JP2012159681A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】眼鏡型の支持フレームに対して取り付け性が良く、視界妨げを軽減できるとともに、光量ロスが軽減でき、さらに、立体視を考えた両眼撮像を行う構成に適したヘッドマウントディスプレイを提供する。
【解決手段】画像表示ユニットと、画像光を出射する画像表示部と、第１の偏光ビームスプリッタと、ミラーと、１／４波長板と、第２の偏光ビームスプリッタと、撮像素子とを備えたヘッドマウントディスプレイであって、前記支持フレームは、観察者の顔前に配置されるフロント部と観察者の耳に掛止するためのテンプル部とを具備する眼鏡型に構成されており、前記第１の偏光ビームスプリッタ、前記ミラー、前記１／４波長板、前記第２の偏光ビームスプリッタ、及び前記撮像素子を、前記支持フレームのフロント部を構成するフレームに沿った略水平方向の同一光軸上にそれぞれ配設し、前記ミラー及び１／４波長板については、前記支持フレームの前記フロント部の中央部近傍に配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関し、特に、外光を透過して外界像を視認可能であり、かつ外界像を撮像する撮像手段を具備するシースルー型のヘッドマウントディスプレイに関するものである。

従来、観察者の頭部に装着する支持部に、電子映像を観察者の眼に投影する画像表示部を内蔵した小型の画像表示ユニットを取付けたヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display：HMD）が知られている。

かかるＨＭＤの中には、外界像を撮像する撮像手段を備えたものがあるが、例えば、複数のハーフミラーを用いたりすると、撮像手段に至るまでの外光のロスが大きくなるため、例えば、第１の特定方向の偏光を透過する一方、第２の特定方向の偏光を反射する偏光ビームスプリッタを用いた構成が考えられる。

すなわち、図７に示す構成であり、観察者Ｍの頭部に支持フレーム１００を介して装着される画像表示ユニット２００と、この画像表示ユニット２００内に設けられ、電子映像を表す画像光Ｌｂを投射する画像表示装置３００とを備えている。また、画像表示装置３００から出射された画像光Ｌｂを反射して観察者Ｍの眼Ｅに入射させる一方、外光Ｌａのうち第１の特定方向の偏光（例えばＳ偏光）Ｌａ１を透過して観察者Ｍの眼Ｅに入射させるとともに、第２の特定方向の偏光（例えばＰ偏光）Ｌａ２を反射させる偏光ビームスプリッタ４００と、この偏光ビームスプリッタ４００を挟んで画像表示装置３００とは反対側に配置され、偏光ビームスプリッタ４００を反射した外光Ｌａの第２の特定方向の偏光Ｌａ２を撮像する撮像装置５００とを備えている。なお、画像表示装置３００としては液晶表示装置が用いられ、この液晶表示装置から出射された画像光Ｌｂは偏光ビームスプリッタ４００により反射する偏光である。また、撮像装置５００としてはＣＣＤ（Charge Coupled Device Image Sensor）が一般的に用いられる。

しかし、かかる構成では、撮像装置５００が画像表示ユニット２００とは反対側に位置することになるため、ＨＭＤが大型化するとともに、撮像装置５００が視界を邪魔するおそれが大である。

他方、撮像手段であるカメラを画像表示ユニット側に設けたＨＭＤも知られている（例えば、特許文献１を参照。）。かかる特許文献１には、保持部に装着される画像表示ユニット内に、画像表示部とカメラを配設するとともに、観察者の眼の前方に、外光の一部を透過し、外交の一部の光路を変更する偏光ビームスプリッタ及び１／４波長板などの光学素子を設けたＨＭＤが開示されている。

かかる構成により、光学素子により光路を変更された外光の一部がカメラに導かれ、画像表示ユニットに内蔵されたカメラによって外界像を撮像することができることになる。

特開２００７−１５６０９６号公報

しかし、特許文献１に開示されている上述のＨＭＤは、画像表示装置、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板及び撮像装置が、垂直方向の光軸に配置されたものであり、画像表示ユニットを保持する保持部としても、ヘルメットタイプなどが想定されているものであり、日常的に、特に外出時などに装着する場合に、デザイン性、装着性の点で優る眼鏡型に対応したものではなかった。

また、顔の中心部分に対する左右方向の位置に対称性を持たせにくいので、一方の眼用の装置を、他方の眼に装着し直したりするには、位置決めなどが容易でなく、適した構成ではなかった。

本発明は、撮像装置を備え、表示画角と撮像画角を合わせ、撮像時、表示時とも光量ロスを最低限に抑え、デザイン性、装着性の良い眼鏡型にて構成したヘッドマウントディスプレイを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、観察者の頭部に支持フレームを介して装着される画像表示ユニットと、この画像表示ユニット内に設けられ、画像光を出射する画像表示部と、この画像表示部から出射された前記画像光を反射して観察者の眼に入射させる一方、外光のうち第１の特定方向の偏光を透過して前記観察者の眼に入射させるとともに、第２の特定方向の偏光を反射させる第１の偏光ビームスプリッタと、この第１の偏光ビームスプリッタにより反射された前記外光の前記第２の特定方向の偏光を反射するミラーと、このミラーと同じ光軸上に並設され、通過する偏光に所定の位相差を生じさせる１／４波長板と、前記画像表示ユニット内に設けられ、前記画像表示部から出射された前記画像光を前記第１の偏光ビームスプリッタ側に反射させるとともに、前記１／４波長板から入射してきた前記外光の前記第１の特定方向の偏光を透過させる第２の偏光ビームスプリッタと、前記画像表示ユニット内に設けられ、前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記外光の前記第１の特定方向の偏光を撮像する撮像素子と、を備え、前記支持フレームは、観察者の顔前に配置されるフロント部と、このフロント部の左右両端部にそれぞれ連結され、前記観察者の耳に掛止するためのテンプル部とを具備する眼鏡型に構成されており、前記第１の偏光ビームスプリッタ、前記ミラー、前記１／４波長板、前記第２の偏光ビームスプリッタ、及び前記撮像素子を、前記支持フレームのフロント部を構成するフレームに沿った略水平方向の同一光軸上にそれぞれ配設するとともに、前記ミラー及び１／４波長板については、前記支持フレームの前記フロント部の中央部近傍に配置したヘッドマウントディスプレイとした。

請求項２に係る発明は、請求項１記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記ミラーの位置を、前記画像表示部の下手側に設けられた光学系の射出瞳と共役位置に配置したことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記前記ミラーの位置となる前記共役位置が前記フロント部の中央位置になるように構成されていることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項２又は３に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記共役位置は、前記観察者の両眼を結ぶ眼幅線と、前記第１の偏光ビームスプリッタにおける前記観察者から観て遠方側の端部から前記眼幅線と略平行に延びる線上までの間に位置する輻輳点とによって規定される領域内に設定されており、この共役位置に前記ミラー及び１／４波長板を配設したことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記画像表示ユニットから出射される画像光の向きが漸次顔面に近接するように、当該画像光の光軸を顔面側に傾けたことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記画像表示ユニットを、前記支持フレームの左右側に設け、各画像表示ユニットに対応するミラー及び１／４波長板を備えることを特徴とする。

請求項７に係る発明は、請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記左右の画像表示ユニットを左右対称に配置して立体視撮像を行えるようにしたことを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記画像表示ユニットに対応する反射ミラーと１/４波長板とを一体構造としたことを特徴とする。

本発明によれば、第１の偏光ビームスプリッタ、ミラー、１／４波長板、第２の偏光ビームスプリッタ及び撮像素子を支持フレームのフロント部を構成するフレームに沿った略水平方向の同一光軸上にそれぞれ配設するため、これら光学系構成要素や画像表示ユニットが互いに左右方向に配置されることになる。したがって、例えば、眼鏡型の支持フレームに取り付け易くなるため、装着性、使い勝手が良く、デザイン性も向上させることができるとともに、撮像する際に光量ロスを可及的に抑えることができるＨＭＤを提供することができる。さらに、左右対称の構成とすれば、立体画像の撮像をより容易に行うのに適した両眼撮像タイプの構成とすることができる。

第１の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの平面視による概略説明図である。 同ヘッドマウントディスプレイにおける第１の偏光ビームスプリッタ、反射ミラー及び１／４波長板を配置する所定領域を示す説明図である。 同じく第１の偏光ビームスプリッタ、反射ミラー及び１／４波長板の取付構造を示す説明図である。 同じく第１の偏光ビームスプリッタ、反射ミラー及び１／４波長板の取付構造の変形例を示す説明図である。 第２の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの平面視による概略説明図である。 同ヘッドマウントディスプレイにおける第１の偏光ビームスプリッタ、反射ミラー及び１／４波長板の取付構造を示す説明図である。 従来のヘッドマウントディスプレイの概略説明図である。

［第１の実施形態］
以下、第１の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」とする場合がある）について、図面を参照しながら説明する。

先ず、ＨＭＤの全体的な構成について説明する。図１に示すように、本実施形態に係るＨＭＤは、電子映像を表示し、この電子映像を視認させる画像光Ｌｂを出射する画像表示部としての液晶表示装置１０を矩形箱形のケーシング１７に内蔵した画像表示ユニット１を備えている。

また、ＨＭＤは、液晶表示装置１０に制御信号を送信するとともに、ＨＭＤ全体の駆動制御を行う制御部及び制御部に指令を送る操作部備えるコントロールユニット２を備えており、このコントロールユニット２と画像表示ユニット１とを伝送ケーブル３を介して接続している。なお、操作部では、少なくともＨＭＤのオン・オフや後述するＣＣＤイメージセンサ（Charge Coupled Device Image Sensor、以後「ＣＣＤ」と略す）１８による撮像操作を含む操作が行えるようになっている。

コントロールユニット２は、観察者Ｍ１の衣服のポケットなどに収納したり、腰などに取付けたりして携行することができる箱形ケーシングにより構成されている。そして、図示しない操作部を介して起動操作することにより、内蔵したコンテンツ記憶部に記憶されたコンテンツデータに対応する画像信号を、伝送ケーブル３を介して画像表示ユニット１の液晶表示装置１０に送信することができる。

また、コントロールユニット２に、例えば、外部入出力端子を設け、外部のパーソナルコンピュータ等との間でコンテンツデータの入出力を行ったりすることもできる。なお、ここでコンテンツデータとは、文字を表示させるためのデータ、静止画像を表示させるためのデータ及び動画像を表示させるためのデータのうちの少なくとも１つのデータで構成されるものであり、例えば、パソコン等で使用される文書ファイルや画像ファイル、動画ファイルなどである。

画像表示ユニット１は、支持フレームとしての眼鏡型フレーム６にアタッチメント７を介して取り付けられている。なお、支持フレームである眼鏡型フレーム６は、観察者Ｍの顔前に配置されるフロントフレーム１５１からなるフロント部１５と、このフロント部１５の左右両端部にそれぞれ連結され、観察者Ｍの耳に掛止するためのテンプル部１６，１６とを具備している。このように、画像表示ユニット１は、一般的な眼鏡と同様に観察者Ｍの頭部に装着することで、画像表示ユニット１を観察者Ｍの左側あるいは右側のいずれにも容易に配置することができる。

また、ＨＭＤは、液晶表示装置１０から出射された画像光Ｌｂを反射して観察者Ｍの眼に入射させる一方、外光Ｌａのうち第１の特定方向の偏光を透過して観察者Ｍの眼Ｅに入射させるとともに、前記第１の特定方向とは異なる第２の特定方向の偏光を反射させる第１の偏光ビームスプリッタ１１を備えている。すなわち、本実施形態に係るＨＭＤは、第１の偏光ビームスプリッタ１１を透過した外光Ｌａと第１の偏光ビームスプリッタ１１で反射した画像光Ｌｂとを観察者Ｍの眼Ｅに入射させて、外光Ｌａによる外景に画像光Ｌｂによる表示画像を重ねて観察者Ｍに視認させることができるシースルータイプとなっている。

ここで、本実施形態では、外光Ｌａのうち、第１の偏光ビームスプリッタ１１を通過する第１の特定方向の偏光をＳ偏光Ｌａ１とし、第１の偏光ビームスプリッタ１１で反射する第２の特定方向の偏光をＰ偏光Ｌａ２としている。さらに、液晶表示装置１０から出射される画像光Ｌｂについては、ここではＰ偏光としており、第２の偏光ビームスプリッタ１２により反射される。

また、ＨＭＤは、第１の偏光ビームスプリッタ１１により反射された外光Ｌａの第２の特定方向の偏光であるＰ偏光Ｌａ２を反射する反射ミラー１３と、この反射ミラー１３と同じ光軸上であって、第１の偏光ビームスプリッタ１１側に近接して並設され、通過する偏光に所定の位相差を生じさせる１／４波長板１４を備えている。したがって、外光Ｌａのうち反射ミラー１３で反射されたＰ偏光Ｌａ２は１／４波長板１４を通過するとＳ偏光Ｌａ１に変換される。

画像表示ユニット１のケーシング１７内には、液晶表示装置１０から出射された画像光Ｌｂを第１の偏光ビームスプリッタ１１側に反射させるとともに、１／４波長板１４を通過してきた外光Ｌａの第１の特定方向の偏光（Ｓ偏光Ｌａ１）を透過させる第２の偏光ビームスプリッタ１２が配設されている。そして、この第２の偏光ビームスプリッタ１２の下手側には、図示しないレンズ群や光学素子などを備える光学系である光学ユニットが配設されている。

さらに、ケーシング１７内には、第２の偏光ビームスプリッタ１２を透過した外光ＬａのＳ偏光Ｌａ１を撮像する撮像素子であるＣＣＤ（Charge Coupled Device Image Sensor）１８を備えている。

かかる構成により、液晶表示装置１０から出射され、コンテンツを表示画像として観察者Ｍに視認させる画像光Ｌｂは、ケーシング１７内で第２の偏光ビームスプリッタ１２により反射されて顔面の向く方向と直交する方向、すなわち眼鏡型フレーム６のフロント部１５を構成するフロントフレーム１５１に沿った略水平方向に進み、フロントフレーム１５１の中央部近傍に設けられた第１の偏光ビームスプリッタ１１によって反射されて観察者Ｍの眼Ｅに入射し、表示画像を認識させることができる。

また、第１の偏光ビームスプリッタ１１は観察者Ｍの眼Ｅと対向するようにハーフミラー９が設けられているため、外光Ｌａの第１の特定方向の偏光をＳ偏光Ｌａ１が当該第１の偏光ビームスプリッタ１１を透過して観察者Ｍの眼Ｅに入射されることになる。したがって、観察者Ｍは外光Ｌａによる外景に画像光Ｌｂによる表示画像を重ねて視認することができる。

かかる構成のＨＭＤにおいて、本実施形態の特徴となるのは、第１の偏光ビームスプリッタ１１、反射ミラー１３、１／４波長板１４、第２の偏光ビームスプリッタ１２及びＣＣＤ１８を、眼鏡型フレーム６のフロント部１５を構成するフロントフレーム１５１に沿った略水平方向の同一光軸上にそれぞれ配設するとともに、反射ミラー１３及び１／４波長板１４については、眼鏡型フレーム６のフロント部１５の中央部近傍に配置したことにある。

したがって、第１の偏光ビームスプリッタ１１により反射された外光ＬａのＰ偏光Ｌａ２が反射ミラー１３により反射され、１／４波長板１４を通過して変換されたＳ偏光Ｌａ１はそのまま第１の偏光ビームスプリッタ１１を通過するとともに、画像表示ユニット１のケーシング１７内に侵入して第２の偏光ビームスプリッタ１２を通過してＣＣＤ１８に至る。このようにして、本実施形態に係るＨＭＤによれば、観察者Ｍが視認している外景画像と同じ視角の外形画像として撮像することが可能となる。しかも、光量ロスを可及的に抑えた状態で撮像することができる。

ところで、反射ミラー１３の位置としては、液晶表示装置１０の下手側に設けられた光学系としての光学ユニット（不図示）の射出瞳と共役位置に配置することが光学的には好ましい。すなわち、画像光Ｌｂが第１の偏光ビームスプリッタ１１で反射された側にできる観察者Ｍの眼Ｅ（特に瞳孔）近傍の瞳と、これと共役な、仮に画像光Ｌｂが第１の偏光ビームスプリッタ１１を透過した場合にその透過側にできるはずの仮想の瞳に反射ミラー１３を配置するのである。これは、第１の偏光ビームスプリッタ１１へ入射する外光Ｌａのうち、透過した外光Ｌａ１の射出瞳が観察者Ｍの眼Ｅの瞳孔付近であり、反射した外光Ｌａ２の側の射出瞳がその瞳孔と共役な位置となるため、その外光Ｌａ２の側の射出瞳と、前記仮想の瞳と略一致させるためである。

このようにするとともに、撮像素子であるＣＣＤ１８の撮像面を、第２の偏光ビームスプリッタ１２の透過側の液晶表示装置１０の表示面と共役な位置に配置することで、光学ユニットが共用できるなど、光学設計が容易となり、コスト面での利点もある。

さらに、反射ミラー１３の位置となる、前記光学ユニットの射出瞳との共役位置を、前記フロント部１５の中央位置になるように構成することが好ましい。すなわち、本実施形態のように、反射ミラー１３及び１／４波長板１４をフロント部１５の中央部近傍に配置している場合、このフロント部１５の中央部近傍と光学ユニットの射出瞳とを共役位置とすることで、反射ミラー１３及び１／４波長板１４が、観察者Ｍから視認し難くなる。

さらに好ましくは、前記共役位置としては、観察者Ｍの左右の眼Ｅ，Ｅを結ぶ線である眼幅線と、第１の偏光ビームスプリッタ１１における観察者Ｍから観て遠方側の端部から前記眼幅線と略平行に延びる線上までの間に位置する輻輳点とによって規定される所定の領域内に設定することが好ましい。そして、かかる瞳共役位置に反射ミラー１３及び１／４波長板１４を配設するのである。

ここで、輻輳点とは、左右の眼Ｅ，Ｅの視線が視対象に収束する位置のことであり、簡単に言えば、左右の眼Ｅ，Ｅの視線が交差する点を指す。

また、この輻輳点を頂点とした場合の頂角を輻輳角と呼び、平面視では、図２（ａ）に示すように、左右の眼Ｅ，Ｅ間の距離となる眼幅線ｄを底辺とし、視対象までの距離ｆ１を高さとする二等辺三角形の頂点の角度となる。本実施形態では、図示するように、輻輳角の１／２をなす角度θのうち、左の眼Ｅに近い角度θで規定される所定領域Ｓ内に反射ミラー１３の反射面及び１／４波長板１４が位置するようにしている。

しかし、輻輳点は必ずしも正面視の位置に存在するものではなく、図２（ｂ）に示すように、視対象が正面でなく、左右いずれかにずれた状態でも存在する。したがって、所定領域Ｓは必ずしも平面視で二等辺三角形になるものではなく、図示するように、左右の眼Ｅ，Ｅ間の距離となる眼幅線ｄを底辺、左目Ｅから視対象までの距離ｆ２を高さとする略直角三角形となる場合がある。この場合、視認性阻害部材５の配設位置としては、前述したように、輻輳角の１／２をなす角度θのうち、左の眼Ｅに近い角度θで規定される範囲内には制限されない。

このように、反射ミラー１３及び１／４波長板１４を、上述した所定領域Ｓ内で、かつ光学ユニット（不図示）の射出瞳と共役位置に配置することで、観察者Ｍからはより視認され難くなり、観察者Ｍの視界を妨げる虞を可及的に抑えることができる。したがって、視界が妨げられた状態、すなわち、外界像の視認性が損なわれた状態を強いられることがないため、ＨＭＤの使用感を損なうことなく、快適に使用することができるようになる。

以下、さらに図３を用いてＨＭＤの構成をより具体的に説明する。図３に示すように、画像表示ユニット１のケーシング１７は略Ｌ字形状に形成されており、その先端面の前側端部から保持部材５０をフロントフレーム１５１に沿うように伸延させている。そして、このケーシング１７を眼鏡型フレーム６のフロントフレーム１５１の左端部とテンプル部１６との接続部分を跨ぐように取付けている。

かかるケーシング１７の内部において、図１に示すように、液晶表示装置１０を、観察者Ｍの直視方向、すなわち顔面の向きと同じ方向に画像光Ｌｂが出射されるように配設している。そして、この液晶表示装置１０の下手側前方位置に第２の偏光ビームスプリッタ１２を所定の配置姿勢で配設し、Ｐ偏光である画像光Ｌｂをフロントフレーム１５１に沿った略水平方向、すなわち顔面の向きに直交する方向へ反射できるようにするとともに、同方向から入射してきた外光ＬａのＳ偏光Ｌａ１を通過させるようにしている。

また、ＣＣＤ１８は、ケーシング１７の内部において、液晶表示装置１０の左前方に位置しており、第２の偏光ビームスプリッタ１２を通過する外光ＬａのＳ偏光Ｌａ１を入射できるように配設している。

そして、前述したように、ケーシング１７からフロントフレーム１５１に沿うように伸延した保持部材５０にケーシング１７側から順に、第１の偏光ビームスプリッタ１１、１／４波長板１４、反射ミラー１３を所定の間隔をあけて取付けている。符号５５で示すものは、保持部材５０の先端に形成したミラー保持部５５を示す。

こうして、第１の偏光ビームスプリッタ１１を左の眼Ｅと対峙する直前に配置可能とするとともに、観察者Ｍの鼻の前方、換言すれば、フロント部１５の中央部近傍に、反射ミラー１３及び１／４波長板１４を配置可能としている。しかも、前述したように、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の位置を、輻輳角の内側で、かつ光学ユニット（不図示）の射出瞳と共役位置となるように設定している。ところで、本実施形態では、反射ミラー１３の第１の偏光ビームスプリッタ１１の側をなす面に１／４波長板１４を取付けて両者一体型としているが、反射ミラー１３と１／４波長板１４とを、互いの間に間隙を設けて配設することもできる。

このように、本実施形態に係るＨＭＤでは、液晶表示装置１０を除き、第１の偏光ビームスプリッタ１１、反射ミラー１３、１／４波長板１４、第２の偏光ビームスプリッタ１２及びＣＣＤ１８を、眼鏡型フレーム６のフロント部１５を構成するフロントフレーム１５１に沿った略水平方向の同一の光軸上にそれぞれ配設したため、観察者Ｍが視認している外景画像と同じ視角の外形画像として撮像することが可能となる。

図４に示したＨＭＤは、画像表示ユニット１から出射される画像光Ｌｂの向きが漸次顔面に近接するように、当該画像光Ｌｂの光軸を顔面側に傾けた構成としたものである。

すなわち、図示するように、画像表示ユニット１に内蔵した第２の偏光ビームスプリッタ１２の配置姿勢を変え、当該第２の偏光ビームスプリッタ１２により反射する画像光Ｌｂの向きが、漸次、観察者Ｍの顔面に近接するようにしている。そのために、保持部材５２についても中途から所定の角度で顔面側に傾けている。また、画像表示ユニット１のケーシング１７内に侵入して第２の偏光ビームスプリッタ１２を通過する外光ＬａのＳ偏光Ｌａ１を正面から受光できるように、ＣＣＤ１８も第２の偏光ビームスプリッタ１２に合わせて傾けて配設している。

かかる構成とすれば、保持部材５２の先端が顔面に漸次近接するため、この先端に取付けた反射ミラー１３と１／４波長板１４とを顔前に大きく突出させないで済む。しかも、反射ミラー１３と１／４波長板１４との面積をより小さくすることも可能となる。また、反射ミラー１３と１／４波長板１４とも傾斜することになり、この傾斜は前述した輻輳角の１／２をなす角度θと略同じ角度である。そのため、反射ミラー１３と１／４波長板１４の前方への長さを可及的に短くしてコンパクト化することができる。

なお、図４においては、保持部材５２を中途から傾斜させているが、画像表示ユニット１のケーシング１７と連接される基端部から傾斜させる構成としてもよい。

[第２の実施形態]
次に、図５を参照しながら第２の実施形態に係るＨＭＤについて説明する。なお、以下の説明では、上述してきた実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

図５に示す構成は、図１で説明した画像表示ユニット１と基本的に同一構造の画像表示ユニット１を、眼鏡型フレーム６の左右側にそれぞれ設け、各画像表示ユニット１に対応する反射ミラー１３及び１／４波長板１４を設けた構成としたものである。すなわち、本実施形態では、観察者Ｍは両方の眼Ｅ，Ｅそれぞれで表示画像と外景とを視認できる両目用のＨＭＤとしている。図中、符号４は左右の画像表示ユニット１，１同士を電気的に接続する信号線であり、ここでは、眼鏡型フレーム６のフロントフレーム１５１に沿わせて配線している。

また、本実施形態では、画像表示ユニット１が左右対称となるように配置しており、眼鏡型フレーム６のフロント部１５の中央位置に配置した反射ミラー１３及び１／４波長板１４は、一枚の反射ミラー１３の左右側面にそれぞれ１／４波長板１４を取付けた一体構造としている。なお、左右の画像表示ユニット１のうち、一方の画像表示ユニット１には、表示画像を左右反転させる機構が組み込まれたものとしている。

このように、基本的に同一構造の画像表示ユニット１を左右対称となるように配置しているため、両目用のＨＭＤを構成する上でコスト増を抑えることができる。また、本実施形態においても、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の位置としては、液晶表示装置１０の下手側に設けられた光学系としての光学ユニット（不図示）の射出瞳と共役位置に配置することができるとともに、光学ユニットの射出瞳との共役位置を、フロント部１５の中央位置にすることができる。

さらに、図示するように、反射ミラー１３及び１／４波長板１４は輻輳角αの内側に位置させることもできる。すなわち、観察者Ｍの左右の眼Ｅ，Ｅの間の距離ｄを底辺とし、視対象までの距離を高さとする略二等辺三角形の頂点の角度（輻輳角α）で規定される二等辺三角形で表される領域内に反射ミラー１３及び１／４波長板１４を位置させている。なお、この場合においても、第１の実施形態で説明したように、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の配設位置は、光学ユニットの射出瞳との共役位置であって、共役位置としては、観察者Ｍの左右の眼Ｅ，Ｅを結ぶ線である眼幅線と、第１の偏光ビームスプリッタ１１における観察者Ｍから観て遠方側の端部から前記眼幅線と略平行に延びる線上までの間に位置する輻輳点とによって規定される所定の領域内に設定することが好ましい。

図６に本第２の実施形態に係るＨＭＤの第１の偏光ビームスプリッタ１１、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の具体的な取付構造を示しており、図示するように、左右の画像表示ユニット１、１の各ケーシング１７の先端面の前側端部間を、フロントフレーム１５１に沿うように伸延する保持部材５１で連結している。そして、この保持部材５１の中央位置にミラー保持部５５を形成し、このミラー保持部５５において、反射ミラー１３及び１／４波長板１４を取付けている。

このように、本実施形態に係るＨＭＤにおいても、液晶表示装置１０を除き、第１の偏光ビームスプリッタ１１、反射ミラー１３、１／４波長板１４、そして左右の画像表示ユニット１の内部に収納された第２の偏光ビームスプリッタ１２及びＣＣＤ１８を、眼鏡型フレーム６のフロント部１５を構成するフロントフレーム１５１に沿った略水平方向の同一の光軸上にそれぞれ配設されることになる。そのため、左のＣＣＤ１８は観察者Ｍの左の眼Ｅが、右のＣＣＤ１８は観察者Ｍの右の眼Ｅがそれぞれ視認している外景画像と同じ視角の外形画像として撮像することが可能となる。

したがって、本実施形態に係るＣＣＤによれば、左右のＣＣＤ１８，１８で撮像した各画像データは、観察者Ｍの視角と同じでありながらも互いに視差を有する画像データとなる。よって、かかる画像データを用いれば、所謂３Ｄと呼ばれる立体画像を撮像するための両眼撮像による立体視撮像を容易に行うことができる。特に、近年では、立体映像が注目されているが、本実施形態に係るＨＭＤを用いれば、観察者Ｍの視線に極めて近い視点における立体画像を容易に得ることが可能となる。

以上、本発明を、実施形態を通して説明してきたが、本発明は各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の主旨を逸脱することのない限り、実施形態の構成を適宜組合せてもよいし、各構成要素の形状や装置のレイアウトなどは適宜変更することができる。

例えば、保持部材５０，５１，５２の構成などは、各実施形態に限るものではなく、適宜設計することができる。また、上述してきた実施形態では、保持部材５０，５１，５２は、その基端を画像表示ユニット１のケーシング１７の先端に連接した構成としたが、例えば、フロントフレーム１５１の中央部近傍に取付けることもできる。

また、両眼用のＨＭＤであれば、眼鏡型フレーム６に代えてゴーグルタイプにして、保持部材５１をゴーグルの外殻部で兼用することもできる。

また、画像表示ユニット１については、眼鏡型フレーム６のフロント部１５に取付けた構成として説明したが、画像表示ユニット１はテンプル部１６に取付けることもできる。

さらに、上述してきた実施形態では、ＨＭＤの画像表示装置として、画像表示ユニット１に液晶表示装置１０を設けたが、必ずしも液晶表示装置１０とする必要はなく、画像表示装置としては、例えば、有機ＥＬ（Organic Electroluminescence）表示装置とすることもできる。その場合、画像表示装置の出射光は、液晶表示装置１０の場合のような特定の方向の偏光特性とはなっていないので、偏光ビームスプリッタに対応した偏光特性を持たせる手段が必要となる。

なお、上述してきた実施形態では、偏光ビームスプリッタ１１，１２を通過する偏光をＰ偏光、偏光ビームスプリッタ１１，１２により反射する偏光をＳ偏光とし、液晶表示装置１０から出射される画像光LｂをＰ偏光としたが、その逆であってもよく、その場合、偏光ビームスプリッタ１１，１２による光分離特性も逆のものを用いればよい。

ところで、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の配設位置を規定するための輻輳角αの範囲としては、観察者Ｍとなる人間の左右の眼Ｅ，Ｅ間の距離ｄ（図５参照）と反射ミラー１３及び１／４波長板１４の前方長さとからも適宜設定することができる。左右の眼Ｅ，Ｅ間の距離ｄの成人の平均値は６０〜７０ｍｍであることが知られているため、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の前方長さを２０ｍｍ程度以下とすれば、０°＜α＜１２０°程度とすることができる。つまり、０°＜α＜１２０°の条件における輻輳角αの内側に設定した瞳共役位置に反射ミラー１３及び１／４波長板を配設すればよいことになる。

しかし、できるだけ視野の妨げにならない観点で言えば、αを出来るだけ大きい角度に設定して反射ミラー１３及び１／４波長板１４の配設位置を規定するとよい。例えば、図３や図４のように、保持部材５０，５２における反射ミラー１３を支持する点を観察者Ｍの両眼Ｅ、Ｅと視線が交差する輻輳点と考えて、両眼Ｅ、Ｅと輻輳点でできる領域内つまり、輻輳角αの内側に反射ミラー１３及び１／４波長板１４を配設すると、視野の妨げとなることを低減できる。また、反射ミラー１３及び１／４波長板１４を、観察者Ｍの両眼Ｅ，Ｅの中間位置にできるだけ近づけて配設すると、より視野の妨げとなりにくくなる。また、反射ミラー１３及び１／４波長板１４は、画像光Ｌｂが最も収束する瞳位置（観察者Ｍの眼Ｅ側の射出瞳（ほぼ瞳孔位置）と共役な瞳位置）に配設して、出来るだけ小さくすることが望ましい。

Ｅ 眼
Ｌａ 外光
Ｌａ１ Ｓ偏光（外光の第１の特定方向の偏光）
Ｌａ２ Ｐ偏光（外光の第２の特定方向の偏光）
Ｌｂ 画像光
Ｍ 観察者
α 輻輳角
θ 輻輳角の１／２をなす角度
１ 画像表示ユニット
６ 眼鏡型フレーム（支持フレーム）
１１ 第１の偏光ビームスプリッタ
１２ 第２の偏光ビームスプリッタ
１３ 反射ミラー
１４ １／４波長板
１５ フロント部
１６ テンプル部
１５１ フロントフレーム

Claims (8)

1. 観察者の頭部に支持フレームを介して装着される画像表示ユニットと、
   この画像表示ユニット内に設けられ、画像光を出射する画像表示部と、
   この画像表示部から出射された前記画像光を反射して観察者の眼に入射させる一方、外光のうち第１の特定方向の偏光を透過して前記観察者の眼に入射させるとともに、第２の特定方向の偏光を反射させる第１の偏光ビームスプリッタと、
   この第１の偏光ビームスプリッタにより反射された前記外光の前記第２の特定方向の偏光を反射するミラーと、
   このミラーと同じ光軸上に並設され、通過する偏光に所定の位相差を生じさせる１／４波長板と、
   前記画像表示ユニット内に設けられ、前記画像表示部から出射された前記画像光を前記第１の偏光ビームスプリッタ側に反射させるとともに、前記１／４波長板から入射してきた前記外光の前記第１の特定方向の偏光を透過させる第２の偏光ビームスプリッタと、
   前記画像表示ユニット内に設けられ、前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記外光の前記第１の特定方向の偏光を撮像する撮像素子と、
   を備え、
   前記支持フレームは、観察者の顔前に配置されるフロント部と、このフロント部の左右両端部にそれぞれ連結され、前記観察者の耳に掛止するためのテンプル部とを具備する眼鏡型に構成されており、
   前記第１の偏光ビームスプリッタ、前記ミラー、前記１／４波長板、前記第２の偏光ビームスプリッタ、及び前記撮像素子を、前記支持フレームのフロント部を構成するフレームに沿った略水平方向の同一光軸上にそれぞれ配設するとともに、前記ミラー及び１／４波長板については、前記支持フレームの前記フロント部の中央部近傍に配置したことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
2. 前記ミラーの位置を、前記画像表示部の下手側に設けられた光学系の射出瞳と共役位置に配置したことを特徴とする請求項１記載のヘッドマウントディスプレイ。
3. 前記前記ミラーの位置となる前記共役位置が前記フロント部の中央位置になるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
4. 前記共役位置は、前記観察者の両眼を結ぶ眼幅線と、前記第１の偏光ビームスプリッタにおける前記観察者から観て遠方側の端部から前記眼幅線と略平行に延びる線上までの間に位置する輻輳点とによって規定される領域内に設定されており、この共役位置に前記ミラー及び１／４波長板を配設したことを特徴とする請求項２又は３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
5. 前記画像表示ユニットから出射される画像光の向きが漸次顔面に近接するように、当該画像光の光軸を顔面側に傾けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
6. 前記画像表示ユニットを、前記支持フレームの左右側に設け、各画像表示ユニットに対応するミラー及び１／４波長板を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
7. 前記左右の画像表示ユニットを左右対称に配置して立体視撮像を行えるようにしたことを特徴とする請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイ。
8. 前記画像表示ユニットに対応する反射ミラーと１／４波長板とを一体構造としたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のヘッドマウントディスプレイ。

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