JPH08254604A - 光学素子及び当該光学素子を利用した画像表示装置並びに撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 部品点数を削減し、画像表示装置の小型化、
軽量化を図る。 【構成】 回折格子やレンズアレイのような光拡散素子
１２と単レンズやフレネルレンズのような光集光素子１
３とをエポキシ樹脂などの光学的に透明な接着剤１４に
よって接着し、光拡散素子１２と光集光素子１３を一体
化した光学素子１１を作製する。筐体６内に納められた
液晶表示パネル５の光出射側に、光拡散素子１２を対向
させて光学素子１１を配置し、ビューファインダ１を作
製する。 【効果】 部品点数の削減、部品コストの低下により画
像表示装置を安価に提供できる。また、光学素子が小型
化、軽量化され、画像表示装置の小型化を図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学素子及び当該光学素
子を用いた画像表示装置並びに撮像装置に関する。具体
的には、液晶プロジェクタ、液晶ビューファインダ、液
晶ディスプレイ、液晶ヘッドマウントディスプレイなど
の画像表示装置やビデオカメラ等の撮像装置に用いられ
る回折格子などの光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示パネルを用いた画像表示装置と
して、ビデオカメラのビューファインダやヘッドマウン
トディスプレイなどがある。図１４（ａ）はビューファ
インダ５１の一部破断した概略構成図を示し、５２はバ
ックライト光源、５３は液晶表示パネル、５４は偏光板
である。ビューファインダ５１において、液晶表示パネ
ル５３の入射側にはバックライト光源５２から出射され
た光が液晶表示パネル５３の各画素の開口領域に十分入
射されるようレンズアレイのような光拡散板５５が配置
されており、液晶表示パネル５３の出射側にはいわゆる
ブラックマトリックス（液晶表示パネル５３内の配線領
域）による画面のザラツキを少なくするため、回折格子
やレンズアレイなどの光拡散素子（光学的ローパスフィ
ルタ）５６が配置されている。なお、５７は液晶表示パ
ネル５２、バックライト光源５３などを納めた筐体、５
８は光拡散素子５６を筐体内５７に装着するためのクッ
ション材である。

【０００３】しかして、バックライト光源５２から出射
され光拡散板５５を通過した光は、液晶表示パネル５３
の入射側の偏光板５４により直線偏光の光に変えられた
後液晶表示パネル５３の各画素を通過し、出射側の偏光
板５４を再び通過する。この時、液晶表示パネル５３の
液晶層（図示せず）により偏光され出射側の偏光板５４
の偏光方向と一致した光だけが偏光板５４を通過できる
ので、各画素の偏光特性を制御することにより液晶表示
パネル５３を通過した光が動画像として表示される。そ
して、観察者６０は接眼レンズ５９を通して、液晶表示
パネル５３に表示された動画像を見ることができる。

【０００４】また、図１４（ｂ）に示すヘッドマウント
ディスプレイ６１にあっては観察者６０の前方上方に液
晶表示パネル５３が下向きに配置されており、光拡散素
子５６と接眼レンズ５９との間に配置したミラー６２に
よって出射側の偏光板５４を通過した光は反射されて光
の進行方向が変えられる。こうして観察者６０は、観察
者６０の前方に配置された接眼レンズ５９を通して液晶
表示パネル５３に表示された動画像を観察できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のビューファインダやヘッドマウントディスプレイにあ
っては、光拡散板、光拡散素子、接眼レンズなど構成部
品点数が多く、組み立てが困難であった。また、各構成
部品毎に作製されているため部品コストが高くついてい
た。また、光学系の小型化に対して、液晶表示パネルを
小さくしてなお大きな画像を得ようとするならば接眼レ
ンズには大きな拡大倍率が要求され、厚手（高開口数）
のレンズを必要とするため画像表示装置が大型化すると
いう問題があった。また、従来の光学素子にあっては重
量が重く、特にヘッドマウントディスプレイなどに使用
する場合にあっては持ち運びに不便で、使いにくいとい
う問題があった。

【０００６】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、画像表示装
置の部品点数を削減するとともに小型化、軽量化を図
り、使いよいビューファインダやヘッドマウントディス
プレイなどの画像表示装置を安価に提供することにあ
る。

【０００７】

【発明の開示】本発明の光学素子は、光拡散機能を有す
る第１の光学素子本体と光集光機能を有する第２の光学
素子本体とを一体化したことを特徴としている。したが
って、本発明の光学素子を用いることにより、光拡散機
能を有する光学素子と光集光機能を有する光学素子の組
み込みを一度に行なえ、画像表示装置などへの組み込み
が容易にできる。

【０００８】本発明の光学素子においては、一枚の基板
の表裏に前記第１の光学素子本体と前記第２の光学素子
本体とを形成することができる。このため、第１の光学
素子本体や第２の光学素子本体が剥がれることがなく、
一体成形することによって製造工程を簡略化できる。ま
た、従来２つの構成部品が必要であったのが一つの構成
部品で済ませられるので、部品コストの削減を図ること
ができる。

【０００９】さらに、前記第１の光学素子本体又は前記
第２の光学素子本体にはシート状の光学素子を用いるこ
ともできる。このシート状の光学素子は薄型なものであ
るので、さらに光学素子を薄くかつ非常に軽いものとす
ることができる。また、２枚の光学素子本体を貼り合わ
せても極厚の部品とならない。

【００１０】本発明の画像表示装置は、画像を生成する
ための液晶表示パネルと、請求項１に記載の光学素子と
を備えたことを特徴としている。このため、画像表示装
置の構成部品点数が削減され、製造コストを下げること
ができる。また、その構造が簡単になり組み立てを容易
に行なえる。さらに、接眼レンズなどの光集光素子を液
晶表示パネルに近接して配置することにより、画像表示
装置の小型化を図れる。

【００１１】また、本発明の撮像装置は、画像を取り込
むための撮像素子と、請求項１に記載の光学素子とを備
えたことを特徴としている。このため、撮像装置の構成
部品点数が削減され、製造コストを下げることができ
る。また、その構造が簡単になり組み立てを容易に行な
える。さらに、撮像レンズなどの光集光素子を撮像素子
に近接して配置することにより、撮像装置の小型化を図
れる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の一実施例である画像表示装置
を示す一部破断した概略構成図であって、ビデオカメラ
等のビューファインダ１について示している。このビュ
ーファインダ１は、光を出射するバックライト光源２
と、レンズアレイのような光拡散板３と、両面に偏光板
４が貼り合わされた液晶表示パネル５が筐体６内に納め
られており、本発明の光学素子１１が光拡散素子１２を
光出射側の偏光板４に対向して配置されている。図２に
光学素子１１の断面図を示すが、光学素子１１は回折格
子やレンズアレイのような光拡散素子１２と単レンズや
フレネルレンズのような光集光素子１３とが一体となっ
たものであり、例えば、エポキシ樹脂、紫外線硬化型樹
脂、粘着樹脂などの光学的に透明な接着剤１４によって
接着されている。この光拡散素子１２は光学的ローパス
フィルタとして使われるものであり、光集光素子１３は
この場合には接眼レンズとして使われている。

【００１３】光拡散素子１２はシート状をしており、後
述するように（図５、図６参照）トリアセチルセルロー
ス（ＴＡＣ）やポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリエチレ
ンテレフタレート（ＰＥＴ）などの透明なシート基材１
６、あるいはシート基材１６上に塗布された紫外線硬化
型樹脂などのレンズ用樹脂材料１９に、回折格子やレン
ズアレイなどの光学的機能面１８の反転パターン１７が
形成された金型（スタンパ）１５を押圧して作製したも
のであって、厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度で、光学
パターンも深さ約０．５μｍ程度、パターン周期は約３
〜３０μｍ程度という薄型のものである。図示の都合
上、シート状の光拡散素子１２をかなり誇張して表わし
ているが、このシート状の光拡散素子１２の外形は例え
ば厚みが１ｍｍ以下、縦横が数ｃｍ角から１０数ｃｍ角
の薄いものである。

【００１４】図３（ａ）〜（ｆ）にはそれぞれ光拡散素
子１２の具体例を示す断面形状を示すが、光拡散素子１
２としては図３（ａ）のような断面正弦波状をした回折
格子や、図３（ｂ）のような断面矩形状をした回折格
子、図３（ｃ）のような断面三角形状をした回折格子を
用いることができる。さらには、図３（ｄ）のようにレ
ンズ体が離散的に多数配列されたレンズアレイや図３
（ｅ）のようにレンズ体が連続的に多数配列されたレン
ズアレイ、あるいは図３（ｆ）のような断面台形状をし
た回折格子など種々な光拡散素子１２を用いることがで
きる。

【００１５】しかして、バックライト光源２から出射さ
れた光は光拡散板３によって液晶表示パネル５の各画素
に集光させられ、入射側の偏光板４を通過して液晶表示
パネル５に入射する。入射した光は液晶表示パネル５の
一定のパターン領域のみを通過でき、観察者８は光学素
子１１の光集光素子１３を通して液晶表示パネル５に表
示された動画像を観察することができる。

【００１６】このビューファインダ１にあっては、従来
２つの部品から構成されていた光拡散素子１２と光集光
素子１３とを一体化して一つの部品としているので、部
品点数の削減を図ることができる。また、光拡散素子１
２と光集光素子１３とを一体化しているので光集光素子
１３を保持する機構が不要になり、ビューファインダ１
の構造を簡単にし、ビューファインダ１の組み立てが容
易になる。また、光拡散素子１２と光集光素子１３が一
体化されているため、光学素子１１を液晶表示パネル５
に近接して配置することによりビューファインダ１を小
型化することができるが、このビューファインダ１のよ
うに光学素子１１を液晶表示パネル５から離して配置す
ることにより、光集光素子１３を薄くすることができビ
ューファインダ１を軽量化する点では好ましい。したが
って、ビューファンダ１が大きくなったり重くなったり
することなく、液晶表示パネル５を小さくして拡大倍率
の大きな画像を得ることができる。また、光学素子１１
を液晶表示パネル５から離して装着すれば、液晶表示パ
ネル５から光拡散素子１２までの距離が長くなるので回
折角が小さくなり、光拡散素子１２のパターン周期も大
きくなって光拡散素子１２の作製が容易になる。このよ
うに本発明の光学素子１１を組み込むことによってビュ
ーファインダ１の小型化や軽量化を図れる。しかも、シ
ート状の光拡散素子１２を用いているので光学素子１１
をさらに薄く軽量に作製でき、より一層ビューファイン
ダ１の小型化や軽量化ができる。なお図示はしないが光
学素子１１の出射側にさらに別な接眼レンズを設けても
よい。この場合にも接眼レンズは薄型のもので済ませら
れる。

【００１７】図４に示すものは本発明の別な実施例であ
る光学素子１１を示す。光学素子１１には光集光素子１
３としてシート状のフレネルレンズが用いられている。
フレネルレンズは単レンズに比べて非常に薄く作製で
き、ビューファインダ１をさらに軽量化できる。また、
光拡散素子１２としてシート状の光拡散素子１２を用い
ているのでより一層小型化、軽量化ができる。

【００１８】この光学素子１１は例えば図５に示すよう
にして作製できる。図５に示すものは熱転写法による製
造方法であって、まず、光拡散素子１２の光学的機能面
１８の反転パターン１７が形成された金型１５を予め加
熱しておき（図５（ａ））、厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍ
ｍ程度のシート基材１６に加熱された金型１５を押圧し
て反転パターン１７を転写してシート状の光拡散素子１
２を作製する（図５（ｂ））。次に同様にして光集光素
子１３の反転パターン１７が形成された金型１５を用い
て、シート状の光集光素子１３を作製する（図５（ｃ）
（ｄ））。こうして作製されたシート状の光拡散素子１
２とシート状の光集光素子１３を光学的に透明な接着剤
１４で接着して、光学素子１１を得ることができる（図
５（ｅ））。

【００１９】また図６に示すようないわゆる２Ｐ法(Pho
topolymerization-Method)によって作製することもでき
る。まずシート基材１６上に紫外線硬化型樹脂などのレ
ンズ用樹脂材料１９を塗布し（図６（ａ））、次に光拡
散素子１２の光学的機能面１８の反転パターン１７が形
成された金型１５を押圧し、シート基材１６の下面の光
源２０より紫外線を照射してレンズ用樹脂材料１９を硬
化させ（図６（ｂ））、シート状の光拡散素子１２を作
製する（図６（ｃ））。次に同様にして光集光素子１３
の反転パターン１７が形成された金型１５を用いてシー
ト状の光集光素子１３を作製する（図６（ｄ）〜
（ｆ））。こうして作製されたシート状の光拡散素子１
２と光集光素子１３を接着剤１４で接着して、光学素子
１１を得ることができる（図６（ｇ））。

【００２０】また、図７に示す光学素子１１はシート状
の光拡散素子１２とシート状の光集光素子１３とが一体
として成形されたものである。この光学素子１１は例え
ば図８に示すようにして作製することができる。予め光
拡散素子１２の光学的機能面１８の反転パターン１７が
形成された金型１５を加熱しておき（図８（ａ））、シ
ート基材１６に押圧して光学的機能面１８を形成する
（図８（ｂ））。次にシート基材１６を反転し、シート
基材１６の裏面側に予め加熱された光集光素子１３の光
学的機能面１８の反転パターン１７が形成された金型１
５を押圧し（図８（ｃ））、光学的機能面１８を形成し
て光学素子１１を作製できる（図８（ｄ））。

【００２１】また、図９に示すようにシート基材１６上
にレンズ用樹脂材料１９を塗布して２Ｐ法により光拡散
素子１２の光学的機能面１８を形成し（図９（ａ）〜
（ｃ））、その後シート基材１６を反転し、シート基材
１６の裏面側にレンズ用樹脂材料１９を塗布して２Ｐ法
によって光集光素子１３の光学的機能面１８を形成して
光学素子１１を作製することもできる（図９（ｄ）〜
（ｆ））。

【００２２】このように一体成形することにより、製造
工程が簡略化され光学素子１１のコスト削減を図ること
ができる。また、光拡散素子１２と光集光素子１３とが
容易に剥がれにくくなり、機械的強度を向上させること
ができる。なお、以上の実施例にあってはシート状の光
学素子を用いた場合について説明したが、もちろん射出
成形法等により作製された従来の光学素子本体について
も応用ができるのはいうまでもなく、一体成形により両
面に光学的機能面１８を形成することとしてもよい。

【００２３】図１０（ａ）に示すものは本発明による画
像表示装置の他例であるヘッドマウントディスプレイ２
１を示す概略斜視図であって、ヘッドマウントディスプ
レイ２１は例えばゴーグル状をしたケース２２内に、図
１０（ｂ）に示す液晶表示ユニット２３が２組納められ
ている。２組の液晶表示ユニット２３は、虚像が調整安
静位（人間が暗闇の中で見つめているだろうという視点
位置）に設定できるよう、一定の輻輳角（眼のより角）
を与えるようにケース２２内に設けられている。液晶表
示ユニット２３は、バックライト光源２と、両面に偏光
板４が貼り合わされた液晶表示パネル５とが筐体６内に
納められて構成されており、ミラー２４と観察者８との
間に接眼レンズである光集光素子１３と光拡散素子１２
からなる本発明の光学素子１１が配置されている。液晶
表示パネル５に表示された動画像はミラー２４によって
光の進行方向が観察者８の方に変えられ、光学素子１１
を通して観察される。しかして、バックライト光源２の
スイッチがオンされると液晶表示パネル５に動画像が写
し出され、左眼及び右眼によって独立して捉えられた動
画像は人間の融像作用によって一つの動画像として観察
することができる。このとき、２組の液晶表示ユニット
２３に同じ動画像を表示させると、観察者８は平面的な
動画像を観察することができる。また、２組の液晶表示
ユニット２３に視差のある動画像を表示させると、観察
者８は３次元の動画像を観察することができる。また、
一組の液晶表示ユニット２３を用い、例えば左眼には液
晶表示ユニット２３に写し出された動画像を、右眼には
肉眼で外部の像を捉えるようにすることも可能である。
このヘッドマウントディスプレイは操縦訓練用のシュミ
レーション装置やバーチャルリアリティのゲーム機器等
として利用することもできる。

【００２４】このヘッドマウントディスプレイ２１にあ
っては、光学素子１１は軽いものであるため全体として
軽量なものとすることができる。したがって、持ち運び
にも便利で、重量感が少なくなり使用時の疲労も少なく
できる。また、光学素子１１を液晶表示ディスプレイ５
に近接し配置することによってヘッドマウントディスプ
レイ２１の小型化を図ることもできる。

【００２５】図１１に示すものは本発明による画像表示
装置の他例である液晶プロジェクタ３１の概略構成図で
あって、液晶プロジェクタ３１は、バックライト光源３
２と、２枚の偏光板４に挟まれた液晶表示パネル５と、
投影レンズである光集光素子１３と光拡散素子１２から
なる本発明の光学素子１１とから構成されている。しか
して、図１１に示すようにバックライト光源３２をオン
してバックライト光源３２からの光を液晶表示パネル５
に照射すると、液晶表示パネル５の赤色、青色、緑色の
各画素に対応して液晶表示パネル５に３つの色の動画像
が表示される。こうして、液晶表示パネル５に表示され
た３つの色の動画像が光学素子１１の光拡散素子１２に
よってうまく重ねられ、重ねられた動画像は光集光素子
１３によって拡大され、カラーの動画像としてスクリー
ン（図示せず）上に投影される。

【００２６】また、図１２に示すものは本発明による画
像表示装置のさらに他例である液晶プロジェクタ３１の
概略構成図であって、３枚の液晶表示パネル５ａ、５
ｂ、５ｃが備えられており、３枚の液晶表示パネル５
ａ、５ｂ、５ｃの出射側には光拡散素子１２とコリメー
トレンズである光集光素子１３からなる光学素子１１が
配置されている。この液晶プロジェクタ３１において
は、バックライト光源３２から出射されＵＶフィルター
３３を透過した光は、ダイクロイックミラー３４ａによ
って例えば緑色光３６ａのみがまず分離される。分離さ
れた緑色光３６ａは反射ミラー３５で光の進行方向が変
えられた後液晶表示パネル５ａに入射され緑色の動画像
を生じる。残る光はダイクロイックミラー３４ｂによっ
て赤色光３６ｂと青色光３６ｃとに分離される。分離さ
れた赤色光３６ｂは液晶表示パネル５ｂに入射され赤色
の動画像を生じる。また青色光３６ｃは液晶表示パネル
５ｃに入射され青色の動画像を生じる。こうして液晶表
示パネル５ａに表示された緑色の動画像はダイクロイッ
クミラー３４ｃを透過して、ダイクロイックミラー３４
ｃで反射された赤色の動画像と重ねられる。また、液晶
表示パネル５ｃに表示された青色の動画像が、反射ミラ
ー３５で光の進行方向が変えられダイクロイックミラー
３５を透過して、ダイクロイックミラー３４ｄで反射さ
れた緑色及び赤色の動画像と重ねられる。こうして重ね
られた動画像は、投影レンズ３７によってカラーの動画
像としてスクリーン（図示せず）上に投影される。

【００２７】図１３に示すものは本発明による撮像装置
４１を示す概略構成図である。撮像装置４１は、ＣＣＤ
(Charge Coupled Device)のような撮像素子４２と本発
明の光学素子１１とから構成されている。光学素子１１
は撮像レンズである光集光素子１３と光拡散素子１２と
からなり、光拡散素子１２の光学的機能面１８が撮像素
子４２に対向して備えられている。外部から入射された
画像は光集光素子１３によって集光されたのち、光拡散
素子１２を通過して撮像素子４２に入射され、電気信号
に変換される。従来、撮像素子４２の各画素の配列周期
によっては得られた画像にモアレが生じる場合があった
が、光拡散素子１２を撮像素子４２の入射面に対向させ
て配置していることによりモアレの発生を抑えることが
できる。この撮像装置４１においても本発明の光学素子
１１を用いることにより、撮像装置４１の構成部品点数
が減少して製造コストが低減される。また、撮像装置４
１の組み立ても容易になる。しかも、光学素子１１を撮
像素子４２に近接させて配置すれば撮像装置４１の小型
化も容易になる。また、軽量化することもできる。

【００２８】

【発明の効果】本発明の光学素子によれば、２つの光学
素子が一つの光学素子で済ませられるので、画像表示装
置や撮像装置の部品点数を少なくして部品コストを削減
することができる。また、一枚の基板の表裏に第１の光
学素子本体と第２の光学素子本体とを形成することによ
り、さらに部品コストを削減し、しかも、２つの光学素
子本体が剥離することがない。さらにシート状の光学素
子を用いることによって、さらに薄くて軽い光学素子と
することができる。

【００２９】本発明の光学素子を用いることによって、
小型で軽量化された画像表示装置や撮像装置を安価に提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による画像表示装置であるビューファイ
ダを示す一部破断した概略構成図である。

【図２】本発明の一実施例である光学素子を示す断面図
である。

【図３】（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、同上の光学素子に
用いられる光拡散素子の断面形状を示す図である。

【図４】本発明の別な実施例である光学素子を示す断面
図である。

【図５】（ａ）〜（ｅ）は同上の光学素子の製造方法の
一例を示す説明図である。

【図６】（ａ）〜（ｇ）は同上の光学素子の製造方法の
他例を示す説明図である。

【図７】本発明のさらに別な実施例である光学素子の断
面図である。

【図８】（ａ）〜（ｄ）は同上の光学素子の製造方法の
一例を示す説明図である。

【図９】（ａ）〜（ｆ）は同上の光学素子の製造方法の
他例を示す説明図である。

【図１０】（ａ）は本発明による別な画像表示装置であ
るヘッドマウントディスプレイを示す概略斜視図、
（ｂ）はその概略構成図である。

【図１１】本発明によるさらに別な画像表示装置である
液晶プロジェクタの概略構成図である。

【図１２】本発明によるさらに別な画像表示装置である
液晶プロジェクタの概略構成図である。

【図１３】本発明による撮像装置の概略構成図である。

【図１４】（ａ）は従来例の画像表示装置であるビュー
ファインダを示す一部破断した概略構成図、（ｂ）は別
な従来例の画像表示装置であるヘッドマウントディスプ
レイを示す概略構成図である。

【符号の説明】

１ ビューファインダ ５ 液晶表示パネル １１ 光学素子 １２ 光拡散素子（光学的ローパスフィルタ） １３ 光集光素子 ２１ ヘッドマウントディスプレイ ２３ 液晶表示ユニット ３１ 液晶プロジェクタ ４１ 撮像素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 倉橋 毅 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光拡散機能を有する第１の光学素子本体
   と光集光機能を有する第２の光学素子本体とを一体化し
   たことを特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 一枚の基板の表裏に、前記第１の光学素
   子本体と前記第２の光学素子本体とを形成したことを特
   徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 【請求項３】 前記第１の光学素子本体または前記第２
   の光学素子本体の少なくとも一方がシート状光学素子で
   あることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
4. 【請求項４】 画像を生成するための液晶表示パネル
   と、 請求項１に記載の光学素子とを備えたことを特徴とする
   画像表示装置。
5. 【請求項５】 画像を取り込むための撮像素子と、 請求項１に記載の光学素子とを備えたことを特徴とする
   撮像装置。