JP5496030B2

JP5496030B2 - 頭部装着型画像表示装置

Info

Publication number: JP5496030B2
Application number: JP2010208592A
Authority: JP
Inventors: 良平杉原; 陽一井場; 成示龍田
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: JP2012063638A

Description

本発明は、画像表示装置に関し、特に、頭部装着型の画像表示装置に関するものである。

近年、映像鑑賞やモバイルでの情報表示用途等での実用化に向け、眼鏡等に取り付けられる頭部装着型の画像表示装置の開発が盛んに行われている。この装置は、一般に、「ヘッドマウントディスプレイ(ＨＭＤ)」と呼ばれ、表示素子からの画像光を瞳孔に導いて網膜上に結像させることで、装着者に画像の拡大像を虚像として観察させるものである。

図１３は、一般的な頭部装着型画像表示装置１３１０の構成を示す模式図である。図１３において、表示素子１３１１に表示された画像Ｘの画像光１３１２は、導光部１３１３に入射し、１回以上の反射を経て導光部１３１３から射出されて装着者の眼球１３２０の瞳孔に入り、網膜上で結像される。これにより、装着者は、瞳孔の視軸方向前方に、画像Ｘの虚像Ｘ’を観察することができる。

ここで、瞳孔とは、図１４に示すように、眼球１３２０の虹彩１４０１によって囲まれた部分１４０２のことをいい、この部分を通った光が網膜１４０３に投影される。よって、表示画像の全体を適切に観察するには、導光部の射出瞳と、上記瞳孔１４０２とを対応させる必要がある。

特許文献１には、眼鏡フレーム内に内蔵または眼鏡フレームに取り付けて使用される頭部装着型表示装置が提案されている。このような装置は、その特性上、装置全体が小型であることが要求される。一般的に、接眼光学系のサイズが小さくなるほど、接眼光学系の射出瞳が小さくなる傾向にあり、装着者の眼球および瞳孔の位置に対応させることが難しくなる。

そのため、特許文献２には、眼鏡レンズに内蔵されたコンバイナ光学系に対し、眼鏡のテンプルに装着された表示パネル、および、表示パネルとコンバイナ光学系との間に配置された集光レンズを一緒に移動させるか、または、これらコンバイナ光学系、表示パネルおよび集光レンズの全てを一体化して移動させることにより、コンバイナ光学系の射出瞳となるアイポイントの位置の調整を図る技術が開示されている。

ところが、射出光の射出角度によっては、射出瞳の位置を調整しただけでは装着者に表示画像が適切に観察されない場合がある。これは、装着者によって眼鏡のテンプル部の開き角が異なることが要因の一つである。一般に、装着者の顔幅には個体差があり、顔幅が大きい場合には眼鏡のテンプル部の開き角が大きくなり、顔幅が小さい場合には眼鏡のテンプル部の開き角が小さくなる。これにより、導光部から射出される画像光の射出角が変化し、装着者に適切な角度からずれてしまうおそれがある。

特許３８７１１８８号公報特開２００８−６１０５２号公報

本発明は、上記問題を解決し、射出光の射出角度を調整することができる頭部装着型画像表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の要旨構成は以下の通りである。
（１）画像光を射出する画像射出部と、該画像射出部から射出された前記画像光を入射し、内部で複数回反射させて射出する導光部と、該導光部の前記画像光を射出する面に配置された接眼レンズと、前記画像射出部、前記導光部および前記接眼レンズのうち少なくとも一つを移動させることによって、前記接眼レンズから射出される画像光の射出角度を調整する移動機構とを具え、前記導光部の内部で反射する回数が偶数回であることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。

（２）画像光を射出する画像射出部と、該画像射出部から射出された前記画像光を入射し、内部で複数回反射させて射出する正の屈折力を持つ導光部と、前記画像射出部および前記導光部のうち少なくとも一つを移動させることによって、前記導光部から射出される画像光の射出角度を調整する移動機構とを具え、前記導光部の内部で反射する回数が偶数回であることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。

（３）前記画像射出部、前記導光部および前記接眼レンズのうち少なくとも１つが固定されている上記（１）に記載の頭部装着型画像表示装置。

（４）前記画像射出部、前記導光部のうち少なくとも１つが固定されている上記（２）に記載の頭部装着型画像表示装置。

（５）前記導光部がプリズムであり、一の面に入射した画像光を、前記一の面と同じ面から射出させる上記（１）〜（４）のいずれか一に記載の頭部装着型画像表示装置。

（６）前記移動機構による移動によって射出角度のみが調整され、射出瞳位置は変化しない上記（１）〜（５）の何れか一に記載の頭部装着型画像表示装置。

（７）前記導光部の、当該装置を装着する装着者の視軸方向への投影断面の幅が、４ｍｍ以下である上記（１）〜（６）のいずれか一に記載の頭部装着型画像表示装置。

本発明によれば、導光部の内部で反射する回数が偶数回であり、画像射出部、導光部および接眼レンズのうち少なくとも一つを移動させることで、画像光の射出角度を調整することができる頭部装着型画像表示装置を提供することができる。

図１(a)は、本発明の実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を眼鏡に装着した状態を示す模式的平面図であり、図１(b)は、射出光の射出角度を示す模式図である。図２(a),(b)は、固定された表示素子および導光部に対して接眼レンズを移動させた場合の射出光の射出角度を示す模式図である。図３(a),(b)は、固定された導光部および接眼レンズに対して表示素子を移動させた場合の射出光の射出角度を示す模式図である。図４(a),(b)は、固定された接眼レンズおよび表示素子に対して導光部を移動させた場合の射出光の射出角度を示す模式図である。図５(a),(b),(c)は、固定された表示素子に対して導光部および接眼レンズを移動させた場合の射出光の射出角度を示す模式図である。図６(a),(b)は、固定された導光部に対して導光部および接眼レンズを移動させた場合の射出光の射出角度を示す模式図である。図７は、本発明の実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。図８(a)〜(c)は、本発明の実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。図９(a),(b)は、本発明の実施形態に従う頭部装着型画像表示装置の移動機構を示す模式図である。図１０(a),(b)は、本発明の実施形態に従う頭部装着型画像表示装置の移動機構を示す模式図である。図１１(a),(b)は、本発明の実施形態に従う頭部装着型画像表示装置の移動機構を示す模式図である。頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。図１２は、本発明の実施形態に従う頭部装着型画像表示装置と装着者の眼球の瞳孔との関係を示す模式図である。図１３は、一般的な頭部装着型画像表示装置の構成を示す模式図である。図１４は、装着者の眼球を示す模式図である。

以下、本発明に従う頭部装着型画像表示装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１(a)は、本発明の実施形態に従う頭部装着型画像表示装置１１０を眼鏡１２０に装着した状態を示す模式的平面図である。頭部装着型画像表示装置１１０は、主として画像射出部１１１および導光部１１２を具える。頭部装着型画像表示装置１１０を眼鏡１２０に取り付ける場合、画像射出部１１１は、装着者の頭部に装着される眼鏡１２０の右側テンプル部分１２１に、支持部１１１ａ等により取り付けられる。

画像射出部１１１は、液晶パネルや有機ＥＬパネル等の表示素子を内蔵する。画像射出部１１１は、眼鏡１２０のテンプル部１２１に沿い装着者の前方へ延び、その先端は、右側眼鏡レンズ１２２の側方で、取付部１１３を介して導光部１１２と結合されている。導光部１１２は、眼鏡１２０の右側眼鏡レンズ１２２の前方を、画像射出部１１１から装着者の視野内まで略水平に延びている。後述するように、導光部１１２は、画像射出部１１１から射出される画像光を導光し、先端の接眼窓から眼球１３０に向けて画像光を射出する。

本発明において、画像光の射出角度を調整するとは、図１(b)に示すように、画像光の接眼光学系の光軸に対する角度を、装着者の眼球の位置に合わせることをいう。

この導光部１１２における画像光の振る舞いについて、詳細に説明する。
図２(a)、(b)は、いずれも台形状のプリズムを用いた導光部２００を用い、固定された導光部２００および画像射出部(図２では表示素子)２０１に対して接眼レンズ２０２を移動させた場合の、導光部２００から接眼レンズ２０２を介して射出される射出光の射出角度を示したものである。図２(a)は、導光部２００が入射した画像光を５回反射して射出する場合を示し、図２(b)は、導光部が入射した画像光を２回反射して射出する場合を示したものである。なお、図２(a)、(b)にはいずれも、接眼レンズ２０２を左右に移動した２つの状態の様子が示されている。

図２(a)に示すように、導光部２００が入射した画像光を５回反射して射出する場合、接眼レンズ２０２を紙面上で右側に移動させると、接眼レンズ２０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して右側にずれ、逆に、接眼レンズ２０２を紙面上で左側に移動させると、接眼レンズ２０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して左側にずれる。

同様に、図２(b)に示すように、導光部２００が入射した画像光を２回反射して射出する場合、接眼レンズ２０２を紙面上で右側に移動させると、接眼レンズ２０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して右側にずれ、逆に、接眼レンズ２０２を紙面上で左側に移動させると、接眼レンズ２０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して左側にずれる。

図３(a)、(b)は、いずれも台形状のプリズムを用いた導光部３００を用い、固定された導光部３００および接眼レンズ３０２に対して画像射出部(図３では表示素子)３０１を移動させた場合の、導光部３００から接眼レンズ３０２を介して射出される射出光の射出角度を示したものである。図３(a)は、導光部３００が入射した画像光を５回反射して射出する場合を示し、図３(b)は、導光部３００が入射した画像光を２回反射して射出する場合を示したものである。なお、図３(a)、(b)にはいずれも、表示素子３０１を左右に移動した２つの状態の様子が示されている。

図３(a)に示すように、導光部３００が入射した画像光を５回反射して射出する場合、表示素子３０１を紙面上で右側に移動させると、接眼レンズ３０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して左側にずれ、逆に、表示素子３０１を紙面上で左側に移動させると、接眼レンズ３０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して右側にずれる。

これに対し、図３(b)に示すように、導光部３００が入射した画像光を２回反射して射出する場合、表示素子３０１を紙面上で右側に移動させると、接眼レンズ３０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して右側にずれ、逆に、表示素子３０１を紙面上で左側に移動させると、接眼レンズ３０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して左側にずれる。

図４(a)、(b)は、いずれも台形状のプリズムを用いた導光部４００を用い、固定された画像射出部(図４では表示素子)４０１および接眼レンズ４０２に対して導光部４００を移動させた場合の、導光部４００から接眼レンズ４０２を介して射出される射出光の射出角度を示したものである。図４(a)は、導光部４００が入射した画像光を５回反射して射出する場合を示し、図４(b)は、導光部４００が入射した画像光を２回反射して射出する場合を示したものである。なお、図４(a)、(b)にはいずれも、導光部４００を左右に移動した２つの状態の様子が示されている。

図４(a)に示すように、導光部４００が入射した画像光を５回反射して射出する場合、導光部４００を紙面上で右側または左側に移動させた場合、接眼レンズ４０２から射出される画像光の射出角度のずれはわずかである。

一方、図４(b)に示すように、導光部４００が入射した画像光を２回反射して射出する場合、導光部４００を紙面上で右側に移動させると、接眼レンズ４０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して左側にずれ、逆に、導光部４００を紙面上で左側に移動させると、接眼レンズ４０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して右側にずれる。

図５(a)、(b)は、いずれも台形状のプリズムを用いた導光部５００を用い、固定された画像射出部(図５では表示素子)５０１に対して導光部５００および接眼レンズ５０２を移動させた場合の、導光部５００から接眼レンズ５０２を介して射出される射出光の射出角度を示したものである。図５(a)は、導光部５００が入射した画像光を５回反射して射出する場合を示し、図５(b)は、導光部５００が入射した画像光を２回反射して射出する場合を示したものである。なお、図５(a)、(b)にはいずれも、導光部５００を左右に移動した２つの状態の様子が示されている。

図５(a)に示すように、導光部５００が入射した画像光を５回反射して射出する場合、導光部５００および接眼レンズ５０２を紙面上で右側に移動させると、接眼レンズ５０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して右側にずれ、逆に、導光部５００および接眼レンズ５０２を紙面上で左側に移動させると、接眼レンズ５０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して左側にずれる。

一方、図５(b)に示すように、導光部５００が入射した画像光を２回反射して射出する場合、導光部５００および接眼レンズ５０２を紙面上で右側に移動させると、接眼レンズ５０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して左側にずれ、逆に、導光部５００および接眼レンズ５０２を紙面上で左側に移動させると、接眼レンズ５０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して右側にずれる。図５(b)から明らかなように、この場合、射出瞳の一致する点が存在することになり、射出瞳の位置を固定したまま射出角度を調整することができる。また、図５(c)に示すように、例えば固定された射出瞳位置に眼球中心を配置することで、射出瞳の小さな小型な光学系であっても画面がケラレることなく表示角度のみを調整することができる。

図６(a)、(b)は、いずれも台形状のプリズムを用いた導光部６００を用い、固定された導光部６００に対して接眼レンズ６０２および画像射出部(図６では表示素子)６０１を移動させた場合の、導光部６００から接眼レンズ６０２を介して射出される射出光の射出角度を示したものである。図６(a)は、導光部６００が入射した画像光を５回反射して射出する場合を示し、図６(b)は、導光部６００が入射した画像光を２回反射して射出する場合を示したものである。なお、図６(a)の２つの図は、いずれも接眼レンズ６０２および表示素子６０１を異なる方向(離れる方向)へ移動させた場合を示したものであり、図６(b)の２つの図は、接眼レンズ６０２および表示素子６０１を同じ方向へ移動させた場合を示したものである。

図６(a)に示すように、導光部６００が入射した画像光を５回反射して射出する場合、接眼レンズ６０２を紙面上で左側に、表示素子６０１を紙面上で右側に移動させると、接眼レンズ６０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して左側にずれ、逆に、接眼レンズ６０２を紙面上で右側に、表示素子６０１を紙面上で左側に移動させると、接眼レンズ６０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して右側にずれる。

これに対し、図６(b)に示すように、導光部６００が入射した画像光を２回反射して射出する場合、接眼レンズ６０２を紙面上で左側に、表示素子６０１を紙面上で左側に移動させると、接眼レンズ６０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して左側にずれ、逆に、接眼レンズ６０２を紙面上で右側に、表示素子６０１を紙面上で右側に移動させると、接眼レンズ６０２から射出される画像光の射出角度は、光学系の光軸に対して右側にずれる。

本発明に従う頭部装着型画像表示装置は、図２〜６に示したように、画像射出部、導光部および接眼レンズのうち少なくとも一つを移動させることによって、導光部から射出される射出光の射出角度を調整することができる。また、画像射出部、導光部および接眼レンズのうち少なくとも１つを固定することにより、移動機構を簡易なものとすることができる。

図２〜６では、画像光の光軸(表示素子の法線)と導光部の入射面とが直交する場合を示したが、通常眼鏡レンズは湾曲しているため、角度の調整により導光部と眼鏡レンズとが接触してしまうおそれがある。ところが、表示素子は配置スペースや本体内への組み付けを考慮すると、略正面を向いているほうが好ましいため、表示素子から導光部に入射する光軸を法線とする面に対して、傾いた方向に移動させることで、眼鏡レンズとの接触を避けて移動が可能である。そこで、図７に示すように、導光部７００の画像表示部７０１からの角度αを９０度を超える角度とすることで、眼鏡レンズへの接触を効果的に防止することができる。このとき、導光部７００と画像表示部７０１本体部との間には、光路長を調節するためのプリズム７０３を配設するのが好ましい。

図８は、本発明の他の実施形態であり、正の屈折力を持つ自由曲面プリズムからなる導光部８００を具える頭部装着型画像表示装置を示したものである。導光部８００は、導光部８００の一の面８００ａに入射した画像光が、内部で奇数回（図８では５回）反射し、一の面８００ａと同じ側の面８００ｂから射出される場合を示したものである。図８(b)は、図８(a)に示した位置から導光部８００を左側に移動させた例であり、図８(c)は、図８(a)に示した位置から導光部８００を右側に移動させた例である。

この構成においても、図８から明らかなように、図５(a)に示した例と同様、導光部から射出される射出光の射出角度を調整することができる。

図９(a)、(b)は、本発明に従う頭部装着型画像表示装置に設けられる移動機構の構造を示す模式図であり、画像射出部９０１、導光部９００および接眼レンズ９０２のうち、導光部９００および接眼レンズ９０２を一体に移動させる移動機構を示したものである。図９(a)は、図１において装着者と対面する側から見た正面図で、それぞれ移動前後の機構を示し、図９(b)は、図１において装着者の頭部側から見た上面図であり、それぞれ移動前後の機構を示している。移動機構は、例えば、導光部９００と画像射出部９０１とを連結する取付部９０３に凹状のスライドガイド９０４を設け、そこへ、導光部９００の光学面として作用しない面に設けられた凸状のスライドガイド９０５を係合させて移動させる構成とすることができる。

図１０(a)、(b)は、本発明に従う頭部装着型画像表示装置に設けられる他の移動機構の構造を示す模式図であり、画像射出部１００１、導光部１０００および接眼レンズ１００２のうち、接眼レンズ１００２のみを移動させる移動機構を示したものである。図１０(a)、(b)はいずれも、図１において装着者の頭部側から見た上面図であり、それぞれ移動前後の機構を示している。移動機構は、接眼レンズ１００２にスライドガイド１００４を設けて導光部１０００に係合させ、接眼レンズ１００２を移動させるように構成されている。

図１１(a)、(b)は、本発明に従う頭部装着型画像表示装置に設けられる別の移動機構の構造を示す模式図であり、画像射出部１１０１、導光部１１００および接眼レンズ１１０２のうち、導光部１１００のみを移動させる移動機構を示したものである。図１０(a)、(b)はいずれも、図１において装着者の頭部側から見た上面図であり、それぞれ移動前後の機構を示している。移動機構は、接眼レンズ１１０２に設けられたスライドガイド１１０４に導光部１１００を係合させ、導光部１１００を移動させるように構成されている。

なお、本発明の形態による説明では、頭部装着型画像表示装置を眼鏡に装着した状態での左右方向の角度調整のみ記載しているが、画像射出部、導光部および接眼レンズのうち少なくとも１つを、図１〜１１の紙面と垂直方向(上下方向)に移動させることによって、導光部から射出される射出光の射出角度を紙面と垂直方向に調整することも可能である。さらに、左右移動と上下移動を組み合わせて、射出角度を左右および上下方向に調整できるように構成してもよい。

さらに、本実施形態では左右方向に配置した導光部の例を示したが、回転させて、上下方向に導光部を配置することも可能であり、その場合は本実施例の左右方向が上下方向に置きかえられる。また、移動機構の移動成分が左右方向や上下方向の方向成分を含んでいれば、当然本発明に含まれる。

本発明は、上記実施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。例えば、図１等には右目用の装置を示したが、左目用や両目用の構成とすることもできる。また、画像を背景が透けて見えるシースルー画像として観察させるため、図１２に示すように、先端部の幅Ｗ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となるよう構成することもできる。さらに、本発明の移動機構についても、上述した実施形態に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。

１１０頭部装着型画像表示装置
１１１画像射出部
１１２導光部
１２０眼鏡
１３０眼球

Claims

画像光を射出する画像射出部と、
該画像射出部から射出された前記画像光を入射し、内部で複数回反射させて射出する導光部と、
該導光部の前記画像光を射出する面に配置された接眼レンズと、
前記画像射出部、前記導光部および前記接眼レンズのうち少なくとも一つを移動させることによって、前記接眼レンズから射出される画像光の射出角度を調整する移動機構と
を具え、
前記導光部の内部で反射する回数が偶数回であることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
画像光を射出する画像射出部と、
該画像射出部から射出された前記画像光を入射し、内部で複数回反射させて射出する正の屈折力を持つ導光部と、
前記画像射出部および前記導光部のうち少なくとも一つを移動させることによって、前記導光部から射出される画像光の射出角度を調整する移動機構と
を具え、
前記導光部の内部で反射する回数が偶数回であることを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
前記画像射出部、前記導光部および前記接眼レンズのうち少なくとも１つが固定されている請求項１に記載の頭部装着型画像表示装置。
前記画像射出部、前記導光部のうち少なくとも１つが固定されている請求項２に記載の頭部装着型画像表示装置。
前記導光部がプリズムであり、一の面に入射した画像光を、前記一の面と同じ面から射出させる請求項１〜４のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。
前記移動機構による移動によって射出角度のみが調整され、射出瞳位置は変化しない請求項１〜５のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。
前記導光部の、当該装置を装着する装着者の視軸方向への投影断面の幅が、４ｍｍ以下である請求項１〜６のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。