JP3141835B2

JP3141835B2 - 表示装置

Info

Publication number: JP3141835B2
Application number: JP09368960A
Authority: JP
Inventors: 義広斎藤
Original assignee: 株式会社エム・アール・システム研究所
Priority date: 1997-12-27
Filing date: 1997-12-27
Publication date: 2001-03-07
Anticipated expiration: 2017-12-27
Also published as: JPH11196351A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は表示装置に関し、特
に観察者が頭部あるいは顔面に装着して表示手段に表示
した文字や映像等の画像を拡大した虚像として、又は該
虚像と外界の画像を空間的に重畳して双方を同一の観察
視野で観察できる、例えば頭部装着型もしくは眼鏡型の
表示装置（ヘッドマウントディスプレイ，ＨＭＤ）に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、２次元画像や３次元画像、そして
音声等を提示する表示装置として、頭部装着型の所謂ヘ
ッドマウントディスプレイ（以下「ＨＭＤ」と称す）が
多く使用されている。

【０００３】この頭部装着型の表示装置（ヘッドマウン
トディスプレイ）は、個人用に使用される眼鏡と異な
り、不特定多数の人の使用を前提としている。このた
め、個々の視力に合わせて、眼の疲労を少なくするため
の視度調節機構が必要となっている。

【０００４】しかしながら、使用者の個々に視度調節を
行わせた場合、かならずしも適切な状態に視度調節され
るとは限らず、不適切な視度調節によりかえって眼の疲
労を増大させてしまうことがあった。

【０００５】この為、最近の表示装置では、表示装置の
使用において視度調節を行う必要が無いよう、眼鏡を使
用していない人は勿論のこと、眼鏡を使用している人で
も眼鏡を付けたままで使用できる構造となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＨＭＤ等の表示装置で
は、それを観察者の頭部に装着する為に装置全体の小型
化、及び軽量化を図ることが重要な課題となっている。

【０００７】又、眼鏡を使用している観察者に対して、
眼鏡を付けたまま表示装置を装着できるようにするため
には眼鏡のスペースに相当する分、眼から表示装置を離
す必要がある。このような表示装置では眼鏡を掛けるの
と同じに鼻や耳で支えるといったこともできないため、
結果として表示装置全体が大きくなり使い勝手が悪くな
るという問題があった。

【０００８】ここで、表示手段（ディスプレイ）に表示
した画像情報のみを見るのであれば、表示手段からの光
線を細く絞り、網膜上に直接走査して映像を描くことで
眼の焦点調節を行わずに映像を見るようにすることがで
きる。しかしながら、ディスプレイ面上の映像と外部の
景色を同時に重ねて見えるようにする、いわゆるシース
ルータイプの表示装置では、外部の景色を見るために何
らかの焦点調節機能が必要になってくる。

【０００９】また、ディスプレイと外部の景色の両方に
対し上記の問題を解決するためには、眼の近傍にピンホ
ールを設けそこから覗くようにするという方法がある。
しかしながら、この場合には視野が狭くなってしまうと
いう問題が生じてくる。

【００１０】本発明は、眼鏡を使用していない人はもち
ろんのこと、眼鏡を使用している人に対しても眼鏡を使
用する必要が無く、かつ視度調節の必要もなく、またデ
ィスプレイ（表示手段）上の映像（画像）と外部の景色
を同時に重ねて見ることができ、しかも視野も十分確保
できる小型で使い勝手の良い頭部装着型の表示装置（ヘ
ッドマウントディスプレイ）の提供を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の表示装置は、(1
-1) 観察者の頭部もしくは顔面に装着して表示手段に表
示した画像を観察する表示装置において、該表示手段か
ら観察者の眼球に至る光路中に微小な開口部を有し、該
開口部の位置が変移可能なシャッター手段を２つ対向配
置し、該２つのシャッター手段に設けた開口部を結ぶ直
線が観察者の眼球の瞳中心方向となるように制御手段で
該開口部の位置を走査変移させて、該表示手段に表示し
た画像からの光束が該２つのシャッター手段の開口部を
通過して観察者の眼球に入射するようにして該表示手段
に表示した画像情報を観察するようにしたことを特徴と
している。

【００１２】特に、 (1-1-1) 前記観察者の眼球の瞳位置を検出する瞳位置検
出手段を設け、該瞳位置検出手段からの信号を用いて、
前記制御手段は前記２つのシャッター手段の開口部を結
ぶ線が該瞳の中心方向と一致するように該開口部の位置
を制御していること。

【００１３】(1-1-2) 前記シャッター手段はマトリック
ス状に区画された微小領域の透過制御を可能とする液晶
素子からなる液晶シャッターで構成されていること。

【００１４】(1-1-3) 前記シャッター手段はその開口部
を透過する光の強さを前記表示手段からの映像に基づく
信号に対応させて変えるようにしていること。

【００１５】(1-1-4) 前記シャッター手段を眼球に対し
ほぼ同心円状になるような曲面形状で形成したこと。

【００１６】(1-1-5) 前記シャッター手段の開口部を互
いの開口部からの光が影響しない程度離れた位置に同時
に複数個形成するようにしたこと。等を特徴としてい
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施形態１の概略
構成を示す平面図である。同図は本実施形態の表示装置
（装置）の構成が、顔の中心に対し左右対称である為、
右眼３側の部分を示している。同図において、１及び２
はそれぞれシャッター手段であり、ピンホールＨａ，Ｈ
ｂを有する液晶シャッターより成っている。２つの液晶
シャッター１，２は、観察者の右眼３の視界を遮るよう
に顔前に互いに平行に対向配置してある。３は観察者の
右側の眼球、３ａは瞳孔である。

【００１８】４、５はハーフミラー、６は液晶素子等か
らなる表示手段（ディスプレイ装置）、７は背面から液
晶ディスプレイ装置６を照明するバックライトである。
８は観察者の眼球３に向けて赤外光を発光するＬＥＤ等
の照明手段である。９はＣＣＤ等の光電変換素子からな
る眼球３の瞳の位置を検出するためのエリアセンサであ
る。１０はＬＥＤ８からの赤外光により照明された眼球
３の瞳をエリアセンサ９面上に結像するための結像レン
ズである。

【００１９】１１は赤外光のみを透過させるフィルター
である。照明手段８，エリアセンサ９、そして結像レン
ズ１０は瞳位置検出手段の一要素を構成している。１２
は装置１３外部から入射してくる光の光量を調節するた
めの液晶素子等からなる光量調節部材である。１３は装
置の外形を示す外形線（筐体）である。１４は制御手段
であり、エリアセンサ９からの信号に基づいて液晶シャ
ッター１，２の開口部Ｈａ，Ｈｂの位置を制御してい
る。

【００２０】本実施形態では照明手段８からの赤外光で
照明された眼球３の瞳の像を順に液晶シャッター２，
１、ハーフミラー４，５、フィルター１１を介して結像
レンズ１０でエリアセンサー９面上に結像している。こ
れによって瞳３ａの位置情報又は観察者の視線情報を得
ている。

【００２１】一方、バックライト７からの光束で照明し
たディスプレイ装置６に表示された画像情報をハーフミ
ラー５，４、液晶シャッター１，２のピンホールＨａ，
Ｈｂを介して眼球３に導光している。このときハーフミ
ラー４から入射してくる外界の画像情報も同時に液晶シ
ャッター１，２のピンホールＨａ，Ｈｂを介して観察者
の眼球３に導光している。

【００２２】本実施形態では、眼３の近傍に眼の視界を
遮るように、微小な開口部を有し、かつその開口部の開
閉を制御し得る液晶素子等からなる平面状の２つのシャ
ッター手段１，２を、一定間隔を置いて平行に対向配置
している。そしてこれら２つの液晶シャッター手段の平
面に設けた微小な開口部（以下ピンホールと称する）Ｈ
ａ，Ｈｂを通して入射する表示手段６又は外界からの光
が略瞳の中心に向かうように互いのピンホールＨａ，Ｈ
ｂの位置を制御手段１４で制御しながら液晶シャッター
平面上を走査するようにしている。

【００２３】ピンホールＨａ，Ｈｂを通してディスプレ
イ面６および外部の景色を見ることで、眼の焦点調節に
関係なく、それぞれの画像を空間的に重畳して観察して
いる。

【００２４】このため、眼鏡の使用を前提として表示装
置を設計する必要がないので、眼鏡のスペースを考慮す
ることもなく、また眼鏡と同じ方法、すなわち鼻や耳を
利用して表示装置を支持することを可能とし、表示装置
全体の簡略化および小型化を図っている。

【００２５】また、瞳位置検出手段（８，９，１０）か
らの信号を用いて入射光を常に瞳の方向になるようピン
ホールＨａ，Ｈｂの位置を制御しながら走査させること
で、固定した１つのピンホールから覗く場合に比べ視野
を大きくしている。

【００２６】尚、右眼用のディスプレイ装置６と左眼用
のディスプレイ装置（不図示）に視差の異なる画像を表
示しても良く、これによれば立体画像の観察ができる。

【００２７】次に本実施形態の各要素の構成について説
明する。まず、液晶シャッター１，２の構造について図
２により、詳細に述べる。先ず液晶シャッター１は、矢
印Ａ方向に偏光軸を有する偏光板１０１と、ガラス等の
透明部材１０２及び１０６と、その間に挟持される液晶
素子１０４からなっている。そして透明部材１０２、１
０６の液晶素子１０４側には、ピンホールＨａを形成
し、かつその位置を制御するため、垂直方向に短冊状に
配列された透明電極１０３及び水平方向に短冊状に配列
された透明電極１０５がそれぞれ密着して設けられてい
る。

【００２８】同様に、液晶シャッター２は、矢印Ｂ方向
に偏光軸を有する偏光板１０７と、ガラス等の透明部材
１０８及び１１２と、その間に挟持される液晶素子１１
０からなり、ピンホールＨｂを形成し、かつその位置を
制御するため、透明部材１０８、１１２の液晶素子１１
０側には垂直方向に短冊状に配列された透明電極１０９
及び水平方向に短冊状に配列された透明電極１１１がそ
れぞれ密着して設けられている。さらに液晶シャッター
２には矢印Ｃ方向に偏光軸を有する偏光板１１３が設け
られている。

【００２９】次にピンホールＨａ，Ｈｂの形成方法につ
いて説明する。

【００３０】図２において、液晶シャッター１に入射し
た光Ｌは偏光板１０１によりＡ方向に偏光した光のみ透
過する。そして液晶シャッター１において、ピンホール
Ｈａに対応する位置にある透明電極１０３，１０５が通
電されているので、ピンホールＨａの領域を透過した光
のみ９０度Ｂ方向に偏光が回転される。したがって偏光
板１０１を透過した入射光ＬのうちピンホールＨａの領
域を透過した光のみが偏光板１０７を透過でき、それ以
外の領域を通過した光は偏光板１０７により遮断され
る。

【００３１】そして液晶シャッター２においてピンホー
ルＨｂに対応する位置にある透明電極１０９、１１１が
通電されているので、このピンホールＨｂに相当する領
域を透過した光のみ９０度Ｃ方向に偏光が回転される。

【００３２】したがって偏光板１０７を透過した光は、
ピンホールＨｂの領域を透過した光のみ偏光板１１３を
透過することができる。すなわち入射光Ｌはピンホール
Ｈａ，Ｈｂにより細く絞られた光線として入射される。

【００３３】ここで、液晶シャッター１，２によって形
成される略正方形状のピンホールＨａ，Ｈｂの一辺の長
さをＰ１，Ｐ２とし、図３に示すように、瞳孔３ａから
の液晶シャッター１、２の距離をそれぞれａ，ｂとする
と、Ｐ２／Ｐ１＝ｂ／ａとなるような関係にピンホール
Ｈａ，Ｈｂの大きさ及び液晶シャッター１、２の位置を
設定している。そしてピンホールＨａ，Ｈｂは、ピンホ
ールＨａ，Ｈｂを結ぶ直線が瞳孔３ａのほぼ中心に向か
うような位置関係に、透明電極１０３、１０５および透
明電極１０９、１１１により通電制御されながら、ｓ方
向に左上から右下へと順次走査している。

【００３４】この走査の速度は、左上から右下までの走
査を１フレームとすると、残像効果の得られる少なくと
も３０フレーム以上の速さで行っている。

【００３５】以上の操作により観察者は外部の景色（光
線Ｌ１）及びディスプレイ装置６による映像（光線Ｌ
２）を、ハーフミラー４を介し、瞳孔３ａを頂点とし液
晶シャッター１又は２を底面とする四角錐の領域を視野
として見ている。

【００３６】ここでディスプレイ装置６に表示される映
像も一定の電気的走査により形成されているが、少なく
ともピンホールＨａ，Ｈｂの走査速度の２倍以上か、あ
るいはピンホールＨａ，Ｈｂと瞳孔３ａを結ぶ入射光の
方向に走査タイミングと位置を同期させた走査をするよ
うにしている。

【００３７】次に眼球３の瞳位置検知方法について説明
する。ピンホールＨａ，Ｈｂの走査が１フレームあるい
は数フレーム終了すると、一定時間、例えば１フレーム
に相当する程度の時間、短冊状の透明電極１０３、１０
５及び透明電極１０９、１１１が全領域に渡り同時に通
電され、液晶シャッター１、２は全面的に透過状態にな
る。同時にＬＥＤ８が点灯し眼球３が赤外光で照明され
る。赤外光ＬＥＤ８からの赤外光により照明された瞳の
像は、全面的に透過状態になった液晶シャッター１、２
を透過し、ハーフミラー４、５を介し赤外光のみ透過す
るフィルター１１を透過し結像レンズ１０によりエリア
センサ９上に結像される。そして結像された眼球３の瞳
像により瞳の位置が検出され瞳孔３ａの中心部を算出し
ている。

【００３８】尚、眼球３の瞳像により瞳孔位置及び視線
の方向を検出する方法については、例えば特開平１−２
４１５１１号公報にて、またその応用例が特開平７−３
０３２００号公報や特開平９―４３４９９号公報にて開
示されており、この視線検出方法は本発明の要旨ではな
いので詳細な説明は割愛する。

【００３９】例えば図４において眼球３の視線方向が方
向Ｌａから方向Ｌｂに移動すると、上述した如くエリア
センサ９により瞳の位置が検出され、エリアセンサー９
からの信号に基づいて、ディスプレイ装置６又は外界か
らの入射光Ｌが視線方向Ｌｂにある瞳孔３ａのほぼ中心
に向かうように制御手段１４は液晶シャッター１、２の
ピンホールＨａ，Ｈｂを新たに対応付けている。そして
上述した如く透明電極１０３、１０５及び透明電極１０
９、１１１の通電操作により液晶シャッター１、２のピ
ンホールＨａ，Ｈｂを走査し、観察者に新たな視線方向
に対する視界を提示している。

【００４０】ここで、視線を検出するために液晶シャッ
ター１，２を全面的に透過状態にする時、同時に光量調
節部材１２により外光を遮断し、さらにバックライト７
を消すようにしても良い。この場合フィルター１１を省
くことができる。

【００４１】本実施形態では以上説明した如く、外部景
色からの入射光Ｌ１及びディスプレイからの入射光Ｌ２
は液晶シャッター１、２により細く絞られた光線として
瞳孔３ａに入るようにしており、即ち、ピンホールＨ
ａ，Ｈｂを通して見るようにしており、これによって、
眼３の焦点調節に関係なくそれらの映像を良好に見える
ようにしている。

【００４２】図５は本発明の実施形態２の要部概略図で
ある。同図において図１と同じ機能のものについては同
一番号で示している。

【００４３】上述した実施形態１においてはディスプレ
イ装置６を別に設けたが、本実施形態は液晶シャッター
１又は２にディスプレイ機能を持たせるようにした点が
実施形態１と異なっており、その他の構成は同じであ
る。

【００４４】図５において、液晶シャッター１上のピン
ホールＨａまたは液晶シャッター２上のピンホールＨｂ
を透過する光量を画像信号に基づき変わるようにしてい
る。

【００４５】例えば、液晶シャッター１あるいは２のい
ずれか一方の液晶シャッターのピンホールを透過する光
量を透明電極の電圧制御により変える。

【００４６】あるいは、画像信号に基づき、液晶シャッ
ター１、２上に形成されるピンホールＨａ，Ｈｂの位置
に対応したタイミングでバックライト７の光量を変える
ようにしても良い。

【００４７】これにより、観察者は液晶シャッター１ま
たは２上に形成された映像をピンホールＨａ又はＨｂを
介して見ることになる。

【００４８】また前者の方法において外光をバックライ
ト７の代わりにすれば装置がより簡略化する。

【００４９】図６は本発明による実施形態３の要部概略
図である。同図において図１と同じ機能のものについて
は同一番号で示している。

【００５０】実施形態３は、赤外光を放射するＬＥＤ８
によって照明された眼球３の瞳の像を、上述した液晶シ
ャッター２の偏光板１１３の面で反射させ、上述と同様
にエリアセンサ９上に結像レンズ１０により結像させ瞳
３ａの位置を検出するようにした点が実施形態１と異な
っており、その他の構成は同じである。

【００５１】本実施形態のような構成にすれば、ハーフ
ミラー５が不要になり、さらに実施形態２のような構成
と組み合わせれば、ハーフミラー４、ディスプレイ６、
バックライト７も不要になるので装置構成が簡単になり
さらなる小型化が計れる。

【００５２】図７は本発明の実施形態４の要部概略図で
ある。本実施形態では図１の平板状の液晶シャッター
１、２の面の代わりに図７に示すように眼球３とほぼ同
心円になるような曲面から液晶シャッター１１５，１１
６を構成した点が実施形態１と異なっており、その他の
構成は同じである。

【００５３】液晶シャッター１１５，１１６において、
瞳孔中心を頂点として入射光Ｌを考えた場合、周辺に行
くほど液晶シャッター面における法線と瞳に向かう入射
光Ｌとの角度が大きくなり、一般の液晶の特性からして
透過する光量が落ちてくる。そのため周辺ほど暗くなる
傾向になる。

【００５４】これに対して本実施形態では液晶シャッタ
ー面を曲面で構成しており、これによって問題を解決
し、全視野に渡り光量的にムラのない表示をしている。

【００５５】図８は本発明の実施形態５の要部概略図で
ある。本実施形態は図１の液晶シャッター１、２におけ
るピンホールＨａ，Ｈｂを１フレーム走査において同時
に複数個形成するようにした点が実施形態１と異なって
おり、その他の構成は同じである。上述した如く、液晶
の特性上、液晶面における法線と入射光との角度が一定
以上大きくなると透過しなくなることを利用し、液晶シ
ャッター１２０，１２１を瞳孔３ａに向う入射光が互い
に影響し合わないピッチＤ１，Ｄ２およびＥ１，Ｅ２
で、シャッター平面上に１フレーム走査において同時に
複数個ピンホールＨａ，Ｈｂを形成するようにしてい
る。

【００５６】このことにより瞳孔３ａに対する単位時間
当たりの入射光量を大きくすることができ視野を明るく
している。

【００５７】尚、以上の各実施形態ではシャッター手段
として液晶素子を使用した場合の例について述べたが、
機械的なスリット等を用いてピンホールを形成し、それ
を前述した如く走査するような構成を用いても良い。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば以上のように各要素を設
定することにより、眼鏡を使用していない人はもちろん
のこと、眼鏡を使用している人に対しても眼鏡を使用す
る必要が無く、かつ視度調節の必要もなく、またディス
プレイ（表示手段）上の映像（画像）と外部の景色を同
時に重ねて見ることができ、しかも視野も十分確保でき
る小型で使い勝手の良い頭部装着型の表示装置（ヘッド
マウントディスプレイ）を達成することができる。

【００５９】この他本発明によれば、外部の景色及び装
置内部に設けたディスプレイ装置からの入射光を絞って
見ることになるので、視力の弱い人でも眼鏡使用せずに
外部の景色やディスプレイの映像を重ねて見ることがき
る。

【００６０】また瞳孔を中心とし液晶シャッターを底面
とする四角錐状の視野が得られるので、固定したピンホ
ールを通して見る場合に比べ視野を大きくできる。

【００６１】さらに眼鏡の使用を考慮に入れる必要がな
いので、眼鏡分のスペースを空ける必要が無いばかりで
なく、眼鏡と同じように鼻や耳を利用して装置を保持で
きるので装置の小型化が計れる。また同時に視度調節も
不要であるので使い勝手も良い。

【００６２】また、左右の眼に視差のある画像を提示す
ることによって立体画像を見えるようにする立体画像表
示の場合、ディスプレイ面に対する焦点調節と視差画像
に対する輻輳調節との不一致による視機能への悪影響が
問題とされるが、本発明によれば眼の焦点調節に係わら
ずディスプレイ面を見ることができるのでこうした問題
を回避できる。等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部概略図

【図２】図１の一部分の拡大説明図

【図３】図１の一部分の説明図

【図４】図１の一部分の説明図

【図５】本発明の実施形態２の要部概略図

【図６】本発明の実施形態３の一部分の要部概略図

【図７】本発明の実施形態４の一部分の要部概略図

【図８】本発明の実施形態５の一部分の要部概略図

【符号の説明】

１液晶シャッター２液晶シャッター３眼球４ハーフミラー５ハーフミラー６ディスプレイ装置７バックライト８赤外光ＬＥＤ９エリアセンサ１０結像レンズ１１赤外光透過フィルター１２光量調整部材１３筐体１４制御手段１０１偏光板１０２透明部材１０３透明電極１０４液晶素子１０５透明電極１０６透明部材１０７偏光板１０８透明部材１０９透明電極１１０液晶素子１１１透明電極１１２透明部材１１３偏光板１１５液晶シャッター１１６液晶シャッター１２０液晶シャッター１２１液晶シャッター

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】観察者の頭部もしくは顔面に装着して表
示手段に表示した画像を観察する表示装置において、該
表示手段から観察者の眼球に至る光路中に微小な開口部
を有し、該開口部の位置が変移可能なシャッター手段を
２つ対向配置し、該２つのシャッター手段に設けた開口
部を結ぶ直線が観察者の眼球の瞳中心方向となるように
制御手段で該開口部の位置を走査変移させて、該表示手
段に表示した画像からの光束が該２つのシャッター手段
の開口部を通過して観察者の眼球に入射するようにして
該表示手段に表示した画像情報を観察するようにしたこ
とを特徴とする表示装置。
【請求項２】前記観察者の眼球の瞳位置を検出する瞳
位置検出手段を設け、該瞳位置検出手段からの信号を用
いて、前記制御手段は前記２つのシャッター手段の開口
部を結ぶ線が該瞳の中心方向と一致するように該開口部
の位置を制御していることを特徴とする請求項１の表示
装置。
【請求項３】前記シャッター手段はマトリックス状に
区画された微小領域の透過制御を可能とする液晶素子か
らなる液晶シャッターで構成されていることを特徴とす
る請求項１の表示装置。
【請求項４】前記シャッター手段はその開口部を透過
する光の強さを前記表示手段からの映像に基づく信号に
対応させて変えるようにしていることを特徴とする請求
項１の表示装置。
【請求項５】前記シャッター手段を眼球に対しほぼ同
心円状になるような曲面形状で形成したことを特徴とす
る請求項１の表示装置。
【請求項６】前記シャッター手段の開口部を互いの開
口部からの光が影響しない程度離れた位置に同時に複数
個形成するようにしたことを特徴とする請求項１の表示
装置。