JP4958599B2 - 頭部装着型の映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、観察者の頭部に装着し、観察者の眼前に映像を表示する頭部装着型の映像表示装置に関し、特に、観察者の頭部への装着のための構造に関する。

近年、観察者の頭部に装着し、液晶等の映像表示素子に表示された映像を拡大し、観察者の眼前に表示することで、大画面映像の観察を可能とした頭部装着型の映像表示装置が開発されている。

特許文献１に開示されている映像表示装置においては、図６に示すように、装置本体１の外装フレーム２の内側に、観察者の左右それぞれの眼に対応した映像を表示する二次元映像表示素子であるＬＣＤ３が左右一対配置されている。また、それぞれのＬＣＤ３の背後にはＬＣＤ３を照明する一対のバックライト４が配置され、ＬＣＤ３の下方にはＬＣＤ３からの映像を両眼Ｅにそれぞれ拡大して導く一対のプリズム５が配置されている。そして、ＬＣＤ３に表示された映像は、観察者Ｍの両眼Ｅの前にそれぞれの観察光軸Ｌを介して導かれ、両プリズム５を通る間に拡大されて両眼Ｅの前に浮かぶようにそれぞれ投影される。

また、上述のような映像表示装置を観察者の頭部に装着するための構造（以下、頭部装着構造）が特許文献２及び特許文献３に記載されている。例えば、特許文献３には図７に示すような構成が開示されている。特許文献２及び特許文献３のいずれにおいても、観察者の頭部左右にサイドフレームを配置し、該サイドフレームに後頭部に当接される後頭部パッド部材を設けて、観察者の頭部に押圧する構成となっている。サイドフレームには、上記後頭部パッド部材の前後位置を調節するための調節機構が設けられており、観察者の頭部の大きさに合わせて後頭部パッド部材の位置を調節することにより、映像表示装置が観察者の頭部に固定される。
特開平１１−１７４９８８号公報 特開平９−３０４７２４号公報 特開２００２−２６２１９６号公報 特開２００５−２７８６７号公報 特開平１０−１４２５５１号公報

しかしながら、特許文献２や特許文献３に開示されている頭部装着構造では、後頭部パッド部材が接続されてなるサイドフレーム部材が、観察者の眼球位置とほぼ同じ高さから水平方向に延びるように配置されている。そのため、後頭部パッド部材が観察者の後頭部に当接する位置は、後頭部の上側になってしまう。このように観察者の頭部上方を締め付ける構成では、映像表示装置が頭から抜けてしまうような感覚になり良好な装着感が得られないという課題がある。

観察者に対して良好な装着感を提供するためには、特許文献４に開示されているように、観察者の頭部の下側、盆の窪と呼ばれる部分を押圧すると、観察者は、装着状態で不快な感じを与えられることなく、しっかりと固定できる。観察者の盆の窪の周辺部分を押圧する構成としては、特許文献５に開示されているように、盆の窪の部分を押圧するパッドを含むアーム部材を、頭頂部を通過するフレームに取り付ける構成が開示されている。

しかしながら、特許文献５の構成では、後頭部パッドが形成された軸部分に過大な力がかかるため、頭頂部を通過するフレームとアーム部材とを連結する回転軸周りを強固に設計しなくてはならない。また、アーム部材に着目すると力のかかる作用点と支点との距離が長いためアーム部材が撓んでしまい、頭部を押圧する力が設計どおり得られないという課題も有している。また、フレームやアーム部材の強度を上げると、各部材の重量が増してしまい、良好な装着感の妨げとなる。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、上記部材に要求される強度の課題を解決し、軽量で良好な装着感を得ることが可能な頭部装着型の映像表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の一態様による頭部装着型の映像表示装置は以下の構成を備える。すなわち、
頭部装着型の映像表示装置であって、
映像表示素子と接眼光学系を内包し、当該映像表示装置を装着した観察者の前頭部を押圧するように設けられた前頭部押圧部材を有するケース部材と、
前記ケース部材より、装着時の観察者の頭頂部方向へ延びる頭頂部支持部材であって、該観察者の頭頂部を押圧するように設けられた頭頂部押圧部材を有する頭頂部支持部材と、
前記ケース部材より、装着時の観察者の側頭部方向へ延び、長さを調整可能なバンド部材を有する側頭部支持部材と、
前記頭頂部支持部材と回動可能に連結する回動部及び前記バンド部材と連結する連結部を有し、装着時の観察者の後頭部側を下方向へ延びるアーム部材と、該観察者の後頭部を押圧するように前記アーム部材の前記連結部を挟んで前記回動部とは反対側の端部に設けられた後頭部押圧部材とを有する後頭部支持部材とを備え、
前記バンド部材の長さの調整に応じて前記連結部が前記アーム部材を前記回動部を中心として回動させる。

本発明によれば、各部材に要求される強度が低減されるとともに、良好な装着感を得ることが可能となる。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

図１は、第１実施形態による映像表示システムの構成例を示すブロック図である。表示信号生成部１０１は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）３０１内の映像表示部１０６に表示させるためのＣＧ等の映像信号を生成する。表示信号生成部１０１は、通常はＰＣなどのコンピュータで構成されている。表示信号生成部１０１にて生成された表示信号は、表示信号処理部１０２に送られる。表示信号処理部１０２は、表示信号生成部１０１で生成された表示信号をＨＭＤ３０１に伝送可能な信号形態に処理する。

撮像カメラ１０３は、ＣＣＤ等の撮像素子と撮像レンズとにより構成され、外界映像を撮影する。なお、撮像カメラ１０３の撮像方向は、観察者の視線方向と略一致になるように構成されており、観察者と同じ視線の映像が得られるようになっている。撮像カメラ１０３によって撮影された映像は、撮像信号処理部１０４に送られ、ＨＭＤ３０１内の映像表示部に表示可能な形に信号処理される。

表示信号生成部１０１にて生成された画像と、撮像カメラ１０３にて撮影された画像は、画像重畳部１０５にて重畳され、ＨＭＤ３０１本体内の映像表示部に表示される。

図２は、第１実施形態における頭部装着型の映像表示装置であるところの、ＨＭＤ３０１の映像表示部を光軸に平行な面で切断した断面図である。図２において、液晶表示素子２０２は、入射された直線偏光光線の偏光方向を変えて反射させることで２次元の映像を表示する反射型の液晶表示素子である。光源ユニット２２０は、上記反射型の液晶表示素子２０２を照明する光源として機能する。光源ユニット２２０から射出された光線は、ハーフミラー２１３で反射され、液晶表示素子２０２に入射する。反射型の液晶表示素子２０２では、表示された映像情報に応じて入射光の偏光方向を変化させ、入射光を反射させる。液晶表示素子２０２で反射された光線は、再びハーフミラー２１３を透過し、偏光板２０５を透過することで、観察可能な映像となる。偏光板２０５を透過した光線は、レンズ２１２、接眼プリズム２１１によって拡大され、観察者の眼球ＥＰに射出される。ハーフミラー２１３、偏光板２０５、レンズ２１２、接眼プリズム２１１は接眼光学系を形成する。

図３は、本実施形態によるＨＭＤ３０１の外観を示す斜視図である。また、図４は、ＨＭＤ３０１を中心で切断した断面図を示す。これらの図を用い、後頭部パッドで観察者の頭部を押圧する構成について詳述する。

観察者がＨＭＤ３０１を装着する際には、頭頂部押圧部材としての頭頂パッド３０２、後頭部押圧部材としての後頭部パッド３０３、側頭部押圧部材としての側面部パッド３０４、前頭部押圧部材としてのフロントパッド３０５が観察者の頭部に接触する。

ＨＭＤ本体表示部３０６は、その内部に図２にて説明した光学ユニットを左右両眼に対し、各々1台ずつ配置されている。即ち、ＨＭＤ本体表示部３０６は、映像表示素子としての液晶表示素子２０２と図２に示した接眼光学系を内包したケース部材にて構成されている。また、ＨＭＤ本体表示部３０６には、ＨＭＤ３０１を装着した観察者の前頭部を押圧するようにフロントパッド３０５が設けられている。

ＨＭＤ本体表示部３０６の左右両側にはサイドフレーム３０７が配置され、これらは後頭部ユニット３０８に接続される。即ち、サイドフレーム３０７は、ＨＭＤ本体表示部３０６を形成する上記ケース部材より、装着時の観察者の側頭部方向へ延びる側頭部支持部材として機能する。サイドフレーム３０７には、装着時の観察者の側頭部を押圧するための側面部パッド３０４が設けられている。

また、後頭部ユニット３０８の内部には、ＨＭＤ本体表示部３０６とコントローラユニット（不図示）間の信号を中継するための中継基板が配置されている。なお、この中継基板は、後頭部ユニット３０８内に配置することに限定されるわけではない。ＨＭＤ本体表示部３０６側に中継基板を配置して全ての機能を集約させても良いが、このような構成ではＨＭＤ本体表示部３０６が非常に重くなってしまう。ＨＭＤ本体表示部３０６が重くなってしまうと、ＨＭＤを装着する観察者は前側につんのめっているように感じてしまい、快適な装着感を得ることができない。そこで、本実施形態では、ＨＭＤ３０１全体の重量バランスを考慮して、前後に重量を分散させることにより、ＨＭＤ３０１の重心位置を、観察者の頭の中心位置に近づける構成としている。即ち、中継基板を後頭部ユニット３０８内に配置し、重量配分の最適化を図っている。

本実施形態では、ＨＭＤ本体表示部３０６と後頭部ユニット３０８間は、上述のサイドフレーム３０７以外に、頭頂フレーム３０９でも接続されている。頭頂フレーム３０９には、頭頂パッド３０２が取り付けられており、観察者の頭頂部を支持する。頭頂パッド３０２を支持する軸にはネジ溝が切られており、つまみ３１０を回すことで頭頂パッド３０２を上下に動かすことが可能である。この構成により、頭頂パッド３０２を各個人の頭のサイズに合わせて上下させて、観察者にとって見やすい位置に調節することができる。即ち、本実施形態のＨＭＤ３０１は、ＨＭＤ本体表示部３０６を形成する上記ケース部材より、装着時の観察者の頭頂部方向へ延びる頭頂部支持部材としての頭頂フレーム３０９を有する。そして、この頭頂フレーム３０９には、装着時の観察者の頭頂部を押圧するように頭頂パッド３０２が設けられている。

頭頂フレーム３０９には、更に、後頭部アーム３１１が回動可能に接続されており、その回動中心である回動部３０９ａは、頭頂フレーム３０９の後方に設けられている。後頭部アーム３１１の、頭頂フレーム３０９との接続部と反対側の端部には、後頭部パッド３０３が接続されている。後頭部パッド３０３は、装着時に観察者の後頭部を押圧する。また、サイドフレーム３０７には、装着時に、観察者の頭部サイズに合わせて観察者の頭部を締め付けるための、長さを調整可能なヘッドバンド３１２が配置されている。後頭部アーム３１１は、ヘッドバンド３１２とも連結されている。即ち、後頭部アーム部材は、頭頂部支持部材としての頭頂フレーム３０９と回動可能に連結する回動部と、バンド部材としてのヘッドバンド３１２と連結する連結部を有する後頭部支持部材である。なお、この後頭部支持部材は、装着時の観察者の後頭部側より下方向へ延びるように設けられており、該観察者の後頭部を押圧するための後頭部パッド３０３を有する。そして、ヘッドバンド３１２の長さの調整に応じて後頭部アーム３１１は回動部３０９ａを中心として回動し、この回動により後頭部パッド３０３が観察者の後頭部を押圧する。

以下、図４を参照して、後頭部パッド３０３で観察者の頭部を押圧する構成について更に詳述する。

本実施形態のＨＭＤ３０１において、後頭部アーム３１１の回転中心、即ち回動部３０９ａの位置は、観察者の後頭部の端点より後ろ側に設置されていることが望ましい。

上述したように、ＨＭＤ３０１のサイドフレーム３０７の内部には、観察者の頭部を締め付けて、装着するためのヘッドバンド３１２が配置されている。ヘッドバンド３１２には、観察者がバンドを動かすためのつまみ部３１４が設けられており、観察者はこのつまみ部３１４を引っ張ることでヘッドバンド３１２を前後方向に駆動させることができる。この構成により、ヘッドバンド３１２は、観察者の頭部サイズに応じてその長さを調整することが可能となっている。

また、上述したように、ヘッドバンド３１２は後頭部アーム３１１と接続されている。後頭部アーム３１１の、ヘッドバンド３１２と接続される連結部には、長穴３１１ａが形成されている。そして、ヘッドバンド３１２の後ろ側に設けられた軸部３１３がこの長穴３１１ａと係合するように構成されている。この構成により、ヘッドバンド３１２を動かすことで、ヘッドバンド３１２に係合された後頭部アーム３１１が回動部３０９ａを中心として回動されることになる。そして、この回動により、後頭部アーム３１１に取り付けられた後頭部パッド３０３が観察者の後頭部に押圧される。

なお、後頭部パッド３０３を観察者の頭部にしっかりと押さえつけるように締め付け、緩んでしまうことを防ぐ機構としては、ラック部にギアを噛ませて引っ張り上げ、逆転防止のためのラッチ部を形成した構成などが考えられる。もちろん構成はこの方法に限定されるわけではなく、緩み防止のための機構がついていれば周知のいかなる構成も採用可能であることは言うまでもない。

また、このとき、ヘッドバンド３１２に設けられた軸部３１３と係合する、後頭部アーム３１１に設けられた長穴３１１ａは、長穴形状を有している。このため、ヘッドバンド３１２に対する後頭部アーム３１１の動きをガイドする機能を持たせることができる。即ち、長穴３１１ａと軸部３１３との係合により、両者は一方向への相対的な位置変化が可能となっている。その結果、後頭部アーム３１１がねじれて後頭部パッド３０３による均一な押圧力が得られなくなること、あるいは、後頭部アーム３１１の動きがこじってしまい、動かなくなるといった問題の発生を防ぐことが可能となる。より詳細には、長穴３１１ａと軸部３１３が係合することで後頭部アーム３１１がねじれることなく回動部３０９ａ周りの回転運動だけを行えるようになる。ヘッドバンドを移動させるためのつまみ３１４は左右両側にあり、均等に引っ張れば問題ないが、片側だけを引っ張る動作が行われると、後頭部アーム３１１はねじれの力を受ける。そのため、後頭部パッドの左右の位置がずれ、観察者に対して左右均等にあたらなくなる恐れがある。また、後頭部アーム３１１がねじれることで、回動部３０９ａの軸をこじってしまい後頭部パッド３０３が駆動しなくなる恐れがある。これらの問題に対して、長穴３１１ａと軸部３１３が係合することで後頭部アーム３１１のねじれを規制し、良好な駆動を提供できる。なお、連結部において長穴３１１ａを用いたが、細長の溝形状を用いることも可能であることはいうまでもない。

また、後頭部パッド３０３にかかる力の反力は、ヘッドバンド３１２と後頭部アーム３１１とが係合されている軸部３１３の部分で受けており、後頭部アーム３１１の回転中心軸には過大な力がかからないようになっている。このため、回動部３０９ａを強固に作る必要がなくなり、装置全体の軽量化を実現できる。このように、本実施形態によれば、材料自体の強度をそれほど強くすることなく、観察者の後頭部を押圧する部分でのねじれ、たわみを防ぎ、快適な装着感を提供することができる。

続いて、後頭部パッド３０３で観察者の頭部を押圧する状態について詳述する。本実施形態のＨＭＤ３０１では、頭頂フレーム３０９上に設けられた後頭部アーム３１１の回転中心位置である回動部３０９ａは、観察者の後頭部の端点より後ろ側としている。このような位置に後頭部アーム３１１の回転中心を配置すると、後頭部アーム３１１が回転したときの後頭部パッド３０３の軌跡は、下凸の円弧上になる。そして、このような軌跡で後頭部パッド３０３が観察者の後頭部を押圧すると、後頭部パッド３０３は、観察者の後頭部に対して下側から（即ち、後頭部の下部分から）押し上げるように接触することになる。

以上のような構成により、後頭部パッド３０３により発生する押圧力は、観察者の頭部を押し上げるような力として作用することになる。この力の反作用は、ＨＭＤ３０１を押し下げ、観察者の頭部に押し付けるように作用する。従って、このＨＭＤ３０１を下方向に押し付ける力によって、装着時におけるＨＭＤ３０１のぐらつきを防ぐことができ、観察者の頭部にＨＭＤ３０１をしっかり固定できるため、観察者は快適な装着感を得ることができる。

図５は、ＨＭＤ３０１を観察者の頭頂から垂直下向き方向に見た図である。図５に示すように、後頭部パッド３０３は、上記垂直下向の軸周り（頭頂パッド３０２による装着時の押圧方向の軸周り）に円弧形状を描くような形状になっている。このような形状にすることで、観察者の後頭部を押圧する際に、円弧形状の両端部が観察者に先に当たり、この部分が撓んでバネ力が発生する。このバネ力は、後頭部パッドの両端部を、観察者の頭部中心方向に押圧するように機能する。後頭部パッド３０３の円弧部分の両端２ヶ所で観察者の頭部を中心方向に押圧するため、後頭部パッド３０３はぐらつくことなく安定する。

また、後頭部パッド３０３が押圧される部分には、『盆の窪』と呼ばれるツボがある。後頭部パッド３０３は、この盆の窪と呼ばれるツボの周辺部を押圧するため、観察者は後頭部パッド３０３が押圧されることによる不快感をあまり感じずにすむという利点も有している。より具体的には、後頭部パッド３０３を頭頂部から見てＲ７５以下くらいの曲率半径で形成すると、後頭部パッド３０３の両端部が観察者に先に当たり、盆の窪の周辺部を押圧でき、より快適な装着感を提供できる。

以上、詳述したとおり、本実施形態のＨＭＤ３０１では、観察者の後頭部を押圧する後頭部パッド３０３が後頭部アーム３１１に接続され、後頭部アーム３１１の回転中心が観察者の後頭部の端点より後ろ側の頭頂フレーム上に設置される。このような構成により、観察者がＨＭＤ３０１を装着すると、観察者の後頭部を押し上げるように後頭部パッド３０３が当接するので、快適な装着感を得ることが可能となる。

さらには、後頭部パッド３０３は、観察者の頭頂から下に向かう垂直な軸に対して円弧を描くような形状になっている。このような形状にすることで、観察者の後頭部を押圧する際に、観察者の『盆の窪』の周辺部を、観察者の頭部の中心方向に押圧するように機能する。そのため、後頭部パッド３０３はぐらつくことなく安定して観察者に押圧されるとともに、観察者に快適な装着感を提供することが可能となる。

実施形態による映像表示システムの構成例を示す図である。 ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）内の映像表示部の構成例を示す図である。 本実施形態によるＨＭＤ３０１の外観を示す斜視図である。 図３に示したＨＭＤ３０１の側断面を示す図である。 図３に示したＨＭＤ３０１の平面図である。 一般的な頭部装着型の映像表示装置における、映像表示部の構成を示す図である。 一般的な頭部装着型の映像表示装置における、観察者頭部への装着のための構造を示す図である。

Claims (4)

1. 頭部装着型の映像表示装置であって、
   映像表示素子と接眼光学系を内包し、当該映像表示装置を装着した観察者の前頭部を押圧するように設けられた前頭部押圧部材を有するケース部材と、
   前記ケース部材より、装着時の観察者の頭頂部方向へ延びる頭頂部支持部材であって、該観察者の頭頂部を押圧するように設けられた頭頂部押圧部材を有する頭頂部支持部材と、
   前記ケース部材より、装着時の観察者の側頭部方向へ延び、長さを調整可能なバンド部材を有する側頭部支持部材と、
   前記頭頂部支持部材と回動可能に連結する回動部及び前記バンド部材と連結する連結部を有し、装着時の観察者の後頭部側を下方向へ延びるアーム部材と、該観察者の後頭部を押圧するように前記アーム部材の前記連結部を挟んで前記回動部とは反対側の端部に設けられた後頭部押圧部材とを有する後頭部支持部材とを備え、
   前記バンド部材の長さの調整に応じて前記連結部が前記アーム部材を前記回動部を中心として回動させることを特徴とする頭部装着型の映像表示装置。
2. 前記バンド部材は前記アーム部材と係合するための軸部を有し、
   前記連結部は、前記軸部と係合し、前記軸部が前記アーム部の長手方向に沿って移動可能な溝形状、あるいは穴形状を有することを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型の映像表示装置。
3. 前記後頭部押圧部材は、前記頭頂部押圧部材による押圧方向の軸周りに円弧形状を有しており、該円弧形状の両端部が装着時の観察者の後頭部の下部分を、当該観察者の頭部中心方向に押圧することを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型の映像表示装置。
4. 前記回動部は装着時における観察者の後頭部の端部より後ろ側となるように配置されており、前記バンド部材の長さの調整に応じて前記連結部が前記アーム部材を前記回動部を中心として回動させることにより前記後頭部押圧部材が前記観察者の後頭部の下側を押し上げるように押圧することを特徴とする請求項１に記載の頭部装着型の映像表示装置。

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