JP2011215185A - Direct viewing type image display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置に関するものであり、特に、その画像表示装置による表示画像に観察者がピントを合わせる作業を簡単化する技術に関するものである。 The present invention relates to a direct-view image display device that makes image light representing an image to be displayed enter a pupil of an observer's eyeball, thereby displaying the image to the observer. The present invention relates to a technique for simplifying the work of an observer to focus on a display image by the image display device.
表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置が既に知られている(例えば、特許文献1参照。)。この種の画像表示装置は、一般に、(a)画像信号に応じた画像光を形成する画像光形成部と、(b)その形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部とを含むように構成される。この直視型の画像表示装置によれば、観察者は、画像が投影されるスクリーンを媒介にすることなく、画像を直接的に観察することができる。 There is already known a direct-view type image display device in which image light representing an image to be displayed enters the pupil of an observer's eyeball, thereby displaying the image to the observer (for example, Patent Documents). 1). In general, this type of image display apparatus includes (a) an image light forming unit that forms image light according to an image signal, and (b) an emitting unit that emits the formed image light from the image display device. Configured to include. According to the direct-view image display apparatus, the observer can directly observe the image without using a screen on which the image is projected.
直視型の画像表示装置を、画像光形成方式によって分類すると、空間変調型、すなわち、前記画像光形成部が、光源と、その光源からの入射光を用いて前記画像光を形成する液晶または有機ELであって前記画像信号に応じて作動するものとを含むように構成されたものと、走査型、すなわち、前記画像光形成部が、前記画像信号に応じた強度を有する光を出射する光源と、その光源からの入射光を走査することによって前記画像光を形成する光走査部とを含むように構成されたものとに分類される。 When direct-view image display devices are classified according to image light forming methods, they are spatially modulated, that is, the image light forming unit uses a light source and liquid crystal or organic material that forms the image light using incident light from the light source. An EL that is configured to include an element that operates in accordance with the image signal, and a scanning type, that is, a light source that emits light having an intensity corresponding to the image signal by the image light forming unit. And an optical scanning unit that forms the image light by scanning incident light from the light source.
また、直視型の画像表示装置を、表示画像の観察方式によって分類すると、シースルー型、すなわち、観察者が、当該画像表示装置による表示画像に重ねて、現実外界を観察することが可能にするものと、密閉型、すなわち、現実外界からの入射光を遮断し、観察者が、表示画像のみを観察することを可能にするものとに分類される。 Further, when direct-view type image display devices are classified according to the display image observation method, see-through type, that is, an observer can observe the actual outside world superimposed on the display image by the image display device. And the sealed type, that is, the type that blocks the incident light from the actual outside world and allows the observer to observe only the display image.
また、直視型の画像表示装置は、観察者への装着方式によって分類すると、ヘッドマウント型、すなわち、観察者の頭部に装着されてその頭部と一体的に移動するものと、覗き込み型、すなわち、観察者から独立して設置され、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカムコーダなどの撮像装置用の電子ビューファイダに代表されるものとに分類される。 The direct-view type image display device is classified into a head mount type, that is, a type that is attached to the head of the observer and moves integrally with the head, and a look-in type when classified according to the method of wearing to the observer. In other words, it is installed independently of the observer and is classified as an electronic viewfinder for an imaging apparatus such as a digital still camera or a digital video camcorder.
いずれにしても、直視型の画像表示装置を用いて観察者が表示画像を観察するためには、一般に、観察者が、表示画像にピントを合わせる作業が簡単であることが、当該画像表示装置の使い勝手を向上させるために重要である。 In any case, in order for an observer to observe a display image using a direct-view image display apparatus, it is generally that the observer can easily focus on the display image. It is important to improve usability.
しかし、従来の直視型の画像表示装置は、同じ画像が単一の焦点しか有しないように画像光を形成するように構成されていた。そのため、従来の直視型の画像表示装置では、観察者が表示画像にピントを合わせる作業が煩雑で、面倒であった。以下、さらに具体的に説明する。 However, the conventional direct-view image display apparatus is configured to form image light so that the same image has only a single focus. For this reason, in the conventional direct-view image display apparatus, it is complicated and troublesome for the observer to focus on the display image. More specific description will be given below.
まず、従来のシースルー型の画像表示装置を用いる場合について説明する。この場合、観察者は、現実外界にピントが合っている状態で、表示画像にもピントを合わせようとすると、偶然でないと、現実外界と表示画像とに一緒にピントが合わないし、合うことがあったとしても、その頻度は非常に低い。現実外界の奥行きと表示画像の奥行きとが常に互いに一致することは保証されていないからである。 First, a case where a conventional see-through image display apparatus is used will be described. In this case, when the observer tries to focus on the display image in a state where the real outside world is in focus, the observer may not be able to focus on the real outside world and the display image unless it is a coincidence. If so, the frequency is very low. This is because it is not guaranteed that the depth of the actual outside world and the depth of the display image always coincide with each other.
その結果、観察者は、現実外界へのピント合わせ作業はさておき、表示画像にピントを合わせようとするが、同じ画像が単一の焦点しか有しないように画像光が形成されるうえに、観察者は、少なからず試行錯誤に依存しない限り、表示画像にピントを合わせることができない。そのため、従来のシースルー型の画像表示装置では、観察者が表示画像にピントを合わせる作業が煩雑で、面倒であった。 As a result, the observer tries to focus on the displayed image aside from focusing on the real world, but the image is formed so that the same image has only a single focus, and the observation is performed. The person cannot focus on the displayed image unless relying on trial and error. For this reason, in the conventional see-through type image display device, the work for the observer to focus on the display image is complicated and troublesome.
次に、従来の密閉型の画像表示装置である場合について説明する。この場合、観察者は、観察開始当初に、表示画像にピントを合わせようとするが、表示画像が全く見えていない状態でその表示画像にピントを合わせなければならない場合がある。この場合、観察者は、無意識に、眼を動作させ、表示画像にピントを合わせようと試行する。このときの最初のピント位置は、観察者の習慣や癖に基づくものであるから、観察者によってまちまちであり、それにもかかわらず、上述のように、同じ画像が単一の焦点しか有しないように画像光が形成される。 Next, a case of a conventional sealed image display device will be described. In this case, the observer tries to focus on the display image at the beginning of the observation, but may have to focus on the display image when the display image is not visible at all. In this case, the observer unconsciously tries to move the eye and focus on the display image. Since the initial focus position at this time is based on the habits and habits of the observer, it varies depending on the observer. Nevertheless, as described above, the same image has only a single focus. Image light is formed on the surface.
そのため、従来のシースルー型の画像表示装置と同様に、従来の密閉型の画像表示装置も、観察者が表示画像にピントを合わせる作業が煩雑で、面倒であった。 Therefore, similarly to the conventional see-through image display device, the conventional sealed image display device is complicated and troublesome for the observer to focus on the display image.
以上説明した事情を背景にして、本発明は、表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置において、観察者が表示画像にピントを合わせる作業を簡単化することを目的としてなされたものである。 Against the background described above, the present invention is a direct view type image in which image light representing an image to be displayed is incident on the pupil of the eyeball of the observer, thereby displaying the image to the observer. The purpose of the display device is to simplify the work of the observer focusing on the display image.
本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載するが、このように、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することにより、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能となる。 The following aspects are obtained by the present invention. Each aspect is divided into sections, each section is numbered, and is described in the form of quoting the section numbers of other sections as necessary. In this way, each section is referred to the section number of the other section. By describing in the format, the technical features described in each section can be appropriately made independent according to the properties.
(1) 表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼球の瞳孔内に入射し、それにより、観察者に対して前記画像を表示する直視型の画像表示装置であって、
画像信号に応じた画像光を形成する画像光形成部と、
その形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部と
を含み、
前記画像光形成部と前記出射部との間における光路上に、前記瞳孔の位置と光学的に共役な瞳孔共役位置が存在し、
当該画像表示装置は、さらに、
前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置された多焦点光学素子を含む画像表示装置。
(1) A direct-view type image display device that enters image light representing an image to be displayed into a pupil of an observer's eyeball, thereby displaying the image to the observer,
An image light forming unit that forms image light according to an image signal;
The formed image light includes an emission part that emits from the image display device,
There is a pupil conjugate position optically conjugate with the pupil position on the optical path between the image light forming portion and the exit portion,
The image display device further includes:
An image display device including a multifocal optical element installed at substantially the same position as the pupil conjugate position.
ここに、「光路」は、例えば、前記画像形成部が光源を有する場合に、その光源と前記出射部との間における光路を意味するように解釈することが可能である。また、「瞳孔共役位置」および「瞳孔共役位置と実質的に同じ位置」は、前記画像光形成部が複数の光学部品の組合せである場合に、それら光学部品間の空間に存在することが可能であり、また、同様に、前記出射部が複数の光学部品の組合せである場合に、それら光学部品間の空間に存在することが可能である。また、「多焦点光学素子」は、前記画像形成部を構成する部品に一体的に形成したり別体的に装着することも、前記出射部を構成する部品に一体的に形成したり別体的に装着することも、それら部品から分離して設置することも可能である。 Here, “optical path” can be interpreted to mean, for example, an optical path between the light source and the emitting unit when the image forming unit has a light source. Further, the “pupil conjugate position” and “substantially the same position as the pupil conjugate position” can exist in a space between the optical components when the image light forming unit is a combination of a plurality of optical components. Similarly, when the emission part is a combination of a plurality of optical components, it can exist in a space between the optical components. In addition, the “multifocal optical element” may be formed integrally with or separately attached to the parts forming the image forming unit, or may be formed integrally with or separately from the parts forming the emitting unit. It is possible to install them separately or install them separately from these parts.
(2) さらに、前記画像光形成部から前記多焦点光学素子に入射しようとする画像光のうち、最終的に前記瞳孔に入射させたくない部分を、前記多焦点光学素子から出射しないように遮断する絞りを含む(1)項に記載の画像表示装置。 (2) Further, a portion of the image light that is going to be incident on the multifocal optical element from the image light forming section is cut off so as not to be emitted from the multifocal optical element. The image display apparatus according to item (1), including an aperture to be operated.
(3) 前記多焦点光学素子は、各々、有限の焦点距離を有する複数の領域を有し、
それら複数の領域は、少なくとも部分的に、前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、互いに隣接する領域間において前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、前記多焦点光学素子内において、その多焦点光学素子の光軸まわりに回転対称的に幾何学的に配置されている(1)または(2)項に記載の画像表示装置。
(3) Each of the multifocal optical elements has a plurality of regions each having a finite focal length;
The plurality of regions differ from each other at least in part with respect to the focal length;
The plurality of regions are different from each other with respect to the focal length between adjacent regions;
The image display device according to (1) or (2), wherein the plurality of regions are geometrically arranged in a rotationally symmetrical manner around the optical axis of the multifocal optical element in the multifocal optical element. .
(4) 前記画像光形成部は、
光源と、
その光源からの入射光を用いて前記画像光を形成する液晶または有機ELであって前記画像信号に応じて作動するものと
を含む(1)ないし(3)項のいずれかに記載の画像表示装置。
(4) The image light forming unit
A light source;
An image display according to any one of (1) to (3), including: a liquid crystal or an organic EL that forms the image light using incident light from the light source and that operates according to the image signal apparatus.
(5) 前記画像光形成部は、
前記画像信号に応じた強度を有する光を出射する光源と、
その光源からの入射光を走査することによって前記画像光を形成する光走査部と
を含む(1)ないし(3)項のいずれかに記載の画像表示装置。
(5) The image light forming unit includes:
A light source that emits light having an intensity according to the image signal;
An image display device according to any one of (1) to (3), further comprising: an optical scanning unit that forms the image light by scanning incident light from the light source.
本発明によれば、観察者が表示画像にピントを合わせようとする際に、同じ表示画像が複数の焦点を有するように画像光が形成されるため、同じ表示画像が単一の焦点しか有しないように画像光が形成される場合より、観察者は、表示画像にピントを合わせることが簡単となる。その結果、本発明によれば、直視型の画像表示装置の使い勝手が向上する。 According to the present invention, when the observer tries to focus on the display image, the image light is formed so that the same display image has a plurality of focal points. Therefore, the same display image has only a single focus. It is easier for the observer to focus on the display image than when the image light is formed so as not to occur. As a result, according to the present invention, the usability of the direct view type image display device is improved.
以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のうちのいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, some of the more specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、本発明の第1実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置(以下、「HMD」と略称する。)が系統的に表されている。このHMDは、観察者の頭部(図示しない)に装着された状態で使用される。 FIG. 1 systematically represents a head mounted display device (hereinafter abbreviated as “HMD”) according to the first embodiment of the present invention. This HMD is used in a state of being mounted on the observer's head (not shown).
このHMDは、画像信号に応じた強度の光束としてのレーザビームを2次元的に走査し、その走査されたレーザビームを観察者の眼10の瞳孔12に入射させ、その眼10の網膜14上に画像を直接に投影表示する網膜走査型の画像表示装置の一例である。このHMDは、前記(1)項における「直視型の画像表示装置」の一例を構成している。
The HMD scans a laser beam as a light beam having an intensity corresponding to an image signal in a two-dimensional manner, causes the scanned laser beam to enter the
なお付言するに、本実施形態は、本発明をヘッドマウント型の画像表示装置に適用した場合の一例であるが、覗き込み型の画像表示装置に本発明を適用することも可能である。また、本実施形態は、本発明を密閉型の画像表示装置に適用した場合の一例であるが、シースルー型の画像表示装置に本発明を適用することも可能である。 In addition, although this embodiment is an example when the present invention is applied to a head-mounted image display device, the present invention can also be applied to a peep-type image display device. In addition, the present embodiment is an example when the present invention is applied to a sealed image display device, but the present invention can also be applied to a see-through image display device.
光源ユニット20は、3原色(RGB)を有する3つのレーザビーム(すなわち、波長が互いに異なる3色の成分光)を1つのレーザビーム(合成光)に結合して任意色のレーザビームを生成するために、赤色のレーザビームを発するRレーザ30と、緑色のレーザビームを発するGレーザ32と、青色のレーザビームを発するBレーザ34とを備えている。
The
各レーザ30,32,34は、本実施形態においては、レーザダイオードとして構成されている。本実施形態においては、それらレーザ30,32,34がそれぞれ、前記(5)項における「光源」の一例を構成する。それらレーザ30,32,34から出射した複数本のレーザビームはそれぞれ、コリメート光学系40,42,44によって平行光化される。その後、各レーザビームは、波長依存性を有する各ダイクロイックミラー50,52,54に入射させられ、それにより、各レーザビームが波長に関して選択的に反射・透過させられ、それら3つのダイクロイックミラー50,52,54を代表する1つのダイクロイックミラー50に最終的に入射して1本のレーザビームに結合される。
Each
その後、その1本のレーザビームは、結合光学系56によって集光され、光ファイバ82に入射する。光ファイバ82に入射したレーザビームは、光伝送媒体としての光ファイバ82中を伝送され、その光ファイバ82の後端から放射させられるレーザビームを平行光化するコリメート光学系84を経て光走査部24に入射する。
Thereafter, the one laser beam is collected by the coupling
以上、光源ユニット20のうち光学的な部分を説明したが、以下、電気的な部分を説明する。光源ユニット20は、コンピュータ(図示しない)を主体とする信号処理回路60を備えている。信号処理回路60は、外部から供給された映像信号(前記(1)項における「画像信号」の一例である)に基づき、各レーザ30,32,34を駆動するための信号処理と、レーザビームの走査を行うための信号処理とを行うように設計されている。
Although the optical part of the
各レーザ30,32,34を駆動するため、信号処理回路60は、外部から供給された映像信号に基づき、網膜14上に投影すべき画像上の各画素ごとに、レーザビームにとって必要な色と強度とを実現するために必要な駆動信号(前記映像信号を反映する信号)を、各レーザドライバ70,72,74を介して各レーザ30,32,34に供給する。
In order to drive the
光走査部24は、HSスキャナ(高速スキャナ、主スキャナの一例)100とLSスキャナ(低速スキャナ、副スキャナの一例)102とを備えている。HSスキャナ100は、表示すべき画像の1フレームごとに、レーザビームを主走査方向に相対的に高速で走査する光学系である。これに対し、LSスキャナ102は、表示すべき画像の1フレームごとに、レーザビームを、主走査方向とは直交する副走査方向に相対的に低速で走査する光学系である。
The
具体的に説明するに、HSスキャナ100は、本実施形態においては、機械的偏向を行うミラー120を備えた弾性体124のねじり共振によってそのミラー120を揺動させ、それにより、入射したレーザビームを主走査方向に走査する。このHSスキャナ100は、駆動回路126を有しており、この駆動回路126は、信号処理回路60から供給される駆動信号により、ミラー120を駆動する。
Specifically, in the present embodiment, the
図1に示すように、HSスキャナ100によって走査されたレーザビームは、第1リレー光学系130によってLSスキャナ102に伝送される。第1リレー光学系130は、前段の光学系であるレンズ132と、後段の光学系であるレンズ134とを備えている。
As shown in FIG. 1, the laser beam scanned by the
LSスキャナ102は、機械的偏向を行う揺動ミラーとしてのガルバノミラー140を非共振モードで強制的に電磁駆動し、それにより、入射したレーザビームを副走査方向に走査する。ガルバノミラー140には、HSスキャナ100から走査されて出射したレーザビームがリレー光学系130によって集光されて入射するようになっている。LSスキャナ102は、駆動回路142を有しており、その駆動回路142は、信号処理回路60から供給される駆動信号(または同期信号)により、ガルバノミラー140を駆動する。
The
以上説明したHSスキャナ100とLSスキャナ102との共同により、レーザビームが2次元的に走査される。その走査されたレーザビームによって表現される画像光は、第2リレー光学系150を経て、かつ、このHMDのハウジング(図示しない)に透光部として形成された出射部148(図2参照)から出射して、観察者の眼10に照射される。第2リレー光学系150は、前段の光学系であるレンズ152と、後段の光学系であるレンズ154とを備えている。本実施形態においては、それらHSスキャナ100とLSスキャナ102とは、互いに共同して、前記(5)項における「光走査部」の一例を構成している。
The laser beam is scanned two-dimensionally in cooperation with the
図2には、図1に示すHMDにおける光路が簡略化されて示されている。具体的に説明するに、主走査系であるHSスキャナ100と副走査系であるLSスキャナ102との間に第1リレー光学系130が存在する。この第1リレー光学系130においては、レンズ132とレンズ134とが同一光軸上において並んでいる。それらレンズ132と134との間に中間像面IP1が存在する。
FIG. 2 shows a simplified optical path in the HMD shown in FIG. Specifically, the first relay
LSスキャナ102と眼10との間に第2リレー光学系150が存在する。この第2リレー光学系150においては、レンズ152とレンズ154とが同一光軸上において並んでいる。それらレンズ152と154との間に中間像面IP2が存在する。
A second relay
第1リレー光学系130と第2リレー光学系150との間に、LSスキャナ102のガルバノミラー140が配置されており、このガルバノミラー140は、瞳孔12と光学的に共役な瞳孔共役位置に設置されている。本実施形態においては、この瞳孔共役位置と実質的に同じ位置(例えば、ガルバノミラー140の可及的近傍位置)に、多焦点レンズ160が設置されている。
The
具体的には、図3(a)に示すように、多焦点レンズ160は、ガルバノミラー140の下流側の位置であって、そのガルバノミラー140にできる限り近い位置に設置されている。さらに具体的には、多焦点レンズ160は、ガルバノミラー140の揺動軌跡から逃げた位置に設置されており、ガルバノミラー140の揺動を阻害しない。
Specifically, as shown in FIG. 3A, the
ただし、多焦点レンズ160は、他の位置に設置することが可能であり、例えば、ガルバノミラー140の反射面に装着することが可能である。この場合には、多焦点レンズ160を前記瞳孔共役位置と同じ位置に設置することが可能となる。
However, the
また、多焦点レンズ160は、前記(1)項における「多焦点光学素子」の一例であるが、その「多焦点光学素子」を、図3(b)に示すように、多焦点ミラー161として実施することも可能である。ここに、「多焦点光学素子」は、一般に、光軸上の異なる複数の位置に焦点を有する光学素子として定義される。
The
多焦点ミラー161は、ガルバノミラー140に別体的に装着される場合や、ガルバノミラー140自体が多焦点機能を有するように、ガルバノミラー140に一体的に、例えば、回折格子として、形成される場合がある。それらの場合には、多焦点ミラー161を前記瞳孔共役位置と同じ位置に設置することが可能である。
The
図4(a)には、多焦点レンズ160の一例である多焦点レンズ162が断面図で示されている。この多焦点レンズ162は、近点と遠点という2つの焦点を有しており、それら焦点は、多焦点レンズ160の回折格子の回折作用により、実現される。
FIG. 4A shows a cross-sectional view of a
具体的には、この多焦点レンズ162は、各々、有限の焦点距離を有する複数の領域R1,R2,R3およびR4を有している。領域R1およびR3から成る第1グループは、焦点距離を互いに共有し、残りの領域R2およびR4から成る第2グループも、焦点距離を互いに共有するが、第1グループと第2グループとでは、焦点距離が互いに異なっており、第1グループは、近方視用であって、近点において焦点を有する一方、第2グループは、遠方視用であって、遠点点において焦点を有する。
Specifically, the
それら領域R1,R2,R3およびR4は、この多焦点レンズ162において、その多焦点レンズ162の光軸まわりに回転対称的(光軸まわりに同一断面を回転させて形成される形状)に配置されている。具体的には、領域R1,R2,R3およびR4は、それぞれ円形または円環状を成すとともに、前記光軸まわりに互いに同心的に配置されている。それら領域R1,R2,R3およびR4は、互いに隣接する領域間において焦点距離に関して互いに異なるように、多焦点レンズ162の半径方向に配列されている。
The regions R1, R2, R3, and R4 are arranged in the
なお付言するに、本実施形態においては、多焦点レンズ162の形状が回転対称性を有するが、例えば、多焦点レンズ162が、それの光軸を通過する少なくとも1つの直径によって分割された少なくとも2つの領域がそれぞれ、互いに異なる焦点を有するというように、多焦点レンズ162の形状が回転対称性を有しない態様で本発明を実施することが可能である。
In addition, in this embodiment, although the shape of the
図4(b)には、多焦点レンズ160の別の例である多焦点レンズ164が正面図で示されている。この多焦点レンズ164は、多焦点レンズ162と同様に、近点と遠点という2つの焦点を有しており、それら焦点は、多焦点レンズ162とは異なり、多焦点レンズ164の屈折作用により、実現される。
FIG. 4B shows a front view of a
この多焦点レンズ164は、各々、有限の焦点距離を有する複数の領域R1,R2,R3,R4およびR5を有している。領域R1,R3およびR5から成る第1グループは、焦点距離を互いに共有し、残りの領域R2およびR4から成る第2グループも、焦点距離を互いに共有するが、第1グループと第2グループとでは、焦点距離が互いに異なっており、第1グループは、遠方視用であって、遠点において焦点を有する一方、第2グループは、近方視用であって、近点において焦点を有する。
The
それら領域R1,R2,R3,R4およびR5は、多焦点レンズ162と同様に、回転対称的に配置されているとともに、互いに隣接する領域間において焦点距離に関して互いに異なるように、多焦点レンズ164の半径方向に配列されている。
The regions R1, R2, R3, R4, and R5 are arranged rotationally symmetrically like the
図4(c)には、多焦点レンズ160のさらに別の例である多焦点レンズ166が断面図で示されている。この多焦点レンズ166も回転対称性を有する。この多焦点レンズ166は、曲率半径が互いに異なり、屈折力(レンズパワー)も互いに異なる2つの領域R1およびR2を有している。この多焦点レンズ166は、近点と遠点という2つの焦点を有しており、それら焦点は、多焦点レンズ166の屈折作用により、実現される。領域R1は、近点において焦点を有する一方、領域R2は、遠点において焦点を有する。
In FIG. 4C, a
図5には、多焦点レンズ160からの出射光が網膜14上に結像する様子が光路図で表されている。図5に示す例においては、多焦点レンズ160が、それの光軸まわりに互いに同心的に配列された複数の領域R1,R2およびR3を有する。それら領域R1,R2およびR3は、この順序で、光軸から半径方向外向きに並んでいる。領域R1およびR3は、遠点において焦点を有する一方、領域R2は、近点において焦点を有する。
FIG. 5 is an optical path diagram showing how the light emitted from the
領域R1からの出射光L1は、瞳孔12を通過して、点P1(遠点)において結像する。また、領域R2からの出射光L2は、瞳孔12を通過して、点P2(近点)において結像する。また、領域R3からの出射光L3は、瞳孔12を通過して、点P1(遠点)において結像する。
The outgoing light L1 from the region R1 passes through the
このように、本実施形態においては、同じ画像が、互いに異なる焦点を有する複数の光によって形成される。したがって、観察者は、同じ画像を、複数の焦点位置のいずれかにおいてピントが合った状態で観察することが可能となる。すなわち、焦点深度が深くなったのと同等の光学的効果が得られるのである。 Thus, in the present embodiment, the same image is formed by a plurality of lights having different focal points. Therefore, the observer can observe the same image in a focused state at any of a plurality of focal positions. That is, an optical effect equivalent to that when the depth of focus is deepened can be obtained.
この密閉型のHMDを起動させると、観察者は、このHMDによる表示画像を観察するために、本能的な動作として、何かにピントを合わせようとする。このときの最初のピント位置は、観察者の習慣や嗜好によって異なる。本実施形態によれば、このとき、表示画像が複数の焦点を有するため、唯一の焦点しか有しない場合に比較して、観察者が、その表示画像にピントを合わせるための動作、すなわち、眼10による焦点距離の修正動作が単純化される。その結果、このHMDの使い勝手が向上する。 When the sealed HMD is activated, the observer tries to focus on something as an instinct operation in order to observe the display image by the HMD. The initial focus position at this time varies depending on the habits and preferences of the observer. According to the present embodiment, since the display image has a plurality of focal points at this time, an operation for the observer to focus on the display image, that is, the eye, as compared with a case where the display image has only one focal point. The operation of correcting the focal length by 10 is simplified. As a result, the usability of this HMD is improved.
従来であれば、このHMDから瞳孔12に瞬間的に入射する1本のビームの直径が大きいほど、そのビームの焦点深度が浅くなり、その結果、観察者は、いずれの奥行きを有するのか事前には分からない表示画像にピントを合わせることが煩雑で、面倒であった。これに対し、本実施形態によれば、同じ画像が複数の焦点を有するように画像光が形成されるため、1本のビームの焦点深度が浅くても、観察者は表示画像にピントを合わせ易くなり、その結果、このHMDの使い勝手が向上する。
Conventionally, the larger the diameter of one beam that is instantaneously incident on the
さらに、本実施形態においては、多焦点レンズ160は、前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置されているため、図5に示す複数の領域R1,R2およびR3からの3つの出射光が、すべての画角において、互いに分離した状態で、瞳孔12に通過する。このとき、多焦点レンズ160内の各領域R1,R2,R3の光学的特性と、瞳孔12に入射する各出射光の光学的特性とが互いに一致する。したがって、本実施形態によれば、瞳孔12に入射する各出射光の光学的特性を個別に所望のものにするために、多焦点レンズ160内の各領域R1,R2,R3の光学的特性を個別にチューニングすることが可能となり、その結果、チューニングし易さが向上する。
Further, in the present embodiment, the
図5に示す多焦点レンズ160を使用する場合には、最も中央に位置する領域R1は遠点用、その領域R1に半径方向外側に隣接する領域R2は近点用、その領域R2に半径方向外側に隣接する領域R3は遠点用というように、多焦点レンズ160の光軸から半径方向に遠ざかるにつれて、複数の領域R1,R2およびR3が、互いに隣接する領域間において焦点距離が互いに異なるように、交互に並ぶように配置されている。
When the
前述のように、多焦点レンズ160は、前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置されているため、複数の領域R1,R2およびR3からの3つの出射光が、すべての画角において、互いに分離した状態で、瞳孔12に通過する。よって、本実施形態によれば、瞳孔12には、それの光軸から半径方向に遠ざかるにつれて、遠点用の光と近点用の光とが交互に並ぶように入射することになる。
As described above, since the
ところで、瞳孔12が開いている状態における瞳孔12の大きさ、すなわち、瞳孔径は、常に一定ではなく、瞳孔12に入射する光の照度(明るさ)によって変化する。これに対し、本実施形態においては、通常の照度(例えば、昼光や室内光程度の照度)において、少なくとも2つの領域R1およびR2(焦点距離が互いに異なり、かつ、光軸に最も近い2つの領域)からの出射光が必ず一緒に瞳孔12に入射するように、多焦点レンズ160の幾何学が選択されている。すなわち、少なくとも2つの領域R1およびR2の半径方向寸法は、瞳孔径と整合するように、設定されているのである。
By the way, the size of the
したがって、本実施形態によれば、通常の照度であるかまたはそれより暗い環境において、少なくとも2つの領域R1およびR2からの出射光が必ず一緒に瞳孔12に入射し、よって、ほとんどすべての通常の照度において、すなわち、瞳孔径の如何を問わず、同じ画像が複数の焦点を有するように形成された画像光が瞳孔12に入射する。その結果、観察者は、瞳孔径の如何を問わず、表示画像にピントを合わせ易くなり、その結果、このHMDの使い勝手が向上する。
Therefore, according to the present embodiment, in an environment with normal illuminance or darker, the emitted light from at least two regions R1 and R2 always enter the
本実施形態においては、多焦点レンズ160が、2つの焦点を有するように設計されているが、3以上の焦点を有する態様で本発明を実施することが可能である。この態様においては、多焦点レンズ160が、3以上の焦点に対応する3以上の領域を有するとともに、互いに隣接する領域間において焦点距離が互いに異なるように、それら領域が並ぶ順序を決めることが可能である。
In the present embodiment, the
図2に示すように、本実施形態においては、さらに、多焦点レンズ160に光学的に関連付けて絞り170が設置されている。具体的には、この絞り170は、第1リレー光学系130から多焦点レンズ160に入射しようとする画像光のうち、最終的に瞳孔12に入射させたくない部分(不要光または外乱光)を、多焦点レンズ160から出射しないように遮断するという機能実現のために設置されている。この絞り170によれば、不要光が瞳孔12に入射することが抑制され、その結果、不要光に起因したノイズが表示画像に出現してそれの品質が劣化してしまうことが防止される。
As shown in FIG. 2, in the present embodiment, a
この絞り170は、多焦点レンズ160の近傍位置(例えば、接触する位置、可及的に接近した位置)に設置され、その結果、前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置されている。したがって、この絞り170から出射する光の光学的特性は、瞳孔12に入射する光の光学的特性と一致する。よって、この絞り170の形状等の条件次第で、瞳孔12に入射する光の光学的特性を確実に改善することが容易である。その結果、本実施形態によれば、この絞り170が、瞳孔共役位置から外れた位置に設置されている場合とは異なり、この絞り170をそれの機能が全うされるように設計することが容易となる。
The
次に、本発明の第2実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置(以下、「HMD」と略称する。)を説明する。ただし、本実施形態は、第1実施形態に対し、多焦点レンズ160に関連する光学部品が追加されている点でのみ異なり、他の要素については共通であるため、異なる要素についてのみ詳細に説明し、共通する要素については重複した説明を省略する。
Next, a head mounted display device (hereinafter abbreviated as “HMD”) according to a second embodiment of the present invention will be described. However, this embodiment is different from the first embodiment only in that an optical component related to the
図6(a)は、本実施形態に従うHMDにおける多焦点レンズ160を示す正面図である。このHMDは、図1に示すHMDと基本的に共通する構成を有しているため、重複した説明を省略する。
FIG. 6A is a front view showing the
図5に示すように、第1実施形態においては、多焦点レンズ160から出射した、遠点用の光L1およびL3と、近点用の光L2とが、常に一緒に瞳孔12に入射する。このことは、観察者が、いずれかの光を使って、表示画像にピントを合わせることに成功した後も、継続する。このとき、それら光L1,L2およびL3のすべてが観察者にとって必要であるわけではなく、観察者のピントが遠点に合えば、近点用の光L2は不要光となるし、逆に、観察者のピントが近点に合えば、遠点用の光L1およびL3は不要光となる。それら不要光は、放置すると、観察者が表示画像を観察することを阻害する可能性がある。
As shown in FIG. 5, in the first embodiment, the far-point light L1 and L3 and the near-point light L2 emitted from the
図6(a)に示すように、本実施形態に従うHMDにおいては、多焦点レンズ160が、中央に位置する円形状の領域R1と、それの外側に位置する円環状の領域R2とを有している。多焦点レンズ160のうち、領域R1は、遠点用の光を出射する部分であるのに対し、領域R2は、近点用の光を出射する部分である。
As shown in FIG. 6A, in the HMD according to the present embodiment, the
図6(b)に示すように、このHMDにおいては、多焦点レンズ160を選択的に、かつ、部分的に覆う第1および第2のマスク200および210が、第1実施形態と共通の構成に対して追加されている。第1のマスク200は、概して円板状を成すとともに、中央に円形状の遮光部220、それの外側に円環状の透光部222をそれぞれ有している。これに対し、第2のマスク210は、概して円板状を成すとともに、中央に円形状の透光部230、それの外側に円環状の遮光部232をそれぞれ有している。
As shown in FIG. 6B, in this HMD, the first and
いずれのマスク200および210も、多焦点レンズ160に位置的に関連付けて設置されている。各マスク200,210は、作用位置と非作用位置とに選択的に移動させられる。作用位置は、多焦点レンズ160への入射光または多焦点レンズ160からの出射光を遮断し得る位置であり、例えば、多焦点レンズ160の上流側近傍位置または下流側近傍位置である。これに対し、非作用位置は、その作用位置から退避した位置である。各マスク200,210の移動は、例えば、各マスク200,210を回転または直線移動させる各アクチュエータ(図示しない)を、観察者からの指令に応じて制御することによって行うことが可能である。
Both
観察者は、遠点にピントが合った後に、第1のマスク200を非作用位置に移動させる一方、第2のマスク210を作用位置に移動させるための指令をこのHMDに出力する。そうすると、第2のマスク210が作用位置に移動し、それの遮光部232により、多焦点レンズ160のうちの近点用の領域R2が遮光される。これに対して、観察者は、近点にピントが合った後に、第2のマスク210を非作用位置に移動させる一方、第1のマスク200を作用位置に移動させるための指令をこのHMDに出力する。そうすると、第1のマスク200が作用位置に移動し、それの遮光部220により、多焦点レンズ160のうちの遠点用の領域R1が遮光される。
The observer outputs a command for moving the
したがって、本実施形態によれば、観察者のピントが遠点に合った場合には、遠点用の光のみが瞳孔12に入射するため、今回は不要光である近点用の光が瞳孔12に一緒に入射せずに済むから、表示画像においてノイズが減って画質がより鮮明になるとともに、観察者は、遠点用の光のみに集中することが可能となる。これに対し、観察者のピントが近点に合った場合には、近点用の光のみが瞳孔12に入射するため、今回は不要光である遠点用の光が瞳孔12に一緒に入射せずに済むから、表示画像においてノイズが減って画質がより鮮明になるとともに、観察者は、近点用の光のみに集中することが可能となる。その結果、いずれの場合にも、観察者のピントが表示画像に合った後には、同じ画像が複数の焦点を有するように画像光を形成するために多焦点レンズ160が存在するにもかかわらず、このHMDの画質および使い勝手が、多焦点レンズ160を有しない場合とほぼ同等なものとなる。
Therefore, according to the present embodiment, when the observer's focus is at the far point, only the far point light is incident on the
なお付言するに、本実施形態においては、2種類のマスク200および210が採用されているが、いずれかを省略することが可能である。また、本実施形態においては、マスク200および210がいずれも機械的な部品として構成されているが、いずれかまたは双方を液晶によって構成することが可能である。マスクを液晶によって構成する場合には、1つのマスクのみで、遠点用の光の遮断と近点用の光の遮断とを選択的に実現することが可能であり、また、そのマスクは、前記光軸上の所定位置に移動不能に設置することが可能である。
In addition, in this embodiment, two types of
次に、本発明の第3実施形態に従うヘッドマウントディスプレイ装置(以下、「HMD」と略称する。)を説明する。 Next, a head mounted display device (hereinafter abbreviated as “HMD”) according to a third embodiment of the invention will be described.
まず概略的に説明するに、このHMDは、光源から一斉に入射した面状の光を、空間変調素子を用いて、各画素ごとに空間的に変調し、そのようにして形成された画像光を観察者の瞳孔を経て直接的に観察者の網膜上に投影し、それにより、観察者が画像を虚像として観察することを可能にするように構成されている。すなわち、このHMDは、空間変調型なのである。 First, to explain schematically, this HMD spatially modulates planar light incident from a light source for each pixel using a spatial modulation element, and the image light formed in this way. Is projected directly onto the viewer's retina via the viewer's pupil, thereby allowing the viewer to view the image as a virtual image. That is, this HMD is a spatial modulation type.
具体的には、このHMDは、図7に示すように、光源部312と、画像光形成部314と、リレー光学系316と、接眼光学系318とを、それらの順に、互いに直列に並ぶように備えている。本実施形態においては、光源部312と画像光形成部314とが互いに共同して、前記(1)項における「画像光形成部」の一例を構成している。 Specifically, as shown in FIG. 7, in this HMD, a light source unit 312, an image light forming unit 314, a relay optical system 316, and an eyepiece optical system 318 are arranged in series in that order. In preparation. In the present embodiment, the light source unit 312 and the image light forming unit 314 cooperate with each other to constitute an example of the “image light forming unit” in the item (1).
光源部312は、光源としての白色LED320と、その白色LED320からの白色光をコリメートするコリメートレンズ322とを含むように構成されている。白色LED320は、LEDドライバ324によって駆動され、それにより、白色光を発光する。なお、本実施形態においては、光源部312が、白色LED320とコリメートレンズ322とを含むように構成されているが、これに代えて、例えば、バックライトを主体として構成することが可能である。
The light source unit 312 includes a
画像光形成部314は、フラットパネルディスプレイ(空間変調素子の一例)としてのLCD(液晶ディスプレイ)330を含むように構成されている。LCD330は、コリメートレンズ322からの白色光を、各画素ごとに、3色の成分光(RGB)に分解するカラーフィルタ(RGBフィルタ)と、各成分光の透過度を制御する液晶パネルとを含むように構成されている。その液晶パネルは、複数個の画素を有しており、各画素ごとに、各成分光の透過度を制御する。LCD330は、LCDドライバ332によって駆動され、それにより、白色LED320から出射した白色光に対して空間変調を施す。
The image light forming unit 314 is configured to include an LCD (liquid crystal display) 330 as a flat panel display (an example of a spatial modulation element). The
本実施形態においては、フラットパネルディスプレイの一例としてLCD330が採用されているが、これに限定されることなく、例えば、有機エレクトロルミネッセンス(EL)としたり、デジタルマイクロミラーデバイスとすることが可能である。
In the present embodiment, the
リレー光学系316は、前段リレーレンズ340と後段リレーレンズ342とを含むように構成されている。前段リレーレンズ340の前側焦点位置にLCD330が、その後側焦点位置に多焦点レンズ350がそれぞれ配置され、また、後段リレーレンズ342の前側焦点位置に多焦点レンズ350が配置されている。多焦点レンズ350は、第1実施形態における多焦点レンズ160と基本的な構成を共通にしているため、重複した説明を省略する。
The relay optical system 316 is configured to include a
接眼光学系318は、接眼レンズ360と、その接眼レンズ360からの画像光をユーザの瞳孔に誘導する光ガイドとしてのハーフミラー362とを含むように構成されている。本実施形態においては、その光ガイドがハーフミラー362として構成されているため、ユーザは、ハーフミラー362を通して現実外界を観察すると同時に、接眼レンズ360からの画像光を、ハーフミラー362の反射によって受光して表示画像を観察することが可能である。すなわち、このHMDは、現実外界に重ねて表示画像を観察可能なシースルー型なのである。
The eyepiece optical system 318 is configured to include an
図8には、このHMDが光路図で示されている。多焦点レンズ350は、リレー光学系316の瞳孔共役位置とちょうど同じ位置、すなわち、前段リレーレンズ340の後側焦点位置と一致し、かつ、後段リレーレンズ342の前側焦点位置と一致する位置に設置されている。なお、図8においては、ハーフミラー362が省略されている。
FIG. 8 shows the HMD in an optical path diagram. The
したがって、本実施形態によれば、空間変調型のHMDにおいて、第1実施形態に従う走査型のHMDと共通する効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the spatial modulation type HMD can obtain the same effects as the scanning type HMD according to the first embodiment.
ただし、第1実施形態とは異なり、本実施形態に従うHMDは、シースルー型である。この場合、観察者は、現実外界にピントが合っている状態で、表示画像にもピントを合わせようとする。しかし、現実外界の奥行きと表示画像の奥行きとが常に互いに一致することは保証されていない。これに対し、本実施形態によれば、参照画像が、複数の焦点距離を有しているため、観察者は参照画像にピントを合わせ易くなる。また、観察者は、参照画像を、参照画像にも現実外界にもピントが合った状態で観察するが容易となる。その結果、このHMDの使い勝手が向上する。 However, unlike the first embodiment, the HMD according to the present embodiment is a see-through type. In this case, the observer tries to focus on the display image in a state where the real outside world is in focus. However, it is not guaranteed that the depth of the actual outside world always matches the depth of the display image. On the other hand, according to this embodiment, since the reference image has a plurality of focal lengths, the observer can easily focus on the reference image. In addition, it becomes easy for the observer to observe the reference image in a state in which both the reference image and the actual outside world are in focus. As a result, the usability of this HMD is improved.
以上、本発明の実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記[発明の開示]の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。 As described above, some of the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, these are exemplifications, and are based on the knowledge of those skilled in the art including the aspects described in the section of [Disclosure of the Invention]. The present invention can be implemented in other forms with various modifications and improvements.
Claims (5)
画像信号に応じた画像光を形成する画像光形成部と、
その形成された画像光が当該画像表示装置から出射する出射部と
を含み、
前記画像光形成部と前記出射部との間における光路上に、前記瞳孔の位置と光学的に共役な瞳孔共役位置が存在し、
当該画像表示装置は、さらに、
前記瞳孔共役位置と実質的に同じ位置に設置された多焦点光学素子を含む画像表示装置。 A direct-view image display device that enters image light representing an image to be displayed into a pupil of an observer's eyeball, thereby displaying the image to the observer,
An image light forming unit that forms image light according to an image signal;
The formed image light includes an emission part that emits from the image display device,
There is a pupil conjugate position optically conjugate with the pupil position on the optical path between the image light forming portion and the exit portion,
The image display device further includes:
An image display device including a multifocal optical element installed at substantially the same position as the pupil conjugate position.
それら複数の領域は、少なくとも部分的に、前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、互いに隣接する領域間において前記焦点距離に関して互いに異なっており、
それら複数の領域は、前記多焦点光学素子内において、その多焦点光学素子の光軸まわりに回転対称的に幾何学的に配置されている請求項1または2に記載の画像表示装置。 The multifocal optical element has a plurality of regions each having a finite focal length;
The plurality of regions differ from each other at least in part with respect to the focal length;
The plurality of regions are different from each other with respect to the focal length between adjacent regions;
The image display device according to claim 1, wherein the plurality of regions are geometrically arranged in a rotationally symmetrical manner around the optical axis of the multifocal optical element in the multifocal optical element.
光源と、
その光源からの入射光を用いて前記画像光を形成する液晶または有機ELであって前記画像信号に応じて作動するものと
を含む請求項1ないし3のいずれかに記載の画像表示装置。 The image light forming unit
A light source;
4. The image display device according to claim 1, further comprising: a liquid crystal or an organic EL that forms the image light using incident light from the light source, and that operates according to the image signal. 5.
前記画像信号に応じた強度を有する光を出射する光源と、
その光源からの入射光を走査することによって前記画像光を形成する光走査部と
を含む請求項1ないし3のいずれかに記載の画像表示装置。 The image light forming unit
A light source that emits light having an intensity according to the image signal;
The image display apparatus according to claim 1, further comprising: an optical scanning unit that forms the image light by scanning incident light from the light source.
Priority Applications (1)
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