JP4260991B2 - ディスプレイ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はディスプレイ装置に関し、より詳細には、複数の画素が１つまたは複数の光源からの光を反射することにより画像を生成するディスプレイ装置用の照明装置に関する。
【０００２】
以下の説明を簡潔にする為に、本発明をヘッドマウント型（頭部搭載型）コンピュータディスプレイに用いるディスプレイ装置に関連して説明するが、本発明が他の種類のディスプレイにも適用可能であることは以下の説明から当業者に明らかである。ヘッドマウント式コンピュータディスプレイは、コンピュータ或は他のビデオソースにより創り出された画像を見る為にユーザーがかける「眼鏡」として捉えることが出来る。それぞれの目が見る画像は、画素の二次元アレイを有するディスプレイ画面上に生成される。
【０００３】
【従来の技術】
ある種類のディスプレイ装置においては、各画素は「シャッタ」に覆われた小さなミラーであって、該シャッタはミラーの電圧により制御されている。シャッタはミラー上の液晶層により構成される。この電圧によって画素上の液晶の状態が制御され、反射光が変調される。光源は画素を照明し、画素からの変調された反射光が見る人の目において結像される。結像光学部品は典型的には画素を拡大して仮想画像を形成するレンズより成る。光源は典型的には異なる色を発する３つのＬＥＤより構成される。
【０００４】
この種のディスプレイ装置が適正に機能するには、各マイクロミラーにより反射される光の強度がディスプレイスクリーン上の画素位置によってばらばらであってはならない。更に、各画素は独立した光源に見えなければならない。照明は、空間及び角度の両方において均一でなければならず、角度範囲は結像光学部品の受光角（Ｆナンバー）により与えられる。従来技術の装置においては、三点光源を、各マイクロミラーの平面に対して垂直な角度でディスプレイスクリーンに当たる拡散光線へと変換することにより、これらの制約を満たしている。光源は、結像光学部品のテレセントリシティへと整合させるために、光をコリメートする、又は僅かに発散させる集光レンズを用い、また、このコリメートした光線に必要な拡散を与えるために、マイクロレンズアレイまたはディフューザーを用いている。光源は、ディスプレイにより生成される画像を遮断せぬように、ユーザーの視野外になければならないので、ディスプレイを照明する一方でディスプレイにより反射した光を見る人の目に届くようにする為に、半鍍銀ミラーが用いられる。
【０００５】
照明問題に対するこの従来技術の解決策には幾つかの問題点がある。まず、第一の結像光学部品とディスプレイの間の距離が、半鍍銀ミラー用の空間を確保する為にディスプレイの最小寸法と少なくとも同じ長さでなければならないことである。第二に、照明装置がディスプレイと同等の大きさの集光レンズ及びディフューザーを必要とすることである。これらの制約によりディスプレイは大型とならざるを得ない。この種のディスプレイの大きさ及び重量は好ましいものではない。
【０００６】
光源をコリメートする為に全てのＬＥＤは、単一の点光源をシミュレートし、かつＬＥＤの色が適正に混合されるよう、コリメーティングレンズの焦点のごく近くになければならず、そのサイズも制限されている。この制約はＬＥＤの大きさを制限し、従ってディスプレイからの光の最高強度を制限する。更に、半鍍銀ミラーがディスプレイの強度を下げ、見る人の目には、コリメートされたビーム中の４分の１の光しか実際には届かない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の広義的な目的は、反射型ディスプレイ用の改善された照明装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の更なる目的は、画素を照明する為の半鍍銀ミラーの利用を必要としないディスプレイ装置を提供することにある。
【０００９】
本発明のこれら及び他の目的は、以下の発明の詳細な説明及び添付の図から、当業者にとって明らかとなるであろう。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反射画素アレイ、線光源及びリフレクタを含むディスプレイである。リフレクタは、好ましくは放物線状の断面を有する円筒面を含むもので、該円筒面の軸は線光源の成す線と平行である。線光源は、線光源からの光がリフレクタにより反射画素アレイへとコリメートされるようにリフレクタに対して配置されている。リフレクタは部分的反射性材料から作られている。線光源は、複数の発光ダイオード及びディフューザーを含むものが望ましい。カラーディスプレイにおいては、発光ダイオードは様々な発光スペクトルを有するダイオード群で構成される。本発明の一実施例においては、リフレクタは第１の直線偏光の光を反射する一方で、第１の直線偏光に対して直交する直線偏光を持つ光を透過する材料から作られる。この実施例においては、反射画素アレイ中の各画素は、画素による電気信号の受信に応答して画素により反射された光の直線偏光ベクトルを回転させる偏光回転セルを含んだものが望ましい。
【００１１】
【実施例】
本発明は、上述の従来技術のディスプレイ装置（１０）の断面図である図１を参照するとより容易に理解出来る。ディスプレイ画面（１２）は、フレネルレンズ（１４）の焦点近くに配置されたＬＥＤ（１５）より成る光源により照明される。フレネルレンズ（１４）は、結像光学部品のテレセントリシティに整合するコリメートされた光源或いは僅かに発散する光源のいずれかをもたらす。フレネルレンズ（１４）を出る光は、ディフューザー、つまりマイクロレンズアレイ（１３）によって参照番号１８に示されるように拡散される。光源からの光は半鍍銀ミラー（１６）からディスプレイ（１２）へと反射される。ディスプレイ（１２）により反射されて戻る光はレンズ（１７）によりユーザーの目（１２）に結像される。注目されたいのは、ミラー（１６）が光の半分を通過させる為に、ディフューザー（１３）を出てディスプレイに到達する光は最高でも半分であるという点である。同じ理由から、ディスプレイ（１２）を出る光の半分しかレンズ（１７）へ到達しない。また、ディスプレイ装置の幅及び高さの最低値は、照明光学部品により定まることにも注目されたい。上述したように、このような装置は嵩張るばかりか、見る人の目に届く最高強度が制限されてしまうことにもなる。
【００１２】
ここで、本発明に基づくディスプレイ装置（１００）の側面図及び上面図である図２及び図３を参照する。ディスプレイ装置（１００）においては、従来技術の装置に用いられる半鍍銀ミラーが円筒状の放物線リフレクタ（１０２）に置き換えられている。図２はディスプレイ装置（１００）をリフレクタ（１０２）の軸に対して平行な方向に見た側面図である。図３はディスプレイ装置（１００）の上面図である。リフレクタ（１０２）は集光レンズ及び部分的反射ミラーの機能の両方を提供する。リフレクタ（１０２）は、望ましくはディフューザー（１０５）及び複数のＬＥＤ（１０６）から構成される拡散光源（１０４）により照明される。
【００１３】
次に、本発明に基づくディスプレイ装置の断面図である図４を参照する。ディスプレイ装置（３００）はディスプレイ（３０７）、リフレクタ（３０１）及び拡散光源（３０２）を含む。結像光学部品の受光角を満たす為に必要な照明の角度の広がりを供する為に、光源は縦方向の空間の広がりを持たなければならない。テレセントリック系の場合、リフレクタ（３０１）は放物線状である。非テレセントリック系においては、リフレクタ（３０１）は通常、双曲線状又は楕円状の面である。放物線状面はこの空間的に広がる光源（３０２）を、開き角度（３０６）及びディスプレイ面に対する角度（３０５）を有する錐角の光線へ変換する。テレセントリック系においては角度（３０５）は９０度である。リフレクタ（３０１）の焦点（３０３）は光源（３０２）の中間にある。垂直方向における錐角は、図１に示される従来装置に関連して説明したマイクロレンズに類似の方法で光源上のディフューザーにより供される。結像光学部品がテレセントリックではない場合、円筒面の断面は、主光線が結像光学部品のそれと整合するように楕円状又は双曲線状とすることが出来る。他の方向におけるテレセントリシティは幾何学的に整合させることは出来ないが、この方向への光源の拡散によって必要な光線が供される。
【００１４】
留意すべき点は、リフレクタ（１０２）を収容する為に必要な距離（Ｄ）は、上述の従来技術のディスプレイ装置に用いられる部分反射ミラーに必要とされる距離の約半分であることである。従って、本発明は従来技術ディスプレイよりも実質的に小さい大きさと重量を有する。更に、本発明は複数のＬＥＤを用いる。よって本発明は実質的により高いディスプレイ照度を提供するものである。
【００１５】
本発明に基づくカラーディスプレイにおいては、光源は各色の光用に複数のＬＥＤを含む。カラー画像を作る為に典型的には３つの異なる色が用いられる。カラー画像は、赤、青及び緑の画像を、これら個々の画像を目が解像できる時間間隔よりも短い時間間隔で連続して表示することにより作られる。これらの異なる色のＬＥＤが光源の軸に沿って配置され、これによって、互いに重ね合わせられる３つの線光源を効果的に供する。
【００１６】
上述したように、従来技術のディスプレイにおけるひとつの問題は、有効な照明を７５％も低減させる部分反射ミラーを利用することに起因する。本発明の実施例では、入射光の偏光を回転させることにより動作するディスプレイに用いられた場合に、この問題を解消する放物線状リフレクタを構成する為の材料が利用される。本発明のこの特徴による作用については、代表的な従来技術の反射型ディスプレイの作用様式を描いた図５を参照することにより、より容易に理解出来る。図を簡素化する為に、ディスプレイの画素を１個だけ図示する。画素（２００）は、（２１０）に示されるような２つの等しい強度の直線偏光成分を含むと捉えることが出来る入射光のうち、１つの直線偏光成分を選択する偏光フィルタ（２０１）を含む。図５に示される場合においては、垂直成分がフィルタ（２０１）を通過することを仮定している。フィルタ（２０１）を通過する光は、液晶素子（２０２）の裏側の反射コーティング（２０３）により反射される。このコーティングはまた、液晶素子全体に電圧を印加する為の電極としての役割も持つ。液晶素子を出る光は、液晶素子の電位によって垂直又は水平のいずれかの偏光を持つことになる。出て行く光が（２１１）で示されるような水平方向に回転された偏光を有する場合、光は偏光フィルタにより遮断され、従って画素は黒く見える。偏光方向が垂直のままであれば光はフィルタ（２０１）を通過し、画素は明るくなる。
【００１７】
従来技術のディスプレイにおいては、反射光はここでまだ半鍍銀ミラー（２１６）に戻って通過しなければならない。従って、光をディスプレイへと向ける第一の反射時に光の半分が失われ、次の５０％の強度が偏光フィルタ（２０１）にて失われ、最後に残りの光の更に５０％が半鍍銀ミラー（２１６）へ戻ってこれを通過する時に失われるため、光源の強度に対する最高強度は８分の１となってしまう。
【００１８】
本発明は、従来技術のディスプレイに用いられたフィルタ（２０１）の偏光機能を放物線状集光レンズと組み合わせたものである。結果的に、見る人に届く有効強度は光源強度の２分の１となる。これを達成する方法は、本発明に基づく画素の拡大図である図６を参照することでより容易に理解出来る。光源（３０６）からの光は放物線状リフレクタ（３２２）へと向けられる。光は偏光されていないものと仮定しており、従って（３１０）で示すような等強度の垂直及び水平に偏光した光を含んでいる。リフレクタ（３２２）は、１つの偏光を持つ光を反射する一方で、これと直交する偏光を持つ光を透過する材料から作られる。このような材料は周知のものである。例えば、３Ｍ社がそのような材料を「DUAL BRIGHTNESS ENHANCEMENT FILM (DBEF)」という商品名で販売している。説明上の目的により、リフレクタ（３２２）は、垂直偏光された光を反射し、水平偏光された光を透過するように作られているものと仮定する。従って、光源からの光で垂直偏光成分は（３２３）で示すように画素へと反射される一方で、水平偏光成分は（３２４）で示すようにリフレクタ（３２２）を透過する。
【００１９】
縦に偏光した光は、液晶素子（２０２）を通過した後に画素の反射面（２０３）に当たる。液晶素子における電位が、（３２５）で示すように偏光方向を９０度回転させるように設定してある場合、反射光はリフレクタ（３２２）を通過し、見る人の目に到達する。この場合、画素は明るく見える。しかしながら、液晶素子における電圧が偏光方向を回転させないようなものであった場合、画素による反射光はリフレクタ（３２２）によっても反射されて光源（３０６）へと戻される。この場合、画素は暗く見える。
【００２０】
留意すべきは、画素による反射の際にリフレクタを通過する光がいかなる減衰もしないことである。即ち、光にとってリフレクタはトランスペアレントなものであると言える。よって、リフレクタ（３２２）による光の損失は、光源（３０６）からの非偏光を垂直及び水平成分に分離することに関連しての最初の５０％のみ、例えば（３２４）で示される光の損失だけである。従って本発明は従来技術のディスプレイの４倍の効率を有するものである。
【００２１】
上記説明及び添付の図から、当業者には本発明に対する様々な変更が明らかとなろう。よって本発明は冒頭の特許請求の範囲のみによって限定されるものである。
【００２２】
〔実施態様〕
なお、本発明の実施態様の例を以下に示す。
【００２３】
〔実施態様１〕反射画素アレイ（１２）と、線光源（１０４）と、そして円筒状の表面を有するリフレクタ（１０２）とを含むディスプレイ装置（１００）であって、
前記円筒状表面の軸が前記線光源（１０４）に平行であり、
前記線光源（１０４）からの光が前記リフレクタ（１０２）により前記反射画素アレイ（１２）へと反射されるように、前記線光源（１０４）が前記リフレクタ（１０２）に対して配置されており、
前記リフレクタ（１０２）が部分的反射性材料から成ること
を特徴とするディスプレイ装置。
【００２４】
〔実施態様２〕前記線光源（１０４）が複数の発光ダイオード（１０６）と、ディフューザーを含むことを特徴とする実施態様１に記載のディスプレイ装置（１００）。
【００２５】
〔実施態様３〕前記発光ダイオード（１０６）が異なる発光スペクトルを有するダイオードを含むことを特徴とする、実施態様２に記載のディスプレイ装置（１００）。
【００２６】
〔実施態様４〕前記リフレクタ（１０２）が、第１の直線偏光の光を反射させる一方で、前記第１の直線偏光に対して直交する直線偏光を持つ光を透過する材料より成ることを特徴とする、実施態様１乃至実施態様３のいずれか一項に記載のディスプレイ装置（１００）。
【００２７】
〔実施態様５〕前記反射画素アレイ（１２）中の各画素が、該画素による電気信号の受信に応答して該画素により反射される光の直線偏光ベクトルを回転させる偏光回転セルを含むことを特徴とする、実施態様１乃至実施態様４のいずれか一項に記載のディスプレイ装置（１００）。
【００２８】
〔実施態様６〕反射型ディスプレイ装置（１００）を照明する為の照明装置であって、
線光源（１０４）と、
円筒状表面を有するリフレクタ（１０２）と
を備えており、
前記円筒状表面の軸が前記線光源（１０４）と平行であり、
前記線光源（１０４）からの光が前記リフレクタ（１０２）により前記反射画素アレイ（１２）へ反射されるように、前記線光源（１０４）が前記リフレクタ（１０２）に対して配置されており、
前記リフレクタ（１０２）が、第１の直線偏光の光を反射する一方で、前記第１の直線偏光に対して直交する直線偏光を持つ光を透過する材料より成ること
を特徴とする照明装置。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のディスプレイ装置の断面図である。
【図２】本発明に基づくディスプレイ装置の側面図である。
【図３】図２に示されるディスプレイ装置の上面図である。
【図４】本発明に基づくディスプレイ装置の断面図である。
【図５】代表的な従来技術の反射型ディスプレイ装置の作用を説明するための図である。
【図６】本発明に基づく反射画素の拡大図であり、推奨されるリフレクタ材料によりディスプレイの効率が改善される様子を描いた図である。
【符号の説明】
１２：反射画素アレイ
１００：ディスプレイ
１０２：リフレクタ
１０４：線光源
１０５：ディフューザー
１０６：発光ダイオード

Claims (5)

1. 反射画素アレイ（１２）と、線光源（１０４）と、円筒状の表面を有するリフレクタ（１０２）とを含むディスプレイ装置（１００）であって、前記円筒状表面の軸が前記線光源（１０４）に平行であり、前記線光源（１０４）からの光が前記リフレクタ（１０２）により前記反射画素アレイ（１２）へと反射されるように、前記線光源（１０４）が前記リフレクタ（１０２）に対して配置されており、前記リフレクタ（１０２）が部分的に反射する材料から成り、前記リフレクタ（１０２）が、第１の直線偏光の光を反射させる一方で、前記第１の直線偏光に対して直交する直線偏光を有する光を透過する材料から成ることを特徴とする、ディスプレイ装置。
2. 前記線光源（１０４）が複数の発光ダイオード（１０６）と、ディフューザーを含む、請求項１に記載のディスプレイ装置（１００）。
3. 前記発光ダイオード（１０６）が異なる発光スペクトルを有するダイオードを含む、請求項２に記載のディスプレイ装置（１００）。
4. 前記反射画素アレイ（１２）中の各画素が、前記画素による電気信号の受信に応答して前記画素により反射される光の直線偏光ベクトルを回転させる偏光回転セルを含む、請求項３に記載のディスプレイ装置（１００）。
5. 反射型ディスプレイ装置（１００）を照明する為の照明システムであって、線光源（１０４）と、円筒状表面を有するリフレクタ（１０２）とを備えており、前記円筒状表面の軸が前記線光源（１０４）と平行であり、前記線光源（１０４）からの光が前記リフレクタ（１０２）により前記反射画素アレイ（１２）へ反射されるように、前記線光源（１０４）が前記リフレクタ（１０２）に対して配置されており、前記リフレクタ（１０２）が、第１の直線偏光の光を反射する一方で、前記第１の直線偏光に対して直交する直線偏光を有する光を透過する材料からなる、照明システム。

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