JP2005300730A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】 装着状態が変化しても、ユーザが画像の適切な観察を行うことができるヘッドマウントディスプレイを提供すること。
【解決手段】 画像を表示する表示部と、ユーザの視線が表示部に向いているか否かを検出する視線検出と表示部の振動検出との少なくとも一方を行う検出手段と、検出手段による検出結果に応じて、ユーザに投影する画像の大きさを変更する変更手段とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ユーザの頭部に装着可能なヘッドマウントディスプレイに関する。

従来より、ユーザの頭部に装着し、ユーザの眼に対して画像を提示するヘッドマウントディスプレイが知られている。このようなヘッドマウントディスプレイは、正しく装着されていない場合には、ユーザは画像の観察を適切に行うことができない。
そこで、特許文献１のヘッドマウントディスプレイでは、眼幅（両眼の間の距離）調整時に、正しく装着されているか否かをユーザに認識させるために、ずれ指示部を設けている。
特開平６−１９４５９９号公報

しかし、前述した特許文献１のヘッドマウントディスプレイは、正しく装着されているか否かをユーザに認識させるのみであり、ユーザがずれを直さなければ、装着状態は変わらない。また、ずれ指示が行われるのは眼幅調整時のみであり、観察中に装着状態が変化し、ずれてしまった場合には、どうすることもできない。
本発明は、装着状態が変化しても、ユーザが画像の適切な観察を行うことができるヘッドマウントディスプレイを提供することを目的とする。

請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイは、画像を表示する表示部と、ユーザの視線が前記表示部に向いているか否かを検出する視線検出と前記表示部の振動検出との少なくとも一方を行う検出手段と、前記検出手段による検出結果に応じて、前記ユーザに投影する前記画像の大きさを変更する変更手段とを備えたことを特徴とする。
請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記検出手段は、前記視線検出を行う場合、前記ユーザの視線の前記表示部に対するずれ量と、前記ユーザの視線の前記表示部に対するずれが検出されている時間との少なくとも一方を検出することを特徴とする。

請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記検出手段は、前記振動検出を行う場合、振動の特性と、振動が検出されている時間との少なくとも一方を検出することを特徴とする。
請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項１から請求項３の何れか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記変更手段は、前記表示部における前記画像の表示範囲を縮小または拡大することにより、前記ユーザに投影する前記画像の大きさを変更することを特徴とする。

請求項５に記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記変更手段は、前記検出手段による検出結果に応じて、前記画像の表示範囲を縮小または拡大する際に、前記画像の中心をずらすことを特徴とする。
請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項１から請求項３の何れか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記変更手段は、前記ユーザに投影する前記画像の大きさを変更するズーム光学系を備え、前記ズーム光学系は、前記表示部と前記ユーザの眼との間に配置される。

請求項７に記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項１から請求項６の何れか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記検出手段による検出結果に応じて、前記表示部を前記ユーザの眼の光軸に垂直な方向に移動する移動手段をさらに備えることを特徴とする。

本発明によれば、装着状態が変化しても、ユーザが画像の適切な観察を行うことができるヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

＜第１実施形態＞
以下、図面を用いて本発明の第１実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態のヘッドマウントディスプレイ１の外観を示す図である。ヘッドマウントディスプレイ１は、図１に示すように、湾曲したリアアーム２、リアアーム２の両端に固定された右音声出力部３および左音声出力部４を備える。右音声出力部３および左音声出力部４は、リアアーム２の湾曲しようとする付勢力によってユーザの両耳に当接する。すなわち、リアアーム２、右音声出力部３、左音声出力部４は、ヘッドマウントディスプレイ１をユーザの頭部に係止するためのものである。また、ヘッドマウントディスプレイ１は、リアアーム２の左端から伸縮自在なディスプレイアーム５を備え、ディスプレイアーム５の端には表示部６を備える。ディスプレイアーム５は、ユーザ操作または自動で伸縮自在であり、伸縮することにより表示部６の位置を調整可能である。また、表示部６は、後述する表示デバイスおよびレンズを備え、ユーザの視野に対して画像を投影する。

さらに、ヘッドマウントディスプレイ１は、表示部６の筐体内部に、視線検出センサ１０を備える（詳細は後述する）。
図２は、表示部６の断面図である。表示部６は、図２に示すように、ＬＣＤなどの表示素子６１、ＣＣＤ６２、ビームスプリッタ６３、ミラー６４、レンズ６５、集光レンズ６６を備える。表示素子６１からの光束は、ビームスプリッタ６３およびミラー６４を介してレンズ６５に導かれる。また、レンズ６５からの光束は、ミラー６４およびビームスプリッタ６３を介して、集光レンズ６６で集光され、ＣＣＤ６２により受光される。図２中のＣＣＤ６２、ビームスプリッタ６３、ミラー６４、レンズ６５、集光レンズ６６は、前述した視線検出センサ１０に含まれる。

視線検出センサ１０は、ＣＣＤ６２による受光結果に基づいてユーザの瞳位置を検出して、ユーザの視線が表示部６に向いているか否かを検出する視線検出を行う。視線検出の具体的な方法については、従来技術と同様であるため、説明を省略する。
また、ヘッドマウントディスプレイ１は、図３の機能ブロック図に示すように、制御部７を備えるとともに、外部の再生装置などとのインタフェースを取る外部インタフェース部８を備える。さらに、ヘッドマウントディスプレイ１は、ユーザ操作を受け付ける操作部９を備える。

制御部７の出力は、右音声出力部３、左音声出力部４、表示部６に供給される。また、外部インタフェース部８および視線検出センサ１０は、それぞれ、制御部７と相互に接続される。また、操作部９の出力は、制御部７に供給される。
なお、表示部６、制御部７は、請求項の「表示部」に対応し、制御部７、視線検出センサ１０は、請求項の「検出手段」に対応する。また、制御部７は、請求項の「変更手段」に対応する。

以上説明した構成のヘッドマウントディスプレイ１において、制御部７は、ユーザ操作に応じて、表示部６に対する画像の表示および右音声出力部３、左音声出力部４に対する音声の再生を行う。なお、画像の表示および音声の再生の具体的な方法については、公知技術と同様であるため説明を省略する。以下では、本実施形態の特徴である画像の観察中の動作について説明する。

図４および図５は、ユーザによる観察状態を説明する図である。図４では、説明をわかりやすくするため、一部を省略し、ユーザの眼と表示素子６１とレンズ６５との関係を示す。また、図４および図５の表示素子６１における斜線部分は、画像の表示範囲ａを示す。
一般に、表示部６における表示素子６１の表示範囲は、レンズ６５の有効径と略同じ大きさになっている。したがって、ヘッドマウントディスプレイが正しく装着されている場合、図４Ａに示すように、表示素子６１の表示範囲ａからの光束は、すべて、レンズ６５を通過し、ユーザの眼に届く。しかし、装着状態が変化し、例えば表示部６がユーザの眼に対して上方に移動した場合、図４Ｂに示すように、表示素子６１の表示範囲ａの下の方の部分からの光束ｂは、レンズ６５を通過せず、結果としてユーザの眼に届かない。したがって、ユーザによって観察される画像は、下方が部分が切れた画像になる。

このような場合、制御部７は、表示素子６１の表示範囲ａを、図４Ｃに示すように縮小する。表示範囲ａを縮小することにより、表示素子６１の表示範囲ａからの光束は、すべて、レンズ６５を通過し、ユーザの眼に届く。
さらに、表示素子６１の表示範囲ａが小さくなりすぎるのを回避するため、制御部７は、縮小する際に、画像の中心をずらすこともできる。すなわち、図５Ａに示すように、表示素子６１の表示範囲ａの下の方の部分からの光束ｂがレンズ６５を通過せず、結果としてユーザの眼に届かない場合、表示素子６１の表示範囲ａの中心Ｓを、図５Ｂに示すように上方にシフトする。このように画像の中心Ｓをずらすことにより、表示素子６１の表示範囲ａを可能な限り大きくすることができるので、ユーザの眼に対して表示する画像を大きくすることができる。

制御部７は、以上説明した表示素子６１に対する画像の表示範囲の変更を、視線検出センサ１０による検出結果に応じて行う。具体的には、ユーザの視線の表示部に対するずれの方向とずれ量とに応じて、表示範囲をどの方向に、どの程度変更するかを決定する。なお、視線のずれの方向およびずれ量と、表示範囲を変更する方向および変更する程度との関係を予めテーブルの形で制御部７内の不図示のメモリに記録しておくのが好ましい。

また、視線検出センサ１０により視線のずれを検出する時間が一定時間より長くなった場合にのみ、このような表示素子６１に対する画像の表示範囲の変更を行うのが好ましい。これは、一時的にユーザが視線をずらした場合など、装着状態が変化したわけではない場合に、誤作動を起こすのを防ぐためである。
また、図４および図５を用いて、表示素子６１に対する画像の表示範囲を小さくする例について説明したが、視線検出センサ１０による検出結果に基づいて、表示素子６１に対する画像の表示範囲を大きくするようにしても良い。例えば、視線検出センサ１０による検出結果から、装着状態が初期状態に近い状態に戻った（ユーザが装着状態を直した場合など）と推定される場合には、表示素子６１に対する画像の表示範囲を大きくして初期状態に戻すことにより、ユーザはより快適な観察を行うことができる。

以上説明したように、第１実施形態によれば、ユーザの視線が表示部に向いているか否かを検出するユーザの視線検出を行い、検出結果に応じて、ユーザに投影する画像の大きさを変更する。すなわち、視線検出により装着状態の変化を検出することができるので、装着状態が変化しても、ユーザは、画像の適切な観察を行うことができる。
また、第１実施形態によれば、視線検出を行う際に、ユーザの視線の表示部に対するずれ量と、ユーザの視線の表示部に対するずれが検出されている時間との少なくとも一方を検出する。したがって、より装着状態に応じた対応が可能になる。また、検出の精度が向上するとともに、誤検出を防ぐことができる。

また、第１実施形態によれば、表示部における画像の表示範囲を縮小または拡大することにより、画像の大きさを変更する。したがって、ヘッドマウントディスプレイの構成を簡略かつ小型化しつつ、装着状態の変化に対応することができる。
また、第１実施形態によれば、検出結果に応じて、画像の表示範囲を縮小または拡大する際に、画像の中心をずらす。したがって、表示部の表示可能範囲を最大限に有効活用し、より大きく観察しやすい画像をユーザに対して表示することができる。

＜第２実施形態＞
以下、図面を用いて本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第１実施形態とことなる部分について説明を行い、同様の部分については説明を省略する。
第２実施形態のヘッドマウントディスプレイ１００は、第１実施形態のヘッドマウントディスプレイ１と同様の外観であるため、以下では、第１実施形態と同じ符号を用いて以下の説明を行う。

第２実施形態のヘッドマウントディスプレイ１００は、第１実施形態のヘッドマウントディスプレイ１の視線検出センサ１０に代えて、左音声出力部４の筐体内部に第１振動検出センサ１１０を備え、表示部６の筐体内部に、第２振動検出センサ１１１を備える（詳細は後述する）。
図６は、表示部６の断面図である。表示部６は、図６に示すように、第１実施形態のヘッドマウントディスプレイ１のＣＣＤ６２、ビームスプリッタ６３、集光レンズ６６に代えて、ズームレンズ６７を備える。表示素子６１からの光束は、このズームレンズ６７およびミラー６４を介してレンズ６５に導かれる。ズームレンズ６７は、表示素子６１とレンズ６５とを結ぶ光軸上に配置され、不図示のレンズ駆動部により、その光軸に沿って（図６中の矢印ｃの方向に）移動する。

また、図７の機能ブロック図に示すように、第１実施形態と同様に、制御部７の出力は、右音声出力部３、左音声出力部４、表示部６に供給される。さらに、制御部７の出力は、ズームレンズ６７にも供給される。また、外部インタフェース部８、第１振動検出センサ１１０、第２振動検出センサ１１１は、それぞれ、制御部７と相互に接続される。また、操作部９の出力は、制御部７に供給される。

なお、表示部６、制御部７は、第１実施形態と同様に、請求項の「表示部」に対応し、制御部７、第１振動検出センサ１１０、第２振動検出センサ１１１は、請求項の「検出手段」に対応する。また、制御部７、ズームレンズ６７は、請求項の「変更手段」に対応し、ズームレンズ６７は、請求項の「ズーム光学系」に対応する。
以上説明した構成のヘッドマウントディスプレイ１００において、制御部７は、ユーザ操作に応じて、表示部６に対する画像の表示および右音声出力部３、左音声出力部４に対する音声の再生を行う。なお、画像の再生および音声の再生の具体的な方法については、公知技術と同様であるため説明を省略する。以下では、本実施形態の特徴である画像の観察中の動作について説明する。

第１実施形態で説明したように、装着状態が変化し、例えば、表示部６がユーザの眼に対して上方に移動した場合、図４Ｂに示すように、表示素子６１の表示範囲ａの下の方の部分からの光束ｂは、レンズ６５を通過せず、結果としてユーザの眼に届かない。このような場合、ユーザによって観察される画像は、下方が部分が切れた画像になる。
このような場合、制御部７は、表示素子６１の表示範囲ａを、図４Ｃに示すように縮小する代わりに、ズームレンズ６７を移動する。ズームレンズ６７を移動することにより、レンズ６５に到達する画像の大きさは小さくなる。したがって、表示素子６１の表示範囲ａを縮小しなくても、図４Ｃに示した場合と同様に、表示素子６１の表示範囲ａからの光束は、すべて、レンズ６５を通過し、ユーザの眼に届く。

制御部７は、以上説明したズームレンズ６７の移動を、第１振動検出センサ１１０および第２振動検出センサ１１１による検出結果に応じて行う。具体的には、第１振動検出センサ１１０および第２振動検出センサ１１１により検出される振動の差分に基づいて、振動の方向と振動の幅など（以下では「振動の特性」と総称する。）を求める。
例えば、第１振動検出センサ１１０および第２振動検出センサ１１１により検出される振動の特性が略同じ場合、ヘッドマウントディスプレイ１００全体が振動していると推測できる。すなわち、ヘッドマウントディスプレイ１００がユーザの頭部に正しく装着されているのでヘッドマウントディスプレイ１００全体が振動していることになる。したがって、このような場合は、ズームレンズ６７を移動する必要がない。

一方、第１振動検出センサ１１０および第２振動検出センサ１１１により検出される振動の特性が異なる場合、表示部６が振動していると推測できる。すなわち、ヘッドマウントディスプレイ１００の装着状態が変化し、ユーザの頭部に正しく装着されていないので表示部６が振動していることになる。したがって、このような場合は、ズームレンズ６７を移動する。

制御部７は、振動の特性に応じて、ズームレンズ６７をどちらの方向に、どの移動変更するかを決定する。なお、振動の特性と、ズームレンズ６７を移動する方向および移動する程度との関係を予めテーブルの形で制御部７内の不図示のメモリに記録しておくのが好ましい。
また、第１振動検出センサ１１０および第２振動検出センサ１１１により振動を検出する時間が一定時間より長くなった場合にのみ、このようなズームレンズ６７の移動を行うのが好ましい。これは、突発的に振動が発生した場合など、装着状態が変化したわけではない場合に、誤作動を起こすのを防ぐためである。

また、ズームレンズ６７の移動により、レンズ６５に到達する画像の大きさを小さくする例について説明したが、第１振動検出センサ１１０および第２振動検出センサ１１１による検出結果に基づいて、レンズ６５に到達する画像の大きさを大きくするようにしても良い。例えば、第１振動検出センサ１１０および第２振動検出センサ１１１による検出結果から、装着状態が初期状態に近い状態に戻った（ユーザが装着状態を直した場合など）と推定される場合には、レンズ６５に到達する画像の大きさを大きくすることにより、ユーザはより快適な観察を行うことができる。

以上説明したように、第２実施形態によれば、表示部の振動検出を行い、検出結果に応じて、ユーザに投影する画像の大きさを変更する。すなわち、振動検出により装着状態の変化を検出することができるので、装着状態が変化しても、ユーザは、画像の適切な観察を行うことができる。
また、第２実施形態によれば、振動検出を行う際に、振動の特性と、振動が検出されている時間との少なくとも一方を検出する。したがって、より装着状態に応じた対応が可能になる。また、検出の精度が向上するとともに、誤検出を防ぐことができる。

また、第２実施形態によれば、表示部とユーザの眼との間にズームレンズを備え、そのズームレンズの位置を移動することにより、ユーザに投影する画像の大きさを変更する。したがって、表示部の表示範囲を変更しなくても、装着状態の変化に対応することができる。
なお、第２実施形態では、第１振動検出センサ１１０および第２振動検出センサ１１１の２つの振動センサを備える例を示したが、表示部６にのみ振動センサを備えるようにして構成を簡略化しても良い。また、第１振動検出センサ１１０および第２振動検出センサ１１１による検出結果をより精密に解析するようにしても良い。例えば、振動の信号を周波数分析して、低周波成分や振動の主となっている周波数に注目するようにしても良い。

また、第２実施形態では、振動検出を行う例を示したが、振動検出の代わりに第１実施形態で説明した視線検出を行うようにしても良いし、振動検出と視線検出とを組み合わせて行うようにしても良い。
また、第２実施形態では、ズームレンズ６７を備えて、これを移動することによりユーザに投影する画像の大きさを変更する例を示したが、ズームレンズ６７を備えずに、第１実施形態で説明した表示素子６１の表示範囲の変更を行うようにしても良い。また、ズームレンズ６７の移動と、表示素子６１の表示範囲の変更とを組み合わせて行うようにしても良い。

また、第２実施形態では、ズームレンズ６７を備えて、これを移動することによりユーザに投影する画像の大きさを変更する例を示したが、ズームレンズ６７に代えて厚みを変更可能なレンズを用いても良い。
なお、第１実施形態および第２実施形態において、表示部６の表示素子６１の位置を移動する機構をさらに設けるようにしても良い。例えば、表示素子６１を２軸のステージ上に配置し、視線検出や振動検出の結果に応じて、機械的に表示素子６１の位置を移動することにより、ユーザに投影する画像の大きさを変更する程度を抑えることができる。なお、前述した「表示部６の表示素子６１の位置を移動する機構」は、請求項の「移動手段」に対応する。

また、第１実施形態および第２実施形態において、ユーザに投影する画像の大きさを変更する際に、急激に変更すると、ユーザは違和感を感じ、快適に観察を続けることができない。したがって、画像の大きさの変更は、ユーザに違和感を感じさせないように徐々に行うのが好ましい。
また、第１実施形態および第２実施形態において、ユーザによる観察開始時には、装着状態が安定しない場合もあるので、ユーザに投影する画像の大きさを比較的小さくしておき、視線検出や振動検出の結果に基づき、装着状態が安定していることを確認してから、画像の大きさを徐々に大きくするようにしても良い。

また、第１実施形態および第２実施形態では、左側にのみ表示部６を備える例を示したが、両側にディスプレイアームおよび表示部を備えるようにしても良い。また、１本のディスプレイアームに両眼用の表示部を保持させるようにしても良い。
また、第１実施形態および第２実施形態では、画像および音声のソースについて言及しなかったが、ソースはどこであっても良い。すなわち、ヘッドマウントディスプレイ１内に設けても良いし、外部に設けて無線や有線でヘッドマウントディスプレイ１に接続するようにしても良い。

また、第１実施形態および第２実施形態では、図１に示すような形態のヘッドマウントディスプレイ１を用いて説明を行ったが、ユーザの頭部に係止可能であれば、ヘルメット型やメガネ型であっても良い。

第１実施形態のヘッドマウントディスプレイ１の外観を示す図である。 第１実施形態のヘッドマウントディスプレイ１の表示部６の断面図である。 第１実施形態のヘッドマウントディスプレイ１の機能ブロック図である。 ユーザによる観察状態を説明する図である。 ユーザによる観察状態を説明する図である。 第２実施形態のヘッドマウントディスプレイ１００の表示部６の断面図である。 第２実施形態のヘッドマウントディスプレイ１００の機能ブロック図である。

符号の説明

１，１００ ヘッドマウントディスプレイ
２ リアアーム
３ 右音声出力部
４ 左音声出力部
５ ディスプレイアーム
６ 表示部
７ 制御部
８ 外部インタフェース部
９ 操作部
１０ 視線検出センサ
６１ 表示デバイス
６２ ＣＣＤ
６３ ビームスプリッタ
６４ ミラー
６５ レンズ
６６ 集光レンズ
６７ ズームレンズ
１１０ 第１振動センサ
１１１ 第２振動センサ

Claims (7)

1. 画像を表示する表示部と、
   ユーザの視線が前記表示部に向いているか否かを検出する視線検出と前記表示部の振動検出との少なくとも一方を行う検出手段と、
   前記検出手段による検出結果に応じて、前記ユーザに投影する前記画像の大きさを変更する変更手段と
   を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
2. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記検出手段は、前記視線検出を行う場合、前記ユーザの視線の前記表示部に対するずれ量と、前記ユーザの視線の前記表示部に対するずれが検出されている時間との少なくとも一方を検出する
   ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
3. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記検出手段は、前記振動検出を行う場合、振動の特性と、振動が検出されている時間との少なくとも一方を検出する
   ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記変更手段は、前記表示部における前記画像の表示範囲を縮小または拡大することにより、前記ユーザに投影する前記画像の大きさを変更する
   ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
5. 請求項４に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記変更手段は、前記検出手段による検出結果に応じて、前記画像の表示範囲を縮小または拡大する際に、前記画像の中心をずらす
   ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
6. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記変更手段は、前記ユーザに投影する前記画像の大きさを変更するズーム光学系を備え、前記ズーム光学系は、前記表示部と前記ユーザの眼との間に配置される
   ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
7. 請求項１から請求項６の何れか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記検出手段による検出結果に応じて、前記表示部を前記ユーザの眼の光軸に垂直な方向に移動する移動手段をさらに備える
   ことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

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