(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用者の頭部に装着される頭部装着型表示装置であって、
画像表示手段と、
前記画像表示手段に形成された画像の拡大された虚像が前記使用者の左右の眼のいずれかによって観察されるように前記画像を表す第１の光を屈折させる拡大光学手段と、
前記虚像を表す前記第１の光を、背景からの第２の光と共に前記使用者の眼に入射させることによって、前記虚像と前記背景とを合成する画像合成手段と、
前記画像表示手段と前記拡大光学手段と前記画像合成手段とのうちの少なくとも２つを移動させることによって、前記虚像と前記背景の合成された画像を使用者の一方の眼に視認させる第１の状態と他方の眼に視認させる第２の状態とを切り換えるための切換手段と、
を備え、
前記画像表示手段は、前記使用者の両眼の略中央に位置決めし得るように前記頭部装着型表示装置の左右方向の略中心に配置されており、
前記頭部装着型表示装置は、さらに、
前記画像表示手段から出射された前記第１の光を偏向して前記拡大光学手段に入射させる偏向手段を備え、
前記切換手段は、前記拡大光学手段と前記画像合成手段とを前記第１と第２の状態に応じた位置に移動させると共に、該移動に伴って前記偏向手段による偏向方向を前記拡大光学手段と前記画像合成手段の位置に応じた方向になるように前記偏向手段の形態を変更する形態変更手段を備える、
頭部装着型表示装置。
【請求項２】
使用者の頭部に装着される頭部装着型表示装置であって、
画像表示手段と、
前記画像表示手段に形成された画像の拡大された虚像が前記使用者の左右の眼のいずれかによって観察されるように前記画像を表す第１の光を屈折させる拡大光学手段と、
前記虚像を表す前記第１の光を、背景からの第２の光と共に前記使用者の眼に入射させることによって、前記虚像と前記背景とを合成する画像合成手段と、
前記画像表示手段と前記拡大光学手段と前記画像合成手段とのうちの少なくとも２つを移動させることによって、前記虚像と前記背景の合成された画像を使用者の一方の眼に視認させる第１の状態と他方の眼に視認させる第２の状態とを切り換えるための切換手段と、
を備え、
前記画像表示手段は、前記使用者の両眼の略中央に位置決めし得るように前記頭部装着型表示装置の左右方向の略中心に配置されており、
前記頭部装着型表示装置は、さらに、
前記画像表示手段から出射された前記第１の光を、前記第１と第２の状態における前記拡大光学手段の位置に向けてそれぞれ反射するための固定された第１と第２の反射面を含む反射手段を備え、
前記切換手段は、前記拡大光学手段と前記画像合成手段とを前記第１と第２の状態のそれぞれに応じた位置に移動させると共に、該移動に伴って前記第１の光が前記第１と第２の反射面のそれぞれで反射されるように前記画像表示手段からの前記第１の光の出射方向を変更する出射方向変更手段を備える、
頭部装着型表示装置。
【請求項３】
使用者の頭部に装着される頭部装着型表示装置であって、
画像表示手段と、
前記画像表示手段に形成された画像の拡大された虚像が前記使用者の左右の眼のいずれかによって観察されるように前記画像を表す第１の光を屈折させる拡大光学手段と、
前記虚像を表す前記第１の光を、背景からの第２の光と共に前記使用者の眼に入射させることによって、前記虚像と前記背景とを合成する画像合成手段と、
前記画像表示手段と前記拡大光学手段と前記画像合成手段とのうちの少なくとも２つを移動させることによって、前記虚像と前記背景の合成された画像を使用者の一方の眼に視認させる第１の状態と他方の眼に視認させる第２の状態とを切り換えるための切換手段と、
前記虚像を視認しない眼の前方に配置可能な半透光性部材と、
を備え、
前記切換手段は、前記半透光性部材を前記拡大光学手段とは逆方向に移動させる手段を備える、
頭部装着型表示装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、画像表示手段によって形成した画像を虚像拡大し、使用者の左右いずれか一方の眼に画像を呈示する単眼用の頭部装着型表示装置（以下、「ＨＭＤ」と称する）に関する。
背景技術
単眼用ＨＭＤは、画像表示手段で表示されたディスプレイ画像と、背景の画像とを同時に視認する必要性から提案されている。このような単眼用ＨＭＤは、コンピュータのディスプレイデバイスや、手作業の補助のためのインストラクション表示ディスプレイデバイスとしての用途への期待が高まっている。
このような単眼用ＨＭＤとしては、例えば特開平２−６３３７９号公報に記載されているものが知られている。また、いわゆるシースルータイプの単眼用ＨＭＤとしては特開平３−１８９６７７号公報に記載されたものが知られている。
特開平３−１８９６７７号公報に記載されたシースルータイプの単眼用ＨＭＤは、使用者の顔面の側方に設けられた光学系から出射された画像光と、背景から入射する光とを、顔面前方に設けられたコンバイナによって合成し、背景画像とディスプレイ画像とを重畳している。この単眼用ＨＭＤでは、ディスプレイ画像を視認する眼は左右どちらか一方に固定されている。
通常の人間では、両眼の一方がより視認しやすい優位眼であることが多く、優位眼の画像視認への寄与率は各人様々である。また、ＨＭＤの使用状況や使用者の体調等によって、ディスプレイ画像を視認しやすい眼が変化する場合も考えられる。さらに、一方の眼に視覚不良のある人が、ＨＭＤを使用することも十分考えられる。従って、単眼型ＨＭＤでディスプレイ画像を視認するための眼が左右の一方に固定されているのは不便である。
本発明は上述の課題を解決するためのものであり、その目的とするところは、背景画像とディスプレイ画像との合成画像を視認することでき、かつ、ディスプレイ画像を視認する眼を使用者が容易に選択可能な単眼用ＨＭＤを提供することにある。
発明の開示
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、この発明の頭部装着型表示装置は、画像表示手段と、拡大光学手段と、画像合成手段と、切換手段とを備えている。拡大光学手段は、例えばレンズや凹面鏡で実現され、前記画像表示手段に形成された画像の拡大された虚像が前記使用者の左右の眼のいずれかによって観察されるように前記画像を表す第１の光を屈折させる。画像合成手段は、例えばハーフミラーや偏光ビームスプリッタで実現され、前記虚像を表す前記第１の光を、背景からの第２の光と共に前記使用者の眼に入射させることによって、前記虚像と前記背景とを合成する。切換手段は、前記画像表示手段と前記拡大光学手段と前記画像合成手段とのうちの少なくとも２つを移動させることによって、前記虚像と前記背景の合成された画像を使用者の一方の眼に視認させる第１の状態と他方の眼に視認させる第２の状態とを切り換える。
好ましい実施例において、前記画像表示手段から出射された前記第１の光が、前記使用者の眼に到達する前に前記拡大光学手段と前記画像合成手段とをこの順に経由するように前記拡大光学手段と前記画像合成手段とが配置されている。この場合には、拡大光学手段としては例えばレンズが使用される。
他の好ましい実施例においては、前記画像表示手段から出射された前記第１の光が、前記使用者の眼に到達する前に前記画像合成手段と前記拡大光学手段とをこの順に少なくとも１回経由するように前記画像合成手段と前記拡大光学手段とが配置されている。この場合には、拡大光学手段としては例えば凹面ハーフミラーや凹面ミラーが使用される。
本発明の頭部装着型表示装置によれば、使用者の左右のいずれかの眼で背景画像とディスプレイ画像との合成画像を視認することできる。また、切換手段によってディスプレイ画像と背景の合成画像を視認する眼を容易に切り換えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の第１実施例のＨＭＤの光学系の構成図。
図２は、第１実施例のＨＭＤの外観図。
図３は、本発明の第２実施例の光学系の構成図。
図４は、第２実施例のＨＭＤの外観図。
図５は、本発明の第３実施例の光学系の構成図。
図６は、第３実施例の形態変更機構の構成図。
図７は、第３実施例における画像の形成形態の説明図。
図８は、本発明の第４実施例の光学系の構成図。
図９は、第４実施例の形態変更機構の構成図。
図１０は、本発明の第５実施例の光学系の構成図。
図１１は、第５実施例における画像の形成状態の説明図。
図１２は、本発明の第６実施例の外観図。
図１３は、本発明の第７実施例の光学系の構成図。
図１４は、本発明の第８実施例の光学系の構成図。
図１５は、本発明の第９実施例の光学系の構成図。
図１６は、本発明の第１０実施例の光学系の構成図。
図１７は、本発明の第１１実施例の光学系の構成図。
図１８は、本発明の第１２実施例の光学系の構成図。
図１９は、本発明の第１３実施例の光学系の構成図。
図２０は、本発明の第１４実施例の外観図。
図２１は、本発明の第１４実施例に使用される可変透過率半透板とその制御回路の回路図。
発明を実施するための最良の形態
Ａ．第１実施例
以下に、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳述する。
図１（ａ）は、本発明の第１実施例としての頭部装着型表示装置（ＨＭＤ）の光学系の側面図、図１（ｂ）はその正面図である。また、図２は、図１の光学系を有するＨＭＤの外観図であり、説明のために一部断面で示してある。
図１（ａ）に示す光学ユニット１は、使用者の左右のいずれの眼の前方にも配置可能である。この光学ユニット１は、透過型の液晶パネル２と、バックライト３と、反射ミラー４と、凸レンズ５と、これらの各要素を収納するケース６とを備えている。液晶パネル２とバックライト３は、図示しない外部の駆動回路から供給される画像信号に応じて画像を表示する画像表示手段としての機能を有する。また、レンズ５は、液晶パネル２に表示されたディスプレイ画像を虚像拡大して使用者の眼にそのディスプレイ画像を表す光線を入射させる拡大光学手段としての機能を有する。
液晶パネル２及びバックライト３は、液晶パネル２の画像形成面の法線がほぼ水平方向を向くように、ケース６内で立設されている。反射ミラー４は、液晶パネル２の画像形成面の法線に対して略４５°傾斜して配置されており、液晶パネル２から出射された画像光Ｌ１を鉛直下向きに反射する。また、レンズ５は、液晶パネル２の画像形成面の法線に対してレンズ５の光軸が直交するように配置されている。ケース６の下面には、画像光Ｌ１が通過するための開口７が形成され、この開口７にはレンズ５の光軸に対して略４５°傾斜してハーフミラー８が配置されている。
ハーフミラー８の上端は、図２に示す本体ケース１４に固定されている。ハーフミラー８の透過率および反射率は、任意に設定することが可能であり、例えば透過率５０％、反射率５０％に設定することができる。また、ハーフミラー８のサイズは、使用者の左右の眼における虚像視野を包含する大きさである。ここで、虚像視野は、眼から虚像を視認する際の視角で定義される。ハーフミラー８の中央には、使用者の鼻を回避するための凹部９が設けられている。なお、光学ユニット１と、ハーフミラー８と、不図示の回路等が収納された本体ケース１４とは、装着具１６によって使用者の頭部に固定される。
図１（ａ）に示すように、液晶パネル２によって形成されたディスプレイ画像は後方よりバックライト３によって照射され、この結果、画像光Ｌ１（第１の光）が液晶パネル２から出射する。この画像光Ｌ１は、反射ミラー４によって約９０度偏向された後に、レンズ５によって屈折され、さらにハーフミラー８の透過／反射特性に応じた割合で反射されて使用者の眼１０内で結像する。液晶パネル２の画像形成面は、レンズ５の物体側焦点よりもレンズ５に近い位置に存在し、また、レンズ５の像側焦点の近傍に眼１０が存在する。従って、ディスプレイ画像はレンズ５の結像作用によって虚像拡大される。すなわち、使用者は、眼１０と光学ユニット１とが形成する光軸１１の延長線上に、液晶パネル２によって形成されたディスプレイ画像の拡大された虚像を視認することができる。
ハーフミラー８は、画像光Ｌ１の一部を反射するとともに、背景から入射する光Ｌ２の一部を透過して使用者の両眼に入射させる。すなわち、ハーフミラー８は、液晶パネル２に表示された画像を表す第１の光Ｌ１を、背景からの第２の光Ｌ２と合成して使用者の眼に入射する画像合成手段として機能する。この結果、使用者は、背景画像とディスプレイ画像とが合成された合成画像を視認する。前述したように、ハーフミラー８はその端面で本体ケースに固定されているため、上方に配置されている本体ケース１４以外に使用者の背景視野を遮る物は存在しない。従って、このＨＭＤでは、背景視野を最大限確保することが可能である。また、左右の眼には、同じハーフミラー８を透過した背景の光Ｌ２が入射するため、その明るさは左右ほぼ等しい。従って、使用者は自然に背景画像を視認することができる。
以上の説明からも解るように、この明細書における「単眼用」という言葉は、ディスプレイ画像が一方の眼で視認されることを意味しており、ＨＭＤの光学系の一部（例えばハーフミラー８）が両眼の視野を包含する場合にも「単眼用」のＨＭＤである。
図１（ａ）に示すように、第１実施例の光学ユニット１は、反射ミラー４の背面側に中空の軸受け１２を有している。この軸受け１２は、その内面が雌ねじ構造に形成されており、図２に示す本体ケース１４内の軸１３に螺合している。この軸１３は、本体ケース１４を左右に貫通する長さを有しており、その両端は、本体ケース１４によって空転可能に保持されている。また本体ケース１４の両側に突出した軸１３の両端には、一対のノブ１５が嵌合されている。この軸受け１２と軸１３とノブ１５は、光学ユニット１の位置を左右の眼の前に移動させる切換手段としての機能を有する。すなわち、使用者が左右のいずれかのノブ１５を手で回転させると、軸１３が本体ケース１４に対して空転し、これに応じて光学ユニット１が右または左に移動する。なお、光学ユニット１には、軸１３の回転と共に光学ユニット１が回転しないように、不図示の回転止めが設けられている。すなわち、使用者がノブ１５を操作すると、光学ユニット１が使用者の略眼幅方向に移動し、これによって、図１（ｂ）に示すような使用者の左眼に虚像が視認される第一の状態と、使用者の右眼に虚像が視認される第二の状態との間で、切り換えが可能である。また、光学ユニット１は、略眼幅方向の任意の位置に移動可能なので、使用者の実際の眼幅に応じた位置調整を行うことが可能である。
以上のように、第１実施例によるシースルータイプのＨＭＤによれば、使用者の眼と背景画像との間にハーフミラー８が介在するだけなので、背景画像が光学的にほとんど影響を受けることなく使用者に視認される。その際、上方に配置された本体ケース１４以外には、使用者の背景視野を遮る物は存在しないため、背景視野を最大限確保することが可能である。また、使用者がＨＭＤを頭部に装着した状態で、虚像を視認する眼を左右いずれか一方から選択できるため、個人使用の場合はもとより、複数人で共用する場合においても、その使用状況や使用者の体調等に合わせて、使用者が虚像を視認する眼を簡単に切り換えることができる。また、シースルータイプであるため、背景のほとんどの画像を両眼で視認可能である。さらに、単眼でディスプレイ画像を視認する構成であるため、使用者の融像努力なしに、意識の切り換えのみによってディスプレイ画像を容易に視認することが可能である。
なお、ＨＭＤと眼鏡との併用を考慮すると、図１（ａ）におけるレンズ５と眼１０との距離は、６０ｍｍ程度が好ましい。このような条件でディスプレイ画像を虚像拡大するためには、液晶パネル２とレンズ５との距離をできるだけ長くすることが好ましい。このような要求と、装置の小型化の要求とを満足するために、第１実施例では反射ミラー４によって光路を一回折り曲げている。しかし、液晶パネル２からハーフミラー８までの各要素の位置は第１実施例のものに限らず、種々の変形が可能である。例えば、反射ミラー４を省略し、液晶パネル２をレンズ５の上方に下向きで配置することも可能である。なお、図１（ａ）のように、ＨＭＤの前面側に液晶パネル２を配置した場合には、例えばバックライト３を省略し、ケース６の液晶パネル２の背面側の部分に新たな開口を設けることによって、この開口からの外光を液晶パネル２の照明光として利用することも可能である。
また、軸受け１２と軸１３とノブ１５とで構成される切換手段に関しても、第１実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。以下の他の実施例でも説明するように、虚像を視認する眼を切り換えるための切換手段としては、画像表示手段（例えば液晶パネル２）と、拡大光学手段（例えばレンズ５）と、画像合成手段（例えばハーフミラー８）のうちの少なくとも２つを移動させるような種々の機構を考えることができる。
上記の構成に加えて、液晶パネル２またはレンズ５をその光軸方向に移動させることによって液晶パネル２とレンズ５の相対距離を調整できる調整機構を付加することも可能である。このような調整機構によれば、使用者の視覚能力に適合するように液晶パネル２とレンズ５の相対距離を調整できるので、虚像をより容易に視認することができるという利点がある。
Ｂ．第２実施例
図３（ａ）は、本発明の第２実施例としてのＨＭＤの光学系の側面図、図３（ｂ）はその正面図である。なお、本実施例を含め以下の各実施例において、第１実施例と同一あるいは同様の要素には同一の符合を付けて説明を省略する。
図３（ａ）の光学ユニット１７は、使用者の左右いずれの眼前にも配置可能である。図３（ｂ）の例では左眼の前に光学ユニット１７が配置されている。図３（ａ）に示すように、この光学ユニット１７は、液晶パネル２と、バックライト３と、反射ミラー４と、レンズ５と、ハーフミラー１８と、これらの各要素を収納するケース１９とを備えている。液晶パネル２と、バックライト３と、反射ミラー４と、レンズ５と、ハーフミラー１８との位置関係は、第１実施例と同じである。ハーフミラー１８の透過／反射特性も、第１実施例のハーフミラー８と同じである。但し、図３（ｂ）に示すように、ハーフミラー１８のサイズは、使用者の片眼の虚像視野を包含する大きさである。
図３（ａ）に示すように、ケース１９の側断面は台形状の形状を有しており、使用者の眼１０に対面する垂直面には開口２０が設けられている。また、ハーフミラー１８が配置されるケース１９の斜面には、開口２１が設けられている。すなわち、第２実施例においては第１実施例と異なり、ハーフミラー１８が他の光学要素とともに光学ユニット１７内に収納されている。この光学ユニット１７は、図２に示した第１実施例と同様の構造により、本体ケース１４に係合されている。
図４は、第２実施例のＨＭＤの外観図である。図２に示す第１実施例との違いは、単眼用のハーフミラー１８が光学ユニット１７と一体化されている点だけである。
図３（ａ）に示すように、光学ユニット１７が配置された眼１０には、液晶パネル２から出射された画像光Ｌ１と、背景光Ｌ２とが合成されて入射する。この際、背景光Ｌ２の一部はハーフミラー１８で反射されるので、その一部のみが眼１０に入射する。一方、図３（ｂ）に示すように、光学ユニット１７が配置されない方の眼の前方には、ハーフミラー１８も存在しない。すなわち、虚像を視認しない眼には、背景光Ｌ２が全く減光されずに入射する。従って、第２実施例のＨＭＤでは、左右の眼で視認される背景画像の明るさがかなり異なる。一般に、左右の視野の明るさの差が７０％以上になると視野闘争状態となり、いずれの画像も見にくくなると言われている。一方、左右の視野の明るさが３０％以内の差であれば、長時間観察の場合でも安定した見え方ができると言われている。そこで、第２実施例においては、ハーフミラー１８の透過／反射特性を適度に調整しておくことによって、左右の視野の明るさの差が約３０％以下になるようにすれば、比較的容易に背景視認が可能である。具体的には、ハーフミラー１８の反射率を約３０％、透過率を約７０％にすれば、背景画像の左右眼での明るさの差を約３０％にすることが可能である。但し、過度に透過率を高くすると、画像光Ｌ１が反射されなくなる。従って、ディスプレイ画像を明るくするという点からは反射率をなるべく高くすることが好ましい。
虚像を視認する眼を切り換えるための切換手段は、第１実施例と同様の構成であり、その違いは、第１実施例ではハーフミラー８が常に固定状態にあったのに対し、第２実施例ではハーフミラー１８も光学ユニット１７として一体化されており、他の光学要素と共に左右に移動する点である。しかし、切換手段の作用は第１実施例と全く同じである。すなわち、左右いずれかのノブ１５を回転すると、光学ユニット１７が使用者の略眼幅方向に移動し、図３（ｂ）に示すような使用者の左眼に虚像が視認される第一の状態と、使用者の右眼に虚像が視認される第二の状態との間で切り換えが可能である。また、第２実施例によれば、液晶パネル２と、レンズ５と、ハーフミラー１８とが一体として移動するので、これらの３つの光学要素の位置関係が常に一定に保たれる。この結果、これらの光学要素によって構成される光学系の性能がより安定しているという利点がある。従って、この光学系と使用者の眼との位置合わせに対する制約がより少なく、その自由度が大きい。さらに、ハーフミラー１８が必要最低限の大きさで光学ユニット１７に一体化されているため、装置本体を小型化できると共に、ハーフミラー１８が破損する可能性も低いという利点がある。
Ｃ．第３実施例
図５（ａ）は、本発明の第３実施例としてのＨＭＤの光学系の側面図であり、図５（ｂ）は使用者の左眼に虚像を視認させる第一の状態を表す正面図、図５（ｃ）は虚像を視認する眼の切り換え機構の説明図、図５（ｄ）は使用者の右眼に虚像を視認させる第二の状態を表す正面図である。
図５（ａ）に示すように、この光学系では、液晶パネル２の下方に、反射ユニット５０と光学ユニット２８とが配置されている。
光学ユニット２８は、レンズ２６と、ハーフミラー１８と、これらを収納するケース２７とを備えている。図５（ａ）に示すように、ケース２７の側断面は略台形状の形状を有しており、使用者の眼１０と対面する垂直面には開口２９が設けられている。また、ハーフミラー１８が配置されるケース２７の斜面には、もう一つの開口３０が設けられている。
図５（ｂ）に示すように、反射ユニット５０は、略平行に配置された２枚の反射ミラー２３，２４と、反射ミラー２３，２４を連結するための２つのリンク部材２５ａ，２５ｂとを備えている。リンク部材２５ａ，２５ｂは、２枚の反射ミラー２３，２４の上端同士および下端同士をそれぞれ連結して略平行四辺形を形成している。従って、反射ユニット５０の平行四辺形が変形しても、２枚の反射ミラー２３，２４は略平行に保たれる。図５（ｂ）に示す第一の状態と、図５（ｄ）に示す第二の状態のそれぞれでは、２枚の反射ミラー２３，２４は液晶パネル２の表示面の法線に対して略４５度傾斜する。
図５（ｂ）のように、使用者の左目で虚像を視認する場合には、液晶パネル２からの画像光Ｌ１が第１の反射ミラー２３で反射された後に、第２の反射ミラー２４で反射される。一方、図５（ｄ）のように、使用者の右目で虚像を視認する場合には、液晶パネル２からの画像光Ｌ１が第２の反射ミラー２４で反射された後に、第１の反射ミラー２３で反射される。これらの２枚の反射ミラー２３，２４で偏向された画像光Ｌ１は、その下方の光学ユニット２８に入射する。このように、反射ユニット５０は、画像光Ｌ１を反射する反射手段、または、画像光Ｌ１を偏向する偏向手段としての機能を有する。
図６は、光学ユニット２８の移動に伴って反射ユニット５０の形態を変更する形態変更機構の一例を示す説明図である。光学ユニット２８の背面には、２つのピン５１ａ，５１ｂが形成されている。また、第２のリンク部材２５ｂの下端には、２つの係合部５２ａ，５２ｂを有しており、これらの係合部５２ａ，５２ｂは、それぞれ鉛直方向に伸びた２つの長穴を有している。光学ユニット２８の２つのピン５１ａ，５１ｂは、リンク部材２５ｂの２つの係合部５２ａ，５２ｂの長穴を貫通し、本体ケース１４（図２）に設けられた溝５３に摺動自在に嵌合している。２枚の反射ミラー２３，２４の中央には、ピン５５ａ，５５ｂがそれぞれ設けられている。これらのピン５５ａ，５５ｂは、本体ケース１４に形成された溝５４に摺動自在に嵌合している。なお、図６においては、図示の便宜上、溝５３，５４に斜線を付して他の構成要素と区別している。
使用者は、反射ユニット５０と光学ユニット２８とを水平方向に移動させることによって、図５（ｂ）に示す第一の状態と図５（ｄ）に示す第二の状態とを切り換えることができる。なお、図５（ｂ），（ｄ）を比較すれば解るように、液晶パネル２とバックライト３は、常に装置の左右方向の中心線２２上において下向きに配置されており、虚像を視認する眼の切り換え操作の際にも移動しない。
図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示す第一の状態から図５（ｄ）に示す第二の状態に移行する途中の状態を示している。図５（ｂ）の状態では、反射ユニット５０の形態変更機構は図６に示す位置にある。図６の状態から光学ユニット２８に対して矢印Ａの方向に力を作用させると、光学ユニット２８は溝５３（図６）に沿って右目方向（図６では左方向）に移動し、これに応じて反射ユニット５０も溝５４に沿って移動する。この際、反射ユニット５０は、図５（ｂ）とほぼ同じ平行四辺形形状を保ったままで、光学ユニット２８とともに移動する。そして、反射ミラー２３のほぼ中央に設けられたピン５５ａ（図６）が溝５４の端部に達すると、これ以降は２つのピン５５ａ，５５ｂがその位置に保持されたままで反射ユニット５０の平行四辺形が変形してゆき、図５（ｃ）の状態を経由して図５（ｄ）の状態まで変形する。こうして光学ユニット２８が右目の前方の位置まで移動すると、図５（ｄ）に示す第二の状態になる。なお、虚像を視認する眼を右眼から左眼に切り換える時は、上記とは逆の操作及び移動が行われる。
なお、図５（ｂ）に示す第一の状態と図５（ｄ）に示す第二の状態において、反射ユニット５０と光学ユニット２８は、例えば係合ピンと係合穴の組合せのような、周知の機械的な位置決め機構で固定される。
反射ユニット５０の構造や、その形態を変更する機構としては、上述以外の種々のものが考えられる。例えば、上端のリンク部材２５ａと液晶パネル２とが常に対面した状態を保ち、かつ、下端のリンク部材２５ｂとレンズ２６とが常に対面した状態を保つように、反射ユニット５０の形態を変更させることも可能である。すなわち、反射ユニット５０の途中の形状や動作は重要ではなく、図５（ｂ），（ｄ）に示す２つの状態が実現されればよい。
図７は、図５（ｂ）、（ｄ）に示す第一と第二の状態において、いずれも同じ方向の虚像を視認できることを示すための説明図である。図７（ａ）は虚像を使用者の左眼に視認させる第一の状態を示し、また、図７（ｂ）は虚像を使用者の右眼に視認させる第二の状態を示す。両図の各光学要素の近傍に描かれている矢印は、液晶パネル２の画像形成面の第１の座標軸と等価な第１の方向６１を示しており、○中に×の印は画像形成面の第２の座標軸と等価な第２の方向６２を示している。なお、第２の方向６２は、紙面の手前から奥に向いている。ハーフミラー１８には、これらの方向６１，６２を示す矢印がそれぞれ描かれている。図７（ａ），（ｂ）より明らかなように、液晶パネル２上で形成された画像はそれぞれ３回の反射作用を受けた後に、左右どちらの眼に対しても同じ方向の画像として視認される。従って、虚像を視認する眼の切り換えの際に、画像の表示方向に関する電気的な切り換えは一切不要である。
以上説明したように、第３実施例によれば、液晶パネル２とバックライト３とを同じ位置に固定したままで、虚像を視認する眼の切り換えを行うことができる。液晶パネル２とバックライト３は駆動回路と電気的に接続されているので、電気的な信頼性の観点からは、液晶パネル２とバックライト３を移動させないことが好ましい。換言すれば、第３実施例では、虚像を視認する眼を切り換える際の電気的な信頼性が高いということができる。
なお、第３実施例では液晶パネル２の位置を固定したので、使用者の眼幅に応じて光学ユニット２８の水平方向の位置を調整すると、液晶パネル２とレンズ２６との相対距離が変わる。この結果、使用者の目から虚像までの距離が種々変化する。これを防止するために、光学ユニット２８の移動に応じて液晶パネル２またはレンズ２６を光軸に沿って移動し、これによって使用者の眼から虚像までの距離が一定に保たれるような構成を採用してもよい。あるいは、左右の眼の前方における光学ユニット２８の位置は一定に保ち、レンズ２６の射出瞳を拡大することによって個人間の眼幅の変動を呼吸するようにすることも可能である。
Ｄ．第４実施例
図８（ａ）は、本発明の第４実施例としてのＨＭＤの光学系の側面図である。また、図８（ｂ）は第４実施例において虚像を使用者の左眼に視認させる第一の状態を表す正面図、図８（ｃ）は虚像を使用者の右眼に視認させる第二の状態を表す正面図である。
図８（ａ）に示す光学系は、図５（ａ）に示す第３実施例の反射ユニット５０を他の反射ユニット７０で置き換えた構成を有している。図８（ｂ），（ｃ）に示されているように、この反射ユニット７０は、３枚の反射ミラー３１〜３３を備えている。第１の反射ミラー３１は、左右の中心線２２上に配置されている。第２と第３の反射ミラー３２，３３は、左右の眼の前方やや上方に相当する位置において、中心線２２に対して互いに対称に配置されている。また、第２と第３の反射ミラー３２，３３は、鉛直方向に対して約４５度傾いた状態で固定されている。
第１の反射ミラー３１は、中心線２２上に配置された回転軸を中心として、図８（ｂ）中の矢印Ｃまたは図８（ｃ）中の矢印Ｄの方向に回転可能であり、これによって図８（ｂ），（ｃ）の２つの状態を切り換えられる。図８（ｂ）に示す第一の状態では、第１の反射ミラー３１は画像光Ｌ１を第２の反射ミラー３２の方向に反射し、第２の反射ミラー３２で反射された光が光学ユニット２８に入射する。一方、図８（ｃ）に示す第二の状態では、第１の反射ミラー３１は画像光Ｌ１を反射ミラー３３の方向に反射し、第３の反射ミラー３３で反射された光が光学ユニット２８に入射する。なお、第１の反射ミラー３１の表面と裏面とをいずれも反射面にしたり、あるいは、反射ミラー３１の回転方向を逆にしておけば、図８（ｂ）と図８（ｃ）との状態を切り換えるための反射ミラー３１の回転角度は９０度で済む。
図９は、光学ユニット２８の移動に伴って反射ミラー３１を回転させる形態変更機構の一例を示す説明図であり、この場合の反射ミラー３１は、表面及び裏面に反射面を有している。反射ミラー３１のほぼ中央は、本体ケース１４（図４）に設けられた支点ピン７１によって回転可能に保持されている。反射ミラー３１の下端には、他のピン７２が設けられている。このピン７２は、光学ユニット２８の背面に設けられたカム穴７３に摺動可能に嵌合している。すなわち、カム穴７３は水平方向に長く、ピン７２はこのカム穴７３に案内されて水平方向に移動できる。なお、反射ミラー３１が回転すると、ピン７２の垂直方向の位置も変わるので、カム穴７３はこのピン７２の垂直方向位置の変動幅に渡る垂直方向幅を有している。光学ユニット２８は、さらに、図示しないピンによって、本体ケース１４に形成された溝７４に摺動可能に嵌合している。
図８（ｂ）に示す第一の状態においては、形態変更機構は図９の位置にある。図９の状態から光学ユニット２８に対して矢印Ａで示す方向に力を作用させると、光学ユニット２８は、溝７４に沿って移動する。この移動の初期では、カム穴７３内でピン７２が開放されるので、反射ミラー３１は回転しない。光学ユニット２８がさらに移動するとピン７２がカム穴７３の端部で押され、第１の反射ミラー３１が、光学ユニット２８から作用する力によって矢印Ｃ方向に回転する。そして、光学ユニット２８が右目前方に到達すると、図８（ｃ）に示す第二の状態に切り換わる。すなわち、第１の反射ミラー３１の反射方向が左方向から右方向へと切り換わる。この第一と第二の状態において、いずれも同じ方向の虚像を視認できることは、第３実施例において説明した通りである。なお、虚像を視認する眼を右眼から左眼に切り換える時は、上記とは逆の操作及び移動が行われる。
以上説明したように、第４実施例においては、前述の第３実施例と同様の効果に加えて、反射ユニットの変形機構（形態変更機構）が簡素化されるので、虚像を視認する眼を切り換える切換手段の構造も簡素化されるという利点がある。但し、前述した第３実施例では、第４実施例に比べて反射ユニットを構成する反射ミラーの数がより少ないという利点がある。
Ｅ．第５実施例
図１０（ａ）は、本発明の第５実施例としてのＨＭＤの光学系の側面図である。また、図１０（ｂ）は、第５実施例において虚像を使用者の左眼に視認させる第一の状態を表す正面図、図１０（ｃ）は虚像を使用者の右眼に視認させる第二の状態を表す正面図である。
図１０（ａ）〜（ｃ）に示す光学系は、図８（ａ）に示した第４実施例の光学系における液晶パネル２とバックライト３の位置を変更し、また、反射ユニット７０を他の反射ユニット８０で置き換えた構成を有している。図１０（ｂ），（ｃ）に示されているように、液晶パネル２とバックライト３は、装置の左右方向の中心線２２付近において、液晶パネル２の画像形成面の法線がほぼ水平方向を向くように配置されている。反射ユニット８０は、中心線２２に対して互いに対称の関係に配置された２枚の反射ミラー３４，３５を備えている。２枚の反射ミラー３４，３５は、液晶パネル２の表示面の法線に対してそれぞれ略４５度傾斜しており、液晶パネル２からほぼ水平に出射された画像光Ｌ１を垂直下向きに偏向する。
第５実施例においては、液晶パネル２とバックライト３が一体のままで回転可能に保持されている。液晶パネル２とバックライト３とが回転することによって、図１０（ｂ）に示す第一の状態と、第１０（ｃ）に示す第二の状態とを切り換えることが可能である。液晶パネル２の回転軸は、液晶パネル２の画像形成面の中心を通る光軸上に存在する。この結果、液晶パネル２の画像形成面から２枚の反射ミラー３４，３５までの距離は、前記第一、第二の各状態において互いに等しい。
図１０（ｂ）に示す第一の状態において光学ユニット２８に対して矢印Ａで示す方向に力を作用させると、光学ユニット２８は、光学ユニット２８と反射ユニット８０との間に設けられた図示しないレールに沿って移動する。この移動の途中において、液晶パネル２とバックライト３は一体のまま光学ユニット２８から作用する力によって矢印Ｅ方向に回転して、図１０（ｃ）に示す第二の状態に切り換わる。すなわち、液晶パネル２からの画像光Ｌ１は、その出射方向が左方向から右方向に切り換わり、第１の反射ミラー３５によって下方に反射されて光学ユニット２８に入射する。なお、虚像を視認する眼を右眼から左眼に切り換える時は、上記とは逆の操作及び移動が行われる。
図１１は、図１０（ｂ），（ｃ）に示す第一と第二の状態において、いずれも同じ方向の虚像を視認できる様子を示す説明図であり、第３実施例の図７に対応する図である。すなわち、第１の方向６１は、液晶パネル２の画像形成面の第１の座標軸と等価な方向を示しており、第２の方向６２は画像形成面の第２の座標軸と等価な方向を示している。図１１（ａ），（ｂ）から理解できるように、液晶パネル２上で形成された画像はそれぞれ２回の反射作用を受けた後に、左右どちらの眼に対しても同じ方向の画像として視認される。従って、この場合も、虚像を視認する眼の切り換えの際に、画像の表示方向に関する電気的な切り換えは一切不要である。
以上説明したように、第５実施例においては、虚像を視認する眼の切り換えに際して、レンズ２６とハーフミラー１８のみを使用者の略眼幅方向に移動し、それに連動して液晶パネル２からの画像光Ｌ１の出射方向を切り換える構成を有しているので、反射ユニットの構造が簡素化される。また、液晶パネル２を反射ユニット８０内に収納できるため、装置を小型化することが可能である。
Ｆ．第６実施例
図１２は、本発明の第６実施例としてのＨＭＤの外観図である。図１２に示すＨＭＤは、上述した第２ないし第５実施例において説明したいずれかの構成の光学系を備えている。前述した図４に示す第２実施例のＨＭＤと比較すれば解るように、図１２に示す第６実施例のＨＭＤは、虚像を視認しない眼の前方に、ハーフミラー１８の透過率と概ね等しい透過率を有する部分透過型遮光板３７を備えている。この部分透過型遮光板３７は、着脱自在に本体ケース１４に固定されており、使用者の左右いずれの眼前にも配置可能である。虚像を視認する眼の切り換えの際には、使用者が部分透過型遮光板３７を一度本体ケース１４より取り外し、光学ユニット１７（または２８）を移動する。この後、虚像を視認しない眼の前方において、部分透過型遮光板３７を再度本体ケース１４に固定する。
部分透過型遮光板３７の透過率は、ハーフミラー１８の透過率とほぼ等しく設定することが好ましい。例えば、第２実施例においても説明したように、左右の視野の明るさの差が約３０％以下になるようにすることが好ましい。すなわち、部分透過型遮光板３７の透過率を、ハーフミラー１８の透過率の約０．７倍から約１．３倍の範囲にすれば、ハーフミラー１８を通して視認される背景画像の明るさと、部分透過型遮光板３７を通して視認される背景画像の明るさとをほぼ一致させることができる。この結果、使用者は、極めて自然に背景画像を視認することができる。従って、前述した第２実施例に比べてハーフミラー１８の透過／反射特性に対する要求が緩やかであり、この特性を調整することによってディスプレイ画像と背景画像との明るさの関係を任意に設定することが可能である。
Ｇ．第７実施例
図１３（ａ）は、本発明の第７実施例としてのＨＭＤの光学系の側面図である。図１３（ａ）に示す光学ユニット３８は、前述した図３に示す第２実施例の光学ユニット１７におけるハーフミラー１８を偏光ビームスプリッタ３９に置き換え、また、この偏光ビームスプリッタ３９の前方に偏光選択性の部分透過型遮光板４０を設けた構成を有している。なお、この明細書において、「偏光選択性」とは特定の偏光成分を透過または反射する特性を意味する。
液晶パネル２は、その光入射面と光出射面とにそれぞれ偏光板（図示せず）を有している。この第７実施例では、液晶パネル２から出射される画像光Ｌ１は、反射ミラー４及び偏光ビームスプリッタ３９の入射面（これは紙面に平行な平面である）に対して直交する方向に振動面を有するＳ偏光光である。図１３において、光束の近傍に描かれた黒点を含む丸印はその光束がＳ偏光であることを示しており、また、両端に矢印を有する線分はＰ偏光であることを示している。
偏光ビームスプリッタ３９は、Ｓ偏光を反射し、Ｓ偏光と振動面が直交するＰ偏光を透過する特性を有する。また、偏光ビームスプリッタ３９のサイズは、使用者の片眼に対応する虚像視野を包含する大きさである。部分透過型遮光板４０は、図２に示したハーフミラー８と同様に、使用者の左右の眼に対応する虚像視野を包含する大きさと形状を有している。この部分透過型遮光板４０は、例えば偏光板から構成されており、Ｐ偏光のみを選択的に透過する特性を有する。
図１３（ａ）に示すように液晶パネル２によって形成された画像は、後方よりバックライト３によって照射されてＳ偏光の画像光Ｌ１として出射し、反射ミラー４によって光路が約９０度偏向された後、レンズ５によって屈折される。このＳ偏光の画像光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ３９によってほぼ１００％反射されて使用者の眼１０内に結像される。
一方、背景光Ｌ２は、Ｐ偏光とＳ偏光が混在した無偏光光である。部分透過型遮光板４０は、この背景光Ｌ２のＰ偏光成分のみを透過し、偏光ビームスプリッタ３９に入射する。偏光ビームスプリッタ３９はＰ偏光をほぼ１００％透過する特性を有するので、この背景光Ｌ２のＰ偏光成分をほとんど反射、吸収することなく出射する。すなわち、背景からの光Ｌ２のＰ偏光成分は、そのほぼ１００％が使用者の虚像を視認する眼に届く。この結果、虚像を視認する眼には、Ｓ偏光の画像光Ｌ１と、Ｐ偏光の背景光Ｌ２が同時に入射する。従って、ディスプレイ画像と背景画像とが合成された合成画像を視認することができる。
図１３（ｂ）は、虚像を視認しない眼の前に部分透過型遮光板４０が配置されている状態を示している。虚像を視認しない眼にも、背景からの光Ｌ２のＰ偏光成分がほぼ１００％入射する。
以上の第７実施例によれば、液晶パネル２からの画像光Ｌ１はほとんどが偏光ビームスプリッタ３９によって反射されて眼１０に入射するので、使用者に視認されるディスプレイ画像の明るさを大幅に向上させることができる。また、虚像を視認する眼に入射する背景画像の明るさと、虚像を視認しない眼に入射する背景画像の明るさとを概ね一致させることができるため、自然に背景画像を視認することができる。また、使用者の左右の眼でほぼ同じ明るさの背景画像を視認することができるので、第６実施例と同様に、ディスプレイ画像と背景画像との明るさの関係に対する自由度が大幅に改善される。具体的には、部分透過型遮光板４０の透過／反射特性を調整することによって、ディスプレイ画像と背景画像との明るさの関係を任意に設定することが可能である。さらに、部分透過型遮光板４０が偏光ビームスプリッタ３９の外側で本体ケースに固定されており、使用者の左右の眼に対応する虚像視野を包含する大きさであるため、部分透過型遮光板４０は虚像を視認する眼の切り換え操作になんら影響を与えない。
なお、第７実施例における偏光ビームスプリッタ３９と部分透過型遮光板４０の利用は、前述した第２実施例で説明した光学系配置に適用する場合に限らず、第３ないし第５実施例で説明した他の光学系配置に対しても同様に適用することが可能である。
上述の第７実施例の説明からわかるように、画像光Ｌ１と背景光Ｌ２とを合成するための画像合成手段は、ハーフミラーや偏光ビームスプリッタのような種々のタイプの半透鏡で実現することができる。ここで、半透鏡とは、偏光ビームスプリッタのように偏光選択性のあるものと、ハーフミラーのように偏光選択性のないものとを含む広い意味を有している。
また、虚像を視認しない眼の前方に配置される部分透過型遮光板としては、偏光選択性のある半透光性部材や、偏光選択性のない半透光性部材を使用することができる。
但し、第７実施例では、画像合成手段として偏光ビームスプリッタを使用しているので、画像光Ｌ１の光量をあまり落とすことなく使用者の眼に入射させることができるという利点がある。さらに、部分透過型遮光板として両眼の虚像視野を包含するサイズの偏光板を使用しているので、虚像を視野する眼を左右のいずれにするかに係わらず、背景画像とディスプレイ画像をバランスよく視認することができるという利点がある。
Ｈ．第８実施例
図１４は、本発明の第８実施例としてのＨＭＤの光学系の構成を示す図である。この光学ユニット９０は、液晶パネル２と、バックライト３と、ハーフミラー１８と、凹面ハーフミラー９２と、これらの要素を収納するケース９４とを備えている。凹面ハーフミラー９２は、平面状のハーフミラー１８を挟んで使用者とは反対側に配置されている。この凹面ハーフミラー９２は、レンズの代わりに拡大光学手段として使用されている。なお、光学系を移動させる機構は、第２実施例や第７実施例と同じものを使用することができるので、ここではその説明を省略する。
液晶パネル２は、平面ハーフミラー１８の上方に下向きに配置されている。液晶パネル２から出射された画像光Ｌ１の一部は、平面ハーフミラー１８で反射されて凹面ハーフミラー９２側に偏向する。この画像光Ｌ１は、凹面ハーフミラー９２の内面で反射された後、平面ハーフミラー１８を透過して使用者の眼１０に入射する。凹面ハーフミラー９２の内面は凹面になっているので、ここで反射される画像光Ｌ１で表される画像は虚像拡大されて視認される。
一方、背景光Ｌ２の一部は、凹面ハーフミラー９２と平面ハーフミラー１８とを透過して使用者の眼１０に入射する。凹面ハーフミラー９２は、肉厚が一定であり、従って背景からの光Ｌ２をほとんど屈折せずに透過する。すなわち、使用者は、背景画像をそのまま視認することができ、かつ、液晶パネル２に表示されたディスプレイ画像を虚像拡大した状態で視認することができる。
この第８実施例では、液晶パネル２と平面ハーフミラー１８との間にレンズを設けていないので、液晶パネル２と平面ハーフミラー１８との間の距離を小さくすることができる。この結果、光学系の全体のサイズを小型にすることができるという利点がある。また、レンズの代わりに凹面鏡を用いているので、収差を小さくすることができるという利点もある。
Ｉ．第９実施例
図１５は、本発明の第９実施例としてのＨＭＤの光学系の構成を示す図である。この光学ユニット９５は、図１４に示す第８実施例の構成から凹面ハーフミラー９２の位置を変更し、また、部分透過型遮光板９６を追加した構成を有している。凹面ハーフミラー９２は、平面ハーフミラー１８を挟んで液晶パネル２と反対側に配置されている。また、部分透過型遮光板９６は、平面ハーフミラー１８を挟んで使用者と反対側に配置されている。
液晶パネル２から出射された画像光Ｌ１の一部は、平面ハーフミラー１８を透過し、凹面ハーフミラー９２の内面で反射され、平面ハーフミラー１８で再び反射されて使用者の眼１０に入射する。この凹面ハーフミラー９２は、図１４に示す第８実施例と同様に、拡大光学手段としての機能を有する。
一方、背景光Ｌ２の一部は、部分透過型遮光板９６と平面ハーフミラー１８とを透過して使用者の眼１０に入射する。
この第９実施例も、図１４に示した第８実施例と同様に、光学系の全体のサイズを小型にすることができるという利点と、収差を小さくすることができるという利点を有している。さらに、部分透過型遮光板９６の透過率を調整することによって、背景画像の明るさを調整することができるという利点もある。例えば、部分透過型遮光板９６の透過率を比較的高く設定すれば、背景画像の明るさを向上させることができる。
また、背景光Ｌ２の一部が部分透過型遮光板９６で遮光されるので、ハーフミラー１８で反射されて液晶パネル２に向かう背景光Ｌ２も減少する。この結果、液晶パネル２の表面上のグレアを低減することが可能である。
なお、凹面ハーフミラー９２の代わりに、凹面鏡を用いることも可能である。凹免鏡は凹面ハーフミラーよりも反射率が高いので、眼１０で視認されるディスプレイ画像の明るさを高めることが可能である。
Ｊ．第１０実施例
図１６（ａ）は、本発明の第１０実施例としてのＨＭＤの光学系の構成を示す図である。この光学ユニット９７は、液晶パネル２と、バックライト３と、ハーフミラー１８と、内部反射型拡大光学系９８と、これらの要素を収納するケース９９とを備えている。
内部反射型拡大光学系９８は、ハーフミラー１８と使用者との間に配置されている。液晶パネル２から出射された画像光Ｌ１の一部は、ハーフミラー１８によって使用者の方向に反射されて内部反射型拡大光学系９８に入射する。
この内部反射型拡大光学系９８は、いわゆる「パンケーキウィンドウ」と呼ばれる光学要素であり、内部で光の反射を繰り返しながら画像を光学的に拡大する機能を有している。このような内部反射型拡大光学系９８の構成と機能については、米国再発行特許第２７，３５６号に記載されており、その開示内容はこの明細書に組み込まれる。
図１６（ｂ）は、米国再発行特許第２７，３５６号に記載された内部反射型拡大光学系の分解斜視図である。内部反射型拡大光学系９８は、凹面ハーフミラー１００と、第１のλ／４波長板１０２と、平面ハーフミラー１０４と、第２のλ／４波長板１０６と、偏光板１０８とがこの順に重ねられた構成を有している。図１６（ａ）を見れば解るように、図１６（ｂ）では光路を示すために内部反射型拡大光学系９８の各光学要素の間隔が誇張されている。
凹面ハーフミラー１００には、平面ハーフミラー１８で反射された画像光Ｌ１が入射する。図１６（ｂ）において、両端に矢印のついた線分は直線偏光光の振動ベクトルの振動方向を示しており、螺旋は円偏光光の振動ベクトルの回転方向を示している。
液晶パネル２の光出射面には偏光板が設けられているので、凹面ハーフミラー１００に入射する画像光Ｌ１も直線偏光光である。この画像光Ｌ１は、凹面ハーフミラー１００を透過したのち、第１のλ／４波長板１０２で円偏光に変換される。この円偏光の画像光Ｌ１は平面ハーフミラー１０４を通過する第１の光束Ｌ１ａと、平面ハーフミラー１０４で反射される第２の光束Ｌ１ｂとに分離される。第１の光束Ｌ１ａは、第２のλ／４波長板１０６で直線偏光光に変換される。この直線偏光光の振動ベクトルの振動方向は、元の画像光Ｌ１の振動方向とは直交している。第２のλ／４波長板１０６を出射した第１の光束Ｌ１ａは、偏光板１０８によって遮蔽されてしまい、使用者の眼１０には到達しない、すなわち、偏光板１０８は、凹面ハーフミラー１００に入射する画像光Ｌ１と等しい振動方向を有する直線偏光光を選択的に透過し、これと直交する振動方向の直線偏光光を遮断する。
一方、平面ハーフミラー１０４で反射された第２の光束Ｌ１ｂは、再び第１のλ／４波長板１０２を通過して直線偏光光に変換され、凹面ハーフミラー１００の内面で反射される。このときの第２の光束Ｌ１ｂの振動ベクトルの振動方向は、外部から凹面ハーフミラー１００に入射する画像光Ｌ１の振動方向とは直交している。第２の光束Ｌ１ｂは凹面ハーフミラー１００で反射される時に屈折するので、これによってディスプレイ画像が虚像拡大される。
凹面ハーフミラー１００の内面で反射された第２の光束Ｌ１ｂは、再び第１のλ／４波長板１０２で円偏光光に変換された後に平面ハーフミラー１０４に入射する。平面ハーフミラー１０４を通過した第２の光束Ｌ１ｂは、第２のλ／４波長板１０６によって直線偏光光に変換される。第２のλ／４波長板１０６を通過した第２の光束成分Ｌ１ｂは、偏光板１０８をそのまま通過し、使用者の眼１０に到達する。この第２の光束成分Ｌ１ｂは、凹面ハーフミラー１００の内面で反射されたときに虚像拡大作用をうけているので、使用者によって虚像拡大された画像が視認される。
なお、図１６（ｂ）に示す第２の光束Ｌ１ｂ以外にも、より多数回の内部反射を繰り返した後で使用者の眼に入射する光束も存在する。しかし、このような他の光束は、主にハーフミラー１００，１０４における損失のために、第２の光束Ｌ１ｂよりもかなり光量が低くなる。従って、このような他の光束が使用者の眼に入射することによる影響は無視できる程度である。
ところで、背景光Ｌ２はランダムな偏光成分を含んでいるので、背景光Ｌ２のうちで画像光Ｌ１と直交する偏光成分は、内部反射型拡大光学系９８の各光学要素をそのまま通過して使用者の眼１０に到達する。従って、背景画像は虚像拡大作用を受けずに使用者に視認される。なお、背景光Ｌ２の一部は、図１６（ｂ）に示す第１の光束Ｌ１ｂと同様な光路を経て眼１０の近くで結像する。しかし、背景光Ｌ２の光源は通常は凹面ハーフミラー１００の焦点からかなり遠いので、その結像位置は眼の近点（焦点を合わせて見ることができる最も近い位置）よりも眼に近い側の位置に来る。従って、背景の虚像拡大像は使用者に視認されず、ほとんど問題となることはない。
なお、液晶パネル２の代わりに、直線偏光光でない光を出射する他の種類の画像表示手段を用いた場合には、図１６（ｂ）の凹面ハーフミラー１００の入射側に偏光板を設ければよい。
以上のように、第１０実施例によれば、第８、第９実施例と同様に、光学系を小型化することができ、また、収差を低減することが可能である。
なお、凹面鏡を用いた上述の第８ないし第１０実施例において、平面ハーフミラー１８を両眼の虚像視野を包含する大きさにすることも可能である。また、虚像を視認する眼を切り換えるための切換手段の構成としては、前述した第１ないし第５実施例に記載したもののいずれでも、第８ないし第１０実施例に適用することが可能である。
Ｋ．第１１実施例
図１７（ａ）は、第１１実施例としてのＨＭＤの光学系の構成を示す図である。この光学系１０９は、図１４に示した第８実施例の光学ユニット９０に、以下に説明する要素を付加したものである。すなわち、凹面ハーフミラー９２の前方には、部分透過型遮光板１１０が設けられている。部分透過型遮光板１１０の上端は第１のラック１１２に接続されており、また、光学ユニットのケース９４の上端は第２のラック１１４に接続されている。なお、図１４に示す軸受け１２は図１７の光学系１０９では省略されている。
図１７（ｂ）は、この光学系１０９の平面図である。２つのラック１１２，１１４の対面する面にはそれぞれ歯が形成されている。ピニオン１１６は、２つのラック１１２，１１４に挟まれた位置にあり、ピニオン１１６の歯は２つのラック１１２，１１４の歯とそれぞれ噛み合っている。図１７（ａ）に示すように、ピニオン１１６の上方には、使用者がピニオン１１６を回転させるためのノブ１１８が設けられている。
この第１１実施例においても、前述した図１２に示す本体ケース１４と装着具１６とが使用できる。２つのラック１１２，１１４は、本体ケース１４の図示しない溝に案内されて摺動しつつ移動可能である。また、図１７（ｂ）に示すように、２つのラック１１２，１１４はフレキシブルであり、本体ケース１４の溝の形状に沿って屈曲しながら移動する。
ピニオン１１６は、本体ケース１４に空転可能に保持されている。使用者がノブ１１８を回転させると、ピニオン１１６の回転に伴って２つのラック１１２，１１４が逆方向に移動する。また、図１７（ｂ）に示すように、光学ユニット１０９と部分透過型遮光板１１０は、中心線１２０に対してほぼ対称な位置に設けられている。従って、２つのラック１１２，１１４が移動すると、これに伴って、光学ユニット１０９と部分透過型遮光板１１０とがほぼ対称な関係で逆方向に移動する。使用者は、ノブ１１８を操作することによって、光学ユニット１０９と部分透過型遮光板１１０とを、使用者の目幅に応じた適切な位置に設定することができる。また、２つのラック１１２，１１４は、互いに干渉することなく移動するので、ノブ１１８を操作することによって、光学ユニット１０９と部分透過型遮光板１１０の左右方向の位置を交換することも可能である。
このように、第１１実施例では、光学ユニット１０９と部分透過型遮光板１１０とをほぼ対称な関係で逆方向に移動する機構を有しているので、虚像を視認する眼を切り換える際に、部分透過型遮光板１１０を脱着する操作が不要であるという利点がある。また、使用者の眼幅に合わせた位置調整を容易に行うことができるという利点もある。なお、このような移動機構は、拡大光学手段として凹面ハーフミラーを用いた場合に限らず、レンズを用いた場合（例えば図３，４に示す第２実施例）にも同様に適用することが可能である。また、部分透過型遮光板１１０を用いない場合にも、光学ユニットを左右方向に移動させて虚像を視認する眼を切り換えるための切換手段として図１７に示す移動機構を使用することも可能である。
Ｌ．第１２実施例
図１８（ａ）は、本発明の第１２実施例としてのＨＭＤの光学系の構成を示す図である。この光学系は、図１５に示した第９実施例の光学ユニット９５の単眼用の部分透過型遮光板９６を省略した構成を有する光学ユニット１３０と、両眼用の部分透過型遮光板１３２とを備えている。この部分透過型遮光板１３２は、本体ケースに設けられた溝部１３４に脱着可能に取り付けられる。この溝部１３４は、例えば図１２に示す本体ケース１４に設けられている。
図１８（ｂ）は、第１２実施例の光学系の正面図である。部分透過型遮光板１３２は、ほぼ中央を境にして２つの部分１３６，１３８に区分されている。第１の部分１３６は、光学ユニット１３０の前方に配置されるものであり、比較的高い透過率を有している。第２の部分１３８は、光学ユニット１３０が配置されない眼の前方に配置されるものであり、比較的低い透過率を有している。第１と第２の部分１３６，１３８の透過率の差は、前述した第２実施例において説明した理由により、第１の部分１３６とハーフミラー１８との合計の透過率と第２の部分１３８の透過率との差を約３０％以下とすることが好ましい。なお、部分透過型遮光板１３２のほぼ中央には、前述した図２に示すハーフミラー１８と同様に、鼻を避けるための切り欠きを設けるようにしてもよい。
図１８（ａ）に示す光学ユニット１３０は、前述した図２と同様な構成で左右の位置が切り換えられる。この時、使用者は、部分透過型遮光板１３２を一体として溝部１３４から取り外し、これを裏返した後に溝部１３４に差し込むことによって、第１と第２の部分１３６，１３８の位置を交換することができる。このうすれば、光学ユニット１３０が配置される眼の前に比較的透過率の高い部分１３６を配置し、他方の眼に比較的透過率の低い部分１３８を配置することができる。この結果、左右の眼に入射する光の明るさの差を小さくすることが可能である。
なお、部分透過型遮光板１３２の第１と第２の部分１３６，１３８を切断しておけば、それぞれ別個に溝部１３４から取り外して、位置を交換し、再度溝部１３４に取り付けることも可能である。このようにすれば、２つの部分１３６，１３８を裏返す必要はないが、脱着の手間は多くなる。
Ｍ．第１３実施例
図１９は、本発明の第１３実施例のＨＭＤの光学系の構成を示す図である。この光学ユニット１４０は、図１５に示す第９実施例の光学ユニット９５のハーフミラー１８を偏光ビームスプリッタ１４２に置き換え、部分透過型遮光板９６を偏光板１４６に置き換え、凹面ハーフミラー９２のやや上方にλ／４波長板１４４を設けた構成を有している。なお、凹面ハーフミラー９２の代わりに凹面ミラーを用いてもよい。
液晶パネル２から出射された画像光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ１４２をそのまま透過してλ／４波長板１４４に入射する。液晶パネル２が出射する画像光Ｌ１はＰ偏光であり、偏光ビームスプリッタ１４２はＰ偏光をほぼ１００％透過し、Ｓ偏光をほぼ１００％反射する特性を有している。偏光ビームスプリッタ１４２を透過した画像光Ｌ１は、λ／４波長板１４４で円偏光に変換され、凹面ハーフミラー９２の内面で反射される。凹面ハーフミラー９２で反射される時には、円偏光の振動ベクトルの回転の向きが逆転する。従って、この円偏光の画像光Ｌ１が再びλ／４波長板１４４に入射すると、Ｓ偏光に変換される。このＳ偏光の画像光Ｌ１は、偏光ビームスプリッタ１４２で反射されて、使用者の眼１０に入射する。
一方、背景光Ｌ２はランダムな偏光成分を有するので、そのＰ偏光成分のみが偏光板１４６を通過する。偏光板１４６を通過した背景光Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ１４２をほぼ１００％透過して使用者の眼１０に入射する。
このように、第１３実施例では、画像合成手段として偏光ビームスプリッタ１４２を用いているので、液晶パネル２からの画像光Ｌ１がほとんど損失なく偏光ビームスプリッタ１４２を透過し、あるいはここで反射される。従って、使用者に視認されるディスプレイ画像の明るさを向上させることができる。特に、凹面ハーフミラー９２の代わりに凹面ミラーを用いると、視認されるディスプレイ画像の明るさがさらに向上する。なお、背景画像とディスプレイ画像の明るさを調整するために、単眼用または両眼用の部分透過型遮光板を設けるようにすることも可能である。
Ｎ．第１４実施例
図２０は、本発明の第１４実施例のＨＭＤの外観図である。このＨＭＤは、両眼用の透過率可変板１５０を備えている。画像光Ｌ１を使用者の眼に入射するための光学ユニットとしては、前述した各実施例のいずれの光学ユニットも使用できる。
図２１は、透過率可変板１５０と、その制御回路１６０の電気的な構成を示すブロック図である。透過率可変板１５０は、左右の眼の虚像視野をそれぞれ少なくとも包含する２つの透明電極１５２，１５４と、これらの透明電極１５２，１５４を包含する広い面積を有する透明対向電極１５６とを備えた液晶パネル構造を有している。透明対向電極１５６は接地されており、左右の透明電極１５２，１５４は制御回路１６０に接続されている。
制御回路１６０は、各透明電極１５２，１５４に対して、バッファアンプ１６２と、オペアンプ１６４と、可変抵抗１６６と、抵抗１６８とで構成される駆動回路をそれぞれ有している。オペアンプ１６４には、可変抵抗１６６と抵抗１６８とによって電源電圧を分圧した電圧が入力されている。オペアンプ１６４の出力端子は、バッファアンプ１６２の電源端子に接続されている。すなわち、バッファアンプ１６２には、可変抵抗１６６とオペアンプ１６４で決定されたレベルの電源電圧が供給されている。可変抵抗１６６の抵抗値は、図示しないつまみで使用者が任意に設定可能である。
バッファアンプ１６２の入力端子には、一種の液晶パネルである透過率可変板１５０を駆動するためのパルス信号Ｐｓが供給されている。バッファアンプ１６２は、オペアンプ１６４から供給された電源電圧に応じてこのパルス信号Ｐｓを振幅変調して透明電極１５２（または１５４）に供給する。
透過率可変板１５０の左右の透過率は、透明電極１５２，１５４に与えられる駆動信号の振幅に応じて変化する。可変抵抗１６６の抵抗値は、左右の各透明電極１５２，１５４毎に独立して調整することができるので、透過率可変板１５０の左右の透過率を独立して調整することが可能である。こうすれば、ディスプレイ画像を視認する眼と、ディスプレイ画像を視認しない眼における視野の明るさをそれぞれ調整することができるので、使用者が画像を視認しやすい環境を容易に設定することができる。
なお、上記の各実施例において、平面ハーフミラーや凹面ハーフミラーは、可能な場合には、偏光選択性のある半透鏡（例えば偏光ビームスプリッタ）に置き換えるようにしてもよい。このように、ハーフミラーは、偏光選択性のない半透鏡や、偏光選択性のある半透鏡で実現することができる。
また、上記の各実施例における部分透過型遮光板も、偏光選択性のない半透光性部材や、偏光選択性のある半透光性部材で実現することができる。これらの半透光性部材は、薄い板状体であることが好ましいが、板状体でなくブロック状のものでもよい。ここで、「板状体」とは、湾曲していない板状の部材と、湾曲している板状の部材とを含む広い意味を有している。
さらに、上記の各実施例における反射ミラーは、反射面を有する他の光学素子（例えばプリズム）に置き換えることも可能である。また、偏光ビームスプリッタとしては、一般に、偏光分離面を有する光学素子を使用することが可能である。
また、画像表示手段としては、液晶パネル２以外の種々の装置が考えられる。例えばプラズマディスプレイのような他のフラットパネルディスプレイを使用することも可能である。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。
産業上の利用可能性
この発明の頭部装着型表示装置は、コンピュータのディスプレイデバイスや、手作業の補助のためのインストラクション表示ディスプレイデバイスとして適用可能である。
【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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【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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