JPH11109279A - 映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 臨場感が高くしかも眼にかかる負担の少ない
映像を表示する小型かつ軽量な映像表示装置を提供す
る。 【解決手段】 映像表示装置に、広視野の第１の映像と
高精細な第２の映像を光を走査することにより表示する
２つの表示装置と、観察者の視線の方向を検出する視線
検出装置と、観察者の眼の焦点の調節状況を検出する焦
点検出装置を備える。第１の映像と第２の映像を合成し
て表示し、観察者の視線の方向に対応して第２の映像を
移動させるとともに、観察者の眼の焦点の調節状況に応
じて、観察者から第２の映像までの距離を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、臨場感豊かな映像
を表示するとともに観察者の眼にかかる負担を軽減した
映像表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】頭部に装着して使用し眼前に映像を表示
する頭部載置型表示装置（ＨＭＤ）が、バーチャルリア
リティやビデオゲームの分野で多用されている。ＨＭＤ
は、その使用の形態から、小型かつ軽量であることが望
ましく、比較的小型軽量に形成し得る液晶表示装置（Ｌ
ＣＤ）を表示素子として備えて、表示した２次元映像を
観察光学系を介して拡大して観察者に提供する構成が一
般的である。

【０００３】バーチャルリアリティやビデオゲームは観
察者に高い臨場感を提供することを主な目的としてお
り、これに使用される映像表示装置は視野角が大きくか
つ精細度の高い映像を表示する必要がある。これを実現
する一法として、広視野の映像とそのうちの一部領域を
高精細とした映像とを表示して、両者を合成して観察者
の眼に導くとともに、高精細な映像を観察者の視線の向
きに応じて移動させることが提案されている。これは、
人の視覚の、視野は広いものの注視点を含むきわめて狭
い領域（視野角３〜４°）以外についての識別精度は低
いという特性を利用したものである。

【０００４】この方法を用いた映像表示装置が、特開平
７−８７３７４号公報や特開平７−２３６１１３号公報
に開示されている。これらの技術では、個別に表示した
広視野の映像と高精細な映像の光をハーフミラーによっ
て合成するとともに、高精細な映像の光を２つのガルバ
ノミラーによってハーフミラーに導くことで、高精細な
映像を異なる２方向に移動させるようにしている。

【０００５】また、特開平８−１６６５５９号公報に
は、観察者の眼の焦点の調節状況を検出して、観察者か
ら表示する映像までの距離を、観察者が眼の焦点を合わ
せている距離に応じて変化させる３次元表示装置が提案
されている。常時一定の距離に映像を表示すると、焦点
調節の固定を強要することになって眼に大きな負担をか
けてしまい、焦点調節機能の低下を招く危険性がある
が、このように眼の焦点調節状況に応じて表示映像の距
離を変化させると、眼にかかる負担を大幅に軽減するこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開平７−
８７３７４号公報や特開平７−２３６１１３号公報の技
術のように、高精細な映像を２次元像として表示し、そ
の広がりを有する映像光を合成用のハーフミラーに導く
従来の構成では、視野角を大きくし瞳径を大きくするた
めに、表示素子とハーフミラー間に配するガルバノミラ
ーとして比較的大きなものを用いなければならない。こ
のため、これらのミラーのために大きな空間を確保する
必要が生じ、ミラー駆動用のモータも必然的に大型にな
って、装置を小型化、軽量化することが困難になってい
る。また、表示する映像の距離を一定としているため、
観察者の眼にかかる負担は大きい。

【０００７】一方、特開平８−１６６５５９号公報の技
術では、映像の全範囲にわたって精細度を一定にしてお
り、あまり高い臨場感を提供することはできない。映像
全体の精細度を高めようとすると、映像の信号量が膨大
になり、その結果、眼の焦点の調節状況に応じた距離に
映像を表示するための信号処理に要する時間が長くなっ
て、焦点の調節状況の変化に速やかに対応することがで
きなくなる。

【０００８】ビデオゲームは成長期にある幼少年に特に
愛好されており、その視覚の健全な発育を考慮すると、
映像表示装置としては、高い臨場感を提供するのみなら
ず、眼への負担を軽減することが強く望まれる。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであり、臨場感が高くしかも眼にかかる負担の少ない
映像を表示する小型かつ軽量な映像表示装置を提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、第１の映像と第１の映像の範囲内の一
部を表す第２の映像を表示する映像表示装置において、
第１の映像を表示する第１の表示手段と、第２の映像を
表示する第２の表示手段と、観察者の視線の方向を検出
する視線検出手段と、観察者の眼の焦点の調節状況を検
出する焦点検出手段と、視線検出手段によって検出され
た観察者の視線の方向に第２の映像を位置させる方向制
御手段と、焦点検出手段によって検出された観察者の眼
の焦点の調節状況に対応して観察者から第２の映像まで
の距離を変化させる距離制御手段とを備える。

【００１１】この映像表示装置は、視線検出手段と焦点
検出手段によって観察者の視線の方向と眼の焦点の調節
状況を検出し、方向制御手段と距離制御手段によって観
察者から見た第２の映像の方向と距離を変える。方向制
御手段は第２の映像を視線の方向に位置させ、距離制御
手段は眼の焦点調節状況に応じて第２の映像の距離を変
化させる。したがって、表示される映像全体のうち観察
者が注視する部位が、観察者が眼の焦点を合わせている
距離に応じて前後することになり、観察者は映像を自然
に観察することができて眼に負担がかからない。観察者
からの距離を変化させるのは映像全体ではなく一部のみ
であるから、距離を変化させるための構成を比較的小型
にすることができる。

【００１２】第２の映像の精細度を第１の映像の精細度
よりも高くするとよい。観察者が注視する部位の精細度
が高くなるため、臨場感豊かな映像となる。映像の精細
度を高くすると距離を変化させるための信号処理量は多
くなるが、第２の映像は映像全体の一部を表す小さなも
のであるから、信号処理速度が大きく低下することはな
く、観察者の視線の方向や眼の焦点の調節の変化に速や
かに対応して、第２の映像の内容を変化させることがで
きる。

【００１３】方向制御手段が、焦点検出手段が観察者の
視線の方向から観察者の眼の焦点の調節状況を検出する
ように、視線検出手段によって検出された観察者の視線
の方向に応じて焦点検出手段の検出の方向を変えるよう
にするとよい。観察者の眼のレンズに対して真正面の方
向から、その焦点の調節状況を検出することになり、検
出精度が高くなる。したがって、第２の映像までの距離
を観察者の眼の焦点の調節状況に厳密に対応させること
が可能になる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の映像表示装置の一
実施形態について図面を参照して説明する。映像表示装
置はＨＭＤとして構成されており、頭部に装着して使用
される。図９に、観察者と観察者が本発明の映像表示装
置が表示する映像を観察したときの関係を模式的に示
す。映像表示装置は、視野角の大きい第１の映像Ｖ１を
表示し、そのうちの一部の領域を精細度の高い第２の映
像Ｖ２として表示する。これらの映像は演算によって生
成した仮想の映像である。

【００１５】第１の映像Ｖ１は、観察者Ｕから所定の距
離だけ離れた前方正面の位置に表示し、その表示内容
は、観察者Ｕの頭部の向きに合致するように、頭部の向
きに応じて変化させる。第１の映像の精細度は特に高い
ものではない。第２の映像Ｖ２は、観察者Ｕが注視する
点を含むように、観察者Ｕの視線の方向に応じて変化さ
せる。第２の映像の視野角は、人が２点を精度よく識別
し得る視野角の２〜３倍程度である。

【００１６】図１に、本実施形態の映像表示装置１の全
体構成を示す。映像表示装置１は、それぞれ左右１対の
表示ユニット１１、ハーフミラー１２、凹面ミラー１３
および視線方向検出ユニット１４、頭部位置方向検出ユ
ニット１５、ならびに映像生成装置１６より成る。映像
生成装置１６を除く各部は不図示の本体ケースに収容さ
れており、表示ユニット１１と映像生成装置１６は、光
ファイバー束１７および光ファイバー１８によって接続
されている。本体ケースが観察者の頭部に装着されたと
き、左右のハーフミラー１２が左右の眼前に位置し、観
察者はこれらを介して両眼で立体映像を観察することが
できる。

【００１７】映像生成装置１６は、観察者の頭部の向き
に合致した第１の映像の光と、この第１の映像のうち観
察者の視線の方向に合致した領域の第２の映像の光を生
成する。第１の映像の光は、光ファイバー束１７を介し
て１ラインずつ表示ユニット１１に供給され、第２の映
像の光は、光ファイバー１８を介して１点ずつ表示ユニ
ット１１に供給される。

【００１８】表示ユニット１１の概略構成と、表示ユニ
ット１１から観察者の眼に至る光路を図２に示す。表示
ユニット１１は、第１の映像を表示する第１の表示装置
２１、第２の映像を表示する第２の表示装置２２、およ
び第１の映像の光と第２の映像の光を合成するハーフミ
ラー２３より成る。

【００１９】第１の表示装置２１は、光ファイバー束１
７から供給される光の集合を、一直線上に配列された光
としてハーフミラー２３に向けて射出するとともに、射
出する光をその線方向に対して垂直な方向に走査して２
次元像とする。第２の表示装置２２は、光ファイバー１
８から供給される光をハーフミラー２３に向けて射出す
るとともに、射出する光を互いに垂直な２方向に走査し
て２次元像とする。

【００２０】ハーフミラー２３、ハーフミラー１２およ
び凹面ミラー１３は観察光学系を成す。ハーフミラー２
３は、第１の表示装置２１からの光を反射し、第２の表
示装置２２からの光を透過させて、両者をハーフミラー
１２に導く。ハーフミラー１２はこれらの光を凹面ミラ
ー１３に向けて反射し、凹面ミラー１３によって反射さ
れた光を透過させて観察者の眼に導く。この構成によ
り、それぞれ２次元像となった第１の映像と第２の映像
が合成されて、観察者の前方に虚像として投影される。

【００２１】映像生成装置１６の構成を図３に示す。映
像生成装置１６は、視線方向検出ユニット１４の出力信
号ＳＥと頭部位置方向検出ユニット１５の出力信号ＳＨ
を与えられ、視線の方向ならびに頭部の位置および向き
を算出して、これらに基づいて表示に関する制御を行う
制御装置３１、広視野の第１の映像の信号と高精細な第
２の映像の信号を生成するための映像処理装置３２、第
１の映像の光を生成するための、１次元シャッタアレイ
３３、シャッタアレイ駆動装置３４および照明装置３
５、ならびに第２の映像の光を生成するための、赤、
緑、青の各レーザ３６R、３６G、３６B、およびレーザ
駆動装置３７を備えている。

【００２２】映像生成装置１６には、このほか、観察者
の眼の焦点を検出するために用いる赤外レーザ３６I、
各レーザの発した光を集光する４つのレンズ３８、およ
び集光したレーザ光をまとめて光ファイバー１８に導く
４つのプリズム３９が備えられている。

【００２３】映像処理装置３２は、仮想空間内の全ての
表示対象物の３次元座標、色、および明るさの情報を記
憶しており、表示する範囲内の対象物を平面に投影する
演算を行って、２次元映像の各部の色と明るさを算出す
る。第１の映像については、検出された観察者の頭部の
向きに応じて表示する範囲を決定する。第２の映像につ
いては、第１の映像として表示する範囲内で、検出され
た観察者の視線の方向に応じて表示する範囲を決定す
る。

【００２４】映像処理装置３２は、算出した第１の映像
の各部の色と明るさから、映像を１ラインずつ表す信号
を生成して、シャッタアレイ駆動装置３４に順次供給す
る。また、算出した第２の映像の各部の色と明るさか
ら、映像を点ごとに表す信号を生成して、レーザ駆動装
置３７に順次供給する。

【００２５】１次元シャッタアレイ３３は、照明装置３
５の光を変調して光ファイバー束１７に導く。シャッタ
アレイ駆動装置３４は、映像処理装置３２から与えられ
る第１の映像の信号に基づいて、シャッタアレイ３３の
個々のシャッタの変調を制御し、光ファイバー束１７に
導かれる光を映像の１ラインを表す光とする。シャッタ
アレイ駆動装置３４は、第１の表示装置２１の走査のタ
イミングを表す信号Ｓ１を表示ユニット１１から与えら
れて、この信号に同期してシャッタアレイ３３の変調と
照明装置３５の点滅を行わせる。

【００２６】この制御により、第１の映像を構成する各
ラインの光が順に第１の表示装置２１に供給されるとと
もに、その供給と走査の同期がとられることになり、第
１の映像が２次元像として表示される。

【００２７】レーザ駆動装置３７は、映像処理装置３２
から与えられる第２の映像の信号に基づいてレーザ３６
R、３６G、３６Bの発光を個別に制御し、光ファイバー
１８に導かれる混合されたレーザ光が映像の各点の色と
明るさを表すように変調する。レーザ駆動装置３７は、
第２の表示装置２２の走査のタイミングを表す信号Ｓ２
を表示ユニット１１から与えられて、この信号Ｓ２に同
期してレーザ光の変調を行う。これにより、第２の映像
を構成する各点の光が順に第２の表示装置２２に供給さ
れ、供給と同期して走査が行われて、第２の映像が２次
元像として表示される。

【００２８】レーザ駆動装置３７は赤外レーザ３６Iの
発光も制御するが、このレーザ光は表示される映像には
直接関与せず、一定光量とされる。このレーザ光による
観察者の眼の焦点の検出については後述する。

【００２９】広視野の第１の映像を表示する第１の表示
装置２１の構成を図４に示す。表示装置２１は、集光レ
ンズ４１、ハーフミラー４２、および全反射ミラー４３
より成る。この図において、光ファイバー束１７から射
出される光束は、紙面に対して垂直な方向に配列されて
いる。集光レンズ４１は、射出された光束列を構成する
個々の光束を収束光としてハーフミラー４２に導く。ハ
ーフミラー４２は集光レンズ４１からの光をミラー４３
に向けて反射し、ミラー４３による反射光を透過させ
て、合成用のハーフミラー２３に導く。

【００３０】ミラー４３は共振ミラーであり、紙面に対
して垂直な軸を中心として揺動する。ミラー４３の向き
に応じて光の反射方向が変わり、これにより光束列の走
査がなされる。ミラー４３の揺動の周期が、第１の映像
のフレーム周期となる。

【００３１】第１の映像の投影距離、すなわち観察者の
眼から観察される虚像までの距離は、集光レンズ４１透
過後の各光束の平行度によって定まり、ここでは３〜５
ｍの距離に固定している。また、光ファイバー束１７か
ら射出された各光束は所定径の広がりをもって集光レン
ズ４１に入射するように設定されており、集光レンズ４
１透過後の光束径によって定まる第１の映像の瞳径は、
観察者の眼球の向きにかかわらず常に十分な量の光が瞳
孔を通過する大きさとされている。

【００３２】高精細な第２の映像を表示する第２の表示
装置２２の構成を図５に示す。表示装置２２は、集光レ
ンズ５１、集光レンズ５１の位置を変えるレンズ位置調
節装置５２、円偏光選択フィルター５３、ハーフミラー
５４、および２つのミラー５５ａ、５５ｂより成る走査
装置５５を備えている。

【００３３】光ファイバー１８から射出されたレーザ光
は、広がりをもって集光レンズ５１に入射し、集光レン
ズ５１によって収束光とされる。集光レンズ５１を透過
した光は円偏光選択フィルター５３に入射する。円偏光
選択フィルター５３は右回りの円偏光のみを透過させ
て、ハーフミラー５４に導く。ハーフミラー５４はフィ
ルター５３からの右回りの円偏光を走査装置５５に向け
て反射する。この反射により光は左回りの円偏光とな
る。

【００３４】走査装置５５の第１のミラー５５ａは、右
回りの円偏光を反射し左回りの円偏光を透過させるとと
もに、反射する光を第１の方向に偏向する特性を有して
いる。また、第２のミラー５５ｂは、右回りおよび左回
りの円偏向の両方を反射するとともに、反射する光を第
１の方向に対して垂直な第２の方向に偏向する特性を有
している。これらのミラー５５ａ、５５ｂによる光の偏
向量はそれぞれ電気的に調節することが可能である。

【００３５】第１のミラー５５ａは、ハーフミラー５４
からの左回りの円偏光をそのまま透過させる。第２のミ
ラー５５ｂは、第１のミラー５５ａを透過した光を反射
するとともに、第２の方向に偏向する。第２のミラー５
５ｂによる反射光は右回りの円偏光となって第１のミラ
ーに入射し、第１のミラー５５ａはこれを反射して第１
の方向に偏向する。第１のミラー５５ａによる反射光
は、第２のミラー５５ｂに入射して、再度反射され第２
の方向に偏向される。この反射により光は左回りの円偏
向となって第１のミラー５５ａを透過する。ハーフミラ
ー５４は、第１のミラー５５ａ透過光を透過させて、合
成用のハーフミラー２３に導く。

【００３６】走査装置５５による２方向への光の偏向量
を変化させることで、第２の映像を構成する光を走査す
る。ここで、ミラー５５ａ、５５ｂによる偏向の一方を
主走査方向、他方を副走査方向とし、第２の映像の１ラ
インの期間に主走査方向への偏向量を微小角度ずつ変化
させるとともに、ラインごとに主走査を微小角度ずつ副
走査方向にずらして、主走査方向、副走査方向ともに映
像を高精細とする。副走査の周期が第２の映像のフレー
ム周期となる。

【００３７】観察者の眼に入射する光束の平行度は、光
ファイバー１８の端面から集光レンズ５１までの距離に
よって変わり、第２の映像の投影距離は、レンズ位置調
節装置５２によって集光レンズ５１の位置を調節するこ
とで、調節することができる。投影距離の調節のために
必要な集光レンズ５１の位置の変化量は、集光レンズ５
１と光ファイバー１８の距離が近いため、僅かである。
したがって、光ファイバー１８から射出された光束は、
第２の映像の投影距離にかかわらず、略一定の径で集光
レンズ５１に入射することになり、集光レンズ５１透過
後の光束径によって定まる第２の映像の瞳径は、投影距
離に依存せず、常に十分な大きさとなる。

【００３８】観察者の視線の方向を検出するための視線
方向検出ユニット１４の構成を図６に示す。視線方向検
出ユニット１４は、赤外光を発する発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）６１、撮影レンズ６２、および電荷結合素子（Ｃ
ＣＤ）６３より成る。ＬＥＤ６１は観察者の眼球に向け
て赤外光を発し、撮影レンズ６２は眼球によって反射さ
れた光をＣＣＤ６３に結像させる。ＣＣＤ６３はＬＥＤ
６１が発する赤外光にのみ感応する。

【００３９】ＣＣＤ６３の出力は映像生成装置１６の制
御装置３１に与えられ、制御装置３１はＣＣＤ６３の出
力が表す眼球の映像から、眼球の向きすなわち視線の方
向を検出する。なお、視線方向検出ユニット１４は、観
察者の眼の正面に位置するハーフミラー１２の下方に配
置されており、眼球を斜め下方から撮影することにな
る。このため、ＣＣＤ６３は撮影レンズ６２の光軸から
ずらして、かつ、その光軸に対して垂直に配設されてい
る。これにより、真正面から観察する場合と同様に、眼
球を歪みなく撮影することが可能になっている。

【００４０】第１の映像内で第２の映像を移動させるた
めの構成について説明する。第２の映像を表示するため
の第２の表示装置２２は、図５に示すように、姿勢制御
装置１９に取り付けられており、姿勢制御装置１９は表
示装置２２の向きを任意の方向に向け得るように構成さ
れている。表示装置２２は光を走査することにより映像
を表示するものであるから、姿勢制御装置１９によって
その向きを変えて走査の方向を変化させるだけで、第２
の映像を任意の位置に移動させることが可能である。

【００４１】姿勢制御装置１９の構成の１例を図７に示
す。この姿勢制御装置１９は、第２の表示装置２２を下
方に向けて保持し、矢印Ｒのように水平方向に回転可能
な回動部７１と、回動部７１を回動させるためのモータ
７２と、回動部７１に固定され、表示装置２２を水平な
軸に関して矢印Ｓのように揺動させるモータ７３より成
る。表示装置２２の回動軸と揺同軸は、表示装置２２が
内蔵している走査装置５５の中心点で交差している。こ
のような構成の姿勢制御装置１９は、水平面を規定する
Ｘ軸およびＹ軸のそれぞれについて表示装置２２を自由
に傾けることが可能である。

【００４２】表示装置２２から観察者の眼までの光学系
の設定を図８に示す。いま、観察者の眼球Ｅはその中心
Ｃに関して回動するものとし、姿勢制御装置１９に保持
された表示装置２２の回動軸と揺動軸の交点をＱ、観察
者が視線を真正面に向けているときの眼球Ｅの光軸ＡＸ
とハーフミラー１２の交点をＯで表す。凹面ミラー１３
は眼球Ｅの中心Ｃを中心とする球面とし、距離ＱＯを距
離ＣＯに等しくするとともに、ハーフミラー１２を角Ｃ
ＯＱを２等分する向きに固定配置する。また、観察者が
視線を真正面に向けているときに、表示装置２２を点Ｏ
に向ける。

【００４３】この設定により、ハーフミラー１２を介し
ての表示装置２２の凹面ミラー１３に対する位置と、眼
球Ｅの凹面ミラー１３に対する位置の関係は等しくな
る。したがって、観察者が視線の方向を角度θだけ変化
させたとき、表示装置２２の向きを単に同じ角度θだけ
変化させることで、第２の映像を観察者の視線上に位置
させることができて、第２の映像の位置の制御はきわめ
て容易である。しかも、第２の映像を移動させても、観
察者の視線が常に第２の映像に対して垂直になって、光
は観察者の眼に真正面から入射するから、瞳径に変化は
生じない。

【００４４】表示装置２２の向きの制御は、視線方向検
出ユニット１４の出力から視線の方向を検出する映像生
成装置１６の制御装置３１によって、第２の映像の信号
の生成の制御と同時に行われる。

【００４５】第２の映像は第１の映像の一部分を精細度
高く表すものであり、第１の映像のこの領域と第２の映
像とを同時に表示すると、比較的精細度の低い第１の映
像によって第２の映像の精細度が損なわれ、高精細な映
像を観察することはできなくなる。したがって、第２の
映像を表示する領域については、第１の映像を表示から
除去する必要がある。

【００４６】第１の映像のうち第２の映像と重なる領域
全体を表示から除去すると、第１の映像と第２の映像に
明確な境界が生じる。第２の映像は人の眼の識別精度の
高い視野角よりも大きく設定するため、境界において精
細度に明確な差異が生じても、精細度に差があることが
観察者に認識されることはない。しかしながら、明るさ
に関しては、人の眼は視野の中央部のみならず周辺部で
も敏感であるから、境界に明るさに差異があると、それ
が認識されることになる。

【００４７】例えば、装置の組立に僅かな誤差でもある
と、あるいは使用中に外部から衝撃が加わって光学系に
僅かな位置ずれでも生じると、第１の映像と第２の映像
が重なり合ったり、第１の映像と第２の映像に間隙が生
じたりする。２つの映像が重なり合った部位は略２倍の
明るさとなり、逆に間隙には明るさがなくなるから、境
界が明るい線や暗い線となって明確に観察されてしま
い、不自然な映像となる。

【００４８】この不都合を防止するために、映像表示装
置１では、第２の映像よりも狭い範囲を第１の映像から
除去し、第１の映像と第２の映像が重なり合う部位につ
いては、両映像の明るさを次第に変化させる。この方法
を模式的に図１０に示す。図１０において、（ａ）およ
び（ｂ）はそれぞれ、第１の映像Ｖ１および第２の映像
Ｖ２を示したものである。第１の映像Ｖ１の除去される
範囲Ｅは第２の映像Ｖ２よりも小さく、第１の映像Ｖ１
および第２の映像Ｖ２には互いに重なり合う部位Ｄが存
在する。

【００４９】部位Ｄよりも外側の第１の映像Ｖ１と部位
Ｄよりも内側の第２の映像Ｖ２の輝度は、同一物が同じ
明るさとなるように設定する。また、部位Ｄの輝度は、
第１の映像Ｖ１では外側から内側に向かって次第に低下
して内縁端で０となるように、第２の映像Ｖ２では内側
から外側に向かって次第に低下して外縁端で０となるよ
うに、かつ第１の映像Ｖ１と第２の映像Ｖ１が重なり合
った状態で部位Ｄ以外の輝度と等しくなるように設定す
る。

【００５０】この設定により、第１の映像Ｖ１と第２の
映像Ｖ２に位置ずれが生じて部位Ｄの幅が多少変化して
も、その明るさは略一定に保たれる。したがって、第１
の映像と第２の映像の間に明るい線や暗い線が生じるこ
とがなく、連続した自然な映像として認識される。

【００５１】映像表示装置１は、映像に遠近感をもたせ
るとともに観察者の眼にかかる負担を軽減するために、
観察者が眼の焦点を合わせている距離に応じて、第２の
映像の投影距離を変化させる。すなわち、観察者の視線
の方向だけでなく注視点までの距離を検出し、その注視
点上に第２の映像の虚像を位置させる。

【００５２】さらに、映像表示装置１は、映像の遠近感
を一層高めるために、観察者が眼の焦点を合わせている
距離と第２の映像の各部位の表示内容の距離との差に応
じて、表示する第２の映像にピンぼけ処理を施す。すな
わち、観察者の眼の焦点がＸｍ（Ｘメートル）先に合っ
ているとき、第２の映像のうち、（Ｘ±α）ｍの距離範
囲内にある対象物を表示している部分については、ぼけ
のない鮮明な映像を表示し、この範囲外にある対象物を
表示している部分については、ぼかした不鮮明な映像を
表示する。

【００５３】観察者の眼の焦点を検出するために、図５
に示すように、第２の表示装置２２にはハーフミラー５
７、シリンドリカルレンズ５８、および赤外センサー５
９から成る焦点検出部５６が備えられている。ハーフミ
ラー５７は、光ファイバー１８と集光レンズ５１の間に
配設されているが、光ファイバー１８から射出されるレ
ーザ光を全て透過させるため、第２の映像への影響はな
い。

【００５４】ハーフミラー５７を透過し表示装置２２か
ら射出されたレーザ光は、観察者の網膜によって反射さ
れ、光路を逆に辿ってハーフミラー５７に至り、赤外セ
ンサー５９に向けて反射される。赤外センサー５９は、
シリンドリカルレンズ５８を透過して入射するハーフミ
ラー５７からの反射光のうち、映像生成装置１６の赤外
レーザ３６Iが発した赤外光のみに感応する。

【００５５】観察者の眼の焦点検出の原理を図１１に示
す。赤外センサー５９は４つの受光素子５９ａ〜５９ｄ
を対称に配置して成る。また、シリンドリカルレンズ５
８は、ハーフミラー５７からの距離がハーフミラー５７
から光ファイバー１８の端面までの距離に等しい位置
に、かつ対向する２つの受光素子を結ぶ直線に平行な向
きに配置されている。

【００５６】観察者の眼の焦点が投影される虚像に対し
て合っているときは、集光レンズ５１により収束光とさ
れた光は網膜に点として入射し、網膜上で広がりをもた
ない。その反射光はシリンドリカルレンズ５８に小径の
光束として入射し、シリンドリカルレンズ５８の屈折の
異方性の影響を受けることなく、Ｂに示したように、赤
外センサー５９に円として入射する。このため、４つの
受光素子５９ａ〜５９ｄの受光量は均等になる。

【００５７】一方、観察者の眼の焦点が投影される虚像
の手前や遠方に合っているとき、すなわち前ピンや後ピ
ンの状態にあるときは、観察者の眼に入射した光は網膜
上で広がりをもち、その反射光は比較的大径の光束とな
ってシリンドリカルレンズ５８に入射して、その屈折の
異方性の影響を受ける。このため、ＡやＣに示したよう
に、赤外センサー５９に入射する光は楕円となり、対向
する位置にある受光素子５９ａ、５９ｃの組と受光素子
５９ｂ、５９ｄの組とで、受光量に差が生じる。

【００５８】したがって、受光素子５９ａ、５９ｃの受
光量と受光素子５９ｂ、５９ｄの受光量の大小関係か
ら、観察者の眼が虚像に対して、合焦、前ピンおよび後
ピンのいずれの状態にあるかが判り、受光素子５９ａ、
５９ｃの受光量と受光素子５９ｂ、５９ｄの受光量との
差の大きさから、前ピンまたは後ピンの度合いが判る。
この検出結果に基づいて、集光レンズ５１の位置を調節
することで、観察者の眼の焦点が合っている距離に、第
２の映像の虚像を投影する。

【００５９】前述のように、映像生成装置１６の映像処
理装置３２は、映像を表す信号を生成する際に、表示範
囲内にある対象物を平面に投影する演算を行うが、この
とき、第２の映像については、投影した平面に対して垂
直方向の座標も算出して、観察者の眼から映像内の各点
における対象物までの距離を求める。そして、焦点検出
部５６の出力から求められる観察者の眼の焦点が合って
いる距離と比較して、比較結果に応じて各点の信号を生
成する。

【００６０】具体的には、眼から対象物までの距離と眼
の焦点が合っている距離との差が、所定範囲内にあると
きは、その点についてはそのままの色および明るさとす
る。このような点は周囲との色や明るさの違いが大きく
なり、それらの集合は鮮明な映像を形成する。差が所定
範囲を超えるときは、その点の色や明るさとその周囲の
点の色や明るさとの加重平均をとってその点の色や明る
さとする。このような点は周囲との色や明るさの違いが
小さくなり、それらの集合は不鮮明な映像を形成する。
平均をとる際の加重を距離の差の大きさに応じて変える
ことで、不鮮明さの調節が可能である。

【００６１】こうして、観察者の眼の焦点に応じた位置
に高精細な第２の映像が表示され、その映像に表示内容
の距離に応じたピンぼけ処理が施されて、観察者の注視
点を含む領域がきわめて自然な映像とされる。したがっ
て、観察者は高い臨場感を得ることができる。

【００６２】映像表示装置１の映像表示に関する制御の
流れを図１２に示す。まず、頭部位置方向検出ユニット
１５の出力に基づいて、仮想空間の絶対座標系を基準と
して、広視野の第１の映像の投影座標系を決定し（ステ
ップＰ１）、これと同時に、頭部位置方向検出ユニット
１５および視線方向検出ユニット１４の出力に基づい
て、仮想空間の絶対座標系を基準として、高精細な第２
の映像の投影座標系を決定する（Ｐ２）。ここで、頭部
の位置と向きから求められる眼球の位置を視点位置と
し、頭部の向きを第１の映像の視線方向、眼球の向きを
第２の映像の視線方向とする。

【００６３】次いで、算出した視点位置および視線方向
ならびに所定の投影距離に基づいて、記憶している仮想
空間内の表示対象物の情報から、表示する第１の映像と
第２の映像の内容を演算し（Ｐ３、Ｐ４）、それぞれの
２次元の映像データを得る。このとき、第１の映像につ
いては、第２の映像に対応する範囲を除去する処理を行
い、第２の映像については、映像の各点の視点からの距
離も算出する。

【００６４】Ｐ１〜Ｐ４の処理と並行して、焦点検出部
５６の出力に基づいて観察者の眼の焦点が合っている距
離を算出しておき（Ｐ５）、これを第２の映像の投影距
離とする。そして、第２の映像に、視点から各点までの
距離と投影距離との差に基づくピンぼけ処理を施す（Ｐ
６）。

【００６５】これで表示の準備が完了し、第１の表示装
置２１により第１の映像を表示し（Ｐ７）、同時に、第
２の表示装置２２により第２の映像を表示する（Ｐ
８）。第２の映像については、表示装置２２による投影
距離の調節と（Ｐ９）、視線方向検出ユニット１４の出
力に基づく姿勢制御装置１９による表示位置の調節（Ｐ
１０）を行う。

【００６６】上記制御により、映像表示装置１は、広視
野の映像を表示してそのうちの観察者が視線を向けてい
る領域を常に高精細な映像とするのみならず、高精細な
映像を観察者が眼の焦点を合わせている距離に投影し、
その表示内容の距離に応じてピンぼけ処理を施すことが
できる。したがって、観察者は、視野が広く精細度が高
く、しかも遠近感のある映像を常時観察することが可能
であり、高い臨場感を得ることができる。

【００６７】また、映像表示装置１は、光を走査するこ
とによって高精細な映像を表示し、その表示装置の向き
を変えることにより高精細な映像の位置を変化させるか
ら、大きな瞳径を確保しつつ装置を小型、軽量に構成す
ることが可能である。

【００６８】なお、観察者の眼の焦点の検出は必ずしも
左右独立に行う必要はなく、左眼または右眼のいずれか
一方の焦点を検出して、これに基づき両眼について高精
細な映像の投影距離を設定することも可能である。ま
た、ここでは広視野の映像の投影距離を固定している
が、高精細な映像と同様に、観察者が眼の焦点を合わせ
ている距離に広視野の映像を投影するようにしてもよ
く、さらに、広視野の映像に表示内容の距離に応じたピ
ンぼけ処理を施すようにしてもよい。

【００６９】

【発明の効果】請求項１の映像表示装置によるときは、
観察者の眼にかかる負担を軽減するために観察者の眼の
焦点の調節状況に応じた距離に映像を表示することを、
小規模な構成で実現することができる。このため、装置
全体も小型、軽量となり、頭部に装着して使用する場合
に、眼のみならず頚、肩等の身体の他の部位への負担も
軽減される。

【００７０】請求項２の映像表示装置では、観察者が注
視する部位の映像を高精細とし、かつ、注視する部位の
映像の内容を視線の方向や眼の焦点の調節の変化に迅速
に対応して変化させることができるので、映像はきわめ
て自然な臨場感豊かなものとなる。

【００７１】請求項３の映像表示装置では、観察者が注
視する部位の映像を観察者の眼の焦点の調節状況に厳密
に対応する距離に設定することが可能であるから、眼に
係る負担を軽減するという効果を確実に発揮することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態の映像表示装置の全体構
成を示す図。

【図２】 上記映像表示装置の表示ユニットの概略構成
と、表示ユニットから観察者の眼に至る光路を示す図。

【図３】 上記映像表示装置の映像生成装置の構成を示
す図。

【図４】 上記映像表示装置の広視野の映像を表示する
表示装置の構成を示す図。

【図５】 上記映像表示装置の高精細な映像を表示する
表示装置の構成を示す図。

【図６】 上記映像表示装置の視線方向検出ユニットの
構成を示す図。

【図７】 上記映像表示装置の姿勢制御装置の構成の１
例を示す図。

【図８】 上記映像表示装置の高精細な映像を表示する
表示装置から観察者の眼までの光学系の設定を示す図。

【図９】 上記映像表示装置が表示する映像と観察者の
関係を模式的に示す図。

【図１０】 上記映像表示装置における高精細な映像に
対応する広視野の映像の一部を除去する方法を示す図。

【図１１】 上記映像表示装置における観察者の眼の焦
点検出の原理を示す図。

【図１２】 上記映像表示装置における映像表示に関す
る制御の流れを示す図。

【符号の説明】

１ 映像表示装置 １１ 表示ユニット １２ ハーフミラー １３ 凹面ミラー １４ 視線方向検出ユニット （視線検出手段） １５ 頭部位置方向検出ユニット １６ 映像生成装置 １７ 光ファイバー束 １８ 光ファイバー １９ 姿勢制御装置 （方向制御手段） ２１ 第１の表示装置 （第１の表示手段） ２２ 第２の表示装置 （第２の表示手段） ２３ ハーフミラー ３１ 制御装置 ３２ 映像処理装置 ３３ １次元シャッタアレイ ３４ シャッタアレイ駆動装置 ３５ 照明装置 ３６R、３６G、３６B レーザ ３６I 赤外レーザ ３７ レーザ駆動装置 ４１ 集光レンズ ４２ ハーフミラー ４３ 共振ミラー ５１ 集光レンズ ５２ レンズ位置調節装置 （距離制御手段） ５３ 円偏光選択フィルター ５４ ハーフミラー ５５ 走査装置 ５５ａ、５５ｂ ミラー ５６ 焦点検出部 （焦点検出手段） ５７ ハーフミラー ５８ シリンドリカルレンズ ５９ 赤外センサー ６１ 発光ダイオード ６２ 撮影レンズ ６３ 電荷結合素子 ７１ 回動部 ７２、７３ モータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の映像と第１の映像の範囲内の一部
   を表す第２の映像を表示する映像表示装置において、 前記第１の映像を表示する第１の表示手段と、 前記第２の映像を表示する第２の表示手段と、 観察者の視線の方向を検出する視線検出手段と、 観察者の眼の焦点の調節状況を検出する焦点検出手段
   と、 前記視線検出手段によって検出された観察者の視線の方
   向に前記第２の映像を位置させる方向制御手段と、 前記焦点検出手段によって検出された観察者の眼の焦点
   の調節状況に対応して観察者から前記第２の映像までの
   距離を変化させる距離制御手段とを備えることを特徴と
   する映像表示装置。
2. 【請求項２】 前記第２の映像の精細度は前記第１の映
   像の精細度よりも高いことを特徴とする請求項１に記載
   の映像表示装置。
3. 【請求項３】 前記方向制御手段は、前記焦点検出手段
   が観察者の視線の方向から観察者の眼の焦点の調節状況
   を検出するように、前記視線検出手段によって検出され
   た観察者の視線の方向に応じて前記焦点検出手段の検出
   の方向を変えることを特徴とする請求項１に記載の映像
   表示装置。