JP3512431B2 - 映像表示装置 - Google Patents
映像表示装置Info
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- JP3512431B2 JP3512431B2 JP13385692A JP13385692A JP3512431B2 JP 3512431 B2 JP3512431 B2 JP 3512431B2 JP 13385692 A JP13385692 A JP 13385692A JP 13385692 A JP13385692 A JP 13385692A JP 3512431 B2 JP3512431 B2 JP 3512431B2
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Description
特に、映像を直接両眼の網膜上に投影して表示する眼鏡
型映像表示装置に関するものである。
やスクリーン上に映し出されるが、眼鏡型の表示装置に
ついても、すでにいくつかの提案がなされている。この
ようなものの1つが特開平3−214872号に開示さ
れている。これは、点光源により照射されている透過型
の映像板の像を接眼レンズによって眼球に集光し、網膜
上に結像された像を直接視覚することができる表示装置
である。
説明する。図6に示すように、点光源111と、この点
光源111によって照射される映像板112と、この映
像板112と略一体的に配置された短焦点の接眼レンズ
113とからなり、光束は眼球114の水晶体116の
位置にある瞳孔117の上に焦点を結び、この点をピン
ホールとして網膜115上に像が結像されるようになっ
ている。このような構成により、眼鏡の枠体をコンパク
トにできるという効果を生じている。
ては、映像板112としてカラーフィルタを備えた透過
型の液晶板が用いられるが、これが網膜115と共役関
係にないので、高精細な映像を得るためには、幾何光学
的に考えると、瞳孔117の上に作られるピンホールの
直径を小さくしなければならない。しかし、これを小さ
くし過ぎると、光の回折作用によるボケが大きくなり、
結果として、上記従来例では高精細な映像を得ることが
できない。
たものであり、その目的は、上記問題点を解決して、画
素を適当な間隔で網膜上に投影して高精細な映像を再現
できる眼鏡型等の映像表示装置を提供することである。
明の映像表示装置は、2次元的に配列された画素を表示
する表示素子を備えた映像表示装置において、前記各画
素毎に設けられ、前記画素からの射出光束を集光する第
1光学手段と、前記第1光学手段からの射出光束を平行
光束に変換して眼球に導く第2光学手段とを有し、前記
第1光学手段と前記第2光学手段は前記各画素を前記眼
球の網膜に対して共役関係となるようにすることを特徴
とするものである。
の配列間隔をほぼ等しくするか、画素の配列間隔より第
1光学手段の配列間隔を小さくすることが望ましい。
束を集光させる光源手段を有し、各画素上に集光した光
束の画素透過光を第1光学手段、第2光学手段によって
眼球に導くようにすることもできる。
素からの出射光束を集光する第1光学手段と、第1光学
手段からの出射光束を平行光束に変換して眼球に導く第
2光学手段とを有するので、各画素から出射した光束は
第1光学手段に入射し、そこから射出した光束は第2光
学手段に入射し、そこで平行光束に変換され、眼球に導
かれる。眼球内の網膜上には、適当な間隔で各画素の配
列が再構成されるため、画像を知覚することが可能とな
る。また、各画素と眼球内の網膜とは共役関係にあり、
網膜上にできる画素の像は鮮明なものである。したがっ
て、それらが集まって作り出される画像も鮮明となり、
高精細な画像を知覚することが可能となる。
置のいくつかの実施例について説明する。図1の光路図
を参照にして本発明の第1の実施例について説明する。
図1において、水晶体5、網膜6を含む眼球7の前方
に、眼球7側から順に、集光レンズ4、マイクロレンズ
3を配し、さらに、その前方に文字、画像等を表示する
ためのLEDアレー2を設けた基板1が配置されてい
る。LEDアレー2は、図1では、紙面内の1次元配列
として表されているが、実際には、紙面に垂直な方向に
も広がりを持つ2次元配列のものである。マイクロレン
ズ3についても同様である。
られたLEDアレー2の発光を、図示されていないLE
Dアレー制御手段によって制御することにより、文字又
は画像が形成される。LEDアレー2を構成する各LE
Dから射出された光束は、LEDアレー2を構成する各
LEDのピッチとほぼ等しいピッチを有するマイクロレ
ンズ3、及び、各LED共通の集光レンズ4を経て平行
光束となり、水晶体5に入射する。マイクロレンズ3
は、主に各LEDからの光束をほぼ平行光束にする働き
を有し、集光レンズ4は、主にそれら各平行光束を眼球
7の瞳孔に集光する働きを有する。水晶体5を透過した
光束は、網膜6上に集光し、LEDの像を結ぶ。この
時、マイクロレンズ3の有効径、すなわち、LEDアレ
ー2を構成する各LEDのピッチが大きければ、網膜6
上に結像されるLEDアレー2の像は、とびとびの点像
となり好ましくない。逆に、マイクロレンズ3の有効径
を小さくすると、網膜6上で回折像を結び、解像度が劣
化する。
ッチ(=LEDアレー2の最適ピッチ)を求める。網膜
6上に結像するLEDの像の分解能Rは、 R=(0.61×λ)/NA(μm) と書ける。ここで、λは入射光の波長、NAは像側の開
口数を表す。像側のFナンバーをFe とすれば、 NA=1/(2Fe ) となり、 Fe =fe /P だから、 R=(0.61×λ)/NA=0.61×0.5×2F
e (μm) =0.61fe /P を得る。ここで、fe は目の焦点距離(μm)(ただ
し、焦点距離は、節点から焦点までの距離と定義す
る。)、Pは表示素子2のセルピッチを表し、これはマ
イクロレンズ3の有効径にほぼ等しい。入射光束の波長
は、0.5μmとしている。
m)、直線上で見た画素数をNとすると、目の中でのセ
ルピッチpは、L=NPだから p=2fe tanθ/N=2Ptanθ/L×fe となる。
と目の中でのセルピッチpの式から、pをRと等しくし
て、 0.61/P0 =2P0 tanθ/L P0 2 =0.61L/(2tanθ)=0.31L/tanθ ∴P0 =0.55(L/tanθ)1/2 となる。なお、表示素子2が、カラー画像を表示するた
めに、赤、青、緑の光を発するLEDがモザイク状に配
列されたものの場合には、P0 は同一色のセル間のピッ
チを表す。よって、セルの色を無視した隣接セルとの間
隔は、P0 /3となる。
画素数をN0 とすると、 N0 =L/P0 =1.82(L・tanθ)1/2 となる。
の有効径Lを、θ=15°、L=30×103 μmとす
ると、 水平方向のセル数=1.82(30×103 ・tan1
5°)1/2 =163 水平方向のピッチ=184μm となり、垂直方向の表示素子2の有効径を20×103
μmとすると、 垂直方向のセル数=1.82(20×103 ・tan1
0.1°)1/2=108 垂直方向のピッチ=185μm を得る。したがって、総画素数は、163×108=1
7604(画素)となる。
に結像したときの口径をψ、f0 をマイクロレンズ3と
集光レンズ4との合成焦点距離とすると、LEDセルの
眼底への投影倍率Mは、M=fe /f0 だから、 ψ=Mφ=fe φ/f0 となる。ここで、眼底で個々のセル像の境界が互いに接
するよう配列するためには、 ψ=p fe φ/f0 =p=2fe tanθ/N ∴φ=2f0 tanθ/N となる。f0 =2000μmとすると、 φx =2×2000×tan15°/163=6.5μ
m(水平方向) φy =2×2000×tan10.1°/108=6.
5μm(垂直方向) を得る。
下させ、これより小さいと、解像力はあまり上がらず、
セル境界が目立ってくる。なお、表示素子2が赤、青、
緑の光を発するLEDがモザイク状に配列されたものの
場合には、異なる色のセル像同士が重なり合っても解像
力は低下しないので、φは上記の式で表される2〜4倍
でよい。
次元表示セルを配置することによって、最適の映像を得
ることができる。
第2の実施例について説明する。図2において、水晶体
5、網膜6を含む眼球7の前方に、眼球7側から順に、
マイクロレンズ16、13が配置されており、マイクロ
レンズ16と13の間には、文字、画像を表示するため
の平行平板14a、14bで挟まれた液晶層15が設け
られている。図2では、液晶のセル15−1〜15−n
は、紙面内の1次元配列として表されているが、実際に
は、紙面に垂直な方向にも広がりを持つ2次元配列のも
のである。マイクロレンズ16、13についても同様で
ある。マイクロレンズ13の前方には、集光レンズ12
が設けられており、さらに、集光レンズ12の前には、
ピンホール11、面発光光源10が配置されている。
及び14bで挟まれた液晶層15には、図示されていな
い液晶制御手段によって各セル15−1〜15−n毎に
印加電圧を制御することにより、文字又は画像が形成さ
れる。外部の光源から射出され、液晶セル15−1〜1
5−nを透過した光束は、液晶セル15−1〜15−n
のピッチより多少小さいピッチを有するマイクロレンズ
16を経て平行光束となり、水晶体5に入射する。水晶
体5を透過した光束は網膜6上に集光し、液晶セルの像
を結ぶ。マイクロレンズ16の中心から数えてm番目の
レンズを通過する平行光束は、マイクロレンズ16の焦
点距離をf0 とすると、図のように光軸に対し傾きを持
ち、その傾き角はtan-1{(ξ×m)/f0 }であ
る。ただし、ここで、ξは液晶セルとマイクロレンズ1
6のピッチ差を表す。これにより、第1実施例において
用いられた集光レンズ4は、本実施例では不要になる。
径)は、第1実施例で説明したように、(2f0 tan
θ)/Nであることが好ましい。そして、第1実施例で
示したように、その数値は数μmと小さな値になること
が多い。しかしながら、液晶セルのセル口径は、液晶層
の厚み(10μm前後)より小さくすることは原理的に
困難である。セル口径が大きいと、網膜6上に結像する
セル像は互いに重なり合い、解像度が劣化する。そこ
で、図示のように、面発光光源10、ピンホール11、
集光レンズ12、マイクロレンズ13からなる外部光源
を設ける。面発光光源10から射出された光束は、ピン
ホール11を経て集光レンズ12に入射する。集光レン
ズ12に入射した光束は、集光レンズ12及びマイクロ
レンズ13によって個々の液晶セル15−1〜15−n
上に集光される。ピンホール11の直径と集光レンズ1
2、マイクロレンズ13の合成倍率で、液晶セルを照射
するスポットの直径が決定され、この直径が実質の液晶
セルのサイズとなる。したがって、液晶セルサイズが最
適な大きさより大きくとも、このように構成することに
より、網膜上に最適な映像を結像することができる。な
お、マイクロレンズ13のピッチは、液晶セル15−1
〜15−nのピッチより多少大きく設定され、ピンホー
ル11、集光レンズ12、マイクロレンズ13、液晶セ
ル15−1〜15−n、マイクロレンズ16の対応する
単位を通過した光束が全て水晶体5に入射するようにす
ることが望ましい。
第3の実施例について説明する。図3において、水晶体
5、網膜6を含む眼球7の前方に、眼球7側から順に、
集光レンズ25、マイクロレンズ24、21が配置され
ており、マイクロレンズ24と21の間には、文字、画
像を表示するための平行平板22a、22bで挟まれた
液晶層23が設けられている。図2では、液晶のセル2
3−1〜23−nは、紙面内の1次元配列として表され
ているが、実際には、紙面に垂直な方向にも広がりを持
つ2次元配列のものである。マイクロレンズ24、21
についても同様である。マイクロレンズ21の前方に
は、集光レンズ20が設けられており、さらに、集光レ
ンズ20の前には、ピンホール11、面発光光源10が
配置されている。
及び22bに挟まれた液晶層23には、図示されていな
い液晶制御手段によって各セル23−1〜23−n毎に
印加電圧を制御することにより、文字又は画像が形成さ
れる。面発光光源10から出射した光束は、ピンホール
11を経て、集光レンズ20に入射する。集光レンズ2
0を射出した光束は平行光束となり、マイクロレンズ2
1に入射し、液晶セル23−1〜23−n上にスポット
を形成する。液晶セル23−1〜23−nを透過した光
束は、液晶セル23−1〜23−nのピッチとほぼ等し
いピッチを有するマイクロレンズ24、各セル共通の集
光レンズ25を経て平行光束となり、水晶体5に入射す
る。水晶体5を透過した光束は、網膜6上に集光し、液
晶セルの像を結ぶ。
4のピッチがほぼ等しい場合であっても、集光レンズ2
5を挿入することにより、網膜6上に像を形成すること
ができる。なお、マイクロレンズ21のピッチも液晶セ
ル及びマイクロレンズ24のピッチとほぼ等しくするこ
とが、表示像を明るくする上で望ましい。
なく、図4に示すように、集光レンズ30と31の向き
を図3の場合と反対にしてもよい。
実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施
例に限定されず種々の変形が可能である。
の映像表示装置によると、各画素毎に設けられ、各画素
からの出射光束を集光する第1光学手段と、第1光学手
段からの出射光束を平行光束に変換して眼球に導く第2
光学手段とを有するので、各画素から出射した光束は第
1光学手段に入射し、そこから射出した光束は第2光学
手段に入射し、そこで平行光束に変換され、眼球に導か
れる。眼球内の網膜上には、適当な間隔で各画素の配列
が再構成されるため、画像を知覚することが可能とな
る。また、各画素と眼球内の網膜とは共役関係にあり、
網膜上にできる画素の像は鮮明なものである。したがっ
て、それらが集まって作り出される画像も鮮明となり、
高精細な画像を知覚することが可能となる。
である。
ある。
Claims (5)
- 【請求項1】 2次元的に配列された画素を表示する表
示素子を備えた映像表示装置において、 前記各画素毎に設けられ、前記画素からの射出光束を集
光する第1光学手段と、 前記第1光学手段からの射出光束を平行光束に変換して
眼球に導く第2光学手段とを有し、 前記第1光学手段と前記第2光学手段は前記各画素を前
記眼球の網膜に対して共役関係となるように することを
特徴とする映像表示装置。 - 【請求項2】 前記画素の配列間隔と前記第1光学手段
の配列間隔がほぼ等しいことを特徴とする請求項1記載
の画像表示装置。 - 【請求項3】 前記画素の配列間隔より前記第1光学手
段の配列間隔が小さいことを特徴とする請求項1記載の
画像表示装置。 - 【請求項4】 前記2次元的に配列された各画素上に光
束を集光させる光源手段を有し、 各画素上に集光した光束の画素透過光を前記第1光学手
段、前記第2光学手段によって眼球に導くことを特徴と
する請求項1から3の何れか1項記載の映像表示装置。 - 【請求項5】 前記表示素子の有効径がL、映像表示装
置の表示画角が2θであるとき、画素ピッチP 0 はP 0
=0.55(L/tanθ) 1/2 の式を満たすことを特
徴とする請求項1から4の何れか1項記載の映像表示装
置。
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JPH05328261A JPH05328261A (ja) | 1993-12-10 |
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ID=15114640
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP13385692A Expired - Fee Related JP3512431B2 (ja) | 1992-05-26 | 1992-05-26 | 映像表示装置 |
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DE102012205164B4 (de) | 2012-03-29 | 2021-09-09 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Projektionsdisplay und Verfahren zur Projektion virtueller Bilder |
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1992
- 1992-05-26 JP JP13385692A patent/JP3512431B2/ja not_active Expired - Fee Related
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