JP3346642B2

JP3346642B2 - 視覚表示装置

Info

Publication number: JP3346642B2
Application number: JP06738294A
Authority: JP
Inventors: 研野孝吉
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-04-05
Filing date: 1994-04-05
Publication date: 2002-11-18
Anticipated expiration: 2017-11-18
Also published as: JPH07281123A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、視覚表示装置に関し、
特に、観察者の頭部又は顔面に装着して、ＶＴＲ、Ｔ
Ｖ、コンピューター等の画像を観察者の眼球に拡大投影
する視覚表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、周囲に画像情報を漏らすことなく
個人で大画面の画像を楽しむため、また、屋外に携帯し
て画像を見ることができるようにするため等の目的で、
観察者の頭部に装着する頭部装着型視覚表示装置が考え
出されている。

【０００３】図８は、従来の頭部装着型視覚表示装置の
一例である特開平３−３９９２５号に示されたものの断
面図である。この頭部装着型視覚表示装置１０１では、
観察者の頭部に装着された装置内に組み込まれた画像表
示素子１０２を有している。この画像表示素子１０２
は、画像信号供給用コード１０３を介して図示しない画
像信号供給部と接続されている。

【０００４】そして、画像表示素子１０２の表示面側に
は、画像表示素子１０２に表示された画像を伝送するた
めのリレー光学系１０４が配置されている。このリレー
光学系１０４により、画像表示素子１０２の表示面と共
役な共役面１０５上に像が形成される。そして、このリ
レー光学系１０４により伝送された像は、接眼光学系１
０６により観察者の眼球１０７内に拡大投影される。そ
の際、観察者が投影像を見たときに、その投影像が遠方
に見えるようにするために、表示面上の各画素からの光
束１０８を略平行光束１０９にして射出瞳１１０を形成
し、観察者の瞳１１１に入射させている。

【０００５】もう１つの従来例を図９に示す。本従来例
は、図８の従来例と基本的に同一であるが、リレー光学
系１０４を配置することなく、画像が観察者の略無限遠
になる平行光束１０９が接眼光学系１０６から射出する
ように、接眼光学系１０６の前側焦点位置１０５近傍に
直接画像表示素子１０２を配置する構成のものである。

【０００６】しかしながら、どちらの先行例の場合も、
画像表示素子１０２が多くの画素が集まって構成されて
いるものを使用する場合には、画素１つ１つがドットと
して観察されるので、表示された画像を観察した場合に
各画素の境界線が明瞭に見えてしまい、観察者が臨場感
を感じ難い。

【０００７】そこで、水晶板等を使用したローパスフィ
ルターを画像表示素子近傍に配置して、画素を横ずらし
して、画素と画素の間の隙間を埋めて連続した画像を観
察できるようにすることが一般的に行われる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、観察画像の画
質は観察者の好みがあり、画素が１つ１つ見えてもくっ
きりした見え方を好む人と、多少ボケ気味に見えても画
素が見えない連続した画面を好む人がいる。また、表示
する画像そのものが解像力をあまり必要としない画像で
あったり、画像の提供者の意図がソフトフォーカスのよ
うにボケ気味な見え方を意図している場合等がある。つ
まり、画素の見え方を観察者の好みや、画像の提供者の
意図、また、画像の種類等によって任意に変えることが
今まではできなかった。

【０００９】本発明はこのような従来技術に鑑みてなさ
れたものであり、その目的は、画像表示素子の画素の見
え方を任意に変えることができる頭部装着型視覚表示装
置等の視覚表示装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の視覚表示装置は、画像を表示する画像表示手段と、
前記画像表示手段によって表示された画像を観察者の眼
球内に拡大投影する接眼光学系とを有する視覚表示装置
において、前記画像表示手段によって表示された画像の
画像面近傍に光学的ローパスフィルターを配置し、該光
学的ローパスフィルターと前記画像面との距離を光軸方
向に可変に配置したことを特徴とするものである。

【００１１】この場合、画像表示手段を、画像表示素子
及びこの画像表示素子による表示画像を伝達するリレー
光学系より構成し、光学的ローパスフィルターを、画像
面とリレー光学系との間に配置することもできる。

【００１２】なお、視覚表示装置を、画像表示手段、接
眼光学系、及び、光学的ローパスフィルターを備えた視
覚表示装置を左右両眼用に一対備えて構成することが現
実的である。

【００１３】

【作用】本発明においては、画像表示手段によって表示
された画像の画像面近傍に光学的ローパスフィルターを
配置し、この光学的ローパスフィルターと画像面との距
離を光軸方向に可変に配置したので、各画素の境界線の
ボケを可変にして、観察者の好みや画像の種類、さらに
画像提供者の意図等によって、任意の鮮明度の画像を観
察者に提供することができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の視覚表示装置の原理と実施例
について図面を参照にして説明する。光学的ローパスフ
ィルターには、回折格子を利用するものと、水晶、方解
石等の複屈折板を使用するものとが広く用いられてい
る。これらは、回折現象と複屈折現象を利用する違いは
あるが、作用はほぼ同一なので、以下、回折格子型ロー
パスフィルターについて説明する。図５（ａ）は、平面
回折格子２５を、ＬＣＤ（液晶表示素子）１と光軸Ｏ上
に図示しない瞳側に距離Ｌだけ平行移動させて配置して
いる。そのため、入射光束の軸上主光線と軸上マージナ
ル光線のみについて、簡略的に作用を説明すると、ＬＣ
Ｄ１からの光束は、距離Ｌ離れた平面回折格子２５の回
折面で、０次透過光（２８ａ，２８ｂ，２８ｃ）と、＋
１次光（２９ａ，２９ｂ，２９ｃ）及び−１次光（３０
ａ，３０ｂ，３０ｃ）とに回折される。

【００１５】上記作用を詳しく説明するため、上記光線
の中、光軸主光線のみを抽出して示したものが図５
（ｂ）である。この±１次光（２９ａ，３０ａ）の光線
をＬＣＤ１まで仮想的に延長し、その画像面と±１次光
（２９ａ，３０ａ）の仮想延長線との交点をＸ₂，Ｘ₁
と定義する。また、軸上主光線と画像面との交点をＸ₀
と定義する。すると、例えば、上記−１次光にのみ着目
すると、平面回折格子２５の回折作用によって軸上主光
線から回折角φの−１次光３０ａが発生しているもの
の、この−１次光３０ａ単独で見ると、あたかも画像面
の点Ｘ₁から発した光線のように形成される。すなわ
ち、入射側光束の軸上主光線は、０次透過光の他に、画
像面の点Ｘ₀から距離δ離れた位置Ｘ₁から発する光線
（−１次回折光３０ａ）と、このＸ₁に光軸対称な点Ｘ
₂から発する光線（＋１次回折光２９ａ）とに各々スラ
イドさせたことと同様の作用を有する。

【００１６】このスライドさせたずらし量δは、以下の
式で表される。 δ＝Ｌｔａｎφ したがって、観察者は、０次透過光による像の他に、そ
の像から±δだけずれた±１次光による像を重複して観
察することとなる。

【００１７】この構成によって像の解像力は低下するも
のの、高周波成分がカットされるので、ＬＣＤ１上の表
示面に存在する各画素の境界線がボケて、画像の見やす
さを向上させることができる。

【００１８】さらに、上記式のＬを可変にすることで、
画素のずらし量δを任意に設定することが可能となり、
各画素の境界線のボケを可変にして、画像の見やすさも
可変にすることができる。

【００１９】ところで、ＬＣＤ１の構成の一部を簡略的
に示すと、図６（ａ）のように、像を形成するための画
素部分３１と、その画素を駆動するための信号電極やス
イッチング素子等を含む暗視野部３２とから構成されて
いる。したがって、上記ずらし量δをＬＣＤの画素１つ
分、すなわち半ピッチとし、図６（ｂ）の破線３１’の
ようになるように構成すると、画素間の暗視野部３２が
目立たなくなるので、好ましい。

【００２０】例示的に示すと、回折次数が１で、その回
折角がφ＝２０°の平面回折格子２５を用い、ＬＣＤ１
の画素上のピッチが６０μｍとすると、ずらし量δは半
ピッチ分の３０μｍとする。すると、上記式より、画像
面からこの平面回折格子２５をずらす量Ｌは、Ｌ＝８２
μｍと算出できる。よって、この平面回折格子２５を画
像面から８２μｍ離して配置すれば、画素ピッチ６０μ
ｍのＬＣＤ１と、回折角２０°の平面回折格子２５とを
用いた映像表示装置が構成できる。

【００２１】また、上記では、ずらし量δを画素の半ピ
ッチと定義して示したが、これに限られるものではな
く、暗視野部３２を極力なくすためには、ずらし量δが
画素の０．７倍〜０．９倍であることが望ましい。

【００２２】なお、上記において、ＬＣＤ１をリレーレ
ンズ系を介して投影する場合には、リレーレンズ系によ
って結像されたＬＣＤ１の表示面の共役面（画像面）で
ある投影位置よりＬＣＤ１側に平面回折格子２５を光軸
上距離可変に配置して、同様の作用、効果を得ることが
できることは言うまでもない。また、この場合、ＬＣＤ
１の投影位置より瞳側（ＬＣＤ１から離れる側）に平面
回折格子２５を同様に配置してもよいことも言うまでも
ない。したがって、ＬＣＤ１及びリレーレンズ系によっ
て表示された画像面である投影位置よりＬＣＤ１側に、
もしくは、観察者の瞳側に平面回折格子２５等の光学的
ローパスフィルターを配置すること、すなわち、上記画
像面近傍に光学的ローパスフィルターを配置することに
より、本発明の目的を達成し、作用・効果を得ることが
できる。

【００２３】また、上記で、光学的ローパスフィルター
として、周期的な構造部位を有する部材の中から回折格
子として平面回折格子を用いることとしたが、凹面回折
格子や、トロイダル格子、フレネルゾーンプレート等を
用いてもよい。また、これら回折格子は透過型でも反射
型でもよい。さらに、複屈折板を用いてもよい。

【００２４】以下、本発明の視覚表示装置を頭部装着型
視覚表示装置として構成した場合のいくつかの実施例に
ついて詳述する。まず、図１を参照にして本発明の第１
実施例を説明する。この図１は、簡単のために光路中に
配置される光学系等を簡素化して示した概略図である。
ここでは、画像表示素子としてバックライト式の液晶表
示素子（ＬＣＤ）１を用いている。このＬＣＤ１の表示
面側に、リレーレンズ系２を配置し、そのリレーレンズ
系２に対して表示面と共役な位置１３近傍に光軸方向に
移動自在にローパスフィルターとして設けられた複屈折
を利用した水晶板３を配置し、さらに、光軸方向に接眼
光学系４が配置されている。この接眼光学系４は、表示
面と共役な位置に結像された像の各点からの光束５ａを
平行光束６に変換させる位置に配置されたフィールドレ
ンズ群７、及び、光軸を曲げて観察者の眼球８内に投影
するミラー９により構成されている。

【００２５】ＬＣＤ１の表示面に表示された表示像の光
束５ｂは、リレーレンズ系２により伝送され、表示面と
共役な結像面１３に結像する。そして、この共役面１３
近傍に配置されたローパスフィルター３により画素がず
らされて、画素と画素の間にずらした画素が重なって均
一な画面を構成する。その後の射出光束５ａは、接眼光
学系４のフィールドレンズ群７に入射する。このフィー
ルドレンズ群７を透過した光束５ａは平行光束６とな
り、ミラー９により反射され、射出瞳１０を形成する。

【００２６】観察者は、射出瞳１０位置及びその前後の
平行光束６に交わっている領域内に眼球８の瞳１１を置
くことで、良好な投影画像を見ることができる。そし
て、共役面１３近傍で水晶板３を移動させることで、Ｌ
ＣＤ１の画素のずらし量を任意に設定して、各画素の境
界線のボケを可変にし、画像の見やすさを変えることが
できる。

【００２７】次に、図２を参照にして本発明の第２実施
例を説明する。この実施例の第１実施例と異なる部分の
み説明する。本実施例は、リレー光学系を使用しない
で、接眼光学系４の前側焦点位置近傍に直接ＬＣＤ１を
配置する構成になっている。その他は第１実施例と同じ
である。この場合も、ＬＣＤ１の前方近傍に、光軸方向
に移動自在にローパスフィルター３が配置され、ローパ
スフィルター３を移動させることで、ＬＣＤ１の画素の
ずらし量を任意に設定して、各画素の境界線のボケを可
変にし、画像の見やすさを変えることができる。

【００２８】次に、第３実施例として、図３を参照にし
て、上記のローパスフィルター３を移動させる具体的手
段について例示する。図３（ａ）は、光軸に平行な２本
の送りネジ１５、１５に送り可能にローパスフィルター
３を取り付け、両送りネジ１５、１５をプーリー１７を
介してベルト１６で同期駆動して、ＬＣＤ１（又は、そ
の共役面１３）とローパスフィルター３の間隔を可変に
するものである。図３（ｂ）は、ローパスフィルター３
の枠とＬＣＤ１（又は、その共役面１３）の枠との間に
くさび１８、１８を挿入し、くさび１８、１８の挿入量
を変えて、ＬＣＤ１（又は、その共役面１３）とローパ
スフィルター３の間隔を可変にするものである。さら
に、図３（ｃ）は、ローパスフィルター３の枠とＬＣＤ
１（又は、その共役面１３）の枠との間に圧電素子（ピ
エゾ素子）１９、１９を配置し、圧電素子１９、１９の
伸びを電気的に変えて、ＬＣＤ１（又は、その共役面１
３）とローパスフィルター３の間隔を可変にするもので
ある。

【００２９】また、上記以外にも、ＬＣＤ１とローパス
フィルター３の間の空気の屈折率を変える方法もある。
具体的には、ＬＣＤ１とローパスフィルター３の間の空
気の圧力を変えたり、ガスを入れたり、水等の液体を入
れたりすることも可能である。さらには、ＬＣＤ１とロ
ーパスフィルター３の間の空気の圧力を変えてその間の
距離を変える方法もある。

【００３０】次に、図４を参照にして、上記のローパス
フィルター３を移動させる移動手段を如何に制御するか
の実施例を第４実施例として説明する。例えば上記第３
実施例の何れかの移動手段２３を電気モーター、超音波
モーター、静電モーター、又は、圧電モーター等の電気
的に制御可能な駆動手段により構成する。そして、図４
に示すように、入力する画像信号から必要解像力判断部
２１で、表示に必要な解像力を判断して、間隔信号を発
生させ、この間隔信号によって間隔制御部２２を動作さ
せ、それからの駆動信号を移動手段２３に送り、解像力
が画像に適したものとして表示するようにできる。

【００３１】必要解像力判断部２１は、入力画像の全部
又は一部をフーリエ変換して、その画像の空間周波数を
求め、画像に高周波がなければ、つまり解像力を必要と
しない画像では、ＬＣＤ１とローパスフィルター３の間
隔を広げて、画素のずらし量を大きくして、画素を大き
くボケさせて見やすさを向上させる。逆に、画像の高周
波が増えてくると、例えば字幕が出たり文字の多い画面
では、ＬＣＤ１とローパスフィルター３の間隔を狭め
て、画面の解像力を上げることができるものである。

【００３２】さらに、画像提供者、例えばカメラマンや
画像製作者等の意図を間隔制御信号として、画像ソース
に入れ込んでおくこともできる。また、観察者の疲労を
計測したり、時間がたつと目が疲労するので、一定時間
たつと解像力を自動的に落としたりすることができる。

【００３３】なお、本発明による頭部装着型視覚表示装
置は、画像表示素子１、接眼光学系４、ローパスフィル
ター３、ローパスフィルター移動機構等からなる片目用
の視覚表示装置を左右両眼用に一対備えた本体部３５
が、例えば図７（ａ）に斜視図、図７（ｂ）に水平部分
断面図に示すように、観察者の顔面に装着され、本体部
３５を頭部に支持する支持部材３６が本体部３５に連結
されているように構成されている。そして、光軸を曲げ
て観察者の眼球８内に投影するミラー９をハーフミラー
で構成し、その前方に液晶素子等からなるシャッター１
４を配置し、このシャッター１４を開くことによって外
界像も観察できるように構成できる。ところで、左右一
対の光学系を備えた視覚表示装置の場合、両側のローパ
スフィルター３の移動距離は、左右同一でも、左右で異
なるようにしてもよい。

【００３４】最後に、以上の本発明の視覚表示装置は以
下のように構成できる。（１）画像を表示する画像表示手段と、前記画像表示手
段によって表示された画像を観察者の眼球内に拡大投影
する接眼光学系とを有する視覚表示装置において、前記
画像表示手段によって表示された画像の画像面近傍に光
学的ローパスフィルターを配置し、該光学的ローパスフ
ィルターと前記画像面との距離を光軸方向に可変に配置
した視覚表示装置。

【００３５】（２）前記画像表示手段が、画像表示素子
及び該画像表示素子による表示画像を伝達するリレー光
学系よりなり、前記光学的ローパスフィルターが、前記
画像面と前記リレー光学系との間に配置されている上記
（１）の視覚表示装置。

【００３６】（３）前記画像表示手段、前記接眼光学
系、及び、前記光学的ローパスフィルターを備えた視覚
表示装置を左右両眼用に一対備えている上記（１）、
（２）の視覚表示装置。

【００３７】（４）前記画像表示手段が、画像表示素
子、もしくは、画像表示素子及び該画像表示素子による
表示画像を伝達するリレー光学系である上記（１）、
（３）の視覚表示装置。

【００３８】（５）前記光学的ローパスフィルターと前
記画像面との距離を光軸方向に可変にする距離可変手段
を有する上記（１）から（４）の視覚表示装置。

【００３９】（６）前記視覚表示装置を観察者頭部に支
持する支持機構を有し、頭部装着型視覚表示装置を構成
している上記（１）から（５）の視覚表示装置。

【００４０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、観察者の好みや画像の種類、さらに画像提供
者の意図等によって、各画素の境界線のボケを可変にし
て、任意の鮮明度の画像を観察者に提供することができ
る頭部装着型視覚表示装置等の視覚表示装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の頭部装着型視覚表示装置
の構成を示す概略図である。

【図２】第２実施例の構成を示す概略図である。

【図３】ローパスフィルターを移動させる移動手段を例
示する断面図である。

【図４】ローパスフィルターの移動手段の制御系を示す
ブロック図である。

【図５】回折格子型ローパスフィルターの作用を説明す
るための図である。

【図６】ＬＣＤの画素構成と各画素の境界線がボケるよ
うにできる理由を説明するための図である。

【図７】本発明による頭部装着型視覚表示装置を装着し
た場合の斜視図と水平部分断面図である。

【図８】従来の頭部装着型視覚表示装置の一例の構成を
示す概略図である。

【図９】もう１つの従来例の構成を示す概略図である。

【符号の説明】

１…ＬＣＤ（液晶表示素子）２…リレーレンズ系３…ローパスフィルター（水晶板）４…接眼光学系５ａ，５ｂ…光束６…平行光束７…フィールドレンズ群８…眼球９…ミラー１０…射出瞳１１…瞳１３…結像面（共役面）１４…シャッター１５…送りネジ１６…ベルト１７…プーリー１８…くさび１９…圧電素子（ピエゾ素子）２１…必要解像力判断部２２…間隔制御部２３…移動手段２５…平面回折格子２８ａ，２８ｂ，２８ｃ…０次透過光２９ａ，２９ｂ，２９ｃ…＋１次光３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…−１次光３１…画素部分３２…暗視野部３５…本体部３６…支持部材

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】画像を表示する画像表示手段と、前記画
像表示手段によって表示された画像を観察者の眼球内に
拡大投影する接眼光学系とを有する視覚表示装置におい
て、前記画像表示手段によって表示された画像の画像面近傍
に光学的ローパスフィルターを配置し、該光学的ローパ
スフィルターと前記画像面との距離を光軸方向に可変に
配置したことを特徴とする視覚表示装置。
【請求項２】前記画像表示手段が、画像表示素子及び
該画像表示素子による表示画像を伝達するリレー光学系
よりなり、前記光学的ローパスフィルターが、前記画像面と前記リ
レー光学系との間に配置されていることを特徴とする請
求項１記載の視覚表示装置。
【請求項３】前記画像表示手段、前記接眼光学系、及
び、前記光学的ローパスフィルターを備えた視覚表示装
置を左右両眼用に一対備えていることを特徴とする請求
項１又は２記載の視覚表示装置。
【請求項４】前記画像表示手段が、画像表示素子、も
しくは、画像表示素子及び該画像表示素子による表示画
像を伝達するリレー光学系であることを特徴とする請求
項１又は３記載の視覚表示装置。
【請求項５】前記光学的ローパスフィルターと前記画
像面との距離を光軸方向に可変にする距離可変手段を有
することを特徴とする請求項１、２、３、又は４記載の
視覚表示装置。
【請求項６】前記視覚表示装置を観察者頭部に支持す
る支持機構を有し、頭部装着型視覚表示装置を構成して
いることを特徴とする請求項１、２、３、４、又は５記
載の視覚表示装置。