以下、本発明のさらに具体的な実施の形� ��のいくつかを図面に基づいて詳細に説明す� ��。

 図1には、本発明の第1実施形態に従うヘ� �ドマウントディスプレイ装置10が概念的に光 路図で示されている。このヘッドマウントデ ィスプレイ装置10は、図示しない観察者の頭� ��に装着されて使用される形式の画像表示装� ��である。

 このヘッドマウントディスプレイ装置10� �、概略的には、光源から一斉に入射した面� �の光を、空間変調素子を用いて、各画素ご� �に空間的に変調し、そのようにして形成さ� �た画像光を観察者の瞳孔を経て直接的に観� �者の網膜上に投影し、それにより、観察者� �画像を虚像として観察することを可能にす� �ように構成されている。

 具体的には、このヘッドマウントディス� ��レイ装置10は、光源部12と、画像光形成部14� ��、リレー光学系16と、射出瞳制御部18と、瞳 孔位置検出部20と、接眼光学系22とを、それ� �の順に、互いに直列に並ぶように備えてい� �。それら要素の集まりは、観察者の右眼用� �左眼用とにそれぞれ、用意されており、観� �者のいずれの眼にも、画像光が入射させら� �る。

 光源部12は、光源としての白色LED30と、そ の白色LED30からの白色光が入射するフィール� ��レンズ32とを含むように構成されている。� �色LED30は、LEDドライバ34によって駆動され、� ��れにより、白色光を発光する。

 画像光形成部14は、フラットパネルディ� �プレイ(空間変調素子の一例)としてのLCD(液� �ディスプレイ)40を含むように構成されてい� �。LCD40は、コリメートレンズ32からの白色光� ��、各画素ごとに、3色の成分光(RGB)に分解す� ��カラーフィルタ(RGBフィルタ)と、各成分光� �透過度を制御する液晶パネルとを含むよう� �構成されている。その液晶パネルは、複数� �の画素を有しており、各画素ごとに、各成� �光の透過度を制御する。

 LCD40のいくつかの例が日本国特開平11-19431 3号公報に開示されており、その公報は、引� �によって本明細書に全体的に合体させられ� �。LCD40は、LCDドライバ42によって駆動され、� ��れにより、白色LED30から出射した白色光に� �して空間変調を施す。

 本実施形態においては、画像光形成部14� �フラットパネルディスプレイを主体として� �成されているが、これに限定されることな� �、例えば、光スキャナを主体として構成す� �ことが可能である。この場合、このヘッド� �ウントディスプレイ装置10は、網膜走査型デ ィスプレイ装置とも称される。

 また、本実施形態においては、フラット� ��ネルディスプレイの一例としてLCD40が採用� �れているが、これに限定されることなく、� �えば、有機エレクトロルミネッセンスとし� �り、デジタルマイクロミラーデバイスとす� �ことが可能である。

 リレー光学系16は、前段リレーレンズ60と 後段リレーレンズ62とを含むように構成され� ��いる。

 射出瞳制御部18は、観察者の瞳孔位置の� �化に追従するように、ヘッドマウントディ� �プレイ装置10の射出瞳の位置を制御するため に設けられている。この射出瞳制御部18は、� ��気的制御素子の一例である液晶光学デバイ� ��70を主体として構成されている。

 この液晶光学デバイス70は、図12に示すよ うに、リレー光学系16と接眼光学系22との間� �位置する中間像面から距離dだけオフセット� ��た位置(本実施形態においては、接眼光学系 22寄りの位置)に配置されている。そのオフセ ット配置の影響については、後に詳述する。

 この液晶光学デバイス70は、回折角が電� �的に可変である回折格子として機能する。� �らに、この液晶光学デバイス70は、透過型回 折格子として機能するが、これに限定される ことなく、反射型回折格子として機能する液 晶光学デバイスを採用することが可能である 。

 この液晶光学デバイス70は、2次元回折を� ��うように設計されているが、これに限定さ� ��ず、1次元回折を行うように設計することが 可能である。この液晶光学デバイス70は、図2 に断面図で示すように、入射光をX方向すな� �ち水平方向に回折するための第1部分72と、� �射光をY方向すなわち垂直方向に回折するた� ��の第2部分74とが、共通の透明なガラス基板� ��介して、互いに積層されて一体的に構成さ� ��ている。

 この液晶光学デバイス70の一従来例が日� �国特開2001-100026号公報に開示されており、こ の公報は、引用されることにより、全体的に 本明細書に合体させられる。

 図2に示すように、第1部分72は、透明なガ ラス基板80と液晶層82とが積層されて構成さ� �ている。液晶層82の表面には、各々ストライ プ状を成す複数の電極84が互いに並列に延び� ��ように形成されている。それら複数の電極8 4は、X方向に並んでいる複数の透明電極であ� ��。図3には、それら複数の電極84が正面図で� ��されている。

 これに対し、液晶層82の裏面には、複数� �電極84に共通の接地電極86が形成されている� ��この接地電極86も透明電極である。

 この第1部分72を作動させるために、複数� ��電極84のうち選択されたものと接地電極86と の間に電圧が印加され、それにより、選択さ れた電極84の位置に応じた電界が液晶層82に� �加される。その結果、液晶層82内の液晶分子 が傾き、それにより、液晶層82の屈折率が変� ��する。

 図3に示すように、複数の電極84に印加さ� ��る電圧値の分布パターンとして、モード1、 モード2およびモード3が用意されている。モ� ��ド1が採用されると、図3(a)に示すように、� �ずれの電極84にも電圧が印加されない。この ことが図4(a)にはグラフで表されている。そ� �結果、図3(a)に示すように、第1部分72は、リ� ��ー光学系16からの入射光をそのまま、0次光� ��して透過する。

 これに対し、モード2が選択されると、図 3(b)に示すように、互いに隣接した2本の電極8 4には電圧が印加されるが、その隣の2本の電� ��84には電圧が印加されないというように、2� ��ずつ、2本置きに、電極84に電圧が印加され� ��。このことが図4(b)にはグラフで表されてい る。その結果、図3(b)に示すように、第1部分7 2は、リレー光学系16からの入射光から、2本� �回折光、すなわち、+1次光と-1次光とを発生� ��せる。

 また、モード3が選択されると、図3(c)に� �すように、1本ずつ、1本置きに、電極84に電� ��が印加される。このことが図4(c)にはグラフ で表されている。その結果、図3(c)に示すよ� �に、第1部分72は、リレー光学系16からの入射 光から、2本の回折光、すなわち、+1次光と-1� ��光とを発生させる。それら1次光が第1部分72 から出射する角度(偏向角ないし回折角)は、� ��ード2における角度より大きい。

 したがって、第1部分72に印加される電圧� ��の分布パターンをモード1、モード2および� �ード3に変化させると、第1部分72から出射す� ��回折光の角度が変化する。

 このようにして回折光の角度が変化する� ��、図5に光路図で示すように、射出瞳が移動 する。具体的には、モード1が選択された場� �には、液晶光学デバイス70から光が、図5に� �いて点線で示す光路に沿って出射し、その� �果、射出瞳が、光軸上の中立位置P1に位置さ せられる。

 これに対し、モード2または3が選択され� �と、液晶光学デバイス70から光が、図5にお� �て二重破線で示す光路に沿って出射し、そ� �結果、射出瞳が、光軸から距離aずれた位置P 2に移動させられる。例えば、回折角θが7.1[de g]、距離bが40[mm]である場合には、距離aが5[mm] となる。

 液晶光学デバイス70は、モード2または3に おいて、+1次光と-1次光とを出射するが、図5� ��は、説明を簡単にするために、それら+1次� �と-1次光とのうち、瞳孔に入射することとな る射出瞳を形成する回折光のみが示されてい る。

 本実施形態においては、第1部分72に印加� ��れる電圧値の分布パターンをモード1、モー ド2およびモード3に変化させると、第1部分72� ��ら出射する回折光の角度が離散的に変化す� ��ため、ヘッドマウントディスプレイ装置10� �射出瞳の位置も離散的に(すなわち、不連続� ��にないし段階的に)変化させられる。

 図2に示すように、第2部分74は、第1部分72 と同様に、透明なガラス基板90と液晶層92と� �積層されて構成されている。液晶層92の表面 には、各々ストライプ状を成す複数の電極94� ��互いに並列に延びるように形成されている� ��それら複数の電極94はいずれも、第1部分72� �おける複数の電極84に対して直角に延びる透 明電極である。それら複数の電極94は、Y方向 に並んでいる。

 これに対し、液晶層92の裏面には、複数� �電極94に共通の接地電極96が形成されている� ��この接地電極96も透明電極である。

 この第2部分74の作動、その作動のために� ��意されているモードの種類およびモードと� ��折角との関係については、第1部分72の場合� ��共通するため、重複した説明を省略する。

 図1に示すように、この液晶光学デバイス 70は、液晶光学デバイスドライバ72によって� �動される。

 なお付言するに、本実施形態においては� ��射出瞳を移動させるために使用される光学� ��子として液晶光学デバイス70が選択されて� �るが、これに限定されず、例えば、電気光� �効果偏向器EODを選択したり、音響光学偏向� �AODを選択することが可能である。

 さらに、そのような光学素子として、グ� ��ーティング・ライト・バルブGLVを選択する� ��とが可能である。このグレーティング・ラ� ��ト・バルブGLVは、例えば、リボン状の反射� ��を備えた固定格子と、リボン状の反射面を� ��するとともに、電気信号に応じて、前記固� ��格子に対して移動可能な可動格子とを含む� ��うに構成される。

 このグレーティング・ライト・バルブGLV� ��いくつかの例が日本国特開2003-341128号公報� �開示されており、この公報は、引用される� �とにより、全体として本明細書に合体させ� �れる。

 さらにまた、上述の光学素子として、回� ��ピッチの方向に電気的に伸張する素材によ� ��構成され、それにより、回折ピッチが電気� ��に可変である回折素子を選択することも可� ��である。

 図1に示すように、以上説明した射出瞳制 御部18の直ぐ下流に、瞳孔位置検出部20が配� �されている。射出瞳制御部18は、その瞳孔位 置検出部20によって検出された瞳孔位置に基� ��き、観察者の各眼ごとに、瞳孔位置の変化� ��追従するように、ヘッドマウントディスプ� ��イ装置10の射出瞳を移動させる。

 瞳孔位置検出部20は、観察者の眼の瞳孔� �置を検出するために有用な情報を取得する� �めに使用されるデバイスとして、観察者の� �からの反射光を取り出すハーフミラー100を� �えている。この瞳孔位置検出部20は、さらに 、そのハーフミラー100からの入射光に基づき 、瞳孔位置を光学的に検出する瞳孔位置検出 回路102を備えている。

 ハーフミラー100は、液晶光学デバイス70� �らの入射光を、接眼光学系22に向けて透過さ せる一方、観察者の眼からの反射光であって 、接眼光学系22からの入射光を、瞳孔位置検� ��回路102の受光部(図示しない)に向けて反射� �るように設計されている。

 瞳孔位置検出回路102は、瞳孔位置(例えば 、瞳孔の中心位置)の、ヘッドマウントディ� �プレイ装置10の光軸上の射出瞳(中立位置に� �る射出瞳)に対する相対的な位置を水平方向( X方向)と垂直方向(Y方向)とについてそれぞれ� ��出する。この瞳孔位置検出回路102は、例え� ��、CCDカメラを主体として構成される。した� ��って、この瞳孔位置検出回路102は、瞳孔の� ��平方向位置Xを表す信号と、瞳孔の垂直方向 位置Yを表す信号とを出力する。

 接眼光学系22は、接眼レンズ110と、その� �眼レンズ110からの画像光をユーザの瞳孔に� �導する光ガイドとしてのハーフミラー112と� �含むように構成されている。

 本実施形態においては、その光ガイドが� ��ーフミラー112として構成されているため、� ��ーザは、ハーフミラー112を通して現実外界� ��観察すると同時に、接眼レンズ110からの画� ��光を、ハーフミラー112の反射によって受光� ��て表示画像を観察することが可能である。� ��なわち、このヘッドマウントディスプレイ� ��置10は、現実外界に重ねて表示画像を観察� �能なシースルー型なのである。

 図6には、このヘッドマウントディスプレ イ装置10のうちの電気的な部分がブロック図� ��概念的に表されている。このヘッドマウン� ��ディスプレイ装置10は、信号処理装置120を� �えている。

 その信号処理装置120は、コンピュータ122� ��、メモリ部124と、入出力インターフェイス1 26と、クロック発振器128とを含むように構成� ��れている。入力インターフェイス126に、前� ��のLEDドライバ32、LCDドライバ42、瞳孔位置検 出回路102および液晶光学デバイスドライバ72� ��電気的に接続されている。

 図6に示すように、信号処理装置120は、概 略的には、外部から入力されたコンテンツを 表すデータに基づき、そのコンテンツを表示 するために必要な信号を生成し、その信号に 基づき、LEDドライバ34を介して白色LED30、LCD� �ライバ42を介してLCD40をそれぞれ制御する。

 本実施形態においては、図1に示すように 、LCDドライバ42には、各画素ごとに、実現す� ��き色および輝度を表す画像信号に加えて、� ��像位置信号も入力される。その画像位置信� ��は、観察者に対する画像の表示位置を、デ� ��ォールト位置から水平方向と垂直方向とに� ��れぞれ変位するためにLCDドライバ42に入力� �れる。そのため、その画像位置信号は、表� �画像の、デフォールト位置からの水平方向� �動量を表す成分と、垂直方向移動量を表す� �分とを有するように生成される。

 コンテンツは、R輝度信号、G輝度信号お� �びB輝度信号によって表現される。コンピュ� ��タ122は、それら信号を入力すると、R輝度信 号、G輝度信号およびB輝度信号をR/G/Bバッフ� �130に保存する。コンピュータ122は、各フレ� �ムごとに、R輝度信号、G輝度信号およびB輝� �信号から、LCD40制御用のR画像信号、G画像信� ��およびB画像信号を生成して、それら画像信 号をLCDドライバ42に供給する。

 図7に示すように、メモリ部124には、画像 表示プログラムと、瞳孔トラッキングプログ ラムと、画像位置補正プログラムとが不揮発 的に予め記憶されている。

 画像表示プログラムは、コンテンツを表� ��輝度信号に基づいて画像信号を生成してそ� ��をLCDドライバ42に供給し、それにより、目� �画像を表示するためにコンピュータ122によ� �て実行される。この画像表示プログラムは� �よく知られた手順で実行されるものである� �め、文章および図示による説明を省略する� �

 これに対し、瞳孔トラッキングプログラ� ��は、瞳孔位置検出回路102からの信号であっ� ��瞳孔位置を表すものに基づき、その瞳孔位� ��の変化に追従するようにヘッドマウントデ� ��スプレイ装置10の射出瞳を移動させるため� �コンピュータ122によって実行される。すな� �ち、瞳孔トラッキングプログラムは、射出� �が瞳孔位置をトラッキングするようにする� �めにコンピュータ122によって実行されるの� �ある。

 図8には、その瞳孔トラッキングプログラ ムが概念的にフローチャートで表されている 。この瞳孔トラッキングプログラムは、ヘッ ドマウントディスプレイ装置10の電源(図示し ない)がユーザによって投入された後に、自� �的に定期的に実行されるか、またはユーザ� �らのリクエストに応答して実行される。

 この瞳孔トラッキングプログラムの実行� ��には、まず、ステップS1において、瞳孔位� �検出回路102からの信号に基づき、瞳孔の水� �方向位置Xが検出され、次に、ステップS2に� �いて、瞳孔位置検出回路102からの信号に基� �き、瞳孔の垂直方向位置Yが検出される。

 続いて、ステップS3において、検出され� �水平方向位置Xに基づき、前述のモード1ない し3のうち、射出瞳が水平方向に瞳孔位置を� �ラッキングするために適切なモードが選択� �れる。その後、ステップS4において、検出さ れた水平方向位置Yに基づき、前述のモード1� ��いし3のうち、射出瞳が垂直方向に瞳孔位置 をトラッキングするために適切なモードが選 択される。

 水平方向トラッキングのためのモード選� ��および垂直方向トラッキングのためのモー� ��選択は、共通のアルゴリズムに従って行わ� ��る。以下、そのアルゴリズムを図9を参照し て詳細に説明する。

 図9には、このヘッドマウントディスプレ イ装置10が採用し得る複数の射出瞳の位置が� ��各モードごとに、横一列に並んだ5個の丸印 でそれぞれ示されている。さらに、各モード ごとに、瞳孔が、射出瞳を表す丸印より大き い丸印で示されている。実際に、瞳孔は射出 瞳より大きい。

 本実施形態においては、前述のように、� ��ード1が選択されると、液晶光学デバイス70� ��0次光を発生させ、また、モード2が選択さ� �ると、液晶光学デバイス70が+1次光と-1次光� �を、小さな偏向角のもとに発生させ、また� �モード3が選択されると、液晶光学デバイス7 0が+1次光と-1次光とを、大きな偏向角のもと� ��発生させる。

 この液晶光学デバイス70においては、複� �の電極84,94のうち電圧が印加されるのは、1� �の孤立電極を繰返し単位として一定ピッチ� �並ぶ複数の電極84,94(図3(c)参照)、または1組� �隣接電極を繰返し単位として一定ピッチで� �ぶ複数の電極84,94(図3(b)参照)である。この液 晶光学デバイス70においては、複数の繰返し� ��位が並ぶピッチが小さいほど、回折光の偏� ��角が大きくなる。

 本実施形態においては、モードをモード1 からモード2に変化させた場合と、モード2か� ��モード3に変化させた場合とで、射出瞳の移 動量がほぼ等しくなるように、液晶光学デバ イス70の構成およびその制御方法が予め設定� ��れている。しかも、瞳孔の平均的直径の寸� ��をA、射出瞳の直径寸法をBでそれぞれ表す� �すると、モード1からモード2に変化させた場 合も、モード2からモード3に変化させた場合� ��、射出瞳が、(A-B)にほぼ等しい距離だけ移� �するように、液晶光学デバイス70の構成およ びその制御方法が予め設定されている。

 図9に示すように、本実施形態においては 、射出瞳の位置が連続的にではなく離散的に 変化させられる。一方、各瞬間において、瞳 孔には1つの射出瞳のみが存在することが、� �像多重化を防止する観点から望ましく、さ� �に、瞳孔には、1つの射出瞳が全体的に存在� ��ることが、表示画像の明るさを確保する観� ��から望ましい。

 本実施形態においては、瞳孔位置が変化� ��た場合、(1)瞳孔には1つの射出瞳のみが存在 するという条件と、(2)瞳孔には、1つの射出� �が全体的に存在するという条件とが同時に� �立するように、離散的に取り得る複数個の� �出瞳のうちのいずれか一つが選択される。

 具体的には、例えば、水平方向トラッキ� ��グを例にとり説明すると、中立位置(水平方 向位置X=0)に対する瞳孔の水平方向位置X(すな わち、瞳孔の中心点の、中立位置からのずれ 量)が、(A-B)/2より小さい場合には、モード1が 選択され、その結果、0次光による射出瞳が� �孔内に存在するようにされる。

 また、水平方向位置Xが、(A-B)/2以上、か� �、3(A-B)/2より小さい場合には、モード2が選� �され、その結果、小さい偏向角を有する+1次 光または-1次光による射出瞳が瞳孔内に存在� ��るようにされる。

 また、水平方向位置Xが、3(A-B)/2以上、か� ��、5(A-B)/2より小さい場合には、モード3が選� ��され、その結果、大きい偏向角を有する+1� �光または-1次光による射出瞳が瞳孔内に存在 するようにされる。

 なお付言するに、本実施形態においては� ��図9から明らかなように、モード1ではなく� �モード2またはモード3が選択される場合には 、2つの回折光が発生するが、それら回折光� �うち、瞳孔内に存在する射出瞳の形成に寄� �するのは1つの回折光のみである。そのため� ��モード1が選択される場合とは異なり、モー ド2またはモード3が選択される場合には、表� ��画像の明るさを維持するためには、光源部1 2からの出射光の出力を増減させるなどの出� �補正措置を講ずることが必要となる。すな� �ち、射出瞳の移動すなわちモード変化に合� �せて光源部12からの出射光の出力を変化させ ることにより、瞳孔に入射する光の光量が変 動しないようにすることが必要なのである。

 これに対し、液晶光学デバイス70におけ� �複数の電極82,92に、図10(a)にモード4として示 すように、互いに連続した複数の電極から成 る電極群ごとに、電圧値が単調に増加するよ うに、電圧を印加すると、液晶光学デバイス 70がブレーズド格子として機能する。

 液晶光学デバイス70がブレーズド格子と� �て機能すると、図10(b)に示すように、液晶光 学デバイス70の光軸に関する正側に出射する� ��折光と負側に出射する回折光とのうち予め� ��められた一方の回折光のパワーが他方の回� ��光のパワーより増加する。

 したがって、瞳孔位置検出回路102からの� ��号に基づき、瞳孔位置が中立位置からずれ� ��量のみならずずれた方向も検出され、その� ��出結果に基づき、複数の電極82,92に電圧が� �液晶光学デバイス70がブレーズド格子として 機能するための電圧値分布パターンで印加さ れる態様で本発明を実施することが可能であ る。

 図8に戻ると、本実施形態においては、ス テップS3において、上述のモード選択アルゴ� ��ズムに従い、瞳孔の水平方向位置Xに基づき 、水平方向トラッキングのために採用すべき モードが選択される。その後、ステップS4に� ��いて、上述のモード選択アルゴリズムに従� ��、瞳孔の垂直方向位置Yに基づき、垂直方向 トラッキングのために採用すべきモードが選 択される。

 続いて、ステップS5において、液晶光学� �バイス70の第1部分72、すなわち、射出瞳を水 平方向に移動させるための部分における複数 の電極84に電圧が、ステップS3において選択� �れたモードに対応する電圧分布パターンで� �加される。これにより、射出瞳の、水平方� �における位置が、瞳孔の、現在の水平方向� �置に接近ないし一致させられる。

 その後、ステップS6において、液晶光学� �バイス70の第2部分74、すなわち、射出瞳を垂 直方向に移動させるための部分における複数 の電極94に電圧が、ステップS4において選択� �れたモードに対応する電圧分布パターンで� �加される。これにより、射出瞳の垂直方向� �置が、瞳孔の、現在の垂直方向位置に接近� �いし一致させられる。

 以上で、この瞳孔トラッキングプログラ� ��の一回の実行が終了する。

 図11には、前述の画像位置補正プログラ� �が概念的にフローチャートで表されている� �

 前述のように、この液晶光学デバイス70� �、図12に示すように、リレー光学系16と接眼� ��学系22との間に位置する中間像面から距離d� ��けオフセットした位置(本実施形態において は、接眼光学系22寄りの位置)に配置されてい る。

 図12(a)には、液晶光学デバイス70が、モー ド1において、0次光を出射し、その結果、射� ��瞳が中立位置P1に位置することが示されて� �る。一方、液晶光学デバイス70に各瞬間ごと に入射するレーザビームは、異なる点を通過 する複数の光線の束であると考えられる。

 図12(a)において、「A」は、液晶光学デバ� ��ス70に入射するレーザビーム(中心光線)の光 軸と中間像面との交点Oを通過する一垂直線� �、前記複数の光線のうち最も上側に位置す� �ものの中心線との交点を意味する。これに� �し、「B」は、上記一垂直線と、前記複数の� ��成のうち最も下側に位置するものの中心線� ��の交点を意味する。AとOとBとによって規定� ��れる位置は、液晶光学デバイス70の背後に� �像として投影され、その位置関係は、観察� �にとっては、表示画像の位置関係と等しい� �

 図12(b)には、液晶光学デバイス70が、モー ド2または3において、1次光を出射し、その結 果、射出瞳が、中立位置P1から距離aだけオフ セットした位置P2に位置することが示されて� ��る。

 液晶光学デバイス70は、モード2または3に おいて、+1次光と-1次光とを出射するが、図12 (b)には、説明を簡単にするために、それら+1� ��光と-1次光とのうち、瞳孔に入射すること� �なる射出瞳を形成する回折光のみが示され� �いる。

 図12(b)においては、液晶光学デバイス70が 、リレー光学系16と接眼光学系22との間に位� �する中間像面から距離dだけオフセットした� ��置に配置されているという理由から、液晶� ��学デバイス70の背後に形成される虚像の位� �が、Aから上方にずれたA’と、Oから上方に� �れたO’と、Bから上方にずれたB’とによっ� �規定される。

 図13(a)および図13(b)にはそれぞれ、図12(a)� ��示すモード1および図12(b)に示すモード2また は3の場合に観察者によって観察される画像(� ��像)の一例が示されている。観察者は、モー ド2または3が選択されると、画像を、モード1 が選択されたときより上方に移動するように 観察する。このような移動は、予定されてい ないものであるため、解消ないし軽減するこ とが、観察者が画像を安定的に観察すること を可能にするために必要である。

 一方、画像が予定外に移動する量は、射� ��瞳の移動量に依存する。したがって、射出� ��の移動量が決まれば、画像が予定外に移動� ��る量が一義的に決まり、ひいては、その予� ��外移動量をキャンセルするために表示画像� ��移動させるべき量も一義的に決まる。

 ここで、図11を参照することにより、前� �の画像位置補正プログラムを具体的に説明� �る。

 この画像位置補正プログラムは、ヘッド� ��ウントディスプレイ装置10の電源が投入さ� �ている間、定期的に繰り返し実行される。

 各回の実行時には、まず、ステップS101に おいて、図8に示すステップS3の実行によって 選択された水平方向トラッキング用モードの 種類から、射出瞳の水平方向移動量が求めら れる。モードの種類と射出瞳の水平方向移動 量との関係が予めメモリ部124に記憶されてお り、その関係に従い、今回のモードの種類か ら、射出瞳の水平方向移動量の今回値が求め られる。

 次に、ステップS102において、ステップS10 1に準じて、図8に示すステップS4の実行によ� �て選択された垂直方向トラッキング用モー� �の種類から、射出瞳の垂直方向移動量が求� �られる。モードの種類と射出瞳の垂直方向� �動量との関係が予めメモリ部124に記憶され� �おり、その関係に従い、今回のモードの種� �から、射出瞳の垂直方向移動量の今回値が� �められる。

 続いて、ステップS103において、画像位置 の水平方向補正量が、射出瞳の水平方向移動 量に応じて一義的に決まる、画像位置の水平 方向移動量を打ち消すための値を有するよう に求められる。射出瞳の水平方向移動量と画 像位置の水平方向移動量との関係が予めメモ リ部124に記憶されており、その関係に従い、 射出瞳の水平方向移動量の今回値から、画像 位置の水平方向移動量の今回値が求められ、 ひいては、画像位置の水平方向補正量の今回 値が求められる。

 その後、ステップS104において、ステップ S103に準じて、画像位置の垂直方向補正量が� �射出瞳の垂直方向移動量に応じて一義的に� �まる、画像位置の垂直方向移動量を打ち消� �ための値を有するように求められる。射出� �の垂直方向移動量と画像位置の垂直方向移� �量との関係が予めメモリ部124に記憶されて� �り、その関係に従い、射出瞳の垂直方向移� �量の今回値から、画像位置の垂直方向移動� �の今回値が求められ、ひいては、画像位置� �垂直方向補正量の今回値が求められる。

 続いて、ステップS105において、前述の画 像位置信号が、上述のようにして求められた 画像位置の水平方向補正量および垂直方向補 正量を表すように生成される。その後、ステ ップS106において、その生成された画像位置� �号がLCDドライバ42に出力される。

 以上で、この画像位置補正プログラムの� ��回の実行が終了する。

 したがって、本実施形態によれば、射出� ��の移動の有無にかかわらず、観察者は、安� ��した位置において画像を観察することが可� ��となり、その結果、ヘッドマウントディス� ��レイ装置10による画像の表示品質が向上す� �。

 以上の説明から明らかなように、本実施� ��態においては、説明の便宜上、液晶光学デ� ��イス70と、信号処理装置120のうち図8に示す� ��孔トラッキングプログラムを実行する部分� ��が互いに共同して、前記(1)項における「射� ��瞳制御部」の一例を構成し、液晶光学デバ� ��ス70が同項における「光学素子」の一例を� �成し、信号処理装置120のうち図8に示す瞳孔� ��ラッキングプログラムを実行する部分が、� ��項における「射出瞳制御手段」の一例を構� ��し、信号処理装置120のうち図11に示す画像� �置補正プログラムを実行する部分が、同項� �おける「変換特性補正手段」の一例を構成� �ていると考えることが可能である。

 さらに、本実施形態においては、説明の� ��宜上、LCDドライバ42に供給される画像信号� �画像位置信号との組合せが、前記(9)項にお� �る「画像信号」の一例を構成し、射出瞳の� �平方向移動量と垂直方向移動量との組合せ� �、同項における「光学素子の制御量に関連� �る物理量」の一例を構成していると考える� �とが可能である。

 なお付言するに、本実施形態においては� ��瞳孔の動きに追従するように自動的に射出� ��が移動させられるが、ユーザからの指令に� ��じた位置に射出瞳が移動するように液晶光� ��デバイス70が電気的に制御される態様で本� �明を実施することが可能である。

 次に、本発明の第2実施形態を説明する。 ただし、本実施形態は、第1実施形態に対し� �、光源部および画像光形成部についてのみ� �なり、他の要素については共通するため、� �源部および画像光形成部についてのみ説明� �る。

 図14には、本発明の第2実施形態に従うヘ� ��ドマウントディスプレイ装置150が概念的に� ��路図で示されている。

 このヘッドマウントディスプレイ装置150� ��、概略的には、光源から入射したビーム状� ��光であって各画素ごとに強度変調されたも� ��を、スキャナを用いて、面状の画像光に変� ��し、そのようにして形成された画像光を観� ��者の瞳孔を経て直接的に観察者の網膜上に� ��影し、それにより、観察者が画像を虚像と� ��て観察することを可能にするように構成さ� ��ている。

 図14に示すように、このヘッドマウント� �ィスプレイ装置150は、光源部152と、画像光� �成部154とを、第1実施形態とは異なる要素と� ��て有する一方、射出瞳制御部18と、瞳孔位� �検出部20と、接眼光学系22とを、第1実施形態 と共通する要素として有している。

 光源部152は、赤色レーザビームを発する� ��ーザ160と、緑色レーザビームを発するレー� ��162と、青色レーザビームを発するレーザ164� ��を備えている、それらレーザ160,162,164はそ� �ぞれ、個別のレーザドライバ170,172,174により 、発生させるレーザビームの強度が変調され る。具体的には、各レーザドライバ170,172,174� ��、各色のレーザビームに対応する画像信号� ��基づき、各画素ごとに強度(輝度)を実現す� �レーザビームを各レーザ160,162,164から発生さ せる。発生させられる各レーザビームの強度 は時間的に変化する。

 本実施形態においては、各レーザドライ� ��170,172,174に、上述の画像信号に加えて、画� �位置信号も入力される。その画像位置信号� �、3色のレーザビームを用いて最終的に2次元 的に形成される画像の、観察者に対する位置 を、デフォールト位置から水平方向と垂直方 向とにそれぞれ変位するために各レーザドラ イバ170,172,174に入力される。そのため、その� ��像位置信号は、表示画像の、デフォールト� ��置からの水平方向移動量を表す成分と、垂� ��方向移動量を表す成分とを有するように生� ��される。

 レーザ160,162,164から発生する3色のレーザ� ��ームは、対応する画素の色および輝度を反� ��する1つのレーザビームとして合成される。 その合成されたレーザビームは、画像光形成 部154に入射する。

 画像光形成部154は、光源部152から入射し� ��レーザビームを水平方向に走査するために� ��動される主走査ミラー180(例えば、ポリゴン ミラー)と、その主走査ミラー180から入射し� �レーザビームを今度は、垂直方向に走査す� �ために駆動される副走査ミラー182(例えば、� ��ルバノミラー)とを備えている。主走査ミラ ー180は、主走査ミラードライバ190によって駆 動され、また、副走査ミラー182は、副走査ミ ラードライバ192によって駆動される。

 画像光形成部154は、さらに、前段リレー� ��ンズ200と、後段リレーレンズ202とを備えて� ��る。前段リレーレンズ200は、主走査ミラー1 80の像を副走査ミラー182上に結像するように� ��成され、一方、後段リレーレンズ202は、副� ��査ミラー182によって走査された光束が液晶� ��学デバイス70上で中間像面を形成するよう� �配置されている。

 なお付言するに、液晶光学デバイス70は� �後段リレーレンズ202と接眼レンズ110との間� �中間像面と同じ位置に配置されているが、� �14においては、説明の便宜上、実際の距離関 係とは異なって記載されている。

 本実施形態においても、第1実施形態と同 様にして、射出瞳制御部18が、瞳孔位置検出� ��20による瞳孔位置の検出結果に基づき、ヘ� �ドマウントディスプレイ装置150の射出瞳を� �瞳孔位置の変化に追従するように移動させ� �。その結果、観察者は、瞳孔移動の有無に� �かわらず、表示画像を同じ表示状態で観察� �続けることが可能となる。

 ところで、第1実施形態においては、光源 部12からの出射光を画像光形成部14が画像光� �変換する変換特性が、LCDドライバ42に入力さ れる画像位置信号に依存しており、その画像 位置信号は、射出瞳の移動量に応じて生成さ れ、その結果、射出瞳の移動の有無にかかわ らず、観察者が画像を安定した位置において 観察し続けることが可能となる。

 これに対し、本実施形態においては、光� ��部152からの出射光を画像光形成部154が画像� ��に変換する変換特性が、レーザドライバ170, 172,174に入力される画像位置信号に依存して� �り、その画像位置信号は、射出瞳の移動量� �応じて生成され、その結果、射出瞳の移動� �有無にかかわらず、観察者が画像を安定し� �位置において観察し続けることが可能とな� �。

 以上の説明から明らかなように、本実施� ��態においては、説明の便宜上、レーザドラ� ��バ170,172,174に供給される画像信号と画像位� �信号との組合せが、前記(12)項における「画� ��信号」の一例を構成し、射出瞳の水平方向� ��動量と垂直方向移動量とがそれぞれ、同項� ��おける「光学素子の制御量に関連する物理� ��」の一例を構成していると考えることが可� ��である。

 次に、本発明の第3実施形態を説明する。 ただし、本実施形態は、第1実施形態に対し� �、射出瞳制御部についてのみ異なり、他の� �素については共通するため、射出瞳制御部� �ついてのみ説明する。本実施形態につき、� �1実施形態と共通する要素については、同一� ��符号または名称を用いて引用することによ� ��、重複した説明を省略する。

 図15には、本実施形態に従うヘッドマウ� �トディスプレイ装置300が光路図で示されて� �る。

 図1に示すように、第1実施形態において� �、射出瞳制御部18が、透過型光学素子として の液晶光学デイバス70を主体として構成され� ��いるが、本実施形態においては、図15に示� �ように、射出瞳制御部310が、反射型光学素� �としての偏向ミラー312を主体として構成さ� �ている。

 具体的には、射出瞳制御部310は、観察者� ��瞳孔位置の変化に追従するように、ヘッド� ��ウントディスプレイ装置300の射出瞳の位置� ��制御するために設けられている。この射出� ��制御部310における偏向ミラー312は、ヘッド� ��ウントディスプレイ装置300におけるある中� ��像面の位置に一致する位置に配置されてい� ��。

 図16に示すように、偏向ミラー312は、水� �方向に延びるX軸まわりに揺動可能なフレー� ��314に、垂直方向に延びるY軸まわりに揺動可 能に装着された揺動ミラーである。フレーム 314は、ヘッドマウントディスプレイ装置300の うちの静止部材に装着された図示しないX軸� �クチュエータによって揺動させられる一方� �偏向ミラー312は、フレーム314に装着された� �示しないY軸アクチュエータによって揺動さ� ��られる。その結果、ヘッドマウントディス� ��レイ装置300のうちの静止部材に対する偏向� ��ラー312の角度は、2次元的に調整可能となる 。

 図15に示すように、この偏向ミラー312は� �偏向ミラードライバ320によって駆動される� �

 射出瞳制御部310は、瞳孔位置検出部20に� �って検出された瞳孔位置に基づき、観察者� �各眼ごとに、瞳孔位置の変化に追従するよ� �に、偏向ミラー312の角度を変更し、それに� �り、ヘッドマウントディスプレイ装置300の� �出瞳を移動させる。

 瞳孔位置検出部20は、観察者の眼の瞳孔� �置を検出するために有用な情報を取得する� �めに使用されるデバイスとして、観察者の� �からの反射光を取り出すハーフミラー330を� �えている。この瞳孔位置検出部20は、さらに 、そのハーフミラー330からの入射光に基づき 、瞳孔位置を光学的に検出する瞳孔位置検出 回路102を備えている。

 ハーフミラー330は、リレー光学系16から� �入射光を偏向ミラー312に向けて透過させる� �ともに、その透過光を接眼光学系22に向けて 反射する。このハーフミラー330は、さらに、 観察者の眼からの反射光であって、接眼光学 系22からの入射光を、瞳孔位置検出回路102の� ��光部(図示しない)に向けて透過させる。

 すなわち、このハーフミラー330は、観察� ��の眼からの反射光を瞳孔位置検出回路102に� ��導する機能のみならず、偏向ミラー312から� ��出射光を接眼光学系22に誘導する機能をも� �たすように設計されているのである。

 図17には、このヘッドマウントディスプ� �イ装置300のうちの電気的な部分がブロック� �で概念的に表されている。このヘッドマウ� �トディスプレイ装置300は、第1実施形態にお� ��ると同様に、信号処理装置120を備えている� ��

 その信号処理装置120は、LEDドライバ32、LC Dドライバ42、瞳孔位置検出回路102、偏向ミラ ードライバ320および可変焦点レンズドライバ 72に電気的に接続されている。

 図18に示すように、メモリ部124には、画� �表示プログラムと、瞳孔トラッキングプロ� �ラムと、画像スケール補正プログラムとが� �揮発的に予め記憶されている。画像表示プ� �グラムは、第1実施形態における画像表示プ� ��グラムと共通するため、重複した説明を省� ��する。

 これに対し、瞳孔トラッキングプログラ� ��は、瞳孔位置検出回路102からの信号であっ� ��瞳孔位置を表すものに基づき、その瞳孔位� ��の変化に追従するようにヘッドマウントデ� ��スプレイ装置300の射出瞳を移動させるため� ��コンピュータ122によって実行される。すな� ��ち、瞳孔トラッキングプログラムは、射出� ��が瞳孔位置をトラッキングするようにする� ��めにコンピュータ122によって実行されるの� ��ある。

 図19には、その瞳孔トラッキングプログ� �ムが概念的にフローチャートで表されてい� �。この瞳孔トラッキングプログラムは、ヘ� �ドマウントディスプレイ装置300の電源(図示� ��ない)がユーザによって投入された後に、自 動的に定期的に実行されるか、またはユーザ からのリクエストに応答して実行される。

 その実行時には、まず、ステップS201にお いて、瞳孔位置検出回路102からの信号に基づ き、瞳孔の水平方向位置Xが検出され、次に� �ステップS202において、瞳孔位置検出回路102� ��らの信号に基づき、瞳孔の垂直方向位置Yが 検出される。

 続いて、ステップS203において、検出され た水平方向位置Xに基づき、射出瞳が水平方� �に瞳孔位置をトラッキングするために偏向� �ラー312がY軸まわりに回転すべき角度、すな� ��ち、Y軸まわり角度変更量(偏向ミラー312を� �転させる向きを含む)が決定される。

 本実施形態においては、水平方向位置X(� �孔位置の、中立位置からの水平方向ずれ量)� ��偏向ミラー312のY軸まわりの、中立位置から の回転角度量との対応関係がテーブルとして メモリ部124に予め記憶されており、その関係 に従い、瞳孔の水平方向位置Xの今回値に対� �する偏向ミラー312のY軸まわり角度変更量が� ��定される。

 その後、ステップS204において、ステップ S203に準じて、検出された垂直方向位置Yに基� ��き、射出瞳が垂直方向に瞳孔位置をトラッ� ��ングするために偏向ミラー312がX軸まわりに 回転すべき角度、すなわち、X軸まわり角度� �更量(偏向ミラー312を回転させる向きを含む) が決定される。

 本実施形態においては、垂直方向位置Y(� �孔位置の、中立位置からの垂直方向ずれ量)� ��偏向ミラー312のX軸まわりの、中立位置から の回転角度量との対応関係がテーブルとして メモリ部124に予め記憶されており、その関係 に従い、瞳孔の垂直方向位置Yの今回値に対� �する偏向ミラー312のX軸まわり角度変更量が� ��定される。

 続いて、ステップS205において、ステップ S203およびS204においてそれぞれ決定されたY軸 まわり角度変更量およびX軸まわり角度変更� �を実現することを偏向ミラードライバ320に� �力すべき制御信号が生成される。

 その後、ステップS206において、その生成 された制御信号が偏向ミラードライバ320に出 力され、その結果、射出瞳の水平方向位置お よび垂直方向位置がそれぞれ、瞳孔の、現在 の水平方向位置および垂直方向位置に接近な いし一致させられる。

 以上で、この瞳孔トラッキングプログラ� ��の一回の実行が終了する。

 図20には、前述の画像スケール補正プロ� �ラムが概念的にフローチャートで表されて� �る。以下、この画像スケール補正プログラ� �を説明するが、それに先立ち、この画像ス� �ール補正プログラムを用いる背景および目� �を説明する。

 図21には、図15に示すヘッドマウントディ スプレイ装置300のうち、リレー光学系16と、� ��ーフミラー100と、偏向ミラー312と、接眼光� ��系22との間における光の経路が示されてい� �。さらに、接眼光学系22から出射した光が、 射出瞳および観察者の眼球レンズを順に経て 、観察者の眼の網膜上に到達する様子も示さ れている。

 図21には、偏向ミラー312が中立位置にあ� �て、射出瞳が中立位置P1に一致する場合に、 接眼光学系22から出射する光によって形成さ� ��る像面が示されている。この場合には、観� ��者は、寸法dAの像面が投影された虚像を知� �することになる。

 これに対して、図22には、偏向ミラー312� �、中立位置から回転した位置にあって、射� �瞳が、中立位置P1から距離aだけずれた位置P2 に一致する場合に、偏向ミラー312に入射する 光とそこから出射する光とが示されている。 ここに、「偏向ミラー312が、中立位置から回 転した位置にある状態」とは、偏向ミラー312 上のすべての点が、図22に示すように、中間� ��面上に位置するわけではない状態である。� ��なわち、偏向ミラー312が全体的に中間像面� ��一致するわけではない状態なのである。

 図22に示すように、各瞬間においてある2� ��元画像を構成する複数個の画素をそれぞれ� ��成する複数本の光線に着目すると、偏向ミ� ��ー312のうち、中間像面に対して射出瞳に近� ��部分(図22においては、偏向ミラー312のうち� ��上部)に入射する光線は、中間像面より手前 の位置で反射して射出瞳に向かう。

 これに対し、図22に示すように、偏向ミ� �ー312のうち、中間像面に対して射出瞳から� �い部分(図22においては、偏向ミラー312のう� �の下部)に入射する光線は、中間像面より遠� ��位置で反射して射出瞳に向かう。

 一方、観察者は、虚像を、中間像面上に� ��在するように知覚する。そのため、偏向ミ� ��ー312が全体的に中間像面に一致する場合に� ��、虚像の大きさがdAの像面が投影された虚� �となるが、偏向ミラー312が全体的に中間像� �に一致するわけではない場合には、虚像の� �きさがdBの像面が投影された像に一致する。 寸法dBは、寸法dAより大きいから、結局、射� �瞳が中立位置P1から外れている場合には、観 察者は、表示画像を、理想的な画像より大き いものとして知覚することになる。

 一方、実際に知覚される表示画像の大き� ��の、理想的な画像の大きさに対するスケー� ��は、1より大きく、かつ、そのスケールは、 射出瞳の、中立位置P1から移動量aに応じて一 義的に決まる。また、表示画像の大きさは、 LCDドライバ42に供給される画像信号を補正す� ��ば、変更することが可能である。

 そこで、本実施形態においては、射出瞳� ��移動させることが必要である場合に、その� ��出瞳の移動に起因する表示画像の拡大が、� ��像信号の事前補正によって抑制されるので� ��る。

 ここで、図20を参照することにより、前� �の画像スケール補正プログラムを具体的に� �明する。

 この画像スケール補正プログラムは、ヘ� ��ドマウントディスプレイ装置300の電源が投� ��されている間、定期的に繰り返し実行され� ��。

 各回の実行時には、まず、ステップS301に おいて、図19に示すステップS203の実行によっ て決定された偏向ミラー312のY軸まわり角度� �更量(中立位置からのずれ量)に応じて、射出 瞳の水平方向移動量(中立位置からのずれ量)� ��求められる。

 なお、射出瞳の水平方向移動量は、瞳孔� ��水平方向位置Xに常に実質的に一致させられ ることを前提としてもよい場合には、図19に� ��すステップS201の実行によって検出された瞳 孔の水平方向位置Xとして取得してもよい。

 本実施形態においては、偏向ミラー312のY 軸まわり角度変更量と射出瞳の水平方向移動 量との関係が予めメモリ部124に記憶されてお り、その関係に従い、射出瞳の水平方向移動 量の今回値が求められる。

 次に、ステップS302において、ステップS30 1に準じて、図19に示すステップS204の実行に� �って決定された偏向ミラー312のX軸まわり角� ��変更量(中立位置からのずれ量)に応じて、� �出瞳の垂直方向移動量(中立位置からのずれ� ��)が求められる。

 なお、射出瞳の垂直方向移動量は、瞳孔� ��垂直方向位置Yに常に実質的に一致させられ ることを前提としてもよい場合には、図19に� ��すステップS202の実行によって検出された瞳 孔の垂直方向位置Yとして取得してもよい。

 本実施形態においては、偏向ミラー312のX 軸まわり角度変更量と射出瞳の垂直方向移動 量との関係が予めメモリ部124に記憶されてお り、その関係に従い、射出瞳の垂直方向移動 量の今回値が求められる。

 続いて、ステップS303において、射出瞳の 水平方向移動に起因する表示画像の水平方向 拡大を抑制するために実現すべきスケール補 正率が決定される。このスケール補正率の大 きさは、射出瞳の水平方向移動量(中立位置� �らの水平方向ずれ量)に基づいて決定される� ��具体的には、射出瞳の水平方向移動量と水� ��方向スケール補正率との間に予め定められ� ��関係であってメモリ部124に予め記憶されて� ��るものに従い、今回の水平方向スケール補� ��率が決定される。

 その後、ステップS304において、射出瞳の 垂直方向移動に起因する表示画像の垂直方向 拡大を抑制するために実現すべきスケール補 正率が決定される。このスケール補正率の大 きさは、射出瞳の垂直方向移動量(中立位置� �らの垂直方向ずれ量)に基づいて決定される� ��具体的には、射出瞳の垂直方向移動量と垂� ��方向スケール補正率との間に予め定められ� ��関係であってメモリ部124に予め記憶されて� ��るものに従い、今回の垂直方向スケール補� ��率が決定される。

 続いて、ステップS305において、もと画像 信号がR/G/Bバッファ130から取り込まれる。そ� ��後、ステップS306において、その取り込まれ たもと画像信号が、上記決定された水平方向 スケール補正率および垂直方向スケール補正 率が同時に実現されるように、補正される。 図18に示す画像表示プログラムは、その補正� ��れた画像信号をLCDドライバ42に供給するこ� �により、画像を表示するように実行される� �

 以上で、この画像スケール補正プログラ� ��の一回の実行が終了する。

 したがって、本実施形態によれば、射出� ��の移動の有無にかかわらず、観察者は、画� ��を、その画像の予定外の拡大が抑制された� ��態で観察することが可能となり、その結果� ��ヘッドマウントディスプレイ装置300による� ��像の表示品質が向上する。

 以上の説明から明らかなように、本実施� ��態においては、説明の便宜上、可変焦点レ� ��ズ70と、信号処理装置120のうち図19に示す瞳 孔トラッキングプログラムを実行する部分と が互いに共同して、前記(1)項における「射出 瞳制御部」の一例を構成し、信号処理装置120 のうち図19に示す瞳孔トラッキングプログラ� ��を実行する部分が、同項における「射出瞳� ��御手段」の一例を構成し、信号処理装置120� ��うち図20に示す画像スケール補正プログラ� �を実行する部分が、同項における「変換特� �補正手段」の一例を構成し、偏向ミラー312� �同項における「光学素子」の一例を構成し� �いると考えることが可能である。

 さらに、本実施形態においては、説明の� ��宜上、LCDドライバ42に供給される画像信号� �、前記(9)項における「画像信号」の一例を� �成し、射出瞳の水平方向移動量と垂直方向� �動量とがそれぞれ、同項における「光学素� �の制御量に関連する物理量」の一例を構成� �ていると考えることが可能である。

 以上、本発明の実施の形態のいくつかを� ��面に基づいて詳細に説明したが、これらは� ��示であり、前記[発明の開示]の欄に記載の� �様を始めとして、当業者の知識に基づいて� �々の変形、改良を施した他の形態で本発明� �実施することが可能である。