JP4682470B2 - スキャン型ディスプレイ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用者の頭部に装着して使用するＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）に好適するスキャン型ディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＭＤは、従来より、テレビ番組や映画の視聴用を主目的にして市販されている。ＨＭＤに採用されている表示方式の原理は、液晶ディスプレイなどの２次元平面ディスプレイからの映像を、光学系を用いて使用者の目に導いて知覚させる仕組みである。この構成の場合、頭部に固定された装置を基準として常に固定された映像が与えられるだけであった。このため、使用者が視線を動かしたり、頭を振ったりしても、見える映像は変化しないことから、使用者に不快感を与えることがあった。
【０００３】
これに対して、使用者の視線を検出したり、使用者の頭部が向いている方向を検出したりして、その検出結果に応じて映像を変化させる方式が考えられる。ここで、頭部が向いている方向を検出する装置として、磁気センサやジャイロセンサを使用する装置がある。また、視線を検出する方法として、強膜反射法や角膜反射法やサーチコイル法等があり、いずれも視線検出装置として実際に市販されている。しかし、上述したような視線検出装置や頭部方向検出装置を、ＨＭＤに組み込んだ構成は、民生品としては市販されていない。これは、従来の視線検出装置や頭部方向検出装置は、十分に小型化されていないので、それらをＨＭＤに組み込むと、全体の構成が大型化してしまい、実用に適しないためであると推定される。
【０００４】
さて、近年になって、ＨＭＤにスキャン型ディスプレイ装置を使用することが考えられている。このスキャン型ディスプレイ装置においては、ちょうどブラウン管の内部において電子銃からスクリーンに２次元的にラスタスキャンすることによって映像を投影することと同様にして、レーザのような点光源から光線を何らかの投影面上に直接２次元走査させて画像を表示して知覚させている。このディスプレイ装置は、２次元的な大きさを持つディスプレイが不要となるので、高画質・高精度の画像を小型軽量の装置で実現する場合に好適するものと考えられる。従って、ＨＭＤのような頭部に装着する小型のディスプレイに上記スキャン型ディスプレイ装置を適用すると、その優位性が発揮されると予想される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記スキャン型ディスプレイ装置に視線検出装置を組み込もうとした場合、従来の構成では、スキャン型ディスプレイ装置の光学系とは別に視線検出装置の光学系を備える必要があり、全体の構成が大きくなってしまい、あまり小型化できない。
【０００６】
また、スキャン型ディスプレイ装置を最も小型化した構成として、使用者の眼の網膜に直接投影して知覚させるようにした構成が考えられている。しかし、この構成の場合、原理的に射出瞳が小さい、即ち、正常な像を知覚するために使用者の瞳が位置すべき領域が小さいので、視線を動かすことにより眼球が移動すると、映像が歪められたりして見えなくなることが指摘されている。これを防ぐには、移動する眼球の位置を検出して（即ち、視線を検出して）、それに合わせて表示画像を移動させるようにすれば良い。このような対策を実現するためには、視線検出装置を組み込むように構成すれば良いが、小型・軽量化を損なってしまうという問題点が発生する。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、スキャン型ディスプレイ装置に視線検出装置を組み込みながら、全体の構成の小型・軽量化を実現することができるスキャン型ディスプレイ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、スキャン型ディスプレイ装置の光学系を共用しながら使用者の視線方向を検出する視線検出装置を組み込み、前記視線検出装置は、使用者の瞳に不可視光線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成され、前記不可視光線は、画像情報を２次元的に表示するための光走査手段に対して一旦照射されてから使用者の眼球へ照射されるように構成され、画像投影面に特定波長の光のみを特定方向に反射する機能を有するホログラフィック光学素子を設置し、前記光走査手段により、画像投影面に反射された視線方向検知用の不可視光線は、前記ホログラフィック光学素子により使用者の眼球へ反射されるように構成したので、小型・軽量化を実現することができる。
【０００９】
また、請求項２の発明のように、光源から射出された光を光走査手段により使用者の頭部付近の投影面上に走査することにより像を生じさせて知覚させるスキャン型ディスプレイ装置において、前記スキャン型ディスプレイ装置の光学系を共用しながら使用者の視線方向を検出する視線検出装置を組み込み、前記視線検出装置は、使用者の瞳に不可視光線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成され、前記不可視光線は、画像情報を２次元的に表示するための光走査手段に対して一旦照射されてから使用者の眼球へ照射されるように構成され、前記光走査手段の反射鏡上に、特定波長の光のみを特定方向に反射する機能を有するホログラフィック光学素子を配設し、前記ホログラフィック光学素子により前記不可視光線のみが反射され、前記反射鏡により前記可視光線が反射されるように構成されていることが好ましい。
【００１０】
また、請求項３の発明のように、光源から射出された光を光走査手段により使用者の頭部付近の投影面上に走査することにより像を生じさせて知覚させるスキャン型ディスプレイ装置において、前記スキャン型ディスプレイ装置の光学系を共用しながら使用者の視線方向を検出する視線検出装置を組み込み、前記視線検出装置は、使用者の瞳に不可視光線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成され、前記不可視光線は、画像情報を２次元的に表示するための光走査手段に対して一旦照射されてから使用者の眼球へ照射されるように構成され、前記光走査手段により、画像投影面に反射された視線方向検知用の不可視光線は、可視光線用の画像反射面とは別の反射面により使用者の眼球へ反射されるように構成されていることがより一層好ましい。
【００１１】
また、請求項４の発明のように、前記不可視光線と、画像情報を表示するための可視光線を、同一の光源から射出させるように構成することが好ましい。
【００１２】
また、請求項５の発明のように、前記光走査手段により、画像投影面に反射された視線方向検知用の不可視光線は、画像情報を表示するための可視光線と異なる経路で使用者の眼球へ照射されるように構成することが好ましい。更に、請求項６の発明のように、前記画像投影面がハーフミラーであることが好ましい。更にまた、請求項７の発明のように、前記不可視光線は赤外線であることが好ましい。また、請求項８の発明のように、前記不可視光線の光源は、画像情報を表示するための可視光線の光源と並べて設置されていることがより一層好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図８を参照しながら説明する。まず、図３は、本実施例のスキャン型ディスプレイ装置の全体構成を概略的に示す斜視図である。この図３に示すように、スキャン型ディスプレイ装置１は、光源２、光変調器３、光走査ユニット４、光走査ドライバ５、反射光学系６等を備えて構成されている。
【００１７】
上記光源２は、図１に示すように、画像表示用の可視光線を射出する可視光光源７と、視線検出用の不可視光線である例えば赤外線を射出する赤外線光源８とから構成されている。これら可視光光源７及び赤外線光源８は、同一場所に並んで配置されている。
【００１８】
上記光変調器３は、光源２（可視光光源７）からの可視光線を、使用者に与える映像情報に応じて変調する機能を有している。光走査ユニット４は、光変調器３からの光信号を２次元画像情報にする機能を有しており、走査運動するように設けられた光走査ミラー（反射鏡）９を備えている。光走査ドライバ５は、光走査ユニット４の光走査ミラー９を走査運動させるように駆動するものである。この場合、光走査ミラー９、光走査ユニット４、光走査ドライバ５から光走査手段１０が構成されている。
【００１９】
また、反射光学系６は、例えばハーフミラーからなる凹面鏡１１を備えており、この凹面鏡１１の反射面１２が画像投影面を構成している。そして、この反射面１２上に上記光走査ミラー９によって投影された２次元画像情報１３は、使用者の眼球１４の水晶体１５により集光されて、眼球１４内の網膜１６上に結像されるように構成されている。これにより、使用者は、上記２次元画像情報１３を知覚する。尚、図３において、符号１７で示す２次元画像情報は、網膜１６上の結像である。
【００２０】
次に、上記スキャン型ディスプレイ装置１に組み込まれた視線検出装置１８について説明する。この視線検出装置１８は、いわゆる強膜反射法によって視線方向を検出する装置である。ここで、強膜反射法について、図４及び図５を参照して簡単に説明する。強膜反射法は、眼球１４の表面の角膜（いわゆる黒目）１９と強膜（いわゆる白目）２０の境界で光の反射率が異なることを利用して眼球１４の位置を検出する方法である。
【００２１】
具体的には、図４及び図５に示すように、眼球１４の表面の例えば４か所のスポットエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに例えば赤外線を照射し、その反射光の光量を赤外線センサで測定し、その検出値（電圧値）によって、眼球１４の位置を検出している。この場合、眼球１４が左を見ている場合には、図４に示すように、４か所のスポットエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの反射光の検出値は、それぞれ図４にて４つのグラフで示すようになる。そして、垂直方向Ａ＋Ｂの検出値と、水平方向Ｃ−Ｄの検出値が、図４にて２つのグラフで示すようになる。従って、これら垂直方向Ａ＋Ｂの検出値と水平方向Ｃ−Ｄの検出値によって、眼球１４が左を見ているということを検出できるのである。
【００２２】
これに対して、眼球１４が中心を見ている場合には、図５に示すように、４か所のスポットエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの反射光の検出値は、それぞれ図５にて４つのグラフで示すようになる。そして、垂直方向Ａ＋Ｂの検出値と、水平方向Ｃ−Ｄの検出値が、図５にて２つのグラフで示すようになる。従って、これら垂直方向Ａ＋Ｂの検出値と水平方向Ｃ−Ｄの検出値によって、眼球１４が中心を見ているということを検出できるのである。
【００２３】
さて、上記視線検出装置１８は、図１及び図２に示すように、凹面鏡１１の反射面１２上に配設された例えば４個のホログラフィック光学素子２１と、これらホログラフィック光学素子２１の上方及び下方に位置して配設された例えば４個の赤外線センサ２２とから構成されている。
【００２４】
ホログラフィック光学素子２１は、特定方向からの特定波長の光のみを特定方向に反射する機能を有している（この機能の詳細については後述する）。そこで、本実施例では、上記４個のホログラフィック光学素子２１は、赤外線光源８から射出されて光走査ミラー９で反射して到来した赤外線だけを、使用者の眼球１４の表面の所定の位置、具体的には、瞳近傍の角膜１９と強膜２０の境界付近（例えば図４及び図５に示すスポットエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）へ反射させるように設定されている。
【００２５】
そして、眼球１４で反射した赤外線は、上記４個の赤外線センサ２２により検出され、これらの反射赤外線の検出結果に基づいて、使用者の視線方向が検出されるように構成されている。尚、可視光光源７から射出された可視光線も、上記赤外線と同様にして光走査ミラー９で反射してホログラフィック光学素子２１に到来するが、ホログラフィック光学素子２１は上記可視光線を反射しない。
【００２６】
また、本実施例のスキャン型ディスプレイ装置１においては、可視光光源７から射出された可視光線と赤外線光源８から射出された赤外線は、光走査ミラー９上の同一点に照射され、走査運動される光走査ミラー９によって反射されて凹面鏡１１の反射面（画像投影面）１２に照射されるように構成されている。上記反射面１２は、可視光線だけを全反射または一部反射して使用者の眼球１４へ照射するものである。
【００２７】
そして、上記構成の場合、光走査ミラー９が、赤外線及び可視光線をホログラフィック光学素子２１へ照射するように反射する位置にあるときだけ、赤外線がホログラフィック光学素子２１で反射されて使用者の眼球１４の表面の所定の位置へ照射され、このときだけ、使用者の視線方向が検出されるように構成されている。これにより、赤外線が無闇に照射されない構成となるから、赤外線センサ２２の精度を確保することができる。
【００２８】
ここで、ホログラフィック光学素子２１の機能について、図６ないし図８を参照して説明する。まず、図６は、透過型のホログラフィック光学素子の角度依存性を示している。この場合、波長が等しい光線１と光線２が透過型のホログラフィック光学素子に対して照射されているが、光線１の方向から照射された場合、ある特定の方向に回折されるのに対して、光線２の方向から照射された場合、そのまま透過する構成となっている。
【００２９】
また、図７は、反射型のホログラフィック光学素子の角度依存性を示している。この場合、波長が等しい光線１と光線２が反射型のホログラフィック光学素子に対して照射されているが、光線１の方向から照射された場合、ある特定の方向に回折されるのに対して、光線２の方向から照射された場合、反射せずに透過する構成となっている。
【００３０】
更に、図８は、ホログラフィック光学素子の波長選択性を示している。この場合、波長が異なる光線１と光線２がホログラフィック光学素子に対して照射されているが、外界からの光である光線１は、ホログラフィック光学素子をそのまま透過するが、表示デバイスからの光線２は、ホログラフィック光学素子により観察者の方へ回折されて、光線１と重なって観察者（使用者）に知覚されるように構成されている。
【００３１】
このような構成の本実施例によれば、スキャン型ディスプレイ装置１の光学系（光走査手段１０や反射光学系６等）を共用しながら使用者の視線方向を検出する視線検出装置１８を、スキャン型ディスプレイ装置１に組み込むように構成したので、小型・軽量化を実現することができる。この構成の場合、視線検出装置１８は、使用者の瞳に不可視光線として赤外線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成されているので、視線方向の検出動作を使用者が知覚することがない。
【００３２】
そして、上記実施例の場合、赤外線の光源８を、画像情報を表示するための可視光線の光源７と並べて（即ち、同一場所に）設置したので、装置全体の構成を小型化することができる。また、上記実施例においては、光走査手段１０の凹面鏡（反射鏡）１１上に、ホログラフィック光学素子２１を配設するように構成したので、構成の小型化をより高めることができる。この場合、ホログラフィック光学素子２１により赤外線のみが反射され、凹面鏡１１の反射面１２により可視光線が反射されるように構成したので、赤外線が無闇に照射されない構成となり、赤外線センサ２２の精度を確保することができる。
【００３３】
尚、上記実施例では、スキャン型ディスプレイ装置１の画像投影面をハーフミラーからなる凹面鏡１１の反射面１２としたが、これに限られるものではなく、スキャン型ディスプレイ装置の画像投影面を例えば使用者の網膜としても良い。このように構成すると、スキャン型ディスプレイ装置の構成を最も小型化することができる。
【００３４】
図９は、本発明の第２の実施例を示す図である。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第２の実施例では、可視光光源７と赤外線光源８を、１つの光源２３で置き替えるように構成したものである。この光源２３は、その発光波長が可視光光源７及び赤外線光源８の発光波長を網羅している。そして、光源２３と光走査ミラー９との間に、分光フィルタ２４を配設している。この分光フィルタ２４は、光源２３から射出される光の中から可視光線と赤外線の波長に対応する光だけを分離して利用するためのものである。
【００３５】
尚、上述した以外の第２の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第２の実施例では、可視光光源７と赤外線光源８を１つの光源２３で置き替えるように構成したので、構成をより一層小型化することができる。
【００３６】
図１０及び図１１は、本発明の第３の実施例を示す図である。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第３の実施例では、表示画像を投影する反射面１２の後方に、視線検出用の赤外線を反射する反射装置２５を設けた。尚、反射装置２５を反射面１２の前方に配置しても良い。
【００３７】
上記反射装置２５の反射面２６は、赤外線のみを反射し、他の光線を透過させる機能を有しており、このような機能を有する反射鏡で反射装置２５を構成すれば良い。また、凹面鏡１１の反射面１２は、可視光線のみを反射し、他の光線を透過させる機能を有しており、このような機能を有する反射鏡（例えばダイクロイックミラー）で凹面鏡１１を構成すれば良い。尚、凹面鏡１１の反射面１２上には、ホログラフィック光学素子２１は設けられていない。そして、反射装置２５の反射面２６上に、赤外線センサ２２が設けられている。
【００３８】
また、上述した以外の第３の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第３の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【００３９】
図１２は、本発明の第４の実施例を示す図である。尚、第２の実施例及び第３の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第４の実施例では、第３の実施例において、可視光光源７と赤外線光源８を、１つの光源２３で置き替えるように構成したもの、即ち、第２の実施例を組み合わせたものである。従って、第４の実施例によれば、第２の実施例及び第３の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【００４０】
図１３は、本発明の第５の実施例を示す図である。尚、第３の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第５の実施例では、第３の実施例において、光走査ミラー９の上面（反射面）にホログラフィック光学素子２７を配設した。このホログラフィック光学素子２７は、赤外線光源８からの赤外線を、反射面と光源８との角度が特定の角度のときだけ、凹面鏡１１及び反射装置２５へ向けて反射するように構成されている。
【００４１】
即ち、視線検出用の赤外線は、光走査ミラー９（ホログラフィック光学素子２７）の反射面と赤外線光源８との角度が特定の角度のときだけ、使用者の眼球１４に照射され、そのときだけ、視線方向の検出が実行されるように構成されている。
【００４２】
尚、上述した以外の第５の実施例の構成は、第３の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第５の実施例においても、第３の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。また、第５の実施例によれば、視線検出用の赤外線が無闇に照射されない構成となる。
【００４３】
図１４は、本発明の第６の実施例を示す図である。尚、第２の実施例及び第５の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第６の実施例では、第５の実施例において、可視光光源７と赤外線光源８を、１つの光源２３で置き替えるように構成したもの、即ち、第２の実施例を組み合わせたものである。従って、第６の実施例によれば、第２の実施例及び第５の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【００４４】
図１５は、本発明の第７の実施例を示す図である。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第７の実施例では、凹面鏡１１の反射面１２の外側に、赤外線のみを反射する赤外線反射面２８を設けた。具体的には、凹面鏡１１として、第１の実施例よりも大きいものを用意し、その内面に、可視光線のみを反射する反射面１２と、この反射面１２の外側に位置して赤外線反射面２８とを設けたものである。尚、赤外線センサ２２は、赤外線反射面２８上に配設している。また、ホログラフィック光学素子は設けていない。
【００４５】
上記構成の場合、光走査ミラー９は、可視光線（及び赤外線）を反射面１２に面走査させるときに、１回または複数回の面走査に１回程度、赤外線反射面２８に向けて赤外線（及び可視光線）を反射させるように制御されている。従って、視線検出用の赤外線は、光走査ミラー９が赤外線反射面２８に向けて反射しているときだけ、使用者の眼球１４に照射されることにより、そのときだけ、視線方向が検出されるように構成されている。
【００４６】
そして、上述した以外の第７の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第７の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【００４７】
図１６は、本発明の第８の実施例を示す図である。尚、第２の実施例及び第７の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第８の実施例では、第７の実施例において、可視光光源７と赤外線光源８を、１つの光源２３で置き替えるように構成したもの、即ち、第２の実施例を組み合わせたものである。従って、第８の実施例によれば、第２の実施例及び第７の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すスキャン型ディスプレイ装置の上面図
【図２】スキャン型ディスプレイ装置の側面図
【図３】スキャン型ディスプレイ装置の斜視図
【図４】視線方向の検出原理を示す図
【図５】視線方向の検出原理を示す図
【図６】透過型のホログラフィック光学素子の角度依存性を示す図
【図７】反射型のホログラフィック光学素子の角度依存性を示す図
【図８】ホログラフィック光学素子の波長選択性を示す図
【図９】本発明の第２の実施例を示す図１相当図
【図１０】本発明の第３の実施例を示す図１相当図
【図１１】図２相当図
【図１２】本発明の第４の実施例を示す図１相当図
【図１３】本発明の第５の実施例を示す図１相当図
【図１４】本発明の第６の実施例を示す図１相当図
【図１５】本発明の第７の実施例を示す図３相当図
【図１６】本発明の第８の実施例を示す図３相当図
【符号の説明】
１はスキャン型ディスプレイ装置、２は光源、４は光走査ユニット、５は光走査ドライバ、６は反射光学系、７は可視光光源、８は赤外線光源、９は光走査ミラー、１０は光走査手段、１１は凹面鏡、１２は反射面（画像投影面）、１４は眼球、１５は水晶体、１６は網膜、１８は視線検出装置、２１はホログラフィック光学素子、２２は赤外線センサ、２３は光源、２４は分光フィルタ、２５は反射装置、２６は反射面、２７はホログラフィック光学素子、２８は赤外線反射面を示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用者の頭部に装着して使用するＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）に好適するスキャン型ディスプレイ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＭＤは、従来より、テレビ番組や映画の視聴用を主目的にして市販されている。ＨＭＤに採用されている表示方式の原理は、液晶ディスプレイなどの２次元平面ディスプレイからの映像を、光学系を用いて使用者の目に導いて知覚させる仕組みである。この構成の場合、頭部に固定された装置を基準として常に固定された映像が与えられるだけであった。このため、使用者が視線を動かしたり、頭を振ったりしても、見える映像は変化しないことから、使用者に不快感を与えることがあった。
【０００３】
これに対して、使用者の視線を検出したり、使用者の頭部が向いている方向を検出したりして、その検出結果に応じて映像を変化させる方式が考えられる。ここで、頭部が向いている方向を検出する装置として、磁気センサやジャイロセンサを使用する装置がある。また、視線を検出する方法として、強膜反射法や角膜反射法やサーチコイル法等があり、いずれも視線検出装置として実際に市販されている。しかし、上述したような視線検出装置や頭部方向検出装置を、ＨＭＤに組み込んだ構成は、民生品としては市販されていない。これは、従来の視線検出装置や頭部方向検出装置は、十分に小型化されていないので、それらをＨＭＤに組み込むと、全体の構成が大型化してしまい、実用に適しないためであると推定される。
【０００４】
さて、近年になって、ＨＭＤにスキャン型ディスプレイ装置を使用することが考えられている。このスキャン型ディスプレイ装置においては、ちょうどブラウン管の内部において電子銃からスクリーンに２次元的にラスタスキャンすることによって映像を投影することと同様にして、レーザのような点光源から光線を何らかの投影面上に直接２次元走査させて画像を表示して知覚させている。このディスプレイ装置は、２次元的な大きさを持つディスプレイが不要となるので、高画質・高精度の画像を小型軽量の装置で実現する場合に好適するものと考えられる。従って、ＨＭＤのような頭部に装着する小型のディスプレイに上記スキャン型ディスプレイ装置を適用すると、その優位性が発揮されると予想される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記スキャン型ディスプレイ装置に視線検出装置を組み込もうとした場合、従来の構成では、スキャン型ディスプレイ装置の光学系とは別に視線検出装置の光学系を備える必要があり、全体の構成が大きくなってしまい、あまり小型化できない。
【０００６】
また、スキャン型ディスプレイ装置を最も小型化した構成として、使用者の眼の網膜に直接投影して知覚させるようにした構成が考えられている。しかし、この構成の場合、原理的に射出瞳が小さい、即ち、正常な像を知覚するために使用者の瞳が位置すべき領域が小さいので、視線を動かすことにより眼球が移動すると、映像が歪められたりして見えなくなることが指摘されている。これを防ぐには、移動する眼球の位置を検出して（即ち、視線を検出して）、それに合わせて表示画像を移動させるようにすれば良い。このような対策を実現するためには、視線検出装置を組み込むように構成すれば良いが、小型・軽量化を損なってしまうという問題点が発生する。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、スキャン型ディスプレイ装置に視線検出装置を組み込みながら、全体の構成の小型・軽量化を実現することができるスキャン型ディスプレイ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、スキャン型ディスプレイ装置の光学系を共用しながら使用者の視線方向を検出する視線検出装置を組み込み、前記視線検出装置は、使用者の瞳に不可視光線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成され、前記不可視光線は、画像情報を２次元的に表示するための光走査手段に対して一旦照射されてから使用者の眼球へ照射されるように構成され、画像投影面に特定波長の光のみを特定方向に反射する機能を有するホログラフィック光学素子を設置し、前記光走査手段により、画像投影面に反射された視線方向検知用の不可視光線は、前記ホログラフィック光学素子により使用者の眼球へ反射されるように構成したので、小型・軽量化を実現することができる。
【０００９】
また、請求項２の発明のように、光源から射出された光を光走査手段により使用者の頭部付近の投影面上に走査することにより像を生じさせて知覚させるスキャン型ディスプレイ装置において、前記スキャン型ディスプレイ装置の光学系を共用しながら使用者の視線方向を検出する視線検出装置を組み込み、前記視線検出装置は、使用者の瞳に不可視光線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成され、前記不可視光線は、画像情報を２次元的に表示するための光走査手段に対して一旦照射されてから使用者の眼球へ照射されるように構成され、前記光走査手段の反射鏡上に、特定波長の光のみを特定方向に反射する機能を有するホログラフィック光学素子を配設し、前記ホログラフィック光学素子により前記不可視光線のみが反射され、前記反射鏡により前記可視光線が反射されるように構成されていることが好ましい。
【００１０】
また、請求項３の発明のように、光源から射出された光を光走査手段により使用者の頭部付近の投影面上に走査することにより像を生じさせて知覚させるスキャン型ディスプレイ装置において、前記スキャン型ディスプレイ装置の光学系を共用しながら使用者の視線方向を検出する視線検出装置を組み込み、前記視線検出装置は、使用者の瞳に不可視光線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成され、前記不可視光線は、画像情報を２次元的に表示するための光走査手段に対して一旦照射されてから使用者の眼球へ照射されるように構成され、前記光走査手段により、画像投影面に反射された視線方向検知用の不可視光線は、可視光線用の画像反射面とは別の反射面により使用者の眼球へ反射されるように構成されていることがより一層好ましい。
【００１１】
また、請求項４の発明のように、前記不可視光線と、画像情報を表示するための可視光線を、同一の光源から射出させるように構成することが好ましい。
【００１２】
また、請求項５の発明のように、前記光走査手段により、画像投影面に反射された視線方向検知用の不可視光線は、画像情報を表示するための可視光線と異なる経路で使用者の眼球へ照射されるように構成することが好ましい。更に、請求項６の発明のように、前記画像投影面がハーフミラーであることが好ましい。更にまた、請求項７の発明のように、前記不可視光線は赤外線であることが好ましい。また、請求項８の発明のように、前記不可視光線の光源は、画像情報を表示するための可視光線の光源と並べて設置されていることがより一層好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の実施例について、図１ないし図８を参照しながら説明する。まず、図３は、本実施例のスキャン型ディスプレイ装置の全体構成を概略的に示す斜視図である。この図３に示すように、スキャン型ディスプレイ装置１は、光源２、光変調器３、光走査ユニット４、光走査ドライバ５、反射光学系６等を備えて構成されている。
【００１７】
上記光源２は、図１に示すように、画像表示用の可視光線を射出する可視光光源７と、視線検出用の不可視光線である例えば赤外線を射出する赤外線光源８とから構成されている。これら可視光光源７及び赤外線光源８は、同一場所に並んで配置されている。
【００１８】
上記光変調器３は、光源２（可視光光源７）からの可視光線を、使用者に与える映像情報に応じて変調する機能を有している。光走査ユニット４は、光変調器３からの光信号を２次元画像情報にする機能を有しており、走査運動するように設けられた光走査ミラー（反射鏡）９を備えている。光走査ドライバ５は、光走査ユニット４の光走査ミラー９を走査運動させるように駆動するものである。この場合、光走査ミラー９、光走査ユニット４、光走査ドライバ５から光走査手段１０が構成されている。
【００１９】
また、反射光学系６は、例えばハーフミラーからなる凹面鏡１１を備えており、この凹面鏡１１の反射面１２が画像投影面を構成している。そして、この反射面１２上に上記光走査ミラー９によって投影された２次元画像情報１３は、使用者の眼球１４の水晶体１５により集光されて、眼球１４内の網膜１６上に結像されるように構成されている。これにより、使用者は、上記２次元画像情報１３を知覚する。尚、図３において、符号１７で示す２次元画像情報は、網膜１６上の結像である。
【００２０】
次に、上記スキャン型ディスプレイ装置１に組み込まれた視線検出装置１８について説明する。この視線検出装置１８は、いわゆる強膜反射法によって視線方向を検出する装置である。ここで、強膜反射法について、図４及び図５を参照して簡単に説明する。強膜反射法は、眼球１４の表面の角膜（いわゆる黒目）１９と強膜（いわゆる白目）２０の境界で光の反射率が異なることを利用して眼球１４の位置を検出する方法である。
【００２１】
具体的には、図４及び図５に示すように、眼球１４の表面の例えば４か所のスポットエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに例えば赤外線を照射し、その反射光の光量を赤外線センサで測定し、その検出値（電圧値）によって、眼球１４の位置を検出している。この場合、眼球１４が左を見ている場合には、図４に示すように、４か所のスポットエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの反射光の検出値は、それぞれ図４にて４つのグラフで示すようになる。そして、垂直方向Ａ＋Ｂの検出値と、水平方向Ｃ−Ｄの検出値が、図４にて２つのグラフで示すようになる。従って、これら垂直方向Ａ＋Ｂの検出値と水平方向Ｃ−Ｄの検出値によって、眼球１４が左を見ているということを検出できるのである。
【００２２】
これに対して、眼球１４が中心を見ている場合には、図５に示すように、４か所のスポットエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの反射光の検出値は、それぞれ図５にて４つのグラフで示すようになる。そして、垂直方向Ａ＋Ｂの検出値と、水平方向Ｃ−Ｄの検出値が、図５にて２つのグラフで示すようになる。従って、これら垂直方向Ａ＋Ｂの検出値と水平方向Ｃ−Ｄの検出値によって、眼球１４が中心を見ているということを検出できるのである。
【００２３】
さて、上記視線検出装置１８は、図１及び図２に示すように、凹面鏡１１の反射面１２上に配設された例えば４個のホログラフィック光学素子２１と、これらホログラフィック光学素子２１の上方及び下方に位置して配設された例えば４個の赤外線センサ２２とから構成されている。
【００２４】
ホログラフィック光学素子２１は、特定方向からの特定波長の光のみを特定方向に反射する機能を有している（この機能の詳細については後述する）。そこで、本実施例では、上記４個のホログラフィック光学素子２１は、赤外線光源８から射出されて光走査ミラー９で反射して到来した赤外線だけを、使用者の眼球１４の表面の所定の位置、具体的には、瞳近傍の角膜１９と強膜２０の境界付近（例えば図４及び図５に示すスポットエリアＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）へ反射させるように設定されている。
【００２５】
そして、眼球１４で反射した赤外線は、上記４個の赤外線センサ２２により検出され、これらの反射赤外線の検出結果に基づいて、使用者の視線方向が検出されるように構成されている。尚、可視光光源７から射出された可視光線も、上記赤外線と同様にして光走査ミラー９で反射してホログラフィック光学素子２１に到来するが、ホログラフィック光学素子２１は上記可視光線を反射しない。
【００２６】
また、本実施例のスキャン型ディスプレイ装置１においては、可視光光源７から射出された可視光線と赤外線光源８から射出された赤外線は、光走査ミラー９上の同一点に照射され、走査運動される光走査ミラー９によって反射されて凹面鏡１１の反射面（画像投影面）１２に照射されるように構成されている。上記反射面１２は、可視光線だけを全反射または一部反射して使用者の眼球１４へ照射するものである。
【００２７】
そして、上記構成の場合、光走査ミラー９が、赤外線及び可視光線をホログラフィック光学素子２１へ照射するように反射する位置にあるときだけ、赤外線がホログラフィック光学素子２１で反射されて使用者の眼球１４の表面の所定の位置へ照射され、このときだけ、使用者の視線方向が検出されるように構成されている。これにより、赤外線が無闇に照射されない構成となるから、赤外線センサ２２の精度を確保することができる。
【００２８】
ここで、ホログラフィック光学素子２１の機能について、図６ないし図８を参照して説明する。まず、図６は、透過型のホログラフィック光学素子の角度依存性を示している。この場合、波長が等しい光線１と光線２が透過型のホログラフィック光学素子に対して照射されているが、光線１の方向から照射された場合、ある特定の方向に回折されるのに対して、光線２の方向から照射された場合、そのまま透過する構成となっている。
【００２９】
また、図７は、反射型のホログラフィック光学素子の角度依存性を示している。この場合、波長が等しい光線１と光線２が反射型のホログラフィック光学素子に対して照射されているが、光線１の方向から照射された場合、ある特定の方向に回折されるのに対して、光線２の方向から照射された場合、反射せずに透過する構成となっている。
【００３０】
更に、図８は、ホログラフィック光学素子の波長選択性を示している。この場合、波長が異なる光線１と光線２がホログラフィック光学素子に対して照射されているが、外界からの光である光線１は、ホログラフィック光学素子をそのまま透過するが、表示デバイスからの光線２は、ホログラフィック光学素子により観察者の方へ回折されて、光線１と重なって観察者（使用者）に知覚されるように構成されている。
【００３１】
このような構成の本実施例によれば、スキャン型ディスプレイ装置１の光学系（光走査手段１０や反射光学系６等）を共用しながら使用者の視線方向を検出する視線検出装置１８を、スキャン型ディスプレイ装置１に組み込むように構成したので、小型・軽量化を実現することができる。この構成の場合、視線検出装置１８は、使用者の瞳に不可視光線として赤外線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成されているので、視線方向の検出動作を使用者が知覚することがない。
【００３２】
そして、上記実施例の場合、赤外線の光源８を、画像情報を表示するための可視光線の光源７と並べて（即ち、同一場所に）設置したので、装置全体の構成を小型化することができる。また、上記実施例においては、光走査手段１０の凹面鏡（反射鏡）１１上に、ホログラフィック光学素子２１を配設するように構成したので、構成の小型化をより高めることができる。この場合、ホログラフィック光学素子２１により赤外線のみが反射され、凹面鏡１１の反射面１２により可視光線が反射されるように構成したので、赤外線が無闇に照射されない構成となり、赤外線センサ２２の精度を確保することができる。
【００３３】
尚、上記実施例では、スキャン型ディスプレイ装置１の画像投影面をハーフミラーからなる凹面鏡１１の反射面１２としたが、これに限られるものではなく、スキャン型ディスプレイ装置の画像投影面を例えば使用者の網膜としても良い。このように構成すると、スキャン型ディスプレイ装置の構成を最も小型化することができる。
【００３４】
図９は、本発明の第２の実施例を示す図である。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第２の実施例では、可視光光源７と赤外線光源８を、１つの光源２３で置き替えるように構成したものである。この光源２３は、その発光波長が可視光光源７及び赤外線光源８の発光波長を網羅している。そして、光源２３と光走査ミラー９との間に、分光フィルタ２４を配設している。この分光フィルタ２４は、光源２３から射出される光の中から可視光線と赤外線の波長に対応する光だけを分離して利用するためのものである。
【００３５】
尚、上述した以外の第２の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。特に、第２の実施例では、可視光光源７と赤外線光源８を１つの光源２３で置き替えるように構成したので、構成をより一層小型化することができる。
【００３６】
図１０及び図１１は、本発明の第３の実施例を示す図である。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第３の実施例では、表示画像を投影する反射面１２の後方に、視線検出用の赤外線を反射する反射装置２５を設けた。尚、反射装置２５を反射面１２の前方に配置しても良い。
【００３７】
上記反射装置２５の反射面２６は、赤外線のみを反射し、他の光線を透過させる機能を有しており、このような機能を有する反射鏡で反射装置２５を構成すれば良い。また、凹面鏡１１の反射面１２は、可視光線のみを反射し、他の光線を透過させる機能を有しており、このような機能を有する反射鏡（例えばダイクロイックミラー）で凹面鏡１１を構成すれば良い。尚、凹面鏡１１の反射面１２上には、ホログラフィック光学素子２１は設けられていない。そして、反射装置２５の反射面２６上に、赤外線センサ２２が設けられている。
【００３８】
また、上述した以外の第３の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第３の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【００３９】
図１２は、本発明の第４の実施例を示す図である。尚、第２の実施例及び第３の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第４の実施例では、第３の実施例において、可視光光源７と赤外線光源８を、１つの光源２３で置き替えるように構成したもの、即ち、第２の実施例を組み合わせたものである。従って、第４の実施例によれば、第２の実施例及び第３の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【００４０】
図１３は、本発明の第５の実施例を示す図である。尚、第３の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第５の実施例では、第３の実施例において、光走査ミラー９の上面（反射面）にホログラフィック光学素子２７を配設した。このホログラフィック光学素子２７は、赤外線光源８からの赤外線を、反射面と光源８との角度が特定の角度のときだけ、凹面鏡１１及び反射装置２５へ向けて反射するように構成されている。
【００４１】
即ち、視線検出用の赤外線は、光走査ミラー９（ホログラフィック光学素子２７）の反射面と赤外線光源８との角度が特定の角度のときだけ、使用者の眼球１４に照射され、そのときだけ、視線方向の検出が実行されるように構成されている。
【００４２】
尚、上述した以外の第５の実施例の構成は、第３の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第５の実施例においても、第３の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。また、第５の実施例によれば、視線検出用の赤外線が無闇に照射されない構成となる。
【００４３】
図１４は、本発明の第６の実施例を示す図である。尚、第２の実施例及び第５の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第６の実施例では、第５の実施例において、可視光光源７と赤外線光源８を、１つの光源２３で置き替えるように構成したもの、即ち、第２の実施例を組み合わせたものである。従って、第６の実施例によれば、第２の実施例及び第５の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【００４４】
図１５は、本発明の第７の実施例を示す図である。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第７の実施例では、凹面鏡１１の反射面１２の外側に、赤外線のみを反射する赤外線反射面２８を設けた。具体的には、凹面鏡１１として、第１の実施例よりも大きいものを用意し、その内面に、可視光線のみを反射する反射面１２と、この反射面１２の外側に位置して赤外線反射面２８とを設けたものである。尚、赤外線センサ２２は、赤外線反射面２８上に配設している。また、ホログラフィック光学素子は設けていない。
【００４５】
上記構成の場合、光走査ミラー９は、可視光線（及び赤外線）を反射面１２に面走査させるときに、１回または複数回の面走査に１回程度、赤外線反射面２８に向けて赤外線（及び可視光線）を反射させるように制御されている。従って、視線検出用の赤外線は、光走査ミラー９が赤外線反射面２８に向けて反射しているときだけ、使用者の眼球１４に照射されることにより、そのときだけ、視線方向が検出されるように構成されている。
【００４６】
そして、上述した以外の第７の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第７の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【００４７】
図１６は、本発明の第８の実施例を示す図である。尚、第２の実施例及び第７の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第８の実施例では、第７の実施例において、可視光光源７と赤外線光源８を、１つの光源２３で置き替えるように構成したもの、即ち、第２の実施例を組み合わせたものである。従って、第８の実施例によれば、第２の実施例及び第７の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示すスキャン型ディスプレイ装置の上面図
【図２】スキャン型ディスプレイ装置の側面図
【図３】スキャン型ディスプレイ装置の斜視図
【図４】視線方向の検出原理を示す図
【図５】視線方向の検出原理を示す図
【図６】透過型のホログラフィック光学素子の角度依存性を示す図
【図７】反射型のホログラフィック光学素子の角度依存性を示す図
【図８】ホログラフィック光学素子の波長選択性を示す図
【図９】本発明の第２の実施例を示す図１相当図
【図１０】本発明の第３の実施例を示す図１相当図
【図１１】図２相当図
【図１２】本発明の第４の実施例を示す図１相当図
【図１３】本発明の第５の実施例を示す図１相当図
【図１４】本発明の第６の実施例を示す図１相当図
【図１５】本発明の第７の実施例を示す図３相当図
【図１６】本発明の第８の実施例を示す図３相当図
【符号の説明】
１はスキャン型ディスプレイ装置、２は光源、４は光走査ユニット、５は光走査ドライバ、６は反射光学系、７は可視光光源、８は赤外線光源、９は光走査ミラー、１０は光走査手段、１１は凹面鏡、１２は反射面（画像投影面）、１４は眼球、１５は水晶体、１６は網膜、１８は視線検出装置、２１はホログラフィック光学素子、２２は赤外線センサ、２３は光源、２４は分光フィルタ、２５は反射装置、２６は反射面、２７はホログラフィック光学素子、２８は赤外線反射面を示す。
Claims (8)
- 光源から射出された光を光走査手段により使用者の頭部付近の投影面上に走査することにより像を生じさせて知覚させるスキャン型ディスプレイ装置において、
前記スキャン型ディスプレイ装置の光学系を共用しながら使用者の視線方向を検出する視線検出装置を組み込み、
前記視線検出装置は、使用者の瞳に不可視光線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成され、
前記不可視光線は、画像情報を２次元的に表示するための光走査手段に対して一旦照射されてから使用者の眼球へ照射されるように構成され、
画像投影面に特定波長の光のみを特定方向に反射する機能を有するホログラフィック光学素子を設置し、
前記光走査手段により、画像投影面に反射された視線方向検知用の不可視光線は、前記ホログラフィック光学素子により使用者の眼球へ反射されるように構成されていることを特徴とするスキャン型ディスプレイ装置。 - 光源から射出された光を光走査手段により使用者の頭部付近の投影面上に走査することにより像を生じさせて知覚させるスキャン型ディスプレイ装置において、
前記スキャン型ディスプレイ装置の光学系を共用しながら使用者の視線方向を検出する視線検出装置を組み込み、
前記視線検出装置は、使用者の瞳に不可視光線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成され、
前記不可視光線は、画像情報を２次元的に表示するための光走査手段に対して一旦照射されてから使用者の眼球へ照射されるように構成され、
前記光走査手段の反射鏡上に、特定波長の光のみを特定方向に反射する機能を有するホログラフィック光学素子光学素子を配設し、
前記ホログラフィック光学素子により前記不可視光線のみが反射され、前記反射鏡により前記可視光線が反射されるように構成されていることを特徴とするスキャン型ディスプレイ装置。 - 光源から射出された光を光走査手段により使用者の頭部付近の投影面上に走査することにより像を生じさせて知覚させるスキャン型ディスプレイ装置において、
前記スキャン型ディスプレイ装置の光学系を共用しながら使用者の視線方向を検出する視線検出装置を組み込み、
前記視線検出装置は、使用者の瞳に不可視光線を照射し、その反射光に基づいて視線方向を検出するように構成され、
前記不可視光線は、画像情報を２次元的に表示するための光走査手段に対して一旦照射されてから使用者の眼球へ照射されるように構成され、
前記光走査手段により、画像投影面に反射された視線方向検知用の不可視光線は、可視光線用の画像反射面とは別の反射面により使用者の眼球へ反射されるように構成されていることを特徴とするスキャン型ディスプレイ装置。 - 前記不可視光線と、画像情報を表示するための可視光線は、同一の光源から射出されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のスキャン型ディスプレイ装置。
- 前記光走査手段により、画像投影面に反射された視線方向検知用の不可視光線は、画像情報を表示するための可視光線と異なる経路で使用者の眼球へ照射されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のスキャン型ディスプレイ装置。
- 前記画像投影面がハーフミラーであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のスキャン型ディスプレイ装置。
- 前記不可視光線は赤外線であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のスキャン型ディスプレイ装置。
- 前記不可視光線の光源は、画像情報を表示するための可視光線の光源と並べて設置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のスキャン型ディスプレイ装置。
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