JP2008523433A - 表示装置において近焦点で光線拡張するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、全反射によって光波を案内するための光導構造体（１）であって、前記構造体（１）の主面にほぼ平行に拡がった二つの対向する主表面（１ａ、１ｂ）を有した光導構造体（１）と、前記構造体（１）の前記対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の一方によって担持され、画像源（３）から前記光導構造体（１）内へ光波を取り込むための第一光結合素子（２）と、前記構造体（１）の対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の一方によって担持され、前記第一光結合素子（２）から前記構造体（１）の前記主面に沿って横方向にずれており、見る人の目によって見られるように前記構造体（１）から光波を取り出すための少なくとも一つの第二光結合素子（４）とを有した光学装置に関するものである。この光学装置の人間工学特性を改善するために、それは、前記光導構造体（１）の前記第一又は前記少なくとも一つの第二の光結合素子（２、４）の内の少なくとも一つの場所において前記対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の少なくとも一方が、前記好ましい焦点距離に仮想画像を発生させるために前記見掛けの焦点距離に相当した所定の有限曲率半径を有していることを特徴としている。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般的には電子装置、好ましくは携帯通信装置に使用される表示装置、特に見るために表示装置の射出瞳を拡張するために一つ以上の光結合素子を使用する表示装置に関する。

携帯装置において情報、特に画像及びテキスト・メッセージを表示するために低解像度の液晶表示（ＬＣＤ）パネルを使用することが一般的であるが、テキスト及び画像の豊富な情報内容を拾い読みするために高解像度の表示装置を使用することが好ましい。いわゆる超小型表示装置をベースにしたシステムは、ｍｍ当り５０−１００本のラインでフル・カラーの画素を提供する。仮想表示装置は、一般に画像を提供する超小型表示装置及び画像から現れる光が直視型の表示パネルと同じほどに大きく感知されるようにその画像から現れる光を操作するための光学的構成から構成されている。仮想表示装置は、単眼用又は双眼用となっている。

結像光学機器から目に向かって現れる光線の大きさは射出瞳と呼ばれている。目に近接させる表示装置（ＮＴＥ又はＮＥＤ）では、射出瞳は一般的に直径で１０ｍｍのオーダとなっている。更に射出瞳を大きくすると、仮想表示装置の使用が格段に容易になるが、その理由は当該装置を目から離して置くことができるからである。このため、そのような表示装置は、言うまでもないが最早ＮＥＤとしての資格が無い。ヘッドアップ表示装置は、格段に大きな射出瞳を有した仮想表示装置の例である。

従来技術の国際公開第９９／５２００２号は、仮想表示装置の射出瞳を拡大する方法を開示している。この開示された方法は、射出瞳を拡大するために三つの連続したホログラフィック光学素子（ＨＯＥｓ）か、又は回折光学素子（ＤＯＥ）を使用している。図１に示されているように、この従来技術を参照すると、ＨＯＥｓは、平坦な透光性の光導構造体又は基板１上に配列された回折格子素子である。図示のように、画像源３からの光は、基板１の一方側の上に配置された第一ＨＯＥ２上に入射する。基板１内に結合されたＨＯＥ２からの光は、第二ＨＯＥ５に向かって導かれるが、その場合、光の分布は一方向に拡張されている。ＨＯＥ５もその拡張された光の分布を第三ＨＯＥ４にさらに導くが、その場合、光の分布は別の方向に更に拡張される。ホログラフィック素子は、基板１のいずれの側にも配置することができる。さらにＨＯＥ４も、ＨＯＥ４が配置されている基板面から外側へと拡張された光の分布を導く。光学システムは、図１に示されているように、光線の全体的な方向を維持する光線拡張装置としての働きをする。そのような装置は、射出瞳の拡張器（ＥＰＥ）とも称されている。

本願出願人の会社で内部的に知られているような従来技術の装置を参照したもので、図２に示されているような別のタイプの射出瞳の拡張器では、ただ二つの連続したホログラフィック光学素子（ＨＯＥｓ）が使用されているだけである。第一のＨＯＥ２は、一般的に入射光を基板１内に結合して基板１内の分布光を第二のＨＯＥ４に向かって導くために平行な回折縞から成る回折構造を有している。基板１は、その二つの表面間で主に全反射によって光線を捕らえる光導体としての作用を行う。図２に示されているように、回折素子のＨＯＥ２及びＨＯＥ４は、両者共基板１の下表面上に配置されている。二つの回折素子のＨＯＥ２及びＨＯＥ４は、互いに隣接して配列されているので、光分布は回折素子ＨＯＥ４によって一方向に拡張される。

図２に示されている上述のタイプの射出瞳拡張器を使用した仮想表示装置では、焦点は常に無限遠に配置されているが、それは、観察者の目が取り出された光線を無限遠から来ているものとして受け取ることを意味している。これには、この表示装置が人間工学的に劣っていると言う欠点がある。その理由であるが、用途によっては、見る人が無限遠よりも近い距離で画像を見る方が遥かにより心地好く感じるためである。

従って、光学装置、仮想表示装置、より具体的にはその射出瞳拡張器の人間工学特性を改良する方法及びシステムを提供するのが有利であり、望まれていることである。

本発明の主要な目的は、仮想光学表示装置、特にその表示装置の射出瞳拡張器の人間工学特性を改良することである。

かくして、本発明の第一形態によれば、
全反射によって光波を案内するための光導構造体であって、前記構造体の主面にほぼ平行に拡がった二つの対向する主表面を有した光導構造体と、
前記構造体の前記対向する主表面の内の一方によって担持され、画像源から前記光導構造体内へ光波を取り込むための第一光結合素子と、
前記構造体の対向する主表面の内の一方によって担持され、前記第一光結合素子から前記構造体の前記主面に沿って横方向にずれており、見る人の目によって見られるように前記構造体から光波を取り出すための少なくとも一つの第二光結合素子とを有した光学装置であって、更に
前記光導構造体の前記第一又は前記少なくとも一つの第二の光結合素子の内の少なくとも一つの場所において、前記対向する主表面の内の少なくとも一方が、前記好ましい焦点距離に仮想画像を発生させるために見掛けの焦点距離に相当した所定の有限曲率半径を有していることを特徴とする光学装置が提供されている。

従って、本発明のこのような形態に係わる装置は、曲率半径がまさしく焦点距離に相当していると言う長所を有している。このことは、従来技術の装置に対比して焦点が有限となるように変化されることを意味しており、それは全ての取り出された光線がこの有限焦点から来るように見えることを意味している。本光学装置の人間工学特性はかくして改良されることになるが、その理由は、無限遠よりも近い距離になっているように見える画像を観察者が観察することになって心地好いものとなるからである。

好ましくは、湾曲の中心は、前記光導構造体の対向する主表面の少なくとも二つに対して各々同じに成っている。これで、光導構造体を簡単な構造にできる。

好ましくは、前記焦点距離に相当した前記曲率半径は、少なくとも０．５ｍ、好ましくは０．５ｍから１．５ｍの範囲と成っている。

好ましくは、光結合素子は、前記光導構造体の同じ側に配置される。

好ましくは、前記第一及び／又は前記少なくとも一つの第二の光結合素子の内の少なくとも一方は、回折素子と成っている。

好ましくは、前記第一及び前記少なくとも一つの第二の光結合素子は、円筒軸が前記回折格子のラインに平行に成っている円筒面上に配置されている。

好ましくは、前記第一及び前記少なくとも一つの第二の回折素子の内の少なくとも一方は、表面レリーフ構造から構成されている。

好ましくは、前記第一及び前記少なくとも一つの第二の光結合素子の内の少なくとも一方は、ホログラフィック光学素子と成っている。

好ましくは、前記ホログラフィック光学素子は、二つの互いに干渉する光波の干渉縞として前記素子を記録することで前記光導構造体に具現化されている。

好ましくは、前記画像源は、シーケンシャル・カラーＬＣＯＳ（液晶オン・シリコン）装置、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）アレイ、ＭＥＭＳ（超小型電気機械システム）装置、或いは透過、反射又は放射で作動する任意の他の適切な超小型表示装置となっている。

本発明の第二形態によれば、電子装置用の、好ましくは携帯通信装置用の画像源として使用される仮想表示装置が提供されており、光導型の射出瞳拡張器（ＥＰＥ）を有していて、その場合に光波を取り込む素子と取り出す素子が、仮想画像の見掛けの焦点距離に相当した曲率半径を有している表面上に存在している。

本発明の第三形態によれば、電子装置の、好ましくは携帯通信装置の射出瞳を拡張する手段が提供されており、
全反射によって光波を案内する光導構造体であって、前記構造体の主面にほぼ平行に拡がった二つの対向する主表面を有した光導構造体と、
該構造体の対向する主表面の内の一方によって担持され、画像源から前記光導構造体内へ光波を取り込むための第一光結合素子と、
前記構造体の対向する主表面の内の一方によって担持され、前記第一光結合素子から前記構造体の主面に沿って横方向にずれており、前記構造体から光波を取り出すための少なくとも一つの第二光結合素子とを有しており、前記装置は、
前記光導構造体の前記第一又は前記少なくとも一つの第二の光結合素子の内の少なくとも一つの場所において対向する主表面の内の少なくとも一方が、好ましい焦点距離に仮想画像を発生させるために見掛けの焦点距離に相当した所定の有限曲率半径を有していることを特徴としている。

本発明の第四形態によれば、光学系の射出瞳を拡張する方法が提供されており：
光導構造体の主面にほぼ平行に拡がった二つの対向する主表面を有した光導構造体によって担持されている第一光結合素子によって画像源から前記光導構造体内へ光波を取り込む工程であって、光波が全反射によって前記光導構造体内を伝播するものと、
前記構造体の対向する主表面の内の一方によって担持され、前記第一光結合素子から前記構造体の主面に沿って横方向にずれている少なくとも一つの第二光結合素子によって前記構造体から光波を取り出す工程とを有しており、前記方法は、更に
少なくとも前記光導構造体の前記第一又は前記少なくとも一つの第二の光結合素子における場所において前記対向する主表面の内の少なくとも一方の曲率半径が、有限値を有すると共に好ましい焦点距離に仮想画像を発生させるために見掛けの焦点距離に相当していることを特徴としている。

好ましくは、射出瞳を拡張する手段は、移動電話、パーソナル・ディジタル・アシスタンス（ＰＤＡ）、通報器、携帯インターネット機器、ハンド−ハンド・コンピュータ、ディジタル・ビデオ及びスチル・カメラ、ウェラブルなコンピュータ、コンピュータ・ゲーム装置、目の前にもってきて見るための特殊な視覚用製品、及び他の携帯電子装置などの携帯装置に使用される。

射出瞳の拡張器は、更にゲーム装置、自動販売機、バンク−オ−マット（ｂａｎｋ−ｏ−ｍａｔ）、家庭機器、例えばオーブン、電子レンジ、その他の機器など、及び他の非携帯電子装置などの非携帯装置に使用される。

図３に示されているように、光導構造体１は、二つの対向する主表面１ａ、１ｂを有している。基本的には、これらの主表面１ａ、１ｂは、構造体１の主面に平行に拡がっている。

その主表面１ｂの側には、画像源３から入って来る光波を取り込むために使用される第一光結合素子２が配置されている。

回折素子２、４の各々はホログラフィック回折素子（ＨＯＥ）又は回折光学素子（ＤＯＥ）とできる点に注目すべきである。名称が示唆しているように、ホログラフィック回折素子は、ホログラフ的に形成されるもので、そこでは、少なくとも二つの干渉性の光線が干渉縞を発生するために使用される。対照的に、回折光学素子については機械的に又は化学的に形成することができる。図３に示されているようなＥＰＥは、二つ以上の回折素子を有している。

両タイプの素子は、周期的構造に基づいており、他方でＤＯＥにおける構造体は全般的により簡単になっており、通常表面レリーフ構造となっている。それとは対照的に、ＨＯＥは一般的に体積構造となっており、それは当該構造を使用される波長よりも遥かに大きい深さにすることができることを意味している。

更に、第二光結合素子４も光導構造体１の主表面１ｂ上に存在している。第二光結合素子４は、第一光結合素子２から光導構造体１の主面に沿って横方向にずれたものであり、次に説明する方法で前記光導構造体１から光波を取り出す働きをする。

光結合素子２から光結合素子４への光波の転送は、光導構造体１内部での全反射によって行われる。

更に図３から分かるように、光導構造体１は、完璧な平坦形状ではなく、特定の曲率半径を有している。本構造体１の両主表面１ａ、１ｂは、共通の曲率中心を有している。光導構造体１の曲率半径は、その曲率半径が観察者から見る焦点に対応しているので観察者の目が無限遠からではなく有限距離から画像に焦点を合わせるように設計されている。例えば、０．５ｍと無限遠との間の範囲で、好ましくは１ｍの距離で観察者が対象物を見ることが望まれている。このことは、画像を非常に短い距離で、即ち５ｃｍで観察するよりも、又は非常に長い距離で、即ち無限遠で観察するよりも観察者にはより心地良いものとなる。

かくして、本発明は、光結合素子２、４によって与えられる射出瞳拡張作用を利用する一方、曲率半径の設計によって無限遠から有限個所へ焦点をシフトさせることも利用している。

上述の射出瞳拡張器は、移動電話、パーソナル・ディジタル・アシスタンス（ＰＤＡ）、通報器、携帯インターネット機器、ハンド−ハンド・コンピュータ、ディジタル・ビデオ及びスチル・カメラ、ウェラブルなコンピュータ、コンピュータ・ゲーム装置、目の前にもってきて見るための特殊な視覚用製品、並びに他の携帯電子装置などの携帯装置に使用される。一方で、射出瞳拡張器は、更にゲーム装置、自動販売機、バンク−オ−マット（ｂａｎｋ−ｏ−ｍａｔ）、家庭機器、例えばオーブン、電子レンジ、その他の機器など、及び他の非携帯電子装置などの非携帯装置にも使用される。

図４に示されているように、携帯装置１００は、外部装置（図示されていない）と情報を送受信するための通信ユニット１１２を収容するハウジング１１０を有している。携帯装置１００は、更に送受信される情報を扱うための制御・処理ユニット１１４と、見るための仮想表示システム１３０とを有している。仮想表示システム１３０は、超小型表示装置又は画像源１３２と光学エンジン１３４とを含んでいる。制御処理ユニット１１４は、画像データを画像源１３２に与えてその上に画像を表示させるために光学エンジン１３４に作動接続されている。射出瞳拡張器（ＥＰＥ）は、本発明によれば、光学エンジン１３４に光学的にリンクされている。

更に、本発明のＥＰＥに対する適用は、仮想表示装置に限定されるものではない。回折素子（Ｈ１、Ｈ２）は、実際には、光を平坦な光導体内に結合するための光学カプラー及び光変調装置となっている。かくして、ＥＰＥは、光の結合と操作の目的のために基板に隣接して又は基板上に配置された基板光導体と複数の光学カプラー（又は光変調装置）とから成る光学装置として見ることができる。

図３では３で示され、図４では１３２で示されている画像源は、シーケンシャル・カラーＬＣＯＳ（液晶オン・シリコン）装置、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）アレイ、ＭＥＭＳ（超小型電気機械システム）装置、或いは透過、反射又は放射で作動するいずれかの他の適当な微小表示装置となっている。

かくして、本発明をその好適な実施形態に関して説明してきたが、その形態と詳細における前述の色々な他の変更、省略及び変更が本発明の技術範囲から逸脱しない限り行われ得ることは当業者に理解されるものである。

本発明の射出瞳拡張器の使用は、説明した装置に限定されない。他の目的は、目に近接させる表示装置、カバー映写用ミニチユア映写器又は仮想ミニチユア映写器、フラット・パネル表示装置、ヘッドアップ型車用表示装置、フラット・スクリーンへの画像映写に使用される超小型表示装置、並びに車、事務所、公共及び家庭の環境のための多機能な光学ネットワークとのターミナルとなっている。

本発明に係る射出瞳拡張器の他の可能な使用形態は、スマート・カード及びスマート財布、クリップ、及びパーソナル・アクセス体の分野において見受けられる。

従来技術に係る三つの回折素子を使用した射出瞳拡張器を示している概略表示図である。 従来技術に係る二つの回折素子を使用した射出瞳拡張器を示している概略表示図である。 本発明に係る射出瞳拡張器を示している概略表示図である。 仮想表示システムを有した移動通信装置を示している概略表示図である。

Claims (15)

1. 全反射によって光波を案内するための光導構造体（１）であって、前記構造体（１）の主面にほぼ平行に拡がった二つの対向する主表面（１ａ、１ｂ）を有した光導構造体（１）と、
   前記構造体（１）の前記対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の一方によって担持され、画像源（３）から前記光導構造体（１）内へ光波を取り込むための第一光結合素子（２）と、
   前記構造体（１）の対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の一方によって担持され、前記第一光結合素子（２）から前記構造体（１）の前記主面に沿って横方向にずれており、見る人の目によって見られるように前記構造体（１）から光波を取り出すための少なくとも一つの第二光結合素子（４）と、を有した光学装置であって、
   前記光導構造体（１）の前記第一又は前記少なくとも一つの第二の光結合素子（２、４）の内の少なくとも一つの場所において、前記対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の少なくとも一方が、前記好ましい焦点距離に仮想画像を発生させるために見掛けの焦点距離に相当した所定の有限曲率半径を有していることを特徴とする光学装置。
2. 湾曲の中心は、前記光導構造体（１）の対向する主表面（１ａ、１ｂ）の少なくとも二つに対して各々同じである請求項１記載の光学装置。
3. 前記焦点距離に相当した前記曲率半径は、少なくとも０．５ｍ、好ましくは０．５ｍから１．５ｍの範囲と成っている請求項１記載の光学装置。
4. 前記第一及び前記少なくとも一つの第二の光結合素子（２、４）は、前記光導構造体（１）の同じ側に配置されている請求項１記載の光学装置。
5. 前記第一及び／又は前記少なくとも一つの第二の光結合素子（２、４）の内の少なくとも一つは、回折素子である請求項１記載の光学装置。
6. 前記第一及び前記少なくとも一つの第二の光結合素子（２、４）は、円筒軸が前記光結合素子（２、４）に設けられた回折格子のラインに平行である円筒面上に配置されている請求項５記載の光学装置。
7. 前記第一及び前記少なくとも一つの第二の回折素子（２、４）の内の少なくとも一つは、表面レリーフ構造から構成されている請求項５記載の光学装置。
8. 前記第一及び前記少なくとも一つの第二の光結合素子（２、４）の内の少なくとも一つは、ホログラフィック光学素子である請求項１記載の光学装置。
9. 前記ホログラフィック光学素子は、二つの互いに干渉する光波の干渉縞として前記素子を記録することで前記構造体（１）に具現化されている請求項８記載の光学装置。
10. 前記画像源（３）は、シーケンシャル・カラーＬＣＯＳ（液晶オン・シリコン）装置、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）アレイ、ＭＥＭＳ（超小型電気機械システム）装置、或いは透過、反射又は放射で作動する任意の他の適切な超小型表示装置である請求項１記載の光学装置。
11. 電子装置用の、好ましくは携帯通信装置用の画像源として使用される仮想表示ユニットであって、該表示ユニットは、全反射によって光波を案内する光導構造体（１）で、該構造体（１）の主面にほぼ平行に拡がった二つの対向する主表面（１ａ、１ｂ）を有した光導構造体（１）と、
    前記構造体（１）の対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の一方によって担持され、画像源（３）から前記光導構造体（１）内へ光波を取り込むための第一光結合素子（２）と、
    前記構造体（１）の対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の一方によって担持され、前記第一光結合素子（２）から前記構造体（１）の主面に沿って横方向にずれており、前記構造体（１）から光波を取り出すための少なくとも一つの第二光結合素子（４）とを有しており、前記装置は、
    前記光導構造体（１）の前記第一又は前記少なくとも一つの第二の光結合素子（２、４）の内の少なくとも一つの場所において、前記対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の少なくとも一方が、前記好ましい焦点距離に仮想画像を発生させるために前記見掛けの焦点距離に相当した所定の有限曲率半径を有していることを特徴とする仮想表示ユニット。
12. 電子装置の、好ましくは携帯通信装置の射出瞳を拡張する手段であって、
    全反射によって光波を案内する光導構造体（１）であって、前記構造体（１）の主面にほぼ平行に拡がった二つの対向する主表面（１ａ、１ｂ）を有した光導構造体（１）と、
    前記構造体（１）の対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の一方によって担持され、画像源（３）から前記光導構造体（１）内へ光波を取り込むための第一光結合素子（２）と、
    前記構造体（１）の対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の一方によって担持され、前記第一光結合素子（２）から前記構造体（１）の主面に沿って横方向にずれており、前記構造体（１）から光波を取り出すための少なくとも一つの第二光結合素子（４）とを有しており、前記装置は、
    前記光導構造体（１）の前記第一又は前記少なくとも一つの第二の光結合素子（２、４）の内の少なくとも一つの場所において、前記対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の少なくとも一方が、好ましい焦点距離に仮想画像を発生させるために見掛けの焦点距離に相当した所定の有限曲率半径を有していることを特徴とする手段。
13. 光学系の射出瞳を拡張する方法であって：
    光導構造体（１）の主面にほぼ平行に拡がった二つの対向する主表面（１ａ、１ｂ）を有した光導構造体（１）によって担持されている第一光結合素子（２）によって画像源（３）から前記光導構造体（１）内へ光波を取り込む工程であって、光波が全反射によって前記光導構造体（１）内を伝播するものと、
    前記構造体（１）の対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の一方によって担持され、前記第一光結合素子（２）から前記構造体（１）の主面に沿って横方向にずれている少なくとも一つの第二光結合素子（４）によって前記構造体（１）から光波を取り出す工程とを有しており、前記方法は、更に
    少なくとも前記光導構造体（１）の前記第一又は前記少なくとも一つの第二の光結合素子（２、４）における場所において、前記対向する主表面（１ａ、１ｂ）の内の少なくとも一方の曲率半径が、有限値を有すると共に好ましい焦点距離に仮想画像を発生させるために見掛けの焦点距離に相当していることを特徴とする方法。
14. 移動電話、パーソナル・ディジタル・アシスタンス（ＰＤＡ）、通報器、携帯インターネット機器、ハンド−ハンド・コンピュータ、ディジタル・ビデオ及びスチル・カメラ、ウェラブルなコンピュータ、コンピュータ・ゲーム装置、目の前にもってきて見るための特殊な視覚用製品、及び他の携帯電子装置などの携帯装置に使用される請求項１２の射出瞳を拡張する手段。
15. ゲーム装置、自動販売機、バンク−オ−マット（ｂａｎｋ−ｏ−ｍａｔ）、家庭機器、例えばオーブン、電子レンジ、その他の機器など、及び他の非携帯電子装置などの非携帯装置に使用される請求項１２の射出瞳を拡張する手段。

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