(57)【要約】      （修正有）【課題】ヘルメットの機能を損なうことなく、所望の位置に虚像を表示するヘルメットマウントディスプレイを提供する。【解決手段】ヘルメットマウントディスプレイ１０は、使用者の頭部に装着されるハウジング１１ａと、ハウジング１１ａに取り付けられ、透明部材から構成され、曲面形状を有するバイザー１１ｂとを備えるヘルメット１１と、ヘルメット１１の内側に配置され、バイザー１１ｂに画像を照射することで、虚像を表示させる表示装置１２と、ヘルメット１１に取り付けられ、表示装置１２を支持する駆動機構とを含む。駆動機構は、虚像が使用者の前方に表示されるように、表示装置１２の鉛直方向及び水平方向における位置を調整し、かつ表示装置１２の鉛直方向に対する傾きを調整する。【選択図】図１
2016071058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の頭部に装着されるハウジングと、前記ハウジングに取り付けられ、透明部材から構成され、曲面形状を有するバイザーとを備えるヘルメットと、
前記ヘルメットの内側に配置され、前記バイザーに画像を照射することで、虚像を表示させる表示装置と、
前記ヘルメットに取り付けられ、前記表示装置を支持する駆動機構と、
を具備し、
前記駆動機構は、前記虚像が前記使用者の前方に表示されるように、前記表示装置の鉛直方向及び水平方向における位置を調整し、かつ前記表示装置の鉛直方向に対する傾きを調整する
ことを特徴とするヘルメットマウントディスプレイ。
【請求項２】
前記バイザーの曲率半径Ｒとすると、前記表示装置は、位置Ｒ／２を通る鉛直線と前記バイザーとの間に配置される
ことを特徴とする請求項１に記載のヘルメットマウントディスプレイ。
【請求項３】
前記表示装置は、前記虚像が前記使用者の正面に表示されるように、前記位置及び前記傾きが決められる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘルメットマウントディスプレイ。
【請求項４】
前記表示装置は、液晶表示装置、又は有機ＥＬ表示装置である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のヘルメットマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘルメットの使用者に画像を表示するヘルメットマウントディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、宇宙服ヘルメット、潜水ヘルメット、バイクヘルメット、及びパイロットヘルメット等の種々のヘルメットにおいて、それ本来の機能の他に情報表示を行う機能が付加されたヘルメットマウントディスプレイが知られている（例えば、特許文献１及び２）。
【０００３】
例えば、表示装置をヘルメットに埋め込む場合、ヘルメットの構造が複雑になり、また、ヘルメットが壊れやすくなる。これにより、ヘルメットの安全性を損なう可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２９５２８５８号公報
【特許文献２】特許第４９２９７２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、ヘルメットの機能を損なうことなく、所望の位置に虚像を表示することが可能なヘルメットマウントディスプレイを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係るヘルメットマウントディスプレイは、使用者の頭部に装着されるハウジングと、前記ハウジングに取り付けられ、透明部材から構成され、曲面形状を有するバイザーとを備えるヘルメットと、前記ヘルメットの内側に配置され、前記バイザーに画像を照射することで、虚像を表示させる表示装置と、前記ヘルメットに取り付けられ、前記表示装置を支持する駆動機構とを具備する。前記駆動機構は、前記虚像が前記使用者の前方に表示されるように、前記表示装置の鉛直方向及び水平方向における位置を調整し、かつ前記表示装置の鉛直方向に対する傾きを調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ヘルメットの機能を損なうことなく、所望の位置に虚像を表示することが可能なヘルメットマウントディスプレイを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係るヘルメットマウントディスプレイの概略図。
【図２】ヘルメットマウントディスプレイが表示する虚像を説明する概略図。
【図３】ヘルメットマウントディスプレイのブロック図。
【図４】表示装置用の駆動機構の構成を示す上面図。
【図５】表示装置用の駆動機構の構成を示す側面図。
【図６】凹面鏡の光学原理を説明する模式図。
【図７】バイザーの光学原理を説明する模式図。
【図８】他の例に係るバイザーの光学原理を説明する模式図。
【図９】表示装置と虚像との位置関係を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態について図面を参照して説明する。ただし、図面は模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らないことに留意すべきである。また、図面の相互間で同じ部分を表す場合においても、互いの寸法の関係や比率が異なって表される場合もある。特に、以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
【００１０】
以下の実施形態では、宇宙服ヘルメットを利用したヘルメットマウントディスプレイを例に挙げて説明する。  
［１］ヘルメットマウントディスプレイの全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係るヘルメットマウントディスプレイ１０の概略図である。ヘルメットマウントディスプレイ１０は、ヘルメット１１と、ヘルメット１１に取り付けられた表示装置１２とを備える。
【００１１】
ヘルメット１１は、ハウジング（ヘルメット本体）１１ａと、ハウジング１１ａに取り付けられたバイザー１１ｂとを備える。ハウジング１１ａは、使用者の頭部を覆う形状を有し、使用者の頭部に装着される。なお、宇宙服ヘルメットのような密封性が要求されるヘルメット以外のヘルメットを使用する場合は、ハウジング１１ａは、図１のように使用者の頭部を全体的に覆う構造に限定されず、使用者の頭部の一部を覆う構造であってもよい。
【００１２】
バイザー１１ｂは、使用者の顔の前方に配置され、使用者の視界を確保すると共に、使用者の顔を保護する役割を有する。バイザー１１ｂは、前方に向かって凸の曲面形状を有し、反射率を有する透明部材（透過反射部材）から構成される。すなわち、バイザー１１ｂは、ヘルメット１１の外側から内側へ入射する外光を透過すると共に、表示装置１２から入射する画像（表示光）を使用者側に反射する。
【００１３】
表示装置１２は、ヘルメット１１の内側に配置され、後述する駆動機構を介して、ヘルメット１１（例えばハウジング１１ａ）の一部に取り付けられる。表示装置１２は、バイザー１１ｂに向けて画像を出射する。表示装置１２は、例えば液晶表示装置から構成される。液晶表示装置の構造及び液晶モードについては特に限定されず、様々な種類の液晶表示装置を用いることが可能である。
【００１４】
表示装置１２から出射された画像は、バイザー１１ｂによって使用者側に反射され、図２に示すように、使用者に虚像１３として視認される。使用者は、表示装置１２による虚像１３を、バイザー１１ｂを透過する背景に重畳して視認することができる。
【００１５】
次に、ヘルメットマウントディスプレイ１０のブロック構成について説明する。図３は、ヘルメットマウントディスプレイ１０のブロック図である。ヘルメットマウントディスプレイ１０は、表示装置１２、駆動機構２０、制御回路３０、電源回路３１、及び入力部３２を備える。
【００１６】
駆動機構２０は、ヘルメット１１に取り付けられると共に、表示装置１２を支持する。また、駆動機構２０は、制御回路３０からの信号に基づいて動作する。駆動機構２０は、虚像１３が使用者の前方に表示されるように、表示装置１２の鉛直方向及び水平方向における位置を調整し、かつ表示装置１２の鉛直方向に対する傾きを調整する。駆動機構２０の構成例については後述する。
【００１７】
電源回路３１は、外部から電源を受ける。電源回路３１は、外部からの電源を用いて、ヘルメットマウントディスプレイ１０の動作に必要な種々の電圧を生成し、ヘルメットマウントディスプレイ１０内の各モジュールに、対応する電圧を供給する。なお、電源回路３１は、外部から電源を受ける代わりに、バッテリーを備えていても良い。
【００１８】
入力部３２は、表示装置１２の位置及び傾きを調整するための情報を使用者から受ける機能を有する。入力部３２は、使用者が操作可能な任意の位置に配置される。
【００１９】
制御回路３０は、入力部３２から送られる信号に基づいて、駆動機構２０の動作を制御する。また、制御回路３０は、表示装置１２が画像を表示するための動作を制御する。
【００２０】
［２］表示装置１２用の駆動機構２０の構成
次に、表示装置１２用の駆動機構２０の構成例について説明する。表示装置１２は、駆動機構２０によってヘルメット１１に取り付けられる。図４は、表示装置１２用の駆動機構２０の構成を示す上面図である。図５は、表示装置１２用の駆動機構２０の構成を示す側面図である。なお、ヘルメット１１は、簡略化のために、球で示しているが、実際には、図１及び図２に示したような形状を有する。
【００２１】
駆動機構２０は、固定台２１ａ、２１ｂ、可動部２２ａ、２２ｂ、回転部２３ａ、２３ｂ、支持部材２４ａ、２４ｂ、及び回転部２５ａ、２５ｂを備える。可動部２２ａ、２２ｂ、回転部２３ａ、２３ｂ、及び回転部２５ａ、２５ｂは、制御回路３０からの信号に応じて駆動する。
【００２２】
固定台２１ａ、２１ｂは、ヘルメット１１の一部に固定される。可動部２２ａは、固定台２１ａに載置され、例えばレール（図示せず）を介して固定台２１ａ上を水平方向に移動する。可動部２２ｂは、可動部２２ａと同じ構成である。
【００２３】
可動部２２ａ、２２ｂにはそれぞれ、回転部２３ａ、２３ｂが取り付けられる。また、表示装置１２の両側には、回転部２５ａ、２５ｂが取り付けられる。棒状の支持部材２４ａは、回転部２３ａ及び回転部２５ａに取り付けられる。同様に、棒状の支持部材２４ｂは、回転部２３ｂ及び回転部２５ｂに取り付けられる。回転部２５ａ、２５ｂはそれぞれ、支持部材２４ａ、２４ｂを回転させる。回転部２５ａ、２５ｂは、表示装置１２を回転させる。
【００２４】
上記のように構成された駆動機構２０は、制御回路３０からの信号に応じて、表示装置１２の位置及び傾きを、使用者が望む状態に制御する。なお、駆動機構２０は、制御回路３０からの信号に基づいて、自動で表示装置１２の位置及び傾きを調整するよう構成される。しかし、これに限定されず、駆動機構２０は、物理的な機構を維持しつつ、使用者が手動で表示装置１２の位置及び傾きを調整するように構成しても良い。
【００２５】
［３］表示装置１２とバイザー１１ｂとの位置関係
次に、表示装置１２とバイザー１１ｂとの位置関係について説明する。
【００２６】
初めに、虚像を得るための凹面鏡の光学原理について説明する。図６は、凹面鏡の光学原理を説明する模式図である。図６の凹面鏡は、曲率半径Ｒ、焦点距離Ｒ／２である。図６において、凹面鏡の曲率中心Ｃ（０，０）、中心Ｃを通る水平軸と凹面鏡との交点Ｏ（Ｒ，０）、焦点Ｆ（Ｒ／２，０）、像Ａ（ｘ，ｙ）、虚像Ｂ（Ｘ，Ｙ）を表している。“ｘ”、“Ｘ”は、曲率中心Ｃからの水平方向の距離（ｘ座標）であり、“ｙ”、“Ｙ”は、曲率中心Ｃからの鉛直方向の距離（ｙ座標）である。
【００２７】
像Ａが水平距離において焦点Ｆより中心Ｃから離れる側（焦点Ｆを通る垂線より中心Ｃから離れる側）にある場合、その虚像Ｂは、（１）像Ａを通り水平線（Ｃ−Ｏ線に平行な線）と凹面鏡との交点Ｄと、焦点Ｆとを通る第１直線、（２）像Ａと中心Ｃとを通る第２直線とすると、これら第１及び第２直線の交わる位置になる。
【００２８】
虚像Ｂ（Ｘ，Ｙ）は、以下の式（１）、（２）で表される。
【数１】
2016071058.tif 000003
【００２９】
【数２】
2016071058.tif 000004
【００３０】
図６を踏まえて、本実施形態に係るバイザー１１ｂの光学原理を説明する。図７は、バイザー１１ｂの光学原理を説明する模式図である。図７は、使用者の正面に虚像１３を表示する例である。図７は、バイザー１１ｂの曲率円と、像を表示する表示装置１２との断面部分を示している。図７において、使用者の目（目点）Ｅであり、表示装置１２の断面（側面）における下端Ａ１（ｘ１，ｙ１）、上端Ａ２（ｘ２，ｙ２）であり、虚像１３の断面における下端Ｂ１（Ｘ１，Ｙ１）、上端Ｂ２（Ｘ２，Ｙ２）である。
【００３１】
図８は、他の例に係るバイザー１１ｂの光学原理を説明する模式図である。図８は、使用者の正面より下方に虚像１３を表示する例である。
【００３２】
以下に、所望の位置に虚像１３を得るための表示装置１２の位置の条件について説明する。虚像１３のＢ１（Ｘ１，Ｙ１）、Ｂ２（Ｘ２，Ｙ２）は、以下の式（３）〜（６）で表される。
【数３】
2016071058.tif 000005
【００３３】
【数４】
2016071058.tif 000006
【００３４】
【数５】
2016071058.tif 000007
【００３５】
【数６】
2016071058.tif 000008
【００３６】
式（３）〜（６）の逆変換から、表示装置１２の位置“Ａ１（ｘ１，ｙ１）−Ａ２（ｘ２，ｙ２）”を決定することができる。
【００３７】
図９は、表示装置１２と虚像１３との位置関係を説明する図である。図９には、側面から見たバイザー１１ｂの曲率円を示しており、また、簡略化のために曲率半径Ｒ＝１としている。図９の四角が表示装置１２の位置、図９の丸が虚像１３の位置である。図９の矢印は、表示装置１２の位置と虚像１３の位置との対応を示している。
【００３８】
図９から、所望の位置に虚像１３を得るための表示装置１２の位置“Ａ１（ｘ１，ｙ１）−Ａ２（ｘ２，ｙ２）”は、以下の式（７）、（８）を満たすように設定される。
【００３９】
ｘ２＋ｙ２＜Ｒ２                   ・・・（７）
Ｒ／２＜ｘ＜Ｒ                 ・・・（８）
表示装置１２の位置及び傾きは、図４及び図５に示した駆動機構２０によって調整される。
【００４０】
［４］効果
以上詳述したように本実施形態では、ヘルメットマウントディスプレイ１０は、透明部材から構成されかつ曲面形状を有するバイザー１１ｂを備えるヘルメット１１と、ヘルメット１１の内側に配置され、バイザー１１ｂに画像を照射することで、虚像を表示させる表示装置１２と、ヘルメット１１に取り付けられ、表示装置１２を支持する駆動機構２０とを備える。駆動機構２０は、虚像が使用者の前方に表示されるように、表示装置１２の鉛直方向及び水平方向における位置を自動調整し、かつ表示装置１２の鉛直方向に対する傾きを自動調整するように構成される。
【００４１】
従って本実施形態によれば、使用者の所望の位置に、バイザー１１ｂを介して虚像１３を表示させることができる。また、使用者が前方を見た状態で、背景に重畳して虚像１３を表示させることができる。これにより、使用者は、無理なく、虚像１３を視認することが可能となる。
【００４２】
また、ヘルメット１１自体の構造（特に安全上の構造）を変えることなく、使用者に虚像１３を表示させることができる。これにより、安全性（強度など）の高いヘルメットマウントディスプレイを実現できる。
【００４３】
なお、上記実施形態では、バイザー１１ｂを曲率円で図示している。しかし、バイザー１１ｂの全体が曲率円である必要はなく、バイザー１１ｂのうち、少なくとも使用者の目の前方領域（表示装置１２の画像が入射する領域）が曲率円であればよい。
【００４４】
また、表示装置１２として液晶表示装置を例に挙げて説明したが、これに限定されるのもではなく、有機ＥＬ（Electroluminescence）表示装置などを用いることも可能である。
【００４５】
また、上記実施形態では、宇宙服用のヘルメットマウントディスプレイを例に挙げて説明している。しかし、これに限定されるものではなく、使用者が前方の背景を視認できる透明部材（バイザー）を有する様々なヘルメット、例えば潜水ヘルメット、バイクヘルメット、及びパイロットヘルメット等を用いたヘルメットマウントディスプレイに適用可能である。
【００４６】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、１つの実施形態に開示される複数の構成要素の適宜な組み合わせ、若しくは異なる実施形態に開示される構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素が削除されても、発明が解決しようとする課題が解決でき、発明の効果が得られる場合には、これらの構成要素が削除された実施形態が発明として抽出されうる。
【符号の説明】
【００４７】
１０…ヘルメットマウントディスプレイ、１１…ヘルメット、１１ａ…ハウジング、１１ｂ…バイザー、１２…表示装置、１３…虚像、２０…駆動機構、２１…固定台、２２…可動部、２３…回転部、２４…支持部材、２５…回転部、３０…制御回路、３１…電源回路、３２…入力部。
【図３】
2016071058.tif 000009
【図４】
2016071058.tif 000010
【図５】
2016071058.tif 000011
【図６】
2016071058.tif 000012
【図７】
2016071058.tif 000013
【図８】
2016071058.tif 000014
【図９】
2016071058.tif 000015
【図１】
2016071058.tif 000016
【図２】
2016071058.tif 000017