JP2023078882A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学部品や表示デバイスを保持するフレームの強度を確保しつつ、ユーザーの観察時にフレームによる違和感を軽減させた画像表示装置を提供する。【解決手段】 表示光学系を透過する第１の光束に画像を重畳させる画像表示装置であって、前記表示光学系の前記第１の光束を導く光軸と交差する平面にて前記表示光学系の周りを保持するフレームを有し、前記フレームは、少なくとも一部が、前記光軸と平行な方向における前記第１の光束が前記表示光学系から出射する側のほうが前記第１の光束が前記表示光学系に入射する側よりも、前記光軸に近い位置に配置され前記光軸と直交する方向の幅が狭い形状である。【選択図】 図５

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。

ユーザー（観察者）の頭部あるいは顔面に被せてユーザーの眼前に画像を表示する画像表示装置の中には、被写体像を表示すると同時にＣＧ映像を重畳することで、ＡＲ（拡張現実）やＭＲ（複合現実）の体験を実現するものがある。このような画像表示装置は、エンターテイメント、作業支援、トレーニングといった分野で活用されている。

近年、このような画像表示装置への高性能化・多機能化の要求から、画像表示装置に搭載するレンズやプリズムの光学性能の要求レベルが上がり、レンズ構成枚数やレンズ重量は増加している。また、必要とされる表示デバイスの画素数の要求レベルも上がり、表示デバイスの大きさや重量が増加している。そのため、光学部品や表示デバイスを保持するフレームは強度向上のために大型化してきている。

そこで、特許文献１では、フレームの特定箇所を鼻に近い箇所に配置することで、フレームを軽量化するとともに見た目のボリューム感を抑えデザイン性に優れた形状を提案している。

特開２０１４－２１９４６８号公報

一方、フレーム形状が大型化すると、表示デバイスを通して見た被写体と表示デバイス外に見える被写体との間にフレームが目立って見えてしまい、ユーザーの観察時に違和感が生じるという課題がある。しかしながら、特許文献１には、ユーザーが表示デバイス外を見た際の違和感に対して言及されていない。

本発明の目的は、光学部品や表示デバイスを保持するフレームの強度を確保しつつ、ユーザーの観察時にフレームによる違和感を軽減させた画像表示装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明にかかわる画像表示装置は、表示光学系を透過する第１の光束に画像を重畳させる画像表示装置であって、前記表示光学系の前記第１の光束を導く光軸と交差する平面にて前記表示光学系の周りを保持するフレームを有し、前記フレームは、少なくとも一部が、前記光軸と平行な方向における前記第１の光束が前記表示光学系から出射する側のほうが前記第１の光束が前記表示光学系に入射する側よりも、前記光軸に近い位置に配置され前記光軸と直交する方向の幅が狭い形状であることを特徴とする。

本発明によれば、光学部品や表示デバイスを保持するフレームの強度を確保しつつ、ユーザーの観察時にフレームによる違和感を軽減させた画像表装置を提供することができる。

本発明の実施形態にかかわるＡＲデバイスの外観斜視図である。 本発明の実施形態にかかわるＡＲデバイス１００の表示光学系１０３とその周辺部品の詳細を示す図である。 比較例としての本発明を実施していないＡＲデバイスを通して被写体像を見た視野を示す概要図である。 比較例としての本発明を実施していないＡＲデバイスの表示光学系１００３とその周辺部品を示す水平断面図である。 本発明の実施形態にかかわるＡＲデバイス１００の表示光学系１０３とフレーム１０４の水平断面図である。 本発明の実施形態にかかわるＡＲデバイス１００を通して被写体像を見た視野を示す概要図である。

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかわる画像表示装置であるグラス型のＡＲ（拡張現実）デバイス１００の外観斜視図である。図１において、１０１は前カバー、１０２は後カバーであり、これらの部材に各種構成要素は収容されている。１０３は被写体像にＣＧ画像を重畳して表示することが可能な表示光学系、１０４は表示光学系１０３の周りを保持するフレームである。本実施形形態では、フレーム１０４は、後述する光路２０３と交差する平面にて表示光学系１３０の周りを保持する矩形形状であるが、円形形状や直線と曲線を組み合わせた形状でもよいし、表示光学系１０３の周りの一部を保持しない形状でもよい。

前カバー１０１の左右両側には、このＡＲデバイス１００をユーザーの頭部ないし顔面に装着させるための耳掛け弦部１０５が設けられている。また、後カバー１０２には、このＡＲデバイス１００をユーザーの鼻により支持させるための鼻あて部１０６が設けられている。

図２は、本発明の実施形態にかかわるＡＲデバイス１００の表示光学系１０３とその周辺部品の詳細を示す図である。図２（ａ）は、ＡＲデバイス１００の表示光学系１０３とその周辺部品の垂直断面図であり、図２（ｂ）は、ＡＲデバイス１００の表示光学系１０３とその周辺部品の水平断面図である。２０１はＣＧ画像を投影するためのＣＧ表示デバイスであり、有機ＥＬディスプレイなどによって構成される。１０３１、１０３２、１０３４は表示光学系を構成するレンズであり、１０３３は表示光学系レンズ１０３２に設けられたハーフミラー面である。２０２は表示デバイス２０１からの投影像を目に表示するためのＣＧ光路である。２０３は表示光学系において被写体像を透過して見る際の光路である。ＣＧ光路２０２はハーフミラー面１０３３において反射する光路を取り、被写体光路２０３はこのハーフミラー面１０３３を透過する光路を取ることで、表示光学系１０３を介して被写体像とＣＧ画像が重畳されてユーザーの目に入ることになる。すなわち、レンズ１０３１の被写体側の面は第１の光束が入射する第１の入射部、レンズ１０３２のＣＧ表示デバイス２０１と対向する面はＣＧ表示デバイス２０１からの第２の光束が入射する第２の入射部である。また、レンズ１０３４のユーザー側の面は、第１の光束と第２の光束を出射する出射部である。また、ハーフミラー面１０３３は、第１の入射部から入射した第１の光束を透過し第２の入射部から入射した第２の光束を出射部の方向へ反射する。そして、光路２０３は、表示光学系１０３の第１の光束を導く光軸である。

表示光学系１０３を構成するレンズ１０３１、１０３２、１０３４及びＣＧ表示デバイス２０１はフレーム１０４に保持されている。例えば、ＣＧ表示デバイス２０１はフレーム１４の内部に保持されていて、フレーム１０４に設けられた開口部を通ってＣＧ表示デバイス２０１に表示されたＣＧ画像がレンズ１０３１、１０３２、１０３４に導かれる。また、フレーム１０４は後カバー１０２に保持されている。眼幅調整のために後カバー１０２に対してフレーム１０４が公知の方法で移動可能な構成であってもよい。

また、図２（ｂ）に示すように、レンズ１０３１、１０３２、１０３４及びフレーム１４は、観察者側から被写体側に向かうにつれて幅が広くなっている。レンズ１０３１、１０３２、１０３４及びフレーム１４の構造の説明は後述する。

図３は、比較例としての本発明を実施していないＡＲデバイスを通して被写体像を見た視野を示す概要図である。本発明の実施形対にかかわるＡＲデバイス１００のフレーム１０４と図３に示したフレーム１００４とは形状が異なっている。

３０１は被写体を見た際の視野を示し、ユーザーの視野全面に相当する。３０２は重畳されたＣＧ画像を示す。図３においては、フレーム１００４が視野の中に見えており、フレーム１００４の内側にはＡＲデバイスを通して見た被写体像とＣＧ画像３０２が表示され、フレーム１００４の外側はＡＲデバイスを通さずに見た被写体が見えている。一般のメガネに比べて、ＡＲデバイスはＣＧ画像を表示する表示デバイスの高性能化・大型化や、光学性能を確保するための表示光学系の大型化などに伴い、部品保持のためのフレームの強度の向上が望まれる。

図４は、比較例としての本発明を実施していないＡＲデバイスの表示光学系１００３とその周辺部品を示す水平断面図である。本発明の実施形対にかかわるＡＲデバイス１００の表示光学系１０３と図４に示した表示光学系１００３とは形状が異なっている。

４０１０はフレーム１００４の内壁を示し、４０２０はフレーム１００４の外壁を示す。５０１はユーザーの目の瞳孔を示す。被写体からの透過光を表示するＡＲデバイスや透過光に相当する画角の像を表示するＭＲデバイスにおいて、表示光学系１０３は一般に瞳孔５０１から広がる方向に視野角αを持つ。視野角αは、ＡＲデバイスにおける被写体からの透過光やＭＲデバイスにおける透過光に相当する画角の像と、ＣＧ表示デバイスからの投影像が重畳されて表示される領域である。目の瞳孔５０１と内壁４０１０を結ぶ直線のうち最小の角度として定まるフレーム内角βと、目の瞳孔５０１から外壁４０２０を結ぶ直線のうち最大の角度として定まるフレーム外角γの間はフレーム１００４に遮られて被写体が視認できない領域である。

そこで、本実施形態では、以下のような構造により、フレーム１０４に遮られて被写体が視認できない領域を軽減させる。

図５（ａ）は、本発明の実施形態にかかわるＡＲデバイス１００の表示光学系１０３とフレーム１０４の水平断面図を示している。ここで、瞳孔５０１からフレーム１０４のユーザー側までの距離を、内壁側をｄｉ、外壁側をｄｏとする。さらに、瞳孔５０１からフレーム１０４の被写体側までの距離を、内壁側をＤｉ、外壁側をＤｏする。本実施形態においては、内壁４０１の接線は、被写体側からユーザー側にかけて表示光学系１０３の光軸に近づく角度を持つ。この角度はフレーム内角βに沿うものとし、また視野角αと略同一とする。すなわち、瞳孔５０１から光軸方向にｄｉなる距離の内壁４０１のエッジは光軸からｄｉ×ｔａｎ（β）なる距離にあり、瞳孔５０１から光軸方向にＤｉなる距離の内壁４０１のエッジは光軸からＤｉ×ｔａｎ（β）なる距離にある構成とする。これにより、視野角を削らない範囲でフレーム１０４の幅を太くすることが可能となり、観察時の違和感を軽減させフレーム１０４の強度を上げることが可能となる。また、本実施形態においては、外壁４０２の接線は被写体側からユーザー側にかけて表示光学系１０３の光軸に近づく角度としてフレーム外角γを持つ。すなわち、瞳孔５０１から光軸方向にｄｏなる距離の外壁４０２のエッジは光軸からｄｏ×ｔａｎ（γ）なる距離にあり、瞳孔５０１から光軸方向にＤｏなる距離の外壁４０２のエッジは光軸からＤｏ×ｔａｎ（γ）なる距離にある構成とする。また、内壁４０１の接線と外壁４０２の接線とが光路２０３上（光軸上）の瞳孔５０１の位置で交わる。これにより、ユーザーの視野にＡＲデバイスを通さずに被写体が見えるときに、ＡＲデバイス内側の視野との境界を目立つことを軽減させながら、フレームの幅を太くすることが可能となる。

以上のように、フレーム１０４は、少なくとも一部が、光路２０３と平行な方向における第１の光束が表示光学系１０３から出射する側のほうが第１の光束が表示光学系１０３に入射する側よりも、光路２０３に近い位置に配置される。さらに、フレーム１０４は、少なくとも一部が、光路２０３と平行な方向における第１の光束が表示光学系１０３から出射する側のほうが第１の光束が表示光学系１０３に入射する側よりも、光路２０３と直交する方向の幅が狭い形状である。

このような構成により、光学部品や表示デバイスを保持するフレームの強度を確保しつつ、ユーザーの観察時にフレームによる違和感を軽減させることができる。

なお、一般に瞳孔５０１の位置はＡＲデバイスに対して固定されておらず、眼球回転や装置装着時のずれによって所定の範囲内のどこかにあるとみなされる。このように光学性能の確保された所定範囲は一般にアイボックスと呼称される。図５（ｂ）は、アイボックスとして範囲ｅだけ確保したときのＡＲデバイス１００の表示光学系１０３とフレーム１０４の水平断面図を示している。図５（ｂ）のように、眼球が表示光学系１０３の光軸上にないときのため、表示光学系１０３の光軸上の瞳孔５０１位置からの延長としてフレーム内角β、フレーム外角γを設定するのではなく、アイボックスの端からの延長として設定することも可能である。すなわち、アイボックス端から光軸方向にｄｉなる距離の内壁４０１のエッジは光軸からｄｉ×ｔａｎ（β）＋ｅなる距離にあり、瞳孔５０１から光軸方向にＤｉなる距離の内壁４０１のエッジは光軸からＤｉ×ｔａｎ（β）＋ｅなる距離にある構成とする。また、アイボックス端から光軸方向にｄｏなる距離の外壁４０２のエッジは光軸からｄｏ×ｔａｎ（γ）＋ｅなる距離にあり、瞳孔５０１から光軸方向にＤｏなる距離の外壁４０２のエッジは光軸からＤｏ×ｔａｎ（γ）＋ｅなる距離にある構成とする。つまり、内壁４０１と外壁４０２は、両者の接線が表示光学系１０３のアイボックス内で交わる構成とする。これにより、ユーザーの眼球回転状態や取り付け時にずれが発生した状態においても、観察時の違和感を軽減させ強度を向上した形状のフレーム構成が可能となる。

一般にフレームサイズのほうが瞳孔５０１の配置可能な範囲であるアイボックス範囲よりも大きいため、フレーム１０４は、ユーザー側が薄く被写体側が厚くなっている楔形のフレーム構成を持つ。これにより、視野角を削らずに見えを確保しつつ、デバイス内側視野との境界を目立つことを軽減させながら、フレームの強度を向上することが可能となる。

ユーザーの観察時にフレームによる違和感を軽減させることを優先させた場合、フレームの１０４の全周においてこの楔形フレーム構成を取ることが望ましい。しかしながら、強度の観点やその他内部構成デバイスの配置の関係といった理由から全周においてこの楔形フレーム構成を取ることができないことがある。そのような場合、図６に示すフレーム構成としてもよい。

図６は、本発明の実施形態にかかわるＡＲデバイス１００について、対角部１０４１において楔形フレーム構成を取らないフレーム１０４で構成されるデバイスを通して被写体像を見た視野を示す概要図である。図６に示すように、フレーム１０４にて楔形フレーム構成としている部分は、図３のフレーム１００４に比べて幅が狭くなっている。全周を楔形フレーム構成とする構成であれば、全周において図３のフレーム１００４に比べて幅が狭くなる。

図６のように、視野の対角部１０４１において、この楔形フレーム構成を持たない（対角部１０４１を除く部分において楔形フレーム構成とする）フレーム構成としても、対角部は視野の中でも最も目から遠く、視野内にフレームがいても違和感を覚えにくい。また、アイボックス内でもユーザーの使用状態において対角部に瞳孔位置が行く可能性は低いため、その影響は限定的である。

なお、本発明にかかわる実施形態の変形例として、楔形フレーム構成の一部に透明部材を固着させてフレーム１０４の強度を向上させる構成としてもよい。例えば、非透明部材と透明部材とで形成したフレームであって、楔形である非透明部材の幅の狭い部分の周囲に透明部材を配置して補強し、フレーム全体としては幅が略均一となるような構成としてもよい。このような構成であれば、被透明部材で幅が略均一であるフレームを形成した場合に比べて、強度を大きく低下させることなく、フレームに遮られて視認できない領域を軽減することができる。

ただし、透明部材を介して被写体が見えるとき、光学性能の低下により解像感が低下しぼけて見えることが考えられる。そのため、フレームの全周に透明部材を配置するのではなく、対角部１０４１のように人の視界において分解能が低く見えへの影響が限定的な領域に透明部材を配置すれば、見えへの影響を抑えたままフレームの強度の向上が可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。上述の実施形態では、被写体からの透過光にＣＧ画像を重畳して表示するＡＲデバイスに本発明を適応した例を説明したが、その他の画像表示装置にも本発明は適用可能である。例えば、カメラで撮影され第１の表示デバイスに表示された画像に対して第２の表示デバイスの画像を重畳して表示する画像表示装置にも本発明は適用可能である。また、重畳させる画像は、ＣＧ画像に限定されず、カメラで撮影された画像や文字などでもよい。すなわち、表示光学系を透過する光束に画像を重畳させる画像表示装置において表示光学系を保持するフレームを有する構成であれば本発明を適用できる。

１００ ＡＲデバイス
１０１ 前カバー
１０２ 後カバー
１０３ 表示光学系
１０４ フレーム
１０５ 耳掛け部
１０６ 鼻あて部
２０１ ＣＧ表示デバイス
４０１ 内壁
４０２ 外壁
５０１ 瞳孔

Claims (7)

1. 表示光学系を透過する第１の光束に画像を重畳させる画像表示装置であって、
   前記表示光学系の前記第１の光束を導く光軸と交差する平面にて前記表示光学系の周りを保持するフレームを有し、
   前記フレームは、少なくとも一部が、前記光軸と平行な方向における前記第１の光束が前記表示光学系から出射する側のほうが前記第１の光束が前記表示光学系に入射する側よりも、前記光軸に近い位置に配置され前記光軸と直交する方向の幅が狭い形状であることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記フレームは、前記光軸と交差する平面にて矩形形状をしていて、前記矩形形状の全周において、前記光軸と平行な方向における前記第１の光束が前記表示光学系から出射する側のほうが前記第１の光束が前記表示光学系に入射する側よりも、前記光軸に近い位置に配置され前記光軸と直交する方向の幅が狭い形状であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記フレームは、前記光軸と交差する平面にて矩形形状をしていて、前記矩形形状の対角部を除く部分において、前記光軸と平行な方向における前記第１の光束が前記表示光学系から出射する側のほうが前記第１の光束が前記表示光学系に入射する側よりも、前記光軸に近い位置に配置され前記光軸と直交する方向の幅が狭い形状であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記フレームは、前記光軸と平行な方向における前記第１の光束が前記表示光学系から出射する側のほうが前記第１の光束が前記表示光学系に入射する側よりも、前記光軸に近い位置に配置され前記光軸と直交する方向の幅が狭い部分において、前記フレームの内壁の接線と前記フレームの外壁の接線とが前記光軸上で交わることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記フレームは、前記光軸と平行な方向における前記第１の光束が前記表示光学系から出射する側のほうが前記第１の光束が前記表示光学系に入射する側よりも、前記光軸に近い位置に配置され前記光軸と直交する方向の幅が狭い部分において、前記フレームの内壁の接線と前記フレームの外壁の接線とが前記表示光学系のアイボックス内で交わることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
6. 前記フレームに保持されていて、画像を表示する表示手段を有し、
   前記表示光学系は、前記第１の光束が入射する第１の入射部、前記表示手段からの第２の光束が入射する第２の入射部、前記第１の光束及び前記第２の光束が出射する出射部、及び、前記第１の入射部から入射した前記第１の光束を透過し前記第２の入射部から入射した前記第２の光束を前記出射部の方向へ反射するハーフミラー面を有していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. ＡＲデバイスまたはＭＲデバイスであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の画像表示装置。

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