JPH0759032A - 画像ディスプレー装置 - Google Patents

画像ディスプレー装置

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JPH0759032A
JPH0759032A JP5222794A JP22279493A JPH0759032A JP H0759032 A JPH0759032 A JP H0759032A JP 5222794 A JP5222794 A JP 5222794A JP 22279493 A JP22279493 A JP 22279493A JP H0759032 A JPH0759032 A JP H0759032A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 広視野角画像を提示することが可能であると
ともに注視点において高解像度の画像を提示することが
でき、かつ、人の視線の検出が容易で、画像の追従も良
好に行うことができて、仮想現実感の実現を良好に行う
ことができるとともに、装置の構成も簡単である視覚提
示装置用画像ディスプレー装置を提供すること。 【構成】 広視野角画像４０と狭視野角画像４１とで構
成される合成画像を表示する画像ディスプレー装置２４
であって、広視野角画像４０を表示する透明液晶パネル
と狭視野角画像を表示する画像表示パネルとを備え、画
像表示パネルは透明液晶パネルよりも高解像度である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、臨場感の高い映像を
人に提示するための視覚提示装置用画像ディスプレー装
置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ＴＶカメラで撮影した情景を臨場感を持
って人に視覚的に表示したり、あるいはコンピュータの
中で作られた仮想的世界を人に臨場感を持ってグラフィ
ック表示するために、ヘッドマウントディスプレイが開
発されている。このヘッドマウントディスプレイは人の
左右両眼の前にそれぞれ独立に小形のＴＶモニタを配置
し、立体感のある映像を人に提示することを可能にする
装置である。
【０００３】一般には、ゴニオメータや磁気的な方法で
計測される頭の動きに応じて、ＴＶカメラあるいはコン
ピュータディスプレイ上に生成されるグラフィックス像
を操作し、そうして生成された画像を左右両眼のディス
プレイに提示することで、あたかもＴＶカメラの置かれ
た位置で外界を見ているかのような、あるいはコンピュ
ータグラフィックスが提示する画像の世界の中に実在し
てその世界を見ているかのような感覚を生成することが
できる。ヘッドマウントディスプレイはこうしたいわゆ
る人工現実感システムの視覚表示装置として注目されて
いるが、一方、左右両眼への画像提示に小形ディスプレ
イを用いるため、ディスプレイの外枠が常に視野内に入
り、臨場感が損なわれるという欠点があることも指摘さ
れている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】人は通常眼球の中心を
軸として視野角±４０゜の視野を有するといわれてい
る。従って、ヘッドマウントディスプレイではこの領域
をカバーする画面の大きさを有するＴＶモニタを両眼の
前方に配置しないと、人はＴＶモニタの枠が見えるた
め、結果的に提示される画像は枠を通して情景をのぞい
ているような感じを持つようになる。こうした問題を解
決する一つの方法は人の最大視野をカバーする画面を有
するＴＶモニタを導入することであるが、一般にＴＶモ
ニタに画像を表示する走査線の数は制限があるため（例
えば通常のＮＴＳＣ方式では走査線は５２５本、高品位
ＴＶモニタの走査線は２０００本程度）、大きな画面の
ＴＶモニタを使うと像の解像度が低下する。この解像度
の低下は人にぼけた像を提示することになり、臨場感を
損なう一因となる。
【０００５】この問題を解決するには、人の視力を損な
わない高解像度な画像を画面に表示できる走査線数の多
いＴＶモニタを開発することであるが、現状では人の視
野に対応する、高解像度ＴＶモニタを開発することは技
術的に困難である。この発明は、このような視野の狭い
現状のヘッドマウントディスプレイの視野を、解像度を
落とすことなく拡大する方法を提供すべく成されたもの
である。人は注視点（眼球の中心軸すなわち視線を向け
て見ている対象の位置）およびその狭い周囲でのみもの
がよく見えて（通常は視線を中心に±５゜の領域）、そ
れ以外の領域では像がぼけて見えるという現象が知られ
ている。この発明はこうした生体の特性に注目し、オプ
トメカトロニクス的方法により、広視野・高解像度なデ
ィスプレイを用いたのと等価な像を操作者に提示できる
装置に関するものである。このような人の注視点及びそ
の狭い周囲だけを高解像度に表示するためには、まず人
の注視点すなわち、人の視線を検出して、その人の視線
に追従して高解像度の画像を人に与えるのがうまい解決
策である。この解決策を実現するためには、人の注視点
及びその狭い周囲だけの狭視野角画像を高解像度に表示
するとともに、さらに外側の広視野角画像を低解像度で
表示することができる画像ディスプレー装置が必要とさ
れるのであるが、そのような満足すべき画像ディスプレ
ー装置はまだ開発されていない。
【０００６】この発明は上記の如き事情に鑑みてなされ
たものであって、広視野角画像を提示することが可能で
あるとともに注視点において高解像度の画像を提示する
ことができ、かつ、人の視線の検出が容易で、画像の追
従も良好に行うことができて、仮想現実感の実現を良好
に行うことができるとともに、装置の構成も簡単である
視覚提示装置用画像ディスプレー装置を提供することを
目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の視覚提示装置用画像ディスプレー装置は、広視
野角画像と狭視野角画像とで構成される合成画像を表示
する画像ディスプレー装置であって、広視野角画像を表
示する透明液晶パネルと狭視野角画像を表示する画像表
示パネルとを備え、画像表示パネルは透明液晶パネルよ
りも高解像度であることを特徴としている。
【０００８】
【作用】眼球の動きに対し光学系を操作して、常に視線
が画像ディスプレー装置のモニタの中心一点を見つめる
ようにすると同時に、モニタの中心領域には、直接眼球
の前にモニタが置かれている場合に眼球が注視するはず
の領域の像を画像表示パネルにより高解像度で提示し、
その領域の周囲の画像を透明液晶パネルにより低解像度
で提示する。
【０００９】
【実施例】まず、図１（ａ），（ｂ）に眼球運動追従型
視覚提示装置の基本的考え方を示す。例えば人が肉眼で
対象物１０を見つめる場合を考える。まず眼球が符号１
５で示す位置にあってその視線が５０の方向を向き、対
象物１０上の点Ｐ1 を注視するとする。また次に視線の
向きを変えて、眼球を１５′の位置に動かし、視線を５
０′の方向に向けて、点Ｐ2 を注視する状況を想定す
る。この時、人の視覚系の特性から、各眼球位置におい
て人は注視点Ｐ1 ，Ｐ2 の近傍で高分解能な画像を取得
することができる。一方、注視点からはなれた外方位置
の状態は明瞭には判別できないから、広画角・低分解能
な画像を得ることができる。こうした視覚の特性を利用
して、視線方向の注視点のみ常に高分解能な画像を提示
するようにして、等価的に広画角・高分解能な画像を提
示することを考える。
【００１０】そのために、図１（ａ）と等価なディスプ
レイ系として図１（ｂ）のような系を考える。すなわ
ち、まず図１（ｂ）の（イ）のように眼球の運動に応じ
てその視線方向にモニタの位置が動くディスプレイ系
と、図１（ｂ）の（ロ）に示すように、カメラの位置
Ｏ′および光軸が図１（ａ）の眼球の位置Ｏおよび視線
と一致するように置かれた撮像系を想定する。ここで眼
球が図１（ａ）の位置１５に対応する図１（ｂ）の位置
１５にある時に、カメラ装置５を視線５０の方向に向
け、点Ｐ1 を撮像してその注視点像を高解像度で視線５
０方向にモニタ１２２に写し、また、眼球が１５′に移
動したときはその動きを検出して、それに追従するよう
にモニタ１２２を視線５０′方向の１２２′の位置に動
かすと同時に、カメラもまたその視線５０′に一致する
方向に動かし、点Ｐ2 を撮像してその注視点像を高解像
度で位置１２２′にあるモニタ１２２に写す。ここでモ
ニタの大きさを高視力を有する眼球の狭視野角をカバー
する程度の大きさにすれば、人は図１（ｂ）のシステム
でも図１（ａ）とほぼ同様の画像を受容することができ
る。ここで、図１（ｂ）の（イ）のようにモニタ１２２
を動かせば、対象物１０の全面を一度に提示する固定モ
ニタを用いる場合よりも、小さい画面のモニタで同様の
像の提示効果を得ることが出来るから、同一走査線数の
モニタを利用する場合、より解像度の高い像を提示する
ことが可能になる。次に狭視野角画像の作成と同様に、
広視野角画像も装着者の視線と一致させて作成し、人が
低視力となる眼球の広視野角をカバーする程度の大きさ
のモニタに提示し、狭視野角画像を広視野角画像中にス
ーパーインポーズして装着者に与える。ただし、図１
（ｂ）の（イ）のようにモニタ１２２を高速な眼球の動
きに応じて動かすのは困難であるから、この発明ではこ
れと等価な効果を、光学系を用いて実現することを考え
る。
【００１１】以下に、その詳細を一実施例を示す図面を
用いて説明する。図２において、１は眼球運動追従型視
覚提示装置である。眼球運動追従型視覚提示装置１は右
眼用装置１００ａと左眼用装置１００ｂを備えている。
右眼用装置１００ａは装着者１４の右眼１５ａに与える
画像を取扱う装置であり、左眼用装置１００ｂは装着者
１４の左眼１５ｂに与える画像を取扱う装置であるが、
右眼用装置１００ａと左眼用装置１００ｂとは対称的な
構成であるので、ここでは右眼用装置１００ａについて
説明する。右眼用装置１００ａは作画装置２と画像提示
装置３と眼球位置測定装置４とを備えている。作画装置
２は主としてモニタで提示すべき画像を作成するための
装置である。作画装置２はコンピュータグラフィックス
装置や対象物１０を撮影して画像を作成する撮像装置２
ａで構成することができるが、いずれの場合も、その作
成される画像は装着者１４の視線５０に対応した内容の
ものであって、したがって装着者１４の視線５０が変わ
れば画像の内容も変るものである。以下に説明する実施
例では作画装置２として対象物１０を撮影して画像を作
成する撮像装置２ａを用いる場合について説明する。
又、画像提示装置３は、装着者１４に作画装置２で作成
した画像を提示するための装置である。又、眼球位置測
定装置４は装着者１４の眼球運動を測定して作画装置２
（撮像装置２ａ）及び画像提示装置３を制御するための
装置である。
【００１２】撮像装置２ａは対象物１０を撮影するカメ
ラ装置５とカメラ装置５の撮像方向を制御する撮像方向
制御装置６とを備えている。カメラ装置５はこの実施例
では一対の広視野角用ＴＶカメラ５Ａ，狭視野角用ＴＶ
カメラ５ａを備え、また撮像方向制御装置６は、ハーフ
ミラー６０、スキャナ６１、スキャナ駆動回路６２、ス
キャナコントローラー６３からなっている。
【００１３】広視野角用ＴＶカメラ５Ａ、狭視野角用Ｔ
Ｖカメラ５ａは自動焦点機能を備えていて、ＴＶカメラ
５Ａ、及び５ａの焦点は対象物１０の表面上の同一点Ｐ
に一致している。広視野角用ＴＶカメラ５Ａで撮像され
た広視野角画像４０は画像処理装置１２Ａで画像処理さ
れた後に広視野角用モニタ２４Ａに表示される。狭視野
角用ＴＶカメラ５ａで撮像された狭視野角画像４１は画
像処理装置１２ａで画像処理された後に狭視野角用モニ
タ２４ａのモニタ本体７４に表示される。ここで注意す
べき点は、広視野角画像４０と狭視野角画像４１とは後
にスーパーインポーズにより重ね合わされるのである
が、広視野角画像４０中の中央部分で狭視野角画像４１
が重ね合わされるべき部分は画像が欠除されて存在しな
い。このような広視野角画像４０の画像処理は画像処理
装置１２Ａで行われる。広視野角画像４０と狭視野角画
像４１は画像提示装置３の画像ディスプレー装置２４に
送られる。
【００１４】画像提示装置３は画像ディスプレー装置２
４とハーフミラー２６、ミラー２７とを有する。画像デ
ィスプレー装置２４は狭視野角用モニタ２４ａ、広視野
角用モニタ２４Ａとを備えている。広視野角用モニタ２
４Ａは１個または同調して動作する複数の透明液晶パネ
ル７０で構成されている。それぞれの透明液晶パネル７
０は図３、図４、図５及び図６に示すように、上下のガ
ラス基板６５、６６上に透明垂直電極６７と透明水平電
極６８とを形成して絶縁層７１、７２で絶縁して向き合
せて配置し、その間に液晶層７３を設けて構成してい
る。狭視野角用モニタ２４ａはモニタ本体７４と画像透
過素子１３とで構成されている。モニタ本体７４はＣＲ
Ｔで構成する。画像透過素子１３は図３及び図４に示す
ように、凹レンズ１０１、光ファイバ１０２、接眼レン
ズ１０３とから成っている。凹レンズ１０１は光ファイ
バ１０２の光入射面１０４に対向して配置され、接眼レ
ンズ１０３は装着者１４が眼球１５に装着して使用する
ものである。光ファイバ１０２は例えば直径５０ｍｍの
もので、その直径は装着者１４の眼の大きさや、顔の大
きさに応じて選択するものである。光ファイバ１０２の
光入射面１０４及び光出射面１０５はともに球凹面状に
形成されている。透明液晶パネル７０は光ファイバ１０
２の光出射面１０５に対向して配置される。
【００１５】ミラー２７はスキャナ２９の駆動軸に取付
けられていて２軸回りに回転可能である。スキャナ２９
はスキャナ駆動回路３０によって駆動される。このよう
なミラー２７としては例えばガルバノメータミラーを使
用することができる。
【００１６】ハーフミラー２６の反射側には眼球位置測
定装置４が配置されている。眼球位置測定装置４はレン
ズ３２、分割型光検出器（ＡＰＤ）、赤外ＣＣＤカメラ
等の光検出器３３及び眼球照明用光学装置３４を備えて
いる。眼球照明用光学装置３４は赤外ＬＥＤ３５，レン
ズ３６及びハーフミラー３７を備えている。光検出器３
３は増幅回路３８を介して眼球位置演算回路３９に接続
し、眼球位置演算回路３９の出力はスキャナコントロー
ラー４２、スキャナコントローラー６３、広視野側の画
像処理装置１２Ａに入力される。
【００１７】眼球位置演算回路３９は例えばコンピュー
タとソフトウェアによって構成することができ、光検出
器３３の出力信号に基づいて眼球１５の位置を演算し
て、スキャナコントローラー４２、スキャナコントロー
ラー６３、広視野側の画像処理装置１２Ａに入力する。
スキャナコントローラー４２は例えばコンピュータとソ
フトウェアとによって構成することができ、眼球位置演
算回路３９からの信号によってスキャナ２９の駆動量を
算出しスキャナ駆動回路３０の動作を制御する。
【００１８】スキャナコントローラー６３は、例えばコ
ンピュータとソフトウェアとによって構成することがで
き、眼球位置演算回路３９からの信号によってスキャナ
６１の駆動量を算出し、スキャナ駆動回路６２の動作を
制御する。なお、図２において実線は電気的接続を示
し、破線は光軸を示している。
【００１９】このように構成された眼球運動追従型視覚
提示装置１における画像の提示操作は次の通りである。
遠隔の作業環境にある対象物１０は一対の広視野角用Ｔ
Ｖカメラ５Ａで撮影され、その信号は広視野側の画像処
理装置１２Ａで処理された後に広視野角用モニタ２４Ａ
の透明液晶パネル７０に表示される。画像処理装置１２
Ａにおける処理の内容としては、例えば、狭視野角画像
が表示されるべき透明液晶パネル７０の画面の中央部の
画像の消去またはノイズの消去等の処理がある。一方、
同じく対象物１０は一対の狭視野角用ＴＶカメラ５ａで
撮影され、その信号は狭視野側の画像処理装置１２ａで
処理された後に狭視野角用モニタ２４Ａのモニタ本体７
４に表示される。画像処理装置１２ａにおける処理の内
容としては狭視野角画像の縮小またはノイズの消去等の
処理がある。狭視野角用モニタ２４ａのモニタ本体７４
の画像はハーフミラー２６を透過し、ミラー２７を反射
し、光路４４から画像透過素子１３の光入射面１０４か
ら入り、光出射面１０５から出て透明液晶パネル７０に
入る。透明液晶パネル７０では広視野角画像４０と狭視
野角画像４１とが重なり合い、広視野角画像４０の画像
切欠き部分に狭視野角画像４１がはめ込まれた状態の合
成画像となり、この合成画像が装着者１４の眼球１５に
与えられて眼球１５の網膜上に結像する。これによっ
て、装着者１４の眼球１５の前方に対象物１０上の点Ｐ
の注視点像と周辺像が合成画像により形成される。この
とき、眼球１５の位置すなわち視線は眼球位置測定装置
４によって測定されている。眼球位置測定装置４では赤
外ＬＥＤ３５から赤外光が発光し、レンズ３６を通しハ
ーフミラー３７、ハーフミラー２６、ミラー２７で反射
されて光路４５に投入され、画像と同じ光路を通って、
画像透過素子１３を通して眼球１５を照明する。眼球１
５からの反射した赤外光は、同じ光路を逆にたどって、
ハーフミラー３７に達し、ハーフミラー３７を通過し
て、眼球位置測定装置４に達し、レンズ３２を通して光
検出器３３に入射する。光検出器３３では眼球１５の位
置の変化によって出力に変化が生じ、その信号を増幅回
路３８を介して眼球位置演算回路３９に入力し、眼球位
置演算回路３９が眼球１５を算出する。
【００２０】次に、装着者１４が視線を動かして、つま
り眼球１５を動かすと、その眼球１５の赤外光で照明さ
れた像は光の双方向性によって光出射面１０５から画像
透過素子１３に入り、透過して光入射面１０４から出射
し、ミラー２７、ハーフミラー２６で反射し、次いでハ
ーフミラー３７を透過して眼球位置測定装置４に入る。
眼球位置測定装置４では眼球１５の像はレンズ３２を通
して光検出器３３で検出され、その像の信号が増幅回路
３８で増幅されて眼球位置演算回路３９に入力され、そ
こで眼球１５の移動量及び位置が検出される。そしてそ
の眼球位置信号を撮像方向制御装置６に入力し、撮像方
向制御装置６は眼球の視線の方向に狭視野角用ＴＶカメ
ラ５ａの撮像方向を変える。
【００２１】これによって、装着者１４の視線と狭視野
角用ＴＶカメラ５Ａの視線とが一致する。こうして装着
者１４の視線が向いた方向の画像情報だけが狭視野角用
ＴＶカメラ５ａで撮影されて狭視野角用モニタ２４ａの
モニタ本体７４上に表示されることになる。
【００２２】一方、装着者１４の眼球１５が動くことに
よって、眼球１５から狭視野角用モニタ２４ａに至る光
路４４が変化し、従って眼球１５が狭視野角用モニタ２
４ａの中心を見なくなるので、これを一致させるために
眼球位置演算回路３９で算出した眼球１５の回転角θの
１／２すなわち（１／２）θだけミラー２７を回転させ
て眼球１５の視線を狭視野角用モニタ２４ａのモニタ本
体７４の中心に一致させる。
【００２３】このミラー２７の制御はスキャナコントロ
ーラー４２からの眼球位置信号にもとずいてスキャナ駆
動回路３０がスキャナ２９を駆動して行う。このように
して眼球１５の視線と狭視野角用モニタ２４ａのモニタ
本体７４の中心が一致すると、広視野角用モニタ２４Ａ
（透明液晶パネル７０）、モニタ本体７４の像が、装着
者１４の眼球１５に入射され、眼球前方に先ほどのＴＶ
カメラ５ａ、５Ａでとらえた視線方向の合成画像情報が
形成される。こうして、本装置は視線が変化しても視線
方向の画像のみを眼球に入射することを可能にし、図１
ｂと等価な効果をもつ系の構成を可能にする。
【００２４】なお、本説明では視線方向に狭視野角用Ｔ
Ｖカメラ５ａを制御して狭視野角用モニタ２４ａのモニ
タ本体７４上に像を提示するシステムについて記述した
が、眼球位置信号に応じて、コンピュータグラフィック
ス像を制御すれば仮想の世界を表示する仮想現実感シス
テムを得ることも可能である。
【００２５】
【発明の効果】このように、この発明の画像ディスプレ
ー装置においては、広視野角画像と狭視野角画像を組合
せ、同じ走査線数のモニタを使用しても、周辺の背景を
構成する広視野角画像を透明液晶パネルに低解像度で表
示し、注視点の狭視野角画像をモニタ上に高解像度で表
示するとともに画像透過素子を通じて透明液晶パネルを
透過させて表示し、現実感の高い画像を装着者に与える
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】眼球と対象物、眼球とディスプレイ、及びＴＶ
カメラと対象物の関係を示す説明図。
【図２】眼球運動追従型視覚提示装置の構成説明図。
【図３】画像提示装置の概略構成説明斜視図。
【図４】画像透過素子の縦断面説明図。
【図５】透明液晶パネルの断面説明図。
【図６】透明液晶パネルの斜視説明図。
【符号の説明】
１ 眼球運動追従型視覚提示装置 ２ 作画装置 ２ａ 撮像装置 ３ 画像提示装置 ４ 眼球位置測定装置 ５ カメラ装置 ５ａ 狭視野角用ＴＶカメラ ５Ａ 広視野角用ＴＶカメラ ６ 撮像方向制御装置 １０ 対象物 １２ａ 画像処理装置 １２Ａ 画像処理装置 １３ 画像透過素子 １４ 装着者 １５ 眼球 １５′ 眼球 １５ａ 右眼 １５ｂ 左眼 ２４ 画像ディスプレー装置 ２４ａ 狭視野角用モニタ ２４Ａ 広視野角用モニタ ２６ ハーフミラー ２７ ミラー ２９ スキャナ ３０ スキャナ駆動回路 ３２ レンズ ３３ 光検出器 ３４ 眼球照明用光学装置 ３５ 赤外ＬＥＤ ３６ レンズ ３７ ハーフミラー ３８ 増幅回路 ３９ 眼球位置演算回路 ４０ 広視野角画像 ４１ 狭視野角画像 ４２ スキャナコントローラー ４４ 光路 ４５ 光路 ５０ 視線 ５０′ 視線 ６０ ハーフミラー ６１ スキャナ ６２ スキャナ駆動回路 ６３ スキャナコントローラー ６５ ガラス基板 ６６ ガラス基板 ６７ 透明垂直電極 ６８ 透明水平電極 ７０ 透明液晶パネル ７１ 絶縁層 ７２ 絶縁層 ７３ 液晶層 ７４ モニタ本体 １００ａ 右眼用装置 １００ｂ 左眼用装置 １０１ 凹レンズ １０２ 光ファイバ １０３ 接眼レンズ １０４ 光入射面 １０５ 光出射面 １２２ モニタ １２２′ 位置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 広視野角画像と狭視野角画像とで構成さ
    れる合成画像を表示する画像ディスプレー装置であっ
    て、前記広視野角画像を表示する透明液晶パネルと前記
    狭視野角画像を表示する画像表示パネルとを備え、前記
    画像表示パネルは前記透明液晶パネルよりも高解像度で
    あることを特徴とする画像ディスプレー装置。
  2. 【請求項２】 装着者の眼球の前方に配置されていて前
    記画像表示パネルに表示された狭視野角画像を透過する
    画像透過素子を有し、前記透明液晶パネルは前記画像透
    過素子の前記装着者に対向する光学面の面前に配置され
    ていることを特徴とする請求項１記載の画像ディスプレ
    ー装置。
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