WO2012035677A1 - 頭部装着型画像表示装置 - Google Patents

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unit
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head
display device
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良平 杉原
井場　陽一
成示 龍田
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オリンパス株式会社
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    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings

Definitions

  • the present invention relates to an image display device, and more particularly to a head-mounted image display device.
  • HMD head-mounted display
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a general head-mounted image display device 1310.
  • the image light 1312 of the image X displayed on the display element 1311 enters the light guide unit 1313, is emitted from the light guide unit 1313 through one or more reflections, and enters the pupil of the eyeball 1320 of the wearer. Enter and image on the retina. Accordingly, the wearer can observe the virtual image X ′ of the image X in front of the pupil in the visual axis direction.
  • the pupil means a portion 1402 surrounded by the iris 1401 of the eyeball 1320, and light passing through this portion is projected onto the retina 1403. Therefore, in order to appropriately observe the entire display image, it is necessary to associate the exit pupil of the light guide unit with the pupil 1402.
  • Patent Document 1 a display panel and a condensing lens arranged between the display panel and the combiner optical system are moved together with the combiner optical system built in the spectacle lens, or these combiners are used.
  • a technique for adjusting the position of an eye point serving as an exit pupil of a combiner optical system by moving all of the optical system, the display panel, and the condensing lens together is disclosed.
  • FIG. 15 schematically shows the above configuration
  • FIG. 15A shows a case where the display panel 1502 and the condenser lens 1503 are moved together with respect to the combiner optical system 1501.
  • FIG. 15B shows a case where all of the combiner optical system 1501, the display panel 1502, and the condenser lens 1503 are moved together.
  • the solid line and the chain line represent the configuration and the optical path before and after the movement, respectively, and only the optical path that exits from the center of the display panel 1502 and enters the combiner optical system 1501 perpendicularly.
  • the display panel 1502 and the condenser lens 1503 are moved together with respect to the combiner optical system 1501, the movement amount L1 of the positions of the display panel 1502 and the condenser lens 1503 and the emission The amount of movement L2 of the pupil position is the same.
  • FIG. 15B when all of the combiner optical system 1501, the display panel 1502, and the condenser lens 1503 are moved together, the combiner optical system 1501, the display panel 1502, and the condenser lens 1503 are also moved.
  • the amount of movement L1 at the position of and the amount of movement L2 of the position of the exit pupil are the same.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a head-mounted image display device having a large exit pupil position adjustment effect with a small and simple mechanism.
  • the inventors of the present invention have attempted to adjust the position of the exit pupil without moving the display element or the main body containing the display element in order to make the apparatus a small and simple mechanism. As a result, it has been found that the effect of adjusting the position of the exit pupil is increased by moving the eyepiece optical unit or the eyepiece optical unit and the eyepiece lens relative to the main body unit.
  • An eyepiece optical unit having a main body unit that emits image light and a polyhedral light guide unit, and the image light emitted from the main unit unit is incident on one surface of the light guide unit, The image light incident on one surface of the light guide unit is emitted from a surface on the same side as the one surface or another surface different from the surface on the same side as the one surface, and has a positive refractive power.
  • a head-mounted image display device having a moving mechanism for adjusting the position of a pupil.
  • the light guide unit includes an eyepiece having a positive refractive power on a surface of the light guide unit that emits image light.
  • the light guide unit has an odd number of reflecting surfaces, and the image light incident on one surface of the light guide unit is emitted from a surface on the same side as the one surface (1),
  • the light guide unit has an even number of reflecting surfaces, and incident light incident on one surface of the light guide unit is emitted from the other surface of the light guide unit (1), ( The head-mounted image display device according to 2) or (3).
  • the attachment mechanism that connects the main body unit and the eyepiece optical unit can adjust the position of the exit pupil of the eyepiece optical unit by moving the eyepiece optical unit relative to the main body unit. Accordingly, a head-mounted image display device having a large exit pupil position adjustment effect can be provided with a small and simple mechanism.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing a state in which the head-mounted image display device according to the first embodiment of the present invention is mounted on glasses.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a position where a virtual image is formed when the light guide is moved with respect to the fixed display element.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a position where a virtual image is formed when the light guide is moved with respect to the fixed display element.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a position where a virtual image is formed when the light guide is moved with respect to the fixed display element.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the head-mounted image display device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a head-mounted image display device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing a structure of an attachment portion that connects the main body portion and the eyepiece optical portion.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a head-mounted image display device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing a head-mounted image display device according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a head-mounted image display device according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a head-mounted image display device according to the sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing the relationship between the head-mounted image display device according to the seventh embodiment of the present invention and the pupil of the wearer's eyeball.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing a mechanism of a general head-mounted image display device.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a human eyeball.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing the mechanism of a conventional head-mounted image display device.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing a state in which the head-mounted image display device 110 according to the first embodiment of the present invention is mounted on the spectacles 120.
  • the head-mounted image display device 110 mainly includes a main body 111 and an eyepiece optical unit 112.
  • the main body 111 is attached to the right temple portion 121a of the frame 121 of the spectacles 120 attached to the wearer's head by the support 111a or the like.
  • the main body 111 extends forward of the wearer along the frame 121 of the spectacles 120, and the tip thereof is connected to the eyepiece optical unit 112 via a mounting portion 113 described later on the side of the right spectacle lens 121b.
  • the eyepiece optical unit 112 extends substantially horizontally in front of the right spectacle lens 121b of the spectacles 120 from the attachment unit 113 to the field of view of the wearer. As will be described later, the eyepiece optical unit 112 guides the image light emitted from the main body unit 111 and emits the image light toward the eyeball 130 from the exit exit window.
  • the light guide unit 200 has an odd number (five in FIG. 2) reflecting surfaces, and is formed on one surface 200 a of the light guide unit 200.
  • the position of the virtual image X ′ is not changed by the movement of the light guide unit 200.
  • the light guide unit 300 has an odd number (five in FIG. 3) of reflection surfaces, and image light incident on one surface 300a of the light guide unit 300 is reflected on one surface.
  • the light guide unit 400 has an even number (two in FIG. 4) of reflection surfaces, and incident light incident on one surface 400 a of the light guide unit 400 is reflected by the light guide unit 400. Even when the light is emitted from the other surface 400c, the position of the virtual image X ′ due to the movement of the light guide 400 does not change.
  • Each of these optical systems acts as an afocal optical system with a magnification of 1 ⁇ , in which the orientation of the image is not changed.
  • the number of reflection surfaces does not mean the number of surfaces of the light guide unit that reflects the image light, but indicates the number of times the image light is reflected with respect to the surface of the light guide unit.
  • the image light is reflected five times in the light guide, and the second and fourth reflections are performed on the same surface of the light guide, but are counted as different reflecting surfaces, and the light is guided.
  • the part has a total of five reflecting surfaces. The same applies to the following.
  • the virtual image X ′ of the image X that can be seen through the light guide is in space. It is fixed and its position is unchanged.
  • FIG. 5 shows, as an example, a head-mounted image display apparatus 500 that includes an eyepiece optical unit 503 having an eyepiece lens 502 having a positive refractive power on a surface 501a that emits image light.
  • the light guide unit 501 has an odd number of reflection surfaces (five in FIG. 5), and the image light incident on one surface 501 a of the light guide unit 501 is the same surface as the one surface 501 a of the light guide unit 501. Injected from 501a. However, the region where the image light is incident and the region where the light is emitted are different from each other on one surface 501a of the light guide unit 501.
  • the solid line and the chain line represent the configuration and the optical path before and after movement, respectively, and the eyepiece optical unit 503 including the light guide unit 501 and the eyepiece lens 502 is moved substantially parallel to the fixed display element 504.
  • the display element 504 an LCD (Liquid Crystal Display), an organic EL display, or the like is used.
  • This optical system acts as an afocal optical system in which the orientation of the image does not change from top to bottom and from side to side and the magnification is 1.
  • the movement amount L2 of the light beam emitted from the eyepiece lens in the wearer's pupil is larger than the movement amount L1 of the light guide unit 501 and the eyepiece lens 502. That is, a large eye width adjustment effect can be obtained with a slight mechanical adjustment amount.
  • FIG. 6 is a second embodiment of the present invention, and shows a head-mounted image display device 600 having an eyepiece optical unit 603 having an eyepiece lens 602 having a positive refractive power on a surface 601a for emitting image light. It is shown.
  • the light guide unit 601 has an even number (two in FIG. 6) of reflective surfaces, and the image light incident on one surface 601a of the light guide unit 601 is the same surface as the one surface 601a of the light guide unit 601. Injected from 601a.
  • the solid line and the chain line represent the configuration and the optical path before and after movement, respectively, and the eyepiece optical unit 603 including the light guide unit 601 and the eyepiece lens 602 is moved substantially parallel to the fixed display element 604. ing.
  • this optical system acts as an afocal optical system with a magnification of ⁇ 1.
  • the position of the virtual image X ′ is changed in the same plane as the moved eyepiece optical unit. Therefore, as shown in FIG. 6, the movement amount L2 of the light beam emitted from the eyepiece lens 602 in the wearer's pupil is smaller than the movement amount L1 of the light guide unit 601 and the eyepiece lens 602.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating the structure of the attachment portion 113 that connects the main body portion 111 and the eyepiece optical portion 112 shown in FIG. 1, and FIG. 7 (a) is a side facing the wearer in FIG.
  • FIG. 7B is a top view as seen from the head side of the wearer in FIG. 1 and shows the mechanism before and after the movement, respectively.
  • the moving mechanism has a configuration in which a concave slide guide 115 is provided in the mounting portion 113 and a convex slide guide 116 provided on a surface that does not act as an optical surface of the light guide portion 112 is engaged therewith and moved. can do. At this time, the display element 114 does not move.
  • the display element 114 is preferably substantially facing the front in consideration of the arrangement space of the backlight and the like, and the assembly in the main body. Therefore, the optical axis incident on the eyepiece optical unit 112 from the display element 114 is the normal line. By moving in an inclined direction with respect to the surface, it is possible to move while avoiding buffering with the spectacle lens. Therefore, as in the third embodiment shown in FIG.
  • FIG. 9 is a fourth embodiment of the present invention, and shows a head-mounted image display device 900 including a light guide unit 901 composed of a free-form surface prism having a positive refractive power.
  • the light guide unit 901 has an odd number of reflection surfaces (five in FIG. 9), and image light incident on one surface 901a of the light guide unit 901 is emitted from a surface 901b on the same side as the one surface 901a.
  • the solid line and the chain line represent the configuration and the optical path before and after movement, respectively, and the light guide unit 901 (eyepiece optical unit 903) is moved with respect to the fixed display element 904.
  • the amount of movement of the light beam emitted from the light guide unit 901 in the wearer's pupil is larger than the amount of movement L1 of the light guide unit 901. L2 increases. That is, a large eye width adjustment effect can be obtained with a slight mechanical adjustment amount.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing a state in which the head-mounted image display device 1010 is mounted on the glasses 1020 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the head-mounted image display device 1010 mainly includes a main body 1011, an eyepiece optical unit 1012, and a mounting unit 1013, and the mounting unit 1013 has a moving mechanism as shown in FIG. Inside the main body 1011, there are a display element 1014, a display element drive circuit 1015 connected to the display element 1014 via a flexible cable, and a video signal generator 1016 connected to the display element drive circuit 1015 via a cable.
  • the light guide unit 1017 formed of a prism constituting the eyepiece optical unit 1012 has an odd number of reflection surfaces, and image light incident on one surface 1017a of the light guide unit 1017 is emitted from the one surface 1017a.
  • the image light emitted from the display element 1014 enters the light guide unit 1017 via the right-angle prism 1018 and is guided.
  • the display element 1014 and the right-angle prism 1018 are fixed in the main body 1011.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing a state in which the head-mounted image display device 1110 is attached to the glasses 1120 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the head-mounted image display device 1110 mainly includes a main body part 1111, an eyepiece optical part 1112 and an attachment part 1113, and the attachment part 1113 has a moving mechanism as shown in FIG.
  • Inside the main body 1111 are a display element 1114 made of a reflective LCD, a display element drive circuit and a light source drive circuit 1115 connected to the display element 1114 via a flexible cable (not shown), and these display element drive circuits.
  • a video signal generator 1116 connected to the light source driving circuit 1115 via a cable, an LED 1119a as an illumination light source of the display element 1114, and a ball lens 1119b for collimating illumination light from the LED 1119a.
  • the light guide 1117 made of a prism constituting the eyepiece optical unit 1112 has an even number of reflection surfaces, and image light incident on one surface 1117a of the light guide 1117 is emitted from the other surface 1117c.
  • the image light emitted from the display element 1114 is guided through the polarization beam splitter 1119c.
  • Reference numeral 1119d indicates an optical trap for absorbing the reflected light of the polarization beam splitter of the illumination light and reducing flare. Also in this case, components other than the eyepiece optical unit 1112 are fixed in the main body 1111.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and many variations or modifications are possible.
  • the right-eye device is shown in FIG. 1 and the like, but it may be configured for the left eye or both eyes.
  • the width W of the tip is configured to be an eyepiece optical unit thinner than 4 mm which is the pupil diameter in a normal human environment. You can also.
  • the moving mechanism of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications or changes can be made.

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Abstract

　画像光を射出する本体部と、多面体の導光部を有する接眼光学部であって、本体部から射出された画像光を導光部の一の面に入射させ、導光部の一の面に入射された画像光を、一の面と同じ側の面または一の面と同じ側の面とは異なる他の面から射出する接眼光学部と、本体部と接眼光学部とを連結する取付部とを具え、取付部は、接眼光学部を本体部に対して移動させることによって、接眼光学部の射出瞳の位置を調整する移動機構を有することを特徴とする。これにより、小型でかつ簡易な機構で、射出瞳の位置調整効果の大きい頭部装着型画像表示装置を提供する。

Description

頭部装着型画像表示装置
　本出願は、２０１０年９月１６日に出願された日本国特許出願２０１０－２０８５８７号の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体をここに参照のために取り込む。
　本発明は、画像表示装置に関し、特に、頭部装着型の画像表示装置に関するものである。
　近年、映像鑑賞やモバイルでの情報表示用途等での実用化に向け、眼鏡等に取り付けられる頭部装着型の画像表示装置の開発が盛んに行われている。この装置は、一般に、「ヘッドマウントディスプレイ(ＨＭＤ)」と呼ばれ、表示素子からの画像光を瞳孔に導いて網膜上に結像させることで、装着者に画像の拡大像を虚像として観察させるものである。
　図１３は、一般的な頭部装着型画像表示装置１３１０の構成を示す模式図である。図１３において、表示素子１３１１に表示された画像Ｘの画像光１３１２は、導光部１３１３に入射し、１回以上の反射を経て導光部１３１３から射出されて装着者の眼球１３２０の瞳孔に入り、網膜上で結像される。これにより、装着者は、瞳孔の視軸方向前方に、画像Ｘの虚像Ｘ’を観察することができる。
　ここで、瞳孔とは、図１４に示すように、眼球１３２０の虹彩１４０１によって囲まれた部分１４０２のことをいい、この部分を通った光が網膜１４０３に投影される。よって、表示画像の全体を適切に観察するには、導光部の射出瞳と、上記瞳孔１４０２とを対応させる必要がある。
　ところが、通常、装着者の眼球および瞳孔の位置には個体差があり、導光部の射出瞳と瞳孔とがずれた場合、画像光の一部が瞳孔に入らずケラレがおきたり、画像光の全てが瞳孔に入らず何も見えなくなったりするといった問題がある。特に、小型な光学系では、射出瞳が比較的小さいために、装着者の眼幅や取り付ける眼鏡のフレーム形状などによるズレの影響を大きく受ける。
　特許文献１には、眼鏡レンズに内蔵されたコンバイナ光学系に対し、表示パネル、および、表示パネルとコンバイナ光学系との間に配置された集光レンズを一緒に移動させるか、または、これらコンバイナ光学系、表示パネルおよび集光レンズの全てを一体化して移動させることにより、コンバイナ光学系の射出瞳となるアイポイントの位置の調整を図る技術が開示されている。
特開２００８－６１０５２号公報
　ここで、図１５は、上記構成を模式的に示したものであり、図１５(ａ)はコンバイナ光学系１５０１に対し、表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３を一緒に移動させた場合を示し、図１５(ｂ)はコンバイナ光学系１５０１、表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３の全てを一体化して移動させた場合を示す。図１５中、実線および鎖線は、それぞれ移動前および移動後の構成および光路を表し、光路については、表示パネル１５０２の中心から射出し、コンバイナ光学系１５０１に対し垂直に入射するもののみを示す。
　図１５(ａ)に示すように、コンバイナ光学系１５０１に対し、表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３を一緒に移動させた場合、これら表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３の位置の移動量Ｌ１と射出瞳の位置の移動量Ｌ２は同じである。また、図１５(ｂ)に示すように、コンバイナ光学系１５０１、表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３の全てを一体化して移動させる場合も、これらコンバイナ光学系１５０１、表示パネル１５０２および集光レンズ１５０３の位置の移動量Ｌ１と射出瞳の位置の移動量Ｌ２は同じである。
　特許文献１に記載された技術によれば、必要とされる射出瞳の位置の調整量が大きい場合、表示パネル等の移動量も大きくなる。加えて、通常、筐体(図示せず)等の内部に配置される表示パネルを、筐体内部で移動させるのには複雑な機械機構が必要であるし、また、表示パネルを内蔵する筐体ごと移動させるのには大掛かりな機械機構が必要になる。さらに、図１５(ａ)に示したように、コンバイナ光学系に対し表示パネルおよび集光レンズを一緒に移動させた場合、この移動によって変位する光束をも導光できるよう、開口の大きい光学系が必要となり、装置が大型になることが懸念される。
　本発明は、上記問題を解決し、小型でかつ簡易な機構で、射出瞳の位置調整効果の大きい頭部装着型画像表示装置を提供することを目的とする。
　本発明者らは、装置を小型でかつ簡易な機構とすべく、表示素子またはこの表示素子を内蔵する本体部を移動させることなく、射出瞳の位置を調整することを試みた。その結果、本体部に対し、接眼光学部、または、接眼光学部ならびに接眼レンズを移動させることにより、射出瞳の位置調整効果が大きくなることの知見を得た。
　本発明は、上記の知見に立脚するもので、その要旨構成は以下の通りである。
（１）画像光を射出する本体部と、多面体の導光部を有する接眼光学部であって、前記本体部から射出された前記画像光を前記導光部の一の面に入射させ、該導光部の一の面に入射された画像光を、前記一の面と同じ側の面または該一の面と同じ側の面とは異なる他の面から射出する、正の屈折力を有する接眼光学部と、前記本体部と前記接眼光学部とを連結する取付部とを具え、前記取付部は、前記接眼光学部を前記本体部に対して移動させることによって、前記接眼光学部の射出瞳の位置を調整する移動機構を有することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
（２）前記導光部は、前記導光部の画像光を射出する面に、正の屈折力を持つ接眼レンズを有する上記（１）に記載の頭部装着型画像表示装置。
（３）前記導光部が正の屈折力を持つ上記（１）または（２）に記載の頭部装着型画像表示装置。
（４）前記導光部が奇数個の反射面を有し、前記導光部の一の面に入射した画像光は、該一の面と同じ側の面から射出される上記（１）、（２）または（３）に記載の頭部装着型画像表示装置。
（５）前記導光部が偶数個の反射面を有し、前記導光部の一の面に入射した入射光は、前記導光部の他の面から射出される上記（１）、（２）または（３）に記載の頭部装着型画像表示装置。
（６）前記導光部が正の屈折力を持つプリズムである上記（４）に記載の頭部装着型画像表示装置。
（７）前記接眼光学部の、当該装置を装着する装着者の視軸方向への投影断面の幅が、前記装着者の眼球の瞳孔よりも小さい上記（１）～（６）のいずれか一に記載の頭部装着型画像表示装置。
　本発明によれば、本体部と接眼光学部とを連結する取付部が、接眼光学部を本体部に対して移動させることによって接眼光学部の射出瞳の位置を調整することができる移動機構を有することにより、小型でかつ簡易な機構で、射出瞳の位置調整効果の大きい頭部装着型画像表示装置を提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を眼鏡に装着した状態を示す模式的平面図である。 図２は、固定された表示素子に対して導光部を移動させた場合の虚像が形成される位置を示す模式図である。 図３は、固定された表示素子に対して導光部を移動させた場合の虚像が形成される位置を示す模式図である。 図４は、固定された表示素子に対して導光部を移動させた場合の虚像が形成される位置を示す模式図である。 図５は、本発明の第１実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。 図６は、本発明の第２実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。 図７は、本体部と接眼光学部とを連結する取付部の構造を示す模式図である。 図８は、本発明の第３実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。 図９は、本発明の第４実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。 図１０は、本発明の第５実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。 図１１は、本発明の第６実施形態に従う頭部装着型画像表示装置を示す模式図である。 図１２は、本発明の第７実施形態に従う頭部装着型画像表示装置と装着者の眼球の瞳孔との関係を示す模式図である。 図１３は、一般的な頭部装着型画像表示装置のメカニズムを示す模式図である。 図１４は、人間の眼球を示す模式図である。 図１５は、従来の頭部装着型画像表示装置のメカニズムを示す模式図である。
　以下、本発明に従う頭部装着型画像表示装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。
　図１は、本発明の第１実施形態に従う頭部装着型画像表示装置１１０を眼鏡１２０に装着した状態を示す模式的平面図である。頭部装着型画像表示装置１１０は、主として本体部１１１および接眼光学部１１２を具える。頭部装着型画像表示装置１１０を眼鏡１２０に取り付ける場合、本体部１１１は、装着者の頭部に装着される眼鏡１２０のフレーム１２１の右側テンプル部分１２１ａに、支持部１１１ａ等により取り付けられる。
　本体部１１１は、眼鏡１２０のフレーム１２１に沿い装着者の前方へ延び、その先端は、右側眼鏡レンズ１２１ｂの側方で、後述する取付部１１３を介して接眼光学部１１２と連結されている。接眼光学部１１２は、眼鏡１２０の右側眼鏡レンズ１２１ｂの前方を、取付部１１３から装着者の視野内まで略水平に延びている。後述するように、接眼光学部１１２は、本体部１１１から射出される画像光を導光し、先端の射出窓から眼球１３０に向けて画像光を射出する。
　この接眼光学部１１２における画像光の振る舞いについて、詳細に説明する。図２～４は、棒状のプリズムを用いた導光部２００，３００および４００を用い、画像光を射出する表示素子２０１，３０１および４０１に対してプリズムを移動させた場合の虚像が形成される位置を示したものである。なお、図中、実線および鎖線はそれぞれ移動前および移動後の構成および光路を表している。
　一般に、反射面が移動すると、反射面が形成する虚像の位置もずれるものと考えられていた。しかしながら、本発明者らの検討によれば、図２に示すように、導光部２００が奇数個(図２では５個)の反射面を有し、導光部２００の一の面２００ａに入射した画像光が、一の面２００ａと同じ面２００ａから射出される場合、導光部２００の移動によって虚像Ｘ’の位置は変化しない。同様に、図３に示すように、導光部３００が奇数個(図３では５個)の反射面を有し、導光部３００の一の面３００ａに入射した画像光が、一の面３００ａと同じ側の面３００ｂから射出される場合も、導光部３００の移動によって虚像Ｘ’の位置は変化しない。さらに、図４に示すように、導光部４００が偶数個(図４では２個)の反射面を有し、導光部４００の一の面４００ａに入射した入射光は、導光部４００の他の面４００ｃから射出される場合においても、導光部４００の移動による虚像Ｘ’の位置は変化しない。これらの光学系は、いずれも像の上下左右の向きは変わらない、倍率が１倍のアフォーカル光学系として作用する。
　ここで、反射面の個数は、画像光が反射する導光部の面の個数を意味するものではなく、導光部の面に対して画像光が反射する回数を示したものである。例えば、図２において、画像光は導光部内で５回反射し、２回目の反射と４回目の反射は導光部の同一の面で行われるが、それぞれ異なる反射面としてカウントし、導光部は合計５個の反射面を有するものとする。以下も同様である。
　図２～４に示したように、表示素子２０１，３０１および４０１を固定して導光部２００，３００および４００を移動した場合には、導光部を通して見える画像Ｘの虚像Ｘ’は空間に固定されていて、その位置は不変である。
　図５は、一例として、画像光を射出する面５０１ａに、正の屈折力を持つ接眼レンズ５０２を有する接眼光学部５０３を具える頭部装着型画像表示装置５００を示したものである。導光部５０１は、奇数個(図５では５個)の反射面を有し、導光部５０１の一の面５０１ａに入射した画像光は、導光部５０１の一の面５０１ａと同じ面５０１ａから射出される。ただし、導光部５０１の一の面５０１ａにおいて、画像光が入射する領域と射出される領域とは異なる。図中、実線および鎖線はそれぞれ移動前および移動後の構成および光路を表し、導光部５０１および接眼レンズ５０２を含む接眼光学部５０３を、固定された表示素子５０４に対して略平行に移動させている。表示素子５０４としては、ＬＣＤ(Liquid Crystal Display)や有機ＥＬディスプレイ等が用いられる。この光学系は、像の上下左右は向きが変わらない、倍率が１倍のアフォーカル光学系として作用する。
　図５から明らかなように、この構成によれば、導光部５０１および接眼レンズ５０２の移動量Ｌ１よりも、接眼レンズが射出する光束の装着者の瞳孔での移動量Ｌ２は大きくなる。すなわち、僅かな機械的調整量で大きな眼幅調整効果を得ることができる。
　図６は、本発明の第２実施形態であり、画像光を射出する面６０１ａに、正の屈折力を持つ接眼レンズ６０２を有する接眼光学部６０３を具える頭部装着型画像表示装置６００を示したものである。導光部６０１は、偶数個(図６では２個)の反射面を有し、導光部６０１の一の面６０１ａに入射した画像光は、導光部６０１の一の面６０１ａと同じ面６０１ａから射出される。図中、実線および鎖線はそれぞれ移動前および移動後の構成および光路を表し、導光部６０１および接眼レンズ６０２を含む接眼光学部６０３を、固定された表示素子６０４に対して略平行に移動させている。
　図６から明らかなように、この光学系は、倍率が－１倍のアフォーカル光学系として作用する。この場合、上述した例とは異なり、移動した接眼光学部と同様に虚像Ｘ’も同一平面内でその位置を変化させていることに留意が必要である。それ故に、図６に示すように、接眼レンズ６０２が射出する光束の装着者の瞳孔での移動量Ｌ２は、導光部６０１および接眼レンズ６０２の移動量Ｌ１よりも小さい。
　図７は、図１に示した、本体部１１１と接眼光学部１１２とを連結する取付部１１３の構造を示す模式図であり、図７(ａ)は、図１において装着者と対面する側から見た正面図で、それぞれ移動前後の機構を示し、図７(ｂ)は、図１において装着者の頭部側から見た上面図であり、それぞれ移動前後の機構を示している。移動機構は、例えば取り付け部１１３に凹状のスライドガイド１１５を設け、そこへ、導光部１１２の光学面として作用しない面に設けられた凸状のスライドガイド１１６を係合させて移動させる構成とすることができる。このとき、表示素子１１４は移動しない。
　図７に示す取付部１１３では、画像光の光軸と導光部１１２の入射面とが直交する場合を示したが、通常眼鏡レンズは湾曲しているため、移動により接眼光学部１１２と眼鏡レンズとが緩衝してしまうおそれがある。ところが、表示素子１１４はバックライト等の配置スペースや本体内への組み付けを考慮すると、略正面を向いているほうが好ましいため、表示素子１１４から接眼光学部１１２に入射する光軸を法線とする面に対して、傾いた方向に移動させることで、眼鏡レンズとの緩衝を避けて移動が可能である。そこで、図８に示す第３実施形態のように、接眼光学部１１２の本体部１１１からの角度を９０度を超える角度とすることで、眼鏡レンズへの緩衝を効果的に防止することができる。このとき、導光部と本体部との間には、角度を調節するためのプリズムを配設するのが好ましい。
　図９は、本発明の第４実施形態であり、正の屈折力を持つ自由曲面プリズムからなる導光部９０１を具える頭部装着型画像表示装置９００を示したものである。導光部９０１は、奇数個(図９では５個)の反射面を有し、導光部９０１の一の面９０１ａに入射した画像光が、一の面９０１ａと同じ側の面９０１ｂから射出される場合の頭部装着型画像表示装置９００を示したものである。図中、実線および鎖線はそれぞれ移動前および移動後の構成および光路を表し、導光部９０１（接眼光学部９０３）を、固定された表示素子９０４に対して移動させている。
　この構成においても、図９から明らかなように、図５に示した例と同様、導光部９０１の移動量Ｌ１よりも、導光部９０１が射出する光束の装着者の瞳孔での移動量Ｌ２は大きくなる。すなわち、僅かな機械的調整量で大きな眼幅調整効果を得ることができる。
　図１０は、本発明に従う第５実施形態であり、頭部装着型画像表示装置１０１０を眼鏡１０２０に装着した状態を示す模式的平面図である。頭部装着型画像表示装置１０１０は、主として本体部１０１１、接眼光学部１０１２および取付部１０１３を具え、取付部１０１３は、図７に示したような移動機構を有する。本体部１０１１の内部には、表示素子１０１４およびこの表示素子１０１４にフレキシブルケーブルを介して接続される表示素子ドライブ回路１０１５、この表示素子ドライブ回路１０１５にケーブルを介して接続される映像信号発生器１０１６を有する。接眼光学部１０１２を構成するプリズムからなる導光部１０１７は、奇数個の反射面を有し、導光部１０１７の一の面１０１７ａに入射した画像光は、一の面１０１７ａから射出される。この実施形態において、表示素子１０１４から射出した画像光は、直角プリズム１０１８を介して導光部１０１７に入射し、導光される。これら表示素子１０１４および直角プリズム１０１８は本体１０１１内に固定される。
　図１１は、本発明に従う第６実施形態であり、頭部装着型画像表示装置１１１０を眼鏡１１２０に装着した状態を示す模式的平面図である。頭部装着型画像表示装置１１１０は、主として本体部１１１１、接眼光学部１１１２および取付部１１１３を具え、取付部１１１３は、図７に示したような移動機構を有する。本体部１１１１の内部には、反射型ＬＣＤからなる表示素子１１１４およびこの表示素子１１１４にフレキシブルケーブル(図示せず)を介して接続される表示素子ドライブ回路および光源駆動回路１１１５、これら表示素子ドライブ回路および光源駆動回路１１１５にケーブルを介して接続される映像信号発生器１１１６、表示素子１１１４の照明光源としてのＬＥＤ１１１９ａ、ＬＥＤ１１１９ａからの照明光をコリメートするボールレンズ１１１９ｂを有する。接眼光学部１１１２を構成するプリズムからなる導光部１１１７は、偶数個の反射面を有し、導光部１１１７の一の面１１１７ａに入射した画像光は、他の面１１１７ｃから射出される。この実施形態において、表示素子１１１４から射出した画像光は、偏光ビームスプリッタ１１１９ｃを介して導光される。なお、参照符号１１１９ｄで示されるのは、照明光の偏光ビームスプリッタ反射光を吸収し、フレアを軽減するための光トラップである。この場合も、接眼光学部１１１２以外の構成部品は本体１１１１内に固定される。
　本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、図１等には右目用の装置を示したが、左目用や両目用の構成とすることもできる。また、画像を背景が透けて見えるシースルー画像として観察させるため、図１２に示すように、先端部の幅Ｗが人間の通常環境における瞳孔径である４ｍｍよりも細い接眼光学部となるよう構成することもできる。さらに、本発明の移動機構についても、上述した実施形態に限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。
　１１０　頭部装着型画像表示装置
　１１１　本体部
　１１２　接眼光学部
　１１３　接続部
　１２０　眼鏡
　１３０　眼球

Claims (7)

  1. 　画像光を射出する本体部と、
    　多面体の導光部を有する接眼光学部であって、前記本体部から射出された前記画像光を前記導光部の一の面に入射させ、該導光部の一の面に入射された画像光を、前記一の面と同じ側の面または該一の面と同じ側の面とは異なる他の面から射出する接眼光学部と、
    前記本体部と前記接眼光学部とを連結する取付部と
    を具え、
    　前記取付部は、前記接眼光学部を前記本体部に対して移動させることによって、前記接眼光学部の射出瞳の位置を調整することができる移動機構を有することを特徴とする頭部装着型画像表示装置。
  2. 　前記接眼光学部は、前記導光部の画像光を射出する面に、正の屈折力を持つ接眼レンズを有する請求項１に記載の頭部装着型画像表示装置。
  3. 　前記導光部が正の屈折力を持つ請求項１または２に記載の頭部装着型画像表示装置。
  4. 　前記導光部が奇数個の反射面を有し、前記導光部の一の面に入射した画像光は、該一の面と同じ側の面から射出される請求項１、２または３に記載の頭部装着型画像表示装置。
  5. 　前記導光部が偶数個の反射面を有し、前記導光部の一の面に入射した入射光は、前記導光部の他の面から射出される請求項１、２または３に記載の頭部装着型画像表示装置。
  6. 　前記導光部が正の屈折力を持つプリズムである請求項４に記載の頭部装着型画像表示装置。
  7. 　前記接眼光学部の、当該装置を装着する装着者の視軸方向への投影断面の幅が、前記装着者の眼球の瞳孔よりも小さい請求項１～６のいずれか一項に記載の頭部装着型画像表示装置。
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