JP2010032615A - Display device - Google Patents
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Description
本発明は、表示素子に表示された表示画像を虚像として観察者の眼に導く表示装置に関し、特に観察者の頭部に装着される表示装置(例えば、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ等)に関する。 The present invention relates to a display device that guides a display image displayed on a display element to a viewer's eye as a virtual image, and particularly relates to a display device (for example, a head-mounted display, a head-up display, or the like) that is worn on the viewer's head. .
従来より、CRTやLCD等の表示素子に表示された表示画像を、コンバイナ等の虚像光学系を介して観察者の前方に虚像として表示するヘッドマウントディスプレイ(表示装置)が知られている。このようなヘッドマウントディスプレイは、例えば、1個のLCDを有する投影ユニットと、観察者の眼前に配置されるコンバイナと、LCDに画像信号を出力する制御部とを備える。ヘッドマウントディスプレイにおいて、LCDで表示された表示画像に基づく画像表示光は、投影ユニットから出射された後、コンバイナで反射されることで、観察者の眼に導かれるようになっている。これにより、観察者は表示画像を虚像として観察するとともに、コンバイナを透過する光により前方実在物も視認することができる。このとき、観察者によって観察される虚像の画素数は、LCDの画素数と同じになる。 Conventionally, a head-mounted display (display device) that displays a display image displayed on a display element such as a CRT or LCD as a virtual image in front of an observer via a virtual image optical system such as a combiner is known. Such a head-mounted display includes, for example, a projection unit having one LCD, a combiner disposed in front of the viewer's eyes, and a control unit that outputs an image signal to the LCD. In the head mounted display, the image display light based on the display image displayed on the LCD is emitted from the projection unit and then reflected by the combiner so as to be guided to the eyes of the observer. As a result, the observer can observe the display image as a virtual image and can also visually recognize the real object in front by the light transmitted through the combiner. At this time, the number of pixels of the virtual image observed by the observer is the same as the number of pixels of the LCD.
ところで、このようなヘッドマウントディスプレイで画素密度が高い虚像を観察者に提供するには、画素密度が高いLCDを用いればよいが、LCDの製造上、画素密度の高密度化には、LCDのコストが高くなるとともに限界がある。
そこで、LCDの画素密度が低くても、複数のLCDを並べて用いることにより、画素密度が高い虚像を観察者に提供することができるヘッドマウントディスプレイがある(例えば、特許文献1参照)。
図5は、3個のLCDを用いたヘッドマウントディスプレイの概略構成の一例を示す構成図である。ヘッドマウントディスプレイ50は、3個のLCD51a、51b、51cを有する投影ユニット群51と、観察者の眼E前に配置されるホログラム光学素子(虚像光学系)52と、3個のLCD51a、51b、51cに画像信号を出力する制御部(図示せず)とを備える。
投影ユニット群51は、第一LCD51aと第二LCD51bと第三LCD51cとからなり、第一LCD51aと第二LCD51bと第三LCD51cとがこの順に横一列で並列に配列されている。そして、第一LCD51aで表示された部分表示画像(画素数M×N)に基づく画像表示光は、第一LCD51aから出射された後、ホログラム光学素子52の右部で反射されることで、観察者の眼Eに導かれるようになっている。また、第二LCD51bで表示された部分表示画像(画素数M×N)に基づく画像表示光は、第二LCD51bから出射された後、ホログラム光学素子52の中央部で反射されることで、観察者の眼Eに導かれるようになっている。さらに、第三LCD51cで表示された部分表示画像(画素数M×N)に基づく画像表示光は、第三LCD51cから出射された後、ホログラム光学素子52の左部で反射されることで、観察者の眼Eに導かれるようになっている。
By the way, in order to provide an observer with a virtual image having a high pixel density with such a head-mounted display, an LCD having a high pixel density may be used. There is a limit as costs increase.
Thus, there is a head-mounted display that can provide a viewer with a virtual image with a high pixel density by using a plurality of LCDs side by side even when the pixel density of the LCD is low (see, for example, Patent Document 1).
FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of a schematic configuration of a head mounted display using three LCDs. The head mounted
The
これにより、ヘッドマウントディスプレイ50を装着した観察者は、第一LCD51aの部分表示画像と、第二LCD51bの部分表示画像と、第三LCD51cの部分表示画像とを横一列に連結した合成表示画像を虚像として観察することができる。図6は、従来のヘッドマウントディスプレイ50において、観察者によって観察される虚像の一例を示す図である。観察者によって観察される虚像は、3個の部分表示画像を連結した合成表示画像となり、その結果、虚像の画素数は3M×Nとなっている。
しかしながら、3個のLCD51a、51b、51cを用いたヘッドマウントディスプレイ50においては、観察者の瞳が所定の位置(設計瞳位置)にあるときには、観察者は横一列に連続した合成表示画像を虚像として観察することができるが、観察者の瞳が所定の位置からずれてしまうと、第一LCD51aの部分表示画像と第二LCD51bの部分表示画像と第三LCD51cの部分表示画像との間に隙間や不自然なつなぎ目等が形成されるような不連続な合成表示画像が虚像として観察されるという欠点があった。
そこで、本発明は、複数のLCD等の表示素子で形成した部分表示画像を連結した合成表示画像を虚像として提供しつつ、観察者の瞳が所定の位置からずれても、隙間や不自然なつなぎ目等が生じない合成表示画像を虚像として提供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。
However, in the head mounted
Therefore, the present invention provides a composite display image in which partial display images formed by a plurality of display elements such as LCDs are connected as a virtual image, and even if the observer's pupil deviates from a predetermined position, a gap or unnaturalness is present. It is an object of the present invention to provide a display device that can provide a composite display image in which a joint or the like does not occur as a virtual image.
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、部分表示画像を表示する表示素子と、当該部分表示画像に基づく画像表示光を前方に出射する投影光学系とを有する投影ユニットを複数、備えるとともに、前記複数の投影ユニットから出射された画像表示光を連結し合成表示画像を1枚の虚像として観察者の眼に導く虚像光学系を備える表示装置であって、前記複数の投影ユニットと虚像光学系との間に配置されるスクリーンを備え、 前記複数の投影ユニットから出射された画像表示光は、前記虚像光学系に達する前に、前記スクリーンで1枚の実像として結像されるようにしている。 The display device of the present invention made to solve the above problems includes a plurality of projection units each having a display element that displays a partial display image and a projection optical system that emits image display light based on the partial display image forward. And a display device including a virtual image optical system that couples image display light emitted from the plurality of projection units and guides a combined display image to an observer's eye as a single virtual image, the plurality of projection units The image display light emitted from the plurality of projection units is formed as a single real image on the screen before reaching the virtual image optical system. Like that.
本発明の表示装置によれば、複数の投影ユニットと、スクリーンと、虚像光学系とをこの順に備える。
まず、一の表示素子で表示された部分表示画像に基づく画像表示光が、投影光学系から前方に出射されることで、スクリーンの一部に導かれる。また、他の一の表示素子で表示された部分表示画像に基づく画像表示光は、投影光学系から前方に出射されることで、スクリーンの他の一部に導かれる。このとき、複数の投影ユニットから出射された画像表示光は、一の表示素子の部分表示画像と他の一の表示素子の部分表示画像とを連結した合成表示画像となるように、スクリーンで1枚の実像として結像される。つまり、隙間や不自然なつなぎ目等が生じていない合成表示画像がスクリーンに一旦形成される。
そして、スクリーンで形成された合成表示画像に基づく画像表示光が、虚像光学系で反射若しくは屈折されることで、観察者の眼に導かれる。これにより、観察者は、一の表示素子の部分表示画像と他の一の表示素子の部分表示画像とを連結した合成表示画像を虚像として観察する。このとき、観察者によって観察される虚像は、複数の部分表示画像を連結した合成表示画像となり、その結果、虚像の画素密度は高くなっている。また、隙間や不自然なつなぎ目等が生じていない合成表示画像がスクリーンに一旦形成されているので、隙間や不自然なつなぎ目等が生じない合成表示画像を虚像として観察者は観察することができる。
According to the display device of the present invention, a plurality of projection units, a screen, and a virtual image optical system are provided in this order.
First, image display light based on a partial display image displayed on one display element is emitted forward from the projection optical system, and is guided to a part of the screen. Further, the image display light based on the partial display image displayed on the other display element is emitted forward from the projection optical system and is guided to the other part of the screen. At this time, the image display light emitted from the plurality of projection units is 1 on the screen so as to be a combined display image obtained by connecting a partial display image of one display element and a partial display image of another display element. It is formed as a real image. That is, a composite display image in which no gaps or unnatural joints are generated is once formed on the screen.
Then, image display light based on the composite display image formed on the screen is reflected or refracted by the virtual image optical system, and is guided to the eyes of the observer. Thus, the observer observes a combined display image obtained by connecting the partial display image of one display element and the partial display image of the other display element as a virtual image. At this time, the virtual image observed by the observer becomes a composite display image obtained by connecting a plurality of partial display images, and as a result, the pixel density of the virtual image is high. In addition, since a composite display image in which no gaps or unnatural joints are generated is once formed on the screen, the observer can observe the composite display image in which no gaps or unnatural joints are generated as a virtual image. .
以上のように、本発明の表示装置によれば、画素密度が低い表示素子を用いても、複数の表示素子で形成した部分表示画像を連結することにより、画素密度が高い合成表示画像を虚像として提供することができる。
さらに、観察者の瞳が所定の位置からずれても、隙間や不自然なつなぎ目等が生じない合成表示画像を虚像として提供することができる。
As described above, according to the display device of the present invention, even if a display element having a low pixel density is used, a composite display image having a high pixel density can be converted into a virtual image by connecting partial display images formed by a plurality of display elements. Can be offered as.
Furthermore, even if the observer's pupil deviates from a predetermined position, a composite display image that does not cause gaps or unnatural joints can be provided as a virtual image.
(他の課題を解決するための手段および効果)
また、本発明の表示装置は、前記複数の投影ユニットの投影光学系の光軸がスクリーンに向かって互いに平行となるように、前記複数の投影ユニットは配置されているようにしてもよい。
さらに、本発明の表示装置は、前記複数の投影ユニットと虚像光学系とスクリーンとは、前記観察者の頭部に装着されるようにしてもよい。
(Means and effects for solving other problems)
In the display device of the present invention, the plurality of projection units may be arranged so that the optical axes of the projection optical systems of the plurality of projection units are parallel to each other toward the screen.
Further, in the display device of the present invention, the plurality of projection units, the virtual image optical system, and the screen may be mounted on the head of the observer.
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1は、本発明の一実施形態であるヘッドマウントディスプレイ(表示装置)の概略構成の一例を示す構成図である。また、図2は、図1に示すヘッドマウントディスプレイのLCD(表示素子)とスクリーンとの位置関係を示す斜視図である。さらに、図3は、図1に示すヘッドマウントディスプレイにおいて、観察者によって観察される虚像の一例を示す図である。
ヘッドマウントディスプレイ10は、4個のLCD111a、111b、111c、111dを有する投影ユニット群11と、1個の平板のスクリーン12と、観察者の眼E前に配置されるコンバイナ(虚像光学系)2と、4個のLCD111a、111b、111c、111dに画像信号を出力する制御部30とを備える。なお、ヘッドマウントディスプレイ10は、観察者の頭部に装着されるものである。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a schematic configuration of a head mounted display (display device) according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing the positional relationship between the LCD (display element) and the screen of the head mounted display shown in FIG. Further, FIG. 3 is a diagram showing an example of a virtual image observed by an observer in the head mounted display shown in FIG.
The head mounted
スクリーン12は、投影ユニット群11とコンバイナ2との間に配置された1個の平板である。スクリーン12において、投影ユニット群11側の面が、部分表示画像に基づく画像表示光Lを投影ユニット群11から受ける入射面となり、コンバイナ2側の面が、部分表示画像に基づく画像表示光Lをコンバイナ2へ出射する出射面となる。
The
投影ユニット群11は、第一投影ユニット11aと第二投影ユニット11bと第三投影ユニット11cと第四投影ユニット11dとからなる。
第一投影ユニット11aは、部分表示画像を表示する1個のLCD111aと、LCD111aの前方に配置される投影光学系112aとを有する。
LCD111aは、制御部30からの画像信号に基づいて、部分表示画像(画素数M×N)を表示する。そして、LCD111aは、部分表示画像に基づく画像表示光Lを前方の投影光学系112aに出射する。投影光学系112aは、部分表示画像に基づく画像表示光Lを入射面で受けて、その後、出射面から画像表示光Lを前方のスクリーン12に拡大し実像を形成するように出射する。
なお、第二投影ユニット11bと第三投影ユニット11cと第四投影ユニット11dとも、第一投影ユニット11aと同様の構造となるので、ここでは説明を省略する。
The projection unit group 11 includes a
The
The
Since the
このような第一投影ユニット11aと第二投影ユニット11bと第三投影ユニット11cと第四投影ユニット11dとの合計4個の投影ユニットは、縦2列横2列となるように配列されて固定されている。このとき、図2に示すように、前方から見ると、左上に第一投影ユニット11aのLCD111a、右上に第二投影ユニット11bのLCD111b、左下に第三投影ユニット11cのLCD111c、右下に第四投影ユニット11dのLCD111dがそれぞれ配置される。なお、図2において投影光学系の図示を省略している。
また、第一投影ユニット11aの投影光学系112aの光軸と第二投影ユニット11bの投影光学系112bの光軸と第三投影ユニット11cの投影光学系112cの光軸と第四投影ユニット11dの投影光学系112dの光軸とは、スクリーン12に向かって互いに平行となるように、第一投影ユニット11aと第二投影ユニット11bと第三投影ユニット11cと第四投影ユニット11dとは配置されている。これにより、図2に示すように前方から見ると、LCD111aの部分表示画像はスクリーン12の左上部に投影され、LCD111bの部分表示画像はスクリーン12の右上部に投影され、LCD111cの部分表示画像はスクリーン12の左下部に投影され、LCD111dの部分表示画像はスクリーン12の右下部に投影される。このとき、LCD111aの部分表示画像とLCD111bの部分表示画像とLCD111cの部分表示画像とLCD111dの部分表示画像とを連結した合成表示画像となるように、スクリーン12で1枚の実像として結像される。つまり、隙間や不自然なつなぎ目等が生じていない合成表示画像がスクリーン12に一旦形成される。
A total of four projection units such as the
The optical axis of the projection
制御部30は、CPU31を備える。CPU31が実行する制御・演算内容を機能ごとに分けて説明すると、合成表示画像を作成する合成表示画像作成部32と、4個のLCD111a、11b、111c、111dに画像信号を出力する画像信号出力部33とを有する。
合成表示画像作成部32は、合成表示画像を作成する制御を行う。具体的には、図3に示すような画像が観察者によって虚像として観察されるように、1枚の合成表示画像を作成する。
The
The composite display
画像信号出力部33は、4個のLCD111a、111b、111c、111dに画像信号を出力する制御を行う。具体的には、まず、合成表示画像作成部32で作成した1枚の合成表示画像を、縦2列横2列となるように4枚の部分表示画像に分離する。次に、図4に示すように4枚の部分表示画像の鏡像40a、40b、40c、40dを作成する。そして、LCD111aに部分表示画像40aを示す画像信号を出力し、LCD111bに部分表示画像40bを示す画像信号を出力し、LCD111cに部分表示画像40cを示す画像信号を出力し、LCD111dに部分表示画像40dを示す画像信号を出力する。
The image
コンバイナ2は、スクリーン12で形成された合成表示画像に基づく画像表示光Lを反射することで、合成表示画像を1枚の虚像として観察者の眼Eに導く。
コンバイナ2は、観察者の眼Eの前方に配置される第一光学素子21と、観察者の眼Eから第一光学素子11の前方に空間を介して配置される第二光学素子22とを有する。第一光学素子21と第二光学素子22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。よって、第一光学素子21及び第二光学素子22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
The
ここで、第一光学素子21の観察者側の反対面を、第一光路変更面21aとし、第一光学素子21の観察者側の面を、第一通過面21bとする。また、第二光学素子22の観察者側の面を、第二光路変更面22aとし、第二光学素子22の観察者側の反対面を第二通過面22bとする。
第一光路変更面21aは、入射光(画像表示光L)を発散させる凸曲面形状であるとともに、第二光路変更面22aは、入射光を収束させる凹曲面形状である。なお、第一光路変更面21a、第二光路変更面22a、第一通過面21b及び第二通過面22bは、例えば、「軸はずし回転対称非球面」である。
Here, the surface opposite to the viewer side of the first
The first optical
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、ρ2=x2+y2、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か、2次曲面係数K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 expressed 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. Equation (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, the aspherical surface means that at least one aspherical coefficient αi or the quadric surface coefficient K 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、ヘッドマウントディスプレイ10における実像(部分表示画像)に対する観察対象の虚像の倍率、ヘッドマウントディスプレイ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、第一光学素子21及び第二光学素子22は、厚さが均一な板状体である。第一光学素子21は、例えば、第一光路変更面21aと第一通過面21b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、第二光学素子22も、例えば、第二光路変更面22aと第二通過面22b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。
It should be noted that the curvature c defining the off-axis rotationally symmetric aspheric surface, the quadratic surface coefficient K, and the aspheric surface coefficient αi (i = 1 to n) are the virtual image of the observation object with respect to the real image (partial display image) in the head mounted
The first
ここで、コンバイナ2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、スクリーン12から出射され、第一光路変更面21aに至った画像表示光Lは、第一光路変更面21aで第二光路変更面22aに向かうように反射される。さらに、第二光路変更面22aに至った画像表示光Lは、第二光路変更面22aで第一光路変更面21aに向かうように反射される。そして、第一光学素子21に至った画像表示光Lは、第一光学素子21を透過することにより、観察者の眼Eに導かれる。よって、コンバイナ2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
以上のように、ヘッドマウントディスプレイ10によれば、画素密度が低いLCD(画素数M×N)111a、111b、111c、111dを用いても、4個のLCD111a、111b、111c、111dで形成した部分表示画像を連結することにより、画素密度が高い合成表示画像(画素数2×(M×N))を虚像として提供することができる。さらに、観察者の瞳が所定の位置からずれても、隙間や不自然なつなぎ目等が生じない合成表示画像を虚像として提供することができる。
As described above, according to the head-mounted
(他の実施形態)
(1)上述したヘッドマウントディスプレイ10において、4個の投影ユニット11a、11b、11c、11dを備える構成としたが、4個の投影ユニットに限らず、所望の画素密度となる虚像を観察者に提供するために、9個や16個等の必要な個数の投影ユニットを備えるような構成としてもよい。
(2)上述したヘッドマウントディスプレイ10において、1枚のスクリーン12を備える構成としたが、縦2列横2列となるように4枚のスクリーンに分離することが可能となるような構成としてもよい。このような構成によれば、投影ユニットの個数を容易に変更することができるようになる。
(3)上述したヘッドマウントディスプレイ10において、制御部30は合成表示画像を重なる部分がないように4つの部分表示画像に分離する構成としたが、制御部は合成表示画像を一部分が重なるように4つの部分表示画像に分離するような構成としてもよい。
(4)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、上記第二光路変更面は、全反射ミラーにより構成されてもよい。
(5)ヘッドマウントディスプレイに限らず、観察者の前方に設置するヘッドアップディスプレイのような形態であってもよい。
(6)上述したヘッドマウントディスプレイ10において、画像表示光Lを反射することで、合成表示画像を1枚の虚像として観察者の眼Eに導くコンバイナ2を備える構成としたが、画像表示光を屈折することで、合成表示画像を1枚の虚像として観察者の眼に導く虚像光学系を備えるような構成としてもよい。
(Other embodiments)
(1) The head mounted
(2) The head mounted
(3) In the head mounted
(4) 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.
(5) Not only a head mounted display but a form like a head up display installed in front of an observer may be sufficient.
(6) The above-described head mounted
本発明は、表示素子に表示された表示画像を虚像として観察者の眼に導く表示装置に利用することができる。 The present invention can be used for a display device that guides a display image displayed on a display element to a viewer's eye as a virtual image.
2 コンバイナ(虚像光学系)
10 ヘッドマウントディスプレイ(表示装置)
11a、11b、11c、11d 投影ユニット
12 スクリーン
21 第一光学素子
22 第二光学素子
111a、111b、111c、111d LCD(表示素子)
112a、112b、112c、112d 投影光学系
L 画像表示光
E 観察者の眼
2 Combiner (virtual image optical system)
10 Head mounted display (display device)
11a, 11b, 11c,
112a, 112b, 112c, 112d Projection optical system L Image display light E Eye of observer
Claims (3)
前記複数の投影ユニットから出射された画像表示光を連結し、合成表示画像を1枚の虚像として観察者の眼に導く虚像光学系を備える表示装置であって、
前記複数の投影ユニットと虚像光学系との間に配置されるスクリーンを備え、
前記複数の投影ユニットから出射された画像表示光は、前記虚像光学系に達する前に、前記スクリーンで1枚の実像として結像されることを特徴とする表示装置。 A plurality of projection units each including a display element that displays a partial display image and a projection optical system that emits image display light based on the partial display image forward, and
A display device comprising a virtual image optical system that couples image display light emitted from the plurality of projection units and guides a composite display image as a single virtual image to an observer's eye,
A screen disposed between the plurality of projection units and the virtual image optical system;
The image display light emitted from the plurality of projection units is formed as a single real image on the screen before reaching the virtual image optical system.
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JP2013054141A (en) * | 2011-09-02 | 2013-03-21 | Shimadzu Corp | Display device |
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2008
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