(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示光の出射手段と、
観察者の前方に配置される光路変更手段と、
その画像表示光の出射手段と光路変更手段とを保持すると共に観察者の頭部にバンド状の部材により装着される保持手段とを備え、
観察者の前方に観察対象の虚像が形成されるように、その光路変更手段により画像表示光の光路を変更可能な頭部装着型表示装置において、
その画像表示光の出射手段と光路変更手段とが、その保持手段に球面に沿って一体的にピッチ方向、ロール方向、ヨー方向に運動可能に連結され、その球面の中心は、その光路変更手段よりも観察者に近接した位置であって、且つ、頭部の左右間に配置されることを特徴とする頭部装着型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示光の出射手段と、その画像表示光の光路変更手段とを備え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））に関する。
【０００２】
【従来の技術】
頭部装着型表示装置として、画像表示光の出射手段と、観察者の前方に配置される光路変更手段と、その画像表示光の出射手段と光路変更手段とを保持すると共に観察者の頭部に装着可能な保持手段とを備えるものが用いられている。その光路変更手段により画像表示光の光路を変更することで、観察者の前方に観察対象の虚像を形成している。
【０００３】
その観察対象の表示虚像が現れる方向は、観察者が見やすいように自由に変更できることが望まれる。特に、一方の眼でのみ表示虚像を視認する単眼視タイプの頭部装着型表示装置は、種々の作業や行動を行なう際の情報提示や画像表示に利用されるので、その作業や行動に支障のない方向に表示虚像を位置させることが望まれる。
【０００４】
従来の頭部装着型表示装置においては、両眼により表示虚像を視認する両眼視タイプでは、各眼の前方に配置される光路変更手段の両眼間距離を調整することで、その表示虚像の現れる方向を変更するのが一般的であった。また、単眼視タイプでは、画像表示光の出射手段と光路変更手段とから構成される表示ユニットの位置を、観察者の視野内で上下方向、あるいは左右方向に若干移動させることで、その表示虚像の現れる方向を変更していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の頭部装着型表示装置では、観察者の作業状態や好みに応じて表示虚像の現れる方向を任意に調節することができなかった。
【０００６】
そこで、その表示ユニットを観察者の視野範囲内で上下方向と左右方向の双方の方向に移動できるようにすることが考えられる。しかし、この場合は表示ユニットを保持手段に、上下方向に移動可能に連結する機構と、左右方向に移動可能に連結する機構とが必要であるため、連結構造が複雑になって重量が大きくなるという問題がある。
【０００７】
また、その表示ユニットをフレキシブルなアームを介して保持することも考えられる。しかし、この場合は観察者の顔面から遠くに離れた位置に表示ユニットの全重量が集中することになり、表示ユニットの重心が観察者の頭部から離れるため、重量バランスが悪くなって観察者に作用するモーメントが大きくなり、使い難くなるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決することのできる頭部装着型表示装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、画像表示光の出射手段と、観察者の前方に配置される光路変更手段と、その画像表示光の出射手段と光路変更手段とを保持すると共に観察者の頭部にバンド状の部材により装着される保持手段とを備え、観察者の前方に観察対象の虚像が形成されるように、その光路変更手段により画像表示光の光路を変更可能な頭部装着型表示装置において、その画像表示光の出射手段と光路変更手段とが、その保持手段に球面に沿って一体的にピッチ方向、ロール方向、ヨー方向に運動可能に連結され、その球面の中心は、その光路変更手段よりも観察者に近接した位置に配置されることを特徴とする。
【００１０】
本発明の構成によれば、その画像表示光の出射手段と光路変更手段とを、その光路変更手段よりも観察者に近接した位置を中心として、保持手段に対して球面に沿って一体的に運動させることで、その光路変更手段を球面に沿って変位させることができる。これにより、その虚像の観察者に対する方向を自由に変更できる。しかも、その画像表示光の出射手段と光路変更手段の保持手段への連結は、球面に沿う運動を可能にするだけでよいので、連結構造が簡単になって軽量化を図ることができる。その球面の中心が、その光路変更手段よりも観察者に近接した位置に配置されることで、その一体化された画像表示光出射手段と光路変更手段の重心を光路変更手段よりも観察者に近接させることができ、重量バランスをよくして観察者に作用するモーメントを小さくし、装置を使い易くすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１２】
図１に示す頭部装着型表示装置１は、表示ユニット２と、この表示ユニット２の保持部３とを備える。
【００１３】
その表示ユニット２は、ハウジング５と、このハウジング５に内蔵される画像表示器６と、この画像表示器６が出射する画像表示光の光路を変更するコンバイナ７とを有する。
【００１４】
その保持部３は、観察者の頭部に取り外し可能に装着されるもので、頭頂部に嵌め合わされるＵ字形バンド状の第１部材３ａと、後頭部に嵌め合わされるＵ字形バンド状の第２部材３ｂと、頭部の両側面に位置してそれぞれ第１部材３ａの端部と第２部材３ｂの端部とに接続される一対の第３部材３ｃと、その第１部材３ａの両端部から前方に延びるアームの先端に取り付けられて頭頂部側面に押し当てられる一対の上部パッド３ｄと、各第３部材３ｃから下方に延びるアームの先端に取り付けられて頸部側面に押し当てられる一対の下部パッド３ｅと、一方の第３部材３ｃから前方に延びる支持アーム３ｆとを有する。この保持部３は、観察者の頭部に直接取り付けてもよいし、作業帽やヘルメット等の上から取り付けてもよい。図２の（１）、（２）は観察者Ａに頭部装着型表示装置１を取り付けた状態を示す。
【００１５】
図３に示すように、上記画像表示器６は、反射鏡付のハロゲンランプ、メタルハライドランプ、冷陰極管等により構成されるバックライト１４と、このバックライト１４の調光用電圧調整器１５と、そのバックライト１４の熱を吸収する熱吸収フィルタ１６と、液晶パネル１７と、そのバックライト１４の光のむらを均一にして液晶パネル１７に導く散乱板１８とを有する。その液晶パネル１７における画像形成部が画像表示光出射面とされる。
【００１６】
この画像表示器６は、ケーブル等を介して表示信号の処理部に接続される。その信号処理部は、保持部３に設けられてもよいし、観察者Ａから離れた位置に設けられてもよく、制御回路２１と表示回路２２とを有する。その制御回路２１は、通信インターフェイス２３、中央処理装置２４、メモリ２５、画像コントローラ２６および画像メモリ２７により構成され、その通信インターフェイス２３にモデム２８を介して有線や無線により表示信号発生部３０に接続される。その表示信号発生部３０は、例えばコンピュータにより構成される。その中央処理装置２４は、メモリ２５に記憶されたプログラムに従い画像の表示制御を行なう。その画像コントローラ２６は中央処理装置２４の制御により、信号発生部３０から送られる画像信号の画像メモリ２７への書き込みと読み出しを行なう。その表示回路２２は、制御回路２１から送られる画像信号を液晶パネル１７の駆動用信号に変換する画像出力インターフェイス３１と、その駆動用信号により液晶パネル１７を駆動するドライバ３２とにより構成される。
【００１７】
図１に示すように、その画像表示器６を内蔵するハウジング５に、前方に延びるアーム５ａが一体化され、そのアーム５ａの前端に上記コンバイナ７が取り付けられる。これにより、そのコンバイナ７は液晶パネル１７に対向するように配置される。なお、本実施形態では、そのコンバイナ７はアーム５ａに図１において矢印で示すように縦軸中心に回転可能にヒンジを介して取り付けられる。
【００１８】
そのコンバイナ７が観察者Ａの前方に配置されるように、その保持部３の支持アーム３ｆに表示ユニット２が連結される。図３に示すように、そのコンバイナ７は、その画像表示器６から出射される画像表示光Ｌの光路を変更して観察者Ａの瞳１３に導き、これにより、観察者Ａの前方に観察対象の虚像を形成する。また、そのコンバイナ７の前方からの光がコンバイナ７を透過して観察者Ａの瞳１３に至ることで、観察者Ａは虚像と前方の実在物の双方を視認できる。そのコンバイナ７は、例えば、その画像表示光Ｌの光路を反射により変更するハーフミラーや、回折に変更するホログラム素子により構成できる。そのコンバイナ７の光路変更面は、フラット面である場合よりも、観察対象の虚像の結像位置を観察者Ａの前遠方にする曲面とされているのが好ましい。
【００１９】
図４、図５に示すように、その表示ユニット２は連結機構５０を介して保持部３の支持アーム３ｆに連結されている。その連結機構５０は、その支持アーム３ｆの先端に一体化されている受け部材５２と、その表示ユニット２のハウジング５に一体化されている接合部材５３と、リテーナ５４とを有する。
【００２０】
その受け部材５２は、中央孔５２ａを有するリング状とされ、外周に上記支持アーム３ｆの先端が一体化されている。この受け部材５２の内径側の一側面は、球面の一部からなる受け部材側第１摺動面５２ｂとされている。その球面の中心は、観察者Ａの頭部の左右間に位置するものとされ、観察者Ａの一方の瞳１３に可及的に近接されるのが好ましい。また、その受け部材５２の内径側の他側面は、その球面と同心の球面の一部からなる受け部材側第２摺動面５２ｃとされている。
【００２１】
その接合部材５３は外周が円形で、ハウジング５にボルト等の固定手段により固定され、表面は前記球面と同心の球面の一部からなる接合部材側摺動面５３ａとされている。
その接合部材側摺動面５３ａ上に、円筒部５３ｂが形成されている。この円筒部５３ｂは、上記受け部材５２の中央孔５２ａよりも小径とされ、その軸心は前記球面の中心を通るものとされている。
【００２２】
その受け部材５２は接合部材５３にリテーナ５４を介して押し付けられる。
すなわち、そのリテーナ５４は外周が円形で、一側面が上記球面と同心の球面の一部からなるリテーナ側摺動面５４ａとされている。その受け部材５２の中央孔５２ａに、その接合部材５３の円筒部５３ｂが挿通され、その円筒部５３ｂの上面にリテーナ５４がネジ５８により固定される。
これにより、受け部材側第１摺動面５２ｂが接合部材側摺動面５３ａに押し付けられ、リテーナ側摺動面５４ａが受け部材側第２摺動面５２ｃに押し付けられ、その接合部材５３は受け部材５２に各摺動面５３ａ、５２ｂ、５２ｃ、５４ａを介して適度な摩擦力の作用下において相対的に球面運動が可能に取り付けられている。すなわち、画像表示器６とコンバイナ７とが、保持部３に球面に沿って一体的に運動可能に連結され、その球面の中心は、そのコンバイナ７よりも観察者に近接した位置に配置されている。これにより、その表示ユニット２を観察者Ａに対して、図４において矢印Ｐで示すように左右方向周りのピッチ方向と、矢印Ｒで示すように前後方向周りのロール方向と、矢印Ｙで示すように上下方向周りのヨー方向とに運動させ、コンバイナ７を球面に沿って変位させることができる。
【００２３】
上記頭部装着型表示装置１によれば、観察対象の虚像の観察者Ａに対する方向を自由に変更できる。例えば、図６の（１）、（２）は本発明の頭部装着型表示装置１による表示例を示す。図示の例では、倉庫５５から製品５６の出庫作業を行なう作業者が観察者として頭部装着型表示装置を装着し、その出庫対象の製品の配置情報を、右折を示す矢印からなる表示虚像５７により表示している。すなわち、図２の（１）に示すようにコンバイナ７を観察者Ａの一方の瞳１３の側に偏って配置した場合は、図６の（１）に示すように表示虚像５７は一方の瞳１３の側に偏って現れ、図２の（２）に示すようにコンバイナ７を観察者Ａの両方の瞳の間に配置した場合は、図６の（２）に示すように表示虚像５７は両方の瞳の間に現れる。また、表示ユニット２の保持部３への連結は、球面に沿う運動を可能にするだけでよいので、連結構造を簡単化して軽量化を図ることができる。また、その球面の中心がコンバイナ７よりも観察者Ａに近接した位置に配置されることで、その表示ユニット２の重心を光路変更手段よりも観察者に近接させることができ、重量バランスをよくして観察者Ａに作用するモーメントを小さくし、装置を使い易くすることができる。また、表示が不要な場合は、表示ユニット２をピッチ方向に回転させることで、コンバイナ７を観察者Ａの視野範囲の上方に変位させることができる。その球面の中心を観察者Ａの眼球位置近傍に配置することで、表示虚像が歪んだり、表示虚像が明瞭に視認できるアイポイントから外れるのを防止できる。また、観察者Ａとコンバイナ７とを離間できるので、観察者Ａが眼鏡を装着している場合でもアイポイントをずらすことなく容易に装着可能である。
【００２４】
なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記コンバイナ７に代えて画像表示光Ｌを全反射するミラーを用いてもよい。また、表示ユニット２を保持部３に連結する構造は、表示ユニット２が球面に沿って運動可能であれば特に限定されず、例えば球継手を介して連結してもよい。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の頭部装着型表示装置によれば、表示虚像の観察者に対する方向を自由に変更でき、しかも、構造が簡単になって軽量化を図ることができ、重量バランスをよくして使い易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の頭部装着型表示装置の斜視図
【図２】本発明の実施形態の頭部装着型表示装置の（１）はコンバイナを一方の瞳の側に偏って配置した場合の平面図、（２）はコンバイナを両方の瞳の間に配置した場合の平面図
【図３】本発明の実施形態の頭部装着型表示装置の構成説明図
【図４】本発明の実施形態の頭部装着型表示装置の要部の分解状態での斜視図
【図５】本発明の実施形態の頭部装着型表示装置の要部の断面図
【図６】本発明の実施形態の頭部装着型表示装置により視認される景色の（１）はコンバイナを一方の瞳の側に偏って配置した場合の説明図、（２）はコンバイナを両方の瞳の間に配置した場合の説明図
【符号の説明】
３  保持部
６  画像表示器
７  コンバイナ
Ａ  観察者
【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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【図６】
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