JP2018081280A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】視力矯正眼鏡への干渉や、装着時の圧迫感による使用感の低下を抑える画像表示装置の提供。【解決手段】使用者Ａの眼前に配置され、画像出力部４０によって出力された画像を表示する一対の表示部１０と、表示部１０をそれぞれ取り付けられた保持部２１と、保持部２１を使用者Ａの被装着部２４に押圧させて保持部２１の間隔に合わせて一対の表示部１０の間隔を調整する間隔調整部５０と、を有する画像表示装置１。【選択図】図１

Description

本発明は、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とを眼に導いて、映像と外界の像を提供する頭部装着型の表示装置（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フレーム部と、画像投影部と、を備えたいわゆる眼鏡型の画像表示装置が知られている（例えば特許文献１等参照）。

頭部装着型の画像表示装置は、一般にはレンズ部の位置が固定されており、特に使用者が視力矯正眼鏡等をかけていると、視力矯正眼鏡への干渉や、装着時の圧迫感による使用感の悪化等が懸念される。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、視力矯正眼鏡への干渉や、装着時の圧迫感による使用感の低下を抑えることを目的とする。

本発明にかかる画像表示装置は、使用者の眼前に配置され、画像出力部によって出力された画像を表示する一対の表示部と、前記表示部をそれぞれ取り付けられた保持部と、前記保持部を前記使用者の被装着部に押圧させて前記保持部の間隔に合わせて前記一対の表示部の間隔を調整する間隔調整部と、を有する。

本発明によれば、視力矯正眼鏡の使用時にも使用感の低下が抑制される。

第１の実施形態に係る表示装置の外観を例示する図である。 装着者が表示装置を装着したときの構成を示す図である。 第１の実施形態に係る間隔調整部の構成を説明するための図である。 第１の実施形態に係る表示装置の構成を例示する図である。 表示装置の装着時における間隔調整部の動作を示す図である。 調光フィルタの構成の一例を示す図である。 第２の実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す図である。 第３の実施形態に係る表示装置の構成の一例を示す図である。

〈第１の実施形態〉
図１、図２は、本実施形態にかかる両眼型画像表示装置の一例として、表示装置１の外観を例示する図である。
なお、以降の説明では、使用者の前方方向をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直な方向のうち、鉛直上方をＹ方向、Ｚ方向とＹ方向とに垂直な方向である水平方向をＸ方向とする。

表示装置１は、図１または図２に示すように、本実施形態では使用者Ａの頭部に装着される眼鏡型の視認装置である。
表示装置１は、使用者Ａの頭部に装着される眼鏡形状の筐体たるフレーム部２０と、装着時に使用者Ａのそれぞれの眼前に配置されて一対の表示部を構成するレンズ部１０Ｌ、１０Ｒと、を有している。なお、以降の説明において、装着時に使用者Ａの左眼側に配置されるものをレンズ部１０Ｌ、右眼側に配置されるものをレンズ部１０Ｒと呼称する。特にレンズ部１０Ｌ、１０Ｒを区別する必要のないときにはレンズ部１０との呼称を用いる。
表示装置１は、レンズ部１０Ｌ、１０Ｒのそれぞれに固定された光導波路部３０と、光導波路部３０を通して画像を使用者Ａの左右それぞれの眼に向けて投射する画像投影部４０と、を有している。
表示装置１は、レンズ部１０Ｌとレンズ部１０Ｒとを連結するとともに、レンズ部１０Ｌとレンズ部１０Ｒとの間隔を調整するスライド機構５０を有している。

レンズ部１０は、アクリル樹脂製のレンズであり、外光Ｌ’の一部を透過する。
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、本実施形態における拡大倍率は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。

フレーム部２０は、いわゆる眼鏡形状であり、眼鏡のツルの部分すなわち使用者Ａの側頭部に沿って形成された左右一対の支持部２１と、レンズ部１０Ｌ、１０Ｒのそれぞれの周縁を独立して支持する左右一対のレンズフレーム２２と、を有している。
なお、フレーム部２０の形状は、かかる構成に限定されるものではない。
支持部２１の内部には、画像投影部４０と制御部９とが内蔵されており、支持部２１はかかる部分の筐体として機能する。
支持部２１は、一部もしくは全部が使用者Ａの側頭部、もしくは後述するように使用者Ａが身に着けた眼鏡の一部と当接して押圧されることで、支持部２１間の間隔が変動可能なように形成される。ここでいう使用者Ａの側頭部、もしくは使用者Ａが身に着けた眼鏡の一部のことを以降の説明では被装着部といい、被装着部２４との符号を用いる。

レンズフレーム２２は、すでに述べたように左右一対に、それぞれレンズ部１０Ｌ、１０Ｒの周縁を支持するように設けられており、顔幅方向たるＸ方向の中心部においてスライド機構５０を介して互いに連結されている。
互いのレンズフレーム２２の中心間距離Ｘ_２２は、支持部２１にＸ方向の力がかかっていないときには、一般的な瞳孔間距離Ｌ_２２に合わせて、スライド機構５０に設けられた後述する付勢部材５１の自然長によって決定されることが望ましい。支持部２１が±Ｘ方向に押圧されると、スライド機構５０によりＸ方向に移動することで中心間距離Ｘ_２２が変化する。
なお、中心間距離Ｘ_２２は、図２に記載されているように、投射光Ｌの中心が通る経路の距離を示しており、本実施形態ではハーフミラー３２の間隔を示している。そのため、かかる中心間距離Ｘ_２２は必ずしもレンズフレーム２２の形状の中心を指すものではない。

スライド機構５０は、図３に示すように、一対の付勢手段たる付勢部材５１と、付勢部材５１の端部に取り付けられた一対のラック５２と、ラック５２と噛み合わされたピニオンギア５３と、を有している。
ラック５２は、一方の端部がレンズフレーム２２と連結されて、レンズフレーム２２の±Ｘ方向の移動と同期して可動するように設けられている。
付勢部材５１は、本実施形態では一方の端部がスライド機構５０の筐体の壁面に取り付けられ、反対側の端部がラック５２に接続されたバネである。
スライド機構５０は、支持部２１が±Ｘ方向に、被装着部２４によって広がるように押圧されると、ラック５２が移動し、ピニオンギア５３を回動させる。
ピニオンギア５３の回転により、一対のラック５２の移動は、左右で対称になるように調整されている。かかる構成により、仮に支持部２１の片側のみが被装着部２４に当接した場合にも、表示装置１の中心が使用者Ａの中心から大きくずれることがない。
また、ピニオンギア５３を用いることで、バックラッシが低減されるから、装着状態におけるレンズ部１０のずれが低減される。

光導波路部３０は、図４に示すようにレンズ部１０に固定されたアクリル製の導光路である。なお、本実施形態においては、アクリル樹脂製のレンズ部１０に光導波路部３０を嵌め込む態様で固定している。
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の表面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。

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。

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具体的には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、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・合成することで画像情報として認識する。

このような両眼型の画像表示装置において、外光Ｌ’によって得られる実際の視界と、投射光Ｌによって視界に表示された虚像とのそれぞれの焦点がずれると、眼精疲労や視界の混乱が生じやすいことが知られている。
そこで、一般には、投射光Ｌはその焦点が実際の視界の焦点とが合致するような設計をなされている。
しかしながら、使用者Ａが特に普段視力矯正用の眼鏡を使用している場合には、眼鏡を外して裸眼で装着すると、虚像側もぼけた映像となってしまうことが懸念される。
かかる問題を解決すべく、視力矯正眼鏡をつけたままの状態で見られる画像表示装置が求められているが、眼鏡のフレームの形状や使用者の瞳孔間距離等の個人差が大きいため、使用者自身が調整する方法がとられていた。

本実施形態では、スライド機構５０が、図５（ｂ）に示すように支持部２１のＸ方向の間隔Ｘ_２１に合わせてレンズ部１０をスライドさせることで、使用者Ａが視力矯正眼鏡をかけているときにも、使用感の低下が抑制される。

かかるスライド機構５０の動作について、図５（ａ）（ｂ）を用いて説明する。
スライド機構５０は、図５（ａ）に示すように、非装着状態においては、レンズ部１０の中心間距離Ｘ_２２が一般的な瞳孔間距離Ｌ_２２に合うように、付勢部材５１の自然長が調整されている。本実施形態では、瞳孔間距離Ｌ_２２＝６３ｍｍとするが、かかる構成に限定されるものではない。

眼鏡をかけた使用者Ａが表示装置１を装着しようとするときには、使用者Ａの眼鏡のツルの部分が、被装着部２４として支持部２１と当接する。
支持部２１は、使用者Ａが表示装置１を装着しようとする動作によって、被装着部２４によって±Ｘ方向に押し広げられていく。あるいは、使用者Ａが事前に表示装置１の支持部２１を把持した状態で押し広げながら装着する。
このように支持部２１が被装着部２４に押し広げられる動作によって、レンズ部１０の中心間距離Ｘ_２２が増大する。すなわち、瞳孔間距離Ｌ_２２は、後述する装着状態において、中心間距離Ｘ_２２よりも小さくなる。
このように瞳孔間距離Ｌ_２２と中心間距離Ｘ_２２とが一致しない場合には、表示される画像情報を両眼で見たときに、脳内で左右の眼の情報を互いに補完して認識されるため、使用者Ａの左右の視野に与えられる画像情報を不足なく視認することができる。ただし、左右の眼の情報の補完にも限界があるため、中心間距離Ｘ_２２と瞳孔間距離Ｌ_２２との差は±１５ｍｍ以内に収めることが望ましい。
かかる構成により、スライド機構５０によってレンズ部１０の間隔が広げられるときにも、使用者Ａの左右の視野に与えられる画像情報を不足なく視認することができる。

また、付勢部材５１は、かかる動作とは逆方向に、ここでは中心間距離Ｘ_２２を縮める方向にラック５２を付勢している。そのため押し広げる動作の終了時には、かかる付勢部材５１の復元力によって、支持部２１と被装着部２４とが当接した状態で維持されて装着状態となる。
すなわち、図５（ｂ）に示すような装着状態において、レンズ部１０の中心間距離Ｘ_２２は、一対の支持部２１の間隔Ｘ_２１に応じて、スライド機構５０によって調整されることとなる。
すなわちスライド機構５０は、本実施形態において間隔調整部としての機能を有している。なお、かかる間隔調整部は、すでに述べたスライド機構５０の構成であっても良く、また空気圧／油圧シリンダー、ボールネジ、スライドレールなど、様々な構成を用いても良い。

かかる装着状態においては、被装着部２４と支持部２１とが当接した態様で、付勢部材５１によって付勢されているから、レンズ部１０Ｌ、１０Ｒの何れもしっかりと固定されて、運動などによるレンズ部１０Ｌ、１０Ｒの位置ずれを生じにくい。

また、本実施形態においては、スライド機構５０にピニオンギア５３を用いるから、バックラッシが生じにくく、したがってよりしっかりと左右のレンズ部１０Ｌ、１０Ｒが保存される。

本実施形態では、スライド機構５０は、支持部２１が押圧される方向と反対方向にレンズ部１０Ｌ、１０Ｒを付勢する付勢部材５１を有している。
かかる構成により、装着状態において、表示装置１がしっかりと固定されて、運動などによるレンズ部１０Ｌ、１０Ｒの位置ずれを生じにくい。

なお、表示装置１は、レンズ部１０の＋Ｚ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。
かかる構成により、晴天の屋外など、外光Ｌ’の強度が高い環境においても、視認性が確保される。

調光フィルタ１４０は、外部から表示装置１に入射する光である外光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。

本実施形態では、レンズ部１０Ｌ、１０Ｒのそれぞれに取り付けられた調光部たる調光フィルタ１４０を有している。
かかる構成により、外光Ｌ’の強度を調整することができるから、より精度よく投射された画像を認識することができる。
また本実施形態では、調光フィルタ１４０はエレクトロクロミック素子である。
かかる構成により、省電力かつ時間応答性の良い調光手段が提供される。

〈第２の実施形態〉
次に、本発明の第２の実施形態として、表示装置２を図７に示す。
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２５と、を有している。
表示装置２は、カバー部２５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６０と、レンズ部１３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２は、レンズ部１３に取り付けられたスライド機構５０を有している。

本実施形態において、光導波路部３０は、画像投影部４０からの投射光Ｌを使用者Ａに向けて投射する表示部として機能する。
スライド機構５０は、光導波路部３０の間隔Ｘ_３０を調整することで、ハーフミラー３２の間隔を調整する。
かかる構成により、視力矯正眼鏡への干渉や、装着時の圧迫感による使用感の悪化が抑えられる。

〈第３の実施形態〉
第３の実施形態として表示装置３を図８に示す。
本実施形態では、表示装置３は、ヘルメット型の両眼型画像表示装置であり、光導波路部３０が直接画像投影部４０に取り付けられているとともに、固定部材２６によってヘルメット本体たる筐体部に取り付けられている。
表示装置３は、光導波路部３０と、画像投影部４０と、光導波路部３０をヘルメット本体に対して移動させるスライド機構５０と、を有している。
スライド機構５０は、本変形例においては、支持部２１が押圧されたことを条件として光導波路部３０をＸ方向に平行移動させる。すなわち本実施形態においては、光導波路部３０が表示部としての機能を有している。

第３の実施形態においても、第１、第２の実施形態と同様に、スライド機構５０は、支持部２１の間隔に合わせて表示部たる光導波路部３０の間隔を調整する間隔調整部としての機能を有している。
本実施形態においては、スライド機構５０は、光導波路部３０をレール状の溝部５４に嵌め込んだ態様で、Ｘ方向に自在に可動に支持している。
かかる構成により、視力矯正眼鏡への干渉や、装着時の圧迫感による使用感の悪化が抑えられる。

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。
例えば、第１〜第３の実施形態においては何れも両眼型の画像表示装置についてのみ述べたが、投射光による画像情報を片眼のみに行う画像表示装置について、同様のスライド機構を用いたとしても良い。

１、２、３ 表示装置
１０ 表示部（レンズ部）
２０ フレーム部（筐体）
２１ 保持部（支持部）
２２ レンズフレーム
２４ 被装着部
４０ 画像投影部
５０ 間隔調整部（スライド機構）
５２ 付勢手段（付勢部材）
１４０ 調光部（ＥＣフィルタ）（エレクトロクロミック素子）
Ａ 使用者
Ｌ_２２ 瞳孔間距離
Ｘ_２２ 中心間距離（間隔）

特許第４４１１５４７号公報

Claims (6)

1. 使用者の眼前に配置され、画像出力部によって出力された画像を表示する一対の表示部と、
   前記表示部をそれぞれ取り付けられた保持部と、
   前記保持部を前記使用者の被装着部に押圧させて前記保持部の間隔に合わせて前記一対の表示部の間隔を調整する間隔調整部と、を有する画像表示装置。
2. 請求項１に記載の画像表示装置であって、
   前記間隔調整部は、前記間隔を前記使用者の瞳孔間距離に合うように調整することを特徴とする画像表示装置。
3. 請求項１または２に記載の画像表示装置であって、
   前記保持部は、前記使用者または前記使用者が身に着けた眼鏡の一部と当接して押圧されることを特徴とする画像表示装置。
4. 請求項３に記載の画像表示装置であって、
   前記間隔調整部は、前記保持部が押圧される方向と反対方向に当該表示部を付勢する付勢手段を有することを特徴とする画像表示装置。
5. 請求項１乃至４の何れか１つに記載の画像表示装置であって、
   前記表示部に取り付けられた調光部を有することを特徴とする画像表示装置。
6. 請求項５に記載の画像表示装置であって、
   前記調光部はエレクトロクロミック素子を用いたことを特徴とする画像表示装置。

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