JP3769816B2

JP3769816B2 - Head-mounted display device

Info

Publication number: JP3769816B2
Application number: JP13558496A
Authority: JP
Inventors: 穣児唐澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 2006-04-26
Anticipated expiration: 2016-05-29
Also published as: JPH09318905A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示手段によって形成した画像を虚像拡大し、使用者の左右いずれか一方の眼に画像を呈示する単眼型の頭部装着型表示装置（以下ＨＭＤとも称する）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
こうした単眼型のＨＭＤは、ディスプレイ画像と外景画像とを並行して視認する必要性、あるいは外景画像を主体としてディスプレイ画像を補助的に視認する必要性から提案されているもので、コンピュータのディスプレイや作業補助のためのインストラクション表示用ディスプレイなどへの期待が高まっている。また、その使われ方や使用場所の性格上、防塵及び防水に対する要求や、未使用時に使用者の視野から排除する排除機能に対する要求、さらには単眼型であるため虚像を視認する眼を使用者が選択できることなどが要求されている。
【０００３】
そのような機能を満たし同様の目的のために考えられた単眼型のＨＭＤとしては、例えば特開平２−６３３７９号公報に記載されているＨＭＤが知られている。これは、ＬＥＤのラインアレイからの一次元画像を振動ミラーでスキャニングし、人間の眼の残像効果を利用して使用者に二次元画像を呈示するディスプレイである。また、そのディスプレイシステムは装着手段の側頭部から延伸させた支持アームを介しディスプレイシステムの側面を支持して使用者の眼前に保持される。従って、比較的解像度が低く視認できる画面サイズも小さめではあるが、極めて小型であり上記の諸要求も一通り満たしたディスプレイである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の従来技術には以下のような課題がある。
【０００５】
第一に、この技術による虚像を視認する眼の切り換えは、頭への装着手段に固定しているディスプレイシステムを左右付け換えると共に、虚像の表示方向を電気的に逆転することによってなされている。従って、虚像を視認する眼の切り換えに際してはその都度ＨＭＤを頭部から外すなど極めて煩わしい操作が要求される。
【０００６】
第二に、上述したディスプレイは低解像度であり、これを同じ方式で高解像度化するとＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．１６６４、ｐ１３４−ｐ１４０に見られるようにディスプレイシステムが大型化するため、現状の小型のディスプレイシステムに対する保持方式ではその保持が不安定になってしまう。
【０００７】
本発明の頭部装着型表示装置は以上の課題を解決するものであり、その目的とするところは、第一に、画像表示手段、その駆動手段、拡大光学手段をユニット化して防塵、防水要求に対応することである。第二に、そのディスプレイユニットを移動させることによって、ＨＭＤを頭部に装着した状態で、虚像を視認する眼の切り換えと使用者の前方視野からのディスプレイユニットの排除を簡単に行うことのできるＨＭＤを実現することにある。また、第三に、上記のいずれの操作に対しても、常に安定してディスプレイユニットを保持しうる切り換え手段と排除手段とを実現することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、画像表示手段と、
該画像表示手段を駆動させる駆動手段と、
前記画像表示手段によって形成された画像を虚像拡大させる拡大光学手段と、
を収納する虚像形成ユニットと、を備えた頭部装着型表示装置において、
前記虚像形成ユニットを使用者の左右の眼のいずれか一方に対応して配置するための切り換え手段と、
前記虚像形成ユニットを使用者の前方の視野から排除するための排除手段と、
前記虚像形成ユニットと前記切り換え手段と前記排除手段とを使用者の頭部に装着させる装着手段と、
前記虚像形成ユニットと前記装着手段とを連結し、前記切り換え手段と前記排除手段とを構成した連結手段を備え、
該連結手段は、
略円筒形断面の管状形状を成し、
使用者の半眼幅以上の長さを有し、前記装着手段と嵌合する第１の直線部と、
使用者の半眼幅以上の長さを有し、前記虚像形成ユニットと嵌合する第２の直線部と、
を備え、
前記第１の直線部と前記第２の直線部とが共に使用者の略眼幅方向に平行に配置されたことを特徴とする。
【０００９】
上記の構成によれば、画像表示手段とその駆動手段と拡大光学手段とをユニット化したため、それらを収納する筐体を防塵、防水構造とすることが容易である。また、虚像形成ユニットを移動させるだけで虚像を視認する眼の切り換えと使用者の前方視野からの虚像形成ユニットの排除を行う構造としたため、使用者はＨＭＤを装着した状態でそれらの操作を簡単に行うことができる。
さらに、装着手段及び虚像形成ユニットはそれぞれ対応する略円筒形断面の直線部上で回転ができるため、虚像形成ユニットに力を作用させて虚像形成ユニットを使用者の頭部上方に移動させようとすると、第一の直線部を軸に連結手段が回転すると共に、第二の直線部を軸に虚像形成ユニットが回転するため、連結手段がちょうど１８０度回転したときには、虚像形成ユニットが元の位置からまっすぐ上に移動したような状態になる。従って、虚像形成ユニットを前方に突出させることなく、簡単に虚像形成ユニットを使用者の前方の視野から排除することができる。また、装着手段及び虚像形成ユニットはそれぞれ対応する直線部上を移動可能であるため、虚像形成ユニットに使用者の眼幅方向に力を作用させて、装着手段に対して連結手段を使用者の眼幅方向に移動させると共に、その連結手段に対して虚像形成ユニットをさらに使用者の眼幅方向に移動させることによって、使用者は虚像を視認する眼の切り換えと眼幅調整とを同時に行うことができる。さらに、第一及び第二の直線部がちょうど二段ヒンジのような関係になるため、使用者は虚像形成ユニットの前後移動や、虚像を見る視認の角度調整を簡単に行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の具体的な形態を図面を参照して詳述する。
（第一の形態）
図１から図７は本発明の第一の形態を表す説明図であり、図１は使用者が虚像を視認可能な状態を示す斜視図、図２は装着状態を示す側面図（同時に内部の構成要素を示す）、図３は図２におけるＡＡ断面図、図４は装着状態を表す正面図、図５は虚像形成ユニットを使用者の前方視野より排除した状態を示す斜視図、図６は図５の正面図、図７は別の排除した状態を示す正面図である。
【００２１】
まず図１から図３を用いて本形態の構成を説明する。
【００２２】
虚像形成ユニット１は、透過型液晶パネル２及びそれを上方から照射するためのバックライト３からなる画像表示手段、画像表示手段によって形成された画像を虚像拡大するための拡大光学手段であるレンズ４、画像表示手段からの出射光をレンズ４に向けて反射するための反射ミラー５、外部の信号源から信号を受けて画像表示手段を駆動するための複数の回路基板からなる駆動手段６から大略構成され、それらを側面形状が略台形の筐体７内に収納して一体化されている。筐体７の使用者側後面には画像光を出射するための開口８が形成され、その開口８はレンズ４または別の透明な平板により概ね密閉されている。
【００２３】
このように構成された光学系において、液晶パネル２によって形成された画像は、後方よりバックライト３によって照射されて画像光として出射し、反射ミラー５によって光路が約９０度偏向された後、レンズ４によって屈折され、使用者の眼１３内に結像される。この時、レンズ４の物体側焦点よりレンズ４側に液晶パネル２の画像形成面が配置され、レンズ４の像側焦点近傍に眼１３が配置されると、レンズ４の結像作用により、眼１３と虚像形成ユニット１とが形成する光軸１８の延長線上に、液晶パネル２によって形成されたディスプレイ画像の拡大虚像１４を使用者は視認することができる。
【００２４】
開口８の上方に当たる後面には側面形状が半円状のくぼみ９が形成され、内部に雌ねじを有する軸受け部１０が使用者側に向けて筐体７より突出している。また、さらにその上方の後面からは駆動手段６と外部の信号源とを接続するためのケーブル１１が突出し、ケーブル１１の筐体７からの突出口はゴムパッキン等によりシーリングされている。筐体７から突出したケーブル１１は使用者の正中線に対応する位置で装着手段１２に挿入され、装着手段１２内をその形状に沿って配線されて、装着手段の例えば側方から再び外部に突出して不図示の信号源に接続される。このように筐体７は概ね密閉構造にあり、防塵、防水に対する配慮がされている。なお、装着手段１２は、例えばバンド状の構成であり、バンド部の一部を伸縮することによって使用者の頭部形状に合わせて装着するものである。
【００２５】
くぼみ９には略コの字形状の接続部１５が図３に示す関係で挿入される。また、軸受け部１０の雌ねじと螺合する雄ねじを中央に有する軸１６が、接続部１５の左右の腕を適度の摩擦のもとに貫通し、これにより虚像形成ユニット１の筐体７と接続部１５が接続される。この時、筐体７の軸受け部１０の長さは接続部１５の幅に対して十分に小さく、接続部１５に対して筐体７が左右に移動可能になっている。軸１６はその両端にノブ１７を有し、このノブ１７が接続部１５の左右の面に接触して接続部１５と筐体７との位置出しをすると共に、ノブ１７を回転すると軸１６が接続部１５に対して空転するため、それと螺合する筐体７が左右に移動する。
【００２６】
装着部１２と虚像形成ユニット１とは、支持部１９によって接続される。支持部１９は略クランク形状をなし、その両端に使用者の前後方向に回転軸を有する第一の回転部２０と第二の回転部２１を有する。この時第一の回転部２０と第二の回転部２１の回転軸間の距離は、人間の半眼幅の平均値（例えば３２．５ｍｍ）の長さである。第一の回転部２０は、接続部１５の使用者側の面であり、使用者の虚像を視認する眼１３と虚像形成ユニット１とが形成する光軸１８の上方で、接続部１５すなわち虚像形成ユニット１と適度の摩擦のもとに回転自在に嵌合する。また、第二の回転部２１は、装着手段１２の前方の一部であり使用者の正中線相当位置で装着手段１２と適度の摩擦のもとに回転自在に嵌合する。このように、虚像形成ユニット１と装着手段１２は支持部１９により接続され、その第一及び第二の回転部２０、２１が使用者の前後方向に互いに平行な回転軸を有するため、虚像形成ユニット１は第二の回転部の回転軸２２を中心とする円上を回転運動することができる。また、装着手段１２の左右方向の中心から張り出した支持部１９により虚像形成ユニット１の左右方向の中心を支持するため、虚像形成ユニット１がある程度大型化してもその保持に対する安定性が高い。
【００２７】
次に、このＨＭＤの作用について説明する。
【００２８】
使用者は、装着手段１２によってＨＭＤを頭部に装着し、虚像形成ユニット１を回転軸２２を中心として図１における矢印２３のように回転させて、虚像を視認する眼を左右いずれかの眼より選択する（切り換え手段）。この時、虚像形成ユニット１の姿勢は図１または図４に示すように縦型である。次に、虚像を視認する眼１３の視線と虚像形成ユニット１の光軸とに左右方向のずれがある場合は、ノブ１７を回転し、虚像形成ユニット１を図３の矢印２４の方向に移動させて虚像を視認する眼１３の視線に虚像形成ユニット１の光軸を合わせる（眼幅調整手段）。また、虚像形成ユニット１を図２における矢印２５の方向に回転させると、虚像形成ユニット１はそれと螺合する軸１６とともに接続部１５、すなわち装着手段１２に対して一定の摩擦のもとに回転するため、虚像形成ユニット１と眼１３との距離、及び、使用者が虚像１４を見る視線の角度を調整することができる（角度調整手段）。従って、使用者は虚像１４が最も見やすく、あるいは外景を見るのにじゃまにならない位置、使い勝手のいい位置で虚像１４を視認することができる。
【００２９】
一方、虚像形成ユニット１を第一の回転部２０の回転軸の周りに９０度回転させると、図５または図６に示すように虚像形成ユニット１の姿勢は横型となり、使用者はこのＨＭＤを頭部に装着したまま、虚像形成ユニット１を使用者の前方視野から容易に排除することができる（排除手段）。この時、虚像形成ユニット１の動きは左右方向のみの回転であるため、この排除操作に伴う虚像形成ユニットの新たな前方突出はあり得ない。なお、この排除の方法はこれだけではなく、支持部１９を９０度回転させて図７に示すように虚像形成ユニット１の姿勢は縦型のまま頭部上方に移動させてもいい。この時も虚像形成ユニット１の前方突出量に変化がないことは自明である。また、上述した各嵌合方法やケーブルの引き回し等については、本形態に限定されるものではなく、本願の主旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。
【００３０】
（第二の形態）
図８から図１１は本発明の第二の形態を表す説明図であり、図８は使用者が虚像を視認可能な状態を示す側面図、図９はその正面図、図１０は同じく上方から見た平面図、図１１は虚像形成ユニットを使用者の前方視野より排除した状態を示す側面図である。なお、虚像形成ユニットに内蔵される画像表示手段、拡大光学手段、駆動手段等の構成及び装着手段は第一の形態と同様であり、説明は省略する。
【００３１】
虚像形成ユニット１は、連結手段２６によって装着手段１２と連結されて使用者の頭部に保持される。虚像形成ユニット１の使用者側の面の上方には、図８に示すように断面略三角形状であり使用者の略眼幅方向に延伸する突起２７がその面幅に合わせて形成される。突起２７は、連結手段２６の一つの面に形成され、断面形状が突起２７と相似的な凹部２８と嵌合し、この凹部２８と突起２７との間で摺動手段が形成される。すなわちこの摺動手段は、虚像形成ユニット１と連結手段２６とが使用者の略眼幅方向には相対的に移動可能であるが、その他の方向には移動できないような機能を有している。連結手段２６の凹部２８が形成される面の幅は虚像形成ユニット１の幅との関係で決められ、虚像形成ユニット１が使用者の左右の眼に対応して移動した時に虚像形成ユニット１を安定して保持しうるだけの長さを有する。
【００３２】
連結手段２６の凹部２８の上部は、両側から一段幅が狭くなっており、そこと装着手段１２の前部より突出する腕部２９とが摩擦嵌合し、左右から軸３０によって貫通されてヒンジ手段が形成される。
【００３３】
上記の構成において、虚像形成ユニット１に図１０に示す矢印３１の方向に力を作用させると、突起２７が凹部２８に対して摺動するため、虚像形成ユニット１が使用者の略眼幅方向に移動し、虚像を視認する眼を左右いずれかの眼より選択することができる（切り換え手段）。また、その移動量を可変することによって眼幅調整も同時に行うことができる。一方、虚像形成ユニット１に図８に示す矢印３２の方向に力を作用させると、虚像形成ユニット１は摺動手段によって連結された連結手段２６と共に、ヒンジ手段の軸３０を回転軸として矢印３２の方向に回転する。従って、使用者は、図８に示すような虚像を視認可能な状態から、図１１に示すような使用者の前方視野から虚像形成ユニット１を排除した状態へと切り換えられる（排除手段）と共に、その回転角を調整することによって、虚像を見る視線の垂直方向の角度を調整することができる。本形態においても、突起２７と軸３０との距離及び使用者と軸３０との距離を、虚像形成ユニット１の排除時に虚像形成ユニット１が使用者に接触しない範囲で調整することにより、排除操作に伴う新たな前方突出を防止することが可能である。また、第一の形態と同様に、視認眼の切り換え、眼幅調整、前方視野からの虚像形成ユニット１の排除、角度調整の各操作を全てＨＭＤを装着した状態で簡単に行うことができる。また、基本的には装着手段１２の左右方向の中心部に設けた連結手段２６によって虚像形成ユニット１を保持するため、その安定性が高い。
【００３４】
（第三の形態）
図１２から図１７は本発明の第三の形態を表す説明図であり、図１２は使用者が虚像を視認可能な状態を示す側面図、図１３はその正面図、図１４は虚像の視認眼を切り換えた状態を示す正面図、図１５は連結手段の正面図、図１６は虚像形成ユニットの排除の過程を説明するための側面図、図１７は虚像形成ユニットの排除状態を示す側面図である。なお、虚像形成ユニットに内蔵される画像表示手段、拡大光学手段、駆動手段等の構成及び装着手段は第一の形態と同様であり、説明は省略する。
【００３５】
虚像形成ユニット１は、連結手段３３によって装着手段１２と連結されて使用者の頭部に保持される。連結手段３３は、全体に渡って略円筒形断面を有し、図１５に示すように正面視環状形状を有する。また、その一部に、使用者の半眼幅（例えば３６ｍｍ）以上の長さを有する第一の直線部３４と、第一の直線部３４と対向して平行に形成され第一の直線部３４と同じ長さを有する第二の直線部３５が形成される。虚像形成ユニット１の使用者側の面の上方には使用者に向けて突出する第一の腕部３６が形成され、第一の腕部３６には使用者の眼幅方向の貫通穴が形成され、この貫通穴において連結手段３３の第二の直線部３５が回転及び移動自在に摩擦嵌合される。また、装着手段１２からは第一の腕部３６に対向して突出する第二の腕部３７が形成され、第二の腕部にも使用者の眼幅方向の貫通穴が形成されて、この貫通穴において連結手段３３の第一の直線部３４が回転及び移動自在に摩擦嵌合される。
【００３６】
上記構成において、連結手段３３が図１２に示すような垂直状態にある時は使用者が虚像を視認可能な状態である。この状態において、虚像形成ユニット１に図１３における矢印３８方向の力を作用させると、虚像形成ユニット１と連結手段３３の第二の直線部３５及び連結手段３３の第一の直線部３４と装着手段１２との間で摺動が起こり、図１３に示すような右眼で虚像を視認可能な状態から図１４に示すような左眼で虚像を視認可能な状態へと切り換えることができる（切り換え手段）。また、この時移動量を調整することによって眼幅調整を兼用することができる。さらに、第一の直線部３４と第二の直線部３５とがちょうど二段ヒンジのような関係になるため、第二の直線部３５に対して虚像形成ユニット１だけを回転させると、虚像形成ユニット１が図１２における矢印３９の方向に回転するため、使用者の虚像を見る視線の垂直方向の角度を調整することができる。また、これに装着手段１２に対する連結手段３３の回転も付加させることにより、虚像形成ユニット１の使用者に対する前後移動や前後移動と前述の角度調整の併用などが可能となり、虚像形成ユニット１の移動に対する自由度が極めて高い。
【００３７】
一方、虚像形成ユニット１に斜め上方への力を作用させると、連結手段３３及び装着手段１２との関係において、虚像形成ユニット１は図１６に示すような状態を経由して、連結手段３３をちょうど１８０度回転させた時には、図１７に示すように使用者の前方視野から排除された位置まで虚像形成ユニット１を移動することができる。この時、虚像形成ユニット１の前方への突出量は、図１２及び図１７の比較から明らかなように同一である。従って、この形態においても、使用者はＨＭＤを装着したまま、容易に虚像の視認眼の切り換え、眼幅調整、角度調整、前方視野からの虚像形成ユニット１の排除を行うことができる。また、連結手段３３によってＨＭＤの中央部で虚像形成ユニット１を保持するため、やはり保持に対する安定性が高い。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の頭部装着型表示装置は、画像表示手段とその駆動手段と拡大光学手段とをユニット化したため、それらを収納する筐体を防塵、防水構造とすることが容易である。また、虚像形成ユニットを移動させるだけで虚像を視認する眼の切り換えと使用者の前方視野からの虚像形成ユニットの排除を行う構造としたため、使用者はＨＭＤを装着した状態でそれらの操作を簡単に行うことができる。
【００３９】
また、切り換え手段と排除手段とを、両端に平行な回転軸を有する支持部を用いて構成することにより、虚像形成ユニットの前方突出量は常に一定のまま、虚像形成ユニットを使用者の前方の視野から容易に排除することができる。また、支持部を１８０度回転させると、画像の表示方向は一定のままであるため、虚像を視認する眼を右眼から左眼、あるいは左眼から右眼に容易に切り換えることができる。さらに、これに眼幅調整手段や角度調整手段を付加することにより、使用者は自分の眼幅や使用状態に適合した状態で虚像を視認することができる。
【００４０】
また、切り換え手段と排除手段とを、ヒンジ手段と摺動手段が形成された連結手段を用いて構成することにより、使用者はヒンジ手段を介して連結手段及び虚像形成ユニットを頭部上方方向に回転して、使用者の前方の視野から虚像形成ユニットを簡単に排除することができ、さらにその回転角を調整することによって使用者が虚像を見る視線の角度を調整することもできる。また、その際、排除状態における虚像形成ユニットの新たな前方突出は起こらない。また、摺動手段を介して虚像形成ユニットを使用者の略眼幅方向に摺動させることにより、使用者は虚像を視認する眼の切り換えと眼幅調整とを同時に行うことができる。
【００４１】
さらに、切り換え手段と排除手段とを、二つの直線部を有する環状形状の連結手段を用いて構成することにより、この直線部における虚像形成ユニット及び装着手段の移動や回転により、やはり使用者はＨＭＤを頭部に装着したまま、虚像の視認眼の切り換え、眼幅調整、角度調整、前方視野からの虚像形成ユニットの排除を簡単に行うことができる。また、その際、やはり排除状態における虚像形成ユニットの新たな前方突出は起こらない。
【００４２】
なお、上述のいずれの構成においても、虚像形成ユニットはＨＭＤのほぼ中央で保持されるため、その保持における安定性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の形態における、使用者が虚像を視認可能な状態を示す斜視図。
【図２】本発明の第一の形態における装着状態を示す側面図。
【図３】図２におけるＡＡ断面図。
【図４】本発明の第一の形態における装着状態を示す正面図。
【図５】本発明の第一の形態における、虚像形成ユニットを使用者の前方視野から排除した状態を示す斜視図。
【図６】図５における正面図。
【図７】本発明の第一の形態における、別の排除した状態を示す正面図。
【図８】本発明の第二の形態における、使用者が虚像を視認可能な状態を示す側面図。
【図９】図８における正面図。
【図１０】図８における上方から見た平面図。
【図１１】本発明の第二の形態における、虚像形成ユニットを使用者の前方視野から排除した状態を示す側面図。
【図１２】本発明の第三の形態における、使用者が虚像を視認可能な状態を示す側面図。
【図１３】図１２における正面図。
【図１４】本発明の第三の形態における、虚像の視認眼を切り換えた状態を示す正面図。
【図１５】本発明の第三の形態における連結手段の正面図。
【図１６】本発明の第三の形態における、虚像形成ユニットの排除の過程を説明するための側面図。
【図１７】本発明の第三の形態における、虚像形成ユニットを使用者の前方視野から排除した状態を示す側面図。
【符号の説明】
１虚像形成ユニット
２液晶パネル
３バックライト
４レンズ
５反射ミラー
６駆動手段
７筐体
８開口
９くぼみ
１０軸受け部
１１ケーブル
１２装着手段
１３使用者の虚像を視認する眼
１４虚像
１５接続部
１６軸
１７ノブ
１８使用者の虚像を視認する眼と虚像形成ユニットとが形成する光軸
１９支持部
２０第一の回転部
２１第二の回転部
２２第二の回転部の回転軸
２３矢印
２４矢印
２５矢印
２６連結手段
２７突起
２８凹部
２９腕部
３０軸
３１矢印
３２矢印
３３連結手段
３４第一の直線部
３５第二の直線部
３６第一の腕部
３７第二の腕部
３８矢印
３９矢印[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a monocular head-mounted display device (hereinafter also referred to as an HMD) that enlarges a virtual image formed by an image display means and presents the image to one of the left and right eyes of a user.
[0002]
[Prior art]
Such a monocular HMD has been proposed because of the necessity of viewing the display image and the outside scene image in parallel, or the necessity of visually viewing the display image mainly using the outside scene image. Expectations are increasing for instruction display for assisting work. In addition, due to the nature of its usage and usage location, there is a demand for dustproof and waterproofing, a demand for an exclusion function that excludes it from the user's field of view when not in use, and a monocular eye for visually recognizing a virtual image. It is required that can be selected.
[0003]
As a monocular HMD satisfying such a function and considered for the same purpose, for example, an HMD described in JP-A-2-63379 is known. This is a display that scans a one-dimensional image from an LED line array with a vibrating mirror and presents a two-dimensional image to the user by utilizing the afterimage effect of the human eye. Further, the display system is held in front of the user's eyes by supporting the side surface of the display system via a support arm extended from the side of the mounting means. Therefore, although the screen size that can be viewed with relatively low resolution is small, the display is extremely small and satisfies all the above requirements.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above prior art has the following problems.
[0005]
First, switching of the eye for visually recognizing a virtual image by this technique is performed by changing the display system fixed to the wearing means on the head and changing the display direction of the virtual image electrically. Therefore, an extremely troublesome operation such as removing the HMD from the head each time is required when switching the eye for visually recognizing a virtual image.
[0006]
Secondly, the above-mentioned display has a low resolution, and if this is increased in the same manner, SPIE, Vol. 1664, p134-p140, the display system becomes larger, so that the holding method for the current small display system becomes unstable.
[0007]
The head-mounted display device of the present invention solves the above-mentioned problems. The purpose of the display device is, firstly, the image display means, the driving means, and the magnifying optical means are unitized to provide dustproof and waterproof requirements. It is to respond to. Second, by moving the display unit, the HMD can easily switch the eye for visually recognizing a virtual image and eliminate the display unit from the user's front vision while the HMD is mounted on the head. Is to realize. A third object is to realize switching means and exclusion means that can always hold the display unit stably for any of the above operations.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes an image display means;
Driving means for driving the image display means;
Magnifying optical means for enlarging a virtual image of the image formed by the image display means;
In a head-mounted display device comprising a virtual image forming unit for storing
Switching means for disposing the virtual image forming unit corresponding to one of the left and right eyes of the user;
Exclusion means for eliminating the virtual image forming unit from the field of view in front of the user;
Mounting means for mounting the virtual image forming unit, the switching means, and the exclusion means on a user's head;
Connecting the virtual image forming unit and the mounting means, and comprising a connecting means comprising the switching means and the exclusion means,
The connecting means includes
It has a tubular shape with a substantially cylindrical cross section,
A first straight portion that has a length equal to or greater than the user's half-eye width and fits with the mounting means;
A second straight line portion having a length equal to or greater than the half-eye width of the user and fitted with the virtual image forming unit;
With
The first straight line part and the second straight line part are both arranged substantially parallel to the user's eye width direction.
[0009]
According to said structure, since the image display means, its drive means, and the expansion optical means were unitized, it is easy to make the housing | casing which accommodates them into a dustproof and waterproof structure. In addition, since the structure is such that the eyes for visually recognizing the virtual image are switched and the virtual image forming unit is excluded from the user's front vision simply by moving the virtual image forming unit, the user can easily perform these operations while wearing the HMD. Can be done.
Furthermore, since the mounting means and the virtual image forming unit can rotate on the corresponding linear portions of the substantially cylindrical cross section, it is attempted to move the virtual image forming unit above the user's head by applying a force to the virtual image forming unit. Then, the connecting means rotates about the first straight line portion and the virtual image forming unit rotates about the second straight line portion. Therefore, when the connecting means rotates exactly 180 degrees, the virtual image forming unit is moved to the original position. It looks like it has moved straight up. Therefore, the virtual image forming unit can be easily excluded from the visual field in front of the user without causing the virtual image forming unit to protrude forward. In addition, since the mounting means and the virtual image forming unit can move on the corresponding straight line portions, a force is applied to the virtual image forming unit in the eye width direction of the user, and the connecting means is connected to the mounting means by the user. By moving in the eye width direction and further moving the virtual image forming unit in the user's eye width direction with respect to the connecting means, the user can simultaneously switch the eye for visually recognizing the virtual image and adjust the eye width. Can do. Furthermore, since the first and second linear portions have a relationship just like a two-stage hinge, the user can easily perform the forward / backward movement of the virtual image forming unit and the visual angle adjustment for viewing the virtual image.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Specific embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
(First form)
FIGS. 1 to 7 are explanatory views showing a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a perspective view showing a state in which a user can visually recognize a virtual image, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2, FIG. 4 is a front view showing the mounted state, FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the virtual image forming unit is excluded from the user's front vision, and FIG. FIG. 5 is a front view and FIG. 7 is a front view showing another excluded state.
[0021]
First, the configuration of this embodiment will be described with reference to FIGS.
[0022]
The virtual image forming unit 1 includes an image display unit including a transmissive liquid crystal panel 2 and a backlight 3 for irradiating the liquid crystal panel 2 from above, and a lens 4 that is a magnifying optical unit for enlarging a virtual image of an image formed by the image display unit. The reflecting mirror 5 for reflecting the light emitted from the image display means toward the lens 4, and the driving means 6 comprising a plurality of circuit boards for receiving the signal from the external signal source and driving the image display means. These are housed in a case 7 having a substantially trapezoidal side surface and integrated. An opening 8 for emitting image light is formed on the rear surface of the housing 7 on the user side, and the opening 8 is generally sealed by the lens 4 or another transparent flat plate.
[0023]
In the optical system configured in this manner, the image formed by the liquid crystal panel 2 is emitted from the back by the backlight 3 and emitted as image light, and the optical path is deflected by about 90 degrees by the reflection mirror 5, and then the lens. 4 is refracted by 4 and imaged in the user's eye 13. At this time, if the image forming surface of the liquid crystal panel 2 is disposed closer to the lens 4 than the object-side focal point of the lens 4 and the eye 13 is disposed near the image-side focal point of the lens 4, The user can visually recognize the enlarged virtual image 14 of the display image formed by the liquid crystal panel 2 on the extension line of the optical axis 18 formed by 13 and the virtual image forming unit 1.
[0024]
A recess 9 having a semicircular side surface is formed on the rear surface that is above the opening 8, and a bearing portion 10 having an internal thread protrudes from the housing 7 toward the user. Further, a cable 11 for connecting the driving means 6 and an external signal source protrudes from the rear surface above the upper surface, and the protruding opening of the cable 11 from the housing 7 is sealed by rubber packing or the like. The cable 11 protruding from the housing 7 is inserted into the mounting means 12 at a position corresponding to the midline of the user, wired in the mounting means 12 along the shape thereof, and again from the side of the mounting means, for example, to the outside. It protrudes and is connected to a signal source (not shown). As described above, the casing 7 has a generally sealed structure, and consideration is given to dust and water resistance. The attachment means 12 has, for example, a band-like configuration, and is attached according to the shape of the user's head by expanding and contracting a part of the band portion.
[0025]
A substantially U-shaped connecting portion 15 is inserted into the recess 9 in the relationship shown in FIG. Further, a shaft 16 having a male screw at the center thereof that engages with a female screw of the bearing portion 10 penetrates the left and right arms of the connection portion 15 with moderate friction, and thereby connects to the housing 7 of the virtual image forming unit 1. The unit 15 is connected. At this time, the length of the bearing portion 10 of the housing 7 is sufficiently small with respect to the width of the connection portion 15, so that the housing 7 can move to the left and right with respect to the connection portion 15. The shaft 16 has knobs 17 at both ends thereof. The knob 17 contacts the left and right surfaces of the connecting portion 15 to position the connecting portion 15 and the housing 7, and when the knob 17 is rotated, the shaft 16 is rotated. In order to idle with respect to the connection part 15, the housing | casing 7 screwed together moves to right and left.
[0026]
The mounting portion 12 and the virtual image forming unit 1 are connected by a support portion 19. The support portion 19 has a substantially crank shape, and has a first rotating portion 20 and a second rotating portion 21 having rotating shafts in the front-rear direction of the user at both ends thereof. At this time, the distance between the rotation axes of the first rotation unit 20 and the second rotation unit 21 is a length of an average value (for example, 32.5 mm) of the human half-eye width. The first rotating unit 20 is a surface on the user side of the connection unit 15, and above the optical axis 18 formed by the eye 13 that visually recognizes the virtual image of the user and the virtual image forming unit 1, that is, the connection unit 15, that is, the virtual image. The forming unit 1 is rotatably fitted with moderate friction. The second rotating portion 21 is a part of the front of the mounting means 12 and is rotatably fitted to the mounting means 12 at a position corresponding to the midline of the user with moderate friction. Thus, since the virtual image forming unit 1 and the mounting means 12 are connected by the support portion 19 and the first and second rotating portions 20 and 21 have rotation axes parallel to each other in the front-rear direction of the user, virtual image formation is performed. The unit 1 can rotate on a circle around the rotation axis 22 of the second rotating unit. In addition, since the center of the virtual image forming unit 1 in the left-right direction is supported by the support portion 19 that protrudes from the center in the left-right direction of the mounting unit 12, even when the virtual image forming unit 1 is increased in size to some extent, its holding stability is high.
[0027]
Next, the operation of this HMD will be described.
[0028]
The user wears the HMD on the head by the wearing means 12 and rotates the virtual image forming unit 1 around the rotation shaft 22 as shown by the arrow 23 in FIG. Select (switching means). At this time, the posture of the virtual image forming unit 1 is vertical as shown in FIG. 1 or FIG. Next, when there is a lateral shift between the line of sight of the eye 13 viewing the virtual image and the optical axis of the virtual image forming unit 1, the knob 17 is rotated to move the virtual image forming unit 1 in the direction of the arrow 24 in FIG. The optical axis of the virtual image forming unit 1 is aligned with the line of sight of the eye 13 that visually recognizes the virtual image (eye width adjusting means). When the virtual image forming unit 1 is rotated in the direction of the arrow 25 in FIG. 2, the virtual image forming unit 1 rotates with a shaft 16 engaged with the virtual image forming unit 1 with a constant friction with respect to the connecting portion 15, that is, the mounting means 12. Therefore, the distance between the virtual image forming unit 1 and the eye 13 and the angle of the line of sight at which the user views the virtual image 14 can be adjusted (angle adjustment means). Therefore, the user can visually recognize the virtual image 14 at a position where the virtual image 14 is easy to see, or at a position where it is not obstructive to see the outside scene, or at a convenient position.
[0029]
On the other hand, when the virtual image forming unit 1 is rotated 90 degrees around the rotation axis of the first rotating unit 20, the posture of the virtual image forming unit 1 becomes horizontal as shown in FIG. 5 or FIG. The virtual image forming unit 1 can be easily excluded from the user's front vision while being attached to the head (exclusion means). At this time, since the movement of the virtual image forming unit 1 is only the rotation in the left-right direction, there cannot be a new forward protrusion of the virtual image forming unit due to this exclusion operation. This exclusion method is not limited to this, and the support unit 19 may be rotated 90 degrees so that the posture of the virtual image forming unit 1 is moved vertically above the head as shown in FIG. It is obvious that there is no change in the forward protrusion amount of the virtual image forming unit 1 at this time. Further, the above-described fitting methods, cable routing, and the like are not limited to the present embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present application.
[0030]
(Second form)
8 to 11 are explanatory views showing a second embodiment of the present invention. FIG. 8 is a side view showing a state in which a user can visually recognize a virtual image, FIG. 9 is a front view thereof, and FIG. FIG. 11 is a side view showing a state in which the virtual image forming unit is excluded from the front field of view of the user. Note that the configuration of the image display means, the magnifying optical means, the driving means, and the like built in the virtual image forming unit and the mounting means are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0031]
The virtual image forming unit 1 is connected to the mounting means 12 by the connecting means 26 and held on the user's head. Above the surface on the user side of the virtual image forming unit 1, as shown in FIG. 8, a projection 27 having a substantially triangular cross section and extending in the direction of the eye width of the user is formed in accordance with the surface width. The protrusion 27 is formed on one surface of the connecting means 26, and a cross-sectional shape is fitted to a recess 28 similar to the protrusion 27, and a sliding means is formed between the recess 28 and the protrusion 27. That is, the sliding means has a function that the virtual image forming unit 1 and the connecting means 26 can move relatively in the direction of the eye width of the user but cannot move in other directions. . The width of the surface on which the concave portion 28 of the connecting means 26 is formed is determined by the relationship with the width of the virtual image forming unit 1, and the virtual image forming unit 1 is moved when the virtual image forming unit 1 moves corresponding to the left and right eyes of the user. It has a length that can be held stably.
[0032]
The upper portion of the concave portion 28 of the connecting means 26 is narrowed by one step from both sides, and this and the arm portion 29 protruding from the front portion of the mounting means 12 are friction-fitted and penetrated by the shaft 30 from the left and right to be hinged. Means are formed.
[0033]
In the above configuration, when a force is applied to the virtual image forming unit 1 in the direction of the arrow 31 shown in FIG. 10, the projection 27 slides with respect to the concave portion 28. The eye that visually recognizes the virtual image can be selected from either the left or right eye (switching means). Further, by adjusting the amount of movement, the eye width can be adjusted simultaneously. On the other hand, when a force is applied to the virtual image forming unit 1 in the direction of the arrow 32 shown in FIG. 8, the virtual image forming unit 1 is connected to the connecting means 26 connected by the sliding means and the shaft 32 of the hinge means as the rotation axis. Rotate in the direction of. Therefore, the user is switched from the state in which the virtual image as shown in FIG. 8 is visible to the state in which the virtual image forming unit 1 is excluded from the user's front visual field as shown in FIG. 11 (exclusion means), By adjusting the rotation angle, the vertical angle of the line of sight of the virtual image can be adjusted. Also in this embodiment, the exclusion operation is performed by adjusting the distance between the protrusion 27 and the shaft 30 and the distance between the user and the shaft 30 within a range in which the virtual image forming unit 1 does not contact the user when the virtual image forming unit 1 is excluded. It is possible to prevent a new forward protrusion associated with. Further, as in the first embodiment, the operations of switching the visual eye, adjusting the eye width, removing the virtual image forming unit 1 from the front visual field, and adjusting the angle can be easily performed with the HMD attached. Further, basically, since the virtual image forming unit 1 is held by the connecting means 26 provided at the center of the mounting means 12 in the left-right direction, its stability is high.
[0034]
(Third form)
12 to 17 are explanatory views showing a third embodiment of the present invention. FIG. 12 is a side view showing a state in which a user can visually recognize a virtual image, FIG. 13 is a front view thereof, and FIG. FIG. 15 is a front view of the connecting means, FIG. 16 is a side view for explaining the process of removing the virtual image forming unit, and FIG. 17 is a side view showing the removed state of the virtual image forming unit. It is. Note that the configuration of the image display means, the magnifying optical means, the driving means, and the like built in the virtual image forming unit and the mounting means are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
[0035]
The virtual image forming unit 1 is connected to the mounting means 12 by the connecting means 33 and held on the user's head. The connecting means 33 has a substantially cylindrical cross section throughout, and has an annular shape in front view as shown in FIG. In addition, a first straight portion 34 having a length equal to or greater than the user's half-eye width (for example, 36 mm) and a first straight portion 34 that is formed in parallel to face the first straight portion 34. A second straight line portion 35 having the same length as the first straight line portion 35 is formed. A first arm portion 36 protruding toward the user is formed above the surface on the user side of the virtual image forming unit 1, and a through hole in the eye width direction of the user is formed in the first arm portion 36. In this through hole, the second straight portion 35 of the connecting means 33 is frictionally fitted so as to be rotatable and movable. Further, a second arm portion 37 protruding from the mounting means 12 so as to face the first arm portion 36 is formed, and a through hole in the eye width direction of the user is also formed in the second arm portion. The first straight portion 34 of the connecting means 33 is frictionally fitted so as to be rotatable and movable.
[0036]
In the above configuration, when the connecting means 33 is in a vertical state as shown in FIG. 12, the user can visually recognize the virtual image. In this state, when a force in the direction of arrow 38 in FIG. 13 is applied to the virtual image forming unit 1, the virtual image forming unit 1 and the second straight portion 35 of the connecting means 33 and the first straight portion 34 of the connecting means 33 are attached. Sliding occurs between the means 12 and a state in which the virtual image can be visually recognized with the right eye as shown in FIG. 13 can be switched to a state in which the virtual image can be visually recognized with the left eye as shown in FIG. means). Further, by adjusting the movement amount at this time, it is possible to also use the eye width adjustment. Further, since the first straight line portion 34 and the second straight line portion 35 are in a relationship like a two-stage hinge, if only the virtual image forming unit 1 is rotated with respect to the second straight line portion 35, virtual image formation is performed. Since the unit 1 rotates in the direction of the arrow 39 in FIG. 12, the angle in the vertical direction of the line of sight of viewing the virtual image of the user can be adjusted. Further, by adding the rotation of the connecting means 33 with respect to the mounting means 12 to this, it becomes possible to move the virtual image forming unit 1 back and forth with respect to the user, and to use the aforementioned angle adjustment together with the movement of the virtual image forming unit 1. The degree of freedom for is extremely high.
[0037]
On the other hand, when an obliquely upward force is applied to the virtual image forming unit 1, the virtual image forming unit 1 causes the connecting means 33 to be connected via the state shown in FIG. 16 in relation to the connecting means 33 and the mounting means 12. When rotated exactly 180 degrees, the virtual image forming unit 1 can be moved to a position excluded from the user's front visual field as shown in FIG. At this time, the amount of forward projection of the virtual image forming unit 1 is the same as apparent from the comparison between FIG. 12 and FIG. Therefore, also in this embodiment, the user can easily switch the visual eye of the virtual image, adjust the eye width, adjust the angle, and eliminate the virtual image forming unit 1 from the front visual field while wearing the HMD. In addition, since the virtual image forming unit 1 is held at the central portion of the HMD by the connecting means 33, the stability against holding is also high.
[0038]
【The invention's effect】
As described above, in the head-mounted display device of the present invention, the image display means, the driving means, and the magnifying optical means are unitized, so that the housing for storing them can be easily made dustproof and waterproof. It is. In addition, since the structure is such that the eyes for visually recognizing the virtual image are switched and the virtual image forming unit is excluded from the user's front vision simply by moving the virtual image forming unit, the user can easily perform these operations while wearing the HMD. Can be done.
[0039]
Further, by configuring the switching means and the exclusion means using a support portion having a rotation shaft parallel to both ends, the forward projection amount of the virtual image forming unit is always constant, and the virtual image forming unit is placed in front of the user. It can be easily excluded from view. Further, when the support unit is rotated 180 degrees, the display direction of the image remains constant, and thus the eye for visually recognizing the virtual image can be easily switched from the right eye to the left eye or from the left eye to the right eye. Furthermore, by adding an eye width adjustment means and an angle adjustment means to this, the user can visually recognize a virtual image in a state adapted to his / her eye width and use state.
[0040]
Further, by configuring the switching means and the exclusion means using the connecting means in which the hinge means and the sliding means are formed, the user can move the connecting means and the virtual image forming unit upward through the hinge means. By rotating, the virtual image forming unit can be easily excluded from the visual field in front of the user, and the angle of the line of sight at which the user views the virtual image can be adjusted by adjusting the rotation angle. At this time, no new forward protrusion of the virtual image forming unit in the excluded state occurs. Further, by sliding the virtual image forming unit in the direction of the eye width of the user via the sliding means, the user can simultaneously perform eye switching and eye width adjustment for visually recognizing the virtual image.
[0041]
Furthermore, by configuring the switching means and the exclusion means using an annular connecting means having two straight portions, the user can also change the HMD by moving or rotating the virtual image forming unit and the mounting means in the straight portions. The eye can be easily switched, the eye width can be adjusted, the angle can be adjusted, and the virtual image forming unit can be eliminated from the front field of view while wearing the head. At that time, no new forward protrusion of the virtual image forming unit in the excluded state occurs.
[0042]
In any of the above-described configurations, since the virtual image forming unit is held at substantially the center of the HMD, the stability in holding is high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a state in which a user can visually recognize a virtual image in the first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing a mounting state in the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along AA in FIG.
FIG. 4 is a front view showing a mounting state according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the virtual image forming unit is excluded from the user's front view according to the first embodiment of the present invention.
6 is a front view in FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is a front view showing another excluded state in the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a side view showing a state in which a user can visually recognize a virtual image in the second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a front view in FIG.
10 is a plan view seen from above in FIG. 8. FIG.
FIG. 11 is a side view showing a state in which the virtual image forming unit is excluded from the user's front view according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a side view showing a state in which a user can visually recognize a virtual image in the third embodiment of the present invention.
13 is a front view in FIG.
FIG. 14 is a front view showing a state in which the visual eye of a virtual image is switched in the third embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a front view of a connecting means according to the third embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a side view for explaining a process of eliminating a virtual image forming unit in the third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a side view showing a state in which the virtual image forming unit is excluded from the user's front view according to the third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Virtual image formation unit 2 Liquid crystal panel 3 Backlight 4 Lens 5 Reflection mirror 6 Driving means 7 Case 8 Opening 9 Indentation 10 Bearing part 11 Cable 12 Mounting means 13 Eye 14 which visually recognizes a user's virtual image 14 Virtual image 15 Connection part 16 Axis 17 Knob 18 Optical axis 19 formed by an eye for visually recognizing the user's virtual image and the virtual image forming unit 19 Supporting portion 20 First rotating portion 21 Second rotating portion 22 Rotating shaft 23 of the second rotating portion Arrow 24 Arrow 25 Arrow 26 connecting means 27 protrusion 28 recess 29 arm part 30 shaft 31 arrow 32 arrow 33 connecting means 34 first straight part 35 second straight part 36 first arm part 37 second arm part 38 arrow 39 arrow

Claims

画像表示手段と、
該画像表示手段を駆動させる駆動手段と、
前記画像表示手段によって形成された画像を虚像拡大させる拡大光学手段と、
を収納する虚像形成ユニットと、を備えた頭部装着型表示装置において、
前記虚像形成ユニットを使用者の左右の眼のいずれか一方に対応して配置するための切り換え手段と、
前記虚像形成ユニットを使用者の前方の視野から排除するための排除手段と、
前記虚像形成ユニットと前記切り換え手段と前記排除手段とを使用者の頭部に装着させる装着手段と、
前記虚像形成ユニットと前記装着手段とを連結し、前記切り換え手段と前記排除手段とを構成した連結手段を備え、
該連結手段は、
略円筒形断面の管状形状を成し、
使用者の半眼幅以上の長さを有し、前記装着手段と嵌合する第１の直線部と、
使用者の半眼幅以上の長さを有し、前記虚像形成ユニットと嵌合する第２の直線部と、を備え、
前記第１の直線部と前記第２の直線部とが共に使用者の略眼幅方向に平行に配置されたことを特徴とする頭部装着型表示装置。Image display means;
Driving means for driving the image display means;
Magnifying optical means for enlarging a virtual image of the image formed by the image display means;
In a head-mounted display device comprising a virtual image forming unit for storing
Switching means for disposing the virtual image forming unit corresponding to one of the left and right eyes of the user;
Exclusion means for eliminating the virtual image forming unit from the field of view in front of the user;
Mounting means for mounting the virtual image forming unit, the switching means, and the exclusion means on a user's head;
Connecting the virtual image forming unit and the mounting means, and comprising a connecting means comprising the switching means and the exclusion means,
The connecting means includes
It has a tubular shape with a substantially cylindrical cross section,
A first straight portion that has a length equal to or greater than the user's half-eye width and fits with the mounting means;
A second straight portion that has a length equal to or greater than the half-eye width of the user and fits with the virtual image forming unit;
A head-mounted display device characterized in that both the first straight line portion and the second straight line portion are arranged in parallel to the direction of the eye width of the user.