JP6268747B2 - 画像表示装置及び画像表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示装置及び画像表示方法に関する。

従来、画像表示装置の一つとしてＨＭＤ（Head Mounted Display）が知られている。ＨＭＤは、使用者が装着して、単眼又は両眼で表示画面を見ることができる。使用者は、ＨＭＤに表示された各種情報を見ながら両手を自由に使用することができる。ＨＭＤ用の画像表示装置の投影方式としては、例えば、ハーフミラー等を用いて虚像を形成する虚像投影方式と、網膜上に直接映像を投影する網膜投影方式とが提案されている。網膜投影方式では、眼の網膜上にレーザ光を走査することで、使用者に画像を認識させる画像表示装置が提案されている。レーザ光を用いる網膜投影方式は、走査したレーザ光を、一旦、瞳孔に集光させて網膜に投射するマックスウェル視を用いることで、使用者に大きな映像を視認させることができる。また、レーザ光を用いる網膜投影方式は、近視、遠視及び老眼等の水晶体で焦点を合わせることができない人に対しても、鮮明な映像を提供できる。

特開平６−２５９０３１号公報 特開２００９−３３１９号公報

しかしながら、レーザ光を用いる網膜投影方式の画像表示装置は、アイコンやメッセージ等の動きのない又は動きの少ない画像を表示すると、使用者の網膜上の同じ位置に同色の光が照射され続けることになる。使用者の眼は、当該画像を見ることで網膜上の同じ位置に同色の光が照射され続ける、その後画像が消去されると、使用者の眼は、当該画像の補色が残像として残る補色残像が発生する。補色残像は、例えば、人が赤を見た場合に、網膜の赤に対する錯体の感度が低下し、赤の補色であるシアンを感知する網膜の錯体の感度が上昇する生理現象によるものである。このため、レーザ光を用いる網膜投影方式の画像表示装置の使用者は、使用後に色が正確に認識しにくくなる可能性がある。

一つの側面では、残像の発生を防止できる画像表示装置及び画像表示方法を提供することにある。

開示の技術は、一つの態様において、所定のタイミングに応じて、入力された画像の色を補色又は黒色に変更して異色画像を生成し、入力された画像である通常画像を、前記異色画像に切り替えて、レーザ光を網膜に照射して表示する表示画像として出力する。

開示の技術は、残像の発生を防止できる。

図１は、本実施例の画像表示装置の構成の一例を示すブロック図である。 図２は、本実施例の画像表示装置の外観の一例を示す説明図である。 図３は、モード切替タイミングの一例を示すタイミングチャートである。 図４は、本実施例の画像表示装置の処理の一例を示すフローチャートである。 図５は、画像表示プログラムを実行する画像表示機器の一例を示す説明図である。

以下、図面に基づいて、本願の開示する画像表示装置及び画像表示方法の実施例を詳細に説明する。なお、本実施例により、開示技術が限定されるものではない。また、以下の実施例は、矛盾しない範囲で適宜組みあわせてもよい。

図１は、本実施例の画像表示装置の構成の一例を示すブロック図である。図１に示す画像表示装置１０は、網膜走査型の画像表示装置である。画像表示装置１０は、制御部１１と、光源部１２と、ミラー１３と、レンズ１４と、バッテリ１５とを有する。また、制御部１１は、タイマ部１６と、検出部１７と、選択部１８と、出力部１９とを有する。

画像表示装置１０は、例えば、メガネに取り付け可能な画像表示装置である。図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施例の画像表示装置の外観の一例を示す説明図である。図２（ａ）は、メガネ５０に画像表示装置１０を取り付けた状態の上面図である。図２（ｂ）は、メガネ５０に画像表示装置１０を取り付けた状態の正面図である。図２（ｃ）は、メガネ５０に画像表示装置１０を取り付けた状態の右側面図である。図２（ａ）〜（ｃ）に示す画像表示装置１０は、メガネ５０の左目側に取り付けられ、メガネ５０を装着した使用者がハーフミラー３０を介して、左目で映像を見ることができるシースルー型の画像表示装置である。

図１の説明に戻って、光源部１２は、出力部１９から出力された映像信号が入力される。光源部１２は、例えば、ＲＧＢ（赤、緑、青）各色のレーザダイオードを有する。光源部１２は、映像信号に応じて、ＲＧＢ（赤、緑、青）各色のレーザ光を出力する。

ミラー１３は、光源部１２から出力されたレーザ光を受光し、レーザ光をレンズ１４に向けて反射する。ミラー１３は、反射面の角度を変化させることで、反射するレーザ光を２次元に走査する。ミラー１３は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーを用いることができる。ミラー１３は、例えば、レーザ光を水平走査周波数４５ｋＨｚ、垂直走査周波数６０Ｈｚで走査して、１２８０×７２０ドットの画面を、レンズ１４を介して網膜上に投射することができる。

レンズ１４は、ミラー１３で反射されたレーザ光が入射する。レンズ１４は、レーザ光を屈折し、眼球内で集光して網膜上に結像可能に出射する。レンズ１４は、使用者の眼球内で集光できればよく、例えば、凸レンズ又はメニスカスレンズを用いることができる。または、レンズ１４は、凸レンズ、凹レンズ、および、メニスカスレンズを、それぞれ組み合わせてもよい。また、レンズ１４は、色収差の影響を少なくするために、アクロマートレンズを用いてもよい。

バッテリ１５は、画像表示装置１０の電源である。バッテリ１５は、画像表示装置１０の各部に電力を供給する。バッテリ１５は、例えば、リチウムイオンポリマー電池、リチウムイオン電池及びニッケル水素電池等の二次電池を用いることができる。バッテリ１５は、図示しない外部電源から充電することができる。また、バッテリ１５は、アルカリ電池等の一次電池を用いてもよい。

タイマ部１６は、人間の視覚サンプリング周期、例えば、臨界融合周波数（Critical Flicker Frequency；CFF）以上のタイミングでトリガを出力する。臨界融合周波数は、人間が光の明暗の変化について知覚できるか否かの境界の周波数である。人間は、臨界融合周波数以上の明暗の変化は知覚することができず、融合して一定の明るさの光と同様に知覚する。臨界融合周波数は、一般的に３０Ｈｚから４０Ｈｚ程度である。トリガは、例えば、アクティブ“Ｈ”のパルス信号とする。トリガの出力タイミングは、例えば、４０Ｈｚとすることができる。

検出部１７は、バッテリ１５の残量を検出する。検出部１７は、バッテリ１５の電圧等を監視して残量情報を出力部１９に出力する。

選択部１８は、タイマ部１６からトリガが入力される。選択部１８は、トリガに応じて、本来表示すべき画像と、残像を防止するための画像とのうち、どちらを表示するか選択する。選択部１８は、本来表示すべき画像（通常画像）を表示するモードを通常モードとする。また、選択部１８は、残像を防止するための画像（異色画像）を表示するモードを異色モードとする。選択部１８は、トリガが“Ｈ”の場合、通常モードに設定し、トリガが“Ｌ”の場合、異色モードに設定する。選択部１８は、通常モードに設定した場合、通常モードのモード情報を出力部１９に対して出力する。選択部１８は、異色モードに設定した場合、異色モードのモード情報を出力部１９に対して出力する。

すなわち、選択部１８は、通常画像が網膜の同一点に対して投影されている状態を継続させないために、異色画像を定期的に選択する。このとき、選択部１８は、異色画像が表示されることを使用者が認識できないように、人間の視覚サンプリング周期、例えば、臨界融合周波数に同期して、異色画像を定期的に選択する。

ここで、トリガとモードの関係を、図３を用いて説明する。図３は、モード切替タイミングの一例を示すタイミングチャートである。選択部１８は、トリガが“Ｌ”から“Ｈ”になると、トリガの立ち下がりに同期してモード設定信号を“Ｈ”とする。選択部１８は、モード設定信号の立ち上がりのタイミングで、通常モードを“Ｈ”に、異色モードを“Ｌ”に設定する。選択部１８は、トリガが“Ｈ”から“Ｌ”になると、モード設定信号を“Ｌ”とする。選択部１８は、モード設定信号の立ち下がりで、通常モードが“Ｈ”でありトリガが“Ｌ”であると、再度、モード設定信号を“Ｌ”から“Ｈ”にする。つまり、選択部１８は、トリガのパルス１つにつき、モード設定信号のパルスを２つ発生する。選択部１８は、２つ目のモード設定信号の立ち上がりのタイミングで、通常モードを“Ｌ”に、異色モードを“Ｈ”に設定する。なお、選択部１８は、図示しないクロック信号を用いて、トリガ、モード設定信号、通常モード及び異色モードをクロック同期として動作させてもよい。ここで、通常モードのデューティ比は特に限定されないが、例えば、５０％以下が好ましく、なるべく低下させる方がよい。図３の例では、トリガのパルス幅を、例えば、１ｍｓｅｃとすると、トリガ周期が２５ｍｓｅｃであるので、トリガのデューティ比は４％となる。通常モードは、トリガに応じたモード設定信号によって設定され、通常モードのデューティ比は、例えば、４％〜５％程度とすることができる。ここで、選択部１８は、現在受け取った映像信号が、前回受け取った映像信号と差異がない場合は、図３のようなタイミングチャートで稼働することが望ましい。また、選択部１８は、例えば、現在受け取った映像信号が、前回受け取った映像信号と差異がある場合は、トリガのパルス１つ分以上だけ通常モードに固定することが望ましい。短時間でモードを切り替える目的は、集光点の変化による映像の変化を人間に認識させないことであり、受け取った映像が変化した場合は、人間に認識させる必要があるからである。

図１の説明に戻って、出力部１９は、選択部１８からモード情報が入力される。また、出力部１９は、外部から表示画像の映像信号が入力される。出力部１９は、異色画像を生成する生成部と、通常画像と異色画像とを切替えて出力する出力部とを有する。出力部１９は、モード情報に基づいて、入力された表示画像の色を変更して異色画像を生成するか否かを判定する。出力部１９は、モード情報が通常モードである場合、入力された表示画像の色を変更せずに、そのまま通常画像とする。出力部１９は、モード情報が異色モードである場合、検出部１７で検出した残量情報に基づいて、バッテリ残量が所定値以下であるか否かを判定する。バッテリ残量の所定値は、例えば、５０％、４０％、３０％、２０％又は１０％とすることができる。出力部１９は、バッテリ残量が所定値以下である場合、異色画像として黒色画像を生成する。出力部１９は、バッテリ残量が所定値よりも多い場合、異色画像として補色画像を生成する。出力部１９は、通常画像、黒色画像又は補色画像の映像信号を光源部１２の各レーザダイオードを駆動可能な映像信号に変換する。出力部１９は、光源部１２に対して変換した映像信号を出力する。すなわち、出力部１９は、臨界融合周波数に応じて、通常画像に異色画像を挿入した映像信号を出力する。

次に、本実施例の画像表示装置の動作について説明する。図４は、本実施例の画像表示装置の処理の一例を示すフローチャートである。なお、各種設定値等は、制御部１１内に設けた図示しない記憶部に記憶し、適宜読み書き可能であるとする。

画像表示装置１０は、電源が投入されると初期設定を実行する（ステップＳ１）。制御部１１は、各部に対して予め設定された初期値によって初期化を実行する。また、タイマ部１６は、トリガの出力を開始する。

選択部１８は、タイマ部１６から入力されるトリガを監視する（ステップＳ２）。選択部１８は、トリガが“Ｈ”であるか否かを判定する（ステップＳ３）。選択部１８は、トリガが“Ｈ”の場合（ステップＳ３：肯定）、モードを通常モードに設定する（ステップＳ４）。選択部１８は、トリガが“Ｌ”の場合（ステップＳ３：否定）、現在、通常モードであるか否かを判定する（ステップＳ５）。選択部１８は、現在、通常モードである場合（ステップＳ５：肯定）、モードを異色モードに設定する（ステップＳ６）。選択部１８は、現在、通常モードでない場合（ステップＳ５：否定）、つまり、現在、異色モードである場合、ステップＳ２に戻る。選択部１８は、モードを通常モードに設定した場合、通常モードのモード情報を出力部１９に対して出力する。選択部１８は、モードを異色モードに設定した場合、異色モードのモード情報を出力部１９に対して出力する。

出力部１９は、選択部１８から入力されたモード情報に基づいて、入力された表示画像の色を変更して異色画像を生成するか否かを判定する（ステップＳ７）。出力部１９は、モード情報が通常モードである場合（ステップＳ７：肯定）、入力された表示画像の色を変更せずに、そのまま通常画像とする。出力部１９は、通常画像の映像信号を光源部１２の各レーザダイオードを駆動可能な映像信号に変換する。出力部１９は、光源部１２に対して変換した映像信号を出力する（ステップＳ８）。

出力部１９は、モード情報が異色モードである場合（ステップＳ７：否定）、検出部１７で検出したバッテリの残量情報を参照する（ステップＳ９）。出力部１９は、残量情報に基づいて、バッテリ残量が所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。出力部１９は、バッテリ残量が所定値以下である場合（ステップＳ１０：肯定）、異色画像として黒色画像を生成する。出力部１９は、黒色画像の映像信号を光源部１２の各レーザダイオードを駆動可能な映像信号に変換する。出力部１９は、光源部１２に対して変換した映像信号を出力する（ステップＳ１１）。

出力部１９は、バッテリ残量が所定値よりも多い場合（ステップＳ１０：否定）、異色画像として補色画像を生成する。出力部１９は、補色画像の映像信号を光源部１２の各レーザダイオードを駆動可能な映像信号に変換する。出力部１９は、光源部１２に対して変換した映像信号を出力する（ステップＳ１２）。

出力部１９は、映像信号が引き続き入力されているか否かを判定する（ステップＳ１３）。出力部１９は、映像信号が入力されていない場合（ステップＳ１３：否定）、処理を終了する。出力部１９は、映像信号が入力されている場合（ステップＳ１３：肯定）、ステップＳ２に戻って、ステップＳ２からステップＳ１２までの処理を繰り返す。

続いて、異色画像について説明する。異色画像は、バッテリ残量に応じて黒色画像又は補色画像が選択される。黒色画像は、光源部１２のＲＧＢ（赤、緑、青）各色のレーザ光の輝度を０、つまり、出力をオフにして表現する。これにより、光源部１２は、通常画像に黒色画像を挿入して表示することで消費電力を低減でき、バッテリの消費を抑えることができる。

補色画像は、出力部１９が入力された表示画像の各ピクセルの色について補色を算出して生成する。出力部１９は、入力された表示画像の全てのピクセルで補色を算出して、補色画像を生成する。出力部１９は、選択部１８から入力されるモード情報に基づいて、通常画像に補色画像を挿入して表示することで、使用者の通常画像の色に対する感度が低下することを防止できる。つまり、出力部１９は、通常画像に補色画像を挿入して表示することで、使用者の通常画像の色に対する感度を向上させることができる。

ここで、補色の算出について説明する。補色の算出は、例えば、前提条件として、色をＲＧＢの混色で表現することと、ＲＧＢの各輝度を０〜２５５の２５６段階で表現するとする。出力部１９は、元の色について、ＲＧＢの各輝度値のうち最大値と最小値を決定する。出力部１９は、決定した最大値と最小値を加算して値Ｘを求める。出力部１９は、値Ｘから元の色のＲＧＢの各輝度値を引いた値を、補色のＲＧＢの各輝度値とする。

出力部１９は、例えば、黄色（Ｒ：２５５，Ｇ：２１６，Ｂ：３１）の補色を算出する場合、まず、各輝度値の最大値をＲの２５５と、最小値をＢの３１と決定する。出力部１９は、２５５と３１とを加算して、値Ｘを２８６と求める。出力部１９は、値Ｘから黄色のＲＧＢの各輝度値を引く。つまり、補色のＲは、２８６−２５５＝３１、補色のＧは、２８６−２１６＝７０、補色のＢは、２８６−３１＝２５５となる。これにより、出力部１９は、黄色の補色として、青（Ｒ：３１，Ｇ：７０，Ｂ：２５５）を算出する。

このように、画像表示装置１０は、所定のタイミングに応じて、入力された画像の色を補色又は黒色に変更して異色画像を生成し、入力された画像である通常画像を、異色画像に切り替えて、レーザ光を網膜に照射して表示する表示画像として出力する。その結果、残像の発生を防止できる。また、疲労及び集中力の低下を防止できる。

また、画像表示装置１０は、所定のタイミングとして、臨界融合周波数のタイミングを用いる。その結果、使用者に異色画像を認識させずに、使用者の通常画像の色に対する感度が低下することを防止できる。

また、画像表示装置１０は、異色画像として、バッテリの残量に応じた異色画像を生成する。その結果、残像を防止しつつ消費電力を低減でき、バッテリの消費を抑えることができる。

上記の実施例では、表示する画像を外部から入力したが、これに限定されない。表示する画像は、画像表示装置１０の内部に図示しない画像生成部を設けて、実行中のプログラムからの要求に応じて、表示する画像を生成するようにしてもよい。例えば、画像生成部は、予め複数のアイコン画像を記憶し、プログラムからの要求に応じて必要なアイコン画像を組み合わせて、表示する画像を生成することができる。なお、画像のデータ形式は特に限定されず、例えば、ビットマップ形式の画像データを用いることができる。

また、上記実施例では、画像表示装置１０としてシースルー型単眼式ＨＭＤへの適用を例として説明したが、これに限定されない。例えば、画像表示装置１０は、両眼式ＨＭＤとしてもよいし没入型ＨＭＤとしてもよい。また、画像表示装置１０は、映像信号のソースとして、ＰＣだけでなく、モバイル端末、ウェアラブルコンピュータ、及び、シミュレーション装置等、画像の表示を要する装置であれば、いずれも映像信号のソースとして適用できる。

また、図示した各部の各構成要素は、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各部の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を、各種の負荷や使用状況等に応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。

さらに、制御部で行われる各種処理機能は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）（又はＭＰＵ（Micro Processing Unit）、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）等のマイクロ・コンピュータ）上で、その全部又は任意の一部を実行するようにしても良い。また、各種処理機能は、ＣＰＵ（又はＭＰＵ、ＭＣＵ等のマイクロ・コンピュータ）で解析実行されるプログラム上、又はワイヤードロジックによるハードウェア上で、その全部又は任意の一部を実行するようにしても良いことは言うまでもない。

ところで、上記の実施例で説明した各種の処理は、予め用意されたプログラムを画像表示機器で実行することで実現できる。そこで、以下では、上記の実施例と同様の機能を有するプログラムを実行する画像表示機器の一例を説明する。図５は、画像表示プログラムを実行する画像表示機器の一例を示す説明図である。

図５に示す画像表示プログラムを実行する画像表示機器２００は、インタフェース部２１０と、ＲＡＭ（Random Access Memory）２１１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）２１２と、プロセッサ２１３とを有する。インタフェース部２１０は、外部のコンピュータ等と通信する。プロセッサ２１３は、画像表示機器２００全体を制御する。

そして、ＲＯＭ２１２には、上記実施例と同様の機能を発揮する画像表示プログラムが予め記憶されている。尚、ＲＯＭ２１２ではなく、図示せぬドライブで読取可能な記録媒体に画像表示プログラムが記録されていても良い。また、記録媒体としては、例えば、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤディスク、ＵＳＢメモリ等の可搬型記録媒体、フラッシュメモリ等の半導体メモリ等でも良い。画像表示プログラムとしては、図５に示すように、タイマプログラム２１２Ａ、検出プログラム２１２Ｂ、選択プログラム２１２Ｃ及び出力プログラム２１２Ｄである。尚、プログラム２１２Ａ〜２１２Ｄについては、適宜統合又は分散してもよい。また、ＲＡＭ２１１には、各種設定値等が記憶してある。

そして、プロセッサ２１３が、これらのプログラム２１２Ａ〜２１２ＤをＲＯＭ２１２から読み出し、これらの読み出された各プログラムを実行する。そして、プロセッサ２１３は、図５に示すように、各プログラム２１２Ａ〜２１２Ｄを、タイマプロセス２１３Ａ、検出プロセス２１３Ｂ、選択プロセス２１３Ｃ及び出力プロセス２１３Ｄとして機能することになる。

プロセッサ２１３は、所定のタイミングに応じて、入力された画像の色を補色又は黒色に変更して異色画像を生成し、入力された画像である通常画像を、異色画像に切り替えて、レーザ光を網膜に照射して表示する表示画像として出力する。その結果、残像の発生を防止できる。また、疲労及び集中力の低下を防止できる。

以上、本実施例を含む実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）所定のタイミングに応じて、入力された画像の色を補色又は黒色に変更して異色画像を生成する生成部と、
入力された画像である通常画像を、前記異色画像に切り替えて、レーザ光を網膜に照射して表示する表示画像として出力する出力部と
を有することを特徴とする画像表示装置。

（付記２）前記生成部は、前記所定のタイミングとして、臨界融合周波数のタイミングを用いることを特徴とする付記１に記載の画像表示装置。

（付記３）前記生成部は、前記異色画像として、バッテリの残量に応じた異色画像を生成することを特徴とする付記１又は２に記載の画像表示装置。

（付記４）所定のタイミングに応じて、入力された画像の色を補色又は黒色に変更して異色画像を生成し、
入力された画像である通常画像を、前記異色画像に切り替えて、レーザ光を網膜に照射して表示する表示画像として出力することを特徴とする画像表示方法。

（付記５）映像信号を入力するインタフェース部と、プロセッサとを有する画像表示機器の画像表示プログラムであって、
前記プロセッサに、
所定のタイミングに応じて、入力された画像の色を補色又は黒色に変更して異色画像を生成し、
入力された画像である通常画像を、前記異色画像に切り替えて、レーザ光を網膜に照射して表示する表示画像として出力する
各処理を実行させることを特徴とする画像表示プログラム。

１０ 画像表示装置
１１ 制御部
１２ 光源部
１３ ミラー
１４ レンズ
１５ バッテリ
１６ タイマ部
１７ 検出部
１８ 選択部
１９ 出力部
３０ ハーフミラー
５０ メガネ

Claims (4)

1. 所定の周波数の１周期ごとに、入力された画像の色を補色又は黒色に変更して異色画像を生成する生成部と、
   入力された画像である通常画像と生成された前記異色画像とを前記所定の周波数の１周期内で切り替える際に、１つ前の前記所定の周波数の１周期のトリガに応じた前記入力された画像と、現在の前記所定の周波数の１周期のトリガに応じた前記入力された画像との間の差異に応じて、現在の前記所定の周波数の１周期における前記通常画像と前記異色画像とのデューティ比を変更した前記通常画像および前記異色画像を、レーザ光を網膜に照射して表示する表示画像として出力する出力部と
   を有することを特徴とする画像表示装置。
2. 前記生成部は、前記所定の周波数として、臨界融合周波数を用いることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記生成部は、バッテリの残量が所定の残量以上の場合に、前記入力された画像の色を補色に変更して前記異色画像を生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
4. 所定の周波数の１周期ごとに、入力された画像の色を補色又は黒色に変更して異色画像を生成し、
   入力された画像である通常画像と生成された前記異色画像とを前記所定の周波数の１周期内で切り替える際に、１つ前の前記所定の周波数の１周期のトリガに応じた前記入力された画像と、現在の前記所定の周波数の１周期のトリガに応じた前記入力された画像との間の差異に応じて、現在の前記所定の周波数の１周期における前記通常画像と前記異色画像とのデューティ比を変更した前記通常画像および前記異色画像を、レーザ光を網膜に照射して表示する表示画像として出力する
   ことを特徴とする画像表示方法。

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