JP2005043910A - 双眼鏡用ヘッド装着ディスプレーシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 個々の使用者の瞳孔間の距離のバラツキを自動的に補償する。
【解決手段】 ディスプレーシステムを使用者の頭に取付けるための使用手段と、ビデオ情報を表示するため支持手段に取付けた単一ディスプレーと、使用者から離れた位置に表示ビデオの拡大虚像を投映するため左右の眼の光路を有し、光路のそれぞれに使用者の眼からの光をディスプレー上の同一点に向ける少なくとも１つの導光素子と、ビデオをディスプレー上に焦点合わせし、拡大する少なくとも１つの光学素子とを含み、個々の使用者によって異なる瞳孔間の距離の約１インチまでのバラツキを自動的に補償する双眼鏡光学系とを備える。
【選択図】 図１３

Description

本発明はヘッド装着ディスプレーシステム、特に使用者の周縁像を比較的妨害されない状態に維持しながら使用者の眼の視野の直接視線上にバーチュアルイメージを投映することにより使用者が選択的に視線を虚像に焦点合わせしたり、周縁に移したりすることを可能にする単一ディスプレー双眼鏡システムに係わる。

双眼鏡用ヘッド装着ディスプレーシステムは使用者が両眼で表示情報の画像を視認することを可能にする。典型的な双眼鏡用ヘッド装着ディスプレーシステムは使用者のそれぞれの眼に１つずつ、２つのディスプレーと２組の全く同じ光学系を含むから、極めて高価であり、しかも極めて重い。単一ディスプレーを含む双眼鏡用ヘッド装着ディスプレーも公知である。どちらのタイプのシステムも無限遠に焦点合わせされた投映画像を視認するため両眼の視軸が互いに平行になるように使用者の眼を向けるように構成されている場合が多い。使用者がビデオ画像の中に完全に浸入するバーチュアルリアリティに応用する場合にはこれらの公知システムは使用者の視界が完全にブロックされるように構成されるから、使用者は表示される画像以外は何も見ることができない。

これらの公知システムには多くの問題がある。例えば、使用者が投映画像以外に焦点を合わせることができないヘッド装着ディスプレーシステムではしばしば眼の疲労が起こる。このようなシステムでは使用者の視界が完全に囲まれることから閉所恐怖感が起こり、また、使用者は自分の周囲で進行している事実を音声で聞くことができても見ることができないから不安感が起こる。これらの公知システムでは視認中の画像の動きが使用者の身体が経験している動きと一致しない時、使用者は船酔いを経験するおそれもある。

両眼の視軸が互いに平行になるように使用者の眼を方向づける双眼鏡システムは画像が無限遠よりも手前に焦点合わせされると眼を疲労させる原因となることが経験上明らかになっている。眼の疲労及び不快感を起こす原因は僅か２，３フィートの距離にある画像を視認する時に両眼の視軸が互いに平行な状態にあるのは人間の眼にとって不自然であるということにある。

公知の双眼鏡システムは多くの場合、特定の“平均”または“正常”瞳孔間の距離（以下IPD と略称）を有する使用者を想定して設計されている。使用者のIPD にはかなりのバラツキがあるから、これらのシステムを使用できるのは使用人口のごく限られた部分だけであり、広範囲の消費者が使用するには不適当である。システム設計の基礎となっている平均IPD とは大きく異なるIPD を持つ使用者がこのシステムを使用すれば、眼が光学系の光軸からずれることになる。その場合、典型的な現象として左右の眼によって視認される画像が整合しない。また、画像が歪曲し、画像の一方の側が他方の側よりも大きく見えたり、画像の一部は焦点が合っていて他の部分は焦点が合っていなかったり、この２つの現像が同時に起こる可能性もある。さらにまた、光軸からずれたままで、システムの光学系を介して表示画像を視認した場合、ディスプレー上に示される画像の一部が欠落する可能性がある。

本発明は、個々の使用者の瞳孔間の距離のバラツキを自動的に補償することを目的とする。

本発明の双眼鏡光学系の主たる特徴は個々の使用者の瞳孔間の距離のバラツキを自動的に補償し、このようなバラツキは１インチにも及ぶことがある。従って、本発明のヘッド装着ディスプレーシステムは光学素子の一部に手効調節を加えなくても使用人口の大部分の使用に供するのに好適である。１実施例ではIPD の異なる個々の使用者の目の異なる場所を表わす光路幅に沿ったすべての位置からの光を凹面レフレクタの中心域にむかって屈折させるプリズムを左右それぞれの目の光路中に設けることによって瞳孔間の距離のバラツキを自動的に補償する。この凹面レフレクタ（反射鏡）は使用者の両眼からの光路をディスプレー上の同一点、好ましくはディスプレーの中心に焦点合わせする。他の実施例では、左右それぞれの眼の光路に焦点合わせレンズを使用者のそれぞれの眼の異なる場所を表わすレンズの幅、即ち、直径に沿ったすべての場所の光を同一点で焦点が合わさるように配置する。そして、使用者の左右それぞれの眼の光路にミラーを配置して使用者の眼から各レンズを通してディスプレー上の同一点へ光路を集中させる。本発明の他の特徴として、双眼鏡光学系に半透明レフレクタをさらに組込み、使用者がこのレフレクタを介して視野の一部に虚像を視認するように構成する。ディスプレーに輝度制御手段を組込み、ディスプレーの輝度を変化させることによって虚像が投映される使用者視野部分を虚像がブロックし、使用者視野のこの部分において虚像を現実の世界に重ね合わせて使用者がこの視野部分において虚像と現実世界を同時に視認できるか；または使用者視野のこの部分から虚像を消し去って現実世界は見えるが虚像は全く見えないようにする。このような特徴はディスプレーの限られた領域またはウィンドーを光が通過できないように制御できるディスプレーを設けることによっても実現できる。ディスプレーのこのような光ブロック作用を作動させると、表示後にウィンドーが形成されてこのウィンドーを通して現実世界が見え、作動しない時はディスプレー全体に虚像が見えるようになる。

本発明は公知の双眼鏡用ヘッド装着ディスプレーシステムの欠点を克服した。本発明のヘッド装着ディスプレーシステムは修正を加えることなく使用人口の大部分が使用できる単一ディスプレー双眼鏡システムである。本発明のヘッド装着ディスプレーシステムは使用者が無限遠の画像にも無限遠よりも手前の画像にも不快感を伴なわずに焦点を合わせねばならない用途に好適であり、さらには使用者が投映画像を視認しながら周囲を視認しなければならない用途にもバーチャルリアリティ用としても好適である。

具体的には、本発明のヘッド装着ディスプレーシステムはディスプレーシステムを使用者の頭部に装着するための支持手段と；支持手段に取付けられる例えばディスプレーのような単一ビデオ画像供給源と；光学系の実光路長よりも大きい使用者からの距離に像供給源からのビデオの拡大虚像を投映するための極力軽量化されたコンパクトな双眼鏡光学系を含む。光学系はコンパクトかつ軽量であるから、支持手段は一対の眼鏡フレームなどと似ており、公知システムに見られるように光学系との釣合いおもりとして作用するヘルメットなどのような構造の支持手段は不要である。

本発明の双眼鏡光学系の特徴の１つは使用者の左右それぞれの眼の中心視野にバーチュアルイメージ（虚像）を投映し、光学系及び支持手段が使用者の左右それぞれの眼の周縁視の少なくとも一部を妨害のない状態に維持することにある。使用者の左右それぞれの眼の周縁視の少なくとも一部が妨害されないから、使用者は選択的に投映画像に焦点を合わせたり、投映画像から視線をそらすことで眼の疲労を極力軽減するかまたは実質的に解消することができる。また、使用者は虚像を視認しながら自分の周囲を視覚的に認識するから、不安感や閉所恐怖感は解消される。また、使用者は選択的に自分の周囲を見ることができるから、本発明のシステムは従来のシステムで起こることが多かった“船酔い”の感じを助長することがない。

本発明のヘッド装着ディスプレーシステムを使用すれば、使用者は虚像と自分の周囲とを同時に視認できるにもかかわらず、本発明のシステムはビデオ画像中に完全に浸入した感じを発生させる。従って、本発明のシステムはバーチャルリアリティに使用される従来の双眼鏡用ヘッド装着ディスプレーシステムに伴なう問題に悩まされることなくバーチャルリアリティ用として使用できる。従来は完全浸入の状態となる条件として使用者に投映されるビデオ画像以外のものが見えてはならないと考えられていただけに、本発明のシステムで得られるビデオ画像への完全浸入感は極めて注目すべき成果である。使用者は虚像だけでなく少なくともある程度現実の世界も眼に入るから、現実世界の立体感が使用者をして虚像に深さがあるように知覚させる。即ち、立体画像供給源を必要としなくても虚像が立体的であるように知覚させる。

本発明の双眼鏡光学系の他の特徴は左右それぞれの眼の中心線光路が少なくとも１つずつの光学素子を有し、左右の眼の中心線光路は使用者によって知覚される虚像にむかって収斂することにある。光学系の左右の中心光路は虚像にむかって収斂するから、使用者の眼は内方へ収斂するように向けられ、このことは無限遠よりも手前に位置する対象を視認する人にとって左右視軸が互いに平行となるように向けられる場合とは逆に自然な状態である。使用者の両眼が自然な形で虚像の位置にむかって収斂するから、本発明のヘッド装着ディスプレーシステムは公知システムよりも快適であり眼を疲労させることが少ない。

本発明のヘッド装着ディスプレーシステムは表示情報の視認を必要とするあらゆる用途に好適である。上述した種々の特徴にかんがみ、本発明のシステムはコンピュータディスプレーに特に好適である。従って、本発明ではヘッド装着ディスプレーシステムがキーボードハウジングに電子素子を収容したコンピュータディスプレーを形成する。このキーボードはコンパクトであり、１実施例では折たたみ自在である。コンピュータの運搬を容易にするためヘッド装着ディスプレーユニットの取付け面をキーボードに設けることも可能である。ヘッド装着ディスプレーはコンパクトで軽量であるから、本発明ではコンピュータ全体の重量及びサイズが公知のポータブルコンピュータシステムよりもはるかに小さくなる。本発明のコンピュータディスプレーで使用者が視認する画像は典型的なポータブルコンピュータのディスプレーとは異なり、従来の非ポータブルコンピュータディスプレーで表示される画像と同じくらい大きいかまたはこれよりもさらに大きい。また、ヘッド装着ディスプレーはパーソナルディスプレーユニットであるから、使用者だけが自分のコンピュータに表示される情報を見ることができ、例えば航空機のような公共の施設内で極秘情報を運用することができる。

本発明の上記及びその他の目的、利点及び新規の特徴、及び図示する実施例の詳細を添付図面に沿って以下に説明する。

図1 に示す本発明のヘッド装着ディスプレーシステム10は、使用者の頭部に載せられディスプレー（表示器）28を支持する枠体12と以下に種々の実施例において詳細に述べる付随の双眼鏡光学系とから成る。枠体12はまた、表示器用の駆動電子機器と装置10用の音声再生機構としての一対のイヤホン14と16とを支持する。周知のごとく、表示器用の駆動電子機器は、標準映像入力信号に応答して表示器を駆動して映像情報を描出する。ヘッド装着ディスプレーシステム10の重量を削減するためと、ヘッド装着ディスプレーシステム10が多数の供給源のどれかから映像入力を受信することができる一般的な映像表示器を提供できるようにするために、映像入力信号発生器は好適には別個の遠隔操作装置とする。

映像入力信号発生器は、映像入力信号を発生するテレビチューナ、ビデオカメラ、ビデオプレイヤ、ビデオゲーム、コンピュータなどの形態をとることができる。例えば、図1 に示すように、ヘッド装着ディスプレーシステム10はコンピュータの表示器の形態をとる。この場合、電子機器はキーボードハウジング（収納庫）18内に収納される。頭部搭載表示システムはケーブル20を介して映像入力信号発生器及び／あるいは音声発生器に連結されるけれど、図示のように、装置10は映像／音声入力信号発生器に物理的に接続される必要はない。例えば、映像入力信号と音声入力信号は、ＲＦ変調されて遠隔操作装置からヘッド装着ディスプレーシステム10へ送信される。このシステムは本発明の譲受され本明細書にて参照される1992年12月4 日付け米国特許出願第07/986,422号に詳細に記載されたようなＲＦ受信器を備えていた。

本発明の一つの実施例に係わる双眼式ヘッド装着表示システムを図2 〜6 に示す。この実施例では、ヘッド装着ディスプレーシステム10の枠体12は、表示器28用の駆動電子機器が実装される回路基板26の収納庫を形成する上部覆い22と下部覆い24、スピーカ14と16、および／あるいは高周波受信器とから成る。下部覆い24は、表示器28および半反射式バイザ（帽子のひさし）36とプリズム30とから成る装置10用光学系とを取付ける際の支持部を形成する。

より具体的には、表示器28は、反射式バイザ36の内面42に面する表面40上に映像情報を描出するための液晶表示器などである。表示器28は、好適には、VGA 解像度があり標準的コンピュータで生成された英数字情報と映像図形画像とを表示するのに適したものである。液晶表示器は、一般的には、光が表示器の背面から透過して発光するようにバックライトを備えて構成される。液晶表示器を正面から観察すると、例えばCRT を駆動するための従来の信号によって駆動されたときに、画像が適宜の方向に表示される。この種の従来の液晶表示器を以降右回り表示器と呼ぶ。図2 〜6 に描く光学系の実施例の場合、表示器28上に描出される情報は、バイザ36で反射されて使用者に観察される。光学系には奇数個のレフレクタ（反射鏡）が含まれるので、使用者によって見られる画像は、従来の搭載型右回り液晶表示器が使用される場合、右から左へ反転する。この反転は非テキスト映像情報の場合は顕著ではないが、後方に表示される英数字テキストは使用者には読み取れないものとなる。この問題については、光路に別の反射体を挿入することで克服できる。但し、反射体の追加で装置の重量が増す。また、反転画像を出力するための画像供給源を制御するという方法もある。しかし、この方法は非標準形の複雑な電子機器を必要とする。好適実施例では、従来の「右回り」液晶表示器の背面からのバックライトを除去することによって、すなわち、液晶表示器を逆の右から左方向に取付けて、従来の表示器の背面で観察可能な画像面40を形成した左回り表示器を形成するようにして、バックライトを従来の表示器の前面に取付けることによって、画像の反転を補正している。液晶表示器がこのように方向づけられたときには、それは、従来のように、画像が直接観察された場合逆の方向に表示されるように駆動される。しかし、使用者がバイザ36によって表示器から反射される画像を観察する場合、英数字テキストは適切に右から左方向に表示される。

図2 〜6 の実施例の双眼式光学系は、右目経路50と左目経路52とにそれぞれ配置されたプリズム素子32と34を備え、バイザ36の中心領域C の方へプリズム32と34の幅W 方向の任意の地点から光を屈折させる。バイザ36は右目光学的中心線経路と左目光学的中心線経路の両方を表示器28の正面上の同一地点へ振り向けるための凹面反射鏡である。表示器28上に描出される情報の画像を光学的無限に表示させる場合、バイザ36の焦点が表示器の中心点になるように、表示器を反射式バイザ36に対して設置する。

表示器上に描画される情報の画像を無限より手間に表示する場合、表示された英数字情報を観察する場合などでは、表示器28をバイザ36の焦点距離より短いバイザ36から離れた地点に設置する。この場合、バイザの光学的中心線すなわち主光線54は表示器の中心を横切る。後者の場合、プリズム32と34は下部覆い24上に取付けられ、各プリズムの光学的中心線が仮想画像（虚像）の位置に向かって角度を変えて、使用者の目が仮想画像を観察できるように若干角度を変えられるようにする。プリズム32と34各々の角度と仮想画像の方を見ている使用者の目の角度を収束角θと呼ぶ。図6 に収束角θをまっすぐ前方を見ている視軸56に対して示す。収束角については、仮想画像が表示される距離と同じ距離だけ使用者から離れた地点の物体を観察している目の自然な内向角にほぼ等しいものを選ぶ。収束角は、使用者から約2 フィートすなわち.75mに表示される仮想画像に対しては2 ゜〜4 ゜程度と非常に小さい。仮想画像が光学的無限へ接近するにつれて、収束角はゼロへと減少する。右目光学的中心線経路と左目光学的中心線経路の角度を若干変えて仮想画像の位置の方へ向けることによって、目の疲労が軽減されることが分かった。これは、使用者が、光学的無限遠方より手前にある実体の方向へ目の角度を変えるからである。

本発明の重要な特徴によれば、光学系は、仮想画像を使用者の目各々の直行視線かつ中心視野上に仮想画像を投影して、表示された情報が使用者の注意の中心になるようにするものである。しかし、光学系と支持部は、使用者の目各々の周辺視野（周縁部）の一部を遮られない状態に維持するものでもある。図7 と8 に示すように、使用者の目に最も近接した光学素子、図2 の場合はプリズム30、の出口側表面を、線ABで表す。ここで、A とB とは最も近接した光学素子の外側の辺縁の位置を示す。最も近接した光学素子の出口側表面は好適には使用者の目から約20mmである。A からB までの距離Wは好適には100mm 程度であり、約2.5 インチすなわち64mmのIPD を持つ使用者は、側方の周辺視野内の環境に焦点を合わせるため、角度αだけ目を側方へ移動させることのみを要する。角度αは、IPDが異なる使用者の間で異なるが通常は5 ゜〜15゜の範囲にある。使用者の下方周縁視野の多くの部分を遮られない状態に維持するために、最も近接した光学素子の下縁E は好適には使用者の目の底辺より著しく下方へは伸びないようにする。例えば、最も近接した光学素子の中心から下縁E までの距離d は9mm 〜15mm程度である。

図2 〜6 に描く光学系によれば、使用者には側方の周辺視野と下方の周辺視野のかなりの部分とがある。下方の周辺視野は、使用者がキーボード18あるいは医用具や工具などの別の装置を遮られることなく観察できるようにするために重要である。少なくとも使用者の目各々の周辺視野の一部は妨害されないので、使用者は仮想投影像に焦点を合わせるか、または、目の疲労を最小にするか実質的に除去するかしないように選択できる。更に、使用者は、仮想画像を観察している間自分の環境を視覚的に認識するので、不安感や閉所恐怖感は除去される。また、使用者は自分の環境を選択的に観察できるので、本発明のシステムは他のシステムでしばしば遭遇する「船酔」感を助長することがないことは注目すべきことである。

使用者は自分の環境と本発明のヘッド装着表示システムの仮想画像とを同時に観察できるけれど、本システムは映像画像に全体的に進入した感を創造することが分かった。更に、使用者は少なくとも実世界のある像と仮想画像とを得るので、実世界の立体的な手がかりによって、使用者は、立体視画像源を必要とすることなく仮想画像に深さがあること、言い替えれば、仮想画像が立体的であることを認識する。

バイザ36は好適には反射率が80% 程度の半透過型反射鏡であるため、使用者はバイザ36を介して実世界を見ることができる。本発明の好適実施例では、表示器28は、ヘッド装着ディスプレーシステム10の枠体12上あるいはキーボード収納庫18上に取付けられた輝度制御ノブ65などの輝度制御器を備えている。輝度制御器65によって、表示器28の輝度を変化させられるので、表示器28を最高水準付近の輝度で操作すると、使用者の視野の画像が投影される部分を完全に遮断する仮想画像が映写される。表示器28の輝度を弱くすることによって、使用者の視野の画像と画像の背後の実世界とが同時に使用者に見られるように画像が投影される部分において、仮想画像が実世界に重畳されて表示される。表示器を完全に暗くすることによって、仮想画像が上記の使用者の視野部分から消失され、使用者が実世界を見れるようにできる。しかし、使用者は仮想画像を全然見れない。定められた領域すなわち窓において光が表示器を通過しないように制御できる表示器を提供することによっても、表示画像から実世界への窓を実現できることは注目すべきである。表示器の光遮断作用が作動されると、遮断された表示光の領域における実世界への窓が表示画像を通して提供される。作動されないと、画像はそっくりそのまま見られる。

図2 〜6 に示す双眼式光学系は、異なる使用者間の瞳孔間距離変動を自動的に補償する。この変動は1 インチほどの大きさになることもある。更に具体的には、この光学系は、2 〜3 インチの範囲内の瞳孔間距離をもつ使用者に対し自動的に調節される。これは、プリズム32と34およびバイザ36として示す凹面反射鏡とを組み合わせることによって達成される。具体的には、右目光路と左目光路各々におけるプリズムが、様々な使用者の目の位置を表すプリズムの幅W 方向の任意の位置、すなわち様々な瞳孔間距離を表す位置からの光をバイザ36上の中心領域C の方へ屈折させる。プリズムは、2 〜3 インチの使用者の目の中心間差異を中心領域C におけるバイザ36の正面42上での0.2 インチ〜0.3 インチ以内に変換する。表面42へ入射する平行光を表示器28上の同一点に焦点を合わせて、使用者の右目が光学系を介して見るのと同じ画像を使用者の左目が見るようにすることによって、表示器の正面のこの小さな差異を一致させる。

バイザ36は球面の形状をしていて、表示情報の拡大像を投影する。しかし、周知のように、バイザ36は放射線状の形状かあるいはそれ以外の形状をしていて、画像の歪を最小に低減させて所望の倍率を得るようにしたものでもよいことは注目すべきことである。更に、各々の目用に別個の凹面反射鏡を使用してもよい。小型光学系の性質上、バイザは70mm以下だけ使用者からつき出ている。プリズム32と34を単一の素子30として形成してもよく二つの別個の素子として形成してもよい。更に、図10に示すように、レンズ60と62を、それぞれ右目光路と左目光路50と52におけるプリズム32と34の出口側表面61と63上に取付けてもよいし、出口側表面61と63に隣接して取付けてもよい。レンズ60と62各々は好適には画像の視野を増大させる凸レンズである。プリズムレンズ対32と60および34と62の各々は、また、好適には色収差を補正する色消しレンズを形成する。

表示器28は、好適には、左目で見た画像が右目で見た画像と同じコントラストと輝度とを持つように、輝度とコントラストとが表示器の垂線から10゜を越えて変化しないようにしたものである。左目で見た画像が右目で見た画像と同じ位置に表示されるようにするためには、左目光学的中心線経路と右目光学的中心線経路とは長さが等しくなければならない。更に、一方の目から表示器28の右側までの経路の長さが、同じ目から表示器28の左側までの経路の長さと等しくなければならない。表示器の右側までの経路の長さと表示器の左側までの経路の長さとが等しくない場合、画像は、画像の一方の側が他方の側より大きく歪んで表示される。後者の要件は、各光路の主光線の長さが等しい光学系によって達成される。

表示器のコントラストと輝度が表示器の垂線から10゜を越えて相対的一定に維持されない場合、図2 〜6 に描く光学系を、図9 に点線で示すように光隔壁58を加えることによって単眼光学系へ変換することができることは注目すべきことである。光隔壁58は表示器からの光が使用者の目の一方に届くのを防ぐ。好適には、光隔壁58は、取外し可能に下部覆い24上あるいは表示器28の側面に取付けられ、表示器の側面55上か反対側の面57上に位置づけられる。たいていの人にはきき目があるので、光隔壁を表示器の側面に位置づけて表示器28からの光がきき目ではない目に到達するのを阻止すれば、実際にはきき目だけで表示器を観察しているのに、使用者には両方の目で表示器を観察しているように思われる。図6 に示す光学表示システムの底面図は、右目がきき目の使用者用の光隔壁58の位置を示す。本システムは双眼鏡用ではないけれど、表示器の一方の側面55か57から他方の側面57か55へ光隔壁58の位置を変更するだけで、右目がきき目の人にも左目がきき目の人にも利用可能となるわけで、本システムは非常に柔軟性に富んでいる。

図11は本発明の真に立体知覚の実施例を示す。この実施例は図2〜6 あるいは図7 で説明したのと同じ双眼鏡システムを利用したものであり、表示器28' を制御して左目光路から右目光路を分離する隔壁64によって左目と右目とに別個の画像を供給する。

図12に示す本発明の実施例は図2 〜6 に描く実施例に類似している。しかし、表示器28の位置が異なる。バイザ36の内面42に面するのではなく、表示器28の正面40が下方に向き、表示器28の正面40上に描出される情報をバイザ36の内面42上に反射させるために表示面40に対して45゜の角度で配置された反射面72に面している。反射鏡72は従来の平面鏡で形成してもよいのだが、反射面72を備えたプリズム素子70は、反射面72が指紋やひっかき傷で台無しにならないようにしたものが好ましい。

図2 〜6 に描く光学系の特徴は他の双眼式光学系でも得られる。例えば、図13は本発明に係わる双眼式光学系の別の実施例である。この実施例は、単一の表示器を利用し、使用者のIPD の差異を最長1 インチまで自動的に補償し、無限遠より手前の使用者からの距離にある仮想画像の位置の方へと使用者の目を内側へ振り向け、および／あるいは、少なくとも使用者の目各々の周辺視野の一部を障害物により遮られない状態に維持しながら、使用者の直行視線かつ中心視野に表示情報の拡大画像を投影する。図2 〜9 に示す実施例では半反射式バイザとプリズムとでこれらの特徴を実現しているの一方、図13の実施例では右目光路と左目光路各々におけるレンズと鏡とビームスプリッターとを利用してその特徴を実現している。図13に描く実施例の優位性の一つは、相反する情報が使用者の右目と左目とによって見られないようにするために表示器28のコントラストと輝度を表示器の垂線から10゜を越えて一定に維持される必要はない点である。

更に具体的には、図13に示す本発明の実施例は、ビームスプリッター80を表示器の正面40に対して45゜の角度に配置させた表示器28を備えている。ビームスプリッター80は表示器28からの光を右目光路50' 方向と左目光路52' 方向とへ分割する。ビームスプリッター80によって右目光路50' 方向に振り向けられた表示器28からの光は、両凸レンズ84を介して鏡82により使用者の右目へ反射される。ビームスプリッター80は表示器28からの光を左目光路52' 方向へ振り向けて、それゆえ光が両凸レンズ90を介して使用者の左目へと鏡86により第二の鏡88へ向けて反射されるようになる。両凸レンズは各々画像の焦点合わせと拡大とを行う。

この実施例によれば、表示器は位置87あるいは位置89に設置される。表示器92の外縁が鏡80と82の最も外側の辺縁を越えないように表示器28を位置89に設置することで、重量が使用者の顔面に近いより小型のヘッド装着ディスプレーシステムが提供される。光学系と表示器の重量を使用者の頭部にできるだけ近似させて、光学系の下方回転トルクを削減して支持部12への釣合おもりの必要性を除去することが望ましい。

表示器28上に描出された情報の仮想画像を光学的無限に表示するとき、レンズ84と90各々の焦点を表示器正面40の中央に設定する。更に、鏡82をビームスプリッター80に対して平行にさせた状態で、ビームスプリッター80を表示器28の正面40に対して45゜の角度に位置づける。鏡86をビームスプリッター80に垂直にし、鏡88を鏡86に平行にする。

しかし、仮想画像を無限遠の手前例えば2 フィート使用者から離れた地点に表示するには、右目光路の鏡82と左目光路の鏡88との角度を若干内側へ変えて使用者の目を内側の収束角地点に向ける。この収束角は、仮想画像の使用者からの距離に等しい距離をおいて物体を観察している人にとっては自然な角度である。例えば、使用者から約2 フィートに表示される仮想画像の場合、約2 ゜〜4 ゜の収束角が望ましい。従って、鏡82と鏡88を、45゜の角度で互いに対向するように、表示器28の正面40に平行な線に対して約41゜〜43゜の角度αを成して位置づける。自然な角度で仮想画像の位置の方へ内側に使用者の目を振り向けると、本発明のヘッド装着表示システムは従来技術のシステムのものより一層快適な目の疲労の少ないものとなる。この実施例では、表示器28は、レンズ84と90各々の焦点距離より短い距離だけレンズ各々から離して設置されることは注目すべきことである。

仮想画像が無限に集束されるか無限遠より手前に集束されるかにかかわらず、線分a 、b およびc の長さで表される右目光学的中心線経路50' の長さは、線分a 、d 、e およびf の長さで表される左目光学的中心線経路の長さに等しい。更に、所定の目から表示器28の一方の側面までの距離は、その目から表示器の反対側の側面までの距離に等しいので、光学系の主光線は長さが等しい。

図13に描く本発明の実施例は、焦点合わせレンズ84と90各々が、様々な使用者の目の位置を表す幅方向言い替えれば直径方向の任意の位置すなわち様々な瞳孔間距離を表す任意の位置を通る光が、右目光路と左目光路各々に配置された鏡とビームスプリッターとによって同じ地点に集束されて、使用者の目から各々のレンズを介して同一地点へと光路を振り向けるようになっているため、様々な使用者の瞳孔間距離の変動を自動的に補償する。更に、ビームスプリッター80と鏡82、86および88の寸法については、約2.5 ゜の角度βだけ表示器28の正面40から外側に光を発散させて、表示器全体がビームスプリッターと鏡とによってIPD が1 インチ異なる使用者の目へと反射されることを保証するように寸法は選択される。

図13の光学系は、20〜45゜程度の広い視野を持った非常に小型で軽量の光学系である。レンズ84と90と鏡82、86および88とビームスプリッター80と表示器28は、好適には、レンズ84と90各々の出口面が使用者の目から約20mm離れるように、枠12の下部覆い24上に取付けられる。レンズ84と90各々は使用者の目に比較的近接しているので、画像は大きな視野をもつ。しかし、レンズ各々と使用者の目各々との間隔20mmは、一般的に、使用者がヘッド装着表示システムと供に一対の眼鏡をかけるのに充分な間隔である。レンズ84と90については、実際には、使用者の目により近接させて配置してもよいが、好適には、使用者がかける一般的な一対の眼鏡のレンズより近接しないように配置して、物体が使用者の目に非常に近接したときに使用者が不安感を抱かないようにする。レンズを使用者の目から遠く離して位置づけてもよい。しかし、所定の視野を得るためには、目とレンズ84か90との距離が増加するにつれて、普通、レンズの直径を増大させる。使用者の目から約20mmに設置されるレンズ84と90および位置89にある表示器28とによって、ヘッド装着ディスプレーシステム10は使用者の顔面の前方に約2 〜1/2 インチだけ突き出ている。

図13に描く光学系は枠帯12上に取付けられて、使用者の目各々の中心視野かつ直行視線上に仮想画像を投影する。レンズ84と90の寸法および支持帯12の構成は、使用者の目各々の周辺視野の少なくとも一部を遮られない状態に維持して、図2 に描く本発明の実施例に関して述べた利点を全て得られるようなものとする。図7 と8 に示すように、使用者の目に近接した光学素子の出口面、図13の場合はレンズ84と90の出口面は、線ABで表される。ここで、A とB とは最も近接した光学素子の外側の辺縁の位置を表す。上述のように、最も近接した光学素子すなわちレンズ84と90の出口面は、好適には、使用者の目から約20mm離れている。レンズの直径は好適には25mm〜35mm程度であり、IPD が約2.5 インチの使用者が、角度αだけ側方へ目を移動させて側方の周辺視野内の環境に焦点を合わせられるようにする。角度αはIPD が異なる使用者の間で異なるが、普通、5゜〜15゜の範囲にある。レンズ84と90の直径は25mm〜35mm程度なので、図13の光学系は、使用者の下方周辺視野のかなりの部分を遮られない状態に維持する。

図14は、図13に描く本発明の実施例を僅かに修正したものを示す。図14で、レンズ84と90から表示器28までの光学系全体を図10に示す位置から90゜回転させて、レンズ84と90各々の軸が使用者の右目と左目各々の軸に対して垂直なるようにする。一対の鏡を光学系に追加して、一方の鏡100 が、レンズ84に対して45゜の角度を成して右目光路上に配置され、表示器からレンズを介して使用者の目へと画像を反射するようにする。同様に、反射鏡100 が、レンズ90に対して45゜の角度を成して左目光路上に位置づけられ、表示器からレンズを介して使用者の左目へと画像を反射するようにする。反射鏡100 は、ホログラフィ鏡や曲面鏡などを始めとする任意の形式の鏡でよいので留意する。

図11の実施例では、使用者の周辺視野を遮られない状態に維持しながら、使用者の目の中心視野かつ直行視線上に反射鏡100 を位置づけることができる。また、表示された画像が使用者の注意の中心とはならないような用途については、使用者の目の上方周辺視野内に反射鏡100 を位置づけてもよい。また、好適には、反射鏡100 は、例えば反射率が80% の半反射式のものにして、使用者が反射鏡100 を介して実世界を見ることができるようにする。

上述のように、表示器28は輝度制御器60を備えていて、表示器28の輝度を変化させられるので、その輝度で表示器は、画像が投影される使用者の視野の部分における使用者の実画像視野を完全に遮断する仮想画像を生成する。表示器28の輝度を弱めることによって、画像が投影される使用者の視野の部分において、虚像が実世界で重ね合わせて見える。従って、その画像と画像の背後の実世界が共に使用者に同時に見られる。表示器を完全に暗くすることによって、仮想画像が使用者の視野の当該部分から消失させられ、使用者は実世界を見ることができるようになる。しかし、使用者は仮想画像を全く見れない。上述のように、表示器28を制御して画像から実世界への窓を提供するというこの特徴は、定められた領域すなわち窓内で光が表示器を通過しないように制御できる表示器を提供することによっても達成される。この種の表示器の光遮断機構が作動されると、実世界への窓が、表示器から光が遮断される領域に表示画像を通して提供される。光遮断機構が作動されないと、画像がそっくりそのまま見られる。

図15に描く双眼鏡式光学系の実施例は上記したその他の実施例の様々な特徴を備えている。しかし、内部画像平面を備えていて、かなり大きな視野をさらに確保しながら使用者の目から一層遠隔地点に表示器28を設置できる。この実施例では、表示器28は、正面40が使用者から外側に面するように位置づけされる。点線110 で示される鏡は、表示器に対して45゜の角度に配置され、普通水平面に設置されるレンズ112 に面する使用者の顔面の前方下方に表示された情報の画像を振り向ける。レンズ112 は表示器28へ光を集束させる。レンズ112 の下方に配置されたプリズム対114 と116 は、第二のレンズ対118 と120 を介して右目光路方向と左目光路方向とに沿ってレンズを通過する光を屈折させる。レンズ118 と112 はプリズム114 と116 の下方の同一の水平面上に設置される。鏡122 と124 は、レンズ118 と120 に対して45゜の角度で右目光路と左目光路各々の上に配置されていて、プリズム対126 と128 の各内面134 へ使用者の目の方へ向けて光を振り戻すようになっている。光は、各光路上でプリズム素子126 と128 の内面134 から外面136 へと反射される。これを受けて、プリズム126 と128 の各外面136 は順に各レンズ130 と132 を透過する光を使用者の目へと反射させる。

図15の光学系によって、プリズム126 と128 内に中間画像面が形成される。ここで、レンズ130 と132 はプリズム126 と128 内の中間画像面から焦点距離一つ分の位置に設置される。レンズ118 と120 は、表示器からの入射光をプリズム126 と128 内の各画像面に集束させるようになっている。双眼式光学表示システムのこの実施例は、プリズム114 と116 が、各光路からディスプレー28上の単一点へ光を集束させるレンズ112 で中心領域の方へ光を屈折させるという点で、上記の実施例に類似している。更に、各プリズム126 と128 の表面134 と136 は、光を使用者の目からのシステムの中心部へ振り向ける。

図16〜19は本発明に係わる折畳み式キーボード収納庫18の一つの実施例を示す。このキーボード収納庫はコンピュータの電子機器を収納するために利用される。コンピュータの電子機器とは従来ラップトップコンピュータで使用されるものであり、主マイクロプロセッサや、所望ならば、周知のごとく、RAM とディスク駆動装置やディスケット駆動装置などの記憶装置に連結されるコウプロセッサなどである。マイクロプロセッサは、キーボード201 での情報入力に応答して、表示器28用の駆動電子機器に連結あるいは交信される映像入力信号を発生させて、英数字および／あるいは図形情報を表示器28上に表示する。本発明に係わるコンピュータはヘッド装着表示システムを利用するので、上述のように、コンピュータ全体は従来のラップトップコンピュータより遥かに軽量で小型である。しかし、本発明のコンピュータは、実際には、ヘッド装着表示システムの光学系のお陰で、従来技術のラップトップコンピュータやノートブック型コンピュータのものより遥かに大きな表示器を提供する。更に、ヘッド装着ディスプレーシステム10は使用者の下方周辺視野を遮られない状態に維持するので、使用者に情報を入力する必要がある場合には、使用者は容易にキーボードを見ることができる。

キーボード収納庫18は、図16〜19に示すように、二つの部分200と202 とに等分される。これらの部分は蝶番204 の一点で回動可能なので、キーボードを図14に描くように半分に折畳むことができる。キーボード収納庫の部分200 と202 は各々、二つの部分が開かれるときに噛み合って、収納庫200 内に配置されたコンピュータ電子機器の部分と収納庫202 内に配置されたコンピュータ電子機器とを電気的に接続するための電気コネクタ206 と208 を備えている。

図15と16に示すように、蝶番204 は、開口214 と216 を中心に備えた一対の円筒形部材210 と212 から成る。部材210 と212 は各々、一体的に形成され、普通、部材210 と212 の約四分の一に亙って伸びる弓形フランジ部218 と220 から成る。組立られると、部材210 は部材212 の上に横たわり、開口214 と216 が弓形フランジ218の端部224 に弓形フランジの端部222 を接触させた状態で整列する。弓形フランジは、各々開口226 と228 を備えていてそこに各棒230 と232 の端部を受け止める。部材210 が、各弓形フランジ220 と218 の端部220 と224 が接触するように部材212 に取付けられると、棒230 と232 は長手方向に一直線に並ぶ。

円筒形部材210 と212 は、ピン240 と242 および開口216 と214を貫通して伸びるボルト248 とによって一体的に保持される。ピン242 は、ピン240 の円筒部246 の開口に侵入する円筒部244 を備えている。ボルト248 にはピン242 の唇部252 に噛み合う頭部250 があり、ボルト248 がピン242 の円筒部244 へ挿入されたときに、ボルト250 のネジ山がピン240 のネジ切り部260 に噛み合うようになっている。ピン240 と242 およびボルト248 は、円筒形部材210 と212 を一体的に軸方向に整列させて保持するが、部材210 と212 が互いに対して回動して棒230 と232 を長手方向に一直線に並んだ状態から解放して、キーボード収納庫18を折畳めるようにさせる。図15から分かるように、棒230 と232 は、握持部材274 と276 によってそれぞれ各々のキーボード収納庫部分202 と200 の各底部270 と272 に固着される。

折畳み式キーボード用の別の蝶番構成を折畳み式キーボード収納庫18' の図17〜20に示す。キーボード18' の収納庫部分300 と302の底部300 と302 は、底部300 と302 の対向側面に配置され長手方向に一直線に並んだ溝対308 と310 および312 と314 を備えて形成される。長手方向に一直線に並んだ溝308 と310 には蝶番部材316が設けられる。一方、長手方向に一直線に並んだ溝312 と314 には蝶番部材318 が設けられる。蝶番316 と318 は各々、それぞれのピン324 と325 が貫通する一対の開口322 がある中心棒320 を備えている。ピン324 と325 は、各外棒330 と332 の隣接する端部に配置され長手方向に整列した溝326 と328 を貫通する。ピン324 と325は各溝326 と328 に沿って摺動して、棒330 と332 が互いへ向かう方へあるいは互いから離れる方へ移動できるようにする。棒330 と332 は互いから離れる方へ引き離されて、キーボード収納庫18' の二つの半分の部分304 と306 を分離する。次に、棒330 と332 は各ピン324 と325 の回りを回動して、図20に示すように、キーボードの二つの部分304 と306 が共に折畳まれたときに互いに略平行に伸張する。

図13〜20に描く折畳み式キーボードの実施例は標準寸法のコンピュータキーボードを図示しているが、図21のキーボードは図13〜16に描く実施例と同じ蝶番組立てを利用した小型コンピュータキーボードである。更に、図21〜23に示すキーボードは、使用されないときにはヘッド装着ディスプレーシステム10を取付けるための弓形取付け面400 を一方の端部に備えて構成される。キーボード404 の反対側の端部402 も弓形の形状になっていて、キーボートの半分の部分406 と408 の両方がヘッド装着ディスプレーシステム10を収容できるようになっている。ヘッド装着ディスプレーシステム10用の取付け面を備えたコンピュータキーボードは、運搬が容易な非常に小型で軽量のコンピュータシステムを提供する。

ヘッド装着ディスプレーシステム10が携帯用コンピュータに利用される従来の表示パネルよりかなり小さく軽いから、コンピュータシステムの全寸法と重量は従来のラップトップコンピュータやノートブック型コンピュータのものを大幅に削減させたものとなっている。一層小型で軽量ではあるが、本発明に係わるヘッド装着ディスプレーシステム10は、卓上型パーソナルコンピュータ用の従来の全幅寸法の表示器と同じくらいあるいはそれ以上の大きさの、表示情報の仮想画像を伴う英数字情報用の高品質な表示器を提供する。ヘッド装着ディスプレーシステム10は個人用表示システムなので、使用者は表示情報を他人に開示することなく混雑した環境の中で極秘情報を観察できる。更に、本発明の双眼式光学系は使用者の周辺視野を遮られない状態に維持し、好適には少なくとも使用者の下方周辺視野を妨害されない状態に維持するので、使用者は好みに応じて表示された英数字テキストかキーボードかを選択的に観察できる。

本発明の多数の特徴は、使用者の中心視野に画像を投影する単一の表示器、双眼式光学系に限定されるものではなく、単眼式であったり、二つの表示器を使用したり、あるいは使用者の周辺視野に仮想画像を投影したりするヘッド装着ディスプレーシステムに適用可能である。更に、ここに詳細に記載したもの以外の光学素子を様々に組み合わせたものも、本教示および本発明の多くの他の修正例および変更例に従って使用できる。このように、添付の請求項の範囲内で本発明を上記以外の形態で実現できることが理解されるであろう。

請求される事柄および特許証で保証されることが望まれる事柄は、特許請求の範囲に記載されている。

〔付記１〕ヘッド装着ディスプレーシステムにおいて、
使用者の頭部にディスプレーシステムを取付けるための支持手段と；
ビデオ情報を表示するため前記支持手段に取付けられるディスプレーと；
左右それぞれの眼の中心光路を含み、前記光路のそれぞれに少なくとも１つずつの光学素子を有し、無限遠よりも手前に前記表示ビデオの拡大虚像を投映し、前記左右の眼の中心光路がこの虚像にむかって収斂するように構成された双眼鏡光学系と；
を備えたことを特徴とするヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記２〕前記双眼鏡光学系が前記虚像を使用者の左右それぞれの眼の中心視野に投映し、前記光学系及び支持手段が使用者の左右それぞれの眼の周縁視の少なくとも一部を妨げられない状態に維持して使用者が選択的に前記虚像に焦点を合わせたり前記虚像から焦点を逸らせたりできるようにすることを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記３〕前記双眼鏡光学系が個々の使用者によって異なる瞳孔間の距離の約１インチまでのバラツキを自動的に補償することを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記４〕前記双眼鏡光学系に半透明レフレクタを組込んで該レフレクタを通して使用者が前記虚像を視認する一方、前記ディスプレーに輝度制御手段を組込むことにより、虚像が投映される使用者の視野部分を前記虚像がブロックし、使用者の前記視野部分における現実世界に重ね合わせるように前記虚像を制御することによって前記使用者の視野部分において虚像と現実世界の両方が同時に見えるようにするかまたは前記視野部分から見えなくなるようにしたことを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記５〕前記ディスプレーが左旋回液晶ディスプレーであることを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記６〕前記ディスプレーを遠隔装置と接続して該装置から前記ディスプレーを駆動する英数字情報を表わすビデオ入力信号を受信し、使用者の左右それぞれの眼の下方周縁視が妨げられず、前記使用者が下方の前記遠隔装置を視認できるように前記光学系を前記支持手段に取付けたことを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記７〕前記ディスプレーと通信する英数字キーボードを組込むことにより前記キーボードの英数字情報を前記ディスプレー上に表示できるようにしたことを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記８〕前記キーボードが折たたみハウジングを含むことを特徴とする付記７に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記９〕前記キーボードが前記双眼鏡光学系支持手段及びディスプレーを前記キーボードに取付けることができるように形成された面を含むことを特徴とする付記７に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記１０〕前記支持手段の最外面が使用者の顔の前方に位置し、前記最外面が使用者の頭部から 2.5インチだけ突出していることを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記１１〕前記光学系が使用者の眼から20mm以上の位置にあって固有の倍率を有する少なくとも１つの光学素子を含むことを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記１２〕前記光学系が使用者の眼から20mmないし70mmの範囲に位置して固有の倍率を有する少なくとも１つの光学素子を含むことを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記１３〕前記虚像が少なくとも20°の視野を有することを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記１４〕前記中心交路が前記虚像にむかって約２°ないし３°の角度で収斂することを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記１５〕前記双眼鏡光学系が前記左右の眼の中心光路のそれぞれに沿って配置された少なくとも１つのプリズムを含み、該プリズムがディスプレーの中心と交差する光学中心線を有する凹面レフレクタの中心域にむかってそれぞれの光路を屈折させることを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記１６〕前記双眼鏡光学系が前記左右それぞれの眼の中心光路を同一点に向けるため各光路に沿って配置された少なくとも１つのミラーと、使用者の眼に隣接した各光路に沿って配置されたレンズとを含むことを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記１７〕前記双眼鏡光学系が前記左右の眼の光路の両方と交差するビームスプリッタを含むことを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記１８〕ヘッド装着ディスプレーシステムにおいて、
ディスプレーシステムを使用者の頭に取付けるための使用手段と；
ビデオ情報を表示するため前記支持手段に取付けたディスプレーと；
前記画像が使用者の左右それぞれの眼の中心視野を妨げないように、使用者から離れた位置で使用者の左右それぞれの眼の中心視野に前記ビデオの拡大像を投映し、前記支持手段と協働して使用者の左右それぞれの眼の周縁視の少なくとも一部を妨げられないように維持することにより使用者が選択的に前記虚像に焦点を合わせたり前記虚像から焦点を逸らせることができるようにする前記支持手段に取り付けられた双眼鏡光学系と；
を備えたことを特徴とするヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記１９〕前記光学系が無限遠よりも手前に前記虚像を投映し、使用者の両眼を虚像の位置にむかって収斂させるため左右それぞれの眼の光路中に少なくとも１つの光学素子を含むことを特徴とする付記１８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記２０〕前記双眼鏡光学系が個々の使用者によって異なる瞳孔間の距離の約１インチまでのバラツキを自動的に補償することを特徴とする付記１８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記２１〕前記双眼鏡光学系に半透明レフレクタを組込んで該レフレクタを通して使用者が前記虚像を視認する一方、前記ディスプレーに輝度制御手段を組込むことにより、虚像が投映される使用者の視野部分を前記虚像が完全にブロックし、使用者の前記視野部分における現実世界に重ね合わせるように前記虚像を制御することによって前記視野部分において虚像と現実世界が同時に見えるかまたは前記視野部分から見えなくなるようにしたことを特徴とする付記１８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記２２〕前記ディスプレーを遠隔装置と接続して該装置から前記ディスプレーを駆動する英数字情報を表わすビデオ入力信号を受信し、使用者の左右それぞれの眼の下方周縁視が妨げられず、前記使用者が下方の前記遠隔装置を視認できるように前記光学系を前記支持手段に取付けたことを特徴とする付記１８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記２３〕前記ディスプレーと通信する英数字キーボードを組込むことにより前記キーボードの英数字情報を前記ディスプレー上に表示できるようにしたことを特徴とする付記１８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記２４〕前記キーボードが折たたみハウジングを含むことを特徴とする付記２３に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記２５〕前記キーボードが前記双眼鏡光学系支持手段及びディスプレーを前記キーボードに取付けることができるように形成された面を含むこと特徴とする付記２３に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記２６〕前記支持手段の最外面が使用者の顔の前方に位置し、前記最外面が使用者の頭部から 2.5インチだけ突出していることを特徴とする付記１８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記２７〕前記光学系が使用者の眼から20mm以上の位置にあって固有の倍率を有する少なくとも１つの光学素子を含むことを特徴とする付記１８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記２８〕前記光学系が使用者の眼から20mmないし70mmの範囲に位置して固有の倍率を有する少なくとも１つの光学素子を含むことを特徴とする付記１８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記２９〕前記双眼鏡光学系が前記左右の眼の中心光路のそれぞれに沿って配置された少なくとも１つのプリズムを含み、該プリズムがディスプレーの中心と交差する光学中心線を有する凹面レフレクタの中心域にむかってそれぞれの光路を屈折させることを特徴とする付記１８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記３０〕前記双眼鏡光学系が前記それぞれ左右の眼の中心光路を同一点に向けるため各光路に沿って配置された少なくとも１つのミラーと、使用者の眼に隣接した各光路に沿って配置されたレンズと、を含むことを特徴とする付記１８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記３１〕ヘッド装着ディスプレーシステムにおいて、
ディスプレーシステムを使用者の頭部に取付けるための支持手段と；
前記支持手段に取付けたビデオ情報画像供給源と；
左右それぞれの眼の中心光路を含み、前記光路のそれぞれに少なくとも１つの光学素子を有し、無限遠よりも手前に前記画像供給源からの前記ビデオの拡大虚像を投映し、前記左右の眼の中心光路が前記虚像の見かけの位置にむかって収斂するようにした双眼鏡光学系と；
を備えたことを特徴とするヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記３２〕ヘッド装着ディスプレーシステムにおいて、
ディスプレーシステムを使用者の頭部に取付けるための支持手段と；
前記支持手段に取付けたビデオ情報画像供給源と；
使用者から離れた位置で使用者の左右それぞれの眼の中心視野に前記表示ビデオの拡大虚像を投映し、前記画像が前記中心視野において使用者の視界をブロックし、前記支持手段と協働して使用者の左右それぞれの眼の周縁視の少なくとも一部を妨げられない状態に維持することにより使用者が選択的に前記虚像に焦点を合わせたり前記虚像から焦点を逸らせるように前記支持手段に取付けた双眼鏡光学系と；
を備えたことを特徴とするヘッド装着ディスプレーシステム。

〔付記３３〕ヘッド装着ディスプレー／コンピュータシステムにおいて、
ビデオ情報を表わすビデオ出力信号を発生させるコンピュータを内蔵するキーボードハウジングと；
使用者の頭部に装着される支持手段と；
前記支持手段に取付けられ、前記キーボードと通信してビデオ情報を表示するディスプレーと；
使用者の左右それぞれの眼の中心視野中の使用者から離れた位置に前記表示ビデオの拡大画像を投映するように前記支持手段に取付けられ、前記画像が前記中心視野において使用者の視界を遮断するようにし、前記支持手段と協働して使用者の左右それぞれの眼の周縁視の下方の部分を妨げられない状態に維持することにより使用者が前記ビデオ情報の前記投映画像から視線を下方へ移すことによって前記キーボードを視認できるようにする双眼鏡光学系と；
を備えたことを特徴とするヘッド装着ディスプレー／コンピュータシステム。

〔付記３４〕前記キーボードハウジングが折たたみ可能であることを特徴とする付記３３に記載のヘッド装着ディスプレー／コンピュータシステム。

〔付記３５〕前記キーボードハウジングが前記ヘッド装着ディスプレーを使用しないときに前記支持手段をディスプレー及び光学系と一緒に取付けるための面を含むことを特徴とする付記３３に記載のヘッド装着ディスプレー／コンピュータシステム。

〔付記３６〕前記ディスプレーがシステム中の唯一のディスプレーであることを特徴とする付記１に記載のヘッド装着ディスプレー。

〔付記３７〕前記ディスプレーがシステム中の唯一のディスプレーであることを特徴とする付記１８に記載のヘッド装着ディスプレー。

〔付記３８〕前記画像供給源が単一の画像供給源であることを特徴とする付記３１に記載のヘッド装着ディスプレー。

〔付記３９〕前記画像供給源が単一の画像供給源であることを特徴とする付記３２に記載のヘッド装着ディスプレー。

ポータブルコンピュータを形成する本発明のヘッド装置デイスプレーシステム及びキーボードの斜視図である。 本発明の１実施例としてのヘッド装着ディスプレーシステムの分解斜視図である。 図２に示したヘッド装着ディスプレーシステムの背面斜視図である。 図２に示したヘッド装着ディスプレーシステムの側面図である。 図２に示したヘッド装着ディスプレーシステムの光学系及びディスプレーの頂面図である。 図５に示したシステムで画像を無限遠よりも手前に焦点合わせした時の使用者の両眼の収斂角度を示す簡略図である。 本発明の光学系によって妨げられないで保持される使用者の側方周縁視を示す簡略図である。 本発明の光学系によって妨げられないで保持される使用者の側方及び下方周縁視を示す簡略正面図である。 図２に示したヘッド装着ディスプレーシステムに可動目かくしを設けてシステムを単眼鏡にできるように修正した実施例の底面図である。 本発明のヘッド装着ディスプレーシステムの他の実施例に従って修正した図５の光学系に対応する頂面図である。 本発明のヘッド装着ディスプレーシステムのさらに他の実施例における光学系及びディスプレーの頂面図である。 図２に示したヘッド装着ディスプレーシステムを折たたみ構成とした実施例の分解斜視図である。 本発明のヘッド装着ディスプレーシステムの他の実施例における光学系を使用されるディスプレーの取付け場所を変えて示す頂面図である。 図13に示したヘッド装着ディスプレーシステムを折たたみ構成とした実施例の側面図である。 本発明のヘッド装着ディスプレーシステムの他の実施例における光学系を、システムのミラー折たたみ線を点線で表わして略示する説明図である。 図１に示したキーボードを一部折たたんで示す実施例の斜視図である。 図16のキーボードを折たたんで示す斜視図である。 図16のキーボードにおける下方ハウジング及びヒンジアセンブリの頂面斜視図である。 図16に示したキーボードのヒンジアセンブリの分解斜視図である。 本発明の折たたみキーボードの他の実施例を示す斜視図である。 ヒンジ構造の他の実施例を含む図20のキーボードの背面図である。 ヒンジを非折たたみ状態で示す図21のヒンジ構造の部分側面図である。 図22のヒンジを折たたみ状態で示す部分側面図である。 ヘッド装着ディスプレーユニット取付け面を含む本発明の折たたみ自在のキーボードの他の実施例を示す斜視図である。 図24に示したポータブルコンピュータシステムの底面図である。 図24のキーボードに取付けたヘッド装着ディスプレーシステムを折たたみ状態で示す斜視図である。

Claims (15)

1. ヘッド装着ディスプレーシステムにおいて、
   ディスプレーシステムを使用者の頭に取付けるための使用手段と、
   ビデオ情報を表示するため前記支持手段に取付けた単一ディスプレーと、
   使用者から離れた位置に前記表示ビデオの拡大虚像を投映するため左右の眼の光路を有し、前記光路のそれぞれに使用者のそれぞれの眼からの光を該光路に沿って伸びるようにディスプレー上の同一点に向ける少なくとも１つの導光素子と、ビデオを前記ディスプレー上に焦点合わせし、拡大する少なくとも１つの光学素子とを含み、個々の使用者によって異なる瞳孔間の距離の約１インチまでのバラツキを自動的に補償する双眼鏡光学系と、
   を備えたことを特徴とするヘッド装着ディスプレーシステム。
2. 前記光路のそれぞれに配置した少なくとも一つの前記導光素子がプリズムであることを特徴とする請求項１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。
3. 前記光路のそれぞれに配置した少なくとも一つの前記導光素子がミラーであることを特徴とする請求項１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。
4. 少なくとも一つの前記焦点合わせ拡大光学素子が凹面レフレクタであることを特徴とする請求項１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。
5. 前記レフレクタが半透明であることを特徴とする請求項４に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。
6. 少なくとも一つの前記焦点合わせ拡大光学素子がレンズであることを特徴とする請求項１に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。
7. ヘッド装着ディスプレーシステムにおいて、
   ディスプレーシステムを使用者の頭部に取付けるための支持手段と、
   前記支持手段に取付けたビデオ情報画像供給源と、
   使用者から離れた位置に前記表示ビデオの拡大虚像を投映するため、左右両眼の光路を有し、前記光路のそれぞれに使用者の眼からディスプレー上の同一点にむかって光を向ける少なくとも１つの導光素子と、前記ディスプレー上にビデオを焦点合わせし、拡大する少なくとも１つの光学素子とを含み、個々の使用者によって異なる瞳孔間の距離の約１インチまでのバラツキを自動的に補償する双眼鏡光学系と、
   を備えたことを特徴とするヘッド装着ディスプレーシステム。
8. ヘッド装着ディスプレーシステムにおいて、
   ディスプレーシステムを使用者の頭部に取付けるための支持手段と、
   右眼光路中で前記支持手段に取付けた第１プリズムと、
   左眼光路中で前記支持手段に取付けた第２プリズムと、
   ビデオ情報を表示するため前記支持手段に取付けた少なくとも一つのディスプレーと、
   前記左右両眼光路のそれぞれに設けて使用者から離れた位置に前記ビデオの拡大像を投映するように形成されたレフレクタと、
   を備え、前記第１及び第２プリズムが使用者の左右両眼光路を屈折させて互いに収斂させ、各光路中の前記レフレクタがそれぞれの光路に沿って進む光を前記ディスプレー上の同一点に焦点合わせすることを特徴とするヘッド装着ディスプレーシステム。
9. 前記レフレクタが半反射形であることを特徴とする請求項８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。
10. 前記レフレクタが前記左右両眼光路の双方と交差する単一光学素子であることを特徴とする請求項８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。
11. 前記第１及び第２プリズムを一体化して単一光学素子としたことを特徴とする請求項８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。
12. 前記ディスプレーを前記レフレクタと対向するように前記支持手段に取付けたことを特徴とする請求項８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。
13. 前記ディスプレーが左旋回液晶ディスプレーであることを特徴とする請求項１２に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。
14. 前記ビデオを前記画像拡大レフレクタへ反射する非拡大レフレクタと対向するように前記ディスプレーを前記支持手段に取付けたことを特徴とする請求項８に記載のヘッド装着ディスプレーシステム。
15. 単眼鏡用ヘッド装着ディスプレーシステムにおいて、
    ディスプレーシステムを使用者の頭部に取付けるための支持手段と、
    右眼光路中で前記支持手段に取付けた第１プリズムと、
    左眼光路中で前記支持手段に取付けた第２プリズムと、
    ビデオ情報を表示するため前記支持手段に取付けた単一のディスプレーと、
    前記左右両眼光路のそれぞれに沿って前記支持手段に取付けられ、前記第１及び第２プリズムによって使用者の眼から前記左右両眼光路を屈折させて互いに収斂させ、前記左右両眼光路に沿って進む光を前記ディスプレー上の同一点に焦点合わせして使用者から離れた位置に前記ビデオの拡大画像を投映するように形成したレフレクタと、
    前記ディスプレーの第１側の近傍または前記ディスプレーの前記第１側とは反対の第２側の近傍に取付けることがてきる遮光素子と、を備え、
    前記遮光素子が該素子の取付け位置に近いディスプレーの側からレフレクタにまで達して前記ディスプレーからの光が使用者の一方の眼に入射するのを阻止することにより右眼が優勢な使用者及び左眼が優勢な使用者のための単眼鏡用ヘッド装着ディスプレーシステムを提供する、
    ことを特徴とする単眼鏡用ヘッド装着ディスプレーシステム。

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