JP2010185947A

JP2010185947A - 表示装置

Info

Publication number: JP2010185947A
Application number: JP2009028564A
Authority: JP
Inventors: Masato Tanaka; 真人田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2010-08-26

Abstract

【課題】出射機構の組み立て作業において、枠部材を配置する工程をなくすことができる表示装置を提供する。
【解決手段】出射方向に垂直である面に対して表示領域となる画像表示光Ｌを出射する表示素子２を有する出射機構Ｓと、観察者の眼Ｅの前方に配置される接眼光学系３とを備え、画像表示光Ｌが接眼光学系３を介して観察者の眼Ｅに導かれることにより、観察者の前方に観察対象の虚像を形成する表示装置１であって、出射機構Ｓの出射方向における前方に配置され、画像表示光Ｌを内部に入射させる入射面５ａと、画像表示光Ｌを内部から出射させる出射面５ｂとを有し、観察対象の虚像におけるぼけ及び／又は歪みを小さくするための光学素子５を備え、光学素子５の入射面５ａ上に、表示領域外の光を遮蔽する枠５ｃが付着により形成されていることを特徴とする。
【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のモニタに適した表示装置に関する。

身体に纏う形態の情報機器用の表示装置としては、頭部に装着する形態が主流である（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従来の表示装置を示す図である。表示装置１００は、観察者の上方に配置される出射機構Ｓと、観察者の眼Ｅの前方に配置される接眼光学系３とを備える。
接眼光学系３は、観察者の眼Ｅの前方に配置される第１コンバイナ１１と、第１コンバイナ１１の前方に空間４を介して配置される第２コンバイナ１２と、出射機構Ｓと第１コンバイナ１１との間に配置される光学素子１１３とを有する。第１コンバイナ１１と第２コンバイナ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コンバイナ１１及び第２コンバイナ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。
光学素子１１３は、レンズ等により構成され、画像表示光Ｌを内部に入射させる入射面１１３ａと、画像表示光Ｌを内部から出射させる出射面１１３ｂとを有し、内部に画像表示光Ｌを通過させることで、観察対象の虚像におけるぼけや歪みを小さくする。

このような表示装置１００において、出射機構Ｓから出射される画像表示光Ｌは、まず、光学素子１１３の入射面１１３ａから入射し、光学素子１１３の内部を通過し、そして、光学素子１１３の出射面１１３ｂから出射する。次に、光学素子１１３の出射面１１３ｂから出射した画像表示光Ｌは、第１コンバイナ１１の反射面１１ａで反射された後に、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。
なお、第１コンバイナ１１の反射面１１ａ及び第２コンバイナ１２の反射面１２ａは、軸はずし回転対称非球面とされている。また、光学素子１１３の入射面１１３ａと出射面１１３ｂとは、平面形状である。

ところで、出射機構Ｓは、光源（図示せず）と、反射型液晶表示器（表示素子）２とを備え、反射型液晶表示器２は、表示部２１と、表示部２１の出射面を保護する平板形状のカバーガラス２２と、平板形状の電子基板２４とを備え、表示部２１の出射面は、出射方向に垂直である面に対して表示領域（Ｘ_１×Ｙ_１）となる画像表示光Ｌを出射する表示領域２１ａと、その周囲の非表示領域２１ｂとを備える。
カバーガラス２２は、画像表示光Ｌを内部に入射させる入射面と、画像表示光Ｌを内部から出射させる出射面とを有する。カバーガラス２２の入射面と出射面とは、平面形状である。そして、カバーガラス２２の入射面と表示部２１の出射面とは、接着剤を用いて接着されている。
このような出射機構Ｓにおいて、表示部２１から出射される表示領域（Ｘ_１×Ｙ_１）となる画像表示光Ｌは、カバーガラス２２を通過した後に、光学素子１１３に導かれる。その後、画像表示光Ｌは、上述したように観察者の眼Ｅに導かれるようになっている。

しかし、観察者は、表示装置１００によって観察対象の虚像を視認すると、図５（ｂ）に示すように、表示領域（Ｘ_１×Ｙ_１）となる画像表示光Ｌで形成された画像（網部分）だけでなく、カバーガラス２２の縁や表示部２１の近辺の電子基板２４による画像を含んだ画像（Ｘ_２×Ｙ_２）を視認することとなり、非常に煩わしく感じていた。
そこで、観察者が、カバーガラス２２の縁や電子基板２４による画像を視認しないように、出射機構Ｓに表示領域外の光を遮蔽する枠部材２３を備えるものがある。図４は、観察者の頭部に装着される従来の表示装置の他の一例を示す図である。なお、上述した表示装置１００と同様のものについては、同じ符号を付している。

反射型液晶表示器２は、表示部２１と、表示部２１の出射面を保護する平板形状のカバーガラス２２と、平板形状の電子基板２４と、カバーガラス２２の出射面に配置される枠部材２３とを備える。
枠部材２３は、中央部に表示領域（Ｘ_１×Ｙ_１）よりやや大きい開口部２３ａを有する所定の大きさ（Ｘ_２×Ｙ_２）よりやや大きい平板形状の黒色のプラスチック板である。これにより、カバーガラス２２の縁と表示部２１の近辺の電子基板２４とを覆うことで、表示領域外の光を遮蔽することになる。
このような表示装置１０１における出射機構Ｓにおいて、表示部２１から出射される表示領域（Ｘ_１×Ｙ_１）となる画像表示光Ｌは、カバーガラス２２を通過した後に、光学素子１１３に導かれるとともに、表示領域外の光は、枠部材２３によって光学素子１１３に導かれないようになっている。これにより、観察者は、表示装置１０１によって観察対象の虚像を視認すると、図５（ａ）に示すように、表示領域（Ｘ_１×Ｙ_１）となる画像表示光Ｌで形成される画像（網部分）と、周縁部の黒色の画像とを含んだ画像（Ｘ_２×Ｙ_２）を視認している。

特開２００１−１８８１９４号公報

ところで、表示装置１０１を使用する観察者は、表示部２１の出射面に眼Ｅの焦点を合わせることになる。よって、表示装置１０１における出射機構Ｓの組み立て作業において、枠部材２３をカバーガラス２２の出射面に配置する工程を行う際に、表示部２１の出射面の近辺であるカバーガラス２２の出射面や枠部材２３の開口部２３ａに埃等の異物が付着すると、観察者が、その異物を画像表示光Ｌで形成される画像上に視認することになるので、異物がカバーガラス２２の出射面や枠部材２３の開口部２３ａに付着しないように管理しながら行う必要がある。つまり、枠部材２３をカバーガラス２２の出射面に配置する工程を管理しながら行うので、非常に手間がかかった。

また、表示装置１０１における出射機構Ｓの組み立て作業後においても、異物がカバーガラス２２の出射面や枠部材２３の開口部２３ａに付着することもあり、そのような場合にはカバーガラス２２の出射面や枠部材２３の開口部２３ａから異物を除去する除去作業を行う必要がある。つまり、除去作業を行う必要があるので、非常に手間がかかった。
そこで、本発明は、出射機構の組み立て作業において、枠部材を配置する工程をなくすことができる表示装置を提供することを目的とする。さらに、出射機構の組み立て作業後においても、出射機構の出射面から異物を除去する除去作業をなくす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、出射方向に垂直である面に対して表示領域となる画像表示光を出射する表示素子を有する出射機構と、観察者の眼の前方に配置される接眼光学系とを備え、前記画像表示光が接眼光学系を介して観察者の眼に導かれることにより、観察者の前方に観察対象の虚像を形成する表示装置であって、前記出射機構の出射方向における前方に配置され、前記画像表示光を内部に入射させる入射面と、前記画像表示光を内部から出射させる出射面とを有し、前記観察対象の虚像におけるぼけ及び／又は歪みを小さくするための光学素子を備え、前記光学素子の入射面上に、前記表示領域外の光を遮蔽する枠が付着により形成されているようにしている。

ここで、本明細書における「付着」とは、塗料やインクや蒸着材料等を対象物の表面にくっつけることをいい、別途形成された枠部材を対象物の表面に接着することや装着すること等は含まない。よって、「付着」とは、例えば、蒸着材料を加熱し気化もしくは昇華して、離れた位置に置かれた対象物の表面に付着させ、薄膜を形成する「蒸着」や、画像を版等にして、版等を用いて塗料やインクを対象物の表面に転写や印刷する「塗着」等が挙げられる。
本発明の表示装置によれば、光学素子の入射面上に、表示領域外の光を遮蔽する枠が付着により形成されているので、光学素子を配置すれば、表示領域外の光が光学素子の内部に導かれないようにすることができる。

以上のように、本発明の表示装置によれば、出射機構の組み立て作業において、管理しながら行う枠部材を配置する工程をなくすことができる。また、枠部材が不要となり、コストを下げることができる。

（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、前記光学素子の入射面は、平面形状であり、前記光学素子の入射面と出射機構の出射面とは、接着されているようにしてもよい。
本発明の表示装置によれば、光学素子の入射面と出射機構の出射面とは、接着剤等を用いて接着されているので、光学素子を配置した後には、異物が出射機構の出射面に付着することがなくなる。よって、光学素子を配置した後には、出射機構の出射面から異物を除去する除去作業をなくすことができる。

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に示す光学素子の斜視図である。観察者の頭部に装着される従来の表示装置を示す図である。観察者の頭部に装着される従来の表示装置の他の一例を示す図である。観察者が視認する画像を示す図である。

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り、図２は、図１に示す光学素子の斜視図である。なお、上述した表示装置１００と同様のものについては、同じ符号を付している。
表示装置１は、ケーシング（図示省略）により覆われる出射機構Ｓ及び接眼光学系３を備える。なお、表示装置１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。
出射機構Ｓは、光源（図示せず）と、反射型液晶表示器（表示素子）２とを備え、反射型液晶表示器２は、表示部２１と、表示部２１の出射面を保護する平板形状のカバーガラス２２と、平板形状の電子基板２４とを備え、表示部２１は、出射方向に垂直である面に対して表示領域（Ｘ_１×Ｙ_１）となる画像表示光Ｌを出射する表示領域２１ａと、その周囲の非表示領域２１ｂとを備える。

接眼光学系３は、観察者の眼Ｅの前方に配置される第１コンバイナ１１と、第１コンバイナ１１の前方に空間４を介して配置される第２コンバイナ１２と、光学素子５とを有する。
ここで、第１コンバイナ１１の観察者側の反対面を、第１光路変更面１１ａとし、第１コンバイナ１１の観察者側の面を、第１通過面１１ｂとする。また、第２コンバイナ１２の観察者側の面を、第２光路変更面１２ａとし、第２コンバイナ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４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（２）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（２）において、ρ^２＝ｘ^２＋ｙ^２、ｃ＝１／Ｒである。なお、数式（２）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（２）において、２次曲面係数Ｋが０でないか、または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、出射機構Ｓにおける実像に対する観察対象の虚像の倍率、出射機構Ｓ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コンバイナ１１及び第２コンバイナ１２は、厚さが均一な板状体である。第１コンバイナ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コンバイナ１２も、例えば、第２光路変更面１２ａと第２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。

光学素子５は、レンズ等により構成され、画像表示光Ｌを内部に入射させる入射面５ａと、画像表示光Ｌを内部から出射させる出射面５ｂとを有し、内部に画像表示光Ｌを通過させることで、観察対象の虚像におけるぼけや歪みを小さくする。また、光学素子５の入射面５ａは平面形状であるとともに、光学素子５の出射面５ｂはシリンダ面形状である。
また、光学素子５の入射面５ａには、中央部に表示領域（Ｘ_１×Ｙ_１）よりやや大きい開口部を有する所定の大きさ（Ｘ_２×Ｙ_２）よりやや大きい枠５ｃが、クロム（蒸着材料）等の蒸着により形成されている。これにより、カバーガラス２２の縁と表示部２１の近辺の電子基板２４とを覆うことで、表示領域外の光を遮蔽することになる。
そして、光学素子５の入射面５ａとカバーガラス２２の出射面とは、接着剤（例えば、紫外線硬化型接着剤等）を用いて接着されている。これにより、光学素子５を配置した後には、異物がカバーガラス２２の出射面に付着することがなくなる。

光学素子５の出射方向の厚さＺは、第１コンバイナ１１側より第２コンバイナ１２側が厚くなるように配置される。よって、第２コンバイナ１２側を透過する画像表示光Ｌは、拡散の程度を抑制されることにより、第１コンバイナ１１ａ上での拡散の程度を調整されることになる。なお、光学素子５の出射方向の厚さＺは、例えば、３ｍｍ〜１０ｍｍ等となっており、表示装置１を使用する観察者は、表示部２１の出射面に眼Ｅの焦点を合わせることになるので、光学素子５の出射面５ｂに埃等の異物が付着しても、その異物を画像表示光Ｌで形成される画像上にはっきり視認することはない。

上記シリンダ面形状とは、円筒を縦軸に平行に切った形のカマボコ型の凸部形状、又は、カマボコ型の凹みをもった凹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、放物線形状又は楕円形状となる。なお、上記シリンダ面形状は、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面で表される。ここで、数式（１）において、ｃ_ｙ＝１／Ｒである。
Ｚ＝ｃ_ｙｙ^２／（１＋｛１−（１＋Ｋ）ｃ_ｙ ^２ｙ^２｝^１／２）・・・（１）
なお、シリンダ面形状を定義する曲率ｃ_ｙは、出射機構Ｓにおける実像に対する観察対象の虚像の倍率、出射機構Ｓ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。

ここで、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、表示部２１から出射された画像表示光Ｌは、カバーガラス２２の入射面からカバーガラス２２の内部に入射する。そして、カバーガラス２２の出射面に至った表示領域となる画像表示光Ｌは、光学素子５の内部に導かれるとともに、表示領域外の光は、枠５ｃによって光学素子５の内部に導かれない。つまり、表示領域となる画像表示光Ｌのみが光学素子５の内部に導かれる。そして、光学素子５の出射面５ｂに至った画像表示光Ｌは、第１コンバイナ１１に導かれる。
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コンバイナ１１に至った画像表示光Ｌは、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。よって、接眼光学系３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。これにより、観察者は、表示装置１によって観察対象の虚像を視認すると、図５（ａ）に示すように、表示領域（Ｘ_１×Ｙ_１）となる画像表示光Ｌで形成される画像（網部分）と、周縁部の黒色の画像とを含んだ画像（Ｘ_２×Ｙ_２）を視認している。

以上のように、表示装置１によれば、出射機構Ｓの組み立て作業において、管理しながら行う枠部材を配置する工程をなくすことができる。また、枠部材が不要となり、コストを下げることができる。さらに、光学素子５を配置した後には、カバーガラス２２の出射面から異物を除去する除去作業をなくすことができる。

上記光学素子の入射面に形成される枠は、クロム等の蒸着により形成されるだけでなく、塗料やインク等の印刷や転写（塗着）により形成されてもよい。
また、上記光学素子の入射面とカバーガラスの出射面とを接着する方法としては、光学素子の入射面の全面に接着剤を塗布してもよく、光学素子の入射面の周縁部に接着剤を塗布してもよい。
さらに、上記光学素子の入射面とカバーガラスの出射面とを接着せずに、上記光学素子の入射面は、カバーガラスの出射面近辺（例えば、次式（３）でＭ≦０．２）に配置されてもよい。
Ｍ＝Ｔ／Ｄ・・・（３）
Ｔ：カバーガラスの出射面と光学素子の入射面との間隔
Ｄ：（Ｘ_１ ^２＋Ｙ_１ ^２）^1/2 （表示部の表示領域の対角サイズ）

上記反射型液晶表示器は、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。
また、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色光を時分割発光する光源と、フィールドシーケンシャル駆動されてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）用のモノクロ画像を時分割に形成する反射型液晶表示器とを組み合わせることにより、観察対象の虚像をカラー表示してもよい。
また、表示素子としては、画像表示光を直接に出射するバックライト付液晶表示器等の透過型表示器が用いられてもよいし、自発光型表示器が用いられてもよい。
また、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。

上記第１コンバイナ、第２コンバイナ及び光学素子を形成する材料としては、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。
上記光学素子の入射面とカバーガラスの出射面とを接着する接着剤としては、例えば、紫外線硬化型接着剤等が挙げられる。

本発明は、卓上以外の環境で使用する情報機器等に利用することができる。

１、１００、１０１表示装置
２反射型液晶表示器（表示素子）
３接眼光学系
５光学素子
５ａ入射面
５ｂ出射面
５ｃ枠
２１表示部
Ｌ画像表示光
Ｅ観察者の眼
Ｓ出射機構

Claims

出射方向に垂直である面に対して表示領域となる画像表示光を出射する表示素子を有する出射機構と、
観察者の眼の前方に配置される接眼光学系とを備え、
前記画像表示光が接眼光学系を介して観察者の眼に導かれることにより、観察者の前方に観察対象の虚像を形成する表示装置であって、
前記出射機構の出射方向における前方に配置され、前記画像表示光を内部に入射させる入射面と、前記画像表示光を内部から出射させる出射面とを有し、前記観察対象の虚像におけるぼけ及び／又は歪みを小さくするための光学素子を備え、
前記光学素子の入射面上に、前記表示領域外の光を遮蔽する枠が付着により形成されていることを特徴とする表示装置。
前記光学素子の入射面は、平面形状であり、
前記光学素子の入射面と出射機構の出射面とは、接着されていることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。