JP2011075954A - Head-mounted display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関する。 The present invention relates to a head mounted display.
従来より、観察者の頭部に装着され、画像情報に応じた画像光を投射部から観察者の眼に投射して、画像情報に応じた画像を観察者に視認させる表示手段を備えたヘッドマウントディスプレイ(以下、「HMD」ともいう)が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a head that is mounted on an observer's head and includes display means for projecting image light according to image information from the projection unit to the observer's eyes and allowing the observer to visually recognize an image according to image information. A mount display (hereinafter also referred to as “HMD”) is known.
このHMDは、作業マニュアル等のコンテンツを表示する手段として、医療、工場等の現場で活用され始めている。特に、装置全体が小型化されたものであれば持ち運びが可能となり、今後広く普及していくものと予測される。 This HMD has begun to be used in the field of medical care, factories and the like as means for displaying contents such as work manuals. In particular, if the entire device is downsized, it can be carried and is expected to become widespread in the future.
観察者は、HMDの画像を視認するために、投射部による射出瞳を観察者の瞳孔に合わせることが必要である。しかし、投射部による射出瞳が観察者の瞳孔より小さい場合には、投射部による射出瞳に観察者の瞳孔を合わせることが難しく、また射出瞳から観察者の瞳孔が外れやすくなる。 In order to visually recognize the image of the HMD, the observer needs to match the exit pupil of the projection unit with the pupil of the observer. However, when the exit pupil of the projection unit is smaller than the pupil of the observer, it is difficult to align the observer's pupil with the exit pupil of the projection unit, and the observer's pupil is easily detached from the exit pupil.
そこで、回折格子を中間像面位置に配置して、射出瞳の実効径を拡大する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, a technique is known in which a diffraction grating is arranged at an intermediate image plane position to enlarge the effective diameter of the exit pupil (see, for example, Patent Document 1).
射出瞳の実効径が大きくなると、観察者の瞳孔が射出瞳に位置する可能性が高くなることから、観察者はHMDの画像を視認しやすくなる。 When the effective diameter of the exit pupil is increased, the possibility that the observer's pupil is positioned at the exit pupil increases, so that the viewer can easily view the HMD image.
しかし、その反面、観察者の瞳孔から入射する画像光の径が大きくなる。そのため、焦点深度が浅くなり、観察者はHMDの画像にピントを合わせるのに手間取ってしまう。また、オートフォーカスを行うとすると、眼底カメラのように光学系が大型化、複雑化するという問題がある。 However, on the other hand, the diameter of the image light incident from the observer's pupil increases. Therefore, the depth of focus becomes shallow, and the observer takes time to focus on the HMD image. In addition, when autofocusing is performed, there is a problem that the optical system becomes large and complicated like a fundus camera.
本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものであり、観察者にとって焦点が合いやすいように焦点深度を深くし、かつ、投射部による射出瞳を観察者の瞳孔に合わせやすいヘッドマウントディスプレイを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and is a head mount in which the depth of focus is increased so that the observer can easily focus, and the exit pupil of the projection unit is easily aligned with the pupil of the observer. The object is to provide a display.
上記目的を達成するために、請求項1に係る発明は、画像情報に応じた画像光を観察者の眼に投射する投射部と、前記投射部による射出瞳と光学的に共役な位置に配置され、絞り位置及び/又は絞り径を変更可能な可変絞り部と、前記観察者の眼の瞳孔位置を検出する検出部と、前記検出部により検出した前記瞳孔位置に応じて、前記可変絞り部を制御して、前記観察者の眼に前記画像光を入射させる制御部と、を備えることとした。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is arranged at a position optically conjugated with a projection unit that projects image light according to image information onto the eyes of an observer, and an exit pupil by the projection unit. A variable diaphragm unit that can change a diaphragm position and / or a diaphragm diameter, a detection unit that detects a pupil position of the eye of the observer, and the variable diaphragm unit according to the pupil position detected by the detection unit And a control unit that causes the image light to enter the eyes of the observer.
また、請求項2に係る発明は、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記制御部は、前記検出部で検出した前記瞳孔位置が変化したときに前記絞り位置を変更することに特徴を有する。
The invention according to
また、請求項3に係る発明は、請求項1に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記検出部で検出した前記瞳孔位置が変化したときに前記絞り径を変更することに特徴を有する。
Further, the invention according to
また、請求項4に係る発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記絞りは、入射する光の径よりも小径で、かつ前記入射する光の一部を反射する反射部からなることに特徴を有する。 According to a fourth aspect of the present invention, in the head mounted display according to any one of the first to third aspects, the diaphragm has a diameter smaller than a diameter of incident light and a part of the incident light. It is characterized by comprising a reflection part that reflects the light.
また、請求項5に係る発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記絞りは、入射する光の径よりも小径で、かつ前記入射する光の一部が透過する透過部からなることに特徴を有する。 According to a fifth aspect of the present invention, in the head mounted display according to any one of the first to third aspects, the diaphragm has a diameter smaller than a diameter of incident light and a part of the incident light. It is characterized by comprising a transmission part through which the light is transmitted.
また、請求項6に係る発明は、請求項4に記載のヘッドマントディスプレイにおいて、前記反射部は、反射率が可変であり、前記制御部は、前記反射率を変更することに特徴を有する。 The invention according to claim 6 is characterized in that, in the head cloak display according to claim 4, the reflectance of the reflecting portion is variable, and the control portion changes the reflectance.
また、請求項7に係る発明は、請求項5に記載のヘッドマントディスプレイにおいて、前記透過部は、透過率が可変であり、前記制御部は、前記透過率を変更することに特徴を有する。
The invention according to claim 7 is characterized in that in the head cloak display according to
また、請求項8に係る発明は、請求項1〜7のいずれか1項に記載のマウントディスプレイにおいて、前記投射部による射出瞳は、2mm以下であることに特徴を有する。 The invention according to claim 8 is characterized in that, in the mount display according to any one of claims 1 to 7, an exit pupil by the projection unit is 2 mm or less.
本発明では、検出した観察者の瞳孔位置に応じて、投射部による射出瞳と光学的に共役な位置に配置された絞りの位置或いは径を変更する。従って、瞳孔に入射する画像光の実効径の大きさを抑制することができ、観察者はHMDの画像にピントを合わせ易くなる。すなわち、投射部による射出瞳が観察者の瞳孔位置に合うように絞りの位置を変更することで、実効径の小さな画像光を瞳孔に入射することができる。また、観察者の瞳孔位置に応じて絞りの径を変更することで、投射部から出射する画像光の径が大きい場合であっても、瞳孔に入射する画像光の実効径が大きくなることを抑制できる。 In the present invention, the position or diameter of the diaphragm arranged at a position optically conjugate with the exit pupil by the projection unit is changed according to the detected pupil position of the observer. Accordingly, the effective diameter of the image light incident on the pupil can be suppressed, and the observer can easily focus on the HMD image. That is, image light with a small effective diameter can be incident on the pupil by changing the position of the stop so that the exit pupil by the projection unit matches the pupil position of the observer. Further, by changing the aperture diameter according to the pupil position of the observer, the effective diameter of the image light incident on the pupil is increased even when the diameter of the image light emitted from the projection unit is large. Can be suppressed.
〔HMDの概要〕
まず、本実施形態に係るHMDの概要について図面を参照しながら説明する。図1は本実施形態に係るHMDの概要を示した説明図である。なお、本実施形態では、HMDを、画像情報に基づいて強度変調した光を2次元的に走査し、その走査された光を当該HMDの使用者である観察者の眼に投射して網膜上に結像させる網膜走査型として説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、画像情報に応じて強度変調した光を観察者の眼に入射させ、当該画像情報に応じた画像を表示するHMDであれば全てに適用することができる。
[Outline of HMD]
First, an outline of the HMD according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of the HMD according to the present embodiment. In this embodiment, the HMD is two-dimensionally scanned with light that has been intensity-modulated based on image information, and the scanned light is projected onto the eyes of an observer who is the user of the HMD. However, the present invention is not limited to this. That is, the present invention can be applied to all HMDs that allow light that has been intensity-modulated according to image information to enter the eyes of an observer and display an image according to the image information.
図1(a)は、画像情報に応じた画像光Lbが、HMDを使用する観察者の眼110の瞳孔110aに入射している状態を示している。この図1(a)に示す状態では、画像光Lbが瞳孔110aから入射しているので、観察者は画像光Lbによる画像を認識することとなる。
FIG. 1A shows a state in which the image light Lb corresponding to the image information is incident on the
ここで観察者が眼110を移動させた場合を想定する。図1(b)に示すように、瞳孔110aの位置が移動して、画像光Lbが瞳孔110aから入射しなくなると、観察者は画像光Lbによる画像を認識することができなくなる。
Here, it is assumed that the observer moves the
このような場合、図1(c)に示すように、射出瞳径を大きくすると、観察者が眼110を動かして瞳孔110aの位置が移動した場合であっても、瞳孔110aから画像光Lbが入射することとなり、観察者は画像を視認することができる。
In such a case, as shown in FIG. 1C, when the exit pupil diameter is increased, the image light Lb is emitted from the
しかしながらこの場合、瞳孔110aから入射した画像光Lbの開き角αが大きくなって焦点深度が浅くなり、観察者が画像光Lbによる画像へピントを合わせづらくなる。
However, in this case, the opening angle α of the image light Lb incident from the
そこで、本実施形態に係るHMDは、図1(d)に示すように、射出瞳と光学的に共役な位置Qに絞り位置や絞り径を変更可能な絞り部Aを設け、射出瞳径を小さくして、瞳孔110aに入射する画像光Lbの径を小さくすることとしている。
Therefore, as shown in FIG. 1D, the HMD according to the present embodiment is provided with a diaphragm portion A capable of changing the diaphragm position and the diaphragm diameter at a position Q optically conjugate with the exit pupil, and the exit pupil diameter is set. The diameter of the image light Lb incident on the
したがって、瞳孔110aから入射した画像光Lbの開き角αが小さくなって焦点深度が深くなり、観察者は画像光Lbによる画像へピントを合わせ易い。
Accordingly, the opening angle α of the image light Lb incident from the
また、絞り部Aは、位置変更可能に構成しているため、図1(e)に示すように観察者が眼110を動かして瞳孔110aの位置が更に移動した場合でも、絞り部Aを点線で示す位置から実線で示す位置に移動させることで、瞳孔110aに画像光Lbを入射させながらも、入射する画像光Lbの実効径を小さくすることができる。すなわち、画像光Lbの開き角αが小さくなって焦点深度が深くなり、観察者に対して画像光Lbによる画像へピントを合わせ易くさせることができる。
In addition, since the aperture portion A is configured to be changeable in position, even when the observer moves the
なお、図1では、入射する光の径よりも小径で、かつ前記入射する光の一部が通過する開口部からなる絞り部Aとしたが、例えば、LCD等により開口部を形成したり、DMDや反射鏡等により反射部を形成することで、絞りを実現するよう構成しても良い。これらの変形例については、後に詳述する。 In FIG. 1, the aperture portion A has a diameter smaller than the diameter of incident light and includes an aperture through which a part of the incident light passes. However, for example, an aperture is formed by an LCD or the like. A diaphragm may be realized by forming a reflecting portion with a DMD, a reflecting mirror, or the like. These modifications will be described in detail later.
〔HMD1の具体的構成及び動作〕
本実施形態に係るHMD1は、図2に示すように、観察者Pの腰部に装着する制御ユニット部2と、観察者Pが頭部に装着する頭部装着具6と、制御ユニット部2と頭部装着具6と接続する光ファイバーケーブル7とを備えている。
[Specific configuration and operation of HMD1]
As shown in FIG. 2, the HMD 1 according to the present embodiment includes a
制御ユニット部2には、表示制御部10が備えられており、同じく制御ユニット部2に内蔵した後述のコンテンツ記憶部11に記憶されたコンテンツデータに基づいて表示制御部10が画像信号Sを形成する。また、制御ユニット部2には光源部12が備えられており、前述の画像信号Sに応じて各色(R,G,B)毎に強度変調されたレーザ光を光ファイバーケーブル7へ出射する。また、後に詳述するが、この表示制御部10は、検出部により検出した瞳孔110aの位置に応じて、可変絞り部を制御する制御部として機能する。
The
また、制御ユニット部2には、電源ボタン13や図示しない操作入力部が配設されている。これらの電源ボタン13や操作入力部は、表示制御部10に電気的に接続されている。
Further, the
また、制御ユニット部2には、外部入出力端子20が形成されている。この外部入出力端子20により、外部からの画像信号を入力したり、図示しないパーソナルコンピュータ等との間で画像信号を形成するためのコンテンツデータなどを送受信したりすることができる。なお、ここでコンテンツデータとは、文字を表示させるためのデータ、画像を表示させるためのデータ及び動画を表示させるためのデータのうちの少なくとも1つのデータで構成される画像情報であり、例えば、パーソナルコンピュータ等で使用される文書ファイルや画像ファイル、動画ファイル等である。
In addition, an external input /
頭部装着具6は、観察者Pの頭部に装着した状態において、伝送されたレーザ光を観察者Pの眼110に投射し、観察者Pに対して画像を表示するものである。具体的には、図2に示すように、頭部装着具6は、画像表示ユニット4と、支持フレーム21とで構成している。
The head wearing tool 6 projects the transmitted laser light on the
画像表示ユニット4は、光ファイバーケーブル7より伝送されてきたレーザ光を2次元方向に走査して画像光Lbを形成し、観察者Pの眼110に入射させ、観察者Pの眼110の網膜上で画像光Lbを2次元方向に走査する。これにより、観察者Pに画像情報に応じた画像を視認させることができる。
The image display unit 4 scans the laser beam transmitted from the optical fiber cable 7 in a two-dimensional direction to form an image light Lb, which is incident on the
この画像表示ユニット4には、観察者Pの眼110と対向する位置に第2ハーフミラー3が設けられている。外光Laは第2ハーフミラー3を透過して観察者Pの眼110に入射され、画像表示ユニット4から出射される画像光Lbは第2ハーフミラー3で反射して観察者Pの眼110に入射する。これにより、観察者Pは外光Laによる外景に画像光Lbによる画像を重ねて視認することができる。
The image display unit 4 is provided with a
このようにHMD1は、外光Laを透過しつつ、画像光Lbを観察者Pの眼110に投射するシースルー型のヘッドマウントディスプレイとしている。
As described above, the HMD 1 is a see-through head mounted display that projects the image light Lb onto the
次に、HMD1の電気的構成及び光学的構成について図3を参照しながら説明する。図3に示すように、制御ユニット部2内には、表示制御部10と、光源部12とが備えられている。
Next, the electrical configuration and optical configuration of the HMD 1 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, the
(表示制御部10)
表示制御部10は、比較的大容量の記憶領域を有するコンテンツ記憶部11に予め記憶されたコンテンツデータを読み出し、このコンテンツデータを画像信号Sに変換して、光源部12に供給する。また、表示制御部10は、外部入出力端子20を介して外部接続した図示しない機器類から供給されるコンテンツデータを画像信号Sに変換し、光源部12に供給することもできる。なお、コンテンツ記憶部11は、例えば、ハードディスクの如き磁気的記憶媒体や、CD−Rの如き光学的記録媒体や、フラッシュメモリ等とすることができる。
(Display control unit 10)
The
また、表示制御部10には、電源ボタン13が電気的に接続されている。電源ボタン13が押下されることにより、表示制御部10は、図示しない電源部からの電力を供給したり停止したりする。
In addition, a
光源部12は、観察者Pの眼110に画像を表示するためのレーザ光を生成する部位であり、表示制御部10に電気的に接続される駆動信号供給回路30が備えられている。駆動信号供給回路30は、表示制御部10から供給された画像信号Sに基づいて、表示画像を形成するための要素となる、赤色、緑色及び青色のそれぞれの画像信号を生成する。また、駆動信号供給回路30は、後述の高速走査部32で使用される高速駆動信号33と、低速走査部34で使用される低速駆動信号35とをそれぞれ出力する。
The
また、光源部12には、レーザ出射部36が設けられている。このレーザ出射部36には、R(赤色)レーザ、G(緑色)レーザ、B(青色)レーザが備えられており、画像信号Sに基づいて生成された各色の画像信号に応じてそれぞれ強度変調されたレーザ光を出射する。各レーザは、例えば、半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成することが可能である。各レーザから出射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー等から構成される光学系により合波され、平行光化された後に集光されて光ファイバーケーブル7へ出力される。
Further, the
(画像表示ユニット4)
画像表示ユニット4は、光ファイバーケーブル7を介して入射するレーザ光を走査して観察者Pの眼110に投射する。この画像表示ユニット4には、走査部60と、投射部61とで構成している。走査部60は、光源部12で生成され、光ファイバーケーブル7を介して出射されるレーザ光を2次元方向に走査して画像光Lbとして出射する。
(Image display unit 4)
The image display unit 4 scans the laser beam incident via the optical fiber cable 7 and projects it onto the
具体的には、走査部60には、光ファイバーケーブル7を介して出射されるレーザ光を平行光化するコリメート光学系62と、このコリメート光学系62で平行光化されたレーザ光を画像表示のために偏向素子32aの反射面により第1の方向に往復走査する高速走査部32とが設けられている。また、走査部60には、高速走査部32で第1の方向に走査されたレーザ光を、偏向素子34aの反射面により第1の方向と直交する第2の方向に走査する低速走査部34と、高速走査部32と低速走査部34との間に設けられた第1リレー光学系63とが設けられている。走査部60により走査されたレーザ光は、画像光Lbとして、走査部60から投射部61へ向けて出射される。なお、前述の第1の方向及び第2の方向は、例えば、表示する画像の水平方向を第1の方向をとし、表示する画像の垂直方向を第2の方向とすることが可能であるが、第1の方向が垂直方向、第2の方向が水平方向であっても良い。
Specifically, a collimating
投射部61には、第2リレー光学系64と、絞り部Aと、撮像部66と、第3リレー光学系65と、第2ハーフミラー3とが備えられている。
The
第2リレー光学系64は、走査部60から出射された画像光Lbを入射させて、偏向素子34aの反射面と共役な位置Qを作るためのリレー光学系である。なお、この偏向素子34aの反射面と共役な位置Qは、投射部61による射出瞳とも光学的に共役である。
The second relay
絞り部Aは、瞳孔110aに入射する画像光Lbの実効径を小さくするためのものであり、第2リレー光学系64の射出瞳位置近傍に配設している。この絞り部Aは、入射する光の径よりも小径で、かつ前記入射する光の一部が通過する開口部70を備えた複数枚の羽を有する羽絞り部材71と、同羽絞り部材71の位置や開口部70の絞り径を調整する絞り調整機構72とで構成している。
The stop A is for reducing the effective diameter of the image light Lb incident on the
具体的には、この絞り調整機構72は、表示制御部10からの開口調整信号を受信することにより、羽絞り部材71を構成する複数枚の羽を移動させて開口部70を拡縮し、第2リレー光学系64の射出瞳位置近傍での画像光Lbの実効径を変化させる。なお、本実施形態では、投射部61による射出瞳が2mm以下となるように、開口部70を拡縮させる。この構成により、焦点深度が浅くなることを確実に抑制するようにしている。
Specifically, the
また、絞り調整機構72は、観察者Pの瞳孔110aの動きに応じて表示制御部10から送信される移動調整信号を受信することにより、第2リレー光学系64の射出瞳の範囲内で、同第2リレー光学系64のレンズの光軸に対して直交する方向へ羽絞り部材71を自在に移動させる。
In addition, the
撮像部66は、羽絞り部材71を移動させるために、瞳孔110aの位置を検出するに際し、眼110表面の状態を撮像するための部位であり、第1ハーフミラー73と、撮像素子74とで構成している。
The
第1ハーフミラー73は、第2ハーフミラー3で反射され、第3リレー光学系65から出射された眼110表面の光を、撮像素子74へ向けて反射するためのハーフミラーである。また、絞り部Aの開口部70から出射された画像光Lbの一部は、第1ハーフミラー73により反射されるが、残部は透過して第3リレー光学系65に入射する。
The
撮像素子74は、第1ハーフミラー73にて反射された眼110表面の光を受光して眼110表面の状態を撮像するものであり、瞳孔110aの位置と共役な位置に配設されている。この撮像素子74は、受光した眼110表面からの光を撮像信号に変換して表示制御部10へ送信する。
The
第3リレー光学系65は、第1レンズ75と第2レンズ76とを直列に配置して構成し、第1ハーフミラー73を透過して入射する画像光Lbを収束させるものであり、出射された画像光Lbは、第2ハーフミラー3を介して観察者Pの眼110にその瞳孔110aから入射する。これによって観察者Pは、網膜110b上に投影された画像光Lbよる画像を認識することができる。また、第3リレー光学系65は、前述のしたように、撮像素子74へ向けて眼110表面の光を導く役割も担っている。
The third relay
〔表示制御部10の電気的構成〕
次に、表示制御部10の構成について、図4を参照しながら説明する。図4は、表示制御部10の電気的構成を示したブロック図である。
[Electrical Configuration of Display Control Unit 10]
Next, the configuration of the
表示制御部10は、CPU100と、ROM101と、RAM102と、画像信号供給回路用インターフェース103と、画像信号供給回路用VRAM104と、周辺機器用インターフェース107と、通信インターフェース108とを備えており、システムバス109を介して相互に接続されている。
The
ROM101には、CPU100によりRAM102を用いて実行されることにより、後述するフローチャートに従った処理を実現するためのプログラムが記憶されている。
The ROM 101 stores a program for realizing processing according to a flowchart described later by being executed by the
RAM102は、ROM101に記憶されているプログラムをCPU100が実行する際に参照する各種変数などを記憶しておく一時記憶領域としても機能する。
The RAM 102 also functions as a temporary storage area for storing various variables that are referred to when the
画像信号供給回路用インターフェース103は、駆動信号供給回路30との接続を担うものであり、画像信号供給回路用VRAM104を参照して、画像信号Sを生成し駆動信号供給回路30に供給する。なお、画像信号供給回路用VRAM104のデータは、CPU100によって書き込まれる。すなわち、CPU100はコンテンツ記憶部11から周辺機器用インターフェース107を介してコンテンツデータを読み出し、画像信号供給回路用VRAM104に書き込んで展開するようにしている。
The image signal
周辺機器用インターフェース107は、表示制御部10に接続された周辺機器類の動作制御や信号の送受信を担うものである。この周辺機器用インターフェース107には、コンテンツ記憶部11や、電源ボタン13や、絞り調整機構72や、撮像素子74が接続されている。
The
周辺機器用インターフェース107は、CPU100からの命令により、コンテンツ記憶部11からコンテンツデータを読み出し、RAM102上の所定アドレスに書き込みを行う。
The
電源ボタン13から送信される操作信号を受信した周辺機器用インターフェース107は、RAM102上の所定アドレスに、電源ボタン13の操作があった旨を示すフラグを立てる。また、撮像素子74から送信される撮像信号を受信した周辺機器用インターフェース107は、撮像信号を撮像画像データに変換し、RAM102の所定アドレスに書き込みを行う。また、周辺機器用インターフェース107は、CPU100からの命令により、絞り調整機構72に対して開口調整信号や移動調整信号の送信を行う。
The
なお、上述のRAM102上に記憶されるフラグ等は、後述のフローチャートに示す処理を実行する際に、CPU100から参照可能としており、これによりCPU100は電源ボタン13などの観察者Pによる操作を検出する。
Note that the flag and the like stored on the RAM 102 described above can be referred to by the
通信インターフェース108は、表示制御部10に接続された機器類との信号の送受信を担うものであり、外部入出力端子20が接続されている。
The
〔表示制御部10の処理動作〕
次に、HMD1における表示制御部10での処理について、図5を用いて説明する。図5は、本実施形態に係るHMD1の処理を示したフローチャートである。
[Processing Operation of Display Control Unit 10]
Next, processing in the
まず、表示制御部10のCPU100は、RAM102のアクセス許可、作業領域を初期化等の初期設定を実行する(ステップS11)。
First, the
次にCPU100は、瞳孔110aの位置の検出を行う(ステップS12)。この瞳孔110aの位置の検出は、既知の方法を適用することができ、例えば、撮像画像データに数値処理を施して輪郭抽出を行い、瞳孔110aの輪郭を決定することにより瞳孔110aの位置を検出することができる。また、このとき、瞳孔110aの径についても値を取得する。このように、CPU100は、撮像素子74と共に、観察者の瞳孔位置を検出する検出部として機能することになる。
Next, the
次にCPU100は、周辺機器用インターフェース107に対し、ステップS12にて検出した瞳孔110aの位置と対応する位置に羽絞り部材71を移動させるよう、移動調整信号を絞り調整機構72へ送信させる命令を行う。また、ステップS12にて得られた瞳孔110aの径に応じた開口部70の径とするように、周辺機器用インターフェース107に対して開口調整信号を送出するよう命令する(ステップS13)。この処理において、CPU100は、観察者が眼110を動かして瞳孔110aの位置が移動した場合に、絞り位置の変更により画像光Lbが瞳孔110aに入射すると判定した場合には、絞り位置を変更する。一方、CPU100は、観察者が眼110を動かして瞳孔110aの位置が移動した場合に、絞り位置の変更により画像光が瞳孔110aに入射しないと判定した場合には、CPU100は、例えば、開口部70の径を変更し、画像光Lbが瞳孔110aに所定面積分だけ入射する。なお、この場合において、CPU100は、必要に応じて開口部70の径の変更に加えて、絞り位置の変更を行う。
Next, the
次にCPU100は、画像表示処理を実行する(ステップS14)。この画像表示処理でCPU100は、画像信号供給回路用インターフェース103に対し、コンテンツ記憶部11より取得した画像情報であるコンテンツデータに応じて強度変調された光を出射させるための画像信号Sを生成するよう命令する。これにより、光源部12より画像情報に応じたレーザ光を出射させる。
Next, the
次にCPU100は、電源ボタン13や図示しない画像停止ボタンが押下されるなどして、画像表示が停止されたか否かについて判断を行う(ステップS15)。ここで画像表示が停止されていないと判断した場合(ステップS15:No)には、CPU100は、処理を再びステップS12へ戻す。一方、画像表示が停止されたと判断した場合(ステップS15:Yes)には、CPU100は、処理を終了する。
Next, the
このように、本実施形態に係るHMD1は、上述してきたフローチャートの処理に従って、動作することとなる。 Thus, the HMD 1 according to the present embodiment operates according to the processing of the flowcharts described above.
上述してきたように、本実施形態に係るHMD1によれば、CPU100が撮像素子74を用いて検出した観察者の瞳孔位置に応じて、投射部による射出瞳と光学的に共役な位置に配置された絞りの位置或いは径を変更する。従って、瞳孔に入射する画像光の実効径の大きさを抑制することができ、観察者PはHMD1の画像にピントを合わせ易くなる。
As described above, according to the HMD 1 according to the present embodiment, the
また、絞りを位置或いは径を変更できる開口部で形成したため、絞りの位置を変更する場合には、シンプルな構成で射出瞳を瞳孔位置に追従させることができる。また、絞りの径を変更する場合には、汎用の絞り機構を用いることができ、製造コストの増大を抑えることができる。 In addition, since the diaphragm is formed with an opening that can change the position or the diameter, when changing the position of the diaphragm, the exit pupil can be made to follow the pupil position with a simple configuration. Further, when changing the diameter of the diaphragm, a general-purpose diaphragm mechanism can be used, and an increase in manufacturing cost can be suppressed.
上述の実施形態では、画像表示が停止されるまで、ステップS12〜S14の処理を繰り返すこととしている。すなわち、CPU100は、撮像素子74を用いて検出した観察者の瞳孔位置が変化したときに、絞り位置や絞り径を変更する。これにより、観察者の瞳孔位置の変化に追従して画像光Lbを観察者の瞳孔に入射させることができる。なお、このような繰り返し処理を行わずに、観察者の所定操作に応じて、ステップS12〜S14を行うようにしてもよい。例えば、射出瞳位置を調整するための調整ボタンを設け、観察者は画像が視認できないときに、この調整ボタンを操作することで、CPU100により、ステップS12〜S14の処理を実行するようにする。これにより、観察者は、画像が視認できないときに限り調整ボタンを操作することになり、CPU100による処理負荷を軽減することができる。また、調整ボタンを操作するのではなく、CPU100は、画像の表示を開始するときに、ステップS12〜S14の処理を実行するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, the processes in steps S12 to S14 are repeated until the image display is stopped. That is, the
次に、本実施形態に係るHMD1の変形例について図6〜図9を参照しながら説明する。なお、以下の変形例において、前述の説明と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。また、図中においても、制御ユニット部2や光ファイバーケーブル7、走査部60の内部構成については、前述のHMD1とほぼ同様の構成を有するため、省略して記載する。
Next, modified examples of the HMD 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. Note that, in the following modified examples, the same reference numerals are given to the same configurations as those described above, and descriptions thereof are omitted. Also in the figure, the internal configuration of the
〔第1変形例〕
本第1変形例に係るHMD80は、前述のHMD1とほぼ同様の構成を有しているが、第2リレー光学系64と第3リレー光学系65との間に形成される瞳共役の位置Qに、前述の絞り部Aに替えて、透過型液晶パネル81を備えた絞り部Bを配設している点で構造を異にしている。
[First Modification]
The
具体的には、図6に示すように、絞り部Bは、電圧の印加を制御することにより、表示面82上の所望の位置や面積で、入射する光を透過したり遮光可能な透過型液晶パネル81と、透過型液晶パネル81に印加する電圧の制御を行う液晶パネル駆動回路83とで構成している。
Specifically, as shown in FIG. 6, the diaphragm B is a transmission type that can transmit or block incident light at a desired position and area on the
また、液晶パネル駆動回路83は、表示制御部10に電気的に接続されており、表示制御部10より送信される液晶パネル制御信号を受信することで、透過型液晶パネル81に印加する電圧を制御して、表示面82上に開口部84を形成する。なお、液晶パネル制御信号は、前述のHMD1の開口調整信号や移動調整信号と同様に、表示制御部10が瞳孔110aの位置の検出結果に応じて送信するものであり、液晶パネル駆動回路83は、液晶パネル制御信号にしたがって、表示面82上に所定の位置で所定の面積の開口を形成する。ただし、本第1変形例でも、投射部61による射出瞳が2mm以下となるように、開口部84を形成する。人間の瞳孔径は、2mmよりも大きいため、このように射出瞳を2mm以下とすることで、画像光Lbを全て瞳孔110aに入射させることができる。従って、観察者に視認させる画像の明るさを一定にすることができ、しかも、射出瞳が小さいため、焦点深度を深くすることもできる。
The liquid crystal
また、この表示面82上に形成される開口部84は、遮光するドットを所定の割合で出現させることにより、透過率を変更することができる。
In addition, the
このような構成とすることにより、第2リレー光学系64から出射された画像光Lbは、透過型液晶パネル81に至り、開口部84が形成された位置に入射した画像光Lbが、ドットの出現割合に応じた透過率で透過することとなる。すなわち、本第1変形例の開口部84は、入射する光の径よりも小径で、かつ入射する光の一部が透過する透過部である。
With such a configuration, the image light Lb emitted from the second relay
したがって、本第1変形例に係るHMD80においても、観察者Pの瞳孔110aに入射する画像光Lbの実効径の大きさを抑制することができ、観察者はHMD80の画像にピントを合わせ易くなる。
Therefore, also in the
また、絞りの位置や径の変更を高速に変更することが可能となり、瞳孔位置の変動に対して高速に射出瞳位置を変更することができる。 In addition, it is possible to change the position and diameter of the diaphragm at high speed, and it is possible to change the exit pupil position at high speed in response to fluctuations in the pupil position.
しかも、開口部84の透過率を可変とすることで、瞳孔110aに入射する画像光Lbの強度を調整することができ、瞳孔110aの位置に応じて観察者Pが視認する画像の明るさが変化する現象を抑制できる。
In addition, by changing the transmittance of the
〔第2変形例〕
次に、第2変形例に係るHMD90について説明する。本第2変形例に係るHMD90は、第2リレー光学系64と第3リレー光学系65との間に形成される瞳共役の位置Qに、前述の絞り部Aや絞り部Bに替えて、反射型液晶パネル91を備えた絞り部Cを配設している点で構造を異にしている。
[Second Modification]
Next, the
具体的には、図7に示すように、絞り部Cは、電圧の印加を制御することにより、表示面92上の所望の位置や面積で、入射する光を反射したり、反射を抑制したりすることが可能な反射型液晶パネル91と、反射型液晶パネル91に印加する電圧の制御を行う液晶パネル駆動回路93とで構成している。反射型液晶パネル91は、入射する画像光Lbの反射光が、第3リレー光学系65へ入射する角度で配設されている。
Specifically, as shown in FIG. 7, the diaphragm C controls the application of voltage to reflect incident light at a desired position or area on the
また、液晶パネル駆動回路93は、前述の絞り部Bの液晶パネル駆動回路83と同様に、表示制御部10に電気的に接続されており、表示制御部10より送信される液晶パネル制御信号を受信することで、反射型液晶パネル91に印加する電圧を制御して、表示面92上に所定の位置で所定の面積の反射部94を形成する。ただし、本第2変形例でも、投射部61による射出瞳が2mm以下となるように、反射部94を形成する。この構成により、焦点深度が浅くなることを確実に抑制するようにしている。
The liquid crystal
また、この表示面92上に形成される反射部94は、反射を抑制するドットを所定の割合で出現させることにより、反射率を変更することができる。
Moreover, the
このような構成とすることにより、第2リレー光学系64から出射された画像光Lbは、反射型液晶パネル91に至り、反射部94が形成された位置に入射した画像光Lbが、ドットの出現割合に応じた反射率で反射することとなる。すなわち、本第2変形例の反射部94は、入射する光の径よりも小径で、かつ入射する光の一部が反射する反射部である。
By adopting such a configuration, the image light Lb emitted from the second relay
したがって、本第2変形例に係るHMD90においても、観察者Pの瞳孔110aに入射する画像光Lbの実効径の大きさを抑制することができ、観察者はHMD90の画像にピントを合わせ易くなる。
Therefore, also in the
また、絞りの位置や径の変更を高速に変更することが可能となり、瞳孔位置の変動に対して高速に射出瞳位置を変更することができる。 In addition, it is possible to change the position and diameter of the diaphragm at high speed, and it is possible to change the exit pupil position at high speed in response to fluctuations in the pupil position.
しかも、反射部94の反射率を可変とすることで、瞳孔110aに入射する画像光Lbの強度を調整することができ、瞳孔110aの位置に応じて観察者が視認する画像の明るさが変化する現象を抑制できる。
In addition, by making the reflectance of the reflecting
なお、本第2変形例では、絞り部Cを構成する部材として反射型液晶パネル91を用いることとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、角度調整可能な多数の微小鏡面を備えるデジタル・マイクロミラー・デバイス(Digital Micromirror Device)を用いるようにしても良い。このような構成とした場合、反射部94を形成する微小鏡面は、入射する画像光Lbを第3リレー光学系65に入射させる角度に設定する一方、その他の部位の微小鏡面は、観察者Pの画像の視認に悪影響を及ぼさない方向へ画像光Lbを反射する角度に設定する。
In the second modification, the reflective
〔第3変形例〕
次に、第3変形例に係るHMD120について説明する。本第3変形例に係るHMD120は、前述の第2変形例にて説明したHMD90の投射部61と同様の構成を有しているが、第2リレー光学系64と第3リレー光学系65との間に形成される瞳共役の位置Qに、前述の絞り部Cに替えて、複数の鏡面体121を有する回動円板122を備えた絞り部Dを配設している点で構造を異にしている。
[Third Modification]
Next, the
具体的には、図8(a)に示すように、絞り部Dは、複数の鏡面体121を備えた回動円板122と、同回動円板122の回動や停止位置を制御する回動円板駆動回路123とで構成している。回動円板122は、入射する画像光Lbの反射光が、第3リレー光学系65へ入射する角度で配設されている。
Specifically, as shown in FIG. 8A, the diaphragm portion D controls the
また、回動円板122上には、図8(b)に示すように、回動円板駆動回路123により回動中心124を中心に回動させて、瞳共役位置Qに静止させる円形状の定置領域125が複数(本第2変形例では5個)形成されており、この定置領域125にそれぞれ鏡面体121が配設されている。
On the
この定置領域125a〜125eに配置された鏡面体121は、瞳共役位置Qに静止させた際に、図8(c)に示すそれぞれ異なった場所に位置するよう構成している。これは、観察者Pの瞳孔110aの移動に応じて、いずれかの定置領域125a〜125eを選択することにより、鏡面体121にて反射した画像光Lbを瞳孔110aに入射させるためである。
The
また、いずれの鏡面体121も、反射面の面積を、投射部61による射出瞳が2mm以下となるような大きさとしている。この構成により、焦点深度が浅くなることを確実に抑制するようにしている。
Further, in any
回動円板駆動回路123は、表示制御部10に電気的に接続されており、表示制御部10より送信される鏡面体選択信号を受信することで、回動円板122を回動し、同鏡面体選択信号に応じた位置でいずれかの定置領域125a〜125eを瞳共役位置Qに停止させる。なお、鏡面体選択信号は、前述のHMD1の開口調整信号や移動調整信号と同様に、表示制御部10が瞳孔110aの位置の検出結果に応じて送信するものであり、回動円板駆動回路123は、鏡面体選択信号にしたがって、いずれかの定置領域125a〜125eを瞳共役位置Qに停止させる。
The rotating
このような構成とすることにより、第2リレー光学系64から出射された画像光Lbは、回動円板122に至り、鏡面体121の位置に入射した画像光Lbが、第3リレー光学系65の方向へ反射されることとなる。すなわち、本第3変形例の鏡面体121もまた、入射する光の径よりも小径で、かつ入射する光の一部が反射する反射部であるといえる。
With such a configuration, the image light Lb emitted from the second relay
したがって、本第3変形例に係るHMD120においても、観察者Pの瞳孔110aに入射する画像光Lbの実効径の大きさを抑制することができ、観察者はHMD120の画像にピントを合わせ易くなる。
Therefore, also in the
また、絞りの位置を変更するに際し、シンプルな構成で射出瞳を瞳孔位置に追従させることができる。 Further, when changing the position of the diaphragm, the exit pupil can be made to follow the pupil position with a simple configuration.
〔第4変形例〕
次に、第4変形例に係るHMD130について説明する。本第4変形例に係るHMD130は、最初に説明したHMD1の投射部61と同様の構成を有しているが、走査部60に替えて、液晶表示パネル131を備えている点で構造を異にしている。
[Fourth Modification]
Next, the
具体的に説明すると、図9に示すように、絞り部Aの光路上流側に、画像情報に応じた画像を表示して画像光Lbを出射する液晶表示パネル131を配設している。この液晶表示パネル131は、画像表示制御部134に接続されており、画像情報に応じた画像を表示可能としている。
More specifically, as shown in FIG. 9, a liquid
また、このHMD130の投射部132には、第2リレー光学系64に替えて、液晶表示パネル131から出射された画像光Lbを収束するレンズ133が備えられており、瞳共役位置Qを形成するようにしている。
The
そして、瞳共役位置Qには、HMD1の投射部61と同様に、羽絞り部材71を備えた絞り部Aが配設されており、入射する画像光Lbの実効径を小さくするよう構成している。
At the pupil conjugate position Q, similarly to the
このような構成とすることにより、液晶表示パネル131から出射された画像光Lbは、レンズ133を介して絞り部Aに至り、実効径が小さくなって第3リレー光学系65と第2ハーフミラー3を介して瞳孔110aに入射することとなる。
With such a configuration, the image light Lb emitted from the liquid
〔第5変形例〕
次に、第5変形例に係るHMD140について説明する。本第5変形例に係るHMD140は、上述の実施形態のように画像光Lbの実効径を小さくするのではなく、光源141から出射する光の径を変更するものである。
[Fifth Modification]
Next, the
具体的に説明すると、図10に示すように、光源141から出射された光をレンズ142で収束させ、レンズ142で形成される射出瞳位置の絞り部Aに入射させる。絞り部Aは上述した実施形態と同様の構成であり、これにより、光源141から出射された光の径や位置を変更することができる。
More specifically, as shown in FIG. 10, the light emitted from the
絞り部Aを通過した光は、レンズ143を介して液晶表示パネル144に入射する。この液晶表示パネル144は、画像表示制御部148に接続されており、画像情報に応じた画像を表示可能としており、レンズ143により形成される中間像面に配置されている。これにより、液晶表示パネル144で表示している画像に応じた画像光Lbが液晶表示パネル144から出射される。この画像光Lbは、投射部145を構成するレンズ146及び第2ハーフミラー3を介して瞳孔110aに入射されることとなる。
The light that has passed through the aperture A enters the liquid
上述してきたように、本実施形態に係るHMD1、HMD80、HMD90、HMD120、HMD130、HMD140によれば、検出した観察者の瞳孔110aの位置に応じて、投射部61、投射部132、投射部145による射出瞳と光学的に共役な位置Qに配置された絞りの位置或いは径を変更する。従って、瞳孔110aに入射する画像光の実効径の大きさを抑制することができ、観察者は視認する画像にピントを合わせ易くなる。すなわち、投射部による射出瞳が観察者の瞳孔110aの位置に合うように絞りの位置を変更することで、実効径の小さな画像光Lbを瞳孔に入射することができる。また、観察者の瞳孔110aの位置に応じて絞りの径を変更することで、投射部から出射する画像光の径が大きい場合であっても、瞳孔110aに入射する画像光Lbの実効径が大きくなることを抑制できる。
As described above, according to the HMD1, HMD80, HMD90, HMD120, HMD130, and HMD140 according to the present embodiment, the
また、絞りを位置或いは径を変更できる開口部で形成する。従って、絞りの位置を変更する場合には、シンプルな構成で射出瞳を瞳孔110aの位置に追従させることができる。また、絞りの径を変更する場合には、汎用の絞り機構を用いることができ、製造コストの増大を抑えることができる。
In addition, the diaphragm is formed with an opening whose position or diameter can be changed. Therefore, when changing the position of the stop, the exit pupil can follow the position of the
また、HMD90やHMD120のように、絞りを位置或いは径を変更できる反射部で形成するので、従って、絞りの位置を変更する場合には、シンプルな構成で射出瞳を瞳孔110aの位置に追従させることができる。また、絞りの径を変更する場合には、反射型LCDなどを用いて構成でき、絞りの位置の変更を高速に変更することが可能となり、瞳孔110aの位置の変動に対して高速に射出瞳位置を変更することができる。また、絞りの位置を変更する場合でも同様に反射型LCDなどを用いて構成することにより、高速な追従処理が可能となる。
In addition, since the diaphragm is formed by a reflective part whose position or diameter can be changed like the HMD90 and HMD120, therefore, when changing the position of the diaphragm, the exit pupil is made to follow the position of the
また、HMD80のように、絞りを位置或いは径を変更できる透過部で形成するので、透過型LCDなどを用いて構成でき、絞りの位置や径の変更を高速に変更することが可能となり、瞳孔110aの位置の変動に対して高速に射出瞳位置を変更することができる。
In addition, since the diaphragm is formed with a transmission part whose position or diameter can be changed as in the
また、HMD90の説明でも述べたように、投射部から出射する画像光Lbの径を大きくした場合であっても、反射部の反射率を可変とすることで、瞳孔110aに入射する画像光Lbの強度を調整することができる。そのため、瞳孔110aの位置に応じて観察者が視認する画像の明るさが変化する現象を抑制できる。
Further, as described in the description of the
また、HMD80の説明でも述べたように、透過部の透過率を可変とすることで、瞳孔110aに入射する画像光Lbの強度を調整することができる。そのため、瞳孔110aの位置に応じて観察者が視認する画像の明るさが変化する現象を抑制できる。
Further, as described in the description of the
また、いずれの、HMD1、HMD80、HMD90、HMD120、HMD130、HMD140においても、投射部による射出瞳は2mm以下であるため、焦点深度が浅くなることを確実に抑制することができる。 Further, in any of HMD1, HMD80, HMD90, HMD120, HMD130, and HMD140, the exit pupil by the projection unit is 2 mm or less, so that it is possible to reliably suppress the shallow depth of focus.
最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。 Finally, the description of each embodiment described above is an example of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment. For this reason, it is a matter of course that various modifications can be made in accordance with the design and the like as long as they do not depart from the technical idea according to the present invention other than the embodiments described above.
1,80,90,120,130,140 HMD
4 画像表示ユニット
10 表示制御部
61,132,145 投射部
64 第2リレー光学系
65 第3リレー光学系
66 撮像部
70 開口部
71 羽絞り部材
72 絞り調整機構
74 撮像素子
81 透過型液晶パネル
83,93,131,144 液晶パネル駆動回路
84 開口部
91 反射型液晶パネル
94 反射部
110 眼
110a 瞳孔
121 鏡面体
123 回動円板駆動回路
134 画像表示制御部
A 絞り部
B 絞り部
C 絞り部
D 絞り部
Lb 画像光
P 観察者
1,80,90,120,130,140 HMD
4
Claims (8)
前記投射部による射出瞳と光学的に共役な位置に配置され、絞り位置及び/又は絞り径を変更可能な可変絞り部と、
前記観察者の眼の瞳孔位置を検出する検出部と、
前記検出部により検出した前記瞳孔位置に応じて、前記可変絞り部を制御して、前記観察者の眼に前記画像光を入射させる制御部と、を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。 A projection unit that projects image light according to image information onto the eyes of the observer;
A variable diaphragm unit that is disposed at a position optically conjugate with the exit pupil of the projection unit, and that can change a diaphragm position and / or a diaphragm diameter;
A detection unit for detecting a pupil position of the observer's eye;
A head-mounted display comprising: a control unit configured to control the variable aperture unit according to the pupil position detected by the detection unit and to cause the image light to enter the observer's eye.
前記制御部は、前記反射率を変更することを特徴とする請求項4に記載のヘッドマントディスプレイ。 The reflection part has a variable reflectance,
The head cloak display according to claim 4, wherein the control unit changes the reflectance.
前記制御部は、前記透過率を変更することを特徴とする請求項5に記載のヘッドマントディスプレイ。 The transmission part has a variable transmittance,
6. The head cloak display according to claim 5, wherein the control unit changes the transmittance.
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