JP2003029198A - スキャン型ディスプレイ装置 - Google Patents
スキャン型ディスプレイ装置Info
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Abstract
を組み込みながら、全体の構成を小型・軽量化を実現す
る。 【解決手段】 本発明のスキャン型ディスプレイ装置1
は、光源2から射出された光を光走査手段10により使
用者の頭部付近の投影面12上に走査することにより像
を生じさせて知覚させるものにおいて、スキャン型ディ
スプレイ装置1の光学系を共用しながら使用者の視線方
向を検出する視線検出装置18を組み込んだところに特
徴を有する。この構成によれば、光学系を共用するの
で、装置の構成の小型・軽量化を実現できる。
Description
着して使用するHMD(ヘッドマウントディスプレイ)
に好適するスキャン型ディスプレイ装置に関する。
の視聴用を主目的にして市販されている。HMDに採用
されている表示方式の原理は、液晶ディスプレイなどの
2次元平面ディスプレイからの映像を、光学系を用いて
使用者の目に導いて知覚させる仕組みである。この構成
の場合、頭部に固定された装置を基準として常に固定さ
れた映像が与えられるだけであった。このため、使用者
が視線を動かしたり、頭を振ったりしても、見える映像
は変化しないことから、使用者に不快感を与えることが
あった。
り、使用者の頭部が向いている方向を検出したりして、
その検出結果に応じて映像を変化させる方式が考えられ
る。ここで、頭部が向いている方向を検出する装置とし
て、磁気センサやジャイロセンサを使用する装置があ
る。また、視線を検出する方法として、強膜反射法や角
膜反射法やサーチコイル法等があり、いずれも視線検出
装置として実際に市販されている。しかし、上述したよ
うな視線検出装置や頭部方向検出装置を、HMDに組み
込んだ構成は、民生品としては市販されていない。これ
は、従来の視線検出装置や頭部方向検出装置は、十分に
小型化されていないので、それらをHMDに組み込む
と、全体の構成が大型化してしまい、実用に適しないた
めであると推定される。
ディスプレイ装置を使用することが考えられている。こ
のスキャン型ディスプレイ装置においては、ちょうどブ
ラウン管の内部において電子銃からスクリーンに2次元
的にラスタスキャンすることによって映像を投影するこ
とと同様にして、レーザのような点光源から光線を何ら
かの投影面上に直接2次元走査させて画像を表示して知
覚させている。このディスプレイ装置は、2次元的な大
きさを持つディスプレイが不要となるので、高画質・高
精度の画像を小型軽量の装置で実現する場合に好適する
ものと考えられる。従って、HMDのような頭部に装着
する小型のディスプレイに上記スキャン型ディスプレイ
装置を適用すると、その優位性が発揮されると予想され
る。
型ディスプレイ装置に視線検出装置を組み込もうとした
場合、従来の構成では、スキャン型ディスプレイ装置の
光学系とは別に視線検出装置の光学系を備える必要があ
り、全体の構成が大きくなってしまい、あまり小型化で
きない。
小型化した構成として、使用者の眼の網膜に直接投影し
て知覚させるようにした構成が考えられている。しか
し、この構成の場合、原理的に射出瞳が小さい、即ち、
正常な像を知覚するために使用者の瞳が位置すべき領域
が小さいので、視線を動かすことにより眼球が移動する
と、映像が歪められたりして見えなくなることが指摘さ
れている。これを防ぐには、移動する眼球の位置を検出
して(即ち、視線を検出して)、それに合わせて表示画
像を移動させるようにすれば良い。このような対策を実
現するためには、視線検出装置を組み込むように構成す
れば良いが、小型・軽量化を損なってしまうという問題
点が発生する。
スプレイ装置に視線検出装置を組み込みながら、全体の
構成の小型・軽量化を実現することができるスキャン型
ディスプレイ装置を提供することにある。
ば、スキャン型ディスプレイ装置の光学系を共用しなが
ら使用者の視線方向を検出する視線検出装置を組み込む
ように構成したので、小型・軽量化を実現することがで
きる。この場合、請求項2の発明のように、前記画像投
影面をハーフミラーで構成することが好ましい。
置は、使用者の瞳に不可視光線を照射し、その反射光に
基づいて視線方向を検出するように構成されているの
で、視線方向の検出動作を使用者が知覚することがな
い。この場合、請求項4の発明のように、前記不可視光
線として赤外線を用いることが好ましい。
視光線を、画像情報を2次元的に表示するための光走査
手段に対して一旦照射させてから使用者の眼球へ照射さ
せるように構成することが良い。更に、請求項6の発明
のように、前記不可視光線の光源を、画像情報を表示す
るための可視光線の光源と並べて設置することがより一
層好ましい。
と、画像情報を表示するための可視光線を、同一の光源
から射出させるように構成したので、光源の個数を減ら
すことができ、それだけディスプレイ装置の構成を小型
化できる。
査手段により、画像投影面に反射された視線方向検知用
の不可視光線は、画像情報を表示するための可視光線と
異なる経路で使用者の眼球へ照射されるように構成する
ことが好ましい。更に、請求項9の発明のように、前記
光走査手段により、画像投影面に反射された視線方向検
知用の不可視光線は、その投影面に設置されたホログラ
フィック光学素子により使用者の眼球へ反射されるよう
に構成することがより一層好ましい。
走査手段により、画像投影面に反射された視線方向検知
用の不可視光線は、可視光線用の画像反射面とは別の反
射面により使用者の眼球へ反射されるように構成するこ
とが良い構成である。
段の反射鏡上に、ホログラフィック光学素子を配設する
ように構成したので、構成の小型化をより高めることが
できる。この場合、請求項12の発明のように、前記ホ
ログラフィック光学素子により前記不可視光線のみが反
射され、前記反射鏡により前記可視光線が反射されるよ
うに構成することが好ましい。
ィスプレイ装置の画像投影面を使用者の網膜としたの
で、スキャン型ディスプレイ装置の構成を最も小型化す
ることができる。
いて、図1ないし図8を参照しながら説明する。まず、
図3は、本実施例のスキャン型ディスプレイ装置の全体
構成を概略的に示す斜視図である。この図3に示すよう
に、スキャン型ディスプレイ装置1は、光源2、光変調
器3、光走査ユニット4、光走査ドライバ5、反射光学
系6等を備えて構成されている。
示用の可視光線を射出する可視光光源7と、視線検出用
の不可視光線である例えば赤外線を射出する赤外線光源
8とから構成されている。これら可視光光源7及び赤外
線光源8は、同一場所に並んで配置されている。
7)からの可視光線を、使用者に与える映像情報に応じ
て変調する機能を有している。光走査ユニット4は、光
変調器3からの光信号を2次元画像情報にする機能を有
しており、走査運動するように設けられた光走査ミラー
(反射鏡)9を備えている。光走査ドライバ5は、光走
査ユニット4の光走査ミラー9を走査運動させるように
駆動するものである。この場合、光走査ミラー9、光走
査ユニット4、光走査ドライバ5から光走査手段10が
構成されている。
ーからなる凹面鏡11を備えており、この凹面鏡11の
反射面12が画像投影面を構成している。そして、この
反射面12上に上記光走査ミラー9によって投影された
2次元画像情報13は、使用者の眼球14の水晶体15
により集光されて、眼球14内の網膜16上に結像され
るように構成されている。これにより、使用者は、上記
2次元画像情報13を知覚する。尚、図3において、符
号17で示す2次元画像情報は、網膜16上の結像であ
る。
に組み込まれた視線検出装置18について説明する。こ
の視線検出装置18は、いわゆる強膜反射法によって視
線方向を検出する装置である。ここで、強膜反射法につ
いて、図4及び図5を参照して簡単に説明する。強膜反
射法は、眼球14の表面の角膜(いわゆる黒目)19と
強膜(いわゆる白目)20の境界で光の反射率が異なる
ことを利用して眼球14の位置を検出する方法である。
眼球14の表面の例えば4か所のスポットエリアA、
B、C、Dに例えば赤外線を照射し、その反射光の光量
を赤外線センサで測定し、その検出値(電圧値)によっ
て、眼球14の位置を検出している。この場合、眼球1
4が左を見ている場合には、図4に示すように、4か所
のスポットエリアA、B、C、Dの反射光の検出値は、
それぞれ図4にて4つのグラフで示すようになる。そし
て、垂直方向A+Bの検出値と、水平方向C−Dの検出
値が、図4にて2つのグラフで示すようになる。従っ
て、これら垂直方向A+Bの検出値と水平方向C−Dの
検出値によって、眼球14が左を見ているということを
検出できるのである。
場合には、図5に示すように、4か所のスポットエリア
A、B、C、Dの反射光の検出値は、それぞれ図5にて
4つのグラフで示すようになる。そして、垂直方向A+
Bの検出値と、水平方向C−Dの検出値が、図5にて2
つのグラフで示すようになる。従って、これら垂直方向
A+Bの検出値と水平方向C−Dの検出値によって、眼
球14が中心を見ているということを検出できるのであ
る。
図2に示すように、凹面鏡11の反射面12上に配設さ
れた例えば4個のホログラフィック光学素子21と、こ
れらホログラフィック光学素子21の上方及び下方に位
置して配設された例えば4個の赤外線センサ22とから
構成されている。
向からの特定波長の光のみを特定方向に反射する機能を
有している(この機能の詳細については後述する)。そ
こで、本実施例では、上記4個のホログラフィック光学
素子21は、赤外線光源8から射出されて光走査ミラー
9で反射して到来した赤外線だけを、使用者の眼球14
の表面の所定の位置、具体的には、瞳近傍の角膜19と
強膜20の境界付近(例えば図4及び図5に示すスポッ
トエリアA、B、C、D)へ反射させるように設定され
ている。
記4個の赤外線センサ22により検出され、これらの反
射赤外線の検出結果に基づいて、使用者の視線方向が検
出されるように構成されている。尚、可視光光源7から
射出された可視光線も、上記赤外線と同様にして光走査
ミラー9で反射してホログラフィック光学素子21に到
来するが、ホログラフィック光学素子21は上記可視光
線を反射しない。
装置1においては、可視光光源7から射出された可視光
線と赤外線光源8から射出された赤外線は、光走査ミラ
ー9上の同一点に照射され、走査運動される光走査ミラ
ー9によって反射されて凹面鏡11の反射面(画像投影
面)12に照射されるように構成されている。上記反射
面12は、可視光線だけを全反射または一部反射して使
用者の眼球14へ照射するものである。
が、赤外線及び可視光線をホログラフィック光学素子2
1へ照射するように反射する位置にあるときだけ、赤外
線がホログラフィック光学素子21で反射されて使用者
の眼球14の表面の所定の位置へ照射され、このときだ
け、使用者の視線方向が検出されるように構成されてい
る。これにより、赤外線が無闇に照射されない構成とな
るから、赤外線センサ22の精度を確保することができ
る。
機能について、図6ないし図8を参照して説明する。ま
ず、図6は、透過型のホログラフィック光学素子の角度
依存性を示している。この場合、波長が等しい光線1と
光線2が透過型のホログラフィック光学素子に対して照
射されているが、光線1の方向から照射された場合、あ
る特定の方向に回折されるのに対して、光線2の方向か
ら照射された場合、そのまま透過する構成となってい
る。
光学素子の角度依存性を示している。この場合、波長が
等しい光線1と光線2が反射型のホログラフィック光学
素子に対して照射されているが、光線1の方向から照射
された場合、ある特定の方向に回折されるのに対して、
光線2の方向から照射された場合、反射せずに透過する
構成となっている。
の波長選択性を示している。この場合、波長が異なる光
線1と光線2がホログラフィック光学素子に対して照射
されているが、外界からの光である光線1は、ホログラ
フィック光学素子をそのまま透過するが、表示デバイス
からの光線2は、ホログラフィック光学素子により観察
者の方へ回折されて、光線1と重なって観察者(使用
者)に知覚されるように構成されている。
ャン型ディスプレイ装置1の光学系(光走査手段10や
反射光学系6等)を共用しながら使用者の視線方向を検
出する視線検出装置18を、スキャン型ディスプレイ装
置1に組み込むように構成したので、小型・軽量化を実
現することができる。この構成の場合、視線検出装置1
8は、使用者の瞳に不可視光線として赤外線を照射し、
その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成さ
れているので、視線方向の検出動作を使用者が知覚する
ことがない。
8を、画像情報を表示するための可視光線の光源7と並
べて(即ち、同一場所に)設置したので、装置全体の構
成を小型化することができる。また、上記実施例におい
ては、光走査手段10の凹面鏡(反射鏡)11上に、ホ
ログラフィック光学素子21を配設するように構成した
ので、構成の小型化をより高めることができる。この場
合、ホログラフィック光学素子21により赤外線のみが
反射され、凹面鏡11の反射面12により可視光線が反
射されるように構成したので、赤外線が無闇に照射され
ない構成となり、赤外線センサ22の精度を確保するこ
とができる。
レイ装置1の画像投影面をハーフミラーからなる凹面鏡
11の反射面12としたが、これに限られるものではな
く、スキャン型ディスプレイ装置の画像投影面を例えば
使用者の網膜としても良い。このように構成すると、ス
キャン型ディスプレイ装置の構成を最も小型化すること
ができる。
ある。尚、第1の実施例と同一部分には、同一符号を付
している。この第2の実施例では、可視光光源7と赤外
線光源8を、1つの光源23で置き替えるように構成し
たものである。この光源23は、その発光波長が可視光
光源7及び赤外線光源8の発光波長を網羅している。そ
して、光源23と光走査ミラー9との間に、分光フィル
タ24を配設している。この分光フィルタ24は、光源
23から射出される光の中から可視光線と赤外線の波長
に対応する光だけを分離して利用するためのものであ
る。
は、第1の実施例の構成と同じ構成となっている。従っ
て、第2の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ
作用効果を得ることができる。特に、第2の実施例で
は、可視光光源7と赤外線光源8を1つの光源23で置
き替えるように構成したので、構成をより一層小型化す
ることができる。
例を示す図である。尚、第1の実施例と同一部分には、
同一符号を付している。この第3の実施例では、表示画
像を投影する反射面12の後方に、視線検出用の赤外線
を反射する反射装置25を設けた。尚、反射装置25を
反射面12の前方に配置しても良い。
のみを反射し、他の光線を透過させる機能を有してお
り、このような機能を有する反射鏡で反射装置25を構
成すれば良い。また、凹面鏡11の反射面12は、可視
光線のみを反射し、他の光線を透過させる機能を有して
おり、このような機能を有する反射鏡(例えばダイクロ
イックミラー)で凹面鏡11を構成すれば良い。尚、凹
面鏡11の反射面12上には、ホログラフィック光学素
子21は設けられていない。そして、反射装置25の反
射面26上に、赤外線センサ22が設けられている。
は、第1の実施例の構成と同じ構成となっている。従っ
て、第3の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ
作用効果を得ることができる。
である。尚、第2の実施例及び第3の実施例と同一部分
には、同一符号を付している。この第4の実施例では、
第3の実施例において、可視光光源7と赤外線光源8
を、1つの光源23で置き替えるように構成したもの、
即ち、第2の実施例を組み合わせたものである。従っ
て、第4の実施例によれば、第2の実施例及び第3の実
施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
である。尚、第3の実施例と同一部分には、同一符号を
付している。この第5の実施例では、第3の実施例にお
いて、光走査ミラー9の上面(反射面)にホログラフィ
ック光学素子27を配設した。このホログラフィック光
学素子27は、赤外線光源8からの赤外線を、反射面と
光源8との角度が特定の角度のときだけ、凹面鏡11及
び反射装置25へ向けて反射するように構成されてい
る。
ー9(ホログラフィック光学素子27)の反射面と赤外
線光源8との角度が特定の角度のときだけ、使用者の眼
球14に照射され、そのときだけ、視線方向の検出が実
行されるように構成されている。
は、第3の実施例の構成と同じ構成となっている。従っ
て、第5の実施例においても、第3の実施例とほぼ同じ
作用効果を得ることができる。また、第5の実施例によ
れば、視線検出用の赤外線が無闇に照射されない構成と
なる。
である。尚、第2の実施例及び第5の実施例と同一部分
には、同一符号を付している。この第6の実施例では、
第5の実施例において、可視光光源7と赤外線光源8
を、1つの光源23で置き替えるように構成したもの、
即ち、第2の実施例を組み合わせたものである。従っ
て、第6の実施例によれば、第2の実施例及び第5の実
施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
である。尚、第1の実施例と同一部分には、同一符号を
付している。この第7の実施例では、凹面鏡11の反射
面12の外側に、赤外線のみを反射する赤外線反射面2
8を設けた。具体的には、凹面鏡11として、第1の実
施例よりも大きいものを用意し、その内面に、可視光線
のみを反射する反射面12と、この反射面12の外側に
位置して赤外線反射面28とを設けたものである。尚、
赤外線センサ22は、赤外線反射面28上に配設してい
る。また、ホログラフィック光学素子は設けていない。
光線(及び赤外線)を反射面12に面走査させるとき
に、1回または複数回の面走査に1回程度、赤外線反射
面28に向けて赤外線(及び可視光線)を反射させるよ
うに制御されている。従って、視線検出用の赤外線は、
光走査ミラー9が赤外線反射面28に向けて反射してい
るときだけ、使用者の眼球14に照射されることによ
り、そのときだけ、視線方向が検出されるように構成さ
れている。
成は、第1の実施例の構成と同じ構成となっている。従
って、第7の実施例においても、第1の実施例とほぼ同
じ作用効果を得ることができる。
である。尚、第2の実施例及び第7の実施例と同一部分
には、同一符号を付している。この第8の実施例では、
第7の実施例において、可視光光源7と赤外線光源8
を、1つの光源23で置き替えるように構成したもの、
即ち、第2の実施例を組み合わせたものである。従っ
て、第8の実施例によれば、第2の実施例及び第7の実
施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
プレイ装置の上面図
性を示す図
性を示す図
図
査ユニット、5は光走査ドライバ、6は反射光学系、7
は可視光光源、8は赤外線光源、9は光走査ミラー、1
0は光走査手段、11は凹面鏡、12は反射面(画像投
影面)、14は眼球、15は水晶体、16は網膜、18
は視線検出装置、21はホログラフィック光学素子、2
2は赤外線センサ、23は光源、24は分光フィルタ、
25は反射装置、26は反射面、27はホログラフィッ
ク光学素子、28は赤外線反射面を示す。
Claims (13)
- 【請求項1】 光源から射出された光を光走査手段によ
り使用者の頭部付近の投影面上に走査することにより像
を生じさせて知覚させるスキャン型ディスプレイ装置に
おいて、 前記スキャン型ディスプレイ装置の光学系を共用しなが
ら使用者の視線方向を検出する視線検出装置を組み込ん
だことを特徴とするスキャン型ディスプレイ装置。 - 【請求項2】 前記画像投影面がハーフミラーであるこ
とを特徴とする請求項1記載のスキャン型ディスプレイ
装置。 - 【請求項3】 前記視線検出装置は、使用者の瞳に不可
視光線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出
するように構成されていることを特徴とする請求項1ま
たは2記載のスキャン型ディスプレイ装置。 - 【請求項4】 前記不可視光線は赤外線であることを特
徴とする請求項3記載のスキャン型ディスプレイ装置。 - 【請求項5】 前記不可視光線は、画像情報を2次元的
に表示するための光走査手段に対して一旦照射されてか
ら使用者の眼球へ照射されることを特徴とする請求項3
または4記載のスキャン型ディスプレイ装置。 - 【請求項6】 前記不可視光線の光源は、画像情報を表
示するための可視光線の光源と並べて設置されているこ
とを特徴とする請求項3ないし5のいずれかに記載のス
キャン型ディスプレイ装置。 - 【請求項7】 前記不可視光線と、画像情報を表示する
ための可視光線は、同一の光源から射出されることを特
徴とする請求項3ないし5のいずれかに記載のスキャン
型ディスプレイ装置。 - 【請求項8】 前記光走査手段により、画像投影面に反
射された視線方向検知用の不可視光線は、画像情報を表
示するための可視光線と異なる経路で使用者の眼球へ照
射されることを特徴とする請求項5ないし7のいずれか
に記載のスキャン型ディスプレイ装置。 - 【請求項9】 前記光走査手段により、画像投影面に反
射された視線方向検知用の不可視光線は、その投影面に
設置されたホログラフィック光学素子により使用者の眼
球へ反射されることを特徴とする請求項5ないし7のい
ずれかに記載のスキャン型ディスプレイ装置。 - 【請求項10】 前記光走査手段により、画像投影面に
反射された視線方向検知用の不可視光線は、可視光線用
の画像反射面とは別の反射面により使用者の眼球へ反射
されることを特徴とする請求項5ないし7のいずれかに
記載のスキャン型ディスプレイ装置。 - 【請求項11】 前記光走査手段の反射鏡上に、ホログ
ラフィック光学素子を配設することを特徴とする請求項
5ないし7のいずれかに記載のスキャン型ディスプレイ
装置。 - 【請求項12】 前記ホログラフィック光学素子により
前記不可視光線のみが反射され、前記反射鏡により前記
可視光線が反射されることを特徴とする請求項11記載
のスキャン型ディスプレイ装置。 - 【請求項13】 前記画像投影面が使用者の網膜である
ことを特徴とする請求項1記載のスキャン型ディスプレ
イ装置。
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---|---|---|---|
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