JP4258071B2

JP4258071B2 - 映像表示装置

Info

Publication number: JP4258071B2
Application number: JP22101799A
Authority: JP
Inventors: 裕昭上田; 賢司石橋; 恭小林; 一郎笠井; 毅遠藤; 靖谷尻
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1999-08-04
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: JP2001042251A; US6323999B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広視野の映像を表示する映像表示装置に関し、バーチャルリアリティをはじめとする映像提供の分野で利用される。
【０００２】
【従来の技術】
近年、仮想の現実を臨場感豊かに提供するバーチャルリアリティがめざましく普及しつつあり、広視野の映像を提供するために、種々の方式の映像表示装置が開発されている。このような映像表示装置の１つに、表示器に表示した映像を投射光学系によって拡大してスクリーンに投射するとともに、スクリーンが眼前に位置するように手で保持されあるいは頭部に装着されて使用されるものがある。この方式の映像表示装置では、スクリーンの全ての部位から光を観察者に与える必要があり、このために、拡散反射性を有するスクリーンまたは再帰反射性を有するスクリーンが使用されている。
【０００３】
拡散反射性を有するスクリーンを使用する場合、光の拡散の度合いがスクリーンへの光の入射角に依存するため、スクリーンの各部位から観察者に向かう光の量に差が生じて、提供される映像の明るさが不均一になり易い。また、投射された光はスクリーンからあらゆる方向に進むことになり、観察者に与えられる光が少なくなって、観察される映像の明るさの低下が避けられない。しかも、左右の眼に視差のある映像を与えて立体感を高めるときは、左眼用の映像の光が右眼に入射したり右眼用の映像の光が左眼に入射したりするクロストークが発生し、これを避けるために特殊な手段を備える必要が生じる。
【０００４】
一方、再帰反射性を有するスクリーンを使用する場合、スクリーンのどの部位に入射する光も入射方向に強く反射されるため、観察者の眼の方向からスクリーンに向けて光を投射することで、スクリーンのどの部位からも投射した光のほとんど全てを観察者の眼に導くことができる。このため、明るく、明るさにむらがなく、またクロストークもない映像を提供することが可能である。スクリーン上で左眼用の映像と右眼用の映像が重なり合う設定とすることもできる。
【０００５】
しかし、再帰反射性を有するスクリーンでは、観察者に提供される映像の瞳径、すなわち眼の位置における映像の各点を表す光束の径が、投射光学系の射出瞳の径とスクリーンから眼までの距離のみによって規定されるため、観察を容易にするために映像の瞳径を大きくしつつ、使用形態に適するように装置を小型軽量にすることは難しい。たとえば、投射光学系の射出瞳を大きくすれば、投射光学系の大型化や重量化を招くことになり、眼からスクリーンまでの距離を長くすれば、必然的に装置は大型化することになる。
【０００６】
特開平６−７５３０３号公報には、再帰反射層の前面に拡散層を設けて、再帰反射性と拡散性とを備えたスクリーンが提案されている。このようなスクリーンを用いれば、映像の各点を表す光束が拡散層で拡大されるため、再帰反射性の短所が補われることになり、瞳径の大きい映像を提供する小型軽量な映像表示装置が実現できると期待される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
人の視野は水平（左右）方向に大きく、垂直（上下）方向には小さい。ところが、上記公報のスクリーンでは拡散層によって光束を等方的に拡大するため、垂直方向への過剰な拡大または水平方向への不十分な拡大のいずれか一方を少なくとも招くことになる。すなわち、光束の拡大を水平方向の視野に合致するように行うと、垂直方向については視野を超えて拡大することになり、逆に、光束の拡大を垂直方向の視野に合致するように行うと、水平方向については視野全体に達しない拡大結果となる。
【０００８】
光束の拡大が過剰であれば、提供する映像は暗くなり、また、眼に入射する可能性のない無駄な光が生じる。光束の拡大が不足すると、観察者の眼の向きすなわち視軸の方向によっては、映像を表す光の一部が眼に入射しないという事態が生じ、提供する映像の一部に欠落すなわちけられが発生する。
【０００９】
光束の過剰な拡大により提供する映像が暗くなるのは、映像を表示する表示器の光量を増すことで補うことが可能である。しかし、そのようにすると、表示器自体あるいは表示器を照明する光源を高性能にする必要が生じて、装置の製造コストが上昇する上、消費電力が増大してランニングコストも上昇する。
【００１０】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、スクリーンに映像を投射する方式で、明るく、けられもない映像を提供する小型軽量の映像表示装置を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、再帰反射性を有するスクリーンと、映像を表示する表示手段と、表示手段からの光を投射して、表示手段に表示された映像の拡大された像をスクリーンに形成する投射光学系と、投射光学系とスクリーンとの間にスクリーンに近接して配置され、投射光学系からの光を透過させるとともに、投射光学系からの光に含まれる表示手段の各点からの光束を、直交する２方向で拡大率が異なるように、拡大する拡大手段とで映像表示装置を構成する。
【００１２】
この映像表示装置は、投射光学系により表示手段の映像の拡大像をスクリーンに形成し、この像を観察者に提供する。スクリーンは再帰反射性を有しており、投射光学系とスクリーンの間には投射光学系からの光を透過させる拡大手段が配置されている。観察者は、投射光学系からの光が入射する方向から、拡大手段を介してスクリーンを見ることにより、スクリーンに形成される映像を観察することができる。
【００１３】
拡大手段は、スクリーンに向かう投射光学系からの光に含まれる表示手段の各点からの光束を拡大し、また、スクリーンで反射された光束も拡大する。ここで、拡大手段がスクリーンに近接して配置されているため、拡大手段を透過してスクリーンに向かう光束は、スクリーン上ではごく僅か拡大するに過ぎない。したがって、スクリーンに形成される像が拡大手段の拡大作用によってぼけることはなく、提供される映像は鮮明である。
【００１４】
一方、スクリーンからの反射光は、拡大手段を再度透過することにより拡大する傾向を増して、拡大しながら観察者の眼に至る。これにより、観察者に提供される映像の各点を表す光束の径が増大する。
【００１５】
拡大手段の拡大率は直交する２方向で異なり、表示手段の各点からの光束の拡大は異方的に行われる。拡大率の大きい方向および小さい方向をそれぞれ観察者の水平視野の方向および垂直視野の方向に対応させることにより、水平方向についても垂直方向についても、光束の拡大の程度を視野の大きさに合致させることができる。これにより、光束の過剰な拡大による光量の低下と拡大不足による映像のけられの双方を同時に避けることが可能になり、明るく質の高い映像を提供することができる。
【００１６】
拡大手段は表示手段の各点からの光束を１方向に拡大するものであってもよく、拡大率が２方向で異なる限り、表示手段の各点からの光束を直交する２方向に拡大するものであってもよい。
【００１７】
拡大手段は光束を回折により分離して拡大する回折素子とすることができる。拡大手段として回折素子を用いると、回折条件の設定次第で、回折次数、回折角および回折強度を自由に選択することが可能であり、これにより、光束の拡大の程度と拡大後の光束の強度分布を自由に設定することができる。拡大後の光束の強度を中央部から周辺部まで略均一にすることで、映像の明るさを眼の向きにかかわらず一定にすることが可能になる。
【００２３】
上記の各映像表示装置において、拡大手段が、表示手段の周辺部の各点からの光束を、表示手段の中央部の各点からの光束よりも大きな拡大率で拡大するようにすることもできる。けられは映像の周辺部に生じ易いが、このようすることで、けられを防止することが容易になる。
【００２４】
投射光学系からの光をスクリーンに導き、スクリーンからの光を観察者の眼に導くコンバイナを備えるようにしてもよい。投射光学系からスクリーンに至る光路とスクリーンから観察者の眼に至る光路のいずれか一方の一部を折り返すことになり、投射光学系を観察者の眼と等価な位置またはそのごく近傍に配置することができる。これにより、映像の各点を表す光束それぞれの中心が確実に観察者の眼を通るようになって、光の損失、けられの発生を防止するための拡大手段の拡大率の設定が容易になる。
【００２５】
スクリーンからの光を観察者の眼に導いて、スクリーンに形成された像の虚像を観察者に与える接眼光学系を備えるようにしてもよい。スクリーン上の映像を接眼光学系によってさらに拡大することが可能になり、提供する映像の視野を一層広くし、また、装置をより小型にすることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の映像表示装置について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の映像表示装置１の構成を図１に示す。図１は映像表示装置１の平面図である。映像表示装置１は、１対の液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒ、１対の投射光学系１２Ｌ、１２Ｒ、スクリーン１３、および回折光学素子１４を備えている。
【００２７】
液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒは透過型であり、液晶パネル上に２次元の映像を表示して、表示した映像によりバックライト光源からの光を変調して射出する。液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒはそれぞれ観察者の左右の眼ＥＬ、ＥＲに提供するための映像を表示する。液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒに表示する２つの映像に視差をもたせることにより、立体感の高い映像を提供することができる。
【００２８】
投射光学系１２Ｌ、１２Ｒは、液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒから射出された光をそれぞれスクリーン１３に向けて投射して、スクリーン１３上に結像させる。スクリーン１３に形成される映像は、液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒに表示された映像を拡大したもので、広い範囲にわたる。投射光学系１２Ｌは、その射出瞳が観察者の左眼ＥＬと同じ高さかつ左眼ＥＬの近傍となる位置に配置されており、投射光学系１２Ｒも同様に、その射出瞳が観察者の右眼ＥＲと同じ高さかつ右眼ＥＲの近傍となる位置に配置されている。観察者はスクリーン１３への光の入射方向から、スクリーン１３上の像を観察することになる。
【００２９】
投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの光軸は平行であり、スクリーン１３は投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの光軸に対して垂直に配置されている。スクリーン１３に形成される左眼用の映像と右眼用の映像は一部分が重なり合う。
【００３０】
スクリーン１３は再帰反射性を有しており、入射する光のほとんど全てを入射方向に反射する。投射光学系１２Ｌ、１２Ｒから投射された光はそれぞれ投射光学系１２Ｌ、１２Ｒに向けて反射されることになり、スクリーン１３上で重なっている左眼用の映像と右眼用の映像の光は、観察者の位置では分離する。
【００３１】
回折光学素子１４はホログラフィック光学素子であり、スクリーン１３の反射面に近接して配置されている。回折光学素子１４は、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光を透過させるとともに、回折させて、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光に含まれる液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒの映像の各点からの光束を拡大する。
【００３２】
スクリーン１３および回折光学素子１４の一部を拡大して図２に示す。スクリーン１３は、直径１０μｍ程度またはそれ以下のごく微小なガラスビーズ１３ａを平面状に配置して、背面に反射膜１３ｂを設けることにより作製されている。各ガラスビーズ１３ａに入射する光は、表面で屈折してビーズの背面に達し、反射膜１３ｂで反射される。反射膜１３ｂで反射された光は表面で再度屈折し、ガラスビーズ１３ａの直径以下の微小距離だけ入射光から離間して、入射光と平行な光路を進む。これにより再帰反射性が実現される。
【００３３】
回折光学素子１４は、１次元の回折を生じさせるように設定されている。回折光学素子１４による回折の方向は、左右の眼ＥＬ、ＥＲの離間方向すなわち観察者の水平視野の方向である。回折光学素子１４が、−１次、０次、＋１次の３本の回折光を生じさせる場合を例にとって、光束の拡大について説明する。
【００３４】
投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光に含まれる液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒの映像の各点からの光束は、回折光学素子１４を透過することにより、３本の光束となってスクリーン１３に入射する。これら３本の光束はスクリーン１３で再帰反射されて回折光学素子１４の同一部位を透過し、それぞれ３本の光束となる。±１次の回折光の回折角αは往路と復路で等しいため、回折光学素子１４を２回透過した光束には進行方向が一致するものが生じる。その結果、映像の各点を表す光束は５本になる。
【００３５】
スクリーン１３で反射された液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒの映像の同一点からの光束の、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの位置での断面の例を図３に示す。観察者の垂直視野の方向（以下、垂直方向という）についての光束の幅ＤＶは、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの射出瞳の径ｄと同じであるが、水平視野の方向（以下、水平方向という）についての光束の幅ＤＨは、射出瞳径ｄよりも大きくなっている。すなわち、回折光学素子１４による光束の拡大は異方的である。この例では、各光束が半径に略等しい距離ずつずれるようにしており、隣合う光束同士が重なっている。
【００３６】
映像の同一点を表す５本の光束のうち、中央の一本は投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの射出瞳に向かい、観察者に対して内側の２本が眼ＥＬ、ＥＲに映像を提供する光束となる。光束の水平方向の幅ＤＨを大きくすることで、左右の端部にけられのない映像を容易に提供することができる。また、光束の垂直方向の幅ＤＶとなる投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの射出瞳径ｄを、垂直視野に対応する程度の大きさとしておけば、上下の端部にけられのない映像を提供することができる。
【００３７】
回折光学素子１４がスクリーン１３に近接しているため、回折光学素子１４からスクリーン１３に向かう３本の光束のスクリーン１３上での結像位置は、きわめて接近しており、ほとんど同じ位置となる。したがって、スクリーン１３に形成される像にぼけが生じることはなく、観察者に提供される映像の鮮明さが低下することはない。
【００３８】
回折光学素子１４の回折条件、すなわち、何次の回折光を生じさせるか、回折光の回折角を何度とするか、回折光の強度比をどのようにするかは、回折光学素子１４の設定次第で自由に定めることが可能である。したがって、回折角に依存する光束の水平方向の幅ＤＨや、回折光の強度比に依存する光束の強度分布の設定の自由度は高い。
【００３９】
例えば、０次、±１次の３本の回折光が等強度となるように回折光学素子１４を設定すると、映像の一点を表す５本の光束の強度比は、中央の光束に関して対称になって、中央から外側に３：２：１となる。また、±１次の回折光と０次の回折光の強度比が２：１となるように回折光学素子１４を設定すると、映像の一点を表す５本の光束の強度比は、中央から外側に９：４：４となる。後者の設定では、眼ＥＬ、ＥＲに映像を提供する２本の光束の強度を等しくすることができる。
【００４０】
なお、ここでは理解を容易にするために回折光学素子１４が３本の回折光を生じさせる例を示したが、回折光学素子１４の回折条件は自由に設定してよく、特に、回折光の数は多いほど好ましい。映像の同一点を表す光束の重なり合いを多くして、強度分布をより均一にできるからである。強度分布が均一であれば、どの方向に眼ＥＬ、ＥＲを向けても、眼に入射する同一点を表す光の量が一定になって、映像の明るさに変動が生じない。
【００４１】
第２の実施形態の映像表示装置２の構成を図４に示す。図４は映像表示装置２の平面図である。映像表示装置２は、映像表示装置１に１対の接眼光学系１５Ｌ、１５Ｒを加えるとともに、回折光学素子１４に代えて拡散板１６を備えたものである。他の構成要素は映像表示装置１のものと同様であり、重複する説明は省略する。
【００４２】
観察者の眼ＥＬ、ＥＲに入射するスクリーン１３からの光は、接眼光学系１５Ｌ、１５Ｒの正のパワーにより、スクリーン１３よりも遠方の面Ｍから到来する光と等価になり、観察者は面Ｍ上に位置する拡大された虚像を観察することになる。したがって、映像表示装置２は、映像表示装置１よりもさらに広視野の映像を提供することが可能であり、視野を同程度とする場合は、より小型の装置となる。
【００４３】
拡散板１６はスクリーン１３の反射面に近接して配置されている。拡散板１６は、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光を透過させるとともに、拡散させて、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光に含まれる液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒの映像の各点からの光束を拡大する。
【００４４】
スクリーン１３および拡散板１６の一部を拡大して図５に示す。拡散板１６は、直交する２方向で拡散の度合いが異なる異方拡散性を有しており、観察者の垂直視野の方向よりも水平視野の方向に大きく拡散するように配置されている。投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光に含まれる映像の各点を表す光束は、拡散板１６を透過することにより、垂直方向に拡散角α、水平方向に拡散角βで拡散されて（α＜β）、断面が楕円形となってスクリーン１３に入射する。
【００４５】
スクリーン１３によって再帰反射された光束は、拡散板１６の同一部位を透過し、もう一度拡散される。このため、拡散板１６を２回透過した後の光束の、垂直方向の拡散角は２α、水平方向の拡散角は２βとなる。なお、拡散板１６がスクリーン１３に近接しているため、スクリーン１３に形成される像にぼけが生じないのは前述のとおりである。
【００４６】
スクリーン１３で反射された液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒの映像の同一点からの光束の、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの位置での断面を図６に示す。光束の垂直方向の幅ＤＶも水平方向の幅ＤＨも、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの射出瞳の径ｄよりも大きいが、光束は水平方向により大きく拡大されている。
【００４７】
光束の水平方向の幅ＤＨを大きくすることで、左右の端部にけられのない映像を容易に提供することができる。また、光束の垂直方向の幅ＤＶを、垂直視野に対応する大きさとすることで、上下の端部にけられのない映像を提供することができる。映像表示装置１と異なり、光束は垂直方向にも拡大されるから、映像表示装置２では、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒとして射出瞳径ｄのより小さい小型軽量のものを用いることができる。
【００４８】
第３の実施形態の映像表示装置３の構成を図７に示す。図７は映像表示装置３の側面図である。映像表示装置３は、映像表示装置１にハーフミラー１７を追加して、液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒおよび投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの位置を変えるとともに、回折光学素子１４に代えて別の回折光学素子１８を備えたものである。
【００４９】
ハーフミラー１７は観察者の眼ＥＬ、ＥＲとスクリーン１３の間に、スクリーンに対して４５゜傾けて配置されている。投射光学系１２Ｌ、１２Ｒは、互いの光軸を平行にして、かつ光軸がハーフミラー１７と４５゜の角度で交差するように配置されている。ハーフミラー１７は、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒによって投射された光を反射してスクリーン１３に導き、スクリーン１３によって反射された光を透過させて観察者の眼ＥＬ、ＥＲに導くコンバイナとして機能する。なお、各構成要素の位置や向きを変えて、ハーフミラー１７が、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光を透過させてスクリーン１３に導き、スクリーン１３からの光を反射して眼ＥＬ、ＥＲに導くようにしてもよい。
【００５０】
投射光学系１２Ｌ、１２Ｒは、ハーフミラー１７に関して、観察者の眼ＥＬ、ＥＲと対称な位置にそれぞれ配置されている。投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの光軸はそれぞれ眼ＥＬ、ＥＲの中心を通り、また、射出瞳はそれぞれ眼ＥＬ、ＥＲと光学的に等価な位置にある。
【００５１】
スクリーン１３および回折光学素子１８の一部を拡大して図８に示す。回折光学素子１８は、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光を透過させるとともに、回折させて、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光に含まれる液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒの映像の各点からの光束を拡大する。回折光学素子１８は、２枚の回折素子１８ａ、１８ｂを接合して成り、スクリーン１３の反射面に近接して配置されている。回折素子１８ａ、１８ｂはそれぞれ１次元の回折を生じさせるように設定されているが、前者が水平方向に、後者が垂直方向に回折を生じさせるように配置されており、回折光学素子１８全体としての回折は２次元となる。
【００５２】
回折素子１８ａと回折素子１８ｂの回折条件の設定は異なり、光束は垂直方向よりも水平方向に大きく拡大される。回折素子１８ａが−１次、０次、＋１次の３本の回折光を生じさせ、回折素子１８ｂが−１次、＋１次の２本の回折光を生じさせ、両者の±１次の回折角が等しい場合を例にとって光束の拡大について説明する。
【００５３】
回折素子１８ａによる水平方向の回折は、第１の実施形態で説明したように、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光に含まれる液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒの映像の各点からの光束を、最終的に５本の光束とする。回折素子１８ｂによる垂直方向の回折は、映像の各点からの光束をまず２本の光束とし、次いでそれぞれの光束を２本の光束とするが、それらのうちの２本は進行方向が一致するため、最終的には３本の光束とすることになる。結局、映像の一点を表す光束は、回折光学素子１８によって、水平方向に５本、垂直方向に３本の計１５本の光束とされる。
【００５４】
映像の同一点からの光束の観察者の眼ＥＬ、ＥＲの位置での断面の例を図９に示す。ここでは、各光束が半径に略等しい距離ずつずれるようにしており、隣合う光束同士が重なっている。光束の垂直方向の幅ＤＶも水平方向の幅ＤＨも、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの射出瞳の径ｄよりも大きいが、光束は水平方向により大きく拡大されている。
【００５５】
投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの光軸が眼ＥＬ、ＥＲの中心を通るため、第１の実施形態の映像表示装置１と異なり、水平方向の５本の光束の全てを眼ＥＬ、ＥＲに映像を提供する光として用いることが可能であり、したがって、光束の水平方向の幅ＤＨ全体を水平視野に対応させることができる。その結果、映像表示装置３では、観察者の眼ＥＬ、ＥＲに入射する可能性のない光を皆無とすることが可能になり、左右方向および上下方向の周辺部にけられがないだけでなく、より明るい映像を提供することができる。
【００５６】
回折光学素子１８の回折条件は自由に設定してよい。例えば、回折素子１８ａ、１８ｂの回折光に同じ回折次数のものを含めたり、それらの回折角を等しくしたりする例示した設定は、必須ではない。また、前述のように、回折光の数を多くして重なり合いを多くすることにより、映像の同一点を表す光束の強度分布を均一にすると、眼の向きによって映像の明るさが変動するのを防止することができて好ましい。
【００５７】
第４の実施形態の映像表示装置４の構成を図１０、図１１および図１２に示す。これらの図はそれぞれ、映像表示装置４の側面図、平面図および正面図である。映像表示装置４は、映像表示装置３に接眼光学系１５Ｌ、１５Ｒを追加するとともに、回折光学素子１８に代えて拡散板１９を備えたものである。接眼光学系１５Ｌ、１５Ｒを備えたことにより、観察者はスクリーン１３よりも遠方に位置する拡大された虚像を観察することになる。
【００５８】
スクリーン１３および拡散板１９の一部を拡大して図１３に示す。拡散板１９は、スクリーン１３に近接して配置されており、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光を透過させるとともに、拡散させて、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒからの光に含まれる液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒの映像の各点からの光束を拡大する。拡散板１９の拡散性は等方的であり、光束は水平方向と垂直方向に同じ率で拡大される。光束は拡散板１９を２回透過することにより、拡散板１９の拡散角αの２倍拡散される。観察者の眼ＥＬ、ＥＲの位置での光束の断面を図１４に示す。光束の幅Ｄはどの方向についても同じである。
【００５９】
映像表示装置４では、けられと同時にクロストークも確実に防止するように、光束の幅Ｄおよび拡散角αを定めている。映像表示装置４における映像の同一点を表す光束の幅Ｄの設定について、図１５を参照しながら説明する。図１５において、Ａは眼ＥＬ、ＥＲの中心視軸、Ｂは左眼ＥＬの回旋中心と右眼ＥＲの回旋中心を結ぶ直線、Ｐは眼ＥＬ、ＥＲの瞳孔、ｒは回旋中心から瞳孔Ｐまでの距離、θは水平視野角、Ｗは左右の眼ＥＬ、ＥＲの間隔すなわち回旋中心間の距離である。
【００６０】
瞳孔Ｐが水平視野角の範囲内でとり得る位置範囲の直線Ｂの方向についての幅は、水平視野角に対応する眼球の弦の長さ２・ｒ・ｓｉｎ（θ／２）である。眼ＥＬ、ＥＲの位置における光束の直線Ｂ方向の幅がこの式の値以上であれば、眼ＥＬ、ＥＲの向きにかかわらず瞳孔Ｐが光束の内部に収まることになり、けられは生じない。
【００６１】
一方の眼に他方の眼の瞳孔Ｐが水平視野角の範囲内で最も接近するときの、一方の眼の回旋中心から他方の眼の瞳孔Ｐまでの直線Ｂ方向の間隔は、Ｗ−ｒ・ｓｉｎ（θ／２）である。眼ＥＬ、ＥＲの位置における光束の直線Ｂ方向の幅の１／２がこの式の値以下であれば、一方の眼に与えるべき光束の中に他方の瞳孔Ｐが入ることはなく、クロストークは発生しない。
【００６２】
したがって、観察者の眼ＥＬ、ＥＲの位置における光束の直線Ｂ方向の幅Ｄが式１を満たせば、けられもクロストークも発生することはない。映像表示装置４はこの関係を満たすように設定されている。
２・ｒ・ｓｉｎ（θ／２）≦Ｄ≦２・｛Ｗ−ｒ・ｓｉｎ（θ／２）｝…式１（再掲）
【００６３】
回旋中心と瞳孔との距離ｒ、水平視野角θ、および左右の眼の間隔Ｗに、成人の標準的な値である９ｍｍ、１２０゜および６０ｍｍをそれぞれ代入すると、式２となる。
１６ｍｍ≦Ｄ≦１０４ｍｍ …式２
【００６４】
一方、光束の幅Ｄは、拡散板１９の拡散角αの正接に、スクリーン１３から眼ＥＬ、ＥＲまでの距離Ｌを乗じた値の２倍に、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの射出瞳径ｄを加えた値で近似され、式３で表される。
Ｄ≒ｄ＋２・Ｌ・ｔａｎα …式３
【００６５】
映像表示装置４の設定の具体的な一例を示すと、投射光学系１２Ｌ、１２Ｒの射出瞳径ｄは２ｍｍ、スクリーン１３から眼ＥＬ、ＥＲまでの距離Ｌは１５０ｍｍであり、式２を満たすために、拡散板１９の拡散角αは式４の範囲とされている。
３゜≦α≦１８゜ …式４
【００６６】
式４の右側の不等号の関係によりクロストークの防止が確保される。ただし、拡散角αが大きくなるにつれて、提供する画像の明るさは低下し、また、観察者の眼ＥＬ、ＥＲに入射する可能性のない光が増大することになる。したがって、拡散角αを３゜程度として、光の利用効率を高めて、より明るい画像を提供するようにしている。
【００６７】
なお、本実施形態では、等方的な拡散板１９を用いて光束の拡大率を水平方向と垂直方向で同じにしているが、第１ないし第３の実施形態で説明したように、水平方向の拡大率を垂直方向の拡大率よりも大きくするようにしてもよい。また、偏光板１９に代えて回折光学素子によって光束の拡大を行うようにしてよい。
【００６８】
式１の範囲内であれば、映像のあらゆる点からの光束について幅Ｄを一定にする必要はなく、映像の部位ごとに光束の幅Ｄを違えることもできる。映像の周辺部は中央部よりもけられが生じ易いが、周辺部の各点を表す光束を中央部の各点を表す光束よりも大きく拡大することで、けられを生じさせないための条件設定が容易になる。
【００６９】
映像の部位間で光束の拡大率を違える場合、拡大率が連続して変化するようにしてもよく、段階的に変化するようにしてもよい。拡散板で光束の拡大を行う場合、中央から周辺に向かって拡散角αを連続して大きくすることで拡大率を連続的に変化させることができ、所定の範囲ごとに拡散角αを一定とすることで、拡大率を段階的に変化させることができる。
【００７０】
回折光学素子で光束の拡大を行う場合は、同一次数の回折光の回折角を連続して変化させたり、段階的に変化させたりすることで同じ結果が得られる。また、例えば、映像の中央部で０次および±１次の回折を生じさせ、周辺部で０次、±１次および±２次の回折を生じさせるというように、取り出す回折光の数を変えることで、拡大率を段階的に変化させることもできる。
【００７１】
光束の拡大率を映像の中央部よりも周辺部で大きくすることは、映像表示装置４に限らず、第１〜第３の実施形態の映像表示装置１〜３にも適用可能である。拡大率を大きくすると映像の明るさは低下することになるが、主たる観察対象ではない周辺部の明るさが多少低下しても、映像の質への影響は僅かである。
【００７２】
上記の各実施形態では、光束を拡大する手段として回折光学素子または拡散板を用いたが、プリズムアレイも光束拡大手段として利用することができる。光束を拡大するためのプリズムアレイの例を図１６に示す。図１６の（ａ）に示したプリズムアレイ２１は、略５０μｍのピッチで多数の直角プリズム２１ａを平行に配置したものであり、光束を１方向に拡大するのに用いられる。
【００７３】
図１６の（ｂ）に示したプリズムアレイ２２は、プリズムアレイ２１のプリズム２１ａに、その長さ方向に垂直な方向にも互いに直交する傾斜面を設けて、プリズム２１ａを分割してプリズム２２ａとしたものである。プリズムアレイ２２は、光束を直交する２方向に異なる拡大率で拡大するのに用いられる。プリズムアレイ２１、２２は、平坦な面をスクリーン１３に向けて、スクリーン１３に近接して配置する。
【００７４】
各実施形態の映像表示装置１〜４では、臨場感を高めるために、視差があるだけでなく、広視野すなわち広い範囲を表す映像を提供する。観察者の左右の眼に与える映像の範囲をできるだけ広くするためには、左右の映像が表す範囲を同じにするのではなく、左眼用の映像と右眼用の映像に共通の範囲を設けながらも、左眼用の映像のみに含まれる範囲と右眼用の映像のみに含まれる範囲を設けるのが好ましい。
【００７５】
映像が表す範囲のこのような設定を、図１７に模式的に示す。図１７において、（ａ）は左眼用の映像の範囲ＶＬと右眼用の映像の範囲ＶＲを表しており、（ｂ）は観察者が視覚を通じて脳で認識する映像の全範囲を表している。斜線を付した部分は、左眼用の映像範囲ＶＬと右眼用の映像範囲ＶＲに共通の範囲である。
【００７６】
観察者が認識する全範囲のうち共通の範囲の明るさは、左眼用の映像の光と右眼用の映像の光が重なるため、残りの範囲の２倍となる。その結果、共通の範囲と残りの範囲とで明るさに大きな差異が生じ、共通の範囲の左右の端縁である境界線Ｃが観察者に明確に認識され、大きな違和感を招くことになる。
【００７７】
映像表示装置１〜４では、この不都合を回避するための手段を液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒに備えている。左眼用の映像の光を表示する液晶表示器１１Ｌの平面図を図１８に示す。バックライト光源１１ａはメタルハライドランプ１１ｂと放物面リフレクタ１１ｃより成り、バックライト光源１１ａと液晶パネル１１ｐの間に、液晶パネル１１ｐの表示範囲１１ｑに対応する矩形の開口１１ｅを有する遮光板１１ｄが配置されている。
【００７８】
遮光板１１ｄの正面図を図１９に示す。遮光板１１ｄの開口１１ｅの端部（右眼用の映像を表示する液晶表示器１１Ｒ側の端部）には、開口１１ｅの水平方向の大きさの１／８程度の幅を有する垂直方向に細長いＮＤフィルタ１１ｆが設けられている。ＮＤフィルタ１１ｆの透過率は、遮光板１１ｄの枠部から開口１１ｅの方向に向かって増大するように設定されており、枠部側で０％、開口側で１００％である。右眼用の映像を表示する液晶表示器１１Ｒも同様の構成であり、遮光板の開口の液晶表示器１１Ｌ側の端部にＮＤフィルタ１１ｆを備えている。
【００７９】
このように、液晶表示器１１Ｌ、１１ＲにＮＤフィルタ１１ｆを備えたことで、左眼用の映像と右眼用の映像の共通の範囲の端部の光量を徐々に低下させることができ、図１７の（ｂ）に示した境界線Ｃが明確に認識されることがなくなる。なお、ＮＤフィルタ１１ｆを設けた遮光板１１ｄを、バックライト光源１１ａと液晶パネル１１ｐの間に配置するのではなく、液晶パネル１１ｐに関してバックライト光源１１ａの反対側に配置するようにしてもよい。また、その配置では、ＮＤフィルタ１１ｆに代えて遮光膜を設けるとともに、液晶パネル１１ｐと遮光膜の距離を大きくして、光が遮光膜の裏側にも回ることを利用して境界線Ｃの不明確化を図るようにしてもよい。
【００８０】
ＮＤフィルタ１１ｆにより境界線Ｃを不明確にすることは、透過型の液晶表示器１１Ｌ、１１Ｒに代えて、反射型の液晶表示器で映像を表示する場合にも有効である。反射型の液晶表示器により映像を表示する構成を図２０に示す。
【００８１】
反射型の液晶表示器１１’は、ランプ１１ｂ’とリフレクタ１１ｃ’より成る光源１１ａ’、反射型液晶パネル１１ｐ’、遮光板１１ｄ’、偏光板１１ｇ、および偏光分離（ＰＢＳ）板１１ｈより成る。光源１１ａ’は、その光軸が液晶パネル１１ｐ’と平行になるように配置されている。偏光分離板１１ｈは、入射するＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射するもので、液晶パネル１１ｐ’に対して４５゜傾けて配置されている。偏光板１１ｇは偏光分離板１１ｈに対してＳ偏光となる直線偏光のみを透過させるもので、光源１１ａ’と偏光分離板１１ｈの間に配置されている。
【００８２】
遮光板１１ｄ’は、図１９に示した遮光板１１ｄと同様のもので、液晶パネル１１ｐ’の表示範囲１１ｑ’に対応する開口１１ｅ’と、その一端に設けられたＮＤフィルタ１１ｆ’を有する。遮光板１１ｄ’は、偏光分離板１１ｈと平行に、偏光分離板１１ｈに関して液晶パネル１１ｐ’の反対側に配置されている。
【００８３】
光源１１ａ’からの無偏光の光は、偏光板１１ｇによって直線偏光とされ、Ｓ偏光として偏光分離板１１ｈに入射し、液晶パネル１１ｐ’に向けて反射される。液晶パネル１１ｐ’に入射した光は反射されるとともに、表示した映像に応じて変調されて、偏光分離板１１ｈに対してＰ偏光とＳ偏光の両偏光を含む光となる。液晶パネル１１ｐ’からの光は、偏光分離板１１ｈに再入射し、Ｐ偏光のみがこれを透過して、映像を表す光となる。偏光分離板１１ｈを透過した映像を表す光は、遮光板１１ｄ’の開口１１ｅ’を通過する際にＮＤフィルター１１ｆ’によって端部の光量を低減されて、図外の投射光学系に至る。
【００８４】
映像表示装置１〜４では、このような反射型の液晶表示器１１’で映像を表示することも可能である。透過型と反射型の液晶表示器のいずれを用いるかは、自由に選択してよい。
【００８５】
【発明の効果】
再帰反射性を有するスクリーンと、表示手段と、投射光学系と、表示手段の各点からの光束を直交する２方向で拡大率が異なるように拡大する拡大手段を備えた本発明の映像表示装置では、映像の各点を表す光束の径を人の水平視野角と垂直視野角に応じて設定することが容易である。このため、光束径が垂直方向に過大になることと水平方向に過小になることの双方を同時に防止することができ、明るくかつけられのない質の高い映像を提供することが可能である。しかも、投射光学系として射出瞳の大きい大型のものを使用する必要がないから、小型軽量の装置となる。
【００８６】
拡大手段として表示手段の各点からの光束を１方向に拡大するものを備えると、拡大手段自体を簡素な構成とすることができる。
【００８７】
拡大手段として表示手段の各点からの光束を直交する２方向に拡大するものを備える構成では、射出瞳のより小さな投射光学系を用いることが可能になり、装置が一層小型軽量になる。
【００８８】
拡大手段として光束を回折により分離して拡大する回折素子を用いると、光束の拡大の程度を自由に設定することができるため、拡大率の設定が容易である。また、拡大後の光束の強度分布も自由に設定することができるため、拡大後の光束の強度を中央部から周辺部まで略均一にして、提供する映像の明るさを眼の向きにかかわらず一定にすることが可能になる。
【００９０】
拡大手段が、表示手段の周辺部の各点からの光束を、表示手段の中央部の各点からの光束よりも大きな拡大率で拡大するようにした構成では、けられの発生防止が容易になる。
【００９１】
コンバイナを備える構成では、観察者の眼を投射光学系と等価な位置またはそのごく近傍に配置することができて、拡大手段の拡大率の設定が容易になる。
【００９２】
接眼光学系を備える構成では、スクリーン上の映像を接眼光学系によってさらに拡大することが可能になり、提供する映像の視野を一層広くすることができる。また、投射光学系から再帰反射面までの距離を短くして、装置を一層小型にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の映像表示装置の平面図。
【図２】第１の実施形態の映像表示装置のスクリーンと回折光学素子の拡大平面図。
【図３】第１の実施形態の映像表示装置における映像の各点を表す光束の投射光学系の位置での断面図。
【図４】第２の実施形態の映像表示装置の平面図。
【図５】第２の実施形態の映像表示装置のスクリーンと拡散板の拡大斜視図。
【図６】第２の実施形態の映像表示装置における映像の各点を表す光束の投射光学系の位置での断面図。
【図７】第３の実施形態の映像表示装置の側面図。
【図８】第３の実施形態の映像表示装置のスクリーンと回折光学素子の拡大斜視図。
【図９】第３の実施形態の映像表示装置における映像の各点を表す光束の観察者の眼の位置での断面図。
【図１０】第４の実施形態の映像表示装置の側面図。
【図１１】第４の実施形態の映像表示装置の平面図。
【図１２】第４の実施形態の映像表示装置の正面図。
【図１３】第４の実施形態の映像表示装置のスクリーンと拡散板の拡大平面図。
【図１４】第４の実施形態の映像表示装置における映像の各点を表す光束の観察者の眼の位置での断面図。
【図１５】第４の実施形態の映像表示装置における映像の各点を表す光束の幅の設定原理を示す図。
【図１６】各実施形態の映像表示装置で光束の拡大に代用されるプリズムアレイの斜視図。
【図１７】各実施形態の映像表示装置で表示される左右の映像の範囲と観察者に認識される範囲を模式的に示す図。
【図１８】各実施形態の映像表示装置の透過型の液晶表示器の平面図。
【図１９】各実施形態の映像表示装置の液晶表示器に備えられた遮光板の正面図。
【図２０】各実施形態の映像表示装置で代用される反射型の液晶表示器の平面図。
【符号の説明】
１、２、３、４映像表示装置
１１Ｌ、１１Ｒ液晶表示器（表示手段）
１２Ｌ、１２Ｒ投射光学系
１３再帰反射性スクリーン
１４回折光学素子（拡大手段）
１５Ｌ、１５Ｒ接眼光学系
１６拡散板（拡大手段）
１７ハーフミラー（コンバイナ）
１８回折光学素子（拡大手段）
１９拡散板（拡大手段）
２１、２２プリズムアレイ（拡大手段）
１１ｐ、１１ｐ’ 液晶パネル
１１ａ、１１ａ’ 光源
１１ｂ、１１ｂ’ ランプ
１１ｃ、１１ｃ’ リフレクタ
１１ｄ、１１ｄ’ 遮光板
１１ｅ、１１ｅ’ 開口
１１ｆ、１１ｆ’ ＮＤフィルタ
１１ｇ偏光板
１１ｈ偏光分離板

Claims

再帰反射性を有するスクリーンと、
映像を表示する表示手段と、
前記表示手段からの光を投射して、前記表示手段に表示された映像の拡大された像を前記スクリーンに形成する投射光学系と、
前記投射光学系と前記スクリーンとの間に前記スクリーンに近接して配置され、前記投射光学系からの光を透過させるとともに、前記投射光学系からの光に含まれる前記表示手段の各点からの光束を、直交する２方向で拡大率が異なるように、拡大し、且つ、前記表示手段の周辺部の各点からの光束を、前記表示手段の中央部の各点からの光束よりも大きな拡大率で拡大する拡大手段とを備えることを特徴とする映像表示装置。
前記拡大手段は前記表示手段の各点からの光束を１方向に拡大することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
前記拡大手段は前記表示手段の各点からの光束を直交する２方向に拡大することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
前記拡大手段は光束を回折により分離して拡大する回折素子であることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
前記投射光学系からの光を前記スクリーンに導き、前記スクリーンからの光を観察者の眼に導くコンバイナを備えることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
前記スクリーンからの光を観察者の眼に導いて、前記スクリーンに形成された像の虚像を観察者に与える接眼光学系を備えることを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。