JP3900578B2 - 追従型虚像視ディスプレイシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、虚像視ディスプレイシステムに関し、とりわけ利用者の視線や頭部の回転に追従して物体の虚像を形成できる追従型虚像視ディスプレイシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の映像の虚像を形成可能な虚像視ディスプレイシステムとしては、例えば、ＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）といった頭部搭載型表示装置が実現されている。
ここで、虚像は、物体が、焦点距離よりレンズに近い位置にある場合に、その物体側にできるもので、その形成原理については、例えば、”レンズの化学入門（上）”、小倉敏捷布、朝日ソノラマ社や、”光学”、村田和美、サイエンス社等に、その詳細が記載されている。
【０００３】
ＨＭＤは、図１８に示すように、例えば、映像を拡大して虚像を形成するレンズと、そのレンズの焦点距離より近い位置に配置されたディスプレイパネル（例えば、液晶ディスプレイなど）を含んで構成される。
同図に示されるように、利用者はＨＭＤ１００を頭に装着し、ディスプレイパネル１０２に表示された映像をレンズ１０１を介して見ることで、その虚像を観賞することができる。ここで、レンズ１０１の光軸ｘ’と利用者の視線ｅ’が重なるように構成されている。
【０００４】
この他、例えば、携帯型ビデオカメラ等に用いられるビューファインダが知られている。これは通常、図１９に示すように、利用者の左右どちらか単眼で、ビューファインダ１０５に取付けられている接眼レンズ１０６から、内部のディスプレイパネル１０７に提示される映像を観賞するようになっている。ビューファインダ１０５は、ビデオカメラ本体１０８に取付けられており、操作ボタン１０９によって、ディスプレイパネル１０７に提示される映像を操作するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のようなＨＭＤにおいては、頭部に装着することを前提としてレンズなど光学系が設計されているため、レンズの光軸と利用者の視線が重ならず、ずれることがあると、虚像が収差の大きいものとして観賞されてしまうという問題点があった。
【０００６】
また、同様に、上述したビューファインダにおいては、虚像を小さいレンズで拡大して観賞するので、接眼部に眼球を接して、かつ視線を所定方向に確実に向けないと明瞭な虚像を見ることができないといった問題点があった。
【０００７】
また、これら従来の構成においては、形成される虚像の位置が一定であるので、利用者が、視力の違いに関わらず無理に映像を見ようとして、ドライアイ（眼の乾き）や眼精疲労の原因となるといった欠点があった。
さらに、機器を長時間使用する場合に、頭部を長時間固定させることで、利用者に疲労を感じさせるといった問題点があった。
【０００８】
本発明は、前記のような従来技術における問題点を解決するためなされたもので、利用者の視線の移動や頭部の回転移動に追従して、収差の少ない明瞭な虚像の形成が可能であり、また視線が上下方向へ傾斜するときに利用者の見やすい位置に虚像を表示できる追従型虚像視ディスプレイシステムを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を実現するため本発明に係る追従型虚像視ディスプレイシステムは、虚像光学系を有する映像表示部を備え、前記虚像を利用者の視線上に載せて利用可能にする構成の追従型虚像視ディスプレイシステムであって、ヘッドレストの下端が、利用者の頭部中心を中心に左右に回転可能に頂部に取り付けられてなる椅子と、前記映像表示部を虚像光学系とともに移動させる移動機構を備え、前記虚像光学系は、両眼に対応したディスプレイパネルの拡大虚像を空間上同一位置に形成するようなされており、前記移動機構は、前記ヘッドレストの利用者の頭部が接触する部分に設けられた感圧センサと、一端が前記ヘッドレストの上端に取り付けられ他端に前記映像表示部が設けられて映像表示部を上下方向に回動させる映像表示部支持機構と、前記椅子の着座者の動きに対応して前記感圧センサから得られる出力に応じて前記ヘッドレストを回転させる回動用モータとを含み構成されていて、前記虚像光学系の光軸が前記視線の光軸に重なる位置まで前記映像表示部を移動させることで、両眼の輻輳調節を一致させた状態で虚像観察を可能とする構成としたことを特徴とする。上記の構成によって、利用者の指示通りに映像表示部が自由に動くようになされており、よって移動機構によって映像表示部を移動させ、これによって虚像光学系の光軸を視線の光軸に重ねることができる。これにより映像表示部が常に利用者の視線上に載った正しい位置関係に置かれた状態が実現され、よって収差の少ない虚像が観賞できるようになる。その他、本発明に係る追従型虚像視ディスプレイシステムの映像表示部が、虚像の形成される位置を移動可能な構成とされた場合は、利用者の視線移動又は／および頭部回転動作にともない、手動あるいは自動で虚像の形成される距離を変えるようにできる。よって利用者の所望する見やすい位置に、しかも収差の少ない虚像が表示される。
【００１７】
また、本発明に係る追従型虚像視ディスプレイシステムの映像表示部が、虚像の形成される位置を移動可能な構成とされ、かつ利用者の視線が下向き時に、虚像を利用者に近い側の位置に形成させる構成とされた場合は、利用者の視線方向が下向きになるにつれ、虚像が近く見えるようになされる。
よって利用者の所望する見やすい位置に、しかも収差の少ない虚像が表示される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を説明する。なお、以下の実施形態は本発明の好適な一例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。
【００１９】
図１は、本発明に関連して参考として示す追従型虚像視ディスプレイシステムの一実施形態における全体斜視図である。図２は、図１に示された映像表示部支持機構の細部を説明する分解斜視図である。図３は、図１に示された映像表示部支持機構の他の細部を説明する分解斜視図である。図４は、図１に示された追従型虚像視ディスプレイシステムの動作の説明のための平面図である。図５は、図１に示された追従型虚像視ディスプレイシステムの制御部分のブロック図である。
【００２０】
図１で、本発明に係る追従型虚像視ディスプレイシステムＤは、虚像を形成させる映像表示部１０と、先端に映像表示部１０を保持して上下方向に回動させる映像表示部支持機構１１と、映像表示部支持機構１１に保持されて左右方向に円弧状に展開され、かつ映像表示部１０を移動自在に嵌挿して左右方向に架送させるガイドレール１２と、装置制御部１５と、利用者が座る椅子１８を備えて構成されている。
なお前記で、映像表示部支持機構１１とガイドレール１２とが移動機構を構成している。
【００２１】
映像表示部１０は液晶ディスプレイとレンズ系による虚像光学系を備えており、この虚像光学系の光軸ｘが、椅子１８に座った利用者の視線の光軸（以下、視線と略記）ｅに重なる位置に置かれる。なお映像表示部１０の構成と動作は後に詳述する。
【００２２】
映像表示部支持機構１１の後端は、椅子１８に取り付けられる。映像表示部支持機構１１は、図１および図２に示されるように、アーム２４、２５、１４、２６と、ステッピングモータ１３ａ、１３ｂ、１３ｃから構成される。
アーム２４の一端は椅子１８に取り付けられ、他端はアーム２５の一端と回転可能に嵌合され、この回転力はステッピングモータ１３ａによって与えられる。
【００２３】
さらにアーム２５の他端はアーム１４の一端と回転可能に嵌合され、この回転力はステッピングモータ１３ｂによって与えられる。ついでアーム１４の他端はアーム２６の一端と回転可能に嵌合され、この回転力はステッピングモータ１３ｃによって与えられ、またアーム２６の他端にはガイドレール１２が取り付けられている。
【００２４】
アーム間の接合をさらに説明すると、アーム１４の他端には軸１４ａが一体に設けられ、この軸１４ａはアーム２６の一端に一体に設けられている軸受２６ｂに摺動自在に嵌合されている。さらにステッピングモータ１３ｃの本体部はアーム２６の軸受２６ｂに取り付けられ、ステッピングモータ１３ｃの回動軸２３ｃはアーム１４の他端の軸１４ａの中心に穿たれた回動軸受孔１４ａａに嵌合している。
ステッピングモータ１３ｂについても同様に、その本体部はアーム１４の軸受１４ｂに取り付けられ、ステッピングモータ１３ｂの回動軸２３ｂはアーム２５の他端の軸２５ａの中心に穿たれた回動軸受孔に嵌合している。ステッピングモータ１３ａについても同様である。
【００２５】
ステッピングモータ１３ａ〜１３ｃは、装置制御部１５から第２信号線１７を経て送られる制御信号に基づき、それぞれ指示分の回動をする。装置制御部１５はこの制御信号を、操作スイッチなどにより利用者が入力する指示入力に基づき発生させる。
これによって、利用者が視線ｅを上下方向に移動させたとき、利用者がその旨の指示を入力することによって映像表示部支持機構１１を動作させ、映像表示部１０を上下方向に移動させて、その光軸ｘが視線ｅに重なるよう調節することができる。
【００２６】
前記の映像表示部１０の上下方向への移動においては、利用者の眼球の位置を回動の中心として、眼球から映像表示部１０までの距離を一定に保ちながら、視線ｅの張る迎角あるいは伏角に等しくなるよう、各ステッピングモータ１３ａ〜１３ｃの回動角度が調節される。
【００２７】
映像表示部１０はさらに、そのフレーム１０Ａが図３のようにガイドレール１２に摺接して移動可能に構成され、フレーム１０Ａには推進モータ１０Ｂが固定され、推進モータ１０Ｂの軸に嵌設されたピニオンギヤがガイドレール１２側のラックギヤに噛合している。
よって推進モータ１０Ｂが、装置制御部１５から第１信号線１６を経て送られる制御信号に基づき回転すると、映像表示部１０はガイドレール１２上を自走する。
【００２８】
ここで、ガイドレール１２は、平面上で利用者の頭部中心を中心とする円弧を構成しており、よって映像表示部１０は、眼球からの距離を一定に保ちながら、左右に回転した視線ｅが張る回転角に等しくなるまでガイドレール１２上を自走して移動する。
したがって、椅子１８に座っている利用者が頭部を左右方向に回転させたとき、利用者が指示を入力することによって推進モータ１０Ｂを動作させ、映像表示部１０を左右方向に移動させて、その光軸ｘを回転で移動した視線ｅに重ねるよう調節することができる。
このような利用者Ｕが頭部を左右方向に回転させる際の、ガイドレール１２上を映像表示部１０が回動する状態が、図４の平面図に示される。
【００２９】
さらに、前記では映像表示部１０の上下方向あるいは／および左右方向への移動の制御を、利用者が装置制御部１５の入力ボタン等の入力手段によって手動入力した値に基づき行う構成であるが、他の構成として、視線ｅの上下方向への移動を自動的に検出する視線検出器ｅｍｔを設け、この検出出力に基づいて映像表示部１０の上下方向移動を自動制御するものが可能である。
【００３０】
このような視線検出器ｅｍｔは、例えば図１のように映像表示部１０に搭載することができる。視線検出センサとしては、ＣＣＤカメラで、利用者の眼球位置を取り込んで、眼球の位置を検出する方式や、眼球に赤外線を当てて、白眼と黒眼の反射率の違いを利用して、反射してくる光量を検出して、眼球の位置を検出する方式がある。
同様に、頭部の左右回転を自動的に検出する頭部回転検出器（図７参照）を設け、これによって頭部の左右回転を自動検出する構成とすることもできる。このような頭部回転検出器としては、感圧センサをはじめ、あるいはＣＣＤカメラによる画像処理回路を適用することができる。
【００３１】
図５は、制御システムのブロック図であり、前記手動入力モードと自動制御モードの両方が示されている。
手動入力モードでは、装置制御部１５は手動入力パネル２８から入力される指示入力信号２８ａに基づいて、モータ制御信号１５ａ、１５ｂをそれぞれ各ステッピングモータ１３ａ〜１３ｃと、推進モータ１０Ｂに送る。
一方、自動制御モードでは、装置制御部１５は視線検出器ｅｍｔから入力される視線検出器信号ｅ２あるいは／および頭部運動センサー２９から入力される頭部運動検出信号２９ａに基づいて、モータ制御信号１５ａ、１５ｂをそれぞれ各ステッピングモータ１３ａ〜１３ｃと、推進モータ１０Ｂに送る。
【００３２】
つぎに、図６は本発明に係る追従型虚像視ディスプレイシステムの一実施形態の全体斜視図である。図７は、図６に示されたヘッドレスト部を説明する斜視図である。この構成では、椅子３１にヘッドレスト３２の下端が、回動用モータ３３によって左右に回転可能に取り付けられ、ヘッドレスト３２の上端には映像表示部支持機構３０の一端が取り付けられ、映像表示部支持機構３０の他端に映像表示部１０が設けられている。
【００３３】
映像表示部支持機構３０は、前記の実施形態におけると同様のステッピングモータ１３ｍやアーム１４ｍ等で構成され、前記の実施形態におけると同様に映像表示部１０を上下方向に回動させる。
ヘッドレスト３２は、利用者の頭部中心を中心に回転可能になっており、利用者の頭部がヘッドレスト３２に接触する部分に、図７に示すような感圧センサ３６が設けられる。
【００３４】
利用者は、ヘッドレスト３２にもたれて映像表示部１０が形成させる虚像を観賞するが、利用者が自ら頭部を左右に回転させると、回転方向の圧力が増し、反対方向の圧力が減じるので、この差をなくすように、回動用モータ３３が駆動されてヘッドレスト３２を回転させる。するとヘッドレスト３２に取付けられた映像表示部１０は、ヘッドレスト３２の動きに応じて左右方向に回動する。
これによって、利用者は常に快適な位置で虚像を観賞できる。
【００３５】
図８は、本発明の一実施形態の光学系を示す簡略図で、虚像の距離を変化させる光学系を示したものである。
同図において、Ｏ１またはＯ２は、レンズ１３Ｒまたは１３Ｌの主点をそれぞれ表しており、Ｆ１またはＦ２は、レンズ１３Ｒまたは１３Ｌの焦点をそれぞれ表している。また、Ｏは、主点Ｏ１とＯ２との間の中点を表している。
表示パネル１４Ｒまたは１４Ｌは、その中心点（例えば、表示パネル１４Ｒ、１４Ｌが長方形状をしている場合において、その長方形の対角線の交点等）が、中点Ｏと焦点Ｆ１またはＦ２それぞれとを結ぶ直線ＯＦ１またはＯＦ２上にそれぞれ位置し、かつ両者が同一平面上に位置するように配置されている。
【００３６】
これは、次のような理由による。例えば、主点Ｏ２からＯ１の方向をｄ軸として、レンズ１３Ｌの光軸方向（主点Ｏ２から焦点Ｆ２の方向をｓ軸とする。そして、表示パネル１４Ｌの中心点をＭ１とし、そのｓｄ平面における座標を（ｓ１、ｄ１）とするとともに、レンズ１３Ｌが形成する虚像との中心点をＭ１’とし、そのｓｄ平面における座標を（ｓ１’、ｄ１’）とする。さらに、焦点Ｆ１とＦ２との間の中点をＯ’とする。
【００３７】
この場合、上述したように、表示パネル１４Ｒまたは１４Ｌは同一平面内にあり、かつその中心点が、直線ＯＦ１またはＯＦ２上にあるから、表示パネル１４Ｒおよび１４Ｌは、レンズ１３Ｒおよび１３Ｌの主平面（これも、上述したように同一平面内にある）から等距離にある。したがって、虚像ＲおよびＬも同一平面内にあるから、この虚像ＲおよびＬの中心点が、いずれも、中点ＯとＯ’とを結ぶ直線ＯＯ’上にあれば、虚像ＲおよびＬは同一位置にあることになる。
【００３８】
そこで、表示パネル１４Ｌの中心点Ｍ１（ｓ１、ｄ１）は、直線ＯＦ２上にあることから、次式が成立する。
ｄ＝Ｌ／２−Ｌ×ｓ１／（２×ｆ）
ただし、Ｌは、主点Ｏ１とＯ２の距離を表し、ｆは、レンズ１３Ｌの焦点距離を表す。
一方、結像公式により、次式が、成立する。
１／ｆ＝１／ｓ１−１／ｓ１’
また、主点Ｏ２、中心点Ｍ１、Ｍ１’は、一直線上にあることから、次式が成立する。
ｓ１／ｓ１’＝ｄ１／ｄ１’
【００３９】
上式から、
ｄ１’＝Ｌ／２
が得られる。これは、虚像Ｌの中心点Ｍ１’が直線ＯＯ’上にあることを示している。
レンズ１３Ｌが構成する光学系と、レンズ１３Ｒが構成する光学系とは、直線ＯＯ’に対して、対称であり、したがって、虚像Ｒの中心点も直線ＯＯ’上にある。
【００４０】
以上のように、虚像ＲおよびＬは、同一平面上にあり、かつ、それらの中心点が、いずれも、直線ＯＯ’上にあるので、虚像ＲおよびＬは同一位置にあることになる。
したがって、利用者は、両眼の輻輳調節を一致させた状態で、すなわち、リラックスした状態で無理なく、虚像を観察することができる。
【００４１】
前記の映像表示部１０では、ディスプレイパネル１４Ｒまたは１４Ｌそれぞれの中心点が、直線ＯＦ１またはＯＦ２上を、同一平面内に含まれるように同期して移動するようになされており、これにより、虚像ＲおよびＬが形成される位置が、利用者の近くから無限遠まで移動される（利用者から虚像ＲおよびＬまでの距離が変化される）。
【００４２】
ディスプレイパネル１４Ｒおよび１４Ｌの移動は、例えば、ステッピングモータ等で構成される虚像距離制御用モータ４５（図９参照）により行われるようになされている。また、ディスプレイパネル１４Ｒまたは１４Ｌそれぞれは、焦点Ｆ１またはＦ２よりも、レンズ１３Ｒ側または１３Ｌ側の範囲を移動するようになされている。これは、前述したように、物体の虚像を観察するためには、その物体が、焦点距離よりレンズに近い位置にある必要があるからである。
【００４３】
尚、ディスプレイパネル１４Ｌおよび１４Ｒを、レンズ１３Ｌおよび１３Ｒに近い位置または遠い位置に移動することにより、虚像ＬおよびＲは、利用者から近い位置または遠い位置にそれぞれ移動する。
【００４４】
さらに、利用者から虚像ＲおよびＬまでの距離は、理論的には、レンズ１３Ｌおよび１３Ｒと、ディスプレイパネル１４Ｌおよび１４Ｒとの間の距離によって変化させることができるので、ディスプレイパネル１４Ｌおよび１４Ｒではなく、レンズ１３Ｌおよび１３Ｒを移動させることによって変化させることも可能である。
【００４５】
また、図８では、凸レンズであるレンズ１３Ｌおよび１３Ｒを拡大光学系として用いたが、凸レンズの他、例えば後述するように、凹面鏡等を用いて構成することも可能である。
【００４６】
さらに、図８では、左眼に観察させる虚像はレンズ１３Ｌおよびディスプレイパネル１４Ｌによって、右眼に観察させる虚像はレンズ１３Ｒおよびディスプレイパネル１４Ｒによって、それぞれ独立に形成される。したがって、この構成によれば、２次元の（平面的な）虚像の他、立体的な虚像も提供することが可能である。すなわち、例えば、両眼視差を利用した立体映像の左眼用の映像または右眼用の映像を、ディスプレイパネル１４Ｌまたは１４Ｒに表示することによって、利用者には、立体的な虚像を提供することができる。
【００４７】
次に、図９は、映像表示部１０の構成例を示す斜視図である。
レンズ１３Ｌおよび１３Ｒは、その光軸（主点）どうしの距離が、例えば、人間の左眼と右眼との平均的な距離となるような間隔で、底面パネル４２に取付けられている。底面パネル４２は、左下のフレームスペーサ１１Ｃと、右下のフレームスペーサ１１Ｄとに固定されている。
【００４８】
また、これらのフレームスペーサ１１Ｃおよび１１Ｄの他、左上のフレームスペーサ１１Ａおよび右上フレームスペーサ１１Ｂを挟むように、正面パネル４０および背面パネル４１が設けられており、この正面パネル４０および背面パネル４１との間の上部中央には、虚像距離制御用モータ４５を固定しているモータ取付け部４４が設けられ、正面パネル４０および背面パネル４１に固定されている。虚像距離制御用モータ４５は、回転することにより、ネジの切ってあるモータシャフト４６を上下方向に移動させるようになされている。
【００４９】
尚、図９においては、正面パネル４０、背面パネル４１、および底面パネル４２を透明にしてあるが、これは構成を図示するための便宜的なものであり、これらは必ずしも透明な部材で構成する必要はない。
【００５０】
正面パネル４０と背面パネル４２とに挟まれる空間には、ディスプレイパネル１４Ｌおよび１４Ｒが取付けられたパネルホルダ３９が設けられている。
すなわち、パネルホルダ３９は、パネル取付け部１９Ｌおよび１９Ｒを有しており、このパネル取付け部１９Ｌまたは１９Ｒに、ディスプレイパネル１４Ｌまたは１４Ｒが、その表示画面がレンズ１３Ｌまたは１３Ｒに対向するようにそれぞれ取付けられている。そして、パネル取付け部１９Ｌまたは１９Ｒは、パネルホルダ３９のシャフト２０Ｌまたは２０Ｒに沿って、その左側または右側の所定の範囲を、水平方向（図９では、レンズ１３Ｌおよび１３Ｒの主平面と平行な方向）にそれぞれ移動することができるようになされている。
【００５１】
さらに、パネル取付け部１９Ｌまたは１９Ｒの手前側には、ピン２３Ｌまたは２３Ｒがそれぞれ設けられており、このピン２３Ｌまたは２３Ｒは、正面パネル４０に設けられたフレーム溝２１Ｌまたは２１Ｒにそれぞれ通されている。
ここで、フレーム溝２１Ｌまたは２１Ｒは、図８で説明した直線ＯＦ２またはＯＦ１にそれぞれ沿って、左上がり（右下がり）の方向または右上がり（左下がり）の方向に設けられている。
【００５２】
背面パネル４１にも、正面パネル４０のフレーム溝２１Ｌまたは２１Ｒと同様にフレーム溝２２Ｌまたは２２Ｒがそれぞれ設けられている。そして、パネル取付け部１９Ｌまたは１９Ｒの奥側には、ピン２３Ｌまたは２３Ｒとそれぞれ同様にピン（図示せず）が設けられており、パネル取付け部１９Ｌまたは１９Ｒに設けられたピンそれぞれは、背面パネル４１のフレーム溝２２Ｌまたは２２Ｒに通されている。
【００５３】
従って、パネルホルダ３９が全体として上方向に移動すると、パネル取付け部１９Ｌまたは１９Ｒは、ピン２３Ｌまたは２３Ｒがフレーム溝２１Ｌ（２２Ｌ）または２１Ｒ（２２Ｒ）にそれぞれ沿って移動することにより、シャフト２０Ｌまたは２０Ｒに沿って、左または右にそれぞれ移動する。また、パネルホルダ３９が全体として下方向に移動すると、パネル取付け部１９Ｌまたは１９Ｒは、ピン２３Ｌまたは２３Ｒがフレーム溝２１Ｌ（２２Ｌ）または２１Ｒ（２２Ｒ）にそれぞれ沿って移動することにより、シャフト２０Ｌまたは２０Ｒに沿って、右または左にそれぞれ移動する。
【００５４】
その結果、パネルホルダ３９の上下方向の移動に連動して、ディスプレイパネル１４Ｌおよび１４Ｒは、フレーム溝２１Ｌ（２２Ｌ）または２１Ｒ（２２Ｒ）にそれぞれ沿って移動、すなわち、図８で説明したように直線ＯＦ２またはＯＦ１上それぞれを、同一平面内に含まれるように移動する。
【００５５】
パネルホルダ３９の中央には、中心板２７が設けられており、この中心板２７には、モータシャフト４６の一端が取付けられている。従って、パネルホルダ３９は、モータシャフト４６とともに上下する。すなわち、虚像距離制御用モータ４５が回転することで、ディスプレイパネル１４Ｌおよび１４Ｒは、直線ＯＦ２またはＯＦ１上それぞれを、同一平面内に含まれるように移動する。
【００５６】
尚、図９の実施形態では、ハーフミラー４３が、背面パネル４１に対して斜めになるように、背面パネル４１と底面パネル４２との境界部分に固定されている。このハーフミラー４３は、手前の面が反射面となっている。
【００５７】
以上のように構成される映像表示部１０においては、ディスプレイパネル１４Ｌまたは１４Ｒに映像が表示され、レンズ１３Ｌまたは１３Ｒでそれぞれ拡大される。レンズ１３Ｌまたは１３Ｒで得られた拡大映像は、ハーフミラー４３で反射され、利用者の左眼または右眼にそれぞれ入射する。これにより、利用者の眼球において、虚像が観察される。また、外部からの光は、ハーフミラー４３の反射面と反対側の面を透過することにより、利用者の左眼または右眼に入射し、これにより、利用者の眼球において、外部の景色が観察される。
【００５８】
そして、虚像距離制御用モータ４５が回転し、これにより、ディスプレイパネル１４Ｌおよび１４Ｒが、直線ＯＦ２またはＯＦ１上それぞれを移動することによって、利用者が観察する虚像は、その利用者から種々の距離に形成される。
【００５９】
尚、図９においては、レンズ１３Ｌまたは１３Ｒで得られた拡大映像をハーフミラー４３で反射して、利用者の眼球に入射させるようにしたが、ハーフミラー４３を設けずに、レンズ１３Ｌおよび１３Ｒで得られた拡大映像を、直接、
利用者の眼球に入射させるようにすることも可能である。ただし、この場合、ディスプレイパネル１４Ｒおよび１４Ｌが、利用者の正面に位置することになる。その遮られた視野の範囲に相当する外部の状況（景色）を確認することは困難となる。
【００６０】
図１０は、本発明の一実施形態において視線が水平のときの動作の模式正面図であり、図１１は視線が下方を向いたときの動作の模式正面図である。
ところで、例えば従来の遠近両用眼鏡は、利用者の視線方向により、上方（水平より上）は遠距離、下方（水平より下）は近距離の物体に、それぞれ焦点が合うようになっている。
【００６１】
本発明は、こうした遠近両用眼鏡の利用形態にのっとり、図１０に示されるように利用者の視線ｅの方向が水平状態を含めて上向きになるときは、映像表示部１０を上向きにし、ディスプレイパネル１４Ｌとレンズ１３Ｌ間の距離および、ディスプレイパネル１４Ｒとレンズ１３Ｒ間の距離は、いずれも長い状態にある。この位置関係によって、虚像ｉｇは遠方（例えば、Ｌｉｇ＝１５ｍの位置）に形成される。
【００６２】
また一方、図１１に示されるように利用者の視線ｅの方向が下向きになるときは、映像表示部１０を下向きに回転させるが、このときディスプレイパネル１４Ｒおよび１４Ｌは、左右連動しながら、前述の直線ラインに従ってｖ方向（下方向）に動き、ディスプレイパネル１４Ｌとレンズ１３Ｌ間の距離および、ディスプレイパネル１４Ｒとレンズ１３Ｒ間の距離は、いずれも短くなる。この位置関係によって、虚像ｉｇは利用者の近傍（例えば、Ｌｉｇ＝０．５ｍの位置）に形成されるようになる。
【００６３】
前記の構成は、視線の下方向への傾斜によって虚像の距離を変化させるものであり、よって虚像を利用者の見やすい位置に、しかも収差の少ない明瞭な状態で表示することが可能になる。
【００６４】
図１２は、この実施形態の動作のフローチャートである。同図に示すように、視線検出器により視線を検出すれば（ステップＳ１）、この出力を虚像距離制御コンピュータに送って視線角度を同定し（ステップＳ２〜Ｓ４）、虚像距離を同定し（ステップＳ５〜Ｓ７）、虚像距離に応じた信号を虚像距離モータに送ることで、虚像の距離を変化させる。この動作は、装置制御部１５（図１参照）によって実行される。
【００６５】
図１３は、本発明の別の実施形態の構成を示す簡略図であり、映像表示部１０Ｃには、前記レンズの代わりに凹面鏡１３Ｖが用いられる。凹面鏡とレンズを併用してもよい。
【００６６】
図１４は、本発明のさらに別の実施形態の構成を示す簡略図であり、外界の画像を重ね合わせる必要がない用途に適用して好適なものである。映像表示部１０Ｄはシースルーとする必要がないので、前記実施形態のハーフミラーを除去した簡素かつ安価な構成となっている。
【００６７】
また図１５は、本発明の追従型虚像視ディスプレイシステムの別の映像表示部に係る機構を説明した斜視図であり、この映像表示部１０Ｇは、前記図９で示された映像表示部１０の構成におけるモータ取り付け部４４、虚像距離制御用モータ４５、モータシャフト４６による駆動部を、距離シャフト４７、シャフト嵌挿板４８、パネル保持バネ４９からなる駆動部で置き換えた構成である。
ここで距離シャフト４７は、図示されないカム、プランジャ等で上下方向に駆動される。その他の構成は前記図９の構成と同様であり、説明を省略する。
【００６８】
図１６は、図１５に示された映像表示部１０Ｇの、視線が水平のときの動作の模式正面図であり、視線ｅが水平のときは距離シャフト４７が上方に位置し、よってディスプレイパネル１４Ｌとレンズ１３Ｌ間の距離（および、図示されないがディスプレイパネル１４Ｒとレンズ１３Ｒ間の距離）は長い状態にある。この位置関係によって、虚像ｉｇは遠方に形成される。
【００６９】
図１７は、図１５に示された映像表示部１０Ｇの、視線が下向きのときの動作の模式正面図であり、視線ｅが下向きのときは距離シャフト４７が下方に降りて、ディスプレイパネル１４Ｌとレンズ１３Ｌ間の距離（および、図示されないがディスプレイパネル１４Ｒとレンズ１３Ｒ間の距離）が短くなる。この位置関係によって、虚像ｉｇは近くに形成される。
【００７０】
以上、詳説したように本発明は、利用者の視線の移動あるいは／および頭部運動に追従して、提示する虚像を変化させる虚像視ディスプレイシステムを実現したものであり、これにより、常に収差の少ない位置で、虚像を観賞できる。さらに、視線方向によって虚像の距離を変化させる機構を組み込むことで、利用者の見やすい位置に虚像を表示することができる。
【００７１】
尚本発明は、前記の実施形態に限定されるのではなく、例えば、
１．ステッピングモータではなく、超音波モータ、ＤＣモータ、サーボモータなど（ロータリエンコーダ等位置決め機構を含む）他のモータを用いる方法。
２．液晶パネルではく、小型のＣＲＴなど他の表示素子を用いる方法。
３．利用者の両眼で見るのではなく、片眼式。
４．補助の表示画面を設け、映像表示部と組み合わせて用いる方法。
など、種々の変形が可能である。
【００７２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る追従型虚像視ディスプレイシステムは、具備する映像表示部を移動させる移動機構を備え、この移動機構は虚像光学系の光軸が利用者の視線の光軸に重なる位置まで映像表示部を移動させる構成で、付加構成と連動することで利用者の視線の移動あるいは／および頭部運動に追従して映像表示部を自由に移動させることが可能になる。この結果、映像表示部の光軸を視線の光軸に重ねることができ、利用者に明確な虚像を提供することが可能となる。
【００７８】
本発明に係る追従型虚像視ディスプレイシステムでは、映像表示部を視線検出器の出力により自動上下回動させ、かつ頭部運動検出器の出力により自動水平回動させる構成である。この結果、利用者の視線の移動に自動的に追従でき、また頭部の回転移動に自動的に追従できる。よって利用者が視線を動かし、また頭を回転させても、常に収差の少ない位置に自動的に調整がなされて、明瞭な虚像を観賞できる。ヘッドレスト・感圧センサ・映像表示部支持機構を含み構成された移動機構等により、上記の効果が得られる。
【００７９】
本発明の請求項２に係る追従型虚像視ディスプレイシステムは、前記請求項１に係る構成、即ち利用者の視線移動あるいは／および頭部回転に対応した映像表示部の回動に加えて、虚像の距離を輻輳と調節を一致させながら変化させる構成である。この結果、利用者の作業状態や視力などに適した虚像を所望の位置に、しかも収差の少ない明瞭な状態で提供することが可能となる。
【００８０】
本発明の請求項３に係る追従型虚像視ディスプレイシステムは、前記請求項１に係る構成、即ち利用者の視線移動あるいは／および頭部回転に対応した映像表示部の回動に加えて、視線の上下方向への傾斜によって、虚像の距離を変化させる構成である。したがって、虚像を利用者の見やすい位置に、しかも収差の少ない明瞭な状態で表示することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る追従型虚像視ディスプレイシステムの一実施形態における全体斜視図である。
【図２】図１に示された映像表示部支持機構の細部を説明する分解斜視図である。
【図３】図１に示された映像表示部支持機構の他の細部を説明する分解斜視図である。
【図４】図１に示された追従型虚像視ディスプレイシステムの動作の説明のための平面図である。
【図５】図１に示された追従型虚像視ディスプレイシステムの制御部分のブロック図である。
【図６】本発明に係る追従型虚像視ディスプレイシステムの別の実施形態の全体斜視図である。
【図７】図６に示されたヘッドレスト部を説明する斜視図である。
【図８】本発明の一実施形態の光学系を示す簡略図である。
【図９】本発明に係る追従型虚像視ディスプレイシステムの映像表示部の機構を説明した斜視図である。
【図１０】本発明の一実施形態において視線が水平のときの動作の模式正面図である。
【図１１】本発明の一実施形態において視線が下方を向いたときの動作の模式正面図である。
【図１２】本発明の一実施形態の動作のフローチャートである。
【図１３】本発明の別の実施形態の構成を示す簡略図である。
【図１４】本発明のさらに別の実施形態の構成を示す簡略図である。
【図１５】本発明の追従型虚像視ディスプレイシステムの別の映像表示部に係る機構を説明した斜視図である。
【図１６】図１５に示された映像表示部の、視線が水平のときの動作の模式正面図である。
【図１７】図１５に示された映像表示部の、視線が下方を向いたときの動作の模式正面図である。
【図１８】従来のＨＭＤシステムの構成を示す簡略図である。
【図１９】従来のビューファインダの要部の説明図である。
【符号の説明】
Ｄ……本発明に係る追従型虚像視ディスプレイシステム、１０……映像表示部、１１……映像表示部支持機構、１２……ガイドレール、１３ａ〜１３ｃ……ステッピングモータ、１４……アーム、１５……装置制御部、１６……第１信号線、１７……第２信号線、１８……椅子、２４……アーム、２５……アーム、ｅ……視線、ｅｍｔ……視線検出器、ｘ……光軸

Claims (3)

1. 虚像光学系を有する映像表示部を備え、前記虚像を利用者の視線上に載せて利用可能にする構成の追従型虚像視ディスプレイシステムであって、
   ヘッドレストの下端が、利用者の頭部中心を中心に左右に回転可能に頂部に取り付けられてなる椅子と、
   前記映像表示部を虚像光学系とともに移動させる移動機構を備え、
   前記虚像光学系は、両眼に対応したディスプレイパネルの拡大虚像を空間上同一位置に形成するようなされており、
   前記移動機構は、前記ヘッドレストの利用者の頭部が接触する部分に設けられた感圧センサと、一端が前記ヘッドレストの上端に取り付けられ他端に前記映像表示部が設けられて映像表示部を上下方向に回動させる映像表示部支持機構と、前記椅子の着座者の動きに対応して前記感圧センサから得られる出力に応じて前記ヘッドレストを回転させる回動用モータとを含み構成されていて、前記虚像光学系の光軸が前記視線の光軸に重なる位置まで前記映像表示部を移動させることで、両眼の輻輳調節を一致させた状態で虚像観察を可能とすることを特徴とする追従型虚像視ディスプレイシステム。
2. 前記映像表示部は前記虚像が形成される位置を移動可能に構成されたことを特徴とする請求項１に記載の追従型虚像視ディスプレイシステム。
3. 前記映像表示部は前記虚像が形成される位置を移動可能に構成され、かつ利用者の前記視線が下向き時に、前記虚像を前記利用者に近い側の位置に形成させる構成としたことを特徴とする請求項１に記載の追従型虚像視ディスプレイシステム。

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