JP2011150231A - 表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 第一ライトガイド4の入射面41で第一出射機構3からの画像表示光を反射させた後、第一面43aと第二面43bとで画像表示光を第一設定方向へと反射させながら出射面42に導き、出射面42から画像表示光を観察者の眼に導く表示装置1であって、第二ライトガイド7の入射面71で第二出射機構6からの画像表示光を反射させた後、第一面73aと第二面73bとで画像表示光を第二設定方向へと反射させながら出射面72に導き、出射面72から画像表示光を観察者の眼に導き、第一設定方向と第二設定方向とは、互いに反対方向であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
眼鏡型ディスプレイ101は、眼鏡と似た外観をしており、画像表示光Lを出射するユニット部U1と、ユニット部U1からの画像表示光Lを内部で反射させながら観察者の眼Eに導く基板であるライトガイド4と、ユニット部U1とライトガイド4とが取り付けられるフレーム部Fとを備える(例えば、特許文献1参照)。
なお、眼鏡型ディスプレイ101は右眼用であり、遠方を見ている状態の右眼Eの中心に原点を有したXYZ座標系を定義する。Z方向は観察者の前方であり、Y方向は観察者の上方であり、X方向は観察者の左方である。
透過型液晶表示器31は、制御部110からの画像信号に基づいて、出射方向に垂直である面に表示領域(X1×Y1)となる画像を形成し、その画像表示光Lを出射する。
光学系32は、表示領域の全範囲(X1×Y1)の画像表示光Lを透過させる光学素子を有する。これにより、光学系32は、表示領域の全範囲(X1×Y1)の画像表示光Lを透過させながら、観察対象の虚像を形成する。
側面群43は、X方向から見ると四角形状となり、第一面43aと、第一面43aとZ方向で対向する第二面43bと、第三面(図示せず)と、第三面とY方向で対向する第四面(図示せず)とを有する。
このとき、第一ビームスプリッタ面42aの一端部と第二ビームスプリッタ面42bの一端部と第三ビームスプリッタ面42cの一端部とは、第二面43bに接触するとともに、第一ビームスプリッタ面42aの他端部と第二ビームスプリッタ面42bの他端部と第三ビームスプリッタ面42cの他端部とは、第一面43aに接触している。
そして、第一ビームスプリッタ面42aと第二ビームスプリッタ面42bと第三ビームスプリッタ面42cとは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過することが可能となっている。
また、第一ビームスプリッタ面42aを透過した画像表示光Lは、第二ビームスプリッタ面42bに到達する。そこで、第二ビームスプリッタ面42bは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過する。つまり、画像表示光Lの光束の15.4%である画像表示光Lbの光束を観察者に向かって導く。このとき、第二ビームスプリッタ面42bから出射して、第二の位置にある観察者の眼Ebに導かれる。
さらに、第二ビームスプリッタ面42bを透過した画像表示光Lは、第三ビームスプリッタ面42cに到達する。そこで、第三ビームスプリッタ面42cは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過する。つまり、画像表示光Lの光束の12.5%である画像表示光Lcの光束を観察者に向かって導く。このとき、第三ビームスプリッタ面42cから出射して、第三の位置にある観察者の眼Ecに導かれる。
一方、X方向に進んでも、画像表示光La、Lb、Lcの光束の輝度を均一になるように、各ビームスプリッタ面42a、42b、42cの反射率と透過率とを、各ビームスプリッタ面42a、42b、42cに異なるコーティング等をすることで調整して、画像表示光Laが画像表示光Lの光束の12.5%となり、画像表示光Lbが画像表示光Lの光束の12.5%となり、画像表示光Lcが画像表示光Lの光束の12.5%となるようにすると、各ビームスプリッタ面42a、42b、42cの性質(反射率と透過率)が異なることになるため、外部からの光LO1、LO2、LO3が不均一になる。
つまり、画像表示光La、Lb、Lcの光束の輝度を均一にするとともに、外部からの光LO1、LO2、LO3も均一にすることができなかった。
また、「設定割合」とは、設計者等によって予め決められた任意の割合であり、例えば、入射した画像表示光の光束の19%を反射するとともに、画像表示光の光束の81%を透過するように決められる。
そこで、制御部は、例えば、画像表示光を第一出射機構から出射させる。そして、画像表示光は、第一ライトガイドに導かれる。その後、第一ライトガイドは、画像表示光を一番目のビームスプリッタ面から出射して、第一の位置にある観察者の眼Eaに導く。また、第一ライトガイドは、画像表示光を二番目のビームスプリッタ面から出射して、第二の位置にある観察者の眼Ebに導く。このとき、二番目のビームスプリッタ面から出射される画像表示光の光束は、一番目のビームスプリッタ面から出射される画像表示光の光束に比べ暗くなる。
また、上記の発明において、同一のライトガイドのビームスプリッタ面は、お互いに平行であるようにしてもよい。
そこで、制御部は、例えば、画像表示光を第一出射機構から出射させる。そして、画像表示光は、第一ライトガイドに導かれる。その後、第一ライトガイドは、画像表示光を前半の回折面から出射して、第一の位置にある観察者の眼Eaに導く。また、第一ライトガイドは、画像表示光を後半の回折面から出射して、第二の位置にある観察者の眼Ebに導く。このとき、後半の回折面から出射される画像表示光の光束は、前半の回折面から出射される画像表示光の光束に比べ暗くなる。
以上のように、本発明の表示装置によれば、回折面の回折特性が均一であっても、画像表示光の光束の輝度を均一にするとともに、外部からの光も均一にすることができる。
本発明の表示装置によれば、画像情報の一部分に対応した画像表示光を出射すればよいので、第一出射機構及び第二出射機構を小型化・軽量化することができる。
図1は、本発明の一実施形態である眼鏡型ディスプレイ(表示装置)の平面の概略構成を示す光路図である。なお、上述した眼鏡型ディスプレイ101と同様のものについては、同じ符号を付している。
眼鏡型ディスプレイ1は、画像表示光Lを出射する第一ユニット部U1と、第一ユニット部U1からの画像表示光Lを内部で反射させながら観察者の眼Eに導く基板である第一ライトガイド4と、画像表示光Lを出射する第二ユニット部U2と、第二ユニット部U2からの画像表示光Lを内部で反射させながら観察者の眼Eに導く基板である第二ライトガイド5と、第一ユニット部U1と第一ライトガイド4と第二ユニット部U2と第二ライトガイド5とが取り付けられるフレーム部Fとを備える。
側面群43は、X方向から見ると四角形状となり、第一面43aと、第一面43aとZ方向で対向する第二面43bと、第三面(図示せず)と、第三面とY方向で対向する第四面(図示せず)とを有する。
このとき、第一ビームスプリッタ面42aの一端部と第二ビームスプリッタ面42bの一端部と第三ビームスプリッタ面42cの一端部とは、第二面43bに接触するとともに、第一ビームスプリッタ面42aの他端部と第二ビームスプリッタ面42bの他端部と第三ビームスプリッタ面42cの他端部とは、第一面43aに接触している。
そして、第一ビームスプリッタ面42aと第二ビームスプリッタ面42bと第三ビームスプリッタ面42cとは、入射した画像表示光Lの光束の10%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の90%を透過することが可能となっている。
側面群73は、―X方向(第二設定方向)から見ると四角形状となり、第一面73aと、第一面73aとZ方向で対向する第二面73bと、第三面(図示せず)と、第三面とY方向で対向する第四面(図示せず)とを有する。
このとき、第一ビームスプリッタ面72aの一端部と第二ビームスプリッタ面72bの一端部と第三ビームスプリッタ面72cの一端部とは、第二面73bに接触するとともに、第一ビームスプリッタ面72aの他端部と第二ビームスプリッタ面72bの他端部と第三ビームスプリッタ面72cの他端部とは、第一面73aに接触している。
そして、第一ビームスプリッタ面72aと第二ビームスプリッタ面72bと第三ビームスプリッタ面72cとは、入射した画像表示光Lの光束の10%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の90%を透過することが可能となっている。
透過型液晶表示器31は、制御部10からの画像信号に基づいて、出射方向に垂直である面に表示領域(X1×Y1)となる画像を形成し、その画像表示光Lを出射する。
透過型液晶表示器61は、制御部10からの画像信号に基づいて、出射方向に垂直である面に表示領域(X1×Y1)となる画像を形成し、その画像表示光Lを出射する。
光学系62は、表示領域の全範囲(X1×Y1)の画像表示光Lを透過させる光学素子を有する。これにより、光学系62は、表示領域の全範囲(X1×Y1)の画像表示光Lを透過させながら、観察対象の虚像を形成する。
表示制御部10aは、透過型液晶表示器31に画像信号を出力するとともに、透過型液晶表示器61に画像信号を出力するように制御する。このとき、透過型液晶表示器31に出力する画像信号と、透過型液晶表示器61に出力する画像信号とは、同一の画像情報となる。
その結果、透過型液晶表示器31から出射された画像表示光Lは、光学系32から第一ライトガイド4の入射面41に導かれる。
図1に示すように、第一ライトガイド4の入射面41は、光学系32からの表示領域(X1×Y1)の画像表示光Lを略X方向(第一設定方向)へと反射させる。そして、第一面43aと第二面43bとは、表示領域(X1×Y1)の画像表示光Lを交互に複数回反射しながら、第一ビームスプリッタ面42aに導く。そこで、第一ビームスプリッタ面42aは、入射した画像表示光Lの光束の10%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の90%を透過する。つまり、画像表示光Lの光束の10%である画像表示光L1aの光束を、観察者の眼Eaに向かって導く。
さらに、第二ビームスプリッタ面42bを透過した画像表示光Lは、第三ビームスプリッタ面42cに到達する。そこで、第三ビームスプリッタ面42cは、入射した画像表示光Lの光束の10%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の90%を透過する。つまり、画像表示光Lの光束の8.1%である画像表示光L1cの光束を観察者に向かって導く。
図1に示すように、第二ライトガイド7の入射面71は、光学系62からの表示領域(X1×Y1)の画像表示光Lを略−X方向(第二設定方向)へと反射させる。そして、第一面73aと第二面73bとは、表示領域(X1×Y1)の画像表示光Lを交互に複数回反射しながら、第一ビームスプリッタ面72aに導く。そこで、第一ビームスプリッタ面72aは、入射した画像表示光Lの光束の10%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の90%を透過する。つまり、画像表示光Lの光束の10%である画像表示光L2aの光束を、観察者に向かって導く。このとき、第一ライトガイド4の第三ビームスプリッタ面42c(透過率90%)を透過するため、画像表示光Lの光束の9%(10%×90%)が、第三の位置にある観察者の眼Ecに導かれる。よって、第一ライトガイド4の第三ビームスプリッタ面42cから出射された画像表示光L1cと、第二ライトガイド7の第一ビームスプリッタ面72aから出射された画像表示光L2aとが重なるようにして観察者の眼Ecに導かれる。これにより、画像表示光の光束の輝度は、画像表示光Lの光束の17.1%(8.1%+9.0%)である画像表示光の光束となる。
また、外部からの光は、第二ライトガイド7の各ビームスプリッタ面(透過率90%)及び第一ライトガイド4の各ビームスプリッタ面(透過率90%)を透過するため、各眼の位置Ea、Eb、Ecにおける外部からの光LO1、LO2、LO3は、ともに外部光の光束の81%と均一である。
上述した眼鏡型ディスプレイ1では、第一ライトガイド4と第二ライトガイド7とを用いる構成を示したが、第一ライトガイド4と第二ライトガイド7との代わりに、下述するライトガイド80を2枚用いるような構成としてもよい。図4は、第一ライトガイド4の代わりに用いるライトガイド80の平面の概略構成を示す図である。
ライトガイド80は、ポリカーボネイト製(屈折率ng)の平板形状となり、一端部に形成され第一出射機構3の前方(Z方向)に配置される平面形状の入射面(回折面)81と、観察者の眼Eの前方(Z方向)に配置される出射面(回折面)82と、空気との界面によって形成される側面群83とを有する。
側面群83は、X方向(第一設定方向)から見ると四角形状となり、第一面83aと、第一面83aとZ方向で対向する第二面83bと、第三面(図示せず)と、第三面とY方向で対向する第四面(図示せず)とを有する。
出射面82は、平面形状の回折面からなり、第二面83b上に所定の面積(X方向での長さは、画像表示光Lをi回反射させるために必要な長さである)で形成されている。そして、回折面は、入射した画像表示光Lの90%を反射するとともに、画像表示光Lの10%を観察者の眼Eの方向に回折させて導くことが可能となっている。
上述した眼鏡型ディスプレイ1では、第一ライトガイド4と第二ライトガイド7とを用いる構成を示したが、第一ライトガイド4と第二ライトガイド7との代わりに、下述するライトガイド90を用いるような構成としてもよい。図5は、第一ライトガイド4の代わりに用いるライトガイド90の平面の概略構成を示す図である。
ライトガイド90は、ポリカーボネイト製(屈折率ng)の平板形状となり、一端部に形成され第一出射機構3の前方(Z方向)に配置される平面形状の入射面91と、観察者の眼Eの前方(Z方向)に配置される出射面92と、空気との界面によって形成される側面群93とを有する。
側面群93は、X方向(第一設定方向)から見ると四角形状となり、第一面93aと、第一面93aとZ方向で対向する第二面93bと、第三面(図示せず)と、第三面とY方向で対向する第四面(図示せず)とを有する。
このとき、第一反射面91aの一端部と第二反射面91bの一端部と第三反射面91cの一端部とは、第二面93bに接触するとともに、第一反射面91aの他端部と第二反射面91bの他端部と第三反射面91cの他端部とは、第一面93aに接しない。
そして、第一反射面91aと第二反射面91bと第三反射面91cとは、入射した画像表示光Lの光束の全光束を反射することが可能となっている。
このとき、第一ビームスプリッタ面92aの一端部と第二ビームスプリッタ面92bの一端部と、・・・、第Sビームスプリッタ面92sの一端部とは、第二面93bに接触するとともに、第一ビームスプリッタ面92aの他端部と第二ビームスプリッタ面92bの他端部と、・・・、第Sビームスプリッタ面92sの他端部とは、第一面93aに接しない。
そして、第一ビームスプリッタ面92aと第二ビームスプリッタ面92bと、・・・、第Sビームスプリッタ面92sとは、入射した画像表示光Lの光束の10%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の90%を透過することが可能となっている。
上述した眼鏡型ディスプレイは、観察者の頭部や腕等の身体や、身体に装着されるヘルメットや眼鏡等に、ヘッドセット、ベルト、バンド、クリップ等を介して装着されたり、携帯電話や腕時計等の各種携帯機器に装着されたり、手に持った状態で使用されたりしてもよい。また、観察者に装着されるヘッドマウントディスプレイのような形態に限らず、観察者の前方に設置するヘッドアップディスプレイのような形態であってもよい。
上記表示素子は、R(赤)、G(緑)、B(青)の3色光を時分割発光する光源により、観察対象の虚像をカラー表示してもよい。
また、上述した眼鏡型ディスプレイにおいて、X方向と第一設定方向とは一致するような構成を示したが、X方向と第一設定方向とは一致しないような構成としてもよく、第一設定方向は任意の一方向とすることができる。
上記ライトガイドを形成する材料としては、例えば、ポリカーボネイト、ポリメタクリル酸(PMMA)、シクロオレフィン、硝材等が挙げられる。
上述した眼鏡型ディスプレイにおいて、第一ライトガイド4のビームスプリッタ面42a〜42cと第二ライトガイド7のビームスプリッタ面72a〜72cとが、入射した画像表示光Lの光束の10%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の90%を透過するビームスプリッタ面であるような構成を示したが、第一ライトガイド4のビームスプリッタ面42a〜42cと第二ライトガイド7のビームスプリッタ面72a〜72cとが、それぞれ異なる割合を反射するとともに、それぞれ異なる割合を透過するビームスプリッタ面であるような構成としてもよい。
このとき、光学系を早い速度で駆動することになるため、表示制御部は、第一の透過型液晶表示器と第二の透過型液晶表示器とに、同一の画像情報の一部分である画像表示光を出射させてもよいが、第一の透過型液晶表示器と第二の透過型液晶表示器とに、同一の画像情報の異なる部分である画像表示光を出射させてもよい。
3 第一出射機構
4 第一ライトガイド
6 第二出射機構
7 第二ライトガイド
10 制御部
31、61 透過型液晶表示器(表示素子)
41、71 入射面
42、72 出射面
42a、72a 第一ビームスプリッタ面
42b、72b 第二ビームスプリッタ面
42c、72b 第三ビームスプリッタ面
43a、73a 第一面
43b、73b 第二面
L 画像表示光
E 観察者の眼
Claims (5)
- 画像表示光を出射する表示素子を有する第一出射機構と、
第一ライトガイドと、
表示しようとする画像情報に基づいて、前記第一出射機構を制御する制御部とを備え、
前記第一ライトガイドは、第一面と、当該第一面と対向する第二面と、観察者の眼の前方に配置される出射面と、入射面とを有し、
前記第一ライトガイドの出射面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を透過することが可能な複数の平面形状のビームスプリッタ面であり、当該ビームスプリッタ面は第一設定方向において順番に配置され、
前記第一ライトガイドの入射面で第一出射機構からの画像表示光を反射させた後、前記第一面と第二面とで画像表示光を第一設定方向へと反射させながら出射面に導き、前記出射面から画像表示光を観察者の眼に導く表示装置であって、
画像表示光を出射する表示素子を有する第二出射機構と、
第二ライトガイドとを備え、
前記第二ライトガイドは、第一面と、当該第一面と対向する第二面と、観察者の眼の前方に配置される出射面と、入射面とを有し、
前記第二ライトガイドの出射面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を透過することが可能な複数の平面形状のビームスプリッタ面であり、当該ビームスプリッタ面は第二設定方向において順番に配置され、
前記第二ライトガイドの入射面で第二出射機構からの画像表示光を反射させた後、前記第一面と第二面とで画像表示光を第二設定方向へと反射させながら出射面に導き、前記出射面から画像表示光を観察者の眼に導き、
前記第一設定方向と第二設定方向とは、互いに反対方向であることを特徴とする表示装置。 - 同一のライトガイドのビームスプリッタ面は、お互いに平行であることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
- 画像表示光を出射する表示素子を有する第一出射機構と、
第一ライトガイドと、
表示しようとする画像情報に基づいて、前記第一出射機構を制御する制御部とを備え、
前記第一ライトガイドは、第一面と、当該第一面と対向する第二面と、観察者の眼の前方に配置される出射面と、入射面とを有し、
前記第一ライトガイドの出射面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を回折する回折面であり、当該回折面は第一設定方向において所定の長さで配置され、
前記第一ライトガイドの入射面で第一出射機構からの画像表示光を回折反射させた後、前記第一面と第二面とで画像表示光を第一設定方向へと反射させながら出射面に導き、前記出射面から画像表示光を観察者の眼に導く表示装置であって、
画像表示光を出射する表示素子を有する第二出射機構と、
第二ライトガイドとを備え、
前記第二ライトガイドは、第一面と、当該第一面と対向する第二面と、観察者の眼の前方に配置される出射面と、入射面とを有し、
前記第二ライトガイドの出射面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を回折反射する回折面であり、当該回折面は第二設定方向において所定の長さで配置され、
前記第二ライトガイドの入射面で第二出射機構からの画像表示光を回折反射させた後、前記第一面と第二面とで画像表示光を第二設定方向へと反射させながら出射面に導き、前記出射面から画像表示光を観察者の眼に導き、
前記第一設定方向と第二設定方向とは、互いに反対方向であることを特徴とする表示装置。 - 前記制御部は、第一出射機構と第二出射機構とに、同一の画像情報である画像表示光を出射させることにより、第一出射機構から出射された同一の画像情報に対応する画像表示光と、第二出射機構から出射された同一の画像情報に対応する画像表示光とが重なるようにして観察者の眼に導くことで、虚像を形成することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の表示装置。
- 前記第一出射機構及び第二出射機構は、前記表示素子と、
前記表示素子からの画像表示光を反射又は透過して、前記第一ライトガイド又は第二ライトガイドに画像表示光を導く光学系出射面を有する光学系と、
前記表示素子からの画像表示光の進行方向が変化するように、前記光学系を駆動させる光学系駆動機構とを備え、
前記制御部は、画像情報の一部分に対応した画像表示光を表示素子から順番に出射させていくともに、前記表示素子からの画像表示光の進行方向に対する光学系出射面の角度が順番に変化していくように、前記光学系を駆動することを繰り返すことにより、画像情報の全部分に対応した虚像を形成することを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の表示装置。
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