JP7128648B2 - ヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイに係り、特に光学部品の固定構造に関する。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ、Head Mounted Display）は、ユーザの頭部に取り付け、眼に映像を投影して情報を与える機器である。頭部に取り付ける手段としては、ヘルメット型、メガネ型などがあるが、利便性、慣習性などを考慮してメガネ型が主流である。また、映像情報の提供法としては、実視野とは違う仮定された空間を提供する仮想現実（バーチャルリアリティ）、実視野に映像情報を重ねて投影する拡張現実（アーギュメントリアリティ）がある。上述の仮想現実は、主にゲームやシミュレーション訓練などに適応し、拡張現実は説明ガイドなど実光景にオーバーレイするシーンなどに適応する。

これらの技術では静止画像や動画像を扱うため、光源からユーザの眼までの光学特性が品質に大きな影響を及ぼす。光学特性を左右する項目としては、光源から眼までの光軸ずれが挙げられる。光軸がずれると、ユーザの見る画像の品質が悪化し、表示される画像や文字に歪みが生じたり、表示画像に色ムラや輝度ムラが生じたりする可能性がある。

これに関連する技術として、特許文献１に記載のメガネ型のＨＭＤでは、つる部に設けられた画像情報を出射する投影ユニットと、メガネレンズ部に設けられた反射部との相対的配置を可変とし、ユーザの眼の位置に応じて画像が表示される位置を調整できる構成が提案されている。

また、特許文献２に記載のメガネ型のＨＭＤでは、映像表示素子と投射レンズとの相対的な位置を調整しながら、映像表示素子を収納する映像素子ケースと、投射レンズを収納する鏡筒とを接着する構成が提案されている。

特開２０１５－２２０６６６号公報 特開２０１４－１８６２０１号公報

特許文献１に記載の構成では、調整時には光学特性を最適化できるが、投影ユニットがメガネのつる部に取り付けられており、ＨＭＤを実際に頭部へ装着した際につる部が撓むことがある。その結果、投影ユニットと反射部との位置関係が変化し、最終的にはユーザの眼に対する表示位置がずれる恐れがある。

特許文献２に記載の構成では、映像表示素子を収納する映像素子ケースと、投射レンズを収納する鏡筒とを、両者の位置の調整代となる間隙に接着剤を充填し、これを固化させることで接着している。この構成では、調整後の両者の位置が偏っているような場合には充填される接着剤の厚みが場所によって異なることになる。その結果、ＨＭＤが落下した際に、接着強度が十分でないことにより、映像素子ケース（映像表示素子）と鏡筒（投射レンズ）とが外れてしまう恐れがある。

一般に、ＨＭＤのような光学系の調整では、調整を行った後の各部品の固定方法として、ネジや接着剤などが使用されるが、ネジは締め付けの際に位置ずれ（回転）を起こす可能性がある。また、ＨＭＤの使用環境を考慮すると、接着剤による固定は落下した際の強度不足や経時劣化など、信頼性に課題がある。

以上述べた課題に鑑み、本発明の目的は、光軸位置の調整を簡単に行え、かつ調整後の状態を安定に保持できるヘッドマウントディスプレイを提供することである。

上記課題を達成するために、本発明のヘッドマウントディスプレイは、光源と光学部品が搭載された第一の光学筐体と、画像生成素子と光学部品が搭載された第二の光学筐体と、第一の光学筐体と第二の光学筐体とを接続固定する固定部材と、第一の光学筐体、第二の光学筐体、及び固定部材を保持する外装筐体と、を備え、固定部材は、第二の光学筐体を抱え込んで第一の光学筐体と嵌合し、第一の光学筐体と第二の光学筐体とを接続固定する構成とした。ここに、固定部材による固定方向は、光源からの光が第一の光学筐体から出射し、画像生成素子を搭載した第二の光学筐体に入射するときの光軸方向とした。

本発明によれば、光軸調整と組立作業が容易で、表示画像の品質劣化が少なく信頼性の高いヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

実施例１に係るＨＭＤの外観を示す図。 外装筐体１０を外したＨＭＤ本体２０の構成を示す図。 ＨＭＤ本体２０の光学筐体と固定部材への分解図。 ＨＭＤ本体２０の光学系を説明する上面図。 ＨＭＤ本体２０の光学系を説明する正面図。 ＨＭＤ本体２０の光学系を説明する側面図。 ２つの光学筐体２１，２２の位置決めと固定方法を説明する図。 固定部材２３の形状と固定方法を詳細に説明する図。 固定部材取り付け時の放熱材の位置と構造を示す図（実施例２）。 外装筐体取り付け時の放熱材の位置と構造を示す図。

以下、本発明のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤと略す）の実施形態を図面を用いて説明する。

図１は、本実施例に係るＨＭＤの外観を示す図である。ここでは、メガネ型のＨＭＤ１の例を示しており、ユーザの頭部に装着される。ＨＭＤ１の外装筐体１０の中には画像を生成して投影する光学系（ＨＭＤ本体）を保持している。符号１１Ｌ，１１ＲはＨＭＤ本体を保護するためのシールドで、かつ景色を取り込めるように透過性を持った素材で構成されている。これによりユーザは、仮想現実や拡張現実などの画像を視認することができる。なお、以下説明における座標は、ＨＭＤ１を装着したユーザが直立姿勢をとったとき、顔の正面方向をｘ方向、左右の耳の方向をｙ方向、鉛直方向をｚ方向と定義する。

図２は、外装筐体１０を外したＨＭＤ本体２０の構成を示す図である。ＨＭＤ本体２０は、左右の第一の光学筐体２１Ｌ，２１Ｒ、第二の光学筐体２２、それらを固定する左右の固定部材２３Ｌ，２３Ｒ、ユーザの眼前に画像を表示する画像表示部２４Ｌ，２４Ｒで構成される。さらにＨＭＤ本体２０には、図示しない画像処理を行う基板や電源を含んでいる。後述するように、第一の光学筐体２１Ｌ，２１Ｒには光源と光学部品が搭載され、第二の光学筐体２２には画像生成素子と光学部品が搭載されている。

図３は、ＨＭＤ本体２０の光学筐体と固定部材への分解図であり、図２における第一の光学筐体２１Ｌ，２１Ｒ、第二の光学筐体２２および固定部材２３Ｌ，２３Ｒの位置関係を示す。第二の光学筐体２２に対し第一の光学筐体２１Ｌ，２１Ｒの位置調整を行った後、固定部材２３Ｌ，２３Ｒにより両者を接続固定する構成となっている。ここに第一の光学筐体２１Ｌ，２１Ｒには、光源３１Ｌ，３２Ｌ，３１Ｒ，３２Ｒが搭載され、第二の光学筐体２２には、画像生成素子３３Ｌ，３３Ｒが搭載されている。第一の光学筐体２１Ｌ，２１Ｒの側面に設けた凸部４２Ｌ，４２Ｒは、嵌合により固定部材２３Ｌ，２３Ｒと結合させるためのものである。

本実施例のＨＭＤ１では、画像を生成する画像生成素子３３Ｌ，３３Ｒと、画像を表示する画像表示部２４Ｌ，２４Ｒとは、一体的に構成されている。よって、ＨＭＤ１を頭部へ装着する際にメガネのつる部が撓むことがあっても、画像生成素子３３Ｌ，３３Ｒと画像表示部２４Ｌ，２４Ｒとの位置関係が変化することは少なく、ユーザの見る画像位置がずれることはない。

また、光源３１Ｌ，３２Ｌ，３１Ｒ，３２Ｒを搭載した第一の光学筐体２１Ｌ，２１Ｒと、画像生成素子３３Ｌ，３３Ｒを搭載した第二の光学筐体２２とは、接着剤ではなく、固定部材２３Ｌ，２３Ｒによる嵌合により接続固定している。よって、ＨＭＤが落下した際に、接着強度が原因で２つの光学筐体が外れることはない。
以下、本実施例のＨＭＤの構造と組立方法について詳細に説明する。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃは、ＨＭＤ本体２０の光学系を説明する図であり、それぞれ、上面図（ｘｙ面）、正面図（ｙｚ面）、側面図（ｘｚ面）を示す。なお、図２、図３で示したように、ＨＭＤ本体２０は左右対称であるため、以下では片側（左目側）の構造について説明する。また、図面を含めた各部品の説明では左右の区別Ｌ，Ｒをなくし、例えば、左目側の第一の光学筐体２１Ｌを単に符号２１で示している。

本実施例のＨＭＤ１ではカラーの映像を全色表示するため、第一の光学筐体２１には３原色の光源を備えており、これを２つの光源３１，３２で構成する。例えば、３１は緑色の１色の光源、３２は赤色と青色の２色の光源とする。図４Ａに示すように、これらの光源３１，３２から発生した光５１，５２は、合波プリズムやハーフミラーなどの光学部品３５で合波される。その後、合波された光５３は、図４Ｂに示すように、光学部品３６で反射されてｚ方向に向きを変え、第二の光学筐体２２に向う。

第二の光学筐体２２は画像生成素子３３を備え、第一の光学筐体２１に対してz方向に重ねて配置している。第一の光学筐体２１から入射した光５３は、第二の光学筐体２２の入光部に設けたプリズムなどの光学部品３７によりｙ方向に向きを変え、光５４となって画像生成素子３３を照射する。画像生成素子３３は液晶素子などで構成され、光５４に対して画像情報を付与する。画像情報が付与された光５５は、光学部品３７を透過し、第二の光学筐体２２内を伝搬し、画像表示部２４に向う。そして、図４Ａに示すように第二の光学筐体２２に設けた光学部品３８によりｘ方向に向きを変え、光５６となって画像表示部２４に入射する。

画像表示部２４は図示しない回折格子を備えており、第二の光学筐体２２に対してｚ軸下方、ｘ軸前面に装着されている。図４Ｂ、図４Ｃに示すように、画像表示部２４に入射した光５６はｙｚ面内の－ｚ方向に導光された光５７に変換される。さらに、ユーザの眼前まで導光された光５７は、回折格子により目線軸の方向（ｘ軸）に回折された光５８となり、画像表示部２４の面外に出射されてユーザの眼に入射する。以上の光の流れによって、ＨＭＤ１はユーザの視界方向に画像を表示する。

以上説明したように、本実施例のＨＭＤ１では、画像生成素子３３の手前とその後の光路を、第一の光学筐体２１と第二の光学筐体２２の２つの構造体で分割した構造としている。これらの位置関係は、ＨＭＤ１をユーザが装着した状態において両者が容易に外れないように、顔からなるべく近い位置に部品を配置する。そのため、第一の光学筐体２１と第二の光学筐体２２とは、z方向に重ねて配置し、第一の光学筐体２１の出射口にはｙ方向の光をｚ方向に変換する光学部品３６を設けている。

また、第一の光学筐体２１は第二の光学筐体２２に対して、端部位置をｙ方向にずらして配置している。これは、第一の光学筐体２１上に、光源３１、３２を駆動する電装基板を収納する空間を確保するためである。このように本実施例では、第一の光学筐体２１と第二の光学筐体２２とに分割しているため、第一の光学筐体２１と第二の光学筐体２２の光路（光軸）が一致するよう位置決めする必要がある。そのため、以下に述べる固定部材２３を用いて両者を固定する構成とした。

図５は、第一の光学筐体２１と第二の光学筐体２２との位置決めと固定方法を説明する図である。まず、第一の光学筐体２１において、図４Ａ、図４Ｂに示したように、光源３１，３２、および光学部品３５，３６を位置決めして取り付ける。一方で、第二の光学筐体２２において、図４Ａ、図４Ｂに示したように、画像生成素子３３、および光学部品３７，３８、および画像表示部２４を位置決めして取り付ける。

サブアセンブリとして組み立てられた第一の光学筐体２１と第二の光学筐体２２は、一連の光学系を構成するために光軸の位置調整を行い、第一の光学筐体２１を第二の光学筐体２２に取り付ける。この調整は、第一の光学筐体２１に搭載する光源３１，３２と、第二の光学筐体２２に搭載する画像生成素子３３との位置関係の調整であり、図４Ｂで言えば、光源３１，３２からの光５４を画像生成素子３３の位置に正しく入射させるためである。この調整により、光源からユーザの眼までの光軸ずれをなくし、表示される画像の歪みや色ムラや輝度ムラをなくすことができる。

本構成では、両光学筐体の分割面は、第一の光学筐体２１の出射部である光学部品３６と、第二の光学筐体２２の入射部である光学部品３７の間であり、光５３の光軸方向（ｚ方向）に直交する面（ｘｙ面）である。よって、両者の調整方向は、図５に示す通り光５３の光軸に直交方向（ｘ，ｙ方向）となり、光軸ずれの調整が容易である。調整後には、両者を接着するなどの仮固定を行うと作業性が良い。

次に、仮固定された第一の光学筐体２１と第二の光学筐体２２に対し、固定部材２３を用いて、第二の光学筐体２２を抱え込むように第一の光学筐体２１に固定する。その際、固定部材２３の装着と固定方向は、図５に示す通り２つの光学筐体の分割面（調整面）の法線方向、すなわちｚ方向となる。よって、固定部材２３による固定動作の際に、光軸調整方向（ｘ，ｙ方向）に余分な力が掛かることがなく、調整済みの光軸がずれることがない。このようにして第一の光学筐体２１内の光５１の光軸と、第二の光学筐体２２内の光５３の光軸とを一致させて固定することができる。

図６は、固定部材２３の形状と固定方法を詳細に説明する図である。固定部材２３の基本形状は、第一の光学筐体２１に搭載された光源３１，３２の背面、及び第二の光学筐体２２に搭載された画像生成素子３３の背面を囲う形状とする。

具体的には、固定部材２３の終端に光源３１，３２が位置し、固定部材２３は光源３１，３２の背面に平行な形状とする。そして、固定部材２３のｘ、ｙ方向の内寸法は第一の光学筐体２１の外寸法に合わせ、固定部材２３のｚ方向の内寸法は第二の光学筐体２２の外寸法に合わせる。よって、固定部材２３は、第一の光学筐体２１の側面に接触するが、第二の光学筐体２２の側面に接触することはなく、調整済みの光軸がずれることはない。

また、画像生成素子３３の近傍に図示しない電装基板の収納領域を確保するため、固定部材２３は、画像生成素子３３の背面を平行に囲うようにＵ字形状とする。さらに、光源３１，３２から画像生成素子３３までに至る固定部材２３の形状は、第一の光学筐体２１の上面に前記電装基板を収納・保護する空間２６を形成する。これにより、組立て後に不意に光源３１，３２や画像生成素子３３に手を触れるのを防ぐ効果がある。

次に、固定部材２３による固定方法を詳細に説明する。固定部材２３と第一の光学筐体２１との結合箇所は最低３箇所設けている。まず、固定部材２３の側面には２つの嵌合穴４１を設け、第一の光学筐体２１の側面には２つの凸部４２を設け、両者を２箇所で嵌合させる。さらに、固定ネジ４３を用いて、固定部材２３のネジ穴４４を通し、第一の光学筐体２１のネジ固定部４５に、１箇所でネジ止めする構成である。

第一の光学筐体２１と第二の光学筐体２２の基本的な固定動作は、固定部材２３の２つの嵌合穴４１と第一の光学筐体２１の２箇所の凸部４２との嵌合で担う。この嵌合による固定する方向は、第一の光学筐体２１と第二の光学筐体２２の分割面（調整面）の法線方向（ｚ方向）であるから、固定作業の際に、光軸調整方向（ｘ，ｙ方向）に力が掛かることがない。また、固定後の組立体が落下した場合でも、両光学筐体が外れることを防ぐことができる。

次に、固定ネジ４３による固定動作は、第一の筐体２１と固定部材２３を結合固定するものであって、固定部材２３の姿勢を安定化させる役目を担う。したがって、締め付けにより、第一の光学筐体２１と第二の光学筐体２２との間で調整された光軸位置が変動する恐れはない。また、ネジ止め箇所においては、第一の光学筐体２１と図示しない電装基板などを挟み込んで共に固定が可能であり、作業簡略化が可能である。加えて、このようにして固定された固定部材２３と第一の光学筐体２１とで囲んだ空間２６には、図示しない電装基板が収納される。さらには、固定部材２３と第二の光学筐体間２２に図示しない弾性体を挟み込むことで、第一の光学筐体２１と第二の光学筐体２２とをより強固に固定させることが可能である。

ここで、本実施例のＨＭＤにおける固定部材２３による固定方法について特徴をまとめる。固定部材２３は、第二の光学筐体２０を抱え込んで第一の光学筐体２１の凸部４２に引掛けて嵌合固定する方式を基本とする。よって、固定部材２３による固定作業の際に、調整済の光軸がずれる恐れはなくなり、組立精度が向上し、作業性が容易になる。これに加えて、組立後のＨＭＤが落下した時でも、第一の光学筐体２１が第二の光学筐体２０から脱落する恐れが少なく、信頼性が向上する。

実施例２は、実施例１で述べたＨＭＤ１における放熱特性の向上に関するものである。ＨＭＤ本体２０には、光源３１，３２や画像生成素子３３などの発熱部品が含まれる。よって、これらの部品からの発熱を外装筐体１０から外部へ効果的に放熱することで、光学筐体の温度上昇を抑え、温度上昇に伴う光軸ずれと画像品質の劣化を抑えるものである。

前記図３において、第一の光学筐体２１Ｌ，２１Ｒに搭載される光源３１Ｌ，３２Ｌ，３１Ｒ，３２Ｒと固定部材２３Ｌ，２３Ｒとの間隙、および第二の光学筐体２２に搭載される画像生成素子３３Ｌ，３３Ｒと固定部材２３Ｌ，２３Ｒとの間隙に、放熱材を配置する。さらに、固定部材２３Ｌ，２３Ｒと外装筐体１０との間隙にも放熱材を配置した構造とする。

具体的には、前記図６において、発熱部品である光源３１，３２や画像生成素子３３に対し、放熱材６１，６２，６３を取り付ける。放熱材には、吸湿硬化型放熱樹脂、クラッド材など、伝熱効果の高い材料を用いる。なお、この放熱材は周囲の光学部品などのずれ発生の要因とならないよう、筐体材料より軟らかい材質であることが望ましい。

図７は、固定部材取り付け時の放熱材の位置と構造を示す図で、前記図２のＢ－Ｂ位置での断面図である。サブアセンブリ状態の第一の光学筐体２１や第二の光学筐体２２において、光源３１，３２と画像生成素子３３には、予め放熱材６１，６２，６３を装着固定しておく。その際、各放熱材の形状（厚み）は、固定部材２３を取り付けた状態で、放熱材６１，６２，６３と固定部材２３とが接触するように定める。これにより、光源３１，３２や画像生成素子３３から固定部材２３への放熱経路が形成される。このように組み立てたＨＭＤの本体２０を、外装筐体１０に取り付ける。

図８は、外装筐体取り付け時の放熱材の位置と構造を示す図で、前記図１のＡ－Ａ位置での断面図である。図７の方法と同様に、外装筐体１０とＨＭＤの本体２０の固定部材２３と間に、放熱材６５を配置する。これにより、ＨＭＤ本体２０からの発熱は、伝熱部材でもある固定部材２３を介して外装筐体１０へ伝熱させ、外気へ放熱させる。これによって、光源３１，３２や画像生成素子３３で発生した熱は、外装筐体１０を経由して外気へ放熱できる。

本実施例によれば、ＨＭＤの光学筐体の温度上昇を抑え、温度上昇に伴う光軸ずれと画像品質の劣化を抑えることができる。これにより、信頼性の高いＨＭＤを提供することができる。

以上の実施例では、ＨＭＤの構造と組立方法を左目側について説明したが、右目側についても全く同様である。そして、光学系を左右で独立させている点が、本実施例のＨＭＤの特徴の一つでもある。これによって、左右の光学系、光源や画像生成素子の特性誤差を独立調整できるため、品質を最大化することができる効果がある。

１：ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、
１０：外装筐体、
２０：ＨＭＤ本体、
２１（２１Ｌ，２１Ｒ）：第一の光学筐体、
２２：第二の光学筐体、
２３（２３Ｌ，２３Ｒ）：固定部材、
２４（２４Ｌ，２４Ｒ）：画像表示部、
３１（３１Ｌ，３１Ｒ），３２（３２Ｌ，３２Ｒ）：光源、
３３（３３Ｌ，３３Ｒ）：画像生成素子、
３５，３６，３７，３８：光学部品、
４１：嵌合穴、
４２：凸部、
４３：固定ネジ、
４４：ネジ穴、
４５：ネジ固定部、
６１，６２，６３，６５：放熱材。

Claims (6)

1. 光源からの光を画像生成素子に照射し、生成した画像をユーザの視界方向に表示するヘッドマウントディスプレイにおいて、
   外面に凸部が設けられ、前記光源と光学部品が搭載された第一の光学筐体と、
   前記画像生成素子と光学部品が搭載された第二の光学筐体と、
   嵌合穴が設けられ、前記第一の光学筐体と前記第二の光学筐体とを接続固定する固定部材と、
   前記第一の光学筐体、前記第二の光学筐体、及び前記固定部材を保持する外装筐体と、を備え、
   前記固定部材による固定方向は、前記光源からの光が前記第一の光学筐体から出射し、前記画像生成素子を搭載した前記第二の光学筐体に入射するときの光軸方向とし、
   前記固定部材は、前記固定方向と直交する前記視界方向において対向する前記第二の光学筐体の２つの側面に接触しない状態で前記第二の光学筐体を抱え込んで前記嵌合穴が前記第一の光学筐体の前記外面に設けられた前記凸部と嵌合し、前記第一の光学筐体と前記第二の光学筐体とを接続固定する構成としたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
2. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記第一の光学筐体と前記第二の光学筐体は、当該ヘッドマウントディスプレイを装着したユーザが直立姿勢をとったとき、鉛直方向に重ねて配置されていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
3. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記固定部材の前記嵌合穴と前記第一の光学筐体の前記凸部との嵌合状態は、前記固定部材に設けた前記嵌合穴を、前記第一の光学筐体に設けた前記凸部に引っ掛けて固定された状態であることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
4. 請求項３に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記固定部材と前記第一の光学筐体とは、さらに、固定ネジにより前記光軸方向に固定されていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
5. 請求項１に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記固定部材と前記第一の光学筐体に搭載された前記光源との間隙、及び前記固定部材と前記第二の光学筐体に搭載された前記画像生成素子との間隙に、それぞれ放熱材を配置したことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
6. 請求項５に記載のヘッドマウントディスプレイにおいて、
   前記固定部材と前記外装筐体との間隙に、放熱材を配置したことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。

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