JPH09297282A

JPH09297282A - ヘッドマウントディスプレイ装置

Info

Publication number: JPH09297282A
Application number: JP8110632A
Authority: JP
Inventors: Shiro Suyama; 史朗陶山; Kinya Kato; 謹矢加藤; Shigeto Koda; 成人幸田; Shigenobu Sakai; 重信酒井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-05-01
Filing date: 1996-05-01
Publication date: 1997-11-18
Anticipated expiration: 2016-05-01
Also published as: JP3556389B2

Abstract

(57)【要約】【課題】立体感の主な生理的要因である両眼視差、輻
輳、眼のピントなどを満足し、動画に対応できる高速で
電気的書き換え可能なヘッドマウントディスプレイ装置
を提供する。【解決手段】人の左右の眼に装着し、立体画像を表示
するヘッドマウントディスプレイ装置において、２次元
表示装置１１Ｒ，１１Ｌと焦点距離が可変な可変焦点レ
ンズ１２Ｒ，１２Ｌとから構成される可変焦点レンズ付
２次元表示装置と、前記２次元表示装置及び可変焦点レ
ンズを制御する制御装置１３Ｒ，１３Ｌとを備え、人の
左右の眼に対して前記可変焦点レンズ付２次元表示装置
を各々装着し、かつ前記制御装置により前記２次元表示
装置と可変焦点レンズとを同期運転するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人の左右の眼に別
々の画像を提示し、かつ、その画像を電気的に制御する
ことにより、動画の自然な３次元立体表示を行うための
ヘッドマウントディスプレイ装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気的に書き換えが可能な動画の
立体表示を行うヘッドマウントディスプレイ装置として
は、図１７に示すような平面表示装置、例えば、液晶表
示装置（ＬＣＤ）と凸レンズを用いるものがよく知られ
ている。この方式の原理について以下に述べる。３次元
物体α１を異なる方向から見た像（これを視差像と呼
ぶ）を、例えばカメラα２Ｌ、α２Ｒによって撮像す
る。このカメラα２Ｌ、α２Ｒからの映像をそれぞれ左
右のＬＣＤα３Ｌ、α３Ｒに入力し、表示する。

【０００３】観察者は、左右のＬＣＤα３Ｌ、α３Ｒの
別な表示画像をそれぞれ別々の凸レンズα４Ｌ、α４Ｒ
を通して、左右の眼α５Ｌ、α５Ｒで別々に観察する。
これにより、観察者は同時に両眼に視差像α６を観察で
き、両眼視差による立体視が可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、前記従来
の技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。

【０００５】前記従来の方式では、奥行き方向の一定の
範囲における両眼視差を提示することはできるが、両眼
視差、輻輳と、眼のピントとの間に矛盾が生ずるため、
自然な立体視が困難である。すなわち、この方式では、
眼のピントは凸レンズα４Ｌ、α４Ｒの焦点距離とＬＣ
Ｄα３Ｌ、α３Ｒの位置により決まる位置に固定され
る。

【０００６】また、この方式で両眼の輻輳角の変化量を
大きくとるためには、ＬＣＤα３Ｌ、α３Ｒのサイズを
精細度を保ちながらきわめて大きくする必要がある。こ
のように、この方式では自然な立体視にとって必要な両
眼視差、輻輳、眼のピントとの間に矛盾が生じ、疲労感
を感じるという問題があった。

【０００７】立体感を感じる生理的要因をほぼ満たす方
式としては、ホログラフィがよく知られている。しか
し、ホログラフィは、撮像にコヒーレント光が必要であ
ることや、情報量が膨大であるため、高速な電気的書き
換えが困難であり、動画に適応できないこと等の問題点
を有する。

【０００８】本発明の目的は、立体感の主な生理的要因
である両眼視差、輻輳、眼のピントなどを満足し、動画
に対応できる高速で電気的書き換え可能なヘッドマウン
トディスプレイ装置を提供することにある。

【０００９】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。

【００１１】（１）２次元表示装置と焦点距離が可変な
可変焦点レンズとから構成される可変焦点レンズ付２次
元表示装置と、前記２次元表示装置及び可変焦点レンズ
を制御する制御装置とを備え、人の左右の眼に前記可変
焦点レンズ付２次元表示装置を各々装着し、かつ、前記
制御装置により前記２次元表示装置と可変焦点レンズと
を同期駆動するヘッドマウントディスプレイ装置であ
る。

【００１２】（２）２次元表示装置と焦点距離が可変な
可変焦点レンズとから構成される可変焦点レンズ付２次
元表示装置と、前記２次元表示装置及び可変焦点レンズ
を制御する制御装置とを備え、人の左右の眼に前記可変
焦点レンズ付２次元表示装置を各々装着し、かつ、前記
制御装置により前記２次元表示装置と可変焦点レンズと
を同期駆動するヘッドマウントディスプレイ装置であっ
て、光の偏向装置あるいは光の偏向手段を前記可変焦点
レンズに組み込んだ可変光学装置を前記２次元表示装置
と眼の間に配置し、前記可変焦点レンズの焦点距離を変
化させてその像が眼に近付く場合に、前記偏向装置ある
いは可変光学装置により、２次元表示装置の表示像全体
を左右の眼の中心に近付く方向に偏向させるヘッドマウ
ントディスプレイ装置である。

【００１３】（３）前記（１）又は（２）に記載される
ヘッドマウントディスプレイ装置において、前記可変焦
点レンズは、固定焦点レンズ、固定プリズム、固定偏向
機構を固定焦点レンズに組み込んだ固定光学素子のうち
いずれか１つと、屈折率可変物質とを有する層と、該層
を挾持する少なくとも一対の透明電極とからなる。

【００１４】（４）前記（３）に記載されるヘッドマウ
ントディスプレイ装置において、前記屈折率可変物質
は、分子の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有
する液晶である。

【００１５】（５）前記（３）に記載されるヘッドマウ
ントディスプレイ装置において、前記屈折率可変物質
は、分子の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有
する液晶であり、かつ、異なる周波数ｆ１と周波数ｆ２
において、液晶分子の向きによる誘電率の差の符号が異
なる物性を有する二周波駆動液晶である。

【００１６】（６）前記（３）に記載されるヘッドマウ
ントディスプレイ装置において、前記屈折率可変物質
は、高分子分散型液晶であり、かつ、液晶の粒径あるい
は高分子の粒径が、可視光の波長よりも小さいものであ
る。

【００１７】（７）前記（３）乃至（６）のうちいずれ
か１つに記載されるヘッドマウントディスプレイ装置に
おいて、前記固定焦点レンズは、球面もしくは非球面の
単レンズあるいはフレネルレンズを有するものである。

【００１８】（８）前記（３）乃至（７）のうちいずれ
か１つに記載されるヘッドマウントディスプレイ装置に
おいて、前記固定プリズムは、単体プリズムあるいは微
小なプリズムを並べたマルチプリズムを有するものであ
る。

【００１９】（９）前記（３）乃至（８）のうちいずれ
か１つに記載されるヘッドマウントディスプレイ装置に
おいて、前記固定偏向機構を固定焦点レンズに組み込ん
だ固定光学素子は、球面あるいは非球面の単レンズもし
くはフレネルレンズの表面と光学軸とのなす角度を増加
もしくは減少させるものである。

【００２０】（１０）前記（１）乃至（９）のうちいず
れか１つに記載されるヘッドマウントディスプレイ装置
において、前記可変焦点レンズを駆動する第１の制御装
置は、周波数ｆ１及び周波数ｆ２を有する駆動波形を出
力し、かつ、周波数ｆ１、ｆ２〜ｆＮの周波数を各々有
する電圧Ｖ１、Ｖ２〜ＶＮを、一定のデューティ比と
し、かつ、これらの電圧Ｖ１、Ｖ２〜ＶＮを有する全体
の駆動電圧を一定の周期で出力する手段を備えたもので
ある。

【００２１】すなわち、本発明は、２次元表示装置と、
焦点距離が可変な可変焦点レンズと、これらの制御装置
とを備え、これらの装置を人の左右の眼に各々装着し、
２次元表示装置と可変焦点レンズとを同期運転させ、か
つ２次元表示装置を可変焦点レンズを通して観察する。
この際、可変焦点レンズの焦点距離の変化により、可変
焦点レンズが作り出す像が奥行き方向に変化するため、
実際に３次元の空間像を提示でき、立体感の生理的要因
である両眼視差、輻輳、眼のピントに矛盾を生じない３
次元表示を高速に電気的書換え可能な形で再生できる。

【００２２】

【実施の形態】以下に、本発明によるヘッドマウントデ
ィスプレイ装置の実施形態を図面を参照して詳細に説明
する。

【００２３】なお、以下に示す実施形態では、観察者が
立体感を感じ易い方向であることから観察者の両眼を含
む平面内において主に説明を行うが、その意味するとこ
ろは明らかである。

【００２４】（実施形態１）図１は本発明によるヘッド
マウントディスプレイ装置の実施形態１の概略構成を示
す斜視図であり、図２は図１の観察者の両眼を含む面に
おける平面図である。

【００２５】図１及び図２において、１１Ｒ，１１Ｌは
２次元表示装置であり、例えば、ＣＲＴ装置、液晶表示
装置、ＥＬ表示装置、プラズマ表示装置、レーザースキ
ャン型描画装置、プロジェクション型表示装置などを用
いる。１２Ｒ，１２Ｌは可変焦点レンズであり、例え
ば、液晶レンズなどを用いる。１３Ｒ，１３Ｌは制御装
置であり、前記２次元表示装置１１Ｒ，１１Ｌ及び可変
焦点レンズ１２Ｒ，１２Ｌを制御するものである。１４
Ｒは右眼用ヘッドマウントディスプレイ装置であり、２
次元表示装置１１Ｒ、可変焦点レンズ１２Ｒ及び制御装
置１３Ｒで構成される。１４Ｌは左眼用ヘッドマウント
ディスプレイ装置であり、２次元表示装置１１Ｌ、可変
焦点レンズ１２Ｌ及び制御装置１３Ｌで構成される。１
５Ｒは右眼、１５Ｌは左眼、１６Ｒ、１６Ｌは表示像、
１７は虚像、Ｓは仕切である。

【００２６】本実施形態１のヘッドマウントディスプレ
イ装置は、図１及び図２に示すように、可変焦点レンズ
１２Ｒ、この可変焦点レンズ１２Ｒの焦点距離より可変
焦点レンズ１２Ｒ側に近く配置された２次元表示装置１
１Ｒ及び制御装置１３Ｒからなる右眼用ヘッドマウント
ディスプレイ装置１４Ｒと、同様に、２次元表示装置１
１Ｌ、可変焦点レンズ１２Ｌ及び制御装置１３Ｌからな
る左眼用ヘッドマウントディスプレイ装置１４Ｌとで構
成され、これらの右眼用ヘッドマウントディスプレイ装
置１４Ｒを右眼１５Ｒに、左眼用ヘッドマウントディス
プレイ装置１４Ｌを左眼１５Ｌに各々装着して用いる。

【００２７】この構成において、２次元表示装置１１Ｒ
の表示像１６Ｒを可変焦点レンズ１２Ｒを通して右眼１
５Ｒで、２次元表示装置１１Ｌの表示像１６Ｌを可変焦
点レンズ１２Ｌを通して左眼１５Ｌで見ると、例えば、
虚像１７となる。ここで、可変焦点レンズ１２Ｒ，１２
Ｌの焦点距離を変化させると、図３に示すように、虚像
の奥行き位置が変化し、例えば、虚像１８となる。ここ
で、図４に示すように、立体像１９は、例えば、奥行き
方向に標本化した２次元像（以下、奥行き標本化像とす
る）の集まり１１０として表現できる。

【００２８】そこで、この奥行き標本化像を順次に２次
元表示装置１６Ｒ，１６Ｌに表示していき、制御装置１
３Ｒ，１３Ｌによってこの表示にあわせて可変焦点レン
ズ１２Ｒ，１２Ｌの焦点距離を変化させることにより、
立体像を奥行き標本化像の集まり１１０として表示で
き、バリフォーカル型３次元表示を実現することができ
る。

【００２９】このように本実施形態１では、実際に虚像
の奥行き方向が変化するため、図１５に示す従来の手法
で生じていた眼のピントと両眼視差や輻輳の間における
矛盾を解消できる。したがって、立体感の主な生理的要
因である眼のピント、両眼視差、輻輳を満足できるよう
になり、自然な立体視が実現できる。

【００３０】また、本実施形態１では、可変焦点レンズ
１２Ｒ，１２Ｌの焦点距離（正負を含む）を小さくする
と、虚像の奥行き位置が眼より遠くになるが、それとと
もに２次元表示装置１６Ｒ，１６Ｌの表示像も拡大され
る。したがって、虚像の大きさを同じにするためには、
可変焦点レンズ１２Ｒ，１２Ｌの焦点距離の動きに対応
して２次元表示装置１６Ｒ，１６Ｌの表示像の大きさを
変化させる必要がある。

【００３１】しかし、この性質により２次元表示装置の
カバーできる視野域は眼より遠くなるほど大きくなるこ
とから、人の通常の視野の状態に近い自然な状態を実現
することができる利点を有する。

【００３２】さらに、２次元表示装置１６Ｒ，１６Ｌ
の、例えば、画素数あるいは表示ライン数などは変化し
ないため、虚像が眼より遠くなるにしたがって、例え
ば、画素の大きさや表示ラインの幅は大きくなるが、眼
からの視角は変わらないため、人の感じる画像の精細度
は変化しない利点も有する。

【００３３】図５は奥行き知覚に関与する諸要因と奥行
き感度の関係を示す図であり、各立体感要因についての
実測ならびに計算値から概算された奥行き感度を図示し
たものである。

【００３４】図６は輻輳-調節の対応関係と許容範囲を
示す図であり、中央４５°の実線は輻輳-調節が完全に
対応している部分で、その近傍の領域は、焦点深度など
によって許容できる範囲を示す。許容基準として視力
（ε)、ボケ検出能力(δ)を採用することにより少し範
囲が異なるが、実際の２眼式立体範囲よりは非常に狭
い。外側の曲線は、両眼の融像限界を示し、黒点実線は
最大融像限界（輻輳許容限界）、点線は２重像状態から
再度融像が成立する範囲（再融像限界）、破線は画像呈
示時間０.５秒にした時の融像限界（短時間呈示０．５
秒での輻輳限界）を示す。動画像に対しては破線範囲以
内の立体効果でないと、長時間観察でかなりの疲労感が
生じる。ＭＷは輻輳角、Ｄはディオプターである。

【００３５】本発明において、例えば、奥行き標本化を
用いる場合には、その標本化数を規定する必要がある。
ここで、人の眼のピントは、図５に示すように視距離が
近距離（２ｍ程度以下）の場合にしか作用せず、また、
奥行き分解能は最高でも視距離の１／１０以上と比較的
低く、かつ、図６に示すように輻輳角との間にも許容範
囲がある。このため、実際には、例えば、２０〜４０以
上の奥行き標本化数とすれば、自然な立体視が実現でき
る。

【００３６】なお、本実施形態１では、立体像を奥行き
標本化像の集まりとして表現する場合について示した
が、他にも立体像を、例えば、線画の集まりとして表現
するなど多くの方法があることは明らかである。

【００３７】なお、図１及び図２に示した構成は一例で
あり、鏡、レンズ、プリズムなどを用いて光路を折曲げ
ることにより、装置の小型化が可能なことは明らかであ
る。

【００３８】（実施形態２）図７は本発明によるヘッド
マウントディスプレイ装置の実施形態２の概略構成を示
す図であり、２１Ｒ，２１Ｌは２次元表示装置、２２
Ｒ，２２Ｌは可変焦点レンズ、２３Ｒ，２３Ｌは制御装
置、２４Ｒ，２４Ｌは偏向装置、２５Ｒ，２５Ｌは表示
像、１７は虚像である。前記偏向装置２４Ｒ，２４Ｌと
しては、例えば、液晶プリズム、可動ミラー、液体プリ
ズムなどを用いる。本実施形態２は、輻輳角とピント調
節の自然な対応関係を容易に作り出すための実施形態で
ある。

【００３９】本実施形態２のヘッドマウントディスプレ
イ装置は、図７に示すように、２次元表示装置２１Ｒ，
２１Ｌ、可変焦点レンズ２２Ｒ，２２Ｌ及びこれらを制
御する制御装置２３Ｒ，２３Ｌで構成される。

【００４０】ここで、ヘッドマウントディスプレイ装置
においては、表示する立体像の奥行き位置が眼に近づく
と大きな輻輳角を作り出すために、左右の眼で観察する
左像と右像を左右眼の中心方向に近づける必要がある。
前記実施形態１のヘッドマウントディスプレイ装置で
は、この作用を２次元表示装置２１Ｒ，２１Ｌを用いて
行うため、実際に表示像を左右眼の中心方向に近づけて
表示する。このため、２次元表示装置２１Ｒ，２１Ｌの
表示像の制御が複雑になってしまう。また、輻輳角を大
きく変化させる場合には、２次元表示装置を視野以上の
必要以上に左右方向に大きくする必要などが生じる。

【００４１】これに対して、本実施形態２では、輻輳角
を生じさせるための左像と右像の左右方向の動きを、偏
向装置２４Ｒ，２４Ｌによって行う。すなわち、２次元
表示装置２１Ｒ，２１Ｌと可変焦点レンズ２２Ｒ，２２
Ｌの動作は、実施形態１と同様であるが、偏向装置２４
Ｒ，２４Ｌによって、可変焦点レンズ２２Ｒ，２２Ｌの
焦点距離が長くなり、２次元表示装置２１Ｒ，２１Ｌの
表示像２５Ｒ，２５Ｌの虚像の奥行き位置が左右の眼に
各々近づくにつれて、偏向装置２４Ｒ，２４Ｌによって
２次元表示装置２１Ｒ，２１Ｌの表示像を左右眼の中央
位置に近づける。

【００４２】これにより、本実施形態２のヘッドマウン
トディスプレイ装置における２次元表示と輻輳角制御が
分離されて制御し易くなり、かつ、２次元表示装置２１
Ｒ、２１Ｌの表示面全体を有効に使用することが可能と
なる。すなわち、虚像１７が左右の眼から遠いときには
輻輳角が小さく、虚像１７が左右の眼に近いときには輻
輳角が大きくなるようにでき、輻輳角と眼のピントを容
易に満足できる利点を有する。

【００４３】本実施形態２では、偏向装置２４Ｒ，２４
Ｌが可変焦点レンズ２２Ｒ、２２Ｌよりも２次元表示装
置２１Ｒ，２１Ｌ側にある場合を示したが、この偏向装
置２４Ｒ，２４Ｌが可変焦点レンズ２２Ｒ、２２Ｌより
も左右眼側にある場合でも同様の効果が得られることは
明らかである。

【００４４】また、図７の実施形態２では、偏向装置２
４Ｒ，２４Ｌと可変焦点レンズに別々の装置を用いる場
合について示したが、例えば、図８に示すように、偏向
装置と可変焦点レンズ２２Ｒ，２２Ｌを一体化した可変
光学装置２６Ｒ，２６Ｌ（例えば、実施形態６にその一
例を示す）を用いる場合でも同様の効果を得られ、か
つ、装置の小型化等において極めて有効であることは明
らかである。

【００４５】（実施形態３）本発明においては、前記実
施形態１、２において示したように、奥行き方向に時分
割で眼の残像現象を利用して、立体像を再現する。この
ため、奥行き方向への像の移動は、眼の残像時間（例え
ば１６ｍｓ）内に行う必要があり、可変焦点レンズには
高速性が要求される。しかし、従来の液晶レンズ（例え
ば昭和５９年度科学研究費補助金研究成果報告書Ｎｏ.
５９８５００４８に記載の「液晶レンズ」など参照）で
は、動作速度は数秒以上と極めて遅く、立体表示装置に
適用できなかった。

【００４６】そこで、本発明では、立体表示装置に適用
可能な高速な可変焦点レンズ構造として、図９に示す可
変焦点レンズ｛本発明によるヘッドマウントディスプレ
イ装置の可変焦点レンズの一実施形態（実施形態３）｝
を用いる。図９において、３１は固定焦点のレンズであ
り、例えば、ガラスやプラスチック製の単レンズ、ある
いはフレネルレンズなどを用いる。３２は屈折率可変物
質であり、例えば、二周波駆動液晶、高分子分散型液晶
などを用いる。３３，３４は透明電極であり、例えば、
ＩＴＯ膜、ＳｎＯ_X膜などを用いる。３５は駆動装置、
３６は入射光、３７，３８は出射光である。

【００４７】本実施形態３の可変焦点レンズは、図９に
示すように、固定焦点のレンズ３１と、屈折率可変物質
３２と、これら固定焦点レンズ３１と屈折率可変物質３
２を一定の間隔距離で挾んだ一対の透明電極３３，３４
から構成される。

【００４８】屈折率可変物質３２として二周波駆動液晶
を用いる場合について示す。屈折率可変物質（二周波駆
動液晶）３２は、屈折率異方性と誘電率異方性を有す
る。その誘電率異方性の符号は印加電界の周波数によっ
て変化するため、透明電極３３，３４への印加電界の周
波数の変化により、屈折率可変物質３２の分子の向きを
電界の向きに対して変化できる。したがって、屈折率異
方性に基づき、入射光３６が感じる屈折率を、印加電界
の周波数変化により変えられるため、本実施形態３の可
変焦点レンズの焦点距離を変化できる。

【００４９】次に、本実施形態３における可変焦点レン
ズの駆動法の一例を説明する。

【００５０】図１０は可変焦点レンズの駆動法の一例を
説明するための図であり、（ａ）は駆動電圧波形として
正弦波を用いた場合、（ｂ）は駆動電圧波形として矩形
波を用いた場合である。図１０において、Ｔ₁は低い周
波数の信号を出力する時間、Ｔ₂は高い周波数の信号を
出力する時間、Ｔ₃はＴ₁とＴ₂とを加算した時間を示
す。

【００５１】図１０に示す駆動波形は、二周波駆動液晶
を駆動するための駆動電圧波形であり、例えば、周波数
ｆ１（Δε₁＞０）と周波数ｆ２（Δε₂＜０）との異な
る２つの周波数の信号を印加するときで誘電率異方性Δ
εの符号が異なる時である。

【００５２】図１０から明らかなように、駆動手段の駆
動出力の振幅は等しいかあるいはほぼ等しい周波数ｆ１
を主周波数とする電界と、周波数ｆ２を主周波数とする
電界とを、一定のデューティ比と一定の周期とからな
る。

【００５３】前述する電界を印加された二周波駆動液晶
の分子は、長軸を電界に沿って配向させる力（周波数ｆ
１を印加したときの力）と、長軸を電界に垂直に配向さ
せる力（周波数ｆ２を印加したときの力）とを周期的か
つ交互に受けることになる。

【００５４】このとき、他に二周波駆動液晶の分子を拘
束する力がなければ、液晶は周波数ｆ１と周波数ｆ２の
切り替わりにしたがって、急激にデジタル的（二値的）
な変化をすることとなり、立体表示装置に必要となる連
続したアナログ動作を行わせることができない。

【００５５】しかしながら、実際の液晶には粘性をはじ
めとして、液晶の結晶としての拘束力等の液晶分子の方
向転換を阻害する力が働くので、前述する駆動信号によ
って働く力と均衡し、広い領域にわたってほぼ均一で高
速な液晶のアナログ的かつ周期的な配向運動が可能とな
る。

【００５６】ただし、前述する駆動信号で可変焦点レン
ズを駆動する場合、周波数ｆ１と周波数ｆ２とからなる
駆動信号を周期的に一定の時間印加することが重要であ
る。

【００５７】例えば、周波数ｆ１と周波数ｆ２とからな
る駆動信号を１回だけ印加した場合では、液晶の均一性
が損なわれる、あるいは、散乱が大きくなる等の現象が
表れるだけであり、可変焦点レンズとしての実用性には
乏しい効果しか発現しない。

【００５８】図９に示す可変焦点レンズの透明電極３
３，３４に印加される駆動電圧として正弦波もしくは矩
形波を用いた場合、図１０に示すように、二周波駆動液
晶（屈折率可変物質３２）の誘電率異方性が正となる周
波数ｆ１と誘電率異方性が負となる周波数ｆ２とを主な
周波数として含む電界を交互に印加することにより、液
晶を交互に電界に対して平行にしたり垂直にしたりでき
る。液晶はその分子軸に対して屈折率の異方性を有して
いるため、これにより屈折率を周期的に変化できる。し
たがって、このような駆動を行うことにより前記可変焦
点レンズの焦点距離を周期的に変化できる。なお、可変
焦点レンズの駆動法の詳細については、本出願人が先に
出願した特願平８−４７６５４号明細書を参照された
い。

【００５９】本実施形態３における可変焦点レンズは、
前述したように主に電界によってその屈折率を変化でき
るため、その電界を大きくすることにより、可変焦点レ
ンズの焦点距離の変化速度を容易に高速化できる利点を
有している。また、透明電極３３，３４を、固定焦点レ
ンズ３１と屈折率可変物質３２を挾む位置に配置できる
ため、透明電極３３，３４の間隔を一定にでき、均一な
電界を屈折率可変物質３２に印加できる利点を有する。

【００６０】また、本実施形態３の可変焦点レンズは、
図１１に示すように、屈折率可変物質３２側の透明電極
３３上に、配向膜３１０（例えば、ポリイミド、ＰＶ
Ａ、ＰＶＢ、斜方蒸着ＳｉＯなど）を含む構成とし、配
向膜３１０に、例えば、ラビング法などによる配向処理
を加えることにより、この上の二周波駆動液晶（屈折率
可変物質３２）の分子を一定の方向に配向させることが
できる。これにより、屈折率可変物質３２が配向膜３１
０に平行（電界に対してほぼ垂直）となるような電界の
場合に、屈折率可変物質３２を広い領域において均一な
配向状態とすることができ、入射光３６の偏向状態をこ
の配向方向と一致させ、屈折率可変物質３２の屈折率変
化を入射光３６に効率良く伝えることが可能となり、か
つ屈折率可変物質３２が種々の方向にばらばらに向くこ
とによって生じる散乱、白濁を防ぐことができる。

【００６１】（実施形態４）図１２は本発明によるヘッ
ドマウントディスプレイ装置の可変焦点レンズの他の実
施形態（実施形態４）の概略構成を示す図である。図１
２において、４１は固定焦点のレンズ、４２は高分子分
散型液晶、４３，４４は透明電極、４５は駆動装置、４
６は入射光、４７，４８は出射光、４９は高分子、４１
０は液晶である。

【００６２】本実施形態４は、図１２に示すように、屈
折率可変物質として高分子分散型液晶４２を用いる場合
である。高分子分散型液晶４２は、例えば、高分子４９
の中に粒径の小さな液晶４１０が数多く分散されている
構造を有する。

【００６３】この高分子分散型液晶４２では、例えば、
液晶４１０の粒径が小さいために高分子４９と液晶４１
０との界面の面積が体積に比べて大きくなり、この界面
での液晶４１０の束縛力が大きくなるため、応答速度が
１ｍｓ以上と高速である利点を有する。

【００６４】しかし、通常の高分子分散型液晶４２にお
いては、例えば、液晶４１０の粒径が可視光の波長と同
程度以上であり、散乱が大きく、透過度や解像度が低下
するため、可変焦点レンズとして本発明には適用できな
い。

【００６５】そこで、本実施形態４では、例えば、液晶
４１０の粒径を可視光の波長よりも充分に小さく、例え
ば１００ｎｍ以下とすることを特徴とする。これによ
り、散乱を充分に抑制でき、高い透過度と解像度を有す
る利点があり、高速な可変焦点レンズとして本発明に適
用できる。

【００６６】本実施形態４では、例として液晶４１０を
微小な粒として高分子４９中に分散させる場合について
示したが、逆に高分子４９を微小な粒として液晶中に分
散させても同様な効果が得られることは明らかである。

【００６７】（実施形態５）図１３は本発明によるヘッ
ドマウントディスプレイ装置の偏向装置の一実施形態
（実施形態５）の概略構成を示す図である。図１３にお
いて、５１は固定プリズムであり、例えば、ガラスやプ
ラスチック製の単体プリズムあるいは微小プリズムを並
べたマルチプリズムなどを用いる。５２は屈折率可変物
質であり、例えば、二周波駆動液晶、高分子分散型液晶
などを用いる。５３，５４は透明電極、５５は駆動装
置、５６は入射光、５７，５８は出射光である。

【００６８】本実施形態５の偏向装置は、図１３に示す
ように、固定プリズム５１と、屈折率可変物質５２と、
これら固定プリズム５１と屈折率可変物質５２を一定の
間隔距離で挾んだ一対の透明電極５３，５４から構成さ
れる。

【００６９】まず、屈折率可変物質５２として二周波駆
動液晶を用いる場合について説明する。前記実施形態３
で示した装置と同様に、透明電極５３、５４への印加電
界の周波数の変化により、屈折率可変物質５２の分子の
向きを電界の向きに対して変化でき、屈折率異方性に基
づいて入射光５６が感じる屈折率を印加電界の周波数変
化により変えられる。このため、スネルの屈折の法則に
基づき、本実施形態５の偏向装置の光偏向角度を変化さ
せることができる。

【００７０】また、本実施形態５における偏向装置は、
前記実施形態３で示した装置と同様に、主に電界によっ
てその屈折率を変化できるため、偏向装置の光偏向角の
変化速度を容易に高速化できる利点を有している。ま
た、透明電極５３を固定プリズム５１と屈折率可変物質
５２を挾む位置に配置できるため、透明電極５３、５４
の間隔を一定でき、均一な電界を屈折率可変物質５２に
印加できる利点を有する。

【００７１】また、本実施形態５の偏向装置は、前記実
施形態３で示した装置と同様に、図１４に示すように、
屈折率可変物質５２側の透明電極５３上に、配向膜５１
０（例えばポリイミド、ＰＶＡ、ＰＶＢ、斜方蒸着Ｓｉ
Ｏなど）を含む構成とし、配向膜５１０に、例えば、ラ
ビング法などによる配向処理を加えることにより、この
上の二周波駆動液晶（屈折率可変物質５２）の分子を一
定の方向に配向膜移行させることができ、広い領域で均
一な配向状態を実現できる。

【００７２】したがって、入射光５６の偏光状態をこの
配向方向と一致させることで、屈折率可変物質５２の屈
折率変化を入射光５６に効率よく伝えることが可能とな
り、かつ屈折率可変物質５２が種々の方向にばらばらに
向くことによって生じる散乱、白濁を防ぐことができ
る。

【００７３】次に、屈折率可変物質として、前記実施形
態４に示した装置と同様に、高分子分散型液晶を用いる
ことも有効である。高分子分散型液晶を用いることによ
り、応答速度を１ｍｓ以上と高速にできる利点を有す
る。さらに、前記実施形態４に示した装置と同様に、例
えば、液晶の粒径を可視光の波長よりも充分に小さく、
例えば、１００ｎｍ以下とすることにより、散乱を充分
に抑制でき、高い透過度と解像度を得られる利点があ
り、高速な光偏向装置として本発明に適用できる。

【００７４】（実施形態６）図１５は本発明によるヘッ
ドマウントディスプレイ装置の可変光学装置の一実施形
態（実施形態６）の概略構成を示す図である。図１５に
おいて、６１は固定光学素子であり、固定焦点レンズ
（例えば、ガラスやプラスチック製の単レンズあるいは
フレネルレンズなど）に固定偏向機構（例えば、単体プ
リズムあるいは微小プリズムを並べたマルチプリズムな
ど）を組合せたものである。６２は屈折率可変物質、６
３，６４は透明電極、６５は駆動装置、６６は入射光、
６７，６８は出射光である。

【００７５】本実施形態６の可変光学装置は、図１５に
示すように、固定光学素子６１と、屈折率可変物質６２
と、これら固定光学素子６１と屈折率可変物質６２を一
定の間隔距離で挾んだ一対の透明電極６３，６４から構
成される。

【００７６】例えば、固定焦点レンズとしてフレネルレ
ンズを用いた場合には、固定光学素子６１は、図１５に
示すように、各フレネル面のフレネル角を所望の光偏向
角度範囲に応じて一方向に傾けた構造とすることによ
り、実現できる。また、固定焦点レンズとして単体レン
ズを用いた場合には、固定光学素子６１はレンズ面を所
望の光偏向角度範囲に応じて一方向に傾けた構造とする
ことにより実現できる。

【００７７】まず、屈折率可変物質６２として二周波駆
動液晶を用いる場合について説明する。前記実施形態３
及び実施形態５で示した装置と同様に、透明電極６３，
６４への印加電界の周波数の変化により、屈折率可変物
質６２の分子の向きを電界の向きに対して変化でき、屈
折率異方性に基づいて入射光６６が感じる屈折率を印加
電界の周波数変化により変えられる。このため、本実施
形態６の可変光学装置の焦点距離と光の偏向角を変化す
ることができる。

【００７８】本実施形態６の可変光学装置は、前記実施
形態３及び実施形態５で示した装置と同様に、主に電界
によってその屈折率を変化できるため、焦点距離と偏向
角の変化速度を容易に高速化できる利点を有している。
また、透明電極６３を固定光学素子６１と屈折率可変物
質６２を挾む位置に配置できるため、透明電極６３，６
４の間隔を一定にでき、均一な電界を屈折率可変物質６
２に印加できる利点を有する。

【００７９】また、本発明の可変光学装置は、前記実施
形態３及び実施形態５で示した装置と同様に、図１６に
示すように、屈折率可変物質６２側の透明電極６３上
に、配向膜６１０（例えばポリイミド、ＰＶＡ、ＰＶ
Ｂ、斜方蒸着ＳｉＯなど）を含む構成とし、配向膜６１
０に例えばラビング法などによる配向処理を加えること
により、この上の二周波駆動液晶（屈折率可変物質６
２）の分子を一定の方向に配向させることができ、広い
領域において均一な配向状態を実現できる。したがっ
て、入射光６６の偏光状態をこの配向方向と一致させる
ことにより、屈折率可変物質６２の屈折率変化を入射光
６６に効率よく伝えることが可能となり、かつ屈折率可
変物質６２が種々の方向にばらばらに向くことによって
生じる散乱、白濁を防ぐことができる。

【００８０】次に、屈折率可変物質として、前記実施形
態４及び実施形態５に示した装置と同様に、高分子分散
型液晶を用いることも有効である。高分子分散型液晶を
用いることにより、応答速度を１ｍｓ以上と高速にでき
る利点を有する。さらに、実施形態４、５に示した装置
と同様に、例えば液晶の粒径を可視光の波長よりも充分
に小さく、例えば１００ｎｍ以下とすることにより、散
乱を充分に抑制でき、高い透過度と解像度を得られる利
点があり、高速な可変光学装置として本発明に適用でき
る。

【００８１】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、
前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論で
ある。

【００８２】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。

【００８３】２次元表示装置と可変焦点レンズとを含む
装置を人の左右の眼に各々装着し、２次元表示装置の表
示像を可変焦点レンズを通して観察し、可変焦点レンズ
の焦点距離を変化させ、２次元表示装置の表示像の虚像
の位置を奥行き方向に変化させることにより、立体感の
主な生理的要因である両眼視差、輻輳、眼のピントに矛
盾を生じないような３次元像を高速で電気的書換え可能
な形で再生できる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置
の実施形態１の概略構成を示す斜視図である。

【図２】図１の観察者の両眼を含む面における平面図で
ある。

【図３】本実施形態１のヘッドマウントディスプレイ装
置の動作を説明するための図である。

【図４】本実施形態１のヘッドマウントディスプレイ装
置の動作を説明するための図である。

【図５】奥行き知覚に関与する諸要因と奥行き感度の関
係を示す図である。

【図６】輻輳-調節の対応関係と許容範囲を示す図であ
る。

【図７】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置
の実施形態２の概略構成を示す図である。

【図８】本実施形態２のヘッドマウントディスプレイ装
置の変形例の概略構成を示す図である。

【図９】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装置
の可変焦点レンズの一実施形態（実施形態３）の概略構
成を示す図である。

【図１０】本実施形態３の可変焦点レンズの駆動法を説
明するための図である。

【図１１】本実施形態３の可変焦点レンズの変形例の概
略構成を示す図である。

【図１２】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装
置の可変焦点レンズの他の実施形態（実施形態４）の概
略構成を示す図である。

【図１３】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装
置の偏向装置の一実施形態（実施形態５）の概略構成を
示す図である。

【図１４】本実施形態５の偏向装置の変形例の概略構成
を示す図である。

【図１５】本発明によるヘッドマウントディスプレイ装
置の可変光学装置の一実施形態（実施形態６）の概略構
成を示す図である。

【図１６】本実施形態６の可変光学装置の変形例の概略
構成を示す図である。

【図１７】従来の立体表示装置の例の概略構成を示す図
である。

【符号の説明】１１Ｒ，１１Ｌ，２１Ｒ，２１Ｌ…２次元表示装置、１
２Ｒ，１２Ｌ，２２Ｒ，２２Ｌ…可変焦点レンズ、１３
Ｒ，１３Ｌ，２３Ｒ，２３Ｌ…制御装置、１４Ｒ…右眼
用装置（ヘッドマウントディスプレイ装置）、１４Ｌ…
左眼用装置、１５Ｒ…右眼、１５Ｌ…左眼、１６Ｒ，１
６Ｌ，２５Ｒ，２５Ｌ…表示像、１７，１８…虚像、２
４Ｒ，２４Ｌ…偏向装置、３１，４１…固定焦点のレン
ズ、３２，５２，６２…屈折率可変物質、３３，３４，
４３，４４，５３，５４，６３，６４…透明電極、３
５，４５，５５，６５…駆動装置、３６，４６，５６，
６６…入射光、３７，３８，４７，４８，５７，５８，
６７，６８…出射光、４２は高分子分散型液晶、４９…
高分子、４１０…液晶、５１…固定プリズム、６１…固
定光学素子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者酒井重信東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２次元表示装置と焦点距離が可変な可変
焦点レンズとから構成される可変焦点レンズ付２次元表
示装置と、前記２次元表示装置及び可変焦点レンズを制
御する制御装置とを備え、人の左右の眼に前記可変焦点
レンズ付２次元表示装置を各々装着し、かつ、前記制御
装置により前記２次元表示装置と可変焦点レンズとを同
期駆動することを特徴とするヘッドマウントディスプレ
イ装置。
【請求項２】２次元表示装置と焦点距離が可変な可変
焦点レンズとから構成される可変焦点レンズ付２次元表
示装置と、前記２次元表示装置及び可変焦点レンズを制
御する制御装置とを備え、人の左右の眼に前記可変焦点
レンズ付２次元表示装置を各々装着し、かつ、前記制御
装置により前記２次元表示装置と可変焦点レンズとを同
期駆動するヘッドマウントディスプレイ装置であって、
光の偏向装置あるいは光の偏向手段を前記可変焦点レン
ズに組み込んだ可変光学装置を前記２次元表示装置と眼
の間に配置し、前記可変焦点レンズの焦点距離を変化さ
せてその像が眼に近付く場合に、前記偏向装置あるいは
可変光学装置により、２次元表示装置の表示像全体を左
右の眼の中心に近付く方向に偏向させることを特徴とす
るヘッドマウントディスプレイ装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載されるヘッドマウ
ントディスプレイ装置において、前記可変焦点レンズ
は、固定焦点レンズ、固定プリズム、固定偏向機構を固
定焦点レンズに組み込んだ固定光学素子のうちいずれか
１つと、屈折率可変物質とを有する層と、該層を挾持す
る少なくとも一対の透明電極とからなることを特徴とす
るヘッドマウントディスプレイ装置。
【請求項４】請求項３に記載されるヘッドマウントデ
ィスプレイ装置において、前記屈折率可変物質は、分子
の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶
であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装
置。
【請求項５】請求項３に記載されるヘッドマウントデ
ィスプレイ装置において、前記屈折率可変物質は、分子
の向きにより誘電率異方性と屈折率異方性を有する液晶
であり、かつ、異なる周波数ｆ１と周波数ｆ２におい
て、液晶分子の向きによる誘電率の差の符号が異なる物
性を有する二周波駆動液晶であることを特徴とするヘッ
ドマウントディスプレイ装置。
【請求項６】請求項３に記載されるヘッドマウントデ
ィスプレイ装置において、前記屈折率可変物質は、高分
子分散型液晶であり、かつ、液晶の粒径あるいは高分子
の粒径が、可視光の波長よりも小さいことを特徴とする
ヘッドマウントディスプレイ装置。
【請求項７】請求項３乃至６のうちいずれか１項に記
載されるヘッドマウントディスプレイ装置において、前
記固定焦点レンズは、球面もしくは非球面の単レンズあ
るいはフレネルレンズを有することを特徴とするヘッド
マウントディスプレイ装置。
【請求項８】請求項３乃至７のうちいずれか１項に記
載されるヘッドマウントディスプレイ装置において、前
記固定プリズムは、単体プリズムあるいは微小なプリズ
ムを並べたマルチプリズムを有することを特徴とするヘ
ッドマウントディスプレイ装置。
【請求項９】請求項３乃至８のうちいずれか１項に記
載されるヘッドマウントディスプレイ装置において、前
記固定偏向機構を固定焦点レンズに組み込んだ固定光学
素子は、球面あるいは非球面の単レンズもしくはフレネ
ルレンズの表面と光学軸とのなす角度を増加もしくは減
少させるものであることを特徴とするヘッドマウントデ
ィスプレイ装置。
【請求項１０】請求項１乃至９のうちいずれか１項に
記載されるヘッドマウントディスプレイ装置において、
前記可変焦点レンズを駆動する第１の制御装置は、周波
数ｆ１及び周波数ｆ２を有する駆動波形を出力し、か
つ、周波数ｆ１、ｆ２〜ｆＮの周波数を各々有する電圧
Ｖ１、Ｖ２〜ＶＮを、一定のデューティ比とし、かつ、
これらの電圧Ｖ１、Ｖ２〜ＶＮを有する全体の駆動電圧
を一定の周期で出力する手段を備えたことを特徴とする
ヘッドマウントディスプレイ装置。