JP3566369B2 - 観察光学装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は観察光学装置に関し、特に観察者が頭部に装着して表示手段に表示した文字や映像等の画像を拡大した虚像として、又は該虚像と外界の画像を空間的に重畳して双方を同一の観察視野で観察できるヘルメット型ディスプレイ装置或は眼鏡型ディスプレイ装置等に好適なものでる。
【0002】
【従来の技術】
従来より、観察者が頭部に装着して表示手段に表示した文字や映像等の画像を拡大して観察できる観察光学装置が種々提案されており、その中には使い勝手を良くする為に観察する画像の見かけの大きさ(観察画角)を変えられるものがある。
【0003】
例えば特開平6−38144 号公報では観察光学装置に観察画角を変える手段を設け、観察者の意志で観察画角を可変できる観察光学装置を開示している。
【0004】
図7は同公報に開示している観察光学装置の構成図である。図中、101 は観察者、102 は観察者眼球、103 は2次元画像の表示素子、104 は大画角用の接眼光学系であり、通常は光路外に退避している。105 は普通画角用の接眼光学系である。
【0005】
この観察光学装置の作用について説明する。観察者101 は通常、2次元画像の表示素子103 に表示されている画像を普通画角用の接眼光学系105 を用いて観察している。そして観察者の好みや観察画像の種類に応じて、接眼光学系105 を大画角用の接眼光学系104 に交換し、更に表示素子103 の位置も移動して、観察画角を変更して表示素子103 に表示した画像を観察する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来例において開示している表示画像の観察画角を可変とする構成においては、観察画角を変更するに際して、接眼光学系あるいはリレー光学系を交換するとか、ツマミ等によってズームレンズを駆動する等のマニュアル操作を必要とし、操作性に問題があった。
【0007】
また、外界の景色に文字や映像等の別の表示画像を重ねて観察する観察光学装置においては、外界の状況等に応じて、表示画像の大きさのみならず、表示画像の表示位置を変えられることが望まれるが、以上の従来例ではかかる機能は備わっていなかった。
【0008】
本発明は、表示面に表示した画像を虚像として観察中に表示面に表示した画像の大きさ及びその表示位置を、或は外界画像の中に表示面に表示した画像を空間的に重ねて観察中に、観察者の好みに応じて或は外界の状況等に応じてオーバーラップする虚像の大きさ及び表示位置を、観察者の視線を利用して画面中の特定位置に自由に変更することができる、操作性が極めて優れた観察光学装置の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の観察光学装置は、
(1−1) 表示面上に画像を表示する表示手段と、観察者の前方に該画像の虚像を形成する画像観察光学系と、該観察者の視線情報を検知する視線検知手段とを有する観察光学装置において、
該視線検知手段が検知する該観察者の視線情報によって該表示面上の画像を表示する部分の大きさ及び表示位置を制御すること等を特徴としている。
【0010】
又、
(1−2) 表示面上に画像を表示する表示手段と、観察者の前方の外界映像の中に該画像の虚像を形成する観察光学系と、該観察者の視線情報を検知する視線検知手段とを有する観察光学装置において、
該視線検知手段が検知する該観察者の視線情報によって該表示面上の画像を表示する部分の大きさ及び表示位置を制御すること等を特徴としている。
【0011】
特に、
(1−2−1) 遮蔽部材により前記外界映像中で前記画像の虚像と重なる部分を遮蔽すること。
(1−2−2) 前記観察者の視線が或る一定時間、略一定方向に固定されているか否かを判別する判別手段を有すること。
等を特徴としている。
【0016】
【実施例】
図1は本発明の実施例1の光学系の要部概略図である。図1(A)は実施例1の観察光学系を説明する図であり、図1(B)は実施例1の視線検知光学系を説明する図を示しており、いずれも光路を記入している。
【0017】
図中、4は表示手段であり、その表示面の上に可視領域の光でもって文字や絵等の画像を表示する。10は平板状のプリズムであり、2つのプリズムを接合して構成しており、その接合面7には可視光を透過し、視線検知用の光(赤外光)を反射するダイクロイックミラ−を設置している。又、13はその側端面である。
【0018】
3Aは第1の光学部材である。第1の光学部材3Aは平面より成る面5、平面又は非球面より成る一部に全反射を利用した面1、そして半透過又は鏡面反射の球面又は非球面より成る凸面2aを有している。本実施例では凸面2aは半透過面(ハーフミラー)となっている。3Bは第2の光学部材である。第2の光学部材3Bは透明又は非透明の平面又は曲率を有した面6、そして凸面2aと同形状で半透過又は鏡面反射の球面又は非球面より成る凹面2bとを有している。そして第1の光学部材3Aの面2aと第2の光学部材3Bの面2bとは接合して,全体として1つのプリズムブロック3を構成している。なお、接合面2はハーフミラー面となっている。
【0019】
8は視線検出用の結像レンズ、9はCCDよりなる撮像素子、12は観察者の眼球Eの視線を検出する為の光源であり、非可視光(赤外光)を射出して観察者の眼球Eの前眼部を照射する。
【0020】
14は視線検出回路であり、観察者の眼球Eの視線情報を検出している。15は判別手段であり、観察者の視線が或る一定時間、略一定方向に固定されているか否か等を判別している。16は制御手段であり、画像情報源Sから画像信号を受け取り、判別手段15からの視線情報に基づいて表示手段4の表示面に表示する画像の表示状態を制御して画像を表示している。
【0021】
プリズム10、第1の光学部材3A等は画像観察光学系の一要素を構成している。又、画像観察光学系と第2の光学部材3Bは観察光学系の一要素を構成している。
【0022】
次に、本実施例の観察光学系の作用を図1(A)によって説明する。制御手段16は画像情報源Sからの信号に基づいて表示手段4の表示面上に画像を表示する。表示手段4の表示面に表示した画像からの光束(可視光束)はプリズム10のダイクロイックミラー面7を透過して、面5からプリズムブロック3に入射し、面1で全反射され、次にハ−フミラ−面2で反射されて収束し、次いで面1から射出し、観察者の瞳Oに入射する。そして観察者の前方に表示手段4で表示した画像の虚像Yが形成され、観察者は該表示手段4に表示された画像の虚像Yを観察することができる。
【0023】
一方、外界の風景Gからの光束はプリズムブロック3の面6に入射し、ハーフミラー面2を透過して、面1から射出して観察者の瞳に達し、観察者は外界の画像として観察する。そして観察者は外界の画像の中に表示手段4で表示した画像の虚像Yを空間的に重ね合わされた映像として同一視野で観察する。
【0024】
次に本実施例の視線検知光学系の作用を説明する。図1(B)において、光源12の非可視光(赤外光)によって照明された観察者の眼Eの前眼部からの反射・散乱光はプリズムブロック3の面1に入射し、ハ−フミラ−面2で反射して面1に向かい、面1で全反射し、面5から射出し、プリズム10に入射する。次いでダイクロイックミラー面7で反射し、プリズム10の下面で全反射した後、面13から射出する。次いで視線検出用の結像レンズ8を通って撮像素子9の上に前眼部の像を結像する。そして観察者の眼Eの角膜で反射した光はプルキンエ像を形成し、瞳孔で散乱した光は瞳孔像を形成する。撮像素子9から得られるプルキンエ像と瞳孔の画像をもとに視線検出回路14によって観察者の視線方向を算出している。尚、このときの検知方法は例えば本出願人が特開平3−109029号公報に開示している方法が適用できる。
【0025】
なお、光源12、第1の光学部材3A、プリズム10、結像レンズ8、撮像素子9及び視線検出回路14等は視線検知手段の一要素を構成している。
【0026】
図2は本発明の実施例1のフローチャートである。本フローチャートは本発明に係る制御手段16により観察者の眼球Eの視線情報によって外界画像の中に重ね合わせる表示画像の虚像Yの大きさ及び表示位置を任意に選択的に変更する手順を示すフロ−チャ−トである。
【0027】
図3は実施例1において表示手段4の表示面上での画像を表示する際の選択できる表示領域、即ち表示サイズと表示位置の説明図である。実施例1において選択できる表示領域は5つの表示領域であり、図中、▲1▼〜▲4▼に対応する領域は夫々その数字の在る矩形の領域、即ち表示面の1/4 の範囲であり、▲5▼に対応する領域は表示面のフルサイズに対応する領域である。
【0028】
フローチャートについて説明する。なお、フローチャートの右に記載の図は各ステップにおいて観察者の前に提示される映像の説明図である。
【0029】
本実施例は常に観察者の眼Eの視線がどこを向いているかを検知している。
【0030】
ステップ21:本発明の機能を作動させるためのスイッチのONを行う。スイッチONの切換えは、表示面内の特定箇所にスイッチマ−クを設け、通常の映像観察中にもこのスイッチマークを表示しておき、観察者が該スイッチマ−クの虚像を一定時間注視すると、視線検知手段及び判別手段15がその状態を検出し、表示画像の切換え動作に入る。その具体的手順は次のとおりである:
(1) その時観察者が注視している方向を視線検知手段が検知する。
【0031】
もし、その方向がスイッチマークの方向であれば、判別手段15はこれを第1の視線情報としてその方向をメモリ−に記憶して(2) へ進む。
【0032】
もし、その方向がスイッチマークの方向でなければ、観察者は表示画像の切換えは望んでいないと判断して(2) へは進まない。
【0033】
(2) 判別手段15は或る一定時間経過した時点で、その時観察者が注視している方向を視線検知手段によって検知する。
【0034】
もしその方向がメモリーに記憶しているスイッチマークの方向であれば、判別手段15は観察者が一定時間スイッチマークを注視していたと判断して制御手段16に信号を送り、ステップ22へ進む(スイッチがONの状態になる)。
【0035】
もし、その方向がスイッチマークの方向でなければ(1) へ帰る。
【0036】
これを繰り返すことにより観察者が一定時間スイッチマークを注視すれば確実に表示画像の切換え動作に入る。
【0037】
ステップ22:スイッチがONの状態になると、制御手段16は表示手段4の表示面に例えば図4に示す5つのポイントを表示した画像を表示する。観察者が視る映像は図2の22a に示す映像となる。
【0038】
ステップ23:表示領域を決定する。観察者は希望する表示領域を代表するポイントを一定時間注視する。視線検知手段及び判別手段15は22a に示す映像中のポイントのどれを観測者が一定時間凝視しているかを判別する。その手順は次のとおりである:
(1) その時観察者が注視している方向を視線検知手段が検知し、判別手段15はその方向が5つのポイントのいずれかのポイントの方向であるか判断し、いずれかのポイントの方向であればこれを第1の視線情報としてその方向をメモリ−に記憶する。
【0039】
もし、いずれのポイントの方向でも無ければ、視線方向がいずれかのポイントに向く迄そのまま視線検知を継続する。
【0040】
(2) 判別手段15は或る一定時間経過した時点で、その時観察者が注視している方向を視線検知手段によって検知し、これを第2の視線情報とする。
【0041】
(3) 判別手段15は、この視線方向をメモリ−に記憶しているポイントの視線方向と比較する。
【0042】
もし、2つの視線方向が合致しておれば、判別手段はこの方向のポイントが観察者が表示画像を表示したいと希望しているポイントであると判断して制御手段16にその情報を出力し、ステップ24へ進む。
【0043】
もし、2つの視線方向が合致しなければ、(1) に戻る。
【0044】
これを繰り返すことにより観察者が注視しているポイントが決定される。
【0045】
このようにして観測者が或るポイントをある一定時間凝視していると該ポイントに対応する表示領域が一意的に決定される。
【0046】
ステップ24:制御手段16は画像情報に適切な画像処理を施して画像の表示サイズ及び表示位置を変更して、ステップ23で決定された表示領域に画像を表示する。例えば図3におけるポイント▲5▼が選択された時は表示面のフルサイズの大きさの画像を表示するし、もしポイント▲4▼が選択されている時には24a に示すように画像の大きさを表示面の1/4 に変更して表示面の右下部に表示する。なお、スイッチマークはオーバーラップ部分とは別に、再び表示する。
【0047】
これで表示画像の切換えは完了する。
【0048】
以上のように本実施例では映像を観察中に外界の状況等に応じてオーバーラップする表示画像の虚像の大きさ及び表示位置を、観察者の視線を画面中の特定位置に向けるだけで変更でき、変更に際してマニュアル操作を要せず、操作性が極めて良好である。加うるに、本実施例では表示画像を観察するための画像観察光学系と視線を検知するための視線検知光学系を一部兼用することにより装置全体の小型化を達成している。
【0049】
なお、上の例では表示領域の選択肢を5通りに限定したが、更に分割数を増やして観察者の選択肢を増やすことも出来る。
【0050】
また、場合によってはスイッチONの動作を手動で切換える構成としても良い。
【0051】
図5は本発明の実施例2の光学系の要部概略図である。図5(A)は実施例2の観察光学系を説明する図であり、図5(B)は実施例2の視線検知光学系を説明する図を示しており、いずれも光路を記入している。尚、図1に示す実施例1と同要素のものについては同記号としている。
【0052】
実施例1と異なる点は第2の光学部材の面6の外界側に透過型の液晶11(遮蔽部材)を配置して、外界からプリズムブロック3に入射する光束の一部、あるいは全体を遮蔽できるようにした点である。これによって外界の画像と表示画像の虚像Yとのオーバーラップを防止し、表示画像の虚像Yを鮮明に視ることができる。
【0053】
又、プリズム10、第1の光学部材3A等は画像観察光学系の一要素を構成しており、画像観察光学系と第2の光学部材3B及び液晶11等は観察光学系の一要素を構成している。光源12、第1の光学部材3A、プリズム10、結像レンズ8、撮像素子9、視線検出回路14等は視線検知手段の一要素を構成している。
【0054】
本実施例における画像観察光学系による表示画像観察の作用及び視線検知光学系の作用は実施例1と同じである。
【0055】
図6は本実施例のフロ−チャ−トである。これについて説明する。尚、フローチャートの右に記載の図は各ステップにおいて観察者の前に提示される映像の説明図である。
【0056】
本実施例は常に観察者の眼球の視線がどこを向いているかを検知している。
【0057】
ステップ61:本発明の機能を作動させるためのスイッチのONを行う。これは実施例1と同様に外界の画像にオーバーラップされる表示画像中の1か所にスポット状に表示されているスイッチマークの虚像を観察者が一定時間注視すると、視線検知手段及び判別手段15がその状態を検出し、表示画像の切換え動作に入る。
【0058】
ステップ62:表示画像の表示サイズ情報を入力する。ここでは制御手段16によって観察者が視る映像に例えば62a に示す表示画像の虚像が表示される。この表示画像は例えば表示面のフルサイズの矩形枠S1、縦横各1/2 サイズの表示枠S2、縦横各1/4 の表示枠S3を同時に表示したものである。
【0059】
各表示枠のコーナー(図では右上)には注視マークを設けている。観察者はこの表示画像の虚像の中から、希望する大きさの枠に付いている注視マークを或る一定時間注視すると、視線検知手段及び判別手段15はこれを検知し、本実施例は観察者がこの表示サイズを選んだと判断して、表示サイズを決定し、その情報を制御手段16に出力する。(その手順は実施例1のステップ23で説明した手順と同様である)。このように限られた数個の大きさの枠から選択できるようにすると、微妙な設定は出来ないが観察者は素早く表示サイズを設定できる。例として観察者は枠S2を選んだとする。
【0060】
ステップ63:表示画像の表示位置情報を入力する。制御手段16は例えば外界の画像に63a に示す表示画像の虚像を表示する。これはフルサイズの表示面を適当な数の格子状の複数のエリアに分割したものである。そして観察者はこの格子の中で画像を表示したい位置(例えばx 印の部分)を一定時間注視する。この時視線検知手段及び判別手段15は次の手順で表示部置を決定する:
(1) その時観察者が注視している格子の中の位置を視線検知手段が検知し、判別手段15はこれを第1の視線情報としてそのエリア番号をメモリ−に記憶する。
【0061】
(2) 判別手段15は或る時間経過した時点で、その時観察者が注視している格子の中の位置を視線検知手段によって検知し、そのエリア番号を第2の視線情報とする。
【0062】
(3) 判別手段15は、このエリア番号をメモリ−に記憶しているエリア番号と比較する。
【0063】
2つのエリア番号が合致しておれば、判別手段15はこのエリアが観察者が表示画像を表示したいと希望しているエリアであると判断してその情報を制御手段16に出力し、ステップ64へ進む。
【0064】
もし、2つのエリア番号が合致しなければ、記憶していたエリア番号に変えて今回のエリア番号をメモリ−に記憶して(2) に戻る。
【0065】
これを繰り返すことにより観察者の希望する表示位置が決定される。この手順によって位置情報の入力状態になってから、観察者が多少視線をずらしたとしても希望するエリア近傍を或る一定時間凝視していれば位置情報を確実に入力でき、誤入力を防ぐことができる。
【0066】
ステップ64:制御手段16は観察者が指定した表示位置を中心として、指定した大きさの表示画像を表示することが可能か否かを判別する。
【0067】
観察者が指定した位置を中心として、指定した大きさの表示画像を表示できる場合には、これを表示領域と決定してステップ65へ進む。
【0068】
もし、64a に示すように観察者が指定した位置を中心として表示すれば、表示画像P1が表示面からはみ出す場合にはステップ66へ進む。
【0069】
ステップ66:ここでは表示画像P1の表示位置をシフトさせる演算を行う。即ち先に指定された表示画像P1の大きさは保存したまま、表示位置を最少限シフトして、指定した大きさの表示画像を希望した位置に近く表示する表示領域P2を決定する。
【0070】
ステップ65:選択して決定された表示画像の虚像に外界の画像が干渉しないように、制御手段16は65a に示すように液晶11中の画像オーバーラップ部分の光透過率を0にして、外界の画像のその部分を遮蔽する。
【0071】
ステップ67:制御手段16は画像情報に適切な画像処理を施して、画像の表示サイズ及び表示位置を変更してステップ64、66 で決定された表示領域に画像を表示する。なお、スイッチマークは画像のオーバーラップ部分とは別に、再び表示する。
【0072】
これで表示画像の切換えは完了する。
【0073】
以上のように本実施例では映像を観察中に外界の状況等に応じてオーバーラップする表示画像の虚像の大きさ及び表示位置を観察者の視線を画面中の特定位置に向けるだけで自由に変更でき、さらにオーバーラップする部分の外界の画像を遮蔽部材によってその部分を適切に遮蔽する。従って表示画像の変更に際してマニュアル操作を要しないので、操作性が極めて良く、且つ表示画像の虚像Yを極めて鮮明に視ることができる観察光学装置を達成している。
【0074】
なお、表示サイズの入力方法としては、例えば線状の図形を表示し、その一端をフルサイズの画像枠、他端を例えば縦横1/4 の画像枠に対応させ、観察者の視線がその線上で注視する位置からアナログ的に観察者が希望する表示サイズを読取るようにしても良い。これによって観察者は最大表示範囲に対する表示割合を視線でもってある程度詳細に入力できる。
【0075】
又、本実施例では表示位置の入力に際して格子状のパターンを表示したが、場合によってはこれを表示しなくても差し支えは無い。
【0076】
【発明の効果】
本発明は以上の構成により、
表示面に表示した画像を虚像として観察中に表示面に表示した画像の大きさ及びその表示位置を、或は外界映像の中に表示面に表示した画像を空間的に重ねて観察中に、観察者の好みに応じて或は外界の状況等に応じてオーバーラップする虚像の大きさ及び表示位置を、観察者の視線を利用して画面中の特定位置に自由に変更することができる、操作性が極めて優れた観察光学装置を達成する。
【0077】
更にその際、表示画像の虚像がオーバーラップする外界画像の部分を遮蔽手段によって遮蔽して、表示画像の虚像を極めて鮮明に視ることができる観察光学装置を達成する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の光学系の要部概略図
(A)観察光学系 (B)視線検知光学系
【図2】本発明の実施例1のフロ−チャ−ト
【図3】本発明の実施例1において選択出来る表示領域の説明図。
【図4】本発明の実施例1における表示領域選択のためのポイントの説明図
【図5】本発明の実施例2の光学系の要部概略図
(A)観察光学系 (B)視線検知光学系
【図6】本発明の実施例2のフロ−チャ−ト
【図7】従来例
【符号の説明】
O 観察者の瞳
1 面
2 ハーフミラー面(球面)
3 プリズムブロック
3A 第1の光学部材
3B 第2の光学部材
4 表示手段
5 平面
6 面
7 ダイクロイックミラ−
8 視線検出用の結像レンズ
9 撮像素子
10 プリズム
11 液晶
12 光源
13 面
14 視線検出回路
15 判別手段
16 制御手段
Claims (4)
- 表示面上に画像を表示する表示手段と、観察者の前方に該画像の虚像を形成する画像観察光学系と、該観察者の視線情報を検知する視線検知手段とを有する観察光学装置において、
該視線検知手段が検知する該観察者の視線情報によって該表示面上の画像を表示する部分の大きさ及び表示位置を制御することを特徴とする観察光学装置。 - 表示面上に画像を表示する表示手段と、観察者の前方の外界映像の中に該画像の虚像を形成する観察光学系と、該観察者の視線情報を検知する視線検知手段とを有する観察光学装置において、
該視線検知手段が検知する該観察者の視線情報によって該表示面上の画像を表示する部分の大きさ及び表示位置を制御することを特徴とする観察光学装置。 - 遮蔽部材により前記外界映像中で前記画像の虚像と重なる部分を遮蔽することを特徴とする請求項2の観察光学装置。
- 前記観察者の視線が或る一定時間、略一定方向に固定されているか否かを判別する判別手段を有することを特徴とする請求項1、2又は3の観察光学装置。
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