JP2007298588A

JP2007298588A - 表示装置

Info

Publication number: JP2007298588A
Application number: JP2006124736A
Authority: JP
Inventors: Masato Tanaka; 真人田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2026-04-28
Also published as: JP4940747B2

Abstract

【課題】製造が容易で、サイズが小さいまま、光学性能を満足させつつ視野角を大きくすることができる表示装置を提供する。
【解決手段】観察者の眼の前方に配置される第１光学素子１１と、第１光学素子１１の前方に空間を介して配置される第２光学素子１２とを有する接眼光学系３と、第１光学素子１１に向けて画像表示光を前後方向に対して斜め方向から出射する出射機構２とを備え、画像表示光Ｌは、第１光学素子１１で第２光学素子１２に向かうように反射され、さらに、第２光学素子１２で第１光学素子１１に向かうように反射された後、第１光学素子１１を透過することにより、観察者の眼Ｅに導かれる表示装置１であって、接眼光学系３は、出射機構２と第１光学素子１１との間に、くさび形状である第３光学素子１３を備え、画像表示光Ｌは、第３光学素子１３を透過することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、腰のベルトや装身具等を介して身体に纏うウエアラブルコンピュータや、ナップサックやポケットに入れて携帯できる携帯電話器等の通信機器のような、卓上以外の環境で利用可能な情報機器のためのモニタに適した表示装置に関する。

身体に纏う形態の情報機器用の表示器としては、頭部に装着する形態が主流である。図５は、観察者の頭部に装着される従来の表示装置１００を示す図である。表示装置１００において、表示器１０１から出射される画像表示光Ｌは、ハーフミラー等により構成されるコンバイナ１０２の反射面１０２ａで反射されることにより、観察者の眼Ｅに導かれる。これにより、観察者は、観察対象の虚像を視認できるとともに、コンバイナ１０２を透過する光により前方実在物も視認できる。

また、図６は、観察者の頭部に装着される従来の表示装置２００を示す図である。表示装置２００において、表示器２０１から出射される画像表示光Ｌは、プリズムにより構成されるビームスプリッタ２０２を透過した後に、ミラー２０３の反射面２０３ａで反射され、その後、ビームスプリッタ２０２の反射面２０２ａで反射されることにより、観察者の眼Ｅに導かれる。これにより、観察者は観察対象の虚像を視認できるとともに、ビームスプリッタ２０２を透過する光により前方実在物も視認できる。なお、ビームスプリッタ２０２の反射面２０２ａは平坦面とされるとともに、ミラー２０３の反射面２０３ａは回転対称球面とされ、ミラー２０３の反射面２０３ａの中心軸に沿って入射した光は、その中心軸に沿って反射される。

また、図７は、観察者の頭部に装着される従来の表示装置３００を示す図である。表示装置３００において、表示器３０１から出射される画像表示光Ｌは、ハーフミラー等により構成される第１コンバイナ３０２の反射面３０２ａで反射された後に、ハーフミラー等により構成される第２コンバイナ３０３の反射面３０３ａで反射され、その後、第１コンバイナ３０２を透過することにより、観察者の眼Ｅに導かれる。これにより、観察者は観察対象の虚像を視認できるとともに、第１コンバイナ３０２及び第２コンバイナ３０３を透過する光により前方実在物も視認できる。なお、第１コンバイナ３０２の反射面３０２ａは平坦面とされるとともに、第２コンバイナ３０３の反射面３０３ａは回転対称球面とされ、第２コンバイナ３０３の反射面３０３ａの中心軸に沿って入射した光は、その中心軸に沿って反射される。

しかしながら、表示装置１００では、視野角を大きくすると、観察対象の虚像のぼけや歪みが大きくなるので、光学性能を充分に満足させることができなかった。
また、表示装置２００では、光学性能を満足させつつ視野角を大きくすると、サイズが大きくなるので、重量が増加するため、眼前に配置するには困難であった。
また、表示装置３００では、光学性能を満足させつつ視野角を大きくすると、サイズが大きくなり前方に大きく突出するため、眼前に配置するには好ましくなかった。

そこで、サイズが小さいまま、光学性能を満足させつつ視野角を大きくすることができる表示装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。図８は、観察者の頭部に装着される従来の表示装置４００を示す図である。表示装置４００において、出射機構４０１から出射される画像表示光Ｌは、ハーフミラー等により構成される第１コンバイナ４０２の反射面４０２ａで反射された後に、ハーフミラー等により構成される第２コンバイナ４０３の反射面４０３ａで反射され、その後、第１コンバイナ４０２を透過することにより、観察者の眼Ｅに導かれる。これにより、観察者は観察対象の虚像を視認できるとともに、第１コンバイナ４０２及び第２コンバイナ４０３を透過する光により前方実在物も視認できる。なお、第１コンバイナ４０２の反射面４０２ａ及び第２コンバイナ４０３の反射面４０３ａは自由曲面とされている。
特開２００１−１８８１９４号公報

しかしながら、表示装置４００では、光学性能を満足させつつ視野角を大きくすることができるようにするためには、第１コンバイナ４０２の反射面４０２ａ及び第２コンバイナ４０３の反射面４０３ａを自由曲面としなければならないため、第１コンバイナ４０２の反射面４０２ａ及び第２コンバイナ４０３の反射面４０３ａの製造が困難であった。

そこで、本発明は、製造が容易で、サイズが小さいまま、光学性能を満足させつつ視野角を大きくすることができる表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の表示装置は、観察者の眼の前方に配置される第１光学素子と、当該第１光学素子の前方に空間を介して配置される第２光学素子とを有する接眼光学系と、前記第１光学素子に向けて画像表示光を前後方向に対して斜め方向から出射する出射機構とを備え、前記画像表示光は、前記第１光学素子で第２光学素子に向かうように反射され、さらに、前記第２光学素子で第１光学素子に向かうように反射された後、前記第１光学素子を透過することにより、観察者の眼に導かれる表示装置であって、前記接眼光学系は、前記出射機構と第１光学素子との間に、くさび形状である第３光学素子を備え、前記画像表示光は、前記第３光学素子を透過するようにしている。

本発明の表示装置によれば、画像表示光は、第３光学素子を透過し、その後、第１光学素子で第２光学素子に向かうように反射され、さらに、第２光学素子で第１光学素子に向かうように反射された後、第１光学素子を透過することにより、観察者の眼に導かれる。これにより、観察者は観察対象の虚像を視認できる。
このとき、画像表示光は、斜め方向から第１光学素子に向かうように出射されることにより、出射機構から第１光学素子までの距離が出射機構の出射面上の各点で異なるため、第１光学素子の各点での画像表示光の拡散（拡がり）の程度が異なるようになる。すなわち出射機構から第１光学素子までの距離が長いほど、画像表示光の拡散（拡がり）が大きくなる。この拡散（拡がり）に対し、画像表示光がくさび形の第３光学素子を透過させることにより拡散（拡がり）を調整し、光学性能を向上させているので、観察対象の虚像のぼけや歪みを小さくしたり、接眼光学系を設計する上での自由度を大きくしたりすることができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記の発明において、前記出射機構は、前記第１光学素子に向けて画像表示光を上方から出射し、前記第３光学素子の上下方向の厚さは、前記第１光学素子側より第２光学素子側が厚くなるようにしてもよい。
本発明によれば、画像表示光は、上方から第１光学素子に向かうように出射されることにより、出射機構から第１光学素子までの距離が各点で異なるため、第１光学素子の各点での画像表示光の拡散（拡がり）の程度が異なるが、上下方向の厚さが第１光学素子側より第２光学素子側が厚くなる第３光学素子で画像表示光を透過させることにより、第２光学素子側を透過する画像表示光は拡散の程度を調整されるので、観察対象の虚像のぼけや歪みを小さくしたり、接眼光学系を設計する上での自由度を大きくしたりすることができる。
なお、第３光学素子の上下方向の厚さとは、第３光学素子を透過する画像表示光の進行方向のことをいう。よって、画像表示光は、第３光学素子の上面から入射し、第３光学素子の下面から出射することになる。
そして、上記の発明において、前記第１光学素子における観察者側の反対面、及び/又は、前記第２光学素子における観察者側の面は、自由曲面でないようにしてもよい。
本発明によれば、光学性能を向上させているので、接眼光学系を設計する上で自由曲面を使用しなくても、観察対象の虚像のぼけや歪みを軽減できる。よって、第１光学素子及び第２光学素子の製造が容易になり、歩留まりも向上する。

さらに、上記の発明において、前記第１光学素子における観察者側の反対面、及び/又は、前記第２光学素子における観察者側の面は、軸はずし回転対称非球面であるようにしてもよい。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

図１は、本発明の一実施形態である表示装置の概略構成を示す図である。表示装置１は、ケーシング（図示省略）により覆われる出射機構２及び接眼光学系３を備える。なお、表示装置１は、観察者の頭部や腕等の身体や、身体に装着されるヘルメットや眼鏡等に、ヘッドセット、ベルト、バンド、クリップ等を介して装着されたり、携帯電話や腕時計等の各種携帯機器に装着されたり、手に持った状態で使用されたりするものである。

出射機構２は、接眼光学系３の上方に配置される光源２１、反射型液晶表示器２２及び第４光学素子３３を備える。

第４光学素子３３は、光源２１と反射型表示器２２とに対向する第３光路変更面３３ａを有する。第４光学素子３３は、例えば、ハーフミラーやホログラム素子により構成されるコンバイナである。よって、第４光学素子３３は、入射光を反射させるとともに、透過させるビームスプリット機能を有する。なお、第４光学素子３３は、厚さが均一な板状体であり、第３光路変更面３３ａを平坦面としている。

ここで、出射機構２が接眼光学系３に画像表示光Ｌを出射する仕組みについて説明する。まず、光源２１は、第３光路変更面３３ａに向かって光Ｌ′を出射する。次に、光源２１から第３光路変更面３３ａに至った光Ｌ′は、第３光路変更面３３ａで反射型液晶表示器２２に向かうように反射される。さらに、反射型液晶表示器２２に至った光Ｌ′は、画像表示光Ｌとなり、第３光路変更面３３ａに向かうように反射される。その後、第３光路変更面３３ａに至った画像表示光Ｌは、第４光学素子３３を透過することにより、後述する第３光学素子１３に導かれる。すなわち、出射機構２は、第３光学素子１３に向かって画像表示光Ｌを出射する。

接眼光学系３は、観察者の眼Ｅの前方に配置される第１光学素子１１と、第１光学素子１１の前方に空間４を介して配置される第２光学素子１２と、出射機構２と第１光学素子１１との間に配置される第３光学素子１３とを有する。第１光学素子１１と第２光学素子１２とは、例えば、それぞれハーフミラーやホログラム素子により構成されるコンバイナである。よって、第１光学素子１１及び第２光学素子１２は、入射光を反射させるとともに、透過させるビームスプリット機能を有する。

ここで、第１光学素子１１の観察者側の反対面を、第１光路変更面１１ａとし、第１光学素子１１の観察者側の面を、第１通過面１１ｂとする。また、第２光学素子１２の観察者側の面を、第２光路変更面１２ａとし、第２光学素子１２の観察者側の反対面を第２通過面１２ｂとする。なお、第１光路変更面１１ａと第２光路変更面１２ａとの間は、空間４となる。

第１光路変更面１１ａは、入射光を発散させる凸曲面形状であるとともに、第２光路変更面１２ａは、入射光を収束させる凹曲面形状である。なお、第１光路変更面１１ａ、第２光路変更面１２ａ、第１通過面１１ｂ及び第２通過面１２ｂは、例えば、軸はずし回転対称非球面である。

上記軸はずし回転対称非球面は、ｘｙｚ座標空間において下記の数式（１）で示す形状関数により特定される非球面において、その非球面の回転対称軸から偏心した中心を有する面で表される。ここで、数式（１）において、ρ^２＝ｘ^２＋ｙ^２、ｃ＝１／Ｒである。なお、数式（１）は、２次曲面係数Ｋと非球面係数αｉ（ｉ＝１〜ｎ）とが０であるときに、球面を表し、その球面の半径がＲとなる。よって、非球面とは、数式（１）において、少なくとも一つの非球面係数αｉが０でないことをいう。

なお、軸はずし回転対称非球面を定義する曲率ｃ、２次曲面係数Ｋ及び非球面係数αｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、出射機構２における実像に対する観察対象の虚像の倍率、出射機構２から観察者の眼Ｅまでの光路長等に応じて、虚像を観察者の前遠方位置に明瞭に形成できるように決定される。

また、第１光学素子１１及び第２光学素子１２は、厚さが均一な板状体である。第１光学素子１１は、例えば、第１光路変更面１１ａと第１通過面１１ｂとを互いに同じ形状とされることで、厚さを均一にされる。一方、第２光学素子１２も、例えば、第２光路変更面１２ａと第１通過面１２ｂとを互いに同じ形状とされることで、厚さを均一にされる。

第３光学素子１３は、くさび型プリズムである。このくさび型プリズムは実質的に光の入射面と出射面との関係が実質的にくさび型形状になっていればよく、出射面は必ずしも平面である必要はなく、シリンダ面、トーリック面などであってもよい。ここでは、第３光学素子１３の出射機構２側の面を、入射面１３ａとし、一方、第３光学素子１３の出射機構２側の反対面を、出射面１３ｂとする。入射面１３ａは、平坦面形状であるとともに、出射面１３ｂは、シリンダ面形状である。
第３光学素子１３の上下方向の厚さは、第１光学素子１１側より第２光学素子１２側が厚くなっている。よって、第２光学素子１２側を透過する画像表示光Ｌは、拡散の程度を抑制されることにより、第１光路変更面１１ａでの拡散の程度を調整されている。

上記シリンダ面形状とは、円筒を縦軸に平行に切った形のカマボコ型の凸部形状、又は、カマボコ型の凹みをもった凹部形状のことをいう。よって、シリンダ面形状では、一方の断面形状の曲率が０となり、つまり平面となるとともに、その平面に直交する断面形状が円形状、双曲線形状、放物線形状又は楕円形状となる。なお、上記シリンダ面形状は、ｘｙｚ座標空間において下記の数式（２）で示す形状関数により特定される面で表される。ここで、数式（２）において、ｃ_ｙ＝１／Ｒである。
Ｚ＝ｃ_ｙｙ^２／（１＋｛１−（１＋Ｋ）ｃ_ｙ ^２ｙ^２｝^１／２）・・（２）

なお、シリンダ面形状を定義する曲率ｃ_ｙは、出射機構２における実像に対する観察対象の虚像の倍率、出射機構２から観察者の眼Ｅまでの光路長等に応じて、虚像を観察者の前遠方位置に明瞭に形成できるように決定される。

ここで、接眼光学系３が画像表示光Ｌを観察者の眼に導く仕組みについて説明する。図２は、光路図である。まず、出射機構２から出射された画像表示光Ｌが、第３光学素子１３を透過する。その後、第１光路変更面１１ａに至った画像表示光Ｌは、第１光路変更面１１ａで第２光路変更面１２ａに向かうように反射される。さらに、第２光路変更面１２ａに至った画像表示光Ｌは、第２光路変更面１２ａで第１光路変更面１１ａに向かうように反射される。そして、第１光学素子１１に至った画像表示光Ｌは、第１光学素子１１を透過することにより、観察者の眼Ｅに導かれる。よって、接眼光学系３は、画像表示光Ｌを観察者の眼Ｅに導くことで、観察対象の虚像を形成する。

以上のように、表示装置１によれば、観察者は観察対象の虚像を視認できる。このとき、上方から出射された画像表示光Ｌを、上下方向に厚さが異なる第３光学素子１３で透過することにより、第１光路変更面１１ａでの画像表示光Ｌの拡散の程度を調整しているので、第１光路変更面１１ａ及び第２光路変更面１２ａを自由曲面としなくて、軸はずし回転対称非球面としても、観察対象の虚像のぼけや歪みを軽減できる。よって、第１光路変更面１１ａ及び第２光路変更面１２ａの製造が容易になる。

また、第１光路変更面１１ａを、入射光を発散させる凸曲面形状とするとともに、第２光路変更面１２ａを、入射光を収束させる凹曲面形状としているので、視野角を大きくすることができる。そして、第１光学素子１１と第２光学素子１２との間に空間４が介在するので、重量を軽減できる。さらに、反射型液晶表示器２２を用いてコンパクトな構成で画像表示光Ｌを出射できる。
また、第１光学素子１１及び第２光学素子１２はビームスプリット機能を有するので、接眼光学系３の前方からの光が第１光学素子１１及び第２光学素子１２を透過することにより、観察者は前方実在物を視認できる。

上記第１光学素子、第２光学素子及び第３光学素子を形成する材料としては、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメタクリル酸（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィン、硝材等が挙げられる。

上記光源は、面光源、点光源等を問わない。点光源を使用する場合は、光源と第４光学素子との間に、拡散板、輝度向上用プリズムシート、フレネルレンズ、マイクロレンズ等を配置してもよい。上記反射型液晶表示器は、カラーフィルタを内蔵することでカラー画像を形成するものであってもよく、カラーフィルタのないモノクロ画像を形成するものであってもよい。
また、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色光を時分割発光する光源と、フィールドシーケンシャル駆動されてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）用のモノクロ画像を時分割に形成する反射型液晶表示器とを組み合わせることにより、観察対象の虚像をカラー表示してもよい。
また、上記出射機構としては、画像表示光を直接に出射するバックライト付液晶表示器等の透過型表示器が用いられてもよいし、自発光型表示器が用いられてもよい。
上記第四光学素子は、キューブ型ビームスプリッタが用いられてもよい。なお、ビーム型ビームスプリッタとは、例えば、プリズムを２つ貼り合せ、キューブ形状とし、その貼り合せ部にビームスプリッタ機能を有するコートを施したものである。

また、画像表示光を観察者の両方の眼に導くようにしてもよく、上記第２光路変更面は、全反射ミラーにより構成されてもよい。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。
（実施例１）
出射機構２及び接眼光学系３を備える表示装置１を準備した。なお、第３光学素子１３は、ＰＭＭＡで形成されている。

（比較例１）
第３光学素子１３を除いたほかは、実施例１と同様の表示装置を準備した。

（評価方法）
実施例１及び比較例１に係る表示装置を用いて、６４の点座標位置（観察者の眼）から画像表示面に向かい光線を逆追跡し、画像表示面における到達点をプロッ
トした。プロットされた６４の点座標位置は、表示視野範囲（垂直画角１２度、水平画角１６度、対角画角２０度）に分布する６４の点虚像を形成し、設定した瞳サイズ（直径５ｍｍ）の範囲で瞳を動かして点虚像を測定した。そのスポットの拡大図を作成することにより、点虚像の収差を観察した。また、観察された点虚像の中心と、理想的な形状となる４９の四角形とをディストーション図で比較した。これにより、理想的な形状からの歪みを観察した。なお、実施例１に係る表示装置１のスポットの拡大図及びディストーション図を図３に、比較例１に係る表示装置のスポットの拡大図及びディストーション図を図４に示す。

以上により、実施例１に係る表示装置１における収差は小さく、さらに、観察対象の虚像の歪みは小さく、明瞭な虚像を形成できることを確認できた。

本発明は、卓上以外の環境で使用する情報機器に利用することができる。

本発明の一実施形態である表示装置の概略構成を示す図である。本発明の一実施形態である表示装置における光路図である。実施例１に係る表示装置１のスポットの拡大図及びディストーション図である。比較例１に係る表示装置のスポットの拡大図及びディストーション図である。観察者の頭部に装着される従来の表示装置を示す図である。観察者の頭部に装着される従来の表示装置を示す図である。観察者の頭部に装着される従来の表示装置を示す図である。観察者の頭部に装着される従来の表示装置を示す図である。

符号の説明

１表示装置
２出射機構
３接眼光学系
１１第１光学素子
１２第２光学素子
１３第３光学素子
Ｌ画像表示光
Ｅ観察者の眼

Claims

観察者の眼の前方に配置される第１光学素子と、当該第１光学素子の前方に空間を介して配置される第２光学素子とを有する接眼光学系と、
前記第１光学素子に向けて画像表示光を前後方向に対して斜め方向から出射する出射機構とを備え、
前記画像表示光は、前記第１光学素子で第２光学素子に向かうように反射され、さらに、前記第２光学素子で第１光学素子に向かうように反射された後、前記第１光学素子を透過することにより、観察者の眼に導かれる表示装置であって、
前記接眼光学系は、前記出射機構と第１光学素子との間に、くさび形状である第３光学素子を備え、
前記画像表示光は、前記第３光学素子を透過することを特徴とする表示装置。
前記出射機構は、前記第１光学素子に向けて画像表示光を上方から出射し、
前記第３光学素子の上下方向の厚さは、前記第１光学素子側より第２光学素子側が厚くなることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記第１光学素子における観察者側の反対面、及び/又は、前記第２光学素子における観察者側の面は、自由曲面でないことを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
前記第１光学素子における観察者側の反対面、及び/又は、前記第２光学素子における観察者側の面は、軸はずし回転対称非球面であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表示装置。