JP2011075956A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】観察者にとって焦点が合いやすいように焦点深度を深くし、かつ、投射部による射出瞳を観察者の瞳孔に合わせやすいヘッドマウントディスプレイを提供する。
【解決手段】画像情報に応じた画像光を観察者の眼に投射する接眼レンズと、観察者の眼の瞳孔位置を検出する検出部と、検出部により検出した瞳孔位置に応じて、接眼レンズの位置をその光軸に対して直交方向に移動させ、さらに、前記光軸方向に直交する画像表示位置を接眼レンズの移動方向に対して反対方向に移動させて、観察者の眼に画像光を入射させる制御部と、を備えることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関する。

従来より、観察者の頭部に装着され、画像情報に応じた画像光を投射部から観察者の眼に投射して、画像情報に応じた画像を観察者に視認させる表示手段を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」ともいう）が知られている。

このＨＭＤは、作業マニュアル等のコンテンツを表示する手段として、医療、工場等の現場で活用され始めている。特に、装置全体が小型化されたものであれば持ち運びが可能となり、今後広く普及していくものと予測される。

観察者は、ＨＭＤの画像を視認するために、投射部による射出瞳を観察者の瞳孔に合わせることが必要である。しかし、投射部による射出瞳が観察者の瞳孔より小さい場合には、投射部による射出瞳に観察者の瞳孔を合わせることが難しく、また射出瞳から観察者の瞳孔が外れやすくなる。

そこで、回折格子を中間像面位置に配置して、射出瞳の実効径を拡大する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許第５７０１１３２号明細書

射出瞳の実効径が大きくなると、観察者の瞳孔が射出瞳に位置する可能性が高くなることから、観察者はＨＭＤの画像を視認しやすくなる。

しかし、その反面、観察者の瞳孔から入射する画像光の径が大きくなる。そのため、焦点深度が浅くなり、観察者はＨＭＤの画像にピントを合わせるのに手間取ってしまう。また、オートフォーカスを行うとすると、眼底カメラのように光学系が大型化、複雑化するという問題がある。

本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものであり、観察者にとって焦点が合いやすいように焦点深度を深くし、かつ、投射部による射出瞳を観察者の瞳孔に合わせやすい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。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、画像情報に応じた画像光を観察者の眼に投射する接眼レンズと、前記観察者の眼の瞳孔位置を検出する検出部と、前記検出部により検出した前記瞳孔位置に応じて、前記接眼レンズの位置をその光軸に対して直交方向に移動させ、さらに、前記光軸方向に直交する画像表示位置を前記接眼レンズの移動方向に対して反対方向に移動させて、前記観察者の眼に前記画像光を入射させる制御部と、を備えることとした。

また、請求項２に係る発明は、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、前記画像表示位置と前記接眼レンズの間に、前記画像表示位置の画像と共役関係にある中間像面と、前記瞳孔位置と共役関係にある絞りとがあり、前記接眼レンズと前記瞳孔位置までの距離をｓとし、前記絞りと前記接眼レンズとの間の距離をｓ’とし、前記画像表示位置と前記中間像面との間の距離をβ２としたときに、前記制御部は、前記検出部により検出した前記瞳孔位置の移動量がａ（１−β）であるとき、前記接眼レンズの移動量をａ×（ｓ’／ｓ）とし、前記画像光表示位置の移動量を−ａ×（ｓ’／ｓ）×β２としたことに特徴を有する。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記投射部による射出瞳は、２ｍｍ以下であることに特徴を有する。

本発明では、検出した観察者の瞳孔位置に応じて、接眼レンズの位置をその光軸に対して直交方向に移動する。したがって、瞳孔に入射する画像光の実効径が大きくなることを抑制しながらも、観察者の瞳孔に画像光を入射させることができる。

本実施形態に係るＨＭＤの概要を示した説明図である。 本実施形態に係るＨＭＤの概要を示した説明図である。 本実施形態に係るＨＭＤの外観を示した説明図である。 本実施形態に係るＨＭＤの電気的構成及び光学的構成を示した説明図である。 表示制御部の電気的構成を示したブロック図である。 本実施形態に係るＨＭＤの処理を示したフローチャートである。 画像光出射ユニット及び接眼レンズ８２の移動距離の算出方法を示した説明図である。 変形例に係る投射部近傍の構成を示した説明図である。

〔ＨＭＤの概要〕
まず、本実施形態に係るＨＭＤの概要について図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態に係るＨＭＤの概要を示した説明図である。なお、本実施形態では、ＨＭＤを、画像情報に基づいて強度変調した光を２次元的に走査し、その走査された光を当該ＨＭＤの使用者である観察者の眼に投射して網膜上に結像させる網膜走査型として説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、画像情報に応じて強度変調した光を観察者の眼に入射させ、当該画像情報に応じた画像を表示するＨＭＤであれば全てに適用することができる。

図１（ａ）は、画像情報に応じた画像光Ｌｂが、ＨＭＤを使用する観察者の眼１１０の瞳孔１１０ａに入射している状態を示している。この図１（ａ）に示す状態では、画像光Ｌｂが瞳孔１１０ａから入射しているので、観察者は画像光Ｌｂによる画像を認識することとなる。

ここで観察者が眼１１０を移動させた場合を想定する。図１（ｂ）に示すように、瞳孔１１０ａの位置がａだけ移動して、画像光Ｌｂが瞳孔１１０ａから入射しなくなると、観察者は画像光Ｌｂによる画像を認識することができなくなる。

このような場合、図１（ｃ）に示すように、射出瞳の径を大きくすると、観察者が眼１１０を動かして瞳孔１１０ａの位置が移動した場合であっても、瞳孔１１０ａから画像光Ｌｂが入射することとなり、観察者は画像を視認することができる。

しかしながらこの場合、瞳孔１１０ａから入射した画像光Ｌｂの開き角αが大きくなって焦点深度が浅くなり、観察者が画像光Ｌｂによる画像へピントを合わせづらくなる。

ここで、図１（ｂ）と同様に、画像光Ｌｂの実効径が小さく、観察者の瞳孔１１０ａに入射しない状態を再度想定する。図２（ａ）は、仮想中心線Ｘ上に配置された画像光出射ユニット８０から画像光Ｌｂが出射され、集束レンズ８１と、接眼レンズ８２を介して観察者の眼１１０に向けて出射されたが、瞳孔１１０ａ位置が仮想中心線Ｘからａだけ移動しているため、画像光Ｌｂが瞳孔１１０ａに入射していない状態を示している。

このような状態において、本実施形態に係るＨＭＤは、図２（ｂ）に示すように、接眼レンズ８２を瞳孔１１０ａの移動方向と同じ方向へａ’だけ移動させ、併せて、画像光出射ユニット８０を瞳孔１１０ａの移動方向とは逆の方向へａ”移動させることにより、瞳孔１１０ａへ画像光Ｌｂを入射させるようにしている。

また、上記説明では、瞳孔１１０ａが図面上において上方へａだけ移動した場合について述べたが、図２（ｃ）に示すように、瞳孔１１０ａが例えば下方へａだけ移動した場合も同様である。

このような動作をＨＭＤに行わせることにより、画像光Ｌｂの実効径を大きくすることなく、観察者の瞳孔１１０ａに画像光Ｌｂを入射させることができる。

〔ＨＭＤ１の具体的構成及び動作〕
本実施形態に係るＨＭＤ１は、図３に示すように、観察者Ｐの腰部に装着する制御ユニット部２と、観察者Ｐが頭部に装着する頭部装着具６と、制御ユニット部２と頭部装着具６と接続する光ファイバーケーブル７とを備えている。

制御ユニット部２には、表示制御部１０が備えられており、同じく制御ユニット部２に内蔵した後述のコンテンツ記憶部１１に記憶されたコンテンツデータに基づいて表示制御部１０が画像信号Ｓを形成する。また、制御ユニット部２には光源部１２が備えられており、前述の画像信号Ｓに応じて各色（Ｒ,Ｇ,Ｂ）毎に強度変調されたレーザ光を光ファイバーケーブル７へ出射する。また、後に詳述するが、この表示制御部１０は、検出部により検出した瞳孔１１０ａの位置に応じて、可変絞り部を制御する制御部として機能する。

また、制御ユニット部２には、電源ボタン１３や図示しない操作入力部が配設されている。これらの電源ボタン１３や操作入力部は、表示制御部１０に電気的に接続されている。

また、制御ユニット部２には、外部入出力端子２０が形成されている。この外部入出力端子２０により、外部からの画像信号を入力したり、図示しないパーソナルコンピュータ等との間で画像信号を形成するためのコンテンツデータなどを送受信したりすることができる。なお、ここでコンテンツデータとは、文字を表示させるためのデータ、画像を表示させるためのデータ及び動画を表示させるためのデータのうちの少なくとも１つのデータで構成される画像情報であり、例えば、パーソナルコンピュータ等で使用される文書ファイルや画像ファイル、動画ファイル等である。

頭部装着具６は、観察者Ｐの頭部に装着した状態において、伝送されたレーザ光を観察者Ｐの眼１１０に投射し、観察者Ｐに対して画像を表示するものである。具体的には、頭部装着具６は、画像表示ユニット４と、支持フレーム２１とで構成している。

画像表示ユニット４は、光ファイバーケーブル７より伝送されてきたレーザ光を２次元方向に走査して画像光Ｌｂを形成し、観察者Ｐの眼１１０に入射させ、観察者Ｐの眼１１０の網膜上で画像光Ｌｂを２次元方向に走査する。これにより、観察者Ｐに画像情報に応じた画像を視認させることができる。

この画像表示ユニット４には、観察者Ｐの眼１１０と対向する位置に第２ハーフミラー３が設けられている。外光Ｌａは第２ハーフミラー３を透過して観察者Ｐの眼１１０に入射され、画像表示ユニット４から出射される画像光Ｌｂは第２ハーフミラー３で反射して観察者Ｐの眼１１０に入射する。これにより、観察者Ｐは外光Ｌａによる外景に画像光Ｌｂによる画像を重ねて視認することができる。

このようにＨＭＤ１は、外光Ｌａを透過しつつ、画像光Ｌｂを観察者Ｐの眼１１０に投射するシースルー型のヘッドマウントディスプレイとしている。

次に、ＨＭＤ１の電気的構成及び光学的構成について図４を参照しながら説明する。図４に示すように、制御ユニット部２内には、表示制御部１０と、光源部１２とが備えられている。

（表示制御部１０）
表示制御部１０は、比較的大容量の記憶領域を有するコンテンツ記憶部１１に予め記憶されたコンテンツデータを読み出し、このコンテンツデータを画像信号Ｓに変換して、光源部１２に供給する。また、表示制御部１０は、外部入出力端子２０を介して外部接続した図示しない機器類から供給されるコンテンツデータを画像信号Ｓに変換し、光源部１２に供給することもできる。なお、コンテンツ記憶部１１は、例えば、ハードディスクの如き磁気的記憶媒体や、ＣＤ−Ｒの如き光学的記録媒体や、フラッシュメモリ等とすることができる。

また、表示制御部１０には、電源ボタン１３が電気的に接続されている。電源ボタン１３が押下されることにより、表示制御部１０は、図示しない電源部からの電力を供給したり停止したりする。

また、表示制御部１０には、画像光出射ユニット移動回路８３と、接眼レンズ移動回路８４とが電気的に接続されている。画像光出射ユニット移動回路８３は、表示制御部１０より送信される画像光出射ユニット移動信号を受信すると、同信号の内容にしたがって画像光出射ユニット８０を移動させる。なお、画像光出射ユニット移動信号には、画像光出射ユニット８０の移動方向や移動量が情報として含まれている。

接眼レンズ移動回路８４もまた、１０より送信される接眼レンズ移動信号を受信すると、同信号の内容にしたがって接眼レンズ８２を移動させる。接眼レンズ移動信号にも、接眼レンズ８２の移動方向や移動量が情報として含まれている。

光源部１２は、観察者Ｐの眼に画像を表示するためのレーザ光を生成する部位であり、表示制御部１０に電気的に接続される駆動信号供給回路３０が備えられている。駆動信号供給回路３０は、表示制御部１０から供給された画像信号Ｓに基づいて、表示画像を形成するための要素となる、赤色、緑色及び青色のそれぞれの画像信号を生成する。また、駆動信号供給回路３０は、後述の高速走査部３２で使用される高速駆動信号３３と、低速走査部３４で使用される低速駆動信号３５とをそれぞれ出力する。

また、光源部１２には、レーザ出射部３６が設けられている。このレーザ出射部３６には、Ｒ（赤色）レーザ、Ｇ（緑色）レーザ、Ｂ（青色）レーザが備えられており、画像信号Ｓに基づいて生成された各色の画像信号に応じてそれぞれ強度変調されたレーザ光を出射する。各レーザは、例えば、半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成することが可能である。各レーザから出射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー等から構成される光学系により合波され、平行光化された後に集光されて光ファイバーケーブル７へ出力される。

（画像表示ユニット４）
画像表示ユニット４は、光ファイバーケーブル７を介して入射するレーザ光を走査して観察者Ｐの眼１１０に投射する。この画像表示ユニット４には、画像光出射ユニット８０と、同画像光出射ユニット８０を観察者Ｐの瞳孔位置に応じて移動させる画像光出射ユニット移動回路８３と、投射部６１と、同投射部６１内に配設される接眼レンズ８２の位置を移動させる接眼レンズ移動回路８４とで構成されている。

画像光出射ユニット８０は、光源部１２で生成され、光ファイバーケーブル７を介して出射されるレーザ光を２次元方向に走査して画像光Ｌｂとして出射する。具体的には、画像光出射ユニット８０には、光ファイバーケーブル７を介して出射されるレーザ光を平行光化するコリメート光学系６２と、このコリメート光学系６２で平行光化されたレーザ光を画像表示のために偏向素子３２ａの反射面により第１の方向に往復走査する高速走査部３２とが設けられている。また、画像光出射ユニット８０には、高速走査部３２で第１の方向に走査されたレーザ光を、偏向素子３４ａの反射面により第１の方向と略直交する第２の方向に走査する低速走査部３４と、高速走査部３２と低速走査部３４との間に設けられた第１リレー光学系６３と、低速走査部３４にて走査された光を後述の集束レンズ８１へ向けて出射するための出射レンズ８５とが設けられている。

画像光出射ユニット８０により走査されたレーザ光は、画像光Ｌｂとして、画像光出射ユニット８０から出射レンズ８５を介して投射部６１へ向けて出射される。この画像光出射ユニット８０から出射された画像光Ｌｂは、像面Ｊを形成する。この像面Ｊは、画像光Ｌｂが結像する観察者Ｐの網膜と像共役の関係にあり、画像光Ｌｂを出射した画像光出射ユニット８０の画像表示位置とも言える。なお、前述の第１の方向及び第２の方向は、例えば、表示する画像の水平方向を第１の方向をとし、表示する画像の垂直方向を第２の方向とすることが可能であるが、第１の方向が垂直方向、第２の方向が水平方向であっても良い。

投射部６１には、集束レンズ８１と、撮像部６６と、接眼レンズ８２と、第２ハーフミラー３とが備えられている。

集束レンズ８１は、画像光出射ユニット８０から出射された画像光Ｌｂを集束させるためのレンズであり、その光路下流側には、集束レンズ８１の射出瞳Ｋと、像面Ｌが形成される。

撮像部６６は、画像光出射ユニット８０や接眼レンズ８２を移動させるために、瞳孔１１０ａの位置を検出するに際し、眼１１０表面の状態を撮像するための部位であり、第１ハーフミラー７３と、撮像素子７４とで構成されている。この撮像部６６は、後述のフローを実行する表示制御部１０と協働することにより、観察者Ｐの眼１１０の瞳孔１１０ａの位置を検出する検出部として機能するものである。

第１ハーフミラー７３は、第２ハーフミラー３で反射され、接眼レンズ８２から出射された眼１１０表面の光を、撮像素子７４へ向けて反射するためのハーフミラーである。また、集束レンズ８１から出射された画像光Ｌｂの一部は、第１ハーフミラー７３により反射されるが、残りは透過して接眼レンズ８２に入射する。

撮像素子７４は、第１ハーフミラー７３にて反射された眼１１０表面の光を受光して眼１１０表面の状態を撮像するものであり、瞳孔１１０ａの位置と共役な位置に配設されている。この撮像素子７４は、受光した眼１１０表面からの光を撮像信号に変換して表示制御部１０へ送信する。

接眼レンズ８２は、第１ハーフミラー７３を透過して入射する画像光Ｌｂを収束させるものであり、出射された画像光Ｌｂは、第２ハーフミラー３を介して観察者Ｐの眼１１０にその瞳孔１１０ａから入射する。これによって観察者Ｐは、網膜１１０ｂ上に投影された画像光Ｌｂよる画像を認識することができる。また、この接眼レンズ８２は、前述のしたように、撮像素子７４へ向けて眼１１０表面の光を導く役割も担っている。なお、接眼レンズ８２の配設位置を、図４中符号Ｍで示し、画像表示ユニット４の射出瞳位置を符号Ｋで示す。

画像光出射ユニット移動回路８３及び接眼レンズ移動回路８４は、前述のように画像光出射ユニット８０や接眼レンズ８２を移動させるための回路であり、表示制御部１０から送信される画像光出射ユニット移動信号や、接眼レンズ移動信号に基づいて、図示しない移動機構によりそれぞれを移動する。

〔表示制御部１０の電気的構成〕
次に、表示制御部１０の構成について、図５を参照しながら説明する。図５は、表示制御部１０の電気的構成を示したブロック図である。

表示制御部１０は、ＣＰＵ１００と、ＲＯＭ１０１と、ＲＡＭ１０２と、画像信号供給回路用インターフェース１０３と、画像信号供給回路用ＶＲＡＭ１０４と、周辺機器用インターフェース１０７と、通信インターフェース１０８とを備えており、システムバス１０９を介して相互に接続されている。

ＲＯＭ１０１には、ＣＰＵ１００によりＲＡＭ１０２を用いて実行されることにより、後述するフローチャートに従った処理を実現するためのプログラムが記憶されている。

ＲＡＭ１０２は、ＲＯＭ１０１に記憶されているプログラムをＣＰＵ１００が実行する際に参照する各種変数などを記憶しておく一時記憶領域としても機能する。

画像信号供給回路用インターフェース１０３は、駆動信号供給回路３０との接続を担うものであり、画像信号供給回路用ＶＲＡＭ１０４を参照して、画像信号Ｓを生成し駆動信号供給回路３０に供給する。なお、画像信号供給回路用ＶＲＡＭ１０４のデータは、ＣＰＵ１００によって書き込まれる。すなわち、ＣＰＵ１００はコンテンツ記憶部１１から周辺機器用インターフェース１０７を介してコンテンツデータを読み出し、画像信号供給回路用ＶＲＡＭ１０４に書き込んで展開するようにしている。

周辺機器用インターフェース１０７は、表示制御部１０に接続された周辺機器類の動作制御や信号の送受信を担うものである。この周辺機器用インターフェース１０７には、コンテンツ記憶部１１や、電源ボタン１３や、撮像素子７４や、画像光出射ユニット移動回路８３や、接眼レンズ移動回路８４が接続されている。

周辺機器用インターフェース１０７は、ＣＰＵ１００からの命令により、コンテンツ記憶部１１からコンテンツデータを読み出し、ＲＡＭ１０２上の所定アドレスに書き込みを行う。

電源ボタン１３から送信される操作信号を受信した周辺機器用インターフェース１０７は、それぞれに対応するＲＡＭ１０２上の所定アドレスに、これらのボタンの操作があった旨を示すフラグを立てる。また、撮像素子７４から送信される撮像信号を受信した周辺機器用インターフェース１０７は、撮像信号を撮像画像データに変換し、ＲＡＭ１０２の所定アドレスに書き込みを行う。また、周辺機器用インターフェース１０７は、ＣＰＵ１００からの命令により、画像光出射ユニット移動回路８３や接眼レンズ移動回路８４に対して、それぞれ画像光出射ユニット移動信号や、接眼レンズ移動信号の送信を行う。

なお、上述のＲＡＭ１０２上に記憶されるフラグ等は、後述のフローチャートに示す処理を実行する際に、ＣＰＵ１００から参照可能としており、これによりＣＰＵ１００は電源ボタン１３などの観察者Ｐによる操作を検出する。

通信インターフェース１０８は、表示制御部１０に接続された機器類との信号の送受信を担うものであり、外部入出力端子２０が接続されている。

〔表示制御部１０の処理動作〕
次に、ＨＭＤ１における表示制御部１０での処理について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係るＨＭＤ１の処理を示したフローチャートである。

まず、表示制御部１０のＣＰＵ１００は、ＲＡＭ１０２のアクセス許可、作業領域を初期化等の初期設定を実行する（ステップＳ１１）。

次にＣＰＵ１００は、瞳孔１１０ａの位置の検出を行う（ステップＳ１２）。この瞳孔１１０ａの位置の検出は、既知の方法を適用することができ、例えば、撮像画像データに数値処理を施して輪郭抽出を行い、瞳孔１１０ａの輪郭を決定することにより瞳孔１１０ａの位置を検出することができる。このように、ＣＰＵ１００は、撮像素子７４と共に、観察者の瞳孔位置を検出する検出部として機能することになる。

次にＣＰＵ１００は、瞳孔１１０ａの位置検出結果から、正面視状態の瞳孔１１０ａの位置からの移動量ａを算出する（ステップＳ１３）。

次にＣＰＵ１００は、ステップＳ１３にて算出した移動量ａに基づいて、接眼レンズ８２の移動量ａ’を算出し、周辺機器用インターフェース１０７に対して、接眼レンズ移動回路８４へ接眼レンズ移動信号を送信し接眼レンズ８２を移動させるよう命令を行う（ステップＳ１４）。特に、接眼レンズ８２の位置をその光軸に対して直交方向に移動させるよう命令する。なお、接眼レンズ８２の移動量ａ’の具体的な算出については、後に説明する。

次にＣＰＵ１００は、ステップＳ１４にて算出した移動量ａ’に基づいて、画像光出射ユニット８０の移動量ａ”を算出し、周辺機器用インターフェース１０７に対して、画像光出射ユニット移動回路８３へ画像光出射ユニット移動信号を送信し画像光出射ユニット８０をその画像表示面に対して直交する方向に移動させるよう命令を行う（ステップＳ１５）。なお、この画像光出射ユニット８０の移動量ａ”の具体的な算出についても後に説明する。なお、前述のステップＳ１４及び本ステップＳ１５では、投射部６１による射出瞳が２ｍｍ以下となるように、画像光出射ユニット８０及び接眼レンズ８２の位置を調整する。人間の瞳孔径は、２ｍｍよりも大きいため、このように射出瞳を２ｍｍ以下とすることで、画像光Ｌｂを全て瞳孔１１０ａに入射させることができる。従って、観察者に視認させる画像の明るさを一定にすることができ、しかも、射出瞳が小さいため、焦点深度を深くすることもできる。

次にＣＰＵ１００は、画像表示処理を実行する（ステップＳ１６）。この画像表示処理でＣＰＵ１００は、画像信号供給回路用インターフェース１０３に対し、コンテンツ記憶部１１より取得した画像情報であるコンテンツデータに応じて強度変調された光を出射させるための画像信号Ｓを生成するよう命令する。これにより、光源部１２より画像情報に応じたレーザ光を出射させる。

次にＣＰＵ１００は、電源ボタン１３や図示しない画像停止ボタンが押下されるなどして、画像表示が停止されたか否かについて判断を行う（ステップＳ１７）。ここで画像表示が停止されていないと判断した場合（ステップＳ１７：Ｎｏ）には、ＣＰＵ１００は、処理を再びステップＳ１２へ戻す。一方、画像表示が停止されたと判断した場合（ステップＳ１７：Ｙｅｓ）には、ＣＰＵ１００は、処理を終了する。

このように、本実施形態に係るＨＭＤ１は、上述してきたフローチャートの処理にしたがって、動作することとなる。

上述の実施形態では、画像表示が停止されるまで、ステップＳ１２〜Ｓ１５の処理を繰り返すこととしている。すなわち、ＣＰＵ１００は、撮像素子７４を用いて検出した観察者の瞳孔位置が変化したときに、画像光出射ユニット８０及び接眼レンズ８２の位置を変更する。これにより、画像光Ｌｂを観察者の瞳孔位置の変化に追従して観察者の瞳孔に入射させていることができる。なお、このような繰り返し処理を行わずに、観察者の所定操作に応じて、ステップＳ１２〜Ｓ１５を行うようにしてもよい。例えば、射出瞳位置を調整するための調整ボタンを設け、観察者は画像が視認できないときに、この調整ボタンを操作することで、ＣＰＵ１００により、ステップＳ１２〜Ｓ１５の処理を実行するようにする。これにより、観察者は、画像が視認できないときに限り調整ボタンを操作することになり、ＣＰＵ１００による処理負荷を軽減することができる。また、調整ボタンを操作するのではなく、ＣＰＵ１００は、画像の表示を開始するときに、ステップＳ１２〜Ｓ１５の処理を実行するようにしてもよい。

次に、ステップＳ１４及びステップＳ１５にて算出する接眼レンズ８２の移動量ａ’及び画像光出射ユニット８０の移動量ａ”について図７を参照しながら説明する。図中符号ａ’は、接眼レンズ８２の移動距離、ａ”は画像光出射ユニット８０の移動距離を示している。ここでは、理解を容易とするために、まず、図７中に示すＸ軸方向への移動のみについて考慮する。

先に図４にて示した像面Ｊ、画像表示ユニット４の射出瞳Ｋ、像面Ｌ、接眼レンズ８２の位置Ｍ、接眼レンズ８２の射出瞳Ｎについて、接眼レンズ８２の位置Ｍから射出瞳Ｎまでの距離をｓ、射出瞳Ｋから接眼レンズ８２の位置Ｍまでの距離をｓ’とし、像面Ｊから像面Ｌまでの距離をβ２と定義する。また、眼は正視眼（０Ｄ）とする。

この条件下において、接眼レンズ８２の移動距離は、下記の式が成り立つ。
・β＝ｓ’／ｓ
・ａβ＝ａ’
また、瞳孔の移動量ａ−ａ’＝ａ（１−β）である。

また、画像光出射ユニット８０の移動距離ａ”は、
・ａ”＝−ａ’β２
が成り立つ。

したがって、表示制御部１０は、画像光出射ユニット移動回路８３に対しては、上記式が成り立つような画像光出射ユニット移動信号を出力し、接眼レンズ移動回路８４に対しては、上記式が成り立つような接眼レンズ移動信号を出力することで、画像光出射ユニット８０及び接眼レンズ８２をそれぞれ移動させる。

なお、瞳孔１１０ａの移動方向は、必ずしもＸ軸方向への移動だけではなく、Ｘ軸方向への動きとＹ軸方向への動きが複合した動きである。したがって、画像光出射ユニット８０や接眼レンズ８２も、瞳孔１１０ａの動きに対応してＹ軸方向への動きも行われることとなるが、このＹ軸方向への動きもまた、上記式が成り立つように行われることとなる。

〔変形例〕
次に、本実施形態に係るＨＭＤ１の変形例について、図８を参照しながら説明する。図８は、本変形例に係るＨＭＤ９０の画像光出射ユニット９１及び投射部６１を示した説明図である。なお、以下の変形例において、前述の説明と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。

本変形例に係るＨＭＤ９０は、前述のＨＭＤ１と同様の構成を有しているが、特徴的には、レーザ光を２次元方向へ走査する画像光出射ユニット８０に替えて、液晶表示パネル９２を備えた画像光出射ユニット９１を備えている点で構造を異にしている。

すなわち図８に示すように、集束レンズ８１の光路上流側に、画像情報に応じた画像を表示して画像光Ｌｂを出射する画像光出射ユニット９１を配設している。この画像光出射ユニット９１は、画像表示制御部９３に接続されており、画像情報に応じた画像を表示可能としている。

また、画像光出射ユニット９１の近傍には、前述の画像光出射ユニット８０と同様に、画像光出射ユニット移動回路８３が配設されており、画像表示制御部９３からの画像光出射ユニット移動信号を受信することにより、画像光出射ユニット９１を移動可能に構成している。なお、本変形例でも、投射部６１による射出瞳が２ｍｍ以下となるように、画像光出射ユニット９１及び接眼レンズ８２の位置を調整する。この構成により、焦点深度が浅くなることを確実に抑制するようにしている。

上述してきたように、本実施形態に係るＨＭＤによれば、画像情報に応じた画像光Ｌｂを観察者Ｐの眼１１０に投射する接眼レンズ８２と、観察者Ｐの眼１１０の瞳孔１１０ａの位置を検出する検出部（撮像素子７４及び表示制御部１０）と、検出部により検出した瞳孔１１０ａの位置に応じて、接眼レンズ８２の位置をその光軸に対して直交方向に移動させ、かつその光軸方向に直交する画像表示位置（画像光出射ユニット８０、液晶表示パネル９２）を接眼レンズ８２の移動方向に対して反対方向に移動させて、観察者の眼に画像光を入射させる制御部（表示制御部１０、画像光出射ユニット移動回路８３、接眼レンズ移動回路８４）と、を備えたため、瞳孔に入射する画像光の実効径が大きくなることを抑制しながらも、観察者の瞳孔に画像光を入射させることができる。

また、瞳孔１１０ａの位置に応じて、画像光出射ユニット８０や画像光出射ユニット９１の画像表示位置を移動させる制御部（表示制御部１０）を備えたため、観察者Ｐが瞳孔１１０ａを移動させた場合であっても、比較的容易な構成で、観察者Ｐの瞳孔１１０ａに画像光Ｌｂを入射させることができる。

また、投射部６１による射出瞳は、２ｍｍ以下であることとしたため、観察者に視認させる画像の明るさを一定にすることができ、しかも、射出瞳が小さいため、焦点深度を深くすることもできる。

なお、上述の実施形態では、画像光出射ユニット８０を移動させることとしたが、液晶表示パネル９２の表示画像の位置を変更させるようにしてもよい。すなわち、液晶表示パネル９２の表示領域よりも小さい画像を表示し、この画像を表示領域内で移動させて画像表示位置を変更することで、画像光出射ユニット８０の移動と同様の効果を持たせるのである。

最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

１，９０ ＨＭＤ
４ 画像表示ユニット
１０ 表示制御部
６１ 投射部
６６ 撮像部
８０，９１ 画像光出射ユニット
８２ 接眼レンズ
８３ 画像光出射ユニット移動回路
８４ 接眼レンズ移動回路
９３ 画像表示制御部
１１０ 眼
１１０ａ 瞳孔
Ｌｂ 画像光
Ｐ 観察者
Ｓ 画像信号

Claims (3)

1. 画像情報に応じた画像光を観察者の眼に投射する接眼レンズと、
   前記観察者の眼の瞳孔位置を検出する検出部と、
   前記検出部により検出した前記瞳孔位置に応じて、前記接眼レンズの位置をその光軸に対して直交方向に移動させ、さらに、前記光軸方向に直交する画像表示位置を前記接眼レンズの移動方向に対して反対方向に移動させて、前記観察者の眼に前記画像光を入射させる制御部と、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. 前記画像表示位置と前記接眼レンズの間に、前記画像表示位置の画像と共役関係にある中間像面と、前記瞳孔位置と共役関係にある絞りとがあり、
   前記接眼レンズと前記瞳孔位置までの距離をｓとし、前記絞りと前記接眼レンズとの間の距離をｓ’とし、前記画像表示位置と前記中間像面との間の距離をβ２としたときに、
   前記制御部は、前記検出部により検出した前記瞳孔位置の移動量がａ（１−β）であるとき、前記接眼レンズの移動量をａ×（ｓ’／ｓ）とし、前記画像光表示位置の移動量を−ａ×（ｓ’／ｓ）×β２としたことを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記投射部による射出瞳は、２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項１又は２に記載のヘッドマウントディスプレイ。

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