映像表示装置及びヘッドマウントディスプレイ
【課題】防塵性及び防水性を備えた小型で軽量なシースルー性を有する映像表示装置を提供することである。
【解決手段】映像表示装置１は、映像を表示する表示素子１４と、表示素子１４に表示された映像の光を光学瞳Ｅに導くとともに、透過して外界も見ることができる接眼プリズム１７と、表示素子１４と接眼プリズム１７の一部とを内包するとともに保持する筐体１５と、接眼プリズム１７の周囲の映像光が反射しない部分及び筐体１５に接するように第１のパッキン４ａを設けた構成とする。
【解決手段】映像表示装置１は、映像を表示する表示素子１４と、表示素子１４に表示された映像の光を光学瞳Ｅに導くとともに、透過して外界も見ることができる接眼プリズム１７と、表示素子１４と接眼プリズム１７の一部とを内包するとともに保持する筐体１５と、接眼プリズム１７の周囲の映像光が反射しない部分及び筐体１５に接するように第１のパッキン４ａを設けた構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に提供する映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、いわゆるＨＭＤと呼ばれる頭部搭載型の映像表示装置が種々提案されている。近年、ＨＭＤは一般民生品としての利用だけでなく、様々な情報をユーザに提供することにより業務を円滑に行うことを支援する用途にも利用されはじめている。そして、その利用環境によっては一般民生用途では必要でない機能を必要とされることがある。例えば、屋外での利用を想定した場合、防塵性や防水性が望まれ、これらの機能を付加した技術もいくつか提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１のＨＭＤには、二次元映像を表示するための素子であるＬＣＤ及びこのＬＣＤを照明するためのバックライトが内蔵されている。また、ＬＣＤ及びバックライトはＬＣＤホルダにより一体的に保持され、さらにこのＬＣＤホルダは固定部材に取り付けられている。固定部材にはプリズム及びバックライトを駆動するための基板が固定されている。プリズムの第１面とＬＣＤホルダとの間には防塵部材が配置され、ＬＣＤの映像射出面上及びプリズムの第１面上に塵埃等の汚れが付着することを防止している。
【０００４】
また特許文献２の頭部装着型表示装置では、虚像形成ユニットを側面形状が略台形の筐体内に収納して一体化している。そして、筐体の使用者側後面には画像光を出射するための開口が形成され、その開口はレンズまたは別の透明な平板により概ね密閉されている。
【特許文献１】特開平１１−２９６０９５号公報
【特許文献２】特開平９−３１８９０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、映像表示部内部の防塵性は確保されるものの、表示装置全体が大きく重くなってしまい、ユーザが長時間使用することは難しい。また、特許文献２の技術では、筐体とレンズとを合わせているだけなので、その間の防塵性や防水性は不完全である。
【０００６】
このように、シースルー性を有する従来の映像表示装置と、その映像表示装置を備えたＨＭＤにおいては、防塵性及び防水性を備えようとすると大型化、重量化していた。
【０００７】
本発明は、防塵性及び防水性を備えた小型で軽量なシースルー性を有する映像表示装置を提供することを目的とする。またその映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は、映像を表示する表示素子と、該表示素子に表示された映像の光を光学瞳に導くとともに、透過して外界も見ることができるプリズムと、前記表示素子と、前記プリズムの一部と、を内包するとともに保持する筐体とを備えた映像表示装置において、前記プリズムの周囲の映像光が反射しない部分及び前記筐体に接するように第１のパッキンを設けたことを特徴とする。
【０００９】
この構成によると、第１のパッキンにより、筐体とプリズムとの隙間が塞がれ、その部分の防水性及び防塵性が確保されるとともに、パッキンが映像光の反射を妨げることもない。
【００１０】
上記の映像表示装置において、具体的に前記第１のパッキンは、前記筐体と前記プリズムとの隙間に設ければよい。
【００１１】
また上記の映像表示装置において、前記筐体が複数の部品からなり、複数の部品のうち外観部分を有する各部品同士の嵌合部に第２のパッキンを設けることが望ましい。一般的な筐体の構成において筐体部品間の防水性及び防塵性を確保するためである。
【００１２】
また上記の映像表示装置において、前記表示素子と電気的に接続して駆動電力及び映像信号を供給するケーブルと、該ケーブルを貫通させて固定するとともに、前記筐体に挟まれて前記ケーブルを保持するブッシュとを備え、該ブッシュと前記第２のパッキンとが一体である構成とすることが望ましい。
【００１３】
ブッシュと第２のパッキンとを一体成型することにより、簡素な構造となる。さらに、第１のパッキンも一体成型してもよい。
【００１４】
また上記の映像表示装置において、前記表示素子と電気的に接続して駆動電力及び映像信号を供給するケーブルと、該ケーブルを貫通させて固定し、前記筐体に挟まれて前記ケーブルを保持するブッシュとを備え、該ブッシュと前記第１のパッキンとが一体である構成とすることが望ましい。
【００１５】
ブッシュと第１のパッキンとを一体成型することにより、簡素な構造となる。
【００１６】
また上記の映像表示装置において、前記プリズムに前記第１のパッキンの位置を規制する規制部を形成することが望ましい。
【００１７】
規制部を設けることにより、組み立て時のプリズムの位置決めが容易になるとともに、使用によるずれも生じない。また、ずれが生じないことから、第１のパッキンが、映像光が反射する部分に接触することを防止できる。
【００１８】
また本発明は、映像を表示する表示素子と、該表示素子に表示された映像の光を光学瞳に導くとともに、透過して外界も見ることができるプリズムと、前記表示素子と、前記プリズムの一部と、を内包するとともに保持する筐体とを備えた映像表示装置において、前記筐体が複数の部品からなり、複数の部品のうち外観部分を有する部品はゴムとプラスチックからなり、ゴム部分の少なくとも一部は前記プリズムの周囲の映像光が反射しない部分及び前記外観部分を有する各部品同士の嵌合部に接することを特徴とする。
【００１９】
この構成によると、筐体のゴム部分により、筐体とプリズムとの隙間及び筐体部品間の隙間が塞がれ、その部分の防水性及び防塵性が確保されるとともに、プリズムに接触する筐体部分が映像光の反射を妨げることもない。
【００２０】
また上記の映像表示装置において、体積位相型のホログラム光学素子を備え、該ホログラム光学素子は、前記表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて光学瞳に導くことが望ましい。
【００２１】
ホログラム光学素子により、明るい映像を見ながら、外界も観察しやすくなる。
【００２２】
また上記の映像表示装置において、前記プリズムは、前記表示素子からの映像光を内部で全反射させて光学瞳に導く一方、外光を透過させて光学瞳に導く第１の透明基板と、該第１の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第２の透明基板とを有することが望ましい。
【００２３】
この構成によると、明るい映像と明るく自然な外界とを観察することができる。また、ホログラム光学素子の露出がなく取り扱いが容易になる。
【００２４】
また本発明のヘッドマウントディスプレイは、上記の何れかに記載の映像表示装置と、前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えたことを特徴とする。これにより、頭部装着を可能としている。
【００２５】
上記のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記支持手段は、観察者の側頭部に当接する左右一対のテンプルと、各テンプルを回動可能に支持するとともに、前記映像表示装置を支持するフレームと、観察者の鼻に当接する鼻当てとを有することが望ましい。
【００２６】
これにより、眼鏡のように装着することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、パッキンを用いることにより、大型化、重量化することなく、筐体とプリズムとの隙間、筐体部品同士の嵌合部に生じる隙間を塞ぎ、防水性、防塵性を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（１．ＨＭＤについて）
図１は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図であり、図２は、ＨＭＤを観察者が装着した状態でのＨＭＤの側面図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、支持手段２と、ケーブル３とを有して構成されている。
【００２９】
映像表示装置１は、映像を表示して観察者に提供するものであり、支持手段２は、映像表示装置１を観察者の眼前で支持する。本実施形態では、支持手段２は、映像表示装置１を観察者の右眼の前に位置するように支持しているが、映像表示装置１を２つ設け、これらを両眼の前に位置するように支持してもよい。いずれにしても、映像表示装置１を支持手段２で支持することにより、観察者は映像表示装置１に表示される映像をハンズフリーで観察することが可能となる。ケーブル３は、外部の制御手段と映像表示装置１とを接続し、制御手段からの少なくとも駆動電力および映像信号を映像表示装置１に供給する。以下、映像表示装置１および支持手段２について詳細に説明する。
【００３０】
（２．映像表示装置について）
図３は、映像表示装置１の概略の構成を示す断面図であり、図４は、図３の映像表示装置１の分解斜視図である。映像表示装置１は、光源１１と、一方向拡散板１２と、集光レンズ１３と、表示素子１４と、接眼光学系１６とを有している。光源１１、一方向拡散板１２、集光レンズ１３および表示素子１４は、筐体１５内にユニット１０として収容されており、接眼光学系１６の一部（後述する接眼プリズム１７の一部）も筐体１５内に位置している。上記したケーブル３は、筐体１５を貫通して設けられ、光源１１や表示素子１４に駆動電力や映像信号が供給される。
【００３１】
なお、以下での説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、表示素子１４の表示領域の中心と、接眼光学系１６によって形成される光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、光源１１から光学瞳Ｅまでの光路を展開したときの光軸方向をＺ方向とする。また、接眼光学系１６の後述するホログラム光学素子１９への光軸の入射面に垂直な方向をＸ方向とし、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ方向とする。なお、ホログラム光学素子１９への光軸の入射面とは、ホログラム光学素子１９における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、ＹＺ平面を指す。以下、上記入射面を単に入射面または光軸入射面と称する。なお、本実施形態では、ＸＹＺの各方向において正負は問わないものとする。
【００３２】
光源１１は、表示素子１４を照明するものであり、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で４６２±１２ｎｍ（Ｂ光）、５２５±１７ｎｍ（Ｇ光）、６３５±１１ｎｍ（Ｒ光）となる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。このように、光源１１が所定の波長幅の光を出射することにより、表示素子１４を照明して得られる映像光に所定の波長幅を持たせることができ、後述するホログラム光学素子１９にて映像光を回折させたときに、光学瞳Ｅの位置にて観察画角全域にわたって観察者に映像を観察させることができる。また、光源１１の各色についてのピーク波長は、ホログラム光学素子１９の後述する回折効率のピーク波長の近傍に設定されており、光利用効率の向上が図られている。
【００３３】
また、光源１１は、ＲＧＢの光を出射するＬＥＤで構成されているので、光源１１を安価に実現することができるとともに、表示素子１４を照明したときに、表示素子１４にてカラー映像を表示することが可能となり、そのカラー映像を観察者に提供することが可能となる。また、各ＬＥＤは、発光波長幅が狭いので、そのようなＬＥＤを複数用いることにより、色再現性が高く、明るい映像表示が可能となる。
【００３４】
一方向拡散板１２は、光源１１からの出射光を拡散させるものであるが、その拡散度は方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板１２は、Ｘ方向には入射光を約４０゜拡散させ、Ｙ方向には入射光を約０．５゜拡散させる。なお、一方向拡散板１２の配置を省略することも可能である。
【００３５】
集光レンズ１３は、一方向拡散板１２にて拡散された光をＹ方向に集光するシリンダレンズで構成されており、その拡散光が効率よく光学瞳Ｅを形成するように配置されている。
【００３６】
表示素子１４は、光源１１からの出射光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過型の液晶表示素子で構成されている。表示素子１４は、矩形の表示領域の長辺方向がＸ方向となり、短辺方向がＹ方向となるように配置されている。なお、表示素子１４は、反射型であってもよい。反射型の表示素子１４としては、例えば反射型の液晶表示素子や、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device；米国テキサスインスツルメント社製）を用いることができる。
【００３７】
接眼光学系１６は、表示素子１４に表示された映像の光を光学瞳Ｅに導き、表示素子１４の表示映像の拡大虚像を観察者に提供する拡大光学系であり、接眼プリズム１７（第１の透明基板）と、偏向プリズム１８（第２の透明基板）と、ホログラム光学素子１９とを有して構成されている。
【００３８】
接眼プリズム１７は、面１７ａを介して入射する表示素子１４からの映像光を、対向する２つの面１７ｂ・１７ｃで全反射させ、ホログラム光学素子１９を介して観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導くものであり、偏向プリズム１８とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム１７は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にし、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。また、接眼プリズム１７は、その下端部に配置されるホログラム光学素子１９を挟むように、偏向プリズム１８と接着剤で接合されている。
【００３９】
偏向プリズム１８は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図１、図４参照）、接眼プリズム１７の下端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、接眼プリズム１７と一体となって略平行平板となるものである。この偏向プリズム１８を接眼プリズム１７に接合することにより、観察者が接眼光学系１６を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００４０】
つまり、例えば、接眼プリズム１７に偏向プリズム１８を接合させない場合、外光は接眼プリズム１７の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム１７を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム１７に偏向プリズム１８を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外光が接眼プリズム１７の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム１８でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００４１】
なお、接眼プリズム１７および偏向プリズム１８の互いに対向する２面は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。後者の場合、接眼光学系１６に矯正眼鏡レンズとしての機能を持たせることができる。
【００４２】
ホログラム光学素子１９は、表示素子１４から出射される映像光（３原色に対応した波長の光）を回折反射して光学瞳Ｅに導き、表示素子１４に表示される映像を拡大して観察者の瞳に虚像として導く体積位相型の反射型ホログラムである。このホログラム光学素子１９は、例えば、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させるように作製されている。ここで、回折効率のピーク波長とは、回折効率がピークとなるときの波長のことであり、回折効率半値の波長幅とは、回折効率が回折効率ピークの半値となるときの波長幅のことである。
【００４３】
反射型のホログラム光学素子１９は、高い波長選択性を有しており、上記波長域（露光波長近辺）の波長の光しか回折反射しないので、回折反射される波長以外の波長を含む外光はホログラム光学素子１９を透過することになり、高い外光透過率を実現することができる。
【００４４】
また、ホログラム光学素子１９は、軸非対称な正の光学パワーを有している。つまり、ホログラム光学素子１９は、正のパワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。
【００４５】
筐体１５は、上側の第１筐体１５ａと、下側の第２筐体１５ｂとを嵌合し、ビス止めするようになっている。なお、筐体１５は３つ以上の部品を嵌合することにより構成してもよい。そして、第１筐体１５ａと第２筐体１５ｂとの間及び筐体１５と接眼プリズム１７との間には、パッキン４が設けられている。パッキン４は、筐体１５と接眼プリズム１７との間に位置する第１のパッキン４ａと、第１筐体１５ａと第２筐体１５ｂとの間に位置する第２のパッキン４ｂとが一体成型されたものである。
【００４６】
第１のパッキン４ａは、接眼プリズム１７の周囲の映像光が反射しない部分及び筐体１５に接するように設けられており、具体的には筐体１５と接眼プリズム１７との隙間に設けられている。この第１のパッキン４ａにより、筐体１５と接眼プリズム１７との隙間が塞がれ、その部分の防水性及び防塵性が確保される。
【００４７】
もし、第１のパッキン４ａを映像光が反射する部分に接するように設ければ、本来反射すべき映像光の一部が第１のパッキン４ａに吸収されてしまい、所望の映像が得られなくなる。そのため、接眼プリズム１７の映像光が反射する部分は、パッキン４も筐体１５も接触しない構造になっている。つまり、その部分には空気層が設けられている。
【００４８】
また、接眼プリズム１７の筐体１５に内包された部分であって、映像光が入射及び反射しない部分は、黒又はそれに類する色とすることが望ましい。散乱した不要光を吸収して鮮明な映像を得るためである。また、第１のパッキン４ａを黒又はそれに類する色としたり、第１のパッキン４ａの接眼プリズム１７との接触面を黒又はそれに類する色とすることも有効である。
【００４９】
また、接眼プリズム１７の両側面に第１のパッキン４ａの位置を規制する規制部である溝１７ｄ、１７ｄが形成されている。溝１７ｄがあることにより、第１のパッキン４ａの側部分が溝１７ｄに嵌合するので、組み立て時の接眼プリズム１７の位置決めが容易になるとともに、使用によるずれも生じない。また、ずれが生じないことから、第１のパッキン４ａが、映像光が反射する部分に接触することを防止できる。なお、溝１７ｄは少なくとも何れか一方が形成されていればその効果を得ることができる。この規制部の形状は溝１７ｄに限定されることはなく、第１のパッキン４ａの位置を規制できる形状であればよく、例えば、溝の一方の突起を省略した片溝形状などとしてもよい。
【００５０】
第２のパッキン４ｂは、複数の筐体部品のうち外観部分を有する筐体部品（ここでは２つ）同士の嵌合部に沿って設けられる。この第２のパッキン４ｂにより、外観部分を有する筐体部品同士の隙間が塞がれ、外観部分の防水性及び防塵性が確保される。また、ケーブル３を貫通させて固定するとともに、第１筐体１５ａと第２筐体１５ｂとに挟まれてケーブル３を保持するブッシュ５が、第２のパッキン４ｂと一体成型されている。ブッシュ５により、ケーブル３が曲げ半径の小さい屈曲によって断線することを防止できる。また、ブッシュ５と第２のパッキン４ｂとを一体成型することにより、簡素な構造となる。なお、ブッシュ５は第２のパッキン４ｂと別体であっても何ら問題はない。
【００５１】
パッキン４及びブッシュ５は、易加工性、易装着性、防水性、防塵性などの観点からゴムなどの弾性体を用いることが好ましい。また、パッキン４としては、接着剤やコーキングを用いてもよい。
【００５２】
次に、筐体の他の形態について説明する。図５は、映像表示装置１の他の例の概略構成を示す断面図であり、図６は、図５の映像表示装置１の分解斜視図である。以下では上記の実施形態と異なる箇所のみ説明し、同様の構成部分については説明を省略する。
【００５３】
筐体１５は、上側の第１筐体１５ａと、下側の第２筐体１５ｂと、それらを覆う上側の第３筐体１５ｃと、下側の第４筐体１５ｄとからなり、第１筐体１５ａと第２筐体１５ｂとが嵌合し、第３筐体１５ｃと第４筐体１５ｄとが嵌合するようになっている。ここで、第１及び第２筐体１５ａ、１５ｂはプラスチックからなり、第３及び第４筐体１５ｃ、１５ｄはゴムなどの弾性体からなる。そして、第３及び第４筐体１５ｃ、１５ｄは第１及び第２筐体１５ａ、１５ｂの外面全体を覆うように設けられている。したがって、第１及び第２筐体１５ａ、１５ｂ同士の隙間が第３及び第４筐体１５ｃ、１５ｄに覆われ、その部分の防水性及び防塵性が確保される。
【００５４】
なお、第３及び第４筐体１５ｃ、１５ｄは第１及び第２筐体１５ａ、１５ｂの内側を覆うように設けても問題はない。
【００５５】
また、第１〜第４筐体１５ａ〜１５ｄの端部は、それぞれ接眼プリズム１７の周囲の映像光が反射しない部分に接する構造になっている。これにより、接眼プリズム１７と筐体１５との隙間が塞がれ、その部分の防水性及び防塵性が確保される。また、ブッシュ５が、筐体１５とは別体になっている。なお、ブッシュ５は第３又は第４筐体１５ｃ、１５ｄと一体成型すれば、簡素な構造とすることができる。
【００５６】
また、散乱した不要光を吸収して鮮明な映像を得るため、筐体１５を黒又はそれに類する色としたり、筐体１５の接眼プリズム１７との接触面を黒又はそれに類する色とすることも有効である。
【００５７】
このように、パッキン４又は第３及び第４筐体１５ｃ、１５ｄを用いることにより、大型化、重量化することなく、筐体１５と接眼プリズム１７との隙間、筐体部品同士の嵌合部に生じる隙間を塞ぎ、防水性、防塵性を付与することができる。
【００５８】
次に、上記構成の映像表示装置１の動作について説明する。光源１１から出射された光は、一方向拡散板１２にて拡散され、集光レンズ１３にて集光されて表示素子１４に入射する。表示素子１４に入射した光は、画像データに基づいて各画素ごとに変調され、映像光として出射される。つまり、表示素子１４には、カラー映像が表示される。
【００５９】
表示素子１４からの映像光は、接眼光学系１６の接眼プリズム１７の内部にその上端面（面１７ａ）から入射し、対向する２つの面１７ｂ・１７ｃで複数回全反射されて、ホログラム光学素子１９に入射する。ホログラム光学素子１９に入射した光は、そこで反射され、面１７ｂを透過して光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、表示素子１４に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
【００６０】
一方、接眼プリズム１７、偏向プリズム１８およびホログラム光学素子１９は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者はこれらを介して外界像を観察することができる。したがって、表示素子１４に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。
【００６１】
このように、映像表示装置１では、表示素子１４から出射される映像光を接眼プリズム１７内での全反射によって導光し、ホログラム光学素子１９を介して観察者の瞳に導くので、通常の眼鏡レンズと同様に、接眼プリズム１７および偏向プリズム１８の厚さを３ｍｍ程度にすることができ、映像表示装置１を小型化、軽量化することができる。また、表示素子１４からの映像光を内部で全反射させる接眼プリズム１７を用いることにより、高い外光の透過率を確保して、明るい外界像を観察者に提供することができる。
【００６２】
また、体積位相型の反射型のホログラム光学素子１９は、回折効率半値の波長幅が狭く、回折効率が高いので、このようなホログラム光学素子１９を用いることにより、色純度が高く、明るい映像を提供することができるとともに、外光の透過率が高くなるので、観察者は明るい外界像を観察することができる。
【００６３】
また、上記の説明からもわかるように、ホログラム光学素子１９は、表示素子１４からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナとして機能している。これにより、観察者は、ホログラム光学素子１９を介して、表示素子１４から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。
【００６４】
（３．支持手段について）
次に、支持手段２について、図１および図２に基づいて説明する。
支持手段２は、テンプル２１と、フレーム２２とを有している。テンプル２１は、観察者の側頭部に当接する左右一対のテンプル２１Ｒ・２１Ｌからなっている。フレーム２２は、各テンプル２１Ｒ・２１Ｌを回動可能に支持するとともに、上記した映像表示装置１を支持するものであり、略Ｔ字形で形成されている。テンプル２１およびフレーム２２は、例えば樹脂で構成されており、可撓性を有している。また、フレーム２２には、観察者の鼻と当接する左右一対の鼻当て２３が設けられている。
【００６５】
本実施形態では、テンプル２１Ｒは、第１テンプル部２１Ｒ1と、第２テンプル部２１Ｒ2とが一体化されて構成されている。同様に、テンプル２１Ｌは、第１テンプル部２１Ｌ1と、第２テンプル部２１Ｌ2とが一体化されて構成されている。第１テンプル部２１Ｒ1・２１Ｌ1および第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2は、それぞれ、前後方向に長尺状に形成されており、第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2は、第１テンプル部２１Ｒ1・２１Ｌ1よりも若干長く形成されている。
【００６６】
第１テンプル部２１Ｒ1・２１Ｌ1は、フレーム２２の左右端において、フレーム２２に対してそれぞれ回動可能に連結されているとともに、第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2に対して前方にずれた状態でその上方に位置するように連結されている。
【００６７】
第２テンプル部２２Ｒ2・２１Ｌ2は、第１テンプル部２１Ｒ1・２１Ｌ1を介してフレーム２２に支持されている。第２テンプル部２１Ｒ2は、前後方向に移動可能にイヤホン２５を保持するイヤホン保持部２４を有しており、観察者はイヤホン保持部２４にイヤホン２５を保持させたまま（イヤホン２５を耳に差し込まなくても）、音声を聞くことが可能となっている。
【００６８】
また、第２テンプル部２２Ｒ2・２１Ｌ2は、フレーム２２に対する第１テンプル部２１Ｒ1・２１Ｌ1の支持位置とは異なる高さ位置で前方に露出する露出面２１ＲS・２１ＬSを有している。そして、上述したケーブル３は、例えば第２テンプル部２１Ｒ2の内部を通り、露出面２１ＲSから引き出されて映像表示装置１と接続されている。このような接続方式により、以下の第１〜第４の効果を得ることができる。
【００６９】
第１に、ケーブル３は、テンプル２１Ｒ（第２テンプル部２１Ｒ2）で一旦支持された状態で映像表示装置１と接続されるので、ケーブル３が映像表示装置１に直接接続される場合のように、ケーブル３の重量が映像表示装置１に直接加わることがない。その結果、観察者がＨＭＤを長時間使用しても、疲労感や不快感が増大するのを回避することができ、長時間使用における観察者の使用負担を軽減することができる。
【００７０】
特に、本実施形態では、テンプル２１Ｒが第１テンプル部２１Ｒ1と第２テンプル部２１Ｒ2との２段構成であるので、テンプル２１Ｒにおいてフレーム２２で支持される位置（第１テンプル部２１Ｒ1とフレーム２２との連結位置）と、露出面２１ＲSの位置とを高さ方向に確実に異ならせることができる。これにより、フレーム２２と第１テンプル部２１Ｒ1とを回動可能に連結した状態で、ケーブル３を第２テンプル部２１Ｒ2の内部から露出面２１ＲSを介して外部に引き出すことが確実に可能となり、上記の接続方式を採用することが確実に可能となる。
【００７１】
第２に、テンプル２１Ｒは、観察者の側頭部との当接により、安定した状態でケーブル３を支持することができるので、本実施形態のように一方のテンプル２１Ｒでケーブル３を支持する場合でも、観察者は安定してＨＭＤを装着することが可能となる（ＨＭＤが前後左右にぐらつくことはない）。
【００７２】
第３に、ケーブル３は、テンプル２１Ｒの露出面２１ＲSを介してフレーム２２とは異なる高さ位置を通ることになるので、フレーム２２に対するテンプル２１Ｒの回動時に、ケーブル３が回動部分に巻き付き、テンプル２１Ｒの回動を阻害することはない。したがって、テンプル２１Ｒを容易に折りたたむことが可能となる。
【００７３】
第４に、ケーブル３がフレーム２２の内部を通らないので、フレーム２２を必要以上に太く形成しなくても済む。これにより、フレーム２２が観察者の頭部の大きさに合わせて変形しやすくなり、観察者はＨＭＤを安定して違和感なく装着することが可能となる。
【００７４】
また、ケーブル３は、図２に示すように、第２テンプル部２１Ｒ2において観察者の耳と接触する位置よりも後方の位置から、第２テンプル部２１Ｒ2の内部に進入している。これにより、ケーブル３は観察者の耳よりも後方で垂れ下がるので、観察者の耳を基準とした前後方向の重量バランスを良好にすることができ、観察者の使用負担を確実に軽減することができる。また、ケーブル３が観察者の側方の視界を遮って邪魔になることもなくなる。
【００７５】
また、第１テンプル部２１Ｒ1および第２テンプル部２１Ｒ2は、前後方向に長尺状に形成されており、かつ、第１テンプル部２１Ｒ1が第２テンプル部２１Ｒ2に対して前方にずれた状態で互いに連結されているので、第１テンプル部２１Ｒ1および第２テンプル部２１Ｒ2を、必要最小限の厚さ（高さ）でそれぞれ細く形成して、テンプル２１Ｒ全体を小型で軽量にすることができる。それに加えて、フレーム２２に対して第１テンプル部２１Ｒ1を回動させたときに、第２テンプル部２１Ｒ2が第１テンプル部２１Ｒ1よりも内側に折りたたまれ、第２テンプル部２１Ｒ2が外に張り出すことがなく、ＨＭＤをコンパクトに収納することが可能となる。
【００７６】
また、第１テンプル部２１Ｒ1は、第２テンプル部２１Ｒ2よりも上方に位置しているので、観察者の頭部へのＨＭＤの装着時には（第２テンプル部２１Ｒ2が観察者の耳の上部に位置するときには）、第１テンプル部２１Ｒ1は、観察者の眼よりも上方に位置することになる。したがって、少なくとも観察者の前方から側方にかけて、第１テンプル部２１Ｒ1と連結されるフレーム２２を観察者の眼よりも上方に位置させることができ、観察者の視界を広く確保することが可能となる。また、観察者が一般の眼鏡をかけた状態でも、ＨＭＤのフレーム２２が眼鏡のテンプルやフレームと干渉しにくくなり、ＨＭＤと眼鏡との併用が容易となる。
【００７７】
ところで、第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2において、観察者の側頭部と当接する面は、平面または略平面であることが望ましい。本実施形態では、図１に示すように、第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2の外形に沿って縁取られた面が平面となっている。これにより、第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2は、線接触の場合に比べて、観察者の側頭部との接触面積が大きくなるので、観察者はＨＭＤを安定して装着することが可能となる。また、左右の第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2によって頭部を挟む力が分散し、観察者は違和感なくＨＭＤを長時間使用することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の映像表示装置及びヘッドマウントディスプレイは、屋外での利用などのように、防塵性や防水性が必要となる過酷な環境下で使用する製品に特に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の一形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。
【図２】観察者が装着した状態での上記ＨＭＤの側面図である。
【図３】上記ＨＭＤが有する映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図４】上記映像表示装置の分解斜視図である。
【図５】本発明の映像表示装置の他の例の概略の構成を示す断面図である。
【図６】上記映像表示装置の分解斜視図である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 映像表示装置
２ 支持手段
３ ケーブル
４ パッキン
４ａ 第１のパッキン
４ｂ 第２のパッキン
１４ 表示素子
１５ 筐体
１６ 接眼光学系
１７ 接眼プリズム（第１の透明基板）
１８ 偏向プリズム（第２の透明基板）
１９ ホログラム光学素子
２１ テンプル
２１Ｒ テンプル
２１Ｒ1 第１テンプル部
２１Ｒ2 第２テンプル部
２１Ｌ テンプル
２１Ｌ1 第１テンプル部
２１Ｌ2 第２テンプル部
２２ フレーム
２３ 鼻当て
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に提供する映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する）とに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、いわゆるＨＭＤと呼ばれる頭部搭載型の映像表示装置が種々提案されている。近年、ＨＭＤは一般民生品としての利用だけでなく、様々な情報をユーザに提供することにより業務を円滑に行うことを支援する用途にも利用されはじめている。そして、その利用環境によっては一般民生用途では必要でない機能を必要とされることがある。例えば、屋外での利用を想定した場合、防塵性や防水性が望まれ、これらの機能を付加した技術もいくつか提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１のＨＭＤには、二次元映像を表示するための素子であるＬＣＤ及びこのＬＣＤを照明するためのバックライトが内蔵されている。また、ＬＣＤ及びバックライトはＬＣＤホルダにより一体的に保持され、さらにこのＬＣＤホルダは固定部材に取り付けられている。固定部材にはプリズム及びバックライトを駆動するための基板が固定されている。プリズムの第１面とＬＣＤホルダとの間には防塵部材が配置され、ＬＣＤの映像射出面上及びプリズムの第１面上に塵埃等の汚れが付着することを防止している。
【０００４】
また特許文献２の頭部装着型表示装置では、虚像形成ユニットを側面形状が略台形の筐体内に収納して一体化している。そして、筐体の使用者側後面には画像光を出射するための開口が形成され、その開口はレンズまたは別の透明な平板により概ね密閉されている。
【特許文献１】特開平１１−２９６０９５号公報
【特許文献２】特開平９−３１８９０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、映像表示部内部の防塵性は確保されるものの、表示装置全体が大きく重くなってしまい、ユーザが長時間使用することは難しい。また、特許文献２の技術では、筐体とレンズとを合わせているだけなので、その間の防塵性や防水性は不完全である。
【０００６】
このように、シースルー性を有する従来の映像表示装置と、その映像表示装置を備えたＨＭＤにおいては、防塵性及び防水性を備えようとすると大型化、重量化していた。
【０００７】
本発明は、防塵性及び防水性を備えた小型で軽量なシースルー性を有する映像表示装置を提供することを目的とする。またその映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイを提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は、映像を表示する表示素子と、該表示素子に表示された映像の光を光学瞳に導くとともに、透過して外界も見ることができるプリズムと、前記表示素子と、前記プリズムの一部と、を内包するとともに保持する筐体とを備えた映像表示装置において、前記プリズムの周囲の映像光が反射しない部分及び前記筐体に接するように第１のパッキンを設けたことを特徴とする。
【０００９】
この構成によると、第１のパッキンにより、筐体とプリズムとの隙間が塞がれ、その部分の防水性及び防塵性が確保されるとともに、パッキンが映像光の反射を妨げることもない。
【００１０】
上記の映像表示装置において、具体的に前記第１のパッキンは、前記筐体と前記プリズムとの隙間に設ければよい。
【００１１】
また上記の映像表示装置において、前記筐体が複数の部品からなり、複数の部品のうち外観部分を有する各部品同士の嵌合部に第２のパッキンを設けることが望ましい。一般的な筐体の構成において筐体部品間の防水性及び防塵性を確保するためである。
【００１２】
また上記の映像表示装置において、前記表示素子と電気的に接続して駆動電力及び映像信号を供給するケーブルと、該ケーブルを貫通させて固定するとともに、前記筐体に挟まれて前記ケーブルを保持するブッシュとを備え、該ブッシュと前記第２のパッキンとが一体である構成とすることが望ましい。
【００１３】
ブッシュと第２のパッキンとを一体成型することにより、簡素な構造となる。さらに、第１のパッキンも一体成型してもよい。
【００１４】
また上記の映像表示装置において、前記表示素子と電気的に接続して駆動電力及び映像信号を供給するケーブルと、該ケーブルを貫通させて固定し、前記筐体に挟まれて前記ケーブルを保持するブッシュとを備え、該ブッシュと前記第１のパッキンとが一体である構成とすることが望ましい。
【００１５】
ブッシュと第１のパッキンとを一体成型することにより、簡素な構造となる。
【００１６】
また上記の映像表示装置において、前記プリズムに前記第１のパッキンの位置を規制する規制部を形成することが望ましい。
【００１７】
規制部を設けることにより、組み立て時のプリズムの位置決めが容易になるとともに、使用によるずれも生じない。また、ずれが生じないことから、第１のパッキンが、映像光が反射する部分に接触することを防止できる。
【００１８】
また本発明は、映像を表示する表示素子と、該表示素子に表示された映像の光を光学瞳に導くとともに、透過して外界も見ることができるプリズムと、前記表示素子と、前記プリズムの一部と、を内包するとともに保持する筐体とを備えた映像表示装置において、前記筐体が複数の部品からなり、複数の部品のうち外観部分を有する部品はゴムとプラスチックからなり、ゴム部分の少なくとも一部は前記プリズムの周囲の映像光が反射しない部分及び前記外観部分を有する各部品同士の嵌合部に接することを特徴とする。
【００１９】
この構成によると、筐体のゴム部分により、筐体とプリズムとの隙間及び筐体部品間の隙間が塞がれ、その部分の防水性及び防塵性が確保されるとともに、プリズムに接触する筐体部分が映像光の反射を妨げることもない。
【００２０】
また上記の映像表示装置において、体積位相型のホログラム光学素子を備え、該ホログラム光学素子は、前記表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて光学瞳に導くことが望ましい。
【００２１】
ホログラム光学素子により、明るい映像を見ながら、外界も観察しやすくなる。
【００２２】
また上記の映像表示装置において、前記プリズムは、前記表示素子からの映像光を内部で全反射させて光学瞳に導く一方、外光を透過させて光学瞳に導く第１の透明基板と、該第１の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第２の透明基板とを有することが望ましい。
【００２３】
この構成によると、明るい映像と明るく自然な外界とを観察することができる。また、ホログラム光学素子の露出がなく取り扱いが容易になる。
【００２４】
また本発明のヘッドマウントディスプレイは、上記の何れかに記載の映像表示装置と、前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えたことを特徴とする。これにより、頭部装着を可能としている。
【００２５】
上記のヘッドマウントディスプレイにおいて、前記支持手段は、観察者の側頭部に当接する左右一対のテンプルと、各テンプルを回動可能に支持するとともに、前記映像表示装置を支持するフレームと、観察者の鼻に当接する鼻当てとを有することが望ましい。
【００２６】
これにより、眼鏡のように装着することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、パッキンを用いることにより、大型化、重量化することなく、筐体とプリズムとの隙間、筐体部品同士の嵌合部に生じる隙間を塞ぎ、防水性、防塵性を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（１．ＨＭＤについて）
図１は、本実施形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図であり、図２は、ＨＭＤを観察者が装着した状態でのＨＭＤの側面図である。ＨＭＤは、映像表示装置１と、支持手段２と、ケーブル３とを有して構成されている。
【００２９】
映像表示装置１は、映像を表示して観察者に提供するものであり、支持手段２は、映像表示装置１を観察者の眼前で支持する。本実施形態では、支持手段２は、映像表示装置１を観察者の右眼の前に位置するように支持しているが、映像表示装置１を２つ設け、これらを両眼の前に位置するように支持してもよい。いずれにしても、映像表示装置１を支持手段２で支持することにより、観察者は映像表示装置１に表示される映像をハンズフリーで観察することが可能となる。ケーブル３は、外部の制御手段と映像表示装置１とを接続し、制御手段からの少なくとも駆動電力および映像信号を映像表示装置１に供給する。以下、映像表示装置１および支持手段２について詳細に説明する。
【００３０】
（２．映像表示装置について）
図３は、映像表示装置１の概略の構成を示す断面図であり、図４は、図３の映像表示装置１の分解斜視図である。映像表示装置１は、光源１１と、一方向拡散板１２と、集光レンズ１３と、表示素子１４と、接眼光学系１６とを有している。光源１１、一方向拡散板１２、集光レンズ１３および表示素子１４は、筐体１５内にユニット１０として収容されており、接眼光学系１６の一部（後述する接眼プリズム１７の一部）も筐体１５内に位置している。上記したケーブル３は、筐体１５を貫通して設けられ、光源１１や表示素子１４に駆動電力や映像信号が供給される。
【００３１】
なお、以下での説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、表示素子１４の表示領域の中心と、接眼光学系１６によって形成される光学瞳Ｅの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、光源１１から光学瞳Ｅまでの光路を展開したときの光軸方向をＺ方向とする。また、接眼光学系１６の後述するホログラム光学素子１９への光軸の入射面に垂直な方向をＸ方向とし、ＺＸ平面に垂直な方向をＹ方向とする。なお、ホログラム光学素子１９への光軸の入射面とは、ホログラム光学素子１９における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、ＹＺ平面を指す。以下、上記入射面を単に入射面または光軸入射面と称する。なお、本実施形態では、ＸＹＺの各方向において正負は問わないものとする。
【００３２】
光源１１は、表示素子１４を照明するものであり、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で４６２±１２ｎｍ（Ｂ光）、５２５±１７ｎｍ（Ｇ光）、６３５±１１ｎｍ（Ｒ光）となる３つの波長帯域の光を発するＲＧＢ一体型のＬＥＤで構成されている。このように、光源１１が所定の波長幅の光を出射することにより、表示素子１４を照明して得られる映像光に所定の波長幅を持たせることができ、後述するホログラム光学素子１９にて映像光を回折させたときに、光学瞳Ｅの位置にて観察画角全域にわたって観察者に映像を観察させることができる。また、光源１１の各色についてのピーク波長は、ホログラム光学素子１９の後述する回折効率のピーク波長の近傍に設定されており、光利用効率の向上が図られている。
【００３３】
また、光源１１は、ＲＧＢの光を出射するＬＥＤで構成されているので、光源１１を安価に実現することができるとともに、表示素子１４を照明したときに、表示素子１４にてカラー映像を表示することが可能となり、そのカラー映像を観察者に提供することが可能となる。また、各ＬＥＤは、発光波長幅が狭いので、そのようなＬＥＤを複数用いることにより、色再現性が高く、明るい映像表示が可能となる。
【００３４】
一方向拡散板１２は、光源１１からの出射光を拡散させるものであるが、その拡散度は方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板１２は、Ｘ方向には入射光を約４０゜拡散させ、Ｙ方向には入射光を約０．５゜拡散させる。なお、一方向拡散板１２の配置を省略することも可能である。
【００３５】
集光レンズ１３は、一方向拡散板１２にて拡散された光をＹ方向に集光するシリンダレンズで構成されており、その拡散光が効率よく光学瞳Ｅを形成するように配置されている。
【００３６】
表示素子１４は、光源１１からの出射光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過型の液晶表示素子で構成されている。表示素子１４は、矩形の表示領域の長辺方向がＸ方向となり、短辺方向がＹ方向となるように配置されている。なお、表示素子１４は、反射型であってもよい。反射型の表示素子１４としては、例えば反射型の液晶表示素子や、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device；米国テキサスインスツルメント社製）を用いることができる。
【００３７】
接眼光学系１６は、表示素子１４に表示された映像の光を光学瞳Ｅに導き、表示素子１４の表示映像の拡大虚像を観察者に提供する拡大光学系であり、接眼プリズム１７（第１の透明基板）と、偏向プリズム１８（第２の透明基板）と、ホログラム光学素子１９とを有して構成されている。
【００３８】
接眼プリズム１７は、面１７ａを介して入射する表示素子１４からの映像光を、対向する２つの面１７ｂ・１７ｃで全反射させ、ホログラム光学素子１９を介して観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導くものであり、偏向プリズム１８とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム１７は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にし、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。また、接眼プリズム１７は、その下端部に配置されるホログラム光学素子１９を挟むように、偏向プリズム１８と接着剤で接合されている。
【００３９】
偏向プリズム１８は、平面視で略Ｕ字型の平行平板で構成されており（図１、図４参照）、接眼プリズム１７の下端部および両側面部（左右の各端面）と貼り合わされたときに、接眼プリズム１７と一体となって略平行平板となるものである。この偏向プリズム１８を接眼プリズム１７に接合することにより、観察者が接眼光学系１６を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００４０】
つまり、例えば、接眼プリズム１７に偏向プリズム１８を接合させない場合、外光は接眼プリズム１７の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム１７を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム１７に偏向プリズム１８を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外光が接眼プリズム１７の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム１８でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
【００４１】
なお、接眼プリズム１７および偏向プリズム１８の互いに対向する２面は、平面であってもよいし、曲面であってもよい。後者の場合、接眼光学系１６に矯正眼鏡レンズとしての機能を持たせることができる。
【００４２】
ホログラム光学素子１９は、表示素子１４から出射される映像光（３原色に対応した波長の光）を回折反射して光学瞳Ｅに導き、表示素子１４に表示される映像を拡大して観察者の瞳に虚像として導く体積位相型の反射型ホログラムである。このホログラム光学素子１９は、例えば、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で４６５±５ｎｍ（Ｂ光）、５２１±５ｎｍ（Ｇ光）、６３４±５ｎｍ（Ｒ光）の３つの波長域の光を回折（反射）させるように作製されている。ここで、回折効率のピーク波長とは、回折効率がピークとなるときの波長のことであり、回折効率半値の波長幅とは、回折効率が回折効率ピークの半値となるときの波長幅のことである。
【００４３】
反射型のホログラム光学素子１９は、高い波長選択性を有しており、上記波長域（露光波長近辺）の波長の光しか回折反射しないので、回折反射される波長以外の波長を含む外光はホログラム光学素子１９を透過することになり、高い外光透過率を実現することができる。
【００４４】
また、ホログラム光学素子１９は、軸非対称な正の光学パワーを有している。つまり、ホログラム光学素子１９は、正のパワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。
【００４５】
筐体１５は、上側の第１筐体１５ａと、下側の第２筐体１５ｂとを嵌合し、ビス止めするようになっている。なお、筐体１５は３つ以上の部品を嵌合することにより構成してもよい。そして、第１筐体１５ａと第２筐体１５ｂとの間及び筐体１５と接眼プリズム１７との間には、パッキン４が設けられている。パッキン４は、筐体１５と接眼プリズム１７との間に位置する第１のパッキン４ａと、第１筐体１５ａと第２筐体１５ｂとの間に位置する第２のパッキン４ｂとが一体成型されたものである。
【００４６】
第１のパッキン４ａは、接眼プリズム１７の周囲の映像光が反射しない部分及び筐体１５に接するように設けられており、具体的には筐体１５と接眼プリズム１７との隙間に設けられている。この第１のパッキン４ａにより、筐体１５と接眼プリズム１７との隙間が塞がれ、その部分の防水性及び防塵性が確保される。
【００４７】
もし、第１のパッキン４ａを映像光が反射する部分に接するように設ければ、本来反射すべき映像光の一部が第１のパッキン４ａに吸収されてしまい、所望の映像が得られなくなる。そのため、接眼プリズム１７の映像光が反射する部分は、パッキン４も筐体１５も接触しない構造になっている。つまり、その部分には空気層が設けられている。
【００４８】
また、接眼プリズム１７の筐体１５に内包された部分であって、映像光が入射及び反射しない部分は、黒又はそれに類する色とすることが望ましい。散乱した不要光を吸収して鮮明な映像を得るためである。また、第１のパッキン４ａを黒又はそれに類する色としたり、第１のパッキン４ａの接眼プリズム１７との接触面を黒又はそれに類する色とすることも有効である。
【００４９】
また、接眼プリズム１７の両側面に第１のパッキン４ａの位置を規制する規制部である溝１７ｄ、１７ｄが形成されている。溝１７ｄがあることにより、第１のパッキン４ａの側部分が溝１７ｄに嵌合するので、組み立て時の接眼プリズム１７の位置決めが容易になるとともに、使用によるずれも生じない。また、ずれが生じないことから、第１のパッキン４ａが、映像光が反射する部分に接触することを防止できる。なお、溝１７ｄは少なくとも何れか一方が形成されていればその効果を得ることができる。この規制部の形状は溝１７ｄに限定されることはなく、第１のパッキン４ａの位置を規制できる形状であればよく、例えば、溝の一方の突起を省略した片溝形状などとしてもよい。
【００５０】
第２のパッキン４ｂは、複数の筐体部品のうち外観部分を有する筐体部品（ここでは２つ）同士の嵌合部に沿って設けられる。この第２のパッキン４ｂにより、外観部分を有する筐体部品同士の隙間が塞がれ、外観部分の防水性及び防塵性が確保される。また、ケーブル３を貫通させて固定するとともに、第１筐体１５ａと第２筐体１５ｂとに挟まれてケーブル３を保持するブッシュ５が、第２のパッキン４ｂと一体成型されている。ブッシュ５により、ケーブル３が曲げ半径の小さい屈曲によって断線することを防止できる。また、ブッシュ５と第２のパッキン４ｂとを一体成型することにより、簡素な構造となる。なお、ブッシュ５は第２のパッキン４ｂと別体であっても何ら問題はない。
【００５１】
パッキン４及びブッシュ５は、易加工性、易装着性、防水性、防塵性などの観点からゴムなどの弾性体を用いることが好ましい。また、パッキン４としては、接着剤やコーキングを用いてもよい。
【００５２】
次に、筐体の他の形態について説明する。図５は、映像表示装置１の他の例の概略構成を示す断面図であり、図６は、図５の映像表示装置１の分解斜視図である。以下では上記の実施形態と異なる箇所のみ説明し、同様の構成部分については説明を省略する。
【００５３】
筐体１５は、上側の第１筐体１５ａと、下側の第２筐体１５ｂと、それらを覆う上側の第３筐体１５ｃと、下側の第４筐体１５ｄとからなり、第１筐体１５ａと第２筐体１５ｂとが嵌合し、第３筐体１５ｃと第４筐体１５ｄとが嵌合するようになっている。ここで、第１及び第２筐体１５ａ、１５ｂはプラスチックからなり、第３及び第４筐体１５ｃ、１５ｄはゴムなどの弾性体からなる。そして、第３及び第４筐体１５ｃ、１５ｄは第１及び第２筐体１５ａ、１５ｂの外面全体を覆うように設けられている。したがって、第１及び第２筐体１５ａ、１５ｂ同士の隙間が第３及び第４筐体１５ｃ、１５ｄに覆われ、その部分の防水性及び防塵性が確保される。
【００５４】
なお、第３及び第４筐体１５ｃ、１５ｄは第１及び第２筐体１５ａ、１５ｂの内側を覆うように設けても問題はない。
【００５５】
また、第１〜第４筐体１５ａ〜１５ｄの端部は、それぞれ接眼プリズム１７の周囲の映像光が反射しない部分に接する構造になっている。これにより、接眼プリズム１７と筐体１５との隙間が塞がれ、その部分の防水性及び防塵性が確保される。また、ブッシュ５が、筐体１５とは別体になっている。なお、ブッシュ５は第３又は第４筐体１５ｃ、１５ｄと一体成型すれば、簡素な構造とすることができる。
【００５６】
また、散乱した不要光を吸収して鮮明な映像を得るため、筐体１５を黒又はそれに類する色としたり、筐体１５の接眼プリズム１７との接触面を黒又はそれに類する色とすることも有効である。
【００５７】
このように、パッキン４又は第３及び第４筐体１５ｃ、１５ｄを用いることにより、大型化、重量化することなく、筐体１５と接眼プリズム１７との隙間、筐体部品同士の嵌合部に生じる隙間を塞ぎ、防水性、防塵性を付与することができる。
【００５８】
次に、上記構成の映像表示装置１の動作について説明する。光源１１から出射された光は、一方向拡散板１２にて拡散され、集光レンズ１３にて集光されて表示素子１４に入射する。表示素子１４に入射した光は、画像データに基づいて各画素ごとに変調され、映像光として出射される。つまり、表示素子１４には、カラー映像が表示される。
【００５９】
表示素子１４からの映像光は、接眼光学系１６の接眼プリズム１７の内部にその上端面（面１７ａ）から入射し、対向する２つの面１７ｂ・１７ｃで複数回全反射されて、ホログラム光学素子１９に入射する。ホログラム光学素子１９に入射した光は、そこで反射され、面１７ｂを透過して光学瞳Ｅに達する。光学瞳Ｅの位置では、観察者は、表示素子１４に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
【００６０】
一方、接眼プリズム１７、偏向プリズム１８およびホログラム光学素子１９は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者はこれらを介して外界像を観察することができる。したがって、表示素子１４に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。
【００６１】
このように、映像表示装置１では、表示素子１４から出射される映像光を接眼プリズム１７内での全反射によって導光し、ホログラム光学素子１９を介して観察者の瞳に導くので、通常の眼鏡レンズと同様に、接眼プリズム１７および偏向プリズム１８の厚さを３ｍｍ程度にすることができ、映像表示装置１を小型化、軽量化することができる。また、表示素子１４からの映像光を内部で全反射させる接眼プリズム１７を用いることにより、高い外光の透過率を確保して、明るい外界像を観察者に提供することができる。
【００６２】
また、体積位相型の反射型のホログラム光学素子１９は、回折効率半値の波長幅が狭く、回折効率が高いので、このようなホログラム光学素子１９を用いることにより、色純度が高く、明るい映像を提供することができるとともに、外光の透過率が高くなるので、観察者は明るい外界像を観察することができる。
【００６３】
また、上記の説明からもわかるように、ホログラム光学素子１９は、表示素子１４からの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナとして機能している。これにより、観察者は、ホログラム光学素子１９を介して、表示素子１４から提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。
【００６４】
（３．支持手段について）
次に、支持手段２について、図１および図２に基づいて説明する。
支持手段２は、テンプル２１と、フレーム２２とを有している。テンプル２１は、観察者の側頭部に当接する左右一対のテンプル２１Ｒ・２１Ｌからなっている。フレーム２２は、各テンプル２１Ｒ・２１Ｌを回動可能に支持するとともに、上記した映像表示装置１を支持するものであり、略Ｔ字形で形成されている。テンプル２１およびフレーム２２は、例えば樹脂で構成されており、可撓性を有している。また、フレーム２２には、観察者の鼻と当接する左右一対の鼻当て２３が設けられている。
【００６５】
本実施形態では、テンプル２１Ｒは、第１テンプル部２１Ｒ1と、第２テンプル部２１Ｒ2とが一体化されて構成されている。同様に、テンプル２１Ｌは、第１テンプル部２１Ｌ1と、第２テンプル部２１Ｌ2とが一体化されて構成されている。第１テンプル部２１Ｒ1・２１Ｌ1および第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2は、それぞれ、前後方向に長尺状に形成されており、第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2は、第１テンプル部２１Ｒ1・２１Ｌ1よりも若干長く形成されている。
【００６６】
第１テンプル部２１Ｒ1・２１Ｌ1は、フレーム２２の左右端において、フレーム２２に対してそれぞれ回動可能に連結されているとともに、第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2に対して前方にずれた状態でその上方に位置するように連結されている。
【００６７】
第２テンプル部２２Ｒ2・２１Ｌ2は、第１テンプル部２１Ｒ1・２１Ｌ1を介してフレーム２２に支持されている。第２テンプル部２１Ｒ2は、前後方向に移動可能にイヤホン２５を保持するイヤホン保持部２４を有しており、観察者はイヤホン保持部２４にイヤホン２５を保持させたまま（イヤホン２５を耳に差し込まなくても）、音声を聞くことが可能となっている。
【００６８】
また、第２テンプル部２２Ｒ2・２１Ｌ2は、フレーム２２に対する第１テンプル部２１Ｒ1・２１Ｌ1の支持位置とは異なる高さ位置で前方に露出する露出面２１ＲS・２１ＬSを有している。そして、上述したケーブル３は、例えば第２テンプル部２１Ｒ2の内部を通り、露出面２１ＲSから引き出されて映像表示装置１と接続されている。このような接続方式により、以下の第１〜第４の効果を得ることができる。
【００６９】
第１に、ケーブル３は、テンプル２１Ｒ（第２テンプル部２１Ｒ2）で一旦支持された状態で映像表示装置１と接続されるので、ケーブル３が映像表示装置１に直接接続される場合のように、ケーブル３の重量が映像表示装置１に直接加わることがない。その結果、観察者がＨＭＤを長時間使用しても、疲労感や不快感が増大するのを回避することができ、長時間使用における観察者の使用負担を軽減することができる。
【００７０】
特に、本実施形態では、テンプル２１Ｒが第１テンプル部２１Ｒ1と第２テンプル部２１Ｒ2との２段構成であるので、テンプル２１Ｒにおいてフレーム２２で支持される位置（第１テンプル部２１Ｒ1とフレーム２２との連結位置）と、露出面２１ＲSの位置とを高さ方向に確実に異ならせることができる。これにより、フレーム２２と第１テンプル部２１Ｒ1とを回動可能に連結した状態で、ケーブル３を第２テンプル部２１Ｒ2の内部から露出面２１ＲSを介して外部に引き出すことが確実に可能となり、上記の接続方式を採用することが確実に可能となる。
【００７１】
第２に、テンプル２１Ｒは、観察者の側頭部との当接により、安定した状態でケーブル３を支持することができるので、本実施形態のように一方のテンプル２１Ｒでケーブル３を支持する場合でも、観察者は安定してＨＭＤを装着することが可能となる（ＨＭＤが前後左右にぐらつくことはない）。
【００７２】
第３に、ケーブル３は、テンプル２１Ｒの露出面２１ＲSを介してフレーム２２とは異なる高さ位置を通ることになるので、フレーム２２に対するテンプル２１Ｒの回動時に、ケーブル３が回動部分に巻き付き、テンプル２１Ｒの回動を阻害することはない。したがって、テンプル２１Ｒを容易に折りたたむことが可能となる。
【００７３】
第４に、ケーブル３がフレーム２２の内部を通らないので、フレーム２２を必要以上に太く形成しなくても済む。これにより、フレーム２２が観察者の頭部の大きさに合わせて変形しやすくなり、観察者はＨＭＤを安定して違和感なく装着することが可能となる。
【００７４】
また、ケーブル３は、図２に示すように、第２テンプル部２１Ｒ2において観察者の耳と接触する位置よりも後方の位置から、第２テンプル部２１Ｒ2の内部に進入している。これにより、ケーブル３は観察者の耳よりも後方で垂れ下がるので、観察者の耳を基準とした前後方向の重量バランスを良好にすることができ、観察者の使用負担を確実に軽減することができる。また、ケーブル３が観察者の側方の視界を遮って邪魔になることもなくなる。
【００７５】
また、第１テンプル部２１Ｒ1および第２テンプル部２１Ｒ2は、前後方向に長尺状に形成されており、かつ、第１テンプル部２１Ｒ1が第２テンプル部２１Ｒ2に対して前方にずれた状態で互いに連結されているので、第１テンプル部２１Ｒ1および第２テンプル部２１Ｒ2を、必要最小限の厚さ（高さ）でそれぞれ細く形成して、テンプル２１Ｒ全体を小型で軽量にすることができる。それに加えて、フレーム２２に対して第１テンプル部２１Ｒ1を回動させたときに、第２テンプル部２１Ｒ2が第１テンプル部２１Ｒ1よりも内側に折りたたまれ、第２テンプル部２１Ｒ2が外に張り出すことがなく、ＨＭＤをコンパクトに収納することが可能となる。
【００７６】
また、第１テンプル部２１Ｒ1は、第２テンプル部２１Ｒ2よりも上方に位置しているので、観察者の頭部へのＨＭＤの装着時には（第２テンプル部２１Ｒ2が観察者の耳の上部に位置するときには）、第１テンプル部２１Ｒ1は、観察者の眼よりも上方に位置することになる。したがって、少なくとも観察者の前方から側方にかけて、第１テンプル部２１Ｒ1と連結されるフレーム２２を観察者の眼よりも上方に位置させることができ、観察者の視界を広く確保することが可能となる。また、観察者が一般の眼鏡をかけた状態でも、ＨＭＤのフレーム２２が眼鏡のテンプルやフレームと干渉しにくくなり、ＨＭＤと眼鏡との併用が容易となる。
【００７７】
ところで、第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2において、観察者の側頭部と当接する面は、平面または略平面であることが望ましい。本実施形態では、図１に示すように、第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2の外形に沿って縁取られた面が平面となっている。これにより、第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2は、線接触の場合に比べて、観察者の側頭部との接触面積が大きくなるので、観察者はＨＭＤを安定して装着することが可能となる。また、左右の第２テンプル部２１Ｒ2・２１Ｌ2によって頭部を挟む力が分散し、観察者は違和感なくＨＭＤを長時間使用することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明の映像表示装置及びヘッドマウントディスプレイは、屋外での利用などのように、防塵性や防水性が必要となる過酷な環境下で使用する製品に特に有効に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施の一形態に係るＨＭＤの概略の構成を示す斜視図である。
【図２】観察者が装着した状態での上記ＨＭＤの側面図である。
【図３】上記ＨＭＤが有する映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。
【図４】上記映像表示装置の分解斜視図である。
【図５】本発明の映像表示装置の他の例の概略の構成を示す断面図である。
【図６】上記映像表示装置の分解斜視図である。
【符号の説明】
【００８０】
１ 映像表示装置
２ 支持手段
３ ケーブル
４ パッキン
４ａ 第１のパッキン
４ｂ 第２のパッキン
１４ 表示素子
１５ 筐体
１６ 接眼光学系
１７ 接眼プリズム（第１の透明基板）
１８ 偏向プリズム（第２の透明基板）
１９ ホログラム光学素子
２１ テンプル
２１Ｒ テンプル
２１Ｒ1 第１テンプル部
２１Ｒ2 第２テンプル部
２１Ｌ テンプル
２１Ｌ1 第１テンプル部
２１Ｌ2 第２テンプル部
２２ フレーム
２３ 鼻当て
【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示する表示素子と、
該表示素子に表示された映像の光を光学瞳に導くとともに、透過して外界も見ることができるプリズムと、
前記表示素子と、前記プリズムの一部と、を内包するとともに保持する筐体とを備えた映像表示装置において、
前記プリズムの周囲の映像光が反射しない部分及び前記筐体に接するように第１のパッキンを設けたことを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
前記第１のパッキンは、前記筐体と前記プリズムとの隙間に設けたことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
【請求項３】
前記筐体が複数の部品からなり、複数の部品のうち外観部分を有する各部品同士の嵌合部に第２のパッキンを設けたことを特徴とする請求項２記載の映像表示装置。
【請求項４】
前記表示素子と電気的に接続して駆動電力及び映像信号を供給するケーブルと、
該ケーブルを貫通させて固定するとともに、前記筐体に挟まれて前記ケーブルを保持するブッシュとを備え、
該ブッシュと前記第２のパッキンとが一体であることを特徴とする請求項３記載の映像表示装置。
【請求項５】
前記表示素子と電気的に接続して駆動電力及び映像信号を供給するケーブルと、
該ケーブルを貫通させて固定するとともに、前記筐体に挟まれて前記ケーブルを保持するブッシュとを備え、
該ブッシュと前記第１のパッキンと前記第２のパッキンとが一体であることを特徴とする請求項３記載の映像表示装置。
【請求項６】
前記プリズムに前記第１のパッキンの位置を規制する規制部を形成したことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項７】
映像を表示する表示素子と、
該表示素子に表示された映像の光を光学瞳に導くとともに、透過して外界も見ることができるプリズムと、
前記表示素子と、前記プリズムの一部と、を内包するとともに保持する筐体とを備えた映像表示装置において、
前記筐体が複数の部品からなり、複数の部品のうち外観部分を有する部品はゴムとプラスチックからなり、ゴム部分の少なくとも一部は前記プリズムの周囲の映像光が反射しない部分及び前記外観部分を有する各部品同士の嵌合部に接することを特徴とする映像表示装置。
【請求項８】
体積位相型のホログラム光学素子を備え、
該ホログラム光学素子は、前記表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて光学瞳に導くことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項９】
前記プリズムは、
前記表示素子からの映像光を内部で全反射させて光学瞳に導く一方、外光を透過させて光学瞳に導く第１の透明基板と、
該第１の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第２の透明基板とを有することを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れかに記載の映像表示装置と、
前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１１】
前記支持手段は、
観察者の側頭部に当接する左右一対のテンプルと、
各テンプルを回動可能に支持するとともに、前記映像表示装置を支持するフレームと、
観察者の鼻に当接する鼻当てとを有することを特徴とする請求項１０記載のヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１】
映像を表示する表示素子と、
該表示素子に表示された映像の光を光学瞳に導くとともに、透過して外界も見ることができるプリズムと、
前記表示素子と、前記プリズムの一部と、を内包するとともに保持する筐体とを備えた映像表示装置において、
前記プリズムの周囲の映像光が反射しない部分及び前記筐体に接するように第１のパッキンを設けたことを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
前記第１のパッキンは、前記筐体と前記プリズムとの隙間に設けたことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
【請求項３】
前記筐体が複数の部品からなり、複数の部品のうち外観部分を有する各部品同士の嵌合部に第２のパッキンを設けたことを特徴とする請求項２記載の映像表示装置。
【請求項４】
前記表示素子と電気的に接続して駆動電力及び映像信号を供給するケーブルと、
該ケーブルを貫通させて固定するとともに、前記筐体に挟まれて前記ケーブルを保持するブッシュとを備え、
該ブッシュと前記第２のパッキンとが一体であることを特徴とする請求項３記載の映像表示装置。
【請求項５】
前記表示素子と電気的に接続して駆動電力及び映像信号を供給するケーブルと、
該ケーブルを貫通させて固定するとともに、前記筐体に挟まれて前記ケーブルを保持するブッシュとを備え、
該ブッシュと前記第１のパッキンと前記第２のパッキンとが一体であることを特徴とする請求項３記載の映像表示装置。
【請求項６】
前記プリズムに前記第１のパッキンの位置を規制する規制部を形成したことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項７】
映像を表示する表示素子と、
該表示素子に表示された映像の光を光学瞳に導くとともに、透過して外界も見ることができるプリズムと、
前記表示素子と、前記プリズムの一部と、を内包するとともに保持する筐体とを備えた映像表示装置において、
前記筐体が複数の部品からなり、複数の部品のうち外観部分を有する部品はゴムとプラスチックからなり、ゴム部分の少なくとも一部は前記プリズムの周囲の映像光が反射しない部分及び前記外観部分を有する各部品同士の嵌合部に接することを特徴とする映像表示装置。
【請求項８】
体積位相型のホログラム光学素子を備え、
該ホログラム光学素子は、前記表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて光学瞳に導くことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項９】
前記プリズムは、
前記表示素子からの映像光を内部で全反射させて光学瞳に導く一方、外光を透過させて光学瞳に導く第１の透明基板と、
該第１の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第２の透明基板とを有することを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の映像表示装置。
【請求項１０】
請求項１〜９の何れかに記載の映像表示装置と、
前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１１】
前記支持手段は、
観察者の側頭部に当接する左右一対のテンプルと、
各テンプルを回動可能に支持するとともに、前記映像表示装置を支持するフレームと、
観察者の鼻に当接する鼻当てとを有することを特徴とする請求項１０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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１５７２９０（Ｐ２００９−１５７２９０Ａ）
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３８４３８（Ｐ２００７−３３８４３８）
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月１６日（２００９．７．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２８日（２００７．１２．２８）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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