JP6921518B2 - 頭部装着型の表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、観察者の頭部に装着される頭部装着型の表示装置に関するものである。

近年、観察者の頭部に装着し、該観察者の眼前に映像を表示する映像表示装置（ヘッドマウントディスプレイ＝ＨＭＤ）が、利用されるようになってきている。ＨＭＤは、手軽に映像を大画面で見ることが可能であり、立体視が容易である。これらの理由から、人工現実感（バーチャルリアリティ＝ＶＲ）、複合現実感（ミックスドリアリティ＝ＭＲ）を体験可能な機器として使用されている。

ＭＲを実現するためのＨＭＤは、以下の構成有する。すなわち、観察者の左右の眼に対応した被写体の画像を取り込むための撮像部、該撮像部により撮影された画像、ＰＣ等により作成された３ＤＣＧ画像を重畳し表示するための表示部、観察者に投影するための観察光学系とである。

観察者に投影する映像は、観察者の左右の眼に対応した小型の液晶パネル等の表示素子に映像を表示し、この映像を観察者の左右それぞれの目に対応した前記観察光学系を介して拡大した後に，観察者の左右の眼球に投影するようになっている。

そして、撮影された被写体の画像は左右両眼に対応する視差を有した画像になっている。さらには３ＤＣＧ画像を観察者の左右両眼に対応した視差画像を作成し、前記撮像系で撮像された映像に重畳して表示することで、あたかも仮想の３ＤＣＧ画像が現実に存在するかのように表現することが可能になっている。

特開２００６−１６５６０７号公報

ＭＲにおいては撮像部で撮影された画像上の特徴点やマーカ等から得た情報を基準にＨＭＤの位置・方向を算出して３ＤＣＧをあるべき位置に重畳する。しかし、位置検出に用いる複数のカメラやセンサの相対位置がずれると３ＤＣＧの位置もずれて表示されてしまう。カメラ間の位置はＨＭＤ内の支持部材により固定されているため、ＨＭＤ内の撮像素子を含む電子部品からの発熱により支持部材が昇温して熱変形し、ステレオカメラの相対位置がずれて３ＤＣＧ位置がずれる可能性がある。対策として、支持部材を冷却することが考えられる。しかし、ＨＭＤのような光学機器ではゴミを嫌うことや、頭部に装着するため音や振動が発生したり重量が増加することは避けたいため、外気を取り入れたりＦＡＮを用いる等の一般的な冷却手段をとりにくい。特許文献１には、複数のカメラを一つの剛性の高い支持体に固定する方法が開示されている。しかし、高い剛性を得るには金属等の材質を用いる必要があり、単純な一定断面の形状が必要とされておりカメラ以外の表示機構を取り付ける形状・部材が別途必要になる等、軽量で表示機能を必要とするＭＲ用のＨＭＤを構成するには不向きである。また、撮像部で撮影される特徴点やマーカが不足して３ＤＣＧの位置の計算精度の低下による表示位置のずれの発生を防ぐために、追加のカメラや距離センサ等のセンサを追加する場合がある。このカメラやセンサを例えばＨＭＤの外部の外装等に固定すると追加は容易であるが、撮像部を固定した支持部材との間に複数の部品が介在することにより熱変形や部品間のガタにより撮像部のカメラとの相対位置が狂いやすい。よって、撮像部と同じ支持部材上に設けた場合はその配置によっては熱変形による影響を大きく受けて３ＤＣＧ位置がずれる可能性があった。

また、支持部材は軽量化、形状構成の柔軟性等から樹脂材料が望ましいが金属等と比較して熱伝導率が低いため温度ムラができやすく、カメラやセンサ間の方向ねじれなどにつながる変形が大きくなる。均一に昇温して単純に支持部材が伸び縮みするだけであればカメラ間の向きは変わらず距離が変化するだけで３ＤＣＧのずれも微小なものにとどまる。しかし、向きが狂うようなねじれである場合ＨＭＤより遠い場所にある被写体ほどずれが大きくなって３ＤＣＧとのずれへの影響が大きくなるという課題も存在した。本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、電子部品からの発熱による複数の撮像部間のずれを抑制しつつ、軽量である頭部装着型の表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、観察者の頭部に装着される頭部装着型の表示装置であって、外界を撮影する二つの撮像部と、前記撮像部の撮像で得られた画像を、前記観察者に対して表示する表示部と、前記二つの撮像部を支持する支持部材と、前記支持部材上の前記二つの撮像部の間のみに取り付けられ、前記支持部材よりも熱伝導率の高い部材である熱拡散部材と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、電子部品からの発熱による複数の撮像部間のずれを抑制しつつ、軽量である頭部装着型の表示装置を提供することが出来る。

第１の実施形態におけるＨＭＤを観察者が装着した状態の側面図 第１の実施形態におけるＨＭＤの形態を手持ちタイプにした場合の模式図 第１の実施形態におけるＨＭＤの内部に配置される光学ユニットの斜視図 第１の実施形態におけるＨＭＤの内部に配置される光学ユニットの断面図 第１の実施形態におけるＨＭＤの光学ユニットと熱拡散部材を示す斜視図 第１の実施形態におけるＨＭＤの光学ユニットの支持部材の熱による変形の例を示す模式図

［第１の実施形態］
以下、図面を用いて本発明に好適な実施形態について説明する。

図１は本実施形態における観察者の頭部に装着する頭部装着型の表示装置（以下ＨＭＤと略す）を側面からみた図である。

１０は、ＨＭＤ本体であり、内部に後述する光学ユニット部１１を内蔵している（不図示）。３０は観察者Ｈの頭部に沿うように配置される支持部材、３２は可撓性を有する部品であり、たとえばポリプロピレンの薄板等で構成され、観察者Ｈの頭部に沿うように変形可能で、また全長を変えることで観察者Ｈの頭部を締めつけ可能に配置されるバンド部材である。

２０、および４０は観察者Ｈの頭部に当接し、ＨＭＤ本体１０を観察者Ｈに安定的に、また快適に固定させるためのパッド部材である。

観察者Ｈは、バンド部３２の全長を変えることで観察者Ｈの頭部に締めつけ、固定する。また、パッド部材２０，４０を観察者Ｈの頭部に当接させることで、締め付けによる圧力を分散して快適に装着できるようにする。

図１に示すＨＭＤ本体１０は装着系を有し観察者Ｈの頭部に固定する構成である。装着系にて観察者Ｈの頭部に固定することで観察者Ｈは両手がフリーになり、様々な操作を行うことができる。

しかしながら、頭部に装着するという固定方法は複数人が同一の機体を使用する場合は、装着者を変更する取り回しが行い難い、清潔面で気にする観察者がいるかもしれないというデメリットとなりやすい。

そのため、ＨＭＤ本体１０から装着系を取り外し、手持ち形態にすることが考えられる。

図２は、手持ち形態のＨＨＤ（ハンドヘルドディスプレイ）の形態を模式的に示した図である。ＨＭＤ本体１０を装着系から分離し、手持ちユニット２００に接続することで観察者Ｈは装置全体を手で把持し、映像を観察することが可能となる。ＨＨＤの形態にすることで、前述の取りまわし、装着によるデメリットは解消され、複数人が快適に使用できる環境を提供できる。

図３は、本実施形態の第１のＨＭＤ本体１０内部に配置されている光学ユニット部１１の斜視図である。図４は光学ユニット部１１のうちの片眼側を観察者の観察光軸（視線方向）に垂直な面で切断した断面図である。

図３、４において、２１は、ＰＣ等の機器で作成された２次元映像を表示するための映像表示素子であり、有機ＥＬ、あるいは液晶等の２次元マトリクスで映像を表示する素子で構成されている。但し、２次元マトリクスで表示する素子に限定されているものではなく、走査型で映像を表示する素子でも問題ないことは言うまでもない。２２は前記表示素子２１に表示された映像を拡大し、観察者の眼球に投影する観察光学系を構成する素子であるプリズムである。前記表示素子２１、およびプリズム２２は観察者の左右両眼の眼前に配置される。

表示素子２１に表示された映像は、プリズム２２を通ることで拡大され、観察者は左右の眼前に拡大された映像が表示され、高い没入感を得ることができる。

２３、２８は観察者の視野に相当する画像を撮影する主観カメラであり、撮像素子２４および前記撮像素子２４に像を結像させるための主観カメラレンズ２５から構成され、光学支持部材１２に固定されている。本実施形態においては、主観カメラは、撮像部として機能するステレオカメラである。

主観カメラ２３，２８は折り返しプリズム２６を介して外界を撮影し、主観カメラ２３、２８の撮影光軸は観察者がプリズム２２を観察する観察光軸と略一致しており、観察者Ｈの視線方向の映像を撮影するようになっている。

主観カメラ２３、２８で撮影された映像は、撮像素子２４の基板に接続されたケーブルでＰＣ等の外部機器に接続される。（ケーブルは図示していない）。ＰＣ等の外部機器に入力された撮影画像に例えばＣＧ等の別の画面を作成し、前記撮影画像に重畳させ、表示部である表示素子２１に表示させる。この際に左右の表示素子２１に表示するＣＧ画像に左右の視差を有する画像を作成し表示素子２１に表示させることで、主観カメラ２３、２８で撮影された現実の空間内に、ＰＣで作成されたＣＧをあたかも現実に存在するかのように映像を観察することが可能となる。この時主観カメラ２３，２８で撮影された画像から特徴となる物体のエッジや点、位置合わせ用のマーカ等の位置を検出しその位置や傾きからＨＭＤ本体１０の位置や向きを計算し、ＣＧをしかるべき位置に表示するように構成されている。

５１はオプションカメラであり、本実施例では主観カメラ２３，２８と同じ主観カメラレンズ２５と撮像素子２４からなっている。

オプションカメラ５１は主観カメラ２３，２８の中間に配置され、光学支持部材１２にビス止め固定されている。オプションカメラ５１の視野５２は主観カメラ２３，２８の視野５３と一部オーバーラップしつつ下方を向くように設定されている。以上のような配置により主観カメラ２３，２８の視野５３内に特徴となる形状やマーカが少ない、もしくは無くなったときでもオプションカメラ５１の視野内に特徴となる形状やマーカがとらえられていればＨＭＤ本体１０の位置姿勢を継続して計測可能となる。本実施例のようにオプションカメラ５１が下方を向いていることで観察者Ｈが水平から上方を向いたときでも、床面にマーカや特徴点をとらえやすい物体を配置することで位置計測が失敗する可能性を減らすことができる。

主観カメラ２３，２８は人間である観察者Ｈの両眼の間隔に近くなるように間隔が６３〜６７ｍｍ程度に設定されており、観察者Ｈが裸眼時とＨＭＤ本体１０を通して観察したときで物体の大きさ感や距離感の変化が少なく、現実やＣＧ画像の違和感や作業時の観察者Ｈの手の位置などの肉体感覚のずれが少なくなるよう配置されている。以上のように主観カメラ２３，２８の配置は幅方向が規定されておりその中間にオプションカメラ５１は配置されているので、光学支持部材１２上に最小の幅の範囲ですべてのカメラが固定され、光学支持部材１２が変形しても最小限のカメラの相対位置ずれとなるように構成されている。

本実施例ではオプションカメラ５１は主観カメラ２３，２８と同じ可視光を主にとらえるカメラとしたが例えば赤外線や音波等を利用した距離センサや画像センサでも良く、さらに外部のセンサからその位置を特定できるような形状や物体、例えば再帰性反射を行う反射体がオプションカメラ５１の代わりに配置され、外部に設置された赤外線カメラ等でその位置を特定する構成でもよい。

図５は、第１のＨＭＤ本体１０内部に配置されている光学ユニット部１１を観察者Ｈが観察する方向からみた斜視図であり、主観カメラ２３，２８の間で光学支持部材１２に熱拡散部材６１が取り付けられている。光学支持部材１２は樹脂製でありアルミなどの金属に比較して軽量であり射出成型技術などを用いて経済的に製造でき、主観カメラ２３，２８だけでなくプリズム２２を保持する形状などを一体的に形成できるが金属に比べて熱伝達率が低い。本実施例においては主観カメラ２３，２８やオプションカメラ５１、表示素子２１が発熱して光学支持部材１２の近接する部分を熱する。そのとき光学支持部材１２は熱伝導率の低い樹脂で構成されているためその部分のみが昇温し他の部分は温度が低くなり温度ムラが発生する。その結果温まった部分は周囲より膨張するため、例えば図６の模式図のように光学支持部材１２をねじるような変形が発生し主観カメラ２３，２８の光軸方向がずれる。光学支持部材１２が単純な伸び縮みをするのであれば主観カメラ２３，２８の間がわずかに開くのみで光軸方向はずれないため相対位置ずれは小さくて済むが、光軸方向がずれると距離が離れた撮像対象になるほどずれが発生することになる。本実施形態においては銅箔で作成された熱伝達率の高い熱拡散部材６１を設けることにより温度ムラを低減しねじれによる変形を小さくすることができる。熱拡散部材６１は主観カメラ２３，２８の間の変形を抑えればよいので主観カメラ２３，２８の光軸の間のみ取り付けられていることで質量の増加は少なく抑えられる熱拡散部材６１はアルミやグラファイトのような熱伝導率が光学支持部材１２より高い他の素材でも構わない。以上説明したように本発明により軽量でゴミを嫌う光学部に外気を取り込んだり、音や振動を発する冷却手段を設けずとも３ＤＣＧのずれを抑制するＨＭＤに適した光学ユニットを構成することが可能となる。

１０ ＨＭＤ本体
１２ 光学支持部材
２３、２８ 主観カメラ
６１ 熱拡散部材

Claims (8)

1. 観察者の頭部に装着される頭部装着型の表示装置であって、
   外界を撮影する二つの撮像部と、
   前記撮像部の撮像で得られた画像を、前記観察者に対して表示する表示部と、
   前記二つの撮像部を支持する支持部材と、
   前記支持部材上の前記二つの撮像部の間のみに取り付けられ、前記支持部材よりも熱伝導率の高い部材である熱拡散部材と、を有することを特徴とする頭部装着型の表示装置。
2. 前記表示部には、前記撮像部の撮像で得られた画像とともにＣＧ画像を表示させることを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型の表示装置。
3. 前記二つの撮像部はステレオカメラであることを特徴とする請求項１もしくは２のいずれか１項に記載の頭部装着型の表示装置。
4. 前記二つの撮像部の間に配置され、前記二つの撮像部により撮像される範囲の外を撮像する第二の撮像部を更に有し、
   前記第二の撮像部の撮像で得られた画像に基づき、前記ＣＧ画像を生成する生成手段と、を有することを特徴とする請求項２に記載の頭部装着型の表示装置。
5. 前記支持部材は、金属よりも熱伝導率が低い部材で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の頭部装着型の表示装置。
6. 前記支持部材は、樹脂で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の頭部装着型の表示装置。
7. 前記熱拡散部材は、アルミ、銅箔もしくはグラファイトで形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の頭部装着型の表示装置。
8. 前記観察者によって手持ちされる手持ちユニットを更に有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の頭部装着型の表示装置。

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