JP5062432B2 - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの頭部に装着して、映像を表示するヘッドマウントディスプレイに関する。

従来、映像を表示するシステムとして、メガネ形状をしたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）が提案されている。このようなヘッドマウントディスプレイにおいては、外部の状況によって視認性をあげる方法として、外部の明るさに応じて、映像の明るさ、コントラスト、色合い等を変化させる方法が提案されている。例えば、特許文献１（特開平７−９２４２３号公報）には、２つの液晶ディスプレイを備えたヘッドマウントディスプレイが開示されている。
特開平７−９２４２３号公報

ところで、シースルー型のヘッドマウントディスプレイの場合、周りの視野を妨げることなく、映像（虚像）を観察することが可能であるため、周りに置いてあるモノと映像を重ね合わせて観察することが可能である。

ところが、周りのモノがある面と映像が浮かび上がって見るピント位置がほぼ同じ位置の場合は両方を同時に視認することができるが、ピント位置がずれている場合は、目のピントを動かしながら観察しなければならない、という問題があった。

また、映像のピント位置よりモノが手前にある場合は、モノの奥に映像が浮かび上がって見えるため観察しづらい、という問題もあった。

本発明は以上のような課題を解決するためのものであり、そのために、請求項１に係る発明は、映像光を生成する映像表示部と、前記映像表示部からの映像光を観察者の眼に導くホログラム部と、を有するヘッドマウントディスプレイであって、前記ホログラム部は異なる光学特性を有する複数種のホログラム素子から構成されると共に、それぞれのホログラム素子はホログラムとしての機能を有効化又は無効化することが可能なものが用いられ、前記ホログラム部は短冊状の複数種のホログラム素子が、平面内に並べられることにより構成されることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、映像光を生成する映像表示部と、前記映像表示部からの映像光を観察者の眼に導くホログラム部と、を有するヘッドマウントディスプレイであって、前記ホログラム部は異なる光学特性を有する複数種のホログラム素子から構成されると共に、それぞれのホログラム素子はホログラムとしての機能を有効化又は無効化することが可能なものが用いられ、前記ホログラム部は円周状の複数種のホログラム素子が、平面内に並べられることにより構成されることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記ホログラム部の傾斜角を取得する傾斜センサを有し、前記傾斜センサで取得される傾斜角に応じて、複数種のホログラム素子うちのどのホログラム素子のホログラム機能を有効化又は無効化するかを決定することを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記ホログラム素子がホログラフィック高分子分散液晶であることを特徴とする。

本発明の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイによれば、複数のホログラム素子によって、複数のピント位置を有する虚像を再現することができるので、複数の周囲のモノ（実像）のピント位置と、ヘッドマウントディスプレイによる虚像のピント位置とを合わせ込むことが可能となり、ユーザの利便性を向上することが可能となる。

また、本発明の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイによれば、虚像のピント位置を変更することで、モノの奥に虚像が浮かび上がって見えるため観察しづらい、という問題を解消することができる。

また、本発明の請求項２に係るヘッドマウントディスプレイによれば、複数のホログラム素子を積層する構成としているので、ホログラム部で映像光を回折するとき光量ロスが少ない。

また、本発明の請求項３に係るヘッドマウントディスプレイによれば、ホログラム部において、複数のホログラム素子が平面内に並べられる構成となっており、ホログラム素子を１枚製造するのみで足りるので、コストダウンを図ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイの外観視を示す図である。図１において、１０は回路部、１１はメインスイッチ、１２はピント位置切替スイッチ、１３はケーブル、２０は映像表示部、４０は透明基材、５０はホログラム部、１００はヘッドマウントディスプレイをそれぞれ示している。

ヘッドマウントディスプレイ１００はメガネ状の本体部分と、この本体部分とケーブル１３によって接続される回路部１０とから構成されている。ヘッドマウントディスプレイ１００は、本体部分を通常のメガネのようにユーザが装着することによって使用されるものである。ヘッドマウントディスプレイ１００の本体部分において、通常のメガネの右レンズに相当する箇所は、図示するように、ホログラム部５０が埋め込まれた透明基材４０が配されるようになっている。ホログラム部５０はコンバイナとして機能することで、ユーザは周囲の実像と、映像表示部２０で生成された映像光による虚像とを見ることが可能となる。

ホログラム部５０は、映像表示部２０で生成された映像光を、ヘッドマウントディスプレイ１００のユーザの眼に導く役割を果たしている。また、このホログラム部５０は複数のホログラム素子から構成されている。ホログラム部５０のホログラム素子には、ホログラムとしての機能を有効化或いは無効化することが可能なもの―例えば、ホログラフィック高分子分散液晶―が用いられる。なお、本発明のヘッドマウントディスプレイにおいては、複数のホログラム素子を利用することができるものであるが、本実施形態においては、２つのホログラム素子から構成されるホログラム部５０を例に説明する。

回路部１０には、ヘッドマウントディスプレイとしての機能のオンオフを行うことができるメインスイッチ１１と、ヘッドマウントディスプレイのユーザが見る虚像のピント位置の切替を行うピント位置切替スイッチ１２と、映像表示部２０で生成する映像光の映像データ源や、或いは前記映像光のための映像データの受信装置などが設けられている。

次に、映像表示部２０とユーザの眼Eとの間に構成される光学系について説明する。図２は本発明の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイの光学系の概略を示す図である。図２において、２１はＬＥＤ光源、２２は液晶ディスプレイ、５１、５２はホログラム素子をそれぞれ示している。

回路部１０から送信される映像データは、液晶ディスプレイ２２によって映像化され、ＬＥＤ光源２１により照射されることで映像光となる。この映像光は、ホログラム部５０によってユーザの眼Ｅに導かれる。ここで、ホログラム部５０はホログラム素子５１、５２の２つのホログラフィック高分子分散液晶によって構成されている。

ホログラム素子５１と、ホログラム素子５２とは異なる光学特性（図３において示す配向角φ、ピッチｐが異なる）を有するものであり、ホログラム素子５１がホログラムとしての機能が有効化されているときには、ホログラム素子５２がホログラムとしての機能が無効化される。また、ホログラム素子５１がホログラムとしての機能が無効化されているときには、ホログラム素子５２がホログラムとしての機能が有効化される。これによって、ホログラム部５０は２つの異なる光学特性を示すものとなる。

ヘッドマウントディスプレイのホログラム部５０で用いられるホログラフィック高分子分散液晶について説明する。図３及び図４は本発明のヘッドマウントディスプレイのホログラム素子として用いられるホログラフィック高分子分散液晶の原理を模式的に示す図である。図３はホログラフィック高分子分散液晶に電圧が印加されていない状態を、また図４は電圧が印加されている状態を示している。

図３及び図４に示されているように、ホログラフィック高分子分散液晶は、硬化性樹脂６４中に液晶分子６３が収容されたドロップレット６２が配向された状態で配された構造を有している。この構造の両端を、図示するように透明電極６０、６０’、ガラス基板６１、６１’で挟持するようになし、透明電極６０、６０’に所定の電圧を印加したり、しなかったりすることによって液晶分子６３の状態を配向、非配向とする。

図３は透明電極６０、６０’に電圧を印加しない状態を示しており、このとき通常のホログラムとして回折された光が観察できる。また、図４は透明電極６０、６０’に電圧を印加した状態を示しており、このときホログラムの機能が失われ、光がそのまま透過する。

次に、ホログラフィック高分子分散液晶で構成されるホログラム素子５１、ホログラム素子５２との電圧の印加関係について説明する。図５は本発明のヘッドマウントディスプレイのホログラム部周辺の回路図を示す図である。なお、図５のホログラム素子５１、ホログラム素子５２には電極のみが示されている。また、同回路図はホログラム素子のオンオフのみに係る回路を示すものであり、回路部１０全体の回路を示すものではない。

図５の回路図に示すように、ピント位置切替スイッチ１２が（Ａ）側となることで、ホログラム部５０において、ホログラム素子５１がオフ（ホログラムとしての機能が有効）、ホログラム素子５２がオン（ホログラムとしての機能が無効）となる。また、ピント位置切替スイッチ１２が（Ｂ）側となることで、ホログラム部５０において、ホログラム素子５１がオン（ホログラムとしての機能が無効）、ホログラム素子５２がオフ（ホログラムとしての機能が有効）となる。

以上のようなホログラム部５０の動作に伴う、ユーザの眼Ｅの視覚の様子を説明する。図６は本発明のヘッドマウントディスプレイのホログラム部による視覚効果を示す図である。

図６（Ａ）はホログラム素子５１が有効であり、ホログラム素子５２が無効な状態を示しており、このときホログラム素子５１の光学特性によって、ユーザは虚像のピント位置がＡであると感じる効果を有するものである。

また、図６（Ｂ）はホログラム素子５１が無効であり、ホログラム素子５２が有効な状態を示しており、このときホログラム素子５２の光学特性によって、ユーザは虚像のピント位置がＡとは異なるＢであると感じる効果を有するものである。

以上のような構成によれば、複数のホログラム素子５１、５２によって、複数のピント位置（Ａ、Ｂ）を有する虚像を再現することができるので、複数の周囲のモノ（実像）のピント位置と、ヘッドマウントディスプレイによる虚像のピント位置とを合わせ込むことが可能となり、ユーザの利便性を向上することが可能となる。

また、上記のようなヘッドマウントディスプレイの構成によれば、虚像のピント位置を変更することで、モノの奥に虚像が浮かび上がって見えるため観察しづらい、という問題を解消することができる。

また、以上のような本実施形態では、ホログラム部５０において、複数のホログラム素子５１、５２を積層する構成としているので、ホログラム部５０で映像光を回折するとき光量ロスが少ない、という利点がある。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図７は本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイのホログラム部５０の構成を示す図である。先の実施形態では、ホログラム部５０における複数のホログラム素子５１、５２は積層されるようにして構成されていたが、本実施形態では、ホログラム素子５１、５２が平面内に並べられるようにして構成される。このようなホログラム部５０の構成によって、ホログラム素子５１、５２の有効、無効を先の実施形態と同様に切り替えることによって、複数のピント位置（Ａ、Ｂ）を有する虚像を再現することができる。

また、図８は本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイのホログラム部５０の構成を示す図である。この実施形態は、円周上に複数のホログラム素子５１、５２を配置したものである。このような実施形態によっても、先の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図７及び図８に示す実施形態では、ホログラム部５０において、複数のホログラム素子５１、５２が平面内に並べられる構成となっており、ホログラム素子を１枚製造するのみで足りるので、先の積層タイプに比べて、コストダウンを図ることが可能となる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図９は本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイの外観視を示す図である。本実施形態におけるホログラム部５０としては、これまで説明してきた任意のものを用いることができる。また、先の実施形態と同じ参照番号が付された構成は、同様のものを示している。

本実施形態においては、メガネ状の本体部に傾斜センサ３０が設けられており、この本体部（すなわち、ホログラム部５０）の傾斜に係る情報を取得することができるようになっている。ここで、傾斜センサ３０が取得する傾斜角としては、図９の鉛直線Ｖ−Ｖ’に対するユーザの視線方向Ａ−Ａ’のなす角θとすることができる。

次に、本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００’におけるホ
ログラム部５０の動作について説明する。この実施形態においても、ホログラム部５０のホログラム素子５１及びホログラム素子５２のホログラム機能の有効化、無効化を行うものであるが、本実施形態では、傾斜センサ３０で取得される傾斜角に応じて、ホログラム素子５１、５２うちのどのホログラム素子のホログラム機能を有効化又は無効化するかを決定するものである。

図１０は本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイのブロック構成を示す図である。図１０に示すブロック図においては、ホログラム部５０を動作させるための構成が示されるものであって、映像表示部２０を動作させるための構成などは図示省略されている。

本実施形態においては、ホログラム部５０のホログラム素子５１、５２は、主制御部１５によって、そのオンオフが制御されるようになっている。主制御部１５は、ＣＰＵとＣＰＵ上で動作するプログラムを保持するＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして機能するＲＡＭ、他の機器と接続するためのインターフェイス手段などからなる汎用の情報処理機構である。また、傾斜センサ３０は、取得した傾斜角に係るデータを主制御部１５に入力するように構成されている。

次に、以上のように構成されるヘッドマウントディスプレイ１００’のホログラム部５０の制御処理について説明する。図１１は本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイのホログラム部の制御処理のフローチャートを示す図である。

図１１において、ステップＳ１００で、ホログラム部５０の制御処理が開始されると、続いて、ステップＳ１０１に進み、傾斜センサ３０によって、ヘッドマウントディスプレイ１００’の本体部の傾斜角θが取得される。

ステップＳ１０２では、取得された傾斜角θが所定の傾斜角θoより小さいか否かが判定される。ステップＳ１０２の判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ１０３に進み、ステップＳ１０２の判定結果がＮＯであるときにはステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０３では、ホログラム部５０において、ホログラム素子５１のホログラム機能を有効化し、ホログラム素子５２のホログラム機能を無効化し、虚像のピント位置がＡとなるようにする。

また、Ｓ１０５では、ホログラム部５０において、ホログラム素子５１のホログラム機能を無効化し、ホログラム素子５２のホログラム機能を有効化し、虚像のピント位置がＢとなるようにする。

ステップＳ１０４では、メインスイッチ１１がオフされた否かが判定される。ステップＳ１０４の判定結果がＮＯであるときにはステップＳ１０１に戻る。また、判定結果がＹＥＳであるときにはステップＳ１０６に進み、ホログラム部５０の制御処理を終了する。

次に、以上のように制御されるホログラム部５０を有するヘッドマウントディスプレイ１００’の実使用例につき説明する。図１２は本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００’の使用形態を説明する図である。図１２は本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ１００’を装着したユーザが、机上の書類と、黒板とを交互に参照しつつ、ヘッドマウントディスプレイ１００’の虚像の映像表示も参照する様子を示している。

ヘッドマウントディスプレイ１００’を装着したユーザが、机上の書類を参照している
ときには、ユーザは下を向く。このとき傾斜センサ３０によって取得される傾斜角θは、θoより小さいものとなるように、所定の傾斜角θoが設定されており、従って、先のフローチャートにおけるステップＳ１０３によってホログラム部５０の制御がなされるようになっている。すなわち、ユーザが机上の書類を参照するときには、机上の書類近辺をピント位置（Ａ）とする虚像が再現される。この状態を示すものが、図１２（Ａ）である。

また、ヘッドマウントディスプレイ１００’を装着したユーザが、黒板を参照するために正面を向くような場合には、傾斜角θがθo以上となるように、所定の傾斜角θoが設定される。すなわち、ユーザが黒板を参照するときには、机上の書類近辺をピント位置（Ｂ）とする虚像が再現される。この状態を示すものが、図１２（Ｂ）である。

ヘッドマウントディスプレイ１００’のような形態によれば、ユーザが机上の書類を参照するときには、机上の書類近辺をピント位置（Ａ）とする虚像が再現され、また、ユーザが黒板を参照するときには、黒板近辺をピント位置（Ｂ）とする虚像が再現されるように構成される。つまり、複数の周囲のモノ（実像）のピント位置と、ヘッドマウントディスプレイ１００’による虚像のピント位置とが必要に応じて自動的に合うようになるので、ユーザは実像と虚像とを、眼のピント調整をすることなく、同時に見ることが可能となる。

以上、本発明の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイによれば、複数のホログラム素子によって、複数のピント位置を有する虚像を再現することができるので、複数の周囲のモノ（実像）のピント位置と、ヘッドマウントディスプレイによる虚像のピント位置とを合わせ込むことが可能となり、ユーザの利便性を向上することが可能となる。

また、本発明の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイによれば、虚像のピント位置を変更することで、モノの奥に虚像が浮かび上がって見えるため観察しづらい、という問題を解消することができる。

本発明の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイの外観視を示す図である。 本発明の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイの光学系の概略を示す図である。 本発明のヘッドマウントディスプレイに用いられるホログラフィック高分子分散液晶の原理を模式的に示す図である。 本発明のヘッドマウントディスプレイに用いられるホログラフィック高分子分散液晶の原理を模式的に示す図である。 本発明のヘッドマウントディスプレイのホログラム部周辺の回路図を示す図である。 本発明のヘッドマウントディスプレイのホログラム部による視覚効果を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイのホログラム部の構成を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイのホログラム部の構成を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイの外観視を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイのブロック構成を示す図である。 本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイのホログラム部の制御処理のフローチャートを示す図である。 本発明の他の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイの使用形態を説明する図である。

符号の説明

１０・・・回路部、１１・・・メインスイッチ、１２・・・ピント位置切替スイッチ、１３・・・ケーブル、１５・・・主制御部、２０・・・映像表示部、２１・・・ＬＥＤ光源、２２・・・液晶ディスプレイ、３０・・・傾斜センサ、４０・・・透明基材、５０・・・ホログラム部、５１、５２・・・ホログラム素子、６０、６０’・・・透明電極、６１、６１’・・・ガラス基板、６２・・・ドロップレット、６３・・・液晶分子、６４・・・硬化性樹脂、１００、１００’・・・ヘッドマウントディスプレイ、

Claims (4)

1. 映像光を生成する映像表示部と、
   前記映像表示部からの映像光を観察者の眼に導くホログラム部と、を有するヘッドマウントディスプレイであって、
   前記ホログラム部は異なる光学特性を有する複数種のホログラム素子から構成されると共に、それぞれのホログラム素子はホログラムとしての機能を有効化又は無効化することが可能なものが用いられ、
   前記ホログラム部は短冊状の複数種のホログラム素子が、平面内に並べられることにより構成されることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
2. 映像光を生成する映像表示部と、
   前記映像表示部からの映像光を観察者の眼に導くホログラム部と、を有するヘッドマウントディスプレイであって、
   前記ホログラム部は異なる光学特性を有する複数種のホログラム素子から構成されると共に、それぞれのホログラム素子はホログラムとしての機能を有効化又は無効化することが可能なものが用いられ、
   前記ホログラム部は円周状の複数種のホログラム素子が、平面内に並べられることにより構成されることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記ホログラム部の傾斜角を取得する傾斜センサを有し、
   前記傾斜センサで取得される傾斜角に応じて、複数種のホログラム素子うちのどのホログラム素子のホログラム機能を有効化又は無効化するかを決定することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 前記ホログラム素子がホログラフィック高分子分散液晶であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。

Images