WO2020189302A1 - 光学式シースルー型ディスプレイ - Google Patents

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WO2020189302A1
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lens
optical
optical system
display
relay lens
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Inventor
勇太 伊藤
巧 浜崎
Original Assignee
国立大学法人東京工業大学
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/02—Viewing or reading apparatus
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02C—SPECTACLES; SUNGLASSES OR GOGGLES INSOFAR AS THEY HAVE THE SAME FEATURES AS SPECTACLES; CONTACT LENSES
    • G02C11/00—Non-optical adjuncts; Attachment thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N5/00—Details of television systems
    • H04N5/64—Constructional details of receivers, e.g. cabinets or dust covers

Definitions

  • the present invention relates to an optical see-through display.
  • HMD Head Mount Display
  • VST Video-see Through
  • OST Optical-see Through
  • VST Video-see Through
  • a real world image is converted into digital image data by a camera, and virtual world image data is synthesized by signal processing and displayed on a display.
  • FIG. 1A is a diagram showing the principle of the conventional OST-HMD.
  • OST-HMD 2 includes a micro-display 4 for presenting an image of the virtual world, a background light S 1 in the real world, an optical system 6 for superimposing light S 2 microdisplays 4.
  • the optical system 6 is a half mirror.
  • FIG. 1A is a diagram showing OST-HMD3 with optical shielding.
  • the spatial light modulator (SLM) 8 for optical shielding is inserted into the see-through path.
  • This SLM8 is an optical mask.
  • the SLM 8 and the microdisplay 4 are arranged so that the distance between the pupil and the SLM and the distance between the pupil and the microdisplay are optically equal to each other.
  • Non-Patent Document 1 an OST-HMD capable of changing the depth (focal length) of a virtual image has also been proposed (Non-Patent Document 1).
  • this device referred to as a variable focus type OST-HMD
  • the optical system 6 is configured by a deformable beam splitter. By changing the curvature of the beam splitter, the position of the virtual image of the virtual image displayed on the microdisplay can be moved in the depth direction.
  • variable focus type OST-HMD of Non-Patent Document 1 since the virtual image is translucent, there is room for improvement in order to enhance the sense of reality. Therefore, it was examined to combine the variable focus type OST-HMD with the optical shielding.
  • the physical positions of the SLM and the microdisplay for optical shielding are fixed.
  • the focal length (depth) of the virtual image presented by the micro display is shifted, the depth position of the virtual image and the depth position of the shielding mask are shifted.
  • the human eye is focusing on the virtual image, the larger the deviation, the less the shielding effect, and the virtual image becomes more translucent. It should be noted that this problem should not be regarded as a general recognition of those skilled in the art, but is independently recognized by the present inventors.
  • the present invention has been made in such a situation, and one of the exemplary purposes of the embodiment is to provide a varifocal OST-HMD capable of effective occlusion regardless of the depth position of the virtual image. ..
  • the optical see-through display includes a micro display that displays virtual images, an image projection unit that can control the depth position of virtual images, a relay lens optical system, and a spatial optical modulator arranged in the relay lens optical system.
  • a micro display that displays virtual images
  • an image projection unit that can control the depth position of virtual images
  • a relay lens optical system that can control the depth position of virtual images
  • a relay lens optical system that can control the depth position of virtual images
  • a spatial optical modulator arranged in the relay lens optical system.
  • the relay lens optical system has a first lens having a focal length f, a second lens having a focal length of 2f and a focal length of f / 2, and a distance from the second lens of 2f.
  • a third lens having a focal length of f may be included.
  • the spatial light modulator may be inserted between the first lens and the second lens.
  • At least one of the first lens, the second lens, and the third lens may be a composite lens of a plurality of lenses.
  • the optical see-through display may further include a pair of light guide plates provided in the front and rear stages of the relay lens optical system.
  • the mechanism may include an actuator that shifts the spatial light modulator in the optical axis direction of the relay lens optical system.
  • variable focus type OST display capable of effective shielding regardless of the depth position of the virtual image.
  • FIG. 1A is a diagram showing the principle of a conventional OST-HMD
  • FIG. 1B is a diagram showing an OST-HMD with optical shielding. It is a figure which shows the basic structure of the variable focus type OST-HMD which concerns on embodiment. It is a figure which shows the basic structure of the optical shielding part.
  • 4 (a) and 4 (b) are diagrams for explaining the propagation of light rays.
  • 5 (a) and 5 (b) are diagrams for explaining the influence of the insertion position of the SLM.
  • FIG 6 (a), (b) is a ray tracing diagram emitted from P 1 and the other points P 2 points on the AR image plane. It is a figure which shows the area which SLM can shield appropriately.
  • each member described in the drawing may be scaled appropriately for ease of understanding.
  • the dimensions of the plurality of members do not necessarily represent the magnitude relationship between them, and even if one member A is drawn thicker than another member B on the drawing, the member A is the member B. It can be thinner than.
  • FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration of a variable focus type OST-HMD100 according to an embodiment.
  • the OST-HMD 100 receives the incident light S 1 , synthesizes a virtual image with the incident light S 1 , and outputs the output light S 2 .
  • the OST-HMD100 includes an image projection unit 110 and an optical shielding unit 120.
  • the image projection unit 110 includes a microdisplay 112 that displays a virtual image.
  • the image projection unit 110 is configured to be able to control the depth position of the virtual image.
  • the method of controlling the depth position of the virtual image is not particularly limited, and a known technique or a technique that can be used in the future may be used.
  • the optical shielding unit 120 shifts the depth position of the shielding mask by following the depth position of the virtual image while maintaining the user's original field of view when it is not present.
  • the optical shielding unit 120 includes a relay lens optical system 122, a spatial light modulator (SLM) 124, and an actuator (linear stage) 126.
  • the SLM 124 is arranged in the relay lens optical system 122 and patterns the intensity of the light transmitted through the relay lens optical system 122.
  • the SLM 124 may be an LCD (liquid crystal display).
  • the actuator 126 shifts the SLM 124 in the optical axis direction of the relay lens optical system 122 in conjunction with the depth position of the virtual image.
  • FIG. 3 is a diagram showing a basic configuration of the optical shielding unit 120.
  • the relay lens optical system 122 includes a first lens L 1 , a second lens L 2 , and a third lens L 3 .
  • the first lens L 1 and the third lens L 3 have a focal length f
  • the second lens L 2 has a focal length f / 2.
  • the distance between the first lens L 1 and the second lens L 2 is 2f
  • the distance between the second lens L 2 and the third lens L 3 is also 2f.
  • FIG. 3 shows a light source from the user's gaze position.
  • the SLM 124 is inserted between the first lens L 1 and the second lens L 2 and is positioned between them by the actuator 126.
  • the above is the configuration of OST-HMD100.
  • the reason why the optical shielding unit 120 of FIG. 3 can shift the depth position of the shielding mask by following the depth position of the virtual image while maintaining the original field of view of the user in the absence of the optical shielding unit 120 is geometrical optics. I will explain based on this.
  • 4 (a) and 4 (b) are diagrams for explaining the propagation of light rays.
  • the propagation of light rays is represented by using the ray propagation matrix M.
  • the ray propagation matrix M transforms the light field (x, u) T into another light field (x', u') T.
  • the light field (x, u) T represents a ray passing through a point in space.
  • the variable x represents the distance between the passing point and the propagation axis (usually coincident with the optical axis of the lens system).
  • the ray propagation matrix P (d) can be defined by Eq. (2) when a ray from a certain point propagates in space and reaches a target point separated by a distance d in the optical axis direction.
  • FIG. 4A shows the propagation in free space.
  • FIG. 4B shows the propagation of a thin lens.
  • the propagation matrix M of the relay lens optical system 122 of FIG. 3 is represented by the equation (4).
  • the relay lens optical system 122 of FIG. 3 shifts the viewpoint by a distance of -4f (that is, to the rear side) in the optical axis direction and inverts the image, but does not distort the field of view. If the lens is if 2, since the propagation matrix of the lens L 1 to L 3 is P (4f), the user can have a relay lens optical system 122, and to the viewpoint as if distance 8f, You will see the light of the real world as if you were approaching the scenery.
  • the arrangement of the SLM 124 will be described.
  • All parallel light of the incident light i.e. as being infinity arrival is to place the SLM124 the center of the first lens L 1 and second lens L 2. Beam is condensed from the first lens L 1 focal length f, the remote surface (LCD face), the light-shielding becomes sharp.
  • the incident light can be appropriately shielded only when the image plane is so far that it can be regarded as parallel light.
  • the actuator 126 moves the LCD surface to the surface where the light rays are focused.
  • Equation (5) holds when the distance between the image plane and the first lens L 1 is d p , the distance between the LCD surface and the first lens L 1 is dl, and the focal length of the first lens L 1 is f. ..
  • f is a constant, and when d p is known, d l, that is, the position where the SLM 124 should be installed can be calculated from the equation (5).
  • the configuration in which the SLM 124 is arranged between the lenses L 1 and L 2 (referred to as the first area) and the configuration in which the SLM 124 is arranged between the lenses L 2 and L 3 (referred to as the second area) are compared.
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) are views for explaining the influence of the insertion position of the SLM 124.
  • FIG. 5A shows the effective range ER1 of the image plane when the SLM124 is inserted into the first area
  • FIG. 5B shows the effective range ER2 of the image plane when the SLM124 is inserted into the second area. Shown.
  • the range far from the first lens L 1 by 4 f or more is the effective range ER1a, ER2a.
  • the insertion position of the SLM 124 may be selected based on the desired effective range.
  • a continuous effective area can be obtained as shown in FIG. 5A. If you insert into the second area, as shown in FIG. 5 (b), the lens L 1 immediate near field it is possible to present a virtual image.
  • the SLM 124 may shield the light rays that should not be shielded or the light rays that should be shielded originally cannot be blocked. Therefore, the range in which the SLM 124 can appropriately block the scene light will be described.
  • FIG 6 (a), (b) is a ray tracing diagram emitted from P 1 and the other points P 2 points on the AR image plane.
  • 6 (a) is a case towards the point P 1 is long
  • Fig. 6 (b) shows the case close better of P 1.
  • P 1 ' is the focal point of the P 1
  • P 2' indicates the focal point of the P 2.
  • the light rays from the point P 2 pass through the first lens L 1 and are focused in a circular region having a radius R on the LCD surface on which the SLM 124 is arranged.
  • the radius R is represented by the equation (6).
  • a is a half value of the aperture width of the first lens L1.
  • Transmittance of the circular area of SLM124 affects the brightness of the light from the point P 2. Because the light from the point P 1 'is blocked in, even light from the point P 2, P 1' P 1 when is included in the circular region, because light is shielded in P 1 '. That is, when the relational expression (7) holds, all the light rays from the light ray P 2 are not shielded at the point P 1 '.
  • r' is the distance between the center of the circular region and the point P 1 '.
  • r' is represented by equation (8). r is the intersection of a plane containing the point P 2 and the straight line P 1 -P 1 ', is the distance between the point P 2. Furthermore, the following lens formula holds.
  • FIG. 7 is a diagram showing a region where the SLM 124 can be appropriately shielded.
  • the shaded area is the range that can be appropriately shielded to satisfy the condition, and the dotted area is the range that does not satisfy the condition.
  • FIG. 8 is a diagram showing a setup for demonstrating the principle of OST-HMD.
  • the image projection unit 110 includes a microdisplay 112, a lens 114, and a half mirror 116.
  • the setup 200 of FIG. 8 includes more lenses than the relay lens optical system 122 of FIG. 3, but can be regarded as optically equivalent to the relay lens optical system 122 of FIG. Specifically, the composite lens of the two lenses L 11 and L 12 in FIG. 8 is equivalent to the first lens L1 in FIG. 3, and the composite lens of the four lenses L 21 to L 24 in FIG. 8 is , The second lens L2 of FIG. 3 is equivalent, and the composite lens of the two lenses L 31 and L 32 of FIG. 8 is equivalent to the third lens L3 of FIG.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the law of lens composition.
  • a synthetic lens system including two lenses having a focal length f separated by a distance s is a single lens having a focal length f 2 / (2f ⁇ s) and a distance sf / (2f ⁇ s) on both sides thereof. Equivalent to a system that includes the space of. When s ⁇ f holds, the focal length f 2 / (2f ⁇ s) of the composite lens becomes shorter than the focal length f of the original lens. Therefore, by using the law of synthetic lenses, it is possible to implement an optical system having a focal length shorter than the actual focal length, and the size of the device can be reduced.
  • the relay lens optical system 122 of FIG. 3 brings about a viewpoint shift of a distance of -4f (that is, to the rear side) in the optical axis direction.
  • the setup 200 of FIG. 8 has an advantage that the shift of the viewpoint can be reduced by the space on both sides of the composite lens.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the position of the SLM (LCD) 124 and the distance to the surface of the shielding mask.
  • FIG. 11 is a diagram showing how the image looks when the position of the SLM (LCD) 124 and the gaze position (user's focus position) are changed. These images were taken by placing the camera at the position of the user's eyes and changing the focus position (gaze position) and the position of the SLM124. A sharp occlusion image can be obtained when the gaze position and the position of the SLM 124 (that is, the surface of the occlusion mask) match.
  • FIG. 12 (a) and 12 (b) are diagrams showing the composition of the virtual image and the background image.
  • the background is a distant building.
  • the image projection unit 110 projects three types of virtual images: a screw, a pot, and a castle.
  • the screw is placed in the near focal position, the pot is placed in the medium focal position, and the castle is placed in the distant focal position.
  • the optical shield 120 places the screw shield mask at the same focal position as the screw, the pot shield mask at the same medium focal position as the pot, and the castle shield mask as close as the castle. It is placed at the focal position.
  • FIG. 12B shows the appearance according to the focus position of the user.
  • the screws look sharp when the user focuses on a short distance
  • the pot looks sharp when the user focuses on a medium distance
  • the castle looks sharp when the user focuses on a long distance. It looks sharp.
  • the real background and the virtual image can be combined without any contradiction.
  • FIG. 13 is a diagram showing a relay lens optical system 122F according to the first modification.
  • the relay lens optical system 122 is composed of a three-lens system, but in the first modification, it is composed of a four-lens system.
  • the second lens L 2 at the center of the focal length f / 2 in FIG. 3 is replaced with two lens pairs L 4 and L 5 having a focal length f.
  • FIG. 14 is a diagram showing the OST-HMD100A according to the second modification.
  • the arrangement of the image projection unit 110 is different from the OST-HMD 100 of FIG. 2, during the four system two lenses pair L 4 of the center of the relay lens optical system 122F of, L 5, It has a built-in half mirror that synthesizes images.
  • FIG. 15 is a diagram showing OST-HMD100B according to the third modification.
  • this modification 3 two SLMs 124_1 and 124_2 are incorporated in the relay lens optical system 122, and each of them can be independently positioned by the actuators 126_1 and 126_2.
  • This modification 3 has the advantage of being able to cover both the effective areas of FIGS. 5A and 5B.
  • FIG. 16 is a diagram showing the OST-HMD100C according to the modified example 4.
  • a plurality of SLMs 124_1 and 124_2 are inserted at the same positions in the relay lens optical system 122.
  • a plurality of shielding masks can be simultaneously arranged at a plurality of variable focal lengths.
  • FIG. 17 is a diagram showing the OST-HMD100D according to the modified example 5.
  • Incident light S 1 is the primary input coupler 132 attached to first order light guide plate 130, its internal and guided, it is outputted from the primary output coupler 134.
  • the light output from the primary output coupler 134 passes through the relay lens optical system 122D, is reflected by the mirror 150 and the half mirror 116, is coupled to the secondary light guide plate 140 by the secondary input coupler 142, and guides the inside thereof. Waveguided and output from the secondary output coupler 144.
  • the SLM 124 is inserted between the two lenses of the relay lens optical system 122D.
  • the relay lens optical system 122D corresponds to the two elements (L 1 , L 4 ) in the front stage of the four-lens system relay lens optical system 122F, and the image inverted by the relay lens optical system 122D is By passing through the mirror, it is returned to the original image.
  • a plurality of SLM 124s may be inserted at different locations, or a plurality of SLMs may be stacked and inserted at the same location.
  • OST-HMD has been described, but its use is not limited to that, and it can be applied to various OST-display devices such as OST-HUD (Head Up display).
  • OST-HUD Head Up display
  • the present invention relates to an optical see-through display.

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Abstract

光学式シースルー型ディスプレイ１００は、映像投影部１１０と光学遮蔽部１２０を備える。映像投影部１１０は、仮想映像を表示するマイクロディスプレイ１１２を含み、仮想映像の奥行き位置が制御可能である。光学遮蔽部１２０は、リレーレンズ光学系１２２と、リレーレンズ光学系１２２内に配置されたＳＬＭ１２４と、仮想映像の奥行き位置と連動して、空間光変調器１２４をリレーレンズ光学系１２２の光軸方向にシフトさせるアクチュエータ１２６と、を含む。

Description

光学式シースルー型ディスプレイ
　本発明は、光学式シースルー型ディスプレイに関する。
　近年、拡張現実感（Augmented Reality, AR）への期待が高まっており、そのキーデバイスであるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ:Head Mount Display）の開発が進められている。ＨＭＤは、現実世界の背景に、仮想世界（拡張世界）の画像や情報を重ねあわせて表示することができる。
　ＨＭＤは大きく、ビデオシースルー型（ＶＳＴ：Video-see Through）型と光学シースルー（ＯＳＴ：Optical-see Through）型に分けられる。ＶＳＴ型は、現実世界の映像をカメラによりデジタル画像データに変換し、仮想世界の画像データを信号処理により合成して、ディスプレイに表示するものである。
　ＯＳＴ型は、現実世界の像はそのままユーザに提示しつつ、仮想世界の画像を光学的に合成するものである。図１（ａ）は、従来のＯＳＴ－ＨＭＤの原理を示す図である。ＯＳＴ－ＨＭＤ２は、仮想世界の映像を提示するマイクロディスプレイ４と、現実世界の背景光Ｓ１と、マイクロディスプレイ４の光Ｓ２を重ね合わせる光学系６を備える。図１（ａ）の例では、光学系６はハーフミラーである。
　図１（ａ）のＯＳＴ－ＨＭＤでは、マイクロディスプレイ４が表示する仮想映像は半透明に映るため、実在感、現実感に欠けるという問題がある。この問題を解決するため、視界の実環境の光を遮蔽する光学遮蔽（Optical Occlusion）を実現したＯＳＴ－ＨＭＤが提案されている（特許文献１）。図１（ｂ）は、光学遮蔽付きのＯＳＴ－ＨＭＤ３を示す図である。
　このＯＳＴ－ＨＭＤ３では、光学遮蔽用の空間光変調器（ＳＬＭ）８がシースルーパスに挿入される。このＳＬＭ８は、光学的なマスクである。ＳＬＭ８とマイクロディスプレイ４は、瞳とＳＬＭ間の距離と、瞳とマイクロディスプレイ間の距離とが光学的に等しくなるように配置される。
　また、仮想映像の奥行き（焦点距離）を変化させることが可能なＯＳＴ－ＨＭＤも提案されている（非特許文献１）。この装置（可変焦点型ＯＳＴ－ＨＭＤと称する）は、図１（ａ）のＯＳＴ－ＨＭＤ２において、光学系６を、変形可能なビームスプリッタで構成したものである。ビームスプリッタの曲率を変化させることにより、マイクロディスプレイに表示する仮想映像の虚像の位置を、奥行き方向に移動させることができる。
特表２０１５－５１９５９５号公報
Dunn, D., Chakravarthula, P., Dong, & Fuchs, H. (2018, May). Mitigating vergence-accommodation conflict for near-eye displays via deformable beamsplitters. In Digital Optics for Immersive Displays (Vol. 10676, p. 106760U). International Society for Optics and Photonics.
　本発明者らは、非特許文献１に記載の可変焦点型のＯＳＴ－ＨＭＤについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。
　非特許文献１の可変焦点型ＯＳＴ－ＨＭＤでは、仮想映像が半透明であるため、現実感を高めるためには改善の余地がある。そこで、可変焦点型ＯＳＴ－ＨＭＤに、光学遮蔽を組み合わせることを検討した。特許文献１に記載の技術では、光学遮蔽用のＳＬＭおよびマイクロディスプレイの物理的な位置が固定されている。マイクロディスプレイによって提示される仮想映像の焦点距離（奥行き）をずらすと、仮想映像の奥行き位置と、遮蔽マスクの奥行き位置にずれが生ずる。人間の目が、仮想映像にピントを合わせているとき、このずれが大きくなるほど、遮蔽効果が薄れ、仮想映像が半透明に近づいていく。なお、この問題を当業者の一般的な認識と捉えてはならず、本発明者らが独自に認識したものである。
　本発明は係る状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、仮想映像の奥行き位置にかかわらず、効果的な遮蔽が可能な可変焦点型ＯＳＴ－ＨＭＤの提供にある。
　本発明のある態様は、光学式シースルー型ディスプレイに関する。光学式シースルー型ディスプレイは、仮想映像を表示するマイクロディスプレイを含み、仮想映像の奥行き位置が制御可能な映像投影部と、リレーレンズ光学系と、リレーレンズ光学系内に配置された空間光変調器と、仮想映像の奥行き位置と連動して、空間光変調器が生成する光学遮蔽マスクをリレーレンズ光学系の光軸上でシフトさせることで、光学遮蔽マスクの位置を仮想映像の焦点位置に近づける機構と、を含む光学遮蔽部と、を備える。
　リレーレンズ光学系は、焦点距離ｆを有する第１レンズと、第１レンズからの距離が２ｆであり、焦点距離がｆ／２である第２レンズと、第２レンズからの距離が２ｆであり、焦点距離がｆである第３レンズと、を含んでもよい。
　空間光変調器は、第１レンズと第２レンズの間に挿入されてもよい。
　第１レンズ、第２レンズ、第３レンズの少なくともひとつは、複数のレンズの合成レンズであってもよい。
　光学式シースルー型ディスプレイは、リレーレンズ光学系の前段および後段に設けられた導光板のペアをさらに備えてもよい。
　機構は、空間光変調器をリレーレンズ光学系の光軸方向にシフトさせるアクチュエータを含んでもよい。
　本発明のある態様によれば、仮想映像の奥行き位置にかかわらず、効果的な遮蔽が可能な可変焦点型ＯＳＴディスプレイを提供できる。
図１（ａ）は、従来のＯＳＴ－ＨＭＤの原理を示す図であり、図１（ｂ）は、光学遮蔽付きのＯＳＴ－ＨＭＤを示す図である。 実施の形態に係る可変焦点型のＯＳＴ－ＨＭＤの基本構成を示す図である。 光学遮蔽部の基本構成を示す図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、光線の伝搬を説明する図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、ＳＬＭの挿入位置の影響を説明する図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、ＡＲ像面上の点Ｐ１およびそれ以外の点Ｐ２から放射される光線追跡図である。 ＳＬＭが適切に遮蔽できる領域を示す図である。 ＯＳＴ－ＨＭＤの原理実証のためのセットアップを示す図である。 レンズ合成の法則を説明する図である。 ＳＬＭの位置と、遮蔽マスクの面までの距離の関係を示す図である。 ＳＬＭの位置および注視位置（ユーザのピント位置）を変化させたときの像の見え方を示す図である。 図１２（ａ）、（ｂ）は、仮想映像と背景画像の合成を示す図である。 変形例１に係るＯＳＴ－ＨＭＤを示す図である。 変形例２に係るＯＳＴ－ＨＭＤを示す図である。 変形例３に係るＯＳＴ－ＨＭＤを示す図である。 変形例４に係るＯＳＴ－ＨＭＤを示す図である。 変形例５に係るＯＳＴ－ＨＭＤを示す図である。
　以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
　また図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄いこともあり得る。
（基本構成）
　初めに図２を参照して、ＯＳＴ－ＨＭＤ１００の基本構成を説明する。図２は、実施の形態に係る可変焦点型のＯＳＴ－ＨＭＤ１００の基本構成を示す図である。このＯＳＴ－ＨＭＤ１００は、入射光Ｓ１を受け、それに仮想画像を合成して、出力光Ｓ２を出力する。
　ＯＳＴ－ＨＭＤ１００は、映像投影部１１０および光学遮蔽部１２０を備える。映像投影部１１０は、仮想映像を表示するマイクロディスプレイ１１２を含む。映像投影部１１０は、仮想映像の奥行き位置を制御可能に構成される。仮想映像の奥行き位置の制御の方法は特に限定されず、公知技術あるいは将来利用可能な技術を用いればよい。
　光学遮蔽部１２０は、それが無いときのユーザの元の視野を維持しつつ、仮想映像の奥行き位置に追従して、遮蔽マスクの奥行き位置をシフトさせる。
　光学遮蔽部１２０は、リレーレンズ光学系１２２、空間光変調器（ＳＬＭ）１２４、アクチュエータ（リニアステージ）１２６を備える。ＳＬＭ１２４は、リレーレンズ光学系１２２内に配置され、それを透過する光の強度をパターニングする。たとえばＳＬＭ１２４は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）であってもよい。アクチュエータ１２６は、仮想映像の奥行き位置と連動して、ＳＬＭ１２４をリレーレンズ光学系１２２の光軸方向にシフトさせる。
　図３は、光学遮蔽部１２０の基本構成を示す図である。リレーレンズ光学系１２２は、第１レンズＬ１、第２レンズＬ２、第３レンズＬ３を含む。第１レンズＬ１および第３レンズＬ３は焦点距離ｆを有し、第２レンズＬ２は焦点距離ｆ／２を有する。第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の距離は２ｆであり、第２レンズＬ２と第３レンズＬ３の距離も等しく２ｆである。図３には、ユーザの注視位置からの光源が示される。
　ＳＬＭ１２４は、第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の間に挿入され、それらの間でアクチュエータ１２６によって位置決めされる。
　以上がＯＳＴ－ＨＭＤ１００の構成である。図３の光学遮蔽部１２０により、それが無いときのユーザの元の視野を維持しつつ、仮想映像の奥行き位置に追従して、遮蔽マスクの奥行き位置をシフトさせることができる理由を、幾何光学にもとづいて説明する。
　図４（ａ）、（ｂ）は、光線の伝搬を説明する図である。光線の伝搬は、光線伝搬行列Ｍを用いて表される。光線伝搬行列Ｍは、ライトフィールド（ｘ，ｕ）Ｔを、別のライトフィールド（ｘ’，ｕ’）Ｔに変換する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ライトフィールド（ｘ，ｕ）Ｔは、空間の１点を通過する光線を表す。変数ｘは、通過点と伝搬軸（通常はレンズ系の光軸と一致する）との距離を表す。変数ｕは伝搬軸と光線がなす角度を表す。ｕは、ｕ＝ｓｉｎ（ｕ）が成り立つ程度に小さいものとする。
　ある点からの光線が空間を伝搬し、光軸方向に距離ｄ離れた目標点に到達するとき光線伝搬行列Ｐ（ｄ）は式（２）で定義できる。図４（ａ）は自由空間の伝搬を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　光線が焦点距離がｆである薄いレンズを通過するときの光線伝搬行列Ｌ（ｆ）は、式（３）で表される。図４（ｂ）は、薄いレンズの伝搬を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　これらを用いれば、図３のリレーレンズ光学系１２２の伝搬行列Ｍは、式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　結果として、図３のリレーレンズ光学系１２２は、光軸方向に距離－４ｆ（すなわち後ろ側に）、視点がシフトし、像を反転させるが、視野を歪ませることはない。図２においてもしレンズがなければ、レンズＬ１からＬ３への伝搬行列はＰ（４ｆ）であるから、ユーザは、リレーレンズ光学系１２２があることにより、その視点があたかも距離にして８ｆ、景色に近づいたかのような現実世界の光をみることとなる。
　続いてＳＬＭ１２４の配置について説明する。一般的な方法は、入射光線のすべては平行光、すなわち無限遠から到来するものとして、ＳＬＭ１２４を第１レンズＬ１と第２レンズＬ２の中央に配置することである。光線は第１レンズＬ１からその焦点距離ｆ、離れた面（ＬＣＤ面）に集光され、遮光がシャープとなる。しかしこの方法では、入射光が平行光と見なせるほどに像面が遠方である場合にのみ、適切に遮光することができる。像面が近い場合、ＬＣＤ面の後ろに光線が集光され、遮光がにじむ。この遮光のにじみを防止するために、アクチュエータ１２６はＬＣＤ面を光線が集光する面に移動させる。
　像面と第１レンズＬ１の距離をｄｐとし、ＬＣＤ面と第１レンズＬ１の距離をｄｌとし、第１レンズＬ１の焦点距離をｆとするとき、式（５）が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ｆは定数であり、ｄｐが既知であるとき、ｄｌすなわちＳＬＭ１２４を設置すべき位置を、式（５）から計算することができる。
　図３の光学遮蔽部１２０において、像面からの光線はレンズＬ２とＬ３の間においても結像する。したがって、ＳＬＭ１２４をレンズＬ２とＬ３の間に配置することも可能である。ここで、ＳＬＭ１２４を、レンズＬ１とＬ２の間（第１エリアという）に配置する構成と、レンズＬ２とＬ３の間（第２エリアという）に配置する構成とを比較する。
　図５（ａ）、（ｂ）は、ＳＬＭ１２４の挿入位置の影響を説明する図である。図５（ａ）はＳＬＭ１２４を第１エリアに挿入したときの、像面の有効範囲ＥＲ１を示し、図５（ｂ）はＳＬＭ１２４を第２エリアに挿入したときの、像面の有効範囲ＥＲ２を示す。図５（ａ）、（ｂ）から分かるように、ＳＬＭ１２４の位置にかかわらず、第１レンズＬ１から４ｆ以上遠い範囲は、有効範囲ＥＲ１ａ，ＥＲ２ａとなる。
　第１レンズＬ１から４ｆより近い範囲では、図５（ａ）と図５（ｂ）とで有効範囲が異なっている。図５（ａ）に示すように、ＳＬＭ１２４を第１エリアに挿入した場合、距離２ｆ～４ｆが有効範囲ＥＲ１ｂとなり、図５（ｂ）に示すように、ＳＬＭ１２４を第２エリアに挿入した場合、距離０～２ｆが有効範囲ＥＲ２ｂとなる。
　したがって、ＳＬＭ１２４の挿入位置は、所望の有効範囲にもとづいて選択すればよい。第１エリアに挿入した場合、図５（ａ）のように連続的な有効エリアを得ることができる。第２エリアに挿入した場合、図５（ｂ）のように、レンズＬ１直近の近視野に仮想映像を提示することが可能となる。
　仮想映像の像面（ＡＲ像面という）から出射する光線をＳＬＭ１２４によって遮蔽する場合、ＳＬＭ１２４は、本来遮蔽すべきでない光線まで遮蔽したり、本来遮光すべき光線を遮できないことが起こりうる。そこでシーン光のうち、ＳＬＭ１２４が適切に遮光できる範囲を説明する。
　図６（ａ）、（ｂ）は、ＡＲ像面上の点Ｐ１およびそれ以外の点Ｐ２から放射される光線追跡図である。図６（ａ）は、点Ｐ１の方が遠い場合を、図６（ｂ）はＰ１の方が近い場合を示す。Ｐ１’は、Ｐ１の集光点を、Ｐ２’は、Ｐ２の集光点を示す。
　点Ｐ２からの光線は、第１レンズＬ１を透過し、ＳＬＭ１２４が配置されるＬＣＤ面上の半径Ｒの円形領域内に集光される。半径Ｒは式（６）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　ａは、第１レンズＬ１の開口幅の半値である。ＳＬＭ１２４の円形領域の透過率は、点Ｐ２からの光の明るさに影響する。なぜなら点Ｐ１からの光線はＰ１’において遮蔽され、点Ｐ２からの光線も、Ｐ１’がこの円形領域に含まれるとき、Ｐ１’において遮光されるからである。つまり関係式（７）が成り立つとき、光線Ｐ２からの全光線は点Ｐ１’において遮光されない。ｒ’は円形領域の中心と点Ｐ１’の距離である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ｒ’は式（８）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　ｒは、直線Ｐ１－Ｐ１’と点Ｐ２を含む平面の交点と、点Ｐ２との距離である。さらに以下のレンズの公式が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　式（６）～（９）より、点Ｐ２からの光線が遮蔽されない条件として、以下の不等式を得る。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　この不等式と、ｘ２≧ｘ１が成り立つ場合に、点Ｐ２からの光線は部分的に遮蔽されるが、この場合、点Ｐ２に存在する実際の物体が光線を遮蔽するのと同じようにして、ＳＬＭ１２４は光線を遮蔽することとなり、除外される。結果として、ＳＬＭ１２４が正しく遮蔽する条件は、以下の不等式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　図７は、ＳＬＭ１２４が適切に遮蔽できる領域を示す図である。斜線を付した領域が、条件を満たす適切に遮蔽可能な範囲であり、ドットを付した範囲は、条件を満たさない範囲を示す。
　図８は、ＯＳＴ－ＨＭＤの原理実証のためのセットアップを示す図である。映像投影部１１０は、マイクロディスプレイ１１２、レンズ１１４、ハーフミラー１１６を含む。このセットアップ２００は、８枚のレンズを有する。これらのレンズとして、Thorlabs社の製品AC508-076-Aであり、直径５０．８ｍｍ、焦点距離ｆ＝７４．９ｍｍ、前側焦点距離７４．２ｍｍ、後側焦点距離６１．８ｍｍを用いた。
　図８のセットアップ２００は、図３のリレーレンズ光学系１２２よりも多いレンズを含むが、図３のリレーレンズ光学系１２２と光学的に等価とみなすことができる。具体的には、図８の２枚のレンズＬ１１，Ｌ１２の合成レンズが、図３の第１レンズＬ１と等価であり、図８の４枚のレンズＬ２１～Ｌ２４の合成レンズが、図３の第２レンズＬ２と等価であり、図８の２枚のレンズＬ３１，Ｌ３２の合成レンズが、図３の第３レンズＬ３と等価である。
　図９は、レンズ合成の法則を説明する図である。距離ｓを隔てた焦点距離ｆを有する２枚のレンズを含む合成レンズシステムは、焦点距離ｆ２／（２ｆ－ｓ）を有する１枚のレンズと、その両側の距離ｓｆ／（２ｆ－ｓ）の空間を含むシステムと等価である。ｓ＜ｆが成り立つとき、合成レンズの焦点距離ｆ２／（２ｆ－ｓ）は、元のレンズの焦点距離ｆよりも短くなる。したがって合成レンズの法則を利用すれば、実際の焦点距離よりも短い焦点距離の光学系を実装することができ、装置のサイズを小型化できる。
　上述のように、図３のリレーレンズ光学系１２２は、光軸方向に距離－４ｆ（すなわち後ろ側に）の視点のシフトをもたらしている。これに対して、図８のセットアップ２００では、合成レンズの両側の空間によって、視点のシフトを減らすことができるという利点がある。
　図１０は、ＳＬＭ（ＬＣＤ）１２４の位置と、遮蔽マスクの面までの距離の関係を示す図である。
　図１１は、ＳＬＭ（ＬＣＤ）１２４の位置および注視位置（ユーザのピント位置）を変化させたときの像の見え方を示す図である。これらの画像はユーザの目の位置に、カメラを置いて、ピント位置（注視位置）とＳＬＭ１２４の位置を変化させて撮影したものである。注視位置とＳＬＭ１２４の位置（つまり遮蔽マスクの面）がマッチしたときに、シャープな遮蔽像を得ることができる。
　図１２（ａ）、（ｂ）は、仮想映像と背景画像の合成を示す図である。図１２（ａ）に示すように、背景は、遠方のビルである。映像投影部１１０は、ネジ、ポット、城の３種類の仮想映像を投影している。ネジは近い焦点位置に、ポットは中くらいの焦点位置に、城は遠い焦点位置に配置される。光学遮蔽部１２０は、ネジの遮蔽マスクを、ネジと同じ近い焦点位置に配置し、ポットの遮蔽マスクを、ポットと同じ中くらいの焦点位置に配置し、城の遮蔽マスクを、城と同じ近い焦点位置に配置している。
　図１２（ｂ）は、ユーザのピント位置に応じた見え方を示す。ネジは、ユーザが近距離にピントを合わせたときにシャープに見え、ポットは、ユーザが中距離にピントを合わせたときにシャープに見え、城は、ユーザが遠距離にピントを合わせたときにシャープに見えている。
　このように図８のセットアップ２００によれば、現実の背景と、仮想映像を矛盾無く、合成することができる。
　以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
（変形例１）
　図１３は、変形例１に係るリレーレンズ光学系１２２Ｆを示す図である。ここまでの説明では、リレーレンズ光学系１２２を３枚系で構成したが、変形例１では、４枚系で構成される。この４枚系では、図３の焦点距離ｆ／２の中央の第２レンズＬ２が、焦点距離ｆを有する２枚のレンズペアＬ４，Ｌ５に置換されている。
（変形例２）
　図１４は、変形例２に係るＯＳＴ－ＨＭＤ１００Ａを示す図である。この変形例２では、映像投影部１１０の配置が図２のＯＳＴ－ＨＭＤ１００と異なっており、４枚系のリレーレンズ光学系１２２Ｆの中央の２枚のレンズペアＬ４，Ｌ５の間に、映像を合成するハーフミラーが組み込まれている。
（変形例３）
　図１５は、変形例３に係るＯＳＴ－ＨＭＤ１００Ｂを示す図である。この変形例３では、リレーレンズ光学系１２２に、２枚のＳＬＭ１２４＿１，１２４＿２が組み込まれており、それぞれがアクチュエータ１２６＿１，１２６＿２によって独立に位置決め可能となっている。この変形例３は、図５（ａ）、（ｂ）の両方の有効エリアをカバーすることができるという利点を有する。
（変形例４）
　図１６は、変形例４に係るＯＳＴ－ＨＭＤ１００Ｃを示す図である。この変形例４では、リレーレンズ光学系１２２の中の同じ位置に、複数のＳＬＭ１２４＿１，１２４＿２が挿入されている。これにより、複数の可変焦点距離に、複数の遮蔽マスクを同時に配置することができる。
（変形例５）
　リレーレンズの前段、後段、あるいはその内部に、導光板を挿入して、光路を折り曲げたりシフトさせてもよい。図１７は、変形例５に係るＯＳＴ－ＨＭＤ１００Ｄを示す図である。入射光Ｓ１は、１次入力カプラ１３２において１次導光板１３０に結合し、その内部を導波して、１次出力カプラ１３４から出力される。１次出力カプラ１３４から出力された光は、リレーレンズ光学系１２２Ｄを透過し、ミラー１５０、ハーフミラー１１６と反射し、２次入力カプラ１４２において２次導光板１４０に結合し、その内部を導波して、２次出力カプラ１４４から出力される。ＳＬＭ１２４は、リレーレンズ光学系１２２Ｄの２枚のレンズの間に挿入される。変形例５においてリレーレンズ光学系１２２Ｄは、４枚系のリレーレンズ光学系１２２Ｆの前段の２枚（Ｌ１，Ｌ４）に対応しており、リレーレンズ光学系１２２Ｄによって反転された像は、ミラーを通ることにより、元の像に戻される。
　なお、変形例５において、ＳＬＭ１２４を複数、異なる箇所に挿入してもよいし、複数のＳＬＭを重ねて同じ場所に挿入してもよい。
（変形例６）
　実施の形態では、透過型のＳＬＭを用いる場合を説明したが、反射型を用いてもよい。
　実施の形態では、ＯＳＴ－ＨＭＤについて説明したがその用途はそれに限定されず、ＯＳＴ－ＨＵＤ（Head Up display）をはじめとするさまざまなＯＳＴ－ディスプレイ装置に適用できる。
　本発明は、光学式シースルー型ディスプレイに関する。
　２　ＯＳＴ－ＨＭＤ
　４　マイクロディスプレイ
　６　光学系
　１００　ＯＳＴ－ＨＭＤ
　１１０　映像投影部
　１１２　マイクロディスプレイ
　１２０　光学遮蔽部
　１２２　リレーレンズ光学系
　１２４　ＳＬＭ
　１２６　アクチュエータ
　Ｌ１　第１レンズ
　Ｌ２　第２レンズ
　Ｌ３　第３レンズ
　２００　セットアップ

Claims (6)

  1. 　仮想映像を表示するマイクロディスプレイを含み、前記仮想映像の奥行き位置が制御可能な映像投影部と、
    　リレーレンズ光学系と、前記リレーレンズ光学系内に配置された空間光変調器と、前記仮想映像の奥行き位置と連動して、前記空間光変調器が生成する光学遮蔽マスクを前記リレーレンズ光学系の光軸上でシフトさせることで、前記光学遮蔽マスクの位置を前記仮想映像の焦点位置に略合わせる機構と、を含む光学遮蔽部と、
    　を備えることを特徴とする光学式シースルー型ディスプレイ。
  2. 　前記リレーレンズ光学系は、
    　焦点距離ｆを有する第１レンズと、
    　前記第１レンズからの距離が２ｆであり、焦点距離がｆ／２である第２レンズと、
    　前記第２レンズからの距離が２ｆであり、焦点距離がｆである第３レンズと、
    　を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学式シースルー型ディスプレイ。
  3. 　前記空間光変調器は、前記第１レンズと前記第２レンズの間に挿入されることを特徴とする請求項２に記載の光学式シースルー型ディスプレイ。
  4. 　前記第１レンズ、前記第２レンズ、前記第３レンズの少なくともひとつは、複数のレンズの合成レンズであることを特徴とする請求項３に記載の光学式シースルー型ディスプレイ。
  5. 　前記リレーレンズ光学系の前段および後段に設けられた導光板のペアをさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の光学式シースルー型ディスプレイ。
  6. 　前記機構は、前記空間光変調器を前記リレーレンズ光学系の光軸方向にシフトさせるアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の光学式シースルー型ディスプレイ。
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