JP2957070B2 - 画像表示装置 - Google Patents
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- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
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Description
はディスプレイを用い、高画質を得るための画像表示装
置に関する。
る場合やレンズで拡大して見る場合には画質が大幅に低
下してしまう。
スが存在するため、画素が離れた輝点として見えること
による。
素の色が分離して見えるため一層問題となる。
59−36282またはPCT/WO/92/1607
5に開示されているような技術が使用されている。
示す構成図に基づいて説明する。
るバックライト201と、液晶ディスプレイ202と、
散乱板203から構成されている。
晶ディスプレイ202を通過して、散乱板203により
進路を乱される。
い、拡大された像205となって投射される。そのた
め、使用者から見ると、画素間のスペースは目だたくな
る。
素の色が混合されるので画質の低下が緩和される。
プレイの前に散乱板を配置すれば、確かに画素間のスペ
ースが埋められるため見やすくなる。
度分布は、図21に示すグラフのように尾を引いた分布
211になるので、エッジのシャープさが失われ画像が
ぼける副作用が発生する。
の手がかりが減少することになり、視覚疲労が発生しや
すくなるという問題も生じてしまう。
表面のランダムな起伏によって、光線をランダムに屈折
するために、精密な光線の制御が出来ないことによる。
ため、本発明による画像表示装置は、画像を表示するデ
ィスプレイと、ディスプレイの表示面と平行に配置さ
れ、ディスプレイ上に表示された画素を入力し、画素数
を見かけ上多数に増加させるマイクロレンズアレイとを
備えた画像表示装置であって、マイクロレンズアレイ
は、ディスプレイの表示面と平行な面内において水平方
向と垂直方向とで焦点距離の異なるレンズからなる画像
表示装置によって達成される。
れたレンズからなってもよい。
ィスプレイの表示面と平行に配置され、該ディスプレイ
上に表示された画素を入力し、画素数を見かけ上多数に
増加させるマイクロレンズアレイを備えた画像表示装置
であって、マイクロレンズアレイは、デルタ配列された
レンズからなる画像表示装置によっても達成される。
ンズ、あるいは六角形のレンズからなってもよい。
ィスプレイの表示面と平行に配置され、ディスプレイ上
に表示された画素を入力し、画素数を見かけ上多数に増
加させるマイクロレンズアレイとディフューザーとの混
合素子とを備えた画像表示装置によっても達成される。
ィスプレイの表示面と平行に配置され、ディスプレイに
おける複数画素当たり1本の光ファイバーが対応するよ
うに構成されたファイバーオプティックスプレートとを
備えたる画像表示装置によっても達成される。
えても、あるいは、この画像表示装置を二組備えて両眼
視できるように構成してもよい。
面と平行に配置されており、ディスプレイ上に表示され
た画素を入力し、画素数を見かけ上多数に増加させて出
力する。
より、画像は拡大される。
により、両眼視が可能となる。
詳述する。
型ディスプレイー(HMD)に本発明による画素多数化
手段を応用した実施例について図1に示し、以下詳述し
ていく。
(HMD)は、メガネ型のケース1と、バックライト2
と、液晶ディスプレイ3と、マイクロレンズアレイ4
と、レンズ5とで構成される。
スプレー(HMD)について、詳述していく。
れており、使用者6の頭に装着して使用する。
ら順にバックライト2、液晶ディスプレイ3、マイクロ
レンズアレイ4,レンズ5の順に配置されている。
画面の映像を楽しむことができる。
ても画素が分離せず、カラーディスプレーの場合には色
が分離しないので、画質が低下しない高画質の大画面映
像を鑑賞することが可能になる。
ィスプレイの画素ピッチと同程度かそれ以下の微小なレ
ンズを平面上にアレイとして製作した光学素子である。
よる方法と、紫外線に感光して屈折率を変化させるフォ
トポリマーにマイクロレンズに必要なパターンを焼き付
ける方法が知られている。マイクロレンズアレイを通し
て液晶ディスプレイを見ると図2に示すような画像を見
ることができる。以下、マイクロレンズアレイの作用を
図2を用いて説明する。
レンズアレイ、23は注目している画素、24はマイク
ロレンズアレイによって生じた画素像である。
散乱板のように画素をぼかすのではなくて、画素の複製
像を各画素の周辺に離散的に生じる点にある。
ることができると共に、画素像の輝度分布も図21に示
すように、尾を引かない切れの良い形213にすること
ができる。
プさを維持することができ、かつ視覚疲労を防ぐことが
可能になる。
る。
ピッチ、配列、形、マイクロレンズアレイとパネルの距
離を設計することによって、各画素と複製像との間隔、
複製像の個数、複製像の生じる範囲を制御することが可
能である。
つの機能がある。
複製像を生じさせて、見かけ上、画素数を増加させる効
果であり、第2の機能は、各画素の複製像の生じる領域
を一定の範囲に限定する効果である。
アレイの位置合わせが不要なことも、大きな特長であ
る。
る。
D)1の光学系を図3のようにモデル化して分析する。
イクロレンズアレイ、33はマイクロレンズアレイによ
る液晶ディスプレイの実像面、34は拡大レンズ、35
は眼のレンズ、36は眼の網膜をそれぞれ示す。
る。
拡大レンズ34の焦点距離と一致している。また、眼の
レンズ35の焦点は液晶パネルが見えるように調節され
ている。考察の対象とする画素の中心点Aはレンズの光
軸上に位置する。
し、複数のマイクロレンズ32の中心を通過する光線を
追跡すると、この光線は拡大レンズ34で光軸に平行な
平行光線に変換され、続いて眼のレンズ35で網膜36
上の点Bに集められ像をつくる。
い場合と同じで、従って点Bに生じる像もマイクロレン
ズアレイ32がない場合の像と同一である。
跡すると、光線はマイクロレンズアレイで屈折され、液
晶パネル上の点Aとは異なる点から発したように進行す
る。一例として、光を発しない画素間の点Cから発した
ように見える光線37を追跡すると、光線はマイクロレ
ンズで屈折された後、点Aのマイクロレンズによる実像
点を通過し、拡大レンズ34に到達し、ここで、平行光
線に変換される。
うに進行してきたので、平行光線の角度は光軸に平行で
はなく、点Cと拡大レンズ34の中心を結ぶ補助線38
に平行な傾き(角度p)を持っている。
ァーの回折条件にしたがって干渉して、光線同士の光路
差が光の波長の整数倍に近い場合に強め合い、それ以外
では打ち消し合う。
と、光線は眼のレンズ35で屈折され点Dに集光され、
ここで互いに強め合うので干渉像として現れる。
点Aが複製され虚像として見える結果になる。
いたが、干渉条件としては光路差は波長の整数倍であれ
ば良いので、点Aが複製された干渉像は、点Aと点Cの
間隔cと同じ一定の間隔で、周期的に複数個発生するこ
とになる。
出する。
と一致しているから、数1が成立する。
クロレンズを通過した光線の拡大レンズ54上での距離
を、pは、光線の光軸となす角度を、wは、光線の波長
をそれぞれ表す。
より数2が成立する。
レイから拡大レンズの距離を、cは点Aと第1次干渉像
の虚像位置の点Cの距離をそれぞれ示す。
る。
アレイのピッチを、eは液晶ディスプレイとマイクロレ
ンズアレイの距離をそれぞれ表す。
的であった干渉像の間隔cを求める数4を導出すること
ができる。
について考察していく。
よって生じる干渉像が一定の範囲に限定されていること
である。
を抜き出して、図4に示す。
の点Aから発した光線は、マイクロレンズアレイで屈折
され、点Bに点Aの実像を作る。
たように進行してくるので、干渉像もこのhの範囲に限
定される。
も同一である。
る。
より数5で求められる。
レイとレンズの距離を、fはマイクロレンズの焦点距離
を、gはマイクロレンズと点Bの距離をそれぞれ示す。
る。
ズの大きさを、hは点Aの干渉像が生じる範囲をそれぞ
れ示す。
数7を得ることができる。
アレイを設計する場合には、以下に示す手順にて設計し
ていく。
を導く。
て、マイクロレンズを設計する手順を説明していく。
間隔c、干渉像を生じる範囲h、液晶ディスプレイから
マイクロレンズアレイまでの距離eを決定し、ステップ
S52に進む。
ンズのピッチdを求め、ステップS53に進む。
ッチdからレンズの大きさsを決定し、ステップS54
に進む。
ンズの焦点距離fを求める。
ピッチが50ミクロンのストライプ配列の液晶ディスプ
レイ61について設計していく。
が1mmで、図7に示すように干渉像72は画素の中間
に1個生じさせるためには、干渉像の間隔は25ミクロ
ン、干渉像の範囲は75ミクロンであれば良い。
50nmで計算すると、数8、数9より以下の設計値を
得ることができる。
垂直方向でパラメータの異なる場合に関して拡張する。
点距離が水平方向と垂直方向とでは異なるので、これに
よって干渉像の間隔と範囲を方向によって違えて自由に
設計することが可能になる。
すようなストライプ配列であれば、水平方向、垂直方向
それぞれに関してそのまま成立する。
を水平方向と垂直方向の両方向に関して繰り返せば良
い。
ズの形によって変化する。
は、干渉像も六角形の領域で生じることになる。
じる範囲の形の関係を示す。
ら発した光線は、マイクロレンズ83で屈折され点Bに
点Aの実像を作る。
たように進行してくるので、干渉像もこのhの範囲に限
定される。
も同じである。
イクロレンズ83の形によって決定される。
3の形を変化させることによって、干渉像の生じる範囲
の形を自由に制御することができるようになる。
方向でパラメータが異なる場合の設計手順を示す。
っていく。
プ配列で、画素ピッチは水平方向が30ミクロン、垂直
方向が90ミクロンとする。
生じ、その間隔は水平方向が20ミクロン、垂直方向が
30ミクロンとする。
が50ミクロン、垂直方向が90ミクロンの長方形であ
れば良い。
プレイの間隔は1mmとする。
垂直方向とでパラメータが異なる場合のマイクロレンズ
を設計する手順を示す。
及び垂直方向の干渉像の間隔cx,cy、干渉縞を生じ
る範囲の形、水平、垂直方向の干渉縞を生じる範囲h
x,hy、液晶ディスプレイとマイクロレンズとの距離
eを決定し、ステップS92に進む。
直、水平方向のレンズピッチdx,dyを計算し、ステ
ップS93に進む。
形とを、干渉縞の配列と干渉像を生じる範囲範囲の形か
ら決定する。そして、ステップS92で求められたレン
ズピッチdx,dyを越えない範囲で垂直、水平方向の
レンズの大きさsx,syを決定し、ステップS94に
進む。
垂直、水平方向の焦点距離fx,fyを決定し、終了す
る。
めると、以下に示す設計値を得ることができる。
マイクロレンズアレイ111を図12に示すようなデル
タ配列の液晶ディスプレイ121に作用させると、図1
3で示すようなデルタ配列の干渉像132を生じさせる
ことができる。図11に示すように、マイクロレンズの
ピッチを水平方向をdx,垂直方向をdyと定義し、図
13に示すように干渉像の間隔を水平方向をcx,垂直
方向をcyと定義した場合には、前述の数8,9が成立
している。
ズアレイを設計することができる。例として図14に示
すような条件で設計を行う。
41はデルタ配列で、画素ピッチは水平方向が30ミク
ロン、垂直方向が40ミクロンとする。
素との中間に合計6個、干渉像の間隔は水平方向が7.
5ミクロン、垂直方向が20ミクロンとする。
方向が45ミクロン垂直方向が60ミクロンの六角形で
あれば良い。
の間隔を1mmとする。
設計していくと、以下の設計値を得ることができる。
すると、各画素の複製像は隣接する画素の複製像と重な
り合っているので隣接する色の混合色になり、拡大して
見た場合の色の分離を防ぐことができる。
製像の範囲を大きくすることによって任意の程度に実行
することが可能である。
で、散乱板を用いた場合に比べて、ボケを抑えながら、
画素間のスペースを除去したり、カラーディスプレイの
場合には色混合を実現して拡大しても高画質の画像を得
ることが可能となる。
レンズと液晶ディスプレイの距離が、液晶ディスプレイ
を構成する表面のガラスの厚みよりも小さくなる場合が
生じることがある。
のガラスを図19に示すような合わせガラス191,1
93とし、中央にマイクロレンズアレイ192をはさむ
ことによって設計条件を満足することが可能である。な
お、これらは、基盤ガラス195上に形成された液晶1
94の上に設けられている。
ンズアレイとディフューザーの混合素子を用いた実施例
について述べていく。
混合素子は、紫外線に感光して屈折率を変化させるフォ
トポリマーにマイクロレンズアレイとディフュザーに必
要なパターンを重ねて焼き付けることによって製作され
る。
マイクロレンズアレイを用いた画素間のスペースの除去
と色の混合において、更にディフュザーの効果によって
画素像の輪郭をなめらかにし、画素を一層目だたなくす
るために用いられる。
効果によって、ほとんどの画素間のスペースは除去され
ているので、ディフュザーの効果は、補足的に使われる
だけである。
最適な効果を上げることが可能である。
2の実施例を示す。
光の光源であるバックライト151と、前記バックライ
ト151の前方に近接して配置され任意の画像の表示を
行うための液晶ディスプレイ152と、更に前記液晶デ
ィスプレイ152の前方に近接して配置され前記液晶デ
ィスプレイ152から入射される光を予め設定された条
件により屈折させるためのファイバーオプティックプレ
ート153とで構成される。
153は、屈折率の高いコアガラスを屈折率の低いクラ
ッドガラスで覆った光ファイバー156を多数平行に集
合させた板で構成される。各光ファイバー156の断面
形状は概ね正六角形であり、互いに隙間無く隣接してい
る。
ラッドガラスの境界で光線を反射させて伝達する。境界
で反射を繰り返すため、伝達する間に光線の方向を乱す
特徴を持っている。
イ152の各画素とファイバーオプティックプレート1
53の各光ファイバのピッチを一致させる様に配置する
と、画素154から出た光線が1本のファイバー156
を伝わり反対側にある出力端155から射出される。こ
こで、射出されるとき光線の方向が乱されているため、
ファイバーの出力端全体155が光っているように見え
る。
ことなく光ファイバーの出力端155一杯に最大限に拡
大されるため、画素間のスペースを除去することができ
る。
置の第3の実施例を示す。
ァイバーオプチィックプレート162を用いており、こ
れをカラー液晶ディスプレイに応用した実施例を示す。
GBデルタ配列になっており、ファイバーオプティック
プレート162は、1本のファイバーがそれぞれRGB
の組63,164,165の画素を含むように構成され
ている。
達する間に光線の方向を乱すので、入射側に置かれた各
画素163,164,165は、出力側から見ると出力
端166一杯に広がっているように見える。
も同様に拡大されるので、出力端166の範囲内でRG
Bの各色は混合される。
なることがなく、光ファイバーの出力端一杯に最大限に
拡大され、画素間のスペースを除去するとともに、色の
混合を実現することができる。
ィスプレー(HMD)において、微小屈折手段としてマ
イクロレンズアレイ4の代わりにファイバーオプティッ
クプレート174を用いた第4の実施例を示す。
(HMD)は、メガネ型のケース171と、バックライ
ト172と、液晶ディスプレイ173と、ファイバーオ
プティックプレート174と、レンズ175とで構成さ
れる。
スプレー(HMD)について、詳述していく。
められており、使用者176の頭に装着して使用する。
ら順にバックライト172、液晶ディスプレイ173、
ファイバーオプティックプレー174,レンズ175の
順に配置されている。
画面の映像を楽しむことができる。
ても画素が分離せず、カラーディスプレーの場合には色
が分離しないので、画質が低下しない高画質の大画面映
像を鑑賞することが可能になる。
174を、図18に示すファイバーオプティックプレー
ト181の形にすれば、ファイバーオプティックプレー
ト181に画像を拡大する機能を持たせることが可能と
なる。
ト174、181を頭部搭載型ディスプレー(HMD)
に採用すると、レンズの負担が軽くなるためレンズによ
る歪みを抑えて高画質の大画面映像を実現することが可
能になる。
用いることにより、液晶ディスプレイの画素ピッチと画
素配列に合わせて最適の特性を設計することができる。
素間のスペースを除去し、またカラーディスプレイの場
合には各画素の色を混合して、拡大しても画質が低下し
ない高画質でかつ視覚疲労の少ない画像表示装置を実現
することができる。
程度かそれ以下の大きさのピッチの屈折率分布を持ち自
在に製作可能なファイバーオプティックスプレートを備
えることによっても、上記と同様の効果が、期待出来
る。
プレイーに応用した第1の実施例を示す。
である。
ある。
ある。
ローチャートである。
ある。
ある。
のマイクロレンズアレイ設計の手順を示すフローチャー
トである。
干渉像の設計例である。
である。
る。
渉像である。
渉像の設計例である。
示す。
示す。
示す。
ックプレートの外観図を示す。
折手段を設置した構成図である。
像の輝度分布を示す。
本の光ファイバー 161 液晶ディスプレイ 162 ファイバーオプティックプレート 163 赤色の画素 164 緑色の画素 165 青色の画素 166 出力端 171 メガネ型のケース 172 バックライト 173 液晶ディスプレイ 174 ファイバーオプティックプレート 175 拡大レンズ 176 使用者 181 ファイバーオプティックプレート 191 表面ガラスの外側部分 192 微小屈折手段 193 表面ガラスの内側部分 194 液晶および制御配線部分 195 基盤ガラス
Claims (10)
- 【請求項1】 画像を表示するディスプレイと、 前記ディスプレイの表示面と平行に配置され、前記ディ
スプレイ上に表示された画素を入力し、画素数を見かけ
上多数に増加させるマイクロレンズアレイとを備えた画
像表示装置であって、 前記マイクロレンズアレイは、前記ディスプレイの表示
面と平行な面内において水平方向と垂直方向とで焦点距
離の異なるレンズからなることを特徴とする画像表示装
置 。 - 【請求項2】 前記マイクロレンズアレイが、格子状に
配置されたレンズからな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】 画像を表示するディスプレイと、 前記ディスプレイの表示面と平行に配置され、前記ディ
スプレイ上に表示された画素を入力し、画素数を見かけ
上多数に増加させるマイクロレンズアレイを備えた画像
表示装置であって、 前記マイクロレンズアレイは、デルタ配列されたレンズ
からなることを特徴とする 画像表示装置。 - 【請求項4】 前記マイクロレンズアレイが、四角形の
レンズからなることを特徴とする請求項1乃至請求項3
のいずれか一項に記載の画像表示装置。。 - 【請求項5】 前記マイクロレンズアレイが、六角形の
レンズからなることを特徴とする請求項1乃至請求項3
のいずれか一項に記載の画像表示装置。 - 【請求項6】 画像を表示するディスプレイと、 前記ディスプレイの表示面と平行に配置され、前記ディ
スプレイ上に表示された画素を入力し、画素数を見かけ
上多数に増加させるマイクロレンズアレイとディフュー
ザーとの混合素子とを備えた ことを特徴とする画像表示
装置。 - 【請求項7】 画像を表示するディスプレイと、 前記ディスプレイの表示面と平行に配置され、前記ディ
スプレイにおける複数画素当たり1本の光ファイバーが
対応するように構成されたファイバーオプティックスプ
レートとを備えた ことを特徴とする画像表示装置。 - 【請求項8】 前記ファイバーオプティックスプレート
が、等倍以上の拡 大率を持つことを特徴とする請求項7
に記載の画像表示装置。。 - 【請求項9】 画像を拡大するための拡大手段を具備し
たことを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか一
項に記載の画像表示装置。 - 【請求項10】 前記画像表示装置を二組備え、両眼視
できるように構成したことを特徴とする請求項1乃至請
求項9のいずれか一項に記載の画像表示装置。
Priority Applications (4)
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DE69429209T DE69429209T2 (de) | 1993-06-01 | 1994-05-31 | Bildanzeigevorrichtung mit rückseitiger Beleuchtung |
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JP5306754A JP2957070B2 (ja) | 1993-12-07 | 1993-12-07 | 画像表示装置 |
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Cited By (1)
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KR101365978B1 (ko) | 2012-09-10 | 2014-02-24 | 한국과학기술연구원 | 헤드 마운티드 디스플레이 및 이를 이용한 컨텐츠 표시 방법 |
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CN105717640B (zh) * | 2014-12-05 | 2018-03-30 | 北京蚁视科技有限公司 | 基于微透镜阵列的近眼显示器 |
-
1993
- 1993-12-07 JP JP5306754A patent/JP2957070B2/ja not_active Expired - Fee Related
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KR101365978B1 (ko) | 2012-09-10 | 2014-02-24 | 한국과학기술연구원 | 헤드 마운티드 디스플레이 및 이를 이용한 컨텐츠 표시 방법 |
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