JP2006039335A - 投影表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 制限された面積の観察用の瞳を投影する投影表示装置において、観察者自身が自分の眼が制限された瞳領域から外れていることを容易に認識できるようにする。
【解決手段】 表示素子と、開口を有し、表示素子に表示された映像を拡大投影する投影光学系と、投影光学系により投影された像近傍に配置され、投影光学系の開口像を観察用の瞳位置に結像する結像手段１３と、散乱作用を有して各投影光学系の開口像を拡大して観察用の瞳２１_L 、２１_R とする拡散手段１４とを有する表示パネル１５とを備えてなる投影表示装置において、観察用の瞳２１_L 、２１_R に隣接あるいは一部重畳して観察位置ずれ警告用の瞳４１_L 、４１_R を表示パネル１５を介して形成すると共に、表示パネル１５上に観察位置ずれ警告用の表示を投影する観察位置ずれ警告用投影装置３０_L 、３０_R を投影光学系の少なくとも１つに隣接して配置した投影表示装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、投影表示装置に関し、特に、制限された面積の観察用の瞳を投影して明るい投影像観察が可能な投影表示装置に関するものである。

本出願人は、小型簡単な構成で照明効率の良い投影表示装置として、特許文献１、特許文献２、特許文献３等において、単数あるいは複数の表示素子と、開口（射出瞳）を有し、各表示素子に表示された映像を拡大投影する単数あるいは複数の投影光学系と、それら投影光学系により投影された像近傍に配置され、各投影光学系の開口像を観察用の瞳位置に結像するフレネルレンズあるいはフレネルミラーと、散乱作用を有して各投影光学系の開口像を拡大する凹凸拡散面からなる拡散板あるいはホログラム拡散板とを有する表示パネルとを備えてなる２次元投影表示装置、立体投影表示装置、複数の観察者が別々の投影像の観察が可能な投影表示装置等を提案している。これらは、何れも観察者が観察可能な観察用の瞳領域を制限して明るい投影像を観察可能にしたものである。
特開２００３−２０７７４３号公報 特開２００４−１０２２０４号公報 特開２００４−１７７９２０号公報

これら制限された面積の観察用の瞳を投影する投影表示装置においては、観察者の眼がその制限された瞳領域を外れると、明るい正常な投影像の観察ができなくなる。

しかし、特に水平方向においては、観察者の左右の眼の一方が観察用の瞳領域中にある限り、観察者は自分の眼が制限された瞳領域から外れていると認識することは必ずしも容易なことではない。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、制限された面積の観察用の瞳を投影する投影表示装置において、観察者自身が自分の眼が制限された瞳領域から外れていることを容易に認識できるようにして明るい正常な投影像の観察を容易にすることである。

上記目的を達成する本発明の投影表示装置は、単数あるいは複数の表示素子と、開口を有し、各表示素子に表示された映像を拡大投影する単数あるいは複数の投影光学系と、それら投影光学系により投影された像近傍に配置され、各投影光学系の開口像を観察用の瞳位置に結像する結像手段と、散乱作用を有して各投影光学系の開口像を拡大して観察用の瞳とする拡散手段とを有する表示パネルとを備えてなる投影表示装置において、
前記観察用の瞳に隣接あるいは一部重畳して観察位置ずれ警告用の瞳を前記表示パネルを介して形成すると共に、前記表示パネル上に観察位置ずれ警告用の表示を投影する観察位置ずれ警告用投影装置を前記投影光学系の少なくとも１つに隣接して配置したことを特徴とするものである。

この場合に、観察位置ずれ警告用投影装置を投影光学系の少なくとも１つの左右両側に隣接して配置することが望ましい。

また、左右の視差画像を表示する左右の表示素子と、左右の投影光学系とを備え、その左右の投影光学系の左右両側に隣接して２つの観察位置ずれ警告用投影装置を配置して立体投影表示装置を構成することもできる。

なお、結像手段としては、フレネルレンズ又はフレネルミラーを用いることが望ましい。

本発明の投影表示装置においては、観察用の瞳に隣接あるいは一部重畳して観察位置ずれ警告用の瞳を表示パネルを介して形成すると共に、表示パネル上に観察位置ずれ警告用の表示を投影する観察位置ずれ警告用投影装置を投影光学系の少なくとも１つに隣接して配置することにより、観察者自身が自分の眼が制限された観察用の瞳の領域から外れていることを容易に認識できるので、明るい正常な投影像の観察が容易になる。

以下に、本発明の投影表示装置を実施例に基づいて説明する。

まず、図４に本発明を適用する投影表示装置の例として、２つの２次元表示素子１１_L 、１１_R に左右の視差画像を表示し、その２つの２次元視差画像を表示パネル１５上に同時に投影して立体表示を可能にする立体投影表示装置１０の構成を示す。ここで、図４（ａ）は透過型立体投影表示装置の概略構成図、図４（ｂ）は反射型立体投影表示装置の概略構成図である。なお、図４（ｂ）では、便宜上右眼用の構成についてのみ示してあり、左眼用の構成は省略してある。

図４（ａ）、（ｂ）に示す立体投影表示装置１０は、表示素子１１_L 、１１_R と、投影光学系１２_L 、１２_R と、結像光学系１３と、その観察側に密着あるいはわずかに離間して配置れた拡散板１４とを備えて構成されている。結像光学系１３と拡散板１４とで表示パネル１５を構成している。

左右の投影光学系１２_L 、１２_R は、左右の表示素子１１_L 、１１_R に表示された視差画像を観察者側に投影する。このとき、投影された画像が表示パネル１５の同一の表示面に投影するように、両光学系が配置されている。結像光学系１３はその同一の表示面近傍に配置されている。そして、投影光学系１２_L 、１２_R の射出瞳１６_L 、１６_R を観察者側に投影する。観察者は投影された射出瞳像の位置に左右の眼の瞳ＥＬ、ＥＲを一致させることで、表示素子１１_L 、１１_R に表示された画像を観察することができる。拡散板１４は、観察用の瞳を拡大する作用を有している。また、結像光学系１３と拡散板１４は表示面位置に配置されている。

表示面位置は、投影光学系１２_L 、１２_R で投影される表示素子１１_L 、１１_R の画像の結像位置となっている。そして、この結像位置に配置された結像光学系１３としては、透過型立体投影表示装置（図４（ａ））では、フレネルレンズ（凸レンズ）が、反射型立体投影表示装置（図４（ｂ））ではフレネルミラー（凹面鏡）が設けられている。また、拡散板１４としては、例えば、透明基板表面を凹凸の粗面を設けて指向性を持たせた拡散板や、指向性のあるＨＯＥ散乱膜や、フレネルミラーの入射面あるいはフレネルレンズの射出面に形成された指向性の拡散面で構成されている。

フレネルミラー、フレネルレンズは、それぞれ２つの射出瞳１６_L 、１６_R の像を観察者側に結像するようになっている。これらのフレネル面は、表示面位置（あるいはその近傍）に配置されているため、投影された映像の画質は劣化しないで、高い解像力で観察することができる。また、凹面鏡とは異なり、平板状に配置されている。

図５（ａ）は、上記立体投影表示装置１０において、射出瞳像（観察用の瞳）２１_L 、２１_R が拡大される原理を示す説明図である。なお、図５（ａ）では、透過型の立体投影表示装置の構成を用いている。

表示パネル１５の平面状の表示面位置又はその近傍には、結像光学系１３と共に拡散板１４が配置されている。図５（ａ）において、結像光学系１３は、左右の投影光学系１２_L 、１２_R の射出瞳１６_L 、１６_R の径Φ₀ をΦ₀ ’の大きさで、観察者側の所定の位置に射出瞳像として結像する作用を有している。この射出瞳像の位置は、観察者の眼球（瞳）ＥＬ、ＥＲが位置する所である。ここで、拡散板１４は、その拡散作用により、本来Φ₀ ’の大きさで結像されるべき射出瞳１６_L 、１６_R の瞳像（左右の投影光学系１２_L 、１２_R の射出瞳１６_L 、１６_R の像）をΦ₁ の大きさの観察用の瞳２１_L 、２１_R に拡大するようになっている。なお、拡散板１４により拡大された左右の観察用の瞳２１_L 、２１_R は、それぞれが重なり合わないように、その位置と径が設定されている。この拡散板１４による拡散作用は、透過型立体投影表示装置では表示面位置に設けられた拡散板１４を１回だけ透過するので１回だけ作用し、反射型立体投影表示装置（図５では不図示）では表示面位置に設けられた拡散光学系を２回透過するため２回作用する。

図５（ｂ）、（ｃ）に、左右の観察用の瞳２１_L 、２１_R 内の明るさ分布を示す。瞳内の分布のタイプには、図５（ｂ）に示すように均一の場合と、図５（ｃ）に示すようにガウス分布に近い場合がある。何れの場合の構成においても、左右の瞳の重なり合う部分の光強度を十分に小さくして、実質上、重なりがない状況にする。このため、左右の投影装置２０_L 、２０_R の画像を、それぞれ独立した状態で観察者の左右の瞳ＥＬ、ＥＲに提示可能となりメガネなしでの立体観察が可能になる。

このような立体投影表示装置において、本発明に基づいて、観察用の瞳２１_L 、２１_R の外側に観察位置ずれ警告表示を行うようにした表示装置の１実施例の構成を図１に示す。図１は、図４（ａ）の場合と同様に透過型立体投影表示装置として構成した場合の実施例である。この透過型立体投影表示装置において、左右の投影装置２０_L 、２０_R と表示パネル１５の構成及びそれらの配置関係は図４（ａ）と同様であり、左右の投影装置２０_L 、２０_R において、図４（ａ）に示すように、それぞれの投影光学系１２_L 、１２_R は、対応する表示素子１１_L 、１１_R に表示された視差画像を表示パネル１５の同一の表示面に投影する。表示パネル１５の結像光学系１３は、投影光学系１２_L 、１２_R の射出瞳１６_L 、１６_R を観察者側に投影する。表示パネル１５の拡散板１４は、その射出瞳１６_L 、１６_R の瞳像を観察用の瞳２１_L 、２１_R に拡大する。観察者は拡大投影された観察用の瞳２１_L 、２１_R 内に左右の眼の瞳ＥＬ、ＥＲを位置させることで、表示素子１１_L 、１１_R に表示された画像を立体観察することができる。

本発明に基づいて、左の投影装置２０_L の外側（右の投影装置２０_R とは反対側）に別の投影装置３０_L が、右の投影装置２０_R の外側（左の投影装置２０_L とは反対側）にさらに別の投影装置３０_R が配置されている。左右の外側の投影装置３０_L 、３０_R は同一構成で、それぞれ射出瞳３３_L 、３３_R を備えた投影光学系３１_L 、３１_R と表示部３２_L 、３２_R とからなる。表示部３２_L 、３２_R が自家発光しないものも場合は、図示しない照明系を備えている。

そして、左右の外側の投影装置３０_L 、３０_R のそれぞれの射出瞳３３_L 、３３_R は、表示パネル１５の結像光学系１３と拡散板１４の作用により拡大投影され、警告用の瞳４１_L 、４１_R としてそれぞれ観察用の瞳２１_L 、２１_R の外側に隣接あるいは若干オーバラップして形成されるように投影装置３０_L 、３０_R が配置されている。そして、左右の外側の投影装置３０_L 、３０_R の投影光学系３１_L 、３１_R は、それぞれ表示部３２_L 、３２_R に表示されている指標、文字あるいは色の像を表示パネル１５上の視差画像と同一の表示面に投影する。表示部３２_L 、３２_R に表示されている指標、文字あるいは色については後で説明する。

このような構成であるので、観察者の左右の眼の瞳ＥＬ、ＥＲがそれぞれ左右の観察用の瞳２１_L 、２１_R 内に位置している間は、正常な左右の視差画像が観察され正常な立体観察ができる。

いま、観察者の頭が矢印Ａ方向へ外れて右眼ＥＲが右の観察用の瞳２１_R から外れかけると、右眼ＥＲの瞳にはそれに隣接した右警告用の瞳４１_R を経た光が一部入射し、右の外側の投影装置３０_R の表示部３２_R に表示されている指標、文字あるいは色が見えるようになる。ここで、表示部３２_R に、警告文、例えば「左へ寄れ」、あるいは、表示パネル１５上の投影像が左を向く矢印パターン、あるいは、単純に全面赤色を表示すると、観察者の右眼ＥＲがそれら警告文、矢印パターン、赤色等を見ることになるので、頭が矢印Ａ方向の右へ寄りすぎたことを観察者が自己認識でき、正常位置へ戻すことができる。

逆に、観察者の頭が矢印Ｂ方向へ外れて左眼ＥＬが左の観察用の瞳２１_L から外れかけると、左眼ＥＬの瞳にはそれに隣接した左警告用の瞳４１_L を経た光が一部入射し、左の外側の投影装置３０_L の表示部３２_L に表示されている指標、文字あるいは色が見えるようになる。ここで、表示部３２_L に、警告文、例えば「右へ寄れ」、あるいは、表示パネル１５上の投影像が右を向く矢印パターン、あるいは、単純に全面青色を表示すると、観察者の左眼ＥＬがそれら警告文、矢印パターン、青色等を見ることになるので、頭が矢印Ｂ方向の左へ寄りすぎたことを観察者が自己認識でき、正常位置へ戻すことができる。

以上で、観察者の眼が正常位置から外れたことを警告する投影装置３０_L 、３０_R として、表示用の投影装置２０_L 、２０_R の左右両側に設けるもとのしたが、上下方向にも設けるようにして、左右の眼のずれだけでなく、上下方向のずれも警告できるようにしてもよい。

また、以上の実施例では、警告用投影装置３０_L 、３０_R を透過型立体投影表示装置に適用したが、反射型立体投影表示装置に適用することもできる。

さらには、立体投影表示装置でなく、表示用の投影装置が１個しかなく、かつ、形成される観察用の瞳も１個だけの２次元投影表示装置の場合も、同様に表示用の投影装置の左右あるいはそれに加えて上下に投影装置３０_L 、３０_R と同様の警告用投影装置を設けて、同様に観察者の眼が正常位置から外れたことを警告することもできる。

次に、図２に、複数の観察者が別々の投影像の観察が可能な投影表示装置に、本発明に基づいて、それぞれの観察用の瞳２１₁ 、２１₂ の外側に観察位置ずれ警告表示を行うようにした表示装置の実施例の構成を示す。複数の観察者が別々の投影像の観察が可能な投影表示装置自体は、図１の立体投影表示装置に類似している。すなわち、図２に示すように、複数（図の場合は２個）の別々の投影装置２０₁ 、２０₂ と表示パネル１５の構成及びそれらの配置関係は図４（ａ）と同様であり、別々の投影装置２０₁ 、２０₂ において、それぞれの投影光学系１２₁ 、１２₂ は、対応する表示素子１１₁ 、１１₂ に表示された別々の２次元画像を表示パネル１５の同一の表示面に投影する。表示パネル１５の結像光学系１３は、投影光学系１２₁ 、１２₂ の射出瞳１６₁ 、１６₂ を観察者側に投影する。表示パネル１５の拡散板１４は、その射出瞳１６₁ 、１６₂ の瞳像を観察用の瞳２１₁ 、２１₂ に拡大する。別々の観察者Ｍ₁ 、Ｍ₂ はそれぞれ拡大投影された観察用の瞳２１₁ 、２１₂ 内に両眼の瞳を位置させることで、表示素子１１₁ 、１１₂ に表示された相互に別の画像を別々に観察することができる。

そして、本発明に基づいて、一方の投影装置２０₁ の外側（他方の投影装置２０₂ とは反対側）に図１の警告用投影装置３０_R と同様の投影装置３０_R が配置され、その投影光学系３１_R の射出瞳３３_R が表示パネル１５の結像光学系１３と拡散板１４の作用で拡大投影されて形成される警告用の瞳４１_R が、一方の投影装置２０₁ に対する観察用の瞳２１₁ の外側に隣接あるいは若干オーバラップして形成されるようになっている。同様に、他方の投影装置２０₂ の外側（一方の投影装置２０₁ とは反対側）に図１の警告用投影装置３０_L と同様の投影装置３０_L が配置され、その投影光学系３１_L の射出瞳３３_L が表示パネル１５の結像光学系１３と拡散板１４の作用で拡大投影されて形成される警告用の瞳４１_L が、他方の投影装置２０₂ に対する観察用の瞳２１₂ の外側に隣接あるいは若干オーバラップして形成されるようになっている。

さらに、この実施例においては、両方の投影装置２０₁ と２０₂ の間にも、別の警告用投影装置３０_C が配置され、その投影光学系３１_C の射出瞳３３_C が表示パネル１５の結像光学系１３と拡散板１４の作用で拡大投影されて形成される警告用の瞳４１_C が、両方の投影装置２０₁ と２０₂ に対する観察用の瞳２１₁ と２１₂ の間に隣接あるいは若干オーバラップして形成されるようになっている。

そして、図１の実施例と同様に、これら警告用投影装置３０_L 、３０_C 、３０_R の表示部３２_L 、３２_C 、３２_R には上記と同様の指標、文字あるいは色が表示されているので、観察者Ｍ₁ 、Ｍ₂ それぞれが対応する観察用の瞳２１₁ 、２１₂ 内に位置している間は、正常な左右の視差画像が観察され正常な立体観察ができるが、それら観察用の瞳２１₁ 、２１₂ から左右何れかの方向へ外れかけると、その観察者Ｍ₁ 、Ｍ₂ の何れかの眼の瞳にはそれに隣接した警告用の瞳４１_L 、４１_C 、４１_R の何れかを経た光が一部入射し、対応する投影装置３０_L 、３０_C 、３０_R の表示部３２_L 、３２_C 、３２_R に表示されている指標、文字あるいは色が見えるようになる。そのため、観察者Ｍ₁ 、Ｍ₂ それぞれがその観察位置が外れたことを自己認識でき、正常位置へ戻すことができるようになる。

図３は、本発明の投影表示装置を手術用立体顕微鏡の表示装置に適用した場合を模式的に示す図であり、手術用立体顕微鏡５０により患部Ｏを観察しながら手術等を行う。手術用立体顕微鏡５０には、本発明に基づく反射型立体投影表示装置１０’が付属しており、反射型立体投影表示装置１０’の立体表示原理は図４（ｂ）と同様である。そして、その反射型立体投影表示装置１０’の左右の投影装置２０_L 、２０_R の両側に、図１の場合と同様に、警告用投影装置３０_L 、３０_R を配置して、観察者Ｍがその立体観察位置から外れたことを自己認識でき、正常観察位置へ戻って患部Ｏの正しい立体観察ができるようになる。

以上、本発明の投影表示装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

本発明の投影表示装置の１実施例の構成を示す図である。 本発明の投影表示装置の別の実施例の構成を示す図である。 本発明の投影表示装置を手術用立体顕微鏡の表示装置に適用した場合を模式的に示す図である。 本発明を適用する透過型立体投影表示装置（ａ）と反射型立体投影表示装置（ｂ）の概略構成図である。 図４の立体投影表示装置において射出瞳像（観察用の瞳）が拡大される原理を示す説明図である。

符号の説明

１０…立体投影表示装置
１０’…反射型立体投影表示装置（本発明）
１１_L 、１１_R 、１１₁ 、１１₂ …２次元表示素子
１２_L 、１２_R 、１２₁ 、１２₂ …投影光学系
１３…結像光学系
１４…拡散板
１５…表示パネル
１６_L 、１６_R 、１６₁ 、１６₂ …投影光学系の射出瞳
２０_L 、２０_R 、２０₁ 、２０₂ …画像投影装置
２１_L 、２１_R 、２１₁ 、２１₂ …射出瞳像（観察用の瞳）
３０_L 、３０_R 、３０_C …警告用投影装置
３１_L 、３１_R 、３１_C …投影光学系
３２_L 、３２_R 、３２_C …表示部
３３_L 、３３_R 、３３_C …投影光学系の射出瞳
４１_L 、４１_R 、４１_C …警告用の瞳
５０…手術用立体顕微鏡
ＥＬ、ＥＲ…左右の眼の瞳
Ｍ₁ 、Ｍ₂ 、Ｍ…観察者
Ｏ…患部

Claims (4)

1. 単数あるいは複数の表示素子と、開口を有し、各表示素子に表示された映像を拡大投影する単数あるいは複数の投影光学系と、それら投影光学系により投影された像近傍に配置され、各投影光学系の開口像を観察用の瞳位置に結像する結像手段と、散乱作用を有して各投影光学系の開口像を拡大して観察用の瞳とする拡散手段とを有する表示パネルとを備えてなる投影表示装置において、
   前記観察用の瞳に隣接あるいは一部重畳して観察位置ずれ警告用の瞳を前記表示パネルを介して形成すると共に、前記表示パネル上に観察位置ずれ警告用の表示を投影する観察位置ずれ警告用投影装置を前記投影光学系の少なくとも１つに隣接して配置したことを特徴とする投影表示装置。
2. 前記観察位置ずれ警告用投影装置を前記投影光学系の少なくとも１つの左右両側に隣接して配置したことを特徴とする請求項１記載の投影表示装置。
3. 左右の視差画像を表示する左右の表示素子と、左右の投影光学系とを備え、前記左右の投影光学系の左右両側に隣接して２つの前記観察位置ずれ警告用投影装置を配置したことを特徴とする請求項１記載の投影表示装置。
4. 前記結像手段がフレネルレンズ又はフレネルミラーからなることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載の投影表示装置。

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