JP2017068045A - ウェアラブル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人間の目に対する接眼部の位置を人間工学に基づいた位置（領域）へ配置し、接眼部の光軸を調整して使用者の視軸に一致（略一致）させる調整を簡素化することができるウェアラブル装置等を提供すること。
【解決手段】ウェアラブル装置は、装着者の頭部７０に装着される装着部と、第１回動軸で回動可能に装着部に接続される接続部１３０と、第２回動軸で回動可能に接続部に接続され、装着者の視界の一部に虚像を表示する表示部１４０と、を含む。表示部１４０の接眼光軸を含むと共に、第１回動軸及び第２回動軸とそれぞれ交差する仮想的な平面を仮想平面とし、仮想平面と第１回動軸の交点である第１交点から、仮想平面と第２回動軸の交点である第２交点までの距離をＬ１とし、第２交点から接眼光軸の射出端までの距離をＬ２とする場合に、２０ｍｍ≦Ｌ１＋Ｌ２≦４５ｍｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェアラブル装置等に関する。

従来より、使用者の頭部に装着して使用者の視界に画像を投影するウェアラブル装置（ヘッドマウントディスプレイ）が知られている。このようなウェアラブル装置の従来技術としては、例えば特許文献１〜３に開示される技術がある。

特許文献１には、ヘッドフォンの耳当て部（音響出力部）にヒンジを介して支持アームが取り付けられ、その支持アームが画像出力部を支持する構成が開示されている。ヒンジにより支持アームを回動させることで画像出力部を顔の側面側（或いは顔の上側）から正面側に移動させることができる。また特許文献２には、ヘッドバンドにボール及びボール受けを介してアームが取り付けられ、そのアームにヒンジを介してビューワ部が取り付けられる構成が開示されている。ボール及びボール受けによりアームを自由な方向に回動でき、ヒンジにより略鉛直な軸でビューワ部を回動できる。

特許文献３には、瞳分割シースルー型のヘッドマウントディスプレイが開示されている。この技術では、表示画像の虚像を射出する接眼部（接眼窓）が非常に小型であり、それによってシースルー（外界視界と表示画像がオーバーラップすること）やシーアラウンド（広い外界視界を確保すること）を実現する。

特開２００４−２３６２４２号公報 特開２００１−１０８９３５号公報 特開２００６−３８７９号公報

上記のようなウェアラブル装置において、視界に虚像を投影する接眼部の光軸を使用者の視線に一致（略一致）させる調整が難しいという課題がある。例えば表示部を動かして視界における表示画像の位置を変えた際に接眼光軸の方向がズレる場合があるが、そのようなズレが小さい調整機構、或いはズレを簡単に修正できる調整機構が望まれる。特許文献３のような接眼部が小型なものの場合、その小型の接眼部を通して虚像の全体を視認できるためには接眼光軸と視線をほぼ一致させる必要があり、上記のような調整機構の利便性が高い。また接眼部が小型でない通常のヘッドマウントディスプレイにおいても、光軸のズレによって光学性能が低下する（例えば画像の歪みが大きくなる）ので、光軸を調整できることが望ましい。

本発明の幾つかの態様は、上記事情に鑑みてなされたもので、人間の目に対する接眼部の位置を人間工学に基づいた位置（領域）へ配置し、接眼部の光軸を調整して使用者の視軸に一致（略一致）させる調整を簡素化することができるウェアラブル装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、装着者の頭部に装着される装着部と、第１回動軸で回動可能に前記装着部に接続される接続部と、第２回動軸で回動可能に前記接続部に接続され、前記装着者の視界の一部に虚像を表示する表示部と、を含み、前記表示部の接眼光軸を含むと共に、前記第１回動軸及び前記第２回動軸とそれぞれ交差する仮想的な平面を仮想平面とし、前記仮想平面と前記第１回動軸の交点である第１交点から、前記仮想平面と前記第２回動軸の交点である第２交点までの距離をＬ１とし、前記第２交点から前記接眼光軸の射出端までの距離をＬ２とする場合に、２０ｍｍ≦Ｌ１＋Ｌ２≦４５ｍｍであるウェアラブル装置に関係する。

また本発明の他の態様は、装着者の頭部に装着される装着部と、第１回動軸で回動可能に前記装着部に接続される接続部と、第２回動軸で回動可能に前記接続部に接続され、前記装着者の視界の一部に虚像を表示する表示部と、を含み、前記装着部を前記頭部に装着した場合において、前記第１回動軸は前記装着者の眼球を通り、前記表示部の接眼光軸を含むと共に、前記第１回動軸及び前記第２回動軸とそれぞれ交差する仮想的な平面を仮想平面とし、前記仮想平面と前記第１回動軸の交点である第１交点から、前記仮想平面と前記第２回動軸の交点である第２交点までの距離をＬ１とし、前記第２交点から前記接眼光軸の射出端までの距離をＬ２とする場合に、Ｌ１≧５×Ｌ２であるウェアラブル装置に関係する。

また本発明の更に他の態様は、装着者の頭部に装着される装着部と、前記装着者の視界の一部に虚像を表示する表示部と、を含み、前記表示部は、前記表示部の接眼光軸を含む仮想的な平面である仮想平面に垂直な回動軸で回動可能に前記装着部に接続され、前記回動軸と前記仮想平面の交点から前記接眼光軸の射出端までの距離をＬ２とする場合に、Ｌ２≦５ｍｍであるウェアラブル装置に関係する。

本発明の幾つかの態様によれば、人間工学的に最適な位置に第１回動軸と第２回動軸を設けたので、第１段階の操作で接眼部を最適な領域に配置でき、その際、接眼部の光軸と使用者の視軸とが一致（略一致）していれば調整なしで即座に接眼部から表示画像を観察できる。また、接眼部の光軸と使用者の視線とが一致（略一致）せず、画像の一部が欠けた状態であっても、第２段階の操作で即座に（簡単に）接眼部の光軸と使用者の視線を一致させることができる。

本実施形態のウェアラブル装置の構成例。 本実施形態のウェアラブル装置の構成例。 本実施形態のウェアラブル装置の変形構成例。 接眼窓を通した虚像の見え方の模式図。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、接眼窓を通した虚像の見え方の模式図。 装着者がウェアラブル装置を装着した場合の第１回動軸、第２回動軸、眼球、表示部の配置の模式図。 表示位置の調整とアライメント調整についての説明図。 アライメント調整後における表示位置の移動についての説明図。 距離Ｌ１、Ｌ２の大小関係（Ｌ１≧５×Ｌ２）についての説明図。 図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）はアライメント調整についての説明図。 図１１（Ａ）は、正面視用に構成したウェアラブル装置１００の上面図。図１１（Ｂ）は、右側視用に構成したウェアラブル装置１００の上面図。 図１２（Ａ）は、表示部１４０の光学系の第１構成例。図１２（Ｂ）は、表示部１４０の光学系の第２構成例。図１２（Ｃ）は、表示部１４０の光学系の第３構成例。 回動軸の構成例。 図１４（Ａ）は、第２回動軸２０と接眼窓１４２の第１配置例。図１４（Ｂ）は、第２回動軸２０と接眼窓１４２の第２配置例。 図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）は、表示位置の調節機構の変形例。 本実施形態のウェアラブル装置の第２構成例。 図１７（Ａ）、図１７（Ｂ）は、第２構成例におけるアライメント調整の説明図。 第２構成例におけるアライメント調整の説明図。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．ウェアラブル装置
図１、図２に本実施形態のウェアラブル装置１００の構成例を示す。図１はウェアラブル装置１００が装着された頭部７０を横から見た図であり、図２はウェアラブル装置１００が装着された頭部７０を上（頭頂部側）から見た図である。方向ＤＸ、ＤＹ、ＤＺは、頭部７０の右方向、下方向、正面方向であり、互いに直交する。装着者が直立姿勢になった場合、方向ＤＹは鉛直下方向となり、方向ＤＸ、ＤＺは水平方向となる。

ウェアラブル装置１００は、装着者の頭部７０に装着される装着部と、第１回動軸１０で回動可能に装着部に接続される接続部１３０と、第２回動軸２０で回動可能に接続部１３０に接続され、装着者の視界の一部に虚像を表示する表示部１４０と、を含む。

図１、図２の構成例では、装着部は眼鏡型フレーム１５０であり、眼鏡型フレーム１５０を耳８０にかけて固定するためのテンプル部と、フロント部とで構成される。フロント部は、例えば２つのリム部（レンズ枠）と、２つのリム部の間を接続するブリッジと、フロント部を鼻に固定するための鼻あて部等で構成される。なお、装着部は眼鏡型フレーム１５０に限定されず、ウェアラブル装置１００を頭部７０に固定できるものであればよい。例えば、装着部は、図３に示すようなネックバンド１７０であってもよいし、或いはヘッドバンドであってもよい。

接続部１３０は、装着部と表示部１４０の間を接続する構成要素であり、表示部１４０（接眼窓１４２）を眼球６０及び眼鏡型フレーム１５０のフロント部の前側に支持する。装着部がネックバンド１７０の場合、接続部１３０は表示部１４０を眼球６０の前側に支持する。接続部１３０と装着部の間は、例えば軸（軸突起）及び軸受け等のような回動機構を介して接続されており、その回動機構によって第１回動軸１０を中心とする回動（両方向（時計回り、反時計回り）の回転）が実現される。同様に、表示部１４０と接続部１３０の間は、例えば軸（軸突起）及び軸受け等のような回動機構を介して接続されており、その回動機構によって第２回動軸２０を中心とする回動が実現される。

接続部１３０は、例えば棒状の部材（湾曲や屈曲を有してもよいし、太さが不均一でもよい）等で構成され、その棒状の部材の第１端部（一方の端部）が表示部１４０に接続され、第２端部（他方の端部）が装着部に接続される。或いは、第１端部が表示部１４０に接続され、第１端部と第２端部の間の部分で装着部に接続されてもよい。なお、接続部１３０の形状や、接続位置は上記に限定されるものでない。

表示部１４０は、表示装置が出力する画像の光を光学系により接眼窓１４２に導き、接眼窓１４２から眼球６０の瞳に向けて（眼球６０の視線に対向して（視軸方向に））射出し、画像の拡大虚像を視界に表示する（網膜に画像を投影する）。表示装置は、例えば液晶表示装置、或いは自発光表示装置（例えばＥＬ表示装置）、或いはスポット光を網膜上に走査する走査型表示装置等で実現できる。なお、視線とは、眼球６０と見ている対象物を結ぶ線、或いは眼球６０が見ている方向である。具体的には、ある対象物を見ているときの眼球６０の光軸に沿った線、或いは、その光軸が向いている方向である。視軸は、眼球６０の光軸である。

図４〜図５（Ｂ）に、接眼窓１４２を通した虚像の見え方を模式的に示す。以下では、瞳分割シースルー光学系を用いた場合を例に説明する。瞳分割シースルー光学系は、接眼レンズ（接眼窓１４２）の付近に光学系の射出瞳が設定されており、それによって接眼レンズを小さくすることが可能である。接眼レンズが小さいので、外界視界の光が接眼レンズの外側を通って目の瞳に入射し、シースルーを実現できる。この光学系を用いた場合、例えば表示部１４０の先端部（接眼窓１４２が設けられている部分）の幅は４ｍｍ以下である。なお、本実施形態の光軸調整手法は、瞳分割シースルー光学系に限らず種々の形式の光学系を用いたヘッドマウントディスプレイに適用できる。

図４に示すように、表示部１４０の光学系によって投影された虚像は、目から見て接眼窓１４２の前側に写っているように見える。即ち、接眼窓１４２から虚像をのぞき込んで見ているような状態となり、これは接眼窓１４２と虚像を結ぶ仮想的な筒をのぞき込んで虚像を見ていることと同様である。

図５（Ａ）に示すように、視線（視軸）と接眼光軸がほぼ一致しており、筒を真っ直ぐのぞき込む状態となっている場合には、接眼窓１４２と虚像の全体が重なって見えるので、接眼窓１４２を通して表示画像を欠けることなく見ることができる。一方、図５（Ｂ）に示すように、視線と接眼光軸がずれており、筒を斜めにのぞき込む状態となっている場合には、接眼窓１４２と虚像がずれて見える（接眼窓１４２と虚像の一部しか重ならない）ので、表示画像の一部しか見えない（又は全部が見えない）。

瞳分割シースルー光学系では、視界の一部（典型的には例えば視野角１０〜１５度）に画像を表示するので、その画像を視界の中心だけでなく周辺部に位置させることも可能である。即ち、視界の中心をクリアに保ちつつ、視界の周辺部に位置させた接眼窓１４２を必要に応じて見ることによって、画像に表示される情報を読み取ることができる。このように自由に表示位置を決められる光学系では、ヘッドマウントディスプレイを装着したときの最初の位置決めや、使用途中での位置の変更などが想定できる。そして、その位置において画像全体が見えるように調整する必要がある。

例えば視界中央よりも上側に画像を表示させたい場合、図５（Ｂ）に示すように、接眼窓１４２を目の正面より上に位置させる。表示画像が欠けて見える場合には、それを修正する必要があるが、このとき、位置決めした接眼窓１４２を出来るだけ移動させずに（即ち表示位置を変化させずに）修正できれば利便性が高い。また、図５（Ａ）のように、ある位置で一旦、表示画像の全体が見えるように修正できた場合に、それ以後は表示位置を移動させても再修正が不要である（即ち、表示画像の全体が見え続ける）ことが望まれる。

本実施形態のウェアラブル装置１００は、第１回動軸１０と第２回動軸２０を設けたことによって、上記のような課題を解決することが可能である。この点について以下に説明する。

図６に、装着者がウェアラブル装置１００を装着した場合の第１回動軸１０、第２回動軸２０、眼球６０、表示部１４０の配置を模式的に示す。

仮想平面３０は、表示部１４０の接眼光軸４０を含むと共に、第１回動軸１０及び第２回動軸２０とそれぞれ交差する仮想的な平面である。第１交点１２は、仮想平面３０と第１回動軸１０の交点である。第２交点２２は、仮想平面３０と第２回動軸２０の交点である。また距離Ｌ１は、第１交点１２から第２交点２２までの距離であり、距離Ｌ２は、第２交点２２から接眼光軸４０の射出端１４４までの距離である。

接眼光軸４０は、表示部１４０の接眼端（接眼窓１４２）における光軸である。表示部１４０は、画像の光を接眼窓１４２に導くために光学系の内部で画像の光を反射（又は屈折）させているため、その反射（又は屈折）の度に光軸の方向が変わる。そして、その最後に目に向かって光を射出する部分の光軸が接眼光軸４０である。また接眼光軸４０の射出端は、光学系の最後に目に向かって光を射出する部分と接眼光軸４０との交点に相当する。例えば接眼窓１４２に接眼レンズが設けられており、その接眼レンズが最終の光学素子である場合、その接眼レンズと接眼光軸４０の交点が射出端である。或いは、接眼窓１４２の内側にプリズム又はミラーが設けられ、そのプリズム又はミラーが最終の光学素子である場合、そのプリズム又はミラーと接眼光軸４０の交点が射出端である。

上記のようにして定義された距離Ｌ１、Ｌ２は、２０ｍｍ≦Ｌ１＋Ｌ２≦４５ｍｍの関係を満たしている。なお、望ましくは３０ｍｍ≦Ｌ１＋Ｌ２≦３５ｍｍである。

人間工学的に眼球６０の半径は約１２ｍｍであり、眼球６０の瞳から眼鏡レンズまでの距離は約１２ｍｍであり、第１回動軸１０で表示部１４０を回動したときに眼鏡レンズに表示部１４０が接触しないためのスペースは約６ｍｍである。これらの合計は約３０ｍｍなので、Ｌ１＋Ｌ２を３０ｍｍ付近に設定しておくことで、第１回動軸１０が眼球中心６４の近傍を通ることになる。なお、これらの数値は人間工学における平均的な値として想定されるものであって、当然のことながら個人差や装着部の形状等によって変わるものである。即ち、第１回動軸１０が眼球中心６４の近傍を通ると考えられる各種の設計値を人間工学に沿って決定して、ウェアラブル装置を設計しているということである。

実際にはＬ１＋Ｌ２は３０ｍｍ付近だけでなく、２０ｍｍ≦Ｌ１＋Ｌ２≦４５ｍｍ程度の設定範囲を想定できる。下限の２０ｍｍは例えばネックバンド１７０等の眼鏡レンズが無いものを想定したものであり、上限の４５ｍｍは実用性等の点を考慮したものである。

具体的には、下限の２０ｍｍは、眼球６０の半径である約１２ｍｍと、表示部１４０がまつ毛に接触しないためのスペースである約８ｍｍとを加算したものである。また上限の４５ｍｍは、眼鏡の上にさらに保護グラスを装着した状態での使用や人種による眼球中心から眼鏡レンズまでの距離の違いなどからＬ１＋Ｌ２が大きくなることを想定しつつ、接眼窓１４２から虚像全体が見える限界を考慮して設定している。例えば接眼窓１４２の幅を４ｍｍとし、Ｌ１＋Ｌ２＝４５ｍｍとした場合、接眼窓１４２の前記幅方向を見込む角度は約５．１度となる。瞳分割シースルー光学系において前記幅方向の視野角、すなわち映像の垂直視野角は、典型的には５〜９度程度なので、その下限の５度がぎりぎり瞳の中心を通して見えることになり、これ以上離すと映像が見にくくなる。また、アイボックス（目の位置がずれても映像を欠けずに観察できる範囲）が極端に小さくなり、視軸と接眼光軸とをあわせる調整がシビアになることから実用上はこれ以上離せない。さらに、上限の４５ｍｍは、表示部１４０が眼鏡から出っ張りすぎると支持強度の低下や作業の邪魔になる他、モーメントの増大により頭の動きで表示部が振れて見えなくなる等の問題が生じることを考慮している。なお、上記の各数値については個人差等によって左右されるので、下限の２０ｍｍや上限の４５ｍｍには多少の変動があってもよい。

いずれにしても、２０ｍｍ≦Ｌ１＋Ｌ２≦４５ｍｍの範囲に第１回動軸１０と第２回動軸２０を配置しておくことで、第１回動軸１０を眼球中心６４の近傍に通すことが可能になる。そして、このような第１回動軸１０と第２回動軸２０を設けたことで接眼光軸４０の角度調整（瞳６２（視線）を虚像５０の方向に向けたときに、視線と接眼光軸４０を略一致させる調整）が容易になる。また第１回動軸１０が眼球中心６４の近傍を通ることで、一旦表示画像が見えるように調整した後は、位置を変えても表示画像が見え続けるようにできる。

具体的には、図７の上図に示すように、まず第１回動軸１０を中心に表示部１４０を回動させて表示位置を希望の位置に調整する。そして図７の下図に示すように第２回動軸２０を中心に表示部１４０を回動させて視線と接眼光軸を一致（略一致）させ、表示画像の全体が見えるように調整（アライメント調整）する。このように、第１回動軸１０と第２回動軸２０という２つの回動軸を設けたことで、位置調整とアライメント調整（光軸の向きの調整）という２つの調整を順に簡単な操作で行うことが可能となる。

図８のＡ２に、上記の調整を行った後の状態を図示する。この状態では光軸が眼球中心を通っており、光軸と視線が一致している。表示位置を上に移動させたい場合はＡ１のように、表示位置を下に移動させたい場合はＡ３のように、第１回動軸１０を中心に表示部１４０を回動させる。このとき、第１回動軸１０が眼球中心の近傍を通るので表示部１４０が第１回動軸１０を中心に回転したときにも、光軸がほぼ眼球中心の近傍を通り、視線と光軸がほとんどずれない。これにより、一旦表示位置を決めてアライメント調整を行った後は、表示位置を変えても表示画像の全体が見え続ける。仮に表示画像の一部が切れたとしても、そのズレは小さいので再度のアライメント調整は容易である。

以上のように、人間工学的に最適な位置に第１回動軸１０と第２回動軸２０を設けたので、第１段階の操作（図７の上図）で接眼部を最適な領域に配置でき、その際、接眼部の光軸と使用者の視線とが一致（略一致）していれば調整なしで即座に接眼部から表示画像を観察できる。また、接眼部の光軸と使用者の視線とが一致（略一致）せず、画像の一部が欠けた状態であっても、第２段階の操作（図７の下図。アライメント調整）で即座に（簡単に）接眼部の光軸と使用者の視線を一致させることができる。

また本実施形態では、Ｌ１≧５×Ｌ２である。即ち、距離Ｌ１と距離Ｌ２の比Ｌ１／Ｌ２は５よりも大きく、最も理想的にはＬ２＝０ｍｍである。

図９に、距離Ｌ１、Ｌ２の大小関係（Ｌ１≧５×Ｌ２）についての説明図を示す。図９では、ある表示位置において視線と光軸が一致するように調整されており、その後に第１回動軸１０を中心に回動させて表示位置を変えた状況を想定している。このとき視線と光軸がずれるのでアライメントの再調整を行うが、その際の第２回動軸２０を中心とする修正角度（第２回動軸２０と光軸の射出端を結ぶ直線の角度変化）をβとする。また、その際の仰角変化（眼球中心と光軸の射出端を結ぶ直線の角度変化）をαとする。また、再調整が終わって視線と光軸が一致したときの眼球中心から光軸の射出端までの距離をＤとする。

まず図９から下式（１）が成り立つ。
ｔａｎα＝Ｌ２×ｓｉｎβ／（Ｄ−Ｌ２＋Ｌ２×ｃｏｓβ） （１）

α、βは、概ね１０度以下なので、上式（１）から近似的に下式（２）が成り立つ。なお、図９では、分かりやすいようにα、βの角度を大きくして図示している。
α＝Ｌ２×β／Ｄ （２）

第１回動軸１０が眼球中心の近傍を通る場合、距離Ｄを距離Ｌ１＋Ｌ２に近似できる。Ｌ１≧Ｐ×Ｌ２とした場合、上式（２）から下式（３）が成り立つ。
α≦β／（Ｐ＋１） （３）

仰角変化αは、アライメント調整したときの表示位置のずれを表しており、そのずれは小さければ小さいほど良い。Ｐ＝５として、仮に修正角度βが表示画像の垂直方向の視野角（以下、垂直ＦＯＶとも呼ぶ）程度、即ち縦方向１画面分であったとする。この場合、α≦β／６となり、仰角変化は垂直ＦＯＶの１／６、即ち画面の縦方向１／６より小さなずれにしかならない。瞳分割シースルー光学系では垂直ＦＯＶは５〜９度程度なので、仰角変化αは１．５度より小さいことになり、縦方向１画面分のアライメント調整をしても表示位置はほとんどずれない。更にＰが５よりも十分大きい場合（Ｌ１＞＞Ｌ２の場合）には、αはほぼ０度になり、アライメント調整による仰角変化が生じず、表示位置がずれない。

例えば図１０（Ａ）に示すように、表示位置を上に移動したときに虚像の下部が欠けて見えていたとする。本実施形態では、図１０（Ｂ）に示すように視線の仰角を変化させずにアライメント調整できるので、先に決めた表示位置（表示窓の位置）を変えずに虚像の全部を接眼窓から見えるように調整できる。

以上のように、第１回動軸１０と第２回動軸２０をＬ１≧５×Ｌ２となるように配置することで、アライメント調整による表示位置の変化を小さくできる。即ち、図７で説明した２段階の調整を行う際に、第１段階で決定した表示位置をほとんど変化させずに、アライメント調整を行うことができる。アライメント調整で表示位置が変化してしまうと、その後に再び表示位置を微調整するような煩雑さが生じるが、本実施形態では２段階の調整だけで済ませることができる。

また本実施形態では、Ｌ２≦５ｍｍである。

Ｌ１＝５×Ｌ２（Ｐ＝５）に、典型的な値としてＬ１＋Ｌ２＝３０ｍｍを適用すると、Ｌ２＝５ｍｍとなる。即ち、Ｌ２≦５ｍｍとすることで、図９で上述した通りアライメント調整による表示位置の変化を小さくでき、表示位置の調整とアライメント調整という２段階の調整が実現される。

また本実施形態では、図６等に示すように、接眼光軸４０を含む仮想平面３０と第１回動軸１０は垂直（略垂直を含む）であり、仮想平面３０と第２回動軸２０は垂直（略垂直を含む）である。なお、仮想平面３０と回動軸１０、２０は完全に垂直である必要はなく、例えば８０度〜９０度の範囲であればよい。或いは垂直に設計した場合であっても公差などによって個体間でばらつきがあってもよい。

仮想平面３０に対して第１回動軸１０と第２回動軸２０がともに垂直であるということは、接眼光軸４０に対して第１回動軸１０と第２回動軸２０が垂直であり、且つ第１回動軸１０と第２回動軸２０が平行ということである。

仮に接眼光軸４０に対して第１回動軸１０が傾いている場合、その第１回動軸１０で表示部１４０を回動させると、接眼光軸４０に垂直な軸を中心とする回転の成分と接眼光軸４０を中心とする回転の成分が混ざったものとなる。そのため、接眼光軸４０を中心とする回転の成分によって表示画像が接眼光軸４０回りに回転してしまい、それを修正する更なる調整機構が必要になる。第２回動軸２０が垂直でない場合も同様のことが起きる。この点、本実施形態では接眼光軸４０に対して第１回動軸１０、及び第２回動軸２０が、それぞれ垂直（略垂直）であるため、第１回動軸１０や第２回動軸２０で調整を行ったときに接眼光軸４０を中心とする表示画像の回転がほとんどない。

また、第１回動軸１０がぴったり眼球中心６４を通っていない場合には、第１回動軸１０で表示部１４０を回動させると接眼光軸４０が眼球中心６４からずれていくが、そのずれは、接眼光軸４０を通り、第１回動軸１０に垂直な面内で起きる。同様に第２回動軸２０で接眼光軸４０の向きを調整する際、その接眼光軸４０の移動は、接眼光軸４０を通り、第２回動軸２０に垂直な面内で起きる。本実施形態では、第１回動軸１０と第２回動軸２０が平行であるため、接眼光軸４０が移動する面が一致（仮想平面３０）し、第１回動軸１０による表示位置の移動でずれた接眼光軸４０の向きを、第２回動軸２０でアライメント調整できる。

また本実施形態では、図６等に示すように、仮想平面３０は、虚像５０として表示される画像の垂直走査方向ＤＶに平行である。

表示装置では、走査ラインの画素を選択して画素値を書き込み、それを順次に繰り返して１画面の画像を表示させる。その走査ラインの方向が水平走査方向であり、それに垂直な方向が垂直走査方向である。そして、その表示装置の画面で定義された方向を虚像上で見たものが、図６の水平走査方向ＤＨ、垂直走査方向ＤＶである。

垂直走査方向ＤＶは、おおむね装着者の視界の上下方向となるのが一般的である。仮想平面３０が垂直走査方向ＤＶに平行なので、仮想平面に垂直な第１回動軸１０は、おおむね視界の左右方向となる。この場合、図１の眼鏡型フレーム１５０や図４のネックバンド１７０等において、第１回動軸１０をこめかみ付近に配置することで、第１回動軸１０は眼球中心６４の近傍を通る。この配置では、眼鏡型フレーム１５０のテンプル部や、ネックバンド１７０の耳かけの延長上に第１回動軸１０（装着部と接続部１３０の接続点）が来ることになり、装着部に対して自然な接続部１３０の取り付け位置となる。

また本実施形態では、装着部を頭部７０に装着した場合において、第１回動軸１０は装着者の眼球６０を通ればよい。

図６等では、Ｌ１＋Ｌ２＝３０ｍｍ付近に第１回動軸１０と第２回動軸２０を配置することで、眼球中心６４の近傍に第１回動軸１０が通ることを説明した。実際には、第１回動軸１０が眼球６０内を通るように配置されていれば、表示位置の調整とアライメント調整を実現する上で十分である。更に望ましくは、第１回動軸１０が眼球中心６４から６ｍｍ（眼球６０の半径の半分）以内を通ることが望ましい。眼球中心６４は、眼球６０を球と見なした場合の球の中心である。

なお、眼球６０の位置や、眼球６０と耳８０又は鼻との位置関係、眼球６０の半径等には個人差があるので、同一のウェアラブル装置１００を様々な人が使う場合、第１回動軸１０と眼球６０の位置関係は個人差がある。そのため、第１回動軸１０が装着者の眼球６０を通るというのは、必ずしも全員でなくともよく、例えば９０％の人において第１回動軸１０が眼球６０を通るように設計されていればよい。

また本実施形態では、図７等で説明したように、第１回動軸１０は、第１回動軸１０での表示部１４０の回動により視界における虚像５０の表示位置を調整する回動軸である。第２回動軸２０は、第２回動軸２０での表示部１４０の回動により接眼光軸４０の方向を調整する回動軸である。

図６等において、上記の機能を実現する第１回動軸１０や第２回動軸２０の配置条件について説明したが、それらの配置条件をウェアラブル装置１００が必ずしも全て備える必要はない。即ち、ウェアラブル装置１００が上記の機能を実現できる配置構成となっていればよい。第１回動軸１０、第２回動軸２０が、それぞれ表示位置の調整、アライメント調整という２つの調整機能を分担することによって、ユーザーに負担の少ない調整機構を実現できる。特に瞳分割シースルー光学系などの接眼窓１４２が小さいヘッドマウントディスプレイで効果が高いが、その他のヘッドマウントディスプレイにも本発明は適用できる。例えば視線と接眼光軸が合っていなくても画像が見える光学系であっても、視線と接眼光軸が合っていないと接眼部の光学性能を十分引き出せないが、本実施形態の調整機構を用いることによって、光学性能を十分に引き出すことが可能となる。

２．詳細構成、変形例
以下、ウェアラブル装置１００の各部の詳細構成や変形例について説明する。

図１１（Ａ）は、正面視用に構成したウェアラブル装置１００の上面図であり、図１１（Ｂ）は、右側視用に構成したウェアラブル装置１００の上面図である。

正面視では、眼球中心６４を通る接眼光軸４０が前後方向（ＤＺ−ＤＹ平面内）である。即ち、視界の中央やその上下に表示画像を表示させる場合の構成である。一方、右側視では、眼球中心６４を通る接眼光軸４０が右側に傾いている。即ち、視界の中央の右側やその上下に表示画像を表示させる場合の構成である。正面視、右側視ともに、眼球中心６４から接眼窓１４２までは、１２ｍｍ＋１２ｍｍ＋６ｍｍ＝３０ｍｍ前後である。また、上面図において、眼鏡型フレーム１５０（装着部）の対称面１５２と眼球中心６４の距離は、２６〜３６ｍｍ程度である。これらの寸法を考慮して、第１回動軸１０が眼球中心６４の近傍を通るように第１回動軸１０を設定する。

図１２（Ａ）に、表示部１４０の光学系の第１構成例を示し、図１２（Ｂ）に、表示部１４０の光学系の第２構成例を示し、図１２（Ｃ）に、表示部１４０の光学系の第３構成例を示す。

第１構成例は、表示パネル１４６とプリズムＰＲ１を含む。プリズムＰＲ１は、表示パネル１４６からの光を内部で複数回反射させて接眼窓１４２に導く。またプリズムＰＲ１は、光の入射端面や反射面の形状によって全体として正のジオプトリー（パワー、屈折力）をもち、それによって虚像を目に投影する。この構成では、プリズムＰＲ１から光が射出される端面が接眼窓１４２となり、その端面と接眼光軸４０（射出光軸）の交点が接眼光軸４０の射出端１４４となる。第１構成例では、表示パネル１４６の光軸と接眼光軸４０が鋭角を成すとともにプリズムＰＲ１で導光することによって、表示部１４０が眼鏡フレームの曲面に沿った形状となっている。

第２構成例は、表示パネル１４６とレンズＬＮ１とミラーＭＲ１を含む。表示パネル１４６からの光は、正のジオプトリーを有するレンズＬＮ１を通ってミラーＭＲ１で反射され、接眼窓１４２から射出される。この構成では、ミラーＭＲ１で反射した光を射出するための筐体の開口部が接眼窓１４２となる。またミラーＭＲ１の反射面と接眼光軸４０の交点が接眼光軸４０の射出端１４４となる。第２構成例では、ミラーＭＲ１が鋭角に光を反射する（光軸を曲げる）ことで、表示部１４０が眼鏡フレームの曲面に出来るだけ沿うようになっている。

第３構成例は、表示パネル１４６とレンズＬＮ２とプリズムＰＲ２を含む。表示パネル１４６からの光は、レンズＬＮ２を通ってプリズムＰＲ２に入射し、プリズムＰＲ２の反射面で反射され、プリズムＰＲ２の端面から射出される。プリズムＰＲ２の入射面の形状やレンズＬＮ２が全体として正のジオプトリーをもつ。この構成では、プリズムＰＲ２から光が射出される端面が接眼窓１４２となり、その端面と接眼光軸４０の交点が接眼光軸４０の射出端１４４となる。第３構成例では、プリズムＰＲ２が鋭角に光を反射する（光軸を曲げる）ことで、表示部１４０が眼鏡フレームの曲面に出来るだけ沿うようになっている。

図１３に、回動軸の構成例を示す。第２回動軸２０を例にとって説明すると、表示部１４０の筐体から円柱状の突起が軸１４８として突出しており、接続部１３０からは円筒状の軸受け１３２が突出している。この軸受け１３２に軸１４８がはめ込まれ、軸受け１３２の中で軸１４８が回動することによって第２回動軸２０を中心とする回動が実現される。軸１４８である円柱状の突起の対称軸と、軸受け１３２である円筒状の構造の対称軸が、第２回動軸２０となる。

また、第１回動軸１０も同様の構成で実現できる。例えば図１３では眼鏡型フレーム１５０のフロント部とテンプル部がヒンジで接続され、テンプル部側に第１回動軸１０の軸受けが設けられている。或いは、第１回動軸１０の軸受けが眼鏡型フレーム１５０のフロント部に設けられてもよい。

なお、第２回動軸２０の構成において、表示部１４０側に軸受けが設けられてもよい。また、第１回動軸１０の軸受けはテンプル部に設けられてもよい。また、眼鏡型フレーム１５０はヒンジが設けられずに、フロント部とテンプル部が一体形成され、その一体形成されたフレームに第１回動軸１０の軸受けが設けられてもよい。

図１４（Ａ）に、第２回動軸２０と接眼窓１４２の第１配置例を示し、図１４（Ｂ）に、第２回動軸２０と接眼窓１４２の第２配置例を示す。

第１配置例は、図１２（Ｂ）や図１２（Ｃ）のようなストレート形状の表示部１４０における配置例である。この配置例では、第２回動軸２０が接眼光軸４０の射出端１４４を通るように第２回動軸２０を設ける。例えば、第２回動軸２０から接眼光軸４０の射出端１４４までの距離はＬ２＝０ｍｍである。このような第２回動軸２０を採用することで、表示位置を変化させずにアライメント調整できる。

第２配置例は、図１２（Ａ）のような湾曲形状の表示部１４０における配置例である。この配置例では、第２回動軸２０が接眼光軸４０の射出端１４４よりも手前（目と接眼窓１４２の間）を通るように第２回動軸２０を設ける。例えば、第２回動軸２０から接眼光軸４０の射出端１４４までの距離はＬ２＝５ｍｍである。このような第２回動軸２０を採用することで、表示部１４０と接続部１３０の接続位置が顔に近づくので、表示部１４０と接続部１３０を合わせた形状を眼鏡型フレーム１５０のカーブに沿う形状にできる。また、第２回動軸２０から接眼光軸４０の射出端１４４までの距離Ｌ２を５ｍｍ以内にすることで、ほとんど表示位置を変化させずにアライメント調整できる。

なお、ストレート形状の表示部１４０において、第２配置例のように第２回動軸２０が接眼光軸４０の射出端１４４よりも手前を通るように第２回動軸２０を設けてもよい。或いは、湾曲形状の表示部１４０において、第１配置例のように第２回動軸２０が接眼光軸４０の射出端１４４を通るように第２回動軸２０を設けてもよい。

図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）に、表示位置の調節機構の変形例を示す。上述の実施形態では１つの軸（第１回動軸１０）により表示位置を調整しているが、これに限らず複数軸或いは軸を用いない（例えばフレキシブル機構など）調整機構を用いてもよい。そのような調整機構の一例として、図１５（Ａ）、図１５（Ｂ）にはリンク機構を用いた調整機構を示す。

リンク機構には、２つの軸１４、１５を有しており、各軸と表示部１４０がリンクＲＫ１、ＲＫ２（接続部１３０に相当する）で接続されている。図１５（Ａ）は２本のリンクＲＫ１、ＲＫ２が平行な場合の例であり、図１５（Ｂ）は２本のリンクＲＫ１、ＲＫ２が非平行な場合の例である。リンク機構を用いると、表示部１４０に単純な円運動ではなく眼鏡レンズに沿ったような動きをさせることができる。これにより、表示部１４０が眼鏡レンズから離れにくくなる。また、図１５（Ｂ）に示すように、２つの軸１４、１５の間の距離を、表示部１４０側でのリンク間距離よりも狭くした場合、リンク機構の回転に伴って光軸４０が眼球中心６４を向き続けるように構成できる。なお、リンク機構を採用した場合、２つの軸１４、１５のいずれか（又はそれらの中間）を第１回動軸１０とみなすことも可能であるし、或いは図１６等で説明するような第１回動軸１０が非明示的な構成と同様であると考えてもよい。

第２回動軸２０は例えば以下のように構成できる。即ち、リンクＲＫ１、ＲＫ２の表示部１４０を第３のリンクで接続し、その第３のリンクと表示部１４０の筐体を回動機構で接続し、その回動機構の回動軸を第２回動軸２０とすればよい。

３．ウェアラブル装置の第２構成例
図１６に、ウェアラブル装置１００の第２構成例を示す。図１等で説明した構成例では２つの回動機構が設けられていたが、第２構成例では、第２回動軸２０の回動機構のみが設けられ、第１回動軸１０は個人差や装着状態に応じて非明示的に存在している。

ウェアラブル装置１００は、装着者の頭部に装着される装着部と、装着者の視界の一部に虚像を表示する表示部１４０と、を含む。表示部１４０は、表示部１４０の接眼光軸４０を含む仮想的な平面である仮想平面３０に垂直な回動軸（第２回動軸２０）で回動可能に装着部に接続される。回動軸２０と仮想平面３０の交点から接眼光軸４０の射出端１４４までの距離をＬ２とする場合に、Ｌ２≦５ｍｍである。接眼光軸４０や仮想平面３０、射出端１４４、距離Ｌ２の定義は図６で説明した通りである。

より具体的には、装着部は、眼鏡型フレーム１５０である。表示部１４０は、眼鏡型フレーム１５０のリム部１５８に設けられる。表示部１４０は、例えば瞳分割シースルー光学系のような細長い光学系で実現できる表示部である。

リム部１５８は、眼鏡型フレーム１５０のフロント部においてレンズを固定するための枠である。なお、レンズが存在せず、その枠のみが存在してもよい。

表示部１４０は、例えばリム部１５８の内側（顔に近い側）に埋め込まれており、外側（正面側）から直接には見えないようになっている。リム部と表示部１４０は例えば軸受けと軸などの回動機構で接続されている。リム部１５８に表示部１４０を内蔵することから、細長い表示部１４０の中心付近に回動軸２０があった方がよい。例えば、光の射出端に設けられたミラーやプリズムの反射面と接眼光軸との交点（ミラー又はプリズムの断面の中心）を回動軸２０が通る。

本構成例では、調整可能な回動軸は１つ（回動軸２０）であるが、眼鏡型フレーム１５０のテンプル部の耳掛け付近に仮想的な回動軸があると想定できる。この仮想的な回動軸は、個人差等によって見かけ上回動するものであり、ユーザーが意図的に調整するものではない。この仮想的な回動軸は頭部７０の左右方向に平行（略平行）な軸なので、回動軸２０は頭部７０の左右方向に平行（略平行）に配置する。そのため、表示部１４０は、レンズの周囲を囲むリム部１５８の上部又は下部の内側に配置される。

なお、表示部１４０が眼鏡型フレーム１５０のリム部１５８に内蔵される場合に限定されず、第２回動軸２０の回動機構のみが設けられてＬ２≦５ｍｍであれば本発明を適用可能である。

図１７（Ａ）〜図１８に、第２構成例におけるアライメント調整の説明図を示す。

図１７（Ａ）と図１７（Ｂ）は、同じウェアラブル装置１００を別の装着者が装着した状態を示している。装着者によって耳８０の高さや眼球６０の位置が異なるので、図１７（Ａ）に示す一方の装着者で接眼光軸４０が眼球中心６４を通る場合であっても、図１７（Ｂ）に示す他方の装着者では接眼光軸４０が眼球中心６４を通らないことがある。接眼光軸４０が眼球中心６４を通らない場合、虚像の一部が欠けて見える可能性があるので、アライメント調整が必要となる。

図１８は、距離Ｌ２の条件（Ｌ２≦５ｍｍ）についての説明図である。図１８では、装着者が眼鏡型フレーム１５０を掛けたときにアライメント調整を行う状況を想定している。アライメント調整の際の回動軸２０を中心とする修正角度（回動軸２０と光軸の射出端を結ぶ直線の角度変化）をβとする。また、その際の仰角変化（眼球中心と光軸の射出端を結ぶ直線の角度変化）をαとする。また、アライメント調整が終わって視線と光軸が一致したときの眼球中心から光軸の射出端までの距離をＤとする。

まず図１８から下式（４）が成り立つ。
ｔａｎα＝Ｌ２×ｓｉｎβ／（Ｄ−Ｌ２＋Ｌ２×ｃｏｓβ） （４）

α、βは、概ね１０度以下なので、上式（４）から近似的に下式（５）が成り立つ。なお、図１８では、分かりやすいようにα、βの角度を大きくして図示している。
α＝Ｌ２×β／Ｄ （５）

眼鏡型フレーム１５０のリム部１５８に表示部１４０を埋め込んだ場合、２５ｍｍ≦Ｄ≦３０ｍｍ程度なので、Ｌ２≦５ｍｍであれば仰角変化αは修正角度βの１／５程度におさまる。即ち、修正角度βが垂直ＦＯＶ程度だったと仮定すると、アライメント調整によって生じる仰角変化αは垂直ＦＯＶの１／５程度である。瞳分割シースルー光学系では垂直ＦＯＶは５〜９度程度なので、仰角変化αは１〜１．８度程度であり、アライメント調整による表示位置の変化はほとんどない。

以上の第２構成例を採用した場合、眼鏡型フレーム１５０のリム部１５８に表示部１４０を埋め込むというシンプルなデザインでヘッドマウントディスプレイを実現できる。また、表示部１４０の位置がリム部１５８に固定されることから個人差によるアライメント調整が必要となるが、Ｌ２≦５ｍｍとなる回動軸２０が設けられることで、簡素な調整で接眼光軸４０と視線を一致させることができる。

以上、本発明を適用した実施形態およびその変形例について説明したが、本発明は、各実施形態やその変形例そのままに限定されるものではなく、実施段階では、発明の要旨を逸脱しない範囲内で構成要素を変形して具体化することができる。また、上記した各実施形態や変形例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明を形成することができる。例えば、各実施形態や変形例に記載した全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態や変形例で説明した構成要素を適宜組み合わせてもよい。このように、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能である。また、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。

１０ 第１回動軸、１２ 第１交点、１４，１５ リンク機構の軸、
２０ 第２回動軸、２２ 第２交点、３０ 仮想平面、４０ 接眼光軸、
５０ 虚像、６０ 眼球、６２ 瞳、６４ 眼球中心、７０ 頭部、
８０ 耳、１００ ウェアラブル装置、１３０ 接続部、１３２ 軸受け、
１４０ 表示部、１４２ 接眼窓、１４４ 射出端、
１４６ 表示パネル、１４８ 軸、１５０ 眼鏡型フレーム、
１５２ 対称面、１５８ リム部、１７０ ネックバンド、
ＤＨ 水平走査方向、ＤＶ 垂直走査方向、ＤＸ，ＤＹ，ＤＺ 方向、
Ｌ１，Ｌ２ 距離、ＬＮ１，ＬＮ２ レンズ、ＭＲ１ ミラー、
ＰＲ１，ＰＲ２ プリズム、ＲＫ１，ＲＫ２ リンク、α 仰角変化、
β 修正角度

Claims (12)

1. 装着者の頭部に装着される装着部と、
   第１回動軸で回動可能に前記装着部に接続される接続部と、
   第２回動軸で回動可能に前記接続部に接続され、前記装着者の視界の一部に虚像を表示する表示部と、
   を含み、
   前記表示部の接眼光軸を含むと共に、前記第１回動軸及び前記第２回動軸とそれぞれ交差する仮想的な平面を仮想平面とし、前記仮想平面と前記第１回動軸の交点である第１交点から、前記仮想平面と前記第２回動軸の交点である第２交点までの距離をＬ１とし、前記第２交点から前記接眼光軸の射出端までの距離をＬ２とする場合に、
   ２０ｍｍ≦Ｌ１＋Ｌ２≦４５ｍｍであることを特徴とするウェアラブル装置。
2. 請求項１において、
   Ｌ１≧５×Ｌ２であることを特徴とするウェアラブル装置。
3. 請求項１又は２において、
   Ｌ２≦５ｍｍであることを特徴とするウェアラブル装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかにおいて、
   前記仮想平面と前記第１回動軸は垂直であり、前記仮想平面と前記第２回動軸は垂直であることを特徴とするウェアラブル装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかにおいて、
   前記仮想平面は、前記虚像として表示される画像の垂直走査方向に平行であることを特徴とするウェアラブル装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、
   前記装着部を前記頭部に装着した場合において、前記第１回動軸は前記装着者の眼球を通る軸であることを特徴とするウェアラブル装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、
   前記第１回動軸は、前記第１回動軸での前記表示部の回動により前記視界における前記虚像の表示位置を調整する回動軸であり、
   前記第２回動軸は、前記第２回動軸での前記表示部の回動により前記接眼光軸の方向を調整する回動軸であることを特徴とするウェアラブル装置。
8. 装着者の頭部に装着される装着部と、
   第１回動軸で回動可能に前記装着部に接続される接続部と、
   第２回動軸で回動可能に前記接続部に接続され、前記装着者の視界の一部に虚像を表示する表示部と、
   を含み、
   前記装着部を前記頭部に装着した場合において、前記第１回動軸は前記装着者の眼球を通り、
   前記表示部の接眼光軸を含むと共に、前記第１回動軸及び前記第２回動軸とそれぞれ交差する仮想的な平面を仮想平面とし、前記仮想平面と前記第１回動軸の交点である第１交点から、前記仮想平面と前記第２回動軸の交点である第２交点までの距離をＬ１とし、前記第２交点から前記接眼光軸の射出端までの距離をＬ２とする場合に、
   Ｌ１≧５×Ｌ２であることを特徴とするウェアラブル装置。
9. 請求項８において、
   Ｌ２≦５ｍｍであることを特徴とするウェアラブル装置。
10. 請求項８又は９において、
    前記仮想平面に対して前記第１回動軸、及び前記第２回動軸は、それぞれ垂直であることを特徴とするウェアラブル装置。
11. 装着者の頭部に装着される装着部と、
    前記装着者の視界の一部に虚像を表示する表示部と、
    を含み、
    前記表示部は、前記表示部の接眼光軸を含む仮想的な平面である仮想平面に垂直な回動軸で回動可能に前記装着部に接続され、
    前記回動軸と前記仮想平面の交点から前記接眼光軸の射出端までの距離をＬ２とする場合に、
    Ｌ２≦５ｍｍであることを特徴とするウェアラブル装置。
12. 請求項１１において、
    前記装着部は、眼鏡型フレームであり、
    前記表示部は、前記眼鏡型フレームのリム部に設けられることを特徴とするウェアラブル装置。