JP6662599B2 - 表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置に関する。

従来、使用者の頭部に装着される表示装置として、使用者の網膜に光を直接結像させて使用者に画像を視認させる網膜走査型の表示装置が知られている。例えば、制御装置及び投影装置を備えており、制御装置が投影装置から識別情報を読み出して、読み出した識別情報に基づいて投影装置を識別し、最適な制御方法を特定する網膜走査型の表示装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−７４８１１号公報

しかしながら、従来の表示装置では、投影光学系が片眼側にのみ実装されている。ところが、使用者は右眼が利き眼の場合と左眼が利き眼の場合があり、投影光学系が片眼側にのみ実装されている表示装置では、様々な使用者に対応することは困難であった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、使用者の利き眼に合わせて装着可能な表示装置を提供することを目的とする。

本表示装置（１）は、網膜走査型の表示装置であって、眼の網膜にレーザ光による映像を投影する投影光学系（１５）と、前記映像の湾曲を補正する湾曲補正手段（２２１）と、前記映像を反転させる映像反転手段（２３２）と、前記映像を左眼に投影する場合に前記映像の湾曲を補正する補正データ、及び前記映像を右眼に投影する場合に前記映像の湾曲を補正する補正データ、を記憶する記憶手段（２２２）と、右眼側と左眼側とを反転させても装着者の頭部に装着可能に構成された眼鏡型の装着部（１０）と、を有し、前記投影光学系（１５）は、前記装着部（１０）の右眼側か左眼側の何れか一方の眼の側に内蔵され、前記装着部（１０）は、上下方向に対称性を有し、前記湾曲補正手段（２２１）が、前記レーザ光が前記投影光学系（１５）から網膜に投影される角度に基いて前記補正データを生成し、前記投影光学系（１５）を配置する側が、一方の眼側から他方の眼側に切り替えられたことを示す切替信号に基づき、前記湾曲補正手段（２２１）が一方の眼に対応する補正データから他方の眼に対応する補正データに切り替えて湾曲補正を行うと共に、前記映像反転手段（２３２）が映像反転を行うことを要件とする。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

開示の技術によれば、使用者の利き眼に合わせて装着可能な表示装置を提供できる。

本実施の形態に係る表示装置の外観を例示する斜視図である。 本実施の形態に係る表示装置を模式的に示したブロック図の一例である。 本実施の形態に係る表示装置の投影光学系を例示する図である。 投影光学系の反転について説明する図である。 湾曲補正した映像について説明する図である。 湾曲補正の方法について説明する図である。 湾曲補正前の映像データの反転について説明する図である。 湾曲補正後の映像データの反転について説明する図（その１）である。 湾曲補正後の映像データの反転について説明する図（その２）である。 好適な湾曲補正と映像データの反転について説明する図（その１）である。 好適な湾曲補正と映像データの反転について説明する図（その２）である。 好適な湾曲補正と映像データの反転について説明する図（その３）である。

以下、図面を参照して、実施の形態の説明を行う。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

［表示装置の概要］
図１は、本実施の形態に係る表示装置の外観を例示する斜視図である。図２は、本実施の形態に係る表示装置を模式的に示したブロック図の一例である。図３は、本実施の形態に係る表示装置の投影光学系を例示する図である。

図１〜図３に示す表示装置１は、網膜に映像を直接投影する網膜走査型のヘッドマウントディスプレイである。網膜走査型であるため、視力に関わらず映像（虚像）を視ることができる。そのため、例えば、視力の弱い人を支援するための装置として利用することができる。

表示装置１は、主要な構成要素として、装着者（使用者）の頭部に装着する装着部１０と、装着部１０を制御する制御ボックス２０Ｂとを有している。制御ボックス２０Ｂは、例えば直方体の筐体であり、必要に応じ各種スイッチや表示部等を設けることができる。制御ボックス２０Ｂには、装着部１０を動作させる回路部２０が内蔵されている。装着部１０と制御ボックス２０Ｂ内の回路部２０とは、光ファイバーや電線を含むケーブル３０により接続されている。

本実施の形態では、一例として装着部１０は眼鏡型をしており、左右に１組ずつ略対称に設けられたフロント１０ｆ及びテンプル１０ｔにより構成されている。フロント１０ｆには、レンズ（度数がゼロである場合も含む）が保持されている。

左右の何れか一方のテンプル１０ｔ（図１では左眼側）には、図３に示す光走査部１５１、レンズ１５２、及びハーフミラー１５３を備えた投影光学系１５が実装されている。すなわち、表示装置１では、投影光学系１５が片眼側にのみ実装されている。投影光学系１５は、右眼側にも左眼側にも配置可能であり、配置された側の眼の網膜に映像を投影する機能を有している。

回路部２０は、光源部２１と、映像信号処理部２２と、制御部２３と、ミラー駆動回路２４と、電源部２８と、電池２９とを有している。

光源部２１、映像信号処理部２２、制御部２３、及びミラー駆動回路２４には、電源部２８から所定電圧の電源が供給されている。電源部２８は、ＡＣ電圧を所定のＤＣ電圧に変換する回路や、電池２９から供給される電圧と、ＡＣ電圧から変換したＤＣ電圧とを選択する回路等を備えている。電池２９は、例えば、リチウムイオン電池である。なお、図２では、電源の流れを太矢印で示し、信号の流れを細矢印で示している。

光源部２１は、レーザモジュール２１１や、レーザ駆動回路２１２を有している。レーザモジュール２１１は、電流値に応じて出射光量が変化する赤（例えば、波長６４０ｎｍ）、緑（例えば、波長５３０ｎｍ）、青（例えば、波長４４５ｎｍ）の３色のレーザや、各レーザの出射光量をモニタする光量検出センサ等を備えている。

映像信号処理部２２は、回路部２０の外部から供給されたディジタルの映像データに所定の信号処理を施し、制御部２３に受け渡す。ディジタルの映像データは、例えば、ＨＤＭＩ（登録商標）（High-Definition Multimedia Interface）に準拠したデータである。制御部２３は、例えば、映像信号処理部２２からの映像データを光源部２１のレーザ駆動回路２１２に供給する。なお、映像データは、予め用意された映像のデータでもよいし、例えば、装着部１０に取り付けた小型カメラからの映像のデータでもよい。

レーザ駆動回路２１２は、制御部２３からの映像データに基づいて、各レーザに所定の電流を供給する。これにより、各レーザが映像データに応じて変調された赤色、緑色、及び青色の光を発し、これらを合成することでカラーの画像を形成することができる。

この際、制御部２３は、レーザモジュール２１１に設けられた光量検出センサの出力をモニタし、レーザモジュール２１１の各レーザの光量制御を行う。つまり、各レーザは、制御部２３により所定の出力（光量）になるように電流制御される。各レーザから出射された各波長の光は、ダイクロイックミラー等により合成され、必要に応じ減光フィルタ等により所定の光量に減光されて光走査部１５１に送られる。

光走査部１５１は、入射光を２次元に走査し、走査光はレンズ１５２及びハーフミラー１５３を介して表示装置１の装着者の眼球２１０の網膜に直接照射され２次元像を形成する。光走査部１５１は、例えば、直交する２軸に対して揺動する１つのミラーを備えている。光走査部１５１は、例えば、半導体プロセス等で作製されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）とすることができる。光走査部１５１のミラーは、例えば、圧電素子の変形力を駆動力とするアクチュエータにより駆動することができる。なお、投影光学系１５は、光走査部１５１、レンズ１５２、及びハーフミラー１５３以外の光学部品等を備えていてもよい。

制御部２３は、光走査部１５１の振れ角制御を行う。制御部２３は、例えば、光走査部１５１に設けられた水平変位センサや垂直変位センサで得られる光走査部１５１のミラーの水平方向及び垂直方向の傾きをモニタし、ミラー駆動回路２４に角度制御信号を供給する。そして、ミラー駆動回路２４は、制御部２３からの角度制御信号に基づいて、光走査部１５１の圧電素子を駆動し、ミラーを所定角度に走査する。

なお、映像信号処理部２２及び制御部２３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含む構成とすることができる。この場合、映像信号処理部２２及び制御部２３の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることによって実現できる。但し、映像信号処理部２２及び制御部２３の一部又は全部は、ハードウェア（ＡＳＩＣ等）のみにより実現されてもよい。

［表示装置の左右切り替え機能］
前述のように、表示装置１では、投影光学系１５が片眼側にのみ実装されている。しかし、表示装置１では、様々なユーザが利き眼に合わせて利用できるよう、装着部１０を上下対称に設計し、右眼側と左眼側とを反転させても装着者の頭部に装着可能に構成している。

図４（ａ）は、装着者２００が、投影光学系１５が左眼側に配置されるように装着部１０を装着した場合を示しており、左眼に所定の映像（この場合は、一例として『あ』の文字）が視認されている。この状態で、装着部１０の左右を反転し、投影光学系１５が右眼側に配置されるように装着部１０を装着すると、図４（ｂ）に示すように、右眼に所定の映像を１８０°回転させた映像が視認される。

当然、図４（ｂ）のままでは使用できないので、表示装置１では、図４（ｃ）に示すように、制御ボックス２０Ｂにスイッチ２０Ｓを設けている。スイッチ２０Ｓを右眼側に切り替えることにより、図４（ｄ）に示すように、映像が反転し、正規の映像を右眼で視認することができる。なお、本明細書において、映像が反転するとは、図４に示す平面内で映像が１８０度回転することをいう。

ところで、表示装置１では、投影光学系１５の特徴により、レーザ光を網膜に横斜めから入射している。このため、網膜に映し出される映像は湾曲してしまう。そこで、表示装置１では、映像の歪み率を求め、その線対称的な歪みを元の映像に施す湾曲補正を行うことで、湾曲していない正しい映像を映し出している。

すなわち、図４（ａ）で表示されている『あ』の映像は湾曲していないが、これは湾曲補正後の映像である。仮に、湾曲補正を行わなかったとすると、図５（ａ）に示す湾曲していない元の映像は、図５（ｂ）のように湾曲した映像として網膜に映し出される。

そこで、表示装置１では、図５（ｃ）のように、湾曲していない元の映像に湾曲補正を施し予め歪ませた映像（走査前の映像）を生成する。そして、図５（ｃ）の予め歪ませた映像のデータに応じて各レーザを変調して合成し、合成されたレーザ光を光走査部１５１で走査する。その結果、湾曲補正により予め施した歪と、レーザ光を横斜めから入射することで生じる歪とが相殺され、図５（ｄ）に示すような湾曲していない映像が網膜に映し出される。

図６を用いて、湾曲補正の方法について簡単に説明する。図６（ａ）に示すように、湾曲補正前の映像を複数のドットを用いて区分けする。図６（ａ）では、便宜上２４個のドットを用いているが、実際には多数のドットを用いる。

次に、図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）の夫々のドット座標を、歪ませたい方向に移動させる。これにより、目標の映像（歪んだ映像）を作成することができる。夫々のドット座標を移動させる量は、網膜にレーザ光を入射する角度等によって決定することができる。

なお、図６（ｂ）のドットの周囲の梨地模様で示した領域は、トリミングされた領域である。図６（ｂ）のように移動させたドット座標を全て座標テーブルとしてデータ化することで、補正データが完成する。補正データは、例えば、映像信号処理部２２内のＲＡＭ等（後述の記憶手段２２２）に記憶しておくことができる。

次に、映像データの反転について説明する。図４（ｄ）では、図４（ｂ）の映像を反転させているが、これは、次のように行う。図７（ａ）は、図４（ｂ）の映像に対応する元の映像データである。又、図７（ａ）に示す多数の四角はピクセルを示しており、この例では全部で１４４ピクセルである。

表示装置１では、映像信号処理部２２から『元の映像データ』を制御部２３が受け取り、制御部２３が図７（ｂ）に示すように１行目のＡから９行目のＰまで図に示す順番に１ピクセル毎に読み取って、どの座標が何色かの情報を光源部２１に伝える。そして、制御部２３からの情報に基づいて、光源部２１のレーザモジュール２１１が発光する。レーザモジュール２１１からのレーザ光は、図７（ａ）の『元の映像データ』と同じ順番で１行目のＡから矢印の順番に光走査部１５１で走査され、所定の映像が網膜に映し出される。

映像を反転する場合は、映像データの最初の１ピクセルからではなく、最後の1ピクセルから描くよう、制御部２３が図７（ｃ）に示すように、映像データを読む順番を変えている。すなわち、制御部２３は、図７（ｃ）に示すように９行目のＰから１行目のＡまで図に示す順番に１ピクセル毎に読み取る。結局、制御部２３の読み取ったデータは図７（ｄ）のように並ぶ。図７（ｄ）が、図７（ａ）の『元の映像データ』を反転した、図４（ｄ）の映像に対応する『反転された映像データ』となる。

制御部２３は、『反転された映像データ』に基づいて、どの座標が何色かの情報を光源部２１に伝える。そして、制御部２３からの情報に基づいて、光源部２１のレーザモジュール２１１が発光する。レーザモジュール２１１からのレーザ光は、図７（ｄ）に示すように、９行目のＰから矢印の順番に光走査部１５１で走査され、図７（ａ）のデータに対応する図４（ｂ）の映像を反転させた図４（ｄ）の映像が網膜に映し出される。

以上の説明は、湾曲補正を考慮していないが、実際には、映像の反転の他に湾曲補正が行われる。すなわち、前述のように、表示装置１では、図５（ｃ）のように、予め歪ませた映像のデータに応じて各レーザを変調して合成し、合成されたレーザ光を光走査部１５１で走査する。すなわち、図５（ｃ）の映像に対応する湾曲補正後の映像データが、『元の映像データ』となる。

この点について、改めて図８及び図９を用いて説明する。ここでは、図８（ａ）は、図９（ａ）の映像が視認されている場合（図４（ｂ）の状態）の元の映像データであるとする。又、図８（ｂ）は、図８（ａ）のデータに左眼用の湾曲補正を施したデータであり、図９（ｂ）の映像（走査前の映像）に対応する。

図８（ｂ）のデータを図７の手順で反転すると図８（ｃ）のようになるが、図８（ｃ）のデータは図９（ｂ）の映像が反転した図９（ｃ）の映像（走査前の映像）に対応する。図８（ｃ）のデータに対応するレーザ光を走査して網膜に映し出すと、図９（ｃ）の映像（走査前の映像）にレーザ光を横斜めから入射することで生じる歪が加わり、図９（ｄ）のように更に歪んだ映像が網膜に映し出される。

このように、装着部１０を左右反転させた場合に、何れの眼用の湾曲補正を行うべきかを考慮せずに映像データを単に反転させただけでは、湾曲していない映像は網膜に映し出されず、更に歪んだ映像が網膜に映し出される。そこで、表示装置１では、以下に説明する手順で、映像の反転を行っている。これについて、図４、図１０〜図１２を参照しながら説明する。なお、図１０において、細矢印はスイッチ信号の流れを、太矢印は映像データの流れを示している。

装着者２００が、図４（ａ）に示すように投影光学系１５が左眼側に配置されるように装着部１０を装着しており、これを図４（ｂ）に示すように投影光学系１５が右眼側に配置されるように装着部１０を装着し直した場合を考える。この時、映像信号処理部２２には、図１２（ａ）の映像データが入力されており、図１１（ａ）の映像が視認されているとする（図４（ｂ）の状態）。

ここで、装着者２００が、図１０のようにスイッチ２０Ｓを左眼側から右眼側に切り替えると、スイッチ２０Ｓは投影光学系１５を配置する側が切り替わったことを示す切替信号（例えばＨ又はＬの信号）を生成し、制御部２３のスイッチ入力部２３１に入力する。スイッチ入力部２３１は、切替信号に基づいて、スイッチ２０Ｓが右眼側に切り替わったことを認識する。そして、認識した情報を映像信号処理部２２の湾曲補正手段２２１（映像の湾曲を補正する部分）、及び制御部２３の映像反転手段２３２（映像を反転させる部分）に伝達する。

なお、記憶手段２２２は、映像を左眼に投影する場合に映像の湾曲を補正する補正データ（左眼用の補正データ）、及び映像を右眼に投影する場合に映像の湾曲を補正する補正データ（右眼用の補正データ）を記憶している。

次に、湾曲補正手段２２１は、右眼用の補正データと左眼用の補正データのうち、右眼用の補正データを記憶手段２２２から読み出す。そして、湾曲補正手段２２１は、図６を参照して説明した方法により、入力されている図１２（ａ）の映像データ（湾曲補正前のデータ）に湾曲補正を行う。これにより、図１１（ｂ）に示す映像（走査前の映像）に対応する図１２（ｂ）の映像データ（右眼用の湾曲補正後のデータ）が生成される。

次に、映像反転手段２３２は、図６を参照して説明した方法により、図１２（ｂ）の映像データを反転して、図１２（ｃ）のデータを生成する。つまり、図１２（ｃ）のデータは、元のデータに右眼用の湾曲補正を施して反転したデータである。図１２（ｃ）のデータに対応する映像（走査前の映像）は、図１１（ｃ）のようになる。

図１２（ｃ）のデータを光走査部１５１で走査すると、湾曲補正により予め施した歪と、レーザ光を横斜めから入射することで生じる歪とが相殺され、図１１（ｄ）に示すような湾曲していない映像が右眼の網膜に映し出される。これが、図４（ｄ）の状態である。

なお、以上の説明では、湾曲補正手段２２１が湾曲補正を行った後に、映像反転手段２３２が映像データを反転すると説明したが、この順番は反対にしても構わない。実際には、湾曲補正と映像データの反転とは、ほぼ同時に行われる。

このように、本実施の形態に係る表示装置１は、投影光学系１５が片眼側にのみ実装されているが、様々なユーザが利き眼に合わせて利用できるよう、装着部１０を上下対称に設計し、反転させることで右眼にも左眼にも対応可能としている。

そして、装着部１０を一方の眼側から他方の眼側に装着し直した場合（投影光学系１５により映像を投影する眼が一方の眼から他方の眼に切り替わった場合）には、装着者２００がスイッチ２０Ｓを切り替える。装着者２０によるスイッチ２０Ｓの切り替えの操作によって、一方の眼側から他方の眼側に切り替えられたことを示す切替信号がスイッチ２０Ｓで生成され、湾曲補正手段２２１及び映像反転手段２３２に伝達される。そして、切替信号に基づいて、湾曲補正手段２２１が一方の眼に対応する補正データから他方の眼に対応する補正データに切り替えて湾曲補正を行うと共に、映像反転手段２３２が映像反転を行う。

これにより、スイッチ２０Ｓの操作という簡単な方法で、装着部１０を何れの眼側に装着した場合にも、歪のない正常な映像を網膜に表示することができる。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記の実施の形態では、装着部１０を一方の眼側から他方の眼側に装着し直した場合に、装着者２００がスイッチ２０Ｓを切り替える構成としている。しかし、投影光学系１５を配置する側が切り替わったことを示す切替信号を生成するセンサを設け、切替信号に基づいて、湾曲補正手段２２１が湾曲補正を行うと共に、映像反転手段２３２が映像反転を行う構成としてもよい。この場合のセンサとしては、例えば、加速度センサ等を用いることができる。

又、上記の実施の形態では、装着部を眼鏡型としたが、装着部は必ずしも眼鏡型としなくてもよい。例えば、投影光学系を内蔵した装着部を、装着者が頭部に装着する一般的な眼鏡に着脱可能な形状としてもよい。この場合、眼鏡の右眼側と左眼側の何れの側にも着脱可能に構成することで、様々なユーザが利き眼に合わせて利用できる。

又、装着部を眼鏡の右眼側と左眼側の何れの側にも着脱可能に構成する場合、予め接続判定用の端子を設けておき、右眼側に装着した場合と左眼側に装着した場合を接続判定用の端子の状態で自動的に検出し、湾曲補正時の補正データの選択と映像反転の設定を切り替えるようにしてもよい。例えば、接続判定用の端子としてスイッチを用い、一方の眼側に装着した場合にはスイッチがオフ、他方の眼側に装着した場合にはスイッチがオンとなるように構成することができる。これは、制御ボックス側に設けていたスイッチを装着部側に設ける構成である。

１ 表示装置
１０ 装着部
１０ｆ フロント
１０ｔ テンプル
１５ 投影光学系
２０ 回路部
２０Ｂ 制御ボックス
２０Ｓ スイッチ
２１ 光源部
２２ 映像信号処理部
２３ 制御部
２４ ミラー駆動回路
２８ 電源部
２９ 電池
３０ ケーブル
１５１ 光走査部
１５２ レンズ
１５３ ハーフミラー
２１０ 眼球
２１１ レーザモジュール
２１２ レーザ駆動回路
２２１ 湾曲補正手段
２２２ 記憶手段
２３１ スイッチ入力部
２３２ 映像反転手段

Claims (4)

1. 網膜走査型の表示装置であって、
   眼の網膜にレーザ光による映像を投影する投影光学系と、
   前記映像の湾曲を補正する湾曲補正手段と、
   前記映像を反転させる映像反転手段と、
   前記映像を左眼に投影する場合に前記映像の湾曲を補正する補正データ、及び前記映像を右眼に投影する場合に前記映像の湾曲を補正する補正データ、を記憶する記憶手段と、
   右眼側と左眼側とを反転させても装着者の頭部に装着可能に構成された眼鏡型の装着部と、を有し、
   前記投影光学系は、前記装着部の右眼側か左眼側の何れか一方の眼の側に内蔵され、
   前記装着部は、上下方向に対称性を有し、
   前記湾曲補正手段が、前記レーザ光が前記投影光学系から網膜に投影される角度に基いて前記補正データを生成し、
   前記投影光学系を配置する側が、一方の眼側から他方の眼側に切り替えられたことを示す切替信号に基づき、前記湾曲補正手段が一方の眼に対応する補正データから他方の眼に対応する補正データに切り替えて湾曲補正を行うと共に、前記映像反転手段が映像反転を行うことを特徴とする表示装置。
2. 前記切替信号は、装着者によるスイッチ切り替えの操作によって生成されることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
3. 前記切替信号は、前記投影光学系を配置する側が一方の眼側から他方の眼側に切り替えられたことを検出するセンサによって生成されることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
4. 前記補正データは、湾曲していない元の映像を複数のドットで区分し、前記複数のドットを前記角度に応じて移動させた際のドット座標であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の表示装置。