WO2019088071A1 - 虚像表示装置およびそれを用いたヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

所定の虚像映像を使用者の視野内に投影する機能を備えた虚像表示装置において、虚像映像視認時における使用者の生理的負担や視点範囲の狭さの問題を良好に改善する虚像表示装置を提供することを目的とする。　上記目的を達成するために、所定の虚像映像を使用者の視野内に投影する機能を備えた虚像表示装置において、使用者が注視している視認対象物もしくは視野内にある複数の対象物のうちの少なくとも一部の対象物に関し使用者から対象物までの実視認距離を検知する視認距離検知部と、互いに独立した複数の虚像光を生成する機能を備えた虚像光生成部と、虚像光を略同一の光学経路を経由して使用者の左右両眼に伝送、投影し使用者の視野内の所定位置に所定の虚像映像を視認させる機能を備えた虚像光伝送投影部と、複数の投影虚像光を用いて使用者に視認される虚像の視認距離を可変制御する機能を備えた虚像視認距離制御部とを有するように構成する。

Description

虚像表示装置およびそれを用いたヘッドマウントディスプレイ

　本発明は、所定の光学系により任意の映像を虚像として使用者に視認させる機能を備えた虚像表示装置に関し、特に使用者が視認している実空間視野内に虚像を重畳表示する機能を備えた虚像表示装置に関する。

　使用者が視認している実空間視野内に所定の虚像を重畳表示する機能を備えた虚像表示装置の例としては、ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤと記す）やヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤと記す）等が知られている。これら虚像表示装置においては、使用者の実空間視野内に重畳表示される虚像の視認距離を当該視野内にある実対象物の実空間視認距離に適合させる機能（以下、虚像視認距離適合機能と記す）の存否が、使用者に与える生理学的な負担を軽減し使用者の視認性向上に寄与する重要な性能要件となる。

　従来、特に使用者の頭部に装着するＨＭＤにおける虚像視認距離適合機能の実現手段としては、例えば特許文献１に、所定の検知手段により使用者が注視している実空間対象物までの視認距離（実視認距離）を検知し、この実視認距離で対象物を注視する際に生じる使用者の左眼視認像と右眼視認像との相対的な乖離量すなわち「両眼視差」を、使用者の左眼でのみ視認させる左眼用表示虚像と右眼でのみ視認させる右眼用表示虚像に付与することで、使用者にあたかも虚像の視認距離が実空間視認距離に適合しているかのように錯視させる、いわゆる「両眼視差方式」による虚像視認距離適合手段が開示されている。

特開２０１６－１８６５６１号公報

　しかしながら、特許文献１に開示されているような「両眼視差方式」による虚像視認距離適合手段は、当該両眼視差により使用者が知覚する知覚虚像距離と実際に使用者の眼が虚像上に合焦している距離すなわち実虚像距離との間に乖離が生じるため、使用者に生理学的な負担をかけ、長時間使用時における使用者の疲労感が大きいという問題がある。また、両眼視差自体が、視認距離に加えて使用者の注視視線方向にも依存して変化するため、虚像を所定の視認距離で正しく視認することができる使用者の視点範囲いわゆるＥｙｅｂｏｘが極めて狭いという問題もある。さらに、この「両眼視差方式」は、左目用と右目用で表示映像アイテムの位置がずれた互いに異なる虚像を表示しなければならないため、ＨＭＤ内に左目用と右目用で独立した２個の虚像表示用光学系を具備しなければならず、ＨＭＤの小型軽量化や低コスト化に大きな制約がある。

　以上のような背景を基に本願発明の目的は、前記したような使用者の生理的負担や視点範囲の狭さの問題を良好に改善することにある。

　本発明は、上記背景技術及び課題に鑑み、その一例を挙げるならば、所定の虚像映像を使用者の視野内に投影する機能を備えた虚像表示装置において、使用者が注視している視認対象物もしくは視野内にある複数の対象物のうちの少なくとも一部の対象物に関し使用者から対象物までの実視認距離を検知する視認距離検知部と、互いに独立した複数の虚像光を生成する機能を備えた虚像光生成部と、虚像光を略同一の光学経路を経由して使用者の左右両眼に伝送、投影し使用者の視野内の所定位置に所定の虚像映像を視認させる機能を備えた虚像光伝送投影部と、複数の投影虚像光を用いて使用者に視認される虚像の視認距離を可変制御する機能を備えた虚像視認距離制御部とを有するように構成する。

　本願発明によれば、使用者の生理的負担を軽減した良好な視認環境下での虚像視認距離適合機能を実現できる、虚像表示装置およびそれを用いたヘッドマウントディスプレイを提供できる。

実施例１におけるＨＭＤの概略斜視図である。 実施例１におけるＨＭＤの使用シーンを示した概略斜視図である。 図２の使用シーンにおける使用者視野内の視認像の一例を示す概略平面図である。 実施例１におけるＨＭＤの別の使用シーンを示した概略斜視図である。 図４の使用シーンにおける使用者視野内の視認像の一例を示す概略平面図である。 実施例１におけるＨＭＤのさらに別の使用シーンにおける使用者視野内の視認状態を示す概略平面図である。 実施例１におけるＨＭＤの概略構成を示すブロック図である。 実施例１におけるＨＭＤの動作手順を示すフローチャートである。 実施例１におけるＨＭＤの視認対象物実視認距離検知部の動作原理を説明するための模式図である。 実施例１におけるＨＭＤの視認対象物実視認距離検知部の動作手順を示すフローチャートである。 実施例１におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の概略構成を示す平面図である。 実施例１におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の動作概要を説明するための模式図である。 実施例１におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の別の動作概要を説明するための模式図である。 実施例１におけるＨＭＤの虚像視認距離可変制御の概要を説明するための模式図である。 実施例２におけるＨＭＤの視認対象物実視認距離検知部の動作原理を説明するための模式図である。 実施例２におけるＨＭＤの視認対象物実視認距離検知部の動作手順を示すフローチャートである。 実施例３におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の概略構成を示す平面図である。 実施例３におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の動作概要を説明するための模式図である。 実施例３におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の別の動作概要を説明するための模式図である。 実施例４におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の概略構成を示す平面図である。 実施例５におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の概略構成を示す平面図である。 実施例６におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の概略構成を示す平面図である。 実施例７における携帯型情報端末の使用シーンを示した概略斜視図である。 実施例８における車両用ヘッドアップディスプレイの使用シーンを示した概略正面図である。

　以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

　図１は、本実施例における虚像表示装置である眼鏡型ＨＭＤの概略斜視図である。図１に示すように、眼鏡型ＨＭＤ１は使用者１００の頭部に装着されている。このＨＭＤ１は、左右の耳にかけるための眼鏡の弦に相当する部位２および３に、後述する電子回路および光学エンジンが格納されている。また眼鏡レンズに相当する部位には、光学ガラスまたは光学部品用プラスチック部材で製作された透明薄板４、５が配置されている。この透明薄板４および５は「導光板」と呼ばれる光学デバイスで、本実施例では導光板４、５が積層された構造になっており、かつ左右の眼鏡レンズに相当する部分が同一の導光板でカバーされている。さらに、この導光板４、５には、左右眼の眼前に当たる部分に所定の出射用ホログラム８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂが配置されている。なお、この導光板４、５および出射用ホログラム８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂの機能等の詳細については後述する。

　なお、本実施例では、弦部位２および３に使用者眼前の外景映像を撮影するための小型電子カメラ２０が具備されている。特に本実施例では、小型電子カメラ２０は左右の弦部位２および３の両方に取り付けられた２眼カメラになっており、いわゆるステレオカメラ機能によって撮影対象物までの距離を測距する機能も兼ね備えた構成になっている。ただし、本実施例で説明するようなＨＭＤに搭載される外景撮影用カメラは、前記の２眼ステレオカメラに限定されるものではなく、当然１眼のカメラでも一向に構わないし、その設置位置も図１に示したような位置に限定されるものではない。

　また、本実施例では、眼鏡枠部の上部に所定のセンサボックス２１が配置されている。本センサボックス２１内には、例えば使用者１００の左右両眼瞳の位置をモニタする、いわゆるアイトラッキングカメラ、あるいはＴＯＦ（Time Of Flight）センサなど使用者眼前にある任意の対象物までの距離を測距するセンサなどが搭載されている。なお、このセンサボックス２１内に具備されるセンサについては、当然のことながらアイトラッキングカメラやＴＯＦセンサに限定されるものではなく、使用者眼前の外部情景中の任意の対象物までの距離を測距する機能または所定の手段で当該距離情報を検知するために必要な情報信号等を検知するセンサであればどのようなセンサであっても構わない。また当該センサボックス２１自体の設置位置も図中に示した位置に限定されるものではなく、さらに云えば当該センサボックス自体を無くし、例えば個々のセンサをＨＭＤ１内部の所定位置に組み込む構成であっても構わない。

　ところで、本実施例においては、ＨＭＤ１はスマートフォンなど使用者が携帯する携帯情報端末５０と相互無線通信する機能を備えており、ＨＭＤ１が表示すべき所定の虚像映像に関するデータを携帯情報端末５０から取得する仕組みになっている。ただし、この仕組みについても、前記の仕組みに限定されるものではなく、例えばＨＭＤ自身が前記携帯情報端末５０の機能の一部または全部を兼ね備えていて、ＨＭＤ１の内部に表示すべき虚像映像に関するデータを保有する仕組みであっても構わない。以下では本実施例におけるＨＭＤ１の構成等について具体的に説明する。

　なお、本実施例の具体的説明の前に、本実施例の虚像表示装置が実現しようとしている機能をより明確にするため、日常生活において使用者が本実施例の虚像表示装置を用いたＨＭＤを使用するシーン例をいくつか紹介する。

　例えば、図２は、本願発明のＨＭＤ１を装着した使用者１００が手に持った書類６０を注視しているシーンを示した概略斜視図であり、図３は、その際、使用者１００の視野１０１（破線で囲われた領域）内で視認される書類６０の実視認像と、ＨＭＤ１によって同じ視野１０１内に重畳表示されている虚像映像７０の例を示している。この時、使用者１００の両眼は、当然のことながら手に持った書類６０上にピントが合っており、その視認距離ａは高々数１０センチ程度である。このような使用シーンにおいて、例えば書類６０上に記載されている何らかの文言に関する関連情報あるいは解説情報を、ＨＭＤ１による虚像映像７０として視野１０１内の所定位置に重畳表示させる場合、その虚像映像７０の視認距離は、少なくともその時点で使用者１００の両眼のピントがあっている視認距離ａに略一致させておく必要がある。なぜならば、もし両者の視認距離が一致していない場合、使用者１００の視野内に視認距離すなわち眼のピントが合う距離が異なる映像アイテムが同時に存在することになり、ＨＭＤ使用者は、これらを違和感やストレス感無く同時視認することが難しくなってしまう。

　同様に例えば、図４では、前記ＨＭＤ１を装着した使用者１００が数メートル離れた位置から所定の対象物６１（図４の例では絵画）を注視しているシーンを示した概略斜視図であり、図５は、その際の使用者１００の視野１０１（破線で囲われた領域）内で視認されている対象物６１の実視認像と、ＨＭＤ１によって同じ視野１０１内に重畳表示されている虚像映像７１の例を示している。このシーンにおいても、前記した書類注視のシーンと同様、使用者１００の両眼は視認対象物６１上にピントが合っているが、その視認距離ｂは書類注視の場合と異なり数メートルに伸びている。このような使用シーンにおいても、例えば、対象物６１に関する関連情報あるいは解説情報を、ＨＭＤ１による虚像映像７１として視野１０１内の所定位置に重畳表示させる場合、その虚像映像７１の視認距離は、使用者１００の両眼のピントがあっている視認距離ｂに略一致させておかないと、使用者１００が当該虚像映像７１と対象物６１を違和感やストレス感無く同時視認するは難しい。

　このように、ＨＭＤ使用者が、その視野内に見える実像とＨＭＤによって重畳表示される虚像映像を違和感やストレス感無く同時視認し続けるためには、ＨＭＤによって重畳表示される虚像映像の視認距離を、その都度使用者が実際に視認している対象物の視認距離に略一致させておく必要がある。

　さらに云えば、ＨＭＤを用いていわゆる拡張現実（Augmented Reality：略称ＡＲ）の視認環境を実現するためには、少なくともＨＭＤ使用者の視野内に見えている任意の対象物に対して、その対象物に関連づけて所定の仮想映像を虚像として重畳表示する必要があるので、その仮想映像の視認距離を当該対象物の実視認距離に略一致させるか、あるいは当該実視認距離に関連づけられた所定の視認距離で表示する必要がある。

　例えば、図６は、ＨＭＤ使用者がある部屋の内部を一望した場合に、その視野内に見えている実視認対象物の例を示しているが、テーブル６２やソファ６５やカーテン６７など部屋の中にある各家具アイテム６２乃至６７は、当然のことながらその設置位置によってその時点における使用者の立ち位置に応じてそれぞれ異なった視認距離を有している。しかもその視認距離は、使用者の立ち位置の変化に応じて逐次変化する。したがって例えば、これら各家具アイテムにＨＭＤを用いて何らかの仮想映像７２乃至７７を虚像映像として重畳表示してＡＲ環境を実現する場合は、個々の家具アイテムの実視認距離を逐次検知し、対応する仮想映像の視認距離を検知した実視認距離に略一致させるか、あるいは当該実視認距離に関連づけられた所定の視認距離で表示する必要がある。

　以上述べたような必要性に応えるため、本実施例は、使用者が注視している対象物あるいは使用者の視野内に見えている対象物の実視認距離を逐次検知し、ほぼリアルタイムで当該実視認距離に略一致あるいは当該実視認距離に関連づけられた所定の視認距離に所定の虚像映像を表示する機能を備えたＨＭＤなどの虚像表示装置を提供する。

　なお、図３、図５、図６では、説明を分かり易くする目的から、ＨＭＤによって使用者の視野内に重畳表示される虚像映像アイテムの例として、いわゆる「吹き出し」態様の情報表示アイテムに限定して掲載しているが、当然のことながら表示虚像映像アイテムは、このような「吹き出し」態様の物の限定されるわけではなく、どのような態様の映像アイテムであっても構わない。

　次に、本実施例における、図１に示したＨＭＤの具体的構成について説明する。図７は本実施例におけるＨＭＤ１の概略構成を示すブロック図である。図７において、表示虚像用情報信号受信部３１は、使用者１００が携帯する携帯情報端末５０との相互通信により、ＨＭＤ１に用いて重畳表示すべき虚像映像に関する必要データを受信する。また同時に、映像情報取得部３２では、外景撮影用の小型電子カメラ２０等で撮影した使用者眼前の外景映像およびセンサボックス２１内のアイトラッキングカメラ等で撮影した使用者１００の両眼瞳の映像を所定の映像データとして取得する。そして、表示虚像用情報信号受信部３１で受信した虚像映像データおよび映像情報取得部３２で取得した所定の映像データを基に、表示虚像用画像データ生成部３３において、使用者視野内で重畳表示される虚像映像７８あるいは７９を生成するためのディスプレイ用映像データを生成する。

　一方、視認対象物実視認距離検知部３４では、所定の手段を用いて使用者１００の実視認距離を逐次検知する。また、虚像視認距離制御部３５では、視認対象物実視認距離検知部３４で検知された実視認距離を基に、表示虚像の視認距離を可変制御するための所定の制御処理が行われる。なお、視認対象物実視認距離検知部３４における実視認距離の検知、および虚像視認距離制御部３５における表示虚像の視認距離可変制御に関しては、後ほど説明する。

　次に、メモリ３６は、前記各ブロックで生成された各種データ信号の少なくとも一部を一時格納しておく機能を備えているが、必ずしもＨＭＤ１内に配置することが必須ではなく、例えば同様の機能を持つメモリが携帯情報端末５０側に配置されていてもよい。また前記ブロック３１乃至３６は、制御部３７によってその動作を適宜制御されている。

　なお、表示虚像用情報信号受信部３１から制御部３７までの各ブロック（図中一点鎖線で囲まれた領域内のブロック）は電子回路のみで構成されたブロックであり、以下の説明では簡単のために、ＨＭＤ駆動制御回路３０として一括表記する。

　一方、虚像光生成部４０，４１は、それぞれ所定の虚像映像表示用ディスプレイおよび当該ディスプレイの駆動回路（ディスプレイドライバ）と所定の光学系から構成されており、それに続く虚像光伝送投影部１０は、所定の光学部品によってのみ構成されており、虚像光を略同一の光学経路を経由して使用者の左右両眼に伝送、投影し使用者視野内の所定位置に所定の虚像映像を視認させる機能を備えている。なお、虚像光生成部４０，４１および虚像光伝送投影部１０の具体的な構成例についても、後ほど説明する。

　図８は、図１および図７で示した本実施例におけるＨＭＤの動作手順を示すフローチャートである。図８において、フロー開始後、まずステップ２０１（以降、図中ではステップをＳと称し、Ｓ２０１のように表記する）では、携帯情報端末５０より送信されたＮ個の表示虚像映像アイテム（Ｓ_１,Ｓ_２,：Ｓ_Ｎ）の各映像データを受信する。同時にステップ２０２では、外景撮影用の小型電子カメラ２０等によって撮影した使用者眼前の外景映像から使用者視野内にある実対象物の各映像データを取得する。さらにステップ２０３では、アイトラッキングカメラ等によって使用者両眼瞳の映像データを取得する。

　次に、ステップ２０４で所定の番号変数ｎを１とし、次のステップ２０５では、ステップ２０２で取得した視野内実対象物の各映像データの中から、受信したｎ番目の表示虚像映像アイテムＳｎのリンク表示対象となる対象物を選定する。そして、次のサブプログラム３００（Ｓ３００）において、後述する手段にて当該対象物の実視認距離を検知し表示虚像映像アイテムＳｎの視認距離を確定する。さらに、次のサブプログラム４００（Ｓ４００）において、表示虚像映像アイテムＳｎの視認距離を可変制御するために本実施例で用いる所定の制御手段に必要なデータとして、遠距離基準虚像と近距離基準虚像の輝度按分データを算定する。この遠近基準虚像およびその輝度按分による虚像視認距離可変制御の詳細については、後ほど説明する。

　次に、ステップ２０６では、虚像映像表示用ディスプレイ上での表示虚像映像アイテムＳｎの表示位置や表示寸法などの映像表示用データを確定する。そして、ステップ２０７において、ｎ＝Ｎか否か判定し、否の場合は、ｎ＝ｎ＋１としてステップ２０５にフィードバックする。

　以上の処理フローを繰り返すことにより、受信したＮ個の表示虚像映像アイテム（Ｓ_１,Ｓ_２,：Ｓ_Ｎ）の全てについて、前記の映像表示用データと前記の遠近基準虚像輝度按分データを確定させる。

　その後、ステップ２０８において、確定した前記Ｎ個の表示虚像映像アイテム（Ｓ_１,Ｓ_２,：Ｓ_Ｎ）の各々に関する映像表示用データと遠近基準虚像輝度按分データを用いて、虚像映像表示用ディスプレイに入力する映像データ信号を生成し、次のステップ２０９において実際に虚像映像表示用ディスプレイを駆動して所定の映像表示を行う。そして、さらに所定の光学系を経由することで、前記ディスプレイから出射された映像光から所定の遠近基準虚像光を生成し、当該虚像光を使用者の両眼まで伝送、投影する。

　次に、図８のフローチャート中のサブプログラム３００（Ｓ３００）で実行される使用者視認対象物の実視認距離検知について、その具体的実施例を説明する。

　図９および図１０は、当該実視認距離の検知手順および原理を説明するための模式図とフローチャートである。まずアイトラッキングカメラ等を用いて使用者１００の両眼瞳を撮影し、その映像データから、図中に示す左右眼瞳中心１０２および１０３の基準位置（無限遠方注視時の瞳中心位置）１０４および１０５からのシフト量いわゆる輻輳量Ｐ_ＬおよびＰ_Ｒと、その際の左右眼瞳中心間隔Ｗ_ＬＲを検出する。

　今、左右眼球の回動中心１０６および１０７から左右眼瞳中心１０２および１０３までの距離、すなわち眼球回動半径をＲとすると、任意の視認対象物６８上の注視点１２０に向けた使用者１００の左右眼の視線傾斜角α_Ｌα_Ｒは、以下の関係式（１）、（２）で求まる。
  　ｔａｎ（α_Ｌ）＝Ｐ_Ｌ／Ｒ　　---（１）
　　ｔａｎ（α_Ｒ）＝Ｐ_Ｒ／Ｒ　　---（２）

　さらに、使用者１００の左右瞳間隔の中心位置から前記注視点１２０までの距離、すなわち実視認距離Ｓは、以下の関係式（３）でも求まる。
   Ｓ＝Ｗ_ＬＲ／｛ｔａｎ（α_Ｌ）＋ｔａｎ（α_Ｒ）｝＝Ｒ×Ｗ_ＬＲ／｛Ｐ_Ｌ＋Ｐ_Ｒ｝---（３）
　このような処理手順を逐次実行することにより、使用者１００が視認している対象物までの実視認距離をほぼリアルタイムで検知することができる。

　なお、図１０のフローチャート中の処理ステップＳ３０１～Ｓ３０６における個々の処理手順については、前記説明と重複するので説明を省略する。

　また、前記眼球回動半径Ｒについては、所定のキャリブレーション処理（実視認距離が既知のキャリブレーション用対象物を用いて同様の検知手順を実施し、前記（１）～（３）式を逆に演算することで算定する）によって使用前に検知しておけばよい。

　次に、図７のブロック図における虚像光生成部４０，４１および虚像光伝送投影部１０の具体的な構成と、当該虚像光生成部４０，４１および虚像光伝送投影部１０によって、使用者視野内に重畳表示される虚像映像の視認距離可変制御の具体的実施例について説明する。

　図１１は、図１および図７で示した本実施例におけるＨＭＤの虚像光生成部４０，４１および虚像光伝送投影部１０の概略構成を示した平面図である。図１で示したＨＭＤ１の眼鏡の弦に相当する部位内には、前記の駆動制御回路３０と、それぞれ独立した虚像光生成部４０および４１（図中一点鎖線で囲われた部位）が配置されている。そして、この虚像光生成部４０および４１内には、それぞれ例えば液晶ディスプレイ等の映像ディスプレイからなる虚像映像表示用ディスプレイ４２，４３、当該ディスプレイを駆動するためのディスプレイ駆動回路４４，４５、虚像光生成用投影レンズ系４６，４７が配置されている。なお虚像映像表示用ディスプレイ４２，４３は、前記の液晶ディスプレイに限定されるものではなく、例えば有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ（略称：ＯＬＥＤ）等小型の映像ディスプレイであればどのような形態、構成のディスプレイであっても構わない。

　一方、虚像光伝送投影部１０（図中点線で囲われた部位）には、図１でも示したように、積層された２枚の透明導光板４および５が配置されている。この導光板４，５は、所定の入射角で当該導光板に入射した光を、当該導光板の上下面での全反射の繰り返しによって当該導光板内部に閉じ込め、伝送させる機能を備えている。また、この導光板４，５にはそれぞれ、導光板内に光波を入射させる機能を備えた入射用ホログラム６および７と、導光板内を進行する光波を外部に出射させる機能を備えた出射用ホログラム８ａ、８および９ａ，９ｂが配置されている。このように入射用ホログラムと出射用ホログラムを具備した導光板については、ＨＭＤ用虚像光伝送投影用光学デバイスとして既に公知であるので、これ以上の詳しい説明は省略する。

　本実施例では、ＨＭＤ駆動制御回路３０からの所定の指令信号もしくは制御信号を受け、虚像映像表示用ディスプレイ４２，４３で表示虚像に相当する映像を映し出して所定の映像光を生成する。

　そして、前記映像光のうち、ディスプレイ４２で生成された第１の映像光は、まず、図１２に示すように、虚像光生成用投影レンズ系４６に入射しそこで所定の視認距離を有する第１の虚像光に変換される。そして次に、導光板４に配置された入射用ホログラム６を経て導光板４の内部に入射し、この導光板４内を図の右向きに進行後、出射用ホログラム８ａおよび８ｂから出射してそれぞれ使用者１００の両眼１１２ａおよび１１２ｂに入射する。この時使用者１００は、この第１の虚像光によって、透明な導光板４および５越しの所定視認距離Ｄ_Ｌの位置に虚像映像７８を視認する。本明細書では以降この虚像映像７８を遠距離基準虚像と記す。

　一方、前記ディスプレイ４３で生成された第２の映像光は、図１３に示すように、虚像光生成用投影レンズ系４７に入射しそこで所定の視認距離を有する第２の虚像光に変換される。そして次に導光板５に配置された入射用ホログラム７を経て導光板５の内部に入射し、この導光板５内を図の左向きに進行後、出射用ホログラム９ａおよび９ｂから出射して前記出射用ホログラム８ａおよび８ｂから出射した虚像光と同様それぞれ使用者１００の両眼１１２ａおよび１１２ｂに入射する。この時使用者１００は、この第２の虚像光によって、透明導光板４および５越しの所定視認距離Ｄ_Ｓ（Ｄ_Ｓ＜Ｄ_Ｌ）の位置に虚像映像７９を視認する。本明細書では以降この虚像映像７９を近距離基準虚像と記す。

　つまり、使用者１００から見て、透明導光板４および５越しの所定の視認距離Ｄ_Ｌの位置に遠距離基準虚像７８が、そして視認距離Ｄ_Ｓ（Ｄ_Ｓ＜Ｄ_Ｌ）の位置に近距離基準虚像７９を正しく視認されるように、虚像光生成用投影レンズ系４６と４７の光学定数やレンズ位置が適切に設定されている。

　しかも、この遠距離基準虚像７８と近距離基準虚像７９は、図１４に示すように、完全な射影関係で重畳視認されるように、虚像映像表示用ディスプレイ４２および４３での映像表示位置や虚像光生成用投影レンズ系４６および４７の虚像の視認倍率が適切に設定されている。具体的には、遠距離基準虚像７８の視認倍率Ｍに対して、近距離基準虚像７９の視認倍率Ｍ’は、　Ｍ’＝（Ｄ_Ｓ／Ｄ_Ｌ）×Ｍとなるように設定される。

　さらに、この状態で、前記遠距離基準虚像７８と近距離基準虚像７９の輝度Ｖ_ＬおよびＶ_Ｓを以下に示すような所定の関係式（４）、（５）に基づいて按分すると、使用者１００はあたかも距離Ｄ_ＬとＤ_Ｓの中間の任意距離Ｄｏの位置に虚像が視認されるかのように錯視してしまう。すなわち、
　　Ｖ_Ｌ＝Ｖ_Ｏ×（Ｄ_Ｏ－Ｄ_Ｓ）／（Ｄ_Ｌ-Ｄ_Ｓ）　---（４）
　　Ｖ_Ｓ＝Ｖ_Ｏ×（Ｄ_Ｌ－Ｄ_Ｏ）／（Ｄ_Ｌ-Ｄ_Ｓ）　---（５）
　なお、Ｖ_Ｏは、任意距離Ｄｏの位置に錯視される虚像の輝度。

　このような錯視現象は、一般に立体錯視現象（Depth-fused 3D：略称ＤＦＤ）と呼ばれている。生理学の一事象であるＤＦＤに関しては、既に公知の事象であるので、その生理学的な発生メカニズムなど詳細な説明は省略するが、このＤＦＤを用いた立体視は、錯視による立体視として従来最も広く適用されている両眼視差方式に比べ、観測者の疲労感が少なくかつ正しく立体視できる視点領域（ＥｙｅＢｏｘ）が広いという特徴を持つとされている。またこのＤＦＤを用いた立体視では、遠近の基準虚像の輝度按分を制御するという比較的簡便な方法で、当該遠近基準虚像間の任意距離に錯視虚像の視認距離を適合させることができるので、本実施例のように、使用者実視認距離検知とその実視認距離に適合させた表示虚像視認距離の可変制御をほぼリアルタイムに実行するようなケースに適した手法である。そこで本実施例では、このＤＦＤを用いた表示虚像視認位置の可変制御を実施している。

　すなわち、本実施例では、虚像表示装置として、使用者の視野内にある所定の対象物までの実視認距離を検知する視認距離検知部と、視認距離が異なる少なくとも２種類の基準虚像光を生成する機能を備えた虚像光生成部と、光波入出射用ホログラムを配置した透明な導光板によって基準虚像光を使用者の両眼まで伝送投影する機能を備えた虚像光伝送投影部と、検知実視認距離に応じて２種類の虚像光の映像輝度按分を制御することにより、その視認距離を所定の距離に可変制御する虚像視認距離制御部を設けた。

　これにより、本実施例によれば、ＤＦＤを用いた表示虚像視認位置の可変制御を行い、使用者視認虚像の視認距離を視認距離検知部で検知した実視認距離と適合させることで、使用者の生理的負担を軽減した良好な視認環境下での虚像表示装置およびそれを用いたＨＭＤを提供できる。また、さらには装置の小型軽量化や低コスト化にも適した虚像表示装置を提供することができる。

　なお、このＤＦＤを用いた表示虚像視認位置の可変制御は、前記したように、遠近の基準虚像の輝度按分を制御することで、当該遠近基準虚像間の任意距離に錯視虚像の視認距離を適合させる方式であるため、その可変制御範囲すなわちダイナミックレンジは、遠近両基準虚像間の視認距離範囲に限定される。そこで例えば、虚像光生成用投影レンズ系４６および４７を構成する個々の投影レンズのレンズ間隔を機械的に調整する等の手段を用いて遠近両基準虚像自体の視認距離を可変することにより、錯視虚像視認距離のダイナミックレンジを任意に拡大、縮小することも可能である。ただし、このような場合においても、遠近両基準虚像は常に完全な射影関係で重畳視認されるように、各ディスプレイでの映像表示位置や虚像光生成用投影レンズ系４６および４７の虚像投影倍率は適切にコントロールされていなければならない。

　また、ＤＦＤによる表示虚像視認位置可変制御のダイナミックレンジを決める基準虚像は、前記の遠距離基準虚像７８と近距離基準虚像７９の２つに限定されるものではない。前記のような虚像光生成部および虚像光伝送投影部を追加することで、最遠距離基準虚像と最近距離基準虚像の間の任意の視認距離に一つもしくは複数の中間距離基準虚像を設け、それら複数の基準虚像の中から任意に二つの基準虚像を選択し、それを改めて遠距離基準虚像７８と近距離基準虚像７９として前記したような輝度按分制御を行うことにより、表示虚像視認位置可変制御のダイナミックレンジを任意に可変することができる。

　さらに云えば、本実施例はＤＦＤによる表示虚像視認位置可変制御に限定されるものではない。本実施例が適用可能な可変制御であればどのような手段であっても勿論構わない。例えば後述する第５の実施例では、従来広く適用されている両眼視差方式による表示虚像視認位置可変制御に適用した例も開示している。

　実施例１では、使用者視認対象物の実視認距離検知として、図９および図１０で説明したような使用者両眼瞳の輻輳量のみから検知する手段を用いていたが、当然のことながら、実視認距離検知はこれに限定されるものではない。

　以下では、本実施例として、前記検知手段とは異なる新たな実視認距離検知について説明する。図１５はその検知原理を説明するための模式図であり、図１６はその検知処理手順をまとめたフローチャートである。まず図１６を用いて検知処理手順から説明する。

　図１６において、まず、ステップ３５１で、外景映像撮影用の小型電子カメラ２０等によって撮影した使用者眼前の外景映像から視野内対象物の各映像データを取得する。次にステップ３５２では、取得した映像データから使用者視野内の各対象物について、そのユーザ基点相対位置を検出する。そしてさらに、ステップ３５３において、検出された前記相対位置から視野内各対象物のユーザ基点方位角（ユーザから対象物を注視した場合の見込み角）βを算出する。

　一方、同時に、ステップ３５４でアイトラッキングカメラ等によって撮影された使用者両眼瞳の撮影映像データを取得し、次のステップ３５５で、前記映像データより左右眼の瞳中心位置を検出する。そして、さらに次のステップ３５６で、左右眼の視線傾斜角α_Ｌ、α_Ｒ（図１５参照）を算出する。なお、前記ステップ３５４からステップ３５６に至る手順は、図９および図１０で説明した使用者実視認距離検知に関する実施例１におけるステップ３０１からステップ３０５までの手順と同様の手順である。

　本実施例では、次のステップ３５７において、前記手順で算出した左右眼の視線傾斜角α_Ｌ、α_Ｒから、現在使用者が注視している視認対象物６８上の注視点１２０に向けた使用者１００の注視視線傾斜角γ（図１５参照）を以下の関係式（６）を用いて算出する。
  ｔａｎ（γ）＝ｓｉｎ（α_Ｌ－α_Ｒ）／｛ｃｏｓ（α_Ｌ＋α_Ｒ）＋ｃｏｓ（α_Ｌ－α_Ｒ）｝　 ---（６）

　次に、ステップ３５８において、前記の手順で算出された視野内対象物のユーザ基点方位角βと使用者の注視視線傾斜角γを比較し、βとγが一致する視野内対象物すなわち現在使用者が注視している対象物を特定する。そして、特定された前記注視対象物までの実効距離Ｓすなわち現時点における使用者の実視認距離をＨＭＤに装備された測距用センサを用いて測距する。なお、この測距用センサとしては、図１で紹介した、いわゆるステレオカメラやＴＯＦセンサあるいは超音波センサなど既存の測距用センサであればどのようなセンサを用いても構わない。

　ところで、これまで説明してきた実施例１、２は、あくまでＨＭＤ使用者の実視認距離を検知して表示虚像をその実視認距離に適合させることを目的としていたが、当然本実施例そのような目的に限定されるものではない。

　例えば、使用者が注視しているか否かに関わらず、使用者の視野内に見えている全ての対象物について使用者からの各実効距離を検知して、当該各対象物に関連づけて重畳表示される表示虚像個々の視認距離をそれぞれの関連実対象物の実効距離に適合させることにより、いわゆるＡＲ（拡張現実）対応を実現させた表示手段であっても一向に構わない。

　さらに云えば、視野内各対象物の実効距離あるいは使用者実視認距離に全く関わりなく、任意の視認距離で虚像を表示させても構わないし、表示虚像の視認距離可変制御をリアルタイムに活用し、当該表示虚像の視認位置が任意視認距離間をダイナミックに変化するような表示方法であっても構わない。

　図１７は、本実施例におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の概略構成を示した平面図である。なお図１７において、図１１に示した構成要素と同じ構成要素には、同じ番号を付している。

　図１１では、遠距離基準虚像光と近距離基準虚像光をそれぞれ別個に生成するために、ＨＭＤ内に２個の独立した虚像光生成部４０および４１が配置されていた。また虚像光伝送投影部１０は、積層配置された２枚の透明導光板４および５で構成され、前記虚像光生成部４０および４１のそれぞれで生成された虚像光は、前記２枚の導光板４、５のどちらか一方の導光板の中を伝送する構成になっていた。しかしながら、遠距離基準虚像光と近距離基準虚像光をそれぞれに別個の導光板内に伝送させるのではなく、単一の導光板内を共に伝送させるような構成であっても一向に構わない。また光学系を工夫することにより、前記したような独立した２個の虚像光生成部を１個に集約することも可能である。図１７に示す本実施例は、このような目的を実現した実施例である。

　まず、図１７に示すように、本実施例におけるＨＭＤ１は、図１１に示した実施例１と異なり、単一の虚像光生成部４０（図中一点鎖線で囲われた部位）のみを備えている。この虚像光生成部４０は、虚像映像表示用ディスプレイ４２とそれを駆動するためのディスプレイ駆動回路４４、２つのレンズ群に分割された第１および第２の虚像光生成用投影レンズ系４６ａと４６ｂ、台形ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）４９、そして所定の電気信号に基づき入射した光の偏光方向を互いに垂直なＰ偏光およびＳ偏光に適宜変換する機能を備えた偏光変換素子４８などから構成されている。なお前記偏光変換素子としては、液晶ディスプレイで用いられる液晶型偏光変換素子など既存のデバイスを用いて構わない。

　また、本実施例では、虚像光伝送投影部１０（図中点線で囲われた部位）内には単一の導光板４しか配置されていない。さらにこの導光板４には、２個の入射用ホログラム６および７と２個の出射用ホログラム８aおよび８ｂが設置されている。

　本実施例では、まず前記虚像映像表示用ディスプレイ４２において、前記遠距離基準虚像光用の映像と近距離基準虚像光用の映像が所定のフレームレートごとに交互に切り替えて表示される。そして生成された映像光は、第１の虚像光生成用投影レンズ系４６ａに入射しそこで所定の視認距離を持った虚像光、例えば視認距離Ｄ_Ｌを持つ前記遠距離基準虚像光に変換されたのち、偏光変換素子４８に入射する。この偏光変換素子４８は前記ディスプレイ４２で表示される遠距離基準虚像光用映像と近距離基準虚像光用映像の表示切り替えのタイミングに同期して入射光のＰ偏光またはＳ偏光に切り替えるように設定されている。

　今、前記偏光変換素子４８により当該偏光変換素子４８に入射した虚像光が、例えば、前記ディスプレイ４２で遠距離基準虚像光用映像が表示されているタイミングではＰ偏光に変換され、逆に近距離基準虚像光用映像が表示されているタイミングではＳ偏光に変換されるように設定されているものとする。なお、以下では、前記Ｐ偏光に変換された虚像光を第１の虚像光、Ｓ偏光に変換された虚像光を第２の虚像光と記す。

　さて、偏光変換素子４８によってＰ偏光（図中の両端矢印線で表される偏光方向）光に変換された第１の虚像光は、図１８に示すように、台形ＰＢＳ４９の偏光分離膜４９ａを透過し、次に導光板４に配置された第１の入射用ホログラム６を経て導光板４の内部に入射する。そしてこの導光板４内を図の右方向に進行したのち出射用ホログラム８ａおよび８ｂから出射し、それぞれ使用者１００の両眼１１２ａおよび１１２ｂに入射する。

　このとき、この第１の虚像光は、第１の虚像光生成用投影レンズ系４６ａによって前記遠距離基準虚像光相当の光として生成されているため、使用者１００は、透明導光板４越しの所定視認距離Ｄ_Ｌの位置に、所定の視認倍率で遠距離基準虚像７８を視認する。

　一方、前記偏光変換素子４８によってＰ偏光に対して垂直な偏光方向であるＳ偏光光に変換された第２の虚像光は、図１９に示すように、台形ＰＢＳ４９の偏光分離膜４９ａを反射後、さらに全反射面４９ｂも反射し、第１の虚像光とは別の光路を辿り第２の虚像光生成用投影レンズ系４６ｂに入射する。この第２の虚像光生成用投影レンズ系４６ｂは、第１の虚像光生成用投影レンズ系４６ａによりいったん遠距離基準虚像光相当の光に生成された第２の虚像光を所定の視認距離Ｄ_Ｓ（Ｄ_Ｓ＜Ｄ_Ｌ）を持つ近距離基準虚像光相当の光に再変換する機能を持つ。

　そして、近距離基準虚像光相当光に再変換された第２の虚像光は、次に導光板４に配置された第２の入射用ホログラム７を経て導光板４の内部に入射する。そしてこの導光板４内を前記第１の虚像光と同様に図の右方向に進行したのち出射用ホログラム８ａおよび８ｂから出射してそれぞれ使用者１００の両眼１１２ａおよび１１２ｂに入射する。このときこの第２の虚像光は、前記したように虚像光生成用投影レンズ系４６ａと４６ｂの両方を通過したことによって、前記近距離基準虚像光相当の虚像光に変換されているため、使用者１００は、透明導光板４越しの所定視認距離Ｄ_Ｓの位置に、所定の視認倍率で近距離基準虚像７９を視認する。

　すなわち、使用者１００は、所定のフレームレートで切り替わる遠距離基準虚像７８と近距離基準虚像７９を交互に視認することになるが、使用者１００は高速に切り替わる個々の虚像を識別することはできないので、あたかも遠距離基準虚像７８と近距離基準虚像７９を同時に視認しているように知覚する。したがって前記前記第１および第２の実施例と同様、立体錯視現象（ＤＦＤ）を利用した表示虚像視認距離可変制御が可能となる。

　以上、本実施例で示した構成にすることにより、虚像光生成部および虚像光伝送投影部内の導光板を一つに集約、削減することができ、前記第１の実施例に比べＨＭＤの小型化、軽量化、低コスト化に大きな効果が得られる。

　なお、当然のことながら、本実施例で述べた、遠／近距離基準虚像光とＰ／Ｓ偏光の関係性はそれぞれ全く逆であっても一向に構わない。この場合は、第１の虚像光生成用投影レンズ系４６ａは近距離基準虚像光に相当する光を生成し、第２の虚像光生成用投影レンズ系４６ｂは当該光をさらに遠距離基準虚像光に相当する光に再変換する機能を持つことになる。

　図２０は、本実施例におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の概略構成を示した平面図である。なお、図２０において、図１１および図１７で示した構成要素と同じ構成要素には、同じ番号を付している。

　実施例３では、単一の虚像映像表示用ディスプレイを用い、遠距離基準虚像光用映像と近距離基準虚像光用映像を所定のフレームレートで時分割に切り替えて表示し、併せて当該フレームレートに同期して生成虚像光の偏光方向も時分割切り替えを行うことで、使用者１００にあたかも遠距離基準虚像と近距離基準虚像を同時に視認しているかのように知覚させていた。これに対して本実施例は、前記のような時分割表示では無く、遠近両基準虚像光を同時に使用者１００の両眼１１２ａおよび１１２ｂに投影する構成になっている。

　また、本実施例では、図１７と同様、虚像光伝送投影部１０（図中点線で囲われた部位）内には単一の導光板４しか配置されていない。そいて、この導光板４には、１個の入射用ホログラム６と２個の出射用ホログラム８aおよび８ｂが設置されている。

　本実施例では、虚像光生成部４０内の虚像映像表示用ディスプレイ４２は、その映像表示面が２つの表示エリア４２ａと４２ｂに分割されており、各々の表示エリアで独立した映像、あるいは同じ映像ではあるがその表示アイテムごとに輝度按分が独立に制御できる映像を同時に表示できるようになっている。さらに各表示エリアの直後にはそれぞれ位相板もしくは偏光フィルタ１１および１２が配置されている。この位相板もしくは偏光フィルタ１１および１２は、前記ディスプレイ４２の各分割表示エリア４２ａおよび４２ｂから出射した映像光の偏光方向をそれぞれ所定の偏光方向に揃える機能を持つ。すなわち位相板もしくは偏光フィルタ１１は、分割表示エリア４２ａから出射した第１の映像光をＰ偏光（図中の両端矢印線で表される偏光方向）光に揃え、偏光フィルタ１２は、分割表示エリア４２ｂを出射した第２の映像光をＰ偏光とは垂直のＳ偏光光に揃える。

　そこで、例えば、分割表示エリア４２ａで遠距離基準虚像光に相当する映像を、分割表示エリア４２ｂで近距離基準虚像光に相当する映像を同時に表示する。

　まず、分割表示エリア４２ａを出射した第１の映像光は、位相板もしくは偏光フィルタ１１を経て台形ＰＢＳ４９に入射するが、この第１の映像光は前記したように位相板もしくは偏光フィルタ１１によって偏光方向がＰ偏光に揃えられているので、台形ＰＢＳ４９の偏光分離膜４９ａを透過して、第１の虚像光生成用投影レンズ系４６ａに入射する。そして、そこで視認距離Ｄ_Ｌを持つ遠距離基準虚像光が生成されたのち、導光板４に配置された入射用ホログラム６を経て導光板４の内部に入射する。そして、この導光板４内を図の右方向に進行したのち出射用ホログラム８ａおよび８ｂから出射して、それぞれ使用者１００の両眼１１２ａおよび１１２ｂに入射する。

　一方、分割表示エリア４２ｂを出射した第２の映像光は、位相板もしくは偏光フィルタ１２と第２の虚像光生成用投影レンズ系４６ｂを経て台形ＰＢＳ４９に入射し、その全反射面４９ｂを反射したのち偏光分離膜４９ａに達する。このとき、この第２の映像光は、位相板もしくは偏光フィルタ１２によって偏光方向がＳ偏光に揃えられているので、当該偏光分離膜４９ａを反射して前記第１の映像光の光路と合成されて同じく第１の虚像光生成用投影レンズ系４６ａに入射する。つまり、第２の映像光は、台形プリズム４９を挟んで第２の虚像光生成用投影レンズ系４６ｂと第１の虚像光生成用投影レンズ系４６ａの両方を通過することになり、このレンズ系の組み合わせにより視認距離Ｄ_Ｓを持つ近距離基準虚像光が生成される。そして、この近距離基準虚像光は、第１の映像光から生成された遠距離基準虚像光と同じく導光板４に配置された入射用ホログラム６を経て導光板４の内部に入射し、この導光板４内を図の右方向に進行したのち出射用ホログラム８ａおよび８ｂから出射して、それぞれ使用者１００の両眼１１２ａおよび１１２ｂに入射する。

　すなわち、以上述べたような本実施例の構成により、使用者１００は遠距離基準虚像光と近距離基準虚像光を同時に視認することができる。したがって、実施例１、２、３と同様、立体錯視現象（ＤＦＤ）を利用した表示虚像視認距離可変制御が可能となる。

　本実施例で示した構成では、実施例３で示したような映像光の高速切り替え制御や比較的高価な偏光変換素子等の光学デバイス必要としないので、ＨＭＤの低コスト化にさらに大きな効果が得られる。

　なお当然のことながら、本実施例で述べた、遠／近距離基準虚像光とＰ／Ｓ偏光の関係性はそれぞれ全く逆であっても一向に構わない。この場合は、第１の虚像光生成用投影レンズ系４６ａが近距離基準虚像光に相当する光を生成し、当該第１の虚像光生成用投影レンズ系４６ａと第２の虚像光生成用投影レンズ系４６ｂを組み合わせた投射レンズ系が遠距離基準虚像光に相当する光を生成する機能を持つことになる。

　実施例４では、表示虚像視認距離可変制御として立体錯視現象（ＤＦＤ）を利用する例を示したが、ほぼ同様の光学構成で、表示虚像視認距離可変制御として従来最も一般的な両眼視差方式を用いたＨＭＤも実現することができる。本実施例では、両眼視差方式のＨＭＤに本願発明を適用した例を説明する。

　図２１は、本実施例におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の概略構成を示した平面図である。なお、図２１においては、図２０に示した構成要素と同じ構成要素には、同じ番号を付している。

　図２１において、図２０と同様の虚像光生成部および虚像光伝送投影部を有しているが、唯一異なる点が、出射用ホログラム８ａと使用者１００の右眼１１２ａ間の光路中に偏光フィルタ１３を、出射用ホログラム８ｂと使用者１００の左眼１１２ｂ間の光路中に偏光フィルタ１４を追加配置している点である。このうち、偏光フィルタ１３は、例えば、Ｐ偏光（図中の両端矢印線で表される偏光方向）光を透過しＳ偏光を反射または吸収する機能を備え、逆に偏光フィルタ１４は、Ｓ偏光光を透過しＰ偏光を反射または吸収する機能を備えている。ただし、当然のことながらＰ／Ｓ偏光の組み合わせは真逆であっても一向に構わない。

　このような構成にすることで、使用者１００の右眼１１２ａにはディスプレイ４２の分割表示エリア４２ａの表示画像から生成された虚像光のみを入射、視認させ、左眼１１２ｂには分割表示エリア４２ｂの表示画像から生成された虚像光のみを入射、視認させることができる。そこで、所望の視認距離に応じた両眼視差相当の映像アイテム表示位置シフトを持つ右眼用映像と左眼用映像をそれぞれ分割表示エリア４２ａおよび４２ｂで表示することにより、両眼視差方式による表示虚像視認距離可変制御を実現することができる。なお両眼視差方式の具体的な手順や原理等に関しては、既に公知の内容であるので詳細な説明は省略する。

　ただし、図２１に示した本実施例の光学構成では、ディスプレイ４２の分割表示エリア４２ａを出射した第１の映像光と分割表示エリア４２ｂを出射した第２の映像光の第１の虚像光生成用投影レンズ系４６ａに達するまでの光路長が異なる。（分割表示エリア４２ｂを出射した第２の映像光の方が台形ＰＢＳ４９内の全反射面４９ｂから偏光分離膜４９ａに至る光路分だけ長い。）このため第１の虚像光生成用投影レンズ系４６ａで生成される虚像についても、第１の映像光から生成される第１の虚像光と前記第２の映像光から生成される第２の虚像光ではその視認距離や視認映像倍率が異なってしまう。

　しかしながら、両眼視差方式で表示虚像視認距離可変制御を行う場合、右眼で視認する虚像映像と左眼で視認する虚像映像の視認距離と映像寸法は完全に一致していなければならない。そこで本実施例では、第２の虚像光生成用投影レンズ系４６ｂに、光路長の差異に起因する第１の虚像光に対する第２の虚像光の視認距離や視認映像倍率の差異を補正する機能を持たせている。このような光学構成にすることにより、本実施例においても右眼で視認する虚像映像と左眼で視認する虚像映像の視認距離と映像寸法を一致させることができるので、両眼視差方式による表示虚像視認距離可変制御を実現できる。

　本実施例で示した光学構成を用いた両眼視差方式ＨＭＤは、従来の両眼視差方式ＨＭＤのように左右眼用に分離独立した２個の虚像光生成部すなわち映像表示用光学エンジンを搭載する必要が無いため、両眼視差方式ＨＭＤの小型化、軽量化、低コスト化に大きな効果が得られる。

　ところで本実施例では、図２０に示した実施例４の光学構成を両眼視差方式ＨＭＤに適用した例を示したが、当然のことながら図１７に示した実施例３の光学構成に対しても、偏光フィルタと全く同様のフィルタ設置により、同様の効果を持つ両眼視差方式ＨＭＤを実現することができる。

　図２２は、本実施例におけるＨＭＤの虚像光生成部および虚像光伝送投影部の概略構成を示した平面図である。なお図２２においては、図２０に示した実施例４および図２１に示した実施例５における構成要素と同じ構成要素には、同じ番号を付している。

　本実施例においても、ＨＭＤ１は図２０に示した実施例４と同様の虚像光生成部および虚像光伝送投影部を有しているが、唯一異なる点が、導光板４の前面に所定の電気信号により遮光性を制御できる光学デバイスである遮光性制御可デバイス１５を追加配置している点である。このような遮光性可制御の光学デバイスとしては、例えば液晶を用いたアクティブ偏光フィルタや調光ガラスがあるが、このような光学デバイスを導光板４の前面に配置することにより、この導光板４越しに使用者１００の左右眼に飛び込んでくる外景光を任意に遮断し、使用者の眼前に表示虚像だけを明瞭に視認させることができる。このような機能を備えることで、一台のＨＭＤで、実視認像と表示虚像を融合視認できるいわゆる拡張現実（ＡＲ）対応のＨＭＤと、外の景色を遮断して表示虚像だけを視認するいわゆる仮想現実（ＶＲ）対応のＨＭＤとを、使用者が任意に切り替えて使い分けることができ、ＨＭＤの汎用性拡大に大きな効果がある。

　なお、図２２では、導光板４の全面をカバーするように遮光性制御可デバイス１５を配置しているが、出射用ホログラム８ａおよび８ｂの開口部およびその近傍のみをカバーするように配置しても構わない。

　これまで述べてきた各実施例は、主にＨＭＤに関する実施例であったが、本実施例は、透明ディスプレイを備えた携帯情報端末または携帯型パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１６に本発明を適用した例である。

　図２３は、本実施例における携帯型情報端末の使用シーンを示した概略斜視図である。図２３に示すように、携帯端末または携帯ＰＣ１６の本体内に、少なくとも実施例１乃至６のいずれかの実施例で開示した駆動制御回路および虚像光生成部を組み込み、かつシースルー型映像ディスプレイとして、図１１、図１７、図２０乃至図２２で示したような虚像光入出射用ホログラム付き導光板４等からなる虚像光伝送投影部１０を装備している。このように携帯端末または携帯ＰＣに本発明を適用することにより、頭部装着タイプのＨＭＤとは異なり、携帯用デバイスによる拡張現実（ＡＲ）あるいは仮想現実（ＶＲ）を実現できる。

　図２４は、本発明を車載用ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）に適用した実施例を示している。この例では、車のダッシュボード内に組み込むかダッシュボード上に取り付けたＨＵＤ本体１７に、少なくとも実施例１乃至６のいずれかの実施例で開示した駆動制御回路および虚像光生成部を組み込み、かつ、いわゆるＨＵＤコンバイナあるいはＨＵＤ用シースルーディスプレイとして、前記の虚像光入出射用ホログラム付き導光板４等からなる虚像光伝送投影部１０を装備している。

　なお、この虚像光伝送投影部１０については、車両運転席全面に備えられているウィンドシールドガラスの一部または全面に装備するか、ウィンドシールドガラス自体を一部前記虚像光入出射用ホログラム付き導光板４で形成することにより、ウィンドシールドガラス自体にＨＵＤ用シースルー型ディスプレイの機能も具備させることができる。

１：ＨＭＤ、４，５：導光板、６，７：入射用ホログラム、８ａ，８ｂ，９ａ，９ｂ：出射用ホログラム、１０：虚像光伝送投影部、２０：外景映像撮影用の小型電子カメラ、３０：駆動制御回路、３４：視認対象物実視認距離検知部、３５：虚像視認距離制御部、４０，４１：虚像光生成部、４２，４３：虚像映像表示用ディスプレイ、４６,４７：虚像光生成用投影レンズ系、４９：台形ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）、５０：携帯情報端末、１００：使用者

Claims (10)

1. 　所定の虚像映像を使用者の視野内に投影する機能を備えた虚像表示装置において、
   前記使用者が注視している視認対象物もしくは前記視野内にある複数の対象物のうちの少なくとも一部の対象物に関し前記使用者から該対象物までの実視認距離を検知する視認距離検知部と、
   　互いに独立した複数の虚像光を生成する機能を備えた虚像光生成部と、
   　前記虚像光を略同一の光学経路を経由して前記使用者の左右両眼に伝送、投影し前記使用者の視野内の所定位置に所定の虚像映像を視認させる機能を備えた虚像光伝送投影部と、
   　前記複数の投影虚像光を用いて使用者に視認される虚像の視認距離を可変制御する機能を備えた虚像視認距離制御部と、
   を具備したことを特徴とする虚像表示装置。
2. 　請求項１に記載の虚像表示装置であって、
   　前記視認距離検知部は、前記使用者の左右両眼瞳中心の輻輳量から該左右両眼の視線傾斜角を検知し該視線傾斜角から所定の関係式を用いて前記実視認距離を算定する機能を備えたことを特徴とする虚像表示装置。
3. 　請求項１に記載の虚像表示装置であって、
   　前記視認距離検知部は、前記使用者の左右両眼瞳中心の輻輳量から検知された該左右両眼の視線傾斜角から前記使用者の視野内にある複数対象物の中から前記使用者が注視している対象物を特定し、所定の測距手段を用いて前記使用者から前記使用者の注視対象物まで実距離を検知する機能を備えたことを特徴とする虚像表示装置。
4. 　請求項１に記載の虚像表示装置であって、
   　前記虚像視認距離制御部は、前記使用者の視認虚像の視認距離を前記視認距離検知部で検知した前記実視認距離と適合させる機能を備えたことを特徴とする虚像表示装置。
5. 　請求項１に記載の虚像表示装置であって、
   　前記虚像光生成部および前記虚像光伝送投影部は、互いに異なる視認距離を持つ第１および第２の虚像光を前記使用者から見て正しく射影重畳視認されるように投影する機能を備え、前記虚像視認距離制御部は、所定の関係式を用いて前記２種類の虚像光各々の輝度按分を表示映像アイテムごとに可変制御することにより前記使用者の視認虚像の視認距離を前記第１および第２の虚像光の視認距離の間の任意距離に可変制御する機能を備えたことを特徴とする虚像表示装置。
6. 　請求項１に記載の虚像表示装置であって、
   　前記虚像光生成部は、互いに独立した第１および第２の虚像光を生成し、
   　前記虚像光伝送投影部は、前記第１の虚像光を前記使用者の右眼にのみ投影すると共に前記第２の虚像光を前記使用者の左眼にのみ投影する機能を備え、
   　前記虚像視認距離制御部は、前記第１および第２の虚像光により前記使用者に視認される虚像映像内の各表示映像アイテムの位置を所定の視認距離に応じた両眼視差に相当する距離だけ相対的に面内シフトさせることにより前記虚像の視認距離を可変制御する機能を備えたことを特徴とする虚像表示装置。
7. 　請求項５に記載の虚像表示装置であって、
   　前記第１および第２の虚像光は少なくとも互いに略垂直な偏光方向を有しており、前記虚像光生成部内に配置された偏光ビームスプリッタにより前記第１および第２の虚像光の光路が分離または合成される構成であることを特徴とする虚像表示装置。
8. 　請求項６に記載の虚像表示装置であって、
   　前記第１および第２の虚像光は少なくとも互いに略垂直な偏光方向を有しており、前記虚像光生成部内に配置された偏光ビームスプリッタにより前記第１および第２の虚像光の光路が分離または合成される構成であることを特徴とする虚像表示装置。
9. 　請求項１に記載の虚像表示装置であって、
   　前記虚像光伝送投影部は１枚もしくは積層された複数枚の導光板から構成されており、該複数枚の導光板には、それぞれ該導光板内に光波を入射させる機能を備えた入射用ホログラムと前記導光板内を進行する光波を外部に出射させる機能を備えた出射用ホログラムが具備されていることを特徴とする虚像表示装置。
10. 　所定の虚像映像を使用者の視野内に投影する機能を備えた虚像表示装置を有し、使用者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ装置であって、
    　前記虚像表示装置は、
    前記使用者が注視している視認対象物もしくは前記視野内にある複数の対象物のうちの少なくとも一部の対象物に関し前記使用者から該対象物までの実視認距離を検知する視認距離検知部と、
    　互いに独立した複数の虚像光を生成する機能を備えた虚像光生成部と、
    　前記虚像光を略同一の光学経路を経由して前記使用者の左右両眼に伝送、投影し前記使用者の視野内の所定位置に所定の虚像映像を視認させる機能を備えた虚像光伝送投影部と、
    　前記複数の投影虚像光を用いて使用者に視認される虚像の視認距離を可変制御する機能を備えた虚像視認距離制御部と、
    を具備した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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