JP2002544533A - 反射式マイクロディスプレイシステム - Google Patents
反射式マイクロディスプレイシステムInfo
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Abstract
Description
めにディスプレイの表面に対して垂直な光を必要とする反射式マイクロディスプ
レイを有するシステムに関する。
レイは拡大光学部材の補助なしでは目で判別することのできない画像を生成する
。これらマイクロディスプレイは、標準サイズのコンピュータ用CRTディスプ
レイにおいて生成せしめられることができるような英数字の情報の画像を生成す
るのに十分なだけの数のピクセルを有する。マイクロディスプレイの一つのタイ
プが米国特許第5771124号に示されている。この特許は画像を生成するた
めに特定の角度でディスプレイに当たる垂直でない光に反応する反射式ディスプ
レイシステムを示している。光をディスプレイからユーザーの目に向けるために
ビームスプリッタと、反射式拡大レンズと、第二の拡大レンズとが用いられ、こ
れによりディスプレイに生成された画像の拡大虚像が認識される。
の表面に対してほぼ垂直な光である。このタイプの反射式マイクロディスプレイ
では、非アクティブモードにあるピクセルが光を吸収し、アクティブモードにあ
るピクセルが画像を生成するように軸線上の光を反射する。このタイプの公知の
反射式マイクロディスプレイでは、非軸線上の光源からの光をディスプレイ表面
に反射するように部分反射用コーティングを有する複合ビームスプリッタが使用
される。しかしながら、このタイプの複合ビームスプリッタは概してシステムの
光効率を悪化させ、生成される画像の輝度が小さくなり、よって画像を判別する
のが困難になってしまう。
の欠点が克服される。本発明のディスプレイシステムは、小型ディスプレイと最
小限の数の光学部材で、これまで小さいディスプレイシステムでは実現されてい
なかった輝度が高く且つ視野が広い虚像を提供する。
式ディスプレイを備え、各ピクセルはアクティブモードにおいてディスプレイの
表面に対してほぼ垂直な軸線上の光に反応して、画像を生成するように軸線上の
光を反射させる。反射式ディスプレイによって生成される画像の如何なる部分を
も遮断してしまうことのないようにディスプレイに対して非軸線上に光源が配置
される。光源からの光をディスプレイに向けるために単一のビームスプリッタを
備える照明システムが提供される。照明システムは光源からの光をビームスプリ
ッタ面に反射させるための第一の面を備えるプリズムを有する。次に、ビームス
プリッタ面は画像を生成するために光がディスプレイの表面に対してほぼ垂直に
なるようにプリズムの第一の面からの光を反射式ディスプレイへと反射させる。
ビームスプリッタはディスプレイから反射された光を撮像光学システムへと通過
させる。撮像光学システムは拡大された虚像を提供するようにディスプレイから
ビームスプリッタを通過した光を受光する。
光を反射させるのに、および/またはビームスプリッタ面から反射式ディスプレ
イへと光を反射させるのにプリズムは内部全反射を使用する。ビームスプリッタ
面から内部全反射が使用されるため、表面における光の損失がほとんどなく、画
像の輝度が非常に高められる。
源からの光を偏光するための偏光子を有する。プリズムの第一の面からビームス
プリッタ面へと光を反射させるのに、および/またはビームスプリッタ面から反
射式ディスプレイへと光を反射させるのにプリズムは内部全反射を用いてもよい
。
光した第一の偏光の光を反射させ、ディスプレイから受光した第二の偏光の光を
通過させる第二の偏光子として形成される。プリズムの第一の面は内部全反射を
用いてもよいし、光源からビームスプリッタへと光を反射させるのに反射用コー
ティングを用いてもよい。一つ以上の偏光子を用いることで、従来のシステムよ
りも光効率が良くなり、画像の輝度が増大する。
によっては約38°の広い視野を備えた虚像を提供する。
視野の広い明るい画像を提供する。本発明のディスプレイシステムは典型的には
標準サイズのコンピュータ用CRTディスプレイに表示されるような多数の英数
字の情報を表示することができる。しかしながら、ディスプレイシステムのサイ
ズが小さいため、携帯型コンピュータまたは手持ち型コンピュータおよび/また
はポケットベル(登録商標)またはそれとは別の伝言システムのような連絡装置 のディスプレイに適する。またこのディスプレイシステムは頭部取付型ディスプ レイシステムで使用するのにも適する。本発明のディスプレイシステムは、最小 限の光学要素を用いて装置が非常に小さいながらも、ユーザーに対して表示可能 な情報量が実質的に増大する。
新規特性、および図示した実施例の詳細が完全に理解される。
ディスプレイ12を備える。ピクセルは非アクティブモードでは光を吸収し、ア
クティブモードではディスプレイ12の表面14に対してほぼ垂直な軸線上の光
に反応して画像を生成するために軸線上の光を反射させる。ディスプレイ12に
よって生成された画像は拡大しないと眼16で判別することができない程小さい
。ディスプレイ12の高さおよび幅は約12mm×12mmである。しかしなが
ら、ディスプレイ12は標準サイズのNTSC方式コンピュータディスプレイと
同様な情報を映し出すことができるように十分に多くのピクセルを有する。ディ
スプレイシステムの全高hはたった25mmである。
2に対して非軸線上に配置され、すなわちディスプレイ12からユーザーの眼1
6までの光路の如何なる部分をも遮断してしまうことのないようにディスプレイ
12の前方には配置されない。光源18は単一のLEDである。あるいは、光源
18はカラーディスプレイシステム用に例えば赤LED、緑LED、および青L
EDのような複数の色付きLEDで形成されてもよい。
光子24、およびプリズム26を有する照明システム20によってディスプレイ
12の前面14に向けられる。ディスプレイのアクティブピクセルによって反射
せしめられた光は投射システムを通過する。一つの実施例では、撮像システムは
第二のプリズム30、視野レンズ32、および撮像レンズ34の形態である屈折
矯正器(refraction corrector)を備える。
照明レンズ22は光を平行にし且つ光を偏光子24に向けるためのフレスネルレ
ンズまたはその均等物である。偏光子24は、光が例えばプリズム26のビーム
スプリット面36に対してS偏光になるように光を偏光させる。偏光はプリズム
26に入り、プリズム26の面38からプリズム26のビームスプリット面36
へと反射せしめられる。ビームスプリット面36は、S偏光が軸線上にあるよう
に、すなわちディスプレイ12の表面に対して垂直になるようにS偏光をマイク
ロディスプレイ12へと反射する。反射式マイクロディスプレイ12は、光がデ
ィスプレイ12に入った時にビームスプリッタからの直線偏光を円偏光またはほ
ぼ楕円偏光に変える4分の1波長板(quarter-wave plate)を備える。マイクロ
ディスプレイ12のアクティブピクセルによって反射された光は再びディスプレ
イ12の4分の1波長板を通過し、プリズム26の面36から反射せしめられた
初期の偏光から90°である直線偏光となる。特に、面36がS偏光をディスプ
レイへと反射させると、4分の1波長板を備えるディスプレイ12はP偏光を面
36へと戻す。P偏光はビームスプリッタ面36を通過して撮像システム28の
プリズム30へ入る。
よって面36へと反射せしめられるように、および/または光が面36において
内部全反射によってディスプレイ12へと反射せしめられるように選択せしめら
れる。面38の内部全反射によって光効率が最大になるようにエアーギャップ4
0がディスプレイ12と面38との間に保持される。同様に、光がディスプレイ
12に対して軸線上にあるように面36からの光を反射させるのに内部全反射を
用いる場合、エアーギャップ42またはその均等物が面36と第二のプリズム3
0との間に保持される。面38において光源18からの光を反射させるために全
反射を用いる代わりに、ディスプレイ12の縁部44までの面38に反射用コー
ティングを用いてもよい。この場合、面38の残りの部分に屈折率が適切な流体
または接着剤でディスプレイ12が取付けられる。同様に、軸線上の光をディス
プレイに反射させるために面36において内部全反射を用いる代わりに、偏光反
射器または部分反射ミラーコーティングを用いてもよい。偏光反射器は3M社の
DBEFフィルムのようなコーティングを備えたガラスシートまたはプラスチッ
クシートで形成される。偏光反射器は、片側または両側にエアーギャップを備え
た別個の構成要素として形成されてもよいし、プリズム26の面36にまたはプ
リズム30の面46にまたはこれら両表面にラミネートされてもよい。
うなディスプレイシステムの画像光線の経路を示す。ディスプレイ12から反射
せしめられた光はプリズム26およびビームスプリッタ面36を通過してプリズ
ム30へと入る。プリズム30は屈折によってディスプレイ12で生成された画
像を矯正する。光学部材30と一体的な部分としてまたは別体のレンズとして形
成された視野レンズ32は、画像光線を撮像レンズ34に向ける。画像光線が撮
像レンズ34を出ると、これら光線はこれら光線がユーザーの眼16の角膜表面
48と交差するまでほぼ平行である。角膜は光線を網膜50上に焦点あわせする
。ユーザーには、ディスプレイシステム10よりユーザーから離れ且つユーザー
の前方にある虚像位置52で光線が生じるように見える。虚像52はユーザーが
ディスプレイ12によって生成された画像の詳細を明確に判別することができる
ようにレンズ34によって拡大される。
および62を通って角膜13内へと通過してユーザーの眼の網膜に画像を形成す
るときに画像光線の角度60が増加するように、図4に示したような付加的なレ
ンズ62が用いられると共にレンズ34の光パワーが減少せしめられる。ユーザ
ーが読みとる視野は地点65と地点66との間において網膜14上に形成される
画像の光線角度60によって決定されるので、レンズ62を加えて角度60を増
加させることにより少なくとも28°のオーダーにまで視野が増加する。色を矯
正するために、レンズ34の表面67または68またはレンズ62の表面69は
回折表面として形成されてもよい。なお、視野レンズ32は光学部材30とは別
体の光学要素としてまたは光学部材30と一体的な部分として形成されてもよい
。さらに、虚像52の焦点または位置を変更するために、レンズ34がレンズ3
2に対して移動可能であってもよい。あるいは、一対のレンズ62および34は
視野レンズ32に対して共に移動可能であってもよい。好ましくはないが、この
特性は光学システムに対してディスプレイを移動させることによって遂行されて
もよい。
維持しながら視野がさらに増加せしめられる。図4に示したように正視野レンズ
を使用するのとは反対に、図5の実施例は負レンズ64を用いる。負レンズ64
は別個の要素として形成されてもよいし、図5に示したように光学部材30の表
面に形成されてもよい。負レンズ64は図4の角度60と比べて光線間の角度6
0’が増加するようにディスプレイ12からの光線を発散させる。角度60’が
増加することによって、視野は38°のオーダーにまで増加せしめられる。
プの歪曲(distortion)を最小限にするため、および撮像システムと眼とを正確
に整列させる必要性を除去することのために、図1〜図3に示したシステムのデ
ィスプレイ12とプリズム26との間にレンズ55が配置される。より詳細には
、レンズ55はアクロマートと同様な方法で色収差を最小限にするように、プリ
ズム26の屈折率とは異なる屈折率を有するのが好ましい。例えば、プリズム2
6および30はBK7ガラスのようなガラスで形成され、負レンズ55はスチレ
ンで形成される。しかしながら、当業者には明らかなように、プリズム26、3
0およびレンズ55を同様に別の種類の材料で形成してもよい。レンズ55は負
レンズとして形成される。負レンズ55は画像の周囲における幾何学的歪曲、例
えば樽型歪曲および糸巻き型歪曲を最小限にする。さらに、負レンズ55は、眼
16を撮像レンズ34の中心線と正確に整列させる必要性がなくなるように、デ
ィスプレイ12からの光を僅かに発散させる。なお、この実施例では、撮像レン
ズ34はアクリルまたはその均等物で形成された非球面レンズであってもよい。
非球面撮像レンズ34を用いることによって、少ない光学要素を用いて最小限の
歪曲で高解像度の画像が生成され、よって軽いディスプレイシステムが提供され
る。
に、またはそれ以上に広げることができる。この視野は対角線が12.7mm(
0.5インチ)で鉛直対水平の縦横比が3/4であるマイクロディスプレイに提
供される。図示したような最小限の撮像用光学部材でこの大きな視野を得ること
ができる。さらに、上述したような本発明の照明システムはディスプレイシステ
ムを日光内で使用するのに適するように輝度が増加した画像を提供する。
求の範囲内で本発明は上述したのとは別の形態で実施されてもよいことは明らか
である。
。
ロディスプレイへの照明光の経路を示す。
ディスプレイからの画像の経路を示す。
面図を示す。
第一のプリズムとの間にレンズが加えられる。
Claims (27)
- 【請求項1】 複数のピクセルを有する反射式ディスプレイであって、各ピ
クセルがアクティブモードにおいて該反射式ディスプレイの表面に対してほぼ垂
直な軸線上の光に反応して、前記軸線上の光を反射させて画像を生成する反射式
ディスプレイと、 該反射式ディスプレイに対して非軸線上に配置された光源と、 前記反射式ディスプレイに光を向けるための単一のビームスプリッタを備え、
前記光源からの光を該ビームスプリッタ面へと反射させるための第一面を備える
プリズムを有し、画像を生成するために光が反射式ディスプレイの表面に対して
ほぼ垂直になるように前記ビームスプリッタ面が前記プリズムの第一面から前記
反射式ディスプレイへと光を反射させ、前記ビームスプリッタが反射式ディスプ
レイから反射せしめられた光を通過させる照明システムと、 反射式ディスプレイから前記ビームスプリッタを通過した光を受光して拡大さ
れた虚像を提供する撮像光学システムとを具備するディスプレイシステム。 - 【請求項2】 光が第一の偏光を有するように且つ光が前記ビームスプリッ
タ面によって反射式ディスプレイへと反射せしめられるように光源からの光を偏
光させるための照明偏光子をさらに具備する請求項1に記載のディスプレイシス
テム。 - 【請求項3】 前記ビームスプリッタ面は第一の偏光を有する光を反射させ
且つ第二の偏光を有する光を通過させる偏光反射器を備える請求項2に記載のデ
ィスプレイシステム。 - 【請求項4】 前記反射式ディスプレイは、第一の偏光の光を第二の偏光の
光に変えるように、反射式ディスプレイに入って反射式ディスプレイから出る光
の偏光を変える請求項3に記載のディスプレイシステム。 - 【請求項5】 前記プリズムは前記第一面から前記ビームスプリッタ面へと
光を反射させるのに内部全反射を用いる請求項1に記載のディスプレイシステム
。 - 【請求項6】 前記ビームスプリッタ面はプリズムの表面であり且つ前記第
一面から反射式ディスプレイに光を反射させるのに内部全反射を用いる請求項1
に記載のディスプレイシステム。 - 【請求項7】 前記光学システムは屈折矯正するために前記第一のプリズム
に近接して配置された第二のプリズムを有する請求項1に記載のディスプレイシ
ステム。 - 【請求項8】 マイクロディスプレイである反射式ディスプレイのための2
8°以上の視野を有する請求項1に記載のディスプレイシステム。 - 【請求項9】 対角線が12.7mmで鉛直対水平の縦横比が3/4である
領域とほぼ同一かまたはそれより小さいディスプレイ表面領域を有する反射式デ
ィスプレイのための28°以上の視野を有する請求項1に記載のディスプレイシ
ステム。 - 【請求項10】 マイクロディスプレイである反射式ディスプレイのための
38°とほぼ同一かまたはそれ以上の視野を有する請求項1に記載のディスプレ
イシステム。 - 【請求項11】 前記光源は小型カラーディスプレイを提供するために複数
の色の光発生器を有する請求項1に記載のディスプレイシステム。 - 【請求項12】 前記光学システムは色矯正用の回折面を備えるレンズを有
する請求項1に記載のディスプレイシステム。 - 【請求項13】 前記反射式ディスプレイは前記プリズムの第一面の第一の
部分に近接して取付けられ、非軸線上の光が前記プリズムの第一面の第二の部分
から前記ビームスプリッタ面へと反射せしめられるように前記プリズムの第一面
の第二の部分が反射用コーティングを有し、前記ビームスプリッタ面が光を反射
式ディスプレイへと軸線上に反射させる請求項1に記載のディスプレイシステム
。 - 【請求項14】 前記撮像システムは屈折矯正のための第二のプリズムと、
負レンズと、少なくとも一つの正レンズとを有する請求項1に記載のディスプレ
イシステム。 - 【請求項15】 前記負レンズは第二のプリズムの一体的な部分として第二
のプリズム上の負レンズ面として形成される請求項14に記載のディスプレイシ
ステム。 - 【請求項16】 複数のピクセルを有する反射式ディスプレイであって、各
ピクセルがアクティブモードにおいて該反射式ディスプレイの表面に対してほぼ
垂直な軸線上の光に反応して、軸線上の光を反射させて画像を生成する反射式デ
ィスプレイと、 該反射式ディスプレイに対して非軸線上に配置された光源と、 反射式ディスプレイに光を向けるための単一のビームスプリッタを備え、前記
光源からの光を該ビームスプリッタ面へと反射させるための第一面を備えるプリ
ズムを有し、画像を生成するために光が反射式ディスプレイの表面に対してほぼ
垂直になるように前記ビームスプリッタ面が前記プリズムの第一面から前記反射
式ディスプレイへと光を反射させ、前記ビームスプリッタが反射式ディスプレイ
から反射せしめられた光を通過させる照明システムと、 色収差を最小限にするために前記プリズムと反射式ディスプレイとの間に配置
されたレンズと、 反射式ディスプレイから前記ビームスプリッタを通過した光を受光して拡大さ
れた虚像を提供する撮像光学システムとを具備するディスプレイシステム。 - 【請求項17】 前記レンズは色収差を最小限にするために前記プリズムと
は異なる屈折率を有する請求項16に記載のディスプレイシステム。 - 【請求項18】 前記レンズは負レンズである請求項16に記載のディスプ
レイシステム。 - 【請求項19】 前記レンズは樽型歪曲を最小限にする請求項16に記載の
ディスプレイシステム。 - 【請求項20】 前記レンズは糸巻き型歪曲を最小限にする請求項16に記
載のディスプレイシステム。 - 【請求項21】 複数のピクセルを有する反射式ディスプレイであって、各
ピクセルがアクティブモードにおいて該反射式ディスプレイの表面に対してほぼ
垂直な軸線上の光に反応して、軸線上の光を反射させて画像を生成する反射式デ
ィスプレイと、 該反射式ディスプレイに対して非軸線上に配置された光源と、 反射式ディスプレイに光を向けるための単一のビームスプリッタを備え、前記
光源からの光を該ビームスプリッタ面へと反射させるための第一面を備えるプリ
ズムを有し、画像を生成するために光が反射式ディスプレイの表面に対してほぼ
垂直になるように前記ビームスプリッタ面が前記プリズムの第一面から前記反射
式ディスプレイへと光を反射させ、前記ビームスプリッタが反射式ディスプレイ
から反射せしめられた光を通過させる照明システムと、 生成された画像における幾何学的歪曲を最小限にするために前記プリズムと反
射式ディスプレイとの間に配置されたレンズと、 反射式ディスプレイから前記ビームスプリッタを通過した光を受光して拡大さ
れた虚像を提供する画像光学システムとを具備するディスプレイシステム。 - 【請求項22】 前記レンズは色収差を最小限にするために前記プリズムと
は異なった屈折率を有する請求項21に記載のディスプレイシステム。 - 【請求項23】 前記レンズは負レンズである請求項22に記載のディスプ
レイシステム。 - 【請求項24】 複数のピクセルを有する反射式ディスプレイであって、各
ピクセルがアクティブモードにおいて該反射式ディスプレイの表面に対してほぼ
垂直な軸線上の光に反応して、画像を生成するために軸線上の光を反射させる反
射式ディスプレイと、 該反射式ディスプレイに対して非軸線上に配置された光源と、 反射式ディスプレイに光を向けるための単一のビームスプリッタを備え、前記
光源からの光を該ビームスプリッタ面へと反射させるための第一面を備えるプリ
ズムを有し、画像を生成するために前記ビームスプリッタ面が前記プリズムの第
一面から前記反射式ディスプレイの前面へと光を反射させ、前記ビームスプリッ
タが反射式ディスプレイから反射せしめられた光を通過させる照明システムと、 拡大虚像を提供するために反射式ディスプレイからビームスプリッタを通過し
た光を受光する画像光学システムとをさらに具備するディスプレイシステム。 - 【請求項25】 色収差を最小限にするために前記プリズムと反射式ディス
プレイとの間に配置されたレンズを有する請求項24に記載のディスプレイシス
テム。 - 【請求項26】 前記プリズムと反射式ディスプレイとの間に配置された負
レンズを有する請求項23に記載のディスプレイシステム。 - 【請求項27】 幾何学的歪曲を最小限にするために前記プリズムと反射式
ディスプレイとの間に配置されたレンズを有する請求項24に記載のディスプレ
イシステム。
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