JPH06235885A - 立体映像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 仮想現実感装置等への使用に適した立体映像
表示装置を提供する。 【構成】 映像表示器１またはこれに表示された映像を
虚像として拡大結像する光学系２の位置を、観察者の左
右両眼の視線方向の変化 (または眼球運動）に合わせて
制御駆動部４により変化させ、虚像の位置を視線方向の
変化（または眼球運動）から求めた輻輳位置に一致させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は仮想現実感装置等への使
用に適した立体映像表示装置に係り、とくに接眼型や頭
部搭載型など拡大光学系を用いた立体映像表示装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】この種類の従来の立体映像表示装置の例
を図４に示す。図４において、１は左右両眼視差像に基
づいて立体映像を表示することができ、左右両眼の直前
に配置した左眼用と右眼用からなる１対の映像表示器で
ある。この表示器１に表示された映像を拡大光学系とし
ての１対の凸レンズ２により空間に想定する表示面（以
下Ａ面という）に虚像として拡大結像させるようにして
いる。これにより映画のスクリーンのように限られた範
囲に立体映像を表示するのと違って、視界のすべてに立
体映像が映出され、仮想現実感を体験することができる
ため、最近かなりの遊戯施設やテーマパーク等で利用さ
れてきている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図４について説明した
従来の立体映像表示装置は、１対の映像表示器１と１対
の凸レンズ２が固定的に配置され、それぞれ光軸方向に
関する位置関係が固定されているために、虚像は常にＡ
面に拡大結像している。

【０００４】一方、観察者の左右両眼の視線は輻輳運動
によって対象となる表示映像に指向し、両眼の視線が公
差する位置が眼球輻輳位置（以下単に輻輳位置という）
となり、この位置が奥行方向に変化していることにより
遠近が判断され、立体感を感じる。従ってこの輻輳位置
は表示器１に表示される映像の中央の部分であっても、
映出される被写体によって●印で示すようにたまたま虚
像と同じＡ面の位置になることもあれば、このＡ面より
背後に×印で示すような位置になることもあり、表示映
像の内容によって定まるものである。

【０００５】我々が生活している実空間でも輻輳位置に
よって遠近を判断していることに変わりないが、輻輳位
置の変化に伴い見ようとしている点に対する眼の焦点調
節が自動的に連繋して行われている。しかるに、従来の
立体映像表示装置のように輻輳位置は表示映像の内容に
より変化するが、映像の結像位置は固定というのでは極
めて不自然で観察者に視覚的な負担を強いることにな
る。

【０００６】とくに表示された仮想の立体像（映像）と
実物とを光学的に重ねて観察するＳee−Ｔhrough表示装
置に構成した場合には、同一の遠近を示す映像の結像位
置と実物の位置が奥行き的に違うところにあることか
ら、一層視覚的負担が増加する。この問題を解決し、で
きるだけ実空間視の状態に近づけ視覚的負担を和らげよ
うと画面上における注視点を検出し、その対象点以外の
映像をぼかすという能動的な画像処理を施した立体映像
表示装置も考えられているが、この方法では表示映像の
奥行きを分析する必要があるなど簡単でない。

【０００７】本発明の目的は、視覚的な負担をなくして
眼の疲労を軽減するような、より実空間視に近づけた立
体映像を表示することのできる立体映像表示装置を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明立体映像表示装置は、観察者の左右両眼に接近
してそれぞれ配置され立体映像を構成する左眼用と右眼
用の映像をそれぞれ表示する１対の映像表示手段と、該
手段にそれぞれ表示された映像を虚像として空間に拡大
結像する１対の拡大光学系とを備えて、前記虚像に関し
観察者の左右両眼に立体感を生じさせるようにした立体
映像表示装置において、観察者の左右両眼の視線方向を
それぞれ検出する視線方向検出器と、該検出器により検
出された視線方向に基づいて眼球輻輳位置を決定し、該
決定した眼球輻輳位置に前記虚像が結像するように前記
１対の映像表示手段および／または前記１対の拡大光学
系を制御駆動する制御駆動手段とを備えたことを特徴と
するものである。

【０００９】

【作用】観察者の眼に視覚的負担をなくすため、左右両
眼の輻輳位置の変化に合わせて表示映像の結像位置を自
動調整し、輻輳位置に結像位置を一致させるのが本発明
の原理であるが、これについて図１および図２を参照し
て説明する。

【００１０】図１は、本発明立体映像表示装置におい
て、表示映像の結像位置を変化させたときの表示映像の
奥行き位置と横位置（サイズ）、ならびに輻輳位置と立
体像の位置を示す線図であり、眼の位置を原点にとって
そこからの距離で示している。輻輳位置が奥行き的にｚ
の位置（以下Ａ面という）に●印で示す位置にあって、
また同時に虚像の結像面もＡ面に一致し、この場合は輻
輳位置、結像位置が一致しているため眼に負担は生じて
いない。次に、この状態から輻輳位置のみが奥行き的に
ｚ′の位置（以下Ｂ面という）に×印で示す位置に移動
したとする。虚像の結像面は依然としてＡ面上にあり、
輻輳位置と結像位置が一致しないので眼に負担が生じ
る。

【００１１】そこで、図示の凸レンズ２は固定したま
ま、映像表示器１を、当初の位置ｄからｄ′に移動させ
虚像の結像面をＢ面に一致させ、×で示す輻輳位置と虚
像の位置を一致させるようにする。これにより眼に負担
が生じなくなる。このとき左右両眼視差像の横位置（サ
イズ）がｌからｌ′になったとすると、奥行位置ｚおよ
びｚ′との関係においてｌ′／ｌ＝ ｚ′／ｚが成立し
ている。

【００１２】図２は、映像表示器の位置を変化させたと
きの表示映像の奥行き位置と縦位置（サイズ）を示す線
図であり、ここでも眼の位置を原点にとりそこからの距
離で示し、図１で使用したのと同一符号を用いている。
図示のように、映像表示器１がｄの位置からｄ′の位置
に変化したとすると、それぞれ実線および破線で示すよ
うにそれによる虚像の結像点はＡ面上からＢ面上に変化
する。眼の位置が凸レンズ２の焦点の位置にあると仮定
すると、ｈ′／ｈ＝ｚ′／ｚとなり、これは図１につい
て導いた奥行き位置と横位置（サイズ）の関係に一致す
る。なお、眼の位置については、凸レンズ２を挟んで映
像表示器１とは反対側の位置にあればよいので、必ずし
も凸レンズ２の焦点位置にあることは要しない。

【００１３】

【実施例】以上説明した本発明の原理に基づいて実際に
映像表示器の位置を変化させ、表示映像の位置を輻輳位
置に一致させるには次のようにする。本発明の一実施例
を図３に示す。

【００１４】図３において、映像表示器１、凸レンズ２
および奥行位置を示すＡ面、Ｂ面は図１，図２と同じで
あるので説明を省略する。本例では輻輳位置に虚像の結
像位置を自動的に合わせるために、観察者の眼の近傍に
左右両眼の視線方向をそれぞれ検出する左右１対からな
る視線方向検出器３を配置する。この視線方向の検出
（例えば図１における角度θの検出）は輻輳作用のもと
となる眼球運動の検出にほかならない。

【００１５】視線方向検出器３としては例えば左右両眼
について、近赤外光を眼球に照射してその反射光を黒眼
の両側に配置した光検出器で検出し、その黒目と白目の
境界で光量の変化を捉え、視線方向ないし眼球運動を検
出するものの使用が考えられる。他の方法としてスポッ
ト光を眼球に照射し、その反射光を２次元光位置検出器
で捉えるようにし、あるいは微小テレビジョンカメラを
用いて黒目の位置情報を得たりして眼球運動を検出する
ことができる。

【００１６】この視線方向検出器３により検出した視線
方向ないし眼球運動をもとに輻輳位置を計算し、その計
算結果に基づいて映像表示器１の位置の移動を行わせる
部分が図示の制御駆動部４である。

【００１７】制御駆動部４では、輻輳位置ｚ，ｚ′に対
応して映像表示器１の位置ｄ，ｄ′を計算するが、これ
は視線方向検出器３により検出した左右両眼の視線が交
差する角度すなわち輻輳角をθ（ラジアン）（図１参
照）とすると以下の関係になる。まず輻輳位置ｚは

【数１】ｚ＝Ｉ／θ により表わされ、ここにＩは瞳孔間隔（成人男性で約65
mm) である。これに併せて、原点を眼の位置、映像表示
器の基準位置をｄ、凸レンズ２の焦点距離をｆ、および
眼から凸レンズ２までの距離をｋとすると、これらの間
の関係は

【数２】ｄ−ｋ＝１／（１／（ｚ−ｋ）＋１／ｆ） により表わされる。これから映像表示器の位置ｄの可変
範囲は最大でもｆ（凸レンズ２の焦点距離）までであ
る。

【００１８】上記式で表わされる映像表示器１の基準位
置ｄ、輻輳位置の基準位置ｚに対し、位置変化させた後
の新たな映像表示器１の位置ｄ′、輻輳角θ′、輻輳位
置ｚ′との関係は上記の各パラメータを用いて次式によ
り表わされる。

【数３】ｚ′＝Ｉ／θ′ ｄ′−ｋ＝１／（１／（ｚ′−ｋ）＋１／ｆ）

【００１９】以上の説明においては、輻輳位置に虚像の
結像位置を一致させるのに映像表示装置１の位置を変化
させて行うものとしたが、これは凸レンズ２の位置を変
化させても、また映像表示装置１と凸レンズ２の両方の
位置を変化させてもよいことはいうまでもない。

【００２０】また、凸レンズに代えて他の光学系たとえ
ば映像拡大用の凹面鏡を用いてもよく、この場合は、映
像表示器とそれによる表示像とが視線上で重ならないよ
うにするために、例えば凹面鏡の前方に凹面鏡の光軸に
対し４５度傾いた半透明鏡を置いて、凹面鏡の光軸と直
交する位置に映像表示器を配置する構成となる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、映
像表示器１（または凸レンズ２）の位置を観察者の左右
両眼の視線方向の変化（または眼球運動）に合わせて変
化させ、表示映像の結像位置を輻輳位置に一致させるこ
とにより、各立体像の位置関係を維持しつつ、輻輳位置
と立体像の虚像位置、すなわち眼球水晶体の焦点調節位
置を一致させることができる。このように両眼輻輳位置
にその表示映像の結像位置を一致させ、実空間視に近い
状態にすることにより、疲労感など視覚的負担をなくす
作用効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明立体映像表示装置において、表
示映像の結像位置を変化させたときの表示映像の奥行き
位置と横位置（サイズ）、ならびに輻輳位置と立体像の
位置を示す線図である。

【図２】図２は、本発明立体映像表示装置において、映
像表示器の位置を変化させたときの表示映像の奥行き位
置と縦位置（サイズ）を示す線図である。

【図３】図３は、本発明立体映像表示装置の一実施例を
示す斜視図である。

【図４】図４は、従来の立体映像表示装置の例を示す斜
視図である。

【符号の説明】

１ 映像表示器 ２ 凸レンズ ３ 視線方向検出器 ４ 制御駆動部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察者の左右両眼に接近してそれぞれ配
   置され立体映像を構成する左眼用と右眼用の映像をそれ
   ぞれ表示する１対の映像表示手段と、該手段にそれぞれ
   表示された映像を虚像として空間に拡大結像する１対の
   拡大光学系とを備えて、前記虚像に関し観察者の左右両
   眼に立体感を生じさせるようにした立体映像表示装置に
   おいて、観察者の左右両眼の視線方向をそれぞれ検出す
   る視線方向検出器と、該検出器により検出された視線方
   向に基づいて眼球輻輳位置を決定し、該決定した眼球輻
   輳位置に前記虚像が結像するように前記１対の映像表示
   手段および／または前記１対の拡大光学系を制御駆動す
   る制御駆動手段とを備えたことを特徴とする立体映像表
   示装置。