JP2002244077A - 複合表示装置及びそれを用いたヘッドマウントディスプレイ装置 - Google Patents

複合表示装置及びそれを用いたヘッドマウントディスプレイ装置

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JP2002244077A JP2001045537A JP2001045537A JP2002244077A JP 2002244077 A JP2002244077 A JP 2002244077A JP 2001045537 A JP2001045537 A JP 2001045537A JP 2001045537 A JP2001045537 A JP 2001045537A JP 2002244077 A JP2002244077 A JP 2002244077A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 様々な光量が想定される使用環境においても
表示手段による表示の濃度を外界光（シースルー光）に
対して最適な状態に保つとともに、かつＣＣＤ等のシャ
ッタースピードも最適な状態に保つことを容易に可能と
した複合表示装置を提供すること。 【解決手段】 表示手段からの光束を観察者の眼球に導
光する表示光学系と、外界からの光束を撮像手段に結像
させる撮像光学系と、光路中に設けられ、表示光学系の
観察者の眼球に入射する光束の眼球光軸又は該眼球光軸
を延長した仮想眼球光軸と、撮像光学系の外界から入射
してくる光束の外界光軸とを実質的に一致させる光路分
離手段とを有し、前記表示手段は画像情報を周期的かつ
間欠的に表示し、前記撮像手段は前記表示手段が画像情
報を表示していない期間に周期的に外界からの画像情報
の記録を行なう複合表示装置において、表示手段で画像
情報の表示を行う表示期間および／または撮像手段が前
記外界からの画像情報の記録を行なう撮像期間を外界光
量検出部１００９もしくは光量調整部１０１０の出力値
によって制御するＬＣＤ制御部１０６０を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、外界の画像情報か
らの光を撮像素子へ導く撮像光学系と、液晶表示装置等
から出射される光を観察者眼球へ導く表示光学系とを有
する複合表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ヘッドマウンテッドディスプ
レイ（ＨＭＤ）に小型ＣＣＤカメラを取り付け、このカ
メラから得られた画像情報をＨＭＤが有する表示素子に
そのまま、または何らかの画像処理を施して表示する装
置が提案されている。又、ハーフミラー等の光学的結合
分離素子を用い、表示素子に表示された画像とともに外
界を直接、角倍率１で観察できるシースルー型のＨＭＤ
も種々提案されている。
【０００３】このような形態のＨＭＤは、ＨＭＤの表示
素子に表示された画像情報をＨＭＤの装着者が観察する
為の表示光学系の眼球光軸と、外界の画像情報をＣＣＤ
面上に結像させるＣＣＤカメラ（撮像光学系）の光軸が
異なっているとパララックスが生じてくる。そこで、パ
ララックスがない撮像光学系と表示光学系とを合わせ持
つ装置が、特開平４−２２３５８号公報や特開平５−３
０３０５３号公報で提案されている。
【０００４】特開平４−２２３５８号公報で提案されて
いる視覚補助装置の表示光学系は、小型液晶表示素子か
ら発せられた光が平面ハーフミラーを介した後、接眼レ
ンズにより眼球に導かれる構成を有する。一方、撮像光
学系は外界の光が平面ハーフミラーを介した後、ハーフ
ミラーを挟んで液晶表示素子と対向する位置に設けられ
た小型カメラに結像される構成を有している。しかしな
がら、この視覚補助装置に用いられる平面ハーフミラー
は４５度傾けて配置されているため、装置が大きくなる
傾向があった。又、眼球の前に接眼レンズがあるため、
シースルー型の装置には適用できない。
【０００５】一方、特開平５−３０３０５３号公報で
は、シースルー型装置を構成可能な撮像光学系及び表示
光学系を有するヘッドマウントディスプレイ装置が開示
されているが、やはり光学系が複雑で装置が非常に大き
くなる傾向があった。
【０００６】出願人は、これらの課題を解決し、液晶デ
ィスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光束を観察者
の眼球に導光する為の複数の偏心反射面を有する表示光
学系と、外界の画像情報をＣＣＤ等の撮像素子面上に結
像させる撮像光学系を有し、装置全体の小型化を図りつ
つ、表示手段からの光束が撮像光学系の撮像面に入射す
るのを防止し、双方の画像情報をパララックスがなく良
好なる状態で観察及び結像することができる複合表示装
置を特開平１１−１７４３６７号公報で提案した。
【０００７】図１０は、特開平１１−１７４３６７号で
提案された複合表示装置の一例を示す要部概略図であ
る。同図において、１０１は表示光学系（ＬＣＤ表示光
学系）であり、複数の内面反射を利用したプリズム体９
ａから構成され、複数の偏心した曲率を有する偏心反射
面を複数個有しており、表示手段としての強誘電性ディ
スプレイ素子２（ＦＬＣＤ）を用い、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色に
分解されたカラー画像の表示に同期させて、各色光を放
射する３つの光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂで時分割して
順次照明することによりカラー表示を実現している。Ｆ
ＬＣＤ２に表示するＲ，Ｇ，Ｂの画像を眼の残像効果を
利用して全体として１／６０〜１／３０秒内で表示して
いる。尚、光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂは白色光源とカ
ラーフィルターとの組み合わせより構成することができ
る。ＦＬＣＤ２で表示した画像情報は表示光学系１０１
ａによって観察者の眼球１に導光される。１０１ａは表
示光学系１０１の光軸である。
【０００８】１０２は撮像光学系（ＣＣＤ結像光学系）
であり、表示光学系１０１と同様、複数の内面反射を利
用したプリズム体９ｃから構成され、複数の偏心した曲
率を有する偏心反射面を複数個有しており外界の画像情
報を撮像素子（ＣＣＤ）３に結像している。１０２ａは
撮像光学系の光軸である。なお、表示光学系１０１及び
撮像光学系１０２は、光路分離手段４を介して接合され
ている。
【０００９】光路分離手段４は、偏心した曲率を有した
反射面より成り、表示光学系１０１からの光路と撮像光
学系１０２の光路とを分離する面となっている。光路分
離手段４は偏心反射面より成り、表示光学系１０１で一
方側の反射面を使用し、撮像光学系１０２では他方側の
反射面を使用している。
【００１０】ＦＬＣＤ２で表示される画像情報からの光
束は直線偏光となって射出している。ＰＰは偏光板であ
り、ＦＬＣＤ２から放射した直線偏光の偏光軸と直交す
る方向に偏光軸を設定している。これにより、後述する
ようにＦＬＣＤ２からの直線偏光が光路分離手段４とプ
リズム体９ｃとを介して光学系６によってＣＣＤ３に入
射するのを防止している。５は絞りである。６は光学系
であり、プリズム体９ｃを介して入射してくる外界の画
像をＣＣＤ３面上に結像している。
【００１１】また、この複合表示装置は、プリズム体９
ａ，９ｂを透して外界を視認することが可能であり、シ
ースルー型の装置を構成できる。すなわち、当該複合表
示装置のユーザは、外界の画像情報とＦＬＣＤ２に表示
された画像情報が重畳した画像を観察する。又は外界の
画像情報のみを観察するシースルー光学系１０３も成り
立たせるときは光路分離手段４の反射面をハーフミラー
とし（透過率５０％、反射率５０％だけでなく、比率は
任意である）、両光学系１０１，１０２のプリズム体９
ａ，９ｃの材質の屈折率を同じにしている。１ｃはシー
スルー光学系１０３の光軸（外界光軸）である。
【００１２】図１０において、表示光学系１０１の光軸
１０１ａと撮像光学系１０２の光軸１０２ａ、そしてシ
ースルー光学系１０３の光軸１ｃは光路分離手段４で一
致し、又眼球光軸１ａと同軸としている。このように各
要素を設定することにより、小型の光学系を得ている。
また、偏心反射面は面頂点回りのアジムス角によって
屈折力が異なるようにして良好なる光学性能を維持して
いる。
【００１３】このような複合表示装置において、ＦＬＣ
Ｄ２からの光は、表示光学系１０１を構成するプリズム
体９ａの入射面Ｅ１に入射し、反射面８ａで反射し、全
反射面７ａを臨界角度以上の入射角で入射して全反射
し、光路分離手段４で反射し、全反射面７ａを臨界角度
以下の入射角で入射して透過面Ｅ２より透過して眼球１
に導かれる。このように表示光学系はＦＬＣＤ２からの
光束を２回又は３回の反射をして結像することなく眼球
１に導光している。これによってＦＬＣＤ２に表示した
画像情報が観察者に提示される。
【００１４】一方、外界からの光は、撮像光学系１０２
を構成するプリズム体９ｃの入射面Ｅ３（全反射面７ｃ
の一部）より入射し、光路分離手段４で反射し、全反射
面７ｃを臨界角度以上の入射角で入射して全反射し、プ
リズム体９ｃの射出面Ｅ４より射出後、絞り５、光学系
６を経てＣＣＤ３に結像する。これによって外界の画像
情報を得ることができる。
【００１５】図１０におけるシースルー光学系１０３に
おいて、外界からの光は、撮像光学系１０２のプリズム
体９ｃの入射面Ｅ３に入射し、光路分離手段４（ハーフ
ミラー）を透過し、表示光学系１０１のプリズム体９ａ
の射出面Ｅ２を臨界角度以下の入射角で入射し、射出面
Ｅ２を透過して眼球１に導かれる。これによって観察者
は外界の画像情報を観察できる。
【００１６】図１０では撮像光学系１０２の絞り５の位
置近傍、即ち瞳位置近傍に偏光板ＰＰを配置している。
この偏光板ＰＰの偏光軸はＦＬＣＤ２からの直線偏光の
偏光軸と直交するようにしている。
【００１７】これによってＦＬＣＤ２からの光が光路分
離手段４を通過し、プリズム体９ｃを通過し、光学系６
によってＣＣＤ３面上に入射し、フレアーとなるのを防
止して、ＣＣＤ３で得られる外界の画像情報の光学特性
を良好に維持している。
【００１８】また、プリズム体９ａの全反射面７ａと射
出面Ｅ２は同じ曲面より成っており、光束の入射条件に
よって使い分けている。又、プリズム体９ｃの入射面Ｅ
３と全反射面７ｃは同じ曲面より成っており、プリズム
体９ａと同様に光束の入射条件によって使い分けてい
る。
【００１９】本構成では、表示光学系１０１と撮像光学
系１０２とを光路分離手段４で対向配置することによっ
て、眼球１に入射する光束の眼球光軸１ａ又は眼球光軸
１ａを延長した仮想眼球光軸１ｂと、外界から撮像光学
系１０２に入射してくる光束の外界光軸（撮像光学系１
０２の光軸１０２ａ）１ｃが略一致するようにして、Ｆ
ＬＣＤ２に表示された画像情報の観察と、外界の画像情
報のＣＣＤ３面上における結像、そして外界の画像情報
の観察（シースルー光学系）をパララックスのない状態
で同時に観察及び撮像できるようにしている。
【００２０】図１１は、図１０において、表示手段をバ
ックライト４６を有するカラーＬＣＤ４０で構成した場
合を示している。図１１においてカラー液晶ＬＣＤ４０
は偏光板４１、カバーガラス４２、Ｒ，Ｇ，Ｂの微小な
フィルターを２次元的に所定のピッチで配列したカラー
フィルター４３、液晶表示素子４４、そして偏光板４５
を有している。
【００２１】そして、液晶表示素子４４で表示されたカ
ラー画像情報（画素）をバックライト４６からの光束
（白色光）で偏光板４５を介して照明し、各画素からの
光束をカラーフィルター４３と偏光板４１を介して射出
させている。
【００２２】ここで、カラー液晶ＬＣＤ４０から出射す
る偏光光束の偏光軸と偏光板ＰＰとの偏光軸とを直交さ
せることによって、図１０の構成と同様の効果を得るこ
とができる。その他の構成については図１０と同一であ
るため説明を省略する。
【００２３】図８はこれら従来の複合表示装置の回路構
成例を示す図であり、図９（ａ）は図１０の構成を有す
る複合表示装置のタイミングチャート、図９（ｂ）は図
１１の構成を有する複合表示装置のタイミングチャート
の例をそれぞれ示す。
【００２４】図８において、１００１は複合表示装置全
体を制御するためのシステム制御部であり、ＣＰＵ、Ｒ
ＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータ装置で構成され
る。１００３はＣＣＤ３に対するタイミング制御や撮像
データの調整等を行うＣＣＤ制御部、１００４は撮像デ
ータをシステム制御部１００１に入力可能なデータ形式
に変換するための撮像系インタフェース部、１００５は
システム制御部１００１が出力する表示データをＦＬＣ
Ｄ２（またはカラーＬＣＤ４０）が表示可能なデータ形
式に変換するための表示系インタフェース部、１００６
はＦＬＣＤ２（またはカラーＬＣＤ４０）に対するタイ
ミング制御や表示データの調整等を行うＬＣＤ制御部、
１０１１は照明光源（３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂまたは４
６）の点灯タイミングを制御するための照明光源制御部
である。
【００２５】図９において、「撮像データ」はＣＣＤ３
より出力される撮像データの状態、「シャッター」は電
子シャッターの状態を表しており、Ｈｉｇｈが閉状態、
Ｌｏｗが開状態を示す。また、「表示データ」はＦＬＣ
Ｄ２（またはカラーＬＣＤ４０）で表示している内容の
状態、図９（ａ）における「照明光源Ｒ」、「照明光源
Ｇ」及び「照明光源Ｂ」は赤色照明光源（３１Ｒ）、緑
色照明光源（３１Ｇ）及び青色照明光源（３１Ｂ）の状
態をそれぞれ表しており、また図９（ｂ）の「照明光
源」は白色照明光源４６の状態を表す。照明状態は何れ
もＨｉｇｈが点灯状態、Ｌｏｗが消灯状態を示す。
【００２６】以下、図を参照しながら従来例についてさ
らに説明する。撮像系においては、ＣＣＤ制御部１００
３で制御されるタイミングに基づいてＣＣＤ３より撮像
データが出力され、ＣＣＤ制御部１００３においてＣＤ
Ｓ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉ
ｎｇ）やＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎ
ｔｒｏｌ）、ＡＷＢ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｗｈｉｔｅ
Ｂａｌａｎｃｅ）等のデータ調整が施された後、撮像系
インタフェース部１００４でＮＴＳＣ，ＰＡＬ等の標準
データに変換され、システム制御部１００１に取り込ま
れる。
【００２７】一方、表示系においては、システム制御部
１００１が出力するＶＧＡ，ＬＤＩ形式等の表示データ
を表示系インタフェース部１００５においてＬＣＤ（２
または４０）が表示可能なデータ形式に変換し、ＬＣＤ
制御部１００６においてガンマ補正等のデータ調整が施
された後、生成したタイミングに基づいてＬＣＤ（２ま
たは４０）に表示データを出力して画像を表示する。そ
の際、表示タイミングの信号を照明光源制御部１０１１
にも入力し、表示タイミングに合わせて照明光源（３１
または４６）の点灯タイミングを制御する。
【００２８】ここで、表示系における照明光源（３１ま
たは４６）の点灯タイミングと撮像系における電子シャ
ッターを開くタイミングが重ならないようにするため、
まずＬＣＤ制御部１００６の表示タイミングの信号をＣ
ＣＤ制御部１００３に入力して表示系と撮像系の同期合
わせを行う。次に照明光源制御部１０１１において照明
光源（３１または４６）を所定の期間点灯させ、その
後、ＣＣＤ制御部１００３より所定の期間電子シャッタ
ーを開くためのトリガー信号をＣＣＤ３に対して出力す
る。
【００２９】このとき、屋内使用時のフリッカー発生を
考慮して、シャッタースピードを１／１００秒に設定す
るのが一般的である。また、ビデオ系の標準信号である
ＮＴＳＣの１フィールド（６０Ｈｚ）を基準にすると１
サイクルの周期は１／６０秒となり、その際照明光源
（３１または４６）の点灯期間は（１／６０-１／１０
０）秒以下、即ち６ミリ秒等とする。
【００３０】
【発明が解決しようとする問題点】しかしながら、上記
特開平１１−１７４３６７号公報記載の複合表示装置に
おいては、映像表示光の光量調整やＣＣＤカメラのシャ
ッタースピード調整等に関しては特に言及されておら
ず、ある程度固定的なものとして提案されている。
【００３１】従って、明るい場所での使用時には、外界
から直接眼に導かれるシースルー光の光量が多くなるに
も関わらず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段
からの光量が一定であるとシースルー光に対して表示が
薄くなる傾向となり、またＣＣＤ等撮像素子のシャッタ
ースピードが一定であると光量オーバーで撮像画像上に
フレアやスミアが発生する可能性が生じる。
【００３２】また逆に、暗い場所での使用時には、外界
から直接眼に導かれるシースルー光の光量が少なくなる
にも関わらず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手
段からの光量が一定であるとシースルー光に対して表示
が濃くなる傾向となり、またＣＣＤ等のシャッタースピ
ードが一定であると光量不足で撮像画像が暗くなる、或
いはコントラストが低減する可能性が生じる。
【００３３】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みなされたものであり、様々な光量が想定される使用
環境においても表示手段による表示の濃度を外界光（シ
ースルー光）に対して最適な状態に保つとともに、かつ
ＣＣＤ等のシャッタースピードも最適な状態に保つこと
を容易に可能とした複合表示装置の提供を目的とする。
【００３４】本発明はまた、撮像系と表示系のフィール
ド／フレーム周期を合わせなければならないという制約
を無くすことにより、柔軟性のある複合表示装置の提供
を目的とする。
【００３５】
【課題を解決する手段】すなわち、本発明の複合表示装
置は、表示手段からの光束を観察者の眼球に導光する表
示光学系と、外界からの光束を撮像手段に結像させる撮
像光学系と、光路中に設けられ、表示光学系の観察者の
眼球に入射する光束の眼球光軸又は眼球光軸を延長した
仮想眼球光軸と、撮像光学系の外界から入射してくる光
束の外界光軸とを実質的に一致させる光路分離手段とを
有し、表示手段は画像情報を周期的かつ間欠的に表示
し、撮像手段は表示手段が画像情報を表示していない期
間に周期的に外界からの画像情報の記録を行なう複合表
示装置において、表示手段で画像情報の表示を行う表示
期間および／または撮像手段が外界からの画像情報の記
録を行なう撮像期間を変更可能な変更手段を備えること
を特徴とする。
【００３６】また、上述の本発明の目的は、本発明の複
合表示装置を用いたヘッドマウントディスプレイ装置に
よっても達成される。
【００３７】
【作用】以上の構成に依って、明るい場所での使用時に
は、外界から直接眼に導かれるシースルー光の光量が多
くなるにも関わらず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の
表示手段からの光量が一定であるとシースルー光に対し
て表示が薄くなる傾向となり、またＣＣＤ等カメラのシ
ャッタースピードが一定であると光量オーバーで撮像画
像上にフレアやスミアが発生する可能性が生じる。また
逆に、暗い場所での使用時には、外界から直接眼に導か
れるシースルー光の光量が少なくなるにも関わらず、液
晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光量が一
定であるとシースルー光に対して表示が濃くなる傾向と
なり、またＣＣＤ等カメラのシャッタースピードが一定
であると光量不足で撮像画像が暗くなる、或いはコント
ラストが低減する可能性が生じる。という欠点を解決す
ることができ、様々な光量が想定される使用環境におい
ても表示手段による表示の濃度をシースルー光に対して
最適な状態に保つとともに、かつＣＣＤ等カメラのシャ
ッタースピードも最適な状態に保つことを容易に可能と
した複合表示装置を提供することができる。また、併せ
て撮像系と表示系のフィールド／フレーム周期を合わせ
なければならないという制約を無くすことにより、柔軟
性のある複合表示装置を提供することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】以下、図１〜図７を参照して、本
発明をその好適な実施形態に基づき詳細に説明する。な
お、以下の説明において、上述した図８〜図１１と同一
の構成には同一の参照数字を付して重複する説明は省略
する。
【００３９】図１は本発明の第１実施形態に係る複合表
示装置の光学系構成を示す側面図である。従来構成を示
す図１１との比較から明らかなように、本実施形態に係
る複合表示装置は後述する１００８〜１０１０を設けた
こと以外は共通の構成を有する。
【００４０】図３は本実施形態における複合表示装置の
制御回路の構成例を示すブロック図である。図におい
て、１００１は複合表示装置全体を制御するためのシス
テム制御部であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する
コンピュータ装置で構成される。１０６２はＣＣＤ３に
対するタイミング制御や撮像データの調整等を行うＣＣ
Ｄ制御部、１００４は撮像データをシステム制御部１０
０１に入力可能なデータ形式に変換するための撮像系イ
ンタフェース部、１００５はシステム制御部１００１が
出力する表示データをカラーＬＣＤ４０が表示可能なデ
ータ形式に変換するための表示系インタフェース部、１
０６０はカラーＬＣＤ４０に対するタイミング制御や表
示データの調整等を行うＬＣＤ制御部１０６１は照明光
源（３１または４６）の点灯タイミングを制御するため
の照明光源制御部である。
【００４１】また、本実施形態において新たに追加され
た１００８は動作モードを切り替えるための、スイッチ
等からなる動作モード切り替え部、同１００９は表示／
撮像光学系の前面に配置されて外界光の光量を検出する
ための、光センサ等からなる光量検出部、同１０１０は
照明光源点灯およびシャッタースピードを同時に変化さ
せるための、ボリュームやジョグダイヤル等からなる光
量調整部である。
【００４２】図４は、図３に示す制御回路のタイミング
チャートである。図において、「撮像データ」はＣＣＤ
３より出力される撮像データの状態、「シャッター」は
電子シャッターの状態を表しており、Ｈｉｇｈが閉状
態、Ｌｏｗが開状態を示す。また、「表示データ」はカ
ラーＬＣＤ４０で表示している内容の状態、「照明光
源」は白色照明光源４６の状態を表しており、Ｈｉｇｈ
が点灯状態、Ｌｏｗが消灯状態を示す。
【００４３】撮像系においては、ＣＣＤ制御部１０６２
で制御されるタイミングに基づいてＣＣＤ３より撮像デ
ータが出力され、ＣＣＤ制御部１０６２においてＣＤＳ
（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎ
ｇ）やＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔ
ｒｏｌ）、ＡＷＢ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ ＷｈｉｔｅＢ
ａｌａｎｃｅ）等のデータ調整が施された後、撮像系イ
ンタフェース部１００４でＮＴＳＣ，ＰＡＬ等の標準デ
ータに変換され、システム制御部１００１に取り込まれ
る。
【００４４】一方、表示系においては、システム制御部
１００１が出力するＶＧＡ，ＬＤＩ形式等の表示データ
を表示系インタフェース部１００５においてカラーＬＣ
Ｄ４０が表示可能なデータ形式に変換し、ＬＣＤ制御部
１０６０においてガンマ補正等のデータ調整が施された
後、生成したタイミングに基づいてＬＣＤ（２または４
０）に表示データを出力して画像を表示する。その際、
表示タイミングの信号を照明光源制御部１０６１にも入
力し、表示タイミングに合わせて照明光源（３１または
４６）の点灯タイミングを制御する。
【００４５】ここで、表示系における照明光源４６の点
灯タイミングと撮像系における電子シャッターを開くタ
イミングが重ならないようにするため、まずＬＣＤ制御
部１０６０の表示タイミングの信号をＣＣＤ制御部１０
６２に入力して表示系と撮像系の同期合わせを行う。次
に照明光源制御部１０６１において照明光源４６を所定
の期間点灯させ、その後、ＣＣＤ制御部１０６２より所
定の期間電子シャッターを開くためのトリガー信号をＣ
ＣＤ３に対して出力する。
【００４６】（動作モード）基本的にはこのような動作
となるが、本実施形態の複合表示装置はさらに様々な使
用環境を考慮して動作モード切り替え部１００８により
以下の３つの動作モードを提供する。動作モードは動作
モード切替部１００８を構成するスイッチ等を操作する
ことによって変更可能である。動作モード切替部１００
８は各モードに対応した３つのボタンで構成しても、１
つのボタンで構成し、ボタンを押下する毎にモードが順
番に変更されるように構成しても良い。また、現在選択
されている動作モードを、ユーザが認識できるように構
成することが好ましい。具体的には、動作モード切替部
１００８の状態を、ＬＣＤに表示する表示データを生成
する外部装置（図示せず）に伝達し、動作モード切替部
１００８の状態が変化する度に選択されたモード名など
の情報を表示データに重畳するように構成することがで
きる。
【００４７】１番目の動作モードは固定モードであり、
従来例と同様、屋内使用時のフリッカー発生を考慮し
て、シャッタースピードを１／１００秒に設定する。ビ
デオ信号の標準形式であるＮＴＳＣの１フィールド（６
０Ｈｚ）を基準にすると、１サイクルの周期は１／６０
秒となり、その際、照明光源４６の点灯期間は（１／６
０−１／１００）秒以下、即ち６ミリ秒等とする。
【００４８】２番目の動作モードは自動モードであり、
表示／撮像光学系の前面に配置された光量検出部１００
９により外界光の光量を検出し、外界光に適したシャッ
タースピードおよび照明光源４６の点灯時間に自動的に
調整するものである。即ち、明るい環境での使用時には
図４（ａ）に示すようにシャッタースピードを短く、か
つ照明光源４６の点灯時間を長くし、また逆に暗い環境
での使用時には図４（ｂ）に示すようにシャッタースピ
ードを長く、かつ照明光源４６の点灯時間を短く、光量
検出部１００９の出力値に応じて自動的に制御を行う。
【００４９】この自動制御は、例えば光量検出部１００
９の出力値と、シャッタースピード及び照明光源の点灯
時間との関係を、予め種々の条件で測定し、最適値をＬ
ＣＤ制御部１０６０に記憶しておいて、光量検出部１０
０９の出力値から記憶されたシャッタースピード及び点
灯時間を参照することにより行うことができる。
【００５０】３番目の動作モードは手動モードであり、
本実施形態の複合表示装置のユーザがボリュームやジョ
グダイヤル等で構成される光量調整部１０１０を調整す
ることにより、外界光に適するようにシャッタースピー
ドおよび照明光源４６の点灯時間を同時に変化させるも
のである。
【００５１】例えば、光量調整部１０１０が「明」側に
調整されると、その値（光量調整部を構成する入力素子
によって、絶対値であっても、変化量であってもよい）
に応じて図４（ａ）に示すようにシャッタースピードを
短く、かつ照明光源４６の点灯時間を長くする。逆に、
光量調整部１０１０が「暗」側に調整された場合には、
その値に応じて図４（ｂ）に示すようにシャッタースピ
ードを長く、かつ照明光源４６の点灯時間を短くする。
【００５２】光量調整部１０１０がアナログボリューム
など絶対値を出力する素子から構成されている場合、手
動モードにおいても、自動モードと同様、光量調整部１
０１０からの入力値とシャッタースピード及び点灯時間
の関係をＬＣＤ制御部１０６０に記憶して制御を行うこ
とが可能である。一方、光量調整部１０１０が「＋」
「−」を入力するディジタルスイッチから構成されるよ
うな場合には、１回の「＋」入力及び「−」入力毎のシ
ャッタースピード及び点灯時間の調整量を記憶してお
き、スイッチが押されるたびに所定の調整量だけシャッ
タースピード及び点灯時間を変化させることもできる。
もちろん、これ以外にも任意の入力素子で光量制御部１
０１０を構成することが可能であり、入力素子が出力す
る値の種類に応じて制御方法を選択すればよい。ただ
し、光量調整部１０１０は複数のボタンやスイッチで構
成するよりも、ボリュームなど１つの素子で構成した方
が使い勝手の点からは好ましい。
【００５３】（第１の実施形態の変形例）図２は、図１
におけるカラーＬＣＤ４０の替わりに、強誘電性ディス
プレイ素子２（ＦＬＣＤ）と、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の光源３
１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂとの組み合わせによってカラー表
示を実現した複合表示装置の光学系構成を示す側面図で
ある。図２に示す複合表示装置は、モード切替部１００
８、光量検出部１００９及び光量制御部１０１０を設け
たこと以外は図１０に示した従来の複合表示装置の光学
系構成と同一構成を有する。
【００５４】このような構成を有する複合表示装置にお
いても、図３に示した制御回路において照明光源制御部
１０６１が制御する照明光源を３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂ
に、ＬＣＤ制御部１０６０が制御するＬＣＤをＦＬＣＤ
２に変更することにより、第１の実施形態と同様の制御
を行うことが可能である。
【００５５】具体的には、光量調整部１０１０が「明」
側に調整されると、その値（光量調整部を構成する入力
素子によって、絶対値であっても、変化量であってもよ
い）に応じて図５（ａ）に示すようにシャッタースピー
ドを短く、かつ照明光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ各々の
点灯時間を長くする。逆に、光量調整部１０１０が
「暗」側に調整された場合には、その値に応じて図５
（ｂ）に示すようにシャッタースピードを長く、かつ照
明光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ各々の点灯時間を短くす
る。このように、表示素子の種類が変わっても、同様の
効果を得ることが可能である。
【００５６】（第２の実施形態）次に、図６及び図７を
参照して本発明の第２実施形態について説明する。図６
は本発明の第２実施形態に係る複合表示装置の制御回路
の構成例を示すブロック図、図７は図６の制御回路の動
作を示すタイミングチャートである。
【００５７】図６を図３に示す第１実施形態における制
御回路と比較すると、撮像系とＬＣＤの同期を取らず、
撮像系と照明光源のみ同期をとる点が第１実施形態と異
なるところであり、それ以外は第１実施形態と同様であ
る。従って、ＦＬＣＤと照明光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１
Ｂの同期をとらなければならない図２構成の複合表示装
置には本実施形態の制御回路は適用できず、図１の構成
を有する複合表示装置にのみ適用可能である。
【００５８】図７に示すように、表示系における照明光
源４６の点灯タイミングと、撮像系における電子シャッ
ターを開くタイミングが重ならないようにするため、ま
ずＣＣＤ制御部１０７２の撮像タイミングの信号を照明
光源制御部１０７０に入力して撮像系と照明光源４６の
同期合わせを行う。次に照明光源制御部１０７０におい
て照明光源４６を所定の期間点灯させ、その後、ＣＣＤ
制御部１０７２より所定の期間電子シャッターを開くた
めのトリガー信号をＣＣＤ３に対して出力する。
【００５９】このとき、ＬＣＤ４０の画像表示は撮像系
／照明光源に同期することなく任意のタイミングで表示
を行っている。これは言い換えれば、撮像系と表示系の
フィールド／フレーム周期を合わせなければならないと
いう制約を無くすことが可能になることを意味する。
【００６０】なお、本実施形態においては、動作モード
切替部１００８、光量検出部１００９及び光量制御部１
０１０の出力はすべてＣＣＤ制御部１０７２に供給され
る。従って、本実施形態において、第１実施形態でＬＣ
Ｄ制御部１０６０が行っていた、各種動作モードにおけ
るシャッタースピード及び点灯時間の制御は、ＣＣＤ制
御部１０７２が行う。制御方法及び制御内容は第１の実
施形態と同様であるため詳細な説明は省略する。
【００６１】自動モードにおける、外光量が多い場合の
制御例を図７（ａ）に、外光量が少ない場合の制御例を
図７（ｂ）にそれぞれ示す。
【００６２】
【他の実施形態】上述の実施形態においては、複合表示
装置に用いる表示素子として透過型のＬＣＤを使用した
場合の構成についてのみ説明を行っているが、反射型の
ＬＣＤを使用しても同様に実現することが可能である。
また、カラーＬＣＤ４０の替わりに、ＥＬ等の自発光型
の表示素子を用いることも可能である。
【００６３】また、上述の実施形態においては、撮像デ
バイスとしてＣＣＤを使用して場合について説明した
が、Ｃ-ＭＯＳエリアセンサ等、他の撮像素子を使用し
てもよい。
【００６４】また、上述の実施形態においては、撮像デ
ータをインタレース方式（フィールド）として説明を行
っているが、ノンインタレース方式（フレーム）でも同
様に本発明の表示制御を適用することは可能である。ま
た逆に、表示データをノンインタレース方式（フレー
ム）として説明を行っているが、インタレース方式（フ
ィールド）でも本発明の表示制御を適用可能である。
【００６５】また、上述の実施形態においては、フィー
ルド／フレーム周期を１／６０秒として説明を行ってい
るが、これに限るものではない。
【００６６】また、上述の実施形態においては、撮像デ
ータがＮＴＳＣ，ＰＡＬ等の標準データであるものとし
て説明を行っているが、これに限るものではなく、独自
のデータ形式を有する撮像データであってもよい。
【００６７】また、上述の実施形態においては、固定モ
ード時のシャッタースピードを１／１００秒、照明光源
点灯時間を６ミリ秒として説明を行っているが、これに
限るものではなく、例えばシャッタースピードを０秒、
すなわち、 撮像しない（表示モード）、あるいは逆に
照明光源点灯時間を０秒 、すなわち、 表示しない（撮
像モード）、等にすることも考えられる。
【００６８】また、上述の実施形態においては、動作モ
ード切替部１００８で選択可能な動作モードを３種類と
して説明を行っているが、これに限るものではなく、例
えば上述の表示モードや撮像モードを追加する、或いは
撮像系と表示系の動作を個別に変化させる場合の組合せ
を追加する、或いは動作モードを削減する、等も考えら
れる。
【００６９】また、上述の実施形態においては、光量調
整部１０１０の操作により照明光源点灯およびシャッタ
ースピードを同時に変化させる構成について説明を行っ
ているが、これに限るものではなく、例えば光量調整部
１０１０を２つ以上のつまみ、スイッチ等で構成し、照
明光源点灯時間とシャッタースピードを各々独立に調整
するように構成することも、片方を固定としてもう一方
を１つのつまみで調整するように構成することも可能で
ある。
【００７０】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、様
々な使用環境においても表示手段による表示の濃度を外
界光に対して最適な状態に保つとともに、かつＣＣＤ等
の撮像手段のシャッタースピードも最適な状態に保つこ
とを容易に可能とした複合表示装置を提供することがで
きる。また、併せて撮像系と表示系のフィールド／フレ
ーム周期を合わせなければならないという制約を無くす
ことにより、柔軟性のある複合表示装置を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る複合表示装置の光
学系構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の変形例に係る複合表示
装置の光学系構成を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る複合表示装置の制
御回路構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る複合表示装置にお
ける表示制御及び発光制御を説明するタイミングチャー
トである。
【図５】本発明の第１実施形態の変形例に係る複合表示
装置における表示制御及び発光制御を説明するタイミン
グチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る制御回路構成を示
すブロック図である。
【図７】図６に示した制御回路の動作を示すタイミング
チャートである。
【図８】従来の複合表示装置の制御回路構成例を示すブ
ロック図である。
【図９】従来の複合表示装置における表示制御及び発光
制御を説明するタイミングチャートである。
【図１０】従来の複合表示装置の光学系構成例を示す図
である。
【図１１】従来の複合表示装置の別の光学系構成例を示
す図である。
【符号の説明】
１００１ システム制御部 １００３ ＣＣＤ制御部 １００４ 撮像系インタフェース部 １００５ 表示系インタフェース部 １００６ ＬＣＤ制御部 １００８ 動作モード切り替え部 １００９ 光量検出部 １０１０ 光量調整部 １０１１ 照明光源制御部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０９Ｇ 3/34 Ｇ０９Ｇ 3/34 Ｊ 3/36 3/36 Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１ Ｈ０４Ｎ 5/64 ５１１Ａ 7/18 7/18 Ｚ Ｆターム(参考） 2H088 EA10 HA18 HA22 HA23 HA28 JA17 MA01 MA20 5C006 AA01 AA22 AF44 AF63 BB11 BF38 EA01 EC13 FA21 FA54 5C054 AA01 AA05 CA04 CC03 CE01 CE11 CF01 CH01 EA01 EA05 EA07 FA00 FB03 FF02 FF03 5C080 AA10 BB05 CC03 DD03 EE19 GG07 JJ02 JJ04 JJ06

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 表示手段からの光束を観察者の眼球に導
    光する表示光学系と、外界からの光束を撮像手段に結像
    させる撮像光学系と、光路中に設けられ、該表示光学系
    の観察者の眼球に入射する光束の眼球光軸又は該眼球光
    軸を延長した仮想眼球光軸と、該撮像光学系の外界から
    入射してくる光束の外界光軸とを実質的に一致させる光
    路分離手段とを有し、前記表示手段は画像情報を周期的
    かつ間欠的に表示し、前記撮像手段は前記表示手段が画
    像情報を表示していない期間に周期的に外界からの画像
    情報の記録を行なう複合表示装置において、 前記表示手段で画像情報の表示を行う表示期間および／
    または前記撮像手段が前記外界からの画像情報の記録を
    行なう撮像期間を変更可能な変更手段を有することを特
    徴とする複合表示装置。
  2. 【請求項２】 前記表示光学系は複数の反射面を有する
    ことを特徴とする請求項１記載の複合表示装置。
  3. 【請求項３】 前記表示手段の表示周期と前記撮像手段
    の撮像周期とが等しいことを特徴とする請求項１又は請
    求項２記載の複合表示装置。
  4. 【請求項４】 前記表示手段が、画像情報の表示中に点
    灯する照明光源を有し、この照明光源の点灯周期と前記
    撮像手段の撮像周期が等しく、前記照明光源の点灯して
    いない状態でのみ、前記外界からの画像情報の記録を行
    うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複合
    表示装置。
  5. 【請求項５】 前記表示手段はカラーＬＣＤであり、前
    記照明光源が白色照明であることを特徴とする請求項１
    乃至請求項４のいずれか１項に記載の複合表示装置。
  6. 【請求項６】 前記表示手段はカラー自発光表示素子よ
    り成っていることを特徴とする請求項１乃至請求項３記
    載の複合表示装置。
  7. 【請求項７】 カラー画像を構成する複数の色成分に対
    応する複数の発光色を有し、前記複数の発光色の１つで
    順次前記表示手段を照らす色光源をさらに有し、前記表
    示手段が前記色光源の発光色に対応した単色画像情報を
    表示することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいず
    れか１項に記載の複合表示装置。
  8. 【請求項８】 外界の光量を検出する外界光量検出手段
    をさらに備え、前記変更手段が、前記表示期間および／
    または前記撮像期間を前記外界光量検出手段が検出した
    光量に応じて変化させることを特徴とする請求項１乃至
    請求項７のいずれか１項に記載の複合表示装置。
  9. 【請求項９】 光量調整手段をさらに備え、前記変更手
    段が、当該光量調整手段による設定値に基づいて前記表
    示期間および／または前記撮像期間を変化させることを
    特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載
    の複合表示装置。
  10. 【請求項１０】 外界の光量を検出する外界光量検出手
    段と、光量調整手段と、動作切り替え手段をさらに有
    し、 前記動作切り替え手段が、前記外界光量検出手段を有効
    とする第１の状態、前記光量調整手段を有効とする第２
    の状態及び、前記外界光量検出手段及び前記光量調整手
    段のいずれも無効とする第３の状態を有し、 前記変更手段が、 前記動作切り替え手段が前記第１の状態にある場合に
    は、前記表示期間および／または前記撮像期間を前記外
    界光量検出手段が検出した光量に応じて変化させ、前記
    動作切り替え手段が前記第２の状態にある場合には、前
    記光量調整手段による設定値に基づいて前記表示期間お
    よび／または前記撮像期間を変化させ、前記動作切り替
    え手段が前記第３の状態にある場合には、前記表示期間
    および／または前記撮像期間を所定の値に固定すること
    を特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記
    載の複合表示装置。
  11. 【請求項１１】 前記光路分離手段は偏心した曲率を有
    した反射面又はハーフミラー面から構成されることを特
    徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載
    の複合表示装置。
  12. 【請求項１２】 前記撮像光学系と前記表示光学系は光
    路分離手段によって逆方向の光路に分離しており、前記
    表示光学系は前記光路分離手段の反射面の一方側の反射
    面を含み、前記撮像光学系は該光路分離手段の反射面の
    他方側の反射面を含んでいることを特徴とする請求項１
    乃至請求項１１のいずれか１項記載の複合表示装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１乃至請求項１２のいずれか１
    項に記載の複合表示装置を用いたヘッドマウントディス
    プレイ装置。
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