JP2011164545A - 表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 出射機構Sと、表示しようとする画像情報に基づいて、出射機構Sを制御する制御部10とを備え、ライトガイド4、7は、第一面43a、73aと、第二面43b、73bと、観察者の眼の前方に配置される出射面42、72と、入射面41、71とを有し、入射面41、71で出射機構Sからの画像表示光を反射させた後、第一面43a、73aと第二面43b、73bとで画像表示光を設定方向へと反射させながら出射面42、72に導き、出射面42、72から画像表示光を観察者の眼に導く表示装置1であって、少なくとも2個のライトガイド4、7を備え、制御部10は、各ライトガイド4、7には、それぞれ異なる画像情報に対応する画像表示光を出射機構Sから出射することにより、虚像を形成することを特徴とする。
【選択図】図1
Description
眼鏡型ディスプレイ401は、眼鏡と似た外観をしており、画像表示光Lを出射するユニット部Uと、ユニット部Uからの画像表示光Lを内部で反射させながら観察者の眼Eに導く基板であるライトガイド404と、ユニット部Uとライトガイド404とが取り付けられるフレーム部Fとを備える(例えば、特許文献1参照)。
なお、眼鏡型ディスプレイ401は右眼用であり、遠方を見ている状態の右眼Eの中心に原点を有したXYZ座標系を定義する。Z方向は観察者の前方であり、Y方向は観察者の下方であり、X方向は観察者の左方である。
出射機構Sは、光源(図示せず)と、透過型液晶表示器402とを備える。透過型液晶表示器402は、制御部410からの画像信号に基づいて、出射方向に垂直である面に表示領域(X1×Y1)となる画像を形成し、その画像表示光Lを角度範囲θ(例えば、20°)で出射する。
光学系403は、表示領域の全範囲(X1×Y1)の画像表示光Lを透過させる第一光学素子を有する。これにより、光学系403は、表示領域の全範囲(X1×Y1)の画像表示光Lを透過させながら、観察対象の虚像を形成する。
側面群443は、X方向から見ると四角形状となり、第一面443aと、第一面443aとZ方向で対向する第二面443bと、第三面(図示せず)と、第三面とY方向で対向する第四面(図示せず)とを有する。
そして、第一出射面442aと第二出射面442bとは、入射した画像表示光Lの光束の一部を反射するとともに、画像表示光Lの光束の一部を透過することが可能なビームスプリッタ面となっている。
また、透過型液晶表示器402の表示位置bから出射される画像表示光Lbは、第一出射面442aで一部の光束が透過し、第二面443bで光束が反射され、第一出射面442aで光束が透過し、第一面443aで光束が反射され、第二出射面442bで一部の光束が反射されて観察者の眼Eに導かれる。つまり、画像表示光Lbが第一面443aから第二出射角度ψ2で出射して、観察者の眼Eに導かれる。
また、解像度が上がった画像表示光Lの光束を、観察者の眼Eに高輝度で導く方法について検討も行った。その結果、少なくとも2個のライトガイドを備え、一のライトガイドによって角度範囲θ1の画像表示光L1の光束を、観察者の眼Eに導くとともに、他のライトガイドによって角度範囲θ2の画像表示光L2の光束を、観察者の眼Eに導き、かつ、角度範囲θ1の画像表示光L1の光束と角度範囲θ2の画像表示光L2の光束とを並べたり重ねたりするようにして観察者の眼Eに導くことを見出した。
また、「異なる画像情報」とは、一つの画像における右半分と左半分とであったり、同じに見える画像であっても画素がずれていること等をいう。
そして、制御部は、例えば、第一部分の画像情報に対応した画像表示光を出射機構から出射させる。そして、第一部分の画像情報に対応した画像表示光は、第一のライトガイドに導かれる。その後、第一のライトガイドは、第一部分の画像情報に対応した画像表示光を、出射面から第一角度範囲で出射して、観察者の眼に導く。
また、制御部は、第二部分の画像情報に対応した画像表示光を出射機構から出射させる。そして、第二部分の画像情報に対応した画像表示光は、第二のライトガイドに導かれる。その後、第二のライトガイドは、第二部分の画像情報に対応した画像表示光を、出射面から第二角度範囲で出射して、観察者の眼に導く。
その結果、第一部分の画像情報と第二部分の画像情報とが並べられたり重ねられたりした画像表示光が、第一のライトガイドと第二のライトガイドとを介して、観察者の眼に導かれる。
また、上記の発明において、前記出射機構は、ライトガイドと同数の表示素子を有し、1個の表示素子は、1個のライトガイドに画像表示光を出射するようにしてもよい。
また、上記の発明において、各ライトガイドの出射面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を透過することが可能な複数の平面形状のビームスプリッタ面であり、同一のライトガイドのビームスプリッタ面は、お互いに平行であるようにしてもよい。
ここで、「設定割合」とは、設計者等によって予め決められた任意の割合であり、例えば、入射した画像表示光の光束の10%を反射するとともに、画像表示光の光束の90%を透過するように決められる。
そして、上記の発明において、異なるライトガイドのビームスプリッタ面は、お互いに平行でなく、前記制御部は、前記観察者に各画像情報を重ねた虚像を形成することで、虚像の解像度を上げるようにしてもよい。
ここで、「所定の長さ」とは、設計者等によって観察者の眼の可動範囲を考慮して予め決められた任意の長さであり、例えば、画像表示光を2回以上、好ましくは5回以上反射させるために必要な長さとなる。
図1は、本発明の一実施形態である眼鏡型ディスプレイ(表示装置)の平面の概略構成を示す光路図である。なお、上述した眼鏡型ディスプレイ401と同様のものについては、同じ符号を付している。
眼鏡型ディスプレイ1は、画像表示光L1、L2を出射するユニット部Uと、ユニット部Uからの画像表示光L1、L2を内部で反射させながら観察者の眼Eに導く基板である第一ライトガイド4及び第二ライトガイド7と、ユニット部Uと第一ライトガイド4と第二ライトガイド7とが取り付けられるフレーム部Fとを備える。
出射機構Sは、光源(図示せず)と第一透過型液晶表示器2とを備える第一出射機構S1と、光源(図示せず)と第二透過型液晶表示器5とを備える第二出射機構S2とを備える。
第一透過型液晶表示器2は、制御部10からの画像信号に基づいて、出射方向に垂直である面に表示領域(X1×Y1)となる画像を形成し、その画像表示光L1を出射する。
第一光学系3は、表示領域の全範囲(X1×Y1)の画像表示光L1を透過させる第一光学素子を有する。これにより、第一光学系3は、表示領域の全範囲(X1×Y1)の画像表示光L1を透過させながら、第一角度範囲θ1(例えば、20°)で出射し、観察対象の虚像を形成する。
第二光学系6は、表示領域の全範囲(X1×Y1)の画像表示光L2を透過させる第二光学素子を有する。これにより、第二光学系6は、表示領域の全範囲(X1×Y1)の画像表示光L2を透過させながら、第二角度範囲θ2(例えば、20°)で出射し、観察対象の虚像を形成する。
側面群43は、X方向(第一ライトガイド4における設定方向)から見ると四角形状となり、第一面43aと、第一面43aとZ方向で対向する第二面43bと、第三面(図示せず)と、第三面とY方向で対向する第四面(図示せず)とを有する。
出射面42は、2枚の平面形状の出射面からなり、X方向(設定方向)において順番に、第一出射面42aと、第二出射面42bとなるように配置されている。さらに、X方向に対する第一出射面42aの角度と、X方向に対する第二出射面42bの角度とは、Y方向から見ると同じα42(例えば、26°)となるように配置されている。
そして、第一出射面42aと第二出射面42bとは、入射した画像表示光L1の光束の10%を反射するとともに、画像表示光L1の光束の90%を透過することが可能なビームスプリッタ面となっている。
側面群73は、X方向(第二ライトガイド7における設定方向)から見ると四角形状となり、第一面73aと、第一面73aとZ方向で対向する第二面73bと、第三面(図示せず)と、第三面とY方向で対向する第四面(図示せず)とを有する。
出射面72は、2枚の平面形状の出射面からなり、X方向(設定方向)において順番に、第一出射面72aと、第二出射面72bとなるように配置されている。さらに、X方向に対する第一出射面72aの角度と、X方向に対する第二出射面72bの角度とは、Y方向から見ると同じα72(例えば、20°)となるように配置されている。このとき、第一出射面72aと第二出射面72bとの角度α72は、第一出射面42aと第二出射面42bとの角度α42より小さくなっている。よって、入射面71で画像表示光L2をX方向に近い方向へと反射しても、角度γを所定の範囲内(例えば、80°以下)に抑えることを満足することができる。
そして、第一出射面72aと第二出射面72bとは、入射した画像表示光L2の光束の10%を反射するとともに、画像表示光L2の光束の90%を透過することが可能なビームスプリッタ面となっている。
表示制御部10aは、画像信号を第一透過型液晶表示器2及び第二透過型液晶表示器5に画像信号を出力するように制御する。図2は、表示した虚像を説明するための図である。
具体的には、第一部分(X1×Y1)となる画像を示す第1画像信号を出力する。つまり、図2(a)に示すような部分D1となる画像を示す第1画像信号を出力する。このとき、第一部分D1となる画像の画素数は、n×mとなっている。また、第二部分(X1×Y1)となる画像を示す第2画像信号を出力する。つまり、図2(b)に示すような部分D2となる画像を示す第2画像信号を出力する。このとき、第二部分D2となる画像の画素数は、n×mとなっている。
その結果、表示位置aから出射される画像表示光L1aは、第一ライトガイド4の入射面41に導かれる。第一ライトガイド4の入射面41は、画像表示光L1aを略X方向へと反射する。このとき、角度βが所定の範囲内(例えば、sin−1(n1/ng)以上)になるように反射する。そして、第一面43aと第二面43bとは、表示位置aから出射される画像表示光L1aを交互に複数回反射しながら、第一出射面42aに導く。そこで、第一出射面42aは、入射した画像表示光L1aの光束の一部を反射して、画像表示光L1aの光束の一部を観察者に向かって導く。このとき、第一ライトガイド4の第一面43aから第二出射角度ψ2で出射して、観察者の眼Eに導かれる。
その結果、第一角度範囲θ1(例えば、20°)の画像表示光L1の光束が、観察者の眼Eに導かれることになる。
その結果、第二角度範囲θ2(例えば、20°)の画像表示光L2の光束が、観察者の眼Eに導かれることになる。
図3は、本発明の一実施形態である眼鏡型ディスプレイ(表示装置)の平面の概略構成を示す光路図である。なお、上述した眼鏡型ディスプレイ1と同様のものについては、同じ符号を付している。
眼鏡型ディスプレイ201は、画像表示光L1、L2を出射するユニット部Uと、ユニット部Uからの画像表示光L1、L2を内部で反射させながら観察者の眼Eに導く基板である第一ライトガイド204及び第二ライトガイド207と、ユニット部Uと第一ライトガイド204と第二ライトガイド207とが取り付けられるフレーム部Fとを備える。
側面群243は、X方向(第一ライトガイド204における設定方向)から見ると四角形状となり、第一面243aと、第一面243aとZ方向で対向する第二面243bと、第三面(図示せず)と、第三面とY方向で対向する第四面(図示せず)とを有する。
出射面242は、2枚の平面形状の出射面からなり、X方向(設定方向)において順番に、第一出射面242aと、第二出射面242bとなるように配置されている。さらに、X方向に対する第一出射面242aの角度と、X方向に対する第二出射面242bの角度とは、Y方向から見ると同じα242(例えば、24°)となるように配置されている。
そして、第一出射面242aと第二出射面242bとは、入射した画像表示光Lの光束の10%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の90%を透過することが可能なビームスプリッタ面となっている。
側面群273は、−X方向(第二ライトガイド207における設定方向)から見ると四角形状となり、第一面273aと、第一面273aとZ方向で対向する第二面273bと、第三面(図示せず)と、第三面とY方向で対向する第四面(図示せず)とを有する。
出射面272は、2枚の平面形状の出射面からなり、−X方向(設定方向)において順番に、第一出射面272aと、第二出射面272bとなるように配置されている。さらに、−X方向に対する第一出射面272aの角度と、−X方向に対する第二出射面272bの角度とは、Y方向から見ると同じα272(例えば、24°)となるように配置されている。
そして、第一出射面272aと第二出射面272bとは、入射した画像表示光Lの光束の10%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の90%を透過することが可能なビームスプリッタ面となっている。
表示制御部210aは、画像信号を第一透過型液晶表示器2及び第二透過型液晶表示器5に画像信号を出力するように制御する。図4は、表示した虚像を説明するための図である。
具体的には、第一部分(X1×Y1)となる画像を示す第1画像信号を出力する。つまり、図4(a)に示すような部分D1となる画像を示す第1画像信号を出力する。このとき、第一部分D1となる画像の画素数は、(n/2)×(m/2)となっている。また、第二部分(X1×Y1)となる画像を示す第2画像信号を出力する。つまり、図4(b)に示すような部分D2となる画像を示す第2画像信号を出力する。このとき、第二部分D2となる画像の画素数は、(n/2)×(m/2)となっている。なお、部分D1と部分D2とは、同じに見える画像であるが、X方向及びY方向に半画素ずつずらしている。
その結果、表示位置aから出射される画像表示光L1aは、第一ライトガイド204の入射面241に導かれる。第一ライトガイド204の入射面241は、画像表示光L1aを略X方向へと反射する。このとき、角度βが所定の範囲内(例えば、sin−1(n1/ng)以上)になるように反射する。そして、第一面243aと第二面243bとは、画像表示光L1aを交互に複数回反射しながら、第一出射面242aに導く。そこで、第一出射面242aは、入射した画像表示光L1aの光束の一部を反射して、画像表示光L1aの光束の一部を観察者に向かって導く。このとき、第一ライトガイド204の第一面243aから第一出射角度ψ1で出射して、観察者の眼Eに導かれる。
その結果、角度範囲θ(例えば、20°)の画像表示光L1の光束が、観察者の眼Eに導かれることになる。
その結果、角度範囲θ(例えば、20°)の画像表示光L2の光束が、観察者の眼Eに導かれることになる。
上述した眼鏡型ディスプレイ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してもよい。また、観察者に装着されるヘッドマウントディスプレイのような形態に限らず、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。
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い。
また、上述した眼鏡型ディスプレイ1において、出射機構Sは、第一透過型液晶表示器2と第二透過型液晶表示器5とを備えるような構成を示したが、1個の透過型液晶表示器を備え、制御部によって各ライトガイドには、それぞれ異なる画像情報に対応する画像表示光を出射するような構成としてもよい。
上記ライトガイドを形成する材料としては、例えば、ポリカーボネイト、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。
上述した眼鏡型ディスプレイ1において、第一ライトガイド4が2枚のビームスプリッタ面42a、42bを有するとともに、第二ライトガイド7が2枚のビームスプリッタ面72a、72bを有するような構成を示したが、第一ライトガイドが4枚のビームスプリッタ面を有するとともに、第二ライトガイドが6枚のビームスプリッタ面を有するような構成としてもよく、ビームスプリッタ面は任意の数とすることができる。
上述した眼鏡型ディスプレイ1において、第一ライトガイド4の出射面42a、42bと第二ライトガイド7の出射面72a、72bとが、入射した画像表示光Lの光束の10%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の90%を透過するビームスプリッタ面であるような構成を示したが、回折面であるような構成としてもよい。
2、5、402 透過型液晶表示器(表示素子)
3、6、403 光学系
4、204 第一ライトガイド
7、207 第二ライトガイド
10、210、410 制御部
41、71、241、271、441 入射面
42、72、242、272、442 出射面
42a、72a、242a、272a、442a 第一出射面
42b、72b、242b、272b、442b 第二出射面
43a、73a、243a、273a、443a 第一面
43b、73b、243b、273b、443b 第二面
L 画像表示光
E 観察者の眼
S 出射機構
U ユニット部
Claims (6)
- 画像表示光を出射する表示素子を有する出射機構と、
ライトガイドと、
表示しようとする画像情報に基づいて、前記出射機構を制御する制御部とを備え、
前記ライトガイドは、第一面と、当該第一面と対向する第二面と、観察者の眼の前方に配置される出射面と、入射面とを有し、前記入射面で出射機構からの画像表示光を反射させた後、前記第一面と第二面とで画像表示光を設定方向へと反射させながら出射面に導き、前記出射面から画像表示光を観察者の眼に導く表示装置であって、
少なくとも2個のライトガイドを備え、
前記制御部は、各ライトガイドには、それぞれ異なる画像情報に対応する画像表示光を出射機構から出射することにより、虚像を形成することを特徴とする表示装置。 - 前記出射機構は、ライトガイドと同数の表示素子を有し、
1個の表示素子は、1個のライトガイドに画像表示光を出射することを特徴とする請求項1に記載の表示装置。 - 各ライトガイドの出射面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を透過することが可能な複数の平面形状のビームスプリッタ面であり、
同一のライトガイドのビームスプリッタ面は、お互いに平行であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の表示装置。 - 各ライトガイドにおける設定方向は、同一の方向であり、
異なるライトガイドのビームスプリッタ面は、お互いに平行でなく、
前記制御部は、前記観察者に各画像情報を並べた虚像を形成することで、虚像の範囲を拡大することを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の表示装置。 - 異なるライトガイドのビームスプリッタ面は、お互いに平行でなく、
前記制御部は、前記観察者に各画像情報を重ねた虚像を形成することで、虚像の解像度を上げることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の表示装置。 - 各ライトガイドの出射面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を回折反射する回折面であり、当該回折面は設定方向において所定の長さで配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の表示装置。
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