JPH1093889A

JPH1093889A - 頭部載置型映像表示装置

Info

Publication number: JPH1093889A
Application number: JP8243046A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Okada; 浩幸岡田
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1996-09-13
Filing date: 1996-09-13
Publication date: 1998-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】頭部載置型映像表示装置を装着した観察者の
眼に対する映像の位置が、頭部の向きにかかわらず常に
一定であることに起因する眼の疲労を軽減する。【解決手段】頭部載置型映像表示装置に、映像を表示
する液晶表示装置と、光軸に対して垂直方向に可動なレ
ンズを含む接眼光学系を備えて、接眼光学系を介して表
示映像の虚像を観察する構成とする。観察者の頭部の水
平方向と垂直方向の回動の速度を角速度センサーによっ
て検出し、検出した回動速度を積分して頭部の向きを求
め、頭部の向きに応じて接眼光学系の可動レンズを移動
させて眼に対する虚像の相対位置を変化させる。別の構
成では、接眼光学系を固定し、液晶表示装置上における
映像の表示位置を頭部の向きに応じて変化させること
で、眼に対する虚像の相対位置を変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、頭部載置型の映像
表示装置いわゆるＨＭＤに関するものであり、より詳し
くは、ＨＭＤを装着した観察者の頭部の向きに応じて観
察される像の位置を変化させるＨＭＤに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、表示素子と接眼光学系を備え、頭
部に載置して使用するように構成された映像表示装置が
開発されている。この映像表示装置はＨＭＤ（Head Mou
nted Display）と呼ばれ、バーチャルリアリティシステ
ムの映像鑑賞やテレビ映像の個人鑑賞用の表示装置とし
て普及しつつある。

【０００３】バーチャルリアリティシステムでは、視差
のある左右像を表示するとともに、観察者の頭部の向き
を検出するためのセンサーをＨＭＤに備え、検出した頭
部の向きに応じた方向の映像を表示することで、高い臨
場感をもたせるようにしている。観察者は、立体像を観
察することができる上、単に頭部を回動させるだけで、
所望の方向の映像を視ることが可能である。テレビジョ
ンの場合、視差のある左右像を表示することはなく、立
体像の観察はできない。また、テレビカメラの向きに応
じた方向の映像が撮影され表示されるから、ＨＭＤに表
示される映像と観察者の頭部の向きは無関係である。

【０００４】ＨＭＤは、その使用形態から、小型・軽量
であることが望ましく、例えば表示素子として小型の液
晶表示装置（ＬＣＤ）を用い、ＬＣＤの映像光を接眼光
学系により拡大して観察者の眼に投影するようにした構
成のものがある。この構成では、観察者は接眼光学系を
介してＬＣＤの映像を見ることにより、その虚像を観察
することになる。拡大のための接眼光学系を備えず、表
示映像を直接観察する簡易な構成のＨＭＤもある。

【０００５】観察者が頭部を回動させたり姿勢を変化さ
せたりしても、表示素子と接眼光学系は観察者の頭部と
ともに動くから、観察者の頭部と虚像の位置関係は変化
しない。このため、観察者は常に略真正面の一定位置に
映像を観察することになる。例えば、直立して前を向い
た姿勢であっても横たわった姿勢であってあっても、観
察者が観察する映像の位置は同じである。バーチャルリ
アリティシステムでは、頭部の向きによって表示される
映像は変化するが、映像の位置は一定に保たれる。

【０００６】ＨＭＤが普及するにつれ、ＨＭＤを使用す
ることによる眼精疲労が問題となりつつある。これは主
として、ＨＭＤによる映像観察では、日常生活における
物の観察とは異なる不自然な眼の動作が必要になること
による。このため、眼から映像（接眼光学系を備えて虚
像を観察するものでは虚像）までの距離すなわち視度を
映像の大きさに応じて設定し、立体視のために視差を有
する左右映像を表示するものでは、両眼の視線のなす角
すなわち輻輳を左右像の視差に合わせて設定する等の提
案がなされている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ＨＭＤの使
用による眼の疲労は、視度や輻輳の不適切な設定のみに
よって生じるものではない。従来のＨＭＤでは、映像と
眼の相対位置が固定されており、これが眼の不自然な動
作を招く一因となっている。頭部を回動させれば映像も
追随して移動してしまうので、表示されている映像の周
辺部を視るためには、頭部を回動させるのではなく、眼
球の向きを変えて視線のみを変化させる必要がある。こ
のとき、表示映像が小さければ視線の変化量が少ないの
で特に問題とはならないが、映像を大きく表示した場合
は視線を大きく変化させなければならず、眼に負担がか
かる。

【０００８】また、人が頭を静止させているつもりでも
頭部は微動しており、頭部を静止させて静止物を観察す
るときでも、実際には、眼に入る静止物の位置は微妙に
変化している。日常生活において、人はこのような状態
で物を観察することに慣れている。ところが、ＨＭＤで
は、映像が頭部の動きに追随して動くから、頭部が微動
しても映像に微動は生じない。したがって、日常と異な
る不自然な観察をすることになり、これも眼を疲れさせ
る原因となっている。

【０００９】本発明は、観察者の眼に対する映像の相対
位置が頭部の向きにかかわらず常に一定であることに起
因するＨＭＤ使用時の眼の疲労を軽減することを目的と
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、映像を表示する表示手段と接眼光学系
を有し、接眼光学系によって表示手段に表示された映像
の虚像を観察者の眼に与える頭部載置型の映像表示装置
において、観察者の頭部の向きを検出する検出手段と、
検出手段によって検出された観察者の頭部の向きに応じ
て観察者に対する虚像の位置を変更する変更手段とを備
える。

【００１１】観察者は接眼光学系を介して表示手段の表
示を見ることにより、表示された映像の虚像を観察す
る。観察者の頭部の向きは検出手段によって検出され
る。観察者が頭部を回動させると、表示手段および接眼
光学系は頭部とともに回動するが、観察者が観察する虚
像の位置は検出された頭部の向きに応じて変更手段によ
って変更される。したがって、眼に対する虚像の相対位
置は頭部の向きによって変化する。頭部の向きが変化し
たとき、変更手段は、例えば、頭部の向きの変化を打ち
消すように眼に対する虚像の相対位置を変更することが
できる。

【００１２】上記映像表示装置において、変更手段は接
眼光学系を変位させることによって虚像の位置を変更す
る構成とする。接眼光学系を接眼光学系の光軸に対して
垂直方向に変位させれば、観察者の眼に入射する光の方
向が変わり、虚像が接眼光学系の光軸に対して垂直方向
に移動する。この場合、表示されている映像の表示手段
上の位置は変化しない。

【００１３】変更手段は表示手段における映像の表示位
置を変更することによって虚像の位置を変更する構成と
してもよい。映像の表示位置が変われば、その虚像の位
置も変化する。

【００１４】また、検出手段は基準の向きに対する観察
者の頭部の向きのずれの方向と量を検出し、変更手段は
虚像の位置を、検出されたずれの方向と逆方向に、検出
されたずれの量だけ移動させるようにするとよい。観察
者の頭部の向きは基準の向きからのずれとして検出さ
れ、虚像の位置は検出されたずれを完全に打ち消すよう
に移動させられる。したがって、虚像の絶対位置は変化
しないことになり、観察者にとって虚像は、日常の静止
物と同様、移動しない物として認識される。観察者が視
野の周辺部にある領域を注視しようとしてその方向に頭
部を回動させると、その領域が視野の中央にくる。観察
者の頭部が微動した場合は、これに応じて眼に対する虚
像の相対位置が微少量変化する。

【００１５】検出手段は基準の向きに対する観察者の頭
部の向きのずれの量を検出し、検出手段によって検出さ
れたずれの量が所定量未満のときに、変更手段は検出さ
れた観察者の頭部の向きに応じて虚像の位置を変更し、
検出手段によって検出されたずれの量が所定量以上のと
きに、変更手段は虚像の位置を所定の位置に設定し、検
出手段は検出された観察者の頭部の向きを基準の向きと
するようにしてもよい。

【００１６】観察者の頭部の向きは基準の向きからのず
れとして検出され、ずれの量が所定量以上であるか否か
によって変更手段の動作が変わる。ずれの量が所定量未
満のときは、変更手段は検出された観察者の頭部の向き
に応じて虚像の位置を変更する。このとき、前記のよう
に、虚像の絶対位置が変化しないように眼に対する虚像
の相対位置を変更することができる。ずれの量が所定量
以上のときは、変更手段は、観察者の頭部の向きにかか
わらず、虚像の位置を所定の位置に設定し、検出手段は
検出された観察者の頭部の向きを新たな基準の向きとす
る。その後、検出手段は新たな基準の向きからの頭部の
向きのずれを検出し、変更手段は検出されたずれの量と
所定量の比較結果に基づいて虚像の位置設定を行う。

【００１７】したがって、観察者の頭部の回動量が小さ
く所定量未満のときには、基準の向きからの回動量に応
じて虚像が所定の位置から移動させられ、頭部の回動量
が大きく所定量以上のときには、基準の向きの更新と虚
像の所定の位置への再設定が行われることになる。所定
の位置は、観察者の頭部の向きと基準の向きが一致して
いるときの虚像の位置であり、虚像の基準位置となる。
この基準位置は、例えば、観察者の眼の真正面の位置と
するとよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明のＨＭＤの第１の実施形態
の光学構成を図１に示す。このＨＭＤ１は、映像を表示
するための左右１対のカラーの液晶表示装置（ＬＣＤ）
１１L、１１R、左右１対の可動レンズ１２L、１２R、お
よび左右１対の固定レンズ１３L、１３Rを備えている。
ＬＣＤ１１L、１１Rの表示範囲の縦横の長さの比は２：
３である。

【００１９】可動レンズ１２Lおよび固定レンズ１３Lは
左接眼光学系１４Lを成し、左ＬＣＤ１１Lの映像光をＨ
ＭＤ１を装着した観察者の左眼ＥLに導く。同様に、可
動レンズ１２Rおよび固定レンズ１３Rは右接眼光学系１
４Rを成し、右ＬＣＤ１１Rの映像光を観察者の右眼ＥR
に導く。左右の接眼光学系１４L、１４Rを介してＬＣＤ
１１L、１１Rを視ることにより、観察者は表示された映
像の虚像を観察することになる。

【００２０】左右接眼光学系１４L、１４Rは、虚像の大
きさが表示された映像の大きさよりも大きくなるように
設定されており、映像を拡大して観察することができ
る。ＬＣＤ１１L、１１Rの大きさ、接眼光学系１４L、
１４Rの倍率、ＬＣＤ１１L、１１Rと接眼光学系１４L、
１４Rの距離等は、虚像の水平方向の画角が６０゜にな
るように設定されており、表示範囲の縦横の長さの比か
ら、虚像の垂直方向の画角は４２゜である。また、左右
の視野角は虚像の画角の２倍以上に、すなわち水平方向
が１２０゜以上、垂直方向が８４゜以上に設定されてい
る。

【００２１】左可動レンズ１２Lは、固定レンズ１３Lの
光軸に対して垂直な任意の方向に移動可能であり、右可
動レンズ１２Rも同様に、固定レンズ１３Rの光軸に対し
て垂直な任意の方向に移動可能である。可動レンズ１２
L、１２Rが移動していないとき、それぞれの光軸は固定
レンズ１３L、１３Rの光軸と一致するように設定されて
いる。可動レンズ１２L、１２Rを移動させると接眼光学
系１４L、１４Rの光軸ＡＸL、ＡＸRが傾き、その結果、
観察者が観察している虚像の位置は変化する。

【００２２】本実施形態のＨＭＤ１では、観察者の頭部
の向きを検出し、検出した頭部の向きに応じて可動レン
ズ１２L、１２Rを移動させて、虚像の位置を変化させ
る。このとき、虚像の絶対的な位置に変化が生じないよ
うに、可動レンズ１２L、１２Rの移動量を調節する。例
えば、頭部が垂直方向上方に２０゜回動したときは、虚
像を垂直方向下方に２０゜移動させる。

【００２３】頭部の向きの検出から虚像位置の変更まで
に関わる構成の概略を図２に示す。ＨＭＤ１は、頭部の
水平方向の回動速度を検出するための角速度センサー２
１Hと、垂直方向の回動速度を検出するための角速度セ
ンサー２１Vを備えている。また、検出した水平方向お
よび垂直方向の角速度をそれぞれ積分して、水平方向お
よび垂直方向の回動量とする積分回路２２Hおよび２２V
を備えている。

【００２４】ここでは、角速度センサー２１H、２１Vと
して圧電セラミックスを用いた振動ジャイロを用いてい
る。圧電振動ジャイロは回転運動を検出して、その角速
度に直線的に対応する電圧を出力するものである。圧電
振動ジャイロが回転運動をした時の出力電圧と静止して
いる時の出力電圧との差の符号から回転運動の方向が知
られ、差の絶対値から角速度の大きさを知ることができ
る。積分回路２２H、２２Vは、角速度センサー２１H、
２１Vの出力電圧から静止時の出力電圧を引いて、差電
圧を時間について積分する。こうして得られる積分結果
は、絶対値が積分開始時からの頭部の回動量を表し、符
号が積分開始時の頭部の向きに対する回動方向を表すこ
とになる。

【００２５】積分回路２２H、２２Vの出力は、可動レン
ズ１２L、１２Rの移動を制御するためのマイクロコンピ
ュータ２３に与えられる。マイクロコンピュータ２３
は、与えられた積分結果に角度に換算するための定数を
乗じて、頭部の回動角度を算出する。算出した頭部の水
平方向と垂直方向の回動角度から、虚像の絶対的な位置
に変化を生じさせないための、可動レンズ１２L、１２R
の移動方向と移動量を算出する。

【００２６】可動レンズ１２L、１２Rはそれぞれ、レン
ズ駆動回路２５L、２５Rによって移動させられ、各レン
ズの移動量はレンズ移動量検出回路２６L、２６Rによっ
て検出される。マイクロコンピュータ２３は、可動レン
ズ１２L、１２Rを算出した方向に算出した量だけ移動す
るために、レンズ移動量検出回路２６L、２６Rの出力を
監視しつつ、レンズ駆動回路２５L、２５Rによるレンズ
の移動を制御する。レンズの移動とその検出のための構
成を図３に模式的に示す。

【００２７】レンズ駆動回路２５L、２５Rはそれぞれ２
つの電磁アクチュエータ２７H、２７Vより成る。電磁ア
クチュエータ２７H、２７Vは、ＨＭＤ１本体に固定され
た永久磁石と、可動レンズに固着された支持部材に固定
されたコイルを有しており、磁界内のコイルに電流を流
してコイルを移動させるいわゆるムービングコイル式で
ある。アクチュエータ２７Hは可動レンズを水平方向
（矢印Ｘ方向）に移動させ、アクチュエータ２７Vは垂
直方向（矢印Ｙ方向）に移動させる。コイルに流す電流
量を調節することにより移動量が調節され、可動レンズ
を接眼光学系の光軸に垂直なＸ−Ｙ平面内の任意の方向
に移動させることができる。

【００２８】レンズ移動量検出回路２６L、２６Rはそれ
ぞれ２つの電磁センサー２８H、２８Vより成る。電磁セ
ンサー２８H、２８Vは、ＨＭＤ１本体に固定された永久
磁石と、可動レンズに固着された支持部材に固定された
コイルを有している。磁界内にあるコイルには可動レン
ズの移動距離に応じた電流が流れ、この電流からレンズ
の移動量が知られる。電磁センサー２８Hおよび２８Vは
それぞれ水平方向と垂直方向の移動量を検出する。可動
レンズのＸ−Ｙ平面内のあらゆるの方向の移動は、水平
方向と垂直方向の移動に分けて検出される。

【００２９】ＬＣＤ１１L、１１RはそれぞれＬＣＤ駆動
回路３１L、３１Rによって駆動される。ＬＣＤ駆動回路
３１L、３１Rには、上記の頭部の向きの検出からレンズ
の移動の制御までとは無関係に、映像信号が供給され
る。ここでは、左右のＬＣＤ駆動回路３１L、３１Rに個
別に映像信号を供給するようにしており、異なる方向か
ら撮影した左右の映像信号をＬＣＤ駆動回路３１L、３
１Rに供給することができる。これにより、視差を有す
る左右の映像がＬＣＤ１１L、１１Rに表示され、映像を
立体像として観察することが可能である。

【００３０】なお、テレビジョンのように単一の映像信
号が与えられる場合には、同一の映像信号を左右のＬＣ
Ｄ駆動回路３１L、３１Rに供給するようにする。この場
合、立体像の観察はできないが、片眼でなく両眼で像観
察することにより、眼の疲労が軽減される。

【００３１】上記構成のＨＭＤ１では、検出された観察
者の頭部の回動量が０のとき、すなわち頭部が基準の向
きを向いているとき、可動レンズ１２L、１２Rの移動量
を水平方向、垂直方向ともに０とし、観察者の頭部の真
正面に虚像を位置させる。この位置を基準の位置とい
う。基準の位置は視野の左右中央かつ上下中央の位置で
ある。検出された頭部の回動量が０でないとき、すなわ
ち頭部の向きが基準の向きからずれているときは、その
ずれの方向と量に応じて虚像の位置を基準の位置からず
らす。

【００３２】頭部の向きが基準の向きと一致していると
きと一致していないときの、視野内の虚像の位置の例を
図９に示す。図９においてＦＶLおよびＦＶRはそれぞれ
左右の視野を表しており、ＩＭLおよびＩＭRはそれぞれ
左右の虚像を表している。（ａ）は、頭部が基準の向き
を向いている状態を表しており、虚像ＩＭL、ＩＭRは視
野ＦＶL、ＦＶRの中央の基準位置にある。この状態で
は、観察者は真正面に虚像ＩＭL、ＩＭRを視ることにな
る。

【００３３】（ｂ）は、観察者が右下の物体を注視しよ
うとして、（ａ）の状態から頭部を右方に約２５゜、下
方に約１５゜回動させた状態を表しており、虚像ＩＭ
L、ＩＭRは、基準位置から左方かつ上方に移動してい
る。このとき、観察者の眼に対する虚像の相対位置は変
化しているが、頭部の回動中心に対する虚像の絶対位置
は変化していない。また、ＬＣＤ１１L、１１R上の映像
表示位置にも変化はない。

【００３４】このように、虚像の位置は、基準の向きか
らの頭部の向きのずれに応じて、ずれを打ち消すように
変化させられる。この虚像の移動のための可動レンズ１
２L、１２Rの移動量は頭部の回動量と１対１に対応す
る。ただし、両者は比例関係にはなく、可動レンズ１２
L、１２Rの曲率や屈折率が関与する複雑な三角関数で表
される。

【００３５】可動レンズ１２L、１２Rの移動可能な範囲
は、頭部が基準の向きから水平方向、垂直方向ともに±
３０゜まで回動しても追随し得るように設定されてい
る。前述のように、虚像の水平方向の画角は６０゜であ
り、頭部の水平方向の３０゜の回動は、水平方向の長さ
の半分だけ虚像を移動させることに相当する。虚像を基
準の位置からこれだけ移動させると、水平方向の一方の
端部が基準位置における虚像の左右中央に位置すること
になり、虚像は視野内の右半分または左半分に存在す
る。水平方向の視野角は１２０゜以上であるから、この
とき虚像をけられなく観察することができる。

【００３６】垂直方向については、虚像の画角は４２゜
であり、頭部の基準の向きからの２１゜の回動により、
虚像は視野内の上半分または下半分に移動する。垂直方
向の視野角は８４゜以上であるから、このときもけられ
は生じず、全領域を観察することができる。

【００３７】頭部の基準の向きを固定して、常にこの基
準の向きからの頭部の向きのずれに対応して虚像の位置
を設定すると、観察者は頭部の向きを変え得る範囲を制
限されることになる。そこで、けられが生じるほどに大
きく頭部の向きが変わったときには、虚像を基準の位置
に戻し、そのときの頭部の向きを新たな基準の向きとす
る。それ以降は、新たな基準の向きからの頭部の向きの
ずれに応じて、虚像の位置を設定する。

【００３８】具体的には、頭部が水平方向に３０゜以上
または垂直方向に２１゜以上回動したときに、虚像位置
および基準の向きの再設定を行う。ただし、観察者が瞬
間的に頭部の向きを大きく変化させることもあるので、
これらの角度以上の頭部の回動が、所定時間以上継続し
て検出されたときにのみ再設定を行う。ごく短時間の大
きな回動は、たとえけられが生じて一部領域を観察でき
なくなっても、通常どおり処理し、可動レンズ１２L、
１２Rの移動可能範囲内で、回動量に応じた虚像の移動
を行う。この判定の基準となる時間は任意に設定してよ
く、ここでは２秒としている。

【００３９】この時間測定のために、マイクロコンピュ
ータ２３にはタイマー２４が設けられている。また、観
察者の意思によって任意の時に虚像位置および基準の向
きの再設定ができるように、リセットスイッチ２９が備
えられている。

【００４０】ＨＭＤ１における虚像位置の変更に関する
処理の流れを図４に示す。まず、積分回路２２H、２２V
を初期化して、積分値すなわち検出した頭部の回動量を
水平方向、垂直方向ともに０とする（ステップ＃１０
５）。これと同時に、可動レンズ１２L、１２Rを光軸が
固定レンズ１３L、１３Rの光軸と一致する初期位置に設
定し（＃１１０）、左右の虚像を基準位置に設定する。
次いで、フラグの値を０にし（＃１１５）、タイマー２
４を停止させる（＃１２０）。

【００４１】頭部の回動の検出と虚像位置の変更は反復
して行われるが、フラグは、検出した回動量が所定量以
上であるか否かを記憶しておくために用いられ、所定量
以上のときに値１に、所定量未満のときに値０に設定さ
れる。また、タイマー２４は、所定量以上の回動量が検
出されたときに起動され、回動量が所定量未満になった
ときには停止される。タイマー２４はフラグの値が１の
とき動作中であり、フラグの値が０のとき停止してい
る。

【００４２】上記の初期化処理終了後、観察者がリセッ
トスイッチ２９を操作したか否かを判定する（＃１２
５）。リセットスイッチ２９がオンのときは、＃１０５
に戻って初期化処理を行う。リセットスイッチ２９がオ
フのときは、角速度センサー２１H、２１Vの出力を積分
回路２２H、２２Vによって積分し（＃１３０）、積分結
果から頭部の水平方向の回動量ＲＨと垂直方向の回動量
ＲＶを算出する（＃１３５）。次いで、算出した水平方
向の回動量ＲＨおよび垂直方向の回動量ＲＶがそれぞれ
所定量ＲＨ0およびＲＶ0以上であるか否かを判定する
（＃１４０）。所定量ＲＨ0およびＲＶ0は、前述のよう
に、それぞれ３０゜および２１゜に設定されている。

【００４３】水平方向の回動量ＲＨが所定量ＲＨ0未満
で、かつ垂直方向の回動量ＲＶが所定量ＲＶ0未満のと
きは、可動レンズ１２L、１２Rの水平方向と垂直方向の
移動すべき量を算出し（＃１４５）、算出した量だけ可
動レンズ１２L、１２Rを移動させて（＃１５０）、眼に
対する虚像の相対位置を変化させる。そして、フラグの
設定を判定し（＃１５５）、値が０のときは＃１２５に
戻る。フラグの値が１のときは、フラグの値を０にし
（＃１６０）、動作しているタイマー２４を停止させて
（＃１６５）、＃１２５に戻る。

【００４４】＃１４０の判定において、水平方向の回動
量ＲＨが所定量ＲＨ0以上のとき、または垂直方向の回
動量ＲＶが所定量ＲＶ0以上のときは、フラグの設定を
判定する（＃１７０）。ここでフラグの値が０になるの
は、回動量が所定量未満であったものがはじめて所定量
以上になった場合であり、値が１になるのは所定量以上
の回動が継続している場合である。フラグの値が０のと
きは、フラグの値を１にして今回の検出結果を記憶し
（＃１７５）、タイマー２４を起動して（＃１８０）、
＃１２５に戻る。

【００４５】フラグの値が１のときは、タイマー２４の
出力より回動量が所定量以上にはじめてなってからの経
過時間Ｔを求めて、所定時間Ｔ0と比較する（＃１８
５）。この所定時間Ｔ0は、前述のように、２秒に設定
されている。経過時間Ｔが所定時間Ｔ0未満のときは＃
１２５に戻る。経過時間Ｔが所定時間Ｔ0以上のときに
は、＃１０５に戻って初期化処理を行う。

【００４６】上記処理によると、所定時間継続して頭部
の回動量が所定量を超えているときに、基準の向きの更
新（＃１０５）と虚像の基準位置への再設定（＃１１
０）が行われ、それ以外のときは、検出した回動量に応
じた虚像位置の変更が継続されることになる。観察者
は、意図的に頭部の向きを大きく変えてその状態を少時
保つことによって、基準の向きの更新と虚像の基準位置
への再設定を行うことができる。

【００４７】なお、所定時間Ｔ0を０秒とし、頭部の回
動量が所定量を超えたときには直ちに基準の向きの更新
と虚像の基準位置への再設定をするようにしてもかまわ
ない。この場合、タイマー２４およびフラグは不要にな
り、処理の流れが簡略化される。ただし、水平方向およ
び垂直方向の所定量ＲＨ0、ＲＶ0が小さいときには、虚
像の基準位置への再設定が多発して像観察が煩わしくな
る恐れがある。本実施形態のように所定量ＲＨ0、ＲＶ0
を３０゜および２１゜程度に設定しておけば、このよう
な望まない虚像位置の再設定を回避することができる。

【００４８】本発明のＨＭＤの第２の実施形態の光学構
成を図５に示す。このＨＭＤ２は、左右１対のＬＣＤ５
１L、５１R、および左右１対の固定レンズ５３L、５３R
を備えており、第１の実施形態のＨＭＤ１から可動レン
ズを除いた構成である。固定レンズ５３L、５３Rはそれ
ぞれ単独で左右の接眼光学系を成す。したがって、接眼
光学系の光軸ＡＸL、ＡＸRは固定である。

【００４９】ＬＣＤ５１L、５１RとしてはＨＭＤ１のＬ
ＣＤ１１L、１１Rよりも表示範囲の大きいものを使用し
ており、縦横の長さの比は２：３である。視野角は水平
方向が１２０゜、垂直方向が８４゜であり、ＬＣＤ５１
L、５１Rの表示範囲がちょうど視野に入るように設定さ
れている。すなわち、ＬＣＤ５１L、５１Rの画角も水平
方向が１２０゜、垂直方向が８４゜である。

【００５０】ＨＭＤ２においては、ＬＣＤ５１L、５１R
の表示範囲全体に映像を表示するのではなく、その一部
に映像を表示し、表示範囲内での映像の位置を、検出さ
れた観察者の頭部の向きに応じて変化させる。表示位置
の変化により観察者の眼ＥL、ＥRに対する虚像の相対位
置は変化する。映像の表示位置は頭部の向きの変化を打
ち消すように変化させ、これにより、虚像の絶対位置に
変化が生じないようにする。

【００５１】頭部の向きの検出から虚像位置の変更まで
に関わる構成の概略を図６に示す。ＨＭＤ２は、頭部の
回動速度を検出するための角速度センサー６１H、６１
V、および検出した角速度を積分する積分回路６２H、６
２Vを備えている。これらの構成および機能は前述のＨ
ＭＤ１のものと同一である。積分回路６２H、６２Vの出
力はＬＣＤ５１L、５１R上の映像の表示位置を制御する
ためのマイクロコンピュータ６３に与えられる。

【００５２】ＬＣＤ５１Lおよび５１RはそれぞれＬＣＤ
駆動回路７１Lおよび７１Rによって駆動される。本実施
形態のＨＭＤ２においても、立体映像の表示を可能にす
るために、左右のＬＣＤ駆動回路７１L、７１Rには個別
に映像信号を供給する。また、検出した頭部の向きに応
じてＬＣＤ５１L、５１R上の映像表示位置を変化させる
ために、ＬＣＤ駆動回路７１L、７１Rに供給する映像信
号を頭部の向きに応じて変える。

【００５３】このために、２種類の画像メモリとＡ／Ｄ
コンバータが左右の映像信号それぞれに対して設けられ
ている。左の映像信号はＡ／Ｄコンバータ６５L、第１
のメモリ６６Lおよび第２のメモリ６８Lを経てＬＣＤ駆
動回路７１Lに供給され、右の映像信号はＡ／Ｄコンバ
ータ６５R、第１のメモリ６６Rおよび第２のメモリ６８
Rを経てＬＣＤ駆動回路７１Rに供給される。Ａ／Ｄコン
バータ６５L、６５Rはアナログ信号として与えられる映
像信号をディジタル化し、メモリ６６L、６６Rに記憶さ
せる。

【００５４】メモリ６６L、６６Rは１フィールド分の映
像信号に相当する記憶容量を有しており、その全領域を
使用して１フィールドの映像信号を記憶する。メモリ６
８L、６８Rは１フィールド分の映像信号の４倍に相当す
る記憶容量を有しており、全領域の１／４を使用して１
フィールドの映像信号を記憶する。メモリ６８Lおよび
６８Rへの記憶は、それぞれのアドレス管理を行うメモ
リコントローラ６７Lおよび６７Rを介して、マイクロコ
ンピュータ６３によって制御される。

【００５５】メモリ６６L、６６Rおよびメモリ６８L、
６８Rにおける映像信号の記憶位置と、ＬＣＤ５１L、５
１Rにおける映像の表示位置の関係を図７に示す。メモ
リ６８L、６８Rの全記憶領域がＬＣＤ５１L、５１Rの全
表示範囲に対応しており、メモリ６８L、６８Rの映像信
号記憶位置によってＬＣＤ５１L、５１R上の映像表示位
置が決定される。表示される映像の画角は水平方向が６
０゜、垂直方向が４２゜であり、ＬＣＤ５１L、５１Rの
表示範囲全体の画角の１／２である。

【００５６】マイクロコンピュータ６３は、積分回路６
２H、６２Vの出力から観察者の頭部の水平方向と垂直方
向の回動量を算出し、メモリ６６L、６６Rの映像信号の
メモリ６８L、６８Rへの記憶位置を、算出した回動量に
応じて変化させる。具体的には、水平方向および垂直方
向の回動量が０のとき、すなわち頭部が基準の向きを向
いているときには、矢印Ａで示したように、ＬＣＤ５１
L、５１Rの中央に対応する記憶領域に映像信号を記憶さ
せる。また、例えば、頭部が基準の向きから右下に回動
しているときには、矢印Ｂで示したように、ＬＣＤ５１
L、５１Rの左上に対応する記憶領域に映像信号を記憶さ
せる。記憶位置は回動量のみを変数とする単純な三角関
数によって算出される。

【００５７】このように記憶位置を制御すると、視野内
に現れる虚像の位置は、第１の実施形態と同様に、図９
に示したようになる。

【００５８】ＬＣＤ５１L、５１Rの水平方向および垂直
方向の画角はそれぞれ１２０゜および８４゜であるか
ら、基準方向からの頭部の回動量が水平方向に±３０゜
以内、垂直方向に±２１゜以内であれば、メモリ６８
L、６８Rは映像信号を失うことなく記憶することができ
る。なお、メモリ６６L、６６R、６８L、６８Rは実際に
は１次元配列であるが、アドレス管理によって、図示し
た如く２次元配列として取り扱うことができる。

【００５９】本実施形態のＨＭＤ２においても、頭部が
基準の向きから所定量以上回動している状態が所定時間
続いたときに、虚像位置および基準の向きの再設定を行
う。具体的には、メモリ６８L、６８Rに全ての映像信号
を記憶することができなくなり映像の一部が表示されな
くなる水平方向の３０゜、垂直方向の２１゜を所定量と
し、所定時間を２秒とする。この虚像位置と基準の向き
の再設定を自動で行うために、マイクロコンピュータ６
３にはタイマー６４が設けられており、また、観察者の
意思による手動再設定のためにリセットスイッチ６９が
備えられている。

【００６０】ＨＭＤ２における虚像位置の変更に関する
処理の流れを図８に示す。まず、積分回路６２H、６２V
を初期化して頭部の回動量を０とし（ステップ＃２０
５）、映像をＬＣＤ５１L、５１Rの中央に表示して左右
の虚像を基準位置に設定する（＃２１０）。次いで、フ
ラグの値を０にし（＃２１５）、タイマー２４を停止さ
せる（＃２２０）。これらのフラグおよびタイマーの機
能は図４に示した第１の実施形態の処理におけるものと
同じである。

【００６１】上記の初期化処理終了後、リセットスイッ
チ６９の操作を判定し（＃２２５）、リセットスイッチ
６９がオンのときは＃２０５に戻って初期化処理を行
う。リセットスイッチ６９がオフのときは、角速度セン
サー６１H、６１Vの出力を積分回路６２H、６２Vによっ
て積分し（＃２３０）、積分結果から頭部の水平方向の
回動量ＲＨと垂直方向の回動量ＲＶを算出する（＃２３
５）。次いで、算出した回動量ＲＨ、ＲＶがそれぞれ所
定量ＲＨ0（３０゜）、ＲＶ0（２１゜）以上であるか否
かを判定する（＃２４０）。

【００６２】水平方向の回動量ＲＨが所定量ＲＨ0未満
で、かつ垂直方向の回動量ＲＶが所定量ＲＶ0未満のと
きは、ＬＣＤ５１L、５１Rにおける表示すべき映像位置
を算出し（＃２４５）、メモリ６８L、６８Rへの書き込
みアドレスを算出した表示位置に対応して変更して（＃
２５０）、映像の表示位置を変える。これにより、眼に
対する虚像の相対位置が変化する。次いで、フラグの設
定を判定し（＃２５５）、値が０のときは＃２２５に戻
り、値が１のときは、フラグの値を０にし（＃２６
０）、動作しているタイマー６４を停止させて（＃２６
５）、＃２２５に戻る。

【００６３】＃２４０の判定において、水平方向の回動
量ＲＨが所定量ＲＨ0以上のとき、または垂直方向の回
動量ＲＶが所定量ＲＶ0以上のときは、フラグの設定を
判定する（＃２７０）。フラグの値が０のときは、フラ
グの値を１にし（＃２７５）、タイマー６４を起動して
（＃２８０）、＃２２５に戻る。フラグの値が１のとき
は、タイマー６４の出力より回動量が所定量以上になっ
てからの経過時間Ｔを求めて、所定時間Ｔ0（２秒）と
比較する（＃２８５）。経過時間Ｔが所定時間Ｔ0未満
のときは＃２２５に戻り、所定時間Ｔ0以上のときに
は、＃２０５に戻る。

【００６４】上記処理では、所定時間継続して頭部の回
動量が所定量を超えているときに、基準の向きの更新
（＃２０５）と虚像の基準位置への再設定（＃２１０）
が行われ、それ以外のときは、検出した回動量に応じた
虚像位置の変更が継続されることになる。観察者は、頭
部の向きを大きく変えてその状態を少時保つことによっ
て、基準の向きの更新と虚像の基準位置への再設定を行
うことができる。

【００６５】本実施形態のＨＭＤ２においては、表示さ
れる映像の大きさを表示範囲全体の大きさに対して水平
方向、垂直方向ともに１／２としているが、表示映像の
表示範囲全体に対する大きさはこの値に限られるもので
はなく、その水平方向と垂直方向の比率も異なる値に設
定してよい。ただし、メモリ６６L、６６Rに対するメモ
リ６８L、６８Rの記憶容量の比を、表示映像に対する表
示範囲全体の面積比以上にする必要がある。

【００６６】また、表示範囲全体の画角を水平方向１２
０゜、垂直方向８４゜に設定して視野角と同じにしてい
るが、表示範囲全体が視野内に入る限り表示範囲全体の
画角や視野角を異なる値としてもよく、水平方向と垂直
方向の画角比を他の値としてもかまわない。基準の向き
と虚像位置の再設定を行うか否かを判定するための所定
量ＲＨ0、ＲＶ0は、表示される映像や表示範囲全体の大
きさによらず、任意に設定してよいものである。

【００６７】水平方向の回動と垂直方向の回動を検出す
る２つの角速度センサー６１L、６１Rに加えて、頭部の
左右方向への傾きを検出する第３の角速度センサーを備
え、頭部の傾きに応じてＬＣＤ５１L、５１Rに表示され
る映像を回転させるようにしてもよい。頭部の傾きを打
ち消して虚像を固定することが可能になり、観察者は静
止物を視るときと同じように像観察をすることができ
る。

【００６８】表示されている映像を接眼光学系を介さず
に直接観察する構成とすることも可能である。観察者は
虚像ではなく実像を観察することになるが、表示位置を
変えることで眼に対する実像の相対位置を変更すること
ができる。ただし、この場合、表示素子をかなり大きく
する必要が生じて、ＨＭＤを小型・軽量に形成すること
が困難になってくる。

【００６９】本実施形態のＨＭＤ２のように、接眼光学
系によって表示映像を拡大して観察する構成では、接眼
レンズは必要になるものの、表示素子をあまり大型にす
る必要がなく、総合的にＨＭＤを小型・軽量にすること
ができる。しかも、眼から虚像までの距離を眼から表示
素子までの距離以上に設定することが可能であり、視度
を任意に設定することができて、眼の疲労を軽減すると
いう目的により適している。

【００７０】

【発明の効果】請求項１の映像表示装置によるときは、
観察者の頭部の向きが変化したとき、虚像を移動させ
て、虚像が頭部の向きの変化に追随しないようにするこ
とができる。したがって、観察者は頭部を回動させるこ
とによって、表示されている映像の任意の領域を真正面
等の観察し易い位置で観察することが可能になる。これ
により、所望の領域を注視するのに眼球を回動させて視
線の方向を変える必要がなくなり、眼の疲労が軽減され
る。また、頭部の微動に応じて眼に対する虚像の相対位
置を変化させ虚像を微動させることも可能であり、これ
により頭部を静止させて像観察を行うときの眼球の動き
が自然になり、眼の疲労が一層軽減される。

【００７１】請求項２の映像表示装置では、表示する映
像を特別な方法で生成することなく、観察者が観察する
映像すなわち虚像の位置を変更することが可能である。
例えば、撮影と表示を並行して行い頭部の向きに応じて
撮影範囲を変えること、あらかじめ広範囲の映像を記録
しておき頭部の向きに応じて一部範囲の映像を表示する
こと等の複雑な処理は不要である。このため、撮影のた
めのカメラ等の映像生成装置までを含めた全体の構成を
簡素にすることができる。

【００７２】しかも、テレビジョンのように一定の映像
信号しか与えられず頭部の向きに応じて映像を変化させ
ることができないときでも、観察する像の位置を変更す
ることが可能であり、用途に制限がない。また、接眼光
学系の変位が僅かであっても映像光の進路は大きく変わ
り、眼に対する虚像の位置が大きく変化するから、頭部
の向きの大きな変化にも対応し得る。

【００７３】請求項３の映像表示装置も、映像の生成の
方法に制約がなく、したがって用途を制限されない。ま
た、映像の表示位置を変えるための回路を備えるだけで
よく、機械的な駆動機構を必要としないから、装置を小
型・軽量に構成することができる。しかも、表示位置の
変更は電気的な処理によりきわめて高速でなされるか
ら、頭部の動きに迅速に対応することが可能である。

【００７４】請求項４の映像表示装置では、観察者が頭
部を回動させたときに虚像の絶対位置が全く変化しない
から、観察者は静止物を視るときと全く同様の自然な動
作で像観察をすることができる。頭部を静止させている
ときに生じる微動は虚像の微動となって現れるから、頭
部静止時の像観察も自然である。したがって、眼に負担
がかからず、眼の疲労を軽減することができる。

【００７５】請求項５の映像表示装置によるときは、像
を観察することができなほど頭部の向きの変化量が大き
くなったときに像を所定位置に再設定することが可能で
あり、頭部の向きにかかわらず常に像観察をすることが
できる。また、頭部の向きの変化量が一定範囲内のとき
に限って虚像の位置が頭部の向きに応じて変わり、頭部
の向きの変化量が一定範囲を超えると虚像が所定位置に
再設定されるから、一定位置に像を視るために頭部を一
定方向に向けておく必要がない。したがって、自由な姿
勢で像観察をすることが可能であり、眼の疲労はもとよ
り、全身の疲労を軽減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態のＨＭＤの光学構成
を示す図。

【図２】第１の実施形態のＨＭＤにおける頭部の向き
の検出から虚像位置の変更までに関わる回路構成を示す
ブロック図。

【図３】第１の実施形態のＨＭＤの可動レンズの移動
とその移動量検出のための構成を示す図。

【図４】第１の実施形態のＨＭＤにおける虚像位置の
変更の処理の流れを示すフローチャート。

【図５】本発明の第２の実施形態のＨＭＤの光学構成
を示す図。

【図６】第２の実施形態のＨＭＤにおける頭部の向き
の検出から虚像位置の変更までに関わる回路構成を示す
ブロック図。

【図７】第２の実施形態のＨＭＤにおける映像信号の
画像メモリ内での記憶位置と映像のＬＣＤ上での表示位
置との関係を示す図。

【図８】第２の実施形態のＨＭＤにおける虚像位置の
変更の処理の流れを示すフローチャート。

【図９】第１および第２の実施形態のＨＭＤにおける
視野と視野内の虚像の位置関係の例を示す図。

【符号の説明】

１ＨＭＤ１１L、１１R ＬＣＤ（表示手段）１２L、１２R 可動レンズ（接眼光学系）１３L、１３R 固定レンズ（接眼光学系）２１H、２１V 角速度センサー（検出手段）２２H、２２V 積分回路（検出手段）２３マイクロコンピュータ２４タイマー２５L、２５R レンズ駆動回路（変更手段）２６L、２６R レンズ移動量検出回路２７H、２７V 電磁アクチュエータ２８H、２８V 電磁センサー２９リセットスイッチ３１L、３１R ＬＣＤ駆動回路２ＨＭＤ５１L、５１R ＬＣＤ（表示手段）５３L、５３R 固定レンズ（接眼光学系）６１H、６１V 角速度センサー（検出手段）６２H、６２V 積分回路（検出手段）６３マイクロコンピュータ６４タイマー６５L、６５R Ａ／Ｄコンバータ６６L、６６R 画像メモリ６７L、６７R メモリコントローラ６８L、６８R 画像メモリ（変更手段）６９リセットスイッチ７１L、７１R ＬＣＤ駆動回路（変更手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】映像を表示する表示手段と接眼光学系を
有し、該接眼光学系によって前記表示手段に表示された
映像の虚像を観察者の眼に与える頭部載置型の映像表示
装置において、観察者の頭部の向きを検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された観察者の頭部の向きに
応じて、観察者に対する前記虚像の位置を変更する変更
手段とを備えることを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】前記変更手段は前記接眼光学系を変位さ
せることによって前記虚像の位置を変更することを特徴
とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項３】前記変更手段は前記表示手段における映
像の表示位置を変更することによって前記虚像の位置を
変更することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装
置。
【請求項４】前記検出手段は基準の向きからの観察者
の頭部の向きのずれの方向と量を検出し、前記変更手段は前記虚像の位置を、検出されたずれの方
向と逆方向に、検出されたずれの量だけ移動させること
を特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項５】前記検出手段は基準の向きからの観察者
の頭部の向きのずれの量を検出し、前記検出手段によって検出されたずれの量が所定量未満
のときに、前記変更手段は検出された観察者の頭部の向
きに応じて前記虚像の位置を変更し、前記検出手段によって検出されたずれの量が前記所定量
以上のときに、前記変更手段は前記虚像の位置を所定の
位置に設定し、前記検出手段は検出された観察者の頭部
の向きを基準の向きとすることを特徴とする請求項１に
記載の映像表示装置。