JP4423776B2 - 映像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、顔前にて使用され、拡大光学系により表示部に表示した映像の拡大虚像を提供する個人用の映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、顔前にて使用され、表示部に表示した映像の光を拡大光学系により眼に導いて映像の拡大虚像を提供する映像表示装置が、個人（一人）用の映像提供手段として提案されている。このような映像表示装置は、一般に、眼鏡あるいはゴーグルのような形態とされて、頭部に装着して使用される。
【０００３】
映像提供のための構成としては、表示部と拡大光学系を各々１つ備えるものが最も簡素である。しかし、この構成では、提供する映像（虚像）の視野を広くすることと、提供する映像の精細度を高くすることを両立させることは難しく、広視野化を図れば精細度が低下し、高精細化を図れば視野が狭くなる。
【０００４】
特開平６−５１２３９号公報には、表示部を複数備え、各表示部からの光を拡大光学系の隣合う部位に入射させて隣合う光路で眼に導くことが開示されている。表示部としては液晶表示器が用いられ、各液晶表示器は提供する映像のうちの異なる部分を同時に表示する。拡大光学系としてはホログラム素子が用いられ、ホログラム素子の回折特性は異なる液晶表示器からの光が接し合って眼に達するように設定されている。この構成では、表示部の数に応じて視野が広くなり、また、提供する映像全体の一部分のみに個々の表示部が対応することになって、精細度も高くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記公報の装置では、広視野かつ高精細の映像を提供することができる反面、表示部を複数備えるため、構成が複雑になって装置の大型化、重量化を招くとともに、製造コストも高くなる。使用形態を考えると装置の大型化や重量化は好ましくなく、また、個人用の装置であるからできるだけ低コストであることが望ましい。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、小型軽量かつ低コストでありながら、広視野かつ高精細な映像を提供することが可能な映像表示装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、映像を表示し、与えられる照明光を映像を表す映像光とする表示部と、表示部に複数の方向から照明光を与えて、表示部から複数の方向に映像光を出射させる照明部と、表示部から複数の方向に出射する映像光を、映像光ごとに異なる複数の光路で眼に導く拡大光学系と、表示部に複数の映像を切り替えて表示させるとともに、眼に導く映像光の光路を映像の表示の切り替えに合わせて切り替える制御部とで映像表示装置を構成する。
【０００８】
この映像表示装置は、拡大光学系から眼に至る映像光の光路を複数有しており、眼に対する映像光の方向が光路ごとに異なる。複数の光路の映像光は同一時点では同一の映像を表し、仮に複数の光路の映像光を同時に眼に導けば、使用者には内容が同じ複数の映像（虚像）が提供されることになる。実際には、制御部が表示部に複数の映像を切り替えて表示させるとともに、表示の切り替えに合わせて光路を切り替えるようにしているため、異なる映像を表す映像光が異なる方向から異なる時に眼に導かれる。映像表示と光路の切り替えを速やかに行えば、異なる映像を異なる方向から同時に提供する状態に近くなり、使用者が観察する映像は全体として視野の広いものとなる。しかも、個々の映像の精細度が高いから、映像全体としての精細度も高くなる。
【０００９】
眼に導く映像光の光路の切り替えはどのような方法で行ってもよいが、例えば、制御部が、照明部に照明光の方向を切り替えさせることにより、眼に導く映像光の光路を切り替えるようにする。照明光の方向を変化させることで、映像光の出射方向が変化して、自動的に光路が切り替わる。具体的には、例えば、位置が異なりいずれも表示部を向いた複数の光源を照明部に備えて、各光源の点灯を切り替える。このようにすると、光路の切り替えをきわめて速やかに行うことが可能になる。
【００１０】
拡大光学系はホログラム素子を含むものとするとよい。ホログラム素子は回折特性を自由に設定することができるから、表示部からの出射方向が異なる映像光を異なる光路で眼に導くことが容易になり、また、映像を任意の倍率で拡大することもできる。しかも、ホログラム素子は、回折させる光以外にほとんど作用しないため、外界からの光を眼に導いて、映像に重ねて外界の像を提供することも可能になる。
【００１１】
照明部が表示部に与える照明光の波長が、照明光の方向ごとに異なるようにしてもよい。映像光が表す映像の色が光路ごとに相違することになり、複数の映像が部分的に重なって観察されるときでも、映像の識別が容易になる。特に、拡大光学系がホログラム素子を含む構成では、異なる映像光がホログラム素子上で重なっても、各映像光を異なる方向に導く設定とすることが容易になる。
【００１２】
拡大光学系が映像光を眼に導く複数の光路は、眼の位置において重なり合っている設定としてもよいし、眼の位置において互いに分離している設定としてもよい。前者の設定では、使用者は複数の映像をまとめて観察することができ、後者の設定では、視線の方向を変化させることで、複数の映像を個別に観察することができる。
【００１３】
上記の映像表示装置は、拡大光学系を保持し、眼に対面する透明な板状部材を備える構成とすることができる。使用者の眼には板状部材を透過した外界からの光も入射することになり、映像と共に外界を観察することができる。拡大光学系をホログラム素子とすれば、映像により外界が遮られることもない。
【００１４】
板状部材が、表示部から出射する映像光を端部より導き入れて、内部で反射して拡大光学系に導くようにするとよい。板状部材を大きくかつ薄くして表示部を使用者の視野外に位置させることが可能になり、装置の重量化を抑えながら、外界に対して広い視野を確保することができる。
【００１５】
板状部材が光学的パワーを有するようにしてもよい。板状部材のパワーにより視度調節が可能になり、視力の低下した使用者でも他の矯正手段を用いることなく外界を鮮明に観察することができる。
【００１６】
使用者の頭部に装着するための装着部材を備えるようにしてもよい。手で保持する必要がなくなり、使い勝手のよい装置となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の映像表示装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の映像表示装置１の光学系の構成と光路を図１に模式的に示す。図１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ映像表示装置１の正面図、側面図、平面図であるが、（ａ）においては、映像表示装置１から使用者の眼に至る光路を明示するために、眼の位置をずらして表している。
【００１８】
映像表示装置１は、２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）１１ａ、１１ｂ、２つの拡散板１２ａ、１２ｂ、２つの凸レンズ１３ａ、１３ｂ、１つの透過型の液晶表示器（ＬＣＤ）１４、１つの透明板１５、２つのミラー１６ａ、１６ｂを備えている。映像表示装置１は、ミラー１６ａ、１６ｂが使用者の一方の眼Ｅの直前に位置し、透明板１５が眼Ｅに対面し、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂ、拡散板１２ａ、１２ｂ、レンズ１３ａ、１３ｂ、ミラー１６ａ、１６ｂが眼Ｅに対して左右方向に並ぶ状態で使用される。
【００１９】
ＬＣＤ１４は、映像を表示し、与えられる照明光を変調して表示した映像を表す映像光とする表示部である。ＬＣＤ１４の映像の表示は制御部２１（図２参照）によって制御される。
【００２０】
ＬＥＤ１１ａ、１１ｂ、拡散板１２ａ、１２ｂおよびレンズ１３ａ、１３ｂは、表示部であるＬＣＤ１４に照明光を与える照明部である。ＬＥＤ１１ａ、１１ｂは異なる位置に配設されており、それぞれ所定の波長の光をＬＣＤ１４に向けて発する。ＬＥＤ１１ａ、１１ｂの発光も制御部２１によって制御される。拡散板１２ａ、１２ｂはそれぞれＬＥＤ１２ａ、１２ｂが発した光を拡散し、レンズ１３ａ、１３ｂはそれぞれ拡散板１２ａ、１２ｂを透過したＬＥＤ１１ａ、１１ｂからの光をＬＣＤ１４の全面に導く。
【００２１】
ＬＣＤ１４は異なる２方向から照明光を与えられることになる。異なる２方向から与えられた照明光は、ＬＣＤ１４を透過して異なる２方向に出射する映像光となる。
【００２２】
ミラー１６ａ、１６ｂは、ＬＣＤ１４からの光を眼Ｅに導く拡大光学系であり、透明板１５の内部に設けられている。映像光は透明板１５にその上端面より入射する。透明板１５は、入射した映像光を、前面（眼から遠い表面）と後面（眼に近い表面）で数回全反射して、ミラー１６ａ、１６ｂに導く。
【００２３】
眼Ｅには透明板１５を透過する外界からの光も入射し、使用者は外界も観察することができる。透明板１５はパワーを有しており、近視または遠視の人でも他の視力矯正手段を用いることなく、外界を鮮明に観察することが可能である。図１では、近視の人に適合するように、透明板１５に負のパワーをもたせている。
【００２４】
映像光を透明板１５の内部で複数回反射してミラー１６ａ、１６ｂに導くようにしているため、透明板１５は大きくかつ薄くすることができる。これにより、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂからＬＣＤ１４までを使用者の視野の外に位置させることが可能になり、装置１の重量化を伴うことなく、外界に対する使用者の視野を広く確保することができる。
【００２５】
拡大光学系であるミラー１６ａ、１６ｂはそれぞれ凹面鏡であり、ＬＣＤ１４が表示した映像の拡大虚像を提供する。虚像はＬＣＤ１４の実像の十倍程度またはそれ以上の大きさであり、眼Ｅの前方１〜数ｍの距離に位置する。ミラー１６ａ、１６ｂは、全反射ミラーとしてもよいしハーフミラーとしてもよい。全反射ミラーとすれば明るい映像を提供することができ、ハーフミラーとすれば外界のうち映像に重なる部分も観察することができる。ハーフミラーとする場合は、例えば、透明板１５のミラー１６ａ、１６ｂに対向する部分のパワーを変化させることにより、曲面であるミラー１６ａ、１６ｂを透過する際の屈折を相殺して、観察される外界に歪みが生じないようにする。
【００２６】
ミラー１６ａにはＬＥＤ１１ａに由来する映像光が入射し、ミラー１６ｂにはＬＥＤ１１ｂに由来する映像光が入射する。これらの映像光は異なる２つの光路で眼Ｅに導かれることになる。ミラー１６ａ、１６ｂは映像光を導く２つの光路が眼Ｅの位置で重なり合うように、すなわち単一の射出瞳を形成するように設定されている。ただし、眼Ｅに対する映像光の方向の差異により、各映像光が表す映像は左右に並んで観察され、２つの映像全体の水平方向の視野角は個々の映像の視野角の略２倍になる。
【００２７】
ＬＣＤ１４は一時に１つの映像を表示するため、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂを同時に発光させれば、２つの映像光は同一の映像を表すことになる。ただし、映像表示装置１では、各映像光の表す映像が提供すべき映像全体の半分ずつを表すように、ＬＣＤ１４に表示する映像を切り替えるとともに、眼Ｅに映像光を導く光路を映像表示の切り替えに同期して切り替えるようにしている。
【００２８】
この制御のための構成を図２に模式的に示す。映像表示装置１は、ＬＣＤ１４の表示動作と、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂの発光動作を制御する制御部２１を備えている。制御部２１は、提供すべき映像全体の左半分と右半分を表す２つの映像信号Ｓ１、Ｓ２を時期を違えてＬＣＤ１４に与え、ＬＣＤ１４は与えられた映像信号Ｓ１またはＳ２に応じた映像を表示する。制御部２１は、また、発光を指示する発光信号Ｌ１、Ｌ２をＬＥＤ１１ａ、１１ｂに個別に与え、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂはそれぞれ発光信号Ｌ１、Ｌ２が与えられている間のみ光を発する。
【００２９】
制御部２１は、ＬＣＤ１４に映像信号Ｓ１を与えるときは、ＬＥＤ１１ａに発光信号Ｌ１を与えてＬＥＤ１１ｂには発光信号Ｌ２を与えず、ＬＣＤ１４に映像信号Ｓ２を与えるときは、ＬＥＤ１１ｂに発光信号Ｌ２を与えてＬＥＤ１１ａには発光信号Ｌ１を与えない。したがって、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂに由来する映像光はそれぞれ映像信号Ｓ１、Ｓ２に対応したものとなり、また、眼Ｅに導かれる映像光の光路が切り替えられる。制御部２１は、信号Ｓ１、Ｌ１の供与と信号Ｓ２、Ｌ２の供与とを、短い周期（例えば１／３０秒）で交互に繰り返す。この制御により、映像全体の左半分と右半分を表す映像光が眼Ｅに交互に入射する。
【００３０】
映像表示装置１が提供する映像の１例を図３に示す。提供する映像は、個々の映像光が表す左半分と右半分が近接したものとなり、全体として広視野の映像になる。しかも、映像の左半分も右半分もＬＣＤ１４全体からの光であるから、映像全体の精細度は個々の映像の精細度と同じである。２つの映像光の光路が眼Ｅにおいて重なるため、視線を正面に向けている使用者は広視野の映像全体をまとめて観察することができる。
【００３１】
ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが同じ波長の光を発するようにすれば、映像全体は単一の色になり、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが異なる波長の光を発するようにすれば、映像の色は左半分と右半分で相違する。各ＬＥＤ１１ａ、１１ｂとして赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）を発する３種を備えて、カラー映像を表示することも可能である。そのためには、映像信号Ｓ１、Ｓ２のそれぞれに映像のＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分を表す信号を含ませるとともに、発光信号Ｌ１、Ｌ２にＲ光、Ｇ光、Ｂ光の発光を指示する信号を含ませて、表示と発光を同期をとって行わせればよい。
【００３２】
なお、映像表示装置１では、２つの映像を左右に並べて映像全体を表すようにしているが、２つの映像を上下に並べて映像全体を表すようにしてもよい。この構成と使用者が観察する映像を図４に模式的に示す。この場合、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂは上下方向に配置することになる。図示しないが、拡大光学系であるミラー１６ａ、１６ｂも上下方向に配置する。
【００３３】
以下、他の実施形態について説明するが、既述の構成要素と同一または類似の機能を有する構成要素は同じ符号で表して、重複する説明は省略する。
【００３４】
第２の実施形態の映像表示装置２の光学系の構成と光路を図５に模式的に示す。図５において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ映像表示装置２の正面図、側面図、平面図であるが、（ａ）では図１と同様に、映像表示装置２から使用者の眼に至る光路を明示するために、眼の位置をずらして表している。映像表示装置２は、ミラー１６ａ、１６ｂに代えて、２つの反射型のホログラム素子１７ａ、１７ｂを拡大光学系として備えたものである。他の構成は映像表示装置１と同様である。
【００３５】
ホログラム素子１７ａ、１７ｂは平板状であり、下端が上端よりも顔面に近づくように、透明板１５の内部に設けられている。透明板１５は傾斜した端面を有する２つの素片を接合して作製されており、ホログラム素子１７ａ、１７ｂは接合面となる傾斜した端面に貼り付けられている。
【００３６】
ホログラム素子１７ａ、１７は、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが発する光と同じ波長の光で感光材料を露光して、感光材料に干渉縞を形成することにより作製する。ホログラム素子１７ａ、１７ｂは一体に作製することもできるし、別体として並べて配置することもできる。また、カラー映像を提供するためにＬＥＤ１１ａ、１１ｂとしてＲ光、Ｇ光、Ｂ光を発する３種を備える場合、１つの感光材料を各色光で順に露光してホログラム素子１７ａ、１７ｂとしてもよいし、各色光で個別に露光した３つの感光材料を積層してホログラム素子１７ａ、１７ｂとしてもよい。
【００３７】
入射光の波長とホログラム素子の反射率および透過率との関係を図６に模式的に示す。図６において、（ａ）は波長５３０ｎｍのＧ光を、（ｂ）は波長６２０、５３０、４３０ｎｍのＲ光、Ｇ光、Ｂ光を回折させる場合の例である。ホログラム素子は、所望の波長の光を選択性高く回折させる設定とすることが容易である。例えば、（ａ）のように波長５３０ｎｍの光を回折して反射させる場合、５２０〜５４０ｎｍの波長域のみを強く回折し、他の波長域の光をほとんど全て透過させるようにすることができる。
【００３８】
このような特性を有するホログラム素子１７ａ、１７ｂで拡大光学系を構成した映像表示装置２では、映像に重ねて外界の像を提供することが可能であるのみならず、映像光を全て眼に導いて明るい映像を提供し、しかも、映像に重なる外界の像が暗くなったり着色したりするのを避けることができる。
【００３９】
映像表示装置２も図２に示した制御部２１を備えており、映像表示装置１と同様にして、ＬＣＤ１４の映像の表示とホログラム素子１７ａ、１７ｂから眼に導く映像光の光路の切り替えを制御する。したがって、使用者は視野が広く精細度の高い映像を観察することができる。
【００４０】
第３の実施形態の映像表示装置３の光学系の構成と光路を図７の平面図に模式的に示す。この映像表示装置３は、第２の実施形態の映像表示装置２を修飾して、拡大光学系であるホログラム素子１７ａ、１７ｂが眼に導く映像光の光路を変更したものである。
【００４１】
ＬＥＤ１１ａに由来する映像光は、ホログラム素子１７ａに入射するだけでなく、一部がホログラム素子１７ｂのホログラム素子１７ａに近い部位に入射する。同様に、ＬＥＤ１１ｂに由来する映像光は、ホログラム素子１７ｂに入射するだけでなく、一部がホログラム素子１７ａのホログラム素子１７ｂに近い部位に入射する。ホログラム素子１７ａ、１７ｂは、単一の感光材料を、その中央部が二重露光となるように、２方向から露光することにより一体に作製されている。二重露光された部位が、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂの双方に由来する映像光が入射する部位である。
【００４２】
ホログラム素子１７ａ、１７ｂが眼に導く映像光の光路は異なるが、映像光は部分的に重なり合い、したがって、使用者に提供される映像も部分的に重なり合う。制御部２１は、映像の重なり合う部分が同じ映像となるように、ＬＣＤ１４に与える２つの映像信号Ｓ１、Ｓ２の一部を同じにする。したがって、観察する映像が重なっているにもかかわらず、使用者が違和感を覚えることはない。
【００４３】
ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが発する光の波長は異なる。これにより、ホログラム素子１７ａ、１７ｂのうちＬＥＤ１１ａ、１１ｂの双方に由来する映像光が入射する部位が、各映像光を確実に異なる方向に回折する設定とすることができる。ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが発する光の波長は２０ｎｍ程度以上離れていればよく、例えば、５５０ｎｍと５７０ｎｍ、あるいは４５０ｎｍと５５０ｎｍとすることができる。
【００４４】
ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが発する光の波長が異なっていると、観察される２つの映像の色が相違することになり、使用者は２つの映像を明確に識別することが可能である。その場合、映像の重なり合っている部分は中間の色として観察される。
【００４５】
第４の実施形態の映像表示装置４の光学系の構成と光路を図８に模式的に示す。図８において（ａ）、（ｂ）はそれぞれ側面図、平面図である。映像表示装置４は映像表示装置２を修飾して、拡大光学系であるホログラム素子１７ａ、１７ｂが眼に導く映像光の光路を変更したものである。
【００４６】
ホログラム素子１７ａ、１７ｂは、各々が映像光を導く光路が眼Ｅの位置で分離するように、すなわち個別に射出瞳を形成するように設定されている。したがって、２つの光路の映像光が眼Ｅに略同時に入射することはなく、視線を１方向に向けている使用者には一方の映像のみが提供される。ただし、使用者が視線の方向を変化させれば他方の映像を観察することができる。
【００４７】
映像表示装置４が提供する映像の１例を図９に示す。この例は、自動車を運転中の使用者に提供する映像であり、運転上の注意を促すメッセージを含んでいる。視線を左方に向けたときには左の映像ＶLのみが観察され、視線を右方に向けたときには右の映像ＶRのみが観察される。なお、自動車には、側方を含む広い範囲を撮影するカメラと、撮影した映像中の移動物体を認識する映像識別回路を備えておき、認識結果を制御部２１に与えて、制御部２１がメッセージを表す映像信号Ｓ１、Ｓ２を適宜ＬＣＤ１４に与えるようにする。
【００４８】
第５の実施形態の映像表示装置５の光学系の構成と光路を図１０の平面図に模式的に示す。この映像表示装置５は第３の実施形態の映像表示装置３を修飾して、拡大光学系であるホログラム素子１７ａ、１７ｂが眼に導く映像光の光路を変更したものである。
【００４９】
ホログラム素子１７ａ、１７ｂは、映像表示装置３と同様に、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂの双方に由来する映像光を受ける部位を有する。ただし、ホログラム素子１７ａ、１７ｂは、第４の実施形態の映像表示装置４と同様に、各々が映像光を導く光路が眼Ｅの位置で分離するように、すなわち個別に射出瞳を形成するように設定されている。したがって、２つの光路の映像光が眼Ｅに略同時に入射することはなく、視線を１方向に向けている使用者には一方の映像のみが提供される。
【００５０】
制御部２１は、ＬＥＤ１１ａに由来しホログラム素子１７ｂに入射することになる映像光と、ＬＥＤ１１ｂに由来しホログラム素子１７ａに入射することになる映像光とが、同じ映像を表すように、ＬＣＤ１４に与える映像信号Ｓ１とＳ２の内容を一部同じにする。したがって、使用者が視線の方向を変えても、観察される映像の一部は同じになる。
【００５１】
映像表示装置５が提供する映像の１例を図１１に示す。この例も、自動車を運転中の使用者に提供する映像である。視線を左方に向けたときは左の映像ＶLのみが観察され、視線を右方に向けたときには右の映像ＶRのみが観察されるが、映像全体としての中央に位置する部分は変化しない。
【００５２】
第６の実施形態の映像表示装置６の光学系の構成と光路を図１２に模式的に示す。図１２において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ映像表示装置６の正面図、側面図、平面図であるが、（ａ）では前述のように眼の位置をずらして表している。映像表示装置６は、第２の実施形態の映像表示装置２のＬＥＤ１１ａ、１１ｂを比較的近づけて配置するとともに、２つの拡散板１２ａ、１２ｂと２つのレンズ１３ａ、１３ｂに代えて、１つの拡散板１２と１つのレンズ１３を備えてものである。
【００５３】
拡散板１２はＬＥＤ１１ａ、１１ｂからの光を拡散し、レンズ１３は拡散板１２を透過したＬＥＤ１１ａ、１１ｂからの光をそれぞれＬＣＤ１４の全面に導く。拡大光学系であるホログラム素子１７ａ、１７ｂは、第３の実施形態の映像表示装置３と同様に、ＬＥＤ１１ａに由来する映像光とＬＥＤ１１ｂに由来する映像光の双方が入射する部位を有する。また、ホログラム素子１７ａ、１７ｂが映像光を導く２つの光路は眼Ｅの位置において重なる。ＬＣＤ１４の映像の表示とホログラム素子１７ａ、１７ｂから眼に導く映像光の光路の切り替えの制御部２１による制御は、映像表示装置３と同じである。
【００５４】
第７の実施形態の映像表示装置７の光学系の構成と光路を図１３の平面図に模式的に示す。映像表示装置７は、第２の実施形態の映像表示装置２から、拡散板１２ａ、１２ｂと透明板１５を省略して、ホログラム素子１７ａ、１７ｂに斜め方向から直接映像光を入射させるようにしたものである。
【００５５】
ＬＥＤ１１ａ、１１ｂの直前にはピンホール１８を有する遮光板が設けられており、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが発した光はピンホール１８を通過することにより、点光源からの発散光となる。レンズ１３ａ、１３ｂはコリメータレンズとされており、ピンホール１８を通過したＬＥＤ１１ａ、１１ｂからの発散光をそれぞれ平行光線として、ＬＣＤ１４の全面に導く。この照明光はＬＣＤ１４によって映像光とされるが、映像光は平行光線のままであり、ＬＣＤ１４上の映像の個々の点を表す微小径の光束を多数含むものとなる。ＬＣＤ１４から２方向に出射する映像光は、それぞれホログラム素子１７ａ、１７ｂに入射して、異なる光路で眼Ｅに導かれる。ホログラム素子１７ａ、１７ｂが映像光を導く光路は眼Ｅの位置において重なり合う。
【００５６】
ホログラム素子１７ａ、１７ｂは映像光を収束光として眼に導くが、映像の個々の点を表す光束の位置関係に変化をもたらさない。したがって、映像表示装置７では、光路が眼Ｅの位置で重なり合うものの、重なり合った範囲内に微小な射出瞳が多数形成されることになる。映像の個々の点を表す光束は網膜上で連続し、これによって使用者はＬＣＤ１４が表示した映像の全体を認識することができる。
【００５７】
ＬＣＤ１４の映像の表示とホログラム素子１７ａ、１７ｂから眼に導く映像光の光路の切り替えの制御部２１による制御は、映像表示装置２と同じである。このような構成の映像表示装置７も、視野が広く精細度の高い映像を提供することができる。なお、ここでピンホール１８を備えたのは光源を点光源に近づけるためであって、レーザを使用すればピンホール１８は不要である。
【００５８】
第８の実施形態の映像表示装置８の外観を図１４に示す。映像表示装置８は、第１〜第６の実施形態で説明した光学系を左右１対備えて、眼鏡状の外観を有する構成としたものである。映像表示装置８は、１対のテンプル２２と１対の鼻当て２３を有しており、頭部に装着して使用される。左右の透明板１５は連結部２４によって連結されており、テンプル２２は透明板１５の端部に取り付けられ、鼻当て２３は連結部２４に取り付けられている。
【００５９】
照明部に含まれるＬＥＤ１１ａ、１１ｂ等と表示部であるＬＣＤ１４は筺体２５に収容されて、透明板１５の上端部に固定されている。筺体２５は使用者の視野の外に位置しており、視界を遮ることはない。制御部２１は、ケーブル２６を介して、筺体２５内のＬＥＤ１１ａ、１１ｂとＬＣＤ１４に接続されている。
【００６０】
映像表示装置８の光学系の構成と光路を図１５に模式的に示す。左右の光学系ともに、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂより異なる方向からＬＣＤ１４に照明光を与え、ＬＣＤ１４から異なる方向に出射する映像光を、ホログラム素子１７ａ、１７ｂまたはミラー１６ａ、１６ｂによって、異なる光路で眼に導く。制御部２１によって光学系ごとに映像の表示と光路の切り替えが同期してなされ、広視野かつ高精細な映像が左右の眼それぞれに提供される。制御部２１が左右の光学系のＬＣＤ１４に視差のある映像を表示させることで、立体映像を提供することも可能である。
【００６１】
第９の実施形態の映像表示装置９について説明する。映像表示装置９は、携帯電話機に組み込まれており、受信した情報や送信する情報、あるいは記憶している地図等の情報を使用者に映像として提供するものである。映像表示装置９を組み込んだ携帯電話機３０の外観を図１６に示す。携帯電話機３０は、本体部３０ａと蓋部３０ｂより成り、非使用時には、蓋部３０ｂが本体部３０ａに重なるように折り畳むことができる。
【００６２】
本体部３０ａは、主として電話機の機能を司り、信号処理回路を内蔵するほか、電話番号等の入力を行うための複数のキー３１、入力された電話番号を表示する液晶表示器３２、無線波を送受するアンテナ３３、受信した音声を出力するスピーカ３４等を備えている。蓋部３０ｂは、音声入力のためのマイクロフォン３５を備えており、また、映像表示装置９を内蔵している。蓋部３０ｂの内側の表面には窓３０ｃが設けられており、外側の表面にも窓３０ｃに対向する窓が設けられている。
【００６３】
図１６のＸ−Ｘ’での映像表示装置９の断面を図１７に示す。映像表示装置９の光学系は、第２〜第６の実施形態のものと類似の構成であり、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂ、ＬＣＤ１４、透明板１５、およびホログラム素子１７ａ、１７ｂを備えている。ただし、レンズ１３ａ、１３ｂに代えてリフレクタ１３ａ’、１３ｂ’を備えており、また、拡散板１２ａ、１２ｂはＬＣＤ１４の直前に配置されている。なお、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂ、ホログラム素子１７ａ、１７ｂ等の対を成す構成要素は図１７の紙面に対して垂直方向に並べて配置されている。
【００６４】
映像表示装置９は、透明板１５が窓３０ｃに対面するように蓋部３０ｂの内部に配置されている。使用者は、透明板１５および窓３０ｃが眼の前に位置し、本体部３０ａのスピーカ３４が耳の近くに位置するように、携帯電話機３０を手で持って使用することにより、通話しながら外界の像とこれに重なる映像を観察することができる。この状態で使用するときでも、使用者の発する声はマイクロフォン３５で検出される。
【００６５】
映像表示装置９においても、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂより異なる方向からＬＣＤ１４に照明光を与え、ＬＣＤ１４から異なる方向に出射する映像光をホログラム素子１７ａ、１７ｂによって異なる光路で眼に導く。また、制御部２１によって、映像表示と光路を同期して切り替える。したがって、広視野かつ高精細な映像が提供される。
【００６６】
なお、上記の各実施形態では眼に２つの光路から映像光を交互に導く例を示したが、ＬＥＤやホログラム素子（またはミラー）を３つ以上備えて、３つ以上の光路から映像光を順に導くようにすることもできる。また、ここでは、ＬＥＤの発光時期を違えることにより、ＬＣＤに与える照明光の方向を変化させる構成としたが、照明光の光路上にシャッタを配置して、シャッタの開閉により照明光の方向を変化させることも可能である。さらに、拡大光学系から眼までの光路上にシャッタを配置して光路を切り替えるようにしてもよい。
【００６７】
また、上記の各実施形態では頭部装着式または手持ち式の装置としたが、本発明はこのような小型の構成に限定されるものではない。例えば、図１８に示す第１０の実施形態のように、大きな透明板１９に大きな反射型のホログラム素子１７ａ、１７ｂを貼り付けて、これらに映像光を投射して複数の光路で眼に導く構成とすることもできる。建物の窓のガラス板あるいはショーウインドウのガラス板を透明板１９として利用することも可能である。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の映像表示装置は、視野が広くかつ精細度の高い映像を提供することができる。しかも、複数の表示部を必要としないため、構成が簡素になって小型軽量の装置となり、製造コストも抑えられる。したがって、顔前にて使用する形態に適し、また、個人用の装置としても適する。
【００６９】
制御部が、照明部に照明光の方向を切り替えさせることにより、眼に導く映像光の光路を切り替えるようにすると、表示部以降に光路切り替えのための手段を設ける必要がなく、設計が容易になる。しかも、光路の切り替えを速やかに行うことが可能になり、使用者に違和感を与えることが避けられる。
【００７０】
拡大光学系がホログラム素子を含むようにすると、拡大光学系の設計や作製がきわめて容易になる。また、映像に重ねて外界の像を提供することもできる。
【００７１】
照明部が表示部に与える照明光の波長が照明光の方向ごとに異なるようにすると、映像間で色が相違することになって、複数の映像が部分的に重なって観察されるときでも、映像の識別が容易になる。
【００７２】
拡大光学系が映像光を眼に導く複数の光路が眼の位置において重なり合うようにすると、複数の映像をまとめて観察することができ、使用者が異なる映像を同時に観察する必要がある場合に有用である。
【００７３】
拡大光学系が映像光を眼に導く複数の光路が眼の位置において互いに分離するようにすると、視線の方向を変化させることで複数の映像を個別に観察することができ、使用者が異なる映像を同時に観察する必要がない場合に有用である。
【００７４】
拡大光学系を保持し、眼に対面する透明な板状部材を備える構成では、映像と共に外界を観察することができ、常時使用することが可能な装置となる。拡大光学系をホログラム素子で構成すれば、映像により外界が遮られることもない。
【００７５】
板状部材が、表示部から出射する映像光を端部より導き入れて、内部で反射して拡大光学系に導くようにすると、板状部材を大きくかつ薄くして表示部を使用者の視野外に位置させることが可能になり、外界の観察に支障がなく、しかも軽量な装置となる。
【００７６】
板状部材が光学的パワーを有するようにすると、視力の低下した使用者でも他の矯正手段を用いることなく外界を鮮明に観察することができる。また、使用者の頭部に装着するための装着部材を備える構成では、使い勝手のよい装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す正面図、側面図および平面図。
【図２】 第１の実施形態の映像表示装置の表示映像と光路の切り替えの制御のための構成を模式的に示す図。
【図３】 第１の実施形態の映像表示装置が提供する映像の例を示す図。
【図４】 第１の実施形態の映像表示装置の変形例の光学系の構成と、提供する映像の例を模式的に示す正面図。
【図５】 第２の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す正面図、側面図および平面図。
【図６】 ホログラム素子の反射率および透過率と入射光の波長との関係を模式的に示す図。
【図７】 第３の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す平面図。
【図８】 第４の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す側面図および平面図。
【図９】 第４の実施形態の映像表示装置が提供する映像の例を示す図。
【図１０】 第５の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す平面図。
【図１１】 第５の実施形態の映像表示装置が提供する映像の例を示す図。
【図１２】 第６の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す正面図、側面図および平面図。
【図１３】 第７の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す平面図。
【図１４】 第８の実施形態の映像表示装置の外観を示す斜視図。
【図１５】 第８の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す正面図。
【図１６】 第９の実施形態の映像表示装置を組み込んだ携帯電話機の斜視図。
【図１７】 第９の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を示す断面図。
【図１８】 第１０の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す図。
【符号の説明】
１、２、３、４、５、６、７、８、９ 映像表示装置
１１ａ、１１ｂ 発光ダイオード
１２ａ、１２ｂ、１２ 拡散板
１３ａ、１３ｂ、１３ レンズ
１４ 液晶表示器
１５ 透明板
１６ａ、１６ｂ ミラー
１７ａ、１７ｂ ホログラム素子
１８ ピンホール
１９ 透明板
２１ 制御部
２２ テンプル
２３ 鼻当て
２４ 連結部
２５ 筺体
２６ ケーブル
３０ 携帯電話機
３０ａ 本体部
３０ｂ 蓋部
３１ 入力キー
３２ 液晶表示器
３３ アンテナ
３４ スピーカ
３５ マイクロフォン
【発明の属する技術分野】
本発明は、顔前にて使用され、拡大光学系により表示部に表示した映像の拡大虚像を提供する個人用の映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、顔前にて使用され、表示部に表示した映像の光を拡大光学系により眼に導いて映像の拡大虚像を提供する映像表示装置が、個人（一人）用の映像提供手段として提案されている。このような映像表示装置は、一般に、眼鏡あるいはゴーグルのような形態とされて、頭部に装着して使用される。
【０００３】
映像提供のための構成としては、表示部と拡大光学系を各々１つ備えるものが最も簡素である。しかし、この構成では、提供する映像（虚像）の視野を広くすることと、提供する映像の精細度を高くすることを両立させることは難しく、広視野化を図れば精細度が低下し、高精細化を図れば視野が狭くなる。
【０００４】
特開平６−５１２３９号公報には、表示部を複数備え、各表示部からの光を拡大光学系の隣合う部位に入射させて隣合う光路で眼に導くことが開示されている。表示部としては液晶表示器が用いられ、各液晶表示器は提供する映像のうちの異なる部分を同時に表示する。拡大光学系としてはホログラム素子が用いられ、ホログラム素子の回折特性は異なる液晶表示器からの光が接し合って眼に達するように設定されている。この構成では、表示部の数に応じて視野が広くなり、また、提供する映像全体の一部分のみに個々の表示部が対応することになって、精細度も高くなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記公報の装置では、広視野かつ高精細の映像を提供することができる反面、表示部を複数備えるため、構成が複雑になって装置の大型化、重量化を招くとともに、製造コストも高くなる。使用形態を考えると装置の大型化や重量化は好ましくなく、また、個人用の装置であるからできるだけ低コストであることが望ましい。
【０００６】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、小型軽量かつ低コストでありながら、広視野かつ高精細な映像を提供することが可能な映像表示装置を実現することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、映像を表示し、与えられる照明光を映像を表す映像光とする表示部と、表示部に複数の方向から照明光を与えて、表示部から複数の方向に映像光を出射させる照明部と、表示部から複数の方向に出射する映像光を、映像光ごとに異なる複数の光路で眼に導く拡大光学系と、表示部に複数の映像を切り替えて表示させるとともに、眼に導く映像光の光路を映像の表示の切り替えに合わせて切り替える制御部とで映像表示装置を構成する。
【０００８】
この映像表示装置は、拡大光学系から眼に至る映像光の光路を複数有しており、眼に対する映像光の方向が光路ごとに異なる。複数の光路の映像光は同一時点では同一の映像を表し、仮に複数の光路の映像光を同時に眼に導けば、使用者には内容が同じ複数の映像（虚像）が提供されることになる。実際には、制御部が表示部に複数の映像を切り替えて表示させるとともに、表示の切り替えに合わせて光路を切り替えるようにしているため、異なる映像を表す映像光が異なる方向から異なる時に眼に導かれる。映像表示と光路の切り替えを速やかに行えば、異なる映像を異なる方向から同時に提供する状態に近くなり、使用者が観察する映像は全体として視野の広いものとなる。しかも、個々の映像の精細度が高いから、映像全体としての精細度も高くなる。
【０００９】
眼に導く映像光の光路の切り替えはどのような方法で行ってもよいが、例えば、制御部が、照明部に照明光の方向を切り替えさせることにより、眼に導く映像光の光路を切り替えるようにする。照明光の方向を変化させることで、映像光の出射方向が変化して、自動的に光路が切り替わる。具体的には、例えば、位置が異なりいずれも表示部を向いた複数の光源を照明部に備えて、各光源の点灯を切り替える。このようにすると、光路の切り替えをきわめて速やかに行うことが可能になる。
【００１０】
拡大光学系はホログラム素子を含むものとするとよい。ホログラム素子は回折特性を自由に設定することができるから、表示部からの出射方向が異なる映像光を異なる光路で眼に導くことが容易になり、また、映像を任意の倍率で拡大することもできる。しかも、ホログラム素子は、回折させる光以外にほとんど作用しないため、外界からの光を眼に導いて、映像に重ねて外界の像を提供することも可能になる。
【００１１】
照明部が表示部に与える照明光の波長が、照明光の方向ごとに異なるようにしてもよい。映像光が表す映像の色が光路ごとに相違することになり、複数の映像が部分的に重なって観察されるときでも、映像の識別が容易になる。特に、拡大光学系がホログラム素子を含む構成では、異なる映像光がホログラム素子上で重なっても、各映像光を異なる方向に導く設定とすることが容易になる。
【００１２】
拡大光学系が映像光を眼に導く複数の光路は、眼の位置において重なり合っている設定としてもよいし、眼の位置において互いに分離している設定としてもよい。前者の設定では、使用者は複数の映像をまとめて観察することができ、後者の設定では、視線の方向を変化させることで、複数の映像を個別に観察することができる。
【００１３】
上記の映像表示装置は、拡大光学系を保持し、眼に対面する透明な板状部材を備える構成とすることができる。使用者の眼には板状部材を透過した外界からの光も入射することになり、映像と共に外界を観察することができる。拡大光学系をホログラム素子とすれば、映像により外界が遮られることもない。
【００１４】
板状部材が、表示部から出射する映像光を端部より導き入れて、内部で反射して拡大光学系に導くようにするとよい。板状部材を大きくかつ薄くして表示部を使用者の視野外に位置させることが可能になり、装置の重量化を抑えながら、外界に対して広い視野を確保することができる。
【００１５】
板状部材が光学的パワーを有するようにしてもよい。板状部材のパワーにより視度調節が可能になり、視力の低下した使用者でも他の矯正手段を用いることなく外界を鮮明に観察することができる。
【００１６】
使用者の頭部に装着するための装着部材を備えるようにしてもよい。手で保持する必要がなくなり、使い勝手のよい装置となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の映像表示装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の映像表示装置１の光学系の構成と光路を図１に模式的に示す。図１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ映像表示装置１の正面図、側面図、平面図であるが、（ａ）においては、映像表示装置１から使用者の眼に至る光路を明示するために、眼の位置をずらして表している。
【００１８】
映像表示装置１は、２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）１１ａ、１１ｂ、２つの拡散板１２ａ、１２ｂ、２つの凸レンズ１３ａ、１３ｂ、１つの透過型の液晶表示器（ＬＣＤ）１４、１つの透明板１５、２つのミラー１６ａ、１６ｂを備えている。映像表示装置１は、ミラー１６ａ、１６ｂが使用者の一方の眼Ｅの直前に位置し、透明板１５が眼Ｅに対面し、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂ、拡散板１２ａ、１２ｂ、レンズ１３ａ、１３ｂ、ミラー１６ａ、１６ｂが眼Ｅに対して左右方向に並ぶ状態で使用される。
【００１９】
ＬＣＤ１４は、映像を表示し、与えられる照明光を変調して表示した映像を表す映像光とする表示部である。ＬＣＤ１４の映像の表示は制御部２１（図２参照）によって制御される。
【００２０】
ＬＥＤ１１ａ、１１ｂ、拡散板１２ａ、１２ｂおよびレンズ１３ａ、１３ｂは、表示部であるＬＣＤ１４に照明光を与える照明部である。ＬＥＤ１１ａ、１１ｂは異なる位置に配設されており、それぞれ所定の波長の光をＬＣＤ１４に向けて発する。ＬＥＤ１１ａ、１１ｂの発光も制御部２１によって制御される。拡散板１２ａ、１２ｂはそれぞれＬＥＤ１２ａ、１２ｂが発した光を拡散し、レンズ１３ａ、１３ｂはそれぞれ拡散板１２ａ、１２ｂを透過したＬＥＤ１１ａ、１１ｂからの光をＬＣＤ１４の全面に導く。
【００２１】
ＬＣＤ１４は異なる２方向から照明光を与えられることになる。異なる２方向から与えられた照明光は、ＬＣＤ１４を透過して異なる２方向に出射する映像光となる。
【００２２】
ミラー１６ａ、１６ｂは、ＬＣＤ１４からの光を眼Ｅに導く拡大光学系であり、透明板１５の内部に設けられている。映像光は透明板１５にその上端面より入射する。透明板１５は、入射した映像光を、前面（眼から遠い表面）と後面（眼に近い表面）で数回全反射して、ミラー１６ａ、１６ｂに導く。
【００２３】
眼Ｅには透明板１５を透過する外界からの光も入射し、使用者は外界も観察することができる。透明板１５はパワーを有しており、近視または遠視の人でも他の視力矯正手段を用いることなく、外界を鮮明に観察することが可能である。図１では、近視の人に適合するように、透明板１５に負のパワーをもたせている。
【００２４】
映像光を透明板１５の内部で複数回反射してミラー１６ａ、１６ｂに導くようにしているため、透明板１５は大きくかつ薄くすることができる。これにより、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂからＬＣＤ１４までを使用者の視野の外に位置させることが可能になり、装置１の重量化を伴うことなく、外界に対する使用者の視野を広く確保することができる。
【００２５】
拡大光学系であるミラー１６ａ、１６ｂはそれぞれ凹面鏡であり、ＬＣＤ１４が表示した映像の拡大虚像を提供する。虚像はＬＣＤ１４の実像の十倍程度またはそれ以上の大きさであり、眼Ｅの前方１〜数ｍの距離に位置する。ミラー１６ａ、１６ｂは、全反射ミラーとしてもよいしハーフミラーとしてもよい。全反射ミラーとすれば明るい映像を提供することができ、ハーフミラーとすれば外界のうち映像に重なる部分も観察することができる。ハーフミラーとする場合は、例えば、透明板１５のミラー１６ａ、１６ｂに対向する部分のパワーを変化させることにより、曲面であるミラー１６ａ、１６ｂを透過する際の屈折を相殺して、観察される外界に歪みが生じないようにする。
【００２６】
ミラー１６ａにはＬＥＤ１１ａに由来する映像光が入射し、ミラー１６ｂにはＬＥＤ１１ｂに由来する映像光が入射する。これらの映像光は異なる２つの光路で眼Ｅに導かれることになる。ミラー１６ａ、１６ｂは映像光を導く２つの光路が眼Ｅの位置で重なり合うように、すなわち単一の射出瞳を形成するように設定されている。ただし、眼Ｅに対する映像光の方向の差異により、各映像光が表す映像は左右に並んで観察され、２つの映像全体の水平方向の視野角は個々の映像の視野角の略２倍になる。
【００２７】
ＬＣＤ１４は一時に１つの映像を表示するため、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂを同時に発光させれば、２つの映像光は同一の映像を表すことになる。ただし、映像表示装置１では、各映像光の表す映像が提供すべき映像全体の半分ずつを表すように、ＬＣＤ１４に表示する映像を切り替えるとともに、眼Ｅに映像光を導く光路を映像表示の切り替えに同期して切り替えるようにしている。
【００２８】
この制御のための構成を図２に模式的に示す。映像表示装置１は、ＬＣＤ１４の表示動作と、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂの発光動作を制御する制御部２１を備えている。制御部２１は、提供すべき映像全体の左半分と右半分を表す２つの映像信号Ｓ１、Ｓ２を時期を違えてＬＣＤ１４に与え、ＬＣＤ１４は与えられた映像信号Ｓ１またはＳ２に応じた映像を表示する。制御部２１は、また、発光を指示する発光信号Ｌ１、Ｌ２をＬＥＤ１１ａ、１１ｂに個別に与え、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂはそれぞれ発光信号Ｌ１、Ｌ２が与えられている間のみ光を発する。
【００２９】
制御部２１は、ＬＣＤ１４に映像信号Ｓ１を与えるときは、ＬＥＤ１１ａに発光信号Ｌ１を与えてＬＥＤ１１ｂには発光信号Ｌ２を与えず、ＬＣＤ１４に映像信号Ｓ２を与えるときは、ＬＥＤ１１ｂに発光信号Ｌ２を与えてＬＥＤ１１ａには発光信号Ｌ１を与えない。したがって、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂに由来する映像光はそれぞれ映像信号Ｓ１、Ｓ２に対応したものとなり、また、眼Ｅに導かれる映像光の光路が切り替えられる。制御部２１は、信号Ｓ１、Ｌ１の供与と信号Ｓ２、Ｌ２の供与とを、短い周期（例えば１／３０秒）で交互に繰り返す。この制御により、映像全体の左半分と右半分を表す映像光が眼Ｅに交互に入射する。
【００３０】
映像表示装置１が提供する映像の１例を図３に示す。提供する映像は、個々の映像光が表す左半分と右半分が近接したものとなり、全体として広視野の映像になる。しかも、映像の左半分も右半分もＬＣＤ１４全体からの光であるから、映像全体の精細度は個々の映像の精細度と同じである。２つの映像光の光路が眼Ｅにおいて重なるため、視線を正面に向けている使用者は広視野の映像全体をまとめて観察することができる。
【００３１】
ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが同じ波長の光を発するようにすれば、映像全体は単一の色になり、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが異なる波長の光を発するようにすれば、映像の色は左半分と右半分で相違する。各ＬＥＤ１１ａ、１１ｂとして赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）を発する３種を備えて、カラー映像を表示することも可能である。そのためには、映像信号Ｓ１、Ｓ２のそれぞれに映像のＲ成分、Ｇ成分、Ｂ成分を表す信号を含ませるとともに、発光信号Ｌ１、Ｌ２にＲ光、Ｇ光、Ｂ光の発光を指示する信号を含ませて、表示と発光を同期をとって行わせればよい。
【００３２】
なお、映像表示装置１では、２つの映像を左右に並べて映像全体を表すようにしているが、２つの映像を上下に並べて映像全体を表すようにしてもよい。この構成と使用者が観察する映像を図４に模式的に示す。この場合、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂは上下方向に配置することになる。図示しないが、拡大光学系であるミラー１６ａ、１６ｂも上下方向に配置する。
【００３３】
以下、他の実施形態について説明するが、既述の構成要素と同一または類似の機能を有する構成要素は同じ符号で表して、重複する説明は省略する。
【００３４】
第２の実施形態の映像表示装置２の光学系の構成と光路を図５に模式的に示す。図５において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ映像表示装置２の正面図、側面図、平面図であるが、（ａ）では図１と同様に、映像表示装置２から使用者の眼に至る光路を明示するために、眼の位置をずらして表している。映像表示装置２は、ミラー１６ａ、１６ｂに代えて、２つの反射型のホログラム素子１７ａ、１７ｂを拡大光学系として備えたものである。他の構成は映像表示装置１と同様である。
【００３５】
ホログラム素子１７ａ、１７ｂは平板状であり、下端が上端よりも顔面に近づくように、透明板１５の内部に設けられている。透明板１５は傾斜した端面を有する２つの素片を接合して作製されており、ホログラム素子１７ａ、１７ｂは接合面となる傾斜した端面に貼り付けられている。
【００３６】
ホログラム素子１７ａ、１７は、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが発する光と同じ波長の光で感光材料を露光して、感光材料に干渉縞を形成することにより作製する。ホログラム素子１７ａ、１７ｂは一体に作製することもできるし、別体として並べて配置することもできる。また、カラー映像を提供するためにＬＥＤ１１ａ、１１ｂとしてＲ光、Ｇ光、Ｂ光を発する３種を備える場合、１つの感光材料を各色光で順に露光してホログラム素子１７ａ、１７ｂとしてもよいし、各色光で個別に露光した３つの感光材料を積層してホログラム素子１７ａ、１７ｂとしてもよい。
【００３７】
入射光の波長とホログラム素子の反射率および透過率との関係を図６に模式的に示す。図６において、（ａ）は波長５３０ｎｍのＧ光を、（ｂ）は波長６２０、５３０、４３０ｎｍのＲ光、Ｇ光、Ｂ光を回折させる場合の例である。ホログラム素子は、所望の波長の光を選択性高く回折させる設定とすることが容易である。例えば、（ａ）のように波長５３０ｎｍの光を回折して反射させる場合、５２０〜５４０ｎｍの波長域のみを強く回折し、他の波長域の光をほとんど全て透過させるようにすることができる。
【００３８】
このような特性を有するホログラム素子１７ａ、１７ｂで拡大光学系を構成した映像表示装置２では、映像に重ねて外界の像を提供することが可能であるのみならず、映像光を全て眼に導いて明るい映像を提供し、しかも、映像に重なる外界の像が暗くなったり着色したりするのを避けることができる。
【００３９】
映像表示装置２も図２に示した制御部２１を備えており、映像表示装置１と同様にして、ＬＣＤ１４の映像の表示とホログラム素子１７ａ、１７ｂから眼に導く映像光の光路の切り替えを制御する。したがって、使用者は視野が広く精細度の高い映像を観察することができる。
【００４０】
第３の実施形態の映像表示装置３の光学系の構成と光路を図７の平面図に模式的に示す。この映像表示装置３は、第２の実施形態の映像表示装置２を修飾して、拡大光学系であるホログラム素子１７ａ、１７ｂが眼に導く映像光の光路を変更したものである。
【００４１】
ＬＥＤ１１ａに由来する映像光は、ホログラム素子１７ａに入射するだけでなく、一部がホログラム素子１７ｂのホログラム素子１７ａに近い部位に入射する。同様に、ＬＥＤ１１ｂに由来する映像光は、ホログラム素子１７ｂに入射するだけでなく、一部がホログラム素子１７ａのホログラム素子１７ｂに近い部位に入射する。ホログラム素子１７ａ、１７ｂは、単一の感光材料を、その中央部が二重露光となるように、２方向から露光することにより一体に作製されている。二重露光された部位が、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂの双方に由来する映像光が入射する部位である。
【００４２】
ホログラム素子１７ａ、１７ｂが眼に導く映像光の光路は異なるが、映像光は部分的に重なり合い、したがって、使用者に提供される映像も部分的に重なり合う。制御部２１は、映像の重なり合う部分が同じ映像となるように、ＬＣＤ１４に与える２つの映像信号Ｓ１、Ｓ２の一部を同じにする。したがって、観察する映像が重なっているにもかかわらず、使用者が違和感を覚えることはない。
【００４３】
ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが発する光の波長は異なる。これにより、ホログラム素子１７ａ、１７ｂのうちＬＥＤ１１ａ、１１ｂの双方に由来する映像光が入射する部位が、各映像光を確実に異なる方向に回折する設定とすることができる。ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが発する光の波長は２０ｎｍ程度以上離れていればよく、例えば、５５０ｎｍと５７０ｎｍ、あるいは４５０ｎｍと５５０ｎｍとすることができる。
【００４４】
ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが発する光の波長が異なっていると、観察される２つの映像の色が相違することになり、使用者は２つの映像を明確に識別することが可能である。その場合、映像の重なり合っている部分は中間の色として観察される。
【００４５】
第４の実施形態の映像表示装置４の光学系の構成と光路を図８に模式的に示す。図８において（ａ）、（ｂ）はそれぞれ側面図、平面図である。映像表示装置４は映像表示装置２を修飾して、拡大光学系であるホログラム素子１７ａ、１７ｂが眼に導く映像光の光路を変更したものである。
【００４６】
ホログラム素子１７ａ、１７ｂは、各々が映像光を導く光路が眼Ｅの位置で分離するように、すなわち個別に射出瞳を形成するように設定されている。したがって、２つの光路の映像光が眼Ｅに略同時に入射することはなく、視線を１方向に向けている使用者には一方の映像のみが提供される。ただし、使用者が視線の方向を変化させれば他方の映像を観察することができる。
【００４７】
映像表示装置４が提供する映像の１例を図９に示す。この例は、自動車を運転中の使用者に提供する映像であり、運転上の注意を促すメッセージを含んでいる。視線を左方に向けたときには左の映像ＶLのみが観察され、視線を右方に向けたときには右の映像ＶRのみが観察される。なお、自動車には、側方を含む広い範囲を撮影するカメラと、撮影した映像中の移動物体を認識する映像識別回路を備えておき、認識結果を制御部２１に与えて、制御部２１がメッセージを表す映像信号Ｓ１、Ｓ２を適宜ＬＣＤ１４に与えるようにする。
【００４８】
第５の実施形態の映像表示装置５の光学系の構成と光路を図１０の平面図に模式的に示す。この映像表示装置５は第３の実施形態の映像表示装置３を修飾して、拡大光学系であるホログラム素子１７ａ、１７ｂが眼に導く映像光の光路を変更したものである。
【００４９】
ホログラム素子１７ａ、１７ｂは、映像表示装置３と同様に、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂの双方に由来する映像光を受ける部位を有する。ただし、ホログラム素子１７ａ、１７ｂは、第４の実施形態の映像表示装置４と同様に、各々が映像光を導く光路が眼Ｅの位置で分離するように、すなわち個別に射出瞳を形成するように設定されている。したがって、２つの光路の映像光が眼Ｅに略同時に入射することはなく、視線を１方向に向けている使用者には一方の映像のみが提供される。
【００５０】
制御部２１は、ＬＥＤ１１ａに由来しホログラム素子１７ｂに入射することになる映像光と、ＬＥＤ１１ｂに由来しホログラム素子１７ａに入射することになる映像光とが、同じ映像を表すように、ＬＣＤ１４に与える映像信号Ｓ１とＳ２の内容を一部同じにする。したがって、使用者が視線の方向を変えても、観察される映像の一部は同じになる。
【００５１】
映像表示装置５が提供する映像の１例を図１１に示す。この例も、自動車を運転中の使用者に提供する映像である。視線を左方に向けたときは左の映像ＶLのみが観察され、視線を右方に向けたときには右の映像ＶRのみが観察されるが、映像全体としての中央に位置する部分は変化しない。
【００５２】
第６の実施形態の映像表示装置６の光学系の構成と光路を図１２に模式的に示す。図１２において、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ映像表示装置６の正面図、側面図、平面図であるが、（ａ）では前述のように眼の位置をずらして表している。映像表示装置６は、第２の実施形態の映像表示装置２のＬＥＤ１１ａ、１１ｂを比較的近づけて配置するとともに、２つの拡散板１２ａ、１２ｂと２つのレンズ１３ａ、１３ｂに代えて、１つの拡散板１２と１つのレンズ１３を備えてものである。
【００５３】
拡散板１２はＬＥＤ１１ａ、１１ｂからの光を拡散し、レンズ１３は拡散板１２を透過したＬＥＤ１１ａ、１１ｂからの光をそれぞれＬＣＤ１４の全面に導く。拡大光学系であるホログラム素子１７ａ、１７ｂは、第３の実施形態の映像表示装置３と同様に、ＬＥＤ１１ａに由来する映像光とＬＥＤ１１ｂに由来する映像光の双方が入射する部位を有する。また、ホログラム素子１７ａ、１７ｂが映像光を導く２つの光路は眼Ｅの位置において重なる。ＬＣＤ１４の映像の表示とホログラム素子１７ａ、１７ｂから眼に導く映像光の光路の切り替えの制御部２１による制御は、映像表示装置３と同じである。
【００５４】
第７の実施形態の映像表示装置７の光学系の構成と光路を図１３の平面図に模式的に示す。映像表示装置７は、第２の実施形態の映像表示装置２から、拡散板１２ａ、１２ｂと透明板１５を省略して、ホログラム素子１７ａ、１７ｂに斜め方向から直接映像光を入射させるようにしたものである。
【００５５】
ＬＥＤ１１ａ、１１ｂの直前にはピンホール１８を有する遮光板が設けられており、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂが発した光はピンホール１８を通過することにより、点光源からの発散光となる。レンズ１３ａ、１３ｂはコリメータレンズとされており、ピンホール１８を通過したＬＥＤ１１ａ、１１ｂからの発散光をそれぞれ平行光線として、ＬＣＤ１４の全面に導く。この照明光はＬＣＤ１４によって映像光とされるが、映像光は平行光線のままであり、ＬＣＤ１４上の映像の個々の点を表す微小径の光束を多数含むものとなる。ＬＣＤ１４から２方向に出射する映像光は、それぞれホログラム素子１７ａ、１７ｂに入射して、異なる光路で眼Ｅに導かれる。ホログラム素子１７ａ、１７ｂが映像光を導く光路は眼Ｅの位置において重なり合う。
【００５６】
ホログラム素子１７ａ、１７ｂは映像光を収束光として眼に導くが、映像の個々の点を表す光束の位置関係に変化をもたらさない。したがって、映像表示装置７では、光路が眼Ｅの位置で重なり合うものの、重なり合った範囲内に微小な射出瞳が多数形成されることになる。映像の個々の点を表す光束は網膜上で連続し、これによって使用者はＬＣＤ１４が表示した映像の全体を認識することができる。
【００５７】
ＬＣＤ１４の映像の表示とホログラム素子１７ａ、１７ｂから眼に導く映像光の光路の切り替えの制御部２１による制御は、映像表示装置２と同じである。このような構成の映像表示装置７も、視野が広く精細度の高い映像を提供することができる。なお、ここでピンホール１８を備えたのは光源を点光源に近づけるためであって、レーザを使用すればピンホール１８は不要である。
【００５８】
第８の実施形態の映像表示装置８の外観を図１４に示す。映像表示装置８は、第１〜第６の実施形態で説明した光学系を左右１対備えて、眼鏡状の外観を有する構成としたものである。映像表示装置８は、１対のテンプル２２と１対の鼻当て２３を有しており、頭部に装着して使用される。左右の透明板１５は連結部２４によって連結されており、テンプル２２は透明板１５の端部に取り付けられ、鼻当て２３は連結部２４に取り付けられている。
【００５９】
照明部に含まれるＬＥＤ１１ａ、１１ｂ等と表示部であるＬＣＤ１４は筺体２５に収容されて、透明板１５の上端部に固定されている。筺体２５は使用者の視野の外に位置しており、視界を遮ることはない。制御部２１は、ケーブル２６を介して、筺体２５内のＬＥＤ１１ａ、１１ｂとＬＣＤ１４に接続されている。
【００６０】
映像表示装置８の光学系の構成と光路を図１５に模式的に示す。左右の光学系ともに、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂより異なる方向からＬＣＤ１４に照明光を与え、ＬＣＤ１４から異なる方向に出射する映像光を、ホログラム素子１７ａ、１７ｂまたはミラー１６ａ、１６ｂによって、異なる光路で眼に導く。制御部２１によって光学系ごとに映像の表示と光路の切り替えが同期してなされ、広視野かつ高精細な映像が左右の眼それぞれに提供される。制御部２１が左右の光学系のＬＣＤ１４に視差のある映像を表示させることで、立体映像を提供することも可能である。
【００６１】
第９の実施形態の映像表示装置９について説明する。映像表示装置９は、携帯電話機に組み込まれており、受信した情報や送信する情報、あるいは記憶している地図等の情報を使用者に映像として提供するものである。映像表示装置９を組み込んだ携帯電話機３０の外観を図１６に示す。携帯電話機３０は、本体部３０ａと蓋部３０ｂより成り、非使用時には、蓋部３０ｂが本体部３０ａに重なるように折り畳むことができる。
【００６２】
本体部３０ａは、主として電話機の機能を司り、信号処理回路を内蔵するほか、電話番号等の入力を行うための複数のキー３１、入力された電話番号を表示する液晶表示器３２、無線波を送受するアンテナ３３、受信した音声を出力するスピーカ３４等を備えている。蓋部３０ｂは、音声入力のためのマイクロフォン３５を備えており、また、映像表示装置９を内蔵している。蓋部３０ｂの内側の表面には窓３０ｃが設けられており、外側の表面にも窓３０ｃに対向する窓が設けられている。
【００６３】
図１６のＸ−Ｘ’での映像表示装置９の断面を図１７に示す。映像表示装置９の光学系は、第２〜第６の実施形態のものと類似の構成であり、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂ、ＬＣＤ１４、透明板１５、およびホログラム素子１７ａ、１７ｂを備えている。ただし、レンズ１３ａ、１３ｂに代えてリフレクタ１３ａ’、１３ｂ’を備えており、また、拡散板１２ａ、１２ｂはＬＣＤ１４の直前に配置されている。なお、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂ、ホログラム素子１７ａ、１７ｂ等の対を成す構成要素は図１７の紙面に対して垂直方向に並べて配置されている。
【００６４】
映像表示装置９は、透明板１５が窓３０ｃに対面するように蓋部３０ｂの内部に配置されている。使用者は、透明板１５および窓３０ｃが眼の前に位置し、本体部３０ａのスピーカ３４が耳の近くに位置するように、携帯電話機３０を手で持って使用することにより、通話しながら外界の像とこれに重なる映像を観察することができる。この状態で使用するときでも、使用者の発する声はマイクロフォン３５で検出される。
【００６５】
映像表示装置９においても、ＬＥＤ１１ａ、１１ｂより異なる方向からＬＣＤ１４に照明光を与え、ＬＣＤ１４から異なる方向に出射する映像光をホログラム素子１７ａ、１７ｂによって異なる光路で眼に導く。また、制御部２１によって、映像表示と光路を同期して切り替える。したがって、広視野かつ高精細な映像が提供される。
【００６６】
なお、上記の各実施形態では眼に２つの光路から映像光を交互に導く例を示したが、ＬＥＤやホログラム素子（またはミラー）を３つ以上備えて、３つ以上の光路から映像光を順に導くようにすることもできる。また、ここでは、ＬＥＤの発光時期を違えることにより、ＬＣＤに与える照明光の方向を変化させる構成としたが、照明光の光路上にシャッタを配置して、シャッタの開閉により照明光の方向を変化させることも可能である。さらに、拡大光学系から眼までの光路上にシャッタを配置して光路を切り替えるようにしてもよい。
【００６７】
また、上記の各実施形態では頭部装着式または手持ち式の装置としたが、本発明はこのような小型の構成に限定されるものではない。例えば、図１８に示す第１０の実施形態のように、大きな透明板１９に大きな反射型のホログラム素子１７ａ、１７ｂを貼り付けて、これらに映像光を投射して複数の光路で眼に導く構成とすることもできる。建物の窓のガラス板あるいはショーウインドウのガラス板を透明板１９として利用することも可能である。
【００６８】
【発明の効果】
本発明の映像表示装置は、視野が広くかつ精細度の高い映像を提供することができる。しかも、複数の表示部を必要としないため、構成が簡素になって小型軽量の装置となり、製造コストも抑えられる。したがって、顔前にて使用する形態に適し、また、個人用の装置としても適する。
【００６９】
制御部が、照明部に照明光の方向を切り替えさせることにより、眼に導く映像光の光路を切り替えるようにすると、表示部以降に光路切り替えのための手段を設ける必要がなく、設計が容易になる。しかも、光路の切り替えを速やかに行うことが可能になり、使用者に違和感を与えることが避けられる。
【００７０】
拡大光学系がホログラム素子を含むようにすると、拡大光学系の設計や作製がきわめて容易になる。また、映像に重ねて外界の像を提供することもできる。
【００７１】
照明部が表示部に与える照明光の波長が照明光の方向ごとに異なるようにすると、映像間で色が相違することになって、複数の映像が部分的に重なって観察されるときでも、映像の識別が容易になる。
【００７２】
拡大光学系が映像光を眼に導く複数の光路が眼の位置において重なり合うようにすると、複数の映像をまとめて観察することができ、使用者が異なる映像を同時に観察する必要がある場合に有用である。
【００７３】
拡大光学系が映像光を眼に導く複数の光路が眼の位置において互いに分離するようにすると、視線の方向を変化させることで複数の映像を個別に観察することができ、使用者が異なる映像を同時に観察する必要がない場合に有用である。
【００７４】
拡大光学系を保持し、眼に対面する透明な板状部材を備える構成では、映像と共に外界を観察することができ、常時使用することが可能な装置となる。拡大光学系をホログラム素子で構成すれば、映像により外界が遮られることもない。
【００７５】
板状部材が、表示部から出射する映像光を端部より導き入れて、内部で反射して拡大光学系に導くようにすると、板状部材を大きくかつ薄くして表示部を使用者の視野外に位置させることが可能になり、外界の観察に支障がなく、しかも軽量な装置となる。
【００７６】
板状部材が光学的パワーを有するようにすると、視力の低下した使用者でも他の矯正手段を用いることなく外界を鮮明に観察することができる。また、使用者の頭部に装着するための装着部材を備える構成では、使い勝手のよい装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す正面図、側面図および平面図。
【図２】 第１の実施形態の映像表示装置の表示映像と光路の切り替えの制御のための構成を模式的に示す図。
【図３】 第１の実施形態の映像表示装置が提供する映像の例を示す図。
【図４】 第１の実施形態の映像表示装置の変形例の光学系の構成と、提供する映像の例を模式的に示す正面図。
【図５】 第２の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す正面図、側面図および平面図。
【図６】 ホログラム素子の反射率および透過率と入射光の波長との関係を模式的に示す図。
【図７】 第３の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す平面図。
【図８】 第４の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す側面図および平面図。
【図９】 第４の実施形態の映像表示装置が提供する映像の例を示す図。
【図１０】 第５の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す平面図。
【図１１】 第５の実施形態の映像表示装置が提供する映像の例を示す図。
【図１２】 第６の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す正面図、側面図および平面図。
【図１３】 第７の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す平面図。
【図１４】 第８の実施形態の映像表示装置の外観を示す斜視図。
【図１５】 第８の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す正面図。
【図１６】 第９の実施形態の映像表示装置を組み込んだ携帯電話機の斜視図。
【図１７】 第９の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を示す断面図。
【図１８】 第１０の実施形態の映像表示装置の光学系の構成と光路を模式的に示す図。
【符号の説明】
１、２、３、４、５、６、７、８、９ 映像表示装置
１１ａ、１１ｂ 発光ダイオード
１２ａ、１２ｂ、１２ 拡散板
１３ａ、１３ｂ、１３ レンズ
１４ 液晶表示器
１５ 透明板
１６ａ、１６ｂ ミラー
１７ａ、１７ｂ ホログラム素子
１８ ピンホール
１９ 透明板
２１ 制御部
２２ テンプル
２３ 鼻当て
２４ 連結部
２５ 筺体
２６ ケーブル
３０ 携帯電話機
３０ａ 本体部
３０ｂ 蓋部
３１ 入力キー
３２ 液晶表示器
３３ アンテナ
３４ スピーカ
３５ マイクロフォン
Claims (10)
- 映像を表示し、与えられる照明光を映像を表す映像光とする表示部と、
表示部に複数の方向から照明光を与えて、表示部から複数の方向に映像光を出射させる照明部と、
表示部から複数の方向に出射する映像光を、映像光ごとに異なる複数の光路で眼に導く拡大光学系と、
表示部に複数の映像を切り替えて表示させるとともに、眼に導く映像光の光路を映像の表示の切り替えに合わせて切り替える制御部と
を備えることを特徴とする映像表示装置。 - 制御部が、照明部に照明光の方向を切り替えさせることにより、眼に導く映像光の光路を切り替えることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
- 拡大光学系がホログラム素子を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の映像表示装置。
- 照明部が表示部に与える照明光の波長が、照明光の方向ごとに異なることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の映像表示装置。
- 拡大光学系が映像光を眼に導く複数の光路が、眼の位置において重なり合っていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の映像表示装置。
- 拡大光学系が映像光を眼に導く複数の光路が、眼の位置において互いに分離していることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の映像表示装置。
- 拡大光学系を保持し、眼に対面する透明な板状部材を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の映像表示装置。
- 板状部材が、表示部から出射する映像光を端部より導き入れて、内部で反射して拡大光学系に導くことを特徴とする請求項７に記載の映像表示装置。
- 板状部材が光学的パワーを有することを特徴とする請求項７に記載の映像表示装置。
- 使用者の頭部に装着するための装着部材を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の映像表示装置。
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