JP6977865B2 - 画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像情報を虚像として使用者の眼前に表示する画像表示装置に関し、さらに詳しくは、光束（射出瞳）を拡大するライトガイドを用いた画像表示装置に関する。本発明に係る画像表示装置は、ヘルメットマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、眼鏡型ディスプレイ（いわゆるスマートグラス）などの画像表示装置に好適である。

自動車や電車では、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの表示素子に表示された画像をフロントガラスやコンバイナに投影して運転者側に反射させることにより、運転者の眼前に虚像による表示画像を形成するヘッドアップディスプレイが使用されている。また、航空機では、同様の仕組みにより、操縦者が頭部に着用するヘルメットに設けられたコンバイナに画像を投影し、操縦者の眼前に虚像による表示画像を形成するヘルメットマウントディスプレイが使用されている。また最近では、スマートグラス等と呼ばれる眼鏡型、或いは頭部装着型のヘッドマウントディスプレイも普及し始めている。

こうした画像表示装置には観察者の眼前に虚像を表示する光学系として様々な方式のものが知られているが、その一つとして、ライトガイド（導光板）を用いた方式がある。これは、特許文献１〜３などに記載されているように、画像形成部とコリメート光学系とで形成した画像情報を含む断面積の小さな光束を略矩形平板状であるライトガイドに導入し、該ライトガイドによって光束を拡大して表示するものである。以下の説明では、こうしたライトガイドを利用した画像表示装置を単に画像表示装置という。

図２は従来の画像表示装置の一例における光路構成を示す概略図である。この概略図は表示される画像を観察している観察者を真横から見た状態を想定した図であり、説明の便宜上、図中に示すように互いに直交するｘ、ｙ、ｚ軸を定めている。

画像表示装置２は、光源部２１、表示素子２２、コリメート光学系２３、及びライトガイド２０を備える。表示素子２２は透過型液晶表示素子であり、光源部２１はいわゆる透過型液晶表示素子に対するバックライト光源である。光源部２１から出射した光は表示素子２２を背面側から照明し、表示素子２２の表示面上に形成された画像を情報として含む光が該表示素子２２から射出される。コリメート光学系２３は、表示素子２２の表示面の各点（画素）から射出された画像光をそれぞれ略平行な光束としてライトガイド２０に導入する。したがって、コリメート光学系２３からライトガイド２０に導入される光は、それぞれが表示素子２２の表示面上に形成される画像の異なる部位の情報を含み、異なる角度でライトガイド２０に入射する平行光束の集合である。

ライトガイド２０は、ｙ−ｚ平面に平行な第一面２００ａ及び第二面２００ｂ、ｘ−ｙ平面に平行な図示しない第三面及び第四面を有する偏平立方体形状である透明な基板２００を備える。その基板２００の内部に一つの入射側反射面２０１と複数（この例では５枚）の射出側反射面２０２ａ〜２０２ｅが形成されている。入射側反射面２０１は第三面及び第四面に垂直であり、第一面２００ａ及び第二面２００ｂに対して傾斜している。複数の射出側反射面２０２ａ〜２０２ｅは同様に第三面及び第四面に垂直であり、第一面２００ａ及び第二面２００ｂに対して傾斜しており、且つそれらは互いに平行である。また、入射側反射面２０１はミラー等による反射面であり、射出側反射面２０２ａ〜２０２ｅは所定の反射率を有する部分反射面つまりはピームスプリッタである。

上述したようにコリメート光学系２３からライトガイド２０に導入された画像情報を含む光束は、入射側反射面２０１で反射されたあと第一面２００ａと第二面２００ｂとで一若しくは複数回反射しながら基板２００の内部を透過し、射出側反射面２０２ａに達する。射出側反射面２０２ａは到達した光束の一部を反射させ、残りを透過させる。透過した光は次の射出側反射面２０２ｂに到達し、その光束の一部は反射され、残りは透過する。射出側反射面２０２ｃ〜２０２ｅも同様である。したがって、ライトガイド２０の基板２００の内部を透過してきた光束は複数の射出側反射面２０２ａ〜２０２ｅでそれぞれ反射され、基板２００の第一面２００ａを透過して外部に射出する。各射出側反射面２０２ａ〜２０２ｅで反射された光はそれぞれ所定の角度で観察者の眼Ｅに入射する。

このようにしてこの画像表示装置２は、表示素子２２の表示面に形成された画像を情報として含む光を平行光化し、その平行光束を拡大して観察者に提供する。また、ライトガイド２０の基板２００は透明であり、射出側反射面２０２ａ〜２０２ｅは部分反射面であるため、観察者はライトガイド２０を通して前方の景色を視認することもできる。

このようなライトガイドを用いたシースルー型の画像表示装置はコンパクトで軽量であるという特長を有する。しかしながら、この画像表示装置は、ライトガイドを用いない、例えば反射ミラーやレンズ系等を用いてコンバイナに画像を投影するような画像表示装置に比べて光学設計が難しいという問題がある。

即ち、こうした画像表示装置では、観察者から見たときの視野角（画角）が装置の仕様として決められるため、まず、その仕様を満たすようにライトガイドの光学的な設計が行われる。それにより、ライトガイドに導入される光束のサイズが決まるから、これに適合するようにコリメート光学系が設計される。図２に示すような１軸方向にのみ光束を拡大させるライトガイドを用いた場合、このライトガイドに導入される光束のサイズは、その光束を拡大させる方向（ｙ軸方向）には小さくなるものの、光束を拡大させない方向（ｚ軸方向）にはライトガイドを用いない光学系と比較して大きくなり、これが光学系の設計を難しくする原因となる。コリメート光学系は、射出される平行光のサイズと表示素子からの入射光の拡がり角度やそのサイズとに応じて設計されるが、装置のコストを抑えるには表示素子として入手容易である決まったサイズのものを使用する必要があり、その選択肢は必ずしも多くない。また、必要な解像度を得るために表示素子の画素数にも制約があるため、表示素子の選択の幅はさらに一層狭くなる。そのため、表示素子の選択の幅はかなり狭く、こうした限られた条件の下でコリメート光学系を設計しようとしても十分な性能が得られにくくなる。

特許第５４４７７１４号公報 特許第５２９９３９１号公報 特許第５６９８２９７号公報

「3. プレゼンテーション用映像機器」、［online］、ウシオ電機株式会社、［平成２９年１２月２５日検索］、インターネット＜URL: https://www.ushio.co.jp/jp/technology/lightedge/200007/100221.html＞

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、ライトガイドを用いたシースルー型の画像表示装置において、光学系の設計の難易度を下げることによって高い性能を維持しつつ装置コストを抑えることができる画像表示装置を得ることを主たる目的としている。

上記課題を解決するために成された本発明に係る画像表示装置は、
a)画像表示部及び投射光学系を有し、前記画像表示部から発せられた画像を含む光を前記投射光学系により拡大して射出するプロジェクション光学系と、
b)前記プロジェクション光学系からの光の照射により画像が形成されるリア透過型のスクリーンと、
c)前記スクリーンからの透過光を平行光束に変換するコリメート光学系と、
d)前記コリメート光学系による平行光束を透明である基板の内部で全反射し、該基板の内部又は表面に設けた複数の部分反射面でそれぞれ一部の光を反射させ残りの光を透過させることで、平行光束を拡大させ外部に射出するライトガイドと、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る画像表示装置では、画像形成部として小型のプロジェクション光学系とスクリーンとを用いる。スクリーンに画像を投射するプロジェクション光学系には様々な構成、或いは様々な方式のものがあるが、いずれにしても例えば投射光学系とスクリーンとの間の距離などを調整することで、任意のサイズ（画角）の画像をスクリーンに投影することができる。このスクリーンから表示画像を含む光が発しているとみなすことができるから、コリメート光学系の設計上の要求に合わせてスクリーン上の画像のサイズなどを調整すればよい。

本発明に係る画像表示装置によれば、コリメート光学系に導入される光を発する実質的な画像表示面のサイズの自由度が増すので、ライトガイドに適したコリメート光学系の設計が容易になる。それによって、装置のコストを抑えることができるとともに、光学性能やレイアウトの自由度の高い設計を実現し、例えば歪み等のない良好な画像を表示するこことが可能な画像表示装置をヘルメット上に配置することができる。

本発明の一実施例である画像表示装置における光学系の概略構成図。 従来の画像表示装置の一例における光学系の概略構成図。

本発明の一実施例である画像表示装置について、添付図面を参照して説明する。
図１は本実施例の画像表示装置における光学系の概略構成図である。図１はすでに説明した図２と同様に、画像の観察者を真横から見た状態を想定した図である。
本実施例の画像表示装置１は、プロジェクション光学系１１、スクリーン１２、コリメート光学系１３、及びライトガイド１０を備える。

ライトガイド１０は図２におけるライトガイド２０と基本的に同じもの（ただし、サイズ等のパラメータは同一である必要はない）であり、ｙ−ｚ平面に平行な第一面１００ａ及び第二面１００ｂ、ｘ−ｙ平面に平行な図示しない第三面及び第四面を有する偏平立方体形状である透明な基板１００を備える。基板１００は例えばポリカーボネート樹脂や石英ガラスなどから成る。基板１００の内部に一つの入射側反射面１０１と複数の射出側反射面１０２ａ〜１０２ｅが形成されている。入射側反射面１０１は第三面及び第四面に垂直であり、第一面１００ａ及び第二面１００ｂに対して傾斜している。複数の射出側反射面１０２ａ〜１０２ｅは同様に第三面及び第四面に垂直であり、第一面１００ａ及び第二面１００ｂに対して傾斜しており、且つそれらは互いに平行である。入射側反射面１０１はミラー等による反射面であり、射出側反射面１０２ａ〜１０２ｅは所定の反射率を有する部分反射面である。

プロジェクション光学系１１は小型のリア液晶プロジェクタであり、ＬＥＤ、レーザなどによる光源部１１０、液晶表示素子、蛍光表示管、或いはＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）ミラー素子などである表示素子１１１、及び投射光学系１１２を含む。表示素子１１１として液晶表示素子が用いられる場合、図示しない外部の電気回路から供給される信号によって表示素子１１１の表示画面上に形成される画像を含む光（以下、画像光という）は投射光学系１１２により適宜の倍率に拡大されてプロジェクション光学系１１から射出される。

スクリーン１２はリア透過型のスクリーンであり、プロジェクション光学系１１から射出された画像光がスクリーン１２に投影される。そして、スクリーン１２を透過した画像光はそのままコリメート光学系１３に導入される。この拡散光である画像光はコリメート光学系１３により平行光に変換されライトガイド１０に導入される。スクリーン１２上での画像のサイズは表示素子１１１の表示画面のサイズに依存せず、プロジェクション光学系１１の光路構成のほか、プロジェクション光学系１１とスクリーン１２との距離などによって調整可能である。したがって、スクリーン１２上での画像のサイズはコリメート光学系１３の特性に応じて適宜に定めればよい。

コリメート光学系１３により平行光化されてライトガイド１０に導入された画像光は、入射側反射面１０１で反射されたあと第一面１００ａと第二面１００ｂとで一若しくは複数回反射しながら基板１００の内部を透過し、射出側反射面１０２ａに達する。射出側反射面１０２ａは到達した光束の一部を反射させ、残りを透過させる。透過した光は次の射出側反射面１０２ｂに到達し、その光束の一部は反射され、残りは透過する。射出側反射面１０２ｃ〜１０２ｅも同様である。したがって、ライトガイド１０の基板１００の内部を透過してきた光束は複数の射出側反射面１０２ａ〜１０２ｅでそれぞれ反射され、基板１００の第一面１００ａを透過して外部に射出する。そして、各射出側反射面１０２ａ〜１０２ｅで反射された光はそれぞれ所定の角度で観察者の眼Ｅに入射する。この拡大された画像情報を含む平行光によって、観察者の眼前には，射出瞳が広い状態で画像が虚像として表示される。

なお、ライトガイド１０は上記構成に限るものではなく、上記特許文献１〜３を始めとする従来のライドガイドを用いた画像表示装置で使用されている、ホログラム面を使用したライトガイドや１軸方向だけでなく２軸方向に光束を拡大するライトガイド等の各種ライトガイドを代わりに用いることができる。
また、プロジェクション光学系１１についても、例えば非特許文献１に記載のような、従来から知られている様々な構成、或いは方式のプロジェクタを代わりに用いることができる。

一般的には、コンパクト性が重視されるヘッドアップディスプレイでは、上記実施例のような単板式の透過型液晶プロジェクションの構成又は表示素子を一つのみ使用した反射型液晶プロジェクションの構成が適当である。また、より高い輝度が必要であるヘッドアップディスプレイでは、３板式の透過型液晶プロジェクションの構成又は表示素子を三つ使用した反射型液晶プロジェクションの構成が適当である。もちろん、画像はモノクロでもカラーでもよい。

さらにまた、上記実施例は本発明の一例にすぎず、上記記載の変形例にとどまらず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

１…画像表示装置
１０…ライトガイド
１００…基板
１００ａ…第一面
１００ｂ…第二面
１０１…入射側反射面
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ…射出側反射面
１１…プロジェクション光学系
１１０…光源部
１１１…表示素子
１１２…投射光学系
１２…スクリーン
１３…コリメート光学系
Ｅ…観察者の眼

Claims (1)

1. a)画像表示部及び投射光学系を有し、前記画像表示部から発せられた画像を含む光を前記投射光学系により拡大して射出するプロジェクション光学系と、
   b)前記プロジェクション光学系からの光の照射により画像が形成されるリア透過型のスクリーンと、
   c)前記スクリーンからの透過光を平行光束に変換するコリメート光学系と、
   d)前記コリメート光学系による平行光束を透明である基板の内部で全反射し、該基板の内部又は表面に設けた複数の部分反射面でそれぞれ一部の光を反射させ残りの光を透過させることで、平行光束を拡大させ外部に射出するライトガイドと、
   を備えることを特徴とする画像表示装置。

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