JP5370071B2 - 表示装置 - Google Patents
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眼鏡型ディスプレイ101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5と、ユニット部Uとライトガイド5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101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方向は観察者の前方であり、Y方向(第二設定方向)は観察者の上方であり、X方向(第一設定方向)は観察者の左方である。
出射機構Sは、光源(図示せず)と、透過型液晶表示器102とを備える。透過型液晶表示器102は、制御部110(表示制御部111)からの表示素子制御信号に基づいて、出射方向に垂直である面に表示領域(Z1×Y1)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100は、表示領域(Z1×Y1)の全範囲の画像表示光Lを透過させる第一光学素子103と、表示領域(Z1×Y1)の全範囲の画像表示光Lを反射させる第二光学素子104とを有する。これにより、光学系100は、表示領域(Z1×Y1)の全範囲の画像表示光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。
側面群53は、X方向から見ると四角形状となり、第一面53aと、第一面53aとZ方向で対向する第二面53bと、第三面(図示せず)と、第三面とY方向で対向する第四面(図示せず)とを有する。
そして、第一出射面52aと第二出射面52bと第三出射面52cとは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過することが可能なビームスプリッタ面となっている。
また、第一出射面52aを透過した画像表示光Lは、第二出射面52bに到達する。そこで、第二出射面52bは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過する。つまり、画像表示光Lの光束の15.4%である画像表示光の光束を観察者に向かって導く。このとき、第二出射面52bから第一出射角度ψ1で出射して、観察者の眼Eに導かれる。
さらに、第二出射面52bを透過した画像表示光Lは、第三出射面52cに到達する。そこで、第三出射面52cは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過する。つまり、画像表示光Lの光束の12.5%である画像表示光の光束を観察者に向かって導く。このとき、第三出射面52cから第一出射角度ψ1で出射して、観察者の眼Eに導かれる。
また、第一出射面52aを透過した画像表示光Lは、第二出射面52bに到達する。そこで、第二出射面52bは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過する。つまり、画像表示光Lの光束の15.4%である画像表示光の光束を観察者に向かって導く。このとき、第二出射面52bから第二出射角度ψ2で出射して、観察者の眼Eに導かれる。
さらに、第二出射面52bを透過した画像表示光Lは、第三出射面52cに到達する。そこで、第三出射面52cは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過する。つまり、画像表示光Lの光束の12.5%である画像表示光の光束を観察者に向かって導く。このとき、第三出射面52cから第二出射角度ψ2で出射して、観察者の眼Eに導かれる。
このように各出射面52a〜52cが画像表示光Lを反射させることにより、ライトガイド5の外部に、表示領域(Z1×Y1)の画像表示光Lを出射させる。その結果、出射機構Sから出射される表示領域(Z1×Y1)の画像表示光Lは、ライトガイド5を介して、観察者の眼Eに導かれる。
そこで、本発明は、出射機構及び光学系を小型化・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。
本発明の表示装置によれば、平面形状の光学系出射面を有する光学系と、光学系を駆動させる光学系駆動機構とを備える。
そして、制御部は、例えば、まず、画像情報の第1部分((Z1/2)×Y1)に対応した画像表示光を出射機構から出射させる。このとき、第1部分((Z1/2)×Y1)に対応した画像表示光は、出射機構からの画像表示光の進行方向に対して第一角度θ1である光学系出射面で反射されることにより、ライトガイドに導かれる。その後、ライトガイドは、第1部分((Z1/2)×Y1)に対応した画像表示光を、出射面から第一出射角度ψ1で出射して、観察者の眼に導く。次に、制御部は、画像情報の第2部分((Z1/2)×Y1)に対応した画像表示光を出射機構から出射させるとともに、出射機構からの画像表示光の進行方向に対する光学系出射面の角度が第二角度θ2に変化するように、光学系を駆動する。このとき、第2部分((Z1/2)×Y1)に対応した画像表示光は、出射機構からの画像表示光の進行方向に対して第二角度θ2である光学系出射面で反射されることにより、ライトガイドに導かれる。その後、ライトガイドは、第2部分((Z1/2)×Y1)に対応した画像表示光を、出射面から第二出射角度ψ2で出射して、観察者の眼に導く。
このように、制御部は、画像情報の一部分((Z1/2)×Y1)に対応した画像表示光を出射機構から順番に出射させていくとともに、出射機構からの画像表示光の進行方向に対する光学系出射面の角度が順番に変化していくように、光学系を駆動することを繰り返す。その結果、第1部分((Z1/2)×Y1)と第2部分((Z1/2)×Y1)とが合成された画像表示光が、ライトガイドを介して、観察者の眼に導かれる。
また、上記の発明において、前記光学系駆動機構は、前記出射機構からの画像表示光の進行方向に対する光学系出射面の角度が、前記第一設定方向と垂直となる第二設定方向を軸として変化するようにしてもよい。
そして、上記の発明において、前記ライトガイドの出射面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を透過することが可能な複数の平面形状のビームスプリッタ面であり、各ビームスプリッタ面は、平行であるようにしてもよい。
ここで、「設定割合」とは、設計者等によって予め決められた任意の割合であり、例えば、入射した画像表示光の光束の19%を反射するとともに、画像表示光の光束の81%を透過するように決められる。
さらに、上記の発明において、前記ライトガイドの出射面は、回折面であるようにしてもよい。
眼鏡型ディスプレイ1は、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5と、ユニット部Uとライトガイド5とが取り付けられるフレーム部Fとを備える。
出射機構Sは、画像表示光Lを出射する透過型液晶表示器2を備える。透過型液晶表示器2は、制御部10からの表示素子制御信号に基づいて、出射方向に垂直である面に表示領域((Z1/2)×Y1)となる画像を形成し、その画像表示光Lを出射する。つまり、透過型液晶表示器2の表示面積((Z1/2)×Y1)は、透過型液晶表示器102の表示面積(Z1×Y1)の1/2の大きさとなっている。
図2は、反射面4と光学系駆動機構6との一例を示す斜視図である。
光学系駆動機構6は、出射機構Sからの画像表示光Lの進行方向に対する反射面4の角度(θs、θt)が、Y方向をS軸として第一の状態である第1角度(θ1、θt)と、第二の状態である第2角度(θ2、θt)とのいずれかに変化するように、制御部10からの光学系駆動機構制御信号に基づいて、反射面4を駆動させることが可能になっている。
このような反射面4と光学系駆動機構6としては、例えば、MEMSミラーやガルバノミラー等が挙げられる。
表示制御部11aは、表示素子制御信号を透過型液晶表示器2に出力するように制御する。図3は、表示した虚像を説明するための図である。
具体的には、まず、第1部分((Z1/2)×Y1)となる画像を示す第1表示素子制御信号を出力する。つまり、図3(a)に示すような部分となる画像を示す第1表示素子制御信号を出力する。次に、第2部分((Z1/2)×Y1)となる画像を示す第2表示素子制御信号を出力する。つまり、図3(b)に示すような部分となる画像を示す第2表示素子制御信号を出力する。このように第1表示素子制御信号と第2表示素子制御信号とを、所定の時間間隔(例えば、120Hz等)で交互に出力する。
具体的には、表示制御部11aが第1表示素子制御信号を出力したときには、出射機構Sからの画像表示光Lの進行方向に対する反射面4の角度(θs、θt)を第1角度(θ1、θt)とする。また、表示制御部11aが第2表示素子制御信号を出力したときには、出射機構Sからの画像表示光Lの進行方向に対する反射面4の角度(θs、θt)を第2角度(θ2、θt)とする。すなわち、出射機構Sからの画像表示光Lの進行方向に対する反射面4の角度(θs、θt)を、出力された表示素子制御信号に対応するように、第1角度(θ1、θt)と第2角度(θ2、θt)とを所定の時間間隔(例えば、120Hz等)で交互に変更する。
そして、第一面53aと第二面53bとは、表示領域((Z1/2)×Y1)の画像表示光Lを交互に複数回反射しながら、第一出射面52aに導く。そこで、第一出射面52aは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過する。このとき、表示領域((Z1/2)×Y1)の一端部の画像表示光Lは、第一出射面52aから第一出射角度ψ1で出射して、観察者の眼Eに導かれるとともに、表示領域((Z1/2)×Y1)の他端部の画像表示光Lは、第一出射面52aから第二出射角度ψ2で出射して、観察者の眼Eに導かれる。
このように各出射面52a〜52cは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過することにより、画像表示光Lの光束の設定割合である画像表示光の光束を、観察者の眼Eに導く。
そして、第1表示素子制御信号と同様に、ライトガイド5の全反射面51は、反射面4からの表示領域((Z1/2)×Y1)の画像表示光Lを略X方向へと反射させて、第一出射面52aと第二出射面52bと第三出射面52cとに導く。そこで、各出射面52a〜52cは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過する。このとき、表示領域((Z1/2)×Y1)の一端部の画像表示光Lは、各出射面52a〜52cから第二出射角度ψ2で出射して、観察者の眼Eに導かれるとともに、表示領域((Z1/2)×Y1)の他端部の画像表示光Lは、各出射面52a〜52cから第三出射角度ψ3で出射して、観察者の眼Eに導かれる。
そして、ライトガイド5の全反射面51は、反射面4からの表示領域((Z1/2)×Y1)の画像表示光Lを略X方向へと反射させて、第一出射面52aと第二出射面52bと第三出射面52cとに導く。そこで、各出射面52a〜52cは、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過する。このとき、表示領域((Z1/2)×Y1)の一端部の画像表示光Lは、各出射面52a〜52cから第一出射角度ψ1で出射して、観察者の眼Eに導かれるとともに、表示領域((Z1/2)×Y1)の他端部の画像表示光Lは、出射面52a〜52cから第二出射角度ψ2で出射して、観察者の眼Eに導かれる。
以上のように、眼鏡型ディスプレイ1によれば、画像情報((Z1/2)×Y1)の一部分に対応した画像表示光を出射すればよいので、出射機構S及び光学系20を小型化・軽量化することができる。
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、R(赤)、G(緑)、B(青)の3色光を時分割発光する光源により、観察対象の虚像をカラー表示してもよい。
また、上述した眼鏡型ディスプレイ1において、X方向と第一設定方向とは一致するような構成を示したが、X方向と第一設定方向とは一致しないような構成としてもよく、第一設定方向は任意の一方向とすることができる。
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。
上述した眼鏡型ディスプレイ1において、光学系出射面が反射面4であるような構成を示したが、光学系出射面がプリズムの一面等であるような構成としてもよく、プリズムの配置状態を変更してもよい。
上述した眼鏡型ディスプレイ1において、ライトガイド5が3枚の出射面52a〜52cを有するような構成を示したが、ライトガイドが4枚の出射面を有するような構成としてもよく、出射面は任意の数とすることができる。
上述した眼鏡型ディスプレイ1において、ライトガイド5の出射面52a〜52cが、入射した画像表示光Lの光束の19%を反射するとともに、画像表示光Lの光束の81%を透過するビームスプリッタ面であるような構成を示したが、ライトガイドの出射面は、それぞれ異なる割合を反射するとともに、それぞれ異なる割合を透過するビームスプリッタ面や全反射面であるような構成としてもよい。
2、102 透過型液晶表示器(表示素子)
4 反射面(光学系出射面)
5 ライトガイド
10、110 制御部
20、100 光学系
51 全反射面
52 出射面
52a 第一出射面
52b 第二出射面
53a 第一面
53b 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 (2)
- 画像表示光を出射する表示素子を有する出射機構と、
第一面と、当該第一面と対向する第二面と、観察者の眼の前方に配置される出射面とを有し、前記第一面及び/又は第二面で出射機構からの画像表示光を第一設定方向へと反射させながら出射面に導き、前記出射面から画像表示光を観察者の眼に導くライトガイドと、
表示しようとする画像情報に基づいて、前記出射機構を制御する制御部とを備える表示装置であって、
前記出射機構からの画像表示光を反射又は透過して、前記ライトガイドに画像表示光を導く平面形状の光学系出射面を有する光学系と、
前記出射機構からの画像表示光の進行方向に対する光学系出射面の角度が変化するように、前記光学系を駆動させる光学系駆動機構とを備え、
前記制御部は、前記表示素子に表示する画像を複数の部分に分割し、分割した部分画像に対応した画像表示光を出射機構から順番に出射させていくともに、前記出射機構からの画像表示光の進行方向に対する光学系出射面の角度が順番に変化していくように、前記光学系を駆動することを繰り返すことにより、画像情報の全部分に対応した虚像を形成し、
前記ライトガイドの出射面は、入射した画像表示光の光束の設定割合を反射するとともに、画像表示光の光束の設定割合を透過することが可能な複数の平面形状のビームスプリッタ面であり、各ビームスプリッタ面は、平行であることを特徴とする表示装置。 - 前記光学系駆動機構は、前記出射機構からの画像表示光の進行方向に対する光学系出射面の角度が、前記第一設定方向と垂直となる第二設定方向を軸として変化することを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
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