JP5389492B2 - 頭部装着型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、頭部装着型映像表示装置に関する。

近年、頭部装着型映像表示装置（あるいはヘッドマウントディスプレイ）と呼ばれるものが注目されている。このような頭部装着型映像表示装置では、小型の映像表示素子（例えば液晶表示パネルや有機ＥＬなど）から射出した映像光あるいは画像光を、ミラー若しくはプリズム等の光学的技法を用いて使用者の瞳孔に導く方式がとられる。

このとき、外界光と映像光とを重ね合わせる方式として、ハーフミラー等の光学素子（いわゆるコンバイナ）を用いる方式と、瞳分割方式とがあり、瞳分割方式では小型・軽量かつ外界視界が大きい等の利点がある（例えば、特許文献１を参照）。

また、プリズムの内部にて映像光を複数回全反射させることにより、映像表示素子から瞳孔への光学系が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００６−３８７９号公報 特表２００８−５３５００１号公報

しかしながら、上記の先行技術に記載されたような従来の光学系では瞳を大きく取ることが困難であった。特に瞳分割方式では、観察者によって様々な眼幅に対応するための横方向への瞳を拡大することが重要である。

また、全反射を用いた光学系では、その光学面にて空気との界面を適切に維持しなければいけない。つまり、全反射を行う光学面において空気間隔（いわゆるエアギャップ）に水滴や埃の侵入を防ぐ必要がある。特に、頭部装着型映像表示装置のための光学系では、小型・軽量という要件を満たしながら、雨や風などの外部環境にも耐えうるエアギャップを提供することが重要である。

したがって、本発明では、眼幅方向の瞳を大きくした頭部装着型映像表示装置を提供する。さらに、小型・軽量かつ外部環境にも耐えうる頭部装着型映像表示装置を提供する。

本発明の上記課題は、頭部装着型映像表示装置にて、対向する第１光学面と第２光学面とは略平行であり、対向する第３光学面および第４光学面は前記第１光学面に関して互いに向かい合う方向に傾斜が付けられており、対向する第５光学面および第６光学面は互いに傾斜をなして構成されており、前記第３光学面から前記第４光学面にかけて間隔が狭くなっている６面体プリズムにて、映像表示素子からの光線が、前記第１光学面の一部である第１部分光学面から前記６面体プリズムに入射し、前記第３光学面、前記第１光学面、前記第２光学面、前記第１光学面、前記第４光学面の順に反射をし、前記第１光学面の他の一部である第２部分光学面から前記光線を使用者の瞳孔方向へ投影する接眼レンズに射出することによって映像を投影することによって解決される。ここで、前記接眼レンズは、前記第１部分光学面と前記第２部分光学面とを空気間隔を隔てて覆う一体成型された共通の光学部材である。また、上記６面体プリズムは、入射側から射出側にかけて高さ方向が狭くなるテーパー構造を有していると換言することもできる。また、上記の６面体プリズムの内部での反射には、ミラー面による反射および全反射が考えられ、それぞれの光学面で適切に選択して用いることができる。

上記構成において、前記接眼レンズは、前記第２部分光学面から射出された前記光線に対して凸レンズとして作用することを特徴とすることが好ましく、前記第３光学面および前記第４光学面は、前記第１光学面との内角θが略等しいことが好ましい。ここで、前記内角θは略３０度であることがさらに好ましい。

上記光学部材は、凸レンズと６面体プリズムの保護部材（あるいは保持部材）とを一体成型したものと見なすことができる。また、上記光学部材は、光線が透過する部分（例えば凸レンズ）とそれ以外の部分で異なる材料による一体成型（いわゆる２色成型あるいはダブルモールディング）とすることができる。

さらに、前記一体成型された共通の光学部材は、前記第２部分光学面から射出された光線に対してウェッジプリズムとしても作用し、前記映像表示部から前記第１部分光学面へ入射する光線に対してもウェッジプリズムとして作用することも考えられる。すなわち、上記光学部材は、凸レンズと２つのウェッジプリズムと６面体プリズムの保護部材（あるいは保持部材）とを一体成型したものと見なすことができる。上記光学部材も、光線が透過する部分（例えば凸レンズ及びウェッジプリズム）とそれ以外の部分で異なる材料による一体成型とすることができる。

また、前記映像表示素子からの光線は、前記一体成型された共通の光学部材を介して、前記第１部分光学面へ入射角φで入射することができる。すなわち、映像光を６面体プリズムに対して斜めに入射し、斜めに射出する構成（いわばハの字型）とすることができる。このとき、第１光学面に斜めに入射することにより発生する収差を、ウェッジプリズムを間に介することによって抑えることができる。すなわち、ウェッジプリズムのくさび角を第１光学面に入射角φに等しくし、ウェッジプリズムに映像光が垂直に入射する構成が好ましい。また、６面体プリズムから射出するときにおいても、第１光学面に射出角φとウェッジプリズムのくさび角とを等しくする構成が好ましい。

また、前記入射角φは、５度から１５度の間であることが好ましい。

さらに、前記第１光学面および第２光学面の法線は、使用者の正面方向の視軸に対して５度から２０度傾いて配置して構成されることが好ましい。すなわち、６面体プリズムの長手方向と、使用者の両眼を結んだ直線とが５度から２０度傾いて配置して構成されることが好ましい。

また、前記６面体プリズムの第１光学面から使用者の瞳孔方向へ射出する光線軸と、使用者の正面方向の視軸とは、水平方向に２０±５度かつ垂直方向に１０±５度のなす角を有することが好ましい。すなわち、使用者から見たときに、映像の表示位置が水平方向に２０±５度かつ垂直方向に１０±５度の範囲にあることが好ましい。

さらに、前記頭部装着型映像表示装置は、眼鏡と共に用いるものであって、前記６面体プリズムから射出される光線は、前記眼鏡のレンズを介して使用者の瞳孔方向へ映像を投影することが好ましい。また、前記第２部分光学面の近傍の前記６面体プリズム（すなわち前記６面体プリズムの射出端部分）は、光軸方向への投影断面の幅が眼球の瞳孔の直径よりも小さい４ｍｍ以下であることが好ましい。

本発明によれば、眼幅方向の瞳を大きくした頭部装着型映像表示装置を提供できる。さらに、小型・軽量かつ外部環境にも耐えうる頭部装着型映像表示装置を提供できる。

本発明の実施に係る６面体プリズムを説明する図である。 本発明の実施に係る導光光学系を説明する図である。 本発明の実施に係る導光光学系の縦方向の光線を説明する図である。 本発明の実施に係る導光光学系を説明する図である。 本発明の実施に係る鏡枠構造を説明する図である。 本発明の実施に係る導光光学系を説明する図である。 本発明の実施に係る鏡枠構造を説明する図である。 本発明の実施に係る鏡枠構造を説明する図である。 本発明の実施に係る頭部装着型映像表示装置を説明する図である。 本発明の実施に係る光学ユニットの好適な配置を説明する図である。 本発明の実施による右眼視野内の映像表示位置を説明する図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施例について説明する。

[実施例１]
図１は、本発明の実施に用いる６面体プリズム７を説明する図であり、図１（ａ）が正面図、図１（ｂ）が平面図である。同図に示される６面体プリズム７は、第１光学面１と第２光学面２と第３光学面３と第４光学面４と第５光学面５と第６光学面６とから成る。

第１光学面１と第２光学面２とは、６面体における対向面であり、互いに略平行な面を構成している。第３光学面３と第４光学面４とは、６面体における対向面であり、第１光学面１に関して互いに向かい合う方向に傾斜が付けられている。すなわち、第３光学面３と第４光学面４とは、いわゆるハの字型の構成を有する。しかも、第１光学面１と第３光学面３及び第４光学面４との内角θは略等しく、本実施例では共に３０度の構成を採用している。なお、第１光学面１と第２光学面２とは平行であることから、第２光学面２と第３光学面３及び第４光学面４との内角も略等しい。また、第３光学面３及び第４光学面４にはミラーコーティングを施している。

言い換えると、本実施例に係る６面体プリズム７では、図１に示されるように、第１光学面１と第２光学面２と第３光学面３と第４光学面４とが等脚台形の形状を有する断面を構成している。さらに、この台形の断面図において、第１光学面１は第２光学面２よりも長く、第２光学面２は第３光学面３及び第４光学面４よりも長いという形状を有する。より具体的に本実施例では、この断面にて第１光学面１は３２ｍｍであり、第２光学面２は１６ｍｍである。また、第１光学面１と第２光学面２との間隔は、４．６１ｍｍである。

一方、第５光学面５と第６光学面６とは、６面体における対向面であり、互いに向かい合う方向に緩い傾斜が付けられている。この傾斜は、図１からも読み取れるように、第５光学面５と第６光学面６との間隔が、第３光学面３から第４光学面にかけて狭くなるような傾斜となっている。さらに、第４光学面の近傍においては、第５光学面５と第６光学面６との間隔は４ｍｍ以下であることが好ましく、本実施例では当該間隔は２．７ｍｍである。また、本実施例の第３光学面の近傍においては、第５光学面５と第６光学面６との間隔は４ｍｍである。

図２は、本発明による導光光学系の実施例を説明する図である。

図２に示される導光光学系は、上記６面体プリズム７と接眼レンズ１０とを備える。接眼レンズ１０は平凸レンズであり、第４光学面４よりの第１光学面１に平面（ひらめん）を隣接させて配置する構成とする。しかしながら、第１光学面１と接眼レンズ１０の平面とは隣接させるが、接合させない。その理由は、後述するように、接眼レンズ１０の近傍で、第１光学面は透過面であり且つ全反射面であるからである。なお、映像表示素子８は液晶パネルや有機ＥＬパネルなどを、適切に選択して用いることができる。

図２に示すように、映像表示素子８から放射した映像光は、６面体プリズム７の第１光学面１の一部である第１部分光学面１ａに入射する。その後、映像光は、第３光学面３、第１光学面１、第２光学面２、第１光学面１、第４光学面４の順に反射あるいは全反射し、第１光学面１の他の一部である第２部分光学面１ｂから射出する。さらに第２部分光学面１ｂから射出した映像光は隣接した接眼レンズ１０に入射し、接眼レンズ１０の正パワーによって使用者の瞳孔位置９に照射される。

図２に示されるように、第１光学面１の一部である第１部分光学面１ａから入射された映像光は、まず第３光学面３によって反射し、再び第１光学面部分１ａに（内部から）入射される。このとき、第３光学面３の傾斜（本実施例では略３０度）にて反射されたことにより、第１部分光学面１ａでの入射角度（本実施例では略６０度）は臨界角よりも大きくなる。すなわち、この場合の映像光は第１光学面１ａを全反射する。いうなれば、第１部分光学面１は、同時に透過面かつ全反射面として機能する。

同様な現象は、第１光学面１の他の一部である第１部分光学面１ｂと第４光学面４との間でも起きている。すなわち、第１部分光学面１ｂを全反射した後に、第４光学面４で全射することによって、今度は第１光学面１に臨界角以下の入射角で入射し、最終的に第１光学面１を透過する光路となっている。

上記のように、本発明の実施に係る６面体プリズム７は臨界角の性質を巧みに利用しているので、６面体プリズム７の界面での屈折率差が重要である。それ故に、６面体プリズム７と接眼レンズ１０は空気間隔（いわゆるエアギャップ）を隔てて配置することが好適である。

また、図２から読み取れるように、本発明の実施による導光光学系は、横方向の瞳径が大きい。例えば本実施例では、第１光学面１と第２光学面２との間隔が４．６１ｍｍ（図１を参照）であるにもかかわらず、横方向の８ｍｍとなっている。このような現象は、第１光学面１と第２光学面２との間を直線的に光線伝播させた場合は起こり得ないことであり、第１光学面１と第２光学面２との間で全反射を繰り返しながら伝播させたことによって達成されている。

図３は、本実施例の導光光学系の縦方向の光線を説明するために、全反射を省略して直線的に表現したものである。すなわち、図２における第３光学面３、第１光学面１、第２光学面２、第１光学面１および第４光学面４での全反射を省略するとともに、第１光学面１あるいは第２光学面２と平行な断面で光線図を記載したものである。

図１およびその説明に記載されているように、本実施例の６面体プリズム７において第５光学面と第６光学面とは互いに傾斜されて構成されている。このことは、図３において、入射開口（すなわち第１部分光学面１ａ）の垂直径よりも、射出開口（すなわち第２部分光学面１ｂ）の垂直径が小さいことからも読み取れる。特に、図３に示された本実施例では、入射開口の垂直径は４ｍｍであり、射出開口の垂直径は２．６ｍｍである。

上記に説明したように本実施例の６面体プリズム７は入射開口の垂直径よりも、射出開口の垂直径が小さいにもかかわらず、射出開口の垂直径よりも大きい映像表示素子８から、射出開口の垂直径よりも大きい瞳孔９へ映像光を効率よく伝えることができる。すなわち、本実施例の導光光学系においては、射出開口あるいは接眼レンズ１０の近傍に縦方向の瞳位置があるということである。なお、ここでいう縦方向の瞳位置とは、縦方向にずらした軸外主光線が光軸と交わる位置のことをいう。

なお、図３に示された本実施例では、映像表示素子８の縦方向の大きさは３．６ｍｍであり、この映像表示素子８の上端部または下端部から射出された光束であっても、垂直径が２．６ｍｍの射出開口を介して、大きさが４ｍｍの瞳孔９へ効率よく到達していることに留意すべきである。すなわち、６面体プリズム７は入射開口を小さくすることにより有効に瞳分割方式の映像合成を実現しながらも、大きな映像表示素子８からの光線を効率よく瞳孔に伝えることにより明るい映像を投影することが可能となっている。

［実施例２］
次に、図４を用いて本発明による導光光学系の別の実施例を説明する。

図４に示される導光光学系は、６面体プリズム７と一体成型された光学部材１１とによって構成され、映像表示素子８からの映像光を使用者の瞳孔９に照射するものである。

同図に示された６面体プリズム７は、実施例１で説明された６面体プリズム７と同様のものを用いることができる。すなわち、同図に示される６面体プリズム７は、第１光学面１と第２光学面２と第３光学面３と第４光学面４と第５光学面５と第６光学面６とから成り、第１光学面１と第２光学面２とは、６面体における対向面であり、互いに略平行な面を構成している。第３光学面３と第４光学面４とは、６面体における対向面であり、第１光学面１に関して互いに向かい合う方向に傾斜が付けられている。また、第１光学面１と第３光学面３及び第４光学面４との内角θは略等しい。一方、同図には図示されない第５光学面５と第６光学面６とは、６面体における対向面であり、互いに向かい合う方向に緩い傾斜が付けられている。また、第３光学面３及び第４光学面４にはミラーコーティングを施している。

また、図４からも理解されるように、本実施例の導光光学系において、映像表示素子８から放射した映像光は、第１光学面１の一部である第１部分光学面１ａに入射し、その後、第３光学面３、第１光学面１、第２光学面２、第１光学面１、第４光学面４の順に反射あるいは全反射し、第１光学面１の他の一部である第２部分光学面１ｂから射出する。このとき、第１部分光学面１ａと第２部分光学面１ｂとは、一体成型された光学部材１１によって、空気間隔を隔てて覆われており、一体成型された光学部材１１は、第２部分光学面１ｂから射出された光線に対して凸レンズとして作用している。すなわち、一体成型された光学部材１１は、接眼レンズ１０と６面体プリズム７の保護部材（いわゆる保護窓１２）とを一体成型したものと見なすことができる。また、本実施例の一体成型された光学部材１１は、光線が透過する部分（凸レンズ部１０および保護窓１２）とそれ以外の部分で異なる材料によって一体成型（いわゆる２色成型あるいはダブルモールディング）されている。

さらに、６面体プリズム７と一体成型された光学部材１１とが間に空気間隔を挟んで保持されてために、一体成型された光学部材１１の一部には突起１３が成型されている。もちろん、この突起１３も接眼レンズ１０や保護窓１２等と同時にモールディングすることが好ましい。また、この突起１３は、第１光学面１の映像光が全反射しない部分に配置されることが好ましい。本実施例では、第１光学面１と第３光学面３とによる稜線部付近と、第１光学面１と第４光学面４とによる稜線部付近と、第１光学面１の中央付近とに配置している。

一般に瞳分割方式の頭部装着型映像表示装置に用いる導光光学系は、外界視界を妨げないようにそれぞれの構成要素を小型化して構成する。そのため、６面体プリズム７および接眼レンズ１０も非常に小さな構成部品であり、これらを適切な空気間隔で保持することは容易ではない。しかしながら、本発明の実施例のように、接眼レンズ１０および保護窓１２などを一体成型して１つの光学部材１１を作成し、この一体成型した光学部材１１と６面体プリズム７とを空気間隔を挟んで保持することとは、頭部装着型映像表示装置の生産を著しく容易にする。

次に、図５を用いて、本実施例のための鏡枠構造の一例を説明する。図５に示されるように、本実施例のための鏡枠構造では、本実施例の６面体プリズム７が、外装ケース１４に格納され、一体成型された光学部材１１によって閉蓋することにより、鏡枠内に６面体プリズム７を密封する。上記に説明したように、６面体プリズム７と一体成型された光学部材１１との間には適切な空気間隔が保持されるように構成されている。つまり、本発明の実施例では、接眼レンズ１０および保護窓１２などを一体成型して１つの光学部材１１を作成し、この一体成型した光学部材１１を鏡枠構造の一部として活用している。すなわち、本実施例は、光学部材１１と６面体プリズム７との間の空気間隔を簡便に保持するということにとどまらず、空気間隔に雨や埃などが進入することを防ぐための密閉部材としても活用することが可能となっている。

［実施例３］
次に、図６を用いて本発明による導光光学系の別の実施例を説明する。

図６に示される導光光学系は、６面体プリズム７と一体成型された光学部材１１とによって構成され、映像表示素子８からの映像光を使用者の瞳孔９に照射するものである。

同図に示された６面体プリズム７は、実施例１で説明された６面体プリズム７と同様のものを用いることができる。すなわち、同図に示される６面体プリズム７は、第１光学面１と第２光学面２と第３光学面３と第４光学面４と第５光学面５と第６光学面６とから成り、第１光学面１と第２光学面２とは、６面体における対向面であり、互いに略平行な面を構成している。第３光学面３と第４光学面４とは、６面体における対向面であり、第１光学面１に関して互いに向かい合う方向に傾斜が付けられている。また、第１光学面１と第３光学面３及び第４光学面４との内角θは略等しい。一方、同図には図示されない第５光学面５と第６光学面６とは、６面体における対向面であり、互いに向かい合う方向に緩い傾斜が付けられている。また、第３光学面３及び第４光学面４にはミラーコーティングを施している。

また、図６からも理解されるように、本実施例の導光光学系において、映像表示素子８から放射した映像光は、第１光学面１の一部である第１部分光学面１ａに入射し、その後、第３光学面３、第１光学面１、第２光学面２、第１光学面１、第４光学面４の順に反射あるいは全反射し、第１光学面１の他の一部である第２部分光学面１ｂから射出する。このとき、第１部分光学面１ａと第２部分光学面１ｂとは、一体成型された光学部材１１によって、空気間隔を隔てて覆われており、一体成型された光学部材１１は、第２部分光学面１ｂから射出された光線に対して凸レンズ及び偏心収差補正板としても作用し、さらに第１部分光学面へ入射する光線に対しても偏心収差補正板として作用している。すなわち、一体成型された光学部材１１は、接眼レンズ１０と２つのウェッジプリズム１４ａ，１４ｂとを一体成型したものと見なすことができる。また、本実施例の一体成型された光学部材１１は、光線が透過する部分（凸レンズ部１０およびウェッジプリズム１４ａ，１４ｂ）とそれ以外の部分で異なる材料によって一体成型（いわゆる２色成型あるいはダブルモールディング）されている。

さらに、６面体プリズム７と一体成型された光学部材１１とが間に空気間隔を挟んで保持されるために、一体成型された光学部材１１の一部には突起１３が成型されている。もちろん、この突起１３も接眼レンズ１０やウェッジプリズム１４ａ，１４ｂ等と同時にモールディングすることが好ましい。また、この突起１３は、映像光が全反射しない部分に配置されることが好ましい。本実施例では、第１光学面１と第３光学面３とによる稜線部付近と、第１光学面１と第４光学面４とによる稜線部付近と、第１光学面１の中央付近とに配置している。

図６からも読み取れるように、本実施例の導光光学系の光路では、映像表示素子８からの光線が、一体成型された共通の光学部材１１を介して、第１部分光学面１ａへ入射角φで入射している。その後、６面体プリズム７の内部で全反射を繰り返し、第２部分光学面１ｂから屈折角φで射出している（向きに関して符号をつけた場合、角度φで入射して角度−φで射出している。）。すなわち、本実施例の導光光学系の光路は、いわゆるハの字型の光路となっている。このように、本実施例の導光光学系がハの字型の光路となっていることによって、外界視界を妨げることを減らしながら、映像光を使用者の瞳孔へ導くことが可能となっている。

また、第１部分光学面１ａおよび第２部分光学面１ｂには光線が斜めに入射することによって収差が発生してしまう。本実施例の導光光学系では、ウェッジプリズムを間に介することによってこの収差を抑えている。本実施例の導光光学系では、角度φで入射して角度−φで射出しているので、ウェッジプリズムのくさび角も同様に等しく構成することが好ましい。もちろん、入射角と射出角が等しくない構成では、それに応じてウェッジプリズムのくさび角も適宜変更すべきであることはいうまでもない。

図７は、本実施例のための鏡枠構造の一例を示す。図７に示されるように、本実施例の鏡枠構造では、６面体プリズム７が、外装ケース１４に格納され、一体成型された光学部材１１によって閉蓋することにより、鏡枠内に６面体プリズム７を密封する。上記に説明したように、６面体プリズム７と一体成型された光学部材１１との間には適切な空気間隔が保持されるように構成されている。つまり、本鏡枠構造の例も実施例２で説明したものと同様の構成を有する。よって、同様に、光学部材１１と６面体プリズム７との間の空気間隔を簡便に保持するということにとどまらず、空気間隔に雨や埃などが進入することを防ぐための密閉部材としても活用することが可能であるという効果を有する。

図８は、本実施例のための鏡枠構造の別の一例を示す。図７に示されるように、本実施例の鏡枠構造では、一体成型された光学部材１１がさらに外装ケース１４とも一体成型されている。そして、外装ケース１４と一体化した光学部材１１に６面体プリズムを格納し、蓋１５によって密閉する。本構成においても、光線が透過する部分（凸レンズ部１０およびウェッジプリズム１４ａ，１４ｂ）とそれ以外の部分（外装ケース１４など）で異なる材料によってダブルモールディングすることが好ましい。

図７および図８を用いて説明した上記の鏡枠構造の例でも、光学部材１１と６面体プリズム７との間の空気間隔を簡便に保持するということにとどまらず、空気間隔に雨や埃などが進入することを防ぐための密閉部材としても活用することが可能となっている。そしてこのことが、鏡枠を含めた導光光学系の小型化ならびに製造の容易さに大きく寄与している。

［頭部装着型映像表示装置に実装する例］
以下では、上記に説明した実施例１〜３の導光光学系を、頭部装着型映像表示装置に実装する例について説明する。ただし、以下に説明する頭部装着型映像表示装置には、実施例１−３の導光光学系のみならず、これらの適切な変形例にも用いることもできる。

図９に示される頭部装着型映像表示装置は、本体ユニット１６と光学ユニット１７とを備え、一般的な眼鏡１８と共に用いるものである。本体ユニット１６は、内部に液晶パネル或は有機ＥＬ等の映像表示素子８を有し、その他不図示の映像表示素子駆動デバイス等を備え、眼鏡１８のツル２０に固定される。光学ユニット１７は上述の６面体プリズム７を内部に含み、本体ユニット１６から独立して構成している。ここで、光学ユニット１７は、上述の実施例１〜３における６面体プリズム７を、一体成型された光学部材１１及び外装ケース１４などによって格納したものを用いることができる。なお、光学ユニット１７は、保持部材１９を介してヨロイ２１に固定される。

本発明の実施例１〜３を用いた頭部装着型映像表示装置では、６面体プリズム７の内部を反射させながら導光することにより、視界の邪魔にならない部分に映像表示素子８（すなわち本体ユニット１６）を配置することができると共に、導光路を短くできることにより、従来より小さな映像表示素子８を利用することができる。すなわち、本発明によれば、本体ユニット１６の小型化と、視界干渉からの退避とを同時に達成できる。

なお、図９に示される構成では、本体ユニット１６と光学ユニット１７とが分離しているので、眼鏡１８のツル２０を折り畳んだときに本体ユニット１６が連動して折り畳むことができる構成である。

次に図１０を用いて、光学ユニット１７の好適な配置についてより詳細に説明する。なお、図１０では、光学ユニット１７の配置に主眼をおいた説明をするために、他の構成要素を省略した記載をする。また、光学ユニット１７の形状も象徴的に記載したものであり、実施例１〜３およびその変形等によって、凸レンズやプリズム等の付随した構成要素を備える。

図１０（ａ）は、光学ユニット１７の好適な配置を上面から説明するための図である。同図は、眼鏡１８（ツル２０、ヨロイ２１などを含む）と、その眼鏡１８をかけた使用者の眼球２２及び眼球中心２３と、光学ユニット１７との関係を図示している。

図１０（ａ）に示されるように、光学ユニット１７は、長手方向を眼幅方向に対して傾けて配置している。より詳しくは、光学ユニット１７内の６面体プリズム７における第１光学面および第２光学面の長軸方向が眼幅方向に対して傾けて配置している構成である。また、その具体的な傾きの角度は５度から２０度の間であることが好ましく、図１０（ａ）に示される配置例では角度が１０度である。これを換言すれば、第１光学面（および第２光学面）の法線は、使用者の正面方向の視軸に対して５度から２０度傾いていることが好ましく、図示の配置ではこの角度が１０度である。

また、光学ユニット１７から射出する映像光の光軸と、使用者の正面方向の視軸とは、１５度から２５度の間の角度をつけて配置することが好ましい。特に、図１０（ａ）に示される配置例ではこの角度が２０度としている。

また、映像光の光軸は、使用者の正面方向の視軸から外側に傾けて配置することが好ましい。すなわち、右目に光学ユニット１７を配置する場合には、正面の視軸方向から右方向に、１５度から２５度の間の角度をつけて映像光の光軸を配置する。もちろん左目に配置する場合は、左方向に傾けて配置することが好ましい。

図１０（ｂ）は、光学ユニット１７の好適な配置を前面から説明するための図である。

図１０（ｂ）に示されるように、光学ユニット１７は、左右の眼球中心２３を結んだ水平平面よりも下側に配置されている。また、眼球中心２３を通る垂線よりも外側に配置されている。より詳しくは、光学ユニット１７の接眼レンズ１０が、使用者の正面視軸方向から下方向に１０±５度かつ外方向に２０±５度の間の角度となるよう配置することが好ましい。

また図１０（ａ）および（ｂ）に示される配置のように、映像表示素子８からの映像光を眼鏡１８のレンズの側方外側を通って光学ユニット１７に入射し、光学ユニット１７から射出した映像光を眼鏡１８のレンズを介して使用者の眼球２２へ導く構成とすることにより、使用者ごとに異なる視力を矯正した状態で頭部装着型映像表示装置を利用することが可能である。すなわち、眼鏡レンズを介さずに使用する構成の場合には必要となる視度調整機構が、本構成の頭部装着型映像表示装置では必要ではない。

図１１は上記のように構成した頭部装着型映像表示装置を用いた場合の、使用者の右眼視野内にて映像の表示位置を示したものである。同図に示されるように、上記構成の頭部装着型映像表示装置によれば、映像領域２４が視軸正面方向２５から右方向に２０±５度かつ下方向に１０±５度の位置に表示される。なお、左眼に頭部装着型映像表示装置を用いた場合は、映像領域２４が視軸正面方向２５から左方向に２０±５度に表示されることが好ましい。また、下方向に１０±５度の位置に表示されるのではなく、上方向に１０±５度の位置に表示される構成も好ましい。

上記のように構成することにより、本発明による頭部装着型映像表示装置使用者は、外界視界からの情報に基づいた通常作業と、頭部装着型映像表示装置からの情報に基づく作業を負担が少なく両立することができる。

本発明は、小型の映像表示素子によって表示した映像あるいは画像を、光学的手法を用いて使用者の瞳孔に映像光を導く用途に有用である。

１ 第１光学面
２ 第２光学面
３ 第３光学面
４ 第４光学面
５ 第５光学面
６ 第６光学面
７ ６面体プリズム
８ 映像表示素子
９ 瞳孔
１０ 接眼レンズ
１１ 一体成型された光学部材
１２ 保護窓
１３ 突起
１４ 外装ケース
１４ａ，１４ｂ ウェッジプリズム
１５ 蓋
１６ 本体ユニット
１７ 光学ユニット
１８ 眼鏡
１９ 保持部材
２０ ツル
２１ ヨロイ
２２ 眼球
２３ 眼球中心
２４ 映像領域
２５ 視軸正面方向

Claims (11)

1. 対向する第１光学面と第２光学面とは略平行であり、
   対向する第３光学面および第４光学面は前記第１光学面に関して互いに向かい合う方向に傾斜が付けられており、
   対向する第５光学面および第６光学面は互いに傾斜をなして構成されており、前記第３光学面から前記第４光学面にかけて間隔が狭くなっている６面体プリズムにて、
   映像表示素子からの光線が、前記第１光学面の一部である第１部分光学面から前記６面体プリズムに入射し、
   前記第３光学面、前記第１光学面、前記第２光学面、前記第１光学面、前記第４光学面の順に反射をし、
   前記第１光学面の他の一部である第２部分光学面から前記光線を使用者の瞳孔方向へ投影する接眼レンズに射出し、
   前記接眼レンズは、前記第１部分光学面と前記第２部分光学面とを空気間隔を隔てて覆う一体成型された共通の光学部材であることを特徴とする、頭部装着型映像表示装置。
2. 前記接眼レンズは、前記第２部分光学面から射出された前記光線に対して凸レンズとして作用することを特徴とする、請求項１に記載の頭部装着型映像表示装置。
3. 前記第３光学面および前記第４光学面は、前記第１光学面との内角θが略等しいことを特徴とする、請求項１または２に記載の頭部装着型映像表示装置。
4. 前記内角θは略３０度であることを特徴とする、請求項３に記載の頭部装着型映像表示装置。
5. 前記一体成型された共通の光学部材は、前記第２部分光学面から射出された光線に対してウェッジプリズムとしても作用し、
   前記映像表示部から前記第１部分光学面へ入射する光線に対してもウェッジプリズムとして作用することを特徴とする、請求項１から請求項４の何れか１項に記載の頭部装着型映像表示装置。
6. 前記映像表示素子からの光線は、前記一体成型された共通の光学部材を介して、前記第１部分光学面へ入射角φで入射することを特徴とする、請求項５に記載の頭部装着型映像表示装置。
7. 前記入射角φは、５度から１５度の間であることを特徴とする、請求項６に記載の頭部装着型映像表示装置。
8. 前記第１光学面および第２光学面の法線は、使用者の正面方向の視軸に対して５度から２０度傾いて配置して構成されることを特徴とする、請求項５から請求項７の何れか１項に記載の頭部装着型映像表示装置。
9. 前記第２部分光学面から射出する光線軸と、使用者の正面方向の視軸とは、
   水平方向に２０±５度かつ垂直方向に１０±５度のなす角を有することを特徴とする、
   請求項５から請求項８の何れか１項に記載の頭部装着型映像表示装置。
10. 前記頭部装着型映像表示装置は、眼鏡と共に用いるものであって、
    前記６面体プリズムから射出される光線は、前記眼鏡のレンズを介して使用者の瞳孔方向へ映像を投影することを特徴とする、請求項１から請求項９の何れか１項に記載の頭部装着型映像表示装置。
11. 前記第２部分光学面の近傍の前記６面体プリズムは、光軸方向への投影断面の幅が眼球の瞳孔の直径よりも小さい４ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の頭部装着型映像表示装置。

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