WO2012105500A1 - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

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WO2012105500A1
WO2012105500A1 PCT/JP2012/051995 JP2012051995W WO2012105500A1 WO 2012105500 A1 WO2012105500 A1 WO 2012105500A1 JP 2012051995 W JP2012051995 W JP 2012051995W WO 2012105500 A1 WO2012105500 A1 WO 2012105500A1
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WO
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beam splitter
image
image display
mirror
display unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/051995
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English (en)
French (fr)
Inventor
雄介 福田
範巳 安江
Original Assignee
ブラザー工業株式会社
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Publication date
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
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    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B2027/0178—Eyeglass type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements

Definitions

  • the present invention relates to a head-mounted display, and more particularly, to a see-through type head-mounted display that is capable of visually recognizing an external image by transmitting external light and that includes an imaging unit that captures the external image.
  • HMD head-mounted display
  • Some of the HMDs include an imaging unit that captures an external image. For example, when a plurality of half mirrors are used, the loss of external light leading to the imaging unit increases.
  • a configuration using a polarization beam splitter that transmits polarized light in the first specific direction and reflects polarized light in the second specific direction is conceivable.
  • FIG. 7 it has the configuration shown in FIG. 7, and an image display unit 200 that is mounted on the head of the observer M via the support frame 100 and the image light Lb that is provided in the image display unit 200 and represents an electronic image.
  • the image display apparatus 300 to project is provided. Further, the image light Lb emitted from the image display device 300 is reflected and incident on the eyes E of the observer M, while the first light in the first specific direction (for example, P-polarized light) La1 is transmitted through the external light La.
  • the first specific direction for example, P-polarized light
  • a polarizing beam splitter 400 that enters the eye E of the observer M and reflects polarized light (for example, S-polarized light) La2 in a second specific direction, and on the opposite side of the image display device 300 across the polarizing beam splitter 400 And an imaging device 500 that images the polarized light La2 in the second specific direction of the external light La reflected by the polarization beam splitter 400.
  • a liquid crystal display device is used as the image display device 300, and the image light Lb emitted from the liquid crystal display device is polarized light reflected by the polarization beam splitter 400.
  • a CCD image sensor Charge Coupled Device Image Sensor
  • the imaging device 500 is located on the opposite side of the image display unit 200, the HMD is increased in size and the imaging device 500 is likely to obstruct the field of view.
  • an HMD in which a camera as an imaging means is provided on the image display unit side is also known (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 an image display unit and a camera are disposed in an image display unit attached to a holding unit, and part of external light is transmitted in front of an observer's eye so that external light is transmitted.
  • An HMD provided with an optical element such as a polarizing beam splitter and a quarter-wave plate that changes a part of the optical path is disclosed.
  • the above-described HMD disclosed in Patent Document 1 includes an image display device, a polarizing beam splitter, a quarter-wave plate, and an imaging device arranged on the optical axis in the vertical direction.
  • Helmet type is also assumed as the holding part to hold, and it is not compatible with glasses type that is superior in terms of design and wearability on a daily basis, especially when wearing when going out etc. It was.
  • the present invention provides a head-mounted display that includes an imaging device, combines a display angle of view and an imaging angle of view, minimizes light loss at the time of imaging and display, and is configured with a spectacle type that has good design and wearability. It is intended to provide.
  • a head mounted display includes an image display unit that is mounted on the observer's head via a support frame, and an image that is provided in the image display unit and emits image light.
  • the display unit and the image light emitted from the image display unit are reflected and incident on the observer's eye, while the outside light transmits the polarized light in the first specific direction and is incident on the observer's eye.
  • a first polarization beam splitter that reflects the polarized light in the second specific direction, and a mirror that reflects the polarized light in the second specific direction of the external light reflected by the first polarized beam splitter;
  • a 1 ⁇ 4 wavelength plate that is arranged in parallel on the same optical axis as this mirror and causes a 1 ⁇ 4 wavelength phase difference in the passing polarized light, and is provided in the image display unit and emitted from the image display unit.
  • the A second polarizing beam splitter that reflects the image light toward the first polarizing beam splitter and transmits the polarized light in the first specific direction of the external light incident from the quarter-wave plate;
  • An imaging device provided in the image display unit for imaging polarized light in the first specific direction of the external light transmitted through the second polarization beam splitter, and the support frame is a face of the observer
  • the front portion is arranged in front of the left and right ends of the front portion, and is connected to the left and right ends of the front portion.
  • the polarization beam splitter, the mirror, the quarter-wave plate, the second polarization beam splitter, and the image sensor are arranged substantially horizontally along the frame that forms the front portion of the support frame. With respectively disposed on the same optical axis direction, for the mirror and the quarter-wave plate is disposed near the central portion of the front portion of the support frame.
  • the position of the mirror may be arranged at a conjugate position with the exit pupil of the optical system provided on the lower side of the image display unit.
  • the conjugate position that is the position of the mirror may be configured to be a center position of the front portion.
  • the conjugate position includes an eye width line connecting both eyes of the observer, and an eye width line from an end of the first polarization beam splitter as viewed from the observer. And a convergence point located between a line extending substantially parallel to the line, and the mirror and the quarter-wave plate may be disposed at the conjugate position.
  • the optical axis of the image light may be inclined toward the face side so that the direction of the image light emitted from the image display unit gradually approaches the face.
  • the image display unit may be provided on both the left and right sides of the support frame, and may include a mirror and a quarter wavelength plate corresponding to each image display unit.
  • the left and right image display units may be arranged symmetrically so that stereoscopic imaging can be performed.
  • a reflection mirror corresponding to the image display unit and a quarter wavelength plate may be integrated.
  • the first polarizing beam splitter, the mirror, the quarter-wave plate, the second polarizing beam splitter, and the image sensor are arranged on the same optical axis in the substantially horizontal direction along the frame constituting the front portion of the support frame. Since these optical system components and the image display unit are arranged in the left-right direction, they are arranged in the left-right direction. Therefore, for example, it is easy to attach to a spectacle-type support frame, so that it is easy to wear, easy to use, can be improved in design, and can provide an HMD that can suppress light loss as much as possible during imaging. can do. Furthermore, if it is a left-right symmetric structure, it can be set as the structure of the binocular imaging type suitable for taking a stereo image more easily.
  • HMD head-mounted display
  • the HMD displays an electronic image and a liquid crystal display device 10 as an image display unit that emits image light Lb for visually recognizing the electronic image in a rectangular box-shaped casing 17.
  • a built-in image display unit 1 is provided.
  • the HMD also includes a control unit 2 that transmits a control signal to the liquid crystal display device 10 and also has a control unit 2 that controls driving of the entire HMD and an operation unit that sends commands to the control unit.
  • the display unit 1 is connected via a transmission cable 3.
  • the operation unit can perform operations including at least on / off of the HMD and an imaging operation by a CCD image sensor (Charge Coupled Device Image Sensor, hereinafter referred to as “CCD”) 18 described later.
  • CCD image sensor Charge Coupled Device Image Sensor
  • the control unit 2 is constituted by a box-shaped casing that can be carried in a pocket of the clothes of the observer M1 or attached to the waist or the like. Then, an image signal corresponding to the content data stored in the built-in content storage unit is transmitted to the liquid crystal display device 10 of the image display unit 1 via the transmission cable 3 by performing an activation operation via an operation unit (not shown). can do.
  • control unit 2 can be provided with an external input / output terminal, for example, to input / output content data to / from an external personal computer or the like.
  • content data includes at least one of data for displaying characters, data for displaying still images, and data for displaying moving images. Document files, image files, video files, etc. used on personal computers.
  • the image display unit 1 is attached to an eyeglass-type frame 6 as a support frame via an attachment 7.
  • the eyeglass-type frame 6 that is a support frame is connected to the front part 15 composed of a front frame 151 arranged in front of the face of the observer M, and both right and left ends of the front part 15, and Temple portions 16 and 16 are provided to be engaged with the temples.
  • the image display unit 1 can be easily placed on either the left side or the right side of the observer M by wearing the head of the observer M in the same manner as general glasses. Can do.
  • the HMD reflects the image light Lb emitted from the liquid crystal display device 10 to be incident on the eyes of the observer M, while transmitting the polarized light in the first specific direction in the external light La and transmitting the observer M's eyes.
  • a first polarization beam splitter 11 is provided that is incident on the eye E and reflects polarized light in a second specific direction different from the first specific direction. That is, the HMD according to the present embodiment causes the external light La transmitted through the first polarizing beam splitter 11 and the image light Lb reflected by the first polarizing beam splitter 11 to enter the eye E of the observer M, This is a see-through type that allows an observer M to visually recognize a display image by image light Lb on an outside scene by external light La.
  • the polarized light in the first specific direction passing through the first polarizing beam splitter 11 is set as P-polarized light La1, and the second polarized light reflected by the first polarizing beam splitter 11 is used.
  • the polarized light in a specific direction is S-polarized light La2.
  • the image light Lb emitted from the liquid crystal display device 10 is S-polarized light here and is reflected by the second polarizing beam splitter 12.
  • the HMD reflects the S-polarized light La2 that is the polarized light in the second specific direction of the external light La reflected by the first polarizing beam splitter 11, and the same optical axis as the reflective mirror 13.
  • a 1 ⁇ 4 wavelength plate 14 is provided which is arranged in close proximity to the first polarizing beam splitter 11 side and generates a phase difference corresponding to 1 ⁇ 4 wavelength in the polarized light passing therethrough. Therefore, the S-polarized light La2 reflected by the reflecting mirror 13 in the external light La passes through the quarter-wave plate 14 twice, resulting in a phase difference of 1 ⁇ 2 wavelength, which is converted into P-polarized light La1.
  • the image light Lb emitted from the liquid crystal display device 10 is reflected to the first polarizing beam splitter 11 side, and the external light La that has passed through the quarter-wave plate 14 is reflected.
  • a second polarization beam splitter 12 that transmits polarized light in the first specific direction (P-polarized light La1) is disposed.
  • An optical unit that is an optical system including a lens group and optical elements (not shown) is disposed on the lower side of the second polarizing beam splitter 12.
  • the casing 17 is provided with a CCD 18 that is an image pickup device for picking up an image of the P-polarized light La1 of the external light La that has passed through the second polarizing beam splitter 12.
  • the image light Lb emitted from the liquid crystal display device 10 and causing the viewer M to visually recognize the content as a display image is reflected by the second polarization beam splitter 12 in the casing 17 and orthogonal to the direction in which the face faces.
  • Direction that is, in a substantially horizontal direction along the front frame 151 constituting the front portion 15 of the spectacle-shaped frame 6 and reflected by the first polarizing beam splitter 11 provided in the vicinity of the center portion of the front frame 151 to be an observer It can enter the M eye E and recognize the display image.
  • the first polarizing beam splitter 11 is provided with the half mirror 9 so as to face the eye E of the observer M, the P-polarized light La1 is polarized in the first specific direction of the external light La. Are transmitted through the polarizing beam splitter 11 and enter the eye E of the observer M. Therefore, the observer M can visually recognize the display image by the image light Lb superimposed on the outside scene by the external light La.
  • the feature of the present embodiment is that the first polarizing beam splitter 11, the reflecting mirror 13, the quarter wavelength plate 14, the second polarizing beam splitter 12, and the CCD 18 are connected to the spectacle frame 6.
  • the spectacle frame 6 Are disposed on the same optical axis in the substantially horizontal direction along the front frame 151 that constitutes the front portion 15 of the front portion 15, and the reflection mirror 13 and the quarter wavelength plate 14 are arranged on the front portion 15 of the spectacle-type frame 6. It exists in the central part vicinity.
  • the S-polarized light La2 of the external light La reflected by the first polarizing beam splitter 11 is reflected by the reflecting mirror 13, and the P-polarized light La1 converted through the quarter-wave plate 14 is directly used as the first polarized light.
  • the beam splitter 11 While passing through the beam splitter 11, it enters the casing 17 of the image display unit 1, passes through the second polarizing beam splitter 12, and reaches the CCD 18.
  • the HMD it is possible to capture an external image having the same viewing angle as the outside scene image visually recognized by the observer M.
  • the position of the reflection mirror 13 is arranged at a conjugate position with an exit pupil of an optical unit (not shown) as an optical system provided on the lower side of the liquid crystal display device 10.
  • the pupil near the eye E (especially the pupil) of the observer M that can be formed on the side where the image light Lb is reflected by the first polarization beam splitter 11, and the image light Lb that is conjugate with the pupil,
  • the reflection mirror 13 is arranged on a virtual pupil that should be formed on the transmission side.
  • the exit pupil of the transmitted external light La1 is near the pupil of the eye E of the observer M, and the exit pupil on the side of the reflected external light La2 This is because the exit pupil on the side of the external light La2 is substantially coincident with the virtual pupil.
  • the optical unit can be shared. Optical design is easy and there are advantages in terms of cost.
  • the conjugate position with the exit pupil of the optical unit which is the position of the reflection mirror 13 is configured to be the center position of the front portion 15. That is, when the reflecting mirror 13 and the quarter wavelength plate 14 are arranged in the vicinity of the center portion of the front portion 15 as in the present embodiment, the vicinity of the center portion of the front portion 15 and the exit pupil of the optical unit are By setting the conjugate position, it is difficult for the observer M to visually recognize the reflection mirror 13 and the quarter-wave plate 14.
  • an eye width line that is a line connecting the left and right eyes E, E of the observer M, and an end portion on the far side as viewed from the observer M in the first polarization beam splitter 11. It is preferable to set within a predetermined region defined by a convergence point located between the eye width line and a line extending substantially in parallel. Then, the reflection mirror 13 and the quarter wavelength plate 14 are disposed at the pupil conjugate position.
  • the convergence point is a position where the lines of sight of the left and right eyes E and E converge on the object to be viewed, and simply speaking, it indicates a point where the lines of sight of the left and right eyes E and E intersect.
  • the apex angle when the convergence point is the apex is called the convergence angle, and in plan view, as shown in FIG. 2A, the eye width line d that is the distance between the left and right eyes E, E And the angle of the apex of the isosceles triangle whose height is the distance f1 to the visual target.
  • the reflection surface of the reflection mirror 13 and the quarter of the reflection area 13 are defined within a predetermined area S defined by the angle ⁇ close to the left eye E out of the angle ⁇ that forms 1 ⁇ 2 of the convergence angle.
  • the wave plate 14 is positioned.
  • the convergence point does not necessarily exist at the position of the front view, and as shown in FIG. 2B, it exists even when the object to be viewed is not the front but shifted to the left or right. Therefore, the predetermined region S is not necessarily an isosceles triangle in a plan view, and as shown in the drawing, the eye width line d, which is the distance between the left and right eyes E, E, is the base, and the distance from the left eye E to the object to be viewed In some cases, the triangle is a substantially right triangle having a height of f2. In this case, as described above, the arrangement position of the visibility inhibiting member 5 is limited within the range defined by the angle ⁇ close to the left eye E out of the angle ⁇ that forms a half of the convergence angle. Not.
  • the reflecting mirror 13 and the quarter-wave plate 14 are more visually recognized from the observer M by disposing the reflecting mirror 13 and the quarter-wave plate 14 in the above-described predetermined region S and at a conjugate position with the exit pupil of the optical unit (not shown).
  • the possibility of obstructing the field of view of the observer M can be suppressed as much as possible. Accordingly, the state in which the visual field is obstructed, that is, the state in which the visibility of the external image is impaired is not forced, so that it can be used comfortably without impairing the feeling of use of the HMD.
  • the casing 17 of the image display unit 1 is formed in a substantially L shape, and the holding member 50 is extended along the front frame 151 from the front end portion of the front end surface thereof. And this casing 17 is attached so that the connection part of the left end part of the front frame 151 of the spectacles type frame 6 and the temple part 16 may be straddled.
  • the liquid crystal display device 10 is arranged so that the image light Lb is emitted in the direct viewing direction of the observer M, that is, in the same direction as the face direction. Then, the second polarizing beam splitter 12 is disposed in a predetermined arrangement posture at the lower position on the lower side of the liquid crystal display device 10, and the image light Lb that is S-polarized light is substantially horizontal along the front frame 151, that is, the face.
  • the P-polarized light La1 of the external light La that has entered from the same direction is allowed to pass through.
  • the CCD 18 is located inside the casing 17 on the left front side of the liquid crystal display device 10 and is arranged so that the P-polarized light La1 of the external light La passing through the second polarizing beam splitter 12 can enter. Yes.
  • the first polarizing beam splitter 11, the quarter-wave plate 14, and the reflection mirror 13 are attached to the holding member 50 extending from the casing 17 along the front frame 151 in order from the casing 17 side. Installed at intervals. What is indicated by reference numeral 55 indicates a mirror holding portion 55 formed at the tip of the holding member 50.
  • the first polarizing beam splitter 11 can be disposed immediately before facing the left eye E, and in front of the nose of the observer M, in other words, near the central portion of the front portion 15, A quarter-wave plate 14 can be arranged.
  • the positions of the reflection mirror 13 and the quarter-wave plate 14 are set so as to be inside the convergence angle and conjugate with the exit pupil of the optical unit (not shown).
  • the quarter wavelength plate 14 is attached to the surface which forms the 1st polarizing beam splitter 11 side of the reflective mirror 13, and it is made into both integral type, the reflective mirror 13 and the quarter wavelength plate 14 are used. Can also be arranged with a gap between them.
  • the first polarizing beam splitter 11, the reflecting mirror 13, the quarter wavelength plate 14, the second polarizing beam splitter 12, and the CCD 18 are connected to the glasses. Since they are arranged on the same optical axis in the substantially horizontal direction along the front frame 151 that constitutes the front portion 15 of the mold frame 6, they are picked up as external images having the same viewing angle as the outside scene image that the observer M is viewing. It becomes possible.
  • the HMD shown in FIG. 4 has a configuration in which the optical axis of the image light Lb is inclined to the face side so that the direction of the image light Lb emitted from the image display unit 1 gradually approaches the face.
  • the orientation of the second polarization beam splitter 12 built in the image display unit 1 is changed, and the orientation of the image light Lb reflected by the second polarization beam splitter 12 gradually becomes the observer M.
  • the holding member 52 is also inclined toward the face side at a predetermined angle from the middle.
  • the CCD 18 is also aligned with the second polarizing beam splitter 12 so that the P-polarized light La1 of the external light La that enters the casing 17 of the image display unit 1 and passes through the second polarizing beam splitter 12 can be received from the front. And tilted.
  • the tip of the holding member 52 gradually approaches the face, it is not necessary to make the reflecting mirror 13 and the quarter wavelength plate 14 attached to the tip project in front of the face.
  • the areas of the reflection mirror 13 and the quarter-wave plate 14 can be further reduced.
  • the reflecting mirror 13 and the quarter-wave plate 14 are also inclined, and this inclination is substantially the same as the angle ⁇ that forms a half of the convergence angle described above. For this reason, the length of the reflection mirror 13 and the quarter-wave plate 14 in the forward direction can be shortened as much as possible to make the system compact.
  • the holding member 52 is inclined halfway. However, the holding member 52 may be inclined from the base end portion connected to the casing 17 of the image display unit 1.
  • the image display unit 1 basically having the same structure as the image display unit 1 described in FIG. 1 is provided on the left and right sides of the eyeglass-type frame 6, and the reflection mirrors corresponding to the image display units 1 are provided. 13 and a quarter wavelength plate 14 are provided.
  • the observer M is an HMD for both eyes that can visually recognize the display image and the outside scene with both eyes E and E.
  • reference numeral 4 denotes a signal line that electrically connects the left and right image display units 1, 1, and is wired along the front frame 151 of the eyeglass-type frame 6 here.
  • the image display unit 1 is arranged so as to be bilaterally symmetric, and the reflection mirror 13 and the quarter wavelength plate 14 arranged at the center position of the front portion 15 of the spectacles type frame 6 include one An integral structure in which quarter-wave plates 14 are attached to the left and right side surfaces of the reflection mirror 13 is used.
  • the left and right image display units 1 one of the image display units 1 is incorporated with a mechanism for horizontally inverting the display image.
  • the positions of the reflection mirror 13 and the quarter-wave plate 14 are conjugate to the exit pupil of an optical unit (not shown) as an optical system provided on the lower side of the liquid crystal display device 10. And the conjugate position with the exit pupil of the optical unit can be the central position of the front portion 15.
  • the reflection mirror 13 and the quarter-wave plate 14 can be positioned inside the convergence angle ⁇ . That is, an isosceles triangle defined by an angle of an approximately isosceles triangle (convergence angle ⁇ ) having a distance d between the left and right eyes E of the observer M as a base and a distance to a visual target as a height.
  • the reflection mirror 13 and the quarter-wave plate 14 are located in the area represented by Even in this case, as described in the first embodiment, the arrangement positions of the reflection mirror 13 and the quarter-wave plate 14 are conjugate positions with respect to the exit pupil of the optical unit, and are defined as conjugate positions.
  • FIG. 6 shows a specific mounting structure of the first polarizing beam splitter 11, the reflection mirror 13, and the quarter wavelength plate 14 of the HMD according to the second embodiment.
  • the front end portions of the front end surfaces of the casings 17 of the display units 1 and 1 are connected by a holding member 51 that extends along the front frame 151.
  • a mirror holding portion 55 is formed at the center position of the holding member 51, and the reflection mirror 13 and the quarter wavelength plate 14 are attached to the mirror holding portion 55.
  • the first polarizing beam splitter 11, the reflection mirror 13, the quarter wavelength plate 14, and the left and right image display units 1 are accommodated.
  • the second polarization beam splitter 12 and the CCD 18 thus arranged are respectively disposed on the same optical axis in the substantially horizontal direction along the front frame 151 constituting the front portion 15 of the spectacles type frame 6. Therefore, the left CCD 18 can be imaged as an external image having the same viewing angle as the outside scene image visually recognized by the left eye E of the observer M and the right CCD 18 is visually recognized by the right eye E of the observer M. .
  • the respective image data captured by the left and right CCDs 18 and 18 are image data having the same parallax while being the same as the viewing angle of the observer M. Therefore, by using such image data, stereoscopic imaging by binocular imaging for capturing a so-called 3D stereoscopic image can be easily performed. In particular, in recent years, stereoscopic images have attracted attention. However, if the HMD according to the present embodiment is used, it is possible to easily obtain a stereoscopic image at a viewpoint very close to the line of sight of the observer M.
  • the present invention has been described through the embodiments.
  • the present invention is not limited to the embodiments, and the configurations of the embodiments are appropriately combined unless departing from the gist of the claims.
  • the shape of each component, the layout of the apparatus, and the like can be changed as appropriate.
  • the configuration of the holding members 50, 51, and 52 is not limited to each embodiment, and can be appropriately designed.
  • the holding members 50, 51, 52 are configured such that their base ends are connected to the tip of the casing 17 of the image display unit 1, but are attached near the center of the front frame 151, for example. You can also
  • image display unit 1 has been described as being configured to be attached to the front portion 15 of the spectacle-shaped frame 6, the image display unit 1 can also be attached to the temple portion 16.
  • the liquid crystal display device 10 is provided in the image display unit 1 as an HMD image display device.
  • the liquid crystal display device 10 is not necessarily required.
  • An EL (Organic-Electro-Luminescence) display device can also be used. In that case, since the emitted light of the image display device does not have a polarization characteristic in a specific direction as in the case of the liquid crystal display device 10, means for providing a polarization characteristic corresponding to the polarization beam splitter is required.
  • the polarized light passing through the polarizing beam splitters 11 and 12 is P-polarized light
  • the polarized light reflected by the polarizing beam splitters 11 and 12 is S-polarized light
  • the image light Lb emitted from the liquid crystal display device 10 is used.
  • the S-polarized light is used, it may be reversed. In this case, the light separation characteristics of the polarization beam splitters 11 and 12 may be reversed.
  • the distance d between the left and right eyes E and E of the human being who is the observer M (see FIG. 5). )
  • the front lengths of the reflection mirror 13 and the quarter-wave plate 14 can be set as appropriate. Since it is known that the average value of the distance d between the left and right eyes E, E is 60 to 70 mm, the forward length of the reflecting mirror 13 and the quarter-wave plate 14 should be about 20 mm or less. 0 ° ⁇ ⁇ 120 °. That is, the reflecting mirror 13 and the quarter-wave plate may be disposed at the pupil conjugate position set inside the convergence angle ⁇ under the condition of 0 ° ⁇ ⁇ 120 °.
  • the arrangement positions of the reflection mirror 13 and the quarter-wave plate 14 by setting ⁇ as large as possible.
  • the point of supporting the reflecting mirror 13 in the holding members 50 and 52 is considered as a convergence point where the eyes M of the observer M and the line of sight intersect with each other. If the reflecting mirror 13 and the quarter-wave plate 14 are disposed in the area formed by the convergence point, that is, inside the convergence angle ⁇ , it is possible to reduce the obstruction of the visual field.
  • the reflecting mirror 13 and the quarter-wave plate 14 are arranged as close as possible to the middle position between the eyes E and E of the observer M, the field of view is less likely to be disturbed. Further, the reflection mirror 13 and the quarter wavelength plate 14 are arranged at a pupil position where the image light Lb converges most (a pupil position conjugate with an exit pupil (almost pupil position) on the eye E side of the observer M). It is desirable to make it as small as possible.

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Abstract

　眼鏡型の支持フレームに対して取り付け性が良く、視界妨げを軽減できるとともに、光量ロスが軽減でき、さらに立体視を考えた両眼撮像を行う構成に適したヘッドマウントディスプレイを提供する。画像表示ユニットと、画像光を出射する画像表示部と、第１の偏光ビームスプリッタと、ミラーと、１／４波長板と、第２の偏光ビームスプリッタと、撮像素子とを備えたヘッドマウントディスプレイであって、前記支持フレームは、観察者の顔前に配置されるフロント部と観察者の耳に掛止するためのテンプル部とを具備する眼鏡型に構成されており、前記第１の偏光ビームスプリッタ、前記ミラー、前記１／４波長板、前記第２の偏光ビームスプリッタ、及び前記撮像素子を、前記支持フレームのフロント部を構成するフレームに沿った略水平方向の同一光軸上にそれぞれ配設し、前記ミラー及び１／４波長板については、前記支持フレームの前記フロント部の中央部近傍に配置した。

Description

ヘッドマウントディスプレイ
　本発明は、ヘッドマウントディスプレイに関し、特に、外光を透過して外界像を視認可能であり、かつ外界像を撮像する撮像手段を具備するシースルー型のヘッドマウントディスプレイに関するものである。
　従来、観察者の頭部に装着する支持部に、電子映像を観察者の眼に投影する画像表示部を内蔵した小型の画像表示ユニットを取付けたヘッドマウントディスプレイ（Head Mounted Display：HMD）が知られている。
　かかるＨＭＤの中には、外界像を撮像する撮像手段を備えたものがあるが、例えば、複数のハーフミラーを用いたりすると、撮像手段に至るまでの外光のロスが大きくなるため、例えば、第１の特定方向の偏光を透過する一方、第２の特定方向の偏光を反射する偏光ビームスプリッタを用いた構成が考えられる。
　すなわち、図７に示す構成であり、観察者Ｍの頭部に支持フレーム１００を介して装着される画像表示ユニット２００と、この画像表示ユニット２００内に設けられ、電子映像を表す画像光Ｌｂを投射する画像表示装置３００とを備えている。また、画像表示装置３００から出射された画像光Ｌｂを反射して観察者Ｍの眼Ｅに入射させる一方、外光Ｌａのうち第１の特定方向の偏光（例えばＰ偏光）Ｌａ１を透過して観察者Ｍの眼Ｅに入射させるとともに、第２の特定方向の偏光（例えばＳ偏光）Ｌａ２を反射させる偏光ビームスプリッタ４００と、この偏光ビームスプリッタ４００を挟んで画像表示装置３００とは反対側に配置され、偏光ビームスプリッタ４００を反射した外光Ｌａの第２の特定方向の偏光Ｌａ２を撮像する撮像装置５００とを備えている。なお、画像表示装置３００としては液晶表示装置が用いられ、この液晶表示装置から出射された画像光Ｌｂは偏光ビームスプリッタ４００により反射する偏光である。また、撮像装置５００としてはＣＣＤイメージセンサ（Charge Coupled Device Image Sensor）が一般的に用いられる。
　しかし、かかる構成では、撮像装置５００が画像表示ユニット２００とは反対側に位置することになるため、ＨＭＤが大型化するとともに、撮像装置５００が視界を邪魔するおそれが大である。
　他方、撮像手段であるカメラを画像表示ユニット側に設けたＨＭＤも知られている（例えば、特許文献１を参照。）。かかる特許文献１には、保持部に装着される画像表示ユニット内に、画像表示部とカメラを配設するとともに、観察者の眼の前方に、外光の一部を透過し、外光の一部の光路を変更する偏光ビームスプリッタ及び１／４波長板などの光学素子を設けたＨＭＤが開示されている。
　かかる構成により、光学素子により光路を変更された外光の一部がカメラに導かれ、画像表示ユニットに内蔵されたカメラによって外界像を撮像することができることになる。
特開２００７－１５６０９６号公報
　しかし、特許文献１に開示されている上述のＨＭＤは、画像表示装置、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板及び撮像装置が、垂直方向の光軸に配置されたものであり、画像表示ユニットを保持する保持部としても、ヘルメットタイプなどが想定されているものであり、日常的に、特に外出時などに装着する場合に、デザイン性、装着性の点で優る眼鏡型に対応したものではなかった。
　また、顔の中心部分に対する左右方向の位置に対称性を持たせにくいので、一方の眼用の装置を、他方の眼に装着し直したりするには、位置決めなどが容易でなく、適した構成ではなかった。
　本発明は、撮像装置を備え、表示画角と撮像画角を合わせ、撮像時、表示時とも光量ロスを最低限に抑え、デザイン性、装着性の良い眼鏡型にて構成したヘッドマウントディスプレイを提供することを目的としている。
　上記目的を達成するために、本発明のヘッドマウントディスプレイは、観察者の頭部に支持フレームを介して装着される画像表示ユニットと、この画像表示ユニット内に設けられ、画像光を出射する画像表示部と、この画像表示部から出射された前記画像光を反射して観察者の眼に入射させる一方、外光のうち第１の特定方向の偏光を透過して前記観察者の眼に入射させるとともに、第２の特定方向の偏光を反射させる第１の偏光ビームスプリッタと、この第１の偏光ビームスプリッタにより反射された前記外光の前記第２の特定方向の偏光を反射するミラーと、このミラーと同じ光軸上に並設され、通過する偏光に１／４波長分の位相差を生じさせる１／４波長板と、前記画像表示ユニット内に設けられ、前記画像表示部から出射された前記画像光を前記第１の偏光ビームスプリッタ側に反射させるとともに、前記１／４波長板から入射してきた前記外光の前記第１の特定方向の偏光を透過させる第２の偏光ビームスプリッタと、前記画像表示ユニット内に設けられ、前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記外光の前記第１の特定方向の偏光を撮像する撮像素子と、を備え、前記支持フレームは、観察者の顔前に配置されるフロント部と、このフロント部の左右両端部にそれぞれ連結され、前記観察者の耳に掛止するためのテンプル部とを具備する眼鏡型に構成されており、前記第１の偏光ビームスプリッタ、前記ミラー、前記１／４波長板、前記第２の偏光ビームスプリッタ、及び前記撮像素子を、前記支持フレームのフロント部を構成するフレームに沿った略水平方向の同一光軸上にそれぞれ配設するとともに、前記ミラー及び１／４波長板については、前記支持フレームの前記フロント部の中央部近傍に配置している。
　また、前記ヘッドマウントディスプレイにおいて、前記ミラーの位置が、前記画像表示部の下手側に設けられた光学系の射出瞳と共役位置に配置されていてもよい。
　また、前記ヘッドマウントディスプレイにおいて、前記前記ミラーの位置となる前記共役位置が前記フロント部の中央位置になるように構成されていてもよい。
　また、前記ヘッドマウントディスプレイにおいて、前記共役位置は、前記観察者の両眼を結ぶ眼幅線と、前記第１の偏光ビームスプリッタにおける前記観察者から観て遠方側の端部から前記眼幅線と略平行に延びる線上までの間に位置する輻輳点とによって規定される領域内に設定されており、この共役位置に前記ミラー及び１／４波長板が配設されていてもよい。
　また、前記ヘッドマウントディスプレイにおいて、前記画像表示ユニットから出射される画像光の向きが漸次顔面に近接するように、当該画像光の光軸が顔面側に傾けられていてもよい。
　また、前記ヘッドマウントディスプレイにおいて、前記画像表示ユニットが、前記支持フレームの左右両側に設けられ、各画像表示ユニットに対応するミラー及び１／４波長板を備えていてもよい。
　また、前記ヘッドマウントディスプレイにおいて、立体視撮像が行えるよう、前記左右の画像表示ユニットが左右対称に配置されていてもよい。
　また、前記ヘッドマウントディスプレイにおいて、前記画像表示ユニットに対応する反射ミラーと１/４波長板とが一体構造とされていてもよい。
　本発明によれば、第１の偏光ビームスプリッタ、ミラー、１／４波長板、第２の偏光ビームスプリッタ及び撮像素子を支持フレームのフロント部を構成するフレームに沿った略水平方向の同一光軸上にそれぞれ配設するため、これら光学系構成要素や画像表示ユニットが互いに左右方向に配置されることになる。したがって、例えば、眼鏡型の支持フレームに取り付け易くなるため、装着性、使い勝手が良く、デザイン性も向上させることができるとともに、撮像する際に光量ロスを可及的に抑えることができるＨＭＤを提供することができる。さらに、左右対称の構成とすれば、立体画像の撮像をより容易に行うのに適した両眼撮像タイプの構成とすることができる。
第１の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの平面視による概略説明図である。 同ヘッドマウントディスプレイにおける第１の偏光ビームスプリッタ、反射ミラー及び１／４波長板を配置する所定領域を示す説明図である。 同じく第１の偏光ビームスプリッタ、反射ミラー及び１／４波長板の取付構造を示す説明図である。 同じく第１の偏光ビームスプリッタ、反射ミラー及び１／４波長板の取付構造の変形例を示す説明図である。 第２の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの平面視による概略説明図である。 同ヘッドマウントディスプレイにおける第１の偏光ビームスプリッタ、反射ミラー及び１／４波長板の取付構造を示す説明図である。 従来のヘッドマウントディスプレイの概略説明図である。
　［第１の実施形態］
　以下、第１の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ（以下、「ＨＭＤ」とする場合がある）について、図面を参照しながら説明する。
　先ず、ＨＭＤの全体的な構成について説明する。図１に示すように、本実施形態に係るＨＭＤは、電子映像を表示し、この電子映像を視認させる画像光Ｌｂを出射する画像表示部としての液晶表示装置１０を矩形箱形のケーシング１７に内蔵した画像表示ユニット１を備えている。
　また、ＨＭＤは、液晶表示装置１０に制御信号を送信するとともに、ＨＭＤ全体の駆動制御を行う制御部及び制御部に指令を送る操作部備えるコントロールユニット２を備えており、このコントロールユニット２と画像表示ユニット１とを伝送ケーブル３を介して接続している。なお、操作部では、少なくともＨＭＤのオン・オフや後述するＣＣＤイメージセンサ（Charge Coupled Device Image Sensor、以後「ＣＣＤ」と略す）１８による撮像操作を含む操作が行えるようになっている。
　コントロールユニット２は、観察者Ｍ１の衣服のポケットなどに収納したり、腰などに取付けたりして携行することができる箱形ケーシングにより構成されている。そして、図示しない操作部を介して起動操作することにより、内蔵したコンテンツ記憶部に記憶されたコンテンツデータに対応する画像信号を、伝送ケーブル３を介して画像表示ユニット１の液晶表示装置１０に送信することができる。
　また、コントロールユニット２に、例えば、外部入出力端子を設け、外部のパーソナルコンピュータ等との間でコンテンツデータの入出力を行ったりすることもできる。なお、ここでコンテンツデータとは、文字を表示させるためのデータ、静止画像を表示させるためのデータ及び動画像を表示させるためのデータのうちの少なくとも１つのデータで構成されるものであり、例えば、パソコン等で使用される文書ファイルや画像ファイル、動画ファイルなどである。
　画像表示ユニット１は、支持フレームとしての眼鏡型フレーム６にアタッチメント７を介して取り付けられている。なお、支持フレームである眼鏡型フレーム６は、観察者Ｍの顔前に配置されるフロントフレーム１５１からなるフロント部１５と、このフロント部１５の左右両端部にそれぞれ連結され、観察者Ｍの耳に掛止するためのテンプル部１６，１６とを具備している。このように、画像表示ユニット１は、一般的な眼鏡と同様に観察者Ｍの頭部に装着することで、画像表示ユニット１を観察者Ｍの左側あるいは右側のいずれにも容易に配置することができる。
　また、ＨＭＤは、液晶表示装置１０から出射された画像光Ｌｂを反射して観察者Ｍの眼に入射させる一方、外光Ｌａのうち第１の特定方向の偏光を透過して観察者Ｍの眼Ｅに入射させるとともに、前記第１の特定方向とは異なる第２の特定方向の偏光を反射させる第１の偏光ビームスプリッタ１１を備えている。すなわち、本実施形態に係るＨＭＤは、第１の偏光ビームスプリッタ１１を透過した外光Ｌａと第１の偏光ビームスプリッタ１１で反射した画像光Ｌｂとを観察者Ｍの眼Ｅに入射させて、外光Ｌａによる外景に画像光Ｌｂによる表示画像を重ねて観察者Ｍに視認させることができるシースルータイプとなっている。
　ここで、本実施形態では、外光Ｌａのうち、第１の偏光ビームスプリッタ１１を通過する第１の特定方向の偏光をＰ偏光Ｌａ１とし、第１の偏光ビームスプリッタ１１で反射する第２の特定方向の偏光をＳ偏光Ｌａ２としている。さらに、液晶表示装置１０から出射される画像光Ｌｂについては、ここではＳ偏光としており、第２の偏光ビームスプリッタ１２により反射される。
　また、ＨＭＤは、第１の偏光ビームスプリッタ１１により反射された外光Ｌａの第２の特定方向の偏光であるＳ偏光Ｌａ２を反射する反射ミラー１３と、この反射ミラー１３と同じ光軸上であって、第１の偏光ビームスプリッタ１１側に近接して並設され、通過する偏光に１／４波長分の位相差を生じさせる１／４波長板１４を備えている。したがって、外光Ｌａのうち反射ミラー１３で反射されたＳ偏光Ｌａ２は１／４波長板１４を２度通過して１／２波長分の位相差が生じることになり、Ｐ偏光Ｌａ１に変換される。
　画像表示ユニット１のケーシング１７内には、液晶表示装置１０から出射された画像光Ｌｂを第１の偏光ビームスプリッタ１１側に反射させるとともに、１／４波長板１４を通過してきた外光Ｌａの第１の特定方向の偏光（Ｐ偏光Ｌａ１）を透過させる第２の偏光ビームスプリッタ１２が配設されている。そして、この第２の偏光ビームスプリッタ１２の下手側には、図示しないレンズ群や光学素子などを備える光学系である光学ユニットが配設されている。
　さらに、ケーシング１７内には、第２の偏光ビームスプリッタ１２を透過した外光ＬａのＰ偏光Ｌａ１を撮像する撮像素子であるＣＣＤ１８を備えている。
　かかる構成により、液晶表示装置１０から出射され、コンテンツを表示画像として観察者Ｍに視認させる画像光Ｌｂは、ケーシング１７内で第２の偏光ビームスプリッタ１２により反射されて顔面の向く方向と直交する方向、すなわち眼鏡型フレーム６のフロント部１５を構成するフロントフレーム１５１に沿った略水平方向に進み、フロントフレーム１５１の中央部近傍に設けられた第１の偏光ビームスプリッタ１１によって反射されて観察者Ｍの眼Ｅに入射し、表示画像を認識させることができる。
　また、第１の偏光ビームスプリッタ１１は観察者Ｍの眼Ｅと対向するようにハーフミラー９が設けられているため、外光Ｌａの第１の特定方向の偏光をＰ偏光Ｌａ１が当該第１の偏光ビームスプリッタ１１を透過して観察者Ｍの眼Ｅに入射されることになる。したがって、観察者Ｍは外光Ｌａによる外景に画像光Ｌｂによる表示画像を重ねて視認することができる。
　かかる構成のＨＭＤにおいて、本実施形態の特徴となるのは、第１の偏光ビームスプリッタ１１、反射ミラー１３、１／４波長板１４、第２の偏光ビームスプリッタ１２及びＣＣＤ１８を、眼鏡型フレーム６のフロント部１５を構成するフロントフレーム１５１に沿った略水平方向の同一光軸上にそれぞれ配設するとともに、反射ミラー１３及び１／４波長板１４については、眼鏡型フレーム６のフロント部１５の中央部近傍に配置したことにある。
　したがって、第１の偏光ビームスプリッタ１１により反射された外光ＬａのＳ偏光Ｌａ２が反射ミラー１３により反射され、１／４波長板１４を通過して変換されたＰ偏光Ｌａ１はそのまま第１の偏光ビームスプリッタ１１を通過するとともに、画像表示ユニット１のケーシング１７内に侵入して第２の偏光ビームスプリッタ１２を通過してＣＣＤ１８に至る。このようにして、本実施形態に係るＨＭＤによれば、観察者Ｍが視認している外景画像と同じ視角の外形画像として撮像することが可能となる。しかも、光量ロスを可及的に抑えた状態で撮像することができる。
　ところで、反射ミラー１３の位置としては、液晶表示装置１０の下手側に設けられた光学系としての光学ユニット（不図示）の射出瞳と共役位置に配置することが光学的には好ましい。すなわち、画像光Ｌｂが第１の偏光ビームスプリッタ１１で反射された側にできる観察者Ｍの眼Ｅ（特に瞳孔）近傍の瞳と、これと共役な、仮に画像光Ｌｂが第１の偏光ビームスプリッタ１１を透過した場合にその透過側にできるはずの仮想の瞳に反射ミラー１３を配置するのである。これは、第１の偏光ビームスプリッタ１１へ入射する外光Ｌａのうち、透過した外光Ｌａ１の射出瞳が観察者Ｍの眼Ｅの瞳孔付近であり、反射した外光Ｌａ２の側の射出瞳がその瞳孔と共役な位置となるため、その外光Ｌａ２の側の射出瞳と、前記仮想の瞳と略一致させるためである。
　このようにするとともに、撮像素子であるＣＣＤ１８の撮像面を、第２の偏光ビームスプリッタ１２の透過側の液晶表示装置１０の表示面と共役な位置に配置することで、光学ユニットが共用できるなど、光学設計が容易となり、コスト面での利点もある。
　さらに、反射ミラー１３の位置となる、前記光学ユニットの射出瞳との共役位置を、前記フロント部１５の中央位置になるように構成することが好ましい。すなわち、本実施形態のように、反射ミラー１３及び１／４波長板１４をフロント部１５の中央部近傍に配置している場合、このフロント部１５の中央部近傍と光学ユニットの射出瞳とを共役位置とすることで、反射ミラー１３及び１／４波長板１４が、観察者Ｍから視認し難くなる。
　さらに好ましくは、前記共役位置としては、観察者Ｍの左右の眼Ｅ，Ｅを結ぶ線である眼幅線と、第１の偏光ビームスプリッタ１１における観察者Ｍから観て遠方側の端部から前記眼幅線と略平行に延びる線上までの間に位置する輻輳点とによって規定される所定の領域内に設定することが好ましい。そして、かかる瞳共役位置に反射ミラー１３及び１／４波長板１４を配設するのである。
　ここで、輻輳点とは、左右の眼Ｅ，Ｅの視線が視対象に収束する位置のことであり、簡単に言えば、左右の眼Ｅ，Ｅの視線が交差する点を指す。
　また、この輻輳点を頂点とした場合の頂角を輻輳角と呼び、平面視では、図２（ａ）に示すように、左右の眼Ｅ，Ｅ間の距離となる眼幅線ｄを底辺とし、視対象までの距離ｆ１を高さとする二等辺三角形の頂点の角度となる。本実施形態では、図示するように、輻輳角の１／２をなす角度θのうち、左の眼Ｅに近い角度θで規定される所定領域Ｓ内に反射ミラー１３の反射面及び１／４波長板１４が位置するようにしている。
　しかし、輻輳点は必ずしも正面視の位置に存在するものではなく、図２（ｂ）に示すように、視対象が正面でなく、左右いずれかにずれた状態でも存在する。したがって、所定領域Ｓは必ずしも平面視で二等辺三角形になるものではなく、図示するように、左右の眼Ｅ，Ｅ間の距離となる眼幅線ｄを底辺、左目Ｅから視対象までの距離ｆ２を高さとする略直角三角形となる場合がある。この場合、視認性阻害部材５の配設位置としては、前述したように、輻輳角の１／２をなす角度θのうち、左の眼Ｅに近い角度θで規定される範囲内には制限されない。
　このように、反射ミラー１３及び１／４波長板１４を、上述した所定領域Ｓ内で、かつ光学ユニット（不図示）の射出瞳と共役位置に配置することで、観察者Ｍからはより視認され難くなり、観察者Ｍの視界を妨げる虞を可及的に抑えることができる。したがって、視界が妨げられた状態、すなわち、外界像の視認性が損なわれた状態を強いられることがないため、ＨＭＤの使用感を損なうことなく、快適に使用することができるようになる。
　以下、さらに図３を用いてＨＭＤの構成をより具体的に説明する。図３に示すように、画像表示ユニット１のケーシング１７は略Ｌ字形状に形成されており、その先端面の前側端部から保持部材５０をフロントフレーム１５１に沿うように伸延させている。そして、このケーシング１７を眼鏡型フレーム６のフロントフレーム１５１の左端部とテンプル部１６との接続部分を跨ぐように取付けている。
　かかるケーシング１７の内部において、図１に示すように、液晶表示装置１０を、観察者Ｍの直視方向、すなわち顔面の向きと同じ方向に画像光Ｌｂが出射されるように配設している。そして、この液晶表示装置１０の下手側前方位置に第２の偏光ビームスプリッタ１２を所定の配置姿勢で配設し、Ｓ偏光である画像光Ｌｂをフロントフレーム１５１に沿った略水平方向、すなわち顔面の向きに直交する方向へ反射できるようにするとともに、同方向から入射してきた外光ＬａのＰ偏光Ｌａ１を通過させるようにしている。
　また、ＣＣＤ１８は、ケーシング１７の内部において、液晶表示装置１０の左前方に位置しており、第２の偏光ビームスプリッタ１２を通過する外光ＬａのＰ偏光Ｌａ１を入射できるように配設している。
　そして、前述したように、ケーシング１７からフロントフレーム１５１に沿うように伸延した保持部材５０にケーシング１７側から順に、第１の偏光ビームスプリッタ１１、１／４波長板１４、反射ミラー１３を所定の間隔をあけて取付けている。符号５５で示すものは、保持部材５０の先端に形成したミラー保持部５５を示す。
　こうして、第１の偏光ビームスプリッタ１１を左の眼Ｅと対峙する直前に配置可能とするとともに、観察者Ｍの鼻の前方、換言すれば、フロント部１５の中央部近傍に、反射ミラー１３及び１／４波長板１４を配置可能としている。しかも、前述したように、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の位置を、輻輳角の内側で、かつ光学ユニット（不図示）の射出瞳と共役位置となるように設定している。ところで、本実施形態では、反射ミラー１３の第１の偏光ビームスプリッタ１１の側をなす面に１／４波長板１４を取付けて両者一体型としているが、反射ミラー１３と１／４波長板１４とを、互いの間に間隙を設けて配設することもできる。
　このように、本実施形態に係るＨＭＤでは、液晶表示装置１０を除き、第１の偏光ビームスプリッタ１１、反射ミラー１３、１／４波長板１４、第２の偏光ビームスプリッタ１２及びＣＣＤ１８を、眼鏡型フレーム６のフロント部１５を構成するフロントフレーム１５１に沿った略水平方向の同一の光軸上にそれぞれ配設したため、観察者Ｍが視認している外景画像と同じ視角の外形画像として撮像することが可能となる。
　図４に示したＨＭＤは、画像表示ユニット１から出射される画像光Ｌｂの向きが漸次顔面に近接するように、当該画像光Ｌｂの光軸を顔面側に傾けた構成としたものである。
　すなわち、図示するように、画像表示ユニット１に内蔵した第２の偏光ビームスプリッタ１２の配置姿勢を変え、当該第２の偏光ビームスプリッタ１２により反射する画像光Ｌｂの向きが、漸次、観察者Ｍの顔面に近接するようにしている。そのために、保持部材５２についても中途から所定の角度で顔面側に傾けている。また、画像表示ユニット１のケーシング１７内に侵入して第２の偏光ビームスプリッタ１２を通過する外光ＬａのＰ偏光Ｌａ１を正面から受光できるように、ＣＣＤ１８も第２の偏光ビームスプリッタ１２に合わせて傾けて配設している。
　かかる構成とすれば、保持部材５２の先端が顔面に漸次近接するため、この先端に取付けた反射ミラー１３と１／４波長板１４とを顔前に大きく突出させないで済む。しかも、反射ミラー１３と１／４波長板１４との面積をより小さくすることも可能となる。また、反射ミラー１３と１／４波長板１４とも傾斜することになり、この傾斜は前述した輻輳角の１／２をなす角度θと略同じ角度である。そのため、反射ミラー１３と１／４波長板１４の前方への長さを可及的に短くしてコンパクト化することができる。
　なお、図４においては、保持部材５２を中途から傾斜させているが、画像表示ユニット１のケーシング１７と連接される基端部から傾斜させる構成としてもよい。
　[第２の実施形態]
　次に、図５を参照しながら第２の実施形態に係るＨＭＤについて説明する。なお、以下の説明では、上述してきた実施形態と同一の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
　図５に示す構成は、図１で説明した画像表示ユニット１と基本的に同一構造の画像表示ユニット１を、眼鏡型フレーム６の左右側にそれぞれ設け、各画像表示ユニット１に対応する反射ミラー１３及び１／４波長板１４を設けた構成としたものである。すなわち、本実施形態では、観察者Ｍは両方の眼Ｅ，Ｅそれぞれで表示画像と外景とを視認できる両目用のＨＭＤとしている。図中、符号４は左右の画像表示ユニット１，１同士を電気的に接続する信号線であり、ここでは、眼鏡型フレーム６のフロントフレーム１５１に沿わせて配線している。
　また、本実施形態では、画像表示ユニット１が左右対称となるように配置しており、眼鏡型フレーム６のフロント部１５の中央位置に配置した反射ミラー１３及び１／４波長板１４は、一枚の反射ミラー１３の左右側面にそれぞれ１／４波長板１４を取付けた一体構造としている。なお、左右の画像表示ユニット１のうち、一方の画像表示ユニット１には、表示画像を左右反転させる機構が組み込まれたものとしている。
　このように、基本的に同一構造の画像表示ユニット１を左右対称となるように配置しているため、両目用のＨＭＤを構成する上でコスト増を抑えることができる。また、本実施形態においても、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の位置としては、液晶表示装置１０の下手側に設けられた光学系としての光学ユニット（不図示）の射出瞳と共役位置に配置することができるとともに、光学ユニットの射出瞳との共役位置を、フロント部１５の中央位置にすることができる。
　さらに、図示するように、反射ミラー１３及び１／４波長板１４は輻輳角αの内側に位置させることもできる。すなわち、観察者Ｍの左右の眼Ｅ，Ｅの間の距離ｄを底辺とし、視対象までの距離を高さとする略二等辺三角形の頂点の角度（輻輳角α）で規定される二等辺三角形で表される領域内に反射ミラー１３及び１／４波長板１４を位置させている。なお、この場合においても、第１の実施形態で説明したように、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の配設位置は、光学ユニットの射出瞳との共役位置であって、共役位置としては、観察者Ｍの左右の眼Ｅ，Ｅを結ぶ線である眼幅線と、第１の偏光ビームスプリッタ１１における観察者Ｍから観て遠方側の端部から前記眼幅線と略平行に延びる線上までの間に位置する輻輳点とによって規定される所定の領域内に設定することが好ましい。
　図６に本第２の実施形態に係るＨＭＤの第１の偏光ビームスプリッタ１１、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の具体的な取付構造を示しており、図示するように、左右の画像表示ユニット１、１の各ケーシング１７の先端面の前側端部間を、フロントフレーム１５１に沿うように伸延する保持部材５１で連結している。そして、この保持部材５１の中央位置にミラー保持部５５を形成し、このミラー保持部５５において、反射ミラー１３及び１／４波長板１４を取付けている。
　このように、本実施形態に係るＨＭＤにおいても、液晶表示装置１０を除き、第１の偏光ビームスプリッタ１１、反射ミラー１３、１／４波長板１４、そして左右の画像表示ユニット１の内部に収納された第２の偏光ビームスプリッタ１２及びＣＣＤ１８を、眼鏡型フレーム６のフロント部１５を構成するフロントフレーム１５１に沿った略水平方向の同一の光軸上にそれぞれ配設されることになる。そのため、左のＣＣＤ１８は観察者Ｍの左の眼Ｅが、右のＣＣＤ１８は観察者Ｍの右の眼Ｅがそれぞれ視認している外景画像と同じ視角の外形画像として撮像することが可能となる。
　したがって、本実施形態に係るＣＣＤによれば、左右のＣＣＤ１８，１８で撮像した各画像データは、観察者Ｍの視角と同じでありながらも互いに視差を有する画像データとなる。よって、かかる画像データを用いれば、所謂３Ｄと呼ばれる立体画像を撮像するための両眼撮像による立体視撮像を容易に行うことができる。特に、近年では、立体映像が注目されているが、本実施形態に係るＨＭＤを用いれば、観察者Ｍの視線に極めて近い視点における立体画像を容易に得ることが可能となる。
　以上、本発明を、実施形態を通して説明してきたが、本発明は各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の主旨を逸脱することのない限り、実施形態の構成を適宜組合せてもよいし、各構成要素の形状や装置のレイアウトなどは適宜変更することができる。
　例えば、保持部材５０，５１，５２の構成などは、各実施形態に限るものではなく、適宜設計することができる。また、上述してきた実施形態では、保持部材５０，５１，５２は、その基端を画像表示ユニット１のケーシング１７の先端に連接した構成としたが、例えば、フロントフレーム１５１の中央部近傍に取付けることもできる。
　また、両眼用のＨＭＤであれば、眼鏡型フレーム６に代えてゴーグルタイプにして、保持部材５１をゴーグルの外殻部で兼用することもできる。
　また、画像表示ユニット１については、眼鏡型フレーム６のフロント部１５に取付けた構成として説明したが、画像表示ユニット１はテンプル部１６に取付けることもできる。
　さらに、上述してきた実施形態では、ＨＭＤの画像表示装置として、画像表示ユニット１に液晶表示装置１０を設けたが、必ずしも液晶表示装置１０とする必要はなく、画像表示装置としては、例えば、有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence）表示装置とすることもできる。その場合、画像表示装置の出射光は、液晶表示装置１０の場合のような特定の方向の偏光特性とはなっていないので、偏光ビームスプリッタに対応した偏光特性を持たせる手段が必要となる。
　なお、上述してきた実施形態では、偏光ビームスプリッタ１１，１２を通過する偏光をＰ偏光、偏光ビームスプリッタ１１，１２により反射する偏光をＳ偏光とし、液晶表示装置１０から出射される画像光LｂをＳ偏光としたが、その逆であってもよく、その場合、偏光ビームスプリッタ１１，１２による光分離特性も逆のものを用いればよい。
　ところで、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の配設位置を規定するための輻輳角αの範囲としては、観察者Ｍとなる人間の左右の眼Ｅ，Ｅ間の距離ｄ（図５参照）と反射ミラー１３及び１／４波長板１４の前方長さとからも適宜設定することができる。左右の眼Ｅ，Ｅ間の距離ｄの成人の平均値は６０～７０ｍｍであることが知られているため、反射ミラー１３及び１／４波長板１４の前方長さを２０ｍｍ程度以下とすれば、０°＜α＜１２０°程度とすることができる。つまり、０°＜α＜１２０°の条件における輻輳角αの内側に設定した瞳共役位置に反射ミラー１３及び１／４波長板を配設すればよいことになる。
　しかし、できるだけ視野の妨げにならない観点で言えば、αを出来るだけ大きい角度に設定して反射ミラー１３及び１／４波長板１４の配設位置を規定するとよい。例えば、図３や図４のように、保持部材５０，５２における反射ミラー１３を支持する点を観察者Ｍの両眼Ｅ、Ｅと視線が交差する輻輳点と考えて、両眼Ｅ、Ｅと輻輳点でできる領域内つまり、輻輳角αの内側に反射ミラー１３及び１／４波長板１４を配設すると、視野の妨げとなることを低減できる。また、反射ミラー１３及び１／４波長板１４を、観察者Ｍの両眼Ｅ，Ｅの中間位置にできるだけ近づけて配設すると、より視野の妨げとなりにくくなる。また、反射ミラー１３及び１／４波長板１４は、画像光Ｌｂが最も収束する瞳位置（観察者Ｍの眼Ｅ側の射出瞳（ほぼ瞳孔位置）と共役な瞳位置）に配設して、出来るだけ小さくすることが望ましい。
　Ｅ　　眼
　Ｌａ　　外光
　Ｌａ１　　Ｐ偏光（外光の第１の特定方向の偏光）
　Ｌａ２　　Ｓ偏光（外光の第２の特定方向の偏光）
　Ｌｂ　　画像光
　Ｍ　　観察者
　α　　輻輳角
　θ　　輻輳角の１／２をなす角度
　１　　画像表示ユニット
　６　　眼鏡型フレーム（支持フレーム）
　１１　　第１の偏光ビームスプリッタ
　１２　　第２の偏光ビームスプリッタ
　１３　　反射ミラー
　１４　　１／４波長板
　１５　フロント部
　１６　テンプル部
　１５１　フロントフレーム

Claims (8)

  1. 　観察者の頭部に支持フレームを介して装着される画像表示ユニットと、
    　この画像表示ユニット内に設けられ、画像光を出射する画像表示部と、
    　この画像表示部から出射された前記画像光を反射して観察者の眼に入射させる一方、外光のうち第１の特定方向の偏光を透過して前記観察者の眼に入射させるとともに、第２の特定方向の偏光を反射させる第１の偏光ビームスプリッタと、
    　この第１の偏光ビームスプリッタにより反射された前記外光の前記第２の特定方向の偏光を反射するミラーと、
    　このミラーと同じ光軸上に並設され、通過する偏光に１／４波長分の位相差を生じさせる１／４波長板と、
    　前記画像表示ユニット内に設けられ、前記画像表示部から出射された前記画像光を前記第１の偏光ビームスプリッタ側に反射させるとともに、前記１／４波長板から入射してきた前記外光の前記第１の特定方向の偏光を透過させる第２の偏光ビームスプリッタと、
    　前記画像表示ユニット内に設けられ、前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記外光の前記第１の特定方向の偏光を撮像する撮像素子と、
    を備え、
    　前記支持フレームは、観察者の顔前に配置されるフロント部と、このフロント部の左右両端部にそれぞれ連結され、前記観察者の耳に掛止するためのテンプル部とを具備する眼鏡型に構成されており、
    　前記第１の偏光ビームスプリッタ、前記ミラー、前記１／４波長板、前記第２の偏光ビームスプリッタ、及び前記撮像素子を、前記支持フレームのフロント部を構成するフレームに沿った略水平方向の同一光軸上にそれぞれ配設するとともに、前記ミラー及び１／４波長板については、前記支持フレームの前記フロント部の中央部近傍に配置したことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
  2. 　前記ミラーの位置を、前記画像表示部の下手側に設けられた光学系の射出瞳と共役位置に配置したことを特徴とする請求項１記載のヘッドマウントディスプレイ。
  3. 　前記前記ミラーの位置となる前記共役位置が前記フロント部の中央位置になるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  4. 　前記共役位置は、前記観察者の両眼を結ぶ眼幅線と、前記第１の偏光ビームスプリッタにおける前記観察者から観て遠方側の端部から前記眼幅線と略平行に延びる線上までの間に位置する輻輳点とによって規定される領域内に設定されており、この共役位置に前記ミラー及び１／４波長板を配設したことを特徴とする請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  5. 　前記画像表示ユニットから出射される画像光の向きが漸次顔面に近接するように、当該画像光の光軸を顔面側に傾けたことを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  6. 　前記画像表示ユニットを、前記支持フレームの左右両側に設け、各画像表示ユニットに対応するミラー及び１／４波長板を備えることを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  7. 　前記左右の画像表示ユニットを、立体視撮像が行えるよう左右対称に配置したことを特徴とする請求項６に記載のヘッドマウントディスプレイ。
  8. 　前記画像表示ユニットに対応する反射ミラーと１／４波長板とを一体構造としたことを特徴とする請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
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