JP2024018181A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像表示装置を構成する光学素子のアライメントを高精度に維持すること。【解決手段】画像表示装置１００は、投射光学系１２ａとコンバイナー１０３ａとを一体化した状態で有する表示部２０ａと、表示部２０ａを支持するフレーム５２ａとを備え、表示部２０ａは、上部がフレーム５２ａの開口５２ｏの周囲に当接し、吊るされた状態で固定され、フレーム５２ａは、回路部材８０ａを配置するための凹所ＲＥを上側に有する。【選択図】図３

Description

本発明は、虚像の観察を可能にする画像表示装置に関し、特にコンバイナーを備える画像表示装置に関する。

画像表示装置として、眼前に光透過性を有する光学部材を配置し、映像光と外界光とを同時に観察可能にするものがある。例えば特許文献１において、映像素子と、投射レンズと、導光装置とを有し、両眼上方に延びるフレームによって、投射レンズの鏡筒と導光装置とを支持するとともに、投射レンズの鏡筒に導光装置の端部を嵌合させる構造を有する虚像表示装置が公知となっている。

特開２０１７－２１１６７４号公報

上記先行技術文献の装置では、投射レンズと導光装置とのアライメントを高精度に維持することが容易でない。また、左眼用の光学系と右眼用の光学系とは、フレームに組み付けられて配置されるので、フレームの製造公差やフレームへの組付け交差の影響を受ける可能性がある。

本発明の一側面における画像表示装置は、投射光学系とコンバイナーとを一体化した状態で有する表示部と、表示部を支持するフレームとを備え、表示部は、上部がフレームの開口の周囲に当接し、吊るされた状態で固定され、フレームは、回路部材を配置するための凹所を上側に有する。

実施形態の画像表示装置の装着状態を説明する外観斜視図である。 片側の表示装置の光学系的な内部構造を説明する側方断面図である。 表示部の支持構造を説明する斜視図である。 表示部の外形を説明する斜視図である。 表示部を支持するフレームを説明する平面図及び視図である。 一対のフレームを連結するジョイントを説明する平面図及び側面図である。 鏡筒に対するコンバイナーの固定を説明する正面図及び平面図である。 片側の表示装置の正面断面構造を説明する概念図である。

以下、図１、２等を参照して、本発明に係る画像表示装置の一実施形態について説明する。

図１は、ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する。）２００の装着状態を説明する図であり、ＨＭＤ２００は、これを装着する観察者又は装着者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。図１等において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、＋Ｘ方向は、ＨＭＤ２００又は画像表示装置１００を装着した観察者又は装着者ＵＳの両眼ＥＹの並ぶ横方向に対応し、＋Ｙ方向は、装着者ＵＳにとっての両眼ＥＹの並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、＋Ｚ方向は、装着者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。±Ｙ方向は、鉛直軸又は鉛直方向に平行になっている。

ＨＭＤ２００は、右眼用の第１表示装置１００Ａと、左眼用の第２表示装置１００Ｂと、表示装置１００Ａ，１００Ｂを支持するテンプル状の一対の支持装置１００Ｃと、情報端末であるユーザー端末９０とを備える。第１表示装置１００Ａは、単独で画像表示装置として機能し、上部に配置される第１表示駆動部１０２ａと、メガネレンズ状で眼前を覆う第１コンバイナー１０３ａとで構成される。第２表示装置１００Ｂも同様に、単独で画像表示装置として機能し、上部に配置される第２表示駆動部１０２ｂと、メガネレンズ状で眼前を覆う第２コンバイナー１０３ｂとで構成される。支持装置１００Ｃは、装着者ＵＳの頭部に装着される装着部材であり、外観上一体化されている表示駆動部１０２ａ，１０２ｂを介して一対のコンバイナー１０３ａ，１０３ｂの上端側を支持している。第１表示装置１００Ａと第２表示装置１００Ｂとは、光学的に同一又は左右反転させたものであり、第２表示装置１００Ｂについては、詳細な説明を省略する。

図２は、第１表示装置１００Ａの光学的構造を説明する側方断面図である。第１表示装置１００Ａは、第１映像素子１１ａと第１表示部２０ａと第１回路部材８０ａとを備える。第１映像素子１１ａは、画像光生成装置である。第１表示部２０ａは、虚像を形成する結像光学系であり、投射レンズ２１と、プリズムミラー２２と、シースルーミラー２３とを一体化した状態で有する。第１表示部２０ａのうち、投射レンズ２１とプリズムミラー２２とは、第１映像素子１１ａからの画像光ＭＬが入射する第１投射光学系１２ａとして機能し、シースルーミラー２３は、上記第１投射光学系１２ａから出射される画像光ＭＬを瞳位置ＰＰ又は眼ＥＹに向けて部分的に反射する部分透過ミラー１２３として機能する。第１表示部２０ａは、第１投射光学系１２ａと第１コンバイナー１０３ａとを一体化した状態で有するものである。第１投射光学系１２ａを構成する投射レンズ２１及びプリズムミラー２２は、映像光又は画像光ＭＬが入射される第１光学素子及び第２光学素子にそれぞれ対応する。また、第１映像素子１１ａと投射レンズ２１とプリズムミラー２２とは、図１に示す第１表示駆動部１０２ａの一部に対応し、シースルーミラー２３は、図１に示す第１コンバイナー１０３ａに対応する。シースルーミラー２３は、外側に凸の外形を有する。第１投射光学系１２ａを構成する投射レンズ２１及びプリズムミラー２２は、第１映像素子１１ａとともに相互にアライメントされた状態で鏡筒５１内に固定されている。

投射レンズ２１等を構成する光学素子を収納した鏡筒５１は、第１フレーム５２ａに支持され、第１フレーム５２ａの下側に配置されている。第１フレーム５２ａは、カバー５３によって覆われ、鏡筒５１も、カバー５３によって全体的に覆われている。第１フレーム５２ａは、金属材料で形成されている。鏡筒５１とカバー５３とは、遮光性の樹脂材料で形成され、鏡筒５１の開口５１ａにおいて、プリズムミラー２２の一面を露出させている。鏡筒５１は、上部５１ｕが第１フレーム５２ａに嵌合するように当接し、第１フレーム５２ａに吊るされた状態で固定されている。結果的に、第１表示部２０ａは、上部５１ｕが第１フレーム５２ａに嵌合するように当接し、第１フレーム５２ａに吊るされた状態で固定されている。第１フレーム５２ａは、第１回路部材８０ａを配置するための凹所ＲＥを上側に有する。

第１表示装置１００Ａにおいて、第１映像素子１１ａは、自発光型の画像光生成装置である。第１映像素子１１ａは、画像光ＭＬを第１投射光学系１２ａに射出する。鏡筒５１は、投射レンズ２１等の光学素子とともに第１映像素子１１ａを収納して支持する。第１映像素子１１ａは、例えば有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）ディスプレイであり、２次元の表示面１１ｄにカラーの静止画又は動画を形成する。第１映像素子１１ａは、第１回路部材８０ａ、具体的には表示制御装置８８に駆動されて表示動作を行う。第１映像素子１１ａは、有機ＥＬディスプレイに限らず、無機ＥＬ、有機ＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等を用いた表示デバイスに置き換えることができる。第１映像素子１１ａは、自発光型の画像光生成装置に限らず、ＬＣＤその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子をバックライトのような光源によって照明することによって画像を形成するものであってもよい。第１映像素子１１ａとして、ＬＣＤに代えて、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon, ＬＣｏＳは登録商標）や、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。

本実施形態の場合、第１表示部２０ａは、２つの反射面を含み、シースルーミラー２３及びプリズムミラー２２よって光路の折り曲げが行われる。第１表示部２０ａは、軸外し光学系ＯＳとなっている。投射レンズ２１、プリズムミラー２２、及びシースルーミラー２３は、非軸対称に配置され、非軸対称な光学面を有する。この第１表示部２０ａでは、ＹＺ面に平行な軸外し面内（すなわち基準面）内で光軸ＡＸの折り曲げを行うことで、かかる軸外し面に沿って光学素子２１，２２，２３が配列されている。具体的には、ＹＺ面に平行な軸外し面（すなわち基準面）において、投射レンズ２１から内反射面２２ｂまでの光路部分Ｐ１と、内反射面２２ｂからシースルーミラー２３までの光路部分Ｐ２と、シースルーミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光路部分Ｐ３とが、Ｚ字状に２段階で折り返される配置となっている。結果的に、シースルーミラー２３において光軸ＡＸが交差する中央箇所の法線は、Ｚ方向に対してθ＝４０～５０°程度の角度をなす。この第１表示部２０ａでは、第１表示装置１００Ａを構成する光学素子２１，２２，２３が縦方向に高さ位置を変えて配列されることになり、第１表示装置１００Ａの横幅の増大を防止することができる。さらに、プリズムミラー２２等での反射による光路の折り畳みによって、光路部分Ｐ１～Ｐ３がＺ字状に２段階で折り返される配置となっており、かつ、光路部分Ｐ１，Ｐ３が比較的水平に近いため、第１表示部２０ａを上下方向や前後方向に関しても小型化することできる。また、シースルーミラー２３の中央箇所の傾斜角θが４０～５０°であることから、視線に対応する光路部分Ｐ３の傾きが一定とした場合、光路部分Ｐ２のＺ軸に対する傾きが７０°から９０°となり、画像表示装置１００のＺ方向の厚みを低減することが容易になる。

第１表示部２０ａのうち、投射レンズ２１から内反射面２２ｂまでの光路部分Ｐ１は、視点を基準とする後方に向かってやや斜め上方向又はＺ方向に平行に近い方向に延びている。内反射面２２ｂからシースルーミラー２３までの光路部分Ｐ２は、前方に向かって斜め下方向に延びている。水平面方向（ＸＺ面）を基準とした場合、光路部分Ｐ２の傾斜が光路部分Ｐ１の傾斜よりも大きくなっている。シースルーミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光路部分Ｐ３は、後方に向かってやや斜め上方向又はＺ方向に平行に近い方向に延びている。図示の例では、光軸ＡＸのうち光路部分Ｐ３に対応する部分は、＋Ｚ方向に向かって、下向きを負として、－１０°程度となっている。つまり、部分透過ミラー１２３は、光軸ＡＸ又は光路部分Ｐ３が所定角度上向き、つまり１０°程度上向きとなるように画像光ＭＬを反射する。結果的に、光軸ＡＸのうち光路部分Ｐ３に対応する部分を延長した射出光軸ＥＸは、前方の＋Ｚ方向に平行な中心軸ＨＸに対して１０°程度下向きに傾いて延びる。これは、人間の視線が水平方向より下側に約１０°傾いた若干の伏し目状態で安定するからである。なお、瞳位置ＰＰに対して水平方向に延びる中心軸ＨＸは、第１表示装置１００Ａを装着した装着者ＵＳが直立姿勢でリラックスして正面に向いて水平方向又は水平線を注視した場合を想定したものとなっている。

第１表示部２０ａのうち、投射レンズ２１は、第１レンズ２１ｏ、第２レンズ２１ｐ、及び第３レンズ２１ｑを含む。投射レンズ２１は、第１映像素子１１ａから射出された画像光ＭＬを受けて、プリズムミラー２２に入射させる。投射レンズ２１は、第１映像素子１１ａから射出された画像光ＭＬを平行光束に近い状態に集光する。投射レンズ２１を構成する第１レンズ２１ｏ、第２レンズ２１ｐ、及び第３レンズ２１ｑの光学面すなわち入射面及び出射面は、自由曲面又は非球面であり、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、横方向又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。第１レンズ２１ｏ、第２レンズ２１ｐ、及び第３レンズ２１ｑは、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。投射レンズ２１を構成する第１レンズ２１ｏ、第２レンズ２１ｐ、及び第３レンズ２１ｑの光学面には、反射防止膜を形成することができる。

プリズムミラー２２は、ミラーとレンズとを複合させた機能を有する屈折反射機能を有する光学部材であり、投射レンズ２１からの画像光ＭＬを屈折させつつ反射する。プリズムミラー２２は、入射部に対応する入射面２２ａと、反射部に対応する反射面である内反射面２２ｂと、出射部に対応する出射面２２ｃとを有する。プリズムミラー２２は、前方から入射する画像光ＭＬを、入射方向を反転させた方向（プリズムミラー２２から見た光源の方向）に対して下方に傾斜した方向に折り返すように射出する。プリズムミラー２２を構成する光学面である入射面２２ａと内反射面２２ｂと出射面２２ｃとは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、横方向又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。プリズムミラー２２の光学面、つまり入射面２２ａと内反射面２２ｂと出射面２２ｃとは、例えば自由曲面である。入射面２２ａと内反射面２２ｂと出射面２２ｃとは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。プリズムミラー２２は、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。内反射面２２ｂについては、全反射によって画像光ＭＬを反射するものに限らず、金属膜又は誘電体多層膜からなる反射面とすることもできる。この場合、内反射面２２ｂ上に、例えばＡｌ、Ａｇのような金属で形成された単層膜又は多層膜からなる反射膜を蒸着等によって成膜し、或いは金属で形成されたシート状の反射膜を貼り付ける。詳細な図示は省略するが、入射面２２ａ及び出射面２２ｃ上には、反射防止膜を形成することができる。

シースルーミラー２３すなわち第１コンバイナー１０３ａは、凹の表面ミラーとして機能する湾曲した板状の反射光学部材であり、プリズムミラー２２からの画像光ＭＬを反射するとともに外界光ＯＬを部分的に透過させる。シースルーミラー２３は、第１投射光学系１２ａの射出領域に配置されたプリズムミラー２２からの画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向けて反射する。シースルーミラー２３は、反射面２３ｃと外側面２３ｏとを有する。

シースルーミラー２３は、画像光ＭＬを部分的に反射し、プリズムミラー２２の光射出側に形成された中間像を拡大する。シースルーミラー２３は、眼ＥＹ又は瞳孔が配置される瞳位置ＰＰを覆うとともに瞳位置ＰＰに向かって凹形状を有し、外界に向かって凸形状を有する凹面ミラーである。瞳位置ＰＰ又はその開口ＰＰａは、アイポイント又はアイボックスと呼ばれる。瞳位置ＰＰ又は開口ＰＰａは、第１表示部２０ａの射出側における射出瞳ＥＰに相当する。シースルーミラー２３は、コリメーターであり、表示面１１ｄの各点から射出された画像光ＭＬの主光線であって、第１投射光学系１２ａのプリズムミラー２２の射出側近傍に結像した後で一旦広がった画像光ＭＬの主光線を瞳位置ＰＰに収束させる。シースルーミラー２３は、凹面ミラーとして、画像光生成装置である第１映像素子１１ａに形成され第１投射光学系１２ａによって再結像された中間像（不図示）を拡大視することを可能にする。より詳細には、シースルーミラー２３は、視野レンズと同様に機能し、プリズムミラー２２の出射面２２ｃの後段に形成された中間像（不図示）の各点からの画像光ＭＬをコリメートした状態で瞳位置ＰＰに全体として集めるように入射させる。シースルーミラー２３は、中間像と瞳位置ＰＰとの間に配置される観点で、画角（眼の正面方向に延びる光軸ＡＸを基準として上下左右における視野角を合わせたもの）に相当する有効領域ＥＡ以上の広がりを有することが必要となる。シースルーミラー２３において、有効領域ＥＡよりも外側に延びる外領域については、結像に直接影響しないので、任意の面形状とすることができるが、メガネレンズ状の外観を確保する観点からは、有効領域ＥＡの外縁の面形状の曲率と同じ、又は当該外縁から連続的に変化するものであることが望ましい。

シースルーミラー２３は、板状体２３ｂの裏面上に透過性反射膜２３ａを形成した構造を有する半透過型のミラー板である。シースルーミラー２３の反射面２３ｃは、ＹＺ面に平行で光軸ＡＸと交差する縦方向に関して、光軸ＡＸを挟んで非対称性を有し、横方向又はＸ方向に関して光軸ＡＸを挟んで対称性を有する。シースルーミラー２３の反射面２３ｃは、例えば自由曲面である。反射面２３ｃは、自由曲面に限らず、非球面とすることもできる。反射面２３ｃは、有効領域ＥＡ以上の広がりを有する必要がある。反射面２３ｃが有効領域ＥＡよりも広い外領域に形成されている場合、有効領域ＥＡの背後からの外界像と、上記外領域の背後からの外界像とに関して、見え方の差が生じにくくなる。

シースルーミラー２３の反射面２３ｃは、画像光ＭＬの反射に際して一部の光を透過させる。これにより、外界光ＯＬがシースルーミラー２３を通過するので、外界のシースルー視が可能になり、外界像に虚像を重ねることができる。この際、板状体２３ｂが数ｍｍ程度以下に薄ければ、外界像の倍率変化を小さく抑えることができる。反射面２３ｃの画像光ＭＬや外界光ＯＬに対する反射率は、画像光ＭＬの輝度確保や、シースルーによる外界像の観察を容易にする観点で、想定される画像光ＭＬの入射角範囲（有効領域ＥＡに相当）において１０％以上５０％以下とする。シースルーミラー２３の基材である板状体２３ｂは、例えば樹脂で形成されるが、ガラス製とすることもできる。板状体２３ｂは、これを周囲から支持する支持板６１と同一の材料で形成され、支持板６１と同一の厚みを有する。透過性反射膜２３ａは、例えば膜厚を調整した複数の誘電体層からなる誘電体多層膜で形成される。透過性反射膜２３ａは、膜厚を調整したＡｌ、Ａｇ等の金属の単層膜又は多層膜であってもよい。透過性反射膜２３ａは、例えば蒸着を利用した積層によって形成できるが、シート状の反射膜を貼り付けることによっても形成できる。板状体２３ｂの外側面２３ｏには、反射防止膜が形成されている。

光路について説明すると、第１映像素子１１ａからの画像光ＭＬは、投射レンズ２１に入射して略コリメートされた状態で投射レンズ２１から射出される。投射レンズ２１を通過した画像光ＭＬは、プリズムミラー２２に入射して入射面２２ａを屈折されつつ通過し、内反射面２２ｂによって１００％に近い高い反射率で反射され、再度出射面２２ｃで屈折される。プリズムミラー２２からの画像光ＭＬは、一旦中間像を形成した後、シースルーミラー２３に入射し、反射面２３ｃによって５０％程度以下の反射率で反射される。シースルーミラー２３で反射された画像光ＭＬは、装着者ＵＳの眼ＥＹ又は瞳孔が配置される瞳位置ＰＰに入射する。瞳位置ＰＰには、シースルーミラー２３やその周囲の支持板６１を通過した外界光ＯＬも入射する。つまり、第１表示装置１００Ａを装着した装着者ＵＳは、外界像に重ねて、画像光ＭＬによる虚像を観察することができる。

図２に示す表示制御装置８８は、表示制御回路であり、第１表示素子１１ａに対して画像に対応する駆動信号を出力し第１表示素子１１ａの表示動作を制御する。表示制御装置８８は、例えばＩＦ回路、信号処理回路等を備え、外部から受け取った画像データ又は画像信号に応じて、第１表示素子１１ａに２次元的な画像表示を行わせる。表示制御装置８８は、第１表示装置１００Ａと第２表示装置１００Ｂとを統括するメイン基板を含むものであってもよい。メイン基板は、図１に示すユーザー端末９０との間で通信を行いユーザー端末９０から受信した信号に対して信号変換を行うインターフェース機能や、第１表示装置１００Ａの表示動作と第２表示装置１００Ｂの表示動作とを連携させる統合機能を有するものとすることができる。なお、表示制御装置８８やユーザー端末９０を備えないＨＭＤ２００又は虚像表示装置１００も虚像表示装置である。

図３を参照して、ＨＭＤ２００の表示駆動部１０２ａ，１０２ｂ中に組み込まれている支持構造について説明する。第１表示装置１００Ａにおいて、第１フレーム５２ａは、ネジのような締結具５０ｆ等を利用して第１表示部２０ａの上部５１ｔに対して固定されており、第１表示部２０ａを吊るすように支持している。なお、第１フレーム５２ａの固定方法は、ネジ固定以外に、カシメによる固定、接着剤による固定、嵌合を用いた固定、ソケット式のような吊るし方、引っ掛ける吊るし方、接着剤固定のような、様々な手法とすることができる。

第１フレーム５２ａには、矩形の開口５２ｏが形成され、矩形の開口５２ｏの周囲５２ｒの一部（具体的には、＋Ｚ側を除いた３辺）が第１表示部２０ａの鏡筒５１の上部５１ｕと当接し密着する。この際、第１フレーム５２ａの下面側と第１表示部２０ａの上面側とが嵌合し、第１フレーム５２ａと第１表示部２０ａとのアライメントが達成される。なお、第１フレーム５２ａ上の凹所ＲＥには、第１回路部材８０ａを配置することができる。第１フレーム５２ａは、例えばマグネシウム合金で形成される。第１フレーム５２ａをマグネシウム合金で形成することにより、第１フレーム５２ａや第１表示部２０ａを放熱によって冷却する効果を持たせることができる。

第２表示装置１００Ｂにおいて、第２フレーム５２ｂは、ネジのような締結具５０ｆ等を利用して第２表示部２０ｂの上部５１ｔに対して固定されており、第２表示部２０ｂを吊るすように支持している。第２フレーム５２ｂには、矩形の開口５２ｏが形成され、矩形の開口５２ｏの周囲５２ｒの一部（具体的には、＋Ｚ側を除いた３辺）が第２表示部２０ｂの鏡筒５１の上部５１ｕと当接し密着する。この際、第２フレーム５２ｂの下面側と第２表示部２０ｂの上面側とが嵌合し、第２フレーム５２ｂと第２表示部２０ｂとのアライメントが達成される。なお、第２フレーム５２ｂ上の凹所ＲＥには、第２回路部材８０ｂを配置することができる。第２フレーム５２ｂをマグネシウム合金で形成することにより、第２フレーム５２ｂや第２表示部２０ｂを放熱によって冷却する効果を持たせることができる。

支持装置５０は、第１フレーム５２ａ及び第２フレーム５２ｂに加えて、第１フレーム５２ａと第２フレーム５２ｂとを連結して相対的に固定するジョイント５０ｃを備える。ジョイント５０ｃは、マグネシウム合金のような金属製の部材であり、締結具５０ｇ等を利用して第１フレーム５２ａの一端部に連結され、締結具５０ｇ等を利用して第２フレーム５２ｂの他端部に連結されている。第１表示部２０ａを取り付けた第１フレーム５２ａと、第２表示部２０ｂを取り付けた第２フレーム５２ｂとは、中央のジョイント５０ｃを介して、相互に光学的にアライメントされた状態で固定されている。このように、ジョイント５０ｃを介して両フレーム５２ａ，５２ｂを連結することで、両フレーム５２ａ，５２ｂの配置関係の変更が容易になる。また、他の部品を組み込んだときに、個別の調整が可能になり、統合的な調整も可能になるので、改変や修正の影響が発生しにくい。

図４は、図３に示すＨＭＤ２００から支持装置５０を除いた状態を説明する斜視図である。第１表示部２０ａは、第１投射光学系１２ａと第１コンバイナー１０３ａとを一体化した状態で有するものであり、第２表示部２０ｂは、第２投射光学系１２ｂと第２コンバイナー１０３ｂとを一体化した状態で有するものである。第１投射光学系１２ａにおいて、鏡筒５１には、第１コンバイナー１０３ａがアライメントされた状態で接着等によって固定されている。第１投射光学系１２ａの鏡筒５１は、第１映像素子１１ａを収納する空間を有し、第１映像素子１１ａを図２に示す投射レンズ２１等に対してアライメントされた状態で支持する。第２投射光学系１２ｂにおいて、鏡筒５１には、第２コンバイナー１０３ｂがアライメントされた状態で接着等によって固定されている。第２投射光学系１２ｂの鏡筒５１は、第２映像素子１１ｂを収納する空間を有し、第２映像素子１１ｂを図２に示す投射レンズ２１等に対してアライメントした状態で支持する。

第１表示部２０ａにおいて、鏡筒５１に設けられた締結部５１ｆは、例えばネジ孔であり、図３に示す締結具５０ｆをねじ込むことで、鏡筒５１の上部５１ｕを第１フレーム５２ａに固定することができる。第２表示部２０ｂにおいて、鏡筒５１に設けられた締結部５１ｆは、例えばネジ孔であり、図３に示す締結具５０ｆをねじ込むことで、鏡筒５１の上部５１ｕを第２フレーム５２ｂを固定することができる。図３に示す締結具５０ｆと図４に示す締結部５１ｆとを組み合わせたものを連結部５０ｙと呼ぶ。

図５は、第１フレーム５２ａを説明する図である。図５中で、領域ＡＲ１は、第１フレーム５２ａの平面図であり、領域ＡＲ２は、第１フレーム５２ａの裏側の斜視図である。第１フレーム５２ａは、開口５２ｏを有し全体として略矩形状の平板部５５ａと、平板部５５ａから上方に突起する一対の補強突起５５ｂ，５５ｃとを含む。＋Ｚ側である前側に配置された第１の補強突起５５ｂは、平板部５５ａの外縁のうち、平板部５５ａの長手方向に延びる一対の辺のうち前側の辺に沿って設けられている。第１の補強突起５５ｂは、＋Ｙ側である上側と－Ｙ側である下側とに突起し、若干湾曲しつつ全体として横のＸ方向に延びている。また、－Ｚ側である後側に配置された第２の補強突起５５ｃは、平板部５５ａの外縁のうち、平板部５５ａの長手方向に延びる一対の辺のうち後側の辺に沿って設けられている。第２の補強突起５５ｃは、＋Ｙ側である上側にのみ突起し、若干湾曲しつつ全体として横のＸ方向に延びている。一対の補強突起５５ｂ，５５ｃは、第１フレーム５２ａの構造強度を高めるものであり、曲げや捩じりに対して比較的弱い平板部５５ａの強度を高める。

第１フレーム５２ａにおいて、一端に形成された孔５６ａは、第１フレーム５２ａをジョイント５０ｃに連結するために用いられる。第１フレーム５２ａにおいて、他端に形成された孔５６ｊは、第１フレーム５２ａをカバー５３（図２参照）やその付属品に連結するために用いられる。第１フレーム５２ａにおいて、開口５２ｏの周囲の４箇所に形成された孔５６ｂは、第１フレーム５２ａを鏡筒５１の上部５１ｕに固定するために用いられる。つまり、孔５６ｂを介して、図３に示す締結具５０ｆを図４に示す締結部５１ｆにねじ込むことで第１フレーム５２ａを鏡筒５１の上部５１ｕに安定して固定することができる。

第１フレーム５２ａにおいて、平板部５５ａの上方であって一対の補強突起５５ｂ，５５ｃに挟まれた空間は、凹所ＲＥであり、第１回路部材８０ａを収納することができる。なお、第１回路部材８０ａの上端の高さは、一対の補強突起５５ｂ，５５ｃの上端の高さより高くなってもよい。第１フレーム５２ａにおいて、開口５２ｏの周囲の３箇所に形成されたネジ孔５６ｃは、第１回路部材８０ａを第１フレーム５２ａに固定するために用いられる。

図示を省略するが、第２フレーム５２ｂは、第１フレーム５２ａの左右方向つまり±Ｘ方向に関して反転した形状及び構造を有する。なお、第１フレーム５２ａ自体は、左右対称な形状を有するものとすることができ、この場合、第２フレーム５２ｂは、第１フレーム５２ａと反転させないで同一形状となる。

第１フレーム５２ａの平板部５５ａの輪郭形状は、矩形状である必要はなく、鏡筒５１の形状や用途に応じて適宜変更可能である。開口５２ｏの形状も、矩形状である必要はない。一対の補強突起５５ｂ，５５ｃは、平板部５５ａの長手辺に沿って延びるものに限らず、平板部５５ａの長手辺の一部に沿って延びるものであってよく、長手辺以外の辺に沿って延びるものであってもよく、辺以外の内部にリブ状に設けられるものとすることができる。一対の補強突起５５ｂ，５５ｃの高さや幅も、第１フレーム５２ａに要求される強度を考慮して適宜変更することができ、高さや幅を位置によって変化させることもできる。

図６は、ジョイント５０ｃを説明する図である。図６中で、領域ＢＲ１は、ジョイント５０ｃの平面図であり、領域ＢＲ２は、ジョイント５０ｃの側面図である。ジョイント５０ｃは、本体５０ｄと一対の突起部５７ｄとを有する。本体５０ｄは、一対の突起部５７ｄの間に延びる下部板５７ｋと、下部板５７ｋ上に配置され下部板５７ｋと一体化された上部板５０ｅとを備え、上部板５０ｅは、全体として略矩形の平板部５７ａと、平板部５７ａから上方に突起する一対の補強突起５７ｂ，５７ｃとを含む。両補強突起５７ｂ，５７ｃは、平板部５７ａの外縁のうち、平板部５７ａの長手方向に延びる一対の辺に沿って設けられている。両補強突起５７ｂ，５７ｃは、＋Ｙ側である上側に突起し、横のＸ方向に延びている。両補強突起５７ｂ，５７ｃは、ジョイント５０ｃの構造強度を高めるものである。一対の突起部５７ｄのうち一方に設けられた締結部５８ａは、第１フレーム５２ａの孔５６ａに対応して設けられたものであり、この孔５６ａを介して、図３に示す締結具５０ｇを突起部５７ｄの締結部５８ａにねじ込むことで、第１フレーム５２ａをアライメントしつつジョイント５０ｃの一端に固定することが可能になる。同様に、一対の突起部５７ｄのうち一方に設けられた締結部５８ｂは、第２フレーム５２ｂの孔５６ａに対応して設けられたものであり、詳細な説明を省略するが、第２フレーム５２ｂをアライメントしつつジョイント５０ｃの一端に固定することが可能になる。

ジョイント５０ｃにおいて、平板部５７ａの上方であって一対の補強突起５７ｂ，５７ｃに挟まれた空間は、凹所ＲＥであり、第１回路部材８０ａから延びるフレキシブルケーブル８１ｆを収納することができる。

ジョイント５０ｃにおいて、図示した平板部５７ａや一対の補強突起５７ｂ，５７ｃの形状は、単なる例示であり、画像表示装置１００の用途等に応じて平板部５７ａの輪郭形状や厚み、補強突起５７ｂ，５７ｃの配置、高さ、幅等に関して適宜変更を加えることができる。

本体５０ｄの平板部５７ａには、４つの孔５８ｃが形成されている。これの孔５８ｃは、ジョイント５０ｃをカバー５３（図２参照）に連結するために用いられる。

図７は、鏡筒５１に対する第１コンバイナー１０３ａの固定、すなわち第１投射光学系１２ａに対するシースルーミラー２３の固定を説明する図である。図７中で、領域ＣＲ１は、鏡筒５１及び第１コンバイナー１０３ａの正面図であり、領域ＣＲ２は、鏡筒５１及び第１コンバイナー１０３ａの平面図である。

鏡筒５１の上部５１ｕの前側には、一対の張出部５１ｐ，５１ｑが横方向外側に張り出すように形成されている。また、第１コンバイナー１０３ａの上端６１ｇには、一対の取付部６２ａ，６２ｂが内側に張り出すように形成されている。一対の取付部６２ａ，６２ｂの一対の対向する内側面６２ｓは、鏡筒５１の一対の外向きの横側面５１ｓを挟むようにこれらと嵌合し、±Ｘ方向のアライメントが傾きを低減するように行われる。一対の取付部６２ａ，６２ｂの一対の後側面６２ｔは、鏡筒５１の段差状の一対の前側面５１ｒに当接し、±Ｚ方向のアライメントが傾きを低減するように行われる。さらに、一対の張出部５１ｐ，５１ｑの底面５９ｊから突起する複数の凸部５９ｐは、一対の取付部６２ａ，６２ｂの一対の上面６２ｊと当接し、±Ｙ方向のアライメントが行われる。以上のアライメント後、つまり６軸のアライメント後、張出部５１ｐ，５１ｑの底面５９ｊと取付部６２ａ，６２ｂの上面６２ｊとの間に周囲から接着材４９を供給し、供給した接着材４９を紫外線等で硬化させることにより、鏡筒５１に対する第１コンバイナー１０３ａの固定が完了する。以上のように、第１コンバイナー１０３ａは、取付部６２ａ，６２ｂを介して、鏡筒５１に対して、左右、前後、及び上下方向に関してアライメントされる。

鏡筒５１に対する第１コンバイナー１０３ａのアライメント又は位置決めは、上記のように嵌合を用いたもの（横側面５１ｓ及び内側面６２ｓの組み合わせ）、突き当て又は片寄せを用いたもの（前側面５１ｒ及び後側面６２ｔの組み合わせ等）に限らず、別の部材を介在させるものであってもよい。また、鏡筒５１に第１コンバイナー１０３ａを固定する方法は、接着剤による固定以外に、ネジによる固定、カシメによる固定、嵌合を用いた固のような、様々な手法を用いることができる。

図８は、図１に示す第１表示装置１００Ａの第１表示駆動部１０２ａの正面断面図である。鏡筒５１は、投射レンズ２１を構成する第１レンズ２１ｏ等を内部に保持している。鏡筒５１の上部５１ｕには、第１フレーム５２ａが固定されている。第１フレーム５２ａは、鏡筒５１を含む第１表示部２０ａを支持して配置を決定している。鏡筒５１の下側を覆うように下カバー５３ａが配置されている。下カバー５３ａは、図３に示すジョイント５０ｃや第１フレーム５２ａに支持されており、図面左側の端部において、図１に示す支持装置１００Ｃに連結されている。下カバー５３ａに対しては、上カバー５３ｂが着脱可能に取り付けられている。

以上で説明した実施形態の画像表示装置１００によれば、投射光学系１２ａとコンバイナー１０３ａとを一体化した状態で有する表示部２０ａと、表示部２０ａを支持するフレーム５２ａとを備え、表示部２０ａは、上部５１ｕがフレーム５２ａの開口５２ｏの周囲に当接し、吊るされた状態で固定され、フレーム５２ａは、回路部材８０ａを配置するための凹所ＲＥを上側に有する。この場合、フレーム５２ａによって投射光学系１２ａとコンバイナー１０３ａとを一体化した表示部２０ａを支持するので、光学的な製造精度を高め維持することが容易となる。より具体的には、表示部２０ａが一体化されフレーム５２ａから独立しているので、部品点数を減らすことができ、結果的に組誤差を低減することになる。また、表示部２０ａのうち鏡筒５１内の防塵対策も容易になり、設計の自由度も高まる。また、フレーム５２ａに回路部材８０ａを配置するための凹所ＲＥを設けることで、画像表示装置１００の小型化を確保しつつ表示部２０ａと回路部材８０ａとの独立性を高めることができる。

特に、上記実施形態では、第１投射光学系１２ａと第１コンバイナー１０３ａとを一体化した状態で有する第１表示部２０ａと、第２投射光学系１２ｂと第２コンバイナー１０３ｂとを一体化した状態で有する第２表示部２０ｂと、第１表示部２０ａを支持する第１フレーム５２ａと、第２表示部２０ｂを支持する第２フレーム５２ｂとを備え、第１表示部２０ａは、上部５１ｕが第１フレーム５２ａの開口５２ｏの周囲に当接し、吊るされた状態で固定され、第２表示部２０ｂは、上部５１ｕが第２フレーム５２ｂの開口５２ｏの周囲に当接し、吊るされた状態で固定され、第１フレーム５２ａは、第１回路部材８０ａを配置するための第１凹所ＲＥを上側に有し、第２フレーム５２ｂは、第２回路部材８０ｂを配置するための第２凹所ＲＥを上側に有する。この場合、第１フレーム５２ａによって第１表示部２０ａを支持し、第２フレーム５２ｂによって第２表示部２０ｂを支持するので、光学的な製造精度を高め維持することが容易となる。また、第１フレーム５２ａ及び第２フレーム５２ｂに第１回路部材８０ａ及び第２回路部材８０ｂをそれぞれ配置するための凹所ＲＥを設けることで、画像表示装置の小型化を確保しつつ、第１表示部２０ａと第１回路部材８０ａとの独立性を高めることができ、第２表示部２０ｂと第２回路部材８０ｂとの独立性を高めることができる。

〔変形例その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

以上では、ＨＭＤ２００が第１表示装置１００Ａと第２表示装置１００Ｂとを備えるとしたが、ＨＭＤ２００又は画像表示装置１００は、単一の第１表示装置１００Ａ又は第２表示装置１００Ｂを支持装置１００Ｃによって眼前に支持するようなものであってもよい。

第１フレーム５２ａや第２フレーム５２ｂは、マグネシウム合金に限らず、アルミニウム合金その他の金属で形成することができる。

以上では、第１表示部２０ａが第１フレーム５２ａにネジ止めされる場合について説明したが、第１表示部２０ａを第１フレーム５２ａに固定する箇所は、４箇所に限らず、様々な箇所とすることができ、連続的に延びる線状又は面状の固定も可能である。

第１投射光学系１２ａや第１コンバイナー１０３ａを第１フレーム５２ａに吊るすように連結して固定することもできる。この場合、第１投射光学系１２ａ又は鏡筒５１に第１コンバイナー１０３ａを固定する必要がない。第１コンバイナー１０３ａを第１フレーム５２ａに吊るす手法は、第１投射光学系１２ａ又は鏡筒５１を第１フレーム５２ａに吊るす際に用いた手法と同様のものを用いることができる。

以上では、第１フレーム５２ａと第２フレーム５２ｂとをジョイント５０ｃを介して連結しているが、第１フレーム５２ａと第２フレーム５２ｂと直接接続することができ、或いは第１フレーム５２ａと第２フレーム５２ｂとジョイント５０ｃとを一体化した金属部品とすることもできる。

以上では、画像表示装置１００が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記画像表示装置１００は、頭部に装着せず双眼鏡のようにのぞき込むハンドヘルドディスプレイとしても用いることができる。つまり、本発明において、ヘッドマウントディスプレイには、ハンドヘルドディスプレイも含まれる。

具体的な態様における画像表示装置は、投射光学系とコンバイナーとを一体化した状態で有する表示部と、表示部を支持するフレームと、を備え、表示部は、上部がフレームの開口の周囲に当接し、吊るされた状態で固定され、フレームは、回路部材を配置するための凹所を上側に有する。

上記画像表示装置では、フレームによって投射光学系とコンバイナーとを一体化した表示部を支持するので、光学的な製造精度を高め維持することが容易となる。また、フレームに回路部材を配置するための凹所を設けることで、画像表示装置の小型化を確保しつつ表示部と回路部材との独立性を高めることができる。

具体的な態様における画像表示装置において、フレームは、表示部の上部を固定する連結部を有する。この場合、表示部の組み立て後に表示部にフレームに取り付けることができ、表示部の光学的な精度を確保することが容易になる。

具体的な態様における画像表示装置において、コンバイナーは、投射光学系を保持する鏡筒に対してアライメントされ接着によって固定されている。この場合、鏡筒を介してコンバイナーと投射光学系との精密なアライメントが可能になり、コンバイナーと投射光学系との相対的な固定が確実になる。

具体的な態様における画像表示装置において、コンバイナーは、内側に張り出すように形成された一対の取付部を有し、取付部を介して鏡筒に対してアライメントされる。

具体的な態様における画像表示装置において、鏡筒は、画像光を投射光学系に射出する映像素子を支持する。この場合、鏡筒を介して映像素子と投射光学系との精密なアライメントが可能になり、映像素子と投射光学系との相対的な固定が確実になる。

具体的な態様における画像表示装置において、フレームは、開口を有する平板部と、平板部から上方に突起する一対の補強突起とを含む。この場合、フレームの構造的強度が高まり、表示部の支持を安定させることが容易になる。

具体的な態様における画像表示装置において、一対の補強突起は、平板部の外縁のうち、平板部の長手方向に延びる一対の辺に沿って設けられている。この場合、平板部の長手方向に関して曲げ強度が高まり、表示部の支持強度の維持が容易になる。

具体的な態様における画像表示装置において、表示部は、縦方向に延びる基準面に沿って折り曲げられる光路部分に沿って配置される軸外し光学系であり、投射光学系は、複数の光学素子を含み、複数の光学素子のうち１つの光学素子は、反射面を有する。この場合、表示部が光路の２回の折り曲げを伴う縦方向の配列となり、表示部を小型化することができ、表示部をフレームの開口に吊るすことが容易になる。

具体的な態様における画像表示装置は、第１投射光学系と第１コンバイナーとを一体化した状態で有する第１表示部と、第２投射光学系と第２コンバイナーとを一体化した状態で有する第２表示部と、第１表示部を支持する第１フレームと、第２表示部を支持する第２フレームと、を備え、第１表示部は、上部が第１フレームの開口の周囲に当接し、吊るされた状態で固定され、第２表示部は、上部が第２フレームの開口の周囲に当接し、吊るされた状態で固定され、第１フレームは、第１回路部材を配置するための第１凹所を上側に有し、第２フレームは、第２回路部材を配置するための第２凹所を上側に有する。

上記画像表示装置では、第１フレームによって第１投射光学系と第１コンバイナーとを一体化した第１表示部を支持し、第２フレームによって第２投射光学系と第２コンバイナーとを一体化した第２表示部を支持するので、光学的な製造精度を高め維持することが容易となる。また、第１フレーム及び第２フレームに第１回路部材及び第２回路部材をそれぞれ配置するための凹所を設けることで、画像表示装置の小型化を確保しつつ、第１表示部と第１回路部材との独立性を高めることができ、第２表示部と第２回路部材との独立性を高めることができる。

具体的な態様における画像表示装置において、第１フレームと第２フレームとを連結して相対的に固定するジョイントとを備える。この場合、ジョイントを介して第１フレームと第２フレームとをアライメントしつつ連結することができる。

具体的な態様における画像表示装置において、第１フレームと第２フレームとは、同一形状を有し、第１フレームは、開口を有する平板部と、平板部から上方に突起する一対の補強突起とを含む。

具体的な態様における画像表示装置において、一対の補強突起は、平板部の外縁のうち、第１フレームから第２フレームに向かって配列方向に延びる一対の辺に沿って設けられている。

１１ａ…第１映像素子、１１ｂ…第２映像素子、１２ａ…第１投射光学系、１２ｂ…第２投射光学系、２０ａ…第１表示部、２０ｂ…第２表示部、２１…投射レンズ、２２…プリズムミラー、２３…シースルーミラー、２３ａ…透過性反射膜、２３ｂ…板状体、５０…支持装置、５０ｃ…ジョイント、５０ｄ…本体、５０ｅ…上部板、５１…鏡筒、５１ａ…開口、５１ｐ，５１ｑ…張出部、５１ｕ…上部、５２ａ…第１フレーム、５２ｂ…第２フレーム、５２ｏ…開口、５２ｒ…周囲、５３…カバー、５５ａ…平板部、５５ｂ，５５ｃ…補強突起、５７ａ…平板部、５７ｂ，５７ｃ…補強突起、５７ｄ…突起部、６１…支持板、６２ａ，６２ｂ…取付部、８０ａ…第１回路部材、８０ｂ…第２回路部材、８８…表示制御装置、９０…ユーザー端末、４９…接着材、１００…画像表示装置、１００Ａ…第１表示装置、１００Ｂ…第２表示装置、１００Ｃ…支持装置、１０３ａ，１０３ｂ…コンバイナー、ＡＸ…光軸、ＥＡ…有効領域、ＥＰ…射出瞳、ＥＹ…眼、ＭＬ…画像光、ＯＬ…外界光、Ｐ１～Ｐ３…光路部分、ＲＥ…凹所、ＵＳ…装着者

Claims (12)

1. 投射光学系とコンバイナーとを一体化した状態で有する表示部と、
   前記表示部を支持するフレームと、を備え、
   前記表示部は、上部が前記フレームの開口の周囲に当接し、吊るされた状態で固定され、
   前記フレームは、回路部材を配置するための凹所を上側に有する、画像表示装置。
2. 前記フレームは、前記表示部の前記上部を固定する連結部を有する、請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記コンバイナーは、前記投射光学系を保持する鏡筒に対してアライメントされ接着によって固定されている、請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記コンバイナーは、内側に張り出すように形成された一対の取付部を有し、前記取付部を介して前記鏡筒に対してアライメントされる、請求項３に記載の画像表示装置。
5. 前記鏡筒は、画像光を前記投射光学系に射出する映像素子を支持する、請求項３に記載の画像表示装置。
6. 前記フレームは、前記開口を有する平板部と、前記平板部から上方に突起する一対の補強突起とを含む、請求項１に記載の画像表示装置。
7. 前記一対の補強突起は、前記平板部の外縁のうち、前記平板部の長手方向に延びる一対の辺に沿って設けられている、請求項６に記載の画像表示装置。
8. 前記表示部は、縦方向に延びる基準面に沿って折り曲げられる光路部分に沿って配置される軸外し光学系であり、
   前記投射光学系は、複数の光学素子を含み、
   前記複数の光学素子のうち１つの光学素子は、反射面を有する、請求項１に記載の画像表示装置。
9. 第１投射光学系と第１コンバイナーとを一体化した状態で有する第１表示部と、
   第２投射光学系と第２コンバイナーとを一体化した状態で有する第２表示部と、
   前記第１表示部を支持する第１フレームと、
   前記第２表示部を支持する第２フレームと、を備え、
   前記第１表示部は、上部が前記第１フレームの開口の周囲に当接し、吊るされた状態で固定され、
   前記第２表示部は、上部が前記第２フレームの開口の周囲に当接し、吊るされた状態で固定され、
   前記第１フレームは、第１回路部材を配置するための第１凹所を上側に有し、
   前記第２フレームは、第２回路部材を配置するための第２凹所を上側に有する、画像表示装置。
10. 前記第１フレームと前記第２フレームとを連結して相対的に固定するジョイントとを備える、請求項９に記載の画像表示装置。
11. 前記第１フレームと前記第２フレームとは、同一形状を有し、
    前記第１フレームは、前記開口を有する平板部と、前記平板部から上方に突起する一対の補強突起とを含む、請求項９に記載の画像表示装置。
12. 前記一対の補強突起は、前記平板部の外縁のうち、前記第１フレームから前記第２フレームに向かって配列方向に延びる一対の辺に沿って設けられている、請求項１１に記載の画像表示装置。

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