ヘッドマウントディスプレイ
【課題】画像表示部からの光により形成される画像情報が、他のユーザに漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像情報を形成する光の減光を低減することが出来るヘッドマウントディスプレイを提供すること。
【解決手段】ユーザの頭部に装着されるフレームに取り付けられ、画像情報に基づく画像光が前記ユーザの眼に入射されることにより、画像がユーザに認識されるヘッドマウントディスプレイであって、前記画像が虚像となる画像光を発生する発生部と、前記ユーザの視野内に配置されるハーフミラーと、を備え、前記ハーフミラーは、前記発生部により発生される画像光の一部を前記ユーザの眼の方向に反射する第１面と、前記第１面に対して所定の角度で傾斜し、前記画像光の他部が前記第１面を透過した透過光の入射角が臨界角近傍となる第２面と、を備える。
【解決手段】ユーザの頭部に装着されるフレームに取り付けられ、画像情報に基づく画像光が前記ユーザの眼に入射されることにより、画像がユーザに認識されるヘッドマウントディスプレイであって、前記画像が虚像となる画像光を発生する発生部と、前記ユーザの視野内に配置されるハーフミラーと、を備え、前記ハーフミラーは、前記発生部により発生される画像光の一部を前記ユーザの眼の方向に反射する第１面と、前記第１面に対して所定の角度で傾斜し、前記画像光の他部が前記第１面を透過した透過光の入射角が臨界角近傍となる第２面と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装着したユーザにコンテンツ画像を視認可能に提示するヘッドマウントディスプレイに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ユーザの目にコンテンツ画像を視認可能に提示することにより、ユーザがコンテンツ画像を認識することが可能なヘッドマウントディスプレイが知られている。例えば特許文献１に、虚像表示型情報表示システムが開示されている。虚像表示型情報表示システムは、画像表示部と半透過型光学素子とを備える。半透過型光学素子は、画像表示部からの光の一部を反射し、残りの画像光を透過する。画像表示部からの一部の光は、半透過型光学素子により反射され、ユーザの目に入射する。ユーザは、この反射光により形成される画像情報を視認する。
【０００３】
半透過型光学素子は、ユーザの視線方向において、外界からの外光を透過させる。この結果、ユーザが半透過型光学素子を通じて視線方向の景色も視認することができる。この透過構成のため、半透過型光学素子は画像表示部から出射された光も透過させる。この場合、出射方向に他のユーザがいる場合、他のユーザが半透過型光学素子を透過した透過光により形成される画像情報を認識できる可能性がある。この結果、例えば、画像情報が機密情報などの場合、機密情報が他のユーザに知られてしまうという恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２０１６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
他のユーザへ画像情報を漏洩させないために、特許文献１には以下の技術が開示されている。第１の偏光状態の光を透過させる第１偏光フィルタが画像表示部に貼り付けられ、第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態の光を透過させる第２偏光フィルタが半透過型光学素子に貼り付けられる。この第２偏光フィルタは外界からの外光のうち、第２の偏光状態の光を透過させるので、減光された外光がユーザの眼に入射する。従って、ユーザは、実際よりも外界が暗いと認識する恐れがある。
【０００６】
また、特許文献１には、表示部側ルーバー光学素子が画像表示部に設けられる技術が開示されている。この技術においては、表示部側ルーバー光学素子は、画像表示部の視野角を制限する。従って、ユーザは、半透過型光学素子からの反射光により形成される画像情報を鮮明に認識出来ない恐れがある。
【０００７】
また、特許文献１には、第２のルーバー状光学素子が半透過型光学素子の画像表示部とは反対側の面に設けられる技術が開示されている。この第２のルーバー状光学素子は、短手方向がユーザの視線方向に略平行なルーバーを有する。このユーザの視線方向に略平行なルーバーはユーザが視線方向を異なる方向にしたときには、その異なる方向からの外光を遮る。この結果、ユーザの視野が狭くなる恐れがある。
【０００８】
本発明は、画像表示部からの光により形成される画像情報が、他のユーザに漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像情報を形成する光の減光を低減することが出来るヘッドマウントディスプレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために、請求項１記載のヘッドマウントディスプレイは、ユーザの頭部に装着されるフレームに取り付けられ、画像情報に基づく画像光が前記ユーザの眼に入射されることにより、画像がユーザに認識されるヘッドマウントディスプレイであって、前記画像が虚像となる画像光を発生する発生部と、前記ユーザの視野内に配置されるハーフミラーと、を備え、前記ハーフミラーは、前記発生部により発生される画像光の一部を前記ユーザの眼の方向に反射する第１面と、前記第１面を透過した前記画像光の他部である透過光の入射角が臨界角近傍となる第２面と、を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
この目的を達成するために、請求項２記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項１記載のヘッドマウントディスプレイであって、前記第２面は、前記透過光を全反射するように第１面に対して所定の角度で傾斜することを特徴とするものである。
【００１１】
この目的を達成するために、請求項３記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項２記載のヘッドマウントディスプレイであって、前記ハーフミラーの材質は屈折率ｎを有し、前記第１面は、前記画像光が入射角αとなる位置で配置され、前記第２面は、前記第１面に対し、傾斜角θで傾斜し、傾斜角θは、
【数１】
の条件を満たす下限角θｍ以上、かつ９０度未満であること
を特徴とするものである。
【００１２】
この目的を達成するために、請求項４記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項２または３記載のヘッドマウントディスプレイであって、前記ハーフミラーは、前記ユーザの片眼の視野内に配置され、前記第２面は、前記第２面において全反射された反射光が前記ユーザの両目の間に向くように配置されることを特徴とするものである。
【００１３】
この目的を達成するために、請求項５記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項１〜４のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイであって、前記第２面は、前記発生部側において前記第１面と交わることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載のヘッドマウントディスプレイによれば、透過光の入射角が臨界角近傍となる。この結果、第１面を透過し第２面に入射した透過光は、第２面において屈折、または全反射する。第２面において屈折または、全反射した透過光の進行方向は、発生部により発生された画像光の進行方向よりもユーザ側に向く。これにより、第２面において屈折または、全反射した透過光が、発生部により発生された画像光の進行方向に位置する他のユーザの眼に入射する可能性が低減する。また、ハーフミラーは、発生部により発生された画像光、および第２面側から入射する外光を遮るルーバー、偏光フィルタなどの構成を備えない。この結果、ヘッドマウントディスプレイを装着するユーザの眼に入射する発生部により発生された画像光、および外光の減光が抑えられる。従って、発生部において発生された画像光の進行方向において、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を抑えることが出来る。
【００１５】
請求項２記載のヘッドマウントディスプレイによれば、第２面は、透過光を全反射するように第１面に対して所定の角度で傾斜する。第２面において全反射された反射光は、ヘッドマウントディスプレイを装着するユーザに向かう。この結果、第１面を透過した透過光の一部が、第２面において全反射され、ヘッドマウントディスプレイを装着するユーザの顔が位置する領域に画像光が入射する。従って、第１面を透過した透過光の一部がユーザの顔が位置する領域に画像光が入射することによって、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を抑えることが出来る。
【００１６】
請求項３記載のヘッドマウントディスプレイによれば、第２面は、第１面に対し、下限角θｍ以上９０°未満の傾斜角θで傾斜する。下限角θｍは第２面に入射された光が全反射される最小の角度である。これにより、第１面を入射角αで透過した光は、第２面において全反射される。第２面において、全反射された反射光は、ヘッドマウントディスプレイを装着するユーザに向かう。この結果、第１面を透過した透過光の一部が、第２面において全反射され、ヘッドマウントディスプレイを装着するユーザの顔に画像光が入射する。従って、第１面を透過した透過光の一部がユーザの顔が位置する領域に画像光が入射することによって、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を抑えることが出来る。
【００１７】
請求項４記載のヘッドマウントディスプレイによれば、第２面において全反射された反射光がユーザの両目の間に向くように第２面は配置される。この結果、第１面を透過した透過光の一部が第２面において、全反射され、他方の眼に画像を形成することを低減することが出来る。従って、ユーザは、他方の眼に画像が形成されないので、他方の眼で外界を視認しやすくなる。
【００１８】
請求項５記載のヘッドマウントディスプレイによれば、第２面は、発生部側において第１面と交わる。これにより、第１面と交わらない第２面を有するハーフミラーよりも、ハーフミラーの厚みが薄くなる。ハーフミラーの厚みが厚くなると、ハーフミラー中の外界からの外光の光路が長くなる。外界から第２面を透過する光は第２面において屈折する。この屈折された方向に光路が長くなるので、ユーザの眼に入射される外光によりユーザが認識する外界は、ハーフミラーの厚みだけ実際の外界よりも位置がずれる。発生部側において第１面と交わる第２面を有するハーフミラーの厚みが薄くなるので、ユーザは実際の外界に近い外界を認識する。従って、第２面が第１面と交わることにより、第２面が第１面と交わらないハーフミラーよりも、ユーザは位置ずれが抑えられた外界を認識することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態におけるＨＭＤ１の外観を示す斜視図である。
【図２】発生部１０の拡大斜視図である。
【図３】図２に示す矢印のＡ−Ａ線に沿う発生部１０の断面図である。
【図４】ハーフミラー２０の形状、および発生部１０から発生された画像光の光路を示す図である。
【図５】第２面２２において全反射された光が右眼ＲＥに入射する場合の光路図である。
【図６】図５におけるハーフミラー２０付近を拡大した拡大図である。
【図７】外光がハーフミラー２０の内部を透過し、ＨＭＤ１を装着するユーザの片眼に入射する光路を示す光路図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。以下の説明において、ヘッドマウントディスプレイを、ＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）と記載する。
【００２１】
［ＨＭＤ１の概要］
ＨＭＤ１について、図１を用いて説明する。図１は、ＨＭＤ１の外観を示す斜視図である。ＨＭＤ１は、頭部装着部２と、発生部１０とを備える。頭部装着部２は、ユーザの頭部に装着される。本実施形態において、ユーザは、大気中でＨＭＤ１を装着する。頭部装着部２が本発明のフレームの一例である。
【００２２】
頭部装着部２について、図１を用いて説明する。頭部装着部２の骨格は、ユーザの頭部に装着される装着部として働く。頭部装着部２の骨格は、テンプル３Ａ、３Ｂと、ヨロイ４Ａ、４Ｂと、フロントフレーム５とによって構成される。ユーザの耳に当たるモダン６Ａ、６Ｂが、テンプル３Ａ、３Ｂの一端に取り付けられる。テンプル３Ａ、３Ｂの他端は、蝶番７Ａ、７Ｂを介してヨロイ４Ａ、４Ｂに連結される。ヨロイ４Ａ、４Ｂは、フロントフレーム５の左右両端に連結される。ユーザの鼻に当接する鼻パッド８が、フロントフレーム５の中央に設けられる。テンプル３Ａ、３Ｂは、ヨロイ４Ａ、４Ｂに形成された蝶番７Ａ、７Ｂによって、フロントフレーム５に対して折りたたむことができる。頭部装着部２の骨格の構成は、例えば、通常の眼鏡と同様である。頭部装着部２は、ユーザに装着された状態において、モダン６Ａ、６Ｂと、鼻パッド８と、によりユーザの頭部に保持される。図１において、ヨロイ４Ｂ，および蝶番７Ｂの図示は省略される。
【００２３】
発生部１０は、画像をユーザの片眼に視認可能に提示する。発生部１０は、ヨロイ４Ｂ付近に配設された取付部９を介して、頭部装着部２の骨格に保持される。発生部１０は、頭部装着部２の骨格に取り付けられた状態において、頭部装着部２を装着したユーザの左眼ＬＥと略同一の高さとなる位置に配設される。
【００２４】
図２、および図３を参照して、発生部１０を説明する。図２は、発生部１０の拡大斜視図である。図３は、図２に示す矢印のＡ−Ａ線に沿う発生部１０の断面図である。発生部１０は、図示しない制御ボックスからケーブルを介して送信された各種の信号に基づく画像光を、ハーフミラー２０に向けて出射する。各種信号は、画像情報に基づく信号である。具体的には、図３に示すように、発生部１０は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）１１、およびレンズ系１２を備える。ＬＣＤ１１と反対側の発生部１０の端部において、ハーフミラー２０が発生部１０に固定される。この固定状態において、ハーフミラー２０は、ＨＭＤ１を装着するユーザの視野内に配置される。ＬＣＤ１１は、画像光を発生する。発生された画像光は、レンズ系１２を通過し、ハーフミラー２０に入射する。ハーフミラー２０は、発生部１０において発生された画像光の一部を反射し、ユーザの左眼ＬＥに導く。これにより、ユーザは、コンテンツ画像を認識する。ＨＭＤ１を装着したユーザが認識するコンテンツ画像が虚像ＶＩとなるように発生部１０は、画像光を発生する。ハーフミラー２０は、外界像を表す外光の一部を透過し、ユーザの左眼ＬＥに導く。即ち、ユーザは、画像光を外光に重畳した状態で視認する。ＬＣＤ１１は、有機ＥＬ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏ―Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイなどの他の２次元画像表示素子で構成されてもよい。あるいは、光を２次元方向に走査し、その走査された画像光をユーザの左眼ＬＥに導き、網膜上にコンテンツ画像を形成する周知の網膜走査方式がＬＣＤ１１と代わって用いられても良い。
【００２５】
図４を参照して、ハーフミラー２０の形状を説明する。図４は、ハーフミラー２０の形状、および発生部１０から発生された画像光の光路を示す図である。図４は、ハーフミラー２０の形状を示すが、発生部１０、およびハーフミラー２０の相対的な大小関係、および距離関係を示さない。ハーフミラー２０は、第１面２１と第２面２２とを備える。第１面２１は、発生部１０側の面である。すなわち、発生部１０から発生された画像光を最初に反射する面が第１面２１である。第２面２２は、第１面２１に対し、傾斜角θで傾斜する。図４に示す２点鎖線により、第１面２１と平行な面ＰＬが示され、第１面２１の画像光が入射する位置における法線ＮＬ１、および第２面２２の画像光が入射する位置における法線ＮＬ２が、破線によりそれぞれ示される。図４に示す実線は、ＬＣＤ１１から発生される画像光のうち、レンズ系１２の中心１３を通過するコリメートされた画像光を示す。以降の説明では、コリメートされた画像光に対する角度を用いてハーフミラー２０の形状を説明する。第２面２２は、平行な面ＰＬに対し、傾斜角θで傾斜する。この第２面２２が傾斜している状態において、第１面２１と第２面２２との距離が、発生部１０側において短くなる。すなわち、第１面２１の法線ＮＬ１の方向における第１面２１と第２面２２との距離は、発生部１０に近づくにつれて短くなる。傾斜角θが本発明の所定の角度の一例である。
【００２６】
ハーフミラー２０は、ポリカーボネート、アクリル樹脂などの透明樹脂材料から形成される。ポリカーボネートの屈折率ｎは１．５８５である。アクリル樹脂の屈折率は、１．４９０である。この屈折率は、各材料の絶対屈折率である。ハーフミラー２０の第１面２１に、入射した画像光の一部を反射する反射層が形成される。具体的には、所定の反射率となるように、第１面２１にアルミニウムなどの金属が蒸着される。この反射層が形成されたハーフミラー２０の第１面２１は、発生部１０において発生された画像光を、ＨＭＤ１を装着するユーザの左眼ＬＥに入射する反射光と、第１面２１を透過する透過光とに分ける。
【００２７】
図４を参照して、発生部１０から発生する画像光の光路を説明する。発生部１０に固定されたＬＣＤ１１から発生された画像光は、レンズ系１２を通過する。レンズ系１２の中心１３を通過した光は、第１入射角αで第１面２１に入射する。ＬＣＤ１１から発生された画像光は、第１面２１において反射する反射光と、第１面２１を透過する透過光とに分かれる。第１入射角αが本発明の入射角αの一例である。
【００２８】
第１面２１で反射された反射光は、ユーザの左眼ＬＥに入射する。この入射光により、ユーザは、画像を認識する。
【００２９】
第１面２１において、第１面２１を透過する透過光は屈折する。第１面２１を透過する前後において、第１入射角α、屈折角β、およびハーフミラー２０を形成するポリカーボネートの屈折率ｎで、スネルの法則が用いられた（数１−１）が示される。
【数１−１】
【００３０】
ハーフミラー２０の内部を透過する透過光は、第２面２２において、全反射する。すなわち、第１面２１を透過しハーフミラー２０の内部を透過した透過光が第２面２２に入射するときの第２入射角γが臨界角以上である。第２面２２において、第２入射角γ、ハーフミラーを形成するポリカーボネートの屈折率ｎで、（数１−２）が示される。
【数１−２】
第２面２２は、第１面２１に対し、傾斜角θを有する。すなわち、第２入射角γ、屈折角β、および傾斜角θは（数１−３）の関係を有する。
【数１−３】
第２入射角γが、本発明の透過光の入射角の一例である。
【００３１】
（数１−１）、（数１−２）、および（数１−３）より、（数１−４）が導かれる。
【数１−４】
ハーフミラー２０の第２面２２の傾斜角θは、（数１−４）の関係を満たす。（数１−４）の等号が成立する傾斜角θが、本発明の下限角θｍである。すなわち、第２面２２の傾斜角θは、（数１）の条件を満たす下限角θｍ以上である。
【数１】
第２面２２が傾斜している状態において、第１面２１と第２面２２と距離が、発生部１０側において短くなることから、傾斜角θは、下限角θｍ以上、９０°未満である。
【００３２】
ハーフミラー２０が、ポリカーボネートから形成され、第１入射角αが４５°の場合、下限θｍは１３．１°である。
【００３３】
第２面２２において、全反射された反射光について説明する。第２面２２において、全反射された反射光は、ＨＭＤ１を装着したユーザの両目の間に向く。この結果、第２面２２において全反射された反射光が他のユーザの目に入射し、他のユーザが画像を認識することが低減する。具体的に全反射された画像光がＨＭＤ１を装着するユーザの他方の片眼である右眼ＲＥに入射する場合の傾斜角θｃを、図５、および図６を参照して説明する。図５は、第２面２２において全反射された光が右眼ＲＥに入射する場合の光路図である。図６は、図５におけるハーフミラー付近を拡大した拡大図である。図５、および図６は、ハーフミラーの形状を示すが、発生部１０、およびハーフミラー２０の相対的な大小関係、および距離関係を示さない。第２面２２において全反射された反射光が、ＨＭＤ１を装着したユーザの両目の間に向く場合の傾斜角θは、（数２−１）で示される。
【数２−１】
【００３４】
画像光の光路を距離Ｌ１、距離Ｌ２、および距離Ｌ３を用いて説明する。図５に示すように、ＬＣＤ１１から発生されレンズ系１２の中心を通過した画像光が、第１面２１においてハーフミラー２０の内部に透過する透過点ＰＡから、ユーザの左眼ＬＥまでの距離が距離Ｌ１である。図６に示すように、透過点ＰＡから第２面２２の点ＰＢまでの第１面２１の法線ＮＬ１の方向の長さが距離Ｌ２である。すなわち、距離Ｌ２は、ハーフミラー２０の厚みである。図５に示すように、ＨＭＤ１を装着したユーザの両眼の間の距離が距離Ｌ３である。第１面２１における透過点ＰＡを透過し、屈折した透過光は、第２面２２の全反射点ＰＣにおいて全反射される。全反射点ＰＣにおいて全反射された反射光は、ＨＭＤ１を装着したユーザの他方の片眼である右眼ＲＥに入射する。
【００３５】
図６に示すように、透過点ＰＡと全反射点ＰＣとを結ぶ距離Ｚ１は、点ＰＢと透過点ＰＡとを結ぶ線分と、点ＰＢと全反射点ＰＣとを結ぶ線分とのなす角、および全反射点ＰＣと透過点ＰＡとを結ぶ線分と、全反射点ＰＣと点ＰＢとを結ぶ線分とのなす角より、正弦定理が用いられた（数２−２）で示される。
【数２−２】
【００３６】
レンズ系１２の中心１３と透過点ＰＡとを通過する直線と、この直線と全反射点ＰＣを通過する垂線との交点ＰＤを図５、および図６に示す。図６に示すように、透過点ＰＡと交点ＰＤとを結ぶ線分の長さＸ１と、全反射点ＰＣと交点ＰＤとを結ぶ線分の長さＹ１と、透過点ＰＡと全反射点ＰＣとを結ぶ線分と、透過点ＰＡと全反射点ＰＣとを結ぶ線分と、透過点ＰＡと交点ＰＤとを結ぶ線分とのなす角とにより（数２−３）が示される。
【数２−３】
【００３７】
図６に示す、全反射点ＰＣと右眼ＲＥとを結ぶ線分と、全反射点ＰＣと交点ＰＤとを結ぶ線分とのなす角δは、全反射点ＰＣと透過点ＰＡとを結ぶ線分と、全反射点ＰＣと交点ＰＤとを結ぶ線分とのなす角と、全反射点ＰＣと透過点ＰＡとを結ぶ線分と、全反射点と右眼ＲＥとを結ぶ線分とのなす角とにより、（数２−４）が示される。（数２−４）の導出は、（数１−３）の関係を満たす。
【数２−４】
【００３８】
図５に示すように、全反射点ＰＣと交点ＰＤとを通過する直線とユーザの両眼を結ぶ線分との交点ＰＥと、ユーザの他方の片眼ＲＥとの距離Ｌ４は、角δ、および全反射点ＰＣと交点ＰＥとを結ぶ線分の長さから、三平方の定理が用いられた（数２−５）で示される。（数２−５）の導出は、全反射点ＰＣと交点ＰＥとを結ぶ線分の長さが、距離Ｙ１と距離Ｌ１との和である関係を満たす。
【数２−５】
【００３９】
（数２−６）で示すように、距離Ｌ３は、交点ＰＥとユーザの左眼ＬＥとを結ぶ線分の長さと、距離Ｌ４との和である。交点ＰＥとユーザの片眼ＬＥとを結ぶ線分の長さは、（数２−３）で示すＸ１である。
【数２−６】
【００４０】
上述した（数２−１）〜（数２−６）より、第２面２２において全反射された画像光がＨＭＤ１を装着するユーザの片眼ＲＥに入射する場合の傾斜角θｃは（数２）で示される。
【数２】
【００４１】
図７を参照して、ＨＭＤ１の正面方向からの外光がハーフミラー２０の内部を透過し、ＨＭＤ１を装着するユーザの左眼ＬＥに入射する光路を説明する。図７に示すように、外光は第３入射角α１で、第２面２２に入射する。以下の説明では、第２面２２を透過する外光の光路を説明する。
【００４２】
第２面２２を透過する透過光は屈折する。第２面２２を透過する前後において、第３入射角α１、第２屈折角β１、およびハーフミラー２０を形成するポリカーボネートの屈折率ｎで、（数３−１）が示される。
【数３−１】
【００４３】
ハーフミラー２０の内部を透過する外光は、第１面２１において全反射しない。第２面２２において、第４入射角γ１、ハーフミラーを形成するポリカーボネートの屈折率ｎで、（数３−２）が示される。
【数３−２】
これは、図４に示すように、第１面２１と第２面２２との間における第１面２１の法線ＮＬ１の方向の長さが、発生部１０に近づくにつれて短くなるように第２面２２が第１面２１に対し傾斜角θで傾斜するからである。すなわち、第３入射角α１は、図４に示す第１入射角αよりも小さい角であることにより、第２屈折角β１が屈折角βよりも小さくなる。この大小関係により、第４入射角γ１が第２入射角γよりも小さくなる。この結果、ＨＭＤ１の正面方向からの外光が第１面２１において全反射しない。また、ハーフミラー２０は、特許文献１に開示された偏向フィルタ、およびルーバーなどの外光を遮る構成を備えない。すなわち、外光がユーザの眼に入射することにより視認される外界の明るさは、低減しない。
【００４４】
［効果］
本実施形態によれば、第２面２２における透過光の第２入射角γが臨界角以上となる。この結果、第１面２１を透過した透過光が、第２面２２において、全反射する。第２面２２において、全反射した透過光の進行方向は、発生部１０により発生された画像光の進行方向よりもユーザ側に向く。これにより、第２面２２において全反射した透過光が、発生部１０により発生された画像光の進行方向に位置する他のユーザの眼ＥＳに入射することが低減する。また、本発明のＨＭＤ１は、特許文献１に開示された技術のように、表示部側ルーバー光学素子が発生部１０に設けられない。この結果、発生部の視野角を制限することが低減する。従って、ＨＭＤ１を装着したユーザがハーフミラー２０の第１面２１からの反射光により形成される画像を鮮明に認識出来ないことが低減する。一方、第１面２１を透過した透過光の第２入射角γが臨界角以上となる第２面２２により、第２面２２側から入射する外光が、第１面２１において全反射する可能性が低くなる。また、ハーフミラー２０は、発生部１０により発生された画像光、および第２面２２側から入射する外光を遮るルーバー、偏光フィルタなどの構成を備えない。この結果、ＨＭＤ１を装着するユーザの眼に外光が入射しないことが低減される。従って、発生部１０により発生された画像光の進行方向において、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を低減することが出来る。
【００４５】
本実施形態によれば、第２面２２は、透過光を全反射する。第２面２２において、全反射された反射光は、ＨＭＤ１を装着するユーザに向かう。この結果、第１面２１を透過した透過光の一部が、第２面２２において全反射され、ＨＭＤ１を装着するユーザの顔に画像を形成する。従って、第１面２１を透過した透過光の一部が画像を形成することによって、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を抑えることが出来る。
【００４６】
本実施形態によれば、第２面２２は、第１面２１に対し、下限角θｍ以上９０°未満の傾斜角θで傾斜する。これにより、第１面２１を第１入射角αで透過した光は、第２面２２において全反射される。第２面２２において、全反射された反射光は、ＨＭＤ１を装着するユーザに向かう。この結果、第１面２１を透過した透過光の一部が、第２面２２において全反射され、ＨＭＤ１を装着するユーザの顔に画像を形成する。従って、第１面２１を透過した透過光の一部がユーザの顔が位置する領域に画像を形成することによって、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を抑えることが出来る。
【００４７】
本実施形態によれば、第２面２２において全反射された反射光がユーザの両目の間に向くように第２面２２は配置される。具体的には、傾斜角θは、全反射された画像光がＨＭＤ１を装着するユーザの右眼ＲＥに入射する場合の傾斜角θｃよりも小さい。この結果、第１面２１を透過した透過光の一部が第２面２２において、全反射され、他方の眼である右眼ＲＥに画像を形成することを抑えることが出来る。従って、ユーザは、他方の眼である右眼ＲＥに画像が形成されないので、一方の眼である左眼ＬＥで外界を視認しやすくなる。
【００４８】
［変形例１］
本実施形態では、図７に示すように、第１面２１と第２面２２と交わる第３面２３がハーフミラー２０に形成されたが、この第３面２３は、ハーフミラー２０に形成されなくても良い。すなわち、第１面２１と第２面２２とが交わってもよい。第１面２１と第２面２２とが交わると、ハーフミラー２０の厚みが薄くなる。ハーフミラー２０の厚みが薄くなると、ハーフミラー２０の内部における外光の光路が短くなる。ハーフミラー２０の内部における外光の光路が短くなると、ハーフミラー２０を透過した外光がユーザの眼に入射することにより形成される外界の像が、実際の外界の像の位置とずれることが低減される。この結果、ＨＭＤ１を装着するユーザは実際の外界に近い外界を認識する。従って、第２面２２が第１面２１と交わることにより、第２面２２が第１面２１と交わらないハーフミラー２０よりも、ユーザは位置ずれが抑えられた外界を認識することが出来る。
【００４９】
［変形例２］
本実施形態では、図４に示すように、第２面２２において全反射された反射光はＨＭＤ１を装着するユーザの方向に進行する。これに限らず、第２面２２における第２入射角γが臨界角より小さい角であっても、第２面２２において屈折された屈折光が、ＨＭＤ１を装着するユーザの方向、すなわち、ユーザの顔が位置する領域、および、その顔が位置する領域の周辺であって、他のユーザが近接できない周辺領域に進行すればよい。すなわち、第１面２１を透過した透過光の第２入射角γが臨界角近傍であればよい。
【００５０】
［変形例３］
本実施形態では、ハーフミラー２０の第１面２１、および第２面は平面であったが、曲面でもよい。また、前記した実施形態では、フレームの一例として、頭部装着部２が説明された。しかし、他の装着部がフレームとして用いられてもよい。例えば、ＨＭＤ１は、発生部１０をゴーグルのようにヘッドバンドを用いて頭部に装着する装着部が用いられてもよい。あるいは、ユーザの耳に対して取り付けられる装着部でもよい。また、ユーザの利用している視力矯正用の眼鏡に対して発生部１０が取り付け可能な場合、その視力矯正用の眼鏡自体が装着部となる。
【符号の説明】
【００５１】
１ ヘッドマウントディスプレイ
２ 頭部装着部
１０ 発生部
１１ ＬＣＤ
１２ レンズ系
２０ ハーフミラー
２１ 第１面
２２ 第２面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装着したユーザにコンテンツ画像を視認可能に提示するヘッドマウントディスプレイに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ユーザの目にコンテンツ画像を視認可能に提示することにより、ユーザがコンテンツ画像を認識することが可能なヘッドマウントディスプレイが知られている。例えば特許文献１に、虚像表示型情報表示システムが開示されている。虚像表示型情報表示システムは、画像表示部と半透過型光学素子とを備える。半透過型光学素子は、画像表示部からの光の一部を反射し、残りの画像光を透過する。画像表示部からの一部の光は、半透過型光学素子により反射され、ユーザの目に入射する。ユーザは、この反射光により形成される画像情報を視認する。
【０００３】
半透過型光学素子は、ユーザの視線方向において、外界からの外光を透過させる。この結果、ユーザが半透過型光学素子を通じて視線方向の景色も視認することができる。この透過構成のため、半透過型光学素子は画像表示部から出射された光も透過させる。この場合、出射方向に他のユーザがいる場合、他のユーザが半透過型光学素子を透過した透過光により形成される画像情報を認識できる可能性がある。この結果、例えば、画像情報が機密情報などの場合、機密情報が他のユーザに知られてしまうという恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２０１６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
他のユーザへ画像情報を漏洩させないために、特許文献１には以下の技術が開示されている。第１の偏光状態の光を透過させる第１偏光フィルタが画像表示部に貼り付けられ、第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態の光を透過させる第２偏光フィルタが半透過型光学素子に貼り付けられる。この第２偏光フィルタは外界からの外光のうち、第２の偏光状態の光を透過させるので、減光された外光がユーザの眼に入射する。従って、ユーザは、実際よりも外界が暗いと認識する恐れがある。
【０００６】
また、特許文献１には、表示部側ルーバー光学素子が画像表示部に設けられる技術が開示されている。この技術においては、表示部側ルーバー光学素子は、画像表示部の視野角を制限する。従って、ユーザは、半透過型光学素子からの反射光により形成される画像情報を鮮明に認識出来ない恐れがある。
【０００７】
また、特許文献１には、第２のルーバー状光学素子が半透過型光学素子の画像表示部とは反対側の面に設けられる技術が開示されている。この第２のルーバー状光学素子は、短手方向がユーザの視線方向に略平行なルーバーを有する。このユーザの視線方向に略平行なルーバーはユーザが視線方向を異なる方向にしたときには、その異なる方向からの外光を遮る。この結果、ユーザの視野が狭くなる恐れがある。
【０００８】
本発明は、画像表示部からの光により形成される画像情報が、他のユーザに漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像情報を形成する光の減光を低減することが出来るヘッドマウントディスプレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために、請求項１記載のヘッドマウントディスプレイは、ユーザの頭部に装着されるフレームに取り付けられ、画像情報に基づく画像光が前記ユーザの眼に入射されることにより、画像がユーザに認識されるヘッドマウントディスプレイであって、前記画像が虚像となる画像光を発生する発生部と、前記ユーザの視野内に配置されるハーフミラーと、を備え、前記ハーフミラーは、前記発生部により発生される画像光の一部を前記ユーザの眼の方向に反射する第１面と、前記第１面を透過した前記画像光の他部である透過光の入射角が臨界角近傍となる第２面と、を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
この目的を達成するために、請求項２記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項１記載のヘッドマウントディスプレイであって、前記第２面は、前記透過光を全反射するように第１面に対して所定の角度で傾斜することを特徴とするものである。
【００１１】
この目的を達成するために、請求項３記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項２記載のヘッドマウントディスプレイであって、前記ハーフミラーの材質は屈折率ｎを有し、前記第１面は、前記画像光が入射角αとなる位置で配置され、前記第２面は、前記第１面に対し、傾斜角θで傾斜し、傾斜角θは、
【数１】
の条件を満たす下限角θｍ以上、かつ９０度未満であること
を特徴とするものである。
【００１２】
この目的を達成するために、請求項４記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項２または３記載のヘッドマウントディスプレイであって、前記ハーフミラーは、前記ユーザの片眼の視野内に配置され、前記第２面は、前記第２面において全反射された反射光が前記ユーザの両目の間に向くように配置されることを特徴とするものである。
【００１３】
この目的を達成するために、請求項５記載のヘッドマウントディスプレイは、請求項１〜４のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイであって、前記第２面は、前記発生部側において前記第１面と交わることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載のヘッドマウントディスプレイによれば、透過光の入射角が臨界角近傍となる。この結果、第１面を透過し第２面に入射した透過光は、第２面において屈折、または全反射する。第２面において屈折または、全反射した透過光の進行方向は、発生部により発生された画像光の進行方向よりもユーザ側に向く。これにより、第２面において屈折または、全反射した透過光が、発生部により発生された画像光の進行方向に位置する他のユーザの眼に入射する可能性が低減する。また、ハーフミラーは、発生部により発生された画像光、および第２面側から入射する外光を遮るルーバー、偏光フィルタなどの構成を備えない。この結果、ヘッドマウントディスプレイを装着するユーザの眼に入射する発生部により発生された画像光、および外光の減光が抑えられる。従って、発生部において発生された画像光の進行方向において、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を抑えることが出来る。
【００１５】
請求項２記載のヘッドマウントディスプレイによれば、第２面は、透過光を全反射するように第１面に対して所定の角度で傾斜する。第２面において全反射された反射光は、ヘッドマウントディスプレイを装着するユーザに向かう。この結果、第１面を透過した透過光の一部が、第２面において全反射され、ヘッドマウントディスプレイを装着するユーザの顔が位置する領域に画像光が入射する。従って、第１面を透過した透過光の一部がユーザの顔が位置する領域に画像光が入射することによって、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を抑えることが出来る。
【００１６】
請求項３記載のヘッドマウントディスプレイによれば、第２面は、第１面に対し、下限角θｍ以上９０°未満の傾斜角θで傾斜する。下限角θｍは第２面に入射された光が全反射される最小の角度である。これにより、第１面を入射角αで透過した光は、第２面において全反射される。第２面において、全反射された反射光は、ヘッドマウントディスプレイを装着するユーザに向かう。この結果、第１面を透過した透過光の一部が、第２面において全反射され、ヘッドマウントディスプレイを装着するユーザの顔に画像光が入射する。従って、第１面を透過した透過光の一部がユーザの顔が位置する領域に画像光が入射することによって、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を抑えることが出来る。
【００１７】
請求項４記載のヘッドマウントディスプレイによれば、第２面において全反射された反射光がユーザの両目の間に向くように第２面は配置される。この結果、第１面を透過した透過光の一部が第２面において、全反射され、他方の眼に画像を形成することを低減することが出来る。従って、ユーザは、他方の眼に画像が形成されないので、他方の眼で外界を視認しやすくなる。
【００１８】
請求項５記載のヘッドマウントディスプレイによれば、第２面は、発生部側において第１面と交わる。これにより、第１面と交わらない第２面を有するハーフミラーよりも、ハーフミラーの厚みが薄くなる。ハーフミラーの厚みが厚くなると、ハーフミラー中の外界からの外光の光路が長くなる。外界から第２面を透過する光は第２面において屈折する。この屈折された方向に光路が長くなるので、ユーザの眼に入射される外光によりユーザが認識する外界は、ハーフミラーの厚みだけ実際の外界よりも位置がずれる。発生部側において第１面と交わる第２面を有するハーフミラーの厚みが薄くなるので、ユーザは実際の外界に近い外界を認識する。従って、第２面が第１面と交わることにより、第２面が第１面と交わらないハーフミラーよりも、ユーザは位置ずれが抑えられた外界を認識することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態におけるＨＭＤ１の外観を示す斜視図である。
【図２】発生部１０の拡大斜視図である。
【図３】図２に示す矢印のＡ−Ａ線に沿う発生部１０の断面図である。
【図４】ハーフミラー２０の形状、および発生部１０から発生された画像光の光路を示す図である。
【図５】第２面２２において全反射された光が右眼ＲＥに入射する場合の光路図である。
【図６】図５におけるハーフミラー２０付近を拡大した拡大図である。
【図７】外光がハーフミラー２０の内部を透過し、ＨＭＤ１を装着するユーザの片眼に入射する光路を示す光路図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の一実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。以下の説明において、ヘッドマウントディスプレイを、ＨＭＤ（Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）と記載する。
【００２１】
［ＨＭＤ１の概要］
ＨＭＤ１について、図１を用いて説明する。図１は、ＨＭＤ１の外観を示す斜視図である。ＨＭＤ１は、頭部装着部２と、発生部１０とを備える。頭部装着部２は、ユーザの頭部に装着される。本実施形態において、ユーザは、大気中でＨＭＤ１を装着する。頭部装着部２が本発明のフレームの一例である。
【００２２】
頭部装着部２について、図１を用いて説明する。頭部装着部２の骨格は、ユーザの頭部に装着される装着部として働く。頭部装着部２の骨格は、テンプル３Ａ、３Ｂと、ヨロイ４Ａ、４Ｂと、フロントフレーム５とによって構成される。ユーザの耳に当たるモダン６Ａ、６Ｂが、テンプル３Ａ、３Ｂの一端に取り付けられる。テンプル３Ａ、３Ｂの他端は、蝶番７Ａ、７Ｂを介してヨロイ４Ａ、４Ｂに連結される。ヨロイ４Ａ、４Ｂは、フロントフレーム５の左右両端に連結される。ユーザの鼻に当接する鼻パッド８が、フロントフレーム５の中央に設けられる。テンプル３Ａ、３Ｂは、ヨロイ４Ａ、４Ｂに形成された蝶番７Ａ、７Ｂによって、フロントフレーム５に対して折りたたむことができる。頭部装着部２の骨格の構成は、例えば、通常の眼鏡と同様である。頭部装着部２は、ユーザに装着された状態において、モダン６Ａ、６Ｂと、鼻パッド８と、によりユーザの頭部に保持される。図１において、ヨロイ４Ｂ，および蝶番７Ｂの図示は省略される。
【００２３】
発生部１０は、画像をユーザの片眼に視認可能に提示する。発生部１０は、ヨロイ４Ｂ付近に配設された取付部９を介して、頭部装着部２の骨格に保持される。発生部１０は、頭部装着部２の骨格に取り付けられた状態において、頭部装着部２を装着したユーザの左眼ＬＥと略同一の高さとなる位置に配設される。
【００２４】
図２、および図３を参照して、発生部１０を説明する。図２は、発生部１０の拡大斜視図である。図３は、図２に示す矢印のＡ−Ａ線に沿う発生部１０の断面図である。発生部１０は、図示しない制御ボックスからケーブルを介して送信された各種の信号に基づく画像光を、ハーフミラー２０に向けて出射する。各種信号は、画像情報に基づく信号である。具体的には、図３に示すように、発生部１０は、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）１１、およびレンズ系１２を備える。ＬＣＤ１１と反対側の発生部１０の端部において、ハーフミラー２０が発生部１０に固定される。この固定状態において、ハーフミラー２０は、ＨＭＤ１を装着するユーザの視野内に配置される。ＬＣＤ１１は、画像光を発生する。発生された画像光は、レンズ系１２を通過し、ハーフミラー２０に入射する。ハーフミラー２０は、発生部１０において発生された画像光の一部を反射し、ユーザの左眼ＬＥに導く。これにより、ユーザは、コンテンツ画像を認識する。ＨＭＤ１を装着したユーザが認識するコンテンツ画像が虚像ＶＩとなるように発生部１０は、画像光を発生する。ハーフミラー２０は、外界像を表す外光の一部を透過し、ユーザの左眼ＬＥに導く。即ち、ユーザは、画像光を外光に重畳した状態で視認する。ＬＣＤ１１は、有機ＥＬ（Ｏｒｇａｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｏ―Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイなどの他の２次元画像表示素子で構成されてもよい。あるいは、光を２次元方向に走査し、その走査された画像光をユーザの左眼ＬＥに導き、網膜上にコンテンツ画像を形成する周知の網膜走査方式がＬＣＤ１１と代わって用いられても良い。
【００２５】
図４を参照して、ハーフミラー２０の形状を説明する。図４は、ハーフミラー２０の形状、および発生部１０から発生された画像光の光路を示す図である。図４は、ハーフミラー２０の形状を示すが、発生部１０、およびハーフミラー２０の相対的な大小関係、および距離関係を示さない。ハーフミラー２０は、第１面２１と第２面２２とを備える。第１面２１は、発生部１０側の面である。すなわち、発生部１０から発生された画像光を最初に反射する面が第１面２１である。第２面２２は、第１面２１に対し、傾斜角θで傾斜する。図４に示す２点鎖線により、第１面２１と平行な面ＰＬが示され、第１面２１の画像光が入射する位置における法線ＮＬ１、および第２面２２の画像光が入射する位置における法線ＮＬ２が、破線によりそれぞれ示される。図４に示す実線は、ＬＣＤ１１から発生される画像光のうち、レンズ系１２の中心１３を通過するコリメートされた画像光を示す。以降の説明では、コリメートされた画像光に対する角度を用いてハーフミラー２０の形状を説明する。第２面２２は、平行な面ＰＬに対し、傾斜角θで傾斜する。この第２面２２が傾斜している状態において、第１面２１と第２面２２との距離が、発生部１０側において短くなる。すなわち、第１面２１の法線ＮＬ１の方向における第１面２１と第２面２２との距離は、発生部１０に近づくにつれて短くなる。傾斜角θが本発明の所定の角度の一例である。
【００２６】
ハーフミラー２０は、ポリカーボネート、アクリル樹脂などの透明樹脂材料から形成される。ポリカーボネートの屈折率ｎは１．５８５である。アクリル樹脂の屈折率は、１．４９０である。この屈折率は、各材料の絶対屈折率である。ハーフミラー２０の第１面２１に、入射した画像光の一部を反射する反射層が形成される。具体的には、所定の反射率となるように、第１面２１にアルミニウムなどの金属が蒸着される。この反射層が形成されたハーフミラー２０の第１面２１は、発生部１０において発生された画像光を、ＨＭＤ１を装着するユーザの左眼ＬＥに入射する反射光と、第１面２１を透過する透過光とに分ける。
【００２７】
図４を参照して、発生部１０から発生する画像光の光路を説明する。発生部１０に固定されたＬＣＤ１１から発生された画像光は、レンズ系１２を通過する。レンズ系１２の中心１３を通過した光は、第１入射角αで第１面２１に入射する。ＬＣＤ１１から発生された画像光は、第１面２１において反射する反射光と、第１面２１を透過する透過光とに分かれる。第１入射角αが本発明の入射角αの一例である。
【００２８】
第１面２１で反射された反射光は、ユーザの左眼ＬＥに入射する。この入射光により、ユーザは、画像を認識する。
【００２９】
第１面２１において、第１面２１を透過する透過光は屈折する。第１面２１を透過する前後において、第１入射角α、屈折角β、およびハーフミラー２０を形成するポリカーボネートの屈折率ｎで、スネルの法則が用いられた（数１−１）が示される。
【数１−１】
【００３０】
ハーフミラー２０の内部を透過する透過光は、第２面２２において、全反射する。すなわち、第１面２１を透過しハーフミラー２０の内部を透過した透過光が第２面２２に入射するときの第２入射角γが臨界角以上である。第２面２２において、第２入射角γ、ハーフミラーを形成するポリカーボネートの屈折率ｎで、（数１−２）が示される。
【数１−２】
第２面２２は、第１面２１に対し、傾斜角θを有する。すなわち、第２入射角γ、屈折角β、および傾斜角θは（数１−３）の関係を有する。
【数１−３】
第２入射角γが、本発明の透過光の入射角の一例である。
【００３１】
（数１−１）、（数１−２）、および（数１−３）より、（数１−４）が導かれる。
【数１−４】
ハーフミラー２０の第２面２２の傾斜角θは、（数１−４）の関係を満たす。（数１−４）の等号が成立する傾斜角θが、本発明の下限角θｍである。すなわち、第２面２２の傾斜角θは、（数１）の条件を満たす下限角θｍ以上である。
【数１】
第２面２２が傾斜している状態において、第１面２１と第２面２２と距離が、発生部１０側において短くなることから、傾斜角θは、下限角θｍ以上、９０°未満である。
【００３２】
ハーフミラー２０が、ポリカーボネートから形成され、第１入射角αが４５°の場合、下限θｍは１３．１°である。
【００３３】
第２面２２において、全反射された反射光について説明する。第２面２２において、全反射された反射光は、ＨＭＤ１を装着したユーザの両目の間に向く。この結果、第２面２２において全反射された反射光が他のユーザの目に入射し、他のユーザが画像を認識することが低減する。具体的に全反射された画像光がＨＭＤ１を装着するユーザの他方の片眼である右眼ＲＥに入射する場合の傾斜角θｃを、図５、および図６を参照して説明する。図５は、第２面２２において全反射された光が右眼ＲＥに入射する場合の光路図である。図６は、図５におけるハーフミラー付近を拡大した拡大図である。図５、および図６は、ハーフミラーの形状を示すが、発生部１０、およびハーフミラー２０の相対的な大小関係、および距離関係を示さない。第２面２２において全反射された反射光が、ＨＭＤ１を装着したユーザの両目の間に向く場合の傾斜角θは、（数２−１）で示される。
【数２−１】
【００３４】
画像光の光路を距離Ｌ１、距離Ｌ２、および距離Ｌ３を用いて説明する。図５に示すように、ＬＣＤ１１から発生されレンズ系１２の中心を通過した画像光が、第１面２１においてハーフミラー２０の内部に透過する透過点ＰＡから、ユーザの左眼ＬＥまでの距離が距離Ｌ１である。図６に示すように、透過点ＰＡから第２面２２の点ＰＢまでの第１面２１の法線ＮＬ１の方向の長さが距離Ｌ２である。すなわち、距離Ｌ２は、ハーフミラー２０の厚みである。図５に示すように、ＨＭＤ１を装着したユーザの両眼の間の距離が距離Ｌ３である。第１面２１における透過点ＰＡを透過し、屈折した透過光は、第２面２２の全反射点ＰＣにおいて全反射される。全反射点ＰＣにおいて全反射された反射光は、ＨＭＤ１を装着したユーザの他方の片眼である右眼ＲＥに入射する。
【００３５】
図６に示すように、透過点ＰＡと全反射点ＰＣとを結ぶ距離Ｚ１は、点ＰＢと透過点ＰＡとを結ぶ線分と、点ＰＢと全反射点ＰＣとを結ぶ線分とのなす角、および全反射点ＰＣと透過点ＰＡとを結ぶ線分と、全反射点ＰＣと点ＰＢとを結ぶ線分とのなす角より、正弦定理が用いられた（数２−２）で示される。
【数２−２】
【００３６】
レンズ系１２の中心１３と透過点ＰＡとを通過する直線と、この直線と全反射点ＰＣを通過する垂線との交点ＰＤを図５、および図６に示す。図６に示すように、透過点ＰＡと交点ＰＤとを結ぶ線分の長さＸ１と、全反射点ＰＣと交点ＰＤとを結ぶ線分の長さＹ１と、透過点ＰＡと全反射点ＰＣとを結ぶ線分と、透過点ＰＡと全反射点ＰＣとを結ぶ線分と、透過点ＰＡと交点ＰＤとを結ぶ線分とのなす角とにより（数２−３）が示される。
【数２−３】
【００３７】
図６に示す、全反射点ＰＣと右眼ＲＥとを結ぶ線分と、全反射点ＰＣと交点ＰＤとを結ぶ線分とのなす角δは、全反射点ＰＣと透過点ＰＡとを結ぶ線分と、全反射点ＰＣと交点ＰＤとを結ぶ線分とのなす角と、全反射点ＰＣと透過点ＰＡとを結ぶ線分と、全反射点と右眼ＲＥとを結ぶ線分とのなす角とにより、（数２−４）が示される。（数２−４）の導出は、（数１−３）の関係を満たす。
【数２−４】
【００３８】
図５に示すように、全反射点ＰＣと交点ＰＤとを通過する直線とユーザの両眼を結ぶ線分との交点ＰＥと、ユーザの他方の片眼ＲＥとの距離Ｌ４は、角δ、および全反射点ＰＣと交点ＰＥとを結ぶ線分の長さから、三平方の定理が用いられた（数２−５）で示される。（数２−５）の導出は、全反射点ＰＣと交点ＰＥとを結ぶ線分の長さが、距離Ｙ１と距離Ｌ１との和である関係を満たす。
【数２−５】
【００３９】
（数２−６）で示すように、距離Ｌ３は、交点ＰＥとユーザの左眼ＬＥとを結ぶ線分の長さと、距離Ｌ４との和である。交点ＰＥとユーザの片眼ＬＥとを結ぶ線分の長さは、（数２−３）で示すＸ１である。
【数２−６】
【００４０】
上述した（数２−１）〜（数２−６）より、第２面２２において全反射された画像光がＨＭＤ１を装着するユーザの片眼ＲＥに入射する場合の傾斜角θｃは（数２）で示される。
【数２】
【００４１】
図７を参照して、ＨＭＤ１の正面方向からの外光がハーフミラー２０の内部を透過し、ＨＭＤ１を装着するユーザの左眼ＬＥに入射する光路を説明する。図７に示すように、外光は第３入射角α１で、第２面２２に入射する。以下の説明では、第２面２２を透過する外光の光路を説明する。
【００４２】
第２面２２を透過する透過光は屈折する。第２面２２を透過する前後において、第３入射角α１、第２屈折角β１、およびハーフミラー２０を形成するポリカーボネートの屈折率ｎで、（数３−１）が示される。
【数３−１】
【００４３】
ハーフミラー２０の内部を透過する外光は、第１面２１において全反射しない。第２面２２において、第４入射角γ１、ハーフミラーを形成するポリカーボネートの屈折率ｎで、（数３−２）が示される。
【数３−２】
これは、図４に示すように、第１面２１と第２面２２との間における第１面２１の法線ＮＬ１の方向の長さが、発生部１０に近づくにつれて短くなるように第２面２２が第１面２１に対し傾斜角θで傾斜するからである。すなわち、第３入射角α１は、図４に示す第１入射角αよりも小さい角であることにより、第２屈折角β１が屈折角βよりも小さくなる。この大小関係により、第４入射角γ１が第２入射角γよりも小さくなる。この結果、ＨＭＤ１の正面方向からの外光が第１面２１において全反射しない。また、ハーフミラー２０は、特許文献１に開示された偏向フィルタ、およびルーバーなどの外光を遮る構成を備えない。すなわち、外光がユーザの眼に入射することにより視認される外界の明るさは、低減しない。
【００４４】
［効果］
本実施形態によれば、第２面２２における透過光の第２入射角γが臨界角以上となる。この結果、第１面２１を透過した透過光が、第２面２２において、全反射する。第２面２２において、全反射した透過光の進行方向は、発生部１０により発生された画像光の進行方向よりもユーザ側に向く。これにより、第２面２２において全反射した透過光が、発生部１０により発生された画像光の進行方向に位置する他のユーザの眼ＥＳに入射することが低減する。また、本発明のＨＭＤ１は、特許文献１に開示された技術のように、表示部側ルーバー光学素子が発生部１０に設けられない。この結果、発生部の視野角を制限することが低減する。従って、ＨＭＤ１を装着したユーザがハーフミラー２０の第１面２１からの反射光により形成される画像を鮮明に認識出来ないことが低減する。一方、第１面２１を透過した透過光の第２入射角γが臨界角以上となる第２面２２により、第２面２２側から入射する外光が、第１面２１において全反射する可能性が低くなる。また、ハーフミラー２０は、発生部１０により発生された画像光、および第２面２２側から入射する外光を遮るルーバー、偏光フィルタなどの構成を備えない。この結果、ＨＭＤ１を装着するユーザの眼に外光が入射しないことが低減される。従って、発生部１０により発生された画像光の進行方向において、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を低減することが出来る。
【００４５】
本実施形態によれば、第２面２２は、透過光を全反射する。第２面２２において、全反射された反射光は、ＨＭＤ１を装着するユーザに向かう。この結果、第１面２１を透過した透過光の一部が、第２面２２において全反射され、ＨＭＤ１を装着するユーザの顔に画像を形成する。従って、第１面２１を透過した透過光の一部が画像を形成することによって、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を抑えることが出来る。
【００４６】
本実施形態によれば、第２面２２は、第１面２１に対し、下限角θｍ以上９０°未満の傾斜角θで傾斜する。これにより、第１面２１を第１入射角αで透過した光は、第２面２２において全反射される。第２面２２において、全反射された反射光は、ＨＭＤ１を装着するユーザに向かう。この結果、第１面２１を透過した透過光の一部が、第２面２２において全反射され、ＨＭＤ１を装着するユーザの顔に画像を形成する。従って、第１面２１を透過した透過光の一部がユーザの顔が位置する領域に画像を形成することによって、他のユーザに画像が漏洩する恐れを低減しつつ、外光、および画像を形成する画像光の減光を抑えることが出来る。
【００４７】
本実施形態によれば、第２面２２において全反射された反射光がユーザの両目の間に向くように第２面２２は配置される。具体的には、傾斜角θは、全反射された画像光がＨＭＤ１を装着するユーザの右眼ＲＥに入射する場合の傾斜角θｃよりも小さい。この結果、第１面２１を透過した透過光の一部が第２面２２において、全反射され、他方の眼である右眼ＲＥに画像を形成することを抑えることが出来る。従って、ユーザは、他方の眼である右眼ＲＥに画像が形成されないので、一方の眼である左眼ＬＥで外界を視認しやすくなる。
【００４８】
［変形例１］
本実施形態では、図７に示すように、第１面２１と第２面２２と交わる第３面２３がハーフミラー２０に形成されたが、この第３面２３は、ハーフミラー２０に形成されなくても良い。すなわち、第１面２１と第２面２２とが交わってもよい。第１面２１と第２面２２とが交わると、ハーフミラー２０の厚みが薄くなる。ハーフミラー２０の厚みが薄くなると、ハーフミラー２０の内部における外光の光路が短くなる。ハーフミラー２０の内部における外光の光路が短くなると、ハーフミラー２０を透過した外光がユーザの眼に入射することにより形成される外界の像が、実際の外界の像の位置とずれることが低減される。この結果、ＨＭＤ１を装着するユーザは実際の外界に近い外界を認識する。従って、第２面２２が第１面２１と交わることにより、第２面２２が第１面２１と交わらないハーフミラー２０よりも、ユーザは位置ずれが抑えられた外界を認識することが出来る。
【００４９】
［変形例２］
本実施形態では、図４に示すように、第２面２２において全反射された反射光はＨＭＤ１を装着するユーザの方向に進行する。これに限らず、第２面２２における第２入射角γが臨界角より小さい角であっても、第２面２２において屈折された屈折光が、ＨＭＤ１を装着するユーザの方向、すなわち、ユーザの顔が位置する領域、および、その顔が位置する領域の周辺であって、他のユーザが近接できない周辺領域に進行すればよい。すなわち、第１面２１を透過した透過光の第２入射角γが臨界角近傍であればよい。
【００５０】
［変形例３］
本実施形態では、ハーフミラー２０の第１面２１、および第２面は平面であったが、曲面でもよい。また、前記した実施形態では、フレームの一例として、頭部装着部２が説明された。しかし、他の装着部がフレームとして用いられてもよい。例えば、ＨＭＤ１は、発生部１０をゴーグルのようにヘッドバンドを用いて頭部に装着する装着部が用いられてもよい。あるいは、ユーザの耳に対して取り付けられる装着部でもよい。また、ユーザの利用している視力矯正用の眼鏡に対して発生部１０が取り付け可能な場合、その視力矯正用の眼鏡自体が装着部となる。
【符号の説明】
【００５１】
１ ヘッドマウントディスプレイ
２ 頭部装着部
１０ 発生部
１１ ＬＣＤ
１２ レンズ系
２０ ハーフミラー
２１ 第１面
２２ 第２面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ユーザの頭部に装着されるフレームに取り付けられ、画像情報に基づく画像光が前記ユーザの眼に入射されることにより、画像がユーザに認識されるヘッドマウントディスプレイであって、
前記画像が虚像となる画像光を発生する発生部と、
前記ユーザの視野内に配置されるハーフミラーと、
を備え、
前記ハーフミラーは、
前記発生部により発生される画像光の一部を前記ユーザの眼の方向に反射する第１面と、
前記第１面に対して所定の角度で傾斜し、前記第１面を透過した前記画像光の他部である透過光の入射角が臨界角近傍となる第２面と、
を備えることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【請求項２】
前記第２面は、前記透過光を全反射するように第１面に対して所定の角度で傾斜すること
を特徴とする請求項１記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項３】
前記ハーフミラーの材質は屈折率ｎを有し、
前記第１面は、前記画像光が入射角αとなる位置で配置され、
前記第２面は、前記第１面に対し、傾斜角θで傾斜し、
傾斜角θは、
【数１】
の条件を満たす下限角θｍ以上、かつ９０度未満であること
を特徴とする請求項２記載のヘッドマウントディスプレイ
【請求項４】
前記ハーフミラーは、前記ユーザの片眼の視野内に配置され、
前記第２面は、前記第２面において全反射された反射光が前記ユーザの両目の間に向くように配置されること
を特徴とする請求項２または３記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項５】
前記第２面は、前記発生部側において前記第１面と交わること
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１】
ユーザの頭部に装着されるフレームに取り付けられ、画像情報に基づく画像光が前記ユーザの眼に入射されることにより、画像がユーザに認識されるヘッドマウントディスプレイであって、
前記画像が虚像となる画像光を発生する発生部と、
前記ユーザの視野内に配置されるハーフミラーと、
を備え、
前記ハーフミラーは、
前記発生部により発生される画像光の一部を前記ユーザの眼の方向に反射する第１面と、
前記第１面に対して所定の角度で傾斜し、前記第１面を透過した前記画像光の他部である透過光の入射角が臨界角近傍となる第２面と、
を備えることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【請求項２】
前記第２面は、前記透過光を全反射するように第１面に対して所定の角度で傾斜すること
を特徴とする請求項１記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項３】
前記ハーフミラーの材質は屈折率ｎを有し、
前記第１面は、前記画像光が入射角αとなる位置で配置され、
前記第２面は、前記第１面に対し、傾斜角θで傾斜し、
傾斜角θは、
【数１】
の条件を満たす下限角θｍ以上、かつ９０度未満であること
を特徴とする請求項２記載のヘッドマウントディスプレイ
【請求項４】
前記ハーフミラーは、前記ユーザの片眼の視野内に配置され、
前記第２面は、前記第２面において全反射された反射光が前記ユーザの両目の間に向くように配置されること
を特徴とする請求項２または３記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項５】
前記第２面は、前記発生部側において前記第１面と交わること
を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のヘッドマウントディスプレイ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−７６８２５（Ｐ２０１３−７６８２５Ａ）
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１６３１５（Ｐ２０１１−２１６３１５）
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２５日（２０１３．４．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月３０日（２０１１．９．３０）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
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