CN108508600A - 头部佩戴型显示装置以及图像形成光学系统 - Google Patents

Abstract

提供头部佩戴型显示装置以及图像形成光学系统，能够减轻光学系统的负担并实现装置的简单小型化，并能够维持良好的图像观察。在头部佩戴型显示装置(100)中，显示使中心分辨率比周边分辨率高的图像，对于周边分辨率未必需要要求高分辨率，另一方面，在控制装置(CR)中，使图像显示装置(80)中的显示方式与由视线传感器(SS)检测出的视线的变化对应地发生变化。

Description

头部佩戴型显示装置以及图像形成光学系统

技术领域

本发明涉及佩戴于头部并向观察者提示由影像元件等形成的影像的头部佩戴型显示装置以及图像形成光学系统。

背景技术

作为佩戴于观察者的头部的头戴式显示器(以下，也称作HMD)等头部佩戴型显示装置(或者虚像显示装置)，已知有追踪视线并以高分辨率显示注视点的窄视野影像的头部佩戴型显示装置(参照专利文献1)。

但是，专利文献1所示的HMD在眼睛前方需要大型的装置，并对它们进行驱动，例如使光学系统成为透视的结构、或者为了实现光学系统小型化或简化这样的轻量化的结构未必容易。

专利文献1：日本特开平8-313843号公报

发明内容

本发明的目的在于提供能够减轻光学系统的负担而实现装置的简单小型化并且能够维持良好的图像观察的头部佩戴型显示装置以及能够应用于头部佩戴型显示装置的图像形成光学系统。

本发明的第1头部佩戴型显示装置具有：图像显示部，其将分辨率比周边侧的图像显示区域高的图像显示在中心侧的图像显示区域上；视线检测部，其检测视线；以及图像控制部，其在由视线检测部检测出超过规定角度的视线方向的变化的情况下，使图像显示部的显示方式发生变化。

在上述头部佩戴型显示装置中，在图像显示部中，设为使中心分辨率高于周边分辨率的图像，对于周边分辨率未必需要要求高分辨率，另一方面，在控制部中，与由视线传感部检测出的视线的变化对应地使图像显示部的显示方式发生变化，由此，能够实现装置的简单小型化，能够维持良好的图像观察。

在本发明的具体方面中，图像显示部使周边侧的图像显示区域中的周边分辨率成为超过与假定的眼睛的视野相对应的视力的分辨率而显示图像。在该情况下，能够在不使观察者感受到图像的劣化的情况下维持良好的图像观察。

在本发明的另一方面中，图像显示部显示相对于与眼睛的视线方向对应的视线基准轴为5°以上的角度范围的中心图像作为中心侧的图像显示区域。在该情况下，能够针对相当于观察者能够识别数字或字符的范围的范围，维持分辨率较高的状态。

在本发明的再一个方面中，还具有姿势检测部，该头部佩戴型显示装置还具有姿势检测部，该姿势检测部检测装置的姿势，在视线检测部检测出5°以上的视线方向的变化的情况下，图像控制部使图像显示部的显示方式与由姿势检测部检测的姿势的变化对应地发生变化。在该情况下，能够与姿势的变化对应地进行对观察者来说自然的显示方式的变化。

在本发明的再一个方面中，图像控制部根据图像内容变更与视线方向的变化相伴的图像显示部的显示方式的变化方法。在该情况下，能够与图像内容对应地进行适当的图像显示。

在本发明的再一个方面中，图像显示部具有像素矩阵，针对构成像素矩阵的多个像素，与中心侧的图像显示区域对应的像素和与周边侧的图像显示区域对应的像素的像素结构或者控制不同。在该情况下，能够减轻像素矩阵中的控制负担。

在本发明的再一个方面中，图像显示部在像素矩阵中，针对与中心侧的图像显示区域对应的像素，按照每个像素进行驱动，针对与周边侧的图像显示区域对应的像素，一并驱动相邻的多个像素。在该情况下，能够简单地进行驱动控制。

在本发明的再一个方面中，图像显示部进行基于区域扫描的图像显示，与图像显示区域对应地调整扫描速度。在该情况下，能够通过调整扫描速度，进行分辨率的调整。

在本发明的再一个方面中，图像显示部使用全息元件显示图像。在该情况下，能够减轻全息元件的制作负担。

本发明的图像形成光学系统根据与眼睛视野相对应的视力的变化形成分辨率在中心侧和周边侧不同的图像，其中，相对于与眼睛的视线方向对应的视线基准轴为规定角度范围内的中心图像的分辨率高于规定角度范围外的周边图像的分辨率，周边图像的分辨率为超过与假定的眼睛视野相对应的视力的分辨率。

在上述图像形成光学系统中，在根据与眼睛的视野相对应的视力的变化显示分辨率在中心侧和周边侧不同的图像时，相对于与眼睛的视线方向对应的视线基准轴的规定角度范围内的中心图像的分辨率高于规定角度范围外的周边图像的分辨率，并且周边图像的分辨率设为超过与假定的眼睛的视野相对应的视力的分辨率，由此，对于周边分辨率未必需要要求高分辨率，能够维持良好的图像观察，可实现装置的简单小型化。

在本发明的具体方面中，图像形成光学系统显示相对于视线基准轴为5°以上的角度范围的中心图像。在该情况下，能够针对相当于观察者能够识别数字或字符的范围的范围，维持分辨率较高的状态。

本发明的第2头部佩戴型显示装置具有上述任意一个所述的图像形成光学系统。在该情况下，能够实现装置的简单小型化，能够维持良好的图像观察。

附图说明

图1是说明第1实施方式的头部佩戴型显示装置的一例的外观的立体图。

图2A是示意性说明头部佩戴型显示装置中的影像光的光路的图。

图2B是图2A所示的光学系统的MTF图。

图3是用于说明人的视觉特性的图。

图4A是示出与眼睛视野相对应的视力的曲线图。

图4B是用于对与眼睛视野相对应的视力的特性和头部佩戴型显示装置中的光学特性之间的关系进行比较的曲线图。

图5A是示意性地说明比较例的影像光的光路的图。

图5B是图5A所示的光学系统的MTF图。

图6A是用于说明头部佩戴型显示装置中的图像控制的动作的一例的图。

图6B是用于说明图像控制的动作中的显示图像与视线之间的关系的图。

图7是示出与观察者运动相对的图像控制的动作的一例的图。

图8是用于说明第2实施方式的头部佩戴型显示装置的一例的图。

图9是用于说明构成第3实施方式的头部佩戴型显示装置的面板的构造的一例的图。

图10是用于说明第4实施方式的头部佩戴型显示装置中的描绘的一例的图。

图11是用于说明显示动作的一例的图。

图12是用于说明显示动作的另一例的图。

图13是示出图像显示的另一例的图。

标号说明

A1-A3：状态；B1-B3：状态；C1-C3：曲线；CP：像素；CR：控制装置(图像控制部)；CT：图像中心；D1：第1图像显示区域；D2：第2图像显示区域；DD：图像显示区域；DDE：扩展显示区域；DI1：图像；ED1：图像；ED2：图像；EE：发光部；EY：眼睛；EY1、EY2：眼睛；GD：视线方向；GL：影像光；GS：姿势传感器；GX1：视线基准轴；IM：图像；K1、K2：曲线；L1：曲线；LL：曲线；LE：元件；MK：标志；NS：鼻子；P1：部分；P2：部分；PP：像素；PPb：虚线部；PX1：姿势基准轴；R1、R2：范围；RR：受光部；S11-S15：面；S51-S53：透射面；SA：作业区；SS：视线传感器(视线检测部)；OW：外界像；θ：半视场角；10：导光部件；20：导光装置；30：投射透镜；50：透光部件；80：图像显示装置(图像显示部)；100：头部佩戴型显示装置；100A：第1显示装置(图像形成光学系统)；100B：第2显示装置(图像形成光学系)；101a、101b：光学部件；102：框架部；102a：中央部；102b：支承体；102c、102d：周边部；102p：主体部分；104：镜腿；105a、105b：像形成主体部；105d：外装部件；200：头部佩戴型显示装置；200B：显示装置(图像形成光学系统、图像显示部)；220：导光装置；230：投射透镜；240：衍射光学系统；240a、240b：衍射光学部件；250：折射光学系统；250a、250b：棱镜部；251：反射镜；380：图像显示装置(图像显示部)；480：图像显示装置(图像显示部)。

具体实施方式

〔第1实施方式〕

以下，参照图1，对本发明的第1实施方式的头部佩戴型显示装置进行详细说明。

如图1所示，本实施方式的头部佩戴型显示装置100是具有如眼镜的外观的头戴式显示器(HMD)，且是能够使佩戴了头部佩戴型显示装置100的观察者或者使用者观察由虚像形成的图像光(影像光)并且能够使观察者以透视的方式辨认或观察外界像的虚像显示装置。头部佩戴型显示装置100具有第1显示装置100A、第2显示装置100B和框架部102。头部佩戴型显示装置100除了第1显示装置100A等光学系统以外，还具有各种传感器部和控制部，之后参照图6等对它们进行详细叙述。

第1显示装置100A和第2显示装置100B是分别形成右眼用和左眼用的虚像的部分，且是分别具有以可透视的方式覆盖观察者的眼前的第1光学部件101a和第2光学部件101b、以及第1像形成主体部105a和第2像形成主体部105b并形成图像的图像形成光学系统，且是进行图像的显示的图像显示部。之后进行叙述，但第1像形成主体部105a和第2像形成主体部105b分别由显示装置(影像元件)或投射透镜等用于形成像的光学系统以及收纳这些光学系统的部件等构成。另外，显示装置(影像元件)或投射透镜等通过利用罩状的外装部件105d覆盖而被支承和收纳。第1光学部件101a和第2光学部件101b是引导由第1像形成主体部105a和第2像形成主体部105b形成的影像光并且使外界光和影像光重叠地观察的导光部，并构成导光装置。以下，也将第1光学部件101a或者第2光学部件101b称为导光装置20。另外，第1显示装置100A和第2显示装置100B也能单独作为虚像显示装置发挥功能。

框架部102是俯视时弯折成U字形的细长部件，是金属制的一体部件。这里，作为一例，框架部102由镁合金构成，即，框架部102将作为金属制的一体部件的镁框架构成为主体部分102p。此外，如图所示，框架部102具有：壁厚构造的中央部102a，其与第1光学部件101a以及第2光学部件101b(一对导光部的导光装置20)双方连接而设置；以及支承体102b，其从中央部102a沿着第1光学部件101a和第2光学部件101b延伸，并且形成弯折成U字形的部位。

中央部102a通过夹持第1光学部件101a和第2光学部件101b的前端侧，固定了它们的相对位置。除此以外，支承体102b形成作为弯折成U字形的部分的第1周边部102c和第2周边部102d，分别在第1周边部102c和第2周边部102d处与第1光学部件101a以及第2光学部件101b连接(组装)，由此，使彼此的固定更加牢固。

另外，设置有作为从框架部102的左右两端向后方延伸的悬吊部分的镜腿104，能够使其与观察者的耳朵或鬓角等抵接并支承。此外，第1像形成主体部105a和第2像形成主体部105b可以设为附加在框架部102至镜腿104的部分。

以下，参照图2等示意性地说明用于进行头部佩戴型显示装置100的影像光的导光的构造等的一例。另外，如上所述，用于进行影像光的导光的装置是第1显示装置100A和第2显示装置100B(参照图1等)，但第1显示装置100A和第2显示装置100B具有左右对称且相同的构造。因此，在图2A中，仅对第2显示装置100B进行说明，省略第1显示装置100A的说明。如图2A所示，第2显示装置100B具有：图像显示装置80，其形成影像光；成像用的投射透镜30，其收纳于镜筒部中；以及导光装置20，其引导经过图像显示装置80和投射透镜30的影像光。导光装置20由导光及透视用的导光部件10和透视用的透光部件50构成。

图像显示装置80例如能够采用由有机EL等自发光型元件构成的影像元件(影像显示元件)。此外，例如可以为如下结构：除了作为透射型空间光调制装置的影像显示元件(影像元件)以外，还具有作为向影像显示元件射出照明光的背照灯的照明装置(未图示)和控制动作的驱动控制部(未图示)。

投射透镜30例如是具有沿着入射侧光轴设置的光学元件(透镜)作为结构要素的投射光学系统。这里，投射透镜30是单透镜结构。另外，该光学元件例如由非轴对称的非球面(非轴对称非球面)构成，能够与构成导光装置20的导光部件10的一部分协作而在导光部件10的内部形成与显示像对应的中间像。投射透镜30使由图像显示装置80形成的影像光朝向导光装置20投射并入射。

如上所述，导光装置20由导光及透视用的导光部件10和透视用的透光部件50构成。透光部件50是辅助导光部件10的透视功能的部件(辅助光学模块)，与导光部件10固定为一体并成为1个导光装置20。另外，假设将投射透镜30和导光装置20安装于镜筒部(省略图示)而形成为一体的单元的部件称作光学显示单元。

导光部件10具有第1面S11～第5面S15作为具有光学功能的侧面。这些中的第1面S11和第4面S14连续地相邻，第3面S13和第5面S15连续地相邻。此外，在第1面S11与第3面S13之间配置有第2面S12。半反射镜层附设于第2面S12的表面上。该半反射镜层是具有透光性的反射膜(即半透反射膜)，通过形成金属反射膜或电介质多层膜而形成，适当设定了对于影像光的反射率。

以下，参照图2对影像光(这里设为影像光GL。)的光路进行概略说明。导光部件10使影像光GL从投射透镜30入射并且通过第1面S11～第5面S15上的反射等朝向观察者的眼睛引导。具体而言，来自投射透镜30的影像光GL首先入射到第4面S14并在第5面S15反射，从内侧再次入射到第4面S14并被全反射，入射到第3面S13并被全反射，入射到第1面S11并被全反射。在第1面S11全反射的影像光GL入射到第2面S12，部分透过设置于第2面S12上的半反射镜层并部分反射而再次入射到第1面S11并通过。通过第1面S11后的影像光GL作为大致平行光束入射到观察者的眼睛或者其等效位置。即，观察者利用作为虚像的影像光来观察图像。

透光部件50像上述那样与导光部件10一体地固定而成为一个导光装置20，且是辅助导光部件10的透视功能的部件(辅助光学模块)。透光部件50具有第1透射面S51、第2透射面S52和第3透射面S53作为具有光学功能的侧面。第2透射面S52配置于第1透射面S51与第3透射面S53之间。第1透射面S51位于将导光部件10的第1面S11延长而成的面上，第2透射面S52是与第2面S12接合并一体化的曲面，第3透射面S53位于将导光部件10的第3面S13延长而成的面上。

导光装置20如上所述利用导光部件10使观察者观察影像光，通过导光部件10与透光部件50的协作使观察者观察失真较少的外界像。这时，第3面S13和第1面S11成为相互大致平行的平面(视度大约为0)，由此，关于外界光，几乎不产生像差等。此外，同样，第3透射面S53和第1透射面S51成为相互大致平行的平面。并且，第3透射面S53和第1面S11成为相互大致平行的平面，由此，几乎不产生像差等。综上所述，观察者隔着透光部件50观察无失真的外界像。

图2B是关于具有上述结构的导光装置20或投射透镜30的第1显示装置100A和第2显示装置100B的MTF图。

根据图2B可知，本实施方式中的进行影像光的导光的光学系统在周边部相对于中心为一半以下的分辨率。具体而言，关于视场角处于5°～10°的稍微靠周边侧的影像光的MTF曲线C2、或关于视场角为15°～20°的最外周侧的影像光的MTF曲线C3的分辨率比关于中央的影像光的MTF曲线C1差。但是，即使在MTF曲线C2、C3中，通过使例如对比度50％以上的状态维持为MTF曲线C2中的分辨率40lp/mm左右、MTF曲线C3中的分辨率28lp/mm左右，也能够维持超过眼睛的分辨率曲线的分辨率。另外，之后对光学系统的性能与眼睛的分辨率(相当于视力)的关系进行详细叙述。

作为用于说明光学系统的性能与人眼的性能的关系的前提，这里，对与人眼有关的特性进行说明。图3是用于说明人的视觉特性的图，图4A是示出与眼睛视野相对应的视力的曲线图。如图3所示，关于眼睛排列的左右方向的人的视场角(半角)中的、视网膜像反映在中央凹并可进行分辨率优异的中心观察的范围R1为大约至1°左右，即使具有视力1.0左右的视力，也能够维持某种程度以上的分辨率的范围是至2°左右，在比其大的视场角中，分辨性能急剧下降。此外，可识别数字或字符的范围R2至大约5°左右。具体而言，如图4A的曲线LL所示，人的视力随着视场角扩大而急速下降。

在根据如上这样的眼睛的特性以高分辨率进行注视的情况下，人移动身体，以便眼睛的中心观察。具体而言，在观察想注视的部分时，为了用眼睛的中心观察观察对象，首先，使眼睛旋转并移动视线，然后，进一步移动脖子，以使作为想观察的部分的观察对象到达脸部的中心轴上的方式移动并观察。

与此相对，在本实施方式中，基于与上述眼睛视野相对应的视力的特性，为了维持超过眼睛的分辨率曲线的分辨率，在图像显示中，中心侧维持可在眼睛中进行中心观察的范围以上的范围内的高分辨率，并在远离位于眼睛的分辨性能下降的范围的中心的周边侧的范围内，分辨率为中心的一半以下，但通过维持眼睛的分辨性能以上的分辨率，能够使观察者在不感受到分辨率的劣化的情况下识别出感到分辨率充分高的图像。此外，如后所述，进行与人眼等的移动对应的图像处理。

图4B是用于对与眼睛视野相对应的视力的特性和头部佩戴型显示装置100中的光学特性之间的关系进行比较的曲线图。如上所述，头部佩戴型显示装置100中的光学特性在图2B的MTF图中示出。如图2B所说明那样，例如，在作为人眼中的可进行分辨率优异的中心观察的范围的大约1°的范围内，关于对应的中央的影像光的MTF曲线C1维持为分辨率非常高的状态，另一方面，关于稍微靠周边侧的影像光的MTF曲线C2或关于最外周侧的影像光的MTF曲线C3成为分辨率较差的曲线。图4B的曲线K1对应于图2B的MTF图。

以下，对图4B所示的各曲线图的曲线进行说明。首先，能够如下这样考虑光学系统中的分辨率。首先，作为16：9画面且位于前方2.5m的80英寸等同的图像的视场角对应的画面，假设视场角的半角为大约23°。在该情况下，关于80英寸且1080p的图像所需的分辨率，在替代lp/mm用lp/°表示时，在中心轴的附近(角度0°附近)需要50lp/°左右。即，在能够维持高于上述分辨率的分辨率(单位：lp/°)时，可充分观察假定画面。在本实施方式中的光学系统中，如图2B所示，在中心轴的附近具有较高的分辨率，但在周边侧，分辨率稍差。具体而言，在图4B中，曲线K1以横轴为视场角(半角)，沿着纵轴在右侧设置了刻度的lp/°示出了本实施方式的光学系统的性能。即，曲线K1表示与图2B的MTF图对应的性能。

此外，关于视力，例如，视力1.0意味着具有1/60角度(分钟)的分辨性能(分辨力)。在用图4B的右侧的刻度表示的分辨率(lp/°)来表现时，其相当于60lp/°左右。但是，如参照图4A所说明地那样，在视场角变大时，人眼的分辨性能急剧下降。示出将该情形换算为视力1.0对应于60lp/°并且对应于图4A的曲线LL的是图4B的曲线L1。即，在图4B中，与图4A同样，横轴为视场角(半角)，纵轴为视力，在左侧设置刻度，另一方面，关于纵轴的lp/°，假设(视力1.0)＝(60lp/°)而在右侧设置了刻度。

如上所述，在图4B中，能够用曲线L1表示人眼的分辨性能，用曲线K1表示光学系统中的分辨性能，对两者进行比较。在该情况下，可知越朝向视场角较大侧即周边侧，则曲线K1的性能越下降，但始终维持高于表示眼睛的性能的曲线L1的状态。即，头部佩戴型显示装置100能够以超过关于假定的与眼睛视野的相对的视力的分辨率显示图像。

这样，考虑与人眼视野相对应的视力，使分辨率维持为某种程度以上来满足需要，并且不使观察者感受到图像劣化，同时构成为不那么需要高精度，由此能够减轻光学系统的负担。在上述例示的情况下，在光学系统中，特别是，由于能够使周边侧的分辨率下降到一半左右，因此，与此相应地减少光学系统中采用的透镜等并实现轻量化，并且透镜面精度也可以降低，能够低成本地构成。

图5A和5B是示出与图2A以及2B所示的本实施方式的光学系统相对的比较例的光学系统的一例的图。

如图5A所示，在比较例的光学系统中，例如在投射透镜30成为配置有3个光学元件(透镜)的结构等的方面与本实施方式的情况不同，由此可知，图5B的MTF图比图2B所示的MTF图优异。

以往，设置有维持在显示的图像的整体的范围内形成了高分辨率图像的状态的光学系统。因此，例如，需要如图5A那样沿着轴配置多个(3个)光学元件这样的复杂且高精度的结构。另外，在图4B中，用由虚线表示的曲线K2示出比较例的情况下的分辨率。在考虑了与视野相对应的视力的概念的情况下，能够认为是超出规格。

与此相对，在本实施方式中，通过与人眼的特性对应地使光学系统的结构简化，能够使结构简化且维持在高分辨率的状态下观察的状态。

并且，在本实施方式的头部佩戴型显示装置100中，利用如上所述的人眼以及脖子或者头的移动的性质，使在视线中看到的方向的影像以脖子的移动程度的速度向中心移动，由此能够没有不适感地高分辨地观察想观察的部位。

以下，参照图6和图7，对与人眼以及脖子或者头的运动对应的头部佩戴型显示装置100中的图像控制的动作的一例进行说明。图6A是用于说明头部佩戴型显示装置100中的图像控制的动作的一例的图，图6B是用于说明图6A所示的状况下的图像控制的动作中的显示图像与视线的关系的图。另外，在图6A中，左右的眼睛EY1、EY2示出观察者的眼睛，图6B中的眼睛EY代表性地示出左右一对眼睛EY1、EY2的眼睛的情形。眼睛EY或者左右的眼睛EY1、EY2是用于说明观察者的眼睛的位置或视线的方向等眼睛的运动等的图。即，图6B示意性示出在如图6A这样的状况下由各眼睛观察到的图像的显示区域即图像显示区域DD与眼睛EY的视线方向GD的关系。并且，这里，设图像显示区域DD中的、中心侧(中央侧)的分辨率较高的区域为第1图像显示区域D1、周边侧的分辨率较低的区域为第2图像显示区域D2。关于第1图像显示区域D1的形状，这里设为了圆形，但可考虑各种形状。

如图6A等所示，本实施方式的头部佩戴型显示装置100除了参照图1等说明的光学系统以外，还具有各种传感器部和控制部。具体而言，作为各种传感器，头部佩戴型显示装置100具有：作为视线检测部的视线传感器SS，其检测视线；作为姿势检测部的姿势传感器GS，其检测姿势；以及作为图像控制部的控制装置CR，其根据视线传感器SS或姿势传感器GS中的检测结果，进行图像控制。另外，控制装置CR通过进行图像显示装置80的驱动控制，能够进行图像控制。

视线传感器SS例如具有发光部EE和受光部RR，考虑通过从发光部EE向眼睛EY1、EY2发出较弱的红外光并用受光部RR捕捉视网膜和角膜的反射光，检测视线方向，作为视线检测部发挥功能。已知有视线传感器SS的视线检测的各种具体方法，但作为基本原理，以构成眼睛的部分中的眼角或角膜反射这样的不运动的部分为基准，捕捉如虹膜或瞳孔等那样运动的部分，由此能够检测视线。

姿势传感器GS例如由陀螺仪传感器等构成，是能够检测加速度等来掌握观察者的姿势或运动等的、即能够掌握头部佩戴型显示装置100自身的姿势或运动等的姿势检测部。

控制装置CR利用视线传感器SS捕捉观察者的眼睛EY1、EY2的运动，并且在眼睛EY1、EY2的运动为规定角度以上的情况下，进行与其对应的显示控制。这里，特别假设根据姿势传感器GS中的检测结果来确定图像的变化即图像显示装置80的驱动控制的方法。

这里，如图6A所示，设与作为虚像的图像IM垂直且通过左右一对结构的头部佩戴型显示装置100的光学系统的中心的、通过观察者的左右的眼睛EY1、EY2之间即俯视时鼻NS的中央附近的轴为姿势基准轴PX1。在与图6A对应的图6B中，姿势基准轴PX1与在头部佩戴型显示装置100的光学系统中假定为正面方向的视线基准轴GX1处于对应关系。视线基准轴GX1是在构成头部佩戴型显示装置100的光学系统时设定成假定标准的观察者的眼睛的位置或视线方向并使图像的中心到达对假定的眼睛来说的视线方向的轴，相当于光学系统的光轴。另一方面，姿势基准轴PX1是与作为在如上所述的标准姿势下观察到的虚像的图像IM垂直且在假定的眼睛的高度位置、左右的眼睛的中间位置处假定的轴。如图6A所示，在用虚线的箭头表示的左右的眼睛EY1、EY2的视线方向GD位于正面或者大致正面时，构成为视点朝向作为虚像的图像IM的中心。另外，作为姿势检测部的姿势传感器GS例如能够可认为捕捉并检测姿势基准轴PX1等的运动。

换言之，这些轴PX1、GX1也可以说是表示由头部佩戴型显示装置100的光学系统形成的图像在装置内的位置的基准、或者光学设计时的基准。具体而言，在假定观察者的眼睛EY1、EY2位于标准的位置的情况下，自然地朝向正面时的视线方向GD如图6A所示在俯视时与姿势基准轴PX1平行，表示眼睛EY1、EY2的各眼EY如图6B所示沿着视线基准轴GX1朝向作为虚像的图像中心CT，由此，观察者能够进行以图像中心CT为基准大约1°的范围内的分辨率优异的中心观察。

在头部佩戴型显示装置100中，基于上述内容，如图6B所示，在图像显示区域DD中，设从作为光学系统光轴的视线基准轴GX1上的图像中心CT呈同心圆状扩展的、半视场角θ为5°或者5°以上的角度(例如10°)的范围内的中心侧为第1图像显示区域D1，以使第1图像显示区域D1中的分辨率高于周边侧即第1图像显示区域D1的外侧的第2图像显示区域D2中的分辨率的方式进行了光学设计。在关于第1图像显示区域D1中的分辨率的程度例如对字符或数字进行了图像显示的情况下，可考虑能够将MTF值维持为维持可读出字符或数字的程度的分辨率的程度。

第1图像显示区域D1成为比能够进行观察者的分辨率优异的中心观察的角度范围(1°左右)大的角度范围，由此能够观察感受为良好状态的图像。此外，第1图像显示区域D1成为半视场角θ为5°以上的角度，由此维持相当于观察者可识别数字或字符的范围的范围的分辨率较高的状态，例如确保了观察者不使脖子运动而仅使眼睛运动来读字符这样的形式中所需的分辨率。

另一方面，第2图像显示区域D2与第1图像显示区域D1相比，虽然存在劣化，但是能够将分辨率维持为比参照图4B说明的与人眼视野相对应的视力优异的状态，由此，使观察者难以意识到分辨率的劣化。即，第2图像显示区域D2所显示的周边图像的分辨率假定图4B的与眼睛视野相对应的视力，维持为超过该视力的分辨率。

但是，人眼并未始终朝向正面，其视线方向发生变化。例如，读书的情况等那样，在某种程度的视场角度范围内具有字符或数字并对它们进行解读时，考虑在存在字符等的范围内进行较小的变化。在该情况下，例如认为视线方向的角度变化是5°左右，并认为仅眼睛运动，脖子和头完全不运动或几乎不运动。另一方面，在进行例如较大程度改变视线而观察与此前不同的部位的视线方向的角度变化为5°以上的较大变化的情况下，首先，使眼睛瞬间旋转并改变视线方向，延迟地使脖子运动，以使想观察的观察对象的中心到达脸部的中心轴上即图6A中提到的姿势基准轴PX1上的方式使眼睛、脖子或者头移动。

在本实施方式中，基于如上所述的动作，利用作为视线检测部的视线传感器SS，在进行了视线方向的角度变化为5°以上的较大变化作为超过规定角度的视线方向的变化的情况下，与此对应地利用作为图像控制部的控制装置CR使构成图像显示部的图像显示装置80的显示方式发生变化。特别是，在本实施方式中，控制装置CR使显示方式与由作为姿势检测部的姿势传感器GS检测的姿势的变化对应地发生变化。

以下，参照图7，对图6所示的头部佩戴型显示装置100中的与观察者运动相对的图像控制的动作的一例进行说明。关于图7中的与图6A对应的状态A1～A3，状态A1表示观察者仅使眼睛EY1、EY2运动并改变了视线方向的状态，状态A2表示在观察者使眼睛EY1、EY2运动以后朝向改变了视线方向的方向使脖子或者头移动至中途的状态，状态A3表示使脖子或者头结束运动并再次使观察者的眼睛EY1、EY2的视线方向与面部的中心轴一致并成为与如图6A所示的内容相同的状态。此外，在图7中，状态B1～B3是与图6B对应的状态，并且，图7是示出上述状态A1～A3的各状态中的观察者的眼睛EY的视线方向与图像显示方式的变化的关系的图。

如图7所示，首先，在如状态A1、B1所示那样成为观察者仅使眼睛EY1、EY2运动且视线方向GD相对于姿势基准轴PX1或视线基准轴GX1成5°以上的角度差地倾斜的状态时，视线方向GD的前方即观察者的中心观察的方向从第1图像显示区域D1偏离，朝向作为周边侧的第2图像显示区域D2。但是，然后，如状态A2、B2所示，观察者使脖子或者头运动，因此，与此同时，头部佩戴型显示装置100自身运动。即，视线方向GD相对于姿势基准轴PX1或视线基准轴GX1的角度差变小，视线方向GD的前方进入第1图像显示区域D1内。而且，如状态A3、B3所示，在观察者使脖子或者头结束运动时，返回到视线方向GD再次与姿势基准轴PX1或视线基准轴GX1的方向一致的状态、即图6A和6B所示的状态。

在如上这样的眼睛或者脖子等的运动中，在使图像的显示方式发生变化的情况下，例如根据图像内容等考虑各种变化方法。例如，在图示的例子中示出图像显示区域DD中的、看上去使十字的标志MK尽可能地位于眼睛EY的视线方向GD上的形态。具体地进行说明，首先，作为前提，在通常的显示状态下，例如在图像显示区域DD的中心显示标志MK。即，如果观察者处于眼睛EY1、EY2的视线方向GD自然朝向前方的状态，则标志MK被观察为位于图像的中心。另一方面，在利用视线传感器SS检测出如状态B1所示眼睛EY1、EY2的视线方向GD的角度变化存在5°以上的较大变化时，控制装置CR确认由作为姿势检测部的姿势传感器GS检测的姿势的变化。即，确认从状态A1向状态A2的变化。其结果，眼睛EY1、EY2的视线方向GD的前方如状态B2所示成为了第1图像显示区域D1内，与此同时，控制装置CR以使十字的标志MK显示在成为视线方向GD的前方的位置上的方式使图像显示装置80的显示方式发生变化，继续以与由姿势传感器GS检测的变化对应地使标志MK逐渐向原来的图像中心运动的方式，使图像显示装置80进行图像处理。综上所述，能够维持成十字的标志MK处于视线的中心且使观察者能够以高分辨率的状态观察。

另外，上述图像处理是用于看起来如使某个图像始终位于视线的中心的一例，除此以外还可考虑各种控制。例如，可以设为以看起来如标志MK始终位于与外界像相同的位置的方式进行图像处理。此外，例如，也可以为在检测脖子或头的运动以后故意比这些运动稍延迟地使图像发生变化等图像处理。另外，标志MK的形状或位置是一例，也可以是十字以外的其他图像或形状。此外，也可以设为利用如标志MK的标志表示视线方向。在不显示标志MK等表示视线方向的图像的情况下，例如可以进行用于识别视线从中心区域离开的图像的显示或颜色的变更等。

但是，无论在进行哪一个显示方式的变化的情况下，在具有视线移动的情况下，不是仅与视线的运动对应，还检测视线的运动并在此基础上检测脖子或头的运动，与它们对应地使图像的显示方式发生变化，由此能够产生对观察者来说更加自然且无负担的图像变化。

另外，在如上所述的情况下，在视线方向GD的变化小于5°的较小变化且视线方向GD的前方停止于第1图像显示区域D1内的情况下，可认为观察者的动作成为仅视线运动、脖子或头不运动这样的动作，因此，能够在不进行如上所述的图像显示的变化的情况下，以原有的状态继续显示。即，在该情况下，如果是视线传感器SS的检测结果小于5°的较小变化，则控制装置CR不特别进行伴随姿势传感器GS的检测的图像处理。

并且，关于图像内容，例如对于像电影、电视那样的尝试着固定画面的影像介质而言，通常不进行伴随视线的画面移动。因此，在该情况下，限制画面移动。如上述那样根据图像内容限制画面移动。此外，在显示范围较大的情况下，在如上述的图像内容的情况下，使显示区成为规定范围以下(例如80英寸以下)等、画面内的大小也可以根据图像内容而发生变更。

此外，在伴随移动而缺失图像等的情况下，可以进行再次描绘，以进行补偿。或者，可以将该部位设为利用透视仅观察到外界的状态。

如上所述，在本实施方式的头部佩戴型显示装置100中，在进行图像的形成和显示的第1显示装置100A或者第2显示装置100B中，设为使中心分辨率高于周边分辨率的图像，对于周边分辨率未必需要要求高分辨率，另一方面，在控制装置CR中，与由视线传感器SS检测出的视线的变化对应地使构成第1显示装置100A或者第2显示装置100B的图像显示装置80中的显示方式发生变化。由此，能够实现头部佩戴型显示装置100的简单小型化，并能够维持良好的图像观察。即，通过采用如上这样的方法，如上所述，即使构成为使光学系统中的周边侧的分辨率下降，也能够使观察者识别感到分辨率充分高的图像。

〔第2实施方式〕

以下，参照图8，对第2实施方式的头部佩戴型显示装置进行说明。在本实施方式中，在是一种利用全息元件来显示图像的头部佩戴型显示装置的方面与第1实施方式不同。另外，虽然由左右一对显示装置构成，但即使仅任意一方也可作为显示装置成立等，这与第1实施方式的情况相同，因此，在图8所例示的本实施方式的头部佩戴型显示装置200中也仅示出左侧，省略右侧的图示和说明。

在本实施方式的头部佩戴型显示装置200中，显示装置200B具有：图像显示装置80，其形成影像光；成像用的投射透镜230，其例如由收纳在镜筒部中的多个透镜构成；以及导光装置220，其引导经过图像显示装置80和投射透镜230的影像光。导光装置220由衍射光学系统240、由多个棱镜部构成的折射光学系统250、以及作为反射光学系统的反射镜251构成。这些中的衍射光学系统240由作为一对全息元件的衍射光学部件240a、240b构成。

一般而言，在全息元件中，衍射角相对于波长的灵敏度较高，为了进行针对波长的显示全息的补偿，使用补偿全息。在上述的情况下，位于光射出侧的衍射光学部件240a是显示全息元件，衍射光学部件240b作为衍射光学部件240A的补偿全息元件发挥功能。一对衍射光学部件240a、240b为了作为显示全息元件及其补偿全息元件发挥功能，需要具有大致对称的特性以便抵消其性质。另外，关于补偿，除了以OLED、LED这样的元件为光源的情况以外，即使是以半导体激光器等为光源的情况，衍射角也由于基于温度的波长偏移等而发生变化，因此，需要补偿。

与此相对，在本实施方式中，例如，作为显示全息元件的衍射光学部件240a为曲面，与此相对，作为补偿全息元件的衍射光学部件240b的整体或者一部分是平面。通常，在设为这样的补偿全息元件时，例如中心部被严格补偿，但在周边部未完全补偿，成为模糊的图像。但是，在本实施方式中，关于周边部的图像，如果将其分辨率维持为中心侧的一半左右，则能够进行满足目的的图像显示。如果补偿全息元件的形状是平面，则光学系统的制作变得非常容易，能够实现低成本。或者，还可考虑通过使显示用全息元件为曲面等，实现大画面。

在本实施方式中，也能够实现头部佩戴型显示装置的简单小型化，并能够维持良好的图像观察。即，通过采用如上这样的方法，如上所述，即使构成为使光学系统中的周边侧的分辨率下降，也能够使观察者识别出感到分辨率充分高的图像。特别是，在本实施方式中，能够实现全息元件的制作时的简化。

〔第3实施方式〕

以下，参照图9，对第3实施方式的头部佩戴型显示装置进行说明。在本实施方式中，以下方面与第1实施方式等不同：例如采用由液晶面板等构成的像素矩阵作为构成图像显示部的图像显示装置，特别针对构成像素矩阵的多个像素，在与中心侧的图像显示区域即第1图像显示区域对应的像素和与周边侧的图像显示区域即第2图像显示区域对应的像素中，像素的构造或者控制不同。

图9是用于说明构成本实施方式的头部佩戴型显示装置的图像显示装置的面板的构造的一例的图。如附图所示，本实施方式的图像显示装置380针对与第1图像显示区域对应的多个中心侧像素CP、CP……，单独驱动各个像素CP、CP……。另一方面，关于与第2图像显示区域对应的多个周边侧像素PP、PP……，一并驱动相邻的多个像素。具体而言，如附图中用虚线部PPb所示，将4个像素PP、PP、PP、PP作为1个像素统一通过相同的动作进行驱动。即，与中心侧相比，成为4倍大小的像素。另外，图9是示出面板的构造的图，但也可以认为是示出根据与显示的图像的对应关系来显示根据图像显示装置而形成的图像的图像显示区域DD的图。作为本实施方式的变形例，可以假设构成图像显示区域DD中的作为周边侧的第2图像显示区域D2的像素是本来较大的像素。即，可以是如由虚线部PPb包围的范围为一个像素的面板。但是，针对由构成第2图像显示区域D2的像素形成的图像，在根据与视场角相对的视力确保为所需分辨率以上的范围内统一进行驱动。综上所述，能够减少图像显示装置中的面板驱动负荷。另外，在不通过基于形成为本来较大的像素这样的像素的构造的方法，而通过将4个像素作为1个像素统一进行相同动作这样的控制进行图像形成或者显示的情况下，可以假设根据控制的方式，适当调整图像显示区域DD中的分辨率相对较高的第1图像显示区域D1的范围或分辨率相对较低的第2图像显示区域D2的范围。此外，在附图的例子中，第1图像显示区域D1成为矩形的区域，但不限于此，能够通过适当调整中心侧像素CP和周边侧像素PP的配置，设定为各种形状。

此外，在上述内容中，将周边侧的4个像素一并进行处理，但不限于此，例如，可以将小于4个像素(例如2个像素)一并进行处理，也可以将比4个像素多的像素(例如9个像素)一并进行处理。

在本实施方式中，也能够实现头部佩戴型显示装置的简单小型化，并能够维持良好的图像观察。即，通过采用如上这样的方法，如上所述，即使构成为使光学系统中的周边侧的分辨率下降，也能够使观察者识别出感到分辨率充分高的图像。特别是，在本实施方式中，能够减少图像显示装置中的面板驱动负荷。

〔第4实施方式〕

以下，参照图10，对第4实施方式的头部佩戴型显示装置进行说明。在本实施方式中，如下方面与第1实施方式等不同：是一种进行基于区域扫描的图像显示的头部佩戴型显示装置。

图10是用于说明本实施方式的头部佩戴型显示装置中的描绘的一例的图。在本实施方式中，如图所示，利用MEMS(省略图示)对被照射区域ID进行激光LS的光束扫描等，进行基于被照射区域ID的图像显示区域DD上的扫描的图像形成和显示。这时，与图像显示区域对应地调整了扫描速度。具体而言，在通过光束扫描等进行显示的情况下，以周边侧即第2图像显示区域D2中的1个像素驱动周期长于被照射区域ID的中心侧即第1图像显示区域D1中的1个像素驱动周期的方式进行椭圆描绘，例如如图所示，通过在与扫描方向(左右方向)垂直的上下方向上相邻的2个椭圆像素显示1个像素。

此外，在通过光束扫描等进行显示的情况下，可以设为通过扫描速度的调整而一并进行调整扫描光的颜色的处理。例如，可以通过以在中央侧的区域中延缓扫描速度、在周边侧的区域中加快扫描速度的方式使扫描速度发生变化，从而在中央侧，扫描光进入到观察者眼睛的光量变多，使颜色的强度升高，在周围侧，进入到观察者眼睛的光量减少，使颜色的强度比中央侧下降。或者，可以设为通过例如光源侧的调整等，与分辨率用的扫描速度的调整单独地仅进行调整扫描光的颜色的处理。此外，可以将上述的扫描速度和基于光源光量的调整的颜色调整组合起来。

在本实施方式中，也能够实现头部佩戴型显示装置的简单小型化，维持良好的图像观察。即，通过采用如上这样的方法，如上所述，即使构成为使光学系统中的周边侧的分辨率下降，也能够使观察者识别出感到分辨率充分高的图像。此外，在本实施方式的情况下，可以设为通过光束扫描的控制，适当调整图像显示区域DD中的分辨率相对较高的第1图像显示区域D1的范围或分辨率相对较低的第2图像显示区域D2的范围。

〔其他〕

以上，结合实施方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种形态实施。

在上述内容中，例如，如图11所示，关于显示了使图像与外界像OW重叠的透视的情况的、例如显示为高分辨率的中央侧的图像的通常的图像DI1，如上所述，能够实现与姿势的变化对应地改变或者不改变显示方式的各种显示方法，另一方面，根据图像内容的不同，有时在图像显示区域中，始终想显示在相同的位置上。例如，左方向指示的图像ED1或示出在右侧周围有人并提醒注意的显示的图像ED2这样的图像想设为始终显示在周边侧的固定位置处并不移动的图像。这样，可考虑设为如下图像：考虑不想使其移动的部分的字、标志的大小等配置于分辨率较低的周边侧的情况，使字符等的大小(粗细)为如图像DI1那样的高分辨率的部位处的显示的例如2倍以上。如上所述，假设即使移动视线，显示提醒注意等的区域也固定而不移动，并且，这样地，关于涉及安全的显示等，通过使标号字符变大，即使是低分辨率也能够充分显示。由此，即使在使视线朝不同的方向移动并成为观察能力差的状态时，也能够立即意识到安全信息的显示。

此外，例如，如图12示意性地所示，在个人计算机画面中的作业区SA中，为了进行用圆形表示的部分P1处的作业而使视线方向以部分P1为中心移动的情况和为了进行用三角表示的部分P2处的作业而使视线方向以部分P2为中心移动的情况下，变更显示方式。即，以与作业对应地使部分P1位于图像的中心或者部分P2位于图像的中心的方式进行图像处理。另一方面，可以设为如下的图像：个人计算机画面等的工具栏等配置于周边的部分PPX例如形成为配置于图像显示区域中的周边侧，即使在使视线移动的情况下也不移动。如上所述，也可以根据显示内容，按照每个区域使图像的显示变化的方式不同。另外，即使如上所述与作业对应地使中央侧的画面移动，在分辨率较低的区域中，存在图标工具栏而不会缺失，由此能够识别图标的切换、工具栏显示的时间等的显示。

另外，图像内容不限于如上述电影、电视的画面的显示、PC上的桌面工作画面的显示、图标的显示、或者机动车等中的各种信息显示等，各种内容能够成为对象。

此外，在上述的说明中，仅对使图像光与外界光重叠的情形进行了说明，但例如也可以应用于能够在不重叠的情况下切换地观察仅成为图像光的形态或仅成为外界光的形态的虚像显示装置。

此外，例如，在图13中，对显示根据图像显示装置或者图像显示装置而形成的图像的图像显示区域的一例示意性地所示，图像显示装置480可以在通常的图像显示区域DD的更周边侧具有扩展显示区域DDE，也与扩展显示区域DDE对应地进行显示控制。在该情况下，例如，可考虑配置全彩LED的多个元件LE来构成扩展显示区域DDE等。在该情况下，等同于扩展图像显示区域DD中的周边侧的第2图像显示区域D2。

此外，也可以使本发明的技术应对由显示器和摄像装置构成的所谓视频透视型的产品。

此外，在上述内容中，作为图像显示装置80，能够使用各种图像显示装置，例如，能够是使用了反射型液晶显示设备的结构，还能够使用数字微镜器件等替代由液晶显示设备等构成的影像显示元件。

在上述说明中，导光部件10等沿着眼睛排列的横向延伸，但还能够配置成使导光部件10沿着纵向延伸。在该情况下，导光部件10具有不是串联而是并联地平行配置的构造。

此外，在上述内容中，构成投射透镜的光学元件(透镜)的个数、构成导光装置等的棱镜等中继光学系统的有无、或结构部件的个数可能有各种情况。

此外，参照图9所说明的像素的大小可以设为以例如随着从第2图像显示区域D2中的中心侧向周边侧行进而多个阶段地逐渐变大的方式发生变化。同样的情况也能够应用于例如图13的第2图像显示区域中。

此外，针对视线传感器SS的视线方向的检测，除了根据双眼各自的状态估计使用者的视线方向的情况以外，例如，可以设为仅检测主导眼睛的视线方向，或者根据视线方向朝左右的哪一方移动而切换以视线方向为检测对象的眼睛，或者仅使单眼以视线方向为检测对象。

Claims (12)

1.一种头部佩戴型显示装置，其具有：

图像显示部，其将分辨率比周边侧的图像显示区域高的图像显示在中心侧的图像显示区域上；

视线检测部，其检测视线；以及

图像控制部，其在由所述视线检测部检测出超过规定角度的视线方向的变化的情况下，使所述图像显示部的显示方式发生变化。

2.根据权利要求1所述的头部佩戴型显示装置，其中，

所述图像显示部使周边侧的图像显示区域中的周边分辨率成为超过与假定的眼睛视野相对应的视力的分辨率而显示图像。

3.根据权利要求1或2所述的头部佩戴型显示装置，其中，

所述图像显示部显示相对于与眼睛的视线方向对应的视线基准轴为5°以上的角度范围的中心图像作为所述中心侧的图像显示区域。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的头部佩戴型显示装置，其中，

该头部佩戴型显示装置还具有姿势检测部，该姿势检测部检测装置的姿势，

在所述视线检测部检测出5°以上的视线方向的变化的情况下，所述图像控制部使所述图像显示部的显示方式与由所述姿势检测部检测的姿势的变化对应地发生变化。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的头部佩戴型显示装置，其中，

所述图像控制部根据图像内容变更与视线方向的变化相伴的所述图像显示部的显示方式的变化方法。

6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的头部佩戴型显示装置，其中，

所述图像显示部具有像素矩阵，

针对构成所述像素矩阵的多个像素，与中心侧的图像显示区域对应的像素和与周边侧的图像显示区域对应的像素的像素结构或者控制不同。

7.根据权利要求6所述的头部佩戴型显示装置，其中，

所述图像显示部在所述像素矩阵中，针对与中心侧的图像显示区域对应的像素，按照每个像素进行驱动，针对与周边侧的图像显示区域对应的像素，一并驱动相邻的多个像素。

8.根据权利要求1至4中的任意一项所述的头部佩戴型显示装置，其中，

所述图像显示部进行基于区域扫描的图像显示，与图像显示区域对应地调整扫描速度。

9.根据权利要求1至4中的任意一项所述的头部佩戴型显示装置，其中，

所述图像显示部使用全息元件来显示图像。

10.一种图像形成光学系统，其根据与眼睛视野相对应的视力的变化形成分辨率在中心侧和周边侧不同的图像，其中，

相对于与眼睛的视线方向对应的视线基准轴为规定角度范围内的中心图像的分辨率高于所述规定角度范围外的周边图像的分辨率，

所述周边图像的分辨率为超过与假定的眼睛视野相对应的视力的分辨率。

11.根据权利要求10所述的图像形成光学系统，其中，

该图像形成光学系统显示相对于所述视线基准轴为5°以上的角度范围的中心图像。

12.一种头部佩戴型显示装置，其具有权利要求10或11所述的图像形成光学系统。