JP7483270B2 - シースルー型ディスプレイ装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学シースルー型のディスプレイ装置に関するものである。

ＶＲ（Virtual Reality；仮想現実）の技術において、光学シースルー型という方式を用いたＨＭＤ（Head Mounted Display；ヘッドマウントディスプレイ）がある。これは、現実の世界を見ながら、その上に画像を重ねることができるというものであり、必要な情報のみディスプレイの表面に表示しながら、外の様子をシースルーで見ることが可能となることから、利用者の安全の確保が図られるという利点があり、今後も市場が拡大すると予想されている。

光学シースルー型のＨＭＤ装置では、一般に、重ね合わせる画像と、背景が混ざり合い、重ね合わせる画像が正確に表現されない場合があり、そこで、画素単位での遮光が可能な遮光板を用いた光学シースルー型のＨＭＤ装置が知られている（非特許文献１～３を参照）。
非特許文献１～３のように、異なる光学系に基づく様々な取組はあるが、いずれも画角が狭く、使用用途が限定されるという課題がある。

そこで、画角を広げるべく、複数の液晶パネルを重ねることが試みられている（非特許文献４を参照）。例えば、液晶パネルを２枚重ねると画角は広いが画像はボケるという新たな課題が発生する。また、液晶パネルを３枚以上重ねると画角は広く、かつボケは解消されるが、システム構成が複雑となる上に、全体的に暗くなり、いずれにしても実用には供しないという問題がある。

K. Kiyokawa, M. Billinghurst, B. Campbell and E. Woods, "An occlusion capable optical see-through head mount display for supporting co-located collaboration," The Second IEEE and ACM International Symposium on Mixed and Augmented Reality, 2003. Proceedings., Tokyo, Japan, 2003, pp. 133-141. O. Cakmakci, Yonggang Ha and J. P. Rolland, "A compact optical see-through head-worn display with occlusion support," Third IEEE and ACM International Symposium on Mixed and Augmented Reality, Arlington, VA, USA, 2004, pp. 16-25. doi: 10.1109/ISMAR.2004.2 Austin Wilson and Hong Hua, "Design and prototype of an augmented reality display with per-pixel mutual occlusion capability," Opt. Express 25, 30539-30549 (2017) A. Maimone and H. Fuchs, "Computational augmented reality eyeglasses," 2013 IEEE International Symposium on Mixed and Augmented Reality (ISMAR), Adelaide, SA, 2013, pp. 29-38. doi: 10.1109/ISMAR.2013.6671761

かかる状況に鑑みて、本発明は、簡素な構成で、画角の広さ及び視野の明るさを確保しつつ、画像のボケを防止することができるシースルー型ディスプレイ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明のシースルー型ディスプレイ装置は、２焦点の１つを共焦点とする第１及び第２の楕円凹面鏡を有し、第１の楕円凹面鏡の共焦点以外の焦点に入射する物体光を第２の楕円凹面鏡の共焦点以外の焦点に結像させる光学系と、物体光を遮光しない位置に配置されたディスプレイと、物体光の光路上に配置され、ディスプレイから出射されたディスプレイ光を物体光に重畳させる光学手段を備えたことを特徴とする。

楕円凹面鏡が２つの焦点を有するという特性を生かして、２つの楕円凹面鏡を用いて、２焦点の１つを共焦点とすることで、画角を広くすることができる。
また、ディスプレイと、ディスプレイから出射されたディスプレイ光を物体光に重畳させる光学手段により、ディスプレイで形成された実像を虚像として前方の景色と重ね合わせて視認することが可能となる。ディスプレイは物体光を遮光しない位置に配置されたるため、視野が遮られることが無いように構成する。なお、ここで、物体光とは、装置の外部の物体などの反射光のことであり、例えば、遠くの景色であれば建物や山から到達する反射光のことである。光学手段としては、ハーフミラー、ビームスプリッタを好適に用いることができる。

本発明のシースルー型ディスプレイ装置において、第１及び第２の楕円凹面鏡は、共焦点を対称点として互いに対向配置されることでもよい。
楕円凹面鏡が２つの焦点を有するという特性を生かして、２つの楕円凹面鏡を用いて、２焦点の１つを共焦点とし該共焦点を対称点として互いに対向配置することで、シンプルな構成で画角を広くすることができる。

本発明のシースルー型ディスプレイ装置は、共焦点にピンホールを配置するピンホールマスクを更に備えたことが好ましい。
ピンホールマスクを用いることで、瞳孔を通過する光が水晶体の屈折力の影響を受けることがなくなり、簡単な仕組みで入射光の向きを制限することができる。これにより、物体光すなわち透かして見える絵と、ディスプレイで形成されて重ねられる絵の何れについても、ボケて見えることなく、鮮明に見ることができる。
本発明のシースルー型ディスプレイ装置は、ユーザが装置を装着した際に、第１の楕円凹面鏡の共焦点以外の焦点と、第２の楕円凹面鏡の共焦点以外の焦点とが、共に、正面を向いたユーザの眼球の光軸上又は視線上に位置するように、第１及び第２の楕円凹面鏡が配置されることが好ましい。これにより、物体から発せられる物体光が第１の楕円凹面鏡に入射した高さとユーザの眼に届いた際の高さが一致し、装置の装着時と非装着時の視野の同一性をより向上させることができる。

本発明のシースルー型ディスプレイ装置は、物体光を遮光し得る遮光パネルを更に備え、遮光パネルは、第１の楕円凹面鏡における物体光の入射光路上であって、光学手段の前段に配置されたことが好ましい。
遮光パネルを用いることで、ディスプレイで形成された画像の光学手段による虚像を透けさせることなく、コントラストを高めて表示することが可能となる。遮光パネルは、ディスプレイで形成される画像の光学手段による虚像と同じピクセル位置で遮光するように制御され、画像のコントラストを高める。遮光パネルの具体的な構成としては、例えば、電圧を変えることによって光の透過性が変化する液晶シャッタなどが挙げられる。
ここで、遮光パネルは、空間光変調器を用いて、物体光の空間分布を変調して２次元的に遮光するものでもよい。

本発明のシースルー型ディスプレイ装置は、第１の楕円凹面鏡における物体光の反射光を共焦点に集光する集光レンズ系を更に備えたことが好ましい。
第１の楕円凹面鏡における物体光の反射光を共焦点に集光する集光レンズ系を備えることにより、ピンホールを通過する光量を上げることができ、映像の明るさを向上させることが可能となる。

本発明のシースルー型ディスプレイ装置は、第１の楕円凹面鏡における物体光の反射光を共焦点に集光する第１の集光レンズ系と、共焦点を通過した光を集束する第２の集光レンズ系を更に備えたことでもよい。かかる構成とされることにより、よりコンパクトな形状の装置とすることが可能となる。

本発明のシースルー型ディスプレイ装置において、集光レンズ系は、凹レンズと凸レンズから構成される系、又は、凹凸レンズから構成される系であることが好ましい。
例えば、第１の楕円凹面鏡とピンホールマスクの間に、凹レンズ、凸レンズの順に配置することで、凹レンズにおいて集光した光を、凸レンズによって集束させてピンホールへ誘導することが可能となり、ピンホールを通過する光量を効果的に向上させることができる。また、ピンホールマスクを使用しない場合においても、集光することによりユーザの眼に到達する光量を向上できるため、ユーザは明るい視野が得られることとなる。

本発明のシースルー型ディスプレイ装置は、ディスプレイと光学手段が各２セット設けられ、各々の光学手段は、物体光の上下の最大取り込み角に沿って傾斜配置され、各々のディスプレイから出射されたディスプレイ光は、光学手段によって反射し、物体光に重畳される。
一般に、人の眼は左右は１８０°以上見ることができるが、上下では人体の構造上そうならず、そのため、物体光を遮光せずにディスプレイを配置するスペースが生まれることになる。そこで、各々の光学手段を、ユーザの視野を妨げることなく物体光の上下の最大取り込み角に沿って傾斜配置し、さらにユーザの視野を妨げることなくディスプレイを配置する。各々のディスプレイ映像は、光学手段により虚像として、物体光と重なり、物体とディスプレイ映像が重なって見えることになる。この場合、２つのディスプレイ映像は、一体化してあたかも１つのディスプレイの映像になるのが好ましく、２つの光学手段の配置を調整し、不連続な映像にならないようにすることが好ましい。

本発明のシースルー型ディスプレイ装置において、最大取り込み角は、上が３０～３５°であり、下が４５～５０°であることから、各々の光学手段は、物体光の上下の最大取り込み角に沿って傾斜配置されることが好ましい。
人体の構造上、人の顔には額があるため、下よりも上がやや視野が狭いといわれている。そこで、最大取り込み角につき、上を３０～３５°、下を４５～５０°とすることで、視野を妨げることのない構成とすることができる。

本発明のシースルー型ディスプレイ装置において、光学手段は、第１の楕円凹面鏡における物体光の入射光路上に配置され、ディスプレイは、第１の楕円凹面鏡と物体光を発する物体の間で、かつ、物体光を遮光しない位置に配置されたことが好ましい。
第１の楕円凹面鏡と物体との間に光学手段とディスプレイを設けることで、第１及び第２の楕円凹面鏡とピンホールマスクの配置を行った上で、光学手段及びディスプレイを取り付けることができ製造が容易となる。

本発明のシースルー型ディスプレイ装置において、光学手段は、第１の楕円凹面鏡における物体光の反射光路上に配置され、ディスプレイは、第１の楕円凹面鏡と第２の楕円凹面鏡の間で、かつ、物体光を遮光しない位置に配置されたことでもよい。
第１の楕円凹面鏡と第２の楕円凹面鏡の間に光学手段とディスプレイを設けることで、装置をコンパクトな構成とすることができる。

本発明のヘッドマウントディスプレイ装置は、上記の何れかの光学シースルー型ディスプレイ装置を備えたものである。

本発明のシースルー型ディスプレイ装置によれば、簡素な構成で、画角の広さ及び視野の明るさを確保しつつ、画像のボケを防止することができるといった効果がある。

実施例１のシースルー型ディスプレイ装置の機能ブロック図 実施例１のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図 実施例１のシースルー型ディスプレイ装置の光路の説明図 従来のシースルー型ディスプレイ装置の視認映像のイメージ図 実施例１のシースルー型ディスプレイ装置の視認映像のイメージ図 ２つの楕円凹面鏡の説明図 実施例２のシースルー型ディスプレイ装置の機能ブロック図 実施例２のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図 実施例３のシースルー型ディスプレイ装置の機能ブロック図 実施例３のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図 実施例４のシースルー型ディスプレイ装置の機能ブロック図 実施例４のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図 実施例５のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図 実施例６のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図 実施例７のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

図１は、実施例１のシースルー型ディスプレイ装置の機能ブロック図を示している。実施例１のシースルー型ディスプレイ装置１は、第１の楕円凹面鏡２１、第２の楕円凹面鏡２２、ピンホールマスク３、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ５、ハーフミラー６、凹レンズ７及び凸レンズ８から構成されている。
シースルー型ディスプレイ装置１を用いて、遠方の景色や近くの物を見るとする。外の景色や物から到来する物体光１０（太陽光や照明光の反射光）は、遮光パネル４を通り、第１の楕円凹面鏡２１において反射する。また、カラー液晶ディスプレイ５から出射されたディスプレイ光は、ハーフミラー６により反射された後、物体光１０と同様に、第１の楕円凹面鏡２１において反射する。第１の楕円凹面鏡２１において反射した光は、凹レンズ７において集光され、凸レンズ８において集束し、ピンホールマスク３へと誘導される。ピンホールマスク３へと誘導された光は、第２の楕円凹面鏡２２において反射し、ユーザの眼９に到達する。

図２は、実施例１のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図を示している。シースルー型ディスプレイ装置１は、第１の楕円凹面鏡２１、第２の楕円凹面鏡２２、ピンホールマスク３、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ（５ａ，５ｂ）、ハーフミラー（６ａ，６ｂ）、集光レンズ系１５の凹レンズ７及び凸レンズ８から構成される。
ピンホールマスク３には、ピンホール３ａが設けられている。ピンホールカメラと同様、近距離から遠距離まで全てピントが合わせられ、撮影される像に歪みが生じない等のメリットをそのまま享受でき、ユーザの眼９の瞳孔を通過する光は、水晶体の屈折力の影響を受けることがなく、簡単な仕組みで、ユーザの眼９の瞳孔への入射光の向きを制限することができる。これにより、遠方の景色や近くの物の物体光による映像と、ディスプレイで形成された映像とが重ねられた場合において、どちらの映像についても、ピントがボケて映るということがなく、ユーザは両方の映像を鮮明に視認することができる。

図４は、従来のシースルー型ディスプレイ装置の視認映像のイメージ図であり、（１）は後景に焦点を合わせた状態、（２）は前景に焦点を合わせた状態を示している。それぞれ視認映像１２においては、前景としてリング状の表示映像１４が表示され、後景として直方体形状の物体１１及び背景１３が表示されている。図４（１）に示すように、ピンホールマスク３を用いない場合には、後景に焦点を合わせると、物体１１は鮮明に見えるが、カラー液晶ディスプレイ（５ａ，５ｂ）によって表示された表示映像１４はピントがボケてしまう。これに対して、図４（２）に示すように、前景に焦点を合わせると、表示映像１４は鮮明に見えるが、その反面、物体１１はピントがボケてしまう。本発明のシースルー型ディスプレイ装置の場合では、ピンホール３ａが設けられたピンホールマスク３を用いることにより、このようなピントのボケを解消し、前景と後景の両方を鮮明に視認することができる。
しかしながら、ピンホール３ａは、小さな針穴であることから、前後の絵が鮮明に見えたとしても、画角が狭くなってしまうという問題があり、本発明のシースルー型ディスプレイ装置１においては、第１の楕円凹面鏡２１と第２の楕円凹面鏡２２という２つの楕円凹面鏡が用いられている。これらの２つの楕円凹面鏡を用いる特徴について、図６を参照しながら説明する。

図６は、２つの楕円凹面鏡の説明図であり、（１）は１つの楕円凹面鏡の場合、（２）は２つの楕円凹面鏡について一方の焦点を共にする場合を示している。図６（１）に示すように、楕円凹面鏡２においては、焦点Ｆ_１と焦点Ｆ_２が存在する。このように、２点の焦点を持つ楕円凹面鏡２では、一方の焦点を通る光が楕円面での点Ｐで反射され、もう一方の焦点を通ることになる。例えば、焦点Ｆ_１から点Ｐへと発せられた光Ｒ_１は、点Ｐにおいて反射し光Ｒ_２となり、焦点Ｆ_２を通ることになる。そこで、図６（２）に示すように、楕円凹面鏡２１と楕円凹面鏡２２という２つの楕円凹面鏡を用い、楕円凹面鏡２１の焦点Ｆ_２と楕円凹面鏡２２の焦点Ｆ’_２を共焦点とすると、焦点Ｆ_１から楕円凹面鏡２１の点Ｐへと発せられた光Ｒ_１は、点Ｐにおいて反射して光Ｒ_２となり、焦点Ｆ_２を通る。楕円凹面鏡２１の焦点Ｆ_２と楕円凹面鏡２２の焦点Ｆ’_２は共焦点であるから、焦点Ｆ_２を通った光Ｒ_２は、焦点Ｆ’_２から楕円凹面鏡２２の点Ｐ’へと発せられた光Ｒ’_２と同じであり、点Ｐ’において反射して光Ｒ’_１となり、焦点Ｆ’_１を通ることとなる。したがって、共焦点の位置とピンホール３ａの位置を合わせることができれば、画角を広げることが可能となる。

図２の実施例１のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージに示すように、第１の楕円凹面鏡２１と第２の楕円凹面鏡２２は、２焦点の１つを共焦点とし、共焦点を対称点として互いに対向配置され、第１の楕円凹面鏡２１における共焦点以外の焦点に入射する物体光１０を第２の楕円凹面鏡２２における共焦点以外の焦点に結像させる光学系を備えている。ピンホールマスク３に設けられたピンホール３ａは、第１の楕円凹面鏡２１と第２の楕円凹面鏡２２の共焦点の位置に配置されている。なお、第１の楕円凹面鏡２１と第２の楕円凹面鏡２２が、２焦点の１つを共焦点とし、共焦点を対称点として互いに対向配置されることは必須の構成ではなく、後述する実施例６のように、共焦点を対称点として互いに対向配置されない構成を採用することも可能である。

ここで、本実施例のシースルー型ディスプレイ装置１における物体光やディスプレイ光の光路について説明する。図３は、実施例１のシースルー型ディスプレイ装置の光路の説明図であり、（１）は物体光、（２）はディスプレイ光の光路を示している。なお、図３（１）では、カラー液晶ディスプレイ（５ａ，５ｂ）、ハーフミラー（６ａ，６ｂ）などは図示していない。また、図３（２）では、物体１１は図示していない。
図３（１）に示すように、物体光（１０ａ～１０ｃ）は、遮光パネル４を通り、第１の楕円凹面鏡２１において反射する。これに対して、物体光１０ｄは、遮光パネル４によって遮られている。かかる遮光パネル４の機能や構造については、後述する。第１の楕円凹面鏡２１において反射した物体光（１０ａ～１０ｃ）は、凹レンズ７において集光され、凸レンズ８において集束し、ピンホールマスク３へと誘導される。ピンホールマスク３へと誘導された光は、物体光（２０ａ～２０ｃ）として第２の楕円凹面鏡２２において反射し、ユーザの眼９に到達する。
ユーザが眼９を動かして上目にした場合には、物体光２０ａが眼に入り、下目にした場合には、物体光２０ｃが眼に入ることになる。物体光２０ａは、物体１１による物体光１０ａと同じであり、物体１１の上側の映像になる。また、物体光２０ｃは、物体１１による物体光１０ｃと同じであり、物体１１の下側の映像になる。図２又は図３（１）に図示するとおり、物体１１の物体光の上下の取り込み角が大きく、上下の視野角は人の視野角の範囲をカバーできている。

一方、ディスプレイ光の光路についても物体光と類似した光路となる。すなわち、図３（２）に示すように、カラー液晶ディスプレイ５ａから発せられたディスプレイ光は、ハーフミラー６ａにより反射する。同様に、カラー液晶ディスプレイ５ｂから発せられたディスプレイ光は、ハーフミラー６ｂにより反射する。ディスプレイ光は、第１の楕円凹面鏡２１において反射し、凹レンズ７において集光され、凸レンズ８において集束し、ピンホールマスク３へと誘導される。ピンホールマスク３へと誘導された光は、第２の楕円凹面鏡２２において反射し、ユーザの眼９に到達する。ディスプレイ光についても、ユーザが眼９を動かして上目にした場合には、虚像５０の上方が眼に入り、下目にした場合には、虚像５０の下方が眼に入ることになる。なお、ディスプレイ光は、物体光（２０ａ～２０ｃ）と重畳して表示される。

遮光パネル４は、具体的には液晶シャッタであり、電圧を変えることによって光の透過性が変化するものである。液晶シャッタは、２次元マトリクスのピクセル単位に、必要なピクセル位置だけ光を透過させたり、透過させなかったりすることが可能である。カラー液晶ディスプレイ５ａは、第１の楕円凹面鏡２１における共焦点以外の焦点に入射する物体光の上側に設けられ、カラー液晶ディスプレイ５ｂは下側に設けられている。また、ハーフミラー６ａは上側、ハーフミラー６ｂは下側に設けられており、ハーフミラー６ａは、カラー液晶ディスプレイ５ａにおいて形成された映像から出射されるディスプレイ光を反射し、ハーフミラー６ｂは、カラー液晶ディスプレイ５ｂにおいて形成された映像から出射されるディスプレイ光を反射する役割を果たす。

図５は、実施例１のシースルー型ディスプレイ装置の視認映像のイメージ図であり、（１）は遮光パネルが設けられない又は遮光を行わない場合、（２）は、遮光を行った場合を示している。図中の視認映像１２では、図４と同様に、前景としてリング状の表示映像１４が表示され、後景として直方体形状の物体１１及び背景１３が表示されている。図５（１）に示すように、遮光パネルが設けられない又は遮光を行わない場合には、後景の映像が透過してしまうため、表示映像１４のコントラストが低下するという問題がある。具体的には、後景の内、より暗い配色となっている物体１１と重畳する表示映像１４の部位１４ａについては、黒色に表示されているが、より明るい配色となっている背景１３と重畳する表示映像１４の部位１４ｂについては、灰色に表示されている。
これに対して、遮光パネル４により遮光を行った場合は、リング状の表示映像１４が、部位１４ａだけではなく、部位１４ｂについても黒色に表示されており、コントラストが向上していることが分かる。このように、遮光パネル４を設けることにより、ディスプレイで形成された映像のハーフミラーによる虚像５０を透けさせることなく、コントラストを高めて表示することが可能となる。また、図５（１）に示すように、あえてコントラストを低下させて表示するといったことも可能である。

図２に示すように、凹レンズ７は、第１の楕円凹面鏡２１において反射した光を集光するものであり、凸レンズ８は、凹レンズ７において集光した光をさらに集束し、ピンホールマスク３に設けられたピンホール３ａへと誘導する。凹レンズ７及び凸レンズ８が設けられることにより、凹レンズ７において集光した光を、凸レンズ８によって集束させてピンホールへ誘導することが可能となり、ピンホールを通過する光量を効果的に向上させることができる。
ピンホール３ａを通過した光は第２の楕円凹面鏡２２において反射して、ユーザの眼９に到達する。

図７は、実施例２のシースルー型ディスプレイ装置の機能ブロック図を示している。また、図８は、実施例２のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図を示している。実施例２のシースルー型ディスプレイ装置１００は、実施例１に示すシースルー型ディスプレイ装置１と同様に、第１の楕円凹面鏡２１、第２の楕円凹面鏡２２、ピンホールマスク３、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ５及びハーフミラー６を備えるが、実施例１に示すシースルー型ディスプレイ装置１と異なり、集光レンズ系の凹レンズ及び凸レンズは用いていない。集光レンズ系を設けることにより、ピンホールを通過する光量を上げることができ、ユーザが視認する映像の明るさを向上させることができるが、この集光レンズ系を設けなくても、ユーザは十分に視認できる。
図８に示すように、シースルー型ディスプレイ装置１００を用いて、遠方の景色や近くの物を見ると、景色や物から到来する物体光１０は、遮光パネル４を通り、第１の楕円凹面鏡２１に入射し反射する。カラー液晶ディスプレイ（５ａ，５ｂ）から出射されたディスプレイ光は、ハーフミラー（６ａ，６ｂ）により反射された後、物体光１０と同様に、第１の楕円凹面鏡２１に入射し反射する。第１の楕円凹面鏡２１において反射した光は、そのままピンホールマスク３へと誘導され、ピンホールマスク３へと誘導された光は、第２の楕円凹面鏡２２に入射し反射して、ユーザの眼９に到達する。

図９は、実施例３のシースルー型ディスプレイ装置の機能ブロック図を示している。実施例３のシースルー型ディスプレイ装置１０１は、第１の楕円凹面鏡２１、第２の楕円凹面鏡２２、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ５、ハーフミラー６、凹レンズ７及び凸レンズ８から構成されている。すなわち、実施例３のシースルー型ディスプレイ装置１０１は、実施例１のシースルー型ディスプレイ装置１とは異なり、ピンホールマスク３が設けられていない構成である。第１の楕円凹面鏡２１において反射した光は、凹レンズ７を通過した後、レンズ７の光軸に沿って進み、凸レンズ８によって集光される。実施例１では集光点にピンホールマスク３があったが、本実施例の場合、ピンホールマスク３を介することなく、第２の楕円凹面鏡２２において反射し、ユーザの眼９に到達する。

図１０は、実施例３のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図を示している。シースルー型ディスプレイ装置１０１は、第１の楕円凹面鏡２１、第２の楕円凹面鏡２２、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ（５ａ，５ｂ）、ハーフミラー（６ａ，６ｂ）、集光レンズ系１５の凹レンズ７及び凸レンズ８から構成される。第１の楕円凹面鏡２１において反射した光は、凹レンズ７を通過した後、レンズ７の光軸に沿って進み、凸レンズ８によって集光されることにより、第１の楕円凹面鏡２１で反射する光を多く取り込むことができ、ユーザの眼に到達する光量を増やし、ユーザが明るい視野を得ることができる。なお、本実施例のシースルー型ディスプレイ装置１０１には、ピンホールマスク３が設けられていないことから、若干、像がぼやけることになる。

図１１は、実施例４のシースルー型ディスプレイ装置の機能ブロック図を示している。実施例４のシースルー型ディスプレイ装置１０２は、第１の楕円凹面鏡２１、第２の楕円凹面鏡２２、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ５及びハーフミラー６から構成されている。すなわち、実施例４のシースルー型ディスプレイ装置１０１は、実施例１のシースルー型ディスプレイ装置１とは異なり、ピンホールマスク３、凹レンズ７及び凸レンズ８が設けられていない構成である。
図１２は、実施例４のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図を示している。シースルー型ディスプレイ装置１０２は、第１の楕円凹面鏡２１、第２の楕円凹面鏡２２、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ（５ａ，５ｂ）及びハーフミラー（６ａ，６ｂ）から構成される。
このように、シースルー型ディスプレイ装置１０２は、ピンホールマスク３、凹レンズ７及び凸レンズ８が設けられない構成とすることで、よりシンプルな構造とすることができ、装置の低コスト化が図れる。また、装置の軽量化、コンパクト化を図ることができる。

図１３は、実施例５のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図を示している。シースルー型ディスプレイ装置１０３は、第１の楕円凹面鏡２１、第２の楕円凹面鏡２２、ピンホールマスク３、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ（５ａ，５ｂ）、ハーフミラー（６ａ，６ｂ）及び凸レンズ（８ａ，８ｂ）から構成される。
シースルー型ディスプレイ装置１０３は、実施例１のシースルー型ディスプレイ装置１とは異なり、２枚の凸レンズ（８ａ，８ｂ）を備える。また、実施例１のシースルー型ディスプレイ装置１では、第１の楕円凹面鏡２１とピンホールマスク３の間に凹レンズ７及び凸レンズ８を配置するのに対し、実施例５のシースルー型ディスプレイ装置１０３では、第１の楕円凹面鏡２１とピンホールマスク３の間に凸レンズ８ａを配置し、ピンホールマスク３と第２の楕円凹面鏡２２の間に凸レンズ８ｂを配置する。これにより、第１の楕円凹面鏡２１において反射した光は、凸レンズ８ａによって集光され、ピンホールマスク３を通過した後、光は拡がるが、凸レンズ８ｂによって集束され、第２の楕円凹面鏡２２において反射し、ユーザの眼９に到達する。

図１４は、実施例６のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図を示している。シースルー型ディスプレイ装置１０４は、第１の楕円凹面鏡２１、第２の楕円凹面鏡２２０、ピンホールマスク３、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ５ｃ、ハーフミラー６ｃ、反射鏡（１６ａ，１６ｂ）、平凹レンズ７０及び平凸レンズ８０から構成される。
シースルー型ディスプレイ装置１０４は、実施例１のシースルー型ディスプレイ装置１とは異なり、反射鏡（１６ａ，１６ｂ）、平凹レンズ７０及び平凸レンズ８０を備える。すなわち、第１の楕円凹面鏡２１において反射した光は、平凹レンズ７０において集光され、平凸レンズ８０において集束し、反射鏡１６ａにより反射した後、ピンホールマスク３のピンホール３ａへと誘導される。更に、ピンホール３ａを通過した光は、反射鏡１６ｂ及び第２の楕円凹面鏡２２０により反射し、ユーザの眼９に到達する。本実施例の構成によれば、第１の楕円凹面鏡２１と第２の楕円凹面鏡２２０が、２焦点の１つを共焦点とし該共焦点を対称点として互いに対向配置された構成ではない場合においても、反射鏡（１６ａ，１６ｂ）を用いて、第１の楕円凹面鏡２１と第２の楕円凹面鏡２２０の間隔を狭めつつ、画角を広く維持することができる。

すなわち、反射鏡（１６ａ，１６ｂ）を用いて共焦点の位置を制御することにより、装置のコンパクト化を図ることが可能である。また、第２の楕円凹面鏡２２０は、実施例１に用いられる第２の楕円凹面鏡２２よりも小型のものを採用するため、かかる点においても装置のコンパクト化を図ることができる。また、実施例１においては、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ（５ａ，５ｂ）及びハーフミラー（６ａ，６ｂ）は、現実世界の物体１１と第１の楕円凹面鏡２１の間に配置されていたが、実施例６のシースルー型ディスプレイ装置１０４では、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ５ｃ及びハーフミラー６ｃは、第１の楕円凹面鏡２１と平凹レンズ７０の間に配置されている。これにより、第１の楕円凹面鏡２１と平凹レンズ７０の間のスペースを有効利用でき、装置のコンパクト化を図れる構成となっている。

図１５は、実施例７のシースルー型ディスプレイ装置の構成イメージ図を示している。シースルー型ディスプレイ装置１０５は、第１の楕円凹面鏡２１０、第２の楕円凹面鏡２２１、ピンホールマスク３、遮光パネル４、カラー液晶ディスプレイ５ｄ、ハーフミラー６ｄ、反射鏡（１６ｃ～１６ｅ）、平凹レンズ（７０ａ，７０ｂ）及び平凸レンズ（８０ａ～８０ｃ）から構成される。遮光パネル４として、空間光変調器（spatial light modulator; SLM）を用い、物体光の空間分布を変調して、２次元画素単位の遮光パターンで遮光を行っている。
シースルー型ディスプレイ装置１０５は、実施例１～６のシースルー型ディスプレイ装置とは異なり、ユーザが装置１０５を装着した際に、第１の楕円凹面鏡２１０の共焦点以外の焦点Ｆ_１と、第２の楕円凹面鏡２２１の共焦点以外の焦点Ｆ_１´とが、共に、正面を向いたユーザの眼９の眼球の光軸上（或いは視線上）にそれぞれ位置するように、第１及び第２の楕円凹面鏡（２１０，２２１）が配置されている。これにより、物体１１から発せられる物体光１０ｅが第１の楕円凹面鏡２１０に入射した高さとユーザの眼９に届いた際の高さが略同一となり、装置１０５の装着時と非装着時の視野の同一性をより向上させている。
図１５に示すように、物体光１０ｅは、遮光パネル４を通り、第１の楕円凹面鏡２１０において反射する。遮光パネル４の機能や構造については、実施例１と同様である。第１の楕円凹面鏡２１０において反射した物体光１０ｅは、平凹レンズ７０ａにおいて集光され、平凸レンズ８０ａにおいて集束し、反射鏡１６ｃ、反射鏡１６ｄの順に反射した後、ピンホールマスク３のピンホール３ａへと誘導される。ピンホール３ａを通過した物体光２０ｄは、平凸レンズ８０ｂにおいて集光され、ハーフミラー６ｄ、反射鏡１６ｅの順に反射した後、平凹レンズ７０ｂにおいて集束し、第２の楕円凹面鏡２２１において反射して、ユーザの眼９に到達する。
このように、図１５に示す光学系では、第１の楕円凹面鏡２１０と第２の楕円凹面鏡２２１がピンホール３ａに対して対称となっており、ピンホール３ａの位置に共焦点が位置するように構成されている。
また、カラー液晶ディスプレイ５ｄから発せられたディスプレイ光３０は、平凸レンズ８０ｃにおいて集光され、ハーフミラー６ｄを透過した後、反射鏡１６ｅにおいて反射し、平凹レンズ７０ｂにおいて集束し、第２の楕円凹面鏡２２１において反射して、ユーザの眼９に到達する。
このような構成とすることにより、ユーザが、シースルー型ディスプレイ装置１０５を使用せずに物体１１を見た場合と同じ高さの目線で、物体１１を視認できるため、違和感なく使用することができる。

（その他の実施例）
１）ハーフミラーは、図２に示すハーフミラー（６ａ，６ｂ）のように、上下２面の配置が好ましいが、１面でもよく、また３面以上でもよい。１面のみ設けられる場合には、下側に設けられることが好ましい。３面以上の場合は、上下以外に左右に分割して配置することでもよい。
２）上述の実施例では、ユーザの眼の固定位置に、第２の楕円凹面鏡２２又は第２の楕円凹面鏡２２０の反射光が結像するように構成されているが、ユーザの眼の上下左右の動きに追従し、装置本体の位置が微調整される構成であってもよい。

本発明は、光学シースルー型のディスプレイ装置に有用であり、特にヘッドマウントディスプレイ装置に有用である。

１，１００～１０５ シースルー型ディスプレイ装置
２ 楕円凹面鏡
３ ピンホールマスク
３ａ ピンホール
４ 遮光パネル
５，５ａ～５ｄ カラー液晶ディスプレイ
６，６ａ～６ｄ ハーフミラー
７ 凹レンズ
８，８ａ，８ｂ 凸レンズ
９ ユーザの眼
１０ａ～１０ｅ，２０ａ～２０ｄ 物体光
１１ 物体
１２ 視認映像
１３ 背景
１４ 表示映像
１４ａ，１４ｂ 部位
１５ 集光レンズ系
１６ａ～１６ｅ 反射鏡
２１，２１０ 第１の楕円凹面鏡
２２，２２０，２２１ 第２の楕円凹面鏡
３０ ディスプレイ光
５０ 虚像
７０，７０ａ，７０ｂ 平凹レンズ
８０，８０ａ～８０ｃ 平凸レンズ

Claims (15)

1. ２焦点の１つを共焦点とする第１及び第２の楕円凹面鏡を有し、第１の楕円凹面鏡の前記共焦点以外の焦点に入射する物体光を第２の楕円凹面鏡の前記共焦点以外の焦点に結像させる光学系と、
   前記物体光を遮光しない位置に配置されたディスプレイと、
   前記物体光の光路上に配置され、前記ディスプレイから出射されたディスプレイ光を前記物体光に重畳させる光学手段、
   を備えたことを特徴とするシースルー型ディスプレイ装置。
2. 第１及び第２の楕円凹面鏡は、前記共焦点を対称点として互いに対向配置されることを特徴とする請求項１に記載のシースルー型ディスプレイ装置。
3. 前記共焦点にピンホールを配置するピンホールマスクを更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のシースルー型ディスプレイ装置。
4. ユーザが装置を装着した際に、第１の楕円凹面鏡の前記共焦点以外の焦点と、第２の楕円凹面鏡の前記共焦点以外の焦点とが、共に、正面を向いたユーザの眼球の光軸上又は視線上に位置するように、第１及び第２の楕円凹面鏡が配置されたことを特徴とする請求項１～３の何れかに記載のシースルー型ディスプレイ装置。
5. 前記物体光を遮光し得る遮光パネルを更に備え、
   前記遮光パネルは、第１の楕円凹面鏡における前記物体光の入射光路上であって、前記光学手段の前段に配置されたことを特徴とする請求項１～４の何れかに記載のシースルー型ディスプレイ装置。
6. 第１の楕円凹面鏡における前記物体光の反射光を前記共焦点に集光する集光レンズ系を更に備えたことを特徴とする請求項１～５の何れかに記載のシースルー型ディスプレイ装置。
7. 第１の楕円凹面鏡における前記物体光の反射光を前記共焦点に集光する第１の集光レンズ系と、前記共焦点を通過した光を集束する第２の集光レンズ系を更に備えたことを特徴とする請求項１～５の何れかに記載のシースルー型ディスプレイ装置。
8. 前記集光レンズ系は、凹レンズと凸レンズから構成される系、又は、凹凸レンズから構成される系であることを特徴とする請求項６に記載のシースルー型ディスプレイ装置。
   
9. 前記ディスプレイと前記光学手段が各２セット設けられ、
   各々の前記光学手段は、前記物体光の上下の最大取り込み角に沿って傾斜配置され、
   各々の前記ディスプレイから出射されたディスプレイ光が、前記物体光に重畳されたことを特徴とする請求項１～８の何れかに記載のシースルー型ディスプレイ装置。
10. 前記最大取り込み角は、上が３０～３５°であり、下が４５～５０°であることを特徴とする請求項９に記載のシースルー型ディスプレイ装置。
11. 前記光学手段は、第１の楕円凹面鏡における前記物体光の入射光路上に配置され、
    前記ディスプレイは、第１の楕円凹面鏡と前記物体光を発する物体の間で、かつ、前記物体光を遮光しない位置に配置された、ことを特徴とする請求項１～１０の何れかに記載のシースルー型ディスプレイ装置。
12. 前記光学手段は、第１の楕円凹面鏡における前記物体光の反射光路上に配置され、
    前記ディスプレイは、第１の楕円凹面鏡と第２の楕円凹面鏡の間で、かつ、前記物体光を遮光しない位置に配置された、ことを特徴とする請求項１～１０の何れかに記載のシースルー型ディスプレイ装置。
13. 前記光学手段は、ハーフミラー、又は、ビームスプリッタであることを特徴とする請求項１～１２の何れかに記載のシースルー型ディスプレイ装置。
14. 前記遮光パネルは、空間光変調器を用いて、前記物体光の空間分布を変調して２次元的に遮光することを特徴とする請求項５に記載のシースルー型ディスプレイ装置。
15. 請求項１～１４の何れかのシースルー型ディスプレイ装置を備えたヘッドマウントディスプレイ装置。