JP2016057530A - 映像表示装置及びヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

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JP2016057530A JP2014185404A JP2014185404A JP2016057530A JP 2016057530 A JP2016057530 A JP 2016057530A JP 2014185404 A JP2014185404 A JP 2014185404A JP 2014185404 A JP2014185404 A JP 2014185404A JP 2016057530 A JP2016057530 A JP 2016057530A
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井 順 一 岩
Junichi Iwai
井 順 一 岩
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Abstract

【課題】外光及び内壁面反射光による迷光の発生を防止して色ムラ、輝度ムラを減少させることができ、HMDの更なる小型化を実現することができる映像表示装置及びそれを装備したヘッドマウントディスプレイの提供。【解決手段】映像を表示する表示光学系と、表示光学系から射出された映像光を観察者の光学瞳に導く接眼光学系と、表示光学系から射出された映像光の光路上において、接眼光学系を支持する支持具とを備え、支持具は、表示光学系が収納され、映像光が透過する出射窓が形成された第1収納室と、接眼光学系が収納され、出射窓から出射した映像光が透過する入射窓が形成された第2収納室と、第1収納室と第2収納室との間に映像光の光路を形成するように支持する支持板とを有し、第1収納室と第2収納室とが対向する部分から延びて形成されている、出射窓及び入射窓からの外光入射を防止する外光遮蔽部を有している。【選択図】図5

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)などに搭載される接眼型の映像表示装置及びそれを装備したヘッドマウントディスプレイ(HMD)に係り、より詳しくは、迷光発生による色ムラや輝度ムラが改良された接眼型の映像表示装置及びそれを装備したヘッドマウントディスプレイ(HMD)に関する。
近年、頭部に装着して使用するHMDのように、使用者の身体に取り付けて使用することのできるウェアラブルデバイスへの需要が高まりつつある。また、コンピュータや、各種センサ機器、LCDなどの映像表示装置に関しても、ウェアラブルデバイスに搭載可能な程度に小型化されており、これらの機器を搭載したウェアラブルデバイスの開発が急速に進んでいる。
例えば,特許文献1には,従来の単眼式HMDが開示されている。特許文献1に開示された従来のHMDは、表示素子から射出された映像光をプリズムへ伝播するための光路が、壁面で囲われて外光を遮断する構造を有している。
しかしながら、従来のHMDの多くに設けられた外光遮断壁は、HMDの小型化、コンパクト化の障害となり、また、内壁面からの反射光により迷光を発生させて色ムラ、輝度ムラの原因となっている。
特開2001−117047号公報
本発明は、上記従来技術の問題点を鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、外光及び内壁面反射光による迷光の発生を防止して色ムラ、輝度ムラを減少させることができ、HMDの更なる小型化を実現することができる映像表示装置及びそれを装備したヘッドマウントディスプレイを提供することにある。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様による映像表示装置は、映像を表示する表示光学系と、前記表示光学系から射出された映像光を観察者の光学瞳に導く接眼光学系と、前記表示光学系から射出された映像光の光路上において、前記接眼光学系を支持する支持具と、を備え、前記支持具は、前記表示光学系が収納され、前記映像光が透過する出射窓が形成された第1収納室と、前記接眼光学系が収納され、前記出射窓から出射した映像光が透過する入射窓が形成された第2収納室と、前記第1収納室と前記第2収納室との間に映像光の光路を形成するように支持する支持板と、を有し、前記第1収納室と前記第2収納室とが対向する部分から延びて形成されている、前記出射窓及び前記入射窓からの外光入射を防止する外光遮蔽部を有していることを特徴とする。
前記外光遮蔽部は、前記出射窓の光路側枠部又は前記第1収納室の光路側外周部と、前記第2収納室の光路側外周部の両方又はいずれか一方に形成された庇状突起であることが好ましい。
また、前記外光遮蔽部は、前記外光遮蔽部は、前記第1収納室の光路側外周部と前記第2収納室の光路側外周部の両方又はいずれか一方に形成された鍔状突起であることが好ましい。
また、前記外光遮蔽部は、前記外光遮蔽部は、前記第1収納室の光路側外周部と前記第2収納室の光路側外周部の両方又はいずれか一方に形成された拡張外周部であることが好ましい。
上記目的を達成するためになされた本発明の他の態様による映像表示装置は、映像を表示する表示光学系と、前記表示光学系から射出された映像光を観察者の光学瞳に導く接眼光学系と、前記表示光学系から射出された映像光の光路上において、前記接眼光学系を支持する支持具と、を備え、前記支持具は、前記表示光学系が収納され、前記映像光が透過する射出窓が形成された第1収納室と、前記接眼光学系が収納され、前記射出窓から出射した映像光が透過する入射窓が形成された第2収納室と、前記第1収納室と前記第2収納室との間に映像光の光路を形成するように支持する支持板と、を有し、前記第1収納室と前記第2収納室との間に形成された光路の上部に、前記支持板から延びて形成されている、前記射出窓及び前記入射窓からの外光入射を防止する外光遮蔽部を有していることを特徴とする。
また、前記第2収納室の底部内面は、正反射防止のための処理が施されていることが好ましい。
上記目的を達成するためになされた本発明の一態様によるヘッドマウントディスプレイは、映像を表示する表示光学系と、前記表示光学系から射出された映像光を観察者の光学瞳に導く接眼光学系と、前記表示光学系から射出された映像光の光路上において、前記接眼光学系を支持する支持具と、を備え、前記支持具は、前記表示光学系が収納され、前記映像光が透過する射出窓が形成された第1収納室と、前記接眼光学系が収納され、前記射出窓から出射した映像光が透過する入射窓が形成された第2収納室と、前記第1収納室と前記第2収納室との間に映像光の光路を形成するように支持する支持板と、を有し、前記第1収納室と前記第2収納室とが対向する部分もしくは前記支持板から延びて形成されている、前記射出窓及び前記入射窓からの外光入射を防止する外光遮蔽部を有している映像表示装置を備えていることを特徴とする。
本発明の映像表示装置によれば、表示光学系と接眼光学系の間に形成される映像光の光路を覆うような壁を設けずに光学系への外光入射を遮断することができ、光路側壁からの反射光による迷光の発生による色ムラ、輝度ムラ等の映像品質の劣化防止、外光直視による観察者の眼球損傷の防止を実現することができる。
また、本発明の映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイによれば、光路を覆うような壁面が設けられていないので、更なる小型化、コンパクト化が実現され、顔面衝突時等の安全性が向上し、観察者の視野が拡大することで使い勝手を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る映像表示装置に備えられた光学系の模式図である。 本発明の一実施形態に係る映像表示装置の外光遮蔽部を除く外観斜視図である。 本発明の映像表示装置における外光入射を説明するための模式図である。 本発明の映像表示装置における外光遮蔽の原理を示す概念図である。 本発明の映像表示装置における外光遮蔽の原理を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る外光遮蔽部を示す庇状突起の例示図である。 本発明の一実施形態に係る外光遮蔽部を示す鍔状突起の例示図である。 本発明の一実施形態に係る外光遮蔽部を示す拡張外周部の例示図である。 本発明の他の実施形態に係る外光遮蔽部を示す例示図である。 本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ(HMD)のデザインの一例を示す斜視図である。
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではなく、以下の実施形態から当業者が自明な範囲で適宜修正したものも含む。
本発明に係る接眼型の映像表示装置は、映像を表示する表示光学系と表示光学系から出射された映像光を観察者の光学瞳に導く接眼光学系を有する光学系を備える。
本発明に備えられる光学系を簡単に説明すると、表示光学系で表示した映像光を、接眼光学系を介して観察者の光学瞳へと導くものである。
接眼光学系は、表示光学系が表示している映像を虚像として投影するものであり、観察者はその虚像を視認することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る映像表示装置に備えられた光学系の模式図である。本実施形態に係る映像表示装置に備えられた光学系において、観察者の光学瞳に映像光を導く光学系を模式的に示し、図1のAは、透過型パネルを用いるタイプであり、図1のBは、反射型パネルを用いるタイプである。
図1のAに示す透過型パネルタイプでは、表示光学系10は、光源11、集光レンズ12及び透過型液晶などの透過型表示素子13aを備え、接眼光学系20は、プリズムなどの導光部材21を備える。
図1のBに示す反射型パネルタイプでは、表示光学系10は、光源11、集光レンズ12、反射型液晶などの反射型表示素子13b、偏光ビームスプリッター(PBS)14を備え、接眼光学系20は透過型と同様に、プリズムなどの導光部材21を備える。
本発明においては、図1に示した光学系以外にも、その他公知のものを適宜採用することができる。
表示光学系10の光源11は、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色の光を出射するものであることが好ましく、例えば、RGB一体型のLEDパネルで構成されていることが好ましい。尚、光源11は、単色光や白色光を出射するものであってもよい。
集光レンズ12は,光源11からの光を集光して表示素子13に供給する。
透過型表示素子13aや反射型表示素子13bの表示素子は、入射光を画像データに応じて変調することにより、映像を表示するものであり、例えば、光が透過する領域となる各画素がマトリクス状に配置された透過型の液晶表示素子や、光が反射する領域となる各画素がマトリクス状に配置された反射型の液晶表示素子が挙げられる。
接眼光学系20の導光部材21は、例えば、単一のプリズムで構成されるもの、複数のプリズムを組み合わせて構成されるものが挙げられ、映像光の入射面21a、全反射面21b、出射面21cを有する形状となっている。
導光部材21の入射面21aは、横方向に進行する映像光の光軸と垂直に交差する奥行き方向に設けられ、出射面21cは、観察者の光学瞳と対向するように設けられている。
全反射面21bは、例えば、矩形形状(長方形形状)であり、映像光の光路を直角に折り曲げる手段として機能し、具体的には、入射面21aを介して導光部材内部に入射して横方向に進行する映像光を奥行方向の手前に全反射させる。
上記の構成によれば、光源11から出射された光は集光レンズ12で集光されて透過型表示素子13aもしくは反射型表示素子13bの表示素子に入射し、その光は表示素子によって変調されて映像光となり、接眼光学系20に入射する。
接眼光学系20では、映像光が入射面21aを介して導光部材21の内部に入射し、導光部材21の内部を横方向に沿って進行し、全反射面21bで光路が折り曲げられて奥行き方向手前に向きを変えて進行する。
これにより、映像光は導光部材21内部の射出面21cを介して観察者の光学瞳に導かれ、観察者は、光学瞳の位置で表示素子13にて表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
本発明の映像表示装置は、表示光学系と接眼光学系を保持して両者の間に映像光の光路を形成する支持具30を有し、図2は、本発明の一実施形態に係る映像表示装置の外光遮蔽部を除く外観斜視図である。図2には、支持具30に加え第2収容室33に収容された導光部材21が記載してある。
図2のAは、表示光学系10を支持する第1収納室32の出射窓32aに面する側からの斜視図であり、図2のBは、第2収納室33に収容された導光部材21の入射面21aに面する側からの斜視図である。
図2のA、Bに示すように、本発明の映像表示装置の支持具30は、表示光学系10が収納され、映像光が透過する出射窓32aが形成された第1収納室32と、接眼光学系20が収納され、出射窓32aから出射した映像光が透過する入射窓(図2のBにおける導光部材21の入射面21aが相当する)と観察者が映像光を受ける接眼窓(図2のBにおける導光部材21の出射面21cが相当する)を有する第2収納室33と、第1収納室32と第2収納室33との間に映像光の光路を形成するように支持する支持板31と、を有する。
従来、表示光学系と接眼光学系の間に形成される映像光の光路は、全面を側壁で覆い外光を遮断していたが、全面を側壁で覆うことにより、光路側壁からの反射光による迷光の発生による映像品質の劣化、観察者視野の狭小化、顔面衝突時の危険拡大の問題が発生していた。
本発明の映像表示装置は、上記問題を解決するために光路を覆う側壁を排除し、外光による映像品質の劣化を防止するために外光を遮蔽するための部材を設けたものである。
図3は、本発明の映像表示装置における外光入射を説明するための模式図である。
図3のAは、出射窓32aから入射した外光(OL)が表示光学系内で迷光(GL:ゴースト光)を発生させ、それが映像光(PL)とともに観察者の光学瞳(E)に届く様子を模式的に描いたものである。図3のAに示すように、出射窓32aからの入射外光は、迷光を発生させ、輝度などの映像品質の低下を招く。
図3のBは、導光部材21の入射面からの入射外光(OL)が全反射面で反射して出射面から観察者の光学瞳(E)に届く様子を模式的に描いたものである。図3のBに示すように、入射面からの入射外光(OL)は、映像光(PL)とともに観察者の光学瞳(E)に届くため、映像光の品質を低下させるばかりでなく観察者の眼球を損傷する危険を有する。
図4は、本発明の映像表示装置における外光遮蔽の原理を示す概念図である。
図4のAは、出射窓から表示光学系に入射する外光について、遮蔽を要する外光を説明するものであり、図4のBは、導光部材21の入射面から接眼光学系に入射する外光について、遮蔽を要する外光を説明するものである。
第1収容室31に収容される表示光学系は、出射窓近傍に表示光学系パネル15を有する。表示光学系パネル15は、透過型表示光学系であれば透過型液晶などの透過型表示素子が相当し、反射型表示光学系であれば偏光ビームスプリッター(PBS)の出射面が相当する。
一方、第2収容室32に収容される接眼光学系については、全反射面21bに入射する光を受ける仮想的な出射面である接眼光学系仮想出射面23を想定する。その位置は、プリズム反射面を対称面とした実際の出射面21cの鏡面反転像と一致し、幅、高さも実際の出射面と同一である。反射面をそのまま透過すると想定した場合に、仮想出射面に到達する光は、実際には全反射後に本来の出射面21cに到達し、観察者の光学瞳(E)に到達しうる。
表示光学系において、出射窓32aから入射した外光は、表示光学系パネル15で反射して反射光を発生させるが、その反射光の内、接眼光学系仮想出射面23に到達するものが迷光となる。
従って、外光による迷光発生を防止するには、接眼光学系仮想出射面23に到達する反射光に対応する外光が入射するのを遮蔽すればよいことになる。
接眼光学系仮想出射面23に到達する反射光に対応する入射外光の範囲は、表示光学系パネルの中心部に入射して接眼光学系仮想出射面の下辺部に反射する外光(OL1)から、出射窓の上辺部から入射して表示光学系パネルの中心部より上部の位置で反射し、接眼光学系仮想出射面の下辺部に反射する外光(OL2)までとなる。
接眼光学系仮想出射面23に到達する反射光に対応する入射外光の範囲(OL1〜OL2)は、光路長さ、(仮想)パネルの位置、表示光学系出射窓および接眼光学系入射面の大きさで定まる。
接眼光学系において、接眼光学系仮想出射面23に入射した外光は、全て観察者の光学瞳に到達するため、接眼光学系仮想出射面23に入射する外光をすべて遮蔽する必要がある。
接眼光学系仮想出射面23に直接入射する外光の範囲は、接眼光学系仮想出射面23の下辺部と第1収容室32の光路側外周上辺部とを結ぶ線を通る外光(OL3)から、接眼光学系仮想出射面の下辺部と導光部材21の入射面の上辺部とを結ぶ線を通る外光(OL4)までとなる。
接眼光学系仮想出射面23に直接入射する外光の範囲(OL3〜OL4)は、光路長さ、仮想パネルの位置、第1収容室32の光路側外周部の大きさ、接眼光学系入射面21aの大きさで定まる。
図5は、本発明の映像表示装置における外光遮蔽の原理を示す概念図である。図5のAで示す遮蔽方法は、出射窓の光路側外周部上部又は第1収納室の光路側外周部上部と、第2収納室の光路側外周部の上部の両方又はいずれか一方に庇状突起を形成するものである。
図5のBで示す遮蔽方法は、第1収納室の光路側外周部上部と第2収納室の光路側外周部上部の両方又はいずれか一方に鍔状突起を形成するものである。
図5のCで示す遮蔽方法は、第1収納室の光路側外周部と第2収納室の光路側外周部の両方又はいずれか一方に形成された拡張外周部を形成するものである。
図5のDで示す遮蔽方法は、第1収納室と第2収納室との間に形成された光路の上部に、支持板から延びて形成された外光遮蔽部によるものである。
本発明に係る映像表示装置は、前述の表示光学系に入射して迷光を発生させる外光及び接眼光学系に入射して観察者の光学瞳に到る外光を遮断するための外光遮蔽部を有する。
本発明の第一の実施形態に係る外光遮蔽部は、第1収納室と前記第2収納室とが対向する部分から延びて形成されている。
図6は、第一の実施形態に係る映像表示装置において外光遮蔽部である庇状突起40aを有する支持具30の例示図である。
庇状突起40aは、第1及び/又は第2収納室から映像光の光路側に庇状に突出した外光遮蔽部であり、第1収納室32においては、第1収納室の光路側外周部又は出射窓の光路側外周部に設けられ、第2収納室33においては、第2収納室33の光路側外周部又は入射窓の光路側外周部に設けられる。庇状突起40aは、第1収納室32と第2収納室33の両方に設けてもよく、どちらか一方でもよい。
庇状突起40aの大きさは、単独もしくは他の外光遮蔽部との組み合わせで、図4に示した遮蔽する必要のある外光の範囲OL1〜OL2及びOL3〜OL4を遮蔽できる大きさであればよく、形状は、映像光の光路を阻害しない範囲で傾斜を設けてもよく、円弧状としてもよい。
図7は、第一の実施形態に係る映像表示装置において外光遮蔽部である鍔状突起40bを有する支持具30の例示図である。
鍔状突起40bは、第1及び/又は第2収納室から映像光の光路に対し直角方向に鍔状に突出した外光遮蔽部であり、第1収納室32においては、第1収納室の光路側外周部に設けられ、第2収納室33においては、第2収納室33の光路側外周部に設けられる。鍔状突起40bは、第1収納室32と第2収納室33の両方に設けてもよく、どちらか一方でもよい。
鍔状突起40bの大きさは、単独もしくは他の外光遮蔽部との組み合わせで、図4に示した遮蔽する必要のある外光の範囲OL1〜OL2及びOL3〜OL4を遮蔽できる大きさであればよく、形状は、映像光の光路を阻害しない範囲で傾斜を設けてもよく、円弧状としてもよい。
図8は、第一の実施形態に係る映像表示装置において外光遮蔽部である拡張外周部40cを有する支持具30の例示図である。
拡張外周部40cは、第1及び/又は第2収納室が映像光の光路に対し直角方向に拡張した外光遮蔽部であり、第1収納室32においては、第1収納室の光路側外周部が拡張して設けられ、第2収納室33においては、第2収納室33の光路側外周部が拡張して設けられる。拡張外周部43は、第1収納室32と第2収納室33の両方に設けてもよく、どちらか一方のみに設けてもよい。
拡張外周部40cの大きさは、単独もしくは他の外光遮蔽部との組み合わせで、図4に示した遮蔽する必要のある外光の範囲OL1〜OL2及びOL3〜OL4を遮蔽できる大きさであればよく、形状は、それぞれの収納室をそのまま拡張しても良く、変形させて拡張してもよい。
本発明の第二の実施形態に係る外光遮蔽部である支持板延長遮蔽部40dは、第1収納室と第2収納室との間に形成された光路の上部に、支持板から延びて形成されているものである。
図9は、第二の実施形態に係る映像表示装置において支持板から延びて形成された支持板延長遮蔽部40dを有する支持具30の例示図である。
支持板31から延びて形成された支持板延長遮蔽部40dは、単独もしくは他の外光遮蔽部との組み合わせで、図4に示した遮蔽する必要のある外光の範囲OL1〜OL2及びOL3〜OL4を遮蔽できる形状、大きさであればよく、たとえば、支持板31から延びた部材に支持された光路上を覆う屋根状の形状であってよい。
これまで、接眼光学系仮想出射面に直接入射する外光や反射光の遮蔽について述べてきたが、第2収納室33の底面で反射して接眼光学系仮想出射面に入射する外光もある。
このような底面での反射光に対しては、第2収納室の底部内面に正反射防止のための処理が施されていることが好ましい。正反射防止のための処理としては、底部内面の粗面化処理、艶消し処理、砂面処理等が挙げられる。
図10は、本発明の第三の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ(HMD)のデザインの一例を示す斜視図である。
図10に示すように、本発明の一実施形態に係る映像表示装置100は、極めて小型化して、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)200の接眼部分に搭載することができ、従来のHMDとは異なるスタイリッシュなデザインのHMDを実現することができる。
以上、本願明細書では、本発明の内容を表現するために、図面を参照しながら本発明の実施形態の説明を行った。ただし、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本願明細書に記載された事項に基づいて当業者が自明な変更形態や改良形態を包含するものである。
10 ・・・表示光学系
11 ・・・光源
12 ・・・集光レンズ
13a・・・透過型表示素子
13b・・・反射型表示素子
14 ・・・偏光ビームスプリッター(PBS)
15 ・・・表示光学系パネル
20 ・・・接眼光学系
21 ・・・導光部材
21a・・・入射面
21b・・・全反射面
21c・・・出射面
23 ・・・接眼光学系仮想出射面
30 ・・・支持具
31 ・・・支持板
32 ・・・第1収納室
32a・・・出射窓
33 ・・・第2収納室
40 ・・・外光遮蔽部
40a・・・庇状突起
40b・・・鍔状突起
40c・・・拡張外周部
40d・・・支持板延長遮蔽部
100 ・・・映像表示装置
200 ・・・ヘッドマウントディスプレイ

Claims (7)

  1. 映像を表示する表示光学系と、
    前記表示光学系から射出された映像光を観察者の光学瞳に導く接眼光学系と、
    前記表示光学系から射出された映像光の光路上において、前記接眼光学系を支持する支持具と、を備え、
    前記支持具は、
    前記表示光学系が収納され、前記映像光が透過する出射窓が形成された第1収納室と、
    前記接眼光学系が収納され、前記出射窓から出射した映像光が透過する入射窓が形成された第2収納室と、
    前記第1収納室と前記第2収納室との間に映像光の光路を形成するように支持する支持板と、を有し、
    前記第1収納室と前記第2収納室とが対向する部分から延びて形成されている、前記出射窓及び前記入射窓からの外光入射を防止する外光遮蔽部を有していることを特徴とする映像表示装置。
  2. 前記外光遮蔽部は、前記出射窓の光路側枠部又は前記第1収納室の光路側外周部と、前記第2収納室の光路側外周部の両方又はいずれか一方に形成された庇状突起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. 前記外光遮蔽部は、前記第1収納室の光路側外周部と前記第2収納室の光路側外周部の両方又はいずれか一方に形成された鍔状突起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。
  4. 前記外光遮蔽部は、前記第1収納室の光路側外周部と前記第2収納室の光路側外周部の両方又はいずれか一方に形成された拡張外周部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。
  5. 映像を表示する表示光学系と、
    前記表示光学系から射出された映像光を観察者の光学瞳に導く接眼光学系と、
    前記表示光学系から射出された映像光の光路上において、前記接眼光学系を支持する支持具と、を備え、
    前記支持具は、
    前記表示光学系が収納され、前記映像光が透過する出射窓が形成された第1収納室と、
    前記接眼光学系が収納され、前記出射窓から出射した映像光が透過する入射窓が形成された第2収納室と、
    前記第1収納室と前記第2収納室との間に映像光の光路を形成するように支持する支持板と、を有し、
    前記第1収納室と前記第2収納室との間に形成された光路の上部に、前記支持板から延びて形成されている、前記出射窓及び前記入射窓からの外光入射を防止する外光遮蔽部を有していることを特徴とする映像表示装置。
  6. 前記第2収納室の底部内面は、正反射防止のための処理が施されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の映像表示装置。
  7. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の映像表示装置を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
JP2014185404A 2014-09-11 2014-09-11 映像表示装置及びヘッドマウントディスプレイ Pending JP2016057530A (ja)

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