WO2012115030A1 - 頭部装着型の画像表示装置 - Google Patents

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WO2012115030A1
WO2012115030A1 PCT/JP2012/053947 JP2012053947W WO2012115030A1 WO 2012115030 A1 WO2012115030 A1 WO 2012115030A1 JP 2012053947 W JP2012053947 W JP 2012053947W WO 2012115030 A1 WO2012115030 A1 WO 2012115030A1
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observer
hmd
observation eye
mounted display
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信郎 開
成彦 橋本
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ブラザー工業株式会社
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    • G02B27/017Head mounted
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    • GPHYSICS
    • G09EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09GARRANGEMENTS OR CIRCUITS FOR CONTROL OF INDICATING DEVICES USING STATIC MEANS TO PRESENT VARIABLE INFORMATION
    • G09G5/00Control arrangements or circuits for visual indicators common to cathode-ray tube indicators and other visual indicators

Definitions

  • the present disclosure relates to an image display apparatus having a head mounted display (hereinafter abbreviated as “HMD”) that is attached to the viewer's head in order to display an image to the viewer.
  • HMD head mounted display
  • the present invention relates to a technique for reducing the feeling of obstruction that an observer feels from an HMD in a head-mounted state of the HMD.
  • An image display device having an HMD attached to the observer's head is already known.
  • the HMD projects image light representing an image to be displayed to the observer's eyes. Therefore, the observer can directly observe the image without using a screen on which the image is projected as a medium.
  • the HMD forms the image light from light emitted from a light source using, for example, a spatial modulation element that operates according to an image signal.
  • a spatial modulation element for example, liquid crystal or organic EL (electroluminescence) is used.
  • a see-through type HMD is also known in which an observer can superimpose a display image obtained by the HMD and observe the actual outside world.
  • This type of image display device is generally configured to include an HMD and a holder that is attached to a member to be attached to the head of the observer and holds the HMD.
  • the mounted member is, for example, a spectacle frame, a spectacle-type dedicated frame, a band, goggles, or the like.
  • Patent Document 1 discloses a technique of hooking an HMD on a frame of glasses worn on the observer's head in order to attach the HMD to the observer's head.
  • Patent Document 2 discloses a technique for mounting an HMD on a spectacle lens mounted on an observer's head using a suction cup or an adhesive.
  • the HMD When an image is displayed to the observer using the HMD, it is inevitable that the physical presence of the HMD is placed in the observer's field of view in order to perform the function of projecting image light onto the eye.
  • the HMD since the HMD is a head-mounted type, it tends to be placed at a position close to the observer's eyes.
  • an optical component such as a half mirror is arranged in front of the observer's eyes.
  • the present inventors conducted various studies on the practicality of HMD. As a result, it has been found that the HMD is placed in the observer's field of view, so that the observer may feel a sense of occlusion or pressure from the HMD when the HMD is worn on the head. . The inventors further conducted an experiment in which the HMD was mounted on the observer's head while changing conditions such as the position, orientation, size, shape, and color of the HMD. As a result, it was found that the feeling of obstruction and pressure felt by the observer from the HMD was reduced or increased depending on the conditions.
  • the present disclosure aims to provide an image display device having an HMD that reduces the feeling of obstruction that an observer feels from the HMD when the head is worn on the HMD.
  • One aspect of the present disclosure is a monocular head mount configured to be attachable to an observer's head in order to project image light according to an image signal to an observation eye that is one of the eyes of the observer.
  • the HMD is located at a position that satisfies a condition that a first projection area when viewed from the eye is equal to or larger than a second projection area when the portion of the HMD that is present in the non-overlapping region is viewed from the observation eye. Is an image display device that holds
  • the holder may be engaged with the mounted member such that at least a part of the HMD is disposed at a position closer to the observer than the mounted member in the front-rear direction of the observer. Good.
  • the HMD may include a housing having an outer shape extending in the first direction.
  • the holder may hold the HMD so that the first direction and the horizontal direction coincide with each other.
  • the holder may hold the HMD so that the first direction and a horizontal plane passing through the pupil of the observation eye coincide with each other.
  • the holder may hold the HMD closer to the ear side closer to the observation eye than a vertical plane extending in the front-rear direction through the pupil of the observation eye.
  • the HMD includes a spatial modulation element that two-dimensionally modulates incident light to generate the image light, a plurality of optical units through which the image light emitted from the spatial modulation element passes, and the image signal And a plurality of components including at least a drive circuit that drives the spatial modulation element are accommodated in the housing, and the plurality of components may be arranged along the longitudinal direction of the housing. .
  • the drive circuit and the spatial modulation element are formed in a planar plate shape, and the drive circuit is disposed at a position closest to one end in the longitudinal direction of the housing among the plurality of components, and the drive The circuit and the spatial modulation element may be arranged in a posture facing each other.
  • the image light is emitted from the other end opposite to one end of the housing, and the HMD further includes a reflecting member that deflects the image light emitted from the housing and guides it to the observation eye,
  • the reflection member may be attached to the other end of the housing.
  • the rear limit line of the non-overlapping area may coincide with the rear limit line of the auxiliary vision of the observation eye.
  • the holder holds the HMD so that the HMD can rotate between a use position located in front of the observation eye and a retreat position retracted from the front position of the observation eye, The condition may be satisfied in both the use position and the retracted position.
  • the attached member has a front portion extending between a left end vertical surface in contact with the left side surface of the observer's head and a right end vertical surface in contact with the right side surface on the front side of the observer,
  • the HMD may be held so as to be rotatable about an axis passing through an end portion of the front portion close to the observation eye.
  • the holder may hold the HMD so as to be rotatable about a vertical axis.
  • a monocular head configured to be attachable to an observer's head in order to project image light according to an image signal to an observation eye that is one of the eyes of the observer
  • the HMD is held at a position that satisfies the condition that the HMD exists in a region in front of the reference plane, and the reference plane passes through two pupils of both eyes of the observer
  • the image display device is a vertically extending surface.
  • the present inventors conducted experiments in which the position of the HMD was changed variously and the HMD was mounted on the observer's head. As a result, various findings were obtained.
  • the visual field of the observation eye has an overlapping area and a non-overlapping area.
  • the visual field of the observation eye overlaps the visual field of the non-observation eye that is different from the observation eye of both eyes of the observer.
  • the visual field of the observation eye exists independently without overlapping the visual field of the non-observation eye.
  • the first projected area when the portion of the HMD existing in the overlapping region is viewed from the observation eye is the first projection area when the portion of the HMD that is present in the non-overlapping region is viewed from the observation eye.
  • the projected area is 2 or more, it has been found that the feeling of occlusion that the observer receives from the physical presence of the HMD in the wearing state of the HMD is reduced compared to the case where it is not.
  • the reference plane is set as a plane extending vertically through the two pupils of both eyes of the observer.
  • the HMD is held with respect to the observation eye at a position where the feeling of occlusion received from the physical presence of the HMD is reduced when the HMD is mounted on the head. Is done.
  • FIG. 1 is a front view showing both the image display device and a frame for mounting the HMD on the observer's head.
  • FIG. 2A is a partial cross-sectional plan view of the HMD shown with the hollow housing 30 broken.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line AA of the HMD in FIG.
  • FIG. 3A is a plan view showing the use position and the retracted position of the HMD.
  • FIG. 3B is a side view showing the use position and the retracted position of the HMD.
  • FIG. 4 is a plan view for explaining the relative position of the HMD with respect to the angular range of the visual field of the observer's eyes.
  • the image display device 10 shown in FIG. 1 includes a see-through type HMD 12 and a holder 14.
  • the monocular HMD 12 is configured to project image light representing an image onto the observation eye 16 that is one of the eyes of the observer.
  • the other eye of the observer's eyes is the non-observation eye 18.
  • the frame 20 as a member to be mounted is mounted on the head of the observer.
  • the holder 14 is engaged with the frame 20.
  • the HMD 12 is attached to the holder 14.
  • the holder 14 supports the HMD 12 so as to be rotatable about a rotation axis that extends vertically.
  • the HMD 12 is attached to the frame 20 via the holder 14.
  • the frame 20 is attached to the observer's head in a state where it is put on both ears of the observer.
  • the frame 20 is a frame dedicated to the HMD 12.
  • the shape of the frame 20 is similar to the shape of normal glasses worn on the observer's head.
  • the HMD 12 may be attached to the normal glasses via the holder 14 instead of the frame 20.
  • Ordinary glasses are configured to include a pair of lenses, a bridge that joins the lenses, and a pair of temples that extend from a front portion that is constituted by the lenses and the bridge.
  • the holder 14 engages with the frame 20 so that at least a part of the HMD 12 is disposed at a position closer to the observer than the frame 20 in the front-rear direction of the observer. That is, the holder 14 places the HMD 12 in the very vicinity in front of the observer's eyes. This arrangement makes it possible to shorten the eye relief of the HMD 12. However, if the HMD 12 is simply placed in the very vicinity in front of the observer's eyes, it is considered that a feeling of obstruction with respect to the observer is likely to occur. Therefore, in the present disclosure, this occlusion is reduced by devising the arrangement of the HMD 12 with respect to the visual field of the observer.
  • the housing 30 has an outer shape that extends generally linearly.
  • a plurality of components including a plate-like drive circuit 40, an LCD 42 as a spatial modulation element, and an eyepiece optical system 44 form a one-dimensional array along the longitudinal direction of the housing 30.
  • the LCD 42 is a liquid crystal display in which a plurality of pixels are arranged two-dimensionally.
  • the eyepiece optical system 44 has a plurality of lenses sharing the same optical axis.
  • the optical axes of the plurality of lenses extend in a straight line parallel to the longitudinal direction of the housing 30 and are not bent by components such as a mirror, and pass through the center point of the LCD 42.
  • the drive circuit 40 is electrically connected to the LCD 42 via a cable (not shown).
  • the drive circuit 40 drives the LCD 42 based on an image signal input from the outside.
  • image light representing an image to be displayed to the observer is emitted from the LCD 42.
  • the LCD 42 incorporates a backlight light source.
  • a light source independent of the LCD 42 may be used instead of the backlight light source.
  • the eyepiece optical system 44 is configured as a one-dimensional array in which a plurality of lenses as a plurality of optical units are arranged in series. Note that the plurality of optical units is not limited to a configuration in which a plurality of optical elements such as lenses are provided. For example, even an optical element (such as a free-form surface prism) in which a plurality of optical function surfaces are integrally formed is included in the plurality of optical units.
  • the HMD 12 includes the LCD 42 which is a spatial modulation element.
  • the HMD 12 may be of a retinal scanning type in which a light beam from a light source such as a laser is scanned by a scanner and the scanned light beam is projected onto the retina of the observer.
  • Both the drive circuit 40 and the LCD 42 have a flat plate shape.
  • the drive circuit 40 is disposed at one of both end portions of the one-dimensional array, and is disposed at a corresponding end portion (the right end portion in FIG. 2A) of both end portions of the housing 30. Has been. In other words, the drive circuit 40 is disposed at a position closest to one end in the longitudinal direction of the housing 30 among the plurality of components (the right end portion in FIG. 2A).
  • the drive circuit 40 and the LCD 42 are arranged in a posture facing each other in parallel.
  • the image light is emitted from the opposite end of the housing 30 to the end where the drive circuit 40 is disposed (the left end in FIG. 2A).
  • the HMD 12 further includes a half mirror 50 as a reflecting member that bends image light emitted from the housing 30 and guides the image light to the observation eye 16.
  • the half mirror 50 is an end of the housing 30 opposite to the end where the drive circuit 40 is disposed, that is, an end from which image light is emitted (in FIG. 2A).
  • the left end) is rotatably mounted.
  • the image light emitted from the eyepiece optical system 44 is reflected by the half mirror 50, passes through the pupil 60 of the observation eye 16, and enters the retina (not shown). Thereby, the observer can observe the two-dimensional image as a virtual image. Not only the image light reflected by the half mirror 50 but also light from the actual outside world (external light) passes through the half mirror 50 and enters the observation eye 16. As a result, the observer can observe the actual outside world in parallel with the observation of the image displayed by the image light.
  • the frame 20 has a front portion 70 on the front side of the observer.
  • the front part 70 has a left-end vertical plane (vertical plane that passes through the left ear of the observer) that is in contact with the left side of the observer's head and a right-end vertical plane that is in contact with the right side (vertical that passes through the right ear of the observer). Surface).
  • the holder 14 is attached to the front portion 70.
  • the holder 14 has the HMD 12 arranged on a vertical axis (shown in FIG. 1, FIG. 3 (a), and FIG. 3 (b)) that is disposed on the left and right end portions of the front portion 70 that are close to the observation eye 16. It is held so that it can rotate around the rotation axis. Further, as shown in FIGS. 3A, 3B and 4, the holder 14 is retracted from the use position where the HMD 12 is located in front of the observation eye 16 and the front position of the observation eye 16. The HMD 12 is held so as to be rotatable around a vertical rotation axis between the positions.
  • the HMD 12 is engaged with the frame 20 so that at least a part of the HMD 12 is disposed at a position closer to the observer than the frame 20 in the front-rear direction of the observer. As apparent from FIG. 3A, the HMD 12 is disposed at a position closer to the observer than the central portion of the front portion 70.
  • the arrangement of the HMD 12 is normal glasses worn on the observer's head, and the HMD 12 approaches the observation eye 16 when it is assumed that the HMD 12 is worn on the normal glasses. It is set so as to approach at substantially the same distance as the distance to be. That is, since the HMD 12 is a head-mounted type, the HMD 12 is disposed at a position close to the observation eye 16. Further, since the HMD 12 is a see-through type, the half mirror 50 is disposed in front of the observation eye 16.
  • the inventors of the position and orientation of the HMD 12 with respect to the observation eye 16 and the feeling of occlusion and pressure that the observer receives from the physical presence of the HMD 12 in the head-mounted state of the HMD 12 An experiment was conducted with respect to the degree. As a result, the present inventors have learned four conditions that the HMD 12 should satisfy in order to reduce the feeling of occlusion and pressure.
  • the first condition is that the entire HMD 12 exists in a region in front of the reference plane.
  • the reference plane is set as a plane that passes through the two pupils 60 and 60 of both eyes 16 and 18 of the observer at the same time and extends in the vertical direction. Satisfying the first condition is desirable in order to reduce the feeling of obstruction and pressure that the observer receives from the HMD 12.
  • the vertical direction is defined not in absolute coordinates but in a coordinate system centered on the observer. Therefore, the direction perpendicular to the direction of gravity may vary depending on the orientation of the observer's head. That is, the vertical direction is understood as the vertical direction of the observer. When an observer stands upright and faces the front, the vertical direction generally coincides with the direction of gravity.
  • the second condition is that, for the maximum one-eye visual field in the horizontal direction, one of the left and right rear limit lines for the observation eye 16 and the non-observation eye 18 is , To coincide with the back limit line of the auxiliary visual field.
  • the rear limit line is a position rotated by, for example, 100 ° from the front-rear center line passing through the center point of the eyeball of each eye.
  • the other of the left and right rear limit lines is determined by the position and height of the observer's nose.
  • the horizontal direction is defined not in absolute coordinates but in a coordinate system centered on the observer. Therefore, the horizontal direction relative to the direction of gravity may vary depending on the orientation of the observer's head. That is, the horizontal direction is understood as the left-right direction of the observer. When an observer stands upright and faces the front, the horizontal direction is generally perpendicular to the direction of gravity.
  • both the observation eye 16 and the non-observation eye 18 are above the front and rear center lines passing through the center point of the eyeball of each eye and Each position is determined as a position rotated by, for example, 67.5 ° on the lower side.
  • the visual field of the observation eye 16 includes an overlapping region that overlaps the visual field of the non-observing eye 18, and a non-overlapping region that exists independently without overlapping the visual field of the non-observing eye 18.
  • the first projected area when the portion existing in the overlapping region of the HMD 12 is viewed from the observation eye 16 is observed, and the portion existing in the non-overlapping region of the HMD 12 is observed. It is more desirable to satisfy the second condition that the projected area is equal to or larger than the second projected area when viewed from the eye 16 at the same time as the first condition in order to reduce the feeling of occlusion and pressure that the observer receives from the HMD 12. found.
  • the third condition is that the HMD 12 is held closer to the ear side closer to the observation eye 16 than a vertical plane passing through the pupil 60 of the observation eye 16 and extending in the front-rear direction.
  • the HMD 12 does not have to be held strictly on the ear side closer to the observation eye 16 than the vertical plane.
  • substantially all of the HMD 12 except for the half mirror 50 and the holding member that holds the half mirror 50 with respect to the housing 30 may be held on the ear side closer to the observation eye 16 than the vertical plane. According to the studies by the present inventors, satisfying at least one of the first condition and the second condition simultaneously with the third condition reduces the feeling of obstruction and pressure that the observer receives from the HMD 12 while observing. It has been found to be more desirable to ensure the person's field of view.
  • This third condition is an important condition for securing the observer's visual field by arranging the HMD 12 so that it does not exist in the discrimination visual field having the best visual function among the visual fields of the observer.
  • the discrimination visual field is the range of the visual field that is best viewed by an observer.
  • the position and orientation of the HMD 12 are relative to the position of the observation eye 16 so as to satisfy the four conditions described above simultaneously.
  • the position of the holder 14 holding the HMD 12 is set relative to the frame 20 so that the relative positional relationship is realized.
  • the holder 14 holds the HMD 12 so that the entire HMD 12 is positioned forward of the reference plane regardless of whether it is in the use position or the retracted position. To do. As a result, any part of the HMD 12 does not have to exist at a position behind the reference plane.
  • the first angle of view ( ⁇ 1 in plan view) when the portion existing in the overlapping region of the HMD 12 at the use position is viewed from the observation eye 16 is at the use position.
  • the holder 14 holds the HMD 12 so that the portion of the HMD 12 existing in the non-overlapping region is equal to or larger than the second angle of view when viewed from the observation eye 16 ( ⁇ 2 in plan view).
  • the cross-sectional area of the HMD 12 is substantially the same at any position in the longitudinal direction of the HMD 12.
  • the fact that the first angle of view ⁇ 1 is equal to or larger than the second angle of view ⁇ 2 means that the first projected area when the portion existing in the overlapping region of the HMD 12 at the use position is viewed from the observation eye 16 is the use position. It means that it is more than the 2nd projection area at the time of seeing the part which exists in a non-overlapping area
  • the boundary line between the angle range of the first field angle ⁇ 1 and the angle range of the second field angle ⁇ 2 in a plan view is a boundary line between the overlapping range and the non-overlapping range (that is, , The rear limit line of the right eye view) and the intersection of the housing 30 of the HMD 12 in the use position and the outline shown by the solid line.
  • the first angle of view ( ⁇ 1 in plan view) when a portion of the HMD 12 at the retracted position existing in the overlapping region is viewed from the observation eye 16 is within the non-overlapping region of the HMD 12 at the retracted position.
  • the holder 14 holds the HMD 12 so as to be equal to or greater than the second angle of view when viewed from the observation eye 16 ( ⁇ 2 in plan view).
  • the fact that the first angle of view ⁇ 1 is equal to or greater than the second angle of view ⁇ 2 is that the first projected area when the portion of the HMD 12 at the retracted position existing in the overlapping region is viewed from the observation eye 16 is at the retracted position. This means that the portion of the HMD 12 that is present in the non-overlapping region is equal to or larger than the second projected area when viewed from the observation eye 16.
  • the boundary line between the angle range of the first field angle ⁇ 1 and the angle range of the second field angle ⁇ 2 in a plan view is a boundary line between the overlapping range and the non-overlapping range (that is, , The rear limit line of the right eye field of view) and the outline of the housing 30 of the HMD 12 in the retracted position, which is indicated by a two-dot chain line.
  • substantially all of the HMD 12 passes through the pupil 60 of the observation eye 16 and extends from the vertical plane to the observation eye 16 in both ears of the observer.
  • the holder 14 holds the HMD 12 so as to be located at a position that is biased toward the near side (in the present embodiment, the left ear).
  • the holder 14 holds the HMD 12 so as to extend in the horizontal direction regardless of whether the HMD 12 is in the use position or the retracted position. Furthermore, the holder 14 holds the HMD 12 so that the HMD 12 extends along the horizontal plane passing through the pupil 60 of the observation eye 16.
  • the relative position and orientation of the HMD 12 with respect to the observation eye 16 are optimized, so that the observer wears the HMD 12 on the head of the observer. In this state, the feeling of obstruction and the feeling of pressure received from the HMD 12 are reduced.

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Abstract

 画像光を観察者の両眼のうちの一方である観察眼16に投射するために観察者の頭部に装着される単眼式のHMD12と、観察者の頭部に装着されている被装着部材70に装着され、HMD12を保持するホルダとを含む画像表示装置において、観察眼16の視野は、観察者の両眼のうち観察眼16ではない眼である非観察眼18の視野と重なり合う重複領域と、非観察眼の視野と重なり合うことなく単独で存在する非重複領域とを有しており、前記ホルダは、HMD12のうち重複領域内に存在する部分を観察眼から見た場合の第1投影面積が、HMD12のうち非重複領域内に存在する部分を観察眼から見た場合の第2投影面積以上であるという条件を満たす位置においてHMDを保持する。

Description

頭部装着型の画像表示装置
 本開示は、観察者に画像を表示するために観察者の頭部に装着されるヘッドマウントディスプレイ(以下、「HMD」と略称する。)を有する画像表示装置に関する。特に、観察者が、HMDの頭部装着状態において、そのHMDから感じる閉塞感を軽減する技術に関するものである。
 観察者の頭部に装着されるHMDを有する画像表示装置が、既に知られている。HMDは、表示すべき画像を表す画像光を観察者の眼に投射する。そのため、観察者は、画像が投影されるスクリーンを媒介にすることなく、画像を直接的に観察することができる。
 HMDは、例えば、画像信号に応じて作動する空間変調素子を用いて、光源からの出射光から前記画像光を形成する。空間変調素子としては、例えば、液晶または有機EL(エレクトロ・ルミネッセンス)が用いられる。また、HMDでは、観察者が、当該HMDによる表示画像に重ねて、現実外界を観察することが可能なシースルー型のHMDも知られている。
 この種の画像表示装置は、一般に、HMDと、観察者の頭部に装着される被装着部材に装着され、HMDを保持するホルダとを含むように構成される。被装着部材は、例えば、眼鏡のフレーム、眼鏡型の専用フレーム、バンド、ゴーグルなどである。
 特許文献1は、HMDを観察者の頭部に装着するために、HMDを、観察者の頭部に装着される眼鏡のフレームに引っ掛ける技術を開示する。特許文献2は、HMDを、観察者の頭部に装着される眼鏡のレンズに、吸盤または接着剤により、装着する技術を開示する。
特開2004-061804号公報 特開2006-054618号公報
 HMDを用いて画像を観察者に表示する場合には画像光を眼に投射するという機能を果たすために、HMDという物理的存在を観察者の視界内に配置することを避け得ない。例えば、HMDは、頭部装着型であるため、観察者の眼に接近した位置に配置される傾向が強い。また、HMDがシースルー型である場合には、観察者の眼の正面にハーフミラーなどの光学部品が配置される。
 これに対し、本発明者らは、HMDの実用性等について種々の研究を行った。その結果、HMDが観察者の視界内に配置されることが原因で、観察者が、HMDの頭部装着状態において、そのHMDから閉塞感や圧迫感を感ずる可能性があるということが判明した。本発明者らはさらに、HMDの位置、向き、大きさ、形状、色等の条件を変えてHMDを観察者の頭部に装着するという実験を行った。その結果、条件次第で、観察者がHMDから感じる閉塞感や圧迫感が軽減したり、増加することが判明した。
 本開示は、HMDを有する画像表示装置であって、観察者が、HMDの頭部装着状態において、そのHMDから感じる閉塞感を軽減するものを提供することを課題とする。
 本開示の一側面は、画像信号に応じた画像光を観察者の両眼のうちの一方である観察眼に投射するために観察者の頭部に装着可能に構成される単眼式のヘッドマウントディスプレイ(HMD)と、観察者の頭部に装着されている被装着部材に係合し、前記HMDを保持するホルダとを含み、前記観察眼の視野は、観察者の両眼のうち前記観察眼と異なる非観察眼の視野と重なる重複領域と、前記非観察眼の視野と重ならない非重複領域とを有し、前記ホルダは、前記HMDのうち前記重複領域内に存在する部分を前記観察眼から見た場合の第1投影面積が、前記HMDのうち前記非重複領域内に存在する部分を前記観察眼から見た場合の第2投影面積以上であるという条件を満たす位置に、前記HMDを保持する画像表示装置である。
 また、前記ホルダは、前記HMDの少なくとも一部が、前記観察者の前後方向において前記被装着部材よりも前記観察者に近い位置に配置されるように、前記被装着部材に係合してもよい。
 また、前記HMDは、第1方向に延びる外形を有するハウジングを備えてもよい。
 また、前記ホルダは、前記HMDを、前記第1方向と水平方向とが一致するように保持してもよい。
 また、前記ホルダは、前記HMDを、前記第1方向と前記観察眼の瞳孔を通過する水平面とが一致するように保持してもよい。
 また、前記ホルダは、前記HMDを、前記観察眼の瞳孔を通過して前後方向に延びる垂直面よりも、前記観察眼に近い耳側に保持してもよい。
 また、前記HMDは、入射光を2次元空間的に変調して前記画像光を生成する空間変調素子と、その空間変調素子から出射する前記画像光が通過する複数の光学部と、前記画像信号に応じて空間変調素子を駆動する駆動回路とを少なくとも含む複数の部品が前記ハウジング内に収容されることによって構成され、前記複数の部品は、前記ハウジングの長手方向に沿って配列されてもよい。
 また、前記駆動回路および前記空間変調素子は、平面板状に形成され、前記駆動回路は、前記複数の部品の中で、前記ハウジングの前記長手方向における一端に最も近い位置に配置され、前記駆動回路および前記空間変調素子は、互いに正対する姿勢で配置されてもよい。
 また、前記画像光は、前記ハウジングの一端とは反対側の他端から出射し前記HMDは、さらに、前記ハウジングから出射する前記画像光を偏向して前記観察眼に誘導する反射部材を含み、前記反射部材は、前記ハウジングの、前記他端に装着されてもよい。
 また、前記非重複領域は、その非重複領域の後方限界線が、前記観察眼の補助視覚の後方限界線に一致してもよい。
 また、前記ホルダは、前記HMDが、前記観察眼の前方に位置する使用位置と、前記観察眼の前方位置から退避した退避位置との間において回動可能であるように前記HMDを保持し、前記条件は、前記使用位置と前記退避位置とのいずれにおいても満たされてもよい。
 また、前記被装着部材は、観察者の前側において、観察者の頭部の左側面に接する左端垂直面と、右側面に接する右端垂直面との間を延びるフロント部を有し、前記ホルダは、前記HMDを、前記フロント部の前記観察眼に近い端部を通過する軸線まわりに回動可能に保持してもよい。
 また、前記ホルダは、前記HMDを、垂直軸線まわりに回動可能に保持してもよい。
 本開示の他の側面は、画像信号に応じた画像光を観察者の両眼のうちの一方である観察眼に投射するために観察者の頭部に装着可能に構成される単眼式のヘッドマウントディスプレイ(HMD)と、観察者の頭部に装着されている被装着部材に係合し、前記HMDを保持するホルダとを含み、前記ホルダは、観察者が前記HMDの装着状態において前記HMDから受ける閉塞感を軽減するために、前記HMDが基準面より前方の領域に存在するという条件を満たす位置において前記HMDを保持し、前記基準面は、観察者の両眼の2つの瞳孔を通過して垂直に延びる面である、ことを特徴とする画像表示装置である。
 本発明者らは、HMDの位置をいろいろ変えてHMDを観察者の頭部に装着するという実験を行った。その結果、種々の知見を得た。
 例えば、観察眼の視野は、重複領域と、非重複領域とを有している。重複領域において、観察眼の視野は、観察者の両眼のうち前記観察眼と異なる非観察眼の視野と重なり合う。非重複領域において、観察眼の視野は、前記非観察眼の視野と重なり合うことなく単独で存在する。前記HMDのうち前記重複領域内に存在する部分を前記観察眼から見た場合の第1投影面積が、前記HMDのうち前記非重複領域内に存在する部分を前記観察眼から見た場合の第2投影面積以上である場合には、そうでない場合より、観察者が、前記HMDの装着状態において、そのHMDの物理的存在から受ける閉塞感が軽減されることが判明した。
 また、HMDの全体が、基準面より前方の領域に存在する場合には、そうでない場合より、観察者が、HMDの物理的存在から受ける閉塞感が軽減されることも判明した。ここで、基準面は、観察者の両眼の2つの瞳孔を通過して垂直に延びる面として設定される。
 それらの知見に基づき、本開示によれば、観察者が、前記HMDの頭部装着状態において、そのHMDの物理的存在から受ける閉塞感が軽減される位置に、HMDが観察眼に対して保持される。
図1は、画像表示装置と、HMDを観察者の頭部に装着するためのフレームとを共に示す正面図である。 図2(a)は、中空のハウジング30が破断された状態で示される、HMDの部分断面平面図である。図2(b)は、図2(a)におけるHMDのA-A線に沿った断面図である。 図3(a)は、HMDの使用位置と退避位置とについて示す平面図である。図3(b)は、HMDの使用位置と退避位置とについて示す側面図である。 図4は、観察者の眼の視界の角度範囲に対するHMDの相対的な位置を説明するための平面図である。
 以下、本開示のさらに具体的な実施の形態のうちの一つを例として図面に基づいて詳細に説明する。
 図1に示される画像表示装置10は、シースルー型のHMD12と、ホルダ14とを備えている。単眼式のHMD12は、画像を表す画像光を観察者の両眼のうちの一方である観察眼16に投射するように構成されている。なお、観察者の両眼のうち他方の眼は、非観察眼18である。
 観察者の頭部には、被装着部材としてのフレーム20が装着される。フレーム20には、ホルダ14が係合される。ホルダ14には、HMD12が装着される。ホルダ14は、HMD12を、図1に示すように、垂直に延びる回動軸線まわりに回動可能に支持する。その結果、HMD12がホルダ14を介して、フレーム20に装着される。
 フレーム20は、観察者の両耳にかけられる状態で観察者の頭部に装着される。フレーム20は、HMD12に専用のフレームである。フレーム20の形状は、観察者の頭部に装着される通常の眼鏡の形状に似ている。なお、フレーム20に代えて通常の眼鏡に、ホルダ14を介してHMD12を装着してもよい。通常の眼鏡は、一対のレンズと、それらレンズを接合するブリッジと、それらレンズとブリッジによって構成されるフロント部から延びる一対のテンプルとを含むように構成される。
 ホルダ14は、HMD12の少なくとも一部が、観察者の前後方向においてフレーム20よりも観察者に近い位置に配置されるように、フレーム20に係合する。即ち、ホルダ14によって、HMD12は、観察者の眼前の極めて近傍に配置される。この配置は、HMD12のアイレリーフを短くすることを可能にする。しかし、単にHMD12を観察者の眼前の極めて近傍に配置しただけでは、観察者に対する閉塞感が発生し易いと考えられる。そこで、本開示では、HMD12の観察者の視野に対する配置を工夫することで、この閉塞感を低減している。
 図2(a)及び図2(b)に示されるように、ハウジング30は、概して直線的に延びる外形を有している。このハウジング30内に、板状の駆動回路40と、空間変調素子としてのLCD42と、接眼光学系44とを含む複数の部品が、ハウジング30の長手方向に沿って一次元配列を成している。LCD42は、複数の画素が2次元的に並んだ液晶ディスプレイである。
 接眼光学系44は、同じ光軸を共有する複数のレンズを有する。複数のレンズの光軸は、ハウジング30の長手方向に平行に、かつ、ミラーなどの部品によってその方向が曲げられることなく、一直線に延びて、LCD42の中心点を通過する。
 駆動回路40は、図示しないケーブルを介して、LCD42に電気的に接続されている。駆動回路40は、外部から入力される画像信号に基づいてLCD42を駆動する。LCD42が駆動されることで、観察者に表示すべき画像を表す画像光がLCD42から出射する。LCD42は、バックライト光源を内蔵している。しかし、バックライト光源に代えて、LCD42から独立した光源を用いてもよい。接眼光学系44は、複数の光学部としての複数のレンズが直列に並んだ一次元配列として構成されている。なお、複数の光学部とは、レンズのような光学素子が複数個設けられる構成に限定されない。例えば、複数の光学機能面が一体的に形成される光学素子(自由曲面プリズムなど)であっても、複数の光学部に含まれる。
 なお付言するに、本実施形態においては、HMD12が空間変調素子であるLCD42を備えている。しかし、HMD12は、レーザ等、光源からの光束をスキャナによって走査し、その走査された光束を観察者の網膜に投射する網膜走査型であってもよい。
 駆動回路40およびLCD42は、いずれも、平面板状を成している。駆動回路40は、前記一次元配列の両端部のうちの一方に配置されるとともに、ハウジング30の両端部のうち、対応する端部(図2(a)においては、右側の端部)に配置されている。換言すると、駆動回路40は、複数の部品の中で、ハウジング30の長手方向における一端に最も近い位置(図2(a)においては、右側の端部)に配置される。それら駆動回路40およびLCD42は、互いに平行に正対する姿勢で配置されている。
 前記画像光は、ハウジング30の両端部のうち、駆動回路40が配置されている端部とは反対側の端部(図2(a)においては、左側の端部)から出射する。HMD12は、さらに、ハウジング30から出射する画像光を曲げて観察眼16に誘導する反射部材としてのハーフミラー50を有している。そのハーフミラー50は、ハウジング30の両端部のうち、駆動回路40が配置されている端部とは反対側の端部、すなわち、画像光が出射する端部(図2(a)においては、左側の端部)に回動可能に装着されている。
 接眼光学系44から出射する画像光は、ハーフミラー50で反射して、観察眼16の瞳孔60を通過して、網膜(図示しない)に入射する。それにより、観察者が2次元画像を虚像として観察することが可能となる。観察眼16には、ハーフミラー50で反射した画像光のみならず、現実外界からの光(外光)がハーフミラー50を透過して入射する。その結果、観察者は、画像光によって表示される画像の観察と並行して現実外界を観察することが可能である。
 図1ならびに図3(a)および図3(b)に示すように、フレーム20は、観察者の前側において、フロント部70を有する。そのフロント部70は、観察者の頭部の左側面に接する左端垂直面(観察者の左耳を通過する垂直面)と、右側面に接する右端垂直面(観察者の右耳を通過する垂直面)との間を延びている。このフロント部70にホルダ14が装着されている。
 具体的には、ホルダ14は、HMD12を、フロント部70の左右端部のうち観察眼16に近いものに配置された垂直軸線(図1ならびに図3(a)および図3(b)に示す回動軸線)まわりに回動可能に保持する。さらに、ホルダ14は、図3(a)および図3(b)ならびに図4に示すように、HMD12が、観察眼16の前方に位置する使用位置と、観察眼16の前方位置から退避した退避位置との間において、垂直な回動軸線まわりに回動可能であるようにHMD12を保持する。
 前述のように、本実施形態においては、HMD12の少なくとも一部が、観察者の前後方向においてフレーム20よりも観察者に近い位置に配置されるように、HMD12がフレーム20に係合する。図3(a)から明らかに、HMD12は、フロント部70の中心部分よりも、観察者に近い位置に配置されている。このHMD12の配置は、観察者の頭部に装着される通常の眼鏡であり、かつ、その通常の眼鏡にHMD12が装着されることを想定した場合にそのHMD12が観察眼16に対して接近することとなる距離と実質的に同じ距離で接近するように、設定されている。すなわち、HMD12が頭部装着型であるため、HMD12が観察眼16に接近した位置に配置されるのである。また、HMD12がシースルー型であるため、観察眼16の正面にハーフミラー50が配置される。
 このようなHMD12のレイアウトが原因で、観察眼16の視野のうちやや大きな領域が、HMD12によって遮蔽されてしまう。その結果、観察者は、HMD12の頭部装着状態において、そのHMD12から閉塞感および圧迫感を感じ易い。
 そこで、本発明者らは、本開示に先立ち、観察眼16に対するHMD12の位置および向きと、観察者が、HMD12の頭部装着状態において、そのHMD12の物理的存在から受ける閉塞感および圧迫感の程度との関係について実験を行った。その結果、本発明者らは、その閉塞感および圧迫感を軽減するためにHMD12が満たすべき4つの条件を知得した。
1.第1条件
 第1条件は、HMD12の全体が、基準面より前方の領域に存在するということである。ここで、基準面とは、図3(a)に示すように、観察者の両眼16,18の2つの瞳孔60,60を同時に通過して垂直方向に延びる面として設定される。第1条件を満たすことは、観察者がHMD12から受ける閉塞感および圧迫感を軽減するために望ましい。ここで、垂直方向とは、絶対座標でなく、観察者を中心とした座標系において定義される。そのため、観察者の頭部の向きによって、重力方向に対する垂直方向は変動してもよい。即ち、垂直方向とは、観察者の上下方向として理解される。観察者が正立して正面を向いた場合、一般に、垂直方向は重力方向に一致する。
2.第2条件
 第2条件は、図3(a)に示すように、水平方向における最大片眼視野については、観察眼16についても非観察眼18についても、左右のうちの一方の後方限界線は、補助視野の後方限界線と一致することである。ここで、後方限界線は、各眼の眼球の中心点を通過する前後中心線から例えば100°だけ回転した位置である。なお、左右のうちの他方の後方限界線は、観察者の鼻の位置および高さによって決まる。ここで、水平方向とは、絶対座標でなく、観察者を中心とした座標系において定義される。そのため、観察者の頭部の向きによって、重力方向に対する水平方向は変動してもよい。即ち、水平方向とは、観察者の左右方向として理解される。観察者が正立して正面を向いた場合、一般に、水平方向は重力方向に直交する。
 また、図3(b)に示すように、垂直方向における最大片眼視野については、観察眼16についても非観察眼18についても、各眼の眼球の中心点を通過する前後中心線から上側および下側にそれぞれ例えば67.5°だけ回転した位置として決まる。
 その結果、図3(a)に示すように、観察眼16の視野は、非観察眼18の視野と重なり合う重複領域と、非観察眼18の視野と重なり合うことなく単独で存在する非重複領域とを有する。
 本発明者らの研究によれば、HMD12のうち、重複領域内に存在する部分を観察眼16から見た場合の第1投影面積が、HMD12のうち、非重複領域内に存在する部分を観察眼16から見た場合の第2投影面積以上であるという第2条件を、前記第1条件と同時に満たすことが、観察者がHMD12から受ける閉塞感および圧迫感を軽減するためにさらに望ましいことが判明した。
3.第3条件
 第3条件は、HMD12が、観察眼16の瞳孔60を通過して前後方向に延びる垂直面よりも、観察眼16に近い耳側に保持されることである。ここで、HMD12は、厳密に全ての部分が前記垂直面よりも、観察眼16に近い耳側に保持されなくともよい。例えば、ハーフミラー50やハーフミラー50をハウジング30に対して保持する保持部材を除いた、HMD12の実質的な全部が、前記垂直面よりも観察眼16に近い耳側に保持されればよい。本発明者らの研究によれば、第3条件を前記第1条件および前記第2条件のうち少なくとも一つと同時に満たすことが、観察者がHMD12から受ける閉塞感および圧迫感を軽減しつつ、観察者の視野を確保するためにさらに望ましいことが判明した。
 この第3条件は、観察者の視野のうち視機能が最も優れた弁別視野内に存在しないようにHMD12を配置することにより、観察者の視野を確保するために重要な条件である。弁別視野は、観察者によって最も良好に視認される視野の範囲である。
4.第4条件
 本発明者らの研究によれば、HMD12の使用位置と退避位置とのいずれにおいても、前記第1ないし第3条件のうちの少なくとも一つを満たすことが、観察者がHMD12から受ける閉塞感を軽減するためにさらに望ましいことが判明した。
 本実施形態においては、観察者がHMD12から受ける閉塞感および圧迫感を最小化するために、上説明した4つの条件を同時に満たすように、HMD12の位置および向きが、観察眼16の位置に対して相対的に設定され、その相対位置関係が実現されるように、HMD12を保持するホルダ14の位置がフレーム20に対して相対的に設定されている。
 具体的には、図3(a)に示すように、HMD12の全体が、使用位置にあるか退避位置にあるかを問わず、基準面より前方に位置するように、ホルダ14がHMD12を保持する。これにより、HMD12のうちのいずれも部分も、基準面より後方の位置に存在せずに済む。
 さらに、図4に示すように、使用位置にあるHMD12のうち重複領域内に存在する部分を観察眼16から見た場合の第1画角(平面視においては、θ1)が、使用位置にあるHMD12のうち非重複領域内に存在する部分を観察眼16から見た場合の第2画角(平面視においては、θ2)以上であるように、ホルダ14がHMD12を保持する。本実施形態においては、HMD12の断面積が、HMD12の長手方向におけるいずれの位置についても、ほぼ同一である。よって、第1画角θ1が第2画角θ2以上であることは、使用位置にあるHMD12のうち重複領域内に存在する部分を観察眼16から見た場合の第1投影面積が、使用位置にあるHMD12のうち非重複領域内に存在する部分を観察眼16から見た場合の第2投影面積以上であることを意味する。
 なお付言するに、平面視において、第1画角θ1の角度範囲と第2画角θ2の角度範囲との間の境界線は、前記重複範囲と前記非重複範囲との間の境界線(すなわち、右眼視界の後方限界線)と、使用位置にあるHMD12のハウジング30の、実線で示す外形線との交点を通過するように決定される。
 さらに、退避位置にあるHMD12のうち重複領域内に存在する部分を観察眼16から見た場合の第1画角(平面視においては、ψ1)が、退避位置にあるHMD12のうち非重複領域内に存在する部分を観察眼16から見た場合の第2画角(平面視においては、ψ2)以上であるように、ホルダ14がHMD12を保持する。第1画角ψ1が第2画角ψ2以上であることは、退避位置にあるHMD12のうち重複領域内に存在する部分を観察眼16から見た場合の第1投影面積が、退避位置にあるHMD12のうち非重複領域内に存在する部分を観察眼16から見た場合の第2投影面積以上であることを意味する。
 なお付言するに、平面視において、第1画角ψ1の角度範囲と第2画角ψ2の角度範囲との間の境界線は、前記重複範囲と前記非重複範囲との間の境界線(すなわち、右眼視界の後方限界線)と、退避位置にあるHMD12のハウジング30の、二点鎖線で示す外形線との交点を通過するように決定される。
 さらに、図1に示すように、HMD12のうちの実質的な全部が、観察眼16の瞳孔60を通過して前後方向に延びる垂直面の位置より、観察者の両耳のうち観察眼16に近いもの(本実施形態においては、左耳)の側に偏った位置に位置するように、ホルダ14がHMD12を保持する。
 さらに、図1に示すように、HMD12が、使用位置にあるか退避位置にあるかを問わず、水平方向に延びるように、ホルダ14がHMD12を保持する。さらに、HMD12が、観察眼16の瞳孔60を通過する水平面上において、その水平面に沿って延びるように、ホルダ14がHMD12を保持する。
 以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、HMD12の、観察眼16に対する相対的な位置および向きが最適化されることにより、観察者が、HMD12が観察者の頭部に装着されている状態において、HMD12から受ける閉塞感および圧迫感が軽減される。
 以上、本開示の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明したが、これは例示であり、前記した態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本開示を実施することが可能である。

Claims (14)

  1.  画像信号に応じた画像光を観察者の両眼のうちの一方である観察眼に投射するために観察者の頭部に装着可能に構成される単眼式のヘッドマウントディスプレイと、
     観察者の頭部に装着されている被装着部材に係合し、前記ヘッドマウントディスプレイを保持するホルダと
     を含み、
     前記観察眼の視野は、観察者の両眼のうち前記観察眼と異なる非観察眼の視野と重なる重複領域と、前記非観察眼の視野と重ならない非重複領域とを有し、
     前記ホルダは、前記ヘッドマウントディスプレイのうち前記重複領域内に存在する部分を前記観察眼から見た場合の第1投影面積が、前記ヘッドマウントディスプレイのうち前記非重複領域内に存在する部分を前記観察眼から見た場合の第2投影面積以上であるという条件を満たす位置に、前記ヘッドマウントディスプレイを保持する画像表示装置。
  2.  前記ホルダは、前記ヘッドマウントディスプレイの少なくとも一部が、前記観察者の前後方向において前記被装着部材よりも前記観察者に近い位置に配置されるように、前記被装着部材に係合する、請求項1に記載の画像表示装置。
  3.  前記ヘッドマウントディスプレイは、第1方向に延びる外形を有するハウジングを備える請求項1に記載の画像表示装置。
  4.  前記ホルダは、前記ヘッドマウントディスプレイを、前記第1方向と水平方向とが一致するように保持する請求項3に記載の画像表示装置。
  5.  前記ホルダは、前記ヘッドマウントディスプレイを、前記第1方向と前記観察眼の瞳孔を通過する水平面とが一致するように保持する請求項4に記載の画像表示装置。
  6.  前記ホルダは、前記ヘッドマウントディスプレイを、前記観察眼の瞳孔を通過して前後方向に延びる垂直面よりも、前記観察眼に近い耳側に保持する請求項1に記載の画像表示装置。
  7.  前記ヘッドマウントディスプレイは、入射光を2次元空間的に変調して前記画像光を生成する空間変調素子と、その空間変調素子から出射する前記画像光が通過する複数の光学部と、前記画像信号に応じて空間変調素子を駆動する駆動回路とを少なくとも含む複数の部品が前記ハウジング内に収容されることによって構成され、
     前記複数の部品は、前記ハウジングの長手方向に沿って配列される請求項1に記載の画像表示装置。
  8.  前記駆動回路および前記空間変調素子は、平面板状に形成され、
     前記駆動回路は、前記複数の部品の中で、前記ハウジングの前記長手方向における一端に最も近い位置に配置され、
     前記駆動回路および前記空間変調素子は、互いに正対する姿勢で配置されている請求項7に記載の画像表示装置。
  9.  前記画像光は、前記ハウジングの一端とは反対側の他端から出射し
     前記ヘッドマウントディスプレイは、さらに、前記ハウジングから出射する前記画像光を偏向して前記観察眼に誘導する反射部材を含み、
     前記反射部材は、前記ハウジングの、前記他端に装着されている請求項8に記載の画像表示装置。
  10.  前記非重複領域は、その非重複領域の後方限界線が、前記観察眼の補助視覚の後方限界線に一致するように設定される請求項1に記載の画像表示装置。
  11.  前記ホルダは、前記ヘッドマウントディスプレイが、前記観察眼の前方に位置する使用位置と、前記観察眼の前方位置から退避した退避位置との間において回動可能であるように前記ヘッドマウントディスプレイを保持し、
     前記条件は、前記使用位置と前記退避位置とのいずれにおいても満たされる、請求項1に記載の画像表示装置。
  12.  前記被装着部材は、観察者の前側において、観察者の頭部の左側面に接する左端垂直面と、右側面に接する右端垂直面との間を延びるフロント部を有し、
     前記ホルダは、前記ヘッドマウントディスプレイを、前記フロント部の前記観察眼に近い端部を通過する軸線まわりに回動可能に保持する請求項11に記載の画像表示装置。
  13.  前記ホルダは、前記ヘッドマウントディスプレイを、垂直軸線まわりに回動可能に保持する請求項11に記載の画像表示装置。
  14.  画像信号に応じた画像光を観察者の両眼のうちの一方である観察眼に投射するために観察者の頭部に装着可能に構成される単眼式のヘッドマウントディスプレイと、
     観察者の頭部に装着されている被装着部材に係合し、前記ヘッドマウントディスプレイを保持するホルダと
     を含み、
     前記ホルダは、観察者が前記ヘッドマウントディスプレイの装着状態において前記ヘッドマウントディスプレイから受ける閉塞感を軽減するために、前記ヘッドマウントディスプレイが基準面より前方の領域に存在するという条件を満たす位置において前記ヘッドマウントディスプレイを保持し、
     前記基準面は、観察者の両眼の2つの瞳孔を通過して垂直に延びる面である、
    ことを特徴とする画像表示装置。
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