JP4766913B2 - 頭部装着型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、頭部装着型画像表示装置に関し、特に、モバイルでの使用環境において使いやすい頭部装着型画像表示装置に関するものである。

頭部装着型表示装置の利用形態は大きく２つに区分できる。１つは、外界視界を極力絶って、頭部装着型表示装置が映す大画面の電子映像のみを、一か所にじっとしながら（体を大きく動かさずに）観察するという利用形態。もう１つは、何か作業を行うときに必要な情報を確認するためや、屋外で緊急性のある情報を確認するため等に使用する場合で、外界の視界を極力確保したまま、同時に電子映像も観察する利用形態である。そして、後者の利用形態を想定した頭部装着型表示装置は、外界視界を確保するために、シーアラウンド若しくはシースルーと呼ばれる機構を有している。本発明は、後者の利用形態を想定したシーアランドあるいはシースルー機構を有する頭部装着型表示装置に関する。

シーアラウンド機構は、頭部装着型表示装置を頭部に装着したままでも、これに邪魔されず、積極的に電子映像の周りに外界像を見ることができるようにするための機構である。代表的従来技術としては、特許文献１、特許文献２、特許文献３がある。

また、シースルー機構は、頭部装着型表示装置が映し出す電子映像とオーバーラップさせて、外界像を見ることができるようにするための機構である。代表的従来技術としては、特許文献４、特許文献５、特許文献６がある。
特開平８−１６６５５７号公報 特表２００３−５０２７１３号公報 米国特許第３，９２３，３７０号明細書 米国特許第５，６４６，７８４号明細書 特開２０００−１９６９７５号公報 特開平１０−３０１０５５号公報 特開平８−３１３８２９号公報 特開平１１−２４９０６７号公報

上述した頭部装着型表示装置の２つの利用形態の中、後者の利用形態においては、
『動き回っても苦にならない小型さと軽量さ』
『外界視界は作業をしたり動き回る際に支障を来さない明瞭で広い視野』
『電子映像は、外界の明るさに負ない十分な高輝度』
が、頭部装着型表示装置に強く求められることは自明である。

しかし、以下に説明するように、従来技術によるシーアラウンド機構、シースル機構を持つ頭部装着型表示装置では、こうした要件を同時に満たすことはできなかった。

シーアラウンド機構を持つ特許文献１に記載のもののように、使用者の眼と頭部装着型表示装置との距離（以下、作動距離と言う。）を大きくし、その隙間で外界視界を確保する技術手段の場合、広い外界視野を確保するために、大きな作動距離を必要とした。そしてさらに、従来技術では、特許文献７に記載されているように、頭部装着型表示装置の射出瞳位置が使用者の眼球の瞳あるいはその回旋中心近傍にあるため、作動距離が長くなると頭部装着型表示装置の接眼窓の口径がそれにつれて比例的に大きくなり、結果、小型・軽量の頭部装着型表示装置は実現し得ず、外界視野も大きく遮蔽していた。また、外部から装着者を見たときに目を完全に覆ってしまっており、装着者の自然な表情が伝わらないといった問題も生じていた。

シースルー機構を持つ特許文献８は、外界視界と電子映像をオーバーラップさせるための光学素子（一般に、コンバイナーと呼ばれている。）に、ハーフミラーを使用している。コンバイナーにハーフミラーを使用するタイプは、ハーフミラーにより外界光も電子映像光も減光される。このように、外界光、電子映像光共にその利用効率が悪いため、このタイプのコンバイナーを使用した頭部装着型表示装置は、高輝度の映像を得る上で輝度が不十分、消費電力が大きい等の課題がある。

一方、特許文献４は、コンバイナーに、特定の波長にのみ高い反射率を持ち、その他の光に対しては高い透過率を持つＨＯＥ（ホログラフィック光学素子）を使用している。このため、外界光、電子映像光共に、その利用効率を高めることができたが、しかし、電子映像がモノクロームになってしまうという問題や、ＨＯＥを通して外界を観察したときに不自然な色合いになってしまうという問題が残されている。

また、特許文献３は、コンバイナーとして機能するハーフミラー部分を透明な部材で空中に支え、使用者は外界をこの透明部分を通して視認できるようにし、シースルーだけでなく、シーアラウンド機構を実現している。しかし、広い外界視野を確保するために、この透明部分を大きくしなければならず、大変大型の頭部装着型表示装置になってしまっている。

また、特許文献２は、眼球の直前に配置される光学部材を柱状の透明部材とすることで、小型でありながら広い外界視野を確保するシーアラウンド機構を実現している。しかし、外界視野の一部は、この柱状透明部材を通過させて観察するため、不要反射光により、大変見難くする迷光が生じやすいという不具合がある。すなわち、図２７に示すように、例えば、遠くの水平線方向の山を観察しているとき、上方にある太陽からの光線が柱状透明支持部材１００に入射し、内部で反射した光が不要光１０１として観察されてしまう。これにより、シーアラウンド時に不快な像が見えてしまうという課題があった。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、モバイルでの使用環境においてシーアラウンドさらにはシースルー機構を有しならがらも、小型・軽量で、外界視界が大きく、低消費電力で電子像の輝度が高く、使いやすい頭部装着型画像表示装置を提供することである。

上記目的を達成する本発明の頭部装着型画像表示装置は、少なくとも、表示素子と、接眼光学系と、接眼窓と、接眼窓保持部と、筐体と、これら全体を使用者の頭部に固定するための支持部とからなる頭部装着型画像表示装置であって、光源は表示素子を照明し、筐体は表示素子を覆い、接眼窓保持部は接眼窓を使用者の視界内に保持し、接眼光学系は表示素子が表示する表示画像の虚像を作り、接眼窓はその虚像を形成する光束が使用者の眼に向かい射出する窓であり、接眼窓保持部を構成する部材は、長さが１０ｍｍ以上で、さらに一部の突起を除き、その使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍ以下でありシーアラウンド型に構成されていることを特徴とするものである。

この場合に、表示素子の有効表示面の対角寸法をＤ、接眼光学系の焦点距離をｆとするとき、Ｄ／ｆ＜０．５を満たすことが望ましい。

また、表示素子照明用の光源を蛍光樹脂ロッドで構成することができる。

本発明においては、接眼窓保持部を構成する部材の使用者の視軸方向への投影断面の幅を４ｍｍ以下として、その接眼窓保持部材を人間の平均的な瞳孔径（４ｍｍ）よりも細くすることで、装置を視野内に配置しても外界を完全に遮ることがなく、シースルー効果が得られる。しかも、ハーフミラーを使用しておらず、光量のロスがないため、明るい電子画像を観察できる。また、電子画像が表示されている部位は外界からの光束が一部接眼窓構成部材でブロックされるために薄暗くなり、電子画像の視認性を良くする働きがある。さらに、電子画像の表示されている部位を除き、その他の外界視野は一切遮るものがないため、本発明の装置を使用していないのと同じく明瞭で明るい視界を得ることができる。また、瞳孔径よりも細い装置であることから、外部から見て装着者の目を完全に覆うことなく、より自然な表情を伝えることができる。

まず、本発明の頭部装着型画像表示装置の実施の形態を説明し、その後に、その実施例を説明する。

本発明の第１の形態の頭部装着型画像表示装置は、少なくとも、表示素子と、接眼光学系と、接眼窓と、接眼窓保持部と、筐体と、これら全体を使用者の頭部に固定するための支持部とからなる頭部装着型画像表示装置であって、筐体は表示素子を覆い、接眼窓保持部は接眼窓を使用者の視界内に保持し、接眼光学系は表示素子が表示する表示画像の虚像を作り、接眼窓はその虚像を形成する光束が使用者の眼に向かい射出する窓であり、接眼窓保持部を構成する部材は、前記接眼窓から根元に向かって１０ｍｍ以上の範囲にて、一部の突起を除き、使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍ以下であり、シーアラウンド機能を有することを特徴とするものである。

この場合、図１に示すように、眼球Ｅの前方に位置する遮蔽物である接眼窓保持部２を１０ｍｍ以上の長さにし、かつ、人間の平均的な瞳孔径４ｍｍよりも細くすることで、図６に示すように、外界からの光束を完全に遮ることがなく、接眼窓保持部２の眼球Ｅと反対の向こうにある外界像があたかも接眼保持部２を透けて見え、視認できる。接眼窓保持部２の内部を外界光が通過することもないため、従来技術で問題となった不要反射も発生しない。すなわち、
『軽量かつ小型』
『ゴーストがない』
『大きな外界視野』
といった特徴を持つシーアラウンド効果を得ることができる。

本発明の第２の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１、第２の形態において、接眼窓を構成する部材は、その使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍ以下であり、シースルー機能を有することを特徴とするものである。

この場合も、同様に、接眼窓を構成する部材を人間の平均的な瞳孔径４ｍｍよりも小さくすることで、図６に示すように、接眼窓構成部材の向こうにある外界像も、あたかも接眼窓構成部材を透けて見え、視認できる。接眼窓からは、電子映像の光束が射出されているため、外界像と電子映像がオーバーラップして視認できる。すなわち、シースルー効果が得られる。しかも、ハーフミラーもＨＯＥも使用しておらず、シースルー効果を実現しながらも、
『電子映像に光量のロスが生じない』
『しかも、カラーの電子映像を表示することもできる』
という特徴を併せ持つ。

また、電子映像が表示されている部位は、外界からの光束が一部接眼窓構成部材でブロックされるために薄暗くなり、電子画像の視認性を良くする働きがある。これは、外界が明るい程、使用者の眼の瞳孔は縮瞳し、ブロックされる量が増えるため、視認性を維持する作用が高まる。

本発明の第３の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１の形態において、接眼窓保持部と接眼窓との間には、光軸を使用者の眼の方向に屈曲する全反射のミラー又はプリズムが配置されていることを特徴とするものである。

この場合、顔面に平行な光路を作り、それを全反射のミラーやプリズムで屈曲させて、使用者の眼に導くことで頭部装着型表示装置の顔面からの張り出し量を小さくできる。

本発明の第４の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１〜第３の形態において、接眼窓保持部は、頭部装着時に略水平に配置されるよう保持されることを特徴とするものである。

この場合、第三者からみて筐体が顔面を覆うように配置されると見苦しく見えるが、このように構成することで、それを回避できる。

本発明の第５の形態の頭部装着型画像表示装置は、第３の形態において、接眼窓と全反射のミラー又は接眼窓と全反射のプリズム全体が、接眼窓保持部の長手方向を回転軸にして回転調整できる回転機構を有することを特徴とするものである。

この場合、頭部装着型表示装置の装着位置が上下にずれた場合や、使用者の頭部形状の個体差により電子映像の光路が使用者の眼球に対して上下にずれた場合に、上記のような回転機構により回転調整を施すことで、そのずれを補正し、電子映像の光路を使用者の眼に導くことができる。

本発明の第６の形態の頭部装着型画像表示装置は、第３の形態において、表示素子の表示面に垂直な方向を回転軸として表示素子を使用者が回転調整できる回転機構を有することを特徴とするものである。

第５の形態の回転調整を施すと、頭部装着型表示装置を通して観察される映像は左右に傾いてしまう。それを表示素子の表示面に垂直な方向を回転軸として表示素子を回転調整することで正立するように調整することができる。

本発明の第７の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１〜第６の形態において、接眼光学系の一部又は全部が接眼窓と一体化していることを特徴とするものである。

この場合、接眼光学系の一部又は全部を接眼窓と一体化することで、光学素子の部品点数を減らすことができ、構造を簡単化できるため、接眼窓の構成部材を第２の形態ように４ｍｍ以下の幅に抑えた構成にしやすくなる。

本発明の第８の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１〜第７の形態において、接眼光学系の一部又は全部が接眼窓保持部に内蔵されていることを特徴とするものである。

この場合、接眼光学系を接眼窓保持部に内蔵させることで、特段接眼光学系を格納するスペースを設ける必要がなくなり、頭部装着型画像表示装置を小型にできる。

本発明の第９の形態の頭部装着型画像表示装置は、第８の形態において、接眼窓保持部に内蔵される接眼光学系は、平行光束を収斂させる作用を有する光学系であることを特徴とするものである。

接眼窓保持部の内部に電子映像の光束を通す場合、ここに光束を収束させる作用を有する光学系を内蔵させることで、必要な光束の拡散を抑えることができ、光束を細めて通すことができ、接眼窓保持部を構成する部材を第１の形態のように４ｍｍ以下に細めた設計がしやすくなる。

本発明の第１０の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１〜第９の形態において、接眼窓は長方形形状であり、その長辺が接眼窓保持部の長手方向と同一方向であることを特徴とするものである。

接眼窓を上下（接眼窓保持部の幅方向）に短くすることで、接眼光学系部分を全体に薄くすることができ、左右（接眼窓保持部の長手方向）に長くすることでより、アイポイントが広く位置調整がしやすくなる。また、接眼窓から取り込む光量も増えるため、明るい画像を観察できる。

本発明の第１１の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１〜第９の形態において、接眼窓の開口サイズは、上下方向は瞳孔径よりも小さく、左右方向は瞳孔径よりも大きいことを特徴とするものである。

本発明の第１０の形態の頭部装着型画像表示装置の作用効果に加えて、上下方向を瞳孔径より小さくすることで、さらにシースルー効果が得られる。

本発明の第１２の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１〜第９の形態において、接眼窓の開口サイズは、上下方向は４ｍｍ以下であり、左右方向は４ｍｍ以上であることを特徴とするものである。

前記のように、人間の平均的な瞳孔径サイズを４ｍｍとすると、接眼窓の開口サイズは、上下方向は４ｍｍ以下、左右方向は４ｍｍ以上であることが望ましく、第１０、第１１の形態の頭部装着型画像表示装置の作用効果が得られやすい。

本発明の第１３の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１〜第９の形態において、筐体と接眼窓保持部は、全反射のミラー又はプリズムあるいはイメージファイバーバンドルを介して連結されていることを特徴とするものである。

この場合、表示素子を覆う筐体と接眼窓保持部を全反射のミラー又はプリズムあるいはイメージファイバーバンドルを介して連結するようにすると、使用者の側頭部側に筐体を配置できるようになる。また、頭部装着型表示装置を使用しないときに、この部分で折り曲げてコンパクトにし、保管や携帯しやすくできる。

本発明の第１４の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１〜第１３の形態において、照明部があり、照明部と筐体とは全反射のミラー又はプリズム、導光板、あるいは、ライトガイドを介して連結されていることを特徴とするものである。

この場合、筐体を使用者の側頭部側に配置できるようになる。また、頭部装着型表示装置を使用しないときに、この部分で折り曲げてコンパクトにし保管や携帯しやすくできる。

本発明の第１５の形態の頭部装着型画像表示装置は、第９の形態において、接眼光学系は凸レンズからなることを特徴とするものである。

この場合、凸レンズの正の屈折力が観察者が観察できる表示素子の虚像を形成することになる。

本発明の第１６の形態の頭部装着型画像表示装置は、第８〜第９の形態において、接眼光学系はラジアル方向に屈折率が徐々に高くなる光学媒質からなることを特徴とするものである。

この場合、接眼光学系としてラジアル方向に屈折率が徐々に高くなる光学媒質を用いると、光束を収束させる作用を有しているため、接眼窓保持部を構成する部材を第１の形態のように４ｍｍ以下に細めた設計がしやすくなる。

本発明の第１７の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１〜第１６の形態において、表示素子の有効表示面の対角寸法をＤ、接眼光学系の焦点距離をｆとするとき、Ｄ／ｆ＜０．５を満たすことを特徴とするものである。

図１４は本発明の表示装置の諸パラメータの関係を示す図であり、表示素子の有効表示面の対角寸法（有効径）をＤ、電子像視野の半画角をω／２、接眼光学系の焦点距離をｆとするとき、近軸光学理論により、
ω／２＝（Ｄ／２）／ｆ ・・・（１）
の関係にある。

主光線が使用者の瞳を通過できる主光線の最大傾斜角をξとし、使用者の瞳径をｄ、作動距離をＷとすると、
ξ＝（ｄ／２）／Ｗ ・・・（２）
の関係にある。

周辺まで画像が明瞭に見えるための条件は、
ω／２＜ξ ・・・（３）
であるので、
Ｄ／ｆ＜ｄ／Ｗ ・・・（４）
となる。

ここで、室内における使用者の瞳の径ｄは、高々５ｍｍ程度なので、ｄ＝５ｍｍを、また、瞬き時の睫毛の干渉等を考慮し、確保すべき作動距離Ｗは１０ｍｍ程度なので、Ｗ＝１０ｍｍをそれぞれ不等式（４）に代入すると、
Ｄ／ｆ＜０．５ ・・・（５）
となる。

ここで、表示装置の射出瞳位置を接眼窓近傍あるいは接眼窓と使用者の眼の瞳との間に設けることで、観察画像周縁の光束のケラレを小さくできるが、それでもＤ／ｆが０．５以上になると、ケラレが発生する。

このように、本発明の表示装置の光学系をＤ／ｆ＜０．５という条件に設定することにより、小型な装置でありながら、観察時にケラレのない電子映像を観察することができるようになる。

本発明の第１８の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１７の形態において、射出瞳位置は接眼窓近傍あるいは接眼窓と使用者の眼の瞳との間にあることを特徴とするものである。

上記のように、Ｄ／ｆ＜０．５を満たし、射出瞳位置は接眼窓近傍あるいは接眼窓と使用者の眼の瞳との間に位置するようにすることで、観察時にケラレのない電子映像を観察することができるようになる。

本発明の第１９の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１の形態において、表示素子を射出する電子映像形成光束が、接眼窓保持部の外側を通過することを特徴とするものである。

接眼窓保持部内部を電子映像形成光束が通過する場合、接眼窓支持部を構成する部材はその光束径の太さより細くすることができない。しかし、電子映像形成光束を接眼窓保持部の外側を通過させることで、接眼窓支持部を構成する部材はその制限を受けることなく細くすることができ、より理想的シーアラウンドの設計が可能になる。

本発明の第２０の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１の形態において、表示素子を照明する照明用の光源を有し、その光源を蛍光樹脂ロッドで構成したことを特徴とする特徴とするものである。

蛍光樹脂ロッドは、外光に照らされると自家蛍光により発光し、その発光した光はロッド内部を全反射しながらその端面より射出する。これを表示素子を照らす照明光源として利用することで、頭部装着型画像表示装置の消費電力を小さくでき、さらに、外界が明るい場合は、光源輝度も上がるので、電子映像が外界の明るさに負けて視認視認し難くなるという不具合が回避できる。

本発明の第２１の形態の頭部装着型画像表示装置は、第２０の形態において、蛍光樹脂ロッドの表示素子と反対側に向いた端面はミラーコート処理又はコーナーキューブ形状をしていることを特徴とするものである。

この場合、蛍光樹脂ロッドの反対側の端面をミラーコート又はコーナーキューブ形状とすることで、反対方向に抜けてしまう光を反射させ、表示素子の照明光として利用することができる。

本発明の第２２の形態の頭部装着型画像表示装置は、第２０の形態において、蛍光樹脂ロッドの側面で外光が入射しない側の側面にミラーを配置したことを特徴とするものである。

この場合、入射側でない側面にミラーを配置することで、蛍光樹脂ロッドの側面から入射し、蛍光物質に当たらず透過してしまう光を再度蛍光樹脂ロッドへ入射させることで、光の利用率を高めることができる。

本発明の第２３の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１〜第２２の形態において、使用者の眼と接眼窓の位置関係で、眼の視軸は接眼窓に重ならず、接眼窓の主光線は瞳孔径内に入射することを特徴とするものである。

この場合、視軸上に表示装置の筐体を配置すると、暗く減光された外界の一部分と電子映像が重なるように見えるが、視軸上から表示装置を上記の通りにずらすことで、外界の減光された領域と電子映像とがずれて表示されるため、正面方向の外界景色と電子映像をより自然に合成して表示させたい場合に有効である。

本発明の第２４の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１の形態において、接眼窓保持部を構成する部材は、接眼窓側は細く、表示素子側は太くなるようなテーパー構造のものであること特徴とするものである。

接眼窓保持部を構成する部材の接眼窓部分を４ｍｍ以下とすることで、シーアラウンド機能やシースルー機能が有効となるが、小型の表示素子は製造の難易度が高くコスト上昇の原因となることから、接眼窓部分は４ｍｍ以下という細さを保ち、眼球から離れた根元部分を太くすることで、シーアラウンド機能や、シースルー機能は保ちつつ、表示素子のサイズを大きいものが使用可能となる。

本発明の第２５の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１の形態において、表示素子の映像を光ファイバーイメージガイドにより伝送して形成された２次映像を接眼窓保持部及び接眼窓を通して観察するようにしたこと特徴とするものである。

この場合、表示素子の映像を光ファイバーイメージガイドを利用して伝送し２次映像を形成して、それを観察する構成にすることにより、表示素子や電気基板類を目元から離すことができ、装着時の外見上の不自然さを少なくすることができる。

本発明の第２６の形態の頭部装着型画像表示装置は、第２５の形態において、光ファイバーイメージガイドとして不規則に配列された暗号化光ファイバーイメージガイドが用いられ、その暗号化光ファイバーイメージガイドに対応して、２次映像が映像として観察可能なように、表示素子上に映像を表示させることを特徴とするものである。

この場合、端末毎に不規則なパターンで映像を伝送する暗号化光ファイバーイメージガイドにより、各端末に同じ映像を表示させるときでも、端末によって表示素子（１次映像）に表示させる映像パターンが異なる。そのため、ある端末に合わせて作成した映像表示データを他の端末にコピーしてそのまま表示させた場合、他の端末では全く意味不明の映像しか観察することができない。

本発明の第２７の形態の頭部装着型画像表示装置は、第２５の形態において、表示素子上の映像サイズよりも光ファイバーイメージガイドにより伝送された２次映像サイズが小さくなるように、光ファイバーイメージガイドの各画素のピッチを入射側と射出側で異ならせたことを特徴とするものである。

接眼窓保持部や接眼窓は４ｍｍ以下という細いサイズであるが、それに合うような小型の表示素子は製造が難しく、コスト上昇の原因となる。そこで、光ファイバーイメージガイドの両端面の画素配列のピッチを変えることで、表示素子の映像サイズよりも小さな２次映像を作ることができ、その結果、大きな表示素子が利用できることから、コストを低減することができる。

本発明の第２８の形態の頭部装着型画像表示装置は、第１〜第２７の形態において、表示素子を含む表示部と接眼窓保持部と接眼光学系と接眼窓とが眼鏡フレームに内蔵されていることを特徴とするものである。

本発明の頭部装着型画像表示装置は小型化、軽量化が可能なため、眼鏡と一体にしてその主要部を眼鏡に内蔵させることができる。

以下に、本発明の頭部装着型画像表示装置のいくつかの実施例を説明する。

図１は、本発明による１実施例の頭部装着型ディスプレイ（画像表示装置）１を人の頭部Ｍに装着した様子を正面から見た模式図である。また、図２（ａ）は図１の場合の横顔を示した図、（ｂ）は上から見た図である。この例は、小型のヘッドホン型の頭部支持部１０を利用した例である。図１、図２において、顔の端部に位置する表示パネルを観察可能とするための導光路が内蔵された接眼窓保持部２が頭部支持部１０から眼球Ｅ前面付近まで延びている。その接眼窓保持部２の先端部の接眼窓４を覗くことにより、表示された画像を確認することができる。このとき、外界景色の観察を妨げないよう、眼球正面範囲（図１参照）内に位置する部品は全て幅４ｍｍ以下となるように設定されている。

ここで、眼球正面範囲内に位置する部品を全て幅４ｍｍ以下とする理由を説明する。人間の瞳孔径は明るさに応じて２〜８ｍｍの間で変化する。眼球正面に配置された遮蔽物が瞳径よりも小さい場合には、遠方の景色は遮蔽物によって遮られることなく、観察可能である。ここで、眼球正面範囲内に位置する筐体部品である接眼窓保持部２を構成する部材を、平均的な瞳孔径サイズを基準として４ｍｍ以下というサイズにすることで、ほとんどの通常使用環境において、外界を遮蔽せずに観察することができるようになる。

なお、図１、図２の例において、棒状に伸びている頭部支持部１０は後記する蛍光樹脂ロッドでできていてもよい。また、ヘッドホン型の頭部支持部１０内には、補助照明光源や表示パネル駆動基板、各種制御基板、各種情報処理基板、メモリー、通信機能、スピーカー、操作インターフェース等が内蔵されていてもよい。

図３は、導光路が接眼窓保持部２に内蔵されていない構成例の正面から見た模式図である。頭部支持部１０に保持され表示パネルが装着されている映像射出部１１と、頭部支持部１０に保持され接眼光学系５を保持するための接眼窓保持部２と、接眼窓保持部２に保持される接眼光学系５とからなり、表示パネルからの射出光は接眼窓保持部２の内側を通らずに、外側すなわち空中を通り、直接接眼光学系５に入射する。この場合の接眼窓保持部２も眼球正面範囲から見て、幅４ｍｍ以下、長さ１０ｍｍ以上となるように設定されている。

この図３の場合は、図１〜図２の構成の効果に加えて、接眼窓保持部２を光路外に配置することにより、視野中心から遠ざけることができ、より自然に外界と電子画像の両方を観察することができる。

図４は、図１の構成における光学系部分の透視斜視図（ａ）と上側からみた図（ｂ）である。接眼窓保持部２の入射端近傍に内蔵されて表示パネル３から射出された映像光は、接眼窓保持部２の内部を通り、反射部材６により方向を変え接眼窓４より眼球Ｅ方向に射出される。観察者はこの接眼窓４を覗くことで、表示パネル３に表示されている画像を観察することができる。接眼窓保持部２の左端は、実際は頭部支持部１０へと繋がっており、頭部Ｍに保持される構造となっている。このとき、接眼窓保持部２の幅は観察者方向から見て４ｍｍ以下であり、接眼窓保持部２の長さは１０ｍｍ以上である。この場合の反射部材６とは、光線を反射する部材なら何でもよく、例えばプリズム、ミラー等が利用できる。また、この場合の表示パネル３とは、小型の表示パネルなら何でもよく、例えば透過型又は反射型の液晶表示素子、自発光型の有機ＥＬ素子、無機ＥＬ等が利用できる。

図５に、本発明における頭部装着型画像表示装置の光学系の基本構成を示す。近点調節限界よりも近い位置に配置された表示パネル３を接眼レンズ５によりその映像光を眼球Ｅに投影することにより、観察者は表示パネル３の虚像である空中像３’を拡大観察することができる。このような構成により、小型な表示素子（表示パネル３）を用いても、大きな観察画角でその表示像を見ることが可能となる。

この場合の接眼レンズ５とは、正の屈折力を持った光学系であれば何でもよく、例えば、凸レンズ、凹面鏡、屈折率不均質レンズ等が利用できる。また、接眼レンズ５は正又は負の屈折力を持った光学素子を複数個組み合わせて正のレンズ群を形成したものを用いてもよい。

図６は、本発明の表示装置による外界の遮蔽の様子を模式図で説明するための図である。図６では、遮蔽物（ここでは、表示装置の筐体。図１〜図４の接眼窓保持部２が主として対応する。）が眼球Ｅ正面にあった場合でも、遮蔽物が瞳孔径よりも細い場合には、遠方の外界像は完全に遮蔽されることがない原理を示している。ここでは、遠方のある点からの光を入射光とすると、略平行な光として眼球Ｅに入射する。このとき、遮蔽物が瞳孔径よりも小さければ、平行光の一部は瞳孔を通り、網膜上の対応点に結像する。したがって、眼球正面に遮蔽物（表示装置の筐体）等があっても、瞳孔径よりも小さい太さのものであれば、外界の情報は失われることなく観察することが可能である（シースルーとなる）。

図６において、外界が明るくなり使用者の瞳孔が縮瞳した場合には、眼球正面方向の外界視野が絶たれ、外界視野が視認できなくなるという現象が起こる。そこで、ここでは、図７（ａ）のように、眼球正面（視軸）方向から遮蔽物（表示装置の筐体）をずらすことで、より外界像も自然に見ることができる。さらに、その際、表示装置による空中像（虚像）は、遮蔽物を瞳孔の端に配置しているにもかかわらず、眼球正面方向に見ることができ、完全なシースルー効果が得られる。すなわち、例えば図７（ｂ）に光路図を示すように、外界を観察する使用者の眼球光軸（視軸）と本発明の表示装置の光軸とが互いに平行になるようにすることで、外界像に本発明の表示装置が映し出す像が重なり合って見えるようになる（シースルーとなる）。

以上のように、眼球Ｅの前方に位置する遮蔽物である接眼窓保持部２を１０ｍｍ以上の長さにし、かつ、人間の平均的な瞳孔径４ｍｍよりも細くすることで、図６に示すように、外界からの光束を完全に遮ることがなく、接眼窓保持部２の眼球Ｅと反対の向こうにある外界像があたかも接眼保持部２を透けて見え、視認できる。接眼窓保持部２の内部を外界光が通過することもないため、従来技術で問題となった不要反射も発生しない。すなわち、
『軽量かつ小型』
『ゴーストがない』
『大きな外界視野』
といった特徴を持つシーアラウンド効果を得ることができる。

以下に、接眼窓保持部２に内蔵される光学系の構成例を示す。図８（ａ）は基本構成を示す図であり、表示パネル３からの光を導光する接眼窓保持部２と、それを眼球方向へ向きを変える反射部材６と、接眼レンズ５により構成されている。この構造により、大きさの嵩張る表示パネル３をなるべく眼球より遠避けることで、眼球正面範囲内に含まれる部位の幅を細くすることができる。

ただし、図８（ａ）の構造だと、表示パネル３のサイズが接眼窓保持部２を構成する部材の径で制限されてしまったり、接眼窓保持部２を長くすると、表示画面の画角を大きくとれないという問題がある。そこで、図８（ｂ）に示すように、接眼窓保持部２を構成する部材をテーパー構造とすることで、眼球正面範囲に位置する部分はできるだけ細く、表示パネル３の部分を大きくとることによって、製造しやすい寸法の大きい表示パネル３を使用することができ、画角も大きくとることが可能である。

図９（ａ）、（ｂ）は、図８（ａ）と（ｂ）の構造の画角の差を示す図である。図９（ａ）は、接眼窓保持部２が同一径による筐体２₁ の構造となっており、図９（ｂ）は、テーパー構造の筐体２₂ で、接眼レンズ５側が細く、表示パネル３側が大きくなっている。図９の比較によると、例えば、筐体２₁ 、２₂ の中央付近から接眼レンズ５にかけて眼球正面範囲に入っている条件で考えると、図９（ａ）、（ｂ）どちらも眼球正面範囲内の筐体の径を４ｍｍ以下としたとき、図９（ｂ）のテーパー構造の筐体２₂ の方が、画角が大きくとれ、表示パネル３も大きくすることができる。ただし、図９中、光軸は符号２１で、表示パネル３の端部からの光線を符号２２で示してある。

このように、眼球正面範囲にある筐体をできるだけ細くすることで、外界をより鮮明に観察することができる。また、表示パネル３を大きくできることで、画角を大きくすることができ、提示できる情報量が多くできると共に、表示パネル３の製造も容易となる。

以上から明らかなように、接眼レンズ５の開口部分の大きさを小さくする程、本発明の表示装置は小型化が図れることとなり、より軽量で、装着者の目を覆わない構造が実現できる。眼球に対しての遮蔽となる表示装置の筐体が小さい程、より自然なシースルー効果が得られ、また、外観上の装着者の自然な表情が伝わりやすいといった効果が得られる。

反面、接眼レンズ５の開口から眼球に入射する光量が減り、表示画面の輝度が低下して見えたり、眼球と接眼レンズ５との位置調整が難しくなるという問題もある。

ところで、接眼レンズ５の開口サイズを小さくする上で、眼球正面に配置される筐体部品である接眼窓保持部２の長手方向、つまり、画面の横方向の開口サイズの縮小は小型化に余り寄与しない。

そこで、図１０（ａ）に図８の構成例における斜視図を、また、図１０（ｂ）にその構成例の観察時の接眼窓保持部２の先端部と眼球Ｅの位置関係を、また、図１０（ｃ）にそのときの接眼窓４と瞳孔径サイズの関係を示すように、眼球Ｅ正面に配置される筐体部品である接眼窓保持部２の長手方向と垂直な方向、つまり、この構成例における上下方向のみ接眼レンズ５の開口（接眼窓４）を縮小することで、小型化、シースルー効果向上等を図り、輝度低下等のデメリットを最小限に抑えることが可能である。

つまり、接眼レンズ５の接眼窓４を接眼窓保持部２の長手方向に長くなるような長方形形状とすることで、小型化、シースルー効果向上、輝度低下の軽減が可能であり、より使いやすい頭部装着型画像表示装置が実現できる。

さらに、シースルー効果を得ながら、より見やすい接眼窓４の形状を考えると、上下方向は瞳孔径より小さく、左右方向は瞳孔径より大きくすることが望ましい。また、人間の平均的な瞳孔径４ｍｍとして、上下方向は瞳孔径４ｍｍ以下で、左右方向は瞳孔径４ｍｍ以上であるような条件を満たす接眼窓４のサイズとすることで、より多くの観察状況で見やすい表示が可能となる。

また、図１１に接眼窓４の左右方向の長さに依存するアイポイントの左右の幅を示すが、図１１（ｂ）のように、接眼窓４を左右（接眼窓保持部２の長手方向）に長くすることでより、図１１（ａ）の接眼窓４の左右のサイズが小さい場合に比べて、アイポイントが広くなり、接眼窓４に対して目のの位置が調整しやすくなり、また、接眼窓４から取り込む光量も増えるため、明るい画像を観察できる。

さて、図１２は接眼窓保持部２内の光路中に２つの反射部材６、６’を用いて構成した例を示す図であり、２つの反射部材６、６’で光路を２回折り曲げることにより、バックライトの配置や、頭部支持部１０との連結に有利な場合がある。すなわち、光路を２回折り曲げることで、レイアウト上の自由度が大きくなる。

図１３は、接眼窓保持部２に光学系を内蔵する場合に、その光学系として屈折率分布型レンズ２３を利用した例を示す図であり、このような屈折率分布型レンズ２３を用いることにより、通常の凸レンズで接眼光学系を構成するよりも、細い接眼窓保持部２の径で画角の大きな表示面が実現できる。すなわち、図１３（ｂ）に通常の接眼レンズ（凸レンズ）５で接眼光学系を構成した場合の画角を示し、図１３（ｃ）に屈折率分布レンズ２３で構成した場合の画角を示しており、表示パネル３の端部から射出され、接眼窓中央を通る光線２２に注目すると、両構成共導光路を伝わって接眼窓から射出されるが、図１３（ｃ）の屈折率分布レンズ２３で構成された方を見ると、光線２２が導光路中で次第に方向を変えるのに対し、通常の接眼レンズ５で構成された図１３（ｂ）の構成では、直線的に光線２２が進むため、射出される時点での見込み角（画角）が異なり、図１３（ｃ）の屈折率分布レンズ２３を利用した方が画角が大きくなっていることが分かる。

このように、接眼窓保持部２内に屈折率分布型レンズ２３を接眼光学系に用いることにより、より細い径で大きな画角が実現可能である。

ここで、表示パネル３の有効径と接眼レンズ５の焦点距離との関係を検討する。図１４に本発明の表示装置の光学系の諸パラメータの関係を示す。表示素子の有効表示面の対角寸法（有効径）をＤ、電子像視野の半画角をω／２、接眼光学系の焦点距離をｆとするとき、近軸光学理論により、
ω／２＝（Ｄ／２）／ｆ ・・・（１）
の関係にある。

主光線が使用者の瞳を通過できる主光線の最大傾斜角をξとし、使用者の瞳径をｄ、作動距離をＷとすると、
ξ＝（ｄ／２）／Ｗ ・・・（２）
の関係にある。

周辺まで画像が明瞭に見えるための条件は、
ω／２＜ξ ・・・（３）
であるので、
Ｄ／ｆ＜ｄ／Ｗ ・・・（４）
となる。

ここで、室内における使用者の瞳の径ｄは、高々５ｍｍ程度なので、ｄ＝５ｍｍを、また、瞬き時の睫毛の干渉等を考慮し、確保すべき作動距離Ｗは１０ｍｍ程度なので、Ｗ＝１０ｍｍをそれぞれ不等式（４）に代入すると、
Ｄ／ｆ＜０．５ ・・・（５）
となる。

表示装置の射出瞳位置を接眼窓近傍あるいは接眼窓と使用者の眼の瞳との間に設けることで、観察画像周縁の光束のケラレを小さくできるが、それでもＤ／ｆが不等式（５）の上限の０．５以上になると、ケラレが発生する。

このように、本発明の表示装置の光学系にＤ／ｆ＜０．５という条件に設定することにより、小型な装置でありながら、観察時にケラレのない電子映像を観察することができるようになる。

さて、本発明の表示装置の表示パネル３の照明用の光源であるが、外光を利用するようにすることが望ましい。その際、蛍光樹脂ロッドでその照明光源を構成することができる。以下に、その例を示す。

図１５は、外光をバックライトに利用するための蛍光樹脂ロッドについての説明図である。蛍光樹脂ロッド３０とは蛍光物質４１が含まれた樹脂をロッド状に加工した部材である。この蛍光樹脂ロッド３０は外光４２が側面等から入射すると、蛍光物質４１に一度吸収され、次にその蛍光物質４１を光源として発光する。このときその部材がロッド形状であるとき、内部で発せられた光４３は内部の側面で全反射を繰り返し、ロッド端面から射出される。つまり、ロッド内部で発光しロッド内部に閉じ込められた光がロッド端面から射出するため、ロッド端面は非常に明るく発光する。そのままでは、バックライトとして利用する側の端面と反対方向の端面からも発光してしまうが、利用しない端面をミラー４４とすることで、反射された光が利用する側の端面からのみ射出されるようになるため、バックライトの光を有効利用することができる。なお、ミラー４４とは、金属薄膜をロッド端面に蒸着してもよいし、コーナーキューブのような全反射を利用したプリズムでもよい。

さらに、ロッド状に加工した部材の側面から入射した外光４２も、蛍光物質４１に吸収されなかったり、ロッドの全反射条件を満たさなかった光が側面から漏れ出すが、外光４２が入射しない側あるいは取り付けたときに内側になる部分にミラー４５を配置することで、利用されなかった光の一部を再利用することが可能である。

また、この構成を利用した照明を表示パネル３の照明光４６として用いると、外界の明るさに応じて照明光４６の明るさが変化する。この現象は、一般的にシースルー機能使用時には、外界が明るいときにより明るい照明が必要であり、外界が暗いときには、少ない照明でよいという利用シーンに一致する。

図１６、図１７は、このような蛍光樹脂ロッド３０を利用した表示装置の構成例を示す図である。何れも、蛍光樹脂ロッド３０端面から射出される照明光を表示パネル３１又は３６に入射させ、表示パネル３１又は３６による映像光が接眼窓保持部２内を導光し、接眼窓４から射出される。ここで、蛍光樹脂ロッド３０は頭部支持部１０へ接続されるか、又は、蛍光樹脂ロッド３０自体が頭部支持部１０となっていてもよい。

図１６（ａ）、（ｂ）、図１７（ａ）は、透過型表示パネル３１を利用した構成であり、図１７（ｂ）は、反射型表示パネル３６を利用した構成である。図１７（ｂ）の場合は、反射型表示パネル３６の前面から照明光４６を入射させるために、反射型表示パネル３６の表示側にハーフミラー等の光路分離光学素子４９を配置する。

図１８は、蛍光樹脂部材と導光板を組み合わせて表示パネルのバックライトとした構成例を示す図であり、図１８（ａ）は、板状に構成した蛍光樹脂板３０’の一部に射出溝４７を設けることにより、その部分から光を射出させ、表示パネル３１のバックライトとしている。図１８（ｂ）は、蛍光樹脂ロッド３０の一端から出た光を蛍光樹脂ロッド３０に接続された別部材の導光板４８に入射させ、導光板４８はその側面より表示パネル３１方向へ導光された光を射出する機能により、表示パネル３１を照明するものである。このように、蛍光樹脂部材と導光板を組み合わせることで、外光を表示パネル用照明として利用することができる。また、このような導光板を介することで、蛍光樹脂ロッド端面が表示パネルよりも小さいときでも、表示パネル全体をムラなく照明することができる。

このように、バックライトとして蛍光樹脂部材を利用することによって、表示パネルの照明に外光が利用できるため、低消費電力化でき、また、外界の明るさに応じて自然に照明光量が変化することから、特殊なセンサーを取り付けることなく利用する環境に応じて、適切な照明がなされる。また、外光を利用したバックライトを安価に構成することができる。

図１９に蛍光樹脂ロッド３０を用いた他の構成例を示す。図１９おいて、表示素子として透過型液晶表示素子３１を使用し、その表示素子３１の照明に上記の蛍光樹脂ロッド３０を用いており、蛍光樹脂ロッド３０は外光に照らされて自家蛍光により発光し、その発光した光は蛍光樹脂ロッド３０内部を全反射しながらその端面より射出し、反射プリズム３３と照明用レンズ３２を経てその自家蛍光による照明光で表示素子３１が照明される。蛍光樹脂ロッド３０の透過型液晶表示素子３１側でない端面は、全反射プリズム（コーナーキューブ）３４の形状とされており、表示素子３１と反対に進行する蛍光光を折り返して再利用している。そして、この例では、表示素子３１と接眼窓４の間に一端が９０°全反射型の透明ロッド９が配置され、透明ロッド９の光路が９０°曲がった射出端の接眼窓４位置に接眼レンズを構成する凸レンズ１５が貼り付けられており、その全体が接眼窓保持部２で覆われて構成されている。したがって、接眼レンズの凸レンズ１５と接眼窓４が一体化されている。この例では、蛍光樹脂ロッド３０を表示素子３１を照らす照明光源として利用することで、頭部装着型画像表示装置の消費電力を小さくでき、さらに、外界が明るい場合は、光源輝度も上がるので、電子映像が外界の明るさに負けて視認視認し難くなるという不具合が回避できる。なお、図１９の例では、蛍光樹脂ロッド３０は未使用時に、図２０に示すように、ヒンジ回転軸３５を中心に矢印方向へ畳んで収納できるようになっている。このように構成することにより、眼鏡に搭載したままの状態でも、眼鏡と一緒に折り畳み収納することができる。

図２１は、通常用いる眼鏡に本発明による頭部装着型画像表示装置を取り付けた例を示す図である。眼鏡フレーム５０に沿って蛍光樹脂ロッド３０が配置され、その端面からの光を一度反射部材にて９０°折り曲げ、表示パネル３１に入射させ、表示パネル３１からの映像光を接眼窓保持部２内を導光して、接眼窓４より射出させる。このとき、蛍光樹脂ロッド３０の他の端面は光の利用効率を高めるためミラー４４が設けられていてもよく、また、外光４２が当たらない眼鏡フレーム５０と蛍光樹脂ロッド３０との境界はミラー４５が設けられていてもよい。さらに、補助光源３７を利用することで、全くの暗闇でも利用することが可能となる。ここでは、蛍光樹脂ロッド３０の他端に補助光源３７を配置してあり、ミラー４４と補助光源３７を切り換えて使用することができる。

補助光源３７が発する光の波長は、蛍光樹脂ロッド３０の蛍光物質を効率的に励起できる波長帯に一致しているのがよい。これにより、蛍光樹脂ロッド３０は補助光源３７からの補助光により効率的に励起され、この蛍光により表示パネル３１が照明されるので、補助光源３７は少ない消費電力で明るい照明が可能となる。

あるいは、補助光源３７が発する光の波長は、蛍光樹脂ロッド３０の吸収度が大きな波長帯を避けるとよく、これにより補助光源３７が発した光が蛍光樹脂ロッド３０で吸収されることなく表示パネル３１を照明できるので、補助光源３７は少ない消費電力で明るい照明ができる。

さらに、補助光源３７が発する光の色を、蛍光樹脂ロッド３０の発する蛍光色と異なる色とし、使用者に注意を促したいときにこの補助光源３７を点滅させるようにしてもよい。この点滅により、使用者が観察する画像は、その明るさだけでなく、色が変化し、注意されていることに気がつきやすくなる。

また、蛍光樹脂ロッド３０を頭部側面に配置した場合に外光が当たらない部分、頭部と蛍光樹脂ロッド３０の間に電気基板や配線等を配置しても、外光の入射の妨げになることはない。

このように、通常の眼鏡に本発明の頭部装着型画像表示装置を取り付けることにより、普段眼鏡を利用する人にも本発明の頭部装着型画像表示装置が使用可能となる。また、その際に、補助光源を設けることにより、暗い環境にも対応可能である。さらに、外光を利用した照明光源として蛍光樹脂ロッドを用い、その蛍光樹脂の吸収波長を考慮して補助光源を選定することにより、低消費電力化が図れる。その蛍光樹脂の蛍光色と異なる波長の補助光源に使用することにより、注意喚起の信号として利用できる。さらには、蛍光樹脂ロッドの外光入射部の反対側に配線、基板類を配置することで、外光入射の妨げにならない。

図２２は、本発明の頭部装着型画像表示装置を眼鏡フレームに組み込んだ例を示す図である。接眼窓保持部２が眼鏡フレーム５０内部に組み込まれ、図では眼鏡レンズ５１の中央の下部に接眼窓４があり、映像光が射出される。このように、本発明の頭部装着型画像表示装置を眼鏡フレームに当初から組み込むことで、煩雑な取り付け作業が必要なく、取り付け機構等も不要であるため、より自然なデザインが可能となる。

図２３は光ファイバーイメージガイドを利用した構成例を示す図である。頭部装着型画像表示装置において、装着時の煩わしさを取り除くことが重要であり、それには、目元付近に配置する部品をできるだけ小さくすることで効果が期待できる。通常、目元付近に表示パネルが配置されるため、目元付近の装置が大型化してしまっていた。そこで、表示パネル３を目元から離し、表示パネル３の映像を光ファイバーイメージガイド５５で目元付近まで伝送し、伝送された映像を２次映像として、その２次映像を光学系で拡大観察するようにすることで、目元付近に配置する装置を極力小さくすることができる。また、光ファイバーイメージガイド５５はある程度柔軟性があるため、折り曲げて使用することもでき、色々なデザインや調整機構に対応しやすい構成となる。

また、図２３では、無線で接続されたコントローラー５６から映像や情報を受け取り、表示パネル３に表示している様子が図示されている。ここで言うコントローラー５６とは、専用のコントローラーや携帯電話、携帯型情報機器（ＰＤＡ）等何でもよい。

以上のように、光ファイバーイメージガイドを用いて表示パネルの映像を２次映像として伝送するようにすることにより、表示パネルや配線、電気基板類を目元付近に配置する必要がなくなり、装着感やデザインに悪影響を与える目元付近の装置の大型化を防ぐことができる。また、光ファイバーイメージガイドはある程度柔軟性があるため、折り曲げても使用することもでき、色々なデザインや調整機構に対応しやすい。

図２３のような構成において、無線での映像や情報のやり取りが一般化すると、情報漏洩の問題が生じてくる。電気的又はソフトウェア的に対策するだけでは不安が残る場合も生じてくる。その場合に有効なのが、暗号化光ファイバーイメージガイドを組み込んだ頭部装着型画像表示装置である。図２４は、暗号化光ファイバーイメージガイド５７の構成と作用を説明する図であり、通常の光ファイバーイメージガイドでは、表示パネル３上に表示された映像をそのままのパターンで伝送する。例えば、表示パネル３上の画素１個に対して光ファイバー１本を配置して、画素の相対配置を維持したまま映像を伝送する。ここで言う暗号化光ファイバーイメージガイドとは、表示パネル３上の画素１個に対して光ファイバー５８を１本を割り当て、伝送の途中で光ファイバー５８の相対配置をランダムに入れ替えることによって、表示パネル３上の映像とは全く異なるパターンの映像を表示するものである。図中では、表示パネル３上に全く意味をなさない画像が表示されているが、それを伝送する光ファイバー５８の配置が途中で相互に入れ替わっており、伝送後の２次映像上では“Ｆ”という文字が表示されている。

予め表示パネル３上の画素と伝送された２次映像上の画素の対応関係を調べることにより、２次映像として整った映像として見えるように、表示パネル３上に実際に表示する映像を画素単位で入れ替える。コントローラー５６側からはこの入れ替えられた映像として全く意味をなさない画像情報が無線信号にて送信されるため、もし他人が傍受したとしても、その人には全く意味のない映像としか見えないため、セキュリティーは保たれることとなる。また、この暗号化光ファイバーイメージガイド５７は製品毎に異なった固有の配置となっており、同じ製品を用いても、他人が傍受することはできない（図２６）。

このように、表示部と別体で構成されるコントローラー（画像データ送信部）から映像や情報を無線で送信する際に、ソフトウェア的、電気的なセキュリティー対策に加えて、物理（光学）構造的にも安全性が高められる。

図２５は画像縮小光ファイバーイメージガイド５５’の説明図である。現在の技術において、非常に小さい表示パネルを製造することは難しく、コストが高くなってしまう。そこで、製造が容易なサイズの表示パネルを用いて、なるべく邪魔にならない部分に装着し、画像縮小光ファイバーイメージガイド５５’にて表示パネル３よりも小さい２次映像を形成させ、これを光学系にて観察することにより、大きい表示パネルを使用しながら、目元付近はコンパクトな装着感のより頭部装着型画像表示装置が実現することが可能である。

このように、画像縮小光ファイバーイメージガイドを利用することにより、実際の表示パネルよりも小さい映像を２次映像として目元付近に表示可能となる。本発明の頭部装着型画像表示装置は、表示パネルとして極端に小さい部類の表示パネルを使用するが、これにより製造が容易で低コストで入手可能なやや大きめの表示パネルが使用可能となる。

図２６は、図２４のような暗号化光ファイバーイメージガイドが用いられた機器におけるコンテンツ配信の模式図を示している。製品Ｎｏ．１〜３までの製品があり、それぞれにおいて暗号化光ファイバーイメージガイドの配置が異なっており、それらを解析してコード化したものが暗号キーとなっている。コンテンツ配信センターはそれぞれの製品Ｎｏ．に対応した暗号キーの情報を持っており、それを基に映像信号を画像処理する。そして、画像処理済のコンテンツデータを対応する製品Ｎｏ．を持つ人に配信する。これらの処理により、そのコンテンツデータはある特定のＮｏ．を持つ製品でしか再生して見ることができず、他の製品へコピー又は不正にコンテンツのみを入手した場合においても、他の製品で再生した場合には、全く意味をなさない画像となってしまう。したがって、デジタルコンテンツを配信する際に問題となっている不正コピーや不正使用の問題が解決できる。

以上の、本発明の頭部装着型画像表示装置は、例えば次のように構成することができる。

〔１〕 少なくとも、表示素子と、接眼光学系と、接眼窓と、接眼窓保持部と、筐体と、これら全体を使用者の頭部に固定するための支持部とからなる頭部装着型画像表示装置であって、筐体は表示素子を覆い、接眼窓保持部は接眼窓を使用者の視界内に保持し、接眼光学系は表示素子が表示する表示画像の虚像を作り、接眼窓はその虚像を形成する光束が使用者の眼に向かい射出する窓であり、接眼窓保持部を構成する部材は、前記接眼窓から根元に向かって１０ｍｍ以上の範囲にて、一部の突起を除き、使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍ以下であり、シーアラウンド機能を有することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。

〔２〕 接眼窓を構成する部材は、その使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍ以下であり、シースルー機能を有することを特徴とする上記１記載の頭部装着型画像表示装置。

〔３〕 接眼窓保持部と接眼窓との間には、光軸を使用者の眼の方向に屈曲する全反射のミラー又はプリズムが配置されていることを特徴とする上記１又は２記載の頭部装着型画像表示装置。

〔４〕 接眼窓保持部は、頭部装着時に略水平に配置されるよう保持されることを特徴とする上記１から３の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

〔５〕 接眼窓と全反射のミラー又は接眼窓と全反射のプリズム全体が、接眼窓保持部の長手方向を回転軸にして回転調整できる回転機構を有することを特徴とする上記３記載の頭部装着型画像表示装置。

〔６〕 表示素子の表示面に垂直な方向を回転軸として表示素子を使用者が回転調整できる回転機構を有することを特徴とする上記３記載の頭部装着型画像表示装置。

〔７〕 接眼光学系の一部又は全部が接眼窓と一体化していることを特徴とする上記１から６の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

〔８〕 接眼光学系の一部又は全部が接眼窓保持部に内蔵されていることを特徴とする上記１から７の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

〔９〕 接眼窓支持部に内蔵される接眼光学系は、平行光束を収斂させる作用を有する光学系であることを特徴とする上記８記載の頭部装着型画像表示装置。

〔１０〕 接眼窓は長方形形状であり、その長辺が接眼窓保持部の長手方向と同一方向であることを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

〔１１〕 接眼窓の開口サイズは、上下方向は瞳孔径よりも小さく、左右方向は瞳孔径よりも大きいことを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

〔１２〕 接眼窓の開口サイズは、上下方向は４ｍｍ以下であり、左右方向は４ｍｍ以上であることを特徴とする上記１から９の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

〔１３〕 筐体と接眼窓保持部は、全反射のミラー又はプリズムあるいは光ファイバーイメージガイドを介して連結されていることを特徴とする上記１から１２の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

〔１４〕 照明部があり、照明部と筐体とは全反射のミラー又はプリズム、導光板、あるいは、ライトガイドを介して連結されていることを特徴とする上記１から１３の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

〔１５〕 接眼光学系は凸レンズからなることを特徴とする上記９記載の頭部装着型画像表示装置。

〔１６〕 接眼光学系はラジアル方向に屈折率が徐々に高くなる光学媒質からなることを特徴とする上記８又は９記載の頭部装着型画像表示装置。

〔１７〕 表示素子の有効表示面の対角寸法をＤ、接眼光学系の焦点距離をｆとするとき、Ｄ／ｆ＜０．５を満たすことを特徴とする上記１から１６の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

〔１８〕 射出瞳位置は接眼窓近傍あるいは接眼窓と使用者の眼の瞳との間にあることを特徴とする上記１７記載の頭部装着型画像表示装置。

〔１９〕 表示素子を射出する電子映像形成光束が、接眼窓保持部の外側を通過することを特徴とする上記１記載の頭部装着型表示装置。

〔２０〕 表示素子を照明する照明用の光源を有し、その光源を蛍光樹脂ロッドで構成したことを特徴とする上記１記載の頭部装着型表示装置。

〔２１〕 蛍光樹脂ロッドの表示パネルと反対側に向いた端面はミラーコート処理又はコーナーキューブ形状をしていることを特徴とする上記２０記載の頭部装着型表示装置。

〔２２〕 蛍光樹脂ロッドの側面で外光が入射しない側の側面にミラーを配置したことを特徴とする上記２０記載の頭部装着型表示装置。

〔２３〕 使用者の眼と接眼窓の位置関係で、眼の視軸は接眼窓に重ならず、接眼窓の主光線は瞳孔径内に入射することを特徴とする上記１から２２の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

〔２４〕 接眼窓保持部を構成する部材は、接眼窓側は細く、表示素子側は太くなるようなテーパー構造のものであること特徴とする上記１記載の頭部装着型表示装置。

〔２５〕 表示素子の映像を光ファイバーイメージガイドにより伝送して形成された２次映像を接眼窓保持部及び接眼窓を通して観察するようにしたこと特徴とする上記１記載の頭部装着型表示装置。

〔２６〕 光ファイバーイメージガイドとして不規則に配列された暗号化光ファイバーイメージガイドが用いられ、その暗号化光ファイバーイメージガイドに対応して、２次映像が映像として観察可能なように、表示素子上に映像を表示させることを特徴とする上記２５記載の頭部装着型表示装置。

〔２７〕 表示素子上の映像サイズよりも光ファイバーイメージガイドにより伝送された２次映像サイズが小さくなるように、光ファイバーイメージガイドの各画素のピッチを入射側と射出側で異ならせたことを特徴とする上記２５記載の頭部装着型表示装置。

〔２８〕 表示素子を含む表示部と接眼窓保持部と接眼光学系と接眼窓とが眼鏡フレームに内蔵されていることを特徴とする上記１から２７の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

本発明による１実施例の頭部装着型ディスプレイを人の頭部に装着した様子を正面から見た模式図である。 図１の横顔を示した図（ａ）と上から見た図（ｂ）である。 導光路が接眼窓保持部に内蔵されていない構成例の正面から見た模式図である。 図１の構成における光学系部分の透視斜視図（ａ）と上側からみた図（ｂ）である。 本発明における頭部装着型画像表示装置の光学系の基本構成を示す図である。 本発明における頭部装着型画像表示装置により外界からの光束を完全に遮ることがなく、外界像があたかも接眼保持部を透けて見え、視認できる様子を示す原理図である。 眼球正面方向から遮蔽物をずらすことでより外界像も自然に見ることができることを説明するための図である。 接眼窓保持部に内蔵される光学系の構成例を示す図であり、基本構成を示す図（ａ）と接眼窓保持部を構成する部材をテーパー構造とした場合を示す図（ｂ）である。 図８（ａ）と（ｂ）の構造の画角の差を示す図である。 図８の構成例における斜視図（ａ）とその構成例の観察時の接眼窓保持部の先端部と眼球の位置関係（ｂ）とそのときの接眼窓と瞳孔径サイズの関係（ｃ）を示す図である。 接眼窓の左右方向の長さに依存するアイポイントの左右の幅を示す図である。 接眼窓保持部内の光路中に２つの反射部材を用いて構成した例を示す図である。 接眼窓保持部に光学系を内蔵する場合に屈折率分布型レンズを利用した例を示す図である。 本発明の表示装置の光学系の諸パラメータの関係を示す図である。 外光をバックライトに利用するための蛍光樹脂ロッドについての説明図である。 蛍光樹脂ロッドを利用した表示装置の構成例を示す図である。 蛍光樹脂ロッドを利用した表示装置の構成例を示す図である。 蛍光樹脂部材と導光板を組み合わせて表示パネルのバックライトとした構成例を示す図である。 蛍光樹脂ロッドを用いた他の構成例を示す図である。 図１９の構成を折り畳んだ様子を示す図である。 眼鏡に本発明による頭部装着型画像表示装置を取り付けた例を示す図である。 本発明の頭部装着型画像表示装置を眼鏡フレームに組み込んだ例を示す図である。 光ファイバーイメージガイドを利用した構成例を示す図である。 暗号化光ファイバーイメージガイドの構成と作用を説明する図である。 画像縮小光ファイバーイメージガイドの説明図である。 図２４のような暗号化光ファイバーイメージガイドが用いられた機器におけるコンテンツ配信の模式図である。 従来例の問題点を説明するための図である。

符号の説明

Ｍ…人の頭部
Ｅ…眼球
１…頭部装着型ディスプレイ（画像表示装置）
２…接眼窓保持部
２₁ …同一径による筐体（接眼窓保持部）
２₂ …テーパー構造の筐体（接眼窓保持部）
３…表示パネル
３’…空中像
４…接眼窓
５…接眼光学系（接眼レンズ）
６、６’…反射部材
９…透明ロッド
１０…頭部支持部
１１…映像射出部
１５…凸レンズ
２１…光軸
２２…表示パネルの端部からの光線
２３…屈折率分布型レンズ
３０…蛍光樹脂ロッド
３０’…蛍光樹脂板
３１…透過型表示パネル（透過型液晶表示素子）
３２…照明用レンズ
３３…反射プリズム
３４…全反射プリズム（コーナーキューブ）
３５…ヒンジ回転軸
３６…反射型表示パネル
３７…補助光源
４１…蛍光物質
４２…外光
４３…内部で発せられた光
４４、４５…ミラー
４６…照明光
４９…光路分離光学素子
４７…射出溝
４８…導光板
５０…眼鏡フレーム
５１…眼鏡レンズ
５５…光ファイバーイメージガイド
５５’…画像縮小光ファイバーイメージガイド
５６…コントローラー
５７…暗号化光ファイバーイメージガイド
５８…光ファイバー
１００…柱状透明支持部材
１０１…不要光

Claims (28)

1. 表示素子と、前記表示素子が表示する表示画像の虚像を作る接眼光学系と、前記虚像を形成する光束を使用者の眼に向けて射出する接眼窓と、前記接眼窓を使用者の視界内に保持する接眼窓保持部とを有し、前記接眼窓を構成する部材の使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍ以下であることによってシースルー機能を有することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
2. 前記接眼窓保持部を構成する部材は、前記接眼窓から根元に向かって１０ｍｍ以上の範囲において、一部の突起を除き、使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の頭部装着型画像表示装置。
3. 射出瞳位置は接眼窓あるいは、接眼窓と使用者の眼の瞳との間にあることを特徴とする請求項１又は２記載の頭部装着型画像表示装置。
4. 接眼窓保持部と接眼窓との間には、光軸を使用者の眼の方向に屈曲する全反射のミラー又はプリズムが配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
5. 接眼窓保持部は、頭部装着時に略水平に配置されるよう保持されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
6. 接眼窓と全反射のミラー又は接眼窓と全反射のプリズム全体が、接眼窓保持部の長手方向を回転軸にして回転調整できる回転機構を有することを特徴とする請求項４記載の頭部装着型画像表示装置。
7. 表示素子の表示面に垂直な方向を回転軸として表示素子を使用者が回転調整できる回転機構を有することを特徴とする請求項４記載の頭部装着型画像表示装置。
8. 接眼光学系の一部又は全部が接眼窓と一体化していることを特徴とする請求項１から７の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
9. 接眼光学系の一部又は全部が接眼窓保持部に内蔵されていることを特徴とする請求項１から８の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
10. 接眼窓保持部に内蔵される接眼光学系は、平行光束を収斂させる作用を有する光学系であることを特徴とする請求項９記載の頭部装着型画像表示装置。
11. 接眼窓は長方形形状であり、その長辺が接眼窓保持部の長手方向と同一方向であることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
12. 接眼窓の開口サイズは、上下方向は瞳孔径よりも小さく、左右方向は瞳孔径よりも大きいことを特徴とする請求項１から１０の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
13. 接眼窓の開口サイズは、上下方向は４ｍｍ以下であり、左右方向は４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から１０の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
14. 筐体と接眼窓保持部は、全反射のミラー又はプリズムあるいは光ファイバーイメージガイドを介して連結されていることを特徴とする請求項１から１３の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
15. 照明部があり、照明部と筐体とは全反射のミラー又はプリズム、導光板、あるいは、ライトガイドを介して連結されていることを特徴とする請求項１から１４の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
16. 接眼光学系は凸レンズからなることを特徴とする請求項１０記載の頭部装着型画像表示装置。
17. 接眼光学系はラジアル方向に屈折率が徐々に高くなる光学媒質からなることを特徴とする請求項９又は１０記載の頭部装着型画像表示装置。
18. 表示素子の有効表示面の対角寸法をＤ、接眼光学系の焦点距離をｆとするとき、Ｄ／ｆ＜０．５を満たすことを特徴とする請求項１から１７の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
19. 表示素子を射出する電子映像形成光束が、接眼窓保持部の外側を通過することを特徴とする請求項１記載の頭部装着型表示装置。
20. 表示素子を照明する照明用の光源を有し、その光源を蛍光樹脂ロッドで構成したことを特徴とする請求項１記載の頭部装着型表示装置。
21. 蛍光樹脂ロッドの表示パネルと反対側に向いた端面はミラーコート処理又はコーナーキューブ形状をしていることを特徴とする請求項２０記載の頭部装着型表示装置。
22. 蛍光樹脂ロッドの側面で外光が入射しない側の側面にミラーを配置したことを特徴とする請求項２０記載の頭部装着型表示装置。
23. 使用者の眼と接眼窓の位置関係で、眼の視軸は接眼窓に重ならず、接眼窓の主光線は瞳孔径内に入射することを特徴とする請求項１から２２の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。
24. 接眼窓保持部を構成する部材は、接眼窓側は細く、表示素子側は太くなるようなテーパー構造のものであること特徴とする請求項１記載の頭部装着型表示装置。
25. 表示素子の映像を光ファイバーイメージガイドにより伝送して形成された２次映像を接眼窓保持部及び接眼窓を通して観察するようにしたこと特徴とする請求項１記載の頭部装着型表示装置。
26. 光ファイバーイメージガイドとして不規則に配列された暗号化光ファイバーイメージガイドが用いられ、その暗号化光ファイバーイメージガイドに対応して、２次映像が映像として観察可能なように、表示素子上に映像を表示させることを特徴とする請求項２５記載の頭部装着型表示装置。
27. 表示素子上の映像サイズよりも光ファイバーイメージガイドにより伝送された２次映像サイズが小さくなるように、光ファイバーイメージガイドの各画素のピッチを入射側と射出側で異ならせたことを特徴とする請求項２５記載の頭部装着型表示装置。
28. 表示素子を含む表示部と接眼窓保持部と接眼光学系と接眼窓とが眼鏡フレームに内蔵されていることを特徴とする請求項１から２７の何れか１項記載の頭部装着型画像表示装置。

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