JP6164841B2

JP6164841B2 - 虚像観察装置

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Publication number: JP6164841B2
Application number: JP2012287880A
Authority: JP
Inventors: 良平杉原
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: JP2014130228A

Description

本発明は、使用者の眼前に表示素子の画像を虚像として表示する虚像観察装置に関する。

従来、表示素子の表示画像を拡大して虚像として表示する虚像観察装置では、観察者の視力に合わせた観察可能な距離に虚像の距離を合わせるような視度補正の機構が使用されている。また、外界を背景として、そこに表示した表示画像を観察することができる、透過型の表示装置では背景に表示画像を重畳させる際に、背景に見えるものとの視距離に応じて虚像位置を可変させる機構も提案されている。例えば、特許文献１では、頭部装着型表示装置の光学系において、接眼光学系の焦点距離に対して表示素子の配置を前後させたり、レンズを前後させたりすることで、虚像位置を変化させることができる。

特許第３３９７８３２号公報

しかしながら、特許文献１のように表示素子やレンズの位置を駆動させるには、複雑なメカ機構や駆動用のモーター等が必要となるなど装置が大型化しコストも高くなってしまうという問題があった。

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、複雑なメカ機構や駆動装置を用いることなく、虚像までの距離を変えることができる虚像観察装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の虚像観察装置は、
波長の異なる画像出力が可能な表示部と、
前記表示部に表示される表示コンテンツの表示色を制御する表示制御部と、
アッベ数３０以下の素材で形成され、正の屈折力を有し前記表示部に表示される前記表示コンテンツの虚像を観察可能に生成する接眼光学部と、
使用者の頭部に固定するための支持部と
を備え、
前記表示制御部は、前記表示コンテンツの内容に応じて、前記表示色を切り替えることにより、前記素材の異なる光の波長に対する屈折率の違いを利用して、前記虚像までの距離を切り替えることを特徴とするものである。

このようにすることによって、前記表示制御部が、前記表示コンテンツの内容に応じて、表示色を切り替えることにより、複雑なメカ機構や駆動装置を用いることなく、電気的な制御だけで虚像の位置までの距離を変えることができ、情報提示の効果を高めることができる。本来、アッベ数の小さい素材を用いると色収差が発生し好ましくないが、本発明の虚像観察装置は、アッベ数が３０より小さい素材の光の波長に対する屈折率の違いを利用して、虚像の位置までの距離を変化させる。

好ましくは、前記表示制御部は、前記表示コンテンツが波長６５６ｎｍ近傍の赤色で表示される場合は、前記接眼光学部から前記表示コンテンツの虚像までの距離は１ｍよりも短く、前記表示コンテンツが波長４８６ｎｍ近傍の青色で表示される場合は、前記接眼光学部から前記表示コンテンツの虚像までの距離は２ｍよりも長くなるように、前記表示コンテンツの前記表示色を切り替える。このようにすることによって、１ｍ〜２ｍの範囲内で虚像までの距離を変化させて、効果の高い情報提示をすることができる。

あるいは、前記表示制御部は、前記虚像までの距離が０．５ディオプタ以上変化するように、前記表示コンテンツの前記表示色を切り替えることが好ましい。さらに、前記表示制御部は、前記表示コンテンツの表示色を波長５５０ｎｍ近傍の緑色の表示から、波長６５６ｎｍ近傍の赤色または波長４８６ｎｍ近傍の青色の表示に切り替えることで、前記虚像までの距離を０．５ディオプタ以上変化させることが好ましい。０．５ディオプタ以上の視距離の変化は、映像表示効果として使用する場合に効果的だからである。なお、本願で「視距離」とは、虚像観察装置の使用者から、観察する対象物までの距離を意味し、観察対象物が虚像の場合、虚像が生成される位置までの距離である。

また、前記表示制御部は、前記接眼光学部から前記表示コンテンツの虚像までの距離が長いほど、前記表示コンテンツを前記表示部の上側に表示するようにしても良い。通常の人の視界を考慮すると、下方は近くのものを見るため視点が近いことが多く、上方は遠方のものを見るため視点が遠い場合が多い。このことを考慮すると、１つの表示画面内においても、下側に表示するコンテンツを近い視距離に表示し、上側に表示するコンテンツを遠い視距離となるように表示することで、より見やすい情報提示が可能である。

さらに、前記表示制御部は、前記表示コンテンツがテキスト情報の場合、該表示コンテンツの表示色を６１０ｎｍより長い波長の色とすることもできる。使用者に提示する情報の内容に応じて、情報を提示する視距離を変えることで、より使い易く、より効果の高い情報提示を行うことができる。表示コンテンツがテキストであれば、比較的近距離に配置することによって、視認しやすくなることが期待できる。

また、前記表示部は、非自発光型の表示素子と、該表示素子を照明する異なる波長の光を出射可能な光源とを備え、前記表示制御部は、前記光源を出射する光の波長を切り替えることにより、前記表示色の切り替えを行うようにしてもよい。これによって、表示素子として、カラー液晶表示素子や有機ＥＬ等のカラー表示素子に代えて、モノクロの液晶表示素子と波長の切換が可能な光源（バックライト）等を用いても、本発明の虚像観察装置を構成することができ、本発明の効果が得られる。

さらに、虚像観察装置は、自装置の傾き、位置または速度を検出するセンサを備え、前記表示制御部は前記センサの出力に応じて、前記表示コンテンツの前記表示色を制御するようにしても良い。例えば、人間は静止時には近い距離を視認していることが多いので、近い距離に情報を提示するのが好ましく、反対にランニング時などはやや遠い位置に視線があることが多いので、遠い距離に情報を提示するのが好ましい。また、歩行時にはその中間あたりに情報を提示することが好ましい。上記のように、虚像観察装置は、位置センサまたは速度センサを有することにより、このようなランニング時や歩行時などの状況に応じて電子的に虚像の表示位置を切り換えることができる。

また、前記センサは自装置の傾きを検出するセンサであり、前記虚像が水平方向より下方に生成される場合は、前記虚像が水平方向より上方に生成される場合に比べ、前記表示コンテンツを長い波長の色で表示するようにしても良い。虚像位置が水平方向より下にあるのは、虚像観察装置を装着した使用者が下方を見ていると考えられ、背景にある地面や床などと同様の近い位置に虚像を表示することによって、コンテンツ情報が視認し易くなる。

以上のように、本発明によれば、複雑なメカ機構や駆動装置を用いることなく、電気的な制御だけで虚像の表示位置までの距離を変えることができる。

本発明の第１実施の形態に係る虚像観察装置の概略構成図である。眼鏡型表示装置として実施する図１の虚像観察装置の一実施例を示す斜視図である。図２の虚像観察装置の接眼光学部と表示部とを示す斜視図である。図３の表示部から接眼光学部を経て眼球へ向けて射出される画像光の光学系を説明する図である。表示色の違いによる虚像表示位置までの距離の変化を説明する図である。虚像観察装置により提示される画像の一例を示す図である。異なるアッベ数に対する、波長と焦点距離のシフト量との関係を示した図である。本発明の第２実施の形態に係る虚像観察装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る虚像観察装置の概略構成図である。虚像観察装置１は、波長の異なる画像出力が可能な表示部１０と、表示部１０に表示される表示コンテンツの表示色を制御する表示制御部１４と、アッベ数３０以下の素材、例えばポリカーボネートやポリエステルで形成され、正の屈折力を有し表示部１０に表示される表示コンテンツの虚像を観察可能に生成する接眼光学部１５とによって構成される。

表示部１０は、非自発光型の表示素子１１と、表示素子１１の背面側に設けられ表示素子１１を照明するための光源１２と、光源１２の光をコリメートし均一な光として表示素子１１に照射する照明光学系１３（図ではレンズとして表示している）とを備える。表示素子１１は、例えばカラーフィルタを有するカラー液晶パネルであり、光源１２は例えば白色ＬＥＤや冷陰極蛍光ランプを用いることができる。また、光源１２および照明光学系１３に代えて、白色のバックライトを液晶パネルの背面に配置しても良い。あるいは、表示部１０は、表示素子１１および光源１２に代えて、自発光型の表示素子、例えば有機ＥＬ素子を用いても良い。

表示制御部１４は、表示すべきコンテンツを虚像観察装置１に内蔵される図示しない記憶素子から、または、通信により外部から受け取り、当該コンテンツの内容に応じて、表示される表示コンテンツの表示色を制御して表示部１１に表示させる。接眼光学部１５は、表示素子１１に表示される画像の画像光を眼球に向けて射出する。その際、この画像光が接眼光学部１５の正の屈折力により使用者に対して拡大虚像を生成する。

虚像観察装置１としては、使用者の頭部に眼前を覆うように装着するゴーグルタイプのものや、ヘッドセットタイプのものなど種々の形態で実施可能である。図２は、眼鏡型の表示装置として実施する図１の虚像観察装置の一実施例を示す斜視図である。この実施例によれば、虚像観察装置は眼鏡フレームの形状をした支持部２０を備える眼鏡型虚像観察装置２として構成されている。眼鏡型虚像観察装置２は、表示部と表示制御部が格納された本体部２２が右側テンプル２１に固定され、さらに、接眼光学部２３が保持部２４により本体部２２に固定されている。接眼光学部２３は、使用者が眼鏡型虚像観察装置２を装着した状態における、右眼の眼鏡レンズ２５の使用者から見て前方に、本体部２２から水平方向に右眼の正面視の位置まで延在する。

図３は、図２の虚像観察装置の接眼光学部２３と表示部３２とを示す斜視図である。表示部３２は、図２においては本体部２２に内蔵されている。接眼光学部２３は、表示部３２側と反対側の端部に斜面３０ａが形成された断面が矩形の棒状の導光プリズム３０に、斜面３０ａと鋭角を成して隣接する導光プリズム３０の側面の先端部に接眼レンズ３１を配置して構成されている。ここで斜面３０ａは、反射面として形成されている。また、導光プリズム３０と接眼レンズ３１とは、同じ素材で構成されている。

図４は、図３の表示部３２から接眼光学部２３を経て眼球へ向けて射出される画像光の光学系を説明する図である。表示部３２は、カラーの液晶パネル３３と白色のバックライト３４により構成されている。表示部３２を出射して導光プリズム３０に入射した画像光は、導光プリズム３０内を長手方向に進み、入射側と反対側の端部で斜面３０ａにより反射され、接眼レンズ３１を通り眼球に向けて射出される。

次に、表示色による虚像の表示距離について説明する。図５は、表示色の違いによる虚像位置５０までの距離の違いを説明する図であり、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、それぞれ表示コンテンツの表示色が赤色（波長約６５６ｎｍ）、緑色（波長約５８７ｎｍ）、青色（波長約４８６ｎｍ）の場合の虚像の表示距離をＬ_Ｒ，Ｌ_Ｇ，Ｌ_Ｂで示している。図５は、右側が使用者の眼球方向、左側が使用者の視線の方向である。表示素子３３を出射した画像光は接眼光学部２３の接眼レンズ３１で屈折を受ける。ここで、波長が短いほど屈折率が大きいため、赤色、緑色、青色の表示コンテンツの虚像位置５０までの距離Ｌ_Ｒ、Ｌ_Ｇ、Ｌ_Ｂは、順に長くなる。

このとき、表示制御部１４は、表示色が赤色の表示コンテンツの虚像までの距離が１ｍよりも短く、表示色が青色の表示コンテンツの虚像までの距離がその倍の距離の２ｍ以上とする。そうすることによって、少なくとも１ｍ〜２ｍの範囲内で虚像までの距離を変化させて、効果の高い情報提示をすることができる。例えば、図形などグラフィカルな画像を遠い視距離となる表示色で表示し、テキスト情報を近い視距離となる表示色で表示することで、テキスト情報が図形情報から浮き出て見える効果が加わり、高い映像効果を得ることができる。

図６は虚像観察装置により外界の背景に重畳され提示される画像の一例を示す図である。ここで、接眼光学部２３に対するｄ線（波長約５８７ｎｍ）での光の焦点距離および屈折率をそれぞれ３２ｍｍおよび１．６２、接眼光学部を形成する素材のアッベ数を３０とした。図６に破線で示す領域６１，６２，６３には、それぞれコンテンツ情報が赤色（波長約６５６ｎｍ）、緑色（波長約５５０ｎｍ）、青色（波長約４８６ｎｍ）で表示される。この場合、赤色の文字の虚像表示位置までの距離Ｌ_Ｒは約０．６７ｍ、緑色の文字の虚像表示位置までの距離Ｌ_Ｇは約１ｍ、青色の図形の虚像表示位置までの距離Ｌ_Ｂは約２ｍとなる。なお、図６の虚像表示位置までの距離の横のかっこ内には、虚像までの距離（ｍ）の逆数であるディオプタ値（Ｄ）を表記している。

図６において、表示制御部１４の制御により、画面下部の領域６１のテキスト情報の表示には赤い表示色を用いることで、約０．６７ｍの距離に虚像が生成される。このように、詳細なテキスト情報は近い位置に表示することで見易くすることができる。また、ランニング中などに大まかな進路を示す図形情報などは、やや遠くの位置に情報提示することで見易くすることができる。このとき実視界を考慮すると、下方の視界は近い距離にあることが多く、上方の視界は遠い距離にあることが多いため、図６のように表示画面の下方には近い距離に提示する表示コンテンツを配置し、表示画面の上方には遠い距離に提示する表示コンテンツを配置することで、見やすい情報の提示をすることができる。近い距離提示する表示コンテンツの色としては、通常赤色の範囲とされる６１０ｎｍより長い波長色を用いることができる。

本発明の発明者は、上記のように表示コンテンツの表示色を切り替えることにより、虚像の生成される距離を切り替えて表示するために用いる接眼光学部２３の素材の適切なアッベ数を求めるために、シミュレーションを行った。まず、接眼光学部２３の接眼レンズ３１の焦点距離をｆ＝３２ｍｍとした。この焦点距離は、頭部に装着して用いられる虚像観察装置２において、通常使用される範囲のものである。ここで、虚像の表示距離ｂを１ｍとすると、レンズの公式（１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆ）から、接眼レンズ３１と表示部３２の液晶パネル３３との距離ａは３１ｍｍとなる。この結果より、ｆ−ａ＝１（ｍｍ）となるので、表示素子１１側の光軸上の焦点位置が１ｍｍシフトすることで、虚像表示位置までの距離が約１ディオプタ程度シフトする。

次に、発明者は上記の条件の光学系について、約２０〜７０の範囲の様々なアッベ数を有する素材が存在し、素材の選択の幅が広い屈折率１．６２付近を選択し、波長による接眼光学部２３の焦点距離のシフト量、すなわちｄ線（波長約５８７ｎｍ）の場合に対するずれ量のシミュレーションを行った。図７は、異なるアッベ数に対して、波長（縦軸）と焦点距離のシフト量（横軸）との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す図である。シミュレーションの条件としては、ｄ線に対する接眼レンズ３１の焦点距離をｆ＝３２ｍｍ、屈折率を１．６２、虚像表示距離を１ｍとした。

図７によれば、１ディオプタの焦点距離のシフト量を得るためには、接眼光学部２３の素材はアッベ数３０以下であることが必要である。表示画像の視距離の変化を用いる情報提示には、０．５ディオプタ程度以上の変化が好ましく、これによると緑色の表示距離を中心として赤色、青色の表示距離を±０．５ディオプタとすることができる。０．５ディオプタは軸上の色収差の許容限界に使用されることが多く、０．５ディオプタ以下の視距離の変化は映像表示効果として使用する場合には効果的ではない。一方、０．５ディオプタ以上の視距離の変化があれば、映像表示効果が期待できる。よって、接眼光学部２３はアッベ数３０以下の素材を使用することが好ましい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、アッベ数３０以下の素材で正の屈折力を有する接眼光学部を形成し、表示部に表示される前記表示コンテンツの虚像を観察可能とし、表示制御部が、表示コンテンツの内容に応じて、表示色を切り替えるようにしたので、複雑なメカ機や駆動装置を用いることなく、電気的な制御だけで虚像の位置までの距離を変えることができ、情報提示の効果を高めることができる。さらに、支持部により頭部に固定するようにしたので、歩行中などのモバイル環境下で使用するのに好適である。また、文字情報や図形情報など表示コンテンツの内容に応じて、虚像までの距離や表示位置を変えることで、見やすく表示することができる。さらに、虚像までの距離が長い表示コンテンツを上側に配置し、反対に虚像までの距離が短いコンテンツを下側に配置して表示することにより、背景との虚像までの距離との差を縮めることができ、より見易い表示が可能である。

なお、上記の説明では、表示素子１１をカラー液晶パネル、光源１２（またはバックライト）を白色光源としたが、これらに代えて、表示素子１１をモノクロの透過型の液晶表示素子とし、光源１２を波長の切り替えが可能な光源としても良い。すなわち、光源１２は、例えば赤、緑および青の３色の光源を有し、これらを切替えて使用できるように構成する。この場合、同時に表示されるコンテンツ情報は、単一色となるが、表示制御部１４は、光源１２の出射する光の波長を変えることによって、表示コンテンツの表示色を切り替えることができる。

（第２実施の形態）
図８は、本発明の第２実施の形態に係る虚像観察装置１’の概略構成図である。本実施の形態は、第１実施の形態に係る虚像観察装置１に、センサ１６を追加したものである。センサ１６は、３軸加速度センサ、ジャイロセンサ等の傾き、位置、速度または加速度を検出するセンサである。表示制御部１４は、センサ１６からの信号を受信して、表示コンテンツの表示色を制御する。その他の構成、作用は、第１実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

一例として、センサ１６は傾きを検出するセンサであり、使用者が視線を水平方向より下向きに傾けている場合、表示コンテンツの虚像は水平方向より下方に生成される。この場合、表示コンテンツの背景は、地面や床などの比較的距離の近いものである可能性が高い。そこで、センサ１６が虚像の表示される方向の下向きの傾きを検出すると、その出力を受けた表示制御部１４は、虚像が水平方向より上方に生成される場合に比べ、前記表示コンテンツを長い波長の色で表示するようにする。そうすることによって、背景にある地面や床などと同様の近い位置に虚像を表示して、見易い表示を可能とする。

また、センサ１６は速度センサとすることもできる。この場合、虚像観察装置の使用者が静止している場合、すなわち速度がゼロの場合は、表示制御部１４はコンテンツ情報の表示色を赤色にして、虚像を近い位置に表示する。一方、使用者が歩行中でセンサ１６が速度を検出した場合は、その速度に応じて表示制御部１４は、表示コンテンツの表示色をより波長の短い色にする。人間は静止時には近い距離を視認していることが多く、反対にランニング時などはやや遠い位置に視線があることが多い。また、歩行時にはその中間あたりが好ましい。したがって、センサ１６により得られる速度に応じて、表示制御部１４が表示素子１１に表示される表示画像の表示色を切り替えることによって、虚像の生成される位置までの距離を、立ち止まっている場合、ランニング中または歩行時などの状況に応じて見易く切り替えることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、実施例として右眼表示用の眼鏡型虚像表示装置について説明したが、虚像表示装置は左眼表示用や、両眼表示タイプのものにも適用することが可能である。また、接眼光学部が、導光プリズムと接眼レンズとから構成される実施例を示したが、これらは一体の部材として形成されていても良い。さらに、接眼光学部は種々の構成が可能である。また、虚像の生成される位置までの距離は、１ｍ〜２ｍの範囲や緑色の光に対して１ｍなどに限られず、表示されるコンテンツに応じてより近い距離範囲やより遠い距離範囲とすることができる。また、表示色は、赤色（波長約６５６ｎｍ）、緑色（波長約５５０ｎｍ）、青色（波長約４８６ｎｍ）の色に限られず、種々の波長の表示色を用いることができる。

１，１’ 虚像観察装置
２眼鏡型虚像観察装置
１０表示部
１１表示素子
１２光源
１３照明光学系
１４表示制御部
１５接眼光学部
１６センサ
２０支持部
２１右側テンプル
２２本体部
２３接眼光学部
２４保持部
２５眼鏡レンズ
３０導光プリズム
３０ａ斜面
３１接眼レンズ
３２表示部
３３液晶パネル
３４バックライト

Claims

波長の異なる画像出力が可能な表示部と、
前記表示部に表示される表示コンテンツの表示色を制御する表示制御部と、
アッベ数３０以下の素材で形成され、正の屈折力を有し前記表示部に表示される前記表示コンテンツの虚像を観察可能に生成する接眼光学部と、
使用者の頭部に固定するための支持部と
を備え、
前記表示制御部は、前記表示コンテンツの内容に応じて、前記表示色を切り替えることにより、異なる光の波長に対する前記素材の屈折率の違いを利用して、前記虚像までの距離を切り替えることを特徴とする虚像観察装置。
前記表示制御部は、前記表示コンテンツが波長６５６ｎｍ近傍の赤色で表示される場合は、前記接眼光学部から前記表示コンテンツの虚像までの距離は１ｍよりも短く、前記表示コンテンツが波長４８６ｎｍ近傍の青色で表示される場合は、前記接眼光学部から前記表示コンテンツの虚像までの距離は２ｍよりも長くなるように、前記表示コンテンツの前記表示色を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の虚像観察装置。
前記表示制御部は、前記虚像までの距離が０．５ディオプタ以上変化するように、前記表示コンテンツの前記表示色を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の虚像観察装置。
前記表示制御部は、前記表示コンテンツの表示色を波長５５０ｎｍ近傍の緑色の表示から、波長６５６ｎｍ近傍の赤色または波長４８６ｎｍ近傍の青色の表示に切り替えることで、前記虚像までの距離を０．５ディオプタ以上変化させることを特徴とする請求項１に記載の虚像観察装置。
前記表示制御部は、前記接眼光学部から前記表示コンテンツの虚像までの距離が長いほど、前記表示コンテンツを前記表示部の上側に表示することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の虚像観察装置。
前記表示制御部は、前記表示コンテンツがテキスト情報の場合、該表示コンテンツの表示色を６１０ｎｍより長い波長の色とすることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の虚像観察装置。
前記表示部は、非自発光型の表示素子と、該表示素子を照明する異なる波長の光を出射可能な光源とを備え、前記表示制御部は、前記光源を出射する光の波長を切り替えることにより、前記表示色の切り替えを行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の虚像観察装置。
自装置の傾きまたは速度を検出するセンサを備え、前記表示制御部は前記センサの出力に応じて、前記表示コンテンツの前記表示色を制御することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の虚像観察装置。
前記センサは前記自装置の傾きを検出するセンサであり、前記虚像が水平方向より下方に生成される場合は、前記虚像が水平方向より上方に生成される場合に比べ、前記表示コンテンツをより長波長の色で表示することを特徴とする請求項８に記載の虚像観察装置。