JP4911129B2

JP4911129B2 - 表示装置

Info

Publication number: JP4911129B2
Application number: JP2008177523A
Authority: JP
Inventors: 真人田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-07-08
Filing date: 2008-07-08
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2028-07-08
Also published as: JP2010019874A

Description

本発明は、虚像として画像情報を観察者に提供する表示装置に関し、特に車両運転時における計器・警告等の運行関連情報や、組立・加工作業時における作業指示情報等を提供する頭部装着型表示装置（ヘッドマウンテッドディスプレイ（ＨＭＤ））に関する。

従来より、二輪車用ヘルメットの内部に、画像表示光を出射するディスプレイ（表示装置）を設け、画像表示光をシールドで反射することにより、運転者の眼に導くことで、運行関連情報を虚像として表示させるＨＭＤが知られている。このようなＨＭＤを備えたヘルメットを運転者は装着することにより、二輪車を運転するときには、車速等の車両情報や、ナビゲーションシステムによる地図情報や、警告情報等を、前方を向いたまま見ることができる。その結果、運転者は、過剰な視線移動や姿勢変動、例えば二輪車のハンドルに設置されたメータパネルを見るために下方を向くといった動作が抑制されるので、運転の安定化を図ることができる。

ここで、ＨＭＤ付ヘルメットの概略構成の一例について説明する。ＨＭＤ付ヘルメットは、開口部を有する半球状のヘルメット本体と、開口部を塞ぐように運転者の眼の前方に配置される半透明なシールド（光学素子）と、画像表示光を出射するディスプレイと、画像表示光をシールドの反射作用面に導く平面ミラーやトーリックミラー等のリレー光学系とを備える。そして、ディスプレイから出射される画像表示光は、リレー光学系を通過した後、シールドの反射作用面で反射されることにより、運転者の眼に導かれることになる。これにより、運転者は、観察対象の虚像を視認できるとともに、シールドを透過する光により前方実在物も視認できるようになっている。

ところで、一般的に市販されている二輪車用ヘルメットにおけるシールドの反射作用面の形状は、Ｘ’軸方向に曲率１／Ｒ_ｘ’の絶対値が大きくＹ’軸方向に曲率１／Ｒ_ｙ’の絶対値が小さくなるように異なるものとなっているため、光学性能を満足させる虚像を形成することは困難であるので、ＨＭＤ付ヘルメットにおけるシールドの反射作用面の形状を、Ｘ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ’とＹ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ’とがほぼ同じになるように設計している。しかし、シールドの形状が、従来の市販品と大きく異なることとなり、その結果、二輪車用ヘルメットの形状も従来の市販品と大きく異なることとなり、商品性を欠くこととなっていた。

そこで、二輪車用ヘルメットの形状自体が、従来の市販品と大きく異なることがないように、シールドの反射作用面で画像表示光を反射させる代わりに、ヘルメットの内部に新たに設けたコンバイナの反射作用面で画像表示光を反射させるＨＭＤ付ヘルメットがある（例えば、特許文献１参照）。
図６は、従来のＨＭＤ付ヘルメット１００の概略構成の一例を示す断面図である。ＨＭＤ付ヘルメット１００は、開口部１０ａを有する半球状のヘルメット本体１０と、開口部１０ａを塞ぐように運転者Ｒの眼Ｅの前方に配置される半透明なシールド１１と、画像表示光Ｌを出射するディスプレイ２と、運転者Ｒの眼Ｅの前方に配置される半透明なコンバイナ１６と、画像表示光をコンバイナ１６の反射作用面１６ａに導くレンズやミラー等を有するリレー光学系（図示せず）とを備える。そして、ディスプレイ２から出射される画像表示光Ｌは、リレー光学系を通過した後、コンバイナ１６の反射作用面１６ａで反射されることにより、運転者Ｒの眼Ｅに導かれることになる。これにより、運転者Ｒは、観察対象の虚像を視認できるとともに、コンバイナ１６とシールド１１とを透過する光により前方実在物も視認できるようになっている。よって、シールド１１の反射作用面１６ａの形状を、Ｘ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ’とＹ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ’とがほぼ同じになるように設計する必要がなくなるので、二輪車用ヘルメットの形状自体は、そのまま従来の市販品と同じとなるものを用いている。

このとき、ＨＭＤ付ヘルメット１００において、視野角を大きくするためには、レンズやミラー等のリレー光学系で中間像を形成してから、画像表示光Ｌをコンバイナ１６の反射作用面１６ａで反射させることで、運転者Ｒの眼Ｅに導いている。このようにリレー光学系で中間像を形成する場合には、コンバイナ１６の反射作用面１６ａのＸ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ’は、例えば０．０２０ｍｍ^-１となり、Ｙ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ’は、例えば０．０１７ｍｍ^-１となるように設計される。
一方、ＨＭＤ付ヘルメット１００において、視野角が小さくなるが、サイズを小さくするためには、平面ミラーやトーリックミラー等のリレー光学系で中間像を形成せずに、画像表示光Ｌをコンバイナ１６の反射作用面１６ａで反射させることで、運転者Ｒの眼Ｅに導いている。このようにリレー光学系で中間像を形成しない場合には、コンバイナ１６の反射作用面１６ａのＸ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ’は、例えば０．０１０ｍｍ^-１となり、Ｙ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ’は、例えば０．００８ｍｍ^-１となるように設計される。
特開平５−２７３４９３号公報

しかしながら、運転者Ｒが、ＨＭＤ付ヘルメット１００を装着した場合、コンバイナ１６とシールド１１とを透視しながら前方実在物を視認するときと、コンバイナ１６を透視せずシールド１１のみを透視しながら前方実在物を視認するときとがあり、前方実在物の見え方に差異が生じて、運転者Ｒが煩わしく感じることがあった。つまり、ＨＭＤ付ヘルメット１００において、ヘルメット本体１０の内部に新たにコンバイナ１６を設置せずに、しかも二輪車用ヘルメットの形状自体が、従来の市販品と大きく異なることがないようにしたものが要望されていた。

本件発明者らは、上記課題を解決するために、Ｘ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ’とＹ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ’とが異なる光学素子（シールド）で画像表示光を反射させて、虚像を形成することについて検討を行った。従来のＨＭＤ付ヘルメットにおいて、リレー光学系で中間像を形成する場合には、コンバイナの反射作用面のＸ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ’は、例えば０．０２０ｍｍ^-１となり、Ｙ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ’は、例えば０．０１７ｍｍ^-１となるように設計する一方、リレー光学系で中間像を形成しない場合には、コンバイナの反射作用面のＸ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ’は、例えば０．０１０ｍｍ^-１となり、Ｙ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ’は、例えば０．００８ｍｍ^-１となるように設計していた。つまり、リレー光学系で中間像を形成する場合には、コンバイナの反射作用面の曲率は大きくなる一方、リレー光学系で中間像を形成しない場合には、コンバイナの反射作用面の曲率は小さくなっている。そこで、Ｘ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ’とＹ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ’とが異なる光学素子において、曲率１／Ｒ_ｘ’の絶対値が大きい方向を含む面内には中間像を形成する一方、曲率１／Ｒ_ｙ’の絶対値が小さい方向を含む面内には中間像を形成しないようにすることにより、光学性能を満足する虚像を形成することができることを見出した。

すなわち、本発明の表示装置は、画像表示光を出射する表示素子と、観察者の眼の前方に配置される反射作用面を有する光学素子と、前記光学素子の反射作用面に画像表示光を導くリレー光学系とを備え、前記画像表示光は、前記反射作用面で反射されることにより、前記観察者の眼に導かれる表示装置であって、前記眼の中心と表示素子の中心とを通る光線を中心光線とし、その方向をｚ軸方向としたときに、前記リレー光学系は、ｚ軸方向と垂直となるｘ軸方向を含むｘｚ面内では、中間像を形成する一方、ｚ軸方向及びｘ軸方向と垂直となるｙ軸方向を含むｙｚ面内では、中間像を形成しないで、前記反射作用面に画像表示光を導き、前記中心光線と反射作用面の交点において、前記反射作用面の法線方向をＺ’軸方向とし、Ｚ’軸方向と垂直となる方向をＸ’軸方向とし、Ｘ’軸方向及びＺ’軸方向と垂直となる方向をＹ’軸方向としたときに、前記中心光線と反射作用面の交点では、ｘ軸方向はＸ’Ｚ’面に含まれるとともに、ｙ軸方向はＹ’Ｚ’面に含まれ、前記反射作用面のＸ’軸方向の曲率の絶対値は、前記反射作用面のＹ’軸方向の曲率の絶対値より大きくなるようにしている。
ここで、「中心光線」とは、眼の中心と表示素子の中心とを、光学素子やリレー光学系等を介しながら通る光線のことをいう。よって、中心光線は光学素子等で反射されたりすることにより、折れ線となる。

本発明の表示装置によれば、反射作用面のＸ’軸方向の曲率とＹ’軸方向の曲率とが異なる光学素子で画像表示光を反射させても、光学性能を満足する虚像を形成することができる。
よって、二輪車用ヘルメットの形状自体は、そのまま従来の市販品と同じとなるものを用いることができる上に、コンバイナ等を新たに設ける必要がないため、常にコンバイナ等を透視せずに前方実在物を視認することができる。つまり、前方実在物の見え方に差異が生じることがない。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記の発明において、前記中心光線と反射作用面の交点において、前記反射作用面の法線方向をＺ’軸方向とし、Ｚ’軸方向と垂直となる方向をＸ’軸方向とし、Ｘ’軸方向及びＺ’軸方向と垂直となる方向をＹ’軸方向としたときに、前記中心光線と反射作用面の交点では、ｘ軸方向はＸ’Ｚ’面に含まれるとともに、ｙ軸方向はＹ’Ｚ’面に含まれ、
Ｘ’軸方向の曲率の絶対値は、Ｙ’軸方向の曲率の絶対値より大きくなるようにしてもよい。
そして、上記の発明において、前記反射作用面のＸ’軸方向の曲率の絶対値は、前記反射作用面のＹ’軸方向の曲率の絶対値の１．５倍以上であるようにしてもよい。
さらに、上記の発明において、前記光学素子は、ヘルメットのシールドであるようにしてもよい。

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ＨＭＤ付ヘルメットの概略構成の一例を示す側面図である。また、図２は、図１に示す右眼用の光学系における光路図であり、図３は、図２に示す右眼用の光学系を上方向から見た光路図であり、図４は、図２に示す右眼用の光学系を横方向から見た光路図である。
ＨＭＤ付ヘルメット１は、開口部１０ａを有する半球状のヘルメット本体１０と、開口部１０ａを塞ぐように運転者Ｒの眼Ｅの前方に配置される半透明なシールド（光学素子）１１と、画像表示光Ｌを出射するディスプレイ（表示装置）２と、画像表示光Ｌをシールド１１の反射作用面１１ａに導くリレー光学系２１とを備える。
なお、眼Ｅの中心とディスプレイ２の出射面の中心２ａとを通る光線を中心光線とし、
その方向をｚ軸方向とし、ｚ軸方向に直交する方向をｘ軸方向とするとともに、ｚ軸方向及びｘ軸方向に直交する方向をｙ軸方向とする。この中心光線は、シールド１やリレー光学系２１等で反射されたりするので、折れ線となる。

シールド１１は、ハーフミラーやホログラム素子により構成され、運転者Ｒの眼Ｅの前方に配置される反射作用面１１ａを有する。
シールド１１の反射作用面１１ａは、そのまま従来の市販品と同じ形状となるものであり、シールド１１の反射作用面１１ａのＸ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ’は、９．６×１０^−３ｍｍ^-１であり、Ｙ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ’は、４．１×１０^−４ｍｍ^-１ある軸ずらしトーリック形状の凹面となっている。すなわち、Ｘ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ’の絶対値は、Ｙ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ’の絶対値の１．５倍以上となっているとともに、シールド１１の最も曲率の絶対値が大きい方向がＸ’軸方向となり、Ｘ’軸方向に直交する方向がＹ’軸方向となっている。なお、中心光線と反射作用面１１ａの交点において、反射作用面１１ａの法線方向をＺ’軸方向、Ｚ’軸方向と垂直となる方向をＸ’軸方向、Ｘ’軸方向及びＺ’軸方向に垂直となる方向をＹ’軸方向とする。
そして、ＨＭＤ付ヘルメット１では、中心光線と反射作用面１１ａの交点では、ｘ軸方向はＸ’Ｚ’面に含まれるとともに、ｙ軸方向はＹ’Ｚ’面に含まれるようになっている。
ここで、軸ずらしトーリック形状は、図２に示すシールド１１の反射作用面１１ａのＸＹＺ座標空間において下記の数式（１）で示す形状関数により特定される面において、その面の対称軸から偏心した中心を有する面で表される。

ただし、
ｃ_ｘおよびｃ_ｙは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の曲率1/Ｒ_ｘ、１/Ｒ_ｙであり、
ｋ_ｘおよびｋ_ｙは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２次曲面係数である。

ディスプレイ２は、透過型液晶表示素子であり、ヘルメット本体１０の顎部に配置され、四角形の出射面から画像表示光Ｌを出射する。
リレー光学系２１は、ディスプレイ２とシールド１１との間に配置され、カバー１２と第一ミラー（トーリックミラー）１３と第二ミラー（トーリックミラー）１４とレンズ１５と第三ミラー（平面ミラー）１６とを備える。
カバー１２は、第一ミラー１３と第二ミラー１４とレンズ１５と第三ミラー１６とディスプレイ２とをケーシング（図示せず）する場合における窓部としての機能を有する。そして、カバー１２は、平板形状であり、画像表示光Ｌを入射する入射面と、画像表示光Ｌを出射する出射面とは、平面形状となっている。
第一ミラー１３の反射作用面は、数式（１）で示す軸ずらしトーリック形状の凸面となっている。
第二ミラー１４の反射作用面は、数式（１）で示す軸ずらしトーリック形状の凹面となっている。
レンズ１５は、画像表示光Ｌを入射する入射面と、画像表示光Ｌを出射する出射面とは、数式（１）で示す軸ずらしトーリック形状の凸面となっている。
第三ミラー１６の反射作用面は、平面形状となっている。

次に、画像表示光Ｌを運転者Ｒの眼Ｅに導く仕組みについて説明する（図２〜図４参照）。
まず、ディスプレイ２の出射面から出射された画像表示光Ｌが、第三ミラー１６の反射作用面でレンズ１５に向かうように反射される。その後、レンズ１５の入射面に至った画像表示光Ｌは、レンズ１５の入射面で屈折し、レンズ１５の内部を通過して、さらにレンズ１５の出射面で屈折して、第二ミラー１４に向かう。
第二ミラー１４の反射作用面に至った画像表示光Ｌは、第二ミラー１４の反射作用面で第一ミラー１３に向かうように反射され、さらに第一ミラー１３の反射作用面でカバー１２に向かうように反射される。このとき、画像表示光Ｌが第二ミラー１４から第一ミラー１３へ向かう途中の光束において、中心光線方向をｚ軸方向とし、ｚ軸方向に垂直かつシールド１１の反射作用面１１ａにてＸ’Ｚ’面内に含まれることになる方向をx軸方向とし、x軸方向及びz軸方向に垂直となる方向をy軸方向とする場合、図４に示すようにｘｚ面内では、中間像Ｇを形成する。一方、図３に示すようにｙｚ面内では、中間像を形成しない。
そして、カバー１２に至った画像表示光Ｌは、カバー１２を透過することにより、シールド１１の反射作用面１１ａに向かう。このとき、中心光線と反射作用面１１ａの交点では、ｘ軸方向はＸ’Ｚ’面に含まれるとともに、ｙ軸方向はＹ’Ｚ’面に含まれる。
最後に、シールド１１の反射作用面１１ａに至った画像表示光Ｌは、シールド１１の反射作用面１１ａで反射されることにより、観察者の眼Ｅに導かれる。

ここで、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、ＨＭＤ付ヘルメット１によるスポット図とディストーション図（歪図）とを示す。ＨＭＤ付ヘルメット１を用いて、設定した瞳サイズ（運転者Ｒの眼Ｅ、直径５ｍｍ）の範囲で１２７個の点座標位置から画像表示面（出射面）に向かい９視野の光線を逆追跡し、画像表示面における到達点をプロットした。プロットされた各１２７個の点座標位置は、表示視野範囲（垂直画角６度、水平画角８度）に分布する９視野の点虚像を形成し、これにより、点虚像の収差を観察した。また、瞳中心からの点虚像と、理想的な形状となる６４の四角形とをディストーション図で比較した。これにより、理想的な形状からの歪みを観察した。
以上により、ＨＭＤ付ヘルメット１における収差は小さく、さらに、観察対象の虚像の歪みは小さく、明瞭な虚像を形成できることを確認できる。

以上のように、ＨＭＤ付ヘルメット１によれば、反射作用面１１ａのＸ軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ（Ｘ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｘ’）とＹ軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ（Ｙ’軸方向の曲率１／Ｒ_ｙ’）とが異なるシールド１１で画像反射光Ｌを反射させても、光学性能を満足する虚像を形成することができる。
よって、二輪車用ヘルメットの形状自体は、そのまま従来の市販品と同じとなるものを用いることができる上に、コンバイナ等を新たに設ける必要がないため、常にコンバイナ等を透視せずに前方実在物を視認することができる。つまり、前方実在物の見え方に差異が生じることがない。

（他の実施形態）
（１）上述したＨＭＤ付ヘルメットにおいて、ディスプレイ１４は透過型液晶表示素子とする構成としたが、ビームスプリッタと組み合せた反射型表示素子や、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）や、有機ＥＬ等の自発光表示素子等とするような構成としてもよい。
（２）上述したＨＭＤ付ヘルメットにおいて、シールド１１の反射作用面１１ａは軸ずらしトーリック形状とする構成としたが、自由曲面等の非球面形状や、関数式で表現できない形状等とするような構成としてもよい。関数式で表現できない形状とする場合の光学設計は、シールド１１の形状を微小多角形の集合体として扱う等の手法によって行われる。
（３）上述したＨＭＤ付ヘルメットにおいて、二輪車用ヘルメットである構成としたが、航空機用ヘルメットや、競技スキー等に使用するヘルメット等であるような構成としてもよく、加工作業や警備等で用いる安全シールドのようにシールドはヘルメットと切り離された形態となるような構成としてもよい。

本発明は、虚像として画像情報を観察者に提供する表示装置に利用することができる。

本発明の一実施形態であるＨＭＤ付ヘルメットの概略構成の一例を示す側面図である。図１に示す右眼用の光学系における光路図である。図２に示す右眼用の光学系における横方向から見た光路図である。図２に示す右眼用の光学系における上方向から見た光路図である。ＨＭＤ付ヘルメットによるスポット図とディストーション図とである。従来のＨＭＤ付ヘルメットの概略構成の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ＨＭＤ付ヘルメット（表示装置）
２ディスプレイ（表示素子）
１１シールド（光学素子）
１１ａ反射作用面
２１リレー光学系
Ｅ眼
Ｌ画像表示光
Ｒ運転者（観察者）

Claims

画像表示光を出射する表示素子と、
観察者の眼の前方に配置される反射作用面を有する光学素子と、
前記光学素子の反射作用面に画像表示光を導くリレー光学系とを備え、
前記画像表示光は、前記反射作用面で反射されることにより、前記観察者の眼に導かれる表示装置であって、
前記眼の中心と表示素子の中心とを通る光線を中心光線とし、その方向をｚ軸方向としたときに、前記リレー光学系は、ｚ軸方向と垂直となるｘ軸方向を含むｘｚ面内では、中間像を形成する一方、ｚ軸方向及びｘ軸方向と垂直となるｙ軸方向を含むｙｚ面内では、中間像を形成しないで、前記反射作用面に画像表示光を導き、
前記中心光線と反射作用面の交点において、前記反射作用面の法線方向をＺ’軸方向とし、Ｚ’軸方向と垂直となる方向をＸ’軸方向とし、Ｘ’軸方向及びＺ’軸方向と垂直となる方向をＹ’軸方向としたときに、前記中心光線と反射作用面の交点では、ｘ軸方向はＸ’Ｚ’面に含まれるとともに、ｙ軸方向はＹ’Ｚ’面に含まれ、
前記反射作用面のＸ’軸方向の曲率の絶対値は、前記反射作用面のＹ’軸方向の曲率の絶対値より大きくなることを特徴とする表示装置。
前記反射作用面のＸ’軸方向の曲率の絶対値は、前記反射作用面のＹ’軸方向の曲率の絶対値の１．５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記光学素子は、ヘルメットのシールドであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表示装置。