WO2016052134A1

WO2016052134A1 - ヘッドマウントディスプレイ

Info

Publication number: WO2016052134A1
Application number: PCT/JP2015/075785
Authority: WO
Inventors: 加藤　淳一; 広瀬　悟
Original assignee: コニカミノルタ株式会社
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2015-09-11
Publication date: 2016-04-07
Also published as: JP2017212475A

Abstract

大型化、複雑化を招くことなくカメラを搭載し、装着者の見ている実像に対して表示画像および撮影画像を容易に整合させる。ヘッドマウントディスプレイは、装着者の眼前に配置される画像表示部材を含む画像表示ユニットと、装着者の頭部に装着され、画像表示ユニットを位置調整可能に支持するフレームと、画像表示ユニットに設けられた前方撮影用カメラとを備える。前方撮影用カメラが画像表示ユニットの筺体に内蔵され、フレームは画像表示ユニットを眼幅方向に位置調整可能に支持するとともに、眼幅方向に延在する軸周りに回動可能、かつ、任意の角度位置に保持可能に支持する。

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（head mounted display）に関する。

　近年、人体の頭部に装着され、装着者に対してパーソナルに画像を視認させるヘッドマウントディスプレイや、これを利用したウェアラブルコンピューターが開発されている。ヘッドマウントディスプレイをモバイルコンピューターに接続すれば、コンピューターグラフィック画面が虚像としてユーザーの眼前に形成されるので、ディスプレイをユーザーの頭部に装着可能なウェアラブルコンピューターが提供される。
　また、ヘッドマウントディスプレイには、ユーザーの頭部の大きさや形状、眼の位置などに合わせて、画像の視認が容易になるように適切に画像表示部材の位置を調整できるようにすることが求められる。かかる要求に応じるものとして特許文献１には、画像表示ユニットを、これを支持するフレームに対して左右、上下、前後に調整可能としたヘッドマウントディスプレイが開示されている。
　また、ヘッドマウントディスプレイにカメラを搭載することが行われる。特許文献２には、画像表示ユニットとは別体のカメラユニットを設け、カメラユニットをフレームのテンプル部に支持して俯角を調整可能としたヘッドマウントディスプレイが開示されている。

特開２００１－２２８４３５号公報特開２００７－１０４０３６号公報

　しかし、以上の従来技術にあっては次のような問題がある。
　特許文献２に記載の発明のように、画像表示ユニットとは別体のカメラユニットを設けると、搭載するユニット数が増加して複雑化し、全体の大型化を招き好ましくない。また、画像表示ユニットの位置調整について考慮されていないので、様々なユーザーに対して画像を良好に視認させることが難しく、また、画像表示ユニットとカメラユニットの両方の調整が必要となり、位置調整作業が複雑になる恐れがある。
　特許文献１に記載の発明によれば、装着者の頭部における目の位置に応じて画像表示ユニットの位置調整が可能であり、装着者個人に合わせて表示画像の視認性を最適化できる。このような画像表示ユニットの位置調整が可能なヘッドマウントディスプレイに、さらにカメラユニットを搭載し、画像表示ユニットの位置調整に加えてカメラユニットの位置調整を行うこととすると位置調整作業が煩雑になりすぎる。調整作業の煩雑性を避けるため、カメラユニットの位置調整ができない構成とすると、装着者の見ている実像とカメラにより撮影した画像との差異を小さく抑えることが困難になるという問題が生じる。そもそも、特許文献１においては、画像表示ユニットのユーザーの眼に対する角度の調整について考慮されていないため、カメラユニットと画像表示ユニットの睨み方向を正確に角度調整するのが難しいという問題もある。
　カメラ付きのヘッドマウントディスプレイでは、装着者の視線（見ている像）を、カメラを通して他の人が共有するシステム（視線カメラ）に活用することが考えられる。また、拡張現実（Augmented Reality、AR）の実用化により装着者の見ている実像に、カメラの撮影画像に基づき認識した物体に関する情報を虚像として重ねて表示することが考えられる。このような活用を考えても、画像表示ユニットのみならず、カメラも装着者個人の頭部の大きさや形状、眼の位置などに合わせて位置調整可能とすることが求められ、その調整を容易かつ正確に行えることが求められる。

　本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、大型化、複雑化を招くことなくカメラを搭載し、装着者の見ている実像に対して表示画像および撮影画像を容易に整合させることができるヘッドマウントディスプレイを提供することを課題とする。

　以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、装着者の眼前に配置される画像表示部材と、前記画像表示部材に表示される画像を生成するための画像生成部とが筺体に固定され、前記筐体に前記画像表示部材の基端部及び前記画像生成部が収容されてなる画像表示ユニットと、
　装着者の頭部に装着され、前記画像表示ユニットを位置調整可能に支持するフレームと、
　前記画像表示ユニットに設けられた前方撮影用カメラと、
を備えるヘッドマウントディスプレイである。

　請求項２記載の発明は、前記前方撮影用カメラが前記画像表示ユニットの前記筺体に内蔵された請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイである。

　請求項３記載の発明は、前記フレームは、前記画像表示ユニットを眼幅方向に位置調整可能に支持する請求項１又は請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイである。

　請求項４記載の発明は、前記フレームは、前記画像表示ユニットを眼幅方向に延在する軸周りに回動可能、かつ、任意の角度位置に保持可能に支持する請求項１、請求項２又は請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイである。

　請求項５記載の発明は、前記画像表示ユニットに設けられた、前方の近接範囲にある検出領域における物体の存在を検出して出力を生成する近接センサーをさらに備える請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイである。

　請求項６記載の発明は、前記画像表示部材は、外界の光を透過させて装着者の瞳に入射させることが可能なシースルー型である請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイである。

　請求項７記載の発明は、前記フレームは、ノーズパッドを備える請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイである。

　本発明によれば、ヘッドマウントディスプレイにおいて、装着者の頭部に装着されるフレームに位置調整可能に支持された画像表示ユニットに前方撮影用カメラが設けられているので、大型化、複雑化を招くことなくカメラを搭載することができ、画像表示ユニットの位置調整を行うことで同時に前方撮影用カメラの位置調整をも行うことができるので、装着者の見ている実像に対して表示画像および撮影画像を容易に整合させることができる。

本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを含んだウェアラブルコンピューターのシステム全体の外観図である。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの後側から見た斜視図である。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの前側から見た斜視図である。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの前側から見た斜視図で、イヤフォンユニットが外された状態を示す。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの正面図である。外部接続ケーブルの図示を省略する。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの上面図である。外部接続ケーブルの図示を省略する。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの底面図である。外部接続ケーブルの図示を省略する。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの左面図である。外部接続ケーブルの図示を省略する。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの右面図である。外部接続ケーブルの図示を省略する。本発明の一実施形態に係るイヤフォンユニットの斜視図である。本発明の一実施形態に係るイヤフォンユニットの正面図である。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの画像表示ユニットを含む部分の正面図で、外カバーを外した状態を示す。中間ケーブル、眼鏡レンズ（アイシールド）の図示を省略した。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの画像表示ユニットを含む部分の右面図で、外カバーを外した状態を示す。中間ケーブル、眼鏡レンズ（アイシールド）、ノーズパッドの図示を省略した。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの画像表示ユニットを含む部分の底面図で、外カバーを外した状態を示す。中間ケーブル、眼鏡レンズ（アイシールド）の図示を省略した。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの画像表示ユニットを含む部分の上面図で、外カバーの上面を開放して描いたものである。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの画像表示ユニットを含む部分の背面図である。眼鏡レンズ（アイシールド）の図示を省略した。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの画像表示ユニットを含む部分の底面図である。眼鏡レンズ（アイシールド）の図示を省略した。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの画像表示ユニットの斜視図で、筐体の半身を取り除いたものである。本発明の一実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの画像表示ユニットの光軸方向断面図である。本発明の一実施形態にかかるヘッドマウントディスプレイを含んだウェアラブルコンピューター全体の主要回路のブロック図である。

　以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

〔実施形態の概要〕
（システム全体）
　　図１は、本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１を含んだウェアラブルコンピューターのシステム全体を描いた外観図である。
　図１に示すように本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１は、装着者の頭部に装着される眼鏡型のフレーム２０に、画像表示部材２を含む画像表示ユニット１０と、中継ユニット６０と、イヤフォンユニット７０とを支持した構成を有し、中継ユニット６０から延出した外部接続ケーブル６１によりモバイルコンピューター１００に接続可能なものであり、これらによりウェアラブルコンピューターが構成される。外部接続ケーブル６１の端部には、モバイルコンピューター１００に接続可能なコネクタ６１ａが備わっている。中継ユニット６０と画像表示ユニット１０とは中間ケーブル３８を介して接続されている。
　モバイルコンピューター１００から外部接続ケーブル６１を介して中継ユニット６０に電力が供給され、さらに中継ユニット６０及び中間ケーブル３８を介して電力が画像表示ユニット１０に供給される。

　また、モバイルコンピューター１００から外部接続ケーブル６１、中継ユニット６０及び中間ケーブル３８を介して、画像信号が画像表示ユニット１０まで伝送され、モバイルコンピューター１００から出力される画像が画像表示ユニット１０によって装着者に対し表示される。
　また、画像表示ユニット１０は、前方撮影用カメラ４を備えており、中間ケーブル３８、中継ユニット６０及び外部接続ケーブル６１を介して前方撮影用カメラ４の撮影画像がモバイルコンピューター１００に入力される。
　また、中継ユニット６０は、センサー類を備えており、外部接続ケーブル６１を介してそのセンサー類の検出信号がモバイルコンピューター１００に入力される。
　さらに、画像表示ユニット１０の表示のオン／オフや表示輝度、コントラストなどの表示設定、前方撮影用カメラ４の感度設定等を指示する制御信号がモバイルコンピューター１００から外部接続ケーブル６１、中継ユニット６０及び中間ケーブル３８を介して画像表示ユニット１０に入力される。
　また、必要な場合には、中継ユニット６０に搭載のセンサー類のオン／オフや感度設定等を指示する制御信号がモバイルコンピューター１００から外部接続ケーブル６１を介して中継ユニット６０に搭載のセンサー類に入力される。
　イヤフォンユニット７０は、モバイルコンピューター１００とワイヤレス通信により接続し、モバイルコンピューター１００から出力される音声信号を受信して音声を出力する。

　モバイルコンピューター１００は、バッテリー２００、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、ストレージデバイス１０７等を備えて構成されている（図１９参照）。
　また、モバイルコンピューター１００は、イヤフォンユニット７０とのワイヤレス通信を行う無線通信デバイス１０４のほか、インターネットサーバーなどの外部コンピューターとの通信を行い、アプリケーションプログラムやコンテンツのダウンロードを可能とする無線通信デバイス１０５が搭載されている（図１９参照）。したがって、当該アプリケーションプログラムが生成するコンテンツやダウンロードしたコンテンツとしての画像をモバイルコンピューター１００から画像表示ユニット１０に出力して表示させることができ、音声をモバイルコンピューター１００からイヤフォンユニット７０に出力して音声出力させることができる。
　中継ユニット６０に搭載のセンサー類のほかに、画像表示ユニット１０に前方撮影用カメラ４及び近接センサー６が設けられており、これらのセンサー類の検出信号がモバイルコンピューター１００に入力されるため、これらの検出信号を基づく演算を含んだプログラムをモバイルコンピューター１００のＣＰＵ１０１により実行可能である。

　画像表示ユニット１０の有する近接センサー６は、前方（画像表示ユニット１０から見てＹ方向）の近接範囲における検知領域内の対象物の存在や移動を非接触で検知するセンサーである。近接センサー６を介してユーザーの手の存在や動きを検知する検知信号をモバイルコンピューター１００に入力することができ、モバイルコンピューター１００のＣＰＵにより手の形や動き（指先の動きなど）に対応した操作指令を認識するジェスチャー入力機能を構成できる。したがって、装着者は、画像表示ユニット１０が配置された自分の眼の前で自分の手で特定のジェスチャーをすることにより、モバイルコンピューター１００に動作指令を入力して操作することができる。なお、指示を与える対象物はユーザーの手、手指のほか、ユーザーが手に持った指示棒などの物体とされる場合がある。ユーザーの顔面の近くでユーザーの手の位置を確実に把握しながらモバイルコンピューター１００に指示を行えるようにするため、近接範囲は近接センサー６の検知面から２００ｍｍ程度に設定しておくことが好ましい。近接センサー６としては、パッシブ型の近接センサーやアクティブ型の近接センサーなど公知のものを用いることができる。近接センサーは、カメラに比べて、概して小型で安価であり、消費電力も小さい。また、近接センサーは、物体の形状の検出など複雑な検出はできないが、物体の接近や離間を判別することができるので、手を通過させたり手をかざしたりすることで、ＨＭＤの操作を行うことができ、しかも、カメラの撮影画像の解析によるジェスチャー認識に必要とされる複雑な画像処理も不要である。

　ここで、パッシブ型の近接センサーは、物体が近接した際に物体から放射される不可視光や電磁波を検出する検出部を有する。パッシブ型の近接センサーとしては、接近した人体から放射される赤外線などの不可視光を検出する焦電センサーや、接近した人体との間の静電容量変化を検出する静電容量センサーなどがある。アクティブ型の近接センサーは、不可視光や音波の投射部と、物体に反射して戻った不可視光や音波を受ける検出部とを有する。アクティブ型の近接センサーとしては、赤外線を投射して物体で反射された赤外線を受光する赤外線センサーや、レーザ光を投射して物体で反射されたレーザ光を受光するレーザセンサーや、超音波を投射して物体で反射された超音波を受け取る超音波センサーなどがある。尚、パッシブ型の近接センサーは低消費電力性に優れている。また、アクティブ型の近接センサーは検知の確実性を向上させやすく、例えば、ユーザーが手袋をしているような場合でも、検出することができる。複数種類の近接センサーを組み合わせて用いても良い。複数の検知部を並べて配置した近接センサーを用いると、検知領域に対する物体の動きの方向も検知することができる。また、検知部からの出力の強度から検知領域に対する物体の近接や離間の方向も検知することができる。

（ヘッドマウントディスプレイ）
　さらに図２、図３に、異なる方向から見たヘッドマウントディスプレイ１の斜視図を示した。図４は、図３に対しイヤフォンユニットが外された状態を示す。また、ヘッドマウントディスプレイ１の全体の５面図を図５から図９に、イヤフォンユニットの単体図を図１０及び図１１に示した。図１２から図１８に画像表示ユニット及びその支持機構部分の詳細を示した。図中に共通の直交３軸ＸＹＺを示した。装着者の頭部を基準としてＸは左右方向（眼幅方向）を、Ｙは前後方向を、Ｚは上下方向を示す。
　以下これらの図に示した符号を付して説明する。

　本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１は、図１２～図１７等に示すように、画像表示部材２、画像生成部３、前方撮影用カメラ４、第１の筐体５、近接センサー６等を有する画像表示ユニット１０と、装着者の頭部に装着されるフレーム２０と、画像表示ユニット１０の支持部材３０と、付勢部材としてのコイルスプリング３１，３２と、回動軸部材３３，３４と、固定リング３５，３６と、外カバー３７と、を備えて構成されている。

　画像表示部材２及び画像生成部３は第１の筺体５に固定されている。第１の筐体５に画像表示部材２の基端部２ａ、画像生成部３及び前方撮影用カメラ４が収容されている。画像表示部材２は、装着者の眼前に配置されるものであり、本実施形態では装着者の右目前に配置されるものを示す。画像生成部３は、画像表示部材２に表示される画像を生成するためのＬＥＤ等の光源、液晶表示素子等の表示素子、集光レンズ等で構成され、生成した画像光を画像表示部材２に入射させる。画像表示部材２に入射した画像光は、画像表示部材２内の傾斜面に設置された光学素子１９で反射されて内側面１７ｂから出射し装着者の瞳に入射する（図１３参照）。画像表示部材２は第１の筐体５から突設され、外界の光を透過させて装着者の瞳に入射させることが可能なシースルー型の表示部材を構成する。カメラ４及び近接センサー６は、画像表示部材２により形成される画面に対して、カメラ４の撮像範囲が適切となるように、また、近接センサー６の検知範囲が適切となるように、予めカメラ４及び近接センサー６の配置位置や向きを決定して画像表示ユニット１０に固定しておく。

　フレーム２０は、眼幅方向（Ｘ方向）に延在する回動軸部材３３，３４及び支持部材３０を介して画像表示ユニット１０の回動を可能にしてこれを支持する。画像表示ユニット１０は支持部材３０に支持されており、支持部材３０の両端部が、各々回動軸部材３３，３４に連結されている。支持部材３０は画像表示ユニット１０と一体に回動軸部材３３，３４を中心にしてフレーム２０に対して回動し（つまり、眼幅方向に延在する回動軸周りに回動し）、これにより画像表示部材２のアオリ角の調整が可能とされている。また、画像表示ユニット１０は、支持部材３０に対して目眼幅方向にスライド可能に支持されており、これにより画像表示部材２の目眼幅方向の位置調整が可能とされている。回動機構及びスライド機構の詳細については後述する。

　図２、図３等に示すようにフレーム２０は、装着者の耳に掛けられる一対のテンプル部（右テンプル部２１Ｒ，左テンプル部２１Ｌ）と、フロント部２４と、右テンプル部２１Ｒとフロント部２４とを連結する右コーナー連結部２５Ｒと、左テンプル部２１Ｌとフロント部２４とを連結する左コーナー連結部２５Ｌとを有して構成されている。これにより、本ヘッドマウントディスプレイ１を眼鏡と同様の形態で装着者の頭部に装着することができる。なお、右テンプル部２１Ｒと右コーナー連結部２５Ｒとの連結及び左テンプル部２１Ｌと左コーナー連結部２５Ｌとの連結をヒンジ連結としてフレーム２０を折り畳み可能としてもよし、一体的に結合させ又は一体的に成形してヒンジレスフレームとしてもよい。
　また、フロント部２４には、装着者の鼻に当てられるノーズパッド２２Ｌ，２２Ｒと、眼鏡レンズ又はアイシールド２３Ｌ，２３Ｒとが連結固定される。

　フロント部２４は、装着者の頭部前側に配置される部分である。フロント部２４のうち、右半分が右フロント部２４Ｒ、左半分が左フロント部２４Ｌである。
　　本実施形態では、画像表示部材２が装着者の右眼前に配置され、画像表示ユニット１０が右フロント部２４Ｒに配置され、かつ、イヤフォンユニット７０が左テンプル部２１Ｌに配置される。また、中継ユニット６０が右テンプル部２１Ｒに配置される。
　左眼に対して画像を表示する形態として、本実施形態とは左右逆、すなわち、画像表示部材２が装着者の左眼前に配置され、画像表示ユニット１０が左フロント部２４Ｌに配置され、かつ、イヤフォンユニット７０が右テンプル部２１Ｒに配置された形態も同様に実施することができる。この場合、中継ユニット６０は左テンプル部２１Ｌに配置される。

（作用効果その他）
　以上のように本実施形態によれば、ヘッドマウントディスプレイ１において、装着者の頭部に装着されるフレーム２０に位置調整可能に支持された画像表示ユニット１０に前方撮影用カメラ４が設けられているので、大型化、複雑化を招くことなくカメラを搭載することができる。すなわち、画像表示ユニットとは別体のカメラユニットを設けると、搭載するユニット数が増加して複雑化し、全体としても大型化するが、本実施形態によれば画像表示ユニット１０に前方撮影用カメラ４が内蔵されているので、そのような大型化、複雑化を回避することができる。
　また、本実施形態によれば、画像表示ユニット１０の位置調整を行うことで同時に前方撮影用カメラ４及び近接センサー６の位置調整をも行うことができる。例えば、装着者の目の位置に合わせて画像表示ユニット１０を眼幅方向に移動させると、画像表示部材２とともに前方撮影用カメラ４及び近接センサー６も眼幅方向に移動する。また、装着者の視線に合わせてアオリ角を調整すると、画像表示部材２、前方撮影用カメラ４、及び、近接センサー６のアオリ角が同調して調整される。したがって、装着者の見ている実像に対して表示画像および撮影画像を整合させることが容易であり、表示画像および撮影画像を近接センサー６による検知領域と整合させることも容易である。
　すなわち、装着者の頭部の形状やサイズ、眼の位置等に応じ、画像表示ユニット１０の画像表示部材２を任意の位置に移動して視野角などの調整を行う際、位置調整可能な画像表示ユニット１０に前方撮影用カメラ４を設けておくことで、画像表示部材２と前方撮影用カメラ４とが同調して移動するため、前方撮影用カメラの撮影した映像と画像表示部材２に表示される画像との視差が生じるのを防止することができ、各々が同調して移動しない場合に必要となる特別な映像処理や煩雑な調整が不要となる。
　カメラ付きのヘッドマウントディスプレイでは、装着者の視線（見ている像）を、カメラを通して他の人が共有するシステム（視線カメラ）に活用することが考えられる。また、拡張現実（Augmented Reality、AR）の実用化により装着者の見ている実像に、カメラの撮影画像に基づき認識した物体に関する情報を虚像として重ねて表示することが考えられる。このような活用において、画像表示部材のみを位置調整すると、カメラの撮影範囲との差異（視差：パララックス）は大きくなり、装着者が実際に見ている画像とカメラの撮影画像との不一致が起きてしまう。本実施形態によれば、画像表示部材２の位置調整を行う際、前方撮影用カメラ４も連動して動くことで、そのような視差を最小化することができ、上記活用における不整合を回避することができる。
　さらに、本実施形態によれば、画像表示ユニット１０の位置調整を行うことで同時に近接センサー６の位置調整をも行うことができる。例えば、装着者の目の位置に合わせて画像表示ユニット１０を眼幅方向に移動させると、画像表示部材２とともに近接センサー６も眼幅方向に移動する。また、装着者の視線に合わせてアオリ角を調整すると、画像表示部材２及び近接センサー６のアオリ角が同調して調整される。したがって、装着者の見ている実像に対して表示画像および撮影画像を整合させることが容易である。

〔その他各部の詳細事項等〕
　以下に各部の詳細等について補足的に説明を記載する。
（イヤフォンユニット）
　図１０及び図１１に示すようにイヤフォンユニット７０は、第２の筐体７１を有する。すなわち、本実施形態においては、第２の筐体７１に内蔵される他の機器はワイヤレスイヤフォンである。第２の筐体７１は、基板収容部７１ａと、インナーイヤー部７１ｂとで構成されている。基板収容部７１ａ内には、音声信号を受信する通信回路、受信した音声を増幅しインナーイヤー部７１ｂに構成された振動部を駆動する駆動回路、これらの回路の電源となるバッテリー等が収容されている。
　基板収容部７１ａは、左テンプル部２１Ｌに沿うように長く形成された前方部７１ａ１と、前方部７１ａ１の後端に連続し下方に突出してインナーイヤー部７１ｂを支持する後方部７１ａ２とを有する。図１～図３等に示すように前方部７１ａ１を左テンプル部２１Ｌに沿わせてすっきりと配置するとともに、インナーイヤー部７１ｂを左テンプル部２１Ｌに干渉することなく装着者の耳孔に配置するためである。

　第２の筐体７１は、左テンプル部２１Ｌに弾性材料からなる取付部材７２により着脱可能に装着される。
　取付部材７２を構成する弾性材料としてはエラストマーを適用することが好ましい。
　取付部材７２は、基板収容部７１ａの前方部７１ａ１の内側面に固着されており、前方部７１ａ１と同様に前後方向（Ｙ方向）に長く形成されている。
　一方、図４に示すように左テンプル部２１Ｌの耳掛け部２１Ｌａより前方の装着者の頭部側面に当てられる前方部２１Ｌｂに取付用開口７３が穿設されている。取付部材７２及び取付用開口７３は、イヤフォンユニット７０を左テンプル部２１Ｌに着脱可能に装着するためのものであり、ともに前後方向（Ｙ方向）に長く形成されている。このように取付部材７２及び取付用開口７３を前後方向（Ｙ方向）に長く形成するのは、取付部材７２を一つとし、これに対応した取付用開口７３を一つとした構成でも、イヤフォンユニット７０を左テンプル部２１Ｌに対しガタツキなく確実に固定するためである。また、取付部材７２を一つとすることで、単体の取付部材７２の第２の筐体７１との接合面積を大きくして、取付部材７２が第２の筐体７１から引き剥がされることを防止することができる。また、後述するように取付部材７２が装着者の頭部側面に当接し、滑り止め及びクッション材としても機能するので、当該機能を効果的に発揮させるためである。

　図１１に示すように取付部材７２は、第２の筐体７１に接合されるベース部７２ａと、ベース部７２ａの第２の筐体７１との接合端に対する逆端に形成された抜け止め端部７２ｂとを有する。
　ベース部７２ａの外周と取付用開口７３の内周とはほぼ一致するように対応している。抜け止め端部７２ｂは、取付用開口７３の内周より一回り大きな寸法に形成されている。すなわち、抜け止め端部７２ｂは、Ｙ方向にもＺ方向にも取付用開口７３の内幅より大きい幅を有する。
　抜け止め端部７２ｂを取付用開口７３に合わせて配置し、イヤフォンユニット７０を左テンプル部２１Ｌに押し付けることで、抜け止め端部７２ｂが取付用開口７３を通過して左テンプル部２１Ｌの内側に配置され、取付部材７２が取付用開口７３に内嵌めされる取付構造が実現される。
　かかる取付構造によりイヤフォンユニット７０が左テンプル部２１Ｌに装着され、本ヘッドマウントディスプレイ１が人体頭部に装着されると、取付部材７２の抜け止め端部７２ｂは、左テンプル部２１Ｌの内側に突出しており装着者の頭部側面に当接するので、弾性材料からなる取付部材７２が滑り止め及びクッション材としても機能し、ヘッドマウントディスプレイ１が装着者の頭部からずれたり、ずり落ちたりすることを防止するとともに、装着性を向上することができる。特に装着性としては、ずれにくいという点とともに、取付部材７２が柔軟に人体頭部に当てられるので、長時間の装着において快適な装着性が得られる。

　以上のように弾性材料からなる取付部材７２をテンプル部に係合することで、ネジ止め等の複雑な構成なしで、容易にイヤフォンユニット７０の着脱を実現することができる。
　着脱時に抜け止め端部７２ｂが縮径変形しやすくするために、図１０に示すように取付部材７２には抜け止め端部７２ｂの内側で開口する穴部７２ｃが形成されている。
　装着時に抜け止め端部７２ｂが縮径変形して取付用開口７３を通過しやすくするために、また装着者の頭部に優しく当たるように、図１１に示すように抜け止め端部７２ｂの挿入方向外周角部はラウンド状に形成されている。

　取付部材７２は、第２の筐体５に固着されているので、着脱を含む使用に際してイヤフォンユニット７０に常に付随している。これにより、取付部材７２の紛失が防止されるとともに、第２の筐体７１と取付部材７２との間に着脱機構を構成しないために第２の筐体７１の複雑化が防がれる。
　なお、本実施形態においては、第２の筐体７１に内蔵される他の機器がワイヤレスイヤフォンとされているが、他の例として、カメラや各種センサー類を挙げることができる。

（中継ユニット）
　中継ユニット６０は、イヤフォンユニット７０の基板収容部７１ａとほぼ同一の外形を有し、中継ユニット６０の右テンプル部２１Ｒに対する装着は、イヤフォンユニット７０の左テンプル部２１Ｌに対するそれと同じ着脱機構が採用されている。中継ユニット６０の取付部材６２が図２等に示される。取付部材６２が同様に滑り止め及びクッション材としても機能する。取付部材６２、７２が装着者の頭部に両側から当接するため、装着性が顕著に向上する。

（回路ブロック）
　図１９は、ウェアラブルコンピューターの主要回路のブロック図である。画像表示ユニット１０内に設置される回路基板９０上には、カメラ４、近接センサー６の他に、表示素子１４を駆動するための駆動回路である表示パネルドライバー９１、光源１１を駆動するための回路である光源駆動回路９２、周辺環境の明るさを検知する照度センサー９３、電源回路２０３が設けられている。照度センサー９３からの出力に基づいて、光源駆動回路９２や表示パネルドライバー９１を制御して、画像表示部材２に表示される画像の輝度を調整することで、ユーザーが見やすい画像にすることができる。中継ユニット６０内に設置される中継回路基板８１には、装着者の頭部の状態を検知するためのセンサーとしてのジャイロ（角速度センサー）８２及び電子コンパス（地磁気センサー）８３と、ユーザーからの音声による指示を受け付けるためのマイク８４と、各種情報を記憶するＥＥＰＲＯＭ８５と、電源回路２０２とが設けられている。電源回路２０２は、中継回路基板８１上の各部への給電を行うとともに、後段の画像表示ユニット１０への電力供給を中継する。モバイルコンピューター１００内に設置される回路基板１１０には、全体の制御を司るＣＰＵ１０１、プログラムや各種情報を記憶するＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、無線通信デバイス１０４、１０５、システム全体の電源のオンオフや各種の指示を行うための操作部１０６、フラッシュメモリなどのストレージデバイス１０７や外部機器との接続を行うためのインターフェース１０８、着脱可能とされたバッテリー２００に接続される電源回路２０１を備えている。制御信号や各種の情報をやり取りするための信号伝送路、及び、電力供給を行うための電力伝送路がコネクタ６１ａを介して、外部接続ケーブル６１に接続されるように構成されている。画像表示ユニット１０の回路基板９０と、中継ユニット６０の中継回路基板８１との間の信号伝送路と電力伝送路は中間ケーブル３８で接続されている。イヤフォンユニット７０には、ワイヤレス型のイヤフォンデバイス１２０とこれに給電する電源としてのサブバッテリー１２１が設けられている。なお、図１９に示すように、本例は、ユーザーが近接センサー６やマイク８４による非接触のユーザーインターフェースを通じて、ウェアラブルコンピューターの操作を行うので、操作によってヘッドマウントディスプレイの装着位置がずれる恐れが少ないものであるが、ヘッドマウントディスプレイ１のフレーム２０や画像表示ユニット１０や中継ユニット６０等に、過度な装着位置ずれが生じない範囲で操作が行えるような操作部を設けてもよい。例えば、タッチセンサを設けてタッチやスワイプで操作を行えるようにしたり、複数の指のうちのいずれかで支えながら別の指で押せるような位置にキーを配置したりすることができる。

（回動機構）
　図１２から図１４に示すように右フロント部２４Ｒは、回動軸部材３３の設置部からその半径方向に延設されたフランジ部２４Ｒａ、２４Ｒｂと、回動軸部材３４の設置部からその半径方向に延設されたフランジ部２４Ｒｄ、２４Ｒｅと、第１の筐体５に対して両側のフランジ部２４Ｒｂとフランジ部２４Ｒｅとを繋ぎ第１の筐体５を眼幅方向（Ｘ方向）に横断する横断部２４Ｒｃとを有する。
　一方、支持部材３０は、眼幅方向（Ｘ方向）に延在し、画像表示ユニット１０が搭載される底部３０ａと、底部３０ａの両端からＹＺ平面上に延びる腕部３０ｂ、３０ｃとを有する。
　画像表示ユニット１０の両側それぞれにおいて、回動軸部材３３（３４）が、フランジ部２４Ｒａ（２４Ｒｄ）に設けられた孔、コイルスプリング３１（３２）、および、腕部３０ｂ（３０ｃ）に設けられた孔に挿入され、さらに回動軸部材３３（３４）の先端部が、固定リング３５（３６）に嵌入されて該先端部に固定リング３５（３６）が固定されることで、画像表示ユニット１０を支持した支持部材３０がフレーム２０に回動可能に連結されている。

　以上の構造により、第１の筐体５の眼幅方向（Ｘ方向）の両側面に回動軸部材３３，３４が一対配置されている。
　回動軸部材３３、３４は第１の筐体５の眼幅方向（Ｘ方向）の両側面に対向している。すなわち、回動の中心軸が第１の筐体５を通る位置にある。回動の中心軸が第１の筐体５を通る位置にありながらも、フランジ部２４Ｒｂ、フランジ部２４Ｒｅ及び横断部２４Ｒｃによって第１の筐体５を回避し、一方の回動軸部材３３側と他方の回動軸部材３４側とを連結する。回動の中心軸が第１の筐体５を通る位置にあることで、回動に伴う画像表示ユニット１０（特に第１の筐体５部分）の移動空間をコンパクトにでき、使い勝手やコンパクト性を保持できる。
　また、図１３に示すように画像表示部材２の画像光出射面１７ｂが存在する平面６より装着者側に回動軸部材３３，３４の中心軸が配置されている。これにより、回動軸部材３３，３４の中心軸が、装着者の瞳側に近い位置に存在するため、アオリ角調整における画像表示部材２の移動量の割に、装着者の視線に対するアオリ角の変化が緩やかになり、アオリ角の微調整が容易になる。

　また、以上の構造におけるコイルスプリング３１，３２によって、画像表示ユニット１０の回動における画像表示ユニット１０側とフレーム２０側とを互いに回動軸部材３３，３４の軸方向（Ｘ方向）に付勢することで、該回動に摩擦抵抗を生じさせて該回動の角を保持することができる。つまり、画像表示ユニット１０は、フレーム２０によって任意の角度位置に保持可能に支持されている。
　本実施形態では、付勢部材であるコイルスプリング３１，３２を画像表示ユニット１０の眼幅方向（Ｘ方向）の両側にそれぞれ備え、当該両側に備わるコイルスプリング３１，３２によって画像表示ユニット１０を両側から挟みつけるように（直接的には支持部材３０を）押圧することで、上記摩擦抵抗を生じさせる。
　さらに具体的には、回動軸部材３３（３４）の一端がフレーム２０のフランジ部２４Ｒａ（２４Ｒｂ）に連結され、回動軸部材３３（３４）の他端が支持部材３０の腕部３０ｂ（３０ｃ）に連結され、コイルスプリング３１（３２）が支持部材３０の眼幅方向（Ｘ方向）の側面、すなわち、腕部３０ｂ（３０ｃ）の面を押圧することで、上記摩擦抵抗を生じさせる。
　以上により、画像表示部材のアオリ角を微調整可能とし、調整した角度を安定的に維持することができる。また、眼に近い位置でアオリ調整を行うことで、画像表示部材２の表示画面を実質的に垂直方向に位置調整したのと同様の効果を得ることができる。また、前後方向（奥行き方向）における位置もある程度調整することができる。従って、アオリ調整機構を設けることで上下及び前後への微調整を行うことができる。画像表示部材２の角度調整によってカメラ４及び近接センサー６も同時に回動するので、回動動作によってカメラ４及び近接センサー６と画像表示部材２との位置ずれを生じることがない。

（外カバー）
　図１５に示すように、外カバー３７は支持部材３０に固定されており、画像表示ユニット１０及び支持部材３０とともに一体回動する。外カバー３７は、支持部材３０及び第１の筐体５を覆い、画像表示部材２を露出させる。回動する部分が外カバー３７で覆われるため、異物が侵入してアオリ角調整機能が阻害されることを抑制することができる。

（中間ケーブル）
　中間ケーブル３８は、画像表示ユニット１０を中継ユニット６０に接続するためのものである。
　図１６Ａ，１６Ｂに示すように中間ケーブル３８は、第１の筐体５から延出し、外カバー３７に設けられた孔３７ａに通され、孔３７ａに対して移動自在にされている。本実施形態では孔３７ａに嵌められたブッシュ３９によって、中間ケーブル３８と孔３７ａとの間の隙間が埋められて外カバー３７の防塵性が確保されるとともに、中間ケーブル３８がブッシュ３９に対して摺動するように、それらの材質及び寸法が選定されている。

（スライド機構）
　また図１４及び図１６Ａ，１６Ｂに示すように、支持部材３０は、スライド機構を介して画像表示ユニット１０を眼幅方向（Ｘ方向）に移動可能に支持する。
　そのスライド機構は、そのスライド動作を所定ピッチで保持する係止機構を有するもので、支持部材３０の底部３０ａに設けられたガイド孔３０ａ１，３０ａ１と、ガイド孔３０ａ１，３０ａ１に挿入され先端が第１の筐体５に固定されたガイドピン５ａ，５ａとによりスライドガイド機構を構成し、第１の筐体５の底部３０ａに対向する面に設けられ保持溝帯５ｂと、保持溝帯５ｂに形成された溝に嵌る突起部３０ａ３を有した板バネ３０ａ２とにより上記係止機構を構成する。
　ガイド孔３０ａ１，３０ａ１がＸ方向に長く延在し、第１の筐体５と支持部材３０の腕部３０ｂ，３０ｃとの間に隙間が設けられ、ガイドピン５ａ，５ａがガイド孔３０ａ１，３０ａ１に遊嵌されていることで、図１６Ｂに矢印Ａで示すように画像表示ユニット１０は、支持部材３０や外カバー３７、フレーム２０に対して眼幅方向（Ｘ方向）に移動可能である。
　図１６Ａ，１６Ｂに示すように、保持溝帯５ｂはＹ方向に切られた複数の溝がＸ方向に所定ピッチで連続して形成されており、板バネ３０ａ２は、その突起部３０ａ３を保持溝帯５ｂに押圧するように弾性力を作用させている。これにより、保持溝帯５ｂの一つ一つの溝に突起部３０ａ３が嵌り、画像表示ユニット１０のスライド動作を所定ピッチで保持することができる。

　以上のように、画像表示ユニット１０が外カバー３７に対してスライド動作しても、さらにアオリ角調整によって外カバー３７がフレーム２０に対し動作しても、中間ケーブル３８は、外カバー３７に対して出し入れされるように移動自在であるので、中間ケーブル３８に力学的負荷を掛けることなく、これらの動作を円滑に行うことができる。　

（画像表示ユニットの防塵・防水構造）
　さらに第１の筐体５内の防塵性・防水性は、図１７に示すシール部材４０、さらにはブッシュ４１、キャップ４２により確保される。
　第１の筐体５は半身に分離するので、シール部材４０は、第１の筐体５の分離面において一周に亘り、さらに画像表示部材２の基端部２ａを囲む一周に亘り配設されている。つまり、シール部材４０は、第１の筐体５の２つの半身で挟まれる部位に、画像表示部材２が挿入される環状の部位が連結した構造を有している。第１の筐体５の分離面及び第１の筐体５と画像表示部材２の基端部２ａとの間が封止される。
　ブッシュ４１は、第１の筐体５の中間ケーブル引き出し孔に嵌められており、中間ケーブル３８と第１の筐体５のとの間を封止する。中間ケーブル３８はブッシュ４１に対して移動可能にする必要がないので、ブッシュ４１が中間ケーブル３８をしっかり締め付けるように、それらの材質及び寸法が選定されている。
　なお、ブッシュ４１の反対側に取り付けられたキャップ４２は画像表示ユニット１０の左取付時のケーブル引き出し孔を封止する蓋部材である。これにより、画像表示ユニット１０を右取付にも左取付にも対応させることができる。キャップ４２は、ブッシュ４１の孔を埋めたものに相当する。
　以上により、第１の筐体５内の防塵性・防水性が確保され、第１の筐体５内の画像生成部３、前方撮影用カメラ４等に水などの液体や水蒸気などの気体が浸入することを防止することができる。

（画像表示ユニットの表示機能）
　図１８は、画像表示ユニット１０の概略の構成を示す断面図である。
　画像表示ユニット１０は、光源１１と、一方向拡散板１２と、集光レンズ１３と、表示素子１４と、画像表示部材２を有している。画像表示部材２はシースルー型の表示部材を構成する。

　光源１１は、表示素子１４を照明するものであり、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で４６２±１２ｎｍ（Ｂ光）、５２５±１７ｎｍ（Ｇ光）、６３５±１１ｎｍ（Ｒ光）となる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。このように、光源１１が所定の波長幅の光を出射することにより、表示素子１４を照明して得られる画像光に所定の波長幅を持たせることができ、ホログラム光学素子１９にて画像光を回折させたときに、瞳孔Ｂの位置にて観察画角全域にわたって装着者に画像を観察させることができる。また、光源１１の各色についてのピーク波長は、ホログラム光学素子１９の回折効率のピーク波長の近傍に設定されており、光利用効率の向上が図られている。
　また、光源１１は、ＲＧＢの光を出射するＬＥＤで構成されているので、光源１１を安価に実現することができるとともに、表示素子１４を照明したときに、表示素子１４にてカラー画像を表示することが可能となり、そのカラー画像を装着者に提供することが可能となる。また、ＲＧＢの各ＬＥＤ素子は、発光波長幅が狭いので、そのようなＬＥＤ素子を複数用いることにより、色再現性が高く、明るい画像表示が可能となる。

　表示素子１４は、光源１１からの出射光を画像データに応じて変調して画像を表示するものであり、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過型の液晶表示素子で構成されている。なお、表示素子１４は、反射型であってもよい。

　接眼プリズム１７は、基端面１７ａを介して入射する表示素子１４からの画像光を、相対する平行な内側面１７ｂと外側面１７ｃとで全反射させ、ホログラム光学素子１９を介して装着者の瞳に導く一方、外光を透過させて装着者の瞳に導くものであり、偏向プリズム１８とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。
　この接眼プリズム１７と偏向プリズム１８とは、内側面１７ｂ及び外側面１７ｃに対して傾斜した傾斜面１７ｄ，１８ａでホログラム光学素子１９を挟み、接着剤で接合されている。

　偏向プリズム１８は、接眼プリズム１７に接合されて、接眼プリズム１７と一体となって略平行平板となるものである。この偏向プリズム１８を接眼プリズム１７に接合することにより、装着者が画像表示部材２を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
　すなわち、例えば、接眼プリズム１７に偏向プリズム１８を接合させない場合、外光は接眼プリズム１７の傾斜面１７ｄを透過するときに屈折するので、接眼プリズム１７を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム１７に相補的な傾斜面１８ａを有する偏向プリズム１８を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外光が傾斜面１７ｄ，１８ａ（ホログラム光学素子１９）を透過するときの屈折を偏向プリズム１８でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
　なお、画像表示部材２と装着者の瞳の間に矯正眼鏡レンズを装着すると通常眼鏡を使用している装着者でも問題なく画像を観察することが可能である。

　ホログラム光学素子１９は、表示素子１４から出射される画像光（３原色に対応した波長の光）を回折反射して瞳孔Ｂに導き、表示素子１４に表示される画像を拡大して装着者の瞳に虚像として導く体積位相型の反射型ホログラムである。このホログラム光学素子１９は、例えば、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させるように作製されている。ここで、回折効率のピーク波長とは、回折効率がピークとなるときの波長のことであり、回折効率半値の波長幅とは、回折効率が回折効率ピークの半値となるときの波長幅のことである。
　反射型のホログラム光学素子１９は、高い波長選択性を有しており、上記波長域（露光波長近辺）の波長の光しか回折反射しないので、回折反射される波長以外の波長を含む外光はホログラム光学素子１９を透過することになり、高い外光透過率を実現することができる。

　光源１１から出射された光は、一方向拡散板１２にて拡散され、集光レンズ１３にて集光されて表示素子１４に入射する。表示素子１４に入射した光は、画像データに基づいて画素ごとに変調され、画像光として出射される。つまり、表示素子１４には、カラー画像が表示される。
　表示素子１４からの画像光は、接眼プリズム１７の内部にその基端面１７ａから入射し、内側面１７ｂと外側面１７ｃで複数回全反射されて、ホログラム光学素子１９に入射する。ホログラム光学素子１９に入射した光は、そこで反射され、内側面１７ｂを透過して瞳孔Ｂに達する。瞳孔Ｂの位置では、装着者は、表示素子１４に表示された画像の拡大虚像を観察することができる。
　一方、接眼プリズム１７、偏向プリズム１８およびホログラム光学素子１９は、外光をほとんど全て透過させるので、装着者はこれらを介して外界像を観察することができる。したがって、表示素子１４に表示された画像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。

　以上のようにして、装着者は、ホログラム光学素子１９を介して、表示素子１４から提供される画像と外界像とを同時に観察することができる。
　ところで、ホログラム光学素子１９は、波長選択性を有するホログラムであり、外界を光量低下することなく見ることが出来る。しかし、ホログラムの代わりにハーフミラーを設置しても良い。但し、外界像の光量は半分以下となるのでホログラムのような明るい外界像を見ることは出来ない。
　本実施形態ではホログラム光学素子１９を貼り付ける面は平面に限るものではなく、ホログラム光学素子１９を非球面形状に貼り付けても良い。

　本発明は、装着者への画像の表示に利用することができる。

１ヘッドマウントディスプレイ
２画像表示部材
３画像生成部
４前方撮影用カメラ
５第１の筐体
６近接センサー
１０画像表示ユニット
２０フレーム
２１Ｌ左テンプル部
２１Ｒ右テンプル部
２２Ｌ，２２Ｒノーズパッド
２４フロント部
２４Ｌ左フロント部
２４Ｒ右フロント部
２５Ｌ左コーナー連結部
２５Ｒ右コーナー連結部
３７外カバー
３８中間ケーブル
６０中継ユニット
６１外部接続ケーブル
６１ａコネクタ
６２取付部材
７０イヤフォンユニット
７１第２の筐体
７２取付部材
７３取付用開口
１００モバイルコンピューター

Claims

　装着者の眼前に配置される画像表示部材と、前記画像表示部材に表示される画像を生成するための画像生成部とが筺体に固定され、前記筐体に前記画像表示部材の基端部及び前記画像生成部が収容されてなる画像表示ユニットと、
　装着者の頭部に装着され、前記画像表示ユニットを位置調整可能に支持するフレームと、
　前記画像表示ユニットに設けられた前方撮影用カメラと、
を備えるヘッドマウントディスプレイ。
　前記前方撮影用カメラが前記画像表示ユニットの前記筺体に内蔵された請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記フレームは、前記画像表示ユニットを眼幅方向に位置調整可能に支持する請求項１又は請求項２に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記フレームは、前記画像表示ユニットを眼幅方向に延在する軸周りに回動可能、かつ、任意の角度位置に保持可能に支持する請求項１、請求項２又は請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記画像表示ユニットに設けられた、前方の近接範囲にある検知領域における物体の存在を検出して出力を生成する近接センサーをさらに備える請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記画像表示部材は、外界の光を透過させて装着者の瞳に入射させることが可能なシースルー型である請求項１から請求項５のうちいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。
　前記フレームは、ノーズパッドを備える請求項１から請求項６のうちいずれか一項に記載のヘッドマウントディスプレイ。