JP5152101B2

JP5152101B2 - 表示装置

Info

Publication number: JP5152101B2
Application number: JP2009130328A
Authority: JP
Inventors: 真人田中
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-05-29
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2029-05-29
Also published as: JP2010276914A

Description

本発明は、腰のベルトや装身具等を介して身体に纏うウエアラブルコンピュータや、ナップサックやポケットに入れて携帯できる携帯電話器等の通信機器のような、卓上以外の環境で利用可能な情報機器のためのモニタに適した表示装置に関する。

身体に纏う形態の情報機器用の表示装置としては、眼鏡型の形態が主流となりつつある。図２は、観察者に装着される従来の眼鏡型ディスプレイ（表示装置）を示す外観図であり、図３は、観察者に装着される従来の眼鏡型ディスプレイの概略構成を示す光路図である。
眼鏡型ディスプレイ１００は、眼鏡と似た外観をしており、画像表示光Ｌを出射するユニット部Ｕと、ユニット部Ｕからの画像表示光Ｌを内部で反射させながら観察者の眼Ｅに導く基板であるライトガイド１０４と、ユニット部Ｕとライトガイド１０４とが取り付けられるフレーム部Ｆとを備える（例えば、特許文献１参照）。
なお、眼鏡型ディスプレイ１００は右眼用であり、遠方を見ている状態の右眼Ｅの中心に原点を有したＸＹＺ座標系を定義する。Ｚ方向（前方方向）は観察者の前方であり、Ｙ方向は観察者の上方であり、Ｘ方向（設定方向）は観察の右方である。

ユニット部Ｕは、出射方向に垂直である面に表示領域（Ｚ_１×Ｙ_１）となる画像を形成して、画像表示光Ｌを出射する透過型液晶表示器（表示素子）２を有する出射機構Ｓと、観察対象の虚像を形成する光学系３と、表示領域（Ｚ_１×Ｙ_１）となる画像を形成するために透過型液晶表示器２に画像信号を出力する制御部１１０とを備える。
出射機構Ｓは、光源（図示せず）と、透過型液晶表示器２とを備える。透過型液晶表示器２は、制御部１１０からの画像信号に基づいて、出射方向に垂直である面に表示領域（Ｚ_１×Ｙ_１）となる画像を形成し、その画像表示光Ｌを出射する。
光学系３は、表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを透過させる第一光学素子３ａと、表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを反射及び透過させる第二光学素子３ｂと、表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを反射させる第三光学素子３ｃとを有する。これにより、光学系３は、表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを反射及び透過させながら、観察対象の虚像を形成する。

ライトガイド１０４は、ポリカーボネイト製（屈折率ｎｇ）の平板形状となり、一端部に形成され出射機構Ｓの前方に配置される全反射面１４１と、他端部に形成され観察者の眼Ｅの前方に配置される出射面１４２と、空気との界面によって全反射面１４１と出射面１４２との間に形成される側面群１４３とを有する。なお、ビームスプリッタ面１４２は、入射光を反射させるとともに、透過させるビームスプリット機能を有する。
側面群１４３は、Ｘ方向から見ると四角形状であり、第一面１４３ｃと、第一面１４３ｃとＹ方向で対向する第二面１４３ｄと、第三面１４３ａと、第三面１４３ａとＺ方向で対向する第四面１４３ｂとを有する。第一面１４３ｃと第二面１４３ｄとの間の距離は、Ｗ２となり、第三面１４３ａと第四面１４３ｂとの間の距離は、Ｗ３となる。

このようなライトガイド１０４において、まず、全反射面１４１は、光学系３からの表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを略Ｘ方向へと反射させる。そして、第三面１４３ａと第四面１４３ｂとは、表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを交互に複数回反射させながら、ビームスプリッタ面１４２に導く。このとき、第一面１４３ｃと第二面１４３ｄとは、画像表示光Ｌを一回も反射させない。最後に、ビームスプリッタ面１４２は、表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを反射させることにより、ライトガイド１０４の外部に、表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを出射させる。これにより、出射機構Ｓから出射される画像表示光Ｌは、ライトガイド１０４を介して、観察者の眼Ｅに導かれる。

特表２００３−５３６１０２

しかしながら、このような眼鏡型ディスプレイ１００では、出射機構ＳをＸ方向において観察者の眼Ｅから遠方となる位置に配置することができるが、第一面１４３ｃと第二面１４３ｄとは、画像表示光Ｌを一回も反射させずに、全反射面１４１からビームスプリッタ面１４２まで導かないといけないので、第一面１４３ｃと第二面１４３ｄとの間の距離Ｗ２を小さくすることができずに、ライトガイド１０４および光学系３が大型化するとともに重くなるという問題点があった。
そこで、本発明は、ライトガイドおよび光学系を小型化・軽量化することができる表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の表示装置は、表示領域となる画像を形成して、画像表示光を出射する表示素子を有する出射機構と、観察対象の虚像を形成するために、表示領域の全範囲の画像表示光を反射又は透過させる光学系と、第一面と、前記第一面と対向する第二面と、第三面と、当該第三面と対向する第四面とを有し、前記第三面と第四面の少なくともどちらか一方で光学系からの表示領域の全範囲の画像表示光を設定方向に反射させながら観察者の眼に導くライトガイドと、前記画像を形成するために、前記表示素子に画像信号を出力する制御部とを備える表示装置であって、前記ライトガイドは、前記第一面で光学系からの表示領域の第一部分の画像表示光を１回以上反射させるか、或いは、前記第二面で光学系からの表示領域の第二部分の画像表示光を１回以上反射させるかの少なくともいずれかを行って、前記画像表示光を観察者の眼に導き、前記制御部は、前記表示領域の第一部分に対応する画像と第二部分に対応する画像の少なくともどちらか一方を補正した画像信号を、前記表示素子に出力するようにしている。

本発明の表示装置によれば、ライトガイドは、例えば、第一面で光学系からの表示領域の第一部分の画像表示光を１回以上反射させるとともに、第二面で光学系からの表示領域の第二部分の画像表示光を１回以上反射させるので、第一面と第二面との間の距離を小さくすることができる。その結果、ライトガイドおよび光学系を小型化・軽量化することができる。
ところで、第一面で光学系からの表示領域の第一部分の画像表示光を１回以上反射させるとともに、第二面で光学系からの表示領域の第二部分の画像表示光を１回以上反射させるので、従来と同様に表示素子に図４（ａ）に示すような画像信号を出力すると、反射させた第一部分と第二部分とが反転してしまうことになる。そこで、制御部は、表示領域の第一部分に対応する画像と第二部分に対応する画像とを補正した図４（ｂ）に示すような画像信号を、表示素子に出力する。その結果、観察者は、図４（ｃ）に示すような観察対象の虚像を視認することができるようになる。

以上のように、本発明の表示装置によれば、ライトガイドおよび光学系を小型化・軽量化することができる。

（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記の発明において、前記ライトガイドは、平板形状であり、前記第一面と第二面と第三面と第四面とは、空気との界面によって形成され、前記第一面と、前記第三面及び第四面とが隣接するとともに、前記第二面と、前記第三面及び第四面とが隣接するようにしてもよい。
さらに、上記の発明において、前記設定方向は、観察者の眼の前方方向と垂直となり、前記第三面及び第四面とは、前記前方方向と垂直となるように配置されるようにしてもよい。

本発明の一実施形態である眼鏡型ディスプレイの概略構成を示す光路図である。観察者に装着される眼鏡型ディスプレイを示す外観図である。従来の眼鏡型ディスプレイの概略構成を示す光路図である。透過型液晶表示器に表示する画像と、観察者が視認する観察対象の虚像とを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

図１は、本発明の一実施形態である眼鏡型ディスプレイ（表示装置）の概略構成を示す光路図である。なお、上述した眼鏡型ディスプレイ１００と同様のものについては、同じ符号を付している。
眼鏡型ディスプレイは、眼鏡と似た外観をしており、画像表示光Ｌを出射するユニット部Ｕと、ユニット部Ｕからの画像表示光Ｌを内部で反射させながら観察者の眼Ｅに導く基板であるライトガイド４と、ユニット部Ｕとライトガイド４とが取り付けられるフレーム部Ｆとを備える。

ユニット部Ｕは、出射方向に垂直である面に表示領域（Ｚ_１×Ｙ_１）となる画像を形成して、画像表示光Ｌを出射する透過型液晶表示器（表示素子）２を有する出射機構Ｓと、観察対象の虚像を形成する光学系３と、表示領域（Ｚ_１×Ｙ_１）となる画像を形成するために透過型液晶表示器２に画像信号を出力する制御部１０とを備える。
出射機構Ｓは、光源（図示せず）と、透過型液晶表示器２とを備える。透過型液晶表示器２は、制御部１０からの画像信号に基づいて、出射方向に垂直である面に表示領域（Ｚ_１×Ｙ_１）となる画像を形成し、その画像表示光Ｌを出射する。

ライトガイド４は、ポリカーボネイト製（屈折率ｎｇ）の平板形状となり、一端部に形成され出射機構Ｓの前方に配置される全反射面４１と、他端部に形成され観察者の眼Ｅの前方に配置される出射面４２と、空気との界面によって全反射面４１と出射面４２との間に形成される側面群４３とを有する。なお、ビームスプリッタ面４２は、入射光を反射させるとともに、透過させるビームスプリット機能を有する。
側面群４３は、Ｘ方向から見ると四角形状であり、第一面４３ｃと、第一面４３ｃとＹ方向で対向する第二面４３ｄと、第三面４３ａと、第三面４３ａとＺ方向で対向する第四面４３ｂとを有する。第一面４３ｃと第二面４３ｄとの間の距離は、Ｗ１となり、第三面４３ａと第四面４３ｂとの間の距離は、Ｗ３となる。つまり、ライトガイド４における第一面４３ｃと第二面４３ｄとの間の距離Ｗ１は、ライトガイド１０４における第一面１４３ｃと第二面１４３ｄとの間の距離Ｗ２より小さくなっており、光学系３のＹ方向も小さくなっている。

このようなライトガイド４において、まず、全反射面４１は、光学系３からの表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを略Ｘ方向へと反射させる。
そして、第三面４３ａと第四面４３ｂとは、表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを交互に複数回反射させながら、ビームスプリッタ面４２に導く。一方、第一面４３ｃで表示領域の第一部分Ｂの画像表示光Ｌを１回反射させ、第二面４３ｄで表示領域の第二部分Ａの画像表示光Ｌを１回反射させ、第一面４３ｃと第二面４３ｄとで表示領域の第三部分Ｃの画像表示光Ｌを１回も反射させずに、ビームスプリッタ面４２に導く。
最後に、ビームスプリッタ面４２は、表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを反射させることにより、ライトガイド４の外部に、表示領域の全範囲（Ｚ_１×Ｙ_１）の画像表示光Ｌを出射させる。これにより、出射機構Ｓから出射される画像表示光Ｌは、ライトガイド４を介して、観察者の眼Ｅに導かれる。

制御部１０は、表示制御部（ＣＰＵ）１１と、メモリ１２とを備える。
表示制御部１１は、画像を形成するために透過型液晶表示器２に画像信号を出力するように制御する。具体的には、表示領域（Ｚ_１×Ｙ_１）における第三部分Ｃに対応する画像を、Ｚ方向において反転させた画像信号を出力し、第一部分Ａに対応する画像と第二部分Ｂに対応する画像とは、第三部分Ｃに対し、Ｙ方向に反転させた画像信号を出力する。すなわち、第一部分Ａに対応する画像と第二部分Ｂに対応する画像とを、Ｚ方向において反転させるとともにＹ方向において反転させた画像信号を出力する。その結果、観察者は、図４（ｃ）に示すような観察対象の虚像を視認することができる。なお、第三部分Ｃに対応する画像のＹ方向への反転の有無及びＺ方向への反転の有無は、ライトガイド４及び光学系３における光線の反射方向と反射回数とにより決定される。
以上のように、眼鏡型ディスプレイによれば、ライトガイド４および光学系３を小型化・軽量化することができる。

（他の実施形態）
上述した眼鏡型ディスプレイは、観察者の頭部や腕等の身体や、身体に装着されるヘルメットや眼鏡等に、ヘッドセット、ベルト、バンド、クリップ等を介して装着されたり、携帯電話や腕時計等の各種携帯機器に装着されたり、手に持った状態で使用されたりしてもよい。また、観察者に装着されるヘッドマウントディスプレイのような形態に限らず、観察者の前方に設置するヘッドアップディスプレイのような形態であってもよい。
上記透過型液晶表示器は、カラーフィルタを内蔵することでカラー画像を形成するものであってもよく、カラーフィルタのないモノクロ画像を形成するものであってもよい。
また、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色光を時分割発光する光源と、フィールドシーケンシャル駆動されてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）用のモノクロ画像を時分割に形成する透過型液晶表示器とを組み合わせることにより、観察対象の虚像をカラー表示してもよい。
また、表示素子としては、画像表示光を直接に出射する自発光型表示器が用いられてもよいし、反射型表示器と、その反射型表示器を照明するための素子で構成されてもよい。
また、画像表示光を観察者の両方の眼に導くようにしてもよく、上記ビームスプリッタ面は、全反射ミラーにより構成されてもよい。

また、上述した眼鏡型ディスプレイにおいて、Ｘ方向と設定方向とは一致するような構成を示したが、Ｘ方向と設定方向とは一致しないような構成としてもよく、Ｙ方向と設定方向とが一致するような構成としてもよく、設定方向は任意の一方向とすることができる。
また、上記第一面と第二面とで、表示領域の一部分の画像表示光を１回反射させてもよく、表示領域の一部分の画像表示光を２回反射させてもよく、表示領域の一部分の画像表示光を３回以上反射させてもよい。
上記ライトガイドを形成する材料としては、例えば、ポリカーボネイト、ポリメタクリル酸（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィン、硝材等が挙げられる。

本発明は、卓上以外の環境で使用する情報機器等に利用することができる。

１００眼鏡型ディスプレイ（表示装置）
２透過型液晶表示器（表示素子）
３光学系
４、１０４ライトガイド
１０、１１０制御部
４３ａ、１４３ａ第三面
４３ｂ、１４３ｂ第四面
４３ｃ、１４３ｃ第一面
４３ｄ、１４３ｄ第二面
Ｌ画像表示光
Ｅ観察者の眼
Ｓ出射機構
Ｕユニット部

Claims

表示領域となる画像を形成して、画像表示光を出射する表示素子を有する出射機構と、
観察対象の虚像を形成するために、表示領域の全範囲の画像表示光を反射又は透過させる光学系と、
第一面と、前記第一面と対向する第二面と、第三面と、当該第三面と対向する第四面とを有し、前記第三面と第四面の少なくともどちらか一方で光学系からの表示領域の全範囲の画像表示光を設定方向に反射させながら観察者の眼に導くライトガイドと、
前記画像を形成するために、前記表示素子に画像信号を出力する制御部とを備える表示装置であって、
前記ライトガイドは、前記第一面で光学系からの表示領域の第一部分の画像表示光を１回以上反射させるか、或いは、前記第二面で光学系からの表示領域の第二部分の画像表示光を１回以上反射させるかの少なくともいずれかを行って、前記画像表示光を観察者の眼に導き、
前記制御部は、前記表示領域の第一部分に対応する画像と第二部分に対応する画像の少なくともどちらか一方を補正した画像信号を、前記表示素子に出力することを特徴とする表示装置。
前記ライトガイドは、平板形状であり、
前記第一面と第二面と第三面と第四面とは、空気との界面によって形成され、
前記第一面と、前記第三面及び第四面とが隣接するとともに、
前記第二面と、前記第三面及び第四面とが隣接することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記設定方向は、観察者の眼の前方方向と垂直となり、
前記第三面及び第四面とは、前記前方方向と垂直となるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の表示装置。