JP2017203952A - 画像表示装置、眼鏡型画像表示装置及び両眼型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表示される画像と周辺の視野との両方について良好な視認性が得られる両眼型画像表示装置の提供。【解決手段】使用者の頭部に装着される画像表示装置であって、前記使用者の視野の少なくとも一部に画像を表示する表示部と、前記表示部に支持されて、少なくとも前記画像の表示位置を含む調光領域において外光の透過を抑制する調光部と、前記使用者の前記眼の位置の個人差を認識する検知部と、前記視野における前記画像の表示位置と、前記個人差とに応じて前記調光領域の位置を変化させる調光制御部と、を有する画像表示装置。【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示装置、眼鏡型画像表示装置及び両眼型画像表示装置に関する。

使用者の頭部に装着されて眼前に透過型のディスプレイを配置して、使用者の周辺に存在する各種情報に関連した映像を表示する頭部装着型の画像表示装置が知られている（例えば特許文献１〜７等参照）。
このような画像表示装置において、表示される画像のコントラストや、使用する場所の外光の強さなどによっては画像が非常に見難い状態になることがある。

かかる問題を解決するために、表示される画像と、外光との輝度の差を抑える技術として、外光を遮るための遮光部を設ける構成が提案されている。
しかしながら、屋外での使用のような極端に輝度差がある場合には、外光の透過率を低くせざるを得ず、単に遮光部で外光を遮るだけでは周辺の視野の視認性が低下してしまう問題があり、画像を表示するために必要な部分のみ遮光する技術が求められていた。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、表示される画像と周辺の視野との両方について良好な視認性が得られる両眼型画像表示装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の画像表示装置は、使用者の頭部に装着される画像表示装置であって、前記使用者の視野の少なくとも一部に画像を表示する表示部と、前記表示部に支持されて、少なくとも前記画像の表示位置を含む調光領域において外光の透過を抑制する調光部と、前記使用者の前記眼の位置の個人差を認識する検知部と、前記視野における前記画像の表示位置と、前記個人差とに応じて前記調光領域の位置を変化させる調光制御部と、を有する。

本発明の両眼型画像表示装置によれば、表示される画像と周辺の視野との両方について良好な視認性が得られる。

本発明の実施形態に係る画像表示装置の全体構成の一例を示す側面図である。 図１に示した画像表示装置の装着例を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るエレクトロクロミック素子の構成の一例を示す断面図である。 光量調整部と画像領域との位置関係の一例を示す概念図である。 本発明の実施形態に係る画像表示装置の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る調光制御部の構成一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る使用者の違いによる個人差の一例を模式的に示す図である。

本発明の第１の実施形態の一例として図１に両眼型画像表示装置たる頭部装着ディスプレイとしての画像表示装置１００の概略構成を示す。
なお、以降の説明では、使用者Ａの前方方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な方向のうち、鉛直上方をＹ方向、Ｚ方向とＹ方向とに垂直な方向である水平方向をＸ方向とする。

画像表示装置１００は、本実施形態では使用者Ａの頭部に装着される眼鏡型の視認装置である。
画像表示装置１００は、使用者Ａの頭部に装着される眼鏡形状の筐体たる筐体部１０１と、使用者Ａの眼前に配置されて、使用者Ａの視野に画像を表示する表示部３と、表示部３に画像を投影する画像出力部１と、を有している。
画像表示装置１００は、図２に示すように、表示部３に支持されて、使用者Ａの視野の少なくとも一部を覆う調光部たる光量調整部２１と、使用者Ａの眼Ｅの位置の個人差を認識するためのカメラ５０と、カメラ５０からの情報に基づいて光量調整部２１の位置を変化させる調光制御部２と、を有している。

筐体部１０１は、使用者Ａの左右の眼前に形成された透明な前面部１０１ａと、前面部１０１ａに取り付けられ、使用者Ａの頭部に少なくとも一部が当接して前面部１０１ａを支持する側面部１０１ｂと、を有している。

画像出力部１は、側面部１０１ｂに取り付けられて、画像を投射するための投射型光学系を備えた画像投射装置である。

表示部３は、画像出力部１から出射された画像を使用者Ａの眼Ｅに向けて反射する反射板３１を有している。
使用者Ａは、反射板３１によって反射された画像を、図２に示した画像領域Ｗの範囲内に存在する虚像として認識する。したがって、画像表示部３は、虚像形成部としての機能を有している。言い換えると、画像領域Ｗは、使用者Ａの眼Ｅに画像が視認される領域であり、画像の表示位置である。
なお、反射板３１は本実施形態では透過型のハーフミラーを用いたが、その他、例えばミラーやその他の導光光学素子であっても良い。

光量調整部２１は、本実施形態では筐体部１０１の前面部１０１ａに取り付けられたエレクトロクロミック素子を用いた調光フィルターである。
光量調整部２１は、電圧を印加されることで透過率を制御する透過率制御手段であり、使用者Ａの眼Ｅに到達する外部光たる外光Ｌ’の光量を制御する光量制御手段である。
なお、本実施形態では光量調整部２１は、エレクトロクロミック素子を用いるとしたが、例えば偏光板や遮光板のような、外光Ｌ’の光量を抑える部材であっても良い。また、フォトクロミック素子や液晶素子のように、光学的又は電気的制御により光量を調整する部材であっても良い。
なお、エレクトロクロミック素子は、フォトクロミック素子より光量調整の応答性に優れ、液晶素子に比べて、光透過率が広い範囲での光量調整が可能で、屋外でも日陰のところや直射日光が当たるところでも良好な視認性を確保することができる。

光量調整部２１は、図３に断面を示すように、最も−Ｚ方向側に形成されたガラス基板４１と、ガラス基板４１に対向して最も＋Ｚ方向側の反対側の面に設けられた対向基板４５と、ガラス基板４１と対向基板４５との間に形成された表示層４３と、を有している。
第１光量調整部２１は、表示層４３と対向基板４５との間に設けられた空隙層４６と、表示層４３とガラス基板４１との間に設けられた酸化チタン粒子層４２と、ガラス基板４１と対向基板４５とを連結して間隔を規定するスペーサ４４と、を有している。

空隙層４６は、周囲を表示層４３と、対向基板４５と、スペーサ４４とに囲まれた空間であり、空隙層４６の内部には、電解液が満たされている。
本実施形態では、電解液として、１−エチル−３−メチルイミダゾリウム・テトラシアノボレートを用いているが、特にかかる構成に限定されるものではない。
また、液体の電解質以外にも、ゲル状の電解質やポリマー電解質等の固体であっても良い。

ガラス基板４１は、１５０ｍｍ×８０ｍｍ程度のＩＴＯ導電膜付きフィルム基板である。
酸化チタン粒子層４２は、酸化チタンナノ粒子分散液を塗布されて形成された酸化チタン粒子の層である。
表示層４３は、後述するエレクトロクロミック化合物によって形成されるエレクトロクロミック層であり、±Ｚ方向の両面間に印加される電位差により、エレクトロクロミック化合物の還元反応が生じ吸収波長帯が変化して発色あるいは消色する。すなわち、透過する光束のスペクトル、強度が変化するので光量が変化する。言い換えると、表示層４３の両面に印加される電圧に応じて、外光Ｌ’の透過率が任意に変化する。

エレクトロクロミック化合物は、下記の構造式（化１）で示される化合物である。かかるエレクトロクロミック化合物の１ｗｔ％２，２，３，３−テトラフロロプロパノール溶液を塗布液として、酸化チタン粒子層４２上にスピンコート法によって塗布されることで、エレクトロクロミック化合物の層が形成される。

さらに、１２０℃程度の温度で略１０分間アニール処理される加熱工程を経ることで、酸化チタン粒子層４２の表面にエレクトロクロミック化合物が吸着した表示層４３が形成される。

光量調整部２１は、かかるガラス基板４１、酸化チタン粒子層４２、表示層４３、空隙層４６等の各層の作用によって、外光Ｌ’の透過率を電気信号によって制御するエレクトロクロミックデバイスである。

なお、酸化チタン粒子層４２は、酸化チタンに限定されるものではなく、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、シリカ、酸化セシウム、酸化イットリウムなどであってもよい。

本実施形態では、光量調整部２１は、印加される電圧に応じて、全光透過率を２〜８０％の間の任意の数値に切り替えられる。

かかる光量調整部２１の全光透過率を制御する仕組みについて詳しく述べる。
光量調整部２１は、図４に示すように、Ｙ方向に延びＸ方向に複数並べ設けられたＹ電極２３とＸ方向に延びＹ方向に複数並べ設けられたＸ電極２４との２種の電極を有している。Ｘ電極２４とＹ電極２３との交点は、１０×１０の１００ピクセルのセル２２を形成している。
かかるセル２２は、Ｘ電極２４とＹ電極２３との間に電圧が印加されたときに、電圧の大きさに従って透過率が制御される。
すなわち、Ｘ電極２４とＹ電極２３との間に電圧が印加されたセル２２は、外光Ｌ’の透過を抑制する、言い換えると外光Ｌ’の光量を制限する調光領域２１ａとしての機能を有している。
また、Ｘ電極２４とＹ電極２３との何れか、あるいは何れもに電圧が印加されてないセル２２は、外光Ｌ’を透過する透過領域となる。
光量調整部２１は、本実施形態では縦横の矩形の電極を用いたパッシブ方式によってセル２２の透過率を制御し、調光領域２１ａを形成するとしたが、例えばＴＦＴなどを含む透明電極を用いてアクティブ方式によってセル２２の透過率を制御しても良い。
なお、図４では、後述する調光領域２１ａと画像領域Ｗとの位置関係が分かりやすくなるように、画像領域Ｗを表示しているが、実際には画像領域Ｗは使用者Ａの視野に虚像として投影されるため、光量調整部２１の縮尺と画像領域Ｗとは一致しなくともよい。

カメラ５０は、前面部１０１ａの上部たるＹ方向端部に取り付けられて、使用者Ａの眼Ｅの位置を検知する検知部としての機能を有している。
カメラ５０は、図２及び図５に示すように、前面部１０１ａのＸ方向における中心点Ｏを基準として、使用者Ａの眼Ｅの位置を検出するために、±Ｘ方向の両側に取り付けられた一対の検知手段である。
カメラ５０は、使用者Ａの眼Ｅを撮影した画像を画像処理することで、角度θから眼Ｅの黒目部分である瞳の位置、より具体的には左右の瞳の間の距離である瞳孔間距離Ｘ_Ａを検知することで、眼Ｅの位置を認識する。

かかる瞳孔間距離Ｘ_Ａは、当然ながら個人差があり、使用者Ａの瞳孔間距離Ｘ_Ａと、他の使用者Ｂの瞳孔間距離Ｘ_Ｂとではその長さが５７ｍｍ〜７２ｍｍ程度の間で異なることが知られている。
すなわち、カメラ５０は、眼Ｅの位置を検知することで、使用者Ａと使用者Ｂとの間の個人差を瞳孔間距離として認識する。

このとき、左右一対のカメラ５０で眼Ｅの位置を撮影するように、カメラ５０を配置すると、カメラ５０は三角測量の要領で、眼Ｅの間の距離や、眼Ｅから表示面３までの間の距離などをより正確に把握することができるため、さらに望ましい。
しかしながら、１つのカメラのみを用いて、基準となる中心点Ｏの位置と、カメラ５０の位置とを用いて瞳の位置を求めるとしても良いし、２つ以上のカメラを用いても良い。
カメラ５０が瞳の位置を検知する方法として、本実施形態では画像処理による方法についてのみ述べるが、その他、例えば超音波などの方法で骨格から眼Ｅの位置を得る手段を用いても良いし、かかる構成に限定されるものではない。

調光制御部２は、図６に示すように、画像出力部１から入力された画像情報あるいは表示部３に表示されている画像を元に使用者Ａの視野における画像領域Ｗの位置を判断する画像領域判断部２５と、瞳孔間距離Ｘ_Ａを元に調光領域２１ａの位置を制御する調光領域判断部２６と、を有している。
調光制御部２は、カメラ５０を用いて得られた使用者Ａの瞳孔間距離Ｘ_Ａと、カメラ５０の位置とを用いて、光量調整部２１の、画像領域Ｗとして認識される部分の周囲のセル２２の透過率を制御する。
具体的には、光量調整部２１のＸ電極２４とＹ電極２３との間に印加する電圧を制御して、任意の位置のセル２２の透過率を制御する。
すなわち、調光制御部２は、図４に示したように、使用者Ａの視野における画像の表示位置たる画像領域Ｗと、個人差である瞳孔間距離Ｘ_Ａとに応じて調光領域２１ａの位置を変化させる。
このとき、調光領域２１ａは、外光Ｌ’の透過率を下げて画像領域Ｗに表示された画像の視認性を向上させるために、使用者Ａの視野において画像領域Ｗを少なくとも覆うように形成されることが望ましい。
かかる構成により、画像の視認性を使用者の個人差によらず向上させつつも、外光Ｌ’が遮光される領域を最小限に抑えて外部の視認性をも確保することができる。

かかる画像表示装置１００を用いて、使用者Ａが外部の様子を確認しながら画像表示装置１００に表示される情報を読み取る方法について述べる。

まず、使用者Ａが画像表示装置１００を頭部に装着して起動する。
画像表示装置１００は、起動した時点で、使用者Ａに合わせて個人差を補正するために、初期設定状態へと移行する。かかる初期設定状態において、使用者Ａは、画像表示装置１００を装着した状態でまっすぐ前方を見るように画像表示装置１００により指示される。
使用者Ａが前方を見た状態で、カメラ５０は先に述べたように使用者Ａの瞳孔間距離Ｘ_Ａを検知する。
このときに検知された瞳孔間距離Ｘ_Ａを、調光制御部２は現在の使用者Ａの個人差として認識する。
調光制御部２は、かかる瞳孔間距離Ｘ_Ａに基づいて、視野内における画像領域Ｗに合わせて調光領域２１ａの位置を変化させる。
かかる構成により、表示される画像と周辺の視野との両方について良好な視認性が得られる。

なお、ここでは起動時の初期設定状態において個人差を認識するとしたが、例えば、使用者Ａが画像表示装置１００に設けられたボタンなどを押下したことを条件としてカメラ５０が瞳の位置を検知しても良い。あるいは、画像表示装置１００に使用者の個人設定として保存・登録しておくような構成であっても良い。
また、初期設定状態においてカメラ５０が使用者Ａの瞳孔間距離Ｘ_Ａを検知したあとには、調光制御部２は、かかる瞳孔間距離Ｘ_Ａと画像の表示位置とに基づいて、自動で視野内における画像領域Ｗに合わせて調光領域２１ａの位置を変化させるとしても良い。

ところで、従来の画像表示装置においては、特に屋外での使用のような極端に輝度差がある場合には、外光Ｌ’の透過率を低くせざるを得ず、単に遮光部で外光を遮るだけでは周辺の視野の視認性が低下してしまう問題がある。そこで、本実施形態に示すように、画像を表示する画像領域の視認性を向上するために必要十分な部分のみ光量を抑制する技術が求められていた。

しかしながら、画像表示装置１００のような両眼型の画像表示装置においては、表示部３が使用者の眼前に配置される。そのため光量調整部２１の少しの位置のずれであっても、視野内における調光領域２１ａの位置が大きく異なってしまい、単に調光領域２１ａを設けるだけでは必要十分な部分のみ光量を抑制することは難しい。
さらに、かかる表示部３の表示する画像の表示位置が同じであったとしても、使用者Ａと他の使用者Ｂとの間では、図７（ａ）（ｂ）に例示するように、眼Ｅの瞳孔間距離Ｘ_Ａ、Ｘ_Ｂが異なることが知られている。
かかる個人差は、装着する使用者に固有のものであって、かかる個人差を考慮した上で調光領域２１ａの位置を設定することが重要であった。

このような問題に鑑みて、本実施形態の画像表示装置１００は、使用者Ａの視野の少なくとも一部に画像を表示する表示部３と、表示部３に支持されて、少なくとも画像領域Ｗを含む調光領域２１ａにおいて外光Ｌ’の透過を抑制する光量調整部２１と、を有している。
また、画像表示装置１００は、使用者Ａと使用者Ｂとの眼Ｅの位置の個人差を認識するカメラ５０と、使用者Ａの視野における画像領域Ｗと眼Ｅの位置の個人差とに応じて調光領域２１ａの位置を変化させる調光制御部２を有している。

この点についてさらに詳細に説明する。
瞳孔間距離Ｘ_Ａを持つ使用者Ａが画像表示装置１００を装着したときに、画像領域Ｗが虚像として投影される位置が、図７（ａ）に示すような位置になるように設定する。ここで画像領域Ｗは、使用者Ａが眼前をまっすぐに見たときに視野の中心から−Ｘ方向側にかかる位置であるとする。
調光制御部２は、かかる瞳孔間距離Ｘ_Ａを用いて、図４に示したように画像領域Ｗを覆うように調光領域２１ａが形成されるように調整する。例えば、基準点となる中心点Ｏからの距離Ｘ_１の点を中心として、画像領域Ｗよりも大きく調光領域２１ａを形成する。

他方、使用者Ａよりも大きい瞳孔間距離Ｘ_Ｂを持つ使用者Ｂが画像表示装置１００を装着したときには、画像領域Ｗが虚像として投影される位置は、図７（ｂ）に示すような位置になる。
調光制御部２は、カメラ５０から得られた瞳孔間距離Ｘ_Ｂを用いて、画像領域Ｗを覆うように調光領域２１ａが形成されるように調整する。すなわち基準点となる中心点Ｏからの距離Ｘ_２の点を中心として、画像領域Ｗよりも大きく調光領域２１ａを形成する。
なお、かかる距離Ｘ_１、Ｘ_２は、左右の光量調整部２１で異なるとしても良く、左右の光量調整部２１で独立して設定可能であることがより好ましい。

かかる構成により、使用者Ａ、Ｂのどちらが画像表示装置１００を装着したときにも、個人差によらず表示される画像と周辺の視野との両方について良好な視認性が得られる。

また、調光制御部２は、光量調整部２１を電気的に制御することで調光領域２１ａを変化させる。
かかる構成により、機械的な駆動部を設けることなく、使用者に固有の瞳孔間距離に対応した画像領域Ｗの周辺部分の外光Ｌ’の透過のみを抑制することができて、表示される画像と周辺の視野との両方について良好な視認性が得られる。
さらに、機械的な駆動部分を必要としないので、画像表示装置１００を装着したときに、使用者Ａの前方側の重量の増加を抑制することができるから、使用者の装着時の違和感をも低減する。

また、光量調整部２１は、エレクトロクロミック素子である。
かかる構成により、全光透過率を２〜８０％の間の任意の数値に切り替えられるから、他の調光用の光学素子を用いるよりも透過設定時の視認性が高く、表示される画像と周辺の視野との両方について良好な視認性が得られる。

また、本実施形態では、カメラ５０は、画像表示装置１００の中心点Ｏと使用者Ａ、Ｂの瞳の位置とを検知することで瞳孔間距離Ｘ_Ａ、Ｘ_Ｂを認識する。
かかる構成により、使用者ごとの固有の個人差を認識できて、個人差によらず表示される画像と周辺の視野との両方について良好な視認性が得られる。

また、本実施形態では、画像表示装置１００は少なくとも２つのカメラ５０を有し、カメラ５０は、中心点Ｏと瞳の位置に加えてさらに瞳までの距離をも検知する。
かかる構成により、さらに正確に使用者ごとの固有の個人差を認識できて、個人差によらず表示される画像と周辺の視野との両方について良好な視認性が得られる。

また、本実施形態では、表示部３と光量調整部２１とは使用者の一対の眼Ｅのそれぞれの眼前に配置され、調光制御部２は、使用者Ａと使用者Ｂとの間の個人差に応じて、光量調整部２１の調光領域２１ａの位置をそれぞれ独立して変化させる。
かかる構成により、個人差によらず表示される画像と周辺の視野との両方について良好な視認性が得られる。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えば、上記実施形態においては、表示部と光量調整部とを両眼に有する構成についてのみ述べたが、片眼のみに画像を表示するタイプの画像表示装置であってもよい。

また、上記実施形態においては、眼鏡型の画像表示装置について述べたが、その他の構成であっても良い。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２ 調光制御部
３ 表示部
２１ 調光部（光量調整部）
２１ａ 調光領域
５０ 検知部（カメラ）
１００ 画像表示装置（両眼型画像表示装置）
１０１ 筐体部
Ｏ 基準点（中心点）
Ｌ’ 外光
Ｘ_Ａ、Ｘ_Ｂ 個人差（瞳孔間距離）
Ｗ 画像の表示位置（画像領域）

特開２００５−２８４００７号公報 特許第４３６６９４４号公報 特開２００３−５０８８０８号公報 特許第３３７１１５６号公報 特開２０１５−２１５６１９号公報 特開２０１５−０２３３８１号公報 特開２０１４−０３５６６８号公報

Claims (9)

1. 使用者の頭部に装着される画像表示装置であって、
   前記使用者の視野の少なくとも一部に画像を表示する表示部と、
   前記表示部に支持されて、少なくとも前記画像の表示位置を含む調光領域において外光の透過を抑制する調光部と、
   前記使用者の前記眼の位置の個人差を認識する検知部と、
   前記視野における前記画像の表示位置と、前記個人差とに応じて前記調光領域の位置を変化させる調光制御部と、を有する画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記調光制御部は前記調光部を電気的に制御することで前記調光領域を変化させることを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１または２に記載の画像表示装置であって、
   前記調光部はエレクトロクロミック素子であることを特徴とする画像表示装置。
4. 前記検知部は、当該画像表示装置の基準点と使用者の瞳の位置とを検知することで前記個人差を認識することを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項４に記載の画像表示装置であって、
   前記検知部を複数有し、
   前記検知部は当該画像表示装置の基準点と使用者の瞳の位置に加えて前記瞳までの距離を検知することで前記個人差を認識することを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載の画像表示装置であって、
   前記調光制御部は、自動で前記視野における前記画像の表示位置と、前記個人差とに応じて前記調光領域の位置を変化させることを特徴とする画像表示装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の画像表示装置であって、
   前記表示部と前記調光部とは前記使用者の一対の眼のそれぞれの眼前に配置され、
   前記調光制御部は、前記個人差に応じて、一対の前記調光部の前記調光領域の位置をそれぞれ独立して変化させることを特徴とする画像表示装置。
8. 使用者の頭部に装着される眼鏡型画像表示装置であって、
   前記使用者の視野の少なくとも一部に画像を表示する表示部と、
   前記表示部に支持されて、少なくとも前記画像の表示位置を含む調光領域において外光の透過を抑制する調光部と、
   前記使用者の前記眼の位置の個人差を認識する検知部と、
   前記視野における前記画像の表示位置と、前記個人差とに応じて前記調光領域の位置を変化させる調光制御部と、を有する眼鏡型画像表示装置。
9. 使用者の頭部に装着される両眼型画像表示装置であって、
   前記使用者の視野の少なくとも一部に画像を表示する一対の表示部と、
   前記表示部に支持されて、少なくとも前記画像の表示位置を含む調光領域において外光の透過を抑制する一対の調光部と、
   前記使用者の前記眼の位置の個人差を認識する検知部と、
   前記視野における前記画像の表示位置と、前記個人差とに応じて前記調光領域の位置を変化させる調光制御部と、を有し、
   前記表示部と前記調光部とは前記使用者の一対の眼のそれぞれの眼前に配置され、
   前記調光制御部は、前記個人差に応じて、一対の前記調光部の前記調光領域の位置をそれぞれ独立して変化させることを特徴とする両眼型画像表示装置。

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