WO2001079916A1 - Reseau de micro-lentilles et unite d'affichage d'images et telescope l'utilisant - Google Patents

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Description

明細書 マイク ロ レンズァレイおよびそれを用いた画像表示装置と望遠鏡

技術分野

本発明は、 ディスプレイデバイスや物体の虚像あるいは実像を合成す るためのマイクロ レンズアレイおよびそれを用いた画像表示装置と望遠 鏡に関する。 背景技術

物体の虚像 (拡大像) を観察するための光学手段と して、 光軸に沿つ て直列に配列された複数のレンズ、 反射鏡などから成る望遠鏡やルーペ や顕微鏡などが古くから使用されている。 また、 ディスプレイデバイス とルーペとを一体と した装置と して、 ステレオビューヮーやへッ ドマウ ンテッ ドディスプレイが実用化されている。

一方、 微小なレンズを並列に配列したマイク ロ レンズアレイが、 ディ フューザ、 反射スク リ ーン、 撮像素子、 液晶プロジェクター、 3次元画 像表示装置等に幅広く利用されている。

また小型で軽量なレンズと して、 フ レネルレンズやゾーンプレー トと いったシー ト状のレンズが古くから使用されている。 また、 正立した実 像を形成する光学系と して、 マイク ロ レンズアレイを用いた正立等倍結 像系が使用されている。

従来の望遠鏡などの虚像観察装置や実像生成装置では収差の少ない広 画角な像を得るためには光学系を大きく したり光学素子の数を増やした り しなければならないという問題があった。 特に、 ヘッ ドマウンテッ ド ディスプレイのように顔面に装着するタイプのものでは光学系の大きさ や重量に生理的な制約があるため、 光学系の小型軽量化が実用化のため の最重要課題であった。

この課題に対処した技術と して特開平 1 1 — 2 9 5 6 4 0号のように ハーフミラーと凹面鏡とを組み合わせたり、 特開平 7— 3 3 3 5 5 1号 のように自由曲面プリズムを利用するなどしたへッ ドマゥンテッ ドディ スプレイが実用化されている。

しかしながら、 凹面鏡ゃ自由曲面プリズムを用いたへッ ドマゥンテツ ドディスプレイは凹面鏡部分がディスプレイデバイスの 4倍以上の面積 を持っために、 小型に構成しょう とすると対角 1 5 mm以下のディスプ レイデバイスを用いる必要があった。 一方、 対角 1 5 mm以下程度の透 過型 L CDや有機 E Lディ スプレイでは VGA ( 6 4 0 X 4 8 0画素) 以上の解像度にすることが困難であった。 . したがって、 従来の凹面鏡ゃ自由曲面プリズムを用いたへッ ドマゥン テッ ドディスプレイでは、 解像度を XGA ( 1 0 2 4 X 7 6 8画素) 以 上にしょう とすると反射型 L CDを採用するなどの対策が必要となり、 構造の複雑化が避けられなかった (参考文献 : 研野孝吉 : "HMDの最 新の動向と展望" 、 映像情報メディア学会技術報告、 V o L . 2 4、 N o . 7 1、 p p . 9— 1 4 ) 。

さらに、 凹面鏡や自由曲面プリズムを用いたへッ ドマゥンテツ ドディ スプレイでは、 軸から離れる程大きくなる収差や光学系を構成する反射 面同士の交線によって画角が制限されるためバーチャルリ ア リティ一な どにおいて要求される没入感が十分得られないという問題があった。 また、 従来のシー ト状のレンズは、 1枚のレンズなので設計の自由度 が少なく Fナンバーを小さ くすると周辺部の収差が増大するという欠点 があった。 また、 正立等倍結像系は、 実像を合成する光学系なので、 デ イスプレイデバイス上に表示した画像を遠方の虚像と して観察するため の画像表示装置には使用できなかった。

一方、 ガリ レオ式望遠鏡は簡易な望遠鏡と して多用されてきたが、 眼 を接眼レンズに接近させなければ視界を確保できないので、 眼鏡をかけ た上で使用するのが困難であるなどの問題があった。 また、 従来の望遠 鏡はレンズや反射鏡を光軸に沿って直列に配列したものであるため、 光 軸方向に長大になるという問題があった。

本発明は、 このよ うな従来の技術が有する問題点に着目 してなされた もので、 広い画角で高精細な画像を表示できる小型軽量な画像表示装置 や観察位置の制限が少ない薄型の望遠鏡に利用可能なマイクロ レンズァ レイおよびこれを用いた画像表示装置や望遠鏡を提供することを目的と している。 発明の開示

かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、 次の各項 の発明に存する。

[ 1 ] 微小な凸レンズと微小な凹レンズとから成る微小なガリ レオ式望 遠鏡または微小な逆ガリ レオ式望遠鏡を多数 2次元に並列させたマイク 口 レンズアレイであって、

前記微小なガリ レオ式望遠鏡のそれぞれまたは前記微小な逆ガリ レオ 式望遠鏡のそれぞれの前記微小な凸レンズの光軸と前記微小な凹レンズ の光軸とを一致あるいは偏心させることによ り、 前記微小なガリ レオ式 望遠鏡のそれぞれまたは前記微小な逆ガリ レオ式望遠鏡のそれぞれによ つて形成される同一の対象物体に対応する各虚像あるいは各実像の同一 対応部分同士が同一の位置において同一の大きさで一致して重なり合う よ う にして、

前記マイク ロ レンズァレイ全体で前記同一の対象物体に対応する一つ の虚像あるいは一つの実像を合成することを特徴とするマイ ク ロ レンズ ァレイ。

[ 2 ] 前記微小なガリ レオ式望遠鏡または前記微小な逆ガリ レオ式望遠 鏡のュニッ 卜のそれぞれを光を吸収する隔壁で仕切ったことを特徴とす る [ 1 ] に記載のマイク ロ レンズアレイ。

[ 3 ] 前記微小なガリ レオ式望遠鏡または前記微小な逆ガリ レオ式望遠 鏡を構成する凸レンズと凹レンズとの間に絞りを有することを特徴とす る [ 1 ] に記載のマイク ロ レンズアレイ。

[4] マイク口凸レンズアレイ とマイク 口凹レンズアレイ とを同一透明 基板の表裏に形成することにより前記微小なガリ レオ式望遠鏡のアレイ または前記微小な逆ガリ レオ式望遠鏡のアレイを一体と したことを特徴 とする [ 1 ] に記載のマイクロレンズア レイ。

[ 5 ] 前記微小なガリ レオ式望遠鏡のアレイまたは前記微小な逆ガリ レ ォ式望遠鏡のァレイの表裏に形成された前記微小な凸レンズのァレイと 前記微小な凹レンズのァレイとを互の母線が平行な関係にある凸シリ ン ドリ カルレンズアレイ と凹シリ ン ドリ 力ノレレンズアレイにするこ とによ り、 前記マイク口 レンズァレイのレンズ作用を前記凸シリ ンドリカルレ ンズァレイおよび前記凹シリ ン ドリ カルレンズァレイの母線と垂直な断 面に限定したことを特徴とする [ 1 ] 、 [ 2 ] 、 [ 3 ] または [4] に 記載のマイク ロ レンズアレイ。

[ 6 ] 前記微小なガリ レオ式望遠鏡と前記微小な逆ガリ レオ式望遠鏡と は、 低分散部分と高分散部分とを接合させて成る組み合わせレンズュニ ッ 卜と し、

前記マイクロレンズアレイが全体と して正の屈折力を有する場合、 前記組み合わせレンズュニッ トそれぞれについて前記低分散部分と前 記高分散部分との境界面の傾きが、 前記マイク口 レンズァレイの中心か ら遠い側で、 前記低分散部分側へと傾く よ うに設定し、 前記マイクロ レンズァレイが全体と して負の屈折力を有する場合、 前記組み合わせレンズュニッ トそれぞれについて前記低分散部分と前 記高分散部分との境界面の傾きが、 前記マイク口 レンズァレイの中心か ら遠い側で、 前記高分散部分側へと傾く ように設定することにより、 色 収差を低減することを特徴とする [ 1 ] 、 [ 2 ] 、 [ 3 ] 、 [4] また は [ 5 ] に記載のマイク ロ レンズアレイ。

[ 7 ] [ 1 ] 、 [ 2 ] 、 [ 3 ] 、 [4] 、 [ 5 ] または [ 6 ] に記載の マイ ク ロ レンズァレイの前記微小な凹レンズのァレイの側にディスプレ イデバイスを配置し、

前記マイク口 レンズァレイの前記微小な凸レンズのァレイの側に観察 位置を設定することによ り、

前記ディスプレイデバイスの虚像を前記ディ スプレイデバイスに対し て遠方に合成して表示することを特徴とする画像表示装置。

[ 8 ] [ 7 ] に記載の画像表示装置一対を観察者の左右の眼のそれぞれ に対応させて配置することにより、 両眼用のへッ ドマゥンテッ ドディス プレイと したことを特徴とする画像表示装置。

[ 9 ] 前記ディ スプレイデバイスの表示面および前記マイク 口 レンズァ レイを観察者側から見て凹面状に形成したことを特徴とする [ 7 ] また は [ 8 ] に記載の画像表示装置。

[ 1 0] [ 1 ] 、 [ 2 ] 、 [ 3 ] 、 [4 ] 、 [ 5 ] または [ 6 ] に記載 のマイク 口 レンズァレイの前記微小な凸レンズのァレイの側を観察対象 の物体のある側と し、

前記マイク口 レンズァレイの前記微小な凹レンズのァレイの側に観察 位置を設定するこ とによ り 、

前記観察対象の物体の虚像あるいは実像を合成することを特徴とする [ 1 1 ] 微小なレンズと微小な偏角プリ ズムとを有するレンズュニッ ト であって、 前側焦点と後側焦点とのいずれもが前記レンズュニッ 卜の外 側に位置しかつ望遠鏡と しての倍率が 1 のものを多数 2次元に並列させ たマイク ロ レンズアレイであって、

前記微小なレンズによつて結像を行いかつ前記微小な偏角プリズムに よって光束の屈折を行うことにより、 前記レンズュニッ トそれぞれによ つて形成される同一の対象物体に対応する各虚像あるいは各実像の同一 対応部分同士が同一の位置において同一の大きさで一致して重なり合う よ うにして、

前記マイ ク ロ レンズァレイ全体で前記同一の対象物体に対応する一つ の虚像あるいは一つの実像を合成することを特徴とするマイクロ レンズ ァレイ。

[ 1 2 ] 前記レンズュニッ トを、 低分散部分と高分散部分とを接合させ て成る組み合わせレンズユニッ トと し、

前記マイ ク 口 レンズアレイが全体と して正の屈折力を有する場合、 前記組み合わせレンズュニッ トそれぞれについて前記低分散部分と前 記高分散部分との境界面の傾きが、 前記マイク口 レンズアレイの中心か ら遠い側で、 前記低分散部分側へと傾く ように設定し、

前記マイクロ レンズアレイが全体と して負の屈折力を有する場合、 前記組み合わせレンズュニッ トそれぞれについて前記低分散部分と前 記髙分散部分との境界面の傾きが、 前記マイク口 レンズアレイの中心か ら遠い側で、 前記高分散部分側へと傾く よ うに設定することにより、 色 収差を低減することを特徴とする [ 1 1 ] に記載のマイクロ レンズァレ ィ。

[ 1 3 ] ディスプレイデバイス と [ 1 1 ] または [ 1 2 ] に記載のマイ ク口レンズァレイ とから成る画像表示装置であって、

前記マイクロ レンズアレイを接眼鏡と して用いることによ り、 前記ディスプレイデバイスの虚像を前記ディスプレイデバイスに対し て遠方に合成して表示することを特徴とする画像表示装置。

[ 1 4 ] 前記画像表示装置一対を観察者の左右の眼のそれぞれに対応さ せて配置することにより、 両眼用のへッ ドマゥンテツ ドディスプレイと したことを特徴とする [ 1 3 ] に記載の画像表示装置。

前記本発明は次のように作用する。

本発明にかかるマイク口 レンズァレイでは、 微小なガリ レオ式望遠鏡 あるいは微小な逆ガリ レオ式望遠鏡を多数 2次元に並列してある。

たとえば、 微小な逆ガリ レオ式望遠鏡を多数 2次元に並列したマイク 口 レンズアレイの微小な凹レンズのアレイ側にディスプレイデバイスを 配置し、 微小な凸レンズのアレイ側に観察位置を設定すれば、 観察位置 から見たときに、 ディスプレイデバイスの虚像が遠方に形成される画像 表示装置を得ることができる。

すなわち、 逆ガリ レオ式望遠鏡の凹レンズの光軸と凸レンズの光軸と を偏心させて、 各逆ガリ レオ式望遠鏡によるディスプレイデバイス画面 の虚像の同一対応部分同士が同一の位置において同一の大きさで一致し て重なり合う よ うにすることによってマイク口 レンズアレイ全体でディ スプレイデバイスの画像に対応する一つの虚像が得られる。

なお、 ディスプレイデバイスの表示面およびマイクロレンズアレイを 観察者側から見て凹面状に形成したものでは、 マイクロ レンズアレイの 周辺部においても逆ガリ レオ式望遠鏡の凹レンズの光軸と凸レンズの光 軸との偏心を小さく設定できるので収差の少ない広画角の画像表示装置 を構成できる。

ざらに、 マイク口 レンズァレイを構成する微小な凹レンズのァレイ と 微小な凸レンズのアレイ との光物性 (屈折率や分散等) を適当に違える ことにより収差を改善することもできる。

一方、 本発明にかかるマイク 口 レンズァレイを構成する微小なガリ レ ォ式望遠鏡あるいは微小な逆ガリ レオ式望遠鏡のそれぞれを光を吸収す る隔壁で仕切ったり、 それぞれの凸レンズと凹レンズとの間に絞りを設 けたものでは、 ク ロス トーク (隣り合う望遠鏡からの光の侵入) を防ぐ ことができ、 観察者の眼の移動可能範囲を広げることができる。

他方、 マイク 口凸レンズアレイ とマイク ロ凹レンズアレイ とを同一透 明基板の表裏に形成した本発明にかかるマイク口 レンズァレイは、 薄く て軽いシート状にでき製造も容易である。

本発明にかかるマイク ロ レンズアレイの表裏にある微小な凸レンズの アレイ と微小な凹レンズのァレイ とを母線が縦に延びた凸シリ ンドリカ ルレンズアレイ と同じく母線が縦に延びた凹シリ ン ドリ カルレンズァレ ィ とにしてマイクロレンズアレイのレンズ作用を水平断面に限定したも のでは、 観察者がディスプレイデバイスから数十 c m程度はなれた位置 から両眼視により画像を観察するへッ ドアップディスプレイなどの画像 表示装置と して利用すると、 両眼視差や水平方向の運動視差によって虚 像をディスプレイデバイスに対して遠方に表示しつつ、 観察者の眼の位 置の上下により虚像が大きく上下してマイクロレンズアレイの枠でけら れることを防止することができる。

このほ力 、 本発明にかかるマイク口レンズァレイの微小な凸レンズの それぞれを対物レンズと し、 微小な凹レンズのそれぞれを接眼レンズと することにより、 本発明にかかるマイクロ レンズアレイは観察者がマイ ク口 レンズアレイに眼を極端に接近させることなく良好な視界を確保で きるシー ト状の望遠鏡になる。

また微小なレンズと微小な偏角プリズムとを有するレンズュニッ トを 多数 2次元に並列したものでは、 たとえば、 マイク ロ レンズアレイの前 方にディスプレイデバイスを配置し, 後方に観察位置を設定したとすれ ば、 ディスプレイデバイスの虚像をその遠方に合成表示する画像表示装 置を得ることができる。

すなわち、 中心から遠いレンズユニッ トほどレンズの焦点距離や偏角 プリズムの偏角を大きくするなどして、 レンズュニッ トそれぞれによつ て形成されるディスプレイデバイスの虚像の同一対応部分同士が同一の 位置において同一の大きさで一致して重なり合う よ うにすれば、 マイク 口 レンズァレイ全体と してはディスプレイデバイスの虚像をその遠方に 合成することができる。

また、 本発明にかかるマイクロレンズアレイのレンズュニッ トを低分 散部分と高分散部分とから成る組み合わせレンズュニッ トとすることに より色収差を改善することができる。

これは、 従来の低分散の凸レンズと高分散の凹レンズとからなるァク ロマー ト レンズと同様に、 第一境界面において分散した長波長と短波長 の光束を第 2境界面において再び近づく ように屈折することにより色消 しを実現するものである。

一方、 本発明にかかるマイクロレンズアレイの色消しでは、 各組み合 わせレンズュニッ ト毎に色消しを行なうので、 従来のァクロマー ト レン ズのよ うに周辺部の色消しをしよ う とすると中心部の色消しができなく なるといつたことがなく、 マイクロ レンズアレイの中心部から周辺部に 至るまで良好な色消しが実現できる。

次に、 本発明にかかるマイク ロ レンズアレイ と フ レネルレンズとの形 状および特性の違いについて述べる。 フ レネルレンズでは、 レンズ面全 体がレンズの光軸を中心と した回転体であるため、 微小部分毎に結像機 能と屈折機能とを任意に調整することはできない。 一方、 本発明にかか るマイクロ レンズァレイでは、 レンズュニッ トそれぞれが微小なレンズ と微小な偏角プリズムとを有するので、 レンズュニッ ト毎に結像機能と 屈折機能とを任意に調整することができる。 したがって、 本発明にかか るマイク ロ レンズアレイはフレネルレンズに比べて格段に収差を小さ く することができる。

次に、 本発明にかかるマイクロレンズアレイと、 正立等倍結像系のマ イク口レンズアレイとの相違について述べる。 本発明にかかるマイク口 レンズアレイでは、 レンズュニッ トそれぞれの焦点はレンズュニッ トの 外側に位置し、 かつ合成される像は実像の場合倒立像である。 一方、 正 立等倍結像系のマイクロレンズアレイでは、 レンズユニッ トそれぞれの 焦点はレンズュニッ トの内側に位置し、 かつ合成される像は正立した実 像のみである。 したがって、 本発明にかかるマイクロレンズアレイ と正 立等倍結像系のマイク口レンズアレイ とは、 原理も機能も異なる技術で ある。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の一実施の形態にかかるマイクロレンズアレイを示す 説明図である。

図 2は、 本発明の一実施の形態にかかるマイク口レンズァレイであつ てマイ ク ロ凸レンズアレイ とマイクロ凹レンズアレイとを透明基板の両 側に形成して一体化したものの一例を示す説明図である。

図 3は、 図 2のマイクロ レンズアレイを示す斜視図である。

図 4は、 本発明にかかるマイクロ レンズアレイを用いた望遠鏡を示す 斜視図である。

図 5は、 マイクロレンズアレイを用いた望遠鏡の断面における光の進 路を示す説明図である。 図 6は、 画像表示装置に使用するマイクロ レンズアレイを構成する微 小な逆ガリ レオ式望遠鏡ュニッ 卜における光の進路を示す説明図である c 図 7は、 マイクロレンズアレイを用いた画像表示装置における光の進 路を示す説明図である。

図 8は、 マイクロレンズアレイを用いた画像表示装置における観察者 の眼の移動可能領域を示す説明図である。

図 9は、 ディスプレイデバイスとマイクロレンズアレイを構成する逆 ガリ レオ式望遠鏡ュニッ トと最良観察点との関係を示す説明図である。 図 1 0は、 見込角を大きく した際に、 隣のマイクロ凹レンズの虚像が ク ロス トーク と して現れる様子を示す説明図である。

図 1 1は、 見込角を大きく した際のク ロス トークを防止するための絞 りを設けたマイクロレンズアレイを示す説明図である。

図 1 2は、 図 1 1に示したものの分解斜視図である。

図 1 3は、 ディスプレイデバイスとマイクロレンズアレイ とを観察者 から見て凹面状に形成した画像表示装置を示す説明図である。

図 1 4は、 ディスプレイデバイスと してプラスチッグ基板の L C Dま たは E L Dを柱面状に曲げたものを使用したへッ ドマゥンテッ ドディス プレイの一例を示す斜視図である。

図 1 5は、 ディスプレイデバイスと して球凹面状に湾曲したものを使 用したへッ ドマゥンテッ ドディスプレイを示す斜視図である。

図 1 6は、 マイクロレンズアレイをカメラの接近撮影用のァタツチメ ントレンズと して用いた例を示す説明図である。

図 1 7は、 マイクロレンズアレイを自動車の計器類やカーナビゲーシ ヨ ンディスプレイを遠方の虚像と して表示する画像表示装置に適用した ものの一例を示す説明図である。

図 1 8は、 マイクロ凹シリ ンドリカノレレンズアレイとマイクロ凸シリ ン ドリ 力ノレレンズアレイ とからなるマイ ク 口 レンズアレイにおいて絞り アレイを有するものを示す分解斜視図である。

図 1 9は、 ドライバーが視線を前方に向けたまま計器類等の画像を車 外の景色と重ね合わせて観察できるへッ ドアップディスプレイを示す説 明図である。

図 2 0は、 従来から使用されているガリ レオ式望遠鏡を示す説明図で ある。

図 2 1 は、 凹レンズァレイ全体にフレネルレンズと同様のレンズ効果 をもたせたマイクロレンズアレイを示す説明図である。

図 2 2は、 本発明にかかるマイクロレンズアレイをカメラレンズと し て用いたパノラマカメラを示す説明図である。

図 2 3は、 球面レンズを使いつつ画像周辺部の収差を抑えた画像表示 装置の一例を示す説明図である。

図 2 4は、 微小な偏角プリズムと微小な凸レンズとが連続して成る レ ンズュニッ トを多数並列した本発明の第 1の実施形態にかかるマイク 口 レンズアレイを示す斜視図である。

図 2 5は、 微小な偏角プリズムと微小な凸レンズとが一体化して成る レンズユニッ トを多数並列した本発明の実施形態 (A ) にかかるマイク 口 レンズァレイを示す斜視図である。

図 2 6は、 微小な逆ガリ レオ式望遠鏡を用いたマイクロレンズアレイ の説明図である。

図 2 7は、 本発明の実施形態 (B ) にかかるマイク ロ レンズアレイの 色消しのメ力二ズムを示す説明図である。

図 2 8は、 本発明の実施形態 (C ) にかかるマイクロレンズアレイの 色消しのメカニズムを示す説明図である。

図 2 9は、 従来のァクロマー トレンズの色消しのメカニズムを示す説 明図である。

図 3 0は、 従来の凹面鏡方式の画像表示装置および自由曲面プリズム 方式の画像表示装置の一例を示す説明図である。

図 3 1は、 本発明にかかるへッ ドマゥンテッ ドディスプレイの使用形 態の一例を示す斜視図である。

図 3 2は、 本発明にかかるマイクロレンズアレイを用いたルーペと従 来のルーペとを比較した説明図である。

図 3 3は、 高分散部分と低分散部分の境界面を連続的な曲面と して構 成したマイク ロ レンズアレイを示す説明図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面に基づき本発明の各種の実施の形態を説明する。

図 1、 図 2および図 3は、 本発明の実施の形態にかかるマイクロレン ズアレイの基本的な構成を示している。 図 1 に示すマイク 口 レンズァレ ィ 1 0は、 微小な凹レンズを縦横に並列させて成るマイク ロ凹レンズァ レイ 1 1 と、 微小な凸レンズを縦横に並列させて成るマイク 口凸レンズ アレイ 1 2 とをそれぞれのレンズュニッ ト同士が対応するよ うに直列さ せた微小なガリ レオ式望遠鏡のアレイあるいは微小な逆ガリ レオ式望遠 鏡のアレイである。

また図 2、 図 3に示すマイク口 レンズァレイ 2 0は、 微小な凹レンズ を縦横に並列させて成るマイクロ凹レンズアレイ 2 1 と微小な凸レンズ を縦横に並列させて成るマイクロ凸レンズアレイ 2 2 とを同一透明基板 の表裏に分けて一体的に形成したものである。

図 4は、 図 1 または図 2、 図 3に示すマイクロ レンズアレイ と同様の 構造をもったマイクロ レンズアレイ 4 1 0を用いたシー ト状の望遠鏡 4

◦ 0を、 図 5は、 望遠鏡 4 0 0の断面における光の進路を示している。 望遠鏡 4 0 0は、 携帯性に優れたシート状を成しており、 スポーツ観戦 などに好適な望遠鏡となっている。

図 5に示すよ うに、 マイクロレンズアレイ 4 1 0は、 微小な凸レンズ と微小な凹レンズとから成る微小なガリ レオ式望遠鏡のュニッ ト 4 1 3 を多数 2次元に並列させたものである。 隣のユニッ ト 4 1 3の凸レンズ 4 1 2 aに入射した光がク ロス トーク光と して射出しないよ うに、 光を 吸収する隔壁 4 1 4によって各ュニッ ト 4 1 3同士の間を仕切っている c 各ガリ レオ式望遠鏡のュニッ ト 4 1 3を構成する凸レンズ 4 1 2 aの 観察者側の焦点位置と凹レンズ 4 1 1 aの観察者側の焦点位置とがほぼ 一致している。 したがって、 凹レンズ 4 1 1 aからの射出光線はほぼ平 行になり、 人の眼には物体が遠くにある感覚となる。

物体が大きく見えたり小さく見えたりすることは、 その物体が観察者 の眼において張る角 (視角) の大小によるものである。 微小なガリ レオ 式望遠鏡を構成する各ュニッ ト 4 1 3では、 図 5に示すように、 マイク 口凸レンズアレイ 4 1 2への入射光が光軸となす角度 θ 1 よ り も、 マイ クロ凹レンズア レイ 4 1 1 からの射出光が光軸となす角度 Θ 2の方が大 きく なつており、 視角が小さい場合 Θ 2 0 1が望遠鏡 4 0 0を構成す る微小なガリ レオ式望遠鏡ュニッ ト 4 1 3の倍率になっている。

図 2 0に示すような従来から使用されているガリ レオ式望遠鏡 2 0 0 0では、 正立像を観察できるという利点がある一方、 接眼レンズ 2 0 0 1 (凹レンズ) に眼を接近させないと視界を確保できず、 眼鏡をかけた 上での使用が困難等の問題があった。 これに対して本発明にかかる望遠 鏡 4 0 0では、 図 5に示すように微小なガリ レオ式望遠鏡であるュ-ッ ト 4 1 3を多数並列してあるので、 マイクロレンズァレイの外形を円形 とすればマイクロレンズアレイを底面と し視界 (最大視野角) を頂角と する円錐の高さがアイ リ リーフとなる。 たとえば、 視界を 1 0 ° と し、 マイク ロ レンズアレイの半径を 1 0 mmと した場合、 このシー ト状望遠 鏡は、 レンズァレイ全体を底面とする高さ約 1 1 4 mm (= 1 0 m m ÷ t a n 5° ) の円錐全体にわたる虚像観察可能領域を持つ。 したがって、 観察者は望遠鏡 4 0 0に眼を極端に接近させることなく 良好な視界を得 ることができる。

なお、 ュニッ ト 4 1 3のピッチを人間の瞳孔 4 2 1の直径以下にすれ ば、 レンズァレイの面に対して眼を平行移動しても虚像が部分的に見え たり見えなかったりすることはない。 ちなみに、 瞳孔の直径は 2〜 8 m mの間で変化するので 2 mm以下のピツチにすれば安定した拡大像を観 察することができる。

次に、 本発明のマイクロレンズアレイを図 1 4や図 1 5に示すへッ ド マウンテツ ドディスプレイなどの画像表示装置に用いる場合について説 明する。

この画像表示装置に使用するマイクロ レンズアレイ も、 図 1や図 3に 示したものと同様にマイク 口凸レンズアレイ とマイク 口凹レンズアレイ とを各凸レンズと各凹レンズとが対応するように直列に配列したもので あるが、 望遠鏡の場合とは逆に観察者側に凸レンズがく るので、 全体と しては微小な逆望遠鏡のァレイになっている。

図 6は、 画像表示装置に使用するマイクロレンズアレイを構成する微 小な逆望遠鏡のユニッ ト 6 0 0を示している。 微小な逆望遠鏡のュニッ ト 6 0 0は、 微小な凹レンズ 6 0 1 と、 微小な凸レンズ 6 0 2 とからな り、 凹レンズ 6 0 1側に L CDや E L D (エレク ト ロノレミネッセン トデ イスプレイ) などのディスプレイデバイスの表示画面 6 0 3を配置し、 凸レンズ 6 0 2側に観察位置 6 0 4を設定している。

ここで、 凹レンズ 6 0 1だけの場合にできる表示画面 6 0 3の虚像を 第 1虚像 6 1 1 と し、 第 1虚像 6 1 1 を凸レンズ 6 0 2を介して観察し たときに見える虚像を第 2虚像 6 1 2 とする。 なお、 図 6では第 2虚像 6 1 2を便宜上表示画面 6 0 3の近く に表したが、 第 1虚像 6 1 1が凸 レンズ 6 0 2の焦平面付近にあるので、 第 2虚像 6 1 2は表示画面 6 0 3に対して必要上十分な遠方に形成できる。

また、 図 6の例では虚像と実物との視角の比 (観察者が最良観察点に おいてマイク ロ レンズアレイを介して観察するディ スプレイデバイスの 虚像 6 1 2の視角とマイク ロ レンズアレイを介さないで直接観察するデ ィスプレイデバイスの視角との比) がほぼ 1 になっている。

なお、 ここでディスプレイデバイスの虚像の倍率を示すために横倍率 でなく視角の比を用いるわけは、 本発明の画像表示装置においては虚像 と実物との視角の比およびディスプレイデバイスの位置と大きさが決ま れば虚像の位置に関係なく画角が定まるからである。

図 1 3や図 1 5のようにディスプレイデバイス画面 1 3 0 1 とマイク 口レンズァレイ 1 3 1 0が最良観察点を中心と した同心の球殻状に構成 されている場合、 最良観察点における微小な逆望遠鏡ユニッ トそれぞれ の虚像と実物との視角の比を 1 とすれば、 マイクロレンズアレイ 1 3 1 0全体によつて合成される虚像と実物との視角の比も色 (光の波長) の 違いによらず 1 となるので倍率収差 (横色収差) は実用上の支障になら ない。 また、 第 2虚像 6 1 2がどの色の光においても観察者から 2 m以 上遠方に位置するように設定すれば、 縦色収差によって各色の虚像同士 が相対的に深度方向へずれたと しても像がぼけることはほとんどない。

このよ うな構成の画像表示装置 1 3 0 0では、 同じ逆望遠鏡のュニッ トに属するマイクロ凹レンズの曲率中心とマイクロ凸レンズの曲率中心 とを最良観察点を通る同一直線上に配置できるので色収差以外の収差も 良好に抑えられる。 また、 それぞれの微小なガリ レオ式望遠鏡の Fナン バー (逆望遠鏡ユニッ トの焦点距離をその口径で割った値) を数十とい つた大きな値に設定することにより球面収差を小さく抑えることができ る。 さ らに、 ディスプレイデバイス画面 1 3 0 1 とマイク ロ レンズァ レ ィ 1 3 1 0 とが最良観察点を中心と した同心の球殻状に構成されている ので、 最良観察点からどの方向を見ても光学系が平等になり、 コマ収差. 非点収差、 湾曲収差、 歪曲収差といった軸外収差を抑えるこ とができる c よって、 図 1 3の画像表示装置はきわめて広い画角にわたって収差の少 ない像を表示することができる。

図 7は、 図 6に示した微小な逆望遠鏡のュニッ ト 6 0 0を多数並列さ せたマイクロレンズアレイ Ί 1 0を使用した画像表示装置 7 0 0におけ る光の進路を示している。 画像表示装置 7 0 0では、 図示するように、 表示画面 6 0 3に形成された画像の各部をそれぞれの微小な逆望遠鏡の ユニッ ト 6 0 0が分担して表示している。

マイク ロ レンズアレイ 7 1 0では、 マイク ロ凹レンズアレイ 7 1 1 の ピッチをマイクロ凸レンズアレイ 7 1 2のピッチより大きくすることに よ り (マイ ク ロ レンズアレイ 7 1 0の中心部から周辺部へ行く にしたが い微小な逆ガリ レオ式望遠鏡のュニッ ト 6 0 0の凹レンズの光軸と凸レ ンズの光軸との偏心の値を大きくすることにより) 、 マイク ロ レンズァ レイ 7 1 0のどの箇所に配置された微小な逆ガリ レオ式望遠鏡のュニッ ト 6 0 0でもその凹レンズの中心と凸レンズの中心との両方を通過する 光線が予めきめられた最良観察点へと向かう よ うに設定してある。

また、 本発明にかかる画像表示装置 7 0 0では、 第 2虚像 6 1 2を遠 方に形成しても最良観察点におけるディスプレイデバイスの虚像 6 1 2 と実物との視角の比をほぼ 1に抑えることができるので、 対角 1インチ

( 1 0 0万画素) 以上の L C Dや E L Dを使用しても凹面鏡ゃ自由曲面 プリズムを用いた従来の画像表示装置 (図 3 0 a、 b ) のよ うに光学系 が大きく なり過ぎるという心配はない。 次に、 画像表示装置 7 0 0における観察者の眼の移動可能領域につい て説明する。 図 8に示すよ うに、 観察者の眼の移動可能領域は、 凸レン ズ 7 1 2からそれと対応する凹レンズ 7 1 1 を見込んだときの見込角に より決定される。 へッ ドマゥンテッ ドディスプレイでは、 観察者の瞳孔 位置が左右瞳孔間隔の個人差の範囲に限定されるので、 移動可能領域は 図 8に示すように限定されたものであっても、 実用上の支障はない。 なお本発明の画像表示装置において、 マイク ロ レンズァレイ 7 1 0の レンズピツチはディスプレイデバイス 6 0 3の画素ピツチに依存しない c 画素ピッチが数十マイクロメ一トル以下の場合でもレンズピッチは数百 マイクロメートル以上と粗く設定できる。 また、 ディスプレイデバイス 6 0 3 とマイクロレンズア レイ 7 1 0 との組み合わせ誤差が画素ピッチ 程度あっても実用上支障ない。

次に、 ディスプレイデバイスと微小な逆ガリ レオ式望遠鏡ュニッ ト と 最良観察点等との関係を数式をもって示す。 図 9に示すように、 デイ ス プレイデバイス 9 0 1 の表示面と最良観察点 9 0 2 との距離を Lと し、 デイスプレイデバイス 9 0 1 の表示面とマイク ロ凹レンズ 9 0 3 との距 離を Aと し、 マイクロ凹レンズ 9 0 3の焦点距離の絶対値を f 1 と し、 マイク ロ凸レンズ 9 0 4の焦点距離を f 2 と し、 マイクロ凸レンズ 9 0 4のディスプレイデバイス 9 0 1側の焦平面とマイクロ凹レンズ 9 0 3 との距離を Bと し、 マイクロ凸レンズ 9 0 4 と最良観察点 9 0 2 との距 離を Cと し、 マイク ロ凹レンズ 9 0 3の直径を Φ 1 と し、 マイクロ凸レ , ンズ 9 0 4の直径を Φ 2 と し、 観察者がクロス トーク妨害を受けること なくマイクロレンズァレイに対して平行移動できる観察可能領域の直径 を Φ 3 とすると、 以下の関係式が成り立つ。

A = f l X ( L - f 2 ) ÷ ί 2

Β = f 1 X ( L - f 2 ) ÷ L C= L + B -A- f 2

Φ 2 = ϋ Χ Φ ΐ ÷ ( L - A)

Φ 3 = C X (Φ ΐ - Φ 2 Χ Β ÷ ί 2 ) ÷ ( f 2 - B )

ただし、 ディスプレイデバイスの虚像は無限遠方にあるものと し、 観 察者が最良観察点から見たディスプレイデバイスの虚像と実物との視角 の比を 1 と し、 各レンズは薄いレンズと し、 各距離は空気換算距離と し た。

上記の式から、 <D l = f l と仮定し、 L = 6 0 mmで各マイクロレン ズ 9 0 3、 9 0 4の直径を 1 mm以下とすると、 観察可能領域 Φ 3は最 大で 1 5 mm程度となる。 また、 そのときマイクロレンズァレイはディ スプレイデバイスと最良観察点との略中間点に位置する。

さらに観察可能領域を拡げたり、 装置を小型化したい場合は、 マイク 口凹レンズアレイ とマイク ロ凸レンズアレイ との間に絞りアレイを挿入 すればよい。 すなわち、 図 1 0に示すよ うに、 見込角を大きく していく と、 隣のマイクロ凹レンズ 1 0 1 0の虚像がクロス トークと してマイク 口凸レンズ 1 0 2 0の射出光に混在するよ うになる。 そのため、 小型の へッ ドマゥンテツ ドディスプレイや自動車のへッ ドアップディスプレイ などでは必要な観察可能領域が確保できない場合が想定される。 図中の 1 0 3 1はク ロス トーク光、 1 0 3 2は正常光である。

そこで、 図 1 1、 図 1 2に示すよ うにマイクロ凹レンズアレイとマイ ク口凸レンズァレイとの間に絞りアレイ 1 1 0 1 を挿入することにより 隣のマイク ロ凹レンズからの光を遮断すれば、 ク ロス トークのない広い 観察領域を確保できる。 ただし、 その場合、 マイクロ レンズアレイのピ ツチを細かく して、 絞りアレイによる各レンズ毎の射出光の欠けを目立 たなくすると良い。

図 1 2は、 絞りアレイを揷入した行列状配列のマイク ロ レンズアレイ の分解図である。 また図示省略したが、 6角形のマイク ロ レンズを蜂の 巣状に配列したマイクロレンズアレイの場合は絞りアレイも当然蜂の巣 状の配列.となる。

たとえば、 先の計算では観察可能領域 Φ 3は最大で 1 5 m m程度であ つたが、 絞りを入れることによ り、 ク ロス トーク光が抑えられ、 観察可 能領域 Φ 3を 3 0 m m程度まで拡げることが可能になる。

図 7のようにディスプレイデバイスとマイク ロ レンズアレイとが平面 状の場合、 図 1 3のよ うな凹面上の構成に比べて画像の周辺部が収差の 影響を受けやすい。 この周辺部の収差を改善する方法と して、 各マイク 口レンズのレンズ面を トーリ ック面などの非球面にする方法が考えられ る。 一方、 非球面のレンズに比べて作製が容易な球面のレンズを使って 収差を抑える方法と して、 図 2 3のようにマイクロ レンズアレイ 2 3 0 1の各逆望遠鏡ュニッ トのマイクロ凹レンズとマイクロ凸レンズとにつ いて、 それぞれの曲率中心と最良観察点とをほぼ同一直線上に配置する とともに周辺部に行くに従って 2 レンズの間隔や曲率半径を観察者が見 込む見込角の余弦にほぼ反比例するように拡大させるという方法が考え られる。 ここで 2 レンズの曲率中心と最良観察点とを完全に同一直線上 に配置しない理由は、 完全に同一直線上に配置するとァオリの効果によ つて逆望遠鏡ュニッ トがっく る虚像の像面が実物のディスプレイデバイ ス 2 3 0 2の表示面に対して傾いてしま うので、 マイクロ凹レンズとマ イク口凸レンズとの位置関係を微調整して各逆望遠鏡がつく る虚像の像 面と実物のディスプレイデバイス表示面とを平行に合わせるためである c 前述したように、 図 1 3の構成ではディスプレイデバイス 1 3 0 1 と マイク ロ レンズアレイ 1 3 1 0 とを、 観察者 1 3 2 0から見て凹面状に 形成することにより広画角を実現している。 図 1 4は、 ディスプレイデ バイスと してプラスチック基板の L C Dまたは E L D 1 4 0 1 を柱面状 に曲げて構成したへッ ドマゥンテッ ドディスプレイの一例を示している このよ うに構成すれば、 観察者が円柱の軸に眼を置いて周方向に視線を 回転させた場合収差が一定した小さい値に抑えられるので、 周方向に延 びたパノラ ミ ックな映像を容易に生成することができる。 なお、 円柱面 状のマイク ロ レンズアレイを平面状のものを曲げて得るようにすれば、 マイク ロ レンズアレイの金型作製が容易になる。

また図 1 5に示すへッ ドマゥンテツ ドディスプレイ 1 5 0 1のよ うに, ディスプレイデバイスおよびマイクロレンズアレイを球面状に湾曲させ れば水平方向のみならず垂直方向に視線を回転させた場合でも収差が一 定した小さい値に抑えられるので、 全視野をおおう ような超広画角な画 像を表示することができる。 球面状のディスプレイデバイスと しては、 E L D (エレク トロルミネッセン トディスプレイ) が好適である。 すな わち、 E L Dは 1枚の基板上に形成する固体素子なので、 球面状に構成 することに原理上の問題はない。 一方、 L C Dを使う場合は、 平面状や 円柱面状の L C Dと光ファイバ一束とを組み合わせるなどして L C Dの 画像を球面状の画像に変換すればよい。

なお、 以上説明した画像表示装置の実施の形態では、 最良観察点にお けるディスプレイデバイスの虚像と実物との視角の比を 1程度と したが. 視角の比はこれに限定されるものではない。 たとえば、 図 2 1のよ うに 逆ガリ レオ式望遠鏡ュニッ トの凹レンズを周辺部にいくにしたがって各 ュニッ ト内で大きく偏心させ、 凹レンズアレイ 2 1 0 1の全体にフレネ ルレンズと同様のレンズ効果を加えることにより視角の比を大きくする ことができる。 このような構成の利点は、 ディスプレイデバイス 2 1 0 2の面積やディスプレイデバイス 2 1 0 2 とマイ ク ロ レンズアレイ 2 1 0 1 との距離を小さくでき画像表示装置を小型化できるということであ る。 本発明にかかるマイクロ レンズアレイは、 以上述べたヘッ ドマウンテ ッ ドディスプレイや望遠鏡以外にもさまざまなものに利用することがで きる。 たとえば、 図 1 6は、 画像表示装置に利用したものと同様のマイ クロレンズアレイ 1 6 0 1 をカメラの接近撮影用のァタツチメント レン ズと して用いた例を示している。 ただし、 この場合被写体はアタッチメ ン トレンズから適正な距離に置かれた奥行の少ないものとする。 また、 画像表示装置に利用したものと同様のマイク口レンズァレイ 1 6 0 1 は 望遠鏡等に取り付ける広視界の接眼鏡と しても使える。

さ らに、 本発明にかかるマイクロレンズアレイ 2 2 0 1は、 図 2 2に 示すよ うなパノラマカメラ 2 2 0 2のカメラレンズと しても使用するこ とができる。 従来の超広画角のパノラマカメラは、 レンズ部分を回転さ せながら 1枚の写真を撮影することで超広画角を実現している。 したが つて、 被写体が自動車のよ うに運動体だと変形されて撮影されてしま う とレヽぅ欠点があった。 本発明にかかるマイクロレンズアレイをカメラ レ ンズと して用いたパノラマカメ ラではレンズ部分を機械的に動かす必要 がないので簡易に構成でき、 しかも一瞬で超広画角のパノラマ撮影が完 了するので運動体でも変形することなく撮影できる。 なお、 図中の 2 2 1 0は絞りおよびシャッターであり、 2 2 1 1は感光フィルム面である c 一方、 このパノラマカメラと等価の光学系によってパノラマプロジェク ターを構成することもできる。 すなわち、 パノラマカメラの感光フィル ムのかわりにディスプレイデバイスを配置し、 被写体のかわり にパノラ マスク リーンを配置して、 ディスプレイデバイスを照明すればパノラマ スク リ ーン上にディスプレイデバイスの画像を拡大投射することができ る。

このほかに、 本発明にかかる画像表示装置は、 その一形態と して図 1

7に示すよ うに自動車の計器類やカーナビゲーシヨ ンディスプレイなど に利用することができる。 すなわち、 それぞれ垂直方向に母線をもつマ イク ロ凹シリ ン ドリ カルレンズアレイ 1 7 0 1 とマイク ロ凸シリ ン ドリ 力ノレレンズアレイ 1 7 0 2 とを組み合わせたマイクロレンズアレイ 1 7 0 0を自動車の計器類 1 7 1 0などの前面に配置した画像表示装置であ る。 これによれば、 ドライバ一は眼のピン トや輻輳を遠方に合わせたま ま計器類やカーナビゲーシヨンディスプレイを確認することができる。 ここで、 シリ ンドリカルレンズアレイを採用した理由は、 それが垂直断 面においてレンズ作用を持たないので、 垂直断面においてレンズ作用を もつ場合のよ うに ドライバーの眼の位置の上下方向への変動につれて虚 像が大きく上下してレンズ枠によってけられることがないからである。 従来のシリ ンドリカルレンズ単体を利用して同じ効果を得よう とする と、 そのレンズ作用のため虚像が横方向のみに拡大され、 円形のメータ 一がだ円形に見えたり、 カーナビゲーションディスプレイの画面が横方 向に引き延ばされて縦方向と横方向との画素密度がアンバランスになる などの問題があつたが、 本発明の画像表示装置では、 ドライバーが計器 やディスプレイデバイスを直に見たときの視角とマイクロレンズァレイ を介した虚像と して見たときの視角との比をほぼ 1にできるのでシリ ン ドリカルレンズ単体におけるような問題はおこらない。

なお、 ドライバーの横方向の観察可能領域を広く とるためには、 ディ スプレイデバイス とマイク ロ レンズアレイ とを数 1 0 c m離したり 、 マ イク 口 レンズアレイの、 マイク ロ凹シリ ン ドリ カノレレンズアレイ とマイ クロ凸シリ ンドリカルレンズアレイ との間に、 図 1 8に示すように、 光 を遮断する絞りや隔壁のアレイ 1 8 0 1 を挿入する設計が有効である。 も し、 ディスプレイデバイス 1 9 0 1 とマイ ク ロ レンズアレイ 1 9 0 2 との距離を十分にとれない場合は、 それらの間にフレネルレンズ 1 9

0 3等を揷入して見かけ上の距離を稼ぐと良い。 さらにハーフミラーや フロ ン トウィンドウ 1 9 0 4の透過 . 反射作用を利用すれば、 図 1 9に 示すように、 ドライバーが視線を前方に向けたまま本画像表示装置の画 像を車外の景色と重ね合わせて観察できるへッ ドアップディスプレイを 構成することができる。

次に、 微小なレンズと微小な偏角プリ ズムを有するレンズユニッ トで マイクロレンズアレイを構成する場合について説明する。 図 2 4は、 本 発明の第 1の実施の形態のマイクロ レンズアレイの基本的な構成を示し ている。

図 2 4 a に示すマイク ロ レンズアレイ 2 4 1 0のレンズュニッ ト 2 4 1 1は、 微小な偏角プリズムと微小な凸レンズとを連続的に構成したも のであり、 光の進路上にあるレンズュニッ トの一方の面が傾斜した平面 を成し、 もう一方の面が傾斜 (偏心) していない球面を成すものである t また、 図 2 4 bに示すマイク口 レンズアレイ 2 4 2 0のレンズュニッ ト 2 4 2 1は、 微小な凸レンズと微小な偏角プリズムとを一体的に構成 したものであり、 光の進路上にあるレンズユニッ トの一方の面が傾斜 ( 偏心) した球面を成し、 も う一方の面が傾斜 (偏心) していない球面を 成すものである。

図 2 5は、 本発明の実施形態 (A ) にかかるマイクロレンズアレイ 2

5 1 0における光の進路を示している。 各レンズュニッ ト 2 5 1 1は、 レンズの焦点距離やプリ ズムの偏角を調整して発散 (収束) や屈折を制 御することにより、 物平面 2 5 0 0上の 1点 Pからの放射光を、 共役な 像平面 2 5 0 1 上の虚像 P ' からの放射光へと変換する。 なお、 図示省 略したが実像を合成する構成も当然可能である。

本発明の実施形態 (A ) は、 先に説明した図 7や図 2 6等のマイク ロ レンズアレイ と基本的構成を同一にする。 図 7や図 2 6に示したものは 逆ガリ レオ式望遠鏡 2 6 1 1 (逆方向から見ればガリ レオ式望遠鏡) と なっている。 実施形態 (A) に示すものは、 図 7や図 2 6に示したマイ クロレンズアレイ 7 1 0 , 2 6 1 0の各逆ガリ レオ式望遠鏡ュニッ トの 望遠鏡と しての倍率を極限まで 1に近づけたものと等価である。

しかし一方、 望遠鏡と しての倍率が 1 のものは、 もはや望遠鏡や逆望 遠鏡とはいえないという立場にたつなら、 実施形態 (A) は、 図 7等に 示したマイクロ レンズァレイの一形態とはいえず、 それとは独立した技 術だということになる。 たとえば、 図 2 5 と図 2 6 とを比べた場合、 そ れらの違いは、 それぞれのレンズユニッ トの物平面 2 5 0 0、 2 6 0 0 側のレンズ面が物平面 2 5 0 0、 2 6 0 0側から見て凹面 2 6 1 2であ るかないかという外形的な違いと してあらわれている。

次に、 図 2 7に示す本発明の実施形態 (B ) および図 2 8に示す実施 形態 (C) について説明する。 本発明にかかるマイク ロ レンズアレイ 2 7 1 0 a、 2 7 1 0 b、 2 8 1 0 a、 2 8 1 0 b のレンズユニッ トそれ ぞれを低分散部分 2 7 1 1 a、 2 7 1 1 b、 2 8 1 2 a、 2 8 1 2 b と 高分散部分 2 7 1 2 a、 2 7 1 2 b、 2 8 1 1 a、 2 8 1 1 b と力、ら成 る組み合わせレンズユニッ ト 2 7 2 0 a、 2 7 2 0 b、 2 8 2 0 a、 2 8 2 0 b とすることにより色消しを達成するものである。 マイクロレン ズアレイ 2 7 1 0 a、 2 7 1 0 b、 2 8 1 0 a、 2 8 1 0 bに入射した 光束は、 組み合わせレンズユニッ ト 2 7 2 0 a、 2 7 2 0 b、 2 8 2 0 a、 2 8 2 0 bの第 1境界面 2 7 0 1 a、 2 7 0 1 b、 2 8 0 1 a、 2 8 0 1 b、 第 2境界面 2 7 0 2 a、 2 7 0 2 b、 2 8 0 2 a、 2 8 0 2 bそして第 3境界面 2 7 0 3 a、 2 7 0 3 b、 2 8 0 3 a、 2 8 0 3 b で発散 (収束) および屈折が制御される。

各組み合わせレンズュニッ トでは、 マイク ロ レンズァレイ全体の屈折 力が正であるか負であるかに応じて、 第 2境界面のマイクロ レンズァレ ィ中心から遠い側を、 低分散部分側か高分散部分側かに傾ける。 図 2 7 a に示す例では、 マイクロ レンズァレイ 2 7 1 0 a全体が正の屈折力を もっているので、 第 2境界面 2 7 0 2 aのマイク ロ レンズァレイ 2 7 1 0 a 中心から遠い側を、 低分散部分 2 7 1 1 a側に傾けている。 こ うす ることにより、 第 1境界面 2 7 0 1 a を通過するとき分散した長波長と 短波長との光束を第 2境界面 2 7 0 2 a において再び近づく ように屈折 し、 さらに、 第 3境界面 2 7 0 3 aで発散 (収束) および屈折を制御す ることによつて各波長の光束が同一の位置において同一の大きさの像を 結ぶようにして色消しを行う。

なお、 図 2 7では左から低分散部分、 高分散部分という順に配置され ているが、 図 2 8のように左から高分散部分、 低分散部分という順に配 置してもよい。 図 2 7に示した本発明の実施形態 (B) と図 2 8に示し た実施形態 (C) とのその他の違いは、 実施形態 (B) の組み合わせレ ンズュ二ッ ト 2 7 2 0 a、 2 7 2 0 bの望遠鏡と しての倍率は 1である のに対して、 実施形態 (C) の組み合わせレンズュニッ ト 2 8 2 0 a、 2 8 2 0 bは逆ガリ レオ式望遠鏡 (逆から見ればガリ レオ式望遠鏡) に なっているとレヽぅ点である。

また、 本発明の実施形態 (B) および (C) では、 組み合わせレンズ ュニッ ト毎にレンズ面の曲率と傾きとを設定できるので、 図 2 9に示す よ うな低分散の凸レンズ 2 9 1 1 と高分散の凹レンズ 2 9 1 2 とを組み 合わせた従来のァクロマー ト レンズ 2 9 1 0に比べて設計の自由度が多 く収差を抑えやすい。

次に、 本発明の実施形態 (D) と して本発明の実施形態 (A) 、 (B ) または (C) にかかるマイク ロ レンズアレイを接眼鏡と して用いた画 像表示装置について述べる。 なお、 マイクロ レンズアレイ以外の構造が 同一であることから図 7に基づいて説明する。 図 3 0 aや図 3 O bに示 すよ うに、 従来の凹面鏡方式ゃ自由曲面プリズム方式の画像表示装置で は光学系の外形寸法がディスプレイデバイス 3 0 0 0の 4倍以上の面積 をもつ凹面鏡 3 0 1 0によって規定される。 一方、 図 7に示すよ うに、 本発明にかかる画像表示装置 7 0 0では、 外形寸法がディスプレイデバ イス 6 0 3そのものによって規定される。 また、 本発明にかかる画像表 示装置では、 凹面鏡方式や自由曲面プリズム方式のようにディ スプレイ デバイス 6 0 3部分が側方へ張り出すことがない。 したがって、 本発明 にかかる画像表示装置 7 0 0は、 従来の凹面鏡方式ゃ自由曲面プリズム 方式に比べて 4倍程度の面積 (解像度) のディスプレイデバイスを使用 しても比較的小型軽量に構成することができる。

たとえば、 本発明にかかるへッ ドマゥンテッ ドディスプレイ 3 1 0 1 は、 図 3 1に示すよ うな小振りの眼鏡形状に構成することが可能である c 家庭や職場等の日常生活を営む場所では、 身近に注意を払うべき人物や 危険物が存在するので、 従来の両眼用のへッ ドマゥンテツ ドデイスプレ ィのように両眼を被うものは、 極めて限られた場合にしか使用できなか つた。 一方、 図 3 1に示すよ うなへッ ドマゥンテッ ドディスプレイは外 界とディスプレイとを交互に観察できるので、 日常生活を営むほとんど の場所で使用することができる。

本発明にかかるマイク ロ レンズアレイは、 以上述べたへッ ドマゥンテ ッ ドディスプレイ以外にもさまざまな光学系に利用することができる。 たとえば、 本発明にかかる逆ガリ レオ式望遠鏡の色消しレンズユニッ ト から成るマイク ロ レンズアレイ 3 2 1 0は、 図 3 2 a に示すよ うなルー ぺ 3 2 0 1に利用すれば、 色収差を抑えながら観察面 3 2 0 0 とマイク 口 レンズアレイ 3 2 1 0 との間隔を小さ くでき、 またマイク ロレンズァ レイ 3 2 1 0自体の重量も小さいので、 従来の図 3 2 bに示すようなル ーぺ 3 2 0 2に比べて格段に小型軽量なものとなる。

以上説明した実施の形態では、 レンズュニッ 卜の境界面を曲面や傾斜 面にすることによってレンズと偏角プリズムとを構成したが、 光学的に それと同等な作用を持つ回折格子や屈折率分布型の光学素子等を用いて レンズと偏角プリズムとを構成してもよレ、。 またマイクロレンズアレイ の各凸レンズや各凹レンズは、 正あるいは負の屈折力を持つ微小な組み 合わせレンズと してもよレ、。

さ らに、 図 3 3に示すよ うに、 マイク ロ レンズアレイ 3 3 0 0は、 高 分散部分 3 3 0 1 と低分散部分 3 3 0 2 との境界面 3 3 0 3を連続的な 曲面と した構成と してもよい。 このよ うな形態では、 レンズアレイ金型 の加工が容易である。 なお、 図 3 3に示したマイ ク ロ レンズアレイ 3 3 0 0は、 図 2 8 aに示したものに対応している。 産業上の利用可能性

本発明にかかるマイクロ レンズアレイを用いた望遠鏡では、 微小なガ リ レオ式望遠鏡を多数並列した構造をとつたので、 観察位置の制限が少 なく、 接眼レンズに眼を極端に接近させることなく 良好な視界をもった 正立像を観察できる。

また本発明にかかるマイクロレンズアレイを用いた画像表示装置では, ディスプレイデバイス側にマイクロ凹レンズァレイが向く よ うに微小な 逆ガリ レオ式望遠鏡を多数並列した構造をとつたので、 遠方に合成され るディスプレイデバイスの虚像と実物のディスプレイデバイスとの視角 の比を 1程度にでき、 しかも画像の各部を多数の逆ガリ レオ式望遠鏡ュ ニッ トで分担して表示するので、 高精細で広画角の画像を表示でき、 し かも小型軽量化が容易で、 へッ ドマゥンテッ ドディスプレイ等に好適な 画像表示装置となる。 さらに高分散部分と低分散部分とを組み合わせた ものでは、 色収差を低減することができる。

またレンズュニッ トそれぞれがレンズと偏角プリズムとから成るマイ クロレンズアレイでは、 レンズユニッ ト毎に光束の発散 (収束) や屈折 や色消しを調整できるので、 中心部から周辺部に至るまで諸収差の少な い像を合成することができる。 したがって、 当該マイクロ レンズアレイ を接眼鏡と して用いた画像表示装置は、 小型軽量でありながら広画角で 高精細な画像を表示することができる。

Claims

請求の範囲
1. 微小な凸レンズと微小な凹レンズとから成る微小なガリ レオ式望遠 鏡 (4 1 3 ) または微小な逆ガリ レオ式望遠鏡 ( 6 0 0 ) を多数 2次元 に並列させたマイク ロ レンズアレイであって、
前記微小なガリ レオ式望遠鏡 (4 1 3 ) のそれぞれまたは前記微小な 逆ガリ レオ式望遠鏡 ( 6 0 0 ) のそれぞれの前記微小な凸レンズの光軸 と前記微小な凹レンズの光軸とを一致あるいは偏心させることにより、 前記微小なガリ レオ式望遠鏡 (4 1 3 ) のそれぞれまたは前記微小な逆 ガリ レオ式望遠鏡 ( 6 0 0 ) のそれぞれによって形成される同一の対象 物体に対応する各虚像あるいは各実像の同一対応部分同士が同一の位置 において同一の大きさで一致して重なり合うようにして、
前記マイク ロ レンズァレイ全体で前記同一の対象物体に対応する一つ の虚像あるいは一つの実像を合成することを特徴とするマイクロレンズ アレイ。
2. 前記微小なガリ レオ式望遠鏡 (4 1 3 ) または前記微小な逆ガリ レ ォ式望遠鏡 ( 6 0 0 ) のュニッ トのそれぞれを光を吸収する隔壁 (4 1 4 ) で仕切ったことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のマイクロ レ ンズアレイ。
3. 前記微小なガリ レオ式望遠鏡 (4 1 3 ) または前記微小な逆ガリ レ ォ式望遠鏡 ( 6 0 0 ) を構成する凸レンズと凹レンズとの間に絞り ( 1 1 0 1 ) を有することを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のマイク口 レンズアレイ。
4. マイク ロ凸レンズアレイ ( 2 2、 4 1 2、 7 1 2等) とマイク ロ凹 レンズアレイ ( 2 1、 4 1 1、 7 1 1等) とを同一透明基板の表裏に形 成することによ り前記微小なガリ レオ式望遠鏡 ( 4 1 3 ) のアレイまた は前記微小な逆ガリ レオ式望遠鏡 ( 6 0 0 ) のアレイを一体と したこと を特徴とする請求の範囲第 1項に記載のマイクロ レンズアレイ。
5. 前記微小なガリ レオ式望遠鏡 (4 1 3 ) のアレイまたは前記微小な 逆ガリ レオ式望遠鏡 ( 6 0 0 ) のアレイの表裏に形成された前記微小な 凸レンズのアレイ と前記微小な凹レンズのァレイ とを互の母線が平行な 関係にある凸シリ ン ドリ カルレンズアレイ ( 1 7 0 2 ) と凹シリ ン ドリ カルレンズァレイ ( 1 7 0 1 ) にすることにより、 前記マイクロレンズ アレイのレンズ作用を前記凸シリ ン ドリ カルレンズアレイ ( 1 7 0 2 ) および前記凹シリ ン ドリ カルレンズアレイ ( 1 7 0 1 ) の母線と垂直な 断面に限定したことを特徴とする請求の範囲第 1項、 第 2項、 第 3項ま たは第 4項に記載のマイクロレンズアレイ。
6. 前記微小なガリ レオ式望遠鏡 ( 2 8 2 0 b ) と前記微小な逆ガリ レ ォ式望遠鏡 ( 2 8 2 0 a ) とは、 低分散部分 ( 2 8 1 2 a、 2 8 1 2 b ) と高分散部分 ( 2 8 1 1 a、 2 8 1 1 b ) とを接合させて成る組み合 わせレンズユニッ ト ( 2 8 2 0 a , 2 8 2 0 b ) と し、
前記マイクロレンズアレイ ( 2 8 1 0 a ) が全体と して正の屈折力を 有する場合、
前記組み合わせレンズユニッ ト ( 2 8 2 0 a ) それぞれについて前記 低分散部分 ( 2 8 1 2 a ) と前記高分散部分 ( 2 8 1 1 a ) との境界面 の傾きが、 前記マイク ロ レンズアレイ ( 2 8 1 0 a ) の中心から遠い側 で、 前記低分散部分 ( 2 8 1 2 a ) 側へと傾く よ うに設定し、
前記マイクロレンズアレイ ( 2 8 1 0 b ) が全体と して負の屈折力を 有する場合、
前記組み合わせレンズユニッ ト ( 2 8 2 0 b ) それぞれについて前記 低分散部分 ( 2 8 1 2 b ) と前記高分散部分 ( 2 8 1 1 b ) との境界面 の傾きが、 前記マイク 口 レンズァレイ ( 2 8 1 0 b ) の中心から遠い側 で、 前記高分散部分 ( 2 8 1 1 b ) 側へと傾く よ うに設定することによ り、 色収差を低減することを特徴とする請求の範囲第 1項、 第 2項、 第 3項、 第 4項または第 5項に記載のマイ ク ロ レンズアレイ。
7 . 請求の範囲第 1項、 第 2項、 第 3項、 第 4項、 第 5項または第 6項 に記載のマイク 口 レンズァレイの前記微小な凹レンズのァレイの側にデ イスプレイデバイス ( 6 0 3、 9 0 1等) を配置し、
前記マイ ク 口 レンズァレイの前記微小な凸レンズのァレイの側に観察 位置を設定することにより、
前記ディスプレイデバイス ( 6 0 3、 9 0 1等) の虚像を前記ディス プレイデバイス ( 6 0 3、 9 0 1等) に対して遠方に合成して表示する ことを特徴とする画像表示装置。
8 . 請求の範囲第 7項に記載の画像表示装置一対を観察者の左右の眼の それぞれに対応させて配置することによ り、 両眼用のヘッ ドマウンテツ ドディスプレイ ( 1 4 0 1、 1 5 0 1 ) と したことを特徴とする画像表 示装置。
9 . 前記ディスプレイデバイスの表示面および前記マイク 口 レンズァレ ィを観察者側から見て凹面状に形成したことを特徴とする請求の範囲第 7項または第 8項に記載の画像表示装置。
1 0 . 請求の範囲第 1項、 第 2項、 第 3項、 第 4項、 第 5項または第 6 項に記載のマイクロレンズアレイの前記微小な凸レンズのアレイの側を 観察対象の物体のある側と し、
前記マイク 口 レンズァレイの前記微小な凹レンズのァレイの側に観察 位置を設定することによ り、
前記観察対象の物体の虚像あるいは実像を合成することを特徴とする 望遠鏡。
1 1 . 微小なレンズと微小な偏角プリズムとを有するレンズユニッ ト ( 2 5 1 1 ) であって、 前側焦点と後側焦点とのいずれもが前記レンズュ ニッ ト ( 2 5 1 1 ) の外側に位置しかつ望遠鏡と しての倍率が 1 のもの を多数 2次元に並列させたマイクロ レンズアレイ ( 2 5 1 0 ) であって、 前記微小なレンズによつて結像を行いかつ前記微小な偏角プリズムに よって光束の屈折を行う ことにより、 前記レンズュニッ ト ( 2 5 1 1 ) それぞれによって形成される同一の対象物体 ( 2 5 0 0 ) に対応する各 虚像あるいは各実像の同一対応部分同士が同一の位置において同一の大 きさで一致して重なり合う よ うにして、
前記マイク ロ レンズアレイ ( 2 5 1 0 ) 全体で前記同一の対象物体 ( 2 5 0 0 ) に対応する一つの虚像あるいは一つの実像を合成するこ とを 特徴とするマイクロ レンズアレイ。
1 2. 前記レンズュニッ ト ( 2 5 1 1 ) を、 低分散部分 ( 2 7 1 1 a, 2 7 1 1 b ) と高分散部分 ( 2 7 1 2 a , 2 7 1 2 b ) とを接合させて 成る組み合わせレンズユニッ ト ( 2 7 2 0 a, 2 7 2 0 b ) と し、 前記マイクロ レンズアレイ ( 2 7 1 0 a ) が全体と して正の屈折力を 有する場合、
前記組み合わせレンズユニッ ト ( 2 7 2 0 a ) それぞれについて前記 低分散部分 ( 2 7 1 1 a ) と前記高分散部分 ( 2 7 1 2 a ) との境界面 の傾きが、 前記マイク口レンズァレイ ( 2 7 1 0 a ) の中心から遠い側 で、 前記低分散部分 ( 2 7 1 1 a ) 側へと傾く よ うに設定し、
前記マイクロ レンズアレイ ( 2 7 1 0 b ) が全体と して負の屈折力を 有する場合、
前記組み合わせレンズユニッ ト ( 2 7 2 0 b ) それぞれについて前記 低分散部分 ( 2 7 1 1 b ) と前記高分散部分 ( 2 7 1 2 b ) との境界面 の傾きが、 前記マイクロレンズアレイ ( 2 7 1 0 b ) の中心から遠い側 で、 前記高分散部分 ( 2 7 1 2 b ) 側へと傾く よ うに設定することによ り、 色収差を低減することを特徴とする請求の範囲第 1 1項に記載のマ イ ク 口 レンズア レイ。
1 3 . ディスプレイデバイスと請求の範囲第 1 1項または第 1 2項に記 載のマイクロ レンズアレイ とから成る画像表示装置であって、
前記マイク口 レンズアレイを接眼鏡と して用いることによ り、 前記ディスプレイデバイスの虚像を前記ディスプレイデバイスに対し て遠方に合成して表示することを特徴とする画像表示装置。
1 4 . 前記画像表示装置一対を観察者の左右の眼のそれぞれに対応させ て配置することにより、 両眼用のヘッ ドマウンテッ ドディスプレイ ( 3 1 0 1 ) と したことを特徴とする請求の範囲第 1 3項に記載の画像表示
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