JP2008224850A

JP2008224850A - 表示装置

Info

Publication number: JP2008224850A
Application number: JP2007060252A
Authority: JP
Inventors: Kaname Hasebe; 要長谷部; Ryutaro Nasu; 竜太郎那須
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2007-03-09
Filing date: 2007-03-09
Publication date: 2008-09-25

Abstract

【課題】サイズが小さいまま、像面湾曲を補正することで、高性能な小型の表示装置を提供する。
【解決手段】照明光を出射する出射機構１、３１と、画像を形成する表示素子２０とを備える表示装置１０、３０であって、表示素子２０は、中心から周辺部に向かって出射方向に突き出ていく出射面を有することを特徴とする。また、表示素子２０の出射面は、曲面形状であることが好ましく、表示素子２０は、反射型表示素子又は透過型表示素子であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、表示装置に関し、特にヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、ヘッドマウンテッドディスプレイ（ＨＭＤ）、投影型ディスプレイ装置に関する。

近年、ＨＵＤの開発が進み、ＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｄＣｒｙｓｔａｌＯｎＳｉｌｉｃｏｎ）やＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）等の反射型表示素子を用いたＨＵＤが提案されている（例えば、特許文献１参照）。図５は、観察者の頭部に装着されるＨＵＤ５０を示す図であり、図６は、ＨＵＤ５０に用いられる従来の反射型表示素子６０を示す図である。なお、図６（ａ）は、反射型表示素子６０の平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＣ−Ｃ線の断面図であり、図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示すＤの拡大断面図である。
反射型表示素子６０は、平板状の基板６０ａと、基板６０ａ上に形成されたドットマトリクスタイプの複数の素子６０ｂとから構成される。これにより、各素子６０ｂの反射をｏｎ／ｏｆｆすることで、画像を形成する。このとき、各素子６０ｂの反射において、ｏｎ又はｏｆｆする度合いを制御することにより、それぞれの階調を決定している。

そして、ＨＵＤ５０は、照明光Ｌ’を出射する出射機構５１と、反射型表示素子６０と、プリズムにより構成されるビームスプリッタ５２と、レンズ群３と、ハーフミラーやホログラム素子により等により構成されるコンバイナ（光学素子）５４とを備える。
なお、ビームスプリッタ52は、平板タイプのものを用いてもよい。
このようなＨＵＤ５０において、出射機構５１から出射される照明光Ｌ’は、ビームスプリッタ５２の反射面で反射され、その後、反射型表示素子６０の素子６０ｂに入射する。素子６０ｂに至った照明光Ｌ’は、素子６０ｂで反射し画像表示光Ｌとなった後に、ビームスプリッタ５２を透過する。さらに、ビームスプリッタ５２を透過した画像表示光Ｌは、レンズ群３を透過した後に、コンバイナ５４の反射面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５４を透過する光により前方実在物も視認できる。

一方、投影型ディスプレイ装置にも、ＬＣＯＳやＤＭＤ等の反射型表示素子６０を用いたものが提案されている。図７は、従来の投影型ディスプレイ装置７０を示す図である。
投影型ディスプレイ装置７０は、照明光Ｌ’を出射する出射機構７１と、反射型表示素子６０と、プリズムにより構成されるビームスプリッタ７２と、レンズ群３３と、光軸に対して垂直な平面形状の像面を有するスクリーンＳとを備える。
なお、ビームスプリッタ72は、平板タイプのものを用いてもよい。
このような投影型ディスプレイ装置７０において、出射機構７１から出射される照明光Ｌ’は、ビームスプリッタ７２の反射面で反射され、その後、反射型表示素子６０の素子６０ｂに入射する。素子６０ｂに至った照明光Ｌ’は、素子６０ｂで反射し画像表示光Ｌとなった後に、ビームスプリッタ７２を透過する。そして、ビームスプリッタ７２を透過した画像表示光Ｌは、レンズ群３３を透過した後に、スクリーンＳの像面に投影される。これにより、観察者は、観察対象の画像を視認する。
特開２００１−１８８１９４号公報

しかしながら、ＨＵＤ５０や投影型ディスプレイ装置７０では、像面湾曲と呼ばれる収差が発生するため、画像の周辺部の画質が劣化した。図４（ａ）は、ＨＵＤ５０や投影型ディスプレイ装置７０に用いられるレンズ群３、３３を用いたときのピントの位置を説明するための図である。平坦な像面に対応する光線を考えた時に、レンズ群３、３３を用いた場合、反射型表示素子６０の出射面の中心から出射された画像表示光Ｌのピントが合う距離は、レンズ群３、３３の出射面から最も遠くなり、反射型表示素子６０の出射面の周辺部から出射された画像表示光Ｌのピントが合う距離は、レンズ群３、３３の射出面に近くなる。つまり、画像表示光Ｌの出射された位置が反射型表示素子６０の出射面の中心から遠くになれば遠くになるほど、ピントが合う距離が光学系３、３３の出射面に近くなっていた。よって、平坦な像面を作製する場合には、中心でピントを合わせたときに、周辺部でピントが合わず、画像の周辺部の画質が劣化した。

また、発生する像面湾曲を補正するために、レンズ群として、より多数のレンズを組み合わせることで対処したレンズ群３’が考えられる（図４（ｂ）参照）。これにより、レンズ群３’では、画像表示光Ｌの出射された位置が、反射型表示素子６０の出射面の中心にあるときにも、反射型表示素子６０の出射面の中心から遠くにあるときにも、ピントが合う距離がレンズ群３’の出射面から一定となるようにすることができる。
しかしながら、レンズ群３’では、装置自体のサイズが大きくなるとともに、像面湾曲を補正するのにも限界がある。
そこで、本発明は、サイズが小さいまま、像面湾曲を補正することで、高性能な小型の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、照明光を出射する出射機構と、画像を形成する表示素子とを備える表示装置であって、前記表示素子は、中心から周辺部に向かって出射方向に突き出ていく出射面を有するようにしている。
本発明の表示装置によれば、表示素子から光が出射された位置が、表示素子の出射面の中心にあるときにも、表示素子の出射面の周辺部にあるときにも、ピントが合う距離が一定となるように、表示素子の出射面の中心から周辺部に向かって出射方向に突き出ていく表示素子の出射面を有する。

以上のように、本発明の表示装置によれば、表示素子から光が出射された位置が、表示素子の出射面の中心にあるときにも、表示素子の出射面の周辺部にあるときにも、ピントが合う距離が一定となるように、表示素子の出射面を形成しているので、像面湾曲を発生させることなく、平面形状の画像を作製することができる。
また、多数のレンズを組み合わせないので、表示装置のサイズを小さくすることができる。

（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、前記表示素子の出射面は、曲面形状であるようにしてもよい。
また、上記の発明において、前記表示素子は、反射型表示素子又は透過型表示素子であるようにしてもよい。
そして、上記の発明において、さらに、光軸に対して垂直な平面形状の像面を有するスクリーンを備えるようにしてもよい。
さらに、上記の発明において、さらに、観察者の眼に導く光学素子を備え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。

（実施形態１）
図１は、本発明に係るヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の概略構成を示す図である。また、図２は、ＨＵＤ１０に用いられる本発明の一実施形態である反射型表示素子２０を示す図である。なお、図２（ａ）は、反射型表示素子２０の平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＡ−Ａ線の断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示すＢの拡大断面図である。
ＨＵＤ１０は、出射機構１と、反射型表示素子２０と、ビームスプリッタ２と、レンズ群３と、コンバイナ４とを備える。
出射機構１は、照明光Ｌ’を出射する光源である。
ビームスプリッタ２は、プリズムや平板タイプの素子により構成される。
コンバイナ４は、ハーフミラーやホログラム素子により等により構成される。

反射型表示素子２０は、中心から全周辺部に向かって出射方向に階段状に突き出ていく面を有する基板２０ａと、基板２０ａの面上に形成されたドットマトリクスタイプの複数の素子２０ｂとから構成される。
このような構成により、反射型表示素子２０の出射面で像面湾曲を補正し、レンズ群３を複雑にせず、反射型表示素子２０から画像表示光Ｌが出射された位置が、反射型表示素子２０の出射面の中心にあるときにも、反射型表示素子２０の出射面の周辺部にあるときにも、画像の周辺部の画質を劣化させず、平面形状の画像を作製することができる。
なお、各素子２０ｂの反射はｏｎ／ｏｆｆされることで、画像を形成する。このとき、各素子２０ｂの反射において、ｏｎ又はｏｆｆする度合いが制御されることにより、それぞれの階調が決定される。
また、反射型表示素子２０の製造方法の一例としては、例えば、まず、中心から周辺部に向かって突き出ていく曲面を有するように、基板材料を研磨し、さらに、曲面を階段状に成形するように、基板材料を研磨して、最後に、階段状に成形した面に素子を形成する方法等が挙げられる。

次に、ＨＵＤ１０が虚像を形成する仕組みについて説明する。まず、出射機構１から出射される照明光Ｌ’は、ビームスプリッタ２の反射面で反射され、その後、反射型表示素子２０の素子２０ｂに入射する。素子２０ｂに至った照明光Ｌ’は、反射型表示素子２０の素子２０ｂで反射し、画像表示光Ｌとなった後に、ビームスプリッタ２を透過する。さらに、ビームスプリッタ２を透過した画像表示光Ｌは、レンズ群３を透過した後に、コンバイナ４の反射面で反射されることにより、観察者の眼Ｅに導かれる。
よって、ＨＵＤ１０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、ＨＵＤ１０によれば、反射型表示素子２０から画像表示光Ｌが出射された位置が、反射型表示素子２０の出射面の中心にあるときにも、反射型表示素子２０の出射面の周辺部にあるときにも、ピントが合う距離が一定となるように、反射型表示素子２０の出射面を形成しているので、像面湾曲を発生させることなく、平面形状の画像を作製することができる。
また、多数のレンズを組み合わせないので、ＨＵＤ１０のサイズを小さくすることができる。

（実施形態２）
図３は、本発明に係る投影型ディスプレイ装置の概略構成を示す図である。なお、反射型表示素子２０については、実施形態１と同じものを用いているので、ここでは説明を省略する。また、上述した実施形態１と同様のものについては、同じ符号を付して、説明を省略することとする。
投影型ディスプレイ装置３０は、出射機構３１と、反射型表示素子２０と、ビームスプリッタ３２と、レンズ群３３と、スクリーンＳとを備える。

出射機構３１は、照明光Ｌ’を出射する光源である。
ビームスプリッタ３２は、プリズムにより構成される。
スクリーンＳは、光軸に対して垂直な平面形状の像面を有する。

次に、投影型ディスプレイ装置３０が画像を形成する仕組みについて説明する。まず、出射機構１から出射される照明光Ｌ’は、ビームスプリッタ３２の反射面で反射され、その後、反射型表示素子２０の素子２０ｂに入射する。表示素子２０ｂに至った照明光Ｌ’は、反射型表示素子２０の素子２０ｂで反射し、画像表示光Ｌとなった後に、ビームスプリッタ３２を透過する。そして、ビームスプリッタ３２を透過した画像表示光Ｌは、レンズ群３３を透過した後に、スクリーンＳに投影される。
よって、観察者は、スクリーンＳに投影された観察対象の画像を視認することになる。

このとき、投影型ディスプレイ装置３０によれば、反射型表示素子２０から画像表示光Ｌが出射された位置が、反射型表示素子２０の出射面の中心にあるときにも、反射型表示素子２０の出射面の周辺部にあるときにも、ピントが合う距離が一定となるように、反射型表示素子２０の出射面を形成しているので、像面湾曲を発生させることなく、平面形状の像面を作製することができる。
また、多数のレンズを組み合わせないので、投影型ディスプレイ装置３０のサイズを小さくすることができる。

（他の実施形態）
（１）上述したＨＵＤ１０では、反射型表示素子２０は、中心から全周辺部に向かって出射方向に階段状に突き出ていく出射面を有する構成としたが、反射型表示素子は、中心から一方向（ｘ軸又はｙ軸）で周辺部に向かって出射方向に階段状に突き出ていく出射面（ｘｙ平面）を有する構成としてもよい。
（２）上述したＨＵＤ１０において、反射型表示素子２０を用いず、透過型表示素子を備えるような構成としてもよい。

本発明は、例えば、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、ヘッドマウンテッドディスプレイ（ＨＭＤ）、投影型ディスプレイ装置に利用することができる。

本発明に係るヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の概略構成を示す図である。本発明の一実施形態である反射型表示素子を示す図である。本発明に係る投影型ディスプレイ装置の概略構成を示す図である。ＨＵＤや投影型ディスプレイ装置に用いられるレンズ群を用いたときのピントの位置を説明するための図である。観察者の頭部に装着されるヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）を示す図である。ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）に用いられる従来の反射型表示素子を示す図である。従来の投影型ディスプレイ装置を示す図である。

符号の説明

１、３１出射機構
１０ヘッドアップディスプレイ（表示装置）
２０反射型表示素子（表示素子）
３０投影型ディスプレイ装置（表示装置）
Ｌ画像表示光
Ｅ観察者の眼

Claims

照明光を出射する出射機構と、
画像を形成する表示素子とを備える表示装置であって、
前記表示素子は、中心から周辺部に向かって出射方向に突き出ていく出射面を有することを特徴とする表示装置。
前記表示素子の出射面は、曲面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。
前記表示素子は、反射型表示素子又は透過型表示素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
さらに、光軸に対して垂直な平面形状の像面を有するスクリーンを備え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。
さらに、観察者の眼に導く光学素子を備え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。