JP2022144598A - 光学装置および表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】角度選択型透過素子を利用した光学装置において、ケラレや開口率の低下を抑制し、使用者の後方からの光によるゴーストを低減しつつ接眼観察や視線検出を可能にする。【解決手段】視線検出機能を有するHMD(ヘッドマウントディスプレイ)1は、使用者の目に対してファインダー光路中にそれぞれ配置される角度選択型透過素子6,7と、視線検出用の投光部および受光部を備え、検出された視線方向にファインダーの方向を調整可能な構成である。角度選択型透過素子6,7はそれぞれの方向が異なる第1乃至第3の開口部を有する。第1および第2の開口部はファインダー光路における第1および第2の領域での光の通過方向をそれぞれ制限する。第3の開口部はアイポイントと受光素子とを結ぶ線を中心として形成される。【選択図】 図5
Description
本発明は、ヘッドマウントディスプレイや双眼鏡、カメラのファインダー等におけるゴースト低減技術に関し、特に角度選択型透過素子を備える光学装置および表示装置に関する。
使用者がヘッドマウントディスプレイやカメラのファインダーを屋外等で使用する際、使用者の後方から到来する光によりゴーストが発生する可能性があった。特許文献1では表示部の目側にルーバーフィルムを配置することで、ゴーストの原因となる光をカットする技術が開示されている。
また、使用者の視線方向を検出することで、測距点選択等の機能を実現した視線検出機能を有するカメラが実用化されている(特許文献2)。
従来の技術では、アイボックスが狭いことによるケラレの発生、開口率の低下が問題となる。また、アイポイントから視線検出センサに向かう赤外光源(LED)の光に対するケラレへの対策が必要である。
本発明の目的は、角度選択型透過素子を利用した光学装置において、ケラレや開口率の低下を抑制し、使用者の後方からの光によるゴーストを低減しつつ接眼観察や視線検出を可能にすることである。
本発明の目的は、角度選択型透過素子を利用した光学装置において、ケラレや開口率の低下を抑制し、使用者の後方からの光によるゴーストを低減しつつ接眼観察や視線検出を可能にすることである。
本発明の一実施形態の装置は、ファインダーを備える光学装置であって、前記ファインダーの光路中に配置される角度選択型透過素子と、前記角度選択型透過素子を通過する光により視線検出を行う検出手段と、前記検出手段により検出された視線方向に前記ファインダーの方向を調整することが可能な機構部と、を備える。
本発明によれば、角度選択型透過素子を利用した光学装置において、ケラレや開口率の低下を抑制し、使用者の後方からの光によるゴーストを低減しつつ接眼観察や視線検出が可能である。
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。ファインダー等の光路中に配置される角度選択型透過素子を利用した表示装置の一例としてヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDと記す)を示す。なお、本発明はHMDに限らず各種光学装置への適用が可能である。
[第1実施例]
図1から図12を参照して、本実施例に係る視線検出機能を有する電子ビューファインダー(以下、EVFと記す)について説明する。図1はHMD1の構成例を示す外観図である。HMD1は、本体部2、EVF3および4、頭部装着部5を備える。対をなすEVFは使用者の両目に対応する、左目用EVF3と右目用EVF4から構成される。
図1から図12を参照して、本実施例に係る視線検出機能を有する電子ビューファインダー(以下、EVFと記す)について説明する。図1はHMD1の構成例を示す外観図である。HMD1は、本体部2、EVF3および4、頭部装着部5を備える。対をなすEVFは使用者の両目に対応する、左目用EVF3と右目用EVF4から構成される。
HMD1の本体部2と頭部装着部5は、本体部2側のヒンジ2aと頭部装着部5側のヒンジ5aで回転可能であって、本体部2と使用者の目との間隔(図5:アイポイント13と目側の面6aとの距離E1)の調整が可能な状態で結合している。左目用EVF3と右目用EVF4は本体部2に対して眼幅調整が可能な状態で保持されている。
図2および図3は使用者がHMD1を頭部に装着した状態を示す。図2は使用者が表示画面を見ている状態を示し、図3はHMD1の本体部2を上側にはね上げて使用者が周囲を視認し得る状態を示している。
使用者がEVF3とEVF4を覗く部分には、角度選択型透過素子6、7がそれぞれ取り付けられている。本実施例の角度選択型透過素子6と角度選択型透過素子7は同一の構成を有するが、両素子の構成を異ならせることで右目と左目との輻輳角やゴーストカット特性を最適化することが可能である。以下では角度選択型透過素子6、7においてファインダーの光軸側を内側と定義し、ファインダーの光軸から離れる側を外側と定義する。
図4はHMD1の使用時の状態にて本体部2およびEVF3の構成を示す断面図であり、使用者の左目に対応する部分を示す。表示部9と接眼レンズ系10はEVF3の外装部材11の内部に設けられている。表示部9は有機EL(Electro-Luminescence)表示パネルを有する。接眼レンズ系10は角度選択型透過素子6側の面が曲面である。角度選択型透過素子6は、外装部材11にて使用者の左目に対向する位置に配置されている。角度選択型透過素子6において第1の面6aを使用者の目側の面とし、第2の面6bを接眼レンズ系10側の面とする。表示部9と接眼レンズ系10との間に配置される光路分割プリズムユニット21の詳細については後述する。
角度選択型透過素子6には複数の開口部6cが設けられており、光通過方向を制限する機能を有する。複数の開口部6cは、接眼レンズ系10から使用者の目の位置であるアイポイント13に向かう光束の方向に開口している。図4には接眼レンズ系10から出射した光束のうち、アイポイント13に届くファインダー光束12を模式的に示している。アイポイント13は、接眼レンズ系10により決定される。
本体部2の外装部材14は、その内部にHMD1全体を制御するコントロール回路15を有する。コントロール回路15は表示部9を制御し、表示部9からの光は接眼レンズ系10により集光され、角度選択型透過素子6に設けられた複数の開口部6cを通過してアイポイント13にある目で表示部9の表示情報が観察される。
図5は図2のA-A線に沿う断面図であり、HMD1の使用時のEVF3、EVF4と頭部および眼球との関係を表している。図6は、HMD1の使用時の頭部および眼球とHMD1との関係を表している。図7は図6に示すB部の詳細図である。
図5にはEVF3、EVF4と眼球との関係で調整可能な箇所を表している。使用者はアイポイント位置付近からのみ表示を視認することができるので、常に目の位置をアイポイント位置付近に保つ必要がある。そのためにHMD1は、使用者の視線方向を検出し、視線検出結果を利用することで、位置調整が可能な第1乃至第3の機構部を有する。
第1の機構部は、使用者の両目の幅に合わせて調整を行えるように、眼幅(W)の調整が可能な構成である。具体的な構成としては、EVF3,4は本体部2に対してガイドバー等でガイドされていて、各々独立して動く構成となっている。第2の機構部は、アイポイント13と角度選択型透過素子6(7)の目側の面6aとの距離(E1)の調整が可能な構成である。第3の機構部は、視線を振ったり、輻輳角が変わったりといった眼球回転移動に伴い、ケラレや開口率の変化が生じないように回転方向の角度(θ)の調整が可能な構成である。使用者の視線方向を検出することで、目側の面6aと接眼レンズ系10の光軸が交わる領域40を中心にEVF3(EVF4)は回転方向(θ方向)に調整可能な構成となっている。具体的な構成としては、EVF3(EVF4)は領域40を中心に回転方向に調整可能なHMD1のユニットを構成している。HMD1のユニットは、本体部2に対して眼幅(W)が調整可能になるように取り付けられている。EVF3、EVF4はそれぞれ独立した動きが可能な機構を有するので、HMD1は、使用者の左右の目に対して各々配置された視線検出部により、左右の目の最適な位置にEVF3、EVF4を調整可能な構造である。つまりHMD1の制御部は視線検出によって使用者の両目の位置を算出し、左右の目の位置に対してEVF3、EVF4を合わせるために基準位置からの差分を演算してそれぞれ最適な位置に調整する制御を行う。
視線検出機能と角度選択型透過素子とを組み合わせることで、アイボックスが狭いためにケラレや開口率の低下が生じるという問題を解決することが可能である。また第1乃至第3の機構部にて調整可能な箇所については、使用者がレバー等を用いて手動で動かす構成と動力源であるモータ等を組み込んで自動で動かす構成の2通りがあり、どちらの構成でも実施可能である。
図6に示されるHMD1の使用時にて、完全な順光、つまり使用者が光源(太陽等)を背に向けた方向からの光を想定する。この場合、角度選択型透過素子6と接眼レンズ系10に逆入光する光の大半は使用者の頭部で遮られている。しかし、この状態から使用者が顔を数十度の角度で横に回転させると、顔の側面を通過する光(図6のクロスハッチング部を通過する光)が角度選択型透過素子6と接眼レンズ系10の位置に到達する。
接眼レンズ系10にて逆入光がゴーストを発生させる可能性のある領域は、左目の場合、図6の点16と頭部の側面部を結んだ線17で示すように、クロスハッチング部である。本実施例では、アイポイント13から接眼レンズ系10に向けて複数の開口部6cが設けられている。複数の開口部6cより使用者から離れる側に位置する接眼レンズ系10に光が到達するためには、開口部6cの穴の方向に光源が存在する必要がある。図6の線17は、複数の開口部6cの方向と光線の方向とが最も近くなり、逆入光が接眼レンズ系10に到達しやすくなる位置を示している。
図7に示されるように、角度選択型透過素子6の内部の複数の開口部6cは、隣接する穴と穴との間が壁部6dで仕切られている。本実施例では、複数の開口部6cの内部に空気との屈折率差が小さい透明の固体が充填されている。角度選択型透過素子6の内部に空気との屈折率差が小さい透明の固体を充填することで、複数の開口部6c内へのゴミの侵入を防止できる。また、壁部6dが外力により変形することを防止できる。本実施例では、空気との屈折率差が小さい透明の固体として、空気を90%以上含む多孔質の透明物質を利用しており、空気との屈折率差は0.1以下となっている。このため、空気との境界面での反射が殆ど無い。複数の開口部6cの内部において、目側の第1の面6aと接眼レンズ系10側の第2の面6bのいずれでも空気との屈折率差が小さい透明の固体表面での反射は殆ど無い。外部から複数の開口部6cに入射する光は殆ど反射せずに内部に入射する。
角度選択型透過素子6にて接眼レンズ系10側の第2の面6b、目側の第1の面6a、複数の開口部6cの内面の壁部6dには反射防止処理が施されている。角度選択型透過素子は3Dプリンタでの作成が可能であり、反射防止塗装により反射防止処理を実現できる。
図7において、光線18は使用者の頭部の側面部を通過した光を表す。光線18は角度選択型透過素子6の第1の面6aに設けられた複数の開口部6cの穴から内部に入射する。複数の開口部6cの内部に入った光は壁部6dに到達するが、壁部6dには反射防止処理が施されているので反射光は減衰する。よって反射光が仮に接眼レンズ系10に到達してもゴーストは殆ど発生しない。
角度選択型透過素子6の厚みをtと表記し、開口部6cの開口幅をwと表記し、不要光の入射角度をθ0と表記する。不要光が接眼レンズ系10に直接到達しない為の条件を下記式(1)に示す。
t≧w/tanθ0 (1)
tanは正接関数を表し、本実施例では式(1)の条件を満たしている。
t≧w/tanθ0 (1)
tanは正接関数を表し、本実施例では式(1)の条件を満たしている。
図8は角度選択型透過素子6の第1の面6aを模式的に示す図である。角度選択型透過素子6は内側の開口部6e1,6e2とその周辺の複数の開口部6cを有する。図9は図8のC-C断面図である。角度選択型透過素子6に設けられた複数の開口部6cは、ファインダー光線の入り口側である第2の面6bとファインダー光線の出口側である第1の面6aにて六角形に形成されている。また、隣接する六角形状部の間は壁部6dで仕切られるとともに、内部には空気との屈折率差が小さい透明の固体が充填されている。
図9(図8のC-C断面図)は複数の開口部6cの方向を示している。複数の開口部6cの方向はそれぞれ、アイポイント13に向かう光の向きに沿うように設定されている。アイポイント13と第1の面6aとの距離をE1と表記し、アイポイント13と第2の面6bとの距離をE2と表記する。第1の面6a上での複数の開口部6cの形成ピッチをP1と表記する。
複数の開口部6cは等ピッチで設けられており、光軸中心からの距離をそれぞれHiと表記する。光軸中心を基準とした図9の右半面において、「Hi」中のiは1~9までの任意の自然数を表す。
H1=P1
H2=P1×2
・
・
H8=P1×8
H9=P1×9
つまり、「Hi=P1×i」の関係である。
H1=P1
H2=P1×2
・
・
H8=P1×8
H9=P1×9
つまり、「Hi=P1×i」の関係である。
光軸中心を基準として、アイポイント13と複数の開口部6cを結ぶ各直線の角度をそれぞれθiと表記する。「θi」中のiは1~9までの任意の自然数を表す。
θ1=tan-1(H1/E1)
θ2=tan-1(H2/E1)
・
・
θ8=tan-1(H8/E1)
θ9=tan-1(H9/E1)
tan-1は逆正接関数を表し、「θi=tan-1(Hi/E1)」の関係である。
第2の面6b上での複数の開口部6cのピッチP2は、下記式(2)に示すとおりである。
P2=E2×tanθ1 (2)
図9では光軸中心を基準として右半面を説明したが、光軸に関して対称な構成であるので左半面についても前記と同様の関係が成り立つ。
θ1=tan-1(H1/E1)
θ2=tan-1(H2/E1)
・
・
θ8=tan-1(H8/E1)
θ9=tan-1(H9/E1)
tan-1は逆正接関数を表し、「θi=tan-1(Hi/E1)」の関係である。
第2の面6b上での複数の開口部6cのピッチP2は、下記式(2)に示すとおりである。
P2=E2×tanθ1 (2)
図9では光軸中心を基準として右半面を説明したが、光軸に関して対称な構成であるので左半面についても前記と同様の関係が成り立つ。
アイポイント13を基準として、使用者の目から接眼レンズ系10を見た場合、複数の開口部6cを通して接眼レンズ系10が見える。壁部6dについては使用者の目に到達する光の方向と略平行になっているので、殆ど視認できなくなっている。また、アイポイント13に使用者の目が存在する場合には、第1の面6aは目に近接しており、目視のピントは合わない。壁部6dは厚みが薄く作成されているので、壁部6dの入り口部分の平面部も殆ど視認できない。
使用者はアイポイント13の付近からのみ表示情報の視認が可能であり、目の位置をアイポイント13の付近に固定する必要がある。本実施例では、頭部装着部5により使用者の頭部とHMD1との相対位置関係を固定することでアイポイント13に目を置くことを実現している。
図10はEVF部分の構成を示す斜視図である。図11はEVF部分の光軸上での横断面図である。アイポイント13に近い方から順に、角度選択型透過素子6、接眼レンズ系10、第2光路分割プリズム20、第1光路分割プリズム19、表示部9を図示している。
第1光路分割プリズム19と第2光路分割プリズム20は、光路分割プリズムユニット21を構成する。光路分割プリズムユニット21は、第1光路分割プリズム19と第2光路分割プリズム20を接着して構成される光路分割手段である。
赤外LED22,23は、視線検出用の眼球照明を行う発光素子である。赤外LED22,23は投光部を構成しており、角度選択型透過素子6の第1の面6a側に配置される。赤外LED22,23は、それぞれ異なる位置に向けて赤外光を照射する配置になっており、EVF部分(受光部を含む)と観察者の眼球との距離を検出するために2個一組で使用される。レンズ24は視線検出光学系の視線結像レンズである。受光部を構成するセンサ25は視線検出センサである。
赤外LED22,23により照明された眼球からの光は、角度選択型透過素子6と接眼レンズ系10を通過して第2光路分割プリズム20に第2面20aから入射する。図6にはこれを光路26aで示している。第2光路分割プリズム20の第1面20bには、赤外光を反射するダイクロイック膜が形成されている。
赤外LED22,23により照明された眼球からの光は第2光路分割プリズム20の第1面20bにより反射する。光は第2面20aの方向に反射する。この反射光路を光路26bで示す。反射光路26bに沿う光は第2面20aにより全反射し、結像光路26cに沿って光は視線結像レンズ24により視線検出センサ25に結像する。
視線検出の為には照明による眼球像と併せて、赤外LED光の角膜による正反射で形成される角膜反射像が用いられる。図10では赤外LED22,23から出射した光が眼球の角膜27で反射した光路を示している。
図11において、角膜27で光が反射してから視線検出センサ25に向かう光路26a,26b,26cを示す。これらの光路のうち、光路26aの方向は接眼レンズ系10からアイポイント13に向かう光の向きに設定されている開口部6cの方向と同じになっていない。光路26aに沿う光が通過する、角度選択型透過素子6における内側の開口部6e1,6e2(図8参照)は、ケラレが生じないように光路26aと略平行に形成されている。また、光路26aについては光の出方に個人差(角膜の曲率差)があるので、開口部6e1,6e2は隣接する開口部6cに対して大きめに形成される。開口部6e1,6e2の開口を大きくすることで使用者の頭部の側面を通過する光は開口部の内部に入り易くなるが、角度選択型透過素子6の厚みを大きくすることにより、開口部6e1,6e2の内部では光がより多くの回数で反射して減衰する。本実施例では、角度選択型透過素子6の一部6fは、その厚みが周辺部よりも大きい。つまり角度選択型透過素子6の一部6fの厚みは接眼レンズ系10の対向面(曲面)に沿って大きくなっており、この部分に開口部6e1,6e2が形成されている。
図12は眼球像と角膜反射像の眼球距離を説明する模式図である。虹彩28、瞳孔29、および照明用の赤外LED22,23による角膜反射像30,31をそれぞれ示す。瞳孔29の中心と角膜反射像との関係から視線の方向が検出される。視線検出については、観察者の眼球面上を照明したときに得られる反射光を利用する方法が知られている。例えば、視線補正にて使用者の眼球の個人差を補正するための補正係数が取得されたうえで視線入力処理が行われ、補正係数に対応する演算式を用いて視線方向の角度や観察面上の座標値の算出が行われる。具体的には、特許文献2に開示の方法により実現できるので詳細な説明を省略する。
角度選択型透過素子の開口部の方向がレンズからアイポイントに向かう光の向きに設定されている構成では、アイボックスが狭いことによるケラレの発生、開口率の低下への対策が必要である。また、アイポイントから視線検出センサに向かう赤外LEDの光に対するケラレを抑制する対策が必要である。
本実施例では、角度選択型透過素子を利用したファインダーにおいて、使用者の視線方向を検出し、視線検出結果を利用することで対策を講じることができる。また、使用者の後方から到来する光によるゴーストを低減しつつ、測距点選択等の機能を実現する視線検出機能を有するファインダーを提供することができる。
[第2実施例]
図13および図14を参照して、本発明の第2実施例を説明する。第1実施例と同様の事項については説明を省略し、第1実施例との相違点を説明する。このような説明の省略方法は後述の実施例でも同じである。
図13および図14を参照して、本発明の第2実施例を説明する。第1実施例と同様の事項については説明を省略し、第1実施例との相違点を説明する。このような説明の省略方法は後述の実施例でも同じである。
本実施例では、視線検出センサ25を角度選択型透過素子6の近傍に配置した例を示す。図13は本実施例の角度選択型透過素子6の外観図であり、第1の面6a側を示す。図14は図13におけるD-D断面での構成図である。
本実施例の視線検出センサ25は接眼レンズ系10の外側に配置されている。赤外LED22,23および視線検出センサ25の前面側(アイポイント13側)には、角度選択型透過素子6が設けられている。外光である太陽光が視線検出センサ25に対して直接入射し難い構成であるので、誤検知の発生を抑制可能である。
図14において、アイポイント13から視線検出センサ25に向かう光を光路32に示す。光路32の方向は、接眼レンズ系10からアイポイント13に向かう光の向きに設定されている開口部6cの方向と同じになっていない。光路32に沿う光が通過する角度選択型透過素子6の開口部6gは、ケラレが生じないようにその軸心が光路32と略平行でテーパ角度(図14:θt参照)を有する円錐状に形成される。
[第3実施例]
次に、本発明の第3実施例を説明する。本実施例では、角度選択型透過素子6が赤外線透過性の樹脂材料で作成される点が、前記実施例との相違点である。
次に、本発明の第3実施例を説明する。本実施例では、角度選択型透過素子6が赤外線透過性の樹脂材料で作成される点が、前記実施例との相違点である。
角度選択型透過素子6は、赤外光を透過し、かつ可視光を吸収する材料で形成される。本実施例によれば、アイポイント13から視線検出センサ25に向かう光路に合わせて角度選択型透過素子6の開口部の向きを変えることなく、太陽光等の外光の侵入を抑制することができる。
前記実施例によれば、使用者の視線方向を検出することにより、ケラレや開口率の低下を抑制するとともに、使用者の後方から到来する光によるゴーストを低減しつつ、測距点選択等の機能を実現可能な、視線検出機能を有する光学装置を提供することができる。以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
3,4 EVF
6,7 角度選択型透過素子
6c,6e1,6e2,6g 開口部
6,7 角度選択型透過素子
6c,6e1,6e2,6g 開口部
Claims (13)
- ファインダーを備える光学装置であって、
前記ファインダーの光路中に配置される角度選択型透過素子と、
前記角度選択型透過素子を通過する光により視線検出を行う検出手段と、
前記検出手段により検出された視線方向に前記ファインダーの方向を調整することが可能な機構部と、を備える
ことを特徴とする光学装置。 - 前記角度選択型透過素子は光束の通過方向を制限する複数の開口部を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の光学装置。 - 前記検出手段は投光部および受光部を有し、
前記ファインダーの光軸に対して、前記複数の開口部のうちの、第1の開口部は前記光束に対する第1の領域での通過方向を制限する第1の角度を有し、第2の開口部は前記光束に対する第2の領域での通過方向を制限する第2の角度を有し、第3の開口部は前記ファインダーにおけるアイポイントと前記受光部とを結ぶ線で定義される第3の角度を有する
ことを特徴とする請求項2に記載の光学装置。 - 前記第3の開口部は、前記第1または第2の開口部よりも大きい開口を有する
ことを特徴とする請求項3に記載の光学装置。 - 前記第3の開口部は、前記第1または第2の開口部よりも前記ファインダーの光軸側に形成されている
ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載の光学装置。 - 前記角度選択型透過素子にて前記第3の開口部が形成された部分は、当該部分の周辺の部分の厚みより大きい
ことを特徴とする請求項3から5のいずれか1項に記載の光学装置。 - 接眼レンズ系を備え、
前記角度選択型透過素子にて前記第3の開口部が形成された部分は、前記接眼レンズ系に対向する曲面に沿って形成されている
ことを特徴とする請求項6に記載の光学装置。 - 前記第3の開口部は、前記第1または第2の開口部よりも前記ファインダーの光軸から離れた位置に形成されている
ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載の光学装置。 - 両目にそれぞれ対応する複数のファインダーを備え、
前記ファインダーは、検出された視線方向に対して独立に調整が可能である
ことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の光学装置。 - 前記角度選択型透過素子は赤外線透過性の材料で形成されている
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の光学装置。 - 請求項1から10のいずれか1項に記載の光学装置を備え、
前記ファインダーは表示手段および接眼レンズ系を有する
ことを特徴とする表示装置。 - 前記表示手段と前記接眼レンズ系との間に光路分割プリズムユニットを備え、
前記検出手段は前記光路分割プリズムユニットを通過した光を検出する
ことを特徴とする請求項11に記載の表示装置。 - 前記検出手段は、前記接眼レンズ系と前記角度選択型透過素子との間に配置される投光部および受光部を有する
ことを特徴とする請求項11に記載の表示装置。
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