JP2013073188A - 虚像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用感を向上させることができる虚像表示装置を提供する。
【解決手段】虚像表示装置１は、画像光を出射する表示素子６と、前記表示素子６からの画像光を投射する投射レンズ７１と、前記投射レンズ７１からの画像光を所定位置に導く導光部３と、前記投射レンズ７１に対して前記表示素子６を回転可能に支持する回転機構９とを備えている。表示素子６には、当該表示素子６による表示を制御する表示制御手段が設けられてもよい。
【選択図】図４

Description

本発明は、観察者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置に関する。

従来、眼鏡のような外観を有し、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示素子にて形成された画像を光学系により虚像として観察者に観察させる虚像表示装置（画像表示装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の虚像表示装置は、表示素子（ＬＣＤ等）及び光学系（プリズム等）等を有するビューワ部と、ビューワ部を回転可能に支持するとともに内部に回路基板（表示制御手段）を内蔵したアーム部と、アーム部を支持するヘッドバンド部とを備える。この虚像表示装置では、アーム部に対してビューワ部を回転させることで、縦横いずれの表示形式でも画像を表示させることができる。

特開２００１−１５４６３７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の虚像表示装置では、表示素子と投射レンズとを一緒に回転させるため、これら回転部分の重量が大きくなり、装置全体の重量が増加してしまう。このため、観察者が虚像表示装置を装着すると、観察者に重量的な負担感を与えてしまい、観察者に不快感を与えてしまうという問題がある。

本発明の目的は、使用感を向上させることができる虚像表示装置を提供することにある。

本発明の虚像表示装置は、画像光を出射する表示素子と、前記表示素子からの画像光を投射する投射レンズと、前記投射レンズからの画像光を所定位置に導く導光部と、前記投射レンズに対して前記表示素子を回転可能に支持する回転機構とを備えていることを特徴とする。

本発明では、虚像表示装置は、投射レンズに対して表示素子が回転可能に構成されている。
このことにより、投射レンズや導光部を回転させる必要がないので、回転部分の重量を低減することができる。このため、観察者の負担感を低減することができるので、観察者の使用感を向上させることができる。

本発明の虚像表示装置において、前記表示素子には、当該表示素子による表示を制御する表示制御手段が設けられていることが好ましい。
ところで、表示制御手段には、表示素子との間の信号線や画像信号を入力するための信号線が接続されている。ここで、表示制御手段による表示素子の駆動が複雑であることから、表示制御手段と表示素子との間の信号線の本数は、画像信号入力用の信号線の本数よりも多いのが一般的である。このため、前記従来技術のように、表示制御手段を回転させずに表示素子を回転させる場合は、表示制御手段と表示素子との間の多くの信号線を回転させることになり、信号線への負担が大きくなってしてしまう。
これに対し、本発明では、表示制御手段を表示素子に設けたので、表示制御手段は、表示素子とともに回転することになる。このため、表示制御手段と表示素子との間の信号線を回転させる必要がなく、信号線にかかる負担を軽減することができる。

本発明の虚像表示装置は、前記導光部から延設されたテンプルを備え、前記回転機構は、前記表示素子を回転操作するための操作部材を備え、前記操作部材は、前記テンプルに設けられていることが好ましい。
ところで、操作部材が導光部側に設けられた場合、観察者が虚像表示装置を装着した状態で操作部材を操作すると、操作部材の操作力が観察者の頭部前方に作用してしまい、操作時に虚像表示装置が位置ずれを起こしやすくなってしまう。
これに対し、本発明では、操作部材の操作力は、テンプルを介して観察者の側頭部で受けることができるため、操作時の虚像表示装置の位置ずれを防止することができ、観察者の使用感をさらに向上させることができる。

本発明の虚像表示装置において、前記操作部材は、前記表示素子とともに回転可能に設けられていることが好ましい。
本発明では、操作部材は、表示素子とともに回転可能に設けられているので、操作部材を回転させるだけで、表示素子を回転させることができ、表示素子を手動で回転させることができる。このため、表示素子を駆動させるための駆動機構を設ける必要がなく、虚像表示装置を簡易に構成することができるので、虚像表示装置を小型化でき、かつ安価で製造することができる。

本発明の虚像表示装置は、前記回転機構による前記表示素子の回転角度を検出する回転角度検出手段を備え、前記表示制御手段は、前記回転角度検出手段により検出された前記表示素子の回転角度に応じて、前記画像光による表示の縦横比を変更する縦横比変更部を備えていることが好ましい。
本発明では、表示制御手段が、表示素子の回転角度に応じて画像光による表示の縦横比を変更する縦横比変更部を備えているため、表示素子が縦向きおよび横向きのいずれの回転位置にあるかにかかわらず、表示素子の向きに合わせた縦横比で画像を表示させることができる。

本発明の虚像表示装置において、前記回転機構は、前記表示素子を縦向きおよび横向きの各回転位置で固定可能に構成されていることが好ましい。
本発明では、回転機構が、表示素子を縦向きおよび横向きの各回転位置で固定可能に構成されているため、表示素子が横向きおよび縦向きの回転位置から不必要に回転してしまうことを防止できる。このため、外部からの衝撃等により、画像の表示向きが変化してしまうことを防ぐことができる。

本発明の虚像表示装置において、前記回転機構は、前記表示素子をその中心が前記投射レンズの光軸の延長線上に位置するように支持し、かつ前記表示素子を前記延長線まわりに回転可能に支持することが好ましい。
本発明では、回転機構は、表示素子の中心と表示素子の回転中心とが投射レンズの光軸の延長線上に位置するように表示素子を支持するので、回転機構により表示素子が導光部に対して回転した場合でも、表示素子からの画像光を投射レンズで平行に投射することができる。このため、表示素子が回転した場合でも、良好な画像を得ることができる。

本実施形態における虚像表示装置の外観を示す斜視図。 虚像表示装置の構成を示すブロック図。 虚像表示装置の画像形成装置の構成を示す分解斜視図。 虚像表示装置の使用状態を示す図。

以下、本発明の実施の一形態を図面に基づいて説明する。
〔１．虚像表示装置の構成〕
図１は、虚像表示装置１の外観を示す斜視図である。
なお、図１では、説明の便宜上、後述する投射レンズ７１の光軸Ａｘ（図３および図４）に平行となる軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する水平軸をＸ軸、Ｚ軸に直交する鉛直軸をＹ軸とする。以降の図も同様である。さらに、Ｚ軸において、観察者側を＋Ｚ軸側、観察者から離間する側を−Ｚ軸側とする。

虚像表示装置１は、図１に示すように、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、当該虚像表示装置１を装着した観察者に対して虚像による画像光を認識させる。また、本実施形態の虚像表示装置１は、外界像をシースルーで観察させることができるシースルー型の虚像表示装置で構成されている。
この虚像表示装置１は、回転角度検出手段１１（図２）と、画像形成装置２と、導光部としての導光板３と、導光板３を保持するリム４と、テンプル５とを備える。

なお、画像形成装置２、導光板３、及びテンプル５は、図１に示すように、虚像表示装置１を装着する観察者の左目及び右目にそれぞれ対応して一対設けられ、ＹＺ平面を基準として対称（左右対称）となるように配設されている。
一対の画像形成装置２、一対の導光板３、及び一対のテンプル５については、左右で同一の構成を有しているため、以下では、観察者の左目に対応する側のみを説明する。

〔２．画像形成装置の構成〕
図２は、画像形成装置２を含む虚像表示装置１の構成を示すブロック図である。
図３は、画像形成装置２の構成を示す分解斜視図である。
図４は、虚像表示装置１の使用状態を示す図である。
画像形成装置２は、画像光を形成して投射する装置であり、図２から図４に示すように、表示素子６と、投射光学装置７と、表示制御手段としての回路基板８と、回転機構９と、筐体１０とを備える。
表示素子６は、入射した光を変調して画像光を形成する透過型の液晶表示デバイス６１と、液晶表示デバイス６１の光入射側に取り付けられ、液晶表示デバイス６１に対して光を出射するＬＥＤ（Light Emitting Diode）等のバックライト６２とを備える。
投射光学装置７は、表示素子６から出射された画像光を平行光として投射する投射レンズ７１と、投射レンズ７１を内部に収納する鏡筒７２とを備える。この投射光学装置７は、リム４に固定されており、投射レンズ７１は、鏡筒７２およびリム４を介して導光板３に固定されている。これにより、投射レンズ７１は、導光板３（図１および図４）に対して位置ずれしないように構成されている。

回路基板８は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＩＣ(Integrated Circuit)チップ等の半導体装置が実装されて構成され、表示素子６による表示を制御する。この回路基板８は、入力した画像信号に基づいて、液晶表示デバイス６１を駆動し、画像信号に基づく画像光を液晶表示デバイス６１に形成させる。回路基板８には、後述する回転機構９による表示素子６の回転角度を検出する回転角度検出手段１１（図２）が接続されている。このような回転角度検出手段１１としては、電磁気、抵抗変化、光等を用いて角度検出するものを採用することができる。

ところで、入力した画像信号により規定される画像は、縦表示画像の場合と横表示画像の場合とがある。このため、例えば、画像信号により規定される画像が横表示画像である場合、画像を縦長に表示させようとして、表示素子６を回転させて縦向きにしただけでは、画像が回転するだけで縦長には表示されない。これに関し、表示素子６の縦横の向きがかわっても、画像が水平に表示されるよう画像表示を制御することが考えられるが、この場合でも画像の縦横比はかわらないため、画像を縦長に表示させることができない。

これに対し、回路基板８は、図２に示すように、画像判定部８１と、縦横比変更部８２とを備えている。
画像判定部８１は、入力した画像信号に基づいて、当該画像信号により規定される画像が縦表示および横表示のいずれの画像であるかを判定する。例えば、画像判定部８１は、入力した画像信号に縦表示画像である旨の信号が含まれている場合は縦表示画像であると判定し、そうでない場合は横表示画像であると判定する。

縦横比変更部８２は、回転角度検出手段１１により検出された表示素子６の回転角度に応じて、画像光により表示される画像の縦横比を変更する。また、縦横比変更部８２は、表示素子６の縦横の向きがかわった場合でも、例えば、画像が９０°回転したりしないよう、画像を水平に表示させる。つまり、縦横比変更部８２は、画像判定部８１により判定された画像の縦横の向きと、表示素子６の縦横の向きとが異なる場合、画像の縦横比を変更した上で、画像を水平に表示させる。

このような構成により、回路基板８は、表示素子６が縦向きおよび横向きのいずれの状態にあるかに関わらず、表示素子６の回転状態に合わせた縦横比で画像が表示されるような画像光を液晶表示デバイス６１に形成させる。そして、回路基板８は、表示素子６に取り付けられる。

また、回路基板８には、図示を省略するが、回路基板８と液晶表示デバイス６１とを接続する配線、回路基板８とバックライト６２とを接続する配線、および画像信号を入力するための図示しない信号線等が接続されている。ここで、回路基板８による表示素子６の駆動が複雑であることから、回路基板８と表示素子６との間には、より多くの駆動信号を送信する必要がある。このため、回路基板８と表示素子６との間の配線の本数（本実施形態では４１本）は、画像信号入力用の信号線の本数（本実施形態では２０本）よりも多くなっている。

回転機構９は、投射レンズ７１に対して表示素子６を回転可能に支持する。この回転機構９は、筐体１０に回転可能に支持されて表示素子６を保持する保持部９１と、保持部９１とともに回転可能に設けられた操作部材としての操作ダイアル９２とを備えている。保持部９１と操作ダイアル９２とは、互いに回転軸９３で接続されており、この回転軸９３が筐体１０に回転可能に支持されている。これにより、操作ダイアル９２は、テンプル５の延設方向と直交する面内で表示素子６とともに回転可能にとなっている。
そして、回転機構９では、操作ダイアル９２を手動で回転させることにより、保持部９１で支持された表示素子６を回転させることができる。

ここで、回転機構９では、表示素子６の中心位置と回転軸９３の軸心とが一致し、かつ表示素子６および回転軸９３が投射レンズ７１の光軸Ａｘの延長線上に位置している。すなわち、回転機構９は、表示素子６をその中心が投射レンズ７１の光軸Ａｘの延長線上に位置するように支持し、かつ表示素子６を当該延長線まわりに回転可能に支持している。このため、回転機構９により表示素子６が導光板３に対して回転した場合でも、表示素子６からの画像光を投射レンズ７１で平行光として投射することができる。
さらに、回転機構９は、表示素子６を縦向きおよび横向きの各回転位置で固定可能に構成されている。すなわち、回転機構９は、表示素子６を横向きの回転位置と、当該横向きの回転位置を基準として左右９０°回転させた縦向きの回転位置とで固定することができる。

筐体１０は、表示素子６と、回路基板８と、回転機構９の保持部９１とを収容する。この筐体１０は、有底筒状に形成され、開口部側が投射光学装置７の鏡筒７２に固定されている。

〔３．導光板の構成〕
導光板３は、光透過性を有する樹脂材料等から構成され、画像形成装置２から投射された画像光を内部に取り込んだ後、外部の所定位置（観察者の左目または右目）に導く。この導光板３は、図４に示すように、Ｙ軸に沿う方向から見た場合に略等脚台形状に形成されている。そして、導光板３には、光入射面３１と、第１反射面３２と、第１全反射面３３と、第２全反射面３４と、第２反射面３５と、光出射面３６とが形成されている。

第１反射面３２は、光入射面３１に対向し、ＸＹ平面に対して傾斜する平坦状の斜面にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、光入射面３１を介して導光板３内部に取り込まれた画像光を第１全反射面３３に向けて反射させる。

第１全反射面３３は、光入射面３１を延長させた（ＸＹ平面に平行となる（光軸Ａｘに直交する））平面で構成され、＋Ｚ軸側に位置する。
第２全反射面３４は、第１全反射面３３に平行となる平坦状に形成され、−Ｚ軸側に位置する。
そして、第１反射面３２にて反射された画像光は、第１，第２全反射面３３，３４での全反射により、光入射面３１および第１反射面３２から離間する方向（他方の導光板３に近接する側）に導かれる。

なお、第１，第２全反射面３３，３４としては、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により画像光を全反射させて導くものに限らず、第１，第２全反射面３３，３４の全体または一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、第１，第２全反射面３３，３４の全体または一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射させる場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって第１，第２全反射面３３，３４の全体または一部がコートされていてもよい。

第２反射面３５は、光出射面３６に対向し、ＸＹ平面に対して傾斜する平坦状に形成され、第１，第２全反射面３３，３４にて導かれた画像光を反射により光出射面３６から外部の所定位置（観察者の左目または右目）に導く。この第２反射面３５は、ハーフミラー等で構成され、画像光を反射するとともに、外界像も透過可能に構成されている。
なお、第１，第２全反射面３３，３４にて導かれた画像光を外部の所定位置に導く機能を有していれば、ハーフミラー等の第２反射面３５に限らず、偏光ビームスプリッターや、ホログラム回折格子等を採用しても構わない。

〔４．テンプルの構成〕
テンプル５は、図４に示すように、内部が中空となっており、当該中空部分に画像形成装置２が収容されている。このテンプル５において、操作ダイアル９２が配置される箇所には、テンプル５の延設方向と直交する方向に長い開口５１（図１）が設けられ、この開口５１から操作ダイアル９２が外部に突出している。本実施形態では、導光板３側からテンプル５の先端側に向けて、投射光学装置７、回路基板８が設けられた表示素子６、及び回転機構９が、テンプル５内に順に並んで配置されている。
そして、テンプル５は、虚像表示装置１が観察者に装着された際に、観察者の耳に係止される。

上述した実施形態によれば、以下の効果がある。
本実施形態では、虚像表示装置１は、投射レンズ７１が導光板３に対して固定され、表示素子６が回転機構９により回転可能に構成されている。
このことにより、投射レンズ７１や導光板３を回転させる必要がないので、虚像表示装置１の回転部分の重量を低減することができる。このため、観察者の負担感を低減することができるので、観察者の使用感を向上させることができる。
また、投射レンズ７１が導光板３に対して相対的に固定されているため、投射レンズ７１と導光板３とが互いに位置ずれを起こすことがなく、良好な画像が得られる。

本実施形態では、回路基板８と表示素子６との間の信号線の本数は、画像信号入力用の信号線の本数より多くなっているが、回路基板８は、回路基板８に設けられた表示素子６とともに回転することになるため、回路基板８と表示素子６との間の信号線を回転させる必要がない。このため、信号線にかかる負担を軽減することができる。

本実施形態では、操作ダイアル９２の操作力は、テンプル５を介して観察者の側頭部で受けることができるため、操作時の虚像表示装置１の位置ずれを防止することができ、観察者の使用感をさらに向上させることができる。

また、操作ダイアル９２は、表示素子６とともに回転可能に設けられているので、操作ダイアル９２を回転させるだけで、表示素子６を回転させることができ、表示素子６を手動で回転させることができる。このため、表示素子６を駆動させるための駆動機構を設ける必要がなく、虚像表示装置１を簡易に構成することができるので、虚像表示装置１を小型化でき、かつ安価で製造することができる。

本実施形態では、表示素子６は、テンプル５に設けられている。すなわち、観察者が虚像表示装置１を装着した場合、表示素子６は、観察者の側頭部に位置することになる。
このことにより、虚像表示装置１の重心が後ろ側に移動し、観察者の頭部側に位置することになるため、観察者の首への負担感を軽減することができる。
また、操作ダイアル９２は、テンプル５の延設方向と直交する面内で回転可能に設けられている。このため、操作ダイアル９２の操作力は、虚像表示装置１を装着した状態で上下方向に作用するので、虚像表示装置１の水平方向の位置ずれを確実に防止することができ、使用感を一層向上させることができる。

本実施形態では、回路基板８が、画像光による表示の縦横比を変更する縦横比変更部８２を備えているため、表示素子６が縦向きおよび横向きのいずれの回転位置にあるかにかかわらず、表示素子６の向きに合わせた縦横比で画像を表示させることができる。

本実施形態では、回転機構９が、表示素子６を縦向きおよび横向きの各回転位置で固定可能に構成されているため、表示素子６が横向きおよび縦向きの回転位置から不必要に回転してしまうことを防止できる。このため、外部からの衝撃等により、画像の表示向きが変化してしまうことを防ぐことができる。

本実施形態では、回転機構９は、表示素子６の中心と表示素子６の回転中心とが投射レンズ７１の光軸Ａｘの延長線上に位置するように表示素子６を支持するので、回転機構９により表示素子６が導光板３に対して回転した場合でも、表示素子６からの画像光を投射レンズ７１で平行に投射することができる。このため、表示素子６が回転した場合でも、良好な画像を得ることができる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記実施形態では、虚像表示装置１は、画像形成装置２及び導光板３が観察者の両目に対応させてそれぞれ一対設けられていたが、これに限らず、一対の画像形成装置２のうち一方の画像形成装置２を省略し、画像を片眼視する構成としても構わない。
前記実施形態では、虚像表示装置１は、透過型の液晶表示デバイス６１を備えた表示素子６を採用していたが、これに限らず、その他の構成、例えば、反射型の液晶表示デバイスや、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を備えた表示素子を採用しても構わない。また、有機ＥＬデバイス等の自己発光型の表示素子を採用してもよい。

前記実施形態では、虚像表示装置１は、表示素子６から出射された画像光を導光板３を介して観察者に認識させる虚像表示型であったが、これに限らず、表示素子６から出射された画像光を観察者に直接認識させる直接表示型としてもよい。また、導光部としては、導光板３に限らず、ミラー等の他の構成を採用してもよい。

前記実施形態では、回転機構９は、表示素子６を手動により回転可能に構成されていたが、これに限らず、表示素子６を自動回転可能に回転機構９を構成してもよい。例えば、回転機構９に保持部９１を回転駆動するモーターを設けるとともに、テンプル５にボタンスイッチ等の操作部材を設け、当該操作部材が操作されたときにモーターにより保持部９１を回転させることで、表示素子６を自動回転させるように構成してもよい。このことにより、操作部材を操作するだけで、自動的に表示素子６を回転させることができるので、観察者の操作負担を軽減することができ、使用感をさらに向上させることができる。

前記実施形態では、回路基板８は、表示素子６の表示を制御する表示制御手段として表示素子６に取り付けられていたが、これに限らず、表示素子６が内部に表示制御手段を備えた構成としてもよい。

本発明は、ヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置に利用できる。

１・・・虚像表示装置、３・・・導光部（導光板）、５・・・テンプル、６・・・表示素子、８・・・回路基板（表示制御手段）、１１・・・回転角度検出手段、７１・・・投射レンズ、８２・・・縦横比変更部、９・・・回転機構、９２・・・操作ダイアル（操作部材）。

Claims (7)

1. 画像光を出射する表示素子と、
   前記表示素子からの画像光を投射する投射レンズと、
   前記投射レンズからの画像光を所定位置に導く導光部と、
   前記投射レンズに対して前記表示素子を回転可能に支持する回転機構とを備えている
   ことを特徴とする虚像表示装置。
2. 請求項１に記載の虚像表示装置において、
   前記表示素子には、当該表示素子による表示を制御する表示制御手段が設けられている
   ことを特徴とする虚像表示装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の虚像表示装置において、
   前記導光部から延設されたテンプルを備え、
   前記回転機構は、前記表示素子を回転操作するための操作部材を備え、
   前記操作部材は、前記テンプルに設けられている
   ことを特徴とする虚像表示装置。
4. 請求項３に記載の虚像表示装置において、
   前記操作部材は、前記表示素子とともに回転可能に設けられている
   ことを特徴とする虚像表示装置。
5. 請求項２から請求項４のいずれかに記載の虚像表示装置において、
   前記回転機構による前記表示素子の回転角度を検出する回転角度検出手段を備え、
   前記表示制御手段は、前記回転角度検出手段により検出された前記表示素子の回転角度に応じて、前記画像光による表示の縦横比を変更する縦横比変更部を備えている
   ことを特徴とする虚像表示装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の虚像表示装置において、
   前記回転機構は、前記表示素子を縦向きおよび横向きの各回転位置で固定可能に構成されている
   ことを特徴とする虚像表示装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の虚像表示装置において、
   前記回転機構は、前記表示素子をその中心が前記投射レンズの光軸の延長線上に位置するように支持し、かつ前記表示素子を前記延長線まわりに回転可能に支持する
   ことを特徴とする虚像表示装置。

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