映像表示装置
【課題】同一視野内に外界像と表示素子により表示される表示画像を重ね合わせて観察する映像表示装置において表示画像の見易さを簡単な構成で確保することが可能な映像表示装置を提供すること
【解決手段】外界像２０ｂと表示画像２０ｃを同一視野２０内で観察可能な映像表示装置１Ａは、透過型の表示素子３Ａと、液晶７を画素ごとに駆動することによって外界から表示素子に至る光束の透過量を調節するように構成され、表示素子に積層された液晶シャッター２Ａと、表示素子３Ａが表示画像２０ｃを表示するときに表示画像２０ｃに対応する部分の液晶シャッターの光束の透過量が減少するように表示素子と調光素子の駆動を制御するコントローラ回路２２と、を有する。
【解決手段】外界像２０ｂと表示画像２０ｃを同一視野２０内で観察可能な映像表示装置１Ａは、透過型の表示素子３Ａと、液晶７を画素ごとに駆動することによって外界から表示素子に至る光束の透過量を調節するように構成され、表示素子に積層された液晶シャッター２Ａと、表示素子３Ａが表示画像２０ｃを表示するときに表示画像２０ｃに対応する部分の液晶シャッターの光束の透過量が減少するように表示素子と調光素子の駆動を制御するコントローラ回路２２と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
同一視野内に外界像と表示素子により表示される表示画像を重ね合わせて観察する映像表示装置においては表示画像の見易さを確保する必要がある。
【０００３】
特許文献１は、透過型の表示素子の背面に透過散乱型の液晶表示素子を積層した表示装置を開示しており、液晶表示素子を動作させた領域では外界像光は散乱して白色化するため、それに対応する領域では表示素子に表示される画像は見易くなる。
【０００４】
特許文献２は、画素構造を有する液晶シャッターに結像された外界像と、それと共役の位置に配置された表示素子に表示された画像をハーフミラーで合成して接眼光学系により観察する映像表示装置を開示している。表示画像に対応した画素に入射する外界からの光束を液晶シャッターで遮光することにより表示画像の透けを防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１２２５９０号公報
【特許文献２】特許第２８４０６９２号公報明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、散乱光が表示素子に漏れるため、外界像光の影響を受けずに映像を表示するのは困難である。特許文献２では、液晶シャッターと光学的に共役な位置に表示素子を配置しているため、位置合わせの困難性から表示画像に対応した画素に入射する外界からの光束を液晶シャッターで十分に遮光することは困難になる。即ち、表示素子の表示面上に表示された画像とそれに対応してシャッター面上に形成された画像を一致させることが困難となり、表示画像の見易さは不十分である。また、ハーフミラーを使用して合成しているので明るさが半分になるという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明は、同一視野内に外界像と表示素子により表示される表示画像を重ね合わせて観察する映像表示装置において表示画像の見易さを簡単な構成で確保することが可能な映像表示装置を提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の映像表示装置は、外界像と表示画像を同一視野内で表示する映像表示装置であって、前記表示画像を表示する透過型の表示素子と、前記表示素子に積層され、外界から前記表示素子に至る光束の透過量を前記表示素子の画素ごとに調節する調光素子と、前記表示素子が前記表示画像を表示するときに前記表示画像に対応する部分の前記調光素子の光束の透過量が減少するように前記表示素子と前記調光素子の駆動を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、同一視野内に外界像と表示素子により表示される表示画像を重ね合わせて観察する映像表示装置において表示画像の見易さを簡単な構成で確保することが可能な映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の映像表示装置の部分断面図である。（実施例１）
【図２】図１に示す映像表示装置に表示された画像を示す図である（実施例１）
【図３】図１に示す映像表示装置の変形例の部分断面図である。（実施例１）
【図４】図１に示す表示素子の画素領域の部分平面図である。（実施例１）
【図５】図１に示す映像表示装置の回路構成を示すブロック図である。（実施例１）
【図６】本発明の映像表示装置の光路図である。（実施例２）
【図７】図６に示す虚像を正立像として観察する画像反転手段の斜視図と部分透過側面図である。（実施例２）
【図８】図６に示す液晶シャッターと表示素子の画素の位置関係の模式図である。（実施例２）
【図９】本発明の映像表示装置の光路図である。（実施例３）
【図１０】本発明の映像表示装置の部分断面図である。（実施例４）
【図１１】本発明の映像表示装置の部分断面図である。（実施例５）
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照して説明する。本発明の映像表示装置は、同一視野内に外界の光景（外界像）と表示素子により表示された表示画像を重ね合わせて観察する映像表示装置である。例えば、映像表示装置は、非表示状態では透明なディスプレイに映像を表示する表示装置である。あるいは、映像表示装置は、自動車のフロントガラスに速度情報等を投影表示するヘッドアップディスプレイ、コンピュータグラフィック等を外界像に重ねて観察する光学シースルーヘッドマウントディスプレイなどに適用可能である。
【実施例１】
【００１２】
以下、図１〜６を参照して、実施例１の映像表示装置１Ａについて説明する。図１（ａ）は、実施例１の映像表示装置１Ａの部分断面図であり、図１（ｂ）はその動作を説明する部分断面図である。映像表示装置１Ａは外界等からの光の透過、遮光制御を行う液晶シャッター２Ａと、それに積層（物理的に隣接）する形で設けられた表示素子３Ａを有する。
【００１３】
なお、本実施例では、液晶シャッター２Ａと表示素子３Ａの一部の構成要素が共通に使用されて両者は一体となっているが、このような構造も「積層」と呼んでいる。従って、液晶シャッター２Ａと表示素子３Ａが分離されていなくてもよい。もちろん、後述する図３に示すように両者は分離されていてもよい。
【００１４】
液晶シャッター２Ａは、光束の透過、遮光を行う為に一般に用いられている方式の液晶シャッターであるが、完全に遮光しなくてもよい。即ち、外界から表示素子３Ａに至る光束の透過量を調節するように構成された調光素子であれば足り、調節は減光や遮光を含む。液晶シャッター２Ａは、液晶７と、液晶７の偏光方向を変更する電圧を印加可能で液晶７を挟むように画素ごとに設けられた透明電極（第２の透明電極）６、８を有する。また、液晶シャッター２Ａは、それらを挟む形で設けられた透明な一対のガラス部材（第２のガラス部材）５、９及び偏光板４、１０を更に有する。尚、言うまでも無く、透明電極６、８の何れか一方は共通電極として一体化し、前述した画素構造になっていなくてもよい。
【００１５】
液晶シャッター２Ａは、透明電極６、８に電圧を印加しないＯＦＦ動作状態で光を透過する開口状態となり、電圧を印加するＯＮ動作状態で遮光するように、液晶７の特性及び偏光板４、１０は構成されている。
【００１６】
表示素子３Ａは、略透明な発光層１３を挟むように、透明な絶縁層１１、１５を介して画素構造を有する透明電極（第１の透明電極）１２、１４を対向配置している。透明電極１２、１４に電圧を印加することによって発光層１３を発光させるＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）を用いている。１６は透明性を有するガラス部材である。このように表示素子３Ａは透過型の表示素子である。透明電極１２、１４は一対の第１のガラス部材９、１６に挟まれているが、図１では、一対の第１のガラス部材９、１６の一つであるガラス部材９は一対の第２のガラス部材の一つを兼ねている。これにより、部品点数を削減して光軸方向に小型化を図ることができる。
【００１７】
なお、本実施例では自発光型の表示素子を使用しているが、本発明は外光によって発光する表示素子も使用可能である。
【００１８】
液晶シャッター２Ａの透明電極６ａ、８ａ及びそれに対応する位置に設けられた表示素子３Ａの透明電極１２ａ、１４ａに電圧を印加しないＯＦＦ状態では、液晶シャッター２Ａは開口状態、表示素子３Ａは透明状態となっている。従って、外界光Ｌａはそのまま映像表示装置１Ａを透過する。
【００１９】
液晶シャッター２Ａの透明電極６ｂ、８ｂ及び６ｃ、８ｃに電圧を印加したＯＮ状態では、液晶シャッター２Ａは閉じた状態になり外界光Ｌｂ、Ｌｃは遮光される。この時、これに対応する位置にある表示素子３Ａの透明電極１２ｂ、１４ｂに電圧を印加した場合は、１２ｂ、１４ｂに対応する領域の発光層１３は発光し、表示光Ｌｄを射出する。
【００２０】
液晶シャッター２Ａを閉じた状態で、表示素子３Ａの透明電極１２ｃ、１４ｃの電圧を印加しない場合は、透明電極１２ｃ、１４ｃの領域は透明な状態を保っているが、シャッター２が遮光された状態なので、外界光Ｌｃは遮光され外界像は見えない。
【００２１】
液晶シャッター２Ａは表示素子３Ａに積層されている。即ち、特許文献２のように、光学的に共役な位置に配置されていない。このため、表示画像に対応した画素に入射する外界からの光束を液晶シャッターで遮光する精度が向上し、表示画像の見易さは十分となる（例えば、表示画像の透けを十分に防止することもできる）。また、積層構造により、特許文献２のようなハーフミラーによる画像合成手段が不要となるので、光量不足の問題を解消することができる。
【００２２】
図２は、液晶シャッター２Ａと表示素子３Ａに上記の動作をさせた場合に映像表示装置１Ａの視野領域２０の状態を示したものである。液晶シャッター２Ａ及び表示素子３Ａの透明電極に電圧を印加しない円柱の領域２０ａでは、略透明となり、外界像２０ｂを含む外界像を直接見ることができる。外界像２０ｂは矢印形状、水平線、その他の背景を含む。
【００２３】
表示素子３Ａの２０ｃで示す領域の透明電極に電圧を印加すると、表示素子２０ｃに対応する領域の発光層が発光し、円柱画像２０ｃを表示画像として見ることができる。この時、円柱画像２０ｃの領域に対応する液晶シャッター２Ａの領域を閉じた状態にすれば、外界光を遮光できるので、外界像光の影響の無い状態で画像を表示することができる。即ち、発光領域の画像の輝度が低い場合や、発光しない黒色の状態をも表示することができる。
【００２４】
ここで、表示素子３Ａを透過する外界像光の透過効率を上げるため、表示素子３Ａを構成する画素２９の領域内の一部に、例えば、図４に示すように透明部を設け、発光部２９ａと透明部２９ｂとするような構造にすることもできる。
【００２５】
図５は、映像表示装置１Ａの回路構成を示すブロック図である。同図において、２１は画像生成回路である。画像生成回路２１は、ＣＧ（コンピュータグラフィックス）等の映像信号２１ａと映像信号のタイミング等を制御する制御信号２１ｂをコントローラ回路（制御手段）２２に送る。画像生成回路２１はパーソナルコンピュータを用いた構成やＤＶＤプレーヤ等の録画像を供給する装置を用いた構成であってもよい。
【００２６】
コントローラ回路２２は、表示素子３Ａに表示画像を表示させるように表示素子３Ａの図２の領域２０ａに対応する画素には液晶７に電圧を印加せずに円柱画像２０ｃに対応する画素には電圧を印加するように発光層１３の駆動を制御する。また、コントロール回路２２は、表示素子３Ａが円柱画像２０ｃを表示するときに円柱画像２０ｃを表示する画素に対応する部分の液晶シャッター２Ａの光束の透過量が減少するように表示素子３Ａと液晶シャッター２Ａの駆動を制御する。なお、透過量を「減少」することはゼロ（遮光）も含む。
【００２７】
より具体的には、コントローラ回路２２は表示素子駆動回路２３に映像信号２２ａ及び制御信号２２ｃを送り、表示素子駆動回路２３は表示素子３Ａを駆動すべく表示素子３Ａに駆動信号２３ａ、及び制御信号２３ｂを送る。これにより、画像生成回路２１で生成されたＣＧ等の画像が表示素子３Ａ上に表示される。
【００２８】
一方、コントローラ回路２２は、画像生成回路２１で生成されたＣＧ等の画像に対応した表示領域を閉じた状態にすべく、シャッター駆動信号２２ｂと制御信号２２ｄを液晶シャッター駆動回路２４に送る。これに応答して、液晶シャッター駆動回路２４はその画像領域においてシャッターを動作すべく液晶シャッター２Ａに駆動信号２４ａ及び制御信号２４ｂを送る。
【００２９】
表示領域に対応した領域の外界像の光束を液晶シャッター２Ａにより遮光することにより、黒色や輝度の低い状態の画像も外界像に影響されること無く表示することができる。また、液晶シャッター２Ａの透明電極６、８に印加する電圧を可変することにより液晶シャッター２Ａを透過する外界光の透過率を表示画像に対応して変更し、表示画像を透けた状態にして外界像と重ね合せて見ることもできる。
【００３０】
外界光を液晶シャッター２Ａにより表示素子３Ａの画素毎に対応させて遮光する上で、液晶シャッター２Ａは表示素子３Ａにできる限り近づけて設けることが望ましい。映像表示装置１Ａは液晶シャッター２Ａと表示素子３Ａが一体になっていたが、製造上、図３に示すように表示素子３Ａに透明ガラス部材１７を追加して表示素子３Ｂとし、液晶シャッター２Ｂと別体にしてもよい。
【００３１】
尚、上記実施例では、シャッター機能を有する素子として液晶を用いたが、表示画像の画素に対応して画素ごとに外界光の光調が可能な素子であればよく、エレクトロクロミック素子等であってもよい。
【実施例２】
【００３２】
以下、図６〜９を参照して、実施例２の映像表示装置１Ｃについて説明する。実施例１では、表示素子上に表示された映像を直接眼で観察しているが、実施例２では表示素子上に表示された映像を表示素子の射出側に配置された接眼光学系３２を介して観察する。図６は、実施例２の映像表示装置１Ｃの光路図である。
【００３３】
図６において、３１は、液晶シャッター２Ｃの入射側に配置され、外界像３０ａを映像表示装置１Ｃの表示素子３Ｃの表示面上に３０ｂとして結像させる結像光学系である。外界像３０ａは映像表示装置１Ｃの液晶シャッター２Ｃを介して表示素子３Ｃの表示面上に３０ｂとして結像される。表示素子３Ｃの表示面上に結像された外界像３０ｂ、或いは表示素子３Ｃの表示面上に表示された画像は、接眼光学系３２により虚像３０ｃとして観察者３６により観察される。
【００３４】
実施例１で述べたように、表示素子３Ｃの外界側に積層された液晶シャッター２Ｃを表示素子３Ｃの表示画像に対応して動作させ、外界像の光束の透過、遮光を制御することにより、表示素子３Ｃに表示された画像に対する外界像光の影響を制御できる。
【００３５】
ここで、外界像３０ａから結像光学系３１への入射光Ｌ１の入射角をθ１、接眼光学系３２からの射出光Ｌ２の射出角をθ２とすると、入射角θ１と射出角θ２が等しくなるように結像光学系３１及び接眼光学系３２は構成されている。これにより、外界像３０ａは等倍で虚像３０ｃとして観察することができる。
【００３６】
実施例２では、図６に示すように、外界像３０ａに対し観察者３６が観察する虚像３０ｃは上下左右がそれぞれ反転した像となる。これを外界像と同じ方向の正立像として観察するためには、例えば、図７（ａ）、（ｂ）に示す平面ミラー３７、３８、３９、４０を使用する一般的な方法により実現できる。図７（ａ）、（ｂ）は、虚像３０を正立像として観察する構成を示す斜視図と部分透過側面図である。
【００３７】
これにより、接眼光学系からの射出光Ｌ３は、水平方向で互いに直角に配置された平面ミラー３７、３８により左右方向で反転され、さらに垂直方向で互いに直角に配置された平面ミラー３９、４０で上下方向に反転される。
【００３８】
本実施例では結像光学系３２を介して外界像３０ａを表示素子上に結像するので、液晶シャッター２Ｃと表示素子３Ｃとの位置関係が実施例１と異なる。
【００３９】
図８は、実施例２における液晶シャッター２Ｃと表示素子３Ｃの画素の位置関係の模式図である。表示素子３Ｃの画素ピッチをＰ、液晶シャッター２Ｃの画素ピッチをＰ１、表示素子３Ｃの発光面３Ｃａと、液晶シャッター２Ｃのシャッター面２Ｃａとの距離をｂ、結像光学系３１の後ろ側焦点距離をｆとする。画像中心からｎ番目の位置の画素における表示素子３Ｃと液晶シャッター２Ｃの画素のズレ量をｄとすると、次式が成立する。
【００４０】
尚、上記発光面３Ｃａは表示素子３Ｃの発光層の位置（実施例１における発光層１３）であり、液晶シャッター面２Ｃａは液晶シャッター２Ｃの液晶面の位置（実施例１における液晶７）を示す。実際には発光層及び液晶面は数μｍ〜数十μｍの厚さを有するが、数ｍｍの厚さを有する表示素子及び液晶シャッターに比べ十分小さいので発光面及び液晶層の厚さは無視して考えることができる。
（数１）
ｄ＝ｎ・Ｐ・ｂ／ｆ
また、液晶シャッター２Ｃの画素ピッチＰ１は次式を満足するので、
（数２）
Ｐ１＝（ｎ・Ｐ−ｄ）／ｎ
数式１、２からより液晶シャッター２Ｃの画素ピッチＰ１は次式で表される。
（数３）
Ｐ１＝Ｐ（１−ｂ／ｆ）
表示素子３Ｃの画素ピッチＰと液晶シャッター２Ｃの画素ピッチＰ１が数式３を満足するように、表示素子３Ｃと液晶シャッター２Ｃの中心部ｎ＝１番目の画素で画素中心を一致させ、外側端部でズレ量ｄを発生するように積層する。
【００４１】
なお、上述した表示素子３Ｃと液晶シャッター２Ｃの画素ピッチ及び配置の関係は、垂直方向について述べたものであるが、水平方向、すなわち紙面に対し垂直方向に対しても同じである。
【実施例３】
【００４２】
以下、図９を参照して、実施例３の映像表示装置１Ｃについて説明する。本実施例は、外界像４５ａの中間像４５ｂを形成した後、結像光学系４６にて映像表示装置１Ｃの表示素子３Ｃの表示面上に外界像４５ｃを結像するようにしたものである。
【００４３】
表示素子面上に形成された外界像４５ｃは正立像として結像するので、接眼光学系４７で観察される虚像４５ｄは外界像４５ａと同じ向きに観察され、図７に示す画像反転手段は不要である。
【００４４】
外界像４５ａとその虚像４５ｄが同じ倍率で観察されるためには、実施例２で述べた如く、結像光学系４６への外界像の入射角θ１と接眼光学系４７からの射出角θ２が等しいように結像光学系４６と接眼光学系４７が構成される必要がある。
【００４５】
本実施例の映像表示装置１Ｃの液晶シャッター２Ｃと表示素子３Ｃの画素の位置関係は数式３を満足し、本実施例の映像表示装置１Ｃは実施例２と同様である。
【実施例４】
【００４６】
以下、図１０を参照して、実施例４の映像表示装置１Ｄについて説明する。図１０（ａ）は、実施例４の映像表示装置１Ｄの部分断面図であり、液晶シャッター２Ｄと表示素子３Ｄは実施例１、２と同様の構造を有する。本実施例は、外界像を表示素子面上に結像させる結像光学系と、表示素子面上に結像された外界像或いは表示素子面上に表示された画像を観察する接眼光学系に、マイクロレンズアレイを用いる。なお、結像光学系と接眼光学系の少なくとも一方が、画素ごとにレンズが対応するマイクロレンズアレイを有してもよいし、結像光学系と接眼光学系のいずれもかかるマイクロレンズアレイを有してもよい。
【００４７】
図１０（ａ）において、５１は外界像を表示素子３Ｄの表示面上に結像させるための結像光学系を構成するマイクロレンズアレイである。５３は不要光によるコントラストの低下等を押えるための開口部５３ａを有する遮光マスクであるが、構成上必須ではないので省くことは可能である。５５は表示素子３Ｄに表示された画像、或いは表示素子面上に結像された外界像を観察するための接眼光学系を構成するマイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイ５１、５５の各レンズは液晶シャッター２Ｄ及び表示素子３Ｄの少なくとも１画素毎に対応するように設けられている。
【００４８】
液晶シャッター２Ｄの画素５２ａがＯＦＦ状態の時、実施例１で述べた如く液晶シャッター２Ｄの画素５２ａは開口状態にある。従って、外界像からの光束Ｌ５は、液晶シャッター２Ｄの画素５２ａを透過し、さらにそれに対応して設けられた遮光マスク５３の開口部５３ａを通り、結像用のマイクロレンズ５１ａにより、表示素子３Ｄの対応する画素５４ａ上に結像される。
【００４９】
表示素子３Ｄの画素５４ａがＯＦＦ状態であれば、外界像からの光束Ｌ５はそのまま表示素子３Ｄの画素５４ａを透過し、接眼用マイクロレンズ５５ａにより観察者の眼３６の網膜上に結像される。即ち、映像表示装置５０を介して外界像を観察することができる。
【００５０】
液晶シャッター２ＤがＯＮ状態の画素５２ｂでは、液晶シャッター２Ｄが閉じた状態にあるので、外界からの光束Ｌ６は液晶シャッター２Ｄにより遮光される。この時、液晶シャッター２Ｄｂに対応する表示素子の画素５４ｂをＯＮ状態にすれば、画素５４ｂは発光し、表示画像光束Ｌ７を射出する。表示画像光束Ｌ７は、表示素子３Ｄの画素５４ｂに対応した接眼用マイクロレンズ５５ｂにより観察者の眼３６の網膜上に結像される。
【００５１】
以上、表示素子３Ｄの外界側に積層された液晶シャッター２Ｄを表示素子３Ｄの表示画像に対応して動作させ、外界像の光束の透過、遮光を制御することにより、表示素子３Ｄに表示された画像に対する外界像光の影響を制御できる。
【００５２】
図１０（ｂ）は、マイクロレンズアレイ５１、５５、液晶シャッター２Ｄ、表示素子３Ｄの位置関係を示す模式図である。
【００５３】
表示素子３Ｄの画素ピッチをＰ、液晶シャッター２Ｄの画素ピッチをＰ１、マイクロレンズアレイ５１のレンズピッチをＰ２、マイクロレンズアレイ５５のレンズのピッチをＰ３とする。また、表示素子３Ｄと液晶シャッター２Ｄの距離をｂ１、表示素子３Ｄとマイクロレンズアレイ５１及び５５の距離をそれぞれｂ２、ｂ３とする。更に、中心からｎ番目の画素における表示素子の画素と液晶シャッターの画素のズレ量をｄ１、同様に表示素子に対すマイクロレンズアレイ５１及びマイクロレンズアレイ５５の中心からｎ番目のレンズのズレ量をそれぞれｄ２、ｄ３とする。また、表示素子３Ｄから観察者の眼３６の瞳位置３６ａまでの距離をｅとすると、表示素子３Ｄと液晶シャッター２Ｄの中心からｎ番目の画素のズレ量ｄ１は、数式１のｆをｅに置き換えた次式で与えられる。
（数４）
ｄ１＝ｎ・Ｐ・ｂ１／ｅ
同様に、表示素子３Ｄに対するマイクロレンズアレイ５１、５５の中心からｎ番目のレンズのズレ量は、それぞれ次式で与えられる。
（数５）
ｄ２＝ｎ・Ｐ・ｂ２／ｅ
（数６）
ｄ３＝ｎ・Ｐ・ｂ３／ｅ
また、液晶シャッター３２の画素ピッチＰ１は、次式で与えられる。
（数７）
Ｐ１＝（ｎ・Ｐ＋ｄ１）／ｎ
数式４、７より液晶シャッター２Ｄの画素ピッチＰ１は次式で与えられる。
（数８）
Ｐ１＝Ｐ（１＋ｂ１／ｅ）
同様に、マイクロレンズアレイ５１、５５のピッチＰ２、Ｐ３はそれぞれ次式で与えられる。
（数９）
Ｐ２＝Ｐ（１＋ｂ２／ｅ）
（数１０）
Ｐ３＝Ｐ（１−ｂ３／ｅ）
表示素子３Ｄに対する液晶シャッター２Ｄ、マイクロレンズアレイ５１、５５は、上記に示すピッチを用い、中心部ｎ＝１番目の画素及びレンズの中心をそれぞれ一致させ、外側端部で上記のズレ量が発生するように積層する。
【００５４】
表示素子３Ｄの画素中心、液晶シャッター２Ｄの開口中心、マイクロレンズアレイ５１、５５のレンズ中心は、図１０（ｂ）に示すように、これらの中心と観察者の瞳位置３６ａの瞳中心とを結ぶ略直線上（ｇで示す）に位置することになる。
【００５５】
今、観察者の瞳位置３６ａと表示素子３Ｄの距離ｅを２０ｍｍとし、その時の、表示素子３Ｄの画素の解像度を４分とすると、表示素子３Ｄの画素ピッチＰは２３μｍとなる。
【００５６】
表示素子３Ｄと液晶シャッター２Ｄの距離ｂ１、表示素子３Ｄとマイクロレンズアレイ５１の距離ｂ２、表示素子３Ｄとマイクロレンズアレイ５５の距離ｂ３をそれぞれ０．５ｍｍ、１．５ｍｍ、１ｍｍとする。すると、液晶シャッター２Ｄの画素ピッチＰ１は数式８からＰ１＝２３．６μｍ、マイクロレンズアレイ５１のレンズピッチＰ２は数式９からＰ２＝２４．７μｍ、マイクロレンズアレイ５５のレンズピッチＰ３は数式１０からＰ３＝２１．９μｍとなる。
【００５７】
実施例２と同様に、上述した表示素子３Ｄに対する液晶シャッター２Ｄ、マイクロレンズアレイ５１、５５の位置関係は、垂直方向に対して述べたものであるが、水平方向、すなわち紙面に対し垂直方向に対しても同じである。
【００５８】
表示素子３Ｄの画素構造を図４に示す構造とし、マイクロレンズアレイ５１による表示素子３Ｄに対する外界像の結像位置を透明部２９ｂとすることにより、外界像光の透過効率を上げ、外界像をより明るくすることができる。
【００５９】
この時、マイクロレンズアレイ５５に対する表示素子３Ｄの発光位置と外界像光の結像位置がずれるが、このずれに対する瞳位置３６ａでのズレ量をＤとする。マイクロレンズアレイ５５のレンズ径は２１．９μｍ、表示素子３Ｄとマイクロレンズアレイ５５との距離１ｍｍより、マイクロレンズ５５と瞳の距離は１９ｍｍ（＝２０ｍｍ−１ｍｍ）とすると、ズレ量Ｄは次式で与えられる。従って、瞳孔径（通常４ｍｍ程度）に比べて小さいので外界像光及び表示光の何れも瞳孔に入り画像がケラレルことは無い。
（数１１）
Ｄ＝０．４３８ｍｍ（＝２０ｍｍ×２１．９μｍ／１ｍｍ）
実施例４によれば、外界像光をマイクロレンズ５１により表示素子面上に結像させ、マイクロレンズ５５により画素毎に観察者の眼の網膜上に結像させており、画像を反転させる必要が無く光学系の光軸方向の厚さを小さくして装置の小型化を達成することができる。
【実施例５】
【００６０】
以下、図１１を参照して、実施例５の映像表示装置１Ｅについて説明する。映像表示装置１Ｅは、観察者の左右の眼３６Ｌ、３６Ｒに対応して一対の映像表示装置１ＥＬ、１ＥＲを設けている。図１１は、実施例５の映像表示装置１Ｅの部分断面図である。映像表示装置１ＥＬ、１ＥＲの間隔は観察者の眼の幅ｈに合わせる必要があるため、映像表示装置とは無関係に決定される。
【００６１】
映像表示装置の水平方向の画角αを大きくしようとすると、中心部で左右の映像表示装置が干渉してしまう。これは、特に、観察者に対し光軸方向に離れる程顕著になる。
【００６２】
そこで、本実施例は、外界像を表示素子面上に結像するマイクロレンズアレイ６１を、図中Ａ（斜線部）で示す干渉領域において左右共通に使えるようにして画角を大きく確保している。更に、観察者の眼幅に合せて観察位置を調整できるようにしている。
【００６３】
各映像表示装置は、液晶シャッター２Ｅ、表示素子３Ｅ、接眼用マイクロレンズアレイ６４を有すると共に、結像光学系を除く２つの映像表示装置のそれぞれをマイクロレンズアレイ６１が延びる方向に平行な方向に移動する手段を有する。液晶シャッター２Ｅ、表示素子３Ｅ、マイクロレンズアレイ６４は液晶シャッター２Ｄ、表示素子３Ｄ、マイクロレンズアレイ５５と同様の構成を有する。
【００６４】
マイクロレンズアレイ６１のレンズのピッチＰ４は一定であるので、左右の映像表示装置とマイクロレンズアレイ６１との位置関係は、ピッチＰ４単位で矢印Ｂ、Ｃ方向に移動する限り同じである。初期の眼幅をｈ０、観察者の眼幅をｈとすると、次式を満足するように、左右の映像表示装置を矢印Ｂ又はＣ方向に移動させることにより、位置関係を保ちながら観察者の眼幅に合せることができる。
（数１２）
（ｈ−ｈ０）／２＝Ｐ４×ｎ
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
映像表示装置は、ヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイなど各種のディスプレイに適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 映像表示装置
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ 液晶シャッター（調光素子）
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ 表示素子
２２ コントローラ回路（制御手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
同一視野内に外界像と表示素子により表示される表示画像を重ね合わせて観察する映像表示装置においては表示画像の見易さを確保する必要がある。
【０００３】
特許文献１は、透過型の表示素子の背面に透過散乱型の液晶表示素子を積層した表示装置を開示しており、液晶表示素子を動作させた領域では外界像光は散乱して白色化するため、それに対応する領域では表示素子に表示される画像は見易くなる。
【０００４】
特許文献２は、画素構造を有する液晶シャッターに結像された外界像と、それと共役の位置に配置された表示素子に表示された画像をハーフミラーで合成して接眼光学系により観察する映像表示装置を開示している。表示画像に対応した画素に入射する外界からの光束を液晶シャッターで遮光することにより表示画像の透けを防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１２２５９０号公報
【特許文献２】特許第２８４０６９２号公報明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１では、散乱光が表示素子に漏れるため、外界像光の影響を受けずに映像を表示するのは困難である。特許文献２では、液晶シャッターと光学的に共役な位置に表示素子を配置しているため、位置合わせの困難性から表示画像に対応した画素に入射する外界からの光束を液晶シャッターで十分に遮光することは困難になる。即ち、表示素子の表示面上に表示された画像とそれに対応してシャッター面上に形成された画像を一致させることが困難となり、表示画像の見易さは不十分である。また、ハーフミラーを使用して合成しているので明るさが半分になるという問題もあった。
【０００７】
そこで、本発明は、同一視野内に外界像と表示素子により表示される表示画像を重ね合わせて観察する映像表示装置において表示画像の見易さを簡単な構成で確保することが可能な映像表示装置を提供することを例示的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の映像表示装置は、外界像と表示画像を同一視野内で表示する映像表示装置であって、前記表示画像を表示する透過型の表示素子と、前記表示素子に積層され、外界から前記表示素子に至る光束の透過量を前記表示素子の画素ごとに調節する調光素子と、前記表示素子が前記表示画像を表示するときに前記表示画像に対応する部分の前記調光素子の光束の透過量が減少するように前記表示素子と前記調光素子の駆動を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、同一視野内に外界像と表示素子により表示される表示画像を重ね合わせて観察する映像表示装置において表示画像の見易さを簡単な構成で確保することが可能な映像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の映像表示装置の部分断面図である。（実施例１）
【図２】図１に示す映像表示装置に表示された画像を示す図である（実施例１）
【図３】図１に示す映像表示装置の変形例の部分断面図である。（実施例１）
【図４】図１に示す表示素子の画素領域の部分平面図である。（実施例１）
【図５】図１に示す映像表示装置の回路構成を示すブロック図である。（実施例１）
【図６】本発明の映像表示装置の光路図である。（実施例２）
【図７】図６に示す虚像を正立像として観察する画像反転手段の斜視図と部分透過側面図である。（実施例２）
【図８】図６に示す液晶シャッターと表示素子の画素の位置関係の模式図である。（実施例２）
【図９】本発明の映像表示装置の光路図である。（実施例３）
【図１０】本発明の映像表示装置の部分断面図である。（実施例４）
【図１１】本発明の映像表示装置の部分断面図である。（実施例５）
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい実施形態を、添付図面を参照して説明する。本発明の映像表示装置は、同一視野内に外界の光景（外界像）と表示素子により表示された表示画像を重ね合わせて観察する映像表示装置である。例えば、映像表示装置は、非表示状態では透明なディスプレイに映像を表示する表示装置である。あるいは、映像表示装置は、自動車のフロントガラスに速度情報等を投影表示するヘッドアップディスプレイ、コンピュータグラフィック等を外界像に重ねて観察する光学シースルーヘッドマウントディスプレイなどに適用可能である。
【実施例１】
【００１２】
以下、図１〜６を参照して、実施例１の映像表示装置１Ａについて説明する。図１（ａ）は、実施例１の映像表示装置１Ａの部分断面図であり、図１（ｂ）はその動作を説明する部分断面図である。映像表示装置１Ａは外界等からの光の透過、遮光制御を行う液晶シャッター２Ａと、それに積層（物理的に隣接）する形で設けられた表示素子３Ａを有する。
【００１３】
なお、本実施例では、液晶シャッター２Ａと表示素子３Ａの一部の構成要素が共通に使用されて両者は一体となっているが、このような構造も「積層」と呼んでいる。従って、液晶シャッター２Ａと表示素子３Ａが分離されていなくてもよい。もちろん、後述する図３に示すように両者は分離されていてもよい。
【００１４】
液晶シャッター２Ａは、光束の透過、遮光を行う為に一般に用いられている方式の液晶シャッターであるが、完全に遮光しなくてもよい。即ち、外界から表示素子３Ａに至る光束の透過量を調節するように構成された調光素子であれば足り、調節は減光や遮光を含む。液晶シャッター２Ａは、液晶７と、液晶７の偏光方向を変更する電圧を印加可能で液晶７を挟むように画素ごとに設けられた透明電極（第２の透明電極）６、８を有する。また、液晶シャッター２Ａは、それらを挟む形で設けられた透明な一対のガラス部材（第２のガラス部材）５、９及び偏光板４、１０を更に有する。尚、言うまでも無く、透明電極６、８の何れか一方は共通電極として一体化し、前述した画素構造になっていなくてもよい。
【００１５】
液晶シャッター２Ａは、透明電極６、８に電圧を印加しないＯＦＦ動作状態で光を透過する開口状態となり、電圧を印加するＯＮ動作状態で遮光するように、液晶７の特性及び偏光板４、１０は構成されている。
【００１６】
表示素子３Ａは、略透明な発光層１３を挟むように、透明な絶縁層１１、１５を介して画素構造を有する透明電極（第１の透明電極）１２、１４を対向配置している。透明電極１２、１４に電圧を印加することによって発光層１３を発光させるＥＬ（エレクトロ・ルミネッセンス）を用いている。１６は透明性を有するガラス部材である。このように表示素子３Ａは透過型の表示素子である。透明電極１２、１４は一対の第１のガラス部材９、１６に挟まれているが、図１では、一対の第１のガラス部材９、１６の一つであるガラス部材９は一対の第２のガラス部材の一つを兼ねている。これにより、部品点数を削減して光軸方向に小型化を図ることができる。
【００１７】
なお、本実施例では自発光型の表示素子を使用しているが、本発明は外光によって発光する表示素子も使用可能である。
【００１８】
液晶シャッター２Ａの透明電極６ａ、８ａ及びそれに対応する位置に設けられた表示素子３Ａの透明電極１２ａ、１４ａに電圧を印加しないＯＦＦ状態では、液晶シャッター２Ａは開口状態、表示素子３Ａは透明状態となっている。従って、外界光Ｌａはそのまま映像表示装置１Ａを透過する。
【００１９】
液晶シャッター２Ａの透明電極６ｂ、８ｂ及び６ｃ、８ｃに電圧を印加したＯＮ状態では、液晶シャッター２Ａは閉じた状態になり外界光Ｌｂ、Ｌｃは遮光される。この時、これに対応する位置にある表示素子３Ａの透明電極１２ｂ、１４ｂに電圧を印加した場合は、１２ｂ、１４ｂに対応する領域の発光層１３は発光し、表示光Ｌｄを射出する。
【００２０】
液晶シャッター２Ａを閉じた状態で、表示素子３Ａの透明電極１２ｃ、１４ｃの電圧を印加しない場合は、透明電極１２ｃ、１４ｃの領域は透明な状態を保っているが、シャッター２が遮光された状態なので、外界光Ｌｃは遮光され外界像は見えない。
【００２１】
液晶シャッター２Ａは表示素子３Ａに積層されている。即ち、特許文献２のように、光学的に共役な位置に配置されていない。このため、表示画像に対応した画素に入射する外界からの光束を液晶シャッターで遮光する精度が向上し、表示画像の見易さは十分となる（例えば、表示画像の透けを十分に防止することもできる）。また、積層構造により、特許文献２のようなハーフミラーによる画像合成手段が不要となるので、光量不足の問題を解消することができる。
【００２２】
図２は、液晶シャッター２Ａと表示素子３Ａに上記の動作をさせた場合に映像表示装置１Ａの視野領域２０の状態を示したものである。液晶シャッター２Ａ及び表示素子３Ａの透明電極に電圧を印加しない円柱の領域２０ａでは、略透明となり、外界像２０ｂを含む外界像を直接見ることができる。外界像２０ｂは矢印形状、水平線、その他の背景を含む。
【００２３】
表示素子３Ａの２０ｃで示す領域の透明電極に電圧を印加すると、表示素子２０ｃに対応する領域の発光層が発光し、円柱画像２０ｃを表示画像として見ることができる。この時、円柱画像２０ｃの領域に対応する液晶シャッター２Ａの領域を閉じた状態にすれば、外界光を遮光できるので、外界像光の影響の無い状態で画像を表示することができる。即ち、発光領域の画像の輝度が低い場合や、発光しない黒色の状態をも表示することができる。
【００２４】
ここで、表示素子３Ａを透過する外界像光の透過効率を上げるため、表示素子３Ａを構成する画素２９の領域内の一部に、例えば、図４に示すように透明部を設け、発光部２９ａと透明部２９ｂとするような構造にすることもできる。
【００２５】
図５は、映像表示装置１Ａの回路構成を示すブロック図である。同図において、２１は画像生成回路である。画像生成回路２１は、ＣＧ（コンピュータグラフィックス）等の映像信号２１ａと映像信号のタイミング等を制御する制御信号２１ｂをコントローラ回路（制御手段）２２に送る。画像生成回路２１はパーソナルコンピュータを用いた構成やＤＶＤプレーヤ等の録画像を供給する装置を用いた構成であってもよい。
【００２６】
コントローラ回路２２は、表示素子３Ａに表示画像を表示させるように表示素子３Ａの図２の領域２０ａに対応する画素には液晶７に電圧を印加せずに円柱画像２０ｃに対応する画素には電圧を印加するように発光層１３の駆動を制御する。また、コントロール回路２２は、表示素子３Ａが円柱画像２０ｃを表示するときに円柱画像２０ｃを表示する画素に対応する部分の液晶シャッター２Ａの光束の透過量が減少するように表示素子３Ａと液晶シャッター２Ａの駆動を制御する。なお、透過量を「減少」することはゼロ（遮光）も含む。
【００２７】
より具体的には、コントローラ回路２２は表示素子駆動回路２３に映像信号２２ａ及び制御信号２２ｃを送り、表示素子駆動回路２３は表示素子３Ａを駆動すべく表示素子３Ａに駆動信号２３ａ、及び制御信号２３ｂを送る。これにより、画像生成回路２１で生成されたＣＧ等の画像が表示素子３Ａ上に表示される。
【００２８】
一方、コントローラ回路２２は、画像生成回路２１で生成されたＣＧ等の画像に対応した表示領域を閉じた状態にすべく、シャッター駆動信号２２ｂと制御信号２２ｄを液晶シャッター駆動回路２４に送る。これに応答して、液晶シャッター駆動回路２４はその画像領域においてシャッターを動作すべく液晶シャッター２Ａに駆動信号２４ａ及び制御信号２４ｂを送る。
【００２９】
表示領域に対応した領域の外界像の光束を液晶シャッター２Ａにより遮光することにより、黒色や輝度の低い状態の画像も外界像に影響されること無く表示することができる。また、液晶シャッター２Ａの透明電極６、８に印加する電圧を可変することにより液晶シャッター２Ａを透過する外界光の透過率を表示画像に対応して変更し、表示画像を透けた状態にして外界像と重ね合せて見ることもできる。
【００３０】
外界光を液晶シャッター２Ａにより表示素子３Ａの画素毎に対応させて遮光する上で、液晶シャッター２Ａは表示素子３Ａにできる限り近づけて設けることが望ましい。映像表示装置１Ａは液晶シャッター２Ａと表示素子３Ａが一体になっていたが、製造上、図３に示すように表示素子３Ａに透明ガラス部材１７を追加して表示素子３Ｂとし、液晶シャッター２Ｂと別体にしてもよい。
【００３１】
尚、上記実施例では、シャッター機能を有する素子として液晶を用いたが、表示画像の画素に対応して画素ごとに外界光の光調が可能な素子であればよく、エレクトロクロミック素子等であってもよい。
【実施例２】
【００３２】
以下、図６〜９を参照して、実施例２の映像表示装置１Ｃについて説明する。実施例１では、表示素子上に表示された映像を直接眼で観察しているが、実施例２では表示素子上に表示された映像を表示素子の射出側に配置された接眼光学系３２を介して観察する。図６は、実施例２の映像表示装置１Ｃの光路図である。
【００３３】
図６において、３１は、液晶シャッター２Ｃの入射側に配置され、外界像３０ａを映像表示装置１Ｃの表示素子３Ｃの表示面上に３０ｂとして結像させる結像光学系である。外界像３０ａは映像表示装置１Ｃの液晶シャッター２Ｃを介して表示素子３Ｃの表示面上に３０ｂとして結像される。表示素子３Ｃの表示面上に結像された外界像３０ｂ、或いは表示素子３Ｃの表示面上に表示された画像は、接眼光学系３２により虚像３０ｃとして観察者３６により観察される。
【００３４】
実施例１で述べたように、表示素子３Ｃの外界側に積層された液晶シャッター２Ｃを表示素子３Ｃの表示画像に対応して動作させ、外界像の光束の透過、遮光を制御することにより、表示素子３Ｃに表示された画像に対する外界像光の影響を制御できる。
【００３５】
ここで、外界像３０ａから結像光学系３１への入射光Ｌ１の入射角をθ１、接眼光学系３２からの射出光Ｌ２の射出角をθ２とすると、入射角θ１と射出角θ２が等しくなるように結像光学系３１及び接眼光学系３２は構成されている。これにより、外界像３０ａは等倍で虚像３０ｃとして観察することができる。
【００３６】
実施例２では、図６に示すように、外界像３０ａに対し観察者３６が観察する虚像３０ｃは上下左右がそれぞれ反転した像となる。これを外界像と同じ方向の正立像として観察するためには、例えば、図７（ａ）、（ｂ）に示す平面ミラー３７、３８、３９、４０を使用する一般的な方法により実現できる。図７（ａ）、（ｂ）は、虚像３０を正立像として観察する構成を示す斜視図と部分透過側面図である。
【００３７】
これにより、接眼光学系からの射出光Ｌ３は、水平方向で互いに直角に配置された平面ミラー３７、３８により左右方向で反転され、さらに垂直方向で互いに直角に配置された平面ミラー３９、４０で上下方向に反転される。
【００３８】
本実施例では結像光学系３２を介して外界像３０ａを表示素子上に結像するので、液晶シャッター２Ｃと表示素子３Ｃとの位置関係が実施例１と異なる。
【００３９】
図８は、実施例２における液晶シャッター２Ｃと表示素子３Ｃの画素の位置関係の模式図である。表示素子３Ｃの画素ピッチをＰ、液晶シャッター２Ｃの画素ピッチをＰ１、表示素子３Ｃの発光面３Ｃａと、液晶シャッター２Ｃのシャッター面２Ｃａとの距離をｂ、結像光学系３１の後ろ側焦点距離をｆとする。画像中心からｎ番目の位置の画素における表示素子３Ｃと液晶シャッター２Ｃの画素のズレ量をｄとすると、次式が成立する。
【００４０】
尚、上記発光面３Ｃａは表示素子３Ｃの発光層の位置（実施例１における発光層１３）であり、液晶シャッター面２Ｃａは液晶シャッター２Ｃの液晶面の位置（実施例１における液晶７）を示す。実際には発光層及び液晶面は数μｍ〜数十μｍの厚さを有するが、数ｍｍの厚さを有する表示素子及び液晶シャッターに比べ十分小さいので発光面及び液晶層の厚さは無視して考えることができる。
（数１）
ｄ＝ｎ・Ｐ・ｂ／ｆ
また、液晶シャッター２Ｃの画素ピッチＰ１は次式を満足するので、
（数２）
Ｐ１＝（ｎ・Ｐ−ｄ）／ｎ
数式１、２からより液晶シャッター２Ｃの画素ピッチＰ１は次式で表される。
（数３）
Ｐ１＝Ｐ（１−ｂ／ｆ）
表示素子３Ｃの画素ピッチＰと液晶シャッター２Ｃの画素ピッチＰ１が数式３を満足するように、表示素子３Ｃと液晶シャッター２Ｃの中心部ｎ＝１番目の画素で画素中心を一致させ、外側端部でズレ量ｄを発生するように積層する。
【００４１】
なお、上述した表示素子３Ｃと液晶シャッター２Ｃの画素ピッチ及び配置の関係は、垂直方向について述べたものであるが、水平方向、すなわち紙面に対し垂直方向に対しても同じである。
【実施例３】
【００４２】
以下、図９を参照して、実施例３の映像表示装置１Ｃについて説明する。本実施例は、外界像４５ａの中間像４５ｂを形成した後、結像光学系４６にて映像表示装置１Ｃの表示素子３Ｃの表示面上に外界像４５ｃを結像するようにしたものである。
【００４３】
表示素子面上に形成された外界像４５ｃは正立像として結像するので、接眼光学系４７で観察される虚像４５ｄは外界像４５ａと同じ向きに観察され、図７に示す画像反転手段は不要である。
【００４４】
外界像４５ａとその虚像４５ｄが同じ倍率で観察されるためには、実施例２で述べた如く、結像光学系４６への外界像の入射角θ１と接眼光学系４７からの射出角θ２が等しいように結像光学系４６と接眼光学系４７が構成される必要がある。
【００４５】
本実施例の映像表示装置１Ｃの液晶シャッター２Ｃと表示素子３Ｃの画素の位置関係は数式３を満足し、本実施例の映像表示装置１Ｃは実施例２と同様である。
【実施例４】
【００４６】
以下、図１０を参照して、実施例４の映像表示装置１Ｄについて説明する。図１０（ａ）は、実施例４の映像表示装置１Ｄの部分断面図であり、液晶シャッター２Ｄと表示素子３Ｄは実施例１、２と同様の構造を有する。本実施例は、外界像を表示素子面上に結像させる結像光学系と、表示素子面上に結像された外界像或いは表示素子面上に表示された画像を観察する接眼光学系に、マイクロレンズアレイを用いる。なお、結像光学系と接眼光学系の少なくとも一方が、画素ごとにレンズが対応するマイクロレンズアレイを有してもよいし、結像光学系と接眼光学系のいずれもかかるマイクロレンズアレイを有してもよい。
【００４７】
図１０（ａ）において、５１は外界像を表示素子３Ｄの表示面上に結像させるための結像光学系を構成するマイクロレンズアレイである。５３は不要光によるコントラストの低下等を押えるための開口部５３ａを有する遮光マスクであるが、構成上必須ではないので省くことは可能である。５５は表示素子３Ｄに表示された画像、或いは表示素子面上に結像された外界像を観察するための接眼光学系を構成するマイクロレンズアレイである。マイクロレンズアレイ５１、５５の各レンズは液晶シャッター２Ｄ及び表示素子３Ｄの少なくとも１画素毎に対応するように設けられている。
【００４８】
液晶シャッター２Ｄの画素５２ａがＯＦＦ状態の時、実施例１で述べた如く液晶シャッター２Ｄの画素５２ａは開口状態にある。従って、外界像からの光束Ｌ５は、液晶シャッター２Ｄの画素５２ａを透過し、さらにそれに対応して設けられた遮光マスク５３の開口部５３ａを通り、結像用のマイクロレンズ５１ａにより、表示素子３Ｄの対応する画素５４ａ上に結像される。
【００４９】
表示素子３Ｄの画素５４ａがＯＦＦ状態であれば、外界像からの光束Ｌ５はそのまま表示素子３Ｄの画素５４ａを透過し、接眼用マイクロレンズ５５ａにより観察者の眼３６の網膜上に結像される。即ち、映像表示装置５０を介して外界像を観察することができる。
【００５０】
液晶シャッター２ＤがＯＮ状態の画素５２ｂでは、液晶シャッター２Ｄが閉じた状態にあるので、外界からの光束Ｌ６は液晶シャッター２Ｄにより遮光される。この時、液晶シャッター２Ｄｂに対応する表示素子の画素５４ｂをＯＮ状態にすれば、画素５４ｂは発光し、表示画像光束Ｌ７を射出する。表示画像光束Ｌ７は、表示素子３Ｄの画素５４ｂに対応した接眼用マイクロレンズ５５ｂにより観察者の眼３６の網膜上に結像される。
【００５１】
以上、表示素子３Ｄの外界側に積層された液晶シャッター２Ｄを表示素子３Ｄの表示画像に対応して動作させ、外界像の光束の透過、遮光を制御することにより、表示素子３Ｄに表示された画像に対する外界像光の影響を制御できる。
【００５２】
図１０（ｂ）は、マイクロレンズアレイ５１、５５、液晶シャッター２Ｄ、表示素子３Ｄの位置関係を示す模式図である。
【００５３】
表示素子３Ｄの画素ピッチをＰ、液晶シャッター２Ｄの画素ピッチをＰ１、マイクロレンズアレイ５１のレンズピッチをＰ２、マイクロレンズアレイ５５のレンズのピッチをＰ３とする。また、表示素子３Ｄと液晶シャッター２Ｄの距離をｂ１、表示素子３Ｄとマイクロレンズアレイ５１及び５５の距離をそれぞれｂ２、ｂ３とする。更に、中心からｎ番目の画素における表示素子の画素と液晶シャッターの画素のズレ量をｄ１、同様に表示素子に対すマイクロレンズアレイ５１及びマイクロレンズアレイ５５の中心からｎ番目のレンズのズレ量をそれぞれｄ２、ｄ３とする。また、表示素子３Ｄから観察者の眼３６の瞳位置３６ａまでの距離をｅとすると、表示素子３Ｄと液晶シャッター２Ｄの中心からｎ番目の画素のズレ量ｄ１は、数式１のｆをｅに置き換えた次式で与えられる。
（数４）
ｄ１＝ｎ・Ｐ・ｂ１／ｅ
同様に、表示素子３Ｄに対するマイクロレンズアレイ５１、５５の中心からｎ番目のレンズのズレ量は、それぞれ次式で与えられる。
（数５）
ｄ２＝ｎ・Ｐ・ｂ２／ｅ
（数６）
ｄ３＝ｎ・Ｐ・ｂ３／ｅ
また、液晶シャッター３２の画素ピッチＰ１は、次式で与えられる。
（数７）
Ｐ１＝（ｎ・Ｐ＋ｄ１）／ｎ
数式４、７より液晶シャッター２Ｄの画素ピッチＰ１は次式で与えられる。
（数８）
Ｐ１＝Ｐ（１＋ｂ１／ｅ）
同様に、マイクロレンズアレイ５１、５５のピッチＰ２、Ｐ３はそれぞれ次式で与えられる。
（数９）
Ｐ２＝Ｐ（１＋ｂ２／ｅ）
（数１０）
Ｐ３＝Ｐ（１−ｂ３／ｅ）
表示素子３Ｄに対する液晶シャッター２Ｄ、マイクロレンズアレイ５１、５５は、上記に示すピッチを用い、中心部ｎ＝１番目の画素及びレンズの中心をそれぞれ一致させ、外側端部で上記のズレ量が発生するように積層する。
【００５４】
表示素子３Ｄの画素中心、液晶シャッター２Ｄの開口中心、マイクロレンズアレイ５１、５５のレンズ中心は、図１０（ｂ）に示すように、これらの中心と観察者の瞳位置３６ａの瞳中心とを結ぶ略直線上（ｇで示す）に位置することになる。
【００５５】
今、観察者の瞳位置３６ａと表示素子３Ｄの距離ｅを２０ｍｍとし、その時の、表示素子３Ｄの画素の解像度を４分とすると、表示素子３Ｄの画素ピッチＰは２３μｍとなる。
【００５６】
表示素子３Ｄと液晶シャッター２Ｄの距離ｂ１、表示素子３Ｄとマイクロレンズアレイ５１の距離ｂ２、表示素子３Ｄとマイクロレンズアレイ５５の距離ｂ３をそれぞれ０．５ｍｍ、１．５ｍｍ、１ｍｍとする。すると、液晶シャッター２Ｄの画素ピッチＰ１は数式８からＰ１＝２３．６μｍ、マイクロレンズアレイ５１のレンズピッチＰ２は数式９からＰ２＝２４．７μｍ、マイクロレンズアレイ５５のレンズピッチＰ３は数式１０からＰ３＝２１．９μｍとなる。
【００５７】
実施例２と同様に、上述した表示素子３Ｄに対する液晶シャッター２Ｄ、マイクロレンズアレイ５１、５５の位置関係は、垂直方向に対して述べたものであるが、水平方向、すなわち紙面に対し垂直方向に対しても同じである。
【００５８】
表示素子３Ｄの画素構造を図４に示す構造とし、マイクロレンズアレイ５１による表示素子３Ｄに対する外界像の結像位置を透明部２９ｂとすることにより、外界像光の透過効率を上げ、外界像をより明るくすることができる。
【００５９】
この時、マイクロレンズアレイ５５に対する表示素子３Ｄの発光位置と外界像光の結像位置がずれるが、このずれに対する瞳位置３６ａでのズレ量をＤとする。マイクロレンズアレイ５５のレンズ径は２１．９μｍ、表示素子３Ｄとマイクロレンズアレイ５５との距離１ｍｍより、マイクロレンズ５５と瞳の距離は１９ｍｍ（＝２０ｍｍ−１ｍｍ）とすると、ズレ量Ｄは次式で与えられる。従って、瞳孔径（通常４ｍｍ程度）に比べて小さいので外界像光及び表示光の何れも瞳孔に入り画像がケラレルことは無い。
（数１１）
Ｄ＝０．４３８ｍｍ（＝２０ｍｍ×２１．９μｍ／１ｍｍ）
実施例４によれば、外界像光をマイクロレンズ５１により表示素子面上に結像させ、マイクロレンズ５５により画素毎に観察者の眼の網膜上に結像させており、画像を反転させる必要が無く光学系の光軸方向の厚さを小さくして装置の小型化を達成することができる。
【実施例５】
【００６０】
以下、図１１を参照して、実施例５の映像表示装置１Ｅについて説明する。映像表示装置１Ｅは、観察者の左右の眼３６Ｌ、３６Ｒに対応して一対の映像表示装置１ＥＬ、１ＥＲを設けている。図１１は、実施例５の映像表示装置１Ｅの部分断面図である。映像表示装置１ＥＬ、１ＥＲの間隔は観察者の眼の幅ｈに合わせる必要があるため、映像表示装置とは無関係に決定される。
【００６１】
映像表示装置の水平方向の画角αを大きくしようとすると、中心部で左右の映像表示装置が干渉してしまう。これは、特に、観察者に対し光軸方向に離れる程顕著になる。
【００６２】
そこで、本実施例は、外界像を表示素子面上に結像するマイクロレンズアレイ６１を、図中Ａ（斜線部）で示す干渉領域において左右共通に使えるようにして画角を大きく確保している。更に、観察者の眼幅に合せて観察位置を調整できるようにしている。
【００６３】
各映像表示装置は、液晶シャッター２Ｅ、表示素子３Ｅ、接眼用マイクロレンズアレイ６４を有すると共に、結像光学系を除く２つの映像表示装置のそれぞれをマイクロレンズアレイ６１が延びる方向に平行な方向に移動する手段を有する。液晶シャッター２Ｅ、表示素子３Ｅ、マイクロレンズアレイ６４は液晶シャッター２Ｄ、表示素子３Ｄ、マイクロレンズアレイ５５と同様の構成を有する。
【００６４】
マイクロレンズアレイ６１のレンズのピッチＰ４は一定であるので、左右の映像表示装置とマイクロレンズアレイ６１との位置関係は、ピッチＰ４単位で矢印Ｂ、Ｃ方向に移動する限り同じである。初期の眼幅をｈ０、観察者の眼幅をｈとすると、次式を満足するように、左右の映像表示装置を矢印Ｂ又はＣ方向に移動させることにより、位置関係を保ちながら観察者の眼幅に合せることができる。
（数１２）
（ｈ−ｈ０）／２＝Ｐ４×ｎ
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
映像表示装置は、ヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイなど各種のディスプレイに適用することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ 映像表示装置
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ 液晶シャッター（調光素子）
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ 表示素子
２２ コントローラ回路（制御手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外界像と表示画像を同一視野内で表示する映像表示装置であって、
前記表示画像を表示する透過型の表示素子と、
前記表示素子に積層され、外界から前記表示素子に至る光束の透過量を前記表示素子の画素ごとに調節する調光素子と、
前記表示素子が前記表示画像を表示するときに前記表示画像に対応する部分の前記調光素子の光束の透過量が減少するように前記表示素子と前記調光素子の駆動を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
前記表示素子は、発光層と、前記発光層を駆動するように前記発光層を挟むように画素ごとに設けられた第１の透明電極と、前記第１の透明電極を挟む一対の第１のガラス部材と、を有し、
前記調光素子は、液晶を駆動するように前記液晶を挟むように画素ごとに設けられた第２の透明電極と、前記第２の透明電極を挟む一対の第２のガラス部材と、を有することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項３】
前記一対の第１のガラス部材の一つは前記第２のガラス部材を兼ねていることを特徴とする請求項２に記載の映像表示装置。
【請求項４】
前記調光素子の入射側に配置された結像光学系と、前記表示素子の射出側に配置された接眼光学系を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の映像表示装置。
【請求項５】
前記接眼光学系が形成する虚像を正立像に反転する手段を更に有することを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
【請求項６】
前記結像光学系と前記接眼光学系の少なくとも一方は、画素ごとにレンズが対応するマイクロレンズアレイを有することを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
【請求項７】
前記結像光学系と前記接眼光学系はいずれも画素ごとにレンズが対応するマイクロレンズアレイを有し、
ある画素について、前記結像光学系を構成するマイクロレンズのレンズ中心、前記調光素子の開口中心、前記表示素子の画素中心、前記接眼光学系を構成するマイクロレンズのレンズ中心を結ぶ直線は瞳位置を通ることを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
【請求項８】
前記外界像を前記表示素子に結像する結像光学系を更に有し、
前記結像光学系は画素ごとにレンズが対応するマイクロレンズアレイを有し、
観察者の左右の眼のそれぞれに対応して２つの映像表示装置が設けられ、
前記結像光学系を構成するマイクロレンズは前記観察者の左右の眼に対して共通に設けられ、
前記結像光学系を除く前記２つの映像表示装置のそれぞれを前記結像光学系のマイクロレンズが延びる方向に平行に移動する手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の映像表示装置。
【請求項１】
外界像と表示画像を同一視野内で表示する映像表示装置であって、
前記表示画像を表示する透過型の表示素子と、
前記表示素子に積層され、外界から前記表示素子に至る光束の透過量を前記表示素子の画素ごとに調節する調光素子と、
前記表示素子が前記表示画像を表示するときに前記表示画像に対応する部分の前記調光素子の光束の透過量が減少するように前記表示素子と前記調光素子の駆動を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
前記表示素子は、発光層と、前記発光層を駆動するように前記発光層を挟むように画素ごとに設けられた第１の透明電極と、前記第１の透明電極を挟む一対の第１のガラス部材と、を有し、
前記調光素子は、液晶を駆動するように前記液晶を挟むように画素ごとに設けられた第２の透明電極と、前記第２の透明電極を挟む一対の第２のガラス部材と、を有することを特徴とする請求項１に記載の映像表示装置。
【請求項３】
前記一対の第１のガラス部材の一つは前記第２のガラス部材を兼ねていることを特徴とする請求項２に記載の映像表示装置。
【請求項４】
前記調光素子の入射側に配置された結像光学系と、前記表示素子の射出側に配置された接眼光学系を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の映像表示装置。
【請求項５】
前記接眼光学系が形成する虚像を正立像に反転する手段を更に有することを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
【請求項６】
前記結像光学系と前記接眼光学系の少なくとも一方は、画素ごとにレンズが対応するマイクロレンズアレイを有することを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
【請求項７】
前記結像光学系と前記接眼光学系はいずれも画素ごとにレンズが対応するマイクロレンズアレイを有し、
ある画素について、前記結像光学系を構成するマイクロレンズのレンズ中心、前記調光素子の開口中心、前記表示素子の画素中心、前記接眼光学系を構成するマイクロレンズのレンズ中心を結ぶ直線は瞳位置を通ることを特徴とする請求項４に記載の映像表示装置。
【請求項８】
前記外界像を前記表示素子に結像する結像光学系を更に有し、
前記結像光学系は画素ごとにレンズが対応するマイクロレンズアレイを有し、
観察者の左右の眼のそれぞれに対応して２つの映像表示装置が設けられ、
前記結像光学系を構成するマイクロレンズは前記観察者の左右の眼に対して共通に設けられ、
前記結像光学系を除く前記２つの映像表示装置のそれぞれを前記結像光学系のマイクロレンズが延びる方向に平行に移動する手段を更に有することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の映像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−４４８３６（Ｐ２０１３−４４８３６Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８１１６３（Ｐ２０１１−１８１１６３）
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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