JP3900578B2 - Follow-up virtual image display system - Google Patents

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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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a virtual image display system, and more particularly to a follow-up virtual image display system that can form a virtual image of an object following a user's line of sight or rotation of the head.
[0002]
[Prior art]
As a virtual image display system capable of forming a virtual image of a conventional video, for example, a head-mounted display device such as an HMD (Head Mounted Display) is realized.
Here, the virtual image can be formed on the object side when the object is closer to the lens than the focal length. For example, “Introduction to lens chemistry (top)”, Toshi Ogura Details are described in Asahi Sonorama, “Optics”, Kazumi Murata, Science, etc.
[0003]
As shown in FIG. 18, the HMD includes, for example, a lens that enlarges an image to form a virtual image, and a display panel (for example, a liquid crystal display) that is disposed at a position closer to the focal length of the lens. The
As shown in the figure, the user can watch the virtual image by wearing the HMD 100 on the head and viewing the image displayed on the display panel 102 through the lens 101. Here, the optical axis x 'of the lens 101 and the user's line of sight e' are configured to overlap.
[0004]
In addition, for example, a viewfinder used for a portable video camera or the like is known. Normally, as shown in FIG. 19, with the left or right monocular of the user, the image presented on the internal display panel 107 is viewed from the eyepiece 106 attached to the viewfinder 105. Yes. The viewfinder 105 is attached to the video camera main body 108 and operates an image presented on the display panel 107 by an operation button 109.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the HMD as described above, since an optical system such as a lens is designed on the assumption that it is mounted on the head, the optical axis of the lens and the line of sight of the user do not overlap and may shift, There is a problem that a virtual image is viewed as having a large aberration.
[0006]
Similarly, in the viewfinder described above, the virtual image is magnified and viewed with a small lens, so that a clear virtual image can be seen unless the eyeball is in contact with the eyepiece and the line of sight is not directed in a predetermined direction. There was a problem that could not be.
[0007]
In these conventional configurations, since the position of the virtual image formed is constant, the user may try to forcibly view the image regardless of the difference in visual acuity, causing dry eyes (dry eyes) or eye strain. There were drawbacks such as this.
Further, when the device is used for a long time, there is a problem that the user feels fatigue by fixing the head for a long time.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and it is possible to form a clear virtual image with less aberrations following the movement of the user's line of sight and the rotational movement of the head. Another object of the present invention is to provide a follow-up type virtual image display system capable of displaying a virtual image at a position that is easy for the user to see when the line of sight tilts in the vertical direction.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  The purposeTo achieve this, the following virtual image display system according to the present invention is a following virtual image display system configured to include a video display unit having a virtual image optical system and to use the virtual image on a user's line of sight. A lower end of the headrest includes a chair attached to the top so that the lower end of the headrest can be rotated left and right around the center of the user's head, and a moving mechanism for moving the video display unit together with the virtual image optical system, The system is configured to form an enlarged virtual image of a display panel corresponding to both eyes at the same position in space, and the moving mechanism is a pressure-sensitive sensor provided at a portion of the headrest where a user's head contacts An image display unit support mechanism that has one end attached to the upper end of the headrest and the image display unit provided at the other end to rotate the image display unit in the vertical direction; A rotation motor that rotates the headrest according to the output obtained from the pressure-sensitive sensor in response to the movement of the child seated person, and the optical axis of the virtual image optical system is the optical axis of the line of sight By moving the video display unit to a position that overlaps with each other, it is possible to perform virtual image observation in a state where convergence adjustment of both eyes is matched. In the above configurationTherefore,The video display unit can freely move as instructed by the user. Therefore, the video display unit can be moved by the moving mechanism, and thereby the optical axis of the virtual image optical system can be superimposed on the optical axis of the line of sight. This realizes a state in which the video display unit is always placed in the correct positional relationship on the user's line of sight, so that a virtual image with less aberration can be viewed. In addition, when the video display unit of the follow-up virtual image display system according to the present invention is configured to be able to move the position where the virtual image is formed, along with the user's line-of-sight movement or / and head rotation operation, The distance at which the virtual image is formed can be changed manually or automatically. Therefore, a virtual image with few aberrations is displayed at an easy-to-see position desired by the user.
[0017]
Further, the video display unit of the follow-up virtual image display system according to the present invention is configured to be able to move the position where the virtual image is formed, and when the user's line of sight is facing down, the virtual image is positioned closer to the user When the user is configured to form a virtual image, the virtual image can be seen closer as the user's line-of-sight direction becomes downward.
Therefore, a virtual image with few aberrations is displayed at an easy-to-see position desired by the user.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below. The following embodiment is a preferred example of the present invention, and various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention is described in the following description to particularly limit the present invention. As long as it is not, it is not restricted to these forms.
[0019]
  FIG. 1 shows the present invention.Relevant for reference1 is an overall perspective view of an embodiment of a follow-up virtual image display system. FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating details of the image display unit support mechanism shown in FIG. FIG. 3 is an exploded perspective view for explaining other details of the image display unit support mechanism shown in FIG. FIG. 4 is a plan view for explaining the operation of the follow-up virtual image display system shown in FIG. FIG. 5 is a block diagram of a control portion of the follow-up virtual image display system shown in FIG.
[0020]
In FIG. 1, a follow-up virtual image display system D according to the present invention includes a video display unit 10 that forms a virtual image, and a video display unit support mechanism 11 that holds the video display unit 10 at the tip and rotates it vertically. A guide rail 12 that is held by the video display unit support mechanism 11 and is developed in an arc shape in the left-right direction, and the video display unit 10 is movably inserted and carried in the left-right direction; A chair 18 on which a person sits is provided.
In the above description, the image display unit support mechanism 11 and the guide rail 12 constitute a moving mechanism.
[0021]
The video display unit 10 includes a virtual image optical system including a liquid crystal display and a lens system, and an optical axis x of the virtual image optical system is set to an optical axis (hereinafter abbreviated as a line of sight) e of a user sitting on the chair 18. It is placed in an overlapping position. The configuration and operation of the video display unit 10 will be described in detail later.
[0022]
The rear end of the image display unit support mechanism 11 is attached to the chair 18. As shown in FIGS. 1 and 2, the image display unit support mechanism 11 includes arms 24, 25, 14, and 26 and stepping motors 13a, 13b, and 13c.
One end of the arm 24 is attached to the chair 18, and the other end is rotatably fitted to one end of the arm 25. This rotational force is given by the stepping motor 13a.
[0023]
Further, the other end of the arm 25 is rotatably fitted to one end of the arm 14, and this rotational force is given by the stepping motor 13b. Next, the other end of the arm 14 is rotatably fitted to one end of the arm 26, and this rotational force is given by the stepping motor 13 c, and the guide rail 12 is attached to the other end of the arm 26.
[0024]
The joint between the arms will be further described. A shaft 14 a is integrally provided at the other end of the arm 14, and the shaft 14 a is slidably fitted to a bearing 26 b provided integrally at one end of the arm 26. Yes. Further, the main body of the stepping motor 13c is attached to the bearing 26b of the arm 26, and the rotation shaft 23c of the stepping motor 13c is fitted into the rotation bearing hole 14aa formed in the center of the shaft 14a at the other end of the arm 14. Yes.
Similarly, the main body of the stepping motor 13b is attached to the bearing 14b of the arm 14, and the rotation shaft 23b of the stepping motor 13b is fitted into a rotation bearing hole formed in the center of the shaft 25a at the other end of the arm 25. Match. The same applies to the stepping motor 13a.
[0025]
The stepping motors 13a to 13c each rotate by an instruction based on a control signal sent from the device control unit 15 via the second signal line 17. The device control unit 15 generates this control signal based on an instruction input input by the user using an operation switch or the like.
As a result, when the user moves the line of sight e in the vertical direction, the video display unit support mechanism 11 is operated by the user inputting an instruction to that effect, and the video display unit 10 is moved in the vertical direction. The optical axis x can be adjusted to overlap the line of sight e.
[0026]
In the vertical movement of the video display unit 10, the angle of attack of the line of sight e is maintained while keeping the distance from the eyeball to the video display unit 10 with the position of the user's eyeball as the center of rotation. The rotation angles of the stepping motors 13a to 13c are adjusted so as to be equal to the depression angle.
[0027]
Further, the image display unit 10 is configured such that the frame 10A is movable in sliding contact with the guide rail 12 as shown in FIG. 3, and the propulsion motor 10B is fixed to the frame 10A and is fitted on the shaft of the propulsion motor 10B. The pinion gear meshes with the rack gear on the guide rail 12 side.
Therefore, when the propulsion motor 10 </ b> B rotates based on the control signal sent from the device control unit 15 via the first signal line 16, the video display unit 10 runs on the guide rail 12.
[0028]
Here, the guide rail 12 forms a circular arc centered on the center of the user's head on the plane, and thus the video display unit 10 can move the line of sight rotated left and right while keeping the distance from the eyeball constant. It travels on the guide rail 12 until it becomes equal to the rotation angle of e.
Therefore, when the user sitting on the chair 18 rotates his / her head in the left / right direction, the user inputs an instruction to operate the propulsion motor 10B and move the video display unit 10 in the left / right direction. The optical axis x can be adjusted to overlap the line of sight e moved by rotation.
A state in which the video display unit 10 rotates on the guide rail 12 when the user U rotates the head in the left-right direction is shown in the plan view of FIG.
[0029]
Furthermore, in the above, the movement of the video display unit 10 in the vertical direction and / or the horizontal direction is controlled based on the value manually input by the user using the input means such as the input button of the device control unit 15. As another configuration, it is possible to provide a line-of-sight detector emt that automatically detects the movement of the line of sight e in the vertical direction and automatically control the vertical movement of the video display unit 10 based on the detection output.
[0030]
Such a line-of-sight detector emt can be mounted on the video display unit 10 as shown in FIG. As a line-of-sight detection sensor, a CCD camera captures the position of the user's eyeball and detects the position of the eyeball, or by applying infrared rays to the eyeball and using the difference in reflectance between white and black eyes, There is a method of detecting the position of the eyeball by detecting the amount of light that comes.
Similarly, a head rotation detector (see FIG. 7) that automatically detects the left-right rotation of the head can be provided, and thereby the left-right rotation of the head can be automatically detected. As such a head rotation detector, an image processing circuit such as a pressure sensor or a CCD camera can be applied.
[0031]
FIG. 5 is a block diagram of the control system, showing both the manual input mode and the automatic control mode.
In the manual input mode, the device control unit 15 sends motor control signals 15a and 15b to the stepping motors 13a to 13c and the propulsion motor 10B based on the instruction input signal 28a input from the manual input panel 28, respectively.
On the other hand, in the automatic control mode, the device control unit 15 performs motor control signals based on the line-of-sight detector signal e2 input from the line-of-sight detector emt and / or the head movement detection signal 29a input from the head movement sensor 29. 15a and 15b are sent to the stepping motors 13a to 13c and the propulsion motor 10B, respectively.
[0032]
  Next, FIG. 6 shows a follow-up virtual image display system according to the present invention.Of one embodimentIt is a whole perspective view. FIG. 7 is a perspective view illustrating the headrest portion shown in FIG. In this configuration, the lower end of the headrest 32 is attached to the chair 31 so as to be rotatable left and right by the rotation motor 33, and one end of the video display unit support mechanism 30 is attached to the upper end of the headrest 32. The video display unit 10 is provided at the other end of the screen.
[0033]
The video display unit support mechanism 30 includes a stepping motor 13m, an arm 14m, and the like similar to those in the above embodiment, and rotates the video display unit 10 in the vertical direction as in the above embodiment.
The headrest 32 is rotatable about the center of the user's head, and a pressure-sensitive sensor 36 as shown in FIG. 7 is provided at a portion where the user's head contacts the headrest 32.
[0034]
The user will appreciate the virtual image formed by the video display unit 10 leaning against the headrest 32, but when the user rotates his / her head left and right, the pressure in the rotational direction increases and the pressure in the opposite direction decreases. In order to eliminate this difference, the rotation motor 33 is driven to rotate the headrest 32. Then, the video display unit 10 attached to the headrest 32 rotates in the left-right direction according to the movement of the headrest 32.
Thereby, the user can always appreciate the virtual image at a comfortable position.
[0035]
FIG. 8 is a simplified diagram showing an optical system according to an embodiment of the present invention, and shows an optical system that changes the distance of a virtual image.
In the figure, O1 or O2 represents the principal point of the lens 13R or 13L, and F1 or F2 represents the focal point of the lens 13R or 13L, respectively. O represents the midpoint between the principal points O1 and O2.
The center point of the display panel 14R or 14L (for example, when the display panels 14R and 14L are rectangular), the midpoint O and the focal point F1 or F2 are connected to each other. They are positioned on the straight lines OF1 and OF2, respectively, and are disposed so as to be positioned on the same plane.
[0036]
This is due to the following reason. For example, the direction from the principal point O2 to O1 is taken as the d-axis, and the optical axis direction of the lens 13L (the direction from the principal point O2 to the focal point F2 is taken as the s-axis. (S1, d1), the center point with the virtual image formed by the lens 13L is M1 ′, and the coordinates on the sd plane are (s1 ′, d1 ′), and the focal points F1 and F2 Let O ′ be the midpoint between.
[0037]
In this case, as described above, since the display panel 14R or 14L is in the same plane and the center point thereof is on the straight line OF1 or OF2, the display panels 14R and 14L have the main planes of the lenses 13R and 13L ( This is also equidistant from the same plane as described above. Therefore, since the virtual images R and L are also in the same plane, if the center points of the virtual images R and L are both on the straight line OO ′ connecting the middle points O and O ′, the virtual images R and L are the same. Will be in position.
[0038]
Therefore, since the center point M1 (s1, d1) of the display panel 14L is on the straight line OF2, the following equation is established.
d = L / 2−L × s1 / (2 × f)
However, L represents the distance between the principal points O1 and O2, and f represents the focal length of the lens 13L.
On the other hand, the following formula is established by the imaging formula.
1 / f = 1 / s1-1 / s1 '
Further, since the principal point O2 and the center points M1 and M1 'are on a straight line, the following expression is established.
s1 / s1 '= d1 / d1'
[0039]
From the above formula
d1 '= L / 2
Is obtained. This indicates that the center point M1 'of the virtual image L is on the straight line OO'.
The optical system formed by the lens 13L and the optical system formed by the lens 13R are symmetric with respect to the straight line OO ', and therefore the center point of the virtual image R is also on the straight line OO'.
[0040]
As described above, the virtual images R and L are on the same plane, and their center points are both on the straight line OO ′, so that the virtual images R and L are at the same position.
Therefore, the user can observe the virtual image without difficulty in a state where the convergence adjustment of both eyes is matched, that is, in a relaxed state.
[0041]
In the video display unit 10, the center point of each display panel 14R or 14L is moved synchronously so as to be included in the same plane on the straight line OF1 or OF2, thereby the virtual image R And the position where L is formed is moved from near the user to infinity (the distance from the user to the virtual images R and L is changed).
[0042]
The display panels 14R and 14L are moved by, for example, a virtual image distance control motor 45 (see FIG. 9) configured by a stepping motor or the like. Further, each of the display panels 14R or 14L moves in a range on the lens 13R side or 13L side from the focal point F1 or F2. This is because, as described above, in order to observe a virtual image of an object, the object needs to be located closer to the lens than the focal length.
[0043]
By moving the display panels 14L and 14R to positions close to or far from the lenses 13L and 13R, the virtual images L and R move to positions close to or far from the user, respectively.
[0044]
Further, since the distance from the user to the virtual images R and L can theoretically be changed by the distance between the lenses 13L and 13R and the display panels 14L and 14R, it is not the display panels 14L and 14R. It is also possible to change the position by moving the lenses 13L and 13R.
[0045]
In FIG. 8, the lenses 13L and 13R that are convex lenses are used as the magnifying optical system. However, in addition to the convex lens, for example, a concave mirror or the like can be used as described later.
[0046]
Further, in FIG. 8, a virtual image to be observed by the left eye is independently formed by the lens 13L and the display panel 14L, and a virtual image to be observed by the right eye is independently formed by the lens 13R and the display panel 14R. Therefore, according to this configuration, it is possible to provide a three-dimensional virtual image in addition to a two-dimensional (planar) virtual image. That is, for example, by displaying a left-eye image or a right-eye image of a stereoscopic image using binocular parallax on the display panel 14L or 14R, a stereoscopic virtual image is provided to the user. Can do.
[0047]
Next, FIG. 9 is a perspective view illustrating a configuration example of the video display unit 10.
The lenses 13L and 13R are attached to the bottom panel 42 at an interval such that the distance between their optical axes (principal points) is an average distance between the human left eye and the right eye, for example. The bottom panel 42 is fixed to the lower left frame spacer 11C and the lower right frame spacer 11D.
[0048]
In addition to the frame spacers 11C and 11D, a front panel 40 and a rear panel 41 are provided so as to sandwich the upper left frame spacer 11A and the upper right frame spacer 11B. A motor mounting portion 44 for fixing the virtual image distance control motor 45 is provided in the upper center between the front panel 40 and the rear panel 41. The virtual image distance control motor 45 is configured to move the screwed motor shaft 46 in the vertical direction by rotating.
[0049]
In FIG. 9, the front panel 40, the back panel 41, and the bottom panel 42 are made transparent. However, this is for convenience of illustration, and these are always made of a transparent member. There is no need.
[0050]
In a space sandwiched between the front panel 40 and the back panel 42, a panel holder 39 to which the display panels 14L and 14R are attached is provided.
That is, the panel holder 39 has panel mounting portions 19L and 19R, and the display panel 14L or 14R is mounted on the panel mounting portion 19L or 19R so that the display screen faces the lens 13L or 13R, respectively. It has been. Then, the panel attachment portion 19L or 19R extends in a horizontal direction (in FIG. 9, in a direction parallel to the main plane of the lenses 13L and 13R) along the shaft 20L or 20R of the panel holder 39. ) Can be moved respectively.
[0051]
Further, a pin 23L or 23R is provided on the front side of the panel mounting portion 19L or 19R, and the pin 23L or 23R is passed through a frame groove 21L or 21R provided in the front panel 40, respectively. .
Here, the frame groove 21L or 21R is provided in the direction of upward left (downward to the right) or upward (downward to the left) along the straight line OF2 or OF1 described in FIG.
[0052]
Similarly to the frame groove 21L or 21R of the front panel 40, the frame groove 22L or 22R is also provided on the back panel 41, respectively. Further, pins (not shown) are provided on the back side of the panel mounting portion 19L or 19R in the same manner as the pins 23L or 23R, respectively, and the pins provided in the panel mounting portion 19L or 19R are respectively connected to the rear panel. 41 is passed through the frame groove 22L or 22R.
[0053]
Therefore, when the panel holder 39 is moved upward as a whole, the panel mounting portion 19L or 19R moves the shaft 20L or 19R by moving the pin 23L or 23R along the frame groove 21L (22L) or 21R (22R), respectively. Move to the left or right along 20R, respectively. When the panel holder 39 moves downward as a whole, the panel mounting portion 19L or 19R moves the shaft 20L or 19R by moving the pin 23L or 23R along the frame groove 21L (22L) or 21R (22R), respectively. Move to the right or left along 20R.
[0054]
As a result, in conjunction with the vertical movement of the panel holder 39, the display panels 14L and 14R move along the frame grooves 21L (22L) or 21R (22R), that is, as described with reference to FIG. Each of them moves on the OF2 or OF1 so as to be included in the same plane.
[0055]
A center plate 27 is provided at the center of the panel holder 39, and one end of a motor shaft 46 is attached to the center plate 27. Accordingly, the panel holder 39 moves up and down together with the motor shaft 46. That is, as the virtual image distance control motor 45 rotates, the display panels 14L and 14R move on the straight line OF2 or OF1 so as to be included in the same plane.
[0056]
In the embodiment of FIG. 9, the half mirror 43 is fixed to the boundary portion between the back panel 41 and the bottom panel 42 so as to be inclined with respect to the back panel 41. The front surface of the half mirror 43 is a reflecting surface.
[0057]
In the image display unit 10 configured as described above, an image is displayed on the display panel 14L or 14R and enlarged by the lens 13L or 13R, respectively. The enlarged image obtained by the lens 13L or 13R is reflected by the half mirror 43 and enters the left eye or right eye of the user, respectively. Thereby, a virtual image is observed in a user's eyeball. The light from the outside passes through the surface opposite to the reflecting surface of the half mirror 43 and enters the left eye or the right eye of the user. Observed.
[0058]
Then, the virtual image distance control motor 45 rotates, whereby the display panels 14L and 14R move on the straight line OF2 or OF1, respectively, so that the virtual image observed by the user is at various distances from the user. It is formed.
[0059]
In FIG. 9, the magnified image obtained by the lens 13L or 13R is reflected by the half mirror 43 and is incident on the user's eyeball. However, the lenses 13L and 13R are not provided without the half mirror 43. The enlarged image obtained in
It is also possible to enter the user's eyeball. However, in this case, the display panels 14R and 14L are located in front of the user. It is difficult to confirm the external situation (scenery) corresponding to the range of the blocked visual field.
[0060]
FIG. 10 is a schematic front view of the operation when the line of sight is horizontal in one embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a schematic front view of the operation when the line of sight faces downward.
By the way, for example, the conventional bifocal glasses are focused on an object at a long distance above (horizontal above) and at a short distance below (horizontal below) according to the direction of the user's line of sight.
[0061]
In the present invention, when the direction of the user's line of sight e is upward, including the horizontal state, as shown in FIG. The distance between 14L and lens 13L and the distance between display panel 14R and lens 13R are both long. Due to this positional relationship, the virtual image ig is formed far away (for example, the position of Lig = 15 m).
[0062]
On the other hand, as shown in FIG. 11, when the direction of the user's line of sight e is downward, the video display unit 10 is rotated downward. At this time, the display panels 14R and 14L are interlocked with each other in the left-right direction. And the distance between the display panel 14L and the lens 13L and the distance between the display panel 14R and the lens 13R are both shortened. Due to this positional relationship, the virtual image ig is formed in the vicinity of the user (for example, the position of Lig = 0.5 m).
[0063]
The above configuration changes the distance of the virtual image by tilting the line of sight downward, so that the virtual image can be displayed in a clear state with few aberrations at a position that is easy for the user to see.
[0064]
FIG. 12 is a flowchart of the operation of this embodiment. As shown in the figure, when the line of sight is detected by the line of sight detector (step S1), this output is sent to the virtual image distance control computer to identify the line of sight angle (steps S2 to S4), and the virtual image distance is identified (step). S5 to S7), the distance of the virtual image is changed by sending a signal corresponding to the virtual image distance to the virtual image distance motor. This operation is executed by the device control unit 15 (see FIG. 1).
[0065]
FIG. 13 is a simplified diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention, and a concave mirror 13V is used in the image display unit 10C instead of the lens. You may use a concave mirror and a lens together.
[0066]
FIG. 14 is a simplified diagram showing the configuration of still another embodiment of the present invention, and is suitable for application where it is not necessary to superimpose images of the outside world. Since the video display unit 10D does not need to be see-through, it has a simple and inexpensive configuration in which the half mirror of the above embodiment is removed.
[0067]
FIG. 15 is a perspective view for explaining a mechanism related to another video display unit of the follow-up virtual image display system of the present invention. This video display unit 10G is the same as the video display unit 10 shown in FIG. In this configuration, the motor mounting portion 44, the virtual image distance control motor 45, and the drive portion by the motor shaft 46 are replaced with a drive portion including a distance shaft 47, a shaft fitting insertion plate 48, and a panel holding spring 49.
Here, the distance shaft 47 is driven in the vertical direction by a cam, a plunger or the like (not shown). Other configurations are the same as those in FIG. 9, and the description thereof is omitted.
[0068]
FIG. 16 is a schematic front view of the operation of the video display unit 10G shown in FIG. 15 when the line of sight is horizontal. When the line of sight e is horizontal, the distance shaft 47 is positioned upward, and thus the display panel 14L. The distance between the lens 13L and the lens 13L (and the distance between the display panel 14R and the lens 13R (not shown)) is long. Due to this positional relationship, the virtual image ig is formed far away.
[0069]
FIG. 17 is a schematic front view of the operation of the video display unit 10G shown in FIG. 15 when the line of sight is downward. When the line of sight e is downward, the distance shaft 47 descends downward, and the display panel 14L The distance between the lenses 13L (and the distance between the display panel 14R and the lens 13R (not shown)) is shortened. Due to this positional relationship, the virtual image ig is formed nearby.
[0070]
As described above in detail, the present invention realizes a virtual image display system that changes the virtual image to be presented by following the movement of the user's line of sight or / and the head movement. You can appreciate the virtual image in a few positions. Furthermore, by incorporating a mechanism that changes the distance of the virtual image according to the line-of-sight direction, the virtual image can be displayed at a position that is easy for the user to see.
[0071]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, For example,
1. A method of using other motors (including a positioning mechanism such as a rotary encoder) such as an ultrasonic motor, a DC motor, and a servo motor instead of a stepping motor.
2. A method of using other display elements such as a small CRT instead of a liquid crystal panel.
3. Rather than seeing with both eyes of the user, one eye type.
4). A method in which an auxiliary display screen is provided and used in combination with a video display unit.
Various modifications are possible.
[0072]
【The invention's effect】
  As detailed above, the present inventionPertaining toThe follow-up type virtual image display system includes a moving mechanism for moving the image display unit, and the moving mechanism moves the image display unit to a position where the optical axis of the virtual image optical system overlaps the optical axis of the user's line of sight.so,By interlocking with the additional configuration, the video display unit can be freely moved following the movement of the user's line of sight or / and the head movement. As a result, the optical axis of the video display unit can be overlapped with the optical axis of the line of sight, and a clear virtual image can be provided to the user.
[0078]
  The present inventionPertaining toFollow-up virtual image display systemThen, videoThe display unit is configured to automatically rotate up and down by the output of the line-of-sight detector and to automatically rotate horizontally by the output of the head movement detector. As a result, it is possible to automatically follow the movement of the user's line of sight and to automatically follow the rotational movement of the head. Therefore, even if the user moves his / her line of sight and rotates his / her head, it is automatically adjusted to a position where there is always little aberration, and a clear virtual image can be viewed.it can.With a moving mechanism that includes a headrest, pressure sensor, and video display support mechanism,aboveAn effect is obtained.
[0079]
  Of the present inventionClaim 2A follow-up virtual image display system according to claim 11 relatedIn other words, in addition to the rotation of the video display unit corresponding to the movement of the user's line of sight or / and the rotation of the head, the distance of the virtual image is changed while matching the convergence and the adjustment. As a result, it is possible to provide a virtual image suitable for the user's work state and visual acuity at a desired position and in a clear state with few aberrations.
[0080]
  Of the present inventionClaim 3A follow-up virtual image display system according to claim 11 relatedIn other words, in addition to the rotation of the video display unit corresponding to the movement of the user's line of sight or / and the rotation of the head, the distance of the virtual image is changed by the vertical inclination of the line of sight. Therefore, it becomes possible to display the virtual image at a position that is easy for the user to see and in a clear state with few aberrations.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall perspective view of an embodiment of a follow-up virtual image display system according to the present invention.
FIG. 2 is an exploded perspective view illustrating details of the video display unit support mechanism shown in FIG. 1;
FIG. 3 is an exploded perspective view for explaining other details of the image display unit support mechanism shown in FIG. 1;
4 is a plan view for explaining the operation of the tracking virtual image display system shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 5 is a block diagram of a control portion of the tracking virtual image display system shown in FIG. 1;
FIG. 6 is an overall perspective view of another embodiment of the follow-up virtual image display system according to the present invention.
7 is a perspective view illustrating the headrest portion shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a simplified diagram showing an optical system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a perspective view illustrating the mechanism of the video display unit of the follow-up virtual image display system according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic front view of an operation when the line of sight is horizontal in one embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a schematic front view of an operation when the line of sight faces downward in one embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a flowchart of the operation of the embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a simplified diagram showing the configuration of another embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a simplified diagram showing the configuration of still another embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a perspective view illustrating a mechanism relating to another video display unit of the follow-up virtual image display system of the present invention.
16 is a schematic front view of the operation of the video display unit shown in FIG. 15 when the line of sight is horizontal.
17 is a schematic front view of the operation of the video display unit shown in FIG. 15 when the line of sight faces downward.
FIG. 18 is a simplified diagram showing a configuration of a conventional HMD system.
FIG. 19 is an explanatory diagram of a main part of a conventional viewfinder.
[Explanation of symbols]
D: Follow-up virtual image display system according to the present invention, 10: Video display unit, 11: Video display unit support mechanism, 12: Guide rail, 13a to 13c: Stepping motor, 14: Arm, 15 ...... Device controller, 16 ... first signal line, 17 ... second signal line, 18 ... chair, 24 ... arm, 25 ... arm, e ... gaze, emt ... gaze detector, x ……optical axis

Claims (3)

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。
A follow-up virtual image display system configured to include a video display unit having a virtual image optical system, and to make the virtual image available on a user's line of sight,
A chair in which the lower end of the headrest is attached to the top so as to be able to rotate left and right around the center of the user's head;
A moving mechanism for moving the video display unit together with the virtual image optical system;
The virtual image optical system is configured to form an enlarged virtual image of a display panel corresponding to both eyes at the same position in space,
The moving mechanism includes a pressure-sensitive sensor provided at a portion of the headrest where a user's head contacts, and one end attached to the upper end of the headrest and the image display unit provided at the other end. The image display unit support mechanism that rotates in the vertical direction, and a rotation motor that rotates the headrest according to the output obtained from the pressure-sensitive sensor in response to the movement of the seated person of the chair. The image display unit is moved to a position where the optical axis of the virtual image optical system overlaps the optical axis of the line of sight, thereby enabling virtual image observation in a state where convergence adjustment of both eyes is matched. Follow-up virtual image display system.
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。The follow-up virtual image display system according to claim 1, wherein the video display unit is configured to be movable in a position where the virtual image is formed. 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。The video display unit is configured to be movable at a position where the virtual image is formed, and is configured to form the virtual image at a position closer to the user when the line of sight of the user is downward. The tracking-type virtual image display system according to claim 1 .
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