JP2005311754A - Head mounted video display device provided with image pickup camera and pupil position detection function - Google Patents
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Description
本発明は、外界像を撮像するカメラと観察者の瞳位置を検出する機能を有する頭部装着型映像表示装置に関するものである。 The present invention relates to a head-mounted image display apparatus having a camera that captures an external image and a function of detecting a pupil position of an observer.
観察者の左右の眼にそれぞれ対応する表示装置及び撮像カメラを備え、撮像カメラで撮像した外界像を表示装置に映じるようにした頭部装着型の表示装置がピデオシースルーヘッドマウントディスプレイとして知られている。この装置に於いて、さらに撮像光学系の光軸と表示光学系の光軸を一致させることにより、撮像カメラを通して見た外界像を、あたかも自分の眼で見たのと同じ視線で見ることができるようにしたものがある。この装置は、例えば、撮像カメラで取り込んだ現実世界の映像にコンピュータグラフィックス等で作成した仮想世界の像を重畳させた、いわゆる現実空間と仮想空間を融合させるという複合現実感に関する研究等に便用される。 A head-mounted display device equipped with a display device and an imaging camera corresponding to the left and right eyes of the observer, respectively, so that an external image captured by the imaging camera is reflected on the display device is known as a video see-through head mounted display ing. In this device, by aligning the optical axis of the imaging optical system with the optical axis of the display optical system, it is possible to see the external image viewed through the imaging camera with the same line of sight as if it were viewed with one's own eyes. There is something that you can do. This device is useful for, for example, research on mixed reality in which a so-called real space and virtual space are merged by superimposing a virtual world image created by computer graphics on a real-world image captured by an imaging camera. Used.
一方、こうした装置において、観察者の見た方向を検出し、それを入力手段として使用する視線入力装置というものが知られている(特開平08−050256)。これを実現させるためには、観察者の瞳の位置を検出する必要がある。 On the other hand, in such an apparatus, a line-of-sight input apparatus that detects a direction seen by an observer and uses it as an input means is known (Japanese Patent Laid-Open No. 08-050256). In order to realize this, it is necessary to detect the position of the observer's pupil.
本来、こうした頭部装着型の映像表示装置は、人の頭部に装着するということから、小型、軽量であることが望ましいが、以上のような機能を盛り込んだ装置は複雑かつ大型化せざるを得ない。 Originally, such a head-mounted video display device is preferably mounted on a human head, so it is desirable that the head-mounted image display device be small and lightweight. However, a device incorporating the above functions must be complicated and large. I do not get.
そこで、本発明は、上記のような外界を撮像する機能及び観察者の瞳位置を検出する機能を盛り込みながらも、小型、軽量である頭部装着型の映像表示装置を実現しようというものである。 Therefore, the present invention aims to realize a head-mounted image display device that is small and lightweight while incorporating the above-described function of imaging the outside world and the function of detecting the observer's pupil position. .
本発明は、観察者の左右の眼に対応して設けられた外界像を取り込むための撮像用カメラと観察者の瞳を撮像するカメラを共用することを特徴とする。このために、観察者の瞳の像光を撮像カメラに導く第1の光学系と、外界の像光を撮像カメラに導く第2の光学系を有する。さらに瞳の像光は赤外光等、観察者に影響を与えない一定の波長を持つ光aとし、第1の光学系はその光aのみを導くように構成され、第2の光学系は外光像中に含まれる光aの成分を遮断するように構成されている。また、撮像カメラに導かれた瞳像光と外界像光に対し、瞳像と外界像を分離する分離手段を有する。 The present invention is characterized in that an imaging camera for capturing an external image provided corresponding to the left and right eyes of the observer and a camera for imaging the observer's pupil are shared. For this purpose, it has a first optical system that guides the image light of the pupil of the observer to the imaging camera, and a second optical system that guides the image light of the outside world to the imaging camera. Furthermore, the image light of the pupil is light a having a constant wavelength that does not affect the observer, such as infrared light, the first optical system is configured to guide only the light a, and the second optical system is The light a component included in the external light image is blocked. In addition, a separation unit that separates the pupil image and the external image from the pupil image light and the external image light guided to the imaging camera is provided.
さらに分離された瞳像から瞳位置を検出する検出手段を有する。また、検出された瞳位置に基づき、表示光学系の光軸中心すなわち表示パネル中心が観察者の眼幅に一致させるべく指標を表示装置に表示すると共に、その指標に基づき観察者の眼幅と左右の光学系の表示パネル中心が一致させられるよう上記光学系が移動可能に構成されている。 Furthermore, it has a detection means which detects a pupil position from the isolate | separated pupil image. Further, based on the detected pupil position, an indicator is displayed on the display device so that the optical axis center of the display optical system, that is, the center of the display panel matches the eye width of the observer, and based on the indicator, The optical system is configured to be movable so that the centers of the display panels of the left and right optical systems can coincide with each other.
以上のような構成により、外界像を撮像する撮像カメラおよび視線検知機能を有した頭部装着型の映像表示装置において、外界像を撮像するカメラと瞳位置を検出するための観察者の瞳を撮像するカメラを共通化することにより、使用する撮像カメラの数を減らすことができるので小型かつ軽量な装置が実現できる。さらに視線検知用に検出した瞳位置情報により、表示光学系の光軸(表示パネル中心)と観察者の眼幅を一致させることが容易に可能となる。このことは、通常、観察者の眼幅は人それぞれ異なるため、そのバラツキを考慮すると光学設計上観察瞳の径を大きくする必要があり光学系自体が大きくなる。しかし観察者の眼幅に光学系を合わせることで観察瞳径を小さくできるので光学系そのものを小さくできる。すなわち装置の小型、軽量化に寄与できる。 With the above-described configuration, in the imaging camera that captures the external image and the head-mounted image display device that has the gaze detection function, the camera that captures the external image and the observer's pupil for detecting the pupil position are provided. By sharing the cameras for imaging, the number of imaging cameras to be used can be reduced, so that a small and lightweight device can be realized. Furthermore, it is possible to easily match the optical axis (display panel center) of the display optical system with the eye width of the observer based on the pupil position information detected for line-of-sight detection. This is because the observer's eye width is usually different for each person, and considering the variation, it is necessary to increase the diameter of the observation pupil in terms of optical design, and the optical system itself becomes larger. However, since the observation pupil diameter can be reduced by matching the optical system with the eye width of the observer, the optical system itself can be reduced. That is, it can contribute to reduction in size and weight of the apparatus.
以上述べたように、外界像を撮像するカメラと瞳位置検知機能を有する頭部装着型の表示装置において、外界像を撮像するカメラと観察者の瞳を撮像するカメラの共通化により、装置の小型化及び軽量化が可能となり、さらに撮像カメラの個数を減らすことによるコストの削減ができる。また検出された観察者の瞳位置のデータを基に、左右の光学ユニットを観察者の眼幅に合わせるようにすることで、光学系を小さくすることができさらに小型軽量化が計れる。 As described above, in a head-mounted display device having a camera for capturing an external image and a pupil position detecting function, the camera for capturing an external image and the camera for capturing an observer's pupil can be used in common. The size and weight can be reduced, and the cost can be reduced by reducing the number of imaging cameras. Further, by aligning the left and right optical units with the eye width of the observer based on the detected pupil position data of the observer, the optical system can be made smaller and further reduced in size and weight.
(第1の実施例)
図1及び図2は本発明の実施形態に係わる頭部装着型映像表示装置(ピデオシースルHMD)の斜視図である。図中1は表示部で、撮像カメラ用の窓1a、1b及び表示された映像を見る観察用の窓1c、1dが観察者の左右の眼に対応する位置に設けられている。表示部1の中央部にはアーム部2aを介して、装着時に装着者の前頭部を押圧するパッド2が設けられている。アーム部2aの両サイドには円弧状に板バネ3‐R、3‐Lが左右方向に一体的に取り付けられている。さらに板バネ3‐R、3‐Lにはフレーム4‐R、4‐Lが一体的に取り付けられている。フレーム4‐R、4‐Lは、フレーム4‐R、4‐L内に一部を収納され、フレーム4‐R、4‐Lの後端部4a‐R、4a‐Lより後方に伸びている可撓性のバンド8により互いに連結されている。バンド8の中央部には装着した際、装着者の後頭部を押圧する後頭部押さえ5が設けられている。また、バンド8の表示部側端部にはつまみ6‐R、6‐Lが一体的に設けられている。つまみ6‐R、6‐Lはフレーム3‐R及び3‐Lの長手方向に摺動可能に取り付けられ、ラチェット機構(図示せず)により、矢印A方向には自由に動き、矢印B方向にはロックされるようになっている。このロックはつまみ6‐R、6‐Lに設けられた解除つまみ7‐R、7‐Lを図1において上方向に押すことによりロックが解除されるようになっている。そしてロックが解除された状態ではつまみ6‐R、6‐Lは矢印B方向に自由に摺動させることが出来る。
(First embodiment)
FIG. 1 and FIG. 2 are perspective views of a head-mounted image display device (Pideoseal HMD) according to an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a display unit, and
以上述べたように、つまみ6‐R、6‐Lを観察者の頭部のサイズに合わせて矢印A、B方向に摺動させ、前頭部押さえパッド2と後頭部押さえ5でそれぞれ観察者の前頭部と後頭部を押さえることにより表示部1を観察者の頭部に固定する。
As described above, the knobs 6-R and 6-L are slid in the directions of arrows A and B in accordance with the size of the observer's head, and the front
図3は本装置を装着した状態を示す。観察者は図3に示すように本装置を頭部に装着し、表示部1に設けられた窓1a、1bを通して撮像された外界像を、観察窓1c、1dを通して観察する。この時、撮像する方向と観察する方向がL1に示すように一致するよう、撮像光学系の光軸と表示光学系の光軸は光学的に調整されている。これにより、撮像カメラにより撮像された外界像を観察者は自分の視線で見たのと同じ感覚で見ることができる。
FIG. 3 shows a state where the apparatus is mounted. As shown in FIG. 3, the observer wears the apparatus on the head and observes the external image captured through the
図4は表示部の外装カバーを外した内部を示す斜視図、図5はその側面図である。 4 is a perspective view showing the inside of the display unit with the exterior cover removed, and FIG. 5 is a side view thereof.
図において、12‐Rは表示光学系を構成するプリズムレンズ、13‐Rは外界像を撮像カメラに導くためのプリズム、14‐Rはその導かれた外界像を撮像するCCD等の後述する撮像素子及び撮像素子に結像させる後述する撮像レンズからなる撮像カメラ、15‐Rは映像を表示させる為の後述する表示パネルを有する表示ユニットで、これらは基台10‐R及び11‐Rに一体的に固定されている。この基台10‐R、11‐Rに固定されたプリズムレンズ12‐R、プリズム13‐R、撮像カメラ14‐R、表示ユニット15‐Rにより観察者の右眼に対応した光学ユニット20‐Rが構成される。 In the figure, 12-R is a prism lens constituting the display optical system, 13-R is a prism for guiding an external field image to an imaging camera, and 14-R is a CCD that captures the guided external field image, which will be described later. An imaging camera composed of an imaging lens to be imaged on the element and the imaging element, 15-R is a display unit having a display panel to be described later for displaying an image, and these are integrated with the bases 10-R and 11-R. Fixed. The optical unit 20-R corresponding to the right eye of the observer by the prism lens 12-R, the prism 13-R, the imaging camera 14-R, and the display unit 15-R fixed to the bases 10-R and 11-R. Is configured.
光学ユニット20‐Rは本体カパーに回転自在に支持された軸17に、基台10‐Rの突出部10a‐R及び11‐Rの突出部11a‐Rにおいて回転自在に取り付けられている。
The optical unit 20-R is rotatably attached to the
ここで、基台11‐Rの突出部11a‐Rとそれに対応する軸17の17a部には互いにネジが設けられネジ嵌合になっている。
Here, the
同様に観察者の左眼に対応した光学ユニット20‐Lが、プリズムレンズ12‐L、プリズム13‐L、撮像カメラ14‐L、表示ユニット15‐Lとそれらを固定する基台10‐L、11‐Lにより構成される。そして光学ユニット20‐Lは、光学ユニット20‐Rと同様、本体カパーに回転自在に支持された軸17に、基台10‐Lの突出部1Oa‐L及ぴ11‐Lの突出部11a‐Lにおいて回転自在に取り付けられている。また、基台11‐Lの突出部11a‐Lとそれに対応する軸17の17b部は光学ユニット20‐Rと同様ネジ嵌合になっている。ここで、ネジ部17aと17bは互いに逆ネジの関係になっている。したがって、軸17の中央部に設けられたつまみ18を外部より回転させることにより、光学ユニット20‐Rと20‐Lは軸17に沿って矢印D、Cに示すように互いに近づいたり、遠ざかったりする方向に移動可能になっている。なお、19はつまみ18を回転させた時、光学ユニット20‐R、20‐Lが相対的に回転しないよう表示カバー側に設けられた回転止めである。
Similarly, an optical unit 20-L corresponding to the left eye of the observer includes a prism lens 12-L, a prism 13-L, an imaging camera 14-L, a display unit 15-L, and a base 10-L for fixing them. 11-L. Then, the optical unit 20-L, like the optical unit 20-R, is mounted on the
図6、図7は上記光学ユニットの光学的な機能を説明する概略図で、図6は右側光学ユニット20‐Rの平面図、図7は光軸L1に沿った断面E‐Eである。 6 and 7 are schematic views for explaining the optical functions of the optical unit. FIG. 6 is a plan view of the right optical unit 20-R, and FIG. 7 is a cross-section EE along the optical axis L1.
ここで、上記において左右の光学ユニットを区別するためにR、Lの符号を付したが、機能的に同じであるため、以後の説明ではR、Lの符号は省略する。 Here, in order to distinguish the left and right optical units in the above description, the symbols R and L are given. However, since they are functionally the same, the symbols R and L are omitted in the following description.
図6において、外界像光L3は矢印L5、L6に示すようにプリズム13のハーフミラー面13bで反射し、さらに全反射条件を満たすように角度設定された面13aで全反射され、結像レンズ22によりCCD等の撮像素子23面上に結像される。この時、プリズム13の面13aにはホットミラーコーティンクがされており、外界像光に含まれる赤外成分は面13aにおいて反射される。したがって、外界像光は可視光成分のみ撮像素子23面上に結像される。
In FIG. 6, the external image light L3 is reflected by the
一方、観察者に影響を与えないように赤外成分のみを有するLED24、24により照射された観察者の瞳100の像光L8は、コールドミラーコーティングされたプリズムレンズ12の面12aを透過し、補正レンズ16、さらにプリズム13のハーフミラー面13bを通り、ホットミラーコーティングされたプリズム13の面13aにて反射される。13aで反射された瞳像光は、外界像光と同様に、プリズム13のハーフミラー面13bで反射され、さらに13aで全反射され、結像レンズ22により撮像素子23曲上に結像される。
On the other hand, the image light L8 of the
一方、液晶表示パネル20とバックライト21によって構成される表示部15に表示された画像光L9は、矢印L10、L11で示すようにプリズムレンズ12の自由曲面形状を有する面12b及び面12a面において反射され、観察者の瞳100に拡大投影される。
On the other hand, the image light L9 displayed on the
ここで、可視光成分のみを含む外界像光はプリズムレンズ13のハーフミラー面13bにおいて一部透過するが、コールドミラーコーティングされたプリズムレンズ12の12a面にて遮断され、観察者に影響を与えることはない。
Here, the external image light containing only the visible light component is partially transmitted through the
図8は画像処理操作を示すブロック図で、図6に示す右側の光学ユニット20‐Rに対応する。左側の光学ユニット20‐Lに対応するブロック図は右側光学ユニットと同じであるので省略する。 FIG. 8 is a block diagram showing an image processing operation and corresponds to the right optical unit 20-R shown in FIG. Since the block diagram corresponding to the left optical unit 20-L is the same as that of the right optical unit, a description thereof will be omitted.
上述したように撮像カメラ14により取り込まれた観察者の瞳像と外界像は、パーソナルコンピュータ等の制御装置の入出力制御部101を介して、1画面毎に、順次画像メモリー1、2に取り込まれる。この時、撮像カメラ14により取り込まれる1画面毎の画像に同期して赤外LED24が点滅する。したがって赤外LED24が点灯したタイミングで取り込まれた撮像カメラの像は、図9の(a)に示すように、外界像と観察者の瞳像が重なった画像となり、赤外LED24が消えた状態で取り込まれた時の画像は図9の(b)に示すように外界像のみの画像となる。
As described above, the observer's pupil image and external image captured by the
そして前者の像は画像メモリー1に、後者の像は画像メモリー2に取り込まれる。メモリー1とメモリー2に取り込まれた画像は画像処理部102にて演算され、図9の(c)に示すように瞳像のみが抽出される。そして抽出された瞳像は瞳位置検出部103にて瞳の中心位置が求められる。そしてこの瞳の中心位置データは眼幅調整指示指標作成部104に送られる。
The former image is captured in the image memory 1 and the latter image is captured in the
撮像カメラの撮像中心と表示パネルの中心の位置関係は装置固有の値として既知であるので、瞳位置検出部103において求められた観察者の瞳の中心位置データを基に、表示パネルの中心位置を算出できる。
Since the positional relationship between the imaging center of the imaging camera and the center of the display panel is known as a device-specific value, the center position of the display panel is based on the center position data of the observer's pupil determined by the pupil
例えば、光学ユニットの表示パネル中心位置と観察者の瞳中心位置が図10(a)に示すようにずれ、結果、光学ユニットを図10(a)において左方向に移動させなければならない場合、光学ユニットを移動させるための指標となる図9に示す矢印Fを眼幅調整指示指標作成部104において作成する。そして作成された矢印Fは画像合成部105に送られる。画像合成部105には同時にメモリー2に取り込まれた外界像のみの画像及び画像生成部106よりコンピュータグラフィックス等で作成された仮想像が送られ、それぞれ重畳され入出力制御部101を介して液晶表示パネル20に送られる。
For example, when the center position of the display panel of the optical unit and the pupil center position of the observer are shifted as shown in FIG. 10A, as a result, the optical unit must be moved to the left in FIG. An arrow F shown in FIG. 9 serving as an index for moving the unit is created in the eye width adjustment instruction
液晶表示パネル20に表示された矢印Fを基に、観察者はつまみ18を矢印に対応する方向に回転させ左右の光学ユニット20‐R、20‐Lを移動させる。そして観察者の瞳中心と表示パネルの中心が図10の(b)に示すように一致した時点で矢印Fが消える。以上のようにして観察者の眼幅と左右の光学ユニットの表示パネル中心が一致したことを観察者は容易かつ正確に確認することができる。
Based on the arrow F displayed on the liquid
なお、眼幅の調整に際し、つまみ18を手で回転させる代わりにモータ等を使用して光学ユニットを移動させ、自動的に眼幅を合わせることももちろん可能である。
In adjusting the eye width, it is of course possible to automatically adjust the eye width by moving the optical unit using a motor or the like instead of rotating the
1 表示部
2 前頭部押さえパッド
3 板バネ
4 フレーム
5 後頭部押さえ
6 つまみ
7 解除つまみ
8 バンド
10 基台
11 基台
12 プリズムレンズ
13 プリズム
14 撮像カメラ
15 表示ユニット
16 補正レンズ
18 つまみ
19 回転止め
20 液晶表示パネル
21 バックライト
24 赤外LED
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
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