JP2019179083A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 左右の眼に異なる画角の映像を表示させた場合でも、左右の映像の画質の差が小さく、広画角で小型の光学系を有する画像表示装置を提供することを目的とする。【解決手段】 観察者の左右の眼それぞれに対応する２つの表示素子と、前記表示素子の画像を前記観察者の左右の眼それぞれに導くための左眼用の接眼光学系と右眼用の接眼光学系と、を有し、前記観察者の左眼に対する前記左眼用の接眼光学系の光学面の光学的パワーと、前記観察者の右眼に対する前記右眼用の接眼光学系の光学的パワーとは同じであり、前記左眼用の接眼光学系の光学面の形状は、前記観察者の左眼の視軸を含む垂直断面に対して左右対称であり、前記右眼用の接眼光学系の光学面の形状は、前記観察者の右眼の視軸を含む垂直断面に対して左右対称であることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、光学系を介して表示素子上の画像を表示する画像表示装置に関するものである。

バーチャルリアリティ（ＶＲ）用、あるいは、一人で大画面の映像を楽しむことなどを目的として、ヘッドマウントディスプレイの開発が進められている。

ヘッドマウントディスプレイ等に用いる画像表示装置としては、自然な観察をおこない、臨場感を増すために、広画角の画像提示が望まれている。また、頭部装着型の画像表示装置としては小型であることが望ましい。

広画角の画像提示を達成する技術として、左右の眼に異なる画角の映像を表示させて、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにすることで、左右の眼に同じ画角の映像を表示させる場合よりも広画角の画像が観察できるようにした画像表示装置が提案されている。

特許文献１、２には、画像表示装置の例が開示されている。特許文献１では、外側の画角が内側の画角よりも広い光学系を左右で反転させて配置することで、左右の眼に異なる画角の映像を表示させて広画角を実現する技術が開示されている。特許文献２では、左眼用と右眼用の表示素子の表示中心をそれぞれ左方向と右方向にシフトさせている。そして、各表示素子に表示される映像も観察者から見て左方向と右方向にシフトさせることで左右の眼に異なる画角の映像を表示させて広画角を実現する技術が開示されている。

特開２０１２−２４２７９４号公報 特開平６−３８２４６号公報

一般的に、光学系の収差の出方は光線が通過する面の形状ごとに異なる。また、画像表示装置の表示を広画角にした場合、人間の眼間距離は決まっているため、左右の光学系が内側で干渉してしまうことがある。特許文献１に記載の画像表示装置では、左右の光学系が反転して配置されているため、左右の眼で同じ画角の映像を観察したとき、導かれる光線が通過する光学系の面の形状は左右で異なってしまう。そのため、左右で同じ画角の映像を観察しても、解像力や歪の形が左右で異なるため、両眼で融像しにくい画像となってしまう。特許文献２に記載の画像表示装置では、表示素子のみシフトさせて光学系が左右で共通となるようにするが、表示素子から画像が導かれない部分にも光学系があるため光学系が大型化してしまう。また、左右の光学系が内側で干渉して広画角化できない。

上記の課題に鑑み、本発明は、左右の眼に異なる画角の映像を表示させた場合でも、左右の映像の画質の差が小さく、広画角で小型の光学系を有する画像表示装置を提供することを目的とする。

観察者の左右の眼それぞれに対応する２つの表示素子と、前記表示素子の画像を前記観察者の左右の眼それぞれに導くための左眼用の接眼光学系と右眼用の接眼光学系と、を有し、前記観察者の左眼に対する前記左眼用の接眼光学系の光学面の光学的パワーと、前記観察者の右眼に対する前記右眼用の接眼光学系の光学的パワーとは同じであり、前記左眼用の接眼光学系の光学面の形状は、前記観察者の左眼の視軸を含む垂直断面に対して左右対称であり、前記右眼用の接眼光学系の光学面の形状は、前記観察者の右眼の視軸を含む垂直断面に対して左右対称であることを特徴とする。

本発明によれば、左右の眼に異なる画角の映像を表示させた場合でも、左右の映像の画質の差が小さく、広画角で小型の光学系を有する画像表示装置を提供することができる。

第１実施形態に係る画像表示装置の上面図。 従来の画像表示装置の上面図。 従来の画像表示装置の上面図。 両眼での画像の見え方を示す図。 第１実施形態に係るその他の画像表示装置の上面図。 第２実施形態に係る画像表示装置の上面図。 第２実施形態に係る画像表示装置の側面図。 第２実施形態に係るその他の画像表示装置の上面図。 第２実施形態に係る反射面の反射膜の説明図。

（第１実施形態）
図１の画像表示装置の上面図を参照して、第１実施形態に係る画像表示装置の構成を説明する。図中、１０１は観察者の右眼、１０２は観察者の左眼、１０３は右眼用接眼光学系、１０４は左眼用接眼光学系、１０５は右眼用表示素子、１０６は左眼用表示素子、１０７は右眼視軸、１０８は左眼視軸である。右眼視軸１０７と左眼視軸１０８は平行である。

右眼用接眼光学系１０３は、右眼用表示素子１０５を拡大して対応する観察者の右眼１０１に導き、左眼用接眼光学系１０４は、左眼用表示素子１０６を拡大して対応する観察者の左眼１０２に導く。右眼用表示素子１０５の中心は右眼視軸１０７を含む垂直断面に対して右側にシフトしており、右眼用接眼光学系１０３の表示画角は、右側５０°、左側３５°である。また、左眼用表示素子１０６の中心は左眼視軸１０８を含む垂直断面に対して左側にシフトしており、左眼用接眼光学系１０４の表示画角は右側３５°、左側５０°で、左右の接眼光学系で表示する画角は互いに異なる。そのため、観察者が両眼で観察した時、右側５０°から右側３５°までは右眼のみで観察し、右側３５°から左側３５°までは両眼で観察し、左側３５°から左側５０°までは左眼のみで観察することとなり、全体の水平画角は１００°である。このように左右の眼に異なる画角の映像を表示させて、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにすることで、表示素子の大きさが同じときには、左右の眼に同じ画角の映像を表示させる場合よりも広画角の画像が観察可能である。

本実施形態では、右眼の観察画像の中で両眼領域が画角７０°、右眼領域が画角１５°であり、両眼領域の観察画像の面積に対する右眼領域の観察画像の面積の割合は式（１）より３５％である。
（ｔａｎ（５０°）−ｔａｎ（３５°））／（２×ｔａｎ（３５°））＝０．３５ 式（１）
この割合は４５％以下であることが望ましく、４５％より大きいと両眼領域と単眼領域との境界部が観察画像の中央付近にくるため、境界部が目立ちやすくなる。更に、両眼領域の割合が少ないため立体視できる領域が狭く、自然な立体観察ができない。また、この割合は１０％以上が望ましく、１０％より小さい場合には単眼領域が狭くなり広画角化の効果が小さい。左眼の観察画像についても同様である。

本実施形態の右眼用接眼光学系１０３と左眼用接眼光学系１０４の観察者側の面は同じ曲率半径の球面形状であり、右眼用接眼光学系１０３と左眼用接眼光学系１０４の表示素子側の面も同じ曲率半径の球面形状である。そのため、右眼用接眼光学系１０３のすべての光学面が、それぞれの光学面と同じ位置関係にある左眼用接眼光学系１０４の光学面と光学的パワーが同じである。

また、右眼用接眼光学系１０３の光軸は右眼視軸１０７と一致しており、すべての光学面の形状は、右眼視軸１０７を含む垂直断面に対して左右対称な形状で表現されている。同様に、左眼用接眼光学系１０４の光軸も左眼視軸１０８と一致しており、すべての光学面の形状は、左眼視軸１０８を含む垂直断面に対して左右対称な形状で表現されている。

そのため、右眼１０１と左眼１０２で同じ画角を観察した場合、その画角の光線が通過する光学系の面の形状は左右の接眼光学系で同じであり、接眼光学系で発生する収差の出方も左右で同じである。そのため、解像力や歪の形の左右での差がほとんどなく、両眼で融像しやすい画像となる。

図２の従来例のように右眼用接眼光学系１０９と左眼用接眼光学系１１０が同じ光学系であり、右眼用接眼光学系１０９の光軸１１１と右眼視軸１０７、左眼用接眼光学系１１０の光軸１１２と左眼視軸１０８が一致していない場合を考える。このとき、右眼１０１と左眼１０２で同じ画角を観察した場合、その画角の光線が通過する光学系の面の形状が左右で異なる。例えば、右眼１０１に導かれる左端の画角の光線は、右眼用接眼光学系１０９の左端付近を通過しているが、左眼１０２に導かれる同じ画角の光線は、左眼用接眼光学系１１０の左端付近より光軸１１２に近い面を通過している。

そのため、右眼１０１と左眼１０２で同じ画角を観察した場合、接眼光学系で発生する収差の出方が左右で異なり、解像力や歪の形の左右での差が大きく、両眼で融像しにくい画像となって立体視できなかったり、観察時の疲労が増加する。

図１から分かるように、本実施形態の右眼用接眼光学系１０３の左側と左眼用接眼光学系１０４の右側はレンズを切断した形状となっており、右眼用接眼光学系１０３と左眼用接眼光学系１０４は異なっている。これは、光線の有効領域以外の光学系をなくすことで、光学系の小型・軽量化につなげるとともに、左右の光学系が内側で干渉することを回避するためである。さらに、内側の光学系を小さくできるので、観察者の鼻にぶつかりにくい画像表示装置とすることができ、快適な観察が可能となる。

図３の従来例のように右眼用接眼光学系１１３と左眼用接眼光学系１１４をレンズ形状のままで光線有効領域以外をカットしない場合、左右の光学系が内側で干渉してしまい、光学系を配置することができない。そのため、表示する画角を狭くする必要があり広画角な画像表示装置を実現することができない。

本実施形態のように、左右の眼に異なる画角の映像を表示させて、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにする場合の画像の見え方を図４（ａ）に示す。右眼用表示素子１０５で表示された画像と左眼用表示素子１０６で表示された画像が合成され、左眼領域、両眼領域、右眼領域の画像が観察される。このとき、左眼領域と両眼領域、右眼領域と両眼領域の境界部は図４（ｂ）のように観察されてしまう。これは、片眼には画像が表示されるが、もう片方の眼には画像が表示されずパネルの枠などの黒部が見えてしまい、左右の眼の視野闘争により生じてしまう。

そのため、図５のように右眼用接眼光学系１１５の左側を表示素子１０５から右眼１０１に導かれる光束の光線有効領域よりも狭くし、左眼用接眼光学系１１６の右側を表示素子１０６から左眼１０２に導かれる光束の光線有効領域よりも狭くしても良い。このようにすることで、単眼領域と両眼領域の境界部からの光束が光学系に入射せず、境界部付近の光束は光学系でケラレるため、境界部が図４（ｂ）のように観察されることを防ぐことができる。

本実施形態の接眼光学系は球面形状の単レンズで構成されているが、非球面形状を用いたり、複数のレンズを用いることでより高い光学性能のレンズとしても良い。また、本実施形態の表示素子は自発光の有機ＥＬを用いているが、透過型液晶、反射型液晶、ＤＭＤなどを表示素子として用いても良い。その場合、別途光源と照明光学系が必要となる。

本実施形態の画像表示装置で左右に視差のある画像を観察する場合には、同じ画角を観察した際に光線が通過する光学系の面の形状は左右の接眼光学系でまったく同じではない。しかし、図２の画像表示装置に比べると左右での面の形状の差は小さいため、解像力や歪の形の左右での差が小さく両眼で融像しやすい画像となる。

（第２実施形態）
図６の画像表示装置の上面図を参照して、第２実施形態に係る画像表示装置の構成を説明する。図中、２０１は観察者の右眼、２０２は観察者の左眼、２０３は右眼用接眼光学系、２０４は左眼用接眼光学系、２０５は右眼用表示素子、２０６は左眼用表示素子、２０７は右眼視軸、２０８は左眼視軸である。右眼視軸２０７と左眼視軸２０８は平行である。

右眼用接眼光学系２０３は、右眼用表示素子２０５を拡大して観察者の右眼２０１に導き、左眼用接眼光学系２０４は、左眼用表示素子２０６を拡大して観察者の左眼２０２に導く。右眼用表示素子２０５の中心は右眼視軸２０７を含む垂直断面に対して右側にシフトしており、右眼用接眼光学２０３の表示画角は、右側４０°、左側３０°である。また、左眼用表示素子２０６の中心は左眼視軸２０８を含む垂直断面に対して左側にシフトしており、左眼用接眼光学系２０４の表示画角は右側３０°、左側４０°で、左右の接眼光学系で表示する画角は互いに異なる。そのため、観察者が両眼で観察した時、右側４０°から右側３０°までは右眼のみで観察し、右側３０°から左側３０°までは両眼で観察し、左側３０°から左側４０°までは左眼のみで観察することとなり、全体の水平画角は８０°である。このように左右の眼に異なる画角の映像を表示させて、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにすることで、表示素子の大きさが同じときには、左右の眼に同じ画角の映像を表示させる場合よりも広画角の画像が観察可能である。

本実施形態では、右眼の観察画像の中で、両眼領域が画角６０°、右眼領域が画角１０°であり、両眼領域の観察画像の面積に対する右眼領域の観察画像の面積の割合は式（２）より２３％である。
（ｔａｎ（４０°）−ｔａｎ（３０°））／（２×ｔａｎ（３０°））＝０．２３ 式（２）
この割合は４５％以下であることが望ましく、４５％より大きいと両眼領域と単眼領域との境界部が観察画像の中央付近にくるため、境界部が目立ちやすくなる。更に、両眼領域の割合が少ないため立体視できる領域が狭く、自然な立体観察ができない。また、この割合は１０％以上が望ましく、１０％より小さい場合には単眼領域が狭くなり広画角化の効果が小さい。左眼の観察画像についても同様である。

本実施形態の接眼光学系は偏心反射曲面を用いて光路を折りたたんだことによって、光学系の厚さを薄型化したものである。右眼用接眼光学系２０３と左眼用接眼光学系２０４は、屈折率が１より大きいガラスやプラスチック等の光学媒質で満たされた透明体により構成される。

図７は右眼用接眼光学系２０３の側面図である。右眼用表示素子２０５からの光線は右眼用接眼光学系２０３内で２回反射し、右眼２０１に導かれる。なお、右眼用接眼光学系２０３内の眼球への出射面は反射と透過の作用を持つ面であるため、反射は光量のロスをなくすために内部全反射であることが望ましい。左眼用接眼光学系２０４についても同様に、左眼用表示素子２０６からの光線は左眼用接眼光学系２０４内で２回反射し、左眼２０２に導かれる。なお、左眼用接眼光学系２０４内の眼球への出射面は反射と透過の作用を持つ面であるため、反射は光量のロスをなくすために内部全反射であることが望ましい。

本実施形態の右眼用接眼光学系２０３と左眼用接眼光学系２０４の観察者側の面は同じ関数で表現された自由曲面形状であり、表示素子側の面と反射面も同様に右眼用接眼光学系２０３と左眼用接眼光学系２０４とで同じ関数で表現された自由曲面形状である。そのため、右眼用接眼光学系２０３のすべての光学面が、それぞれの光学面と同じ位置関係にある左眼用接眼光学系２０４の光学面と光学的パワーが同じである。

また、右眼用接眼光学系２０３のすべての光学面の形状は、右眼視軸２０７を含む垂直断面に対して対称な形状で表現されている。同様に、左眼用接眼光学系２０４のすべての光学面の形状は、左眼視軸２０８を含む垂直断面に対して対称な形状で表現されている。

そのため、右眼２０１と左眼２０２で同じ画角を観察した場合、その画角の光線が通過する光学系の面の形状は左右の接眼光学系で同じであるため、接眼光学系で発生する収差の出方も左右で同じである。その結果、解像力や歪の形の左右での差がほとんどなく、両眼で融像しやすい画像となる。また、右眼用接眼光学系２０３と左眼用接眼光学系２０４を構成する面を自由曲面形状とすることで、偏心収差補正の自由度が増し、良好な画質での画像表示が可能となる。

図６から分かるように、本実施形態の右眼用接眼光学系２０３の左側と左眼用接眼光学系２０４の右側はプリズムを切断した形状となっており、右眼用接眼光学系２０３と左眼用接眼光学系２０４は異なっている。これは、光線の有効領域以外の光学系をなくすことで、光学系の小型・軽量化につなげるとともに、左右の光学系が内側で干渉することを回避するためである。さらに、内側の光学系を小さくできるので、観察者の鼻にぶつかりにくい画像表示装置とすることができ、快適な観察が可能となる。

ここで、接眼光学系の表示素子側の面の光線有効領域は表示素子の大きさと同等であり、この面の光線有効領域を右眼用接眼光学系２０３の光線有効領域と左眼用接眼光学系２０４の光線有効領域を含む領域としても接眼光学系の大きさには影響しない。そのため、右眼用接眼光学系２０３と左眼用接眼光学系２０４の表示素子側の面の光線有効領域は等しくしても良い。そのようにすることで、左右の光学系で形状も光線有効領域も等しい面ができ、加工及び製作を容易にすることができる。

本実施形態のように、左右の眼に異なる画角の映像を表示させて、一部の画角のみ左右の眼で重なるようにする場合には、左眼領域と両眼領域、右眼領域と両眼領域の境界部が目立ってしまう。そのため、図８のように右眼用接眼光学系２０９の左側を表示素子２０５から右眼２０１に導かれる光束の光線有効領域よりも狭くし、左眼用接眼光学系２１０の右側を表示素子２０６から左眼２０２に導かれる光束の光線有効領域よりも狭くしても良い。このようにすることで、単眼領域と両眼領域の境界部からの光束が光学系に入射せず、境界部付近の光束は光学系でケラレるため、境界部が目立ちにくくなる。

また、右眼用接眼光学系２０３と左眼用接眼光学系２０４の反射面は、図９（ａ）のように反射膜の反射率が等しくなるように蒸着されている。この反射膜を、図９（ｂ）の右眼用接眼光学系２１１と左眼用接眼光学系２１２のように単眼領域と両眼領域の境界部からの光束が反射する部分の反射率を下げるようにグラデーションをかけた反射膜としても良い。このようにすることで、単眼領域と両眼領域の境界部からの光束が反射面で反射されにくくなるため、境界部が目立ちにくくなる。

１０１（２０１） 観察者の右眼
１０２（２０２） 観察者の左眼
１０３（１１５、２０３、２０９、２１１） 右眼用接眼光学系
１０４（１１６、２０４、２１０、２１２） 左眼用接眼光学系
１０５（２０５） 右眼用表示素子
１０６（２０６） 左眼用表示素子
１０７（２０７） 右眼視軸
１０８（２０８） 左眼視軸

Claims (9)

1. 観察者の左右の眼それぞれに対応する２つの表示素子と、
   前記表示素子の画像を前記観察者の左右の眼それぞれに導くための左眼用の接眼光学系と右眼用の接眼光学系と、を有し、
   前記観察者の左眼に対する前記左眼用の接眼光学系の光学面の光学的パワーと、前記観察者の右眼に対する前記右眼用の接眼光学系の光学的パワーとは同じであり、
   前記左眼用の接眼光学系の光学面の形状は、前記観察者の左眼の視軸を含む垂直断面に対して左右対称であり、
   前記右眼用の接眼光学系の光学面の形状は、前記観察者の右眼の視軸を含む垂直断面に対して左右対称であることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記左眼用の接眼光学系と前記右眼用の接眼光学系とは、一部の形状が異なることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記表示素子で表示される画像には、両眼領域と当該両眼領域とは異なる単眼領域とが含まれることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記左眼用の接眼光学系の少なくとも１つの面の光線有効領域は前記左眼から見たときに前記左眼の視軸に対して左側よりも右側が小さく、
   前記右眼用の接眼光学系の少なくとも１つの面の光線有効領域は前記右眼から見たときに前記右眼の視軸に対して右側よりも左側が小さいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記左眼用の表示素子の中心が左眼から見たときに前記左眼の視軸を含む垂直断面に対して左側にシフトしており、
   前記右眼用の表示素子の中心が右眼から見たときに前記右眼の視軸を含む垂直断面に対して右側にシフトしていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 前記両眼領域と前記単眼領域との境界部からの光束が前記左眼用の接眼光学系に入射もしくは前記左眼用の接眼光学系から出射しないように、前記左眼用の接眼光学系の光線有効領域が、前記左眼用の表示素子から前記左眼に導かれる光束の光線有効領域よりも狭く、
   前記両眼領域と前記単眼領域との境界部からの光束が前記右眼用の接眼光学系に入射もしくは前記右眼用の接眼光学系から出射しないように、前記右眼用の接眼光学系の光線有効領域が、前記右眼用の表示素子から前記右眼に導かれる光束の光線有効領域よりも狭いことを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
7. 前記左眼用の接眼光学系と前記右眼用の接眼光学系とは、透過および反射の作用を持つ光学面と少なくとも１つの反射面を有するプリズムであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
8. 前記左眼用の接眼光学系の第一の反射面の反射率が左眼から見たときに左側よりも右側の方が小さく、前記右眼用の接眼光学系の第二の反射面の反射率が右眼から見たときに右側よりも左側の方が小さいことを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
9. 前記表示素子で表示される画像は、前記両眼領域の面積に対する前記単眼領域の面積は、１０％以上であり、かつ４５％以下であることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。