JP2024049960A

JP2024049960A - 表示装置

Info

Publication number: JP2024049960A
Application number: JP2022156498A
Authority: JP
Inventors: 史士河原; Fumishi Kawahara
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2022-09-29
Filing date: 2022-09-29
Publication date: 2024-04-10
Also published as: US20240111332A1; US12321194B2; CN117784421A

Abstract

【課題】ヘッドマウントディスプレイにおいて、表示装置と観察者の顔との近接を検知する際に、誤検知を防ぐとともに、検知タイミングのずれが生じないようにする。【解決手段】観察者の頭部に装着する頭部装着具２００で揺動可能に支持される表示装置１００であって、観察者の眼に導光する観察光学系（１０Ｌ、１０Ｒ）と、観察者の顔との近接を検知する検知部（５０）とを備え、検知部（５０）は、観察光学系（１０Ｌ、１０Ｒ）の光軸中心（Ｃ）の高さ位置（１０ａ）よりも下側に配置され、観察者の鼻を検知対象とする。筐体（１０１）には、観察者の鼻との干渉を避ける鼻逃げ部（４０）が設けられ、検知部（５０）は、鼻逃げ部（４０）に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、観察者の頭部に装着する頭部装着具で揺動可能に支持される表示装置に関する。

近年、観察者の頭部に装着し、観察者の眼前に映像を表示するＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）が利用される機会が増えている。ＨＭＤは、手軽に映像を大画面で見ることが可能であること、立体視が容易であること等の理由から、人工現実感（バーチャルリアリティ＝ＶＲ）、複合現実感（ミックスドリアリティ＝ＭＲ）を体験可能な機器として使用される。
ＭＲを実現するためのＨＭＤは、観察者の左右の眼に対応した被写体の画像を取り込むための撮像部と、撮像部により撮影された画像に３ＤＣＧ画像を重畳して表示するための表示部と、観察者に画像を投影するための観察光学系とを有する。観察者の左右の眼に対応した小型の液晶パネル等の表示素子に画像を表示し、この画像を観察者の左右それぞれの目に対応した観察光学系を介して拡大した後に、観察者の左右の眼球に投影するようになっている。撮像部により撮影された画像は、左右両眼に対応する視差を有する画像になっている。そして、３ＤＣＧ画像を観察者の左右両眼に対応した視差画像として作成し、撮像部により撮影された画像に重畳して表示することで、あたかも仮想の３ＤＣＧ画像が現実に存在するかのように表現することが可能になる。
ＨＭＤにおいて、観察者の顔との近接を検知する近接センサを設けることで、観察者が表示部を観察しているか否かを検知する構成が可能になる。近接センサの検知結果に応じて、各デバイスの動作／非動作状態を切り替えることで、ＨＭＤの消費電力を抑えることが可能になる。

特開２００９－２７４８９号公報

特許文献１には、頭部に装着して映像を出力する機器において、一方の耳の近傍に設けた発光手段と、発光手段からの光を受光可能な他方の耳の近傍に設けた受光手段とを備え、頭部に装着されているか否かを判断する構成が開示されている。
しかしながら、特許文献１の構成では、観察者が頭部から外さずに、周囲を直接目視可能とするために設けられたフリップアップ機構を備えるＨＭＤにおいては、フリップアップ時に観察者が表示部を観察していないことを検知することはできない。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、頭部装着具で表示装置を揺動可能に支持するＨＭＤにおいて、表示装置と観察者の顔との近接を検知する際に、誤検知を防ぐとともに、検知タイミングのずれが生じないようにすることを目的とする。

本発明の表示装置は、観察者の頭部に装着する頭部装着具で揺動可能に支持される表示装置であって、前記観察者の眼に導光する観察光学系と、前記観察者の顔との近接を検知する検知部とを備え、前記検知部は、前記観察光学系の光軸中心の高さ位置よりも下側に配置され、前記観察者の鼻を検知対象とすることを特徴とする。

本発明によれば、頭部装着具で表示装置を揺動可能に支持するＨＭＤにおいて、表示装置と観察者の顔との近接を検知する際に、誤検知を防ぐとともに、検知タイミングのずれが生じないようにすることができる。

第１の実施形態に係る表示装置を示す図である。第１の実施形態に係る表示装置の後面を示す図である。第１の実施形態に係る表示装置を示す斜視図である。第１の実施形態に係る表示装置を搭載したＨＭＤを示す斜視図である。第１の実施形態に係る表示装置を搭載したＨＭＤを示す斜視図である。第１の実施形態に係る表示装置を搭載したＨＭＤを示す斜視図である。表示装置をフリップアップ位置に上げた状態での近接センサの投光範囲を説明するための図である。観察者が眼鏡を着用するときの影響を説明するための図である。第２の実施形態に係る表示装置を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係る表示装置１００は、図４に示すように、ＨＭＤに使用される表示装置である。本願においては、図４に示すように、観察者が向く方向を前方、観察者から見た上下左右の方向を上下左右として、各方向を定義する。表示装置１００の各部の説明においては、図４に示すように、表示装置１００が観察者の眼前に位置する状態での上下左右の方向で説明する。

図１は、表示装置１００を示す図であり、（ａ）が表示装置１００を後方（観察者側）から見た斜視図、（ｂ）が一部の拡大斜視図である。また、図２（ａ）、（ｂ）は、表示装置１００の後面を示す図である。また、図３は、表示装置１００を前方から見た斜視図である。
表示装置１００は、その外装を構成する筐体１０１を備える。筐体１０１は、前後に薄型で、横長の筐体である。

図１及び図２に示すように、筐体１０１の後面には、観察者の眼に導光する観察光学系を構成する左右のレンズ１０Ｌ、１０Ｒが設けられる。レンズ１０Ｌ、１０Ｒは、筐体１０１内に備えられたＬＣＤ（Liquid Crystal Display）やＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）等の表示部の画像を拡大、導光するプリズムやレンズ等であり、観察者はレンズ１０Ｌ、１０Ｒを覗いて表示部を観察する。レンズ１０Ｌ、１０Ｒ周囲にはフード１１Ｌ、１１Ｒが備えられ、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、観察者はフード１１Ｌ、１１Ｒを操作して観察者の眼幅に合わせてレンズ１０Ｌ、１０Ｒの位置を左右に調整することができる。
レンズ１０Ｌ、１０Ｒの内部側には、視線センサ（不図示）及びＩＲＥＤ（赤外発光ダイオード）（不図示）を備える視線検知ユニットが配置される。視線センサが撮像した観察者の眼とＩＲＥＤの反射光との情報を信号処理基板（不図示）で処理することにより、観察者の視線を検知することができ、注視している箇所の特定を行うことができる。

図３に示すように、筐体１０１の前面には、左右の撮像カメラ２０Ｌ、２０Ｒと、左右の位置合わせカメラ２１Ｌ、２１Ｒとが設けられる。撮像カメラ２０Ｌ、２０Ｒは、観察者にレンズ１０Ｌ、１０Ｒを介して表示する現実画像を取得するステレオカメラである。位置合わせカメラ２１Ｌ、２１Ｒは、取得した画像から抽出されるマーカや物体のエッジ等の特徴点等を利用して表示装置１００の位置や姿勢を取得するためのステレオカメラである。位置合わせカメラ２１Ｌ、２１Ｒは、モノクロであるが、広画角、高シャッター速度、長い基線長等を利用して高精度、高耐障害な位置合わせを指向する。
なお、本実施形態では、撮像カメラ２０Ｌ、２０Ｒ及び位置合わせカメラ２１Ｌ、２１Ｒを別個に設けているが、撮像カメラ２０Ｌ、２０Ｒのみで表示画像の取得及び位置合わせ情報の取得を行うように構成してもよい。また、位置合わせカメラ２１Ｌ、２１Ｒを超音波や赤外線等を利用した距離センサ等に置き換えてもよい。

筐体１０１の上面の左端部には、ケーブル６０が接続される。ケーブル６０は、表示装置１００の側方に延出するように配置される。表示装置１００は、ケーブル６０を介して外部のパーソナルコンピュータやコントローラと位置情報や画像のデータを通信し、現実画像に３ＤＣＧ画像を重畳した表示画像を生成して、ＬＣＤやＯＬＥＤ等の表示部に表示する。観察者は、観察光学系を介して、表示部を観察することができる。

筐体１０１の上面には、観察者の指示操作や電源操作等を受け付ける操作ボタン３０ａ～３０ｃが配置される。操作ボタン３０ａ～３０ｃは、観察者が筐体１０１の上下を把持して操作可能になるように配置されている。これにより、操作ボタンが筐体１０１の側面に配置されているような場合に起こりうる、操作ボタンを操作する時に操作の反動により生じる観察光学系と観察者との位置ずれを抑えながら、片手でボタン操作を行うことができる。

図４は、表示装置１００を使用したＨＭＤを示す斜視図である。頭部装着具である頭部装着ユニット２００で表示装置１００を吊り下げるように支持することにより、観察者は、ハンズフリーで表示部を観察することが可能になる。

頭部装着ユニット２００は、上下移動部２０２を介して、表示装置１００を支持する。表示装置１００は、その上部に設けられた揺動部１０２が上下移動部２０２に支持され、図５に示すように、表示装置１００を前後に揺動させる（矢印Ａ₁）ことができる。また、上下移動部２０２により、頭部装着ユニット２００に設置されたダイアル２０１を操作して表示装置１００を上下方向に移動させる（矢印Ａ₂）ことができる。これにより、先に説明した眼幅の調整機能と合わせて、レンズ１０Ｌ、１０Ｒを最適な観察位置に調整することができる。
また、頭部装着ユニット２００は、フリップアップ機構を備え、図６に示すように、表示装置１００を揺動させて、表示装置１００を略水平に位置させるフリップアップ位置に移動することができる。これにより、観察者は、ＨＭＤを頭部Ｈから外すことなく、一時的に外部を直視することができる。表示装置１００の側方にケーブル６０が延出するようにしているので、ケーブル６０が頭部装着ユニット２００に干渉することなく表示装置１００のフリップアップが可能である。

ここで、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、筐体１０１の左右中央部の下部に、観察者の鼻との干渉を避けるための鼻逃げ部４０が形成されている。鼻逃げ部４０は、鼻の形状に合わせて、下部に向かって幅広に、かつ、深くなって開口する（開口部４０ａ）凹形状を有する。鼻逃げ部４０は、左右対称の湾曲面４０ｂを有する。

また、鼻逃げ部４０には、観察者の顔との近接を検知する検知部となる近接センサ５０が設けられる。近接センサ５０は、図２に示すように、観察光学系の光軸中心Ｃの高さ位置１０ａよりも下側に配置され、観察者の鼻を検知対象とする。
近接センサ５０は、所定の範囲で赤外光を放射状に投光し、物体で反射して戻ってきた赤外光の受光量を出力することにより、物体との近接を検知する。近接センサ５０の出力値は、信号処理基板（不図示）に伝えられる。信号処理基板は、筐体１０１内で、観察光学系の光軸中心Ｃの高さ位置１０ａよりも上側に配置され、フレキシブル基板を介して近接センサ５０と接続する。信号処理基板は、近接センサ５０の出力値が所定の閾値を超えているか否かの判定を行うことで、近接センサ５０の近傍に物体があるか否かを判定する。観察者がレンズ１０Ｌ、１０Ｒを覗いているときは、観察者の鼻での赤外光の反射量が多くなるので、観察者の顔が近接しており、観察者がレンズ１０Ｌ、１０Ｒを覗いていると検知することができる。検知結果により、ＬＣＤやＯＬＥＤ等の表示装置等の各デバイスの動作非動作状態を切り替えて、表示装置１００の消費電力を抑えることができる。

鼻逃げ部４０及び近接センサ５０について、さらに詳述する。
鼻逃げ部４０の上部、すなわち鼻逃げ部４０のうちの幅狭で、かつ、浅い部分に、近接センサ５０が配置される。鼻逃げ部４０の上部の底部には、一段深くなるかたちで平面部４１が形成されて、この平面部４１に、近接センサ５０の投光部及び受光部となる窓５１が配置される。このように、近接センサ５０の周囲に同一高さの平面面を一定範囲で設けることにより、近接センサ５０が投光する赤外光が筐体１０１で反射することを防ぎ、誤検知が発生しないようにしている。

赤外光を放射状に投光する近接センサ５０が、鼻逃げ部４０の凹形状に沿って配置されることにより、図１（ｂ）及び後述する図７（ｃ）に示すように、近接センサ５０の投光範囲（検知範囲）５０ａの中心線５０ｂは、観察光学系の光軸方向に対して下向きになる。光軸方向とは、光軸中心Ｃが延びる方向及びそれに平行な方向である。本実施形態では、投光範囲５０ａの中心線５０ｂが、光軸方向に対して４５度程度、斜め下方に向いている。

また、鼻逃げ部４０の湾曲面４０ｂは、観察者の鼻で反射した赤外光が近接センサ５０の窓５１に導かれるように設定されるのが望ましい。例えば鼻逃げ部４０の凹形状が、回転楕円体の一部（回転楕円体を、回転中心軸を含む平面と、該平面に垂直で中心を含む面とで切断した、回転楕円体の１／４になる部分）の形状になるようにする。楕円においては、一方の焦点から放射された光線は、楕円の面で反射してもう一方の焦点に集まるといった性質を有する。近接センサ５０を、鼻逃げ部４０の底部のうちの焦点投影付近に配置することで、鼻で反射した赤外光が、湾曲面４０ｂで反射して近接センサ５０の窓５１に戻りやすくなる。なお、回転楕円体と述べたが、回転楕円体に近い略回転楕円体であってもよい。

次に、図７及び図８を参照して、本実施形態に係るＨＭＤによる作用及び効果を述べる。なお、図７（ａ）、（ｂ）及び図８（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に対する比較例であるが、実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して説明する。

図７は、表示装置１００をフリップアップ位置に上げた状態での近接センサ５０の投光範囲５０ａを説明するための図である。
図７（ａ）は、比較例として、近接センサ５０が、観察光学系の光軸中心Ｃの高さ位置１０ａよりも上側に配置された例を示す。本例では、近接センサ５０の投光範囲５０ａの中心線５０ｂは、観察光学系の光軸方向に向く。したがって、フリップアップ位置では、近接センサ５０の投光範囲５０ａの中心線５０ｂは略真下に向く。この場合、投光範囲５０ａが観察者の鼻にかかってしまい、観察者がレンズ１０Ｌ、１０Ｒを覗いていないと検知すべきところを、覗いていると誤検知してしまう可能性がある。

図７（ｂ）は、比較例として、近接センサ５０が、観察光学系の光軸中心Ｃの高さ位置１０ａ付近に配置された例を示す。本例では、近接センサ５０の投光範囲５０ａの中心線５０ｂは、観察光学系の光軸方向に向く。この場合も、フリップアップ位置で、近接センサ５０の投光範囲５０ａの中心線５０ｂは略真下に向くが、投光範囲５０ａが観察者の鼻から離れ、図７（ａ）の比較例と比べて、誤検知の可能性を低くすることができる。

図７（ｃ）は、本実施形態を示す。近接センサ５０の投光範囲５０ａの中心線５０ｂは、観察光学系の光軸方向に対して下向きになる（光軸方向に対して４５度程度、斜め下方に向いている）。したがって、フリップアップ位置で、近接センサ５０の投光範囲５０ａの中心線５０ｂは観察者の顔と反対方向に向く。この場合、投光範囲５０ａが観察者の鼻から大きく離れるので、誤検知の可能性を大幅に低くすることができる。

図８は、観察者が眼鏡７０を着用するときの影響を説明するための図である。
図８（ａ）、（ｂ）は、比較例として、近接センサ５０が、観察光学系の光軸中心Ｃの高さ位置１０ａ付近に配置された例を示す。図８（ａ）は観察者が眼鏡を着用していない状態を示し、図８（ｂ）は、観察者が眼鏡７０を着用している状態を示す。図８（ａ）、（ｂ）は、レンズ１０Ｌ、１０Ｒを介して表示部の画像全体を観察することができるか否かの境目の状態を示す。この状態で、近接センサ５０による近接の検知が切り替わることが、消費電力抑制に対して最も有効といえる。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、近接センサ５０が高さ位置１０ａ付近に配置されている場合、図８（ａ）の距離Ａ、図８（ｂ）の距離Ｂに示すように、観察者が眼鏡７０を着用するか否かで、近接センサ５０と観察者の顔（眼鏡７０を含む）との距離が変わり、近接センサ５０による検知タイミングにずれが生じてしまう。

図８（ｃ）は、本実施形態を示す。なお、図８（ｃ）では、ＨＭＤ及び眼鏡７０の断面を示す。図８（ｃ）は、図８（ａ）、（ｂ）と同じく、レンズ１０Ｌ、１０Ｒを介して表示部の画像全体を観察することができるか否かの境目の状態を示す。近接センサ５０は観察者の鼻を検知対象とするので、観察者が眼鏡７０を着用するか否かにかかわらず、近接センサ５０と鼻との距離Ｃは変わらず、近接センサ５０による検知タイミングにずれは生じてない。

また、本実施形態では、近接センサ５０は観察者の鼻を検知対象とするので、観察者の眼の方向に赤外光を投光しない。したがって、視線検知ユニットの視線センサに、近接センサ５０の赤外光が入り込むことはなく、視線検知ユニットの性能に影響を与えることがない。

以上述べたように、頭部装着ユニット２００で表示装置１００を揺動可能に支持するＨＭＤにおいて、表示装置１００と観察者の顔との近接を検知する際に、誤検知を防ぐとともに、検知タイミングのずれが生じないようにすることができる。

［第２の実施形態］
次に、図９を参照して、第２の実施形態を説明する。第２の実施形態は、第１の実施形態と比較して、鼻逃げ部４０に、近接センサ５０が投光し、観察者の鼻で反射した赤外光を、近接センサ５０の方向に反射させる反射部４２が設けられるようにした例である。以下、第１の実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略して、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図９は、表示装置１００を示す図であり、（ａ）が表示装置１００の後面を示す図、（ｂ）が一部の拡大斜視図、（ｃ）が（ａ）のｃ－ｃ線断面図である。
観察者の鼻を近接センサ５０の検知対象とする場合、近接センサ５０の投光方向に対して、検知対象が平面ではなく斜面となる。そのため、鼻に投光した赤外光には、近接センサ５０に戻る方向と異なる方向に反射するものもある。したがって、鼻で反射した赤外光を効率的に近接センサ５０に導くようにするのが好ましい。
本実施形態では、図９に示すように、鼻逃げ部４０の下部に、反射部４２として機能する凹凸部が形成されている。凹凸部には、近接センサ５０の窓５１を略中心として弧状に配置され、窓５１の方向に赤外光を反射する反射面４２ａが形成されている。これにより、図９（ｃ）の矢印Ｌに示すように、鼻で反射した赤外光が、反射面４２ａで反射して近接センサ５０の窓５１に戻り、鼻で反射した赤外光を効率的に近接センサ５０に導くことができる。

以上、本発明を実施形態と共に説明したが、上記実施形態は本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本実施形態の開示は、以下の構成を含む。
（構成１）
観察者の頭部に装着する頭部装着具で揺動可能に支持される表示装置であって、
前記観察者の眼に導光する観察光学系と、
前記観察者の顔との近接を検知する検知部とを備え、
前記検知部は、前記観察光学系の光軸中心の高さ位置よりも下側に配置され、前記観察者の鼻を検知対象とすることを特徴とする表示装置。
（構成２）
前記観察光学系が設けられた筐体を備え、
前記筐体には、前記観察者の鼻との干渉を避ける鼻逃げ部が設けられ、
前記検知部は、前記鼻逃げ部に設けられることを特徴とする構成１に記載の表示装置。
（構成３）
前記検知部の検知範囲の中心線は、前記観察光学系の光軸方向に対して下向きになることを特徴とする構成１又は２に記載の表示装置。
（構成４）
前記検知部は、赤外光を投光し、前記観察者の鼻で反射した赤外光を受光することで、近接の検知を行うことを特徴とする構成１乃至３のいずれか一つに記載の表示装置。
（構成５）
前記鼻逃げ部は、下部に向かって幅広に、かつ、深くなって開口する凹形状を有し、
前記鼻逃げ部の上部に、前記検知部が配置されることを特徴とする構成２に記載の表示装置。
（構成６）
前記鼻逃げ部は、左右対称の湾曲面を有することを特徴とする構成５に記載の表示装置。
（構成７）
前記検知部は、赤外光を投光し、前記観察者の鼻で反射した赤外光を受光することで、近接の検知を行い、
前記検知部は、前記鼻逃げ部の底部に設けられた平面部に配置されることを特徴とする構成２、５又は６に記載の表示装置。
（構成８）
前記検知部は、赤外光を投光し、前記観察者の鼻で反射した赤外光を受光することで、近接の検知を行い、
前記鼻逃げ部には、前記検知部が投光し、前記観察者の鼻で反射した赤外光を、前記検知部の方向に反射させる反射部が設けられることを特徴とする構成２、５、６又は７に記載の表示装置。

１０Ｌ、１０Ｒ：レンズ、４０：鼻逃げ部、４０ａ：開口部、４０ｂ：湾曲面、４１：平面部、４２：反射部、５０：近接センサ、１００：表示装置、１０１：筐体、２００：頭部装着ユニット

Claims

観察者の頭部に装着する頭部装着具で揺動可能に支持される表示装置であって、
前記観察者の眼に導光する観察光学系と、
前記観察者の顔との近接を検知する検知部とを備え、
前記検知部は、前記観察光学系の光軸中心の高さ位置よりも下側に配置され、前記観察者の鼻を検知対象とすることを特徴とする表示装置。
前記観察光学系が設けられた筐体を備え、
前記筐体には、前記観察者の鼻との干渉を避ける鼻逃げ部が設けられ、
前記検知部は、前記鼻逃げ部に設けられることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記検知部の検知範囲の中心線は、前記観察光学系の光軸方向に対して下向きになることを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
前記検知部は、赤外光を投光し、前記観察者の鼻で反射した赤外光を受光することで、近接の検知を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
前記鼻逃げ部は、下部に向かって幅広に、かつ、深くなって開口する凹形状を有し、
前記鼻逃げ部の上部に、前記検知部が配置されることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
前記鼻逃げ部は、左右対称の湾曲面を有することを特徴とする請求項５に記載の表示装置。
前記検知部は、赤外光を投光し、前記観察者の鼻で反射した赤外光を受光することで、近接の検知を行い、
前記検知部は、前記鼻逃げ部の底部に設けられた平面部に配置されることを特徴とする請求項２又は５に記載の表示装置。
前記検知部は、赤外光を投光し、前記観察者の鼻で反射した赤外光を受光することで、近接の検知を行い、
前記鼻逃げ部には、前記検知部が投光し、前記観察者の鼻で反射した赤外光を、前記検知部の方向に反射させる反射部が設けられることを特徴とする請求項２又は５に記載の表示装置。