JP6249366B2 - Image display device - Google Patents
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Description
本発明は、画像表示装置に関し、特に、狭視野角であっても差し支えない場合に、画像を観察しようとする一人の人間の目の位置に全画像情報の光を集中させるようにして消費電力を格段に低減した空中結像型の画像表示装置に関する。 The present invention relates to an image display device, and in particular, when a narrow viewing angle is acceptable, the power consumption is achieved by concentrating the light of all image information on the position of one person's eye who wants to observe the image. The present invention relates to an aerial imaging type image display apparatus in which
近年、低消費電力化が重要になってきており、ディスプレイにおいても重要な課題である。一般的ディスプレイである、液晶ディスプレイ（略して、ＬＣＤ）、プラズマディスプレイおよび有機ＥＬディスプレイは、何れもその表示面からあらゆる方向に光を拡散し、空間に光をばら撒いているが、実際に利用されるのは、人間の目の瞳孔である2〜8mmの開口に入る光のみであり、観察者が一人だけである場合、光利用効率は、表示面からの光全体が拡散する立体角範囲（半球面）に対する、観察者の目に向かって拡散する立体角範囲（半球面内のごく一部の領域）の面積比で1/1000〜1/10000と非常に悪い。 In recent years, low power consumption has become important, and it is also an important issue for displays. Liquid crystal displays (abbreviated as LCD), plasma displays, and organic EL displays, which are general displays, all diffuse light from the display surface in all directions and diffuse light into space, but are actually used. Only the light entering the 2 to 8 mm aperture, which is the pupil of the human eye, is used, and when there is only one observer, the light utilization efficiency is the solid angle range in which the entire light from the display surface diffuses The area ratio of the solid angle range (a very small area in the hemisphere) diffusing toward the observer's eyes with respect to the (hemisphere) is very bad, 1/1000 to 1/10000.
そこで、画像を観察しようとする一人の人間の目（またはその近傍）の位置のみに全画像情報の光を、角度的、空間的に均一に集めた光学面を空間に結像させ、この中から、画像を見る方式のディスプレイ（例えば、特許文献１「アイリス面空間結像制御型画像表示装置」参照）により1/10〜1/100程度の超低消費電力化が実現できる。
Therefore, an optical surface in which all the image information light is collected uniformly in an angular and spatial manner only in the position of (or in the vicinity of) the eye of a single person who is observing the image is formed in space. Therefore, an ultra low power consumption of about 1/10 to 1/100 can be realized by a display of an image viewing system (for example, see
さらに、近年、没入感や立体的表示のため、空中に浮いた画像表示が着目されている。これに関する技術として、物体の画像を表示する表示手段と、前記表示手段に表示された画像を前記表示手段の外部空間に浮遊させる画像浮遊手段とからなり、前記画像浮遊手段は、前記表示手段からの距離にかかわらず、前記表示手段に表示された画像と等倍率の正立像または倒立像を前記表示手段の外部空間に結像させる等倍結像光学系でなる空間浮遊像表示装置であって、前記等倍結像光学系は、焦点距離がｆ１であるｎ＋１枚（ｎは１以上の整数）のレンズと、焦点距離がｆ２であるｎ枚のレンズからなり、かつ、前記焦点距離がｆ１のレンズまたは前記焦点距離がｆ２のレンズのいずれか一方、または両方が、可変焦点レンズであり、前記焦点距離がｆ１のレンズと前記焦点距離がｆ２のレンズとは、交互に配置され、かつ、等間隔で配置されており、隣り合う２枚の前記レンズの間隔ｄは、ｋ個の前記レンズを通過した光の結像の倍率をＭｋとしたときに下記数式（５）乃至数式（８）で表される漸化式、
Ｍｋ＝−Ｍｋ−１Ｌｋ／（ｄｋ−１−Ｌｋ−１） …（５）
Ｍ０＝１ …（６）
Ｌｋ＝１／｛１／（ｆ２−（ｋ mod２）−１／（ｄｋ−１−Ｌｋ−１）｝ …（７）
ｄｋ＝０（＠ｋ＝０）、ｄ（＠ｋ≠０） …（８）
において、Ｍｋ＝２ｎ＋１＝１または−１を満たし、かつ、Ｌ０に依存しない値とすることを特徴とする空間浮遊像表示装置（特許文献２の請求項１参照）が提案されている。
Furthermore, in recent years, attention has been paid to image display floating in the air for immersive feeling and stereoscopic display. As a technique related to this, a display unit that displays an image of an object, and an image floating unit that floats an image displayed on the display unit in an external space of the display unit, the image floating unit is connected to the display unit. A space floating image display device comprising an equal-magnification imaging optical system that forms an upright image or an inverted image at the same magnification as the image displayed on the display means in the external space of the display means regardless of the distance of the like Baiyuizo optical system includes a lens of n + 1 sheets focal length is f 1 (n is an integer of 1 or more), an n-lenses the focal length is f 2, and the focal length Either one of the lens with f 1 or the lens with the focal length f 2 or both are variable focal length lenses, and the lens with the focal length f 1 and the lens with the focal length f 2 are alternately And Are arranged at intervals, the interval d of two of the adjacent lenses is represented by the following formulas the magnification of the imaging of the light passing through the k-number of the lens when the M k (5) to Equation (8) A recurrence formula represented by
M k = −M k−1 L k / (d k−1 −L k−1 ) (5)
M 0 = 1 (6)
L k = 1 / {1 / (f 2− (k mod2) −1 / (d k−1 −L k−1 )} (7)
d k = 0 (@ k = 0), d (@ k ≠ 0) (8)
Has proposed a spatial floating image display device (see
前述の「全画像情報の光を、角度的、空間的に均一に集めた光学面」を、「空間結像アイリス面」とよぶことにする。空間結像アイリス面のサイズを小さく設定すると、超低消費電力が実現するが、見える範囲（観察領域と云う）が狭くなる。逆に、空間結像アイリス面のサイズを大きく設定すると、低消費電力が実現しにくくなるが、観察領域が広くなる。このトレードオフをディスプレイの使用目的に合わせて有効に活用すると、大きな低消費電力効果が期待できる。例えば、ディスプレイに対し見る位置が略決まっている車載用のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤと略称する）や、テレビ電話用の画像表示装置には、前記トレードオフの有効活用が大きな低消費電力効果を発揮するであろう。さらに、近年、没入感や立体的表示のため、空中に浮いた画像表示が着目されている。これに対しても、前記トレードオフの有効活用により、大きな低消費電力効果が期待できる。 The above-mentioned “optical surface in which the light of all image information is uniformly collected in an angular and spatial manner” is referred to as a “spatial imaging iris surface”. When the size of the spatial imaging iris surface is set small, ultra-low power consumption is realized, but the visible range (referred to as an observation region) is narrowed. Conversely, if the size of the spatial imaging iris surface is set large, low power consumption is difficult to achieve, but the observation area is widened. If this trade-off is effectively utilized in accordance with the purpose of use of the display, a large low power consumption effect can be expected. For example, in-vehicle head-up displays (abbreviated as HUD) where the viewing position with respect to the display is substantially determined, and image display devices for videophones, the effective use of the trade-off exhibits a significant low power consumption effect. Will do. Furthermore, in recent years, attention has been paid to image display floating in the air for immersive feeling and stereoscopic display. Again, a large low power consumption effect can be expected by effectively utilizing the trade-off.
しかしながら、空間結像アイリス面のサイズと観察領域とをディスプレイの使用目的に合わせて調整できて大きな低消費電力化に寄与し、かつ、空中に浮いた画像表示をも得る技術は、これまでのところ提案されていない。 However, the technology that can adjust the size and observation area of the spatial imaging iris surface according to the purpose of use of the display, contribute to a large reduction in power consumption, and can also display an image floating in the air. However, it has not been proposed.
尚、特許文献２の技術は、等倍の空中像のみに限定しており、拡大（あるいは縮小）した空中像について記載がない。さらに、構造として焦点距離f1であるｎ＋1枚（ｎは１以上の整数）のレンズと、焦点距離がｆ２であるｎ枚のレンズからなり、この焦点距離ｆ１のレンズと焦点距離がｆ２のレンズとは、交互にかつ等間隔で配置されている。しかも其処に云う焦点距離がｆ２のレンズは、光学システムを薄型にするための（負の焦点距離の）レンズであるにすぎない。したがって、特許文献２の技術では、空間結像アイリス面のサイズと観察領域とをディスプレイの使用目的に合わせて調整することは不可能である。
Note that the technique of
そこで、本発明では、空間結像アイリス面のサイズと観察領域とをディスプレイの使用目的に合わせて調整でき、かつ空中に浮いた画像表示をも得る画像表示装置を提供することを課題（発明が解決しようとする課題）とする。 Therefore, the present invention has an object to provide an image display device that can adjust the size and observation area of the spatial imaging iris surface in accordance with the purpose of use of the display and that can also display an image displayed in the air. Problem to be solved).
本発明は、本発明者らが前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた成果であり、その要旨は以下のとおりである。
（１） １枚又は複数のレンズよりなり合成焦点距離が焦点距離ｆ１である２つのレンズ群のうち何れか一方を入射側レンズ、他方を出射側レンズとし、これら入射側レンズと出射側レンズの主平面間距離をｆ１±２０％以内に設定し、前記入射側レンズの主平面入射側に１次画像を結像する画像表示デバイスを設置して、前記１次画像の位置情報を角度情報に変換し、前記出射側レンズの主平面を、焦点距離ｆ２の反射型ミラーの前焦点面部に設定して、前記出射側レンズの変換出力情報である角度情報を位置情報に変換し、前記反射型ミラーの出射側の空中の後焦点面部に、前記１次画像の相似形像である２次画像を結像させ、かつ、前記２次画像の出射側に、無限遠三角形型の観察領域を形成させる構成としたことを特徴とする画像表示装置。（これを本発明[１]と云う）
（２） 上記（１）において、前記入射側レンズ、前記出射側レンズ及び前記画像表示デバイスの相対位置関係を不変として、前記出射側レンズの主平面を、前記反射型ミラーの前焦点面部よりも後方に変位させることにより、前記２次画像の出射側に、前記無限遠三角形型のときよりもより前記２次画像に近づいた、無限遠五角形型またはダイヤモンド型の観察領域を形成させる構成としたことを特徴とする画像表示装置。（これを本発明[２]と云う）
（３） 上記（１）又は（２）において、前記反射型ミラーを、透明な光学材質かつドーム型形状の光学素子からなるものとしたことを特徴とする上記（１）または（２）に記載の画像表示装置。（これを本発明[３]と云う）
（４） 上記（３）において、前記画像表示装置を、車載用ヘッドアップディスプレイとしたことを特徴とする画像表示装置。（これを本発明[４]と云う）
（５） 上記（３）において、前記反射型ミラーの裏面側に、前記空中像および前記観察領域をカメラ視野内とするテレビカメラを設置し、かつ前記裏面側を前記テレビカメラの開口部以外は遮光材料で覆って、前記画像表示装置を、視線一致テレビ電話用ディスプレイとしたことを特徴とする画像表示装置。（これを本発明[５]と云う）
（６） 上記（１）〜（５）において、前記入射側レンズの主平面入射側に１次画像を結像する画像表示デバイスを、液晶パネルと該液晶パネルの液晶背面を照明するバックライトとで構成したことを特徴とする画像表示装置。（これを本発明[６]と云う）
The present invention is the result of repeated studies by the present inventors in order to solve the above-mentioned problems, and the gist thereof is as follows.
(1) One of the two lens groups including one lens or a plurality of lenses and having a combined focal length of the focal length f 1 is set as an incident side lens, and the other is set as an output side lens. Is set to within f 1 ± 20%, an image display device for forming a primary image on the main plane incident side of the incident side lens is installed, and the position information of the primary image is set to the angle Converting into the information, setting the main plane of the exit side lens to the front focal plane part of the reflection type mirror of the focal length f 2 , converting the angle information which is the conversion output information of the exit side lens into the position information, A secondary image, which is a similar image of the primary image, is formed on the rear focal plane in the air on the exit side of the reflective mirror, and an infinite triangle type observation is performed on the exit side of the secondary image. An image table characterized by a configuration for forming an area Indicating device. (This is called the present invention [1])
(2) In the above (1), the main plane of the exit side lens is set to be more than the front focal plane portion of the reflective mirror, with the relative positional relationship of the entrance side lens, the exit side lens, and the image display device unchanged. By displacing backward, an infinite pentagonal type or diamond type observation region that is closer to the secondary image than the infinity triangular type is formed on the emission side of the secondary image. An image display device characterized by that. (This is called the present invention [2])
(3) In the above (1) or (2), the reflective mirror is made of a transparent optical material and a dome-shaped optical element. Image display device. (This is called the present invention [3])
(4) In the above (3), the image display device is an in-vehicle head-up display. (This is called the present invention [4])
(5) In the above (3), a television camera having the aerial image and the observation area within the camera field of view is installed on the back side of the reflective mirror, and the back side is other than the opening of the television camera. An image display device, wherein the image display device is a line-of-sight videophone display which is covered with a light shielding material. (This is called the present invention [5])
(6) In the above (1) to (5), an image display device that forms a primary image on a main plane incident side of the incident side lens, a liquid crystal panel, and a backlight that illuminates the liquid crystal back surface of the liquid crystal panel; An image display device characterized by comprising: (This is called the present invention [6])
本発明によれば、空間結像アイリス面のサイズと観察領域とをディスプレイの使用目的に合わせて調整でき、かつ空中に浮いた画像表示をも得ることができて、狭視野角でも差支えない車載用ＨＵＤやテレビ電話等の用途において、大きな低消費電力効果を発揮できる画像表示装置が実現する。また、本発明によれば、テレビ電話用途において通話者同士の視線が互いに一致するようになり、従来では解消できなかった視線不一致による違和感が解消できると云う効果もある。 According to the present invention, the size of the spatial imaging iris surface and the observation area can be adjusted in accordance with the purpose of use of the display, and an image display floating in the air can be obtained. An image display device capable of exhibiting a large low power consumption effect in applications such as HUDs and videophones is realized. In addition, according to the present invention, the line of sight of callers in videophone applications can coincide with each other, and there is also an effect that it is possible to eliminate a sense of incongruity due to line-of-sight mismatch that could not be resolved conventionally.
図１は、本発明の第１例を示す概略図である。この第１例は、本発明[１]及び[３]（本発明[３]の本発明[１]従属部）を実施するための形態の例である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a first example of the present invention. This 1st example is an example of the form for implementing this invention [1] and [3] (this invention [1] subordinate part of this invention [3]).
図１に示すように、第１例では、１枚又は複数のレンズよりなり合成焦点距離が焦点距離ｆ１である２つのレンズ群のうち何れか一方（１つのレンズ群）を入射側レンズ１（複数のレンズよりなるものも含む、以下同じ）、他方（もう１つのレンズ群）を出射側レンズ２（複数のレンズよりなるものも含む、以下同じ）とし、これら入射側レンズ１と出射側レンズ２の主平面１Ａ、２Ａ間距離をｆ１±２０％以内の中の最も好適な値であるｆ１に設定した。ここで、「ｆ１±２０％以内」とは、「0.8ｆ１〜1.2ｆ１の範囲内」を意味し、又、２０％を変数化してα％（α≧０）としたとき、「ｆ１±α％以内」とは、「(1-α/100)ｆ１〜(1＋α/100)ｆ１の範囲内」を意味する。尚、本発明[１]において、入射側レンズ１と出射側レンズ２の主平面１Ａ、２Ａ間距離は、好ましくはｆ１±１０％以内、更に好ましくはｆ１±５％以内である。
As shown in FIG. 1, in the first example, one of the two lens groups (one lens group) having one or a plurality of lenses and the combined focal length is the focal length f 1 is used as the
そして、前記入射側レンズ１の主平面１Ａ入射側に１次画像３を結像する画像表示デバイス６を設置して、前記１次画像３の位置情報を前記入射側レンズ１で角度情報に変換した。尚、第１例では、１次画像３の結像位置を、主平面１Ａまでの距離が0.2ｆ１以内の入射範囲内の位置とした。
Then, an
そして、前記出射側レンズ２の主平面２Ａを、焦点距離ｆ２の反射型ミラー８の前焦点面部８Ａに設定して、前記入射側レンズ１の変換出力情報である角度情報を位置情報に変換し、前記反射型ミラー８(詳しくは、反射型ミラー８のミラー中心位置での接平面)の出射側の空中の後焦点面部８Ｂに、前記１次画像３の相似形像である２次画像９を結像させ、かつ、前記２次画像９の出射側に、無限遠三角形型の観察領域２０を形成させる構成とした。尚、ここに云う「無限遠三角形」とは一辺が無限遠方に位置する三角形のことである。
Then, convert the
尚、本発明において、「前焦点面部」、「後焦点面部」とは夫々、前焦点面、後焦点面までの距離（「面域距離」と云う）が０±0.5ｆ２以内である範囲内を意味する。前記面域距離は、好ましくは０±0.3ｆ２以内、更に好ましくは０±0.1ｆ２以内である。ここで、「±」は「+」が入射側、出射側の何れか一方、「−」が他方である。 In the present invention, the “front focal plane portion” and the “rear focal plane portion” are ranges in which the distances to the front focal plane and the rear focal plane (referred to as “surface area distance”) are within 0 ± 0.5 f 2 , respectively. Means inside. The surface area distance is preferably within 0 ± 0.3 f 2 , more preferably within 0 ± 0.1 f 2 . Here, in “±”, “+” is one of the incident side and the outgoing side, and “−” is the other.
又、第１例では、前焦点面部８Ａは前焦点面までの距離を０（前焦点面に一致）とし、後焦点面部８Ｂは後焦点面までの距離を０（後焦点面に一致）とした。
In the first example, the front
第１例において、画像表示デバイス６は、１次画像３の光源であるプロジェクター４と、１次画像３の結像媒体である拡散フィルム５とを有する。プロジェクター４は、入射光を１次画像３として拡散フィルム５の入射面上に結像させ、拡散フィルム５は、１次画像の入射光を拡散角度＝±１５°(＝±θ１)の角度範囲内に均一に拡散出射する。入射側レンズ１および出射側レンズ２には、直径＝１０ｃｍ、焦点距離ｆ１＝１０ｃｍ、Ｆナンバー＝１のレンズを用いた。入射側レンズ１は、１次画像３からの拡散角度＝±１５°の均一拡散光全てを拾い、位置情報を角度情報に変換した、平行光を出射する。ここで、「平行光」と云うときの「平行」とは、幾何学的平行（真平行）だけでなく、同一平面内で二直線が交差し、その鋭角側交差角が１０°以内である状態（準平行）も含む概念である。
In the first example, the
焦点距離ｆ２の反射型ミラー８には、本発明[３]に係る透明な光学材質かつドーム型形状の光学素子を用いた。本発明[３]に云う「透明な」とは、透過率が４〜９６％であることを意味する。尚、この透過率は、好ましくは、４〜７０％である。又、反射率は、吸収率を無視すれば、反射率＝１００（％）−透過率（％）、である。
The
第１例では、本発明[３]に係る光学素子の例として、透過率＝５０％、直径（2ｒ）＝１．５ｍのアクリル半球ドーム（以下、「アクリル半球ドーム８」とも云う）を用いた。このアクリル半球ドーム８の焦点距離ｆ２は、ｆ２＝2ｒ/４＝３７．５ｃｍとなる。
In the first example, an acrylic hemispherical dome (hereinafter also referred to as “acrylic
よって、図１のように、アクリル半球ドーム８の前焦点面部８Ａ（第１例では、アクリル半球ドーム８のドーム中心位置での接平面から入射側に焦点距離ｆ２＝３７．５ｃｍだけ離れた平面である）に、出射側レンズ２（焦点距離ｆ１＝１０ｃｍ）を設置すると、入射側レンズ１の変換出力情報である位置情報が、出射側レンズ２により角度情報に変換され、アクリル半球ドーム８からアクリル半球ドーム８の出射側の空中の後焦点面部８Ｂ（第１例では、アクリル半球ドーム８のドーム中心位置での接平面から出射側に焦点距離ｆ２＝３７．５ｃｍだけ離れた平面である）に、１次画像３の相似形像として、１次画像３に対する拡大倍率＝ｆ２/ｆ１である２次画像９（以下、空中像９とも云う）が結像する。
Therefore, as shown in FIG. 1, the front
空中像９の両端のうちの、一端の結像に与る光の主光線１０と、他端の結像に与る光の主光線１１とは、アクリル半球ドーム８の前焦点面部８Ａ内の同一点から出射し、主光線１０、１１夫々を拡散中心とする光はアクリル半球ドーム８の反射エリア１３、１４夫々で反射される。反射された後において、主光線１０、１１は互いに平行光をなす。反射された後の主光線１０、１１夫々を拡散中心とする光は、主光線１０、１１夫々を拡散中心として集光角θ2で拡散してくる。よって、平行光をなすこれら２本の主光線１０、１１夫々を拡散中心として集光角θ2で拡散してくる二系統の光の交わる領域が、空中像９の全体を見ることができる観察領域であり、第１例では、図１に示すような無限遠三角形型の観察領域２０を形成する。
Of the two ends of the
よって、第１例では、図１に示すとおり、観察者は、その目がこの無限遠三角形型の観察領域２０内にあるときに限り、空中像９の全体を綺麗に見ることができ、それ以外では空中像９全体を見ることができない。
Therefore, in the first example, as shown in FIG. 1, the observer can clearly see the entire
つまり、第１例の画像表示装置は、見える領域を限定することによる低消費電力化を実現する空中結像型のＨＵＤ、例えば本発明[４]に係る車載用ＨＵＤである。 In other words, the image display device of the first example is an aerial imaging type HUD that realizes low power consumption by limiting the visible region, for example, an in-vehicle HUD according to the present invention [4].
ここで、本発明による低消費電力効果（省エネ効果）の評価方法を、図２を用いて説明する。図２において、θは、図１の空中像９の集光角θ2に相当する角度である。尚、集光角は結像角とも云う。
Here, the evaluation method of the low power consumption effect (energy saving effect) by this invention is demonstrated using FIG. In FIG. 2, θ is an angle corresponding to the light collection angle θ 2 of the
一般のＬＣＤ等のディスプレイでは、完全拡散（画面から全方位に満遍なく拡散）をするので、拡散立体角は、半球面（大円半径ｒ）の面積Ｓ1（Ｓ１＝２πｒ２）をｒ２で除した、２πである。これに対し、本発明に係る、集光角θの空中像では、拡散範囲が頂角θの直円錐領域に限定されるので、拡散立体角は、前記半球面の大円中心を頂点とする頂角θ、高さｒ超の直円錐体と前記半球面との重なり部の面積Ｓ２（Ｓ２＝π[ｒθ]２≒π[ｒ・tanθ]２）をｒ２で除した、πtan2θである。尚、ここでの近似「≒」は、曲面を平面で近似したことを指す。 A general display such as an LCD performs complete diffusion (evenly diffusing in all directions from the screen), so that the diffusion solid angle is an area S 1 (S 1 = 2πr 2 ) of a hemisphere (large circle radius r) r 2. 2π divided by. On the other hand, in the aerial image of the light collection angle θ according to the present invention, the diffusion range is limited to the right cone region of the apex angle θ, so that the diffusion solid angle is the apex at the center of the great circle of the hemisphere. An area S 2 (S 2 = π [rθ] 2 ≈π [r · tan θ] 2 ) of the overlapping portion of the right cone with apex angle θ and height r exceeding the hemispherical surface is divided by r 2. 2 θ. Here, the approximation “≈” indicates that the curved surface is approximated by a plane.
したがって、省エネ効果は、Ｓ２/Ｓ１＝(1/2）tan2θ、となる。 Therefore, the energy saving effect is S 2 / S 1 = (1/2) tan 2 θ.
ここで、シースルー性重視のＨＵＤを考えると、ガラスのように透明なＨＵＤが理想である。よって、反射率４％の場合でも、同じ電力で、ＬＣＤと同じ明るさを実現するには、(1/2)tan2θ＝0.04 より、θ＝１５．８°となる。 Here, considering a HUD that emphasizes see-through performance, a transparent HUD like glass is ideal. Therefore, even when the reflectivity is 4%, to achieve the same brightness as the LCD with the same power, (1/2) tan 2 θ = 0.04, so θ = 15.8 °.
よって写りこみも少なく、前方が明るく見える明るい表示の車載用ＨＵＤを提供するには、第１例（図１）において集光角θ2≦１５．８°で設計すればよい。 Therefore, in order to provide a vehicle-mounted HUD with a small display and a bright display in which the front is bright, it is sufficient to design with a light collection angle θ 2 ≦ 15.8 ° in the first example (FIG. 1).
第１例（図１）では前述のとおり、θ１＝１５°、ｆ１＝１０ｃｍ、ｆ２＝３７．５ｃｍであり、これらの値をエタンデュー保存則による処の、ｆ１θ１＝ｆ２θ2、なる関係式に代入すると、θ2＝４°となる。よって、(1/2)tan2θ2＝1/409 となる。これは、本発明[１]において、反射型ミラー８の反射率＝１００%（透過率＝０％）である場合（本発明[３]の範囲外である場合）、ＬＣＤと比べて、1/409の電力で同じ明るさの画像を見得ることになる。
In the first example (FIG. 1), as described above, θ 1 = 15 °, f 1 = 10 cm, and f 2 = 37.5 cm, and these values are processed according to the Etendue conservation law, f 1 θ 1 = f 2 theta 2, are substituted into a relational equation, and θ 2 = 4 °. Therefore, (1/2) tan 2 θ 2 = 1/409. In the present invention [1], when the reflectance of the
本発明[３]を車載用ＨＵＤとした本発明[４]の場合、反射型ミラー８の透過率を第１例の０％に代えて、透明（透過率＝４〜９６％）の上限である９６％としたとき、反射率は４％であるので、省エネ効果は反射型ミラー８の反射率が１００％である場合との対比で1/２５に落ちるが、それでも、ＬＣＤと比べて、1/16.36の電力で同じ明るさの画像を見ることができ、超低消費電力を実現できた。
In the case of the present invention [4] in which the present invention [3] is an in-vehicle HUD, the transmittance of the
ところで、空中像９の観察者は、空中像９に目をさらに近づけて観察したい場合もあり、その場合には、図１の観察領域２０を空中像９にさらに接近させた状態（さらなる近接視状態）とする必要がある。このさらなる近接視状態において、観察領域２０が無限遠三角形型以外の形状型になっても特に問題はない。このさらなる近接視状態は、本発明[２]により容易に実現できる。
By the way, the observer of the
図３、図４は夫々、本発明の第２例、第３例を示す概略図である。第２例（図３）は、本発明[２]及び[３]（本発明[３]の本発明[２]従属部）において、観察領域２０が無限遠五角形型である場合を実施するための形態の例であり、第３例（図４）は、本発明[２]及び[３]において、観察領域２０がダイヤモンド型である場合を実施するための形態の例である。
3 and 4 are schematic views showing a second example and a third example of the present invention, respectively. In the second example (FIG. 3), in the present invention [2] and [3] (the present invention [2] dependent part of the present invention [3]), the
第２例（図３）及び第３例（図４）は、第１例において、入射側レンズ１、出射側レンズ２及び画像表示デバイス６の三つを図１のとおり組み合わせてなる光学系（以下、１次光学系と云う）を、出射側レンズ２の主平面２Ａが、アクリル半球ドーム８の前焦点面部８Ａよりも後方（光進路の上流側）の、アクリル半球ドーム８のドーム中心位置での接平面までの距離がｆ２よりも大きい距離aである平面内に位置するように、移動させ、以て、空中像９の出射側に、前記無限遠三角形型のときよりもより空中像９に近づいた、無限遠五角形型（第２例）またはダイヤモンド型（第３例）の観察領域を形成させる構成とし、それ以外は第１例と同様とした。尚、ここに云う「無限遠五角形」とは一辺が無限遠方に位置する五角形のことであり、又、「ダイヤモンド」とは不等辺四角形のことである。
The second example (FIG. 3) and the third example (FIG. 4) are optical systems in which the
このように、本発明では、メカ的に１次光学系を移動させることにより、図１（第１例）から図３（第２例）そして図４（第３例）への変化が可能である。 As described above, in the present invention, by changing the primary optical system mechanically, a change from FIG. 1 (first example) to FIG. 3 (second example) and FIG. 4 (third example) is possible. is there.
第２例（図３）では、第１例(図１)と比べ、空中像９の両端夫々を通過する主光線１０、１１は、アクリル半球ドーム８の前焦点面部８Ａより遠い位置の同じ点から出ているため、図１におけるような平行光とはならず、集光して交わることになる。
In the second example (FIG. 3), as compared with the first example (FIG. 1), the principal rays 10 and 11 passing through both ends of the
これにより、図３の観察領域２０では、空中像９に最も近い頂点を、図１の無限遠三角形型のときよりもさらに空中像９に接近させることができる。図３では、無限遠まで観察領域が続くため、無限に離れても、空中像９を見ることができる無限遠五角形型の観察領域２０（以下、無限遠五角形視域とも云う）が形成される場合を示している。この無限遠五角形視域は、空中像９を見ることができる奥行き方向の範囲が比較的近くから無限遠まで広がった、最も広い観察領域を形成できる。
Thereby, in the
この無限遠五角形視域の形成条件は、本発明者らの研究結果より、「空間結像アイリス面サイズ＞空中像サイズ」であることが分かっている。この条件を式で示すと、「(ｂ/ａ)ｄ２＞(ｆ２/ｆ１)ｄ１…[式１]」となる。ここで、aはアクリル半球ドーム８のドーム中心位置における接平面（以下、基準面と云う）から出射側レンズ２の主平面２Ａまでの距離、ｂは基準面から空中像９の両端夫々を通る主光線１０、１１が集光して交わる点までの距離、ｄ１は１次画像３のサイズ、ｄ２は出射側レンズ２の直径（Ｆナンバー＝１の時のみｄ１=ｄ２であり、一般にはｄ１≠ｄ２である）、ｆ１は入射側レンズ１の焦点距離（＝出射側レンズ２の焦点距離）、ｆ２はアクリル半球ドーム８の焦点距離である。
The formation condition of this infinitely far pentagonal viewing zone is known to be “spatial imaging iris plane size> aerial image size” from the research results of the present inventors. When this condition is expressed by an equation, “(b / a) d 2 > (f 2 / f 1 ) d 1 .. [Equation 1]”. Here, a is the distance from the tangential plane (hereinafter referred to as the reference plane) at the dome center position of the acrylic
これにより、設計やメカによる視域可変システムが可能である。尚、空中像９の拡大倍率ｆ２/ｆ１や、空中像９の結像位置（基準面から距離ｆ２だけ離れた位置。図１、図３、図４参照）は変化しないため、観察領域２０の形状の独立制御が可能である。又、集光角θ２も不変なため、省エネ効果にも影響しないと云う長所をも有している。
Thereby, a variable viewing zone system by design and mechanism is possible. Note that the magnification f 2 / f 1 of the
第３例（図４）は、第２例（図３）と比べ、１次光学系をさらに後方に移動して、出射側レンズ２の主平面２Ａからアクリル半球ドーム８までの距離ａを第２例（図３の）のときよりさらに大きくしたものであり、空中像９の両端夫々を通過する主光線１０、１１が、アクリル半球ドーム８の前焦点面部８Ａよりさらに遠い位置の同じ点から出ているため、第２例(図３)のときよりもより空中像９に近い位置で集光して交わる。
Compared to the second example (FIG. 3), the third example (FIG. 4) moves the primary optical system further rearward to set the distance a from the
これにより、図４の観察領域２０では、空中像９に最も近い頂点を、図３の無限遠五角形視域のときよりもさらに空中像９に接近させることができる。この場合、図４に示すように、観察領域２０がダイヤモンド型となり、無限遠まで続かず、途中で消滅してしまう。よって、空中像９に非常に近い位置から空中像９の全体を見ることができるが、離れすぎると見えなくなる。このダイヤモンド型の観察領域２０の形成条件は、本発明者らの研究の結果、「空中結像アイリス面サイズ＜空中像サイズ」であることが分かっている。式で示すと、「(ｂ/ａ)ｄ２＜(ｆ２/ｆ１)ｄ１…[式２]」となる。ここで、ａ、ｂ、ｄ１、ｄ２、ｆ１、ｆ２は[式１]のときと同義である。第３例と第２例とを切り替え可能とすることにより、設計やメカによる、適用範囲がより広い視域可変システムが可能である。
Thereby, in the
次に、本発明[５]について述べる。図５は、本発明の第４例を示す概略図である。この第４例は、本発明[５]における本発明[３]の本発明[１]従属部を実施するための形態の例である。 Next, the present invention [5] will be described. FIG. 5 is a schematic view showing a fourth example of the present invention. This 4th example is an example of the form for implementing this invention [1] subordinate part of this invention [3] in this invention [5].
図５に示すように、第４例は、第１例（図１）において、アクリル半球ドーム８の裏面側に、空中像９および観察領域２０をカメラ視野内とするテレビカメラ３０を設置し、かつ前記裏面側をテレビカメラ３０の開口部以外は遮光材料３１で覆ったものである。遮光材料３１としては、黒色塗装、黒色光吸収紙、黒色ビロード、黒色スポンジ、黒色マイクロ三角錐アレイ、黒色マイクロ四角錐アレイ、黒色マイクロ六角錐アレイなどが好ましく用いうる。
As shown in FIG. 5, in the fourth example, in the first example (FIG. 1), a
これにより、観察者は、空中像９を見るときには必ずその視線がテレビカメラ３０の方に向くこととなる。従って、第４例の画像表示装置を少なくとも２つ用意し、２つのうち何れか１つ（装置Ａと云う）ともう１つ（装置Ｂと云う）とを、装置Ａのテレビカメラ３０での撮影像が装置Ｂのプロジェクター４から投射されて装置Ｂ側の空中像９になり、かつ装置Ｂのテレビカメラ３０での撮影像が装置Ａのプロジェクター４から投射されて装置Ａ側の空中像９になるように、相互に接続することで、装置Ａ側の空中像９の一部になる装置Ｂ側の観察者（通話者Ｂと云う）と、装置Ｂ側の空中像９の一部になる装置Ａ側の観察者（通話者Ａと云う）とは、互いの視線が必然的に一致することとなる。
Thus, the observer always looks toward the
かくして、本発明［５］に係る画像表示装置は、通話者Ａ、Ｂ同士が互いに相手方の目を見ながら通話することができる処の、視線一致テレビ電話用ディスプレイとすることができた。 Thus, the image display device according to the present invention [5] can be a line-of-sight videophone display where the callers A and B can talk with each other while looking at each other's eyes.
次に、本発明[６]について述べる。 Next, the present invention [6] will be described.
本発明[１]〜[５]の何れかに係る画像表示装置の第１例（図１）、第２例（図３）、第３例（図４）、第４例（図５）は、ｆ１＜ｆ２である場合、１次画像を拡散フィルム上に結像させてから、ｆ２/ｆ１倍に拡大して空中に画像を結像させる方式である。ところで一般に１次画像は小さいサイズであり、高解像度の画像となっているが、この高解像度の画像の光を拡散フィルムで拡散すると、拡散フィルムの不可避的なにじみにより、画像の解像度は低下してしまう。さらに、拡散フィルム表面での細かい輝度バラツキがｆ２/ｆ１倍に拡大して空中に画像を結像させるため、空中結像の画像（２次画像）に荒い輝度バラツキが重畳し、シンチレーションとよばれるノイズが発生する。これにより画質が低下してしまう。 A first example (FIG. 1), a second example (FIG. 3), a third example (FIG. 4), and a fourth example (FIG. 5) of an image display device according to any one of the present invention [1] to [5] , F 1 <f 2 , the primary image is imaged on the diffusion film, and then the image is magnified f 2 / f 1 times to form an image in the air. In general, the primary image has a small size and is a high-resolution image. However, if the light of the high-resolution image is diffused by the diffusion film, the resolution of the image is lowered due to the inevitable blur of the diffusion film. End up. Furthermore, since the fine brightness variation on the surface of the diffusion film is enlarged by f 2 / f 1 times to form an image in the air, the rough brightness variation is superimposed on the aerial image (secondary image), and the scintillation A so-called noise occurs. This degrades the image quality.
この問題を解決するには、拡散フィルム上に１次画像を結像させる方式ではなく、本発明[６]に則り、液晶パネルで１次画像を表示し、前記液晶パネルの背面を照明するバックライトで光学特性を実現する方式が好ましい。さすれば、液晶パネル表示画像と空中結像間に拡散フィルムが介在しないので、上述した解像度の低下やシンチレーションの発生と云った問題を解決できる。 In order to solve this problem, the primary image is not formed on the diffusion film, but the primary image is displayed on the liquid crystal panel and the back of the liquid crystal panel is illuminated according to the present invention [6]. A method of realizing optical characteristics with a light is preferable. In this case, since the diffusion film does not intervene between the liquid crystal panel display image and the aerial image formation, the above-mentioned problems such as the reduction in resolution and occurrence of scintillation can be solved.
図６は、本発明[６]の一例として第５例を示しており、その構成は、第１例（図１）において、プロジェクター４に代えて、バックライト２２（例えばＬＥＤランプ光学系からなる）とし、このバックライト２２で液晶背面を照明される液晶パネル２１を、拡散フィルム５の後（出射側）に追設し、これらの変更点以外は第１例と同じ構成とした。
FIG. 6 shows a fifth example as an example of the present invention [6], and the configuration thereof includes a backlight 22 (for example, an LED lamp optical system) instead of the
尚、バックライト２２の具体例として挙げた前記ＬＥＤランプ光学系は、空間均一照射を実現するため、光学的ホモジェナイザーの機能を有している。代表的構成として２方式がある。第一方式は、ＬＥＤチップとライトパイプまたはロッドライクインテグレーターによる光学的均一面を、投射レンズ系により、液晶パネル背面の拡散フィルム５に拡大結像させ、空間的均一照射する方式であり、第二方式は、ＬＥＤチップと集光ランプ反射鏡およびレンズ系とフライアイレンズ２枚構成光学素子、さらに、液晶パネル背面へのインテグレーション用光学系による光学的ホモジェナイザー方式である。
Note that the LED lamp optical system mentioned as a specific example of the
本発明[６]では、上記第５例のように、バックライト２２が、第１例に用いたのと同様の拡散特性(特定の入射角度域内の入射光を特定の拡散出射角度域内へ拡散出射させる拡散特性)を有する拡散フィルム５を介して、液晶パネル２１の液晶背面を照明するよう構成することが、光の利用効率向上の観点から好ましい。
In the present invention [6], as in the fifth example, the
１ 入射側レンズ
１Ａ （入射側レンズの）主平面
２ 出射側レンズ
２Ａ （出射側レンズの）主平面
３ １次画像
４ プロジェクター
５ 拡散フィルム
６ 画像表示デバイス
８ 反射型ミラー（例えば、アクリル半球ドーム）
８Ａ （反射型ミラー８の）前焦点面部
８Ｂ （反射型ミラー８の）後焦点面部
９ ２次画像（空中像）
１０ 空中像９の両端のうちの一端の結像に与る主光線
１１ 空中像９の両端のうちの他端の結像に与る主光線
１２ プロジェクターの光軸
１３ （主光線１０を有する光の）反射エリア
１４ （主光線１１を有する光の）反射エリア
２０ 観察領域（本発明[１]では無限遠三角形型、本発明[２]では無限遠五角形型またはダイヤモンド型）
２１ 液晶パネル
２２ バックライト
３０ テレビカメラ
３１ 遮光材料
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8A Front
10
21
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