JP2008058532A

JP2008058532A - 表示装置

Info

Publication number: JP2008058532A
Application number: JP2006234421A
Authority: JP
Inventors: Masato Tanaka; 真人田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: JP5119628B2

Abstract

【課題】観察対象の虚像の輝度を向上させるともに、輝度むらを抑制した虚像を形成することができる表示装置を提供する。
【解決手段】光源１と、光源から出射される光の進行方向を収束させる光学素子３と、光学素子から出射される光を拡散して輝度むらを緩和する拡散素子４と、画像を生成するとともに生成された画像が拡散素子から出射される光により照明される表示素子５とをこの順に備える表示装置であって、光源１は複数個の発光素子１ａ〜１ｃからなるとともに、当該複数個の発光素子は左右方向に一列に配列され、光学素子３は、一の発光素子からの出射光を、上下方向については平行となるように出射するとともに、一の発光素子からの出射光を左右方向については平行化させず、かつ、各発光素子１ａ〜１ｃからの出射光の中心光を左右方向についてはそれぞれ平行となるように出射するようにする。
【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に用いられる表示装置に関する。

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。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３は、観察者の頭部に装着される表示器の概略構成を示す図である。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。

図４は、画像表示光Ｌを出射するための、従来の表示装置Ｈの概略構成を示す図であり、図４（ａ）は、表示装置を一方向から見た概略断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すＢ−Ｂ線方向からの断面図である。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、基板５２と、光を前方に出射する１個の発光ダイオード５１と、発光ダイオード５１から照射される光を同軸状に屈折して平行光化する凸レンズ５３と、凸レンズ５３により平行光化された光を拡散して（散乱して）輝度むらを軽減する拡散素子５４（例えばすりガラス）と、画像を生成するとともに、生成した画像に対し拡散素子５４によって輝度むらが緩和された光が照射される透過型液晶表示パネル５５とを、この順に配置した表示装置５０が用いられている。

このような表示装置５０では、表示素子に液晶パネルが使用されることが多いが、その場合、コントラストの低下等を防止するため、虚像を形成する光学系は、表示素子の各位置から出射する光の角度（視認光の出射角度）が表示素子面の垂直方向に対して一定の角度範囲（例えば、−３０°〜３０°）となるように設計されなければならない。このように表示素子からの出射光角度が垂直に対して所定の角度範囲とするためには、拡散素子への照明光入射角度を垂直に近づける必要がある。そこで、基板５２上の１個の発光ダイオード５１から出射された光束は、平行光化するような特性を有する凸レンズ５３と発光ダイオード５１との位置関係を調整することによって（すなわち凸レンズ５３の焦点近傍に発光ダイオード５１を配置する）、拡散素子５４の入射面に対し垂直入射するように設計してある。これにより、拡散素子５４に垂直入射した光束は、拡散素子５４から表示素子面の垂直方向に対して一定の角度範囲となるように拡散されて出射されるので、高輝度かつ輝度むらの小さな虚像が観察者に視認されることができることになる。
特開２００１−１８８１９４号公報

しかしながら、１個の発光ダイオード５１から出射される光で、観察者に虚像を視認させるだけでは光量が不足し、虚像の輝度が低すぎることがあった。
そこで、本出願人は、１個の発光ダイオード５１から３個の発光ダイオード６１ａ、６１ｂ、６１ｃへと変更した表示装置６０を検討した。図５（ａ）は、表示装置６０の概略構成を示す図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すＣ−Ｃ線の断面図である。すなわち、基板６２と、光線を前方に出射する３個の発光ダイオード６１ａ、６１ｂ、６１ｃと、凸レンズ６３と、拡散素子６４と、画像を生成する透過型液晶表示パネル６５とを前後方向でこの順に備えるものを作製した。

しかしながら、表示装置６０でも観察対象の虚像の輝度をそれほど高くすることができず、さらに形成された虚像には強い輝度むらが生じた。つまり、３個の発光ダイオード６１ａ、６１ｂ、６１ｃのうち、中央に配置された１個の発光ダイオード６１ｂ（すなわち凸レンズ６３の光軸上の焦点近傍に配置される発光ダイオード６１ｂ）から出射された光束は、同軸状の光収束性を有する凸レンズ６３によって、ガラス等の拡散素子６４の入射面に対し、
垂直となるように屈折するが、他の２個の発光ダイオード６１ａ、６１ｃ（光軸からはずれた発光ダイオード６１ａ，６１ｃ）から出射された光束は、凸レンズ６３によって、拡散素子６４の入射面に対して垂直入射となるようには屈折しないことになった。つまり、拡散素子６４の入射面に対して垂直入射とならない光のほとんどは、拡散素子６４から表示素子面の垂直方向に対して一定の角度範囲から外れるように拡散されて出射されるので、虚像を観察者に視認させるための光として役立たないことになっていた。

そこで、本発明は、観察対象の虚像の輝度を向上させるともに、輝度むらを抑制した虚像を形成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、光源と、光源から出射される光の進行方向を収束させる光学素子と、光学素子から出射される光を拡散して輝度むらを緩和する拡散素子と、画像を生成するとともに生成された画像が拡散素子から出射される光により照明される表示素子とをこの順に備える表示装置であって、光源は複数個の発光素子からなるとともに、当該複数個の発光素子は左右方向に一列に配列され、光学素子は、一の発光素子からの出射光を、上下方向については平行となるように出射するとともに、一の発光素子からの出射光を左右方向については平行化させず、かつ、各発光素子からの出射光の中心光を左右方向についてはそれぞれ平行となるように出射するようにしている。

ここで、拡散素子は、液晶パネルの輝度むら緩和用として一般的に用いられるものであれば特に限定されない。発光素子の数は、表示素子の大きさに応じて適宜の数に設定すればよい。

本発明の表示装置によれば、複数個の発光素子から出射された光は、光学素子で屈折されるかあるいは透過されて拡散素子に導かれ、さらに、拡散素子で拡散された後、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できる。
このとき、光学素子は、各発光素子から出射された光束を、上下方向では、平行となるように、屈折させることにより、表示素子は、拡散素子から出射された光で、表示素子面の垂直方向に対して一定の角度範囲で照射されることになる。一方、光学素子は左右方向では光の進行方向を平行化させるパワーを有していないので、左右方向では、複数個の発光素子から出射された光束のうちの中心の光線（光学素子の光軸方向または光軸と平行な方向に進行する光線）を透過させることにより、表示素子は、拡散素子から出射された光で、表示素子面の垂直方向に対して一定の角度範囲で照射されることになる。
よって、観察者は観察対象の虚像を、高輝度かつ輝度むらが軽減されて視認できることになる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記光学素子は、シリンドリカルレンズであってもよい。
また、光源の発光素子は、発光ダイオードからなるようにしてもよい。
さらに、上記の発明において、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。

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３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。

図１（ａ）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り、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ線の断面図である。また、図２は、図１に示す表示装置の発光ダイオードとシリンドリカルレンズとの配置を示す斜視図である。

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、光線を出射する３個の発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃと、シリンドリカルレンズ３と、垂直入射光を拡散（散乱）して輝度むらを緩和する拡散素子４と、画像を生成する透過型液晶表示パネル５とを前後方向でこの順に備える。
ここでいう「前後方向」とは、発光ダイオードの中心部から前方に出射される光の方向のことをいう。すなわち発光ダイオードから出射される光については、ある拡がり角で出射光が拡散するが、そのうち発光ダイオードの中心部から前方に出射される光の方向（発光ダイオードの光軸）のことをいう。
３個の発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃは、それぞれ前方に光束を出射する。３個の発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃは、矩形状の基板２上に左右方向に一直線状に配列されて、固着されている。ここで、各発光ダイオードから出射された光束については、中心部から前方方向（発光ダイオードの光軸）で発光強度が強く、周辺部へいくにつれて発光強度が弱くなるものである。

シリンドリカルレンズ３は、シリンダ面形状（シリンダ面形状については後述する）と平面形状とを有するものであり、本実施形態ではシリンダ面形状を３個の発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃ側に、平面形状を拡散素子４側にして配置している。また、シリンドリカルレンズ３は、３個の発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃから出射された各光束を、上下方向では、平行となるように屈折させるように、シリンダ面の焦点近傍に配置される。
ここで、シリンダ面形状について説明する。シリンダ面は、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、楕円形状、又は多項次の非球面形状となる。

拡散素子４は、平面と拡散面とを有する板状体であり、ここでは平面側をシリンドリカルレンズ３側に、拡散面側を透過型液晶パネル５側にして配置される。つまり、平面形状が入射面となり、一方、拡散面形状が出射面となるように配置される。このとき、入射面に垂直入射した光Ｌ′は、拡散されて、出射面から透過型液晶表示パネル５面の垂直方向に対して所定の角度範囲で出射することになる。
上記拡散素子としては、例えば、「ライトアップ100SXE」（商品名、株式会社きもと製）等が挙げられる。

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、３個の発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃは、それぞれ光学素子３に向かって光束Ｌ′を出射する。次に、発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃから光学素子３に至った光束Ｌ′は、上下方向では、平行となるように、屈折されて出射される。一方、左右方向では、各発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃから出射された光Ｌ′のうちの中心の光（発光ダイオードの光軸方向の光）は、平行となる方向を維持したまま、光学素子３を透過する。次に、拡散素子４の入射面と垂直となるように入射した光Ｌ′は、拡散素子４で拡散されて、透過型液晶表示パネル５面の垂直方向に対して一定の角度範囲となって出射される。その後、透過型液晶表示パネル５に至った光Ｌ′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、透過型液晶表示パネル５面の垂直方向に対して一定の角度範囲で出射する。

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。

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。

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、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。

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。

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。このとき、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、透過型液晶表示パネル５面の垂直方向に対して一定の角度範囲で出射しており、光源からの光をより多く利用することになるので、観察対象の虚像の輝度を向上させることができる。

以上のように、表示装置１０によれば、３個の発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃから出射された光束は、シリンドリカルレンズ３で屈折されるかあるいは透過され、さらに、拡散素子４で拡散された後、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、シリンドリカルレンズ３は、３個の発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃから出射された光束を、上下方向では、平行となるように、屈折させることにより、透過型液晶表示パネル５は、拡散素子４から出射された光束で、透過型液晶表示パネル５面の垂直方向に対して一定の角度範囲で照射されることになる。一方、シリンドリカルレンズ３は左右方向では光収束性を有さないので、左右方向では、３個の発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃから出射された光線のうちの中心の光線を、それぞれ平行となるように透過させることになる。
よって、３個の発光ダイオード１ａ、１ｂ、１ｃを用いて、観察対象の虚像の輝度を向上させることができるともに、輝度むらを抑制した虚像を形成することができる。

上記シリンドリカルレンズ、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。
また、シリンドリカルレンズに代えて、両面がシリンダ面形状を有するものが用いられてもよく、さらに、フレネルレンズや回折素子が用いられてもよい。
そして、シリンドリカルレンズは、シリンダ面形状を拡散素子側に、平面形状を光源側にして配置されてもよい。
さらに、上記光学素子と拡散素子とを、一体としてもよい。つまり、上記光学素子の出射面と拡散素子の入射面とを接合してもよい。

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。

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。図１に示す表示装置の発光ダイオードとシリンドリカルレンズとの配置を示す斜視図である。一実施形態である表示器の概略構成を示す図である。従来の表示装置の概略構成を示す図である。他の表示装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１発光ダイオード
２基板
３シリンドリカルレンズ
４拡散素子
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

Claims

光源と、光源から出射される光の進行方向を収束させる光学素子と、光学素子から出射される光を拡散して輝度むらを緩和する拡散素子と、画像を生成するとともに生成された画像が拡散素子から出射される光により照明される表示素子とをこの順に備える表示装置であって、光源は複数個の発光素子からなるとともに、当該複数個の発光素子は左右方向に一列に配列され、
光学素子は、一の発光素子からの出射光を、上下方向については平行となるように出射するとともに、
一の発光素子からの出射光を左右方向については平行化させず、かつ、各発光素子からの出射光の中心光を左右方向についてはそれぞれ平行となるように出射することを特徴とする表示装置。
前記光学素子は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記光源の発光素子は、発光ダイオードからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
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１〜３のいずれか１項に記載の表示装置。