JP3260867B2 - 頭部装着型ディスプレイ - Google Patents

頭部装着型ディスプレイ

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JP3260867B2
JP3260867B2 JP33037092A JP33037092A JP3260867B2 JP 3260867 B2 JP3260867 B2 JP 3260867B2 JP 33037092 A JP33037092 A JP 33037092A JP 33037092 A JP33037092 A JP 33037092A JP 3260867 B2 JP3260867 B2 JP 3260867B2
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liquid crystal
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聡 今井
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Olympus Optic Co Ltd
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ポータブル型ディスプ
レイに関し、特に、観察者の頭部に装着して電子像等を
観察するディスプレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、液晶表示素子に表示された電子像
と外界像を重ねて観察可能にした頭部装着型ディスプレ
イが提案されている（特開平３−１９１３８９号参
照）。このディスプレイは、図９に示すように、観察者
の目の前に斜めにハーフミラー１を配置し、視軸外に液
晶表示素子２を配置し、液晶表示素子２からの表示光が
ハーフミラー１に入射するようにしており、また、ハー
フミラー１を挟んで液晶表示素子２に対向して凹面鏡３
を配置して構成されている。したがって、液晶表示素子
２からの光の一部はハーフミラー１を透過し、凹面鏡３
で反射されて、その反射光の一部が再びハーフミラー１
で反射して観察者の目に届く。同時に、外界光４の一部
もハーフミラー１を透過して観察者の目に届く。そのた
め、観察者は拡大された液晶表示素子２からの電子像と
外界像とを重ねて見ることができる。
【０００３】したがって、液晶表示素子２からの光の一
部はハーフミラー１を透過し、凹面鏡３で反射されて、
その反射光の一部が再びハーフミラー１で反射して観察
者の目に届く。同時に、外界光４の一部もハーフミラー
１を透過して観察者の目に届く。そのため、観察者は拡
大された液晶表示素子２からの電子像と外界像とを重ね
て見ることができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなデ
ィスプレイにおいては、電子像の明るさは、ハーフミラ
ーを２度経るため、１／４になってしまい、表示効率が
悪い。また、外界像の明るさを変えたり、外界光をシャ
ットアウトすることができない。
【０００５】本発明はこのような問題点に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、液晶表示素子のような画像
表示手段からの表示光の利用効率を上げ、かつ、外界像
の明るさをシャットオフを含めて調節可能にした頭部装
着型ディスプレイを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の頭部装着型ディスプレイは、観察像を表示する画像
表示手段と、前記画像表示手段からの光を部分透過部分
反射させるための部分透過反射面と、前記部分透過反射
面を透過した光を観察者の目に導くように拡大反射させ
る拡大鏡とを有する頭部装着型ディスプレイにおいて、
前記部分透過反射面が偏光ビームスプリッターによって
形成されていると共に、前記偏光ビームスプリッターと
前記拡大鏡との間に設けられ、前記偏光ビームスプリッ
ターを透過した光が観察者の目に導かれるように前記透
過光の偏光方向を少なくとも９０°変化させる偏光方向
変換手段を設けたことを特徴とするものである。
【０００７】もう１つの本発明の頭部装着型ディスプレ
イは、観察像を表示する画像表示手段と、前記画像表示
手段の表示面に対向して配置され、前記観察像を拡大反
射させる拡大鏡と、前記画像表示手段と前記拡大鏡との
間に配置され、前記画像表示手段から前記拡大鏡へ向か
う光の少なくとも一部を透過させると共に、前記拡大鏡
によって反射された光の少なくとも一部を観察者の目に
導くように反射させ、さらに、外界光の少なくとも一部
を透過して観察者の目に導く部分透過反射面とを有する
頭部装着型ディスプレイにおいて、前記部分透過反射面
が偏光ビームスプリッターによって形成され、前記偏光
ビームスプリッターと前記拡大鏡との間に設けられ、前
記偏光ビームスプリッターを透過した光が観察者の目に
導かれるように前記透過光の偏光方向を少なくとも９０
°変化させる偏光方向変換手段と、前記偏光ビームスプ
リッターの外界光入射側又は観察者の目側に配置され、
外界光の前記偏光ビームスプリッター通過成分の量を調
節する手段と、を有することを特徴とするものである。
【０００８】
【作用】本発明においては、何れも、部分透過反射面と
して偏光ビームスプリッターを用い、偏光ビームスプリ
ッターと拡大鏡との間に偏光ビームスプリッターを透過
した光の偏光方向を変化させる偏光方向変換手段を配置
しているので、画像表示手段からの光を利用効率良くほ
とんど損失なしに観察者の目に導くことができ、明るい
拡大電子像を観察することができる。
【０００９】また、偏光ビームスプリッターを用いて外
界像を電子像と重ねて表示でき、しかも、外界像の明る
さをシャットオフを含めて調節することができる。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の頭部装着型ディスプレイをい
くつかの実施例に基づいて説明する。本発明の基本原理
は、図９に示したような、液晶表示素子２と、その表示
光を部分透過部分反射させるハーフミラー１と、このハ
ーフミラー１によって透過された光を観察者の目に導く
ように拡大反射させる凹面鏡３とを有する頭部装着型デ
ィスプレイにおいて、ハーフミラー１の代わりに偏光ビ
ームスプリッターを用い、偏光ビームスプリッターと凹
面鏡３の間に偏光ビームスプリッターを透過し凹面鏡３
から戻る光の偏光方向を９０°変化させる１／４波長板
を配置して、表示光のロスをなくし、利用効率を上げる
ことである。
【００１１】図１は、第１の実施例の頭部装着型ディス
プレイの光路図であり、液晶表示素子２からの出射光
は、通常、直線偏光になっている。この偏光の向きが観
察者の目の前に配置する偏光ビームスプリッター（以
下、ＰＢＳと言う。）５への入射面に平行（Ｐ偏光）に
なるように、液晶表示素子２を配置する。こうすると、
液晶表示素子２からの出射光はほとんどＰＢＳ５を透過
し、その出射側に配置された１／４波長板６を通って凹
面鏡３で反射され、再び１／４波長板６を通ってＰＢＳ
５に入射する。１／４波長板６を往復通過したので、表
示光はＳ偏光となり、ＰＢＳ５でほとんど反射され、観
察者の目に入射する。したがって、液晶表示素子２から
の出射光は、ほとんどロスを伴わずに観察者の目に達す
る。一方、外界光４は、従来のものと同様に、入射光の
半分がＰＢＳ５で反射され残りの半分が観察者の目に達
する。
【００１２】このような構成により、液晶表示素子２に
よる電子像と外界像を重ね合わせて観察するときに、電
子像の光量の損失を少なくして明るい拡大電子像を観察
することができる。
【００１３】図２は別の実施例を示すもので、図１の実
施例との違いは、ＰＢＳ５の外界光４入射側に外界光４
を遮るシャッターとして回転可能な偏光板７を設けた点
である。偏光板７の透過軸をＰＢＳ５への入射面に平行
（Ｐ偏光）になるように回転すると、外界光４はほとん
どＰＢＳ５を透過して目に達するが、偏光板７の透過軸
がＳ偏光になるようにすると、外界光４はＰＢＳ５を透
過できず、外界像は目に達しなくなる。偏光板７の透過
軸を両者の中間の角度にすると、透過光量が減少する。
このように、偏光板７の透過軸の傾きにより、ＰＢＳ５
を透過する光量を調節することができる。この構成は、
後記する液晶シャッターを用いる場合よりも薄くするこ
とができ、また、安価にできる。なお、外界像を明るく
したとき、ＰＢＳ５で反射された光が液晶表示素子２で
反射するのを防ぐため、液晶表示素子２の表面に反射防
止コーティングをするとよい。なお、回転可能な偏光板
７の代わりにメカニカルシャッターを用いてもよいこと
は勿論である。
【００１４】次に、図３に回転可能な偏光板７の代わり
に液晶シャッター８を用いた実施例を示す。液晶シャッ
ター８としては、例えば２枚のガラス基板１１に挟持さ
れたにツイストネマチック液晶１２を２枚の偏光板９、
１０の間に配置したものを用いる。このようなポジ型に
配置した場合は、偏光板９、１０の透過軸を相互に直交
させているため、液晶１２に電圧を印加しない場合、偏
光板９を透過した光の偏光面が液晶１２で９０°回転さ
れ、偏光板１０を通過して目に達するが、電圧を印加す
ると、偏光板９を透過した光は偏光面の回転を受けずに
そのまま偏光板１０に入射するので、ここで遮断され
る。液晶１２にかける電圧により液晶１２を透過する偏
光面の向きは調節できるので、偏光板１０を透過する光
量が変化する。このようにして、外界像の明るさを変え
ることができる。なお、偏光板１０の透過軸は、この偏
光板１０を透過した光がＰＢＳ５に対してＰ偏光になる
ようにその向きを定めておく。
【００１５】このように構成すると、液晶シャッター８
を透過した光がほぼ全て目に届くため、外界光４の利用
効率が高くなる。なお、外界光４は最終的にＰＢＳ５を
透過する構成なので、偏光板１０は省いてもよい。
【００１６】ここで、ポジ型の液晶シャッター８につい
て示したが、偏光板９、１０の透過軸を相互に平行に配
置するネガ型の液晶シャッターを用いてもよく、そのと
きも、偏光板１０の透過軸は、この偏光板１０を透過し
た光がＰＢＳ５に対してＰ偏光になるようにその向きを
定めておく。
【００１７】また、用いる液晶１２は、ツイストネマチ
ック液晶だけでなく、スーパーツイストネマチック液晶
を用いてもよい。
【００１８】図３の変形例として、図４に示すように、
偏光板１０の透過軸がＰＢＳ５の入射面に対して平行で
なく角度２θ回転している場合、液晶シャッター８とＰ
ＢＳ５の間に１／２波長板１３を配置して、ＰＢＳ５に
入射する光の偏光の向きを回転させることができる。例
えば、角度２θ＝４５°のとき、１／２波長板１３の結
晶の光軸をＰＢＳ５の入射面に対して角度θ＝２２．５
°とすることにより、１／２波長板１３を透過した光が
ほぼ全て目に届き、外界光４の利用効果が高くなる。
【００１９】この場合も、ポジ型の液晶シャッター８に
ついて示したが、ネガ型の液晶シャッターを用いてもよ
く、そのときも、１／２波長板１３を透過した光がＰ偏
光になるように偏光板１０の透過軸の向きを定めてお
く。また、用いる液晶１２は、ツイストネマチック液晶
だけでなく、スーパーツイストネマチック液晶を用いて
もよい。
【００２０】図５はさらに別の実施例の光路図であり、
この実施例においては、図１の構成に加えて、ＰＢＳ５
と観察者の目の間に回転可能な偏光板１４を配置してあ
る。液晶表示素子２からの光と外界光４とは、ＰＢＳ５
で合成後、相互に偏光の向きが直交しているので、偏光
板１４の透過軸の向きを変えることによって、両光の透
過率が変化する。例えば、偏光板１４の透過軸の向きを
紙面に垂直にすると、液晶表示素子２からの光は大部分
が透過し、外界光４はシャットアウトされる。逆に、透
過軸の向きを紙面に平行にすると、表示光の大部分は遮
られ、外界光４のみが透過する。
【００２１】このように、液晶表示素子２の電子像と外
界像の両方を、明るさを調整しながら重ね合わせて観察
したり、どちらか一方のみを観察したりすることができ
る。なお、本実施例と併用して、メカニカルシャッター
を用いたり、液晶表示素子２の表示の明暗を調整するこ
とにより、より完全な遮光、調光ができる。
【００２２】なお、図５の回転偏光板１４の代わりに、
図６〜８に示すように、液晶１５と固定偏光板１６の組
み合わせを用いてもよい。液晶１５にかける電圧を変え
ることにより、液晶１５を透過した偏光の向きが変わ
り、偏光板１６を透過する表示光１６と外界光４の量が
変わる。液晶１５としてツイストネマチック液晶を用い
る場合の１例を図６（ａ）、（ｂ）に示す。図（ａ）
は、液晶１５に電圧を印加せずに透過光の偏光面を９０
°回転させる場合であり、表示光１７のみが目に達す
る。図（ｂ）は、液晶１５に透過光の偏光面をおよそ４
５°回転するように電圧を印加する場合であり、表示光
１７、外界光４共目に達する。他の例を図７（ａ）、
（ｂ）に示す。図（ａ）は、液晶１５に透過光の偏光面
が回転しないように電圧を印加する場合であり、表示光
１７のみが目に達する。図（ｂ）は、液晶１５に透過光
の偏光面をおよそ４５°回転するように電圧を印加する
場合であり、表示光１７、外界光４共目に達する。さら
に、他の例を図８（ａ）、（ｂ）に示す。図（ａ）は、
液晶１５に電圧を印加せずに透過光の偏光面を９０°回
転させる場合であり、表示光１７、外界光４共目に達す
る。図（ｂ）は、液晶１５に透過光の偏光面を４５°回
転するように電圧を印加する場合であり、表示光１６の
みが目に達する。いくつかの変形例を示したが、液晶１
５と偏光板１６の透過軸の関係は、以上のような例に限
定されるものでない。なお、この配置は、機械的な可動
部を持たないという利点がある。
【００２３】以上、本発明の頭部装着型ディスプレイを
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。
例えば、偏光ビームスプリッターとして、以上の実施例
においては、何れも複屈折結晶からなるプリズムを用い
るものとしたが、平板タイプのものを用いることもでき
る。
【００２４】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の頭部装着型ディスプレイによると、何れも、部分透過
反射面として偏光ビームスプリッターを用い、偏光ビー
ムスプリッターと拡大鏡との間に偏光ビームスプリッタ
ーを透過した光の偏光方向を変化させる偏光方向変換手
段を配置しているので、画像表示手段からの光を利用効
率良くほとんど損失なしに観察者の目に導くことがで
き、明るい拡大電子像を観察することができる。
【００２５】また、偏光ビームスプリッターを用いて外
界像を電子像と重ねて表示でき、しかも、外界像の明る
さをシャットオフを含めて調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の頭部装着型ディスプレ
イの光路図である。
【図２】第２の実施例の光路図である。
【図３】第３の実施例の光路図である。
【図４】第４の実施例の光路図である。
【図５】第５の実施例の光路図である。
【図６】第５の実施例の変形例の要部と作用を示す図で
ある。
【図７】第５の実施例の別の変形例の要部と作用を示す
図である。
【図８】第５の実施例のさらに別の変形例の要部と作用
を示す図である。
【図９】従来の頭部装着型ディスプレイの光路図であ
る。
【符号の説明】
１…ハーフミラー ２…液晶表示素子 ３…凹面鏡 ４…外界光 ５…偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ） ６…１／４波長板 ７…回転偏光板 ８…液晶シャッター ９、１０…偏光板 １１…ガラス基板 １２…液晶 １３…１／２波長板 １４…回転偏光板 １５…液晶 １６…固定偏光板 １７…表示光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−43397（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−59217（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−170512（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−106517（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−97378（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 27/02 H04N 5/64 511

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 観察像を表示する画像表示手段と、前記
    画像表示手段からの光を部分透過部分反射させるための
    部分透過反射面と、前記部分透過反射面を透過した光を
    観察者の目に導くように拡大反射させる拡大鏡とを有す
    る頭部装着型ディスプレイにおいて、 前記部分透過反射面が偏光ビームスプリッターによって
    形成されていると共に、 前記偏光ビームスプリッターと前記拡大鏡との間に設け
    られ、前記偏光ビームスプリッターを透過した光が観察
    者の目に導かれるように前記透過光の偏光方向を少なく
    とも９０°変化させる偏光方向変換手段を設けたことを
    特徴とする頭部装着型ディスプレイ。
  2. 【請求項２】 観察像を表示する画像表示手段と、前記
    画像表示手段の表示面に対向して配置され、前記観察像
    を拡大反射させる拡大鏡と、前記画像表示手段と前記拡
    大鏡との間に配置され、前記画像表示手段から前記拡大
    鏡へ向かう光の少なくとも一部を透過させると共に、前
    記拡大鏡によって反射された光の少なくとも一部を観察
    者の目に導くように反射させ、さらに、外界光の少なく
    とも一部を透過して観察者の目に導く部分透過反射面と
    を有する頭部装着型ディスプレイにおいて、 前記部分透過反射面が偏光ビームスプリッターによって
    形成され、 前記偏光ビームスプリッターと前記拡大鏡との間に設け
    られ、前記偏光ビームスプリッターを透過した光が観察
    者の目に導かれるように前記透過光の偏光方向を少なく
    とも９０°変化させる偏光方向変換手段と、 前記偏光ビームスプリッターの外界光入射側又は観察者
    の目側に配置され、外界光の前記偏光ビームスプリッタ
    ー通過成分の量を調節する手段と、を有することを特徴
    とする頭部装着型ディスプレイ。
JP33037092A 1992-12-10 1992-12-10 頭部装着型ディスプレイ Expired - Lifetime JP3260867B2 (ja)

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