JP2010085786A - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】利用者に表示画像を視認可能としつつ、この表示画像によって外界情景の視認が阻害されることを抑制することができる頭部装着型表示装置を提供すること。
【解決手段】利用者の視野範囲Ｒｖのうち一部の領域に眼前ディスプレイ部の表示領域Ｒｉを形成し、この表示領域Ｒｉに利用者が視線を合わせたときに表示画像Ｉｍを利用者が視認できる射出瞳を形成する。また、利用者の視野範囲Ｒｖのうち少なくとも表示領域Ｒｉを含む領域の撮像画像から外界の明るさを計測し、この外界の明るさに基づいて表示画像Ｉｍの輝度を調整する。
【選択図】図４

Description

本発明は、頭部装着型表示装置（ヘッドマウントディスプレイ）に関し、詳細には、表示画像に応じた画像光をハーフミラーにより外光に重ねて利用者の眼に投射することにより表示画像と外界情景とを重ねて利用者に視認させる眼前ディスプレイ部を備えた頭部装着型表示装置に関する。

近年、画像を表示するための画像表示装置として、表示画像に応じた画像光をハーフミラーにより外光に重ねて利用者の眼に投射することにより表示画像と外界情景とを重ねた画像を利用者に視認させる眼前ディスプレイ部を備えたシースルー型の頭部装着型表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この種のシースルー型の頭部装着型表示装置は、外界情景を視認しつつも眼前ディスプレイ部による表示画像を視認することができため、使用方法が多様であり汎用性も高い。

一方で、周囲からの外光がハーフミラーを通して直接的に利用者の眼に入射するため、利用者が表示画像を目視している際に利用者の周囲が予想以上に明るくなった場合には、周囲の明るさに邪魔されて、画像が鮮明に見え難くなるという問題があった。

そこで、本出願人は、外界の明るさを検出する検出部を備え、外界の明るさに応じて表示画像に応じた画像光の強度を調整する頭部装着型表示装置を提案している（特許文献２参照。）。
特表２００１−５２２０６４号公報 特開２００５−１０７１２５号公報

ところで、頭部装着型表示装置における表示画像として、例えば、修理マニュアルや操作マニュアルなどを表示することができるようにし、そのマニュアルを表示画像として視認しつつ、外界の実際の機器などの修理や操作したい場合がある。

この場合、マニュアルなどの表示画像が実際の機器と重なってしまい、実際の機器の修理や操作などの作業において表示画像が邪魔になってしまう。

しかも、利用者の周囲の明るさの程度に応じて表示画像の輝度を変化させる頭部装着型表示装置の場合、修理や操作を行いたい機器の近くに照明器具などがあると、その明るさの程度に応じて表示画像に応じた画像光の強度が強くなって実際の機器がさらに視認しにくくなり、これにより実際の機器の修理や操作などの作業において表示画像がさらに邪魔になってしまう。

そこで、本発明は、利用者に表示画像を視認可能としつつ、この表示画像によって外界情景の視認が阻害されることを抑制することができる頭部装着型表示装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、表示画像に応じた画像光をハーフミラーにより外光に重ねて利用者の眼に投射することにより前記表示画像と外界情景とを重ねて前記利用者に視認させる眼前ディスプレイ部を備えた頭部装着型表示装置において、前記利用者の視野範囲のうち一部の領域に前記眼前ディスプレイ部の表示領域を形成し、当該表示領域に前記利用者が視線を合わせたときに前記表示画像を前記利用者が視認できる射出瞳を形成する射出瞳形成手段と、前記利用者の視野範囲のうち少なくとも前記表示領域を含む領域を撮像する撮像手段と、前記撮像手段から出力される撮像画像から外界の明るさを計測する明度計測手段と、前記明度計測手段により計測した外界の明るさに基づいて前記表示画像の輝度を調整する輝度調整手段と、を備え、前記表示領域は、前記利用者が前記眼前ディスプレイ部を正面視したときの当該利用者の視線から偏差して形成されたことを特徴とする頭部装着型表示装置を提供する。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の頭部装着型表示装置において、前記明度計測手段は、前記撮影画像を前記表示領域に対応した重点領域と当該重点領域以外の非重点領域とに分割して重点測光を行うことにより前記外界の明るさを計測するものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の頭部装着型表示装置において、前記利用者が前記眼前ディスプレイ部を正面視したときの当該利用者の視線と前記撮像手段の撮影光軸とを略一致させたものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の頭部装着型表示装置において、前記視野範囲に対する前記重点領域の範囲と前記表示領域の範囲とを略同一としたものである。

本発明によれば、利用者の視野範囲のうち一部の領域に眼前ディスプレイ部の表示領域を形成し、この表示領域に利用者が視線を合わせたときに表示画像を利用者が視認できる射出瞳を形成しているので、利用者が表示領域に視線を合わせることにより利用者は表示画像を視認可能となり、また、利用者が表示領域以外に視線を合わせることにより外界情景を表示画像により阻害されることなく視認できる。しかも、利用者の視野範囲のうち少なくとも表示領域を含む領域の撮像画像から外界の明るさを計測し、この外界の明るさに基づいて表示画像の輝度を調整するので、表示領域又はその周囲を含む領域の明るさに変化があったときでも、明瞭な表示画像を利用者に視認させることが可能となる。

しかも、眼前ディスプレイ部の表示領域は、利用者が眼前ディスプレイ部を正面視したときの利用者の視線から偏差して形成されるので、通常は正面を向いて外界情景を視認して作業しつつ、必要に応じて視線を正面からずらすことで表示画像を視認する場合などで作業性を飛躍的に向上することができる。

以下に、本発明の頭部装着型表示装置について好適な実施形態について説明する。ここでは、頭部装着型表示装置の一例として網膜走査型の頭部装着型表示装置について説明するが、指向性の高いＬＣＤ型の頭部装着型表示装置にも適用することができる。

［１．頭部装着型表示装置の概要］
まず、本発明の一実施形態における頭部装着型表示装置の概要について、図面を参照して説明する。図１は本実施形態における頭部装着型表示装置の外観構成図、図２は頭部装着型表示装置の利用者の視野範囲における表示領域の関係を説明するための図、図３は利用者が視線を表示領域へ向けたときの画像光の入射状態を示す図、図４は利用者が視線を表示領域へ向けたときの視認状態を説明するための図、図５は利用者が視線を表示領域以外へ向けたときの視認状態を説明するための図、図６は撮像部による撮像範囲を説明するための図、図７は撮像部の撮像画像の輝度計測の説明図、図８は撮像部の撮像画像の輝度計測の説明図である。

図１に示すように、本実施形態における頭部装着型表示装置１は、画像光形成部１０と、眼前ディスプレイ部１１と、撮像部１２と、頭部装着具１３とを備えており、眼前ディスプレイ部１１及び撮像部１２は頭部装着具１３により利用者Ｕ１の頭部に装着可能となっている。また、画像光形成部１０は、眼前ディスプレイ部１１及び撮像部１２とケーブル１４,１５で接続される。

利用者Ｕ１は、画像光形成部１０を操作して所望の画像情報を選択し、眼前ディスプレイ部１１から当該選択した画像情報に応じた画像光Ｌｂを一方の眼の網膜に投射させて、画像情報に応じた表示画像を視認することができる。

眼前ディスプレイ部１１は、ハーフミラー８０を備えており、内部の投射光学系から出射した画像光Ｌｂをハーフミラー８０で反射して利用者Ｕ１の眼に入射し、外光をハーフミラー８０を透過させて利用者Ｕ１の眼に入射する。すなわち、眼前ディスプレイ部１１は、表示画像に応じた画像光Ｌｂをハーフミラー８０により外光に重ねて利用者Ｕ１の眼に投射する。これにより、利用者Ｕ１は画像光Ｌｂによる表示画像と外界情景とを重ねて視認することができる。

眼前ディスプレイ部１１は、図２に示すように、利用者Ｕ１の視野範囲Ｒｖのうち一部の領域に眼前ディスプレイ部の表示領域Ｒｉを形成し、当該表示領域Ｒｉに利用者Ｕ１が視線を合わせたときに表示画像を利用者Ｕ１が視認できる射出瞳を形成する射出瞳形成手段を備えている。この射出瞳形成手段は、高指向性のレーザ光から生成した画像光Ｌｂを２次元走査することによって径が小さい射出瞳を形成する。なお、指向性の高いＬＣＤ型の頭部装着型表示装置とする場合には、高指向性のＬＣＤによって径が小さい射出瞳を形成することができる。

このような射出瞳形成手段を備えることにより、図３に示すように利用者Ｕ１が表示領域Ｒｉに視線Ｐｖを合わせると、図４に示すよう表示領域Ｒｉの表示画像Ｉｍが利用者Ｕ１により視認可能となる。一方で、図５に示すように、利用者Ｕ１が表示領域Ｒｉ以外に視線Ｐｖを合わせると表示画像Ｉｍは利用者Ｕ１に視認されず、利用者Ｕ１は外界情景Ｏｖを表示画像Ｉｍによって阻害されることなく視認できる。

また、表示領域Ｒｉは、利用者Ｕ１が眼前ディスプレイ部１１を正面視したときの利用者Ｕ１の視線Ｐｃ（図４参照。以下、「正面視線Ｐｃ」と呼ぶ。）から偏差して形成される。従って、外界情景を主として視認しつつ表示画像Ｉｍを視認する場合などに作業性を飛躍的に向上させることができる。例えば、視線Ｐｖを正面に向けた正面視線Ｐｃとして外界の機器Ｍの修理や操作しながら、視線Ｐｖを正面視線Ｐｃからずらすことで修理マニュアルなどの表示画像Ｉｍを視認することができる。これにより、実際の機器Ｍの修理や操作を行うときには表示画像Ｉｍを視認されないので作業の邪魔にならない。

また、頭部装着型表示装置１は、撮像部１２による撮像画像に基づいて外界の明るさを計測して表示画像Ｉｍの輝度を調整するようにしている。

撮像部１２は、図６に示すように、利用者Ｕ１の視野範囲Ｒｖのうち少なくとも表示領域Ｒｉを含む領域Ｒｂの画像を撮像して、この撮像画像を画像光形成部１０へケーブル１５を介して出力する。

画像光形成部１０は、撮像部１２から出力される撮像画像から外界の明るさを計測する明度計測手段と、この明度計測手段により計測した外界の明るさに基づいて画像光Ｌｂの強度変調を行うことにより表示画像の輝度を調整する輝度調整手段とを備えている。

従って、利用者Ｕ１の視野範囲Ｒｖのうち少なくとも表示領域Ｒｉを含む領域Ｒｂの外界の明るさに応じて、表示画像の輝度を調整することができ、利用者Ｕ１による表示画像の視認を容易にすることができる。表示領域Ｒｉを含む領域の明るさに応じた輝度調整であることから、表示領域Ｒｉを除く領域の明るさに基づいて輝度調整を行った表示画像に比べて、表示画像の輝度を適切に調整することができる。例えば、領域Ｒｂの範囲の外界情景が明るいときには、表示画像の輝度を明るくし、領域Ｒｂの範囲の外界情景が暗いときには、表示画像の輝度を暗くすることで、利用者Ｕ１は表示画像が視認しやすくなる。

特に、本実施形態における頭部装着型表示装置１では、図７に示すように、利用者Ｕ１の視野範囲Ｒｖのうち少なくとも表示領域Ｒｉを含む撮影画像を表示領域Ｒｉに対応した重点領域Ｒｇと重点領域Ｒｇ以外の非重点領域Ｒｎとに分割して重点測光を行っている。これにより、表示領域Ｒｉの明るさに重きを置くことができ、表示画像Ｉｍの輝度をより適切に調整することができる。例えば、図６に示すように、領域Ｒｂの範囲に照明器具があるような場合でも、この照明器具からの照明光の影響を抑止して、表示画像Ｉｍの輝度をより適切に調整することができ、利用者Ｕ１による表示画像Ｉｍの視認をより的確に行うことができる。

なお、図８に示すように、視野範囲Ｒｖに対する重点領域Ｒｇの範囲と表示領域Ｒｉの範囲とを略同一とすることにより、表示画像Ｉｍの輝度をさらに適切に調整することができ、利用者Ｕ１による表示画像Ｉｍの視認をより的確に行うことができる。

［２．頭部装着型表示装置１の具体的構成］
以下、更に詳細に本実施形態における頭部装着型表示装置１の構成について説明する。図９は頭部装着型表示装置１における画像光形成部１０の構成図、図１０は頭部装着型表示装置１における眼前ディスプレイ部１１の構成図である。

頭部装着型表示装置１は、上述のように画像光形成部１０、眼前ディスプレイ部１１及び撮像部１２を有しており、以下においては、画像光形成部１０、眼前ディスプレイ部１１、撮像部１２の順にその具体的構成を説明する。

［２．１．画像光形成部１０の具体的構成］
図９に示すように、画像光形成部１０は、入力される画像信号を画素毎で強度変調した光である画像光を光ファイバ６０へ出射する光出射部２０と、頭部装着型表示装置１全体を制御する制御部３０とを備えている。

（光出射部２０の構成）
光出射部２０は、画像信号供給回路２１と、Ｒレーザドライバ２３ｒ，Ｇレーザドライバ２３ｇ，Ｂレーザドライバ２３ｂと、Ｒレーザ２４ｒ，Ｇレーザ２４ｇ，Ｂレーザ２４ｂと、コリメート光学系２５と、ダイクロイックミラー２６と、結合光学系２７とを有している。

画像信号供給回路２１は制御部３０から画像信号が入力され、その画像信号に基づいて画像を合成するための要素となる赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各画像信号２２ｒ，２２ｇ，２２ｂを生成して出力して、Ｒレーザドライバ２３ｒ，Ｇレーザドライバ２３ｇ，Ｂレーザドライバ２３ｂを駆動する。また、画像信号供給回路２１は、水平駆動信号１８、垂直駆動信号１９などを出力して、眼前ディスプレイ部１１を制御する。

Ｒレーザ２４ｒ，Ｇレーザ２４ｇ，Ｂレーザ２４ｂは、Ｒレーザドライバ２３ｒ，Ｇレーザドライバ２３ｇ，Ｂレーザドライバ２３ｂから出力される画像信号２２ｒ，２２ｇ，２２ｂに応じて強度変調されたレーザ光を出射する。各レーザ２４ｒ，２４ｇ，２４ｂから出射されたレーザ光はコリメート光学系２５によりそれぞれコリメートされ、これらのコリメートされたレーザ光はダイクロイックミラー２６により合波される。合波されたレーザ光は画像光として結合光学系２７により光ファイバ６０に導かれる。

（制御部３０の構成）
制御部３０は、ＣＰＵ３１、メモリ３２、画像信号出力部３３を有しており、これらＣＰＵ３１、メモリ３２、画像信号出力部３３は、データ通信用のバスにそれぞれ接続されており、このデータ通信用のバスを介して各種情報の送受信を行う。

また、この制御部３０は、パーソナルコンピュータ等の外部装置と接続可能なインターフェイス４０や利用者Ｕ１によって操作可能な操作部４１とも接続されている。制御部３０は、操作部４１への利用者Ｕ１の操作に応じて、頭部装着型表示装置１が備える各種機能を実行する。また、制御部３０はインターフェイス４０を介して外部装置から画像情報を取得する。

ＣＰＵ３１は、メモリ３２に記憶されている情報処理プログラムを実行することにより、頭部装着型表示装置１を構成する各部位を動作させて、頭部装着型表示装置１が備える各種機能を実行させる演算処理装置である。例えば、ＣＰＵ３１は、操作部４１への利用者Ｕ１の操作に応じて、インターフェイス４０を介して外部装置から画像情報を取得してメモリ３２に記憶する。また、ＣＰＵ３１は、操作部４１への利用者Ｕ１の操作に応じて、メモリ３２に記憶した画像情報を読み出して、画像信号出力部３３により画像信号に変換して光出射部２０へ出力する。

（明度計測部５０の構成）
また、画像光形成部１０には、撮像部１２から出力される撮像画像の情報から外界の明るさを判定する明度計測部５０を備えている。

この明度計測部５０には、画像切り出し部５１と、重点測光部５２とを有する。画像切り出し部５１は、撮像部１２から出力される撮像画像の情報から重点領域Ｒｇの画像情報と非重点領域Ｒｎの画像情報とを切り出す。また、重点測光部５２は、重点領域Ｒｇの画像情報の輝度値と非重点領域Ｒｎの画像情報の輝度値を検出し、非重点領域Ｒｎの画像情報の輝度値よりも重点領域Ｒｇの画像情報の輝度値に重点をおいて演算することにより外界の明るさを計測する。例えば、重点領域Ｒｇの画像情報の輝度値に９０％の重点度をおいて、撮像部１２の撮像画像の情報に基づいて外界の明るさを計測する。

制御部３０は、輝度調整手段として、明度計測部５０で計測した外界の明るさに基づいて光出射部２０へ出力する画像信号Ｓを調整して、光出射部２０から出射する画像光Ｌｂの強度変調を行う。例えば、制御部３０は、明度計測部５０で計測した外界の明るさがメモリ３２に記憶している基準値よりも小さいときには、基準値からの小ささに応じて光出射部２０から出射する画像光Ｌｂの輝度が低くなるよう画像信号Ｓを調整する。また、制御部３０は、明度計測部５０で計測した外界の明るさがメモリ３２に記憶している基準値よりも大きいときには、基準値からの大きさに応じて光出射部２０から出射する画像光Ｌｂの輝度が高くなるように画像信号Ｓを調整する。

このように、明度計測部５０では、利用者の視野範囲Ｒｖのうち少なくとも表示領域Ｒｉを含む撮影画像を表示領域Ｒｉに対応した重点領域Ｒｇと重点領域Ｒｇ以外の非重点領域Ｒｎとに分割して重点測光を行っている。これにより、表示領域Ｒｉの輝度に重きを置くことができ、表示画像Ｉｍの輝度をより適切に調整することができる。

また、視野範囲Ｒｖに対する重点領域Ｒｇの範囲と表示領域Ｒｉの範囲とを略同一とすることにより、表示画像Ｉｍの輝度をさらに適切に調整することができ、利用者Ｕ１による表示画像Ｉｍの視認をより的確に行うことができる。

また、撮像部１２による撮像範囲を表示領域Ｒｉと略同一とすることで、重点領域Ｒｇのみとなり、画像切り出し部５１が不要となり、重点測光部５２での処理も簡易なものとすることができる。

［２．２．眼前ディスプレイ部１１の具体的構成］
図１０に示すように、眼前ディスプレイ部１１は、コリメート光学系７０、水平走査部７１、垂直走査部７３、投射光学系７４、ハーフミラー８０を備えている。

画像光形成部１０から光ファイバ６０に導かれた画像光Ｌｂは眼前ディスプレイ部１１に入射され、コリメート光学系７０によりコリメートされる。このコリメートされた画像光Ｌｂは水平走査部７１により水平方向に走査され、リレー光学系７２を介して、垂直走査部７３に入射される。垂直走査部７３では、リレー光学系７２を介して入射された画像光Ｌｂを水平方向と略垂直に交差する垂直方向に走査する。そして、このように走査された画像光Ｌｂは、リレー光学系を有する投射光学系７４及びハーフミラー８０を介して利用者Ｕ１の眼９０の瞳孔９１に入射して、利用者Ｕ１の眼９０の網膜に結像する。

ここで、水平走査部７１は、表示すべき画像の１走査線ごとに、画像光Ｌｂを水平方向に水平走査する光学系である。そして、この水平走査部７１には、振動軸を中心に往復回動する反射ミラー７１ｂを有する光走査素子７１ａと、この光走査素子７１ａを駆動する水平駆動回路７１ｃとを備えている。水平駆動回路７１ｃは、画像光形成部１０の画像信号供給回路２１から出力される水平駆動信号１８を増幅して、光走査素子７１ａに印加し、光走査素子７１ａの反射ミラー７１ｂを駆動する。光走査素子７１ａは共振型光走査素子とし、画像信号供給回路２１から出力される水平駆動信号１８は正弦波状の信号としており、水平駆動回路７１ｃは反射ミラー７１ｂを共振状態で駆動して、画像光形成部１０から出射された画像光Ｌｂを有効走査範囲で走査する。

また、垂直走査部７３は、表示すべき画像の１フレームごとに、画像光Ｌｂを最初の水平走査線から最後の水平走査線に向かって垂直に垂直走査する光学系である。そして、この垂直走査部７３には、ガルバノミラーなどの反射ミラー７３ｂを有する光走査素子７３ａと、この光走査素子７３ａを駆動する垂直駆動回路７３ｃとを備えている。垂直駆動回路７３ｃは、画像信号供給回路２１から出力される垂直駆動信号１９を増幅して、光走査素子７３ａに印加し、光走査素子７３ａの反射ミラー７３ｂを駆動する。画像光形成部１０の画像信号供給回路２１から出力される垂直駆動信号１９は鋸歯状の信号としており、垂直駆動回路７３ｃは反射ミラー７３ｂを非共振状態で駆動して、水平走査部７１で水平方向に走査された画像光を有効走査範囲で垂直方向に走査する。

投射光学系７４及びハーフミラー８０は、利用者Ｕ１が眼前ディスプレイ部１１を正面視したときの利用者の正面視線Ｐｃから左方向に角度α及び上方向に角度γだけ偏差した方向と逆方向から利用者Ｕ１の眼９０に向けて画像光を導くように配置される。

角度αは、１５〜４０度程度が好ましく、ここでは２５度としている。また、角度γは−１０〜＋１０度程度が好ましく、ここでは＋５度としている。なお、実施形態における頭部装着型表示装置１では、利用者Ｕ１の眼９０の位置に対して上下方向に位置調整可能な機構（図示せず）を備えており、これにより上下方向の位置を調整することができる。

図１１には、利用者の視線Ｐｃから左方向に角度αだけ偏差した方向の逆方向から利用者Ｕ１の眼９０に向けて画像光Ｌｂを導くよう配置したときの様子を示す図である。ここでは、画像光Ｌｂは高指向性のレーザ光から生成され、射出瞳の径がレーザ光の径と同程度となるように投射光学系７４及びハーフミラー８０が配置される。従って、利用者Ｕ１は自己の視野範囲Ｒｖのうち眼前ディスプレイ部１１の表示領域Ｒｉに視線Ｐｖを合わせたときに表示画像Ｉｍを視認することができる。このように射出瞳の径が小さい画像光Ｌｂを利用者Ｕ１の眼９０に入射することにより、利用者Ｕ１の視線Ｐｖ方向が眼前ディスプレイ部１１の表示領域Ｒｉに向いたときに、表示領域Ｒｉの表示画像Ｉｍが視認できるようにしている。すなわち、眼前ディスプレイ部１１は、射出瞳形成手段として、表示領域Ｒｉに利用者Ｕ１が視線を合わせたときに表示画像Ｉｍを利用者Ｕ１が視認できる射出瞳を形成する。

［２．３．撮像部１２の具体的構成］
撮像部１２は、ＣＣＤイメージセンサ（Charge Coupled Device Image Sensor）から構成されるが、ＣＭＯＳイメージセンサなどを採用することもできる。

撮像部１２は、眼前ディスプレイ部１１の表示領域Ｒｉを含む領域Ｒｂを撮像範囲としており、所定時間（例えば、３０秒）で撮像した画像の情報をケーブル１５を介して、画像光形成部１０に出力する。

この撮像部１２の配置は、図１に示すように画像光形成部１０と反対側に配置してもよいが、図１２に示すように、眼前ディスプレイ部１１の近傍に配置してもよい。このとき、利用者Ｕ１が眼前ディスプレイ部１１を正面視したときの利用者Ｕ１の正面視線Ｐｃと撮像部１２の撮影光軸Ａｃとを略一致させる。また、撮像部１２の撮像画角範囲は、利用者Ｕ１の視野画角のうち表示領域Ｒｉの視認範囲が含まれる画角特性のものとする。このように構成することで、表示領域Ｒｉを含む領域Ｒｂを容易に撮像することが可能となり、しかも、撮像部１２の撮像方向を状況に応じて調整する必要がなくなり利便性が増す。

以上のように本実施形態における頭部装着型表示装置１では、利用者Ｕ１の視野範囲Ｒｖのうち一部の領域に眼前ディスプレイ部１１の表示領域Ｒｉを形成し、この表示領域Ｒｉに利用者Ｕ１が視線Ｐｖを合わせたときに表示画像Ｉｍを利用者が視認できる射出瞳を形成している。従って、利用者Ｕ１が表示領域Ｒｉに視線を合わせることにより利用者Ｕ１が表示画像Ｉｍを視認可能となり、また、利用者Ｕ１は、表示領域Ｒｉ以外に視線を合わせることにより表示画像Ｉｍが視認されず、外界情景を表示画像Ｉｍにより阻害されることなく視認できる。

しかも、本実施形態における頭部装着型表示装置１では、利用者Ｕ１の視野範囲Ｒｖのうち少なくとも表示領域Ｒｉを含む領域Ｒｂの撮像画像から外界の明るさを計測し、この外界の明るさに基づいて表示画像Ｉｍの輝度を調整する。従って、表示領域Ｒｉ又はその周囲を含む領域Ｒｂの明るさに変化があったときでも、明瞭な表示画像Ｉｍを利用者に視認させることが可能となる。

［３．その他の実施形態］
上述の実施形態における頭部装着型表示装置１では、眼前ディスプレイ部１１の表示領域Ｒｉを固定した大きさとしたが、表示領域Ｒｉの大きさを変更可能とすることができる。

利用者Ｕ１による操作部４１への操作により制御部３０は、表示領域Ｒｉの大きさを変更する。表示領域Ｒｉの大きさは、水平走査部７１による画像光Ｌｂの走査範囲を大きくし（例えば、光走査素子７１ａの反射ミラー７１ｂの揺動範囲を大きくし）、垂直走査部７３による画像光Ｌｂの走査範囲を大きくする（例えば、光走査素子７３ａの反射ミラー７３ｂの揺動範囲を大きくする）ことで可能となる。制御部３０は画像信号供給回路２１を制御し、水平駆動信号１８及び垂直駆動信号１９の振幅を大きくして、水平走査部７１及び垂直走査部７３による画像光Ｌｂの走査範囲を大きくする。

また、眼前ディスプレイ部１１の表示領域Ｒｉを固定した大きさとし、表示領域Ｒｉに利用者Ｕ１が視線Ｐｖを合わせたときに表示画像Ｉｍを視認できる第１モードと、表示領域Ｒｉの大きさを変更可能とし、かつ射出瞳を拡大することで表示領域Ｒｉに利用者Ｕ１が視線を合せなくても表示画像Ｉｍを視認できる第２モードとを切り替え可能としてもよく、このようにすることで利便性を向上させることができる。

表示領域Ｒｉに利用者Ｕ１が視線を合せなくても表示画像Ｉｍを視認できるようにするために、図１３に示すように、眼前ディスプレイ部１１において、投射光学系７４において形成される中間像面の位置に回折格子などの光分岐素子７５を光分岐素子位置変更手段（図示せず）により移動可能に配置する。この光分岐素子位置変更手段は、利用者Ｕ１による操作部４１への操作により制御部３０からの制御信号により駆動できる。図１３は光分岐素子７５を用いた頭部装着型表示装置１において利用者Ｕ１の眼への画像光Ｌｂの入射状態を説明するための図であり、説明の都合上ハーフミラー８０は省略している。

この光分岐素子は、画像光Ｌｂを複数に分岐して第１方向（例えば、水平方向）に射出瞳を拡大する第１分岐部と、画像光Ｌｂを複数に分岐して第１方向と交差する第２方向（例えば、垂直方向）に射出瞳を拡大する第２分岐部とから構成される。

図１３においては、２画素に対応する２本の画像光Ｌｂが光分岐素子７５に入射したときの垂直方向の各画像光Ｌｂの光路を示しており、光分岐素子７５により垂直方向に３つ（０次光、±１次光）に分岐させて画像光Ｌｂが垂直方向に異なる位置に導かれる様子を示している。このとき、利用者Ｕ１は眼を上下運動させた場合であっても、画像光を眼９０に入射することができる。また、図示しないが光分岐素子７５により水平方向に例えば３つ（０次光、±１次光）に分岐させて画像光が水平方向に異なる位置に導くことで、利用者Ｕ１は眼を左右運動させた場合であっても、画像光を眼９０に入射することができる。

このように光分岐素子７５を配置して射出瞳を拡大することで、表示領域Ｒｉに利用者Ｕ１が視線を合せなくても表示画像Ｉｍを視認できる。なお、光分岐素子７５による射出瞳の拡大範囲は、画像光形成部１０から出射する画像光の輝度を抑制するために、利用者Ｕ１の眼球運動の範囲内とすることが望ましい。

この第１モードと第２モードとの切り替えは、利用者Ｕ１による操作部４１への操作に基づいて、画像光形成部１０の制御部３０からの制御によって行われる。画像光形成部１０の画像信号供給回路２１はこれらのモードを切替えるときに、水平駆動信号１８及び垂直駆動信号１９の振幅を変更する。また、画像光形成部１０は、光分岐素子位置変更手段（図示せず）を制御信号により制御して、第１モードの時には光分岐素子７５を画像光Ｌｂの光路外に配置し、第２モード時には光分岐素子７５を画像光Ｌｂの光路上の中間像面に配置する。このようにすることにより、さらに利便性を向上させることができる。

また、眼前ディスプレイ部１１の表示領域Ｒｉに利用者Ｕ１が視線Ｐｖを合わせたときに表示画像Ｉｍを視認できる第１モードにおいて、利用者Ｕ１の操作部４１への操作に応じて、表示領域Ｒｉの大きさを変更可能とすることも可能である。例えば、制御部３０は、利用者Ｕ１の操作部４１への操作に応じて画像信号供給回路２１を制御し、水平駆動信号１８及び垂直駆動信号１９の振幅を変更して、水平走査部７１及び垂直走査部７３による画像光Ｌｂの走査範囲を変更する。

また、眼前ディスプレイ部１１の表示領域Ｒｉの大きさを変更したとき、制御部３０は、明度計測部５０の画像切り出し部５１を制御し、撮像画像の情報から切り出す重点領域Ｒｇの範囲を変えることができる。画像切り出し部５１は、ｎ×ｍ（ｎ，ｍは２以上の整数）画素単位で切り出し範囲を変更することができるようにしており、これにより１画素単位で切り出し処理を行うことに比べ、切り出し処理の負荷を軽減することができる。

また、利用者Ｕ１が視線Ｐｖを表示領域Ｒｉに合せたときに撮像部１２や明度計測部５０を動作させるようにしてもよい。例えば、利用者Ｕ１の視線Ｐｖ方向を検出する視線方向検出手段（図示せず）を設け、制御部３０は視線方向検出手段での検出結果に基づき、利用者Ｕ１の視線Ｐｖが表示領域Ｒｉの方向にあるか否かを判定し、利用者Ｕ１の視線Ｐｖが表示領域Ｒｉの方向にあるときに明度計測部５０を動作させる。これにより、利用者Ｕ１が視線Ｐｖを表示領域Ｒｉに合せていないときには、撮像部１２や明度計測部５０が動作せず、これにより消費電力の低減や処理負荷の低減を図ることができる。

本発明の一実施形態における頭部装着型表示装置の外観構成図である。 図１に示す頭部装着型表示装置の利用者の視野範囲における表示領域の関係を説明するための図である。 図１に示す頭部装着型表示装置において利用者が視線を表示領域へ向けたときの画像光の入射状態を示す図である。 図１に示す頭部装着型表示装置において利用者が視線を表示領域へ向けたときの視認状態を説明するための図である。 図１に示す頭部装着型表示装置において利用者が視線を表示領域以外へ向けたときの視認状態を説明するための図である。 図１に示す頭部装着型表示装置における撮像部による撮像範囲を説明するための図である 図１に示す頭部装着型表示装置における撮像部の撮像画像の輝度計測の説明図である。 図１に示す頭部装着型表示装置における撮像部の撮像画像の輝度計測の説明図である。 図１に示す頭部装着型表示装置における画像光形成部の構成図である。 図１に示す頭部装着型表示装置における眼前ディスプレイ部の構成図である。 図１に示す頭部装着型表示装置において利用者の眼への画像光の入射状態を説明するための図である。 本発明の一実施形態における他の頭部装着型表示装置の外観構成図である。 光分岐素子を用いた頭部装着型表示装置において利用者の眼への画像光の入射状態を説明するための図である。

符号の説明

１ 頭部装着型表示装置
１０ 画像光形成部
１１ 眼前ディスプレイ部
１２ 撮像部（撮像手段）
１３ 頭部装着具
５０ 明度計測部（明度計測手段）

Claims (4)

1. 表示画像に応じた画像光をハーフミラーにより外光に重ねて利用者の眼に投射することにより前記表示画像と外界情景とを重ねて前記利用者に視認させる眼前ディスプレイ部を備えた頭部装着型表示装置において、
   前記利用者の視野範囲のうち一部の領域に前記眼前ディスプレイ部の表示領域を形成し、当該表示領域に前記利用者が視線を合わせたときに前記表示画像を前記利用者が視認できる射出瞳を形成する射出瞳形成手段と、
   前記利用者の視野範囲のうち少なくとも前記表示領域を含む領域を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段から出力される撮像画像から外界の明るさを計測する明度計測手段と、
   前記明度計測手段により計測した外界の明るさに基づいて前記表示画像の輝度を調整する輝度調整手段と、を備え、
   前記表示領域は、前記利用者が前記眼前ディスプレイ部を正面視したときの当該利用者の視線から偏差して形成されたことを特徴とする頭部装着型表示装置。
2. 前記明度計測手段は、前記撮影画像を前記表示領域に対応した重点領域と当該重点領域以外の非重点領域とに分割して重点測光を行うことにより前記外界の明るさを計測することを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
3. 前記利用者が前記眼前ディスプレイ部を正面視したときの当該利用者の視線と前記撮像手段の撮影光軸とを略一致させたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の頭部装着型表示装置。
4. 前記視野範囲に対する前記重点領域の範囲と前記表示領域の範囲とを略同一としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の頭部装着型表示装置。