記筐体に対して前記保護カバー部をねじ止めする構造を有する
   ことを特徴とする請求項６記載の映像表示装置。
8. 前記映像表示装置はさらに、前記映像表示装置の筐体と前記保護カバー部との間の間隙を封止するシーリング部材を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
9. 前記凹レンズは、矩形形状を形成する４つの支持部においてそれぞれ前記導光部に対して接着されており、
   前記凸レンズは、矩形形状を形成する４つの支持部においてそれぞれ前記導光部に対して接着されており、
   各前記支持部は、前記導光部内の前記映像光が伝搬する平面に対して投影したとき、前記導光部内において前記映像光が伝搬する領域と重ならない位置に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
10. 前記凹レンズと前記凸レンズのうちいずれか一方または両方は、多焦点レンズである
    ことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
11. 前記凹レンズのうち一部は、第１焦点距離を有する第１凹レンズとして構成されており、
    前記凹レンズのうち前記第１凹レンズとは別の部分は、前記第１焦点距離とは異なる第２焦点距離を有する第２凹レンズとして構成されており、
    前記凸レンズのうち一部は、第３焦点距離を有する第１凸レンズとして構成されており、
    前記凸レンズのうち前記第１凸レンズとは別の部分は、前記第３焦点距離とは異なる第４焦点距離を有する第２凸レンズとして構成されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の映像表示装置。
12. 前記凹レンズのうち一部は、第１曲率を有する第１凹レンズとして構成されており、
    前記凹レンズのうち前記第１凹レンズとは別の部分は、前記第１曲率とは異なる第２曲率を有する第２凹レンズとして構成されており、
    前記凸レンズのうち一部は、第３曲率を有する第１凸レンズとして構成されており、
    前記凸レンズのうち前記第１凸レンズとは別の部分は、前記第３曲率とは異なる第４曲率を有する第２凸レンズとして構成されており、
    前記第１凹レンズと前記第２凹レンズとの間の境界は、曲率が前記第１曲率と前記第２曲率との間で段階的または連続的に変化するように構成されており、
    前記第１凸レンズと前記第２凸レンズとの間の境界は、曲率が前記第３曲率と前記第４曲率との間で段階的または連続的に変化するように構成されている
    ことを特徴とする請求項１０記載の映像表示装置。
13. ユーザが装着することにより前記ユーザに対して映像を投射するヘッドマウントディスプレイであって、
    請求項１記載の映像表示装置、
    前記ユーザから前記ヘッドマウントディスプレイに対する指示を受け取る操作部、
    前記映像表示装置を制御するコントローラ、
    を備え、
    前記映像表示装置は、前記ユーザが前記ヘッドマウントディスプレイを装着したとき前記ユーザの眼の位置に対して前記映像光を出射するように構成されており、
    前記コントローラは、前記操作部が受け取った前記指示にしたがって前記映像表示装置を制御する
    ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
14. 前記ヘッドマウントディスプレイはさらに、前記映像光のサイズを調整する表示調整部を備え、
    前記表示調整部は、前記ユーザの眼から第１距離の位置に前記映像光を投影するときは前記映像光を第１サイズで投影し、
    前記表示調整部は、前記ユーザの眼から前記第１距離よりも遠い第２距離の位置に前記映像光を投影するときは前記映像光を前記第１サイズよりも小さい第２サイズで投影する
    請求項１３記載のヘッドマウントディスプレイ。

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