JP6459262B2 - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関する。

従来、マイクロレンズアレイを用いたヘッドマウントディスプレイが知られている。例えば非特許文献１には、１つの画像を互いに重なり合った複数の微小画像に分割し、各々の微小画像をマイクロレンズで拡大して、観察者の網膜上でそれら複数の微小画像が重なり合い１つの像を形成するようにしたヘッドマウントディスプレイが記載されている。このヘッドマウントディスプレイは、微小画像の表示面と、観察者の網膜とが光学的に共役な関係となっている。

Douglas Lanman, et. al. "Near-Eye Light Field Displays", ACM SIGGRAPH 2013 Emerging Technologies, 2013年

非特許文献１に記載のヘッドマウントディスプレイには、正しい像を観察するために、眼球の光軸方向における装着位置の厳密な位置合わせが要求されるという問題があった。

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイは、観察者の前方に配置される接眼レンズと、複数のマイクロレンズが二次元状に配列されたマイクロレンズアレイと、前記接眼レンズおよび前記マイクロレンズアレイの前方に、前記複数のマイクロレンズの各々に対して配置される二次元表示素子と、入力画像データに基づく画像を前記二次元表示素子に表示させることによって、前記二次元表示素子の前方に再生像を形成する表示制御手段とを備え、前記二次元表示素子と前記観察者の前眼部とが共役である。

本発明によれば、装着位置の位置ずれに強いヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイの構成を模式的に示す断面図である。 表示ユニット１０４の構成を示す説明図である。 ＨＭＤ１０による像の投影方法を模式的に示す図である。 表示画素と、表示用マイクロレンズアレイと、表示される光点との関係を模式的に示した図である。 図４を二次元的に展開した場合を示す図である。 表示用マイクロレンズとパターン光断面との関係を説明する図である。 表示用マイクロレンズとパターンとの関係を説明する図である。 領域分割を基点マイクロレンズに展開した場合のパターンを説明する図である。 基点マイクロレンズの中心位置に対して光点が偏心した場合のパターンを説明する図である。 二次元画像を表示させる場合の表示画素について説明する図である。 二次元表示される画像の一例を示す図である。 二次元画像を表示させる場合のパターンについて説明する図である。 図１２に示すパターンが表示空中像面に二次元表示される様子を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイの構成を模式的に示す断面図である。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の構成を模式的に示す断面図である。ＨＭＤ１０は、両眼用の表示装置である。ＨＭＤ１０は、左目用の表示ユニット１０４Ｌと、右目用の表示ユニット１０４Ｒと、制御装置１０１と、記憶装置１０３とを備える。以下の説明において、左目用の表示ユニット１０４Ｌと右目用の表示ユニット１０４Ｒを、表示ユニット１０４と総称する。

制御装置１０１は、不図示のＣＰＵとその周辺回路とから成り、不図示の記憶媒体から所定の制御プログラムを読み込んで実行することにより、ＨＭＤ１０を制御する。記憶装置１０３は、ＨＭＤ１０により再生する画像データを記憶する。制御装置１０１は、記憶装置１０３により記憶されている画像データを入力画像データとして読み出し、観察者から観察可能な像として再生する。

表示ユニット１０４Ｌは、接眼レンズ１０２Ｌと、二次元表示素子２０１Ｌと、表示用マイクロレンズアレイ２０２Ｌとを備える。右目用の表示ユニット１０４Ｒは、接眼レンズ１０２Ｒと、二次元表示素子２０１Ｒと、表示用マイクロレンズアレイ２０２Ｒとを備える。以下の説明において、接眼レンズ１０２Ｌ、１０２Ｒを接眼レンズ１０２と総称し、二次元表示素子２０１Ｌ、２０１Ｒを二次元表示素子２０１と総称し、表示用マイクロレンズアレイ２０２Ｌ、２０２Ｒを表示用マイクロレンズアレイ２０２と総称する。

観察者は、ＨＭＤ１０を両目を覆うように装着する。このとき、観察者の左目５０Ｌと左目用の接眼レンズ１０２Ｌが対向し、観察者の右目５０Ｒと右目用の接眼レンズ１０２Ｒが対向する。つまり、接眼レンズ１０２は観察者から見て前方に位置する。同様に、観察者から見て、表示用マイクロレンズアレイ２０２は接眼レンズ１０２の前方に位置し、二次元表示素子２０１は表示用マイクロレンズアレイ２０２の前方に位置する。なお、接眼レンズ１０２は、可能な限り表示用マイクロレンズアレイ２０２に近づけることが望ましい。接眼レンズ１０２を表示用マイクロレンズアレイ２０２に近づけることで、表示ユニット１０４を小型化（薄型化）することができる。

観察者は、接眼レンズ１０２を介して、制御装置１０１が二次元表示素子２０１Ｌ、２０１Ｒに再生させた二次元像（奥行きのない像）や三次元像（奥行きのある像）を観察することができる。なお、図１においては、接眼レンズ１０２の光軸方向をｚ軸、接眼レンズ１０２の光軸断面の水平方向をｘ軸、鉛直方向をｙ軸として座標系を設定する。

次に、表示ユニット１０４の構成について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、表示ユニット１０４をｚ軸方向ユーザ側から見た場合の表示ユニット１０４の斜視図であり、図２（ｂ）は表示ユニット１０４を一部拡大して示す図であり、図２（ｃ）はｚ軸方向における表示ユニット１０４の断面を模式的に示す図である。なお、図２では、接眼レンズ１０２の図示を省略している。

二次元表示素子２０１は、たとえばバックライトを有する液晶パネルや有機ＥＬパネル等により構成され、二次元状に配置された複数の表示画素群２１０を有する。これら複数の表示画素群２１０のそれぞれは、二次元状に配置された複数の表示画素２１１を有する。なお、本実施の形態においては、１個の表示画素群２１０には、１６×１６個の表示画素２１１が含まれるものとする。ただし、図２においては、図示の都合上、表示画素２１１の個数を実際よりも少なく描いている。表示画素２１１は、上述した制御装置１０１により制御されて、表示用画像データに対応して発光する。

表示用マイクロレンズアレイ２０２は、二次元状に配列された複数の表示用マイクロレンズ２２０により構成される。図２（ｂ）に示すように、各々の表示用マイクロレンズ２２０は、複数の表示画素群２１０に対応した配置パターンで配置されている。また、図２（ｃ）に示すように、表示用マイクロレンズアレイ２０２はｚ軸方向ユーザ側に、表示用マイクロレンズ２２０の焦点距離ｆだけ表示画素２１１から離れた位置に配置される。各表示用マイクロレンズ２２０は、画像データに応じて表示画素２１１からの光をｚ軸方向ユーザ側の所定の像面に投影する。

個々の表示用マイクロレンズ２２０は、観察者の瞳（瞳孔）よりも小さい直径を有する。具体的には、少なくとも観察者の瞳（瞳孔）の直径の半分以下の直径を有する。このようになっているのは、観察者に観察させる再生像の１点を、複数の表示用マイクロレンズ２２０により形成させるためである。この点については後に詳述する。

図３は、ＨＭＤ１０による像の投影方法を模式的に示す図である。説明の便宜上、まず図３（ａ）に示すように、接眼レンズ１０２が存在しない状態を考える。制御装置１０１は、入力画像データに基づく表示用画像を二次元表示素子２０１に表示する。これにより、図３（ａ）に示すように、表示用マイクロレンズアレイ２０２から一定距離だけ前方の符号６０の位置に目的の像（二次元像または三次元像）が投影され、観察者がこの像を観察することができる。観察者に対して二次元的な画面（平面）を観察させることもできるし、奥行きのある三次元的な画面を観察させることもできる。後者の三次元的な画面を観察させる方法としては、表示ユニット１０４Ｌと表示ユニット１０４Ｒとで視差のある二次元像を再生してもよいし、三次元像を再生してもよい。いずれの場合であっても、左目５０Ｌと右目５０Ｒとで見える像に視差があれば、観察者からは立体像が観察される。なお、詳細は後述するが、ここで観察者から観察される像は、二次元表示素子２０１に表示される表示用画像とは大きく異なっている。

例えば、マイクロレンズの焦点距離が１ｍｍ、マイクロレンズの直径が０．２５ｍｍ、マイクロレンズのＦナンバーが４、表示画素の１辺が約１５．６μｍであるとする。このとき、像が投影される位置６０はマイクロレンズアレイの後方１６ｍｍ地点となる。つまり、像が投影される位置６０は観察者の両目５０Ｌ、５０Ｒから極めて近い位置であり、実際には、観察者がこの像を観察することは困難である。

次に、図３（ｂ）に示すように、接眼レンズ１０２が存在する場合を考える。このとき、観察者からは、符号７０の位置に接眼レンズ１０２による虚像が観察される。この虚像は、接眼レンズ１０２により、位置６０に投影された像が拡大されたものであり、観察者の目５０Ｌ、５０Ｒからは、例えば約５００ｍｍ前方の位置にあるように見える。つまり、この虚像は、観察者から十分に離れた位置に見えるため、観察者からは容易に観察することが可能である。

例えば非特許文献１に記載されているような、従来のヘッドマウントディスプレイは、二次元表示素子２０１の表示面と観察者の網膜５１とが光学的に共役な関係であった。つまり、観察者の網膜５１には、二次元表示素子２０１の表示面に表示された像が結像し、観察者は二次元表示素子２０１の表示面に表示された像を観察していた。これに対して、本実施形態のＨＭＤ１０は、二次元表示素子２０１の表示面と観察者の網膜５１は共役な関係にない。つまり、観察者の網膜５１には、二次元表示素子２０１の表示面に表示された像とは異なる像が結像され、観察者は、二次元表示素子２０１の表示面に表示された像とは異なる像を観察することになる。

本実施形態のＨＭＤ１０は、二次元表示素子２０１の表示面と観察者の前眼部５２とが光学的に共役になるように構成されている。ここで前眼部５２とは、角膜、瞳孔、虹彩、水晶体等の部位を指す。例えばＨＭＤ１０は、二次元表示素子２０１の表示面と観察者の角膜の頂点とが光学的に共役になるように構成される。このように構成することで、二次元表示素子２０１が有する各々の表示画素２１１は、瞳を通過する各光束を代表することになり、視線位置の許容範囲が大きくなる。

次に、ＨＭＤ１０による三次元画像の表示原理について説明する。ＨＭＤ１０の表示原理はプレンオプティクスの原理を逆にしたものである。まず、図４を用いて、プレンオプティクスの原理について簡単に説明する。

図４は、表示画素２１１と、表示用マイクロレンズアレイ２０２と、表示される光点ＬＰとの関係を示した図である。上述したように、表示用マイクロレンズアレイ２０２は、表示画素２１１から、表示用マイクロレンズ２２０の焦点距離ｆだけｚ軸方向に離れた位置に設けられている。なお、図４においては、光点ＬＰは、表示用マイクロレンズアレイ２０２からｚ軸方向ユーザ側に距離４ｆだけ離れた位置にあるものとする。

光点ＬＰから表示画素２１１に向かって光束ＬＦを辿った場合がプレンオプティクスである。光点ＬＰからの光束ＬＦは、複数個の表示用マイクロレンズ２２０を通過して、表示用マイクロレンズ２２０から４ｆ／３の位置で焦点を結ぶ。しかし、表示用マイクロレンズ２２０は表示画素２１１からｚ軸方向に距離ｆだけ離れた位置に配置されているので、各表示用マイクロレンズ２２０を通過した光束ＬＦは、入射した表示用マイクロレンズ２２０のそれぞれに対応する表示画素２１１で広がりを持った像となる。以後、この広がりを持った像を光断面と呼び、光断面の形状をパターンＰｔと呼ぶ。

図５に、上記のパターンＰｔを二次元的に展開した場合を示す。なお、図５においては、図示の都合上、表示用マイクロレンズ２２０の配列を正方として描く。すなわち、プレンオプティクスの原理によれば、図４に示す光点ＬＰの光強度（輝度）が、図５に示すパターンＰｔに分配されることになる。図５においては、パターンＰｔを斜線を付して示す。

ＨＭＤ１０では、上述したプレンオプティクスの原理を逆にすることによって、すなわち表示画素２１１から輻射される光束を、表示用マイクロレンズ２２０を介して投影することにより奥行きを有する空中像が表示される。具体的には、図５に示すパターンＰｔが、二次元表示素子２０１を構成する表示画素２１１上に割り当てられる。このとき、図４を用いて説明した場合とは逆に、表示画素２１１に割り当てられたパターンＰｔは表示用マイクロレンズ２２０によって投影されて光点ＬＰに像を形成する。各パターンＰｔに含まれる表示画素２１１から輻射される多方向に進む光束には、その中に光点ＬＰに集光する方向の光束、すなわち上述した入射光束ＬＦの表示画素２１１への入射角度と同一の角度で輻射する光束が含まれるからである。このため、表示用マイクロレンズアレイ２０２からｚ軸方向に距離４ｆだけ離れた位置に空中像が形成される。

図６を用いて、いくつ、あるいは、どの表示用マイクロレンズ２２０といずれのパターンＰｔとが対応するかについて、光点ＬＰからの光束ＬＦの広がりを表示用マイクロレンズ２２０上に投影することにより説明する。なお、図６では、光点ＬＰから広がる光束ＬＦは、光点ＬＰのｚ軸方向の位置が表示用マイクロレンズ２２０の焦点距離ｆの場合と、その二倍の距離２ｆの場合とについて示している。図６においては、光点ＬＰのｚ軸方向の位置が距離ｆの場合の光束ＬＦの広がりを破線で示し、距離２ｆの場合を一点鎖線で示す。光点ＬＰが表示用マイクロレンズ２２０の焦点距離ｆの位置にあると、光束ＬＦの広がりは表示用マイクロレンズ２２０で規定されているので、光束ＬＦは１個の表示用マイクロレンズ２２０内に入射する。以上により、１個の光点ＬＰに対応する表示用マイクロレンズ２２０が決まる。

光点ＬＰのｚ軸方向の位置が表示用マイクロレンズ２２０の焦点距離ｆのときは、光束ＬＦはその表示用マイクロレンズ２２０の直下の領域全体に円形開口の光として広がる。このため、正方領域に内接する円の内部に含まれるすべての表示画素２１１が発光すると、パターンＰｔが投影されて光点ＬＰで空中像が形成される。光点ＬＰのｚ軸方向の位置の絶対値が焦点距離ｆより小さい場合には、光束ＬＦは表示用マイクロレンズ２２０の直下の領域内で収束せずに広がる。しかし、光点ＬＰから広がる光束ＬＦの角度は表示用マイクロレンズ２２０のＦ値で開口の最大（Ｆの最小）が規定されるので、入射する光束ＬＦは広がり角の制限を受け、パターンＰｔは被覆領域にとどまる。

ここで光点ＬＰのｚ軸方向の位置が距離２ｆにある場合について説明する。図７に、この場合に関係する表示用マイクロレンズ２２０を示す。図７（ａ）に示すように、関係する表示用マイクロレンズ２２０は自身、すなわち光点ＬＰとｚ軸方向について同軸上に配置された表示用マイクロレンズ２２０（以後、基点マイクロレンズ２２０ａ）とそれに隣接する８個の表示用マイクロレンズ２２０である。表示用マイクロレンズ２２０による開口の制限を考えるとき、図７（ａ）において斜線で示す被覆領域のなかにパターンＰｔが存在することになる。この場合、各表示用マイクロレンズ２２０に対応するパターンＰｔは、図７（ｂ）の斜線で示す領域となる。

図７（ｂ）に示すように、ひとつの基点マイクロレンズ２２０ａの被覆領域が分割され、隣接する表示用マイクロレンズ２２０に配分されている。分割され配分された被覆領域（部分領域）を積算した場合の全領域は、ひとつの表示用マイクロレンズ２２０の開口領域になる。そのため、どのような位置の光点ＬＰでもパターンＰｔの全領域の大きさは同じになるので、部分領域を積算して全領域を算出する場合には、それぞれの部分領域が所属する表示用マイクロレンズ２２０が決まればよいことになる。

図６において、光点ＬＰのｚ軸方向の位置と、倍率つまり基点マイクロレンズ２２０ａに隣接する表示用マイクロレンズ２２０の個数との関係について示したが、これを仮想的な開口領域に適用する。たとえば、倍率で縮小した表示用マイクロレンズ２２０の配列で開口領域を分割し、これで定義された表示用マイクロレンズ２２０の中の同じ位置に開口領域の断片を配するという方法をとる。開口領域に外接する正方形を倍率２で縮小し、表示用マイクロレンズ２２０の配列で開口領域を分割（領域分割）した場合を例に説明する。

図８は、上記の領域分割を基点マイクロレンズ２２０ａに展開した場合のパターンＰｔを示している。同様の領域分割を倍率に応じて行うと、倍率、すなわち光点ＬＰに対するパターンＰｔが得られる。具体的には、表示用マイクロレンズ２２０の径（マイクロレンズの一辺の大きさ）をｇとするとき、ｇ/ｍ幅の格子で開口領域が分割される。倍率は、光点ＬＰの高さ（位置）ｙとマイクロレンズの焦点距離ｆとの比ｍ＝ｙ/ｆで表すことができる。比ｍには負の符号も存在する。比ｍの符合が負の場合には、表示用マイクロレンズ２２０より表示画素２１１側に光点ＬＰがあるものとする。

表示用マイクロレンズ２２０による被覆領域と表示用マイクロレンズ２２０の個数との積は、ほぼ表示画素群２１０に含まれる表示画素２１１の全画素数に等しくなる。このため、１個の表示用マイクロレンズ２２０内で偏心した複数の点のそれぞれに対応する光点ＬＰを形成することは、表示画素２１１に再現されたパターンＰｔを重畳して投影することに等しい。すなわち、各偏心した光点ＬＰからの光束ＬＦが重畳して表示画素２１１上に存在している。ただし、倍率が１倍のときには、この演算は、単なる内挿作業になって、分解能向上には実質的に寄与しない。これは、表示用マイクロレンズ２２０頂点近辺に結像すれば、光学的に奥行き方向の情報が失われることを示している。

図９は、基点マイクロレンズ２２０ａの中心位置に対して左に偏心した光点ＬＰについての分割領域を表したものある。基点マイクロレンズ２２０ａ（レンズ径をｇとする）の中心から図９の左方向へｐだけ偏心して、光点ＬＰの高さ（位置）が２ｆの場合について説明する。なお、図９においては、点Ｏ１は偏心した光点ＬＰ、点Ｏ２は表示用マイクロレンズ２２０の中心位置を示す。この場合、図７に示す表示用マイクロレンズ２２０を図中の右方向へｐだけずらし、開口領域を分割すれば、図９に示す場合の分割領域が得られる。

表示用マイクロレンズ２２０を１６個に分割するとすれば、中心位置の座標を（０，０）として、ｘ軸ｙ軸に対して、それぞれ−ｇ/２、−ｇ/４、０、ｇ/４、ｇ/２の位置のパターンとそれによる分割領域および、全領域の積算をおこなえば、ひとつの表示用マイクロレンズ２２０に対して１６点の光点群を得ることができる。

次に、文字等の二次元情報を空中像として二次元表示させる場合の原理について説明する。この場合、図１０に示すように、表示用マイクロレンズ２２０に対応する表示画素群２１０のそれぞれについて、１６×１６個の表示画素２１１を４×４個の合成表示画素２１２に纏めた系を考える。この合成表示画素２１２を１つの画素とみなして、二次元表示させる二次元画像データのパターンＰｔが割り当てられる。

図１１は、二次元表示する画像の一例が文字「Ａ」であることを示す。図１１に示す文字「Ａ」が表示用マイクロレンズ２２０からｚ軸方向に距離４ｆの位置に二次元表示されるためには、図１２に示すようにパターンＰｔが合成表示画素２１２に割り当てられる。なお、図１２（ａ）は表示用マイクロレンズ２２０が正方配列の場合を示し、図１２（ｂ）は表示用マイクロレンズ２２０がハニカム配列の場合を示している。図１２に示すようなパターンＰｔが合成表示画素２１２に割り当てられることによって、図１３に示すように、表示用マイクロレンズ２２０からｚ軸方向に距離４ｆの位置に形成される表示空中像面Ｓに、文字「Ａ」が空中像として二次元表示される。なお、表示空中像面Ｓは距離４ｆの位置に形成されるものに限定されず、表示用マイクロレンズ２２０の焦点距離ｆ以上の位置、または表示用マイクロレンズ２２０のレンズ面に形成されるものであってもよい。本実施形態の制御装置１０１は、前述の通り、表示空中像面Ｓを二次元表示素子２０１の表示面の前方の所定位置に形成する。

文字等の二次元画像が空中像として表示されるためには、この空中像を構成する各光点ＬＰが合成される必要がある。上述したように、１つの光点ＬＰが形成されるために、１個の表示用マイクロレンズ２２０による被覆領域に含まれる合成表示画素２１２、すなわち１６個の合成表示画素２１２に割り当てられたパターンＰｔの表示用マイクロレンズ２２０による投影像が合成される。そのため、１個の表示用マイクロレンズ２２０が１６個の光点ＬＰの形成に寄与している場合には、１個の表示用マイクロレンズ２２０について、表示用マイクロレンズ２２０による被覆領域内の合成表示画素２１２の出力の１６倍の出力が必要となり、これら全ての出力が合成される必要がある。具体的には、１個の光点ＬＰを形成する各合成表示画素２１２の大きさが分配されると、隣接する光点ＬＰでは合成表示画素２１２の出力に加算するようにして出力が分配される。換言すると、１つの光点ＬＰについて１６個分の合成表示画素２１２の出力が重畳されたものとなり、画素出力は最大１６倍のダイナミックレンジが必要となる。

制御装置１０１は、上述した図１２に示すようにパターンＰｔを表示画素２１１に割り当てることにより、表示用マイクロレンズアレイ２０２からｚ軸方向の所定の高さに形成される表示空中像面Ｓに文字等の二次元画像を表示させる。この場合、制御装置１０１は、二次元表示素子２０１に二次元画像として表示させる二次元画像データを記憶装置１０３から読み出す。記憶装置１０３から読み出される二次元画像データは、通常の二次元画像の表示に用いられるディスプレイに出力される画像データと同一の内容である。

制御装置１０１は、読み出した二次元画像データを、複数の表示用マイクロレンズ２２０に応じた部分画像データに分割する。図１１に示す例においては、制御装置１０１は、１６個の部分画像データに分割する。そして、制御装置１０１は、分割した部分画像データのそれぞれについて二次元表示用部分画像データを生成する。二次元表示用部分画像データは、図１２に示すようなパターンＰｔを表す画像データである。二次元表示用部分画像データを生成した後、制御装置１０１は、表示用部分画像データが示すパターンＰｔを合成表示画素２１２に割り当てる。

以上、二次元画像および三次元画像の表示方法について説明してきたが、いわゆるプレンオプティックカメラで撮影した三次元画像データをそのまま二次元表示素子２０１で再生しても、この三次元画像データを観察者から視認可能な形で再生することができる。ただしこの場合、三次元画像データに対応する光束の進行方向を時間的に逆転させなければ撮影時における被写体の波面を立体像として再現できないことに注意が必要である。これを実現するための光学系は周知であるため説明を省略する。

上述した第１の実施の形態によるヘッドマウントディスプレイによれば、次の作用効果が得られる。
（１）表示用マイクロレンズアレイ２０２には、複数の表示用マイクロレンズ２２０が二次元状に配列される。表示画素群２１０は、接眼レンズ１０２および表示用マイクロレンズアレイ２０２の前方に、複数の表示用マイクロレンズ２２０の各々に対して配置される。制御装置１０１（表示制御手段）は、入力画像データに基づく画像を複数の表示画素群２１０に表示させることによって、複数の表示画素群２１０の前方に再生像を形成する。複数の表示画素群２１０と観察者の網膜５１とは共役でない。このようにしたので、装着位置の位置ずれに強いヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

（２）複数の表示画素群２１０と観察者の前眼部５２とは共役である。このようにしたので、ＨＭＤ１０の視野角を拡大することができる。

（３）複数の表示用マイクロレンズ２２０は、観察者の瞳孔よりも小さい径を有する。このようにしたので、装着位置の位置ずれに強いヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

（第２の実施の形態）
図１４は、本発明の第２の実施の形態に係るヘッドマウントディスプレイの構成を模式的に示す断面図である。なお図１４では、説明の便宜上、ヘッドマウントディスプレイ５００として、左目５０２に近接して配置される偏光折り返し光学系５２１と表示用マイクロレンズアレイ５１１と二次元表示素子５１０とのみを記載し、その他の構成は省略している。実際には、第１の実施の形態と同様に、右目および左目の各々に対応して、偏光折り返し光学系５２１と表示用マイクロレンズアレイ５１１と二次元表示素子５１０との組が２つ存在する。

図１４に示すヘッドマウントディスプレイ５００は、第１の実施の形態に係る接眼レンズ１０２を、偏光折り返し光学系５２１で置き換えた構成を有している。つまり、本実施形態の表示用マイクロレンズアレイ５１１は、第１の実施の形態に係る表示用マイクロレンズアレイ２０２に対応しており、本実施形態の二次元表示素子５１０は、第１の実施の形態に係る二次元表示素子２０１に対応しており、本実施形態の制御装置５２８は、第１の実施の形態に係る制御装置１０１に対応している。偏光折り返し光学系５２１は、二次元表示素子５１０の表示面側から順に、四分の一波長板５２５、反射鏡５２４、液晶板５２７、四分の一波長板５２３、反射型直線偏光板５２２が配置されて成る。

反射型直線偏光板５２２は、入射光のうちＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過させる機能を有する。反射鏡５２４は、透明基板に凹面を形成した後、凹面を透明基板と同一な屈折率を持つ光学接着剤で充填したものである。凹面（またはその裏側の凸面）にはコレステリック液晶が塗布され、円偏光分離層を形成している。コレステリック液晶による円偏光分離層は、右円偏光を通過させ、左円偏光を左円偏光のまま反射させる。反射鏡５２４は、凹面が二次元表示素子５１０に対して凸になるように配置されている。つまり、反射鏡５２４は観察者の方向を向いて配置されている。なお、反射鏡５２４は、その焦点位置と光学的に略等価な位置に二次元表示素子５１０の表示面が位置するように配置される。

液晶板５２７は、透明電極を貼り付けた一対の透明基材の間に液晶素子による液晶層を形成したものであり、透明電極への電圧の印加の有無（液晶層への電圧の印加の有無）に応じて液晶素子の配向方向が変化し、入射光がそのまま出射するか、１８０度の位相差を生じて出射するかを切り替えることができる。例えば、電圧が印加されている場合には、入射光はそのままの状態で液晶板５２７を通過し、電圧が印加されていない場合には入射光は１８０度の位相差を生じて出射する。つまり液晶板５２７は、電圧の印加に応じて、液晶板５２７の位置に二分の一偏光板を抜き差しするのと同様の効果が得られる部材である。このような部材は、例えばＴＮ型やＳＴＮ型の液晶パネルとして周知である。液晶板５２７への電圧の印加は、制御装置５２８により制御される。

以下、本実施の形態における偏光折り返し光学系５２１の働きを説明する。図１４の右側に置かれた二次元表示素子５１０の表示面から四分の一波長板５２５に対して、Ｐ偏光の光が出射する。Ｐ偏光の光は四分の一波長板５２５を通過することにより右円偏光に変化する。右円偏光は反射鏡５２４の凸面を通過して液晶板５２７に向かう。反射鏡５２４の凹面には、透明基板と同一な屈折率を持つ光学接着剤が充填されているので、反射鏡５２４を透過する右円偏光は凹面による屈折効果を受けない。

液晶板５２７は、透明電極への電圧の印加の有無（液晶層への電圧の印加の有無）に応じて液晶素子の配向方向が変化し、入射光がそのまま出射するか、１８０度の位相差を生じて出射するかを切り替えることができる。これにより、例えば、電圧が印加されている場合（オン）には、入射光はそのままの状態で液晶板５２７を通過し、電圧が印加されていない場合（オフ）には入射光は１８０度の位相差を生じて出射する。本実施の形態の偏光折り返し光学系５２１は、この液晶板５２７により、表示用マイクロレンズアレイ５１１および二次元表示素子５１０により形成される空中像を拡大するか、シースルーして拡大しないかを切り換えることができる。なお、液晶板５２７への電圧を印加するかしないかの制御（オンオフ制御）は制御装置５２８により行う。

拡大画像の観察を行いたい場合、液晶板５２７に電圧を印加する。反射鏡５２４を通過した右円偏光は液晶板５２７に入射し、液晶板５２７に入射した光は入射したときと同じ偏光方向のまま、すなわち右円偏光のままで液晶板５２７から出射する。右円偏光は、四分の一波長板５２３を通過してＳ偏光の光に変化する。Ｓ偏光の光は反射型直線偏光板５２２に向かい、反射型直線偏光板５２２により反射されて再び四分の一波長板５２３に向かう。そして、四分の一波長板５２３を通過することにより左円偏光に変化する。

この左円偏光は反射鏡５２４の凹面に向かう。前述の通り、凹面は円偏光分離層により、左円偏光に対し凹面鏡として働く。左円偏光は凹面で反射し、液晶板５２７をそのまま透過し四分の一波長板５２３に向かい、四分の一波長板５２３を通過してＰ偏光の光に変化する。Ｐ偏光の光は再び反射型直線偏光板５２２に向かい、反射型直線偏光板５２２を透過して観察者に向かう。よって、観察者からは、第１の実施の形態と同様に、遠方に拡大された虚像が観察される。

他方、シースルーで拡大しない画像の観察を行いたい場合には、液晶板５２７に電圧を印加しない。このとき、反射鏡５２４を透過する右円偏光が液晶板５２７に入射すると、液晶板５２７の液晶層により１８０度の位相差が生じ、右円偏光に変化し四分の一波長板５２３に向かう。右円偏光の光は四分の一波長板５２３を通過することによりＰ偏光の光１７に変化する。Ｐ偏光の光は反射型直線偏光板５２２を透過して観察者に向かう。つまり、液晶板５２７に電圧が印加されない場合には、二次元表示素子５１０からの光は偏光折り返し光学系５２１を素通りして観察者に向かう。

本実施の形態の偏光折り返し光学系５２１では、パワーは凹面鏡で発するので同じ焦点距離に対して曲率は４倍つまり、Ｒ＝２ｆとなる。同口径だと厚さは２．４ｍｍとなる。さらに凹面から表示面までの距離は、表示素子（５１０）→１／４λ（５２５）→凹面鏡（通過）（５２４）→液晶（通過往路）→１／４λ（５２３）→偏光反射板（５２２）→１／４λ（５２３）→ＴＮ液晶（復路）（５２７）→凹面鏡（反射）（５２４）の経路をとるので凹面鏡の厚さと液晶板を２度通り、この空間を往復で利用することができるために、ほほ半減することができる。

これから、中心厚を薄くして、必要であった焦点距離だけのスペースを半減することで全体の幅を半分程度にすることができる。この効果を口径の方向につかって、口径を大きくしてもよい、口径を大きくすると眼の位置の許容量が大きくなり、非常に見やすいあるいはｐｄ（瞳孔間距離）の調整を不要にする。

一方、液晶板５２７で偏光面を回転すると、表示素子（５１０）→１／４λ（５２５）→凹面鏡（通過）（５２４）→ＴＮ液晶（通過往路）（５２７）→１／４λ（５２３）→偏光反射板（通過）（５２２）となり、この系は屈折力を有さない。これは制御装置５２８により動的に切り替えることが可能であるから、一定のデューティで切り替えをおこなえば、シースルーのディスプレイとなる。

上述した第２の実施の形態によるヘッドマウントディスプレイによれば、次の作用効果が得られる。
（１）光学系を上記のような偏光折り返し光学系５２１としたので、ヘッドマウントディスプレイの光学系として、薄型化され、開放絞り値が小さく（明るく）、かつ、色収差が生じない光学系を使用することが可能になる。

（２）また、このような偏光折り返し光学系５２１をヘッドマウントディスプレイに使用することにより、ヘッドマウントディスプレイの表示部を、薄型化し、開放絞り値を小さく（明るく）し、かつ、色収差がない像の観察が可能になる。

（３）さらに、表示用マイクロレンズアレイ５１１および二次元表示素子５１０により再生される空中像を拡大して観察するか、拡大せずシースルーで観察するかを液晶板５２７のオンオフにより電気的に切り替えることができる。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。

（変形例１）
接眼レンズ１０２を表示用マイクロレンズアレイ２０２と一体に形成してもよい。つまり、表示用マイクロレンズアレイ２０２を、接眼レンズ１０２との合成光学系としてもよい。

（変形例２）
第１の実施の形態において、接眼レンズ１０２は表示用マイクロレンズアレイ２０２の後方（観察者に近い側）に設けられていたが、本発明はこのような実施の形態に限定されない。すなわち、接眼レンズ１０２を表示用マイクロレンズアレイ２０２の前方（表示用マイクロレンズアレイ２０２と二次元表示素子２０１との間）に設けてもよい。

（変形例３）
第１の実施の形態において、接眼レンズ１０２は平凸のレンズであった。また、第２の実施の形態においては、接眼レンズ１０２の代わりに偏光折り返し光学系５２１を設けた。これらの光学系の代わりに、例えば両凸のレンズなど、同様の効果を有する光学系を用いてもよい。

（変形例４）
上述した各実施の形態のように、両目を用いるヘッドマウントディスプレイではなく、片目のみを用いるヘッドマウントディスプレイに本発明を適用することも可能である。例えば第１の実施の形態から表示ユニット１０４Ｒを取り除き、左目５０Ｌに対応する表示ユニット１０４Ｌのみを有するヘッドマウントディスプレイとしてもよい。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１０、５００…ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、１０１、５２８…制御装置、１０２、１０２Ｌ、１０２Ｒ…接眼レンズ、１０３…記憶装置、１０４、１０４Ｌ、１０４Ｒ…表示ユニット、２０１、２０１Ｌ、２０１Ｒ、５１０…二次元表示素子、２０２、２０２Ｌ、２０２Ｒ、５１１…表示用マイクロレンズアレイ、２１０…表示画素群、２１１…表示画素、２２０…表示用マイクロレンズ、５２１…光学系、５２２…反射型直線偏光板、５２３、５２５…四分の一波長板、５２４…反射鏡、５２７…液晶板

Claims (4)

1. 観察者の前方に配置される接眼レンズと、
   複数のマイクロレンズが二次元状に配列されたマイクロレンズアレイと、
   前記接眼レンズおよび前記マイクロレンズアレイの前方に、前記複数のマイクロレンズの各々に対して配置される二次元表示素子と、
   入力画像データに基づく画像を前記二次元表示素子に表示させることによって、前記二次元表示素子の前方に再生像を形成する表示制御手段とを備え、
   前記二次元表示素子と前記観察者の前眼部とが共役であるヘッドマウントディスプレイ。
2. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記接眼レンズは、
   第１直線偏光成分を透過し前記第１直線偏光成分と直交する第２直線偏光成分を反射する反射型直線偏光板と、
   前記反射型直線偏光板の一方の面に対向して配置された四分の一波長板と、
   前記四分の一波長板に対向する凹面を有し、前記凹面に入射した前記第１直線偏光成分に対応する回転方向の第１円偏光成分を反射し前記第１円偏光成分と逆の回転方向の第２円偏光成分を透過する反射鏡と、
   を有するヘッドマウントディスプレイ。
3. 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、
   前記接眼レンズは、前記四分の一波長板と前記反射型直線偏光板との間に配置され、二分の一波長板と略同一の光学特性を有する第１状態と入射光の偏光状態を変化させずに透過する第２状態とを電気的に切替可能な切替部材を備えるヘッドマウントディスプレイ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記表示制御手段は、前記観察者の右目と左目とで視差を有する前記再生像を形成して前記観察者に立体像を観察させるヘッドマウントディスプレイ。

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