(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
右眼用の映像を表示する右眼用映像表示素子と、左眼用の映像を表示する左眼用映像表示素子と、前記右眼用の映像を観察者眼球内に導くために右眼用の射出瞳を形成する右眼用接眼光学系と、前記左眼用の映像を観察者眼球内に導くために左眼用の射出瞳を形成する左眼用接眼光学系と、少なくとも前記右眼用接眼光学系の一部を挟んで前記右眼用の射出瞳面と略対向配置されたシースルー用の右眼用シャッター部材と、少なくとも前記左眼用接眼光学系の一部を挟んで前記左眼用の射出瞳面と略対向配置されたシースルー用の左眼用シャッター部材とを有し、
前記右眼用のシャッター部材の中心が、前記右眼用接眼光学系から射出され前記右眼用の射出瞳に到る光軸の延長線から右側へ変位するように設けられ、
前記左眼用のシャッター部材の中心が、前記左眼用接眼光学系から射出され前記左眼用の射出瞳に到る光軸の延長線から左側へ変位するように設けられた映像表示装置。
【請求項２】
両眼個々に外界を見る左右の開口部を持つシースルー機能付き頭部装着型映像表示装置において、装着者が顔の真正面を見た場合の左右の眼の視線に対して、それぞれ左右の前記開口部の中心がそれぞれ左側、右側に位置するように配置することにより、左眼のみ、右眼のみ、及び、両眼のシースルー観察エリアが存在するようにしたことを特徴とする映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、映像表示装置に関し、特に、観察者の頭部又は顔面に装着して大きな画角で電子像及び外界が観察できるシースルー型の頭部装着型ディスプレイ等の映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば液晶表示素子に表示された電子像と外界像を重ねて観測可能にした頭部装着型ディスプレイが提案されている（例えば、特開平３−１９１３８９号）。このような外界像が観察可能な（以下、シースルーと呼ぶ。）頭部装着型ディスプレイにおいて、液晶シャッター等を用いて左右独立の開口部から選択的にシースルーできるようにしたものも提案されている（特開平２−２８１８９１号、特願平４−３４６０８７号）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このようなシースルー可能な頭部装着型ディスプレイにおいて、外界の観察画角を向上させるには、開口部を大きくするか、開口位置を眼に近づけることが考えられる。しかし、開口部を大きくし、そこに設ける液晶シャッターを大きくすると、装置全体が大きくなり、また、重量が増加してしまい、ポータブルな頭部装着型ディスプレイには望ましくない。また、開口部と眼の間には、表示映像観察のための光学系と外界像とを重ね合わせる光学系が存在するために、装着者の眼を開口部に近づけるのには限度がある。
【０００４】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来と同一形状のシャッターを用いて、外界シースルー画角を広げるようにした頭部装着型ディスプレイ等の映像表示装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の映像表示装置は、右眼用の映像を表示する右眼用映像表示素子と、左眼用の映像を表示する左眼用映像表示素子と、前記右眼用の映像を観察者眼球内に導くために右眼用の射出瞳を形成する右眼用接眼光学系と、前記左眼用の映像を観察者眼球内に導くために左眼用の射出瞳を形成する左眼用接眼光学系と、少なくとも前記右眼用接眼光学系の一部を挟んで前記右眼用の射出瞳面と略対向配置されたシースルー用の右眼用シャッター部材と、少なくとも前記左眼用接眼光学系の一部を挟んで前記左眼用の射出瞳面と略対向配置されたシースルー用の左眼用シャッター部材とを有し、
前記右眼用のシャッター部材の中心が、前記右眼用接眼光学系から射出され前記右眼用の射出瞳に到る光軸の延長線から右側へ変位するように設けられ、
前記左眼用のシャッター部材の中心が、前記左眼用接眼光学系から射出され前記左眼用の射出瞳に到る光軸の延長線から左側へ変位するように設けられたものである。
【０００７】
もう１つの本発明の映像表示装置は、両眼個々に外界を見る左右の開口部を持つシースルー機能付き頭部装着型映像表示装置において、装着者が顔の真正面を見た場合の左右の眼の視線に対して、それぞれ左右の前記開口部の中心がそれぞれ左側、右側に位置するように配置することにより、左眼のみ、右眼のみ、及び、両眼のシースルー観察エリアが存在するようにしたことを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】
本発明においては、左右の眼用にそれぞれ別の接眼光学系を有する従来のシースルー型の映像表示装置において、両眼の観察エリアがほぼ同じであったものを、開口部の位置を装着者の眼に対して左右で異なるように配置し、左右眼での観察エリアを異なるようにすることにより、開口部の大きさが従来のものと同じままで、両眼でのシースルー画角が広がるものである。
【０００９】
【実施例】
以下、本発明による映像表示装置の実施例について説明する。
本発明の映像表示装置の原理は、従来のシースルー型の頭部装着型ディスプレイにおいては、両眼の観察エリアがほぼ同じであったものを、開口部の位置を装着者の眼に対して左右で異なるように配置し、左右眼での観察エリアを異なるようにすることにより、開口部の大きさが従来のものと同じままで、両眼でのシースルー画角を広げるるようにするものである。
【００１０】
図１の模式図を参照にして、本発明の実施例１の頭部装着型ディスプレイ（以下、ＨＭＤ）を説明する。同図（ｂ）には、従来のＨＭＤの概略の構成を示す。ＨＭＤ本体６は装着者の左右の眼１Ａ、１Ｂに対応した２次元表示素子を含む接眼光学系１０Ａ、１０Ｂを有しており、その前方に液晶シャッター５Ａ、５Ｂが配置され、液晶シャッター５Ａ、５Ｂの中心軸と左右の眼１Ａ、１Ｂの視線１１Ａ、１１Ｂが一致している（視線のみを図示）。この場合の両眼１Ａ、１Ｂでのシースルーの画角は、図示しているθ8 となっている。図示のθ5 、θ6 は、眼１Ａ、１Ｂの左右片眼でのシースルー画角を、θ7 は、両眼視可能なシースルー画角を示している。また、左眼１Ａのみのシースルー観察エリアを７Ｂ、立体視可能なシースルー観察エリアを８Ｂ、右眼１Ｂのみのシースルー観察エリアを９Ｂとして示してある。この場合、図では異なるように見えるが、実際には、θ5 、θ6 、θ7 、θ8 はほぼ同じであり、両眼ではほぼ同じ外界エリアをシースルーで見ている状態となる。
【００１１】
図１（ａ）に本発明によるＨＭＤの概略の構成を示す。ＨＭＤ本体６は装着者の左右の眼１Ａ、１Ｂに対応した２次元表示素子を含む接眼光学系１０Ａ、１０Ｂを有しており、その前方のシースルーのための開口部である２つの液晶シャッター５Ａ、５Ｂが、各々左右外側にずらして配置してある。同図では、左右の眼１Ａ、１Ｂの視線を１１Ａ、１１Ｂで、液晶シャッター５Ａ、５Ｂの法線方向の中心軸を１５Ａ、１５Ｂで図示してある。眼１Ａ、１Ｂの左右片眼でのシースルー画角θ1 、θ2 は、従来の画角θ5 、θ6 とほぼ同じである。しかしながら、両眼立体視可能なシースルー画角θ3 は、従来のθ7 に比べて小さくなる。したがって、これにより両眼でのシースルー画角θ4 は従来のθ8 より大きくなる。そのため、ＨＭＤの開口部である液晶シャッター５Ａ、５Ｂの大きさを変えることなく、両眼での可能なシースルー画角を広げることが可能となる。なお、図１（ａ）には、左眼１Ａのみのシースルー観察エリアを７Ａ、立体視可能なシースルー観察エリアを８Ａ、右眼１Ｂのみのシースルー観察エリアを９Ａとして示してある。
【００１２】
この実施例において、両眼１Ａ、１Ｂで可能なシースルー画角は下記の式より概略算出できる。
（両眼シースルー画角θ4 ）
＝（左眼シースルー画角θ1 ）＋（右眼シースルー画角θ2 ）−（立体視可能なシースルー画角θ3 ）
ここで用いる液晶シャッター５Ａ、５Ｂの形状は、平板状、曲面状等と限定されるものでなく、その他種々の形状のものが利用できる。
【００１３】
次に、実施例２を図２を参照して説明する。図２には、左眼部の構成のみを示すが、右眼用は図２と線対称な形になり、基本的には、実施例１と同様である。図２（ｂ）は視線を１１Ａと液晶シャッター５Ａの中心軸１５Ａが一致する従来の配置であり、図２（ａ）は本発明に基づく配置で、液晶シャッター５Ａを外側へθ9 だけ回転させて配置するものである。左眼１Ａのシースルー画角θ1 、θ5 はほぼ同じであるが、シースルー画角θ1 のエリアは左側に約θ9 回転している。これと同様に、図示していない右眼部の液晶シャッター５Ｂを右方向にθ9 回転させて配置する。このように配置すると、立体視可能なシースルー領域が減少するものの、両眼でのシースルー画角は、液晶シャッター５Ａ、５Ｂの大きさを変えることなく拡大できる。右眼１Ｂでのシースルー画角を左眼１Ａと同じθ1 とした場合での両眼でのシースルー画角θ4 は下式で概略算出できる。
【００１４】
θ4 ＝θ1 ＋２×θ9 
実施例１の場合、液晶シャッター５Ａ、５Ｂの外側部において、液晶シャッター５Ａ、５Ｂの法線方向と視線がなす角が大きくなることにより、透過性能、遮光性能の低下を招く恐れがあるが、本実施例では、液晶シャッター５Ａ、５Ｂの法線方向と視線がなす角の変化があまりないので、上記のような問題が起こることもない。
【００１５】
以上の実施例の説明においては、接眼光学系１０Ａ、１０Ｂについては、外界像と電子像を重ねて観測可能にする従来公知の種々の接眼光学系を用いることができるが、そのいくつかの例を以下に説明する。
図３に、１つのＨＭＤの平面図を示すように、左右の液晶表示素子等の２次元表示素子４Ａ、４Ｂによって表示された電子像の光をレンズ系３Ａ、３Ｂを経て偏心配置の凹面ハーフミラー２Ａ、２Ｂにより反射させて使用者頭部の左右の眼１Ａ、１Ｂへ導くと共に、外界像の光を凹面ハーフミラー２Ａ、２Ｂを通して眼１Ａ、１Ｂへ導いて、両者を合成して表示する。この２次元表示素子４Ａ、レンズ系３Ａ、凹面ハーフミラー２Ａ、及び、２次元表示素子４Ｂ、レンズ系３Ｂ、凹面ハーフミラー２Ｂの組が、本発明における左右の接眼光学系１０Ａ及び１０Ｂとして用いることができる。この場合、２次元表示素子４Ａ、４Ｂの表示を切って外界像のみを観察するか、又は、凹面ハーフミラー２Ａ、２Ｂの前方に配置した液晶シャッター５Ａ、５Ｂによって外界光を遮断して電子像を選択的に表示する。このように、液晶シャッター５Ａ、５Ｂは、外界を観察するときは透過状態にし、電子像を観察するときは遮光状態にする。
【００１６】
図４に、別のＨＭＤの左眼部の垂直断面図を示すが、右眼部も同様の構成を有する。この場合、左の２次元表示素子４Ａによって表示された電子像の光は、左眼１Ａの直前に斜めに配置されたハーフミラー１２Ａを透過して、ハーフミラー１２Ａを挟んで２次元表示素子４Ａに対向して配置された凹面鏡１３Ａに入射し、そこで反射され、今度はハーフミラー１２Ａで反射されて左眼１Ａへ導かれると共に、外界像の光は、ハーフミラー１２Ａを通して眼１Ａへ導かれ、両者を合成して表示する。この２次元表示素子４Ａ、凹面鏡１３Ａ、ハーフミラー１２Ａの組、及び、図示していない同様の２次元表示素子４Ｂ、凹面鏡１３Ｂ、ハーフミラー１２Ｂの組も、本発明における左右の接眼光学系１０Ａ及び１０Ｂとして用いることができる。この場合も、２次元表示素子４Ａ、４Ｂの表示を切って外界像のみを観察するか、又は、ハーフミラー１２Ａ、１２Ｂの前方に配置した液晶シャッター５Ａ、５Ｂによって外界光を遮断して電子像を選択的に表示する。
【００１７】
なお、本発明によるＨＭＤは、上記に例示したような左右の対の接眼光学系１０Ａ、１０Ｂとシャッター５Ａ、５Ｂ（液晶シャッターに限定されず、電気光学的、磁気光学的、機械的な種々のシャッターが使用可能である。）とを備えたＨＭＤ本体６を、例えば図５に示すように、ヘッドバンド等の支持部材１６を用いて観察者の顔面に装着するようにする。
【００１８】
以上、本発明に映像表示装置をＨＭＤを例にあげていくつかの実施例について説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。例えば、接眼光学系として、図３、図４のもの以外に、眼の直前に斜めにハーフミラーを配置して２次元表示素子からの光を視線前方へ反射させ、ハーフミラーの前方に配置された凹面ハーフミラーで眼の方向へ拡大反射させる接眼光学系等を用いることもできる。
【００１９】
なお、上記した本発明の映像表示装置は、下記のように構成することができる。
（１）右眼用の映像を表示する右眼用映像表示素子と、左眼用の映像を表示する左眼用映像表示素子と、前記右眼用の映像を観察者眼球内に導くために右眼用の射出瞳を形成する右眼用接眼光学系と、前記左眼用の映像を観察者眼球内に導くために左眼用の射出瞳を形成する左眼用接眼光学系と、少なくとも前記右眼用接眼光学系の一部を挟んで前記右眼用の射出瞳面と略対向配置された右眼用シャッター部材と、少なくとも前記左眼用接眼光学系の一部を挟んで前記左眼用の射出瞳面と略対向配置された左眼用シャッター部材とを有し、前記右眼用のシャッター部材の中心が、前記右眼用接眼光学系から射出され前記右眼用の射出瞳に到る光軸の延長線から変位するように設けられ、前記左眼用のシャッター部材の中心が、前記左眼用接眼光学系から射出され前記左眼用の射出瞳に到る光軸の延長線から変位するように設けられた映像表示装置。
【００２０】
（２）右眼用の映像を表示する右眼用映像表示素子と、左眼用の映像を表示する左眼用映像表示素子と、前記右眼用の映像を観察者眼球内に導くために右眼用の射出瞳を形成する右眼用接眼光学系と、前記左眼用の映像を観察者眼球内に導くために左眼用の射出瞳を形成する左眼用接眼光学系と、少なくとも前記右眼用接眼光学系の一部を挟んで前記右眼用の射出瞳面と略対向配置された右眼用シャッター部材と、少なくとも前記左眼用接眼光学系の一部を挟んで前記左眼用の射出瞳面と略対向配置された左眼用シャッター部材と、前記右眼用接眼光学系を介した光束が前記右眼用の射出瞳に射出されるように設けられた右眼用射出開口と、前記左眼用接眼光学系を介した光束が前記左眼用の射出瞳に射出されるように設けられた左眼用射出開口とを有し、前記右眼用シャッター部材の中心と前記右眼用射出開口の中心とを結ぶ線分が、前記左眼用シャッター部材の中心と前記左眼用射出開口の中心とを結ぶ線分と交差するように設けられた映像表示装置。
【００２１】
（３）両眼個々に外界を見る開口部を持つシースルー機能付き頭部装着型映像表示装置において、装着者が顔の真正面を見た場合の視線に対して、前記開口部を非対称に配置することにより、左眼のみ、右眼のみ、及び、両眼のシースルー観察エリアが存在するようにしたことを特徴とする映像表示装置。
【００２２】
（４）片眼でのシースルー観察エリアの中、両眼でシースルー観察できるエリアが３／４以下であることを特徴とする上記（１）、（２）又は（３）の映像表示装置。
【００２３】
（５）開口部に液晶シャッターを用いたことを特徴とする上記（１）、（２）又は（３）の映像表示装置。
【００２４】
（６）開口部を装着者の視線に対して垂直方向にずらして配置したことを特徴とする上記（１）、（２）又は（３）の映像表示装置。
【００２５】
（７）開口部の法線を装着者の視線と角度をなすように配置したことを特徴とする上記（１）、（２）又は（３）の映像表示装置。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の映像表示装置によると、左右の眼用にそれぞれ別の接眼光学系を有する従来のシースルー型の映像表示装置において、両眼の観察エリアがほぼ同じであったものを、開口部の位置を装着者の眼に対して左右で異なるように配置し、左右眼での観察エリアを異なるようにすることにより、開口部の大きさが従来のものと同じままで、左右同一のシャッターを用いて両眼でのシースルー画角を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の頭部装着型ディスプレイを従来のものと対比して示す模式図である。
【図２】実施例２の要部を示す図１と同様な模式図である。
【図３】本発明において使用可能な接眼光学系を備えた頭部装着型ディスプレイの平面図である。
【図４】本発明において使用可能な別の接眼光学系を備えた頭部装着型ディスプレイの左眼部の垂直断面図である。
【図５】本発明による頭部装着型ディスプレイを装着した様子を示す斜視図である。
【符号の説明】
１Ａ…左眼
１Ｂ…右眼
２Ａ、２Ｂ…凹面ハーフミラー
３Ａ、３Ｂ…レンズ系
４Ａ、４Ｂ…２次元表示素子
５Ａ…左眼用液晶シャッター
５Ｂ…右眼用液晶シャッター
６…ＨＭＤ本体
７Ａ、７Ｂ…左眼のみのシースルー観察エリア
８Ａ、８Ｂ…立体視可能なシースルー観察エリア
９Ａ、９Ｂ…右眼のみのシースルー観察エリア
１０Ａ…左眼用接眼光学系
１０Ｂ…右眼用接眼光学系
１１Ａ…左眼視線
１１Ｂ…右眼視線
１２Ａ、１２Ｂ…ハーフミラー
１３Ａ、１３Ｂ…凹面鏡
１５Ａ…左眼用液晶シャッターの法線方向の中心軸
１５Ｂ…右眼用液晶シャッターの法線方向の中心軸
１６…支持部材（ヘッドバンド）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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