JP2021071603A - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents
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Abstract
【課題】必要な環境音の知覚が可能であり、外観的な形状に関する制限が少ないヘッドマウントディスプレイを提供する。【解決手段】ヘッドマウントディスプレイ100は、虚像を形成する画像光生成装置である光学装置100Aと、一対のテンプル21a,21bを有し光学装置100Aを上側から支持する支持装置100Bとを備え、テンプル21a,21bは、ユニバーサルジョイント23a,23bにより本体21jに接続される当接部24a,24bを有し、当接部24a,24bを、例えば平坦な部位に対して押圧させつつ当接させる。【選択図】図8
Description
本発明は、虚像を観察者に提示するヘッドマウントディスプレイに関し、特に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に関する。
ヘッドマウントディスプレイとして、単眼用の画像出力部と、両耳用の音響出力部と、これらをユーザーの頭部に着脱自在に装着するための支持部とを有するものが存在する(特許文献1)。このヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも呼ぶ)は、ユーザーの頭部を挟み込むようにして装着され、支持部は、後頭部に沿って延びるバンドを有し、バンドの両端において耳を覆う一対の音響出力部を支持している。
特許文献1の装置では、耳パッドを含む音響出力部のみでHMDを頭部に支持するために、耳全体を覆うように音響出力部を大きくし、HMDに対する保持力を確保している。そのため、例えば必要な環境音の知覚が妨げられ、耳全体を覆う大きな音響出力部によって外観的な形状に関する制限も増える。
本発明の一側面におけるヘッドマウントディスプレイ(HMD)は、虚像を形成する画像光生成装置と、一対のテンプルを有し画像光生成装置を上側から支持する支持装置とを備え、テンプルは、ユニバーサルジョイントにより本体に接続される当接部を有し、当接部を押圧させつつ当接させる。
以下、図面を参照しつつ、本発明に係るヘッドマウントディスプレイの実施形態について説明する。
図1及び図2に示すように、実施形態のヘッドマウントディスプレイ(HMD)100は、眼鏡のような外観を有する装着型表示装置である。図1等において、X、Y、及びZは、直交座標系であり、+X方向は、HMD100を装着した観察者又は装着者USの両眼の並ぶ横方向に対応し、+Y方向は、装着者USにとっての両眼の並ぶ横方向に直交する下方向に相当し、−Y方向は、横方向に直交する上方向に相当し、+Z方向は、装着者USにとっての前方向又は正面方向に相当する。
HMD100は、シースルー型のHMDであり、このHMD100を装着した観察者又は装着者USに対して、虚像を視認させることができるだけでなく、外界像をシースルーで観察させることができる。HMD100は、ケーブル109を介してスマートフォン等である外部装置200に対して通信可能に接続することができ、例えば外部装置200から入力された映像信号に対応する虚像を形成することができる。図示の例では、HMD100と外部装置200との間に信号処理を行う中継器110を組み込んでいるが、中継器110を省略してHMD100と外部装置200とを直接的に接続することもできる。
HMD100は、構造的な要素として、虚像を形成する画像光生成装置である光学装置100Aと、光学装置100Aを上側から支持する支持装置100Bとを備える。この場合、支持装置100Bが、装着部材として装着者USの頭部に安定した状態で固定され、この支持装置100Bに支持されて光学装置100Aが装着者USの眼前に所望の姿勢で配置される。
光学装置(画像光生成装置)100Aは、第1表示装置101aと第2表示装置101bとを備える。第1表示装置101aと第2表示装置101bとは、左眼用の虚像と右眼用の虚像とをそれぞれ形成する部分である。支持装置100Bは、第1テンプル21aと第2テンプル21bと基部21cとを備える。第1テンプル21aと第2テンプル21bとは、それぞれの根元側において基部21cの左右端に支持され、基部21cは、中央下部において光学装置100Aに連結されている。
図2に示すHMD100は、光学装置100Aの正面側に光学装置100Aを覆って透過光を制限するシェード107を取り付けた状態となっている。また、図2に示すHMD100は、第1テンプル21aの端部と第2テンプル21bの端部との間に掛け渡すように脱落防止用の補助部材108を取り付けたものとなっている。
図3〜5は、HMD100の使用状態における外観を説明する図であり、図6は、HMD100を静置した状態における外観を説明する図であり、図7は、シェード107を取り付けたHMD100の使用状態における外観を説明する図である。図3〜7において、表面部全面に表された濃淡は、いずれも立体表面の形状を特定するためのものである。図8及び9は、HMD100の使用状態における外観を説明する線図である。
図3において、第1領域AR1は、使用状態のHMD100の平面図であり、第2領域AR2は、使用状態のHMD100の正面図である。図4において、第1領域BR1は、使用状態のHMD100の底面図であり、第2領域BR2は、使用状態のHMD100の背面図であり、第3領域BR3は、HMD100の左側面図である。図5において、第1領域CR1は、使用状態のHMD100を前方右上側から見た斜視図であり、第2領域CR2は、使用状態のHMD100を後方左上側から見た斜視図である。図6は、静置状態のHMD100の平面図である。図7において、第1領域DR1は、シェード107を取り付けた使用状態のHMD100の正面図であり、第2領域DR2は、シェード107を付加した使用状態のHMD100を右側面上側から見た斜視図である。
以下、図8及び図9を参照して、HMD100の構造の詳細について説明する。図8において、第1領域ER1は、使用状態のHMD100の平面図であり、第2領域ER2は、使用状態のHMD100の正面図である。図9において、第1領域FR1は、使用状態のHMD100の平面図であり、第2領域FR2は、使用状態のHMD100の右側面図である。
光学装置100Aにおいて、左眼用の第1表示装置101aは、観察者の眼前を透視可能に覆う第1虚像形成光学部103aと、画像光を形成する第1像形成本体部105aとを備える。右眼用の第2表示装置101bは、観察者の眼前を透視可能に覆う第2虚像形成光学部103bと、画像光を形成する第2像形成本体部105bとを備える。虚像形成光学部103a,103bは、樹脂材料等で形成される導光体を含み、像形成本体部105a,105bは、マグネシウム合金等で形成された外装ケース105d中に光学部品や電子部品を収納している。
支持装置100Bにおいて、左側の第1テンプル21aは、ヒンジ22aを介して基部21cに対して内側に折り畳み可能に固定され、右側の第2テンプル21bは、ヒンジ22bを介して基部21cに対して内側に折り畳み可能に固定されている。第1テンプル21aの先端部21pには、当接回動部であるユニバーサルジョイント23aを介して当接部24aが連結されている。第2テンプル21bの先端部21pには、当接回動部であるユニバーサルジョイント23bを介して当接部24bが連結されている。両テンプル21a,21bの先端部21pには、スピーカー35が内蔵されている。テンプル21a,21bの本体21j内には、図示を省略する空洞が形成され、スピーカー35を動作させるための配線WA1が通されている。当接部24a,24bは、ユニバーサルジョイント23a,23bにより本体21jに対して様々な方向に傾斜可能となっている。
スピーカー35は、当接部24a,24bが装着者USの耳EAを覆わないことに対応して、耳EAから離れた位置に配置されている(図2参照)。この結果、耳EAを露出させることができ、HMD100の周囲の音を聞き取ることが容易になっている。スピーカー35は、指向性を有するものとすることができ、装着者USの耳EAにのみ音声が届きやすくなっている。スピーカー35は、骨伝導タイプのものであってもよい。
支持装置100Bの基部21cは、第1アーム26aと第2アーム26bと中央部材26cと保持部26dとを有する。第1アーム26aと第2アーム26bとは、XZ面に略沿って湾曲して配置されている。両アーム26a,26bは、可撓性を有し、特にXZ面に略沿った方向に変形しやすくなっている。アーム26a,26bに力を加えない場合、アーム26a,26bは、曲率が大きくなるようにより大きく湾曲した状態に復元し、テンプル21a,21bや当接部24a,24bの間隔を狭める。具体的には、図6に示すように当接部24a,24b等の間隔が狭まる。このように、使用時又は装着時に強制的に当接部24a,24bの間隔を広げる結果として一対の当接部24a,24bの間隔を狭めるような力を付与することによって、一対の当接部24a,24bを装着者USの一対の側頭部に対して挟むように当接させ押圧することが可能になり、支持装置100Bを装着者USの頭部に対して安定して固定することが可能になる。中央部材26cは、第1アーム26a及び第2アーム26bと一体化された部材であり、アーム26a,26bを根元側を支持する。中央部材26cは、回動機構27を介して斜め下方向に配置された部品である保持部26dに連結されている。保持部26dは、光学装置100Aの中央部、すなわち第1虚像形成光学部103aと第2虚像形成光学部103bとに挟まれた中央のブリッジ部103kに対して固定されている。保持部26dは、上側部材29aと下側部材29bとを有する。上側部材29aと下側部材29bとは、光学装置100Aのブリッジ部103kを介して相互に固定されている。保持部26dの上側部材29aには、回動機構27の一部が形成され、カメラ31やマイク32が組み込まれている。下側部材29bには、支持体62を介して一対のノーズパッド61が固定されている。ノーズパッド61は、光学装置100Aに対して間接的に固定されている。ノーズパッド61は、光学装置100Aに対して直接的に固定されてもよい。中央部材26cと保持部26dとの間に設けられた回動機構27は、一対の回転支持部27a,27bを有し、光学装置100Aを支持装置100Bに対して水平方向に延びる回転軸RX1つまりX軸の周りに回転可能に支持する。これにより、光学装置100Aを、回転支持部27a,27bの周りに回転させ、頭部に固定された第1テンプル21a及び第2テンプル21b等に対してYZ面に沿った任意の方向に傾斜させることができる。
第1テンプル21a、第2テンプル21b、第1アーム26a、第2アーム26b、及び中央部材26cは、それぞれ一体的な部品をなし、ネジやピンといった部分を除いた略全体が、例えば樹脂材料で形成されているが、これらの一体的部品は、金属材料で形成されてもよく、金属の芯材を樹脂材料で被覆したものから形成されてもよい。当接部24a,24bは、板状の支持部材28aとこの内側に形成されたパッド28bとからなる。支持部材28aの一面側には、ユニバーサルジョイント23a,23bの一部が形成され、支持部材28aの他面上には、接着材等によって弾性材製のパッド28bが固定されている。支持部材28aは、樹脂材料で形成されているが、金属材料で形成されてもよく、金属の芯材を樹脂材料で被覆したものから形成されてもよい。パッド28bは、ゴムや発泡樹脂といった弾性材料で形成され、側頭部の表面に密着する。保持部26dの本体又は枠体は、樹脂材料で形成されているが、金属材料で形成されてもよく、金属の芯材を樹脂材料で被覆したものから形成されてもよい。
図10は、当接部及びその周辺の外観を説明する図である。図10において、第1領域GR1は、当接部24a及びその周辺の平面図であり、第2領域GR2は、当接部24a及びその周辺の側面図であり、第3領域GR3は、当接部24a及びその周辺の背面図である。
図11は、図10に示す当接部の輪郭を示すことによって姿勢の変化を説明する図である。図11において、第1領域HR1は、当接部24aの第1軸AX1の周りの回転動作を説明する図であり、第2領域HR2は、当接部24aの第2軸AX2の周りの回転動作を説明する図であり、第3領域HR3は、当接部24aの第3軸AX3の周りの回転動作を説明する図である。
以下、図10及び図11を参照して、当接部24a及びその周辺の構造及び動作について説明する。当接部24aは、ユニバーサルジョイント23aにより、第1テンプル21aの本体21jに対して可動な状態で接続されている。図10の第1領域GR1に示すように、ユニバーサルジョイント23aは、ボール部23pとボールリテナー23qとで構成される。ボール部23pから延びるスタッド23sは、第1テンプル21aの先端部21pの内側に固定され、ボールリテナー23qは、当接部24aの支持部材28a中に埋め込まれてボール部23pを回転可能に支持する。これにより、図11の第1領域HR1に示すように、当接部24aは、Y軸に平行に延びる第1軸AX1の周りに回転する揺動が可能になり、図11の第2領域HR2に示すように、当接部24aは、X軸に平行に延びる第2軸AX2の周りに回転する揺動が可能になり、図11の第3領域HR3に示すように、当接部24aは、Z軸に平行に延びる第3軸AX3の周りに回転する揺動が可能になる。つまり、ユニバーサルジョイント23aは、当接部24aについて本体21jに対する3軸の傾斜を許容する。当接部24aの第1〜第3軸AX1〜AX3の周りの可動範囲は、10°から30°程度に設定されている。なお、第1〜第3軸AX1〜AX3は、説明の便宜上の回転軸であり、当接部24aは、第1〜第3軸AX1〜AX3の間の任意の軸の周りに回転させることができる。また、第2軸AX2や第3軸AX3は、第1テンプル21aの先端部21pの姿勢に応じてX軸やZ軸に対して傾斜するが、先端部21pの姿勢に応じて当接部24aの可動範囲が変わるだけであり、先端部21pの姿勢に関わらず当接部24aの自在で滑らかな可動状態は維持される。
当接部24aの内面24fは、凹面であり、球面状に形成されている。内面24fの曲率は、装着者USの頭部の表面曲率を反転したものとなっている。当接部24aを装着者USの側頭部に対して押圧させつつ当接させた場合に、当接部24aの内面24fを装着者USの側頭部に密着させることができる。これにより、頭部の形状差を吸収して当接部24aの接触面積を確保することができ、テンプル21aによる大きな保持力を確保することができる。装着者USの側頭部は、比較的平坦な部位であり上下方向に延びるため、耳の上側の付け根のように第1テンプル21aを安定して支持することができないが、耳の上側の付け根よりかなり広い面積で当接部24aを受けることができる。このため、耳の上側の付け根の狭い領域に過度の力が集中する場合に比較して、力を分散させ圧力を低下させることができ、当接部24aを受けることによる装着者USの不快感を低減することができる。結果的に、装着者USの鼻にかかる荷重も減らす効果が生じ、快適な装着性を実現することができる。当接部24aの内面24fの面積は、HMD100の重量を考慮して適宜設定されるが、図示の例では5cm×2cm程度に設定されている。当接部24aは、横長に限らず縦長に配置することもできる。さらに、当接部24aの長手方向については、横方向と縦方向との中間状態(つまり本体21jに対して斜め状態)を標準とすることもできる。つまり、当接部24aの長手方向について、Y方向に平行に延びる状態を基準として、所定の角度範囲内でX軸の周りに回転させた状態で当接部24aを装着し頭部に固定することができる。
以上は、第1テンプル21aやこれに設けた当接部24aの説明であったが、第2テンプル21bやこれに設けた当接部24bも、第1テンプル21aや当接部24aと同様の構造を有するので、第2テンプル21bや当接部24bについては説明を省略する。
第1テンプル21a及び第2テンプル21bのアーム26a,26b又は本体21jは、可撓性を有し、装着者USが押し広げることによって一対の先端部21pの間隔を調整することができる。これにより、装着者USは、一対の当接部24a,24bを対向する側頭部の適所に当接させることができ、手を離すことで一対の当接部24a,24bによって頭部に挟みこんで両側頭部に密着するように付勢することができる。この際、当接部24a,24bは、ユニバーサルジョイント23a,23bによって任意の方向に傾斜させることができ、内面24f全体での密着性を確保することができる。片方の当接部24a,24bの側頭部に対する押圧力又は付勢力は、装置全体の重量を考慮して例えば3〜4N程度とすることができるが、これに限るものではない。一対の当接部24a,24bによって頭部を適宜の力で挟むことにより、一対の当接部24a,24bが側頭部に支持され、第1テンプル21a及び第2テンプル21bの荷重によるずれ下がりを防止でき、光学装置100A及び支持装置100Bを含めたHMD100全体を装着者USの頭部に対して安定して固定することができる。
一対の当接部24a,24bは、支持の安定性の観点からすると、装着者USの頭部を挟んで反対側に配置されることが望ましい。つまり、一対の当接部24a,24bの内面24fは、その近似平面が略平行に配置されていることが望ましい。ただし、一対の当接部24a,24bの内面24fが厳密に平行である必要はなく、一対の当接部24a,24bに対する押圧力がある程度確保されていれば、一対の当接部24a,24bが側頭部に支持された状態を確保することができる。一対の当接部24a,24bを頭部に対して適正に配置するためには、第1テンプル21a及び第2テンプル21bの長さも関係する。第1テンプル21a及び第2テンプル21bの長さは、想定される標準的な装着者USをモデルとして決定することができる。
図12は、第1テンプル21aについて構造の変形例を説明する平面図である。図12において、第1領域IR1は、第1テンプル21aの基本状態を示し、第2領域IR2は、第1テンプル21aを伸張した状態を示す。第1テンプル21aの本体21jは、スライド軸25aと外筒25bとを有する。スライド軸25aの根元は、基部21cの第1アーム26aに支持されている。スライド軸25aと外筒25bとは、第1テンプル21aの長さ調整構造25jとして機能する。すなわち、外筒25b内でスライド軸25aをスライド移動させることにより、手動で第1テンプル21aの長さを調整できるようになっている。つまり、第1テンプル21aは、伸縮可能に形成され、根元から当接部24aまでの距離を調整可能になっている。スライド軸25aには、周期的に複数の窪み25pが形成され、外筒25b内には、圧力を受けて変形する複数の突起25qが複数の窪み25pに対応する間隔で形成されている。窪み25p及び突起25qは、嵌合構造25fを構成し、スライド軸25aの段階的な移動を許容する。つまり、第1テンプル21aの本体21jは、多段階で段階的に伸縮させることができる。
第2テンプル21bについては、説明を省略するが、第1テンプル21aと同様に伸縮可能にすることができる。テンプル21a,21bの本体21jを適宜伸縮させることで、様々な装着者USに対して、一対の当接部24a,24bを、装着者USの頭部を挟んで略反対側に配置することが容易になる。
図8等に戻って、支持装置100Bの基部21cにおいて、ヒンジ22a,22bは必須のものではなく、第1テンプル21a及び第2テンプル21bを折り畳まない構造とすることができる。
基部21cを支持装置100Bの中央に配置し、中央部材26cに一対のノーズパッド61を支持させることにより、一対のノーズパッド61を支持装置100Bにおいて左右又はX方向に関して中央に配置することができ、光学装置100Aを装着者USの眼に対して左右方向に関してアライメントして配置することが容易になる。実施形態のHMD100は、当接部24a,24bの配置又は固定位置に関して自由度が高く、光学装置100Aが左右方向に関して位置ズレし易い傾向がある。支持装置100Bに直接的又は間接的に一対のノーズパッド61を設けることで、支持装置100Bを装着者USの頭部に対して適正に配置することが容易になり、光学装置100Aを装着者USの眼に対して適正に配置することも容易になる。
図13は、支持装置100Bの基部21cを説明する斜視図である。また、図14は、基部21cの周辺を説明する概念的な部分側方断面図である。基部21cにおいて、中央部材26cと保持部26dとの間には、回転支持部27a,27bが設けられており、これら回転支持部27a,27bは、光学装置100Aのための回動機構27として機能する。光学装置100Aは、図中矢印ABで示すように、回転支持部27a,27bによって手動で回転軸RX1の周りに回転させることができ、光学装置100Aの姿勢を鉛直面すなわちYZ面に沿った任意の方向に傾斜させることができる。つまり、回動機構27は、光学装置100Aを回転軸RX1又は水平軸の周りに回転可能に支持する。これにより、装着者USの前方において虚像が見える位置を上下方向に関して変更することができ、或いは装着者USの眼から光学装置100Aの第1虚像形成光学部103a及び第2虚像形成光学部103bまでの距離を増減調整することもできる。回動機構27は、滑らかで連続的な回転を可能にするものであってもよいが、クリック可動機構(不図示)を組み込むことにより、光学装置100Aを段階的で離散的な角度姿勢に保持するものとすることもできる。
図示の例では、保持部26dは、互いに分離された上側部材29aと下側部材29bとを有するが、これらの上側部材29a及び下側部材29bは、互いに連結された一体の部材とすることができる。
ノーズパッド61については、中央部材26cの下側部材29bを光学装置100Aのブリッジ部103kに対して着脱可能にし、下側部材29bとともにノーズパッド61を交換することができる。これにより、装着者USの顔面に適したサイズを有するノーズパッド61であって、支持体62によって配置が適正に調整されたノーズパッド61を支持装置100B又は光学装置100Aに取り付けることができる。
図15は、図14に示すノーズパッド61及び支持体62等の変形例を説明する図である。この場合、中央部材26cの上側部材29aと下側部材29bとを繋ぐ壁体29cが設けられており、壁体29cに対して支持体62のマウント部材63を上下方向に移動できるようにしている。図中で実線で示すマウント部材63は、下端位置に配置され、図中で一点鎖線で示すマウント部材63は、上端位置に配置されている。壁体29cとマウント部材63との間には、不図示のフライド機構やマグネットが組み込まれており、マウント部材63の滑らかな昇降や段階的な昇降が可能になっている。これにより、光学装置100Aや支持装置100Bに対するノーズパッド61の配置を変更し調整することができ、装着者USの眼に対して光学装置100Aの高さ位置を調整することが容易になる。
図16は、図14に示すノーズパッド61及び支持体62等の別の変形例を説明する図である。この場合、中央部材26cの下側部材29bに回転支持部64aを設け、ノーズパッド61の支持体62を回転軸RX2の周りに回転可能にする。支持体62のうちノーズパッド61の反対側の先端64kは、ストッパー64bまで延びており、支持体62の回転を制限する。ノーズパッド61を回転軸RX2の周りに手動で強制的に回転させると、支持体62の先端64kがストッパー64bの抵抗力に抗して段階的に回転移動し、支持体62の姿勢を変化させることができる。これにより、ノーズパッド61も回転軸RX2の周りに回転し、装着者USが望む位置に移動する。このような回転機構によっても、光学装置100Aや支持装置100Bに対するノーズパッド61の配置を変更し調整することができ、装着者USの眼に対して光学装置100Aまでの距離や高さ位置を調整することが容易になる。
図17は、光学装置100Aの跳ね上げを説明する図である。支持装置100Bにおいて、当接部24aがユニバーサルジョイント23aによって支持されているので、図示の第1テンプル21aは、ユニバーサルジョイント23aの軸を中心として時計方向に回転させることができる。つまり、装着者USは、手で光学装置100Aを上方に移動させることができ、装着者USの眼の視線前方から虚像形成光学部103aを待避させることができる。この際、ノーズパッド61が眉骨や前頭骨の表面で支持されるならば、光学装置100Aが元の位置に下がることを防止できる。ノーズパッド61が下がり止めとして機能しない場合、支持装置100Bの中央部材26cにおいて、保持部26dの背面に摩擦パッド26rを追加的に設けることで、光学装置100Aが元の位置に下がることを防止できる。
図2に戻って、シェード107は、光学装置100Aの前面を覆うように着脱可能に取り付けることができる。シェード107は、減光部107aとフレーム107cとを有する。図7に示すように、フレーム107cは、中央部107jを支持装置100Bの中央部材26c又は保持部26dの隙間GA(図8参照)に嵌め込むようにして固定されている。シェード107の着脱に際してはクリック感が生じるようにしている。シェード107の取付機構については、具体的な説明を省略するが、一般的な機械機構を用いることができ、シェード107の着取箇所も、図示するものに限らず様々に設定することができる。
図2に示す補助部材108は、当接部24a,24bの移動を補助的に防止する機能を有し、第1テンプル21a及び第2テンプル21bの一対の先端部21pを連結するストラップ108aと、ストラップ108aの緩みを調節するクリップ108bとを有する。この場合、クリップ108bを用いてストラップ108aの長さや締め付け状態を調節するという簡単な手法によって、画像光生成装置である光学装置100Aの頭部に対する配置の変化つまり位置ズレを防止することができ、HMD100の意図しない落下を防止することもできる。ストラップ108aは、紐状のものに限らず、バンド状のものであってもよい。クリップ108bは、ストラップ108aを任意の箇所で止めることができれば、様々な構造とすることができる。補助部材108は、テンプル21a,21b等に対して着脱可能とすることができる。
図18を参照して、光学装置100Aの内部構造等について説明する。左眼用の第1表示装置101aのうち第1像形成本体部105aは、外装ケース105d内に、表示素子80、投射レンズ30、電子回路基板41,42等が保持されている。投射レンズ30の鏡筒38は、投射レンズ30を構成するレンズ要素や表示素子80を相互にアライメントして固定する。表示素子80、投射レンズ30、及び電子回路基板41,42は、金属製の外装ケース105d内に不図示の取付部材を介してアライメントされた状態で固定されており、特に投射レンズ30は、第1虚像形成光学部103aの先端部に対してもアライメントされた状態で固定されている。投射レンズ30は、第1虚像形成光学部103aに対して光路に関する前段に配置されて結像系の一部を構成する。電子回路基板41は、図1に示す外部装置200又は中継器110からの信号を処理する信号処理基板である。電子回路基板41は、電子回路基板42の表示動作を管理し制御している。電子回路基板42は、第1像形成本体部105a中の表示素子80を駆動する駆動回路基板であり、電子回路基板41の制御下で動作する。
右眼用の第2表示装置101bのうち第2像形成本体部105bにおいて、カバー状の外装ケース105d内に、表示素子80、投射レンズ30、電子回路基板42等が保持されている。投射レンズ30、表示素子80、及び電子回路基板42は、金属製の外装ケース105d内にアライメントされた状態で固定されており、特に投射レンズ30は、第2虚像形成光学部103bの先端部に対してもアライメントされた状態で固定されている。右眼用の第2像形成本体部105bにおいて、投射レンズ30は、第2虚像形成光学部103bに対して光路に関する前段に配置されて結像系の一部を構成する。電子回路基板42は、第2像形成本体部105b中の表示素子80を駆動する駆動回路基板であり、離れた第1像形成本体部105aに設けた電子回路基板41の制御下で動作する。
第1及び第2虚像形成光学部103a,103bは、別体ではなく対向する端部で連結されて一体的な部材である透視型導光ユニット100Cを形成している。透視型導光ユニット100Cは、表示素子80からの画像光を導く一対の導光部材10a,10bと、外界像の重畳視を可能にする中央部材50とを備える。一対の導光部材10a,10bは、画像光を内部に伝搬させつつ虚像形成に寄与する一対の光学部材である。中央部材50は、一対の光透過部50a,50bを有し、一方の光透過部50aは、一方の導光部材10aに接合され、他方の光透過部50bは、他方の導光部材10bに接合される。透視型導光ユニット100Cは、導光によって装着者USに両眼用の画像を提供する複合型の導光装置であり、両端部つまり導光部材10a,10bの先端が外装ケース105dに嵌め込まれ、像形成本体部105a,105bに支持されている。
透視型導光ユニット100Cの上面には、上カバー100Dが固定されている。上カバー100Dと透視型導光ユニット100Cとの間には、薄く狭い空間が形成されており、第1像形成本体部105aと第2像形成本体部105bとを電気的に連結する信号線48が延びている。なお、上カバー100Dは、図8に示す支持装置100Bの基部21cを構成する保持部26dと一体のものとすることができるが、保持部26dと別体のものとしてもよい。
第1像形成本体部105aに組み込まれた表示素子80は、2次元的な表示を可能にする自発光型の表示デバイスであり、ドットマトリクス方式で動作する。各表示素子80は、具体的には有機EL(Electro-luminescence)の表示パネルを想定しているが、これに限るものではなく、液晶ディスプレイ(LCD: Liquid Crystal Display)用のパネルであってもよい。LCD用のパネルを用いる場合、適合する照明用光源が必要となる。表示素子80は、電子回路基板42に駆動されて四角形の表示面上にカラー画像を形成し、2次元的な動画又は静止画を表示することができる。第2像形成本体部105bに組み込まれた表示素子80は、第1像形成本体部105aに組み込まれた表示素子80と同様の構造を有する。
図19を参照して、HMD100を構成する電子回路について説明する。電子回路は、図18に示す左眼用の第1像形成本体部105aに組み込まれるものと、右眼用の第2像形成本体部105bに組み込まれるものとに分かれる。第1像形成本体部105aに組み込まれる回路は、2つの電子回路基板41,42を含み、第2像形成本体部105bに組み込まれる回路は、1つの電子回路基板42を含む。
第1像形成本体部105aに組み込まれた電子回路基板41は、コネクタ40c、ケーブル109、及び中継器110を介して外部装置200に接続されている。電子回路基板41は、外部装置200又は中継器110から受信した信号を分岐して、第1像形成本体部105aの電子回路基板42と、第2像形成本体部105bの電子回路基板42とに振り分ける。この場合、HMD100外の回路、例えば外部装置200が、HMD100の全体的な動作を統括する役割を有し、電子回路基板41は、HMD100外の回路装置の制御下で動作する。電子回路基板41は、カメラ31、マイク32、及びスピーカー35の動作を管理しており、カメラ31に適宜のタイミングで撮影を行わせ、マイク32によって装着者USの発する音声を読み取り、スピーカー35によって装着者USに音声情報を通知する。図示を省略しているが、第1像形成本体部105aには、温度センサー、外光センサー、加速度センサー等の各種センサーが組み込まれている。
第1像形成本体部105aに組み込まれた電子回路基板42は、表示素子80を駆動する駆動回路基板として、電子回路基板41から出力される表示信号を受けて動作する。詳細な説明を省略するが、各電子回路基板42は、例えばIF回路、走査駆動回路、信号駆動回路等を備え、電子回路基板41から出力された画像データ又は画像信号を受け取って表示素子80に2次元的な画像表示を行わせる。電子回路基板42は、表示素子80に対して画像に対応する駆動信号を出力する。
第2像形成本体部105bに組み込まれた電子回路基板42は、第1像形成本体部105aに組み込まれた電子回路基板42と同様の構造を有し、第2像形成本体部105bに設けた表示素子80を駆動する駆動回路基板として、電子回路基板41から出力される表示信号を受けて動作する。
図20は、第1表示装置101aの一部を示す図であり、特に第1虚像形成光学部103aの光学的構造を説明するものとなっている。HMD100は、既述のように、第1表示装置101a及び第2表示装置101b(図1等参照)で構成されるが、第1表示装置101aと第2表示装置101bとは、左右対称で同等の構造を有するため、第1表示装置101aについてのみ説明し、第1表示装置101bについては説明を省略する。なお、図20において、x、y、及びzは、直交座標系であり、x方向及びy方向は、第1面S11及び第3面S13に平行であり、z方向は、第1面S11及び第3面S13に垂直である。
第1虚像形成光学部103aのうち導光部材10aは、接着層CCを介して光透過部50aと接合されている。つまり、光透過部50aの第2透過面S52は、導光部材10aの第2面S12に対向して配置され、同じ形状を有する。導光部材10aと光透過部50aとは、光学面を含む立体的形状を与える本体部材の表面を薄いハードコート層で被覆した構造を有する。導光部材10aや光透過部50aの本体部材は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば金型内に熱可塑性樹脂を注入し固化させることにより成形される。
以下、画像光GLの光路について概要を説明する。導光部材10aは、投射レンズ30から射出された画像光GLを、第1〜第5面S11〜S15での反射等により装着者USの眼に向けて導光する。具体的には、投射レンズ30からの画像光GLは、まず光入射部11aに形成されている第4面S14の部分に入射して反射膜RMの内面である第5面S15で反射され、第4面S14に内側から再度入射して全反射され、第3面S13に入射して全反射され、第1面S11に入射して全反射される。第1面S11で全反射された画像光GLは、第2面S12に入射し、第2面S12に設けたハーフミラー15を部分的に透過しつつも部分的に反射されて光射出部11bに形成されている第1面S11の部分に再度入射して通過する。第1面S11を通過した画像光GLは、Z方向に略平行な光軸AXに沿って全体として進み、装着者USの眼が配置されるアイリングEPに略平行光束として入射する。つまり、装着者USは、虚像としての画像光により画像を観察することになる。
第1虚像形成光学部103aは、導光部材10aにより装着者USに画像光を視認させるとともに、導光部材10aと光透過部50aとの組み合わせた状態で、装着者USに歪みの少ない外界像を観察させるものとなっている。この際、第3面S13と第1面S11とが互いに略平行な平面となっていることで、この部分を透過させる観察に関して視度が略0となり、外界光OLについて収差等をほとんど生じさせない。また、第3透過面S53と第1透過面S51とが互いに略平行な平面となっており、さらに、第3透過面S53と第1面S11とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じさせない。以上により、装着者USは、光透過部50a越しに歪みのない外界像を観察することになる。
以上で説明したHMD100では、当接部24a,24bがテンプル21a,21bの本体21jによって押圧されて平坦な部位に対して、具体的には側頭部に対して当接し、当接部24a,24bがユニバーサルジョイント23a,23bにより本体21jに接続されるので、当接部24a,24bの当接対象である平坦な部位に対する姿勢、具体的には側頭部に対する姿勢が押圧に適するものとなり、HMD100を当接部24a,24bによって安定した状態で頭部に対して固定することができる。結果的に、HMD100を装着したままで必要な環境音の知覚が可能であり、比較的小さくし易い当接部24a,24bによってHMD100の外観的な形状に関する制限を少なくできる。また、実施形態のHMD100では、第1テンプル21a及び第2テンプル21bを先端側で広げるだけで、眼鏡に類似した装着が可能になるので、装着作業が簡単であり、ノーズパッド61によって左右のアライメントも簡便である。
〔変形例及びその他の事項〕
以上で説明した支持装置100Bを構成する第1テンプル21a、第2テンプル21b、第1アーム26a、第2アーム26b、中央部材26c等の形状は、単なる例示であり、同様の機能を達成できる範囲で様々な形状や構造を採用することができる。
以上で説明した支持装置100Bを構成する第1テンプル21a、第2テンプル21b、第1アーム26a、第2アーム26b、中央部材26c等の形状は、単なる例示であり、同様の機能を達成できる範囲で様々な形状や構造を採用することができる。
以上で説明した光学装置100Aの構造や形状も単なる例示であり、シースルー型のHMDを実現する様々な光学系を採用することができる。例えば、光学装置100Aを第1表示装置101a及び第2表示装置101bの一方のみを備える装置とすることができる。
当接部24a,24bの輪郭形状は、例示した矩形に限らず、円形、長円形、六角形その他の多角形等とすることができる。当接部24a,24b又はパッド28bの内面24fは、単一の面である必要はなく、複数の領域に区画された当接面を有するものであってもよい。
カメラ31については、光学装置100Aの跳ね上げによって上向きになるため、カメラ31の視野を保つべく、光学装置100Aに対してカメラ31の姿勢を調整する機構を追加することができる。図21に示すように、カメラ31を支持装置100Bの保持部26dに対して直接固定せず、マウント131を介して固定する。マウント131は、手動又は電動で動作し、カメラ31をYZ面に沿った方向に傾斜させる。これにより、カメラ31の視野を上下に変化させることができ、光学装置100Aの跳ね上げた場合にも、カメラ31の姿勢を例えば水平方向を正面とするように維持することができ、正面方向を撮影することができる。
光学装置100Aの跳ね上げに際して、ノーズパッド61や摩擦パッド26rを光学装置100Aの下がり止めに用いるとしたが、当接部24a,24bにテンプル21a,21bとの角度関係を保ちやすくする角度保持機構を設けることによっても、光学装置100Aの下がり止めを達成することができる。
以上の説明では、表示素子80が有機ELの表示パネルやLCD用のパネルであるとしたが、表示素子80は、LEDアレイ、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等に代表される自発光型の表示素子であってもよい。さらに、表示素子80は、レーザー光源とスキャナーとを組みあわせたレーザスキャナーを用いたディスプレイであってもよい。なお、LCDパネルに代えてLCOS(Liquid crystal on silicon)技術を用いることもできる。
電子回路基板41,42には、実施形態で説明した機能に限らず、様々な機能を持たせることができる。
具体的な態様におけるヘッドマウントディスプレイ(HMD)は、虚像を形成する画像光生成装置と、一対のテンプルを有し画像光生成装置を上側から支持する支持装置とを備え、テンプルは、ユニバーサルジョイントにより本体に接続される当接部を有し、当接部を押圧させつつ当接させる。
上記装着型表示装置では、当接部がテンプルの本体によって押圧されて当接し、当接部がユニバーサルジョイントにより本体に接続されるので、当接部の当接対象に対する姿勢が押圧に適するものとなり、ヘッドマウントディスプレイを当接部によって安定した状態で頭部に対して固定することができる。
具体的な側面において、一対のテンプルは、一対の側頭部に対して挟むように当接させる一対の当接部を有し、一対の当接部は、ユニバーサルジョイントにより本体にそれぞれ接続されている。この場合、一対の当接部によって頭部を挟むようにしてテンプルを頭部に固定することができ、テンプルを介して画像光生成装置を頭部に固定することができる。
別の側面において、当接部は、一面側にユニバーサルジョイントの一部が形成された板状の支持部材と、支持部材の他面上に固定された弾性材製のパッドとを有する。この場合、当接部を頭部に対して弾性的に密着させた状態で当接させることができ、テンプルの頭部への固定を安定させることができる。
さらに別の側面において、ユニバーサルジョイントは、当接部について本体に対する3軸の傾斜を許容する。この場合、テンプルに対する当接部の可動状態を多様化でき、当接部を頭部に対して密着させやすくなり、頭部に対して固定された状態のままでテンプルを回転させることもできる。
さらに別の側面において、ユニバーサルジョイントは、ボール部とボールリテナーとを含む。この場合、ユニバーサルジョイントを簡単な構造によって小型化でき、当接部やテンプルも小型化することができる。
さらに別の側面において、支持装置は、画像光生成装置を水平軸の周りに回転可能に支持する回動機構を有する。この場合、支持装置に対する画像光生成装置の姿勢や配置を調整することができ、頭部に対する画像光生成装置の姿勢や配置の調整が可能になる。
さらに別の側面において、画像光生成装置に対して間接的に又は直接的に固定されるノーズパッドを備える。この場合、画像光生成装置の顔面に対する配置を所期の状態とすることができる。
さらに別の側面において、テンプルは、伸縮可能に形成され、根元から当接部までの距離を調整可能である。この場合、テンプルの本体に対する当接部の配置を調整することができる。
さらに別の側面において、当接部の移動を補助的に防止する補助部材をさらに備える。この場合、当接部が当初の固定位置から移動して画像光生成装置の頭部に対する配置が変化することを抑制できる。
さらに別の側面において、補助部材は、テンプルの一対の先端部を連結するストラップと、ストラップの緩みを調節するクリップとを有する。この場合、簡単な手法で画像光生成装置の頭部に対する配置の変化を防止することができる。
EA…耳、GL…画像光、OL…外界光、US…装着者、WA1…配線、10a,10b…導光部材、15…ハーフミラー、21a…第1テンプル、21b…第2テンプル、21c…基部、21j…本体、21p…先端部、23a,23b…ユニバーサルジョイント、23p…ボール部、23q…ボールリテナー、23s…スタッド、24a,24b…当接部、24f…内面、26a,26b…アーム、26c…中央部材、26d…保持部、26r…摩擦パッド、27…回動機構、27a,27b…回転支持部、28a…支持部材、28b…パッド、29a…上側部材、29b…下側部材、30…投射レンズ、31…カメラ、32…マイク、35…スピーカー、38…鏡筒、41,42…電子回路基板、48…信号線、50…中央部材、50a,50b…光透過部、61…ノーズパッド、62…支持体、80…表示素子、100…ヘッドマウントディスプレイ(HMD)、100A…光学装置、100B…支持装置、101a…第1表示装置、101b…第2表示装置、103a…第1虚像形成光学部、103b…第2虚像形成光学部、103k…ブリッジ部、105a,105b…像形成本体部、107…シェード、108…補助部材、108a…ストラップ、108b…クリップ、109…ケーブル、110…中継器、200…外部装置
Claims (10)
- 虚像を形成する画像光生成装置と、
一対のテンプルを有し前記画像光生成装置を上側から支持する支持装置とを備え、
前記テンプルは、ユニバーサルジョイントにより本体に接続される当接部を有し、前記当接部を押圧させつつ当接させる、ヘッドマウントディスプレイ。 - 前記一対のテンプルは、一対の側頭部に対して挟むように当接させる一対の当接部を有し、前記一対の当接部は、ユニバーサルジョイントにより前記本体にそれぞれ接続されている、請求項1の記載のヘッドマウントディスプレイ。
- 前記当接部は、一面側に前記ユニバーサルジョイントの一部が形成された板状の支持部材と、前記支持部材の他面上に固定された弾性材製のパッドとを有する、請求項1及び2のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
- 前記ユニバーサルジョイントは、前記当接部について前記本体に対する3軸の傾斜を許容する、請求項1〜3のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
- 前記ユニバーサルジョイントは、ボール部とボールリテナーとを含む、請求項4に記載のヘッドマウントディスプレイ。
- 前記支持装置は、前記画像光生成装置を水平軸の周りに回転可能に支持する回動機構を有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
- 前記画像光生成装置に対して間接的に又は直接的に固定されるノーズパッドを備える、請求項1〜6のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
- 前記テンプルは、伸縮可能に形成され、根元から前記当接部までの距離を調整可能である、請求項1〜7のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
- 前記当接部の移動を補助的に防止する補助部材をさらに備える、請求項1〜8のいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
- 前記補助部材は、前記テンプルの一対の先端部を連結するストラップと、前記ストラップの緩みを調節するクリップとを有する、請求項9に記載のヘッドマウントディスプレイ。
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