JP2000175126A - 頭部装着型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 観察者の瞳と装置側の射出瞳とのズレを眼球
像を受像して容易且つ的確に調整する頭部装着型映像表
示装置の提供。 【解決手段】 本発明の構成は、映像を表示する映像表
示素子と、上記映像を観察者の眼球内に投影する投影光
学系と、上記投影光学系により導かれた上記映像表示素
子から発せられる光線の射出瞳にいたるまでの結像光束
の外側に設けられ、観察者の眼に光束を照射する光源
と、前記光源からの光束によって観察者の眼で反射した
光束が形成する像を受光する受光素子とを有することを
特徴する頭部装着型映像表示装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、頭部装着型映像表示
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、個人で大画面の映像を楽しむた
め、また屋外に携帯して映像を見ることができるように
するためなどを目的として、観察者の頭部に保持する頭
部装着型映像表示装置が考え出されている。例えば、図
７は、従来の頭部装着型映像表示装置の一例であり、観
察者が使用している状態を示す部分断面図である。この
頭部装着型映像表示装置１０１では、観察者の頭部に装
着されて両眼前方に配置される映像表示素子１０２と、
音声を再生する音声再生素子１０３を有している。これ
らの映像表示素子１０２と音声再生素子１０３は、映像
信号供給用コード１０４、及び音声信号供給用コード１
０５を介して図示しない映像・音声信号供給部と接続さ
れている。

【０００３】そして、映像表示素子１０２の顔面寄りの
位置の装置開口部１０６内には、投影光学系１０７が取
りつけられている。この投影光学系１０７は、映像表示
素子１０２に表示された映像を拡大して、観察者の眼球
１０８内に投影させるように、映像表示素子１０２と所
定の間隔をおいて配置されている。このような頭部装着
型映像表示装置により、小型の映像表示素子で大画面映
像の迫力が得られるとともに、周囲に映像情報をもらす
ことなく、観察者の楽な姿勢で映像を楽しむことができ
るが、観察者の眼幅には個人差があるため、投影光学系
１０７による投影像を眼球１０８内に良好に導くことが
できなくなることがある。

【０００４】そのため、実開平２─８２１７５，特開平
４─２６２８８号公報，特願平４─２６７５０４号にお
いて、両眼の間隔の個人差にあわせて、投影光学系の右
眼用と左眼用の射出瞳の間隔が調整可能な頭部装着型映
像表示装置が考え出されている。一方頭部装着型映像表
示装置は観察者の頭部に装着することから、疲労軽減お
よび危険防止のため、映像表示素子を小型軽量化させる
必要があり、主として液晶を用いている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この液
晶を用いた映像表示素子には視角依存性がある。つま
り、一般的に液晶ディスプレイの法線方向から約５度以
内の範囲の方向へ発せられる光では、高いコントラスト
を持つので良好な映像が得られるが、それ以外のところ
では、良好な映像が得づらくなってしまう。

【０００６】すなわち、図８に示すごとく映像表示素子
１０２から発せられる光の開口数が小さいために、投影
光学系１０７による射出瞳１０９の射出瞳径が小さく限
られてしまう。また、眼球に導かれる光量を増やすため
に、レンズ系等を用いて映像表示素子からの光の集光性
を高めようとすると、射出瞳も小さく限られてしまう。

【０００７】そのため、観察者１１０が良好な映像を得
るためには、良好な映像が得られる光を観察者の左右の
瞳１１１及び１１２の全面で受ける必要があるので、射
出瞳１０９又はその前後の良好な光の交わっている領域
内に観察者の瞳を置かねばならない。図８は、観察者１
１０の左眼の瞳１１１が射出瞳１０９と重なっているの
で、左眼では良好な映像を観察しているが、右眼の瞳１
１２が射出瞳１０９とずれており、右眼では良好な映像
を観察できておらず、両眼視ができていない状態を示す
ものである。

【０００８】一般に、観察者は両眼で観察しているかど
うかがわからず、それを確かめるために、片眼を瞑って
両眼視できているかどうかを確認しなければならない。
また瞳がずれていたときにどちらの方向に装置を調整し
たらよいのかがわかりにくい。そのため観察者は、頭部
装着型映像表示装置を使用する際に煩雑な瞳合わせを行
わなくてはならない。

【０００９】このような従来技術の問題点に鑑み、本願
発明の第１の目的は、観察者の瞳位置や方向を読み取
り、瞳ズレを感知することであり、本願発明の第２の目
的は、瞳合わせの操作が完了した後には、瞳ズレ指示表
示を消して、映像観察の邪魔になる表示の排除や電力消
耗の防止をも考慮した頭部装着型映像表示装置の提供に
ある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような従来技術の課
題を解決するために、本願第１の発明の頭部装着型映像
表示装置の構成は、映像を表示する映像表示素子と、上
記映像を観察者の眼球内に投影する投影光学系と、上記
投影光学系により導かれた上記映像表示素子から発せら
れる光線の射出瞳にいたるまでの結像光束の光路の外側
に設けられ、観察者の眼に光束を照射する光源と、前記
光源からの光束によって観察者の眼で反射した光束が形
成する像を受光する受光素子とを有することを特徴とす
るものである。

【００１１】また、このような従来技術の課題を解決す
るために、本願第２の発明の頭部装着型映像表示装置の
構成は、映像を表示する映像表示素子と、上記映像を観
察者の眼球内に投影する投影光学系と、観察者が、瞳ズ
レを指示する表示を観察することによって、自ら瞳ズレ
を認識するような指示表示を行なう瞳ズレ指示表示部
と、前記瞳ズレの調整の後に、前記瞳ズレ指示表示光束
が不要となるので、通常の映像観察の前段階にて、瞳ズ
レ指示表示を消す手段とを有したことを特徴とするもの
である。

【００１２】

【作用】上記第１の発明の構成により、観察者の眼球瞳
を光源によって照明し、その眼球瞳像を受光することに
よって、観察者の瞳位置や方向を読み取り、瞳ズレを感
知することができる。

【００１３】また、上記第２の発明の構成により、通常
の映像観察前に、前記投影光学系を介して観察者眼球に
投影された瞳ズレ指示表示像を、観察者が見て、瞳ズレ
を調整し、調整後にはこの瞳ズレ指示表示が消えた後
で、通常の映像の観察を行なうことができる。

【００１４】

【実施例】以下に本願発明の頭部装着型映像表示装置の
実施例について説明する。まず図１に基づき本願発明の
第１実施例を説明する。本実施例は、投影光学系１とし
て透過用レンズを用いた場合の例である。また、瞳ズレ
指示部２ａを投影光学系１のもっとも眼側のレンズ面に
配置する構成をとっている。

【００１５】瞳ズレ指示部２ａは、液晶表示素子３から
の良好な映像を得るために必要な光束が射出瞳４に至る
までの結像光束５の外側に接触して輪帯状に配置されて
いる。この瞳ズレ指示部２ａは、ここでは赤色のセロフ
ァンで構成されている。液晶表示素子３を射出したコン
トラストの高い光束は、投影光学系１により形成された
射出瞳４を通過する。そしてこの射出瞳４の近傍に観察
者の瞳を置くことにより観察者の眼球内の網膜上に像を
結像させることができる。

【００１６】そして、瞳ズレ指示部２ａは結像光束５の
外側を通過する液晶表示素子３からの光束を受け、瞳ズ
レ指示部２ａを透過した光束は、赤色の瞳ズレ指示光束
６として、射出瞳４の外側近傍を通過する。この瞳ズレ
指示光束６は、観察者の眼球の瞳が射出瞳４と重なって
いない時に眼球内に導かれるため、観察者は眼球の瞳と
射出瞳４とが合っていないことがわかるのである。

【００１７】本実施例の特徴は、非常に簡単な構成で観
察者に瞳がずれていることを知らせることができる点に
ある。観察者は、瞳ズレ指示光束６による赤色光が見え
ないように、装置を調整すればよい。なお、ここでは瞳
ズレ指示部として赤色のセロファンを用いたが、本願発
明はこれに限らず、他の色のフィルターやダイクロイッ
クフィルター、ダイクロイックミラー、単に幾つかの穴
を開けたフィルター等を用いてもよい。また結像光束の
外側に接触させずともその近傍でもよい。また輪帯状に
配置した構成以外にも結像光束の周辺の幾つかの所望箇
所に配置した構成をとってもよい。また、瞳ズレ指示部
２ａを投影光学系１のもっとも眼側のレンズ面に配置し
た例を示したが、この瞳ズレ指示部の配置もこの位置に
限られるものではなく、光路途中のレンズ間でもよく、
またレンズに着色をして瞳ズレ指示部としてもよい。

【００１８】また、両眼で映像を観察する場合、右眼用
及び左眼用のどちらの射出瞳がずれているかを知るため
に、先の瞳ズレ指示部２ａの右眼用と左眼用とで、違う
色を使う等の構成をとってもよい。

【００１９】図２に基づき本願発明の第２実施例を説明
する。本実施例も第１実施例と同様に、投影光学系とし
て透過用レンズを用いた場合の例であり、第１実施例と
同じ構成には同じ番号を付し、説明は省略する。第１実
施例と違う点として、瞳ズレ指示部２ｂからの瞳ズレ指
示光束６を液晶表示素子３からの光束を使わずに別光路
としたものである。

【００２０】この瞳ズレ指示部２ｂは、矢印を表示する
指示表示部７と指示表示投影レンズ８及び指示表示反射
部材９のミラーにて構成されている。指示表示部７は、
例えばスクリーン上に矢印を印刷したものを用いる。こ
の指示表示部７から射出した光束を瞳ズレ指示部２ｂ中
の指示表示投影レンズ８及び指示表示反射部材９のミラ
ーを介して瞳ズレ指示光束６としている。ここでは指示
表示部７の背面からあてる光源として外界光を用いてい
る。

【００２１】そして、第１実施例で記載したように投影
光学系１により生成された液晶表示装置３から発せられ
る結像光束５の射出瞳４の外側近傍に、先に記載した瞳
ズレ指示光束６を通過させる。この瞳ズレ指示光束６に
より導かれた指示表示部７の矢印を観察者の眼球内に投
影することにより、瞳がずれた際にどちらの方向へ装置
を調整したらよいかを観察者に知らせることができる。
観察者はこの表示を見て、装置を調整するだけでよい。

【００２２】また、指示表示投影レンズ８の焦点距離に
より、眼球内に導かれる映像の像と指示表示部７の像を
同時に合焦点で見ることができ、さらに装置の調整が容
易となる。指示表示部７の指示するものは矢印以外に
も、上下左右を表す記号等でもよい。指示表示部７の背
面からあてる光源として、他に電球を用いてもよく、Ｌ
ＥＤ等の発光素子や発光素子のアレー等ここに記したも
の以外の構成を用いてもよい。また、指示表示部７自体
が発光するプラズマディスプレイ等を用いてもよい。

【００２３】眼幅調整が終わった後は、瞳ズレ指示光束
６は不要となるので、照明光を消すか遮る等の操作を行
うことで、通常観察時には瞳ズレ指示光束を消すことが
できる。なお、ここでは指示表示反射部材としてミラー
を用いたが、本願発明はこれに限らず、プリズムを用い
てもよく、また偏心させた光学系等を用いてプリズム作
用を利用し指示表示部７からの光束を屈曲させてもよ
い。また、指示表示反射部材を用いずに指示表示部から
の光束が瞳ズレ指示光束となるように瞳ズレ指示部を傾
ける等してもよい。また、指示表示投影レンズも特に必
要とするものでもない。

【００２４】また瞳ズレ指示部２ｂは結像光束５の外側
に接触させずともその近傍でもよく、また配置場所も第
１実施例と同様に結像光束５の周辺の幾つかの所望する
箇所でよい。また、第１実施例と同様に、両眼で映像を
観察する場合、右眼用及び左眼用のどちらの射出瞳がず
れているかを知るために、瞳ズレ指示部２ｂの右眼用と
左眼用とで、違う色を使う、指示表示部７に左右、ＬＲ
を表す表示をする等の構成をとってもよい。

【００２５】図３に基づき本願発明の第３実施例を説明
する。本実施例は、投影光学系１として接眼部に反射凹
面鏡１０を用いた場合の例である。ここでは、映像表示
素子としてプラズマディスプレイ１１を用いている。ま
た、投影光学系１の瞳位置近傍に瞳ズレ指示部２ｃを配
置したものである。本実施例の場合は、瞳ズレ指示部２
ｃに用いる光源として電球１２を用いている。また、瞳
ズレ指示部２ｃ中の反射部材１３は、透明なプラスチッ
クの角柱の一方の端面を斜めにカットした構成であり、
電球１２からの光を反射させ、投影光学系１の内部に導
いて瞳ズレ指示光束６としている。

【００２６】また、瞳ズレ指示光束６が射出瞳４近傍で
光軸に対して平行になるように反射部材１３のカットし
た部分の角度が調節されている。プラズマディスプレイ
１１から射出した光は、投影光学系１を透過及び投影光
学系１内の反射凹面鏡１０で反射し、射出瞳４を形成し
ている。また反射部材１３のカットした部分の角度を調
節することにより、瞳ズレ指示光束６が射出瞳４近傍で
光軸に対して平行になるので光軸方向に観察者の瞳位置
がずれても瞳ズレ指示光束６が眼に入らず気にならない
が、光軸に対して横方向（図中のＸＹ面内）に観察者の
瞳位置が投影光学系１の射出瞳４とずれた時には、瞳ズ
レ指示光束６が眼球内に導かれる。

【００２７】なお、瞳ズレ指示部２ｃに用いる光源とし
て本実施例では電球１２を用いているが、第２実施例と
同様に外界光、ＬＥＤ等の発光素子、発光素子のアレー
等の構成を用いてもよい。本実施例の場合は、瞳ズレ指
示部２ｃ中の反射部材１３のかわりに先に示した偏心さ
せた光学系やオプティカルファイバー等でも同等の効果
が得られる。

【００２８】図４に基づき本願発明の第４実施例を説明
する。本実施例も第３実施例と同様に、投影光学系１と
して接眼部に反射凹面鏡１０を用いた場合の例であり、
投影光学系１の瞳位置近傍に瞳ズレ指示部２ｄを配置し
たものである。この瞳ズレ指示部２ｄは光源としての電
球１３、受光素子１４、及び電球１３からの光を投影光
学系１内へ導き且つ瞳ズレ指示部２ｄへ戻ってきた光を
受光素子１４へ導くためのハーフミラー１５とミラー１
６で構成されている。 ここでは映像表示素子として、
液晶表示素子３を用いている。

【００２９】本実施例の特徴は、観察者が瞳指示光束６
から投影光学系１の射出瞳４を調整するのではなく、観
察者の眼で反射した光束が形成する像を瞳ズレ指示部２
ｄの受光素子１４で受光し、観察者の瞳の位置に装置側
の瞳ズレ補正機構１７を使って装置側が自動で射出瞳４
を合わせてしまうものである。投影光学系１の瞳位置で
は、観察者の眼で反射した光束が像を形成しており、図
５のような像ができている。ここに先の受光素子１４を
備えた瞳ズレ指示部２ｄを配置すると、観察者の眼の付
近の像の明るさを監視することができる。一般に、人間
の皮膚および白眼、虹彩は反射率が高いため、先の瞳位
置に形成されるそれらの像は明るく、観察者の瞳を通し
て見える網膜は反射率が低いため形成される像は暗くな
っている。受光素子１４でこの像の明るさの違いを読み
取る。

【００３０】この受光素子１４を備えた瞳ズレ指示部２
ｄを先の瞳位置の近傍に複数個配置し、受光素子１４の
信号を瞳ズレ計算装置１８に送ることにより、観察者の
瞳に対して装置側の射出瞳４がどちらの方向にどれだけ
ずれているかを計算することができる。この計算結果に
基づき、瞳ズレ補正機構１７により装置を自動的に動か
して、射出瞳４を観察者の瞳と重ねあわせることができ
る。瞳のズレを補正する方法としては、例えば、右眼用
または左眼用の映像表示装置全体を移動させる方法や、
投影光学系１の反射凹面鏡１０を傾ける方法、投影光学
系１のレンズの一部を偏心させる方法、液晶表示素子３
の後方に設けられた図示しない光源から発せられる光の
光軸を傾ける方法などがとれる。

【００３１】また、射出瞳４のずれている方向やズレ
量、さらにはズレを補正する幾つかの調整機構のうち、
どこの調整機構を調整したらよいかの情報を、たとえば
液晶表示素子３上に表示して観察者の眼球に導き知らせ
ることも可能である。

【００３２】図６は本願発明の第５実施例を示す図であ
る。投影光学系１、液晶表示素子３の配置は、基本的に
は第３実施例、第４実施例とおなじであるので説明は省
略する。

【００３３】ここでは、投影光学系１の接眼部に用いる
反射凹面鏡がハーフミラー１９で構成されている。そし
て、図６のように瞳ズレ指示部２ｅをハーフミラー１９
の凸面をむけた側に配置し、瞳ズレ指示光束６を結像光
束５の外側に沿わせ射出瞳４の外側近傍を通過させてい
る。この瞳ズレ指示光束６により観察者に瞳がずれてい
ることを知らせることができる。

【００３４】このように、瞳ズレ指示部は投影光学系１
による結像光束５に隣接して設ける必要もないので、瞳
ズレ指示部が結像光束５の近傍に配置出来ないといった
制作上の制限によらず先の構成により瞳ズレ指示部を配
置できる。また、先に示した通り接眼部に用いる反射凹
面鏡がハーフミラー１９であるので、第３実施例、第４
実施例のように瞳ズレ指示光束６が射出瞳４の近傍を平
行に通過するように配置することもできる。

【００３５】また、投影光学系１の接眼部に用いる反射
凹面鏡がハーフミラー１９でなくても、結像光束５が当
たる面がミラー状であり、その外側の面が瞳ズレ指示光
束６を透過するように構成されたミラーでもよいし、単
に凹面鏡の外側に瞳ズレ指示光束６を透過させる構成で
あってもよい。もちろん、このハーフミラー１９の配置
場所もこの位置に限らず、光路中の任意の場所に配置で
きる。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本願第
１の発明によれば、観察者の瞳位置や方向を読み取り、
瞳ズレを感知することができ、本願第２の発明によれ
ば、瞳合わせの操作が完了した後には、瞳ズレ指示表示
を消して、映像観察の邪魔になる表示の排除や電力消耗
の防止をも実現した頭部装着型映像表示装置を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の第１実施例を示す要部側面図であ
る。

【図２】本願発明の第２実施例を示す要部側面図であ
る。

【図３】本願発明の第３実施例を示す要部平面図であ
る。

【図４】本願発明の第４実施例を示す要部平面図であ
る。

【図５】本願発明の第４実施例における瞳位置に形成さ
れる像を示す図である。

【図６】本願発明の第５実施例を示す要部平面図であ
る。

【図７】従来の頭部装着型映像表示装置を観察者が使用
している状態を示す部分断面図である。

【図８】頭部装着型映像表示装置の射出瞳と観察者の瞳
がずれている状態を示す概略平面図である。

【符号の説明】

１ 投影光学系 ２ａ 瞳ズレ指示部 ２ｂ 瞳ズレ指示部 ２ｃ 瞳ズレ指示部 ２ｄ 瞳ズレ指示部 ２ｅ 瞳ズレ指示部 ３ 液晶表示装置 ４ 射出瞳 ５結像光束 ６ 瞳ズレ指示光束 ７ 指示表示部 ８ 指示表示投影レンズ ９ 指示表示反射部材 １０ 反射凹面鏡 １１ プラズマディスプレイ １２電球 １３ 反射部材 １４ 受光素子 １５ ハーフミラー １６ ミラー １７ 瞳ズレ補正機構 １８ 瞳ズレ計算装置 １９ ハーフミラー １０１ 頭部装着型映像表示装置 １０２ 映像表示素子 １０３ 音声再生素子 １０４ 映像信号供給用コード １０５ 音声信号供給用コード １０６ 装置開口部 １０７ 投影光学系 １０８ 眼球 １０９ 射出瞳 １１０ 観察者 １１１ 観察者の左眼の瞳 １１２ 観察者の右眼の瞳

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】映像を表示する映像表示素子と、 上記映像を観察者の眼球内に投影する投影光学系と、 上記投影光学系により導かれた上記映像表示素子から発
   せられる光線の射出瞳にいたるまでの結像光束の光路の
   外側に設けられ、観察者の眼に光束を照射する光源と、
   前記光源からの光束によって観察者の眼で反射した光束
   が形成する像を受光する受光素子とを有することを特徴
   する頭部装着型映像表示装置。
2. 【請求項２】前記受光素子が、前記観察者の眼の像を受
   光し、観察者の眼の付近の像の明るさを監視することが
   できるように構成されたことを特徴する請求項１記載の
   頭部装着型映像表示装置。
3. 【請求項３】映像を表示する映像表示素子と、 上記映像を観察者の眼球内に投影する投影光学系と、 観察者が、瞳ズレを指示する表示を観察することによっ
   て、自ら瞳ズレを認識するような指示表示を行なう瞳ズ
   レ指示表示部と、 前記瞳ズレの調整の後に、前記瞳ズレ指示表示光束が不
   要となるので、通常の映像観察の前に瞳ズレ指示表示を
   消す手段とを有したことを特徴する頭部装着型映像表示
   装置。