JP3155359B2 - 映像表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、映像表示装置に関し、
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。

【０００２】

【従来の技術】多くの映像情報は、通常、モニターＴＶ
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。

【０００３】以下、図１３を参照にして、この従来技術
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。

【０００４】上記した従来例においては、映像板１１２
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。

【０００５】このような前提の下に、本発明者は、２次
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）。

【０００６】これを簡単に説明すると、図１２におい
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。

【０００７】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。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような映像表示装
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。

【０００９】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
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。

【００１１】

【作用】本発明においては、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。

【００１２】なお、回折光学素子が第２の光学手段を兼
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。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照にして本発明の映像表示装
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。

【００１４】ところで、本発明のこの実施例において
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。

【００１５】この実施例においては、図１２の先行技術
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。

【００１６】なお、マイクロレンズアレー部３０は２枚
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。

【００１７】次に、図６を参照にして、本発明の第２の
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。

【００１８】さらに、図７と図８を参照にして第３実施
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。

【００１９】次に、図９、図１０を参照にして第４実施
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。

【００２０】以上、マイクロレンズアレーを構成する回
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。

【００２１】また、回折光学素子によるレンズは、その
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。

【００２２】また、どの実施例においても、回折光学素
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。

【００２３】以上、本発明の映像表示装置をいくつかの
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。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の映像表示装置の全体の光
学系を示す光路図である。

【図２】第１実施例の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。

【図３】一方の基板に描かれたフレネルゾーンプレート
パターンの平面図である。

【図４】他方の基板に描かれたフレネルゾーンプレート
パターンの平面図である。

【図５】１枚の基板に描かれるフレネルゾーンプレート
パターンの平面図である。

【図６】第２実施例の映像表示装置の全体の光学系を示
す光路図である。

【図７】第３実施例の映像表示装置の全体の光学系を示
す光路図である。

【図８】第３実施例の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。

【図９】第４実施例の映像表示装置の全体の光学系を示
す光路図である。

【図１０】第４実施例の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。

【図１１】本発明の各実施例において用いる回折光学素
子の構成を示す図である。

【図１２】本発明の前提になる映像表示装置の全体の光
学系を示す光路図である。

【図１３】従来例の光路図である。

【符号の説明】

１…２次元表示素子 ２ａ、２ｂ…ＬＥＤ（画素） ３０…マイクロレンズアレー部 ４…フィールドレンズ ５…水晶体 ６…網膜 ７…眼球 １１、１２…基板 １３…開口絞り ２４…フィールドレンズ ２５…集光レンズ ２６…集光反射鏡 ２７…光源 ３０′…マイクロレンズアレー部 ３１…透過型液晶表示素子

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
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。