JP2005316270A - 表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】画像表示面に表される実像よりも遠方においてその実像に対応する虚像を視認させる表示装置を小型軽量化する。
【解決手段】画像表示用光束を発する画像表示面2aと、画像表示面2aに沿って配列されるマイクロレンズアレイ3とを備える。マイクロレンズアレイ3を構成する各レンズ3aは、画像表示面2aにおける任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線を、画像視認位置で互いの平行度が高くなる方向に偏向する。
【選択図】図1
【解決手段】画像表示用光束を発する画像表示面2aと、画像表示面2aに沿って配列されるマイクロレンズアレイ3とを備える。マイクロレンズアレイ3を構成する各レンズ3aは、画像表示面2aにおける任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線を、画像視認位置で互いの平行度が高くなる方向に偏向する。
【選択図】図1
Description
本発明は、画像表示面に表される実像よりも遠方において、その実像に対応する虚像を視認させる表示装置に関し、例えばヘッドアップディスプレイや頭部装着型表示装置に適用することで、航空機の操縦や自動車の運転の際の安全運行に寄与でき、さらに、シミュレータやバーチャルリアリティの研究及び観賞用のディスプレイ、個人用鑑賞ディスプレイ、情報機器の一部等として利用できる。
図11に示す従来の表示装置100においては、画像表示器101の画像表示面101aから出射される画像表示光は、光学系102を介して観察者の目Eに導かれる。光学系102は複数のレンズにより構成され、さらにミラーやプリズム、回折素子等を含む場合もある。光学系102は、画像表示面101aにおける任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線を、観察者の目Eの位置、すなわち画像視認位置において互いに略平行とする。図11においては、画像表示面101aにおける点Paから出射される画像表示用光束を構成する各光線を実線で示し、点Pbから出射される画像表示用光束を構成する各光線を破線で示している。その画像視認位置において各光線が互いに平行であれば無限遠に虚像が結ばれ、各光線の互いの平行度が高い程に観察者から虚像までの距離が長くなる。
従来の表示装置100においては、光学系102の占める容積が大きく、光学系102の小型化は収差補正が必要なこともあり限界があった。そのため、画像表示面101aに表される実像よりも遠方において、その実像に対応する虚像を視認させる表示装置を小型化することが課題とされているが、そのような課題を解決する従来技術は存在しなかった。本発明は、上記課題を解決することのできる表示装置を提供することを目的とする。
本発明の表示装置は、画像表示用光束を発する画像表示面と、前記画像表示面に沿って配列されるマイクロレンズアレイとを備え、前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズは、前記画像表示面における任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線を、画像視認位置で互いの平行度が高くなる方向に偏向する。
画像表示用光束を構成する各光線の互いの平行度を、マイクロレンズアレイの通過後に大きくできる。画像表示用光束を構成する各光線の互いの平行度が高い程に観察者から虚像までの距離を長くできる。画像表示面に表される実像よりも遠方においてその実像に対応する虚像を形成するための光学系としてマイクロレンズアレイを用いることで、その光学系を薄くし、表示装置を小型軽量化できる。
画像表示用光束を構成する各光線の互いの平行度を、マイクロレンズアレイの通過後に大きくできる。画像表示用光束を構成する各光線の互いの平行度が高い程に観察者から虚像までの距離を長くできる。画像表示面に表される実像よりも遠方においてその実像に対応する虚像を形成するための光学系としてマイクロレンズアレイを用いることで、その光学系を薄くし、表示装置を小型軽量化できる。
画像視認位置から虚像までの距離を長くする上では、前記画像表示面における任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線が、前記マイクロレンズアレイを通過後に画像視認位置で互いに略平行光となるように、前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズの焦点位置が前記画像表示面の近傍に配置されるのが好ましい。
前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズ相互間に、光を吸収または反射する境界部が設けられているのが好ましい。これにより、マイクロレンズアレイを構成する各レンズ相互間での光の漏洩をなくし、光のクロストークによる画質低下を防止できる。
前記画像表示面は光を透過可能とされ、前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズ相互間に、レンズ作用を奏することなく前記画像表示面を透過する光を透過させるシースルー部が設けられているのが好ましい。これにより、観察者は画像表示面上の実像に対応する虚像だけでなく、その画像表示面の背後の実在物も視認できる。
本発明によれば、虚像を実像よりも遠方において視認させる表示装置を小型軽量化し、さらに、画質低下を防止し、画像表示面の背後の実在物を視認させることができる。
図1に示す表示装置1は、画像表示用光束を発する画像表示面2aを有する表示器2と、画像表示面2aに沿って配列されるマイクロレンズアレイ3を備える。表示器2の種類は特に限定されず、例えば自発光型あるいは反射型の液晶パネルやCRTディスプレイ、フレキシブルな薄型フィルム状の表示器等とされ、画像表示面2aに表される画像の種類も特に限定されず、例えばレティクル指標、スリット、静止画、動画等とされる。マイクロレンズアレイ3は、微小な多数のレンズ3aを2次元平面に沿ってマトリクス状に配置することで構成されるもので、公知技術により製造できる。本実施形態では、マイクロレンズアレイ3における画像表示面2aとの対向面は平坦とされ、反対向面にレンズ3aとして機能する凹凸が設けられている。なお、マイクロレンズアレイ3においてレンズ3aとして機能する凹凸が設けられている面は、画像表示面2aと対向してもよい。表示器2とマイクロレンズアレイ3は、例えば共通のフレーム(図示省略)により保持されることで互いに対して一定位置に相対配置される。
各レンズ3aは、画像表示面2aにおける任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線を、観察者の目の位置すなわち画像視認位置で互いの平行度が高くなる方向に偏向する。画像表示面2aから画像視認位置までの距離は表示装置1の用途等に応じて適宜設定され、例えば表示装置1が頭部装着型表示装置である場合は観察者の頭部への装着状態における画像表示面2aと観察者の目との距離、車両に搭載されるヘッドアップ型表示装置である場合はドライバーシートに着座する観察者の目と画像表示面2aとの距離に対応するように設定される。
本実施形態においては、画像表示面2aはマトリクス状に配置された複数の画素2a′により構成され、画素2a′それぞれとマイクロレンズアレイ3を構成するレンズ3aそれぞれとは1:1対応し、各画素2a′の配列ピッチPaは各レンズ3aの配列ピッチPbとは等しくされ、各レンズ3aの焦点位置は対応する画素の中心位置と略一致するものとされる。なお、画素2a′それぞれとレンズ3aそれぞれとが1:1対応する場合において、各画素2a′の配列ピッチPaと各レンズ3aの配列ピッチPbとが互いに相違してもよい。例えば図2の第1変形例に示すように、画像表示面2aから観察者の目Eの位置までの距離D1と画像表示面2aからマイクロレンズアレイ3までの距離D2との差に応じて、各画素2a′の配列ピッチPaよりも各レンズ3aの配列ピッチPbを僅かに小さくし、画像視認位置から視て相対応する画素2a′とレンズ3aとが一直線上に位置するようにしてもよい。また、各レンズ3aの配列ピッチを不等間隔にしてもよい。あるいは、画素2a′それぞれとレンズ3aそれぞれとが1:1対応することなく、各画素2a′の配列ピッチPaと各レンズ3aの配列ピッチPbとが互いに相違してもよい。
また、CRTやレティクル指標など、画素の概念になじまない表示装置においては各レンズ3aの配列ピッチPbは任意である。
また、CRTやレティクル指標など、画素の概念になじまない表示装置においては各レンズ3aの配列ピッチPbは任意である。
各レンズ3aの焦点位置は画像表示面2aの近傍に配置されている。これにより、画像表示面2aにおける任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線は、マイクロレンズアレイ3を通過後に画像視認位置で互いに略平行光とされる。図3は、画像表示面2a上の各画素の中心位置から出射される光束を構成する各光線L1を実線で示している。図4は、一つの画素2a′上の中心位置P1から出射される光束を構成する各光線L1を実線で示し、その画素2a′上の一端位置P2から出射される光束を構成する各光線L2を破線で示し、この場合、その画素2a′に対応するレンズ3aにより各光線L1は互いに略平行に偏向されて画像表示面2aと略直交方向に進行し、また、各光線L2も互いに略平行に偏向されて画像表示面2aと略一定角度をなす方向に進行する。すなわち、画素2a′上の互いに異なる点から出射される画像表示用光束は、マイクロレンズアレイ3の通過後に、それぞれ互いに略平行な光線から構成され、それぞれ互いに異なる方向に進行する。
図5は、画像表示面2aから出射された後にマイクロレンズアレイ3を通過する画像表示用光束の中で、観察者の目Eに至る光束を実線Lで示す。画像表示面2aを構成する各画素2a′からの画像表示用光束が観察者の目Eに至るので、画像表示面2a上に表される実像に対応する虚像(図5においては二点鎖線矢印Kで示す)が画像視認位置から一定距離Dだけ離れた位置に形成される。その距離Dは、画像表示面2aの一点からの画像表示用光束を構成する各光線の画像視認位置における平行度により定まる。すなわち図6に示すように、画像表示面2aの一点からの画像表示用光束の拡がり角をθ、画像視認位置での幅をWとして、D=W/(2tanθ)で表されるので、画像表示用光束を構成する各光線の互いの平行度が高い程に観察者から虚像までの距離を長くできる。
上記実施形態によれば、画像表示用光束を構成する各光線の互いの平行度を、マイクロレンズアレイ3の通過後に大きくできる。よって、画像表示面2aに表される実像よりも遠方においてその実像に対応する虚像を形成するための光学系としてマイクロレンズアレイ3を用いることで、画像表示面2aを観察者の目Eの至近距離に配置する場合でも光学系を薄くし、表示装置1を小型軽量化できる。例えば、図7に示すような薄型の頭部装着型表示装置1を実現できる。
上記実施形態においては、図8に示すようにマイクロレンズアレイ3を構成する各レンズ3a相互間に、レンズ作用を奏することなく光を図中矢印αで示すように透過させるシースルー部3″を設けてている。シースルー部3″は、互いに隣接するレンズ3aを密接させるのでなく、各レンズ3a相互間に厚さと材質が均一な部分を設けることで形成できる。これにより、画像表示面2aを光を透過可能なものにより構成することで、シースルー部3″において画像表示面2aを透過する光が透過し、観察者は画像表示面2a上の実像に対応する虚像だけでなく、画像表示面2aの背後の外景等の実在物も重畳的に視認できる。
図9Aに示すように、一つのレンズ3aに対応する画素2a′から出射された図中一点鎖線で示す光線γが、そのレンズ3aに入射後に隣接するレンズ3aに進入した場合、いわゆるクロストークにより表示画質が低下する。そこで、図9Bに示す第2変形例においては、マイクロレンズアレイ3を構成する各レンズ3a相互間に、シースルー部3″に代えて光を吸収または反射する境界部3′を設けている。これにより、一つのレンズ3aに対応する画素2a′から出射された光線は、そのレンズ3aに入射後に隣接するレンズ3aに進入しようとしても、境界部3′において吸収または反射されるために隣接するレンズ3aに進入するのを防止できる。境界部3′が光を反射する場合、光線を本来進入すべきレンズ3aに戻すことも可能である。境界部3′に吸収機能を奏させるには、境界部3′が例えば可視光の吸収用色素を含むようにすればよい。境界部3′に反射機能を奏させるには、例えば境界部3′をレンズ3aとは異なる屈折率の物質から形成すればよい。なお、境界部3′とシースルー部3″の双方を設けてもよい。
図10Aの第3変形例においては、シースルー部3″を設けることなく互いに隣接するレンズ3aを密接させている。図10Bの第4変形例においては、マイクロレンズアレイ3における画像表示面2aとの対向面と反対向面の両方に、レンズ3aとして機能する凹凸が設けられている。図10Cの第5変形例においては、マイクロレンズアレイ3における画像表示面2aとの対向面と反対向面とは平坦とされ、マイクロレンズアレイ3を構成する各レンズ3aが内部において屈折率変調された素材から構成されるいわゆるグリンレンズとされている。
本発明は上記実施形態や変形例に限定されない。例えば、画像表示面は液晶表示器のように画素を有する表示器の画像表示面に限定されず、CRTディスプレイのように画素を有さない表示器の画像表示面であってもよい。さらに、画像表示面は実像が表示される面であればよいので表示器を用いる必要はなく、画像として単に図形や記号を描いた透光性を有するパネル表面や、光源装置のスリット状光源開口から出射される光束を画像表示用光束とする場合における光源開口の周囲面を画像表示面としてもよい。また、マイクロレンズアレイを構成する各レンズは必ずしも2次元平面に沿ってマトリクス状に配置されるものに限定されず、例えばレンチキュラーレンズのように一次元方向に沿って並列する半円柱状レンズにより構成されるマイクロレンズアレイを用い、前記画像表示面における任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線の画像視認位置での互いの平行度を一次元方向においてのみ高くするものでもよい。
1 表示装置
2a 画像表示面
3 マイクロレンズアレイ
3a レンズ
3′ 境界部
3″ シースルー部
2a 画像表示面
3 マイクロレンズアレイ
3a レンズ
3′ 境界部
3″ シースルー部
Claims (4)
- 画像表示用光束を発する画像表示面と、
前記画像表示面に沿って配列されるマイクロレンズアレイとを備え、
前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズは、前記画像表示面における任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線を、画像視認位置で互いの平行度が高くなる方向に偏向する表示装置。 - 前記画像表示面における任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線が、前記マイクロレンズアレイを通過後に画像視認位置で互いに略平行光となるように、前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズの焦点位置が前記画像表示面の近傍に配置される請求項1に記載の表示装置。
- 前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズ相互間に、光を吸収または反射する境界部が設けられている請求項1または2に記載の表示装置。
- 前記画像表示面は光を透過可能とされ、
前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズ相互間に、レンズ作用を奏することなく前記画像表示面を透過する光を透過させるシースルー部が設けられている請求項1〜3の中の何れかに記載の表示装置。
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