JP2016090689A - 画像表示装置および描画方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】観察者の瞳をレーザー光が通過するように虚像を投影する画像表示装置を提供する。【解決手段】レーザー光18を射出する光源部36と、レーザー光18を鏡に反射させ鏡を回動させて描画する描画部29と、レーザー光18を反射して虚像を形成するハーフミラー3と、描画部29とハーフミラー3とを連動して移動するステージ9及び連結部22と、虚像を観察する観察者21の視線88を検出する撮像装置10及び画像演算部と、視線88に合わせてステージ9を制御するステージ制御部と、を備える。【選択図】図2
Description
本発明は、画像表示装置および描画方法に関するものである。
観察者の網膜に光を走査することによって画像を表示させる画像表示装置が検討されている。この画像表示装置はヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイに用いられる。この画像表示装置は画像を生成するための構成を簡易することができるため、装置を小型軽量にすることができる。
観察者の網膜に画像を表示させる表示装置が特許文献1に開示されている。それによると、画像表示装置は赤、青、緑色のレーザー光を射出する光源を備えている。そして、光源が射出したレーザー光は描画部内の鏡に向けて出力する。描画部は鏡を揺動させて、レーザー光の進行方向を制御して描画する。描画部から出力したレーザー光はホログラムミラーを照射する。ホログラムミラーには干渉縞が形成されており、ホログラムミラーは観察者の瞳に向けてレーザー光の進行方向を変える。
観察者が視線を移動するとき、観察者の瞳が移動する。そして、ホログラムミラーを反射したレーザー光が瞳からずれるとき、観察者は虚像を観察することができなくなる。特許文献1の画像表示装置では光検出部が視線の方向を検出する。そして、描画部がホログラムミラーに表示する虚像の位置を変更する。これにより、視線の方向に虚像を移動していた。
ところが、観察者が虚像を観察するにはレーザー光が観察者の瞳を通過する必要がある。描画部とホログラムミラーとを固定して投影する虚像の位置を変えるとき、観察者の瞳にレーザー光が入射しないことがある。このとき、観察者は虚像を見ることができなくなる。そこで、観察者の瞳をレーザー光が通過するように虚像を投影する画像表示装置が望まれていた。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]
本適用例にかかる画像表示装置であって、レーザー光を射出する光源部と、前記レーザー光を鏡に反射させ前記鏡を回動させて描画する描画部と、前記レーザー光を反射して虚像を形成する表示部と、前記描画部と前記表示部とを連動して移動する移動部と、前記虚像を観察する観察者の視線を検出する視線検出部と、前記視線の移動に応じて前記移動部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本適用例にかかる画像表示装置であって、レーザー光を射出する光源部と、前記レーザー光を鏡に反射させ前記鏡を回動させて描画する描画部と、前記レーザー光を反射して虚像を形成する表示部と、前記描画部と前記表示部とを連動して移動する移動部と、前記虚像を観察する観察者の視線を検出する視線検出部と、前記視線の移動に応じて前記移動部を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本適用例によれば、光源部がレーザー光を射出する。射出されたレーザー光は描画部の鏡により反射され表示部を照射する。描画部は鏡を回動させて表示部に描画し、表示部は虚像を形成する。虚像を観察する観察者が視線を移動するとき、視線検出部が観察者の視線を検出する。そして、制御部が移動部を制御し、移動部が描画部と表示部とを連動して移動する。これにより、画像表示装置は観察者の視線の動きに合わせて虚像を移動させる。そして、画像表示装置は観察者の瞳をレーザー光が通過するように虚像を投影することができる。従って、画像表示装置は観察者の視線に合わせて明瞭な画像を表示することができる。
[適用例2]
上記適用例にかかる画像表示装置において、前記移動部は前記描画部と前記表示部とを連結する連結部を有することを特徴とする。
上記適用例にかかる画像表示装置において、前記移動部は前記描画部と前記表示部とを連結する連結部を有することを特徴とする。
本適用例によれば、移動部は描画部と表示部とを連結する連結部を有している。連結部により描画部と表示部とは所定の位置関係にて連動する。そして、移動部は描画部と表示部の一方を移動させることで描画部と表示部とを連動して移動させることができる。その結果、移動部が描画部と表示部とを別々に移動するときに比べて簡易な構造にすることができる。
[適用例3]
上記適用例にかかる画像表示装置において、光透過性の窓部が設置された保護部を備え、前記表示部は前記保護部内に設置されていることを特徴とする。
上記適用例にかかる画像表示装置において、光透過性の窓部が設置された保護部を備え、前記表示部は前記保護部内に設置されていることを特徴とする。
本適用例によれば、表示部は保護部内に設置されている。保護部には光透過性の窓部が設置されている。従って、レーザー光は窓部を通して表示部に照射され、表示部は虚像を形成することができる。表示部が移動部により移動させられるとき、表示部は保護部内に設置され保護部によって保護されている。従って、表示部が観察者と接触して擦れることを防止することができる。その結果、表示部が汚れることを防止することができる。
[適用例4]
上記適用例にかかる画像表示装置において、前記表示部はホログラムシートが設置された耐熱性の板を有することを特徴とする。
上記適用例にかかる画像表示装置において、前記表示部はホログラムシートが設置された耐熱性の板を有することを特徴とする。
本適用例によれば、表示部はホログラムシートが設置された板を有している。ホログラムシートはレーザー光を回折させてレーザー光の進行方向を変える。従って、板の凹凸を浅くすることができる。従って、板を薄くできる為、板を軽くし表示部を応答性良く移動させることができる。そして、板は耐熱性があるのでレーザー光により加熱されて変形することを抑制することができる。
[適用例5]
上記適用例にかかる画像表示装置において、前記表示部はホログラムシートが設置された枠部を有することを特徴とする。
上記適用例にかかる画像表示装置において、前記表示部はホログラムシートが設置された枠部を有することを特徴とする。
本適用例によれば、表示部は枠部を有している。枠部は剛性があり、レーザー光が照射される部分を薄くして表示部を軽くすることができる。従って、表示部を応答性良く移動させることができる。
[適用例6]
上記適用例にかかる画像表示装置において、前記窓部は前記表示部を挟んで設置されていることを特徴とする。
上記適用例にかかる画像表示装置において、前記窓部は前記表示部を挟んで設置されていることを特徴とする。
本適用例によれば、窓部は表示部を挟んで設置されている。従って、窓部を通過する光の一部は表示部を通過して、さらに、窓部を通過して進行することができる。従って、観察者はレーザー光に加えて窓部及び表示部を通過する光を受光することができる。
[適用例7]
本適用例にかかる描画方法であって、観察者の瞳を撮影して前記観察者の視線を検出し、前記観察者の前記瞳をレーザー光が通過する場所に表示部と描画部とを移動し、前記描画部からレーザー光を前記表示部に射出して虚像を描画することを特徴とする。
本適用例にかかる描画方法であって、観察者の瞳を撮影して前記観察者の視線を検出し、前記観察者の前記瞳をレーザー光が通過する場所に表示部と描画部とを移動し、前記描画部からレーザー光を前記表示部に射出して虚像を描画することを特徴とする。
本適用例によれば、観察者の瞳を撮影して観察者の視線を検出している。そして、観察者の瞳をレーザー光が通過する場所に表示部と描画部とを移動している。次に、描画部からレーザー光を表示部に射出して虚像を描画している。従って、描画用のレーザー光が観察者の瞳を通過する為、観察者の網膜にはレーザー光により描画された虚像が確実に投影される。その結果、画像表示装置は観察者の視線に合わせて明瞭な画像を表示することができる。
本実施形態では、特徴的な構造を有するヘッドマウントディスプレイの実施形態について図面に従って説明する。尚、各図面における各部材は、各図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならせて図示している。
(第1の実施形態)
第1の実施形態にかかわるヘッドマウントディスプレイについて図1〜図11に従って説明する。図1は、ヘッドマウントディスプレイの構成を示す概略斜視図である。図1に示すように、画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ1は眼鏡と類似する形状をしており、人体頭部2に装着して用いられる。
(第1の実施形態)
第1の実施形態にかかわるヘッドマウントディスプレイについて図1〜図11に従って説明する。図1は、ヘッドマウントディスプレイの構成を示す概略斜視図である。図1に示すように、画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ1は眼鏡と類似する形状をしており、人体頭部2に装着して用いられる。
ヘッドマウントディスプレイ1は一対の表示部としてのハーフミラー3とハーフミラー3を支持するハーフミラー枠4とを備えている。ハーフミラー3は凹面を有する略四角形の板状であり人体頭部2の眼と対向する場所に配置される。ハーフミラー3は保護部としてのミラー保護部5に設置され、ハーフミラー枠4はミラー保護部5の周囲を囲んでミラー保護部5を支持する。ハーフミラー3の間のハーフミラー枠4には人体頭部2側に突出する鼻当て6が設置され、鼻当て6は人体頭部2の鼻2aに当接するように配置される。鼻当て6はヘッドマウントディスプレイ1を人体頭部2に当接し固定する機能を有する。
ハーフミラー枠4は両端側に略直方体状の描画装置7を備えている。描画装置7はハーフミラー3に対して鼻当て6の反対側に設置されている。1つのハーフミラー3に対して描画装置7が1つ設置されている。ハーフミラー枠4には2つのハーフミラー3と2つの描画装置7が設置されている。図中右側の描画装置7を右側描画装置7aとし、図中左側の描画装置7を左側描画装置7bとする。
ハーフミラー枠4には描画装置7を人体頭部2の前後方向8aに移動させる移動部としてのステージ9を備えている。図中右側のステージ9を右側ステージ9aとし、図中左側のステージ9を左側ステージ9bとする。右側ステージ9aは右側描画装置7aを移動し、左側ステージ9bは左側描画装置7bを移動する。前後方向8aと直交する方向を左右方向8bとする。左右方向8bは人体頭部2における右眼と左眼とが並ぶ方向である。前後方向8a及び左右方向8bと直交する方向を上下方向8cとする。上下方向8cは観察者21が立っている状態で観察者21の足と頭とを通過する方向である。
ステージ9は固定テーブルと可動テーブルとを備え、可動テーブルが固定テーブルに対して移動する。固定テーブルはハーフミラー枠4に設置され、可動テーブルは描画装置7と接続されている。ステージ9は直動機構を備え、直動機構には、リニアモーターやボールネジと回転モーターとを組合せた装置等各種の機構を用いることができる。本実施形態では、例えば、ボールネジと回転モーターとを組合せた装置を用いており、回転モーターにはステップモーターを用いている。ステージ9の移動量は特に限定されないが本実施形態では、例えば、約1cmになっている。
ハーフミラー枠4にはミラー保護部5と描画装置7との間に撮像装置10が設置されている。撮像装置10は人体頭部2の眼を撮影する。ハーフミラー枠4には2つの撮像装置10が設置されている。ハーフミラー枠4の右側に設置された撮像装置10を右側撮像装置10aとし、ハーフミラー枠4の左側に設置された撮像装置10を左側撮像装置10bとする。右側撮像装置10aは右眼を撮影し、左側撮像装置10bは左眼を撮影する。
撮像装置10にはCCDイメージセンサー(Charge Coupled Device)やCMOSイメージセンサー(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の固体撮像素子及び、電子管式の撮像装置を用いることができる。本実施形態では、例えば、撮像装置10にCMOSイメージセンサーを用いている。
ハーフミラー枠4の両端からは人体頭部2の耳2bに向かって延在するつる部11が設置されている。つる部11は眼鏡と同様に耳2bに挟んで用いられる。つる部11とハーフミラー枠4との間には蝶番12が設置され、つる部11は蝶番12を中心にして回動可能になっている。つる部11をハーフミラー枠4に対して折り曲げることによりヘッドマウントディスプレイ1を収納しやすい形態にすることが可能になっている。尚、ハーフミラー3、ハーフミラー枠4、ミラー保護部5及びつる部11の形状は図に示す形状に限定されず多様な形状にすることができる。
左側のつる部11において人体頭部2の後頭部側となる場所にはコネクター13が設置され、コネクター13には配線14が接続されている。配線14には制御部15が接続されている。制御部15は描画装置7、ステージ9及び撮像装置10を制御する装置である。制御部15には配線16を介して映像信号出力装置17が接続されている。
映像信号出力装置17は制御部15にステレオ映像信号を出力する装置である。映像信号出力装置17は、例えば、ブルーディスクプレーヤー、パーソナルコンピューター、スマートフォン等の携帯情報端末を示している。制御部15は映像信号を入力して赤色、青色、緑色の各輝度信号に分離する。さらに、制御部15は映像信号から垂直走査信号と水平走査信号との走査信号を抽出する。制御部15は配線14を介して、描画装置7に垂直走査信号と水平走査信号との走査信号を出力する。さらに、描画装置7には光源部が設置され、制御部15は光源部に赤色、青色、緑色の輝度信号を出力する。
図2(a)は、描画部及びハーフミラーの構造を示す要部模式側断面図である。図2(b)は、描画部及びハーフミラーの構造を示す要部模式上面図である。図2(c)は、ミラー保護部及びハーフミラーの構造を示す要部模式上断面図である。図2(a)〜図2(c)はヘッドマウントディスプレイ1の右側を示している。ヘッドマウントディスプレイ1は略左右対称であり、ヘッドマウントディスプレイ1の左側は右側と同様の形状となっている。図2(a)及び図2(b)に示すように、描画装置7はハーフミラー3に向けてレーザー光18を射出する。射出されたレーザー光18はハーフミラー3にて反射し人体頭部2の眼球2cを照射する。描画装置7及びハーフミラー3は映像信号に応じた虚像を形成し、観察者21は虚像を見ることにより映像を観賞することができる。
ハーフミラー3と描画装置7とは移動部としての連結部22により連結されている。連結部22は可撓性がある材質により形成され、連結部22の材質には金属や樹脂等を用いることができる。連結部22の材質に金属を用いるときには薄くするのが好ましい。連結部22を変形させるのに必要な応力を小さくでき、連結部22の疲労破壊を抑制することができる。図2(c)に示すように、ミラー保護部5の内部には左右方向8bに延在する空洞23が設置され、空洞23にはハーフミラー3が設置されている。ミラー保護部5には空洞23を挟んで窓部としての第1窓部5a及び窓部としての第2窓部5bが設置されている。第1窓部5a及び第2窓部5bは光透過性の板状の部材となっている。
ハーフミラー3は半透明になっている。そして、第1窓部5a及び第2窓部5bはハーフミラー3を挟んで設置されている。従って、第1窓部5a及び第2窓部5bを通過する光24の一部はハーフミラー3を通過して、さらに、第1窓部5a及び第2窓部5bを通過して進行する。従って、観察者21は第1窓部5a及び第2窓部5b及びハーフミラー3を通過する光を受光することができる。これにより、観察者21はミラー保護部5を透過してくる光24及びレーザー光18を受光することができる。
第1窓部5aは空洞23に対して人体頭部2側に位置し、第2窓部5bは空洞23に対して第1窓部5aの反対側に位置している。第1窓部5a及び第2窓部5bにより観察者21はハーフミラー3に接触することが防止される。これにより、観察者21が移動するハーフミラー3に接触して擦れることを防止することができる。さらに、ハーフミラー3が塵や埃により汚れることを防止することができる。
ハーフミラー3は板としての板状部材3aを備え、板状部材3aにおいて人体頭部2を向く側の面には凹面3bが設置されている。そして、凹面3bにはホログラムシート25が設置されている。ホログラムシート25はレーザー光18を回折させてレーザー光18の進行方向を変える。従って、ハーフミラー3の凹面3bを浅くすることができる。そして、レーザー光18がホログラムシート25に当たるときにも、ホログラムシート25の熱をハーフミラー3の板状部材3aに伝導して温度上昇を抑制することができる。また、板状部材3aはガラスであり耐熱性を有している。従って、レーザー光18が照射されても板状部材3aが変形することを抑制することができる。
ハーフミラー3は空洞23内を第1窓部5a及び第2窓部5bに沿って左右方向8bに移動可能になっている。ハーフミラー3は連結部22により描画装置7と連結されている。ステージ9が描画装置7を移動するときハーフミラー3は描画装置7と連動する。従って、ステージ9は描画装置7とハーフミラー3とを連動して移動する。
次に、描画装置7について説明する。図3は投光部の構成を示すブロック図である。図3に示すように、説明の便宜上、互いに直交する3つの軸としてX軸、Y軸及びZ軸が図示されており、その図示した矢印の先端側を「+側」、基端側を「−側」とする。また、X軸に平行な方向を「X軸方向」、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」と称す。また、X軸及びY軸の双方に平行な面を「XY平面」と称す。
描画装置7は、レーザー光18を射出する光源ユニット26を備えている。光源ユニット26が射出するレーザー光18はプリズム27に出力する。プリズム27はレーザー光18の光軸を傾けるとともに横断面形状を変形させる。プリズム27にはレーザー光18の強度を検知する検出部28が設置されている。プリズム27を通過したレーザー光18は描画部29に出力する。描画部29はレーザー光18を走査する。そして、描画装置7は描画制御部30を備え、描画制御部30は光源ユニット26及び描画部29の動作を制御する。描画装置7を構成する各部材は筐体31に収納されている。従って、描画部29は描画装置7に内蔵されている。
光源ユニット26は、赤色光源32r、青色光源32b及び緑色光源32gを備えている。赤色光源32r、青色光源32b、緑色光源32gはそれぞれ赤色レーザー光18r、青色レーザー光18b、緑色レーザー光18gを射出する。
赤色光源32r、青色光源32b、緑色光源32gの光軸上にはそれぞれ赤色用レンズ33r、青色用レンズ33b、緑色用レンズ33gが設置されている。赤色用レンズ33r、青色用レンズ33b及び緑色用レンズ33gはコリメーターレンズであり、赤色レーザー光18r、青色レーザー光18b、緑色レーザー光18gをそれぞれ平行光線または略平行な光線にする。赤色用レンズ33r、青色用レンズ33b、緑色用レンズ33gの光軸上にはそれぞれ赤色用ミラー34r、青色用ミラー34b、緑色用ミラー34gが設置されている。赤色用ミラー34r、青色用ミラー34b及び緑色用ミラー34gはダイクロイックミラーである。
赤色光源32r、青色光源32b、緑色光源32gとしては、例えば、端面発光半導体レーザー、面発光半導体レーザー等の半導体レーザーを用いることができる。半導体レーザーを用いることにより、赤色光源32r、青色光源32b、緑色光源32gを小型にすることができる。
赤色用ミラー34r、青色用ミラー34b及び緑色用ミラー34gにより光合成部34が構成されている。赤色用ミラー34rは赤色レーザー光18rを反射する。青色用ミラー34bは青色レーザー光18bを反射するとともに、赤色レーザー光18rを透過する。緑色用ミラー34gは緑色レーザー光18gを透過するとともに、赤色レーザー光18r及び青色レーザー光18bを反射する特性を有している。赤色用ミラー34r、青色用ミラー34b及び緑色用ミラー34gによって、赤色レーザー光18r、青色レーザー光18b、緑色レーザー光18gは光軸が一致または略一致するように合成され、1つのレーザー光18が+X軸方向に射出される。
プリズム27はレーザー光18の光軸を傾ける第1の機能と、レーザー光18の断面形状を変形させる第2の機能と、レーザー光18の放射角を制御する第3の機能とを有する。プリズム27は、ガラスや水晶で構成された実質的に無色透明な多面体である。このようなプリズム27としては、上記のような機能を有していれば特に限定されず、例えば、略三角柱状をなす三角プリズムを用いることができる。
プリズム27は、レーザー光18の光軸の垂直な断面形状を略楕円形から略円形へ整形する。具体的には、プリズム27は、入射したレーザー光18の断面形状のZ軸方向の幅をほぼ一定に保ちつつ、XY面内方向の幅を広くすることにより、レーザー光18の断面形状を略円形に整形する。言い換えると、プリズム27は、断面形状である楕円の短軸の長さを大きくし、短軸と長軸の比(アスペクト比)がほぼ1となるようにレーザー光18の断面形状を整形する。このように、レーザー光18の断面形状を略円形とすることにより、優れた画像表示特性を発揮することのできる描画装置7となる。
プリズム27の射出面27aは、湾曲凸面で構成されており、集光レンズとして機能し、平行光としてプリズム27に入射したレーザー光18を集光させる。このようにレーザー光18を集光させることにより、より鮮明で高解像度感の画像を表示することができる。
プリズム27の一端には検出部28が設置されている。プリズム27の入射面27bは、レーザー光18を僅かに反射するように構成されており(例えば0.1%程度の反射率)、その反射光の光路上に検出部28が位置している。検出部28は、レーザー光18の強度を検知する機能を有している。このような検出部28はフォトダイオード等の受光素子を有している。受光素子からは、受光した反射光の光強度に応じた大きさの信号(電圧)が出力され、この信号に基づいて、赤色レーザー光18r、青色レーザー光18b、緑色レーザー光18gの各光強度を検出することができる。赤色光源32r、青色光源32b、緑色光源32gからプリズム27までの部分を光源部36とする。
検出部28が検出した赤色レーザー光18r、青色レーザー光18b、緑色レーザー光18gの光強度に関する情報は、描画制御部30に送られる。描画制御部30は受信した情報に基づいて赤色光源32r、青色光源32b、緑色光源32gの駆動を制御する。
描画部29は、プリズム27を通過したレーザー光18を2次元走査する機能を有している。このような描画部29としては、レーザー光18を2次元走査することができれば、特に限定されない。描画部29はレーザー光18を反射する鏡としての光反射面37を有する。光反射面37の法線方向の軸を第1軸37aとし、光反射面37の接線方向で直交する2つの軸を第2軸37b及び第3軸37cとする。描画部29では光反射面37が第2軸37b及び第3軸37c周りに揺動する。そして、描画部29はレーザー光18を光反射面37に反射させ光反射面37を回動させて描画する。
筐体31には、光透過性の窓部38が設けられている。窓部38は例えばガラス、プラスチック等の透明な部材で構成されている。窓部38を介して、描画部29によって2次元走査されたレーザー光18が筐体31の外へ射出される。
次に、描画部29について説明する。図4は描画部が有する光走査部を示す平面図であり、図5は光走査部の側断面図である。また、図6は電圧印加部のブロック図である。図7は電圧発生部が発生する電圧を説明するための図である。
図4及び図5に示すように、描画部29は、可動部41と、一対の軸部42、軸部43(第1の軸部)を備えている。さらに描画部29は、枠体部44と、2対の軸部45、軸部46、軸部47、軸部48(第2の軸部)と、支持部49を備えている。さらに、描画部29は永久磁石50と、コイル51と、磁心52と、電圧印加部53とを備えている。
可動部41及び一対の軸部42、軸部43は、第2軸37b周りに揺動(往復回動)する第1の振動系を構成する。また、可動部41、一対の軸部42、軸部43、枠体部44、2対の軸部45、軸部46、軸部47、軸部48及び永久磁石50は、第3軸37c周りに揺動(往復回動)する第2の振動系を構成する。また、永久磁石50、コイル51及び電圧印加部53は、前述した第1の振動系及び第2の振動系を駆動させる駆動部を構成する。
可動部41は、基部54と基部54に固定された光反射板55とを有する。光反射板55の上面には、光反射性を有する光反射面37が設けられている。そして、光反射面37がレーザー光18を反射する。上述の通り、可動部41は、第2軸37b及び第3軸37c周りに揺動する。すなわち、可動部41を構成する基部54、光反射板55及び光反射面37も、第2軸37b及び第3軸37c周りに揺動する。
また、光反射板55の下面はスペーサー56を介して基部54に固定されている。これにより、光反射板55が軸部42、軸部43、枠体部44及び軸部45〜軸部48との接触を防止しつつ、光反射板55を第2軸37b周りに揺動させることができる。
枠体部44は、枠状をなし、前述した可動部41の基部54を囲んで設けられている。言い換えると、可動部41の基部54は、枠状をなす枠体部44の内側に設けられている。そして、枠体部44は、軸部45〜軸部48を介して支持部49に支持されている。また、可動部41の基部54は、軸部42、軸部43を介して枠体部44に支持されている。
軸部42、軸部43及び軸部45〜軸部48は、それぞれ、弾性変形可能である。そして、軸部42、軸部43は、可動部41を第2軸37b周りに揺動可能とするように、可動部41と枠体部44を連結している。また、軸部45〜軸部48は、枠体部44を第2軸37bに直交する第3軸37c周りに揺動可能とするように、枠体部44と支持部49を連結している。
軸部42、軸部43は、可動部41の基部54を介して対向する場所に配置されている。また、軸部42、軸部43は、それぞれ、第2軸37bに沿った方向に延在する長手形状をなす。そして、軸部42、軸部43は、それぞれ、一端部が基部54に接続され、他端部が枠体部44に接続されている。また、軸部42、軸部43は、それぞれ、中心軸が第2軸37bに一致するように配置されている。このような軸部42、軸部43は、それぞれ、第2軸37b周りの揺動に伴って捩れ変形する。
軸部45〜軸部48は、枠体部44を介して対向する場所に配置されている。また、軸部45〜軸部48は、それぞれ、第3軸37cに沿った方向に延在する長手形状をなす。そして、軸部45〜軸部48は、それぞれ、一端部が枠体部44に接続され、他端部が支持部49に接続されている。また、軸部45、軸部46は、第3軸37cを介して互いに対向するように配置され、同様に、軸部47、軸部48は、第3軸37cを介して互いに対向するように配置されている。このような軸部45〜軸部48は、枠体部44の第3軸37c周りの揺動に伴って、軸部45及び軸部46の対及び軸部47及び軸部48の対がそれぞれ捩れ変形する。
このように、可動部41を第2軸37b周りに揺動可能とするとともに、枠体部44を第3軸37c周りに揺動可能とすることにより、光反射板55を互いに直交する第2軸37b及び第3軸37cの2軸周りに揺動させることができる。
枠体部44の下面には、永久磁石50が接合されている。永久磁石50は、平面視にて、第2軸37b及び第3軸37cに対して傾斜する方向に磁化されている。永久磁石50は、第2軸37b及び第3軸37cの両軸に対して傾斜する方向に延在する長手形状(棒状)をなす。そして、永久磁石50は、その長手方向に磁化されている。すなわち、永久磁石50は、一端部をS極とし、他端部をN極とするように磁化されている。また、永久磁石50は、平面視にて、第2軸37bと第3軸37cとの交点を中心として対称となるように設けられている。
第3軸37cに対する永久磁石50の磁化の方向(延在方向)の傾斜角θは、30°以上60°以下であるのが好ましい。このように永久磁石50を設けることで、円滑かつ確実に可動部41を第3軸37c周りに揺動させることができる。永久磁石50としては、例えば、ネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、ボンド磁石等を好適に用いることができる。永久磁石50は、硬磁性体を着磁したものである。
永久磁石50の直下には、コイル51が設けられている。これにより、コイル51から発生する磁界を効率的に永久磁石50に作用させることができる。コイル51は、磁心52に巻回されて設けられている。これにより、コイル51で発生した磁界を効率的に永久磁石50に作用させることができる。コイル51は、電圧印加部53に電気的に接続されている。そして、電圧印加部53によりコイル51に電圧が印加されることで、コイル51から第2軸37b及び第3軸37cに直交する磁束を有する磁界が発生する。
図6に示すように、電圧印加部53は可動部41を第2軸37b周りに回動させるための第1の電圧を発生させる第1の電圧発生部57と、可動部41を第3軸37c周りに回動させるための第2の電圧を発生させる第2の電圧発生部58と、第1の電圧と第2の電圧とを重畳する電圧重畳部61とを備え、電圧重畳部61で重畳した電圧をコイル51に印加する。
電圧重畳部61は、コイル51に電圧を印加するための加算器62を備えている。加算器62は、第1の電圧発生部57から第1の電圧を受けるとともに、第2の電圧発生部58から第2の電圧を受け、これらの電圧を重畳しコイル51に印加するようになっている。
図7(a)において、縦軸は第1の電圧を示し、図中上側が下側より高い電圧になっている。横軸は時間の推移を示す。第1電圧波形63は第1の電圧発生部57が出力する電圧波形を示している。第1電圧波形63が示すように第1の電圧発生部57は第1周期64で周期的に変化する第1の電圧(主走査用電圧)を発生させる。第1の電圧は、正弦波のような波形をなしている。第1の電圧の周波数は、例えば、10〜40kHzであるのが好ましい。第1の電圧の周波数は、可動部41、一対の軸部42、軸部43で構成される第1の振動系の捩り共振周波数と等しくなるように設定されている。これにより、可動部41の第2軸37b周りの回動角を大きくすることができる。
図7(b)において、縦軸は第2の電圧を示し、図中上側が下側より高い電圧になっている。横軸は時間の推移を示す。第2電圧波形65は第2の電圧発生部58が出力する電圧波形を示している。第2電圧波形65が示すように第2の電圧発生部58は第1周期64と異なる第2周期66で周期的に変化する第2の電圧(副走査用電圧)を発生させるものである。第2電圧波形65は、鋸波のような波形をなしている。第2電圧波形65の周波数は、第1電圧波形63の周波数と異なっていればよく、例えば、30〜80Hz(60Hz程度)であるのが好ましい。本実施形態では、第2電圧波形65の周波数は、可動部41、一対の軸部42、軸部43、枠体部44、2対の軸部45〜軸部48及び永久磁石50で構成された第2の振動系の捩り共振周波数(共振周波数)と異なる周波数となるように調整されている。
このような第2の電圧の周波数は、第1の電圧の周波数よりも小さいことが好ましい。これにより、より確実かつより円滑に、可動部41を第2軸37b周りに第1の電圧の周波数で揺動させつつ、第3軸37c周りに第2の電圧の周波数で揺動させることができる。描画制御部30は光源部36の制御に加え描画部29の駆動も行っている。
図8はヘッドマウントディスプレイの電気制御ブロック図である。図8において、ヘッドマウントディスプレイ1はヘッドマウントディスプレイ1の動作を制御する制御部15を備えている。そして、制御部15はプロセッサーとして各種の演算処理を行うCPU67(中央演算処理装置)と、各種情報を記憶するメモリー68とを備えている。ステージ駆動装置69、右側撮像装置10a及び左側撮像装置10bは入出力インターフェイス70及びデータバス71を介してCPU67に接続されている。さらに、右側描画装置7a、左側描画装置7b、入力装置72及び出力装置73も入出力インターフェイス70及びデータバス71を介してCPU67に接続されている。
ステージ駆動装置69は右側ステージ9a及び左側ステージ9bを駆動する装置である。ステージ駆動装置69はCPU67から指示信号を受信し、指示された状態に右側ステージ9a及び左側ステージ9bのステージ9を駆動して移動させる。ステージ9には可動テーブルの位置を検出する位置検出装置が設置されている。ステージ駆動装置69は位置検出装置を駆動して右側ステージ9a及び左側ステージ9bの可動テーブルの位置を検出する。可動テーブルには描画装置7が接続され、描画装置7とハーフミラー3とは連結部22により連結されている。従って、ステージ駆動装置69は描画装置7及びハーフミラー3の位置を検出することができる。
右側撮像装置10a及び左側撮像装置10bの撮像装置10は内部に固体撮像素子等からなるエリアセンサーを備え、エリアセンサーが撮像する画像を電気信号に変換して出力することが可能になっている。この固体撮像素子は受光する光の輝度と受光する時間とに応じて電荷を蓄積することにより、光の輝度を電圧信号として出力する。撮像装置10はCPU67から指示信号を受信し、指示信号に応じて撮影する。そして、撮影した画像のデータをメモリー68に送信する。
入力装置72には電源スイッチや操作用のスイッチの他、映像信号出力装置17と有線及び無線の通信を行う装置が含まれる。これらの入力装置72によりメモリー68に各種のデータが入力される。
出力装置73は液晶式の表示装置の他、スピーカー、映像信号出力装置17と有線及び無線の通信を行う装置等が含まれる。これにより、制御部15はヘッドマウントディスプレイ1の状態や観察者21が設定した設定状態を表示し出力することが可能になっている。
メモリー68は、RAM、ROM等といった半導体メモリーや、ハードディスク、DVD−ROMといった外部記憶装置を含む概念である。機能的には、ヘッドマウントディスプレイ1の動作の制御手順が記述されたプログラムソフト74を記憶する記憶領域や、ステージ9の移動量を演算するときに用いるデータであるステージ関連データ75を記憶するための記憶領域が設定される。他にも、撮像装置10が撮影した画像に関するデータである撮影画像データ76を記憶するための記憶領域が設定される。他にも、描画装置7が描画する画像データである描画画像データ77を記憶するための記憶領域が設定される。他にも、CPU67のためのワークエリアやテンポラリーファイル等として機能する記憶領域やその他各種の記憶領域が設定される。
CPU67は、メモリー68内に記憶されたプログラムソフト74に従って、ハーフミラー3に虚像を投影する制御を行うものである。具体的な機能実現部としてCPU67はステージ制御部78を有する。ステージ制御部78はステージ駆動装置69に指示信号を出力し、ステージ9を駆動させて描画装置7及びハーフミラー3を移動させる制御を行う。
他にも、CPU67は撮像制御部81を有する。撮像制御部81は撮像装置10に撮影する指示信号を出力し、撮像装置10に眼球2cを撮影させる制御をする。撮像装置10は撮影した画像をメモリー68に記憶する。他にも、CPU67は画像演算部82を有する。画像演算部82は眼球2cが撮影された撮影画像データ76をメモリー68から入力する。そして、撮影画像データ76を用いて観察者21の視線の方向を演算する。撮像制御部81、画像演算部82及び撮像装置10等により視線検出部が構成されている。
他にも、CPU67は描画装置制御部83を有する。描画装置制御部83は描画画像データ77をメモリー68から入力する。そして、描画画像データ77及び描画の開始及び停止の指示信号を描画装置7に転送する。
他にも、CPU67は描画情報通信部84を有する。描画情報通信部84は映像信号出力装置17と通信を行い、描画画像データ77を受信する。そして、描画情報通信部84は描画画像データ77をメモリー68に記憶する。尚、本実施形態では、上記の各機能がCPU67を用いてプログラムソフトで実現することとしたが、上記の各機能がCPU67を用いない単独の電子回路(ハードウェア)によって実現できる場合には、そのような電子回路を用いることも可能である。
次に、上述したヘッドマウントディスプレイ1を用いてハーフミラー3に虚像を描画する描画方法について図9〜図11にて説明する。図9は描画方法を示すフローチャートである。図10〜図11は、描画方法を説明するための模式図である。図9のフローチャートにおいて、ステップS1は撮影工程であり、撮像装置10が眼球2cを撮影する工程である。次にステップS2に移行する。ステップS2は視線演算工程である。この工程は、観察者21の視線がハーフミラー3と交差する場所を演算する工程である。次にステップS3に移行する。ステップS3はステージ移動工程である。この工程は、ステージ9が描画装置7及びハーフミラー3を移動させる工程である。次にステップS5に移行する。ステップS4は描画工程である。この工程は、描画装置7がハーフミラー3に虚像を形成する工程である。次にステップS5に移行する。ステップS1〜ステップS3とステップS4とは並行して行われる。ステップS5は終了判断工程である。描画を終了しないとき、ステップS1及びステップS4に移行する。描画を終了するとき、ヘッドマウントディスプレイ1の駆動を終了する。以上の工程で描画が完了する。
次に、図10〜図11を用いて、図9に示したステップと対応させて、描画方法を詳細に説明する。図10(a)は、ステップS1の撮影工程に対応する図である。図10(a)に示すように、撮像装置10は眼球2cを撮影する。右側撮像装置10aは右眼を撮影し、左側撮像装置10bは左眼を撮影する。眼球2cの白目、黒目、瞳2dの形状が撮影される。撮像制御部81は撮像装置10に撮影する指示信号を出力する。撮像装置10は指示信号を入力して眼球2cを撮影し、撮影画像データ76としてメモリー68に記憶する。
図10(b)及び図10(c)はステップS2の視線演算工程に対応する図である。図10(b)は観察者21が図中右側に視線を向けたときを示している。画像演算部82は画像85の中央である画像中央85aに対して瞳の像86の中央である瞳中央86aとの距離87を演算する。瞳中央86aの演算では瞳の像86の重心を求めて瞳中央86aとしても良い。白目と黒目との境界線を用いて瞳中央86aを算出しても良い。
ステージ関連データ75には瞳2dの視線がハーフミラー3と交差する位置と距離87との関係を示すデータ表が含まれている。そして、画像演算部82はデータ表、距離87のデータ及び瞳の像86が右寄りである情報を用いて、視線がハーフミラー3と交差する位置を演算する。
図10(c)は観察者21が図中左側に視線を向けたときを示している。このときにも同様に画像演算部82は距離87を演算する。そして、画像演算部82はデータ表、距離87のデータ及び瞳の像86が左寄りである情報を用いて、視線がハーフミラー3と交差する位置を演算する。
図11(a)〜図11(c)はステップS3のステージ移動工程及びステップS4の描画工程に対応する図である。図11(a)に示すように、瞳2dが正面を向くとき視線88は人体頭部2の正面に向かう。そして、ハーフミラー3には最適点3cが設定され、最適点3cが視線88上にあるとき最適な画像が観察できるように凹面3b及びホログラムシート25が形成されている。ステップS3ではステージ制御部78は視線88がハーフミラー3と交差する位置に最適点3cが重なるようにステージ9を制御する。ステップS4では描画装置7がレーザー光18を射出する。このとき、観察者21は鮮明な虚像を観察することができる。
図11(b)に示すように、瞳2dが図中左側を向くとき視線88は人体頭部2の左側に向かう。そして、ステップS1では撮像装置10が瞳2dを撮影し、ステップS2では視線88がハーフミラー3と交差する位置を画像演算部82が演算する。ステップS3ではステージ制御部78がステージ駆動装置69を介してステージ9の可動テーブルの位置を検出する。可動テーブルは描画装置7及び連結部22を介してハーフミラー3と接続されている。そして、ステージ関連データ75には可動テーブルの位置に対する最適点3cの位置のデータが含まれている。ステージ制御部78はステージ関連データ75と可動テーブルの位置情報から最適点3cの位置を算出する。
次に、ステージ制御部78は視線88がハーフミラー3と交差する位置に最適点3cが重なるようにステージ9を制御する。その結果、視線88上に最適点3cが位置するので、ステップS4にて描画装置7がレーザー光18を射出するとき、観察者21は鮮明な虚像を観察することができる。
図11(c)に示すように、瞳2dが図中右側を向くとき視線88は人体頭部2の右側に向かう。このときにもステージ制御部78は視線88がハーフミラー3と交差する位置に最適点3cが重なるようにステージ9を駆動する。その結果、視線88上に最適点3cが位置するので、ステップS4にて描画装置7がレーザー光18を射出するとき、観察者21は鮮明な虚像を観察することができる。
観察者21が視線88を左右に移動させるとき、撮像制御部81、画像演算部82は視線88の方向を検出する。そして、ステージ制御部78が視線88上に最適点3cが位置するように、ハーフミラー3の位置を制御する。このとき、ハーフミラー3と共に描画装置7の位置も制御される。これにより、描画装置7はハーフミラー3を反射したレーザー光18が瞳2dを通過する場所からレーザー光18を射出する。従って、観察者21は鮮明な虚像を観察することができる。
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
(1)本実施形態によれば、虚像を観察する観察者21が視線88を移動するとき、撮像装置10、撮像制御部81及び画像演算部82が観察者21の視線88を検出する。そして、制御部15がステージ9を制御し、ステージ9が描画装置7とハーフミラー3とを連動して移動する。これにより、観察者21の視線88の動きに合わせて虚像を移動させることができる。そして、ヘッドマウントディスプレイ1は観察者21の瞳2dをレーザー光18が通過するように虚像を投影することができる。従って、ヘッドマウントディスプレイ1は観察者21の視線88に合わせて鮮明な画像を表示することができる。
(1)本実施形態によれば、虚像を観察する観察者21が視線88を移動するとき、撮像装置10、撮像制御部81及び画像演算部82が観察者21の視線88を検出する。そして、制御部15がステージ9を制御し、ステージ9が描画装置7とハーフミラー3とを連動して移動する。これにより、観察者21の視線88の動きに合わせて虚像を移動させることができる。そして、ヘッドマウントディスプレイ1は観察者21の瞳2dをレーザー光18が通過するように虚像を投影することができる。従って、ヘッドマウントディスプレイ1は観察者21の視線88に合わせて鮮明な画像を表示することができる。
(2)本実施形態によれば、連結部22は描画装置7とハーフミラー3とを連結している。連結部22により描画装置7とハーフミラー3とは所定の位置関係にて連動する。従って、ステージ9は描画装置7を移動させることでハーフミラー3を連動して移動させることができる。その結果、ステージ9が描画装置7とハーフミラー3とを別々に移動するときに比べて簡易な構造にすることができる。
(3)本実施形態によれば、ハーフミラー3はミラー保護部5内に設置されている。ミラー保護部5には光透過性の第1窓部5a及び第2窓部5bが対向して設置されている。レーザー光18は第1窓部5aを通してハーフミラー3に照射され、ハーフミラー3は虚像を形成することができる。ハーフミラー3がステージ9により移動させられるとき、ハーフミラー3はミラー保護部5内に設置されミラー保護部5によって保護されている。従って、ハーフミラー3が観察者21と接触して擦れることを防止することができる。
(4)本実施形態によれば、ハーフミラー3はホログラムシート25が設置された板状部材3aを有している。ホログラムシート25はレーザー光18を回折させてレーザー光18の進行方向を変える。従って、板状部材3aの凹凸を浅くすることができる。そして、レーザー光18がホログラムシート25に当たるときにも、ホログラムシート25の熱を板状部材3aに伝導して温度上昇を抑制することができる。
(5)本実施形態によれば、第1窓部5a及び第2窓部5bはハーフミラー3を挟んで設置されている。従って、第2窓部5bを通過する光24の一部はハーフミラー3を通過して、さらに、第1窓部5aを通過して進行することができる。従って、観察者21は第1窓部5a、第2窓部5b及びハーフミラー3を通過する光24を受光することができる。その結果、観察者21はヘッドマウントディスプレイ1を通して景色を見ることができる。
(第2の実施形態)
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図12及び図13を用いて説明する。図12(a)は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式平断面図であり、図12(b)は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式上断面図である。図13は、ハーフミラーの動作を説明するための模式図である。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、ハーフミラーが揺動運動をする点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図12及び図13を用いて説明する。図12(a)は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式平断面図であり、図12(b)は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式上断面図である。図13は、ハーフミラーの動作を説明するための模式図である。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、ハーフミラーが揺動運動をする点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
すなわち、本実施形態では図12に示すように画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ91はハーフミラー枠92を備えている。ハーフミラー枠92には保護部としてのミラー保護部93が設置されている。ミラー保護部93の内部には空洞23が設置され、空洞23には表示部としてのハーフミラー94が設置されている。ミラー保護部93は対向して設置され窓部としての第1窓部93aと窓部としての第2窓部93bとを備えている。ハーフミラー94は第1窓部93aと第2窓部93bとの間に位置している。ハーフミラー94と第1窓部93aとの間には隙間があり、ハーフミラー94と第2窓部93bとの間にも隙間がある。そして、第1窓部93a、第2窓部93b及びハーフミラー94は光透過性の材質により形成されている。
ハーフミラー94は左右方向8bの中央に上下方向8cに延在する軸94cが設置されている。軸94cはハーフミラー94における上下方向8cの両側の側面に設置されている。ミラー保護部93には空洞23の左右方向8bの中央となる場所に軸受93cが設置されている。軸受93cはミラー保護部93において空洞23を向く面の上下方向8cの両側の面に設置されている。そして、軸94cは軸受93cに挿入され、ハーフミラー94は軸94cを回転中心にして回動可能になっている。
右眼と対向する場所のハーフミラー94の図中右側には連結部22が設置され、連結部22はハーフミラー94と描画装置7とを連結している。従って、ステージ9が描画装置7を前後方向8aに移動させるとき、描画装置7の移動と並行してハーフミラー94が回動する。
ハーフミラー94は凹面94bが設置された板状部材94aを備え、凹面94bにはホログラムシート25が設置されている。凹面94bが人体頭部2を向く面となっている。
図13(a)〜図13(c)はステップS3のステージ移動工程及びステップS4の描画工程に対応する図である。図13(a)に示すように、瞳2dが正面を向くとき視線88は人体頭部2の正面に向かう。そして、前後方向8aに対するハーフミラー94の角度であるミラー角度94dが設定され、ミラー角度94dが最適ミラー角度のとき最適な画像が観察できるように凹面94b及びホログラムシート25が形成されている。ステップS3ではステージ制御部78はミラー角度94dが最適ミラー角度となるようにステージ9を制御する。ステップS4では描画装置7がレーザー光18を射出する。このとき、ハーフミラー94を反射したレーザー光18が瞳2dを通過し、観察者21は鮮明な虚像を観察することができる。
図13(b)に示すように、瞳2dが図中左側を向くとき視線88は人体頭部2の左側に向かう。そして、ステップS1では撮像装置10が瞳2dを撮影し、ステップS2では前後方向8aに対する視線88の角度を画像演算部82が演算する。ステップS3ではステージ制御部78がステージ駆動装置69を介してステージ9の可動テーブルの位置を検出する。可動テーブルは描画装置7及び連結部22を介してハーフミラー94と接続されている。そして、ステージ関連データ75には可動テーブルの位置に対するミラー角度94dの位置のデータが含まれている。ステージ制御部78はステージ関連データ75と可動テーブルの位置情報からミラー角度94dを算出する。
次に、検出した視線88の角度におけるミラー角度94dが最適ミラー角度となるようにステージ制御部78がステージ9を制御する。その結果、視線88に対して最適な角度にハーフミラー94が配置される。ステップS4では描画装置7がレーザー光18を射出する。このとき、ハーフミラー94を反射したレーザー光18が瞳2dを通過し、観察者21は鮮明な虚像を観察することができる。
図13(c)に示すように、瞳2dが図中右側を向くとき視線88は人体頭部2の右側に向かう。このときにも検出した視線88の角度におけるミラー角度94dが最適ミラー角度となるようにステージ制御部78がステージ9を制御する。その結果、視線88に対して最適な角度にハーフミラー94が配置される。ステップS4では描画装置7がレーザー光18を射出する。このとき、ハーフミラー94を反射したレーザー光18が瞳2dを通過し、観察者21は鮮明な虚像を観察することができる。
つまり、観察者21が視線88を左右に移動させるとき、撮像制御部81、画像演算部82は視線88の方向を検出する。そして、検出した視線88の角度におけるミラー角度94dが最適ミラー角度となるようにステージ制御部78がステージ9を制御する。このとき、ハーフミラー94と共に描画装置7も移動される。これにより、ハーフミラー94を反射したレーザー光18が瞳2dを通過するように設定された場所から描画装置7がレーザー光18を射出する。従って、観察者21は鮮明な虚像を観察することができる。
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
(1)本実施形態によれば、虚像を観察する観察者21が視線88を移動するとき、撮像装置10、撮像制御部81及び画像演算部82が観察者21の視線88を検出する。そして、制御部15がステージ9を制御し、ステージ9が描画装置7と連動してハーフミラー94を回動する。これにより、ハーフミラー94を反射したレーザー光18が瞳2dを通過するように設定された場所から描画装置7がレーザー光18を射出する。そして、観察者21の視線88の動きに合わせて虚像を移動させることができる。従って、ヘッドマウントディスプレイ91は観察者21の視線88に合わせて鮮明な画像を表示することができる。
(1)本実施形態によれば、虚像を観察する観察者21が視線88を移動するとき、撮像装置10、撮像制御部81及び画像演算部82が観察者21の視線88を検出する。そして、制御部15がステージ9を制御し、ステージ9が描画装置7と連動してハーフミラー94を回動する。これにより、ハーフミラー94を反射したレーザー光18が瞳2dを通過するように設定された場所から描画装置7がレーザー光18を射出する。そして、観察者21の視線88の動きに合わせて虚像を移動させることができる。従って、ヘッドマウントディスプレイ91は観察者21の視線88に合わせて鮮明な画像を表示することができる。
(第3の実施形態)
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図14を用いて説明する。図14は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部概略斜視図である。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、連結部22がなくハーフミラー3を移動させるステージが設置されている点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図14を用いて説明する。図14は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部概略斜視図である。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、連結部22がなくハーフミラー3を移動させるステージが設置されている点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、図14に示すように画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ97にハーフミラー3と描画装置7とを連結する連結部22が設置されていない。そして、ミラー保護部5にはハーフミラー3を左右方向8bに移動する移動部としてのステージ98が設置されている。ステージ駆動装置69はステージ9及びステージ98を駆動する。ステージ9は描画装置7を移動し、ステージ98はハーフミラー3を移動する。
虚像を観察する観察者21が視線88を移動するとき、撮像装置10、撮像制御部81及び画像演算部82が観察者21の視線88を検出する。そして、制御部15がステージ9及びステージ98を制御する。ステージ9が描画装置7を前後方向8aに移動させる。ステージ98がハーフミラー3を左右方向8bに移動させる。制御部15はハーフミラー3と描画装置7とを連動して移動する。これにより、ハーフミラー3を反射したレーザー光18に瞳2dを通過させて、観察者21の視線88の動きに合わせて虚像を移動させることができる。従って、ヘッドマウントディスプレイ97は観察者21の視線88に合わせて鮮明な画像を表示することができる。
(第4の実施形態)
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図15を用いて説明する。図15は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部概略斜視図である。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、ハーフミラー3を移動させるステージ98が設置され、ステージ98がハーフミラー3及び描画装置7を移動する点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図15を用いて説明する。図15は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部概略斜視図である。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、ハーフミラー3を移動させるステージ98が設置され、ステージ98がハーフミラー3及び描画装置7を移動する点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、図15に示すように画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ101にはハーフミラー3と描画装置7とを連結する連結部22が設置されている。そして、ミラー保護部5にはハーフミラー3を左右方向8bに移動するステージ98が設置されている。ハーフミラー枠4には描画装置7の前後方向8aへの移動を案内するガイドレール102が設置されている。ガイドレール102には玉軸受やコロ軸受を備えたリニアーガイドや低摩擦係数を有するシート等を用いることができる。
ステージ駆動装置69はステージ98を駆動する。ステージ98が左右方向8bに移動する。そして、ハーフミラー3の動きに連動して描画装置7が前後方向8aに移動する。描画装置7はガイドレール102にガイドされているので、小さな力で移動可能になっている。
虚像を観察する観察者21が視線88を移動するとき、撮像装置10、撮像制御部81及び画像演算部82が観察者21の視線88を検出する。そして、制御部15がステージ98を制御する。ステージ98がハーフミラー3を左右方向8bに移動させる。ハーフミラー3と連動して描画装置7が前後方向8aに移動される。制御部15はハーフミラー3と描画装置7とを連動して移動する。これにより、ハーフミラー3を反射したレーザー光18が瞳2dを通過するように、観察者21の視線88の動きに合わせて虚像を移動させることができる。従って、ヘッドマウントディスプレイ101は観察者21の視線88に合わせて鮮明な画像を表示することができる。
(第5の実施形態)
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図16を用いて説明する。図16は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部概略斜視図である。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、描画装置7を移動させるステージの位置がステージ9の位置と異なる点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のステージについて説明する。左眼用のステージも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図16を用いて説明する。図16は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部概略斜視図である。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、描画装置7を移動させるステージの位置がステージ9の位置と異なる点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のステージについて説明する。左眼用のステージも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、図16に示すように画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ105にはハーフミラー3と描画装置7とを連結する連結部22が設置されている。そして、ハーフミラー枠4には描画装置7を前後方向8aに移動させる移動部としてのステージ106が設置されている。ステージ106は第1の実施形態におけるステージ9と同じ機能を備えている。従って、ヘッドマウントディスプレイ105は第1の実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ1と同じ機能を備えることができる。
ステージ106は描画装置7の前後方向8aの耳2b側に設置されている。このため、描画装置7の上下方向8cの長さが大きくなってもつる部11の幅に対して目立たなくすることができる。従って、ヘッドマウントディスプレイ105を美観の良い装置にすることができる。また、描画装置7は上下方向8cの長さを長くできるので描画装置7の内部に含まれる要素を設計し易い配置にすることができる。
(第6の実施形態)
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図17を用いて説明する。図17は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式平断面図である。本実施形態が第2の実施形態と異なるところは、軸94c及び軸受93cの位置が異なる点にある。尚、第2の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図17を用いて説明する。図17は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式平断面図である。本実施形態が第2の実施形態と異なるところは、軸94c及び軸受93cの位置が異なる点にある。尚、第2の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、図17に示すように画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ109はハーフミラー枠92を備えている。ハーフミラー枠92には保護部としてのミラー保護部110が設置されている。ミラー保護部110の内部には空洞23が設置され、空洞23には表示部としてのハーフミラー111が設置されている。ハーフミラー111は左右方向8bの鼻受92a側に上下方向8cに延在する軸111cが設置されている。軸111cはハーフミラー111における上下方向8cの両側に設置されている。ミラー保護部110には空洞23の左右方向8bの鼻受92a側に軸受110cが設置されている。軸受110cはミラー保護部110における上下方向8cの両側においてハーフミラー111を向く面に設置されている。そして、軸111cは軸受110cに挿入され、ハーフミラー111は軸111cを回転中心にして回動可能になっている。
ハーフミラー111の図中右側には連結部22が設置され、連結部22はハーフミラー111と描画装置7とを連結している。従って、ステージ9が描画装置7を移動させるとき、描画装置7の移動と並行してハーフミラー111が回動する。ハーフミラー111は人体頭部2を向く面に凹面が形成され、凹面にはホログラムシート25が設置されている。
虚像を観察する観察者21が視線88を移動するとき、撮像装置10、撮像制御部81及び画像演算部82が観察者21の視線88を検出する。そして、制御部15がステージ9を制御し、ステージ9が描画装置7と連動してハーフミラー111を回動しミラー角度が最適ミラー角度となるようにステージ制御部78がステージ9を制御する。その結果、視線88に対して最適な角度にハーフミラー111が配置される。ステップS4では描画装置7がレーザー光18を射出する。このとき、ハーフミラー111を反射したレーザー光18が瞳2dを通過し、観察者21は鮮明な虚像を観察することができる。
(第7の実施形態)
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図18を用いて説明する。図18は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式上断面図である。本実施形態が第2の実施形態と異なるところは、ハーフミラー94を回転させる機構を有する点にある。尚、第2の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図18を用いて説明する。図18は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式上断面図である。本実施形態が第2の実施形態と異なるところは、ハーフミラー94を回転させる機構を有する点にある。尚、第2の実施形態と同じ点については説明を省略する。また、右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、図18に示すように画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ114はハーフミラー枠92を備えている。ハーフミラー枠92には保護部としてのミラー保護部115が設置されている。ミラー保護部115の内部には空洞23が設置され、空洞23にはハーフミラー94が設置されている。ハーフミラー94は左右方向8bの中央に上下方向8cに延在する軸94cが設置されている。ミラー保護部115には空洞23の左右方向8bの中央に軸受115cが設置されている。軸受115cはミラー保護部115における上下方向8cの両側に設置されている。そして、軸94cは軸受115cに挿入され、ハーフミラー94は軸94cを回転中心にして回動可能になっている。
ハーフミラー枠92にはミラー保護部115に近い場所に移動部としてのステージ116が設置されている。ハーフミラー枠92には描画装置7を移動させるステージ9とは別にステージ116が設置されている。ステージ116はステージ9と同様な直動機構を備えている。ステージ116の固定テーブルはハーフミラー枠92に設置されている。そして、ステージ116の可動テーブルには可動テーブルとハーフミラー94とを連結する移動部としての連結部117が設置されている。これにより、ステージ116は軸94cを回転中心にしてハーフミラー94を回動することが可能になっている。
虚像を観察する観察者21が視線88を移動するとき、撮像装置10、撮像制御部81及び画像演算部82が観察者21の視線88を検出する。そして、制御部15がステージ9及びステージ116を制御する。ステージ9が描画装置7を前後方向8aに移動させる。ステージ116が軸94cを回転中心にしてハーフミラー94を回動させる。制御部15はハーフミラー94と描画装置7とを連動して移動する。その結果、視線88に対して最適な角度にハーフミラー94が配置される。ステップS4では描画装置7がレーザー光18を射出する。このとき、ハーフミラー94を反射したレーザー光18が瞳2dを通過し、観察者21は鮮明な虚像を観察することができる。そして、観察者21の視線88の動きに合わせて虚像を移動させることができる。従って、ヘッドマウントディスプレイ114は観察者21の視線88に合わせて鮮明な画像を表示することができる。
(第8の実施形態)
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図19を用いて説明する。図19(a)は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式平断面図である。図19(b)は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式上断面図である。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、ハーフミラーは枠部にホログラムシートが設置された構造となっている点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
次に、ヘッドマウントディスプレイの一実施形態について図19を用いて説明する。図19(a)は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式平断面図である。図19(b)は、ヘッドマウントディスプレイの構造を示す要部模式上断面図である。本実施形態が第1の実施形態と異なるところは、ハーフミラーは枠部にホログラムシートが設置された構造となっている点にある。尚、第1の実施形態と同じ点については説明を省略する。右眼用のハーフミラーについて説明する。左眼用のハーフミラーも同様の構造及び作用を有しており、説明を省略する。
すなわち、本実施形態では、図19に示すように画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ119は表示部としてのハーフミラー120を備えている。ハーフミラー120はミラー保護部5の内部に設置されている。ハーフミラー120は長方形の枠部120aを備えている。枠部120aはミラー保護部5の内周に沿って左右方向8bに移動可能になっている。
枠部120aの内側には薄膜120bが設置され、薄膜120bにおいて人体頭部2を向く面が凹面120cになっている。そして、凹面120cにホログラムシート25が設置されている。ハーフミラー120はホログラムシート25が設置された枠部120aを有している。枠部120aは剛性があるので構造物としての強度を有している。従って、レーザー光18が照射される部分を薄くしてハーフミラー120を軽くすることができる。その結果、ハーフミラー120を小さな力で移動させることができる。
尚、本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により種々の変更や改良を加えることも可能である。変形例を以下に述べる。
(変形例1)
前記第1の実施形態では、右側撮像装置10a及び左側撮像装置10bの2台の撮像装置10を設置した。右側撮像装置10aまたは左側撮像装置10bの一方の撮像装置10を用いて視線88を検出しても良い。そして、検出した視線88のデータを用いてステージ制御部78が左右両方のハーフミラー3及び描画装置7の位置を制御しても良い。構成要素が少なくなるので、ヘッドマウントディスプレイ1を製造し易い装置にすることができる。
(変形例1)
前記第1の実施形態では、右側撮像装置10a及び左側撮像装置10bの2台の撮像装置10を設置した。右側撮像装置10aまたは左側撮像装置10bの一方の撮像装置10を用いて視線88を検出しても良い。そして、検出した視線88のデータを用いてステージ制御部78が左右両方のハーフミラー3及び描画装置7の位置を制御しても良い。構成要素が少なくなるので、ヘッドマウントディスプレイ1を製造し易い装置にすることができる。
(変形例2)
前記第1の実施形態では、ミラー保護部5の内側の面と摺動させてハーフミラー3を移動した。ハーフミラー3とミラー保護部5との間に低摩擦の摺動面を設置しても良い。また、ハーフミラー3とミラー保護部5との間にガイドレールを設置しても良い。小さな力でハーフミラー3を移動させることができる。
前記第1の実施形態では、ミラー保護部5の内側の面と摺動させてハーフミラー3を移動した。ハーフミラー3とミラー保護部5との間に低摩擦の摺動面を設置しても良い。また、ハーフミラー3とミラー保護部5との間にガイドレールを設置しても良い。小さな力でハーフミラー3を移動させることができる。
(変形例3)
前記第1の実施形態では、ミラー保護部5に第1窓部5a及び第2窓部5bを設置した。ヘッドマウントディスプレイ1を使用する用途によっては、第1窓部5aだけ設置しても良く、第2窓部5bだけを設置しても良い。さらに、第1窓部5a及び第2窓部5bを除いてハーフミラー3を露出させても良い。
前記第1の実施形態では、ミラー保護部5に第1窓部5a及び第2窓部5bを設置した。ヘッドマウントディスプレイ1を使用する用途によっては、第1窓部5aだけ設置しても良く、第2窓部5bだけを設置しても良い。さらに、第1窓部5a及び第2窓部5bを除いてハーフミラー3を露出させても良い。
(変形例4)
前記第1の実施形態では、ハーフミラー3に凹面3bを設置した。ホログラムシート25だけでレーザー光18の反射角を制御可能であるときには凹面3bを平面にしても良い。板状部材3aの形状が簡易になるので、板状部材3aを製造し易くすることができる。
前記第1の実施形態では、ハーフミラー3に凹面3bを設置した。ホログラムシート25だけでレーザー光18の反射角を制御可能であるときには凹面3bを平面にしても良い。板状部材3aの形状が簡易になるので、板状部材3aを製造し易くすることができる。
(変形例5)
前記第1の実施形態では、ミラー保護部5をハーフミラー枠4に設置した構造となっている。ハーフミラー枠4とミラー保護部5とを一体にした構造にしても良い。部品点数が削減されるので、ヘッドマウントディスプレイ1を製造し易くすることができる。
前記第1の実施形態では、ミラー保護部5をハーフミラー枠4に設置した構造となっている。ハーフミラー枠4とミラー保護部5とを一体にした構造にしても良い。部品点数が削減されるので、ヘッドマウントディスプレイ1を製造し易くすることができる。
(変形例6)
前記第1の実施形態では、ハーフミラー3を左右方向8bに移動した。さらに、ハーフミラー3を上下方向8cに移動させるステージを設置しても良い。視線88が上下方向8cに移動するときにもハーフミラー3を移動して精細な虚像を表示することができる。
前記第1の実施形態では、ハーフミラー3を左右方向8bに移動した。さらに、ハーフミラー3を上下方向8cに移動させるステージを設置しても良い。視線88が上下方向8cに移動するときにもハーフミラー3を移動して精細な虚像を表示することができる。
(変形例7)
前記第1の実施形態では、第2窓部5bを光透過性にして第2窓部5bを通して見える景色と虚像とを重ねて見えるようにした。第2窓部5bを光が透過しない材質にしても良い。ヘッドマウントディスプレイ1を虚像だけを見る装置にすることができる。
前記第1の実施形態では、第2窓部5bを光透過性にして第2窓部5bを通して見える景色と虚像とを重ねて見えるようにした。第2窓部5bを光が透過しない材質にしても良い。ヘッドマウントディスプレイ1を虚像だけを見る装置にすることができる。
(変形例8)
前記第1の実施形態では、光源部36を描画装置7の中に設置した。光源部36を制御部15に設置して光ファイバーを用いてレーザー光18を描画部29に導光しても良い。描画装置7を軽くすることができる為、ヘッドマウントディスプレイ1を装着したときの疲労を軽減することができる。
前記第1の実施形態では、光源部36を描画装置7の中に設置した。光源部36を制御部15に設置して光ファイバーを用いてレーザー光18を描画部29に導光しても良い。描画装置7を軽くすることができる為、ヘッドマウントディスプレイ1を装着したときの疲労を軽減することができる。
(変形例9)
前記第1の実施形態では、描画部29は1つの電磁石で2方向の走査を実現している。描画部29は2つの電磁石で2方向の走査を行う構造にしても良い。操作の制御を容易にすることができる。また、描画部29は1つの光反射面37で主走査と副走査とを行った。主走査用の反射面及び副走査用の反射面を設けても良い。走査の制御を容易にすることができる。また、描画部29は電磁石以外にも圧電素子や静電気を用いた駆動素子にて光反射面37を駆動しても良い。
前記第1の実施形態では、描画部29は1つの電磁石で2方向の走査を実現している。描画部29は2つの電磁石で2方向の走査を行う構造にしても良い。操作の制御を容易にすることができる。また、描画部29は1つの光反射面37で主走査と副走査とを行った。主走査用の反射面及び副走査用の反射面を設けても良い。走査の制御を容易にすることができる。また、描画部29は電磁石以外にも圧電素子や静電気を用いた駆動素子にて光反射面37を駆動しても良い。
(変形例10)
前記第1の実施形態では、右側描画装置7aと左側描画装置7bとの2つの描画装置7を備えてステレオ表示にしている。1つの描画装置7を備える単眼用の表示装置にしても良い。構成要素の数が減るのでヘッドマウントディスプレイ1を製造し易くすることができる。
前記第1の実施形態では、右側描画装置7aと左側描画装置7bとの2つの描画装置7を備えてステレオ表示にしている。1つの描画装置7を備える単眼用の表示装置にしても良い。構成要素の数が減るのでヘッドマウントディスプレイ1を製造し易くすることができる。
(変形例11)
前記第8の実施形態では、ハーフミラー120の薄膜120bに凹面120cを形成して、凹面120cにホログラムシート25を設置した。他にも、ホログラムシート25を曲面状に形成して、枠部120aに直接ホログラムシート25を設置しても良い。ハーフミラー120の形状が簡易になるので、製造し易くすることができる。また、薄膜120bがないのでハーフミラー120を軽くすることができる。
前記第8の実施形態では、ハーフミラー120の薄膜120bに凹面120cを形成して、凹面120cにホログラムシート25を設置した。他にも、ホログラムシート25を曲面状に形成して、枠部120aに直接ホログラムシート25を設置しても良い。ハーフミラー120の形状が簡易になるので、製造し易くすることができる。また、薄膜120bがないのでハーフミラー120を軽くすることができる。
1,91,97,101,105,109,114,119…画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイ、3,94,111,120…表示部としてのハーフミラー、3a…板としての板状部材、5a,93a…窓部としての第1窓部、5b,93b…窓部としての第2窓部、5,93,110,115…保護部としてのミラー保護部、7…描画装置、9,98,106,116…移動部としてのステージ、10…視線検出部としての撮像装置、15…制御部、18…レーザー光、22,117…移動部としての連結部、25…ホログラムシート、29…描画部、36…光源部、37…鏡としての光反射面、81…視線検出部としての撮像制御部、82…視線検出部としての画像演算部、120a…枠部。
Claims (7)
- レーザー光を射出する光源部と、
前記レーザー光を鏡に反射させ前記鏡を回動させて描画する描画部と、
前記レーザー光を反射して虚像を形成する表示部と、
前記描画部と前記表示部とを連動して移動する移動部と、
前記虚像を観察する観察者の視線を検出する視線検出部と、
前記視線の移動に応じて前記移動部を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1に記載の画像表示装置であって、
前記移動部は前記描画部と前記表示部とを連結する連結部を有することを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1または2に記載の画像表示装置であって、
光透過性の窓部が設置された保護部を備え、
前記表示部は前記保護部内に設置されていることを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の画像表示装置であって、
前記表示部はホログラムシートが設置された耐熱性の板を有することを特徴とする画像表示装置。 - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の画像表示装置であって、
前記表示部はホログラムシートが設置された枠部を有することを特徴とする画像表示装置。 - 請求項3に記載の画像表示装置であって、
前記窓部は前記表示部を挟んで設置されていることを特徴とする画像表示装置。 - 観察者の瞳を撮影して前記観察者の視線を検出し、
前記観察者の前記瞳をレーザー光が通過する場所に表示部と描画部とを移動し、
前記描画部からレーザー光を前記表示部に射出して虚像を描画することを特徴とする描画方法。
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