JP5030595B2 - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、使用者の頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイに関する。

頭部などの身体に装着して使用され、使用者の眼前に画像を表示するヘッドマウントディスプレイが、バーチャルリアリティをはじめ、画像を表示するための種々の分野で利用されている。ヘッドマウントディスプレイは、一般的にはゴーグル形状、あるいは大型の眼鏡のフレーム形状に形成される。また、眼鏡のフレーム形状の装着部材に対して着脱自在とされ、その装着部材に対して取付けて用いるタイプのヘッドマウントディスプレイ（以下、「取付けタイプのＨＭＤ（Head Mount Display）」という。）もある。この場合の装着部材は、市販の眼鏡の場合もある。

取付けタイプのＨＭＤは、装着部材の外側（装着部材のフレームよりも使用者の頭部から遠い部分、例えば眼鏡のレンズの前側。）に取付けるタイプのものと、装着部材の内側（装着部材のフレームよりも使用者の頭部に近い部分、例えば眼鏡のレンズと使用者の眼の間の空間。）に取付けるタイプのものが考えられる。装着部材の外側に取付けるタイプのＨＭＤは、装着部材の外側に大きな空間があるため装着部材への取付けを行うこと自体は容易であるが、例えば眼鏡レンズの前にＨＭＤが位置することにより、デザイン性、或いはファッション性に劣る。装着部材の内側に取付けるタイプのＨＭＤは、逆に、デザイン性、ファッション性に優れるが、スペースの問題があるため装着部材への取付け方に工夫が必要となる。
ＨＭＤの普及を考えると、デザイン性、ファッション性を無視することはできない。この点を踏まえ、本願発明者は、装着部材の内側に取付けるタイプのＨＭＤについて研究を行っている。

ＨＭＤを装着部材の内側に配置する場合、最も問題となるのは、ＨＭＤの小型化が難しいということである。例えば、眼鏡の内側に取付けるタイプのＨＭＤが今までにも提案され、そのようなＨＭＤが例えば特許文献などに幾つか開示されてはいるが、そのようなＨＭＤの製品化どころか、試作品すら満足に完成していないのが現状である。それほど、ＨＭＤを小型化し、その前後方向（ＨＭＤが使用者の頭部に取付けられた場合の使用者の顔の前後方向に同じ。本願において同様。）の厚みを小さくするのは難しいのである。
したがって、ＨＭＤを装着部材の内側に配置した場合、眼鏡等の装着部材は、使用者の顔から多少（数ｍｍ〜数ｃｍ程度）遠ざかることになる。
このような場合、問題となるのがノーズパッドである。装着部材は、それを使用者の頭部に固定するために通常の眼鏡が備えるのと同様のノーズパッドを備えることが多いが、装着部材が使用者の顔から遠ざかるとこのノーズパッドが役に立たなくなり、使用者の頭部に装着部材を固定するのが難しくなるからである。
特開２００１−１３３７２４号公報

本発明は、かかる課題を解消するものであり、眼鏡等の装着部材の内側にヘッドマウントディスプレイを取付けた場合にも、ノーズパッドを使用できるようにするための技術を提供することをその課題とする。

上述の課題を解決するため、本願発明者は以下のようなヘッドマウントディスプレイを提案する。
それは、画像を表示するための表示手段と、該表示手段により表示される画像を所定の倍率で拡大して使用者の眼に導くための導光手段とを備えており、眼鏡形状とされ使用者の頭部に装着される装着部材に、当該装着部材の内側に位置するようにして取付けて使用されるヘッドマウントディスプレイである。そして、このヘッドマウントディスプレイは、使用者の頭部に装着された前記装着部材に前記ヘッドマウントディスプレイが取付けられた状態で、使用者の鼻に当接するノーズパッドを備えている。
このヘッドマウントディスプレイは、それ自体がノーズパッドを備えているので、ヘッドマウントディスプレイが、眼鏡様の形状とされた装着部材と使用者の顔との間に配されることで装着部材が使用者の顔から離れたとしても、ヘッドマウントディスプレイが備えるノーズパッドを使用するに困難はない。
このように、ヘッドマウントディスプレイにノーズパッドを設けることは、取付けタイプ（或いは後付タイプ）のヘッドマウントディスプレイにとっても有用であるが、ヘッドマウントディスプレイが装着部材に着脱自在とされない、つまり、装着部材に固定的に取付けられるタイプの製品においても有用である。例えば、眼鏡様の装着部材を複数種類準備しておくとともに、その装着部材のそれぞれにノーズパッドを備えたヘッドマウントディスプレイを固定するようにすると、装着部材の設計を簡単に行えるようになる。
つまり、ヘッドマウントディスプレイは、装着部材に対する取付けを、着脱自在に行えるようになっていてもよいし、固定的に行うようになっていてもよい。

上述したように、ヘッドマウントディスプレイは、装着部材に対して着脱自在にすることができる。この場合、装着部材からヘッドマウントディスプレイを外すと、その装着部材ではヘッドマウントディスプレイに設けられていたノーズパッドを利用できなくなる。装着部材に対してヘッドマウントディスプレイを着脱自在にするのは主に、装着部材をヘッドマウントディスプレイとの組合わせのみならず、それ単体でも使用したいという要求があるからであるが、装着部材を単体で用いるときにヘッドマウントディスプレイに設けられていたノーズパッドが使用できないのであれば、何らかの手立てが必要になる。
この手立ての例として、以下のものを挙げることができる。
例えば、ヘッドマウントディスプレイが備えるノーズパッドを、前記ヘッドマウントディスプレイに対して着脱自在にするとともに、前記ヘッドマウントディスプレイが取外された状態の装着部材に対して着脱自在に取付けられるようにすることができる。この発明では、ヘッドマウントディスプレイが備えていたノーズパッドを、ヘッドマウントディスプレイから取外して装着部材に取付けられるようにすることで、ヘッドマウントディスプレイが備えていたノーズパッドを、ヘッドマウントディスプレイを装着部材から取外したときにも利用できるようにしている。
また、前記装着部材から前記ヘッドマウントディスプレイが取外されたときに、前記装着部材に取付けることができる、前記ヘッドマウントディスプレイが備えるのとは別のノーズパッドを準備しておくということも考えられる。この場合には、ヘッドマウントディスプレイが備えるノーズパッドは、ヘッドマウントディスプレイに対して着脱自在になっている必要はない。
また、装着部材に、ヘッドマウントディスプレイが備えるのとは別のノーズパッドを当初から設けておくということも可能である。ただし、この場合、装着部材に設けられているノーズパッドは、装着部材にヘッドマウントディスプレイが取付けられたときに、ヘッドマウントディスプレイに干渉しないように設計する必要があるかもしれない。

ここまでの説明では、装着部材と、ヘッドマウントディスプレイとを別物として捉えたが、これらは組合わせたものとして捉えることも可能である。本願では、装着部材と、ヘッドマウントディスプレイを組合わせたものを、ヘッドマウントディスプレイシステムとして捉える。
本願発明のヘッドマウントディスプレイシステムは、眼鏡形状とされ使用者の頭部に装着される装着部材と、画像を表示するための表示手段、該表示手段により表示される画像を所定の倍率で拡大して使用者の眼に導くための導光手段、を備えており、前記装着部材の内側に位置するようにして前記装着部材に取付けて使用されるヘッドマウントディスプレイと、を備えているヘッドマウントディスプレイシステムであって、前記ヘッドマウントディスプレイは、使用者の頭部に装着された前記装着部材にヘッドマウントディスプレイが取付けられた状態で使用者の鼻に当接するノーズパッドを備えているものである。
本願のヘッドマウントディスプレイシステムにおけるヘッドマウントディスプレイは、前記装着部材に固定的に取付けられるものであってもよいが、前記装着部材に対する取付けを着脱自在に行えるようになっていてもよい。
前記装着部材はテンプルを備えており、且つそのテンプルはストレートテンプルとされていてもよい。眼鏡様に構成される装着部材は、眼鏡と同様のテンプルを有する場合が多い。眼鏡が備える最も一般的なテンプルは、その先端部分（モダン）が耳に係止しやすいように横方向から見た場合に下方向に曲折させられているが、モダンが殆ど下方向に曲折していないタイプのテンプルがある。このようなテンプルをストレートテンプルという。装着部材のテンプルをこのようなストレートテンプルとすると、次のような利点がある。即ち、ヘッドマウントディスプレイを装着部材に取付けた場合には、上述したように装着部材が顔から離れ、ヘッドマウントディスプレイを装着部材から取外した場合には、装着部材は顔に近づく。このような装着部材の前後方向の移動があった場合、テンプルのモダンが曲折していると、テンプルのモダンと使用者の耳が干渉しあってしまう。テンプルが、ストレートテンプルであれば、そのような事態を避けられるので、使用者にとっても使用感がよい。
本願のヘッドマウントディスプレイシステムにおける前記ヘッドマウントディスプレイが備える前記ノーズパッドは、前記ヘッドマウントディスプレイに対して着脱自在とされており、且つ前記ヘッドマウントディスプレイから取外されたときに、前記ヘッドマウントディスプレイが取外された状態の前記装着部材に対して着脱自在に取付けることができるようになっていてもよい。
本願のヘッドマウントディスプレイシステムにおける前記装着部材は、前記ヘッドマウントディスプレイがその装着部材から取外された状態で使用者の頭部に装着されたときに使用者の鼻に当接する、前記ヘッドマウントディスプレイが備えるものとは異なるノーズパッドを備えていてもよい。

本発明のヘッドマウントディスプレイは、以下のようなものとすることもできる。
例えば、本発明のヘッドマウントディスプレイは、表示手段と導光手段とが、使用者が装着部材を装着したときに、使用者から見て横方向に並ぶように接続されたものとすることができる。表示手段と導光手段とが、使用時に使用者から見て横方向に並ぶように配置されるヘッドマウントディスプレイは、装着部材の内側に配されたときに、装着部材の内側（装着部材が眼鏡であれば、眼鏡レンズの裏側）にその略全体を隠すことができ、装着部材の上下からヘッドマウントディスプレイが見えてしまうということを略避けられる。これは、ヘッドマウントディスプレイのデザイン性、ファッション性を向上させるに有利である。
ヘッドマウントディスプレイは、表示手段が装着部材の横方向の中間（例えば、装着部材が眼鏡レンズを備えるのであればその中間位置）に位置するようにして、装着部材に取付けられるようになっていてもよい。装着部材に取付けたときのヘッドマウントディスプレイの位置を上述のような位置にすることで、使用者の両目の間に表示手段が位置することになり、表示手段が使用者の視界から完全に消える（使用者が表示手段をはっきりと認識できなくなる。）ことになる。
導光手段には、例えば、画像（を表示するための像光）をその内部で所定の回数反射させて使用者の眼に導く自由曲面プリズムを用いることができる。自由曲面プリズムを用いると、ヘッドマウントディスプレイ全体の小型化を容易に実現できる。自由曲面プリズムは、第１面、第２面、第３面、および第４面の４つの面を持ち、表示手段からの光に第１面を通過させ、第１面を通過させた光を第２面で反射させ、第２面で反射させた光を第３面で反射させ、第３面で反射させた光に第４面を通過させることで、その内部に導いた光の方向を変化させるとともに、表示手段に表示された画像を拡大するものであってもよい。なお、この場合における第１面ないし第４面は、それぞれ連続しない面とされてもよいが、第１面ないし第４面のうちの少なくとも二つの面（例えば第２面と第４面）は、連続する滑らかにつながった一面とされていてもよい。もっとも、導光手段は、自由曲面プリズムに限らず、画像を表示するための像光の向きを変える機能（例えば、反射鏡により、これが達成される。）と、画像を拡大する機能（例えば、レンズにより、これが達成される。）を備えている光学要素を用いて構成することができる。この場合、導光手段は、複数の光学要素の組合わせによって構成することもできる。
本願発明におけるヘッドマウントディスプレイは、表示手段及び導光手段を装着部材のブリッジと智との間でスライドさせる移動機構を有していてもよい。移動機構を有することで、導光手段から出力される画像の位置が、可変になる。そのために、使用者の眼の位置に合わせて最適な位置で画像を提供できる。移動機構は、例えば、表示手段に一端が接続されたラック部と、使用者により操作可能なピニオン部と、を備えて構成することができる。ピニオン部の回転によりラック部がスライドして表示手段及び導光手段がスライドする。
また、ヘッドマウントディスプレイは、表示手段を導光手段の方向に移動可能にする調整機構を更に備えていてもよい。このような構成では、表示手段から導光手段までの距離を使用者の視度に合わせて最適にすることで、視度補正された画像を使用者に提供することができるようになる。

以下、本発明の好ましい一実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

この実施形態におけるヘッドマウントディスプレイ１は、図１に示したような眼鏡フレームの形状をした眼鏡１００に取付けて用いる取付けタイプのＨＭＤである。この実施形態では、ヘッドマウントディスプレイ１が眼鏡１００の後方に取付けられる。使用時には、ヘッドマウントディスプレイ１が使用者の顔と眼鏡１００との間の空間に位置する。そのために、使用者以外からはヘッドマウントディスプレイ１の存在がわかりづらくなっている。

眼鏡１００は、本願における装着部材に相当するものであり、眼鏡フレーム１０１に眼鏡レンズ１０２がはめ込まれた、通常の眼鏡と同様の構成とされている。なお、眼鏡レンズ１０２は、度が入っていても入っていなくてもよく、また、無色透明でも有色透明でもよい。眼鏡フレーム１０１は、左右のつる１０３と、左右のリム１０４と、左右のリム１０４をつなぐブリッジ１０５と、を備えている。左右のつる１０３はそれぞれ左右のリム１０４にヒンジ接続されており、つる１０３をリム１０４に対して平行になるような向きで折畳めるようになっている。つる１０３の先端を使用者の両耳にそれぞれ係止するか、或いは２本のつる１０３により使用者の頭部を挟み込むことで、使用者の頭部に眼鏡１００が固定される。

この実施形態では、眼鏡１００に取付けられたヘッドマウントディスプレイ１が眼鏡１００の後方に位置することになり、そのとき使用者の顔から眼鏡１００が前方に移動せざるを得なくなるため、その状態でもつる１０３を使用者の耳にかけられるように、つる１０３の長さが通常の眼鏡フレームよりも幾らか長めになっている。
なお、図１に示した例では、つる１０３の先端が使用者の耳に係止し易いように下方向に曲折されているが、つる１０３の先端は直線状であってもよい。つまり、つる１０３はストレートテンプルであってもよい。つる１０３をストレートテンプルとした方が、ヘッドマウントディスプレイ１を眼鏡１００に取付けているか否かによらず、使用者のつる１０３に対する感覚を一定に維持できる。ストレートテンプルとした変形例によるつる１０３の例を、図１中に、１０３Ｓとして示す。

ヘッドマウントディスプレイ１は、ディスプレイを内部に有するケース１０と、ケース１０に可動部１６を介して接続される左右の自由曲面プリズム２０と、ケース１０に接続されるノーズパッド３０と、を備えている。
ケース１０は、必ずしもその限りではないがこの実施形態では眼鏡１００のブリッジ１０５に取付けられる。ケース１０は、それが眼鏡１００に取付けられたときに、眼鏡１００の後方に位置するようになっている。自由曲面プリズム２０は、使用者が眼鏡１００を装着したときに使用者から見てケース１０の横方向に並ぶように、ケース１０に接続される。ノーズパッド３０は、ケース１０のさらに後方に位置するように取付けられる。ノーズパッド３０は、ヘッドマウントディスプレイ１が取付けられた眼鏡１００を使用者が頭部に装着したときに、使用者の鼻に当接して眼鏡１００のずれを防止する。ディスプレイに表示される画像は、自由曲面プリズム２０により所定の倍率で拡大されて、自由曲面プリズム２０から後方に出力される。後方に出力された画像は、眼鏡１００を装着した使用者の眼に入ることになる。画像は、この実施形態では、自由曲面プリズム２０の点線で囲まれた領域（図９参照のこと。）から出力される。

ヘッドマウントディスプレイ１は、図２に示すようにして、眼鏡１００に取付けられる。眼鏡１００のブリッジ１０５には、第１取付部材４０が形成されている。この実施形態では、第１取付部材４０が、ブリッジ１０５に接続される第１軸部４０ａ及び第１軸部４０ａの先端に設けられる第１ボール部４０ｂにより構成される。第１取付部材４０は、眼鏡１００と一体に形成されていてもよい。眼鏡１００に汎用の眼鏡フレームを使用する場合には、第１取付部材４０は当然に眼鏡１００とは別部材となる。この場合、第１取付部材４０は、接着剤等で眼鏡１００に取り付けられることになる。

ヘッドマウントディスプレイ１のケース１０には、より詳細には、眼鏡１００に取付けられたときに眼鏡１００に対向する側の面には、第１嵌合孔１０ａが形成されている。ヘッドマウントディスプレイ１を眼鏡１００へ取付けるときには、第１嵌合孔１０ａに第１取付部材４０の第１ボール部４０ｂが嵌合される。これらはいわゆるボールジョイントを構成する。

またケース１０の第１嵌合孔１０ａが設けられる面とは反対側の面には、第１取付部材４０と同じ構成、大きさの第２取付部材５０が形成されている。第２取付部材５０は、ケース１０に接続される第２軸部５０ａ及び第２軸部５０ａの先端に設けられる第２ボール部５０ｂにより構成される。第２取付部材５０は、ケース１０と一体に形成されていてもよいが、接着剤等でケース１０に取付けるようにしてもよい。

ノーズパッド３０のケース１０に接続される側には、第２嵌合孔３０ａが形成されている。第２嵌合孔３０ａは、第１嵌合孔１０ａと同じ大きさである。ノーズパッド３０のケース１０への取付け時には、第２嵌合孔３０ａに第２取付部材５０の第２ボール部５０ｂが嵌合される。これらはいわゆるボールジョイントを構成する。

第１取付部材４０と第２取付部材５０、第１嵌合孔１０ａと第２嵌合孔３０ａは、それぞれ同じ形状、大きさで形成される。そのために、第１取付部材４０の第１ボール部４０ｂを第２嵌合孔３０ａに嵌合することも可能である。これにより、ケース１０、可動部１６、及び自由曲面プリズム２０を除いて、ノーズパッド３０のみを眼鏡１００に直接取付けることが可能である。眼鏡１００とノーズパッド３０を組合わせたものは、通常の眼鏡と同様に用いることができる。

次いで、ヘッドマウントディスプレイ１について、詳細に説明する。

図３は、ヘッドマウントディスプレイ１を図１中の上側から見た図である。
ケース１０は、略矩形の中空である。ケース１０は、必ずしもそうである必要はないが、本実施形態では樹脂製である。ケース１０の上面には、視度を調整するための視度調整つまみ１２と、自由曲面プリズム２０の位置を調整するためのプリズム位置調整つまみ１３とが設けられている。

視度調整つまみ１２は、これを操作することで、ケース１０内部のディスプレイを画像の光軸方向に進退動させるものである。本実施形態では、左右の眼のそれぞれの視度を個別に調整できるように、視度調整つまみ１２は２つ設けられている。
プリズム位置調整つまみ１３は、これを操作することで、ケース１０に対する自由曲面プリズム２０の位置を所定の範囲で移動させるものである。プリズム位置調整つまみ１３の近傍には目盛りが設けてあり、プリズム位置調整つまみ１３の操作量に対する自由曲面プリズム２０の移動量が直感的にわかるようになっている。

図４は、ケース１０の内部を示す、ケース１０を上面からみた一部断面図である。
ケース１０の内部には、視度調整つまみ１２と、視度調整板１１と、ディスプレイ１４と、制御基板１５と、視度調整つまみ１２、視度調整板１１、ディスプレイ１４および制御基板１５を内包し自由曲面プリズム２０に連結される可動部１６と、ピニオン部１７とが設けられている。
本実施形態においては、可動部１６及び自由曲面プリズム２０は２つずつ設けられているものとして説明するが、必ずしもそうである必要はなく、これらは１つずつであってもよい。つまりヘッドマウントディスプレイ１は、必ずしも両眼用である必要はなく、右眼用或いは左眼用の可動部１６及び自由曲面プリズム２０のみを備える、右眼用或いは左眼用のものであってもよい。

ディスプレイ１４は、画像を表示するものであり、必ずしもその限りではないが、この実施形態では、矩形の液晶ディスプレイとされている。ディスプレイ１４は、使用者が眼鏡１００を装着した場合に、その短辺方向が使用者から見て縦方向になり、眼鏡レンズ１０２の幅方向に対して斜めとなるようにして、且つ自由曲面プリズム２０の一面に所定の角度で画像を入射するようにして、可動部１６に取付けられている。
制御基板１５は、ディスプレイ１４に表示される画像を制御するものである。制御基板１５は、画像を表示するためのデータをディスプレイ１４に送り、ディスプレイ１４に適切な画像を表示させる。制御基板１５は、図示しない外部装置から画像についてのデータを受けてそれをディスプレイ１４に表示させる。制御基板１５は、図示しない外部装置から有線または無線により画像についてのデータを受け取るようになっている。
外部装置には、例えば、ハードディスクプレイヤ、ＤＶＤプレイヤ、テレビジョン放送用のチューナ、パーソナルコンピュータ、携帯電話、コンピュータゲームを実行するためのゲーム装置、画像処理機能を有したＭＰ３プレイヤなどを用いることができる。

可動部１６には、ディスプレイ１４と自由曲面プリズム２０が、ディスプレイ１４に表示される画像からの像光が自由曲面プリズム２０の一面に一定の角度で画像を入射するような状態で取付けられている。
可動部１６には、ピニオン部１７と接触するようにラック部１６ａが形成されている。各ラック部１６ａは、ピニオン部１７に対向している面に歯が形成されている。
ピニオン部１７は、プリズム位置調整つまみ１３と連結されており、プリズム位置調整つまみ１３を回転させるとピニオン部１７がそれに伴って回転するようになっている。ピニオン部１７は、円柱形であり、側面に円柱の軸方向に平行な歯が形成されている。ピニオン部１７の歯とラック部１６ａの歯は噛み合うようになっている。ピニオン部１７が回転すると、その回転の量と向きに対応して、ラック部１６ａがラック部１６ａの長さ方向に沿って移動するようになっている。

図５に示すように、プリズム位置調整つまみ１３を左向きに回転させると、ラック部１６ａの基端がピニオン部１７から離れる方向に移動して、２つの可動部１６が離れる方向にスライドする。逆に、プリズム位置調整つまみ１３を右向きに回転させると、ラック部１６ａの基端がピニオン部１７に近づく方向に移動して、２つの可動部１６が近づく方向にスライドする。可動部１６と自由曲面プリズム２０は連結されているので、このような可動部１６のスライドに伴って、自由曲面プリズム２０も同様にスライドする。このように、プリズム位置調整つまみ１３を回転させることで、ケース１０を眼鏡１００に取付けた後においても、可動部１６に取付けられた自由曲面プリズム２０をブリッジ１０５と眼鏡１００の智との間でスライドさせることができるようになっている。自由曲面プリズム２０がスライドすることで、自由曲面プリズム２０から出力される画像の位置もスライドする。これにより、使用者の眼の位置に、画像が出力される位置を合わせることができる。この実施形態では、上述の機構により、一つのプリズム位置調整つまみ１３の動作により、２つの自由曲面プリズム２０（導光手段）の移動を、左右対称で、同時に行えるようになっている。目幅に合わせて導光手段を左右対称で同時に移動させられるのは、上述の機構によらないでも実現できるが、いずれにせよ便利である。
なお、ピニオン部１７は、プリズム位置調整つまみ１３と一体的に構成されていてもよい。

可動部１６に内包される視度調整つまみ１２及び視度調整板１１は、ディスプレイ１４から自由曲面プリズム２０までの距離を変動させて使用者の視力に合わせた画像を提供するための調整機構を構成する。図６は、可動部１６を拡大して調整機構を詳細に説明するための図である。図７は、調整機構の動作を説明するための図である。

視度調整つまみ１２は、ケース１０の外部に突出する頭部に溝が形成されており、中程がクランク状に折れ曲がったクランク部１２ａを有する構成になっている。頭部の溝に平板を差し込んで回転させると、クランク部１２ａが回転中心の周りを回転する。
視度調整板１１は、一辺が制御基板１５に接続されており、該一辺に対向する辺の近傍に、該一辺の延びる方向に長辺が設けられた、面取りされた矩形状の調整穴１１ａが設けられる。調整穴１１ａには、視度調整つまみ１２のクランク部１２ａが貫通して設けられる。調整穴１１ａの短辺は、このクランク部１２ａの大きさに応じた長さで形成される。

図７の状態で視度調整つまみ１２を回転させると、クランク部１２ａが回転中心の周りを回転する。調整穴１１ａは、クランク部１２ａが貫通しているので、クランク部１２ａが回転すると、調整穴１１ａはその動きに応じて制御基板１５の方向へ付勢される。それにより、視度調整板１１は制御基板１５を付勢する方向に移動する。制御基板１５が移動すると、ディスプレイ１４が自由曲面プリズム２０に近づく方向に移動する。ディスプレイ１４と自由曲面プリズム２０との間の距離を変化させることで、使用者の視力に合わせて画像の視度を調整することができる。
視度調整つまみ１２は回転するので、視度調整板１１の動きはピストン状になる。そのために、ディスプレイ１４が動きすぎて自由曲面プリズム２０に衝突し、お互いが破損することはない。使用者は、使用時に視度調整つまみ１２を回転させてディスプレイ１４の位置を自身の眼の視度に最適な位置に調整することができる。

図８は、自由曲面プリズム２０による導光路を説明する図である。自由曲面プリズム２０は、ディスプレイ１４からの光を使用者の少なくとも一方の眼に導くと共に、ディスプレイ１４に表示された画像を拡大するものである。
自由曲面プリズム２０は、それぞれ自由曲面である第１面Ｓ１、第２面Ｓ２、第３面Ｓ３という３つの面を備えた断面略三角形状に構成される。
第１面Ｓ１は、ディスプレイ１４に臨まされており、ディスプレイ１４に表示された画像についてのディスプレイ１４からの光を通過させて自由曲面プリズム２０の内部に導く。ディスプレイ１４からの光は、第１面Ｓ１を通過するときに屈折しディスプレイ１４に表示された画像が拡大されるように変化する。
第２面Ｓ２は、第１面Ｓ１を通過した光を反射（通常は全反射である。）するようにされている。第１面Ｓ１を通過した光は、第２面Ｓ２で反射されることによりその方向を大きく変え、また、ディスプレイ１４に表示された画像が拡大されるように変化する。第２面Ｓ２は、また、第３面Ｓ３で反射された光を通過させる。これについては、後述する。
第３面Ｓ３は、第２面Ｓ２で反射された光を反射させるようになっている。第２面Ｓ２で反射された光は、第３面Ｓ３で反射されることによりその方向を大きく変え、また、ディスプレイ１４に表示された画像が拡大されるように変化する。なお、第３面Ｓ３で行われる反射は、全反射であっても、金属による反射であっても構わない。第３面Ｓ３で行われる反射が全反射である場合には、第２面Ｓ２で反射された光が第３面Ｓ３に至る場合の入射角が全反射角以下となるように第３面Ｓ３の曲面が設計される。第３面Ｓ３で行われる反射が金属による反射である場合には、第３面Ｓ３の外側に、金属が、例えば蒸着によって付着されている。なお第３面Ｓ３の外側に、金属を付着させる代わりに、誘電体多層膜を形成することができる。この場合の反射は、誘電体多層膜によりなされる。
上述したように第３面Ｓ３で反射された光は、第２面Ｓ２に再び向い、第２面Ｓ２を通過する。第２面Ｓ２を通過する光は、第２面Ｓ２を通過するときに屈折しディスプレイ１４に表示された画像が拡大されるように変化する。ディスプレイ１４に表示された画像は、図９に示すように、自由曲面プリズム２０の点線部分に表示されることとなる。
以上のような自由曲面プリズム２０は、ケース１０を眼鏡１００に取付けた際、少なくともその一部がヘッドマウントディスプレイ１の使用時に使用者の少なくとも一方の眼の前に位置するものとされ、ディスプレイ１４からの光を使用者の眼に射出するように、ケース１０に接続されている。
自由曲面プリズム２０は、眼鏡１００を装着した使用者から見てケース１０に縦方向に接続されるのではなく、横方向に接続されて配置される。すなわち、ヘッドマウントディスプレイ１全体の形状は、横方向に伸びた形状となっている。

図１０ａ、図１０ｂは、それぞれヘッドマウントディスプレイ１を取付けた眼鏡１００を前方から見た状態を示す図である。
これらの図に示すように、ヘッドマウントディスプレイ１を取付けた状態の眼鏡１００を前方から見た場合、ヘッドマウントディスプレイ１は、眼鏡レンズ１０２の後方にほぼ隠れるようになる。
本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１は、本体１０と自由曲面プリズム２０が横方向に並ぶように接続されるために、ケース１０を眼鏡１００の後方に取付けると、ヘッドマウントディスプレイ１の大部分が眼鏡１００の前方から見えないようにすることができる。すなわち、ヘッドマウントディスプレイ１の眼鏡１００からのはみ出し量を極力少なくすることができ、デザイン性を損なうことがない。
また、本実施形態のヘッドマウントディスプレイ１は、使用者の上下方向の視野を遮るものではないので、自由曲面プリズム２０に表示された画像を見ている状態であっても、自由曲面プリズム２０の周囲は、多少ぼやけることはあるが見える状態にある。よって、視線を自由曲面プリズム２０に向けている状態でも簡単な作業を行うことができ、便利である。また、視線を自由曲面プリズム２０に向けている状態でも足元を見ることができ、歩くことも可能である。さらに、視線を自由曲面プリズム２０から外せば、周囲をより良く見ることができるようになる。

次に、このヘッドマウントディスプレイ１の使用方法について説明する。
このヘッドマウントディスプレイ１を使用するには、ヘッドマウントディスプレイ１を取付けた状態の眼鏡１００を使用者の頭部へ固定する。ヘッドマウントディスプレイ１の眼鏡１００への取付けは、ヘッドマウントディスプレイ１のケース１０に設けられた第１嵌合孔１０ａに、眼鏡１００に取付けられた第１取付部材４０が有する第１ボール部４０ｂを嵌合させることにより行う。また、ヘッドマウントディスプレイ１を取付けた状態の眼鏡１００の使用者の頭部への固定は、上述したように、眼鏡１００のつる１０３を、使用者の耳へ係止するか、眼鏡１００のつる１０３で使用者の頭部を挟み込むことで行う。
なお、眼鏡１００を使用者の頭部へ固定する前に、ヘッドマウントディスプレイ１にノーズパッド３０を取付けておく。ノーズパッド３０のヘッドマウントディスプレイ１への取付けは、ノーズパッド３０に設けられた第２嵌合孔３０ａに、ヘッドマウントディスプレイ１のケース１０が有する第２ボール部５０ｂを嵌合させることで行う。

この状態で使用者は、上記の外部装置を操作して、ヘッドマウントディスプレイ１で表示すべき画像についてのデータを、ヘッドマウントディスプレイ１に入力する。制御基板１５は、画像についてのデータによりディスプレイ１４に画像を表示する。
ディスプレイ１４に表示された画像の光は、ディスプレイ１４から出て、自由曲面プリズム２０の第１面Ｓ１に入力される。自由曲面プリズム２０内では、光が図８に示すようにして第２面Ｓ２から射出される。射出された光により、使用者は、両眼で、適当な大きさになった画像を見ることになる。
必要であれば、使用者は、視度調整つまみ１２を操作することで、ディスプレイ１４からの光の自由曲面プリズム２０に対する入射角を変化させないようにしながら、自由曲面プリズム２０に対してディスプレイ１４を近づけたり遠ざけたりすることができる。すなわち、ディスプレイ１４を、ディスプレイからの光の出射方向（光軸方向）で進退動させることができる。これにより、使用者の視力に合った画像を表示することができるように調整することができる。
また、使用者は、プリズム位置調整つまみ１３を操作することで、自由曲面プリズム２０の位置を使用者の目幅に応じた適当な位置に動かして、自由曲面プリズム２０の位置を使用者が画像を見やすい位置に調整することができる。
また、使用者は、図示しないイヤホンを耳に着用することにより、画像に合わせた音を聴くことができる。

使用者は、ヘッドマウントディスプレイ１を使用しなくなった場合には、眼鏡１００からヘッドマウントディスプレイ１を取外す。また、眼鏡１００から取り外したヘッドマウントディスプレイ１から取外したノーズパッド３０を、眼鏡１００に取付ける。これにより、使用者は、眼鏡１００を通常の眼鏡として用いることができる。
なお、ノーズパッド３０の眼鏡１００への取付けは、眼鏡１００に取付けられた第１取付部材４０が有する第１ボール部４０ｂを、ノーズパッド３０に設けられた第２嵌合孔３０ａに嵌合させることで行う。

以上の実施形態の変形例として、以下のものを挙げることができる。

本実施形態では、ケース１０は、眼鏡１００のブリッジ１０５の略中心に取付けられるものとして記載したが、これに限られず、ケース１０は、眼鏡１００の他の部分に取付けられるようにしてもよい。

また、本発明の導光手段として、本実施形態では、断面略三角形状とされている自由曲面プリズム２０を使用するものとして説明したが、他の形状の自由曲面プリズム、或いは自由曲面プリズム以外のものを導光手段として使用することが可能である。導光手段は、少なくともその一部がヘッドマウントディスプレイ１の使用時に使用者の少なくとも一方の眼の前に位置するものとされ、ディスプレイ１４からの光を使用者の少なくとも一方の眼に導くと共に、ディスプレイ１４に表示された画像を拡大するようになっていれば、どのようなものを用いても構わない。
例えば、第１面、第２面、第３面、及び第４面の４つの面を持ち、ディスプレイ１４からの光に第１面を通過させ、第１面を通過させた光を第２面で反射させ、第２面で反射させた光を第３面で反射させ、第３面で反射させた光に第４面を通過させることで、その内部に導いた光の方向を変化させるとともに、ディスプレイ１４に表示された画像を拡大する自由曲面プリズムを、上述の自由曲面プリズム２０に代えて使用してもよい。第１面ないし第４面は、それぞれ連続しない面であってもよいが、第１面ないし第４面のうちの少なくとも二つの面が、連続する滑らかにつながった一面であってもよい。上述の自由曲面プリズム２０は、第２面と第４面が連続する滑らかにつながった一面とされている。
また、本発明の導光手段は、図１１に示すように、ディスプレイ１４からの画像を拡大する第１レンズ７１と、第１レンズ７１からの光を反射させ、その光の方向を変化させる第１反射鏡７２と、第１反射鏡７２により反射された光を反射させ、その光の方向を変化させる第２反射鏡７３と、第２反射鏡７３からの光を透過するとともに、画像を拡大する第２レンズ７４と、を有しているものとしてもよい。反射の回数及び画像をどの程度拡大するかは、ディスプレイ１４と使用者の眼の位置関係などにより決めることができる。
また、導光手段は、図１２に示すように、自由曲面プリズム２０と、レンズ７５またはレンズ７６の少なくとも一方と、を備えているものとしてもよい。レンズ７５およびレンズ７６は、ディスプレイ１４に表示された画像を拡大するためのものである。これらのレンズ７５、７６は、板状のレンズであるものとして説明するが、これに限られず、部分により屈折率の異なるものとされ、レンズとして機能するものであれば、どのようなものであってもよい。この場合における、レンズ７５は、ディスプレイ１４と自由曲面プリズム２０の第１面Ｓ１との間のいずれかの位置に取付けられており、ディスプレイ１４からの光が、レンズ７５を介して、自由曲面プリズム２０の第１面Ｓ１に入力されるようになっている。レンズ７５を通過する光は、その通過時に屈折し、ディスプレイ１４に表示された画像が拡大されるように変化する。すなわち、このようなレンズ７５により、自由曲面プリズム２０に入射される前に、ディスプレイ１４に表示された画像を拡大することができる。また、レンズ７６は、自由曲面プリズム２０の第２面Ｓ２の外側に貼り付けられており、自由曲面プリズム２０の第２面Ｓ２から出射されたディスプレイ１４からの光が、レンズ７６を介して、使用者の眼に射出されるようになっている。レンズ７６を通過する光は、その通過時に屈折し、ディスプレイ１４に表示された画像が拡大されるように変化する。すなわち、このようなレンズ７６により、自由曲面プリズム２０から出射されたディスプレイ１４に表示された画像を、適切な大きさに拡大して、使用者の眼に射出することができる。

また、本実施形態では、ケース１０は、視度を調整する視度調整つまみ１２と、自由曲面プリズム２０の位置を調整するプリズム位置調整つまみ１３とを有するような構成となっているが、これらは必須ではなく、これらを有しないような構成とすることもできる。

また、以上の実施形態では、眼鏡１００のヘッドマウントディスプレイ１への取付けは、着脱自在なものとされていた。しかしながら、眼鏡１００へのヘッドマウントディスプレイ１の固定は、着脱自在なものである必要はない。眼鏡１００にヘッドマウントディスプレイ１を取付けたヘッドマウントディスプレイシステムを製造する段階で、両者の取付を固定的なものとすることができる。この場合、ヘッドマウントディスプレイ１のケース１０に対するノーズパッド３０の取付けも、固定的なものとしてよい。眼鏡１００にヘッドマウントディスプレイ１が固定されるのであれば、その眼鏡１００は常にヘッドマウントディスプレイ１とともに使用されるのであるから、ノーズパッド３０をヘッドマウントディスプレイ１から分離させる必要が特に存在しなくなるからである。なお、眼鏡１００へのヘッドマウントディスプレイ１の取付け、又はヘッドマウントディスプレイ１のケース１０へのノーズパッド３０の取付けが固定的なものである場合には、それら取付けには、上述したボールジョイントではなく、接着剤を用いた接着、ネジを用いた螺合等の適当な手法を用いることができる。
また、眼鏡１００に対してヘッドマウントディスプレイ１を着脱自在にする場合であっても、ヘッドマウントディスプレイ１のケース１０へのノーズパッド３０の取付けは固定的なものとすることができる。この場合には、ヘッドマウントディスプレイ１を眼鏡１００から取外した場合に、ヘッドマウントディスプレイ１のケース１０に取付けられたノーズパッド３０を眼鏡１００に取付けることができない。したがって、ヘッドマウントディスプレイ１を外した状態の眼鏡１００に取付ける、ヘッドマウントディスプレイ１が備えるのとは別のノーズパッドを準備しておく必要がある。この場合に用いるノーズパッドは、上述の実施形態で説明したノーズパッド３０と同様に構成しておけば足りる。上述の実施形態で説明したのと同様のノーズパッドを、ヘッドマウントディスプレイ１を外した状態の眼鏡１００に取付ければ、その眼鏡１００を通常の眼鏡として用いることができる。或いは、ヘッドマウントディスプレイ１が備えるのとは別のノーズパッドを、当初から眼鏡１００に固定的に取付けておくことも考えられる。このノーズパッドは、ヘッドマウントディスプレイ１の眼鏡１００への取付けの妨げにならない形状、大きさとされ、ヘッドマウントディスプレイ１の眼鏡１００への取付けの妨げにならない位置に取付けられていれば、通常の眼鏡に取付けられるノーズパッドとは異なるところがなくてもよい。眼鏡１００が当初からノーズパッドを備えているのであれば、ヘッドマウントディスプレイ１を取外した後の眼鏡１００は、通常の眼鏡として用いるに不都合はない。

また、以上のヘッドマウントディスプレイ１が取付けられる眼鏡１００は、本実施形態ではブリッジ１０５を有する眼鏡であるものとして記載したが、これに限られず、図１０ｂのようにブリッジを有しない眼鏡であってもよい。また、眼鏡１００は、市販の汎用品ではなく、ヘッドマウントディスプレイ１に専用のものであってもよい。例えば、イヤホンが眼鏡１００のつるに内蔵してあってもよい。

本実施形態のヘッドマウントディスプレイを眼鏡に取付けた状態を示す図。 ヘッドマウントディスプレイの眼鏡への取付け方法の説明図。 ケースの上面図。 ケースの内部構成を示す一部断面図。 移動機構の動作説明図。 調整機構の詳細な構成図。 調整機構の動作説明図。 自由曲面プリズム内の導光路の説明図。 本実施形態のヘッドマウントディスプレイを後方から見た図。 本実施形態のヘッドマウントディスプレイを取付けた状態の眼鏡を前方から見た図。 本実施形態のヘッドマウントディスプレイを取付けた状態の眼鏡を前方から見た図。 本発明の自由曲面プリズムの変形例の構成図。 本発明の自由曲面プリズムの変形例の構成図。

符号の説明

１…ヘッドマウントディスプレイ、１０…ケース、１０ａ…第１嵌合孔、１１…視度調整板、１１ａ…調整穴、１２…視度調整つまみ、１２ａ…クランク部、１３…プリズム位置調整つまみ、１４…ディスプレイ、１５…制御基板、１６…可動部、１６ａ…ラック部、１７…ピニオン部、２０…自由曲面プリズム、３０…ノーズパッド、３０ａ…第２嵌合孔、４０…第１取付部材、４０ａ…第１軸部、４０ｂ…第１ボール部、５０…第２取付部材、５０ａ…第２軸部、５０ｂ…第２ボール部、７１…第１レンズ、７２…第１反射鏡、７３…第２反射鏡、７４…第２レンズ、７５、７６…レンズ、１００…眼鏡、１０１…眼鏡フレーム、１０２…眼鏡レンズ、１０３…つる、１０４…リム、１０５…ブリッジ、Ｓ１…第１面、Ｓ２…第２面、Ｓ３…第３面

Claims (5)

1. 画像を表示するための表示手段と、該表示手段により表示される画像を所定の倍率で拡大して使用者の眼に導くための導光手段とを備えており、眼鏡形状とされ使用者の頭部に装着される装着部材に、当該装着部材の内側に着脱自在に位置するようにして取付けて使用されるヘッドマウントディスプレイであって、
   使用者の頭部に装着された前記装着部材に前記ヘッドマウントディスプレイが取付けられた状態で、使用者の鼻に当接するノーズパッドを備えており、
   前記ノーズパッドは、前記ヘッドマウントディスプレイに対して着脱自在とされており、且つ前記ヘッドマウントディスプレイが取外された状態の装着部材に対して着脱自在に取付けられるようになっている、
   ヘッドマウントディスプレイ。
2. 画像を表示するための表示手段と、該表示手段により表示される画像を所定の倍率で拡大して使用者の眼に導くための導光手段とを備えており、眼鏡形状とされ使用者の頭部に装着される装着部材に、当該装着部材の内側に着脱自在に位置するようにして取付けて使用されるヘッドマウントディスプレイであって、
   使用者の頭部に装着された前記装着部材に前記ヘッドマウントディスプレイが取付けられた状態で、使用者の鼻に当接するノーズパッドを備えており、
   前記装着部材から前記ヘッドマウントディスプレイが取外されたときに、前記装着部材に取付けることができる、前記ヘッドマウントディスプレイが備えるのとは別のノーズパッドを備えている、
   ヘッドマウントディスプレイ。
3. 眼鏡形状とされ使用者の頭部に装着される装着部材と、
   画像を表示するための表示手段、該表示手段により表示される画像を所定の倍率で拡大して使用者の眼に導くための導光手段、を備えており、前記装着部材の内側に位置するようにして前記装着部材に着脱自在に取付けて使用されるヘッドマウントディスプレイと、
   を備えているヘッドマウントディスプレイシステムであって、
   前記ヘッドマウントディスプレイは、使用者の頭部に装着された前記装着部材にヘッドマウントディスプレイが取付けられた状態で使用者の鼻に当接するノーズパッドを備えており、
   前記ヘッドマウントディスプレイが備える前記ノーズパッドは、前記ヘッドマウントディスプレイに対して着脱自在とされており、且つ前記ヘッドマウントディスプレイから取外されたときに、前記ヘッドマウントディスプレイが取外された状態の前記装着部材に対して着脱自在に取付けることができるようになっている、
   ヘッドマウントディスプレイシステム。
4. 眼鏡形状とされ使用者の頭部に装着される装着部材と、
   画像を表示するための表示手段、該表示手段により表示される画像を所定の倍率で拡大して使用者の眼に導くための導光手段、を備えており、前記装着部材の内側に位置するようにして前記装着部材に着脱自在に取付けて使用されるヘッドマウントディスプレイと、
   を備えているヘッドマウントディスプレイシステムであって、
   前記ヘッドマウントディスプレイは、使用者の頭部に装着された前記装着部材にヘッドマウントディスプレイが取付けられた状態で使用者の鼻に当接するノーズパッドを備えており、
   前記装着部材は、前記ヘッドマウントディスプレイがその装着部材から取外された状態で使用者の頭部に装着されたときに使用者の鼻に当接する、前記ヘッドマウントディスプレイが備えるものとは異なるノーズパッドを備えている、
   ヘッドマウントディスプレイシステム。
5. 前記装着部材はテンプルを備えており、且つそのテンプルはストレートテンプルとされている、
   請求項３又は４記載のヘッドマウントディスプレイシステム。

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