JP2003307702A - 画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
する。 【解決手段】 画像表示装置1は、眼球7の網膜16に
映像板10の映像を投影するものある。この表示装置
は、光源8と、光源から出た光を透過する映像板9と、
映像板を透過した光を結像して中間像を得る結像レンズ
10と、結像レンズにより結像された像を眼球7の網膜
16上に再び結像する接眼レンズ11と、結像レンズに
より結像された中間像面に配置されたスクリーン18と
を備えており、スクリーンから出た像が接眼レンズによ
って眼球の網膜に投影される。この画像表示装置によれ
ば、瞳を瞳径以上に動かすと画像が見えなくなる構成が
可能で、装着者が画像を見たいときに見えて、故意に視
線を逸らせると見えなくなる。
Description
を装着者の網膜に直接投影する眼球投射型画像表示装置
に関する。また、本発明は、携帯可能なめがね装着型又
はヘッドマウント型の眼球投射型画像表示装置に関す
る。
に示す光学系を含むものが、例えば特開平2−1368
18号公報で提案されている。この画像表示装置の光学
系30は、図示しないフレームによって装着者の眼前に
保持されており、装着者の眼球31に向かって配置され
た複数の構成部分、すなわち点光源32、映像板である
透過型液晶パネル33、接眼レンズ34を備えている。
このような構成を備えた画像表示装置において、点光源
32から出射された光は、液晶パネル33を透過する。
液晶パネル33を透過した光によって形成される画像又
は映像は、接眼レンズ34によって瞳35で結像され、
水晶体36を介して網膜37に投影される。このよう
に、この画像表示装置では点光源32が瞳35上で結像
するように構成されており、光束の指向性がよい。ま
た、装着者が近視であるか遠視であるかに拘わらず、液
晶パネル33の画像を鮮明に観察できる。反面、装着者
が光学系30から僅かに眼を逸らしただけでも光束が虹
彩によってけられ、映像を観察できなくなる。例えば、
通常の大人の場合、暗い場所での瞳直径は約7mmであ
るから、瞳35が約±3.5mm以上動くと、画像を観
察できない。また、明るい場所では瞳直径は約4mmと
なるので、瞳35が約±2mm動くと、画像を観察でき
ない。
する構成が提案されている。この構成では、液晶パネル
を透過した光が全方位に放射され、指向性の無い光束が
瞳に導かれる。したがって、瞳を通過する光の角度成分
が広い。そのために瞳に光束を投射する光学系の収差を
補正しなければならず、光学系の構成が著しく複雑にな
る。また、装着者は自分自身の水晶体で映像を網膜に収
束する必要がある。しかし、液晶パネルと瞳との距離は
限られているので、特に視力の悪い人は眼鏡を装着する
必要がある。さらに、装着者が外界を観察するために液
晶パネルから視線をそらしても、液晶パネルを透過した
光が装着者の瞳に入り、そのために外界の様子を良好に
観察できない。さらにまた、観察に必要な光量以上の光
量で液晶パネルを照明する必要があるので、消費電力が
大きくなる。
示すように、液晶パネル33と接眼レンズ34との間に
結像レンズ39を配置し、結像レンズ39で一度空中像
として中間結像面40に結像した画像を再び接眼レンズ
34で瞳35に結像する、リレーレンズ光学系を採用し
たものが提案されている。確かに、このリレーレンズ光
学系を利用すれば光学長を長くできるので、結像レンズ
10と接眼レンズ11との間に新たな光学素子を配置し
て画角調整が容易に行えるという利点がある。しかし、
このリレーレンズ光学系を採用した画像表示装置は、上
述した図9の光学系が有する問題を解消できるものでな
い。
装着者が自分自身で水晶体を調整しなくても鮮明な画像
を観察でき、また、装着者が視線を動かすと良好に外界
の様子を観察できる、簡単な構成の画像表示装置を提供
するものである。
るために、本発明は、眼球の網膜に映像板の映像を投影
する画像表示装置に、光源と、上記光源から出た光を透
過する映像板と、上記映像板を透過した光を結像し中間
像を得る結像レンズと、上記結像レンズにより結像され
た像を眼球の網膜上に再び結像する接眼レンズを備え、
上記眼球の瞳面に投影される光束が、瞳の大きさの約1
倍〜2倍の大きさを有するように、光源の大きさが設定
されていることを特徴とする。
の映像を投影する画像表示装置であって、光源と、上記
光源から出た光を透過する映像板と、上記映像板を透過
した光を結像し中間像を得る結像レンズと、上記結像レ
ンズにより結像された像を眼球の網膜上に再び結像する
接眼レンズと、上記結像レンズにより結像された中間像
面に配置されたスクリーンとを備え、上記スクリーンか
ら出た像を上記接眼レンズによって眼球の網膜に投影す
る構成としたことを特徴とする。
もよいし、反射型のスクリーンでもよい。
ーンの間に偏光ビームスプリッターと1/4波長板を配
置することが好ましい。
光拡散性を有することが好ましい。
は反射した光を上記レンズで眼球に送る際、上記眼球の
瞳面に投影される光束が、水平方向に瞳の大きさの約1
倍〜2倍の大きさを有し、垂直方向にほぼ瞳の大きさを
有するように、上記スクリーンの光拡散性および上記光
源の大きさが設定されていることが好ましい。
略共役関係にあることが好ましい。
色、緑色、青色のLEDの組み合わせであることが好ま
しい。
の複数の実施の形態を説明する。なお、以下に説明する
複数の実施の形態を表示した複数の図面において同一又
は対応する部材又は部分に同一の符号が付してある。ま
た、発明の理解を容易にするために、以下の説明では方
向を表す用語(例えば、「上」、「下」、「右」、
「左」及びそれらを含む用語)を用いるが、特許請求の
範囲に記載の発明はそれらの用語の持つ意味によって限
定的に解釈されるものでない。
に係る眼球投射型画像表示装置1は、人(画像観察者又
は装着者2)がその頭部に着脱自在に装着して画像(動
画又は静止画)を観察するヘッドマウント型画像表示装
置又はめがね型の画像表示装置で、装着者2の眼球に画
像を投射する光学部3と、この光学部3を眼前に安定的
に支持するために装着者2の頭部に保持されるフレーム
4と、光学部3に映像信号を送信する映像信号送信部5
から構成されており、映像信号送信部5はフレーム4に
内蔵されている。しかし、フレーム4の構成、映像信号
送信部5の配置などは単なる一例であって、本発明が図
示する構成に限定されるものでない。
成が図2に示されている。図示するように、光学部3の
筐体6(図1参照)には、装着者2の右側又は左側の眼
球7に向かって、光源8、透過型映像板9、結像レンズ
10、接眼レンズ11が組み込まれており、これら結像
レンズ10と接眼レンズ11がリレーレンズ光学系を構
成している。
できるが、本実施の形態では、光源8と眼球7とを結ぶ
光軸12に直交する面に沿って多数の発光ダイオード
(LED)を二次元的に配置した面光源が利用されてい
る。発光ダイオードとしては、紫外光或は青色光を発す
るダイオードが使用できる。透過型映像板9は、透過型
の液晶パネルが利用される。この液晶パネルは、フルカ
ラー液晶パネル又はモノクロ液晶パネルによって構成さ
れており、映像信号送信部5と電気的に接続され、該映
像信号送信部5から出力される映像信号に基づいて画像
を表示するようにしてある。結像レンズ10と接眼レン
ズ11には、通常、球面又は非球面の凸レンズが用いら
れる。これら結像レンズ10と接眼レンズ11は一つの
レンズで構成することもできるが、複数のレンズを組み
合わせて構成した組レンズであってもよい。結像レンズ
10と接眼レンズ11との距離は、図示するように、そ
れらレンズの間の中間結像面13に結像レンズ10を透
過した画像が空中像として一度結像できるように決めら
れている。
ズ10、接眼レンズ11は、図示すように、装着者2が
画像表示装置1を装着した状態で、接眼レンズ11を挟
んで光源8と装着者2の瞳14が共役関係をなすよう
に、配置される。また、図3に示すように、瞳14の位
置(瞳面)における光束17の大きさ〔A〕が、瞳14
の大きさ〔a〕と等倍から2倍となるように〔a≦A≦
2a〕、光源8の大きさや、面光源8・透過型映像板9
・結像レンズ10・接眼レンズ11・眼球7の位置など
が決定される。
源8から出射した光は映像板10を透過し、結像レンズ
10によって中間結像面13に結像される。また、結像
レンズ10を透過した画像は、接眼レンズ11によって
装着者2の瞳14の位置(瞳面)又はその近傍に収束
し、水晶体15によって網膜16に投射される。
1によれば、映像板10に表示された映像が瞳14又は
その近傍に収束されてマクスウェル視状態になるので、
近視又は遠視などの装着者2であっても、自分自身で水
晶体15を調整することなく、その映像を鮮明に観察で
きる。当然、普段眼鏡をかけている人は、眼鏡を装着し
ているか否かに拘わらず、映像を鮮明に観察できる。ま
た、視線を動かした場合に見える範囲を正確に限定でき
る。そして、画像表示装置1を装着していない方の眼で
景色を見ながら、画像表示装置1を装着した方の眼で映
像を見たとき、これら景色と映像を無理無く重ねること
ができる。
左右方向に長く、垂直方向に短い形にすれば、図4に示
すように、瞳14又はその近傍に収束する光束18は、
水平方向に長く、垂直方向に短い楕円形となる。また、
図示するように楕円径光束18の長軸幅〔B〕を瞳径
〔a〕の約2倍に、また短軸幅〔C〕をほぼ瞳径〔a〕
にほぼ等しくすれば、装着者2が視線を左右に動かした
場合でも、映像を鮮明に観察できる。他方、装着者2
が、視線を上下に少し動かすと、瞳14が光束から外れ
て映像を観察できなくなる。そのため、図1に示すよう
に、装着者2は、歩行しながら画像を観察している状態
で視線を上下に少し動かすだけで、外界の景色だけを観
察する状態に切り換えることができる。
10と接眼レンズ11を含むリレーレンズ光学系を採用
しているので、光路長を長く設定できるとともに、これ
らのレンズの間に画角調整のための光学素子を配置する
ことができる。
晶パネルに表示される画像よりも小さな画像を中間結像
面13に結像するので、目の前の光学系(特に、接眼レ
ンズ11)が小さくなり、装着者は広い視野を確保する
ことができる。
て透過型の液晶パネルを用いたが、反射型の画像表示デ
バイス又はフィルム等を利用することもできる。
て面光源を採用したが、光源としては点光源又は点光源
に近い形の面光源を利用することもできる。この場合、
図5に示すように、結像レンズ10と接眼レンズ11と
の間の中間結像面に、光を拡散する透過型スクリーン1
8を設け、該透過型スクリーン18によって光を拡散さ
せることが好ましい。この透過型スクリーン18として
は、透明樹脂に金属粉などの散乱粒子を適宜混入した樹
脂板、すりガラス、紙などが利用できる。
れば、透過型スクリーン18によって拡散した光が瞳面
又はその近傍で収束し、その後網膜16に投影される。
したがって、透過型スクリーン18の拡散性を制御する
ことで、瞳面に結像される光束の大きさを制御して、装
着者が画像を見たいときに該画像を認識でき、故意に視
線を逸らせたときには画像が認識できなくなるように、
画像表示装置を設計できる。
置において、透過型スクリーン18として、図6(a)
に示すように水平方向(装着者の左右方向)にのみ拡散
性を有し、図6(b)に示すように垂直方向(装着者の
上下方向)への拡散性が無いスクリーンを利用してもよ
い。この場合、瞳14又はその近傍に収束する光の光束
は、水平方向に長く、垂直方向に短い楕円形を描く(図
4参照)。したがって、装着者は、視線を左右に動かし
た場合でも、映像を鮮明に観察できる。また、装着者
は、視線を上下に少し動かすだけで、外界の景色だけを
観察する状態に切り換えることができる。
置を図7に示す。この画像表示装置において、中間結像
面に配置されるスクリーンとして反射型スクリーン19
が使用されている。この反射型スクリーン19は、白色
の樹脂からなる板、樹脂又はガラスもしくは金属の表面
に白色又は銀色の塗料又は蛍光塗料を塗布した板、又は
すりガラスなどの、光を散乱し得るあらゆるものが利用
できる。また、結像レンズ10と反射型スクリーン19
との間には、光軸12とほぼ45度の角度をなすように
ビームスプリッタ20が配置されている。
れば、光源8から出射された光は、映像板9、結像レン
ズ10、ビームスプリッタ20を透過した後、反射型ス
クリーン19で結像する。この結像した画像は、反射型
スクリーン19で反射した後、ビームスプリッタ20で
再び反射し、接眼レンズ11を透過して瞳面に再結像す
る。そして、この再結像した画像が網膜16に投影され
る。
によれば、光源8として点光源又は点光源に近い発光領
域をもつ光源を利用し、その光源から出射された光を効
率よく映像板9に照射し、この映像板9を透過した画像
を中間結像面にある反射型スクリーン19に結像でき
る。そのため、光の利用効率が高くなるだけでなく、中
間結像面にある反射型スクリーン19の拡散性を制御す
ることで瞳面上での光束の大きさを制御し、装着者が画
像を見たいときだけ該画像を認識でき、故意に視線を逸
らせると画像を認識できなくできる。
で、光路長を長く設定し、必要な光学素子を配置するこ
とで画角等の設定変更が容易にできる。さらに、映像板
9に表示される画像よりも小さな画像を中間結像面のス
クリーン19に結像するので、目の前の光学系(特に、
接眼レンズ11)を小さくし、装着者に広い視野を確保
することができる。さらにまた、反射型スクリーンを用
いることで、透過型スクリーンに比べて光の利用率を高
めることができる。
像表示装置を改良した実施の形態5の画像表示装置を示
す。この画像表示装置において、ビームスプリッタに
は、偏光ビームスプリッタ21が使用されている。この
偏光ビームスプリッタ21の透過偏光方向は、映像板9
を形成している液晶パネルの透過偏光方向に一致させて
ある。また、偏光ビームスプリッタ21と反射型スクリ
ーン19との間には、2つの偏光成分の間に一定の光路
差(位相差)を与える1/4波長板(λ/4波長板)2
2が配置されている。
れば、偏光ビームスプリッタ21の透過偏光方向と、映
像板9である液晶パネルの透過偏光方向が一致している
ので、偏光ビームスプリッタ21における光の透過損失
を最小限に抑えることができる。また、1/4波長板2
2により、反射型スクリーン19で反射された後再び偏
光ビームスプリッタ21に入射される光の偏光方向を偏
光ビームスプリッタ21を透過した光の偏光方向と直交
させることができるため、偏光ビームスプリッタ21で
の光の反射損失を最小限に抑えることができる。したが
って、光の利用率が高い画像表示装置を実現できる。
源が発する色(波長成分)は特に限定的ではないが、白
色の光を発する光源(例えば、白色LED)を用いるこ
とが好ましい。また光源は単一の色(波長)を発する単
一光源に限らず、赤、緑、青の色を発する複数の光源か
らなるものであってもよい。この場合、発光色を切り換
えるタイミングに同期して液晶表示画像を切り換えるこ
とができる、所謂シーケンシャル型液晶パネルを利用す
ることができる。
網膜に映像板の映像を投影する画像表示装置であって、
光源と、上記光源から出た光を透過する映像板と、上記
映像板を透過した光を結像し中間像を得る結像レンズ
と、上記結像レンズにより結像された像を眼球の網膜上
に再び結像する接眼レンズを備え、上記眼球の瞳面に投
影される光束が、瞳の大きさの約1倍〜2倍の大きさを
有するように、光源の大きさが設定されているものによ
れば、瞳を瞳径以上に動かすと画像が見えなくなる構成
が可能で、装着者が画像を見たいときに見えて、故意に
視線を逸らせると見えなくなる画像表示装置が実現でき
る。また、リレーレンズ光学系を用いているので、光路
長を長く設定でき、光学素子配置する空間が確保でき、
画角等の設定変更が容易にできる。さらに、結像レンズ
で、液晶パネルの画像よりも小さな画像を中間結像面に
結像することで、目の前の光学系を小さくでき、装着者
が装着時に広い視界を確保することができる。
る画像表示装置であって、光源と、上記光源から出た光
を透過する映像板と、上記映像板を透過した光を結像し
中間像を得る結像レンズと、上記結像レンズにより結像
された像を眼球の網膜上に再び結像する接眼レンズと、
上記結像レンズにより結像された中間像面に配置された
スクリーンとを備え、上記スクリーンから出た像を上記
接眼レンズによって眼球の網膜に投影する構成としたも
のによれば、更に結像レンズで、映像板の画像よりも小
さな画像を中間結像面に結像することで、目の前の光学
系を小さくでき、装着者が装着時に広い視界を確保する
ことができる。
を用いた画像表示装置では、構成を単純化できる。
用いた画像表示装置では、透過型スクリーンに比べ光利
用率を向上できる。
間に偏光ビームスプリッターと1/4波長板を配置する
ことにより、さらに光利用率を向上できる。
方向のみの拡散性を有する構成にすると、装着者は、上
下方向に目をそらすと画像が見えなくなる(または、光
強度が弱くなる)が、水平方向に瞳がずれても像が見え
るので、装着者が装着しやすい(見やすい)。
た光を上記レンズで眼球に送る際、上記眼球の瞳面に投
影される光束が、水平方向に瞳の大きさの約1倍〜2倍
の大きさを有し、垂直方向にほぼ瞳の大きさを有するよ
うに、上記スクリーンの光拡散性および上記光源の大き
さが設定されている画像表示装置によれば、水平方向に
瞳を瞳径程度動かしても画像が見えるが、垂直方向に瞳
径程度動かすと画像が見えなくなる構成が可能になり、
装着者が装着しやすく(水平方向)、かつ意識的に瞳を
そらすと画像が見えなくなり邪魔にならない(垂直方
向)画像表示装置が実現できる。
であるように構成したものでは、瞳位置に概略光源の像
を写すことができ、瞳を動かした場合に見える範囲を正
確に限定できる。
つの光源で照明が可能になり、部品点数が削減できる。
の組み合わせで構成することにより、フィールドシーケ
ンシャル型の液晶パネルが利用できる。
斜視図〔図1(a)〕、及び画像表示装置の外観を示す
斜視図〔図1(b)〕。
1を示す側面図図。
れた光学部の構成を示す側面図。
れた光学部の構成を示す平面図〔図6(a)〕及び側面
図〔図6(b)〕。
れた光学部の構成を示す側面図。
れた光学部の構成を示す側面図。
示す正面図。
構成を示す正面図。
8:光源 9:映像板 10:結像レンズ 11:接眼レンズ 13:中間結像
面 14:瞳 17:光束 18:透過型スクリーン
19:反射型スクリーン 20:ビームスプリッタ 2
1:偏光ビームスプリッタ 22:1/4波長板
Claims (10)
- 【請求項1】 眼球の網膜に映像板の映像を投影する画
像表示装置であって、 光源と、 上記光源から出た光を透過する映像板と、 上記映像板を透過した光を結像し中間像を得る結像レン
ズと、 上記結像レンズにより結像された像を眼球の網膜上に再
び結像する接眼レンズを備え、 上記眼球の瞳面に投影される光束が、瞳の大きさの約1
倍〜2倍の大きさを有するように、光源の大きさが設定
されていることを特徴とする画像表示装置。 - 【請求項2】 眼球の網膜に映像板の映像を投影する画
像表示装置であって、 光源と、 上記光源から出た光を透過する映像板と、 上記映像板を透過した光を結像して中間像を得る結像レ
ンズと、 上記結像レンズにより結像された像を眼球の網膜上に再
び結像する接眼レンズと、 上記結像レンズにより結像された中間像面に配置された
スクリーンとを備え、 上記スクリーンから出た像を上記接眼レンズによって眼
球の網膜に投影する構成としたことを特徴とする画像表
示装置。 - 【請求項3】 上記スクリーンが、透過型のスクリーン
であることを特徴とする請求項2に記載の画像表示装
置。 - 【請求項4】 上記スクリーンが、反射型のスクリーン
であることを特徴とする請求項2に記載の画像表示装
置。 - 【請求項5】 上記結像レンズと上記反射型スクリーン
の間に偏光ビームスプリッターと1/4波長板を配置し
たことを特徴とする請求項4に記載の画像表示装置。 - 【請求項6】 上記スクリーンが水平方向のみの光拡散
性を有することを特徴とする請求項3〜5のいずれか一
に記載の画像表示装置。 - 【請求項7】 上記スクリーンを透過あるいは反射した
光を上記レンズで眼球に送る際、上記眼球の瞳面に投影
される光束が、水平方向に瞳の大きさの約1倍〜2倍の
大きさを有し、垂直方向にほぼ瞳の大きさを有するよう
に、上記スクリーンの光拡散性および上記光源の大きさ
が設定されていることを特徴とする請求項6記載の画像
表示装置。 - 【請求項8】 上記光源と上記眼球の瞳位置が概略共役
関係であることを特徴とする請求項1から7のいずれか
一に記載の画像表示装置。 - 【請求項9】 上記光源が白色のLEDであることを特
徴とする請求項1から8のいずれか一に記載の画像表示
装置。 - 【請求項10】 上記光源が赤色、緑色、青色のLED
の組み合わせであることを特徴とする請求項1から8の
いずれか一に記載の画像表示装置。
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