JP3131631B2

JP3131631B2 - 画像表示装置

Info

Publication number: JP3131631B2
Application number: JP11062383A
Authority: JP
Inventors: 順司伊藤; 正剛金丸; 貴松川; 範幸高松
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2001-02-05
Anticipated expiration: 2019-03-09
Also published as: JP2000258724A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、眼鏡のように人間の視
野内の一部に高精度な画像を発生する、小型・軽量・低
消費電力・高輝度・高精細・高耐環境性の画像表示装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術の代表例は液晶表示装置を搭載
したいわゆるヘッドマウントディスプレイがある。ヘッ
ドマウント型画像表示装置として用いられているものに
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）がある。これは、眼鏡の視
野部に直接小型ＬＣＤを搭載し画像を発生している。し
かしながら、ＬＣＤは自発光ではないためバックライト
と呼ばれる白色灯を実装する必要があり、必然的に小型
・軽量化には限界があり、眼鏡として利用するには重す
ぎて不便である。また、精細度やコントラストなど視認
性に関わる性能に原理的な問題を抱えている。

【０００３】さらには、眼鏡のレンズ部位に液晶ディス
プレイを実装しているため、頭部から懸架する方式をと
らざるをえず、人体への装着形式がきわめて限定され
る。また、ディスプレイが日常視野を阻害するため、使
用目的や環境が限定され、場合によっては危険でもあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来の
画像発生システムの欠点を解決するため、画像表示部と
伝送部および画像発生部を分離して構成し、人体頭部に
装着する部分の機能を簡略化するとともに、大幅に小型
化・軽量化するものである。なおかつ、通常の生活視野
を阻害することなく高輝度・高精細な画像を表示し、日
常生活での利便性を著しく向上するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決する手
段として、本発明では、画像表示部と伝送部および画像
発生部を分離して構成し、人体頭部にはきわめて簡単な
構成からなる表示部だけを装着する。画像の発生や調整
・処理などのエレクトロニクス部は衣服のたとえばポケ
ットやベルト等に装着し、そこで得られた画像を上記眼
鏡部位にある表示部に伝送し表示する。

【０００６】具体的には、上記画像発生・処理部には小
型・高精細な自発光型ディスプレイを用い、公知既存の
光学レンズ技術によってこれまた公知既存の光ファイバ
ー系に上記画像を転写し、前記眼鏡部位の表示部に画像
を伝送する。これにより、該表示部では、ファイバー画
像を光学レンズ系によって実画像に変換し表示する機能
に限定することが可能になる。

【０００７】さらに本発明では、前記画像発生・処理部
において、最新のＬＳＩ技術によって実現する高精細・
高輝度のフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥ
Ｄ）を用いることを提案する。ＦＥＤは、輝度や画質を
犠牲にすることなく小型・高精細化できる特徴があり、
また、消費電力も現在の液晶ディスプレイに比べて１０
分の１に低減できる。さらには、コンピュータ機能、た
とえば画像処理機能をＦＥＤと同一基板上に一体集積で
きる特徴も持っている。

【０００８】本発明では、ＦＥＤのほかにも半導体の電
界発光現象を利用したディスプレイ（ＥＬ）の利用も提
案する。これも前記ＦＥＤと同等の機能を期待できるか
らである。さらに本発明では、上述の眼鏡部位での画像
表示方式だけでなく、光ファイバーから直接又は間接的
に眼球網膜に射影する方式も提案する。これにより、前
記表示部の光学系の大部分を省略することが可能とな
り、さらなる小型・軽量化ができるとともに、視力の弱
い人に対する有効な補助装置となりうる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１に本発明の基本的な構成を例
示している。画像発生部からの画像を光ファイバー束に
て画像投影光学系に伝送する。該光学系は耳部を含む人
体頭部に、直接あるいは眼鏡の一部等を介して間接的に
装着され、眼鏡視野の一部に画像を投影する。画像投影
面は、ハーフミラーコートされたレンズや、アルミ素材
の砂目がたった面、又は、特定波長のみ高反射する薄膜
処理がされる。

【００１０】図２に示すように、光学系は、回転やズー
ム機能、焦点調節、歪み補正などの機能を有している。
画像発生部にある光学系にズーム機構と画像表示素子そ
のものの回転・傾斜及び画像変換機構によるソフト
ウェアーによる補正のための画像形成を行う。

【００１１】画像発生部は、画像表示器とそれを駆動す
る回路を基本構成とし、視線シャッターなどの付加機構
を司る制御機構をも含む。また画像処理・制御部は、テ
レビチューナーやパーソナルコンピューターから発生さ
れた画像信号を本発明の画像表示ドライバーに入力する
ための前処理機構をもった変換器で構成される。画像表
示器として、小型の画像発生装置（例えば、液晶方式、
ＥＬ方式、ＦＥＤ方式など）を、必要な輝度・解像度・
低消費電力を満足する前提で最少のサイズで構成するこ
とができる。様々な表示機構がある中で、高輝度・高解
像度・低消費電力の特徴を有する、ＦＥＤ方式を採用す
ることができる。画像表示素子は、例えば、外形１２ｍ
ｍＸ９ｍｍ、８００Ｘ６００ドット、フルカラー（又は
１６７０万色）である。

【００１２】図３は、このような画像発生部の構成の一
例を示すものであり、ＦＥＤなどの表示素子を駆動する
ためのブロック図である。図中、画像表示素子とある部
分が実際に発光し画像を表示する部分である。スキャン
ドライバーはＣＲＴでいう走査線を制御する回路で、一
定時間に画像素子全域を操作する。データードライバー
はスキャンされた信号に、画素に当たる周波数で、画像
データに応じてＯＮ・ＯＦＦを行うための回路である。
制御回路は、スキャンドライバー回路、データードライ
バー回路を制御したり、送られてきた画像データーをス
キャンデーターとＯＮ・ＯＦＦデーターに変換を行う回
路である。メモリーは、データー変換を、バッチで行う
ため、連続して画像を表示するために、一時的にメモリ
ーに入れて変換を行い、それを複数のメモリーに割り振
ることで連続性を保つ。

【００１３】ＦＥＤについての詳細は図４を参照して後
述する。ＥＬディスプレーは、Electroluminescence現
象にて得られる発光を利用した方式である。１９７０年
代にマンガン（Ｍｎ）を発光中心として添加した硫化亜
鉛（ＺｎＳ）多結晶薄膜を用いたオレンジに光るディス
プレーが開発された。図５に示すように、下部電極14と
上部透明電極18の間に電圧21をかけ発光層16を励起す
る。励起された発光物質22（この場合はＺｎＳ）が基底
状態に戻る際に発光する。その際発光効率を促進するた
めにＭｎなどの発光中心を混在させる。励起方法には電
圧方式と、電流方式がある。応答速度、解像度、低消費
電力等の利点を有するが、ＦＥＤに比較して、輝度（明
るさが）十分にとれず、本発明でも利用可能で有るが、
小サイズ、高輝度、高解像度を求める場合は、ＦＥＤの
方が、より小さくする事ができ実用的且つ携帯性に優れ
た物となる。（例えば、ＦＥＤは数百から１０００ｃｄ
／ｍ２にたいして、ＥＬは数十ｃｄ／ｍ２程度、ＬＣＤ
は更に低いとされている）

【００１４】光ファイバーは、材質で、ガラスとプラス
ティックとあり、それぞれ特徴を有する。ガラスの場
合、石英を用いることから、可視光のみならず紫外光ま
で吸収が殆どなく、広い範囲の波長の光を長距離を伝送
できる。一方プラスティックのものは、一般的にはその
透過性からアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）を用いるが、短波
長領域では極端な吸収がおき、可視光領域のみに限定さ
れる。また、プラスティック性の物は、可視光領域でも
多少の吸収があり、石英性の物に比較して長距離（１Ｋ
ｍ）は望めない。ただし、その比重から、軽量の物がで
き、本発明のように近距離（２ｍ程度）で、且つ可視光
のみである場合は、プラスティック性の物で十分事足り
る。どちらのケースも、柔軟性は十分有しているため、
身体形状や動きに十分対応可能である。

【００１５】実施例として、石英性の直径４ｍｍのファ
イバー束を用いるが、明るさの損失を防ぐ事を目的とし
た場合は、更に直径の太い物を用いることができる。ま
た、光ファイバーに限らず、レンズ、ガラスなどの透過
光低下の主たる原因は、空気との境界にておきる反射に
よるところが大きく、入出両面に反射防止膜を施すこと
により、透過率を９８％にまで上げることが可能であ
る。（反射防止膜がない場合、約９２％程度）画像表示
素子の輝度（明るさと）ファイバーを含む全光学系の透
過効率と、携帯性（柔軟性・重量）によって適宜選択さ
れる。例えば、一般的なＬＣＤなどは十分な明るさがと
れないため、画像表示素子を大きくし、ファイバーを含
む光学系の開口率を大きく取る事になるが、ＦＥＤのよ
うに、十分な輝度（明るさ）をとれる場合は、携帯性を
画質の劣化がおきることなく実現できる。

【００１６】投影面の大きさは、一般の１７インチディ
スプレーを机上にて見ている大きさを表示されれば良
く、たとえば、実施例の図は、眼鏡の距離を想定してい
るが、視角を約４０度程度にすれば見やすくしかも圧迫
感がなく良好な結果が得られる。例えば、眼球から20ｍ
ｍ前方におくならば、直径約１５ｍｍに内接する長方形
となる。

【００１７】図６は本発明の別の基本的構成を示してい
る。図１に示した構成に、さらに視線追随センサーが着
いている。これにより、眼球が一定の位置にきたときだ
け画像を表示できる機能が付加される。これは、一種の
眼球スイッチとして利用できるため、日常視野との共存
が容易になり、複数の活動を同時にこなす際に便利であ
る。

【００１８】視線追随センサーは、小型のＣＣＤカメラ
などの撮像素子をとりつけ、瞳形状画像を取り込み、瞳
の向いてる方向を画像処理を通して判断する機能を有し
ている。その取り付け位置は、ＣＣＤ等撮像素子を眼前
に設置することができる。また、後述の第５の実施例の
ように、光ファイバー束の利点である、双方向を生かし
て、撮像素子以下を、画像発生部に隣接させることがで
きる。

【００１９】図７は、視線追随センサーの動作を説明す
るための図である。視線追随センサーは眼球の向いてい
る方向を認知するために、瞳（瞳孔）の偏りを撮影しそ
の映像を画像処理装置に送る。画像処理装置は、受け取
った瞳の偏りをたとえば瞳の重心を求めて、相対的にど
ちらに傾いているかを判断する。その後、瞳が光軸（実
施例１から４の場合はスクリーン、５の場合は光軸）に
対して正面に向いているかを判断し、シャッター（バル
ブ）の開閉またはスクリーンセーバー機能をＯＮ・ＯＦ
Ｆする。

【００２０】図８は本発明のさらに別の基本的構成を例
示している。画像発生部にフィールドエミッションディ
スプレイ(FED)を用いることを特徴としている。ＦＥＤ
は、画素ごとにスイッチングされるフィールドエミッタ
群から成る電子源と、該電子源からの電子放出を制御す
るゲート電極と、該電子源から放出された電子の照射に
よって蛍光を発するアノード電極、から構成されてお
り、輝度や画質を犠牲にすることなく小型・高精細化で
きる特徴があり、また、消費電力も現在の液晶ディスプ
レイに比べて１０分の１に低減できる。さらには、コン
ピュータ機能、たとえば画像処理機能をＦＥＤと同一基
板上に一体集積できる特徴も持っている。

【００２１】ＦＥＤの一般的な基本構成は、図４に示す
ように、カソード基板1・カソード電極3、絶縁層5で囲
まれたエミッタ電極2、エミッタ電極2より電子を引き出
すためのゲート電極6、蛍光体7、引き出された電子を加
速するアノード電極9とでできていて、それぞれ真空中
に設置されている。動作は、カソード電極3及びエミッ
タ2と、ゲート電極6の間にゲート電圧12（例えば３０か
ら９０ボルト）を印加し、エミッタ2より真空中に自由
電子を放出させる。同時に、カソード電極3とアノード
電極8との間に印可されているアノード電圧11（例えば
数１００から１０数キロボルトの範囲）により、自由電
子が、アノード電極8の手前にある、蛍光体7に電子の衝
突（エネルギーの遷移）が起こり、発光する。

【００２２】発光光10の波長は、蛍光体7により決ま
り、十分高い電圧を取りうる場合、一般的に用いられて
いるＣＲＴの蛍光体をそのまま利用することができる。
画像表示素子の大きさ又はそれ以上の開口面を有したフ
ァイバー束の端面に透明アノード電極8（ITO）を成膜
し、更にその上に蛍光体7を形成する。それにより、い
くつもの透明基板（例えばカバーガラスも含め）を通し
て画像を伝送していくと、それぞれの端面にて反射によ
る損失が起こり、効率よく画像を伝搬できない問題が解
決する。

【００２３】即ち、蛍光体7をファイバー束に直接形成
する事を特徴とする。カソード側は、カソード電極3か
らゲート電極6に至るまでのエミッタアレーをカソード
基板1（シリコンウェハーや、ガラス基板）上に形成
し、所定のスペーサーを取り付けて、アノード側と位置
合わせした後、真空圧着又は熱融着する。真空度の劣化
やコンタミネーションの原因となる接着剤は用いず、接
合面の十分な清浄度と平面性で、ＦＥＤ内の真空度の保
持や固定が十分可能である。

【００２４】図９は本発明の第１の実施例を例示してい
る。ＦＥＤのアノード電極として、一本一本の光ファイ
バー端面そのものを利用することを特徴としている。該
端面にＩＴＯ膜のような導電性透明電極を塗布した後、
蛍光体を塗布し、それにたとえば１００ボルト程度の電
圧を印加してアノード電極とする。これにより、画像発
生部から光ファイバー束への画像入射光学系が不要にな
るとともに、輝度低下がなくなり、明るい画像を画像投
影光学系に伝送できる。

【００２５】図１０は本発明の第２の実施例を例示して
いる。画像投影光学系において、眼球網膜に直接画像を
投影させることを特徴としている。これにより、視力が
極端に低下した場合でも画像を感知することが可能にな
る。図示の装置は、光ファイバー束を逆方向に進行して
きた、瞳情報を、付属された撮像素子にて取り込み眼球
光軸の向いている方向を検出し自動的に画像を見ていな
いときにはシャッター（バルブ）が閉じる機構を持つ。
様々な方式が考えられるが、例として、次の機構をあげ
る。

【００２６】画像発生部にあるプローブ光源から、赤外
線等、人体に無害で且つ可視光領域外波長のしかも十分
短いパルスを一定の間隔で発生させる。水晶体を通し
て、網膜にて反射してきた画像を同じファイバー束を通
して戻ってきたプローブ光を撮像素子にて取得する。人
が画像を見ている場合は、瞳と光軸が一致するので、一
定強度にてプローブ光が検知される。それ以外の場合、
即ち、人が画像を見ていないときは、非常に低い反射光
のみが検知される。かかる手順を経て、人が、画像を見
ているかいないかを認識し、バルブの開閉を制御するも
のである。

【００２７】図１１は、このような構成を例示してい
て、画像処理及び制御部と、画像発生部とに大きく分か
れている。画像処理及び制御部は、既存のＴＶチューナ
ーやコンピューターから発生される、各種画像データー
を本発明の表示素子の駆動系にマッチしたデーターに変
換する。また、電源として、電力を供給する。画像発生
部は、先に図３で説明したものとシャッター（バルブ）
で構成された発生部とでできている。加えて、シャッタ
ーのＯＮ・ＯＦＦを制御するために、まず、プローブ光
源から発生された光が眼球網膜にて反射してきた網膜情
報または、瞳方向に応じた反射光強度を取得するための
ＣＣＤ等の撮像素子で構成される。

【００２８】画像投影光学系は、ミラー、投影レンズ
（接眼レンズ）、視力調整レンズ、で構成される。図１
２に示すように、前記画像表示素子により形成された画
像がファイバー束により伝送され、伝送用ファイアバー
のもう一方の端から画像が射出され、接眼レンズにて集
光され、全反射ミラー、及び視度調整レンズを介して眼
に映像を移す。

【００２９】

【発明の効果】本発明は、１．画像発生部と画像投影部を分け、かつ画像伝送部に
光ファイバー束を使うことにより、人体頭部への装着負
担を一般的な眼鏡程度の負担にまで軽減できる。又は、
通常の眼鏡に射影する事も可能。２．十分細い光ファイバを用いることで視野を遮ること
なく、通常にちかい視野を確保できる。３．光ファイバーを用いることで、眼球情報をフィード
バックでき、しかるべきセンサーを適宜付加すること
で、適時、適切な映像を任意に視認できる。例１）視線追随システムを装備することで、自動シャッ
ター機構の付加。例２）自動視度調整機構。例３）拡大縮小機構、ローテーション、立体映像、等。４．画像表示部を微小にすることで、大幅に消費電力を
軽減でき、バッテリー駆動型のテレビジョンやコンピュ
ーターの仕様時間を延長する事ができる。または、バッ
テリ重量を軽減できる。また、従来の表示器のスペース
にソラーセル等の補助電源を併設することで、更なる、
バッテリー駆動の長時間化または軽量化が可能となる。
小エネルギー化を実現できる。５．微小カメラとの併用で、視覚障害を有している人
の、網膜に直接鮮明な映像を結ぶ事が可能となる。６．コンピューター作業中の、プライバシー保護に寄
与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的な構成を示している。

【図２】本発明において用いられる光学系を例示する図
である。

【図３】本発明において用いられる画像発生部の構成の
一例を示している。

【図４】ＦＥＤの一般的な基本構成を例示している。

【図５】ＥＬディスプレーを例示する図である。

【図６】本発明の別の基本的構成を示している。

【図７】視線追随センサーの動作を説明するための図で
ある。

【図８】本発明のさらに別の基本的構成を示している。

【図９】本発明の第１の実施例を示している。

【図１０】本発明の第２の実施例を例示している。

【図１１】図１０に示された装置において用いることの
できる回路構成を例示している。

【図１２】画像投影光学系の一例を示す図である。

【符号の説明】

１カソード基板２エミッタ電極３カソード電極５絶縁層６ゲート電極７蛍光体８アノード電極９アノード電極１４下部電極１６発光層１８上部透明電極２２発光物質

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高松範幸茨城県つくば市梅園１丁目１番４工業技術院電子技術総合研究所内 (56)参考文献特開平10−123453（ＪＰ，Ａ) 特開平８−50256（ＪＰ，Ａ) 特開平10−334836（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/02 G09F 9/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】フィールドエミッタ群から成る電子源、該
電子源からの電子放出を制御するゲート電極、及び該電
子源から放出された電子の照射によって蛍光を発するア
ノード電極から構成され、該アノード電極として導電性
透明膜を介して蛍光体が塗布された光ファイバー端面を
用いる画像発生部と、該光ファイバーを画素数だけ束ねて構成した画像伝送部
と、耳部を含む人体頭部に直接あるいは眼鏡の一部等を介し
て間接的に装着されて、前記画像発生部からの画像が前
記画像伝送部により伝送される画像投影光学系と、眼鏡視野の一部に前記画像が投影される画像投影面と、から成る画像表示装置。
【請求項２】眼球が一定の位置にきたときだけ画像を表
示できる機能を付加するために利用されるさ視線追随セ
ンサーを備えた請求項１に記載の画像表示装置。