JPH08328512A - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ユーザがＨＭＤを装着したままでコンピュー
タの表示画像と外の様子とを見ることができるようにす
る。 【構成】 検出手段１０１はユーザの頭部の向きや姿勢
を検出し、この検出に応じてコントローラ１０２はシャ
ッタ１０３、表示制御回路１０５、バックライトドライ
ブ回路１０７を制御して、液晶表示ディスプレイを用い
た表示部１０９における映像表示部分とシャッタ１０３
の透過部分の各大きさを変える。ユーザが正面を見ると
きはシャッタ１０３は全部遮光され、表示部１０９には
コンピュータ２からの映像信号が表示される。ユーザが
下を向くと上記表示が禁止され、シャッタ１０３が全開
となり、ハーフミラー１１０を通して外部のキーボード
３が素通しで見え、キー操作を行うことができる。ま
た、ユーザが少し下を向くと、映像表示とキーボード３
とが半分づつ見える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は頭部装着型表示装置［以
下、ＨＭＤ（ＨＥＡＤ ＭＯＵＮＴＥＤ ＤＩＳＰＬＡ
Ｙ）と言う］の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＨＭＤはかなり昔から数多く存在してお
り、例えば米国 Ｍｏｒｔｏｎ Ｌ．Ｈｅｆｌｌｇによ
る Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ−Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ
Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｉｎｄｉｖｉｓｕａｌ
Ｕｓｅ（ＵＳＰ２，９５５，１５６号公報）にはすで
にこれが示されている。近年ではＨＭＤを用いて表示を
見ながら様々の操作を行う用途が増加している。例えば
コンピュータの表示にＨＭＤを用いる場合がある。ＨＭ
Ｄを用いることにより、大きなＣＲＴディスプレイを必
要とせず、また他人に覗かれる心配も無く、種々の場所
でコンピュータの操作が可能になる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来のＨＭＤをコンピ
ュータの表示に用いる場合、表示とキーボードとを同時
に見ることができず、このため、実際にはキーボード操
作が必要になった時は、ＨＭＤをその都度外さなくては
ならないという問題があった。このような操作環境はコ
ンピュータ操作に熟練した者、例えばブラインドタッチ
ができるくらいに熟練した者にとっても不自由なもので
あり、ましてコンピュータ操作に不慣れな者にとっては
極めて不便な使用環境と言える。

【０００４】そこで本発明はＨＭＤをコンピュータ表示
として用いた場合等における上述のような問題を解決す
ることを目的とするものである。即ち、操作者のキーボ
ードを見たいという意志動作を検出し、これに対応して
キーボードなどの外界を直視することのできるＨＭＤを
提供することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明においては、表示
画面に映像信号による映像を表示すると共に外光が透過
するように成され、映像表示部分と外光透過部分との割
合いを制御できるように成されかつ使用者の頭部に装着
可能に成された表示手段と、上記使用者の見ようとする
方向あるいは使用者の頭部の姿勢や頭部の位置を検出す
る検出手段と、上記検出手段の検出に応じて上記表示手
段の表示画面における上記映像表示部分と外光透過部分
との割合いを制御する表示制御手段とを設けている。

【０００６】

【作用】本発明によれば、使用者の頭部の位置に応じて
映像表示部分と外光透過部分との割合いが変化するの
で、例えば使用者が正面を向いたとき全面を映像表示と
し、使用者が下を向いたとき全面を透過させて外部のキ
ーボード等が見えるようにし、また使用者が少し下向き
のときは映像表示部分と透過部分とを半分ずつに見える
ようにすることができる。従って、使用者がいちいちＨ
ＭＤを外さなくても外部の様子を見るようにすることが
できる。

【０００７】

【実施例】図１は本発明の実施例によるＨＭＤを用いた
コンピュータシステムの概略構成を示すブロック図であ
る。図において、点線で囲まれた部分１が本発明による
頭部装着型表示装置（ＨＭＤ）である。ＨＭＤ１におい
て、検出手段１０１は装置の方向や姿勢等の位置を検出
する。その検出信号はコントローラ１０２に送られ、大
きく分けて次の３つの部分の制御を行う。その一つ目は
シャッタ１０３であり、外界光１０４を透過させるか遮
断するかを制御する。二つ目は表示制御回路１０５であ
り、コンピュータ２からの映像信号１０６を制御して、
表示部１０９で表示するか否かを制御する。三つ目はバ
ックライトドライブ回路１０７であり、複数のバックラ
イト１０８の点灯／非点灯を制御する。

【０００８】表示部１０９は２次元液晶ディスプレイ素
子などが用いられる。この表示部１０９には表示制御回
路１０５で制御された映像信号が加えられ、その全部ま
たは一部の映像信号を表示する。また、バックライト１
０８の光は表示部１０９を通過してハーフミラー１１０
で反射され、ＨＭＤの装着者の目４に到達する。また、
シャッタ１０３で制限された外界光１０４もハーフミラ
ー１１０を通過して装着者の目４に到達する。尚、表示
部１０９とシャッタ１０３とハーフミラー１１０とによ
り表示手段が構成される。また、３はコンピュータ２の
キーボードである。尚、本発明においては上記の３つの
制御が全て必要なわけではない。

【０００９】次に検出手段１０１について種々のタイプ
のものを説明する。 ［ジャイロを用いて頭の角度を検出する検出手段］角度
検出手段の１つとしての方位検出手段を図２を用いて説
明する。これは、振動ジャイロ等の角度センサを用いた
方法である。図２において、２００はジャイロセンサ２
０１に加わる角度変化を模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検出信号としてジャイロセ
ンサ２０１から出力される。このジャイロセンサ２０１
の出力電圧には現状では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）２０３に検出信号を通す必
要がある。さらに現状ではジャイロセンサ２０１の出力
振幅が微小であるため、十分な振幅電圧を得るために適
当な倍率の増幅回路２０３により検出信号を増幅する。
次に角速度の検出信号を角度情報に変換するために、検
出信号は積分回路２０４に加えられる。積分回路２０４
の出力は初期化信号２０６が入力された時にゼロとな
り、その後角度変位に応じた検出信号２０５を出力す
る。

【００１０】図３は実際の回路構成例であり、アナログ
回路で角度検出手段を構成した場合である。２０８はア
ンプＡ２０１、抵抗Ｒ２０１、Ｒ２０２で構成される反
転増幅回路である。２０９はアンプＡ２０２、抵抗Ｒ２
０３、コンデンサＣ２０１で構成される積分回路であ
る。アンプＡ２０２の出力がアンプＡ２０１の正入力に
加えられ、アンプＡ２０１の出力が抵抗Ｒ２０３に加え
られる構成により図２のＨＰＦ２０２とアンプ２０３の
機能を有する。２０４はアンプＡ２０３、抵抗Ｒ２０
５、コンデンサＣ２０２、アナログスイッチＳＷ２０１
で構成される積分回路である。抵抗Ｒ２０５に加えられ
る電圧を積分した検出信号（出力電圧）２０５を発生す
る。抵抗Ｒ２０５は所定の時定数で出力電圧をゼロに戻
す働きがあり、大きな変化が無いときにゆっくりと基準
状態に戻るようにしたい時に大きな値の抵抗を用いる。

【００１１】以上に示した構成は１系統であるが、実際
には縦（ピッチ）方向と横（ヨー）方向との２つの次元
についての変化を検出したい場合がほとんどであるた
め、上記の図２、図３の構成が２系統必要となる。その
場合、ジャイロセンサ２０１の検出軸は、縦方向の検出
には左右に走るように、横方向の検出には上下に走るよ
うにジャイロセンサ２０１を配置することによって各々
の検出が可能となる。また傾き（ロール）方向まで検出
したい場合は、さらに１系統が必要となり、ジャイロセ
ンサ２０１の配置は検出軸が前後方向に走るようにす
る。尚、ジャイロセンサ等の角度変化検出手段を用いる
場合は、回転検出であるため、平行移動に対しては検出
できない点は注意しなければならない。

【００１２】［角度センサを用いて頭のうつむき角度を
検出する検出手段］図４は、うつむき角度検出手段を示
すもので、図の左側に原理的な構成を示している。セン
サ３０５の固定部３０１は密封されており、その内部に
は点３０２を回転中心として自由回転する回転部３０３
が入っている。そしてやや粘性の高い液体が固定部３０
１との隙間を満たしている。回転部３０３の周辺の一部
にはマグネット３０４が固定されており、これがオモリ
となって、センサ３０５の姿勢（図の面に沿った回転方
向の）によらず、このオモリの位置が常に下に来るよう
に回転動作する。その様子を図４の右側に示している。
センサ３０５が平衡になっているとホール素子Ａに一番
大きな出力が現われ，左に傾くとホール素子Ｂ又はＣの
何れかに一番大きな出力が現われ、右に傾くと反対側の
ホール素子の何れかに一番大きな出力が現われる。検出
回路３０６は各ホール素子の出力信号を検出し、その出
力信号の大小を評価することによってセンサ３０５の傾
きを求める。

【００１３】［磁気センサを用いて基準位置に対する頭
の距離や姿勢を検出する検出手段］図５は磁気センサを
用いて位置を検出する原理を示している。送信部４０１
はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３つの軸に対応するコイルによっ
て構成されており、コントロール回路４０２によって制
御されるドライバ４０３により時分割に所定の周波数の
電流が通電される。これによって送信部４０１の周辺に
は、通電する軸に対応したパターンの磁界４０４が形成
される。受信部４０５は送信部４０１と同様に構成され
ており、３つのコイルで検出される磁界信号は送信部４
０１との相対位置関係に対応して一義的に定まる強弱関
係で検出部４０６により観測される。即ち、この強弱関
係から所定の計算方法によって相対位置関係（距離と角
度）が求められる。

【００１４】［視線検出による検出手段］図６は視線検
出手段を有するＨＭＤの構成を示している。表示部であ
る液晶表示パネル５０１は照明手段（バックライト）５
０２からの光を透過させ、この光はさらにプリズム５０
３を通過して目４に到達するように構成されている。ま
た、横並びの２個の赤外発光ダイオード５０４は目４の
瞳を赤外光で照明している。目４からの赤外反射光は、
プリズム５０３の内部を反射して、ミラー５０５によっ
て視線ＣＣＤセンサ５０６に到達する。この視線ＣＣＤ
センサ５０６には目４に照明された２つの赤外光源像が
投影され、これらの像の位置関係によって視線が注がれ
ている位置を求めることができる。尚、５０７は液晶シ
ャッタである。この視線検出の原理はここでは詳細には
述べないが、例えば特開昭６１−１７２５５２号公報等
に詳しく示されている。

【００１５】次に、ＨＭＤを装着したユーザが表示部を
通じて見る対象を切り替えることについて説明する。図
７の回路図は表示／非表示切り替え回路であり、各部の
波形Ａ、Ｂ、Ｃについて図８と共に説明する。波形Ａは
入力された映像信号であり、クランプ電圧でクランプさ
れた通常のコンポジット映像信号である。波形Ｂは表示
／非表示選択信号であり、映像の垂直同期信号に同期し
て、前半が１で表示を、後半が０で非表示を選択する信
号である。この選択信号によって図７の回路のスイッチ
ＳＷが切り替えられ、表示の時にはそのまま映像信号が
伝達され、非表示の時にはクランプ電圧でクリップされ
て無表示信号が伝達され、波形Ｃの映像信号が生成され
る。その時の表示部の表示状態は図９に示すような映像
になる。また表示画面が上下に分割されて別々に発光制
御可能なものを用い、表示、非表示に合わせてバックラ
イトの発光、非発光を制御すれば、表示のコントラスト
が向上し、消費電力の節約にもなる。

【００１６】［液晶シャッタの説明］図１０の左側は図
６の構成と同一のＨＭＤであり、その中の液晶シャッタ
５０７の構成を右側に示している。図において、８０１
と８０２は偏光板であり、縦方向の偏光特性を持ってい
る。８０３と８０４は液晶板であり、電荷を加えること
により９０度の偏光を０度にする。８０５は液晶ドライ
バであり、駆動信号８０６を常時出力している。また、
８０７と８０８はスイッチであり、必要に応じて駆動電
圧を液晶板８０３、８０４に伝達することによって、通
常の光を遮蔽している状態から透過する状態に変更する
ことができる。

【００１７】以上に説明した各構成要素を組み合わせて
次のような本発明によるＨＭＤを構成することができ
る。図１１はバックライトと液晶表示パネルと液晶シャ
ッタとの３つの構成による表示動作を説明する図であ
る。バックライトはバックライトドライブ回路によって
全面点灯、上半分の点灯、全面消灯の３つの切り替えが
行える。また表示パネルは表示制御回路によって全面表
示、上半分の表示、全面非表示の３つの切り替えが行え
る。シャッタは全面遮蔽、下半分透過、全面透過の３つ
の切り替えが行える。

【００１８】それぞれの動作はうつむき角度検出手段の
検出結果が、図１２に示すように、「正面視」、「やや
うつむき」、「かなりうつむき」の３つの姿勢状態に対
応しており、各々の状態が組み合わされて図１１の一番
下に示されているような見える映像の状態になる。即
ち、「正面視」に対しては表示画面、例えばコンピュー
タの画面が全面見える。「ややうつむき」の状態に対し
ては、表示は上半分だけで下半分は素通しになり、例え
ばコンピュータのキーボードが覗ける。「かなりうつむ
き」の状態に対しては表示は完全にされなくなり、外界
の例えばキーボードが完全に素通しで見えるようにな
る。即ち、使用者の頭部の位置に応じて表示画面の映像
表示部分と外光の透過部分との割合いが変化することに
なる。

【００１９】図１３は検出手段として視線検出手段を用
い、表示部にシャッタのみを用いた実施例である。視線
が正面の状態（図の左側）では、シャッタは前面遮断状
態であり、見える映像は表示部の映像のみで、その映像
の周辺は何も見えない。視線が下方の状態（図の右側）
では、シャッタは下側が透過状態になり、見える映像は
表示部の映像に加えて、その下方には外界の様子を見る
ことができる。図１３において、丸に十文字のマークは
視線を検出している位置を示している。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ＨＭＤを
各種機材の表示装置として用いるような場合に、表示画
面以外のものを見たいと思った時に、見る方向によって
表示装置が透過状態になるので、従来のＨＭＤのように
いちいちＨＭＤを取り外さなければならないという不都
合が解消され、違和感なくＨＭＤをコンピュータ等の各
種器材の表示装置として用いることができるようにな
る。

【００２１】また、コンピュータ以外のある種の機材操
作では、操作説明書を参照しながらでないと操作が難し
く、尚且つ両手をフルに駆使しなければならないような
場合がある。例えば自動車等の組み立てや修理調整など
の操作である。このような場合、本発明による装置を用
い、「正面視」の時に透過で機材操作を見ることができ
るように成し、上下左右を見た時に対応する操作説明書
が表示されるようにしておくことにより上記の要求を達
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示すブロック図である。

【図２】方位検出手段を示すブロック図である。

【図３】方位検出手段の回路構成例を示す回路図であ
る。

【図４】うつむき角度検出手段を示すブロック図であ
る。

【図５】磁気センサを示す構成図である。

【図６】視線検出手段を示す構成図である。

【図７】表示／非表示切り替え回路を示す回路図であ
る。

【図８】図７の各部の波形図である。

【図９】表示状態の一例を示す構成図である。

【図１０】視線検出手段を用いたＨＭＤを示す構成図で
ある。

【図１１】ＨＭＤの各部の表示切り替え動作を説明する
構成図である。

【図１２】ＨＭＤを装着した頭部を動かす様子を示す構
成図である。

【図１３】視線検出と液晶シャッタとを組み合わせた場
合の表示切り替えを示す構成図である。

【符号の説明】

１ ＨＭＤ １０１ 検出手段 １０２ コントローラ １０３ シャッタ １０５ 表示制御回路 １０７ バックライトドライブ回路 １０８ バックライト １０９ 表示部 １１０ ハーフミラー

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表示画面に映像信号による映像を表示す
   ると共に外光が透過するように成され、映像表示部分と
   外光透過部分との割合いを制御できるように成されかつ
   使用者の頭部に装着可能に成された表示手段と、 上記使用者の見ようとする方向あるいは使用者の頭部の
   姿勢や頭部の位置を検出する検出手段と、 上記検出手段の検出に応じて上記表示手段の表示画面に
   おける上記映像表示部分と外光透過部分との割合いを制
   御する表示制御手段とを備えた頭部装着型表示装置。
2. 【請求項２】 上記検出手段は、上記表示画面上におけ
   る上記使用者の視線注視点を検出する視線検出手段で構
   成されている請求項１記載の頭部装着型表示装置。
3. 【請求項３】 上記検出手段は、上記使用者の頭部の方
   向、姿勢の変化による角度を検出する角度検出手段で構
   成される請求項１記載の頭部装着型表示装置。
4. 【請求項４】 上記角度検出手段にジャイロを用いた請
   求項３記載の頭部装着型表示装置。
5. 【請求項５】 上記検出手段は、磁気信号の送信と受信
   によって基準位置との相対関係を検出する磁気センサで
   構成される請求項１記載の頭部装着型表示装置。
6. 【請求項６】 上記表示手段は、映像信号の入力を制限
   して表示画面の一部又は全部の表示を禁止する表示禁止
   手段を有する請求項１記載の頭部装着型表示装置。
7. 【請求項７】 上記表示手段は、上記外光の一部又は全
   部を遮断する光遮断手段を有する請求項１記載の頭部装
   着型表示装置。
8. 【請求項８】 上記表示手段は、表示画面を照射する光
   源の一部または全部を発光禁止にする発光禁止手段を有
   する請求項１記載の頭部装着型表示装置。