JPH0850256A

JPH0850256A - 視線検出系を有した表示装置

Info

Publication number: JPH0850256A
Application number: JP6204268A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Yamazaki; 章市山崎
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-08-05
Filing date: 1994-08-05
Publication date: 1996-02-20
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: JP3847799B2

Abstract

(57)【要約】【目的】観察者の視線情報に基づいて表示手段に表示
する映像情報を制御したヘッドマウントディスプレー型
の視線検出系を有した表示装置を得ること。【構成】表示手段で表示された可視域の映像情報を反
射面を有する光学系を用いて観察者の眼球に途中結像さ
せずに導光して該映像情報の虚像を観察する観察系と、
該観察者の眼球に光源手段からの非可視光を入射させ、
該眼球からの反射光束を該光学系の一部を介した後に、
該光学系とは独立に設けた結像光学系により撮像手段面
上に導光し、該撮像手段からの信号を用いて該観察者の
眼球の視線を検出する視線検出系とを設け、該視線検出
系からの視線情報を利用して該表示手段に表示する映像
情報を制御したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は視線検出系を有した表示
装置に関し、特に情報視認者（観察者）の頭部に装着し
て表示手段で表示した映像情報（表示情報）を情報視認
者の眼球に導光して該映像情報を観察するようにした、
所謂ヘッドマウントディスプレーと称されるメガネ型、
ゴーグル型、ヘルメット型の表示装置において、該表示
手段で映像情報を表示して観察する際に、該映像情報を
観察者の眼球の動き、即ち視線を検知する視線検出系か
らの信号を利用して種々と制御するようにしたものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より情報視認者（観察者）の頭部に
装着して表示手段に表示した映像情報を観察者の眼球に
導光して観察するようにしたヘッドマウントディスプレ
ーと称される表示装置が種々提案されている。そしてこ
のような表示装置に視線検出系、即ち観察者が観察して
いる注視点方向の軸、所謂視線（視軸）を観察者の眼球
面上を照明したときに得られる眼球の反射像を利用して
検出するようにした視線検出系を設け、該視線検出系で
得られる視線情報を利用して表示装置に表示された映像
情報を制御するようにした装置が、例えば特開平３−１
０１７０９号公報で提案されている。

【０００３】同公報ではＣＲＴ等の表示手段で表示され
た映像情報を結像系で１次結像面に結像させ、該１次結
像面に結像させた映像情報を接眼系を介して観察するよ
うにした光学系を用いている。一方、赤外光を発する光
源を設け、該光源からの赤外光を該光学系の一部を利用
して観察者の眼球に入射させている。そして眼球からの
反射光束を該光学系の一部と赤外光を透過し、可視光を
反射するダイクロイックミラーを介して撮像素子面上に
導光し、該撮像素子からの出力信号を用いて眼球の視線
（動き）を検知している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般にヘッドマウント
ディスプレーとしての表示装置は、情報視認者の頭部へ
装着して個人的に用いるので装置全体が小型軽量である
ことが望ましい。

【０００５】前述の特開平３−１０１７０９号公報で提
案されている装置においては、表示手段で表示された映
像情報を一度結像させる１次結像方式の光学系を用いて
いる。このため視線検出系には専用の結像系が不要とな
るが、光学系全体が複雑化し、観察者の頭部に装着する
装置としては大型化する傾向があった。

【０００６】本発明はヘッドマウントディスプレー等の
表示装置における表示手段で表示された映像情報を観察
する観察系とその一部に設ける観察者の視線を検出する
視線検出系の構成を適切に設定することにより、装置全
体の小型化を図りつつ、視線情報に基づいて観察系の表
示手段で表示する映像情報の観察状態を種々と制御する
ことができる視線検出系を有した表示装置の提供を目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の視線検出系を有
した表示装置は、（１−１）表示手段で表示された可視域の映像情報を反
射面を有する光学系を用いて観察者の眼球に途中結像さ
せずに導光して該映像情報の虚像を観察する観察系と、
該観察者の眼球に光源手段からの非可視光を入射させ、
該眼球からの反射光束を該光学系の一部を介した後に、
該光学系とは独立に設けた結像光学系により撮像手段面
上に導光し、該撮像手段からの信号を用いて該観察者の
眼球の視線を検出する視線検出系とを設け、該視線検出
系からの視線情報を利用して該表示手段に表示する映像
情報を制御したことを特徴としている。

【０００８】特に、（１−１−１）前記光学系は前記表
示手段で表示した映像情報からの光束を観察者の眼球に
導光するプリズム体を有し、該プリズム体は曲率を有し
た全反射作用をする反射面を有していること。

【０００９】（１−１−２）前記プリズム体は前記表示
手段で表示した映像情報からの光束を入射面より入射さ
せ、該入射面からの光束を曲率を有した前面で全反射さ
せ、該前面からの光束を曲率を有した凹面で反射させた
後、該前面の一部より通過させて観察者の眼球に導光し
ていること。

【００１０】（１−１−３）前記プリズム体の前面又は
／及び凹面はアジムス角により屈折力が異なっているこ
と。

【００１１】（１−１−４）観察者の眼球からの反射光
束を前記プリズム体の少なくとも一部とダイクロイック
ミラー面を介した後に前記視線検出系の結像光学系に導
光していること。

【００１２】（１−１−５）観察者の眼球からの反射光
束をダイクロイックミラー面を介した後に前記視線検出
系の結像光学系に導光していること。

【００１３】（１−２）表示手段で表示された可視域の
映像情報を反射面を有する光学系を用いて観察者の眼球
に途中結像させずに導光して該映像情報の虚像を観察す
る観察系と、該観察者の眼球に光源手段からの非可視光
を入射させ、該眼球からの反射光束を該光学系の一部を
介した後に、該光学系とは独立に設けた結像光学系によ
り撮像手段面上に導光し、該撮像手段からの信号を用い
て該観察者の眼球の視線を検出する視線検出系と該表示
手段に映像情報を送出する映像情報供給手段とを有し、
該映像情報供給手段は該視線検出系からの視線情報に基
づいて該表示手段に表示する映像情報を制御しているこ
とを特徴としている。

【００１４】（１−３）表示手段で表示された可視域の
映像情報を曲率を有した全反射作用とする反射面を有す
る光学系を用いて観察者の眼球に導光して該映像情報の
像を観察する観察系と、該観察者の眼球に光源手段から
の非可視光を入射させ、該眼球から反射光束を該光学系
の一部を介した後に、撮像手段面上に導光し、該撮像手
段からの信号を用いて該観察者の眼球の視線を検出する
視線検出系とを設け、該視線検出系からの視線情報を利
用して該表示手段に表示する映像情報を制御したことを
特徴としている。

【００１５】（１−４）表示手段で表示された可視域の
映像情報をアジムス角により屈折力が異なっている面を
有する光学系を用いて観察者の眼球に導光して該映像情
報の像を観察する観察系と、該観察者の眼球に光源手段
から非可視光を入射させ、該眼球からの反射光束を該光
学系の一部を介した後に撮像手段面上に導光し、該撮像
手段からの信号を用いて該観察者の眼球の視線を検出す
る視線検出系とを設け、該視線検出系からの視線情報を
利用して該表示手段に表示する映像情報を制御したこと
を特徴としている。

【００１６】特に、前記視線検出系は、前記光学系とは
独立に設けた結像光学系を所有することや、前記アジム
ス角により屈折力が異なる面は反射面であることを特徴
としている。

【００１７】（１−５）表示手段で表示された可視域の
映像情報を反射面を有する光学系を用いて観察者の眼球
に導光して該映像情報の像を観察する観察系と、該観察
者の眼球に光源手段から非可視光を入射させ、該眼球か
らの反射光束を該光学系の一部を介した後に、該光学系
とは独立に設けた結像光学系により撮像手段面上に導光
し、該撮像手段からの信号を用いて該観察者の眼球の視
線を検出する視線検出系とを設け、該視線検出系からの
視線情報を利用して該表示手段に表示する映像情報を制
御し、該結像光学系の該観察者の眼球から該撮像素子へ
の結像倍率をβとしたとき０．０２＜｜β｜＜０．１８となる条件を満足することを特徴としている。

【００１８】

【実施例】図１，図２は本発明の実施例１に係る観察系
と視線検出系の光路を示す要部断面図である。図３は図
２の要部平面図である。図４，図５は本発明を観察者の
頭部に装着したときの概略図である。

【００１９】図中、１０１は観察者、４は表示手段であ
り液晶表示素子等から成り可視域の映像情報を表示して
いる。表示手段４はＣＤ−ＲＯＭ１０５やビデオカメラ
１０６等の映像情報供給手段からの信号に基づいて映像
情報を表示している。１０は透明の平行平面板より成る
光学部材であり、その内部にはビームスプリッターとし
ての可視域通過で赤外域反射のダイクロイックミラー面
７が設けられている。尚、ダイクロイックミラー面７の
代わりに単なるハーフミラー面を用いても良い。

【００２０】３はプリズム体であり、トーリック非球面
より成る一部に全反射を利用した前面１、透明又は非透
明の平面又は曲率を有した面より成る後面６、プリズム
体３中に設けた半透過又は鏡面反射のトーリック非球面
より成る凹面２、そして入射面５を有している。１０４
は光軸（中心軸）であり、これは後述する眼球１０３の
光軸と一致している。表示手段４から眼球１０３に至る
光路中の各要素で、表示手段４で表示した映像情報の虚
像を観察する観察系を構成している。１０２は光源手段
であり、観察者１０１の眼球１０３の視線を検出する為
に眼球１０３に赤外光（非可視光，波長８８０ｎｍ付
近）を投光している。

【００２１】８は結像光学系（結像レンズ）であり、図
２に示すように光源手段１０２からの赤外光を観察者１
０１の眼球１０３に照射したとき、該眼球１０３の角膜
からの反射光による角膜反射像と瞳孔等の結像位置等を
プリズム体３と光学部材１０のダイクロイックミラー面
７を介してＣＣＤ等の撮像素子９面上に結像している。
結像レンズ８は表示手段４の映像情報の虚像を観察する
観察系とは独立に設けている。光源手段１０２からの眼
球１０３を介して撮像素子９に至る光路中の各要素で観
察者１０１の眼球１０３の視線を検出する視線検出系を
構成している。本実施例では以上のように、観察系と視
線検出系の各要素を設定することにより、２つの系を用
いたときの光学系全体の小型化を容易にしている。

【００２２】次に図１を用いて表示手段４に表示した映
像情報の虚像を観察する観察系について説明する。本実
施例では表示手段４で表示された映像情報に基づく光束
（可視光束）を光学部材１０のダイクロイックミラー面
７を通過させプリズム体３にその入射面５より導入して
いる。そしてプリズム体３の前面１で全反射させた後に
凹面２で反射集光して前面１を通過させて観察者１０１
の眼球１０３に導光している。このとき前面１、凹面２
の曲率を適切に設定することにより、表示手段４に表示
した映像情報を途中結像させることなく、即ち１次結像
面を設けずに該映像情報の虚像を観察者１０１の前方に
表示している。

【００２３】このように本実施例では観察系を虚像タイ
プより構成し、これにより観察者１０１は該映像情報の
虚像を観察するようにしている。尚、本実施例において
凹面２を半透過面、後面６を透過面とし、後面６の曲率
を適切に設定することにより、外景の画像情報と表示手
段４の映像情報の虚像とを空間的に重畳して双方を同一
視野で同一視度として観察するようにしても良い。

【００２４】本実施例の観察系では、図４や図５に示す
ように観察者１０１が有しているＣＤ−ＲＯＭ１０５や
ビデオカメラ１０６等の映像情報供給手段からの映像情
報を表示手段４に表示する際に、視線検出系で得られた
観察者の眼球の視線情報を利用して、例えばオートフォ
ーカス（ビデオカメラの焦点合わせ）、電子ズーム（視
線方向の情報を電気的に拡大）、ズーム駆動（視線で抽
出した画面寸法となるようにビデオカメラの焦点距離ｆ
を演算し、その焦点距離に合わす）、そしてメニュー視
線選択（測光、ストロボ、パノラマ等）等の制御をして
いる。

【００２５】次に図２を用いて観察者１０１の眼球１０
３の視線を検出する視線検出系について説明する。光源
手段１０２からの赤外光で観察者１０１の眼球１０３を
照明する。眼球１０３の角膜で反射した赤外光をプリズ
ム体３の前面１を通過させ、凹面２で反射させて前面１
で全反射させた後に、入射面５より射出して光学部材１
０に導光している。そして光学部材１０のダイクロイッ
クミラー面７で反射させ、次いで光学部材１０の面１０
ａで全反射させた後に結像レンズ８により撮像素子９に
入射させている。

【００２６】ここで結像レンズ８は観察系を虚像タイプ
とした為に結像作用がない為に用いている。これにより
撮像素子９面上に眼球１０３の角膜反射像や瞳孔等の眼
球１０３に関する像を形成している。そして該撮像素子
９からの信号を用いて眼球１０３の視線を検出してい
る。

【００２７】本実施例における眼球の視線の検出方法と
しては、例えば本出願人が先に提案した特開平１−２７
４７３６号公報や特開平３−１１４９２号公報等で開示
した方法を用いている。

【００２８】図６（Ａ），（Ｂ）は本実施例で用いてい
るプリズム体３の要部断面図である。図６（Ａ），
（Ｂ）ではプリズム体３を観察系として用いた場合を示
すが、視線検出系として用いる場合は光路が逆となるだ
けであり、光学作用は同じである。表示手段４の表示面
から垂直に発した光束４ａはプリズム体３の入射面５を
介してトーリック非球面より成る前面１に入射角度４３
度以上で前面１で全反射するように入射させている。前
面１で全反射した光束４ａをトーリック非球面より成る
凹面２に入射角度４３度以下で反射させ前面１より射出
させている。

【００２９】前面１は曲率を有しており、一部で全反射
作用を行い、他の一部で透過作用をするようにしてい
る。これにより２つの曲面を持つのと等価とし、凹面２
と合わせて全体として３つの曲率を有した反射光学系を
構成している。これにより光学系全体の焦点距離を短く
し（後述する数値実施例では２０〜２５ｍｍ）、光学系
全体の小型化を図っている。

【００３０】本実施例では観察系と視線検出系にアジム
ス角度により屈折力が異なる、即ちアジムス角度により
曲率が異なるトーリック面又はトーリック非球面又はア
ナモフィック非球面を前面１と凹面２そして入射面５に
適用している。これにより凹面２への入射光線と反射光
線のなす角度を大きくして光学系全体の小型化を図った
ときに発生してくる偏心収差を良好に補正している。

【００３１】前面１と後面６の曲率は光が双方の面を通
過するとき、屈折力が小さいメニスカス状のレンズ形状
となるようにしている。これにより後面６を介して外の
風景等の画像情報を観察するときに画像情報が良好に観
察されるようにしている。

【００３２】子線断面内において前面１が負の屈折力を
有するようにして凹面２の正の屈折力で発生する諸収差
を補正している。ここで子線とは、設計値の眼球中心に
光が導かれる表示手段の画像中心からの光路を含む面と
垂直な面である（図６の紙面と垂直方向）。

【００３３】尚、本実施例においては前面１の母線断面
も負の屈折力を有するようにしても良く、これによれば
子線断面を負の屈折力としたのと同様の効果が得られ
る。ここで母線断面とは、設計値の眼球中心に光が導か
れる表示手段の画像中心からの光路を含む面である（図
６の紙面内）。

【００３４】図６（Ｂ）に示すように、前面１の面頂点
における母線断面での接戦Ｌと眼球の光軸１０４と垂直
で前面１の面頂点を通る線ｍとのなす角度（チルド角
度）をαとしたとき、｜α｜≦２０° ・・・・・・（１）となるようにしている。条件式（１）の如く、角度αを
２０度より小さくして、これにより表示手段４の映像情
報の虚像と外の風景等の画像情報を空間的に重畳させて
双方を観察するときの歪みを少なくし、かつ光軸方向の
プリズムの厚さを薄くしている。

【００３５】次に本実施例の表示手段４から眼球１０３
に至る光路中に設けた各要素（入射面５、前面１、凹面
２）を有する観察系及び視線検出系の前述以外の特徴に
ついて説明する。

【００３６】（２−１）本実施例において結像レンズ８
の眼球１０３から撮像素子９への結像倍率βは、０．０２＜｜β｜＜０．１８・・・・・・（２）としている。ここで条件式（２）の上限値を越えると眼
球像の倍率が大きくなりすぎ撮像素子の有効径が増大し
てくるので良くない。また条件式（２）の下限値を越え
ると視線検出系の焦点距離をより短くしなければなら
ず、この結果、諸収差の発生が多くなってきて良好なる
眼球像が得られなくなってくる。

【００３７】（２−２）観察系における母線断面と子線
断面の全系の焦点距離を各々ｆｙ，ｆｘとしたとき、０．９＜｜ｆｙ／ｆｘ｜＜１．１・・・・・・（３）なる条件を満足するようにしている。これにより、どの
アジムス角度においても全系の焦点距離が略一定となる
ようにして、表示手段で表示された映像情報の母線方向
と子線方向のアスペクト比の補正を不要としている。

【００３８】（２−３）凹面２の母線断面と子線断面の
近軸曲率半径を各々Ｒｙ，Ｒｘとしたとき、｜Ｒｘ｜＜｜Ｒｙ｜・・・・・・（４）となる条件を満足するようにしている。観察系を小型に
するには母線断面で凹面の光軸を眼球の光軸から時計方
向に大きくチルトさせる必要がある。そうすると偏心収
差が多く発生してくる。これに対して子線断面は偏心さ
せるところが少ないので偏心収差の発生が少ない。そこ
で本実施例では条件式（４）で示すように、母線断面の
曲率半径Ｒｙを子線断面の曲率半径Ｒｘより大きくし
て、即ち母線方向の屈折力を子線方向の屈折力に比べて
弱くして母線断面での偏心収差を小さくしている。

【００３９】特に本実施例において条件式（４）を｜Ｒｘ／Ｒｙ｜＜０．８５・・・・・・（５）の如く設定するのが偏心収差の補正上好ましい。

【００４０】（２−４）プリズム体３の入射面５をトー
リック面又はアナモフィック面としたときは、母線断面
と子線断面の近軸曲率半径を各々Ｒｙ５，Ｒｘ５とした
とき、｜Ｒｙ５｜＜｜Ｒｘ５｜・・・・・・（６）としている。入射面５の母線断面は比較的偏心収差の発
生が少ない。そこで凹面２と前面１の母線断面の屈折力
をあまり強くすることができない代わりに、入射面５の
母線断面の屈折力を強くして、これにより観察系全体と
してどのアジムス角度でも焦点距離が略一定となるよう
にしている。

【００４１】（２−５）子線断面内において、光束が前
面１で全反射するときのその領域での屈折力が負、凹面
２の屈折力が正、前面１で透過するときのその領域での
屈折力が負となるようにして良好なる光学性能を得てい
る。また入射面５に屈折力を付与するときは母線断面を
正とするのが良く、これによれば全体としての母線断面
での正の屈折力の不足を補うことができる。

【００４２】（２−６）母線断面内において、光束が前
面１で全反射するときのその領域での屈折力が負、凹面
２の屈折力が正となるようにして良好なる光学性能を得
ている。また入射面５に屈折力を付与するときは子線断
面内において正の屈折力とするのが良く、これによれば
子線断面内での収差を少なくすることができる。

【００４３】（２−７）子線断面内において、前面１の
光束が全反射するときのその領域と凹面２の曲率半径を
各々Ｒｘ１，Ｒｘ２、全系の焦点距離をｆｘとしたと
き、０．１＜｜２ｆｘ／Ｒｘ１｜＜２．０・・・・・・（７）０．５＜｜２ｆｘ／Ｒｘ２｜＜２．５・・・・・・（８）としている。条件式（７），（８）の上限値は曲率半径
Ｒｘ１，Ｒｘ２の屈折力が強くなる方向、逆に下限値は
屈折力が弱くなる方向である。条件式（７）の上限値を
越えると歪曲収差の補正が難しくなってくる。また下限
値を越えると全反射条件を満足するのが難しくなってく
る。条件式（８）の上限値を越えると非点収差の補正が
難しくなってくる。また下限値を越えると光学系全体が
大型化、特に光軸と平行な方向での厚さが厚くなってく
るので良くない。

【００４４】（２−８）母線断面内において、前面１の
光束が全反射する領域と凹面２の曲率半径を各々Ｒｙ
１，Ｒｙ２、全系の焦点距離をｆｙとしたとき０＜｜２ｆｙ／Ｒｙ１｜＜１．０・・・・・・（９）０．２＜｜２ｆｙ／Ｒｙ２｜＜２．５・・・・・・（１０）としている。条件式（９），（１０）の上限値は曲率半
径Ｒｙ１，Ｒｙ２の屈折力が強くなる方向、逆に下限値
は屈折力が弱くなる方向である。条件式（９）の上限値
を越えると偏心歪曲収差の補正が難しくなり、また下限
値を越えると全反射条件を満足するのが難しくなってく
る。条件式（１０）の上限値を越えると偏心非点収差の
発生が多くなり、また下限値を越えるとレンズ全長が長
くなり光学系全体が大型化してくるので良くない。

【００４５】（２−９）凹面２は眼球の光軸１０４より
母線断面（Ｙ方向）で表示手段４側へ平行偏心してい
る。これにより母線断面内での偏心歪曲収差を小さく抑
えている。このときの平行偏心のシフト量（図６（Ｂ）
に示すように光軸１０４から凹面２の面頂点までの距
離）をＥとしたとき、２５≦Ｅ・・・・・・（１１）となるようにして偏心歪曲収差を良好に補正している。

【００４６】（２−１０）（１）式におけるチルト角度
αを、 −１５°≦α≦５° ・・・・・・（１２）としている。これにより光学系全体を効果的に小型にし
ている。条件式（１２）の下限値を越えると映像情報の
歪みが大きくなり、また上限値を越えるとプリズム体３
の光軸１０４方向の厚みが増加してくるので良くない。

【００４７】図７〜図１０は本発明の実施例２〜５のプ
リズム体３近傍の視線検出系の一部を変更したときの要
部概略図である。

【００４８】図７の実施例２では実施例１に比べて、光
学部材１０を観察者の眼球１０３とプリズム体３との間
に設けて、それに伴い結像レンズ８と撮像素子９とを設
けている点が異なっており、その他の構成は同じであ
る。本実施例では視線検出系に偏心面がないので視線を
高精度に検出することができるという特長がある。

【００４９】図８の実施例３では実施例１に比べて、プ
リズム体３の内部にダイクロイック面７を傾けて設け、
それに伴い結像レンズ８と撮像素子９を設けている点が
異なっており、その他の構成は同じである。本実施例で
は部品点数を少なくして、光学系全体のより小型化を図
っている。

【００５０】図９の実施例４では実施例１に比べて、光
学部材１０をプリズム体３よりも眼球１０３に対して遠
方に配置している。そして凹面２を可視光反射で赤外光
透過のダイクロイック膜を施している。また光学部材１
０に半透過、または１００％反射またはダイクロイック
膜を施した反射面１１を傾けて設け、それに伴い結像レ
ンズ８と撮像素子９を設けている点が異なっており、そ
の他の構成は同じである。本実施例の部材を観察者の頭
部に装着したときの概略図を図１１に示す。

【００５１】図１０の実施例５では実施例１に比べて、
平行平面板より成る光学部材１０を用いずにプリズム体
３の入射面５に可視光透過で赤外光反射のダイクロイッ
クミラー７を設け、それに伴い結像レンズ８と撮像素子
９を設けている点が異なっており、その他の構成は同じ
である。本実施例の部材を観察者の頭部に装着したとき
の概略図は図１２に示す。

【００５２】尚、以上の各実施例の視線検出系を有した
表示装置は、所謂ヘッドアップディスプレイ装置にその
まま適用することができる。

【００５３】次に本実施例の数値実施例を示す。数値実
施例においては、図１〜図３を参照して各要素を次のよ
うにして示している。（１）眼球１０３を座標系の原点（０，０）（２）眼球１０３から光線を追跡し、視線検出系におい
て、ｉ＝１眼球ｉ＝２前面１（透過面）ｉ＝３凹面２ｉ＝４前面１（全反射面）ｉ＝５入射面５ｉ＝６光学部材１０の入射面ｉ＝７ダイクロイック面ｉ＝８ｉ＝９光学部材１０の射出面ｉ＝１０結像レンズの入射面ｉ＝１１結像レンズの射出面ｉ＝１２撮像素子観察系において、ｉ＝８映像情報の入射面ｉ＝９映像情報の表示面（３）ＴＡＬはトーリック非球面ＡＡＬはアナモフィック非球面を表わしている。

【００５４】ＴＡＬの定義は母線断面（Ｙ，Ｚ断面）が
下記非球面式

【００５５】

【数１】で、子線断面（Ｘ，Ｚ断面）は球面である。

【００５６】またＡＡＬの定義式は

【００５７】

【数２】である。

【００５８】また本発明に使用しているＡＬは非球面
（回転対称）であり、ＡＬの定義式は

【００５９】

【数３】である。面頂点座標Ｙ，Ｚは眼球の面頂点を（０，０）
としたときの絶対座標。母線断面チルト角度は眼球の光
軸に対する各面の光軸のチルト角度（時計と反対方向を
正）。反射面（全反射含）はＭを付している。ｎｄ，ν
ｄをｄ線の屈折率とアッベ数である。（数値実施例１）〈視線検出系〉

【００６０】

【外１】〈ＴＡＬ，ＡＬデータ〉 TAL2,4:K=460.670, A=-0.227E-5, B=0.179E-7, C=-0.45
3E-10, D=0.429E-13 TAL3 : K=1.105, A=-0.709E-6, B=-0.273E-8,C=-0.19
1E-11, D=0.631E-15 AL10 : K=-3.858, A=0.851E-2, B=-0.101, C=0.14
9, D=-0.755E-1 AL11 : K=-0.113, A=0.195, B=-0.590, C=0.47
1, D=-0.138 (1)α=0 (5)|Rx1/Ry1|=0.10 (8) 2fx/Rx2=
-1.09 (11) E=26.3 (2)｜β｜=0.10 |Rx2/Ry2|=0.67 (9) 2fy/Ry1=
-0.04 (3)｜fy/fx ｜=1.00 (7) 2fx/Rx1=-0.88 (10)2fy/Ry2=
-0.36 （数値実施例２）〈視線検出系〉

【００６１】

【外２】〈ＴＡＬ，ＡＬデータ〉 TAL2,4:K=460.670, A=-0.227E-5, B=0.179E-7, C=-0.45
3E-10, D=0.429E-13 TAL3 : K=1.105, A=-0.709E-6, B=0.273E-8, C=-0.19
1E-11, D=0.631E-15 AL6 : K=-3.858, A=0.851E-2, B=-0.101, C=0.14
9, D=-0.755E-1 AL7 : K=-0.113, A=0.195, B=-0.590, C=0.47
1, D=-0.138 (1)α=0 (5)|Rx1/Ry1|=0.10 (8) 2fx/Rx2=
-1.09 (11) E=26.3 (2)｜β｜=0.05 |Rx2/Ry2|=0.67 (9) 2fy/Ry1=
-0.04 (3)｜fy/fx ｜=1.00 (7) 2fx/Rx1=-0.88 (10)2fy/Ry2=
-0.36 （数値実施例３）〈視線検出系〉

【００６２】

【外３】〈ＡＡＬ，ＡＬデータ〉 AAL2,4: Ky=-13763.5, AR=-0.170E-4, BR=0.406E-7, CR=-0.154E
-9, DR=0.223E-12 Kx=-3.896, AP=-0.245, BP=0.416E-1, CP=0.870E-
1, DP=-0.203E-1 AAL3: Ky=1.238, AR=-0.317E-5, BR=0.248E-8, CR=-0.179E-
11, DR=0.608E-15 Kx=0.279, AP=-0.249, BP=0.327E-2, CP=-0.192E
-1, DP=0.181E-1 AAL5: Ky=6.825, AR=-0.114E-4, BR=-0.402E-6, CR=0.113E
-8, DR=-0.411E-10 Kx=-1.33E+6, AP=0.273E+1, BP=0.155E+1, CP=0.160E
+1, DP=-0.644 AL10 : K=-3.858, A=0.851E-2, B=-0.101, C=0.149, D=
-0.755E-1 AL11 : K=-0.113, A=0.195, B=-0.590, C=0.471, D=
-0.138 (1)α=-10.5 (5)|Rx1/Ry1|=0.01 (8) 2fx/Rx2=
-1.47 (11) E=34.8 (2)｜β｜=0.12 |Rx2/Ry2|=0.52 (9) 2fy/Ry1=
-0.02 (3)｜fy/fx ｜=0.96 (7) 2fx/Rx1=-1.5 (10)2fy/Ry2=-
0.73 （数値実施例４）〈視線検出系〉

【００６３】

【外４】〈ＡＡＬ，ＡＬデータ〉 AAL2,4: Ky=-361850, AR=-0.183E-4, BR=0.381E-7, CR=-0.114E
-9, DR=0.153E-12 Kx=-13.802, AP=-0.317, BP=-0.602E-1, CP=0.272E-
1, DP=-0.211E-1 AAL3: Ky=1.227, AR=-0.209E-5, BR=0.308E-8, CR=-0.190E-
11, DR=0.505E-15 Kx=0.172, AP=0.472, BP=0.553E-1, CP=-0.265E-
1, DP=0.751E-2 AAL5: Ky=987000, AR=-0.871E-5, BR=-0.264E-6, CR=0.469E-
13, DR=0.137E-11 Kx=-70.169, AP=41.763, BP=-0.395, CP=0.183E+
2, DP=-0.988 AL7 : K=-3.858, A=0.851E-2, B=-0.101, C=0.149,
D=-0.755E-1 AL8 : K=-0.113, A=0.195, B=-0.590, C=0.471,
D=-0.138 (1)α=1.5 (5)|Rx1/Ry1|=0.005 (8) 2fx/Rx2=
-1.22 (11) E=33.1 (2)｜β｜=0.10 |Rx2/Ry2|=0.56 (9) 2fy/Ry1=
-0.46 (3)｜fy/fx ｜=1.00 (7) 2fx/Rx1=-0.93 (10)2fy/Ry2=
-0.61 （数値実施例５）〈視線検出系〉

【００６４】

【外５】〈ＡＡＬ，ＡＬデータ〉 AAL2,4: Ky=-387540, AR=-0.183E-4, BR=0.378E-7, CR=-0.117E
-9, DR=0.158E-12 Kx=-20.897, AP=-0.300, BP=-0.548E-1, CP=0.326E-
1, DP=-0.228E-1 AAL3: Ky=1.213, AR=-0.224E-5, BR=0.305E-8, CR=-0.190E-
11, DR=0.500E-15 Kx=0.165, AP=-0.464, BP=0.630E-1, CP=-0.251E-
1, DP=0.380E-2 AAL5: Ky=559.028, AR=-0.675E-5, BR=0.182E-6, CR=0.212E
-12, DR=-0.189E-10 Kx=-99429.4, AP=0.486E+1, BP=-0.125E+1, CP=0.111E
+2, DP=-0.789 AL11 : K=-3.858, A=0.851E-2, B=-0.101, C=0.149, D=
-0.755E-1 AL12 : K=-0.113, A=0.195, B=-0.590, C=0.471, D=
-0.138 (1)α=0.28 (5)|Rx1/Ry1|=0.005 (8) 2fx/Rx2=
-1.26 (11) E=33.0 (2)｜β｜=0.11 |Rx2/Ry2|=0.55 (9) 2fy/Ry1=
-0.005 (3)｜fy/fx ｜=1.00 (7) 2fx/Rx1=-0.95 (10)2fy/Ry2=
-0.69

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、ヘッドマ
ウントディスプレー等の表示装置における表示手段で表
示された映像情報を観察する観察系とその一部に設ける
観察者の視線を検出する視線検出系の構成を適切に設定
することにより、装置全体の小型化を図りつつ、視線情
報に基づいて観察系の表示手段で表示する映像情報の観
察状態を種々と制御することができる視線検出系を有し
た表示装置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１の観察系の光路を示す概略
図

【図２】本発明の実施例１の視線検出系の光路を示す
概略図

【図３】本発明の実施例１の視線検出系の光路を示す
概略図

【図４】本発明の表示装置を観察者に装着したときの
説明図

【図５】本発明の表示装置を観察者に装着したときの
説明図

【図６】図１の一部分の拡大説明図

【図７】本発明の実施例２のプリズム体近傍の要部概
略図

【図８】本発明の実施例３のプリズム体近傍の要部概
略図

【図９】本発明の実施例４のプリズム体近傍の要部概
略図

【図１０】本発明の実施例５のプリズム体近傍の要部
概略図

【図１１】本発明の実施例４の観察系と視線検出系の
光路を示す概略図

【図１２】本発明の実施例５の観察系と視線検出系の
光路を示す概略図

【符号の説明】

１前面２凹面３プリズム体４表示手段５入射面６後面７ダイクロイックミラー面８結像光学系９撮像素子１０光学部材１０１観察者１０２光源手段１０３眼球１０４光軸１０５映像情報供給手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表示手段で表示された可視域の映像情報
を反射面を有する光学系を用いて観察者の眼球に途中結
像させずに導光して該映像情報の虚像を観察する観察系
と、該観察者の眼球に光源手段からの非可視光を入射さ
せ、該眼球からの反射光束を該光学系の一部を介した後
に、該光学系とは独立に設けた結像光学系により撮像手
段面上に導光し、該撮像手段からの信号を用いて該観察
者の眼球の視線を検出する視線検出系とを設け、該視線
検出系からの視線情報を利用して該表示手段に表示する
映像情報を制御したことを特徴とする視線検出系を有し
た表示装置。
【請求項２】前記光学系は前記表示手段で表示した映
像情報からの光束を観察者の眼球に導光するプリズム体
を有し、該プリズム体は曲率を有した全反射作用をする
反射面を有していることを特徴とする請求項１の視線検
出系を有した表示装置。
【請求項３】前記プリズム体は前記表示手段で表示し
た映像情報からの光束を入射面より入射させ、該入射面
からの光束を曲率を有した前面で全反射させ、該前面か
らの光束を曲率を有した凹面で反射させた後、該前面の
一部より通過させて観察者の眼球に導光していることを
特徴とする請求項２の視線検出系を有した表示装置。
【請求項４】前記プリズム体の前面又は／及び凹面は
アジムス角により屈折力が異なっていることを特徴とす
る請求項３の視線検出系を有した表示装置。
【請求項５】観察者の眼球からの反射光束を前記プリ
ズム体の少なくとも一部とダイクロイックミラー面を介
した後に前記視線検出系の結像光学系に導光しているこ
とを特徴とする請求項２の視線検出系を有した表示装
置。
【請求項６】観察者の眼球からの反射光束をダイクロ
イックミラー面を介した後に前記視線検出系の結像光学
系に導光していることを特徴とする請求項２の視線検出
系を有した表示装置。
【請求項７】前記結像光学系の前記観察者の眼球から
前記撮像素子への結像倍率をβとしたとき、０．０２＜｜β｜＜０．１８なる条件を満足することを特徴とする請求項１の視線検
出系を有した表示装置。
【請求項８】前記プリズム体の前面の面頂点における
母線断面の接線と眼球の光軸と垂直で該前面の面頂点を
通る線とのなす角度をαとしたとき、｜α｜≦２０° なる条件を満足することを特徴とする請求項３の視線検
出系を有した表示装置。
【請求項９】表示手段で表示された可視域の映像情報
を反射面を有する光学系を用いて観察者の眼球に途中結
像させずに導光して該映像情報の虚像を観察する観察系
と、該観察者の眼球に光源手段からの非可視光を入射さ
せ、該眼球からの反射光束を該光学系の一部を介した後
に、該光学系とは独立に設けた結像光学系により撮像手
段面上に導光し、該撮像手段からの信号を用いて該観察
者の眼球の視線を検出する視線検出系と該表示手段に映
像情報を送出する映像情報供給手段とを有し、該映像情
報供給手段は該視線検出系からの視線情報に基づいて該
表示手段に表示する映像情報を制御していることを特徴
とする視線検出系を有した表示装置。
【請求項１０】表示手段で表示された可視域の映像情
報を曲率を有した全反射作用とする反射面を有する光学
系を用いて観察者の眼球に導光して該映像情報の像を観
察する観察系と、該観察者の眼球に光源手段からの非可
視光を入射させ、該眼球から反射光束を該光学系の一部
を介した後に、撮像手段面上に導光し、該撮像手段から
の信号を用いて該観察者の眼球の視線を検出する視線検
出系とを設け、該視線検出系からの視線情報を利用して
該表示手段に表示する映像情報を制御したことを特徴と
する視線検出系を有した表示装置。
【請求項１１】表示手段で表示された可視域の映像情
報をアジムス角により屈折力が異なっている面を有する
光学系を用いて観察者の眼球に導光して該映像情報の像
を観察する観察系と、該観察者の眼球に光源手段から非
可視光を入射させ、該眼球からの反射光束を該光学系の
一部を介した後に撮像手段面上に導光し、該撮像手段か
らの信号を用いて該観察者の眼球の視線を検出する視線
検出系とを設け、該視線検出系からの視線情報を利用し
て該表示手段に表示する映像情報を制御したことを特徴
とする視線検出系を有した表示装置。
【請求項１２】前記視線検出系は、前記光学系とは独
立に設けた結像光学系を所有することを特徴とする請求
項１又は１１の視線検出系を有した表示装置。
【請求項１３】前記アジムス角により屈折力が異なる
面は反射面であることを特徴とする請求項１１の視線検
出系を有した表示装置。
【請求項１４】表示手段で表示された可視域の映像情
報を反射面を有する光学系を用いて観察者の眼球に導光
して該映像情報の像を観察する観察系と、該観察者の眼
球に光源手段から非可視光を入射させ、該眼球からの反
射光束を該光学系の一部を介した後に、該光学系とは独
立に設けた結像光学系により撮像手段面上に導光し、該
撮像手段からの信号を用いて該観察者の眼球の視線を検
出する視線検出系とを設け、該視線検出系からの視線情
報を利用して該表示手段に表示する映像情報を制御し、
該結像光学系の該観察者の眼球から該撮像素子への結像
倍率をβとしたとき０．０２＜｜β｜＜０．１８となる条件を満足することを特徴とする視線検出系を有
した表示装置。
【請求項１５】請求項１，９，１０，１１又は１４記
載の視線検出系を有した表示装置を用いたことを特徴と
するヘッドアップディスプレイ装置。