JP2011203379A - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで様々な状況に応じて映像表示方法を選択することができ、かつ、モバイル環境や常時装着しての使用に対応できるように外界視界を確保した頭部装着型表示装置を提供する。
【解決手段】頭部装着型表示装置は、使用者の頭部に固定するための眼鏡フレームと、眼鏡フレームに固定され、表示すべき映像の映像光を出射する映像射出部２ｂを有する本体部と、映像射出部２ｂから出射した映像光を入射し、眼鏡フレームを使用者の頭部に装着した状態で、入射した映像光を使用者の対応する眼球１１へ導光し、使用者の視野内に映像射出部の映像の拡大像を虚像として表示する接眼光学部と、本体部に接眼光学部を交換可能に取付ける取付手段とを備える。取付手段は、映像射出部２ｂから眼球１１へ映像光を導光する光学系の光軸経路Ｌ_１、Ｌ_２が異なる、少なくとも第１の接眼光学部３−１および第２の接眼光学部３−２を、交換可能に取付ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、頭部装着型表示装置に関するものである。

従来、頭部装着型表示装置は、映像鑑賞やモバイルでの使用等様々な用途に応じて最適な光学的仕様が異なり、用途に応じて、別個の装置を準備する必要があった。例えば、映像鑑賞用であれば、視野内の正面に大画面の映像を表示できる仕様が好ましく、モバイル用途であれば、外界視野を確保しつつ視野内の端などに映像を表示する仕様が好ましい。

しかし、必要な用途の数に応じて、異なる頭部装着型表示装置を揃えるのは、コストがかかりまた、持ち運ぶうえでも不便である。特に、今後重要になる日常生活やモバイル用途での使用を考えると、使用者の使い方はより多様になり、それら多様な用途に対応できる装置が必要である。

そこで、異なる用途に対応するために、接眼光学系をパッケージ状として複数用意し、使用者の眼の前に配置された頭部搭載用の筐体内に、パッケージ状になった接眼光学系を適宜選択して配置することで、用途に応じて視野角を変える技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第２９５７０７１号公報

しかしながら、特許文献１の装置は、頭部搭載器具が選択交換する接眼レンズパッケージ全体を覆うようにして保持する構造であり、さらにディスプレイ画面から接眼レンズを経由して目に至る光軸は直線で結ばれている。このため、パッケージの形状を同一形状にする必要があって、この結果、目から接眼レンズシステムの最初のレンズ表面までの距離、さらに接眼レンズユニットの最初のレンズ表面からディスプレイ画面までの距離の両方とも一定にする必要があった。また、明細書には明記されていないが、接眼レンズシステムのパッケージおよび、同最初のレンズ表面と目とは、単に距離だけではなく上下・左右の位置関係も含めて、一定にする必要があることは明らかである。そしてこのことは次の課題を生じせしめる。

一つ目は、どのような接眼レンズシステムを選択したとしても、そのパッケージとそれを覆う頭部搭載器具が装置利用者の眼前を大きく覆ってしまい、外界視界を常に妨げる。
二つ目は、レンズ表面と目の位置関係が固定されているために、設計可能な接眼レンズの焦点距離範囲が限定的となり、すなわち観察可能な画面サイズの変更が制限される。
三つ目は、接眼レンズ全体を接眼レンズパッケージで覆い、さらにそれ全体を頭部搭載器具が覆うというレンズ筐体の２重構造が原因で、装置全体を大型化し重量を重くし、コストも高くする。

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、低コストで様々な状況に応じて映像表示方法を選択することができ、かつ、モバイル環境や常時装着しての使用に対応できるように外界視界を確保した頭部装着型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、
前記取付手段は、前記映像射出部から前記眼球へ前記映像光を導光する光学系の光軸経路が異なる、少なくとも第１の接眼光学部および第２の接眼光学部を、交換可能に取付けることを特徴とするものである。

このようにすれば、接眼光学部を交換することによって、映像射出部から眼球までの光軸経路を切り替えることができるので、低コストで様々な状況に対応した映像表示を選択することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の頭部装着型表示装置において、前記第１の接眼光学部と前記第２の接眼光学部とは、前記光軸経路の屈曲回数が異なることを特徴とするものである。

このようにすれば、接眼光学部を交換して光軸経路の屈曲回数を変えることで、接眼光学部内での光路長や接眼光学部の長さを変えることができ、それによって、映像光を眼球に向けて出射する接眼光学部の射出窓の位置や、接眼光学部に使用される接眼レンズの焦点距離を変えることができる。これにより、使用者の視野内に表示される虚像の位置を変えることができる。

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、前記光軸経路の前記接眼光学部から前記眼球に向かう射出位置が異なることを特徴とするものである。

このようにすれば、接眼光学部を交換することにより、接眼光学部から映像光が出射する光軸経路の位置を変えることができるので、外界視界の確保を優先する場合は、映像光の射出位置を正面視野が極力遮られないようにして、正面視野を確保することができる。また、視野の確保よりも見やすい映像表示を優先する場合は、映像光の射出位置を視野の正面方向に配置することができる。このようにして、状況に応じた映像を表示することが可能になる。

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、前記光軸経路の前記接眼光学部からの前記眼球に対する射出角度が異なることを特徴とするものである。

このようにすれば、接眼光学部を交換することにより、映像光の眼球への射出角度を異ならせ、使用者の眼球視野内における虚像の表示位置を変更することができる。これによって、外界視界の確保を優先する場合は、虚像を視野正面を外した位置に表示し、見やすい表示映像を優先する場合は、虚像を視野正面に表示することができる。このようにして、状況に応じた映像を表示することが可能になる。

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、前記光軸経路の長さまたは光路長の少なくとも一方が異なることを特徴とするものである。

このようにすれば、接眼光学部を交換することにより、光軸経路の長さまたは光路長の少なくとも一方が変わるので、映像光を眼球に向けて出射する接眼光学部の射出窓の位置や接眼光学部に使用される接眼レンズの焦点距離を変えることができる。これにより、使用者の視野内に表示される虚像の位置を変えることができる。

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の接眼光学部の一方は、前記光軸経路が同一平面上にあり、他方は、前記光軸経路が複数の平面に渡ってあることを特徴とするものである。

このようにすれば、光軸経路が同一平面上にある接眼光学部を用いた場合は、表示画面が回転しない一方、光軸経路が複数の平面に渡る場合は、同一平面上にない光軸経路を通ることにより映像光が回転され、それによって、視野内の表示画面が回転するので、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表示装置において、前記映像射出部は、前記眼球の視軸上から外れて位置し、前記接眼光学部は、前記光軸経路を２回以上屈曲させることを特徴とするものである。

このようにすれば、映像射出部が視軸上から外れた位置にあるので、正面の外界視界を確保し易く、モバイル環境での利用に適している。また、光軸経路が２回以上屈曲していることにより、第１および第２の接眼光学部の光軸経路を異ならせ、表示映像の位置や回転状態を異ならせることが容易になる。

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表示装置において、前記接眼光学部は、前記光軸経路が前記眼球の中心を通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、接眼光学部を交換して光軸経路が変わった場合でも、常に光軸が眼球中心を通るため、映像がケラレ難く、使用者は容易に映像を視認することができる。したがって、使用者の眼球に対して光軸経路を調整するための、位置調整手段を設ける必要がない。

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表示装置において、前記取付手段は、前記映像射出部の前記眼球に対する位置関係を固定した状態で、前記接眼光学部を交換可能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、映像射出部は眼球に対して位置関係を固定され、光軸経路の切替えをするために接眼光学のみを交換するので、別途特別な調整手段を必要としない。

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表示装置において、前記本体部は、取付けられた前記第１の接眼光学部または前記第２の接眼光学部に対応して、表示映像を切り替える映像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、取付けられた接眼光学部の光軸経路に応じて、表示映像が切替えられるので、映像射出部を出射する映像光を光軸経路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。

本発明によれば、低コストで様々な状況に応じて映像表示方法を選択することができ、かつ、モバイル環境や常時装着しての使用に対応できるように外界視界を確保した頭部装着型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表示装置を眼鏡に装着した状態を示す図である。 図１に示した頭部装着型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５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５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。 第１および第２の接眼光学部のそれぞれ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８のそれぞれの接眼光学部を用いた場合の眼球方向へ向かう外界光の光路を説明する図である。 図５に示した頭部装着型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表示装置を用いた場合の、使用者の眼幅に応じた接眼光学部の選択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の眼鏡フレーム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は眼鏡フレーム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。取付部４は接眼光学部３の先端部分と比べると太く、使用者が眼鏡レンズを通して見える視野（中心視野を含む）を遮らない位置に配置される。

本実施の形態では、取付手段４は、接眼光学部として第１の接眼光学部および第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２は、図１に示した頭部装着型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を説明するための模式図であり、図２（ａ）は第１の接眼光学部３−１、図２（ｂ）は第２の接眼光学部３−２にそれぞれ対応している。

また、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、本体部２は使用者の視軸上から外れた位置に映像射出部である表示パネル２ｂを備える。この表示パネル２ｂから射出された映像光は、接眼光学部３−１，３−２の両端に映像光を反射させる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の一端側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内を長手方向に導光され、さらに、他端側の他の斜面で反射され、接眼レンズ３ｃ_１，３ｃ_２から使用者の右側眼球１１の眼球中心Ｏに向けて出射される。この映像光は、使用者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。すなわち、本実施の形態では、表示パネルは使用者の視軸上から外れて位置し、表示パネル２ｂから射出された映像光は、導光部３ｂ_１，３ｂ_２により使用者の眼球内へ導かれる。

図２において、第１の接眼光学部３−１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_１の先端は眼球１１の正面まで延びている。図１の接眼光学部３は、第１の接眼光学部３−１を図示したものである。一方、第２の接眼光学部３−２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_２の先端は眼球１１から見て正面右側まで延び、従って、第１の接眼光学部よりも短くなっている。

次に、図２の光学系を光軸経路の観点から説明する。光軸経路Ｌ_１，Ｌ_２は、使用者の視軸上から外れた位置の表示パネル２ｂから接眼光学部３−１，３−２を経て眼球１１の眼球中心Ｏへ至る。第１の接眼光学部３−１と第２の接眼光学部３−２とを用いた場合の光軸経路Ｌ_１，Ｌ_２は、導光部３ｂ_１，３ｂ_２の２つの斜面で、２回屈曲しているという点で共通している。一方、第１の接眼光学部３−１を通る光軸経路Ｌ_１と第２の接眼光学部３−２を通る光軸経路Ｌ_２とは、長さ、および、それぞれの導光部３ｂ_１，３ｂ_２から眼球１１への射出位置や射出方向の点で異なっている。第１の接眼光学部３−１を用いた場合の光軸経路Ｌ_１は、第２の接眼光学部３−２を用いた場合の光軸経路Ｌ_２よりも長く、また、眼球１１への射出位置は眼球１１の正面であり、眼球１１に対する射出角度（図においてθ）は、略０度である。これに対して、第２の接眼光学部３ｂ_２を用いた場合の光軸経路Ｌ_２の眼球１１への射出位置は、眼球１１の正面右側であり、眼球１１に対する射出角度は０より大きい角度となる。

図３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。その際、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。なお、接眼光学部３−１，３−２の交換を行う際（すなわち、光軸経路を切替える際）に、映像射出部２ｂの眼球１１に対する相対位置は固定されており、接眼光学部のみで光学系を交換できるので、別途、位置関係を調整する必要はない。

図４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。また、映像切替手段２ｈは、第１の接眼光学部に応じた第１の表示映像と第２の接眼光学部に応じた第２の表示映像とを切り替えるための切換え信号を映像制御部２ｇに供給する。例えば、使用者が最適な映像表示を選択して映像切替手段２ｈに入力したり、映像切替手段２ｈが取付けられている接眼光学部３−１，３−２を識別して最適な表示映像を選択したりすることによって、表示映像を切替えることができる。

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光軸経路を切替えることができる。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、光軸経路Ｌ_１に沿って第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から使用者の右眼眼球１１に対して正面から入射する。これによって、使用者の右眼視野内の正面に表示映像が表示される。

一方、第２の接眼光学部を使用した場合は、表示パネル２ｂを出射した映像光は、光軸経路Ｌ_２に沿って第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から使用者の右眼の正面斜め右方向より入射する。これによって、使用者の右眼視野内の右端に表示映像が表示される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、接眼光学部を交換して光軸経路を切り替え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、かつ、別途頭部装着型表示装置全体を用意する必要がないのでコスト面でも優れている。例えば、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３−１，３−２の取付け、取外しは、本体側取付部２ｄに対し接眼光学部側取付部３ｅ_１，３ｅ_２をスライドさせて行うことができるので、使用者が自分で間単に接眼光学部３−１，３−２を交換することが可能である。なお、取付部の両窓部は透明部材で保護されていることが好ましく、それによって、汚れたときの清掃が可能である。

さらに、本体部２の映像切替手段２ｈにより映像表示の選択が可能なので、装着された接眼光学部３に応じて、映像を選択して使用することができる。

また、映像射出部２ｂが、視軸上から外れた位置にあるので、正面の外界視界を確保し易く、モバイル環境での利用に適している。光軸経路が２回屈曲しているので、その屈曲位置を変えることによって、第１および第２の接眼光学部の長さや、光軸経路の接眼光学部からの出射位置および出射角度を異ならせ、視野内での映像表示位置を変えることが容易である。屈曲回数は３回以上であれば、さらに表示位置の変更が容易である。また、光軸経路Ｌ_１，Ｌ_２が眼球中心を通るようにしたので、映像がケラレ難く、使用者は容易に映像を視認することができ、使用者の眼球に対する光軸経路を調整するための、位置調整手段を設ける必要がない。

このように、本実施の形態によれば、低コストで様々な状況に応じて映像表示方法を選択することができ、かつ、モバイル環境での使用や常時装着しての使用に対応できるように視界を確保することができる。

（第２実施の形態）
本実施の形態では、モバイル用途の第１の接眼光学部と映像観賞用の第２の接眼光学部とを交換可能としたものである。図５は、本発明の第２実施の形態に係る頭部装着型表示装置の第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５（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、および、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５（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。

図５（ａ）の光学系を光軸経路の観点から説明すると、表示パネル２ｂから眼球１１に至る光軸経路Ｌ_１は、導光部３ｂ_１内で５回屈曲して、眼球１１から見て斜め右側の出射位置から、眼球１１に対して所定の傾斜角度（θ）により、眼球１１へ向けて出射する。

一方、第２の接眼光学部３−２は、図５（ｂ）に示すように、出射面に接眼レンズは設けずに、導光部３ｂ_２の中間部に正のパワーを持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の斜面で合計２回反射した後出射する。図５（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。

図５（ｂ）の光学系を光軸経路の観点から説明すると、表示パネル２ｂから眼球１１に至る光軸経路Ｌ_２は、導光部３ｂ_２内で２回屈曲して、眼球１１から見て正面の出射位置から、眼球１１に対して略垂直（傾斜角０度）に、眼球１１へ向けて出射する。

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６（ａ）、６（ｂ）にそれぞれ示している。

図７は、図５および図６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り、光学系を水平方向に見た図を、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、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。

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図８および９を用いて説明する。図８は、頭部装着型表示装置を使用者が装着した状態での、観察者の正面から見た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８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８（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、人間の瞳孔径よりも小さく、図８（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、人間の瞳孔径よりも大きくなっている。

図９は、図８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９（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９（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以上とすることが好ましい。本実施の形態では、先端部の幅が２．６ｍｍの第１の接眼光学部を用いるとシースルー表示となり、同じく８ｍｍの第２の接眼光学部を用いると非シースルー表示となる。

また、本体部２は図４の第１実施の形態における本体部２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３−２の使用時には、映像切替手段２ｈが、使用者の操作により、または、装着された接眼光学部を検出して、映像制御部２ｇ、ドライブ回路２ｆを介して、映像表示部２ｅが表示パネル２ｂに表示させる映像（第２の表示映像）の左右を反転させることができる。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。

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、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、背景が遮られ背景に邪魔されない非シースルー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種類の頭部装着型表示装置を持ち歩くことなく、1台の頭部装着型表示装置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。モバイル用は、シースルー表示によって常時装着しての使用に適しており、映像観賞用は非シースルー表示により、落ち着いた環境で綺麗な映像を鑑賞したい場合に適している。

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（すなわち、光軸経路Ｌ_１の屈曲回数を５回とすることにより）、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（すなわち、光軸経路長を長くし）、焦点距離の長いレンズを用いることで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（すなわち、光軸経路Ｌ_２の屈曲回数を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、入射端と出射端との間の光路を最短とすることで（すなわち、光軸経路長を最短にして）、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を有する。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端の上部に、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３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部２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軸および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度の角度をなす。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。

上述の図１１の光学系を光軸経路の観点から再度説明する。表示パネル２ｂから眼球１１に至る光軸経路Ｌ_２は、先ず、表示パネル２ｂからｘ軸に沿う方向に向かい、反射面３ｉ_２により９０度屈曲してｚ軸に沿う方向へ向かい、反射面３ｊ_２により９０度屈曲してｙ軸に沿う方向に向かい、さらに、反射面３ｋ_２により９０度屈曲して眼球１１方向であるｘ軸に沿う方向（表示パネル２ｂの出射方向とは反対方向）に向かう。このように反射するので、光軸経路Ｌ_２は、ｘ軸および、ｙ軸方向以外に、ｚ軸方向に進む経路も有するので、光軸経路Ｌ_２全体としては同一平面上にはなく、複数の平面に渡っている。そして、このように直交する３軸方向に順次屈曲することによって、この光軸経路を通る表示映像の映像光が９０度回転する。

そこで、図４に示した映像切替手段２ｈにより、横長の表示パネル２ｂに、第２の表示映像として、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、映像切替手段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表示装置を用いた場合の、使用者の眼幅に応じた接眼光学部の選択を説明する図である。第２実施の形態の第１の接眼光学部と同様の接眼光学部であって、映像光の入射部から出射部までの距離（すなわち、接眼光学部内の光軸経路の長さ）が相対的に短いものを第１の接眼光学部３−１とし、相対的に長いものを第２の接眼光学部３−２とする。導光部３ｂ_１，３ｂ_２の斜面の角度や接眼レンズ３ｃ_１，３ｃ_２の焦点距離等を調整することによって、長さの異なる接眼光学部３−１，３−２を設けることが可能である。

図１２（ａ）は、眼幅の広い使用者に対して、第１の接眼光学部３−１を適用した例である。接眼光学部３−１の長さが相対的に短いので、接眼レンズ３ｃ_１は第２の接眼光学部３−２を使用した場合よりも外側に位置し、接眼レンズ３ｃ_１からの映像光が、使用者の眼球中心方向に向け出射され、好ましくは使用者の眼球中心１１ｂを通る。同様に、図１２（ｂ）では、眼幅の狭い使用者に対して、第１の接眼光学部より長い第２の接眼光学部３−２を使用して、映像光が使用者の眼球中心方向に向け出射され、好ましくは眼球中心１１ｂを通る。人の眼幅（瞳孔間距離）は様々であり、女性で５６ｍｍ〜６２ｍｍ、男性で６０ｍｍ〜６８ｍｍ程度とされる。それぞれの個人の眼幅に対応した接眼光学部に交換することにより、好適な位置で映像を見ることができる。

本実施の形態によれば、長さの異なる接眼光学部を用意することによって、個人ごとに眼幅の異なる頭部装着型表示装置を用意することなく、接眼光学部のみを交換することにより、低コストで最適な視認環境を使用者に提供することができる。

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。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 映像切替手段
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
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
１１ｂ 眼球中心
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
Ｌ_１，Ｌ_２ 視軸経路
Ｏ 眼球中心

Claims (10)

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、
   前記取付手段は、前記映像射出部から前記眼球へ前記映像光を導光する光学系の光軸経路が異なる、少なくとも第１の接眼光学部および第２の接眼光学部を、交換可能に取付けることを特徴とする頭部装着型表示装置。
2. 前記第１の接眼光学部と前記第２の接眼光学部とは、前記光軸経路の屈曲回数が異なることを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型表示装置。
3. 前記第１の接眼光学部と前記第２の接眼光学部とは、前記光軸経路の前記接眼光学部から前記眼球に向かう射出位置が異なる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表示装置。
4. 前記第１の接眼光学部と前記第２の接眼光学部とは、前記光軸経路の前記接眼光学部からの前記眼球に対する射出角度が異なる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表示装置。
5. 前記第１の接眼光学部と前記第２の接眼光学部とは、前記光軸経路の長さまたは光路長の少なくとも一方が異なる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の接眼光学部の一方は、前記光軸経路が同一平面上にあり、他方は、前記光軸経路が複数の平面に渡ってある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表示装置。
7. 前記映像射出部は、前記眼球の視軸上から外れて位置し、前記接眼光学部は、前記光軸経路を２回以上屈曲させる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表示装置。
8. 前記接眼光学部は、前記光軸経路が前記眼球の中心を通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表示装置。
9. 前記取付手段は、前記映像射出部の前記眼球に対する位置関係を固定した状態で、前記接眼光学部を交換可能に構成した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表示装置。
10. 前記本体部は、取付けられた前記第１の接眼光学部または前記第２の接眼光学部に対応して、表示映像を切り替える映像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表示装置。

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