JP5994715B2

JP5994715B2 - 計算機ホログラム型表示装置

Info

Publication number: JP5994715B2
Application number: JP2013077799A
Authority: JP
Inventors: 圭司杉山; 研一笠澄
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2033-04-03
Also published as: JP2013235256A; US9244278B2; US20130265623A1

Description

本発明は、計算機ホログラムによる回折パターンでレーザ光を回折させることにより情報を表示させる、例えば頭部装着型の表示装置に関するものである。

ヘッドマウントディスプレイ（Ｈｅａｄ−ＭｏｕｎｔｅｄＤｉｓｐｌａｙ、以下「ＨＭＤ」と記す）は、ユーザが頭部に装着した状態で、ユーザに情報を表示する装置である。ＨＭＤは、一般的に、装着性の観点から、小型軽量であることが望ましく、一方で、表示性能の観点からは、大画面で高画質であることが望ましい。従来、ＨＭＤでは、小型の液晶パネル等に表示した画像を、凸レンズや自由曲面プリズム等で光学的に拡大することで、拡大された仮想画像をユーザへ表示する方式があった（例えば、特許文献１参照）。なお、本明細書では前述の画像をプリズムなどで拡大する方式について「光学拡大方式」と記す。

また一方、計算機ホログラム（ＣｏｍｐｕｔｅｒＧｅｎｅｒａｔｅｄＨｏｌｏｇｒａｍ、以下「ＣＧＨ」と記す）を用いた表示装置では、表示したい画像を入力データとして計算機で求めた回折パターンを、位相変調型の液晶パネル等にＣＧＨとして表示し、その液晶パネルにレーザ光を照射して回折させることで、仮想画像位置からの表示光の波面を再現し、仮想画像をユーザへ表示するものがある（例えば、特許文献２参照）。このＣＧＨによる表示装置では、従来の光学拡大方式のＨＭＤで必要であった画像を拡大するためのプリズムなどを省略することが可能である。このため、光学系を小型化することによって、より小型で軽量なＨＭＤを実現することが可能になる。

以下、ＣＧＨを用いて画像を表示する方法について簡単に述べる。ＣＧＨ方式の表示装置においては、表示したい画像から回折パターンを計算する。一般に、回折パターンを計算するためには、点充填法やフーリエ変換による生成方法を用いて、ユーザに表示したい画像（以後、元画像）から回折パターンを生成する方法などが用いられる。

図３４は、元画像と元画像から計算された回折パターンとの例を示す図である。図３４の元画像４０１は元画像の例であり、回折パターン４０２は元画像４０１から生成された回折パターンの例である。この回折パターン４０２が位相変調型の液晶パネルなどにＣＧＨとして表示され、レーザ光により液晶パネルを照明することによって回折光が生成される。その結果、ユーザは、回折パターン４０２を生成する基となった元画像４０１を、液晶パネル上の回折パターン４０２からの回折光として視認することが可能になる。

次に、回折パターンの生成方法について、点充填法を用いる場合の計算方法について例示する。点充填法では、元画像（物体）を点光源の集合とみなし、各点光源からの光が、液晶パネル上の各点で重なったときの位相から、回折パターンを計算する。

図３５は、回折パターンを生成する際の、元画像５０１と回折パターンを表示する液晶パネル５０２との位置関係の例を示す図である。液晶パネル５０２上に表示する回折パターンを点充填法によって生成するためには、前述のように元画像５０１上の各点（各画素）を点光源とみなす。元画像５０１上の点ｉが、振幅ａｉ、位相φｉであった場合、この点ｉから発生した光の、液晶パネル５０２上の点ｕでの複素振幅は式（１）で表される。

また、式（１）でのｒｉは、点ｉと点ｕとの距離であり、液晶パネル５０２の中心を原点とし、点ｉの座標を（ｘｉ、ｙｉ、ｚｉ）、点ｕの座標を（ξ、η、０）で表した場合に、ｒｉは式（２）で計算される。

また、式（１）におけるｋは波数であり、点ｉからの光の波長をλとした場合に、ｋ＝２π／λで求められる。式（１）による計算によって、点ｉからの光の点ｕでの複素振幅が求められる。このため、同様の計算を元画像５０１上の各点に対して行い、足し合わせることで、液晶パネル５０２上の点ｕでの複素振幅の値を求めることができる。なお、点ｉの位相値は、元画像５０１に対してランダムな位相値を加算することなどで与えられる。点ｕでの複素振幅を示す数式を式（３）に示す。

点充填法では、式（３）に示す計算を液晶パネル５０２上の各点に対して行うことで回折パターンを生成する。なお、この例では簡単のため、参照光による位相の変化などを例示していない。このように、点充填法を用いて回折パターンを計算することで、任意の物体からの表示光の波面を再現することが可能になる。このため、従来の光学拡大方式のようにプリズムなどの光学部品がなくとも、再生像（仮想画像）の位置を制御することが可能になる。

なお、ＣＧＨ方式では、回折パターンの計算量が課題の一つとされている。点充填法では、元画像の画素数および回折パターンを表示する液晶パネルの画素数に応じて、計算量が大きく増加する。そのため、物体上の点と液晶パネル上の点との距離に対して近似を用いることで、元画像データの各画素に対してランダムな位相値を与えたデータを、逆フーリエ変換することで回折パターンを計算する手法などが提案されている（例えば特許文献３）。元画像データの画素数をＮ×Ｎ、回折パターンの画素数をＮ×Ｎとした場合、点充填法の計算オーダは、Ｎの四乗となるが、逆フーリエ変換を用いる手法では、計算オーダは、（Ｎ×ｌｏｇＮ）の二乗にまで低減される。

しかしながら、計算量の削減のために、逆フーリエ変換などによって回折パターンを計算する場合、物体（元画像）と液晶パネルの間の距離の計算に近似を用いているため、ＣＧＨによる再生像の位置（液晶パネルからの距離）を自由に設定することが困難になる。一般に、逆フーリエ変換によって回折パターンを計算し、回折パターンをＣＧＨとして表示する液晶パネルを平行光で照明した場合、ＣＧＨによる再生像は、液晶パネルから無限遠にあるものとして再生される。この問題への対応として、逆フーリエ変換による計算結果に対して、更に計算処理を行って補正する方法を用いることができる。

図３６は、回折パターンの補正の例を示す図である。回折パターン６０１は、元画像を逆フーリエ変換した基本回折パターンである。この基本回折パターン６０１を液晶パネルに表示した場合、再生像は無限遠の位置に再生される。補正パターン６０２は、基本回折パターン６０１による再生像の位置を補正するための補正パターンである。図３６の例では、補正パターン６０２は、再生像を表示したい位置に仮想的に配置された点光源からの球面波の波面が液晶パネルに入射した場合の位相を計算することにより生成されている。

合成回折パターン６０３は、基本回折パターン６０１と補正パターン６０２とを重畳することで生成した回折パターンである。合成回折パターン６０３を液晶パネルに表示した場合の再生像の位置は、補正パターン６０２を生成する際に使用した点光源の位置になる。基本回折パターン６０１に対して補正パターン６０２を重畳する計算コストは、点充填法などに比較して十分に低い。このため、この手法を用いることにより、高速に回折パターンの計算を行いながら、再生像の位置を制御することなどが可能になる。

また、ＣＧＨ方式の表示装置における別の課題として、量子化ノイズの問題が挙げられる。一般に、元画像の各画素にランダムな位相値を加算した後に、点充填法や逆フーリエ変換で回折パターンを計算する場合、回折パターンの各画素は、０から２πまでの位相を持つ複素数として表現される。しかしながら、液晶パネルが特定の位相値しか表現できない場合には、回折パターンの各画素のデータを、液晶パネルに表示可能なＣＧＨに量子化する必要がある。

例えば、強誘電性液晶による液晶パネルを用いる場合、この液晶パネルにより表現することが可能な位相値は、０もしくはπに限定される。そのため、液晶パネルでＣＧＨとして回折パターンを表示する際には、各画素の値を、０もしくはπのいずれかに二値化する必要がある。このような量子化を行った場合、本来の回折パターンが有する情報量が損なわれる。このため、ＣＧＨによる再生像には量子化ノイズと呼ばれるノイズが発生する。

この問題への対処法として、元画像から計算した回折パターンを液晶パネルに表示可能な位相値に量子化する際に、誤差拡散の手法を適用することで、ノイズの発生を抑制する方法などが用いられている（例えば、非特許文献１）。ここで、誤差拡散とは、量子化の際に発生する誤差（量子化前の画素値と量子化後の画素値の差）を、周辺の画素に分散させる手法である。周辺の画素に対して分散する誤差の量は、誤差拡散の手法によって異なるが、例えば図３７に示されるような重み付けをする手法が提案されている（Ｆｌｏｙｄ−Ｓｔｅｉｎｂｅｒｇ法）。

図３７は、誤差拡散の際に用いられる誤差拡散係数の例を示す図である。図３７は、３×３のマトリクスになっており、マトリクスの中心が量子化を行っている量子化画素を示す。図３７は、量子化画素の右側に位置する画素には、誤差の７／１６を加算し、量子化画素の下側に位置する画素には、誤差の５／１６を加算することを示している。このように、周囲に誤差を伝搬させていくことにより、発生するノイズを高周波領域に集中させることができる。

図３８は、量子化の際に誤差拡散を行った回折パターン及び誤差拡散を行わない回折パターンの例を示す図である。図３８において、回折パターン８０１は、誤差拡散を行わない場合の、量子化後の回折パターンの例を示し、回折パターン８０２は、誤差拡散を行った場合の、量子化後の回折パターンの例を示す。誤差拡散を行うことにより、量子化ノイズをＣＧＨの高周波領域に集中させることができる。ＣＧＨの高周波領域は、再生像においては、表示画面の周辺部分に対応する。このため、誤差拡散の有無によって表示画面全体での量子化ノイズの量は変化しないが、表示画面の中心部分での量子化ノイズの発生を抑制することが可能になる。

このように、ＣＧＨ方式の表示装置において、計算量を抑えながら再生像（仮想画像）の位置の最適化、量子化ノイズの抑制などの画質向上のための方法が検討されている。

特開平８−２４０７７３号公報特表２００８−５４１１４５号公報特許第４７９５２４９号公報

Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｍａｌｅｒｒｏｒｄｉｆｆｕｓｉｏｎｆｏｒｃｏｍｐｕｔｅｒ-ｇｅｎｅｒａｔｅｄｈｏｌｏｇｒａｍｓ，Ｋｅｎ-ｉｃｈｉＴａｎａｋａ，ＴｅｒｕｏＳｈｉｍｏｍｕｒａＫｙｕｓｈｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｊａｐａｎ）Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ３４９１，１９９８ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＰｈｏｔｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩＩＩ：ＣｌｏｓｉｎｇｔｈｅＧａｐｂｅｔｗｅｅｎＴｈｅｏｒｙ，Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，１０１７（Ｄｅｃｅｍｂｅｒ４，１９９８）；ｄｏｉ：１０．１１１７／１２．３２８６７４

しかしながら、ＣＧＨ方式の表示装置における画質改善では、再生像全体の画質改善が難しくなるという課題がある。

前述のように、逆フーリエ変換で計算した回折パターンに対して、再生像の位置を調節する球面波の補正パターンを加算する方法を用いる場合、再生像の画面中心の再生位置は最適化される。しかしながら、画面端では歪が生じ、再生像の画面端の再生位置が最適位置からずれることにより画面端での再生像の画質が低下する場合がある。

また、誤差拡散法などを用いて量子化ノイズを低減する方法では、回折パターンの低周波成分に対応する再生像の領域（再生像の中央部分）などの量子化ノイズは抑制することができる。しかし、再生像の画面端などでは、却って量子化ノイズが増加してしまう。

ユーザに表示される再生像の内容によっては、再生像の画面中心ではなく画面端の画質を向上させたい場合（例えばメールの通知アイコンを視線のじゃまにならない画面の端に表示する場合）が考えられる。しかし、従来の方法では、このような場合での画質向上を図ることが難しい。ＣＧＨ方式の表示装置によって表示される再生像の視野角が広くなるにつれて、このような課題への対処が必要となる。

一方、ＣＧＨ方式の表示装置では、画質の向上だけでなく、ユーザが再生像を見やすくするために、再生像（仮想画像）の視野角を広くすることが求められている。しかしながら、上記特許文献１〜３及び非特許文献１では、仮想画像の視野角を広くすることについては記載されていないため、仮想画像の視野角を広くすることは困難となっている。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ＣＧＨ方式の表示装置において、仮想画像の視野角を広くすることが可能な表示装置を提供することを目的とする。

本発明に係る表示装置は、レーザ光を出力する光源と、前記レーザ光を照明光として出射する照明光学系と、元画像から回折パターンを生成する回折パターン生成部と、前記照明光により照明され、前記回折パターンを表示することで前記照明光を回折して回折光を生成し、生成した前記回折光を使用者に視認させることにより前記元画像を仮想画像として前記使用者に表示する空間変調素子と、前記回折光の光路上に配置され、第１部分領域及び前記第１部分領域に隣接する第２部分領域を有する遮蔽部とを備え、前記遮蔽部は、前記第１部分領域が前記回折光を透過する透過領域とされ、かつ前記第２部分領域が前記回折光を遮蔽する遮蔽領域とされる第１状態と、前記第１部分領域が前記遮蔽領域とされ、かつ前記第２部分領域が前記透過領域とされる第２状態とを含む複数の状態に選択的に移行するように構成され、前記空間変調素子は、前記遮蔽部が前記第１状態の場合に、前記第１部分領域に対応する第１表示領域に前記仮想画像を表示し、前記遮蔽部が前記第２状態の場合に、前記第２部分領域に対応する第２表示領域に前記仮想画像を表示し、前記回折パターン生成部は、前記遮蔽部が前記第１状態の場合に、前記元画像のうち前記第１表示領域に対応する領域の画像から第１部分回折パターンを生成し、前記遮蔽部が前記第２状態の場合に、前記元画像のうち前記第２表示領域に対応する領域の画像から第２部分回折パターンを生成する。

本構成によれば、光源からレーザ光が出力される。レーザ光が照明光として照明光学系から出射される。回折パターン生成部によって、元画像から回折パターンが生成される。照明光により照明される空間変調素子によって、回折パターンが表示されることで照明光が回折されて回折光が生成される。また、空間変調素子によって、生成された回折光を使用者が視認することにより元画像が仮想画像として使用者に表示される。遮蔽部は、回折光の光路上に配置されているため、回折光が遮蔽部に入射する。遮蔽部は、第１部分領域及び第１部分領域に隣接する第２部分領域を有する。遮蔽部は、第１部分領域が回折光を透過する透過領域とされ、かつ第２部分領域が回折光を遮蔽する遮蔽領域とされる第１状態と、第１部分領域が遮蔽領域とされ、第２部分領域が透過領域とされる第２状態とを含む複数の状態に選択的に移行するように構成される。

空間変調素子によって、遮蔽部が第１状態の場合に、第１部分領域に対応する第１表示領域に仮想画像が表示され、遮蔽部が第２状態の場合に、第２部分領域に対応する第２表示領域に仮想画像が表示される。回折パターン生成部によって、遮蔽部が第１状態の場合に、元画像のうち第１表示領域に対応する領域の画像から第１部分回折パターンが生成され、遮蔽部が第２状態の場合に、元画像のうち第２表示領域に対応する領域の画像から第２部分回折パターンが生成される。したがって、第１表示領域から第２表示領域にまたがって仮想画像を表示することができる。このため、本構成により、使用者に表示する仮想画像の視野角を広くすることが可能になる。

また、上記の表示装置において、前記回折パターン生成部は、前記回折パターンを補正する少なくとも１種類の補正パターンを生成し、前記生成した補正パターンと前記第１部分回折パターンとが合成された第１部分合成回折パターンを生成し、かつ、前記生成した補正パターンと前記第２部分回折パターンとが合成された第２部分合成回折パターンを生成するとしてもよい。

本構成によれば、回折パターン生成部によって、回折パターンを補正する少なくとも１種類の補正パターンが生成される。また、回折パターン生成部によって、生成した補正パターンと第１部分回折パターンとが合成された第１部分合成回折パターンが生成される。また、回折パターン生成部によって、生成した補正パターンと第２部分回折パターンとが合成された第２部分合成回折パターンが生成される。したがって、本構成により、表示される仮想画像を好適に補正することができる。

また、上記の表示装置において、前記使用者の視力を取得する視力取得部と、前記使用者の視力に応じて前記仮想画像の最適再生位置を決定する位置決定部とをさらに備え、前記回折パターン生成部は、前記仮想画像が前記最適再生位置に表示されるように、前記補正パターンを生成するとしてもよい。

本構成によれば、視力取得部によって、使用者の視力が取得される。位置決定部によって、使用者の視力に応じて仮想画像の最適再生位置が決定される。回折パターン生成部によって、仮想画像が最適再生位置に表示されるように、補正パターンが生成される。したがって、本構成により、使用者の視力に合わせた好適な画質で仮想画像の表示を行うことが可能になる。

また、上記の表示装置において、前記遮蔽部は、前記回折光のうち、＋１次回折光が前記第１部分領域に入射し、−１次回折光が前記第２部分領域に入射するように、前記空間変調素子に対して配置されているとしてもよい。

本構成によれば、回折光のうち、＋１次回折光が第１部分領域に入射する、このため、遮蔽部が第１状態の場合に、＋１次回折光により第１表示領域に仮想画像が表示される。また、回折光のうち、−１次回折光が第２部分領域に入射する。このため、遮蔽部が第２状態の場合に、−１次回折光により第２表示領域に仮想画像が表示される。したがって、本構成により、＋１次と−１次との異なる次数の回折光を用いて、表示される仮想画像の視野角を広くすることができる。

また、上記の表示装置において、前記回折光を前記使用者に向けて反射する反射ミラーをさらに備え、前記遮蔽部は、前記空間変調素子と前記反射ミラーとの中間位置の近傍に配置されているとしてもよい。

本構成によれば、反射ミラーによって、回折光が使用者に向けて反射される。遮蔽部は、空間変調素子と反射ミラーとの中間位置の近傍に配置されている。したがって、本構成により、空間変調素子の近傍に遮蔽部が配置されている構成に比べて、遮蔽部の位置において、＋１次回折光と−１次回折光とをより好適に分離することができる。その結果、遮蔽部の透過領域を透過する、必要な回折光以外の回折光の光量を低減することができる。

また、上記の表示装置において、前記回折光を集光する集光光学系をさらに備え、前記遮蔽部は、前記集光光学系により集光された前記回折光の集光位置の近傍に配置されているとしてもよい。

本構成によれば、遮蔽部は、集光光学系により集光された回折光の集光位置の近傍に配置されている。回折光を集光すると、集光位置において、０次回折光と＋１次回折光とが好適に分離され、０次回折光と−１次回折光とが好適に分離される。したがって、本構成により、遮蔽部が第１状態の場合に、０次回折光の透過光量を低減し、主に＋１次回折光を透過させることができ、遮蔽部が第２状態の場合に、０次回折光の透過光量を低減し、主に−１次回折光を透過させることができる。その結果、仮想画像の表示に不要な光を適切に遮蔽することができる。

また、上記の表示装置において、前記遮蔽部は、表面に干渉縞を形成することで入射光を回折可能に構成され、かつ、電圧印加によって前記干渉縞の有無を制御可能に構成された液晶パネルを含むとしてもよい。

本構成によれば、液晶パネルは、表面に干渉縞を形成することで入射光が回折可能に構成され、かつ、電圧印加によって干渉縞の有無が制御可能に構成されている。したがって、本構成により、仮想画像の表示に利用する回折光を高速に切り替えることが可能になる。その結果、仮想画像のフレームレートを向上させることが可能になる。

また、上記の表示装置において、前記照明光学系は、前記空間変調素子に対する前記照明光の方向を変更する偏向素子を含み、前記偏向素子は、前記照明光の方向を、前記仮想画像の表示領域が第１設定領域となる第１方向と、前記仮想画像の表示領域が前記第１設定領域に隣接する第２設定領域となる第２方向とに変更可能に構成され、前記回折パターン生成部は、前記照明光の方向が前記第１方向の場合に、前記元画像のうち前記第１設定領域に対応する領域の画像から第１設定回折パターンを生成し、前記照明光の方向が前記第２方向の場合に、前記元画像のうち前記第２設定領域に対応する領域の画像から第２設定回折パターンを生成するとしてもよい。

本構成によれば、偏向素子によって、空間変調素子に対する照明光の方向が、仮想画像の表示領域が第１設定領域となる第１方向と、仮想画像の表示領域が第１設定領域に隣接する第２設定領域となる第２方向とに変更される。回折パターン生成部によって、照明光の方向が第１方向の場合に、元画像のうち第１設定領域に対応する領域の画像から第１設定回折パターンが生成される。また、回折パターン生成部によって、照明光の方向が第２方向の場合に、元画像のうち第２設定領域に対応する領域の画像から第２設定回折パターンが生成される。例えば、空間変調素子の画素幅が大きいため、空間変調素子により表示可能な干渉縞のピッチが大きい場合には、回折角を大きくできない。このため、表示される仮想画像の視野角が狭くなる。しかし、本構成では、第１設定領域から第２設定領域にまたがって仮想画像を表示することができる。このため、本構成により、画素幅が大きい空間変調素子を使用する場合においても、表示される仮想画像の視野角を広くすることが可能になる。

また、上記の表示装置において、前記回折パターン生成部は、前記回折パターンを補正する少なくとも１種類の補正パターンを生成し、前記生成した補正パターンと前記第１設定回折パターンとが合成された第１設定合成回折パターンを生成し、かつ、前記生成した補正パターンと前記第２設定回折パターンとが合成された第２設定合成回折パターンを生成するとしてもよい。

本構成によれば、回折パターン生成部によって、回折パターンを補正する少なくとも１種類の補正パターンが生成される。また、回折パターン生成部によって、生成した補正パターンと第１設定回折パターンとが合成された第１設定合成回折パターンが生成される。また、回折パターン生成部によって、生成した補正パターンと第２設定回折パターンとが合成された第２設定合成回折パターンが生成される。したがって、本構成により、表示される仮想画像を好適に補正することができる。

また、上記の表示装置において、前記元画像のうちで特定領域を判定する領域判定部をさらに備え、前記回折パターン生成部は、前記元画像における前記特定領域の位置に基づき前記回折パターンを補正する特定補正パターンを生成し、前記生成した特定補正パターンと前記生成した回折パターンとが合成された特定合成回折パターンを生成するとしてもよい。

本構成によれば、領域判定部によって、元画像のうちで特定領域が判定される。回折パターン生成部によって、元画像における特定領域の位置に基づき特定補正パターンが生成される。また、回折パターン生成部によって、生成された特定補正パターンと生成された回折パターンとが合成された特定合成回折パターンが生成される。したがって、本構成により、元画像のうちで特定領域に対応する仮想画像の領域を好適に補正することが可能になる。

また、上記の表示装置において、前記使用者の視力を取得する視力取得部と、前記使用者の視力に応じて前記仮想画像の最適再生位置を決定する位置決定部とをさらに備え、前記回折パターン生成部は、前記仮想画像のうちで前記特定領域に対応する領域が前記最適再生位置に表示されるように、前記特定補正パターンを生成するとしてもよい。

本構成によれば、視力取得部によって、使用者の視力が取得される。位置決定部によって、使用者の視力に応じて仮想画像の最適再生位置が決定される。回折パターン生成部によって、仮想画像のうちで特定領域に対応する領域が決定された最適再生位置に表示されるように、特定補正パターンが生成される。したがって、本構成により、使用者の視力に合わせた好適な画質で仮想画像の特定領域の表示を行うことが可能になる。

また、上記の表示装置において、前記回折パターン生成部は、前記特定補正パターンを生成するための特定位置を前記仮想画像のうちの前記特定領域に対応する領域が前記最適再生位置に表示されるように決定し、かつ、前記特定位置に仮想的に配置された点光源からの球面波が前記空間変調素子に入射した場合の位相から、前記特定補正パターンを生成するとしてもよい。

本構成によれば、回折パターン生成部によって、特定補正パターンを生成するための特定位置が、仮想画像のうちの特定領域に対応する領域が最適再生位置に表示されるように、決定される。また、回折パターン生成部によって、特定位置に仮想的に配置された点光源からの球面波が空間変調素子に入射した場合の位相から、特定補正パターンが生成される。したがって、本構成により、元画像の特定領域に対応する仮想画像の領域を使用者の視力に合わせた位置に配置することが可能になり、特定領域に対応する領域に表示されている情報の視認性を向上させることが可能になる。

また、上記の表示装置において、前記使用者の視線位置を検出する視線検出部をさらに備え、前記領域判定部は、前記使用者の視線位置を含む前記仮想画像の領域に対応する前記元画像の領域を前記特定領域として判定するとしてもよい。

本構成によれば、視線検出部によって、使用者の視線位置が検出される。領域判定部によって、使用者の視線位置を含む仮想画像の領域に対応する元画像の領域が特定領域として判定される。したがって、本構成により、使用者の視線位置を含む仮想画像の領域の画質を最適化することが可能になり、使用者が視認する仮想画像の画質の低下を抑制することが可能になる。

また、上記の表示装置において、前記回折パターンの位相値を量子化する量子化部をさらに備え、前記空間変調素子の各画素は、０から２πまでの間の２種類以上の特定位相値を表示可能に構成され、前記量子化部は、前記特定領域に対応する前記仮想画像の領域における量子化ノイズが減少するように、前記回折パターンの位相値を前記特定位相値に量子化するとしてもよい。

本構成によれば、量子化部によって、回折パターンの位相値が量子化される。空間変調素子の各画素は、０から２πまでの間の２種類以上の特定位相値を表示可能に構成されている。量子化部によって、特定領域に対応する仮想画像の領域における量子化ノイズが減少するように、回折パターンの位相値が特定位相値に量子化される。したがって、本構成により、強誘電性液晶素子などの特定位相値を表示できる空間変調素子を使用している場合に、回折パターンの位相値を量子化する際に発生する量子化ノイズを特定領域に対応する仮想画像の領域において抑制することが可能になる。

また、上記の表示装置において、前記量子化部は、量子化により発生する誤差を周囲の画素に拡散する誤差拡散を用いて量子化を行い、かつ、前記特定領域の前記元画像における位置に応じて、周囲の画素に誤差を配分する割合を変更することにより前記特定領域に対応する前記仮想画像の領域における量子化ノイズを低減するとしてもよい。

本構成によれば、量子化部によって、量子化により発生する誤差を周囲の画素に拡散する誤差拡散を用いて量子化が行われる。また、量子化部によって、特定領域の元画像における位置に応じて、周囲の画素に誤差を配分する割合を変更することにより特定領域に対応する仮想画像の領域における量子化ノイズが低減される。したがって、本構成により、特定領域に対応する仮想画像の領域における量子化ノイズを抑制し、特定領域に対応する領域に表示されている情報の視認性を向上させることが可能になる。

本発明に係る表示装置は、レーザ光を出力する光源と、前記レーザ光を照明光として出射する照明光学系と、元画像から回折パターンを生成する回折パターン生成部と、前記照明光により照明され、前記回折パターンを表示することで前記照明光を回折して回折光を生成し、生成した前記回折光を使用者に視認させることにより前記元画像を仮想画像として前記使用者に表示する空間変調素子とを備え、前記照明光学系は、前記空間変調素子に対する前記照明光の方向を変更する偏向素子を含み、前記偏向素子は、前記照明光の方向を、前記仮想画像の表示領域が第１設定領域となる第１方向と、前記仮想画像の表示領域が前記第１設定領域に隣接する第２設定領域となる第２方向とに変更可能に構成され、前記回折パターン生成部は、前記照明光の方向が前記第１方向の場合に、前記元画像のうち前記第１設定領域に対応する領域の画像から第１設定回折パターンを生成し、前記照明光の方向が前記第２方向の場合に、前記元画像のうち前記第２設定領域に対応する領域の画像から第２設定回折パターンを生成する。

本構成によれば、光源からレーザ光が出力される。レーザ光が照明光として照明光学系から出射される。回折パターン生成部によって、元画像から回折パターンが生成される。照明光により照明される空間変調素子によって、回折パターンが表示されることで照明光が回折されて回折光が生成される。また、空間変調素子によって、生成された回折光を使用者が視認することにより元画像が仮想画像として使用者に表示される。偏向素子によって、空間変調素子に対する照明光の方向が、仮想画像の表示領域が第１設定領域となる第１方向と、仮想画像の表示領域が第１設定領域に隣接する第２設定領域となる第２方向とに変更される。回折パターン生成部によって、照明光の方向が第１方向の場合に、元画像のうち第１設定領域に対応する領域の画像から第１設定回折パターンが生成される。また、回折パターン生成部によって、照明光の方向が第２方向の場合に、元画像のうち第２設定領域に対応する領域の画像から第２設定回折パターンが生成される。

例えば、空間変調素子の画素幅が大きいため、空間変調素子により表示可能な干渉縞のピッチが大きい場合には、回折角を大きくできない。このため、表示される仮想画像の視野角が狭くなる。しかし、本構成では、第１設定領域から第２設定領域にまたがって仮想画像を表示することができる。このため、本構成により、画素幅が大きい空間変調素子を使用する場合においても、表示される仮想画像の視野角を広くすることが可能になる。

本発明の表示装置によれば、使用者に表示する仮想画像の視野角を広くすることが可能なＣＧＨ方式の表示装置を提供することが可能になる。

実施の形態１における表示装置の機能ブロックの例を示す図実施の形態１における表示装置の構成図実施の形態１における表示装置の別の構成図実施の形態１における眼球等の位置関係の説明図実施の形態１における眼球等の位置関係の説明図実施の形態１における動作を示すフローチャート視力と再生像距離の関係を表す換算テーブルの例を示す図特定領域の位置が異なる元画像の例を示す図視力による補正パターンの違いの例を示す図特定領域の位置の違いによる補正パターンの違いの例を示す図実施の形態１における表示装置の機能ブロックの別の例を示す図実施の形態２における表示装置の機能ブロックの例を示す図実施の形態２における動作を示すフローチャート回折パターンの量子化方法の違いによるノイズの発生の違いの例を示す図ノイズを制御するための拡散係数を管理するテーブルの例を示す図実施の形態３における表示装置の機能ブロックの例を示す図実施の形態３における表示装置の構成図空間変調素子からの回折光の例を示す図回折光による仮想画像の表示領域の例を示す図（ａ）、（ｂ）は、実施の形態３における回折光の透過及び遮蔽の例を示す図実施の形態３における動作を示すフローチャート図１７の表示装置と異なる構成の表示装置を示す図図１７の表示装置とさらに異なる構成の表示装置を示す図図２３の表示装置に設けられた反射ミラーの形状例を示す図（ａ）、（ｂ）は、空間変調素子からの回折光を集光させることによる効果を説明する図（ａ）は、回折光による仮想画像の表示領域の別の例を示す図、（ｂ）は、遮蔽部の部分領域の別の例を示す図実施の形態４における表示装置の機能ブロックの例を示す図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、実施の形態４における照明光学系の構成及び動作を示す図実施の形態４における仮想画像の表示領域を示す図実施の形態４における動作を示すフローチャート実施の形態１，３を組み合わせた実施形態の表示装置の機能ブロックの例を示す図実施の形態１，３，４を組み合わせた実施形態の表示装置の機能ブロックの例を示す図実施の形態３，４を組み合わせた実施形態の表示装置の機能ブロックの例を示す図元画像と回折パターンとの例を示す図元画像と液晶パネルとの位置関係の例を示す図回折パターンの補正の例を示す図誤差拡散の際に用いられる誤差拡散係数の例を示す図量子化の際に誤差拡散を行った回折パターン及び誤差拡散を行わない回折パターンの例を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における頭部装着型の表示装置（ＨＭＤ）１の機能ブロック図である。図２は、図１に示される表示装置１の構成を模式的に示す図である。実施の形態１の表示装置１は、図２に示されるように、メガネ型形状をしており、図２は上方から見た図である。以下、図１、図２を用いて、実施の形態１における表示装置１の構成が説明される。

光源１０１は、レーザ光を出力するレーザ光源である。実施の形態１では、光源１０１として、緑色波長のレーザ光を出力する半導体レーザ（レーザダイオード）を用いる。なお、光源１０１は、赤色や青色の単色を用いてもよいし、赤緑青の３色を合波してカラー表示としてもよいし、赤緑青の３色を時分割駆動してカラー表示としてもよい。また、光源１０１は、半導体レーザ以外のレーザを用いてもよいし、半導体レーザと他のレーザとの組合せでもよい。また、光源１０１は、赤外光の半導体レーザと、赤外光を緑色光に変換する第２次高調波発生（ＳＨＧ）素子の組合せでもよい。

照明光学系１０２は、光源１０１からのレーザ光を、例えば波面形状や強度分布を変更した照明光として出射する。実施の形態１では照明光学系１０２として、拡散光のレーザ光を収束光へ変換する凸レンズと、レーザ光の強度を減衰させる減光フィルタ（ＮＤフィルタ）とを用いる。なお、照明光の波面形状を変える素子は、レンズでもよいしミラーでもよいし、液晶レンズのように動的に変更できる素子でもよい。また、照明光学系１０２は、強度分布を変更する光学系を含んでもよい。また、照明光学系１０２は、不要照明光の除去フィルタを含んでもよい。

空間変調素子１０３は、回折パターンを表示することによって、照明光学系１０２からの照明光を回折させ、ユーザが表示像を視認することを可能にする。実施の形態１では空間変調素子１０３として、位相変調型の反射型液晶パネルを用いる。なお、空間変調素子１０３は、回折パターンを表示することで照明光を回折できれば、別の表示素子でもよい。空間変調素子１０３として、例えば透過型パネルを用いても良い。この場合、光源１０１などを眼鏡の耳側に配置するなどの光学系のレイアウトを変更することなどが可能になる。

反射ミラー１０４は、空間変調素子１０３からの回折光をユーザの眼球１９０の方向へ反射させる。実施の形態１では反射ミラー１０４として、半透過フレネルミラーを用いる。フレネルレンズに薄い金属膜を蒸着させることで半透過フレネルミラーとし、フロント部１１２のレンズ部１１３に接着剤で接着している。フレネルミラーと接着剤の屈折率を近づけることで、透過光が直進するようにし、レンズ部１１３を通して見える外界が歪まないようにしている。なお、反射ミラー１０４を用いずに、空間変調素子１０３をユーザが直接見るＨＭＤとしてもよい。なお、反射ミラー１０４は、レンズ型でもよいし、ホログラム等の回折格子で実現してもよい。ホログラムで反射ミラー１０４を構成することで、より薄型で透過率の高いシースルーディスプレイを構成することが可能になる。

眼球１９０は、実施の形態１の表示装置１の眼球想定位置にある眼球を図示している。眼球想定位置は、ユーザが表示装置１を装着している際の眼球位置として想定される位置を意味する。実施の形態１では、眼球想定位置は、ユーザが表示装置１を装着している際の眼球１９０の瞳孔１９１の瞳孔中心１９３としている。反射ミラー１０４で反射された回折光は、眼球想定位置に位置する眼球１９０の瞳孔１９１を経由して、網膜に像を結像し、ユーザに画像を表示する。図２における眼球中心１９２は、眼球１９０の中心位置であり、眼球１９０の回転中心でもある。眼球想定位置は、瞳孔中心１９３から多少ずれても構わない。また、眼球想定位置は、瞳孔中心１９３に代えて、眼球中心１９２としてもよい。

なお、ユーザが図２に示される表示装置１を頭部に装着すると（つまりテンプル部１１１を耳に掛けると）、空間変調素子１０３と眼球想定位置との位置関係は固定される。なお、頭部に対する眼球１９０の位置のユーザによる個人差や、表示装置１の装着ずれを考慮して、眼球想定位置に許容誤差を設けてもよく、眼球想定位置を調整する機能を有するようにしてもよい。

制御部１０５は、光源１０１を駆動し、回折パターンを空間変調素子１０３に表示させる。制御部１０５は、光源１０１を点灯消灯させ、眼球に適切な光量が入射するように、光源１０１が出力するレーザ光の強度を調整する。なお、制御部１０５は、３色のレーザ光源を時分割駆動し、３色それぞれに対応した回折パターンを光源１０１に同期させて空間変調素子１０３に表示することで、カラー表示を行ってもよい。また、制御部１０５は、バッテリー１０６の制御を行ってもよいし、照明光学系１０２や反射ミラー１０４が制御可能な場合は制御してもよい。

また、本実施の形態１において、制御部１０５は、ＣＰＵ１１及びメモリ１２を含み、表示される仮想画像の内容などに応じた回折パターンの生成制御などを行う。ＣＰＵ１１は、機能ブロックとして、視力取得部９０１、距離決定部９０２、画像管理部９０３、領域判定部９０４、回折パターン生成部９０５、表示制御部９０６を含む。メモリ１２には、プログラムが保存されている。また、メモリ１２には、データなどが一時的に保存される。ＣＰＵ１１は、メモリ１２に保存されているプログラムを実行することによって、上記各機能ブロックとして動作する。図１の各機能ブロックの機能については、後述する。

バッテリー１０６は、制御部１０５や空間変調素子１０３など、表示装置１の各部へ電源を供給する。実施の形態１のバッテリー１０６は充電式であり、ユーザの表示装置１の非装着時に充電される。バッテリー１０６は、テンプル部１１１の耳側の後端近くに配置されることで、全体の重量バランスを耳側に近づけ、フロント部１１２のずり落ちを軽減できる効果もある。なお、バッテリー１０６は充電式でなくてもよく、表示装置１の使用中に電源供給されてもよい。また、外部から表示装置１に電源供給されてもよいし、発電部を表示装置１が有してもよい。

図２のメガネ形状の表示装置１は、側頭部のテンプル部１１１と、眼前のフロント部１１２から成る。テンプル部１１１には光源１０１、照明光学系１０２、空間変調素子１０３、制御部１０５、バッテリー１０６が配置される。テンプル部１１１には出射窓１１４が設けられ、空間変調素子１０３からの回折光が反射ミラー１０４へと出射されるようになっている。

フロント部１１２はレンズ部１１３を含み、レンズ部１１３の一部（表面または内部）に、反射ミラー１０４が配置されている。なお、実施の形態１の反射ミラー１０４は表示光を反射しつつ、外景を透過させるが、外景を透過させない構成としてもよい。また、フロント部１１２とテンプル部１１１は、携帯性を向上させるために、折れ曲がるようにしてもよい。この場合、折れ曲がる位置はテンプル部１１１の端でもよいし、空間変調素子１０３より耳側でもよい。レンズ部１１３は、通常のメガネレンズと同様に、近視用の度数が入ったレンズでもよいし、遠視や乱視を補正するレンズでもよい。また、レンズ部１１３は、サングラスのように、透過率を下げる機能を有してもよく、偏光機能を有してもよい。また、レンズ部１１３は、不要光の反射を防止してもよく、汚れを防止する機能を有する膜を含んでもよい。

なお、図２では、片目（具体的には右目）についてのみ、仮想画像を表示する構成としているが、図３に示されるように、左右の目の両方に仮想画像を表示する形態としても良い。

図３は、左右の目の両方に仮想画像を表示する表示装置１ａの構成を模式的に示す図である。図３の表示装置１ａでは、左目部分についても右目部分と同様の構成要素が配置されている。表示装置１ａの左目部分の各構成要素には、右目部分の対応する構成要素の符号に添え字「ａ」を添えた対応する符号が付されている。左目部分の各構成要素は、右目部分の対応する各構成要素と同じ機能を有する。なお、左目部分と右目部分とで全ての構成要素を備えなくても良い。例えば、制御部１０５は右目部分にのみ配置し、左目部分には制御部１０５ａを配置せずに、右目部分の制御部１０５によって、右目と左目の両方の表示を同時に制御しても良い。この場合、表示装置１ａの部品数を低減し、コストや重量を削減する効果がある。

図２に符号１２１で示される距離は、ユーザの眼球想定位置（この実施形態では、上述のように瞳孔中心１９３）から反射ミラー１０４までの距離を示す。図２に符号１２２で示される距離は、反射ミラー１０４から空間変調素子１０３までの距離を示す。また本明細書では距離１２１と距離１２２の和を、眼球想定位置から空間変調素子１０３までの距離（あるいは光軸距離）と称す。

図４および図５は、眼球１９０、反射ミラー１０４、空間変調素子１０３、及び回折パターンによる再生像（仮想画像）等の位置関係の説明図である。

図４に示すように、眼球１９０、反射ミラー１０４、空間変調素子１０３が配置されている。反射ミラー１０４の光学倍率が１である場合、空間変調素子１０３の虚像２０２は図４に示した位置にある。眼球１９０の瞳孔中心１９３（図２）から虚像２０２までの距離は、眼球１９０の瞳孔中心１９３（図２）から反射ミラー１０４までの距離１２１（図２）と、反射ミラー１０４から空間変調素子１０３までの距離１２２（図２）との和である「空間変調素子１０３までの距離２１０」に等しい。なお、図４の例では、空間変調素子１０３が光軸２２０に対して斜めに配置してあるが、この場合の距離は、空間変調素子１０３の中央の点を基準とした距離である。なお、中央以外の点を基準として用いてもよい。

また、図５に示すように、反射ミラー１０４の光学倍率が１より大きい場合は、空間変調素子１０３の虚像３０２は図５に示した位置にある。眼球１９０の瞳孔中心１９３（図２）から空間変調素子１０３の虚像３０２までの距離３１０は、前記「空間変調素子１０３までの距離２１０」よりも遠くなり、虚像３０２は虚像２０２に比べて大きくなる。

空間変調素子１０３に、回折パターン（例えば、図３４に示される回折パターン４０２）を表示することにより、図４、図５の仮想画像２０１、３０１（例えば、図３４に示される元画像（仮想画像）４０１）をユーザは視認することができる。ここで、仮想画像までの距離２１１、３１１は、回折パターンの算出で変えることができる。そのためユーザの視力に合わせて眼球１９０から仮想画像までの距離を適切に調節することなどが可能になる。

なお、本実施の形態で示した表示装置１の各部の機能の一部が、表示装置１の本体とは別の装置で実現されていてもよい。また、表示装置１に本実施の形態で示さなかった機能が搭載されていてもよい。表示装置１の本体と、表示装置１の本体とは別の携帯端末とで、機能を分担してもよい。また、表示装置１の本体とネットワークサーバとで機能を分担してもよい。また、本実施の形態のように、回折パターンの計算を、表示装置１の制御部１０５で行ってもよい。あるいは、外部の装置で求めた回折パターンを表示装置１が取得してもよい。あるいはまた、外部の装置で回折パターンの計算の一部を行い、表示装置１で計算の残りを行ってもよい。また、本実施の形態において、光源１０１が外部の装置に設けられ、光ファイバで光源１０１から出力された光を伝送してもよい。また、バッテリー１０６が外部の装置に設けられ、電源コードが表示装置１に接続されていてもよい。また、表示装置１は、他の機能として、カメラ、角速度や温度やＧＰＳなど各種センサ、スイッチなどの入力デバイス、スピーカー等の出力デバイスを含んでもよい。なお、後述の実施の形態にも、上述の変形を適用してもよい。

このように、図１及び図２に示されるＣＧＨ方式による表示装置１を用いて、空間変調素子１０３に回折パターンを表示することで、照明光学系１０２などを大型化させることなく、ユーザの眼球１９０から遠い位置に仮想画像を生成することが可能になる。

図６は、実施の形態１における動作を示すフローチャートである。以下、図１、図６を用いて、本実施の形態１において、表示内容に応じた回折パターンの生成を行う例が説明される。本実施の形態１において、制御部１０５は、図６に示されるステップＳ１００１〜Ｓ１００６の処理を行うことで、回折パターンの生成および表示の制御を行う。

＜ステップＳ１００１＞（ユーザ視力判定）
本ステップＳ１００１では、制御部１０５に含まれる視力取得部９０１が、表示装置１を使用するユーザの視力に関する情報を取得する。本実施の形態１においては、視力取得部９０１は、ユーザの視力に関する情報を記憶する記憶部９０１１を保持している。本ステップＳ１００１では、視力取得部９０１は、記憶部９０１１から取り出したユーザの視力に関する情報を距離決定部９０２に対して通知する。

なお、視力取得部９０１の記憶部９０１１に対してユーザの視力を記憶させる構成は、特定の構成に限定する必要はない。例えば表示装置１に情報入力のための入力部を設け、それを用いて視力情報を入力するようにしても良い。この場合、ユーザが簡単に視力情報を変更することなどが可能になる。また、外部機器や、ＳＤカードなどの情報記録装置を介して、視力取得部９０１の記憶部９０１１にユーザの視力情報を保存する構成を用いても良い。

なお、視力取得部９０１の記憶部９０１１は、本実施の形態１のように制御部１０５の内部に設けてもよい。代替的に、記憶部９０１１は、例えば制御部１０５と通信可能な別の装置に存在していても良い。

＜ステップＳ１００２＞（再生像距離決定）
図７は、換算テーブル９０２１の例を示す図である。本ステップＳ１００２では、制御部１０５に含まれる距離決定部９０２が、前ステップＳ１００１において視力取得部９０１から取得したユーザの視力に関する情報から、表示装置１で表示する再生像（仮想画像）の距離（ユーザの眼球から再生像までの距離）を決定する。距離決定部９０２は、決定した仮想画像の距離（最適再生位置の一例に相当）を回折パターン生成部９０５に通知する。

本実施の形態１においては、距離決定部９０２は、ユーザの視力から再生像の距離を決定するための換算テーブル９０２１を有する。換算テーブル９０２１は、図７に示されるように、視力と再生像距離との関係を表す。距離決定部９０２は、換算テーブル９０２１を用いることで、再生像の距離を決定する。

なお、本実施の形態１では、距離決定部９０２は、ユーザの視力に関する数値から再生像の距離を決定する換算テーブル９０２１を用いている。代替的に、距離決定部９０２は、別の情報を用いて再生像の距離を決定しても良い。例えば、距離決定部９０２は、ユーザの老眼に関する情報などを加えて再生像の距離を決定しても良い。この場合、老眼の強いユーザに対して再生像を近づけすぎることを防止することが可能になる。

なお、再生像の距離の決定に際しては、距離決定部９０２は、例えばユーザの視力を入力とする関数を用いるなど、換算テーブル９０２１を用いる方法以外の方法を用いても良い。例えば、距離決定部９０２は、視力１．０の際の再生像の距離を基準距離として保持しておき、ユーザの視力の値を基準距離に掛け合わせることで、再生像の距離を決定しても良い。この場合、換算テーブル９０２１を保持する必要が無いため、記憶容量などを削減することが可能になる。

＜ステップＳ１００３＞（特定領域判定）
本ステップＳ１００３では、制御部１０５に含まれる領域判定部９０４が、ユーザに表示する画像のうち、画質を最適化するべき特定領域の判定を行う。

本実施の形態１において、画像管理部９０３は、ユーザに表示する画像を管理する。画像管理部９０３は、例えば図３４に示される元画像４０１をユーザに表示する画像として保持する。領域判定部９０４は、画像管理部９０３からユーザに表示する画像を取得する。領域判定部９０４は、画質を向上させるべき領域を特定領域として判定する。領域判定部９０４は、判定した特定領域の位置に関する情報を回折パターン生成部９０５に通知する。本実施の形態１では、領域判定部９０４は、表示画面において画像が表示されている領域（画像のピクセル値が０でない領域）を、特定領域として判定する。この例を図８に示す。

図８は、特定領域の位置が異なる元画像の例を示す図である。元画像１２０１は、表示画面の中央にのみ画像情報１２０３がある場合の例である。元画像１２０１の場合、領域判定部９０４は、表示画面の中央領域１２０４を特定領域として判定する。また、元画像１２０２は、表示画面の右側にのみ画像情報１２０３がある場合の例である。元画像１２０２の場合、領域判定部９０４は、表示画面の中央右領域１２０５を特定領域として判定する。

なお、領域判定部９０４は、画像が表示されている領域を判定する方法としては、ピクセル値から判定するのではなく、画像解析などの手法を用いても良い。例えば、領域判定部９０４は、画像中からメールアイコンや文字情報などを抽出し、それらが表示されている領域を特定領域として判定する方法を用いても良い。この場合、領域判定部９０４は、表示画面全体に画像が表示されている場合（画像のピクセル値が０である領域がない場合）においても、特定領域を判定することが可能になる。

また、領域判定部９０４は、情報の種類による優先度を領域判定部９０４に保持しておき、それを用いて特定領域の判定を行なっても良い。例えば、領域判定部９０４は、特定の画像情報（メールアイコンや、危険に対する注意喚起のためのアイコンなど）毎に優先度を保持しておき、それを用いて特定領域の判定を行なっても良い。この場合、領域判定部９０４は、複数の情報が表示画面内に表示されている場合においても、より優先度の高い情報が表示されている領域を特定領域として判定することができる。その結果、特定領域に対応する仮想画像の領域の画質を最適化してユーザに表示することが可能になる。

また、領域判定部９０４は、画像解析以外の手法を用いて特定領域を判定してもよい。例えば、画像管理部９０３は、画像に付加されているメタデータなどに特定領域に関する情報を埋め込んでおき、領域判定部９０４は、その情報を用いて特定領域を判定しても良い。この場合、領域判定部９０４は、画像解析などを行う必要がなくなる。このため、領域判定のための処理のコストを低減することが可能になる。

なお、ユーザに表示する画像は、特定の形式に限定する必要はなく、静止画像でも良いし、動画像でもよい。また、ユーザに表示する画像は、テキストなどの文字情報であってもよい。

なお、特定領域の判定結果は、特定の形式で表すことに限定する必要はなく、任意の形式で表しても良い。本実施の形態１では、図８に示されるように、表示画面を９つに分割し、「右上領域」、「中央右領域」、「中央領域」などのように画質を最適化するべき特定領域を、９つの中から選択する方法を例示している。代替的に、例えば画質を最適化すべき特定領域を表示画面内の座標値で表現しても良い。この場合、より詳細に画質を最適化する範囲を指定することが可能になる。

＜ステップＳ１００４＞（補正パターン生成）
本ステップＳ１００４では、回折パターン生成部９０５が、距離決定部９０２から取得した距離情報と、領域判定部９０４から取得した特定領域情報とを用いて、回折パターンに重畳する補正パターンの生成を行う。

本実施の形態１では、回折パターン生成部９０５は、補正パターンを生成するための特定位置αを後述する手順により決定する。回折パターン生成部９０５は、特定位置αに仮想的に配置された点光源から空間変調素子１０３へ向かう球面波が空間変調素子１０３に入射した場合の位相を補正パターンとして計算する。特定位置αの座標を（ｘｉ、ｙｉ、ｚｉ）とした時、空間変調素子１０３上の点ｕ（ξ、η、０）への球面波の波面（位相）は、式（１）、式（２）で求めることができる。このため、回折パターン生成部９０５は、空間変調素子１０３上の各点に対して式（１）、式（２）の計算を行うことで補正パターンの生成を行うことができる。

回折パターン生成部９０５は、特定位置αの座標ｚｉを、距離決定部９０２から取得した距離情報によって決定する。本実施の形態１では、回折パターン生成部９０５は、距離決定部９０２からの距離情報をそのまま座標ｚｉの値として使用する。また、回折パターン生成部９０５は、特定位置αの座標ｘｉ、ｙｉの値を、領域判定部９０４から取得した特定領域の位置によって決定する。

本実施の形態１では、回折パターン生成部９０５は、特定領域の位置毎に、座標ｘｉ、ｙｉの値をテーブルとして保持している。回折パターン生成部９０５は、領域判定部９０４から取得した特定領域の位置に応じて、座標ｘｉ、ｙｉの値を決定する。例えば、特定領域が中央領域である場合には、座標ｘｉ、ｙｉの値は０となるように、回折パターン生成部９０５のテーブルを作成しておけばよい。これによって、表示画面の中心がユーザの視力に合わせた画質となるように、補正パターンを生成することが可能になる。

なお、回折パターン生成部９０５は、座標ｘｉ、ｙｉの決定方法として、テーブルを用いる方法以外の方法を用いても良い。例えば、領域判定部９０４からの特定領域に関する情報が座標値である場合には、特定領域の中心の座標値を座標ｘｉ、ｙｉの値として使用するようにしても良い。この場合、回折パターン生成部９０５は、テーブルを用いる必要がなくなる。このためテーブル保持のコストなどを削減することが可能になる。

図９は、視力（表示距離）による補正パターンの違いの例を示す図である。補正パターン１３０１は、座標ｚｉの値が小さく、空間変調素子１０３から近い位置に再生像を形成するための補正パターンの例を示す。補正パターン１３０２は、座標ｚｉの値が大きく、空間変調素子１０３から遠い位置に再生像を形成するための補正パターンの例を示す。

図１０は、特定領域の位置の違いによる補正パターンの違いの例を示す図である。補正パターン１４０１は、表示画面の中心領域（図８の中央領域１２０４）が特定領域である場合の例である。補正パターン１４０２は、表示画面の中央右領域（図８の中央右領域１２０５）が特定領域である場合の例である。補正パターン１４０３は、表示画面の右上領域（図８の領域１２０６）が特定領域である場合の補正パターンの例である。

本実施の形態１では、回折パターン生成部９０５は、図９に示されるようにユーザの視力に応じて補正パターンを変化させ、かつ、図１０に示されるように表示画面内の特定領域の位置に応じて補正パターンを変化させる。これによって、表示画面内で、ユーザの視力と一致することによりユーザにとって画質が向上する仮想画像の領域を制御することが可能になる。

なお、本実施の形態１では、回折パターン生成部９０５が補正パターンを逐次生成する構成を例示しているが、他の構成を採用しても良い。例えば、回折パターン生成部９０５は、あらかじめ生成した補正パターンを保存しておき、再生像（仮想画像）の距離や特定領域の位置に応じて、保存してある補正パターンを読み出すようにしても良い。この場合、補正パターン生成のための計算コストを抑制することが可能になる。

なお、本実施の形態１では、特定位置αが単一の位置である場合を例示している。代替的に、回折パターン生成部９０５は、複数の特定位置を用いて、各特定位置に仮想的に配置された各点光源からの球面波の波面の位相を重ね合わせることで、補正パターンの計算を行っても良い。この場合、複数の特定領域に対応する仮想画像の複数の領域の画質を向上させることが可能になる。

また、回折パターン生成部９０５は、特定位置αに仮想的に配置された点光源からの波面を球面波以外の波面として補正パターンを計算しても良い。回折パターン生成部９０５は、例えば、反射ミラー１０４での収差を補正するための位相パターンを補正パターンとして使用しても良い。あるいは、回折パターン生成部９０５は、例えば、ユーザの乱視を補正するための位相パターンを補正パターンとして使用しても良い。あるいはまた、回折パターン生成部９０５は、例えば、特定位置αに仮想的に配置された点光源からの球面波と、反射ミラー１０４の収差補正のための位相パターンとを重畳することで、補正パターンを生成してもよい。この場合、ユーザの視力または特定領域の位置に適切な位置に、反射ミラー１０４の収差を補正した仮想画像を表示できる。このため、より適切に画質を向上させることが可能になる。

＜ステップＳ１００５＞（回折パターン生成）
本ステップＳ１００５では、回折パターン生成部９０５が、ユーザに表示する画像から基本回折パターンを生成し、前ステップＳ１００４で生成した補正パターンを基本回折パターンに重畳することで、空間変調素子１０３での表示に使用する回折パターンの生成を行う。

本実施の形態１では、回折パターン生成部９０５は、画像管理部９０３からユーザに表示する画像（例えば図３４に示される元画像４０１）を取得する。また、回折パターン生成部９０５は、取得した画像の各画素に対して０から２πまでのランダムな位相値を加算した後に、逆フーリエ変換を行うことで、基本回折パターンの生成を行う。その後、回折パターン生成部９０５は、生成した基本回折パターンに、前ステップＳ１００４で生成した補正パターンを重畳することで、空間変調素子１０３に表示する合成回折パターンの生成を行う。

図３６に示される、回折パターン６０１が基本回折パターンの例であり、回折パターン６０２が補正パターンの例であり、回折パターン６０３が補正後の合成回折パターンの例である。図３６に示されるように、基本回折パターンに補正パターンを重畳することで、回折パターンを変化させることが可能になる。

なお、空間変調素子１０３が特定の位相値のみを表示できる場合は、回折パターン生成部９０５は、複素数値である回折パターンの量子化処理を行う。例えば、空間変調素子１０３が０もしくはπの二個の位相値（特定位相値）のみを表示できる場合、回折パターン生成部９０５は、生成した回折パターンの各画素の位相値が、０もしくはπのいずれに近いかを判定し、近い方の位相値への量子化を行う。なお、回折パターン生成部９０５は、量子化後の０とπの位相の数が一致するように量子化を行うことで、０次回折光の発生を抑制することができる。

なお、回折パターン生成部９０５は、空間変調素子１０３の特性に応じて二値より多い値に量子化をおこなっても良い。例えば、空間変調素子１０３が、０，２／３π，４／３πの三個の位相値（特定位相値）のみを表示できる場合には、回折パターン生成部９０５は、生成した回折パターンの各画素の位相値が、０もしくは２／３πもしくは４／３πのいずれに近いかを判定し、最も近い位相値への量子化を行う。このように三値に量子化する場合、二値に量子化する場合に比べて、量子化ノイズの発生を抑制することが可能になる。

なお、回折パターン生成部９０５は、基本回折パターンの生成には、逆フーリエ変換以外の方法を用いても良い。また、画像管理部９０３から取得した画像に回折パターン生成部９０５が加算する位相値はランダムなものでなくてもよい。回折パターン生成部９０５は、例えば隣り合う画素同士の位相が９０度異なるように、加算する位相値を調節しても良い。この構成によれば、光源１０１としてレーザ光源を使用している場合に、隣り合う画素同士の干渉を抑制し、スペックルノイズの発生を抑制することが可能になる。

回折パターン生成部９０５は、生成した回折パターンを表示制御部９０６に通知する。

＜ステップＳ１００６＞（表示制御）
本ステップＳ１００６では、表示制御部９０６が、前ステップＳ１００５で回折パターン生成部９０５が生成した回折パターンを空間変調素子１０３に表示する処理を行う。

本実施の形態１では、表示制御部９０６は、反射型液晶パネルである空間変調素子１０３が回折パターンの位相値を表現できるように、空間変調素子１０３の変調量を制御する。また、表示制御部９０６は、空間変調素子１０３が表示する回折パターンの波長に対応するように光源１０１の出力の制御を行う。すなわち、空間変調素子１０３が表示する回折パターンは、波長依存性を有する。したがって、光源１０１が赤緑青の３色を出力する場合には、表示制御部９０６は、光源１０１から出力される色に応じて、光源１０１の出力を適切な値に制御する。ステップＳ１００６によって、ユーザに対して、回折パターンを表示する空間変調素子１０３からの回折光による再生像（仮想画像）の表示が実現される。

上記のステップＳ１００１〜Ｓ１００６の処理を行うことにより、本実施の形態１によれば、フーリエ変換に基づく計算コストで、ユーザの視力に合わせた位置に、再生像（仮想画像）を表示することが可能になる。また、本実施の形態１によれば、再生像（仮想画像）の内容（例えば特定領域の位置）に応じて、特定領域に対応する仮想画像の領域の画質が向上する。このため、ユーザにとって視認性の良い仮想画像の表示を実現することが可能になる。本実施形態において、距離決定部９０２が位置決定部の一例に相当する。

なお、領域判定部９０４は、特定領域を判定するために、画像の情報を用いているが、画像以外の情報を用いてもよい。この例を図１１に示す。

図１１は、表示装置１Ａの機能ブロック図である。表示装置１Ａは、図１に示される表示装置１において、制御部１０５に代えて制御部１０５Ａを備え、さらに視線検出部１０７を備える。制御部１０５Ａは、ＣＰＵ１１Ａ及びメモリ１２Ａを含む。ＣＰＵ１１Ａは、機能ブロックとして、図１に示されるＣＰＵ１１において、領域判定部９０４に代えて領域判定部９０４Ａを備える。ＣＰＵ１１Ａは、メモリ１２Ａに保存されているプログラムを実行することによって、図１１に示される各機能ブロックとして動作する。

視線検出部１０７は、例えばＣＣＤカメラなどを含み、ユーザの視線位置を検出するための装置である。領域判定部９０４Ａは、ユーザの視線位置にある領域の画質が最適化されるように、ユーザの視線位置を含む領域を特定領域として判定する。図１１の構成の場合、ユーザの中心視野の画像の品質を最適化することができる。

また、さらに代替的に、領域判定部９０４は、ユーザの視線ではなく、周辺環境に応じて画像を最適化する領域（特定領域）を判定しても良い。例えば、現実世界と画像管理部９０３の画像を重畳表示するＡＲ（拡張現実：ＡｕｇｍｅｎｔｅｄＲｅａｌｉｔｙ）表示を行う場合には、表示装置１がカメラを備え、外界の表示対象物（例えば看板や標識など）に応じて、領域判定部９０４は、画質を最適化する領域（特定領域）を判定してもよい。この場合、より画質の高いＡＲ表示を行うことが可能になる。

（実施の形態２）
本実施の形態２では、仮想画像の表示の際に発生するノイズを表示内容に応じて抑制する制御について例示する。実施の形態２において、実施の形態１と同一または類似の構成に、同一または類似の符号が付されている。

図１２は、実施の形態２における表示装置１Ｂの機能ブロック図である。本実施の形態２における頭部装着型の表示装置（ＨＭＤ）１Ｂの構成は図２に示される実施の形態１と同様であるため説明を省略する。図１２における各機能ブロックの機能については後述される。

表示装置１Ｂは、図１に示される表示装置１において、空間変調素子１０３に代えて空間変調素子１０３Ｂを備え、制御部１０５に代えて制御部１０５Ｂを備える。制御部１０５Ｂは、ＣＰＵ１１Ｂ及びメモリ１２Ｂを含む。ＣＰＵ１１Ｂは、機能ブロックとして、画像管理部９０３、領域判定部９０４、回折パターン生成部９０５Ｂ、表示制御部９０６、量子化部９０７を含む。ＣＰＵ１１Ｂは、メモリ１２Ｂに保存されているプログラムを実行することによって、上記各機能ブロックとして動作する。

本実施の形態２の空間変調素子１０３Ｂは、二個以上の特定の位相値のみが表示可能に構成されている。本実施の形態２の空間変調素子１０３Ｂは、例えば０もしくはπの二個の位相値（特定位相値）のみが表示可能な強誘電性液晶により構成されていてもよい。あるいは、本実施の形態２の空間変調素子１０３Ｂは、０，２／３π，４／３πの三個の位相値（特定位相値）のみが表示可能に構成されていてもよい。

本実施の形態２においては、制御部１０５Ｂは、ユーザに対して表示する画像の内容に応じて、回折パターンの位相値を特定の位相値に量子化する際に生じる量子化ノイズが発生する場所を変更する処理を行う。以下、具体的な手順について詳述する。

図１３は、実施の形態２における動作を示すフローチャートである。本実施の形態２においては、制御部１０５Ｂは、図１３のステップＳ１１０１〜Ｓ１１０４の処理を行うことで、量子化ノイズの発生場所を変更する。

＜ステップＳ１１０１＞（特定領域判定）
本ステップＳ１１０１では制御部１０５Ｂに含まれる領域判定部９０４が、ユーザに表示する画像のうち、画質を最適化するべき特定領域の判定を行う。

本実施の形態２において、領域判定部９０４は、ユーザに表示する画像を管理する画像管理部９０３から表示像を取得する。本実施の形態２では、領域判定部９０４は、画像が表示されている領域（画像のピクセル値が０でない領域）を特定領域として判定する。この処理は、実施の形態１と同様であるため詳述は省略する。

なお、領域判定部９０４は、画像が表示されている領域を判定する方法としては、ピクセル値から判定するのではなく、画像解析などの手法を用いても良い。また、領域判定部９０４は、情報の種類による優先度を領域判定部９０４に保持しておき、それを用いて特定領域の判定を行なっても良い。また、領域判定部９０４は、画像解析以外の手法を用いて特定領域を判定してもよい。例えば、画像管理部９０３は、画像に付加されているメタデータなどに特定領域に関する情報を埋め込んでおき、領域判定部９０４は、その情報を用いて特定領域を判定しても良い。

なお、特定領域の判定結果は、特定の形式で表すことに限定する必要はなく、任意の形式で表しても良い。上記実施の形態１では、図８に示されるように、表示画面を９つに分割し、「右上領域」、「中央右領域」、「右下領域」、「中央上領域」、「中央領域」、「中央下領域」、「左上領域」、「中央左領域」、「左下領域」などのように画質を最適化するべき特定領域を、９つの中から選択する方法を例示している。代替的に、例えば画質を最適化すべき特定領域を表示画面内の座標値で表現しても良い。この場合、より詳細に画質を最適化する範囲を指定することが可能になる。

なお、領域判定部９０４は、特定領域を判定するために、実施の形態１と同様に、画像以外の情報を用いても良い。例えば、図１１に示されるように、表示装置１Ｂがユーザの視線位置を検出するための視線検出部１０７を備え、領域判定部９０４は、ユーザの視線位置にある画像の画質が最適化するように、ユーザの視線位置の領域を特定領域として判定しても良い。また、さらに代替的に、領域判定部９０４は、ユーザの視線ではなく、周辺環境に応じて画像を最適化する領域（特定領域）を判定しても良い。

領域判定部９０４は、判定した特定領域の情報を量子化部９０７に通知する。

＜ステップＳ１１０２＞（回折パターン生成）
本ステップＳ１１０２では、回折パターン生成部９０５Ｂが、画像管理部９０３から取得した画像から回折パターンの生成を行う。

本実施の形態２では、回折パターン生成部９０５Ｂは、画像管理部９０３からユーザに表示する画像を取得し、画像の各画素に対して０から２πまでのランダムな位相値を加算した後に、逆フーリエ変換を行うことで、基本回折パターンの生成を行う。

回折パターン生成部９０５Ｂは、生成した基本回折パターンを量子化部９０７に通知する。

なお、本実施の形態２では、回折パターン生成部９０５Ｂは、画像を逆フーリエ変換することにより回折パターンを生成している。しかし、回折パターン生成部９０５Ｂは、別の方法で回折パターンを生成しても良い。回折パターン生成部９０５Ｂは、例えば、実施の形態１と同様に、ユーザの視力や画像の特定領域の情報から選択した補正パターンと、画像を逆フーリエ変換した基本回折パターンとを重畳することで、回折パターンを生成しても良い。この場合、ノイズ抑制だけでなく、ユーザの視力や特定領域の位置に応じた補正を同時に行うことで、さらに画質を向上させることが可能になる。また、回折パターン生成部９０５Ｂは、例えば、元画像に対して点充填法などを用いて回折パターンを計算しても良い。この場合、より立体感のある画像をユーザに提示することが可能になる。

＜ステップＳ１１０３＞（位相量子化）
本ステップＳ１１０３では、量子化部９０７が、領域判定部９０４から取得した画像の特定領域の情報を用いて、回折パターン生成部９０５Ｂから取得した基本回折パターンに対する量子化処理を行う。

前述のように、空間変調素子１０３Ｂが特定の位相値のみを表示できる場合は、０から２πまでの位相値を持つ回折パターンの各画素に対して空間変調素子１０３Ｂが表示可能な位相値への量子化処理が必要になる。この際、元々の画像の画素が有する位相値と、量子化後の位相値の差によって、ユーザに表示される再生像に量子化ノイズと呼ばれるノイズが発生する。前述したように、図３７に示すような誤差拡散係数を用いて、ある画素で発生した誤差を周辺の画素へと伝搬させることで、発生する量子化ノイズを特定の位置に集中させることが可能になる。

図１４は、回折パターンの量子化方法の違いによる量子化ノイズの発生の違いの例を示す図である。再生像１７０１は、図３７に示す拡散係数を用いて回折パターンに対する誤差拡散を行った場合の再生像（仮想画像）の例である。再生像１７０１では、表示画面の四隅に量子化ノイズとして発生している白浮きが集中しており、表示画面の中央の量子化ノイズは低減されている。

再生像１７０２は、誤差拡散を行わずに量子化処理を行った場合の例である。再生像１７０２では、量子化ノイズとして発生している白浮きは表示画面全体に拡散されている。このように、量子化部９０７が量子化処理の際に誤差拡散を行うことで、量子化ノイズの発生状況を変更することが可能になる。なお、図１４は、量子化部９０７が量子化処理として０、πの２値化を行った例を示している。このため、図１４に示されるように、表示画面の下部に反転像が形成されている。

量子化ノイズの発生場所は、図３７に示されるような拡散係数の係数値を変更することで可能になる。このため、本実施の形態２では、量子化部９０７は、ノイズが抑制される領域と、その領域のノイズが抑制される拡散係数の情報とを保持している。例えば、図３７に示される拡散係数の符号を正負反転させた場合、量子化ノイズは、表示画面の上半分の中央（Ｈｏｌｏｇｒａｍの文字部分）に集中し、表示画面の四隅の量子化ノイズが抑制される効果がある。

図１５は、ノイズを抑制する領域と、誤差拡散係数との組み合わせを管理するテーブルの例を示す図である。図１５において、フィルタＩＤは、図３７に示すような拡散係数（フィルタ）を識別するための数値を示す。量子化部９０７は、各フィルタＩＤに対応する具体的な拡散係数（フィルタ）を保持している。量子化部９０７は、領域判定部９０４から通知された特定領域に対応するフィルタＩＤの拡散係数を用いて量子化処理を行う。この処理により、画像の特定領域の量子化ノイズを抑制することが可能になる。

なお、量子化部９０７が保持する拡散係数の形式は特定のものに限定する必要はなく、任意の形式のものを用いて良い。量子化部９０７は、例えば図３７のように３×３の表形式を用いても良い。代替的に、量子化部９０７は、より大きな表形式を用いても良い。この場合、ノイズが抑制される領域をより正確に制御することが可能になる。また、量子化部９０７が拡散係数を予め保持するのではなく、必要に応じて量子化部９０７が拡散係数を生成してもよい。例えば、量子化部９０７は、領域判定部９０４が判定した特定領域の位置や大きさに応じて拡散係数を生成してもよい。この場合、領域判定部９０４が判定した特定領域の位置や大きさに応じた適切な拡散係数を利用することなどが可能になる。

量子化部９０７は、生成した回折パターンを、表示制御部９０６に通知する。

＜ステップＳ１１０４＞（表示制御）
本ステップＳ１１０４では、表示制御部９０６が、前ステップＳ１１０３で量子化部９０７が生成した回折パターンを空間変調素子１０３Ｂに表示する処理を行う。

本実施の形態２では、表示制御部９０６は、例えば強誘電性液晶素子である空間変調素子１０３Ｂが回折パターンの位相値を表現できるように、空間変調素子１０３Ｂの変調量を制御する。また、表示制御部９０６は、実施の形態１と同様に、空間変調素子１０３Ｂが表示する回折パターンの波長に対応するように光源１０１の出力の制御を行う。ステップＳ１１０４によって、ユーザに対して、回折パターンを表示する空間変調素子１０３Ｂからの回折光による再生像（仮想画像）の表示が実現される。

上記のステップＳ１１０１〜Ｓ１１０４の処理を行うことにより、本実施の形態２によれば、再生像（仮想画像）の内容（例えば特定領域の位置）に応じて、特定領域の量子化ノイズを抑制することができる。その結果、ユーザにとって視認性の良い仮想画像の表示を実現することが可能になる。

（実施の形態３）
本実施の形態３では、ユーザに表示される仮想画像の位置に応じて、表示に使用する回折光を変更することにより、視野角の広い仮想画像の表示を行う制御の例を示す。実施の形態３において、実施の形態１と同一または類似の構成に、同一または類似の符号が付されている。

図１６は、実施の形態３における表示装置１Ｃの機能ブロック図である。図１７は、実施の形態３における表示装置１Ｃの構成を示す図である。実施の形態１と同様の構成要素については、以下での説明を省略する。

表示装置１Ｃは、図１に示される表示装置１において、制御部１０５に代えて制御部１０５Ｃを備え、遮蔽部１０８をさらに備える。制御部１０５Ｃは、ＣＰＵ１１Ｃ及びメモリ１２Ｃを含む。ＣＰＵ１１Ｃは、機能ブロックとして、画像管理部９０３、回折パターン生成部９０５Ｃ、表示制御部９０６、遮蔽制御部９０８を含む。ＣＰＵ１１Ｃは、メモリ１２Ｃに保存されているプログラムを実行することによって、上記各機能ブロックとして動作する。図１６における各機能ブロックの機能については後述される。

本実施の形態３の遮蔽部１０８は、空間変調素子１０３からの回折光を遮蔽及び透過する。遮蔽部１０８は、図１７に示されるように、テンプル部１１１に設けられた出射窓１１４（図２）を覆うように、テンプル部１１１に当接して配置されている。

図１８は、空間変調素子１０３からの回折光の例を示す図である。図１８では、照明光学系１０２（図１７）からの照明光１０２Ｌが、空間変調素子１０３に表示された回折パターンによって回折され、０次回折光Ｌ０、＋１次回折光Ｌ１、−１次回折光Ｌ２が生成される様子を示している。なお、図１８では、次数が２次以上の高次の回折光については図示を省略している。また、０次回折光は、回折パターンにより回折されずに、空間変調素子１０３により単に反射された光を意味する。

図１９は、回折光による仮想画像の表示領域の違いの例を示す図である。図１８に示される回折光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２を遮蔽することなしに、反射ミラー１０４によって反射し、ユーザの目に投影する場合、図１９に示されるような表示領域となる。すなわち、図１９に示されるように、０次回折光Ｌ０を挟み、＋１次回折光と−１次回折光とは、それぞれ、ユーザの視野の異なる表示領域ＡＬ１，ＡＬ２に再生像（仮想画像）を形成する。そのため、ユーザに表示する画像の表示位置によって、使用する回折光の次数を変更することで、広視野の仮想画像の表示を行うことが可能になる。例えば、ユーザの視野の右半分に画像を表示する際には、＋１次回折光を利用し、−１次回折光を遮蔽すればよい。

図２０（ａ）、２０（ｂ）は、表示に使用する回折光を変更する際の、遮蔽部１０８の動作の例を示す図である。図２０（ａ）は、−１次回折光を使用する際の例を示す。図２０（ａ）では、遮蔽部１０８の部分領域１０８２（図２０（ａ）の白抜き部分）は光を透過し、他の部分領域１０８１（図２０（ａ）の斜線部分）は光を遮蔽する。図２０（ａ）の部分領域１０８２は、図１９の−１次回折光の表示領域ＡＬ２に対応する。

また、図２０（ｂ）は、＋１次回折光を表示に利用する際の例を示す。図２０（ｂ）では、遮蔽部１０８の部分領域１０８１（図２０（ｂ）の白抜き部分）は光を透過し、他の部分領域１０８２（図２０（ｂ）の斜線部分）は光を遮蔽する。図２０（ｂ）の部分領域１０８１は、図１９の＋１次回折光の表示領域ＡＬ１に対応する。

なお、図１９における表示領域ＡＬ１及び表示領域ＡＬ２は、回折光の次数が異なるだけであり、同じ再生像（仮想画像）を表示する。そこで、図２０（ａ）、２０（ｂ）に示される透過及び遮蔽の切替と、ユーザの視野に表示する画像の切替（つまり空間変調素子１０３に表示する回折パターンの切替）とを同期させることで、表示される仮想画像の視野を広くすることが可能になる。本実施形態において、部分領域１０８１が第１部分領域の一例に相当し、部分領域１０８２が第２部分領域の一例に相当し、表示領域ＡＬ１が第１表示領域の一例に相当し、表示領域ＡＬ２が第２表示領域の一例に相当し、図２０（ｂ）に示される遮蔽部１０８の状態が第１状態の一例に相当し、図２０（ａ）に示される遮蔽部１０８の状態が第２状態の一例に相当する。

図２１は、実施の形態３における動作を示すフローチャートである。本実施の形態３においては、制御部１０５Ｃは、図２１のステップＳ１２０１〜Ｓ１２０６の処理を行うことで、広視野の画像表示を行う。

＜ステップＳ１２０１＞（回折パターン生成）
本ステップＳ１２０１では、回折パターン生成部９０５Ｃが、画像管理部９０３から取得した元画像の右半分から回折パターンの生成を行う。

本実施の形態３では、回折パターン生成部９０５Ｃは、画像管理部９０３からユーザに表示する画像を取得し、画像の右半分の各画素に対して０から２πまでのランダムな位相値を加算した後に、逆フーリエ変換を行うことで、画像の右半分に対応する第１部分回折パターンを生成する。

回折パターン生成部９０５Ｃは、生成した第１部分回折パターンを表示制御部９０６に通知する。

＜ステップＳ１２０２＞（透過及び遮蔽）
本ステップＳ１２０２では、遮蔽制御部９０８が、図２０（ｂ）に示されるように遮蔽部１０８の透過領域及び遮蔽領域を制御する。

＜ステップＳ１２０３＞（表示制御）
本ステップＳ１２０３では、表示制御部９０６が、ステップＳ１２０１で回折パターン生成部９０５Ｃが生成した第１部分回折パターンを空間変調素子１０３に表示する。

＜ステップＳ１２０４＞（回折パターン生成）
本ステップＳ１２０４では、回折パターン生成部９０５Ｃが、画像管理部９０３から取得した元画像の左半分から回折パターンの生成を行う。

本実施の形態３では、回折パターン生成部９０５Ｃは、画像管理部９０３からユーザに表示する画像を取得し、画像の左半分の各画素に対して０から２πまでのランダムな位相値を加算した後に、逆フーリエ変換を行うことで、画像の左半分に対応する第２部分回折パターンを生成する。

回折パターン生成部９０５Ｃは、生成した第２部分回折パターンを表示制御部９０６に通知する。

＜ステップＳ１２０５＞（透過及び遮蔽）
本ステップＳ１２０５では、遮蔽制御部９０８が、図２０（ａ）に示されるように遮蔽部１０８の透過領域及び遮蔽領域を制御する。

＜ステップＳ１２０６＞（表示制御）
本ステップＳ１２０６では、表示制御部９０６が、ステップＳ１２０４で回折パターン生成部９０５Ｃが生成した第２部分回折パターンを空間変調素子１０３に表示する。

上記のステップＳ１２０１〜Ｓ１２０６の処理を行うことにより、実施の形態３では、遮蔽部１０８は、＋１次回折光Ｌ１と−１次回折光Ｌ２とを交互に透過し、＋１次回折光Ｌ１を透過するときに右半分の再生像（仮想画像）がユーザに表示され、−１次回折光Ｌ２を透過するときに左半分の再生像（仮想画像）がユーザに表示される。したがって、本実施の形態３によれば、ユーザに表示する再生像（仮想画像）の表示視野を広くすることが可能になる。

なお、図１７では、遮蔽部１０８は、テンプル部１１１に当接して配置されているが、この構成に限られない。

図２２は、図１７の表示装置１Ｃと異なる構成の表示装置１Ｃ１を示す図である。図２２の表示装置１Ｃ１では、遮蔽部１０８は、遮蔽部１０８を保持する保持部１０９によって、テンプル部１１１から離れた位置に配置されている。例えば、遮蔽部１０８は、空間変調素子１０３と反射ミラー１０４との中間位置の近傍に配置されている。すなわち、図２２の表示装置１Ｃ１では、図１７の表示装置１Ｃに比べて、空間変調素子１０３と遮蔽部１０８との距離が長くなっている。このような構成をとることで、＋１次回折光Ｌ１と−１次回折光Ｌ２とが十分に分離した位置に遮蔽部１０８を配置することが可能になる。このため、遮蔽部１０８によって必要な回折光のみを透過させることがより容易になる。

図２３は、図１７の表示装置１Ｃとさらに異なる構成の表示装置１Ｃ２を示す図である。図２４は、図２３の表示装置１Ｃ２に設けられた反射ミラー１０４Ｃの形状例を示す図である。

図２３の表示装置１Ｃ２は、図２２の表示装置１Ｃ１において、反射ミラー１０４に代えて反射ミラー１０４Ｃを備え、さらに、集光レンズ１１５を備える。集光レンズ１１５は、テンプル部１１１に設けられた出射窓１１４（図２）を塞ぐように、テンプル部１１１に配置されている。集光レンズ１１５は、空間変調素子１０３からの回折光が反射ミラー１０４Ｃに入射するまでに、一度、回折光を集光する。また、遮蔽部１０８は、保持部１０９によって保持されて、回折光の集光点付近に配置されている。反射ミラー１０４Ｃは、集光レンズ１１５により集光された空間変調素子１０３からの回折光を使用者の眼球１９０に向けて反射する。

図２３の表示装置１Ｃ２では、一度、集光レンズ１１５によって集光された回折光が、遮蔽部１０８を通過して、反射ミラー１０４Ｃに対して発散光として入射する。ユーザに対して仮想画像の表示を行うためには、回折光を眼球１９０に対して平行光もしくは収束光として入射させることが望ましい。そのため、図２３の表示装置１Ｃ２では、反射ミラー１０４Ｃは、拡散光を収束させるための光学パワーを有する構成としても良い。

図２３の表示装置１Ｃ２では、反射ミラー１０４Ｃは、図２４に示されるように、フレネルレンズで構成されている。なお、反射ミラー１０４Ｃに対して光学パワーを持たせる構成は特定の構成に限定する必要はない。例えば、反射ミラー１０４Ｃを回折格子や体積ホログラムなどにより構成しても良い。この場合、反射ミラー１０４Ｃをより薄型に出来る効果がある。

図２５（ａ）、２５（ｂ）は、集光レンズ１１５を備えた表示装置１Ｃ２における空間変調素子１０３からの回折光を集光させることによる効果を説明する図である。図２５（ａ）は、比較例として、空間変調素子１０３からの回折光が集光されない構成を示す。図２５（ｂ）は、空間変調素子１０３からの回折光が集光される表示装置１Ｃ２の構成を示す。

図２５（ａ）の構成では、空間変調素子１０３から発生した０次回折光Ｌ０および−１次回折光Ｌ２は、遮蔽部１０８の位置では十分に分離されていない。このため、０次回折光Ｌ０の一部分が遮蔽部１０８の部分領域１０８２を通過している。

これに対して、図２５（ｂ）の構成では、空間変調素子１０３からの回折光が集光レンズ１１５を通過することで、遮蔽部１０８の位置で０次回折光Ｌ０と１次回折光Ｌ２とを分離することができている。このため、０次回折光Ｌ０のみを遮蔽部１０８の部分領域１０８１により遮蔽することが可能になっている。このような構成を用いることで、仮想画像の表示に不要な光をより適切に遮蔽することが可能になる。

なお、表示装置１Ｃ１，１Ｃ２は、図２２、図２３では、遮蔽部１０８と別に形成された保持部１０９により遮蔽部１０８を保持している。しかし、表示装置１Ｃ１，１Ｃ２は、これに限られない。表示装置１Ｃ１，１Ｃ２は、例えば保持部を遮蔽部１０８と一体に構成してもよい。

なお、回折光を遮蔽するための構成については特定の構成に限定する必要はなく、任意の構成を用いて良い。例えば、遮蔽部１０８を液晶シャッターにより実現しても良い。あるいは、例えば、遮蔽部１０８を、パネルの表面に干渉縞を形成することで入射光を回折可能に構成され、かつ、電圧印加によって干渉縞の有無を制御可能に構成された液晶パネルにより構成してもよい。これらの場合、可動部を設ける必要がなくなり、耐久性を向上させることが可能になる。

また、光源１０１から出射される光を特定方向の直線偏光とし、高速に特定方向の光を遮蔽する偏光板と、高速に光の偏光方向を切り替える波長板とにより遮蔽部１０８を構成して、光の透過及び遮蔽を切り替えるようにしても良い。この場合、使用する回折光を高速に切り替えることが可能になる。また、遮蔽部１０８を機械的な可動部品により構成し、可動部品を移動させることにより透過及び遮蔽を切り替えるようにしても良い。

なお、本実施の形態３において、回折パターン生成部９０５Ｃは、反射ミラー１０４での収差を補正するための補正パターンを生成してもよい。そして、回折パターン生成部９０５Ｃは、第１部分回折パターンと補正パターンとを合成した第１部分合成回折パターンを回折パターンとして生成してもよい。さらに、回折パターン生成部９０５Ｃは、第２部分回折パターンと補正パターンとを合成した第２部分合成回折パターンを回折パターンとして生成してもよい。これによって、仮想画像の画質を向上させることができる。

また、この場合、遮蔽部１０８の部分領域１０８１を透過する＋１次回折光Ｌ１と、遮蔽部１０８の部分領域１０８２を透過する−１次回折光Ｌ２とでは、反射ミラー１０４に入射する領域が異なる。そこで、回折パターン生成部９０５Ｃは、第１部分回折パターンと合成する補正パターン（＋１次回折光Ｌ１を利用する場合の補正パターン）と、第２部分回折パターンと合成する補正パターン（−１次回折光Ｌ２を利用する場合の補正パターン）とを、互いに異なるように生成してもよい。これによって、より適切に、反射ミラー１０４の収差を補正することができ、仮想画像の画質をさらに向上させることができる。

なお、本実施の形態３においては、遮蔽部１０８は、回折光の遮蔽及び透過を画像の左右方向についてのみ行っていたが、これに限られない。例えば、遮蔽部１０８は、画像の上下方向の回折光に対しても同様の制御を行っても良い。この場合、上下方向に関しても表示する仮想画像の視野角を広くすることが可能になる。

図２６（ａ）は、回折光による仮想画像の表示領域の別の例を示す図であり、図２６（ｂ）は、遮蔽部の部分領域の別の例を示す図である。

図１８に示される回折光Ｌ０，Ｌ１，Ｌ２を遮蔽することなしに、反射ミラー１０４によって反射し、ユーザの目に投影する場合、図２６（ａ）に示されるような表示領域となる。すなわち、図２６（ａ）に示されるように、０次回折光Ｌ０を挟み、＋１次回折光と−１次回折光とは、それぞれ、ユーザの視野の異なる表示領域ＡＬ１，ＡＬ２に再生像（仮想画像）を形成する。さらに、図１９では図示を省略していたが、＋１次回折光と−１次回折光とは、０次回折光Ｌ０を挟んで表示領域ＡＬ１，ＡＬ２の反対側の表示領域ＡＬ１０，ＡＬ２０にも、それぞれ、再生像（仮想画像）を形成する。

そこで、遮蔽部１０８は、図２６（ｂ）に示されるように、表示領域ＡＬ１０，ＡＬ１，ＡＬ２０，ＡＬ２にそれぞれ対応して、部分領域１０８３，１０８４，１０８５，１０８６の４個の部分領域において、透過及び遮蔽を切り替え可能に構成されている。

図２６（ａ）、２６（ｂ）の構成において、回折パターン生成部９０５Ｃは、ユーザに表示する元画像の右上の１／４の領域の部分画像から、回折パターン（第１部分回折パターン）を生成する。遮蔽制御部９０８が、遮蔽部１０８の部分領域１０８３を透過領域とし、部分領域１０８４，１０８５，１０８６を遮蔽領域として遮蔽部１０８を第１状態とするのに同期して、表示制御部９０６は、回折パターン生成部９０５Ｃが生成した第１部分回折パターンを空間変調素子１０３に表示する。

同様に、回折パターン生成部９０５Ｃは、元画像の右下の１／４の領域の部分画像から、回折パターン（第２部分回折パターン）を生成する。遮蔽制御部９０８が、遮蔽部１０８の部分領域１０８４を透過領域とし、部分領域１０８３，１０８５，１０８６を遮蔽領域として遮蔽部１０８を第２状態とするのに同期して、表示制御部９０６は、回折パターン生成部９０５Ｃが生成した第２部分回折パターンを空間変調素子１０３に表示する。

同様に、回折パターン生成部９０５Ｃは、元画像の左上の１／４の領域の部分画像から、回折パターン（第３部分回折パターン）を生成する。遮蔽制御部９０８が、遮蔽部１０８の部分領域１０８５を透過領域とし、部分領域１０８３，１０８４，１０８６を遮蔽領域として遮蔽部１０８を第３状態とするのに同期して、表示制御部９０６は、回折パターン生成部９０５Ｃが生成した第３部分回折パターンを空間変調素子１０３に表示する。

同様に、回折パターン生成部９０５Ｃは、元画像の左下の１／４の領域の部分画像から、回折パターン（第４部分回折パターン）を生成する。遮蔽制御部９０８が、遮蔽部１０８の部分領域１０８６を透過領域とし、部分領域１０８３，１０８４，１０８５を遮蔽領域として遮蔽部１０８を第４状態とするのに同期して、表示制御部９０６は、回折パターン生成部９０５Ｃが生成した第４部分回折パターンを空間変調素子１０３に表示する。

以上のように、図２６（ａ）、２６（ｂ）の構成によれば、生成する回折パターンと、遮蔽部１０８の状態切り替えとを同期させることによって、左右方向及び上下方向の両方向に、表示する仮想画像の視野角を広くすることが可能になる。

（実施の形態４）
本実施の形態４では、ユーザに表示される仮想画像の位置に応じて、空間変調素子１０３を照明する照明光の入射角度を変更することにより、視野の広い仮想画像の表示を行うための制御の例を示す。実施の形態４において、実施の形態１と同一または類似の構成に、同一または類似の符号が付されている。

図２７は、実施の形態４における表示装置１Ｄの機能ブロック図である。図２８（ａ）、２８（ｂ）、２８（ｃ）は、実施の形態４における照明光学系１０２Ｄの構成及び動作を示す図である。図２９は、実施の形態４における仮想画像の表示領域を示す図である。本実施の形態４における表示装置１Ｄの構成は、図２に示される実施の形態１と同様であり、実施の形態１と同様の構成要素については、以下での説明が省略される。

表示装置１Ｄは、図１、図２に示される表示装置１において、照明光学系１０２に代えて照明光学系１０２Ｄを備え、制御部１０５に代えて制御部１０５Ｄを備える。制御部１０５Ｄは、ＣＰＵ１１Ｄ及びメモリ１２Ｄを含む。ＣＰＵ１１Ｄは、機能ブロックとして、画像管理部９０３、回折パターン生成部９０５Ｄ、表示制御部９０６、偏向制御部９０９を含む。ＣＰＵ１１Ｄは、メモリ１２Ｄに保存されているプログラムを実行することによって、上記各機能ブロックとして動作する。図２８における各機能ブロックの機能については後述される。

本実施の形態４における照明光学系１０２Ｄは、ユーザに表示する仮想画像の位置に応じて、空間変調素子１０３に対する照明光１０２Ｌの入射角度を変更する。

図２８（ａ）、２８（ｂ）、２８（ｃ）に示されるように、本実施の形態４において、照明光学系１０２Ｄは、偏向素子１０２１及びコリメータレンズ１０２２を含む。コリメータレンズ１０２２は、光源１０１からの光を略平行光へと調節する。偏向素子１０２１は、コリメータレンズ１０２２からの略平行な出射光（つまり空間変調素子１０３を照明する照明光１０２Ｌ）の方向を変更する。

図２８（ａ）の例では、偏向制御部９０９により、ユーザの視野の右側に光が回折するように、偏向素子１０２１の動作が制御されている。その結果、図２９の表示領域ＡＬ１１に仮想画像が表示される。また、図２８（ｂ）の例では、偏向制御部９０９により、ユーザの視野の正面に光が回折するように、偏向素子１０２１の動作が制御されている。その結果、図２９の表示領域ＡＬ１２に仮想画像が表示される。また、図２８（ｃ）の例では、偏向制御部９０９により、ユーザの視野の左側に光が回折するように、偏向素子１０２１の動作が制御されている。その結果、図２９の表示領域ＡＬ１３に仮想画像が表示される。

本実施形態において、表示領域ＡＬ１１が第１設定領域の一例に相当し、表示領域ＡＬ１２が第２設定領域の一例に相当し、図２８（ａ）に示される照明光１０２Ｌの方向が第１方向の一例に相当し、図２８（ｂ）に示される照明光１０２Ｌの方向が第２方向の一例に相当する。

図３０は、実施の形態４における動作を示すフローチャートである。本実施の形態４においては、制御部１０５Ｄは、図３０のステップＳ１３０１〜Ｓ１３０９の処理を行うことで、広視野の画像表示を行う。

＜ステップＳ１３０１＞（偏向素子制御）
本ステップＳ１３０１では、偏向制御部９０９は、図２８（ａ）に示されるように、ユーザの視野の右側に光が回折されるように、偏向素子１０２１を制御する。

＜ステップＳ１３０２＞（回折パターン生成）
本ステップＳ１３０２では、回折パターン生成部９０５Ｄは、画像管理部９０３からユーザに表示する画像を取得する。回折パターン生成部９０５Ｄは、取得した画像の右側１／３の領域の部分画像の各画素に対して０から２πまでのランダムな位相値を加算した後に、逆フーリエ変換を行うことで、画像の右側１／３の領域に対応する第１設定回折パターンを生成する。

回折パターン生成部９０５Ｄは、生成した第１設定回折パターンを表示制御部９０６に通知する。

＜ステップＳ１３０３＞（表示制御）
本ステップＳ１３０３では、表示制御部９０６は、前ステップＳ１３０２で回折パターン生成部９０５Ｄが生成した第１設定回折パターンを空間変調素子１０３に表示する。これによって、図２９の表示領域ＡＬ１１に仮想画像が表示される。

＜ステップＳ１３０４＞（偏向素子制御）
本ステップＳ１３０４では、偏向制御部９０９は、図２８（ｂ）に示されるように、ユーザの視野の中央に光が回折されるように、偏向素子１０２１を制御する。

＜ステップＳ１３０５＞（回折パターン生成）
本ステップＳ１３０５では、回折パターン生成部９０５Ｄは、ステップＳ１３０２で画像管理部９０３から取得した画像の中央１／３の部分領域の画像の各画素に対して０から２πまでのランダムな位相値を加算した後に、逆フーリエ変換を行うことで、画像の中央１／３の部分領域に対応する第２設定回折パターンを生成する。

回折パターン生成部９０５Ｄは、生成した第２設定回折パターンを表示制御部９０６に通知する。

＜ステップＳ１３０６＞（表示制御）
本ステップＳ１３０６では、表示制御部９０６は、前ステップＳ１３０５で回折パターン生成部９０５Ｄが生成した第２設定回折パターンを空間変調素子１０３に表示する。これによって、図２９の表示領域ＡＬ１２に仮想画像が表示される。

＜ステップＳ１３０７＞（偏向素子制御）
本ステップＳ１３０７では、偏向制御部９０９は、図２８（ｃ）に示されるように、ユーザの視野の左側に光が回折されるように、偏向素子１０２１を制御する。

＜ステップＳ１３０８＞（回折パターン生成）
本ステップＳ１３０８では、回折パターン生成部９０５Ｄは、ステップＳ１３０２で画像管理部９０３から取得した画像の左側１／３の部分領域の画像の各画素に対して０から２πまでのランダムな位相値を加算した後に、逆フーリエ変換を行うことで、画像の左側１／３の部分領域に対応する第３設定回折パターンを生成する。

回折パターン生成部９０５Ｄは、生成した第３設定回折パターンを表示制御部９０６に通知する。

＜ステップＳ１３０９＞（表示制御）
本ステップＳ１３０９では、表示制御部９０６は、前ステップＳ１３０８で回折パターン生成部９０５Ｄが生成した第３設定回折パターンを空間変調素子１０３に表示する。これによって、図２９の表示領域ＡＬ１３に仮想画像が表示される。

上記のステップＳ１３０１〜Ｓ１３０９の処理を行うことにより、実施の形態４では、偏向素子１０２１は、空間変調素子１０３を照明する照明光１０２Ｌの方向を切り替え、この切替えに同期して、回折パターン生成部９０５Ｄは、回折パターンを生成する元画像の部分領域を切り替えている。

ＣＧＨを用いる画像表示では、空間変調素子１０３が表示可能な干渉縞（つまり空間変調素子１０３の表面に形成される干渉縞）のピッチが大きい場合、回折角を大きくできないという問題が生じることがある。しかしながら、本実施の形態４では、ユーザが視認する仮想画像の領域に対応して、空間変調素子１０３に対する照明光１０２Ｌの入射方向が変更されている。その結果、実施の形態４によれば、回折角の不足を補い、ユーザに表示する仮想画像の視野角を広くすることが可能になる。

なお、本実施の形態４では、偏向素子１０２１は、図２８（ａ）、２８（ｂ）、２８（ｃ）に示されるように、照明光１０２Ｌの方向を３種類の方向に切り替えているが、これに限られない。偏向素子１０２１は、照明光１０２Ｌの方向を２種類の方向に切り替えるようにしてもよく、あるいは４種類以上の方向に切り替えるようにしてもよい。

なお、本実施の形態４において、回折パターン生成部９０５Ｄは、反射ミラー１０４での収差を補正するための補正パターンを生成してもよい。そして、回折パターン生成部９０５Ｄは、第１設定回折パターンと補正パターンとを合成した第１設定合成回折パターンを回折パターンとして生成してもよい。また、回折パターン生成部９０５Ｄは、第２設定回折パターンと補正パターンとを合成した第２設定合成回折パターンを回折パターンとして生成してもよい。さらに、回折パターン生成部９０５Ｄは、第３設定回折パターンと補正パターンとを合成した第３設定合成回折パターンを回折パターンとして生成してもよい。これによって、仮想画像の画質を向上させることができる。

また、この場合、図２８（ａ）に示される照明光１０２Ｌの方向と、図２８（ｂ）に示される照明光１０２Ｌの方向と、図２８（ｃ）に示される照明光１０２Ｌの方向とでは、反射ミラー１０４に入射する領域が異なる。そこで、回折パターン生成部９０５Ｄは、第１設定回折パターンと合成する補正パターン（図２８（ａ）に示される照明光１０２Ｌの方向の場合の補正パターン）と、第２設定回折パターンと合成する補正パターン（図２８（ｂ）に示される照明光１０２Ｌの方向の場合の補正パターン）と、第３設定回折パターンと合成する補正パターン（図２８（ｃ）に示される照明光１０２Ｌの方向の場合の補正パターン）とを、互いに異なるように生成してもよい。これによって、より適切に、反射ミラー１０４の収差を補正することができ、仮想画像の画質をさらに向上させることができる。

なお、偏向素子１０２１は、特定の構成に限定する必要はなく、任意の構成で実現しても良い。例えば、偏向素子１０２１は、干渉縞を表面に形成することにより入射光を回折可能であって、高速に回折機能の有無を切り替え可能な液晶パネルを用いて実現しても良い。この場合、仮想画像の表示位置を高速に切り替えることができる。このため、ユーザが視認する仮想画像のフレームレートを向上させることが可能になる。

なお、これまでに説明した実施の形態は一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな形態を採りうる。例えば上記各実施の形態を組み合わせて実施しても良い。

図３１は、上記実施の形態１，３を組み合わせた実施形態の表示装置１Ｅの機能ブロック図である。表示装置１Ｅは、図１に示される表示装置１において、制御部１０５に代えて制御部１０５Ｅを備え、さらに遮蔽部１０８を備える。制御部１０５Ｅは、ＣＰＵ１１Ｅ及びメモリ１２Ｅを含む。ＣＰＵ１１Ｅは、機能ブロックとして、視力取得部９０１、距離決定部９０２、画像管理部９０３、領域判定部９０４、回折パターン生成部９０５Ｅ、表示制御部９０６、遮蔽制御部９０８を含む。ＣＰＵ１１Ｅは、メモリ１２Ｅに保存されているプログラムを実行することによって、上記各機能ブロックとして動作する。

回折パターン生成部９０５Ｅは、回折パターン生成部９０５と回折パターン生成部９０５Ｃとを併せた機能を有する。図３１の表示装置１Ｅによれば、表示される仮想画像の視野角を広くし、かつ、特定領域の画質を向上させることができるなど、上記実施の形態１，３を併せた効果を得ることができる。

図３２は、上記実施の形態１，３，４を組み合わせた実施形態の表示装置１Ｆの機能ブロック図である。表示装置１Ｆは、図１、図２に示される表示装置１において、照明光学系１０２に代えて偏向素子１０２１を含む照明光学系１０２Ｄを備え、制御部１０５に代えて制御部１０５Ｆを備え、さらに遮蔽部１０８を備える。制御部１０５Ｆは、ＣＰＵ１１Ｆ及びメモリ１２Ｆを含む。ＣＰＵ１１Ｆは、機能ブロックとして、視力取得部９０１、距離決定部９０２、画像管理部９０３、領域判定部９０４、回折パターン生成部９０５Ｆ、表示制御部９０６、遮蔽制御部９０８、偏向制御部９０９を含む。ＣＰＵ１１Ｆは、メモリ１２Ｆに保存されているプログラムを実行することによって、上記各機能ブロックとして動作する。

回折パターン生成部９０５Ｆは、回折パターン生成部９０５と回折パターン生成部９０５Ｃと回折パターン生成部９０５Ｄとを併せた機能を有する。図３２の表示装置１Ｆによれば、表示される仮想画像の視野角をさらに広くし、かつ、特定領域の画質を向上させることができるなど、上記実施の形態１，３，４を併せた効果を得ることができる。

また、図３１の実施形態の表示装置１Ｅにおいて、制御部１０５ＥのＣＰＵ１１Ｅが、実施の形態２の量子化部９０７（図１２）をさらに備えてもよい。また、図３２の実施形態の表示装置１Ｆにおいて、制御部１０５ＦのＣＰＵ１１Ｆが、実施の形態２の量子化部９０７（図１２）をさらに備えてもよい。これによって、それぞれ、さらに実施の形態２の効果を得ることができる。

図３３は、上記実施の形態３，４を組み合わせた実施形態の表示装置１Ｇの機能ブロック図である。表示装置１Ｇは、図１、図２に示される表示装置１において、照明光学系１０２に代えて偏向素子１０２１を含む照明光学系１０２Ｄを備え、制御部１０５に代えて制御部１０５Ｇを備え、さらに遮蔽部１０８を備える。制御部１０５Ｇは、ＣＰＵ１１Ｇ及びメモリ１２Ｇを含む。ＣＰＵ１１Ｇは、機能ブロックとして、画像管理部９０３、回折パターン生成部９０５Ｇ、表示制御部９０６、遮蔽制御部９０８、偏向制御部９０９を含む。ＣＰＵ１１Ｇは、メモリ１２Ｇに保存されているプログラムを実行することによって、上記各機能ブロックとして動作する。

回折パターン生成部９０５Ｇは、回折パターン生成部９０５Ｃと回折パターン生成部９０５Ｄとを併せた機能を有する。図３３の表示装置１Ｇによれば、表示される仮想画像の視野角をさらに広くすることができるなど、上記実施の形態３，４を併せた効果を得ることができる。

本発明にかかる表示装置は、回折パターンを表示することでレーザ光による照明光を回折する空間変調素子を眼球近くに有し、空間変調素子により生成された回折光が使用者の眼球へ至る、ＨＭＤ等の表示装置として有用である。また、この表示装置は、表示システム、表示方法、表示装置設計方法、等の用途にも応用できる。

１０１光源
１０２，１０２Ｄ照明光学系
１０２Ｌ照明光
１０２１偏向素子
１０３，１０３Ｂ空間変調素子
１０４反射ミラー
１０５，１０５Ａ〜１０５Ｇ制御部
１０７視線検出部
１０８遮蔽部
１１５集光レンズ
２０１仮想画像
９０４，９０４Ａ領域判定部
９０５，９０５Ｂ〜９０５Ｇ回折パターン生成部
９０７量子化部
９０８遮蔽制御部
９０９偏向制御部

Claims

レーザ光を出力する光源と、
前記レーザ光を照明光として出射する照明光学系と、
元画像から回折パターンを生成する回折パターン生成部と、
前記照明光により照明され、前記回折パターンを表示することで前記照明光を回折して回折光を生成し、生成した前記回折光を使用者に視認させることにより前記元画像を仮想画像として前記使用者に表示する空間変調素子と、
前記回折光の光路上に配置され、第１部分領域及び前記第１部分領域に隣接する第２部分領域を有する遮蔽部と
を備え、
前記遮蔽部は、前記第１部分領域が前記回折光を透過する透過領域とされ、かつ前記第２部分領域が前記回折光を遮蔽する遮蔽領域とされる第１状態と、前記第１部分領域が前記遮蔽領域とされ、かつ前記第２部分領域が前記透過領域とされる第２状態とを含む複数の状態に選択的に移行するように構成され、
前記空間変調素子は、前記遮蔽部が前記第１状態の場合に、前記第１部分領域に対応する第１表示領域に前記仮想画像を表示し、前記遮蔽部が前記第２状態の場合に、前記第２部分領域に対応する第２表示領域に前記仮想画像を表示し、
前記回折パターン生成部は、前記遮蔽部が前記第１状態の場合に、前記元画像のうち前記第１表示領域に対応する領域の画像から第１部分回折パターンを生成し、前記遮蔽部が前記第２状態の場合に、前記元画像のうち前記第２表示領域に対応する領域の画像から第２部分回折パターンを生成することを特徴とする表示装置。
前記回折パターン生成部は、
前記回折パターンを補正する少なくとも１種類の補正パターンを生成し、
前記生成した補正パターンと前記第１部分回折パターンとが合成された第１部分合成回折パターンを生成し、かつ、
前記生成した補正パターンと前記第２部分回折パターンとが合成された第２部分合成回折パターンを生成することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記使用者の視力を取得する視力取得部と、
前記使用者の視力に応じて前記仮想画像の最適再生位置を決定する位置決定部と
をさらに備え、
前記回折パターン生成部は、前記仮想画像が前記最適再生位置に表示されるように、前記補正パターンを生成することを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
前記遮蔽部は、前記回折光のうち、＋１次回折光が前記第１部分領域に入射し、−１次回折光が前記第２部分領域に入射するように、前記空間変調素子に対して配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表示装置。
前記回折光を前記使用者に向けて反射する反射ミラーをさらに備え、
前記遮蔽部は、前記空間変調素子と前記反射ミラーとの中間位置の近傍に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
前記回折光を集光する集光光学系をさらに備え、
前記遮蔽部は、前記集光光学系により集光された前記回折光の集光位置の近傍に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
前記遮蔽部は、表面に干渉縞を形成することで入射光を回折可能に構成され、かつ、電圧印加によって前記干渉縞の有無を制御可能に構成された液晶パネルを含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の表示装置。
前記照明光学系は、前記空間変調素子に対する前記照明光の方向を変更する偏向素子を含み、
前記偏向素子は、前記照明光の方向を、前記仮想画像の表示領域が第１設定領域となる第１方向と、前記仮想画像の表示領域が前記第１設定領域に隣接する第２設定領域となる第２方向とに変更可能に構成され、
前記回折パターン生成部は、前記照明光の方向が前記第１方向の場合に、前記元画像のうち前記第１設定領域に対応する領域の画像から第１設定回折パターンを生成し、前記照明光の方向が前記第２方向の場合に、前記元画像のうち前記第２設定領域に対応する領域の画像から第２設定回折パターンを生成することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の表示装置。
前記回折パターン生成部は、
前記回折パターンを補正する少なくとも１種類の補正パターンを生成し、
前記生成した補正パターンと前記第１設定回折パターンとが合成された第１設定合成回折パターンを生成し、かつ、
前記生成した補正パターンと前記第２設定回折パターンとが合成された第２設定合成回折パターンを生成することを特徴とする請求項８に記載の表示装置。
前記使用者の視力を取得する視力取得部と、
前記使用者の視力に応じて前記仮想画像の最適再生位置を決定する位置決定部と
をさらに備え、
前記回折パターン生成部は、前記仮想画像が前記最適再生位置に表示されるように、前記補正パターンを生成することを特徴とする請求項９に記載の表示装置。
前記元画像のうちで特定領域を判定する領域判定部をさらに備え、
前記回折パターン生成部は、前記元画像における前記特定領域の位置に基づき前記回折パターンを補正する特定補正パターンを生成し、前記生成した特定補正パターンと前記生成した回折パターンとが合成された特定合成回折パターンを生成することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の表示装置。
前記使用者の視力を取得する視力取得部と、
前記使用者の視力に応じて前記仮想画像の最適再生位置を決定する位置決定部と
をさらに備え、
前記回折パターン生成部は、前記仮想画像のうちで前記特定領域に対応する領域が前記最適再生位置に表示されるように、前記特定補正パターンを生成することを特徴とする請求項１１に記載の表示装置。
前記回折パターン生成部は、
前記特定補正パターンを生成するための特定位置を前記仮想画像のうちの前記特定領域に対応する領域が前記最適再生位置に表示されるように決定し、かつ、
前記特定位置に仮想的に配置された点光源からの球面波が前記空間変調素子に入射した場合の位相から、前記特定補正パターンを生成することを特徴とする請求項１２に記載の表示装置。
前記使用者の視線位置を検出する視線検出部をさらに備え、
前記領域判定部は、前記使用者の視線位置を含む前記仮想画像の領域に対応する前記元画像の領域を前記特定領域として判定することを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の表示装置。
前記回折パターンの位相値を量子化する量子化部をさらに備え、
前記空間変調素子の各画素は、０から２πまでの間の２種類以上の特定位相値を表示可能に構成され、
前記量子化部は、前記特定領域に対応する前記仮想画像の領域における量子化ノイズが減少するように、前記回折パターンの位相値を前記特定位相値に量子化することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の表示装置。
前記量子化部は、量子化により発生する誤差を周囲の画素に拡散する誤差拡散を用いて量子化を行い、かつ、前記特定領域の前記元画像における位置に応じて、周囲の画素に誤差を配分する割合を変更することにより前記特定領域に対応する前記仮想画像の領域における量子化ノイズを低減することを特徴とする請求項１５に記載の表示装置。
レーザ光を出力する光源と、
前記レーザ光を照明光として出射する照明光学系と、
元画像から回折パターンを生成する回折パターン生成部と、
前記照明光により照明され、前記回折パターンを表示することで前記照明光を回折して回折光を生成し、生成した前記回折光を使用者に視認させることにより前記元画像を仮想画像として前記使用者に表示する空間変調素子と
を備え、
前記照明光学系は、前記空間変調素子に対する前記照明光の方向を変更する偏向素子を含み、
前記偏向素子は、前記照明光の方向を、前記仮想画像の表示領域が第１設定領域となる第１方向と、前記仮想画像の表示領域が前記第１設定領域に隣接する第２設定領域となる第２方向とに変更可能に構成され、
前記回折パターン生成部は、前記照明光の方向が前記第１方向の場合に、前記元画像のうち前記第１設定領域に対応する領域の画像から第１設定回折パターンを生成し、前記照明光の方向が前記第２方向の場合に、前記元画像のうち前記第２設定領域に対応する領域の画像から第２設定回折パターンを生成することを特徴とする表示装置。