JP2018036358A - 両眼型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】視認性の高い両眼型画像表示装置を提供。
【解決手段】外部からの光Ｌ’を一部または全部透過するレンズ部１０と、レンズ部１０の周囲に形成され、可撓性を備えるカバー部２０と、レンズ部１０に固定された光導波路部３０を備え、投影される画像情報を光導波路部３０へ伝送する画像投影部４０と、を有する両眼型画像表示装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、両眼型画像表示装置に関する。

従来、使用者の頭部に装着され、表示した映像の光と外界からの光を眼に導いて、映像と外界の像を提供する画像表示装置（所謂、ヘッドマウントディスプレイ）が知られている。

頭部装着型の画像表示装置の一例として、使用者の眼前に配置され視野の一部に画像が表示されるレンズ部と、レンズ部の周囲に形成された柔らかなカバー部と、画像投影部と、を備えた所謂ゴーグル型の画像表示装置がある（例えば特許文献１〜４等参照）。
さて、画像表示装置においては、その視認性向上や情報量の増大を目的として、左右のそれぞれの目に同一の、あるいは異なる画像情報を表示して画像を視野の中で一体的に表示する両眼型画像表示装置も知られている。

しかしながら、ゴーグル型の画像表示装置においては、カバー部分が柔らかいために、映像を投射するための画像投影部を固定することが難しく、単に左右に画像投影部を取り付けるだけでは画像の視認性が却って低下してしまうという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、視認性の高い両眼型画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる両眼型画像表示装置は、外部からの光を一部または全部透過するレンズ部と、前記レンズ部の周囲に形成され、可撓性を備えるカバー部と、前記レンズ部に固定された光導波路部を備え、投影される画像情報を当該光導波路部へ伝送する画像投影部と、を有する。

本発明にかかる両眼型画像表示装置によれば、視認性の高い両眼型画像表示装置を提供できる。

本実施の形態に係る表示装置の外観を例示する斜視図である。 装着者が表示装置を装着した様子を例示する図である。 本実施の形態に係るレンズ部を説明するための図である。 本実施の形態に係る表示装置の視野構成を例示する模式図である。 図４で示した視野構成が合成されるときの視界の一例を示す図である。 調光フィルタの構成の一例を示す図である。 本実施の第２の形態に係る表示装置の構成の一例を示す図である。 図７に示した構成の断面図である。 図７、図８に示した表示装置における捩れ方向の変位を模式的に示す図である。 本発明の第３の実施形態にかかる構成の一例を示す図である。 第１の実施形態の変形例を示す図である。 本発明にかかるレンズ部の変形例を示す図である。

〈第１の実施形態〉
図１は、本実施形態に係る両眼型画像表示装置の一例である表示装置１の外観を例示する斜視図である。
表示装置１は、使用者に装着されたときに眼前にくるように配置された平面状のゴーグルレンズであるレンズ部１０と、レンズ部１０の周囲に形成された可撓性を備えるカバー部２０と、頭部に固定するためのベルト５０と、を有している。
表示装置１は、図２に示すように、カバー部２０に取り付けられて装着時に頭部に固定するためのベルト５０と、レンズ部１０に固定された光導波路部３０と、投影される画像情報を光導波路部３０へ伝送する画像投影部４０と、を有している。
表示装置１は、レンズ部１０と光導波路部３０とを固定するための固定部たる固定部材１１を有している。

レンズ部１０は、アクリル樹脂製のゴーグルレンズであり、外光Ｌ’の一部を透過する所謂アイピース部である。レンズ部１０は、ここではアクリル樹脂を用いるが、その他のポリ塩化ビニル樹脂やポリカーボネート樹脂などの透明材料であっても良いし、外光Ｌ’の一部を透過するように、半透明または特定の波長帯を透過するような材料を用いても良い。また、ここでは便宜上「レンズ」との用語を用いているが、拡大倍率は１倍で、一般的な屈折率を有する光学レンズとしての機能を有するかどうかは問わない。

カバー部２０は、レンズ部１０の周囲に形成され、表示装置１が図２に示すように使用者に装着された時に使用者の頭部に沿って当接するように可撓性を備えている。カバー部２０の材料としては、軟質ポリ塩化ビニル樹脂や軟質ポリエチレン樹脂などが適している。

光導波路部３０は、レンズ部１０と固定部材１１によって固定されたアクリル製の導光路である。
光導波路部３０の内部に入射された投射光Ｌは、図２においては直線で簡易的に示されるが実際には内壁面３１で反射を繰り返しながら減衰の少ない状態で伝送される。
光導波路部３０は、透明な部材、さらに言えばレンズ部１０と同一の部材で形成することが望ましいが、かかる構成に限定されるものではない。
光導波路部３０は、光路の終端すなわち使用者の頭部の中心側に配置されたハーフミラー３２を有している。なお、ハーフミラー３２に限らず、光透過性を有し光を反射する部材であれば、ホログラムを利用した反射部材やハーフミラーを多段化した部材でも良い。
光導波路部３０は、レンズ部１０と平行であっても良いが、より好ましくは平行ではなく１°〜３°の傾斜を設けておく方が、光導波路部３０の全反射がより起こりやすくなるため望ましい。

ハーフミラー３２は、外光Ｌ’を透過するとともに光導波路部３０からの投射光Ｌを表示装置１の背面側に反射し、表示装置１の使用者の眼の方向に出射する部分である。なお、画像投影部４０、光導波路部３０、及びハーフミラー３２は、映像を使用者の眼に導く光学手段の代表的な一例である。

画像投影部４０は、投射光Ｌを出射する発光源４１と、発光源４１からの投射光Ｌを集光して光導波路部３０へと入射させる投射光学系４２と、投影すべき画像情報や文字情報を表示する映像表示部４５と、を有している。
画像投影部４０は、Ｘ方向側の端部において光導波路部３０と接続されており、反対側の−Ｘ方向側の端部は自由に可動な状態で支持された片持ち状態である。
言い換えると、画像投影部４０とカバー部２０との間には、空隙あるいは緩衝部が設けられて互いに独立して動く。このように、光導波路部３０を基準として位置を決めることで、後述するように使用者の視野の左右のずれが緩和されるので視認性が向上する。

発光源４１は、ＬＥＤ光、レーザー光、単色光源、ハロゲンランプなどを用いて良い。
投射光学系４２は、１つ以上の光学レンズ４３やミラー４４などの光学素子を用いた光学系であり、画像情報を付与された投射光Ｌを光導波路部３０へと伝送する。
映像表示部４５は、コンピュータなどの外部装置あるいは当該制御部自身によって選択された投射光Ｌに付与する画像情報を決定し、かかる画像情報を付与するように制御される。画像情報を制御するとは例えば液晶素子のような素子上に画像を形成することで液晶素子を透過する投射光Ｌに画像情報を付与する操作を示している。

なお、映像表示部４５に表示させる映像は、例えば、表示装置１の外部から有線や無線
で供給することができる。或いは、表示装置１に着脱可能な記憶部（メモリーカード等）
を設け、記憶部を介して映像を供給する構成にしてもよい。

固定部材１１は、本実施形態ではレンズ部１０と光導波路部３０とを接続する、無色透明で光透過率９０％以上、ヘイズ度１０％以下の透明部材である。
具体的には、ポリメチルメタクリレート樹脂や透明ポリカーボネート樹脂、ポリヘキシルメタクリレート樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリオレフィン系樹脂などの樹脂材料が望ましい。

なお、固定部材１１は、上記の他、例えばネジや接着剤であっても良い。
固定部材１１は、光導波路部３０において内部を透過する投射光Ｌを全反射させるために、光導波路部３０とレンズ部１０との間に空気層として機能する空隙部１２を形成するように設けられることが望ましい。
さらに、固定部材１１のうち少なくとも１つは、図３に示したように、光導波路部３０の投射光Ｌが透過しない部分、すなわち光導波路部３０の周縁部に、Ｚ方向に延びるように形成されることがより望ましい。
かかる構成にすることで、固定部材１１が投射光Ｌを遮ることがなくなるから、使用者に投影される画像の欠損の発生が抑えられる。
また、図３に示したように、固定部材１１の少なくとも一部をＺ方向に長い梁状部材とすれば、後述するように固定部材１１によってレンズ部１０の捻り方向に対する剛性が向上するため、より好ましい。

以上のような表示装置１を用いて、使用者に画像を視認させる仕組みについて説明する。
まず、発光源４１から出射された投射光Ｌは、映像表示部４５を透過することで画像情報を付与される。
投射光Ｌは、投射光学系４２を経て光導波路部３０へと入射して、光導波路部３０の内壁面３１に全反射されつつハーフミラー３２へ当たり、使用者の眼へ向かって入射する。使用者はかかる投射光Ｌを視野内に表示される映像（虚像）として認識する。
また、使用者には、レンズ部１０を透過した外光Ｌ’も同様に視認される。
従って、使用者の視野においては、図４に示すように外光Ｌ’によって与えられる情報と、投射光Ｌによって与えられる画像情報Ｐとが重なり合って表示されている。

さて、本実施形態においては、表示装置１は使用者の左右の眼それぞれに画像を表示するから、使用者にとっては、左右の眼に表示された画像を脳内で補完・合成することで三次元的な、距離を含んだ画像情報として認識することができる。
従来の、例えば外光Ｌ’を遮断して、投射光Ｌのみを見る画像表示装置においては、使用者は投射光Ｌのみを視認すればよく、左右の画像の位置を正確に合わせる必要性は低かったのが現状である。
また同様に、単に片目側だけに画像情報を表示するタイプの画像表示装置であれば、外光Ｌ’と投射光Ｌとを表示する場合にも、外光Ｌ’と投射光Ｌとの位置関係が変わるに過ぎず、問題とはならなかった。

しかしながら、本実施形態においては図５（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示すように、左右の眼に画像情報Ｐが表示される。そのため、視野内における画像情報Ｐの位置が図５（ｂ）に示すように互いにずれてしまうと、外光Ｌ’と投射光Ｌとの位置関係が左右で異なってしまい、次の問題が生じる。すなわち、図５（ｃ）に示すように左右の視野の合成が上手くいかず、画像情報Ｐが非常に見辛いという問題が生じる。

なお、ここでは片側の眼に見える画像情報Ｐが傾斜した場合のみを示したが、上下、左右のずれであっても、大きさのずれであっても同様に問題が生じうる。
また、多くは図５（ｃ）のように（投影光Ｌによる）画像情報Ｐの視認性が低下するが、例えば画像情報Ｐに注視したときには、外光Ｌ’を通してみる外界の景色がゆがむ場合も考えられる。

かかる問題を解決するため、本実施形態においては、使用者の左右の眼前に一体的に配置されたレンズ部１０と光導波路部３０とが固定部材１１によって固定されている。
すなわち、レンズ部１０と光導波路部３０との位置関係がずれることなく、したがってレンズ部１０がＺ方向にずれたとしても、左右の目に表示される画像情報Ｐが一体的に上下動する。そのため、本実施形態においては、左右に表示される画像情報Ｐの位置関係の変動が抑制される。かかる構成の表示装置１により視認性が向上する。

また、本実施形態のように、レンズ部１０に光導波路部３０が固定され、画像投影部４０は光導波路部３０と接続され、カバー部２０とは独立して動く構成とすれば、投射光Ｌの光路が安定するため、衝撃などによる画像情報Ｐの乱れをも抑えられる。

なお、表示装置１は、レンズ部１０の＋Ｘ方向側の面に調光素子たる調光フィルタ１４０を有していても良い。

調光フィルタ１４０は、外部から表示装置１に入射する光（外光Ｌ’）の透過率を電気的に可変し、使用者の眼に達する外光Ｌ’の強度を調整する部分である。調光フィルタ１４０は、例えば、レンズ部１０の前面に、使用者の視野を覆う形で設けられている。
調光フィルタ１４０は、例えば、エレクトロクロミック素子を用いて構成できる。エレクトロクロミック素子は、可視光に対して透明なガラス基板上若しくはプラスチック基板上に形成することができる。調光フィルタ１４０としてエレクトロクロミック素子を用いることで、周囲の明るさが変化しても、瞬時に調光フィルタ１４０が応答して、視認性を見やすい状態で一定に保つことができる。

ここで、調光フィルタ１４０の構造の一例について説明する。調光フィルタ１４０は、図６に示すように表示基板１４１上に酸化チタン粒子膜１４２及び表示層１４３を形成し、１０μｍ程度のスペーサ１４４を介して対向基板４５を貼り合わせたセル構造とすることができる。セル構造内には、電解液として、例えば、１-エチル-３-メチルイミダゾリウム・テトラシアノボレートが封入されている。

表示基板１４１としては、例えば、ＩＴＯをスパッタで製膜して導電層を形成した６０ｍｍ×６０ｍｍ程度のガラス基板を用いることができる。酸化チタン粒子膜１４２は、例えば、表示基板１４１の導電層の上面に酸化チタンナノ粒子分散液（昭和タイタニウム社製ＳＰ２１０）をスピンコート法等により塗布し、１２０℃程度の温度で１５分間程度アニール処理を行うことによって形成できる。

表示層１４３は、例えば、酸化チタン粒子膜１４２上に下記の構造式（化１）で示される化合物の１ｗｔ％２，２，３，３−テトラフロロプロパノール溶液を塗布液としてスピンコート法等により塗布する。そして、１２０℃程度の温度で５分間程度アニール処理を行うことによって、酸化チタン粒子膜１４２を構成する酸化チタン粒子表面にエレクトロクロミック化合物を吸着させて形成できる。対向基板１４５としては、例えば、酸化発色する色素をスピンコート塗布したＩＴＯ付きガラス基板を用いることができる。

なお、例えば、調光フィルタ１４０を他の構成部と独立に作製し、レンズ部１０に着脱可能な構造としてもよい。これにより、調光フィルタ１４０を消耗度に応じて交換可能となるため、表示装置１が常に見やすい状態に維持される。

〈第２の実施形態〉
次に、本発明の第２の実施形態として、図７に示すような表示装置２を考える。
なお、以降の説明においては、第１の実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
表示装置２は、レンズ部１３と、レンズ部１３の周囲に形成された可撓性を備えるカバー部２０と、を有している。
表示装置２は、カバー部２０に取り付けられて装着時に頭部に固定するためのベルト５０と、レンズ部１０に固定された光導波路部３０と、投影される画像情報を光導波路部３０へ伝送する画像投影部４０と、を有している。

本実施形態におけるレンズ部１３は、図８（ａ）、（ｂ）に示すようにレンズ部１３の周縁部に形成され、他の部分よりも厚い厚肉部たる梁部１４を有している。なお、レンズ部１３の図８（ａ）に一点鎖線で示されたＡ−Ａ’断面を特に抜き出した断面が図８（ｂ）である。
また、本実施形態においては、レンズ部１３と光導波路部３０とは、梁部１４において固定されている。すなわち、固定部材１１は、レンズ部１３の±Ｚ方向において、光導波路部３０を挟持するような態様で光導波路部３０を固定している。

かかる構成についてより詳細に説明する。
梁部１４は、レンズ部１３のうち、使用者の視野に相当する部分を中心部分としたときに周縁部に設けられて、レンズ部１３の剛性を補強する機能を有している。

このように剛性を補強することの利点について説明する。
すでに述べたように、ゴーグル型の表示装置２においては、左右に表示される画像情報Ｐの視野における位置のずれが、視認性を悪化させる問題がある。
かかる位置のずれは、例えば図９にＢ方向として示すように、レンズ部１０の捩れ方向、Ｙ軸を中心に回転する方向に捩れてしまうような場合にも生じうる。
この問題を解決するために、レンズ部１０の厚みを向上させる方法が考えられるが、出願人の検討の結果、捩れによって生じる画像情報Ｐの乱れを視認に問題ない程度まで抑えるには、レンズ部１０の厚みを５ｍｍ以上にする必要があることが明らかとなった。
しかしながら、単に厚みを５ｍｍ以上に増やすのみでは、レンズ部１０の重量が増加して頭部に装着されたときに前方となる＋Ｙ方向側に引っ張られるような感覚を与えてしまい、装着感が著しく悪化する。
また、表示装置１全体の重量やコストの増大も懸念される。

そこで、本実施形態では、レンズ部１３は梁部１４を有している。
梁部１４は、本実施形態では厚み３ｍｍ以上６ｍｍ以下の任意の樹脂製の梁であり、レンズ部１３と一体的に形成されている。なお、梁部１４を除くレンズ部１３の厚みは２ｍｍ前後であることが望ましい。
かかる構成により、レンズ部１３は、レンズ部１３のうち一部分のみの剛性を上げることで捩り方向に対して変形が少なくなっている。
このように、レンズ部１３の少なくとも一部を厚肉部たる梁部１４とすることで、捩り方向への剛性が向上して、視認性の低下が抑制される。

さらに、光導波路部３０と梁部１４とが固定されることにより、レンズ部１３が振動や衝撃を受けた場合にも、梁部１４の剛性が高いために光導波路部３０と梁部１４とが安定して固定される。

〈第３の実施形態〉
さて、第２の実施形態の変形例として、第３の実施形態を図１０に示す。
本実施形態では、レンズ部１３は、厚肉部として梁部１４’を有している。
梁部１４’は、図１０に示すように、レンズ部１３の左右の視野に相当する部分の中心部に、Ｙ方向の幅２０ｍｍ、Ｚ方向の長さ３０ｍｍ、Ｘ方向の厚み４ｍｍで形成されている。なお、梁部１４’を除くレンズ部１３の厚みは２ｍｍ前後であることが望ましい。

第３の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、レンズ部１３と光導波路部３０とは、梁部１４’において固定されることが望ましい。
かかる構成により、視認性を向上するとともに、レンズ部１３に振動や衝撃が与えられたときにも、映像の乱れが生じにくい。

その他、例えば図１１に示すように、レンズ部１０を厚み３ｍｍのアクリル樹脂として、レンズ部１０を切削加工して光導波路部３０と同様の形状に深さ１ｍｍの凹部１５を形成して、かかる凹部１５に光導波路部３０を嵌め込んでも良い。
このとき、凹部１５は、光導波路部３０を嵌め込んだ後に周縁部に溶剤を塗布されて、光導波路部３０が凹部１５に固着されることで、固定部材１１として接合する。
このような構成により、レンズ部１０と光導波路部３０との間に空隙部１２が形成されるとともに、レンズ部１０と光導波路部３０との間の境界部分が目立たなくなるから、使用者の視野を妨げることなく画像を表示する。

また、固定部材１１が配置される位置は、第１の実施形態においては、図１２（ａ）に変形例を示すように、光導波路部３０の４隅であっても良い。
また、他の変形例として図１２（ｂ）、（ｃ）に示すように、梁部１４と梁部１４’とを組合わせて、中央部と周縁部との両方に梁部１４を形成するとしても良い。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されること
はなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種
々の変形及び置換を加えることができる。

１ 表示装置（両眼型画像表示装置）
２ 表示装置（両眼型画像表示装置）
１０ レンズ部
１１ 固定部（固定部材）
１２ 空隙部
１３ レンズ部
１４ 厚肉部（梁部）
２０ カバー部
３０ 光導波路部
３１ 内壁面
３２ ハーフミラー
４０ 画像投影部
１４０ 調光素子（調光フィルタ）（エレクトロクロミック素子）
Ｌ 光（投射光）
Ｌ’ 光（外光）

特開２００３−１６９８２２号公報 特開平１０−２２１６３７号公報 特開平０７−２９４８４２号公報 特開平０５−１４６４６４号公報

Claims (10)

1. 外部からの光を一部または全部透過するレンズ部と、
   前記レンズ部の周囲に形成され、可撓性を備えるカバー部と、
   前記レンズ部に固定された光導波路部を備え、投影される画像情報を当該光導波路部へ伝送する画像投影部と、を有する両眼型画像表示装置。
2. 請求項１に記載の両眼型画像表示装置であって、
   前記レンズ部と前記光導波路部とを固定する固定部を有することを特徴とする両眼型画像表示装置。
3. 請求項１または２に記載の両眼型画像表示装置であって、
   前記レンズ部は、他の部分よりも厚い厚肉部を有し、当該厚肉部の厚みが３ｍｍ以上６ｍｍ以下であることを特徴とする両眼型画像表示装置。
4. 請求項３に記載の両眼型画像表示装置であって、
   前記光導波路部は、前記厚肉部において前記レンズ部に固定されることを特徴とする両眼型画像表示装置。
5. 請求項４に記載の両眼型画像表示装置であって、
   前記厚肉部は、前記レンズ部の中心部に配置されたことを特徴とする両眼型画像表示装置。
6. 請求項４または５に記載の両眼型画像表示装置であって、
   前記厚肉部は、前記レンズ部の周縁部に配置されたことを特徴とする両眼型画像表示装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の両眼型画像表示装置であって、
   前記レンズ部の表面と前記光導波路部の表面との間に空隙部を有することを特徴とする両眼型画像表示装置。
8. 請求項１乃至７の何れか１つに記載の両眼型画像表示装置であって、
   前記レンズ部に取り付けられて電子制御の調光機能を有する調光素子を有することを特徴とする両眼型画像表示装置。
9. 請求項８に記載の両眼型画像表示装置であって、
   前記調光素子がエレクトロクロミック素子であることを特徴とする両眼型画像表示装置。
10. 請求項１乃至９の何れか１つに記載の両眼型画像表示装置であって、
    前記画像投影部は、前記カバー部と独立して回動することを特徴とする両眼型画像表示装置。

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