JP6202806B2

JP6202806B2 - 虚像表示装置

Info

Publication number: JP6202806B2
Application number: JP2012251890A
Authority: JP
Inventors: 敢人宮崎
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2017-09-27
Anticipated expiration: 2032-11-16
Also published as: JP2014098873A; WO2014077032A1

Description

本発明は、観察者に虚像を観察させる虚像表示装置に関する。

無限遠に投影された虚像を観察可能とする表示装置が知られている。特許文献１には、このような虚像を観察可能な表示装置が開示されている。この表示装置では、液晶表示素子から発した光を、基板内部で伝搬させ、基板に設けられた射出部から光を射出させることで、観察者の網膜に像を結像させる。その結果、観察者は、像を観察することができる。

射出する光束の断面積が大きい無限遠投影型の表示装置は、平板部から離れて観察できること、視点をずらしても画角（見える視野）が変わらないことから、観察者の疲労感が少なく、また、無限遠に投影された虚像を観察するため、老眼の人でもはっきり観察することができる。このような特徴から、無限遠投影型の表示装置は、近年注目されている。

ここで、特許文献１に記載の画像表示装置に用いられている光偏向デバイスは、掃引可能な角度が１°未満であり、画像表示装置としては画角が狭い。このため観察者の視野（画角）を広げるために、特許文献１の図７に記載のマイクロレンズアレイ１２１、１２２を用いている。すなわち、正のレンズと負のレンズを組み合せたアフォーカル・レンズ系を用いることで、角倍率を大きくして見かけ上の掃引角を大きくし、画角を広げている。

国際公開第２０１１／５４６８２１号パンフレット

しかしながら、アフォーカル・レンズ系を用いて角倍率を大きくすると、アフォーカル・レンズ系に入射する光束よりも射出する光束の断面積（光束径）が小さくなる。すると観察者の眼に入射する光束径が小さくなるため、回折の影響が大きくなり、観察者が見ている画像の分解能が低くなってしまう。

本発明は、虚像を観察可能な虚像表示装置を提供することを目的とするものである。また、このような虚像表示装置において、視野範囲の拡大、あるいは、観察される虚像の明るさの向上、少なくとも一方を実現することを目的としている。

そのため、本発明に係る虚像表示装置は、
複数の単位領域が配列された表示面を有し、
各前記単位領域は、観察者から見て前記表示面よりも遠方に観察させる虚像を形成する平行光束を、前記単位領域間で異なる方向に射出するとともに、前記表示面に対して予め定められた位置に位置する観察領域に向けて射出することを特徴とする。

本発明に係る虚像表示装置によれば、虚像を観察可能させることで、遠視の観察者に対しても老眼鏡などの補助具などを利用することなく、容易に虚像を観察させることが可能となる。また、単位領域から射出される平行光束を複数使用することで、視野範囲の拡大、あるいは、観察される虚像の明るさの向上、少なくとも一方を実現することが可能となる。

実施形態に係る表示装置の表示原理を説明するための図実施形態に係る表示装置の表示原理を説明するための図第１実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）第１実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（側面図）第１実施形態に係る表示装置の構成を示す正面図第１実施形態に係る表示装置において複数色のＬＤを発光させる際の様子を示した模式図実施形態に係る表示装置を観察する様子を示す図第２実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）第３実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）第３実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（側面図）第４実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）第４実施形態にて使用するマルチコアＳＭファイバーの断面図第５実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）第６実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）第６実施形態に係る表示装置のＭＥＭＳミラー配列の様子を示す正面図第６、第７実施形態にて使用する導光板の各面の透過率・反射率特性を示す図第７実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）調整用光学素子を設けた実施形態に係る表示装置を示す図を観察する様子を示す図

以下、本発明のある態様に係る実施形態について図面に基づいて説明する。図１、図２は、本実施形態の表示装置について、その表示原理を説明するための図である。図１、図２に共通して示されるように、本実施形態に係る画像装置は、表示面１０１を有して構成されている。図では表示面１０１がｘｙ平面となるようにｘ軸、ｙ軸を定義し、ｘｙ平面に直交する軸をｚ軸と定義する。

この表示面１０１は、ｘｙ面状に配列された複数の単位領域１０２にて形成されている。各単位領域１０２から出射される平行光束は、１つの平行光束で像を形成することを可能としている。また、各平行光束は、観察時に眼を配置すると推定される所定の領域（予め定められた領域）１０３Ｒ、１０３Ｌに向かって出射される。この例では、表示面１０１から各領域１０３Ｒ、１０３Ｌまでの距離を約２５０ｍｍとしており、ユーザーが携帯情報端末などを手にとって使用する際の好適な距離となっている。ただし、表示面１０１から各領域１０３Ｒ、１０３Ｌまでの距離は、表示装置の設計時に適宜設定可能であり、２５０ｍｍに限定されない。

図では、右眼の領域１０３Ｒ、左眼の領域１０３Ｌ、それぞれの領域に対して、２つの単位領域１０２から平行光束が入射する様子が示されている。他の単位領域１０２から出射される平行光束も、これら領域１０３Ｒ、１０３Ｌ（観察領域）に対して入射するように各単位領域１０２における光学特性が設定されている。

図１に示される形態では、各領域１０３Ｒ、１０３Ｌの同位置に複数の平行光束を入射させているが、平行光束の入射位置は予め定められた領域１０３Ｒ、１０３Ｌ中であれば、異なる位置に入射させることとしてもよい。同位置に平行光束を入射させた場合には、各平行光束が重畳して観察されることとなり、観察者に対する画角を拡大させることが可能となる。一方、平行光束の入射位置を異ならせた場合には、観察者に対する視野範囲（全画角を見渡すことが可能な眼の位置範囲）の拡大を図ることが可能となる。

このように本実施形態の表示装置では、観察者は少なくとも何れか１つの単位領域１０２から出射される平行光束を観察する（眼に入射させる）ことで、観察者に無限遠に投影された虚像を観察させることが可能となり、遠視の観察者に対してはっきりとした像を観察させることが可能となる。また、本実施形態の表示装置によれば、角倍率の増加を目的としたアフォーカル・レンズ系を配置しないため、観察者が観察する画像の分解能が低下することを抑制した上で、観察者に対する画角を拡大させることができる。また、各単位領域１０２から出射される平行光束は、観察者の観察位置となる予め定められた領域１０３Ｒ、１０３Ｌに方向付けられているため、複数の平行光束を使用してこの領域１０３Ｒ、１０３Ｌをカバーすることが可能となっている。また、右眼用の領域１０３Ｒと左眼用の領域１０３Ｌに対して視差を有する像を含んだ平行光束を入射させる場合には観察者に対して立体視を観察させることも可能となる。このような立体視では、左右の領域１０３Ｒ、１０３Ｌ毎に平行光束が入射されるため、クロストークにより観察画像が劣化することも抑制される。

表示装置による画像形成は、各平行光束中に像が含まれることとなるが、この像は平行光束を走査（スキャン）することで形成することとしてよい。図２には、ある単位領域１０２から出射される平行光束を左眼の領域１０３Ｌおいて走査する場合の形態が示されている。例えば、単位領域１０２内から出射される平行光束が点光源によるものである場合、光偏向素子などの走査手段によって２次元状に走査することで、点光源による２次元像を形成することが可能となる。図２では、ある単位領域１０２から出射された平行光束がｘ軸方向に走査されるときの様子が示されている。同平行光束に対して、ｙ軸方向に対しても走査を行うことで像を形成することが可能となる。

では、このような原理にて観察者に虚像を観察させる表示装置について、その各種実施形態を図を用いて説明する。

（第１実施形態）
図３には、第１実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図について、その上面図が示されている。また、図４には、第１実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図について、その右側面図が示されている。第１実施形態に係る表示装置１００は、ＬＤ（半導体レーザー）アレイ１１０、レンズアレイ１２０、光偏向素子１３０、プリズム１４０、制御部２００を備えて構成されている。ＬＤアレイ１１０とレンズアレイ１２０は、平行光を出射する光源として機能する。図では観察者の観察する平面をｘｙ平面とするようにｘ軸、ｙ軸を定義し、ｘｙ平面に直交する軸をｚ軸と定義する。

この第１実施形態では、発散光を出射する発散光出射源としてＬＤ（半導体レーザー）１１１と、ＬＤ１１１から出射された発散光を平行光に変換する光学変換素子としてレンズアレイ１２０を構成する単位レンズ１２１を使用している。また、ＬＤ１１１は、右眼用ＬＤ１１１と、左眼用ＬＤ１１１’の２種類が設けられており、各右眼用ＬＤ１１１、左眼用ＬＤ１１１’は、観察者が観察する際の右眼、左眼に対向する位置に配置されている。なお、発散光出射源としては、このＬＤ（半導体レーザー）に代え、ＬＥＤなど各種光源とピンホールを組み合わせて使用することが可能である。

本実施形態では、各右眼用ＬＤ１１１、左眼用ＬＤ１１１’について、複数色のＬＤの組（本実施形態ではＲＧＢの３色）を用いており、各ＬＤについて個別制御することでカラー表示可能な表示装置１００を実現している。図に示されるように各右眼用ＬＤ１１１、左眼用ＬＤ１１１’と、レンズアレイ１２０を構成する単位レンズ１２１は、基本的に一対一の関係にあり、右眼用ＬＤ１１１、左眼用ＬＤ１１１’の発光点は対応する単位レンズ１２１の後側焦点に略位置している。このような構成により、右眼用ＬＤ１１１、左眼用ＬＤ１１１’から出射された発散光は、単位レンズ１２１で平行光束に変換され、無限遠に投影される。なお、レンズアレイ１２０中、隣接する単位レンズ１２１から出射される平行光束の間に隙間が生じないように、単位レンズ１２１は近接して設けることが好ましい。

なお、本実施形態では、観察者による観察時、右眼と左眼の中央付近に位置する単位レンズ１２１については、右眼用ＬＤ１１１と、左眼用ＬＤ１１１’の両方にて使用することとしている。図３には右眼用ＬＤ１１１を白色にて、左眼用ＬＤ１１１’を褐色にて示しているが、ＬＤアレイ１１０中、ｘ軸方向中央付近（上から４番目と５番目に位置する）の単位レンズ１２１については、１つの単位レンズ１２１にて、右眼用ＬＤ１１１と、左眼用ＬＤ１１１’の両者を平行光束に変換している。物理的に右眼用ＬＤ１１１と左眼用ＬＤ１１１’は、ＬＤアレイ１１０上の異なる位置に配置されることとなるが、本実施形態では、このような位置配置の事情を利用して、単位レンズ１２１から出射される平行光束を、右眼用ＬＤ１１１、左眼用ＬＤ１１１’とで異なる方向に出射させることとしている。

光偏向素子１３０は、各単位レンズ１２１から射出された平行光を偏向させる手段であって、ここでは、ｙ方向、ｘ方向に偏向方向を有する２つの光偏向素子１３１、１３２を使用して、各単位レンズ１２１から射出された平行光を偏向させている。光偏向素子１３１、１３２としては、例えば、特開２０１１−１１２９４２号公報に記載されているメタマテリアル構造による光偏向素子が利用できる。この光偏向素子は、入射光を片面に入射させると、反対面から印加電圧に応じた偏向角度で光を出射することが可能である。印加電圧を可変とすることで偏向角度を変更することが可能となる。また、光偏向素子１３１、１３２としては、例えば、特開平７−９２５０７号公報に記載されている液晶を用いた偏向素子を用いてもよい。

プリズム１４０は、出射される平行光束が観察者側の右眼側、左眼側の各観察領域に向くように、その出射方向を変更する機能を有する光学素子である。本実施形態では、右眼用ＬＤ１１１、左眼用ＬＤ１１１’によって出射される各平行光束毎に設けられている。ただし、図１の中央付近については、前述したように右眼用ＬＤ１１１と、左眼用ＬＤ１１１’の配置位置によって出射方向を異ならせているため、プリズム１４０を設けておらず、各右眼用ＬＤ１１１、左眼用ＬＤ１１１’から出射された発散光は、光偏向素子１３０を通過後、それぞれ、右眼の観察領域、左眼の観察領域へ平行光束として入射する。本実施形態では、プリズム１４０の観察者側の面によって表示面１０１が形成される。

制御部２００は、各光偏向素子１３１、１３２に対してスキャン信号を出力する。このスキャン信号は、単位レンズ１２１にて偏向された平行光が、観察者の網膜上に二次元的な像面を形成するように各光偏向素子１３１、１３２を制御する信号である。なお、スキャン方式には、ラスタースキャンや、螺旋スキャンなど各種方式を採用することが可能である。この制御部２００には、画像情報発生部３００から出力される画像情報が入力される。表示装置１００において立体視を行う場合には、右眼用と左眼用で異なる画像情報が入力されることとなる。

入力された画像情報は、スキャン信号に同期した各色毎の光強度制御信号に変換され、ＬＤアレイ１１０中の各ＬＤ１１１、１１１’に入力される。右眼用画像情報と左眼用画像情報が同じ場合には、右眼用ＬＤ１１１、左眼用ＬＤ１１１’の種別を問わず、全てのＬＤ１１１、１１１’に対して同じ光強度制御信号が入力され、各ＬＤ１１１、１１１’は、光強度信号に応じた光強度で同時に明滅される。一方、立体視などのため、右眼用画像情報と左眼用画像情報とが異なる場合には、右眼用画像情報に基づく光強度制御信号は、全ての右眼用ＬＤ１１１に入力され、左眼用画像情報に基づく光強度制御信号は、全ての左眼用ＬＤ１１１’に入力され、左右異なる光強度信号に応じた光強度で右眼用ＬＤ１１１、左眼用ＬＤ１１１’が明滅する。

また本実施形態では、複数色の光源を使用することでカラーの像を形成することとしている。そのため、光源としてのＬＤ１１１、１１１’には、異なる色（波長帯）の発散光を出射するＬＤが複数配置されている。本実施形態では、各ＬＤ１１１、１１１’毎に赤、緑、青の色（波長帯）を有するＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂが、各単位レンズ１２１に対応する位置に配置されている。３つのＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂは単位レンズ１２１の略後側焦点位置においてｙ軸方向に並んで配置され、緑色のＬＤ１１１Ｇが単位レンズ１２１の光軸上に位置している。なお、ＬＤを構成する複数の色の組み合わせについては、赤、緑、青のみならず、適宜、必要に応じて選択してよい。

制御部２００は、光偏向素子１３０によるスキャンを行うと同時に、入力される画像情報に応じてＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂの光強度を制御することでカラーの像を形成することが可能である。その際、ＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂを同時に発光させることとしてもよいが、その場合、図３にも示されるようにＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂは、ｙ軸上の位置が異なっているため、単位レンズ１１３により結像される像の位置もずれることとなる。

このような各色の結像位置のずれを防ぐため、本実施形態では、各色のＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂの何れか１つを発光させるとともに、発光させるＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂに応じて光偏向素子１３０の偏向角度を補正することとしている。

図６には、複数色のＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂを発光させる際の様子を示した模式図が示されている。ここでは各色のＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂは同時に発光することはなく、各ＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂが順番に発光することとなる。各色ＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂは、１画面分、あるいは、１ライン分といった所定の単位で像を形成し、全ての色のＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂによる走査が終了することで１つの像が形成されることとなる。なお、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、発光するＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂにはアンダーラインを付している。

図６（ａ）は、中央に位置する緑色のＬＤ１１１Ｇが発光したときの図である。緑色のＬＤ１１１Ｇの発光点は、単位レンズ１２１の光軸上に位置しているため、発光点から発した光は単位レンズ１２１から光軸に平行に射出し、光偏向素子１３０から垂直に射出する。

図６（ｂ）は赤色のＬＤ１１１Ｒが発光したときの図である。赤色のＬＤ１１１Ｒの発光点は、単位レンズ１２１の光軸よりｙ軸方向にプラス方向に位置している。このため、単位レンズ１２１に入射した光束はｙ軸方向に傾きを持つ。しかしながら、観察者に対し、図６（ａ）と同じ位置に観察させるためには、緑色のＬＤ１１１Ｇと同様、光偏向素子１３０から垂直に射出させることが必要とされる。このため、赤色のＬＤ１１１Ｒが発光しているときには、ｙ軸方向に斜めに入射した平行光が、光偏向素子１３０に対して垂直に射出するよう、ｙ軸方向の光偏向素子１３１に対して偏向角度の補正が行われる。

図６（ｃ）は青色のＬＤ１１１Ｂが発光したときの図である。青色のＬＤ１１１Ｂの発光点は、単位レンズ１２１の光軸よりｙ軸方向にマイナス方向に位置している。このため、単位レンズ１２１に入射した光束はｙ軸方向に傾きを持つ。前述した赤色のときと同様に青色のＬＤ１１１Ｂが発光しているときには、ｙ軸方向に斜めに入射した平行光が、光偏向素子１３０に対して垂直に射出するよう、ｙ軸方向の光偏向素子１３１に対して偏向角度の補正が行われる。

ここでは、光偏向素子１３０から垂直に出射される場合について説明したが、他の偏向角度の場合においても光偏向素子１３０に対して同様の補正を行うことで、各色の像を同じ位置に結像させることが可能となる。本実施形態では、単位レンズ１２１の光軸上に位置する緑色のＬＤ１１１Ｇを基準として、赤色、青色のＬＤ１１１Ｒ、Ｂの偏向方向の補正を行っているが、補正対象とされるＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂは、その配置位置などに応じて適宜決定することが可能である。

単位レンズ１２１から射出した平行光は、像を形成するため光偏向素子１３０によって偏向された後、プリズム１４０を介して観察者側の観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌに方向付けられて出射される。その際、制御部２００は、入力される画像情報に応じてＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂを発光させることで、像面内に画像情報に応じた虚像を形成する。

このように本実施形態では、複数色（波長帯）のＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂを使用したことで、カラーの虚像を観察者に観察させることが可能となる。その際、ＬＤ１１１Ｒ、Ｇ、Ｂの配置位置に伴う出射方向のずれを、光偏向素子１３０にて補正することで、位置ずれのない像を観察させることが可能となる。

図７は、本実施形態に係る表示装置を観察する様子を示した図である。観察者は、表示装置１００によって形成される虚像を観察することが可能となる。以上、説明したように本実施形態の表示装置では、遠方に形成される虚像を観察させることで、老視（遠視）の観察者であっても鮮明な像を観察することが可能となる。また、ＬＤ１１１、単位レンズ１２１といった微細な光学要素で構成されているため、光学要素間の光学距離を短くすることが可能であり、表示装置の薄型化を図ることが可能となる。また、このような光学要素を二次元的（ｘｙ平面内）に配列するという簡易な構成で観察可能な範囲の拡大化を図ることも可能である。

（第２実施形態）
図８には、第２実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）が示されている。第１実施形態では、表示装置１００から出射される平行光束が観察者側の観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌに入射するように方向付けるため、プリズム１４０を使用していたが、この第２実施形態では、プリズム１４０を使用しない点において異なった構成となっている。なお、この第２実施形態では光偏向素子１３０の観察者側の面によって表示面が形成される。

すなわち、この第２実施形態では、像を形成するために走査を行う光偏向素子１３０に対して、観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌに入射させるための方向付け機能を持たせることとしている。光偏向素子１３０のゼロ点（像形成のための中心点）において出射される平行光束は、光偏向素子１３０にて、観察者側の観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌに入射するように方向付けられる。このように本実施形態では、観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌへの方向付けを光偏向素子１３０で行うこととしており、第１実施形態のようにプリズム１３０を必要としない構成としている。

（第３実施形態）
図９、図１０には、第３実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（図９：上面図、図１０：右側面図）が示されている。この第３実施形態は、第２実施形態と同様、第１実施形態のプリズム１３０を必要としない構成となっている。この第３実施形態では、単位レンズ１２１に対するＬＤ１１１、１１１’の位置変位にて、出射される平行光束を観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌに向くように方向付けた形態となっている。なお、この第３実施形態では光偏向素子１３０の観察者側の面によって表示面が形成される。

図９において、ＬＤアレイ１１０の外側付近に位置するＬＤ１１１、１１１’は、単位レンズ１２１の光軸中心から外れた位置に配置することで、単位レンズ１２１から出射される平行光束の方向付けを行っている。このように本実施形態では、観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌへの方向付けを光偏向素子１３０で行うこととしており、第１実施形態のようにプリズム１３０を必要としない構成としている。また、図１０に示されるようにｙ軸方向における方向付けについても、ＬＤアレイ１１０の外側付近に位置するＬＤ１１１程、単位レンズ１２１の光軸中心から外れた位置に配置することで、観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌへの方向付けが行われている。

第２、第３実施形態においては、平行光束の方向付けをそれぞれ、光偏向素子１３０、単位レンズとＬＤ１１１、１１１’の位置関係にて行うこととしたが、出射される平行光束が観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌへと入射する形態であれば、第１〜第３実施形態における方向付けのための構成を適宜組み合わせて実現することも可能である。

（第４実施形態）
図１１は、第４実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）が示されている。この第４実施形態は、光源部に特徴を有することとしており、各単位レンズアレイ１２１への発散光は、マルチコア光ファイバー１１６によって供給される。なお、この第４実施形態では光偏向素子１３０の観察者側の面によって表示面が形成される。

この第４実施形態の光源部は、各色ＬＤ（Ｒ）１１１Ｒ、ＬＤ（Ｇ）１１１Ｇ、ＬＤ（Ｂ）１１１Ｂ、コリメータレンズ１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂ、ダイクロイックミラー１１３ａ、１１３ｂ、スキャンミラー１１４，集光レンズ１１５を備えて構成されている。

一方、マルチコアＳＭファイバー（光ファイバー）１１６は、図１２に示される断面構成を有している。すなわち、クラッド１１６ａ内に各色の光を導光するためのコア１１６Ｒ、Ｇ、Ｂが形成されている。マルチコアＳＭファイバー１１６の出力端は、板状の部材によって、その位置が固定されている。マルチコアＳＭファイバー１１６の出力端の配置は、図８のＬＤアレイ１１０の各ＬＤの配置と同様である。

制御部２００による制御にて、各色ＬＤ１１１Ｒ、１１１Ｇ、１１１Ｂから出射された発散光は、対応するコリメータレンズ１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂにて平行光に変換される。ダイクロイックミラー１１３ａは、コリメータレンズ１１２Ｒから出射された赤色の平行光を透過するとともに、コリメータレンズ１１２Ｇから出射された緑色の平行光を反射する光学特性を有している。また、ダイクロイックミラー１１３ｂは、コリメータレンズ１１２Ｂから出射された青色の平行光を反射し、それ以外の波長の光を透過する光学特性を有している。

このような光学構成にて、ダイクロイックミラー１１３ｂから出射される各色平行光は、スキャンミラー１１４によって、マルチコアＳＭファイバー１１６内で対応する色のコア１１６Ｒ、Ｇ、Ｂに入射するように走査される。その際、各色平行光が特定の方向でコア１１６Ｒ、Ｇ、Ｂに入射するべく、コア１１６Ｒ、Ｇ、Ｂとスキャンミラー１１４との間には集光レンズ１１５が設けられている。

マルチコアＳＭファイバー１１６に入射した各色光は、出力端にて図１２に示される断面を露出し、各色光について点光源を形成し、レンズアレイ１２０に向かって発散光を照射する。レンズアレイ１２０を構成する単位レンズ１２１に入射した発散光は、平行光束に変換され、光偏向素子１３０の走査によって像を形成することとなる。レンズアレイ１２０以降の構成は、第１〜第３実施形態で説明した各種構成を採用することが可能である。

（第５実施形態）
図１３は、第５実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）である。前述した第１〜第４実施形態では、光偏向素子１３０による走査によって像を形成していたのに対し、本実施形態では、空間光変調素子として知られる液晶パネル１１９、１１９’を使用して像を形成する点において異なった構成となっている。本実施形態では、右眼用、左眼用、それぞれの液晶パネル１１９、１１９’は、レンズアレイ１２０を構成する単位レンズ１２１に対応して設けられている。また、液晶パネル１１９、１１９’には１インチ未満のマイクロディスプレイを使用することが好ましい。

制御部２００は、複数配置された右眼用液晶パネル１１９、左眼用液晶パネル１１９’に対して、画像を表示させ、コリメータレンズ１１８から出射される平行光束内に像を形成し、像を含んだ発散光を出射する。なお、立体視を行う場合には、右眼用液晶パネル１１９が表示する画像と、左眼用液晶パネル１１９’が表示する画像との間に視差が設けられる。レンズアレイ１２０を構成する単位レンズ１２１は、各発散光を平行光束に変換し、観察者側に出射させる。この第５実施形態ではレンズアレイ１２０の観察者側の面によって表示面が形成される。

本実施形態では、単位レンズ１２１の光軸中心に対して液晶パネル１１９、１１９’の位置をずらすことで、平行光束が右眼、左眼の観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌに入射するよう方向付けを行っている。これは、第３実施形態と同様の原理である。また、中央付近に位置する単位レンズ１２１では、１つの単位レンズ１２１に対し、右眼用液晶パネル１１９と、左眼用液晶パネル１１９’をずらして配置することで、異なる方向に右眼用の平行光束、左眼用の平行光束を出射させている。このように第５実施形態では、空間光変調素子（液晶パネル１１９、１１９’）を使用して像を形成することとしている。

本実施形態では、空間光変調素子として液晶パネル１１９、１１９’を使用することとしたが、空間変調素子としては、このような形態以外に有機ＥＬパネルのような自己発光型の光学素子を使用することとしてもよい。このような自己発光型の光学素子では、図１３で説明したＬＤ光源１１７、コリメータレンズ１１８などで構成される光源が不要となり、装置構成の簡略化を図ることが可能となる。

（第６実施形態）
図１４は、第６実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）であり、図１５は、表示装置を正面から見たときのＭＥＭＳミラー配列の様子を示す図である。

第６実施形態の表示装置１００は、複数のＬＤユニット１４０、ＭＥＭＳミラーアレイ４００、導光板１２３、遮光板１２５、ビームエキスパンダーアレイ１２４、光偏向素子１３０、プリズム１４０を含んで構成されている。なお、この第６実施形態では、プリズム１４０もしくは光偏向素子１３０によって形成される最も観察者側に位置する表示装置１００の物理的面が表示面となる。

ＭＥＭＳミラーアレイ４００は、ｘｙ面上にＭＥＭＳミラー１２２が複数配列して構成されている。図１５は、本実施形態のＭＥＭＳミラーアレイ４００の配列の様子を示した図である。個々のＭＥＭＳミラー１２２は、その反射面が可動であって、入射した光の反射方向を制御することが可能となっている。本実施形態では、このＭＥＭＳミラー１２２を動作させないことも可能であるが、像の暗部などを形成する場合、すなわち、表示装置１００から光を出射する必要が無い場合には、図１４の一番下のＭＥＭＳミラー１２２に破線で示されているように遮光板１２５に反射光を向けることで、ＭＥＭＳミラー１２２にて反射された光を遮断し、像のコントラスト向上を図ることが可能となっている。

光源部を構成する複数のＬＤユニット１４０は、各色ＬＤ（Ｒ）１１１Ｒ、ＬＤ（Ｇ）１１１Ｇ、ＬＤ（Ｂ）１１１Ｂ、コリメータレンズ１１２Ｒ、１１２Ｇ、１１２Ｂ、ダイクロイックミラー１１３ａ、１１３ｂを備えて構成されている。図１４では１つのＬＤユニット１４０についてその構成を示したものであり、複数のＬＤユニット１４０は、図１５に示されるようにｘ軸方向に複数配列され、各ＬＤユニット１４０は、ｙ軸方向に配列されたＭＥＭＳミラー１２２に対する光源となる。

ＬＤユニット１４０から出射された平行光は、導光板１２３に入射し、その内部を反射しながら伝搬する。導光板１２３の観察者側の面１２３ａと、ＭＥＭＳミラーアレイ４００側の面１２３ｂの透過率、反射率特性が、図１６（ａ）、図１６（ｂ）にそれぞれ示されている。面１２３ａ、１２３ｂとも小さい入射角、すなわち、各面１２３ａ、１２３ｂに対して垂直に近い角度で入射する光線の透過率は１００％に近い。一方、ある程度の入射角を有する場合には反射率が格段に高くなる性質を有している。このような面の性質を利用して導光された平行光は、ＭＥＭＳミラー１２２のそれぞれで反射され、導光板１２３を透過して観察者側に出射される。

ＭＥＭＳミラー１２２で反射された光は、導光板１２３を通過後、ビームエキスパンダーアレイ１２４に入射する。本実施形態では、導光板１２３側から順に負の屈折力を有する光学系と、正の屈折力を有する光学系と、を配置することでビームエキスパンダーアレイ１２４を構成している。このため、ビームエキスパンダーアレイ１２４に入射した光の光束径は拡大される。光束径が拡大された平行光束は、光偏向素子１３０において、制御部２００の制御による制御にて走査され像を形成することになる。平行光束は、光偏向素子１３０を通過後、プリズム１４０にて右眼、左眼の観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌに入射するよう方向付けられる。なお、前述したように本実施形態では、ＭＥＭＳミラー１２２を可動し、その反射光を遮光板１２５に向けるように制御することで、像の暗部を再現しコントラストの向上を図ることが可能である。

（第７実施形態）
図１７は、第７実施形態に係る表示装置の構成を示す断面図（上面図）である。この第７実施形態では、制御部２００は、画像情報に基づいてＭＥＭＳミラー１２２を制御し、ＭＥＭＳミラー１２２にて反射された光を走査することで像を形成する形態となっている。本実施形態におけるＭＥＭＳミラー１２２、ＬＤユニット１４０、並びに、導光板１２３の構成、配置は、前述した第６実施形態のものとほぼ同様であるため、ここではその詳細な説明を省略する。なお、この第７実施形態では、プリズム１４０もしくはビームエキスパンダーアレイ１２５によって形成される最も観察者側に位置する表示装置１００の物理的面が表示面となる。

本実施形態のＭＥＭＳミラー１２２は、ｘ軸を中心とした回転、およびｙ軸を中心とした回転が可能となるように構成されている。このような構成により、入射する平行光をｘ方向、ｙ方向に偏向させてスキャンを行うことが可能である。制御部２００は、画像情報に基づいてＭＥＭＳミラー１２２の反射方向を制御するとともに、画像情報発生部４００から入力される画像情報に基づいて、各色ＬＤ１４０Ｒ、Ｇ、Ｂを発光させることで像を形成する。ＭＥＭＳミラー１２２の回転により、走査された平行光は、導光板１２３を通過後、ビームエキスパンダーアレイ１２５に入射する。本実施形態では、導光板１２３側から順に相対的に焦点距離の短い光学系と、相対的に焦点距離が長い光学系と、を配置することでビームエキスパンダーアレイ１２５を構成している。このため、ビームエキスパンダーアレイ１２５に入射した光の光束径は拡大される。その後、光束は、プリズム１４０にて右眼、左眼の観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌに入射するよう方向付けられる。

本実施形態においても表示装置１００から出射された平行光束は、図１で説明したように観察者側に設けられた左右両眼に対応する観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌに方向付けられる。したがって、観察領域１０３Ｒ、１０３Ｌに眼球を配置して観察する観察者は、遠方に虚像を観察することが可能となる。

以上、本発明のある態様に係る実施形態について説明したが、上記実施形態の表示装置によれば、遠方に画像を投影することで、遠視の観察者に対しても観察可能な虚像を観察させることが可能である。なお、このような表示装置を近視の観察者が使用する場合、投影された遠方の画像にピントを合わせることが難しい場合がある。

このような場合、上記実施形態の表示装置１００の表示面にさらに調整用光学素子を設けてもよい。図１８は、上記実施形態に係る表示装置の観察者側に調整用光学素子としてフレネルレンズ１５０を設けた形態が示されている。

例えば、焦点距離が−７５０ｍｍのフレネルレンズ１５０を配置し、フレネルレンズ１５０から２５０ｍｍの距離で観察した場合、観察者から１０００ｍｍ（１ｍ）の距離に虚像が観察される。これにより観察者は１ｍ先の像を観察することとなり、近視の人でも像にピントを合わせることができ、はっきりと画像を観察することが可能となる。

また、遠視の人に対しては正の焦点距離を有するフレネルレンズ１５０を用いればよい。ここでは調整用光学素子としてフレネルレンズ１５０を例にあげたが、それに限らず負または正の焦点距離を有する光学素子であれば同様の効果が得られる。なお、このような調整用光学素子は、表示装置１００に対して着脱可能なアタッチメント構成として設けることが好ましい。観察者の視力に応じて着脱、偏向することが可能となる。

以上、本発明のある態様に係る実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となる。

１００…表示装置、１０１…表示面、１０２…表示面の単位領域、１０３Ｒ…右眼の所定観察領域、１０３Ｌ…左眼の観察領域、１１０…ＬＤアレイ、１１１…右眼用ＬＤ、１１１’…左眼用ＬＤ、１１２Ｒ、Ｇ、Ｂ…コリメータレンズ、１１３ａ、ｂ…ダイクロイックミラー、１１４…スキャンミラー、１１５…集光レンズ、１１６…マルチコアＳＭファイバー、１１６ａ…クラッド、１１６Ｒ、Ｇ、Ｂ…コア、１１７…ＬＤ光源（ＲＧＢ）、１１８…コリメータレンズ、１１９…右眼用液晶パネル、１１９’…左眼用液晶パネル、１２０…レンズアレイ、１２１…単位レンズ、１２２…ＭＥＭＳミラー、１２３…導光板、１２４…ビームエキスパンダーアレイ、１２５…遮光板、１３０…光偏向素子、１３１…光偏向素子（ｙ軸方向）、１３２…光偏向素子（ｘ軸方向）、１４０…プリズム、１５０…フレネルレンズ、４００…ＭＥＭＳミラーアレイ、５００…ＬＤ電源

Claims

各々が像を形成することが可能な光束を出射する複数の単位領域が配列された表示面を有し、
各前記単位領域は、観察者から見て前記表示面よりも遠方に観察させる虚像を形成する平行光束を、前記単位領域間で異なる方向に射出するとともに、前記表示面に対して予め定められた位置に位置する観察領域に向けて射出する表示装置であって、
前記各単位領域に対応して設けられた、それぞれが異なる波長帯の発散光を出射する複数の発散光出射源、を有する光源と、
前記光源からの光を走査して二次元的な像を形成する機能を持つ光偏向素子と、を有し、
更に、前記光源のうちの何れか１つの前記発散光出射源を発光させると共に、発光させた前記発散光出射源に応じて前記光偏向素子の偏向角度を補正する制御部と、
を有することを特徴とする
虚像表示装置。
各前記観察領域は、観察者の右眼用に設定された前記観察領域と、観察者の左眼用に設けられた前記観察領域であることを特徴とする
請求項１に記載の虚像表示装置。
前記平行光束の射出方向を前記単位領域毎に調整可能な光学素子を備え、
前記光学素子は、前記単位領域から射出される前記平行光束が前記観察領域を向くように方向付けすることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の虚像表示装置。
前記光偏向素子は、前記単位領域から射出される前記平行光束が前記観察領域を向くように方向付けすることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の虚像表示装置。
前記発散光を前記平行光束に変換する単位レンズと、を備え、
前記光源と前記単位レンズの配置関係によって、前記単位領域から射出される前記平行光束が前記観察領域を向くように方向付けされることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載の虚像表示装置。