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公開番号2025020601
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-13
出願番号2023124086
出願日2023-07-31
発明の名称ヘッドマウントディスプレイ
出願人日本放送協会
代理人弁理士法人磯野国際特許商標事務所
主分類G02B 27/02 20060101AFI20250205BHJP(光学)
要約【課題】ライトフィールド方式と二眼方式とで切り替えることが可能なヘッドマウントディスプレイを提供する。
【解決手段】ヘッドマウントディスプレイ1は、レンズアレイのレンズ機能を有効または無効に切り替え可能な光学素子により、ライトフィールド方式による要素画像群を用いた3次元像の表示と、二眼方式による視差画像を用いた2次元像の表示とを切り替える3D2D切替表示部20と、ライトフィールド方式と二眼方式とでレンズの焦点位置を前後に切り替えて、3D2D切替表示部20が表示する像を拡大する焦点位置可変拡大部30と、3D2D切替表示部20における光学素子のレンズアレイの機能を有効または無効に制御する制御部40と、を備える。
【選択図】図2A
特許請求の範囲【請求項１】
人物の頭部に装着して映像を表示するヘッドマウントディスプレイであって、
レンズアレイのレンズ機能を有効または無効に切り替え可能な光学素子により、ライトフィールド方式による要素画像群を用いた３次元像の表示と、二眼方式による視差画像を用いた２次元像の表示とを切り替える３Ｄ２Ｄ切替表示部と、
前記ライトフィールド方式と前記二眼方式とでレンズの焦点位置を前後に切り替えて、前記３Ｄ２Ｄ切替表示部が表示する像を拡大する焦点位置可変拡大部と、
前記光学素子の前記レンズアレイの機能を有効または無効に制御する制御部と、
を備えることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記３Ｄ２Ｄ切替表示部は、
前記要素画像群または前記視差画像を表示するディスプレイと、
前記ディスプレイの前方に配置され、前記レンズ機能を有効または無効に切り替え可能な光学素子であるレンズアレイ切替素子と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項３】
前記ディスプレイの出射光はランダム偏光または円偏光であり、前記レンズアレイ切替素子は偏光依存性を有するものであって、
前記ディスプレイと前記レンズアレイ切替素子との間に前記出射光を直線偏光に変換する偏光子をさらに備え、
前記レンズアレイ切替素子を前記直線偏光の光を通過するように配置することを特徴とする請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項４】
前記ディスプレイの出射光は直線偏光であり、前記レンズアレイ切替素子は偏光依存性を有するものであって、
前記レンズアレイ切替素子を前記直線偏光の光を通過するように配置することを特徴とする請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項５】
前記３Ｄ２Ｄ切替表示部は、
ランダム偏光または円偏光を出射光とし、前記要素画像群または前記視差画像を表示するディスプレイと、
前記ディスプレイの出射光のうちで特定の偏光の光のみを通過させる偏光子と、
前記偏光子を通過した光を一方の偏光状態と他方の偏光状態とに切り替える偏光切替素子と、
前記偏光切替素子で切り替えられる前記一方の偏光状態と前記他方の偏光状態とで、光の進行方向に対して正または負の焦点距離を持つ偏光回折レンズアレイと、
前記光の進行方向に対して前記偏光回折レンズアレイと同じ正の焦点距離を持つレンズアレイと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項６】
前記３Ｄ２Ｄ切替表示部は、
直線偏光を出射光とし、前記要素画像群または前記視差画像を表示するディスプレイと、
前記ディスプレイの出射光を一方の偏光状態と他方の偏光状態とに切り替える偏光切替素子と、
前記偏光切替素子で切り替えられる前記一方の偏光状態と前記他方の偏光状態とで、光の進行方向に対して正または負の焦点距離を持つ偏光回折レンズアレイと、
前記光の進行方向に対して前記偏光回折レンズアレイと同じ正の焦点距離を持つレンズアレイと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項７】
前記焦点位置可変拡大部は、
前記３Ｄ２Ｄ切替表示部が表示する像を拡大する接眼レンズと、
前記接眼レンズの位置を前後に切り替える位置切替機構と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項８】
前記焦点位置可変拡大部は、焦点距離を可変とする可変焦点レンズであって、
前記制御部は、さらに、前記可変焦点レンズの焦点距離を、前記ライトフィールド方式に比べて前記二眼方式の方が短くなるように制御することを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、教育、医療、娯楽等の様々な分野で仮想現実（ＶＲ：Virtual Reality）や拡張現実（ＡＲ：Augmented Reality）の活用が広がりつつある。ＶＲ用やＡＲ用の表示装置として、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Head Mounted Display）が利用されている。また、近年では、ヘッドマウントディスプレイの使用者が仮想空間内で高い没入感・臨場感を得られるように、高精細・広視野なデバイスの開発が進められている。
【０００３】
一般的なヘッドマウントディスプレイは、ディスプレイと接眼レンズとで構成されており、ユーザから１ｍ～２ｍ程度離れた奥行きに表示されたディスプレイの虚像を使用者に視認させる。また、このヘッドマウントディスプレイは、ディスプレイに左右の視差のある映像を表示することで、使用者に立体感を感じさせることができる。また、ヘッドマウントディスプレイは、搭載されたトラッキングセンサからの姿勢情報をもとに、頭部の向きに応じた映像をディスプレイに表示することで、３６０度映像（２次元像）や３Ｄオブジェクト（３次元像）が表示されたコンテンツを使用者に視認させることができる。
【０００４】
このヘッドマウントディスプレイの問題として、長時間使用時の視覚疲労や不快感が挙げられる。その原因は、焦点調節機能により眼が焦点を合わせる位置と、輻輳機能により両眼の視線方向が交差する位置とが一致していないことと言われている。特に、３Ｄオブジェクトを視認させる場合、使用者から１ｍ以内の近い奥行きにコンテンツを表示することから、焦点調節機能により眼が焦点を合わせる位置（使用者から１ｍ～２ｍ程度）と、輻輳機能により両眼の視線方向が交差する位置（使用者から１ｍ以内）との差が大きくなるため、視覚疲労や不快感への影響が顕著である。そして、この問題は、仮想的に３次元物体の光線を再生するライトフィールド方式で改善できると期待されている。
【０００５】
特許文献１および非特許文献１には、図１５に示すように、ヘッドマウントディスプレイ９が記載されている。ヘッドマウントディスプレイ９は、ライトフィールド方式に対応しており、ディスプレイ９０と、レンズアレイ９１と、接眼レンズ９３と、を備える。このヘッドマウントディスプレイ９では、ディスプレイ９０に要素画像ｅｐを配列した要素画像群ＥＰを表示すると、要素画像ｅｐに対応したレンズ９２を配列したレンズアレイ９１と接眼レンズ９３との間に中間像Ｍが形成される。そして、ヘッドマウントディスプレイ９では、接眼レンズ９３を通して、中間像Ｍが拡大された３次元像Ｔ（虚像）を再現できる。このとき、３次元像Ｔの点Ｘは、眼球１００に入射した光線として、水晶体１０１によって網膜１０２上で１点に集光する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特開２０２０－０７３９８８号公報
【非特許文献】
【０００７】
H. Huang and H. Hua, "High-performance integral-imaging-based light field augmented reality display using freeform optics," Opt. Express, 26, 17578-17590 (2018).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ライトフィールド方式のヘッドマウントディスプレイは、３次元像の１点を複数の画素からの光線で形成するため、３次元像の形成には大量の画素が必要となる。そのため、ライトフィールド方式のヘッドマウントディスプレイは、従来の二眼方式の２次元像に比べて解像度や視野角が低下してしまうという問題がある。
そこで、本発明は、３次元像を視認させる場合と２次元像を視認させる場合とで、表示方式をライトフィールド方式と二眼方式とで切り替えることが可能なヘッドマウントディスプレイを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するため、本発明に係るヘッドマウントディスプレイは、人物の頭部に装着して映像を表示するヘッドマウントディスプレイであって、３Ｄ２Ｄ切替表示部と、焦点位置可変拡大部と、制御部と、を備える構成とした。
【００１０】
かかる構成において、ヘッドマウントディスプレイは、３Ｄ２Ｄ切替表示部によって、レンズアレイのレンズ機能を有効または無効に切り替え可能な光学素子により、ライトフィールド方式による要素画像群を用いた３次元像の表示と、二眼方式による視差画像を用いた２次元像の表示とを切り替える。この切り替えは、制御部によって行われる。
そして、ヘッドマウントディスプレイは、焦点位置可変拡大部によって、ライトフィールド方式と二眼方式とでレンズの焦点位置を前後に切り替えて、３Ｄ２Ｄ切替表示部が表示する像を拡大する。
（【００１１】以降は省略されています）

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