JPH09211377A - ヘッドマウントディスプレー装置 - Google Patents

ヘッドマウントディスプレー装置

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JPH09211377A
JPH09211377A JP8015390A JP1539096A JPH09211377A JP H09211377 A JPH09211377 A JP H09211377A JP 8015390 A JP8015390 A JP 8015390A JP 1539096 A JP1539096 A JP 1539096A JP H09211377 A JPH09211377 A JP H09211377A
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JP
Japan
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image
gazing point
optical
user
optical element
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Withdrawn
Application number
JP8015390A
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English (en)
Inventor
Masayuki Takada
雅行 高田
Norimasa Kishi
則政 岸
Gen Uchida
玄 内田
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Nikon Corp
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nikon Corp
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型軽量で且つ広画角のHMD装置を提供す
る。 【解決手段】 HMD装置は、画像表示手段と、そこに
表示された表示像を使用者の眼に導き、第1及び第2光
学要素群を有する光学手段と、外界からの像を光学手段
の光路中に導入し、その像を表示像に重ねて観察するこ
とを可能にする光路合成手段と、使用者の注視点を検出
して、検出信号を出力する注視点検出手段と、第1及び
第2光学要素群の少なくとも1つの光学要素をそれぞれ
変位させる第1及び第2駆動手段と、上記各手段を収納
し、使用者の頭部に固定されるべく構成したハウジング
と、を有する表示部と、検出信号に基づいて、所望の画
像に対応する信号を生成し、画像表示手段に供給する画
像生成手段と、検出信号に基づいて、表示像が使用者の
眼に導かれるように、第1及び第2駆動手段を制御する
制御手段と、を有する制御部とを具備している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ヘッドマウントデ
ィスプレー(以下、「HMD」と云う。)装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】画像表示手段を使用者の頭部に固定し、
当該使用者がその視野全域で表示画像を見られるように
したHMD装置は、既に提案されているが、その1つと
して、使用者の外界の視野像(以下、「外界像」と云
う。)に画像表示手段の表示画像(以下、「電子像」と
云う。)を重ね合わせ、これらの像を同時に見ることを
可能にした、所謂シースルー型HMD装置がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のシー
スルー型HMD装置にあっては、図5に示されているよ
うに、ハーフミラー50を通して外界像を観察すると共
に、光学系51により遠方に作られた画像表示手段52
の電子像をもハーフミラー50を介して観察していた。
しかしながら、このような従来の構成では、視界即ち画
角を大きくするためには光学系51を大きくする必要が
あり、このため、重量・寸法とも現実的ではなくなると
いう問題点があった。
【0004】また、図6に示されているもののように、
接眼レンズ53を用いて、接眼レンズ53の視野絞り5
5上に、対物レンズ54による外界像と結像レンズ56
による電子像とを作り、両画像を同時に観察するという
構成も、図5に示されているものと同様に、装置が大き
くなるという問題点があった。
【0005】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたもので、小型軽量で且つ画角の大きいシース
ルー型HMD装置を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係るHMD装置は、画像を表示する画像表
示手段と、画像表示手段に表示された像を使用者の眼に
導き、第1光学要素群及び第2光学要素群を有する観察
用光学手段と、外界からの像を観察用光学手段の光路中
に導入し、外界からの像を画像表示手段に表示された像
に重ねて観察することを可能にするための光路合成手段
と、使用者の観察範囲内での注視点を検出して、注視点
検出信号を出力する注視点検出手段と、第1光学要素群
の少なくとも1つの光学要素を変位させる第1駆動手段
と、第2光学要素群の少なくとも1つの光学要素を変位
させる第2駆動手段と、画像表示手段、観察用光学手
段、光路合成手段、注視点検出手段、第1駆動手段及び
第2駆動手段を収納し、使用者の頭部に固定されるべく
構成したハウジングと、を有する表示部と、注視点検出
信号に基づいて、所望の画像に対応する信号を生成し、
画像表示手段に供給する画像生成手段と、注視点検出信
号に基づいて、画像表示手段による画像が使用者の眼に
導かれるように、第1駆動手段及び第2駆動手段を制御
する制御手段と、を有する制御部とを具備している。
【0007】また、注視点検出手段は、好適に、使用者
の眼球を照明する照明手段と、使用者の眼球からの反射
光に基づく像情報を検出して、注視点検出信号を出力す
る像情報検出手段とを備えている。
【0008】
【実施例】本発明においては、第1駆動手段及び第2駆
動手段を用いて使用者の注視点に応じて光学要素を変位
させる。これにより、小さい光学要素を用いても画角を
大きくすることが可能になる。本発明では、特に、観察
用光学手段を小型化できる。もって、小型軽量でありな
がら、画角の大きいシースルー型HMD装置が提供され
る。
【0009】以下、本発明の実施例について図面を参照
して説明する。図2は、本発明に係るHMD装置の表示
部の外観を示している。図2に示すように、HMD装置
の表示部21は、ハウジング22を備えており、このハ
ウジング内には、後述する光学系の光学要素及び電気要
素等が収納されている。ハウジング22の外周面及び内
周面には保護用透過膜23がそれぞれ配置されていると
共に、その両端部には使用者に音声情報を提供するため
のスピーカ24が配設されている。また、ハウジング2
2には、それを使用者の頭部に固定するためのバンド2
5が取着されている。更に、表示部21は、画像情報及
び音声情報並びに制御情報を、後述する制御部31(図
3)からハウジング22内に収納されている光学要素及
び電気要素へ信号入力するためのケーブル26と、ハウ
ジング22内に収納されているそれらから制御部31へ
信号出力するためのケーブル27とを備えている。な
お、制御部31と表示部21との間の信号の送受信は、
無線で行うようにしてもよい。
【0010】図1は、ハウジング22内に収納される光
学系の第1実施例を示している。なお、この光学系は、
本来、使用者の両眼に対応して2組必要となるが、本明
細書においては片側の1組についてのみ説明する。使用
者の眼7に外界像及び電子像を提供するために、観察用
光学手段である、接眼レンズ1、光路折曲げ部材2、及
び対物レンズ6、光路合成手段である、外界からの光の
光路と電子像用光学系の光路とを合成する光路合成用ハ
ーフミラー3、画像表示手段である2次元画像表示装置
5で構成されている。また、接眼レンズ1には、第1駆
動手段である、光軸に対して垂直な方向はこの接眼レン
ズ1を移動させる変位ドライバ8が作用的に設けられて
いると共に、光路合成用ハーフミラー3には、第2駆動
手段である、光軸が作る面に垂直な軸を中心にしてこの
ハーフミラー3を回転させる補正ドライバ9が作用的に
設けられている。なお、光路折曲げ部材2としては、金
属ミラー、プリズム、又はフィールドレンズが使用され
得る。また、画像表示装置5としては、LCD又はCR
Tが使用され得る。表示部21に信号入力される画像情
報は画像表示装置5に表示されると共に、音声情報はス
ピーカ24(図2)を介して出力される。
【0011】また、使用者の視野中心部である注視点を
検出するための注視点検出手段は、照明手段である注視
点検出用光源11、投光用レンズ12、ハーフミラー1
3、像情報手段である、注視点検出用ハーフミラー1
4、受光用レンズ15及び注視点検出用イメージセンサ
16で構成されている。
【0012】更に、本発明に係るHMD装置の制御部3
1は、図3に示されているように、画像生成手段であ
る、使用者に提供する画像情報に対応する画像信号を画
像表示装置5に送信する画像生成装置32と、制御手段
である、注視点検出用イメージセンサ16からの出力信
号に基づく演算を行って注視点を求め、求めた注視点に
応じて変位ドライバ8及び補正ドライバ9を制御する解
析用コンピュータ33とで構成されている。
【0013】以下、上記構成の作用について説明する。
図1において、画像表示装置5から射出した光は、対物
レンズ6によって集光され、画像表示装置5の像を形成
する。更に、この画像表示装置5の像は、光路折曲げ部
材2及び光路合成用ハーフミラー3を介して、接眼レン
ズ1と使用者の水晶体(不図示)とによって網膜上に再
結像し、画像表示装置5の2次像を形成する。また、外
界からの光は、光路合成用ハーフミラー3を透過し、画
像表示装置5からの光と重なって使用者の眼7に入射
し、外界像を形成する。従って、使用者は、電子像と外
界像とが重なり合った画像を見ることができるなとにな
る。
【0014】次に、使用者の注視点即ち視線を検出する
ための光学系の作用について説明する。図1において、
注視点検出用光源11から射出された光は、投光用レン
ズ12によって実質的に平行な光束にされた後、ハーフ
ミラー13及び注視点検出用ハーフミラー14を介して
眼球に投光される。これにより、眼球からの反射光がも
たらされ、この反射光は、注視点検出用ハーフミラー1
4及びハーフミラー13を介して受光用レンズ15で注
視点検出用イメージセンサ16の近傍位置に集光され
る。そして、注視点は、解析用コンピュータ33が注視
点検出用イメージセンサ16からの出力信号に基づいて
演算することにより、求められる。
【0015】ここで、従来では、外界像に対して大きな
視野(画角)を必要とした場合、接眼レンズ1も同様に
大きくしなければならなかった。ところが、本実施例で
は、接眼レンズ1自体を小さくすることにより、接眼レ
ンズ1の視野(画角)を小さくし、解析用コンピュータ
33により注視点検出手段を介して注視点を求め、求め
た注視点に応じてハウジング22内の変位ドライバ8及
び補正ドライバ9を制御する。これにより、小さい接眼
レンズを用いても、大きな視野を得ることが可能にな
る。また、このとき、同時に画像表示装置5は、その視
野位置に対応した画像を表示する。もし、この接眼レン
ズ1が光軸中心に固定されていると、電子像と外界像と
を重ね合わせた画像において、電子像は、使用者の注視
点に関係なく光軸を中心として接眼レンズ1の視野(画
角)相当分にしか表示されなくなってしまう。
【0017】次に、例えば、視野上下方向に電子像を見
る場合を考える。解析用コンピュータ33は、求めた注
視点に応じて、変位ドライバ8に、図1中で破線1′及
び1″で示すように、接眼レンズ1を光軸に対して垂直
な方向に移動させるように信号を出力する。更に、接眼
レンズ1を光軸に対して垂直な方向に移動させることで
以後の光軸をずれてしまうのを防ぐべく、解析用コンピ
ュータ33は、求めた注視点に応じて、補正ドライバ9
に、図1中で破線3′及び3″で示すように、光軸が作
る面に垂直な軸を中心にして光路合成用ハーフミラー3
を回転させ、もって、光軸のずれを補正するように信号
を出力する。解析用コンピュータ33から変位ドライバ
8及び補正ドライバ9へ出力された信号により、変位ド
ライバ8及び補正ドライバ9は、それぞれ所定量だけ動
く。これによって、電子像の中心の主光線が常に使用者
の瞳中心を通るようになり、視野の上下方向に眼を移動
しても、使用者には常に明瞭な画像が表示されるように
なる。また、このとき、解析用コンピュータ33は、画
像生成装置33にも信号を出力しており、視野の位置に
適合した電子像を画像表示装置5に表示させている。こ
のように構成することにより、接眼レンズ1の大きさを
大きくすることなく画角を広くすることが可能となり、
これにより、図5に示されているような大きな光学系は
不必要となる。従って、使用者の前方に大きな重量がか
かることがなくなり、HMD装置の装着安定性が良くな
る。
【0017】図4は、ハウジング22内に収納される光
学系の第2実施例を示している。この第2実施例は、図
1に示されている第1実施例の構成要素に加えて、2枚
の偏角プリズム4a,4bを更に備えている。そして、
解析用コンピュータ33が上述同様にして求めた注視点
に応じて、補正ドライバ9′に、これらの偏角プリズム
4a,4bを光軸中心にそれぞれ独立に回転させる。こ
れにより、図1に示されている光学系における光路合成
用ハーフミラー3の回転と同じ効果がもたらされ得る。
【0018】本発明は、上述した各実施例に限定される
ものではなく、本発明の精神を逸脱することなく、種々
変形して実施することができる。例えば、第2実施例に
おける偏角プリズム4に代えて、2枚の平行平面板とそ
の間に任意の液体を挟み込んで偏角プリズムと同じ効果
を持たせた制振プリズム等を用いてもよい。
【0019】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、観察用
光学手段の光学要素、特に接眼レンズを移動させること
で、画角の大きい接眼レンズを有するHMD装置と同じ
効果を持たせることができ、広画角であっても大きな光
学系を必要としなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るHMD装置における光学系の第1
実施例を示す概略図である。
【図2】本発明に係るHMD装置の、使用状態における
表示部の外観を示す概略斜視図である。
【図3】本発明に係るHMD装置の表示部と制御部との
システム構成例を示すブロック図である。
【図4】本発明に係るHMD装置における光学系の第2
実施例を示す概略図である。
【図5】従来のHMD装置における光学系の一の例を示
す概略図である。
【図6】従来のHMD装置における光学系の他の例を示
す概略図である。
【符号の説明】
1 接眼レンズ 3 光路合成用ハーフミラー 4 偏角プリズム 5 2次元画像表示装置 11 注視点検出用光源 14 注視点検出用ハーフミラー 16 注視点検出用イメージセンサ 21 表示部 22 ハウジング 31 制御部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 内田 玄 東京都千代田区丸の内3丁目2番3号 株 式会社ニコン内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 画像を表示する画像表示手段と、 前記画像表示手段に表示された像を使用者の眼に導き、
    第1光学要素群及び第2光学要素群を有する観察用光学
    手段と、 外界からの像を前記観察用光学手段の光路中に導入し、
    外界からの像を前記画像表示手段に表示された像に重ね
    て観察することを可能にするための光路合成手段と、 使用者の観察範囲内での注視点を検出して、注視点検出
    信号を出力する注視点検出手段と、 前記第1光学要素群の少なくとも1つの光学要素を変位
    させる第1駆動手段と、 前記第2光学要素群の少なくとも1つの光学要素を変位
    させる第2駆動手段と、 前記画像表示手段、前記観察用光学手段、前記光路合成
    手段、前記注視点検出手段、前記第1駆動手段及び前記
    第2駆動手段を収納し、使用者の頭部に固定されるべく
    構成したハウジングと、を有する表示部と、 前記注視点検出信号に基づいて、所望の画像に対応する
    信号を生成し、前記画像表示手段を制御する制御部と、 前記注視点検出信号に基づいて、前記画像表示手段によ
    る画像が使用者の眼に導かれるように、前記第1駆動手
    段及び前記第2駆動手段を制御する制御手段と、を有す
    る制御部と、を具備するヘッドマウントディスプレー装
    置。
  2. 【請求項2】 前記注視点検出手段は、使用者の眼球を
    照明する照明手段と、 使用者の眼球からの反射光に基づく像情報を検出して、
    注視点検出信号を出力する像情報検出手段と、を備えて
    いる請求項1記載のヘッドマウントディスプレー装置。
JP8015390A 1996-01-31 1996-01-31 ヘッドマウントディスプレー装置 Withdrawn JPH09211377A (ja)

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