[发明专利]头戴式显示器以及头戴式显示器中使用的广焦点透镜的设计方法

说明书

提供一种能够不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地观看立体像的头戴式显示器。头戴式显示器(1)具备：显示装置(3)，其将左眼用图像(3a)和右眼用图像(3b)显示在画面(3c)上；针对画面上的左眼用图像和右眼用图像分别配置的左眼用虚像成像光学系统(4a)和右眼用虚像成像光学系统(4b)；以及左眼用广焦点透镜(5a)和右眼用广焦点透镜(5b)，其分别以与左眼用虚像成像光学系统和右眼用虚像成像光学系统在各自的光轴方向上重叠的方式进行配置，焦距为负且具有幅度。通过左眼用虚像成像光学系统和右眼用虚像成像光学系统成像出的左眼用图像和右眼用图像的虚像分别被左眼用广焦点透镜和右眼用广焦点透镜显示于在近处具有幅度的范围，由此辐辏与调节的容许范围向近处扩展，从而能够在该近处的广区域内不招致因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳地观看立体像。

技术领域

本发明涉及一种头戴式显示器以及头戴式显示器中使用的广焦点透镜的设计方法。

背景技术

近年来，虚拟现实(VR)技术和增强现实(AR)技术的研究开发发展，期待在从医疗、设计等专业领域到游戏、娱乐等一般消费领域的广范围的领域中的利用。在VR技术和AR技术中，使用一种头戴式显示器(HMD)(例如参照专利文献1)，是佩戴于头部的显示器装置，通过将与左右眼睛各自对应的视差图像显示在显示器上，来对用户映现立体像。此外，将像这样显示与左右眼睛对应的视差图像的立体显示方式称为双眼式立体显示。在HMD中，通过显示视角特别大的广角的立体像，能够给予用户较高的投入感。

在双眼式立体显示中，存在如下问题(例如参照专利文献2)：由于因辐辏调节冲突引起的视觉疲劳而妨碍长时间的利用，特别是年轻人的利用受到限制。在此，在辐辏中，在左右眼球转动使得注视点来到视网膜的中心时，基于三角测量的原理，根据眼球的转动角信息来感知深度。在调节中，人的眼睛自动向注视点聚焦，根据眼睛的聚焦信息来感知深度。当将视差图像显示于显示器上时，通过两个眼球转动并捕捉立体像，由此通过辐辏来准确地感知立体像的深度，另一方面，由于双眼的焦点被聚焦于显示视差图像的显示器，无法通过调节准确地感知立体像的深度。因此，通过辐辏与调节的相互作用来将眼睛的焦点引向已通过辐辏感知的深度的辐辏性调节对于通过双眼式立体显示得到的立体像无法发挥功能。像这样，可以说是由于辐辏与调节之间的冲突而产生视觉疲劳。在VR技术和AR技术中，存在将虚像成像于前方几米处到无限远的远处并将立体像显示于近处的手动作业空间来对立体像进行交互式操作的情况，从而辐辏与调节之间的冲突更为严重。

因此，在非专利文献1中，公开了如下一种HMD：在左右眼睛处分别设置包括可变焦距反射镜和显示器的虚像成像系统，使用可变焦距反射镜将显示器的图像的虚像成像于多个不同的深度位置处，由此能够进行眼睛向立体像的聚焦。在此，使用能够进行高速显示的DMD(Digital Micromirror Device：数字微镜器件)作为显示器，来分时地显示立体像。但是，在所述结构的HMD中，除了利用可变焦距反射镜导致成本升高以外，还需要进行高速动作的显示器。并且，需要高速地生成要显示于高速显示器的在深度方向上分割出的图像的图像处理装置。

另外，在非专利文献2中记载了以下内容：在包括显示器的虚像成像系统中，是使用可变焦距透镜和马达来动态地变更虚像的成像关系的HMD，检测左右眼睛的转动角来计算通过辐辏感知的深度，变更成像系统的成像关系以在该深度位置虚像成像显示器的图像。但是，在所述结构的HMD中，需要检测眼睛的转动角的单元。另外，包括焦距可变透镜和马达的机械机构的利用、由此产生的成本升高以及重量增加成为问题。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2015/137165号

专利文献2：日本特开平9-297282号公报

非专利文献