JP5170041B2 - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、観察者により視認される画像を虚像として提供する頭部装着型表示装置に関し、例えば、ヘリコプタや航空機のパイロット、訓練用シミュレータの使用者、民生用の遊戯器や情報端末等の使用者等に、画像を提供する頭部装着型表示装置に関する。

肉眼視では得られない外界の視覚情報を特殊カメラで取得することにより、状況に応じて肉眼視では得られない視覚情報を利用したり、肉眼視による視覚情報を利用したりするように使い分けることは有用である。例えば、航空機内や、警備や防犯・防衛等の目的をもつ用途では、ヘルメットに暗視カメラを取り付けた表示装置付ヘルメット（頭部装着型表示装置）が提案されている。（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。このような表示装置付ヘルメットによれば、暗視カメラで得られた視覚情報を、ヘルメットのバイザ（接眼光学系）に映写することができる。これにより、表示装置付ヘルメットの装着者（観察者）は、夜間等の環境下でも外界を明確に視認できるようになる。
また、消防士やレスキュー隊員が救援活動を行う目的をもつ用途では、ヘルメットに赤外線カメラを取り付けた表示装置付ヘルメット（頭部装着型表示装置）が提案されている（例えば、特許文献３参照）。このような表示装置付ヘルメットによれば、赤外線カメラで得られた視覚情報を、ヘルメットのバイザ（接眼光学系）に映写することができる。これにより、表示装置付ヘルメットの装着者（観察者）は、災害現場等の環境下でも人体を明確に視認できるようになる。

図３は、装着者の頭部に装着される表示装置付ヘルメット（頭部装着型表示装置）の一例を示す側面図であり、図４は、図３に示す表示装置付ヘルメット１００の概略構成を示す平面図である。
表示装置付ヘルメット１００は、装着者Ｐの頭部に装着されるヘルメット１と、装着者Ｐの前方に配置されるバイザ（接眼光学系）１３と、ヘルメット１の左側に配置され、かつ、左眼用画像を撮影する左眼用暗視カメラ２Ｌと、ヘルメット１の右側に配置され、かつ、右眼用画像を撮影する右眼用暗視カメラ２Ｒと、装着者Ｐの左上方に配置される左眼用表示ユニット（出射機構）１１０Ｌと、装着者Ｐの右上方に配置される右眼用表示ユニット（出射機構）１１０Ｒと、左眼用暗視カメラ２Ｌと右眼用暗視カメラ２Ｒと左眼用表示ユニット１１０Ｌと右眼用表示ユニット１１０Ｒとを制御する映像信号処理部３とを備える。

ヘルメット１は、装着者の頭部を被うととともに、顔面が開放される半球形状である。
バイザ１３は、所定の曲面形状であり、ハーフミラーやホログラム素子等により構成される。そして、バイザ１３は、上下方向にスライド可能な状態でヘルメット１に支持されており、バイザ１３を下げると装着者Ｐの左眼ＥＬ及び右眼ＥＲの前方に配置されるようになっている。
上記バイザの曲面形状は、例えば、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軸ずらしトーリック形状の凹面である。軸ずらしトーリック形状は、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及びｃ_ｙは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の曲率１/Ｒ_ｘ、１/Ｒ_ｙであり、ｋ_ｘ及びｋ_ｙは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の２次曲面係数である。

左眼用暗視カメラ２Ｌ及び右眼用暗視カメラ２Ｒは、取り込んだ可視光及び赤外光（例えば、６１０ｎｍ以上の波長）の光量を増幅する暗視機能を有するものである。これにより、夜間等の環境下でも、外界の赤外光を発したり反射したりする観察対象物を確認できる。
そして、左眼用暗視カメラ２Ｌ及び右眼用暗視カメラ２Ｒは、観察対象物の立体視を可能とするため、一定のカメラ間距離を隔てるようにヘルメット１の左側と右側とにそれぞれ配置されるとともに、各撮影方向（光軸）はカメラ間距離方向と垂直方向となるようにされている。
映像信号処理部３は、左眼用暗視カメラ２Ｌ及び右眼用暗視カメラ２Ｒから映像信号（視覚情報）が入力され、かつ、左眼用表示ユニット１０Ｌ及び右眼用表示ユニット１０Ｒに画像信号を出力する制御を行う。

このような表示装置付ヘルメット１００によれば、左眼用表示ユニット１１０Ｌから出射される左眼用画像表示光は、バイザ１３の反射面で反射されることにより、装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれるとともに、右眼用表示ユニット１１０Ｒから出射される右眼用表示光は、バイザ１３の反射面で反射されることにより、装着者Ｐの右眼ＲＥに導かれる。その結果、装着者Ｐは、観察対象の虚像を立体的に視認できるとともに、バイザ１３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、バイザ１３の反射面は、一般的に上述したような所定の曲面形状であり、かつ、バイザ１３の正面には装着者Ｐの頭部が配置されるため、左眼用表示ユニット１１０Ｌから出射される左眼用画像表示光と右眼用表示ユニット１１０Ｒから出射される右眼用画像表示光とは装着者Ｐの頭部を避けるようにして、バイザ１３の反射面に投影することになるので、装着者Ｐの前方に歪のない虚像を形成するためには、非同軸光学系を構成する必要がある。

図５は、従来の左眼用表示ユニットの概略構成の一例を示す断面図である。図６は、図５に示す光源の斜視図である。
左眼用表示ユニット１１０Ｌは、光源１１４Ｌと、透過型フラットパネル液晶ディスプレイ１１Ｌと、観察対象の虚像におけるぼけや歪みを小さくする光学素子群１２Ｌと、光源１１４Ｌと透過型フラットパネル液晶ディスプレイ１１Ｌと光学素子群１２Ｌとを固定するためのハウジング１５Ｌとを有する。
透過型フラットパネル液晶ディスプレイ１１Ｌは、映像信号処理部３からの画像信号に基づいて、フラットパネル（例えば、１インチ）に画像を生成するものである。ところで、表示装置付ヘルメット１００では、上述したような理由によって光学素子群１２Ｌ等で非同軸光学系を構成しているため、フラットパネルの法線方向ＢＬが視野中心方向ＡＬに対して角度αで傾斜するように、ハウジング１５Ｌに固定されている。

光源１１４Ｌは、平板形状の基板１２１と、複数個（例えば、６５個）の発光ダイオード（発光素子）２２とを有する。基板１２１の上面（ＸＹ面）には、複数個の発光ダイオード２２が２次元的に千鳥格子状に配置されている。各発光ダイオード２２は、ＸＹ面と垂直となる方向（Ｚ方向）に光を出射する。なお、各発光ダイオード２２から出射される光については、中心部から前方方向（発光ダイオードの光軸）で発光強度が強く、周辺部へいくにつれて発光強度が弱くなる。
そして、光源１１４Ｌは、Ｚ方向が視野中心方向ＡＬと一致するように、ハウジング１５Ｌに固定される。これにより、フラットパネルに表示された画像を照明する。このとき、Ｚ方向が視野中心方向ＡＬと一致しているので、高輝度な左眼用画像表示光が装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれることになる。
なお、右眼用表示ユニット１１０Ｒも、左眼用表示ユニット１１０Ｌと同様な構造をしている。

特開平９−１８８９１１号公報 特表２００１−５１５１５０号公報 特開平８−５４２８２号公報

しかしながら、上述したような左眼用表示ユニット１１０Ｌでは、高輝度な左眼用画像表示光が装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれるが、輝度むらがある左眼用画像表示光が装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれることになった。
そこで、本出願人は、輝度むらがない左眼用画像表示光が装着者の左眼に導かれる左眼用表示ユニットを検討した。その結果、各発光ダイオード２２がフラットパネルからそれぞれ等しい距離となるように、複数個の発光ダイオード２２をハウジング１５Ｌに固定することにより、輝度むらを防止することができることを見出した。

図７は、輝度むらを防止した左眼用表示ユニットの概略構成の一例を示す断面図である。なお、左眼用表示ユニット１１０Ｌと同様のものについては、同じ符号を付している。
左眼用表示ユニット１２０Ｌでは、光源１１４Ｌは、Ｚ方向がフラットパネルの法線方向ＢＬと一致するように、ハウジング１５Ｌに固定されている。これにより、フラットパネルに表示された画像を照明する。このとき、Ｚ方向がフラットパネルの法線方向ＢＬと一致しているので、輝度むらがない左眼用画像表示光が装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれることになる。

しかしながら、左眼用表示ユニット１２０Ｌでは、輝度むらがない左眼用画像表示光が装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれるが、輝度が低い左眼用画像表示光が装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれることになった。つまり、光源１１４Ｌは、Ｚ方向が視野中心方向ＡＬと一致するように、ハウジング１５Ｌに固定されていないため、高輝度な左眼用画像表示光が装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれないことになった。
そこで、本発明は、観察対象の虚像の輝度を向上させるともに、輝度むらを抑制した虚像を形成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。

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、複数個の発光素子からなる光源と、フラットパネルに画像を生成するフラットパネルディスプレイとを有し、当該フラットパネルに表示された画像が光源から出射される光で照明されることにより、当該画像を示す画像表示光を出射する出射機構と、観察者の眼の前方に配置される接眼光学系と、前記出射機構から出射された画像表示光が、前記接眼光学系を介して観察者の眼に導かれることにより、前記観察者の前方に観察対象の虚像を形成する頭部装着型表示装置であって、前記フラットパネルディスプレイは、前記フラットパネルの法線方向が視野中心方向と一致せずに傾斜するように配置されており、各発光素子から出射される光の出射方向は、前記視野中心方向と一致し、複数個の発光素子は、各発光素子がフラットパネルからそれぞれ等しい距離となるように配置されているようにしている。

ここで、「発光素子から出射される光の出射方向」とは、発光素子の中心部から出射される光の方向のことをいう。例えば、発光素子が発光ダイオードである場合には、発光ダイオードから出射される光については、ある拡がり角で光が拡散するが、そのうち発光ダイオードの中心部から出射される光の方向、すなわち発光ダイオードの光軸のことをいう。
また、「視野中心方向」とは、左眼若しくは右眼の中心とフラットパネルディスプレイとを、光学素子等を介しながら通る光線のことをいい、瞳中心方向ともいう。よって、視野中心方向は光学素子等で反射されたり光学素子等を通過したりすることにより、折れ線となる。
本発明の頭部装着型表示装置によれば、各発光素子から出射される光の出射方向は、視野中心方向と一致する。つまり、高輝度な画像表示光が観察者の眼に導かれる。さらに、複数個の発光素子は、各発光素子がフラットパネルからそれぞれ等しい距離となるように配置されている。つまり、輝度むらがない画像表示光が観察者の眼に導かれる。

以上のように、本発明の頭部装着型表示装置によれば、観察者は観察対象の虚像を、高輝度かつ輝度むらが軽減されて視認できる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、本発明の頭部装着型表示装置は、前記複数個の発光素子は、前記視野中心方向から見ると、千鳥格子状に配置されているようにしてもよい。
ここで、「千鳥格子状に配置されている」とは、行方向にも列方向にも発光素子が存在するか存在しないかが交互となるように配置されることをいい、市松模様ともいう。
そして、本発明の頭部装着型表示装置は、前記出射機構及び接眼光学系は、観察者の頭部に装着されるヘルメットに取り付けられ、前記接眼光学系は、曲面形状のバイザであるようにしてもよい。
さらに、本発明の頭部装着型表示装置は、前記発光素子は、発光ダイオードであるようにしてもよい。

本発明の左眼用表示ユニットの概略構成の一例を示す断面図である。 図１に示す光源の斜視図である。 装着者の頭部に装着される表示装置付ヘルメットの一例を示す側面図である。 図３に示す表示装置付ヘルメットの概略構成を示す平面図である。 従来の左眼用表示ユニットの概略構成の一例を示す断面図である。 図５に示す光源の斜視図である。 輝度むらを防止した左眼用表示ユニットの概略構成の一例を示す断面図である。

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３は、装着者の頭部に装着される表示装置付ヘルメット（頭部装着型表示装置）の一例を示す側面図であり、図４は、図３に示す表示装置付ヘルメットの概略構成を示す平面図である。なお、左眼用表示ユニット１１０Ｌと同様のものについては、同じ符号を付している。
表示装置付ヘルメット１００は、装着者Ｐの頭部に装着されるヘルメット１と、装着者Ｐの前方に配置されるバイザ（接眼光学系）１３と、ヘルメット１の左側に配置され、かつ、左眼用画像を撮影する左眼用暗視カメラ２Ｌと、ヘルメット１の右側に配置され、かつ、右眼用画像を撮影する右眼用暗視カメラ２Ｒと、装着者Ｐの左上方に配置される左眼用表示ユニット（出射機構）１０Ｌと、装着者Ｐの右上方に配置される右眼用表示ユニット（出射機構）１０Ｒと、左眼用暗視カメラ２Ｌと右眼用暗視カメラ２Ｒと左眼用表示ユニット１０Ｌと右眼用表示ユニット１０Ｒとを制御する映像信号処理部３とを備える。

図１は、左眼用表示ユニットの概略構成の一例を示す断面図である。図２は、図１に示す光源の斜視図である。
左眼用表示ユニット１０Ｌは、光源１４Ｌと、透過型フラットパネル液晶ディスプレイ１１Ｌと、観察対象の虚像におけるぼけや歪みを小さくする光学素子群１２Ｌと、光源１４Ｌと透過型フラットパネル液晶ディスプレイ１１Ｌと光学素子群１２Ｌとを固定するためのハウジング１５Ｌとを有する。

光源１４Ｌは、Ｚ方向に突出ていくような階段形状（例えば、５段の階段形状）の基板２１と、複数個（例えば、６５個）の発光ダイオード（発光素子）２２とを有する。基板２１の第１段面（ＸＹ面）には、複数個（例えば、１３個）の発光ダイオード２２が２次元的に２列に配置されており、第２段面（ＸＹ面）には、複数個（例えば、１３個）の発光ダイオード２２が２次元的に２列に配置されるように、各段面（ＸＹ面）には、複数個（例えば、１３個）の発光ダイオード２２が２次元的に２列に配置されている。このとき、複数個（例えば、６５個）の発光ダイオード２２は、視野中心方向ＡＬから見ると、千鳥格子状に配置されている。また、各発光ダイオード２２は、ＸＹ面と垂直となる方向（Ｚ方向）に光を出射する。
そして、光源１４Ｌは、Ｚ方向が視野中心方向ＡＬと一致するとともに、各発光ダイオード２２がフラットパネルからそれぞれ等しい距離となるように、ハウジング１５Ｌに固定される。これにより、フラットパネルに表示された画像を照明する。このとき、Ｚ方向が視野中心方向ＡＬと一致しているので、高輝度な左眼用画像表示光が装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれることになる。さらに、複数個（例えば、６５個）の発光ダイオード２２は、各発光ダイオード２２がフラットパネルからそれぞれ等しい距離となるように配置されているので、輝度むらがない左眼用画像表示光が装着者Ｐの左眼ＥＬに導かれることになる。
なお、右眼用表示ユニット１０Ｒも、左眼用表示ユニット１０Ｌと同様な構造をしている。

以上のように、本発明の表示装置付ヘルメット１００によれば、観察者は観察対象の虚像を、高輝度かつ輝度むらが軽減されて視認できる。
なお、上記画像表示光を観察者の片方の眼に導くようにしてもよく、上記バイザの反射面は、全反射ミラーにより構成されてもよい。

本発明は、観察者により視認される画像を虚像として提供する頭部装着型表示装置に利用することができる。

１０Ｌ、１０Ｒ、１１０Ｌ、１１０Ｒ 表示ユニット（出射機構）
１１Ｌ、１１Ｒ 透過型フラットパネル液晶ディスプレイ
１３ バイザ（接眼光学系）
１４Ｌ、１４Ｒ、１１４Ｌ、１１４Ｒ 光源
２２ 発光ダイオード（発光素子）
１００ 表示装置付ヘルメット（頭部装着型表示装置）
ＡＬ 視野中心方向
ＢＬ 法線方向
ＥＬ、ＥＲ 眼
Ｐ 装着者（観察者）

Claims (4)

1. 複数個の発光素子からなる光源と、フラットパネルに画像を生成するフラットパネルディスプレイとを有し、当該フラットパネルに表示された画像が光源から出射される光で照明されることにより、当該画像を示す画像表示光を出射する出射機構と、
   観察者の眼の前方に配置される接眼光学系と、
   前記出射機構から出射された画像表示光が、前記接眼光学系を介して観察者の眼に導かれることにより、前記観察者の前方に観察対象の虚像を形成する頭部装着型表示装置であって、
   前記フラットパネルディスプレイは、前記フラットパネルの法線方向が視野中心方向と一致せずに傾斜するように配置されており、
   各発光素子から出射される光の出射方向は、前記視野中心方向と一致し、
   複数個の発光素子は、各発光素子がフラットパネルからそれぞれ等しい距離となるように配置されていることを特徴とする頭部装着型表示装置。
2. 前記複数個の発光素子は、前記視野中心方向から見ると、千鳥格子状に配置されている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。
3. 前記出射機構及び接眼光学系は、観察者の頭部に装着されるヘルメットに取り付けられ、
   前記接眼光学系は、曲面形状のバイザであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の頭部装着型表示装置。
4. 前記発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の頭部装着型表示装置。