JP2008042287A - Eye front wearing display device - Google Patents

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JP2008042287A JP2006210489A JP2006210489A JP2008042287A JP 2008042287 A JP2008042287 A JP 2008042287A JP 2006210489 A JP2006210489 A JP 2006210489A JP 2006210489 A JP2006210489 A JP 2006210489A JP 2008042287 A JP2008042287 A JP 2008042287A
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Masato Tanaka
真人 田中
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a display device for controlling the angle of diffusion (irradiation range) of a light beam made to exit from a light source, and for irradiating the irradiation range with averaged light intensity. <P>SOLUTION: The display device is provided with: a light source 1; a display element 5 for generating an image, and for illuminating a generated image with a luminous flux made to exit from the light source; and an optical element 3. The optical element is provided with a rear face 3a on which the luminous flux from the light source is made incident, a side face 3c from which a portion of the luminous flux made incident form the rear face is reflected and a front face 3b through which the luminous flux made incident from the rear face including the luminous flux reflected from the side face is refracted or straightly advances and exits to the display elements. The display element is arranged so that the peripheral region of the display element can be illuminated with the luminous flux components made incident from the rear face of the optical element, reflected from the side face and exiting from the front face together with the luminous flux components made incident from the rear face of the optical element and directly exiting from the front face. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

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ェ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に用いられる表示装置に関し、特に装着機構により眼前に配置されるのに適した眼前装着用表示装置に関する。   The present invention relates to an information device that can be used in an environment other than a desktop, such as a wearable computer that is worn around the body via a waist belt or a jewelry, or a communication device such as a mobile phone that can be carried in a knapsack or a pocket. In particular, the present invention relates to a display device for mounting an anterior eye suitable for being placed in front of an eye by a mounting mechanism.

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。例えば、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器が開示されている(例えば、特許文献1参照)。図4は、観察者の頭部に装着される表示器を示す図である。表示器において、表示装置H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11の反射面11a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12の反射面12aで反射され、その後、第1コンバイナ11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11及び第2コンバイナ12を透過する光により前方実在物も視認できる。   As a display for an information device that is worn on the body, a display that is worn on the head is the mainstream. For example, a display that can increase the viewing angle while satisfying the optical performance while the size is small is disclosed (for example, see Patent Document 1). FIG. 4 is a diagram showing a display device mounted on the observer's head. In the display, the image display light L emitted from the display device H is reflected by the reflecting surface 11a of the first combiner 11 constituted by a half mirror or the like, and then the second combiner 12 constituted by a half mirror or the like. The light is reflected by the reflecting surface 12a and then transmitted through the first combiner 11 to be guided to the eye E of the observer. Thereby, the observer can visually recognize the virtual image of the observation object, and can also visually recognize the front entity by the light transmitted through the first combiner 11 and the second combiner 12.

画像表示光Lを出射する表示装置Hとしては、例えば、図5、6に示すように、光を前方に出射する発光ダイオード51と、発光ダイオードの出射面上に配置されるマイクロレンズ53と、画像を生成する透過型液晶表示パネル55とを備える表示装置50が用いられている。図5は、表示装置50の概略構成を示す図である。また、図6は、図5に示す表示装置の拡大図である。このような表示装置50では、発光ダイオード51から出射された光束は、上下左右方向に光収束性を有するマイクロレンズ53で屈折するか、あるいは、マイクロレンズ53を透過することによって、その光拡散角度(照射範囲M)が制御されて、透過型液晶表示パネル55から出射されることになる。
特開2001−188194号公報
As the display device H that emits the image display light L, for example, as illustrated in FIGS. 5 and 6, a light emitting diode 51 that emits light forward, a microlens 53 that is disposed on an emission surface of the light emitting diode, A display device 50 including a transmissive liquid crystal display panel 55 that generates an image is used. FIG. 5 is a diagram illustrating a schematic configuration of the display device 50. FIG. 6 is an enlarged view of the display device shown in FIG. In such a display device 50, the light beam emitted from the light emitting diode 51 is refracted by the microlens 53 having light convergence in the vertical and horizontal directions, or transmitted through the microlens 53, thereby diffusing the light. The (irradiation range M) is controlled and emitted from the transmissive liquid crystal display panel 55.
JP 2001-188194 A

図7は、上述した透過型液晶パネル55に対する発光ダイオード51からの光束による照射光強度分布を示す図である。図7中のX軸は、透過型液晶表示パネル55の位置を、Y軸は照射光強度を示す。また、X軸とY軸との交点Oは、マイクロレンズの光軸(中心方向)と透過型液晶表示パネル55との交点とする。図7に示すように、透過型液晶表示パネル55上に照射される光束は、マイクロレンズによって、中央(光軸延長方向寄り)に集光される傾向があるため、照射光強度分布は均一にならない。そのため、透過型液晶表示パネル55によって形成される虚像には輝度むらが生じた。   FIG. 7 is a diagram showing an irradiation light intensity distribution by the light flux from the light emitting diode 51 with respect to the transmissive liquid crystal panel 55 described above. In FIG. 7, the X axis indicates the position of the transmissive liquid crystal display panel 55, and the Y axis indicates the irradiation light intensity. An intersection point O between the X axis and the Y axis is an intersection point between the optical axis (center direction) of the microlens and the transmissive liquid crystal display panel 55. As shown in FIG. 7, since the light beam irradiated on the transmissive liquid crystal display panel 55 tends to be condensed in the center (near the optical axis extension direction) by the microlens, the irradiation light intensity distribution is uniform. Don't be. For this reason, uneven brightness occurs in the virtual image formed by the transmissive liquid crystal display panel 55.

つまり、発光ダイオード51から出射された光束については、中心部(光軸)L1で光強度が強く、周辺部L2、L3になるにつれて光強度が弱くなるので、マイクロレンズ53によって照射範囲Mを制御すると、透過型液晶表示パネル55の中心領域となる照射範囲Mの中心部が明るくなりすぎたり、透過型液晶表示パネル55の周辺領域となる照射範囲Mの周辺部が暗くなりすぎたりするといった輝度分布の傾向をもたらしていた。   That is, the light intensity emitted from the light emitting diode 51 is strong at the central portion (optical axis) L1, and the light intensity becomes weaker toward the peripheral portions L2 and L3. Therefore, the irradiation range M is controlled by the microlens 53. Then, the brightness such that the central portion of the irradiation range M serving as the central region of the transmissive liquid crystal display panel 55 becomes too bright or the peripheral portion of the irradiation range M serving as the peripheral region of the transmissive liquid crystal display panel 55 becomes too dark. It has resulted in a distribution trend.

そこで、本発明は、光源から出射された光束の光拡散(照射範囲)を制御することにより、照射範囲を均一な光強度で照射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。   Therefore, an object of the present invention is to provide a display device that can irradiate an irradiation range with a uniform light intensity by controlling light diffusion (irradiation range) of a light beam emitted from a light source.

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、光照射面を有する光源と、画像を生成するとともに生成された画像が光源から照射される光束により照明される表示素子と、光源の光照射面上に配置され、光源から照射される光束を表示素子に導く光学素子とを備えた表示装置であって、光学素子は、光源からの光束が入射する後面、後面から入射した光束の一部を反射する側面、側面で反射した光束を含めて後面から入射した光束が屈折または直進して表示素子へ出射する前面を有し、表示素子は、光学素子の後面から入射し側面で反射した後に前面から出射する光束成分が光学素子の後面から入射して直接前面から出射する光束成分とともに表示素子の周辺領域を照明するように配置されるようにしている。   In order to solve the above problems, a display device of the present invention includes a light source having a light irradiation surface, a display element that generates an image and is illuminated by a light beam emitted from the light source, The display device includes an optical element that is disposed on the light irradiation surface and guides the light beam emitted from the light source to the display element. The optical element includes a rear surface on which the light beam from the light source is incident and a light beam incident from the rear surface. It has a side surface that reflects part of the light, and a front surface that includes the light beam reflected from the side surface and that is incident on the rear surface. The display element is incident on the rear surface of the optical element and reflected on the side surface. Then, the light beam component emitted from the front surface is arranged so as to illuminate the peripheral region of the display element together with the light beam component emitted from the rear surface of the optical element and directly emitted from the front surface.

ここで、光源の光照射面は、平面であっても曲面であってもよいが、光照射面上に配置される光学素子の前面に向けて、損失なく光を出射できるものが望ましい。
表示素子は、画像を照明する照明光が表示素子を透過する透過型表示素子であっても、照明光が表示素子で反射される反射型表示素子であってもよい。
Here, the light irradiation surface of the light source may be a flat surface or a curved surface, but it is desirable that the light can be emitted without loss toward the front surface of the optical element disposed on the light irradiation surface.
The display element may be a transmissive display element in which illumination light for illuminating an image is transmitted through the display element, or a reflective display element in which the illumination light is reflected by the display element.

本発明の表示装置によれば、光源の光照射面から照射される光束が、光学素子の後面から入射した後、光学素子の前面から出射し、さらに、表示素子を照射することにより、虚像が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する。
このとき、光学素子は、光源から出射された光束の一部を、側面で反射(全反射)することにより、その光拡散角度(照射範囲)が制御されて、表示素子を照射することになる。したがって、表示素子の周辺領域に、側面で反射した光束成分が照射されるように光学素子の形状と表示素子の配置とを設定することにより、表示素子の周辺領域を照射する光強度を増大する。
According to the display device of the present invention, the light beam irradiated from the light irradiation surface of the light source enters from the rear surface of the optical element, then exits from the front surface of the optical element, and further irradiates the display element, whereby a virtual image is formed. Guided by the observer's eyes. As a result, the observer visually recognizes the virtual image to be observed.
At this time, the optical element reflects a part of the light beam emitted from the light source on the side surface (total reflection), thereby controlling the light diffusion angle (irradiation range) and irradiating the display element. . Therefore, by setting the shape of the optical element and the arrangement of the display element so that the luminous flux component reflected from the side surface is irradiated to the peripheral area of the display element, the light intensity that irradiates the peripheral area of the display element is increased. .

本発明によれば、光学素子の側面で反射した光束成分により表示素子の周辺領域を照射する光束が増大されるので、表示素子の周辺領域の輝度を中央領域の輝度に近づけることができ、表示素子の輝度分布を平均化することができる。   According to the present invention, since the luminous flux that irradiates the peripheral area of the display element is increased by the luminous flux component reflected from the side surface of the optical element, the luminance of the peripheral area of the display element can be brought close to the luminance of the central area. The luminance distribution of the elements can be averaged.

(他の課題を解決するための手段および効果)
また、上記発明において、光学素子は、前面側が後面側より大きくなるとともに、後面から入射し前面から出射する光束のうちの直進する光束成分である光軸を回転中心とした回転対称性を有する円錐台形状または角錐台形状であってもよい。具体的には表示素子の形状(円形または方形)に合わせたもので、円錐台形状のほか、四角錐台形状(光軸横断面が正方形、長方形)のものが好ましい。
これによれば、表示素子の寸法および配置に合わせて光路設計が容易に行えるので、光軸に対する側面の角度(θ)を設定することにより、表示素子の周辺領域の輝度を容易に調整できるようになる。
(Means and effects for solving other problems)
In the above invention, the optical element has a front side larger than the rear side and a cone having rotational symmetry about the optical axis, which is a light beam component that travels straight from the rear surface and exits from the front surface. It may be trapezoidal or pyramidal trapezoidal. Specifically, it is adapted to the shape of the display element (circular or square), and in addition to the truncated cone shape, a rectangular pyramid shape (optical axis cross section is square or rectangular) is preferable.
According to this, since the optical path can be easily designed according to the size and arrangement of the display element, the brightness of the peripheral area of the display element can be easily adjusted by setting the angle (θ) of the side surface with respect to the optical axis. become.

また、上記発明において、光学素子の側面には、反射膜が形成されるようにしてもよい。ここで反射膜としては、銀、アルミ等の金属膜が好ましい。
これによれば、光学素子の側面に反射膜を形成することにより、側面から外部に漏れることによる光損失を確実になくして反射光を有効利用できる。
In the above invention, a reflective film may be formed on the side surface of the optical element. Here, the reflective film is preferably a metal film such as silver or aluminum.
According to this, by forming the reflective film on the side surface of the optical element, it is possible to effectively eliminate the light loss due to leakage from the side surface to the outside and to effectively use the reflected light.

また、上記発明において、光源は発光ダイオードからなり、光学素子の後面が発光ダイオードの光照射面を覆うように面接するようにしてもよい。
これによれば、光学素子の後面が発光ダイオードの光照射面を覆うように面接することにより、発光ダイオードからのほぼすべての照射光を、光学素子に導くことができる。
Moreover, in the said invention, a light source may consist of a light emitting diode, and you may make it contact so that the rear surface of an optical element may cover the light irradiation surface of a light emitting diode.
According to this, almost all the irradiation light from the light emitting diode can be guided to the optical element by making a contact so that the rear surface of the optical element covers the light irradiation surface of the light emitting diode.

また、上記発明において、表示素子装置は、装着機構により使用者の眼前に配置されるようにしてもよい。
眼前装着用として用いるときには、実用上、表示素子の外形寸法(照射範囲Mに相当)は大きさが制限される。具体的には、外形寸法(円形の場合は直径、方形等の場合は辺長)が1mm以上100mm以下であることが望ましい。
これにより、ウェアラブルコンピュータに適した表示装置を実現することができる。
In the above invention, the display element device may be arranged in front of the user's eyes by a mounting mechanism.
When used for mounting in front of the eye, the size of the external dimension (corresponding to the irradiation range M) of the display element is practically limited. Specifically, the outer dimensions (diameter in the case of a circle, side length in the case of a square or the like) are preferably 1 mm or more and 100 mm or less.
As a result, a display device suitable for a wearable computer can be realized.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below, and it goes without saying that various aspects are included without departing from the spirit of the present invention.

図4は、一実施形態である表示器の概略構成を示す図である。表示器は、ケーシング(図示省略)により覆われる表示装置H及び接眼光学系30を備える。なお、表示器は、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。   FIG. 4 is a diagram illustrating a schematic configuration of a display device according to an embodiment. The display includes a display device H and an eyepiece optical system 30 that are covered with a casing (not shown). The indicator is attached to the body of the observer, such as the head and arms, or a helmet or glasses attached to the body via a headset, belt, band, clip, etc., or a mobile phone, watch, etc. It is mounted on various portable devices and used while being held in the hand.

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。また、図2は、図1に示す表示装置の拡大図である。
表示装置10は、接眼光学系30の上方に配置されるものであり、光照射面から光を出射する発光ダイオード1と、光軸L1を回転中心とする円錐台形状を有し、発光ダイオード1の光照射面と面接するように配置される光学素子3と、画像を生成する透過型液晶表示パネル5とを備える。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a display device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of the display device shown in FIG.
The display device 10 is disposed above the eyepiece optical system 30, has a light emitting diode 1 that emits light from a light irradiation surface, and a truncated cone shape that has an optical axis L 1 as a rotation center. The optical element 3 is disposed so as to be in contact with the light irradiation surface, and the transmissive liquid crystal display panel 5 that generates an image.

発光ダイオード1は、光を出射するものである。ここで、発光ダイオード1から出射された光束については、一般に、中心方向(発光ダイオード照射面の法線方向)で発光強度が強く、周辺方向になるにつれて発光強度が弱くなるように設計されている。よって、発光ダイオード1からから出射された光束では、光束L1の光照射強度が強く、順に光束L2、光束L3と光照射強度が弱くなっていく。   The light emitting diode 1 emits light. Here, the luminous flux emitted from the light emitting diode 1 is generally designed so that the light emission intensity is strong in the central direction (normal direction of the light emitting diode irradiation surface) and the light emission intensity becomes weaker in the peripheral direction. . Therefore, in the light beam emitted from the light emitting diode 1, the light irradiation intensity of the light beam L1 is strong, and the light irradiation intensity of the light beam L2, the light beam L3, and the light beam decreases in order.

光学素子3は、上述したように円錐台形状であり、発光ダイオード1からの光束を入射する後面3aと、透過型液晶表示パネル5へ光束を出射する前面3bと、側面3cとを有する。側面3cは、光軸方向L1に対し、後面3aから入射した光束の一部を反射して、反射光束を前面3bから出射するような角度(θ)となるように配置される。
なお、後面3a及び前面3bは、平面形状であるとともに、後面3aと前面3bとは、平行になっている。
As described above, the optical element 3 has a truncated cone shape, and includes a rear surface 3a on which the light beam from the light emitting diode 1 is incident, a front surface 3b that emits the light beam to the transmissive liquid crystal display panel 5, and a side surface 3c. The side surface 3c is disposed at an angle (θ) that reflects a part of the light beam incident from the rear surface 3a and emits the reflected light beam from the front surface 3b with respect to the optical axis direction L1.
The rear surface 3a and the front surface 3b have a planar shape, and the rear surface 3a and the front surface 3b are parallel to each other.

ここで、表示装置10が接眼光学系30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、発光ダイオード1は、光学素子3に向かって発光強度の異なる光束L1、L2、L3を出射する。次に、発光ダイオード1から光学素子3に至った光束L1、L2、L3は、光学素子3の後面3aに入射する。このときに、光束L1は、光学素子3の光軸上を直進するため、透過型液晶表示パネル5と垂直となる方向を維持したまま直進し、光学素子3の前面3bから出射される。また、光束L2は、光学素子3の後面3aで一度目の屈折をして、前面3bから二度目の屈折をして出射される。また、光L3は、光学素子3の後面3aで一度目の屈折をした後、側面3cで反射されて、さらに、後面3bから二度目の屈折をして出射される。   Here, a mechanism in which the display device 10 emits the image display light L to the eyepiece optical system 30 will be described. First, the light emitting diode 1 emits light beams L1, L2, and L3 having different light emission intensities toward the optical element 3. Next, the light beams L 1, L 2, L 3 from the light emitting diode 1 to the optical element 3 are incident on the rear surface 3 a of the optical element 3. At this time, since the light beam L1 travels straight on the optical axis of the optical element 3, it travels straight while maintaining a direction perpendicular to the transmissive liquid crystal display panel 5, and is emitted from the front surface 3b of the optical element 3. The light beam L2 is refracted for the first time at the rear surface 3a of the optical element 3 and is refracted for the second time from the front surface 3b. The light L3 is first refracted by the rear surface 3a of the optical element 3, then reflected by the side surface 3c, and further emitted from the rear surface 3b with second refraction.

ここで、透過型液晶表示パネル5での照射範囲を均一な光強度で照射するように、側面3cの角度(θ)は設計されている。つまり、光強度の強い光束L1は、透過型液晶表示パネル5の中心部を照射する。一方、強度の少し弱い光束L2は、透過型液晶表示パネル5の周辺部を照射する。そこで、強度のさらに弱い光束L3も、透過型液晶表示パネル5の周辺部を照射するようにしている。よって、図3に示すように、光束L1、L2、L3は、光学素子3で透過型液晶表示パネル5へ平均化された照射光強度で出射される。なお、図3中のX軸は、透過型液晶表示パネル5の位置を、Y軸は照射光強度を示す。また、X軸とY軸との交点Oは、光学素子3の光軸と透過型液晶表示パネル5との交点とする。   Here, the angle (θ) of the side surface 3c is designed so that the irradiation range of the transmissive liquid crystal display panel 5 is irradiated with uniform light intensity. That is, the light beam L 1 having a high light intensity irradiates the central portion of the transmissive liquid crystal display panel 5. On the other hand, the light beam L2 having a slightly weak intensity irradiates the peripheral portion of the transmissive liquid crystal display panel 5. Therefore, the light beam L3 having a weaker intensity is irradiated on the peripheral portion of the transmissive liquid crystal display panel 5. Therefore, as shown in FIG. 3, the light beams L 1, L 2, and L 3 are emitted with the irradiation light intensity averaged by the optical element 3 to the transmissive liquid crystal display panel 5. In FIG. 3, the X axis indicates the position of the transmissive liquid crystal display panel 5, and the Y axis indicates the irradiation light intensity. An intersection point O between the X axis and the Y axis is an intersection point between the optical axis of the optical element 3 and the transmissive liquid crystal display panel 5.

その後、透過型液晶表示パネル5に至った光束L1、L2、L3は、画像表示光Lとなり、後述する第1光学素子11に向かうように出射される。このように、表示装置10は、第1光学素子11に向かって画像表示光Lを出射する。   Thereafter, the light beams L1, L2, and L3 reaching the transmissive liquid crystal display panel 5 become image display light L and are emitted toward the first optical element 11 described later. In this way, the display device 10 emits the image display light L toward the first optical element 11.

接眼光学系30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40を介して配置される第2光学素子12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。   The eyepiece optical system 30 includes a first optical element 11 disposed in front of the observer's eye E, and a second optical element 12 disposed in front of the first optical element 11 via a space 40. The 1st optical element 11 and the 2nd optical element 12 are combiners comprised by a half mirror and a hologram element, respectively, for example. Therefore, the first optical element 11 and the second optical element 12 have a beam splitting function that reflects and transmits incident light.

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40となる。   Here, the surface opposite to the viewer side of the first optical element 11 is defined as a first optical path changing surface 11a, and the surface on the viewer side of the first optical element 11 is defined as a first passing surface 11b. In addition, the observer-side surface of the second optical element 12 is a second optical path changing surface 12a, and the opposite surface of the second optical element 12 on the observer side is a second passage surface 12b. A space 40 is formed between the first optical path changing surface 11a and the second optical path changing surface 12a.

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。   The first optical path changing surface 11a has a convex curved surface shape for diverging incident light, and the second optical path changing surface 12a has a concave curved surface shape for converging incident light. The first optical path changing surface 11a, the second optical path changing surface 12a, the first passing surface 11b, and the second passing surface 12b are, for example, “off-axis rotationally symmetric aspheric surfaces”.

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=x+y、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。 The off-axis rotationally symmetric aspherical surface is represented by a surface having a center decentered from the rotationally symmetric axis of the aspherical surface in the aspherical surface specified by the shape function represented by the following mathematical formula (1) in the xyz coordinate space. Here, in Formula (1), ρ 2 = x 2 + y 2 and c = 1 / R. The numerical formula (1) represents a spherical surface when the quadric surface coefficient K and the aspherical coefficient αi (i = 1 to n) are 0, and the radius of the spherical surface is R. Therefore, an aspherical surface means that at least one aspherical coefficient αi is not 0 in Equation (1).

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、表示装置10における実像に対する観察対象の虚像の倍率、表示装置10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。   Note that the curvature c, the quadratic surface coefficient K, and the aspheric coefficient αi (i = 1 to n) defining the off-axis rotationally symmetric aspheric surface are the magnification of the virtual image to be observed with respect to the real image on the display device 10, from the display device 10. In accordance with the optical path length to the observer's eye E, etc., it is determined so that a virtual image can be clearly formed at a position far away from the observer.

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。   The first optical element 11 and the second optical element 12 are plate-like bodies having a uniform thickness. For example, the first optical element 11 has a uniform thickness by making the first optical path changing surface 11a and the first passing surface 11b have the same shape. On the other hand, the thickness of the second optical element 12 is also made uniform by, for example, making the second optical path changing surface 12a and the first passage surface 12b have the same shape.

ここで、接眼光学系30が画像表示光Lを観察者の眼Eに導く仕組みについて説明する。まず、表示装置10から出射され、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30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。   Here, a mechanism in which the eyepiece optical system 30 guides the image display light L to the observer's eye E will be described. First, the image display light L emitted from the display device 10 and reaching the first optical path changing surface 11a is reflected by the first optical path changing surface 11a so as to go toward the second optical path changing surface 12a. Further, the image display light L reaching the second optical path changing surface 12a is reflected by the second optical path changing surface 12a so as to go to the first optical path changing surface 11a. Then, the image display light L reaching the first optical element 11 passes through the first optical element 11 and is guided to the eye E of the observer. Therefore, the eyepiece optical system 30 forms the virtual image of the observation target by guiding the image display light L to the observer's eye E.

以上のように、表示装置10によれば、発光ダイオード1から出射された光束は、光学素子3の後面3aから入射した後、光学素子3の前面3bから出射し、さらに、透過型液晶表示パネル5を照射することにより、虚像が観察者の眼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。
このとき、光学素子3は、発光ダイオード1から出射された光束の一部を、側面3cで反射することにより、その光拡散角度(照射範囲)が制御されて、透過型液晶表示パネル5を照射することができる。また、発光ダイオード1から出射された光線の一部が側面3cで反射される角度を調整することにより、透過型液晶表示パネル5での照射範囲を均一な発光強度で照射することができる。
As described above, according to the display device 10, the light beam emitted from the light emitting diode 1 is incident from the rear surface 3 a of the optical element 3, is then emitted from the front surface 3 b of the optical element 3, and is further transmitted through the transmissive liquid crystal display panel. By irradiating 5, a virtual image is guided to the observer's eye E. Thereby, the observer can visually recognize the virtual image of the observation target.
At this time, the optical element 3 reflects a part of the light beam emitted from the light emitting diode 1 by the side surface 3c, thereby controlling the light diffusion angle (irradiation range) and irradiating the transmissive liquid crystal display panel 5. can do. Further, by adjusting the angle at which a part of the light beam emitted from the light emitting diode 1 is reflected by the side surface 3c, the irradiation range of the transmissive liquid crystal display panel 5 can be irradiated with uniform light emission intensity.

上記光学素子、第1光学素子及び第2光学素子を形成する材料としては、互いに同じでもよく、異なっていてもよく、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。   The materials for forming the optical element, the first optical element, and the second optical element may be the same as or different from each other. For example, polycarbonate (PC), polymethacrylic acid (PMMA), cycloolefin, glass material, etc. Is mentioned.

また、上記光学素子の後面3a及び前面3bは、平面形状に代えて、曲面形状としてもよい。あるいは、面の角度にウェッジを設けてもよい。
そして、側面3cは、反射光束が前面3bから出射して表示素子5の周辺領域を照射できるように光路調整ができるのであれば、平面に限らず、曲面であってもよい。さらに、屈折率差による全反射によらず、アルミコート等により反射するように構成されてもよい。
Further, the rear surface 3a and the front surface 3b of the optical element may have a curved surface shape instead of the planar shape. Or you may provide a wedge in the angle of a surface.
The side surface 3c is not limited to a flat surface but may be a curved surface as long as the optical path can be adjusted so that the reflected light beam can be emitted from the front surface 3b and irradiate the peripheral region of the display element 5. Furthermore, it may be configured to reflect by an aluminum coat or the like, not by total reflection due to a difference in refractive index.

また、上記透過型液晶表示パネルに代えて、反射型液晶表示パネルが用いられる構成としてもよい。さらに、透過型液晶表示パネルは、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。
そして、上記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。
Further, a reflective liquid crystal display panel may be used in place of the transmissive liquid crystal display panel. Further, the transmissive liquid crystal display panel may be one that forms a color image by incorporating a color filter, or one that forms a monochrome image without a color filter.
The image display light may be guided to both eyes of the observer, and the second optical path changing surface may be constituted by a total reflection mirror.

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。   The present invention can be used for information equipment used in an environment other than a desktop.

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。It is a figure which shows schematic structure of the display apparatus which is one Embodiment of this invention. 図1に示す表示装置の拡大図である。It is an enlarged view of the display apparatus shown in FIG. 本発明の表示装置透過型液晶表示パネルの位置と発光強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the position of the display apparatus transmissive liquid crystal display panel of this invention, and emitted light intensity. 一実施形態である表示器の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the indicator which is one Embodiment. 従来の表示装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the conventional display apparatus. 図5に示す表示装置の拡大図である。It is an enlarged view of the display apparatus shown in FIG. 従来の表示装置による透過型液晶表示パネルの位置と発光強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the position of the transmissive liquid crystal display panel by the conventional display apparatus, and light emission intensity.

符号の説明Explanation of symbols

1 発光ダイオード
3 光学素子
5 透過型液晶表示パネル
10 表示装置
11 第1光学素子
12 第2光学素子
L 画像表示光
E 観察者の眼
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitting diode 3 Optical element 5 Transmission type liquid crystal display panel 10 Display apparatus 11 1st optical element 12 2nd optical element L Image display light E Eye of an observer

Claims (5)

光照射面を有する光源と、
画像を生成するとともに生成された画像が光源から照射される光束により照明される表示素子と、
光源の光照射面上に配置され、光源から照射される光束を表示素子に導く光学素子とを備えた表示装置であって、
光学素子は、光源からの光束が入射する後面、後面から入射した光束の一部を反射する側面、側面で反射した光束を含めて後面から入射した光束が屈折または直進して表示素子へ出射する前面を有し、
表示素子は、光学素子の後面から入射し側面で反射した後に前面から出射する光束成分が光学素子の後面から入射して直接前面から出射する光束成分とともに表示素子の周辺領域を照明するように配置されてなることを特徴とする表示装置。
A light source having a light irradiation surface;
A display element that generates an image and the generated image is illuminated by a light beam emitted from a light source;
A display device including an optical element disposed on a light irradiation surface of a light source and guiding a light beam emitted from the light source to the display element;
The optical element includes a rear surface on which a light beam from a light source is incident, a side surface that reflects a part of the light beam incident from the rear surface, and a light beam that is incident from the rear surface including the light beam reflected on the side surface and refracts or goes straight and exits to the display element. Has a front surface,
The display element is arranged so that the luminous flux component incident from the rear surface of the optical element and reflected from the side surface and then emitted from the front surface illuminates the peripheral area of the display element together with the luminous flux component incident from the rear surface of the optical element and emitted directly from the front surface. A display device characterized by being made.
光学素子は、前面側が後面側より大きくなるとともに、後面から入射し前面から出射する光束のうちの直進する光束成分である光軸を回転中心とした回転対称性を有する円錐台形状または角錐台形状であることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。 The optical element has a truncated cone shape or a truncated pyramid shape having a rotational symmetry about the optical axis that is a light beam component that is a straight beam component of a light beam that enters from the rear surface and exits from the front surface, while the front surface side is larger than the rear surface side. The display device according to claim 1, wherein: 光学素子の側面には、反射膜が形成されることを特徴とする請求項1に記載の表示装置 The display device according to claim 1, wherein a reflective film is formed on a side surface of the optical element. 光源は発光ダイオードからなり、光学素子の後面が発光ダイオードの光照射面を覆うように面接することを特徴とする請求項1に記載の眼前装着用表示装置。 The display device for mounting on the eye according to claim 1, wherein the light source comprises a light emitting diode, and the rear surface of the optical element is in contact with the light irradiation surface of the light emitting diode. 装着機構により使用者の眼前に配置されることを特徴とする請求項1に記載の表示装置。 The display device according to claim 1, wherein the display device is arranged in front of the user's eyes by a mounting mechanism.
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