JP5919899B2 - 虚像表示装置及び虚像表示装置の位置調整方法 - Google Patents

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Description

本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置に関する。
近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、表示素子からの画像光を観察者である装着者の瞳に導くタイプのものが種々提案されており、例えば虚像を形成する画像光と外界からの光である外界光とを重畳させるために、シースルーにしたものが提案されている(特許文献1参照)。
しかし、装着者の眼の位置には個人差があり、虚像表示装置によって画像光を装着者に確実に導くことは容易でない。例えば、眼の位置が多少異なっても画像光を認識させることができるように、画像光の光束を広くしマージンを有した状態で形成させることが考えられるが、この場合、光束を大きくとるために、光学系全体を大型化させる必要がある、といった事態が生じ得る。
特開2007−178941号公報
本発明は、画像光と外界光とを重畳させるシースルータイプであって、装置の大型化を抑制しつつ眼の位置に応じた調整を容易に行うことができる虚像表示装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の虚像表示装置は、(a)外界光を透過させるとともに画像光による虚像を形成する虚像形成部と、(b)虚像形成部の光学系の標準位置に対応する所定位置に取り付けられ、装着者が虚像形成部を装着した装着状態において標準位置を装着者に認識させて位置決めの指標となるマーカーを表示する位置決め用部材と、(c)虚像形成部の光学系とともに当該光学系に取り付けた位置決め用部材を移動し、装着者の眼に対する虚像形成部の位置を調整する位置合わせ機構と、を備える。
上記虚像表示装置では、自己の眼の位置に対する虚像表示装置の位置調整すなわち位置合わせを、位置決め用部材によって確認しながら行えるので、最適な調整位置に容易に合わせられる。さらに、眼の位置に関して個人差に応じた位置合わせが簡単にできることに伴って、例えば、光学設計で画像光の光束を広くしマージンを有した状態にしておくことで、ある程度眼の位置に差があっても画像を認識させられるようにする、といった必要がなくなるので、装置が大型化することを抑制できる。また、虚像形成部が、画像光と外界光とを重畳させるシースルータイプとなっていることから、外界光を通して位置決め用部材による標準位置の表示を装着者に認識させることが可能となる。具体的には、例えば、装着者が虚像表示装置を装着した状態の自己を鏡に映す、つまり、シースルータイプであることを利用して外界光によって自分の眼の位置と位置決め用部材が示す標準位置とを確認しながら位置合わせができる。
本発明の具体的な側面では、位置合わせ機構が、装着状態において、少なくとも装着者の眼幅方向について調整可能である。この場合、眼幅方向について調整可能であることで、自己の眼の位置に対して最適となるように調整される。
本発明の別の側面では、位置合わせ機構が、光軸に対して垂直な平面に沿って、眼幅方向に垂直な方向について調整可能である。この場合、左右方向である眼幅方向のみならず、上下方向すなわち眼の高さ方向についても簡単に調整できる。
本発明のさらに別の側面では、(a)虚像形成部が、(a1)画像表示装置からの画像光を投射する投射光学系と、(a2)投射光学系からの画像光を内部に取り込む光入射部と光入射部から取り込まれた画像光を導く導光部と導光部を経た画像光を外部へ取出する光射出部とを有し、画像光による虚像を形成する導光装置と、を備え、(b)位置合わせ機構が、投射光学系及び導光装置のうち少なくとも導光装置を、位置決め用部材とともに移動させる。この場合、導光装置により虚像が形成されるとともに、位置合わせ機構が導光装置を移動させることで、位置調整が可能となる。
本発明のさらに別の側面では、(a)虚像形成部が、(a1)画像に対応して変調された信号光を形成する信号光変調部と、変調された信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、(a2)走査光学系からの走査光の照射を受けて画像光による虚像を形成する被照射部材と、を備え、(b)位置合わせ機構が、信号光変調部、走査光学系及び被照射部材のうち少なくとも被照射部材を、位置決め用部材とともに移動させる。この場合、被照射部材により虚像が形成されるとともに、位置合わせ機構が被照射部材を移動させることで、位置調整が可能となる。
本発明のさらに別の側面では、位置決め用部材が、所定位置に対して着脱可能である。この場合、位置調整後の虚像観察時には、位置決め用部材を取り外して位置決め用部材が観察の妨げにならないようにすることができる。
本発明のさらに別の側面では、光軸方向について位置決め用部材よりも装着者の眼から遠い側において装着者の眼に対向して配置される鏡部材を介して装着者の眼と位置決め用部材とを装着者に認識させることが可能である。この場合、鏡部材を利用して、簡易かつ迅速に位置調整ができる。
本発明のさらに別の側面では、位置決め用部材が、標準位置を装着者に認識させる物的マーカーを表示し、虚像形成部が、画像光による虚像として装着者に認識される表示画像の範囲を物的マーカーと比較可能に表示する映像マーカーを形成する。この場合、装着者は、映像マーカーによって示される画像表示の範囲と、位置決め用部材によって表示され標準位置を認識させる物的マーカーの位置とを対比させながら、簡易かつ迅速に位置調整ができる。
本発明のさらに別の側面では、位置合わせ機構が、調整する方向について、一定のピッチで離散的に配置される溝状又は突起状の位置決め部を有する。この場合、位置調整をより簡易にできる。
本発明のさらに別の側面では、位置合わせ機構の位置決め部において、離散的に決定される調整位置に関する情報を記憶する情報記憶部と、情報記憶部に記憶された情報を装着者に表示可能とする情報表示部とをさらに有する。この場合、記憶された調整位置を確認することで、自己にとって最適な位置を簡易かつ迅速に再現することができる。
本発明のさらに別の側面では、位置決め用部材が、虚像形成部の光学系の光軸の通る位置を標準位置として所定位置に取り付けられる。この場合、眼の中心を標準位置に合わせることで、最適な位置に調整できる。
上記目的を達成するため、本発明の虚像表示装置の位置調整方法は、(a1)外界光を透過させるとともに画像光による虚像を形成する虚像形成部と、(a2)虚像形成部の光学系の標準位置に対応する所定位置に取り付けられ装着者が虚像形成部を装着した装着状態において標準位置を装着者に認識させて位置決めの指標となるマーカーを表示する位置決め用部材と、(a3)虚像形成部の光学系とともに当該光学系に取り付けた位置決め用部材を移動させ装着者の眼に対する虚像形成部の位置を調整する位置合わせ機構と、(a4)位置合わせ機構による調整での調整位置に関する情報を記憶する情報記憶部とを備える(a)虚像表示装置の位置調整方法であって、(b)位置決め用部材により標準位置を表示して、標準位置と装着者の眼の位置とのズレを当該装着者に認識可能にする標準位置表示工程と、(c)標準位置表示工程における標準位置の表示に基づいて、位置合わせ機構によってなされた調整における調整位置に関する情報を情報記憶部に記憶させる調整位置記憶工程と、を有する。
上記虚像表示装置の位置調整方法では、標準位置表示工程において、標準位置と装着者の眼の位置とのズレを当該装着者に認識させることができるので、例えば眼幅方向について調整可能とすれば、眼幅についての個人差に応じた位置合わせが簡単にできる。また、調整位置に関する情報を情報記憶部に記憶させることで、再度の位置合わせではより簡易かつ迅速に位置合わせができる。
(A)は、虚像表示装置を構成する第1表示装置の本体部分の平断面図であり、(B)は、本体部分の正面図である。 虚像表示装置の光学系における光路の一例を具体的に説明する平面図である。 (A)は、位置合わせ機構を示す正面図であり、(B)は、上下用位置合わせ機構を示す正面図であり、(C)は、平面図であり、(D)は、左右用位置合わせ機構を示す正面図である。 (A)は、位置決め用部材が取り付けられた導光装置を含む光学系を示す模式的な図であり、(B)は、位置合わせ機構による調整の様子を示す模式的な図であり、(C)は、調整後の様子を示す模式的な図である。 鏡を用いた場合の装着者の眼と位置決め用部材との位置関係を示す図である。 虚像表示装置を装着した状態を模式的に示す正面図である。 (A)は、左眼側の位置調整を示す図であり、(B)は、右眼側の位置調整を示す図であり、(C)は、両眼に関して位置調整がなされた状態を示す図である。 (A)は、第2実施形態に係る虚像表示装置の位置合わせ機構を示す正面図であり、(B)は、位置決め用部材の構造について説明するための平面図である。 (A)は、虚像として表示される映像マーカーを示す図であり、(B)は、位置決め用部材によるマーカーの位置を示す図であり、(C)は、マーカーの位置が映像マーカーの中心から外れた状態で認識される場合を示す図であり、(D)は、マーカーの位置が映像マーカーの中心に重畳した状態で認識される場合を示す図である。 第3実施形態に係る虚像表示装置の位置合わせ機構を説明するための図である。 (A)は、第4実施形態に係る虚像表示装置の位置合わせ機構を説明するためのブロック図であり、(B)は、表示画像について示す図である。 (A)は、第5実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、(B)及び(C)は、導光装置の正面図及び平面図である。 画像光の光路について説明する模式的な図である。 ハーフミラー層を含む接合部を説明する断面図である。 (A)は、第6実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、(B)及び(C)は、導光装置の正面図及び平面図である。 画像光の光路について説明する模式的な図である。 第7実施形態に係る虚像表示装置を示す図である。 虚像表示装置の位置調整について説明するための図である。
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る虚像表示装置について詳細に説明する。
〔A.虚像表示装置の概要〕
図1(A)及び1(B)に示す実施形態の虚像表示装置100は、眼鏡のような外観を有するヘッドマウントディスプレイであり、この虚像表示装置100を装着した観察者である装着者に対して虚像による画像光を認識させることができるとともに、装着者に外界像をシースルーで観察させることができる。図1(A)に示す虚像表示装置100は、片側の図示が省略され、カバー部分等についても省略されている第1表示装置100Aは、虚像表示装置100のうち左眼用の虚像を形成する部分を示すものである。
図示の状態において、装着者にとって真正面の方向が、虚像表示装置100を構成する光学系の射出側の光軸である第2光軸AX2に沿った方向であり、第2光軸AX2が虚像表示装置100側から装着者側に向かう方向を+X方向とし、装着者にとって眼が並ばない上下方向を±Y方向とし、眼が並ぶ左右方向を±Z方向とする。
〔B.表示装置の構造〕
以下、第1表示装置100Aの構造の一例について説明することで、虚像表示装置100の構造の一例を説明する。第1表示装置100Aは、画像形成装置10と、導光装置20と、位置決め用部材であるマーカー部材MP1と、位置合わせ機構300とを備える。ここでは、第1表示装置100Aのうち、実質的に虚像を形成する部分である画像形成装置10と導光装置20とを、虚像形成部IPとする。詳しくは図3(A)等で後述するが、第1表示装置100Aは、位置決め用部材であるマーカー部材MP1と、位置合わせ機構300とによって、眼EYに対する虚像形成部IPの位置調整を行って、図1(A)に示すような装着者と虚像表示装置100との的確な位置関係の状態を確保している。
以下、虚像形成部IPの位置調整について説明するための前提として、虚像を形成する部分である虚像形成部IPを構成する画像形成装置10及び導光装置20の構造について説明する。
画像形成装置10は、画像表示装置11と、投射光学系12とを有する。このうち、画像表示装置11は、2次元的な照明光SLを射出する照明装置31と、透過型の空間光変調装置である液晶表示デバイス32とを有する。
照明装置31は、赤、緑、青の3色を含む光を発生する光源31aと、光源31aからの光を拡散させて矩形断面の光束にするバックライト導光部31bとを有する。液晶表示デバイス32は、照明装置31からの照明光SLを空間的に変調して動画像等の表示対象となるべきカラーの画像光を形成する。
投射光学系12は、液晶表示デバイス32上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にするコリメートレンズである。
導光装置20は、導光部材21と光透過部材23とを接合したものであり、全体としてXY面に平行に延びる平板状の光学部材を構成している。
導光装置20のうち、導光部材21は、平面視において台形のプリズム状部材であり、側面として、第1反射面21aと、第2反射面21bと、第3反射面21cと、第4反射面21dとを有する。第1及び第2反射面21a,21bは、XY面に沿って延びている。また、第3反射面21cは、XY面に対して45°以下の鋭角αで傾斜しており、第4反射面21dは、XY面に対して例えば45°以下の鋭角βで傾斜している。第3反射面21cを通る光軸すなわち光学系の入射側の光軸である第1光軸AX1と、第4反射面21dを通る光軸すなわち光学系の射出側の光軸である第2光軸AX2とは、平行に配置されている。
導光部材21は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。導光部材21は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材を本体部分20aとしている。このように導光部材21は、基材としての本体部分20aを一体形成品とするが、機能的に、光入射部B1と導光部B2と光射出部B3とに分けて考えることができる。
光入射部B1は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光入射面ISと、光入射面ISに対向する第3反射面21cとを有する。光入射面ISは、画像形成装置10からの画像光GLを取り込むための裏側又は装着者側の平面であり、投射光学系12に対向してその第1光軸AX1に垂直に延びている。第3反射面21cは、矩形の輪郭を有し、その矩形領域全体に、光入射面ISを通過した画像光GLを反射して導光部B2内に導くための全反射ミラーであるミラー層25を有する。このミラー層25は、導光部材21の本体部分20aの斜面RS上にアルミ等の蒸着によって成膜を施すことにより形成される。第3反射面21cは、投射光学系12の第1光軸AX1又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光GLを、全体として−Z方向寄りの−X方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光GLを導光部B2内に確実に結合させる。
導光部B2は、互いに対向しXY面に平行に延びる2平面として、光入射部B1で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第1反射面21aと第2反射面21bとを有している。ここでは、第1反射面21aが画像形成装置10に近い裏側又は装着者側にあるものとし、第2反射面21bが画像形成装置10から遠い表側又は外界側にあるものとする。この場合、第1反射面21aは、上記の光入射面ISや後述する光射出面OSと共通の面部分となっている。第1及び第2反射面21a,21bは、屈折率差を利用する全反射面である。
光入射部B1の第3反射面21cで反射された画像光GLは、まず、第1反射面21aに入射し、全反射される。次に、当該画像光GLは、第2反射面21bに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、全体として導光装置20の奥側の主導光方向すなわち光射出部B3を設けた−X側に導かれる。なお、第1及び第2反射面21a,21bには反射コートが施されていないため、外界側から第2反射面21bに入射する外界光又は外光は、高い透過率で導光部B2を通過する。つまり、導光部B2は、外界像の透視が可能なシースルータイプになっている。
光射出部B3は、三角プリズム状の部分であり、第1反射面21aの一部である光射出面OSと、光射出面OSに対向する第4反射面21dとを有する。光射出面OSは、画像光GLを装着者の眼EYに向けて射出するための裏側の平面であり、光入射面ISと同様に第1反射面21aの一部となっており、第2光軸AX2に垂直に延びている。第4反射面21dは、矩形の平坦面であり、第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLを反射して光射出部B3外に射出させるとともに外界光OLを透過させるためのハーフミラー層28を、第4反射面21dの中央に配置された矩形の部分領域に有する。このハーフミラー層28は、光透過性を有する半透過反射膜である。ハーフミラー層28は、導光部材21のうち第4反射面21dを構成する斜面RR上に例えば銀等による金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成される。ハーフミラー層28の画像光GLに対する反射率は、シースルーによる外界光OLの観察を容易にする観点で、想定される画像光GLの入射角範囲において10%以上50%以下とする。
第4反射面21dは、第1反射面21aに垂直な第2光軸AX2又はXY面に対して例えば鋭角α=25°〜27°で傾斜しており、上記ハーフミラー層28により、導光部B2の第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光GLを部分的に反射して全体として−Z方向に向かわせるように折り曲げることで、光射出面OSを通過させる。
ここで、第4反射面21d上の点のうち、第2光軸AX2が通過する点を虚像形成部IPの光学系についての位置合わせにおける標準位置(基準位置)SPとする。この場合、基準位置である標準位置SPは、第4反射面21dの中心すなわちハーフミラー層28の中心を示す点であり、導光装置20を含む光学系全体における射出側の標準となる位置を示すものでもある。この標準位置SPに基づいて眼EYに対する虚像形成部IPの位置を調整することで、図1(A)に示すような的確な位置関係とすることが可能になる。
光透過部材23は、導光部材21の本体部分20aと同一の屈折率を有する本体部分23sで構成され、第1面23aと、第2面23bと、第3面23cとを有する。第1及び第2面23a,23bは、第1及び第2反射面21a,21bと同様、XY面に沿って延びている。また、第3面23cは、XY面に対して傾斜しており、導光部材21の第4反射面21dに対向して平行に配置されている。つまり、光透過部材23は、第2面23bと第3面23cとに挟まれた楔状の部材を有するものとなっている。光透過部材23は、導光部材21と同様に、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。光透過部材23は、射出成型によって一体的に成型されたブロック状部材を本体部分23sとしている。
光透過部材23において、第1面23aは、導光部材21に設けた第1反射面21aの延長平面上に配置され、装着者の眼EYに近い裏側にあり、第2面23bは、導光部材21に設けた第2反射面21bの延長平面上に配置され、装着者の眼EYから遠い表側にある。第3面23cは、接着剤によって導光部材21の第4反射面21dに接合される矩形の光透過面である。以上の第1面23aと第3面23cとなす角度は、導光部材21の第2反射面21bと第4反射面21dとのなす角度εと等しくなっており、第2面23bと第3面23cとのなす角度は、導光部材21の第1反射面21aと第3反射面21cとのなす角度βと等しくなっている。
光透過部材23と導光部材21とは、両者の接合部分及びその近傍において、透視部B4を構成している。すなわち、第1及び第2面23a,23bには、ミラー層等の反射コートが施されていないため、導光部材21の導光部B2と同様に外界光OLを高い透過率で透過させる。第3面23cも、外界光OLを高い透過率で透過可能であるが、導光部材21の第4反射面21dがハーフミラー層28を有していることから、第3面23cの中央領域を通過する外界光OLは減光される。つまり、装着者は、減光された画像光GLと外界光OLとを重畳させたものを観察することになる。
以上のような画像形成装置10及び導光装置20で構成される虚像形成部IPによって、虚像表示装置100は、画像光GLによる虚像を形成する。また、上述のように、導光装置20が外界光OLを透過させるシースルーの構成となっていることで、虚像表示装置100は、虚像による画像のみならず、外界像が観察可能となっている。
以下、図2を用いて、第1表示装置100Aにおける画像光の具体的な光路の一例を説明する。なお、図2では、画像光の光路決定に関係する光学系のみ示しており、例えばマーカー部材MP1等の図示を省略している。また、投射光学系12は、3つのレンズL1,L2,L3を有しているものとする。
図示のように、液晶表示デバイス32の右側の第1表示点P1からの画像光GL11,GL12は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて等しい第1反射角γ1で計3回全反射され、第4反射面21dに入射する。画像光GL11,GL12は、この第4反射面21dで第3反射面21cと同一の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSに垂直な第2光軸AX2方向に対して角度θの傾きで平行光束として射出される。
液晶表示デバイス32の左側の第2表示点P2からの画像光GL21,GL22は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて等しい第2反射角γ2で計5回全反射され、第4反射面21dに入射する。画像光GL21,GL22は、この第4反射面21dで第3反射面21cと同一の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSに垂直な第2光軸AX2方向に対して角度θの傾きで平行光束として射出される。
また、図2において、導光部材21を展開した場合で見ると、装着者は、光入射面ISに対応する2つの位置の異なる入射等価面IS',IS"の近傍に存在する投射光学系12のレンズL3を重ねて観察していることになる。
上記のように、平行光束として射出される画像光GLによって虚像が認識される場合、画像光GLは、位置に応じて角度方向が異なるが、平行に維持されており、瞳位置PPに集まるようになっている。従って、瞳位置PPに眼EYを置く装着者は、射出される画像光GLの角度から虚像による画像の位置を把握する。この場合、仮に各平行光束の光束幅が広いものであるとすると、装着者の眼EYが捉えることのできる許容範囲が広がり、図1(A)に示すような理想的な配置から外れているすなわち瞳位置PP周辺において第2光軸AX2から多少ずれていても、画像の周辺側が暗くなったり途切れたりすることなくすることなく認識される。しかしながら、光束幅を広くするには、光学系全体を大型化させる等の必要が生じる。
光束幅を広くすることなく、虚像を確実に認識できるものにするには、虚像表示装置100による観察に際して、虚像表示装置100が眼EYに対して正しい位置に合わせられていること、具体的には、各光束が集まる瞳位置PPにおいて第2光軸A2の軸上に装着者の眼EYがくるように位置調整がなされていることが非常に重要である。本実施形態では、光軸AX1,AX2に対して垂直な平面である基準面SFに平行な方向すなわちX方向及びY方向に関して位置調整を行うものとする。X方向及びY方向に関する位置調整において、シースルーの構成であることを利用して、位置決め用部材であるマーカー部材MP1及び位置合わせ機構300により装着者が簡易かつ確実に装置の位置合わせを行うことができるものとなっている。なお、光軸AX1,AX2の方向すなわちZ方向の調整については、装着時や装着後に適宜調整できるため、ここでは、虚像表示装置100を装着した装着状態において光軸AX2の延びる方向であるZ方向については、眼EYが瞳位置PP周辺に調整済みであるものとする。
〔C.位置合わせ機構について〕
以下、虚像形成部IPの位置調整について説明するために、マーカー部材MP1及び位置合わせ機構300の構造等について説明する。
図1(A)及び1(B)に戻って、マーカー部材MP1は、薄い板状又はシート状の透明部材であり、物的マーカーとして十字状のマーカーCRが描かれている。マーカー部材MP1は、マーカーCRがクロスする点XXを、取付け位置を定める基準点として、導光装置20のうち、第1反射面21a及びその延長上にある第1面23aにおいて、光学的に用いられない箇所において貼り付けられて固定されている。ここでは、一例として、マーカー部材MP1が矩形の板状又はシート状であり、その四隅が第1反射面21a及び第1面23aに貼り付けられているものとする。図1(A)に示すように、マーカー部材MP1の点XXは、画像光GLが射出される際の光軸である第2光軸AX2上の点となるような位置に配置されている。つまり、マーカー部材MP1において、この点XXは、導光装置20を含む虚像形成部IPの光学系全体の標準位置SPに対応する基準点となっている。従って、虚像表示装置100を使用する装着者は、自己の眼EYの中心を点XXに合わせることで、図1(A)に示すような標準位置SPに対応した正しい位置で、虚像の観察を行うことができる。つまり、マーカー部材MP1は、虚像形成部IPの位置調整の指標となるマーカーCRを有することで、位置決め用部材として機能する。なお、マーカー部材MP1は、導光装置20に対して着脱可能となっており、位置調整後には、取り外すことができる。
虚像形成部IPの光学系に対する装着者の位置調整すなわち位置合わせについては、図3(A)等に例示するような構造を有する位置合わせ機構300によってなされる。
以下、位置合わせ機構300の構造の一例について具体的に説明する。位置合わせ機構300は、導光装置20を含む虚像形成部IPを、光軸AX1,AX2に対して垂直な平面である基準面SFについて平行な面内の方向すなわちX方向及びY方向について移動させることにより、眼EYに対する虚像形成部IPの位置の調整を可能とする部材である。つまり、位置合わせ機構300は、虚像形成部IPの位置調整機構であり、アライメント機構であるとも言える。虚像表示装置100において、この基準面SFに平行な方向(X方向及びY方向)は、装置を並進移動させても、画像形成に際して影響を与えない方向である。つまり、位置合わせ機構300によって虚像形成部IPを移動させることで、減光を生じることがあっても、画像の位置やサイズを含む画像形成の状態は基本的に変化しない。なお、この位置調整については、虚像形成部IPのように虚像を形成するための中核的な部分である導光装置20を含む種々の光学系全体を一体的に動かすことになるが、図3(A)〜3(D)に示す例では、説明を簡略化するため、導光装置20を含む虚像形成部IPは一体化されているものとし、位置合わせ機構300が導光装置20を移動させることに伴って虚像形成部IPの光学系全体が移動するものとする。また、簡略化のため、図3(A)〜3(D)等では、導光装置20の外形を直方体形状を有するものとしている。
まず、図3(A)〜3(D)に示すように、位置合わせ機構300は、マーカー部材MP1が取り付けられた導光装置20等の光学系の位置を垂直方向である上下方向(Y方向)について調整するための上下用調整機構310と、水平方向である左右方向(X方向)について調整するための左右用調整機構320とを有する。
図3(A)、3(B)及び3(C)に示すように、上下用調整機構310は、内フレーム311と、一対の上下用ガイド312と、ネジ機構313とを有する。内フレーム311は、導光装置20と略同じ大きさの窓WDを有し、導光装置20を取り囲むように配置される枠体である。一対の上下用ガイド312は、内フレーム311の左右両端側において、導光装置20の側部に沿って、上下用調整機構310の調整方向であるY方向に延びるように設けられており、導光装置20を挟持している。ネジ機構313は、上方向側(+Y側)からネジ回し等(不図示)の作用によって回転動作するネジ頭部313aと、導光装置20に固定的に取り付けられておりネジ頭部313aの回転に伴う押し込み及び引っ張り作用によって導光装置20を±Y方向にスライドさせるリンク313bと、Y方向に延びてネジ頭部313aの作用をリンク313bに伝える軸313cとを有する。装着者は、ネジ機構313を用いて、導光装置20を上下方向(±Y方向)について調整させることができる。
図3(A)及び3(D)に示すように、左右用調整機構320は、外フレーム321と、一対の左右用ガイド322と、ネジ機構323とを有する。外フレーム321は、内フレーム311を取り囲むように配置される枠体である。一対の左右用ガイド322は、外フレーム321の内側の上下両端において、内フレーム311の側部に沿って、左右用調整機構320の調整方向であるX方向に延びるように設けられている。ネジ機構323は、右方向側(+X側)からネジ回し等(不図示)の作用によって回転動作するネジ頭部323aと、内フレーム311に固定的に取り付けられておりネジ頭部313aの回転に伴う押し込み及び引っ張り作用によって内フレーム311を±X方向にスライドさせるリンク323bと、X方向に延びてネジ頭部323aの作用をリンク313bに伝える軸323cとを有する。装着者は、ネジ機構323を用いて、導光装置20を左右方向(±X方向)すなわち眼幅方向について調整させることができる。
以下、図4(A)等により、マーカー部材MP1及び位置合わせ機構300を用いた位置調整の一例について説明する。ここでは、シースルータイプであることを利用して、虚像表示装置100を装着した装着状態を、鏡に映しながら、調整を行うものとする。
まず、図4(A)に示すように、位置調整前において、位置調整前の画像形成装置10及び導光装置20等を含む一体化された光学系である虚像形成部IPには、導光装置20にマーカー部材MP1が取り付けられている。また、図4(B)に示すように、虚像表示装置100は、図3(A)等により説明した位置合わせ機構300を有しており、位置合わせ機構300は、マーカー部材MP1とともに虚像形成部IPをX及びY方向に移動可能としている。装着者は、虚像表示装置100を装着した装着状態において、例えば鏡に自己の姿を映した外界像から、自分の眼EYの位置等を確認し、位置合わせ機構300を用いて虚像形成部IPを移動させて位置の調整を行う。最後に、図4(C)に示すように、位置調整後において、装着者は、マーカー部材MP1を取り外し、虚像を映し出させるべく虚像表示装置100に画像動作をさせて、画像観察をする。なお、画像光の観察時において、マーカー部材MP1は既に取り外されているので、マーカーCR等が視界の妨げとならない。
図5は、図4(B)に示す装着者の装着状態を映し出すために鏡(鏡部材MR)を用いた場合の位置関係を模式的に示す図である。図中において、破線によって示されている眼EYiやマーカー部材MP1iの点XXiは、鏡部材MRに映し出された自己の眼EYや点XXの虚像である。装着者は、位置調整において、鏡部材MRに映し出された眼EYiの中心及び点XXiの虚像が自己の眼EYの中心及び点XXと第2光軸AX2の延長上に一直線上に並ぶ状態となるように、図3(A)等に示す位置合わせ機構300を用いて虚像形成部IPを移動させることになる。一般に、図1(B)等に示すように装着者に非常に近接した状態のマーカーCRを鏡部材MR用いることなく直接観察しようとすると、焦点を合わせられず、ぼけた状態で観察することになる。これに対して、鏡部材MRに映し出されたマーカーCRの虚像は、ぼけることなく認識できるので、鏡越しに調整を行うことで、上記のような位置合わせが容易に行える。
以上のように、本実施形態では、自己の眼EYの位置に対する虚像表示装置100の位置調整を、位置決め用部材であるマーカー部材MP1を確認しながら位置合わせ機構300によって行えるので、最適な調整位置に容易に合わせられる。特に、虚像表示装置100のうち、虚像形成部である第1表示装置100Aが、外界光OLを透過させるとともに画像光GLによる虚像を形成する。すなわち、虚像表示装置100は、画像光GLと外界光OLとを重畳させるシースルータイプとなっていることから、例えば外界光OLを通してマーカー部材MP1のマーカーCRによって示される点XXによって標準位置SPを装着者に認識させることが可能となる。具体的には、例えば、装着者が虚像表示装置を装着した状態の自己を鏡に映す、つまりシースルーであることを利用して自分の姿を外界光OLとして確認しながら位置合わせ機構300を動作させることで、自分の眼EYの位置を、マーカー部材MP1が示す点XXに合わせて、自己の眼EYの位置にとって最適となるように虚像表示装置100の位置調整をすることが容易にできる。また、この場合、眼幅についての個人差に応じた位置合わせが簡単にできるので、例えば画像形成装置10や導光装置20等についての光学設計において、画像光GLの光束を広くしマージンを有した状態で形成させる、といった必要がなくなり、虚像表示装置100が大型化することを抑制できる。
図6は、以上のような虚像表示装置100を装着した状態を、正面から見た様子を模式的に示すものである。図示の例では、左眼用の第1表示装置100Aと右眼用の第2表示装置100Bとにおいて、左右にそれぞれ配置されている位置合わせ機構300は、フレームFLの中央部から延びる支柱部PPによって側方から支持されている。また、虚像表示装置100において、支柱部PPの先端側には、装着時に虚像表示装置100を鼻NSで支持可能にするための鼻パッド部NPを有している。
虚像表示装置100は、図示のように、左右の眼EYに対してそれぞれ位置調整できる。具体的な一例を示すと、まず、図7(A)に示すように、左眼用の第1表示装置100Aについて、左眼用の位置合わせ機構300によって鏡越しに標準位置の指標となるマーカーCRの点XXを眼EYの中心CPに合わせて、図7(B)に示すように一致させる。次に、右眼用の第2表示装置100Bについて、同様に、右眼用の位置合わせ機構300によってマーカーCRの点XXを眼EYの中心CPに合わせて、図7(C)あるいは図6に示すように一致させ、両眼ともに位置合わせされた状態とすることができる。
なお、以上では、第1表示装置100Aの全体を虚像形成部IPとしているが、第1表示装置100Aを構成する光学系のうち、外界光を透過させるとともに画像光による虚像を形成する光学系である導光装置20を少なくとも含んでいれば、第1表示装置100A全体でなくても虚像形成部であると言える。例えば、虚像を形成する中核部分である画像形成装置10中の投射光学系12と導光装置20とで、虚像形成部IPを構成するものとしてもよい。
また、以上において、マーカー部材MP1の構成は一例であり、上記の他、種々の態様が考えられる。例えば、マーカーCRの形状については、十字以外の様々な形状であってもよく、また、標準位置SPに対応する点XXが示す位置も、的確な位置調整を行うことができれば、光軸以外の位置を示すものであってもよい。
また、以上では、マーカー部材MP1を矩形の薄い板状或いは膜状の部材とし、この四隅を導光装置20に貼り付けることで固定するものとしているが、マーカー部材MP1の形状はこれ以外の物であってもよい。また、その大きさは、マーカーCRを示すことができるものであれば、大小様々なサイズのものとしてよい。また、貼付けに限らず、その他の方法で固定するものであってもよい。
また、例えばマーカーCRは、例えば電源のオンオフによってランプを点灯・消灯させて示されてもよい。
また、以上では、導光装置20の外形を直方体形状で示しているが、例えば一対の上下用ガイド312の形状等を適宜変更することで、図1(A)に示すような多面体状の外形を有する導光装置20の場合にも、上記のような動作を同様に行うことができる。
また、以上では、光軸AX2の延びる方向であるZ方向については、調整済みであるものとしているが、例えば位置合わせ機構300によってX方向及びY方向のほか、さらにZ方向についても位置合わせが可能であってもよい。
〔第2実施形態〕
以下、第2実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置100の変形例であり、マーカー部材の構成を除いて、外部の構造は虚像表示装置100と同様であるため、マーカー部材及びその周辺部についてのみ図示し、全体の図示及び説明を省略する。
図8(A)及び8(B)は、第1実施形態の図3(A)及び3(C)に対応するものであり、本実施形態に係る虚像表示装置のうち、マーカー部材MP2の構造について説明するための図である。なお、図示のうち、位置合わせ機構300については、図3(A)等の場合と同様であるので、説明を省略する。
マーカー部材MP2は、レンズ部FLと、取付部APとを備える。マーカー部材MP2のうち、レンズ部FLは、例えばフレネルレンズで構成されている。さらに、レンズ部FLには、位置調整のための基準点を示す点XXであるマーカーCRが装着者より遠方側すなわち+Z側に付されている。マーカーCRは、例えば物理的な物体をレンズ部FLのレンズ面上に貼り付けて形成される物的マーカーである。取付部APは、レンズ部FLの上端及び下端から上下方向すなわち図のY方向に延びてレンズ部FLを支持する一対の部材であり、導光装置20に着脱可能となっている。つまり、マーカー部材MP2は、取付部APによって導光装置20から着脱可能になっている。
マーカー部材MP2は、+Z側すなわち装着者から遠い側に付されたマーカーCRをフレネルレンズ越しに観察させるものとなっていることで、非常に近接した状態であっても、装着者がぼけることなくマーカーCRを認識できる。マーカー部材MP2は、認識されたマーカーCRの位置を光学系の標準位置SPを示す点XXとすることで、装着状態において装着者に位置の認識を可能にしている。つまり、装着者は、レンズ部FLに付された点XXに基づいて位置調整を行うことができる。以上のように、本実施形態の場合、図1(B)等に示す第1実施形態のマーカーCRの場合と同様に、装着者に非常に近接した状態であるが、マーカーCRによって示される点XXを、鏡等を用いることなく直接視認できる。つまり、鏡等を用いずに位置調整を行うことができる。なお、本実施形態の場合においても、第1実施形態の場合と同様に鏡を用いて位置調整することは、可能である。
以下、本実施形態に係る虚像表示装置の変形例について説明する。変形例の虚像表示装置は、図8(A)及び8(B)に示すマーカー部材MP2を有してマーカーCRによって示される点XXを視認できることに加え、虚像形成部IP(図1(A)等参照)による画像表示において、例えば図9(A)に示すような映像マーカーSIを画像光GLによる虚像として表示するものとなっている。映像マーカーSIは、装着者に認識される表示画像の範囲を示しており、装着者は、映像マーカーSIと点XXとを対比して観察できる。図示の例では、映像マーカーSIとして、4つの三角形状で作られた十字の中心に星STがある画像が表示されている。つまり、星STが、基準面SF(図1(A)参照)に対して略垂直な角度で射出される画像光GLの成分である中心光束による画像である。従って、装着者にとって、この星STが点XXと合う状態になっていれば、中心光束の中心部分と眼の位置とが一致していることになり、図1(A)に示すような望ましい位置調整ができていることに相当する。ここで、図9(B)に示すマーカーCRによる点XXは、レンズ部FLの一部として物理的に取り付けられた物的マーカーであり、位置合わせ機構300によって物理的な位置がX方向及びY方向について変化する。これに対して、映像マーカーSIは、虚像形成部IPからの画像光GLを構成する各光束成分の射出角度に依存して認識される虚像であり、位置合わせ機構300(図8(A)等参照)によってマーカー部材MP2等をX方向及びY方向について移動させても、装着者に認識される画像としての位置はほとんど変化しない。従って、マーカーCRによる点XXを認識できる状態で映像マーカーSIを映し出すと、これらが重畳して、映像マーカーSIが示す表示画像の範囲と虚像形成部IPの標準位置SPとの関係を装着者に認識させることができる。この場合、例えば図9(C)に示すように、点XXが映像マーカーSIの中心である星STから外れた状態となっている場合が生じ得る。これは、図1(A)のような思想的な位置関係の状態すなわち装着者の眼EYが第2光軸AX2上にある状態ではなく、第2光軸AX2から外れた状態で画像を見ていることを示している。装着者は、位置合わせ機構300によってX方向及びY方向についてマーカーCRの位置すなわち点XXの位置を調整することで、図9(D)に示すように、点XXが映像マーカーSIの中心にある星STに重畳するように位置調整することで、装着者の眼EYが第2光軸AX2上にある最適な状態にすることができる。
以上のように、本変形例の場合、鏡等を用いることなく、虚像形成部IPの標準位置SPに対応する点XXと、映像マーカーSIが示す表示画像の範囲との関係から眼EYに対する虚像形成部IPの位置調整を行うことができる。
また、以上において、マーカー部材MP2の構造は一例であり、この他にも、例えば眼EYの前方に突き出して延び、その先端にマーカーCRを有する部材によってマーカー部材MP2を構成することも可能である。この場合、前方に突き出す部材の長さを調整することで、先端にあるマーカーCRを眼EYによって直接視認できるものにも、鏡等を用いて認識させるものにもできる。
〔第3実施形態〕
以下、第3実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置100の変形例であり、位置合わせ機構300の一部を除いて、虚像表示装置100と同様であるため、位置合わせ機構300の一部についてのみ説明し、全体の図示及び説明を省略する。
図10は、位置合わせ機構300のうち、図3(A)等に示すネジ機構313,323に相当するものであり、調整する方向すなわち上下方向(Y方向)や左右方向(X方向)について、一定のピッチで離散的に配置される溝状又は突起状の一対の位置決め部313p,313qを示している。つまり、ネジ構造に代えて、離散的に移動させる構造となっている。具体的には、一対の位置決め部313p,313qは、ピッチ0.5mm以上1mm以下あるいは同程度の等間隔に刻まれた複数の溝状部PT1や突起状部PT2を有している。これにより、位置決め部313p,313qをスライド動作させることで、クリック感のある離散的な動きで位置決めを行うことができる。なお、図示のように、各溝状部PT1又は突起状部PT2に数字が付されていることで、装着者は、離散的な調整による自己の調整位置を容易に確認できるものとなっている。
〔第4実施形態〕
以下、第4実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第2実施形態に係る虚像表示装置の変形例であるため、全体の図示及び説明を省略する。
本実施形態では、例えば図10に示すように離散的な動きで位置調整を行う場合に、調整位置に関する情報を記憶する記憶装置を有する構成となっている。具体的には、図11(A)に示すように、虚像表示装置100は、装着者からの各種指示を受けつけるためのコントロール装置150を有している。
コントロール装置150は、CPU151、記憶装置152、表示装置153、入力装置154、出力端末155、バス156等を備える。
CPU151は、バス156を介して、記憶装置152、表示装置153や入力装置154との間で相互にデータの授受が可能になっている。また、CPU151は、入力装置154からの装着者の指示に基づいて、記憶装置152から所定のプログラムやデータを読み出し、これらプログラム及びデータに基づく各種処理を実行する。なお、CPU151は、出力端末155を介して画像情報等の出力情報を、虚像表示装置100の本体部である表示装置100A等に送信する。
以上において、記憶装置152は、位置合わせ機構(不図示)の調整量について記憶する情報記憶部として機能する。具体的には、コントロール装置150は、装着者によって入力装置154を介して入力された名前と、左右の眼についての調整量を記憶装置152に記憶させることができる。また、コントロール装置150は、装着者によってなされる入力装置154を介した指令に基づいて、記憶装置152に記憶された情報を読み出し、図11(B)に示すように、表示装置153に表示可能となっている。つまり、表示装置153は、情報記憶部である記憶装置152に記憶された情報を装着者に表示可能とする情報表示部として機能する。表示装置153での表示内容により、装着者は、必要に応じて、自分の眼に適した調整位置に関する情報をコントロール装置150に記憶させ、必要な時に入力装置154を介して読み出すことができる。なお、記憶装置152は、複数の装着者について上記のような調整位置に関する情報を記憶しておくこともできる。さらに、位置合わせ機構に駆動装置を設け、読み出された情報に基づいて自動的に位置調整を行うものとしてもよい。
上記のような、コントロール装置150等による位置調整の制御の一例について説明する。まず、マーカー部材MP1(図1(A)等参照)により標準位置SPを表示することで(標準位置表示工程)、装置の標準位置SPと装着者の眼EYの位置とのズレを認識可能となる。例えば、コントロール装置150のCPU151は、表示装置100A等に取り付けられたセンサー等(不図示)によって、装着状態であることが確認させるとともに装着者の眼EYの位置及びマーカー部材MP1の点XXの位置を確認させ、これらの相対的な位置関係から、標準位置SPと装着者の眼EYの位置とのズレを算出し、算出結果を表示装置153に表示させるものとすることができる。さらに、コントロール装置150のCPU151は、標準位置表示工程における標準位置の表示に基づいて、適切な調整位置を示すことができる。またCPU151は、位置合わせ機構300によってなされた調整における調整位置に関する情報を、情報記憶部である記憶装置152に記憶させるものとしてもよい(調整位置記憶工程)。以上により、標準位置表示工程において、例えば眼幅についての個人差に応じた位置合わせが簡単にでき、また、再度の位置合わせは、記憶装置152に記憶された情報に基づいてより簡易かつ迅速にできる。
〔第5実施形態〕
以下、第5実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置100の変形例であり、特に説明しない場合、虚像表示装置100と同様であるものとする。
図12(A)〜12(C)に示す虚像表示装置100は、画像形成装置10と、導光装置420とを一組として備える。導光装置420は、導光部材21と、角度変換部423と、光透過部材23とを備える。なお、図12(A)は、図12(B)に示す導光装置420のA−A断面に対応する。また、この場合、角度変換部423の占める領域PA0に対応して、位置決め用部材であるマーカー部材(不図示)が設けられることになる。
導光部材21の全体的な外観は、図中XY面に平行に延びる平板である本体部分20aによって形成されている。また、導光部材21は、側面として、第1反射面21aと、第2反射面21bと、第3反射面21cとを有する。さらに、導光部材21は、長手方向の一端において本体部分20aを拡張するように形成されたプリズム部PS及びこれに付随する第3反射面21cを有し、長手方向の他端において多数のミラーによって構成される角度変換部423につながる構造となっている。
本体部分20aは、光透過性の樹脂材料等により形成され、XY面に平行で画像形成装置10に対向する裏側の平面上に、画像形成装置10からの画像光を取り込む光入射面ISを有している。本体部分20aは、そのプリズム部PSの側面として光入射面ISの他に矩形の斜面RSを有し、当該斜面RS上には、これを被覆するようにミラー層25が形成されている。ここで、ミラー層25は、斜面RSと協働することにより、光入射面ISに対して傾斜した状態で配置される第3反射面21cとして機能する。この第3反射面21cは、光入射面ISから入射し全体として+Z方向に向かう画像光を、全体として−Z方向に偏った−X方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を本体部分20a内に確実に結合させる。
導光部材21の第1及び第2反射面21a,21bは、プリズム部PSで折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる。第3反射面21cで反射された画像光は、第1反射面21aに入射し、全反射され第2反射面21bに入射し、全反射され、以下この動作が繰り返されることで、−X側に導かれる。
図12(C)に示すように、導光部材21において、第3反射面21cと後述する光入射面ISとは、光入射部B1として機能する。また、導光部材21の第1及び第2反射面21a,21bに挟まれた本体部分20aと、後述する角度変換部423とは、導光部B2として機能する。なお、角度変換部423は、光射出部B3として機能する。
角度変換部423は、導光部材21の奥側(−X側)において、第1及び第2反射面21a,21bの延長平面に沿って形成されている。ここで、本体部分20aの奥側端部は、角度変換部423の一部となっている。角度変換部423は、第1及び第2反射面21a,21bに対して傾斜し互いに平行に等間隔で配列される多数のハーフミラー層28を有する。角度変換部423は、導光部材421の第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面OSを介して装着者の眼EY側へ折り曲げる。つまり、角度変換部423は、画像光の角度を変換している。
光透過部材23は、角度変換部423を奥側(−X側)に延長した部分であり、導光部材421の本体部分20aと同様に平板状の部材となっている。
以上において、角度変換部423の全部又は入口側の一部は、導光部材21と組み合わせることで導光部B2の一部としても機能している。また、角度変換部423の全部又は奥側の一部は、光透過部材23と組み合わせることで透視部B4として機能している。
画像形成装置10から射出され光入射面ISから導光部材21に入射した画像光は、第3反射面21cで一様に反射されて折り曲げられ、導光部材21の第1及び第2反射面21a,21bにおいて繰り返し全反射されて光軸AXに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部423において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に角度変換部423に付随する光射出面OSから外部に射出される。光射出面OSから外部に射出された画像光は、虚像光として装着者の眼EYに入射する。
以下、導光装置420中の画像光の光路について説明する。なお、第4実施形態における導光装置420は、2つの伝搬モードの画像光を導光させる図2の導光装置20と異なっている。
図12(A)に示すように、画像表示装置11の液晶表示デバイス(画像光形成部)32から射出される画像光のうち、射出面32aの中央部分から射出される点線で示す成分を画像光GL41とし、射出面32aの紙面右側(+X側)から射出される一点鎖線で示す成分を画像光GL42とし、射出面32aの紙面左側(−X側)から射出される二点鎖線で示す成分を画像光GL43とする。
投射光学系12を経た各画像光GL41,GL42,GL43の主要成分は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて互いに異なる角度γ,γ,γで全反射を繰り返し、画像光GL41は、N回(Nは自然数)全反射され、角度変換部423の中央部23kに達し、光射出面OS又はXY面に対して垂直な光軸AX方向に平行光束として射出される。画像光GL42は、N−M回(Mは自然数)全反射され、角度変換部423のうち最も入口側(+X側)の周辺部23mに達し、光軸AXに対して角度θ12(導光装置420内ではθ12')だけ傾斜した方向に射出される(図13参照)。画像光GL43は、N+M回全反射され、角度変換部423のうち最も奥側(−X側)の周辺部23hに達し、光軸AXに対して角度θ13(導光装置420内ではθ13')だけ傾斜した方向に射出される(図13参照)。
図14に示すように、角度変換部423は、複数のプリズム424を所定のピッチでX方向に多数配列した構造を有する。各プリズム424は、光射出側に第1接合面424jを有し、光入射側に第2接合面424cを有する。本体部分20aの第1接合面21j上又は各プリズム424の第1接合面424j上には、半透過反射膜であるハーフミラー層28が形成されている。
〔第6実施形態〕
以下、第6実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置100の変形例であり、特に説明しない場合、虚像表示装置100と同様であるものとする。
図15(A)〜15(C)に示す虚像表示装置100は、画像形成装置10と、導光装置520とを一組として備える。導光装置520は、その一部として導光部材521を有している。導光部材521は、本体部分20aと、画像取出部である角度変換部523とを備える。なお、図15(A)は、図15(B)に示す導光部材521のA−A断面に対応する。また、この場合、角度変換部523の占める領域PA0に対応して、位置決め用部材であるマーカー部材(不図示)が設けられることになる。
導光部材521の全体的な外観は、図中XY面に平行に延びる平板である本体部分20aによって形成されている。また、導光部材521は、側面として、第1反射面21aと、第2反射面21bと、第3反射面21cとを有する。さらに、導光部材521は、長手方向の一端において本体部分20aを拡張するように形成されたプリズム部PS及びこれに付随する第3反射面21cを有し、長手方向の他端において本体部分20aに埋め込まれた多数の微小ミラーによって構成される角度変換部523を有する構造となっている。導光部材521は、一体的な部品であるが、第1実施形態の場合と同様に、光入射部B1と導光部B2と光射出部B3とに分けて考えることができ(図15(C)参照)、このうち光入射部B1は、第3反射面21cと後述する光入射面ISとを有する部分であり、光入射部B1は、第1及び第2反射面21a,21bを有する部分であり、導光部B2は、角度変換部523と後述する光射出面OSとを有する部分である。
本体部分20aにおいて、光射出面OSの裏側の平面に沿って微細構造である角度変換部523が形成されている。本体部分20aは、入口側の第3反射面21cから奥側の角度変換部523にかけて延在し、プリズム部PSを介して内部に入射させた画像光を角度変換部523に導く。
角度変換部523は、導光部材521の奥側(−X側)において、第2反射面21bの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。角度変換部523は、導光部材521の第1及び第2反射面21a,21bを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面OS側へ折り曲げる。つまり、角度変換部523は、画像光の角度を変換している。
画像形成装置10から射出され光入射面ISから導光部材521に入射した画像光は、第3反射面21cで一様に反射されて折り曲げられ、導光部材521の第1及び第2反射面21a,21bにおいて繰り返し全反射されて光軸AXに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部523において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面OSから外部に射出される。光射出面OSから外部に射出された画像光は、虚像光として装着者の眼EYに入射する。当該虚像光が装着者の網膜において結像することで、装着者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。
以下、導光装置520中の画像光の光路について説明する。なお、第5実施形態における導光装置520は、2つの伝搬モードの画像光を導光させる図2の導光装置20と異なっている。
図15(A)に示すように、画像表示装置11の液晶表示デバイス(画像光形成部)32から射出される画像光のうち、射出面32aの中央部分から射出される点線で示す成分を画像光GL51とし、射出面32aの紙面右側(+X側)から射出される一点鎖線で示す成分を画像光GL52とし、射出面32aの紙面左側(−X側)から射出される二点鎖線で示す成分を画像光GL53とする。
投射光学系12を経た各画像光GL51,GL52,GL53の主要成分は、第1及び第2反射面21a,21bにおいて互いに異なる角度γ,γ,γで全反射を繰り返し、画像光GL51は、第1及び第2反射面21a,21bにおいてN回(Nは自然数)全反射され、画像光GL52は、N−M回(Mは自然数)全反射され、画像光GL53は、N+M回全反射され、平行光束として射出される(図16参照)。
なお、図16に示すように、角度変換部523は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット2cで構成される。つまり、角度変換部523は、Y方向に延びる細長い反射ユニット2cを所定のピッチPTで角度変換部523の延びる主導光方向すなわち−X方向に沿って多数配列させることで構成されている。各反射ユニット2cは、奥側即ち光路下流側に配置される1つの反射面部分である第1の反射面2aと、入口側即ち光路上流側に配置される他の1つの反射面部分である第2の反射面2bとを1組のものとして有し、両反射面2a,2bは、一定の楔角δをなしている。これらのうち、少なくとも第2の反射面2bは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、装着者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。当該反射ユニット2cにおいて、画像光GL52,53は、最初に奥側即ち−X側の第1の反射面2aで反射され、次に、入口側即ち+X側の第2の反射面2bで反射される。当該反射ユニット2cを経た画像光GL52,53は、他の反射ユニット2cを経ることなく、角度変換部523での1回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ装着者側に取り出される。
〔第7実施形態〕
以下、第7実施形態に係る虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置は、第1実施形態に係る虚像表示装置100の変形例であり、特に説明しない場合、虚像表示装置100と同様であるものとする。
以下、図17及び図18により、本実施形態の虚像表示装置200のうち、第1表示装置200Aの構造の一例について説明することで、虚像表示装置200の構造の一例を説明する。第1表示装置200Aは、信号光を形成するとともに当該信号光を走査光TLとして射出するための光射出装置210と、光射出装置210からの走査光TLを受けて画像光GLを形成する被照射部材220と、被照射部材220に貼り付けられるとともにマーカーCRによって光学系の標準位置SPに対応する点XXを表示するマーカー部材MP1と、位置合わせ機構300とを備える。光射出装置210は、装着者の鼻NS周辺に配置され、信号光形成部である信号光変調部211と、走査光学系212とを有し、被照射部材220は、光射出装置210の前方側(+Z側)において装着者の眼EYの前方を覆うように配置されている。ここでは、第1表示装置200Aのうち、実質的に虚像を形成する部分である光射出装置210と被照射部材220とを、虚像形成部IPとする。なお、図面において、虚像形成部IPを構成する光射出装置210と被照射部材220とは、分離しているが、両者は、不図示の部分において繋がっており、被照射部材220に貼り付けられたマーカー部材MP1とともに位置合わせ機構300によって一体的に移動可能となっている。
被照射部材220は、走査光の照射を受ける被照射膜(半透過膜)である半透過反射膜と、半透過反射膜を支持固定する支持部材とを有している。つまり、被照射部材220は、ハーフミラーである。これにより、装着者の眼EYには、虚像のみならず、外界からの光も入ることになり、虚像表示装置200は、双方を重畳して観察可能にするシースルーの構成となっている。
被照射部材220は、図示のように、装着者の眼EYの前方であって光射出装置210よりも装着者に対して遠方側(+Z側)に位置するように配置されている。つまり、装着者の眼EYと被照射部材220との間に光射出装置210が配置されている。
被照射部材220は、装着者の眼EYを前方から覆うのに十分な大きさを有しており、光射出装置210の走査光学系212から+Z方向に傾いて照射された走査光TLを受け、これを反射することで虚像を形成し、装着者に認識させるものとなっている。なお、被照射部材220の形状は、虚像表示装置100の外観すなわちフレームFLの形状に沿った形状を有している。
以下、画像形成の動作について説明する。まず、光射出装置210のうち、信号光変調部211は、画像に対応して照明光を変調した信号光を形成し、射出する。射出された信号光は、スキャン部である走査光学系212に入射する。走査光学系212は、信号光を、走査光として被照射部材220に向けて射出する。被照射部材220において、信号光を走査光として走査させて入射させることで、画像光GLによって虚像が形成され、この虚像を装着者が眼EYで捉えることで、画像が認識される。
本実施形態においても、マーカー部材MP1のマーカーCRによって示される点XXに基づいて位置合わせ機構300を動作させることで、自己の眼EYの位置にとって最適となるように位置調整することができる。この際、被照射部材220及びこれに貼り付けられたマーカー部材MP1は、曲面形状を有しているが、位置合わせ機構300によって虚像形成部IPを移動させる方向は、図示のように、第2光軸AX2に垂直な面である基準面SFに平行な方向であるX方向及びY方向である。移動方向を基準面SFに平行な方向とすることで、位置合わせ機構300の動作が画像形成に際して影響を与えないものとなる。つまり、位置合わせ機構300によって虚像形成部IPを移動させても、画像形成の状態は変化しないようにできる。
なお、上記では、光源として、ダイオードレーザ光源又はLED光源を用いるものとしているが、光源は、例えば有機EL等の上記以外のものであってもよい。
〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記の説明では、虚像表示装置100がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、虚像表示装置100は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。
上記実施形態の虚像表示装置100では、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ表示装置を設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ例えば画像形成装置10と導光装置20とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。この場合、表示装置を設けられた片側の眼について位置合わせ機構300を用いて位置調整をすることになる。
また、右眼及び左眼の双方に表示装置を設ける構成とする場合、3D画像の観察において、双方の眼の位置について輻輳角や両眼視差を考慮して適した状態に位置調整できる。
上記実施形態では、光入射面ISを通る第1光軸AX1と光入射面ISを通る第2光軸AX2とが平行であるとしたが、これらの光軸AX1,AX2を非平行とすることもできる。
上記実施形態では、導光部材21の第4反射面21dに設けたハーフミラー層28の反射率を50%以下にしてシースルーを優先しているが、ハーフミラー層28の反射率を50%以上として画像光を優先することもできる。
また、例えば上記第1実施形態では、図5に示すように、鏡部材MRは、虚像表示装置100とは別個の部材であるが、鏡部材MRが、虚像表示装置100に設けられるものとしてもよい。具体的には、鏡部材MRが、第2光軸AX2の延びる方向についてマーカー部材MP1よりも装着者の眼EYから遠い側において装着者の眼に対向するようにすなわちミラー面が第2光軸AX2に対して垂直となるように配置され、装着者の眼とマーカー部材とを外界光OLとして映し出すことで装着者に認識させるものとしてもよい。この際、例えば鏡部材MRが着脱可能に虚像表示装置100に設けられることで、画像光の観察時において、視界の妨げとならないようにすることができる。
また、上記実施形態では、位置合わせ機構300は、原則として、虚像形成部IP全体を移動させるものとしているが、画像光GLによる虚像の形成が維持できれば、虚像形成部IPの光学系のうちの一部のみを動かすものとしてもよい。例えば図1(A)等において、虚像形成部の光学系のうち少なくとも導光装置20を動かすことができれば、装着者の眼EYに対して、虚像を形成する光学系の位置を調整するものとして機能できる。従って、例えば位置合わせ機構300によって導光装置20が動くのに伴って画像形成装置10側で光学設計について補正を行うものとし、位置合わせ機構300によって導光装置20のみを移動させることも考えられる。
10…画像形成装置、 11…画像表示装置、 12…投射光学系、 20,420,520…導光装置、 20a…本体部分、 21,421,521…導光部材、 21a,21b,21c,21d…第1-第4反射面、 23…光透過部材、 23s…本体部分、 23a…第1面、 23b…第2面、 25…ミラー層、 28…ハーフミラー層(半透過反射膜)、 100,200…虚像表示装置、 100A…表示装置(虚像形成部)、 IP…虚像形成部、 MP1,MP2…マーカー部材(位置決め用部材)、 CR…マーカー(物的マーカー)、 SI…映像マーカー、 XX…点、 300…位置合わせ機構、 423,523,623…角度変換部、 424…プリズム、210…光射出装置、 211…信号光変調部、 212…走査光学系、 AX,AX1,AX2…光軸、 B1…光入射部、 B2…導光部、 B3…光射出部、 B4…透視部、 EY…眼、 GL,GL1,GL2…画像光、 OL…外界光、 IS…光入射面、 OS…光射出面、 SL…照明光

Claims (10)

  1. 光透過性を有し、外界光を透過させるとともに画像光による虚像を形成する反射面を有する虚像形成部と、
    装着者が前記虚像形成部を装着した装着状態において、前記反射面から射出される前記画像光の光軸が通過する標準位置を装着者に認識させるマーカーを表示し、前記虚像形成部の光学系の前記標準位置と、前記マーカーの基準点とが重なり、前記虚像形成部の外界側の面の所定位置取り付けられ位置決め用部材と、
    前記虚像形成部の光学系とともに当該光学系に取り付けた前記位置決め用部材を移動し、装着者の眼に対する前記虚像形成部の位置を調整する位置合わせ機構と、
    を備え
    前記装着者の眼と前記位置決め用部材とを鏡を用いて映し出し装着者に認識させる、虚像表示装置。
  2. 前記位置合わせ機構は、前記装着状態において、少なくとも装着者の眼幅方向について調整可能である、請求項1に記載の虚像表示装置。
  3. 前記位置合わせ機構は、光軸に対して垂直な平面に沿って、前記眼幅方向に垂直な方向について調整可能である、請求項2に記載の虚像表示装置。
  4. 前記虚像形成部は、画像表示装置からの前記画像光を投射する投射光学系と、前記投射光学系からの前記画像光を内部に取り込む光入射部と前記光入射部から取り込まれた前記画像光を導く導光部と前記導光部を経た前記画像光を前記反射面により外部へ取出する光射出部とを有し、前記画像光による虚像を形成する導光装置と、を備え、
    前記位置合わせ機構は、前記投射光学系及び前記導光装置のうち少なくとも前記導光装置を、前記位置決め用部材とともに移動させる、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  5. 前記虚像形成部は、画像に対応して変調された信号光を形成する信号光変調部と、変調された前記信号光を走査させることにより走査光として射出させる走査光学系と、前記走査光学系からの前記走査光の照射を受けて前記画像光による虚像を形成する被照射部材と、を備え、
    前記位置合わせ機構は、前記信号光変調部、前記走査光学系及び前記被照射部材のうち少なくとも前記被照射部材を、前記位置決め用部材とともに移動させ
    前記被照射部材は、前記反射面である、請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  6. 前記位置決め用部材は、前記所定位置に対して着脱可能である、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  7. 前記位置決め用部材は、前記標準位置を装着者に認識させる物的マーカーを表示し、
    前記虚像形成部は、前記画像光による虚像として装着者に認識される表示画像の範囲を前記物的マーカーと比較可能に表示する映像マーカーを形成する、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  8. 前記位置合わせ機構は、調整する方向について、一定のピッチで離散的に配置される溝状又は突起状の位置決め部を有する、請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  9. 前記位置合わせ機構の前記位置決め部において、離散的に決定される前記調整位置に関する情報を記憶する情報記憶部と、前記情報記憶部に記憶された情報を装着者に表示可能とする情報表示部とをさらに有する、請求項に記載の虚像表示装置。
  10. 光透過性を有し、外界光を透過させるとともに画像光による虚像を形成する反射面を有する虚像形成部と、装着者が前記虚像形成部を装着した装着状態において、前記反射面から射出される前記画像光の光軸が通過する標準位置を装着者に認識させるマーカーを表示し、前記虚像形成部の光学系の前記標準位置と、前記マーカーの基準点とが重なり、前記虚像形成部の外界側の面の所定位置に取り付けられる位置決め用部材と、前記虚像形成部の光学系とともに当該光学系に取り付けた前記位置決め用部材を移動させ装着者の眼に対する前記虚像形成部の位置を調整する位置合わせ機構と、を備える虚像表示装置の位置調整方法であって、
    前記位置決め用部材により前記標準位置を表示し、前記装着者の眼と前記位置決め用部材とを鏡を用いて映し出して前記標準位置と前記装着者の眼の位置とのズレを装着者に認識させる標準位置表示工程と、
    前記鏡に映し出された装着者の眼の中心と前記マーカーの基準点の虚像が、前記装着者の眼の中心及び前記マーカーの基準点と前記標準位置の延長上に一直線に並ぶ状態となるように、前記位置合わせ機構を用いて、前記虚像形成部の光学系とともに当該光学系に取り付けた前記位置決め用部材を移動させる位置調整工程と、
    を有する、虚像表示装置の位置調整方法。
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