JP2014178524A - 表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】シースルー表示時における良好な透明表示性能を保持しつつ背景を遮蔽することができる表示装置を提供する。
【解決手段】スクリーン部21は、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bの2つのスクリーンが投影光の投影方向に隣接配置されており、第1のスクリーン21aは、第1の方向に直線偏光された可視光に対して散乱状態と透過状態が切替可能であり、第2のスクリーン21bは、第1の方向とは異なる第2の方向に直線偏光された可視光に対して散乱状態と透過状態とが切替可能となっている。
【選択図】図1

Description

本発明は、映像を表示する表示装置に関する。
従来からプロジェクタ等の光源からの投影映像をスクリーン(投影面)に投影して映像を表示する表示装置が知られている。
特許文献1には、表示スクリーン全体を一様に透明状態と不透明状態とに所定の周期で交互に切り替えて、表示スクリーンの透明状態時に撮像装置への入力を行い、不透明状態時に表示スクリーンへ画像を投射することで、撮像装置が表示スクリーンを挟んで位置している観察者等を表示スクリーンに表示させる画像に影響されずに撮影できることが記載されている。
特許文献1に記載されたような、透明状態(透過状態)と不透明状態(散乱状態)とを切り替えることができる表示スクリーンは、不透明状態時に表示する画像となる投影光を投射して映像を表示するとともに、透明状態と不透明状態とを交互に切り替えることで、観察者は表示スクリーンの背後にある背景も観察することができる。
この種の表示スクリーンで透過率を上げてシースルー性を向上させるために、例えば特許文献2に記載されているスクリーンを使用することが考えられる。特許文献2には、2つの透明基板で高分子と液晶からなる層を狭持した構造とし、高分子が特定方向に配向している。このようにすることで、スクリーンに偏光依存性を持たせて、配向方向に偏光した光のみを散乱させることができるため、例えば、背景光や照明光等の無偏光は全て散乱されずに透過させることができる。したがって、透過率を上げてシースルー性を向上させることができる。
特許第2688519号公報 特許平6−301005号公報
上述した偏光依存性を持ったスクリーンを用いることで、透過率を上げ、良好な透明表示性能を持たせることはできるが、一方で、透過率を下げて遮蔽したいという場合もある。例えば、観察者は、背景が見えると焦点が背景側に行きやすいため、特に映像に注目させたい場合は、背景を完全に遮蔽することが望ましい。しかしながら、偏光依存性を持ったスクリーンでは、スクリーンの偏光方向と異なる偏光は透過してしまうため、背景を完全に遮蔽することは不可能である。
そこで、本発明は、上述した問題に鑑み、例えば、シースルー表示時における良好な透明表示性能を保持しつつ背景を遮蔽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。
上記課題を解決するために、請求項1に記載された発明は、第1の方向に直線偏光された投影光が投影されるスクリーン部を有し、前記スクリーン部は、第1のスクリーンと第2のスクリーンの2つのスクリーンが前記投影光の投影方向に重なるように配置され、前記第1のスクリーンは、前記第1の方向に直線偏光された可視光に対して散乱状態と透過状態が切替可能であり、前記第2のスクリーンは、少なくとも前記第1の方向とは異なる第2の方向に直線偏光された可視光に対して前記散乱状態と前記透過状態とが切替可能である、ことを特徴とする表示装置である。
本発明の第1の実施例にかかる表示装置の概略構成図である。 図1に示されたスクリーンの模式的な断面図である。 図1に示されたホモジニアス配向高分子液晶複合材料を用いた調光部を有するスクリーンの入射光と散乱動作である。 図1に示されたスクリーンにおける偏光方向に依存する散乱の強さの電圧依存性を示したグラフである。 図1に示されたスクリーンの散乱状態における偏光投影光と無偏光背景光と透過と散乱の説明図である。 図1に示されたスクリーンの状態と、無偏光透過率と、偏光投影光透過率と、偏光投影光強度と、を示したタイミングチャートである。 図1に示された第1のスクリーンと第2のスクリーンの偏光投影光と無偏光背景光と透過と散乱の説明図である。 図1に示された第1のスクリーンと、第2のスクリーンと、の駆動方法を示したタイミングチャートである。 図1に示された第1のスクリーンと、第2のスクリーンと、半遮蔽表示時の駆動方法を示したタイミングチャートである。 図1に示された第1のスクリーンと、第2のスクリーンと、半遮蔽表示時の駆動方法を示したタイミングチャートである。 図1に示された第1のスクリーンと、第2のスクリーンと、半遮蔽表示時の駆動方法を示したタイミングチャートである。 図1に示された第1のスクリーンと、第2のスクリーンと、半遮蔽表示時の駆動方法を示したタイミングチャートである。 図1に示された第1のスクリーンと、第2のスクリーンと、の駆動波形を示したタイミングチャートである。 本発明の第2の実施例にかかる表示装置におけるスクリーンの分割された領域の説明図である。 図14に示されたスクリーンの走査と駆動との同期制御の説明図である。 図14に示されたスクリーンの走査と駆動の模式的なタイミングチャートである。 本発明の他の実施例にかかる表示装置の第1のスクリーンと第2のスクリーンの偏光投影光と無偏光背景光と透過と散乱の説明図である。 本発明の他の実施例にかかる表示装置の第1のスクリーンと第2のスクリーンの偏光投影光と無偏光背景光と透過と散乱の説明図である。
以下、本発明の一実施形態にかかる表示装置を説明する。本発明の一実施形態にかかる表示装置は、第1の方向に直線偏光された投影光が投影されるスクリーン部を有し、スクリーン部は、第1のスクリーンと第2のスクリーンの2つのスクリーンが投影光の投影方向に重なるように配置され、第1のスクリーンは、第1の方向に直線偏光された可視光に対して散乱状態と透過状態が切替可能であり、第2のスクリーンは、少なくとも第1の方向とは異なる第2の方向に直線偏光された可視光に対して散乱状態と透過状態とが切替可能である。このようにすることで、偏光依存性を持つ第1のスクリーンが散乱状態で透過する背景光や環境光を第2のスクリーンで遮蔽することができるため、背景全体を強く遮蔽することが可能となる。また、シースルー性を持たせる場合は、第2のスクリーンを透過状態にすればよいので、シースルー表示時における良好な透明表示性能を保持しつつ背景を遮蔽することができる。
また、第1のスクリーンと第2のスクリーンの時間平均の透過率を変更する制御手段を有するようにしてもよい。このようにすることにより、シースルー表示と背景の遮蔽状態との中間状態(半遮蔽状態)にすることができ、用途や場面に合わせた透過率にすることができる。
また、制御手段は、第1のスクリーンと第2のスクリーンのうち少なくとも一方の散乱状態の期間を変更するようにしてもよい。このようにすることにより、例えば、第1のスクリーンや第2のスクリーンのうち少なくともどちらかの電圧を印加する期間を変更することにより、第1のスクリーンや第2のスクリーンの時間平均の透過率を変化させることができる。
また、制御手段は、第1のスクリーンと第2のスクリーンを同じタイミングで散乱状態と透過状態とに切り替えるようにしてもよい。このようにすることにより、第1のスクリーンと第2のスクリーンを同じ透過率とすることができる。
また、制御手段は、投影光が投影されている期間は第2のスクリーンを透過状態とするようにしてもよい。このようにすることにより、第1のスクリーンで散乱され表示される映像が、第2のスクリーンの影響により妨害されることによる映像の劣化を軽減できる。
また、制御手段は、第1のスクリーンと第2のスクリーンのうち少なくとも他方の散乱状態の強度を変更するようにしてもよい。このようにすることにより、例えば、第1のスクリーンや第2のスクリーンのうち少なくともどちらかの印加する電圧を変更することにより、第1のスクリーンや第2のスクリーンの時間平均の透過率を変化させることができる。
本発明の第1の実施例にかかる表示装置1を図1乃至図13を参照して説明する。表示装置1は図1に示すように、プロジェクタ11と、スクリーン部21と、同期制御部31と、を備えている。表示装置1は、プロジェクタ11の映像光(投影映像)を投射(投影)して、スクリーン部21(投影面)で透過散乱する反射型プロジェクション装置である。
プロジェクタ11は、スクリーン部21を挟んで観察者と反対側に配置されている。プロジェクタ11は、観察者側に配置してもよい。プロジェクタ11は、スクリーン部21への投影光を、映像を繰り返し投影するフレーム周期内の短い時間に一括して投射することができるものを使用できる。あるいはプロジェクタ11は、走査周期中にスクリーン部21上で黒状態(投影光が出ない状態)を順次シフトさせる透過型あるいは反射型液晶ライトバルブなどを使用できるが、これ以外の素子を用いてもよい。また、プロジェクタ11は、映像の走査周期においてラスター走査し、スクリーン部21の表示面に映像光を点順次で投影するものでもよい。このプロジェクタ11では、強度変調された光ビームの照射方向を可動ミラーで反射して振るような、例えばレーザビームスキャンプロジェクタなどを用いることができる。このプロジェクタ11は、映像光の照射位置がスクリーン部21上の一方向に順次走査されているものと同様に考えることができる。
プロジェクタ11は、スクリーン部21へ映像情報により変調された映像光を投影できるものであればよい。また、プロジェクタ11は、偏光版や偏光フィルタ等の偏光子を内蔵し、後述するスクリーン部21が散乱する直線偏光と平行な直線偏光が投影されるようになっている。なお、映像情報は、プロジェクタ11に入力される映像信号から得られる。プロジェクタ11には、動画の映像信号だけでなく静止画の映像信号が入力されてもよい。この場合、プロジェクタ11は、静止画を表示するための同じ映像光で、スクリーン部21に繰り返し表示すればよい。
スクリーン部21は、プロジェクタ11からの映像光が表示されるスクリーンである。スクリーン部21は、第1のスクリーン21aと、第2のスクリーン21bを有している。第1のスクリーン21aと、第2のスクリーン21bは、概ね同じスクリーンサイズであり、映像光が投影される方向に重なるように配置されている。つまり、第1のスクリーン21aの主面(観察者側の面)の中心と第2のスクリーン21bの主面(背景側の面)の中心が同軸となるように配置されている。また、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bは接するように配置するのがスクリーン部21を薄くできるので好ましいが、間隔が空いていてもよい。
図2に、光学状態を制御可能な第1のスクリーン21aおよび第2のスクリーン21bの模式的な断面図を示す。以下の説明では第1のスクリーン21aとして説明する。図2に示した第1のスクリーン21aは、一対の透明なガラス基板23,24の間に液晶を含む複合材料を挟み込んだ光学層である調光部25を有する。一方のガラス基板24の調光部25側には、全面に対向電極26が形成される。他方のガラス基板23の調光部25側には、全面に制御電極27が配置される。なお、電極26、27と調光部25との間に、絶縁体からなる中間層を形成してもよい。
対向電極26と制御電極27は、たとえばITO(酸化インジウム・スズ)により、透明電極として形成される。
第1のスクリーン21aは、電圧の印加により光学状態を変化できる素子や材料により構成された調光部25を備えている。調光部25の光学状態は、散乱状態が映像が表示される状態であり、それよりも入射光の散乱が小さく且つ平行光線透過率が高い透明な透過状態が映像が表示されない非映像状態である。調光部25は、対向電極26と制御電極27との間に配置される。即ち、調光部25は、2つの電極間に挟持され、投影された映像光を2つの電極間に印加された電圧によって光学状態を透過状態と散乱状態が切り替え可能である。
調光部25には、高分子と液晶を混合させ電圧無印加時の配向が上下基板間ギャップ内で均一な所謂ホモジニアス配向高分子液晶複合材料を用いることができる。以下ホモジニアス配向高分子液晶複合材料を用いたリバースモード液晶素子を用いた調光部25の説明をする。リバースモードとは、所定の電圧を印加した場合に散乱状態となり、電圧を印加しない場合は透過状態となることである。
調光部25は、2枚の透明なガラス基板23、24の向かい合う表面に、対向電極(導電膜)26、制御電極(導電膜)27と所定の液晶材料が所望の配向をなすように配向処理を行う。そして、重合して高分子となる液晶性モノマー材料、ネマチック液晶材料及び重合開始剤を所定の混合比で混合し、ガラス基板23、24間(対向電極26、制御電極27間)に挟み込まれるようにして調光材料とする。この際、の配向方向がほぼ一致するように基板を5乃至100マイクロメートルの間隔で向かい合わせる。液晶性モノマーとネマティック液晶の配向がほぼ一致した状態で、紫外線を照射して高分子化する。これにより、高分子ネットワーク中にネマティック液晶が可視光を散乱する程度の大きさで分散する構造となる。
上述したホモジニアス配向高分子液晶複合材料を用いた調光部25を有する第1のスクリーン21aの入射光と散乱動作を図3を参照して説明する。図3(a)は電圧無印加時、(b)は電圧印加時を示している。また、図中A1は、ネマティック液晶の配向方向に偏光した入射光(第1の方向に直線偏光された投影光)、A2はA1と直交する方向に偏光した入射光をそれぞれ示している。
図3(a)に示したように、電圧無印加時は、高分子材料とネマティック液晶からなる調光材料中で屈折率差がほぼ同じになるようにすることにより、調光材料(調光部25)を通過する光線には散乱が発生しない。つまり、A1、A2とも透過する。
図3(b)に示したように、所定の電圧を印加すると、ネマティック液晶の配向が電場によって変化し、配向方向に偏光した入射光は高分子材料とネマティック液晶領域の屈折率差を感じ、散乱が生じる。一方、これに直交する偏光は屈折率差が小さいため大きな散乱は生じない。つまり、A1は散乱され、A2は透過する。即ち、第1のスクリーン21aは、第1の方向に直線偏光された可視光に対して散乱状態と透過状態が切替可能となっている。
図4に、上述した構成の第1のスクリーン21aにおける偏光方向に依存する散乱の強さの電圧依存性を示したグラフを示す。図中点線は、第1のスクリーン21aが散乱する偏光方向に対して直交する(垂直な)直線偏光、一点鎖線は、無偏光、実線は、第1のスクリーン21aが散乱する偏光方向に対して平行な直線偏光を示している。
図4に示したように、電圧(交流電圧)値を上げると、第1のスクリーン21a(調光部25)散乱強度が上昇する。第1のスクリーン21aが散乱する偏光方向に対して平行偏光は散乱されるため正透過率が低下する。第1のスクリーン21aの偏光方向に対して直交する直線偏光は透過するため正透過率は殆ど低下しない。無偏光は、第1のスクリーン21aが散乱する偏光方向に対して平行な偏光と第1のスクリーン21aが散乱する偏光方向に対して直交する偏光が混合されていると考えられるので、正透過率は約50%となる。
次に、上述した第1のスクリーン21aの散乱状態における偏光投影光と無偏光背景光と透過と散乱を図5を参照して説明する。図5(a)は、プロジェクタ11から投影される偏光投影光(投影光)が第1のスクリーン21aで散乱される状態を示した図、図5(b)は、図5(a)の状態において第1のスクリーン21aに入射する投影光と背景光や環境光などの偏光方向と散乱と透過の関係を示した図である。
図5(a)に示したように、プロジェクタ11からの投影光は、偏光面が第1のスクリーン21aで散乱されるように直線偏光されている(図5の矢印方向)。このとき、図5(b)に示したように、第1のスクリーン21aには投影光に加えて背景光や環境光も入射する。そして、背景光や環境光のうち投影光とは直交する直線偏光(図中●で示す)はスクリーン21では散乱されずに透過する。
つまり、散乱状態にあっても背景光等は散乱されずに透過する成分もあるために、背景光等の正透過率を全光線透過率の半分程度に保持できるのでシースルー性の向上につながる。
第2のスクリーン21bは、上述した第1のスクリーン21aと同様の構成であるが、調光部25で散乱される偏光方向が、第1のスクリーン21aに対して、直交する方向となるように配向されている。即ち、第2のスクリーン21bは、第1の方向とは異なる第2の方向に直線偏光された可視光に対して散乱状態と透過状態とが切替可能である。
そして、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bは、制御電極27と対向電極26との間に電位差を生じるように電圧が印加される。調光部25内の液晶の配列状態は、上述したように、対向電極26と制御電極27の印加電圧により変化する。
第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bは、それぞれ図2の構造をもったスクリーンを重ねて配置するようにしてもよい。また、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bが接するガラス基板を共通のガラス基板として、その共通のガラス基板の両面に電極を形成すれば、2つのスクリーンをより近接させることができる。
図6は、第1のスクリーン21aの状態と、無偏光透過率と、偏光投影光透過率と、偏光投影光強度と、を示したタイミングチャートである。無偏光とは例えば背景光あるいは照明や環境光を示し、偏光投影光とは上述したようにプロジェクタ11から投影される投影光を示し、偏光投影光強度とはプロジェクタ11から投影される投影光の強度を示す。
なお、第2のスクリーン21bも同様の動作である。
図6に示したように、第1のスクリーン21a(調光部25)が散乱状態となると、無偏光透過率、偏光投影光透過率ともに低下する。但し、無偏光透過率は、図4を参照して説明したように、第1のスクリーン21aで散乱されない偏光成分を含むため偏光投影光よりも透過率は低下しない。また、プロジェクタ11は、この期間(透過率が低下し投影光が散乱される期間)に映像を投影するので映像光強度が上昇し映像が表示される。一方、第1のスクリーン21a(調光部25)が透過状態となると、調光部25の平行光線透過率は上昇する。この期間にプロジェクタ11は映像を投影しないので映像は表示されない。
本実施例のスクリーン部21は、上述した構成の第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bが重ねられるように配置されている。したがって、図7に示すように、投影光と背景光や環境光のうち第1のスクリーン21aで散乱される偏光と平行な方向の偏光は第1のスクリーン21aで散乱され、背景光や環境光のうち第1のスクリーン21aで散乱される偏光とは直交する方向の偏光は第2のスクリーン21bで散乱される。なお、図1や図7では、第2のスクリーン21b側から投影光や背景光/環境光が入射しているが逆側から入射しても同じように投影光と背景光や環境光のうち第1のスクリーン21aで散乱される偏光と直交する方向の偏光は第1のスクリーンで、背景光や環境光のうち第1のスクリーン21aで散乱される偏光とは直交する方向の偏光は第2のスクリーン21bで散乱される。
上述したスクリーン部21の観察者からは、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bの調光部25が散乱状態の場合は、入射した光を散乱し、例えば白濁したように見える。一方、調光部25が透過状態の場合は、スクリーン21は透明な状態となる。したがって、調光部25が散乱状態の場合にはスクリーン部21にプロジェクタ11から投影される映像光が表示でき、透過状態の場合はスクリーン部21背後の背景を観察することができる。
制御手段としての同期制御部31は、映像光(投影光)が投影される第1のスクリーン21aおよび第2のスクリーン21bの調光部25を、映像光が投影されている場合は当該映像光を散乱する散乱状態に制御し、投影されていない場合に透過状態に制御する。
同期制御部31は、図1に示したように、プロジェクタ11とスクリーン部21とに接続される。同期制御部31は、プロジェクタ11の映像光の投影に同期させて、スクリーン部21(第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21b)の光学状態を制御する。プロジェクタ11から同期制御部31へ入力される同期信号は、例えばプロジェクタ11の走査周期や映像周期(フレーム周期)に同期した同期信号などを用いることができる。
次に、上述した構成のスクリーン部21の駆動方法について説明する。図8は、スクリーン部21の第1のスクリーン21a(Scr1)と、第2のスクリーン21b(Scr2)と、投影される映像光(映像)と、を示したタイミングチャートである。
図8(a)は、透明表示、つまり、映像を表示しながら背景も観察できるシースルー表示をする場合のタイミングチャートである。透明表示の場合は、第1のスクリーン21aは、映像光が投影される期間のみ散乱状態とし、第2のスクリーン21bは、透過状態に固定する。このようにすることで、第1のスクリーン21aは映像光を散乱するとともに背景光などの環境光のうち第1のスクリーン21aの偏光方向とは異なる偏光を透過する。そして、第2のスクリーン21bは映像光及び背景光などの環境光を散乱しない。したがって、良好な透明表示性能を保持することができる。
図8(b)は、背景遮蔽表示、つまり、映像のみが表示され背景は観察できないようにした場合のタイミングチャートである。背景遮蔽表示の場合は、第1のスクリーン21a、第2のスクリーン21bともに、散乱状態に固定する。このようにすることで、第1のスクリーンは、第1のスクリーン21aは映像光を散乱するとともに背景光や環境光のうち第1のスクリーン21aの偏光方向とは異なる偏光を透過する。一方、第2のスクリーン21bは映像光は散乱しないが、背景光や環境光のうち第1のスクリーン21aの偏光方向とは直交する方向の偏光を散乱する。したがって、背景を遮蔽することができる。
図8(c)は、半遮蔽表示、つまり、透明表示と背景遮蔽表示の中間状態(半透明状態)とする場合のタイミングチャートである。半遮蔽表示の場合は、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bの散乱状態にする期間を可変とする。具体的には、少なくとも映像光の投影タイミングを含むようにして、その映像光の投影周期内で任意の長さに設定する。図8(c)の場合は散乱周期とする期間の後端(立下り)位置を第1のスクリーン21a、第2のスクリーン21bともに同じタイミングで変化させている。このようにすることで、散乱状態の期間が透明状態の期間以上、背景遮蔽表示の期間以内で変化させることができ、時間平均の透過率(散乱度合い)を変化させることができる。
しかしながら、実際には完全に直交偏光に対する無散乱を実現することは困難である。そのため、スクリーン部21に対してプロジェクタ11と観察者が異なる側に配置されることとなる透過型の表示装置1では、映像光は第2のスクリーン21bを通過する際、透明時には無い弱い散乱が発生して映像を妨害する。また、スクリーン部21に対してプロジェクタ11と観察者が同じ側に配置されることとなる反射型の表示装置1では、透過して第2のスクリーン21bに到達した映像光が透明時には無い弱い散乱を生じるため映像を妨害する。
そこで、図9に示したように、映像光が投影されるタイミングにおいては第2のスクリーン21bは透明状態とすることで散乱を極めて小さくする。このようにすることで、第2のスクリーンによる映像の妨害を軽減することができる。即ち、投影光が投影されている期間は第2のスクリーンを透過状態とする。
また、図10に示すように、第1のスクリーン21aが散乱状態になるタイミングで第2のスクリーン21bが透過状態になるようにしてもよい。この場合でも、スクリーン部21としての時間平均の透過率(散乱度合い)を変化させることができる。図10の場合は、第1のスクリーン21aの散乱状態とする期間の後端(立下り)位置を変化させ、第2のスクリーン21bの散乱状態とする期間の先端(立上り)位置を変化させている。
また、図8乃至図10は、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bの双方とも散乱状態にする期間を変更していたが、図11に示すように、散乱の強度(散乱状態の強度)を変化させるようにしてもよい。この場合でも時間平均の透過率(散乱度合い)を変化させることができる。なお、図11に示したように、第1のスクリーン21aは、映像光が投影される期間は最大の散乱状態となるようにする。
さらには、図11は、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bの双方とも散乱状態の強度を変更していたが、図12に示したように、第1のスクリーン21aは散乱期間を変化させ、第2のスクリーン21bは散乱の強度を変化させるというように、両者を組み合せてもよい。勿論図12とは逆に第1のスクリーン21aは散乱の強度を変化させ、第2のスクリーン21bは散乱期間を変化させるようにしてもよい。この場合は、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bのうち、一方を散乱状態の期間を変更し、他方を散乱状態の強度を変更することとなる。
次に、図8乃至図12に示したような駆動を行うための駆動波形の例を図13を参照して説明する。図13の最上段は第1のスクリーン21aまたは第2のスクリーン21bの散乱状態を示している。このように散乱状態とする駆動波形としては、まず、駆動波形の例(1)として示したように、制御電極27に+側と−側に交互に変化する矩形波を印加し、対向電極26には0ボルト固定とする。この場合、矩形波の+側と−側それぞれの振幅の絶対値は、第1のスクリーン21aまたは第2のスクリーン21bが最大の散乱状態となる電圧とする。なお、この例では、対向電極26に矩形波を印加するようにしてもよい。
次に、駆動波形(2)として示したように、散乱期間の前半を制御電極27に+の電圧を印加し、後半を対向電極26に+の電圧を印加する。この場合、+の電圧は、第1のスクリーン21aまたは第2のスクリーン21bが最大の散乱状態となる電圧とする。なお、この例では散乱期間の前半に対向電極26に+の電圧を印加し、後半に制御電極27に+の電圧を印加するようにしてもよい。
次に、駆動波形(3)として示したように、1つ目の散乱期間は制御電極27に+の電圧を印加し、2つ目の散乱帰還は対向電極26に+電圧を印加する、といったように、散乱期間ごとに2つの電極に交互に電圧を印加する。この場合も+の電圧は、第1のスクリーン21aまたは第2のスクリーン21bが最大の散乱状態となる電圧とする。なお、この例では、1つ目の散乱期間を対向電極26として交互に印加するようにしてもよい。
図13に示した波形で散乱期間を変化させる場合は、矩形波等の波形自体の周期を変化させるようにすればよい。あるいは、駆動波形(1)の場合は、複数の矩形波から構成されるようにして矩形波の数を変化させるようにしてもよい。また、散乱の強度を変化させる場合は、印加する電圧値を調整するようにすればよい。
本実施例によれば、スクリーン部21は、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bの2つのスクリーンが投影光の投影方向に重なるように配置されており、第1のスクリーン21aは、第1の方向に直線偏光された可視光に対して散乱状態と透過状態が切替可能であり、第2のスクリーン21bは、第1の方向とは直交する第2の方向に直線偏光された可視光に対して散乱状態と透過状態とが切替可能である。このようにすることで、偏光依存性を持つ第1のスクリーン21aが散乱状態で透過する背景光などの環境光を第2のスクリーン21bで散乱することができるため、背景全体を強く遮蔽することが可能となる。また、シースルー性を持たせる場合は、第2のスクリーン21bを透過状態にすればよいので、シースルー表示時における良好な透明表示性能を保持しつつ背景を遮蔽することができる。
また、同期制御部31が、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bの散乱期間を変更しているので、シースルー表示と背景遮蔽表示の中間状態である半遮蔽表示にすることができる。また、散乱期間を変更することで、時間平均の透過率を変更することができる。したがって、スクリーン部21を用途や場面に合わせた透過率にすることができる。
また、同期制御部31が、映像光が投影されている期間は第2のスクリーン21bを透過状態とするようにしているので、第1のスクリーン21aで散乱され表示される映像が、第2のスクリーン21bの影響により妨害されて映像が劣化することを抑制できる。
また、同期制御部31が、散乱状態の強度を変更することで、半遮蔽表示を行うようにしてもよい。この場合は、第1のスクリーン21aや第2のスクリーンに印加する電圧を変更することにより、時間平均の透過率を変化させることができる。
次に、本発明の第2の実施例にかかる表示装置を図14乃至図16を参照して説明する。なお、前述した第1の実施例と同一部分には、同一符号を付して説明を省略する。
第1の実施例は、第1のスクリーン21a、第2のスクリーン21bともに制御電極27と対向電極26は全面に形成されていたが、本実施例では、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21bの制御電極27が複数に分割されている。
本実施例の制御電極27は、第1のスクリーン21aや第2のスクリーン21bの映像光が照射される領域を、一方向(例えば走査方向)で短冊状に複数に分割する(図14参照)。複数の制御電極27は、同期制御部31に個別に接続され、個別に電圧を印加することができる。隣接する制御電極27は、互いに離間して配列される。なお、図14では短冊状の領域が縦に配置されているが、横方向にも分割して、マトリクス状に領域が分割されていてもよい。即ち、第1のスクリーン21aや第2のスクリーン21bは複数の領域を有している。
なお、制御電極27の間の、制御電極27が形成されていない領域に対応した調光部25内のギャップ領域の幅は、5から100マイクロメートル程度であり、可能な限り狭いことが望ましい。調光部25の厚さは、数から数十マイクロメートルであり、光学特性と駆動電圧を考慮して決定される。
つまり、制御電極27に対応する領域ごとに散乱状態と透過状態とを切り替えることが可能となっている。
次に、上述した構成の表示装置1の基本的な動作原理を説明する。以下の説明は図8に示した透明表示における動作である。図15は、スクリーン部21の走査と駆動との同期制御の説明図である。プロジェクタ11は、映像情報で変調された映像光でスクリーン部21の上から下へ縦に走査する。プロジェクタ11は、走査の繰り返し期間(以下、走査周期ともいう。)毎に、スクリーン部21を上から下へ縦に走査する。
図15(A)から(E)は、1回の走査周期中の各時点での走査状態を、走査順で示すものである。図15のスクリーン部21は、一例として5つの分割領域22を有する。5つの分割領域22は、映像光の走査方向に沿って縦に配列される。
同期制御部31は、プロジェクタ11によるスクリーン部21の一次元の縦方向の走査に同期させて、5つの分割領域22の光学状態を個別に制御する。各分割領域22は、映像光が投影されていない場合、非映像状態、すなわち調光部25が入射光の散乱が小さい透明な透過状態に制御されスクリーン部21としては周囲の環境光が透過する状態(非映像状態)となる。
映像光の走査が開始されると、プロジェクタ11の走査光は、まず、図15(A)のように、スクリーン部21の最上部の分割領域22に照射される。以下、この説明において、走査光が照射される分割領域22について、走査されていない他の分割領域22から区別するために、符号221を使用する。同期制御部31は、プロジェクタ11からの同期信号に基づいて、走査周期中での、この最上部の分割領域221が走査される期間を特定し、最上部の分割領域221を映像状態に制御する。最上部の分割領域221を走査する映像光は、散乱状態の分割領域221により散乱され当該分割領域221には映像が表示される。
映像光の走査は、次に、図15(B)のように、スクリーン部21の上から2番目の分割領域221に移動する。同期制御部31は、走査周期中での、この上から2番目の分割領域221が走査される期間を特定し、上から2番目の分割領域221を映像状態に制御する。上から2番目の分割領域221を走査する映像光は、散乱状態の分割領域221により散乱され映像が表示される。また、同期制御部31は、上から2番目の分割領域221を映像状態に制御した後、最上部の分割領域22を非映像状態に制御する。その後も、図15(C)から(E)に示すように、同期制御部31は、走査光により走査される分割領域221を映像状態に制御し、それ以外の分割領域22を非映像状態に制御する。即ち、所定方向と平行に直線偏光された映像光(投影光)が投影されているスクリーン部21の領域を散乱状態とし、該映像光が投影されていないスクリーン部21の領域を透過状態としている。
以上の同期制御により、スクリーン部21についての走査光が照射される部位は、映像状態に維持される。これにより、スクリーン部21を走査する映像光は、散乱状態のスクリーン部21で散乱される。また、スクリーン部21についての走査光が照射されない部位は、非映像状態に制御される。各分割領域22は、走査光により走査されていない殆どの期間において、非映像状態である透過状態に制御される。したがって、映像光の投影期間中に、映像の視認性を保ちつつ、スクリーン部21のシースルー特性が得られる。
図14に示したスクリーン部21のように一方向に短冊状に分割されている場合、プロジェクタ11の映像光は、スクリーン部21の分割方向に順次走査される。同期制御部31は、プロジェクタ11からの同期信号に基づいて、プロジェクタ11の映像光が照射される部位が映像状態(本実施例では散乱状態)に維持されるように、複数の分割領域22を、走査順で、透過状態から散乱状態に制御する。この同期制御により、スクリーン部21の各分割領域22は、当該領域に映像光が照射される映像期間を含む期間Ton(図16参照)において、映像状態としての散乱状態になる。また、映像光が照射されない非映像期間Toff(図16参照)においては、非映像状態としての透明な透過状態となる。
したがって、スクリーン部21は、その背面の物体を認識しうる透明さを有しつつ、常時散乱状態とした場合と同等の明るさで映像光を散乱して表示できる。つまり、背景物体を認識することが可能なシースルー性と、映像の高い視認性とを両立することが可能となる。
図16は、スクリーン部21の走査と駆動との模式的なタイミングチャートである。横軸は、時間である。縦軸は、スクリーン部21の縦方向の位置を示し、スクリーン部21での複数の分割領域22に対応する。
スクリーン部21の各分割領域22は、各々の領域を映像光が走査し始めるタイミングより前に、透過状態から散乱状態に制御される。また、散乱状態の分割領域22は、当該領域についての走査が終了した後に、散乱状態から透過状態に制御される。
複数の分割領域22は、各々の領域に映像光が走査により照射される部分走査期間TPに同期して映像状態(散乱状態)に制御されることにより、走査順で、時間をずらして、順次映像状態へ切り替えられる。スクリーン部21を走査する映像光は、映像状態に維持された部分により、効率よく散乱され、明るく高い視認性を得ることができる。なお、図16中映像光走査が3本の矢印で表示されているが、これは赤緑青の光の3原色それぞれに対応する映像光を示している。
この同期制御のための切り替えタイミングの情報は、同期信号としてプロジェクタ11から同期制御部31に送出される。同期制御部31は、好ましくは、各分割領域22の光学状態が所定の散乱状態に安定している期間に映像光が照射されるように、対向電極26と各制御電極27へ印加する電圧を制御する。
各分割領域22の光学状態は、制御電極27へ印加する電圧の信号波形により切り替わる。特に、プロジェクタ11が同期制御部31へ出力する切り替えタイミングの情報には、プロジェクタ11の各フレームの走査を開始するタイミングの情報と、走査速度(走査の遅延/シフト)とを含めるとよい。これにより、フレーム周波数が変化した場合にも、映像を乱すことなく、良好なシースルー表示を実現できる。なお、プロジェクタ11および同期制御部31をマイクロ波、赤外線などの電磁波を用いたワイヤレス通信可能とし、これらの同期を得るための情報を無線信号により授受してもよい。
以上の同期制御により、本実施形態の同期制御部31は、映像光の走査周期Tにおける複数の分割領域22の光学状態を、プロジェクタ11による映像光の走査に同期させて切り替えて、スクリーン部21についての、映像光が投影される部位の光学状態を映像状態とする。即ち、映像光の投影と同期して散乱状態に切り替えるとともに、領域の散乱状態と透過状態とを所定の周期で交互に切り替えている。
よって、スクリーン部21は、映像光が照射されるタイミングを含む期間Tonにおいて、映像光が照射される部位が散乱状態に維持されるため、映像を表示できる。
しかも、スクリーン部21は、映像光の投影期間中に、各部位が期間Ton以外の時間では透過状態に制御されるので、スクリーン部21を透視することができる。人間の目にはスクリーン部21の散乱光が平均(積分)化されて見えるので、十分短い走査周期の場合、フリッカを感じることのないシースルー特性が得られる。
例えば、映像のフレーム周波数を50Hz程度以上とすると、そのフレーム周波数(周期)のうち1から20%程度の時間に映像光を投影し、調光部25にはこの時間で十分な散乱を実現できるような散乱状態となる電圧を印加する。人間の目にはこのフレーム毎の散乱状態の繰り返しは点滅として認識されないので、時間平均(積分)されることによってスクリーン部21はシースルー状態を保持しつつ映像を表示することができる。
なお、背景遮蔽表示の場合は、シースルー性は必要ないので本実施例のような動作は必要無く図8(b)のように動作させればよい。また、半遮蔽表示の場合は、映像光の投影に合わせて領域毎に図8(c)乃至図11に示したように動作させればよい。
本実施例によれば、スクリーン部21が複数の分割領域22を有し、プロジェクタ11からの映像光の投影に同期させて分割領域を散乱状態に変化させているので、一括投射と比較してプロジェクタ11からの最大光量を少なくすることができる。
なお、上述した2つの実施例における第2のスクリーン21bは、調光部25で散乱される偏光方向が、第1のスクリーン21aに対して、直交する方向となるように配向されている偏光依存性を持つスクリーンであったが、偏光依存性を持たないスクリーンとしてもよい。偏光依存性を持たないスクリーンの動作を図17および図18を参照して説明する。
図17及び図18において、偏光依存性を持たないスクリーンを第2のスクリーン21b1とする。図17は、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21b1の配置を、プロジェクタ11側に第1のスクリーン21aを配置した場合である。この場合、第2のスクリーン21b1は、偏光方向によらず入射光(可視光)を散乱するので、第1のスクリーン21aを透過した背景光や環境光を散乱することができる。したがって、背景を遮蔽することができる。
図18は、第1のスクリーン21aと第2のスクリーン21b1の配置を、プロジェクタ11側に第2のスクリーン21b1を配置した場合である。この場合、第2のスクリーン21b1は、偏光方向によらず入射光(可視光)を散乱するので、プロジェクタ11からの映像光(投影光)が投影される領域は透過状態にする必要がある。一括投射方式の場合は、映像光が投影される期間は透過状態にする。したがって、投影光以外は透過しないようにすることができ、背景を遮蔽することができる。
また、本発明は上記実施例に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の表示装置の構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。
1 表示装置
21 スクリーン部
21a 第1のスクリーン
21b 第2のスクリーン
21b1 第2のスクリーン
31 同期制御部(制御手段)

Claims (6)

  1. 第1の方向に直線偏光された投影光が投影されるスクリーン部を有し、
    前記スクリーン部は、第1のスクリーンと第2のスクリーンの2つのスクリーンが前記投影光の投影方向に重なるように配置され、
    前記第1のスクリーンは、前記第1の方向に直線偏光された可視光に対して散乱状態と透過状態が切替可能であり、
    前記第2のスクリーンは、少なくとも前記第1の方向とは異なる第2の方向に直線偏光された可視光に対して前記散乱状態と前記透過状態とが切替可能である、
    ことを特徴とする表示装置。
  2. 前記第1のスクリーンと前記第2のスクリーンの時間平均の透過率を変更する制御手段を有することを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
  3. 前記制御手段は、前記第1のスクリーンと前記第2のスクリーンのうち少なくとも一方の前記散乱状態の期間を変更することを特徴とする請求項2に記載の表示装置。
  4. 前記制御手段は、前記第1のスクリーンと前記第2のスクリーンを同じタイミングで前記散乱状態と前記透過状態とに切り替えることを特徴とする請求項3に記載の表示装置。
  5. 前記制御手段は、前記投影光が投影されている期間は前記第2のスクリーンを透過状態とすることを特徴とする請求項3または4に記載の表示装置。
  6. 前記制御手段は、前記第1のスクリーンと前記第2のスクリーンのうち少なくとも他方の前記散乱状態の強度を変更することを特徴とする請求項2または3に記載の表示装置。
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