JP5240303B2 - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

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Description

本発明は、反射板を備えたヘッドマウントディスプレイに関する。
従来、使用者の眼の前方に大きな画像として視認されるように画像表示するヘッドマウントディスプレイが知られている。ヘッドマウントディスプレイは、一般に画像情報に基づいた画像光を出射する投影ユニットと、該投影ユニットの開口部から出射された画像光を反射して利用者の眼に入射する偏向部材とを備えている。偏向部材として透過性を有する反射板(例えば、ハーフミラーや反射型偏光板など)を採用したヘッドマウントディスプレイは、投影ユニットを収納する筐体の開口部から射出された画像光を使用者の眼に入射するだけでなく、ハーフミラーを通して前方の外光を同時に視認させることができる。例えば、使用者の眼の前方部分に位置する筐体の開口部の一方の開口縁に、ハーフミラーの一端を回動自在に軸支して、開口部を開閉自在としたヘッドマウントディスプレイが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2010−175829号公報
しかしながら、特許文献1に記載のヘッドマウントディスプレイでは、投影ユニットをオフしてハーフミラーを折り畳んだ場合でも、使用者の視野の中央の領域にハーフミラーの一部が残ってしまうため、使用者が邪魔に感じるという問題点があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、使用者の視野の邪魔にならない位置に反射板を退避できるヘッドマウントディスプレイを提供することを目的とする。
本発明の第1態様に係るヘッドマウントディスプレイは、使用者の頭部に装着されるフレームに取り付けられ、画像情報に基づいて前記使用者の眼に画像光を入射して前記使用者に画像を認識させるヘッドマウントディスプレイにおいて、円筒状の鏡筒を含む筐体と、前記鏡筒内に収納され、前記画像光を前記筐体の長手方向における一端側に導く接眼光学系と、前記筐体の前記一端側とは反対の他端側に設けられ、前記画像光を前記接眼光学系に向けて発生する画像光発生部と、前記接眼光学系の出射光の少なくとも一部を反射して前記使用者の眼に入射する反射板と、前記鏡筒の外周面の周方向に沿って回動可能に取り付けられ、前記反射板を保持する保持部と、前記筐体に設けられ、前記筐体の長手方向が前記頭部の左右方向に対して沿い、かつ前記一端側が前記筐体の前記他端側よりも前記使用者の眼に近い位置となるように、前記筐体を前記フレームに取り付けるための取付部とを備えている。
第1態様に係るヘッドマウントディスプレイでは、反射板を使用しない場合、保持部を筐体に含まれる鏡筒外周面の周方向に沿って回動させることにより、反射板を下方に位置させることができる。これにより、使用者は視野の中央の領域から反射板を退避させることができるので、反射板が視野の邪魔にならない。保持部を接眼光学系を収納する鏡筒の外周面の周方向に沿って回動させるので、保持部に保持された反射板と、鏡筒に収納された接眼光学系の光軸との位置関係を確実に保持できる。
また、第1態様において、前記取付部は、前記フレームに対して前記筐体を上下方向に移動可能に支持する移動支持部を備えていてもよい。反射板を使用しない場合、保持部を鏡筒外周面の周方向に沿って反射板が下方に位置するまで回動させ、さらに筐体を下方向に移動させる。これにより、使用者は視野の中央の領域から反射板を確実に退避させることができる。
また、第1態様において、前記保持部は、前記鏡筒の前記接眼光学系の出射光が出射される開口部に対して前記反射板を開閉可能に保持するようにしてもよい。反射板を使用しない場合、保持部を鏡筒外周面の周方向に沿って反射板が最下方に位置するまで回動させ、さらに保持部によって反射板を鏡筒の開口部に対して開く方向に移動させる。これにより、使用者は視野の中央の領域から反射板を確実に退避させることができる。
フレーム12に装着したHMD1(ハーフミラー5の使用時)の斜視図である。 フレーム12に装着したHMD1(ハーフミラー5の使用時)の平面図である。 図2に示すI−I線矢視方向断面図である。 HMD1の分解斜視図である。 図4とは別の角度から見たHMD1の分解斜視図である。 フレーム12に装着したHMD1(ハーフミラー5の使用時)の左側面図である。 フレーム12に装着したHMD1(ハーフミラー5の使用時)の正面図である。 ハーフミラー5を退避した時のHMD1の斜視図である。 ハーフミラー5を退避した時のHMD1の平面図である。 ハーフミラー5を退避した時のHMD1の左側面図である。 ハーフミラー5を退避した時のHMD1の正面図である。 ハーフミラー5を右側方に退避した時のHMD1の斜視図である。
以下、本発明の一実施形態であるヘッドマウントディスプレイ1(以下、HMD1と呼ぶ)について、図面を参照して説明する。なお、参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いられるものである。図面に記載されている機器の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。なお、以下説明において、使用者の右の眼球を眼球E1、左の眼球を眼球E2とする。本実施例のHMD1は、左の眼球E2に画像を視認させるものである。図6、図10では、説明の便宜上、眼球E1を省略している。
はじめに、HMD1の概要について、図1、図2を参照して説明する。HMD1は画像光を生成して一定方向に出射する円柱状の投影ユニット3と、該投影ユニット3を構成する円筒状の鏡筒4の軸線方向において使用者の眼球E2に近接する前端部32側(図3〜図5参照)に設けられ、投影ユニット3の出射光の少なくとも一部を反射して眼球E2に入射するハーフミラー5と、鏡筒4の前端部32側の外周面に外挿されて鏡筒4の周方向に沿って回動可能に設けられ、かつハーフミラー5を開閉可能に保持するリング状のミラーホルダ6と、使用者の頭部に装着されるフレーム12に一端部が固定され、当該一端側とは反対の他端側が使用者の顔の左前方において上下方向に延設される側面視逆L字状の第1延設部材8と、該第1延設部材8に沿って上下方向に移動可能に設けられ、かつ投影ユニット3を左右方向に移動可能に保持する移動調節部材9とを備えている。投影ユニット3の後端側には、該後端側を覆って保護するためのカバー部材20が設けられている。投影ユニット3から出射された画像光の少なくとも一部が、ハーフミラー5に反射して眼球E2に入射する。故に、使用者は視野において実像に重畳して画像を視認できる。
次に、投影ユニット3の構造について説明する。図3、図4に示すように、投影ユニット3は、円筒状の鏡筒4を備えている。鏡筒4は、軸線方向において眼球E2に近接する前端部32側に円形状の開口部31を備えている。図3に示すように、鏡筒4は、画像光を発生するLCDである光源部101と、該光源部101が発生する画像光を開口部31に導く接眼光学系102とを収納している。光源部101は、鏡筒4の前端部32側とは反対の後端側に設けられ、その一部は後方に突出している。接眼光学系102は、開口部31から光源部101に向かって順に、レンズ111、112、113を備えている。光源部101から出射された画像光は、レンズ111、112、113を通過して、鏡筒4の開口部31から出射する。なお、接眼光学系102を構成するレンズの枚数は3枚に限定されず、自由に変更可能である。
図4に示すように、略水平に配置された鏡筒4の外周面において、鏡筒4を開口部31側から見て右斜め上部の高さ位置には、細長い板状の第2延設部材35が、鏡筒4の軸線方向に対して平行に設けられている。第2延設部材35の下面には、第2延設部材35の幅方向中央に沿って下方に突出する突起部36が設けられている。突起部36が鏡筒4の外周面に固定されている。故に、第2延設部材35の幅方向両側における下面と、鏡筒4の外周面との間には隙間が各々形成されている。
図4に示すように、第2延設部材35の上面の長手方向両側を除く中央部分には、ノコギリ状の凹凸を有する歯部37が第2延設部材35の長手方向に刻設されている。第2延設部材35には、移動調節部材9の後述する係合溝63(図5参照)が取り付けられる。係合溝63の凹状を形成する上下の端部が、上述した第2延設部材35の両側と鏡筒4との隙間に入り込むようになっている。
図4、図5に示すように、鏡筒4の前端部32側は、カバー部材20の後述する下側収納部28の前端部32から所定長だけ突出している。下側収納部28の前端から突出する鏡筒4の前端部32側の外周面に対して、略リング状のミラーホルダ6が外挿される。
次に、ミラーホルダ6の構造について説明する。図4、図5に示すように、ミラーホルダ6は、略リング状の本体部41と、該本体部41の軸線方向一端側から径方向外側に突出するフランジ部42とを備えている。ミラーホルダ6は、その一部が軸線方向に対して平行に切断されている。互いに対向する一対の切断端の間には、所定の隙間44が設けられている。フランジ部42の本体部41側の裏面とは反対側の表面には、隙間44を中央に挟むようにして、ハーフミラー5を回動可能に軸支するための一対の軸支部47が設けられている。
上述の構造を有するミラーホルダ6を、鏡筒4の前端部32側の外周面に対して外挿する。ミラーホルダ6の内径は、鏡筒4の前端部32側の外径よりも若干小さく調整されている。ミラーホルダ6を鏡筒4の前端部32側の外周面に外挿する際に、ミラーホルダ6を外方にやや押し広げることにより、鏡筒4の前端部32側の外周面に外挿した状態では、ミラーホルダ6の内周面が鏡筒4の外周面に対して締まる。なお、ミラーホルダ6は、鏡筒4の外周面に沿って周方向に回動可能な程度に締まっている。故に、HMD1の使用中に、ミラーホルダ6は鏡筒4から脱落しない。
次に、ハーフミラー5について説明する。図1、図4に示すように、ハーフミラー5は、正面視略長方形の板状に形成されている。図4に示すように、ハーフミラー5の一端部には、ミラーホルダ6に保持されるための略U字状の被保持部10が設けられている。被保持部10には一対の被軸支部11が設けられている。一対の被軸支部11は、ミラーホルダ6の一対の軸支部47の内側で軸支される。故に、ハーフミラー5は、ミラーホルダ6に対して開閉可能となっている。
図2に示すように、ハーフミラー5は、投影ユニット3から出射された画像光を反射して、使用者の眼球E2の瞳孔に向けて入射する。ハーフミラー5は、所定の反射率(例えば50%)を有している。ハーフミラー5は、外界からの外光の一部を透過させて使用者の眼球E2の瞳孔に導く。つまり、ハーフミラー5は、使用者の側方から入射した画像光と、外界からの外光とを、眼球E2の瞳孔に導く。故に、使用者は、実際の視界と画像光に基づく画像とを視認できる。なお、ハーフミラー5はプリズムであってもよい。ハーフミラー5の代わりに、外光を透過しない周知のミラーが使用されてもよい。
次に、第1延設部材8の形状について説明する。図4、図5に示すように、第1延設部材8は、側面視逆L字状に形成されている。第1延設部材8は、フレーム12に固定される板状の固定部51と、該固定部51の一端部から鈍角で折り返して延設した板状の中央部52と、該中央部52の前記固定部51に連結した一端部とは反対の他端部から固定部51に対して略直角となるように折り返して所定長延設した板状の延設部53とを備えている。固定部51には、板厚方向に貫通する一対のネジ孔57が設けられている。
図4に示すように、板状の第1延設部材8の板厚方向の両面において、第1延設部材8の略L字に屈曲する内側に対向する面を第1延設部材8の内面とした場合、延設部53の外面の幅方向中央に沿った部分には、当該外面から板状に突出する突起部55が延設されている。図5に示すように、延設部53の内面の長手方向両側を除く略中央の領域には、ノコギリ状の凹凸を有する歯部56が延設部53の長手方向に刻設されている。
次に、移動調節部材9について説明する。図4、図5に示すように、移動調節部材9は、所定厚を有し、かつ鏡筒4の円弧状の外周面に沿って湾曲する板状に形成されている。図4に示すように、移動調節部材9の湾曲する内側に向く面を内面とした場合、その反対の外面の長手方向略中央から下端部に向かって、断面略十字形状の係合溝60が移動調節部材9の幅方向中央に沿って形成されている。係合溝60は、移動調節部材9の板厚方向に形成された縦溝61と、該縦溝61の深さ方向の中間部に対して直交する方向に形成された横溝62とからなる。
係合溝60には、第1延設部材8の延設部53が挿入される。延設部53の外面に設けられた突起部55は、縦溝61に沿って挿入される。縦溝61の底部には、山なり状に折曲する板バネ66が設けられている。板バネ66の折曲する部分に設けられた係止部67は、図5に示す第1延設部材8の延設部53の内面に設けられた歯部56の何れかの山に係止する。故に、移動調節部材9は、第1延設部材8の延設部53に沿って移動可能となり、かつ上下方向の所定範囲内で位置決め可能となる。移動調節部材9は、鏡筒4に設けられた第2延設部材35に取り付けられる。故に、投影ユニット3が上下方向の所定範囲内で位置決め可能となる。
図5に示すように、移動調節部材9の内面の長手方向一端側には、該長手方向に直交する方向に断面略十字形状の係合溝63が形成されている。係合溝63は、移動調節部材9の板厚方向に形成された縦溝64と、該縦溝64の深さ方向の中間部に対して直交する方向に形成された横溝65とからなる。
図4に示すように、係合溝63には、鏡筒4の外周面に設けられた第2延設部材35が挿入される。第2延設部材35の裏面に設けられた固定部36は、縦溝64に沿って挿入される。図5に示すように、縦溝64の底部には、山なり状に折曲する板バネ68が設けられている。板バネ68の折曲する部分に設けられた係止部69は、図4に示す第2延設部材35の上面に設けられた歯部37の何れかの山に係止する。故に、移動調節部材9は、第2延設部材35に沿って移動可能となり、かつ左右方向の所定範囲内で位置決め可能となる。即ち、移動調節部材9の左右方向の位置は、第1延設部材8によって位置決めされているので、その移動調節部材9に対して投影ユニット3が左右方向の所定範囲内で位置決め可能となる。
次に、カバー部材20の構造について説明する。図1、図3、図4に示すように、カバー部材20は、上部が開口する箱状に形成され、略水平に配置した投影ユニット3の下側を収納する下側収納部28と、該下側収納部28の後端側に設けられ、投影ユニット3の画像光を出射する前端側とは反対側の後端側を収納するカバー状の後端側収納部29とを備える。投影ユニット3の後端側では、後述する光源部101等の機械部品が突出している。後端側収納部29は、これら光源部101等の機械部品を保護している。
次に、フレーム12の構造について説明する。図1、図2に示すように、フレーム12は、左耳に引っ掛ける左側フレーム片14と、右耳に引っ掛ける右側フレーム片15と、左側フレーム片14の前端部と右側フレーム片15の前端部との間に渡設した前側フレーム片13とを備えている。前側フレーム片13の長手方向中央部には、使用者の鼻の左右に当接させて、前側フレーム片13を使用者の両眼の上方に支持する一対の支持部17、18が設けられている。
前側フレーム片13の長手方向左右両側には、HMD1の第1延設部材8の固定部51を固定するための板状の固定片21、22が各々固定されている。固定片21、22には、前側フレーム片13の前方に突出する突部24、25が各々設けられている。突部24、25には、一対のネジ孔27(図1では、突部25のネジ孔27のみ図示)が設けられている。固定片21の突部24に、第1延設部材8の固定部51を合わせ、該固定部51に設けられた一対のネジ孔57と、固定片21の突部24に設けられた一対のネジ孔(図示外)とにネジ95(図1参照)を各々締結する。これにより、フレーム12の前側フレーム片13の左端部に、第1延設部材8が固定される。第1延設部材8の延設部53は、使用者の眼球E2の左斜め前方において上下方向に延設した向きとなる。なお、固定片22には、右眼用のHMD(図示外)が固定される。
次に、投影ユニット3の上下方向、及び左右方向への位置決めについて説明する。上述したように、フレーム12(図1参照)に固定された第1延設部材8の延設部53には、移動調節部材9が延設部53の長手方向に沿って移動可能に取り付けられている。移動調節部材9は、鏡筒4の外周面に設けられた第2延設部材35に沿って移動可能に取り付けられている。故に、投影ユニット3は、使用者の頭部に対して、上下方向、及び左右方向に移動可能となっている。
例えば、使用者が投影ユニット3を上下方向に移動する。すると、図5に示す第1延設部材8の延設部53に設けられた歯部56が、図4に示す移動調節部材9の係合溝60に設けられた板バネ66を押し下げる。その結果、延設部53の歯部56に対する板バネ66の係止部67による係止が解除される。故に、使用者は、投影ユニット3を上下方向に自由に移動できる。使用者が投影ユニット3の上下方向への移動を完了すると、板バネ66の係止部67は、投影ユニット3が停止した位置で、第1延設部材8の延設部53に設けられた歯部56の何れかの山に係止する。このようにして、投影ユニット3の上下方向の位置決めが可能となる。
例えば、使用者が投影ユニット3を左右方向に移動する。すると、図4に示す第2延設部材35に設けられた歯部37が、図5に示す移動調節部材9の係合溝63に設けられた板バネ68を押し下げる。その結果、第2延設部材35の歯部37に対する板バネ68の係止部69による係止が解除される。故に、使用者は、投影ユニット3を左右方向に自由に移動できる。使用者が投影ユニット3の左右方向への移動を完了すると、板バネ68の係止部69は、投影ユニット3が停止した位置で、第2延設部材35に設けられた歯部37の何れかの山に係止する。このようにして、投影ユニット3の左右方向の位置決めが可能となる。
次に、HMD1の使用時におけるハーフミラー5の位置について説明する。図1、図6、図7に示すように、まず、投影ユニット3を眼球E1、E2の高さ位置に合わせる。次いで、図2に示すように、投影ユニット3を顔の中央に寄せる。そして、図2、図6、図7に示すように、使用者の眼球E2の視野の中央にハーフミラー5が位置するように、ハーフミラー5の開閉角度と、投影ユニット3の左右方向の位置決めとを行う。これにより、鏡筒4の開口部31から出射する画像光の少なくとも一部が、ハーフミラー5に反射し、使用者の眼球E2に入射する。使用者は、眼球E2の視野において実像に重畳して画像を視認できる。
次に、HMD1の不使用時におけるハーフミラー5の退避手順について説明する。使用者は、フレーム12を頭部に装着したままで、ハーフミラー5を使わない場合、そのハーフミラー5を視野の邪魔にならない位置に退避できる。本実施形態では、2つの方法が可能である。
<第1の退避方法>
第1の退避方法は、3つの手順A、B、Cでハーフミラー5の退避を完了する。図8、図9、図10、図11に示すように、まず、投影ユニット3を最下方の位置まで引き下げる(手順A)。次いで、ミラーホルダ6を鏡筒4に対して90°回転させる(図10:手順B)。これにより、図10、図11に示すように、ハーフミラー5を、使用者の眼球E2の視野の下方にまで退避できる。故に、ハーフミラー5が使用者の視野の邪魔にならず、良好な視野を確保できる。さらに、ハーフミラー5を下方に回動させる(図10、図11:手順C)ことにより、眼球E2の視野からハーフミラー5を完全に退避できる。
ミラーホルダ6は、鏡筒4の前端部32側の外周面に沿って回動するので、ハーフミラー5と接眼光学系102の光軸との互いの位置関係がずれない。故に、ハーフミラー5を次回使用する場合において、ミラーホルダ6を元の位置まで回転させ、ハーフミラー5の開閉角度を所定の角度に戻せば、使用者は常に視野内に良好な画像を実像に重畳して視認できる。ミラーホルダ6を鏡筒4に対して90°回転させるだけの簡単な作業で、ハーフミラー5を、使用者の眼球E2の視野の下方にまで退避できるので、ハーフミラー5の使用、不使用に合わせたスムーズな切り替えが可能である。なお、手順A、B、Cの順序は、入れ代わってもよい。第1の退避方法では、少なくとも手順Bを行えばよい。
<第2の退避方法>
第2の退避方法は、2つの手順D、Eでハーフミラー5の退避を完了する。図12に示すように、まず、投影ユニット3を右側方(HMD1を正面から見た場合の右側方)の位置まで移動させる(手順D)。次いで、ハーフミラー5を、ミラーホルダ6に対して閉じる(手順E)。このような方法でも、眼球E2の視野からハーフミラー5を退避できる。
なお、以上説明において、図4に示すカバー部材20と鏡筒4が本発明の「筐体」に相当する。図3に示す光源部101が本発明の「画像光発生部」に相当する。図1に示すハーフミラー5が本発明の「反射板」に相当する。図4に示すミラーホルダ6が本発明の「保持部」に相当する。図4に示す第1延設部材8、移動調節部材9、第2延設部材35が本発明の「取付部」に相当する。第1延設部材8、移動調節部材9が本発明の「移動支持部」に相当する。
以上説明したように、本実施形態であるHMD1では、ハーフミラー5を開閉可能に保持するミラーホルダ6が、鏡筒4の前端部32側の外周面に沿って回動可能に設けられている。これにより、ハーフミラー5を、鏡筒4に対して90°回転させるだけの簡単な作業で、使用者の眼球E2の視野の下方にまで退避できる。そして、ミラーホルダ6は、鏡筒4の前端部32側の外周面に沿って回動するので、ハーフミラー5と接眼光学系102の光軸との互いの位置関係がずれない。故に、使用者は、HMD1の使用時において常に視野内に良好な画像を実像に重畳して視認できる。また、本実施形態では、投影ユニット3が上下左右に移動可能であり、ミラーホルダ6はハーフミラー5を開閉可能に保持している。よって、投影ユニット3を下方に引き下げた状態で、鏡筒4に対して90°回転させ、さらにハーフミラー5を下方に開けば、眼球E2の視野からハーフミラー5を完全に退避できる。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態のHMD1は、左の眼球E2に画像を視認させるものであるが、本発明は、右の眼球E1に画像を視認させるものにも適用可能である。
また、上記実施形態では、ミラーホルダ6を鏡筒4の前端部32側の外周面に外挿して取り付けている。例えば、鏡筒4の前端部32側の外周面に被係止部を設け、ミラーホルダ6の内周面に係止部を設け、互いに係合する構造にしてもよい。これにより、鏡筒4からのミラーホルダ6の抜けを防止できる。
また、上記実施形態では、鏡筒4は全体が円筒形状である必要はなく、少なくともミラーホルダ6を取り付けることができる部分が円筒状になっていればよい。

1 ヘッドマウントディスプレイ(HMD)
4 鏡筒
5 ハーフミラー
6 ミラーホルダ
8 第1延設部材
9 移動調節部材
12 フレーム
31 開口部
35 第2延設部材
101 光源部
102 接眼光学系

Claims (3)

  1. 使用者の頭部に装着されるフレームに取り付けられ、画像情報に基づいて前記使用者の眼に画像光を入射して前記使用者に画像を認識させるヘッドマウントディスプレイにおいて、
    円筒状の鏡筒を含む筐体と
    前記鏡筒内に収納され、前記画像光を前記筐体の長手方向における一端側に導く接眼光学系と、
    前記筐体の前記一端側とは反対の他端側に設けられ、前記画像光を前記接眼光学系に向けて発生する画像光発生部と、
    記接眼光学系の出射光の少なくとも一部を反射して前記使用者の眼に入射する反射板と、
    前記鏡筒の外周面の周方向に沿って回動可能に取り付けられ、前記反射板を保持する保持部と、
    前記筐体に設けられ、前記筐体の長手方向が前記頭部の左右方向に対して沿い、かつ前記一端側が前記筐体の前記他端側よりも前記使用者の眼に近い位置となるように、前記筐体を前記フレームに取り付けるための取付部と
    を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  2. 前記取付部は、前記フレームに対して前記筐体を上下方向に移動可能に支持する移動支持部を備えたことを特徴とする請求項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  3. 前記保持部は、前記鏡筒の前記接眼光学系の出射光が出射される開口部に対して前記反射板を開閉可能に保持することを特徴とする請求項1又は2に記載のヘッドマウンディスプレイ。
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