JP3721974B2 - ディスプレイ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデータとして保存、または配信されてくる動画像、または静止画像を視覚に虚像として表示面を拡大できる機能と、及びほぼ直接に表示面をモニタリングできる１つの画像表示部を持ち２通りの投影機能を有するディスプレイ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
さまざまな情報機器、特に液晶、または光電的な画像表示手段などによりビジュアルな情報を取り扱うことができる機器が目覚しい進展を見せている。また使用する場所や時間を選ばない、いわゆるモバイル機器といわれるパーソナルユースの情報処理マシンの進展も著しい。このモバイル機器に求められている性能は携帯性能のよいコンパクトな形体や情報処理スピードの速さ、処理機能の多さなどのほか、小型の機器の限られたスペースでより多くの情報を正確にわかり易く利用者へ表示する手段が求められている。機器の任意の操作表面の大部分を占める液晶などによる表示手段などが現在主流になってきているが、機器の小型化に追従する可能性は持ち合わせていない。
【０００３】
そこでこの課題を解決する一つの有効な表示方法としてヘッドマウントディスプレイやファインダー（チェック）ディスプレイなどの虚像拡大ディスプレイ装置が近年注目されてきており、多くの研究や関連機器の開発が進んでいる。
【０００４】
それは略小型の液晶、またはプラズマなどの光電的手段による２次元の小型表示装置によるもの、またはＬＥＤなどの１次元アレー光源をミラーなどの光路折り曲げ手段を用いてアレー方向と直角方向へのスキャンニングによっての視覚に見掛け上の２次元画像を形成する手段などによる動画、または静止画などの画像を凸レンズや凹面反射鏡などの拡大手段を用いて虚像として視覚へ拡大投影し、実際の表示画面より大画面として表示する方法、装置である。
【０００５】
小型の表示装置を虚像として拡大することで機器の小型化、装置の消費電力、及び価格を抑制できるメリットがあり、また表示素子の小型化に関わらず見かけの表示画面を大きく虚像として提示することができる。今後ますます小型表示装置の分解能、コントラスト、輝度、拡大光学系の性能向上、画像処理技術などの進展などがあいまって、性能のよい拡大ディスプレイ装置がさまざまな装置やシーンで利用されるようになってくると思われる。
【０００６】
まず主要な構成要素であるところの従来の虚像拡大ディスプレイ装置について説明する。図４は従来の虚像拡大によるディスプレイ装置の構成図、図５は従来の虚像拡大によるディスプレイ装置の構成図である。
【０００７】
まず図４を参照し凹面鏡を用いた構成を説明する。図４において、ハーフミラー２を略４５度傾けて凹面鏡３に向かい合わせた構造をとり、光路が光学系内を折り曲げられているのが特徴で、光学系をコンパクトに構成することができる。
【０００８】
表示モジュール１に描き出された表示画像は半透明なハーフミラー２で略９０度折り曲げられたのち凹面鏡３で反射され収斂されつつ、再び今度はハーフミラー２を凹面鏡３の光軸４に沿って透過して拡大された表示画像の虚像を眼部５の視覚に投影することができる。この方法では比較的広い視野角が得られ、また収差（色収差など）の発生も比較的小さく押さえることができ、多くの製品が実用化されている。
【０００９】
次に図５を用いて一体型光学系が特徴である自由曲面プリズムタイプでの拡大虚像ディスプレイ装置を説明する。図５において、表示モジュール１が眼部５の斜め上部に配置されてなり、光路としてはこの表示モジュール１の表示画像（不図示）の光はプリズム６内に入射し、さらに全反射条件を満たす第１の内反射面７で反射し、ここからの反射を第２の内反射面８で収斂させつつ第１の内反射面７と同一の曲面でなる射出面７より透過し眼部５の視覚に表示画像の拡大虚像を投影する。先に述べたように光路の途中にハーフミラーによる伝達光の損失や遮蔽するものが無いため高い効率、すなわち明るい像で表示画像を観察することができる。また反射による虚像を作り出しているために色収差は原理的に発生しないが、反射面、特に第２の内反射面８は大きく偏心しており、このために偏心収差が発生する。これを改善するために非回転対象な３次元非球面（以下、自由曲面）が採用されている。
【００１０】
ここで自由曲面について説明を加えると、図５の紙面を母線断面、紙面と直角な面を子線断面とすると、回転対称な球面・非球面は母線断面と子線断面で曲率半径が等しく、両断面の焦点距離は同一になる。しかしながら非回転対称な自由曲面では、母線断面と子線断面の曲率半径が異なり、当然両断面の焦点距離も異なってくる。このような性質を有する自由曲面を複数のプリズム面に採用することにより、偏心収差を良好に補正することが可能となる。また表示モジュール１とその虚像のアスペクト比を合わせるために各プリズム面の母線断面焦点距離と子線断面焦点距離を適切に設定し、自由曲面プリズムの全系母線断面焦点距離と全系子線断面焦点距離が同一になるように設定されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
次に、以上説明した従来の虚像拡大ディスプレイ装置において解決すべき課題について説明する。瞳の光軸の側部に表示モジュールを配置してなる凹面鏡タイプにおいて、同タイプは先の画像拡大手段であるところの凹面鏡が内部にありアイレリーフは略固定されてしまう。構成的に前記凹面鏡を移動させることは可能であるが、視度調整程度で観察者のアイレリーフの自由度を大きく変化させるものではない。
【００１２】
さらにまた光路が往復するために復路において光線を往路から取り出す手段としてハーフミラーが必要になり、このハーフミラーを２回光線が通過するために視覚へ届く小型表示部からの光量が１／４以下となってしまう。またさらなる広視野角を得るために傾斜して配置されたハーフミラーがあるために画角を広げると急激に全体構成が大型化してしまう。
【００１３】
自由曲面プリズムタイプでは、視覚へ画像を拡大して投影する機能を持つ部分はプリズム内の内反射面であり、この面を稼動させたり、変形させて焦点距離を移動させることはできない。すなわちプリズムに対して目の距離（以下アイレリーフ）はごく近傍に固定されてしまい観察者の位置に対する自由度や変化に対応することができない。
【００１４】
したがって本発明は、小型機器に組み込み可能で、視野角の大きい拡大虚像及び直視のいずれのモニタリング機能も実現できるディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、液晶、または光電的な機構などの小型画像表示部の画像を視覚において光学的に虚像として拡大投影する画像拡大部を有するディスプレイ装置であって、前記画像拡大部と前記小型画像表示部の光学的距離を可変とする光学的距離可変手段を備え、この光学的距離可変手段は、画像を視覚において光学的に虚像として拡大投影する状態の画像拡大部の光学的位置から、前記画像拡大部を前記小型画像表示部へ略接触する光学的位置まで移動または切り替え可能としたものである。
【００１６】
本発明によれば、小型機器に組み込み可能で、視野角の大きい拡大虚像及び直視のいずれのモニタリング機能も実現できるディスプレイ装置を実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、小型画像表示部の画像を視覚において光学的に虚像として拡大投影する画像拡大部を有するディスプレイ装置であって、画像拡大部と小型画像表示部の光学的距離を可変とする光学的距離可変手段を備え、この光学的距離可変手段は、画像を視覚において光学的に虚像として拡大投影する状態の画像拡大部の光学的位置から、画像拡大部を小型画像表示部へ略接触する光学的位置まで移動または切り替え可能であり、光学的距離可変手段は小型画像表示部をもって移動するように構成され、画像拡大部と小型画像表示部との間に光路折り曲げミラーを配置し、小型画像表示部の表示画面を虚像として視覚へ投影する場合には光路へ挿入し、画像拡大部を小型画像表示部へ略接触するまで近接させる場合には撤去し、虚像として視覚へ投影する場合と画像拡大部を小型画像表示部へ略接触するまで近接させる場合とで小型画像表示部の表示パターンを表示ソフトウェアで反転処理することを特徴とするディスプレイ装置であり、このような構成をとることによって、１つの画像表示手段と１つの画像観察窓で認知画面の大きい虚像拡大、及びアイレリーフの大きい略直接表示面観察の２通りの観察を問題なく安定して実現させることができる。また、このような構成をとることによって見かけ上、観察者へ対向する画像拡大部が固定されており、観察者の方向へ機器の部分的な突出がなくなるため使用の違和感を排除し、デザインポテンシャルを高めることができる。さらに、虚像として視覚へ投影する場合画像拡大部を通し小型表示部の表示情報を見かけ上、拡大大画面で観察することが出来、画像拡大部を小型画像表示部へ略接触するまで近接させる場合見かけの表示画面は小さくなるもののアイレリーフを十分大きくとることが出来周囲の環境を並行して認知しながら表示画面の観察を問題なく安定して行なうことができる。
【００２３】
請求項２に記載の発明は、光路折り曲げミラーは、画像拡大部を小型画像表示部へ略接触するまで近接させて撤去する場合に、小型画像表示部の画像拡大部側から見て背面へ重ねて折り畳まれて収納されることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置であり、このような構成をとることによって虚像拡大によるモニタリング以外で機器の保持性能の向上、さらにまた収納性能の向上、デザインポテンシャルの向上が行われる。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるディスプレイ装置の構成図であって、その主要部分である光学系とその周辺部分（断面図）を示したものである。図１（ａ）は拡大虚像観察型モニタリング、すなわち覗き込み型ディスプレイとして使用する場合の態様を、図１（ｂ）は通常見られる実画面ディスプレイとして使用する場合の態様をそれぞれ示したものである。
【００２５】
まず図１（ａ）においてディスプレイ装置の組み込み先の機器１１の本体内に設置してなる電源１２から電力の供給を受け、バックライト装置１３が表示画面の視覚への投影に必要な光源となる。また外部の画像処理モジュール１４（画像情報入力部は不図示）からの画像情報信号を画像として再生する作用を持つ液晶、または光電的な機構による小型画像表示部１５で目的の表示画像（不図示）が形成される。バックライト装置１３から発せられた拡散光が小型画像表示部１５を通過することにより画像情報を含んだ光線群が形成される。さらにこの光線群は、おもに正の屈折力を持つ接眼レンズ（以下：レンズ）１６の直下に配置してなる折り曲げミラー１７で略４５度折り曲げられた後さらにレンズ１６に到達し、このレンズ１６をさらに透過して小型画像表示部１５の画面を視覚（アイポイントの位置は図中の図番１８に相当）に拡大された虚像として投影する。画像を拡大するレンズ１６としては、正の屈折パワーをもつ凸レンズ群、フレネルレンズ、ホログラムレンズなども適用できる。
【００２６】
レンズ１６を通して拡大虚像を観察する場合は、図に示したようにアイポイント１８の位置が制限され、図の位置よりレンズ１６から遠ざかった場合表示画面はレンズ１６の周縁部、または内部の折り曲げミラー１７や構造物により部分的に遮蔽（以下：ケラレ）されてしまい表示情報の全てを視認することができなくなってしまう。
【００２７】
しかしながらアイポイント１８の位置ではレンズ１６の拡大作用、見かけの焦点位置の移動で実際の表示画面より、大きく前方に視認することができ視覚的に比較的楽に表示画像を観察することが出来るものである。
【００２８】
また本実施の形態の図中の小型画像表示部１５、及び折り曲げミラー１７はそれぞれ図の回動軸周りに４５度、及び反対周りに３０度回転する機構を持つ。図１（ａ）は前述の通り機器１１から虚像を視覚へ投影する為に、小型画像表示部１５、折り曲げミラー１７をそれぞれ開いた場合を示したもので、これらを閉じた場合には図１（ｂ）のような態様となる。小型画像表示部１５はレンズ１６の直下に略接触状態で配置され、折り曲げミラー１７はさらにその背面に配置する。この折り曲げミラー１７は折り畳まれた後には特に機能することなく機器１１の背面に固定される。
【００２９】
前述の通り小型画像表示部１５に映し出された表示画像はレンズ１６による若干の屈折パワーを受けるものの、レンズの直下にあり焦点位置から大きく乖離している為その拡大作用の影響はほとんどなくレンズ１６を通して容易に小型画像表示部１５に映し出された画像を視認することができる。また小型画像表示部１５のレンズ１６によるケラレもほとんどなく無限に近いアイレリーフをとることができる。このことから表示を視認する場合先の折り曲げミラー１７を介した覗き込み様のアイレリーフの制限されたものより視認を容易に、しかも観察位置の自由度を大きくできるとともにレンズ１６に目を近づける心理的な違和感を排除することもできるもの。
【００３０】
また図１（ａ）、（ｂ）いずれの場合もレンズ１６は機器１１本体に固定されており稼動させることはない。使用の如何により画像を観察する使用者側から見て、アイレリーフなどは異なるものの、デザイン的には変わることなくすっきりした画像観察の外観を保つことができるものである。
【００３１】
さらにまた図１（ａ）では折り曲げミラーを介在させることから図１（ｂ）と比較して表示パターンが反転してしまうが、表示ソフトウェアで反転処理すれば問題無く観察者へ安定した画面を提示することができるものである。
【００３２】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２におけるディスプレイ装置の構成図であって、その主要部分である光学系とその周辺部分（断面図）を示したものである。図２（ａ）は拡大虚像観察型モニタリング、すなわち覗き込み型ディスプレイとして使用する場合の態様を、図２（ｂ）は通常見られる実画面ディスプレイとして使用する場合の態様をそれぞれ先の実施の形態１と同様に示したものである。
【００３３】
まず図２（ａ）に示す場合、視覚への虚像拡大作用のあるレンズ１６は先の実施の形態１で説明したものと同じく機器１１本体へ固定されてなるもので、バックライト装置１３、及び小型画像表示部１５がレンズの光軸に沿って移動する機構を持つ。そのため折り曲げミラー部を持たず、代わりに蛇腹状の伸縮機構１９をもってなるもので、伸長して小型画像表示部１５が固定されてなる場合に前述の通り虚像拡大表示となり、有限の位置にアイポイント１８が設定される。
【００３４】
図２（ｂ）に示す場合には先の実施の形態とほぼ同様な構成と作用をもってなり、十分に大きいアイポイントを持つことが出来、視認を容易に、しかも観察位置の自由度を大きくできるとともにレンズ１６に目を近づける心理的な違和感を排除することもできるもの。
【００３５】
また図２（ａ）、（ｂ）いずれの場合も実施の形態１と同様にレンズ１６は機器１１本体に固定されており稼動させることはない。使用の如何により画像を観察する使用者側から見て、アイレリーフなどは異なるものの、デザイン的には変わることなくすっきりした画像観察の外観を保つことができるものである。
【００３６】
さらにまた実施の形態１で表示の形態ごとで表示画像が反転してしまう現象が起きていたが、折り曲げミラーを介在させることがない為、そのような現象は起こらず、ソフトウェアに関する負担も軽減することができるものである。
【００３７】
（実施の形態３）
機構的な構成として表面的デザインに制約があるものの小型画像表示部を機器本体へ固定させ、レンズ部分を稼動させてもよく、同様な作用と効果を得ることができるものである。図３は本発明の実施の形態３におけるディスプレイ装置の構成図であって、その主要部分である光学系とその周辺部分（断面図）を示したものである。図３（ａ）は拡大虚像観察型モニタリング、すなわち覗き込み型ディスプレイとして使用する場合の態様を、図３（ｂ）は通常見られる実画面ディスプレイとして使用する場合の態様をそれぞれ先の実施の形態１と同様に示したものである。
【００３８】
まず図３（ａ）に示す場合、視覚への虚像拡大作用のあるレンズは先の実施の形態１で説明したものと異なり機器１１本体からレンズ１６の光軸に沿って移動するされてなるもので、バックライト装置１３、及び小型画像表示部１５が機器１１本体へ固定された機構を持つ。先の実施の形態２と同様に折り曲げミラー部を持たず、蛇腹状の伸縮機構１９をもってなるもので、伸長してレンズ１６が固定されてなる場合に前述の通り虚像拡大表示となり、有限の位置にアイポイント１８が設定される。
【００３９】
また図３（ｂ）に示す場合には先の実施の形態とほぼ同様な構成と作用をもってなり、ほぼ十分に大きいアイポイントを持つことが出来、視認を容易に、しかも観察位置の自由度を大きくできるとともにレンズ１６に目を近づける心理的な違和感を排除することもできるもの。
【００４０】
また図３（ａ）、（ｂ）いずれの場合も実施の形態１、及び２と同様小型画像表示部１５が機器１１本体に固定されており稼動させることはない。使用の如何により画像を観察する使用者側から見て、アイレリーフなどは異なるものの、その表面形状の相違から表示形態の識別が容易に認識でき素早いモニタリング動作ができるものであり、さらにまた実施の形態２と同様に表示の形態ごとで表示画像が反転してしまう現象も起こることがないものである。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、１つの画像表示装置と１つの画像観察窓でレンズや画像表示装置の位置を効果的に稼動させることにより、広い観察画角を得ることのできる拡大虚像によるモニタリングと、観察位置の自由度が大きく機器本体への視覚の近接などの違和感を排除できる直視ディスプレイを１つの機器へ搭載することが出来、機器の小型化、および使い勝手の選択の幅を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるディスプレイ装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態２におけるディスプレイ装置の構成図
【図３】本発明の実施の形態３におけるディスプレイ装置の構成図
【図４】従来の虚像拡大によるディスプレイ装置の構成図
【図５】従来の虚像拡大によるディスプレイ装置の構成図
【符号の説明】
１１ 機器
１５ 小型画像表示部
１６ レンズ
１７ 折り曲げミラー
１９ 伸縮機構

Claims (2)

1. 小型画像表示部の画像を視覚において光学的に虚像として拡大投影する画像拡大部を有するディスプレイ装置であって、前記画像拡大部と前記小型画像表示部の光学的距離を可変とする光学的距離可変手段を備え、この光学的距離可変手段は、画像を視覚において光学的に虚像として拡大投影する状態の画像拡大部の光学的位置から、前記画像拡大部を前記小型画像表示部へ略接触する光学的位置まで移動または切り替え可能であり、前記光学的距離可変手段は前記小型画像表示部をもって移動するように構成され、前記画像拡大部と前記小型画像表示部との間に光路折り曲げミラーを配置し、前記小型画像表示部の表示画面を虚像として視覚へ投影する場合には光路へ挿入し、前記画像拡大部を前記小型画像表示部へ略接触するまで近接させる場合には撤去し、前記虚像として視覚へ投影する場合と前記画像拡大部を前記小型画像表示部へ略接触するまで近接させる場合とで前記小型画像表示部の表示パターンを表示ソフトウェアで反転処理することを特徴とするディスプレイ装置。
2. 前記光路折り曲げミラーは、前記画像拡大部を前記小型画像表示部へ略接触するまで近接させて撤去する場合に、前記小型画像表示部の前記画像拡大部側から見て背面へ重ねて折り畳まれて収納されることを特徴とする請求項１記載のディスプレイ装置。

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