JP2002189190A - 表示装置、表示方法およびこれを用いた表示機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表示画面の単眼視による拡大と両眼視による
等倍観察を可能にする。 【解決手段】 ２次元的に配置された画素１０７を有す
る液晶表示素子１０６と、該液晶表示素子を背面から照
明する背面光源とを備えた表示装置において、背面光源
として、面光源１０１と、この面光源からの射出光に対
し全面透過状態と開口１０３をマトリックス状に配置さ
れた開口形成状態とに切り替え制御されるバリア素子１
０２と、その開口形成状態において各開口部に概ね焦点
を合わせたマイクロレンズ１０４とから構成されるマイ
クロスポットライト照明系１０５を設け、各マイクロス
ポットライト照明系の光軸が、対応する液晶表示素子の
各画素を背面から通過して液晶表示素子の表示面から生
理上ピントを合わせることが出来ない近距離に近付けた
単眼Ｅの瞳面１０８上で概ね一点に合うように、それぞ
れの開口とそれに対応するマイクロレンズとそれに対応
する画素を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表示内容の片目に
よる拡大観察が可能な表示装置に関する。また、モバイ
ル機器や携帯電話等の小型画面を有する情報機器の表示
画面として、明視の距離以上離れた位置から両眼視で観
察するための等倍表示と、目の近点より近い位置から片
目で観察するための拡大表示とを切り替え可能にした表
示装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の小型表示画面の片目（単
眼視）での拡大観察方法は、ヘッドマウントディスプレ
イ装置（ＨＭＤ）に用いられていた。しかしながら拡大
観察のために大きな光学的なスペースを要し、かつ通常
の離れた距離での両眼視による１画面の等倍観察は出来
なかった。図６はこの光学スペースを省くものとして特
開平１０−１７０８６０号に開示された表示装置を示
す。同図において、２は接眼側マイクロレンズアレイ、
３は透過型液晶表示素子、４１は集光マイクロレンズア
レイ、４２は平行光化マイクロレンズアレイ、５は平面
バックライト、８は微小発光点となる開口９を有する拡
散孔シート、Ｅは観察者の眼球、Ｏはその瞳である。こ
の表示装置は各画素からの射出光を眼球に導くマイクロ
レンズを含む接眼光学系を有している。しかしながら、
これは、ＨＭＤとしての光の利用効率を上げた薄型の表
示装置を提供しようとするものであり、離れた距離での
両眼視による画面の観察には全く適さない。つまり、図
６のように、マイクロレンズ２が液晶表示素子３の表面
側に配置された場合、これを離れた位置から両眼視で観
察しようとすると、輻輳（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）により両
眼の視軸が表示素子面（表示面）で交差する状態である
にもかかわらずマイクロレンズ２のレンズ作用によって
素子面から離れた位置に虚像画面が表示されるため、画
面が二重になって観察されてしまう。このため、表示面
から離れた距離では表示画面を良好には観察できない。
また、マイクロレンズと画素の重なりは偏心しているた
め、隣の開口の光が入り込むクロストークが発生し画面
を劣化させる。また、マイクロレンズの境界と表示素子
の画素境界によりモアレが発生して、画面を劣化させ
る。

【０００３】図７は、特開平５−３２８２６１号および
特開平６−４３３９１号に開示された表示装置を示す。
同図の表示装置は、ＨＭＤとしてはコンパクトかつ解像
良く映像を表示できるものの、フィールドレンズを用い
ているため、離れた距離での観察はできない。また、フ
ィールドレンズを着脱可能にしたとしても、これらもマ
イクロレンズを接眼光学系の一部として、表示素子の表
面側に配置しているため、マイクロレンズの境界と画素
の境界とで、モアレを発生し、離れた距離での両眼視に
よる画面観察には向かない。

【０００４】以上のように、従来の拡大虚像の観察手段
は、離れた距離での画面観察に対応できないという問題
があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、表示内容の
近距離での単眼視による拡大観察が可能で、かつ従来の
ものよりさらに軽量化および薄型化が可能な表示装置を
提供することを目的とする。また、近点より近い距離か
らの単眼視による上記の拡大観察と、離れた距離での両
眼視による等倍観察の双方を良好に行うことが可能な表
示装置を提供することをさらなる目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】上記の目的を
達成するため本発明に係る第１の表示装置は、２次元的
に配列された画素を有する画像表示手段と、該画像表示
手段の各画素に対応して２次元的に配列された複数の微
小発光点を有し該画像表示手段の背面に配置された板状
照明手段と、前記各画素に対応して２次元的に配列され
各微小発光点からの射出光を前記画像表示手段の各画素
に導く微小光学素子とを有し、前記各画素とそれに対応
する微小光学素子および微小発光点は各微小発光点とそ
れに対応する微小光学素子を結ぶ光軸（すなわちそれぞ
れの光学的中心を通る光）が該微小光学素子および微小
発光点に対応する画素を通って前記画像表示手段の表示
面に対し眼の近点より近い所定の点で実質的に交わりか
つ該微小光学素子がそれに対応する微小発光点の虚像を
該所定の点から明視の距離以上離れた位置に結ぶように
配置されていることを特徴とする。平均的な眼の、近点
は８０〜１００ｍｍ、明視の距離は２５０ｍｍである。
したがって、汎用の表示装置においては、前記表示面と
所定の点との距離は５〜５０ｍｍ程度、前記所定の点か
ら微小発光点の虚像が結ばれる位置までの距離は２５０
ｍｍ〜∞、好ましくは、１〜５ｍ程度に設定すれば良
い。

【０００７】従来のＨＭＤのように拡大虚像を観察させ
る表示装置においては、表示面の観察者側に接眼光学系
を配置し、表示面を物面としてその虚像を観察させてい
た。本発明によれば、画像表示手段の背面に微小光学素
子および微小発光点を配置し、微小光学素子により拡大
した微小発光点の虚像群を画像表示手段の画素を通して
観察させている。すなわち、微小発光点の配置面を物面
として微小発光点群が作り出す画像の拡大虚像を観察さ
せている。このように従来とは異なる思想による本発明
によれば、拡大虚像を作り出すための接眼光学系が不要
となり、表示装置をより薄くより軽量に構成することが
できる。

【０００８】本発明に係る第２の表示装置は、第１の表
示装置において、前記板状照明手段を、面光源と、該面
光源の光を前記各画素に対応して２次元的に配列された
開口を通して透過する状態と全面で透過する状態とに切
り替え可能なバリア手段とで構成している。

【０００９】この構成によれば、バリア手段が面光源の
光を開口を通して透過する状態では、第１の表示装置と
同一の構成となり、表示面に対し目の近点より近い距離
からの拡大観察のための表示が行われる。一方、バリア
手段が面光源の光を全面透過する状態では、画像表示素
子の全面が照明されるため、微小光学素子の虚像を結ぶ
作用が打ち消され、明視の距離以上離れた距離から等倍
観察するための表示面を物面とする表示が行われる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の好ましい実施の形態に係
る表示装置は、面光源、この面光源からの射出光に対し
全面透過状態と矩形の微小開口をマトリックス状に配置
された矩形開口形成状態とに切り替え制御されるバリア
素子、およびその矩形開口形成状態において各開口部に
概ね焦点を合わせたマイクロレンズ（微小光学素子）か
ら構成されるマイクロスポットライト照明系と、そのマ
イクロスポットライトによって背面から照射された透過
型液晶表示素子とから構成される。

【００１１】各マイクロスポットライト照明光の光軸
が、対応する液晶表示素子の各画素を背面から透過し
て、液晶表示素子の表示面から生理上ピントを合わせる
ことが出来ない近距離（近点より近距離）に近付けた単
眼の瞳面上で概ね一点に合わせられる。そのためそれぞ
れの矩形開口と対応するマイクロレンズと対応する画素
は瞳面上で光軸を一点に合致させるため配置付けられ
る。

【００１２】マイクロレンズの焦点を概ね矩形開口部の
近傍に合わせることにより、開口部の虚像を目のピント
が合わせられる距離（例えば２５０ｍｍ〜∞）に形成で
きる。瞳は表示画面に近付きすぎるため、画面の表面を
観察できず、虚像を観察する結果となり拡大画面を観察
できる。

【００１３】マイクロスポットライトの光線束の瞳への
最大入射角度によって、表示画面と瞳面までの距離で決
まる虚像（表示画面）の大きさが決まる。マイクロレン
ズによる各画素の拡大率と表示画面の拡大率が互いに独
立となるが、開口の大きさが隣り合う画素で重ならない
ように決める。そのため、瞳面から表示画面までの距離
をＬ、画面の大きさをＤ、マイクロレンズの焦点距離を
ｆ、開口の大きさをＷとすれば、瞳面から虚像面までの
距離が十分に大きい場合は、Ｗ≦ｆ×Ｄ／Ｌとすれば良
い。

【００１４】また、離れた位置から画面を両眼視で観察
する場合においては、バリア素子を全面透過状態に切り
替えて、マイクロスポットライトの機能をなくし、ほぼ
均一なバックライト光として液晶表示素子を背面から照
射する。

【００１５】すなわち、本実施形態では、小型ディスプ
レイパネルの画面を観察する場合において、背面からの
照明方法を、マイクロスポットライト照明方法と、全面
均一照明方法にバリア素子を切り替える。そして、単眼
を近接させて覗き込む状態では、マイクロスポットライ
ト照明法に切り替え、矩形開口の拡大虚像の観察を可能
とする。また、全面均一照明法に切り替えた場合は、マ
イクロレンズと表示素子の画素との間のモアレの発生
や、両眼視によるクロストークや輻輳（ｃｏｎｖｅｒｇ
ｅｎｃｅ）の発生を抑え、離れた距離での両眼視での表
示画面の観察を可能とする。これにより、携帯電話等の
小型画面の拡大観察も可能とする。

【００１６】本実施形態において、マイクロレンズは、
例えば屈折率可変の平板素子で構成することができる。
屈折率可変の平板素子としては液晶パネル素子を用いる
ことができる。また、バリア素子としても液晶パネル素
子を用いることができる。

【００１７】さらに、表示装置における、近接した単眼
視用の照明状態と、離れた位置での両眼視用の照明状態
を、表示装置外に設けたハードスイッチ、またはソフト
スイッチとしての表示内容のクリック、または顔の接近
状態を検知するセンサによって切り替え可能とし、これ
により、表示装置の近接した単眼視での拡大表示内容
と、離れた位置での両眼視による画面表示内容を切り替
えると良い。

【００１８】

【実施例】［実施例１］図１は本発明の第１の実施例に
係る表示装置において、拡大表示を可能とする光学原理
を示す図である。同図において、１０１は面光源、１０
２は全面透過状態と開口部形成状態を切り替え制御でき
るバリア素子、１０３は開口部形成状態におけるバリア
素子１０２の矩形開口部である。１０４はマイクロレン
ズで、マイクロレンズ１０４の焦点は概ね矩形開口部１
０３に合致しており、これらの面光源１０１、開口部形
成状態におけるバリア素子１０２の矩形開口部１０３と
マイクロレンズ１０４とによりマイクロスポットライト
１０５を構成している。１０６は透過型表示素子、１０
７は透過型表示素子の画素、１０８は眼球Ｅの瞳面を示
す。

【００１９】バリア素子１０２が開口部形成状態の時、
各マイクロスポットライト１０５からの射出光（矩形開
口部１０３およびマイクロレンズ１０４を通った光）
は、透過型表示素子１０６を背後から照射し、各画素１
０７を透過した光線束は、透過型表示素子１０６の表示
画面から、目のピント面が生理上合わせることが出来な
い近距離（近点より近い距離、例えば１０〜２０ｍｍ）
に近付けた単眼Ｅの瞳１０８を照射するように配置付け
られている。

【００２０】この実施例では、表示素子１０６の最外側
の画素からの光線束がなす角度αが表示素子１０６の拡
大された大きさとなる。本実施例ではα＝３０°（画面
対角）とした。

【００２１】マイクロレンズ１０４によって拡大された
矩形開口部１０３の虚像が瞳面１０８から少なくとも明
視の距離以上離れた距離に形成されることが必要であ
り、本実施例ではその距離を２．８ｍとした。これは、
５９インチの画面を２．８ｍ離れた位置で観察すること
に相当する。

【００２２】また、透過型表示素子１０６の表示面から
瞳面１０８までの距離をＬ、透過型表示素子１０６の表
示画面の大きさをＤ、マイクロレンズ１０４の焦点距離
をｆ、矩形開口１０３の大きさをＷとしたとき、Ｗ≦ｆ
×Ｄ／Ｌとして、隣り合う画素１０７の虚像が重ならな
いようにした。

【００２３】［実施例２］図２は上記第１の実施例に係
る表示装置と同一構成の表示装置において、等倍表示を
可能とする光学原理を示す図である。本実施例では、バ
リア素子１０２を全面透過状態に切り替えることによ
り、両眼視での透過型表示素子１０６の表示画面の、明
視の距離以上離れた遠方よりの等倍観察を可能としてい
る。

【００２４】同図において、面光源１０１から出た光線
１０９は、マイクロスポットライトの機能を無くしたマ
イクロレンズ１０４を透過し、ほぼ均一な照明光として
透過型表示素子１０６を背面から照射する。したがっ
て、表示素子１０６上の画像全体を、生理的にピントを
合わせられる遠方距離からの両眼視による観察を行うこ
とができた。

【００２５】［実施例３］図３は本発明の第３の実施例
に係る表示装置の構成を示す。本実施例では、２枚のバ
リア素子を用いた。バリア素子が１枚では、開口１０３
からの発散光が隣のマイクロレンズ１０４に入る、いわ
ゆるクロストークが発生する。これは無駄な光束であ
り、画質を劣化させる。この発散光を減らすため、補助
開口１０３’を形成可能な第２のバリア素子１０２’を
追加し、計２枚のバリア素子を配した。２枚のバリア素
子１０２,１０２’は同時に開口形成状態か、または透
過状態に切り替え制御される。

【００２６】［実施例４］図４は本発明の第４の実施例
に係る表示装置における拡大表示の光学原理を示す図で
ある。本実施例では、マイクロレンズに屈折率制御可能
な平板素子１１１を用いた。液晶型の平板素子１１１は
マイクロレンズ状態と非屈折状態に電圧で切り替え制御
することができる。非屈折状態の平板素子１１１と全面
透過状態のバリア素子１０２と組み合わせれば完全に均
一なバックライト光を実現することができる。

【００２７】［実施例５］図５は本発明に係る表示装置
１１２を携帯機器の表示画面に用いた実施例を示す図で
ある。図５（ａ）は両眼視で離れた距離から表示画面を
見ている状態を、図５（ｂ）は単眼視で瞳を近接させて
拡大表示で見ている状態を示す。図５（ｂ）の場合は、
顔の近接をセンサ１１３が検知した状態を示している。
勿論、表示素子外に設けたハードスイッチ、またはソフ
トスイッチとして表示内容のクリックと連動して切り替
えても良い。

【００２８】なお、図５においては、図５（ａ）の両眼
視状態では、表示画像の一部を表示し、図５（ｂ）の単
眼視状態では、表示画像の全部を表示する例を示してい
るが、逆に、両眼視状態で表示画像の全部を表示し、単
眼視状態ではその画像の一部を拡大した画像を表示する
ようにしても良い。また、両眼視状態でメニューを表示
し、単眼視状態ではそのメニューの中で選択された項目
の詳細を表示するというように、あるいは、両眼視状態
でアドレス帳の画面を表示し、単眼視状態でそのアドレ
ス帳の中で選択されたアドレスのホームページ画面を表
示するというように、さらには、両眼視と単眼視とで横
長画面と縦長画面とを切り替えるというように、全く別
の画像を表示するようにしても良い。

【００２９】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、表示内容
の近距離での単眼視による拡大観察が可能な表示装置の
軽量化および薄型化を図ることができる。

【００３０】また、小型表示素子の表示画面を、両眼視
により等倍で観察したり、画面に近接させた単眼視で拡
大して観察したりすることを切り替えて行うことができ
る。さらに、この拡大観察へ切り替える際には、小さな
画面の単純な拡大や、他の内容表示への変換や、表示向
きの変換等も可能となる。これにより、従来、携帯機器
等の小さな画面では表示しきれなかった、多くの情報が
拡大表示で観察可能となり、携帯機器の利便性が大幅に
増す。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施例に係る表示装置におい
て拡大表示を可能とする光学原理を示す図である。

【図２】 本発明の第２の実施例に係る表示装置におい
て等倍率での観察を可能とする光学原理を示す図であ
る。

【図３】 ２枚のバリア素子を用いた第３の実施例を示
す図である。

【図４】 屈折率制御型平板マイクロレンズを用いた第
４の実施例を示す図である。

【図５】 本発明の表示装置を表示画面に用いた携帯機
器である第５の実施例を示す図である。

【図６】 ＨＭＤ用として各画素からの射出光を眼球に
導くマイクロレンズを含む接眼光学系を有する従来例を
示す図である。

【図７】 ＨＭＤ用としてフィールドレンズを用いてい
る従来例を示す図である。

【符号の説明】

１０１：面光源、１０２,１０２’：バリア素子、１０
３：バリア素子の開口部、１０３’：補助開口、１０
４：マイクロレンズ、１０５：マイクロスポットライ
ト、１０６：透過型表示素子、１０７：透過型表示素子
の画素、１０８：眼球の瞳、１０９：透過光線束、１１
１：屈折率制御型平板マイクロレンズ、１１２：表示装
置、１１３：顔面近接センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０９Ｆ 9/00 ３２４ Ｇ０９Ｆ 9/00 ３２４ ３３６ ３３６Ｆ ３５７ ３５７ ３６６ ３６６Ｇ Ｈ０４Ｍ 1/02 Ｈ０４Ｍ 1/02 Ａ Ｆターム(参考） 2H088 EA02 EA10 HA14 HA25 HA28 MA20 2H091 FA29Z FA35Y FA41Z LA11 MA02 5G435 AA00 AA18 BB12 BB15 CC09 CC13 DD02 DD04 EE26 EE49 FF11 FF13 GG02 GG25 GG26 LL07 5K023 AA07 HH06

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２次元的に配列された画素を有する画像
   表示手段と、該画像表示手段の各画素に対応して２次元
   的に配列された複数の微小発光点を有し該画像表示手段
   の背面に配置された板状照明手段と、前記各画素に対応
   して２次元的に配列され各微小発光点からの射出光を前
   記画像表示手段の各画素に導く微小光学素子とを有し、
   前記各画素とそれに対応する微小光学素子および微小発
   光点は各微小発光点とそれに対応する微小光学素子を結
   ぶ光軸が該微小光学素子および微小発光点に対応する画
   素を通って前記画像表示手段の表示面に対し眼の近点よ
   り近い所定の点で実質的に交わりかつ該微小光学素子が
   それに対応する微小発光点の虚像を該所定の点から明視
   の距離以上離れた位置に結ぶように配置されていること
   を特徴とする表示装置。
2. 【請求項２】 前記微小光学素子が屈折率可変の平板素
   子からなることを特徴とする請求項１に記載の表示装
   置。
3. 【請求項３】 前記平板素子が液晶パネル素子であるこ
   とを特徴とする請求項２に記載の表示装置。
4. 【請求項４】 前記板状照明手段は、面光源と、前記各
   画素に対応して２次元的に配列され該面光源の光を透過
   することにより前記微小発光点となる開口を有するバリ
   ア手段とを有することを特徴とする請求項１〜３のいず
   れか１つに記載の表示装置。
5. 【請求項５】 前記画像表示手段の表示面から前記所定
   の点までの距離をＬ、表示面の大きさをＤ、前記微小光
   学素子の焦点距離をｆとしたとき、前記開口の大きさＷ
   が Ｗ≦ｆ×Ｄ／Ｌ であることを特徴とする請求項４に記載の表示装置。
6. 【請求項６】 前記バリア手段は、前記面光源の光を前
   記開口を通して透過する開口形成状態と全面透過状態と
   に切り替え可能であることを特徴とする請求項４または
   ５に記載の表示装置。
7. 【請求項７】 前記バリア手段が液晶パネル素子である
   ことを特徴とする請求項６に記載の表示装置。
8. 【請求項８】 前記バリア手段の透過状態を切り替える
   ハードスイッチをさらに備えることを特徴とする請求項
   ６または７に記載の表示装置。
9. 【請求項９】 前記画像表示手段の表示面に対する観察
   者の顔の接近状態を検知するセンサをさらに有し、該セ
   ンサの検知出力に基づいて前記バリア手段の透過状態を
   切り替えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１
   つに記載の表示装置。
10. 【請求項１０】 前記バリア手段の透過状態と前記画像
    表示手段の表示内容を連動して切り替える手段をさらに
    備えることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１つに
    記載の表示装置。
11. 【請求項１１】 前記画像表示手段の表示内容を切り替
    える手段と、該表示内容に応じて前記バリア手段の透過
    状態を切り替える手段とをさらに備えることを特徴とす
    る請求項６〜９のいずれか１つに記載の表示装置。
12. 【請求項１２】 請求項６〜１１のいずれか１つに記載
    の表示装置を用い、前記バリア手段を前記面光源の光を
    前記開口形成状態に切り替えることにより前記所定の点
    またはその近傍からの単眼視での表示内容の拡大観察を
    可能とし、かつ該バリア手段を全面透過状態に切り替え
    ることにより前記画像表示手段の表示面から明視の距離
    以上離れた位置からの両眼視による等倍観察を可能とす
    ることを特徴とする表示方法。
13. 【請求項１３】 請求項１２記載の表示方法を用いたこ
    とを特徴とする表示機器。