画像表示装置
【課題】表示ユニットや撮像ユニットの直交３軸回りでの回動調整を一括して行えるようにした画像表示装置を提供する。
【解決手段】画像表示装置１は、撮像素子２２を含む撮像ユニット２１と、該撮像素子からの出力を用いて生成された画像を表示する表示素子１２及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系１１を含む表示ユニット１０と、撮像ユニット及び表示ユニットのうち一方のユニットに対して他方のユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構１５とを有する。連結機構における上記他方のユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材１８を有する。
【解決手段】画像表示装置１は、撮像素子２２を含む撮像ユニット２１と、該撮像素子からの出力を用いて生成された画像を表示する表示素子１２及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系１１を含む表示ユニット１０と、撮像ユニット及び表示ユニットのうち一方のユニットに対して他方のユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構１５とを有する。連結機構における上記他方のユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材１８を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に関し、さらに詳しくは、該画像表示装置における表示ユニットや撮像ユニットの直交３軸回りでのアライメント調整機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
観察者の頭部に装着してその眼前に映像を提示するヘッドマウントディスプレイには、撮像ユニットを搭載し、撮像により取得した外界映像を提示したり、外界映像にＣＧ（コンピュータグラフィックス）映像を合成した映像を提示したりするものがある。撮像ユニットを搭載したヘッドマウントディスプレイは、ビデオシースル型ヘッドマウントディスプレイとも称される。
【０００３】
ビデオシースル型ヘッドマウントディスプレイにおいて、観察者が実際に眼で見るのと同じ映像を提示するためには、観察者の視線方向と撮像ユニットによる撮像方向とを光学的に一致させる必要がある。すなわち、ヘッドマウントディスプレイにおいて、観察者が見る表示ユニット（表示素子に表示された映像を観察者に拡大提示する光学系）と撮像ユニットとのアライメントが一定の関係になっている必要がある。
【０００４】
また、観察者の両眼に対して映像を提示する場合は、左右の表示ユニットのアライメントも重要である。例えば、左右の表示ユニットが上下方向にずれている場合は、左右の眼に提示された画像が上下方向にずれることになり、映像が二重に見えたり、眼を疲労させたりする。さらに、左右の提示映像が左右方向にずれている場合は、映像内の観察対象物に対する輻輳が実際の観察対象物に対する輻輳とは異なり、観察者の距離感に影響を及ぼす。このような左右の提示映像のずれが生じないようにするためには、左右の表示ユニットと撮像ユニットの相互間のアライメントを、上下方向、左右方向及び回転方向で高精度に調整する必要がある。
【０００５】
光学系のアライメント調整構造としては、特許文献１にて開示されているように、調整対象物（特許文献１では、ＣＣＤセンサ等の撮像素子）を互いに直交する２軸回りでの回動位置（傾き）を調整可能とするものがある。具体的には、撮像素子を固定したマウント台を鋼球に押し当て、該鋼球を中心としてマウントに設けた２箇所の傾斜部に調整ビスを押し当てることで、上下方向及び左右方向の傾き調整を行う。
【特許文献１】特開２００５−１１７２５３号公報（段落００１３〜００１９、００２５、図５等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されたアライメント調整構造も含めて、従来の多軸回りでの傾き調整が可能な構造では、軸ごとに調整のための操作（例えば、調整ねじの操作）をする必要がある。例えば、直交３軸（ｘ，ｙ，ｚ軸）回りでの回動調整に際しては、まずｘ軸回りで調整対象物を回動させるために第１の調整ねじを操作して上下方向での傾きを調整し、次に、ｙ軸回りで回動させるために第２の調整ねじを操作して左右方向の傾きを調整する。そして、最後にｚ軸回りで調整対象物を回動させるために第３の調整ねじを操作して、光軸回りでの回転位置を調整する。
【０００７】
しかしながら、このように軸ごとの操作が必要な多軸回りの調整構造では、軸ごとの調整機構が互いに独立していれば問題はないが、実際には、構造的に完全に独立させることは難しい。また、軸ごとに、調整対象物の荷重を支持する部品の変形の影響が異なることで、全ての軸回りでの高精度な調整が難しい。
【０００８】
したがって、従来は、例えば、上下方向の傾きを調整した後に左右方向の傾きを調整すると、その影響で上下方向の傾きが変化するために、再度上下方向の傾きを調整し直すというように、調整に手間がかかるという問題がある。
【０００９】
そこで本発明は、表示ユニットや撮像ユニットの直交３軸回りでの回動調整を一括して行えるようにしたヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置を提供することを目的の１つとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面としての画像表示装置は、撮像素子を含む撮像ユニットと、該撮像素子からの出力を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、撮像ユニット及び表示ユニットのうち一方のユニットに対して他方のユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構とを有する。そして、連結機構における他方のユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の他の側面としての画像表示装置は、それぞれ画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む第１及び第２の表示ユニットと、第１及び第２の表示ユニットのうち一方の表示ユニットに対して他方の表示ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構とを有する。そして、連結機構における他方の表示ユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の他の側面としての画像表示装置は、撮像素子を含む撮像ユニットと、該撮像素子からの出力を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、撮像ユニットの支持ベースとなるベース部材と、該ベース部材に対して撮像ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構とを有する。そして、連結機構における撮像ユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の他の側面としての画像表示装置は、画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、表示ユニットの支持ベースとなるベース部材と、該ベース部材に対して表示ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構とを有する。そして、連結機構における表示ユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の他の側面としての画像表示装置は、それぞれ撮像素子を含む第１および第２の撮像ユニットと、第１及び第２の撮像ユニットの撮像素子からの信号を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、第１及び第２の撮像ユニットのうち一方の撮像ユニットに対して他方の撮像ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構とを有する。そして、連結機構における他方の撮像ユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材を有することを特徴とする。
【００１５】
なお、上記画像表示装置と、該画像表示装置に対して画像を供給する画像供給装置とを有する画像表示システムも本発明の他の側面を構成する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、単一のロック部材を操作することで、調整対象ユニット（撮像ユニットや表示ユニット）の直交３軸回りでの調整を行うことが可能となり、かつ調整後の固定も可能となる。したがって、３軸回りでのアライメント調整を容易かつ短時間で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１には、本発明の実施例１であるビデオシースル型ヘッドマウントディスプレイ（画像表示装置）の外観を示す。ヘッドマウントディスプレイ１は、後述する表示ユニット及び撮像ユニットを収容した本体２と、該本体２を観察者の眼前に配置するようヘッドマウントディスプレイ１を頭部に装着するための装着機構３とを有する。２ａは、本体２の前面に形成された窓であり、撮像ユニットはこの窓２ａを通して外界像を撮像する。
【００１９】
本体２内には、図２に示すように、表示ユニット１０と、撮像ユニット２１と、これらを連結する連結ユニット１５とが収容されている。図２には、片眼用の構成しか示していないが、実際には、表示ユニット１０、撮像ユニット２１及び連結ユニット１５はそれぞれ、観察者の両眼に対して映像を提示できるように、左右一対ずつ設けられている。
【００２０】
表示ユニット１０は、不図示の光源と、液晶パネル等の表示パネル（表示素子）１２と、該パネル１２に表示された映像を虚像として観察者の眼Ｅに提示するための観察光学系を構成するプリズムレンズ１１とを有する。表示ユニット１０は、支持部材１４によって所定の位置に保持されている。
【００２１】
撮像ユニット２１は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子２３と、外界像を撮像素子２３上に結像させるための撮像光学系２２により構成されている。
【００２２】
図２中、一点鎖線で示すＬ１，Ｌ２は、観察光学系の光軸（ここでは、パネル１２の表示領域の中心から射出瞳の中心に至る中心主光線の辿る光路の意味）を示す。また、Ｌ２は、表示される画像の中心に向かう観察者の眼Ｅの視線も示す。
【００２３】
また、一点鎖線Ｌ３は、撮像ユニット２１（撮像光学系２２）の光軸を示す。そして、観察者の眼Ｅの視線Ｌ２と撮像ユニット２１の光軸Ｌ３とを一致させることにより、観察者は、外界像を自分の眼Ｅで見るのと同じ感覚で、撮像ユニット２１により取得された外界像の映像を見ることができる。表示パネル１２に表示される映像は、撮像素子２３からの信号を、パーソナルコンピュータや映像処理装置等の画像供給装置５０で処理して生成され、該画像供給装置５０から供給される。ヘッドマウントディスプレイ１と画像供給装置５０とにより画像表示システムが構成される。
【００２４】
連結ユニット１５は、図３にも拡大して示すように、表示ユニット１０に一体的に取り付けられ、凸球面１６ａを有する固定部材１６を有する。また、連結ユニット１５は、撮像ユニット２１に一体的に取り付けられ、凸球面１６ａと同一中心Ｃ及び同一直径ｄ２の凹球面１７ａを有する可動部材１７を有する。固定部材１６の凸球面１６ａと可動部材１７の凹球面１７ａは互いに当接している。このため、可動部材１７は、固定部材１６に対して球面１６ａ，１７ａの中心Ｃを中心として、図２に示す相互に直交する３軸（ｘ，ｙ，ｚ軸）回り方向θｘ，θｙ，θｚ、つまりは任意の方向に回動可能である。前述したように、固定部材１６及び可動部材１７はそれぞれ、表示ユニット１０及び撮像ユニット２１に一体的に設けられている。このため、連結ユニット１５は、表示ユニット１０に対して撮像ユニット２１を３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚに回動可能に連結（保持）する連結機構として機能する。この連結ユニット１５は、球面座を用いたいわゆるボールジョイントである。
【００２５】
なお、図２には、中心Ｃからずれた位置にｘ，ｙ，ｚ軸を示しているが、これらの３軸は実際には中心Ｃにおいて相互に直交する。ｚ軸は、表示ユニット１０及び撮像ユニット２１の左右方向（図２の紙面に垂直な方向）に延び、ｙ軸は上下方向に延びている。また、ｘ軸は観察者の視線Ｌ２の方向に延びている。
【００２６】
可動部材１７には、回転中心Ｃに向かって延びる雌ネジ穴１７ｃが形成されており、該雌ネジ穴１７ｃには、単一のロック部材としてのロックネジ１８がねじ込まれている。
【００２７】
ロックネジ１８の下端部には、固定部材１６の凸球面１６ａに当接する当接部材１９が固定されている。この当接部材１９は、凸球面１６ａとの摺動性を良くするための部材である。ロックネジ１８を強めに締め込んで凹球面１７ａと凸球面１６ａとを強く圧接させることで、可動部材１７（撮像ユニット２１）は固定部材１６（表示ユニット１０）に対して３軸回りでの回動が阻止された状態、すなわち固定された状態となる。また、ロックネジ１８を緩めて凹球面１７ａと凸球面１６ａとを軽く圧接させることで、可動部材１７（撮像ユニット２１）は固定部材１６（表示ユニット１０）に対して３軸回りでの回動が許容された状態、すなわち固定が解除された状態となる。
【００２８】
図３に示すように、ロックネジ１８の頭部には、六角形状の穴部（六角穴部）１８ａが形成されている。この六角穴部１８ａには、操作部材としてのアライメント調整工具２５を構成する軸２７の六角部が係合する。また、図４に示すように、可動部材１７の外周面には、雌ネジ穴１７ｃを通ってｚ軸方向に延びる溝部１７ｂが形成されている。図４は、図３に示す連結ユニット１５をＢ−Ｂ線で切断して矢印方向から見た断面を示している。
【００２９】
ここで、図５には、アライメント調整工具２５を示す。アライメント調整工具２５は、円筒部２６と、該円筒部２６に対して回転自在に取り付けられた軸２７とにより構成されている。円筒部２６の先端外周部には突起２６ａが設けられている。これら突起２６ａは可動部材１７に形成された溝部１７ｂに係合可能な形状を有する。軸２７の先端には、ロックネジ１８の六角穴部１８ａに係合可能な六角部２７ａが形成されている。アライメント調整工具２５は、可動部材１７及びロックネジ１８に対して着脱が可能である。
【００３０】
表示ユニット１０の光軸Ｌ２に対して撮像ユニット２１の光軸Ｌ３の位置を調整する場合、調整工具２５の突起部２６ａと軸２７の六角部２７ａをそれぞれ、図４に示すように可動部材１７の溝部１７ｂとロックネジ１８の六角穴部１８ａに係合させる。
【００３１】
次に、軸部２７を円筒部２６に対して回転させてロックネジ１８をある程度まで締め込む。締め込み量を適度に設定し、凹球面１７ａと凸球面１６とを軽く圧接させることで、可動部材１７のがたつきを防止できる。これにより、アライメント調整精度を上げることができる。
【００３２】
そして、アライメント調整工具２５の全体を、３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚに傾けるように動かすことで、可動部材１７を固定部材１６に対して３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚに回動させることができる。これにより、球面中心Ｃを中心とした撮像ユニット２１の表示ユニット１０に対する３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚでのアライメント調整を行うことができる。
【００３３】
アライメント調整は、図６に示すように、表示ユニット１０の光軸（視線）Ｌ２の延長線上にある表示中心（虚像点）Ｐ１と撮像ユニット２１の光軸Ｌ３の延長線上にある撮像中心Ｐ２との上下及び左右方向の位置が一致するように行う。また、アライメント調整は、表示画像の回転角度（画像の長辺）が外界の水平ラインに一致するように行う。
【００３４】
アライメント調整が終了した場合は、軸２７を円筒部２６に対して回転させてロックネジ１８を締め込み、固定部材１６に対して可動部材１７を固定する。なお、ロックネジ１８の締め込みに伴って可動部材１７がｙ軸回りで回動する可能性があるため、可動部材１７に係合している円筒部２６を調整者がｙ軸回りで回転しないように保持することで、これを防止することができる。固定部材１６に対して可動部材１７を固定した後は、アライメント調整工具２５を可動部材１７及びロックネジ１８から取り外す。
【００３５】
なお、連結ユニット１５の球面中心（回動中心）Ｃと撮像ユニット２１の撮像中心Ｐ２が観察者の視線Ｌ２の延長線上にない場合は、視線Ｌ２と撮像ユニット２１の光軸Ｌ３とが角度的にずれてしまう。しかし、表示ユニット１０と撮像ユニット２１の位置ずれは主として取付け誤差によるものであり、実際には０．５ｍｍ程度である。これは、表示中心Ｐ１及び撮像中心Ｐ２までの距離（２ｍ）に対してわずかであるので、上記角度ずれは実用上無視できる。
【００３６】
装着機構３は、本体２に対して固定された（又は一体形成された）左右に延びるフレーム４，５と、それらの後端部を連結する可撓性のバンド７と、バンド７に取り付けられた後頭部押え８とを有する。フレーム４，５には、バンド７の長さを調整するためのラチェット機構（図示せず）を操作するつまみ４ａ，５ａがそれぞれ設けられている。つまみ４ａ，５ａを図１の矢印Ａ方向に動かすことにより、バンド７とともに後頭部押え８を前後に動かすことができる。これにより、本体２に設けられた前頭部押え６との間で観察者の頭部を挟み付けることができ、本体２が両眼の前に位置するようにヘッドマウントディスプレイ１を頭部に装着できる。
【００３７】
以上説明したように、本実施例では、アライメント調整工具２５でロックネジ１８を緩める操作を行い、さらにアライメント調整工具２５を傾ける操作を行うことで、可動部材１７を３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚに回動させることができる。このため、表示ユニット１０に対する３軸回りでの撮像ユニット２１のアライメント調整を同時に行うことができる。そして、調整後は、ロックネジ１８を締め込む操作を行うことで、可動部材１７を３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚにおいて同時に固定することができる。したがって、本実施例によれば、従来のように３軸回りでのアライメント調整において、軸ごとの操作を必要としたり、１つの軸回りでのアライメント調整が他の軸回りでのアライメントに影響するために再調整を繰り返す必要が生じたりすることを回避できる。
【００３８】
また、連結ユニット１５は、固定部材１６、可動部材１７及びロックネジ１８の少なくとも３部品があれば構成できるので、構造的にシンプルであり、また軽量であることが求められるヘッドマウントディスプレイ１に最適である。
【００３９】
また、本体２を小型にするためには、表示ユニット１０と撮像ユニット２１の間隔をできるだけ狭くする必要があり、そのためには、図２に示す連結ユニット１５の前後長ｄ１を小さくする必要がある。また、連結力（固定部材１６が可動部材１７を保持する強度）を大きくするためには、連結ユニット１５の球面の直径ｄ２を大きくする必要がある。本実施例にて説明した連結ユニット１５は、このような要求を満たすことができる構造を有する。さらに、アライメント調整工具２５を連結ユニット１５の軸方向（ｘ軸方向）に対して直交する方向から取り付けて調整作業が行えるので、調整スペースの確保が容易であり、作業性も良い。
【実施例２】
【００４０】
図７には、本発明の実施例２であるヘッドマウントディスプレイの連結ユニットの構成を示す。なお、本実施例において、実施例１と共通する構成要素には、図示しない場合でも実施例１と同符号を付す。また、図７には、後述する球面中心Ｃからずれた位置にｘ，ｙ，ｚ軸を示しているが、これらの３軸は実際には中心Ｃにおいて相互に直交する。
【００４１】
３０は実施例１に示した表示ユニット１０（又は支持部材１４）に一体的に取り付けられた固定部材であり、半球形状の凸球面３０ａと、半球状の突起３０ｂとを有する。突起３０ｂの頂点部は、固定部材３０の凸球面３０ａの中心Ｃと一致している。３１は実施例１に示した撮像ユニット２１に一体的に取り付けられた可動部材であり、固定部材３０の凸球面３０ａに当接する凹球面３１ａを有する。凸球面３０ａ及び凹球面３１ａは、互いに同一の中心Ｃ及び半径を有する。本実施例の連結機構も、球面座を用いたボールジョイントの１つである。
【００４２】
可動部材３１には、金属板等により構成された弾性を有するＬ字プレート３２の側面部３２ａが一体的に取り付けられている。Ｌ字プレート３２の上面部は、固定部材３０の突起３０ｂに当接している。
【００４３】
３３はボルト形状を有するロックネジである。このロックネジ３３の雄ネジ部は、Ｌ字プレート３２の上面に形成された穴部３２ｂを通して、可動部材３１に形成された雌ネジ部３１ｂに締め込まれている。このため、可動部材３１は、Ｌ字プレート３２が持つ弾性によって、凹球面３１ａが固定部材３０の凸球面３０ａに圧接するように付勢される。
【００４４】
可動部材３１は、その球面３１ａを摺動面として、球面中心Ｃを中心として固定部材３０に対して回動可能に保持される。そして、ロックネジ３３を締め込むことにより、可動部材３１は固定部材３０に対して固定される。
【００４５】
可動部材３１の側面には、調整軸３６が着脱可能に取り付けられている。また、ロックネジ３３の中心には。その軸方向に延びる貫通穴３３ａが形成されており、該ロックネジ３３の頭部には、六角穴部３３ｂが形成されている。
【００４６】
３５はアライメント調整工具であり、丸軸部３５ａ，３５ｃと、該丸軸部３５ａ，３５ｃとの間に設けられた六角部３５ｂとを有する。先端側の丸軸部３５ｃは、ロックネジ３３に形成された貫通穴３３ａに対して、挿抜可能に挿入される。また、六角部３５ｂは、ロックネジ３３の六角穴部３３ｂに着脱可能に係合する。
【００４７】
撮像ユニット２１の表示ユニット１０に対するアライメントを調整する場合には、図７に示すように、アライメント調整工具３５の軸部３５ｃをロックネジ３３の貫通穴３３ｂに挿入するとともに、六角部３５ｂをロックネジ３３の六角穴部３３ｂに係合させる。こうしてアライメント調整工具３５を可動部材３１に対して取り付ける。
【００４８】
そして、軸３５ａを回転させてロックネジ３３を適度に締め込み、Ｌ字プレート３２の弾性力によって両球面３０ａ，３１ａを軽く圧接させて、固定部材３０に対する可動部材３１の摺動がたを取り除く。その後、アライメント調整工具３５及び調整軸３６を傾けるように操作して、可動部材３１（撮像ユニット２１）を固定部材３０（表示ユニット１０）に対して３軸回り方向θｘ、θｙ、θｚに球面中心Ｃを中心として回動させる。これにより、撮像ユニット２１の表示ユニット１０に対するアライメントを調整する。
【００４９】
アライメント調整後は、アライメント調整工具３５によってロックネジ３３を強めに締め込み、可動部材３１を固定部材３０に対して固定する。そして、アライメント調整工具３５及び調整軸３６をそれぞれ、ロックネジ３３及び可動部材３１から取り外す。
【００５０】
本実施例によれば、球面３０ａ，３１ａを半球面としたことで、連結ユニットを高さ方向（ｙ軸方向）において、実施例１の概ね半分の大きさとすることができる。このため、スペース的に有利となる。また、Ｌ字プレート３２の弾性力によって両球面３０ａ，３１ａを圧接させた状態で摺動させることにより、摺動部のがたによる調整ずれやロックピン３３を締め込んだときの位置ずれを防止することができる。
【実施例３】
【００５１】
図８には、本発明の実施例３であるヘッドマウントディスプレイの構成を模式的に示す。図８のヘッドマウントディスプレイでは、実施例１で説明した連結ユニットを表示ユニットと撮像ユニット間だけでなく、左右の表示ユニット間にも設けている。
【００５２】
ヘッドマウントディスプレイは、観察者の右眼ＥＲに映像を提示する右側表示ユニット１０Ｒと、右側撮像ユニット２１Ｒと、これらを連結する連結ユニット１５Ｒとを有する。また、ヘッドマウントディスプレイは、観察者の左眼ＥＬに映像を提示する左側表示ユニット１０Ｌと、左側撮像ユニット２１Ｌと、これらを連結する連結ユニット１５Ｌとを有する。さらに、右側表示ユニット１０Ｒと右側表示ユニット１０Ｒを連結する連結ユニット１５Ｃを有する。
【００５３】
連結ユニット１５Ｒにより、右側表示ユニット１０Ｒに対して右側撮像ユニット２１Ｒのアライメントが実施例１で説明した方法により調整される。また、同様に、連結ユニット１５Ｌにより、左側表示ユニット１０Ｌに対する左側撮像ユニット２１Ｌのアライメントが調整される。さらに、同様に、連結ユニット１５Ｃにより、右側表示ユニット１０Ｒに対する左側表示ユニット１０Ｌのアライメントが調整される。このようにして観察者の両眼ＥＲ，ＥＬに対する各ユニットのアライメントが調整される。
【００５４】
なお、本実施例では、実施例１で説明した連結ユニットを使用しているが、これに代えて実施例２で説明した連結ユニットを用いてもよい。このことは、後述する他の実施例でも同様である。
【実施例４】
【００５５】
図９には、本発明の実施例４であるヘッドマウントディスプレイの構成を模式的に示す。実施例３（図８）に示したヘッドマウントディスプレイの構成では、各撮像ユニットの各表示ユニットに対するアライメント調整時に、調整者による力が表示ユニット側に作用する。このため、表示ユニットにはその力が作用しても変形しないような剛性を必要とする。したがって、表示ユニットの重量が増し、ヘッドマウントディスプレイ全体の重量が増加する可能性がある。
【００５６】
本実施例のヘッドマウントディスプレイは、そのような重量増加を回避できる構成を有する。すなわち、本実施例のヘッドマウントディスプレイは、各ユニットの支持ベースとなる基台（支持部材）４０を有する。そして、この基台４０に対して、連結ユニット１５Ｒ１，１５Ｒ２，１５Ｌ１，１５Ｌ２を用いて左右の表示ユニット１０Ｒ，１０Ｌ及び左右の撮像ユニット２１Ｒ，２１Ｌを連結している。
【００５７】
これにより、基台４０を治具に固定しておけば、各ユニットのアライメント調整時に調整者による荷重が作用しても、その荷重は直接他のユニットに作用しない。したがって、表示ユニットや撮像ユニットの変形を防止するために該ユニットの剛性を上げる必要がなくなり、軽量化が図れる。
【実施例５】
【００５８】
図１０には、本発明の実施例５であるヘッドマウントディスプレイの構成を模式的に示す。
【００５９】
本実施例のヘッドマウントディスプレイでは、実施例１で説明した連結ユニット１５Ｃ１，１５Ｒを、左右の表示ユニット１０Ｒ，１０Ｌの間と、右側の表示ユニット１０Ｒと右側の撮像ユニット２１Ｒとの間にそれぞれ設けている。さらに、左右の撮像ユニット２１Ｒ，２１Ｌの間にも実施例１で説明した連結ユニット１５Ｃ２を設けている。
【００６０】
連結ユニット１５Ｒにより、右側表示ユニット１０Ｒに対して右側撮像ユニット２１Ｒのアライメントが実施例１で説明した方法により調整される。また、同様に、連結ユニット１５Ｃ１により、右側表示ユニット１０Ｒに対する左側表示ユニット１０Ｌのアライメントが調整される。さらに、連結ユニット１５Ｃ２により、右側撮像ユニット２１Ｒに対する左側撮像ユニット２１Ｌのアライメントが調整される。
【００６１】
このようにして観察者の両眼ＥＲ，ＥＬに対する各ユニットのアライメントが調整される。
【００６２】
以上説明したように、上記各実施例によれば、撮像ユニット又は表示ユニットの直交３軸回りでのアライメント調整と調整後の固定とを同時に、つまりは軸ごとの調整と固定を必要とすることなく行うことができる。したがって、１つの軸回りでのアライメント調整後に他の軸回りでのアライメント調整をすることで、はじめの軸回りでのアライメントにずれが生じ、再度その軸回りでのアライメント調整をし直すという手間をなくすることができる。
【００６３】
また、連結ユニットにおける固定と固定解除を行うための操作部材が、アライメント調整操作を行う工具を兼ねているため、調整作業を行い易くすることができる。
【００６４】
なお、上記各実施例では、表示ユニットに対して撮像ユニットを連結ユニットにより回動可能に連結する場合について説明したが、撮像ユニットに対して表示ユニットを回動可能に連結するようにしてもよい。
【００６５】
また、上記各実施例では、表示ユニット及び撮像ユニットを左右一対ずつ有するヘッドマウントディスプレイについて説明した。しかし、本発明は、片眼観察のために１つの表示ユニットと１つの撮像ユニットを有するヘッドマウントディスプレイにも適用することができる。また、表示ユニットと撮像ユニットのうち一方が左右一対で、他方が１つ（左右共通）のヘッドマウントディスプレイにも本発明を適用することができる。
【００６６】
さらに、本発明は、撮像ユニットを有さず、左右の表示ユニットを有するビデオシースル型ではないヘッドマウントディスプレイにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施例１であるシースル型ヘッドマウントディスプレイを示す斜視図。
【図２】実施例１のヘッドマウントディスプレイの本体内の構成を示す概略図。
【図３】実施例１のヘッドマウントディスプレイの連結ユニットを示す拡大側面図。
【図４】実施例１のヘッドマウントディスプレイの４は連結ユニットを示す正面断面図（図３におけるＢ−Ｂ線断面図）。
【図５】実施例１のアライメント調整工具を示す斜視図。
【図６】実施例１のアライメント調整方法を示す説明図。
【図７】本発明の実施例２であるヘッドマウントディスプレイの連結ユニットを示す正面図。
【図８】本発明の実施例３であるヘッドマウントディスプレイの構成を示す上面図。
【図９】本発明の実施例４であるヘッドマウントディスプレイの構成を示す上面図。
【図１０】本発明の実施例５であるヘッドマウントディスプレイの構成を示す上面図。
【符号の説明】
【００６８】
１ ビデオシースル型ヘッドマウントディスプレイ
２ 本体
３ 装着機構
１０，１０Ｒ，１０Ｌ 表示ユニット
１１ プリズムレンズ
１２ 表示パネル
１４ 支持部材
１５，１５Ｃ，１５Ｒ，１５Ｌ，１５Ｃ１，１５Ｃ２，１５Ｒ１，１５Ｒ２，１５Ｌ１，１５Ｌ２ 連結ユニット
１６，３０ 固定部材
１７，３１ 可動部材
１８，３３ ロックネジ
２１，２１Ｒ，２１Ｌ 撮像ユニット
２２ 撮像光学系
２３ 撮像素子
２５，３５ アライメント調整工具
３２ Ｌ字プレート
３６ 調整軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置に関し、さらに詳しくは、該画像表示装置における表示ユニットや撮像ユニットの直交３軸回りでのアライメント調整機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
観察者の頭部に装着してその眼前に映像を提示するヘッドマウントディスプレイには、撮像ユニットを搭載し、撮像により取得した外界映像を提示したり、外界映像にＣＧ（コンピュータグラフィックス）映像を合成した映像を提示したりするものがある。撮像ユニットを搭載したヘッドマウントディスプレイは、ビデオシースル型ヘッドマウントディスプレイとも称される。
【０００３】
ビデオシースル型ヘッドマウントディスプレイにおいて、観察者が実際に眼で見るのと同じ映像を提示するためには、観察者の視線方向と撮像ユニットによる撮像方向とを光学的に一致させる必要がある。すなわち、ヘッドマウントディスプレイにおいて、観察者が見る表示ユニット（表示素子に表示された映像を観察者に拡大提示する光学系）と撮像ユニットとのアライメントが一定の関係になっている必要がある。
【０００４】
また、観察者の両眼に対して映像を提示する場合は、左右の表示ユニットのアライメントも重要である。例えば、左右の表示ユニットが上下方向にずれている場合は、左右の眼に提示された画像が上下方向にずれることになり、映像が二重に見えたり、眼を疲労させたりする。さらに、左右の提示映像が左右方向にずれている場合は、映像内の観察対象物に対する輻輳が実際の観察対象物に対する輻輳とは異なり、観察者の距離感に影響を及ぼす。このような左右の提示映像のずれが生じないようにするためには、左右の表示ユニットと撮像ユニットの相互間のアライメントを、上下方向、左右方向及び回転方向で高精度に調整する必要がある。
【０００５】
光学系のアライメント調整構造としては、特許文献１にて開示されているように、調整対象物（特許文献１では、ＣＣＤセンサ等の撮像素子）を互いに直交する２軸回りでの回動位置（傾き）を調整可能とするものがある。具体的には、撮像素子を固定したマウント台を鋼球に押し当て、該鋼球を中心としてマウントに設けた２箇所の傾斜部に調整ビスを押し当てることで、上下方向及び左右方向の傾き調整を行う。
【特許文献１】特開２００５−１１７２５３号公報（段落００１３〜００１９、００２５、図５等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されたアライメント調整構造も含めて、従来の多軸回りでの傾き調整が可能な構造では、軸ごとに調整のための操作（例えば、調整ねじの操作）をする必要がある。例えば、直交３軸（ｘ，ｙ，ｚ軸）回りでの回動調整に際しては、まずｘ軸回りで調整対象物を回動させるために第１の調整ねじを操作して上下方向での傾きを調整し、次に、ｙ軸回りで回動させるために第２の調整ねじを操作して左右方向の傾きを調整する。そして、最後にｚ軸回りで調整対象物を回動させるために第３の調整ねじを操作して、光軸回りでの回転位置を調整する。
【０００７】
しかしながら、このように軸ごとの操作が必要な多軸回りの調整構造では、軸ごとの調整機構が互いに独立していれば問題はないが、実際には、構造的に完全に独立させることは難しい。また、軸ごとに、調整対象物の荷重を支持する部品の変形の影響が異なることで、全ての軸回りでの高精度な調整が難しい。
【０００８】
したがって、従来は、例えば、上下方向の傾きを調整した後に左右方向の傾きを調整すると、その影響で上下方向の傾きが変化するために、再度上下方向の傾きを調整し直すというように、調整に手間がかかるという問題がある。
【０００９】
そこで本発明は、表示ユニットや撮像ユニットの直交３軸回りでの回動調整を一括して行えるようにしたヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置を提供することを目的の１つとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面としての画像表示装置は、撮像素子を含む撮像ユニットと、該撮像素子からの出力を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、撮像ユニット及び表示ユニットのうち一方のユニットに対して他方のユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構とを有する。そして、連結機構における他方のユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の他の側面としての画像表示装置は、それぞれ画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む第１及び第２の表示ユニットと、第１及び第２の表示ユニットのうち一方の表示ユニットに対して他方の表示ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構とを有する。そして、連結機構における他方の表示ユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材を有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の他の側面としての画像表示装置は、撮像素子を含む撮像ユニットと、該撮像素子からの出力を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、撮像ユニットの支持ベースとなるベース部材と、該ベース部材に対して撮像ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構とを有する。そして、連結機構における撮像ユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の他の側面としての画像表示装置は、画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、表示ユニットの支持ベースとなるベース部材と、該ベース部材に対して表示ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構とを有する。そして、連結機構における表示ユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の他の側面としての画像表示装置は、それぞれ撮像素子を含む第１および第２の撮像ユニットと、第１及び第２の撮像ユニットの撮像素子からの信号を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、第１及び第２の撮像ユニットのうち一方の撮像ユニットに対して他方の撮像ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構とを有する。そして、連結機構における他方の撮像ユニットの３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材を有することを特徴とする。
【００１５】
なお、上記画像表示装置と、該画像表示装置に対して画像を供給する画像供給装置とを有する画像表示システムも本発明の他の側面を構成する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、単一のロック部材を操作することで、調整対象ユニット（撮像ユニットや表示ユニット）の直交３軸回りでの調整を行うことが可能となり、かつ調整後の固定も可能となる。したがって、３軸回りでのアライメント調整を容易かつ短時間で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１には、本発明の実施例１であるビデオシースル型ヘッドマウントディスプレイ（画像表示装置）の外観を示す。ヘッドマウントディスプレイ１は、後述する表示ユニット及び撮像ユニットを収容した本体２と、該本体２を観察者の眼前に配置するようヘッドマウントディスプレイ１を頭部に装着するための装着機構３とを有する。２ａは、本体２の前面に形成された窓であり、撮像ユニットはこの窓２ａを通して外界像を撮像する。
【００１９】
本体２内には、図２に示すように、表示ユニット１０と、撮像ユニット２１と、これらを連結する連結ユニット１５とが収容されている。図２には、片眼用の構成しか示していないが、実際には、表示ユニット１０、撮像ユニット２１及び連結ユニット１５はそれぞれ、観察者の両眼に対して映像を提示できるように、左右一対ずつ設けられている。
【００２０】
表示ユニット１０は、不図示の光源と、液晶パネル等の表示パネル（表示素子）１２と、該パネル１２に表示された映像を虚像として観察者の眼Ｅに提示するための観察光学系を構成するプリズムレンズ１１とを有する。表示ユニット１０は、支持部材１４によって所定の位置に保持されている。
【００２１】
撮像ユニット２１は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子２３と、外界像を撮像素子２３上に結像させるための撮像光学系２２により構成されている。
【００２２】
図２中、一点鎖線で示すＬ１，Ｌ２は、観察光学系の光軸（ここでは、パネル１２の表示領域の中心から射出瞳の中心に至る中心主光線の辿る光路の意味）を示す。また、Ｌ２は、表示される画像の中心に向かう観察者の眼Ｅの視線も示す。
【００２３】
また、一点鎖線Ｌ３は、撮像ユニット２１（撮像光学系２２）の光軸を示す。そして、観察者の眼Ｅの視線Ｌ２と撮像ユニット２１の光軸Ｌ３とを一致させることにより、観察者は、外界像を自分の眼Ｅで見るのと同じ感覚で、撮像ユニット２１により取得された外界像の映像を見ることができる。表示パネル１２に表示される映像は、撮像素子２３からの信号を、パーソナルコンピュータや映像処理装置等の画像供給装置５０で処理して生成され、該画像供給装置５０から供給される。ヘッドマウントディスプレイ１と画像供給装置５０とにより画像表示システムが構成される。
【００２４】
連結ユニット１５は、図３にも拡大して示すように、表示ユニット１０に一体的に取り付けられ、凸球面１６ａを有する固定部材１６を有する。また、連結ユニット１５は、撮像ユニット２１に一体的に取り付けられ、凸球面１６ａと同一中心Ｃ及び同一直径ｄ２の凹球面１７ａを有する可動部材１７を有する。固定部材１６の凸球面１６ａと可動部材１７の凹球面１７ａは互いに当接している。このため、可動部材１７は、固定部材１６に対して球面１６ａ，１７ａの中心Ｃを中心として、図２に示す相互に直交する３軸（ｘ，ｙ，ｚ軸）回り方向θｘ，θｙ，θｚ、つまりは任意の方向に回動可能である。前述したように、固定部材１６及び可動部材１７はそれぞれ、表示ユニット１０及び撮像ユニット２１に一体的に設けられている。このため、連結ユニット１５は、表示ユニット１０に対して撮像ユニット２１を３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚに回動可能に連結（保持）する連結機構として機能する。この連結ユニット１５は、球面座を用いたいわゆるボールジョイントである。
【００２５】
なお、図２には、中心Ｃからずれた位置にｘ，ｙ，ｚ軸を示しているが、これらの３軸は実際には中心Ｃにおいて相互に直交する。ｚ軸は、表示ユニット１０及び撮像ユニット２１の左右方向（図２の紙面に垂直な方向）に延び、ｙ軸は上下方向に延びている。また、ｘ軸は観察者の視線Ｌ２の方向に延びている。
【００２６】
可動部材１７には、回転中心Ｃに向かって延びる雌ネジ穴１７ｃが形成されており、該雌ネジ穴１７ｃには、単一のロック部材としてのロックネジ１８がねじ込まれている。
【００２７】
ロックネジ１８の下端部には、固定部材１６の凸球面１６ａに当接する当接部材１９が固定されている。この当接部材１９は、凸球面１６ａとの摺動性を良くするための部材である。ロックネジ１８を強めに締め込んで凹球面１７ａと凸球面１６ａとを強く圧接させることで、可動部材１７（撮像ユニット２１）は固定部材１６（表示ユニット１０）に対して３軸回りでの回動が阻止された状態、すなわち固定された状態となる。また、ロックネジ１８を緩めて凹球面１７ａと凸球面１６ａとを軽く圧接させることで、可動部材１７（撮像ユニット２１）は固定部材１６（表示ユニット１０）に対して３軸回りでの回動が許容された状態、すなわち固定が解除された状態となる。
【００２８】
図３に示すように、ロックネジ１８の頭部には、六角形状の穴部（六角穴部）１８ａが形成されている。この六角穴部１８ａには、操作部材としてのアライメント調整工具２５を構成する軸２７の六角部が係合する。また、図４に示すように、可動部材１７の外周面には、雌ネジ穴１７ｃを通ってｚ軸方向に延びる溝部１７ｂが形成されている。図４は、図３に示す連結ユニット１５をＢ−Ｂ線で切断して矢印方向から見た断面を示している。
【００２９】
ここで、図５には、アライメント調整工具２５を示す。アライメント調整工具２５は、円筒部２６と、該円筒部２６に対して回転自在に取り付けられた軸２７とにより構成されている。円筒部２６の先端外周部には突起２６ａが設けられている。これら突起２６ａは可動部材１７に形成された溝部１７ｂに係合可能な形状を有する。軸２７の先端には、ロックネジ１８の六角穴部１８ａに係合可能な六角部２７ａが形成されている。アライメント調整工具２５は、可動部材１７及びロックネジ１８に対して着脱が可能である。
【００３０】
表示ユニット１０の光軸Ｌ２に対して撮像ユニット２１の光軸Ｌ３の位置を調整する場合、調整工具２５の突起部２６ａと軸２７の六角部２７ａをそれぞれ、図４に示すように可動部材１７の溝部１７ｂとロックネジ１８の六角穴部１８ａに係合させる。
【００３１】
次に、軸部２７を円筒部２６に対して回転させてロックネジ１８をある程度まで締め込む。締め込み量を適度に設定し、凹球面１７ａと凸球面１６とを軽く圧接させることで、可動部材１７のがたつきを防止できる。これにより、アライメント調整精度を上げることができる。
【００３２】
そして、アライメント調整工具２５の全体を、３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚに傾けるように動かすことで、可動部材１７を固定部材１６に対して３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚに回動させることができる。これにより、球面中心Ｃを中心とした撮像ユニット２１の表示ユニット１０に対する３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚでのアライメント調整を行うことができる。
【００３３】
アライメント調整は、図６に示すように、表示ユニット１０の光軸（視線）Ｌ２の延長線上にある表示中心（虚像点）Ｐ１と撮像ユニット２１の光軸Ｌ３の延長線上にある撮像中心Ｐ２との上下及び左右方向の位置が一致するように行う。また、アライメント調整は、表示画像の回転角度（画像の長辺）が外界の水平ラインに一致するように行う。
【００３４】
アライメント調整が終了した場合は、軸２７を円筒部２６に対して回転させてロックネジ１８を締め込み、固定部材１６に対して可動部材１７を固定する。なお、ロックネジ１８の締め込みに伴って可動部材１７がｙ軸回りで回動する可能性があるため、可動部材１７に係合している円筒部２６を調整者がｙ軸回りで回転しないように保持することで、これを防止することができる。固定部材１６に対して可動部材１７を固定した後は、アライメント調整工具２５を可動部材１７及びロックネジ１８から取り外す。
【００３５】
なお、連結ユニット１５の球面中心（回動中心）Ｃと撮像ユニット２１の撮像中心Ｐ２が観察者の視線Ｌ２の延長線上にない場合は、視線Ｌ２と撮像ユニット２１の光軸Ｌ３とが角度的にずれてしまう。しかし、表示ユニット１０と撮像ユニット２１の位置ずれは主として取付け誤差によるものであり、実際には０．５ｍｍ程度である。これは、表示中心Ｐ１及び撮像中心Ｐ２までの距離（２ｍ）に対してわずかであるので、上記角度ずれは実用上無視できる。
【００３６】
装着機構３は、本体２に対して固定された（又は一体形成された）左右に延びるフレーム４，５と、それらの後端部を連結する可撓性のバンド７と、バンド７に取り付けられた後頭部押え８とを有する。フレーム４，５には、バンド７の長さを調整するためのラチェット機構（図示せず）を操作するつまみ４ａ，５ａがそれぞれ設けられている。つまみ４ａ，５ａを図１の矢印Ａ方向に動かすことにより、バンド７とともに後頭部押え８を前後に動かすことができる。これにより、本体２に設けられた前頭部押え６との間で観察者の頭部を挟み付けることができ、本体２が両眼の前に位置するようにヘッドマウントディスプレイ１を頭部に装着できる。
【００３７】
以上説明したように、本実施例では、アライメント調整工具２５でロックネジ１８を緩める操作を行い、さらにアライメント調整工具２５を傾ける操作を行うことで、可動部材１７を３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚに回動させることができる。このため、表示ユニット１０に対する３軸回りでの撮像ユニット２１のアライメント調整を同時に行うことができる。そして、調整後は、ロックネジ１８を締め込む操作を行うことで、可動部材１７を３軸回り方向θｘ，θｙ，θｚにおいて同時に固定することができる。したがって、本実施例によれば、従来のように３軸回りでのアライメント調整において、軸ごとの操作を必要としたり、１つの軸回りでのアライメント調整が他の軸回りでのアライメントに影響するために再調整を繰り返す必要が生じたりすることを回避できる。
【００３８】
また、連結ユニット１５は、固定部材１６、可動部材１７及びロックネジ１８の少なくとも３部品があれば構成できるので、構造的にシンプルであり、また軽量であることが求められるヘッドマウントディスプレイ１に最適である。
【００３９】
また、本体２を小型にするためには、表示ユニット１０と撮像ユニット２１の間隔をできるだけ狭くする必要があり、そのためには、図２に示す連結ユニット１５の前後長ｄ１を小さくする必要がある。また、連結力（固定部材１６が可動部材１７を保持する強度）を大きくするためには、連結ユニット１５の球面の直径ｄ２を大きくする必要がある。本実施例にて説明した連結ユニット１５は、このような要求を満たすことができる構造を有する。さらに、アライメント調整工具２５を連結ユニット１５の軸方向（ｘ軸方向）に対して直交する方向から取り付けて調整作業が行えるので、調整スペースの確保が容易であり、作業性も良い。
【実施例２】
【００４０】
図７には、本発明の実施例２であるヘッドマウントディスプレイの連結ユニットの構成を示す。なお、本実施例において、実施例１と共通する構成要素には、図示しない場合でも実施例１と同符号を付す。また、図７には、後述する球面中心Ｃからずれた位置にｘ，ｙ，ｚ軸を示しているが、これらの３軸は実際には中心Ｃにおいて相互に直交する。
【００４１】
３０は実施例１に示した表示ユニット１０（又は支持部材１４）に一体的に取り付けられた固定部材であり、半球形状の凸球面３０ａと、半球状の突起３０ｂとを有する。突起３０ｂの頂点部は、固定部材３０の凸球面３０ａの中心Ｃと一致している。３１は実施例１に示した撮像ユニット２１に一体的に取り付けられた可動部材であり、固定部材３０の凸球面３０ａに当接する凹球面３１ａを有する。凸球面３０ａ及び凹球面３１ａは、互いに同一の中心Ｃ及び半径を有する。本実施例の連結機構も、球面座を用いたボールジョイントの１つである。
【００４２】
可動部材３１には、金属板等により構成された弾性を有するＬ字プレート３２の側面部３２ａが一体的に取り付けられている。Ｌ字プレート３２の上面部は、固定部材３０の突起３０ｂに当接している。
【００４３】
３３はボルト形状を有するロックネジである。このロックネジ３３の雄ネジ部は、Ｌ字プレート３２の上面に形成された穴部３２ｂを通して、可動部材３１に形成された雌ネジ部３１ｂに締め込まれている。このため、可動部材３１は、Ｌ字プレート３２が持つ弾性によって、凹球面３１ａが固定部材３０の凸球面３０ａに圧接するように付勢される。
【００４４】
可動部材３１は、その球面３１ａを摺動面として、球面中心Ｃを中心として固定部材３０に対して回動可能に保持される。そして、ロックネジ３３を締め込むことにより、可動部材３１は固定部材３０に対して固定される。
【００４５】
可動部材３１の側面には、調整軸３６が着脱可能に取り付けられている。また、ロックネジ３３の中心には。その軸方向に延びる貫通穴３３ａが形成されており、該ロックネジ３３の頭部には、六角穴部３３ｂが形成されている。
【００４６】
３５はアライメント調整工具であり、丸軸部３５ａ，３５ｃと、該丸軸部３５ａ，３５ｃとの間に設けられた六角部３５ｂとを有する。先端側の丸軸部３５ｃは、ロックネジ３３に形成された貫通穴３３ａに対して、挿抜可能に挿入される。また、六角部３５ｂは、ロックネジ３３の六角穴部３３ｂに着脱可能に係合する。
【００４７】
撮像ユニット２１の表示ユニット１０に対するアライメントを調整する場合には、図７に示すように、アライメント調整工具３５の軸部３５ｃをロックネジ３３の貫通穴３３ｂに挿入するとともに、六角部３５ｂをロックネジ３３の六角穴部３３ｂに係合させる。こうしてアライメント調整工具３５を可動部材３１に対して取り付ける。
【００４８】
そして、軸３５ａを回転させてロックネジ３３を適度に締め込み、Ｌ字プレート３２の弾性力によって両球面３０ａ，３１ａを軽く圧接させて、固定部材３０に対する可動部材３１の摺動がたを取り除く。その後、アライメント調整工具３５及び調整軸３６を傾けるように操作して、可動部材３１（撮像ユニット２１）を固定部材３０（表示ユニット１０）に対して３軸回り方向θｘ、θｙ、θｚに球面中心Ｃを中心として回動させる。これにより、撮像ユニット２１の表示ユニット１０に対するアライメントを調整する。
【００４９】
アライメント調整後は、アライメント調整工具３５によってロックネジ３３を強めに締め込み、可動部材３１を固定部材３０に対して固定する。そして、アライメント調整工具３５及び調整軸３６をそれぞれ、ロックネジ３３及び可動部材３１から取り外す。
【００５０】
本実施例によれば、球面３０ａ，３１ａを半球面としたことで、連結ユニットを高さ方向（ｙ軸方向）において、実施例１の概ね半分の大きさとすることができる。このため、スペース的に有利となる。また、Ｌ字プレート３２の弾性力によって両球面３０ａ，３１ａを圧接させた状態で摺動させることにより、摺動部のがたによる調整ずれやロックピン３３を締め込んだときの位置ずれを防止することができる。
【実施例３】
【００５１】
図８には、本発明の実施例３であるヘッドマウントディスプレイの構成を模式的に示す。図８のヘッドマウントディスプレイでは、実施例１で説明した連結ユニットを表示ユニットと撮像ユニット間だけでなく、左右の表示ユニット間にも設けている。
【００５２】
ヘッドマウントディスプレイは、観察者の右眼ＥＲに映像を提示する右側表示ユニット１０Ｒと、右側撮像ユニット２１Ｒと、これらを連結する連結ユニット１５Ｒとを有する。また、ヘッドマウントディスプレイは、観察者の左眼ＥＬに映像を提示する左側表示ユニット１０Ｌと、左側撮像ユニット２１Ｌと、これらを連結する連結ユニット１５Ｌとを有する。さらに、右側表示ユニット１０Ｒと右側表示ユニット１０Ｒを連結する連結ユニット１５Ｃを有する。
【００５３】
連結ユニット１５Ｒにより、右側表示ユニット１０Ｒに対して右側撮像ユニット２１Ｒのアライメントが実施例１で説明した方法により調整される。また、同様に、連結ユニット１５Ｌにより、左側表示ユニット１０Ｌに対する左側撮像ユニット２１Ｌのアライメントが調整される。さらに、同様に、連結ユニット１５Ｃにより、右側表示ユニット１０Ｒに対する左側表示ユニット１０Ｌのアライメントが調整される。このようにして観察者の両眼ＥＲ，ＥＬに対する各ユニットのアライメントが調整される。
【００５４】
なお、本実施例では、実施例１で説明した連結ユニットを使用しているが、これに代えて実施例２で説明した連結ユニットを用いてもよい。このことは、後述する他の実施例でも同様である。
【実施例４】
【００５５】
図９には、本発明の実施例４であるヘッドマウントディスプレイの構成を模式的に示す。実施例３（図８）に示したヘッドマウントディスプレイの構成では、各撮像ユニットの各表示ユニットに対するアライメント調整時に、調整者による力が表示ユニット側に作用する。このため、表示ユニットにはその力が作用しても変形しないような剛性を必要とする。したがって、表示ユニットの重量が増し、ヘッドマウントディスプレイ全体の重量が増加する可能性がある。
【００５６】
本実施例のヘッドマウントディスプレイは、そのような重量増加を回避できる構成を有する。すなわち、本実施例のヘッドマウントディスプレイは、各ユニットの支持ベースとなる基台（支持部材）４０を有する。そして、この基台４０に対して、連結ユニット１５Ｒ１，１５Ｒ２，１５Ｌ１，１５Ｌ２を用いて左右の表示ユニット１０Ｒ，１０Ｌ及び左右の撮像ユニット２１Ｒ，２１Ｌを連結している。
【００５７】
これにより、基台４０を治具に固定しておけば、各ユニットのアライメント調整時に調整者による荷重が作用しても、その荷重は直接他のユニットに作用しない。したがって、表示ユニットや撮像ユニットの変形を防止するために該ユニットの剛性を上げる必要がなくなり、軽量化が図れる。
【実施例５】
【００５８】
図１０には、本発明の実施例５であるヘッドマウントディスプレイの構成を模式的に示す。
【００５９】
本実施例のヘッドマウントディスプレイでは、実施例１で説明した連結ユニット１５Ｃ１，１５Ｒを、左右の表示ユニット１０Ｒ，１０Ｌの間と、右側の表示ユニット１０Ｒと右側の撮像ユニット２１Ｒとの間にそれぞれ設けている。さらに、左右の撮像ユニット２１Ｒ，２１Ｌの間にも実施例１で説明した連結ユニット１５Ｃ２を設けている。
【００６０】
連結ユニット１５Ｒにより、右側表示ユニット１０Ｒに対して右側撮像ユニット２１Ｒのアライメントが実施例１で説明した方法により調整される。また、同様に、連結ユニット１５Ｃ１により、右側表示ユニット１０Ｒに対する左側表示ユニット１０Ｌのアライメントが調整される。さらに、連結ユニット１５Ｃ２により、右側撮像ユニット２１Ｒに対する左側撮像ユニット２１Ｌのアライメントが調整される。
【００６１】
このようにして観察者の両眼ＥＲ，ＥＬに対する各ユニットのアライメントが調整される。
【００６２】
以上説明したように、上記各実施例によれば、撮像ユニット又は表示ユニットの直交３軸回りでのアライメント調整と調整後の固定とを同時に、つまりは軸ごとの調整と固定を必要とすることなく行うことができる。したがって、１つの軸回りでのアライメント調整後に他の軸回りでのアライメント調整をすることで、はじめの軸回りでのアライメントにずれが生じ、再度その軸回りでのアライメント調整をし直すという手間をなくすることができる。
【００６３】
また、連結ユニットにおける固定と固定解除を行うための操作部材が、アライメント調整操作を行う工具を兼ねているため、調整作業を行い易くすることができる。
【００６４】
なお、上記各実施例では、表示ユニットに対して撮像ユニットを連結ユニットにより回動可能に連結する場合について説明したが、撮像ユニットに対して表示ユニットを回動可能に連結するようにしてもよい。
【００６５】
また、上記各実施例では、表示ユニット及び撮像ユニットを左右一対ずつ有するヘッドマウントディスプレイについて説明した。しかし、本発明は、片眼観察のために１つの表示ユニットと１つの撮像ユニットを有するヘッドマウントディスプレイにも適用することができる。また、表示ユニットと撮像ユニットのうち一方が左右一対で、他方が１つ（左右共通）のヘッドマウントディスプレイにも本発明を適用することができる。
【００６６】
さらに、本発明は、撮像ユニットを有さず、左右の表示ユニットを有するビデオシースル型ではないヘッドマウントディスプレイにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施例１であるシースル型ヘッドマウントディスプレイを示す斜視図。
【図２】実施例１のヘッドマウントディスプレイの本体内の構成を示す概略図。
【図３】実施例１のヘッドマウントディスプレイの連結ユニットを示す拡大側面図。
【図４】実施例１のヘッドマウントディスプレイの４は連結ユニットを示す正面断面図（図３におけるＢ−Ｂ線断面図）。
【図５】実施例１のアライメント調整工具を示す斜視図。
【図６】実施例１のアライメント調整方法を示す説明図。
【図７】本発明の実施例２であるヘッドマウントディスプレイの連結ユニットを示す正面図。
【図８】本発明の実施例３であるヘッドマウントディスプレイの構成を示す上面図。
【図９】本発明の実施例４であるヘッドマウントディスプレイの構成を示す上面図。
【図１０】本発明の実施例５であるヘッドマウントディスプレイの構成を示す上面図。
【符号の説明】
【００６８】
１ ビデオシースル型ヘッドマウントディスプレイ
２ 本体
３ 装着機構
１０，１０Ｒ，１０Ｌ 表示ユニット
１１ プリズムレンズ
１２ 表示パネル
１４ 支持部材
１５，１５Ｃ，１５Ｒ，１５Ｌ，１５Ｃ１，１５Ｃ２，１５Ｒ１，１５Ｒ２，１５Ｌ１，１５Ｌ２ 連結ユニット
１６，３０ 固定部材
１７，３１ 可動部材
１８，３３ ロックネジ
２１，２１Ｒ，２１Ｌ 撮像ユニット
２２ 撮像光学系
２３ 撮像素子
２５，３５ アライメント調整工具
３２ Ｌ字プレート
３６ 調整軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子を含む撮像ユニットと、
該撮像素子からの出力を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、
前記撮像ユニット及び前記表示ユニットのうち一方のユニットに対して他方のユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構と、
前記連結機構における前記他方のユニットの前記３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記撮像ユニット及び前記表示ユニットをそれぞれ一対ずつ有し、
前記連結機構及び前記ロック部材を、前記一方のユニットごとに有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
それぞれ画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む第１及び第２の表示ユニットと、
前記第１及び第２の表示ユニットのうち一方の表示ユニットに対して他方の表示ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構と、
前記連結機構における前記他方の表示ユニットの前記３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
撮像素子を含む撮像ユニットと、
該撮像素子からの出力を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、
前記撮像ユニットの支持ベースとなるベース部材と、
該ベース部材に対して前記撮像ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構と、
前記連結機構における前記撮像ユニットの前記３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
前記撮像ユニット及び前記表示ユニットをそれぞれ一対ずつ有し、
前記連結機構及び前記ロック部材を、前記撮像ユニットごとに有することを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
【請求項６】
画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、
前記表示ユニットの支持ベースとなるベース部材と、
該ベース部材に対して前記表示ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構と、
前記連結機構における前記表示ユニットの前記３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
前記撮像ユニット及び前記表示ユニットをそれぞれ一対ずつ有し、
前記連結機構及び前記ロック部材を、前記表示ユニットごとに有することを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項８】
それぞれ撮像素子を含む第１および第２の撮像ユニットと、
前記第１及び第２の撮像ユニットの撮像素子からの信号を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、
前記第１及び第２の撮像ユニットのうち一方の撮像ユニットに対して他方の撮像ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構と、
前記連結機構における前記他方の撮像ユニットの前記３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
前記連結機構は、凸球面と凹球面とを相対回動可能に当接させる機構であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記ロック部材に対して着脱可能に取り付けられ、該ロック部材を操作する操作部材を有し、
前記連結機構は、前記ロック部材に取り付けられた前記操作部材によって該連結機構により連結されたユニットを前記３軸回りで回動させる構造を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１つに記載の画像表示装置と、
該画像表示装置に対して画像を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【請求項１】
撮像素子を含む撮像ユニットと、
該撮像素子からの出力を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、
前記撮像ユニット及び前記表示ユニットのうち一方のユニットに対して他方のユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構と、
前記連結機構における前記他方のユニットの前記３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記撮像ユニット及び前記表示ユニットをそれぞれ一対ずつ有し、
前記連結機構及び前記ロック部材を、前記一方のユニットごとに有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
それぞれ画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む第１及び第２の表示ユニットと、
前記第１及び第２の表示ユニットのうち一方の表示ユニットに対して他方の表示ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構と、
前記連結機構における前記他方の表示ユニットの前記３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
撮像素子を含む撮像ユニットと、
該撮像素子からの出力を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、
前記撮像ユニットの支持ベースとなるベース部材と、
該ベース部材に対して前記撮像ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構と、
前記連結機構における前記撮像ユニットの前記３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
前記撮像ユニット及び前記表示ユニットをそれぞれ一対ずつ有し、
前記連結機構及び前記ロック部材を、前記撮像ユニットごとに有することを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
【請求項６】
画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、
前記表示ユニットの支持ベースとなるベース部材と、
該ベース部材に対して前記表示ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構と、
前記連結機構における前記表示ユニットの前記３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
前記撮像ユニット及び前記表示ユニットをそれぞれ一対ずつ有し、
前記連結機構及び前記ロック部材を、前記表示ユニットごとに有することを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項８】
それぞれ撮像素子を含む第１および第２の撮像ユニットと、
前記第１及び第２の撮像ユニットの撮像素子からの信号を用いて生成された画像を表示する表示素子及び該表示素子に表示された画像を観察する観察光学系を含む表示ユニットと、
前記第１及び第２の撮像ユニットのうち一方の撮像ユニットに対して他方の撮像ユニットを相互に直交する３軸回りで回動可能に連結する連結機構と、
前記連結機構における前記他方の撮像ユニットの前記３軸回りでの固定と該固定の解除とを行うために操作される単一のロック部材とを有することを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
前記連結機構は、凸球面と凹球面とを相対回動可能に当接させる機構であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記ロック部材に対して着脱可能に取り付けられ、該ロック部材を操作する操作部材を有し、
前記連結機構は、前記ロック部材に取り付けられた前記操作部材によって該連結機構により連結されたユニットを前記３軸回りで回動させる構造を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の画像表示装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１つに記載の画像表示装置と、
該画像表示装置に対して画像を供給する画像供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−３５１４６（Ｐ２００８−３５１４６Ａ）
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２０５５５７（Ｐ２００６−２０５５５７）
【出願日】平成１８年７月２８日（２００６．７．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月１４日（２００８．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月２８日（２００６．７．２８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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