JPH09258132A - 頭部装着型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 前方突出量が小さく、外界画像が極力影響を
受けないシースルータイプの頭部装着型表示装置を実現
する。 【解決手段】 虚像形成光学系３は、液晶パネル５と
それを後方から照射するためのバックライト６からなる
画像表示手段７と、拡大光学手段であるレンズ８、画像
合成手段である半透過型反射ミラー９の順に筐体内に収
納されて構成される。 半透過型反射ミラー９は、その
反射面における法線が虚像形成光学系３の光軸１３に対
して４５度未満の角度となるように筐体内に配置され、
例えば透過率が５０％であり、同率の反射率をもつ素材
から形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像表示素子で形
成した画像を虚像拡大する頭部装着型の画像表示装置に
関し、特にその装置の虚像形成光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、映像およびデータディスプレイの
携帯性を高める要請に答えるため、頭部装着型の表示装
置が提案されている。その代表的な例として、「視線入
力を搭載した超小型ＨＭＤ：光学２５巻１号（１９９
６）」に記載され、スカウターと銘打って、携帯型の頭
部装着型表示装置が公開されている。これは、光学系を
小型、薄型化するために自由曲面プリズムによるオフア
クシス光学系を採用した単眼型ＨＭＤであり、自由曲面
プリズムと補正用自由曲面プリズムとの接合によりシー
スルータイプのＨＭＤとすることもできる。また、シー
スルータイプのＨＭＤとしては、例えば特開平６−３３
４９４２号公報に記載されているような、両眼型ＨＭＤ
がよく知られている。これは、左右一対の画像表示手段
からの画像光を接眼レンズによって拡大し使用者の左右
両眼に導光する構成であり、接眼レンズと眼との間にハ
ーフミラーを介在させることによって、虚像と外景画像
とを合成して視認するディスプレイである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前者の頭部装着型表示
装置は、光学系の前方突出量は小さいものの、シースル
ータイプとした際に、外界画像が約１５ｍｍ厚のプリズ
ムを透過するために屈折作用による影響を受ける。ま
た、オフアクシスの光学系であるため、収差量が大き
く、それを補正するためのプリズム構成が複雑化してお
り、製造も難しい。

【０００４】また、後者の頭部装着型表示装置は、外界
と眼との間にハーフミラーが介在するだけであるので、
その屈折作用による外界画像への影響は小さいものの、
ハーフミラーの光軸に対する傾斜角が４５度であるた
め、光学系の前方突出量が大きい。

【０００５】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、その目的とするところは、第一に、前方
突出量が小さく、第二に外界画像が極力影響を受けない
シースルータイプの頭部装着型表示装置を実現すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の頭部装着型表示装置は、請求項１では、画
像を虚像拡大するための虚像形成光学系を装置本体に収
納し、装置本体を頭部に装着して画像を使用者の眼に視
認させる頭部装着型表示装置において、虚像形成光学系
が、画像を形成するための画像表示手段と、画像表示手
段から出射した画像光を虚像拡大するための拡大光学手
段と、拡大光学手段によって虚像拡大された画像光を反
射するとともに外界からの画像光を透過して両画像光を
合成する画像合成手段とから構成され、画像表示手段、
拡大光学手段、画像合成手段の順番で光学系を形成する
とともに、光学系の光軸上の光線が４５度未満の入射角
で入射するように画像合成手段が配置されることを特徴
とする。

【０００７】請求項１の構成によれば、光学系の光軸上
の光線が４５度未満の入射角で入射し反射するため、虚
像形成光学系が使用者の頭部側に傾斜し、虚像形成光学
系の前方突出量を小さくできる。また、前方突出量が少
ないため、装置の重心が頭部側に近くなり、装着安定感
が高い。さらに、オンアクシスの光学系を構成できるた
め、収差発生が少なく、拡大光学手段への負担が小さ
い。

【０００８】請求項２では、請求項１の構成において、
虚像形成光学系が、画像表示手段と画像合成手段の間
に、画像光を屈折し透過する屈折光学手段をさらに有す
ることを特徴とする。

【０００９】請求項２の構成によれば、屈折光学手段に
よる屈折作用によって、装置の前方突出量を小さく維持
しつつ、使用者と虚像形成光学系との距離を大きくでき
るため、使用者の眼鏡使用が容易になる。

【００１０】また、請求項３では、請求項１の構成にお
いて、虚像形成光学系が、画像表示手段と画像合成手段
の間に、少なくとも一つの反射光学手段をさらに有する
ことを特徴とする。

【００１１】請求項３の構成によれば、反射による画像
光の折り返しによって、虚像形成光学系を小型かつ薄型
化できるため、虚像品質に対して影響が少ない。

【００１２】さらに、請求項４では、請求項１の構成に
おいて、拡大光学手段が、画像表示手段からの画像光を
虚像拡大するとともに、使用者が視認している虚像の中
心方向に向いている視軸に対して偏心して配置されるこ
とを特徴とする。

【００１３】請求項４の構成によれば、画像を虚像拡大
するための拡大光学手段が、虚像形成光学系の光軸の光
路変換にも作用するため、やはり、装置の前方突出量を
小さく維持しつつ、使用者と虚像形成光学系との距離を
大きくできるため、使用者の眼鏡使用が容易になる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面を参照して詳述する。

【００１５】（第一の形態）図１から図３は本発明の第
一の形態を表す模式図である。図１は正面図、図２は側
面図、図３は光学系の拡大図であり、同時に内部光学系
の配置も表している。 図１、図２、および図３におい
て、装置本体１は、使用者２の左右いずれかの眼、もし
くは両眼に対応する前方に虚像形成光学系３を有する。
また、虚像形成光学系３は使用者２の略眼幅方向に延伸
し略円筒形断面の軸４を介して装置本体１に摩擦嵌合さ
れる。

【００１６】同図において、装置本体１は、ヒンジ部１
８を介して保持部１９により使用者２の頭部に装着され
る。保持部１９はＳＵＳ３０４等のバネ鋼板からなるフ
レームが略全体に渡って内挿され、その頂部付近が保護
カバーで覆われる。上方から見たときに、使用者２の頭
部に沿う略Ｕ字型形状を成し、長手方向に伸縮自在であ
る。また保持部１９は、使用者２の額に沿って側頭部付
近まで延伸し、側頭部付近、例えば両耳の上部位置から
下方に屈曲し延伸する。さらに、使用者２の額部に対応
する頂部付近に額パッドを有し、両耳後方の頭部に対応
する端部に頭部パッドを有して、フレームによって頭部
側へ弾性力が働くために、額パッド及び頭部パッドが頭
部に圧接されて保持される。

【００１７】また、保持部は少なくとも頭部への接触部
が略円筒形断面であるアーム２０を備える。アーム２０
は、使用者２の上頭部に沿った略Ｕ字型の弾性体であ
り、長手方向に伸縮自在である。またアーム２０の支点
は、保持部１９に対してＸ軸周りの回転やＹ軸周りの回
転、およびＺ軸周りの回転が可能である。

【００１８】虚像形成光学系３は、液晶パネル５とそれ
を後方から照射するためのバックライト６からなる画像
表示手段７と、拡大光学手段であるレンズ８、画像合成
手段である半透過型反射ミラー９の順に筐体内に収納さ
れて構成される。

【００１９】半透過型反射ミラー９は、その反射面にお
ける法線が虚像形成光学系３の光軸１３に対して４５度
未満の角度となるように筐体内に配置され、例えば透過
率が５０％であり、同率の反射率をもつ素材から形成さ
れる。

【００２０】また、半透過型反射ミラー９の背面に当た
る筐体部分には、画像表示エリアと同等の開口部が設け
られており、外界からの画像光１１を取り入れられるよ
うになっている。

【００２１】このとき、レンズ８の物体側焦点よりレン
ズ８側に画像表示手段７の像形成面が配置され、レンズ
８の像側焦点近傍に眼１２が配置されるように構成する
と、レンズ８の結像作用により、虚像形成光学系３の光
軸１３の延長線上に、画面情報の拡大虚像１４を視認す
ることができる。

【００２２】以上のように構成された虚像形成光学系３
において、画像表示手段７によって形成され出射した画
像光１０は、レンズ８によって光軸１３を中心に拡大さ
れる。拡大された画像光１０は、半透過型反射ミラー９
にその光軸１３上の光線が４５度未満の入射角度で導か
れ、使用者の眼１２側に４５度未満の反射角度となるよ
うに変換される。また、半透過型反射ミラー９によって
外界からの画像光１１が透過され、画像光１０及び画像
光１１は合成されて使用者の眼１２内に結像される。こ
の結果、使用者２は外界画像の中に画像表示手段７によ
って形成された画像の拡大虚像１４が重畳されているよ
うに知覚する。

【００２３】以上のように、半透過型反射ミラー９を使
用者２側に傾けたため、半透過型反射ミラー９より前段
の光学系が、使用者２側に傾き、使用者２から見た虚像
形成光学系３の前方突出量は半透過型反射ミラー９の前
方突出量に依存する。また、半透過型反射ミラー９を傾
けることによって、明らかに半透過型反射ミラー９の前
方突出量は従来の４５度配置に比べて小さくなる。

【００２４】そのため、虚像形成光学系３において、前
方突出量を決定している半透過型反射ミラー９の、虚像
１４の中心に向いている視軸１７方向（図３では水平方
向）の突出量が小さくなり、結果として虚像形成光学系
３を薄くできる。

【００２５】また、虚像形成光学系３が使用者２の頭部
側に傾斜するため、装置の重心が頭部側に近くなり、装
着安定感が高い。

【００２６】また、使用者２の眼１２と外界との間には
半透過型反射ミラー９が介在するだけであり、半透過型
反射ミラー９の厚みは一般的に１ｍｍ程もないため、外
界からの画像光１１が半透過型反射ミラー９を透過する
ことによる影響は極めて小さい。

【００２７】さらに、光軸１３を中心としたオンアクシ
スの光学系を構成できるため、収差発生が少なく、レン
ズ８の表面形状を回転対称にできるため、拡大光学手段
への負担も小さい。

【００２８】なお、半透過型反射ミラー９の配置角度
は、半透過型反射ミラー９より前段の光学系が、使用者
２に接触しない範囲で適宜設定すればよい。

【００２９】（第二の形態）図４、図５は本発明の第二
の形態を表す模式図である。図４、図５は虚像形成光学
系の側面拡大図であり、同時に内部光学系の配置も表し
ている。

【００３０】保持部１９の構造は第一の形態と同様であ
る。また、構成要素について同様のものは同符号を用い
て説明は省略する。

【００３１】同図において、虚像形成光学系３は、画像
表示手段７と、レンズ８、及び屈折光学手段であるプリ
ズム１５、半透過型反射ミラー９から構成される。

【００３２】プリズム１５は、虚像形成光学系３の光軸
１３を使用者２から離れる方向に屈折させるためのもの
であり、例えば屈折率が１．５のガラスのような素材か
ら構成され、その鋭角を使用者２側に向けた三角プリズ
ムである。

【００３３】また、半透過型反射ミラー９は、虚像形成
光学系３の光軸１３に対して第一の形態と同様の位置関
係で配置される。

【００３４】従って、第一の形態と同様に、虚像形成光
学系３の前方突出量を決定するのは半透過型反射ミラー
９であるが、それより前段の光学系はプリズム１５の屈
折作用により、使用者２から離れる方向に起きる構成と
なる。すなわち、虚像形成光学系３の前方突出量は第一
の形態と同様でありながら、使用者２と虚像形成光学系
３との距離を拡げることができる。

【００３５】以上のように構成された虚像形成光学系３
において、画像表示手段７によって形成され出射した画
像光１０は、レンズ８によって光軸１３を中心に拡大さ
れる。拡大された画像光１０は、プリズム１５によって
使用者２から離れる方向に屈折され透過される。さら
に、画像光１０は半透過型反射ミラー９にその光軸１３
上の光線が４５度未満の入射角度で導かれ、使用者の眼
１２側に４５度未満の反射角度となるように変換され
る。また、半透過型反射ミラー９によって外界からの画
像光１１が透過され、画像光１０及び画像光１１は合成
されて使用者の眼１２内に結像される。この結果、使用
者２は外界画像の中に画像表示手段７によって形成され
た画像の拡大虚像１４が重畳されているように知覚す
る。

【００３６】以上のように、画像表示手段７と半透過型
反射ミラー９の間にプリズム１５を配置することによ
り、プリズム１５による屈折作用によって、装置の前方
突出量を小さく維持しつつ、使用者２と虚像形成光学系
３との距離を大きくできるため、使用者２は眼鏡をかけ
た状態でも容易に本頭部装着型表示装置を使用すること
ができる。

【００３７】なお、プリズム１５の構成及び配置角度
は、プリズム１５、及びプリズム１５より前段の光学系
が、使用者２に接触しない範囲で適宜設定すればよい。
また、プリズム１５の配置位置は本形態に限らず、図５
に示すように画像表示手段７とレンズ８との間でもよい
が、本形態の配置の方がレンズ８に与える影響は少な
い。（第三の形態）図６、図７は本発明の第三の形態を
表す模式図である。図６、図７は虚像形成光学系の側面
拡大図であり、同時に内部光学系の配置も表している。

【００３８】保持部の構造は第一の形態と同様である。
また、構成要素について同様のものは同符号を用いて説
明は省略する。

【００３９】同図において、虚像形成光学系３は、画像
表示手段７と、レンズ８、及び反射光学手段である反射
ミラー１６、さらに、半透過型反射ミラー９から構成さ
れる。 反射ミラー１６は、全反射ミラーであり、使用
者２の視軸１７に対してほぼ垂直に近い状態でレンズ８
と半透過型反射ミラー９との間に配置される。

【００４０】従って、第一の形態と同様に、虚像形成光
学系３の前方突出量を決定するのは半透過型反射ミラー
９であるが、それより前段の光学系は反射ミラー１６の
反射作用により、使用者２から離れる方向に起きる構成
となる。すなわち、虚像形成光学系３の前方突出量は第
一の形態と同様でありながら、使用者２と虚像形成光学
系３との距離を拡げることができる。

【００４１】以上のように構成された虚像形成光学系３
において、画像表示手段７によって形成され出射した画
像光１０は、レンズ８によって光軸１３を中心に拡大さ
れる。拡大された画像光１０は、反射ミラー１６によっ
て使用者２から離れる方向に反射され、半透過型反射ミ
ラー９にその光軸１３上の光線が４５度未満の入射角度
で導かれ、使用者の眼１２側に４５度未満の反射角度と
なるように変換される。また、半透過型反射ミラー９に
よって外界からの画像光１１が透過され、画像光１０及
び画像光１１は合成されて使用者の眼１２内に結像され
る。この結果、使用者２は外界画像の中に画像表示手段
７によって形成された画像の拡大虚像１４が重畳されて
いるように知覚する。

【００４２】以上のように、画像表示手段７と半透過型
反射ミラー９との間に反射ミラー１６を配置することに
より、反射による画像光１０の折り返しによって、虚像
形成光学系３を小型かつ薄型化できるため、レンズ８の
結像性能には無関係であり、虚像品質に対して影響が少
ない。

【００４３】なお、反射ミラー１６の配置角度は、反射
ミラー１６、及び反射ミラー１６より前段、または後段
の光学系が、使用者２に接触しない範囲で適宜設定すれ
ばよい。また、反射ミラー１６の配置位置は本形態に限
らず、図７に示すように画像表示手段７とレンズ８との
間でもよい。さらに、反射ミラー１６の数は１枚に限ら
ず、レンズ８の焦点距離に応じて複数枚設けてもよい。

【００４４】（第四の形態）図８は本発明の第四の形態
を表す模式図である。図８は虚像形成光学系の側面拡大
図であり、同時に内部光学系の配置も表している。

【００４５】保持部の構造は第一の形態と同様である。
また、構成要素についても同様のため同符号を用いて説
明は省略する。

【００４６】同図において、虚像形成光学系３は、画像
表示手段７と、レンズ２１、及び半透過型反射ミラー９
から構成される。

【００４７】レンズ２１は、使用者２が視認している拡
大虚像１４の中心方向に向いている視軸１７、すなわち
視軸１７に対応する光軸に対して、垂直方向に平行に、
使用者２から離れる方向に偏心して配置される。

【００４８】また、半透過型反射ミラー９は、虚像形成
光学系３の光軸１３に対して第一の形態と同様の位置関
係で配置される。

【００４９】従って、第一の形態と同様に、虚像形成光
学系３の前方突出量を決定するのは半透過型反射ミラー
９であるが、それより前段の光学系はレンズ２１の光路
変換作用により、使用者２から離れる方向に起きる構成
となる。すなわち、虚像形成光学系３の前方突出量は第
一の形態と同様でありながら、使用者２と虚像形成光学
系３との距離を拡げることができる。

【００５０】以上のように構成された虚像形成光学系３
において、画像表示手段７によって形成され出射した画
像光１０は、レンズ２１によって拡大作用を受け、さら
にレンズ２１が使用者２の視認している拡大虚像の中心
に向いている視軸１７に対して、垂直方向に偏心してい
るために、画像光１０はレンズ２１出射後、使用者２か
ら離れる方向に光路を変換される。また、画像光１０は
半透過型反射ミラー９にその光軸１３上の光線が４５度
未満の入射角度で導かれ、使用者の眼１２側に４５度未
満の反射角度となるように変換され、使用者の眼１２に
導かれる。また、半透過型反射ミラー９によって外界か
らの画像光１１が透過され、画像光１０及び画像光１１
は合成されて使用者の眼１２内に結像される。この結
果、使用者２は外界画像の中に画像表示手段７によって
形成された画像の拡大虚像１４が重畳されているように
知覚する。

【００５１】以上のように、画像表示手段７と半透過型
反射ミラー９の間にレンズ２１を、使用者２が視認して
いる虚像１４の中心方向に向いている視軸１７に対して
偏心して配置することにより、レンズ２１による光路変
換作用によって、装置の前方突出量を小さく維持しつ
つ、使用者２と虚像形成光学系３との距離を大きくでき
るため、使用者２は眼鏡をかけた状態でも容易に本頭部
装着型表示装置を使用することができる。

【００５２】なお、レンズ２１の構成及び配置角度は、
レンズ２１、及びレンズ２１より前段の光学系が、使用
者２に接触しない範囲で適宜設定すればよい。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の頭部装着
型表示装置は、半透過型反射ミラーを使用者側に傾けた
ため、半透過型反射ミラーより前段の光学系が、使用者
側に傾き、使用者から見た虚像形成光学系の前方突出量
は半透過型反射ミラーの前方突出量に依存する。また、
半透過型反射ミラーを傾けることによって、明らかに半
透過型反射ミラーの前方突出量は従来の４５度配置に比
べて小さくなる。

【００５４】そのため、虚像形成光学系において、前方
突出量を決定している半透過型反射ミラーの、虚像の中
心に向いている視軸方向の突出量が小さくなり、結果と
して虚像形成光学系を薄くできる。

【００５５】また、虚像形成光学系が使用者の頭部側に
傾斜するため、装置の重心が頭部側に近くなり、装着安
定感が高い。

【００５６】また、使用者の眼と外界との間には半透過
型反射ミラーが介在するだけであり、半透過型反射ミラ
ーの厚みは一般的に１ｍｍ程もないため、外界からの画
像光が半透過型反射ミラーを透過することによる影響は
極めて小さい。

【００５７】さらに、光軸を中心としたオンアクシスの
光学系を構成できるため、収差発生が少なく、レンズの
表面形状を回転対称にできるため、拡大光学手段への負
担も小さい。

【００５８】また、請求項２の構成によれば、画像表示
手段と半透過型反射ミラーの間にプリズムを配置するこ
とにより、プリズムによる屈折作用によって、装置の前
方突出量を小さく維持しつつ、使用者と虚像形成光学系
との距離を大きくできるため、使用者は眼鏡をかけた状
態でも容易に本頭部装着型表示装置を使用することがで
きる。

【００５９】また、請求項３の構成によれば、画像表示
手段と半透過型反射ミラーとの間に反射ミラーを配置す
ることにより、反射による画像光の折り返しによって、
虚像形成光学系を小型かつ薄型化できるため、レンズの
結像性能には無関係であり、虚像品質に対して影響が少
ない。

【００６０】また請求項４の構成によれば、画像表示手
段と半透過型反射ミラーの間にレンズを、使用者が視認
している虚像の中心方向に向いている視軸に対して偏心
して配置することにより、レンズによる光路変換作用に
よって、装置の前方突出量を小さく維持しつつ、使用者
と虚像形成光学系との距離を大きくできるため、やはり
使用者は眼鏡をかけた状態でも容易に本頭部装着型表示
装置を使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第一の形態を表す模式的正面図。

【図２】 本発明の第一の形態を表す模式的側面図。

【図３】 本発明の第一の形態を表す光学系の側面図。

【図４】 本発明の第二の形態を表す光学系の側面図。

【図５】 本発明の第二の形態を示す光学系の側面図。

【図６】 本発明の第三の形態を示す光学系の側面図。

【図７】 本発明の第三の形態を示す光学系の側面図。

【図８】 本発明の第四の形態を示す光学系の側面図。

【符号の説明】

１ 装置本体 ２ 使用者 ３ 虚像形成光学系 ４ 軸 ５ 液晶パネル ６ バックライト ７ 画像表示手段 ８ レンズ ９ 半透過型反射ミラー １０ 画像光 １１ 外界からの画像光 １２ 眼 １３ 光軸 １４ 虚像 １５ プリズム １６ 反射ミラー １７ 視軸 １８ ヒンジ部 １９ 保持部 ２０ アーム ２１ レンズ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像を虚像拡大するための虚像形成光学
   系を装置本体に収納し、該装置本体を頭部に装着して前
   記画像を使用者の眼に視認させる頭部装着型表示装置に
   おいて、前記虚像形成光学系が、画像を形成するための
   画像表示手段と、該画像表示手段から出射した画像光を
   虚像拡大するための拡大光学手段と、該拡大光学手段に
   よって虚像拡大された画像光を反射するとともに外界か
   らの画像光を透過して両画像光を合成する画像合成手段
   とから構成され、前記画像表示手段、前記拡大光学手
   段、前記画像合成手段の順番で光学系を形成するととも
   に、該光学系の光軸上の光線が４５度未満の入射角で入
   射するように前記画像合成手段が配置されることを特徴
   とする頭部装着型表示装置。
2. 【請求項２】 前記虚像形成光学系が、前記画像表示手
   段と前記画像合成手段の間に、画像光を屈折し透過する
   屈折光学手段をさらに有す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. 【請求項３】 前記虚像形成光学系が、前記画像表示手
   段と前記画像合成手段の間に、少なくとも一つの反射光
   学手段をさらに有す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。
4. 【請求項４】 前記拡大光学手段が、前記画像表示手段
   からの画像光を虚像拡大するとともに、前記使用者が視
   認している虚像の中心方向に向いている視軸に対して偏
   心して配置され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。