JP3556389B2 - ヘッドマウントディスプレイ装置 - Google Patents
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Description
【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LCDα3L、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するヘッドマウントディスプレイ装置であって、前記可変焦点レンズは、固定焦点レンズ又は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り、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り、前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数f1及び周波数f2を各々有する電圧V1及びV2を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記2次元表示装置に2次元像を順次に表示させる手段を備えたことを特徴とする。
【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光偏向角度が可変な偏向手段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するヘッドマウントディスプレイ装置であって、前記可変焦点レンズは、固定焦点レンズ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り、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り、前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数f1及び周波数f2を各々有する電圧V1及びV2を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記2次元表示装置に2次元像を順次に表示させる手段を備え、前記偏向手段は、前記2次元表示装置と眼の間に配置され、前記可変焦点レンズの焦点距離が長くなり前記2次元表示装置の表示像の虚像の奥行き位置が眼に近付く場合に、前記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。
【0014】
(3)前記(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。
【0015】
(4)前記(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、前記偏向手段は、固定プリズムと第2の屈折率可変物質を有する層と、該層を挾持する少なくとも一対の第2の透明電極とからなることを特徴とする。
【0016】
(5)前記(4)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。
【0017】
(6)前記(4)または(5)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、前記第2の屈折率可変物質は、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。
【0018】
(7)前記(4)または(5)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、前記第2の屈折率可変物質は、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。
【0019】
(8)2次元表示装置と焦点距離が可変な可変焦点レンズと光偏向角度が可変な偏向手段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するヘッドマウントディスプレイ装置であって、前記可変焦点レンズは、前記偏向手段と一体化されており、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り、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り、前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数f1及び周波数f2を各々有する電圧V1及びV2を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記2次元表示装置に2次元像を順次に表示させる手段を備え、前記偏向手段は、前記可変焦点レンズの焦点距離が長くなり前記2次元表示装置の表示像の虚像の奥行き位置が眼に近付く場合に、前記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。
【0020】
(9)前記(8)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。
【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。14R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。15R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11R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11L、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15R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,12L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13R,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、22R,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,22Lの動作は、実施形態1と同様であるが、偏向装置24R,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21R、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,24L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24R,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、SnOX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32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Δε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f1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33,34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、PVA、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310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; 但し、特許請求の範囲には含まれない。)の概略構成を示す図である。図12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、46は入射光、47,48は出射光、49は高分子、410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410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510(例えばポリイミド、PVA、PVB、斜方蒸着SiO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、63,64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63,64の間隔を一定にでき、均一な電界を屈折率可変物質62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、PVB、斜方蒸着SiOなど)を含む構成とし、配向膜610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62)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、
12R,12L,22R,22L…可変焦点レンズ、
13R,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,16L,25R,25L…表示像、
17,18…虚像、24R,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、
35,45,55,65…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。
Claims (9)
- 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するヘッドマウントディスプレイ装置であって、
前記可変焦点レンズは、固定焦点レンズ又は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り、
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り、
前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数f1及び周波数f2を各々有する電圧V1及びV2を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記2次元表示装置に2次元像を順次に表示させる手段を備えた
ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ装置。 - 2次元表示装置と焦点距離が可変な可変焦点レンズと光偏向角度が可変な偏向手段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するヘッドマウントディスプレイ装置であって、
前記可変焦点レンズは、固定焦点レンズ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り、
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り、
前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数f1及び周波数f2を各々有する電圧V1及びV2を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記2次元表示装置に2次元像を順次に表示させる手段を備え、
前記偏向手段は、前記2次元表示装置と眼の間に配置され、前記可変焦点レンズの焦点距離が長くなり前記2次元表示装置の表示像の虚像の奥行き位置が眼に近付く場合に、前記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、
前記偏向手段は、固定プリズムと第2の屈折率可変物質を有する層と、該層を挾持する少なくとも一対の第2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4または5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、
前記第2の屈折率可変物質は、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4または5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、
前記第2の屈折率可変物質は、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。 - 2次元表示装置と焦点距離が可変な可変焦点レンズと光偏向角度が可変な偏向手段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するヘッドマウントディスプレイ装置であって、
前記可変焦点レンズは、前記偏向手段と一体化されており、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り、
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り、
前記制御装置は、前記可変焦点レンズを駆動するための駆動信号として、周波数f1及び周波数f2を各々有する電圧V1及びV2を一定のデューティ比と一定の周期で交互に出力し、かつ、前記駆動信号を一定時間印加することにより、前記可変焦点レンズの焦点距離をアナログ的かつ周期的に変化させるとともに、前記可変焦点レンズの焦点距離の変化に同期して、前記2次元表示装置に2次元像を順次に表示させる手段を備え、
前記偏向手段は、前記可変焦点レンズの焦点距離が長くなり前記2次元表示装置の表示像の虚像の奥行き位置が眼に近付く場合に、前記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8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。
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