JP2015135447A - 映像投射装置、ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Abstract

【課題】ピコプロジェクターや、ヘッドマウントディスプレイなどモバイル用途の映像投射装置を高解像、小型・軽量、省電力に実現する。【解決手段】映像を生成する映像生成部と、該映像生成部で生成された映像を眼に投射する反射部と、該反射部と映像生成部を繋ぐ支持部とを備え、前記反射部の上下方向の厚みよりも前記指示部の上下方向の厚みを小さくする。【選択図】 図１

Description

本発明は、眼に映像を投射する映像投射装置と、それを用いたヘッドマウントディスプレイに関するものである。

投射光学系でシースルー機能を有するものとして、特許文献１などが提案されている。

特開２００６−３８７９号公報

次世代のウエアラブルデバイスとしてのヘッドマウントディスプレイは、視界の一部にインターネット上のネットワーク情報が常に得られる点で期待されている。

視界の一部に常に映像を表示するため、省電力であることと、映像以外の視界を広くすることが重要である。例えば特許文献１では、使用者の眼に向けて出射すると接眼窓保持部を有し、使用者の視軸方向への投影断面の幅を瞳径と同じ４ｍｍとし、また接眼窓保持部を構成する部材は１０ｍｍ以上の範囲において、視軸方向への投影断面の幅を同じく４ｍｍ以下とすることでシースルー機能を有する、また光軸を使用者の眼の方向に屈曲する全反射の光学素子を用い高効率で省電力に寄与する点が記載されている。

通常風景などを見ている場合は１０ｍより遠方を、歩行時は概ね２〜１０ｍ先を、会話している場合は１ｍ程度の距離を開けて相手を、雑誌などを読む場合は５０ｃｍ程度離して、などの例に示すように人は注視するフォーカス点を変えている。

眼は、遠方と近傍に同時にフォーカスすることはできない。つまり、ヘッドマウントディスプレイにおいては、人が遠方を見ているときは、映像も遠方にあり、逆に近傍を見ているときは映像も近傍にあることが望ましい。

さて特許文献１では、接眼窓部の瞳径と同じ投影断面にするとシースルー機能を有するとある。無限遠方を見ている場合、シースルー機能を有するが、５ｍより小さくなるとを見ている場合、物体の一部が遮断されてしまい、シースルー機能が失われる。

本発明の目的は、遠近両方でシースルー機能を有し、省電力と広い視界を実現すること、また遠近で映像と視界が共に視認できる映像投射装置、ヘッドマウントディスプレイを提供することである。

上記目的は、一例として、特許請求の範囲に記載の発明により達成することができる。

遠近両方で映像が視認でき、省電力と広い視界のヘッドマウントディスプレイを実現できる。

実施例１の映像投射装置１を示した概略図である。 シースルー機能を説明する図である。 シースルー機能説明する計算結果である。 映像の見え方を説明する図である。 解像度を説明する図である。 視野を説明する図である。 実施例２の映像投射装置３０１を示した概略図である。 実施例３の映像投射装置３５１を示した概略図である。 実施例４の映像投射装置４１を示した概略図である。 実施例５の映像投射装置５１を示した概略図である。 実施例６の映像投射装置６１を示した概略図である。 実施例６のゴースト防止機能を説明する概略図である。 実施例７の映像投射装置８１を示した概略図である。 実施例８の映像投射装置９１を示した概略図である。 実施例９の映像投射装置１０１を示した概略図である。 実施例１０の映像投射装置１１１を示した概略図である。 実施例１１の映像投射装置１２１を示した概略図である。 実施例１２のヘッドマウントディスプレイ１３１を示す説明図である。 実施例１２のヘッドマウントディスプレイ１３１のシステム構成を示した概略図である。

以下、図に示す実施例に基づいて本発明を実施するための形態を説明するが、これによりこの本発明が限定されるものではない。

本発明における実施例１について図を用い説明する。
ここでは映像投射装置１について説明する。
図１は映像投射装置１を示す概略図であり、図中（Ａ）は眼側から見た側面図であり、（Ｂ）は眼の上方から見た上面図である。（Ａ）の紙面上方は眼の上方に相当する方向である。
映像投射装置１は映像を生成する映像生成部２１１、映像を眼に導光する投射部２１３と、映像生成部２１１と投射部２１３を繋ぐ支持部２１２で構成されている。

映像生成部２１１には、映像を生成する映像生成素子７がある。ここで映像生成素子７は画素毎に赤、青、緑のカラーフィルタを持つ液晶素子を想定している。このようなカラーフィルタを持つ液晶素子は一般的なデバイスであるため、詳細は割愛する。

映像生成素子７には光源８が備えられている。ここで光源８は、映像生成素子７の映像を生成する領域よりも大きい発光面を持つ白色バックライトＬＥＤであることを想定している。このような白色バックライトＬＥＤも一般的なデバイスであるため、詳細は割愛する。

映像生成部２１１には、外部から埃や水滴などが入ることを防止する保護素子６がある。保護素子６は、光学的に透明な平板であり、効率のロスが減るように赤から青の領域（波長４３０ｎｍ〜６７０ｎｍの範囲）で反射防止膜を形成することが望ましい。また、その反射防止膜は、屋外での使用を想定して波長４３０ｎｍ以下の光は逆に反射するように工夫することで、ＵＶの光により映像生成部２１１の内部の劣化を抑圧することができる。

映像生成部２１１は、光源８で発した光が映像生成素子７を通過することで、映像が生成され、その映像は、保護素子６を出射面として出射する。

また、映像生成部２１１には、撮像素子９が配備されており、外部を映像として撮像することもできる。ここで撮像素子９は、小型のカメラを想定している。

撮像素子９で撮像した映像を、例えば顔認識処理などにより人を特定して、その人の情報を生成する映像に関連付けさせることなどに活用させることができる。

映像生成部２１１で生成された映像は空気を介して投射部２１３に伝搬される。投射部２１３は、レンズ部３と全反射面４がある。レンズ部３は、映像生成部２１１で生成された映像が入射する入射部に相当する。矢印１０は眼が見ている方向を図示したものである。

レンズ部３はいわゆる焦点距離Ｆのレンズであり、映像生成素子７とレンズ部３の距離を焦点距離Ｆよりも近くすることで、眼に投射した映像が虚像化することができる。眼と虚像の位置Ｌｉは、レンズ部３の焦点距離Ｆと映像生成素子７とレンズ部３の光学的な距離Ａから数１に示す一般的なレンズの式で概算できる。なお、眼と虚像の距離は、虚像であるため、符号が負になる。

（数１）１／Ｆ＝１／Ａ＋１／Ｌｉ

全反射面４は通常ミラーを想定しており、レンズ部３を進行する映像の進行方向を曲げて眼へ投射させる機能を有する。

投射部２１３には上壁２９５と側面壁２９６を設けて、そこにレンズ部３と全反射部４を固定する。またレンズ部３、全反射部４、保護素子６は、埃、水滴、手油が付着し定着しないようにハードコートを施すことが望ましい。

支持部２１２は、映像生成部２１１と投射部２１３を繋ぐ機構であり、投射部２１３と映像生成部２１１の間の映像が伝搬する領域を回避して支持機構２と支持機構５から構成させる。

支持機構２は側面を支持する機構であり、支持機構５は投射部２１３の入射部と映像生成部２１１の出射部の上側を繋ぐ機構である。
支持機構２は、眼から見たとき、投射部２１３よりも幅Ｈｓが狭くなっている。これは後述するシースルー機能を改善するためである。支持部２１２は、眼で見る方向の距離ＬｓをＨｓより大きく設定すると良い。ただ単純に幅Hsを狭くすることなく、ＬｓをＨｓより大きくすることで例えば樹脂の成型品で必要な強度を確保することができる。
デザインの観点でLsも小さくしたい場合には、例えば金属を用いるか、金属をインサートする樹脂成型などを用いると良い。
支持機構５は支持機構２と繋がっていて強度を増強することに寄与する。
外光が映像生成素子７に入光すると、映像生成素子７で反射して不要光として眼に映りこむ。このため、支持機構２と支持機構５とで、外光が映像生成素子７に入射して眼に不要光として映らないように遮光する機能を持たせる。支持部２１２は、ただ投射部２１３と映像生成部２１１を繋ぐだけでなく、遮光の機能を持たせることで、使用者が見ている映像を他人に見られないように秘匿性も確保する利点も有する。

次に図２を用いてシースルー機能について説明する。

図２は、眼の瞳２０３から距離Ｌｄ離して投射部２１３を配置した場合の距離Ｌｏｂｊにある物体２０１がどのように見えるかを図示したものである。（Ａ）は瞳２０１の幅Ｈｐと投射部２１３の幅Ｈｄが等しい場合、（Ｂ）は瞳２０３の幅Ｈｐよりも投射部２１３の幅Ｈｄが小さい場合である。

物体を光源とした光線が眼に入射した場合、人は眼で物体を認識できる。

幅Ｈｐと幅Ｈｄが等しい場合、図１（Ａ）に示すように物体から進行する光線は投射部２１３で完全に遮られるため（図中斜線領域２０４）、物体を認識できない。このため、物体２０１の位置をずらすか、投射部２１３をずらさないといけない。

これに対して、幅Ｈｐよりも投射部２１３の幅Ｈｄが小さい場合、図１（Ｂ）に示すように物体から進行する光線は投射部２１３で一部遮られる（図中斜線領域２０６）ものの、一部の光線（図中２０７で示す）は瞳２０６に入射する。このため、人は物体を認識することができる。つまり幅Ｈｐと物体２０１が成す角度θｐよりも幅Ｈｄと物体２０１が成す角度θｄが小さくなれば良い。これは単純な相似の関係から数２に整理することができる。

（数２）Ｈｐ／Ｌｏｂｊ＞Ｈｄ／（Ｌｏｂｊ−Ｌｄ）

図３は瞳の幅Ｈｐを一般的な大きさである４ｍｍ、投射部２１３の瞳からの距離Ｌｄは、３０ｍｍとして固定した場合、投射部２１３の幅Ｈｄを変えたときに、物体２０１からでた光線が投射部２１３で遮られることなく瞳に届く光線の通過領域比率を計算したグラフである。横軸が幅Ｈｄで、縦軸が瞳に届く光線の比率であり、光線の比率は、物体２０１を点として、投射部２１３が無い場合に瞳に届く光線を基準としたときに遮蔽されず届いた光線を通過領域比率として示したものである。グラフ中計算結果である線２６１は瞳から物体の距離Ｌｏｂｊが５０ｃｍ、線２６２が１００ｃｍ、線２６３が３００ｃｍを想定したものである。

人は３０ｍｍ程度より近くにある瞳と大きさが同程度の小物体は正確に認識できなくなる。また、眼鏡をかける場合、眼鏡は眼から通常１０〜１５ｍｍの範囲に置かれる。このため、投射部２１３と瞳の距離Ｌｄは、眼鏡をかけた人でも配置できるように１５ｍｍから３０ｍｍ以下の範囲に配置することが望ましい。そこで、一例として最もシースルー機能が厳しくなる条件である距離Ｌｄを３０ｍｍとした。

計算結果から分かるように、瞳から物体の距離Ｌｏｂｊが５０ｃｍの時、線２６２は、Ｈｄが３．７ｍｍを超えると零になる。

瞳から物体の距離Ｌｏｂｊが１００ｃｍの時、線２６３は、Ｈｄが３．８ｍｍを超えると零になる。

瞳から物体の距離Ｌｏｂｊが３００ｃｍの時、線２６４は、Ｈｄが３．９ｍｍを超えると零になる。

グラフから物体が近くにあると、通過領域比率が小さくなる。近くの物体を見える状態にするには、光線が瞳に入射するように前述した式１を満足させる必要があるといえる。

ここで、Ｌｄ＝３０ｍｍ、Ｈｐ＝４ｍｍ、Ｌｏｂｊを５０ｃｍとしたとき、投射部２１３の幅Ｈｄ＜３．７６が必要な条件となるので、投射部２１３の幅Ｈｄは３．７ｍｍより小さくすることが望ましい。

なお、瞳径Ｈｐと投射部２１３の幅Ｈｄを等しく設定すると、式１を満足しなくなるため、３００ｃｍの距離の物体が見えなくなってしまう。

もちろん支持部２１２の幅Ｈｓも同じ関係がある。このため、幅ＨｓはＨｄより小さくすることが望ましく、映像投射装置１では、前述のように映像を空気伝送することにより支持部ＨｓをＨｄより小さくすることが可能となり、例えばＨｓを１．８ｍｍ程度とすると、距離Ｌｏｂｊ５０ｃｍであっても通過領域比率５０％となり、良好なシースルー機能が得られるといえる。

図４は、投射部２１２から眼に投射され虚像として映し出される映像のサイズと、位置の関係を示した概略図である。

眼３１に投射された映像は、距離に応じてサイズが大きくなる。例えば、図に示したように距離Ｌｉ（ｎｅａｒ）の映像３３のサイズと、遠くの距離Ｌｉ（ｆａｒ）の映像３２のサイズは距離Ｌｉの比例の関係にある。

つまり距離が遠くなるにつれ、その１画素のサイズも大きくなるといえる。

図５は、その１画素のサイズと１画素のスポットサイズの関係を計算した結果である。横軸が映像までの距離Ｌｉで縦軸がスポットサイズを示している。破線２５１は１画素のサイズを解像するために許容できるスポットサイズ（１．５画素）を示したもので、線２５３は距離Ｌｉが０．６５ｍのとき、線２５２は２．５ｍのときにスポットサイズが最小になるように各々レンズ部３の焦点位置を設定したものである。ここでは、一例として５０ｃｍ先の画面サイズが４インチで解像度ＱＶＧＡ（３６０×２４０）とした場合を計算している。

光線は、所定の焦点位置でスポットサイズが最小になり、その前後でスポットサイズは大きくなるものである。線２５２のように焦点までの距離Ｌｉが小さい場合、スポットサイズは、焦点を境に急峻に大きくなる。逆に線２５２のように焦点までの距離Ｌｉが線２５２より大きくなると、焦点を境に変化するスポットサイズの傾きは小さくなる。破線２５１よりスポットサイズが小さいと、光学的な解像度が得られるため、５０ｃｍから１ｍの極めて近い距離で物体を見ながら映像も見て作業をすることを想定した場合、線２５３で示したように焦点位置を近づける必要ある。また、１ｍ以上の距離で物体を見ながら映像も見て作業をすることを想定した場合、線２５２で示したように焦点位置を遠ざける必要がある。

もちろん１ｍ以上の距離である場合に焦点位置を遠ざけずに解像度を落として遠くでも映像が見えるようにしても良い。この場合、ヘッドマウントディスプレイとして、装着者と物体の距離を検知し、解像度を落とした映像に変える機能を持たせるとよい。

図６は、眼から見た映像投射装置１の射影を図示した概略図である。十字の実線の交点が眼の中心２６０としている。

眼の中心２６０の中心に投射部２１３を配置すると、支持部２１２、映像生成部２１１が図のように射影されることになる。支持部２１２の幅Ｈｓや投射部２１３の幅Ｈｄは前述したように数２に示した関係を満足するように設定する。これに対して、映像生成部２１１は、映像生成素子７や光源８、メカ機構を搭載することを考慮すると、数２を満足させることは極めて困難である。極端な例にはなるが、５０ｃｍ離れた位置で３０インチ（アスペクト１６：９）のモニタを見ることを想定した場合、必要な視界の角度は、±３５度になる。

この角度より大きくなると、通常人は顔を傾けて物体を注視するものと考える。この角度を基準に考えると、眼から距離Ｌｄ＝３０ｍｍとしたとき、目の中心から２１ｍｍ程度（図中破線円２４で示す領域）までは、顔を傾けないで物体を確認することが望ましいと考える。

このため、図６で示すように映像投射装置１では、幅Ｈｂが大きくなる映像生成部２１１を眼の中心から２１ｍｍの範囲の外（図中破線円２４で示す領域の外）に配置している。空気で映像を伝送すると、屈折率のある透明材質を使うより光学的な距離が伸びる。上述したように映像を空気で伝送する映像投射装置１では、映像生成部２１１を眼から遠ざけられる大きな効果が得られるような工夫がなされている。

以上説明したように、実施例１の映像投射装置１では、５０ｃｍ程度の極めて近い距離の物体を見ながら、映像を見て作業をすることが可能となる。

本発明における実施例２について図７を用い説明する。
ここでは映像投射装置３０１について説明する。
図７は映像投射装置３０１を示す概略図であり、図１同様、図中（Ａ）は眼側から見た側面図であり、（Ｂ）は眼の上方から見た上面図である。（Ａ）の紙面上方は眼の上方に相当する方向である。
映像投射装置３０１は、実施例１の映像投射装置１にフォーカス機構を加えた点が異なっている。映像投射装置１と同じ部品には、同じ符号を付与してある。ここでは、映像投射装置１と異なるフォーカス機構がある支持部３０２、映像生成部３０８について説明する。

フォーカス機構は、レンズ部３と映像生成素子７の距離Ａを変えると、数１にしたがって虚像の距離Ｌｉが変わることを利用する。

このため、映像生成部３０８と支持部３０２を繋ぐ箇所には、機構３０７を備えており、矢印３０３の方向に動かすことで、距離Ａを物理的に変えることができる。

機構３０７は支柱３０５、３０６が支持部３０２に固定されており、支柱３０５、３０６は、映像生成部３０８の機構部３０９に勘合される。ここで、支柱３０５、３０６は矢印３０３の方向に可動できる。映像生成部３０８には、ストッパー３０４を配備させ、支持部３０２には、そのストッパー勘合部３１０があり、所定の間隔でしか可動できないようになっている。

これは、図５で示したように、５０ｃｍから１ｍまで解像できる範囲と、１ｍ以上で解像できる範囲の２個を持たせている。このような２個のフォーカス点を持たせると、５０ｃｍの極めて近い距離から５ｍを超える遠くの距離まで、映像と、物体を認識させることができるようになる。

なお、本実施例では、距離Ａを変えるために、レンズ部３を動く機構で説明したが、もちろん映像生成素子７を動かす機構であってもなんら構わない。

本発明における実施例３について図８を用い説明する。
ここでは映像投射装置３５１について説明する。
図８は映像投射装置３５１を示す概略図であり、図１同様、図中（Ａ）は眼側から見た側面図であり、（Ｂ）は眼の上方から見た上面図である。（Ａ）の紙面上方は眼の上方に相当する方向である。
映像投射装置３５１は、実施例１の映像投射装置１にフォーカス機能を加えた点が異なっている。映像投射装置１と同じ部品には、同じ符号を付与してある。映像投射装置３５１は、保護素子６の代わりに液晶レンズ素子３５２を配置したものである。ここでは、映像投射装置１と異なるフォーカス機能がある液晶レンズ素子３５２について説明する。

液晶レンズ素子３５２は、液晶層３５３とフレネルレンズ層３５４がある。フレネルレンズ層３５４は、フレネルレンズが配備されている。また、液晶層３５３は、フレネルレンズの形状のある面と、それと隣り合う面の間であり、液晶が封入されている。液晶層３５３の電源がＯＦＦのとき、液晶層３５３と、フレネルレンズ層３５４は等しい屈折率であるため、光線には平板と同じ機能になる。電源がＯＮのとき、液晶層３５３の屈折率がフレネルレンズ層３５４と異なるため、光線にはフレネルレンズの影響を受ける。このように電源のＯＮ／ＯＦＦにより、レンズ機能の有無を付与するものである。

フォーカス機能を持たせるため、レンズ部３の焦点距離を変えるという選択性もある。そこで、上記した液晶レンズ素子３５２は電源ＯＮの時、レンズ部３とフレネルレンズとの組み合わせレンズとなることで、焦点距離を変えられる機能を有するものである。

これも、図５で示したように、５０ｃｍから１ｍまで解像できる範囲と、１ｍ以上で解像できる範囲の２個を持たせている。このような２個のフォーカス点を持たせると、５０ｃｍの極めて近い距離から５ｍを超える遠くの距離まで、映像と、物体を認識させることができるようになる。

本発明における実施例４について図９を用い説明する。
ここでは映像投射装置４１について説明する。
図９は映像投射装置４１を示す概略図であり、図１同様、図中（Ａ）は眼側から見た側面図であり、（Ｂ）は眼の上方から見た上面図である。（Ａ）の紙面上方は眼の上方に相当する方向である。
映像投射装置４１は、実施例１の映像投射装置１と異なる支持部５０１の構成となっている。

支持部５０１は、支持機構５０２、５０３を持っている。これまで説明した映像投射装置では、右目か左目の片方にしか対応できなかったが、図９のように、支持機構５０２に加え支持機構５０３を設けることで、概ね右／左関係なく上下対照にすることができる。

支持機構５０２と支持機構５０３の幅の加算値が、支持部２１２の幅Ｈｓ同等以下にすることで、映投射装置４１は、映像投射装置１と同等のシースルー機能を有することができる。

本発明における実施例５について図１０を用い説明する。
ここでは映像投射装置５１について説明する。
図１０は映像投射装置５１を示す概略図であり、図１同様、図中（Ａ）は眼側から見た側面図であり、（Ｂ）は眼の上方から見た上面図である。（Ａ）の紙面上方は眼の上方に相当する方向である。
映像投射装置５１は、実施例１の映像投射装置１と投射部５３が異なる構成となっている。

投射部５３は、自由反射部５２を有している。自由反射部５２は、実施例１の映像投射装置１のレンズ部３と全反射部４の両方の機能を１個の部品を持たせたものであり、レンズとしての機能と反射して眼に光線を進行させる２個の機能を持っている。

実施例１の映像投射装置１の構成で、眼に出射する光線の波面を光線追跡した結果と波面が略一致するように自由反射部５２の形状を決定すると良い。

また、このような形状は、安価な樹脂成型品で、光線が当たる面をアルミなどの金属コートを施すことで実現できる。

このように２個の部品を１個にすることで、製造性、コストメリットの効果が得られる。

また、自由反射部５２は、別部品とせず、機構部品の一部として成型し、表面だけを金属コートするように設計することで、より高い製造製と、コストメリットの効果が得られる。

本発明における実施例６について図１１を用い説明する。
ここでは映像投射装置６１について説明する。
図１１は映像投射装置６１を示す概略図であり、図１同様、図中（Ａ）は眼側から見た側面図であり、（Ｂ）は眼の上方から見た上面図である。（Ａ）の紙面上方は眼の上方に相当する方向である。
映像投射装置６１は、実施例５の映像投射装置５１の変形例である。

投射部６３は、プリズムレンズ部６２を有している。プリズムレンズ部６２は、自由反射部５２と同様に映像投射装置１のレンズ部３と全反射部４の両方の機能を１個の部品を持たせたものであり、レンズとしての機能と反射して眼に光線を進行させる２個の機能を持っている。

プリズムレンズ部６２は、全反射面６３とレンズ面６４を持っている。全反射面６３とレンズ面６４の間は、屈折率のある材質である。例えば、樹脂成型し、全反射面６３を金属コートすることで実現できる。

図のように眼へ出射面６６を平面としたとき、そこで表面反射した光線が、映像生成素子７へ戻って、再度眼へ進行する迷光の光路が発生する。このため、迷光除去素子６５を保護素子６の代わりに搭載している。迷光除去素子６５は、保護素子に１／４波長板機能を追加したもので、保護素子６に安価なフィルムの１／４波長板を貼り付けることで簡単に実現できる。

映像生成素子７は前述したように液晶素子を想定しており、一般的な液晶素子には偏光フィルムが具備されている。１／４波長板を使用することで、映像生成素子７から進行してくる偏光と映像生成素子７に戻ってくる偏光を直交させることができるので、映像生成素子７に具備されている偏光フィルムで名工を除去できるものである。

また、プリズムレンズ部６２のような構成にした場合、プリズムレンズ部６２の上面や下面で反射して、迷光となる。これを防止するために、図１２に示すように、プリズムレンズ部６２の出射面６６またはレンズ面６４の周辺に迷光を除去できるように遮光開口６７を設けると良い。
以上説明したように、プリズムレンズ部６２を用いることで、映像投射装置１の２個の部品を１個にすることで、製造性、コストメリットの効果が得られる。

本発明における実施例７について図１３を用い説明する。
ここでは映像投射装置８１について説明する。
図１３は映像投射装置８１を示す概略図である。図は眼の上方から見た上面図であり、紙面上方は眼の上方に相当する方向である。
映像投射装置８１は、実施例１の映像投射装置１と映像生成部８９の構成が異なっている。

映像生成部８９は、光源８２、偏光ビームスプリッタ８３、映像生成素子８４が具備されている。光源８２は、赤、青、緑の３色の光を出射する光源であり、赤、青、緑のＬＥＤを具備し、その表面に拡散板を配備することで実現できる。光源８２を出射した光は、偏光ビームスプリッタ８３で、所定の偏光だけが、反射して映像生成素子８４に進行する。かような偏光ビームスプリッタ８３は一般品のため、説明は割愛する。

映像生成素子８４は、カラーフィルタの無い反射型の液晶素子を想定している。このような液晶素子は、ＬＣＯＳとして一般的な技術であり詳細は割愛する。カラーフィルタの無い反射型の液晶素子は、カラーフィルタ付きの液晶素子より画素を小さくできるため、高解像度が実現できる。

映像生成素子８４で光線は、映像となる光線だけが偏光直交変換される。このため、映像は、再度偏光ビームスプリッタ８３に入射するが、今度は、偏光ビームスプリッタで反射されるそのまま進行する。

偏光ビームスプリッタを進行した映像は、前述したように、保護素子６、レンズ部３、全反射部４を経て眼に投射される。

なお、カラー化は、フィールドシーケンシャルカラーと呼ばれる光源８２の一般的な発光制御手法を用いることで実現できる。

以上説明したように、映投射装置８１は、映像生成素子８４にカラーフィルタの無い反射型の液晶素子を用いることで、高解像度という効果が得られるものである。

本発明における実施例８について図１４を用い説明する。
ここでは映像投射装置９１について説明する。
図１４は映像投射装置９１を示す概略図であり、図１同様、図中（Ａ）は眼側から見た側面図であり、（Ｂ）は眼の上方から見た上面図である。（Ａ）の紙面上方は眼の上方に相当する方向である。
映像投射装置９１は、実施例６の映像投射装置６１の変形例である。映像投射装置６１と比べ、支持部９２の形状が異なっている。

支持部９２は、図支持機構９３のように下側がストレートでなく、曲線状になっている。このような曲線状にすることで、応力が集中する投射部２１３と、映像生成部２１１の付け根の強度を向上できる効果が得られる。

本発明における実施例９について図１５を用い説明する。
ここでは映像投射装置１０１について説明する。
図１５は映像投射装置１０１を示す概略図であり、図１同様、図中（Ａ）は眼側から見た側面図であり、（Ｂ）は眼の上方から見た上面図で、（Ｃ）は、（Ｂ）を紙面左側から見た図である。（Ａ）の紙面上方は眼の上方に相当する方向である。
映像投射装置１０１は、実施例１０の映像投射装置９１の変形例である。映像投射装置９１と比べ、支持部１０２の形状が異なっている。

支持部１０２は、支持機構１０３のように眼から遠い側の形状がストレートでなく、曲線状になっている。このような曲線状にすることで、支持部の強度をさらに向上することができる。

この場合、（Ｃ）で示したように眼から遠ざかるにつれて、幅が小さくすると、シースルー機能を失うことなく、支持部１０２の強度を向上できる。

本発明における実施例１０について図１６を用い説明する。
ここでは映像投射装置１１１について説明する。
図１６は映像投射装置１１１を示す概略図であり、図１同様、図中（Ａ）は眼側から見た側面図であり、（Ｂ）は眼の上方から見た上面図である。（Ａ）の紙面上方は眼の上方に相当する方向である。
映像投射装置１１１は、実施例９の映像投射装置１０１の変形例である。映像投射装置１０１と比べ、投射部２１３の形状が異なっている。

投射部２１３は、保護部１１３が具備されている。保護部１１３は、使用者が転んだり、何かにぶつかったり、なんらかの拍子に支持部１０２が折れた場合に投射部２１３が眼に突き刺さる危険を保護するために具備させたものである。このため保護部１１３は、ゴムなどの柔らかい素材で製造することが望ましい。もちろんシースルー機能を落とさないために、幅が小さくするように工夫することが望ましい。

本発明における実施例１１について図１７を用い説明する。
ここでは映像投射装置１２１について説明する。
図１７は映像投射装置１２１を示す概略図であり、図１同様、図中（Ａ）は眼側から見た側面図であり、（Ｂ）は眼の上方から見た上面図である。（Ａ）の紙面上方は眼の上方に相当する方向である。
映像投射装置１２１は、実施例１０の映像投射装置１１１の変形例である。映像投射装置１１１と比べ、映像生成部１２２から投射部１２４までの光線の進行路に角度を持たせた形状となっている。

このため、プリズムレンズ部１２５の形状を工夫している。出射面１２７は出射面６６と同じように眼の見る方向である矢印１０と直交させる。また、レンズ部１２６は、映像の進行方向と直交させる。このとき、レンズ部１２６と出射面１２７に光線が直交するように全反射部１２８の角度を調整することで、このような構成が実現できる。

上記したように、角度を持たせることで、頭部の形状に沿わせることができる。デザイン性の向上が効果として得られる。また、角度を調整することで、映像生成部１２２が、人に近くなるため、視野を広く確保できる効果も得られる。

映像生成部１２２から投射部１２４への光線の方向と、矢印１０との角度は、４５度を超えると装着者にぶつかるため、４５度から９０度の範囲に設定すると良い。

本発明における実施例１２について図１８を用い説明する。
ここではヘッドマウントディスプレイ１３１について説明する。
図１８は、ヘッドマウントディスプレイ１３１を人が装着している状態を図示したもので、図１９は、ヘッドマウントディスプレイ１３１のシステムブロックを図示したものである。

ヘッドマウントディスプレイ１３１には、映像投射装置１２１、撮像素子９、１３６などの撮像手段１４８、電力供給手段１３５、通信手段１３３、音センシング素子１３９やタッチセンシング素子１５８などの制御手段１３４、コントローラ１４０、加速度センシング素子１４５、位置センシング素子１４６などのセンシング手段１４７、距離計測手段１４９などが具備されている。

電力供給手段１３５は、主にバッテリーのような充電可能な電源を想定している。通信手段は、ＷｉＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）のようなインターネット上の情報や装着者１３０が持っている電子機器などとアクセスできる通信装置を想定している。タッチセンシング素子１５８は、タッチパネルのようなセンシング素子である。音センシング素子１３９は、マイクなど装着者の言葉をセンシングする装置である。制御手段１３４は、音センシング素子１３９を用いた音声認識やタッチセンシング素子を用いた指の位置情報などで、装着者１３０がヘッドマウントディスプレイ１３１を操作するための処理手段を想定している。加速度センシング素子１４５は、圧電素子や静電容量などの原理を用い、加速度を検地する素子である。位置センシング素子１４６は、ＧＰＳのような位置をセンシングできる素子のことである。距離計測手段１４９は、ＴｉｍｅＯｆＦｌｉｇｈｔの原理を使った距離計測可能な装置を想定している。コントローラ１４０は、上記装置、手段をコントロールするメインチップのことである。

ヘッドマウントディスプレイ１３１は、装着者１３０の視界１３７の中に映像投射装置１２１で作られた映像１５９が見ることができる。映像１５９が視界１３７の中で見られるように、ヘッドマウントディスプレイ１３１は角度を調整できる角度調整機構１３２が具備されている。装着者１３０は、好みで映像１５９の位置を調整できる。なお、このような角度調整機構１３２は、例えば、蝶番などで簡単に実現できる。

図１８では、右目１３２に映像投射装置１２１が装着されることを想定しているが、例えば、映像投射装置４１を用いれば、左目１４２の側でも搭載できる。

また、映像投射装置１２１は映像生成部１２２から投射部１２４までの光線の進行路に角度を持たせた形状となっているため、装着者１３０の頭部の形状に沿っていることが図から確認できる。

ヘッドマウントディスプレイ１３１は、耳１４３、１４４や、側頭部・皇后部などで、頭部に固定して使用するため、両手がフリーになる。

次に使用方法について説明する。例えば、装着者１３０が歩行している際に通路に小さい段などがあった場合、撮像手段１４８で取得した映像信号をコントローラ１４０は処理し、段があることを認識して、映像投射装置１２１に“段差有り注意”といった情報を装着者に知らせることができる。このとき、コントローラ１４０は、光源８を発光させ、映像生成素子７に所定の映像信号を送る機能も有している。

また、電源供給手段１３５は、コントローラ１４０を介し必要な手段、または装置に必要な電力を供給する。このときコントローラ１４０は、必要性に応じて、装置に電力を供給する機能も有している。

装着者１３０にかかわるソーシャルネットワーク情報、例えば、通勤に使用している電車が事故で止まったなどの情報が発生したとき、通信手段１３３からコントローラ１４０にその情報が伝達され、映像投射装置１２１に“通勤電車事故で遅延”といった情報を装着者に知らせることができる。このとき、コントローラ１４０は、装着者１３０の要望に応じてインターネット上の情報を常時監視する機能を有している。

装着者１３０が新聞や雑誌を読み始めたとき、距離計測手段１４９は、装着者１３０の前にある物体の距離情報をコントローラ１４０にその情報が伝達され、映像投射装置３５１に具備された液晶レンズ素子３５２の電源ＯＮ／ＯＦＦを制御して、近くにフォーカスが合うように変更することができる。このとき、コントローラ１４０は、映像投射装置３５１に具備された液晶レンズ素子３５２なども駆動できる機能を有している。また距離計測手段１４９の情報を監視する機能も有している。

装着者１３０が撮像手段１４８を利用して写真を取りたい場合、コントローラ１４０は、音センシング素子１３９を用いた音声認識か、タッチセンシング素子を用いた指の位置情報などの制御手段１３４から装着者１３０の要望を検知して、撮像手段１４８を駆動し、写真を撮影することができる。この場合、撮影した写真情報は通信手段１３３を用いてインターネット上の装着者１３０が持っているクラウドネットワーク上に移すことができる。

コントローラ１４０は、制御手段１３４の信号を常に優先させて処理することが望ましい。

装着者１３０が電車の中で居眠りをしている場合、コントローラ１４０は頭の揺れを加速度センシング素子１４５、電車の中にいることを撮像手段１４８から得られる複数の情報から、検地し映像投射装置１２１の電源を切るなど節電することもできる。

装着者１３０が通常と異なる地域にいる場合、コントローラ１４０はセンシング手段１４７の位置情報から、いつもと異なる位置である状態を検知して、撮像手段の情報から旅行なのか出張なのかを判別し、旅行のガイドや、付近の食べ物情報などを通信手段１３３から得て、装着者へ知らせることができる。

上記のようにコントローラ１４０は、複数の情報から処理する内容を決める機能も有している。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良い。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現しても良い。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えても良い。

１ 映像投射装置
３ レンズ部
４ 全反射面
６ 保護素子
７ 映像生成素子
８ 光源
９ 撮像素子
１３０ 装着者
１３１ ヘッドマウントディスプレイ
１３３ 通信手段
１３４ 制御手段
１３５ 電力供給手段
１３９ 音センシング素子
１４０ コントローラ
１４５ 加速度センシング素子
１４６ 位置センシング素子
１４７ センシング手段
１４９ 距離計測手段
１５８ タッチセンシング素子
２１１ 映像生成部
２１２ 支持部
２１３ 投射部

Claims (8)

1. 映像を眼に投射する映像投射装置であって、
   該映像投射表示装置は、
   映像を生成する映像生成部と、
   該映像生成部で生成された映像を眼に導光する投射部と、
   該投射部と前記映像生成部を繋ぐ支持部とを備え、
   前記投射部は該投射部で生成される映像が３０ｃｍないし３ｍの範囲の距離Ｌｏｂｊで最も視認しやすくするレンズ機能を有し、
   人の瞳の幅をＨｐ、
   前記投射部と前記支持部の一部突起を除いた最大の幅をＨｄとし、
   前記投射部の前記映像側から見て前記Ｈｈが最も広くなる眼からの距離をＬｄとしたとき、
   Ｈｐ／Ｌｏｂｊ＞Ｈｄ／（Ｌｏｂｊ−Ｌｄ）を満たすことを特徴とする映像投射表示装置。
2. 請求項１記載の映像投射装置であって、
   前記映像生成部は生成された映像を出射する出射部を備え、
   前記投射部は、前記映像生成部から出射した映像が入射する入射部を備え、
   前記映像生成部の前記出射部と前記投射部の前記入射部の間は映像が空気伝送されることを特徴とする映像投射装置。
3. 請求項２記載の映像投射装置であって、前記支持部の幅が前記投射部の幅より小さいことを特徴とする映像投射装置。
4. 請求項３記載の映像投射装置であって、
   前記映像生成部は、眼の瞳中心から真っ直ぐ前方を見たときの±３５度の範囲外に配置したことを特徴とした映像投射装置。
5. 請求項３記載の映像投射装置であって、
   前記支持部は、前記映像生成部と前記投射部で形成される少なくとも１個の面を覆う遮光壁を設けたことを特徴とする映像投射装置。
6. 請求項３記載の映像投射装置であって、
   前記映像生成部の前記出射部と前記投射部の前記入射部の中心同士を結んで形成される線と、眼に投射する映像の進行方向が形成する線とで成す角度が４５度ないし９０度の範囲としたことを特徴とする映像投射装置。
7. 請求項３記載の映像投射装置であって、
   前記映像生成部は、映像を生成する映像生成素子を備え、
   前記投射部と、前記映像生成素子の間の距離を変えることにより、
   眼で視認される映像の距離を変えるフォーカス調整機能を持ったことを特徴とする映像投射装置。
8. 視界の一部に映像を投射するヘッドマウントディスプレイであって、
   請求項１ないし７記載のいずれかの映像投射装置と、
   電源を供給する電源供給手段と、
   外部の映像を撮像する撮像手段と、
   外部と情報を通信する通信手段と、
   使用者の位置、角度、加速度などを検出するセンシング手段と、
   使用者が前記ヘッドマウントディスプレイを制御する制御手段と、
   使用者の前方にある物体までの距離を計測する距離計測手段と、
   前記ヘッドマウントディスプレイの動作を制御するコントローラと、を備え、
   前記ヘッドマウントディスプレイは、前記距離計測手段から得られた距離情報に応じて映像の解像度を変更する機能を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

Images