(57)【要約】【課題】観察者にとって焦点が合いやすいように焦点深度を深くし、かつ、投射部による射出瞳を観察者の瞳孔に合わせやすいヘッドマウントディスプレイを提供する。【解決手段】画像情報に応じた画像光を観察者の眼に投射する投射部と、前記投射部による射出瞳と光学的に共役な位置に配置され、絞り位置及び／又は絞り径を変更可能な可変絞り部と、観察者の眼の瞳孔位置を検出する検出部と、検出部により検出した瞳孔位置に応じて、可変絞り部を制御する制御部とを備えることとした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像情報に応じた画像光を観察者の眼に投射する投射部と、
前記投射部による射出瞳と光学的に共役な位置に配置され、絞り位置及び／又は絞り径を変更可能な可変絞り部と、
前記観察者の眼の瞳孔位置を検出する検出部と、
前記検出部により検出した前記瞳孔位置に応じて、前記可変絞り部を制御して、前記観察者の眼に前記画像光を入射させる制御部と、を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【請求項２】
前記制御部は、前記検出部で検出した前記瞳孔位置が変化したときに前記絞り位置を変更することを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項３】
前記制御部は、前記検出部で検出した前記瞳孔位置が変化したときに前記絞り径を変更することを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項４】
前記絞りは、入射する光の径よりも小径で、かつ前記入射する光の一部を反射する反射部からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項５】
前記絞りは、入射する光の径よりも小径で、かつ前記入射する光の一部が透過する透過部からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項６】
前記反射部は、反射率が可変であり、
前記制御部は、前記反射率を変更することを特徴とする請求項４に記載のヘッドマントディスプレイ。
【請求項７】
前記透過部は、透過率が可変であり、
前記制御部は、前記透過率を変更することを特徴とする請求項５に記載のヘッドマントディスプレイ。
【請求項８】
前記投射部による射出瞳は、２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、観察者の頭部に装着され、画像情報に応じた画像光を投射部から観察者の眼に投射して、画像情報に応じた画像を観察者に視認させる表示手段を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」ともいう）が知られている。
【０００３】
このＨＭＤは、作業マニュアル等のコンテンツを表示する手段として、医療、工場等の現場で活用され始めている。特に、装置全体が小型化されたものであれば持ち運びが可能となり、今後広く普及していくものと予測される。
【０００４】
観察者は、ＨＭＤの画像を視認するために、投射部による射出瞳を観察者の瞳孔に合わせることが必要である。しかし、投射部による射出瞳が観察者の瞳孔より小さい場合には、投射部による射出瞳に観察者の瞳孔を合わせることが難しく、また射出瞳から観察者の瞳孔が外れやすくなる。
【０００５】
そこで、回折格子を中間像面位置に配置して、射出瞳の実効径を拡大する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５７０１１３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
射出瞳の実効径が大きくなると、観察者の瞳孔が射出瞳に位置する可能性が高くなることから、観察者はＨＭＤの画像を視認しやすくなる。
【０００８】
しかし、その反面、観察者の瞳孔から入射する画像光の径が大きくなる。そのため、焦点深度が浅くなり、観察者はＨＭＤの画像にピントを合わせるのに手間取ってしまう。また、オートフォーカスを行うとすると、眼底カメラのように光学系が大型化、複雑化するという問題がある。
【０００９】
本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものであり、観察者にとって焦点が合いやすいように焦点深度を深くし、かつ、投射部による射出瞳を観察者の瞳孔に合わせやすいヘッドマウントディスプレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、画像情報に応じた画像光を観察者の眼に投射する投射部と、前記投射部による射出瞳と光学的に共役な位置に配置され、絞り位置及び／又は絞り径を変更可能な可変絞り部と、前記観察者の眼の瞳孔位置を検出する検出部と、前記検出部により検出した前記瞳孔位置に応じて、前記可変絞り部を制御して、前記観察者の眼に前記画像光を入射させる制御部と、を備えることとした。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記制御部は、前記検出部で検出した前記瞳孔位置が変化したときに前記絞り位置を変更することに特徴を有する。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記検出部で検出した前記瞳孔位置が変化したときに前記絞り径を変更することに特徴を有する。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記絞りは、入射する光の径よりも小径で、かつ前記入射する光の一部を反射する反射部からなることに特徴を有する。
【００１４】
また、請求項５に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記絞りは、入射する光の径よりも小径で、かつ前記入射する光の一部が透過する透過部からなることに特徴を有する。
【００１５】
また、請求項６に係る発明は、請求項４に記載のヘッドマントディスプレイにおいて、前記反射部は、反射率が可変であり、前記制御部は、前記反射率を変更することに特徴を有する。
【００１６】
また、請求項７に係る発明は、請求項５に記載のヘッドマントディスプレイにおいて、前記透過部は、透過率が可変であり、前記制御部は、前記透過率を変更することに特徴を有する。
【００１７】
また、請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマウントディスプレイにおいて、前記投射部による射出瞳は、２ｍｍ以下であることに特徴を有する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、検出した観察者の瞳孔位置に応じて、投射部による射出瞳と光学的に共役な位置に配置された絞りの位置或いは径を変更する。従って、瞳孔に入射する画像光の実効径の大きさを抑制することができ、観察者はＨＭＤの画像にピントを合わせ易くなる。すなわち、投射部による射出瞳が観察者の瞳孔位置に合うように絞りの位置を変更することで、実効径の小さな画像光を瞳孔に入射することができる。また、観察者の瞳孔位置に応じて絞りの径を変更することで、投射部から出射する画像光の径が大きい場合であっても、瞳孔に入射する画像光の実効径が大きくなることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係るＨＭＤの概要を示した説明図である。
【図２】本実施形態に係るＨＭＤの外観を示した説明図である。
【図３】本実施形態に係るＨＭＤの電気的構成及び光学的構成を示した説明図である。
【図４】表示制御部の電気的構成を示したブロック図である。
【図５】本実施形態に係るＨＭＤの処理を示したフローチャートである。
【図６】第１変形例に係る投射部近傍の構成を示した説明図である。
【図７】第２変形例に係る投射部近傍の構成を示した説明図である。
【図８】第３変形例に係る投射部近傍の構成を示した説明図である。
【図９】第４変形例に係る投射部近傍の構成を示した説明図である。
【図１０】第５変形例に係る投射部近傍の構成を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
〔ＨＭＤの概要〕
まず、本実施形態に係るＨＭＤの概要について図面を参照しながら説明する。図１は本実施形態に係るＨＭＤの概要を示した説明図である。なお、本実施形態では、ＨＭＤを、画像情報に基づいて強度変調した光を２次元的に走査し、その走査された光を当該ＨＭＤの使用者である観察者の眼に投射して網膜上に結像させる網膜走査型として説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、画像情報に応じて強度変調した光を観察者の眼に入射させ、当該画像情報に応じた画像を表示するＨＭＤであれば全てに適用することができる。
【００２１】
図１（ａ）は、画像情報に応じた画像光Ｌｂが、ＨＭＤを使用する観察者の眼１１０の瞳孔１１０ａに入射している状態を示している。この図１（ａ）に示す状態では、画像光Ｌｂが瞳孔１１０ａから入射しているので、観察者は画像光Ｌｂによる画像を認識することとなる。
【００２２】
ここで観察者が眼１１０を移動させた場合を想定する。図１（ｂ）に示すように、瞳孔１１０ａの位置が移動して、画像光Ｌｂが瞳孔１１０ａから入射しなくなると、観察者は画像光Ｌｂによる画像を認識することができなくなる。
【００２３】
このような場合、図１（ｃ）に示すように、射出瞳径を大きくすると、観察者が眼１１０を動かして瞳孔１１０ａの位置が移動した場合であっても、瞳孔１１０ａから画像光Ｌｂが入射することとなり、観察者は画像を視認することができる。
【００２４】
しかしながらこの場合、瞳孔１１０ａから入射した画像光Ｌｂの開き角αが大きくなって焦点深度が浅くなり、観察者が画像光Ｌｂによる画像へピントを合わせづらくなる。
【００２５】
そこで、本実施形態に係るＨＭＤは、図１（ｄ）に示すように、射出瞳と光学的に共役な位置Ｑに絞り位置や絞り径を変更可能な絞り部Ａを設け、射出瞳径を小さくして、瞳孔１１０ａに入射する画像光Ｌｂの径を小さくすることとしている。
【００２６】
したがって、瞳孔１１０ａから入射した画像光Ｌｂの開き角αが小さくなって焦点深度が深くなり、観察者は画像光Ｌｂによる画像へピントを合わせ易い。
【００２７】
また、絞り部Ａは、位置変更可能に構成しているため、図１（ｅ）に示すように観察者が眼１１０を動かして瞳孔１１０ａの位置が更に移動した場合でも、絞り部Ａを点線で示す位置から実線で示す位置に移動させることで、瞳孔１１０ａに画像光Ｌｂを入射させながらも、入射する画像光Ｌｂの実効径を小さくすることができる。すなわち、画像光Ｌｂの開き角αが小さくなって焦点深度が深くなり、観察者に対して画像光Ｌｂによる画像へピントを合わせ易くさせることができる。
【００２８】
なお、図１では、入射する光の径よりも小径で、かつ前記入射する光の一部が通過する開口部からなる絞り部Ａとしたが、例えば、ＬＣＤ等により開口部を形成したり、ＤＭＤや反射鏡等により反射部を形成することで、絞りを実現するよう構成しても良い。これらの変形例については、後に詳述する。
【００２９】
〔ＨＭＤ１の具体的構成及び動作〕
本実施形態に係るＨＭＤ１は、図２に示すように、観察者Ｐの腰部に装着する制御ユニット部２と、観察者Ｐが頭部に装着する頭部装着具６と、制御ユニット部２と頭部装着具６と接続する光ファイバーケーブル７とを備えている。
【００３０】
制御ユニット部２には、表示制御部１０が備えられており、同じく制御ユニット部２に内蔵した後述のコンテンツ記憶部１１に記憶されたコンテンツデータに基づいて表示制御部１０が画像信号Ｓを形成する。また、制御ユニット部２には光源部１２が備えられており、前述の画像信号Ｓに応じて各色（Ｒ,Ｇ,Ｂ）毎に強度変調されたレーザ光を光ファイバーケーブル７へ出射する。また、後に詳述するが、この表示制御部１０は、検出部により検出した瞳孔１１０ａの位置に応じて、可変絞り部を制御する制御部として機能する。
【００３１】
また、制御ユニット部２には、電源ボタン１３や図示しない操作入力部が配設されている。これらの電源ボタン１３や操作入力部は、表示制御部１０に電気的に接続されている。
【００３２】
また、制御ユニット部２には、外部入出力端子２０が形成されている。この外部入出力端子２０により、外部からの画像信号を入力したり、図示しないパーソナルコンピュータ等との間で画像信号を形成するためのコンテンツデータなどを送受信したりすることができる。なお、ここでコンテンツデータとは、文字を表示させるためのデータ、画像を表示させるためのデータ及び動画を表示させるためのデータのうちの少なくとも１つのデータで構成される画像情報であり、例えば、パーソナルコンピュータ等で使用される文書ファイルや画像ファイル、動画ファイル等である。
【００３３】
頭部装着具６は、観察者Ｐの頭部に装着した状態において、伝送されたレーザ光を観察者Ｐの眼１１０に投射し、観察者Ｐに対して画像を表示するものである。具体的には、図２に示すように、頭部装着具６は、画像表示ユニット４と、支持フレーム２１とで構成している。
【００３４】
画像表示ユニット４は、光ファイバーケーブル７より伝送されてきたレーザ光を２次元方向に走査して画像光Ｌｂを形成し、観察者Ｐの眼１１０に入射させ、観察者Ｐの眼１１０の網膜上で画像光Ｌｂを２次元方向に走査する。これにより、観察者Ｐに画像情報に応じた画像を視認させることができる。
【００３５】
この画像表示ユニット４には、観察者Ｐの眼１１０と対向する位置に第２ハーフミラー３が設けられている。外光Ｌａは第２ハーフミラー３を透過して観察者Ｐの眼１１０に入射され、画像表示ユニット４から出射される画像光Ｌｂは第２ハーフミラー３で反射して観察者Ｐの眼１１０に入射する。これにより、観察者Ｐは外光Ｌａによる外景に画像光Ｌｂによる画像を重ねて視認することができる。
【００３６】
このようにＨＭＤ１は、外光Ｌａを透過しつつ、画像光Ｌｂを観察者Ｐの眼１１０に投射するシースルー型のヘッドマウントディスプレイとしている。
【００３７】
次に、ＨＭＤ１の電気的構成及び光学的構成について図３を参照しながら説明する。図３に示すように、制御ユニット部２内には、表示制御部１０と、光源部１２とが備えられている。
【００３８】
（表示制御部１０）
表示制御部１０は、比較的大容量の記憶領域を有するコンテンツ記憶部１１に予め記憶されたコンテンツデータを読み出し、このコンテンツデータを画像信号Ｓに変換して、光源部１２に供給する。また、表示制御部１０は、外部入出力端子２０を介して外部接続した図示しない機器類から供給されるコンテンツデータを画像信号Ｓに変換し、光源部１２に供給することもできる。なお、コンテンツ記憶部１１は、例えば、ハードディスクの如き磁気的記憶媒体や、ＣＤ−Ｒの如き光学的記録媒体や、フラッシュメモリ等とすることができる。
【００３９】
また、表示制御部１０には、電源ボタン１３が電気的に接続されている。電源ボタン１３が押下されることにより、表示制御部１０は、図示しない電源部からの電力を供給したり停止したりする。
【００４０】
光源部１２は、観察者Ｐの眼１１０に画像を表示するためのレーザ光を生成する部位であり、表示制御部１０に電気的に接続される駆動信号供給回路３０が備えられている。駆動信号供給回路３０は、表示制御部１０から供給された画像信号Ｓに基づいて、表示画像を形成するための要素となる、赤色、緑色及び青色のそれぞれの画像信号を生成する。また、駆動信号供給回路３０は、後述の高速走査部３２で使用される高速駆動信号３３と、低速走査部３４で使用される低速駆動信号３５とをそれぞれ出力する。
【００４１】
また、光源部１２には、レーザ出射部３６が設けられている。このレーザ出射部３６には、Ｒ（赤色）レーザ、Ｇ（緑色）レーザ、Ｂ（青色）レーザが備えられており、画像信号Ｓに基づいて生成された各色の画像信号に応じてそれぞれ強度変調されたレーザ光を出射する。各レーザは、例えば、半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成することが可能である。各レーザから出射されたレーザ光は、ダイクロイックミラー等から構成される光学系により合波され、平行光化された後に集光されて光ファイバーケーブル７へ出力される。
【００４２】
（画像表示ユニット４）
画像表示ユニット４は、光ファイバーケーブル７を介して入射するレーザ光を走査して観察者Ｐの眼１１０に投射する。この画像表示ユニット４には、走査部６０と、投射部６１とで構成している。走査部６０は、光源部１２で生成され、光ファイバーケーブル７を介して出射されるレーザ光を２次元方向に走査して画像光Ｌｂとして出射する。
【００４３】
具体的には、走査部６０には、光ファイバーケーブル７を介して出射されるレーザ光を平行光化するコリメート光学系６２と、このコリメート光学系６２で平行光化されたレーザ光を画像表示のために偏向素子３２ａの反射面により第１の方向に往復走査する高速走査部３２とが設けられている。また、走査部６０には、高速走査部３２で第１の方向に走査されたレーザ光を、偏向素子３４ａの反射面により第１の方向と直交する第２の方向に走査する低速走査部３４と、高速走査部３２と低速走査部３４との間に設けられた第１リレー光学系６３とが設けられている。走査部６０により走査されたレーザ光は、画像光Ｌｂとして、走査部６０から投射部６１へ向けて出射される。なお、前述の第１の方向及び第２の方向は、例えば、表示する画像の水平方向を第１の方向をとし、表示する画像の垂直方向を第２の方向とすることが可能であるが、第１の方向が垂直方向、第２の方向が水平方向であっても良い。
【００４４】
投射部６１には、第２リレー光学系６４と、絞り部Ａと、撮像部６６と、第３リレー光学系６５と、第２ハーフミラー３とが備えられている。
【００４５】
第２リレー光学系６４は、走査部６０から出射された画像光Ｌｂを入射させて、偏向素子３４ａの反射面と共役な位置Ｑを作るためのリレー光学系である。なお、この偏向素子３４ａの反射面と共役な位置Ｑは、投射部６１による射出瞳とも光学的に共役である。
【００４６】
絞り部Ａは、瞳孔１１０ａに入射する画像光Ｌｂの実効径を小さくするためのものであり、第２リレー光学系６４の射出瞳位置近傍に配設している。この絞り部Ａは、入射する光の径よりも小径で、かつ前記入射する光の一部が通過する開口部７０を備えた複数枚の羽を有する羽絞り部材７１と、同羽絞り部材７１の位置や開口部７０の絞り径を調整する絞り調整機構７２とで構成している。
【００４７】
具体的には、この絞り調整機構７２は、表示制御部１０からの開口調整信号を受信することにより、羽絞り部材７１を構成する複数枚の羽を移動させて開口部７０を拡縮し、第２リレー光学系６４の射出瞳位置近傍での画像光Ｌｂの実効径を変化させる。なお、本実施形態では、投射部６１による射出瞳が２ｍｍ以下となるように、開口部７０を拡縮させる。この構成により、焦点深度が浅くなることを確実に抑制するようにしている。
【００４８】
また、絞り調整機構７２は、観察者Ｐの瞳孔１１０ａの動きに応じて表示制御部１０から送信される移動調整信号を受信することにより、第２リレー光学系６４の射出瞳の範囲内で、同第２リレー光学系６４のレンズの光軸に対して直交する方向へ羽絞り部材７１を自在に移動させる。
【００４９】
撮像部６６は、羽絞り部材７１を移動させるために、瞳孔１１０ａの位置を検出するに際し、眼１１０表面の状態を撮像するための部位であり、第１ハーフミラー７３と、撮像素子７４とで構成している。
【００５０】
第１ハーフミラー７３は、第２ハーフミラー３で反射され、第３リレー光学系６５から出射された眼１１０表面の光を、撮像素子７４へ向けて反射するためのハーフミラーである。また、絞り部Ａの開口部７０から出射された画像光Ｌｂの一部は、第１ハーフミラー７３により反射されるが、残部は透過して第３リレー光学系６５に入射する。
【００５１】
撮像素子７４は、第１ハーフミラー７３にて反射された眼１１０表面の光を受光して眼１１０表面の状態を撮像するものであり、瞳孔１１０ａの位置と共役な位置に配設されている。この撮像素子７４は、受光した眼１１０表面からの光を撮像信号に変換して表示制御部１０へ送信する。
【００５２】
第３リレー光学系６５は、第１レンズ７５と第２レンズ７６とを直列に配置して構成し、第１ハーフミラー７３を透過して入射する画像光Ｌｂを収束させるものであり、出射された画像光Ｌｂは、第２ハーフミラー３を介して観察者Ｐの眼１１０にその瞳孔１１０ａから入射する。これによって観察者Ｐは、網膜１１０ｂ上に投影された画像光Ｌｂよる画像を認識することができる。また、第３リレー光学系６５は、前述のしたように、撮像素子７４へ向けて眼１１０表面の光を導く役割も担っている。
【００５３】
〔表示制御部１０の電気的構成〕
次に、表示制御部１０の構成について、図４を参照しながら説明する。図４は、表示制御部１０の電気的構成を示したブロック図である。
【００５４】
表示制御部１０は、ＣＰＵ１００と、ＲＯＭ１０１と、ＲＡＭ１０２と、画像信号供給回路用インターフェース１０３と、画像信号供給回路用ＶＲＡＭ１０４と、周辺機器用インターフェース１０７と、通信インターフェース１０８とを備えており、システムバス１０９を介して相互に接続されている。
【００５５】
ＲＯＭ１０１には、ＣＰＵ１００によりＲＡＭ１０２を用いて実行されることにより、後述するフローチャートに従った処理を実現するためのプログラムが記憶されている。
【００５６】
ＲＡＭ１０２は、ＲＯＭ１０１に記憶されているプログラムをＣＰＵ１００が実行する際に参照する各種変数などを記憶しておく一時記憶領域としても機能する。
【００５７】
画像信号供給回路用インターフェース１０３は、駆動信号供給回路３０との接続を担うものであり、画像信号供給回路用ＶＲＡＭ１０４を参照して、画像信号Ｓを生成し駆動信号供給回路３０に供給する。なお、画像信号供給回路用ＶＲＡＭ１０４のデータは、ＣＰＵ１００によって書き込まれる。すなわち、ＣＰＵ１００はコンテンツ記憶部１１から周辺機器用インターフェース１０７を介してコンテンツデータを読み出し、画像信号供給回路用ＶＲＡＭ１０４に書き込んで展開するようにしている。
【００５８】
周辺機器用インターフェース１０７は、表示制御部１０に接続された周辺機器類の動作制御や信号の送受信を担うものである。この周辺機器用インターフェース１０７には、コンテンツ記憶部１１や、電源ボタン１３や、絞り調整機構７２や、撮像素子７４が接続されている。
【００５９】
周辺機器用インターフェース１０７は、ＣＰＵ１００からの命令により、コンテンツ記憶部１１からコンテンツデータを読み出し、ＲＡＭ１０２上の所定アドレスに書き込みを行う。
【００６０】
電源ボタン１３から送信される操作信号を受信した周辺機器用インターフェース１０７は、ＲＡＭ１０２上の所定アドレスに、電源ボタン１３の操作があった旨を示すフラグを立てる。また、撮像素子７４から送信される撮像信号を受信した周辺機器用インターフェース１０７は、撮像信号を撮像画像データに変換し、ＲＡＭ１０２の所定アドレスに書き込みを行う。また、周辺機器用インターフェース１０７は、ＣＰＵ１００からの命令により、絞り調整機構７２に対して開口調整信号や移動調整信号の送信を行う。
【００６１】
なお、上述のＲＡＭ１０２上に記憶されるフラグ等は、後述のフローチャートに示す処理を実行する際に、ＣＰＵ１００から参照可能としており、これによりＣＰＵ１００は電源ボタン１３などの観察者Ｐによる操作を検出する。
【００６２】
通信インターフェース１０８は、表示制御部１０に接続された機器類との信号の送受信を担うものであり、外部入出力端子２０が接続されている。
【００６３】
〔表示制御部１０の処理動作〕
次に、ＨＭＤ１における表示制御部１０での処理について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態に係るＨＭＤ１の処理を示したフローチャートである。
【００６４】
まず、表示制御部１０のＣＰＵ１００は、ＲＡＭ１０２のアクセス許可、作業領域を初期化等の初期設定を実行する（ステップＳ１１）。
【００６５】
次にＣＰＵ１００は、瞳孔１１０ａの位置の検出を行う（ステップＳ１２）。この瞳孔１１０ａの位置の検出は、既知の方法を適用することができ、例えば、撮像画像データに数値処理を施して輪郭抽出を行い、瞳孔１１０ａの輪郭を決定することにより瞳孔１１０ａの位置を検出することができる。また、このとき、瞳孔１１０ａの径についても値を取得する。このように、ＣＰＵ１００は、撮像素子７４と共に、観察者の瞳孔位置を検出する検出部として機能することになる。
【００６６】
次にＣＰＵ１００は、周辺機器用インターフェース１０７に対し、ステップＳ１２にて検出した瞳孔１１０ａの位置と対応する位置に羽絞り部材７１を移動させるよう、移動調整信号を絞り調整機構７２へ送信させる命令を行う。また、ステップＳ１２にて得られた瞳孔１１０ａの径に応じた開口部７０の径とするように、周辺機器用インターフェース１０７に対して開口調整信号を送出するよう命令する（ステップＳ１３）。この処理において、ＣＰＵ１００は、観察者が眼１１０を動かして瞳孔１１０ａの位置が移動した場合に、絞り位置の変更により画像光Ｌｂが瞳孔１１０ａに入射すると判定した場合には、絞り位置を変更する。一方、ＣＰＵ１００は、観察者が眼１１０を動かして瞳孔１１０ａの位置が移動した場合に、絞り位置の変更により画像光が瞳孔１１０ａに入射しないと判定した場合には、ＣＰＵ１００は、例えば、開口部７０の径を変更し、画像光Ｌｂが瞳孔１１０ａに所定面積分だけ入射する。なお、この場合において、ＣＰＵ１００は、必要に応じて開口部７０の径の変更に加えて、絞り位置の変更を行う。
【００６７】
次にＣＰＵ１００は、画像表示処理を実行する（ステップＳ１４）。この画像表示処理でＣＰＵ１００は、画像信号供給回路用インターフェース１０３に対し、コンテンツ記憶部１１より取得した画像情報であるコンテンツデータに応じて強度変調された光を出射させるための画像信号Ｓを生成するよう命令する。これにより、光源部１２より画像情報に応じたレーザ光を出射させる。
【００６８】
次にＣＰＵ１００は、電源ボタン１３や図示しない画像停止ボタンが押下されるなどして、画像表示が停止されたか否かについて判断を行う（ステップＳ１５）。ここで画像表示が停止されていないと判断した場合（ステップＳ１５：Ｎｏ）には、ＣＰＵ１００は、処理を再びステップＳ１２へ戻す。一方、画像表示が停止されたと判断した場合（ステップＳ１５：Ｙｅｓ）には、ＣＰＵ１００は、処理を終了する。
【００６９】
このように、本実施形態に係るＨＭＤ１は、上述してきたフローチャートの処理に従って、動作することとなる。
【００７０】
上述してきたように、本実施形態に係るＨＭＤ１によれば、ＣＰＵ１００が撮像素子７４を用いて検出した観察者の瞳孔位置に応じて、投射部による射出瞳と光学的に共役な位置に配置された絞りの位置或いは径を変更する。従って、瞳孔に入射する画像光の実効径の大きさを抑制することができ、観察者ＰはＨＭＤ１の画像にピントを合わせ易くなる。
【００７１】
また、絞りを位置或いは径を変更できる開口部で形成したため、絞りの位置を変更する場合には、シンプルな構成で射出瞳を瞳孔位置に追従させることができる。また、絞りの径を変更する場合には、汎用の絞り機構を用いることができ、製造コストの増大を抑えることができる。
【００７２】
上述の実施形態では、画像表示が停止されるまで、ステップＳ１２〜Ｓ１４の処理を繰り返すこととしている。すなわち、ＣＰＵ１００は、撮像素子７４を用いて検出した観察者の瞳孔位置が変化したときに、絞り位置や絞り径を変更する。これにより、観察者の瞳孔位置の変化に追従して画像光Ｌｂを観察者の瞳孔に入射させることができる。なお、このような繰り返し処理を行わずに、観察者の所定操作に応じて、ステップＳ１２〜Ｓ１４を行うようにしてもよい。例えば、射出瞳位置を調整するための調整ボタンを設け、観察者は画像が視認できないときに、この調整ボタンを操作することで、ＣＰＵ１００により、ステップＳ１２〜Ｓ１４の処理を実行するようにする。これにより、観察者は、画像が視認できないときに限り調整ボタンを操作することになり、ＣＰＵ１００による処理負荷を軽減することができる。また、調整ボタンを操作するのではなく、ＣＰＵ１００は、画像の表示を開始するときに、ステップＳ１２〜Ｓ１４の処理を実行するようにしてもよい。
【００７３】
次に、本実施形態に係るＨＭＤ１の変形例について図６〜図９を参照しながら説明する。なお、以下の変形例において、前述の説明と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。また、図中においても、制御ユニット部２や光ファイバーケーブル７、走査部６０の内部構成については、前述のＨＭＤ１とほぼ同様の構成を有するため、省略して記載する。
【００７４】
〔第１変形例〕
本第１変形例に係るＨＭＤ８０は、前述のＨＭＤ１とほぼ同様の構成を有しているが、第２リレー光学系６４と第３リレー光学系６５との間に形成される瞳共役の位置Ｑに、前述の絞り部Ａに替えて、透過型液晶パネル８１を備えた絞り部Ｂを配設している点で構造を異にしている。
【００７５】
具体的には、図６に示すように、絞り部Ｂは、電圧の印加を制御することにより、表示面８２上の所望の位置や面積で、入射する光を透過したり遮光可能な透過型液晶パネル８１と、透過型液晶パネル８１に印加する電圧の制御を行う液晶パネル駆動回路８３とで構成している。
【００７６】
また、液晶パネル駆動回路８３は、表示制御部１０に電気的に接続されており、表示制御部１０より送信される液晶パネル制御信号を受信することで、透過型液晶パネル８１に印加する電圧を制御して、表示面８２上に開口部８４を形成する。なお、液晶パネル制御信号は、前述のＨＭＤ１の開口調整信号や移動調整信号と同様に、表示制御部１０が瞳孔１１０ａの位置の検出結果に応じて送信するものであり、液晶パネル駆動回路８３は、液晶パネル制御信号にしたがって、表示面８２上に所定の位置で所定の面積の開口を形成する。ただし、本第１変形例でも、投射部６１による射出瞳が２ｍｍ以下となるように、開口部８４を形成する。人間の瞳孔径は、２ｍｍよりも大きいため、このように射出瞳を２ｍｍ以下とすることで、画像光Ｌｂを全て瞳孔１１０ａに入射させることができる。従って、観察者に視認させる画像の明るさを一定にすることができ、しかも、射出瞳が小さいため、焦点深度を深くすることもできる。
【００７７】
また、この表示面８２上に形成される開口部８４は、遮光するドットを所定の割合で出現させることにより、透過率を変更することができる。
【００７８】
このような構成とすることにより、第２リレー光学系６４から出射された画像光Ｌｂは、透過型液晶パネル８１に至り、開口部８４が形成された位置に入射した画像光Ｌｂが、ドットの出現割合に応じた透過率で透過することとなる。すなわち、本第１変形例の開口部８４は、入射する光の径よりも小径で、かつ入射する光の一部が透過する透過部である。
【００７９】
したがって、本第１変形例に係るＨＭＤ８０においても、観察者Ｐの瞳孔１１０ａに入射する画像光Ｌｂの実効径の大きさを抑制することができ、観察者はＨＭＤ８０の画像にピントを合わせ易くなる。
【００８０】
また、絞りの位置や径の変更を高速に変更することが可能となり、瞳孔位置の変動に対して高速に射出瞳位置を変更することができる。
【００８１】
しかも、開口部８４の透過率を可変とすることで、瞳孔１１０ａに入射する画像光Ｌｂの強度を調整することができ、瞳孔１１０ａの位置に応じて観察者Ｐが視認する画像の明るさが変化する現象を抑制できる。
【００８２】
〔第２変形例〕
次に、第２変形例に係るＨＭＤ９０について説明する。本第２変形例に係るＨＭＤ９０は、第２リレー光学系６４と第３リレー光学系６５との間に形成される瞳共役の位置Ｑに、前述の絞り部Ａや絞り部Ｂに替えて、反射型液晶パネル９１を備えた絞り部Ｃを配設している点で構造を異にしている。
【００８３】
具体的には、図７に示すように、絞り部Ｃは、電圧の印加を制御することにより、表示面９２上の所望の位置や面積で、入射する光を反射したり、反射を抑制したりすることが可能な反射型液晶パネル９１と、反射型液晶パネル９１に印加する電圧の制御を行う液晶パネル駆動回路９３とで構成している。反射型液晶パネル９１は、入射する画像光Ｌｂの反射光が、第３リレー光学系６５へ入射する角度で配設されている。
【００８４】
また、液晶パネル駆動回路９３は、前述の絞り部Ｂの液晶パネル駆動回路８３と同様に、表示制御部１０に電気的に接続されており、表示制御部１０より送信される液晶パネル制御信号を受信することで、反射型液晶パネル９１に印加する電圧を制御して、表示面９２上に所定の位置で所定の面積の反射部９４を形成する。ただし、本第２変形例でも、投射部６１による射出瞳が２ｍｍ以下となるように、反射部９４を形成する。この構成により、焦点深度が浅くなることを確実に抑制するようにしている。
【００８５】
また、この表示面９２上に形成される反射部９４は、反射を抑制するドットを所定の割合で出現させることにより、反射率を変更することができる。
【００８６】
このような構成とすることにより、第２リレー光学系６４から出射された画像光Ｌｂは、反射型液晶パネル９１に至り、反射部９４が形成された位置に入射した画像光Ｌｂが、ドットの出現割合に応じた反射率で反射することとなる。すなわち、本第２変形例の反射部９４は、入射する光の径よりも小径で、かつ入射する光の一部が反射する反射部である。
【００８７】
したがって、本第２変形例に係るＨＭＤ９０においても、観察者Ｐの瞳孔１１０ａに入射する画像光Ｌｂの実効径の大きさを抑制することができ、観察者はＨＭＤ９０の画像にピントを合わせ易くなる。
【００８８】
また、絞りの位置や径の変更を高速に変更することが可能となり、瞳孔位置の変動に対して高速に射出瞳位置を変更することができる。
【００８９】
しかも、反射部９４の反射率を可変とすることで、瞳孔１１０ａに入射する画像光Ｌｂの強度を調整することができ、瞳孔１１０ａの位置に応じて観察者が視認する画像の明るさが変化する現象を抑制できる。
【００９０】
なお、本第２変形例では、絞り部Ｃを構成する部材として反射型液晶パネル９１を用いることとしたが、これに限定されるものではなく、例えば、角度調整可能な多数の微小鏡面を備えるデジタル・マイクロミラー・デバイス（Digital Micromirror Device）を用いるようにしても良い。このような構成とした場合、反射部９４を形成する微小鏡面は、入射する画像光Ｌｂを第３リレー光学系６５に入射させる角度に設定する一方、その他の部位の微小鏡面は、観察者Ｐの画像の視認に悪影響を及ぼさない方向へ画像光Ｌｂを反射する角度に設定する。
【００９１】
〔第３変形例〕
次に、第３変形例に係るＨＭＤ１２０について説明する。本第３変形例に係るＨＭＤ１２０は、前述の第２変形例にて説明したＨＭＤ９０の投射部６１と同様の構成を有しているが、第２リレー光学系６４と第３リレー光学系６５との間に形成される瞳共役の位置Ｑに、前述の絞り部Ｃに替えて、複数の鏡面体１２１を有する回動円板１２２を備えた絞り部Ｄを配設している点で構造を異にしている。
【００９２】
具体的には、図８（ａ）に示すように、絞り部Ｄは、複数の鏡面体１２１を備えた回動円板１２２と、同回動円板１２２の回動や停止位置を制御する回動円板駆動回路１２３とで構成している。回動円板１２２は、入射する画像光Ｌｂの反射光が、第３リレー光学系６５へ入射する角度で配設されている。
【００９３】
また、回動円板１２２上には、図８（ｂ）に示すように、回動円板駆動回路１２３により回動中心１２４を中心に回動させて、瞳共役位置Ｑに静止させる円形状の定置領域１２５が複数（本第２変形例では５個）形成されており、この定置領域１２５にそれぞれ鏡面体１２１が配設されている。
【００９４】
この定置領域１２５ａ〜１２５ｅに配置された鏡面体１２１は、瞳共役位置Ｑに静止させた際に、図８（ｃ）に示すそれぞれ異なった場所に位置するよう構成している。これは、観察者Ｐの瞳孔１１０ａの移動に応じて、いずれかの定置領域１２５ａ〜１２５ｅを選択することにより、鏡面体１２１にて反射した画像光Ｌｂを瞳孔１１０ａに入射させるためである。
【００９５】
また、いずれの鏡面体１２１も、反射面の面積を、投射部６１による射出瞳が２ｍｍ以下となるような大きさとしている。この構成により、焦点深度が浅くなることを確実に抑制するようにしている。
【００９６】
回動円板駆動回路１２３は、表示制御部１０に電気的に接続されており、表示制御部１０より送信される鏡面体選択信号を受信することで、回動円板１２２を回動し、同鏡面体選択信号に応じた位置でいずれかの定置領域１２５ａ〜１２５ｅを瞳共役位置Ｑに停止させる。なお、鏡面体選択信号は、前述のＨＭＤ１の開口調整信号や移動調整信号と同様に、表示制御部１０が瞳孔１１０ａの位置の検出結果に応じて送信するものであり、回動円板駆動回路１２３は、鏡面体選択信号にしたがって、いずれかの定置領域１２５ａ〜１２５ｅを瞳共役位置Ｑに停止させる。
【００９７】
このような構成とすることにより、第２リレー光学系６４から出射された画像光Ｌｂは、回動円板１２２に至り、鏡面体１２１の位置に入射した画像光Ｌｂが、第３リレー光学系６５の方向へ反射されることとなる。すなわち、本第３変形例の鏡面体１２１もまた、入射する光の径よりも小径で、かつ入射する光の一部が反射する反射部であるといえる。
【００９８】
したがって、本第３変形例に係るＨＭＤ１２０においても、観察者Ｐの瞳孔１１０ａに入射する画像光Ｌｂの実効径の大きさを抑制することができ、観察者はＨＭＤ１２０の画像にピントを合わせ易くなる。
【００９９】
また、絞りの位置を変更するに際し、シンプルな構成で射出瞳を瞳孔位置に追従させることができる。
【０１００】
〔第４変形例〕
次に、第４変形例に係るＨＭＤ１３０について説明する。本第４変形例に係るＨＭＤ１３０は、最初に説明したＨＭＤ１の投射部６１と同様の構成を有しているが、走査部６０に替えて、液晶表示パネル１３１を備えている点で構造を異にしている。
【０１０１】
具体的に説明すると、図９に示すように、絞り部Ａの光路上流側に、画像情報に応じた画像を表示して画像光Ｌｂを出射する液晶表示パネル１３１を配設している。この液晶表示パネル１３１は、画像表示制御部１３４に接続されており、画像情報に応じた画像を表示可能としている。
【０１０２】
また、このＨＭＤ１３０の投射部１３２には、第２リレー光学系６４に替えて、液晶表示パネル１３１から出射された画像光Ｌｂを収束するレンズ１３３が備えられており、瞳共役位置Ｑを形成するようにしている。
【０１０３】
そして、瞳共役位置Ｑには、ＨＭＤ１の投射部６１と同様に、羽絞り部材７１を備えた絞り部Ａが配設されており、入射する画像光Ｌｂの実効径を小さくするよう構成している。
【０１０４】
このような構成とすることにより、液晶表示パネル１３１から出射された画像光Ｌｂは、レンズ１３３を介して絞り部Ａに至り、実効径が小さくなって第３リレー光学系６５と第２ハーフミラー３を介して瞳孔１１０ａに入射することとなる。
【０１０５】
〔第５変形例〕
次に、第５変形例に係るＨＭＤ１４０について説明する。本第５変形例に係るＨＭＤ１４０は、上述の実施形態のように画像光Ｌｂの実効径を小さくするのではなく、光源１４１から出射する光の径を変更するものである。
【０１０６】
具体的に説明すると、図１０に示すように、光源１４１から出射された光をレンズ１４２で収束させ、レンズ１４２で形成される射出瞳位置の絞り部Ａに入射させる。絞り部Ａは上述した実施形態と同様の構成であり、これにより、光源１４１から出射された光の径や位置を変更することができる。
【０１０７】
絞り部Ａを通過した光は、レンズ１４３を介して液晶表示パネル１４４に入射する。この液晶表示パネル１４４は、画像表示制御部１４８に接続されており、画像情報に応じた画像を表示可能としており、レンズ１４３により形成される中間像面に配置されている。これにより、液晶表示パネル１４４で表示している画像に応じた画像光Ｌｂが液晶表示パネル１４４から出射される。この画像光Ｌｂは、投射部１４５を構成するレンズ１４６及び第２ハーフミラー３を介して瞳孔１１０ａに入射されることとなる。
【０１０８】
上述してきたように、本実施形態に係るＨＭＤ１、ＨＭＤ８０、ＨＭＤ９０、ＨＭＤ１２０、ＨＭＤ１３０、ＨＭＤ１４０によれば、検出した観察者の瞳孔１１０ａの位置に応じて、投射部６１、投射部１３２、投射部１４５による射出瞳と光学的に共役な位置Ｑに配置された絞りの位置或いは径を変更する。従って、瞳孔１１０ａに入射する画像光の実効径の大きさを抑制することができ、観察者は視認する画像にピントを合わせ易くなる。すなわち、投射部による射出瞳が観察者の瞳孔１１０ａの位置に合うように絞りの位置を変更することで、実効径の小さな画像光Ｌｂを瞳孔に入射することができる。また、観察者の瞳孔１１０ａの位置に応じて絞りの径を変更することで、投射部から出射する画像光の径が大きい場合であっても、瞳孔１１０ａに入射する画像光Ｌｂの実効径が大きくなることを抑制できる。
【０１０９】
また、絞りを位置或いは径を変更できる開口部で形成する。従って、絞りの位置を変更する場合には、シンプルな構成で射出瞳を瞳孔１１０ａの位置に追従させることができる。また、絞りの径を変更する場合には、汎用の絞り機構を用いることができ、製造コストの増大を抑えることができる。
【０１１０】
また、ＨＭＤ９０やＨＭＤ１２０のように、絞りを位置或いは径を変更できる反射部で形成するので、従って、絞りの位置を変更する場合には、シンプルな構成で射出瞳を瞳孔１１０ａの位置に追従させることができる。また、絞りの径を変更する場合には、反射型ＬＣＤなどを用いて構成でき、絞りの位置の変更を高速に変更することが可能となり、瞳孔１１０ａの位置の変動に対して高速に射出瞳位置を変更することができる。また、絞りの位置を変更する場合でも同様に反射型ＬＣＤなどを用いて構成することにより、高速な追従処理が可能となる。
【０１１１】
また、ＨＭＤ８０のように、絞りを位置或いは径を変更できる透過部で形成するので、透過型ＬＣＤなどを用いて構成でき、絞りの位置や径の変更を高速に変更することが可能となり、瞳孔１１０ａの位置の変動に対して高速に射出瞳位置を変更することができる。
【０１１２】
また、ＨＭＤ９０の説明でも述べたように、投射部から出射する画像光Ｌｂの径を大きくした場合であっても、反射部の反射率を可変とすることで、瞳孔１１０ａに入射する画像光Ｌｂの強度を調整することができる。そのため、瞳孔１１０ａの位置に応じて観察者が視認する画像の明るさが変化する現象を抑制できる。
【０１１３】
また、ＨＭＤ８０の説明でも述べたように、透過部の透過率を可変とすることで、瞳孔１１０ａに入射する画像光Ｌｂの強度を調整することができる。そのため、瞳孔１１０ａの位置に応じて観察者が視認する画像の明るさが変化する現象を抑制できる。
【０１１４】
また、いずれの、ＨＭＤ１、ＨＭＤ８０、ＨＭＤ９０、ＨＭＤ１２０、ＨＭＤ１３０、ＨＭＤ１４０においても、投射部による射出瞳は２ｍｍ以下であるため、焦点深度が浅くなることを確実に抑制することができる。
【０１１５】
最後に、上述した各実施の形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【０１１６】
１，８０，９０，１２０，１３０，１４０  ＨＭＤ
４  画像表示ユニット
１０  表示制御部
６１，１３２，１４５  投射部
６４  第２リレー光学系
６５  第３リレー光学系
６６  撮像部
７０  開口部
７１  羽絞り部材
７２  絞り調整機構
７４  撮像素子
８１  透過型液晶パネル
８３，９３，１３１，１４４  液晶パネル駆動回路
８４  開口部
９１  反射型液晶パネル
９４  反射部
１１０  眼
１１０ａ  瞳孔
１２１  鏡面体
１２３  回動円板駆動回路
１３４  画像表示制御部
Ａ  絞り部
Ｂ  絞り部
Ｃ  絞り部
Ｄ  絞り部
Ｌｂ  画像光
Ｐ  観察者
【図１】
2011075954.tif 000003
【図２】
2011075954.tif 000004
【図３】
2011075954.tif 000005
【図４】
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【図５】
2011075954.tif 000007
【図６】
2011075954.tif 000008
【図７】
2011075954.tif 000009
【図８】
2011075954.tif 000010
【図９】
2011075954.tif 000011
【図１０】
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