JP2004530939A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

視覚路を規定する少なくとも１つの目を位置決めする表示装置であって、当該表示装置が、人工画像を生成するための画像生成手段と、前記画像生成手段を電子的に制御するための制御系と、前記少なくとも１つの目に対して前記人工画像を仮想像に拡大するための拡大光学系とを有する表示装置において、前記画像生成手段が、透明であると共に、当該表示装置の周辺から到来する外部光を前記視覚路に存在させて前記目に通すために前記視覚路に存在する、表示装置が説明される。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、視覚路(eye path)を規定する少なくとも１つの目を位置決めする表示装置であって、当該表示装置が、人工画像を生成するための画像生成手段と、前記画像生成手段を電子的に制御するための制御系と、前記少なくとも１つの目に対して前記人工画像を仮想像に拡大するための拡大光学系とを有する表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
眼鏡又はヘルメットの形態であることが多いこのような表示装置は、日本国特許出願公開番号の特開平１０−１０４５４９号から知られている。この装置は、所望の仮想像が生成され得るように、制御系によって制御されると共に、視覚路の外側に設けられる画像生成手段を有する。画像生成手段からの画像は、視覚路において斜めに設けられる半透過型反射素子と、視覚路の外側に設けられるレンズとを介して目に見える。反射素子の半透過性のために、反射素子の後方側面に偏光子と液晶層との組み合わせが存在して、表示装置の周辺からの画像は、背景として目に見える。このことは、仮想像の強度と実像の強度との間において満足な比率を得ることことができるように、背景画像の強度に影響を及ぼす可能性を提供する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記日本国特許明細書に説明された表示装置の構造は、得られる画像の大きさが限定されるという欠点を有する。これは、斜めに設けられた半透過型反射素子を、最大限のアパーチャ角度の境界でもある視覚路の外側に設けられたレンズと組み合わせて使用することによって、画像の大きさに関連するアパーチャ角度が限定されるからである。さらに、前記日本国特許出願公報に説明された表示装置は、視覚路の外側の拡大光学系及び画像生成手段の存在のために、高さ方向にかなり大きな空間を必要とするであろうということに留意されたい。
【０００４】
本発明の目的は、本発明の好ましい実施例の場合であるか否かに係わらず、従来技術の上述された欠点の相当な改善が実現される、冒頭段落にて説明された表示装置を供給することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この目的のために、本発明は、画像生成手段が、透明であると共に、表示装置の周辺から到来する外部光を視覚路に存在させて目に向かって通すために、視覚路に設けられるということを特徴とする。このような画像生成手段の使用は、 目に対して広い開口角、すなわち、大きい画像寸法が得られることができるように、拡大光学系及び／又は画像生成手段それ自体を、目の前方にかなり近接させて置く可能性を提供する。これはかなり小さい画像生成手段によって可能であり、このことは表示装置の原価を引き下げる。画像生成手段の透明な性質のために、目に対して仮想像と周辺の画像とを組み合わせることが可能である。
【０００６】
画像生成手段に光を結合させて仮想像の輝度を強めるために、本発明による表示装置の好ましい実施例は、上記表示装置が、画像生成手段について少なくとも１つの目から離れた側の視覚路において斜めに設けられる半透過型反射素子を備え、上記素子が、視覚路の外側の光源から到来する光を画像生成手段へ反射させると共に、外部光を目に向かって通すことを特徴とする。原則として、視覚路の外側に存在する光源は、例えば、太陽光によって形成され得る。反射素子は光を部分的に透過させるので、目に対して仮想像と周辺の画像とを組み合わせることは、ここでも依然として可能である。
【０００７】
可能な限り一定の画質を得るために、本発明による表示装置は、好ましくは、半透過型反射素子を介して画像生成手段を照射するように、視覚路の外側に設けられる人工光源を備えている。拡散された又は拡散されていない周辺光によって仮想像を視覚化させることは、本発明の範囲内において可能ではあるけれども、人工光を使用することにより上述の利点がもたらされる。
【０００８】
半透過型反射素子は、好ましくは、半透過型偏光ミラーによって構成される。これにより、さらに、外部光が偏光の所与の状態を推定するであろうということから、偏光された外部光は、さらに、透過型液晶マトリックスにより変調されるという利点がもたらされる。このことは、透過型液晶マトリックスを適切に制御することによって、透過型液晶マトリックスの仮想像と、外部光の実像との双方の強度の共通制御が、共同して調整され得るということを意味する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明による表示装置の非常に実用的な実施例は、画像生成手段が、透過型液晶マトリックスを有する場合に得られることができる。このような実施例は、本発明時に利用可能な透明画像生成手段を利用している。 視覚路において透過型液晶マトリックスを使用することによって、透過型液晶マトリックスの大きさと拡大光学系の大きさとの双方がかなり制限され得るので、最適な倍率ファクタ及び結果として生じる改善された画像寸法をもつ、かなり小型の表示装置が得られることができる。このことは、さらに、本発明による表示装置の原価を引き下げる。
【００１０】
簡略なやり方で仮想像を視覚化するためには、少なくとも１つの目と画像生成手段との間に設けられる偏光子が、特に透過型液晶マトリックスにおいて、好ましく用いられる。この偏光子は、本発明による表示装置の好ましい実施例において供給されている。
【００１１】
原則として、本発明による表示装置は、半透過型反射性の光学素子を使用するために、表示装置の周辺の実像と人工画像とを組み合わせる可能性を提供する。本発明による表示装置は、好ましくは、当該表示装置が、画像生成手段について少なくとも１つの目から離れた側に、外部光に対して調整可能なシャッタ素子を備えることを特徴としている。そのために、このことは、例えば、透過型液晶マトリックスによって生成される仮想像のみが目に見えるように、外部光を除去する可能性をさらにもたらす。
【００１２】
このシャッタ素子が、視覚路の内側と外側との間で置き換え可能なシャッタによって構成されるならば、このような調整可能なシャッタ素子の非常に有利な且つ簡略な実施例が得られる。このようなシャッタは、表示装置の可能なハウジングの外側における適切な動作手段を手動で動作することによって、置き換えられてもよい。
【００１３】
代替方法として、シャッタは、半透過型反射素子から離れた液晶の側に偏光子をもつ液晶によって構成されてもよい。この好ましい実施例は、偏光される光の量が、液晶の適切な制御によってステップ毎ではなく(steplessly)調整されることが可能であり、この光が半透過型反射素子に通されるという利点を有する。仮想像と実像との間の望ましい比率は、こうしたやり方で調整され得る。
【００１４】
拡大光学系が、少なくとも１つの目と対向する画像生成手段の側の視覚路に存在する場合、本発明による表示装置の超小型の実施例が得られることができる。
【００１５】
非常に有利な好ましい実施例によれば、本発明による表示装置は、外部光について別個の光学系を備えている。例えば、外部光源から到来する光が、このような別個の光学系によって増加され得る。これは、例えば、手術領域の拡大された画像が得られるような外科の用途において有利になり得る。
【００１６】
別個の光学系を、外部光における拡大光学系の拡大効果を少なくとも部分的に補償するように、有利に適応させることも可能である。それによって、比例して、周辺の画像が、あまりに大きく表示されること、又は実体から離れることが防止される。概して、周辺の画像がこの周辺の実際の寸法と一致する場合が、重要であるとみなされるであろう。
【００１７】
本発明のこれら及び他の態様は、本明細書の以下に説明される実施例から明らかになると共に、これらの実施例を参照して明瞭に説明されるであろう。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明による表示装置の第１の好ましい実施例１を実質的に構成する要素を概略的に示している。表示装置１の中央の要素は、半透過型ミラー２である。この半透過型ミラー２は、入力光の半分を反射し、且つ妨害されてない残りの半分を通す。半透過型ミラー２のこうした特性は、目３に対して仮想像と実像とを組み合わせる可能性を提供する。想像上の視覚路４は、目３に対して垂直に延在する。本明細書の以下に明瞭に説明されるであろう複数の要素は、この視覚路４の範囲内及びその外側に存在する。半透過型ミラー２は既述されている。上記ミラー２から見ると、透過型液晶マトリックス５、垂直偏光フィルタ６及び拡大レンズ７は、このミラー２と目３との間に設けられている。透過型液晶マトリックスは、当業者に知られると共に、制御系（図示略）によって個別に且つ電子的に制御可能である液晶素子のマトリックスから構成され、これらの素子を用いて画像が生成され得る。所与のマトリックス素子に対する制御信号に依存して、関連したマトリックス素子に入射する光の偏光状態の変化が起こるであろう。直線偏光された光は、これも本明細書の以下に説明されるであろう垂直偏光フィルタ６によって、より多い程度又はより少ない程度に通される。
【００１９】
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を使用する際、参照符号５により示されている透過型液晶マトリックスは、互いに関して９０度の回転角度で、通常に動作する２つの偏光フィルタの間に組み込まれている。表示装置１は、後方偏光フィルタが垂直偏光フィルタ６によって構成され、前方偏光フィルタが水平偏光フィルタ８によって構成されるような構造を有している。水平偏光フィルタ８と同様に、視覚路４の外側に存在する例えばＬＥＤによって形成され得る光源９から到来する光は、水平状態１１の偏光と仮定する。この水平偏光された光１１が、半透過型ミラー２によって、透過型液晶マトリックス５に対して垂直な方向に、且つ視覚路４に対して平行な方向に、半分だけ反射される。この反射された部分は、参照符号１２によって示されている。残りの半分の光は、その本来の経路上で妨害されずに通され、それ以上に利用されることはない。透過型液晶マトリックス５から反射された水平偏光１２による照射のために、透過型液晶マトリックス５によって生成される画像を視覚化することは原則的に可能である。関連のマトリックス素子の制御電圧に依存して、反射された水平偏光１２の偏光状態の変化が、マトリックス素子ごとに起こったり又は起こらなかったりするであろう。このことは、変調光ビーム１４につながり、該ビームは起こった偏光状態の変化の程度に依存して、垂直偏光フィルタ６を所与の比例限度まで通過するであろう。この画像光１５は、目３に見える。拡大レンズ７は、光１５によって表される画像の寸法を増大させるために供給されている。
【００２０】
図１に概略的に示されているように、表示装置１は、透過型液晶マトリックス５によって生成される仮想像を、やはり視覚路４にある実像１６と組み合わせる可能性を提供する。表示装置１は、実像１６と対向する側にシャッタ１７を有し、このシャッタは、例えば、パニング又は置換によって、視覚路４の範囲内及び外側に置き換え可能である。図１に示される状態では、シャッタ１７が視覚路４内にある。そうでなければ、実像１６からの光１８は、拡大レンズ７の 拡大効果を補償することを目的とする縮小レンズ１９を通過する。レンズ７とレンズ１９との組み合わされた作用により、実像１６は、実際の寸法において目３で観察されるであろう。光１８は、目３までのこの光自体の経路上で半透過型ミラー２と出会う。光１８の片方の半分２０が、約９０度の角度で反射される一方で、他方の半分２１は、妨害されずにその光自体の経路をたどり続ける。光２１は、この光２１が光１８の半分だけの強度を有して、光１８と同じ特性を有する。透過型液晶マトリックス５を介した光２１の通過は、光ビーム２１の所与の偏光状態が欠如するために、透過型液晶マトリックス５から出力する光ビーム２２に対するいかなる正味の影響も及ぼさない。出力する光ビーム２２は、垂直偏光フィルタ６によって垂直に偏光されるので、実像１６から到来する光から生じる画像光２３が作り出される。画像光２３は、目３に見える。
【００２１】
仮想像と実像１６との間の比率を制御するために、限定された数の可能性が利用可能である。シャッタ１７を動作することによって、実像１６は、目３から完全に遮蔽されてもよい。光源９を減光する又は増光することによって光１０の強度に影響を及ぼすと、仮想像の強度に対しても対応する影響が及ぼされる。さらに、このように仮想像を生成することとは無関係に用いられる一般的な制御信号によって、透過型液晶マトリックス５のマトリックス素子を制御することも可能である。
【実施例２】
【００２２】
図２に示される第２の好ましい実施例による表示装置３１は、種々の態様において図１の表示装置１と一致する。これらの一致性は、特に、光源３２、視覚路３４をもつ目３３、拡大レンズ３５、垂直偏光フィルタ３６、透過型液晶マトリックス３７、縮小レンズ３８及び実像３９の存在である。
【００２３】
表示装置１と比較すると、半透過型ミラー２が、偏光ビームスプリッタ４０と取り替えられている。偏光ビームスプリッタ４０は、光源３２からの光４１のような入力光を、水平に偏光された状態（参照符号４２）では反射させると共に、垂直に偏光された状態（参照符号４３）の光を反射させない特性を有する。少なくとも現在入手可能な偏光ビームスプリッタの反射特性について言えば、限定される性質のために、水平偏光フィルタ４４が、第２の表示装置３１の光源３２と偏光ビームスプリッタ４０との間に設けられている。この水平偏光フィルタ４４は、光源３２からの光を、この光が偏光ビームスプリッタ４０によって反射される前に、水平に偏光された状態に至らせる。偏光の垂直状態の光の割合が欠如するために、偏光ビームスプリッタ４０によって反射されない光ビーム４３は存在しない。それゆえに、光４１及び光４２は、特性及び照度の双方に関して互いに等しい。偏光ビームスプリッタ４０により、光源３２から到来する光の状態は、図１の表示装置１における状態に等しい。反射され、且つ水平に偏光された光４２は、生成されるべき仮想像に依存して、光４２に変調する影響を及ぼす透過型液晶マトリックス３７と、透過型液晶マトリックス３７で生成される画像の表示である画像光４５を視覚化するために、垂直偏光フィルタ３６と、拡大レンズ３５とを連続的に通過する。
【００２４】
表示装置１と比較すると、図２の表示装置３１において半透過型ミラー２及びシャッタ１７は、液晶４６及び水平偏光フィルタ４７の組み合わせと取り替えられている。光４８は、水平偏光フィルタ４７によって水平偏光４９に偏光される。液晶４６の制御に依存して、水平に偏光される光は、その偏光状態を変化させる。水平に偏光され、又は水平に偏光されない光５０は、その後に垂直偏光状態において反射され（参照符号５１）、液晶４６で起こった偏光の変化の程度に依存する比率で、偏光ビームスプリッタ４０によって部分的に水平偏光状態において通過される。実像３９から生じる光５２は、光源３２からの反射光４２と同じ偏光状態を有する。光５２の強度は、特に、液晶４６で起こった偏光の変化の程度に依存する。液晶４６を調整することによって、光４２の強度と光５２の強度との間の好適な比率が得られることができる。光４２と同様に、光５２は、仮想像の場合、透過型液晶マトリックス３７によって変調光５３に変調されるであろう。この変調は、光４２の変調光５４への変調と逆である。偏光の変化の程度に依存して、この変調光５３は、垂直偏光フィルタ３６を通り、拡大レンズ３５を介した通過の後に、目３３に見えるようになるであろう。
【００２５】
図２の表示装置３１と、図１の表示装置１との主な差異は、光源３２からの光と実像３９からの光との双方が、最初に述べた表示装置内の透過型液晶マトリックス３７によって変調されるのに対して、実像１６の光の強度が、表示装置１においてはステップ毎ではなく調整されることができないということにある。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、上記に説明される実施例に限定されるものではなく、添付される特許請求の範囲によって規定される。これに関しては、レンズ７、１９、３５及び４７が、例えば、ミラー、ホログラム又はレンズ系によって構成される、いかなる他の好適な光学系によって取り替えられてもよいことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】概略的に第１の好ましい実施例を示す。
【図２】概略的に第２の好ましい実施例を示す。

Claims (12)

1. 視覚路を規定する少なくとも１つの目を位置決めする表示装置であって、当該表示装置が、人工画像を生成するための画像生成手段と、前記画像生成手段を電子的に駆動するための制御系と、前記少なくとも１つの目に対して前記人工画像を仮想像に拡大するための拡大光学系とを有する表示装置において、前記画像生成手段が、透明であると共に、当該表示装置の周辺から到来する外部光を前記視覚路に存在させて前記目に向かって通すために、前記視覚路に存在することを特徴とする表示装置。
2. 前記表示装置が、前記画像生成手段について前記少なくとも１つの目から離れた側の前記視覚路において斜めに設けられる半透過型反射素子を備え、前記素子が、前記視覚路の外側の光源から到来する光を前記画像生成手段へ反射させると共に、前記外部光を前記目に向かって通すことを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記表示装置が、前記半透過型反射素子を介して前記画像生成手段を照射するために、前記視覚路の外側に設けられる人工光源を備えることを特徴とする、請求項２に記載の表示装置。
4. 前記半透過型反射素子が、半透過型偏光ミラーによって構成されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の表示装置。
5. 前記画像生成手段が、透過型液晶マトリックスを有することを特徴とする、請求項１、２、３又は４に記載の表示装置。
6. 前記表示装置が、前記少なくとも１つの目と、前記画像生成手段との間に設けられる偏光子を備えることを特徴とする、請求項１乃至５の何れか１項に記載の表示装置。
7. 前記表示装置が、前記画像生成手段について前記少なくとも１つの目から離れた側に、前記外部光に対して調整可能なシャッタ素子を備えることを特徴とする、請求項１乃至６の何れか１項に記載の表示装置。
8. 前記シャッタ素子が、前記視覚路の内側の位置と外側の位置との間において、置き換え可能であるシャッタによって構成されることを特徴とする、請求項７に記載の表示装置。
9. 前記シャッタが、前記画像生成手段から離れた液晶の側に偏光子をもつ前記液晶によって構成されることを特徴とする、請求項７に記載の表示装置。
10. 前記拡大光学系が、前記少なくとも１つの目と対向する前記画像生成手段の側の前記視覚路に存在することを特徴とする、請求項１乃至９の何れか１項に記載の表示装置。
11. 前記表示装置が、前記外部光に対する別個の光学系を備えることを特徴とする、請求項１乃至１０の何れか１項に記載の表示装置。
12. 前記別個の光学系が、前記外部光に対する前記拡大光学系の拡大効果を、少なくとも部分的に補償することを特徴とする、請求項１１に記載の表示装置。