JP4622937B2 - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、使用者の頭部に表示器および光学系を装着することにより使用者が各種情報を視認できるようにするための頭部装着型表示装置（以下、ＨＭＤともいう）に関する。本発明の頭部装着型表示装置は、例えば、ＰＣ画面、ＴＶ画像、あるいは作業者が作業中に必要な情報を画面に表示して視認することを目的としたウェアラブルコンピュータ用の表示器等に利用される。

携帯可能なコンピュータ機器を作業者の身に付けておき、複雑な処理や高度な知識を要する作業を行う際に、その場でコンピュータを利用して実行することができるようにした、いわゆるウェラブルコンピュータシステム（ウェアラブルＰＣ）が実用化されつつある。
このようなコンピュータシステムでは、作業中に、表示装置により形成されたモニタ像（表示虚像）を視認できるようにした頭部装着型の表示装置（ＨＭＤ）が用いられている。すなわち、頭部装着型表示装置（ＨＭＤ）の画像表示器により情報となる画像を映し出し、画像を使用者の眼前に配置された光学系により虚像を形成する。そして形成された虚像を視認することにより、使用者が必要な情報を得られるようにしている。

このとき、虚像が表示される方向を、自由に変更・調整できることが望まれる。特に、単眼のみに虚像を表示させる単眼視型の頭部装着型表示装置は、種々の作業で利用されることが多く、作業する際に支障のない位置に虚像を形成することが望まれる。また、頭の大きさや眼の位置等の個人差による表示装置の位置ずれを補正することも望まれる。

そのため、虚像を形成する位置や角度の調整手段を備えたいくつかの頭部装着装置が提案されている。例えば、頭部側方の位置で、保持部に対して球面に沿って運動可能に連結する連結機構を設け、これに表示器と虚像を形成する光学系（コンバイナ）とを含んだ表示ユニットを接続するようにしたものが提案されている（特許文献１参照）。
また、画像を表示する表示ユニットを保持手段に対して、左右、上下、前後に調整移動させるものが提案されている（特許文献２参照）。
特開平１０−３９７８４号公報 特開２００１−２２８４３５号公報

しかしながら、特許文献１のように頭部側方の位置で、保持部に対して球面に沿って運動可能に連結する連結機構を設けたものは、調整機構としての球面部分から虚像を形成するコンバイナまでの距離が長くなり、直感的な調整が困難である。そのため、実用上はコンバイナが取り付けられるアーム先端部分にて別の調整機構が必要となり、２つの調整機構を交互に調整しなければならない。また、コンバイナをアームにより支持することから振動の影響を受けやすい。さらには、表示器(液晶パネル)とコンバイナとの間が開放されているため、外乱光の影響を受けやすい。

また、特許文献２のように、保持手段に対して、左右、上下、前後に調整移動させるものは、３方向の位置を別々に調整できるので位置調整の自由度は大きいものの、３方向を別々に調整する必要があり、調整作業は手間を要していた。また、３方向それぞれの位置調整機構が必要であり、複雑な調整機構になっていた。

本発明は、上記課題を解決し、できるだけ簡単な構造の調整機構であって、しかも、できるだけ簡単に使用者の眼の位置に光学系を調整することができる頭部装着型表示装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、表示器から出射される表示光を光学系により使用者の眼前に導く際に、外乱光の影響を受けにくい構造の頭部装着型表示装置を提供することを目的とする。
さらに、作業現場によっては、ヘルメット着用義務があるが、そのような作業現場でも容易に使用できる頭部装着型表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の頭部装着型表示装置は、使用者の眼の上方に配置される支持体に対して着脱可能なクリップ機構を備えたベースユニットと、画像表示器および前記画像表示器から出射される表示光を使用者の片側の眼前に導いて表示させる光学系を１つのケース内に内蔵した表示ユニットと、ベースユニットと表示ユニットとを連結するとともに、ベースユニットに対して表示ユニットの角度調整を行う調整手段とを備える。調整手段は１つのボールジョイントからなり、ボールジョイントの周囲は、ベースユニットと表示ユニットとをつなぐように蛇腹状のカバーで覆われるようにしている。

ここで、本発明の頭部装着型表示装置が装着される支持体は、頭部装着型表示装置専用に準備された支持体であってもよいし、その他の支持体、例えば作業現場で安全のため着用するヘルメット等であってもよい。
本発明の頭部装着型表示装置では、使用の際に、クリップ機構によりベースユニットを支持体（ヘルメット等）に取り付ける。クリップの取り付け位置は自由に選ぶことができるので、右眼に取り付けるか左眼に取り付けるかの自由度も含めて、眼の位置に合わせて最適な位置に取り付ける。続いて、ベースユニットと表示ユニットを連結するとともに、ベースユニットに対して表示ユニットの角度調整を行う調整手段であるボールジョイントにより、ベースユニットに対する表示ユニットの角度調整を行う。表示ユニットは表示器および光学系を１つのケースに内蔵するようにしてあるので、ケース自体を掌で持って角度を調整する。

本発明によれば、ケース自体を掌で持って角度を調整することができるので、直感的な調整ができ、調整作業が簡単になる。また、本発明によれば、使用者の眼の上方に配置される支持体にクリップ機構によりベースユニットを取り付け、ベースユニットと表示ユニットとを角度調整手段（ボールジョイント）で連結し支持するようにしているので、眼前に配置される表示ユニットの支持機構と角度調整機構とを一体にした簡単な構造にすることができ、しかも支持体から眼までの距離が短く、アーム等の長尺部品がないため、振動に強い構造にすることができる。
また、表示器および光学系を１つのケースに内蔵するようにしてあるので、外乱光の影響を受けにくい構造にすることができる。
また、ヘルメット着用義務がある場合でも、ヘルメットに直接装着することにより、ヘルメットを着用したままで簡単に使用することができる。

また、表示ユニットはベースユニットに対する角度調整を行う際に、３軸方向を同時に（すなわち全方位的に）角度調整することができるので、調整作業が非常に容易になる。

さらに、ボールジョイントの周囲は、ベースユニットと表示ユニットとをつなぐように蛇腹状のカバーで覆われているため、作業現場が、水、油、埃等の存在する劣悪な環境であっても、ボールジョイントを保護することができて機器破損を防止できるとともに、ボールジョイントを自由に変形させることができる。

また、上記発明において、クリップ機構によりベースユニットが支持体に取り付けられた状態で、表示ユニットを眼前から退避する方向に回転するための回転機構をベースユニットに設けるようにしてもよい。
これによれば、回転機構により、眼前にある表示ユニットを退避させることができ、一時的に使用者の視界を広げることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
図１は、本発明の一実施形態である頭部装着型表示装置の外観図であり、図２はその要部断面図、図３は図１の頭部装着型表示装置の使用状態を示す図である。
頭部装着型表示装置１は、ベースユニット２と、表示ユニット３と、ベースユニット２と表示ユニット３とを連結する連結部４とから構成される。

ベースユニット２の一端側には、クリップ２１がシャフト２２により旋回可能に軸支されている。クリップ２１を外部のヘルメットＨ（図３参照）に固定した状態で、シャフト２２を中心にしてベースユニット２側を跳ね上げることにより、使用者の視線から一時的に退避できるようになっている。

ベースユニット２の他端側には、連結部４として機能するボールジョイント４１のボールが形成された側と反対側が、ピン４２により固定してある。このボールジョイント４１はアルミ等の金属で形成される。ボールジョイント４１の他端は、後述するように表示ユニット３に対し摺動可能に支持されている。ボールジョイント４１の周囲には蛇腹状のゴム製カバー４４で覆うようにしてあり、外部から水、油、埃等が摺動部分に浸入することを防いでいる。

表示ユニット３は、上部ケース３ａと、下部ケース３ｂと、ケースの突出部分を保護するゴム製カバー３ｃとにより外観が構成されており、上部ケース３ａと下部ケース３ｂとが着脱できるように、ネジ３１により接続されて一体構造にしてある。このうち上部ケース３ａ側は、ベースユニット２との接続および角度調整に使用され、下部ケース３ｂ側は表示器および光学系を収納するために使用される。表示ユニット３の内部構造について以下に説明する。

上部ケース３ａは、ボールジョイント４１のボール部分を摺動させるための球面壁３２およびこれに続く貫通孔３３が形成され、貫通孔３３内に摺動性を有する樹脂性押圧部材４３、バネ４５、バネ４５により押圧部材４３をボールジョイント４１に接触させる付勢ネジ４６が螺合するようにしてある。

下部ケース３ｂは、その内部空間における上部位置に表示器３５が固定され、その下方位置に、表示器３５から照射される表示光を眼前に導く光学系３６が配置されている。
図４は下部ケース３ｂ内の表示器および光学系の構成を説明するブロック図である。表示器３５および光学系３６は、液晶パネル５１、光源５２、偏光板５３、偏光機能を持つビームスプリッタ５４、コンバイナ５５、ハーフミラー５６からなる。ハーフミラー５６の下部側は、下部ケース３ｂの裏面側Ｂに形成された開口部分（不図示）に露出するように取り付けられてある。この開口部分のハーフミラー５６が、使用者の眼前にくるように下部ケース３ｂが設計されている。

光源５２から出射される光は、偏光板５３を透過し、Ｓ偏光成分の光が抽出され、ビームスプリッタ５４に入射する。ビームスプリッタ５４はＳ偏光成分の光を高反射し、Ｐ偏光成分の光を高透過する反射透過面を有する。ビームスプリッタ５４に入射したＳ偏光成分の光が反射透過面で反射され、液晶パネル５１（反射型液晶素子）に入射する。入射したＳ偏光成分の光は、液晶パネル５１（反射型液晶素子）からＰ偏光成分の画像表示光として出射される。液晶パネル５１（反射型液晶素子）から出射されたＰ偏光成分の光は反射透過面を透過し、ハーフミラー５６で反射後、コンバイナ５５で反射され、ハーフミラー５６を透過し、使用者の眼に画像表示光として入射する。
なお、図示していないが、表示器３５は、外部とケーブル接続してあり、映像信号を受信して内蔵駆動回路が作動し、表示光が出射するようにしてある。

次に、頭部装着型表示装置１を使用するときの取り付け動作および調整動作について説明する。図５は、クリップ２１とシャフト２２とボールジョイント４１とにより、表示ユニット３の位置、角度を調整する方法を説明する図である。
まず、クリップ２１により、頭部装着型表示装置１をヘルメットＨの適当な位置に固定する。この位置調整は、後に行う角度調整により代替できるので簡単でよい。その後、掌で表示ユニット３を握り、シャフト２２により軸Ｐの回りを回転して、表示ユニット３が眼前の適当な位置にくるようにする。なお、軸Ｐに対する調整についても、後に行うボールジョイント４１による調整により代替できるので、簡単でよい。あるいは省略してもよい。

続いて、そのまま表示ユニット３を握った状態で、ボールジョイント４１の球中心で回転させて、全方位、すなわちロール、ピッチ、ヨーの３軸の角度を同時に調整する。この角度調整は、眼で表示光を見ながら、直感的な操作により角度調整を行うことができる。なお、何らかの理由で視界から一時的に表示ユニット３およびベースユニット２を退避したいときはシャフト２２により軸Ｐの回りで回転させればよい。

本発明は、ウェアラブルコンピュータ用の表示器等に利用することができる。

本発明の一実施形態である頭部装着型表示装置の外観図。 図１の頭部装着型表示装置の要部断面図。 図１の頭部装着型表示装置の使用状態を示す図。 表示ユニット内の表示器および光学系を説明する図。 表示ユニットの位置・角度を調整する方法を説明する図。

符号の説明

１ 頭部装着型表示装置
２ ベースユニット
３ 表示ユニット
４ 連結部
２１ クリップ
２２ シャフト
３５ 表示器
３６ 光学系
４１ ボールジョイント
４４ 蛇腹状カバー
５１ 液晶パネル
５２ 光源
５４ ビームスプリッタ
５５ コンバイナ
５６ ハーフミラー

Claims (2)

1. 使用者の眼の上方に配置される支持体に対して着脱可能なクリップ機構を備えたベースユニットと、
   画像表示器および前記画像表示器から出射される表示光を使用者の片側の眼前に導いて表示させる光学系を１つのケース内に内蔵した表示ユニットと、
   ベースユニットと表示ユニットとを連結するとともに、ベースユニットに対して表示ユニットの角度調整を行う調整手段とを備え、
   前記調整手段が１つのボールジョイントからなり、
   前記ボールジョイントの周囲は、ベースユニットと表示ユニットとをつなぐように蛇腹状のカバーで覆われることを特徴とする頭部装着型表示装置。
2. クリップ機構によりベースユニットが支持体に取り付けられた状態で、表示ユニットを眼前から退避する方向に回転するための回転機構をベースユニットに設けたことを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型表示装置。