JPH07306377A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 液晶表示素子等のコントラスト分布が表示面
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

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表示装置に関し、特に画
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。

【０００２】

【従来の技術】従来より観察者の眼部近傍に配置して画
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。

【０００３】例えば特開平3-39924号公報にはパイロッ
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。

【０００４】これに対して特開昭59-117876号公報では
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。

【０００５】また、本出願人は液晶表示素子等の空間光
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。

【０００６】このような表示装置に用いられる液晶表示
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。

【０００７】このような構成のＴＮモードの液晶表示素
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。

【０００８】図８において、円周方向に示した角度θは
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。

【０００９】ａ１、ａ２は前述の透明基板の偏光方向に
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。

【００１０】図８に示すように一般に液晶表示面ｐ１で
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。

【００１１】

【発明が解決しようとしている課題】従来より観察者の
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。

【００１２】本発明は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
装置の提供を目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の表示装置は、 （１−１） 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。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。

【００１４】（１−１−２） 前記部分遮光手段は非円
形の開口を有している。

【００１５】（１−１−３） 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。

【００１６】（１−１−４） 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。

【００１７】（１−１−５） 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。こと等を特徴として
いる。

【００１８】

【実施例】図１は本発明の実施例１の光学系の概略図で
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。

【００１９】以下、本実施例の表示装置による画像情報
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。

【００２０】そして、前記のように絞り手段１０４はリ
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。

【００２１】なお、リレ−光学系１０８をテレセントリ
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。

【００２２】図２は本発明に係る絞り手段１０４の実施
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。

【００２３】なお、本明細書において長径及び短径の定
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。

【００２４】図２（Ｂ）は絞り手段１０４の実施例２で
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。

【００２５】図８に示す様に液晶表示素子の液晶表示面
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。

【００２６】そして、このようなコントラスト分布を有
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。

【００２７】図３は本発明に係る絞り手段１０４の実施
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。

【００２８】なお、遮光部材の形状は低コントラスト光
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。

【００２９】図４は本発明に係る絞り手段１０４の実施
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。

【００３０】図５は本発明に係る絞り手段１０４の実施
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。

【００３１】尚、本発明において部分遮光手段を絞り手
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。

【００３２】次に本発明に係るリレー光学系１０８、接
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。

【００３３】図６は本発明の実施例２の光学系の概略図
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。

【００３４】図７は本発明の実施例３の光学系の概略図
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。

【００３５】なお、図６の実施例２中の曲面ミラー７０
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。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば以上の様に各要素を設定
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の光学系の概略図

【図２】 本発明に係る絞り手段の実施例１〜３の説明
図

【図３】 本発明に係る絞り手段の実施例４の説明図

【図４】 本発明に係る絞り手段の実施例５の説明図
（Ａ） 構成部材 （Ｂ） 組み立て説明図

【図５】 本発明に係る絞り手段の実施例６の説明図

【図６】 本発明の実施例２の光学系の概略図。

【図７】 本発明の実施例３の光学系の概略図。

【図８】 液晶表示素子のコントラスト分布を示す図。

【図９】 液晶表示面から出射する光線を示す図。

【符号の説明】

１０１ 液晶表示素子 ３０１〜３０３ 遮光
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)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。