JPWO2003065105A1 - 装着者の網膜に直接画像を投影する画像表示装置 - Google Patents

Abstract

画像表示装置１は、光源８と、光源から出た光を散乱する散乱体９と、散乱体で散乱された光を透過する映像板１０と、映像板を透過した光を収束させて眼球に送るレンズ１１とを含む光学系又は光学部３を備えている。光学系は散乱体で散乱した光が観察者の瞳孔近傍で結像するように設計されている。この画像形成装置によれば、映像板に表示された映像が瞳孔又はその近傍に収束されるマクスウェル視状態になるので、近視又は遠視などの観察者でもその映像を鮮明に観察できる。

Description

技術分野
本発明は、画像表示板に光を透過して画像を形成した後、この画像を装置装着者の網膜に直接投影する画像表示装置に関する。
背景技術
図３０は、特開平２−１３６８１８号公報に記載された、装着者又は観察者の網膜上に画像を直接投影する画像表示装置の概要を示す。この画像表示装置は、符号３０で示す光学システムを有する。この光学システム３０は、フレーム（図示せず）によって装着者の目３１の前に支持されており、装着者の目３１に向けて配置された複数の構成要素、すなわち、点光源（光源）３２、透過型液晶表示板３３からなる画像表示板、および接眼レンズ３４を備えている。
このような構成によれば、点光源３２から出射された光は液晶パネル３３に送られる。液晶パネル３３を透過した光で形成された画像は、接眼レンズ３４によって瞳孔３５に集められ、ガラスレンズ３６と水晶体３７を介して網膜３８に送られる。このように、画像表示装置は、点光源３２が網膜３５に焦点を合わせて設計されているため、光の指向性に優れている。また、近視又は遠視の装着者３１も、液晶パネル３３に表示された画像を鮮明に観察できる。しかし、観察者がその視線を動かせば、虹彩によって入射光が遮られ、画像が見えなくなる。例えば、暗い場所での大人の平均的瞳孔径は約７ｍｍである。したがって、瞳孔を±３．５ｍｍ以上動かせば、装着者は画像が見えなくなる。明るい場所で、平均径は約４ｍｍまで下がる。そのため、瞳孔を±２ｍｍ以上動かせば、装着者は画像が見えなくなる。
パネル型光源を液晶パネルの近傍に配置した技術が開示されている。この方法では、特に、観察者の眼前に装着される画像表示装置の場合、小型化の要請のためにパネル型の光源と液晶パネルとの間に十分なく距離を確保できない。そのために、液晶パネルから送られた光があらゆる方法に散乱し、これにより指向性の無い光が瞳孔に送られる。その結果、瞳孔に光を案内する光学システムで収差を解消しなければならず、そのために光学装置が極めて複雑になるという問題がある。また、観察者は画像が網膜に結合するように、水晶体を操作しなければならない。しかし、液晶パネルと瞳孔との間の距離は限られているので、特に視力の弱い人は眼鏡をかけなければならない。また、装着者が外界を見るために液晶パネルから視線を逸らすときでも、液晶パネルから送られる光の一部が観察者の瞳孔に入り、そのために観察者は外部を良好に観察することができない。
したがって、これらの問題を解消するために、特開平８−２１１３２５号公報に、画像表示装置が開示されており、この画像表示装置は同一平面に配置された多数の点光源を備えている。しかし、この構成は構造上極めて複雑であり、小型化の要求を満足できるものでなかった。
そこで、本発明の主たる目的は、観察者又は装着者が水晶体を調整することなく画像を鮮明に見ることができる画像表示装置を提供することである。本発明の他の目的は、観察者がその視線を動かすことによって外界を鮮明に見ることができる画像表示装置を提供することである。本発明の更なる目的は、簡単な構造の画像表示装置を提供することである。
発明の開示
この目的を達成するために、観察者の眼球の網膜に映像板の映像を投影する画像表示装置は、光源と、上記光源から出た光を散乱する散乱体と、上記散乱体で散乱された光を透過する映像板と、上記映像板を透過した光を収束させて眼球に送るレンズとを含む光学系を備えており、上記光学系は、散乱体で散乱した光が観察者の瞳孔近傍で結像するように設計されている。そのため、映像板に表示された映像が瞳孔又はその近傍に収束されるマクスウェル視状態になるので、近視又は遠視などの観察者でもその映像を鮮明に観察できる。
本発明の他の形態において、上記散乱体が透過型散乱体または反射型散乱体で構成されている。また、本発明の他の形態において、上記散乱体は上記光源と瞳孔を結ぶ光軸から離れるに従って散乱率が低くなるように構成されている。そして、散乱体に透過型散乱体を用いた形態の画像表示装置では、該画像表示装置の構成を単純化できる。また、散乱体に反射型散乱体を用いた形態の画像表示装置では、該画像表示装置の光軸方向の寸法を小さくできる。
本発明の他の形態において、上記散乱率は散乱体に含まれる光散乱物質の量を変えることにより調整されている。
本発明の他の形態において、上記散乱率は散乱体の表面の粗さを変えることにより調整されている。
本発明の他の形態において、上記散乱体は上記光源と瞳孔を結ぶ光軸から離れるに従って反射率が低くなるように構成されている。
本発明の他の形態において、上記反射率は散乱体に含まれる光反射物質の量を変えることにより調整されている。
本発明の他の形態において、上記反射率は散乱体の表面の粗さを変えることにより調整されている。
このような画像表示装置によれば、映像板にほぼ一定強度の光を均一に投射できる。そのため、観察者は、視線を動かしたときでも、画像が見える範囲で均一な明るさの画像を見ることができる。
本発明の他の形態において、上記散乱体を画像形成装置の筐体に直接形成されている。この画像表示装置によれば、光を散乱するための独立した部品（散乱体）を設ける必要がないので、部品点数が減少する。
本発明の他の形態において、上記光源は紫外光或は青色光を発するダイオードであり、上記散乱体は光源からの光を白色に変換する蛍光物質を含む。
本発明の他の形態において、上記光源は赤色、緑色、青色の光を発する光源の組み合わせである。この画像表示装置は、フィールドシーケンシャル型の液晶パネルを利用できる。
本発明の他の形態において、上記光源と散乱体は一つのエレクトロルミネッセンスで形成されている。この画像表示装置によれば、光源と散乱体を一部品で構成できるので、部品点数が減少する。
本発明の他の形態において、上記散乱体は、水平方向の長さが垂直方向の長さに比べて大きい形を有する。この画像表示装置によれば、観察者は、画像を観察している状態で僅かに視線を上下に動かすだけで、外界の景色だけを観察する状態に切り換えることができる。
本発明の他の形態において、上記光源から出射された光の進行方向を反転させて上記映像板に入射するように構成されている。この画像表示装置によれば、映像板を通る光軸方向に関する画像表示装置の大きさを短くできる。
本発明の他の形態において、上記画像表示装置は、観察者の片目に対して映像を投射する単眼用画像表示装置である。
本発明はまた、観察者の眼球の網膜に映像板の映像を投影する画像表示装置が、光源と、上記光源から出た光を散乱する散乱体と、上記散乱体で散乱された光を透過する映像板と、上記映像板を透過した光を収束させて眼球に送るレンズとを含む光学系を備えており、上記光学系は、上記散乱体が観察者の瞳孔と共役関係を保つように設計されている。
なお、本出願は、日本特許出願第２００２−０２５６７５号及び２００２−１９９７７９号に基づくものであり、それらに記載の内容は本出願に引用されて組み組まれている。
好適な発明の実施の形態
図面を参照して本発明の複数の実施形態を以下に説明する。なお、以下の説明では発明の理解を容易にするために方向を示す用語「上」、「下」、「左」、「右」を必要に応じて用いているが、それらの用語は本発明の範囲を限定するものでない。
実施の形態１：
図１Ａと図１Ｂに示すように、観察者又は装着者の網膜に直接画像を投影する画像表示装置１は観察者の眼前に装着され、それにより観察者は動画や静止画の画像を観察できるものである。概略、画像表示装置１は、観察者２の眼に画像を投射する光学部３と、観察者の眼前に光学部３を安定した状態で支持するフレーム４と、画像信号を光学部３に送信する画像信号送信部５を備えている。この画像信号送信部５は、フレーム４に内蔵するのが好ましい。図面に表示された構成部品の構造や配置は一つの単なる典型的な例であり、本発明はそのような構造や配置に限定されるものでない。
図２は、光学部３の複数の構成部品を示す。図示するように、光学部３のハウジング６（図１参照）は、観察者２又は装着者の左目又は右目に向けて、点光源８と、透明な散乱部材又は散乱板９と、透過型の画像表示板１０と、レンズ又は接眼レンズ１１を収容している。
種々の発光装置が点光源８として利用できる。とりわけ、点光源８として発光ダイオード（ＬＥＤ）が好適に利用できる。また、点光源８は、白色光を放出する光源に限るものでなく、紫外光や青色光を放出する別の光源であってもよい。さらに、小さな領域から光を発することができる任意の光源が、点光源８として利用できる。
散乱板９は、入射光を散乱する材料で作られている。本実施形態において、散乱板９は長辺方向の水平縁と装着者の体軸と平行な短辺方向の垂直縁によって囲まれた長方形である。例えば、散乱板９は、光を散乱する小さな粒子（例えば、金属粉）を透明ガラス又は透明プラスチックなどの透明材料に添加して形成されるか、または透明板の表面に小さな窪み又は凸凹を形成することによって得られる。そのような凸凹は、内面に対応する凸凹を有する金型を用いて形成されるか、ショットブラストによって形成される。散乱板９は、紙またはすりガラスであってもよい。点光源８が紫外光または青色光を発するダイオードを使用する場合、そのような光を白色光に変換する適当な蛍光材料を散乱板９に含めることが好ましい。
画像表示板１０は、フルカラーまたはモノカラーの透過型液晶表示パネルであり、信号送信部５と電気的に接続されており、この信号送信部５から画像信号を受信して対応する画像を表示するものである。
レンズ１１には球面または非球面のレンズが使用できる。このレンズ１１は、単一のレンズで構成してもよいし、複数のレンズからなる組レンズであってもよい。
図３Ａと図３Ｂに示すように、点光源８、散乱板９、画像表示板１０、およびレンズ１１は、画像表示装置１が観察者２に装着された状態で、散乱板９がレンズ１１に関して観察者２の網膜１２と光学的に共役関係をなすように、または散乱板９のあらゆる箇所から出た光が網膜１２またはその近傍に集まるように、配置される。また、散乱板９と画像表示板１０との間の距離は、図２に点線で示すように、網膜１２またはその近傍で集められる光の輪郭１３が、長い水平軸と短い垂直軸を有する楕円を描くように決定される。この距離は、約１５ｍｍ以上とすることができる。
このように構成された画像表示装置によれば、図３Ａと図３Ｂに示すように、点光源８から出射された光は散乱板９に投射され、そこで全方向に散乱した後、画像表示板１０に送られる。画像表示板１０は、表示すべき画像を画像送信部５から受信し、対応する画像を液晶表示装置に表示する。その後、画像は散乱板９からの光によってレンズ１１に投射される。さらに、画像は観察者２の網膜１２またはその近傍に集められた後、観察者２の網膜１４に投射される。
上述のように、この実施の形態の画像表示装置１によれば、画像表示板１０に表示された画像はマクスウェル視状態で網膜またはその近傍に収束される。そのため、近視や遠視の人でも、水晶体１３を調整しなくても、また眼鏡の助けを借りなくても、表示された画像を鮮明に見ることができる。また、観察者は、一方の眼の網膜に投影された画像を他方の眼で観察された実際の景色の上に容易に重ねることができる。
また、散乱板９と画像表示板１０の大きさ及び散乱板９と画像表示板１０との距離を適当に決めることで、散乱光の一部だけが画像表示板１０を介して網膜１２に送られる。これは、散乱板９の限られた領域から散乱した光だけが網膜１２に入ることを意味する。すなわち、あたかも点光源から光が出射されたような状態が形成され、それにより観察者の眼精疲労が減少する。
散乱板９の大きさは、画像表示板１０の大きさよりも小さいことが好ましい。これにより、観察者が画像表示板１０から眼を逸らしたとき、表示された画像が観察者の網膜に入らなくなる。
また、この実施の形態では、散乱板９を長方形に形成し、散乱板９と画像表示板１０との間の距離を約１０ｍｍ以上、好ましくは１５ｍｍ以上とした。そのために、図２、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、網膜１２またはその近傍に投射された光の輪郭１３は、長い水平軸と短い垂直軸を有する楕円を描いている。したがって、図３Ａから明らかなように、たとえ眼を左右に動かしたときでも、画像は鮮明に観察される。また、図２に示すように、眼を上下に僅かでも動かせば、光が網膜１２から外れ、それにより観察者は外部の景色を見ることができるようになる。
実施の形態２：
上述の実施の形態では、点光源から出射された光が散乱板の主面に入るように点光源を配置しているが、図４Ａと図４Ｂに示すように、光源８から出射された光が散乱板９の外周面からその内部に入るように、この光源を散乱板９の短いまたは長い縁の近傍に配置してもよい。この場合、光は散乱板９の対向する主面で繰り返し反射してその全体に広がり、最終的には一方の主面（図面上は右側の面）から出て行く。
観察者２に近い一方の主面だけを介して散乱板から光を出射するために、散乱板の他方の主面と周面（散乱板の内部に光が入る一つの周面を除く）には反射層を設けることが好ましい。
また、本実施の形態では、円筒形の光源を利用することもできる。
以上の説明から明らかなように、本実施の形態では光源８が散乱板９の縁近傍に配置されているので、光軸方向の画像表示装置の長さが短くなる。また、光源の配置と散乱板の構成を除いて実施の形態２は実施の形態１と同一の構成を有するため、実施の形態１で得られる利点はすべて実施の形態２でも得られる。
実施の形態３：
図５は、本発明の実施の形態３に係る別の画像表示装置を示し、そこでは長方形の反射型散乱板が散乱板９に使用されている。この実施の形態の場合、光源８から出射された光は散乱板９で散乱された後、画像表示板１０およびレンズ１１を介して観察者の網膜に投射される。
反射型の散乱板は、表面に銀色の顔料または蛍光材料が塗装された樹脂・ガラス・または金属からなる板、または白色または銀色の顔料またはそこに混入された蛍光材料を含む樹脂またはガラスからなる板、もしくはすりガラスからなる板で作ることができる。
このように、本実施の形態によれば、光源８を散乱板９の画像表示板側に配置できるので、光軸方向に関する画像表示装置の大きさを小さくできる。
実施の形態４：
図６は、本発明の実施の形態４に係る別の画像表示装置を示し、そこでは光源８に対して凹状の曲面板から反射型の散乱板９が形成されている。この場合、光源８から出射された光は散乱板９の表面で反射及び散乱された後、画像表示板１０とレンズ１１を介して観察者の網膜１２に送られる。
そして、上述のように、実施の形態３と同様に、散乱板９に対して画像表示装置１０と同じ側に光源を配置しているので、点線で示す光軸方向に関する画像表示装置の長さが短くなる。
実施の形態５：
図７は本発明の実施の形態５に係る別の画像表示装置を示し、そこでは第１と第２の曲面状の反射型散乱板９が光軸１５の両側に配置されている。このような構成によれば、光源８から出射された光の大部分が第１の反射型散乱板で反射される。次に、反射された光の一部は直接画像表示装置１０に送られ、該反射された光の別の一部は再び第２の反射型散乱板で反射されて画像表示装置１０に送られる。そして、画像表示装置１０を透過した光はレンズ１１によって観察者の網膜１２またはその近傍に収束される。
このように、実施の形態５の画像表示装置によれば、光源８から出射された光は効率良く画像表示装置１０に投射される。そのため、発光量の少ない光源が利用できる。
ところで、本実施の形態では２つの反射型散乱板を採用しているが、それらの板の数や配置は本発明にとって制限的なものではない。
また、反射型の散乱板は、非散乱型の反射板に代えることができる。
実施の形態６：
図８は、点光源から所定の距離をあけては位置された板の表面上で計測した光の分布を示す。このグラフに示すように、点光源に最も近い表面部分Ｘ_０は、最大光量の光を受ける。また、受光する光の量は、点光源と最近接表面部分Ｘ_０とを結ぶ軸からの距離が増加するとともに双曲線的に減少する。しかし、画像表示板１０に対して均一に光を照射するためには、散乱板９はその全ての場所で均一の光を受けることが好ましい。
そのため、図１〜図３に示す透過型の散乱板は、図９に示すガウス分布の散乱率（最大散乱率が光軸１５上に存在するとともに光軸１５からの距離の増加に応じて散乱率が双曲線的に減少する分布）を有することが好ましい。このことは、図５〜図７に示す反射型の散乱板も同様である。
透明ガラスなどの基材に散乱材料を添加して得られる透過型散乱板の場合、添加される散乱材料の量は、最大散乱率が光軸１５上に存在するように、ガウス分布をもって分布することが好ましい。同様に、基材に散乱材料を塗装して得られる反射型の散乱板の場合、最大散乱率が光軸１５上に存在するように、塗布される散乱材料の量はガウス分布をもって分布するのが好ましい。また、基板の表面に小さな凸凹を形成して得られる散乱板の場合、凸凹の大きさや密度を調整することによって同様の散乱特性が得られる。
また、図７に示す曲面型の散乱板を備えた画像表示装置の場合、図１０に示すように、最初の反射型散乱板９には光源８から最大光量を受ける領域に、当該領域で受けた光を第２の反射型散乱板に向けて反射するために、複数の平行な三角溝で形成された指向性の反射型散乱構造１８を設けることが好ましい。このような構成を採用することにより、散乱板が均一に光を受けるだけでなく、画像表示板１０が第２の反射型散乱板９によって効率良く照明される。
上述のように、光を受ける領域での散乱率が高められた散乱板を有する画像表示装置によれば、画像表示板１０は均一に照明される。そのため、観察者は、眼を動かした場合でも、均一な明るさの画像を見ることができる。また、光源からの光が画像表示装置の照明に効率良く利用されるため、エネルギー消費量の少ない光源を利用できる。
実施の形態７：
図１１は本発明の実施の形態７に係る別の画像表示装置を示し、そこでは光源８、画像表示板１０、レンズ１１が中空ハウジング１９に支持されている。ハウジング１９の内面には光散乱材料を含む散乱層２０が設けてある。また、ハウジングの内部形状は、光源８から出射された光の大部分が画像表示板１０とレンズ１１を介して観察者２の網膜１２またはその近傍に集められるように設計されている。散乱層２０は、金属製の散乱材料（例えば、アルミニウム）を含むコーティング材料を塗装または蒸着して作ることができる。これに代えて、散乱材料を有するシートをハウジングの内面に貼ってもよいし、ハウジング事態をそのような散乱材料で作っても良い。
以上で説明したように、散乱材料２０はハウジング１９に設けてあるので、光を散乱するだけのために独立した部品を必要としない。そのため、画像表示装置の部品数が減少する。
実施の形態８：
図１２は、本発明の実施の形態８に係る別の画像表示装置を示す。この画像表示装置は、図１１に示す先の実施の形態の変形例で、画像表示板１０からの光の路を約９０度切り換えて観察者の網膜１２またはその近傍に収束させる光学部品２１を備えている。光学部品２１は、レンズ−プリズム一体型部品であることが好ましく、当該部品に光が入射する面及び当該部品から光が出射する面が凸レンズを形成している。しかし、光学部品はそのようなものに限らず、レンズとミラーとの組み合わせであってもよい。
このように構成された画像表示装置１では、観察者２の視線方向に関する装置の厚みを減少できる。
実施の形態９：
図１３は、本発明の実施の形態９に係る別の画像表示装置を示す。この画像表示装置は、図１２に示す先の実施の形態の変形例であり、円筒ハウジング１９内に反射ミラー４０を備えている。ハウジング１９の内部は、光源１８から出射された光が反射ミラー４０及びハウジング１９の内面で反射して方向を反転し、画像表示板１０及び光学部品２１に入射するように形成されている。
このような構成によれば、画像表示板１０を通る光軸方向（点線で示す方向）に関する画像表示装置の大きさが小さくなる。
反射ミラー４０は、画像表示装置から取り除くことができる。この場合、光源８からの光は、ハウジング１９の内側曲面で反転して画像表示板１０に送られる。
光源８は光の進行方向（光軸）とは逆の方向に向けられているが、光軸に対する光源８の角度は１８０度に限るものでない。
実施の形態１０：
上述した殆どの実施の形態では光源を点光源で構成しているが、管状の光源に代えてもよい。
光源から出射される光の色は本発明にとって制限的なものでないが、白色光を出射する光源（例えば、白色ＬＥＤ）を使用するのが好ましい。
また、光源は、単一の光を出射する単一の部品に限るものでなく、青・赤・緑を含む複数の光を発する複数の部品の組み合わせであってもよい。この場合、各部品のオン／オフタイミングは個別に制御してもよい。また、表示画像が出射する光に色に同期して変化するシーケンシャル式液晶表示パネルを使用してもよい。
さらに、上述の実施形態では光源と散乱板をそれぞれ独立した構成部品として示したが、これらはエレクトロルミネッセンス等の単一の部品によって実現することもできる。この場合、画像表示装置の構成部品数が減少し、その組立が容易になる。
さらにまた、以上では種々の画像表示装置を説明したが、本発明は単眼式画像表示装置または両眼式画像表示装置のいずれであってもよい。
ところで、通常、単眼用画像表示装置は、観察者の利き目に装着することにより、より画像の認識が容易に行えるものである。しかし、片目の大部分を覆ってしまうような大きな画像表示装置や、画像表示装置によって表示される画像を周囲の景色と重ねて見せるような画像表示装置の場合、利き目で純粋な景色を認識できず、そのために観察者の行動が困難になることがある。しかし、本発明に係る画像表示装置は、観察者が正面を向いたときの通常の視線よりも下に装着することで、純粋な景色に画像を重ねて見ることもできるだけでなく、純粋な景色だけを容易に認識することもできるので、通常の行動が制限を受けることなく行える。逆に、通常の視線よりも上に装着すれば、手元だけを利き目で見ることができるので、通常の手作業や読書作業を難なく行える。
利用形態
以下、画像表示装置の複数の利用形態を説明する。
利用形態１：
図１Ａは、画像表示装置の利用形態１を示し、そこで画像表示装置は携帯型通信装置の出力装置として使用されている。この利用形態において、画像表示装置１と携帯型通信装置２２（例えば、携帯電話）は、有線または無線によって相互に接続されており、インターネット等の通信網を介して通信装置２２で受信された画像が画像表示装置１に送られ、そこで画像表示板に表示される。マイクロフォンとイヤホンを備えた音響装置２３を通信装置２２に接続してもよい。この場合、画像表示装置は、ウェアラブル型のウェブホン・テレビ・視聴覚装置として使用することができる。
利用形態２：
図１４は画像表示装置の利用形態２を示し、そこでは画像表示装置がスタジアムやホールに設けた送信機から送信された画像を表示する装置として利用されている。
一般に、大きなスポーツスタジアムやコンサートホールでは、１人の観客から見える範囲は限られている。一方、そのようなスポーツスタジアムやコンサートホールには、種々の角度から撮影するために多数のテレビカメラが設置されている。このような状況において、画像表示装置は、テレビカメラから送信される画像のビューワまたは受信機として利用できる。そして、そのように利用すれば、観客は異なる角度からカメラ撮影された任意の画像を見ることができ、それは観客にとって楽しいものとなる。
利用形態３：
図１５は、画像表示装置の利用形体を示し、そこでは画像表示装置がウェアラブル型プロンプタとして利用されている。このプロンプタにより、スピーカ（話をする人）は話している最中にプレゼンテーションの内容を確認できる。特に、プレゼンテーションの最中にプレゼンテーションの内容に変更があった場合でも、スピーカは、聴衆に眼を向けたまま、変更された内容を確認することができる。
利用形態４：
図１６は、画像表示装置の利用形態４を示し、そこで画像表示装置は後方ビューワを備えた自動ナビゲーションシステムとして利用されている。この利用形態において、画像表示装置はＧＰＳを備えた送信機２４に接続されている。ＧＰＳは、送信機２４の地理的位置を対応するデジタルマップ上に表示するデジタル情報を送信する。後方ビューワまたはカメラ２５は、画像表示装置１のフレームに設けてあり、カメラによって撮影された画像が画像表示部に表示される。これにより、観察者は、後方から接近してくる対象物（例えば、自動車やバイク）を確認できる。
利用形態５：
図１７は、画像表示装置の利用形態５を示し、そこでは画像表示装置がミュージアムビューワとして利用されている。この利用形態において、画像表示装置を装着している人は、中央制御部または展示物（例えば、絵画、彫刻、自然または人工的な創作）の近傍に設けた送信機から送信される展示物のデジタル画像または情報（例えば、説明）を受信する。
利用形態６：
図１８は、画像表示装置の利用形態６を示し、そこでは画像表示装置がオペレータのビューワとして利用されている。この利用形態において、画像表示装置を装着しているオペレータは中央制御部または現場近くに設けた送信機２７から送信されて画像表示部に表示される種々の確認項目や手続を確認しながら、目的の保守作業を行う。これにより、経験不足のオペレータであっても、予め決められた保守手続を間違い無く行うことができる。
利用形態７：
図１９は、画像表示装置の利用形態７を示し、そこでは画像表示装置が変更可能型番号認証システムに利用されている。この利用形態において、認証システム２８は、各人の個人ＩＤまたはパスワードを一定の時間周期で変更または更新し、更新されたＩＤまたはパスワードは画像表示装置を通じて利用可能である。このような構成によれば、認証システムの安全性が向上する。また、部屋や建物に入る前に、その部屋や建物の内部の状況を、その部屋や建物の内部に設置されたカメラから送信されて画像表示装置装置に表示される画像を通じて、この画像表示装置を装着した人が確認できる別のセキュリティシステムを作ることができる。このようなセキュリティシステムは、指紋認証を利用した他の認証システムと組み合わせることもできる。
利用形態８：
図２０は、画像表示装置の利用形態８を示し、そこでは画像表示装置がウェアラブル３Ｄ／２Ｄシアターに利用されている。この利用形態において、画像表示装置は、中央制御部または乗り物（例えば、飛行機、列車、自動車）や他の場所（例えば、待合室、娯楽設備の内側または外側）に設けた送信機から送信された３Ｄまたは２Ｄの画像を受信する。
利用形態９：
図２１は、画像表示装置の利用形態９を示し、そこでは画像表示装置が無線通信によって建物内に設置された監視カメラ（図示せず）と接続されている。この利用形態において、画像表示装置を装着した人は、ベッドに寝ている子供や老人を見ながら又玄関の様子を見ながら、種々の家事を行うことができる。
利用形態１０：
図２２Ａは、画像表示装置の利用形態１０を示し、そこで画像表示装置１はカメラ４０と物理的に分離され且つカメラ４０と電気的に接続されている。したがって、カメラで撮影された画像は画像表示装置に送信され、該画像表示装置に表示される。また、この利用形態では、画像表示装置の方向とは無関係に、カメラ４０を任意の方向に向けることができる。
図２２Ｂは変形例を示し、そこで画像表示装置１とカメラ４１はＵ状のヘッドバンド４２に一体化されている。この変形例によれば、装着者はカメラ４１で撮影された拡大画像を観察することができる。したがって、この一体化された装置は、顕微鏡を用いた加工や製造に好適に利用できる。
利用形態１１：
画像表示装置は、医療分野の補助監視装置に効果的に利用できる。例えば、脳神経外科、眼科、耳鼻科、整形外科、形成外科の分野ではマイクロサージャリー手術が行われており、特に、くも膜下出血、動脈瘤、脳腫瘍の手術で日常的に採用されている。この手術において、術医は、顕微鏡で撮影された拡大像を見ながら、例えば約１ミリメートルほどの直径の血管を縫合したり小さな組織を切断したりする手術を行う。しかし、顕微鏡によって術医は手術部位の外部のみを観察できるだけである。そこで、顕微鏡手術を補助するために、適当な内視鏡が手術部位の近くに顕微鏡で見える方向とは異なった角度で挿入され、顕微鏡では見えないあるいは見にくいところが同時に写される。
内視鏡で撮影された画像は、通常、図２３に示すように、術医の傍に配置されたモニタ５１に表示される。そのため、術医がモニタ５１の画像を見るとき、術医の頭又は肩がわずかに動くことがある。そして、その術医の動きはさらに、手術器具を持っている術医の腕を動かし、そのために手術器具との接触によって生体組織が損傷することがあり得る。このような事態を防止するために、モニタを見るとき、術医は手術を中止して手術器具を治療部位から遠ざける必要がある。また、顕微鏡を観察している状態からモニタに視線を移すに際し、術医は新たに焦点を調整しなければならない。これらの問題を解消するために、補助者がモニタ５１を見て術医を誘導することが考えられる。しかし、この方法は、術医がモニタを見る回数を減らすだけのことに過ぎない。
このような問題を解消するための有効な手段として、本発明の画像表示装置が利用できる。具体的に、図２４に示すように、画像表示装置１を顕微鏡５２のアイピース５３の上又は下若しくは横に配置するか、または図２５に示すように画像表示装置１をヘッドバンド５４又はその他の保持具によって術医の目の傍に配置し、この画像表示装置１に内視鏡カメラの撮影画像を表示する。この場合、術医は、頭や肩を動かすことなく、視線を動かすだけで内視鏡の撮影画像を見ることができるので、内視鏡の撮影画像を見る度に手術行為を中断する必要がなくなる。現在、撮影対称を立体的に表示することができる内視鏡が提案されており、このような立体式内視鏡を利用する場合、術医の両目の上又は下にそれぞれ画像表示装置１を配置すれば、立体式内視鏡で得られた画像を２つの画像表示装置１で立体的に観察することができる。
また、図２７と図２８に示すように、内視鏡５５の保持を担当する術医と、内視鏡で撮影された画像を見ながらかん子などの手術器具５６を用いた手術を担当する術医が協働して治療を行う状況がある。これまでは、内視鏡５５の画像は、上記の例と同じく近くに設置したモニタ上に写され、両術医はそのモニタ上の画像を見ながら、手術を行っている。そのため、首の方向を長時間に亘って固定する必要があって疲労を招き易いこと、また、画像と手術器具を同時に見ることができないことなどの問題が指摘されてきた。この場合、手術を担当する術医の装着したヘッドバンド５４に画像表示装置１を取り付ける。これにより、手術を担当する術医は、視線を僅かに動かすだけで内視鏡で撮影された画像と実際の手術器具を交互に見ることができる。さらに、このようにすることにより首の方向の固定が不用になるという利点も指摘できる。また、画像表示装置１はその焦点深度が深いため、視力に障害のある術医でも両者を鮮明に見ることができる。
さらに、内視鏡を用いて病変部を観察したり病変をサンプル採取する場合、図２８に示すように、患者の体内に挿入された内視鏡の撮影画像を術医は眼の前に装着した画像表示装置１で見ながら、この内視鏡を操作することができる。このとき、画像表示装置１の焦点深度が深いため、視力に問題のある術医でも鮮明に画像を見ることができ、そのため内視鏡を正確に操作できる。
その他、画像表示装置１は、手術中に術者に必要な情報（例えば、手術前に撮影したＸ線やＣＴ画像、三次元臓器模型画像、血液検査結果）を提供する手術支援情報端末として利用できる。このような利用形態では、術者は手を使うことなく種々の情報を読み取ることができる。また、画像表示装置を装着した手術補助者に対して必要な情報（例えば、手術器具や備品の準備指示）を提供することもできる。
救急医療の現場では、図２９に示すように、救急隊員のヘルメット５７に画像表示装置１とＣＣＤカメラ５８を取り付け、ＣＣＤカメラ５８で撮影した画像を病院５８に送信し、逆に、病院５８から救急隊員への指示を画像表示装置１に表示することができる。この場合、救急隊員は病院５８からの指示を画像表示装置１を通じて確実に取得できる。また、病院５８で待機している医師は、ＣＣＤカメラ５８で映し出される画像から、救急隊員の行った処置や患者の状況を観察し、適切な指示を救急隊員に送ることができる。
本発明の画像表示装置は、医師と患者との問診にも利用できる。具体的に、画像表示装置を装着した状態で、医師は患者と向かい合った状態で、患者の話しを聞きながら又患者を観察しながら、必要な情報を画像表示装置から入手したり、実際に入力された情報を画像表示装置で確認できる。
画像表示装置はまた、病室に設置された監視カメラで撮影した患者の画像を看護師に伝えるための装置として利用することもできる。
また、画像表示装置は診断装置として利用することもできる。例えば、画像表示装置に小さな輝点を表示するとともにこの輝点を動かしてこれを患者に観察させることで、緑内障などの視覚障害の有無を判断する装置として利用できる。
【図面の簡単な説明】
図１Ａ：実施の形態１に係る画像表示装置の利用形態を示す図。
図１Ｂ：図１Ａに示す画像表示装置の斜視図。
図２：実施の形態１に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す斜視図。
図３Ａ、図３Ｂ：実施の形態１に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す平面図と側面図。
図４Ａ、図４Ｂ：実施の形態２に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す平面図と側面図。
図５：実施の形態３に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す図。
図６：実施の形態４に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す図。
図７：実施の形態５に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す平面図又は側面図。
図８：光源から散乱体に照射される光の強度分布を示すグラフを示す図。
図９：散乱板の散乱率分布を示す図。
図１０：実施の形態６に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す図。
図１１：実施の形態７に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す図。
図１２：実施の形態８に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す図。
図１３：実施の形態９に係る画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す図。
図１４：画像表示装置をスタジアムビューワとして利用する形態を示す図。
図１５：画像表示装置をスタジアムビューワとして利用する形態を示す図。
図１６：画像表示装置をバックビューワ付き自動ナビゲーションシステムに利用する形態を示す図。
図１７：画像表示装置をミュージアムビューワとして利用する形態を示す図。
図１８：画像表示装置をワーカーズビューワとして利用する形態を示す図。
図１９：画像表示装置をチェンジャブルナンバー認証システムに利用する形態を示す図。
図２０：画像表示装置をウェアラブル３Ｄ（２Ｄ）シアターに利用する形態を示す図。
図２１：画像表示装置を家庭用監視カメラ装置と接続した利用形態を示す図。
図２２Ａ、図２２Ｂ：画像表示装置をカメラと分離した利用形態と、画像表示装置とカメラを一体化した利用形態を示す図。
図２３：内視鏡モニタを用いた従来の手術状況を示す図。
図２４：画像表示装置を内視鏡モニタとして利用する利用形態を示す図。
図２５：画像表示装置を内視鏡モニタとして利用する利用形態を示す図。
図２６：画像表示装置を内視鏡モニタとして利用する利用形態を示す図。
図２７：画像表示装置を内視鏡モニタとして利用する利用形態を示す図。
図２８：画像表示装置を内視鏡モニタとして利用する利用形態を示す図。
図２９：画像表示装置を救急隊員用モニタとして利用する利用形態を示す図。
図３０：従来の画像表示装置に組み込まれた光学部の構成を示す図。

Claims (17)

1. 観察者の眼球の網膜に映像板の映像を投影する画像表示装置であって、
   光源と、
   上記光源から出た光を散乱する散乱体と、
   上記散乱体で散乱された光を透過する映像板と、
   上記映像板を透過した光を収束させて眼球に送るレンズとを含む光学系を備えており、
   上記光学系は、散乱体で散乱した光が観察者の瞳孔近傍で結像するように設計されていることを特徴とする画像表示装置。
2. 上記散乱体が透過型散乱体であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 上記散乱体が反射型散乱体であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 上記散乱体は上記光源と瞳孔を結ぶ光軸から離れるに従って散乱率が低くなるように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一に記載の画像表示装置。
5. 上記散乱率は散乱体に含まれる光散乱物質の量を変えることにより調整されていることを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
6. 上記散乱率は散乱体の表面の粗さを変えることにより調整されていることを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
7. 上記散乱体は上記光源と瞳孔を結ぶ光軸から離れるに従って反射率が低くなるように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の画像表示装置。
8. 上記反射率は散乱体に含まれる光反射物質の量を変えることにより調整されていることを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
9. 上記反射率は散乱体の表面の粗さを変えることにより調整されていることを特徴とする請求項７に記載の画像表示装置。
10. 上記散乱体を画像形成装置の筐体に直接形成したことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
11. 上記光源が紫外光或は青色光を発するダイオードであり、上記散乱体が光源からの光を白色に変換する蛍光物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
12. 上記光源が赤色、緑色、青色の光を発する光源の組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
13. 上記光源と散乱体が一つのエレクトロルミネッセンスで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
14. 上記散乱体は、水平方向の長さが垂直方向の長さに比べて大きい形を有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
15. 上記光源から出射された光の進行方向を反転させて上記映像板に入射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
16. 上記画像表示装置は、観察者の片目に対して映像を投射する単眼用画像表示装置であることを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
17. 観察者の眼球の網膜に映像板の映像を投影する画像表示装置であって、
    光源と、
    上記光源から出た光を散乱する散乱体と、
    上記散乱体で散乱された光を透過する映像板と、
    上記映像板を透過した光を収束させて眼球に送るレンズとを含む光学系を備えており、
    上記光学系は、上記散乱体が観察者の瞳孔と共役関係を保つように設計されていることを特徴とする画像表示装置。

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