JPH07306377A - 表示装置 - Google Patents
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Abstract
からの出射角度、方向により大きく異なる空間光変調素
子を用いても、観察者が観察画像全体にわたって高いコ
ントラストで、しかも一様なコントラストで良好な画像
を観察できる表示装置を得ること。 【構成】 空間光変調素子を用いた画像表示手段で表示
した画像情報をリレー光学系と接眼光学系を介して観察
する際、該空間光変調素子の指向性の偏りに対応して光
束の透過量を部分的に制御した部分遮光手段を該リレー
光学系の一部に設ける。
Description
像表示手段として液晶表示素子等の空間光変調素子を用
い、該画像表示手段で表示した画像情報を拡大した虚像
として観察者が観察する際に好適な表示装置に関するも
のである。
像表示手段で表示した画像情報を観察するようにした表
示装置として、例えばヘルメットと一体となった所謂ヘ
ルメット・マウンテッド・ディスプレイ(HMD)が種
々と提案されている。このHMDは主に高性能な航空機
のパイロット用、飛行シミュレーション用のディスプレ
イとして用いられている。
トに飛行データ等の画像情報を認識させる為にパイロッ
トの前面に画像情報を虚像として表示するようにしたH
MDが提案されている。このHMDではCRT上に表示
したテキストデータ等の画像情報を外景と空間的に重ね
あわせて画像情報と外景とを同時にパイロットが観察で
きるようにしている。その提案においては、CRT上の
画像情報をリレー光学系により中間結像し、この像を球
面ミラーにより観察者の前方に虚像として形成してい
る。この提案においては画像情報の表示のためにCRT
を用いている為に装置全体の構成が大きくなる傾向があ
った。
画像情報の表示用として透過型の液晶パネルを用いた小
型軽量の表示装置が開示されている。これは、液晶パネ
ルに表示された映像を接眼レンズを介して遠方に拡大し
た虚像とし、観察者はこの拡大された虚像を観察するよ
うにしている。
変調素子を用いた頭部搭載型の画像表示装置を特願平5-
302308号で提案している。同公報では空間光変調素子で
表示した画像情報をリレー光学系により空中像として中
間結像し、この空中像を接眼光学系で拡大した虚像とし
て観察している。
素子はTwisted Nematic モード(以下TNモードと略
す)が一般的である。TNモードでは、ラビング処理を
うけた2枚のガラス基板を偏光方向が直交するように配
置し、この2枚の透明基板間に液晶を封入した構成とな
っている。この構成により、透明基板付近では基板の偏
光方向に内部の液晶の配向が揃い、2枚の透明基板間で
は内部の液晶分子は、90゜ツイストした状態となって
いる。この液晶層を透過する光の偏光軸は、90゜回転
することになる。この液晶層に電界を印加すると液晶分
子は自身の誘電異方性のために、電界に対して平行に配
列し旋光性が失われる。そこで前後に2枚の偏光板を無
電界での液晶分子配列と同じ方向に偏光軸を設定する
と、電圧オフで光が透過し、電圧オンで不透過となる、
いわゆるノーマリーホワイト表示となる。また、偏光板
の偏光軸を平行に配置すると逆のノーマリーブラック表
示となる。
子はその固有の特性として視野角依存性がある。これ
は、液晶表示面を見る角度によってコントラストが低下
したり、表示画像が見えなくなる性質である。図8に液
晶表示面p1におけるコントラスト分布の一例を示す。
表示面上の光線の出射方向を表し、半径方向に示した角
度φは光線を液晶表示面p1に垂直に投影した線分と光
線とのなす角度を表している。図9を用いて図8に示し
た角度θ、φを説明する。図9は液晶表示面p1から出
射する光線を示す図である。図9において901は液晶
表示面p1上のある一点、902は点901を中心とし
た液晶表示面p1上の円、903は点901から出射す
る光線、904は光線903を液晶表示面p1に垂直に
投影した線分を示す。
沿った軸であり液晶表示面p1上で直交している。a3
は軸a1、a2に直交する軸、つまり液晶表示面p1の
法線方向の軸を示し、b1、b2は軸a1、a2に対し
液晶表示面p1上で45゜をなす軸である。光線903
の出射方向は角度θ、φによる極座標系として表されて
いる。角度θは光線903を液晶表示面p1に垂直に投
影した線分904が軸a1となす角度である。また、角
度φは光線903が投影線分904となす角度である。
このような2つの角度で表される点901からの光線群
において、同じコントラストの光線を等高線状に示した
のが図8である。図8中の、、、は等コントラ
スト曲線であり、この順にコントラストが低くなってい
る。θ=0゜、90゜方向は図9の軸a1、a2方向を
示し、θ=315゜、45゜方向は図9の軸b1、b2
方向を示す。
のコントラスト分布は前述の2枚の透明基板上における
偏光方向に対して45゜をなす方向(軸b1、b2方
向)にコントラスト特性の分布が偏る傾向がある。そこ
で、液晶表示面に対してなす角度φが同じであってもそ
の方向(角度θ)によりコントラストの違いが生じる。
眼部近傍に配置するHMDとしての表示装置では、画像
表示手段で表示した画像情報を観察者の瞳に導光する観
察光学系が,液晶表示面から出射する光線のうち光束の
中心軸(主光線)に垂直な断面形状が円形となるような
光束を用いていた。この為図8に示すような偏りのある
コントラスト特性分布を有する液晶表示素子を画像表示
手段として用いると、観察光学系に入射する光束は部分
的にコントラストの低い光線を含むようになり、この結
果表示画面全体にわたりコントラストむらが生じたり、
又表示画面全体にコントラストが低くなるという問題点
があった。
光線の出射角度、方向により大きく異なる液晶表示素子
等の空間光変調素子を画像表示手段として用いても画面
全体にわたって高いコントラストで、しかも一様なコン
トラストで画像情報を良好に観察することができる表示
装置の提供を目的としている。
示した画像情報をリレー光学系と接眼光学系を介して観
察する際、該空間光変調素子の指向性の偏りに対応して
光束の透過量を部分的に制御した部分遮光手段を該リレ
ー光学系の一部に設けたことを特徴とする。特に、 (1−1−1) 前記リレー光学系は該画像表示手段側
がテレセントリック系であり、該部分遮光手段は該リレ
ー光学系の絞り位置近傍に設けた。
形の開口を有している。
の短径/長径の比が0.75〜0.35の範囲である。
はその短径/長径の比が0.75〜0.35の範囲であ
り、該開口の短径/長径の比が変更可能である。
はその中の透過率が不均一である。こと等を特徴として
いる。
ある。図中、101は液晶表示素子(画像表示手段)、
p1は液晶表示素子101の液晶表示面であり、その面
上に画像情報を表示している。、102はフィールドレ
ンズ、103はレンズ群である。フィ−ルドレンズ10
2とレンズ群103はリレ−光学系108の一要素を構
成している。104は絞り手段であり、この絞り手段に
よってリレー光学系108は液晶表示素子側にテレセン
トリック光学系を形成している。尚、絞り手段104は
液晶表示素子101の指向性の偏りに対応して光束の透
過率を部分的に制御する部分遮光手段としての機能を有
している。105は中間結像面であり、リレー光学系1
03による画像情報の結像面である。106は接眼光学
系であり、中間結像面105上に形成した画像情報を観
察者の瞳に導光している。107はアイポイントであ
る。
の観察プロセスについて説明する。液晶表示面p1に表
示された画像情報はリレ−光学系108を介して中間結
像面105に空中像として結像する。そしてこの空中像
は接眼光学系106を介して観察者の眼に導光され、観
察者は液晶表示面p1に表示された画像情報を前方に拡
大した虚像として観察している。
レ−光学系108をテレセントリック光学系にしている
ので、リレ−光学系108の入射瞳は略無限遠にあり、
従って液晶表示面p1全体にわたってその出射光束の中
心線(図1中の軸A、軸B)が液晶表示面p1に対し略
々同じ角度となり、その光束がリレ−光学系108に入
射する。これにより画像情報の全域にわたってのコント
ラスト特性が均一となる。また本実施例の場合、絞り手
段104はリレ−光学系108の絞りであるので、光軸
上の光束と光軸外からの光束を同じように遮光する。
ック光学系とする絞り手段104の設定位置が収差補正
上好ましくない位置、あるいは物理的に不適切な位置に
なる場合はリレ−光学系の第1レンズであるフィ−ルド
レンズ102の屈折力を調整して、絞り手段104が適
切な位置になるようにしている。
例を示す説明図である。本実施例では絞り手段104に
部分遮光手段としての機能を持たせている。図2(A)
は絞り手段104の実施例1であり、開口の形状が円形
の一部を変形させた非円形形状であり、短径/長径の比
(q/p)が0.74である。
義は次の通りである。即ち長径とは開口の最大径を示す
径であり、短径とは長径の中点に立てた垂線に添った開
口の幅である。実施例1のように長径が一義的に定まら
ない場合には短径が最小値となるものを長径とする。
あり,開口の形状が光軸上に中心位置を有する楕円形状
であり、短径/長径の比q/pが0.66である。図2
(C)は絞り手段104の実施例3であり、開口の形状
が楕円形で、しかも光軸上から斜め45゜方向(b2方
向)に中心位置をシフトして配置しており、短径/長径
の比q/pが0.66である。図2において一点鎖線は
液晶表示素子の透明基板の偏光方向に沿った軸a1,a
2を示し、2本の一点鎖線の交点はリレー光学系108
の光軸上に位置する。絞り手段104の実施例1〜3の
開口形状は図8のコントラスト特性を有する液晶表示素
子に対応した開口形状であり、予め測定した液晶表示素
子のコントラスト分布より以下のようにして決定する。
p1から出射する光線の内コントラストの最も高い光線
の出射角は必ずしも液晶表示面p1の法線方向(図8中
の中心位置、図9の軸a3方向)ではなく、法線方向か
ら僅かに傾いた或る方向の光線が最も高くなる。そこ
で、液晶表示素子101からリレ−光学系108に取り
込む光束を液晶表示面p1の法線方向から多少傾けた光
束とすることによりコントラストの高い領域の光束を多
く取り込んでいる。
する液晶表示素子101において、必要とされるコント
ラスト以下の光を選択的に遮光することによりコントラ
スト特性のよい画像情報を観察者に提供している。即
ち、図8の特性を持つ液晶表示素子101の場合、左下
方向の領域の光線は特にコントラストの低い光線であ
り、この方向に出射する光線を観察者の瞳に導くと、コ
ントラストの低下を招く。そこで本発明の表示装置にお
いてはリレー光学系108をテレセントリック光学系に
する絞り位置に図2に示すような非円形形状の開口部を
有する絞り手段104を設置して、上述の低コントラス
トの光を遮光している。これにより中間結像面105上
の空中像をコントラストの高い画像として観察者の観察
する虚像のコントラストを高めている。なお、絞り手段
104の開口形状は低コントラストな光を遮光できれば
よく、図2の開口形状に限定されないが、開口の短径/
長径の比が0.75〜0.35の範囲が適当である。即
ち、この比が0.75以上であると低コントラスト光束
カットの効果が不十分であり、又0.35以下であれば
高コントラスト光束の取り込みが不十分となる。
例4の説明図である。本実施例の絞り手段104は実施
例1〜3に比べて開口部形状が可変である点が異なって
おり、その他の構成は同じである。図3において301
は円形開口を有する遮光部材、302は円形の遮光部
材、303は矩形の遮光部材である。遮光部材301は
リレー光学系をテレセントリック光学系にする位置に、
その円形開口の中心がリレー光学系の光軸上に位置する
ように配置している。遮光部材302、303は液晶表
示素子のコントラスト特性に合わせて、斜め45゜方向
に可動の構成となっている。このような構成により開口
面積及び開口形状を変化させて、コントラスト調整可能
な表示装置を得ている。本実施例によれば個体間でコン
トラスト分布にばらつきのある複数の液晶表示素子10
1を使用する表示装置を、同じ絞り手段104で構成で
きるという効果がある。即ち、本発明の表示装置を観察
者の右眼、左眼用に2個配置した複眼式の表示装置の場
合には、絞り手段104の開口の短径/長径の比を変更
して各々の表示装置の表示画像のコントラスト特性を揃
えることが可能となり、左右像の融像が容易で見やすく
疲れの少ない複眼式の表示装置を達成している。
をカットできるような形状であれば良く、円形、矩形に
限定されないが、前記の理由で開口の短径/長径の比が
0.75〜0.35の範囲が望ましい。
例5の説明図である。本実施例の絞り手段104は実施
例1〜3に比べて所定形状の開口を有する遮光部材を複
数個使用して構成した点が異なっており、その他の構成
は同じである。即ち本実施例では図4(A)に示す楕円
開口の遮光部材401を2個、図4(B)に示すように
重ねて絞り手段104を構成している。同図において点
線の楕円開口401a,401bは2つの遮光部材を示
し、内部の実線の開口は2つの遮光部材401a,40
1bを通過する光束の透過領域を示している。このよう
な構成にすることにより、楕円等の開口部を持つ遮光部
材の組み合わせにより、非円形開口部材を回転して透過
領域を調整することができる絞り手段104を構成して
いる。
例6の説明図である。本実施例の絞り手段104は実施
例1〜3に比べて開口の内部の透過率を透過領域の部分
によって変化させた透過率制御型により構成した点が異
なっており、その他の構成は同じである。同図において
aは円形開口であり、その外は光を通さない遮光部、領
域cは光透過率が100%の非円形領域であり、領域b
は光透過率が0〜100%の間の或る値に設定されたN
Dフィルターである。このように開口中の透過率を不均
一にすることにより、高コントラストの光は100%透
過、低コントラストの光はNDフィルタ−で減衰させ
て、適当な透過率で透過させている。このように、本実
施例の絞り手段104は低コントラストから高コントラ
ストの光に対して段階的に透過率を設定して、全体とし
て高コントラストを得ながら、光利用効率を高めてい
る。なお、開口中を透過率の異なる多数のNDフィルタ
ーにより、あるいは濃度分布型のフィルターにより構成
して、より連続的に透過率を制御すれば前記の効果は更
に高まる。
段104とは独立に構成し、該部分遮光手段を絞り手段
の近傍に設けても良い。
眼光学系106は実施例1に示す屈折系である必要はな
く、これらを反射系としても同じ効果が得られる。
である。実施例2では接眼光学系を反射系より構成して
おり、図1で示した要素と同一要素には同部番を付して
いる。図6において701は平面ハーフミラー、702
は曲面ミラーである。液晶表示素子101から中間結像
面105までの系は図1と同じである。液晶表示面p1
で表示された画像情報はリレ−光学系108により中間
結像面105に空中像を結像させる。この空中像からの
光束をハーフミラー701で曲面ミラー702の方向に
反射させ、曲面ミラー702で反射した反射光束はハ−
フミラ−701を透過してアイポイント107に到達す
る。ここで、接眼光学系として作用するのは曲面ミラー
702である。本実施例でも絞り手段104は部分遮光
手段の機能を有しており、絞り手段104としては実施
例1で説明した各実施例が使用でき、その際の効果も実
施例1と同じである。
である。実施例3ではリレー光学系、接眼光学系ともに
反射光学系を含む系より構成している。図中、801は
屈折系のレンズ群、802、803は曲面ミラーであ
り、レンズ群801、曲面ミラー802、803はリレ
ー光学系805の一要素を構成している。804は曲面
ミラーであり、接眼光学系を構成している。液晶表示面
p1で表示された画像情報はレンズ群801、曲面ミラ
ー802、803により中間結像面105に空中像とし
て結像する。この空中像からの光束を曲面ミラー804
によりアイポイント107に導き、観察者は液晶表示面
p1に表示された画像情報を拡大した虚像として観察し
ている。ここで、絞り手段104はリレー光学系805
をテレセントリック光学系にする位置に設置している。
本実施例でも絞り手段104は部分遮光手段の機能を有
しており、絞り手段104としては実施例1で説明した
各実施例が使用でき、その際の効果も実施例1と同じで
ある。
2、図7の実施例3中の曲面ミラー804を反射、透過
の機能を合わせ持つハーフミラー等のビームスプリッタ
で構成しても良く、これによれば、外界の景色に表示装
置の画像情報を重ねて観察することが可能である。
することにより、コントラスト分布が表示面からの光線
の出射角度、方向により大きく異なる液晶表示素子等の
空間光変調素子を画像表示手段として用いても画面全体
にわたって高いコントラストで、しかも一様なコントラ
ストで画像情報を良好に観察することができる表示装置
を達成することができる。
図
(A) 構成部材 (B) 組み立て説明図
部材 p1 液晶表示面 401 遮光部材 102 フィールドレンズ 701 平面ミラ− 103 レンズ群 702 曲面ミラ− 104 絞り手段 801 レンズ群 105 中間結像面 802、803、80
4 曲面ミラ− 106 接眼光学系 p 長径 107 アイポイント q 短径 108、805 リレー光学系 a1,a2 偏光方向の軸 b1,b2 a1,a2と45゜をなす軸
Claims (6)
- 【請求項1】 空間光変調素子を用いた画像表示手段で
表示した画像情報をリレー光学系と接眼光学系を介して
観察する際、該空間光変調素子の指向性の偏りに対応し
て光束の透過量を部分的に制御した部分遮光手段を該リ
レー光学系の一部に設けたことを特徴とする表示装置。 - 【請求項2】 前記リレー光学系は該画像表示手段側が
テレセントリック系であり、該部分遮光手段は該リレー
光学系の絞り位置近傍に設けたことを特徴とする請求項
1の表示装置。 - 【請求項3】 前記部分遮光手段は非円形の開口を有し
ていることを特徴とする請求項2の表示装置。 - 【請求項4】 前記部分遮光手段の開口の短径/長径の
比が0.75〜0.35の範囲であることを特徴とする
請求項3の表示装置。 - 【請求項5】 前記部分遮光手段の開口はその短径/長
径の比が0.75〜0.35の範囲であり、該開口の短
径/長径の比が変更可能であることを特徴とする請求項
3の表示装置。 - 【請求項6】 前記部分遮光手段の開口はその中の透過
率が不均一であることを特徴とする請求項2の表示装
置。
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Family Applications (1)
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US (1) | US5764407A (ja) |
JP (1) | JP3359152B2 (ja) |
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