JP3155359B2 - 映像表示装置 - Google Patents
映像表示装置Info
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Description
特に、映像を直接両眼の網膜上に投影して表示する眼鏡
型映像表示装置に関するものである。
やスクリーン上に映し出されるが、眼鏡型の表示装置に
ついても、すでにいくつかの提案がなされている。この
ようなものの1つが特開平3−214872号に開示さ
れている。これは、点光源により照射されている透過型
の映像板の像を接眼レンズによって眼球に集光し、網膜
上に結像された像を直接視覚することができる表示装置
である。
を説明する。図13に示すように、点光源111と、こ
の点光源111によって照射される映像板112と、こ
の映像板112と略一体的に配置された短焦点の接眼レ
ンズ113とからなり、光束は眼球114の水晶体11
6の位置にある瞳孔117の上に焦点を結び、この点を
ピンホールとして網膜115上に像が結像されるように
なっている。このような構成により、眼鏡の枠体をコン
パクトにできるという効果を生じている。
としてカラーフィルタを備えた透過型の液晶板が用いら
れるが、これが網膜115と共役関係にないので、高精
細な映像を得るためには、幾何光学的に考えると、瞳孔
117の上に作られるピンホールの直径を小さくしなけ
ればならない。しかし、これを小さくし過ぎると、光の
回折作用によるボケが大きくなり、結果として、上記従
来例では高精細な映像を得ることができない。
元的に配列された画素を表示する表示素子を備えた映像
表示装置において、各画素毎に設けられ、各画素からの
出射光束を集光する第1光学手段と、第1光学手段から
の出射光束を平行光束に変換して眼球に導く第2光学手
段とを有する映像表示装置を提案した(特願平4−13
3856号)。
て、水晶体5、網膜6を含む眼球7の前方に、眼球7側
から順に、フィールドレンズ4、マイクロレンズアレー
3を配し、さらに、その前方に文字、画像等を表示する
ためのLEDアレー2を設けた2次元表示素子1が配置
されている。LEDアレー2は、図12では、紙面内の
1次元配列として表されているが、実際には、紙面に垂
直な方向にも広がりを持つ2次元配列のものである。マ
イクロレンズアレー3についても同様である。
1上のLEDアレー2の発光を、図示されていないLE
Dアレー制御手段によって制御することにより、文字又
は画像が形成される。LEDアレー2を構成する各LE
Dから射出された光束は、LEDアレー2を構成する各
LEDのピッチとほぼ等しいピッチを有するマイクロレ
ンズアレー3、及び、各LED共通のフィールドレンズ
4を経て平行光束となり、水晶体5に入射する。マイク
ロレンズアレー3は、主に各LEDからの光束をほぼ平
行光束にする働きを有し、フィールドレンズ4は、主に
それら各平行光束を眼球7の瞳孔に集光する働きを有す
る。水晶体5を透過した光束は、網膜6上に集光し、L
EDの像を結ぶので、網膜6上には、2次元表示素子1
の画像が結像する。
置において、高い解像力を得るためには、2次元表示素
子1の画素数を多くする必要がある。しかし、2次元表
示素子1の大きさは装置全体の大きさから制限を受ける
ため、画素数を多くするためには、画素ピッチを小さく
する必要がある。これに伴い、マイクロレンズアレー3
を構成するレンズ1つ1つの有効径も小さくなる。使用
者の網膜6に結像される2次元表示素子の各画素の像
は、図12から明らかなように、マイクロレンズアレー
3の構成レンズの有効径が大きければ、その開口数NA
は大きく、小さければそのNAは小さくなる。すなわ
ち、2次元表示素子1の画素数を多くすると、NAが小
さくなり、このため、網膜6に結像する画素の像は回折
作用によりボケが大きくなる。そこで、画素数を多くし
て行っても、あるレベルを超えると解像力が向上しなく
なる(詳細は、特願平4−133856号参照)。すな
わち、図12のような映像表示装置においても、解像力
には限界がある。
ものであり、その目的は、画像表示素子の画素数を多く
しても、回折作用による解像力の低下がなく、画素数に
応じた高い解像力を得ることが可能な眼鏡型等の映像表
示装置を提供することである。
明の映像表示装置は、2次元的に配列された画素と、前
記各画素毎に設けられ、前記各画素からの射出光束を集
光する複数の光学素子からなる第1の光学手段と、前記
第1の光学手段からの射出光束を平行光束に変換して眼
球に導く第2の光学手段とを有する映像表示装置におい
て、前記光学素子が回折光学素子からなり、前記各画素
毎に設けられた回折光学素子が少なくとも1つの隣合う
回折光学素子と重なるように配置されていることを特徴
とするものである。
マイクロレンズに代えてマイクロレンズを構成する1つ
1つのレンズを回折光学素子で構成しているので、各レ
ンズの回折光学素子を互いに重層させることができ、そ
のため、2次元表示素子の画素数を多くし、その画素ピ
ッチを小さくしても、構成レンズの有効径を小さくする
必要がない。したがって、使用者の網膜に投影される像
の開口数が大きくでき、回折作用による像ボケが小さく
なり、回折作用の影響による解像力低下がなくなり、画
素数に応じた高い解像力を得ることが可能になる。
ねるようなパターンにすることにより、装置の軽量化が
可能になる。
置のいくつかの実施例について説明する。図1〜図4を
参照にして本発明の第1実施例について説明する。図1
はこの実施例の映像表示装置の全体の光学系を示す光路
図、図2はその2次元表示素子とマイクロレンズアレー
部の拡大図である。この映像表示装置の基本的構成は、
本発明者が特願平4−133856号において提案した
ものと同様であり、水晶体5、網膜6を含む眼球7の前
方に、眼球7側から順に、フィールドレンズ4、マイク
ロレンズアレー部30を配し、さらに、その前方に文
字、画像等を表示するためのLED2a、2b、2a、
2b・・・・を2次元アレー状に配列してなる2次元表
示素子1が配置されてなる。このような構成において、
2次元表示素子1上のLEDアレー2a、2b、2a、
2b・・・・の発光を、図示されていないLEDアレー
制御手段によって制御することにより、文字又は画像が
形成される。LEDアレー2a、2b、2a、2b・・
・・を構成する各LEDから射出された光束は、LED
アレー2a、2b、2a、2b・・・・を構成する各L
EDのピッチとほぼ等しいピッチを有するマイクロレン
ズアレー部30、及び、各LED共通のフィールドレン
ズ4を経て平行光束となり、水晶体5に入射する。マイ
クロレンズアレー部30は、主に各LEDからの光束を
ほぼ平行光束にする働きを有し、フィールドレンズ4
は、主にそれら各平行光束を眼球7の瞳孔に集光する働
きを有する。水晶体5を透過した光束は、網膜6上に集
光し、LEDの像を結ぶので、網膜6上には、2次元表
示素子1の画像が結像する。
は、マイクロレンズアレー部30は、先行技術のように
小さいレンズをアレー状に並べて構成するのではなく、
2枚の基板11、12それぞれの上に微細なフレネルゾ
ーンプレートA及びBをアレー状に並べて配置し、この
基板11、12を向かい合わせに配置してなるものであ
る。図3、図4はそれぞれの基板11、12に描かれた
フレネルゾーンプレート回折格子パターンA、Bを示
す。図2には、2次元表示素子1の隣接する交互の画素
2aと2bが発する光線が示されているが、各画素の発
する光は、2次元表示素子1の断面形状により、その発
散角が制限される。図2には、中心光線とマージナル光
線のみを示してある。画素2aが発した光線は、基板1
2に形成されたフレネルゾーンプレートBでは0次の回
折作用を受けて直進し、基板11に形成されたフレネゾ
ーンプレートAでは1次の回折を受けてほぼ平行光束に
なる。一方、画素2bが発した光線は、基板12に形成
されたフレネルゾーンプレートBでは1次の回折作用を
受けてほぼ平行光束になり、基板11に形成されたフレ
ネゾーンプレートAでは0次の回折作用を受けてそのま
ま直進する。これらの光線は、図1に示した通り、フィ
ールドレンズ4を透過し、使用者の網膜6上に画素2
a、2b、2a、2b・・・・が構成する像を結像す
る。
におけるマイクロレンズアレーを構成する1つ1つの屈
折レンズに代えて、フレネルゾーンプレートからなる回
折光学素子を用いているので、各レンズである回折光学
素子A、Bを、図2に示すように、互いに重畳して配置
することができ、そのため、2次元表示素子1の画素数
を多くし、その画素2a、2b間のピッチを小さくして
も、構成レンズA、Bの有効径を小さくする必要がな
い。よって、各構成レンズA、Bを通過する光束も太
い。このため、網膜上に形成される2次元表示素子の画
素像の開口数も本実施例の方が先行技術に比較して大き
くなり、画素の像がより鮮明になり、より高い解像力が
得られる。
の基板11、12で構成しているが、これを1枚の基板
にまとめてしまうこともできる。この場合、1枚の基板
に形成する回折格子パターンCは、図5に示したよう
に、図3と図4のパターンを重ね合わせたものとなる。
実施例について説明する。第1の実施例では、2次元表
示素子1がLEDアレーであったが、これを透過型の液
晶表示素子に代えたものが本実施例である。図6
(a)、(b)何れの配置においても、水晶体5、網膜
6を含む眼球7の前方に、眼球7側から順に、フィール
ドレンズ24、図2の場合と同様な回折光学素子からな
るマイクロレンズアレー部30、透過型液晶表示素子3
1、マイクロレンズアレー部30と同様に回折光学素子
からなる照明側のマイクロレンズアレー部30′が配置
されており、その前に、図(a)の場合は、集光レンズ
25が、また、図(b)の場合は、放物面鏡からなる集
光反射鏡26が配置され、何れの場合も、光源27から
の光をマイクロレンズアレー部30′へ向けるように配
置されている。このような配置において、2枚の平行平
板に挟まれた液晶層からなる透過型液晶表示素子31に
は、図示されていない液晶制御手段によって各セル毎に
印加電圧を制御することにより、文字又は画像が形成さ
れる。光源27から出射した光束は、集光レンズ25又
は集光反射鏡26に入射し、そこから出た光束は平行光
束となり、マイクロレンズアレー部30′に入射し、透
過型液晶表示素子31の各セル上にスポットを形成す
る。液晶セルを透過した光束は、液晶セルのピッチとほ
ぼ等しいピッチを有するマイクロレンズアレー部30、
各セル共通のフィールドレンズ24を経て平行光束とな
り、水晶体5に入射する。水晶体5を透過した光束は、
網膜6上に集光し、液晶セルの像を結ぶ。この場合も、
第1実施例と同様に、先行技術に比較して、各画素の像
がより鮮明に結像され、より高い解像力が得られる。
例について説明する。図7はこの実施例の映像表示装置
の全体の光学系を示す光路図、図8はその2次元表示素
子とマイクロレンズアレー部の拡大図である。各部の作
用は第1実施例とほぼ同じであり、各画素2a、2b・
・・が発する光は、画素2a、2b・・・に対応した開
口を有する開口絞り13により発散角が制限され、マイ
クロレンズアレー部30でほぼ平行にコリメートされ、
フィールドレンズ4で完全にコリメートされると共に、
その中心光線が使用者の眼球7瞳孔ないし眼球7回転中
心近傍に集光する。第1実施例と異なる点は、マイクロ
レンズを構成する1つ1つのレンズ(フレネルゾーンプ
レート)が偏心していることである。具体的には、図1
1(a)に平面図を示したパターンを有するフレネルゾ
ーンプレートを使用する。このパターンは、同図(b)
に示した通常のフレネルゾーンプレートのパターンの点
線の四角で囲んだ部分と同じである。このような回折レ
ンズにより、中心光線を含めて全光束が、図8に示すよ
うに屈曲する。網膜6上にシャープな像を形成する光線
は、マイクロレンズアレー部30で所定の回折を受けた
光である。しかし、所定の回折を受けていない光も存在
し、像を不鮮明にする。特に、フレネルゾーンプレート
を使用すると、実質上回折作用を受けない0次回折光の
強度は強く、これは有害光である。そこで、本実施例で
は、図7、図8に示すように、マイクロレンズアレー部
30を構成する各レンズを上記のように偏心させ、有効
光線は全て屈曲する配置としている。これにより、図7
の破線で示した屈曲を受けない0次光は、使用者の眼7
の瞳の外に逃げてしまうため、その強度がいくら大きく
とも、実質上害をもたらさない。
例について説明する。図9はこの実施例の映像表示装置
の全体の光学系を示す光路図、図10はその2次元表示
素子とマイクロレンズアレー部の拡大図である。第3実
施例と異なる点は、2次元像表示素子1とマイクロレン
ズアレー部30の相対的位置関係である。第3実施例で
は、2次元表示素子1から斜め方向に射出する光束を使
用していたが、本実施例では、2次元像表示素子1とマ
イクロレンズアレー部30の相対的位置を調整すること
により、2次元表示素子1から照明方向に射出する光束
を使用するように改善している。
折光学素子として、全てフレネルゾーンプレートを用い
た例について説明したが、レンズ作用を持つ回折光学素
子であれば、他のいかなるタイプのものでも使用するこ
とができる。例えば、回折効率を高めるために、適当な
ブレージングを施した回折格子も使用が可能で、第3実
施例では、図11(a)に示したフレネルゾーンプレー
トと等価な働きを持つ断面形状が図11(c)のような
ものであってもよい。同じように、第1実施例では、断
面形状が図11(d)のようなものであってもよい。
焦点距離が波長に依存し変化するので、仮に、2次元表
示素子が赤、青、緑といった有色の発光をするものであ
れば、各波長に合わせて対応するマイクロレンズアレー
の構成レンズを設計し、焦点距離を一定にするのが好ま
しい。
子がフィールドレンズの作用を兼ねるようなパターンに
すると、フィールドレンズが不要になるので、装置の軽
量化が可能になる。
実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施
例に限定されず種々の変形が可能である。
の映像表示装置によると、先行技術における屈折系のマ
イクロレンズに代えてマイクロレンズを構成する1つ1
つのレンズを回折光学素子で構成しているので、各レン
ズの回折光学素子を互いに重層させることができ、その
ため、2次元表示素子の画素数を多くし、その画素ピッ
チを小さくしても、構成レンズの有効径を小さくする必
要がない。したがって、使用者の網膜に投影される像の
開口数が大きくでき、回折作用による像ボケが小さくな
り、回折作用の影響による解像力低下がなくなり、画素
数に応じた高い解像力を得ることが可能になる。
学系を示す光路図である。
アレー部の拡大図である。
パターンの平面図である。
パターンの平面図である。
パターンの平面図である。
す光路図である。
す光路図である。
アレー部の拡大図である。
す光路図である。
ズアレー部の拡大図である。
子の構成を示す図である。
学系を示す光路図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 2次元的に配列された画素と、前記各画
素毎に設けられ、前記各画素からの射出光束を集光する
複数の光学素子からなる第1の光学手段と、前記第1の
光学手段からの射出光束を平行光束に変換して眼球に導
く第2の光学手段とを有する映像表示装置において、前
記光学素子が回折光学素子からなり、前記各画素毎に設
けられた回折光学素子が少なくとも1つの隣合う回折光
学素子と重なるように配置されていることを特徴とする
映像表示装置。
Priority Applications (2)
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP19948692A JP3155359B2 (ja) | 1992-07-27 | 1992-07-27 | 映像表示装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0643391A JPH0643391A (ja) | 1994-02-18 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP19948692A Expired - Fee Related JP3155359B2 (ja) | 1992-05-26 | 1992-07-27 | 映像表示装置 |
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FR2918181A1 (fr) * | 2007-06-28 | 2009-01-02 | Pierre Fedou | Procede et installation de visualisation directe d'information d'image virtuelle sur porteuse de lumiere coherente |
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-
1992
- 1992-07-27 JP JP19948692A patent/JP3155359B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH0643391A (ja) | 1994-02-18 |
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