(57)【要約】【課題】  光源から放出された光を効率よく観測者の眼球に送り込むと共に、簡単な構成の画像表示装置を提供する【解決手段】  透過型または反射型の二次元映像板１２と、映像板１２を照明する光源１１と、光源１１から放出された光を拡散する散乱板１と、光源１１と散乱板１との間に設けられ、内表面に反射面を有する散乱空間２と、散乱板１からの光束を映像板１２に照射する凸レンズ３と、映像板１２に表示される映像を光源１１からの光により観察者の網膜１６に投影する接眼レンズ１３とを備えた構成とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過型または反射型の二次元映像板と、上記映像板を照明する光源と、上記光源から放出された光を拡散する散乱板と、上記光源と上記散乱板との間に設けられ、内表面に反射面を有する散乱空間と、上記散乱板からの光束を上記映像板に照射する凸レンズと、上記映像板に表示される映像を上記光源からの光により観察者の網膜に投影する接眼レンズとを備えたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
散乱空間は、光源の発光面と散乱板表面とを除いた内表面が全て反射面で構成されていることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
散乱空間は密閉空間であり、上記散乱空間内に光源が収納されていることを特徴とする請求項２記載の画像表示装置。
【請求項４】
凸レンズは、映像板側が凸状の曲面を有し、少なくとも散乱板側が散乱板に近接した面を有するレンズであることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項５】
凸レンズは、球体レンズであり、散乱板と光学的に密着していることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項６】
散乱板と凸レンズとの間に空隙があることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項７】
凸レンズから放出された光束が概略平行となるようにしたこと特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項８】
凸レンズの焦点位置近傍に散乱板が設置されていること特徴とする請求項７記載の画像表示装置。
【請求項９】
散乱板が、凸レンズおよび接眼レンズを経て、観察者の瞳上で結像するように構成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１０】
接眼レンズから出射された光束が観察者の瞳上で最小スポットになるように構成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１１】
観察者の瞳上での光束の大きさが、直交する方向のうち少なくとも一方向において瞳径の２〜４倍であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像表示装置、特に観察者の頭部等に装着され、映像板に表示された映像を観察者の網膜に投影する眼球投射型画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、眼球投射型画像表示装置の光学系は、例えば面光源と、透過型液晶パネル等の映像板と、接眼レンズとを備えており、フレームによって観察者の眼前に保持されている（例えば、特許文献１参照。）。このような構成の画像表示装置において、面光源から出射された光は、液晶パネルを透過し、液晶パネルを透過した光によって形成される画像又は映像は、接眼レンズによって観察者の網膜に投影される。
【０００３】
【特許文献１】特開平９−５００４６号公報（第２，３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の上記画像表示装置では、面光源と液晶パネルとが密着しており、液晶パネルを透過した光が全方位に放射され、光の利用効率が悪かった。また、面光源と液晶パネルとの距離をとると、光源からの光を効率よく利用できない問題があった。
また、従来の上記画像表示装置では、指向性の無い光束が瞳孔に導かれるので、瞳孔に光束を投射する光学系の収差を補正しなければならず、光学系の構成が著しく複雑になるといった問題があった。
さらに、液晶パネルを透過した光が全方位に放射されるので、観察者が外界を観察するために液晶パネルから視線をそらせても、液晶パネルを透過した光が観察者の瞳孔に入り、外界の様子を良好に観察できないという問題があった。
【０００５】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成により光源から放出された光を効率よく観察者の眼球に送り込むことができる画像表示装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る画像表示装置は、透過型または反射型の二次元映像板と、上記映像板を照明する光源と、上記光源から放出された光を拡散する散乱板と、上記光源と上記散乱板との間に設けられ、内表面に反射面を有する散乱空間と、上記散乱板からの光束を上記映像板に照射する凸レンズと、上記映像板に表示される映像を上記光源からの光により観察者の網膜に投影する接眼レンズとを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、照明光を効率よく観察者の網膜に導くことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による画像表示装置を示す構成図である。
本実施の形態の画像表示装置は、透過型の液晶パネル（二次元映像板）１２と、液晶パネル１２を照明する光源（例えば、発光ダイオード。以下、ＬＥＤと記す。）１１と、ＬＥＤ１１から放出された光を拡散する散乱板１と、ＬＥＤ１１と散乱板１との間に設けられ、内表面に反射面を有する散乱空間２と、散乱板１からの光束を液晶パネル１２に照射する凸レンズ３と、液晶パネル１２に表示される映像を観察者の網膜１６に投影する接眼レンズ１３とを備えている。また、凸レンズ３は、液晶パネル側が凸状の曲面を有し、少なくとも散乱板１に相対する部分が平面となっているレンズである。
【０００９】
図１において、ＬＥＤ１１が放出した光の内、直接、散乱板１に入射した光は散乱され、一部の光はレンズ３側に透過し、他の光は散乱空間２に反射される。また、ＬＥＤ１１が放出した光の内、直接、散乱板１に入射しなかった光は散乱空間２を構成する壁面の内表面に到達し、散乱される。散乱空間２内の光は、仮に散乱空間２の壁で吸収等の損失を受けなかったとすると、散乱空間２の壁で何回か反射した後、散乱板１に到達し、一部の光がレンズ３側に透過し、他の光は散乱空間２に反射される。これを繰り返すため、結果的にＬＥＤ１１から放出された光のほとんどは散乱板１を透過し、レンズ３に到達する。実際には、散乱空間２の内表面、散乱板１自身、ＬＥＤ１１のパッケージやＬＥＤ１１を搭載する基板１０での吸収等の損失があるが、ＬＥＤ１１と散乱板１との間に、内表面に反射面を有する散乱空間２を設けることにより、本来失われる光を上記反射面で再利用できるので、ＬＥＤ１１から放出された光を効率よく散乱板１を介してレンズ３に到達させることができる。
レンズ３に到達した光は、レンズ３の収束作用によってその広がり角が制御され、レンズ３の出射面（凸状の曲面）から発散角が制御された光として出射し、液晶パネル１２を照明する。そして、液晶パネル１２を透過した光は、接眼レンズ１３を介して、観察者の眼球１４に送られるので、ＬＥＤ１１で放出された光を効率よく観察者の眼球１４に到達させることができる。観察者の眼球１４に到達した光は、瞳１７を通過し、水晶体１５を経て網膜１６に達する。ここで、接眼レンズ１３の焦点距離、および接眼レンズ１３と液晶パネル１２との間隔を調節すれば、観察者は、液晶パネル１２の虚像を見ることができる。
【００１０】
なお、上記実施の形態において、ＬＥＤ１１から放出された光をさらに効率よくレンズ３に到達させるためには、光源の発光面と散乱板表面とを除いた内表面全てを反射面で構成するとよい。例えば、散乱空間２を構成する壁面の内表面を白色樹脂等の反射率の高い材料で構成し、さらに、ＬＥＤ１１のパッケージ、基板１０の表面も同様に反射率の高い材料あるいは塗装を施すのが望ましい。
【００１１】
また、本実施の形態では、映像板として透過型の液晶パネルを用いた場合について示したが、反射型の液晶パネルやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）等に対しても、光源１１、散乱板１、散乱空間２等の構成を、上記実施の形態と同様の構成とすることができる。
【００１２】
実施の形態２．
図２は本発明の実施の形態２による画像表示装置の照明系の構成を示す図である。
本実施の形態の画像表示装置は、ＬＥＤ１１が散乱空間２を形成するブロック２０１に埋め込まれており、ＬＥＤ１１の発光面１１１が散乱空間２に露出した構成である。
ＬＥＤ１１から放出された光を密閉された散乱空間内に効率良く閉じ込めることができるので、照明光を効率良く観察者の網膜に導くことができる。
ここで、ブロック２０１の内表面、およびＬＥＤ１１のパッケージは反射率の高い、例えば白色樹脂であることが望ましい。
【００１３】
実施の形態３．
図３は本発明の実施の形態３による画像表示装置の照明系の構成を示す図である。
本実施の形態の画像表示装置は、ＬＥＤ１１が散乱空間２を構成するブロック２０１内に収納された構成である。
ＬＥＤ１１から放出された光を散乱空間内に効率良く閉じ込めることができるので、照明光を効率よく観察者の網膜に導くことができる。
ここで、ブロック２０１の内表面、およびＬＥＤ１１のパッケージは反射率の高い、例えば白色樹脂であることが望ましい。さらに、基板１０も反射率の高い白色塗装を施すのが良い。
【００１４】
実施の形態４．
図４は本発明の実施の形態４による画像表示装置の照明系の構成を示す図である。
本実施の形態の画像表示装置は、図４（ｂ）に示すように、散乱板１とレンズ３との間に空隙を設ける構成である。図４（ａ）に示すように、凸レンズ３の形状が、直方体の一平面部を凸面状の曲面にした形状であり、かつ散乱板１がレンズ３の一部（平面部）に密着、あるいはレンズ３の一部が散乱板１と光学的に密着するように加工されていると、散乱板１を透過し、レンズ３に入射した光は、レンズ内で１８０度方向に広がる。レンズ３はこのような発散光を、散乱角が制御された光として液晶パネル側に出射するように設置されているが、一般的にはレンズ３に入射した全ての光を液晶パネル１２の照射に利用できるというわけではない。レンズ３の側壁面等に当たってレンズ外に出射する光は、レンズ３の曲面部から出射する光に比べ大きな発散角で出射することになる。その結果、レンズ３の出射面から発散角が制御された光として出射される光が減少する。
一方、図４（ｂ）に示すように、散乱板１とレンズ３との間に空隙があると、空気に対してレンズ３の屈折率が高いため、レンズ３に入射した光は、その広がり角が狭くなる方向に折り曲げられる。そのため、より多くの光をレンズ３の出射面（凸状の曲面）に到達させることができ、ＬＥＤ１１から放出した光を効率よく観察者の網膜に導くことができる。
【００１５】
なお、本実施の形態では、散乱板１とレンズ３との間に空隙を設けたが、散乱板１とレンズ３とが接触している場合も、両者が光学的に密着していない場合には微小ながら空隙が存在する。このような場合にも上記実施の形態とほぼ同様の効果が得られる。したがって、このような微小な空隙も含めて空隙とする。
また、上記実施の形態では、散乱板１とレンズ３との間に空隙を設け、散乱板１からの散乱光が空気層を介してレンズ３に入射するようにしたが、散乱板１と凸レンズ３との間に、凸レンズ３より屈折率が小さい部材を介在させて、同様の効果を得るようにしてもよい。
【００１６】
また、レンズ３の、液晶パネル側の曲面部以外の面は、散乱光を吸収または透過させる構成とし、散乱光を反射させない構成とした方がよい。
図５はレンズ３の平面部に、吸収率の高い黒色塗装３０を施したレンズを示す。
このように構成することにより、レンズ３から発散角の大きな光が出射することを防ぐことができ、レンズ３からは発散角の小さな、指向性の高い光が出射するようになる。その結果、コントラストの高い画像を観察できるようになる。
【００１７】
また、図４（ｂ）に示す上記実施の形態では、レンズ３の断面形状が矩形の一辺を凸状の曲線にした形状のレンズを用いるものを示したが、図６に示すように、レンズ３の曲面部に達する光の屈折角の最大値をθｃとした時、平面部（入射面）に立てた法線に対して、レンズの曲面部とレンズの入射面とがθｃ以下の角度θｓでつながった断面形状であってもよい。（θｓを図６に追加しました）
この場合も、レンズの入射面と液晶パネル側の曲面部以外の面は、散乱光を吸収する構成とするとよい。
【００１８】
また、図７に示すように、凸レンズ３は球体レンズであってもよい。この場合は、散乱板１と球体レンズ３とが光学的に密着した構成とする。散乱板１で散乱された光のうち、液晶パネル方向に散乱された光は、液晶パネル側の球面より出射し、それ以外の散乱光は球体内で全反射によって閉じ込められ、再度散乱板１で散乱される。これを繰り返すため、結果的に球体レンズ内に取り込まれた光は、液晶パネル１２に到達するので、照明光を効率よく観察者の網膜に導くことができる。
なお、この場合、球体レンズ３と液晶パネルとの間に、球体レンズ３から出射する光の発散角を小さくするレンズを設けると、さらに効率が上がる。
【００１９】
実施の形態５．
図８は本発明の実施の形態５による画像表示装置の照明系の構成を示す図である。
レンズ３から放出された光束が概略平行光束３００になるように構成したものであり、例えば図９に示すように、散乱板１とレンズ３の主点３０１との距離３０２がレンズ３の焦点距離と等しくなるように構成したものである。本構成によると、レンズ３から出射した光束を効率よく液晶パネル１２に導くことができるので、照明光を効率よく観察者の網膜に導くことができる。さらに、レンズ３の光軸直交面での光束断面サイズと液晶パネルのサイズをほぼ同じにできるので、光の有効利用が図れる。
【００２０】
なお、レンズ３から放出された光束が概略平行光束になるような構成として、レンズ３と液晶パネル１２との間に補正レンズ等を設置するものであってもよい。
【００２１】
実施の形態６．
図１０は本発明の実施の形態６による画像表示装置を示す構成図である。
本実施の形態では、ＬＥＤ（光源）１１、散乱空間２、散乱板１、凸レンズ３等で構成される照明系の構成は、上記各実施の形態と同様の構成であるが、レンズ３、接眼レンズ１３の焦点距離、およびレンズ３と液晶パネル１２と接眼レンズ１３との位置関係を調整することにより、散乱板１が観察者の瞳１７上に結像する構成にしたものである。
このような構成では、マクスウエル視に近い状態になるので、観察者は映像の虚像位置をある程度任意に設定できるとともに、観察者の視力によらず鮮明な映像を見ることができる。
【００２２】
実施の形態７．
図１１は本発明の実施の形態７による画像表示装置の構成を示す図である。
接眼レンズ１３から出射された光束が、実際の光学系によっては結像条件を満たさない場合がある。その場合は、図１１に示すように、瞳１７上で最小スポットになるように、レンズ３および接眼レンズ１３の位置を調整するとよい。ここで、瞳１７上での光束のスポットサイズは、散乱板１のサイズ、レンズ３の焦点距離、接眼レンズ１３の焦点距離により調節できる。
このような構成により、マクスウエル視に近い状態が得られるので、観察者は映像の虚像位置をある程度任意に設定できるとともに、観察者の視力によらず鮮明な映像を見ることができる。
【００２３】
実施の形態８．
図１２は本発明の実施の形態８による画像表示装置の瞳サイズと瞳位置での光束サイズを示す図である。
散乱板１のサイズ、レンズ３の焦点距離、接眼レンズ１３の焦点距離により、瞳１７上での光束１８の大きさ（ｂ、ｃ）が、瞳径（ａ）の２〜４倍になるように調節する。
このようにすることにより、マクスウエル視に近い状態になるので、観察者は映像の虚像位置をある程度任意に設定できるとともに、観察者の視力によらず鮮明な映像を見ることができる。
また、ある程度、観察者の瞳が画像表示装置の光軸からずれても映像が見える。さらに、観察者が映像を見ないとき、視線を動かせば、映像が暗くなるので、外界の様子を観察でき、画像表示装置を装着していてもわずらわしくない。
ここで、光束１８の大きさは、光束の強度分布の１／ｅ2強度の全幅を示し、瞼の開閉方向とそれに直交する方向で、幅が異なっても良く、瞼の開閉方向がそれに直交する方向に比べ幅が狭い方が好ましい。
また、上記実施の形態では瞼の開閉方向の光束の大きさ（ｃ）とそれに直交する方向の光束の大きさ（ｂ）とが、共に瞳径（ａ）の２〜４倍になるようにしたが、少なくとも一方向において、瞳径（ａ）の２〜４倍になるようにしてもよい。このような場合、特定方向に視線を動かせば外界の様子を観察できるので、画像表示装置を装着していてもわずらわしくない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１による画像表示装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施の形態２による画像表示装置の照明系の構成を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３による画像表示装置の照明系の構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態４による画像表示装置の照明系の構成を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態４による画像表示装置の他の照明系の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態４による画像表示装置の他の照明系の構成を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態４による画像表示装置の他の照明系の構成を示す図である。
【図８】本発明の実施の形態５による画像表示装置の照明系の構成を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態５による画像表示装置の照明系の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態６による画像表示装置を示す構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態７による画像表示装置を示す構成図である。
【図１２】本発明の実施の形態８による画像表示装置の瞳サイズと瞳位置での光束サイズを示す図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  散乱板、２  散乱空間、３  凸レンズ、１０  基板、１１  ＬＥＤ、１２  液晶パネル、１３  接眼レンズ、１４  眼球、１５  水晶体、１６  網膜、１７  瞳。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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