JP2008058461A - 映像表示装置、及び頭部装着式映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】シースルー可能な映像表示装置において、映像が暗い場合や表示されていない場合でも、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を容易に確認でき、且つ、常時装着した状態で外界情景を広視野で綺麗に観察することが可能な小型軽量な映像表示装置を提供する。
【解決手段】映像を表示する表示手段と、表示手段からの映像光を、観察者の眼球に投影させることにより映像を虚像として眼球に導く第１の光学瞳を形成し、該第１の光学瞳による映像を外界情景に重ねて観察することが可能な観察光学系と、表示手段に表示される映像の表示領域を示す指標を表示し、該指標を虚像として眼球に導く第２の光学瞳を形成する表示領域提示手段と、を有し、第１の光学瞳は、観察光学系の外界情景を観察できる範囲よりも小さく、第２の光学瞳とその大きさおよび位置が略一致するように形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、映像表示装置、特に頭部装着式映像表示装置に関する。

従来、観察者の頭部や顔面に着脱自在に装着され、小型のＣＲＴや液晶表示素子等の映像表示素子から得られる映像（画像）を、観察光学系によって観察者の眼球に直接投影させることで、恰も該映像が空中に拡大投影されているかの様な虚像の観察を可能にした頭部装着式映像表示装置、すなわちＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ）が知られている。

ＨＭＤは、ＤＶＤやビデオ等のコンテンツ映像の観賞用や、産業機器若しくは医療機器等の遠隔操作用としての表示装置として利用され、その用途は多岐に渡っている。

この様なＨＭＤは、従来より、コンテンツ映像や、操作者の操作用の各種情報をＨＭＤの映像表示部を通して入射する外界光による自然画像に重ね合わせて表示する所謂シースルー型のものと、外界光の入射を一切遮断して自然画像を観察することができない遮蔽型のものとが知られている。

例えば、表示画面の周囲の枠をぼかして不鮮明にしたり、表示画面とその周辺部とのコントラストを低下させることで、表示画面が視野よりもせまくても、視線を画面の中央付近に集中させて、臨場感を損なわない様にした遮蔽型のＨＭＤの技術が開示されている（特許文献１参照）。また、外界情景を撮影する電子カメラを備え、カメラの撮影範囲を示す撮影画枠を虚像として表示する等することにより、負担を感じることなく簡単に撮影操作を行うことができる様にしたシースルータイプのＨＭＤの技術が開示されている（特許文献２参照）。
特開平５−３２８２５８号公報 特開２００５−３０３８４２号公報

特許文献１に開示されているＨＭＤは、映像を自然画像に重ねて表示しない遮光タイプのＨＭＤであるので、映像表示部に表示される映像の視認できる位置が分かり易く、また、外界の輝度が高い場合でも映像を容易に視認することができる。すなわち、装置を覗き込めば映像を観察することができるので、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を認識できなくなることがなかった。言い換えれば、装着したままの状態で映像を非表示にする必要がなく、映像が表示されている状態では常に映像を確認できるので、観察状態や映像の表示有無の確認に格段の課題がなかった。しかしながら、一方では遮光タイプのＨＭＤであるので、映像が表示されていない時は外界情景を観察することができないことから常時装着した状態で使用することができないといった問題があった。

一方、特許文献２に開示されているＨＭＤは、映像を自然画像に重ねて表示するシースルータイプのＨＭＤであるので、映像の表示有無に係らず常時装着した状態で使用することができる。しかしながら、映像が暗い場合には外界の明るさで映像を観察することができず、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を認識できなくなるという問題があった。また、特許文献２に開示されているＨＭＤの様に小型軽量な表示装置では映像を視認できる光学瞳が小さいので、映像が表示されていない時に光学瞳が眼からずれて観察できなくなる場合があり、映像を観察できる状態であるか否かや表示有無を認識できないという問題があった。また、光学瞳を１０ｍｍを越えて十分大きくすると装置が大型になるという問題があった。

また、特許文献１、特許文献２に開示されているＨＭＤにおいては、映像表示素子から得られる映像を照明する光源と光学瞳が共役配置でないことから、光の利用効率が悪く映像が暗いという問題があった。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、シースルー可能な映像表示装置において、映像が暗い場合や表示されていない場合でも、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を容易に確認でき、且つ、常時装着した状態で外界情景を広視野で綺麗に観察することが可能な小型軽量な映像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的は、下記の１乃至１９のいずれか１項に記載の発明によって達成される。

１．映像を表示する表示手段と、
前記表示手段からの映像光を、観察者の眼球に投影させることにより前記映像を虚像として前記眼球に導く第１の光学瞳を形成し、該第１の光学瞳による前記映像を外界情景に重ねて観察することが可能な観察光学系と、
前記表示手段に表示される映像の表示領域を示す指標を表示し、該指標を虚像として前記眼球に導く第２の光学瞳を形成する表示領域提示手段と、を有し、
前記第１の光学瞳は、前記観察光学系の外界情景を観察できる範囲よりも小さく、第２の光学瞳とその大きさおよび位置が略一致することを特徴とする映像表示装置。

２．前記第１の光学瞳および前記第２の光学瞳は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、前記観察光学系の外界情景を観察できる範囲は１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする前記１に記載の映像表示装置。

３．前記表示領域提示手段は、前記表示手段および前記観察光学系から成り、
前記表示手段は、前記映像および前記指標を表示し、該映像および該指標を照明する光源を備え、
前記観察光学系は、前記映像および前記指標をそれぞれ虚像として前記眼球に導く前記第１の光学瞳と前記第２の光学瞳を形成し、
前記光源と前記第１の光学瞳および前記第２の光学瞳は略共役であることを特徴とする前記１または２に記載の映像表示装置。

４．前記表示領域提示手段は、前記表示領域の端部を示す指標を表示することを特徴とする前記１乃至３のいずれか１項に記載の映像表示装置。

５．前記表示領域提示手段は、前記指標を表示する指標表示部を有することを特徴とする前記１に記載の映像表示装置。

６．前記指標表示部は、前記指標を前記表示領域の外側に表示することを特徴とする前記５に記載の映像表示装置。

７．前記指標表示部は、前記指標を緑色で表示することを特徴とする前記５または６に記載の映像表示装置。

８．前記指標表示部は、前記映像の最大輝度よりも高い輝度の前記指標を表示することを特徴とする前記５乃至７のいずれか１項に記載の映像表示装置。

９．前記指標の虚像と前記映像の虚像との距離は、１ディオプター以下であることを特徴とする前記５乃至８のいずれか１項に記載の映像表示装置。

１０．前記表示領域提示手段は、前記映像の輝度が所定のレベル以下のときに前記指標を表示することを特徴とする前記１または５に記載の映像表示装置。

１１．前記表示領域提示手段は、前記映像表示装置の主電源が投入されているときに前記指標を表示することを特徴とする前記１または５に記載の映像表示装置。

１２．前記表示領域提示手段は、前記映像の最大輝度の半分よりも高い輝度の前記指標を表示することを特徴とする前記１または５に記載の映像表示装置。

１３．前記観察光学系は、体積位相型の反射ホログラム光学素子を備え、
前記表示手段からの映像光を、前記反射ホログラム光学素子で反射させて観察者の眼球に投影させることにより前記映像を虚像として前記眼球に導く第１の光学瞳を形成し、該第１の光学瞳による前記映像を外界情景に重ねて表示することを特徴とする前記１または５に記載の映像表示装置。

１４．前記反射ホログラム光学素子の回折効率の半値幅は、波長で５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする前記１３に記載の映像表示装置。

１５．前記反射ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有することを特徴とする前記１３または１４に記載の映像表示装置。

１６．前記観察光学系は、前記映像光および指標光を全反射し、且つ、外界情景を透過して観察することが可能な第１の透明基板を有することを特徴とする前記１または５に記載の映像表示装置。

１７．前記第１の透明基板の下端部には、前記反射ホログラム光学素子を支持する傾斜面が形成され、
前記観察光学系は、前記傾斜面による光の屈折を相殺し、且つ、外界情景を透過して観察することが可能な第２の透明基板を有することを特徴とする前記１６に記載の映像表示装置。

１８．前記光源は、ＬＥＤであり、
前記ＬＥＤの強度ピーク波長は、前記反射ホログラム光学素子の回折ピーク波長と略等しいことを特徴とする前記１３に記載の映像表示装置。

１９．前記１に記載の映像表示装置を有することを特徴とする頭部装着式映像表示装置。

本発明によれば、表示領域提示手段は、表示手段に表示される映像の表示領域を示す指標を表示する様にした。したがって、映像が暗い場合や表示されていない場合でも、指標により光学瞳が眼からずれることなく、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を容易に確認でき、映像が表示される位置を見失わない。また、装置の動作確認が可能である。また、第１の光学瞳は、観察光学系の外界情景を観察できる範囲よりも小さく、第２の光学瞳とその大きさおよび位置を略一致させる様にした。すなわち、指標により映像が表示される位置を見失うことがなくなるので光学瞳を小さくすることができる。したがって、装置の小型軽量化を図ることができ、また、明るい映像を観察できると同時に観察光学系を通して外界情景を広視野で綺麗に観察することができる。

また、第１の光学瞳および第２の光学瞳は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、観察光学系の外界情景を観察できる範囲は１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下となる様にした。すなわち、光学瞳が小さいので装置の小型軽量化を図ることができ、また、外界情景を観察できる範囲が広いので広視野の外界情景を観察することができる。これにより、例えば、装置を頭部に装着した場合でも、負担を感じることなく長時間使用することができる。

また、表示領域提示手段は、表示手段および観察光学系で構成される様にした。すなわち、映像と指標を同じ表示手段および観察光学系を用いて表示する様にした。また、映像および指標を照明する光源と第１の光学瞳および第２の光学瞳は略共役となる様にした。したがって、第１の光学瞳と第２の光学瞳を一致させることができ、指標により光学瞳が眼からずれることなく、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を確実に確認できる。また、明るい映像を観察でき、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を指標の明るい虚像で確認できる。

また、表示領域提示手段は、表示領域の端部を示す指標を表示する様にした。すなわち、画面端を表示するので、観察者の視野中心に画面中心を設定しても視野を妨げ難く、映像を観察し易い。

また、表示領域提示手段は、表示手段とは異なる指標表示部によって指標を表示することもできる様にした。したがって、表示手段に表示される映像の表示領域は広く、より多くの情報が表示される様になる。

また、指標表示部は、指標を表示領域の外側に表示する様にした。したがって、映像の観察を妨げることなく、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を確認できる。

また、指標表示部は、指標を緑色で表示する様にした。すなわち、指標を視感度の高い緑色で表示する様にしたので、消費電力を抑えながら視認性を向上させることができ、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を確実に確認できる。

また、指標表示部は、映像の最大輝度よりも高い輝度の指標を表示する様にした。すなわち、表示領域提示手段は、表示手段とは異なる指標表示部によって指標を表示することもできるので、表示手段に表示される映像の最大輝度よりも高い輝度の指標を表示することができる。したがって、輝度の高い指標により、表示領域を見つけ易く、また、見失い難くなる。これにより、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を確実に確認できる。

また、映像の虚像と指標の虚像との距離は、１ディオプター以下となる様にした。すなわち、映像と指標のそれぞれの虚像の距離が近くなる様にしているので、観察者は２つの虚像を負担を感じることなく容易に観察できる。

また、表示領域提示手段は、映像の輝度が所定のレベル以下のときに指標を表示する様にした。すなわち、映像が暗いときに指標を表示する様にしたので、外界の輝度が映像の輝度よりも高い場合であっても、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を確認できる。また、装置の動作確認が可能である。

また、表示領域提示手段は、映像表示装置の主電源が投入されているときに指標を表示する様にした。すなわち、観察者が装置を使用している時には、常に指標を表示する様にしたので、映像が暗い場合や表示されていない場合でも、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を確認できる。また、装置の動作確認も可能であるので、常時装着した状態で使用することができる。

また、前記表示領域提示手段は、映像の最大輝度の半分よりも高い輝度の指標を表示する様にした。したがって、輝度の高い指標により、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を確実に確認できる。

また、観察光学系は、回折効率半値幅が狭い体積位相型の反射ホログラム光学素子を用いる様にした。したがって、外界光の透過率が高く、明るい外界情景を観察することができる。また、回折効率が高いので明るい映像を観察することができる。

また、反射ホログラム光学素子の回折効率の半値幅は、波長で５ｎｍ以上１０ｎｍ以下となる様にした。したがって、外界光の透過率が高く、明るい外界情景を観察することができる。また、回折効率が高いので明るい映像を観察することができる。

また、反射ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有する様にした。したがって、光学系の配置の自由度が高く、装置を小型軽量にすることができる。

また、観察光学系は、映像光および指標光を全反射し、且つ、外界情景を透過して観察することが可能な第１の透明基板を有する様にした。すなわち、映像光および指標光を全反射する第１の透明基板を備える様にしたので、外界光に対しては透過率が高く、明るい外界情景を広視野で観察することができる。また、装置を小型軽量にすることができる。

また、観察光学系は、第１の透明基板の下端部に形成された反射ホログラム光学素子を支持する傾斜面による光の屈折を相殺し、且つ、外界情景を透過して観察することが可能な第２の透明基板を有する様にした。すなわち、第２の透明基板により第１の透明基板の下端部に形成された傾斜面による光の屈折を相殺する様にしたので、歪みのない明るい外界情景を広視野で観察することができる。

また、映像および指標を照明する光源はＬＥＤであり、ＬＥＤの強度ピーク波長は、反射ホログラム光学素子の回折ピーク波長と略等しくなる様にした。したがって、見易く、明るい映像を観察することができる。

また、映像表示装置は、頭部に装着できる様にしたので、眼鏡と同じ様に負担を感じることなく、常時装着した状態で明るい映像を観察できると同時に観察光学系を通して外界情景を広視野で綺麗に観察することができる。

以下図面に基づいて、本発明に係る映像表示装置の実施の形態を説明する。尚、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明するが、本発明は該実施の形態に限られない。

〔実施形態１〕
最初に実施形態１による映像表示装置１０の構成を図１を用いて説明する。図１は、映像表示装置１０の左側面からの側断面図であり、主に映像表示装置１０の内部構成を示している。

図１に示す様に、映像表示装置１０は、筐体１１９、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）１１２、レンズ１１３、拡散板１１４、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）１１１からなり、本発明における表示手段に該当する表示部１１０、及び透明基板１０２，１０３、ホログラム光学素子（ＨＯＥ；Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）１０４からなる観察光学系１００等を有する。映像表示装置１０は、表示部１１０に表示された映像を観察光学系１００を介して虚像として観察者の眼球Ｍに導く。さらに、前方から入射する光を観察光学系１００を通して観察者の眼球Ｍに導くようになっている。これにより、観察者は、外界情景（前方の被写体）をシースルー可能となり、映像を外界情景と重畳して観察することとなる。

表示部１１０の筐体１１９の内部には、ＬＥＤ１１２、レンズ１１３、拡散板１１４、及びＬＣＤ１１１が内蔵された状態で、該筐体１１９が観察光学系１００の透明基板１０２の上端部において上斜め前方（図１では右斜め上方向）に突出する態様で取り付けられている。

ＬＥＤ１１２は、本発明における光源に該当し、Ｒ（赤色光），Ｇ（緑色光），Ｂ（青色光）の３色が一体となった点光源である。

レンズ１１３は、ＬＥＤ１１２の光を集光してＬＣＤ１１１に投光するものである。

拡散板１１４は、方向により拡散度が異なる一方向拡散板である。

ＬＣＤ１１１は、図示しない外部Ｉ／Ｆから取り込まれた例えばＤＶＤやビデオ等のコンテンツ映像信号等に基づいて生成した映像で、ＬＥＤ１１２からの光を変調して映像を表示するするものであり、例えば、波長制限フィルタを備えた透過型の液晶表示パネルである。

透明基板１０２は、本発明における第１の透明基板に該当し、ガラスや透明樹脂等からなる略板状の透明部材であり、ＬＣＤ１１１からの光を内部で複数回の反射を行わせるものである。透明基板１０２の上端部は、ＬＣＤ１１１からの光の大部分を内部に採光できるように、上方に向かってより肉厚となるように前面側（接眼面と反対側）が突き出るように楔形状に形成された肉厚部１０２ａが形成されている。

また、透明基板１０２の下端部には、傾斜面１０２ｄが形成されており、透明基板１０２は、本発明における第２の透明基板に該当する透明基板１０３に形成された傾斜面１０３ｄに対しＨＯＥ１０４を介して接合（例えば接着）されている。また、透明基板１０２の表裏面は、透明基板１０３の表裏面に対して面一とされている。これにより、透明基板１０２は、透明基板１０３と一枚の板状に一体化されている。

ＨＯＥ１０４は、光学的に軸非対称な所謂自由曲面で構成されて正のパワーを有する体積位相型のホログラム光学素子であり、透明基板１０２の下端部において所定の傾斜角を有して支持されている。ＨＯＥ１０４は、透明基板１０２により導光された光が照射されることにより、光の干渉現象を用いてホログラム映像を眼球Ｍに提供する。

以上の様な構成を有する映像表示装置１０においては、ＬＥＤ１１２から射出された光は、拡散板１１４、レンズ１１３を通してＬＣＤ１１１を照明し、この照明によりＬＣＤ１１１で生成された映像光は、透明基板１０２内の前面１０２ｃ、及び接眼面１０２ｂで複数回の全反射を行った後、ＨＯＥ１０４により回折され、ＨＯＥ１０４の正のパワーにより虚像として光学瞳１０９に導かれる。光学瞳１０９に導かれた映像光は眼球Ｍに入射し、観察者は映像を観察することができる。

さらに、透明基板１０２は、前方から入射する光を観察者の眼球Ｍに導くようになっている。これにより、観察者は、外界情景（前方の被写体）をシースルー可能となり、映像を外界情景と重畳して観察することとなる。

尚、透明基板１０３に形成された傾斜面１０３ｄは、透明基板１０２の傾斜面１０２ｄでの光の屈折をキャンセル（相殺）する。すなわち、傾斜面１０２ｄにおけるプリズム効果により矢印Ｗ側からの光が上方に屈曲するのを防止する為、観察者は、透明基板１０２、透明基板１０３、及びＨＯＥ１０４を通して、外界情景を歪むことなく観察することができる。

また、ＨＯＥ１０４は軸非対称としたので、光学系の配置の自由度が高く、観察光学系１００を小型化することができ、且つ、高画質な映像を提供することができる。

また、観察者は映像光を観察できる光学瞳１０９の大きさより広い範囲で透明基板１０２，１０３、及びＨＯＥ１０４を通して外界情景を観察できる。すなわち、光学瞳１０９の位置で透明基板１０２，１０３、及びＨＯＥ１０４を通して広視野の外界情景を観察できる。

また、ＬＣＤ１１１からの映像光を透明基板１０２内で反射して眼球Ｍに導く構成としたので、通常の眼鏡レンズと同程度に透明基板１０２を薄く（例えば３ｍｍ程度）構成することができ小型軽量となる。また、透明基板１０２内での反射を全反射としたので、外界光の透過率は低下することなく、観察者は透明基板１０２の前面１０２ｃ、接眼面１０２ｄを通して明るい外界情景を広視野で観察することができる。

次に、映像表示装置１０の光学系の詳細について説明する。尚、ＸＹＺ座標軸を紙面に対し図１に示す方向として説明する。

レンズ１１３及びＨＯＥ１０４は、ＬＥＤ１１２と光学瞳１０９が共役になるように配置されており、レンズ１１３により集光されたＬＥＤ１１２の光を、拡散板１１４はＸ方向には４０度拡散し、Ｙ方向に０．５度拡散する。したがって、レンズ１１３がＬＥＤ１１２の光を集光し、拡散板１１４により拡散された光が効率よく光学瞳１０９を形成し、明るい映像を観察することができる。

光学瞳１０９は、強度半値でＸ方向に６ｍｍ、Ｙ方向に２ｍｍの大きさとなるように設定されている。

Ｘ方向では拡散板１１４により大きく拡散されるため、ＬＥＤ１１２と光学瞳１０９の共役関係は成立しなくなるが、共役配置により高効率でＬＥＤ１１２の光を利用でき、明るい表示が可能である。

尚、本実施形態１による映像表示装置１０では、ＬＥＤ１１２と光学瞳１０９が共役となるように配置したが、必ずしも共役としなくてもよい。この場合、光学瞳１０９はＨＯＥ１０４の大きさにより制限され、ＨＯＥ１０４より少し小さい光学瞳１０９が形成される。

次に、ＬＥＤ１１２の強度特性について図３を用いて説明する。図３は、ＬＥＤ１１２の強度特性を示す図である。

図３に示す様に、ＬＥＤ１１２には中心波長がそれぞれ４６２ｎｍ±１２ｎｍ、５２５ｎｍ±１７ｎｍ、６３５ｎｍ±１０ｎｍのＲ，Ｇ，Ｂ一体のＬＥＤ（日亜化学製）を用いている。ＬＥＤ１１２は、ＨＯＥ１０４の回折効率やＬＣＤ１１１の透過率を考慮して強度を調整し、白色表示を可能にしている。

次に、ＨＯＥ１０４の回折効率特性について図４用いて説明する。図４は、ＨＯＥ１０４の回折効率特性を示す図である。

図４に示す様に、ＨＯＥ１０４は回折効率半値で４６５ｎｍ±５ｎｍ、５２１ｎｍ±５ｎｍ、６３４ｎｍ±５ｎｍの波長の映像光を回折するように作製されている。回折効率半値幅が狭いので、外界光の透過率が高く、明るい外界情景を観察することができる。また、回折効率が高いので明るい映像を観察することができる。

この様に、ＨＯＥ１０４の回折ピーク波長とＬＥＤ１１２の強度ピーク波長が近いので明るい映像を表示することができる。

また、ＨＯＥ１０４は特定入射角の特定波長の光のみを回折するように作製されているので、外界光には殆ど影響を与えることなく透過させることができる。したがって、観察者は透明基板１０２、及びＨＯＥ１０４を透過して通常どおりの外界情景を観察することができる。

この様な構成の映像表示装置１０において、本発明は、映像の表示領域を示す指標を表示することにより、映像が暗い場合や表示されていない場合でも、指標により光学瞳１０９が眼球Ｍからずれることなく、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を容易に確認でき、映像が表示される位置を見失わない様にするものである。また、指標により映像が表示される位置を見失うことがなくなるので、光学瞳１０９を小さくすることができ、装置の小型軽量化を図りながら明るい映像を観察でき、観察光学系１００を通して外界情景を広視野で綺麗に観察することができる様にするものである。

ここで、映像の表示領域を示す指標表示について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、映像表示装置１０の左側面からの側断面図であり、主に映像表示装置１０の内部構成を示す。図２（ｂ）は、ＬＣＤ１１１に表示される映像、及び指標を示す。図２（ｃ）は、光学瞳１０９に導かれる映像、及び指標の虚像を示す一例による模式図である。

図２（ｂ）に示す様に、ＬＣＤ１１１は、画面の表示領域Ａに映像Ｂ、及び映像が表示される領域を示す指標Ｃを表示する。指標Ｃは表示領域Ａの４隅を示している。

図２（ｃ）に示す様に、ＬＣＤ１１１は虚像Ｇとして、また、ＬＣＤ１１１に表示される映像Ｂ、及び指標Ｃは、それぞれ虚像ｂ，ｃとして観察光学系１００を介して光学瞳１０９に導かれる。光学瞳１０９に導かれた虚像ｂ，ｃは眼球Ｍに入射し、観察者に観察される。すなわち、光学瞳１０９は、本発明における第１の光学瞳、及び第２の光学瞳に該当するものである。また、表示部１１０、及び観察光学系１００は、本発明における表示領域提示手段としても機能する。

この様に、観察者は、映像が表示される表示領域ａの４隅を指標ｃ（指標Ｃの虚像）として視認することができるので、映像ｂ（映像Ｂの虚像）を観察できる状態であるか否かや映像ｂの表示有無を容易に確認しながら外界情景を観察することができる。

尚、指標ｃの明るさは映像ｂの最大の明るさ（例えば４００Ｃｄ／ｍ²）の半分の２００Ｃｄ／ｍ²に設定した。したがって、映像ｂが暗い場合や表示されていない場合でも、映像ｂを観察できる状態であるか否かや映像ｂの表示有無を容易に確認でき、映像ｂを見失うことがない。また、動作確認が可能である。

また、背景の輝度に対して指標ｃ（指標Ｃの虚像）の輝度が１０分の１程度であれば認識できるので、指標ｃの輝度は、１００Ｃｄ／ｍ²以上に設定すればよい。これにより１０００Ｃｄ／ｍ²程度の屋外でも指標ｃを認識でき、広範囲に使用することができる。

次に、図２（ａ）に示す様に、Ｄは光学瞳１０９の大きさを示し、Ｅは観察者が透明基板１０２、１０３、及びＨＯＥ１０４を通して外界情景を観察できる範囲を示す。Ｆは光学瞳１０９での外界の視野角を示し、Ｅが大きいほど視野角Ｆも大きくなる。

光学瞳１０９の大きさＤを１０ｍｍ以下に小さくすることにより、装置を小型にしながら明るい映像ｂを観察できる。また、外界情景を観察できる範囲Ｅを１０ｍｍ以上の広い範囲にすることによって、光学瞳１０９の位置で観察される外界の視野角Ｆを大きくすることができる。すなわち、外界情景を広い範囲で観察できる状態で小さな光学瞳１０９の映像ｂを観察することになる。一方、透明基板１０２、１０３、及びＨＯＥ１０４は透過率が８５％以上と高いので光学瞳１０９の位置が分かり難い。しかしながら、表示領域ａを示す指標ｃにより、観察者は映像ｂを観察できる状態であるか否かや映像ｂの表示有無を容易に確認でき、映像ｂを見失うことがない。

尚、本実施形態１による映像表示装置１０では、映像ｂの表示領域ａを示す指標ｃを、映像表示装置１０の主電源がオンされている時に常に表示する様にした。したがって、例えば、映像ｂが表示されていない時に光学瞳１０９が観察者の眼球Ｍから外れることを防止できる。これにより映像ｂが非表示状態から表示状態に変化しても映像ｂを見失うことがない。

また、本実施形態１による映像表示装置１０では、指標ｃは、表示領域ａの４隅を示す形態としたが、例えば、図５（ａ）に示す様に、映像の表示領域ａを確認できる様に、ＬＣＤ１１１の画面端全周ｃを示す形態としてもよい。表示領域ａの全周囲が確認できるので映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を確実に確認できる。また、外界視野を妨げる表示が少ないので外界情景を見易い。

また、図５（ｂ）に示す様に、映像の表示領域ａを確認できる様に、ＬＣＤ１１１の画面中心ｃのみを示す形態としてもよい。画面中心ｃのみを示す小さな指標とすることで、外界視野を妨げる表示がより少なくなり外界情景を更に見易くなる。

〔実施形態２〕
次に、実施形態２による映像表示装置２０について説明する。尚、その要部構成は、前述した実施形態１による映像表示装置１０と略同様なので詳細な説明は省略し、映像表示装置１０と構成の異なる指標表示部について説明する。映像表示装置１０では、映像を表示するＬＣＤ１１１で指標も表示する様にしたが、映像表示装置２０では、ＬＣＤとは異なる指標表示部を備えて指標を表示するものである。

最初に実施形態２による映像表示装置２０の構成を図６を用いて説明する。図６（ａ）は、映像表示装置２０の左側面からの側断面図であり、主に映像表示装置２０の内部構成を示す。図６（ｂ）は、光学瞳２０９に導かれる指標の虚像を示す一例による模式図である。

図６（ａ）に示す様に、映像表示装置２０は、筐体２１９、ＬＥＤ２１２、レンズ２１３、ＬＣＤ２１１からなり、本発明における表示手段に該当する表示部２１０、及び透明基板２０２、ＨＯＥ２０４からなる観察光学系２００、及び本発明における指標表示部に該当するＬＥＤ２１５等を有する。尚、実施形態２による映像表示装置２０においては、ＬＥＤ２１５、及び観察光学系２００は、本発明における表示領域提示手段として機能する。

この様な構成を有する映像表示装置２０においては、ＬＥＤ２１２から射出された光は、レンズ２１３を通してＬＣＤ２１１を照明し、この照明によりＬＣＤ２１１で生成された映像光は、ＨＯＥ２０４により回折され、ＨＯＥ２０４の正のパワーにより虚像として光学瞳２０９に導かれる。光学瞳２０９に導かれた映像光は眼球Ｍに入射し、観察者は映像を観察することができる。

さらに、透明基板２０２は、前方から入射する光を観察者の眼球Ｍに導くようになっている。これにより、観察者は、外界情景（前方の被写体）をシースルー可能となり、映像を外界情景と重畳して観察することとなる。

また、光が効率よく光学瞳２０９を形成する様に、レンズ２１３及びＨＯＥ２０４は、ＬＥＤ２１２と光学瞳２０９が共役になるように配置されている。

ＬＥＤ２１２は、本発明における光源に該当し、青色光または紫色光で蛍光体を励起する白色ＬＥＤである。白色ＬＥＤを用いることにより、Ｒ（赤色光），Ｇ（緑色光），Ｂ（青色光）の３色を混色させる必要がないのでＬＥＤ１１２と光学瞳２０９を共役にして明るくすることができる。

ＬＥＤ２１５は、映像の表示領域を示す指標を表示する波長５２０ｎｍの緑色ＬＥＤである。ＬＥＤ２１５は、図６（ａ）に示す様に、ＬＣＤ２１１の近傍外側に配置されているので、図６（ｂ）に示す様に、表示領域ａの近傍外側に虚像ｃとして観察される。指標ｃは表示領域ａの外側に観察されるので、外界視野を妨げ難く、且つ映像の妨げにならない。

また、ＬＥＤ２１５をＬＣＤ２１１の近傍外側に配置し、その虚像ｃと映像の虚像Ｇとの距離が近くなる様にしている。例えば、映像の虚像Ｇを−１ディオプター、ＬＥＤ２１５の虚像ｃを−１．５ディオプターとしている。すなわち、ＬＥＤ２１５の虚像ｃと映像の虚像Ｇとの距離を１ディオプター以下のに設定したので、観察者は、２つの虚像を疲れることなく容易に観察できる。

また、映像を表示する表示部２１０とは異なる指標表示部（ＬＥＤ２１５）で指標を表示する様にしたので、指標を映像より高い輝度で表示することができる。したがって、輝度の高い指標により、表示領域を見つけ易く、また、見失い難くなる。これにより、映像が暗い場合や表示されていない場合でも、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を確実に確認できる。

また、ＬＥＤ２１２と光学瞳２０９がほぼ共役な関係になるように配置しているので、光学瞳２０９は、ＬＥＤ２１２発光部の大きさｘ＝３ｍｍ、ｙ＝０．５ｍｍが光学系の像倍率３倍に拡大され、更にＬＣＤ２１１の約１度の拡散により少し大きくなり、その大きさはｘ＝１０ｍｍ、ｙ＝２．５ｍｍになるように設定している。この様に、光学瞳２０９は、Ｘ方向には人の瞳（３ｍｍ程度）より大きい１０ｍｍに設定されているので、大きな光学瞳で観察し易く、且つ、Ｙ方向には人の瞳とほぼ同じ程度の２．５ｍｍに設定されているので、光を効率よく集光し、明るい映像を観察可能である。

尚、本実施形態２による映像表示装置２０では、映像の表示領域ａを示す指標ｃを、映像の輝度が所定のレベル以下の時にのみ表示する様にした。映像が明るい場合は映像で映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を確認できる。したがって、映像が暗い場合や非表示時の時のみに指標ｃを表示して確認できる様にすることにより、消費電力を抑え、外界情景や映像の観察の妨げとならない様にすることができる。また、指標ｃの表示を観察者の操作によって選択できる様にしてもよい。

〔実施形態３〕
次に、実施形態３による映像表示装置３０について説明する。尚、その要部構成は、前述した実施形態１による映像表示装置１０と略同様なので詳細な説明は省略し、映像表示装置１０と構成の異なるＬＣＤについて説明する。映像表示装置１０では、波長制限フィルタを備えた透過型ＬＣＤを用いたが、映像表示装置３０では、カラーフィルタを有しない反射型ＬＣＤを用いる様にした。

最初に実施形態３による映像表示装置３０の構成を図７を用いて説明する。図７は、映像表示装置３０の左側面からの側断面図であり、主に映像表示装置３０の内部構成を示している。

図６（ａ）に示す様に、映像表示装置３０は、筐体３１９、ＬＥＤ３１２、シリンドリカルミラー３１３、拡散板３１４、偏光板３１５、偏光子３１６、検光子３１７、液晶３１１からなり、本発明における表示手段に該当する表示部３１０、及び透明基板３０２、３０３、ＨＯＥ３０４からなる観察光学系３００等を有する。

この様な構成を有する映像表示装置３０においては、ＬＥＤ３１２から射出された光は、シリンドリカルミラー３１３で反射され液晶３１１を照明し、この照明により液晶３１１で生成された映像光は、透明基板３０２内の前面３０２ｃ、及び接眼面３０２ｂで複数回の全反射を行った後、ＨＯＥ３０４により回折され、ＨＯＥ３０４の正のパワーにより虚像として光学瞳３０９に導かれる。光学瞳３０９に導かれた映像光は眼球Ｍに入射し、観察者は映像を観察することができる。

さらに、透明基板３０２は、前方から入射する光を観察者の眼球Ｍに導くようになっている。これにより、観察者は、外界情景（前方の被写体）をシースルー可能となり、映像を外界情景と重畳して観察することとなる。

反射型ＬＣＤは、偏光子３１６と基板間に保持された液晶３１１、及び検光子３１７等から構成され、図示しない外部Ｉ／Ｆから取り込まれた例えばＤＶＤやビデオ等のコンテンツ映像信号等に基づいて生成した映像で、ＬＥＤ３１２からの光を変調して映像を表示する。

ＬＥＤ３１２は、本発明における光源に該当し、Ｒ（赤色光），Ｇ（緑色光），Ｂ（青色光）の３色が一体となった点光源である。

シリンドリカルミラー３１３は、ＬＥＤ３１２からの光をＹＺ平面に平行な方向にのみ集光する。

拡散板３１４は、Ｘ方向とＹ方向で拡散度が異なる一方向拡散板である。

偏光板３１５は、偏光子３１６と同じ方向の偏光光を透過し、ＬＥＤ３１２からの直接光や偏光子３１６での表面反射等、反射型ＬＣＤで変調されない不要光が検光子３１７で吸収されて眼球Ｍに導かれるのを防止する。

本実施形態３による映像表示装置３０では、反射型ＬＣＤはカラーフィルタを備えていないが、ＬＥＤ３１２のＲ，Ｇ，Ｂの光源を時分割に駆動し、反射型ＬＣＤで生成された映像で、ＬＥＤ３１２からの光を同期して変調することによりカラー表示が可能である。また、カラーフィルタを備えないので透過率が高く、Ｒ，Ｇ，Ｂを同一画素で表示し、画素を駆動するための電気回路を表示面の裏面に配置するので開口率が高く、明るい映像を表示できる。

また、ＬＥＤ３１２と光学瞳３０９はＹ方向で共役に配置されている。一方、前述の様に反射ＬＣＤは開口率が高いので拡散が小さい。従って、Ｙ方向ではＬＥＤ３１２と光学瞳３０９がほぼ共役である。Ｘ方向にはシリンドリカルミラー３１３はパワーを有していないので、共役とならない。

この様に本発明に係る映像表示装置によれば、表示領域提示手段は、表示手段に表示される映像の表示領域を示す指標を表示する様にした。したがって、映像が暗い場合や表示されていない場合でも、指標により光学瞳が眼からずれることなく、映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を容易に確認でき、映像が表示される位置を見失わない。また、装置の動作確認が可能である。また、第１の光学瞳は、観察光学系の外界情景を観察できる範囲よりも小さく、第２の光学瞳とその大きさおよび位置を略一致させる様にした。すなわち、指標により映像が表示される位置を見失うことがなくなるので光学瞳を小さくすることができる。したがって、装置の小型軽量化を図ることができ、また、明るい映像を観察できると同時に観察光学系を通して外界情景を広視野で綺麗に観察することができる。

次に、本発明に係る映像表示装置を備えた頭部装着式映像表示装置（ＨＭＤ）の実施の形態について図８を用いて説明する。図８（ａ）は、本発明に係るＨＭＤ１の平面図、図８（ｂ）は正面図である。

ＨＭＤ１は、観察者の眼球の近傍に配置されて使用される頭部装着式映像表示装置である。ＨＭＤ１は、図１（ａ）に示す様に、フレーム４００Ｒ，４００Ｌ、ブリッジ５００、鼻当て５００Ｒ，５００Ｌ、テンプル６００Ｒ，６００Ｌ、ケーブル７００、及び映像表示装置１０等を有する。映像表示装置１０は、前述の様に、表示部１１０に表示された映像を観察光学系１００を介して虚像として観察者の眼球Ｍに導く。さらに、前方から入射する光を観察光学系１００を通して観察者の眼球Ｍに導くようになっている。これにより、観察者は、外界情景（前方の被写体）をシースルー可能となり、映像を外界情景と重畳して観察することとなる。

テンプル６００Ｒ，６００Ｌは、フレーム４００Ｒ，４００Ｌの左右に一対となって設けられ、可撓性を有する弾性材等により構成された長尺状の部材であり、観察者の耳や側頭部に掛止され、ＨＭＤ１の観察者に対する頭部への保持及び装着位置の調整を行うためのものである。尚、テンプル６００Ｒ，６００Ｌは、回動部６００Ｒａ，６００Ｌａにおいて矢印Ｐ，Ｑ方向に回動可能に構成されており、ＨＭＤ１を使用しない場合には、テンプル６００Ｒ，６００Ｌを矢印Ｐ，Ｑ方向に回動させてフレーム４００Ｒ，４００Ｌに沿わせることにより、コンパクト化することができる。

ブリッジ５００は、ＨＭＤ１の観察者に対する顔面への保持を行う鼻当て５００Ｒ，５００Ｌを備え、透明基板１０２とフレーム４００Ｌの互いに対向する所定位置に架け渡された短尺の棒状部材であり、透明基板１０２とフレーム４００Ｌとを一定の間隙を介した相対位置関係に保持するものである。

ケーブル７００は、映像表示装置１０に、電源、映像信号、制御信号等を供給する。

この様に本発明に係る頭部映像表示装置によれば、観察者は、鼻当て５００Ｒ，５００Ｌ、及びテンプル６００Ｒ，６００ＬによりＨＭＤ１を通常の眼鏡と同じ様に眼前に保持することができる。したがって、眼鏡と同じ様に負担を感じることなく、常時装着した状態で明るい映像を観察できると同時に観察光学系を通して外界情景を広視野で綺麗に観察することができる。また、ＮＤフィルタ８００を透明基板１０２の前面に設けて、外界光の透過率を下げることにより映像を見易くしたり、また、透過率を例えば５０％以上にして外界情景を見易くすることもできる。

尚、本実施形態によるＨＭＤ１は、映像表示装置１０を一方の眼球にのみ対応させて１台設けたが、図９に示す様に、両眼に対応させてそれぞれ１台づつ設けても良い。また、このとき、指標は一方の眼球にのみ表示する様にしても映像を観察できる状態であるか否かや映像の表示有無を容易に確認できので、表示領域提示手段は一方のみ設ける様にしても良い。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は前述の実施の形態に限定して解釈されるべきでなく、適宜変更、改良が可能であることは勿論である。例えば、前述の実施の形態による透明基板は、平面の板状部材を用いたが、曲率を有する形状に形成しても良い。これにより、矯正眼鏡レンズを兼ねることができる。

本発明に係る映像表示装置の実施形態１による構成を示す側断面図である。 実施形態１における指標表示を示す一例による模式図である。 実施形態１におけるＬＥＤの強度特性を示す図である。 実施形態１におけるＨＯＥの回折効率特性を示す図である。 実施形態１における指標表示を示す別例による模式図である。 本発明に係る映像表示装置の実施形態２による構成を示す側断面図である。 本発明に係る映像表示装置の実施形態３による構成を示す側断面図である。 本発明に係るＨＭＤの一例による外観図である。 本発明に係るＨＭＤの別例による外観図である。

符号の説明

１ ＨＭＤ
１０，２０，３０ 映像表示装置
１００，２００、３００ 観察光学系
１０２，１０３，２０２，３０２，３０３ 透明基板
１０４，２０４，３０４ ＨＯＥ
１０９，２０９，３０９ 光学瞳
１１０，２１０，３１０ 表示部
１１１，２１１ ＬＣＤ
１１２，２１２，３１２ ＬＥＤ（光源）
１１３，２１３ レンズ
１１４，３１４ 拡散板
１１９，２１９，３１９ 筐体
２０６ 支持部材
２１５ ＬＥＤ（指標表示部）
３１１ 液晶
３１３ シリンドリカルミラー
３１５ 偏光板
３１６ 偏光子
３１７ 検光子
４００Ｒ，４００Ｌ フレーム
５００ ブリッジ
５００Ｒ，５００Ｌ 鼻当て
６００Ｒ，６００Ｌ テンプル
７００ ケーブル
８００ ＮＤフィルタ

Claims (19)

1. 映像を表示する表示手段と、
   前記表示手段からの映像光を、観察者の眼球に投影させることにより前記映像を虚像として前記眼球に導く第１の光学瞳を形成し、該第１の光学瞳による前記映像を外界情景に重ねて観察することが可能な観察光学系と、
   前記表示手段に表示される映像の表示領域を示す指標を表示し、該指標を虚像として前記眼球に導く第２の光学瞳を形成する表示領域提示手段と、を有し、
   前記第１の光学瞳は、前記観察光学系の外界情景を観察できる範囲よりも小さく、第２の光学瞳とその大きさおよび位置が略一致することを特徴とする映像表示装置。
2. 前記第１の光学瞳および前記第２の光学瞳は１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であり、前記観察光学系の外界情景を観察できる範囲は１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
3. 前記表示領域提示手段は、前記表示手段および前記観察光学系から成り、
   前記表示手段は、前記映像および前記指標を表示し、該映像および該指標を照明する光源を備え、
   前記観察光学系は、前記映像および前記指標をそれぞれ虚像として前記眼球に導く前記第１の光学瞳と前記第２の光学瞳を形成し、
   前記光源と前記第１の光学瞳および前記第２の光学瞳は略共役であることを特徴とする請求項１または２に記載の映像表示装置。
4. 前記表示領域提示手段は、前記表示領域の端部を示す指標を表示することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の映像表示装置。
5. 前記表示領域提示手段は、前記指標を表示する指標表示部を有することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
6. 前記指標表示部は、前記指標を前記表示領域の外側に表示することを特徴とする請求項５に記載の映像表示装置。
7. 前記指標表示部は、前記指標を緑色で表示することを特徴とする請求項５または６に記載の映像表示装置。
8. 前記指標表示部は、前記映像の最大輝度よりも高い輝度の前記指標を表示することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の映像表示装置。
9. 前記指標の虚像と前記映像の虚像との距離は、１ディオプター以下であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の映像表示装置。
10. 前記表示領域提示手段は、前記映像の輝度が所定のレベル以下のときに前記指標を表示することを特徴とする請求項１または５に記載の映像表示装置。
11. 前記表示領域提示手段は、前記映像表示装置の主電源が投入されているときに前記指標を表示することを特徴とする請求項１または５に記載の映像表示装置。
12. 前記表示領域提示手段は、前記映像の最大輝度の半分よりも高い輝度の前記指標を表示することを特徴とする請求項１または５に記載の映像表示装置。
13. 前記観察光学系は、体積位相型の反射ホログラム光学素子を備え、
    前記表示手段からの映像光を、前記反射ホログラム光学素子で反射させて観察者の眼球に投影させることにより前記映像を虚像として前記眼球に導く第１の光学瞳を形成し、該第１の光学瞳による前記映像を外界情景に重ねて表示することを特徴とする請求項１または５に記載の映像表示装置。
14. 前記反射ホログラム光学素子の回折効率の半値幅は、波長で５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の映像表示装置。
15. 前記反射ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有することを特徴とする請求項１３または１４に記載の映像表示装置。
16. 前記観察光学系は、前記映像光および指標光を全反射し、且つ、外界情景を透過して観察することが可能な第１の透明基板を有することを特徴とする請求項１または５に記載の映像表示装置。
17. 前記第１の透明基板の下端部には、前記反射ホログラム光学素子を支持する傾斜面が形成され、
    前記観察光学系は、前記傾斜面による光の屈折を相殺し、且つ、外界情景を透過して観察することが可能な第２の透明基板を有することを特徴とする請求項１６に記載の映像表示装置。
18. 前記光源は、ＬＥＤであり、
    前記ＬＥＤの強度ピーク波長は、前記反射ホログラム光学素子の回折ピーク波長と略等しいことを特徴とする請求項１３に記載の映像表示装置。
19. 請求項１に記載の映像表示装置を有することを特徴とする頭部装着式映像表示装置。

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