(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を虚像として観察者の眼に投影する映像観察装置において、
観察者の瞳孔径を検出する瞳孔径検出手段と該瞳孔径検出手段の検出結果に応じて眼に与える光量を調節する光量調節手段とを有し、前記光量調節手段は、観察者の眼に与える光量を観察者の瞳孔径の略２乗に比例するように調節することを特徴とする映像観察装置。
【請求項２】
前記光量調節手段は、前記瞳孔径検出手段により観察者の瞳孔径が観察者の眼に入射する光束の光束径よりも小さいと検出された場合は観察者の眼に与える光量を変化させないことを特徴とする請求項１に記載の映像観察装置。
【請求項３】
映像信号に基づいて光信号を発光する少なくとも一つの点光源と、該光信号を少なくとも異なる二方向に走査する走査手段と、該光信号を虚像として観察者の眼に投影する接眼光学系とを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の映像観察装置。
【請求項４】
前記点光源はレーザー光源であることを特徴とする請求項３に記載の映像観察装置。
【請求項５】
前記瞳孔径検出手段は、観察者の眼球を撮影するビデオカメラと該ビデオカメラで撮影された映像を画像処理することによって観察者の瞳孔径を算出する算出手段から成ることを特徴とする請求項１乃至４に記載の映像観察装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ビデオカメラで撮影した映像やコンピュータグラフィックスなどの電子映像を観察者の眼に虚像表示する映像観察装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
映像を虚像として観察者の眼に投影する映像観察装置において、軽量小型化を達成するためには、できるだけ小型に構成された二次元表示手段を用いることが望ましい。二次元表示手段としては、直接二次元映像を表示する（例えば映像信号に基づいて制御される二次元液晶表示素子を照明することにより表示する）表示手段と、点光源からの光を走査手段により走査することにより二次元映像を表示する走査型表示手段がある。
【０００３】
これらの表示手段を小型化するためには、観察者に与える入射光径をできるだけ小さくする方が有利である。特に、走査型表示手段を採用した装置においては、観察者に与える入射光径が小さければ小さいほど、回転反射ミラーなどの走査手段を軽量小型化することができる。よって、より高速の走査が可能となり、装置の軽量小型化を図ることができるだけでなく、高精細の映像表示が可能となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、観察者の瞳孔径よりも入射する光束径を小さくしてしまうと、観察者の瞳孔径が変化しても、観察者の網膜に達する光量は変化せず、観察者に与える映像は実世界の映像とは異なる不自然なものとなってしまう。なぜなら、人間の瞳孔調節機能は、外界の輝度変化に対して大変敏感であり、瞳孔径を変化させることで網膜に達する光量を調節し、外界のダイナミックな輝度変化に対応しているからである。
【０００５】
例えば、高い輝度を持つ映像を鑑賞したときに、その眩しさのため観察者の瞳孔が縮小する。しかし、観察者の瞳孔径よりも入射する光束径を小さくしてしまうと、観察者の網膜に達する光量は減少しないので、観察者は自分が鑑賞している映像がさらに高輝度に変化し続けていると感じることになる。また逆に、映像が低輝度のものに変化した場合も、同様に意図しない不自然な感覚を観察者に与えることになる。
【０００６】
さらには、このような実世界とは異なる観察者の瞳孔径変化による光量調整が十分機能しないような状況下においては、観察者の視覚機能・神経機能が損なわれる可能性も考えられる。以上説明したように、観察者の眼に与える光束径を小さくする場合は、いくつかの問題点が生じる。しかしながら、これらの問題点を解決する従来技術はない。
【０００７】
本発明は、軽量小型で高精細な映像表示が可能な映像観察装置において、観察者の瞳孔径変化による光量調整が十分機能するようにし、ダイナミックな映像変化に適応可能な自然な映像鑑賞環境を提供するとともに、観察者の視覚機能・神経機能への安全性を確保することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、映像を虚像として観察者の眼に投影する映像観察装置において、観察者の瞳孔径を検出する瞳孔径検出手段と、該瞳孔径検出手段の検出結果に応じて眼に与える光量を調節する光量調節手段とを有し、前記光量調節手段は、観察者の眼に与える光量を観察者の瞳孔径の略２乗に比例するように調節する構成とする。
【０００９】
このような構成によると、観察者の瞳孔径が観察者眼への入射光束よりも大きい場合であっても、観察者が映像を観察している間、常に瞳孔径検出手段により瞳孔径の検出を行い、観察者瞳孔径が大きくなったときには光量調節手段により観察者眼へ入射する光量を増加させ、逆に観察者瞳孔径が小さくなったときには観察者眼へ入射する光量を減少させるようにできる。よって、実世界と同じ様な観察者の瞳孔径変化による光量調整機能を実現することができる。
【００１０】
また、上記に記載の映像観察装置において、映像信号に基づいて光信号を発光する少なくとも一つの点光源と、該光信号を少なくとも異なる二方向に走査する走査手段と、該光信号を虚像として観察者の眼に投影する接眼光学系とを有する構成とする。
【００１１】
このような構成によると、観察者眼への入射光束径が小さい場合（例えば観察者瞳孔径より小さい場合）、光束を走査する走査手段も光束が通過する接眼光学系も小さく構成できることになる。つまり、光束の光路にある各要素を小さく構成できるので、装置の小型化を特に顕著に図ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、実施形態を示し本発明をより具体的に説明する。第１〜第３の実施形態は、二次元表示手段として二次元表示素子と照明光源を用いたヘッドマウントディスプレイに本発明を適用したものである。第４〜第６の実施形態は、二次元表示手段として点光源と二次元走査手段を用いたヘッドマウントディスプレイに本発明を適用したものである。
【００１３】
〈第１の実施形態〉
本実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図を図１に示す。１１０は映像生成装置である。１０６は映像生成装置１１０により駆動される透過型二次元表示素子である。１０７はバックライトで、背面から二次元表示素子１０６を照明する。１０５はリレー光学系で、表示素子１０６からの光束の中間像を形成する。観察者眼１０１には、接眼光学系１０２を介して前記中間像の虚像が投影されることになる。尚、リレー光学系１０５を透過した光束は、ミラー１０４とミラー１０３により反射され、観察者眼１０１に与えられる。
【００１４】
リレー光学系１０５は、観察者眼１０１の瞳孔と略共役な位置に構成されている。つまり、観察者眼１０１に与えられる入射光束径を小さくすればするほど、リレー光学系１０５を小型に構成することができることになる。
【００１５】
１０８は瞳孔径検出手段である算出手段内蔵のビデオカメラである。１０９は光量調節手段で、ビデオカメラ（算出手段）１０８からの検出信号に応じてバックライト１０７の強度を制御することにより観察者眼１０１へ与える光量を調節する。尚、観察者が両眼で映像を観察する装置の場合は、図１のような構成を左右軸対称で配置すればよいが、左右両眼に与える映像が大きく異ならなければ、観察者の左右眼のどちらかの瞳孔径のみを検出すればよい。よって、観察者瞳孔径検出手段（ビデオカメラ）１０８及び光量調節手段１０９をそれぞれ１つずつ構成した装置でも十分に本発明を実施できる。
【００１６】
また、上記透過型二次元表示素子１０６の代わりに、反射型二次元表示素子を用い、その前面から照射するように構成してもよい。この場合も上記と同様に、光量調整手段１０９によって照明光量を制御するようにする。また、表示手段である二次元表示素子１０６とバックライト１０７の代わりに、ＥＬのような自己発光型二次元表示素子を用いて構成してもよい。この場合は、表示素子そのものが光源でもあるので、光量調節手段１０９は自己発光型二次元表示素子の駆動装置を制御することにより観察者の眼に与える光量を調節するようにする。
【００１７】
次に、瞳孔径検出手段の瞳孔径検出方法について説明する。ビデオカメラ１０８は、まず観察者眼を撮影する。そして、算出手段はビデオカメラ１０８により撮影された図２に示すような観察者眼映像から、瞳孔の画像を抽出し撮影倍率を元にして瞳孔径を算出する。算出方法としては、適当な瞳孔径を測定することにより算出してもよいが、例えば図中のＤ１、Ｄ２を測定するというように複数の方向の瞳孔径を測定し、その平均値を瞳孔径とするなどの手法を採用してもよい。このような手法によると、より精度の高い制御が可能となる。
【００１８】
尚、上記瞳孔径検出手段のビデオカメラ１０８の代わりに、ラインセンサなどを用いて瞳孔径を検出するようにしてもかまわない。また、算出手段により瞳孔の面積を算出し（図２ではＳの部分）、光量調節手段１０９がその算出結果を元に観察者眼への入射光量を調節するような方法も本発明と本質的に同一のものである。
【００１９】
上記のように、瞳孔径検出手段にビデオカメラ１０８を使用すれば、瞳孔径の検出のみならず、瞳孔径位置の検出も容易に実現できる。従って、観察者眼１０１と映像観察装置の自動位置合わせや観察者の視線移動による映像生成装置１１０への各種制御など他の機能を映像観察装置に付加する場合にも有効に活用できる。
【００２０】
次に、光量調節手段１０９の観察者眼１０１への入射光量の制御方法について説明する。図３に、観察者眼１０１の瞳孔径と入射光量の関係を表したグラフを示す。横軸は検出された観察者瞳孔径を、縦軸は単一の映像を表示するときの観察者眼への入射光量を相対的に示している。図３では、入射光束径を３ｍｍに固定した場合について示したが、勿論この値に限定したり固定したりする必要はない。尚、入射光束径を３ｍｍ以外の値とした場合の入射光量の制御方法については、以下で説明する入射光束径を３ｍｍに固定した場合の制御方法を応用できるので説明を省略する。
【００２１】
人間の瞳孔は正常状態で直径約２〜８ｍｍの変化がある円形孔である。ある単一の映像表示を行ったとき、観察者の瞳孔径が８ｍｍであったとし、そのとき観察者眼に入射する光量を１００％とする。観察者がその映像を眩しいと感じ、瞳孔径が４ｍｍにまで縮小すれば瞳孔面積は４分の１になる。よって、光量調節手段１０９は観察者眼への入射光量を２５％に減じるように制御する。つまり、図３に示すように、光量調節手段１０９は入射光量を観察者瞳孔径の２乗に略比例するように制御する。このような制御により、実世界における瞳孔径変化による光量調節機能と同等のものを映像観察装置において提供することができる。
【００２２】
尚、観察者瞳孔が縮小し、入射光束径の３ｍｍよりも小さくなれば観察者の虹彩が網膜に到達する光量を制御できるようになるので、観察者眼１０１に入射する光量を装置側で制御する必要がない。よって、本実施形態では図３に示すように観察者の瞳孔径が３ｍｍ以下の場合は、光量調節手段１０９は入射光量を一定値２５％になるように制御する。
【００２３】
本実施形態では、入射光量を観察眼１０１の瞳孔径の略２乗に比例するように制御したが、図３のグラフの曲線部分の傾きが大きくなるように制御したり、小さくなるように制御してもよい。２乗に比例するように制御した場合（図３の場合）、観察者にとって映像は自然界に最も近いものとなる。傾きが大きくなるように制御した場合はメリハリのない映像になり、逆に傾きが小さくなるように制御した場合は強調された映像になる。
【００２４】
尚、カメラ撮影された動画像やコンピュータグラフィックスによる動画像を観察者が観察する場合は、表示される映像そのものの輝度が常に変化しているが、このような場合も、観察者が映像を観察している間は、常に観察者瞳孔径を検出し、光量調節手段１０９は映像信号に関係なく上記と同様に観察者瞳孔径検出手段１０８の検出結果に応じて観察者眼１０１への入射光量を調節するように構成されている。
【００２５】
〈第２の実施形態〉
図４は、本実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図である。本実施形態のヘッドマウントディスプレイは、第１の実施形態の構成において光量調節手段１０９がバックライト１０７の光量を制御する代わりに、光路中に設けた液晶シャッターなどの透過光量可変手段１１１を制御して観察者眼１０１へ入射する光量を調節するように構成されている。観察者瞳孔径検出手段１０８の検出結果を元にして光量調節手段１０９の制御が行われる点は、第１の実施形態と同じである。尚、透過光量可変手段１１１を挿入する箇所は、光路中どの部分であっても同様の効果が得られる。その他の構成、及び制御方法は第１の実施形態と同じなので説明を省略する。
【００２６】
〈第３の実施形態〉
図５は、本実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図である。本実施形態のヘッドマウントディスプレイは、第１の実施形態の構成において光量調節手段１０９がバックライト１０７の光量を制御する代わりに、観察者瞳孔と略共役な位置又はリレー光学系１０５の近傍の位置に設けた絞り機構１１２を制御することにより観察者眼１０１へ入射する光束径を変化させ入射光量を調節するように構成されている。観察者瞳孔径検出手段１０８の検出結果を元にして光量調節手段１０９の制御が行われる点は、第１の実施形態と同じである。その他の構成、及び制御方法は第１の実施形態と同様なので説明を省略する。
【００２７】
〈第４の実施形態〉
図６は、本実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図である。本実施形態のヘッドマウントディスプレイの表示手段は、レーザー光源２０６と二次元走査手段２０４からなる。以下、光束の動きを説明するとともに、各構成要素について説明する。
【００２８】
映像生成装置２０９からの映像信号により変調されたレーザー光源２０６から射出された光束は、コンデンサーレンズ２０５により収束され二次元走査手段２０４に与えられる。二次元走査手段２０４は映像生成装置２０９からの制御信号によって制御され、入射した光束を二次元に走査して中間像を形成する。観察者は、ハーフミラー２０２を通して、観察者眼の近傍に曲率中心を持つ凹面鏡２０３によってこの中間像を虚像として観察することになる。
【００２９】
二次元走査手段２０４は、凹面鏡２０３を介して観察者の瞳孔と略共役位置に配されている。よって、観察者眼２０１への入射光束を小さくすればするほど、二次元走査手段２０４が軽量小型化できる。二次元走査手段２０４の軽量小型化により、より高速での走査が可能となるので、１画面の走査本数を増やすことができ、ひいてはより高精細な映像表示が可能となる。
【００３０】
２０７はビデオカメラを利用した瞳孔径検出手段で、瞳孔径検出手段２０７の検出結果を元に光量調節手段２０８がレーザー光源の強度を制御する。この制御により、観察者眼２０１への入射光量が調節されることになる。瞳孔径検出手段２０７の検出方法と、光量調節手段２０８の光量調節の制御方法は基本的には第１の実施形態と同じなので説明を省略する。
【００３１】
上記構成において、レーザー光源２０６の代わりに、ＬＥＤ等の他の点光源を用いる場合であっても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００３２】
〈第５の実施形態〉
図７は、本実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図である。本実施形態のヘッドマウントディスプレイは、第４の実施形態において光量調節手段２０８がレーザー光源２０６の強度を制御して観察者眼２０１への入射光量を調節する代わりに、光路中に設けた超音波光学素子などのレーザー光変調手段２１０を制御することにより観察者眼２０１への入射光量を調節するように構成したものである。その他の構成は、第４の実施形態と同じなので説明を省略する。
【００３３】
〈第６の実施形態〉
図８は、本実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図である。本実施形態のヘッドマウントディスプレイは、第４の実施形態において光量調節手段２０８がレーザー光源２０６の強度を制御して観察者眼２０１への入射光量を調節する代わりに、光路中に設けた液晶シャッターなどの透過光量変調手段２１１を制御することにより観察者眼２０１への入射光量を調節するように構成したものである。透過光量変調手段２１１を挿入する箇所は、光路中どの部分であっても同様の効果が得られる。その他の構成は、第４の実施形態と同じなので説明を省略する。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によると、観察者の瞳孔径が入射光束より大きい場合であっても、観察者瞳孔径変化による光量調整が十分に機能するので、映像信号のダイナミックな輝度変化に適応する自然な映像鑑賞環境が提供される。さらに、観察者に自然な映像鑑賞環境が提供されるので、観察者の視覚機能・神経機能への安全性も確保される。
【００３５】
また、入射光束を細くした場合に生じる問題点が上記のように解決されるので、入射光束を細くすることにより装置の軽量小型化を図れるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図。
【図２】ビデオカメラにより撮影された観察者眼を示した図。
【図３】観察者の瞳孔径と光量調節手段により調節される観察者眼への入射光量の関係を示した図。
【図４】第２の実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図。
【図５】第３の実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図。
【図６】第４の実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図。
【図７】第５の実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図。
【図８】第６の実施形態のヘッドマウントディスプレイの概略構成図。
【符号の説明】
１０１    観察者眼
１０２    接眼光学系
１０３、１０４    ミラー
１０５    リレー光学系
１０６    透過型二次元表示素子
１０７    バックライト
１０８    瞳孔径検出手段
１０９    光量調節手段
１１０    映像生成装置
１１１    透過光量可変手段
１１２    絞り機構
２０１    観察者眼
２０２    ハーフミラー
２０３    凹面鏡
２０４    二次元走査手段
２０５    コンデンサーレンズ
２０６    レーザー光源
２０７    瞳孔径検出手段
２０８    光量調節手段
２０９    映像生成装置
２１０    レーザー光変調手段
２１１    透過光量可変手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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