JP2006154437A - 映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 映像を外界の像に重ねて提供する映像表示装置であって、外界の明るさによらず、映像の観察が容易で眼の疲労を招き難いものを提供する。
【解決手段】 映像表示装置(3)に、映像を表示する液晶表示素子(11)、表示素子(11)に照明光を与える光源(12)、表示素子(11)からの映像光(L1)と外界からの光(L2)を重畳して眼(E)に導くハーフミラー(15)、外界からの光を減弱させる液晶シャッター(16)、光源(12)の発光輝度を制御する制御部(21)、シャッター(16)の透過率を制御する制御部(22)、外界の輝度を検出する検出部(26)、検出部(26)の検出結果に基づいて制御部(21,22)を制御して、提供する映像と外界の像の輝度を調節する連動制御部(23)を備える。連動制御部(23)は、外界の輝度によらず、映像の輝度と外界の像の輝度の差が常に一定になるようにする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、外界を観察可能にして、表示した映像を観察される外界の像に重ねて提供する映像表示装置に関する。

頭部に装着されて、または手で保持されて、眼前にて使用される個人用の映像表示装置が普及しつつある。このような映像表示装置は、小型軽量であることが望ましく、小さな表示素子と、その表示素子に表示した映像の拡大虚像を提供する観察光学系とで構成するのが一般的である。また、映像を表す光を外界からの光に重ねて使用者の眼に導き、映像と共に外界をも観察できるようにして、日常生活での使用に適するようにすることが行われている。

映像と共に外界を観察できるようにした装置では、映像が外界の像に重なるため、外界が映像に比べて明るすぎると、映像の観察が困難になる。これを防止するために、特許文献１では、透過する光の量が可変の液晶シャッターを備えて、外界からの光を減弱させることが提案されている。また、特許文献２では、透過型の液晶表示素子に照明光を供給するバックライト光源の発光輝度を、外界の明るさに応じて調節することが提案されている。
特開平７−６７０５５号公報 特開平１０−１４８８０７号公報

ところが、特許公報１のように、外界からの光を減弱させるのみでは、外界が暗い場合には対応できず、映像が外界に比べて著しく明るくなって眼の疲労を招くという事態が生じ易くなる。また、特許文献２のように、提供する映像の明るさを外界の明るさに応じて調節する方法では、映像を明るくすることには限界があるから、外界が著しく明るい場合には、それに映像の明るさを追随させることができなくなる。また、あまりに映像を明るくしすぎると、眼が疲労し易くなる。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、映像を外界の像に重ねて提供する映像表示装置であって、外界の明るさによらず、映像の観察が容易で眼の疲労を招き難いものを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、映像を外界の像に重ねて観察者に提供する映像表示装置は、映像を表示し、表示した映像を表す光量可変の光を供給する映像表示部と、映像表示部からの映像を表す光と外界からの光を重畳して観察者の眼に導いて、外界の像に重ねて映像を提供するコンバイナと、映像表示部からコンバイナまでの映像を表す光の光路上に位置して、提供する映像を拡大する拡大光学系と、コンバイナに至る外界からの光を減弱させ、光を減弱させる度合いが可変の外界光減弱部と、映像表示部を制御して提供する映像の輝度を調節する映像輝度調節部と、外界光減弱部を制御して外界の像の輝度を調節する外界像輝度調節部と、映像輝度調節部と外界像輝度調節部とを連動して制御する連動制御部を備える構成とする。

この映像表示装置では、外界が暗いときには映像を表す光の量を減少させることにより、また、外界が明るいときには映像を表す光の量を増大させたり、外界からの光を減弱させたりすることにより、映像と外界の像の輝度の差を小さくすることが可能である。したがって、外界の明るさによらず映像を観察し易くすることができ、眼の疲労も防止することができる。さらに、連動制御部を備えたことにより、映像の輝度と外界の像の輝度の調節を的確に行うことが可能であり、また、使用者が映像光量制御部と外界光量制御部とに個別に指示を与える必要がなく、使い勝手もよい。

ここで、映像表示部が、表示した映像によって与えられる照明光を変調することにより映像を表す光を生成する変調型映像表示素子と、変調型映像表示素子に与える照明光を発する照明素子より成り、映像輝度調節部が照明素子の発光輝度を制御して提供する映像の輝度を調節するようにすることができる。

また、映像表示部が映像を表す光を自ら発する自発光型映像表示素子より成り、映像輝度調節部が自発光型映像表示素子の発光輝度を制御して提供する映像の輝度を調節するようにすることも可能である。

外界光減弱部は液晶シャッターで構成することができる。

連動制御部が、提供する映像の輝度が所定輝度に達するまでは、映像輝度調節部を制御して提供する映像の輝度を調節し、提供する映像の輝度が所定輝度に達したときは、外界像輝度調節部を制御して界の像の輝度を調節するようにするとよい。このようにすると、明るすぎる映像により眼が疲労するのを防止することが容易になり、映像表示部の電力消費を抑えることもできる。

また、外界の輝度を検出する外界輝度検出部を備え、連動制御部が、外界輝度検出部によって検出された外界の輝度に基づいて、映像輝度調節部と外界像輝度調節部とを制御するようにするとよい。このようにすると、提供する映像と外界の像の輝度が外界の明るさに応じて自動的に調節されることになり、使用者が指示を与える必要がなくなる。

外界の像の輝度に対する提供する映像の輝度の比が１００分の１以上かつ１００以下になるように、連動制御部が映像輝度調節部と外界像輝度調節部とを制御するようにするとよい。輝度比をこのような範囲に保つことで、映像の観察し易さが確保される。

本発明の映像表示装置では、提供する映像の輝度と外界の像の輝度の双方を調節することができるため、外界の明るさによらず映像を観察し易くすることができ、眼の疲労も防止される。しかも、映像の輝度の調節と外界の像の輝度の調節を連動して行うので、それらの調節を的確に行うことが可能であり、また、輝度の調節のために使用者が与えるべき指示も少なくてすむ。特に、外界の輝度を検出し、検出した輝度に基づいて映像と外界の像の輝度の調節を行う構成では、輝度の調節が自動的になされて、一層使い勝手のよい装置となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の映像表示装置１の構成を図１に模式的に示す。映像表示装置１は、液晶表示素子１１、光源１２、集光レンズ１３、接眼光学系１４、ハーフミラー１５、および液晶シャッター１６を備えている。

液晶表示素子１１は、映像信号に基づいて映像を表示して、与えられる照明光を表示した映像によって変調することにより映像を表す光とする変調型の映像表示素子である。ここでは、液晶表示素子１１として、照明光を透過させつつ変調する透過型のものを採用している。

光源１２は発光ダイオードより成り、液晶表示素子１１に与える照明光を発する。集光レンズ１３は、光源１２からの照明光を略平行光束として液晶表示素子１１に導く。接眼光学系１４はレンズより成り、液晶表示素子１１からの映像を表す光Ｌ１を使用者（観察者）の眼Ｅに導いて、液晶表示素子１１が表示した映像の拡大虚像を提供する。

ハーフミラー１５は、接眼光学系１４を経た液晶表示素子１１からの映像を表す光Ｌ１を反射して眼Ｅに導くとともに、外界からの光Ｌ２を透過させて眼Ｅに導く。ハーフミラー１５は、映像を表す光（以下、映像光という）Ｌ１と外界からの光（以下、外界光という）Ｌ２を重畳するコンバイナとして機能し、観察者の眼Ｅには、外界の像に重ねて映像が提供される。

なお、ここでは液晶表示素子１１を透過型としているが、照明光を反射しつつ変調する反射型を採用することも可能である。また、ここでは接眼光学系１４としてレンズを採用しているが、レンズ以外の光学的パワーを有する素子、例えば凹面ミラー、回折格子等を用いて接眼光学系を構成してもよい。

提供する映像はモノクロームとすることも、カラーとすることも可能である。モノクロームの映像を提供する場合は、光源１２として単色光を発する発光ダイオードを用いればよい。カラーの映像を提供する場合は、光源１２としてそれぞれ赤色光、緑色光、青色光を発する３種の発光ダイオードを用いるとともに、液晶表示素子１１の各画素に赤色光、緑色光、青色光を選択的に透過させるカラーフィルターを備えればよい。

液晶シャッター１６は外界光Ｌ２を透過させて、ハーフミラー１５に導く。液晶シャッター１６の透過率は、印加電圧に依存し、印加電圧を変えることで調節することができる。液晶シャッター１６としては、偏光板とＴＮ液晶や強誘電液晶を組み合わせたもの、あるいはゲストホスト液晶等を用いることができる。

映像表示装置１はこのほか、光源輝度制御部２１、シャッター制御部２２、連動制御部２３および操作部２４を備えている。光源輝度制御部２１は、光源１２の発光輝度を制御する。眼Ｅに提供する映像の輝度は、映像光Ｌ１の量に依存し、映像光の量は液晶表示素子１１に与える照明光の量に依存するから、光源輝度制御部２１が光源１２の発光輝度を制御することで、映像の輝度を調節することができる。

シャッター制御部２２は、液晶シャッター１６の印加電圧の制御を介して液晶シャッター１６の透過率を制御する。外界の像の輝度は、液晶シャッター１６を透過する外界光Ｌ２の量に依存するから、シャッター制御部２２が液晶シャッター１６の透過率を制御することで、外界の像の輝度を調節することができる。

連動制御部２３は、光源輝度制御部２１とシャッター制御部２２とを連動して制御して、提供する映像と外界の像の輝度を調節する。操作部２４は、使用者によって操作されるダイヤル式またはスライド式の操作部材を含み、操作部材の操作量（回転量または移動量）を連動制御部２３に伝達する。連動制御部２３は、操作部材の操作量に応じて提供する映像の輝度を設定する。したがって、使用者は、操作部２４を介して、映像の輝度を指定することができる。

使用者は、提供される映像の輝度と外界の像の輝度の差が大きいときには、操作部２４を操作して、映像の輝度を変えて、輝度差を小さくすることができる。これにより、外界が暗いときでも明るいときでも、映像を観察することが容易になり、また、眼の疲労も招き難くなる。

ただし、外界がきわめて明るいとき、それに応じて映像の輝度を高めると、映像は観察し易くなるものの、眼は疲労し易くなる。これを防止するために、連動制御部２３は、提供する映像の輝度に上限を設けておき、操作部２４の操作により上限値を超える輝度が指定されたときは、映像の輝度を上限値に保ったまま、液晶シャッター１６の透過率を低下させて、外界の像の輝度を低下させる。これで、映像と外界の像の輝度差が小さくなって、映像の観察が容易になり、眼の疲労も防止される。

使用者によって指定された映像の輝度と、液晶シャッター１６の透過率と、提供する映像および外界の像の輝度の関係を図２に模式的に示す。図２において、線Ｔが液晶シャッター１６の透過率、線Ｂ１が映像の輝度、線Ｂ２が外界の像の輝度である。使用者は、映像と外界の像の双方が観察し易くなるように映像の輝度を指定するから、外界の像の輝度Ｂ２があまり高くないときは、外界の像の輝度Ｂ２が高くなるにつれて映像の輝度Ｂ１も高くなる。この状況では、連動制御部２３は、液晶シャッター１６の透過率Ｔを最大にしておく。

映像の輝度Ｂ１が上限値に達しても映像が観察し難いとき、使用者は、操作部２４を介してより高い映像の輝度Ｂ１を指定するが、連動制御部２３は、映像の輝度Ｂ１を上限値に保ったままで、液晶シャッター１６の透過率Ｔを低下させる。使用者は、外界の像の輝度Ｂ２が低下して映像の輝度Ｂ１との差が小さくなり、映像の観察が容易になった時点で映像の輝度の指定をやめる。したがって、外界がきわめて明るいときには、映像の輝度Ｂ１と外界の像の輝度Ｂ２はそれぞれ概ね一定に保たれる。

つまり、連動制御部２３は、使用者によって指定された映像の輝度Ｂ１が上限値以下のとき（外界があまり明るくないとき）には、液晶シャッター１６の透過率Ｔを一定に保って映像の輝度Ｂ１を調節する制御を行い、使用者によって指定された映像の輝度Ｂ１が上限値を超える（外界がきわめて明るいとき）には、映像の輝度Ｂ１を一定に保って液晶シャッター１６の透過率Ｔを調節する制御を行う。

眼の疲労を抑える観点からは、映像の輝度は５０〜１００ｃｄ／ｍ²と範囲にとどめるのが好ましく、最高でも２００ｃｄ／ｍ²程度とするのが好ましい。そこで、本実施形態の映像表示装置１では、映像の輝度の上限値を２００ｃｄ／ｍ²程度にしている。また、液晶シャッター１６の透過率の可変範囲を０から１までとしており、外界の像の輝度はいくらでも下げることが可能である。これで、外界の像の輝度が２００ｃｄ／ｍ²程度以下の比較的暗い室内から、外界の像の輝度が２０００ｃｄ／ｍ²を超えるきわめて明るい晴天時の屋外まで対応することができる。

第２の実施形態の映像表示装置２の構成を図３に模式的に示す。映像表示装置２は、上記の映像表示装置１を修飾して、液晶表示素子１１に代えてＥＬ（エレクトロルミネセンス）表示素子１７を備えるとともに、光源輝度制御部２１に代えて表示輝度制御部２５を備えたものである。他の構成は映像表示装置１と同様である。

ＥＬ表示素子１１は、映像を表す光を自ら発する自発光型の映像表示素子である。表示輝度制御部２５は、ＥＬ表示素子１１の発光輝度を制御して、眼Ｅに提供する映像の輝度を調節する。連動制御部２３は、シャッター制御部２２と表示輝度制御部２５とを連動して制御して、提供する映像と外界の像の輝度を調節する。連動制御部２３による映像と外界の像の輝度の調節の方法は、第１の実施形態で述べたとおりである。

第３の実施形態の映像表示装置３の構成を図４に模式的に示す。映像表示装置３は、第１の実施形態の映像表示装置１を修飾して、操作部２４に代えて外界輝度検出部２６を備えたものである。

外界輝度検出部２６は外界の輝度を検出して、検出結果を連動制御部２３に出力する。連動制御部２３は、外界輝度検出部２６が検出した外界の輝度に基づいて、光源輝度制御部２１とシャッター制御部２２とを制御して、提供する映像と外界の像の輝度を調節する。

検出された外界の輝度と、液晶シャッター１６の透過率と、提供する映像および外界の像の輝度の関係を図５に模式的に示す。図５において、線Ｔが液晶シャッター１６の透過率、線Ｂ１が映像の輝度、線Ｂ２が外界の像の輝度である。連動制御部２３は、検出された外界の輝度から、ハーフミラー１５を介して提供する外界の像の輝度を求め、外界の像の輝度に応じて提供する映像の輝度を設定する。その際、連動制御部２３は、映像の輝度と外界の像の輝度の差が常に一定になるようにする。

ただし、前述のように、提供する映像の輝度に上限を設けておき、検出された外界の輝度に対応する映像の輝度が上限値を超える場合は、映像の輝度を上限値に保ったまま、液晶シャッター１６の透過率を低下させて、外界の像の輝度を低下させる。映像表示装置３でも提供する映像の輝度の上限値は２００ｃｄ／ｍ²程度である。

映像表示装置３では、提供する映像と外界の像の輝度が自動的に設定されるため、輝度の設定に関して使用者は何も操作を行う必要がない。したがって、映像が観察し易く、眼の疲労が防止される上に、一層使い勝手のよい装置となる。なお、外界輝度検出部２６を備えて、その検出結果に基づいて映像と外界の像の輝度を調整することは、第２の実施形態の映像表示装置２のように、自発光型の映像表示素子を採用する構成にも適用することができる。

第４の実施形態の映像表示装置４の光学構成を図６に模式的に示す。映像表示装置４は、透過型の液晶表示素子１１、光源１２、集光レンズ１３、液晶シャッター１６を有する。これらの構成および機能は第１の実施形態の映像表示装置１と同様である。

映像表示装置４は、このほか、２つの透明板１８ａ、１８ｂと体積位相型のホログラフィック素子１９を備えている。透明板１８ａ、１８ｂは同じ材料で作成されており、両者の屈折率は等しい。透明板１８ａの前面（眼Ｅから遠い方の表面）は、上端部と下端部を除いて後面と平行である。透明板１８ａの前面の下端部は、下端に近いほど後面に近づく傾斜面とされており、透明板１８ａの下端部はくさび状となっている。また、透明板１８ａの前面の上端部は他の部位よりも前方に突出している。

ホログラフィック素子１９は、透明板１８ａの傾斜面に貼り付けられている。透明板１８ｂは、ホログラフィック素子１９を間に挟んで、透明板１８ａの傾斜面に接合されている。透明板１８ａの上端部を除く部位と透明板１８ｂとは、単一の平行平板を構成している。

液晶表示素子１１、光源１２および集光レンズ１３は筐体１０に収容されており、筐体１０は透明板１８ａの上端部に取り付けられている。

液晶表示素子１１からの映像光Ｌ１は、透明板１８ａの上端面から透明板１８ａの内部に入る。透明板１８ａの前面および後面に対する映像光Ｌ１の入射角は臨界角を超えるように設定されており、透明板１８ａの内部に入った映像光Ｌ１は、前面と後面で全反射されながら下端に向かって進み、ホログラフィック素子１９に達する。

ホログラフィック素子１９は、映像光Ｌ１を回折反射して眼Ｅに導いて、映像の拡大虚像を提供するように設定されている。すなわち、映像表示装置４においては、ホログラフィック素子１９が接眼光学系１４を成している。ホログラフィック素子１９の光学的パワーは非軸対称であり、収差の少ない良好な映像を提供することができる。

一般にホログラフィック素子は、波長選択性が高く、１０〜２０ｎｍ程度の波長幅の光のみに回折を生じさせ、他の波長の光には作用しないから、外界光Ｌ２はほとんど全てホログラフィック素子１９を透過して、眼Ｅに達する。したがって、ホログラフィック素子１９を介して外界を観察することが可能であり、映像は外界の像に重なって観察される。ホログラフィック素子１９はコンバイナとしても機能することになる。

映像表示装置４は、第１の実施形態の映像表示装置１（図１参照）と同様に、光源１２の発光輝度を制御する光源輝度制御部２１、液晶シャッター１６の透過率を制御するシャッター制御部２２、光源輝度制御部２１とシャッター制御部２２を制御して提供する映像と外界の像の輝度を調節する連動制御部２３、映像の輝度の指定のために使用者によって操作される操作部２４を備えている。連動制御部２３による映像と外界の像の輝度の調節の方法は、第１の実施形態と同様である。

第５の実施形態の映像表示装置５の光学構成を図７に模式的に示す。映像表示装置５は、上記の映像表示装置４を修飾して、透明板１８ｂの下端面に光センサー２７を備えるとともに、ホログラフィック素子１９が外界光Ｌ２のうち映像に重なる部位の一部を反射するようにしたものである。ホログラフィック素子１９によって反射された外界光Ｌ２は、透明板１８ｂの前面と後面で全反射されながら下端に向かって進み、光センサー２７に達する。光センサー２７は、液晶表示素子１１による映像の表示がオフになる期間に動作するよう制御され、外界光Ｌ２のみを検出する。

映像表示装置５は、操作部２４に代えて外界輝度検出部２６（図４参照）を備えており、映像表示装置５における映像と外界の像の輝度を調節するための構成は、第３の実施形態の映像表示装置３のものと同様である。光センサー２７は受光量を表す信号を外界輝度検出部２６に出力し、外界輝度検出部２６は光センサー２７の出力に基づいて外界の輝度を検出する。連動制御部２３による映像と外界の像の輝度の調節の方法は、第３の実施形態と同様である。

なお、第３の実施形態および本実施形態の映像表示装置３、５では、提供する映像の輝度と外界の像の輝度の差を一定にするようにしているが、両像の輝度差を必ずしも一定にする必要はない。一般に、重なり合った２つの像の輝度比が１００：１程度以下であれば、両像共に良好に観察することができる。したがって、外界の像の輝度に対する映像の輝度の比を１／１００から１００までの範囲に設定すればよい。使用者が映像の輝度を指定する第１、第２、第４の実施形態の映像表示装置１、２、４では、映像と外界の輝度の比は概ねこの範囲内に収まることになる。

第１の実施形態の映像表示装置の構成を模式的に示す図。 第１の実施形態の映像表示装置における使用者によって指定された映像の輝度と、液晶シャッターの透過率と、提供する映像および外界の像の輝度の関係を模式的に示す図。 第２の実施形態の映像表示装置の構成を模式的に示す図。 第３の実施形態の映像表示装置の構成を模式的に示す図。 第３の実施形態の映像表示装置における検出された外界の輝度と、液晶シャッターの透過率と、提供する映像および外界の像の輝度の関係を模式的に示す図。 第４の実施形態の映像表示装置の光学構成を模式的に示す図。 第５の実施形態の映像表示装置の光学構成を模式的に示す図。

符号の説明

１〜５ 映像表示装置
１１ 液晶表示素子
１２ 光源
１３ 集光レンズ
１４ 接眼光学系
１５ ハーフミラー
１６ 液晶シャッター
１７ ＥＬ表示素子
１８ａ、１８ｂ 透明板
１９ ホログラフィック素子
２１ 光源輝度制御部
２２ シャッター制御部
２３ 連動制御部
２４ 操作部
２５ 表示輝度制御部
２６ 外界輝度検出部
２７ 光センサー

Claims (7)

1. 映像を外界の像に重ねて観察者に提供する映像表示装置であって、
   映像を表示し、表示した映像を表す光量可変の光を供給する映像表示部と、
   映像表示部からの映像を表す光と外界からの光を重畳して観察者の眼に導いて、外界の像に重ねて映像を提供するコンバイナと、
   映像表示部からコンバイナまでの映像を表す光の光路上に位置して、提供する映像を拡大する拡大光学系と、
   コンバイナに至る外界からの光を減弱させ、光を減弱させる度合いが可変の外界光減弱部と、
   映像表示部を制御して提供する映像の輝度を調節する映像輝度調節部と、
   外界光減弱部を制御して外界の像の輝度を調節する外界像輝度調節部と、
   映像輝度調節部と外界像輝度調節部とを連動して制御する連動制御部
   を備えることを特徴とする映像表示装置。
2. 映像表示部が、表示した映像によって与えられる照明光を変調することにより映像を表す光を生成する変調型映像表示素子と、変調型映像表示素子に与える照明光を発する照明素子より成り、
   映像輝度調節部が照明素子の発光輝度を制御して提供する映像の輝度を調節することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
3. 映像表示部が映像を表す光を自ら発する自発光型映像表示素子より成り、
   映像輝度調節部が自発光型映像表示素子の発光輝度を制御して提供する映像の輝度を調節することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
4. 外界光減弱部が液晶シャッターから成ることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
5. 連動制御部が、提供する映像の輝度が所定輝度に達するまでは、映像輝度調節部を制御して提供する映像の輝度を調節し、提供する映像の輝度が所定輝度に達したときは、外界像輝度調節部を制御して外界の像の輝度を調節することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
6. 外界の輝度を検出する外界輝度検出部を備え、
   連動制御部が、外界輝度検出部によって検出された外界の輝度に基づいて、映像輝度調節部と外界像輝度調節部とを制御することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
7. 外界の像の輝度に対する提供する映像の輝度の比が１００分の１以上かつ１００以下になるように、連動制御部が映像輝度調節部と外界像輝度調節部とを制御することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。

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