JPH08286141A - 注視点検出システム及びそれを用いた制御システム - Google Patents

注視点検出システム及びそれを用いた制御システム

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JPH08286141A
JPH08286141A JP11356995A JP11356995A JPH08286141A JP H08286141 A JPH08286141 A JP H08286141A JP 11356995 A JP11356995 A JP 11356995A JP 11356995 A JP11356995 A JP 11356995A JP H08286141 A JPH08286141 A JP H08286141A
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JP11356995A
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Atsushi Okuyama
奥山　　敦
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 観察者に対して相対的位置が不定の外界中の
観察対象物上の注視点を検出する注視点検出システム及
びそれを用いた制御システムを得ること。 【構成】 外界の視野に重畳して画像表示手段の画像の
拡大虚像を形成し、観察者に視認せしめるヘッドマウン
トディスプレイ(HMD) と、HMD に対し相対的位置が不定
の観察対象物を有する注視点検出システムにおいて、該
観察対象物はその位置を表示する第2 の光源を有し、該
HMD は第1 の光源によって眼球を照明し、視線検出光学
系によって第1 の受光素子上に得られた眼球の像より観
察者の視線情報を検出し、更に相対位置検出光学系によ
って第2 の受光素子上に得られた第2 の光源の像より該
観察対象物の方位情報を検出し、該視線情報と該方位情
報とから該観察者の該観察対象物上の注視点情報を得
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は注視点検出システム及び
それを用いた制御システムに関し、特に観察者がシース
ルー型のヘッドマウントディスプレイ（HMD ）を装着し
て外界の観察対象物を観察する際に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、画像表示手段に表示した画像
情報を観察者の眼に導き、これを観察できるようにした
画像観察装置が種々知られている。そしてこのような画
像観察装置に視線検出系、即ち観察者の注視方向、いわ
ゆる視線を観察者の眼球の像を解析することにより検出
するようにした光学系を設け、該視線検出系で得られる
視線情報を利用して画像表示手段に表示する画像情報を
制御するようにした画像観察装置も知られている。
【０００３】図13、図14はかかる画像観察装置として特
開平3-101709号公報において開示されているものであ
る。図13はこの従来例の画像観察装置の観察光学系とし
ての光路図であり、図14はこの画像観察装置の視線検出
光学系としての光路図である。図中、207 はCRT の表示
面（CRT)である。200 はプリズムブロックであり、光学
要素210、211、212、213 から構成されている。201 は第1
凹面ミラーであり、赤外光のみを反射し、その他の光は
透過する。202 は第2 凹面ミラーであり、CRT 207 から
の狭い波長範囲の可視光は反射し、その他の波長の光は
透過する。203 は第1 平面ミラーであり、赤外光に対し
てはハーフミラーであり、その他の光は反射する。204
はリレーレンズである。205 は第2 平面ミラーであり、
CRT 207 からの狭い波長範囲の可視光は反射し、その他
の可視光及び赤外光は透過する特性を持っている。206
は点状の赤外光源、208 は赤外光の受光素子である。
【０００４】この従来例の作用について説明する。まず
画像観察光学系の作用について図13によって説明する。
CRT の表示面207 に形成された画像からの光束は第2 平
面ミラー205 で反射し、リレーレンズ204 を通って第1
平面ミラー203 で反射し、第2 凹面ミラー202 の焦点位
置に中間像P1を形成する。中間像P1からの光束はプリズ
ムブロック200 の面218 に入射し、面216 で全反射した
後、第2 凹面ミラー202 で反射して観察者の眼E1に向か
い、面216 を透過して、面215 に入射し、面214 から射
出して眼E1に入射する。これにより観察者の前方に拡大
された虚像を形成している。観察者はこのCRT 207 の画
像の虚像とプリズムブロック200 の面217 、第1 凹面ミ
ラー201 、第2 凹面ミラー202 、面216、215、214 を透過
してくる外界の風景219 とを重ねて観察する。
【０００５】次いで、視線検出光学系の作用を図14によ
って説明する。赤外光源206 から発する赤外光束は、第
2 平面ミラー205 を透過し、リレーレンズ204 を通っ
て、第1 平面ミラー203 で一部反射し、プリズムブロッ
ク200 の面218 に入射し、面216 で全反射した後、第2
凹面ミラー202 を透過して第1 凹面ミラー201 に達し、
ここで反射して観察者の眼に向かい、第2 凹面ミラー20
2 を透過し、面216 を透過して、面215 に入射し、面21
4 から射出して観察者の眼E1に達し、観察者の眼を照明
する。赤外光で照射された観察者の眼E1の映像は再びプ
リズムブロック200 に入射し、照射した光路を逆行し、
プリズムブロック200 を射出後、第1 平面ミラー203 を
一部透過して受光素子208 に入射する。そして受光素子
208 上に結像した眼の画像を解析して視線を検出してい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来例
においては、画像を観察する観察者の視線を検知するも
のであり、観察手段を通して外界を観察するいわゆるシ
ースルーの状態で観察する外部の観察対称物と観察画像
との相対的な位置関係に関しては、これを検知する手段
がなく、視線による操作は観察者が見る虚像の画像に対
してだけであった。
【０００７】本発明の目的は、観察者に対して相対的位
置が不定の外界中の観察対象物上の注視点を検出する注
視点検出システム及びそれを用いた制御システムの提供
であり、特に観察者がヘッドマウントディスプレイ（HM
D ）によって外界の視野に重畳して画像表示手段に表示
した画像の拡大虚像を視認する際、HMD に対して相対的
位置が不定の外界中の観察対象物上の注視点を検出し、
その結果によって画像を制御したりするのに好適な注視
点検出システム及びそれを用いた制御システムの提供で
ある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の注視点検出シス
テムは、（１−１） 観察光学系により外界の視野に重
畳して画像表示手段の表示面に表示した画像の拡大虚像
を形成し、観察者に視認せしめるヘッドマウントディス
プレイと、該ヘッドマウントディスプレイに対し相対的
位置が不定の観察対象物を有する注視点検出システムに
おいて、該観察対象物はその位置を表示する位置表示手
段を有し、該ヘッドマウントディスプレイは、該観察者
の視線情報を検出する視線検出手段と、該観察対象物の
方位情報を検出する相対位置検出手段とを有し、該観察
者の視線情報と該観察対象物の方位情報とから該観察者
の該観察対象物上の注視点情報を得ること。
【０００９】（１−２） 観察光学系により外界の視野
に重畳して画像表示手段の表示面に表示した画像の拡大
虚像を形成し、観察者に視認せしめるヘッドマウントデ
ィスプレイと、該ヘッドマウントディスプレイに対し相
対的位置が不定の観察対象物を有する注視点検出システ
ムにおいて、該観察対象物はその位置を表示する位置表
示手段を有し、該ヘッドマウントディスプレイは、眼球
を照明する第1 の光源と、観察者の眼および眼の角膜反
射像を第1 の受光素子上に結像する視線検出光学系と、
該第1の受光素子からの画像情報により観察者の視線情
報を検出する第1 の解析回路と、該位置表示手段の表示
を第2 の受光素子上に結像する相対位置検出光学系と、
該第2 の受光素子からの画像情報により該観察対象物の
方位情報を検出する第2の解析回路を有し、該観察者の
視線情報と該観察対象物の方位情報とから該観察者の該
観察対象物上の注視点情報を得る。こと等を特徴として
いる。
【００１０】特に、（１−２−１） 前記ヘッドマウン
トディスプレイの動きを検知するHMD の方位検知手段を
備えた。（１−２−２） 前記視線検出光学系の一部と
前記相対位置検出光学系の一部とが共通であり、前記第
1 の受光素子と前記第2 の受光素子が共通である。（１
−２−３） 前記第2 の光源の点灯を前記第1 の光源の
消灯時に行っている。こと等を特徴としている。
【００１１】更に、（１−３） 外界観察者の頭部に装
着する注視点検出装置と、該注視点検出装置に対し相対
的位置が不定の観察対象物を有する注視点検出システム
において、該観察対象物はその位置を表示する位置表示
手段を有し、該注視点検出装置は、眼球を照明する第1
の光源と、観察者の眼および眼の角膜反射像を第1 の受
光素子上に結像する視線検出光学系と、該第1 の受光素
子からの画像情報により観察者の視線情報を検出する第
1 の解析回路と、該位置表示手段の表示を第2 の受光素
子上に結像する相対位置検出光学系と、該第2 の受光素
子からの画像情報により該観察対象物の方位情報を検出
する第2 の解析回路を有し、該観察者の視線情報と該観
察対象物の方位情報とから該観察者の該観察対象物上の
注視点情報を得ること等を特徴としている。
【００１２】特に、（１−３−１） 前記ヘッドマウン
ト計測装置の動きを検知する計測装置の方位検知手段を
備えた。（１−３−２） 前記視線検出光学系の一部と
前記相対位置検出光学系の一部とが共通であり、第1 の
受光素子と第2 の受光素子が共通である。（１−３−
３） 前記位置表示手段は光源であり、該光源の点灯を
前記第1 の光源の消灯時に行っている。こと等を特徴と
している。
【００１３】本発明の制御システムは、（１−４） 観
察光学系により画像表示手段の表示面に表示した画像の
拡大虚像を外界の視野に重畳して形成し、観察者に視認
せしめるヘッドマウントディスプレイと、該ヘッドマウ
ントディスプレイに対し相対的位置が不定の観察対象物
を有する制御システムにおいて、該観察対象物はその位
置を表示する位置表示手段と該観察対象物の動作を制御
する制御手段を有し、該ヘッドマウントディスプレイ
は、観察者の視線情報を検出する視線検出手段と、該観
察対象物の方位情報を検出する相対位置検出手段とを有
し、該観察者の視線情報と該観察対象物の方位情報とか
ら該観察者の該観察対象物上の注視点情報を得、該制御
手段は該注視点情報によって該観察対象物を制御する。
【００１４】（１−５） 観察光学系により画像表示手
段の表示面に表示した画像の拡大虚像を外界の視野に重
畳して形成し、観察者に視認せしめるヘッドマウントデ
ィスプレイと、該ヘッドマウントディスプレイに対し相
対的位置が不定の観察対象物を有する制御システムにお
いて、該観察対象物はその位置を表示する位置表示手段
と該観察対象物の動作を制御する制御手段を有し、該ヘ
ッドマウントディスプレイは、眼球を照明する第1 の光
源と、観察者の眼および眼の角膜反射像を第1 の受光素
子上に結像する視線検出光学系と、該第1の受光素子か
らの画像情報により観察者の視線情報を検出する第1 の
解析回路と、該位置表示手段の表示を第2 の受光素子上
に結像する相対位置検出光学系と、該第2 の受光素子か
らの画像情報により該観察対象物の方位情報を検出する
第2の解析回路を有し、該観察者の視線情報と該観察対
象物の方位情報とから該観察者の該観察対象物上の注視
点情報を得、該制御手段は該注視点情報によって該観察
対象物を制御する。こと等を特徴としている。
【００１５】特に、（１−５−１） 前記ヘッドマウン
トディスプレイの動きを検知するHMD の方位検知手段を
備えた。（１−５−２） 前記視線検出光学系の一部と
前記相対位置検出光学系の一部とが共通であり、第1 の
受光素子と第2 の受光素子が共通である。（１−５−
３） 前記位置表示手段は光源であり、該光源の点灯を
前記第1 の光源の消灯時に行っている。こと等を特徴と
している。
【００１６】又、本発明の注視点検出システムは、（１
−６） 画像表示手段の表示面に表示した画像に基づく
光束を観察者に導光し、該画像の拡大虚像を外界の視野
に重畳して観察する観察光学系、該観察者の視線情報を
検出する視線検出手段、外界に設けた観察対象物上の位
置表示手段により該観察対象物の方位情報を検出する相
対位置検出手段、該視線情報と該方位情報とを用いて該
観察対象物上の該観察者の注視点情報を得る像解析回路
とを有すること等を特徴としている。
【００１７】特に、（１−６−１） 前記観察対象物は
前記像解析回路からの信号に基づいて所定の動作を行う
制御手段を有していること。こと等を特徴としている。
【００１８】
【実施例】図1 は本発明の実施例1 の要部概略図であ
る。図中、101 は観察者、3aは第1の観察光学素子であ
り、第1 の光学作用面1 、半透明の反射層を有する第2
の光学作用面2 、第3 の光学作用面5 を有し全体として
正の屈折力を有する。第2 の光学作用面2 は、観察者の
眼の上下方向に傾斜している。3bは第2 の観察光学素子
であり、第4 の光学作用面61、第5 の光学作用面62を有
する。第5 の光学作用面62は第2 の光学作用面2 と同
じ、または同じような形状をしており、僅かな空気間隔
を設けて配置するか、又は接合している。
【００１９】4 は画像表示手段であり、例えば液晶画像
表示素子などで構成し、観察者の上方（又は下方）に配
置している。13は画像制御手段であり、画像表示手段4
に画像情報を与える。
【００２０】102a,102b は第1 の赤外光源（第1 の光
源）であり、光軸を含み紙面に平行な平面に対して左右
対称に少なくとも２個配置し、下方から観察者の眼を照
明する。10は平板状の赤外光反射手段であり、その中に
赤外光反射面7 を有する。赤外光反射面7 は、可視光を
透過し、赤外光を反射する特性のダイクロイック反射面
である。8 は結像レンズ系であり、観察者の眼および眼
の角膜反射像及び後記の第2 の赤外光源の反射像を縮小
結像する。9 は受光素子であり、例えばエリア型の光電
変換素子で構成し結像レンズ系8 で形成された像を検出
する。11は観察者に対して凹面を向けたメニスカスレン
ズである。12は像解析回路であり、受光素子9 から得ら
れる画像を解析して信号を出力する。
【００２１】以上説明した各要素はすべてヘッドマウン
トディスプレイの一要素を構成している。
【００２２】Ｍは観察対象物であり、例えばコンピュー
ターのモニターなどであり、これは観察者の頭及びヘッ
ドマウントディスプレイに対してその相対的位置は全く
不定である。La,Lb,Lc,Ld は観察対象物Ｍに設けた第2
の赤外光源（第2 の光源、位置表示手段）である。又、
観察対象物Ｍは注視点の位置に応じて画像制御手段13を
制御したり、或は観察対象物Ｍに所定の動作を行わせる
不図示の制御手段を備えている。
【００２３】本実施例の作用について説明する。まず、
画像表示手段4 に表示された画像を観察する観察光学系
の光学作用を説明する。画像表示手段4 からの光は赤外
光反射手段10を透過して第1 の観察光学素子3aに入射
し、第3 の光学作用面5 を屈折透過して第1 の光学作用
面1 へ向かい、この面1 で全反射して第2 の光学作用面
2 に向かい、この面2 の反射層で反射して再び第1 の光
学作用面1 へ向かい、この面1 を屈折透過し、メニスカ
スレンズ11を透過して拡大した虚像を形成すると共に観
察者の視度に適合した拡がり角（収束角、平行）の光束
となり観察者の瞳に入り、観察者に画像の拡大虚像を視
認させる。
【００２４】次に、外界観察系の光学作用について説明
する。外界からの光は、第2 の観察光学素子の第4 の光
学作用面61を透過し、次いで第5 の光学作用面62を透過
し、第1 の観察光学素子の第2 の光学作用面2 を透過
し、第1 の光学作用面1 透過し、メニスカスレンズ11を
透過して、観察者の眼に至り、観察者は外界を視認する
と共に前記画像の拡大虚像をこれに重畳して視認する
（これをシースルー観察と云う）。
【００２５】第1 及び第2 の観察光学素子3a,3b 、赤外
光反射手段10、メニスカスレンズ11、等は観察光学系の
一要素を構成している。
【００２６】視線検出系の光学作用を図1 〜図4 を用い
て説明する。図2 は受光素子9 上に得られる眼球像の概
略図であり、図3 は図2 中の線AA上で得られる出力強度
図である。図4 は視線検出の原理の説明図であり、図4
(A) は水平方向の図、図4(B)は垂直方向の図である。
【００２７】第1 の赤外光源102a,102b から発した光
は、眼の斜め下から観察者の眼708 を照明する。照明光
は観察者の角膜710 、虹彩704 で反射散乱され、角膜で
反射した光はプルキンエ像を形成し、瞳孔で散乱した光
は虹彩の輪郭を鮮明にする。
【００２８】これらの光はメニスカスレンズ11を透過し
て、第1 の観察光学素子3aに入射し、第1 の光学作用面
1 を透過し、第2 の光学作用面2 の反射層で反射して再
び第1 の光学作用面1 に向かい、この面1 で全反射して
第3 の光学作用面5 へ向かい、この面5 を透過して赤外
光反射手段10へ入射し、赤外光反射面7 で反射されて結
像レンズ系8 に導かれ、結像レンズ系8 により受光素子
9 上に眼球像を結像する。そして受光素子9 から得られ
るプルキンエ像と虹彩の像をもとに像解析回路において
観察者の視線方向を検出する。
【００２９】メニスカスレンズ11、第1 の光学素子3a、
赤外光反射手段10、結像レンズ系8等は視線検出光学系
の一要素を構成している。
【００３０】本実施例において像解析回路12が視線方向
を検出する原理について説明する。本実施例における視
線検出方法は本出願人が特開平3-109029号公報において
開示した技術を用いる。以下各図を用いて視線の検出方
法を説明する。
【００３１】図4 に示すように受光素子9 上に水平方向
をｘ’、垂直方向をｙ’とするｘ’ｙ’座標を設定す
る。眼球の角膜の曲率中心をｏ，瞳孔中心をｃ，赤外光
源102a,102b の角膜反射像を夫々ｄ，ｅとする。
【００３２】水平面方向の眼球の回転角θx は上記諸点
の受光素子9 上のｘ’座標によって次のように表され
る： sin(θx)＝［ｘc'−{(ｘd'＋ｘe')/2 ＋δx'}]/(OC* β) (1) 又、垂直方向の回転角θy は上記諸点の受光素子9 上の
ｙ’座標によって次のように表される： sin(θy)＝［ｙc'−{(ｙe,d'＋δy'}]/(OC* β) (2) ここにδx'，δy'は装置の設置方法・眼球距離等から幾
何学的に求められる補正値であり、βは受光素子9 上の
眼球像の結像倍率で、赤外光源の反射像ｄ，ｅの受光素
子９上の距離から求められる。
【００３３】像解析回路12において式(1)、(2) の演算を
行うことにより結像レンズ系8 の光軸に対する視線の方
位（θx、θy)が得られる。なお、像解析回路12中でこの
視線方向の検出演算を行う回路を第1 の解析回路とす
る。
【００３４】なお、第1 の光源102a,102b 、視線検出光
学系、受光素子9 、第1 の解析回路等は視線検出手段の
一要素を構成している。
【００３５】次に観察対象物Ｍの方位情報を検出する相
対位置検出系の光学作用について説明する。第2 の赤外
光源（第2 の光源、）La,Lb,Lc,Ld から発した光は、第
4 の光学作用面61、第5 の光学作用面62、第2 の光学作
用面2 、第1 の光学作用面1を順次透過して、メニスカ
スレンズ11に入射する。これらの光はメニスカスレンズ
11の一方の面11a で反射され、プルキンエ像と同様な虚
像を形成する。この虚像からの光は再び第1 の光学作用
面1 に入射し、以後、視線検出光がたどったのと同じ経
路をたどって受光素子（第2 の受光素子）9 上に結像す
る。
【００３６】メニスカスレンズ11の面11a の曲率は、受
光素子9 上で第2 の光源の虚像の像が十分検知できる曲
率に設定している。広い範囲を検知可能にするためには
メニスカスレンズを用いた方が良いが、観察者に対して
外界の観察対象物を特定の位置に設置可能の場合は、広
い範囲を検知する必要がないので、メニスカスレンズを
用いず、平面や第1 の観察光学素子3aの第1 の光学作用
面1 の反射光を用いてもよい。
【００３７】第1 の観察光学素子3a、第2 の観察光学素
子3b、メニスカスレンズ11、赤外光反射手段10、結像レ
ンズ系8 等は相対位置検出光学系の一要素を構成してい
る。
【００３８】像解析回路12に於いて観察対象物Ｍの相対
位置を検出する原理について説明する。図5 は、観察対
象物Ｍの相対位置検出の際に受光素子9 に得られる画像
例である。図5 中Ｏは受光素子9 上の光軸交点であり、
La',Lb',Lc',Ld' は第2 の赤外光源La,Lb,Lc,Ld の像で
ある。この光源像の線分La'Lc'と線分Lb'Ld'の交点が観
察対象物Ｍの中心の像ＯM'であり、光軸中心Ｏと観察対
象物Ｍの中心の像ＯM'のずれが結像レンズ系8 の光軸に
対する観察対象物Ｍの方位ずれになる。
【００３９】図5 に示すように上下方向に観察対象物Ｍ
の中心がずれているとき、ずれ量をΔL'、結像レンズ系
8 の後側主点から受光素子9 までの距離をA'とすると方
位θoyは、 θoy=tan-1( ΔL'/A') (3) となる。同様に四隅の点の方位に関しても同様にそれぞ
れ求めることができ、観察対象物ＭをOM(0, θoy),La(
θax, θay),Lb( θbx, θby),Lc( θcx, θcy=θby),L
d( θdx, θdy= θay) というように方位角で表すこと
ができる。上下に観察対象物の中心がずれているときは
観察対象物Ｍは矩形にならずに図5 のように台形形状に
なるが、横方向の方位変化β21を βM={(θax- θdx)- (θbx- θcx)}/(θay- θby)/2 (4) とすると、横方向の観察対象物Ｍの方位を θx、M={(θax- θdx)+ (θbx- θcx)}/2+ βM ×( θy、M-θoy) (5) として、観察対象物Ｍの方位を決定することができる。
なお、像解析回路12中で、この観察対象物Ｍの方位の検
出演算を行う回路を第2 の解析回路とする。
【００４０】なお、相対位置検出光学系、受光素子9 、
第2 の解析回路等は相対位置検出手段の一要素を構成し
ている。
【００４１】像解析回路12において式(3)、(4)、(5) の演
算によって得られる結像レンズ系8の光軸に対する観察
対象物Ｍの方位と、視線検出により求められる結像レン
ズ系8 の光軸に対する観察者の視線の方向を比較するこ
とにより、観察者が観察対象物Ｍのどの部分を注視して
いるかを算出するのである。
【００４２】HMD と観察対象物Ｍとの間は通信手段を介
して通信が可能であり、観察者の観察対象物Ｍに対する
注視点データーは観察対象物Ｍに伝えられ、その制御手
段は注視点の位置に応じて例えば画像制御手段13を制御
して適切な画像情報（例えば観察対象物Ｍに行う制御の
予告）を画像表示手段4 に与えたり、或は観察対象物Ｍ
を制御して所定の動作を行わせる。
【００４３】本実施例では視線検出光学系と観察対象物
Ｍの相対位置検出光学系には殆ど共通の光学系と共通の
受光素子9 を使用している。従って像解析回路12からの
指示によって視線方向の検出と観察対称物Ｍの方位検出
とを時間的に交互に行い、それぞれの検出に必要な赤外
光源をその都度点滅するように制御している。
【００４４】なお、第1 の観察光学素子3aは、像性能と
歪みの補正を行い、画像表示手段4に対してテレセント
リックな系とするために、3 つの作用面をそれぞれ回転
対称軸を有しない3 次元曲面で構成するのが望ましい。
【００４５】又、第4 の光学作用面61は、外界の風景が
違和感なく観察できるように第1 の光学作用面1 のレン
ズ作用を打ち消す形状になるようにし、回転対称軸を有
しない3 次元曲面で構成している。
【００４６】又、結像レンズ系8 には非球面を少なくと
も1 面設けると、軸外の結像性能を補正する上で有効で
ある。
【００４７】又、観察対象物Ｍの相対位置を検出する際
には、メニスカスレンズ11の面11aの反射像を使用する
ので、他の面での光の反射は極力除去するのが望まし
く、その為にメニスカスレンズ11の他の面11b や、第1
の光学作用面1 には赤外光の反射を押さえるコーティン
グを施している。
【００４８】図6 は本発明の実施例2 の要部概略図であ
る。本実施例は実施例1 に更にヘッドマウントディスプ
レイ（HMD ）の向きの変化を検知するHMD の方位検知手
段を附加したものである。光学系は実施例1 と同じであ
るので同符号を記してある。図中、30はHMD の方位検知
手段であり、振動ジャイロなどの角度センサー等を用い
てHMD の向きの変化を検知する。
【００４９】図7 はHMD の方位検知手段30の構成を表す
ブロック図である。図中、200 はジャイロに加わる角度
変化を摸式的に描いたもので、その変位の角速度に比例
した電圧がジャイロセンサー201 から出力される。ジャ
イロの出力電圧には通常ある程度のオフセット電圧成分
が重畳されているため、この不要成分を除去する目的で
高域通過フィルタ(HPF)202に信号を通す。更に通常ジャ
イロの出力振幅は微小であるため、適当な倍率の増幅回
路203 を用いて信号を増幅し、十分な振幅電圧を得る。
次に、信号は積分回路204 に加えて角度信号を角度情報
に変換する。積分回路204 からの出力は初期化信号206
が入力されたときにゼロとなり、その後の角度変位に応
じた信号205 を出力する。
【００５０】図8 は実際の回路例であり、アナログ回路
でHMD の方位検知手段を構成したものである。208 は反
転増幅回路であり、アンプA201、抵抗R201、R202等で構
成している。209 は積分回路であり、アンプA202、抵抗
R203、コンデンサC201等で構成している。アンプA202の
出力がA201の正入力に加えられ、アンプA201の出力がR2
03に加えられる構成で、HPF202とアンプA203の機能をす
る。積分回路204 はアンプA203、抵抗R204、コンデンサ
C202、アナログスイッチSW201 等で構成し、抵抗R204に
加えられる電圧を積分した電圧205 を発生する。抵抗R2
05は所定の時定数で出力電圧をゼロに戻すはたらきがあ
り、大きな変化がないときにゆっくりと基準の状態に戻
るようにしたいときには大きな値の抵抗を用いる。
【００５１】以上で示した構成はHMD の1 方向の方位検
出の手段についてのものである。実際には少なくとも縦
( ピッチ) 方向と、横( ヨー) 方向の2 つの方向につい
ての角度変化を検出するために、上記の構成を2 系統備
える。その場合ジャイロの検出軸は、縦方向の検出には
左右方向に走るように、横方向の検出には上下方向に走
るようにジャイロを配置することによって各々の方向の
角度変化の検出が可能となる。また、傾き( ロール) 方
向まで検出したいときには、更に1 系統増やし、ジャイ
ロの配置は検出軸が前後方向に走るようにする。
【００５２】本実施例の動作について説明する。本実施
例では、HMD を使用するに際してまず初めに観察対象物
の初期設定を行う。
【００５３】図9 はこの初期設定のフローチャートであ
る。これを説明する。 step 1：観察者がモニター等の観察対象物に略正対して
観察するように指示する。 step 2：ヘッドマウントディスプレイ側の視線検出用の
第1 の赤外光源を切る。 step 3：観察対象物の第2 の赤外光源を点灯する。 step 4：相対位置検出系によって受光素子上に得られた
メニスカスレンズ11の面11a における第2 の赤外光源の
反射像を受光素子から取り込む。 step 5：像解析回路で前記の方法により観察対象物とHM
D の相対位置情報を計算する。（結像レンズ系の光軸に
対して観察対象物がどの方向にあるかを検出する。）う
まく検出できれば、step 6へ進み、うまく検出できなけ
ればstep 4へ戻る。 step 6：観察対称物の相対位置情報をHMD の像解析回路
12に送る。同時にHMD の方位検出手段をリセットする。 step 7：観察対象物の第2 の赤外光源を切る。 step 8：HMD 側の第1 の赤外光源を点灯する。 step 9：視線方向の検出及び観察対象物の注視点の検出
を始める。うまくいかない場合はstep 4へもどる。
【００５４】このようにHMD の像解析回路12は相対位置
情報を受け取り、一旦HMD の方位検知手段30をリセット
する。その時点から方位検知手段30はHMD の向きの変化
の検知を始め、初期設定状態からのHMD の向きの変化を
順次検出して像解析回路12へ出力する。
【００５５】本実施例では像解析回路12において初期設
定時に得た観察対象物Ｍの相対位置情報とそれ以後のHM
D の方位検出手段30から得られるHMD の向きの変化情報
により、HMD がどちらを向いていてもHMD に対する観察
対象物Ｍの方位を演算して検出する。そしてその方位と
像解析回路12の第1 の解析回路で得られる視線情報によ
り観察者が観察対象物Ｍのどの部分を注視しているか像
解析回路12中の第2 の解析回路が算出する。実施例1 と
同様にHMD と観察対象物Ｍとの間は通信手段を介して通
信が可能であり、観察者の観察対象物Ｍに対する注視点
データーは観察対象物Ｍに伝えられ、その制御手段は注
視点の位置に応じて例えば画像制御手段13を制御して適
切な画像情報を画像表示手段4 に与えたり、或は観察対
象物Ｍを制御して所定の動作を行わせる。
【００５６】本実施例は実施例1 と異なってHMD の向き
の変化をHMD の方位検出手段30で検出しているので、検
出途中で観察対象物Ｍが観察者の視野から全く外れても
ることがあっても観察対象物ＭがHMD に対してどの方向
にあるかが判っているので、観察対象物Ｍが又検出でき
る範囲に入ってくればこれを直ちに判断でき、従って注
視点検出動作の信頼性が増す効果がある。
【００５７】図10は本発明の実施例3 の要部概略図であ
る。本実施例は実施例1 、実施例2よりも簡単な構成で
同じ作用をなす実施例である。
【００５８】図中、101 は観察者、51は平面ハーフミラ
ーあり、その観察者側の面51b には赤外光を反射し、可
視光を透過するダイクロイック膜を施しており、反対側
の面51a には可視光を反射するハーフミラーを施してい
る。52は観察者に凹面を向けた凹面ハーフミラー52a を
有するレンズである。4 は画像表示手段である。
【００５９】102a,102b は第1 の赤外光源（第1 の光
源）であり、光軸を含み紙面に平行な平面に対して左右
対称に少なくとも２個配置し、下方から観察者の眼を照
明する。
【００６０】54は光路合成手段、56は結像レンズ系であ
り、観察者の眼および眼の角膜反射像及び後記の第2 の
赤外光源を縮小結像する。9 は受光素子であり、例えば
エリヤー型の光電変換素子で構成し結像レンズ系56で形
成された像を検出する。12は像解析回路であり、受光素
子9 から得られる画像を解析して信号を出力する。
【００６１】以上で説明した各要素は全てヘッドマウン
トディスプレイの一要素を構成している。
【００６２】Ｍは観察対象物であり、例えばコンピュー
ターのモニターなどであり、これは観察者の頭及びヘッ
ドマウントディスプレイ（HMD ）に対してその相対的位
置は全く不定である。La,Lb,Lc,Ld は観察対象物Ｍに設
けた第2 の赤外光源（第2 の光源、位置表示手段）であ
る。又、観察対象物Ｍは注視点の位置に応じて画像制御
手段を制御したり、或は観察対象物Ｍに所定の動作を行
わせる不図示の制御手段を備えている。
【００６３】本実施例の作用について説明する。まず、
画像表示手段4 に表示された画像を観察する画像観察系
の光学作用を説明する。画像表示手段4 からの光は、平
面ハーフミラー51の面51a で反射してレンズ52に向か
い、凹面ハーフミラー52a で反射して観察者側へ向か
い、平面ハーフミラー51を透過して拡大した虚像を形成
すると共に観察者の視度に適合した拡がり角（収束角、
平行）の光束となり観察者の瞳に入り、観察者に画像の
拡大虚像を視認させる。
【００６４】次に、外界観察系の光学作用について説明
する。外界から観察者へ向かう光は、レンズ52を透過
し、平面ハーフミラー51を透過して、観察者の眼に至
る。このとき、レンズ52は透過する光に対しては殆ど屈
折力がないので観察者は外界の風景をごく自然に観察で
きる。観察者は外界を視認すると共に前記画像の拡大虚
像をこれに重畳して視認する（これをシースルー観察と
云う）。
【００６５】レンズ52、平面ハーフミラー51等は観察光
学系の一要素を構成している。
【００６６】視線検出系の光学作用について説明する。
第1 の赤外光源102a,102b から発した光は、眼の斜め下
から観察者の眼708 を照明する。照明光は観察者の角膜
710、虹彩704 で反射散乱され、角膜で反射した光はプ
ルキンエ像を形成し、瞳孔で散乱した光は虹彩の輪郭を
鮮明にする。
【００６７】これらの光は平面ハーフミラー51の面51b
で反射し、光路合成手段54を透過して結像レンズ系56に
導かれ、結像レンズ系56により受光素子9 上に眼球像を
結像する。そして受光素子9 から得られるプルキンエ像
と虹彩の像をもとに実施例1と同じ方法で像解析回路12
中の第1 の解析回路において観察者の視線方向を検出す
る。
【００６８】平面ハーフミラー51、光路合成手段54、結
像レンズ系56等は視線検出光学系の一要素を構成してい
る。又、第1 の光源102a,102b 、視線検出光学系、受光
素子9 、第1 の解析回路等は視線検出手段の一要素を構
成している。
【００６９】結像レンズ系56には少なくとも非球面を1
面設けると、軸外の結像性能を補正する上で有効であ
る。
【００７０】又、平面ハーフミラー51の両面には前記の
様にダイクロイック膜及び可視光ハーフミラーを付けて
いるので、視線検出のための赤外光を有効に検出するこ
とができ、さらに画像表示素子4 から発せられる不用な
赤外光をカットできる。
【００７１】次に観察対象物の方位を検出する相対位置
検出系の光学作用について説明する。第2 の赤外光源L
a,Lb,Lc,Ld から発した光は、光路合成手段54で反射さ
れて結像レンズ系56を通り受光素子9 上に像を結ぶ。
【００７２】像解析回路12中の第2 の解析回路は受光素
子9 に得られる第2 の光源の像により結像レンズ系56の
光軸に対する観察対象物Ｍの方位を検出する。
【００７３】光路合成手段54、結像レンズ系56等は相対
位置検出光学系の一要素を構成している。又、相対位置
検出光学系、受光素子9 、第2 の解析回路等は相対位置
検出手段の一要素を構成している。
【００７４】これより得られる結像レンズ系56の光軸に
対する観察対象物Ｍの方位と、視線検出により求められ
る結像レンズ系56の光軸に対する観察者の視線の方向を
比較することにより、観察者が観察対象物Ｍのどの部分
を注視しているかを算出することができる。
【００７５】HMD と観察対象物Ｍとの間は通信手段を介
して通信が可能であり、観察者の観察対象物Ｍに対する
注視点データーは観察対象物Ｍに伝えられ、その制御手
段は注視点の位置に応じて例えば画像制御手段13を制御
して適切な画像情報を画像表示手段4 に与えたり、或は
観察対象物Ｍを制御して所定の動作を行わせる。
【００７６】本実施例でも像解析回路12からの指示によ
って視線方向の検出と観察対称物Ｍの方位検出とを時間
的に交互に行い、それぞれの検出に必要な赤外光源をそ
の都度点滅するように制御している。
【００７７】実施例3 の派生実施例として光路合成手段
54をミラーで構成し、これを出し入れするようにしても
良い。例えば図11に示すようなはね上げミラー式の光路
切り替手段にして、観察対象物Ｍの相対位置を求める場
合にミラーを光路に入れ、視線方向を検出する場合は光
路から外れるようにする。
【００７８】また、光路合成手段54はハーフミラーでも
良いが、第1 の赤外光源の波長と第2 の赤外光源の波長
を異なる波長にし、第1 の赤外光源の波長を透過し、第
2 の赤外光源の波長を反射するダイクロミラーにしても
よい。
【００７９】又、本実施例に実施例2 と同様なHMD の方
位検出手段30を設けて、初期設定によりHMD に対する観
察対象物の方位を検出して設定しておき、後はHMD の方
位検出手段によりHMD の向きの変化を検出し、観察対象
物の注視点を検出するようにしても良い。
【００８０】図12は本発明の実施例4 の要部概略図であ
る。本実施例はヘッドマウントディスプレイは使用しな
いで、観察者の頭部に装着する注視点検出装置55で以て
観察者の観察対象物の注視点の検出システムを構成した
実施例である。
【００８１】本実施例は実施例3 から画像表示を行う部
材、即ち画像表示手段4 とレンズ52を取り除いいる。従
って観察者の外界の視野の中に画像表示手段に表示する
画像をシースルー式に重畳していない。
【００８２】視線検出系及び相対位置検出系の構成及び
作用は実施例3 と全く同じである。本実施例の場合、平
面ハーフミラー51、光路合成手段54、結像レンズ系56等
は視線検出光学系の一要素を構成しており、第1 の光源
102a,102b 、視線検出光学系、受光素子9 、像解析回路
12中の第1 の解析回路等は視線検出手段の一要素を構成
している。
【００８３】又、光路合成手段54、結像レンズ系56等は
相対位置検出光学系の一要素を構成しており、相対位置
検出光学系、受光素子9 、像解析回路12中の第2 の解析
回路等は相対位置検出手段の一要素を構成している。
【００８４】本実施例によっても第1 の光源、視線検出
光学系、受光素子及び像解析回路12によって結像レンズ
系56の光軸に対する観察者の視線方向を検出し、又第2
の光源、相対位置検出光学系及び像解析回路12によって
結像レンズ系56の光軸に対する観察対象物Ｍの方位を検
出し、これらの情報により、観察者が観察対象物Ｍのど
の部分を注視しているかを算出するのである。
【００８５】注視点検出装置55と観察対象物Ｍとの間は
通信手段を介して通信が可能であり、観察者の観察対象
物Ｍに対する注視点データーは観察対象物Ｍに伝えら
れ、その制御手段は注視点の位置に応じて観察対象物Ｍ
を制御して所定の動作を行わせる。
【００８６】本実施例でも像解析回路12からの指示によ
って視線方向の検出と観察対称物Ｍの方位検出とを時間
的に交互に行い、それぞれの検出に必要な赤外光源をそ
の都度点滅するように制御している。
【００８７】なお、本実施例に実施例2 のHMD の方位検
知手段を設ければ、第2 の光源が注視点検出装置55の視
野から全く外れても該方位検知手段によって第2 の光源
の在る方向を常に把握できる（本実施例の場合この方位
検知手段を検出装置の方位検知手段と呼ぶこととす
る。）。
【００８８】なお、以上の各実施例はいずれも視線検出
光学系の一部と相対位置検出光学系の一部が共通である
が、場合によっては視線検出光学系と相対位置検出光学
系を夫々独立させても良い。その場合は受光素子も２つ
必要になり、例えば視線方向の検出用には第1 の受光素
子を、相対位置検出用には第2 の受光素子を設ければ良
い。
【００８９】
【発明の効果】本発明は以上の構成により、観察者に対
して相対的位置が不定の外界中の観察対象物上の注視点
を検出する注視点検出システム及びそれを用いた制御シ
ステム、特に観察者がヘッドマウントディスプレイ（HM
D ）によって外界の視野に重畳して画像表示手段に表示
した画像の拡大虚像を視認する際、HMD に対して相対的
位置が不定の外界中の観察対象物上の注視点を検出し、
その結果によって画像を制御したりするのに好適な注視
点検出システム及びそれを用いた制御システムを達成し
ている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例1 の要部概略図
【図２】 受光素子上の眼球像の概略図
【図３】 受光素子の出力強度図
【図４】 視線検出の原理の説明図
【図５】 観察対象物に設置する第2 の光源の画像例
【図６】 本発明の実施例2 の要部概略図
【図７】 方位検知手段の構成ブロック図
【図８】 方位検知手段の回路例
【図９】 初期設定のフローチャート図
【図１０】 本発明の実施例3 の要部概略図
【図１１】 実施例3 の派生例
【図１２】 本発明の実施例4 の要部概略図
【図１３】 従来例図
【図１４】 従来例図
【符号の説明】
101 観察者 1 第1 の光学作用面 2 第2 の光学作用面 3 第3 の光学作用面 4 第4 の光学作用面 5 第5 の光学作用面 3a 第1 の観察光学素子、3b 第2 の観察光学素子 4 画像表示手段、 102a,102b 第1 の赤外光源 10 赤外光反射手段 8、56 結像レンズ系 9 受光素子、 11 メニスカスレンズ、 12 像解析回路、 Ｍ 観察対象物 13 画像制御手段 La,Lb,Lc,Ld 第2 の赤外光源

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 観察光学系により外界の視野に重畳して
    画像表示手段の表示面に表示した画像の拡大虚像を形成
    し、観察者に視認せしめるヘッドマウントディスプレイ
    と、該ヘッドマウントディスプレイに対し相対的位置が
    不定の観察対象物を有する注視点検出システムにおい
    て、 該観察対象物はその位置を表示する位置表示手段を有
    し、 該ヘッドマウントディスプレイは、該観察者の視線情報
    を検出する視線検出手段と、該観察対象物の方位情報を
    検出する相対位置検出手段とを有し、 該観察者の視線情報と該観察対象物の方位情報とから該
    観察者の該観察対象物上の注視点情報を得ることを特徴
    とする注視点検出システム。
  2. 【請求項２】 観察光学系により外界の視野に重畳して
    画像表示手段の表示面に表示した画像の拡大虚像を形成
    し、観察者に視認せしめるヘッドマウントディスプレイ
    と、該ヘッドマウントディスプレイに対し相対的位置が
    不定の観察対象物を有する注視点検出システムにおい
    て、 該観察対象物はその位置を表示する位置表示手段を有
    し、 該ヘッドマウントディスプレイは、眼球を照明する第1
    の光源と、観察者の眼および眼の角膜反射像を第1 の受
    光素子上に結像する視線検出光学系と、該第1の受光素
    子からの画像情報により観察者の視線情報を検出する第
    1 の解析回路と、該位置表示手段の表示を第2 の受光素
    子上に結像する相対位置検出光学系と、該第2 の受光素
    子からの画像情報により該観察対象物の方位情報を検出
    する第2の解析回路を有し、 該観察者の視線情報と該観察対象物の方位情報とから該
    観察者の該観察対象物上の注視点情報を得ることを特徴
    とする注視点検出システム。
  3. 【請求項３】 前記ヘッドマウントディスプレイの動き
    を検知するHMD の方位検知手段を備えたことを特徴とす
    る請求項１又は２の注視点検出システム。
  4. 【請求項４】 前記視線検出光学系の一部と前記相対位
    置検出光学系の一部とが共通であり、前記第1 の受光素
    子と前記第2 の受光素子が共通であることを特徴とする
    請求項２、３の注視点検出システム。
  5. 【請求項５】 前記第2 の光源の点灯を前記第1 の光源
    の消灯時に行っていることを特徴とする請求項４の注視
    点検出システム。
  6. 【請求項６】 外界観察者の頭部に装着する注視点検出
    装置と、該注視点検出装置に対し相対的位置が不定の観
    察対象物を有する注視点検出システムにおいて、 該観察対象物はその位置を表示する位置表示手段を有
    し、 該注視点検出装置は、眼球を照明する第1 の光源と、観
    察者の眼および眼の角膜反射像を第1 の受光素子上に結
    像する視線検出光学系と、該第1 の受光素子からの画像
    情報により観察者の視線情報を検出する第1 の解析回路
    と、該位置表示手段の表示を第2 の受光素子上に結像す
    る相対位置検出光学系と、該第2 の受光素子からの画像
    情報により該観察対象物の方位情報を検出する第2 の解
    析回路を有し、 該観察者の視線情報と該観察対象物の方位情報とから該
    観察者の該観察対象物上の注視点情報を得ることを特徴
    とする注視点検出システム。
  7. 【請求項７】 前記ヘッドマウント計測装置の動きを検
    知する計測装置の方位検知手段を備えたことを特徴とす
    る請求項６の注視点検出システム。
  8. 【請求項８】 前記視線検出光学系の一部と前記相対位
    置検出光学系の一部とが共通であり、第1 の受光素子と
    第2 の受光素子が共通であることを特徴とする請求項６
    又は７の注視点検出システム。
  9. 【請求項９】 前記位置表示手段は光源であり、該光源
    の点灯を前記第1 の光源の消灯時に行っていることを特
    徴とする請求項８の注視点検出システム。
  10. 【請求項１０】 観察光学系により画像表示手段の表示
    面に表示した画像の拡大虚像を外界の視野に重畳して形
    成し、観察者に視認せしめるヘッドマウントディスプレ
    イと、該ヘッドマウントディスプレイに対し相対的位置
    が不定の観察対象物を有する制御システムにおいて、 該観察対象物はその位置を表示する位置表示手段と該観
    察対象物の動作を制御する制御手段を有し、 該ヘッドマウントディスプレイは、観察者の視線情報を
    検出する視線検出手段と、該観察対象物の方位情報を検
    出する相対位置検出手段とを有し、 該観察者の視線情報と該観察対象物の方位情報とから該
    観察者の該観察対象物上の注視点情報を得、該制御手段
    は該注視点情報によって該観察対象物を制御することを
    特徴とする制御システム。
  11. 【請求項１１】 観察光学系により画像表示手段の表示
    面に表示した画像の拡大虚像を外界の視野に重畳して形
    成し、観察者に視認せしめるヘッドマウントディスプレ
    イと、該ヘッドマウントディスプレイに対し相対的位置
    が不定の観察対象物を有する制御システムにおいて、 該観察対象物はその位置を表示する位置表示手段と該観
    察対象物の動作を制御する制御手段を有し、 該ヘッドマウントディスプレイは、眼球を照明する第1
    の光源と、観察者の眼および眼の角膜反射像を第1 の受
    光素子上に結像する視線検出光学系と、該第1の受光素
    子からの画像情報により観察者の視線情報を検出する第
    1 の解析回路と、該位置表示手段の表示を第2 の受光素
    子上に結像する相対位置検出光学系と、該第2 の受光素
    子からの画像情報により該観察対象物の方位情報を検出
    する第2の解析回路を有し、 該観察者の視線情報と該観察対象物の方位情報とから該
    観察者の該観察対象物上の注視点情報を得、該制御手段
    は該注視点情報によって該観察対象物を制御することを
    特徴とする制御システム。
  12. 【請求項１２】 前記ヘッドマウントディスプレイの動
    きを検知するHMD の方位検知手段を備えたことを特徴と
    する請求項１１の制御システム。
  13. 【請求項１３】 前記視線検出光学系の一部と前記相対
    位置検出光学系の一部とが共通であり、第1 の受光素子
    と第2 の受光素子が共通であることを特徴とする請求項
    １１又は１２の制御システム。
  14. 【請求項１４】 前記位置表示手段は光源であり、該光
    源の点灯を前記第1の光源の消灯時に行っていることを
    特徴とする請求項１３の制御システム。
  15. 【請求項１５】 画像表示手段の表示面に表示した画像
    に基づく光束を観察者に導光し、該画像の拡大虚像を外
    界の視野に重畳して観察する観察光学系、該観察者の視
    線情報を検出する視線検出手段、外界に設けた観察対象
    物上の位置表示手段により該観察対象物の方位情報を検
    出する相対位置検出手段、該視線情報と該方位情報とを
    用いて該観察対象物上の該観察者の注視点情報を得る像
    解析回路とを有することを特徴とする注視点検出システ
    ム。
  16. 【請求項１６】 前記観察対象物は前記像解析回路から
    の信号に基づいて所定の動作を行う制御手段を有してい
    ることを特徴とする請求項１５の注視点検出システム。
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