JP7643055B2 - 画像表示装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、虚像の観察を可能にする画像表示装置及びその製造方法に関し、特に両眼用の表示部を備える画像表示装置等に関する。

眼鏡状の虚像表示装置であって、第１の表示素子から導光部材までの左眼用の光学系と、第２の表示素子から導光部材までの右眼用の光学系とを、横方向に延びるフレームに対してネジ止め等によって組み付けることで、左右の光学系を眼の前に配置するものが公知となっている（特許文献１）。なお、この虚像表示装置では、製造公差や組み立て交差の影響を低減することを目的として、表示素子の保持部材と投射レンズの鏡筒とのいずれか一方に設けられた凸部と、他方に設けられた凹部とを用いて光学系に対する表示素子の位置合わせを行っている。

特開２０１７－２１１６７４号公報

上記特許文献１の装置では、左眼用の光学系と右眼用の光学系とがフレームに組み付けられることによって最終的な配置が定まるので、フレームの製造公差やフレームの組付け公差の影響を受ける可能性がある。

本発明の一側面における画像表示装置は、第１フレームと第１光学系とを有する第１表
示部と、第２フレームと第２光学系とを有する第２表示部と、前記第１表示部と前記第２
表示部とを相対的に固定する固定部材とを備え、前記固定部材は、接続部の両端に一対の
球状の第１固定部と第２固定部を設けた亜鈴状の部材であり、前記第１表示部と前記第２
表示部とを固定する。

本発明の一側面における画像表示装置の製造方法は、第１フレームと第１光学系とを有する第１表示部と、第２フレームと第２光学系とを有する第２表示部と、第１表示部と第２表示部とを相対的に固定する固定部材とを備える画像表示装置の製造方法であって、固定部材は、第１光学系及び第２光学系を２軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有し、位置合わせ後に固定部材に対する第１光学系及び第２光学系の回転を停止させた状態にする。

第１実施形態の画像表示装置の装着状態を説明する外観斜視図である。 画像表示装置の平面図、正面図、側面図、及び底面図である。 画像表示装置から外装部材を外した内部を示す正面図、側面図、斜視図等である。 画像表示装置から外装部材を外した残りの部分の分解斜視図である。 左右の表示部を組み合わせた光学ユニットの平面図及び底面図である。 第１フレームと固定部材との接続を説明する斜視図と、固定部材と第１カバー部材との配置関係を説明する斜視図と、第１フレームと固定部材と第１カバー部材との配置関係を説明する斜視図とを示す。 上外装部材の底面図と下外装部材の平面図とを示す。 画像表示装置の内部の光学系を説明する概念的な側断面図である。 表示像の歪曲補正を説明する図である。 固定部材の正面図、平面図、及び斜視図である。 固定部材のフレームへの固定状態を説明する概念的断面図である。 第１表示部と固定部材との接続等を説明する一部破断斜視図である。 第１固定部による第１フレームの固定を説明する拡大断面図である。 第２固定部による第２フレームの固定を説明する拡大断面図である。

以下、図１～３等を参照して、本発明に係る画像表示装置の構造、動作、製造方法等について説明する。

図１は、画像表示装置２００の装着状態を説明する図である。画像表示装置２００は、ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤとも称する。）２０１であり、これを装着する観察者又は装着者ＵＳに虚像としての映像を認識させる。図１等において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、直交座標系であり、＋Ｘ方向は、画像表示装置２００又はＨＭＤ２０１を装着した観察者又は装着者ＵＳの両眼ＥＹの並ぶ横方向に対応し、＋Ｙ方向は、装着者ＵＳにとっての両眼ＥＹの並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、＋Ｚ方向は、装着者ＵＳにとっての前方向又は正面方向に相当する。±Ｙ方向は、鉛直軸又は鉛直方向に平行になっている。

画像表示装置２００は、装着者ＵＳの眼前を覆うように配置される本体２００ａと、本体２００ａを支持するテンプル状の一対の支持装置２００ｂとを備える。本体２００ａは、機能的に見た場合、右眼用の第１表示装置１００Ａと、左眼用の第２表示装置１００Ｂとを含む。第１表示装置１００Ａは、上部に配置される表示駆動部１０２と、メガネレンズ状で眼前を覆うコンバイナー１０３ａとで構成される。第２表示装置１００Ｂも同様に、上部に配置される表示駆動部１０２と、メガネレンズ状で眼前を覆うコンバイナー１０３ｂとで構成される。

図２を参照して、画像表示装置２００のうち本体２００ａの外観について説明する。図２中で、領域ＡＲ１は、本体２００ａの平面図であり、領域ＡＲ２は、本体２００ａの正面図であり、領域ＡＲ３は、本体２００ａの右側面図であり、領域ＡＲ４は、本体２００ａの底面図である。本体２００ａのうち、＋Ｙ側すなわち上側に配置される一対の表示駆動部１０２は、連結されて一体化されており、横方向に細長くしたドーム状の上外装部材１０７ａと、平坦な板状の下外装部材１０７ｂとによって覆われている。第１コンバイナー１０３ａ及び第２コンバイナー１０３ｂは、前方すなわち＋Ｚ方向に突起した半球の上部をカットしたような形状を有し、下外装部材１０７ｂから下方に突き出すように配置されている。

図３を参照して、図２に示す本体２００ａから上外装部材１０７ａ及び下外装部材１０７ｂを取り外した内部構造の概要について説明する。図３中で、領域ＢＲ１は、本体２００ａの上部を露出させた正面図であり、領域ＢＲ２は、本体２００ａの上部を露出させた右側面図であり、領域ＢＲ３は、本体２００ａの上部を露出させた斜視図であり、領域ＢＲ４は、本体２００ａの内部光学系を露出させた斜視図である。右眼用の第１表示装置１００Ａは、第１表示部１００ａとして、第１表示素子１１ａと第１光学系１２ａと第１コンバイナー１０３ａとを備える。後述する第１フレーム６１ａも第１表示部１００ａの要素である。第１光学系１２ａは、内カバーである第１カバー部材７１ａに覆われ、第１表示素子１１ａは、第１カバー部材７１ａの開口７１ｏを塞ぐように配置され、矩形枠状の第１ホルダー７２ａを介して第１光学系１２ａの外枠に固定されている。

図４に示すように、第１光学系１２ａは、板状の第１フレーム６１ａの上面に接着等によって固定され、第１コンバイナー１０３ａは、その上端で第１フレーム６１ａの周囲のうち前半分に接着等によって固定されている。

図３に戻って、第２表示装置１００Ｂは、第２表示部１００ｂとして、第２表示素子１１ｂと第２光学系１２ｂと第２コンバイナー１０３ｂとを備える。後述する第２フレーム６１ｂも第２表示部１００ｂの要素である。第２光学系１２ｂは、内カバーである第２カバー部材７１ｂに覆われ、第２表示素子１１ｂは、第２カバー部材７１ｂの開口７１ｏを塞ぐように配置され、矩形枠状の第２ホルダー７２ｂを介して第２光学系１２ｂの外枠に固定されている。左眼用の第２表示装置１００Ｂは、右眼用の第１表示装置１００Ａと同一の構造及び機能を有する。つまり、第２表示素子１１ｂは、第１表示素子１１ａと同様のものであり、第２光学系１２ｂは、第１光学系１２ａと同様のものであり、第２コンバイナー１０３ｂは、第１コンバイナー１０３ａと同様のものである。ただし、第１光学系１２ａ、第１コンバイナー１０３ａ等に左右のＸ方向に関して非対称性を持たせた場合、第２光学系１２ｂ、第２コンバイナー１０３ｂ等は、第１光学系１２ａ、第１コンバイナー１０３ａ等を左右反転させたものとなる。

図４に示すように、第２光学系１２ｂは、板状の第２フレーム６１ｂの上面に接着等によって固定され、第２コンバイナー１０３ｂは、その上端で第２フレーム６１ｂの周囲のうち前半分に接着等によって固定されている。

図３に戻って、第１表示装置１００Ａと第２表示装置１００Ｂとは、内部において固定部材７８を介して連結されている。固定部材７８は、棒状の金属部材であり、例えばマグネシウム合金で形成される。固定部材７８をマグネシウム合金で形成することにより、第１フレーム６１ａや第２フレーム６１ｂを放熱によって冷却する効果を持たせることができる。固定部材７８は、両端において、第１表示部１００ａと第２表示部１００ｂとを相対的に固定している。固定部材７８は、天秤の腕に相当する部材であり、一対の皿に相当する一対の表示部１００ａ，１００ｂを中央で支持している。固定部材７８は、第１表示部１００ａと第２表示部１００ｂとを固定する前の位置合わせに際して、第１光学系１２ａ及び第２光学系１２ｂを２軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有する。

図４～６を参照して、固定部材７８による第１表示部１００ａ及び第２表示部１００ｂの支持について説明する。図５中で、領域ＣＲ１は、左右の表示部１００ａ，１００ｂを連結した光学ユニットＯＵの平面図であり、領域ＣＲ２は、光学ユニットＯＵの底面図である。図６中で、領域ＤＲ１は、第１フレーム６１ａと固定部材７８との接続を説明する斜視図であり、領域ＤＲ２は、固定部材７８と第１カバー部材７１ａとの配置関係を説明する斜視図であり、領域ＤＲ３は、第１フレーム６１ａと固定部材７８と第１カバー部材７１ａとの配置関係を説明する斜視図である。固定部材７８の両端には、詳細は後述するが、ボールジョイントの構成要素に類似する球状の部材である固定部８１ａ，８２ａが形成されている。これらの固定部８１ａ，８２ａは、第１表示部１００ａと第２表示部１００ｂとを位置合わせした後において、接着材等によって表示部１００ａ，１００ｂ又はフレーム６１ａ、６１ｂの内側の端部に設けられた半球状の窪み部材である凹部８１ｂ，８２ｂに接着され、回転が停止された状態とされる。固定部８１ａ，８２ａを凹部８１ｂ，８２ｂに固定するための接着材として、光硬化型の樹脂材を用いることができるが、これに限らず、熱硬化型又は常温硬化型の樹脂材等を用いることができる。固定部８１ａと凹部８１ｂとを組み合わせた連結部材８１は、第１カバー部材７１ａの拡張部７１ｃに覆われている。固定部８２ａと凹部８２ｂとを組み合わせた連結部材８２も、第２カバー部材７１ｂの拡張部７１ｃに覆われている。

第１フレーム６１ａは、半円板状の金属部材であり、例えばマグネシウム合金で形成される。第１フレーム６１ａをマグネシウム合金で形成することにより、表示素子１１ａ等が発生する熱の放熱効率を高めることができる。第１フレーム６１ａの左右両端には、凹部８１ｂが形成されているが、一方の凹部８１ｂのみが固定部材７８との接続に利用される。第１フレーム６１ａには、光学開口ＯＡが形成され、光学開口ＯＡを封止する板状光学素子２８が配置されている。板状光学素子２８は、第１光学系１２ａの一部である。第２フレーム６１ｂは、半円状の金属部材であり、例えばマグネシウム合金で形成される。第２フレーム６１ｂをマグネシウム合金で形成することにより、表示素子１１ｂ等が発生する熱の放熱効率を高めることができる。第２フレーム６１ｂの左右両端には、凹部８２ｂが形成されているが、一方の凹部８２ｂのみが固定部材７８との接続に利用される。第２フレーム６１ｂにも、光学開口ＯＡが形成され、光学開口ＯＡを封止する板状光学素子２８が配置されている。

図７を参照して、上外装部材１０７ａ及び下外装部材１０７ｂについて説明する。図７中で、領域ＥＲ１は、上外装部材１０７ａの内側を示す底面図であり、領域ＥＲ２は、下外装部材１０７ｂの内側を示す平面図である。上外装部材１０７ａと下外装部材１０７ｂとは、樹脂製の材料で形成されている。上外装部材１０７ａの外縁７ａと、下外装部材１０７ｂの外縁７ｂとは同じ形状を有し、これらを突き合わせることで、図３に示す第１光学系１２ａ及び第２光学系１２ｂを収納する空間を形成することができる。上外装部材１０７ａと下外装部材１０７ｂとは、ネジ穴等である締結部７ｆ，７ｇを利用して固定される。下外装部材１０７ｂは一対の開口ＯＰ１を有し、開口ＯＰ１内に点線で示すように第１フレーム６１ａ及び第２フレーム６１ｂを配置することができる。開口ＯＰ１と、フレーム６１ａ，６１ｂとの間には隙間ＧＰが設けられており、開口ＯＰ１内でフレーム６１ａ，６１ｂがＸＺ面内やＹ方向に関して位置ずれすることを許容する。つまり、図３等に示す第１表示部１００ａ及び第２表示部１００ｂは、相互に位置合わせされた状態のままで下外装部材１０７ｂに固定され、上外装部材１０７ａ及び下外装部材１０７ｂ内に収納された状態でも、両表示部１００ａ，１００ｂ間で位置決め完了時の配置関係が維持される。下外装部材１０７ｂには、ネジ止め孔７ｊが形成され、固定部材７８のブリッジ７８ａに設けられた一対の締結部７８ｚに対してネジ止めによって固定することができる。

図３及び４を参照して、第１フレーム６１ａ及び第２フレーム６１ｂの上方には弾性シート７５が配置されている。弾性シート７５の外周部７５ａは、図７に示す上外装部材１０７ａの外縁７ａと下外装部材１０７ｂの外縁７ｂとの間に挟まれて、外装部材１０７ａ，１０７ｂ間において気密又は液密な封止を可能にする。弾性シート７５には、一対の開口ＯＰ２１，ＯＰ２２が形成されている。一方の開口ＯＰ２１のまわりの内周部７５ｂは、内側端において第１フレーム６１ａの上面と第１カバー部材７１ａの下端部との間に挟まれるように配置され、第１フレーム６１ａの外縁に対応する箇所で第１フレーム６１ａ
の上面に接着され、第１フレーム６１ａと第１カバー部材７１ａとの間において気密又は液密な封止を可能にする。他方の開口ＯＰ２２のまわりの内周部７５ｃは、内側端において第２フレーム６１ｂの上面と第２カバー部材７１ｂの下端部との間に挟まれるように配置され、第２フレーム６１ｂの外縁に対応する箇所で第２フレーム６１ｂの上面に接着され、第２フレーム６１ｂと第２カバー部材７１ｂとの間において気密又は液密な封止を可能にする。

図３を参照して、固定部材７８の上方であって左右の表示部１００ａ，１００ｂの間には、矩形板状の回路基板９１が配置されている。回路基板９１は、第１表示素子１１ａ及び第２表示素子１１ｂの表示動作を制御する制御装置９２を含む。制御装置９２は、左右の表示素子１１ａ，１１ｂに対して表示画像に対応する駆動信号を出力し左右の表示素子１１ａ，１１ｂの表示動作を制御する。制御装置９２は、例えばＩＦ回路、信号処理回路等を備え、外部から受け取った画像データ又は画像信号に応じて、左右の表示素子１１ａ，１１ｂに２次元的な画像表示を行わせる。制御装置９２は、図示を省略するが、第１表示装置１００Ａの動作と第２表示装置１００Ｂの動作とを統括するメイン基板を含む。メイン基板は、例えば不図示の外部装置との間で通信し当該外部装置から受信した信号に対して信号変換を行うインターフェース機能や、第１表示装置１００Ａの表示動作と第２表示装置１００Ｂの表示動作とを連携させる統合機能を有するものとすることができる。

回路基板９１は、基板支持部７４によって固定部材７８上に支持されている。基板支持部７４上には、回路基板９１が固定されている。基板支持部７４は、固定部材７８を上方、前方、及び後方から覆う樹脂製の部材であり、嵌合部５１を用いたスナップ嵌めによって、回路基板９１とともに固定部材７８に対して着脱可能になっている。

図８は、第１表示部１００ａの光学的構造を説明する側方断面図である。第１表示部１００ａは、第１表示素子１１ａと結像光学系２０とを備える。結像光学系２０は、導光光学装置とも呼ぶ。結像光学系２０は、投射レンズ２１と、プリズムミラー２２と、板状光学素子２８と、シースルーミラー２３とを備える。結像光学系２０のうち、投射レンズ２１とプリズムミラー２２と板状光学素子２８とは、図３等に示す第１光学系１２ａに対応し、シースルーミラー２３は、第１コンバイナー１０３ａに対応する。第１表示素子１１ａ、投射レンズ２１、及びプリズムミラー２２は、不図示の枠体によって相互にアライメントされた状態で第１フレーム６１ａに固定され、第１カバー部材７１ａと第１フレーム６１ａとに挟まれた空間ＳＰ１内に収納されている。板状光学素子２８は、第１フレーム６１ａの光学開口ＯＡに形成された段差に嵌め込むように配置され、光学開口ＯＡの周囲が気密な状態に保たれている。

第１表示素子１１ａは、自発光型の表示デバイスである。第１表示素子１１ａは、例えば有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence）ディスプレイであり、２次元の表示面１１ｄにカラーの静止画又は動画を形成する。第１表示素子１１ａは、ＸＹ面を基準としてＸ軸のまわりに回転して傾いたｘｙ面に沿って配置されている。第１表示素子１１ａは、回路基板９１に設けられた制御装置９２に駆動されて表示動作を行う。第１表示素子１１ａは、有機ＥＬディスプレイに限らず、マイクロＬＥＤディスプレイ、又は無機ＥＬ、有機ＬＥＤ、レーザーアレイ、量子ドット発光型素子等を用いた表示デバイスに置き換えることができる。第１表示素子１１ａは、自発光型の画像光生成装置に限らず、ＬＣＤその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子をバックライトのような光源によって照明することによって画像を形成するものであってもよい。第１表示素子１１ａとして、ＬＣＤに代えて、ＬＣＯＳ（Liquid crystal on silicon, ＬＣｏＳは登録商標）や、デジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。

投射レンズ２１は、第１表示素子１１ａから射出された画像光ＭＬを通過させ、プリズムミラー２２に入射させる。投射レンズ２１は、第１表示素子１１ａから射出された画像光ＭＬを平行光束に近い状態に集光する。投射レンズ２１は、第１レンズ２１ｐ及び第２レンズ２１ｑを含む。プリズムミラー２２は、内反射面２２ｂを有し、投射レンズ２１から射出された画像光ＭＬを入射面２２ａから内部に入射させ、内反射面２２ｂで全反射させ、射出面２２ｃから外部に射出させる。この際、プリズムミラー２２は、前方から入射する画像光ＭＬを、入射方向を反転させた方向（プリズムミラー２２から見た光源の方向）に対して傾斜した方向に折り返すように射出する。板状光学素子２８は、プリズムミラー２２からの画像光ＭＬを屈折させつつ通過させ、シースルーミラー２３に入射させる。

シースルーミラー２３は、凹の表面ミラーとして機能する湾曲した板状の光学部材であり、プリズムミラー２２から板状光学素子２８を介して入射した画像光ＭＬを瞳位置ＰＰに向けて反射する。瞳位置ＰＰは、表示面１１ｄ上の各点からの画像光ＭＬが所定の発散状態又は平行状態で表示面１１ｄ上の各点の位置に対応する角度方向から重畳するように入射する位置となっている。シースルーミラー２３は、眼ＥＹ又は瞳孔が配置される瞳位置ＰＰを覆うとともに瞳位置ＰＰに向かって凹形状を有し、外界に向かって凸形状を有する。シースルーミラー２３は、板状体２３ｂの表面又は裏面上にミラー膜２３ｃを形成した構造を有するミラー板である。シースルーミラー２３の反射面２３ａは、透過性を有する。瞳位置ＰＰには、シースルーミラー２３やその周囲の支持板４１を通過した外界光ＯＬも入射する。つまり、画像表示装置２００を装着した装着者ＵＳは、外界像に重ねて、画像光ＭＬによる虚像を観察することができる。

以上において、投射レンズ２１、プリズムミラー２２、板状光学素子２８、及びシースルーミラー２３を構成する光学面は、自由曲面を含み、少なくも一部の光学面を非球面や球面に置き換えることもできる。

結像光学系２０は、シースルーミラー２３が凹面鏡であること等に起因して、軸外し光学系ＯＳとなっている。本実施形態の場合、投射レンズ２１、プリズムミラー２２、板状光学素子２８、及びシースルーミラー２３は、非軸対称に配置され、非軸対称な光学面を有する。この結像光学系２０つまり軸外し光学系ＯＳでは、紙面に対応する軸外し面（ＹＺ面に平行な面）に沿って光軸ＡＸが延びるように光軸ＡＸの折り曲げが行われている。この結像光学系２０では、ＹＺ面に平行な軸外し面内で光軸ＡＸの折り曲げを行うことで、かかる軸外し面に沿って光学要素２１，２２，２３が配列されている。結像光学系２０は、縦方向に延びる基準面である軸外し面（ＹＺ面に平行な面）に沿って配置され反射面の前後で互いに傾斜する光軸部分ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３を含む。全体としての光軸ＡＸは、表示素子１１ａの中心から射出される主光線の光路に沿って延び、アイポイントに相当するアイリングＥＲ又は瞳の中心を通る。光軸ＡＸは、ＹＺ面に平行な横断面で見た場合、複数の光軸部分ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３によって、Ｚ字状の配置となっている。つまり、ＹＺ面に平行な軸外し面において、投射レンズ２１から内反射面２２ｂまでの光路Ｐ１と、内反射面２２ｂからシースルーミラー２３までの光路Ｐ２と、シースルーミラー２３から瞳位置ＰＰまでの光路Ｐ３とが、Ｚ字状に２段階で折り返される配置となっている。

図９に示すように、第１表示素子１１ａの表示面１１ｄに形成する表示像を予め台形歪のような歪を持たせた修正画像ＤＡ１とする。つまり、結像光学系２０が軸外し光学系ＯＳであることから、光学系自体で台形歪のようなディストーションを取りきることは容易でない。よって、第１表示素子１１ａに表示される画像を、投射レンズ２１、プリズムミラー２２、板状光学素子２８、及びシースルーミラー２３によって形成される歪を相殺する逆の歪を有するものとすることで、結像光学系２０を経て瞳位置ＰＰで観察される虚像の投影像ＩＧ１の画素配列を、元の表示像ＤＡ０に対応する格子パターンとすることができ輪郭を矩形とすることができる。つまり、第１表示素子１１ａは、投射レンズ２１、プリズムミラー２２、板状光学素子２８、及びシースルーミラー２３によって形成されるディストーションを補正する。結果的に、シースルーミラー２３等で発生するディストーションを許容しつつ第１表示素子１１ａを含めた全体として収差を抑えることができる。これにより、プリズムミラー２２等の光学要素の配置やサイズの自由度が高まり、第１表示部１００ａの小型化を達成しつつ、第１表示部１００ａの光学性能の確保を容易にすることができる。

以上では、第１表示部１００ａについて説明したが、第２表示部１００ｂは、第１表示部１００ａと同様の構造を有するので、具体的な構造の説明を省略する。

以下、図１０Ａを参照して、固定部材７８について説明する。図１０Ａにおいて、領域ＦＲ１は、固定部材７８を示す正面図であり、領域ＦＲ２は、固定部材７８の平面図であり、領域ＦＲ３は、固定部材７８の斜視図である。固定部材７８は、ブリッジ７８ａの両端に一対の球状の第１固定部８１ａ及び第２固定部８２ａを設けた亜鈴状の部材である。ブリッジ（接続部）７８ａは、第１固定部８１ａと第２固定部８２ａとを接続する接続部である。ブリッジ７８ａは、ＸＺ面に沿って延びる細長いウェブ７８ｊの両端をＸＹ面に沿って延びる細長い一対のフランジ７８ｉで挟んだ形状を有する。つまり、ブリッジ７８ａは、Ｈ形の断面を有する棒材である（図１０Ｂ参照）。ブリッジ７８ａをＨ断面の部材とすることにより、ブリッジ７８ａの強度を確保しつつ軽量化を図ることができる。

図１０Ａ及び１０Ｂを参照して、連結部材８１，８２について説明する。固定部材７８のブリッジ７８ａの一端に形成された球状の部材である第１固定部８１ａは、第１フレーム６１ａに形成された半球状の窪み部材である第１凹部８１ｂに回転可能に嵌め込まれている。第１固定部８１ａと第１凹部８１ｂとを組み合わせたものを第１連結部材８１と呼ぶ。第１固定部８１ａの球状の凸表面を対向面７８ｓと呼び、第１凹部８１ｂの球状の凹表面を対向面６１ｓと呼ぶ。第１固定部８１ａの対向面７８ｓの曲率は、第１凹部８１ｂの対向面６１ｓの曲率よりも大きく設定されている。これにより、対向面７８ｓと対向面６１ｓとの間に接着材を注入して十分な厚みを有する接着層８８を形成することができ、第１固定部８１ａと第１凹部８１ｂとの接着強度を高めることができる。固定部材７８のブリッジ７８ａの他端に形成された球状の部材である第２固定部８２ａは、第２フレーム６１ｂに形成された半球状の窪み部材である第２凹部８２ｂに回転可能に嵌め込まれている。第２固定部８２ａと第２凹部８２ｂとを組み合わせたものを第２連結部材８２と呼ぶ。第２固定部８２ａの球状の対向面７８ｓの曲率は、第２凹部８２ｂの球状の対向面６１ｓの曲率よりも大きく設定されている。これにより、対向面７８ｓと対向面６１ｓとの間に接着材を注入して十分な厚みを有する接着層８８を形成することができ、第２固定部８２ａと第２凹部８２ｂとの接着強度を高めることができる。

ブリッジ（接続部）７８ａの下面７８ｕは、第１固定部８１ａの対称中心を通る基準線ＳＬと略同じ位置か基準線ＳＬよりも上側すなわち＋Ｙ側に配置されている。つまり、ブリッジ７８ａは、第１固定部８１ａの中心と第２固定部８２ａの中心とを基準として第１フレーム６１ａ及び第２フレーム６１ｂから離れる上側で第１固定部８１ａ及び第２固定部８２ａに接続されている。さらに、ブリッジ７８ａの下面７８ｕと、第１フレーム６１ａ及び第２フレーム６１ｂの表面６１ｆとの間には、隙間ＧＲが確保されている。これにより、第１フレーム６１ａや第２フレーム６１ｂがブリッジ７８ａの延在方向に平行なＸ軸や、これに垂直で第１フレーム６１ａの延在方向に平行なＺ軸の周りで回転する姿勢変更を確保しつつ、第１固定部８１ａと第１凹部８１ｂとの嵌合や、第２固定部８２ａと第２凹部８２ｂとの嵌合を深くして、固定部材７８による第１フレーム６１ａと第２フレーム６１ｂとの連結を安定させることができる。なお、第１固定部８１ａや第２固定部８２ａのサイズを大きくすると接着面積を大きくすることができ、固定を安定化させることが容易になる。

図１１は、固定部材７８が第１表示部１００ａに固定されている状態を説明する一部破断斜視図である。第１固定部８１ａには、第１フレーム６１ａを第１固定部８１ａにネジ止めするネジを通す第１孔８１ｋが形成されている。第１孔８１ｋには、第１フレーム６１ａの第１凹部８１ｂの中央に形成されＹ方向に延びる円筒状のボス８１ｍが下方から挿入される。

図１２Ａに拡大して示すように、固定部材７８の第１固定部８１ａは、第１フレーム６１ａに形成された第１凹部８１ｂに嵌め込まれている。第１固定部８１ａと第１凹部８１ｂとを組み合わせたものは、３軸方向の相対回転を微小角の範囲内で許容する軸受状の連結部材８１である。つまり、連結部材８１は、３軸の回転自由度を有する。第１カバー部材７１ａの拡張部７１ｃは、連結部材８１を覆うように配置される。拡張部７１ｃには、第１固定部８１ａが挿入される半球状の第３凹部７１ｊが形成されている。第３凹部７１ｊの凹表面を対向面７１ｓと呼ぶ。第３凹部７１ｊの対向面７１ｓは、第１固定部８１ａの対向面７８ｓに対向して近傍に配置される。ここで、第３凹部７１ｊの球状の対向面７１ｓの曲率は、第１凹部８１ｂの場合と異なり、第１固定部８１ａの球状の対向面７８ｓの曲率と略等しくなるように設定されている。第３凹部７１ｊの中央には、上下のＹ方向に延びる円筒状のボス７１ｍが形成され、第１固定部８１ａに形成されたネジ止め用の第１孔８１ｋに挿入されている。ボス７１ｍの孔には、ネジＳＢが通され、ネジＳＢの先端ＳＢａが第１フレーム６１ａ側のボス８１ｍにねじ込まれる。これにより、固定部材７８を間に挟み込むようにして、第１カバー部材７１ａを第１フレーム６１ａに固定することができ、第１フレーム６１ａに対する第１固定部８１ａの接着を補強することができる。第１固定部８１ａの対向面７８ｓと第３凹部７１ｊの対向面７１ｓとの間には、接着層を設けて固定を強化することもできる。

図１２Ｂに拡大して示すように、固定部材７８の第２固定部８２ａは、第２フレーム６１ｂに形成された第２凹部８２ｂに嵌め込まれている。第２固定部８２ａと第２凹部８２ｂとを組み合わせたものは、３軸方向の相対回転を微小角の範囲内で許容する軸受状の連結部材８２である。つまり、連結部材８２は、３軸の回転自由度を有する。第２カバー部材７１ｂの拡張部７１ｃは、連結部材８２を覆うように配置される。拡張部７１ｃには、第２固定部８２ａが挿入される半球状の第４凹部７１ｋが形成されている。第４凹部７１ｋの凹表面を対向面７１ｓと呼ぶ。第４凹部７１ｋの対向面７１ｓは、第２固定部８２ａの対向面７８ｓに対向して近傍に配置される。ここで、第４凹部７１ｋの球状の対向面７１ｓの曲率は、第２凹部８２ｂの場合と異なり、第２固定部８２ａの球状の対向面７８ｓの曲率と略等しくなるように設定されている。第４凹部７１ｋの中央には、上下のＹ方向に延びる円筒状のボス７１ｍが形成され、第２固定部８２ａに形成されたネジ止め用の第２孔８２ｋに挿入されている。ボス７１ｍの孔には、ネジＳＢが通され、ネジＳＢの先端ＳＢａが第２フレーム６１ｂ側のボス８２ｍにねじ込まれる。これにより、固定部材７８を間に挟み込むようにして、第２カバー部材７１ｂを第２フレーム６１ｂに固定することができ、第２フレーム６１ｂに対する第２固定部８２ａの接着を補強することができる。第２固定部８２ａの対向面７８ｓと第４凹部７１ｋの対向面７１ｓとの間には、接着層を設けて固定を強化することもできる。

以下、画像表示装置２００の製造すなわち組み立てについて説明する。まず、第１フレーム６１ａに第１光学系１２ａと第１コンバイナー１０３ａとを固定し、第１光学系１２ａに対し第１ホルダー７２ａ等を用いて位置決めしつつ表示素子１１ａを固定する。これにより、第１表示部１００ａを含む右眼ユニットＲＵが得られる（図４参照）。これと並行して、第２フレーム６１ｂに第２光学系１２ｂと第２コンバイナー１０３ｂとを固定し、第２光学系１２ｂに対し第２ホルダー７２ｂ等を用いて位置決めしつつ表示素子１１ｂを固定する。これにより、第２表示部１００ｂを含む左眼ユニットＬＵが得られる（図４参照）。その後、右眼ユニットＲＵと左眼ユニットＬＵとを二系統測定装置にセットして、弾性シート７５を第１フレーム６１ａ及び第２フレーム６１ｂ上に接着によって固定する。この際、弾性シート７５の内側の開口ＯＰ２１，ＯＰ２２が第１フレーム６１ａ及び第２フレーム６１ｂによって封止される。さらに、固定部材７８を降下するように移動させて、固定部材７８の第１固定部８１ａを第１フレーム６１ａの第１凹部８１ｂに嵌め込むとともに、固定部材７８の第２固定部８２ａを第２フレーム６１ｂの第２凹部８２ｂに嵌め込む。その後、二系統測定装置のステージを利用して、右眼ユニットＲＵ及び左眼ユニットＬＵの相互の角度や配置を精密に調整する。この際、右眼ユニットＲＵと左眼ユニットＬＵとは、固定部材７８によって連結された状態で、Ｘ軸の周りのＲ１方向、Ｙ軸の周りのＲ２方向、及びＺ軸の周りのＲ３方向に独立して回転させることができる（図４等参照）。位置調整の完了後は、第１固定部８１ａと第１凹部８１ｂとの間に予め供給していた接着剤を硬化させ、第２固定部８２ａと第２凹部８２ｂとの間に予め供給していた接着剤を硬化させる。これにより、右眼ユニットＲＵと左眼ユニットＬＵとの位置合わせが完了する。その後、第１フレーム６１ａの上方から第１光学系１２ａを覆うように第１カバー部材７１ａを被せ、第１フレーム６１ａと第１カバー部材７１ａとの間に弾性シート７５の内周部７５ｂを挟み、第１カバー部材７１ａの第３凹部７１ｊに設けられたボス７１ｍを第１固定部８１ａの第１孔８１ｋに挿入する（図１２Ａ参照）。その後、ネジＳＢをボス７１ｍの孔に通し、第１固定部８１ａの第１孔８１ｋ内で対向する第１フレーム６１ａ側のボス８１ｍにねじ込む。これにより、第１フレーム６１ａに対する第１カバー部材７１ａの固定が完了する。第２カバー部材７１ｂを第２フレーム６１ｂに固定する方法は、第１カバー部材７１ａを第１フレーム６１ａに固定する方法と同様であり、説明を省略する。次に、基板支持部７４を利用して固定部材７８に回路基板９１を取り付け、表示素子１１ａ，１１ｂから延びるＦＰＣを回路基板９１に接続する。最後に、固定部材７８に設けた一対の締結部７８ｚを用いて固定部材７８に下外装部材１０７ｂを固定し、下外装部材１０７ｂに対して上外装部材１０７ａを固定する。この際、第１フレーム６１ａや第２フレーム６１ｂは、下外装部材１０７ｂに対して微小な変位が許容されており、固定部材７８に対する第１表示部１００ａや第１表示部１００ｂの位置決めが維持される。さらに、弾性シート７５の外周部７５ａを上外装部材１０７ａの外縁７ａと下外装部材１０７ｂの外縁７ｂとの間に挟むことで、これらの間で封止が達成され、外装部材１０７の内空間が封止される。

上記実施形態の画像表示装置２００は、第１フレーム６１ａと第１光学系１２ａとを有する第１表示部１００ａと、第２フレーム６１ｂと第２光学系１２ｂとを有する第２表示部１００ｂと、第１表示部１００ａと第２表示部１００ｂとを相対的に固定する固定部材７８とを備え、固定部材７８は、第１表示部１００ａと第２表示部１００ｂとを固定する前の位置合わせに際して第１光学系１２ａ及び第２光学系１２ｂを２軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有する。これにより、固定前においては、固定部材７８に対して第１表示部１００ａと第２表示部１００ｂとを高い自由度で配置し位置合わせすることができる。

上記実施形態の画像表示装置２００の製造方法は、第１フレーム６１ａと第１光学系１２ａとを有する第１表示部１００ａと、第２フレームと第２光学系１２ｂとを有する第２表示部１００ｂと、第１表示部１００ａと第２表示部１００ｂとを相対的に固定する固定部材７８とを備えるものであって、固定部材７８は、第１光学系１２ａ及び第２光学系１２ｂを２軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有し、位置合わせ後に固定部材７８に対する第１光学系１２ａ及び第２光学系１２ｂの回転を停止させた状態にする。この場合、固定前においては、固定部材７８に対して第１表示部１００ａと第２表示部１００ｂとを高い自由度で配置し位置合わせすることができる。また、位置合わせ後に固定部材７８に対する第１光学系１２ａ及び第２光学系１２ｂの回転を停止させた状態にするので、固定部材７８に対して第１表示部１００ａや第２表示部１００ｂの相対的な配置関係を安定して維持させることができる。

〔変形例その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

第１表示部１００ａに組み込む結像光学系２０は、図示のものに限らず、様々な構成とすることができる。具体的には、上記結像光学系２０は、Ｙ方向又は縦方向に非対称性を持たせた軸外し光学系ＯＳであるとしたが、Ｘ方向又は横方向に非対称性を持たせた軸外し光学系とすることもできる。結像光学系２０を構成する光学要素についても、図８に示すものは単なる例示であり、レンズの枚数を増減させる、ミラーを追記する、導光部材を追加するといった変更が可能である。

コンバイナー１０３ａ，１０３ｂの外界側には、コンバイナー１０３ａ，１０３ｂの透過光を制限することで調光を行う調光デバイスを取り付けることができる。調光デバイスは、例えば電動で透過率を調整する。調光デバイスとして、ミラー液晶、電子シェード等を用いることができる。調光デバイスは、外光照度に応じて透過率を調整するものであってもよい。

コンバイナー１０３ａ，１０３ｂは、遮光性を有するミラーに置き換えることもできる。この場合、外界像の直接観察を前提としない非シースルー形の光学系となる。

第１フレーム６１ａ、第２フレーム６１ｂ、及び固定部材７８は、金属材料で形成されたものに限らず、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で形成されたものであってもよい。

連結部材８１，８２の構造については、ボールジョイント状のものに限らず、回転自由度を２軸以上に高めた様々な機構に置き換えることができる。

以上では、画像表示装置１００が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記画像表示装置１００は、頭部に装着せず双眼鏡のようにのぞき込むハンドヘルドディスプレイとしても用いることができる。つまり、本発明において、ヘッドマウントディスプレイには、ハンドヘルドディスプレイも含まれる。

具体的な態様における画像表示装置は、第１フレームと第１光学系とを有する第１表示部と、第２フレームと第２光学系とを有する第２表示部と、第１表示部と第２表示部とを相対的に固定する固定部材とを備え、固定部材は、第１表示部と第２表示部とを固定する前の位置合わせに際して第１光学系及び第２光学系を２軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有する。

上記画像表示装置では、固定部材が第１光学系及び第２光学系を２軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有するので、固定前においては、固定部材に対して第１表示部と第２表示部とを高い自由度で配置し位置合わせすることができる。なお、位置合わせ後は、固定部材に対して第１表示部や第２表示部を、接着材や締結具を用いて固着させることにより、これらの相対的な配置関係を安定して維持させることができる。

具体的な側面において、固定部材と第１表示部との間、固定部材と及び第２表示部との間に、３軸の回転自由度を有する軸受状の連結部材がそれぞれ設けられている。この場合、固定部材に対して第１表示部と第２表示部とを自在に配置することができる。

具体的な側面において、連結部材は、位置合わせ後に回転が停止された状態とされる。これにより、位置合わせ前の自由な姿勢調節を確保しつつ位置合わせ後の配置維持が確保される。

具体的な側面において、固定部材は、第１フレーム側に設けられた球状の第１固定部と、第２フレーム側に設けられた球状の第２固定部と、を有し、第１フレームは、第１固定部が挿入される半球状の第１凹部を有し、第２フレームは、第２固定部が挿入される半球状の第２凹部を有し、連結部材である第１固定部及び第１凹部と、連結部材である第２固定部及び第２凹部とは、間に接着層が形成されて位置合わせされた状態で接合されている。この場合、簡単な嵌合構造によって第１フレーム及び第２フレームを固定部材に対して自在に回転させて姿勢調節を行うことができる。

具体的な側面において、第１表示部は、第１固定部と第１光学系とを第１フレームの反対側から覆う第１カバー部材を有し、第１カバー部材は、第１固定部が挿入される半球状の第３凹部を有し、第２表示部は、第２固定部と第２光学系とを第２フレームの反対側から覆う第２カバー部材を有し、第２カバー部材は、第２固定部が挿入される半球状の第４凹部を有し、第１固定部及び第３凹部と、第２固定部及び第４凹部とは、ネジ止めによって固定されている。この場合、第１カバー部材及び第２カバー部材を、第１固定部及び第２固定部を介して第１フレーム及び第２フレームに対して取り付けることができる。

具体的な側面において、第１固定部と第１凹部とは、互いに異なる曲率の球面の対向面を有し、第２固定部と第２凹部とは、互いに異なる曲率の球面の対向面を有する。この場合、接着材を注入して十分な厚みを有する接着層を形成することが容易になる。

具体的な側面において、第１固定部と第３凹部とは、同じ曲率の球面の対向面を有し、第２固定部と第４凹部とは、同じ曲率の球面の対向面を有する。

具体的な側面において、第１固定部は、第１フレームを第１固定部にネジ止めするネジを通す第１孔を有し、第２固定部は、第２フレームを第２固定部にネジ止めするネジを通す第２孔を有する。この場合、第１フレームを第１固定部に対して確実に固定することができ、固定強度を確保することができる。

具体的な側面において、固定部材は、第１固定部と第２固定部とを接続する接続部を有し、接続部は、第１固定部の中心と第２固定部の中心とを基準として第１フレーム及び第２フレームから離れる側で第１固定部及び第２固定部に接続されている。これにより、第１フレームや第２フレームが接続部の延在方向に垂直な軸の周りで回転する姿勢変更を確保しつつ、第１固定部と第１凹部との嵌合や、第２固定部と第２凹部との嵌合を深くして連結を安定させることができる。

具体的な側面において、固定部材は、回路基板を支持する基板支持部を有する。この場合、第１フレームや第２フレームに対して回路基板を支持する構造とすることができ、固定部材を基準として各種部材を一括して支持することができる。

具体的な態様における画像表示装置の製造方法は、第１フレームと第１光学系とを有する第１表示部と、第２フレームと第２光学系とを有する第２表示部と、第１表示部と第２表示部とを相対的に固定する固定部材とを備える画像表示装置の製造方法であって、固定部材は、第１光学系及び第２光学系を２軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有し、位置合わせ後に固定部材に対する第１光学系及び第２光学系の回転を停止させた状態にする。

上記製造方法では、固定部材が第１光学系及び第２光学系を２軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有するので、固定前においては、固定部材に対して第１表示部と第２表示部とを高い自由度で配置し位置合わせすることができる。また、位置合わせ後に固定部材に対する第１光学系及び第２光学系の回転を停止させた状態にするので、固定部材に対して第１表示部や第２表示部の相対的な配置関係を安定して維持させることができる。

１１ａ，１１ｂ…表示素子、１２ａ…第１光学系、１２ｂ…第２光学系、２０…結像光学系、２１…投射レンズ、２２…プリズムミラー、２３…シースルーミラー、２８…板状光学素子、６１ａ…第１フレーム、６１ｂ…第２フレーム、６１ｓ…対向面、７１ａ…第１カバー部材、７１ｂ…第２カバー部材、７１ｊ…第３凹部、７１ｋ…第４凹部、７１ｓ…対向面、７５…弾性シート、７８…固定部材、７８ａ…ブリッジ、７８ｓ…対向面、８１，８２…連結部材、８１ａ…第１固定部、８１ｂ…第１凹部、８１ｋ…第１孔、８２ａ…第２固定部、８２ｂ…第２凹部、８２ｋ…第２孔、８８…接着層、９１…回路基板、１００…画像表示装置、１００ａ…第１表示部、１００ｂ…第２表示部、１０２…表示駆動部、１０３ａ…第１コンバイナー、１０３ｂ…第２コンバイナー、２００…画像表示装置、２００ａ…本体、２００ｂ…支持装置、ＡＸ…光軸、ＥＲ…アイリング、ＥＹ…眼、ＭＬ…画像光、ＯＬ…外界光、ＯＰ１…開口、ＯＰ２１，ＯＰ２２…開口、ＯＳ…軸外し光学系、ＵＳ…装着者

Claims (9)

1. 第１フレームと第１光学系とを有する第１表示部と、
   第２フレームと第２光学系とを有する第２表示部と、
   前記第１表示部と前記第２表示部とを相対的に固定する固定部材とを備え、
   前記固定部材は、接続部の両端に一対の球状の第１固定部と第２固定部を設けた亜鈴状の部材であり、前記第１表示部と前記第２表示部とを固定し、
   前記固定部材と前記第１表示部との間、及び前記固定部材と前記第２表示部との間に、３軸の回転自由度を有する軸受状の連結部材がそれぞれ設けられている、画像表示装置。
2. 前記固定部材は、前記第１フレーム側に設けられた球状の前記第１固定部と、前記第２フレーム側に設けられた球状の前記第２固定部と、を有し、
   前記第１フレームは、前記第１固定部が挿入される半球状の第１凹部を有し、
   前記第２フレームは、前記第２固定部が挿入される半球状の第２凹部を有し、
   前記連結部材である前記第１固定部及び前記第１凹部と、前記連結部材である前記第２固定部及び前記第２凹部とは、間に接着層が形成されている、請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記第１表示部は、前記第１固定部と前記第１光学系とを前記第１フレームの反対側から覆う第１カバー部材を有し、前記第１カバー部材は、前記第１固定部が挿入される半球状の第３凹部を有し、
   前記第２表示部は、前記第２固定部と前記第２光学系とを前記第２フレームの反対側から覆う第２カバー部材を有し、前記第２カバー部材は、前記第２固定部が挿入される半球状の第４凹部を有し、
   前記第１固定部及び前記第３凹部と、前記第２固定部及び前記第４凹部とは、ネジ止めによって固定されている、請求項２に記載の画像表示装置。
4. 前記第１固定部と前記第１凹部とは、互いに異なる曲率の球面の対向面を有し、前記第２固定部と前記第２凹部とは、互いに異なる曲率の球面の対向面を有する、請求項２に記載の画像表示装置。
5. 前記第１固定部と前記第１凹部とは、互いに異なる曲率の球面の対向面を有し、前記第２固定部と前記第２凹部とは、互いに異なる曲率の球面の対向面を有する、請求項３に記載の画像表示装置。
6. 前記第１固定部と前記第３凹部とは、同じ曲率の球面の対向面を有し、前記第２固定部と前記第４凹部とは、同じ曲率の球面の対向面を有する、請求項５に記載の画像表示装置。
7. 前記第１固定部は、前記第１フレームを前記第１固定部にネジ止めするネジを通す第１孔を有し、前記第２固定部は、前記第２フレームを前記第２固定部にネジ止めするネジを通す第２孔を有する、請求項３～６のいずれか一項に記載の画像表示装置。
8. 前記接続部は、前記第１固定部の中心と前記第２固定部の中心とを基準として前記第１フレーム及び前記第２フレームから離れる側で前記第１固定部及び前記第２固定部に接続されている、請求項３～７のいずれか一項に記載の画像表示装置。
9. 第１フレームと第１光学系とを有する第１表示部と、第２フレームと第２光学系とを有する第２表示部と、前記第１表示部と前記第２表示部とを相対的に固定する固定部材とを備える画像表示装置の製造方法であって、
   前記固定部材は、接続部の両端に一対の球状の第１固定部と第２固定部を設けた亜鈴状の部材であり、前記第１光学系及び前記第２光学系を２軸以上の回転方向に回転可能にする形状を有し、
   位置合わせ後に前記固定部材に対し、前記第１光学系及び前記第２光学系を接着する、
   画像表示装置の製造方法。

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