JP2022115244A - 画像表示装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】支持体の製造公差や支持体の組付け公差の影響を受けにくい画像表示装置及びその製造方法を提供すること。【解決手段】画像表示装置200は、第1フレーム61aと第1光学系12aとを有する第1表示部100aと、第2フレーム61bと第2光学系12bとを有する第2表示部100bと、第1表示部100aと第2表示部100bとを相対的に固定する固定部材78とを備え、固定部材78は、第1表示部100aと第2表示部100bとを固定する前の位置合わせに際して第1光学系12a及び第2光学系12bを2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有する。【選択図】図11
Description
本発明は、虚像の観察を可能にする画像表示装置及びその製造方法に関し、特に両眼用の表示部を備える画像表示装置等に関する。
眼鏡状の虚像表示装置であって、第1の表示素子から導光部材までの左眼用の光学系と、第2の表示素子から導光部材までの右眼用の光学系とを、横方向に延びるフレームに対してネジ止め等によって組み付けることで、左右の光学系を眼の前に配置するものが公知となっている(特許文献1)。なお、この虚像表示装置では、製造公差や組み立て交差の影響を低減することを目的として、表示素子の保持部材と投射レンズの鏡筒とのいずれか一方に設けられた凸部と、他方に設けられた凹部とを用いて光学系に対する表示素子の位置合わせを行っている。
上記特許文献1の装置では、左眼用の光学系と右眼用の光学系とがフレームに組み付けられることによって最終的な配置が定まるので、フレームの製造公差やフレームの組付け公差の影響を受ける可能性がある。
本発明の一側面における画像表示装置は、第1フレームと第1光学系とを有する第1表示部と、第2フレームと第2光学系とを有する第2表示部と、第1表示部と第2表示部とを相対的に固定する固定部材とを備え、固定部材は、第1表示部と第2表示部とを固定する前の位置合わせに際して第1光学系及び第2光学系を2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有する。
本発明の一側面における画像表示装置の製造方法は、第1フレームと第1光学系とを有する第1表示部と、第2フレームと第2光学系とを有する第2表示部と、第1表示部と第2表示部とを相対的に固定する固定部材とを備える画像表示装置の製造方法であって、固定部材は、第1光学系及び第2光学系を2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有し、位置合わせ後に固定部材に対する第1光学系及び第2光学系の回転を停止させた状態にする。
以下、図1~3等を参照して、本発明に係る画像表示装置の構造、動作、製造方法等について説明する。
図1は、画像表示装置200の装着状態を説明する図である。画像表示装置200は、ヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも称する。)201であり、これを装着する観察者又は装着者USに虚像としての映像を認識させる。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、画像表示装置200又はHMD201を装着した観察者又は装着者USの両眼EY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EYの並ぶ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。±Y方向は、鉛直軸又は鉛直方向に平行になっている。
画像表示装置200は、装着者USの眼前を覆うように配置される本体200aと、本体200aを支持するテンプル状の一対の支持装置200bとを備える。本体200aは、機能的に見た場合、右眼用の第1表示装置100Aと、左眼用の第2表示装置100Bとを含む。第1表示装置100Aは、上部に配置される表示駆動部102と、メガネレンズ状で眼前を覆うコンバイナー103aとで構成される。第2表示装置100Bも同様に、上部に配置される表示駆動部102と、メガネレンズ状で眼前を覆うコンバイナー103bとで構成される。
図2を参照して、画像表示装置200のうち本体200aの外観について説明する。図2中で、領域AR1は、本体200aの平面図であり、領域AR2は、本体200aの正面図であり、領域AR3は、本体200aの右側面図であり、領域AR4は、本体200aの底面図である。本体200aのうち、+Y側すなわち上側に配置される一対の表示駆動部102は、連結されて一体化されており、横方向に細長くしたドーム状の上外装部材107aと、平坦な板状の下外装部材107bとによって覆われている。第1コンバイナー103a及び第2コンバイナー103bは、前方すなわち+Z方向に突起した半球の上部をカットしたような形状を有し、下外装部材107bから下方に突き出すように配置されている。
図3を参照して、図2に示す本体200aから上外装部材107a及び下外装部材107bを取り外した内部構造の概要について説明する。図3中で、領域BR1は、本体200aの上部を露出させた正面図であり、領域BR2は、本体200aの上部を露出させた右側面図であり、領域BR3は、本体200aの上部を露出させた斜視図であり、領域BR4は、本体200aの内部光学系を露出させた斜視図である。右眼用の第1表示装置100Aは、第1表示部100aとして、第1表示素子11aと第1光学系12aと第1コンバイナー103aとを備える。後述する第1フレーム61aも第1表示部100aの要素である。第1光学系12aは、内カバーである第1カバー部材71aに覆われ、第1表示素子11aは、第1カバー部材71aの開口71oを塞ぐように配置され、矩形枠状の第1ホルダー72aを介して第1光学系12aの外枠に固定されている。
図4に示すように、第1光学系12aは、板状の第1フレーム61aの上面に接着等によって固定され、第1コンバイナー103aは、その上端で第1フレーム61aの周囲のうち前半分に接着等によって固定されている。
図3に戻って、第2表示装置100Bは、第2表示部100bとして、第2表示素子11bと第2光学系12bと第2コンバイナー103bとを備える。後述する第2フレーム61bも第2表示部100bの要素である。第2光学系12bは、内カバーである第2カバー部材71bに覆われ、第2表示素子11bは、第2カバー部材71bの開口71oを塞ぐように配置され、矩形枠状の第2ホルダー72bを介して第2光学系12bの外枠に固定されている。左眼用の第2表示装置100Bは、右眼用の第1表示装置100Aと同一の構造及び機能を有する。つまり、第2表示素子11bは、第1表示素子11aと同様のものであり、第2光学系12bは、第1光学系12aと同様のものであり、第2コンバイナー103bは、第1コンバイナー103aと同様のものである。ただし、第1光学系12a、第1コンバイナー103a等に左右のX方向に関して非対称性を持たせた場合、第2光学系12b、第2コンバイナー103b等は、第1光学系12a、第1コンバイナー103a等を左右反転させたものとなる。
図4に示すように、第2光学系12bは、板状の第2フレーム61bの上面に接着等によって固定され、第2コンバイナー103bは、その上端で第2フレーム61bの周囲のうち前半分に接着等によって固定されている。
図3に戻って、第1表示装置100Aと第2表示装置100Bとは、内部において固定部材78を介して連結されている。固定部材78は、棒状の金属部材であり、例えばマグネシウム合金で形成される。固定部材78をマグネシウム合金で形成することにより、第1フレーム61aや第2フレーム61bを放熱によって冷却する効果を持たせることができる。固定部材78は、両端において、第1表示部100aと第2表示部100bとを相対的に固定している。固定部材78は、天秤の腕に相当する部材であり、一対の皿に相当する一対の表示部100a,100bを中央で支持している。固定部材78は、第1表示部100aと第2表示部100bとを固定する前の位置合わせに際して、第1光学系12a及び第2光学系12bを2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有する。
図4~6を参照して、固定部材78による第1表示部100a及び第2表示部100bの支持について説明する。図5中で、領域CR1は、左右の表示部100a,100bを連結した光学ユニットOUの平面図であり、領域CR2は、光学ユニットOUの底面図である。図6中で、領域DR1は、第1フレーム61aと固定部材78との接続を説明する斜視図であり、領域DR2は、固定部材78と第1カバー部材71aとの配置関係を説明する斜視図であり、領域DR3は、第1フレーム61aと固定部材78と第1カバー部材71aとの配置関係を説明する斜視図である。固定部材78の両端には、詳細は後述するが、ボールジョイントの構成要素に類似する球状の部材である固定部81a,82aが形成されている。これらの固定部81a,82aは、第1表示部100aと第2表示部100bとを位置合わせした後において、接着材等によって表示部100a,100b又はフレーム61a、61bの内側の端部に設けられた半球状の窪み部材である凹部81b,82bに接着され、回転が停止された状態とされる。固定部81a,82aを凹部81b,82bに固定するための接着材として、光硬化型の樹脂材を用いることができるが、これに限らず、熱硬化型又は常温硬化型の樹脂材等を用いることができる。固定部81aと凹部81bとを組み合わせた連結部材81は、第1カバー部材71aの拡張部71cに覆われている。固定部82aと凹部82bとを組み合わせた連結部材82も、第2カバー部材71bの拡張部71cに覆われている。
第1フレーム61aは、半円板状の金属部材であり、例えばマグネシウム合金で形成される。第1フレーム61aをマグネシウム合金で形成することにより、表示素子11a等が発生する熱の放熱効率を高めることができる。第1フレーム61aの左右両端には、凹部81bが形成されているが、一方の凹部81bのみが固定部材78との接続に利用される。第1フレーム61aには、光学開口OAが形成され、光学開口OAを封止する板状光学素子28が配置されている。板状光学素子28は、第1光学系12aの一部である。第2フレーム61bは、半円状の金属部材であり、例えばマグネシウム合金で形成される。第2フレーム61bをマグネシウム合金で形成することにより、表示素子11b等が発生する熱の放熱効率を高めることができる。第2フレーム61bの左右両端には、凹部82bが形成されているが、一方の凹部82bのみが固定部材78との接続に利用される。第2フレーム61bにも、光学開口OAが形成され、光学開口OAを封止する板状光学素子28が配置されている。
図7を参照して、上外装部材107a及び下外装部材107bについて説明する。図7中で、領域ER1は、上外装部材107aの内側を示す底面図であり、領域ER2は、下外装部材107bの内側を示す平面図である。上外装部材107aと下外装部材107bとは、樹脂製の材料で形成されている。上外装部材107aの外縁7aと、下外装部材107bの外縁7bとは同じ形状を有し、これらを突き合わせることで、図3に示す第1光学系12a及び第2光学系12bを収納する空間を形成することができる。上外装部材107aと下外装部材107bとは、ネジ穴等である締結部7f,7gを利用して固定される。下外装部材107bは一対の開口OP1を有し、開口OP1内に点線で示すように第1フレーム61a及び第2フレーム61bを配置することができる。開口OP1と、フレーム61a,61bとの間には隙間GPが設けられており、開口OP1内でフレーム61a,61bがXZ面内やY方向に関して位置ずれすることを許容する。つまり、図3等に示す第1表示部100a及び第2表示部100bは、相互に位置合わせされた状態のままで下外装部材107bに固定され、上外装部材107a及び下外装部材107b内に収納された状態でも、両表示部100a,100b間で位置決め完了時の配置関係が維持される。下外装部材107bには、ネジ止め孔7jが形成され、固定部材78のブリッジ78aに設けられた一対の締結部78zに対してネジ止めによって固定することができる。
図3及び4を参照して、第1フレーム61a及び第2フレーム61bの上方には弾性シート75が配置されている。弾性シート75の外周部75aは、図7に示す上外装部材107aの外縁7aと下外装部材107bの外縁7bとの間に挟まれて、外装部材107a,107b間において気密又は液密な封止を可能にする。弾性シート75には、一対の開口OP21,OP22が形成されている。一方の開口OP21のまわりの内周部75bは、内側端において第1フレーム61aの上面と第1カバー部材71aの下端部との間に挟まれるように配置され、第1フレーム61aの外縁に対応する箇所で第1フレーム61a
の上面に接着され、第1フレーム61aと第1カバー部材71aとの間において気密又は液密な封止を可能にする。他方の開口OP22のまわりの内周部75cは、内側端において第2フレーム61bの上面と第2カバー部材71bの下端部との間に挟まれるように配置され、第2フレーム61bの外縁に対応する箇所で第2フレーム61bの上面に接着され、第2フレーム61bと第2カバー部材71bとの間において気密又は液密な封止を可能にする。
の上面に接着され、第1フレーム61aと第1カバー部材71aとの間において気密又は液密な封止を可能にする。他方の開口OP22のまわりの内周部75cは、内側端において第2フレーム61bの上面と第2カバー部材71bの下端部との間に挟まれるように配置され、第2フレーム61bの外縁に対応する箇所で第2フレーム61bの上面に接着され、第2フレーム61bと第2カバー部材71bとの間において気密又は液密な封止を可能にする。
図3を参照して、固定部材78の上方であって左右の表示部100a,100bの間には、矩形板状の回路基板91が配置されている。回路基板91は、第1表示素子11a及び第2表示素子11bの表示動作を制御する制御装置92を含む。制御装置92は、左右の表示素子11a,11bに対して表示画像に対応する駆動信号を出力し左右の表示素子11a,11bの表示動作を制御する。制御装置92は、例えばIF回路、信号処理回路等を備え、外部から受け取った画像データ又は画像信号に応じて、左右の表示素子11a,11bに2次元的な画像表示を行わせる。制御装置92は、図示を省略するが、第1表示装置100Aの動作と第2表示装置100Bの動作とを統括するメイン基板を含む。メイン基板は、例えば不図示の外部装置との間で通信し当該外部装置から受信した信号に対して信号変換を行うインターフェース機能や、第1表示装置100Aの表示動作と第2表示装置100Bの表示動作とを連携させる統合機能を有するものとすることができる。
回路基板91は、基板支持部74によって固定部材78上に支持されている。基板支持部74上には、回路基板91が固定されている。基板支持部74は、固定部材78を上方、前方、及び後方から覆う樹脂製の部材であり、嵌合部51を用いたスナップ嵌めによって、回路基板91とともに固定部材78に対して着脱可能になっている。
図8は、第1表示部100aの光学的構造を説明する側方断面図である。第1表示部100aは、第1表示素子11aと結像光学系20とを備える。結像光学系20は、導光光学装置とも呼ぶ。結像光学系20は、投射レンズ21と、プリズムミラー22と、板状光学素子28と、シースルーミラー23とを備える。結像光学系20のうち、投射レンズ21とプリズムミラー22と板状光学素子28とは、図3等に示す第1光学系12aに対応し、シースルーミラー23は、第1コンバイナー103aに対応する。第1表示素子11a、投射レンズ21、及びプリズムミラー22は、不図示の枠体によって相互にアライメントされた状態で第1フレーム61aに固定され、第1カバー部材71aと第1フレーム61aとに挟まれた空間SP1内に収納されている。板状光学素子28は、第1フレーム61aの光学開口OAに形成された段差に嵌め込むように配置され、光学開口OAの周囲が気密な状態に保たれている。
第1表示素子11aは、自発光型の表示デバイスである。第1表示素子11aは、例えば有機EL(有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence)ディスプレイであり、2次元の表示面11dにカラーの静止画又は動画を形成する。第1表示素子11aは、XY面を基準としてX軸のまわりに回転して傾いたxy面に沿って配置されている。第1表示素子11aは、回路基板91に設けられた制御装置92に駆動されて表示動作を行う。第1表示素子11aは、有機ELディスプレイに限らず、マイクロLEDディスプレイ、又は無機EL、有機LED、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等を用いた表示デバイスに置き換えることができる。第1表示素子11aは、自発光型の画像光生成装置に限らず、LCDその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子をバックライトのような光源によって照明することによって画像を形成するものであってもよい。第1表示素子11aとして、LCDに代えて、LCOS(Liquid crystal on silicon, LCoSは登録商標)や、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。
投射レンズ21は、第1表示素子11aから射出された画像光MLを通過させ、プリズムミラー22に入射させる。投射レンズ21は、第1表示素子11aから射出された画像光MLを平行光束に近い状態に集光する。投射レンズ21は、第1レンズ21p及び第2レンズ21qを含む。プリズムミラー22は、内反射面22bを有し、投射レンズ21から射出された画像光MLを入射面22aから内部に入射させ、内反射面22bで全反射させ、射出面22cから外部に射出させる。この際、プリズムミラー22は、前方から入射する画像光MLを、入射方向を反転させた方向(プリズムミラー22から見た光源の方向)に対して傾斜した方向に折り返すように射出する。板状光学素子28は、プリズムミラー22からの画像光MLを屈折させつつ通過させ、シースルーミラー23に入射させる。
シースルーミラー23は、凹の表面ミラーとして機能する湾曲した板状の光学部材であり、プリズムミラー22から板状光学素子28を介して入射した画像光MLを瞳位置PPに向けて反射する。瞳位置PPは、表示面11d上の各点からの画像光MLが所定の発散状態又は平行状態で表示面11d上の各点の位置に対応する角度方向から重畳するように入射する位置となっている。シースルーミラー23は、眼EY又は瞳孔が配置される瞳位置PPを覆うとともに瞳位置PPに向かって凹形状を有し、外界に向かって凸形状を有する。シースルーミラー23は、板状体23bの表面又は裏面上にミラー膜23cを形成した構造を有するミラー板である。シースルーミラー23の反射面23aは、透過性を有する。瞳位置PPには、シースルーミラー23やその周囲の支持板41を通過した外界光OLも入射する。つまり、画像表示装置200を装着した装着者USは、外界像に重ねて、画像光MLによる虚像を観察することができる。
以上において、投射レンズ21、プリズムミラー22、板状光学素子28、及びシースルーミラー23を構成する光学面は、自由曲面を含み、少なくも一部の光学面を非球面や球面に置き換えることもできる。
結像光学系20は、シースルーミラー23が凹面鏡であること等に起因して、軸外し光学系OSとなっている。本実施形態の場合、投射レンズ21、プリズムミラー22、板状光学素子28、及びシースルーミラー23は、非軸対称に配置され、非軸対称な光学面を有する。この結像光学系20つまり軸外し光学系OSでは、紙面に対応する軸外し面(YZ面に平行な面)に沿って光軸AXが延びるように光軸AXの折り曲げが行われている。この結像光学系20では、YZ面に平行な軸外し面内で光軸AXの折り曲げを行うことで、かかる軸外し面に沿って光学要素21,22,23が配列されている。結像光学系20は、縦方向に延びる基準面である軸外し面(YZ面に平行な面)に沿って配置され反射面の前後で互いに傾斜する光軸部分AX1,AX2,AX3を含む。全体としての光軸AXは、表示素子11aの中心から射出される主光線の光路に沿って延び、アイポイントに相当するアイリングER又は瞳の中心を通る。光軸AXは、YZ面に平行な横断面で見た場合、複数の光軸部分AX1,AX2,AX3によって、Z字状の配置となっている。つまり、YZ面に平行な軸外し面において、投射レンズ21から内反射面22bまでの光路P1と、内反射面22bからシースルーミラー23までの光路P2と、シースルーミラー23から瞳位置PPまでの光路P3とが、Z字状に2段階で折り返される配置となっている。
図9に示すように、第1表示素子11aの表示面11dに形成する表示像を予め台形歪のような歪を持たせた修正画像DA1とする。つまり、結像光学系20が軸外し光学系OSであることから、光学系自体で台形歪のようなディストーションを取りきることは容易でない。よって、第1表示素子11aに表示される画像を、投射レンズ21、プリズムミラー22、板状光学素子28、及びシースルーミラー23によって形成される歪を相殺する逆の歪を有するものとすることで、結像光学系20を経て瞳位置PPで観察される虚像の投影像IG1の画素配列を、元の表示像DA0に対応する格子パターンとすることができ輪郭を矩形とすることができる。つまり、第1表示素子11aは、投射レンズ21、プリズムミラー22、板状光学素子28、及びシースルーミラー23によって形成されるディストーションを補正する。結果的に、シースルーミラー23等で発生するディストーションを許容しつつ第1表示素子11aを含めた全体として収差を抑えることができる。これにより、プリズムミラー22等の光学要素の配置やサイズの自由度が高まり、第1表示部100aの小型化を達成しつつ、第1表示部100aの光学性能の確保を容易にすることができる。
以上では、第1表示部100aについて説明したが、第2表示部100bは、第1表示部100aと同様の構造を有するので、具体的な構造の説明を省略する。
以下、図10Aを参照して、固定部材78について説明する。図10Aにおいて、領域FR1は、固定部材78を示す正面図であり、領域FR2は、固定部材78の平面図であり、領域FR3は、固定部材78の斜視図である。固定部材78は、ブリッジ78aの両端に一対の球状の第1固定部81a及び第2固定部82aを設けた亜鈴状の部材である。ブリッジ(接続部)78aは、第1固定部81aと第2固定部82aとを接続する接続部である。ブリッジ78aは、XZ面に沿って延びる細長いウェブ78jの両端をXY面に沿って延びる細長い一対のフランジ78iで挟んだ形状を有する。つまり、ブリッジ78aは、H形の断面を有する棒材である(図10B参照)。ブリッジ78aをH断面の部材とすることにより、ブリッジ78aの強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。
図10A及び10Bを参照して、連結部材81,82について説明する。固定部材78のブリッジ78aの一端に形成された球状の部材である第1固定部81aは、第1フレーム61aに形成された半球状の窪み部材である第1凹部81bに回転可能に嵌め込まれている。第1固定部81aと第1凹部81bとを組み合わせたものを第1連結部材81と呼ぶ。第1固定部81aの球状の凸表面を対向面78sと呼び、第1凹部81bの球状の凹表面を対向面61sと呼ぶ。第1固定部81aの対向面78sの曲率は、第1凹部81bの対向面61sの曲率よりも大きく設定されている。これにより、対向面78sと対向面61sとの間に接着材を注入して十分な厚みを有する接着層88を形成することができ、第1固定部81aと第1凹部81bとの接着強度を高めることができる。固定部材78のブリッジ78aの他端に形成された球状の部材である第2固定部82aは、第2フレーム61bに形成された半球状の窪み部材である第2凹部82bに回転可能に嵌め込まれている。第2固定部82aと第2凹部82bとを組み合わせたものを第2連結部材82と呼ぶ。第2固定部82aの球状の対向面78sの曲率は、第2凹部82bの球状の対向面61sの曲率よりも大きく設定されている。これにより、対向面78sと対向面61sとの間に接着材を注入して十分な厚みを有する接着層88を形成することができ、第2固定部82aと第2凹部82bとの接着強度を高めることができる。
ブリッジ(接続部)78aの下面78uは、第1固定部81aの対称中心を通る基準線SLと略同じ位置か基準線SLよりも上側すなわち+Y側に配置されている。つまり、ブリッジ78aは、第1固定部81aの中心と第2固定部82aの中心とを基準として第1フレーム61a及び第2フレーム61bから離れる上側で第1固定部81a及び第2固定部82aに接続されている。さらに、ブリッジ78aの下面78uと、第1フレーム61a及び第2フレーム61bの表面61fとの間には、隙間GRが確保されている。これにより、第1フレーム61aや第2フレーム61bがブリッジ78aの延在方向に平行なX軸や、これに垂直で第1フレーム61aの延在方向に平行なZ軸の周りで回転する姿勢変更を確保しつつ、第1固定部81aと第1凹部81bとの嵌合や、第2固定部82aと第2凹部82bとの嵌合を深くして、固定部材78による第1フレーム61aと第2フレーム61bとの連結を安定させることができる。なお、第1固定部81aや第2固定部82aのサイズを大きくすると接着面積を大きくすることができ、固定を安定化させることが容易になる。
図11は、固定部材78が第1表示部100aに固定されている状態を説明する一部破断斜視図である。第1固定部81aには、第1フレーム61aを第1固定部81aにネジ止めするネジを通す第1孔81kが形成されている。第1孔81kには、第1フレーム61aの第1凹部81bの中央に形成されY方向に延びる円筒状のボス81mが下方から挿入される。
図12Aに拡大して示すように、固定部材78の第1固定部81aは、第1フレーム61aに形成された第1凹部81bに嵌め込まれている。第1固定部81aと第1凹部81bとを組み合わせたものは、3軸方向の相対回転を微小角の範囲内で許容する軸受状の連結部材81である。つまり、連結部材81は、3軸の回転自由度を有する。第1カバー部材71aの拡張部71cは、連結部材81を覆うように配置される。拡張部71cには、第1固定部81aが挿入される半球状の第3凹部71jが形成されている。第3凹部71jの凹表面を対向面71sと呼ぶ。第3凹部71jの対向面71sは、第1固定部81aの対向面78sに対向して近傍に配置される。ここで、第3凹部71jの球状の対向面71sの曲率は、第1凹部81bの場合と異なり、第1固定部81aの球状の対向面78sの曲率と略等しくなるように設定されている。第3凹部71jの中央には、上下のY方向に延びる円筒状のボス71mが形成され、第1固定部81aに形成されたネジ止め用の第1孔81kに挿入されている。ボス71mの孔には、ネジSBが通され、ネジSBの先端SBaが第1フレーム61a側のボス81mにねじ込まれる。これにより、固定部材78を間に挟み込むようにして、第1カバー部材71aを第1フレーム61aに固定することができ、第1フレーム61aに対する第1固定部81aの接着を補強することができる。第1固定部81aの対向面78sと第3凹部71jの対向面71sとの間には、接着層を設けて固定を強化することもできる。
図12Bに拡大して示すように、固定部材78の第2固定部82aは、第2フレーム61bに形成された第2凹部82bに嵌め込まれている。第2固定部82aと第2凹部82bとを組み合わせたものは、3軸方向の相対回転を微小角の範囲内で許容する軸受状の連結部材82である。つまり、連結部材82は、3軸の回転自由度を有する。第2カバー部材71bの拡張部71cは、連結部材82を覆うように配置される。拡張部71cには、第2固定部82aが挿入される半球状の第4凹部71kが形成されている。第4凹部71kの凹表面を対向面71sと呼ぶ。第4凹部71kの対向面71sは、第2固定部82aの対向面78sに対向して近傍に配置される。ここで、第4凹部71kの球状の対向面71sの曲率は、第2凹部82bの場合と異なり、第2固定部82aの球状の対向面78sの曲率と略等しくなるように設定されている。第4凹部71kの中央には、上下のY方向に延びる円筒状のボス71mが形成され、第2固定部82aに形成されたネジ止め用の第2孔82kに挿入されている。ボス71mの孔には、ネジSBが通され、ネジSBの先端SBaが第2フレーム61b側のボス82mにねじ込まれる。これにより、固定部材78を間に挟み込むようにして、第2カバー部材71bを第2フレーム61bに固定することができ、第2フレーム61bに対する第2固定部82aの接着を補強することができる。第2固定部82aの対向面78sと第4凹部71kの対向面71sとの間には、接着層を設けて固定を強化することもできる。
以下、画像表示装置200の製造すなわち組み立てについて説明する。まず、第1フレーム61aに第1光学系12aと第1コンバイナー103aとを固定し、第1光学系12aに対し第1ホルダー72a等を用いて位置決めしつつ表示素子11aを固定する。これにより、第1表示部100aを含む右眼ユニットRUが得られる(図4参照)。これと並行して、第2フレーム61bに第2光学系12bと第2コンバイナー103bとを固定し、第2光学系12bに対し第2ホルダー72b等を用いて位置決めしつつ表示素子11bを固定する。これにより、第2表示部100bを含む左眼ユニットLUが得られる(図4参照)。その後、右眼ユニットRUと左眼ユニットLUとを二系統測定装置にセットして、弾性シート75を第1フレーム61a及び第2フレーム61b上に接着によって固定する。この際、弾性シート75の内側の開口OP21,OP22が第1フレーム61a及び第2フレーム61bによって封止される。さらに、固定部材78を降下するように移動させて、固定部材78の第1固定部81aを第1フレーム61aの第1凹部81bに嵌め込むとともに、固定部材78の第2固定部82aを第2フレーム61bの第2凹部82bに嵌め込む。その後、二系統測定装置のステージを利用して、右眼ユニットRU及び左眼ユニットLUの相互の角度や配置を精密に調整する。この際、右眼ユニットRUと左眼ユニットLUとは、固定部材78によって連結された状態で、X軸の周りのR1方向、Y軸の周りのR2方向、及びZ軸の周りのR3方向に独立して回転させることができる(図4等参照)。位置調整の完了後は、第1固定部81aと第1凹部81bとの間に予め供給していた接着剤を硬化させ、第2固定部82aと第2凹部82bとの間に予め供給していた接着剤を硬化させる。これにより、右眼ユニットRUと左眼ユニットLUとの位置合わせが完了する。その後、第1フレーム61aの上方から第1光学系12aを覆うように第1カバー部材71aを被せ、第1フレーム61aと第1カバー部材71aとの間に弾性シート75の内周部75bを挟み、第1カバー部材71aの第3凹部71jに設けられたボス71mを第1固定部81aの第1孔81kに挿入する(図12A参照)。その後、ネジSBをボス71mの孔に通し、第1固定部81aの第1孔81k内で対向する第1フレーム61a側のボス81mにねじ込む。これにより、第1フレーム61aに対する第1カバー部材71aの固定が完了する。第2カバー部材71bを第2フレーム61bに固定する方法は、第1カバー部材71aを第1フレーム61aに固定する方法と同様であり、説明を省略する。次に、基板支持部74を利用して固定部材78に回路基板91を取り付け、表示素子11a,11bから延びるFPCを回路基板91に接続する。最後に、固定部材78に設けた一対の締結部78zを用いて固定部材78に下外装部材107bを固定し、下外装部材107bに対して上外装部材107aを固定する。この際、第1フレーム61aや第2フレーム61bは、下外装部材107bに対して微小な変位が許容されており、固定部材78に対する第1表示部100aや第1表示部100bの位置決めが維持される。さらに、弾性シート75の外周部75aを上外装部材107aの外縁7aと下外装部材107bの外縁7bとの間に挟むことで、これらの間で封止が達成され、外装部材107の内空間が封止される。
上記実施形態の画像表示装置200は、第1フレーム61aと第1光学系12aとを有する第1表示部100aと、第2フレーム61bと第2光学系12bとを有する第2表示部100bと、第1表示部100aと第2表示部100bとを相対的に固定する固定部材78とを備え、固定部材78は、第1表示部100aと第2表示部100bとを固定する前の位置合わせに際して第1光学系12a及び第2光学系12bを2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有する。これにより、固定前においては、固定部材78に対して第1表示部100aと第2表示部100bとを高い自由度で配置し位置合わせすることができる。
上記実施形態の画像表示装置200の製造方法は、第1フレーム61aと第1光学系12aとを有する第1表示部100aと、第2フレームと第2光学系12bとを有する第2表示部100bと、第1表示部100aと第2表示部100bとを相対的に固定する固定部材78とを備えるものであって、固定部材78は、第1光学系12a及び第2光学系12bを2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有し、位置合わせ後に固定部材78に対する第1光学系12a及び第2光学系12bの回転を停止させた状態にする。この場合、固定前においては、固定部材78に対して第1表示部100aと第2表示部100bとを高い自由度で配置し位置合わせすることができる。また、位置合わせ後に固定部材78に対する第1光学系12a及び第2光学系12bの回転を停止させた状態にするので、固定部材78に対して第1表示部100aや第2表示部100bの相対的な配置関係を安定して維持させることができる。
〔変形例その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
第1表示部100aに組み込む結像光学系20は、図示のものに限らず、様々な構成とすることができる。具体的には、上記結像光学系20は、Y方向又は縦方向に非対称性を持たせた軸外し光学系OSであるとしたが、X方向又は横方向に非対称性を持たせた軸外し光学系とすることもできる。結像光学系20を構成する光学要素についても、図8に示すものは単なる例示であり、レンズの枚数を増減させる、ミラーを追記する、導光部材を追加するといった変更が可能である。
コンバイナー103a,103bの外界側には、コンバイナー103a,103bの透過光を制限することで調光を行う調光デバイスを取り付けることができる。調光デバイスは、例えば電動で透過率を調整する。調光デバイスとして、ミラー液晶、電子シェード等を用いることができる。調光デバイスは、外光照度に応じて透過率を調整するものであってもよい。
コンバイナー103a,103bは、遮光性を有するミラーに置き換えることもできる。この場合、外界像の直接観察を前提としない非シースルー形の光学系となる。
第1フレーム61a、第2フレーム61b、及び固定部材78は、金属材料で形成されたものに限らず、繊維強化プラスチック(FRP)で形成されたものであってもよい。
連結部材81,82の構造については、ボールジョイント状のものに限らず、回転自由度を2軸以上に高めた様々な機構に置き換えることができる。
以上では、画像表示装置100が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記画像表示装置100は、頭部に装着せず双眼鏡のようにのぞき込むハンドヘルドディスプレイとしても用いることができる。つまり、本発明において、ヘッドマウントディスプレイには、ハンドヘルドディスプレイも含まれる。
具体的な態様における画像表示装置は、第1フレームと第1光学系とを有する第1表示部と、第2フレームと第2光学系とを有する第2表示部と、第1表示部と第2表示部とを相対的に固定する固定部材とを備え、固定部材は、第1表示部と第2表示部とを固定する前の位置合わせに際して第1光学系及び第2光学系を2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有する。
上記画像表示装置では、固定部材が第1光学系及び第2光学系を2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有するので、固定前においては、固定部材に対して第1表示部と第2表示部とを高い自由度で配置し位置合わせすることができる。なお、位置合わせ後は、固定部材に対して第1表示部や第2表示部を、接着材や締結具を用いて固着させることにより、これらの相対的な配置関係を安定して維持させることができる。
具体的な側面において、固定部材と第1表示部との間、固定部材と及び第2表示部との間に、3軸の回転自由度を有する軸受状の連結部材がそれぞれ設けられている。この場合、固定部材に対して第1表示部と第2表示部とを自在に配置することができる。
具体的な側面において、連結部材は、位置合わせ後に回転が停止された状態とされる。これにより、位置合わせ前の自由な姿勢調節を確保しつつ位置合わせ後の配置維持が確保される。
具体的な側面において、固定部材は、第1フレーム側に設けられた球状の第1固定部と、第2フレーム側に設けられた球状の第2固定部と、を有し、第1フレームは、第1固定部が挿入される半球状の第1凹部を有し、第2フレームは、第2固定部が挿入される半球状の第2凹部を有し、連結部材である第1固定部及び第1凹部と、連結部材である第2固定部及び第2凹部とは、間に接着層が形成されて位置合わせされた状態で接合されている。この場合、簡単な嵌合構造によって第1フレーム及び第2フレームを固定部材に対して自在に回転させて姿勢調節を行うことができる。
具体的な側面において、第1表示部は、第1固定部と第1光学系とを第1フレームの反対側から覆う第1カバー部材を有し、第1カバー部材は、第1固定部が挿入される半球状の第3凹部を有し、第2表示部は、第2固定部と第2光学系とを第2フレームの反対側から覆う第2カバー部材を有し、第2カバー部材は、第2固定部が挿入される半球状の第4凹部を有し、第1固定部及び第3凹部と、第2固定部及び第4凹部とは、ネジ止めによって固定されている。この場合、第1カバー部材及び第2カバー部材を、第1固定部及び第2固定部を介して第1フレーム及び第2フレームに対して取り付けることができる。
具体的な側面において、第1固定部と第1凹部とは、互いに異なる曲率の球面の対向面を有し、第2固定部と第2凹部とは、互いに異なる曲率の球面の対向面を有する。この場合、接着材を注入して十分な厚みを有する接着層を形成することが容易になる。
具体的な側面において、第1固定部と第3凹部とは、同じ曲率の球面の対向面を有し、第2固定部と第4凹部とは、同じ曲率の球面の対向面を有する。
具体的な側面において、第1固定部は、第1フレームを第1固定部にネジ止めするネジを通す第1孔を有し、第2固定部は、第2フレームを第2固定部にネジ止めするネジを通す第2孔を有する。この場合、第1フレームを第1固定部に対して確実に固定することができ、固定強度を確保することができる。
具体的な側面において、固定部材は、第1固定部と第2固定部とを接続する接続部を有し、接続部は、第1固定部の中心と第2固定部の中心とを基準として第1フレーム及び第2フレームから離れる側で第1固定部及び第2固定部に接続されている。これにより、第1フレームや第2フレームが接続部の延在方向に垂直な軸の周りで回転する姿勢変更を確保しつつ、第1固定部と第1凹部との嵌合や、第2固定部と第2凹部との嵌合を深くして連結を安定させることができる。
具体的な側面において、固定部材は、回路基板を支持する基板支持部を有する。この場合、第1フレームや第2フレームに対して回路基板を支持する構造とすることができ、固定部材を基準として各種部材を一括して支持することができる。
具体的な態様における画像表示装置の製造方法は、第1フレームと第1光学系とを有する第1表示部と、第2フレームと第2光学系とを有する第2表示部と、第1表示部と第2表示部とを相対的に固定する固定部材とを備える画像表示装置の製造方法であって、固定部材は、第1光学系及び第2光学系を2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有し、位置合わせ後に固定部材に対する第1光学系及び第2光学系の回転を停止させた状態にする。
上記製造方法では、固定部材が第1光学系及び第2光学系を2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有するので、固定前においては、固定部材に対して第1表示部と第2表示部とを高い自由度で配置し位置合わせすることができる。また、位置合わせ後に固定部材に対する第1光学系及び第2光学系の回転を停止させた状態にするので、固定部材に対して第1表示部や第2表示部の相対的な配置関係を安定して維持させることができる。
11a,11b…表示素子、12a…第1光学系、12b…第2光学系、20…結像光学系、21…投射レンズ、22…プリズムミラー、23…シースルーミラー、28…板状光学素子、61a…第1フレーム、61b…第2フレーム、61s…対向面、71a…第1カバー部材、71b…第2カバー部材、71j…第3凹部、71k…第4凹部、71s…対向面、75…弾性シート、78…固定部材、78a…ブリッジ、78s…対向面、81,82…連結部材、81a…第1固定部、81b…第1凹部、81k…第1孔、82a…第2固定部、82b…第2凹部、82k…第2孔、88…接着層、91…回路基板、100…画像表示装置、100a…第1表示部、100b…第2表示部、102…表示駆動部、103a…第1コンバイナー、103b…第2コンバイナー、200…画像表示装置、200a…本体、200b…支持装置、AX…光軸、ER…アイリング、EY…眼、ML…画像光、OL…外界光、OP1…開口、OP21,OP22…開口、OS…軸外し光学系、US…装着者
Claims (11)
- 第1フレームと第1光学系とを有する第1表示部と、
第2フレームと第2光学系とを有する第2表示部と、
前記第1表示部と前記第2表示部とを相対的に固定する固定部材とを備え、
前記固定部材は、前記第1表示部と前記第2表示部とを固定する前の位置合わせに際して前記第1光学系及び前記第2光学系を2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有する、画像表示装置。 - 前記固定部材と前記第1表示部との間、前記固定部材と及び前記第2表示部との間に、3軸の回転自由度を有する軸受状の連結部材がそれぞれ設けられている、請求項1に記載の画像表示装置。
- 前記連結部材は、位置合わせ後に回転が停止された状態とされる、請求項2に記載の画像表示装置。
- 前記固定部材は、前記第1フレーム側に設けられた球状の第1固定部と、第2フレーム側に設けられた球状の第2固定部と、を有し、
前記第1フレームは、前記第1固定部が挿入される半球状の第1凹部を有し、
前記第2フレームは、前記第2固定部が挿入される半球状の第2凹部を有し、
前記連結部材である前記第1固定部及び前記第1凹部と、前記連結部材である前記第2固定部及び前記第2凹部とは、間に接着層が形成されて位置合わせされた状態で接合されている、請求項3に記載の画像表示装置。 - 前記第1表示部は、前記第1固定部と前記第1光学系とを前記第1フレームの反対側から覆う第1カバー部材を有し、前記第1カバー部材は、前記第1固定部が挿入される半球状の第3凹部を有し、
前記第2表示部は、前記第2固定部と前記第2光学系とを前記第2フレームの反対側から覆う第2カバー部材を有し、前記第2カバー部材は、前記第2固定部が挿入される半球状の第4凹部を有し、
前記第1固定部及び前記第3凹部と、前記第2固定部及び前記第4凹部とは、ネジ止めによって固定されている、請求項4に記載の画像表示装置。 - 前記第1固定部と前記第1凹部とは、互いに異なる曲率の球面の対向面を有し、前記第2固定部と前記第2凹部とは、互いに異なる曲率の球面の対向面を有する、請求項4及び5のいずれか一項に記載の画像表示装置。
- 前記第1固定部と前記第3凹部とは、同じ曲率の球面の対向面を有し、前記第2固定部と前記第4凹部とは、同じ曲率の球面の対向面を有する、請求項5に記載の画像表示装置。
- 前記第1固定部は、前記第1フレームを前記第1固定部にネジ止めするネジを通す第1孔を有し、前記第2固定部は、前記第2フレームを前記第2固定部にネジ止めするネジを通す第2孔を有する、請求項4~7のいずれか一項に記載の画像表示装置。
- 前記固定部材は、前記第1固定部と前記第2固定部とを接続する接続部を有し、前記接続部は、前記第1固定部の中心と前記第2固定部の中心とを基準として前記第1フレーム及び前記第2フレームから離れる側で前記第1固定部及び前記第2固定部に接続されている、請求項4~8のいずれか一項に記載の画像表示装置。
- 前記固定部材は、回路基板を支持する基板支持部を有する、請求項1~9のいずれか一項に記載の画像表示装置。
- 第1フレームと第1光学系とを有する第1表示部と、第2フレームと第2光学系とを有する第2表示部と、前記第1表示部と前記第2表示部とを相対的に固定する固定部材とを備える画像表示装置の製造方法であって、
前記固定部材は、前記第1光学系及び前記第2光学系を2軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有し、
位置合わせ後に前記固定部材に対する前記第1光学系及び前記第2光学系の回転を停止させた状態にする、画像表示装置の製造方法。
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