(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示素子を内蔵し、画像光を射出する本体部と、
多面体の導光部を有する接眼光学部であって、前記本体部から射出された前記画像光を前記導光部の一の面に入射させ、該導光部の一の面に入射された画像光を、前記一の面と同じ側の面から射出する接眼光学部と、
前記本体部と前記接眼光学部とを連結する取付部と
を具え、
前記取付部は、前記接眼光学部を前記本体部に対して移動させることによって、前記接眼光学部の射出瞳の位置を調整することができる移動機構を有し、
前記導光部は、奇数個の反射面を有し、
前記接眼光学部は、正の屈折力を持つ
ことを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【請求項２】
前記接眼光学部は、前記導光部の画像光を射出する面に、正の屈折力を持つ接眼レンズを有する請求項１に記載の頭部装着型画像表示装置。
【請求項３】
前記導光部が正の屈折力を持つ自由曲面プリズムからなる請求項１または２に記載の頭部装着型画像表示装置。
【請求項４】
前記接眼光学部の、当該装置を装着する装着者の視軸方向への投影断面の幅が、前記装着者の眼球の瞳孔よりも小さい請求項１〜３のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示装置に関し、特に、頭部装着型の画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、映像鑑賞やモバイルでの情報表示用途等での実用化に向け、眼鏡等に取り付けられる頭部装着型の画像表示装置の開発が盛んに行われている。この装置は、一般に、「ヘッドマウントディスプレイ(ＨＭＤ)」と呼ばれ、表示素子からの画像光を瞳孔に導いて網膜上に結像させることで、装着者に画像の拡大像を虚像として観察させるものである。
【０００３】
図１３は、一般的な頭部装着型画像表示装置１３１０の構成を示す模式図である。図１３において、表示素子１３１１に表示された画像Ｘの画像光１３１２は、導光部１３１３に入射し、１回以上の反射を経て導光部１３１３から射出されて装着者の眼球１３２０の瞳孔に入り、網膜上で結像される。これにより、装着者は、瞳孔の視軸方向前方に、画像Ｘの虚像Ｘ’を観察することができる。
【０００４】
ここで、瞳孔とは、図１４に示すように、眼球１３２０の虹彩１４０１によって囲まれた部分１４０２のことをいい、この部分を通った光が網膜１４０３に投影される。よって、表示画像の全体を適切に観察するには、導光部の射出瞳と、上記瞳孔１４０２とを対応させる必要がある。
【０００５】
ところが、通常、装着者の眼球および瞳孔の位置には個体差があり、導光部の射出瞳と瞳孔とがずれた場合、画像光の一部が瞳孔に入らずケラレがおきたり、画像光の全てが瞳孔に入らず何も見えなくなったりするといった問題がある。特に、小型な光学系では、射出瞳が比較的小さいために、装着者の眼幅や取り付ける眼鏡のフレーム形状などによるズレの影響を大きく受ける。
【０００６】
特許文献１には、眼鏡レンズに内蔵されたコンバイナ光学系に対し、表示パネル、および、表示パネルとコンバイナ光学系との間に配置された集光レンズを一緒に移動させるか、または、これらコンバイナ光学系、表示パネルおよび集光レンズの全てを一体化して移動させることにより、コンバイナ光学系の射出瞳となるアイポイントの位置の調整を図る技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−６１０５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、図１５は、上記構成を模式的に示したものであり、図１５(ａ)はコンバイナ光学系１５０１に対し、表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３を一緒に移動させた場合を示し、図１５(ｂ)はコンバイナ光学系１５０１、表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３の全てを一体化して移動させた場合を示す。図１５中、実線および鎖線は、それぞれ移動前および移動後の構成および光路を表し、光路については、表示パネル１５０２の中心から射出し、コンバイナ光学系１５０１に対し垂直に入射するもののみを示す。
【０００９】
図１５(ａ)に示すように、コンバイナ光学系１５０１に対し、表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３を一緒に移動させた場合、これら表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３の位置の移動量Ｌ１と射出瞳の位置の移動量Ｌ２は同じである。また、図１５(ｂ)に示すように、コンバイナ光学系１５０１、表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３の全てを一体化して移動させる場合も、これらコンバイナ光学系１５０１、表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３の位置の移動量Ｌ１と射出瞳の位置の移動量Ｌ２は同じである。
【００１０】
特許文献１に記載された技術によれば、必要とされる射出瞳の位置の調整量が大きい場合、表示パネル等の移動量も大きくなる。加えて、通常、筐体(図示せず)等の内部に配置される表示パネルを、筐体内部で移動させるのには複雑な機械機構が必要であるし、また、表示パネルを内蔵する筐体ごと移動させるのには大掛かりな機械機構が必要になる。さらに、図１５(ａ)に示したように、コンバイナ光学系に対し表示パネルおよび集光レンズを一緒に移動させた場合、この移動によって変位する光束をも導光できるよう、開口の大きい光学系が必要となり、装置が大型になることが懸念される。
【００１１】
本発明は、上記問題を解決し、小型でかつ簡易な機構で、射出瞳の位置調整効果の大きい頭部装着型画像表示装置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】
【００１２】
本発明者らは、装置を小型でかつ簡易な機構とすべく、表示素子またはこの表示素子を内蔵する本体部を移動させることなく、射出瞳の位置を調整することを試みた。その結果、本体部に対し、接眼光学部、または、接眼光学部ならびに接眼レンズを移動させることにより、射出瞳の位置調整効果が大きくなることの知見を得た。
【００１３】
本発明は、上記の知見に立脚するもので、その要旨構成は以下の通りである。
（１）表示素子を内蔵し、画像光を射出する本体部と、多面体の導光部を有する接眼光学部であって、前記本体部から射出された前記画像光を前記導光部の一の面に入射させ、該導光部の一の面に入射された画像光を、前記一の面と同じ側の面から射出する、正の屈折力を有する接眼光学部と、前記本体部と前記接眼光学部とを連結する取付部とを具え、前記取付部は、前記接眼光学部を前記本体部に対して移動させることによって、前記接眼光学部の射出瞳の位置を調整する移動機構を有し、前記導光部は、奇数個の反射面を有し、前記接眼光学部は、正の屈折力を持つことを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
【００１４】
（２）前記導光部は、前記導光部の画像光を射出する面に、正の屈折力を持つ接眼レンズを有する上記（１）に記載の頭部装着型画像表示装置。
【００１５】
（３）前記導光部が正の屈折力を持つ自由曲面プリズムからなる上記（１）または（２）に記載の頭部装着型画像表示装置。
【００１９】
（４）前記接眼光学部の、当該装置を装着する装着者の視軸方向への投影断面の幅が、前記装着者の眼球の瞳孔よりも小さい上記（１）〜（３）のいずれか一に記載の頭部装着型画像表示装置。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、本体部と接眼光学部とを連結する取付部が、接眼光学部を本体部に対して移動させることによって接眼光学部の射出瞳の位置を調整することができる移動機構を有し、導光部は奇数個の反射面を有し、接眼光学部は正の屈折力を持つことにより、小型でかつ簡易な機構で、射出瞳の位置調整効果の大きい頭部装着型画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を眼鏡に装着した状態を示す模式的平面図である。
【図２】図２は、固定された表示素子に対して導光部を移動させた場合の虚像が形成される位置を示す模式図である。
【図３】図３は、固定された表示素子に対して導光部を移動させた場合の虚像が形成される位置を示す模式図である。
【図４】図４は、固定された表示素子に対して導光部を移動させた場合の虚像が形成される位置を示す模式図である。
【図５】図５は、本発明の第１実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の第２実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。
【図７】図７は、本体部と接眼光学部とを連結する取付部の構造を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の第３実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明の第４実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本発明の第５実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。
【図１１】図１１は、本発明の第６実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。
【図１２】図１２は、本発明の第７実施形態に従う頭部装着型画像表示装置と装着者の眼球の瞳孔との関係を示す模式図である。
【図１３】図１３は、一般的な頭部装着型画像表示装置のメカニズムを示す模式図である。
【図１４】図１４は、人間の眼球を示す模式図である。
【図１５】図１５は、従来の頭部装着型画像表示装置のメカニズムを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に従う頭部装着型画像表示装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００２３】
図１は、本発明の第１実施形態に従う頭部装着型画像表示装置１１０を眼鏡１２０に装着した状態を示す模式的平面図である。頭部装着型画像表示装置１１０は、主として本体部１１１および接眼光学部１１２を具える。頭部装着型画像表示装置１１０を眼鏡１２０に取り付ける場合、本体部１１１は、装着者の頭部に装着される眼鏡１２０のフレーム１２１の右側テンプル部分１２１ａに、支持部１１１ａ等により取り付けられる。
【００２４】
本体部１１１は、眼鏡１２０のフレーム１２１に沿い装着者の前方へ延び、その先端は、右側眼鏡レンズ１２１ｂの側方で、後述する取付部１１３を介して接眼光学部１１２と連結されている。接眼光学部１１２は、眼鏡１２０の右側眼鏡レンズ１２１ｂの前方を、取付部１１３から装着者の視野内まで略水平に延びている。後述するように、接眼光学部１１２は、本体部１１１から射出される画像光を導光し、先端の射出窓から眼球１３０に向けて画像光を射出する。
【００２５】
この接眼光学部１１２における画像光の振る舞いについて、詳細に説明する。図２〜４は、棒状のプリズムを用いた導光部２００，３００および４００を用い、画像光を射出する表示素子２０１，３０１および４０１に対してプリズムを移動させた場合の虚像が形成される位置を示したものである。なお、図中、実線および鎖線はそれぞれ移動前および移動後の構成および光路を表している。
【００２６】
一般に、反射面が移動すると、反射面が形成する虚像の位置もずれるものと考えられていた。しかしながら、本発明者らの検討によれば、図２に示すように、導光部２００が奇数個(図２では５個)の反射面を有し、導光部２００の一の面２００ａに入射した画像光が、一の面２００ａと同じ面２００ａから射出される場合、導光部２００の移動によって虚像Ｘ’の位置は変化しない。同様に、図３に示すように、導光部３００が奇数個(図３では５個)の反射面を有し、導光部３００の一の面３００ａに入射した画像光が、一の面３００ａと同じ側の面３００ｂから射出される場合も、導光部３００の移動によって虚像Ｘ’の位置は変化しない。さらに、図４に示すように、導光部４００が偶数個(図４では２個)の反射面を有し、導光部４００の一の面４００ａに入射した入射光は、導光部４００の他の面４００ｃから射出される場合においても、導光部４００の移動による虚像Ｘ’の位置は変化しない。これらの光学系は、いずれも像の上下左右の向きは変わらない、倍率が１倍のアフォーカル光学系として作用する。
ここで、反射面の個数は、画像光が反射する導光部の面の個数を意味するものではなく、導光部の面に対して画像光が反射する回数を示したものである。例えば、図２において、画像光は導光部内で５回反射し、２回目の反射と４回目の反射は導光部の同一の面で行われるが、それぞれ異なる反射面としてカウントし、導光部は合計５個の反射面を有するものとする。以下も同様である。
【００２７】
図２〜４に示したように、表示素子２０１，３０１および４０１を固定して導光部２００，３００および４００を移動した場合には、導光部を通して見える画像Ｘの虚像Ｘ’は空間に固定されていて、その位置は不変である。
【００２８】
図５は、一例として、画像光を射出する面５０１ａに、正の屈折力を持つ接眼レンズ５０２を有する接眼光学部５０３を具える頭部装着型画像表示装置５００を示したものである。導光部５０１は、奇数個(図５では５個)の反射面を有し、導光部５０１の一の面５０１ａに入射した画像光は、導光部５０１の一の面５０１ａと同じ面５０１ａから射出される。ただし、導光部５０１の一の面５０１ａにおいて、画像光が入射する領域と射出される領域とは異なる。図中、実線および鎖線はそれぞれ移動前および移動後の構成および光路を表し、導光部５０１および接眼レンズ５０２を含む接眼光学部５０３を、固定された表示素子５０４に対して略平行に移動させている。表示素子５０４としては、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)や有機ＥＬディスプレイ等が用いられる。この光学系は、像の上下左右は向きが変わらない、倍率が１倍のアフォーカル光学系として作用する。
【００２９】
図５から明らかなように、この構成によれば、導光部５０１および接眼レンズ５０２の移動量Ｌ１よりも、接眼レンズが射出する光束の装着者の瞳孔での移動量Ｌ２は大きくなる。すなわち、僅かな機械的調整量で大きな眼幅調整効果を得ることができる。
【００３０】
図６は、本発明の第２実施形態であり、画像光を射出する面６０１ａに、正の屈折力を持つ接眼レンズ６０２を有する接眼光学部６０３を具える頭部装着型画像表示装置６００を示したものである。導光部６０１は、偶数個(図６では２個)の反射面を有し、導光部６０１の一の面６０１ａに入射した画像光は、導光部６０１の一の面６０１ａと同じ面６０１ａから射出される。図中、実線および鎖線はそれぞれ移動前および移動後の構成および光路を表し、導光部６０１および接眼レンズ６０２を含む接眼光学部６０３を、固定された表示素子６０４に対して略平行に移動させている。
【００３１】
図６から明らかなように、この光学系は、倍率が−１倍のアフォーカル光学系として作用する。この場合、上述した例とは異なり、移動した接眼光学部と同様に虚像Ｘ’も同一平面内でその位置を変化させていることに留意が必要である。それ故に、図６に示すように、接眼レンズ６０２が射出する光束の装着者の瞳孔での移動量Ｌ２は、導光部６０１および接眼レンズ６０２の移動量Ｌ１よりも小さい。
【００３２】
図７は、図１に示した、本体部１１１と接眼光学部１１２とを連結する取付部１１３の構造を示す模式図であり、図７(ａ)は、図１において装着者と対面する側から見た正面図で、それぞれ移動前後の機構を示し、図７(ｂ)は、図１において装着者の頭部側から見た上面図であり、それぞれ移動前後の機構を示している。移動機構は、例えば取り付け部１１３に凹状のスライドガイド１１５を設け、そこへ、導光部１１２の光学面として作用しない面に設けられた凸状のスライドガイド１１６を係合させて移動させる構成とすることができる。このとき、表示素子１１４は移動しない。
【００３３】
図７に示す取付部１１３では、画像光の光軸と導光部１１２の入射面とが直交する場合を示したが、通常眼鏡レンズは湾曲しているため、移動により接眼光学部１１２と眼鏡レンズとが緩衝してしまうおそれがある。ところが、表示素子１１４はバックライト等の配置スペースや本体内への組み付けを考慮すると、略正面を向いているほうが好ましいため、表示素子１１４から接眼光学部１１２に入射する光軸を法線とする面に対して、傾いた方向に移動させることで、眼鏡レンズとの緩衝を避けて移動が可能である。そこで、図８に示す第３実施形態のように、接眼光学部１１２の本体部１１１からの角度を９０度を超える角度とすることで、眼鏡レンズへの緩衝を効果的に防止することができる。このとき、導光部と本体部との間には、角度を調節するためのプリズムを配設するのが好ましい。
【００３４】
図９は、本発明の第４実施形態であり、正の屈折力を持つ自由曲面プリズムからなる導光部９０１を具える頭部装着型画像表示装置９００を示したものである。導光部９０１は、奇数個(図９では５個)の反射面を有し、導光部９０１の一の面９０１ａに入射した画像光が、一の面９０１ａと同じ側の面９０１ｂから射出される場合の頭部装着型画像表示装置９００を示したものである。図中、実線および鎖線はそれぞれ移動前および移動後の構成および光路を表し、導光部９０１（接眼光学部９０３）を、固定された表示素子９０４に対して移動させている。
【００３５】
この構成においても、図９から明らかなように、図５に示した例と同様、導光部９０１の移動量Ｌ１よりも、導光部９０１が射出する光束の装着者の瞳孔での移動量Ｌ２は大きくなる。すなわち、僅かな機械的調整量で大きな眼幅調整効果を得ることができる。
【００３６】
図１０は、本発明に従う第５実施形態であり、頭部装着型画像表示装置１０１０を眼鏡１０２０に装着した状態を示す模式的平面図である。頭部装着型画像表示装置１０１０は、主として本体部１０１１、接眼光学部１０１２および取付部１０１３を具え、取付部１０１３は、図７に示したような移動機構を有する。本体部１０１１の内部には、表示素子１０１４およびこの表示素子１０１４にフレキシブルケーブルを介して接続される表示素子ドライブ回路１０１５、この表示素子ドライブ回路１０１５にケーブルを介して接続される映像信号発生器１０１６を有する。接眼光学部１０１２を構成するプリズムからなる導光部１０１７は、奇数個の反射面を有し、導光部１０１７の一の面１０１７ａに入射した画像光は、一の面１０１７ａから射出される。この実施形態において、表示素子１０１４から射出した画像光は、直角プリズム１０１８を介して導光部１０１７に入射し、導光される。これら表示素子１０１４および直角プリズム１０１８は本体１０１１内に固定される。
【００３７】
図１１は、本発明に従う第６実施形態であり、頭部装着型画像表示装置１１１０を眼鏡１１２０に装着した状態を示す模式的平面図である。頭部装着型画像表示装置１１１０は、主として本体部１１１１、接眼光学部１１１２および取付部１１１３を具え、取付部１１１３は、図７に示したような移動機構を有する。本体部１１１１の内部には、反射型ＬＣＤからなる表示素子１１１４およびこの表示素子１１１４にフレキシブルケーブル(図示せず)を介して接続される表示素子ドライブ回路および光源駆動回路１１１５、これら表示素子ドライブ回路および光源駆動回路１１１５にケーブルを介して接続される映像信号発生器１１１６、表示素子１１１４の照明光源としてのＬＥＤ１１１９ａ、ＬＥＤ１１１９ａからの照明光をコリメートするボールレンズ１１１９ｂを有する。接眼光学部１１１２を構成するプリズムからなる導光部１１１７は、偶数個の反射面を有し、導光部１１１７の一の面１１１７ａに入射した画像光は、他の面１１１７ｃから射出される。この実施形態において、表示素子１１１４から射出した画像光は、偏光ビームスプリッタ１１１９ｃを介して導光される。なお、参照符号１１１９ｄで示されるのは、照明光の偏光ビームスプリッタ反射光を吸収し、フレアを軽減するための光トラップである。この場合も、接眼光学部１１１２以外の構成部品は本体１１１１内に固定される。
【００３８】
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、図１等には右目用の装置を示したが、左目用や両目用の構成とすることもできる。また、画像を背景が透けて見えるシースルー画像として観察させるため、図１２に示すように、先端部の幅Ｗが人間の通常環境における瞳孔径である４ｍｍよりも細い接眼光学部となるよう構成することもできる。さらに、本発明の移動機構についても、上述した実施形態に限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１１０  頭部装着型画像表示装置
１１１  本体部
１１２  接眼光学部
１１３  接続部
１２０  眼鏡
１３０  眼球
【図１】
0005485093.tif 000002
【図２】
0005485093.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0005485093.tif 000012
【図１２】
0005485093.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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