JP3658330B2 - 複合表示装置及びそれを用いたヘッドマウントディスプレイ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、外界の画像情報からの光を撮像素子へ導く撮像光学系と、液晶表示装置等から出射される光を観察者眼球へ導く表示光学系とを有する複合表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ヘッドマウンテッドディスプレイ（ＨＭＤ）に小型ＣＣＤカメラを取り付け、このカメラから得られた画像情報をＨＭＤが有する表示素子にそのまま、または何らかの画像処理を施して表示する装置が提案されている。又、ハーフミラー等の光学的結合分離素子を用い、表示素子に表示された画像とともに外界を直接、角倍率１で観察できるシースルー型のＨＭＤも種々提案されている。
【０００３】
このような形態のＨＭＤは、ＨＭＤの表示素子に表示された画像情報をＨＭＤの装着者が観察する為の表示光学系の眼球光軸と、外界の画像情報をＣＣＤ面上に結像させるＣＣＤカメラ（撮像光学系）の光軸が異なっているとパララックスが生じてくる。
そこで、パララックスがない撮像光学系と表示光学系とを合わせ持つ装置が、特開平４−２２３５８号公報や特開平５−３０３０５３号公報で提案されている。
【０００４】
特開平４−２２３５８号公報で提案されている視覚補助装置の表示光学系は、小型液晶表示素子から発せられた光が平面ハーフミラーを介した後、接眼レンズにより眼球に導かれる構成を有する。一方、撮像光学系は外界の光が平面ハーフミラーを介した後、ハーフミラーを挟んで液晶表示素子と対向する位置に設けられた小型カメラに結像される構成を有している。しかしながら、この視覚補助装置に用いられる平面ハーフミラーは４５度傾けて配置されているため、装置が大きくなる傾向があった。又、眼球の前に接眼レンズがあるため、シースルー型の装置には適用できない。
【０００５】
一方、特開平５−３０３０５３号公報では、シースルー型装置を構成可能な撮像光学系及び表示光学系を有するヘッドマウントディスプレイ装置が開示されているが、やはり光学系が複雑で装置が非常に大きくなる傾向があった。
【０００６】
出願人は、これらの課題を解決し、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光束を観察者の眼球に導光する為の複数の偏心反射面を有する表示光学系と、外界の画像情報をＣＣＤ等の撮像素子面上に結像させる撮像光学系を有し、装置全体の小型化を図りつつ、表示手段からの光束が撮像光学系の撮像面に入射するのを防止し、双方の画像情報をパララックスがなく良好なる状態で観察及び結像することができる複合表示装置を特開平１１−１７４３６７号公報で提案した。
【０００７】
図１０は、特開平１１−１７４３６７号で提案された複合表示装置の一例を示す要部概略図である。同図において、１０１は表示光学系（ＬＣＤ表示光学系）であり、複数の内面反射を利用したプリズム体９ａから構成され、複数の偏心した曲率を有する偏心反射面を複数個有しており、表示手段としての強誘電性ディスプレイ素子２（ＦＬＣＤ）を用い、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色に分解されたカラー画像の表示に同期させて、各色光を放射する３つの光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂで時分割して順次照明することによりカラー表示を実現している。ＦＬＣＤ２に表示するＲ，Ｇ，Ｂの画像を眼の残像効果を利用して全体として１／６０〜１／３０秒内で表示している。尚、光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂは白色光源とカラーフィルターとの組み合わせより構成することができる。ＦＬＣＤ２で表示した画像情報は表示光学系１０１ａによって観察者の眼球１に導光される。１０１ａは表示光学系１０１の光軸である。
【０００８】
１０２は撮像光学系（ＣＣＤ結像光学系）であり、表示光学系１０１と同様、複数の内面反射を利用したプリズム体９ｃから構成され、複数の偏心した曲率を有する偏心反射面を複数個有しており外界の画像情報を撮像素子（ＣＣＤ）３に結像している。１０２ａは撮像光学系の光軸である。なお、表示光学系１０１及び撮像光学系１０２は、光路分離手段４を介して接合されている。
【０００９】
光路分離手段４は、偏心した曲率を有した反射面より成り、表示光学系１０１からの光路と撮像光学系１０２の光路とを分離する面となっている。光路分離手段４は偏心反射面より成り、表示光学系１０１で一方側の反射面を使用し、撮像光学系１０２では他方側の反射面を使用している。
【００１０】
ＦＬＣＤ２で表示される画像情報からの光束は直線偏光となって射出している。ＰＰは偏光板であり、ＦＬＣＤ２から放射した直線偏光の偏光軸と直交する方向に偏光軸を設定している。これにより、後述するようにＦＬＣＤ２からの直線偏光が光路分離手段４とプリズム体９ｃとを介して光学系６によってＣＣＤ３に入射するのを防止している。５は絞りである。６は光学系であり、プリズム体９ｃを介して入射してくる外界の画像をＣＣＤ３面上に結像している。
【００１１】
また、この複合表示装置は、プリズム体９ａ，９ｂを透して外界を視認することが可能であり、シースルー型の装置を構成できる。すなわち、当該複合表示装置のユーザは、外界の画像情報とＦＬＣＤ２に表示された画像情報が重畳した画像を観察する。又は外界の画像情報のみを観察するシースルー光学系１０３も成り立たせるときは光路分離手段４の反射面をハーフミラーとし（透過率５０％、反射率５０％だけでなく、比率は任意である）、両光学系１０１，１０２のプリズム体９ａ，９ｃの材質の屈折率を同じにしている。１ｃはシースルー光学系１０３の光軸（外界光軸）である。
【００１２】
図１０において、表示光学系１０１の光軸１０１ａと撮像光学系１０２の光軸１０２ａ、そしてシースルー光学系１０３の光軸１ｃは光路分離手段４で一致し、又眼球光軸１ａと同軸としている。このように各要素を設定することにより、小型の光学系を得ている。 また、偏心反射面は面頂点回りのアジムス角によって屈折力が異なるようにして良好なる光学性能を維持している。
【００１３】
このような複合表示装置において、ＦＬＣＤ２からの光は、表示光学系１０１を構成するプリズム体９ａの入射面Ｅ１に入射し、反射面８ａで反射し、全反射面７ａを臨界角度以上の入射角で入射して全反射し、光路分離手段４で反射し、全反射面７ａを臨界角度以下の入射角で入射して透過面Ｅ２より透過して眼球１に導かれる。このように表示光学系はＦＬＣＤ２からの光束を２回又は３回の反射をして結像することなく眼球１に導光している。これによってＦＬＣＤ２に表示した画像情報が観察者に提示される。
【００１４】
一方、外界からの光は、撮像光学系１０２を構成するプリズム体９ｃの入射面Ｅ３（全反射面７ｃの一部）より入射し、光路分離手段４で反射し、全反射面７ｃを臨界角度以上の入射角で入射して全反射し、プリズム体９ｃの射出面Ｅ４より射出後、絞り５、光学系６を経てＣＣＤ３に結像する。これによって外界の画像情報を得ることができる。
【００１５】
図１０におけるシースルー光学系１０３において、外界からの光は、撮像光学系１０２のプリズム体９ｃの入射面Ｅ３に入射し、光路分離手段４（ハーフミラー）を透過し、表示光学系１０１のプリズム体９ａの射出面Ｅ２を臨界角度以下の入射角で入射し、射出面Ｅ２を透過して眼球１に導かれる。これによって観察者は外界の画像情報を観察できる。
【００１６】
図１０では撮像光学系１０２の絞り５の位置近傍、即ち瞳位置近傍に偏光板ＰＰを配置している。この偏光板ＰＰの偏光軸はＦＬＣＤ２からの直線偏光の偏光軸と直交するようにしている。
【００１７】
これによってＦＬＣＤ２からの光が光路分離手段４を通過し、プリズム体９ｃを通過し、光学系６によってＣＣＤ３面上に入射し、フレアーとなるのを防止して、ＣＣＤ３で得られる外界の画像情報の光学特性を良好に維持している。
【００１８】
また、プリズム体９ａの全反射面７ａと射出面Ｅ２は同じ曲面より成っており、光束の入射条件によって使い分けている。又、プリズム体９ｃの入射面Ｅ３と全反射面７ｃは同じ曲面より成っており、プリズム体９ａと同様に光束の入射条件によって使い分けている。
【００１９】
本構成では、表示光学系１０１と撮像光学系１０２とを光路分離手段４で対向配置することによって、眼球１に入射する光束の眼球光軸１ａ又は眼球光軸１ａを延長した仮想眼球光軸１ｂと、外界から撮像光学系１０２に入射してくる光束の外界光軸（撮像光学系１０２の光軸１０２ａ）１ｃが略一致するようにして、ＦＬＣＤ２に表示された画像情報の観察と、外界の画像情報のＣＣＤ３面上における結像、そして外界の画像情報の観察（シースルー光学系）をパララックスのない状態で同時に観察及び撮像できるようにしている。
【００２０】
図１１は、図１０において、表示手段をバックライト４６を有するカラーＬＣＤ４０で構成した場合を示している。
図１１においてカラー液晶ＬＣＤ４０は偏光板４１、カバーガラス４２、Ｒ，Ｇ，Ｂの微小なフィルターを２次元的に所定のピッチで配列したカラーフィルター４３、液晶表示素子４４、そして偏光板４５を有している。
【００２１】
そして、液晶表示素子４４で表示されたカラー画像情報（画素）をバックライト４６からの光束（白色光）で偏光板４５を介して照明し、各画素からの光束をカラーフィルター４３と偏光板４１を介して射出させている。
【００２２】
ここで、カラー液晶ＬＣＤ４０から出射する偏光光束の偏光軸と偏光板ＰＰとの偏光軸とを直交させることによって、図１０の構成と同様の効果を得ることができる。その他の構成については図１０と同一であるため説明を省略する。
【００２３】
図８はこれら従来の複合表示装置の回路構成例を示す図であり、図９（ａ）は図１０の構成を有する複合表示装置のタイミングチャート、図９（ｂ）は図１１の構成を有する複合表示装置のタイミングチャートの例をそれぞれ示す。
【００２４】
図８において、１００１は複合表示装置全体を制御するためのシステム制御部であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータ装置で構成される。１００３はＣＣＤ３に対するタイミング制御や撮像データの調整等を行うＣＣＤ制御部、１００４は撮像データをシステム制御部１００１に入力可能なデータ形式に変換するための撮像系インタフェース部、１００５はシステム制御部１００１が出力する表示データをＦＬＣＤ２（またはカラーＬＣＤ４０）が表示可能なデータ形式に変換するための表示系インタフェース部、１００６はＦＬＣＤ２（またはカラーＬＣＤ４０）に対するタイミング制御や表示データの調整等を行うＬＣＤ制御部、１０１１は照明光源（３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂまたは４６）の点灯タイミングを制御するための照明光源制御部である。
【００２５】
図９において、「撮像データ」はＣＣＤ３より出力される撮像データの状態、「シャッター」は電子シャッターの状態を表しており、Ｈｉｇｈが閉状態、Ｌｏｗが開状態を示す。また、「表示データ」はＦＬＣＤ２（またはカラーＬＣＤ４０）で表示している内容の状態、図９（ａ）における「照明光源Ｒ」、「照明光源Ｇ」及び「照明光源Ｂ」は赤色照明光源（３１Ｒ）、緑色照明光源（３１Ｇ）及び青色照明光源（３１Ｂ）の状態をそれぞれ表しており、また図９（ｂ）の「照明光源」は白色照明光源４６の状態を表す。照明状態は何れもＨｉｇｈが点灯状態、Ｌｏｗが消灯状態を示す。
【００２６】
以下、図を参照しながら従来例についてさらに説明する。
撮像系においては、ＣＣＤ制御部１００３で制御されるタイミングに基づいてＣＣＤ３より撮像データが出力され、ＣＣＤ制御部１００３においてＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）やＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、ＡＷＢ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｗｈｉｔｅ Ｂａｌａｎｃｅ）等のデータ調整が施された後、撮像系インタフェース部１００４でＮＴＳＣ，ＰＡＬ等の標準データに変換され、システム制御部１００１に取り込まれる。
【００２７】
一方、表示系においては、システム制御部１００１が出力するＶＧＡ，ＬＤＩ形式等の表示データを表示系インタフェース部１００５においてＬＣＤ（２または４０）が表示可能なデータ形式に変換し、ＬＣＤ制御部１００６においてガンマ補正等のデータ調整が施された後、生成したタイミングに基づいてＬＣＤ（２または４０）に表示データを出力して画像を表示する。その際、表示タイミングの信号を照明光源制御部１０１１にも入力し、表示タイミングに合わせて照明光源（３１または４６）の点灯タイミングを制御する。
【００２８】
ここで、表示系における照明光源（３１または４６）の点灯タイミングと撮像系における電子シャッターを開くタイミングが重ならないようにするため、まずＬＣＤ制御部１００６の表示タイミングの信号をＣＣＤ制御部１００３に入力して表示系と撮像系の同期合わせを行う。次に照明光源制御部１０１１において照明光源（３１または４６）を所定の期間点灯させ、その後、ＣＣＤ制御部１００３より所定の期間電子シャッターを開くためのトリガー信号をＣＣＤ３に対して出力する。
【００２９】
このとき、屋内使用時のフリッカー発生を考慮して、シャッタースピードを１／１００秒に設定するのが一般的である。また、ビデオ系の標準信号であるＮＴＳＣの１フィールド（６０Ｈｚ）を基準にすると１サイクルの周期は１／６０秒となり、その際照明光源（３１または４６）の点灯期間は（１／６０-１／１００）秒以下、即ち６ミリ秒等とする。
【００３０】
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、上記特開平１１−１７４３６７号公報記載の複合表示装置においては、映像表示光の光量調整やＣＣＤカメラのシャッタースピード調整等に関しては特に言及されておらず、ある程度固定的なものとして提案されている。
【００３１】
従って、明るい場所での使用時には、外界から直接眼に導かれるシースルー光の光量が多くなるにも関わらず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光量が一定であるとシースルー光に対して表示が薄くなる傾向となり、またＣＣＤ等撮像素子のシャッタースピードが一定であると光量オーバーで撮像画像上にフレアやスミアが発生する可能性が生じる。
【００３２】
また逆に、暗い場所での使用時には、外界から直接眼に導かれるシースルー光の光量が少なくなるにも関わらず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光量が一定であるとシースルー光に対して表示が濃くなる傾向となり、またＣＣＤ等のシャッタースピードが一定であると光量不足で撮像画像が暗くなる、或いはコントラストが低減する可能性が生じる。
【００３３】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、様々な光量が想定される使用環境においても表示手段による表示の濃度を外界光（シースルー光）に対して最適な状態に保つとともに、かつＣＣＤ等のシャッタースピードも最適な状態に保つことを容易に可能とした複合表示装置の提供を目的とする。
【００３４】
本発明はまた、撮像系と表示系のフィールド／フレーム周期を合わせなければならないという制約を無くすことにより、柔軟性のある複合表示装置の提供を目的とする。
【００３５】
【課題を解決する手段】
すなわち、本発明の複合表示装置は、外界からの光束の一部をハーフミラーを透過して観察者の眼球に導くシースルー光学系と、外界からの光束の一部をハーフミラーの一方の面で反射して撮像手段に結像させる撮像光学系と、表示手段からの光束をハーフミラーの他方の面で反射して観察者の眼球に導光する表示光学系と、を有し、表示光学系及びシースルー光学系の光軸を観察者の眼球の光軸と一致させ、外界からの光束と表示手段からの光束を重畳して観察者に提示する複合表示装置において、表示手段は周期的に所定の表示期間だけ画像情報の表示光を発し、撮像手段は表示手段が表示光を発していない期間内の所定の撮像期間だけ外界からの画像情報の記録を行ない、さらに、外界からの光束の光量が多い場合には表示期間を長く、かつ撮像期間を短くし、外界からの光束の光量が少ない場合には表示期間を短く、かつ撮像期間を長くするように、表示期間および撮像期間を変更可能な変更手段を備えることを特徴とする。
【００３６】
また、上述の本発明の目的は、本発明の複合表示装置を用いたヘッドマウントディスプレイ装置によっても達成される。
【００３７】
【作用】
以上の構成に依って、
明るい場所での使用時には、外界から直接眼に導かれるシースルー光の光量が多くなるにも関わらず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光量が一定であるとシースルー光に対して表示が薄くなる傾向となり、またＣＣＤ等カメラのシャッタースピードが一定であると光量オーバーで撮像画像上にフレアやスミアが発生する可能性が生じる。
また逆に、暗い場所での使用時には、外界から直接眼に導かれるシースルー光の光量が少なくなるにも関わらず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光量が一定であるとシースルー光に対して表示が濃くなる傾向となり、またＣＣＤ等カメラのシャッタースピードが一定であると光量不足で撮像画像が暗くなる、或いはコントラストが低減する可能性が生じる。
という欠点を解決することができ、
様々な光量が想定される使用環境においても表示手段による表示の濃度をシースルー光に対して最適な状態に保つとともに、かつＣＣＤ等カメラのシャッタースピードも最適な状態に保つことを容易に可能とした複合表示装置を提供することができる。また、併せて撮像系と表示系のフィールド／フレーム周期を合わせなければならないという制約を無くすことにより、柔軟性のある複合表示装置を提供することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７を参照して、本発明をその好適な実施形態に基づき詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述した図８〜図１１と同一の構成には同一の参照数字を付して重複する説明は省略する。
【００３９】
図１は本発明の第１実施形態に係る複合表示装置の光学系構成を示す側面図である。従来構成を示す図１１との比較から明らかなように、本実施形態に係る複合表示装置は後述する１００８〜１０１０を設けたこと以外は共通の構成を有する。
【００４０】
図３は本実施形態における複合表示装置の制御回路の構成例を示すブロック図である。図において、１００１は複合表示装置全体を制御するためのシステム制御部であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータ装置で構成される。１０６２はＣＣＤ３に対するタイミング制御や撮像データの調整等を行うＣＣＤ制御部、１００４は撮像データをシステム制御部１００１に入力可能なデータ形式に変換するための撮像系インタフェース部、１００５はシステム制御部１００１が出力する表示データをカラーＬＣＤ４０が表示可能なデータ形式に変換するための表示系インタフェース部、１０６０はカラーＬＣＤ４０に対するタイミング制御や表示データの調整等を行うＬＣＤ制御部１０６１は照明光源（３１または４６）の点灯タイミングを制御するための照明光源制御部である。
【００４１】
また、本実施形態において新たに追加された１００８は動作モードを切り替えるための、スイッチ等からなる動作モード切り替え部、同１００９は表示／撮像光学系の前面に配置されて外界光の光量を検出するための、光センサ等からなる光量検出部、同１０１０は照明光源点灯およびシャッタースピードを同時に変化させるための、ボリュームやジョグダイヤル等からなる光量調整部である。
【００４２】
図４は、図３に示す制御回路のタイミングチャートである。図において、「撮像データ」はＣＣＤ３より出力される撮像データの状態、「シャッター」は電子シャッターの状態を表しており、Ｈｉｇｈが閉状態、Ｌｏｗが開状態を示す。また、「表示データ」はカラーＬＣＤ４０で表示している内容の状態、「照明光源」は白色照明光源４６の状態を表しており、Ｈｉｇｈが点灯状態、Ｌｏｗが消灯状態を示す。
【００４３】
撮像系においては、ＣＣＤ制御部１０６２で制御されるタイミングに基づいてＣＣＤ３より撮像データが出力され、ＣＣＤ制御部１０６２においてＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）やＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、ＡＷＢ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｗｈｉｔｅ Ｂａｌａｎｃｅ）等のデータ調整が施された後、撮像系インタフェース部１００４でＮＴＳＣ，ＰＡＬ等の標準データに変換され、システム制御部１００１に取り込まれる。
【００４４】
一方、表示系においては、システム制御部１００１が出力するＶＧＡ，ＬＤＩ形式等の表示データを表示系インタフェース部１００５においてカラーＬＣＤ４０が表示可能なデータ形式に変換し、ＬＣＤ制御部１０６０においてガンマ補正等のデータ調整が施された後、生成したタイミングに基づいてＬＣＤ（２または４０）に表示データを出力して画像を表示する。その際、表示タイミングの信号を照明光源制御部１０６１にも入力し、表示タイミングに合わせて照明光源（３１または４６）の点灯タイミングを制御する。
【００４５】
ここで、表示系における照明光源４６の点灯タイミングと撮像系における電子シャッターを開くタイミングが重ならないようにするため、まずＬＣＤ制御部１０６０の表示タイミングの信号をＣＣＤ制御部１０６２に入力して表示系と撮像系の同期合わせを行う。次に照明光源制御部１０６１において照明光源４６を所定の期間点灯させ、その後、ＣＣＤ制御部１０６２より所定の期間電子シャッターを開くためのトリガー信号をＣＣＤ３に対して出力する。
【００４６】
（動作モード）
基本的にはこのような動作となるが、本実施形態の複合表示装置はさらに様々な使用環境を考慮して動作モード切り替え部１００８により以下の３つの動作モードを提供する。動作モードは動作モード切替部１００８を構成するスイッチ等を操作することによって変更可能である。動作モード切替部１００８は各モードに対応した３つのボタンで構成しても、１つのボタンで構成し、ボタンを押下する毎にモードが順番に変更されるように構成しても良い。また、現在選択されている動作モードを、ユーザが認識できるように構成することが好ましい。具体的には、動作モード切替部１００８の状態を、ＬＣＤに表示する表示データを生成する外部装置（図示せず）に伝達し、動作モード切替部１００８の状態が変化する度に選択されたモード名などの情報を表示データに重畳するように構成することができる。
【００４７】
１番目の動作モードは固定モードであり、従来例と同様、屋内使用時のフリッカー発生を考慮して、シャッタースピードを１／１００秒に設定する。ビデオ信号の標準形式であるＮＴＳＣの１フィールド（６０Ｈｚ）を基準にすると、１サイクルの周期は１／６０秒となり、その際、照明光源４６の点灯期間は（１／６０−１／１００）秒以下、即ち６ミリ秒等とする。
【００４８】
２番目の動作モードは自動モードであり、表示／撮像光学系の前面に配置された光量検出部１００９により外界光の光量を検出し、外界光に適したシャッタースピードおよび照明光源４６の点灯時間に自動的に調整するものである。即ち、明るい環境での使用時には図４（ａ）に示すようにシャッタースピードを短く、かつ照明光源４６の点灯時間を長くし、また逆に暗い環境での使用時には図４（ｂ）に示すようにシャッタースピードを長く、かつ照明光源４６の点灯時間を短く、光量検出部１００９の出力値に応じて自動的に制御を行う。
【００４９】
この自動制御は、例えば光量検出部１００９の出力値と、シャッタースピード及び照明光源の点灯時間との関係を、予め種々の条件で測定し、最適値をＬＣＤ制御部１０６０に記憶しておいて、光量検出部１００９の出力値から記憶されたシャッタースピード及び点灯時間を参照することにより行うことができる。
【００５０】
３番目の動作モードは手動モードであり、本実施形態の複合表示装置のユーザがボリュームやジョグダイヤル等で構成される光量調整部１０１０を調整することにより、外界光に適するようにシャッタースピードおよび照明光源４６の点灯時間を同時に変化させるものである。
【００５１】
例えば、光量調整部１０１０が「明」側に調整されると、その値（光量調整部を構成する入力素子によって、絶対値であっても、変化量であってもよい）に応じて図４（ａ）に示すようにシャッタースピードを短く、かつ照明光源４６の点灯時間を長くする。逆に、光量調整部１０１０が「暗」側に調整された場合には、その値に応じて図４（ｂ）に示すようにシャッタースピードを長く、かつ照明光源４６の点灯時間を短くする。
【００５２】
光量調整部１０１０がアナログボリュームなど絶対値を出力する素子から構成されている場合、手動モードにおいても、自動モードと同様、光量調整部１０１０からの入力値とシャッタースピード及び点灯時間の関係をＬＣＤ制御部１０６０に記憶して制御を行うことが可能である。一方、光量調整部１０１０が「＋」「−」を入力するディジタルスイッチから構成されるような場合には、１回の「＋」入力及び「−」入力毎のシャッタースピード及び点灯時間の調整量を記憶しておき、スイッチが押されるたびに所定の調整量だけシャッタースピード及び点灯時間を変化させることもできる。もちろん、これ以外にも任意の入力素子で光量制御部１０１０を構成することが可能であり、入力素子が出力する値の種類に応じて制御方法を選択すればよい。ただし、光量調整部１０１０は複数のボタンやスイッチで構成するよりも、ボリュームなど１つの素子で構成した方が使い勝手の点からは好ましい。
【００５３】
（第１の実施形態の変形例）
図２は、図１におけるカラーＬＣＤ４０の替わりに、強誘電性ディスプレイ素子２（ＦＬＣＤ）と、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂとの組み合わせによってカラー表示を実現した複合表示装置の光学系構成を示す側面図である。図２に示す複合表示装置は、モード切替部１００８、光量検出部１００９及び光量制御部１０１０を設けたこと以外は図１０に示した従来の複合表示装置の光学系構成と同一構成を有する。
【００５４】
このような構成を有する複合表示装置においても、図３に示した制御回路において照明光源制御部１０６１が制御する照明光源を３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂに、ＬＣＤ制御部１０６０が制御するＬＣＤをＦＬＣＤ２に変更することにより、第１の実施形態と同様の制御を行うことが可能である。
【００５５】
具体的には、光量調整部１０１０が「明」側に調整されると、その値（光量調整部を構成する入力素子によって、絶対値であっても、変化量であってもよい）に応じて図５（ａ）に示すようにシャッタースピードを短く、かつ照明光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ各々の点灯時間を長くする。逆に、光量調整部１０１０が「暗」側に調整された場合には、その値に応じて図５（ｂ）に示すようにシャッタースピードを長く、かつ照明光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ各々の点灯時間を短くする。このように、表示素子の種類が変わっても、同様の効果を得ることが可能である。
【００５６】
（第２の実施形態）
次に、図６及び図７を参照して本発明の第２実施形態について説明する。
図６は本発明の第２実施形態に係る複合表示装置の制御回路の構成例を示すブロック図、図７は図６の制御回路の動作を示すタイミングチャートである。
【００５７】
図６を図３に示す第１実施形態における制御回路と比較すると、撮像系とＬＣＤの同期を取らず、撮像系と照明光源のみ同期をとる点が第１実施形態と異なるところであり、それ以外は第１実施形態と同様である。従って、ＦＬＣＤと照明光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂの同期をとらなければならない図２構成の複合表示装置には本実施形態の制御回路は適用できず、図１の構成を有する複合表示装置にのみ適用可能である。
【００５８】
図７に示すように、表示系における照明光源４６の点灯タイミングと、撮像系における電子シャッターを開くタイミングが重ならないようにするため、まずＣＣＤ制御部１０７２の撮像タイミングの信号を照明光源制御部１０７０に入力して撮像系と照明光源４６の同期合わせを行う。次に照明光源制御部１０７０において照明光源４６を所定の期間点灯させ、その後、ＣＣＤ制御部１０７２より所定の期間電子シャッターを開くためのトリガー信号をＣＣＤ３に対して出力する。
【００５９】
このとき、ＬＣＤ４０の画像表示は撮像系／照明光源に同期することなく任意のタイミングで表示を行っている。これは言い換えれば、撮像系と表示系のフィールド／フレーム周期を合わせなければならないという制約を無くすことが可能になることを意味する。
【００６０】
なお、本実施形態においては、動作モード切替部１００８、光量検出部１００９及び光量制御部１０１０の出力はすべてＣＣＤ制御部１０７２に供給される。従って、本実施形態において、第１実施形態でＬＣＤ制御部１０６０が行っていた、各種動作モードにおけるシャッタースピード及び点灯時間の制御は、ＣＣＤ制御部１０７２が行う。制御方法及び制御内容は第１の実施形態と同様であるため詳細な説明は省略する。
【００６１】
自動モードにおける、外光量が多い場合の制御例を図７（ａ）に、外光量が少ない場合の制御例を図７（ｂ）にそれぞれ示す。
【００６２】
【他の実施形態】
上述の実施形態においては、複合表示装置に用いる表示素子として透過型のＬＣＤを使用した場合の構成についてのみ説明を行っているが、反射型のＬＣＤを使用しても同様に実現することが可能である。また、カラーＬＣＤ４０の替わりに、ＥＬ等の自発光型の表示素子を用いることも可能である。
【００６３】
また、上述の実施形態においては、撮像デバイスとしてＣＣＤを使用して場合について説明したが、Ｃ-ＭＯＳエリアセンサ等、他の撮像素子を使用してもよい。
【００６４】
また、上述の実施形態においては、撮像データをインタレース方式（フィールド）として説明を行っているが、ノンインタレース方式（フレーム）でも同様に本発明の表示制御を適用することは可能である。また逆に、表示データをノンインタレース方式（フレーム）として説明を行っているが、インタレース方式（フィールド）でも本発明の表示制御を適用可能である。
【００６５】
また、上述の実施形態においては、フィールド／フレーム周期を１／６０秒として説明を行っているが、これに限るものではない。
【００６６】
また、上述の実施形態においては、撮像データがＮＴＳＣ，ＰＡＬ等の標準データであるものとして説明を行っているが、これに限るものではなく、独自のデータ形式を有する撮像データであってもよい。
【００６７】
また、上述の実施形態においては、固定モード時のシャッタースピードを１／１００秒、照明光源点灯時間を６ミリ秒として説明を行っているが、これに限るものではなく、例えばシャッタースピードを０秒、すなわち、 撮像しない（表示モード）、あるいは逆に照明光源点灯時間を０秒 、すなわち、 表示しない（撮像モード）、等にすることも考えられる。
【００６８】
また、上述の実施形態においては、動作モード切替部１００８で選択可能な動作モードを３種類として説明を行っているが、これに限るものではなく、例えば上述の表示モードや撮像モードを追加する、或いは撮像系と表示系の動作を個別に変化させる場合の組合せを追加する、或いは動作モードを削減する、等も考えられる。
【００６９】
また、上述の実施形態においては、光量調整部１０１０の操作により照明光源点灯およびシャッタースピードを同時に変化させる構成について説明を行っているが、これに限るものではなく、例えば光量調整部１０１０を２つ以上のつまみ、スイッチ等で構成し、照明光源点灯時間とシャッタースピードを各々独立に調整するように構成することも、片方を固定としてもう一方を１つのつまみで調整するように構成することも可能である。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、様々な使用環境においても表示手段による表示の濃度を外界光に対して最適な状態に保つとともに、かつＣＣＤ等の撮像手段のシャッタースピードも最適な状態に保つことを容易に可能とした複合表示装置を提供することができる。また、併せて撮像系と表示系のフィールド／フレーム周期を合わせなければならないという制約を無くすことにより、柔軟性のある複合表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る複合表示装置の光学系構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の変形例に係る複合表示装置の光学系構成を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る複合表示装置の制御回路構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る複合表示装置における表示制御及び発光制御を説明するタイミングチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態の変形例に係る複合表示装置における表示制御及び発光制御を説明するタイミングチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る制御回路構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示した制御回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】従来の複合表示装置の制御回路構成例を示すブロック図である。
【図９】従来の複合表示装置における表示制御及び発光制御を説明するタイミングチャートである。
【図１０】従来の複合表示装置の光学系構成例を示す図である。
【図１１】従来の複合表示装置の別の光学系構成例を示す図である。
【符号の説明】
１００１ システム制御部
１００３ ＣＣＤ制御部
１００４ 撮像系インタフェース部
１００５ 表示系インタフェース部
１００６ ＬＣＤ制御部
１００８ 動作モード切り替え部
１００９ 光量検出部
１０１０ 光量調整部
１０１１ 照明光源制御部
【発明が属する技術分野】
本発明は、外界の画像情報からの光を撮像素子へ導く撮像光学系と、液晶表示装置等から出射される光を観察者眼球へ導く表示光学系とを有する複合表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ヘッドマウンテッドディスプレイ（ＨＭＤ）に小型ＣＣＤカメラを取り付け、このカメラから得られた画像情報をＨＭＤが有する表示素子にそのまま、または何らかの画像処理を施して表示する装置が提案されている。又、ハーフミラー等の光学的結合分離素子を用い、表示素子に表示された画像とともに外界を直接、角倍率１で観察できるシースルー型のＨＭＤも種々提案されている。
【０００３】
このような形態のＨＭＤは、ＨＭＤの表示素子に表示された画像情報をＨＭＤの装着者が観察する為の表示光学系の眼球光軸と、外界の画像情報をＣＣＤ面上に結像させるＣＣＤカメラ（撮像光学系）の光軸が異なっているとパララックスが生じてくる。
そこで、パララックスがない撮像光学系と表示光学系とを合わせ持つ装置が、特開平４−２２３５８号公報や特開平５−３０３０５３号公報で提案されている。
【０００４】
特開平４−２２３５８号公報で提案されている視覚補助装置の表示光学系は、小型液晶表示素子から発せられた光が平面ハーフミラーを介した後、接眼レンズにより眼球に導かれる構成を有する。一方、撮像光学系は外界の光が平面ハーフミラーを介した後、ハーフミラーを挟んで液晶表示素子と対向する位置に設けられた小型カメラに結像される構成を有している。しかしながら、この視覚補助装置に用いられる平面ハーフミラーは４５度傾けて配置されているため、装置が大きくなる傾向があった。又、眼球の前に接眼レンズがあるため、シースルー型の装置には適用できない。
【０００５】
一方、特開平５−３０３０５３号公報では、シースルー型装置を構成可能な撮像光学系及び表示光学系を有するヘッドマウントディスプレイ装置が開示されているが、やはり光学系が複雑で装置が非常に大きくなる傾向があった。
【０００６】
出願人は、これらの課題を解決し、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光束を観察者の眼球に導光する為の複数の偏心反射面を有する表示光学系と、外界の画像情報をＣＣＤ等の撮像素子面上に結像させる撮像光学系を有し、装置全体の小型化を図りつつ、表示手段からの光束が撮像光学系の撮像面に入射するのを防止し、双方の画像情報をパララックスがなく良好なる状態で観察及び結像することができる複合表示装置を特開平１１−１７４３６７号公報で提案した。
【０００７】
図１０は、特開平１１−１７４３６７号で提案された複合表示装置の一例を示す要部概略図である。同図において、１０１は表示光学系（ＬＣＤ表示光学系）であり、複数の内面反射を利用したプリズム体９ａから構成され、複数の偏心した曲率を有する偏心反射面を複数個有しており、表示手段としての強誘電性ディスプレイ素子２（ＦＬＣＤ）を用い、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色に分解されたカラー画像の表示に同期させて、各色光を放射する３つの光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂで時分割して順次照明することによりカラー表示を実現している。ＦＬＣＤ２に表示するＲ，Ｇ，Ｂの画像を眼の残像効果を利用して全体として１／６０〜１／３０秒内で表示している。尚、光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂは白色光源とカラーフィルターとの組み合わせより構成することができる。ＦＬＣＤ２で表示した画像情報は表示光学系１０１ａによって観察者の眼球１に導光される。１０１ａは表示光学系１０１の光軸である。
【０００８】
１０２は撮像光学系（ＣＣＤ結像光学系）であり、表示光学系１０１と同様、複数の内面反射を利用したプリズム体９ｃから構成され、複数の偏心した曲率を有する偏心反射面を複数個有しており外界の画像情報を撮像素子（ＣＣＤ）３に結像している。１０２ａは撮像光学系の光軸である。なお、表示光学系１０１及び撮像光学系１０２は、光路分離手段４を介して接合されている。
【０００９】
光路分離手段４は、偏心した曲率を有した反射面より成り、表示光学系１０１からの光路と撮像光学系１０２の光路とを分離する面となっている。光路分離手段４は偏心反射面より成り、表示光学系１０１で一方側の反射面を使用し、撮像光学系１０２では他方側の反射面を使用している。
【００１０】
ＦＬＣＤ２で表示される画像情報からの光束は直線偏光となって射出している。ＰＰは偏光板であり、ＦＬＣＤ２から放射した直線偏光の偏光軸と直交する方向に偏光軸を設定している。これにより、後述するようにＦＬＣＤ２からの直線偏光が光路分離手段４とプリズム体９ｃとを介して光学系６によってＣＣＤ３に入射するのを防止している。５は絞りである。６は光学系であり、プリズム体９ｃを介して入射してくる外界の画像をＣＣＤ３面上に結像している。
【００１１】
また、この複合表示装置は、プリズム体９ａ，９ｂを透して外界を視認することが可能であり、シースルー型の装置を構成できる。すなわち、当該複合表示装置のユーザは、外界の画像情報とＦＬＣＤ２に表示された画像情報が重畳した画像を観察する。又は外界の画像情報のみを観察するシースルー光学系１０３も成り立たせるときは光路分離手段４の反射面をハーフミラーとし（透過率５０％、反射率５０％だけでなく、比率は任意である）、両光学系１０１，１０２のプリズム体９ａ，９ｃの材質の屈折率を同じにしている。１ｃはシースルー光学系１０３の光軸（外界光軸）である。
【００１２】
図１０において、表示光学系１０１の光軸１０１ａと撮像光学系１０２の光軸１０２ａ、そしてシースルー光学系１０３の光軸１ｃは光路分離手段４で一致し、又眼球光軸１ａと同軸としている。このように各要素を設定することにより、小型の光学系を得ている。 また、偏心反射面は面頂点回りのアジムス角によって屈折力が異なるようにして良好なる光学性能を維持している。
【００１３】
このような複合表示装置において、ＦＬＣＤ２からの光は、表示光学系１０１を構成するプリズム体９ａの入射面Ｅ１に入射し、反射面８ａで反射し、全反射面７ａを臨界角度以上の入射角で入射して全反射し、光路分離手段４で反射し、全反射面７ａを臨界角度以下の入射角で入射して透過面Ｅ２より透過して眼球１に導かれる。このように表示光学系はＦＬＣＤ２からの光束を２回又は３回の反射をして結像することなく眼球１に導光している。これによってＦＬＣＤ２に表示した画像情報が観察者に提示される。
【００１４】
一方、外界からの光は、撮像光学系１０２を構成するプリズム体９ｃの入射面Ｅ３（全反射面７ｃの一部）より入射し、光路分離手段４で反射し、全反射面７ｃを臨界角度以上の入射角で入射して全反射し、プリズム体９ｃの射出面Ｅ４より射出後、絞り５、光学系６を経てＣＣＤ３に結像する。これによって外界の画像情報を得ることができる。
【００１５】
図１０におけるシースルー光学系１０３において、外界からの光は、撮像光学系１０２のプリズム体９ｃの入射面Ｅ３に入射し、光路分離手段４（ハーフミラー）を透過し、表示光学系１０１のプリズム体９ａの射出面Ｅ２を臨界角度以下の入射角で入射し、射出面Ｅ２を透過して眼球１に導かれる。これによって観察者は外界の画像情報を観察できる。
【００１６】
図１０では撮像光学系１０２の絞り５の位置近傍、即ち瞳位置近傍に偏光板ＰＰを配置している。この偏光板ＰＰの偏光軸はＦＬＣＤ２からの直線偏光の偏光軸と直交するようにしている。
【００１７】
これによってＦＬＣＤ２からの光が光路分離手段４を通過し、プリズム体９ｃを通過し、光学系６によってＣＣＤ３面上に入射し、フレアーとなるのを防止して、ＣＣＤ３で得られる外界の画像情報の光学特性を良好に維持している。
【００１８】
また、プリズム体９ａの全反射面７ａと射出面Ｅ２は同じ曲面より成っており、光束の入射条件によって使い分けている。又、プリズム体９ｃの入射面Ｅ３と全反射面７ｃは同じ曲面より成っており、プリズム体９ａと同様に光束の入射条件によって使い分けている。
【００１９】
本構成では、表示光学系１０１と撮像光学系１０２とを光路分離手段４で対向配置することによって、眼球１に入射する光束の眼球光軸１ａ又は眼球光軸１ａを延長した仮想眼球光軸１ｂと、外界から撮像光学系１０２に入射してくる光束の外界光軸（撮像光学系１０２の光軸１０２ａ）１ｃが略一致するようにして、ＦＬＣＤ２に表示された画像情報の観察と、外界の画像情報のＣＣＤ３面上における結像、そして外界の画像情報の観察（シースルー光学系）をパララックスのない状態で同時に観察及び撮像できるようにしている。
【００２０】
図１１は、図１０において、表示手段をバックライト４６を有するカラーＬＣＤ４０で構成した場合を示している。
図１１においてカラー液晶ＬＣＤ４０は偏光板４１、カバーガラス４２、Ｒ，Ｇ，Ｂの微小なフィルターを２次元的に所定のピッチで配列したカラーフィルター４３、液晶表示素子４４、そして偏光板４５を有している。
【００２１】
そして、液晶表示素子４４で表示されたカラー画像情報（画素）をバックライト４６からの光束（白色光）で偏光板４５を介して照明し、各画素からの光束をカラーフィルター４３と偏光板４１を介して射出させている。
【００２２】
ここで、カラー液晶ＬＣＤ４０から出射する偏光光束の偏光軸と偏光板ＰＰとの偏光軸とを直交させることによって、図１０の構成と同様の効果を得ることができる。その他の構成については図１０と同一であるため説明を省略する。
【００２３】
図８はこれら従来の複合表示装置の回路構成例を示す図であり、図９（ａ）は図１０の構成を有する複合表示装置のタイミングチャート、図９（ｂ）は図１１の構成を有する複合表示装置のタイミングチャートの例をそれぞれ示す。
【００２４】
図８において、１００１は複合表示装置全体を制御するためのシステム制御部であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータ装置で構成される。１００３はＣＣＤ３に対するタイミング制御や撮像データの調整等を行うＣＣＤ制御部、１００４は撮像データをシステム制御部１００１に入力可能なデータ形式に変換するための撮像系インタフェース部、１００５はシステム制御部１００１が出力する表示データをＦＬＣＤ２（またはカラーＬＣＤ４０）が表示可能なデータ形式に変換するための表示系インタフェース部、１００６はＦＬＣＤ２（またはカラーＬＣＤ４０）に対するタイミング制御や表示データの調整等を行うＬＣＤ制御部、１０１１は照明光源（３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂまたは４６）の点灯タイミングを制御するための照明光源制御部である。
【００２５】
図９において、「撮像データ」はＣＣＤ３より出力される撮像データの状態、「シャッター」は電子シャッターの状態を表しており、Ｈｉｇｈが閉状態、Ｌｏｗが開状態を示す。また、「表示データ」はＦＬＣＤ２（またはカラーＬＣＤ４０）で表示している内容の状態、図９（ａ）における「照明光源Ｒ」、「照明光源Ｇ」及び「照明光源Ｂ」は赤色照明光源（３１Ｒ）、緑色照明光源（３１Ｇ）及び青色照明光源（３１Ｂ）の状態をそれぞれ表しており、また図９（ｂ）の「照明光源」は白色照明光源４６の状態を表す。照明状態は何れもＨｉｇｈが点灯状態、Ｌｏｗが消灯状態を示す。
【００２６】
以下、図を参照しながら従来例についてさらに説明する。
撮像系においては、ＣＣＤ制御部１００３で制御されるタイミングに基づいてＣＣＤ３より撮像データが出力され、ＣＣＤ制御部１００３においてＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）やＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、ＡＷＢ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｗｈｉｔｅ Ｂａｌａｎｃｅ）等のデータ調整が施された後、撮像系インタフェース部１００４でＮＴＳＣ，ＰＡＬ等の標準データに変換され、システム制御部１００１に取り込まれる。
【００２７】
一方、表示系においては、システム制御部１００１が出力するＶＧＡ，ＬＤＩ形式等の表示データを表示系インタフェース部１００５においてＬＣＤ（２または４０）が表示可能なデータ形式に変換し、ＬＣＤ制御部１００６においてガンマ補正等のデータ調整が施された後、生成したタイミングに基づいてＬＣＤ（２または４０）に表示データを出力して画像を表示する。その際、表示タイミングの信号を照明光源制御部１０１１にも入力し、表示タイミングに合わせて照明光源（３１または４６）の点灯タイミングを制御する。
【００２８】
ここで、表示系における照明光源（３１または４６）の点灯タイミングと撮像系における電子シャッターを開くタイミングが重ならないようにするため、まずＬＣＤ制御部１００６の表示タイミングの信号をＣＣＤ制御部１００３に入力して表示系と撮像系の同期合わせを行う。次に照明光源制御部１０１１において照明光源（３１または４６）を所定の期間点灯させ、その後、ＣＣＤ制御部１００３より所定の期間電子シャッターを開くためのトリガー信号をＣＣＤ３に対して出力する。
【００２９】
このとき、屋内使用時のフリッカー発生を考慮して、シャッタースピードを１／１００秒に設定するのが一般的である。また、ビデオ系の標準信号であるＮＴＳＣの１フィールド（６０Ｈｚ）を基準にすると１サイクルの周期は１／６０秒となり、その際照明光源（３１または４６）の点灯期間は（１／６０-１／１００）秒以下、即ち６ミリ秒等とする。
【００３０】
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、上記特開平１１−１７４３６７号公報記載の複合表示装置においては、映像表示光の光量調整やＣＣＤカメラのシャッタースピード調整等に関しては特に言及されておらず、ある程度固定的なものとして提案されている。
【００３１】
従って、明るい場所での使用時には、外界から直接眼に導かれるシースルー光の光量が多くなるにも関わらず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光量が一定であるとシースルー光に対して表示が薄くなる傾向となり、またＣＣＤ等撮像素子のシャッタースピードが一定であると光量オーバーで撮像画像上にフレアやスミアが発生する可能性が生じる。
【００３２】
また逆に、暗い場所での使用時には、外界から直接眼に導かれるシースルー光の光量が少なくなるにも関わらず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光量が一定であるとシースルー光に対して表示が濃くなる傾向となり、またＣＣＤ等のシャッタースピードが一定であると光量不足で撮像画像が暗くなる、或いはコントラストが低減する可能性が生じる。
【００３３】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、様々な光量が想定される使用環境においても表示手段による表示の濃度を外界光（シースルー光）に対して最適な状態に保つとともに、かつＣＣＤ等のシャッタースピードも最適な状態に保つことを容易に可能とした複合表示装置の提供を目的とする。
【００３４】
本発明はまた、撮像系と表示系のフィールド／フレーム周期を合わせなければならないという制約を無くすことにより、柔軟性のある複合表示装置の提供を目的とする。
【００３５】
【課題を解決する手段】
すなわち、本発明の複合表示装置は、外界からの光束の一部をハーフミラーを透過して観察者の眼球に導くシースルー光学系と、外界からの光束の一部をハーフミラーの一方の面で反射して撮像手段に結像させる撮像光学系と、表示手段からの光束をハーフミラーの他方の面で反射して観察者の眼球に導光する表示光学系と、を有し、表示光学系及びシースルー光学系の光軸を観察者の眼球の光軸と一致させ、外界からの光束と表示手段からの光束を重畳して観察者に提示する複合表示装置において、表示手段は周期的に所定の表示期間だけ画像情報の表示光を発し、撮像手段は表示手段が表示光を発していない期間内の所定の撮像期間だけ外界からの画像情報の記録を行ない、さらに、外界からの光束の光量が多い場合には表示期間を長く、かつ撮像期間を短くし、外界からの光束の光量が少ない場合には表示期間を短く、かつ撮像期間を長くするように、表示期間および撮像期間を変更可能な変更手段を備えることを特徴とする。
【００３６】
また、上述の本発明の目的は、本発明の複合表示装置を用いたヘッドマウントディスプレイ装置によっても達成される。
【００３７】
【作用】
以上の構成に依って、
明るい場所での使用時には、外界から直接眼に導かれるシースルー光の光量が多くなるにも関わらず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光量が一定であるとシースルー光に対して表示が薄くなる傾向となり、またＣＣＤ等カメラのシャッタースピードが一定であると光量オーバーで撮像画像上にフレアやスミアが発生する可能性が生じる。
また逆に、暗い場所での使用時には、外界から直接眼に導かれるシースルー光の光量が少なくなるにも関わらず、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の表示手段からの光量が一定であるとシースルー光に対して表示が濃くなる傾向となり、またＣＣＤ等カメラのシャッタースピードが一定であると光量不足で撮像画像が暗くなる、或いはコントラストが低減する可能性が生じる。
という欠点を解決することができ、
様々な光量が想定される使用環境においても表示手段による表示の濃度をシースルー光に対して最適な状態に保つとともに、かつＣＣＤ等カメラのシャッタースピードも最適な状態に保つことを容易に可能とした複合表示装置を提供することができる。また、併せて撮像系と表示系のフィールド／フレーム周期を合わせなければならないという制約を無くすことにより、柔軟性のある複合表示装置を提供することができる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７を参照して、本発明をその好適な実施形態に基づき詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述した図８〜図１１と同一の構成には同一の参照数字を付して重複する説明は省略する。
【００３９】
図１は本発明の第１実施形態に係る複合表示装置の光学系構成を示す側面図である。従来構成を示す図１１との比較から明らかなように、本実施形態に係る複合表示装置は後述する１００８〜１０１０を設けたこと以外は共通の構成を有する。
【００４０】
図３は本実施形態における複合表示装置の制御回路の構成例を示すブロック図である。図において、１００１は複合表示装置全体を制御するためのシステム制御部であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有するコンピュータ装置で構成される。１０６２はＣＣＤ３に対するタイミング制御や撮像データの調整等を行うＣＣＤ制御部、１００４は撮像データをシステム制御部１００１に入力可能なデータ形式に変換するための撮像系インタフェース部、１００５はシステム制御部１００１が出力する表示データをカラーＬＣＤ４０が表示可能なデータ形式に変換するための表示系インタフェース部、１０６０はカラーＬＣＤ４０に対するタイミング制御や表示データの調整等を行うＬＣＤ制御部１０６１は照明光源（３１または４６）の点灯タイミングを制御するための照明光源制御部である。
【００４１】
また、本実施形態において新たに追加された１００８は動作モードを切り替えるための、スイッチ等からなる動作モード切り替え部、同１００９は表示／撮像光学系の前面に配置されて外界光の光量を検出するための、光センサ等からなる光量検出部、同１０１０は照明光源点灯およびシャッタースピードを同時に変化させるための、ボリュームやジョグダイヤル等からなる光量調整部である。
【００４２】
図４は、図３に示す制御回路のタイミングチャートである。図において、「撮像データ」はＣＣＤ３より出力される撮像データの状態、「シャッター」は電子シャッターの状態を表しており、Ｈｉｇｈが閉状態、Ｌｏｗが開状態を示す。また、「表示データ」はカラーＬＣＤ４０で表示している内容の状態、「照明光源」は白色照明光源４６の状態を表しており、Ｈｉｇｈが点灯状態、Ｌｏｗが消灯状態を示す。
【００４３】
撮像系においては、ＣＣＤ制御部１０６２で制御されるタイミングに基づいてＣＣＤ３より撮像データが出力され、ＣＣＤ制御部１０６２においてＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）やＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）、ＡＷＢ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｗｈｉｔｅ Ｂａｌａｎｃｅ）等のデータ調整が施された後、撮像系インタフェース部１００４でＮＴＳＣ，ＰＡＬ等の標準データに変換され、システム制御部１００１に取り込まれる。
【００４４】
一方、表示系においては、システム制御部１００１が出力するＶＧＡ，ＬＤＩ形式等の表示データを表示系インタフェース部１００５においてカラーＬＣＤ４０が表示可能なデータ形式に変換し、ＬＣＤ制御部１０６０においてガンマ補正等のデータ調整が施された後、生成したタイミングに基づいてＬＣＤ（２または４０）に表示データを出力して画像を表示する。その際、表示タイミングの信号を照明光源制御部１０６１にも入力し、表示タイミングに合わせて照明光源（３１または４６）の点灯タイミングを制御する。
【００４５】
ここで、表示系における照明光源４６の点灯タイミングと撮像系における電子シャッターを開くタイミングが重ならないようにするため、まずＬＣＤ制御部１０６０の表示タイミングの信号をＣＣＤ制御部１０６２に入力して表示系と撮像系の同期合わせを行う。次に照明光源制御部１０６１において照明光源４６を所定の期間点灯させ、その後、ＣＣＤ制御部１０６２より所定の期間電子シャッターを開くためのトリガー信号をＣＣＤ３に対して出力する。
【００４６】
（動作モード）
基本的にはこのような動作となるが、本実施形態の複合表示装置はさらに様々な使用環境を考慮して動作モード切り替え部１００８により以下の３つの動作モードを提供する。動作モードは動作モード切替部１００８を構成するスイッチ等を操作することによって変更可能である。動作モード切替部１００８は各モードに対応した３つのボタンで構成しても、１つのボタンで構成し、ボタンを押下する毎にモードが順番に変更されるように構成しても良い。また、現在選択されている動作モードを、ユーザが認識できるように構成することが好ましい。具体的には、動作モード切替部１００８の状態を、ＬＣＤに表示する表示データを生成する外部装置（図示せず）に伝達し、動作モード切替部１００８の状態が変化する度に選択されたモード名などの情報を表示データに重畳するように構成することができる。
【００４７】
１番目の動作モードは固定モードであり、従来例と同様、屋内使用時のフリッカー発生を考慮して、シャッタースピードを１／１００秒に設定する。ビデオ信号の標準形式であるＮＴＳＣの１フィールド（６０Ｈｚ）を基準にすると、１サイクルの周期は１／６０秒となり、その際、照明光源４６の点灯期間は（１／６０−１／１００）秒以下、即ち６ミリ秒等とする。
【００４８】
２番目の動作モードは自動モードであり、表示／撮像光学系の前面に配置された光量検出部１００９により外界光の光量を検出し、外界光に適したシャッタースピードおよび照明光源４６の点灯時間に自動的に調整するものである。即ち、明るい環境での使用時には図４（ａ）に示すようにシャッタースピードを短く、かつ照明光源４６の点灯時間を長くし、また逆に暗い環境での使用時には図４（ｂ）に示すようにシャッタースピードを長く、かつ照明光源４６の点灯時間を短く、光量検出部１００９の出力値に応じて自動的に制御を行う。
【００４９】
この自動制御は、例えば光量検出部１００９の出力値と、シャッタースピード及び照明光源の点灯時間との関係を、予め種々の条件で測定し、最適値をＬＣＤ制御部１０６０に記憶しておいて、光量検出部１００９の出力値から記憶されたシャッタースピード及び点灯時間を参照することにより行うことができる。
【００５０】
３番目の動作モードは手動モードであり、本実施形態の複合表示装置のユーザがボリュームやジョグダイヤル等で構成される光量調整部１０１０を調整することにより、外界光に適するようにシャッタースピードおよび照明光源４６の点灯時間を同時に変化させるものである。
【００５１】
例えば、光量調整部１０１０が「明」側に調整されると、その値（光量調整部を構成する入力素子によって、絶対値であっても、変化量であってもよい）に応じて図４（ａ）に示すようにシャッタースピードを短く、かつ照明光源４６の点灯時間を長くする。逆に、光量調整部１０１０が「暗」側に調整された場合には、その値に応じて図４（ｂ）に示すようにシャッタースピードを長く、かつ照明光源４６の点灯時間を短くする。
【００５２】
光量調整部１０１０がアナログボリュームなど絶対値を出力する素子から構成されている場合、手動モードにおいても、自動モードと同様、光量調整部１０１０からの入力値とシャッタースピード及び点灯時間の関係をＬＣＤ制御部１０６０に記憶して制御を行うことが可能である。一方、光量調整部１０１０が「＋」「−」を入力するディジタルスイッチから構成されるような場合には、１回の「＋」入力及び「−」入力毎のシャッタースピード及び点灯時間の調整量を記憶しておき、スイッチが押されるたびに所定の調整量だけシャッタースピード及び点灯時間を変化させることもできる。もちろん、これ以外にも任意の入力素子で光量制御部１０１０を構成することが可能であり、入力素子が出力する値の種類に応じて制御方法を選択すればよい。ただし、光量調整部１０１０は複数のボタンやスイッチで構成するよりも、ボリュームなど１つの素子で構成した方が使い勝手の点からは好ましい。
【００５３】
（第１の実施形態の変形例）
図２は、図１におけるカラーＬＣＤ４０の替わりに、強誘電性ディスプレイ素子２（ＦＬＣＤ）と、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂとの組み合わせによってカラー表示を実現した複合表示装置の光学系構成を示す側面図である。図２に示す複合表示装置は、モード切替部１００８、光量検出部１００９及び光量制御部１０１０を設けたこと以外は図１０に示した従来の複合表示装置の光学系構成と同一構成を有する。
【００５４】
このような構成を有する複合表示装置においても、図３に示した制御回路において照明光源制御部１０６１が制御する照明光源を３１Ｒ、３１Ｇ、３１Ｂに、ＬＣＤ制御部１０６０が制御するＬＣＤをＦＬＣＤ２に変更することにより、第１の実施形態と同様の制御を行うことが可能である。
【００５５】
具体的には、光量調整部１０１０が「明」側に調整されると、その値（光量調整部を構成する入力素子によって、絶対値であっても、変化量であってもよい）に応じて図５（ａ）に示すようにシャッタースピードを短く、かつ照明光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ各々の点灯時間を長くする。逆に、光量調整部１０１０が「暗」側に調整された場合には、その値に応じて図５（ｂ）に示すようにシャッタースピードを長く、かつ照明光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ各々の点灯時間を短くする。このように、表示素子の種類が変わっても、同様の効果を得ることが可能である。
【００５６】
（第２の実施形態）
次に、図６及び図７を参照して本発明の第２実施形態について説明する。
図６は本発明の第２実施形態に係る複合表示装置の制御回路の構成例を示すブロック図、図７は図６の制御回路の動作を示すタイミングチャートである。
【００５７】
図６を図３に示す第１実施形態における制御回路と比較すると、撮像系とＬＣＤの同期を取らず、撮像系と照明光源のみ同期をとる点が第１実施形態と異なるところであり、それ以外は第１実施形態と同様である。従って、ＦＬＣＤと照明光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂの同期をとらなければならない図２構成の複合表示装置には本実施形態の制御回路は適用できず、図１の構成を有する複合表示装置にのみ適用可能である。
【００５８】
図７に示すように、表示系における照明光源４６の点灯タイミングと、撮像系における電子シャッターを開くタイミングが重ならないようにするため、まずＣＣＤ制御部１０７２の撮像タイミングの信号を照明光源制御部１０７０に入力して撮像系と照明光源４６の同期合わせを行う。次に照明光源制御部１０７０において照明光源４６を所定の期間点灯させ、その後、ＣＣＤ制御部１０７２より所定の期間電子シャッターを開くためのトリガー信号をＣＣＤ３に対して出力する。
【００５９】
このとき、ＬＣＤ４０の画像表示は撮像系／照明光源に同期することなく任意のタイミングで表示を行っている。これは言い換えれば、撮像系と表示系のフィールド／フレーム周期を合わせなければならないという制約を無くすことが可能になることを意味する。
【００６０】
なお、本実施形態においては、動作モード切替部１００８、光量検出部１００９及び光量制御部１０１０の出力はすべてＣＣＤ制御部１０７２に供給される。従って、本実施形態において、第１実施形態でＬＣＤ制御部１０６０が行っていた、各種動作モードにおけるシャッタースピード及び点灯時間の制御は、ＣＣＤ制御部１０７２が行う。制御方法及び制御内容は第１の実施形態と同様であるため詳細な説明は省略する。
【００６１】
自動モードにおける、外光量が多い場合の制御例を図７（ａ）に、外光量が少ない場合の制御例を図７（ｂ）にそれぞれ示す。
【００６２】
【他の実施形態】
上述の実施形態においては、複合表示装置に用いる表示素子として透過型のＬＣＤを使用した場合の構成についてのみ説明を行っているが、反射型のＬＣＤを使用しても同様に実現することが可能である。また、カラーＬＣＤ４０の替わりに、ＥＬ等の自発光型の表示素子を用いることも可能である。
【００６３】
また、上述の実施形態においては、撮像デバイスとしてＣＣＤを使用して場合について説明したが、Ｃ-ＭＯＳエリアセンサ等、他の撮像素子を使用してもよい。
【００６４】
また、上述の実施形態においては、撮像データをインタレース方式（フィールド）として説明を行っているが、ノンインタレース方式（フレーム）でも同様に本発明の表示制御を適用することは可能である。また逆に、表示データをノンインタレース方式（フレーム）として説明を行っているが、インタレース方式（フィールド）でも本発明の表示制御を適用可能である。
【００６５】
また、上述の実施形態においては、フィールド／フレーム周期を１／６０秒として説明を行っているが、これに限るものではない。
【００６６】
また、上述の実施形態においては、撮像データがＮＴＳＣ，ＰＡＬ等の標準データであるものとして説明を行っているが、これに限るものではなく、独自のデータ形式を有する撮像データであってもよい。
【００６７】
また、上述の実施形態においては、固定モード時のシャッタースピードを１／１００秒、照明光源点灯時間を６ミリ秒として説明を行っているが、これに限るものではなく、例えばシャッタースピードを０秒、すなわち、 撮像しない（表示モード）、あるいは逆に照明光源点灯時間を０秒 、すなわち、 表示しない（撮像モード）、等にすることも考えられる。
【００６８】
また、上述の実施形態においては、動作モード切替部１００８で選択可能な動作モードを３種類として説明を行っているが、これに限るものではなく、例えば上述の表示モードや撮像モードを追加する、或いは撮像系と表示系の動作を個別に変化させる場合の組合せを追加する、或いは動作モードを削減する、等も考えられる。
【００６９】
また、上述の実施形態においては、光量調整部１０１０の操作により照明光源点灯およびシャッタースピードを同時に変化させる構成について説明を行っているが、これに限るものではなく、例えば光量調整部１０１０を２つ以上のつまみ、スイッチ等で構成し、照明光源点灯時間とシャッタースピードを各々独立に調整するように構成することも、片方を固定としてもう一方を１つのつまみで調整するように構成することも可能である。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、様々な使用環境においても表示手段による表示の濃度を外界光に対して最適な状態に保つとともに、かつＣＣＤ等の撮像手段のシャッタースピードも最適な状態に保つことを容易に可能とした複合表示装置を提供することができる。また、併せて撮像系と表示系のフィールド／フレーム周期を合わせなければならないという制約を無くすことにより、柔軟性のある複合表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る複合表示装置の光学系構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態の変形例に係る複合表示装置の光学系構成を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る複合表示装置の制御回路構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る複合表示装置における表示制御及び発光制御を説明するタイミングチャートである。
【図５】本発明の第１実施形態の変形例に係る複合表示装置における表示制御及び発光制御を説明するタイミングチャートである。
【図６】本発明の第２実施形態に係る制御回路構成を示すブロック図である。
【図７】図６に示した制御回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図８】従来の複合表示装置の制御回路構成例を示すブロック図である。
【図９】従来の複合表示装置における表示制御及び発光制御を説明するタイミングチャートである。
【図１０】従来の複合表示装置の光学系構成例を示す図である。
【図１１】従来の複合表示装置の別の光学系構成例を示す図である。
【符号の説明】
１００１ システム制御部
１００３ ＣＣＤ制御部
１００４ 撮像系インタフェース部
１００５ 表示系インタフェース部
１００６ ＬＣＤ制御部
１００８ 動作モード切り替え部
１００９ 光量検出部
１０１０ 光量調整部
１０１１ 照明光源制御部
Claims (7)
- 外界からの光束の一部をハーフミラーを透過して観察者の眼球に導くシースルー光学系と、
前記外界からの光束の一部を前記ハーフミラーの一方の面で反射して撮像手段に結像させる撮像光学系と、
表示手段からの光束を前記ハーフミラーの他方の面で反射して前記観察者の眼球に導光する表示光学系と、を有し、
前記表示光学系及び前記シースルー光学系の光軸を前記観察者の眼球の光軸と一致させ、前記外界からの光束と前記表示手段からの光束を重畳して前記観察者に提示する複合表示装置において、
前記表示手段は周期的に所定の表示期間だけ画像情報の表示光を発し、前記撮像手段は前記表示手段が前記表示光を発していない期間内の所定の撮像期間だけ前記外界からの画像情報の記録を行ない、
さらに、前記外界からの光束の光量が多い場合には前記表示期間を長く、かつ前記撮像期間を短くし、前記外界からの光束の光量が少ない場合には前記表示期間を短く、かつ前記撮像期間を長くするように、前記表示期間および前記撮像期間を変更可能な変更手段を有することを特徴とする複合表示装置。 - 前記撮像光学系の撮像手段はＣＣＤであることを特徴とする請求項１記載の複合表示装置。
- 前記表示手段は、当該表示手段を照明する照明光源を有し、この照明光源を点灯することで前記表示光を発生することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複合表示装置。
- 前記表示手段はカラーＬＣＤであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の複合表示装置。
- 外界の光量を検出する外界光量検出手段をさらに備え、前記変更手段が、前記表示期間および前記撮像期間を前記外界光量検出手段が検出した光量に応じて変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の複合表示装置。
- 光量調整手段をさらに備え、前記変更手段が、当該光量調整手段による設定値に基づいて前記表示期間および前記撮像期間を変化させることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の複合表示装置。
- 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の複合表示装置を用いたヘッドマウントディスプレイ装置。
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