JP2010139575A - シースルー型ヘッドマウント表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シースルー型ヘッドマウント表示装置を使用して実像の近地点と遠地点との間を交互に見る場合に、観察者が見る対象がずれることにより投影像により形成される虚像がぼやけるなどの画像品質が低下することを防止する。
【解決手段】観察者の網膜１１に投影像を投影して虚像を形成する前記投影装置２に、実像を形成する作業空間の奥行き範囲を指定する奥行き範囲指定部６と、投影像の焦点深度を調整する焦点深度調整部５とを設け、奥行き範囲指定部６が指定した奥行き範囲に基づいて投影像の焦点深度を設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、観察者の網膜に投影装置から投影像を直接投影して、外界の実像と投画像による虚像を重畳して見ることができるシースルー型ヘッドマウント表示装置（以下、シースルー型ＨＭＤという。）に関する。

シースルー型のヘッドマウント表示装置は、外界を見ながら同時にビディオ画像を見ることができる次世代表示装置として注目されている。例えば、特許文献１にこの種の画像表示装置が記載されている。光ビーム走査型の投影装置を眼鏡フレームに取り付け、投影装置からの投影光をハーフミラーにより反射させて観察者の目の網膜に直接像を形成する。更に、観察者はハーフミラーを介して外界も見ることができる。そのため、観察者は外界の実像と投影装置からの虚像とを同時に見ることができる。

図９（ａ）は、実像の遠近に応じて眼が自動的に焦点を合わせる様子を表している。眼球５０は、レンズの機能を有する水晶体５１と外界の実像を結像させる網膜５２を備えている。遠地点Ｐ_Ａに位置する物体Ａに焦点が合っている状態（実線）から、近地点Ｐ_Ｂに位置する物体Ｂに見る対象を移すと、眼の水晶体５１は厚みを厚くして網膜５２上に焦点が合うように調節する（破線）。

図９（ｂ）は、ハーフミラー５４を介して投影装置５３から投影像を網膜５２に投影している様子を表している。投影像の形成は、光ビームを点滅させながら一筆書きのように走査して一画面を形成する。一画面を、例えば６０回／ｓｅｃの速度で繰り返して形成する。この走査を図９（ｂ）は、その投影像を網膜５２上に投影している状態を表している。走査する光ビームは、所定のビーム径ｄを有している。光ビームはレンズの機能を有する水晶体５１により屈折され、網膜５２上に焦点を結ぶ。

いま、投影装置５３から投影される投影像の焦点が、観察者が遠地点Ｐ_Ａの物体Ａを見ている状態に合わせてある。すなわち、観察者が物体Ａを見ているときは、投影像による虚像の焦点も合っているので、虚像をはっきり見ることができる。その後、観察者が見る対象を物体Ｂに移したときは、図９（ａ）で説明したように、水晶体５１の厚さが変化する。その結果、破線で示すように、光ビーム５５は網膜５２上で焦点を結ばなくなる。これは、投影像による虚像のピントがずれた状態である。そのため、観察者が近くの物体Ｂを見るときは、虚像はぼやけて見えることになる。逆に、予め近地点Ｐ_Ｂに虚像の位置を設定しておき、観察者が見る対象を遠地点Ｐ_Ａに移したときは、虚像は同様にピントがずれた状態となる。

特許文献１は、投影装置５３から投影する虚像の提示位置、即ち投影像の焦点距離を、光ビームの波面を変更して調整可能とすることを記載している。例えば、物体Ａを見るときは、投影装置５３から投影される虚像を遠地点Ｐ_Ａに設定し、物体Ｂを見るときは、虚像の近地点Ｐ_Ｂに設定する。具体的には、圧電体からなる圧電アクチュエーターを用いて光ビームの波面を変更し、投影像による虚像の焦点距離を変更する。また、見ている物体の距離を観察者の頭部の傾斜角や姿勢により検出し、検出された距離に応じて虚像の焦点距離を設定する。

また、特許文献２には、音響光学装置や電子光学装置を用いて光ビームの波面を変更することにより、虚像の距離を変更可能とする構成が記載されている。また、カメラのオートフォーカス機構を用いて物体の距離を測長し、この距離に基づいて虚像の距離を設定することが記載されている。
特開２００８−１７６０９６号公報 特表２００２−５２９８０１号公報

しかしながら、観察者は遠地点と近地点を視野内に入れて、頭部を動かさないで遠地点を見たり近地点を見たりする。観察者の水晶体はそのたびに厚さを変更し、像が網膜上に焦点を結ぶように調節している。このような観察者の動作においては、注視している対象物と観察者との間の距離を特許文献１や特許文献２に記載される方法では検出することができない。そのため、投影像による虚像の位置を、注視している外界の実像の位置に追随させることができない。また、観察者の注視している位置を検出し、その都度注視対象との間の距離を測長し、虚像の位置を調節するようにしようとすると、装置が複雑でかつ重くなり、ＨＭＤを使用する観察者に負担がかかる。

そこで、本発明の目的は、簡単な構成で、投影装置により形成される虚像の焦点距離を外界の実像の奥行きの範囲に応じて調整できるようにして、距離の異なる実像を見る場合でも虚像が鮮明に見えるシースルー型ヘッドマウント表示装置を提供することである。

本発明においては上記課題を解決するために以下の手段を講じた。

請求項１に係る発明においては、外界の作業空間である実景に、投影装置から投影される投影像により形成される虚像を重畳して視認可能とするシースルー型ヘッドマウント表示装置であって、前記投影装置は、前記作業空間の遠端と近端との奥行き範囲を指定する奥行き範囲指定部と、前記投影像の焦点距離を調整する焦点距離調整部と、を備え、前記焦点距離調整部は、前記指定された奥行き範囲の中間に前記投影像の焦点距離を設定するシースルー型ヘッドマウント表示装置とした。

請求項２に係る発明においては、前記投影装置は、前記投影像の焦点深度を調整する焦点深度調整部を備え、前記焦点深度調整部は、前記指定された奥行き範囲に基づいて前記投影像の焦点深度を設定する請求項１に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置とした。

請求項３に係る発明においては、前記投影装置は、前記作業空間の遠端と近端の距離を測定する距離測定部を備え、前記奥行き範囲指定部は、前記距離測定部により測定された遠端と近端の距離に基づいて前記作業空間の奥行き範囲を指定することを特徴とする請求項１又は２に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置とした。

請求項４に係る発明においては、前記投影装置は、作業の種類を識別する作業識別情報と、前記作業空間の奥行き範囲とを対応付けた対応表を記憶する記憶部と、作業の種類を入力する入力部とを備え、前記奥行き範囲指定部は、前記入力部から作業の種類を入力することにより前記記憶部に記憶された前記対応表を参照して、前記作業空間の奥行き範囲を指定することを特徴とする請求項１又は２に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置とした。

請求項５に係る発明においては、前記奥行き範囲指定部は、前記焦点深度調整部に対して前記投影像の焦点深度を指定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置とした。

請求項６に係る発明においては、前記投影装置は、画像情報に応じて変調されたレーザー光からなる光ビームを出射する光源部と、前記光源部からの光ビームを走査する光スキャナ部と、前記走査された光ビームを観察者の網膜に導くリレー光学系とを更に備え、前記焦点深度調整部は、前記光源部と前記光スキャナ部との間に設置され、前記光源部から出射された光ビームのビーム径を調整するビーム径調整部と、前記指定された奥行き範囲に基づいて前記ビーム径調整部を制御するビーム径制御部を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置とした。

請求項７に係る発明においては、前記ビーム径調整部は、可変絞り部であることを特徴とする請求項６に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置とした。

請求項８に係る発明においては、前記ビーム径調整部は、可変ビームエキスパンダであることを特徴とする請求項６に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置とした。

請求項１の構成としたことにより、作業空間の遠端と近端の奥行き範囲を設定でき、奥行き範囲の中間に投影像の焦点距離を設定するので、観察者が近地点を見る場合と遠地点を見る場合とを頻繁に繰り返しても投影像による虚像がぼやけて画像品質が低下することを防止することができる。

請求項２の構成としたことにより、指定された奥行き範囲に基づいて焦点深度を設定するので、観察者は作業空間のどの地点を見ても虚像の焦点が合った高品質の画像を見ることができる。

また、請求項３の構成としたことにより、作業空間の遠端と近端の距離を測定するので、観察者の作業の種別に関係なく、投影像による虚像がぼやけて像品質が低下することを防止することができる。

また、請求項４の構成としたことにより、シースルー型ＨＭＤに作業空間の遠端と近端の奥行きを測定するための検出装置等を設置する必要がないので、装置全体の構成を簡単にして、作業に応じた高品質の虚像を見ることができる。

また、請求項５の構成としたことにより、投影像の焦点深度も作業空間の奥行き範囲に合わせて指定されるので、投影像による虚像の品質をより向上させることができる。

また、請求項６の構成としたことにより、レーザー光による光ビームのビーム径を調節して投影像の焦点深度を調節するので、より深い焦点深度を得ることができる。

また、請求項７の構成としたことにより、ビーム径調整部を可変絞部としたので、装置の構成を簡単化することができる。

また、請求項８の構成としたことにより、ビーム径調整部を可変エキスパンダとしたので、焦点深度を変更しても投影される虚像の明るさを略一定に保持することができる。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の基本的な実施形態１に係るシースルー型ＨＭＤ１の構成図である。シースルー型ＨＭＤ１は、投影装置２とハーフミラー９から構成されている。外界からの光はハーフミラー９を通して、又はハーフミラー９の周囲を通過して眼球１０に導入される。投影装置２から出射された投影光は、ハーフミラー９により反射されて眼球１０に導入される。従って、眼球１０の網膜１１には外界の像と投影装置２からの投影像が結像し、観察者には外界の実像に投影像による虚像が重畳されて見える。

投影装置２は、外部から入力された画像信号を処理して同期信号や輝度信号を生成する表示制御部３と、表示制御部３からの輝度信号により変調された光ビームを出射する光源部４と、光源部４から射出される光ビームのビーム径を制御して投影像の焦点距離を調整する焦点距離調整部５と、観察者が見ている作業空間の近端（以下、近地点という。）及び遠端（以下、遠地点という。）の奥行き範囲を決定する奥行き範囲指定部６と、表示制御部３から同期信号を入力して、光ビームを走査する光スキャナ部７と、走査された光ビームをハーフミラー９に導くリレー光学系８と、を備えている。なお、遠地点（遠端）、近地点（近端）は、必ずしも観察者が見ている作業空間における最遠地点、最近地点を意味しない。観察者が見ている作業空間において注目する範囲内の遠地点、近地点を意味する。

本発明の基本的な構成は、奥行き範囲指定部６により指定された作業空間の奥行き範囲に基づいて、焦点距離調整部１８が投影装置２により形成される投影像の焦点距離を変更することである。具体的には、網膜上に投影される投影像の焦点距離を調節することにより、観察者が見る虚像の焦点距離が作業空間の遠地点と近地点の間に入るようにする。より具体的には、焦点距離を奥行き範囲の中央部に設定する。これにより、観察者が作業空間の遠地点を見る場合にも、また近地点を見る場合にも、投影される投影像、すなわち虚像の焦点が大きく外れることが無い。従って、観察者が近地点を見る場合と遠地点を見る場合とを頻繁に繰り返しても投影像による虚像がぼやけて画像品質が低下することを防止することができる。

更に、本発明の実施形態１においては、投影像の焦点深度を調節可能な焦点深度調整部５を設けている。焦点深度調整部５は、奥行き範囲指定部６により指定された作業空間の奥行き範囲に基づいて、投影装置２により形成される投影像の焦点深度を設定する。より具体的には、焦点距離調整部１８により設定される焦点距離を中心にして、奥行き範囲指定部６により指定された作業空間の奥行き範囲に合致するように、焦点深度調整部６が投影像の焦点深度を設定する。これにより、観察者が作業空間内のどの対象を見ていても、投影される投影像により形成される虚像は焦点が合う。つまり、観察者が見ている視点が、距離の近い近地点と距離の遠い遠地点との間を行き来する場合にも、投影像により形成される虚像の焦点はぼけることがない。

焦点距離調整部１８は、観察者の網膜上に結像する投影像の焦点距離を調節する。例えば、リレー光学系８を構成するレンズの位置を移動させることにより投影像の焦点距離を変更することができる。また、光スキャナ７に照射されるコリメート光の波面曲率を、波面調整部４７により変更させて、投影像の焦点距離を調節することができる。

焦点深度調整部５は、投影像を形成する光ビームのビーム径を調整する。光ビームのビーム径が細くなれば、投影像の焦点深度は深くなる。しかし、ビーム径が細くなれば、光スキャナの反射面や光学系のレンズ表面の傷や付着した異物等に投影像が左右されやすくなる。また、焦点深度が深くなると投影像の解像度は低下するので、投影装置２の画素数を減少させる必要も出てくる。従って、通常はビーム径はある広がりを持った所定の大きさに設定され、奥行き範囲指定部６からの奥行き範囲に応じて光ビームのビーム径が調節される。

奥行き範囲指定部６は、観察者が変化させる近地点と遠地点との間の距離に対応する情報を指定する。焦点距離調整部１８は、奥行き範囲指定部６から遠地点と近地点の距離情報を取得して、この中間の位置に虚像が位置するように投影像の焦点距離を設定する。焦点深度調整部５は、奥行き範囲指定部６から作業空間のこの距離情報を取得して、光ビームのビーム径を調節することにより所定の焦点深度を設定する。ここで、奥行き範囲とは、例えば、観察者が作業しながら見る作業空間の近地点と遠地点との間の距離情報をいう。距離情報は、具体的な距離であってもよいし、距離を置き換えた記号等であっても良い。観察者は、視野内に奥行きのある作業空間を見ているときは、眼球の水晶体の焦点を、作業空間の手前側の近地点と奥側の遠地点との間で常に変化させている。

表示制御部３は、投影装置２全体の動作の制御を行う。また、表示制御部３は、外部から入力された画像信号に基づいて、光源部４から発光する光ビームの強度を変調するための輝度信号を生成する。光源部４は、光源としての半導体レーザー、半導体レーザーの発光を制御するレーザドライバ、ダイクロイックミラーや光学系を含む。光スキャナ部７は、入射した光ビームを走査して投影像を形成するための走査光ビームを出射する。より具体的には、光スキャナ部７は、高速走査と、この高速走査に直交する方向に低速走査を行い、２次元投影像を生成する。高速走査と低速走査を１台の光スキャナで行なわれてもよいし、高速走査と低速走査を夫々分離して２台の光スキャナで行なわれてもよい。リレー光学系８及びハーフミラー９は、観察者の眼球１０に走査された光ビームを導く。

次に、奥行き範囲指定部６について、具体的に説明する。奥行き範囲指定部６は、作業空間の遠地点と近地点との間の奥行き範囲を指定する。図２は、観察者Ｘが机Ｔの上の文書Ｄを見ている状態の側面図である。観察者Ｘの視野には机Ｔ上の文書Ｄ全体が含まれている。観察者Ｘは手前側の文書Ｄ_Ｂを見たり、奥側の文書Ｄ_Ａを見たりする。観察者Ｘが奥側の文書Ｄ_Ａを見るときの文書までの距離をＬ_Ａ、手前側の文書Ｄ_Ｂまでの距離をＬ_Ｂとして、この場合の奥行き範囲δＤは、δＤ＝（Ｌ_Ａ−Ｌ_Ｂ）である。奥行き範囲指定部６は、例えば奥行き範囲として奥行き範囲δＤを指定する。

投影装置２は、観察者が見ている実像と観察者との間の距離を測定する距離測定部を備えることができる。距離測定部として、例えば超音波測距離計を利用することができる。観察者は、シースルー型ＨＭＤ１を装着した状態で、現在の作業における近地点を正面にして向く。そして、観察者は、投影装置２を操作するために設けられた操作部を操作して、超音波測距離計から超音波を出射させて、近地点と目の距離Ｌ_Ｂを測定する。次に、観察者は、現在の作業における遠地点を正面にして向く。そして、操作部を操作して、超音波測距離計から超音波を出射させて、遠地点と目の距離Ｌ_Ａを測定する。奥行き範囲指定部６は、測定した近地点と遠地点との間の奥行き範囲δＤを算出する。焦点距離調整部１８は、奥側の文書Ｄ_Ａまでの距離Ｌ_Ａと手前側の文書Ｄ_Ｂまでの距離Ｌ_Ｂに基づいて、投影像によって形成される虚像の位置を概ねその中間部に位置するように、光ビームの焦点距離を設定する。また、焦点深度調整部５は、奥行き範囲δＤの奥行き範囲に基づいて、虚像の焦点深度を概ねδＤとするように、光ビームのビーム径を調節する。

また、超音波測距離計の代わりに、オートフォーカス機構を有するカメラがシースルー型ＨＭＤ１に設置されてもよい。カメラのオートフォーカス機構を利用して距離を求めることができる。すなわち、コントラストが最大となるようフォーカスのあったカメラレンズの調整位置とフォーカスのあった対象物までの距離は対応しているので、レンズの調整位置から距離を求めることができる。カメラで撮像したフォーカス調整に用いる映像をシースルー型ＨＭＤ１に表示し、オートフォーカスに用いられる映像範囲を確認することでより正確に近地点、遠地点を指定することができる。

他の態様として、予め記憶部が設けられており、作業を表す作業識別情報（以下、作業ＩＤという。）と奥行き量を表す奥行き範囲とを対応付けた対応表が記憶部に記憶されている。観察者はこれから行う作業を操作部から入力する。奥行き範囲指定部６は、入力された作業の作業ＩＤに基づいて記憶部に記憶された平均距離と奥行き範囲を特定し、焦点距離調整部１８と焦点深度調整部５に与える。この構成によれば、観察者が見ている実像の距離を測定する距離測定部を必要としないので、投影装置２の構成をより簡素化することができる。

図３は、上記対応表の一例を表しており、作業の種類と奥行き範囲としての奥行き範囲δＤとを対応付けている。作業ＩＤの「１」は、机上作業を表し、奥行き量は１ｍ、平均距離は０．４ｍである。作業ＩＤの「２」はプレゼンテーションを想定している。発表者は、シースルー型ＨＭＤを装着して、プロジェクタを使用しながらプレゼンテーションを行う。発表者は、プロジェクタから投影された画像と、その聴衆を交互に見ながら発表している。この場合、奥行き範囲δＤは８ｍで、平均距離は６ｍである。作業ＩＤ３は、散策の場合を表し、近景と遠景とを交互に見る場合を想定しており、奥行き量は１００ｍで、平均距離は１００ｍである。焦点距離調整部１８は、奥行き指定部６により指定された平均距離に基づいて光ビームの焦点距離を設定し、この光ビームにより形成される虚像の位置をこの平均距離とすることができる。また、焦点深度調整部５は、上記のように、奥行き範囲指定部６により指定された奥行き範囲に基づいて、光ビームのビーム径を調整して投影像の焦点深度を調整し、この投影像により形成される虚像の焦点深度を設定することができる。

これにより、作業空間の平均的な距離に虚像の焦点距離を合わせ、同時に、虚像の焦点深度を作業空間の遠地点と近地点の奥行き範囲をカバーするように設定することができる。その結果、観察者は、注視点が作業空間の遠地点と近地点のどの位置であっても、ピントがぼけない虚像を見ることができる。

また、作業空間の遠地点と近地点の距離を測定するための距離測定部として、カメラのオートフォーカス機構と同様に、ＣＣＤ等からなる撮像素子、フォーカス調整部及び画像解析部により構成することができる。フォーカス調整部によりフォーカスを変化させたときの画像データを被写体の領域ごとに解析して、作業空間の領域ごと、すなわち遠地点と近地点との奥行き範囲やその距離を検出することができる。また、オートフォーカス機構に変えて三角法により測長することもできる。この場合は、観察者の両眼球近傍に撮像素子を設置して、撮像した画像を三角法に基づいて解析し、作業空間の遠地点と近地点の奥行き範囲や距離を検出することができる。

次に、焦点距離調整部１８について、具体的に説明する。光ビームを走査して投影像を網膜上に形成する網膜走査型の投影装置２の場合には、網膜上に走査される光ビームの焦点距離を調整することにより、虚像が見える位置を調整することができる。従って、アクチュエーター等によりリレー光学系８を構成するレンズの位置を移動させて、光ビームの焦点位置を調整することができる。焦点距離調整部１８は、奥行き範囲指定部６により指定された奥行き範囲に基づいて、例えば指定された奥行き範囲の中間の位置に焦点距離を設定するように、リレー光学系８を制御する。

また、網膜走査型の投影装置２の場合には、光ビームの波面の曲率を調整することにより、焦点距離を調整することができる。図８は、波面変調部４７の構成を表す模式図である。波面変調部４７は、入射光ビームを分割するビームスプリッタ５０と、ビームスプリッタ５０からの反射光ビームを絞る凸レンズ５１と、凸レンズからの入射光ビームを凸レンズ５１に反射するミラー５２と、ミラー５２の位置を光軸５５方向に移動させる可動部５３と、可動部５３を固定する支持体５４ａ、５４ｂとから構成されている。ここで、可動部５３は、ミラー５２と凸レンズ５１との距離が、凸レンズ５１の焦点距離ｆ以下になる様にミラー５２の位置を移動させる。焦点距離調整部１８は、奥行き範囲指定部６により指定された奥行き範囲に基づいて、可動部５３の位置を調整して、投影像の焦点距離を調節する。

次に、焦点深度調整部５について、具体的に説明する。図４は、本発明の実施形態に係るシースルー型ＨＭＤ１に使用される焦点深度調整部５の例を示し、図４（ａ）は可変絞り部１３の概念図を表し、図４（ｂ）は可変絞り部１３の模式図を表す。図４（ａ）に示されるように、可変絞り部１３は、光源部４から出射され、コリメートされた入射光ビーム１５のビーム径を絞り機構Ｓにより変更して出射光ビーム１６として出射する。図４（ｂ）に示されるように、可変絞り部１３は、ケーシングＫと、その内周に摺動可能に設置された複数のブレードＢＲと、矢印方向に回転させることにより複数のブレードＢＲにより形成される開口部１７の開口径を可変するノッチＮにより構成されている。ノッチＮを上方に回動させることにより開口部１７の開口径は縮小し、投影像の焦点深度は深くなる。その結果、投影像により形成される虚像の焦点深度も深くなる。なお、絞り機構Ｓは、図示しないアクチュエーター、例えばステッピングモータにより駆動して、奥行き範囲指定部６からの指定奥行き範囲に応じて、開口部１７の開口径を設定することができる。

図５は、本発明に実施形態に係るシースルー型ＨＭＤ１に使用される他の焦点深度調整部５の他の実施例を表し、可変ビームエキスパンダ１４の概念図である。一例として、可変ビームエキスパンダ１４は、３つのレンズＲ１、Ｒ２、Ｒ３により構成される。可変ビームエキスパンダ１４は、光源部４から出射され、コリメートされた入射光ビーム１５のビーム径を、レンズＲ２とＲ３を光軸に沿って移動させることにより可変して、出射光ビーム１６として出射する。可変ビームエキスパンダ１４を使用すれば、光量を減少させないで光ビームのビーム径を変更することができる。従って、投影像の明るさを一定に保持することができる。レンズＲ１に対して、レンズＲ２、Ｒ３をモータ等のアクチュエーターにより移動可能に構成することができる。

なお、焦点深度調整部５として、上記構成に代えて、光ビームの光軸に直交する方向に開口径の異なる複数のスリットを設けて、手動又はアクチュエーターによりスリットを選択してビーム径を変更可能に構成することができる。また、焦点深度調整部５のビーム径調整部として、液晶素子を用いて光ビームが通過するビーム径が変更されてもよい。

（実施形態２）
図６は本発明の実施形態２に係るシースルー型ＨＭＤ１の構成図を表す。本実施形態２は投影装置２の具体例を表している。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。

シースルー型ＨＭＤ１は、投影装置２とハーフミラー９から構成されている。投影装置２は、画像信号の処理及び装置の制御を行う表示制御部３と、画像信号により変調された光を発光する光源部４と、光源部４から発光した光ビームのビーム径を調整するビーム径調整部４５と、網膜上に結像させる投影像の焦点距離を調整するための波面調整部４７と、変調された光ビームを走査する光スキャナ部７ａ、７ｂと、光スキャナ部７ａ、７ｂによって走査された走査光ビームをハーフミラー９に導くリレー光学系８と、観察者が見ている実像の奥行き範囲及び距離を検出する距離測定部４３と、投影像の制御を行う投影像制御部４８から構成されている。以下、各構成部について説明する。

表示制御部３は、投影装置２の装置全体を制御する制御部２０と、入力した画像信号を処理して投影像を生成するための画像信号処理回路２１と、観察者が投影装置２を操作するための操作部２６を備えている。また、投影像制御部４８は、距離測定部４３から作業空間の奥行き範囲を測長した測長情報に基づいて奥行き範囲を指定する奥行き範囲指定部６と、ビーム径調整部４５を制御するためのビーム径制御部４４と、波面調整部４７を制御する焦点距離制御部１８を備えている。ここで、ビーム径調整部４５とビーム径制御部４４により焦点深度調整部５が構成される。また、波面調整部４７と焦点距離制御部１８により焦点距離調整部が構成される。

制御部２０は、プログラムの実行を制御するＣＰＵ２５と、投影装置１の動作を制御するメインプログラム、距離測定部４３の駆動を制御する奥行き範囲指定プログラム、焦点深度調整部５の駆動を制御する焦点深度調整プログラム、焦点距離調整部の駆動を制御する焦点距離調整プログラム等を格納するＲＯＭ２２と、ＣＰＵ３１がＲＯＭ３２からプログラムを読み出して、その作業領域として使用するＲＡＭ２３と、外部から入力された画像信号が変換された画像データを記憶するＶＲＡＭ２４を備えている。即ち、奥行き範囲指定部６は奥行き範囲指定プログラムを実行することにより実現され、ビーム径制御部４４は焦点深度調整プログラムを実行することにより実現され、焦点距離制御部１８は焦点距離調整プログラムを実行することにより実現される。

画像信号処理回路２１は、外部から入力された画像信号及びＶＲＡＭ２４から入力された画像データを処理して２次元画像を生成するための各種信号を生成する。画像信号処理回路２１は、入力された画像信号から水平同期信号及び垂直同期信号を生成して水平走査ドライバ３７及び垂直走査ドライバ４０に供給する。また、画像信号処理回路２１は、Ｒレーザドライバ２８Ｒ、Ｇレーザドライバ２８Ｇ及びＢレーザドライバ２８Ｂの夫々に、赤色輝度信号、緑色輝度信号及び青色輝度信号の夫々を時系列的に供給する。

奥行き範囲指定部６は、距離測定部４３からの作業空間の実像に関する距離情報から作業空間の遠地点と近地点との間の奥行き範囲情報を生成する。ビーム径制御部４４は、この奥行き範囲情報に基づいて、ビーム径調整部４５を制御する。

ビーム径調整部４５は、コリメート光学系３６から出射される光ビームのビーム径を調整する。ビーム径調整部４５として図４に示す可変絞り部１３が使用される場合には、ビーム径調整部４５は絞り機構Ｓをアクチュエーターにより駆動して光ビームを所望のビーム径に調整する。ビーム径調整部４５として図５に示す可変ビームエキスパンダが使用される場合には、ビーム径調整部４５はレンズＲ２、Ｒ３の位置をアクチュエーターにより駆動して光ビームを所望のビーム径に調整する。

ビーム径制御部４４は、例えば、遠地点と近地点の奥行き範囲が広い場合は、光源部４から出射される光ビームのビーム径を小さくするようにビーム径調整部４５を制御する。これにより、投影像の焦点深度は深くなる。ビーム径制御部４４は、遠地点と近地点の奥行き範囲が狭い場合は、光源部４から出射される光ビームのビーム径を大きくするようにビーム径調整部４５を制御する。これにより、投影像の焦点深度は浅くなる。

波面調整部４７は、投影像の焦点距離を調整して観察者が見る虚像の位置を調整する。図８を用いて説明する。ビーム径調整部４５から入射したコリメートされた光ビームは、ビームスプリッタ５０、凸レンズ５１、ミラー５２、凸レンズ５１を経由して再びビームスプリッタ５０に入射し、水平走査光スキャナ３８に向けて出射される。入射光ビームがコリメート光であり、ミラー５２の位置が凸レンズ５１の焦点距離ｆに位置するときは、水平走査光スキャナ３８に向けて出射される光ビームもコリメート光であり、その波面はフラットである。この光ビームにより形成される投影像、即ち観察者が観察する虚像の位置は無限遠である。ミラー５２の反射面が凸レンズ５１の焦点距離ｆの位置よりも凸レンズ５１側に移動すると、ビームスプリッタ５０から出射される出射光ビームの波面は進行方向に対して凸状になる。その結果、観察者の眼球１０は、出射光ビームが有限距離の物体から放射されたかのように振舞うので、この光ビームにより形成される投影像、即ち観察者が観察する虚像の位置は近づく方向に変化する。このように、波面調整部４７により投影像の焦点距離の調整が可能となり、虚像の位置が調整される。

焦点距離制御部１８は、奥行き範囲指定部６からの奥行き範囲情報に基づいて、波面調整部４７を制御する。奥行き範囲情報には作業空間の遠地点と近地点の距離情報が含まれている。焦点距離制御部１８は、この距離情報から、例えば遠地点と近地点の中間点の距離を算出する。焦点距離制御部１８はこの中間点の距離に基づいて波面調整部４７のミラー５２の位置を制御して、光ビームの波面の曲率を調整する。中間点の距離が大きい場合、即ち観察者の見ている作業空間が平均的に遠い場合には、焦点距離調整部４６は、光ビームの波面が平らになる方向、即ち、波面調整部４７のミラー５２を凸レンズ５１の反対方向へ移動させるように制御する。中間点の距離が小さい場合、即ち観察者の見ている作業空間が平均的に近い場合には、焦点距離調整部４６は、光ビームの波面が光ビームの進む方向に対して凸状になる方向、即ち、波面調整部４７のミラー５２を凸レンズ５１の方向へ移動させるように制御する。これにより、作業空間の距離に応じて投影像の結像する位置を調整することができ、観察者が見ている虚像の焦点距離を調整することが可能となる。

このように、作業空間の平均的な距離に虚像の焦点距離を合わせ、同時に、虚像の焦点深度を作業空間の遠地点と近地点の奥行き範囲をカバーするように設定することができる。その結果、観察者は、注視点が作業空間の遠地点と近地点の間のどの位置であっても、ピントがぼけない虚像を見ることができる。

操作部２６は、投影装置２に情報を入力するための入力機能を有する。例えば、作業空間の作業内容を入力する。また、距離測定部４３により、作業空間の遠地点及び近地点の測長の際の入力手段として使用する。

光源部４は、レーザダイオード２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂと、各レーザダイオード２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂを駆動するためのレーザドライバ２８Ｒ、２８Ｇ、２８Ｂと、各レーザダイオード２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂが発光した赤色光ビーム、緑色光ビーム、青色光ビームの夫々をコリメートするコリメート光学系３０、３１、３２と、各色の光ビームを合成するダイクロイックミラー３３と、ダイクロイックミラー３３からの合成光を光ファイバ３５に導入するための結像光学系３４と、光ファイバ３５から出射される光ビームをコリメートするコリメート光学系３６とから構成されている。

光スキャナ部７ａは、焦点深度調整部５によりビーム径が調整された光ビームを水平方向に走査する水平走査光スキャナ３８と、水平走査光スキャナ３８を駆動する水平走査ドライバ３７を備えている。水平走査ドライバ３７は、画像信号処理回路２１から入力された水平駆動信号に従って水平走査光スキャナ３８の反射部を矢印方向に揺動させる。リレー光学系３９は光スキャナ部７ａから出射される走査光ビームを光スキャナ部７ｂに導く。光スキャナ部７ｂは、入射した走査光ビームを垂直方向に走査する垂直走査光スキャナ４１と、垂直走査光スキャナ４１を駆動する垂直走査ドライバ４０を備えている。垂直走査ドライバ４０は、画像信号処理回路２１から入力された垂直駆動信号に従って垂直走査光スキャナ４１の反射部を揺動させる。リレー光学系４２は、水平及び垂直に走査された走査光ビームをハーフミラー９に向けて出射する。ハーフミラー９から反射された走査光ビームにより、観察者の網膜１１上に投影像が形成される。観察者はこの投影像を虚像として視認することができる。

距離測定部４３は、観察者の作業空間の奥行き範囲を検出する。距離測定部４３として、例えば超音波測距離計を使用することができる。制御部２０の奥行き範囲指定部６の制御の元に、超音波測距離計は超音波を出射しその反射波を検出し、作業空間の遠地点及び近地点の距離を測長する。奥行き範囲指定部６は、観察者が観察する作業空間の奥行き範囲を指定する。なお、奥行き範囲指定部６は、検出した遠地点と近地点の奥行き範囲をビーム径制御部４４に与え、更に、検出した遠地点及び近地点の中間点の距離を算出して、焦点距離制御部１８に与える。

また、距離測定部４３に代えて、ＲＯＭ２２又は他の記憶部に図３に示すような対応表を記憶して、この対応表から作業空間の奥行き範囲及び平均距離を指定することができる。例えばプレゼンテーションを行う場合、観察者は操作部２６から作業ＩＤの２を入力する。すると、奥行き範囲指定部６はこの一覧表を参照して、奥行き範囲δＤ＝８ｍ、平均距離Ｌ＝６ｍを指定する。ビーム径制御部４４は、ビーム径調整部４５を制御して、虚像の焦点深度が８ｍとなるビーム径に設定する。更に、焦点距離制御部５６は、波面調整部４７を制御して、虚像の焦点距離が６ｍになるように光ビームの波面曲率を設定する。これにより、比較的簡単な構成で、観察者が注視点を頻繁に移動する場合でも、ボケのない虚像を見ることができる。

また、ビーム径調整部４５として、図４に示すような絞り機構Ｓを使用する場合には、スリットの開口部の開口径を縮小させるに従い、レーザダイオード２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂの発光強度が強くなるように、制御することができる。絞り機構Ｓの開口径が小さくなるに従い、スリットを通過する光ビームの強度が低下し、観察者が見る虚像の明るさが低下する。この明るさの低下を防止するために、奥行き範囲指定部６により指定された奥行き範囲に関連付けて、画像信号処理回路２１から出力される輝度信号が画像信号処理回路２１又は制御部２０により調整されるようにすればよい。

以上の構成により、観察者は奥行きのある実像を見ながら手前側と奥側に頻繁に視点を移動させても、その度に投影される虚像がぼやけて虚像の品質が劣化することを防止することができる。なお、上記の投影装置２の各構成要素を一体的に筐体に組み込むことができる。一体的に組む込むことにより、装置全体をコンパクトに構成することができる。また、投影装置２を、表示制御部３及び光源部４を含む本体と、焦点深度調整部５、光スキャナ部７、リレー光学系８、距離測定部４３をヘッドマウント部とに分離して構成してもよい。このように分離すれば、観察者の頭部に装着するヘッドマウント部の重量を軽くすることができ、装着による観察者への負担を軽減することができる。また、光スキャナとして、水平走査光スキャナ３８と垂直走査光スキャナ４１とを分離し、これらの間にリレー光学系３９を設置したが、これに代えて、水平走査光スキャナ３８と垂直走査光スキャナ４１とを一体的に構成することができる。これにより、構成部品点数を減少させて、よりコンパクトに、且つ、軽量化を図ることができる。

（実施形態３）
図７は、本発明の実施形態３に係るシースルー型ＨＭＤ１の情報処理方法を表すフローチャート図である。図７（ａ）は、メイン情報処理方法を表すフローチャート図であり、図７（ｂ）は、近地点と遠地点間の奥行き範囲指定処理の一例を表すフローチャート図であり、図７（ｃ）は、近地点と遠地点間の奥行き範囲指定処理の他の一例を表すフローチャート図である。

メイン情報処理方法を、図７（ａ）を用いて説明する。観察者は操作部２６の奥行き測定ボタンを押下して、メイン情報処理を開始する。奥行き範囲指定部６は、近地点と遠地点の奥行き範囲を指定する奥行き範囲指定処理を実行する（ステップＳ１）。焦点距離調整部１８は、奥行き範囲指定部６により指定された奥行き範囲に基づいて、焦点距離を決定する。更に、焦点深度調整部５は、奥行き範囲指定部６により指定された奥行き範囲に基づいて、焦点深度を決定する（ステップＳ２）。リレー光学系８又は波面調整部４７は、設定された焦点距離に基づいて投影像の焦点距離を調節する。更に、焦点深度調整部５のアクチュエーターの可動範囲を設定する。焦点深度調整部５は、アクチュエーターに可動範囲に応じた駆動信号を与えて駆動し、焦点深度を調節する（ステップＳ３）。例えば、アクチュエーターがステッピングモータの場合は、ステッピングモータに与えるパルス数を設定して、焦点深度を調整する。

次に、図７（ｂ）を用いて、奥行き範囲指定処理の一例を説明する。距離測定部として超音波測距離計が用いられる場合である。表示制御部３は、近地点を正視したかどうかの表示を行う（ステップＳ４）。観察者は、作業を行う視野内の近地点を正視して、操作部２６の測定開始ボタンを押下する（ステップＳ４のＹ）。すると、超音波測距離計は近地点に向けて超音波を出射し、その反射波を検出する。超音波測距離計は、出射波に対する反射波の遅延時間から近地点の距離を算出する（ステップＳ５）。観察者が操作部２６から入力しない場合は（ステップＳ４のＮ）、待ちの状態となる。表示制御部３は、遠地点を正視したかどうかの表示を行う（ステップＳ６）。観察者は、作業を行う視野内の遠地点を正視して、操作部２６の測定開始ボタンを押下する。すると、上記と同様に、超音波測距離計は、超音波を出射し、反射波を検する。超音波測距離計は、出射波に対する反射波の遅延時間から遠地点の距離を算出する（ステップＳ７）。観察者が操作部２６から入力しない場合は（ステップＳ６のＮ）、待ちの状態となる。奥行き範囲指定部６は、近地点の距離と遠地点の中間の距離を算出し、また遠地点と近地点の距離との差を計算して奥行き範囲を指定する（ステップＳ８）。

次に、図７（ｃ）を用いて、奥行き範囲指定処理の他の一例を説明する。奥行き範囲指定部６は、作業ＩＤと奥行き範囲δＤの対応表を参照して奥行き範囲を指定する場合である。表示制御部３は、奥行き範囲を指定するかどうかの表示を行う（ステップＳ９）。観察者は、操作部２６から奥行き範囲を指定する旨の入力を行うと（ステップＳ９のＹ）、表示制御部３は、奥行き作業の一覧表を表示する。観察者は、これから作業しようとする作業を特定する作業ＩＤを入力する（ステップＳ１０）。奥行き範囲指定部６は、記憶部、例えばＲＯＭ２２から読み出した対応表を参照して、入力された作業ＩＤに対応する奥行き範囲δＤを指定し（ステップＳ１１）、奥行き範囲を指定する。観察者は、奥行き範囲を指定しないときは操作部からその旨を入力すると（ステップＳ９のＮ）、奥行き範囲指定部６によって奥行き範囲δＤが指定されない。

以上説明したように、超音波測距離計により測長し、或いは作業ＩＤと奥行き量との対応表から奥行き範囲を特定し、光ビームのビーム径を調整して焦点深度を調整する方法は、複雑な測定や画像処理を行う必要なく、高品質の虚像を映し出すことができる。

本発明の実施形態に係るシースルー型ＨＭＤを表す構成図である。 観察者が机上の書類を見ている状態を表す模式図である。 本発明の実施形態に係るシースルー型ＨＭＤで使用する作業ＩＤと奥行き量との対応表を表す。 本発明の実施形態に係るシースルー型ＨＭＤで使用する焦点深度調整部の模式図である。 本発明の実施形態に係るシースルー型ＨＭＤで使用する焦点深度調整部の模式図である。 本発明の実施形態に係るシースルー型ＨＭＤを表す構成図である。 本発明の実施形態に係るシースルー型ＨＭＤの情報処理方法を表すフローチャート図である。 本発明の実施形態に係るシースルー型ＨＭＤで使用する波面調整部の模式図である。 実像と虚像の焦点深度の関係を説明するための説明図である。

符号の説明

１ シースルー型ヘッドマウント表示装置
２ 投影装置
３ 表示制御部
４ 光源部
５ 焦点深度調整部
６ 奥行き範囲指定部
７ 光スキャナ部
８ リレー光学系
９ ハーフミラー
１０ 眼球
１１ 網膜

Claims (8)

1. 外界の作業空間である実景に、投影装置から投影される投影像により形成される虚像を重畳して視認可能とするシースルー型ヘッドマウント表示装置であって、
   前記投影装置は、前記作業空間の遠端と近端との奥行き範囲を指定する奥行き範囲指定部と、前記投影像の焦点距離を調整する焦点距離調整部と、を備え、
   前記焦点距離調整部は、前記指定された奥行き範囲の中間に前記投影像の焦点距離を設定するシースルー型ヘッドマウント表示装置。
2. 前記投影装置は、前記投影像の焦点深度を調整する焦点深度調整部を備え、前記焦点深度調整部は、前記指定された奥行き範囲に基づいて前記投影像の焦点深度を設定する請求項１に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置。
3. 前記投影装置は、前記作業空間の遠端と近端の距離を測定する距離測定部を備え、
   前記奥行き範囲指定部は、前記距離測定部により測定された遠端と近端の距離に基づいて前記作業空間の奥行き範囲を指定することを特徴とする請求項１又は２に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置。
4. 前記投影装置は、作業の種類を識別する作業識別情報と、前記作業空間の奥行き範囲とを対応付けた対応表を記憶する記憶部と、作業の種類を入力する入力部とを備え、
   前記奥行き範囲指定部は、前記入力部から作業の種類を入力することにより前記記憶部に記憶された前記対応表を参照して、前記作業空間の奥行き範囲を指定することを特徴とする請求項１又は２に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置。
5. 前記奥行き範囲指定部は、前記焦点深度調整部に対して前記投影像の焦点深度を指定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置。
6. 前記投影装置は、画像情報に応じて変調されたレーザー光からなる光ビームを出射する光源部と、前記光源部からの光ビームを走査する光スキャナ部と、前記走査された光ビームを観察者の網膜に導くリレー光学系とを更に備え、
   前記焦点深度調整部は、前記光源部と前記光スキャナ部との間に設置され、前記光源部から出射された光ビームのビーム径を調整するビーム径調整部と、前記指定された奥行き範囲に基づいて前記ビーム径調整部を制御するビーム径制御部を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置。
7. 前記ビーム径調整部は、可変絞り部であることを特徴とする請求項６に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置。
8. 前記ビーム径調整部は、可変ビームエキスパンダであることを特徴とする請求項６に記載のシースルー型ヘッドマウント表示装置。

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