JP6337465B2 - 虚像表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、画像表示素子等によって形成された映像を観察者に提示するヘッドマウントディスプレイに好適な虚像表示装置に関する。
観察者の頭部に装着するヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも言う)等の虚像表示装置に組み込まれる光学系として様々なものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
HMD等の虚像表示装置のうち、特に、右眼用の画像と左眼用の画像とをそれぞれ形成させて画像させる場合(特許文献1参照)、映像信号等の各種信号を送信(出力)するケーブルが、左右それぞれに引き出される態様すなわち2本のケーブルが左右一対で形成される態様が考えられる。
しかしながら、虚像表示装置の装着の容易性や取扱いの利便性の観点からは、2本のケーブルが左右にある状態ではなく、ケーブルが一本化されている、すなわちケーブルの出所が1箇所に集約されていることが望ましい。一方、ケーブルを一本化する場合であっても、装置の小型化及び軽量化を図りたいという要請がある。
なお、HMD等の虚像表示装置については、小型化及び軽量化を進展させつつ、画質を低下させないで広画角化を達成することが望まれている。また、例えば外界と映像を重ねて見せるシースルーとすることによって、仮想現実の様な新しい用途が生み出される。つまり、外界の視界を妨げず、映像光を重ねて表示することが可能なディスプレイが望まれている。このような状況下では、ケーブルの配置が装置の大型化につながらないようになっていることや、利用者(観察者)にとって煩わしくならないものとなっていることが非常に重要となる。
特開2013−200553号公報
本発明は、左右一対の両眼視できる虚像表示装置において、左右一対の映像素子へ信号送信するケーブルを一本化することを可能としつつ、装置全体をコンパクトにできる虚像表示装置を提供することを目的とする。
本発明に係る虚像表示装置は、映像光を生じさせる左右一対の映像素子と、左右一対の映像素子からの映像光をそれぞれ導光する左右一対の導光部材と、左右一対の導光部材を支持するフレームと、左右一対の映像素子に信号を出力するケーブルと、ケーブルを覆うカバーと、を備え、カバーは、フレームに沿って延びるとともにフレームに係合して、左右一対の導光部材の並ぶ方向に沿ってケーブルを収納しつつ配線するケーブルカバー部を有する。
上記虚像表示装置では、左右に配置された一対の映像素子に例えば映像信号等の各種信号を出力するケーブルを、左右一対の導光部材を支持するフレームに沿って配線することで、左右のうちいずれか一方にケーブルの出所を集約できる、すなわちケーブルを一本化することを可能とすることができる。この際に、カバーのうちフレームに沿って延びるケーブルカバー部にケーブルを収納することで、ケーブル配線に伴う大型化を抑制して装置全体をコンパクトにできる。
本発明の具体的な側面では、フレームと、カバーのケーブルカバー部とは、ケーブルを配線する方向に沿って延びる構造を有する。この場合、例えばフレームとケーブルカバー部とが嵌合構造を有することで、フレームとケーブルカバー部とを協働させて、ケーブルの周辺における防塵や防水を確実に行うことができる。
本発明の別の側面では、カバーにおいて、ケーブルカバー部は、ケーブルの収納部としてフレームに沿って延びるU字形状の収納溝部を有する。この場合、収納溝部がU字形状を有することで、ケーブルを確実に収納させることができる。
本発明のさらに別の側面では、フレームは、金属製、プラスチック製またはカーボン製であり、カバーは、樹脂製である。ここで、金属製のフレームについては、例えばアルミのほか、チタンやマグネシウム等が利用可能である。また、カーボン製のフレームについては、例えばカーボン織布を積層し、接着剤で固化したコンポジットカーボンが利用可能である。つまり、コンポジットカーボンを切削加工することで、フレームを作製できる。また、プラスチック(高剛性グレード)でフレームを作製することも可能である。この場合、フレームには十分な強度を持たせることができ、カバーには、ある程度の可撓性をもたせることで、ケーブル等の部品の組付けに際して、例えばケーブルを押し込むことで収納し固定させるといったことが可能になる。
本発明のさらに別の側面では、フレームは、相対的に観察者の眼の位置として想定される位置から遠い側に配置され、ケーブルカバー部は、相対的に観察者の眼の位置として想定される位置に近い側に配置される。この場合、カバーのケーブルカバー部とフレームとを係合又は嵌合させる箇所を、フレームやケーブルカバー部の長手方向に沿った方向に延びるように形成させることができ、ケーブルの組み付けを行いやすくすることができる。また、フレームとケーブルカバー部とのうち、フレームを外観的に見やすい側、すなわち露出が大きい側にすることができる。
本発明のさらに別の側面では、フレームは、相対的に白色系であり、カバーは、相対的に黒色系である。この場合、フレーム側を外観的に比較的見やすい側に位置させるものであって、例えばケーブルカバー部を多少大きくする必要が生じた場合であっても、色の対比効果によって視覚的に装置が大きくなった印象を与えることを抑制させることができる。
本発明のさらに別の側面では、カバーは、ケーブルカバー部と、ケーブルカバー部の両端から延びて左右一対の光学系のうち少なくとも左右一対の映像素子を収納する左右一対の光学系カバー部とを一体的に有する。この場合、カバーにおいて、ケーブルカバー部と左右一対の光学系カバー部とが1つに纏まっているため、例えばケーブルカバー部と光学系カバー部とを組み付けるための部材を減らすことができ、また、つなぎ目のない一体型とすることで、デザイン性を高めることができる。
本発明のさらに別の側面では、導光部材に貼り合せることで外界光と映像光とを重複して視認させる光透過部材をさらに備える。この場合、導光部材と光透過部材とによって、外界光と映像光とを重畳させたシースルーの状態とすることが可能になる。
本発明のさらに別の側面では、導光部材は、複数の光学面として4面以上の面を含み、複数の光学面のうち第1面と第3面とは、対向するように配置され、映像素子からの映像光は、第3面で全反射され、第1面で全反射され、第2面で反射された後、第1面を透過して、観察側に到達し、導光部材において、第1面と第3面とは、互いに略平行な平面である。この場合、第1面と第3面とを透過して観察される外界光について視度誤差を略ゼロとすることができ、特に、外界像についての見かけの倍率誤差を略ゼロにし、裸眼状態に近い状態することができる。
本発明の一実施形態である虚像表示装置の外観を簡単に説明する斜視図である。 虚像表示装置から外装部材を取り除いた内部構造を示す斜視図である。 (A)は、虚像表示装置の外観を示す平面図であり、(B)は、正面図であり、(C)は、側面図である。 虚像表示装置のうち、中央部分における側断面図である。 (A)は、カバーインサイドの正面図であり、(B)は、平面図であり、(C)は、底面図であり、(D)は、左側面図であり、(E)は、右側面図である。 (A)は、カバーインサイドにケーブルを配線させた状態を示す斜視図であり、(B)は、(A)の状態に導光装置及び投射レンズが固定されたフレームを組み付けた様子を示す図である。 虚像表示装置のうち導光装置及び投射レンズのフレームへの固定の様子を示す分解斜視図である。 (A)は、カバーインサイドにケーブルを配線させない状態で他の光学系を組み付けた状態を示す正面図であり、(B)は、側面図であり、(C)は、カバーインサイドにケーブルを配線させた状態で他の光学系を組み付けた状態を示す正面図であり、(D)は、側面図である。 虚像表示装置における映像光の光路について示す図である。
以下、図1等を参照しつつ、本発明に係る導光装置及び導光装置を含む虚像表示装置の一実施形態について詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態の導光装置を含む虚像表示装置100は、眼鏡のような外観を有し左右一対の両眼視ができ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を装着した観察者又は使用者に対して虚像による画像光(映像光)を視認させることができるとともに、観察者に外界像をシースルーで視認又は観察させることができる。
虚像表示装置100は、観察者の眼前を透視可能に覆う第1及び第2光学部材101a,101bと、両光学部材101a,101bを支持する枠部102と、枠部102の左右両端から後方のつる部分(テンプル)104にかけての部分に付加された第1及び第2像形成本体部105a,105bとを備える。ここで、図面上で左側の第1光学部材101aと第1像形成本体部105aとを組み合わせた第1表示装置100Aは、右眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。なお、虚像表示装置100は、撮像動作可能な小型のカメラCAを側方部分に有し、さらに、カメラCAが動作中であることを示すための表示ランプLMをカメラCAの近くに有している。また、図面上で右側の第2光学部材101bと第2像形成本体部105bとを組み合わせた第2表示装置100Bは、左眼用の虚像を形成する部分であり、単独でも虚像表示装置として機能する。
図2は、虚像表示装置100の内部構造を示しており、図2を図1と比較することで、虚像表示装置100の外観と内部とが対比される。例えば、第1及び第2像形成本体部105a,105bは、鏡筒部39に収納される投射レンズ30や、映像表示素子(映像素子)82を含む左右一対の画像表示装置80でそれぞれ構成される。
図1から図4までの各図において外観や内部を示すように、虚像表示装置100に設けた枠部102は、上端側に配置されるフレーム107と、フレーム107に沿ってその裏側に配置されるケーブルカバー部108aを含むカバーであるカバーインサイド108とを備える。カバーインサイド108を構成するケーブルカバー部108aは、中央において眼の並ぶ横方向に沿って延びるように配置されている。さらに、ケーブルカバー部108aは、例えば可撓性を有する樹脂性材料の部材であり、詳しくは後述するが、内部にケーブルを収納しつつこれを覆って、左眼側から右眼側への(あるいはその逆向きへの)ケーブル配線を可能とし、ケーブルの信号発信元を1箇所に集約している。本実施形態では、左眼側にケーブルの端部(すなわち送信源等の他部材への繋ぎ先)を1箇所に集約するものを例示する。
虚像表示装置100は、下側に、枠状の部分のない構成となっている。枠部102を構成するフレーム107は、U字状に折れ曲がった細長い板状の部材であり、観察者にとっての眼の並びに対応する方向である左右の横方向に延びる正面部107aと、観察者にとっての前後に対応する方向である奥行き方向に延びる一対の側面部107b,107cとを備える。フレーム107、すなわち正面部107aと側面部107b,107cとは、例えばアルミダイカストその他の各種金属材料で形成された金属製の一体部品またはコンポジットカーボンの一体部品である。フレーム107の材料については、例えば金属製のフレーム107の場合、アルミのほか、チタンやマグネシウム等が利用可能である。また、例えばカーボン織布を積層し、接着剤で固化したコンポジットカーボンを切削加工することでカーボン製のフレーム107を作製することも可能である。また、プラスチック(高剛性グレード)でフレーム107を作製することも可能である。樹脂部であるカバーインサイド108を構成するケーブルカバー部108aは、フレーム107に沿ってフレーム107よりも内側すなわち観察者に近い側に配置され、フレーム107と係合可能となっている。特に、ここでは、ケーブルカバー部108aは、フレーム107に嵌合する、すなわちフレーム107とカバーインサイド108とが嵌合構造を有することでこれと協働して例えば画像形成のための各種ケーブルを収納可能にしている。フレーム107において、正面部107a及びケーブルカバー部108aの奥行き方向の幅は、第1及び第2光学部材101a,101bに対応する導光装置20の厚み又は幅と同程度となっている。フレーム107の左側方、具体的には正面部107aにおける向かって左端部から側面部107bにかけての部分には、第1光学部材101aと第1像形成本体部105aとがアライメントされ例えばネジ止めによって直接固定されることにより、支持されている。また、フレーム107の右側方、具体的には正面部107aにおける向かって右端部から側面部107cにかけての部分には、第2光学部材101bと第2像形成本体部105bとがアライメントされ例えばネジ止めにより直接固定されることによって、支持されている。なお、第1光学部材101aと第1像形成本体部105aとは、嵌合によって互いにアライメントされ、第2光学部材101bと第2像形成本体部105bとは、嵌合によって互いにアライメントされる。
枠部102を構成するフレーム107及びカバーインサイド108は、第1及び第2像形成本体部105a,105bを支持するだけでなく、これらを覆うカバー状の外装部材105dと協働して第1及び第2像形成本体部105a,105bの内部を保護する役割を有する。なお、フレーム107は、第1及び第2像形成本体部105a,105bに連結される第1及び第2光学部材101a,101b又は左右一対の導光装置20の根元側を除いた上側部分と離間するか又は緩く接している。このため、中央の導光装置20と、フレーム107を含む枠部102との間に熱膨張率の差があっても、枠部102内での導光装置20の膨張が許容され、導光装置20に歪み、変形、破損が生じることを防止できる。
カバーインサイド108は、中央部108kに配置される既述のケーブルカバー部108aと、ケーブルカバー部108aの両端から延びる左右の周辺部108r,108pにそれぞれ配置される一対の光学系カバー部108dとを有するカバーである。なお、カバーインサイド108は、例えば射出成形によって一体的に成形された樹脂製の部材である。カバーインサイド108において、ケーブルカバー部108aと左右一対の光学系カバー部108dとが1つに纏まっているため、例えばケーブルカバー部108aと光学系カバー部108dとを組み付けるための部材を減らすことができ、また、つなぎ目のない一体型とすることで、デザイン性を高めることができる。
光学系カバー部108dは、左右一対の光学系である第1及び第2像形成本体部105a,105bを収納する。具体的には、光学系カバー部108dは、第1像形成本体部105aを構成する画像表示装置80と投射レンズ30を内側から支持して、カバー状の外装部材105dと協働して第1及び第2像形成本体部105a,105bの内部を保護する役割を有する。
また、枠部102に付随して、鼻受部40が設けられている。鼻受部40は、観察者の鼻に当接することによって枠部102を支持する役割を有する。つまり、枠部102は、鼻に支持される鼻受部40と耳に支持される一対のテンプル部104とによって、観察者の顔前に配置されることになる。鼻受部40は、枠部102を構成する一方のフレーム107の正面部107aにおいて、ねじ止めによって固定されている(詳しくは後述する。)。なお、以上のように図1を参照して示す外観は、一例であり、例えばねじ止めによって固定される機構等の光学的機構として直接関与しない箇所等については、適宜設計を変更することが可能である。
図2等に示すように、第1表示装置100Aは、投影用の光学系である投射透視装置70と、映像光を形成する画像表示装置80とを備えると見ることができる。投射透視装置70は、画像表示装置80によって形成された画像を虚像として観察者の眼に投射する役割を有する。投射透視装置70は、第1光学部材101a又は導光装置20と、結像用の投射レンズ30とを備える。第1光学部材101a又は導光装置20は、導光及び透視用の導光部材10と、透視用の光透過部材50とで構成されている。なお、第1像形成本体部105aは、画像表示装置80と投射レンズ30とで構成される。また、レンズ群で構成される投射レンズ30は、鏡筒部39によって収納されるとともに、鏡筒部39の端部39tにおいて、嵌合により導光装置20と精度よく位置決めされた状態で固定されている。
画像表示装置80は、透過型の空間光変調装置である映像表示素子(映像素子)82のほか、後に詳述するが、映像表示素子82へ照明光を射出するバックライトである照明装置(不図示)や、映像表示素子82等の動作を制御する駆動制御部(不図示)を有する。
導光装置20は、既述のように、導光及び透視用の導光部材10と、透視用の光透過部材50とで構成されている。導光部材10は、プリズム型の導光装置20の一部であり、一体の部材であるが、光射出側の第1導光部分11と光入射側の第2導光部分12とに分けて捉えることができる。光透過部材50は、導光部材10の透視機能を補助する部材(補助光学ブロック)であり、導光部材10と一体的に固定され1つの導光装置20となっている。上記のような構成を有する導光装置20のうち、光源側(根元側)に位置する先端部12jが鏡筒部39の端部39tに嵌合することで、投射レンズ30に精度よく位置決め固定されている。
なお、例えば図1や図2或いは図3(A)〜3(C)に示すように、導光装置20を構成する光学面のうち、表側(外側)の露出面である第1露出面20aや裏側(内側)の露出面である第2露出面20bは、外部にさらされ、かつ、シースルーの機能に影響する部分である。第1露出面20aは、導光部材10の光学面のうち第3面S13と、光透過部材50の光学面である第3透過面S53とで構成され、第2露出面20bは、導光部材10の光学面のうち第3面S11及び第4面S14と、光透過部材50の光学面のうち第1透過面S51とで構成されている。
図3(A)等に示すように、枠部102を構成するフレーム107とカバーインサイド108との配置については、相対的に前方側にフレーム107があり、相対的に後方側にカバーインサイド108のケーブルカバー部108aが配置されている。言い換えると、相対的に観察者の眼の位置として想定される位置から遠い側に金属製のフレーム107が配置され、相対的に観察者の眼の位置として想定される位置に近い側に樹脂製のケーブルカバー部108aが配置されている。さらに配色について、フレーム107を例えば白色系の塗装で形成する一方、ケーブルカバー部108aを黒色系の塗装をする或いは黒色系の材料で形成することができる。こうすることで、例えば収納するケーブルの大きさの都合等により、ケーブルカバー部108aを多少大きくする必要が生じた場合において、視覚的に装置が大きくなった印象を与えることを抑制させることができる。
以下、図4等を参照して、ケーブルCBを組み込んだ枠部102の構造等について説明する。図4は、ケーブルCBが組み込まれた状態の虚像表示装置100を、中央部分について切断した側断面図である。図示のように、枠部102において、カバーインサイド108を構成するケーブルカバー部108aは、フレーム107に沿って延びるとともにフレーム107に係合して、左右一対の導光装置20の並ぶ方向に沿ってケーブルCBを収納しつつ配線させている。このため、ケーブルカバー部108aは、ケーブルCBのうち、特に左側から右側へ(あるいはその逆方向へ)渡される部分である連結用ケーブル部CBa(図4または図6(A)参照)を収納可能とするための収納溝部108cを有している。収納溝部108cは、断面視においてU字形状となっている。このケーブルCBは、画像形成に必要な信号の出力用のケーブル等を含む配線ケーブルであり、例えば、観察者が指示を出すコントローラ(不図示)からの画像信号のほか、カメラCAや表示ランプLM(図1等参照)に対しても適宜信号の送受信をする配線ケーブルとして機能する。ケーブルCBは、複数の芯線等を有し可撓性のある部材(変形可能な部材)で最外部を形成しており、例えば樹脂製のケーブルカバー部108aに押し込まれることで連結用ケーブル部CBaが若干変形しつつ、収納溝部108c内に固定されフレーム107に沿った状態で収納される。
以下、図4に示すケーブルカバー部108a以外の枠部102の周辺の構造として、枠部102に付随して設けられている鼻受部40について説明する。鼻受部40は、枠部102のフレーム107の正面部107aの中央部107gにねじ止めによって固定されて、下方に延びている。鼻受部40は、中央上部の被固定部43と、上下に延びる一対の長さ調整部材と、調整部材の先端に形成されたパッド部とを有する。被固定部43は、鼻受部40をフレーム107に安定して固定するための部分となっている。被固定部43において部分的に露出する芯金40aは、フレーム107の中央部107gと、カバーインサイド108の中央部に設けた接続部(接続領域)108gの頂部CHとの間に挟まれ、正面部107aのねじ孔107rにねじ込まれたねじ107sによって共締めされて固定されている。枠部102において、収納溝部108c等のケーブルCBの配線のための構造は、以上のような鼻受部40等の周辺構造に対して影響しない位置に形成されていることになる。
以下、図5(A)等を参照して、ケーブルCBが組み付けられるカバーインサイド108の構造の詳細について説明する。なお、カバーインサイド108は、既述のように射出成形によって一体的に成形された樹脂製の部材であるが、既述のように、機能等の面から3つの部分に分けて捉えることができる。すなわち、図5(A)〜5(E)の各図に示す通り、カバーインサイド108は、ケーブルCBを左眼側から右眼側に渡すためのケーブルカバー部108aを含む中央部108kと、左右の光学系を収納するための光学系カバー部108dを含む左右一対の周辺部108r,108pとで構成される。このうち、中央部108kは、両端に配置される周辺部108r,108pの間に設けられてこれらを繋ぐブリッジ部の役目も果たす。また、中央部108kには、ケーブルカバー部108aのほか、鼻受部40の組み付けを可能にするための接続部108gが真ん中において突出する平板状に設けられている。また、左右一対の周辺部108r,108pには、既述の一対の光学系カバー部108dのほか、光学系カバー部108dを支持するとともに観察者に近接する内側の表面部分を形成する側壁部108m,108nが設けられている。なお、側壁部108m,108nは、フレーム107の側面部107b,107c(図1参照)に嵌合する。また、一対の光学系カバー部108dは、例えば上面部108eと、側面部108tと、底面部108fとをそれぞれ有して、投射レンズ30を収納する鏡筒部39を支持固定する鏡筒部カバー部として機能する。
また、カバーインサイド108は、ケーブルCBの配線(図6(A)等参照)をより確実なものとするために、種々の構造を有している。例えば図5(A)等に示すように、ケーブルカバー部108aは、ケーブルCBを収納するためのU字形状の収納溝部108cを有するとともに、収納溝部108cの先端部には、フレーム107(図3(A)等参照)に向かって延びることで、カバーインサイド108をフレーム107のうち観察者の顔側に突き出した凸状のリブ107x(図4参照)に嵌合させるための嵌合部108yが形成されている。すなわち、フレーム107とカバーインサイド108とが嵌合構造を有するものとなっている。このような嵌合構造を有することで、枠部102の内部についての防塵や防水を図ることが可能となる。また、一対の周辺部108r,108pには、ケーブルCBを配線させるためのガイド溝108xが形成されている。ケーブルCBは、ケーブルカバー部108aやガイド溝108xに沿って配線されることで、装置を大きくしたり、画像形成やシースルーに影響を与えることなく収納されるものとなっている。
以上のような構造を有することで、例えば図6(A)に示すように、カバーインサイド108は、ケーブルCBを確実に収納するとともに固定させることができる。これに対して、例えば、図7を参照して後述するように、光学系の組付けに関しては、フレーム107に対する導光装置20や投射レンズ30等の組付けがケーブルCBとは個別に可能となっている。このため、図6(B)に示すようなケーブルCBと光学系とを含む内部構造の組付けについては、まず、図6(A)に示すように、カバーインサイド108にケーブルCBを組み付け、これとは別途フレーム107に対して導光装置20等の光学系を組み付けした後に、ケーブルCBが組み付けられたカバーインサイド108と、導光装置20等の光学系が組み付けられたフレーム107とを嵌合させ、最後に画像表示装置80等に対してケーブルCBの各端部を繋げればよい。なお、図6に示すように、本実施形態ではケーブルCBの先を左眼側のケーブル固定部CRの1箇所となるように集約させている。
以下、図7を参照して、導光装置20や投射レンズ30等で構成される第1表示装置100Aのフレーム107への組付けについて説明する。第1像形成本体部105aを構成する投射レンズ30は、これを収納する鏡筒部39に埋め込むように形成された取付部39gを利用してフレーム107の側方端部65a(又は側面部107bの金属部分)に設けた第1固定部61fに直接固定されている。このような固定の際、第1固定部61fの裏面68fと取付部39gの上端面39f等とが当接してアライメントが達成され、孔61sにネジ39sをねじ込むことで着脱可能で確実な固定が可能になる。この際、フレーム107のボス孔(不図示)に鏡筒部39に設けたボス39xが嵌合して鏡筒部39の回転が規制され回転に関する位置決めも行われる。一方、第1光学部材101aである導光装置20は、そのネック部又は段差部に形成された取付部10gを利用して、フレーム107の側方端部65a(又は側面部107bの金属部分)に設けた第2固定部61eに直接固定されている。取付部10gは、導光装置20の入射側又は光入射側の部分、具体的には第1導光部分11と第2導光部分12との境界周辺において第1導光部分11の角部を利用して設けられている。このような固定の際、第2固定部61eの前側部分に設けた突当て面68eと取付部10gの裏面10kとが当接してアライメントが達成され、ネジ孔10uを介してネジ孔61uにネジ61vをねじ込むことで着脱可能で確実な固定が可能になる。
以下、図8を参照して、上述したケーブルCBの組付けの外観的特徴について説明する。まず、図8(A)及び8(B)は、仮にケーブルCBを組み込まなかったものとした場合における内部構造の組付けの図であり、図8(C)及び8(D)は、ケーブルCBを組み込んだ場合における内部構造の組付けの図である。図示のように、ケーブルCBは、ケーブルカバー部108aやガイド溝108xに沿って配線されている。これにより、図8(A)等と比較しても明らかなように、ケーブルCBの有無によって装置を大きくしたり、外観上に影響を与えたりすることがほとんどないものとなっている。また、ケーブルCBは。画像形成やシースルーに影響を与えたりすることなく収納されるものとなっている。
以下、図9を参照して、虚像表示装置100の光学的な構成について詳細に説明する。このための前提として、まず、第1像形成本体部105a(図1参照)を構成する画像表示装置80と投射レンズ30とについて詳細に説明する。
画像表示装置80は、上述した映像表示素子82のほかに、図示のように、映像表示素子82に対して照明光を射出する照明装置81と、照明装置81及び映像表示素子82の動作を制御する駆動制御部84とを有する。
画像表示装置80の照明装置81は、赤、緑、及び青の3色を含む光を発生する光源や、この光源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を有する。映像表示素子(映像素子)82は、例えば液晶表示デバイスで形成され、複数の画素で構成されており、照明装置81からの照明光を空間的に変調して動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。なお、図示を省略するが、駆動制御部84は、照明装置81に電力を供給して安定した輝度の照明光を射出させる光源駆動回路や、映像表示素子(映像素子)82に対して画像信号又は駆動信号を出力することにより、透過率パターンとして動画や静止画の元になるカラーの映像光又は画像光を形成する液晶駆動回路で構成される。なお、液晶駆動回路に画像処理機能を持たせることができるが、外付けの制御回路に画像処理機能を持たせることもできる。
投射レンズ30は、構成要素として、入射側光軸に沿って3つの光学素子(レンズ)31〜33を備える投射光学系であり、これらの光学素子31〜33を収納する鏡筒部39によって支持されている。光学素子31〜33は、非軸対称な非球面(非軸対称非球面)と軸対称な非球面(軸対称非球面)との双方を含む非球面レンズであり、導光部材10の一部と協働して導光部材10の内部に映像表示素子82の表示像に対応する中間像を形成する。なお、各レンズ(光学素子)31〜33のうち、第1レンズ31の光の射出面であるレンズ面31aは、非軸対称非球面となっており、レンズ面31a以外のレンズ面については、軸対称非球面となっている。
以下、導光装置20等について詳細に説明する。上述のように、導光装置20は、導光部材10と光透過部材50とで構成されている。このうち、導光部材10は、平面視において、鼻に近い中央側(眼前側)の部分が直線状に延びている。導光部材10のうち、鼻に近い中央側つまり光射出側に配置されている第1導光部分11は、光学的な機能を有する側面として、第1面S11と、第2面S12と、第3面S13とを有し、鼻から離れた周辺側つまり光入射側に配置されている第2導光部分12は、光学的な機能を有する側面として、第4面S14と、第5面S15とを有する。このうち、第1面S11と第4面S14とが連続的に隣接し、第3面S13と第5面S15とが連続的に隣接する。また、第1面S11と第3面S13との間に第2面S12が配置され、第4面S14と第5面S15とは大きな角度を成して隣接している。さらに、ここでは、対向した配置となっている第1面S11と第3面S13とが互いに略平行な平面形状となっている。一方、光学的な機能を有する他の面、すなわち第2面S12、第4面S14及び第5面S15は、非軸対称な曲面(自由曲面)となっている。なお、既述のように、第3面S13は、第1露出面20aを構成し、第3面S11及び第4面S14は、第2露出面20bを構成している。
なお、導光装置20において、導光部材10は、光透過部材50と接着層CCを介して接合されており、導光部材10及び光透過部材50の接合面と、接着層CCとで構成される部分を、接合部CNとする。なお、導光装置20は、導光部材10及び光透過部材50となるべき基材が接合部CNで接合された上で、接合された基材をディップ処理によってコーティングされることで形成されている。つまり、導光部材10のハードコート層27は、光透過部材50とともに導光装置20全体に設けられている。
なお、導光部材10を構成する複数の面のうち、第1面S11から第3面S13までの面以外の面S14,S15については、少なくとも1つの自由曲面について、方向によって曲率の符号が異なっている点を少なくとも1つ含むものとなっている。これにより、映像光の導光を精密に制御しつつ、導光部材10の小型化を可能にしている。
導光部材10のうち本体10sは、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されており、例えば金型内に熱可塑性樹脂を注入・固化させることにより成形する。なお、本体10sの材料としては、例えばシクロオレフィンポリマー等を用いることができる。本体10sは、一体形成品とされているが、導光部材10は、既に説明したように機能的に第1導光部分11と第2導光部分12とに分けて考えることができる。第1導光部分11は、映像光GLの導波及び射出を可能にするとともに、外界光HLの透視を可能にする。第2導光部分12は、映像光GLの入射及び導波を可能にする。
第1導光部分11において、第1面S11は、映像光GLを第1導光部分11外に射出させる屈折面として機能するとともに、映像光GLを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第1面S11は、眼EYの正面に配されるものであり、既述のように、平面形状を成している。なお、第1面S11は、本体10sの表面に施されたハードコート層27によって形成される面である。
第2面S12は、本体10sの表面であり、当該表面にハーフミラー層15が付随している。このハーフミラー層15は、光透過性を有する反射膜(すなわち半透過反射膜)である。ハーフミラー層(半透過反射膜)15は、第2面S12の全体ではなく、第2面S12を主にY軸に沿った鉛直方向に関して狭めた部分領域(図示省略)上に形成されている。ハーフミラー層15は、本体10sの下地面のうち部分領域PA上に、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15の映像光GLに対する反射率は、シースルーによる外界光HLの観察を容易にする観点で、想定される映像光GLの入射角範囲において10%以上50%以下とする。具体的な実施例のハーフミラー層15の映像光GLに対する反射率は、例えば20%に設定され、映像光GLに対する透過率は、例えば80%に設定される。
第3面S13は、映像光GLを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第3面S13は、眼EYの略正面に配されるものであり、第1面S11と同様に、平面形状を成しており、かつ、第1面S11と第3面S13とが互いに平行な面であることにより、第1面S11と第3面S13とを通過させて外界光HLを見たときに、視度が0になっており、特に、変倍も生じさせないものとなっている。なお、第3面S13は、本体10sの表面に施されたハードコート層27によって形成される面である。
第2導光部分12において、第4面S14は、映像光GLを内面側で全反射させる全反射面として機能する。第4面S14は、映像光GLを第2導光部分12内に入射させる屈折面としても機能する。すなわち、第4面S14は、外部から導光部材10に映像光GLを入射させる光入射面と、導光部材10の内部において映像光GLを伝搬させる反射面としての機能を兼用している。なお、第4面S14は、本体10sの表面に施されたハードコート層27によって形成される面である。
第2導光部分12において、第5面S15は、本体10sの表面上に無機材料で形成される光反射膜RMを成膜することで形成され、反射面として機能する。
光透過部材50は、既述のように導光部材10と一体的に固定され1つの導光装置20となっており、導光部材10の透視機能を補助する部材(補助光学ブロック)である。光透過部材50は、光学的な機能を有する側面として、第1透過面S51と、第2透過面S52と、第3透過面S53とを有する。ここで、第1透過面S51と第3透過面S53との間に第2透過面S52が配置されている。第1透過面S51は、導光部材10の第1面S11を延長した面上にあり、第2透過面S52は、当該第2面S12に対して接着層CCによって接合され一体化されている曲面であり、第3透過面S53は、導光部材10の第3面S13を延長した面上にある。このうち第2透過面S52と導光部材10の第2面S12とは、薄い接着層CCを介しての接合によって一体化されるため、略同じ曲率の形状を有する。
光透過部材(補助光学ブロック)50は、可視域で高い光透過性を示し、光透過部材50の本体部分は、導光部材10の本体10sと略同一の屈折率を有する熱可塑性樹脂材料で形成されている。なお、光透過部材50は、本体部分を導光部材10の本体10sに接合した後、接合された状態で本体10sとともにハードコートによる成膜がなされて形成されるものである。つまり、光透過部材50は、導光部材10と同様、本体部分の表面にハードコート層27が施されたものとなっている。第1透過面S51と第3透過面S53とは、本体部分の表面に施されたハードコート層27によって形成される面である。
なお、防塵構造DSを構成する部分のうち、第4面S14に接触するシール部材SPが可変性のある弾性部材であることにより、鏡筒39によって覆われる領域から覆われない領域にわたって配置される面である部分被覆光学面CSとしての第4面S14が非軸対称な曲面すなわち自由曲面である場合にあっても、確実なシールを維持できる。
以下、虚像表示装置100における映像光GL等の光路について具体的に説明する。映像表示素子(映像素子)82から射出された映像光GLは、投射レンズ30を構成する各レンズ31〜33を通過することによって、収束されつつ、所期の非点収差が与えられ導光部材10に設けた正の屈折力を有する第4面S14に入射する。なお、この非点収差は、導光部材10の各面を経る間に相殺されるものとなっており、最終的に初期の状態で観察者の眼に向けて映像光が射出される。
導光部材10の第4面S14に入射してこれを通過した映像光GLは、収束しつつ進み、第2導光部分12を経由する際に、比較的弱い正の屈折力を有する第5面S15で反射され、第4面S14に内側から再度入射して反射される。
第2導光部分12の第4面S14で反射された映像光GLは、第1導光部分11において、実質的に屈折力を有しない第3面S13に入射して全反射され、実質的に屈折力を有しない第1面S11に入射して全反射される。
ここで、映像光GLは、第3面S13を通過する前後において、導光部材10中に中間像を形成する。この中間像の像面IIは、映像表示素子82の像面OIに対応するものである。なお、図示の中間像の像面IIは、第3面S13から第4面S14までにかけての映像光の光路のうち、第4面S14よりも第3面S13に近い側に形成されている。すなわち、中間像の像面IIが第4面S14から離間している。これにより、シール部材SPによる多少の映像光の成分の吸収があったとしても、それによって視認される画像が暗くなったと感じさせない程度にすることができる。
第1面S11で全反射された映像光GLは、第2面S12に入射するが、特にハーフミラー層15に入射した映像光GLは、このハーフミラー層15を部分的に透過しつつも部分的に反射されて第1面S11に再度入射して通過する。なお、ハーフミラー層15は、ここで反射される映像光GLに対して比較的強い正の屈折力を有するものとして作用する。また、第1面S11は、これを通過する映像光GLに対して屈折力を有しないものとして作用する。
第1面S11を通過した映像光GLは、観察者の眼EYの瞳又はその等価位置に略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての映像光GLにより、映像表示素子(映像素子)82上に形成された画像を観察することになる。
一方、外界光HLのうち、導光部材10の第2面S12よりも+X側に入射するものは、第1導光部分11の第3面S13と第1面S11とを通過するが、この際、第3面S13と第1面S11とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じない。つまり、観察者は、導光部材10越しに歪みのない外界像を観察することになる。同様に、外界光HLのうち、導光部材10の第2面S12よりも−X側に入射するもの、つまり、光透過部材50に入射したものは、これに設けた第3透過面S53と第1透過面S51とを通過する際に、第3透過面S53と第1透過面S51とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等を生じない。つまり、観察者は、光透過部材50越しに歪みのない外界像を観察することになる。さらに、外界光HLのうち、導光部材10の第2面S12に対応する光透過部材50に入射するものは、第3透過面S53と第1面S11とを通過する際に、第3透過面S53と第1面S11とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じない。つまり、観察者は、光透過部材50越しに歪みの少ない外界像を観察することになる。なお、導光部材10の第2面S12と光透過部材50の第2透過面S52とは、略同一の曲面形状をともに有し、略同一の屈折率をともに有し、両者の隙間が略同一の屈折率の接着層CCで充填されている。つまり、導光部材10の第2面S12や光透過部材50の第2透過面S52は、外界光HLに対して屈折面として作用しない。
ただし、ハーフミラー層15に入射した外界光HLは、このハーフミラー層15を部分的に透過しつつも部分的に反射されるので、ハーフミラー層15に対応する方向からの外界光HLは、ハーフミラー層15の透過率に弱められる。その一方で、ハーフミラー層15に対応する方向からは、映像光GLが入射するので、観察者は、ハーフミラー層15の方向に映像表示素子(映像素子)82上に形成された画像とともに外界像を観察することになる。
導光部材10内で伝搬されて第2面S12に入射した映像光GLのうち、ハーフミラー層15で反射されなかったものは、光透過部材50内に入射するが、光透過部材50に設けた不図示の反射防止部によって導光部材10に戻ることが防止される。つまり、第2面S12を通過した映像光GLが光路上に戻されて迷光となることが防止される。また、光透過部材50側から入射してハーフミラー層15で反射された外界光HLは、光透過部材50に戻されるが、光透過部材50に設けた上述の不図示の反射防止部によって導光部材10に射出されることが防止される。つまり、ハーフミラー層15で反射された外界光HLが光路上に戻されて迷光となることが防止される。
以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置100では、シースルー型の構成を有するものであって、左右に配置された一対の映像表示素子(映像素子)82に映像信号を送信するケーブルCBを、左右一対の導光装置20を支持するフレーム107に沿って配線することで、左右のうちいずれか一方(図示の例では左眼側の1箇所)にケーブルCBの端部を集約できる、すなわちケーブルを一本化することを可能とすることができる。この際に、カバーインサイド108のうちフレーム107に沿って延びるケーブルカバー部108aにケーブルCBを収納することで、ケーブル配線に伴う大型化を抑制して装置全体をコンパクトにできる。
〔その他〕
以上各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。
上記実施形態では、ケーブルCBを左眼側の1箇所(ケーブル固定部CR)に収納するものとしているが、これを右眼側にする態様とすることもできる。また、ケーブルCBをテンプル104に近い後頭部側から取り出す態様とすることも可能である。
上記実施形態では、ケーブルCBを収納するカバーインサイド108とフレーム107とが嵌合構造を有することで、枠部102の内部についての防塵や防水を図るものとしているが、嵌合構造を有する場合に限らず、例えばネジ止め等種々の方法によってカバーインサイド108とフレーム107とを係合した状態にするものとしてもよい。
上記実施形態では、観察者に近い内側の部分を覆うカバーインサイド108を、ケーブルCBを覆うカバーとしているが、ケーブルCBを覆うカバーについては、これに限らず種々の態様が可能であり、例えば観察者から遠い外側の部分までを覆うような態様のカバーによってケーブルCBを覆うものとすることもできる。
上記の説明では、投射レンズが有する非軸対称非球面を1面としているが、投射レンズが2面以上の非軸対称非球面を有するものとすることも可能である。
上記の説明では、ハーフミラー層(半透過反射膜)15が横長の矩形領域に形成されるとしたが、ハーフミラー層15の輪郭は用途その他の仕様に応じて適宜変更することができる。また、ハーフミラー層15の透過率や反射率も用途その他に応じて変更することができる。
上記の説明では、映像表示素子82における表示輝度の分布を特に調整していないが、位置によって輝度差が生じる場合等においては、表示輝度の分布を不均等に調整することができる。
上記の説明では、画像表示装置80として、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子82を用いているが、画像表示装置80としては、透過型の液晶表示デバイス等からなる映像表示素子82に限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶表示デバイスを用いた構成も可能であり、液晶表示デバイス等からなる映像表示素子82に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、画像表示装置80として、LEDアレイやOLED(有機EL)などに代表される自発光型素子を用いることもできる。
上記実施形態では、透過型の液晶表示デバイス等からなる画像表示装置80を用いているが、これに代えて走査型の画像表示装置を用いることもできる。
また、上記実施形態では、導光部材10と補助光学ブロックである光透過部材50とが装着者の眼EYの前全体を覆うような構成となっているが、これに限らず、ハーフミラー層15を有する曲面形状である第2面S12を含んだ部分が眼EYの一部のみを覆っている、すなわち眼前の一部を覆い、覆わない部分も存在する小型の構成としてもよい。
上記の説明では、ハーフミラー層15が単なる半透過性の膜(例えば金属反射膜や誘電体多層膜)であるとしたが、ハーフミラー層15は、平面又は曲面のホログラム素子に置き換えることができる。
上記の説明では、導光部材10等が眼EYの並ぶ横方向に延びているが、導光部材10を縦方向に延びるように配置することもできる。この場合、導光部材10は、直列的ではなく並列的に平行配置された構造を有することになる。
10…導光部材、 10s…本体、 11…導光部分、 12…導光部分、 12j…先端部、 15…ハーフミラー層、 20…導光装置、 20a…露出面、 20b…露出面、 27…ハードコート層、 30…投射レンズ、 31-33…光学素子(レンズ)、 31a…レンズ面、 39…鏡筒部、 39…鏡筒、 39t…端部、 40…鼻受部、 40a…芯金、 43…被固定部、 50…光透過部材、 70…投射透視装置、 80…画像表示装置、 81…照明装置、 82…映像表示素子、 84…駆動制御部、 100…虚像表示装置、 100A,100B…表示装置、 101a,101b…光学部材、 102…枠部、 104…テンプル部、 105a,105b…像形成本体部、 105d…外装部材、 107…フレーム、 107a…正面部、 107b,107c…側面部、 107g…中央部、 107r…孔、 108…カバーインサイド(カバー)、 108a…ケーブルカバー部、 108c…収納溝部、 108d…光学系カバー部、 108e…上面部、 108f…底面部、 108t…側面部、 108g…接続部、 108k…中央部、 108m,108n…側壁部、 108r,108p…周辺部、 108x…ガイド溝、 108y…嵌合部、 CA…カメラ、 CB…ケーブル

Claims (9)

  1. 映像光を生じさせる左右一対の映像素子と、
    前記左右一対の映像素子からの映像光をそれぞれ導光する左右一対の導光部材と、
    前記左右一対の導光部材を支持するフレームと、
    前記左右一対の映像素子に信号を出力するケーブルと、
    前記ケーブルを覆うカバーと、
    を備え、
    前記カバーは、前記フレームに沿って延びるとともに前記フレームに係合して、前記左右一対の導光部材の並ぶ方向に沿って前記ケーブルを収納しつつ配線するケーブルカバー部を有し、左右のうちいずれか一方に前記ケーブルの出所を集約する、虚像表示装置。
  2. 前記フレームと、前記カバーの前記ケーブルカバー部とは、前記ケーブルを配線する方向に沿って延びる構造を有する、請求項1に記載の虚像表示装置。
  3. 前記カバーにおいて、前記ケーブルカバー部は、前記ケーブルの収納部として前記フレームに沿って延びる収納溝部を有する、請求項1及び2のいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  4. 前記フレームは、金属製、プラスチック製またはカーボン製であり、前記カバーは、樹脂製である、請求項1から3までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  5. 前記フレームは、相対的に観察者の眼の位置として想定される位置から遠い側に配置され、前記前記ケーブルカバー部は、相対的に観察者の眼の位置として想定される位置に近い側に配置される、請求項1から4までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  6. 前記フレームは、相対的に白色系であり、前記カバーは、相対的に黒色系である、請求項5に記載の虚像表示装置。
  7. 前記カバーは、前記ケーブルカバー部と、前記ケーブルカバー部の両端から延びて左右一対の光学系のうち少なくとも前記左右一対の映像素子を収納する左右一対の光学系カバー部とを一体的に有する、請求項1から6までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  8. 前記導光部材に貼り合せることで外界光と映像光とを重複して視認させる光透過部材をさらに備える、請求項1から7までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
  9. 前記導光部材は、学面として4面以上の面を含み、複数の前記光学面のうち第1面と第3面とは、対向するように配置され、
    前記映像素子からの映像光は、前記第3面で全反射され、前記第1面で全反射され、第2面で反射された後、前記第1面を透過して、観察側に到達し、
    前記導光部材において、前記第1面と前記第3面とは、互いに略平行な平面である、請求項1から8までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
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