(57)【要約】【課題】大型化を抑制しつつ、使用者の視認する被写体と撮影する被写体とのずれの発生をできるだけ防止することのできる画像表示装置を提供する。【解決手段】カメラユニット５を、対物レンズ１７が前記フレーム２のうち第１の部位６におけるＸ軸方向の略中央位置、すなわち画像表示装置１の装着時に眉間の近傍位置に位置するように設置するとともに、被写体から出射される光線を前記屈曲光学系１６により下側（鼻側）に略９０°屈曲する（カメラユニット５を透明基板３に沿う状態で設置する）ように設置した。【選択図】図５
2007129550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頭部又は顔面に装着され、使用者が外界をシースルー可能な画像表示装置であって、
前記装着時に前記頭部又は顔面により支持される基体と、
当該画像表示装置に装着時に前記使用者の眼球位置の近傍に位置するように前記基体に取り付けられた画像を表示する表示ユニットと、
入射光を屈曲する屈曲光学系を含み、該屈曲光学系により導かれた被写体の光像を受光して光電変換動作を行う撮像ユニットとを備え、
前記撮像ユニットは、当該画像表示装置の装着時に前記両眼球の位置を結ぶ線分の略中央位置又はその近傍で被写体の光像を取り込むとともに、当該画像表示装置のうち前記中央位置に対して一方の眼球側に位置する部位と他方の眼球側に位置する部位との重量バランスをとるように設置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記表示ユニットは、両眼球に対応して備えられており、
前記撮像ユニットは、前記基体のうち前記中央位置に対応する部位に取り付けられ、且つ、前記屈曲光学系による屈曲後の光線の光軸が上方又は下方に向くように設置されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記表示ユニットは、一方の眼球に対応して備えられており、
前記撮像ユニットは、前記基体のうち前記中央位置に対応する部位に取り付けられ、且つ、前記屈曲光学系による屈曲後の光線の光軸が、前記中央位置に対して前記表示ユニットが設置されている側と反対側に向くように設置されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、頭部又は顔面に取り付けられ、使用者が外界をシースルー可能な画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば下記特許文献１に開示されているように、頭部又は顔面に取り付けられ、使用者が外界をシースルー可能な画像表示装置が知られている。下記特許文献１には、前頭部から左右側頭部にかけて巻回されるためのヘッドバンドと、該ヘッドバンドのうち前頭部（額部分）に取り付けられ、装着時に使用者の眼球の近傍位置に位置する、トーリック非球面又は自由曲面レンズで構成されたゴーグル部と、使用者の前方の被写体を撮影するためのカメラ部とを備えた頭部装着型ファインダ装置が開示されている。また、この特許文献１においては、前記カメラ部がヘッドバンドのうち一方の側頭部に対応する部位に取り付けられている。
【特許文献１】特開平９−５８３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記特許文献１では、前述のように、前記カメラ部がヘッドバンドのうち一方の側頭部に対応する部位に取り付けられているため、頭部装着型ファインダ装置の重量バランスが前記一方の側頭部側に偏り、安定した装着ができないことが考えられる。この場合、頭部装着型ファインダ装置の装着ずれにより、使用者の視線とカメラ部の光軸とのずれ（パララックス）が発生し、実際に使用者が視認した被写体と前記カメラ部で撮影した被写体とが大きく異なり、違和感のある画像が得られる虞がある。
【０００４】
そこで、ヘッドバンドのうち両眼球の位置の中央に相当する位置にカメラ部を設置することが考えられるが、従来のカメラ部は、該カメラ部への入射光方向に比較的長尺の構成を有しているため、このようなカメラ部を両眼球の位置の中央に相当する位置に設置すると、ヘッドバンドから前方に突出することにより、このカメラ部の存在によって視界が遮られたり、ヘッドバンドのうち一方の側頭部に対応する部位に沿って取り付ける構成に比して画像表示装置のコンパクト性が失われたりする等の問題が考えられる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、大型化を抑制しつつ、使用者の視認する被写体と撮影する被写体とのずれの発生をできるだけ防止することのできる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】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、頭部又は顔面に装着され、使用者が外界をシースルー可能な画像表示装置であって、前記装着時に前記頭部又は顔面により支持される基体と、当該画像表示装置に装着時に前記使用者の眼球位置の近傍に位置するように前記基体に取り付けられた画像を表示する表示ユニットと、入射光を屈曲する屈曲光学系を含み、該屈曲光学系により導かれた被写体の光像を受光して光電変換動作を行う撮像ユニットとを備え、前記撮像ユニットは、当該画像表示装置の装着時に前記両眼球の位置を結ぶ線分の略中央位置又はその近傍で被写体の光像を取り込むとともに、当該画像表示装置のうち前記中央位置に対して一方の眼球側に位置する部位と他方の眼球側に位置する部位との重量バランスをとるように設置されていることを特徴とするものである。
【０００７】
この発明によれば、撮像ユニットを、当該画像表示装置の装着時に前記両眼球の位置を結ぶ線分の略中央位置又はその近傍で被写体の光像を取り込むように設置したので、被写体光の眼球への入射位置とカメラ部への入射位置との位置ずれにより発生する、使用者の視線とカメラ部の光軸とのずれ（パララックス）をできるだけ抑制することができる。また、当該画像表示装置のうち前記中央位置に対して一方の眼球側に位置する部位と他方の眼球側に位置する部位との重量バランスをとるように設置したので、画像表示装置の重量のアンバランスに起因する装着ずれにより、使用者の視線とカメラ部の光軸とのずれが発生するのもできるだけ抑制することができる。
【０００８】
また、被写体光を屈曲する屈曲光学系を搭載したので、従来に比して、撮像ユニットが該撮像ユニットへの入射光方向に短尺化することができ、撮像ユニットを基体から大きく突出することなく設置することが可能となるため、画像表示装置の大型化を抑制することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記表示ユニットは、両眼球に対応して備えられており、前記撮像ユニットは、前記基体のうち前記中央位置に対応する部位に取り付けられ、且つ、前記屈曲光学系による屈曲後の光線の光軸が上方又は下方に向くように設置されていることを特徴とするものである。
【００１０】
この発明によれば、表示ユニットが両眼球に対応して備えられている場合、前記撮像ユニットを、前記基体のうち前記中央位置に対応する部位に取り付け、且つ、前記屈曲光学系による屈曲後の光線の光軸が上方又は下方に向くように設置すると、被写体光の眼球への入射位置とカメラ部への入射位置との位置ずれ、及び画像表示装置の重量のアンバランスに起因する装着ずれにより発生する、使用者の視線とカメラ部の光軸とのずれ（パララックス）をできるだけ抑制することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の画像表示装置において、前記表示ユニットは、一方の眼球に対応して備えられており、前記撮像ユニットは、前記基体のうち前記中央位置に対応する部位に取り付けられ、且つ、前記屈曲光学系による屈曲後の光線の光軸が、前記中央位置に対して前記表示ユニットが設置されている側と反対側に向くように設置されていることを特徴とするものである。
【００１２】
この発明によれば、表示ユニットが一方の眼球に対応して備えられている場合、撮像ユニットを、前記基体のうち前記中央位置に対応する部位に取り付け、且つ、前記屈曲光学系による屈曲後の光線の光軸が、前記中央位置に対して前記表示ユニットが設置されている側と反対側に向くように設置すると、被写体光の眼球への入射位置とカメラ部への入射位置との位置ずれ、及び画像表示装置の重量のアンバランスに起因する装着ずれにより発生する、使用者の視線とカメラ部の光軸とのずれ（パララックス）をできるだけ抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、大型化を抑制しつつ、使用者の視認する被写体と撮影する被写体とのずれの発生をできるだけ防止することのできる画像表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る画像表示装置の実施形態について説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る画像表示装置の第１の実施形態の構成を示す正面図、図２は、図１に対する平面図、図３は、透明基板の外観図である。なお、図１の左右方向をＸ軸、上下方向をＹ軸、紙面に直交する方向をＺ軸とする３次元座標系を設定するものとする。
【００１６】
図１，図２に示すように、画像表示装置１は、当該画像表示装置１の使用者の眼球の近傍位置に配置されて使用される頭部装着型表示装置（ヘッドマウンテッドディスプレイ（ＨＭＤ））であり、フレーム２と、透明基板３と、表示ユニット４と、カメラユニット５とを有して構成されている。
【００１７】
フレーム２は、平面視でＵ字形状を有する例えば合成樹脂で構成された部材である。フレーム２は、画像表示装置１の装着時に前頭部の近傍位置に位置する第１の部位６と、該第１の部位６に略直交し、画像表示装置１の装着時に側頭部に当接する第２、第３の部位７，８とを有し、後述する鼻当て９を介して頭部に支持されるようになっている。フレーム２は、前記基体の一例である。
【００１８】
透明基板３は、ガラスや透明樹脂等の透明部材からなる、Ｘ軸方向に比較的長尺で略平板状のプリズムであり、画像表示装置１の装着時に使用者の眼前位置に位置するように、前記フレーム２の第１の部位６に支持されている。図３に示すように、透明基板３の適所には、前記表示ユニット４の個数に対応して凹部３ａがＸ軸方向に並んで形成されており、この凹部３ａ内に表示ユニット４の後述するプリズム１４等が嵌め込まれている。
【００１９】
表示ユニット４は、カメラユニット５で撮影した画像（映像）を表示し眼球に提供するものである。図４は、図１の矢印Ａ−Ａ線からみたＹ−Ｚ平断面図であり、主に表示ユニット４の内部構成を示している。
【００２０】
図４に示すように、表示ユニット４は、カメラユニット５で撮影した画像や、外部の電子機器から送信される画像を使用者の眼球に提供するものであり、筐体部１０と、光源部（Light Emitting Diode）１１と、コリメータレンズ１２と、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）１３と、プリズム１４と、ＨＯＥ（Holographic Optical Element）１５とを有して構成されていて、光源部１１、コリメータレンズ１２、ＬＣＤ１３、プリズム１４及びＨＯＥ１５は、それぞれ左右両眼に対応して備えられている。各組における光源部１１、コリメータレンズ１２及びＬＣＤ１３は、Ｘ軸方向に長尺形状を有する１の筐体部１０に内蔵され、該筐体部１０がプリズム１４の上端部において上斜め前方（図４では右斜め上方向）に突出する態様で取り付けられている。
【００２１】
光源部１１は、所定波長色を含む白色発光ダイオード（ＬＥＤ）からなる点光源である。コリメータレンズ１２は、光源部１１の光をほぼ平行光にしてＬＣＤ１３に投光するものである。ＬＣＤ１３は、カメラユニット５の画像信号に基づき映像を生成する空間変調器であり、例えば透過型の液晶表示パネルである。
【００２２】
プリズム１４は、ガラスや透明樹脂等からなる略板状の透明部材であり、ＬＣＤ１３からの光を内部で複数回の反射を行わせるものである。プリズム１４の上端部は、ＬＣＤ１３からの光の大部分を内部に採光できるように、上方に向かってより肉厚となるように前面側が楔形状に形成された肉厚部１４ａが形成されている。
【００２３】
また、プリズム１４の下端部には、テーパ面２０ｂが形成されており、プリズム１４は、前述したように透明基板３に形成された凹部３ａ内に嵌め込まれ、且つ、プリズム１４の表裏面が透明基板３の表裏面に対して面一となるように、透明基板３に形成されたテーパ面３ｂに対しＨＯＥ１５を介して接合（例えば接着）されている。これにより、プリズム１４は、透明基板３と一枚の板状に一体化されている。
【００２４】
ＨＯＥ１５は、光学的に軸非対称な所謂自由曲面で構成されて正のパワーを有する体積位相型のホログラム光学素子であり、プリズム１４の下端部において所定の傾斜角を有して支持されている。ＨＯＥ１５は、プリズム１４により導光された光が照射されることにより、光の干渉現象を用いてホログラム映像を眼球に提供する。
【００２５】
以上のような構成を有する表示ユニット４においては、光源部１１から射出された光は、コリメータレンズ１２を通してＬＣＤ１３を照明し、この照明によりＬＣＤ１３で生成された被写体光は、プリズム１４内で複数回の全反射を行った後、ＨＯＥ１５により回折し虚像として使用者の眼球に導かれる。
【００２６】
さらに、プリズム１４は、前方から入射する光を使用者の眼球に導くようになっている。これにより、使用者は、外界（前方の被写体）をシースルー可能となり、カメラユニット５により撮影された画像（映像）を外界（前方の被写体）と重畳して視認することとなる。
【００２７】
なお、透明基板３に形成されたテーパ面３ｂは、プリズム１４のテーパ面１４ｂでの光の屈折をキャンセル（相殺）する、すなわち、テーパ面１４ｂにおけるプリズム効果により矢印Ｗ側からの光が上方に屈曲するのを防止するため、使用者は、プリズム１４、透明基板３及びＨＯＥ１５を通して、外界光を歪むことなく観察することができる。
【００２８】
図５は、図１の矢印Ｂ−Ｂ線からみたＹ−Ｚ平断面図であり、主にカメラユニット５の構成を模式的に示した図である。カメラユニット５は、前記撮像ユニットの一例である。
【００２９】
図５に示すように、カメラユニット５は、屈曲光学系１６と、該屈曲光学系１６により導かれた被写体の光像を撮像（光電変換）する撮像素子２０とを備える。屈曲光学系１６は、対物側から順に、対物レンズ１７、反射プリズム１８及びズームレンズ光学系１９を備えてなり、対物レンズ１７に入射された被写体からの光を反射プリズム１８により略９０°屈曲した上で撮像素子２０に導くものである。
【００３０】
すなわち、撮像素子２０は、その受光面が対物レンズ１７の光軸と直交するように設置されている。また、前記反射プリズム１８は、対物レンズ１７に平行な入射面１８ａ及び撮像素子２０の受光面に平行な射出面１８ｂを備えるとともに、前記入射面１８ａに直交して入射された光を前記射出面１８ｂに直交するように該射出面に向けて反射する反射面１８ｃを備える。これにより、対物レンズ１７に入射された被写体からの光が略９０°屈曲され、撮像素子２０の受光面に導かれる。なお、ズームレンズ光学系１９の変倍レンズ群及びフォーカスレンズ群は、図略のモータにより光軸方向に駆動可能に構成されており、変倍レンズ群が光軸方向に駆動されたときには表示倍率が変更され、フォーカスレンズ群が光軸方向に駆動されたときには焦点調節が行われる。
【００３１】
撮像素子２０は、前記屈曲光学系１６により結像された被写体光像の光量に応じて、Ｒ、Ｇ、Ｂ各成分の画像信号に光電変換するものである。撮像素子２０は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）が２次元的に配置されたエリアセンサの各ＣＣＤの表面に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルタが市松模様状に貼り付けられた、所謂ベイヤー方式と呼ばれる単板式カラーエリアセンサで構成されている。なお、撮像素子２０としては、ＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ、ＶＭＩＳイメージセンサ等が採用可能である。
【００３２】
このように、本実施形態における屈曲光学系１６は、前述のように入射光を屈曲しないで撮像素子２０に導く光学系に比して、被写体から出射される光線の方向に短尺（薄型）の形状を有している。
【００３３】
ところで、本実施形態の画像表示装置１は、カメラユニット５を除くと、図１に示すＢ−Ｂ線を境界として右側の部位と左側の部位とで重量が略同等となっている。したがって、カメラユニット５をフレーム２に取り付ける場合に、いずれか一方の部位に偏らせて取り付けるものとすると、該画像表示装置１の重量バランスが悪化して、画像表示装置１の装着ずれが発生し、これにより、使用者の視認する被写体と撮影する被写体とのずれの発生する虞がある。
【００３４】
そこで、本実施形態では、図５に示すように、カメラユニット５を、対物レンズ１７が前記フレーム２のうち第１の部位６におけるＸ軸方向の略中央位置、すなわち画像表示装置１の装着時に眉間の近傍位置に位置するように設置するとともに、被写体から出射される光線を前記屈曲光学系１６により下側（鼻側）に略９０°屈曲する（カメラユニット５を透明基板３に沿う状態で設置する）ように設置している。
【００３５】
これにより、カメラユニット５をフレーム２に取り付けても、画像表示装置１の重心位置が前述の第１の部位６におけるＸ軸方向の略中央位置にほぼ維持され、カメラユニット５を含む画像表示装置１全体の重量バランスが左右均等な状態を維持することができる。
【００３６】
その結果、画像表示装置１の装着ずれをできるだけ防止することができ、前記装着ずれに起因して生じる、使用者の視認する被写体と撮影する被写体とのずれを可及的に防止することができる。
【００３７】
また、対物レンズ１７を前記フレーム２のうち第１の部位６におけるＸ軸方向の略中央位置（画像表示装置１の装着時に眉間の近傍位置）させて、両眼球の位置を結ぶ線分Ｌ（図１参照）の略中心位置で被写体の光像を取り込むようにしたので、両眼球により観察される視界（被写体）と同様の撮影画像を得ることができる。
【００３８】
また、カメラユニット５を透明基板３に沿う状態で設置したので、カメラユニット５が透明基板３から突出した状態で設置される構成のように視界が遮られたり、画像表示装置１のコンパクト性が失われたりする等の問題を解消することができる。
【００３９】
（第２の実施形態）
図６は、本発明に係る画像表示装置の第２の実施形態の構成を示す正面図、図７は、図６に対する平面図である。前記第１の実施形態の画像表示装置１は、両方の眼球にそれぞれ画像を提供するように構成されていたのに対して、本実施形態の画像表示装置は、一方の眼球に対してのみ画像を提供する点、及びこの点に伴ってカメラユニットの配置態様が異なる点が主として異なるものであり、それ以外の点については前記第１の実施形態と略同様であるから、相違点についてのみ説明することとする。なお、前記第１の実施形態と略同様の部材・構成については同一の番号を付するものとする。
【００４０】
図６，図７に示すように、本実施形態の画像表示装置１’は、一方の眼球のみに対応して光源部１１、コリメータレンズ１２、ＬＣＤ１３、プリズム１４及びＨＯＥ１５が設けられている。これに伴って、透明基板３’は、図３に示す透明基板３に対して、一方（右側）の凹部３ａは形成されておらず、面一化された構成の部材とされている。
【００４１】
このように、本実施形態では、一方の眼球のみに対応してプリズム１４等が設置された構成であるため、図６に示すＣ−Ｃ線を境界として右側の部位と左側とで重量が均衡しておらず、前記プリズム１４等が設置された側（左側）の部位が反対側（右側）の部位に比して重くなっている。
【００４２】
そこで、本実施形態では、前記第１の実施形態と略同様の構成を有するカメラユニット５をフレーム２に取り付ける場合に、前記第１の実施形態と同様、カメラユニット５を、対物レンズ１７が前記フレーム２のうち第１の部位６におけるＸ軸方向の略中央位置、すなわち画像表示装置１の装着時に眉間の近傍位置に位置し、且つ、前記略中央位置から前記プリズム１４等が設置されている側と反対側（右側）に向けた状態で筐体部１０内に設置している。
【００４３】
これにより、カメラユニット５をフレーム２に取り付けることで、画像表示装置１の重心位置が前述の第１の部位６におけるＸ軸方向の略中央位置に設定され、カメラユニット５を含む画像表示装置１全体の重量バランスが左右均等な状態を確保することができる。
【００４４】
その結果、前記第１の実施形態と同様に、画像表示装置１の装着ずれをできるだけ防止することができ、前記装着ずれに起因して生じる、使用者の視認する被写体と撮影する被写体とのずれを可及的に防止することができる。
【００４５】
また、対物レンズ１７を前記フレーム２のうち第１の部位６におけるＸ軸方向の略中央位置（画像表示装置１の装着時に眉間の近傍位置）させて、両眼球の位置を結ぶ線分Ｌ（図６参照）の略中心位置で被写体の光像を取り込むようにしたので、両眼球により観察される視界（被写体）と同様の撮影画像を得ることができる。
【００４６】
また、カメラユニット５を筐体部１０内に設置したので、カメラユニット５が透明基板３から突出した状態で設置される構成のように視界が遮られたり、画像表示装置１のコンパクト性が失われたりする等の問題を解消することができる。
【００４７】
さらに、第１の実施形態の画像表示装置１に対して、一方の眼球に対応するプリズム１４等を省くことで生じた筐体部１０内のスペースにカメラユニット５を設置したので、筐体部１０外に設置する場合に比して画像表示装置１’の大型化を抑制することができる。
【００４８】
本件は、前記実施形態に加えて、あるいは前記実施形態に代えて次の形態［１］，［２］に説明する変形形態も含むものである。
【００４９】
［１］前記第１の実施形態では、カメラユニット５を、被写体から出射される光線を前記屈曲光学系１６により下側（鼻側）に略９０°屈曲する（カメラユニット５を透明基板３に沿う状態で設置する）ように設置したが、これに限らず、被写体から出射される光線を前記屈曲光学系１６により上側（額側）に略９０°屈曲するように設置しても、前記第１の実施形態と略同様の効果を得ることができる。
【００５０】
［２］図２や図７に示すように、フレーム２の第２、第３の部位７，８の適所に音出力部２１を設置するようにしてもよい。音出力部２１は、他の通信機器等から送出された音を外部に出力するものであり、画像表示装置１の装着時に使用者の耳の穴の近傍位置に設置される。これにより、例えば、表示ユニット４による画像表示と、該画像に関連する音声とを同期させた状態で使用者に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る画像表示装置の第１の実施形態の構成を示す正面図である。
【図２】図１に対する平面図である。
【図３】透明基板の外観図である。
【図４】図１の矢印Ａ−Ａ線からみたＹ−Ｚ平断面図であり、主に表示ユニットの内部構成を示した図である。
【図５】図１の矢印Ｂ−Ｂ線からみたＹ−Ｚ平断面図であり、主にカメラユニットの構成を模式的に示した図である。
【図６】本発明に係る画像表示装置の第２の実施形態の構成を示す正面図である。
【図７】図６に対する平面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１    画像表示装置
２    フレーム
３    透明基板
３ａ  凹部
４    表示ユニット
５    カメラユニット
６〜８  第１〜第３の部位
１０  筐体部
１１  光源部
１２  コリメータレンズ
１３  ＬＣＤ
１４  プリズム
１５  ＨＯＥ
１６  屈曲光学系
１７  対物レンズ
１８  反射プリズム
１９  ズームレンズ光学系
２０  撮像素子
【図１】
2007129550.tif 000003
【図２】
2007129550.tif 000004
【図３】
2007129550.tif 000005
【図４】
2007129550.tif 000006
【図５】
2007129550.tif 000007
【図６】
2007129550.tif 000008
【図７】
2007129550.tif 000009