【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、情報表示装置に関し、特に、パーソナルコンピュータ、オーデオビジュアル機器、仮想現実感体験装置等に用いられる情報表示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータは小型化の一途をたどっており、最近はキーボードのないペン入力パソコンなども登場している。

【０００３】従来のパーソナルコンピュータの構成の一例を図５に示す。 図５において、符号１はパーソナルコンピュータの本体である中央処理装置（ＣＰＵ）、２は中央処理装置１からの情報を表示するカソードレイチュウブ（ＣＲＴ）、３は使用者が中央処理装置１に指示を与えたりデータを入力するキーボードを示す。

【０００４】図６はペン入力パーソナルコンピュータの構成の一例を示す。 ペン入力パーソナルコンピュータ４
は、表示装置及び入力装置としてタッチパネル機能付液晶パネル５を使用しており、装置全体の体積も小さくなっている。 図示しない中央処理装置への指示やデータ入力は液晶パネル５に表示されたアイコン６（指示内容がシンボル化されたもの）を専用のペン７で指し示したり、液晶パネル５の表面にペン７で文字を書くことによって行われる。

【０００５】また、近年、コンピュータグラフィックス技術を用いた仮想現実感（バーチャルリアリテイ）が各方面のシュミレーションに応用され始めている。 この技術は、実存しない映像をコンピュータにより描画し、それを使用者に見せることにより、実存しない現象をあたかも現実に起こったかのように感じさせるシステムである。 しかし、現在、立体感のある映像を得るためには情報表示装置を内蔵した専用のゴーグル等を使用者が装着する必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のパーソナルコンピュータの構成では、大量の情報を容易に認識可能とするためには、ある程度の大きさの表示部が不可欠となる。 このため、パーソナルコンピュータの小型化が妨げられている。

【０００７】この問題はオーデオビジュアル（ＡＶ）機器等についても同様である。 即ち、オーデオビジュアル機器等についても、高付加価値化のため、表示すべき情報が複雑化し、情報量も増大する傾向にある。 このため、それらの情報を分かりやすく表示するには表示部が大型化し、装置自体の小型化が妨げられている。 このように、技術革新により機構部が小型化されても、表示部が小型化できず、装置全体の小型化が達成できない状況が種々の技術分野で発生している。

【０００８】また、仮想現実感を得るためにゴーグル等を使用者に装着することは使用者に圧迫感を与えることとなり、現実感を減ずることになる。 この発明は上記従来の問題点を解決するためになされたもので、小型でありながら大量の情報を表示可能な情報表示装置を提供することを目的とする。 また、この発明は、装着感がなく、かつ、現実感の高い仮想現実感体験用の情報表示装置を提供することを他の目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、この発明にかかる情報表示装置は、使用者の目の位置を検出する追跡手段と、使用者の目に直接情報を描画する光学手段と、追跡手段と光学手段を制御する制御手段と、光学手段による描画の光強度を制限する手段とを備えることを特徴とする。 上記構成の情報表示部を複数設け、使用者の両目に異なる情報を描画して立体感を出すことができる。

【００１０】また、上記目的を達成するため、この発明にかかる情報表示方法は、使用者の目の位置を検出する追跡工程と、使用者の目に表示したい情報を直接描画する描画工程と、追跡工程及び描画工程において使用者の目に与えられるエネルギーをチェックし、該エネルギーを制限する工程とを備えることを特徴とする。

【００１１】

【作用】上記構成とすることにより、この発明にかかる情報表示装置によれば、使用者の目の位置を追跡して検出し、その位置、即ち、使用者の目に直接情報（画像等の）を描画することができるようにしたことによって、
情報表示装置自体画面を有する必要がないため、装置を小型化することができる。 さらに、描画の光強度を制限しているので、使用者の目に悪影響を与えることはない。 上記構成の情報表示部を複数設け、使用者の両目に異なる情報を表示することにより、この情報表示装置を仮想現実感を得るための立体映像を提供する装置として使用できる。

【００１２】この発明にかかる情報表示方法は、使用者の目の位置を追跡して検出し、検出された位置に情報を描画するので、画面等を用いずに使用者の目に直接画像を表示できる。 しかも、目に与えられるエネルギーを制限しているので、使用者の目に悪影響を与えない。

【００１３】

【実施例】以下、添付図面に基づきこの発明の実施例を詳細に説明する。 図１は本発明の第１実施例による情報表示装置のブロック図である。 図１において、符号１１
は情報（画像）表示部、１３は情報表示部１１の位置及び向きを調整する多軸テーブル（ステージ）、１５は情報表示装置に表示データを供給するコンピュータ本体、
１７は人間の存在とその方向を検知する赤外線センサ等からなる人間センサ、を示す。

【００１４】情報表示部１１内の符号２１は、不可視レーザを照射して、その反射ビームを検出することにより、使用者の目１９の動きを追跡しつつ、その位置を判別する追跡部、２３は追跡部２１により検出された位置にレーザビームにより画像を描画することにより、使用者の網膜に直接画像を形成する描画部、２５は情報表示部１１全体の動作を制御する制御部を示す。

【００１５】次に、図１に示す情報表示装置の動作を説明する。 使用者がシステムの電源を投入すると、人間センサ１７は使用者の存在を検出し、検出信号を制御部２
５に供給する。 制御部２５は、この検出信号に応答して、多軸テーブル１３に制御信号を供給して駆動し、情報表示部１１の向きをほぼ使用者に合わせる。 この状態で、追跡部２１は使用者の目１９を追跡し、その位置を求める。 制御部２５は追跡部２１により検出された目１
９の位置に画像が形成できるように描画部２３の光学系の指向方向を微調整する。

【００１６】コンピュータ本体１５は制御部２５に画像データを供給する。 制御部２５は描画部２３を制御して、使用者の目１９の網膜上に画像データに応じた画像を描画する。 この描画処理は、例えば、レーザビームの色と強度を調整しつつレーザビームをスキャンし、残像現象により画像を形成する方式でもよく、或いは、液晶表示装置等の表示画像を網膜に投影する方式でも良い。

【００１７】また、制御部２５は、追跡部２１と描画部２３の消費電力をチェックする等の手法で、追跡部２１
と描画部２３が使用者の目１９に与えるエネルギーまたは描画の光強度を求め、目１９を焼損しないように制御するフェールセーフ機能も有する。

【００１８】図１の構成の情報表示装置によれば、人間の目の位置を追跡して、人間の網膜に文字や図形を直接描くことができ、大画面の表示装置を設けなくとも、大量の情報を使用者に提供できる。 また、制御部２５の安全機構により、使用者の目を焼損することがない。

【００１９】図２に示すように、使用者の両目１９、１
９のそれぞれに情報表示部１１、１１を設け、両情報表示部１１、１１にコンピュータ本体１５から異なる画像データを提供することにより、使用者に立体画像を知覚させることも可能である。 このような構成とすれば、使用者はゴーグル等を装着しなくとも、仮想現実感を得ることができる。

【００２０】次に、図３及び図４に基づき、この発明の第２実施例について詳細に説明する。 図３はこの実施例による情報表示装置の構成を示すもので、例えば、図１
の情報表示部１１を詳細に示したものである。 図３において、符号１１１は使用者の目を示し、１１３はレーザダイオードやガスレーザ等からなり、発振波長が人間の可視波長４００〜７５０ｎｍ以外の不可視光を出力する不可視レーザ素子、１１４は不可視レーザ素子１１３からの発散光を平行ビームにするコリメータレンズ、１１
５は不可視レーザ素子１１３を駆動する不可視レーザ駆動回路、を示す。

【００２１】符号１１６はレーザダイオードやガスレーザ等からなり、可視光を出力する可視レーザ素子、１１
７は可視レーザ素子１１６からの発散光を平行ビームにするコリメータレンズ、１１８はコリメータレンズ１１
７により平行化された光ビームから描画用の細いビームを得るピンホール、１１９は可視レーザ素子１１６を駆動する可視レーザ駆動回路を示す。

【００２２】符号１２０は不可視レーザ素子１１３及び可視レーザ素子１１６の電源を切断することができるフェールセーフ回路（故障安全回路）、１２１は不可視レーザ素子１１３及び可視レーザ素子１１６から出力される光の強度を検出する光出力モニタ用センサ、１２２は使用者の目１１１からの反射ビームを受光する２次元受光素子、１２３は使用者の目１１１からの反射ビームから、そのずれ量及びずれの方向を検出する反射光検出回路、１２４は使用者の目１１１を探査して追跡する追跡ミラー系、１２５は目１１１の網膜に情報を描画する描画用ミラー系である。

【００２３】また、符号１２６は不可視レーザ素子１１
３、可視レーザ素子１１６、フェールセーフ回路１２
０、追跡ミラー系１２４及び描画用ミラー系１２５を制御する情報表示用中央処理装置（ＣＰＵ）、１２７は光学系及び回路系を一体駆動する粗動追跡部、１２８はビームスプリッタである。 粗動追跡部１２７は、情報表示用中央処理装置１２６の制御下に図３中の３軸座標のうち少なくともＹ軸まわり、Ｚ軸まわり（紙面に垂直方向）に回転制御可能に構成されている。

【００２４】図４に２次元受光素子１２２の構成を示す。 この実施例では、２次元受光素子１２２は、円内４
分割（受光部分１３１〜１３４）、円外４分割（受光部分１３５〜１３８）の８分割の受光素子である。 円内が追跡ミラー系１２４による追跡許容範囲を示している。

【００２５】次に、図３に示す情報表示装置の動作を説明する。 まず、粗動追跡部１２７は図示せぬ人間センサからの入力に応じて回転制御し、追跡ミラー系１２４をおおよそ使用者へ向ける。 不可視レーザ素子１１３は不可視レーザ駆動回路１１５により駆動され、波長が人間の可視波長４００〜７５０ｎｍの外である不可視光を発散する。 この発散光はコリメータレンズ１１４により平行ビームに変換され、ビームスプリッタ１２８により折り返され、追跡ミラー系１２４へ導かれる。 なお、不可視レーザ素子１１３は不可視レーザ駆動回路１１５を介してフェールセーフ回路１２０により制御されているため、その出力光の強度は使用者の網膜に悪影響を与える強度を超過することはない。

【００２６】追跡ミラー系１２４は追跡モードになっていなければ、情報表示用中央処理装置１２６の制御下で、任意の方法で一定の範囲をスキャンし、ビームスプリッタ１２８からの不可視レーザビームを反射する。 追跡ミラー系１２４により反射された不可視レーザビームが使用者の目１１１に当たった時、使用者が追跡ミラー系１２４の方向を凝視（追跡ミラー系１２４に視線を集中させ、ピントを無限遠方に合わせる）していれば、不可視レーザビームは使用者の目１１１により再反射される。 再反射された不可視レーザビームは、追跡ミラー系１２４、ビームスプリッタ１２８を介して２次元受光素子１２２へ一定強度で入力する。

【００２７】図４に示す２次元受光素子１２２上の受光部分１３１〜１３４の１つが一定強度の反射光を受光し、反射光検出回路１２３がこれを検出すると、情報表示用中央処理装置１２６は、追跡ミラー系１２４のスキャンを停止させ、追跡モードに入る。

【００２８】また、反射ビームが２次元受光素子１２２
の受光部分１３５〜１３８上にあれば、情報表示用中央処理装置１２６は粗動追跡部１２７を制御して受光部分１３１〜１３４の１つに反射ビームが入るように再調整する。 この再調整は情報表示中に使用者の目１１１が移動して追跡ミラー系１２４による追跡許容範囲をはずれた場合にも行われる。 再調整中、必要に応じて情報表示用中央処理装置１２６から図示せぬ主中央処理装置に情報表示中断命令を出し、使用者が受け取るデータの欠落を防止することができる。

【００２９】なお、使用者が追跡ミラー系１２４の方向を見ていてもミラー系１２４を凝視していなければ目からの反射ビームは一定強度に達しない。 これは、網膜が平行ビームに対する目のレンズの集光点位置にないため、網膜からの反射ビームは眼球中で発散・散乱し、瞳から出射しないためである。 そのため、情報表示用中央処理装置１２６は目の追跡モードに移行せず、追跡ミラー系１２４はスキャンを続行する。

【００３０】人がものを注視するときには独特な眼球運動が不随意に起こることが知られている。 これはトレモア（運動幅が１５”（秒）視角、３０〜１００Ｈｚ）、
フリック（運動幅が２０'（分）視角、０．０３〜０．
５秒間隔で不規則に発生）、ドリフト（運動幅が５”
（秒）視角以内でフリックの間に起こる遅い成分）と呼ばれる。 これらの眼球運動に忠実に追跡ミラー系１２４
が追従し網膜上に静止像がつくられると、短時間で像が見えなくなる。 そのため、追跡モードで追跡ミラー系１
２４を制御する場合、その応答周波数が３０Ｈｚ以下となるように設計する。

【００３１】以上のようにして追跡モードに入ると、情報表示用中央処理装置１２６は描画用ミラー系１２５及びフェールセーフ回路１２０経由で可視レーザ駆動回路１１９を制御し、主中央処理装置からの情報を網膜上に描画する。

【００３２】即ち、情報表示用中央処理装置１２６はフェールセーフ回路１２０を介して可視レーザ駆動回路１
１９を制御し、可視レーザ素子１１６の出力光の強度、
色等を制御する。 可視レーザ駆動回路１１９により駆動された可視レーザ素子１１６からの発散光はコリメータレンズ１１７により高精度で平行化される。 この平行ビームはピンホール１１８を通り、微細ビームになる。 この微細ビームは描画用ミラー系１２５に導かれる。 情報表示用中央処理装置１２６は、主中央処理装置から供給される画像データに従って、図形や文字を使用者の目１
１１内の網膜に投影するよう描画用ミラー系１２５の動きを制御（スキャン）する。 描画用ミラー系１２５の出力ビームはビームスプリッタ１２８により折り返され、
追跡ミラー系１２４により再反射されて、使用者の目１
１１に導かれる。 このようにして、微細ビームにより文字や図形が網膜上に描かれる。

【００３３】使用者の目１１１に描画する方法としては、例えば、ピンホール１１８に代えて液晶パネルと偏向板からなる液晶表示部を配置し、この液晶表示部の表示画像を描画用ミラー系１２５を用いずに、追跡ミラー系１２４から網膜に直接投影することもできる。

【００３４】また、描画用ミラー系１２５の振り角に連動して表示したい文字・図形に対応した発光パターンを変化させる１列に配置したＬＥＤアレイを用いる方法もある。 このＬＥＤアレイを可視レーザ素子１１６〜ピンホール１１８に代えて配置し、描画用ミラー系１２５を高速（網膜上で残像現象が起こる速度）で振ることにより、網膜に図形や文字を投影できる。

【００３５】次に、フェールセーフ（安全装置）機構について説明する。 この実施例では、使用者の目１１１を探査して追跡するために不可視光のレーザビームを使用し、描画の為に可視レーザビームを使用する。 これらのレーザビームは、エネルギーがほとんど減衰せずに伝達され、網膜上に集光する。 このため、網膜の焼損を防ぐための機構が必要である。 そこで、フェールセーフ機構を情報表示用中央処理装置１２６とは独立に設けることにより装置の信頼性を向上している。

【００３６】このフェールセーフ機構はフェールセーフ回路１２０とそれに接続された光出力モニタ用センサ１
２１から構成される。 光出力モニタ用センサ１２１は不可視レーザ素子１１３及び可視レーザ素子１１６の両方の出力光のエネルギーをモニタできるだけの波長感度を有する。 不可視レーザ素子１１３及び可視レーザ素子１
１６の出力光の一部は、ビームスプリッタ１２８により、光出力モニタ用センサ１２１に導かれる。 光出力モニタ用センサ１２１の受光量は追跡用のレーザビームと描画用のレーザビームの和に比例しているため、使用者の目１１１に投射される光量を正確に監視することができる。

【００３７】フェールセーフ回路１２０は光出力モニタ用センサ１２１で光量が網膜が痛むほどに増大する前にこれを検知し、直ちに不可視レーザ駆動回路１１５及び可視レーザ駆動回路１１９の電源を切る等の処置を行う。 また、フェールセーフ回路１２０は情報表示用中央処理装置１２６からのレーザ駆動電流の指示値もモニタしており、レーザの過大出力を防ぐことが可能である。

【００３８】図３では、不可視レーザ素子１１３、可視レーザ素子１１６等の光学系と情報表示用中央処理装置１２６などの回路系を一体に粗動追跡部１２７に取り付けているが、必要に応じて分離し、例えば、光学系のみを粗動追跡部１２７に取り付けることも可能である。

【００３９】非追跡モードで、追跡ミラー系１２４が比較的広い範囲をスキャンする必要がある場合、人間センサと追跡ミラー系１２４を連動させ、人間センサにより使用者が位置すると判断された範囲のみを追跡ミラー系１２４でスキャンするようにしてもよい。 このようにすれば、効率よくスキャンできる。

【００４０】また、使用者の背景に平行ビームを強く反射する物体があった場合、２次元受光素子１２２がそこからの反射ビームを検出し、情報表示用中央処理装置１
２６がそこを使用者の目と誤認する場合がある。 これを防止するため、情報表示用中央処理装置１２６は、反射物体の方向及び強度を記録する機構をもち、スキャン中に反射光を検出した場合にその記録と照合し、誤認を防止するようにしてもよい。 人間センサを併設していれば、人間センサからの情報と照合することで誤認を防止することができる。

【００４１】図３に示す情報表示装置を応用して、図２
に示すような立体像の表示装置が実現することができる。 この装置は、使用者の左右の目の間隔とほぼ同一間隔に配置された２つの情報表示装置を一体としたものである。 ２つの装置はそれぞれ独立して使用者の左右の目を追跡する。 表示画像（図形）は両目の視角に対応して２つの装置間で異なったものとする。 従って、使用者は画像を立体として知覚できる。 この装置では、頭部に情報表示装置を装着する必要がないため、より現実感の高い立体視が可能となる。 また、粗動追跡部１２７の制御信号を主中央処理装置にフィードバックすることにより、使用者がものをどの方向から見ているかを検出することができる。 そのため、従来必要であった磁気などによる視覚方向センサも使用者が装着する必要がない。

【００４２】なお、この発明は上記実施例に限定されず、種々の変形が可能である。 例えば、人間の目を追跡しつつその位置を検出する構成、使用者の目に画像を描画する構成、フェールセーフ機能の構成等は上記実施例の構成に限定されず、他の構成を採用してもよい。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば、使用者の目を追跡し、網膜に直接文字や図形等の情報を投影することにより、カソードレイチューブや液晶パネル等を設ける必要がなく、小型でありながら、大量の情報を表示可能な情報表示装置及び情報表示方法を実現することができる。 その上、安全機構を設けることにより、使用者の目を保護することができる。 また、使用者の目を左右独立して追跡し、左右の目の網膜にそれぞれ対応した角度からの画像を投影することにより、使用者の頭部に特別な装置を装着することなく、現実感の高い仮想現実感を使用者に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例による情報表示装置の構成を示すブロック図

【図２】この発明の第２実施例により図１の情報表示装置を使用者の両目にそれぞれ設けた場合の構成を示す図

【図３】この発明の第３実施例による情報表示装置の構成の詳細を示す構成図

【図４】図３に示す２次元受光素子の構成の詳細を示す図

【図５】従来のパーソナルコンピュータの構成を示す図

【図６】従来のペン入力型コンピュータの構成を示す図

【符号の説明】

１ 中央処理装置（ＣＰＵ） ２ カソードレイチュウブ（ＣＲＴ） ３ キーボード ４ ペン入力パーソナルコンピュータ ５ 液晶パネル ６ アイコン ７ ペン １１ 情報表示部 １３ 多軸テーブル １５ コンピュータ本体 １７ 人間センサ １９ 使用者の目 ２１ 追跡部 ２３ 描画部 ２５ 制御部 １１１ 使用者の目 １１３ 不可視レーザ素子 １１４ コリメータレンズ １１５ 不可視レーザ駆動回路 １１６ 可視レーザ素子 １１７ コリメータレンズ １１８ ピンホール １１９ 可視レーザ駆動回路 １２０ フェールセーフ回路 １２１ 光出力モニタ用センサ １２２ ２次元受光素子 １２３ 反射光検出回路 １２４ 追跡ミラー系 １２５ 描画用ミラー系 １２６ 情報表示用中央処理装置（ＣＰＵ） １２７ 粗動追跡部 １２８ ビームスプリッタ １３１〜１３８ 受光部分