JP5363390B2 - 頭部装着型画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、頭部装着型の画像表示装置に関するものである。

近年、映像の鑑賞やモバイルでの使用等の用途向けに、頭部に装着して使用する頭部装着型画像表示装置が開発され、実用化されている。頭部装着型画像表示装置は、使用者が携帯して移動中など家庭外で使用する場合がある。そのような場合、使用者の視野を遮ることは望ましくない。

このため、従来、映像表示素子からの映像光のみを観察者の眼球に導いて非シースルー画像として表示する状態と、映像光に使用者の前方からの外界光を重畳してシースルー画像として表示する状態とを、外界光の光路に液晶シャッターを配置することによって、切替え可能とする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、瞳孔径よりも細い導光部を利用してシースルー表示を実現する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献１による頭部装着型画像表示装置では、シースルー表示と、非シースルー表示とを切り替える手段として液晶シャッターを利用しているので、液晶部材やそれを制御するための電気回路等が必要となり、その結果高コストになるという問題点がある。また目の前方に液晶シャッターを配置するために装置が大型化し、日常の生活で使用する装置としては現実的ではない。

また、特許文献２による頭部装着型画像表示装置では、瞳孔径よりも細い導光部を用いることによって常時シースルー表示を実現している。しかし、この装置では、映像鑑賞やモバイルでの使用などの状況に応じて、シースルー表示と非シースルー表示とを切替えることはできない。このため、映像鑑賞などの背景が重畳されない画像で落ち着いて鑑賞することが望ましい場合でも、非シースルー表示に切替えることができなかった。

特開平８−３２８９７号公報 特開２００６−３８７９号公報

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、様々な状況に応じてシースルー表示および非シースルー表示を簡易的な機構で切替えることを可能とした頭部装着型画像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に係る頭部装着型画像表示装置の発明は、
使用者の頭部に固定するための支持部と、
該支持部に固定され、表示すべき映像の映像光を出射する映像射出部を有する本体部と、
前記映像射出部から出射した映像光を入射し、前記支持部を使用者の頭部に固定した状態で、入射した該映像光を使用者の対応する眼球へ導光し、使用者の視野内に前記映像射出部の前記映像の拡大像を虚像として表示する接眼光学部と、
前記本体部に前記接眼光学部を交換可能に取付ける取付手段と
を備え、
前記接眼光学部は、光学特性を異ならせた少なくとも第１の接眼光学部および第２の接眼光学部より選択された一の接眼光学部であり、前記第１の接眼光学部は、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅が瞳孔径よりも狭く、前記第２の接眼光学部は、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅が瞳孔径よりも広いことを特徴とするものである。

このようにすれば、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅が、瞳孔径よりも小さい第１の接眼光学部を用いた場合は、映像がシースルー表示され、瞳孔径よりも大きい第２の接眼光学部を用いた場合は、映像が非シースルー表示される。これら第１の接眼光学部と第２の接眼光学部とを交換可能とすることで、電気的な切り替え制御手段なしにシースルー表示と非シースルー表示とを簡単に切り替えることができ、低コストで装置を構成することができる。また、別途、眼の前を覆う部材が必要無いため小型の装置として実現でき、モバイル環境での利用や常時装着しての利用が可能である。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の頭部装着型画像表示装置において、
人間の平均的な瞳孔径を４ｍｍとし、前記第１の接眼光学部は、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍよりも狭く、前記第２の接眼光学部は、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍを超えることを特徴とするものである。

このようにすれば、通常の環境下における人間の平均的な瞳孔径は約４ｍｍなので、シースルー表示と非シースルー表示との切り替えを適切に行うことができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の頭部装着型画像表示装置において、
前記第１の接眼光学部は、前記垂直中心線と重ならない位置に虚像が表示され、前記第２の接眼光学部は、使用者の視野の垂直中心線と重なる位置に虚像が表示されるように構成したことを特徴とするものである。

このようにすれば、第１の接眼光学部からの映像は視野の中心線と重ならない位置、例えば、端に配置され、第２の接眼光学部からの映像は、視野の中心線と重なる位置に配置される。したがって、シースルー画像用および非シースルー画像用の各用途に応じて、視野の位置を切り替えることで最適な映像を表示することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１−３のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置において、
前記第１の接眼光学部の長手方向の長さは、前記第２の接眼光学部の長手方向の長さよりも短いことを特徴とするものである。

このようにすれば、視野の確保が必要となるシースルー表示時は、接眼光学部の長さを短くすることにより、視野の妨げを軽減でき、また、非シースルー表示時は、比較的長く、好ましくは視野の中央付近にまで延びる接眼光学部を使用することにより、映像を視野の中心付近で見やすく表示することができる。

請求項５に係る発明は、請求項１−４のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置において、
前記第１の接眼光学部から前記映像射出部をのぞむ視野角は、前記第２の接眼光学部から前記映像射出部をのぞむ視野角よりも小さいことを特徴とするものである。

このようにすれば、第１の接眼光学部を用いてシースルー画像を表示する時は、使用者の視野内に比較的小さい画面の映像が表示されるので、視界の確保に有利であり、第２の接眼光学部を用いて非シースルー画像を表示する時は、使用者の視野内に比較的大きい画面が表示されるので、映像の鑑賞に有利である。

請求項６に係る発明は、請求項１−５のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置において、
前記第１の接眼光学部および前記第２の接眼光学部は、それぞれ接眼レンズを有し、前記第１の接眼光学部の接眼レンズの焦点距離は前記第２の接眼光学部の接眼レンズの焦点距離よりも長いことを特徴とするものである。

このようにすれば、第１の接眼光学部の視野角は第２の接眼光学部の視野角よりも小さくなる。したがって、第１の接眼光学部を用いてシースルー画像を表示する時は、使用者の視野内に比較的小さい画面の映像が表示されるので、視界の確保に有利であり、第２の接眼光学部を用いて非シースルー画像を表示する時は、使用者の視野内に比較的大きい画面が表示されるので、映像の鑑賞に有利である。

請求項７に係る発明は、請求項１−６のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置において、
前記第１の接眼光学部と前記第２の接眼光学部とは、前記映像射出部から入射した映像光を、それぞれの内部で異なる回数反射させた後、前記眼球へ出射させるように構成したことを特徴とするものである。

このようにすれば、接眼光学部内部での反射回数を異ならせたことにより、接眼光学部の光路長、外形の大きさ等の光学特性を異ならせることが可能である。これによって、第１の接眼光学部と第２の接眼光学部との間で、射出窓位置、接眼光学部に含まれる接眼レンズの焦点距離、および／または、表示映像の視野角等を異ならせることができる。とくに、第１の接眼光学部内での反射回数を第２の接眼光学部内での反射回数よりも多くすることによって、シースルー表示用の第１の接眼光学部をより小型にし、非シースルー表示用の第２の接眼光学部をより広視野角にすることができる。

請求項８に係る発明は、請求項１−７のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置において、
前記第１の接眼光学部および前記第２の接眼光学部の少なくとも一方は、前記映像射出部から入射した映像光を所定の角度回転させるように構成されていることを特徴とするものである。

このようにすれば、第１の接眼光学部と第２の接眼光学部とを交換することにより、使用者の視野内に表示される表示映像を異なる回転角度により回転させて表示することができる。また、一方の接眼光学部による表示映像を横長画像とし、他方の表示映像を、これを９０度回転させた縦長画像とすれば、第１の接眼光学部と第２の接眼光学部との交換により、表示すべき映像の表示内容に応じて縦長画像と横長画像とを切替えて表示することができる。

請求項９に係る発明は、請求項１−８のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置において、
前記第１の接眼光学部および前記第２の接眼光学部の少なくとも一方は、前記虚像の拡大率が縦方向と横方向とで異なる光学系を有することを特徴とする。

このようにすれば、第１の接眼光学部と第２の接眼光学部とを交換することにより、表示画面のアスペクト比を切り替えることが可能となり、映像射出部を出射する映像光のアスペクト比を変えることなく、表示コンテンツに応じて最適なアスペクト比の表示画面に切替えることができる。

請求項１０に係る発明は、請求項１−９のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置において、
前記本体部は、前記第１の接眼光学部および前記第２の接眼光学部に応じて、前記映像射出部における映像の表示モードを切り替えるモード切替手段を有することを特徴とするものである。

このようにすれば、映像射出部を出射する映像光を、接眼光学部の特性に応じた映像表示に切り替えて、使用者の視野内に適切な表示映像を表示することができる。

請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載の頭部装着型画像表示装置において、
前記モード切替手段は、少なくとも前記第１の接眼光学部に対応する輝度の変化の幅が大きく設定されたシースルー表示モードと、前記第２の接眼光学部に対応する輝度の変化の幅が小さく設定された非シースルー表示モードとの切替えを行うように構成されたことを特徴とするものである。

このようにすれば、シースルー表示および非シースルー表示の各表示に応じて輝度の制御を異ならせた、最適な映像を提供することができる。

本発明によれば、様々な状況に応じてシースルー表示および非シースルー表示を簡易的な機構で切替えることを可能とした頭部装着型画像表示装置を提供することができる。

本発明の第１実施の形態に係る頭部装着型画像表示装置の眼鏡に装着した状態を示す図である。 頭部装着型画像表示装置を使用者が装着した状態での、シースルー表示用および非シースルー表示用の接眼光学部と眼球との位置および大きさの関係を説明する図である。 図２のそれぞれの接眼光学部を用いた場合の眼球へ向かう外界光の光路を説明する図である。 図１に示した頭部装着型画像表示装置に使用する第１および第２の接眼光学部の構成およびその光学系を説明するための模式図である。 図１に示した本体部の構成と本体部に対する接眼光学部の取付けとを説明するための模式図である。 図１に示した本体部の制御系の機能ブロック図である。 本発明の第２実施の形態に係る頭部装着型画像表示装置の第１および第２の接眼光学部を使用した場合のそれぞれの光学系を説明する図である。 図７に示したそれぞれの接眼光学部の仕様を示す図である。 図７に示したそれぞれの接眼光学部の光学系を説明する図である。 図７に示した頭部装着型画像表示装置による表示映像のイメージ図である。 本発明の第３実施の形態に係る頭部装着型画像表示装置に適用される第２の接眼光学部の構成および作用を説明する図である。 本発明の第４実施の形態に係る頭部装着型画像表示装置に適用される第２の接眼光学部の構成および作用を説明する図である。 図１２の接眼光学部を使用しないでアスペクト比の異なる画像を表示するための表示パネルの表示映像を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る頭部装着型画像表示装置を眼鏡に装着した状態を示す図である。

頭部装着型画像表示装置１は、主として本体部２および接眼光学部３を含む。本体部２は、使用者の頭部に装着される眼鏡１０のフレーム１０ａの右側テンプル部分に眼鏡固定部２ａを介して固定支持される。したがって、支持部は眼鏡固定部２ａを含んで構成される。

本体部２はフレーム１０ａに沿い使用者の前方へ延び、その先端は、右側眼鏡レンズの側方で後述する取付部４を介して接眼光学部３の鏡枠３ａに取付けられている。接眼光学部３は、眼鏡１０の右側眼鏡レンズ１０ｂの前方を、取付部４から使用者の視野内まで略水平に延びている。後述するように、接眼光学部３は、本体部２から出射される映像光を導光し、先端の射出窓から眼球１１に向けて射出する。接眼光学部３としては、シースルー表示用の第１の接眼光学部と非シースルー表示用の第２の接眼光学部とが用意される。

次に、接眼光学部の視軸方向への投影断面の幅に応じて、シースルー画像または非シースルー画像が表示されることを説明する。図２は、頭部装着型画像表示装置を使用者が装着した状態での、シースルー表示用および非シースルー表示用の接眼光学部と眼球との位置および大きさの関係を説明する図である。簡単のため、図２では、シースルー用接眼光学部３１および非シースルー用接眼光学部３２は、眼球に対する先端部の位置を等しいものとしている。図２（ａ）に示したシースルー表示用接眼光学部３１は、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅（図において上下方向の幅）が、人間の瞳孔１１ａの直径よりも小さく、図２（ｂ）に示した非シースルー表示用接眼光学部３２は、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅が、人間の瞳孔１１ａの直径よりも大きくなっている。

図３は、図２のそれぞれの接眼光学部を用いた場合の眼球へ向かう外界光の光路を説明する図である。シースルー表示用接眼光学部３１を使用した場合は、図３（ａ）に示すように、正面方向からの外界光のうち接眼光学部３１の上下を通過した光が瞳孔１１ａを通り網膜１１ｃに到達することが可能である。このため、使用者の視野内には、接眼光学部３１の射出窓から出射した表示映像に、接眼光学部３１の前方に位置する背景も重畳されたシースルー画像が表示される。一方、非シースルー表示用接眼光学部３２を使用した場合は、図３（ｂ）に示すように、接眼光学部３２の幅が、瞳孔１１ａよりも大きくなっているため、接眼光学部の前方位置からの外界光が眼球１１へ侵入できず、接眼光学部３１の射出窓から出射した表示映像に背景が重畳されない非シースルー画像として表示される。

人間の平均的な瞳孔径が４ｍｍ程度なので、シースルー用の接眼光学部３１は先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅を４ｍｍ以下とし、非シースルー用の第２の接眼光学部３２は先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅を４ｍｍを超える大きさとすることが好ましい。

本実施の形態では、接眼光学部３は少なくともシースルー表示用の第１の接眼光学部および非シースルー表示用の第２の接眼光学部から選択した一の接眼光学部を取り付ける。図４は、図１に示した頭部装着型画像表示装置に使用する第１の接眼光学部および第２の接眼光学部の構成およびその光学系を説明するための模式図であり、図４（ａ）は第１の接眼光学部３−１、図４（ｂ）は第２の接眼光学部３−２をそれぞれ示している。

図４（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示すように、本体部２は映像射出部である表示パネル２ｂを備え、この表示パネル２ｂを出射した映像光は、接眼光学部３−１，３−２の両端に反射面である斜面を有する断面が矩形の棒状の導光部３ｂ_１，３ｂ_２に一端の側面から入射して、上記斜面の一つで反射され、この導光部３ｂ_１，３ｂ_２内を導光され、さらに他の斜面で反射されて、接眼レンズ３ｃ_１，３ｃ_２から使用者の右側眼球１１に向けて出射される。この映像光は、使用者の右側眼球の視野内で表示パネル２ｂに表示された映像を拡大した虚像として観察される。

図４において、第１の接眼光学部３−１は視野の端に映像を表示するための接眼光学部であり、その導光部３ｂ_１の先端は鉛直方向の幅が４ｍｍ以下であり、眼球１１から見て正面斜め右側まで延びている。一方、第２の接眼光学部３−２は、視野の正面方向に映像を表示するための接眼光学部であり、その導光部３ｂ_２の先端は幅が４ｍｍ以上であり、眼球１１の正面まで延びている。図１に示した接眼光学部３は第２の接眼光学部３−２である。

図５は、図１に示した本体部の構成と本体部に対する接眼光学部の取付けとを説明するための模式図である。本体部２は先端に開口または透明部材により構成される射出窓２ｃを備えた本体側取付部２ｄを有する。射出窓２ｃは表示パネル２ｂの発光面に面しており表示パネル２ｂからの映像光を透過させる。

一方、第１および第２の接眼光学部３−１，３−２の入射端に設けられた鏡枠３ａ_１，３ａ_２は、それぞれ、開口または透明部材により構成される入射窓３ｄ_１，３ｄ_２を備えた接眼光学部側取付部３ｅ_１，３ｅ_２を有する。この接眼光学部側取付部３ｅ_１，３ｅ_２は、本体側取付部２ｄの有する溝に沿って摺動可能に嵌合することができ、これによって接眼光学部３−１，３−２が本体部２に取り付けられる。すなわち、本体側取付部２ｄとそれぞれの接眼光学部側取付部３ｅ_１，３ｅ_２とは、取付手段である取付部４を構成する。その取付けられた状態では、射出窓２ｃとそれぞれの入射窓３ｄ_１，３ｄ_２とが対向して接し、表示パネル２ｂの映像光が接眼光学部３−１，３−２内へ入射可能になる。また、接眼光学部３−１，３−２と本体部２とは取り外しも可能であり、使用者は適宜第１の接眼光学部３−１と第２の接眼光学部３−２とを選択して使用することができる。

図６は、図１に示した本体部の制御系の機能ブロック図である。映像制御部２ｇは、表示すべき映像の映像信号をドライブ回路２ｆに供給する。ドライブ回路２ｆは、映像表示部２ｅを駆動し、これによって表示パネル２ｂから映像光を出射させる。さらに、モード切替手段２ｈは、第１の接眼光学部に応じたシースルー表示モードと第２の接眼光学部に応じた非シースルー表示モードとを切り替えるための切替え信号を映像制御部２ｇに供給する。

例えば、シースルー表示モードでは外界に重畳されて映像が表示されるため、外界の明るさに応じた輝度制御を行い、特に明るい日中では非シースルー表示と比較して高い輝度で表示するようダイナミックに変化させる制御を行う。また、非シースルー表示モードではシースルー表示モードほど輝度の変化は必要なく、必要に応じて映像鑑賞用に画像表示を切替える等の制御を行う。

以上のような構成によって、使用者は、第１の接眼光学部３−１と第２の接眼光学部３−２とから、用途に応じて適した接眼光学部を選択して、取外し、取付けを行うことにより切替えて使用することができる。第１の接眼光学部３−１を使用した場合は、表示パネル２ｂを出射した映像光は、第１の接眼光学部３−１の導光部３ｂ_１の内部を通り、接眼レンズ３ｃ_１から使用者の右眼の正面斜め右方向より入射する。このとき、導光部３ｂ_１の先端の幅は、４ｍｍ以下なので、使用者の右眼視野内の右端に表示映像がシースルー画像として表示される。

一方、第２の接眼光学部３−２を使用した場合は、表示パネル２ｂを出射した映像光は、第２の接眼光学部３−２の導光部３ｂ_２の内部を通り、接眼レンズ３ｃ_２から使用者の右眼眼球１１に対して正面から入射する。導光部３ｂ_２の先端の幅は、４ｍｍより大きいので、使用者の右眼視野内の正面に表示映像が非シースルー画像として表示される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、接眼光学部を交換可能にしたので、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅が、瞳孔径よりも小さい第１の接眼光学部を用いた場合は、映像がシースルー表示され、瞳孔径よりも大きい第２の接眼光学部を用いた場合は、映像が非シースルー表示される。

また、液晶シャッター等の部材や電気的な切り替え制御手段なしにシースルー表示と非シースルー表示とを簡単に切り替えることができ、低コストで装置を構成することができる。さらに、眼の前を覆う部材が不要な構成なので、小型の装置として実現でき、モバイル環境での利用や常時装着しての利用が可能である。

また、接眼光学部を交換することにより容易に表示映像の視野位置を選択することができるので、映像を注視し続ける用途では、視野正面に映像を配置し、モバイル環境などの外界視野を優先し適時映像を確認する用途では、視野の端に映像を表示させることができる。また、接眼光学部の取付け、取外しは、本体側取付部に対し接眼光学部側取付部をスライドさせて行うことができるので、使用者が自分で簡単に行うことが可能である。

さらに、本体部２のモード切替手段２ｈにより映像表示モードの選択が可能なので、装着された接眼光学部が、シースルー表示用と非シースルー表示用とのいずれかに応じて、好適に輝度調整を行う映像表示方法に表示モードに切替えることができる。

（第２実施の形態）
図７は、本発明の第２実施の形態に係る頭部装着型画像表示装置の第１の接眼光学部および第２の接眼光学部を使用した場合のそれぞれの光学系を説明する図であり、図７（ａ），（ｂ）は、それぞれ第１の接眼光学部３−１および第２の接眼光学部３−２を眼鏡に装着した状態での表示パネル２ｂおよび接眼光学部３−１，３−２を含む部分を上から見た図、並びに、それぞれの導光部３ｂ_１，３ｂ_２の形状を、眼球１１から見た図（図の上部に示されている）である。

第１の接眼光学部３−１は、図７（ａ）に示すように、導光部３ｂ_１、接眼レンズ３ｃ_１および入射窓３ｄ_１を有し、表示パネル２ｂから入射窓３ｄ_１に入射した映像光は、導光部３ｂ_１の内部を反射しつつ伝播して接眼レンズ３ｃ_１から、眼球に対して正面右側から斜め方向に入射する。

導光部３ｂ_１は、入射面および出射面を除き、映像光が内側面で反射するように構成され、入射した映像光は、この導光部３ｂ_１内で５回ジグザグに反射して、眼球１１に向けて出射する。また、導光部３ｂ_１を使用者から視軸方向に見た鉛直方向の幅は、映像光の入射側から出射側にかけて細くなっており、先端部では２．６ｍｍとなっている。

一方、第２の接眼光学部３−２は、図７（ｂ）に示すように、出射面に接眼レンズを設けずに、導光部３ｂ_２の中間部に正のパワーをもつレンズを配置している。正のパワーを持つレンズは、例えば２枚の凸レンズ３ｆ_２、３ｆ_２’を向かい合わせた構成となる。導光部３ｂ_２は使用者の眼球１１の正面まで延びており、表示パネル２ｂを出射した映像光は、導光部３ｂ_２を通り眼球１１に対して正面から入射する。

表示パネル２から導光部３ｂ_２に入射した映像光は、導光部３ｂ_２の入射側の斜面で反射され、導光部３ｂ_２内を長手方向に進み、レンズ３ｆ_２、３ｆ_２’により屈折され、さらに導光部３ｂ_２を長手方向に進み、出射側の斜面で反射されて、眼球１１に向けて出射する。従って、映像光は、導光部３ｂ_２内で入射側と出射側との斜面で合計２回反射した後出射する。図７（ｂ）に示すように、導光部３ｂ_２の使用者から視軸方向に見た鉛直方向の幅は、入射側と出射側とで略等しく、約８ｍｍとなっている。

本実施の形態における、第１の接眼光学部および第２の接眼光学部の仕様の一例を、図８（ａ）、８（ｂ）にそれぞれ示している。

図９は、図７および図８に示したそれぞれの接眼光学部３−１，３−２の光学系を説明する図であり、光学系を水平方向から見た図を、光路上での反射を考慮せず直線状に表示している。モバイル用の第１の接眼光学部３−１は、眼球から表示パネル２ｂをのぞむ視野角が小さいため、焦点距離の長い接眼レンズ３ｃ_１を、表示パネル２ｂから一番遠い位置である導光部３ｂ_１の射出窓に設けている。さらに、導光部３ｂ_１の内部で５回反射させることで、実質的に光路長を長くしている。一方、第２の接眼光学部３−２は、眼球から表示パネル２ｂをのぞむ視野角が大きいので、焦点距離の短い正のパワーを有するレンズ３ｆ_２、３ｆ_２’を導光部３ｂ_２の中間部に配置している。

また、本体部２は図６で示した第１実施の形態における本体部２の制御系と同様の制御系を有する。第１の接眼光学部３−１では映像光が導光部３ｂ_１内で５回反射し、第２の接眼光学部３−２では映像光が導光部３ｂ_２内で２回反射することから、第１の接眼光学部３−１を使用した場合と第２の接眼光学部３−２を使用した場合とでは映像が左右反転する。このため、第１の接眼光学部３−１の使用時には、モード切替手段２ｈが、使用者の操作により、または、装着されている接眼光学部を検出して、シースルー表示用の映像を、映像の左右を反転させて表示パネル２ｂに表示させる。一方、第２の接眼光学部を使用する際は、モード切替手段２ｈは、非シースルー表示用の映像を左右を反転させないで表示パネル２ｂに表示させる。その他の構成は、第１実施の形態と同様なので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

以上のような構成によって、第１の接眼光学部３−１を用いた場合は、図１０（ａ）にイメージ図で例示するように、視野の中心線を避けた視野内の右側に、小さい画面で映像６ａが表示される。また、先端部の幅が人間の通常環境における瞳孔径である４ｍｍよりも細い接眼光学部３−１を使用するため、映像は背景が透けて見えるシースルー映像として表示される。一方、第２の接眼光学部３−２を用いた場合は、図１０（ｂ）に示すように、より大きな画面で視野の中心線を含む位置に映像６ｂが表示される。また、先端部が瞳孔径の４ｍｍよりも太い接眼光学部３−２を使用するため、非シースルー表示により背景に邪魔されない映像を観察することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、様々な状況、用途に応じて、２種類の頭部装着型画像表示装置を持ち歩くことなく、1台の頭部装着型画像表示装置１の接眼光学部３−１，３−２の交換だけで、視界確保を優先したモバイル用と映像観賞用とのそれぞれの用途に使用することが可能である。

さらに、第１の接眼光学部３−１は、導光部３ｂ_１内で５回ジグザグに反射する光路を採用したことにより、射出瞳径を大きくとりながら接眼光学部の薄型化が可能であり、内部でジグザグに反射することにより光路を長くし、焦点距離の長いレンズを用いることで眼球から表示パネルをのぞむ視野角を小さくすることができるという効果もある。さらに、光路長を確保しながら、使用者の視野内の右側に表示映像を表示させるため接眼光学部３−１の全長を短くすることもできる。一方、第２の接眼光学部３−２は、反射回数を２回として導光部３ｂ_２内に長手方向に沿って光路を通し、入射側と出射側との間の光路を最短とすることで、接眼光学部３−２の全長を相対的に長くすることを可能にしている。すなわち、通常であれば視野角の小さなレンズを使用した場合は光路長が長く、視野角の大きなレンズを使用した場合は光路長が短くなるところを、本実施の形態では、視野角が小さいレンズを用いながら接眼光学部の長さをより短くし、視野角の大きいレンズを用いながら接眼光学部の長さをより長くした光学系を実現している。

なお、第１の接眼光学部３−１の導光部３ｂ_１内で映像光が反射する回数は５回としたが、これに限られず、第２の接眼光学部３−２の導光部３ｂ_２内での反射回数よりも多い回数、すなわち３回以上とすれば光学系を適切に構成することにより同様の効果が得られる。また、接眼光学部３−１，３−２を切替える際は、表示パネル２ｂの大きさ、位置を固定のまま、接眼光学部３−１，３−２のみを交換し映像を観察できることが好ましい。その場合、使用者は接眼光学部３の交換のみで余計な調整作業を必要としない。また、パネルの使用表示領域もそのままであれば、解像度が低下しないので好ましい。

（第３実施の形態）
図１１は、本発明の第３実施の形態に係る頭部装着型画像表示装置に適用される第２の接眼光学部の構成および作用を説明する図である。本実施の形態では、第１実施の形態における第２の接眼光学部を、図１１に示した本実施の形態の第２の接眼光学部３−２に置き換えるものとする。

図１１に示す第２の接眼光学部３−２は、導光部３ｂ_２と接眼レンズ３ｃ_２を有し、導光部の先端部の幅は、４ｍｍ以上である。導光部３ｂ_２は、水平方向に配置され両端に斜面（反射面３ｊ_２，３ｋ_２）が形成された断面が矩形の棒状の導光部の入射側の上部に、本体２に取り付けた際に表示パネル２ｂと対向する入射面３ｈ_２と、この入射面３ｈ_２から入射した映像光を下方向に９０度反射させる反射面３ｉ_２を有する三角プリズム状の部分（プリズム状部分３ｇ_２）が付加された形状となっている。

この導光部３ｂ_２の入射側端部は、図示しない鏡枠に嵌め込まれており、この鏡枠に設けられた図示しない接眼光学部側取付部と、図５と同様の本体側取付部とを摺動嵌合させることによって本体に対して取付けることができる。その他の構成は第１実施の形態と同様なので同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

この第２の接眼光学部３−２によれば、表示パネル２ｂから水平に入射した映像光は、反射面３ｉ_２で下向きに反射された後、反射面３ｊ_２で反射され導光部３ｂ_２内を長手方向に進み、反射面３ｋ_２で再び反射され、接眼レンズ３ｃ_２から使用者の眼球１１に向けて出射される。ここで、使用者が正面を向いた状態で、眼球の視軸方向をｘ軸、導光部３ｂ_２の長手方向をｙ軸、鉛直方向をｚ軸とすると、反射面３ｉ_２はｙ軸に平行かつｘ軸およびｚ軸に対して４５度の角度を成し、反射面３ｊ_２はｘ軸に平行かつｙ軸及びｚ軸に対して約４５度の角度を成し、反射面３ｋ_２はｚ軸に平行かつｘ軸およびｙ軸に対して約４５度の角度を成す。これら３つの反射面３ｉ_２，３ｊ_２，３ｋ_２により順次反射されることにより、映像光は約９０度回転する。

そこで、モード切替手段２ｈにより、横長の表示パネル２ｂに、非シースルー表示用の映像として、縦長画像を上述の回転方向とは反対方向に９０度回転させて表示させれば、携帯電話やスマートフォン等の情報端末に用いられるものと同様な縦長画像の表示が可能になる。

したがって、テレビや映画等の横長の映像を見る場合には、第１の接眼光学部３−１を使用して横長画像として観察し、携帯電話やスマートフォン等の情報端末用のコンテンツを表示させる場合には、接眼光学部３−１を第２の接眼光学部３−２に交換するとともに、モード切替手段２ｈにより表示を上述のように切替えて、横長の表示パネル２ｂの全表示領域を有効に利用しながら、縦長画像として観察することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、横長画像を表示する第１の接眼光学部３−１と、横長画像を縦長画像に変換する第２の接眼光学部３−２とを切替えて使用することにより、頭部装着型画像表示装置そのものを交換することなく、接眼光学部の交換のみで縦長画像と横長画像との表示を切替えて使用することができ、コンテンツごとの画面の向きにあった表示を行うことができる。

なお、映像光を回転させるのは上述のような反射面の構成に限られず、結果的に映像光が回転する他の光学系の構成を用いても良い。また、表示映像の回転は、横長映像から縦長映像に限られず、その逆であっても良く、また回転角は９０度以外となるようにしても良い。

（第４実施の形態）
図１２は、本発明の第４実施の形態に係る頭部装着型画像表示装置に適用される接眼光学部の構成および作用を説明する図である。本実施の形態では、第１実施の形態における第２の接眼光学部を、図１２に示した本実施の形態の第２の接眼光学部３−２に置き換えるものとする。

図１２に示す第２の接眼光学部３−２の導光部３ｂ_２は、出射側の先端部３ｍ_２と主要部３ｌ_２とが別体として分離され、主要部３ｌ_２の出射側先端には横方向のパワーを持つレンズ（例えばシリンドリカルレンズ）３ｎ_２が形成されている。また、先端部３ｍ_２は入射面と出射面とが９０度を成す三角プリズム状の形状を有し、出射面の出射側にはレンズ３ｎ_２と異なる焦点距離を有する縦方向のパワーを持つレンズ３ｐ_２が配置されている。これら主要部３ｌ_２と先端部３ｍ_２とは、図示しない同一の保持部材（ケースなど）で相互に位置固定され保持され、その先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅は４ｍｍ以上である。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

本実施の形態の第２の接眼光学部３−２を用いることにより、表示パネル２ｂから入射した映像光は、導光部３ｂ_２の主要部３ｌ_２の入射端に形成された斜面に反射して、導光部３ｂ_２の長手方向に伝播する。映像光は、レンズ３ｎ_２で横方向にのみ屈折し、先端部３ｍ_２に入射し先端部３ｍ_２の斜面に形成された反射面で反射して、レンズ３ｐ_２により縦方向にのみ屈折され、使用者の眼球１１に向けて出射する。その際、横方向に正のパワーを持つレンズ３ｎ_２と縦方向に正のパワーを持つレンズ３ｐ_２とを焦点距離を異なるようにし、位置をずらして配置したことにより、表示パネル２ｂに表示される映像に対する虚像として表示される表示映像の拡大率を、縦よりも横を大きくすることが可能となる。

そこで、表示パネル２ｂのアスペクト比が例えば４：３の場合に、モード切替手段２ｈにより、アスペクト比１６：９の非シースルー表示用映像を表示パネル２ｂに横方向に圧縮して４：３のアスペクト比の画像として表示させ、これをレンズ３ｎ_２および３ｐ_２の焦点距離を適切に選択した本実施形態の第２の接眼光学部３−２を利用して、使用者の視野内にアスペクト比１６：９の映像として表示させることができる。

仮に、このようなアスペクト比の変換を行わない場合は、アスペクト比１６：９の映像を表示するには、表示パネル２ｂには図１３（ａ）に示すような黒帯を上下に表示した映像か、図１３（ｂ）のように映像の左右をカットした映像を表示することになる。しかし、図１３（ａ）の場合は表示パネル２ｂの全画素を有効に利用できないため解像度が低下し、図１３（ｂ）の場合は映像が一部欠落するという問題がある。

なお、アスペクト比の変換は、４：３から１６：９への変換に限られず、１６：９から４：３へしたり、その他の任意の比率へ変換したりする構成も可能である。さらに、レンズ３ｎ_２、レンズ３ｐ_２およびそれらの配置を調整することによって、種々の縦横倍率による変換が可能である。

以上説明したように、本実施の形態によれば、アスペクト比を変換する第２の接眼光学部を設けたので、アスペクト比の異なる表示パネルを持つ２種類の頭部装着型画像表示装置を準備することなく、１台の装置で接眼光学部のみを交換することにより、使用者が容易に切替えて適切なアスペクト比の映像を鑑賞することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、頭部装着型画像表示装置は、眼鏡装着型に限られず、ヘルメットに装着するものや、レンズ無しの眼鏡フレームに装着されたものであっても良い。また、眼鏡装着型の場合は、眼鏡に固定された一体型であっても良く、眼鏡に着脱式のものであっても良い。眼鏡一体型の場合、取付手段はメガネフレームを含んで構成される。また、映像を表示する眼は、右眼に限られず、左眼用や両眼に同一または異なる画像を表示するものであっても良い。本体部を固定するのは、眼鏡のテンプルに限られず、ヒンジ等他の部分でも良い。また、取付部の機構としては、それぞれ溝を有する本体と接眼光学部とを摺動嵌合させる方法に限られず、取付用の金具を設けたり、嵌め込み式にしたりするなど種々の方法が使用可能である。

１ 頭部装着型画像表示装置（眼鏡型）
２ 本体部
２ａ 眼鏡固定部
２ｂ 表示パネル
２ｃ 射出窓
２ｄ 本体側取付部
２ｅ 映像表示部
２ｆ ドライブ回路
２ｇ 映像制御部
２ｈ モード切替手段
３ 接眼光学部
３−１ 第１の接眼光学部
３−２ 第２の接眼光学部
３ａ 鏡枠
３ｂ_１，３ｂ_２ 導光部
３ｃ_１，３ｃ_２ 接眼レンズ
３ｄ_１，３ｄ_２ 入射窓
３ｅ_１，３ｅ_２ 接眼光学部側取付部
３ｆ_２、３ｆ_２’ レンズ
３ｇ_２ プリズム状部分
３ｈ_２ 入射面
３ｉ_２，３ｊ_２，３ｋ_２ 反射面
３ｌ_２ 主要部
３ｍ_２ 先端部
３ｎ_２ レンズ
４ 取付部
６ 表示映像
６ａ 表示映像（モバイル用映像）
６ｂ 表示映像（映像観賞用）
７ 遮られた背景
１０ 眼鏡
１０ａ 眼鏡フレーム（テンプル）
１０ｂ 眼鏡レンズ
１１ 眼球
１１ａ 瞳孔
３１ シースルー表示用接眼光学部
３２ 非シースルー表示用接眼光学部

Claims (11)

1. 使用者の頭部に固定するための支持部と、
   該支持部に固定され、表示すべき映像の映像光を出射する映像射出部を有する本体部と、
   前記映像射出部から出射した映像光を入射し、前記支持部を使用者の頭部に固定した状態で、入射した該映像光を使用者の対応する眼球へ導光し、使用者の視野内に前記映像射出部の前記映像の拡大像を虚像として表示する接眼光学部と、
   前記本体部に前記接眼光学部を交換可能に取付ける取付手段と
   を備え、
   前記接眼光学部は、光学特性を異ならせた少なくとも第１の接眼光学部および第２の接眼光学部より選択された一の接眼光学部であり、前記第１の接眼光学部は、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅が瞳孔径よりも狭く、前記第２の接眼光学部は、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅が瞳孔径よりも広いことを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
2. 人間の平均的な瞳孔径を４ｍｍとし、前記第１の接眼光学部は、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍよりも狭く、前記第２の接眼光学部は、先端部の使用者の視軸方向への投影断面の幅が４ｍｍを超えることを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型画像表示装置。
3. 前記第１の接眼光学部は、使用者の前記眼球の視野の垂直中心線と重ならない位置に虚像が表示され、前記第２の接眼光学部は、前記垂直中心線と重なる位置に虚像が表示されるように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の頭部装着型画像表示装置。
4. 前記第１の接眼光学部の長手方向の長さは、前記第２の接眼光学部の長手方向の長さよりも短いことを特徴とする請求項１−３のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。
5. 前記第１の接眼光学部から前記映像射出部をのぞむ視野角は、前記第２の接眼光学部から前記映像射出部をのぞむ視野角よりも小さいことを特徴とする請求項１−４のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。
6. 前記第１の接眼光学部および前記第２の接眼光学部は、それぞれ接眼レンズを有し、前記第１の接眼光学部の接眼レンズの焦点距離は前記第２の接眼光学部の接眼レンズの焦点距離よりも長いことを特徴とする請求項１−５のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。
7. 前記第１の接眼光学部と前記第２の接眼光学部とは、それぞれ前記映像射出部から入射した映像光を、内部で異なる回数反射させた後、前記眼球へ出射させるように構成したことを特徴とする請求項１−６のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。
8. 前記第１の接眼光学部および前記第２の接眼光学部の少なくとも一方は、前記映像射出部から入射した映像光を所定の角度回転させるように構成されていることを特徴とする請求項１−７のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。
9. 前記第１の接眼光学部および前記第２の接眼光学部の少なくとも一方は、前記虚像の拡大率が縦方向と横方向とで異なることを特徴とする請求項１−８のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。
10. 前記本体部は、前記第１の接眼光学部および前記第２の接眼光学部に応じて、前記映像射出部における映像の表示モードを切り替えるモード切替手段を有することを特徴とする請求項１−９のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。
11. 前記モード切替手段は、少なくとも前記第１の接眼光学部に対応する輝度の変化の幅が大きく設定されたシースルー表示モードと、前記第２の接眼光学部に対応する輝度の変化の幅が小さく設定された非シースルー表示モードとの切替えを行うように構成されたことを特徴とする請求項１０に記載の頭部装着型画像表示装置。

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