アイリス面空間結像制御型画像表示装置
【課題】 挟視野角の表示装置を提供することにより、必要以上の広い視野角を持つことによるエネルギーの無駄をなくし、以て省エネに貢献する。
【解決手段】物体面、結像面、レンズ面の三つの面を有する基本結像系の物体面には、少なくとも角度的に均一な光強度を実現するホモジェナイザー４の出力面に位置し物体面とレンズ面との距離ａとほぼ等しい焦点距離ｆ１を有するレンズ８が配置され、レンズ面の焦点距離ｆ２のレンズ１０のレンズ面又はその近傍に光拡散特性の少ない透過型光変調手段１２が配置され、レンズ面から下記の等式を満たす距離ｂ離間した位置に結像面が位置されるようにしてなる。
等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
【解決手段】物体面、結像面、レンズ面の三つの面を有する基本結像系の物体面には、少なくとも角度的に均一な光強度を実現するホモジェナイザー４の出力面に位置し物体面とレンズ面との距離ａとほぼ等しい焦点距離ｆ１を有するレンズ８が配置され、レンズ面の焦点距離ｆ２のレンズ１０のレンズ面又はその近傍に光拡散特性の少ない透過型光変調手段１２が配置され、レンズ面から下記の等式を満たす距離ｂ離間した位置に結像面が位置されるようにしてなる。
等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察者の画像視認位置という限られた狭い領域にのみ画像を送ることが可能であって、その領域外に画像を送ることによる無駄な電力消費を回避して省エネを図ることができるアイリス面空間結像制御型画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種表示装置は、一般に、一つの表示画像を、表示画面に対して互いに異なる角度に位置する多くの観察者に対して視認できるようにするようにしている。即ち、比較的広視野角で解像度を高く、コントラクトも良好にすることが、基本的設計思想であり、その広視野角実現のため拡散手段（例えば拡散フィルム）を用いたものが多かった。
【０００３】
特開２００７−１８３４９８号（特許文献１）にはそのような拡散フィルムや投射システムが紹介されており、図５はそのような拡散フィルムの一例を示すものである。同図（ａ）〜（ｃ）は同じ角度で一つのレンズ（入射側レンズ）に入射した光はそれぞれその角度に対応した位置に集光し、そして、その各位置に集光した光は上記レンズの焦点位置に配置された別のレンズ（出射側レンズ）にてある角度範囲で拡散される原理を示している。（ｄ）はその上記二つのレンズを一体化した拡散フィルムの断面図である。
【０００４】
このような拡散フィルムを駆使することによって、入射側のレンズの働きにより入射角度に応じた位置に集光した画像を構成する光を、出射側のレンズのある範囲で拡散させることができるので、その拡散角度範囲に位置する観察者全員に画像を視認させることができる。
従って、このような拡散フィルムを視野角拡大に用いた表示装置は、その拡散角度を適宜に設定することにより広い角度範囲に渡って視認ができるようにし、以て、広視野角を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１８３４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、表示装置には、広視野角であることが要求されるものだけがあるわけではない。つまり、狭視野角であっても差し支えないものもある。
例えば、旅客機等の各客席毎に設けられるテレビジョン用ディスプレイ、或いは個人向け小型テレビジョン、パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末等のディスプレイがそれである。
【０００７】
これ等のディスプレイは、基本的に、それを観るのは一人であり、その人のみが視えれば良いものである。極論すれば、その一人の人間の両眼が存在する狭い領域に対してのみ画像光を送ることができれば良いと言える。
しかしながら、そのような狭視野角でも良いディスプレイであっても、最小限必要な視野角よりも相当に広い視野角を有するのが普通であり、従来、視野角を広くする技術開発は盛んに行われてきたが、不必要に視野角を広めることがないように視野角を狭めるという技術開発は行われてこなかった。
【０００８】
というのは、必要以上に視野角を広めることは無駄な電力消費をもたらし、省エネの精神に反するという認識が表示装置の開発技術分野に存在しなかったからである。
元来、表示装置がそれに要求される視野角よりも広い視野角を有するとすると、その広い分、無駄に画像を出力していることになる。
例えば、一人の人間の両眼に画像を出力できれば良いのに、数人乃至数十人乃至数百人の人間が同時に視認できる領域に画像を出力する特性を有しているとすると、その数人乃至数十人乃至数百人マイナス１人が視認できる領域への画像出力はまったくの無駄になるのである。これは、当然に、画像表示をするために作り出す光の無駄等を生み出し、そのために消費されるエネルギーの無駄をもたらす。
【０００９】
このような無駄の存在には多くの技術者が気づいていないが、本願の発明者は、東日本大震災による福島原発事故によって計画停電の実施、大企業への節電の法制化、小企業、一般家庭への節電の要請等の事態を生じ、表示装置の視野角が必要以上に広いことによる無駄な電力消費に気づき、そのような無駄を無くす必要を認識するに至った。
そして、本願発明者は、その無駄をなくすべく思考し、実験を重ね、本発明を為すに至った。
即ち、本発明は、挟視野角の表示装置を提供することにより、必要以上の広い視野角を持つことによるエネルギーの無駄をなくし、以て省エネに貢献することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、物体面、レンズ面、結像面の三つの面を有する基本結像系からなり、上記物体面には、角度的に、又は角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現するホモジェナイザーの出力面とその出力面に位置し上記物体面とレンズ面の距離ａとほぼ等しい焦点距離ｆ１を有するレンズが配置され、上記レンズ面の焦点距離ｆ２のレンズのレンズ面又はその近傍に光拡散性のない又は少ない透過型光変調手段が配置され、上記レンズ面から下記の等式を満たす距離ｂ離間した位置に結像面が位置されたことを特徴とする。
等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
【００１１】
請求項２のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、物体面、レンズ面、結像面の三つの面を有する基本結像系からなり、上記物体面には、角度的に、又は角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現するホモジェナイザーの出力面とその出力面に位置し焦点距離ｆ１を有するレンズが配置され、上記レンズ面の焦点距離ｆ２の非軸非球面フレネル反射鏡のレンズ面又はその前側近傍に光拡散性のない又は少ない透過型光変調手段が配置され、上記レンズ面から距離ｂ離間した位置に結像面が位置され、上記物体面から上記レンズ面に至る距離が上記レンズの焦点距離ｆ１とほぼ等しいａであり、上記ａ、ｂ及び上記焦点距離ｆ２との間に下記の等式が略成立することを特徴とする。
等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
【００１２】
請求項３のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、請求項１又は２のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、入射角無依存のトップハット的拡散特性を有する内部屈折率分布型の拡散フィルムを一又は複数枚重ねたものをホモジェナイザーとしたことを特徴とする。
請求項４のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、請求項１、２又は３のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、前記ホモジェナイザーとしてフライアイレンズ２枚又はレンチキュラーレンズ２枚を互いにレンズの焦点距離だけ離して設置したレンズの組を二組互いに直交させたものを用いることを特徴とする。
【００１３】
請求項５のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、請求項１、２、３又は４に記載のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、前記焦点距離ｆ１のレンズの有効径内に複数のホモジェナイザー出力面をアレイ状（一次元又は二次元）に配置されるようにしたことを特徴とする。
請求項６のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、請求項１、３、４又は５に記載のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、前記透過型光変調手段が前記レンズ面から前記物体面側に、前記レンズ焦点距離ｆ２以内の距離を置いて設置されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、透過型光変調手段として拡散特性を有するものを用いないので、画像光を拡散することを抑制し、視野角を狭くすることが可能である。
実施態様により異なるが、視野角を立体角で数百分の１、更には数千分の１、更には数万分の１、また更に数１０万分の１にすることもでき、顕著な省エネに貢献できる。
更に、光を拡散させないようにするので、外光も拡散しないで通り抜けるようにすることができ、外光による悪影響を顕著に低減することができる。
【００１５】
請求項２のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、レンズ面のあるものとして非軸非球面フレネル反射鏡を用いるので、物体面からの光を非軸非球面フレネル反射鏡のレンズ面に対してそれより斜め前側から照射し、そのレンズ面の前側にて光変調手段により変調し、アイリス面に結像することができる。
従って、フロント型のアイリス面空間結像制御型画像表示装置を提供することができる。勿論、視野角を狭くすることができること、外光による悪影響を顕著に低減できることは、請求項１のアイリス面空間結像制御型画像表示装置と同様である。
【００１６】
請求項３のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、入射角無依存のトップハット的拡散特性を有する内部屈折率分布型の拡散フィルムをホモジェナイザーとして用いることで、ロッドライクインテグレータを使わなくても角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現でき、ホモジェナイザーの小型化が容易に可能となる。
請求項４のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、ホモジェナイザーとしてフライアイレンズ２枚又はレンチキュラーレンズ２枚を互いにレンズの焦点距離だけ離して設置したレンズの組を二組互いに直交させたものを用いたので、光強度を角度的に均一にでき、角度的に均一な光強度を実現でき、画面の周辺部が中央部よりも暗くなるという画像の品位低下を回避することができる。
【００１７】
請求項５のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、１、２、３又は４に記載のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、前記焦点距離ｆ１のレンズの有効径内に複数のホモジェナイザー出力面をアレイ状（一次元又は二次元）に配置されるようにしたので、空間に結像する位置を複数箇所とすることができる。
そして、デジタルカメラ等の分野で普及している顔認識システムやアイトラッキンングに関する既知の技術によって、観測者の位置を検出し、検出した観察者に対応する光源のみをオンする（点灯させる）ことにより、必要なエリアには画像表示をするが、観察者がおらず、従って画像表示を必要としないエリアには画像表示をしないようにすることができる。
以て、画像表示可能なエリアを増やしつつ、画像表示に費やすエネルギーに無駄が生じないようにすることができる。
【００１８】
請求項６のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、透過型光変調手段をレンズ面から物体面側にそのレンズの焦点距離ｆ２以内ずれたところに位置させたので、観察者側からは透過型光変調手段による虚像をレンズ（焦点距離ｆ２のレンズ）により拡大して視認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第１の実施例を示す斜視図である。
【図２】図１の実施例の省エネ効果の説明図である。
【図３】本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第２の実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第３の実施例を示す斜視図である。
【図５】従来において広視野角実現のため拡散手段（例えば拡散フィルム）を用いた技術である特許文献１により紹介された拡散フィルムの一例を示すものである。同図（ａ）〜（ｃ）は同じ角度で一つのレンズ（入射側レンズ）に入射した光はそれぞれその角度に対応した位置に集光し、そして、その各位置に集光した光は上記レンズの焦点位置に配置された別のレンズ（出射側レンズ）にてある角度範囲で拡散される原理を示している。（ｄ）はその上記二つのレンズを一体化した拡散フィルムの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第１のものは、基本的に、物体面、結像面、レンズ面の三つの面を有する基本結像系のその物体面には、角度的に、又は角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現するホモジェナイザー出力面とその出力面に位置し上記物体面とレンズ面の距離ａとほぼ等しい焦点距離ｆ１を有するレンズが配置され、上記レンズ面の焦点距離ｆ２のレンズのレンズ面又はその近傍に光拡散特性のない又は少ない透過型光変調手段が配置され、上記レンズ面から下記の等式を満たす距離ｂ離間した位置に結像面が位置されたことを特徴とするものである。等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
尚、本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第１のものは、リア型の画像表示装置であるが、本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第２のものは、レンズ面を有するものとして非軸非球面フレネル反射鏡を用い、更に、透過型光変調手段をレンズ面の前側に配置することにより、物体面からの光をそのレンズ面のある非軸非球面フレネル反射鏡に対して斜め前側から照射することができるようにし、以てフロント型にしたものである。
更に、反射手段を付加し、物体面からの光を直接レンズ面のある非軸非球面フレネル反射鏡に照射するのではなく、その付加した反射手段により物体面からの光を反射して非軸非球面フレネル反射鏡に照射するようにしても良い。
【００２１】
本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の透過型光変調手段として、好適な例は、バックライトのないところの光拡散手段を有しない液晶パネルである。
尚、液晶パネル等は、普通カラーフィルタによりカラー化を図っているが、光源としてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三色の光源チップを備え、一定の順序で光源の発光色を切り換えるようにし、カラーシーケンシャルに照明光を液晶パネル等透過型光変調手段へ与えるようにすることができる。そして、光源の発光色の切り換えと光変調手段の画像変調対象色の切り換えとを同期させて行うようにした場合、液晶パネル等光変調手段としてカラーフィルタのないものを用いることができる。
【００２２】
また、アイリス面空間結像制御型画像表示装置のホモジェナイザーとしてはロッドライクインテグレータ（ライトパイプ）が好適であるが、そのロッドライクインテグレータはあくまでホモジェナイザーの一例にすぎない。
また、ホモジェナイザーとして、フライアイレンズ２枚又はレンチキュラーレンズ２枚を互いにそのレンズの焦点距離だけ離して設置したレンズの組を、二組直交させたものを用いるようにしても良い。そのようにした場合、角度的均一性を極めて高くすることができ、より画像の品位を高めることができる。
【００２３】
また、ホモジェナイザーとして、入射角無依存のトップハット的拡散特性を有する内部屈折型の拡散フィルムを一枚乃至複数枚重ねたものを用いると、ロッドライクインテグレータを使わなくても角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を得ることができ、ホモジェナイザーの小型化が容易に実現できる。
また、焦点距離ｆ１の前記レンズの有効径内に複数のホモジェナイザーの出力面がアレイ状（一次元的又は二次元的）に配置されるようにすることもできる。このようにすることにより、空間に結像する位置を複数箇所とすることができる。
【００２４】
そして、デジタルカメラで既に採用されているところの眼の存在を検知するアイトラッキング技術を併用することにより、眼の存在を検知したエリアと対応する光源のみをオンさせ、眼が不在のエリアと対応する光源をオフさせることができる。それにより、より一層の省エネ効果を得ることができるようにすることができる。
また、上述した透過型光変調手段としてバックライトのないところの光拡散手段を有しない液晶パネルを用いた場合において、前記レンズ面から物体面側にその液晶パネルを当該レンズの焦点距離ｆ２以内の距離だけ離して配置すると、液晶パネルの虚像を観察者側から拡大して見るようにすることができる。
このように、本発明は種々の態様で実施することができ、種々の変形例があり得る。
【実施例】
【００２５】
（第１の実施例）
図１は本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第１の実施例を示す斜視図である。
図において、２は光源であり、本例ではＬＥＤ（発光ダイオード）が用いられている。４は上記光源２からの光を入射面にて受けるホモジェナイザーであり、本例ではロッドライクインテグレータが用いられている。このホモジェナイザー４は光源２からの光の強度を空間的に均一にして出力面から出射する。
尚、ホモジェナイザーとしては、フライアイレンズ２枚又はレンチキュラーレンズ２枚を互いにレンズの焦点距離だけ離して設置したレンズの組を二組互いに直交させたものを用いるようにしても良い。
６はホモジェナイザー４の出力面側に配置された拡散フィルムで、角度的に均一にする役割を果たす。
【００２６】
拡散フィルム６は、本例では、本願出願人（国立大学法人東北大学）で開発されたＤｉｆｆｕｓｅ Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ−ｆｉｌｍ（Ｄ．Ｌ．Ｃ．−ｆｉｌｍ）を２枚拡散方向が互いに直交するように積層したものである。
その積層されたＤ．Ｌ．Ｃ．−ｆｉｌｍは、入射角度無依存のトップハット的均一拡散特性を有するので、角度的に均一なホモジェナイザーの役割を果たすことができる。従って、拡散フィルム６の出力面からは空間的にも角度的にも均一な光が出射される。
【００２７】
８は上記拡散フィルム６の出力面に近接して設けられたレンズであり、その焦点距離はｆ１である。このレンズ８の働きにより、レンズ８から出射側へその焦点距離ｆ１（＝ａ）離れた面には、角度的情報と空間的位置情報が入れ換わり、空間的にも角度的にも均一な光の面が拡大して照射される。
１０は上記レンズ８からこれの焦点距離ｆ１（＝ａ）だけ出射側へずれた上述の位置に配置されたフレネルレンズであり、その焦点距離はｆ２である。１２はこのフレネルレンズ１０の出射面に近接して配置された透過型の光変調手段であり、本例では、バックライトを有さず、光拡散特性のない液晶パネル（ＬＣＤパネル）を用いている。
【００２８】
上記レンズ８からその焦点距離ｆ１（＝ａ）だけ離れた位置に上述したようにフレネルレンズ１０と光変調手段１２が配置されているので、フレネルレンズ８に入射した角度的にも空間的にも均一にされた光は、その面における光は光変調手段１２により変調され、（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２という条件を満たす距離ｂだけ光変調手段１２から出射側へ離間したところに結像する面１４ができる。
この面１４は、ホモジェナイザー４の出射面に設けられた拡散フィルム６の出射面と共役関係にあり、そのため、空間的にも角度的にも均一な面になっている。そこで、本明細書では、この面１４を空間結像アイリス面と呼ぶこととする。
【００２９】
その空間結像アイリス面１４内に人間の眼を入れると、眼の水晶体が角度情報である画像情報が位置情報として網膜に結像されるために空間的に均一な画像を視ることが可能になる。
更に、空間結像アイリス面１４内で眼を動かしても、空間均一性はそのアイリス面１４内において実現しているので、見ている画像全体の明るさも一定となる。
【００３０】
このようなアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、光変調手段としてバックライトがなく光拡散特性のない液晶パネル（ＬＣＤパネル）を用いているので、画像光が拡散することがない。従って、視野角を著しく狭くすることができ、延いては省エネ効果を得ることができる。
図２はその省エネ効果の説明図である。同図において、省エネ効果はＳ２／Ｓ１であり、そのＳ２／Ｓ１は次式で表される。尚、Ｓ１は通常の光拡散特性を有するようにした装置の光が拡散する立体角、Ｓ２は本実施例の装置の光が拡散する立体角、ｒは眼からスクリーンまでの距離である。
【００３１】
Ｓ２／Ｓ１＝π（ｒ・ｔａｎθ）２／（２πｒ２）＝（ｔａｎθ）２
人には両眼があるので、省エネ効果=２×（ｔａｎθ)２ ／２＝（ｔａｎθ）２となる。
今、３ｍ離れた位置で空間結像アイリス面の直径を６ｃｍとすると、ｔａｎθ＝３ｃｍ／３ｍ＝１／１００であるので、省エネ効果＝（ｔａｎθ）２＝１／１００００となり、１／１００００の超低消費電力が１人分について成立することになる。仮に、１０人が見ていても１／１０００の超低消費電力が実現する。液晶パネル.のバックライトの消費電力が液晶パネル全体の消費電力の９０％〜９５％を占めていることから考えても、上記技術の効果は大きい。
【００３２】
（変形例１）
なお、上記第１の実施例において、透過型光変調手段、例えばバックライトがなく拡散特性を有しない液晶パネル１２を、レンズ１０と近接した位置ではなく、レンズ１０から物体面側、即ちレンズ８側に、レンズ１０の焦点距離ｆ２以内の距離離間した位置に配置するようにしてもよい。
このようにすれば、観察者側からは透過型光変調手段１２による虚像をレンズ（焦点距離ｆ２のレンズ）１０により拡大して視認することができる。
（変形例２）
また、光源２として、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）を発光する３個の発光手段を内蔵し、一定の順序でその発光する発光手段を切り換えることができるＲＧＢシーケンシャル光源を用いると、画像変調手段として白黒用のものを用いてもカラーアイリス面空間結像制御型画像表示装置を実現することができる。
即ち、６０秒間を３等分した１８０分の１秒間毎にＲＧＢシーケンシャル光源２で発光する光の色を例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、・・・の順に切り換えるようにする。そして、それに同期して透過型光変調手段１２の画像情報のカラー成分を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、・・・の順に切り換えるようにする。すると、画像変調手段として白黒用のものを用いてもカラーアイリス面空間結像制御型画像表示装置を実現することができる。
【００３３】
（第２の実施例）
図３は本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第２の実施例を示す斜視図であり、この実施例は、図１に示した第１の実施例とは、光源２、ホモジェナイザー４を複数個ずつ設けることによりそれぞれアレイ化したものである点で異なるが、それ以外の点では共通する。
本実施例が光源２、ホモジェナイザー４をアレイ化するのは、観察者が複数人存在し得る場合とか、一人或いは少数の観察者が眼の位置を変え得る場合において、実際に観察者（の眼）が存在するエリアのアイリス面１４のみに画像が生じされるようにし、観察者（の眼）が存在しないエリアには画像を表示しないようにし、画像表示に費やすエネルギーに無駄が生じないようにするためである。
【００３４】
図面において、２ａは多数の光源２、２、・・・をアレイ化して配置した光源アレイであり、４ａは光源アレイ２ａの各光源２、２、・・・に対応して設けられたホモジェナイザー４、４、・・・からなるホモジェナイザーアレイであり、その各ホモジェナイザー４、４、・・・はそれぞれ自己と対応する光源２からの光を入射面にて受け、出射面から出射する。ホモジェナイザーアレイ４の出射面には拡散フィルム６が配置され、出力面からは空間的にも角度的にも均一な強度分布の光が出射されること、第１の実施例と同じである。
８は上記拡散フィルム６の出力面に近接して設けられたレンズであり、その焦点距離はｆ１である。そのレンズ８からその焦点距離ｆ１と等しい距離ａ離れたところにフレネルレンズ１０（その焦点距離がｆ２）が配置されており、そのフレネルレンズ１０に近接して光変調手段（例えばバックライトがなく、拡散特性を有しない液晶パネル）１２が配置されている。
【００３５】
このような実施例によれば、フレネルレンズ１０及び光変調手段１２が近接して配置された位置から等式（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２を満たす距離ｂ出射側に離間した位置に、光源アレイ２ａの各光源２、２、・・・から出射されホモジェナイザーアレイ４ａの各ホモジェナイザー４、４、・・・に入射し光変調手段１２によって変調された光によるアイリス面１４、１４、・・・がアレイ状に形成される。１４ａはアイリス面アレイである。
そして、カメラ技術で普及している顔認識システムやアイトラッキンングに関する既知の技術によって、観察者の位置を検出し、検出した観察者に対応する光源２のみをオンする（点灯させる）ことにより、必要なエリアには画像表示をするが、観察者がおらず、従って画像表示を必要としないエリアには画像表示をしないようにすることができる。
以て、画像表示に費やすエネルギーに無駄が生じないようにすることができる。
尚、本例では、光源２、２、・・・及びホモジェナイザー４、４、・・・が二次元アレイ状に配置されていたが、一次元アレイ状に配置されるようにしても良い。
【００３６】
（第３の実施例）
図４は本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第３の実施例を示す斜視図である。
本実施例は、図３に示したリア型アイリス面空間結像制御型画像表示装置である第２の実施例をフロント型の画像表示装置に変形させたものであり、装置の薄型化、小型化を図ることができる。
なお、本実施例は、図３に示した実施例とは、フロント型にするために必要な手段が講じられている点で相違するが、それ以外の点では共通する。
【００３７】
同図において、２ａは複数の光源２、２、・・・からなる光源アレイ、４ａは各光源２、２、・・・に対応して設けられたホモジェナイザー４、４、・・・からなるホモジェナイザーアレイである。６は拡散フィルムであり、例えば第１、第２の実施例の拡散フィルムと同じものが使用されており、ホモジェナイザーアレイ４ａからの光を入射角度無依存のトップハット的均一拡散特性を有する。従って、拡散フィルム６の出射面からは、空間的にも角度的にも均一な光強度の光が出射される。
【００３８】
１６は上記拡散フィルム６の出射面に近接して配置されたレンズであり、第２の実施例或いは第１の実施例のレンズ８に相当する役割を果たし、本例では非球面非軸レンズが用いられている。このレンズ１６の焦点距離はｆ１である。
１８はレンズ１６からの光を反射する非軸非球面反射鏡ミラーであり、本例では非球面非軸ミラーが設けられており、表示装置をリア型からフロント型にするのに一つの役割を果たす。
１０ｒは非軸非球面フレネル反射鏡であり、第１、第２の実施例のフレネルレンズ１０に相当する役割を果たすが、透過性を有さず、反射性を有する点で、第１、第２の実施例のフレネルレンズ１０とは異なる。
【００３９】
１２は光変調手段であり、非軸非球面フレネル反射鏡１０ｒの前方（観察者側）に近接して配置されており、その反射鏡１０ｒで反射された光を変調する。
この近接して配置された光変調手段１２及び非軸非球面フレネル反射鏡１０ｒは、レンズ１６からミラー１８を経て自身１２、１０ｒに達する光路長がレンズ１６の焦点距離ｆ１と同じ距離ａになるところに配置されている。
そして、光変調手段１２及び非軸非球面フレネル反射鏡１０ｒから光出射側に等式（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２を満たす距離ｂ出射側に離間した位置に、光源アレイ２ａの各光源２、２、・・・から出射されホモジェナイザーアレイ４ａの各ホモジェナイザー４、４、・・・に入射し光変調手段１２によって変調された光によるアイリス面１４、１４、・・・がアレイ状に形成される。
【００４０】
このようにすれば、光源アレイ２ａやホモジェナイザーアレイ４ａを光変調手段１２及び非軸非球面フレネル反射鏡１０ｒよりも観察者側にすることができ、延いてはアイリス面空間結像制御型画像表示装置の薄型化、小型化を図ることができる。
尚、本実施例は、光源２及びホモジェナイザー４をアレイ化した第２の実施例をフロント型化したものであるが、第１の実施例のように光源２及びホモジェナイザー４をアレイ化しないタイプのリア型画像表示装置をフロント型化するという態様でも本発明を実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、観察者の画像視認位置という限られた狭い領域にのみ画像に画像を送ることが可能であって、その領域外に画像を送ることによる無駄な電力消費を回避して省エネを図ることができるアイリス面空間結像制御型画像表示装置に広く適用することができ、リア型の画像表示装置に利用可能性があるのみならず、フロント型の画像表示装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
２・・・光源、２ａ・・・光源アレイ、４・・・ホモジェナイザー、
４ａ・・・ホモジェナイザーアレイ、６・・・拡散フィルム、
８・・・レンズ（焦点距離ｆ１）、
１０・・・フレネルレンズ、１０ｒ・・・非軸非球面フレネル反射鏡
１２・・・光変調手段（バックライトを持たず、拡散特性のない光拡散手段）、
１４・・・アイリス面、１４ａ・・・アイリス面アレイ、１６・・・レンズ、
１８・・・反射手段。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察者の画像視認位置という限られた狭い領域にのみ画像を送ることが可能であって、その領域外に画像を送ることによる無駄な電力消費を回避して省エネを図ることができるアイリス面空間結像制御型画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
各種表示装置は、一般に、一つの表示画像を、表示画面に対して互いに異なる角度に位置する多くの観察者に対して視認できるようにするようにしている。即ち、比較的広視野角で解像度を高く、コントラクトも良好にすることが、基本的設計思想であり、その広視野角実現のため拡散手段（例えば拡散フィルム）を用いたものが多かった。
【０００３】
特開２００７−１８３４９８号（特許文献１）にはそのような拡散フィルムや投射システムが紹介されており、図５はそのような拡散フィルムの一例を示すものである。同図（ａ）〜（ｃ）は同じ角度で一つのレンズ（入射側レンズ）に入射した光はそれぞれその角度に対応した位置に集光し、そして、その各位置に集光した光は上記レンズの焦点位置に配置された別のレンズ（出射側レンズ）にてある角度範囲で拡散される原理を示している。（ｄ）はその上記二つのレンズを一体化した拡散フィルムの断面図である。
【０００４】
このような拡散フィルムを駆使することによって、入射側のレンズの働きにより入射角度に応じた位置に集光した画像を構成する光を、出射側のレンズのある範囲で拡散させることができるので、その拡散角度範囲に位置する観察者全員に画像を視認させることができる。
従って、このような拡散フィルムを視野角拡大に用いた表示装置は、その拡散角度を適宜に設定することにより広い角度範囲に渡って視認ができるようにし、以て、広視野角を実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１８３４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、表示装置には、広視野角であることが要求されるものだけがあるわけではない。つまり、狭視野角であっても差し支えないものもある。
例えば、旅客機等の各客席毎に設けられるテレビジョン用ディスプレイ、或いは個人向け小型テレビジョン、パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末等のディスプレイがそれである。
【０００７】
これ等のディスプレイは、基本的に、それを観るのは一人であり、その人のみが視えれば良いものである。極論すれば、その一人の人間の両眼が存在する狭い領域に対してのみ画像光を送ることができれば良いと言える。
しかしながら、そのような狭視野角でも良いディスプレイであっても、最小限必要な視野角よりも相当に広い視野角を有するのが普通であり、従来、視野角を広くする技術開発は盛んに行われてきたが、不必要に視野角を広めることがないように視野角を狭めるという技術開発は行われてこなかった。
【０００８】
というのは、必要以上に視野角を広めることは無駄な電力消費をもたらし、省エネの精神に反するという認識が表示装置の開発技術分野に存在しなかったからである。
元来、表示装置がそれに要求される視野角よりも広い視野角を有するとすると、その広い分、無駄に画像を出力していることになる。
例えば、一人の人間の両眼に画像を出力できれば良いのに、数人乃至数十人乃至数百人の人間が同時に視認できる領域に画像を出力する特性を有しているとすると、その数人乃至数十人乃至数百人マイナス１人が視認できる領域への画像出力はまったくの無駄になるのである。これは、当然に、画像表示をするために作り出す光の無駄等を生み出し、そのために消費されるエネルギーの無駄をもたらす。
【０００９】
このような無駄の存在には多くの技術者が気づいていないが、本願の発明者は、東日本大震災による福島原発事故によって計画停電の実施、大企業への節電の法制化、小企業、一般家庭への節電の要請等の事態を生じ、表示装置の視野角が必要以上に広いことによる無駄な電力消費に気づき、そのような無駄を無くす必要を認識するに至った。
そして、本願発明者は、その無駄をなくすべく思考し、実験を重ね、本発明を為すに至った。
即ち、本発明は、挟視野角の表示装置を提供することにより、必要以上の広い視野角を持つことによるエネルギーの無駄をなくし、以て省エネに貢献することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、物体面、レンズ面、結像面の三つの面を有する基本結像系からなり、上記物体面には、角度的に、又は角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現するホモジェナイザーの出力面とその出力面に位置し上記物体面とレンズ面の距離ａとほぼ等しい焦点距離ｆ１を有するレンズが配置され、上記レンズ面の焦点距離ｆ２のレンズのレンズ面又はその近傍に光拡散性のない又は少ない透過型光変調手段が配置され、上記レンズ面から下記の等式を満たす距離ｂ離間した位置に結像面が位置されたことを特徴とする。
等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
【００１１】
請求項２のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、物体面、レンズ面、結像面の三つの面を有する基本結像系からなり、上記物体面には、角度的に、又は角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現するホモジェナイザーの出力面とその出力面に位置し焦点距離ｆ１を有するレンズが配置され、上記レンズ面の焦点距離ｆ２の非軸非球面フレネル反射鏡のレンズ面又はその前側近傍に光拡散性のない又は少ない透過型光変調手段が配置され、上記レンズ面から距離ｂ離間した位置に結像面が位置され、上記物体面から上記レンズ面に至る距離が上記レンズの焦点距離ｆ１とほぼ等しいａであり、上記ａ、ｂ及び上記焦点距離ｆ２との間に下記の等式が略成立することを特徴とする。
等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
【００１２】
請求項３のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、請求項１又は２のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、入射角無依存のトップハット的拡散特性を有する内部屈折率分布型の拡散フィルムを一又は複数枚重ねたものをホモジェナイザーとしたことを特徴とする。
請求項４のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、請求項１、２又は３のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、前記ホモジェナイザーとしてフライアイレンズ２枚又はレンチキュラーレンズ２枚を互いにレンズの焦点距離だけ離して設置したレンズの組を二組互いに直交させたものを用いることを特徴とする。
【００１３】
請求項５のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、請求項１、２、３又は４に記載のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、前記焦点距離ｆ１のレンズの有効径内に複数のホモジェナイザー出力面をアレイ状（一次元又は二次元）に配置されるようにしたことを特徴とする。
請求項６のアイリス面空間結像制御型画像表示装置は、請求項１、３、４又は５に記載のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、前記透過型光変調手段が前記レンズ面から前記物体面側に、前記レンズ焦点距離ｆ２以内の距離を置いて設置されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、透過型光変調手段として拡散特性を有するものを用いないので、画像光を拡散することを抑制し、視野角を狭くすることが可能である。
実施態様により異なるが、視野角を立体角で数百分の１、更には数千分の１、更には数万分の１、また更に数１０万分の１にすることもでき、顕著な省エネに貢献できる。
更に、光を拡散させないようにするので、外光も拡散しないで通り抜けるようにすることができ、外光による悪影響を顕著に低減することができる。
【００１５】
請求項２のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、レンズ面のあるものとして非軸非球面フレネル反射鏡を用いるので、物体面からの光を非軸非球面フレネル反射鏡のレンズ面に対してそれより斜め前側から照射し、そのレンズ面の前側にて光変調手段により変調し、アイリス面に結像することができる。
従って、フロント型のアイリス面空間結像制御型画像表示装置を提供することができる。勿論、視野角を狭くすることができること、外光による悪影響を顕著に低減できることは、請求項１のアイリス面空間結像制御型画像表示装置と同様である。
【００１６】
請求項３のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、入射角無依存のトップハット的拡散特性を有する内部屈折率分布型の拡散フィルムをホモジェナイザーとして用いることで、ロッドライクインテグレータを使わなくても角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現でき、ホモジェナイザーの小型化が容易に可能となる。
請求項４のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、ホモジェナイザーとしてフライアイレンズ２枚又はレンチキュラーレンズ２枚を互いにレンズの焦点距離だけ離して設置したレンズの組を二組互いに直交させたものを用いたので、光強度を角度的に均一にでき、角度的に均一な光強度を実現でき、画面の周辺部が中央部よりも暗くなるという画像の品位低下を回避することができる。
【００１７】
請求項５のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、１、２、３又は４に記載のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、前記焦点距離ｆ１のレンズの有効径内に複数のホモジェナイザー出力面をアレイ状（一次元又は二次元）に配置されるようにしたので、空間に結像する位置を複数箇所とすることができる。
そして、デジタルカメラ等の分野で普及している顔認識システムやアイトラッキンングに関する既知の技術によって、観測者の位置を検出し、検出した観察者に対応する光源のみをオンする（点灯させる）ことにより、必要なエリアには画像表示をするが、観察者がおらず、従って画像表示を必要としないエリアには画像表示をしないようにすることができる。
以て、画像表示可能なエリアを増やしつつ、画像表示に費やすエネルギーに無駄が生じないようにすることができる。
【００１８】
請求項６のアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、透過型光変調手段をレンズ面から物体面側にそのレンズの焦点距離ｆ２以内ずれたところに位置させたので、観察者側からは透過型光変調手段による虚像をレンズ（焦点距離ｆ２のレンズ）により拡大して視認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第１の実施例を示す斜視図である。
【図２】図１の実施例の省エネ効果の説明図である。
【図３】本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第２の実施例を示す斜視図である。
【図４】本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第３の実施例を示す斜視図である。
【図５】従来において広視野角実現のため拡散手段（例えば拡散フィルム）を用いた技術である特許文献１により紹介された拡散フィルムの一例を示すものである。同図（ａ）〜（ｃ）は同じ角度で一つのレンズ（入射側レンズ）に入射した光はそれぞれその角度に対応した位置に集光し、そして、その各位置に集光した光は上記レンズの焦点位置に配置された別のレンズ（出射側レンズ）にてある角度範囲で拡散される原理を示している。（ｄ）はその上記二つのレンズを一体化した拡散フィルムの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第１のものは、基本的に、物体面、結像面、レンズ面の三つの面を有する基本結像系のその物体面には、角度的に、又は角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現するホモジェナイザー出力面とその出力面に位置し上記物体面とレンズ面の距離ａとほぼ等しい焦点距離ｆ１を有するレンズが配置され、上記レンズ面の焦点距離ｆ２のレンズのレンズ面又はその近傍に光拡散特性のない又は少ない透過型光変調手段が配置され、上記レンズ面から下記の等式を満たす距離ｂ離間した位置に結像面が位置されたことを特徴とするものである。等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
尚、本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第１のものは、リア型の画像表示装置であるが、本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第２のものは、レンズ面を有するものとして非軸非球面フレネル反射鏡を用い、更に、透過型光変調手段をレンズ面の前側に配置することにより、物体面からの光をそのレンズ面のある非軸非球面フレネル反射鏡に対して斜め前側から照射することができるようにし、以てフロント型にしたものである。
更に、反射手段を付加し、物体面からの光を直接レンズ面のある非軸非球面フレネル反射鏡に照射するのではなく、その付加した反射手段により物体面からの光を反射して非軸非球面フレネル反射鏡に照射するようにしても良い。
【００２１】
本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の透過型光変調手段として、好適な例は、バックライトのないところの光拡散手段を有しない液晶パネルである。
尚、液晶パネル等は、普通カラーフィルタによりカラー化を図っているが、光源としてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三色の光源チップを備え、一定の順序で光源の発光色を切り換えるようにし、カラーシーケンシャルに照明光を液晶パネル等透過型光変調手段へ与えるようにすることができる。そして、光源の発光色の切り換えと光変調手段の画像変調対象色の切り換えとを同期させて行うようにした場合、液晶パネル等光変調手段としてカラーフィルタのないものを用いることができる。
【００２２】
また、アイリス面空間結像制御型画像表示装置のホモジェナイザーとしてはロッドライクインテグレータ（ライトパイプ）が好適であるが、そのロッドライクインテグレータはあくまでホモジェナイザーの一例にすぎない。
また、ホモジェナイザーとして、フライアイレンズ２枚又はレンチキュラーレンズ２枚を互いにそのレンズの焦点距離だけ離して設置したレンズの組を、二組直交させたものを用いるようにしても良い。そのようにした場合、角度的均一性を極めて高くすることができ、より画像の品位を高めることができる。
【００２３】
また、ホモジェナイザーとして、入射角無依存のトップハット的拡散特性を有する内部屈折型の拡散フィルムを一枚乃至複数枚重ねたものを用いると、ロッドライクインテグレータを使わなくても角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を得ることができ、ホモジェナイザーの小型化が容易に実現できる。
また、焦点距離ｆ１の前記レンズの有効径内に複数のホモジェナイザーの出力面がアレイ状（一次元的又は二次元的）に配置されるようにすることもできる。このようにすることにより、空間に結像する位置を複数箇所とすることができる。
【００２４】
そして、デジタルカメラで既に採用されているところの眼の存在を検知するアイトラッキング技術を併用することにより、眼の存在を検知したエリアと対応する光源のみをオンさせ、眼が不在のエリアと対応する光源をオフさせることができる。それにより、より一層の省エネ効果を得ることができるようにすることができる。
また、上述した透過型光変調手段としてバックライトのないところの光拡散手段を有しない液晶パネルを用いた場合において、前記レンズ面から物体面側にその液晶パネルを当該レンズの焦点距離ｆ２以内の距離だけ離して配置すると、液晶パネルの虚像を観察者側から拡大して見るようにすることができる。
このように、本発明は種々の態様で実施することができ、種々の変形例があり得る。
【実施例】
【００２５】
（第１の実施例）
図１は本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第１の実施例を示す斜視図である。
図において、２は光源であり、本例ではＬＥＤ（発光ダイオード）が用いられている。４は上記光源２からの光を入射面にて受けるホモジェナイザーであり、本例ではロッドライクインテグレータが用いられている。このホモジェナイザー４は光源２からの光の強度を空間的に均一にして出力面から出射する。
尚、ホモジェナイザーとしては、フライアイレンズ２枚又はレンチキュラーレンズ２枚を互いにレンズの焦点距離だけ離して設置したレンズの組を二組互いに直交させたものを用いるようにしても良い。
６はホモジェナイザー４の出力面側に配置された拡散フィルムで、角度的に均一にする役割を果たす。
【００２６】
拡散フィルム６は、本例では、本願出願人（国立大学法人東北大学）で開発されたＤｉｆｆｕｓｅ Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ−ｆｉｌｍ（Ｄ．Ｌ．Ｃ．−ｆｉｌｍ）を２枚拡散方向が互いに直交するように積層したものである。
その積層されたＤ．Ｌ．Ｃ．−ｆｉｌｍは、入射角度無依存のトップハット的均一拡散特性を有するので、角度的に均一なホモジェナイザーの役割を果たすことができる。従って、拡散フィルム６の出力面からは空間的にも角度的にも均一な光が出射される。
【００２７】
８は上記拡散フィルム６の出力面に近接して設けられたレンズであり、その焦点距離はｆ１である。このレンズ８の働きにより、レンズ８から出射側へその焦点距離ｆ１（＝ａ）離れた面には、角度的情報と空間的位置情報が入れ換わり、空間的にも角度的にも均一な光の面が拡大して照射される。
１０は上記レンズ８からこれの焦点距離ｆ１（＝ａ）だけ出射側へずれた上述の位置に配置されたフレネルレンズであり、その焦点距離はｆ２である。１２はこのフレネルレンズ１０の出射面に近接して配置された透過型の光変調手段であり、本例では、バックライトを有さず、光拡散特性のない液晶パネル（ＬＣＤパネル）を用いている。
【００２８】
上記レンズ８からその焦点距離ｆ１（＝ａ）だけ離れた位置に上述したようにフレネルレンズ１０と光変調手段１２が配置されているので、フレネルレンズ８に入射した角度的にも空間的にも均一にされた光は、その面における光は光変調手段１２により変調され、（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２という条件を満たす距離ｂだけ光変調手段１２から出射側へ離間したところに結像する面１４ができる。
この面１４は、ホモジェナイザー４の出射面に設けられた拡散フィルム６の出射面と共役関係にあり、そのため、空間的にも角度的にも均一な面になっている。そこで、本明細書では、この面１４を空間結像アイリス面と呼ぶこととする。
【００２９】
その空間結像アイリス面１４内に人間の眼を入れると、眼の水晶体が角度情報である画像情報が位置情報として網膜に結像されるために空間的に均一な画像を視ることが可能になる。
更に、空間結像アイリス面１４内で眼を動かしても、空間均一性はそのアイリス面１４内において実現しているので、見ている画像全体の明るさも一定となる。
【００３０】
このようなアイリス面空間結像制御型画像表示装置によれば、光変調手段としてバックライトがなく光拡散特性のない液晶パネル（ＬＣＤパネル）を用いているので、画像光が拡散することがない。従って、視野角を著しく狭くすることができ、延いては省エネ効果を得ることができる。
図２はその省エネ効果の説明図である。同図において、省エネ効果はＳ２／Ｓ１であり、そのＳ２／Ｓ１は次式で表される。尚、Ｓ１は通常の光拡散特性を有するようにした装置の光が拡散する立体角、Ｓ２は本実施例の装置の光が拡散する立体角、ｒは眼からスクリーンまでの距離である。
【００３１】
Ｓ２／Ｓ１＝π（ｒ・ｔａｎθ）２／（２πｒ２）＝（ｔａｎθ）２
人には両眼があるので、省エネ効果=２×（ｔａｎθ)２ ／２＝（ｔａｎθ）２となる。
今、３ｍ離れた位置で空間結像アイリス面の直径を６ｃｍとすると、ｔａｎθ＝３ｃｍ／３ｍ＝１／１００であるので、省エネ効果＝（ｔａｎθ）２＝１／１００００となり、１／１００００の超低消費電力が１人分について成立することになる。仮に、１０人が見ていても１／１０００の超低消費電力が実現する。液晶パネル.のバックライトの消費電力が液晶パネル全体の消費電力の９０％〜９５％を占めていることから考えても、上記技術の効果は大きい。
【００３２】
（変形例１）
なお、上記第１の実施例において、透過型光変調手段、例えばバックライトがなく拡散特性を有しない液晶パネル１２を、レンズ１０と近接した位置ではなく、レンズ１０から物体面側、即ちレンズ８側に、レンズ１０の焦点距離ｆ２以内の距離離間した位置に配置するようにしてもよい。
このようにすれば、観察者側からは透過型光変調手段１２による虚像をレンズ（焦点距離ｆ２のレンズ）１０により拡大して視認することができる。
（変形例２）
また、光源２として、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）を発光する３個の発光手段を内蔵し、一定の順序でその発光する発光手段を切り換えることができるＲＧＢシーケンシャル光源を用いると、画像変調手段として白黒用のものを用いてもカラーアイリス面空間結像制御型画像表示装置を実現することができる。
即ち、６０秒間を３等分した１８０分の１秒間毎にＲＧＢシーケンシャル光源２で発光する光の色を例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、・・・の順に切り換えるようにする。そして、それに同期して透過型光変調手段１２の画像情報のカラー成分を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、・・・の順に切り換えるようにする。すると、画像変調手段として白黒用のものを用いてもカラーアイリス面空間結像制御型画像表示装置を実現することができる。
【００３３】
（第２の実施例）
図３は本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第２の実施例を示す斜視図であり、この実施例は、図１に示した第１の実施例とは、光源２、ホモジェナイザー４を複数個ずつ設けることによりそれぞれアレイ化したものである点で異なるが、それ以外の点では共通する。
本実施例が光源２、ホモジェナイザー４をアレイ化するのは、観察者が複数人存在し得る場合とか、一人或いは少数の観察者が眼の位置を変え得る場合において、実際に観察者（の眼）が存在するエリアのアイリス面１４のみに画像が生じされるようにし、観察者（の眼）が存在しないエリアには画像を表示しないようにし、画像表示に費やすエネルギーに無駄が生じないようにするためである。
【００３４】
図面において、２ａは多数の光源２、２、・・・をアレイ化して配置した光源アレイであり、４ａは光源アレイ２ａの各光源２、２、・・・に対応して設けられたホモジェナイザー４、４、・・・からなるホモジェナイザーアレイであり、その各ホモジェナイザー４、４、・・・はそれぞれ自己と対応する光源２からの光を入射面にて受け、出射面から出射する。ホモジェナイザーアレイ４の出射面には拡散フィルム６が配置され、出力面からは空間的にも角度的にも均一な強度分布の光が出射されること、第１の実施例と同じである。
８は上記拡散フィルム６の出力面に近接して設けられたレンズであり、その焦点距離はｆ１である。そのレンズ８からその焦点距離ｆ１と等しい距離ａ離れたところにフレネルレンズ１０（その焦点距離がｆ２）が配置されており、そのフレネルレンズ１０に近接して光変調手段（例えばバックライトがなく、拡散特性を有しない液晶パネル）１２が配置されている。
【００３５】
このような実施例によれば、フレネルレンズ１０及び光変調手段１２が近接して配置された位置から等式（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２を満たす距離ｂ出射側に離間した位置に、光源アレイ２ａの各光源２、２、・・・から出射されホモジェナイザーアレイ４ａの各ホモジェナイザー４、４、・・・に入射し光変調手段１２によって変調された光によるアイリス面１４、１４、・・・がアレイ状に形成される。１４ａはアイリス面アレイである。
そして、カメラ技術で普及している顔認識システムやアイトラッキンングに関する既知の技術によって、観察者の位置を検出し、検出した観察者に対応する光源２のみをオンする（点灯させる）ことにより、必要なエリアには画像表示をするが、観察者がおらず、従って画像表示を必要としないエリアには画像表示をしないようにすることができる。
以て、画像表示に費やすエネルギーに無駄が生じないようにすることができる。
尚、本例では、光源２、２、・・・及びホモジェナイザー４、４、・・・が二次元アレイ状に配置されていたが、一次元アレイ状に配置されるようにしても良い。
【００３６】
（第３の実施例）
図４は本発明アイリス面空間結像制御型画像表示装置の第３の実施例を示す斜視図である。
本実施例は、図３に示したリア型アイリス面空間結像制御型画像表示装置である第２の実施例をフロント型の画像表示装置に変形させたものであり、装置の薄型化、小型化を図ることができる。
なお、本実施例は、図３に示した実施例とは、フロント型にするために必要な手段が講じられている点で相違するが、それ以外の点では共通する。
【００３７】
同図において、２ａは複数の光源２、２、・・・からなる光源アレイ、４ａは各光源２、２、・・・に対応して設けられたホモジェナイザー４、４、・・・からなるホモジェナイザーアレイである。６は拡散フィルムであり、例えば第１、第２の実施例の拡散フィルムと同じものが使用されており、ホモジェナイザーアレイ４ａからの光を入射角度無依存のトップハット的均一拡散特性を有する。従って、拡散フィルム６の出射面からは、空間的にも角度的にも均一な光強度の光が出射される。
【００３８】
１６は上記拡散フィルム６の出射面に近接して配置されたレンズであり、第２の実施例或いは第１の実施例のレンズ８に相当する役割を果たし、本例では非球面非軸レンズが用いられている。このレンズ１６の焦点距離はｆ１である。
１８はレンズ１６からの光を反射する非軸非球面反射鏡ミラーであり、本例では非球面非軸ミラーが設けられており、表示装置をリア型からフロント型にするのに一つの役割を果たす。
１０ｒは非軸非球面フレネル反射鏡であり、第１、第２の実施例のフレネルレンズ１０に相当する役割を果たすが、透過性を有さず、反射性を有する点で、第１、第２の実施例のフレネルレンズ１０とは異なる。
【００３９】
１２は光変調手段であり、非軸非球面フレネル反射鏡１０ｒの前方（観察者側）に近接して配置されており、その反射鏡１０ｒで反射された光を変調する。
この近接して配置された光変調手段１２及び非軸非球面フレネル反射鏡１０ｒは、レンズ１６からミラー１８を経て自身１２、１０ｒに達する光路長がレンズ１６の焦点距離ｆ１と同じ距離ａになるところに配置されている。
そして、光変調手段１２及び非軸非球面フレネル反射鏡１０ｒから光出射側に等式（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２を満たす距離ｂ出射側に離間した位置に、光源アレイ２ａの各光源２、２、・・・から出射されホモジェナイザーアレイ４ａの各ホモジェナイザー４、４、・・・に入射し光変調手段１２によって変調された光によるアイリス面１４、１４、・・・がアレイ状に形成される。
【００４０】
このようにすれば、光源アレイ２ａやホモジェナイザーアレイ４ａを光変調手段１２及び非軸非球面フレネル反射鏡１０ｒよりも観察者側にすることができ、延いてはアイリス面空間結像制御型画像表示装置の薄型化、小型化を図ることができる。
尚、本実施例は、光源２及びホモジェナイザー４をアレイ化した第２の実施例をフロント型化したものであるが、第１の実施例のように光源２及びホモジェナイザー４をアレイ化しないタイプのリア型画像表示装置をフロント型化するという態様でも本発明を実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、観察者の画像視認位置という限られた狭い領域にのみ画像に画像を送ることが可能であって、その領域外に画像を送ることによる無駄な電力消費を回避して省エネを図ることができるアイリス面空間結像制御型画像表示装置に広く適用することができ、リア型の画像表示装置に利用可能性があるのみならず、フロント型の画像表示装置にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
２・・・光源、２ａ・・・光源アレイ、４・・・ホモジェナイザー、
４ａ・・・ホモジェナイザーアレイ、６・・・拡散フィルム、
８・・・レンズ（焦点距離ｆ１）、
１０・・・フレネルレンズ、１０ｒ・・・非軸非球面フレネル反射鏡
１２・・・光変調手段（バックライトを持たず、拡散特性のない光拡散手段）、
１４・・・アイリス面、１４ａ・・・アイリス面アレイ、１６・・・レンズ、
１８・・・反射手段。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体面、レンズ面、結像面の三つの面を有する基本結像系からなり、
上記物体面には、角度的に、又は角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現するホモジェナイザーの出力面とその出力面に位置し上記物体面とレンズ面の距離ａとほぼ等しい焦点距離ｆ１を有するレンズが配置され、
上記レンズ面の焦点距離ｆ２のレンズのレンズ面又はその近傍に光拡散性のない又は少ない透過型光変調手段が配置され、
上記レンズ面から下記の等式を満たす距離ｂ離間した位置に結像面が位置された
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
【請求項２】
物体面、レンズ面、結像面の三つの面を有する基本結像系からなり、上記物体面には、角度的に、又は角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現するホモジェナイザーの出力面とその出力面に位置し焦点距離ｆ１を有するレンズが配置され、
上記レンズ面の焦点距離ｆ２の非軸非球面フレネル反射鏡のレンズ面又はその前側近傍に光拡散性のない又は少ない透過型光変調手段が配置され、上記レンズ面から距離ｂ離間した位置に結像面が位置され、
上記物体面から上記レンズ面に至る距離が上記レンズの焦点距離ｆ１とほぼ等しいａであり、上記ａ、ｂ及び上記焦点距離ｆ２との間に下記の等式が略成立する
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
【請求項３】
請求項１又は２のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、
入射角無依存のトップハット的拡散特性を有する内部屈折率分布型の拡散フィルムを一又は複数枚重ねたものをホモジェナイザーとした
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、
前記ホモジェナイザーとしてフライアイレンズ２枚又はレンチキュラーレンズ２枚を互いにレンズの焦点距離だけ離して設置したレンズの組を二組互いに直交させたものを用いた
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
【請求項５】
請求項１、２、３又は４に記載のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、
前記焦点距離ｆ１のレンズの有効径内に複数のホモジェナイザー出力面をアレイ状（一次元又は二次元）に配置されるようにした
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
【請求項６】
請求項１、３、４又は５に記載のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、
前記透過型光変調手段が前記レンズ面から前記物体面側に、前記レンズ焦点距離ｆ２以内の距離を置いて設置された
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
【請求項１】
物体面、レンズ面、結像面の三つの面を有する基本結像系からなり、
上記物体面には、角度的に、又は角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現するホモジェナイザーの出力面とその出力面に位置し上記物体面とレンズ面の距離ａとほぼ等しい焦点距離ｆ１を有するレンズが配置され、
上記レンズ面の焦点距離ｆ２のレンズのレンズ面又はその近傍に光拡散性のない又は少ない透過型光変調手段が配置され、
上記レンズ面から下記の等式を満たす距離ｂ離間した位置に結像面が位置された
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
【請求項２】
物体面、レンズ面、結像面の三つの面を有する基本結像系からなり、上記物体面には、角度的に、又は角度的且つ空間的にほぼ均一な光強度を実現するホモジェナイザーの出力面とその出力面に位置し焦点距離ｆ１を有するレンズが配置され、
上記レンズ面の焦点距離ｆ２の非軸非球面フレネル反射鏡のレンズ面又はその前側近傍に光拡散性のない又は少ない透過型光変調手段が配置され、上記レンズ面から距離ｂ離間した位置に結像面が位置され、
上記物体面から上記レンズ面に至る距離が上記レンズの焦点距離ｆ１とほぼ等しいａであり、上記ａ、ｂ及び上記焦点距離ｆ２との間に下記の等式が略成立する
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
等式：（１／ａ）＋（１／ｂ）＝１／ｆ２
【請求項３】
請求項１又は２のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、
入射角無依存のトップハット的拡散特性を有する内部屈折率分布型の拡散フィルムを一又は複数枚重ねたものをホモジェナイザーとした
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
【請求項４】
請求項１、２又は３のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、
前記ホモジェナイザーとしてフライアイレンズ２枚又はレンチキュラーレンズ２枚を互いにレンズの焦点距離だけ離して設置したレンズの組を二組互いに直交させたものを用いた
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
【請求項５】
請求項１、２、３又は４に記載のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、
前記焦点距離ｆ１のレンズの有効径内に複数のホモジェナイザー出力面をアレイ状（一次元又は二次元）に配置されるようにした
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
【請求項６】
請求項１、３、４又は５に記載のアイリス面空間結像制御型画像表示装置において、
前記透過型光変調手段が前記レンズ面から前記物体面側に、前記レンズ焦点距離ｆ２以内の距離を置いて設置された
ことを特徴とするアイリス面空間結像制御型画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−２５０５２（Ｐ２０１３−２５０５２Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５９４２３（Ｐ２０１１−１５９４２３）
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２０日（２０１１．７．２０）
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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