(57)【要約】【課題】  両眼視による観察の行われる画像表示装置において、より鮮明で、より大きな画像の観察を良好に行う。【解決手段】  例えば微小画素を２次元的に配列して成る画像表示アレイ１が設けられ、これらの微小画素は、例えば指向性の高い発光素子、若しくは指向性の高い照明光で透過または反射照明された表示素子によって形成される。さらに、これらの微小画素の左右方向に隣り合う一対、若しくはそれらの対を左右方向と直交する方向に並べた複数対の集合を対象として、それぞれ一つずつの光学素子を対応させたマイクロレンズアレイ２が設けられる。また、マイクロレンズアレイ２の全体に対して１個のフィールドレンズ３が設けられる。そして観察者の眼４からは、マイクロレンズアレイ２により画像表示アレイ１の虚像６が形成され、この虚像６がフィールドレンズ３によって拡大されて、画像表示アレイ１の拡大虚像５が観察される。【選択図】        図１
2006154280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小画素を２次元的に配列して成る画像表示アレイと、
前記画像表示アレイの左右方向に隣り合う一対の微小画素、もしくはそれらの対を前記左右方向と直交する方向に並べた複数対の微小画素の集合に対応して、一つずつの光学素子を配してなる光学素子アレイと、
各前記光学素子を通じた光束を観察者の両眼の各瞳の方向に向かわせるフィールド光学部材とから成り、
前記観察者の両眼の各瞳の方向にそれぞれ向かわせる光束は、前記左右方向に隣り合う一対の微小画素のそれぞれに対応する
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記画像表示アレイの左右方向に隣り合う一対の微小画素には、それぞれ左眼用の画素情報と右眼用の画素情報とがその一方及び他方の画素に各別に表示される
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】
前記光学素子アレイとフィールド光学部材とは、前記光束によって前記微小画素の拡大虚像を形成する
ことを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記光学素子アレイは、正の軸対称光学素子、若しくは左右方向にパワーを有する正のシリンドリカル光学素子、若しくは主として左右方向にパワーを有する正のアナモフィック光学素子のいずれか一つ以上を構成要素とする
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】
前記微小画素は、指向性の高い発光素子、若しくは指向性の高い照明光で透過または反射照明された表示素子のいずれかである
ことを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項６】
請求項１記載の画像表示装置において、
前記観察者の両眼の各瞳の方向に向かわせる光束に対応して二つに分けられる前記画像表示アレイを構成する微小画素の二つのグループに対して、互いに同じ情報を表示する
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
請求項１記載の画像表示装置において、
前記観察者の両眼の各瞳の方向に向かわせる光束に対応して二つに分けられる前記画像表示アレイを構成する微小画素の二つのグループに対して、互いに異なる情報を表示する
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項８】
請求項７記載の画像表示装置において、
前記互いに異なる情報は、２眼立体視が可能な情報である
ことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば携帯電話機や、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）或いは携帯型ゲーム機等の電子情報処理装置に使用して好適な画像表示装置に関する。詳しくは、両眼視による観察の行われる画像表示装置において、より鮮明で、より大きな画像の観察を良好に行うことができるようにするものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機等に用いられる画像表示装置において、単眼で観察するときに拡大虚像が得られるようにした装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この特許文献１の画像表示装置においては、複数の微小点光源が２次元的に配列されて構成された照明手段と、各微小点光源からの光を眼球の方向へ屈曲させる第１光学部材と、各微小点光源からの光を収束させた上で略平行光束に変換する第２光学部材とを用いて、単眼を近接させたときに拡大虚像が得られるようにしたものである。
【特許文献１】特開２００４−２９２３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば携帯電話機において、電子メールの受信やインターネットサイトの閲覧など、画像表示装置を用いた機能が実施されるようになってきている。しかしながら従来の携帯電話機では、画像表示装置の画像表示面が小さいために、電子メールの画像やサイトなどの画像の観察には良好とはいえないものであった。
【０００５】
一方、画像表示装置においては、高画素密度のものを用いることが可能になってきており、このような高画素密度の画像は、いわゆるルーペなどを用いて拡大して観察することが可能となる。しかしながら、ルーペの装着には焦点距離に対応する空間が必要であり、小型の携帯電話機での実施は困難である。また、ルーペを別体のアダプタにして、必要時に画像表示装置に取り付けることも考えられるが、別体となるルーペの管理などが容易ではない。
【０００６】
これに対して、上述の特許文献１においては、複数の微小点光源が２次元的に配列されて構成された照明手段と、各微小点光源からの光を眼球の方向へ屈曲させる第１光学部材と、各微小点光源からの光を収束させた上で略平行光束に変換する第２光学部材とを用いて、単眼を近接させたときに拡大虚像が得られるようにしたものである。これによれば、比較的薄型の装置で拡大された画像の観察を行うことができる。
【０００７】
しかしながら特許文献１の発明では、拡大虚像の観察は単眼のみで可能となるため、電子メールの画像やサイトなどの画像の観察には、充分に良好な観察といえるものではなかった。また、その他の動画像や静止画像、ドキュメントファイルの画像などの観察においても、単眼のみでの観察は良好といえるものではない。
【０００８】
さらに、携帯電話機やＰＤＡにおいては、特に日中屋外などで使用される場合に表示画像の鮮明さが求められる。その対策のために従来は、例えばバックライトの輝度を上げるといった処置が取られるが、バックライトの輝度を上げるためには消費電力の増大が必要であり、内蔵電源の寿命などの問題が生じている。
【０００９】
また、特に携帯電話機やＰＤＡにおいては、セキュリティ等の問題から観察できる範囲を狭めることが要求されるが、一般的に表示手段として用いられる液晶ディスプレイ装置では、広角で観察できることが良いとされており、このような液晶ディスプレイ装置を用いている場合には、周囲の第三者による観察を防止することができなかった。
【００１０】
この発明はこのような点に鑑みて成されたものであって、本発明の目的は、両眼視による観察の行われる画像表示装置において、より鮮明で、より大きな画像の観察を良好に行うことができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決し、本発明の目的を達成するため、請求項１に記載された発明による画像表示装置は、微小画素を２次元的に配列して成る画像表示アレイと、画像表示アレイの左右方向に隣り合う一対の微小画素、もしくはそれらの対を左右方向と直交する方向に並べた複数対の微小画素の集合に対応して、一つずつの光学素子を配してなる光学素子アレイと、各光学素子を通じた光束を観察者の両眼の各瞳の方向に向かわせるフィールド光学部材とから成り、観察者の両眼の各瞳の方向にそれぞれ向かわせる光束は、左右方向に隣り合う一対の微小画素のそれぞれに対応することを特徴とするものである。
【００１２】
また、請求項２に記載された発明は、請求項１記載の画像表示装置において、画像表示アレイの左右方向に隣り合う一対の微小画素には、それぞれ左眼用の画素情報と右眼用の画素情報とがその一方及び他方の画素に各別に表示されることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に記載された発明は、請求項１記載の画像表示装置において、光学素子アレイとフィールド光学部材とは、光束によって微小画素の拡大虚像を形成することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項４に記載された発明は、請求項１記載の画像表示装置において、光学素子アレイは、正の軸対称光学素子、若しくは左右方向にパワーを有する正のシリンドリカル光学素子、若しくは主として左右方向にパワーを有する正のアナモフィック光学素子のいずれか一つ以上を構成要素とすることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項５に記載された発明は、請求項１記載の画像表示装置において、微小画素は、指向性の高い発光素子、若しくは指向性の高い照明光で透過または反射照明された表示素子のいずれかであることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項６に記載された発明は、請求項１記載の画像表示装置において、観察者の両眼の各瞳の方向に向かわせる光束に対応して二つに分けられる画像表示アレイを構成する微小画素の二つのグループに対して、互いに同じ情報を表示することを特徴とするものである。
【００１７】
請求項７に記載された発明は、請求項１記載の画像表示装置において、観察者の両眼の各瞳の方向に向かわせる光束に対応して二つに分けられる画像表示アレイを構成する微小画素の二つのグループに対して、互いに異なる情報を表示することを特徴とするものである。
【００１８】
請求項８に記載された発明は、請求項７記載の画像表示装置において、互いに異なる情報は、２眼立体視が可能な情報であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
以上述べた本発明によれば、一対の微小画素もしくは微小画素の集合に対応して、一つずつの光学素子を配してなる光学素子アレイと、各光学素子を通じた光束を観察者の両眼の各瞳の方向に向かわせるフィールド光学部材とを設けることによって、両眼視による観察の行われる画像表示装置において、より鮮明で、より大きな画像の観察を良好に行うことができる。
【００２０】
また、表示の光束を観察者の両眼の各瞳の方向に集中させることによって、表示の輝度を極めて高くすることができると共に、周囲の第三者による観察を防止することができる。さらに、観察者の両眼の各瞳の方向にそれぞれ向かわせる光束を、左右方向に隣り合う一対の微小画素のそれぞれに対応させることによって、異なる情報の表示や、２眼立体視が可能な情報の表示も行うことができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明を説明するに、図１は本発明を適用した画像表示装置の基本原理の説明図である。
【００２２】
図１において、画像表示アレイ１が設けられる。この画像表示アレイ１は、例えば微小画素を２次元的に配列して成るものであり、これらの微小画素は、例えば指向性の高い発光素子（例えば砲弾型微小ＬＥＤ等）、若しくは指向性の高い照明光（小型の砲弾型ＬＥＤを装備する方法もあるが、詳述しない導光手段を用いて太陽・月・空等からの自然光や、室内灯・街灯等の外部照明光を用いることも可能である）で透過または反射照明された表示素子によって形成される。
【００２３】
また、これらの微小画素は、左右方向に隣り合う一対、若しくはそれらの対を左右方向と直交する方向に並べた複数対の集合を対象として、それぞれの対、若しくは集合に対して一つずつの光学素子を対応させたマイクロレンズアレイ２が設けられる。なお、これらの対となる微小画素には、それぞれ後述する左眼用の画素情報と右眼用の画素情報とが、その一方及び他方の画素に各別に表示されるものである。
【００２４】
さらに図１の説明図では、１個のマイクロレンズＭＬのみが図示されているが、実際には、上述の対、若しくは集合ごとに、正の軸対称光学素子、若しくは左右方向にパワーを有する正のシリンドリカル光学素子、若しくは主として左右方向にパワーを有する正のアナモフィック光学素子が設けられている。すなわち実際には、この図１の縦方向は勿論、奥行き方向にもマイクロレンズＭＬがある。またこの図１は、飽く迄も側面図（左右の眼が重なっている）ものである。
【００２５】
そして、これらの複数の正の軸対称光学素子、若しくは正のシリンドリカル光学素子、若しくは正のアナモフィック光学素子の全体として、マイクロレンズアレイ２が形成される。これにより、各画素の中央を発した光束の主光線は全て後述するフィールドレンズ３の焦点に向かうものである。このことは、フィールドレンズ３の焦点付近に眼を持ってくれば、画像表示素子全面の拡大虚像が見える事を示しており、この事実は本発明の最も基本的で重要な特性である。
【００２６】
さらに、上述のマイクロレンズアレイ２の全体に対して１個のフィールドレンズ３が設けられる。このフィールドレンズ３は、例えば正のレンズ、若しくは正のフレネルレンズで形成される。そしてこのフィールドレンズ３とマイクロレンズアレイ２の作用によって、観察者の眼４からは、画像表示アレイ１の拡大虚像５が観察されることになる。すなわち図１の構成では、マイクロレンズアレイ２による虚像６が形成され、さらにこの虚像６がフィールドレンズ３によって拡大虚像５とされる。
【００２７】
さらに説明を加えると、上述の図１において、画像素子アレイ中の１画素の中央部を発した光束は、対応するマイクロレンズＭＬにより発散の角度を狭められながらフィールドレンズ３に向かう。図１ではマイクロレンズＭＬの光軸とフィールドレンズ３の光軸は平行であるから、この光束の主光線はフィールドレンズ３の焦点に向かう。
【００２８】
この時、画像表示アレイ１とマイクロレンズアレイ２との距離−ｓ１を、マイクロレンズＭＬの焦点距離ｆ１より小さくする事により、光束の発散状態を維持しつつフィールドレンズ３に光束を入射できるが、その比率：ｋ１＝ｓ１／ｆ１を適切に定めると虚像の位置、従って虚像の倍率を定めることが出来る。
【００２９】
そこで以下に式を導出してその関連を幾分詳しく説明する。まず各式中の記号として、
フィールドレンズ３から画像表示アレイ１の拡大虚像５までの距離：
【数１】
2006154280.tif 000003
マイクロレンズアレイ２から画像表示アレイ１の虚像６までの距離：
【数２】
2006154280.tif 000004
と置く。
【００３０】
さらにマイクロレンズアレイ２からフィールドレンズ３までの距離：
【数３】
2006154280.tif 000005
であり、従ってフィールドレンズ３から画像表示素子の虚像６までの距離：
【数４】
2006154280.tif 000006
が求まる。
【００３１】
一方、画像表示アレイ１の拡大虚像５の拡大倍率：
【数５】
2006154280.tif 000007
であり、これにより
【数６】
2006154280.tif 000008
となる。
【００３２】
また
【数７】
2006154280.tif 000009
であり、これにより、
【数８】
2006154280.tif 000010
さらに、
【数９】
2006154280.tif 000011
となる。
【００３３】
これらにより、拡大倍率Ｍと、フィールドレンズ３の焦点距離ｆ２を定めれば、フィールドレンズ３から画像表示アレイ１の拡大虚像５までの距離ｓ′２が決まり、加えてマイクロレンズアレイ２からフィールドレンズ３までの距離ｅとマイクロレンズＭＬの焦点距離ｆ１も定めれば、マイクロレンズアレイ２から画像表示アレイ１の距離ｓ１も定まることになる。
【００３４】
すなわち、フィールドレンズ３から画像表示アレイ１の拡大虚像５までの距離ｓ′２は、
【表１】
2006154280.tif 000012
に示すように求まる。
【００３５】
また、マイクロレンズアレイ２から画像表示アレイ１の距離ｓ１は
【表２】
2006154280.tif 000013
に示すように求まる。ただし、表２はｆ１＝３、ｅ＝１とした場合である。
【００３６】
さらに図２には、図１を上面から見た図を示す。ここで図２のＡには、対の画素Ｐ１、Ｐ２とマイクロレンズＭＬの関係を示し、対の画素Ｐ１、Ｐ２からの光束が、マイクロレンズＭＬによって分離されて、それぞれの方向に向かう様子が示される。また図２のＢには、５つの画素対についてそれぞれの対の画素からの光束がフィールドレンズ３によって、それぞれ所定の方向に向かわされる様子が示される。
【００３７】
そして図２のＣにおいては、それぞれの方向に観察者の右眼４Ｒと左眼４Ｌが置かれることにより、それぞれの対の画素からの光束が右眼４Ｒと左眼４Ｌに集中して到達していることが示される。すなわちこの図２のＣにおいて、画素からの光束は周囲に広がることなく、観察者の右眼４Ｒと左眼４Ｌに集中して到達しているものである。
【００３８】
また、図３には、上方から見た立体図を示し、図３のＡは水平方向から５度回転したものである。この図３のＡでは、煩雑さを避けるため、例えば左下隅と右上隅の２対について、そこから発せられる光線の様子が示されている。この図において、各画素対のからの光線がそれぞれ観察者の右眼と左眼に集中して到達されている。
【００３９】
さらに図３のＢには、水平方向の軸に対して６０度回転した立体図を示す。この図３のＢにはそれぞれの視域における光線の到達の様子も示し、ここでは図面を明瞭にするために明暗を反転しているが、右眼と左眼の視域にそれぞれの光線（黒点で示す）が集中して到達されているものである。なお図４には、右眼と左眼の視域における光線の到達の様子を示し、黒点で示す光線の到達位置が、右眼と左眼の視域に集中されていることがわかる。
【００４０】
また、図５のＡ〜Ｆは、半値全角を狭めて行ったときの右眼と左眼の視域における光線の到達の変化の様子をシミュレーションにより求めた結果を示したものであって、この図５からは、半値全角を狭めて行ったときに右眼と左眼の視域への光線の集中する比率が高まって行くことが判る。
【００４１】
さらに図６には、指向性と効率の関係を、半値全角（度＝横軸）とエネルギー効率（比率＝縦軸）によるグラフで示す。また、この数値は次の表２に示すようになっている。
【表３】
2006154280.tif 000014
【００４２】
従ってこの実施形態によれば、両眼視による観察の行われる画像表示装置において、より鮮明で、より大きな画像の観察を良好に行うことができる。また、表示のエネルギー効率が高められることによって、例えば日中屋外などで使用される場合にも鮮明な表示画像を得ることができ、その際にバックライトの輝度を上げる必要がないので、消費電力の増大や内蔵電源の寿命などの問題も生じることがない。
【００４３】
さらに、通常の液晶ディスプレイ装置を用いた場合にも、表示の光束が観察者の両眼の視域に集中されるので、周囲の第三者による観察を良好に防止することができる。これによって、電子メールの画像やサイトなどの画像や、その他の動画像や静止画像、ドキュメントファイルの画像などの観察を極めて良好に行うことができるものである。
【００４４】
ところで、上述の構成によれば、それぞれ対の画素Ｐ１、Ｐ２からの光束が、観察者の右眼４Ｒと左眼４Ｌにそれぞれ独立して到達される。そこで画素Ｐ１、Ｐ２には、通常時は同じ画像情報を表示させることで、平面の画像の観察を行うことができる。ところが上述の構成では、画素Ｐ１、Ｐ２にそれぞれ別の画像情報を表示させることも可能である。
【００４５】
すなわち、上述の構成においては、画素Ｐ１の側の全体画像と、画素Ｐ２の側の全体画像とに別の画像情報を表示させることによって、観察者の右眼４Ｒと左眼４Ｌにそれぞれ別の画像情報を供給することができる。これにより、観察者には、一度に２倍の情報を提供することができ、例えば２眼立体視が可能な情報の表示によって立体画像の提供を行うことも可能になる。
【００４６】
さらに、本発明による画像表示装置の具体的な構成は、例えば以下の述べる仕様で実施することができる。
【００４７】
携帯電話の表示パネル拡大装置(１)
表示パネルサイズ：1.9型（横38.6mm×縦29mm）
画素数（パネル画素ピッチ）：220×176（175.5×164.5μm）
虚像拡大倍率：2〜3倍
光学素子アレイ：マイクロレンズアレイ
：単位素子：平凸レンズｆ＝2.902，ｔ＝0.3，大きさ＝175.5×164.5μm
フィールド光学部材：平凸レンズｆ＝193.5，ｔ＝5，大きさ＝40×30mm
【００４８】
携帯電話の表示パネル拡大装置(２)
表示パネルサイズ：1.9型（横38.6mm×縦29mm）
画素数（パネル画素ピッチ）：220×176（175.5×164.5μm）
虚像拡大倍率：2〜3倍
光学素子アレイ：マイクロレンズアレイ
：単位素子：平凸レンズｆ＝2.902，ｔ＝0.3，大きさ＝175.5×164.5μm
フィールド光学部材：フレネルレンズｆ＝193.5，ｔ＝5，大きさ＝40×30mm
【００４９】
携帯電話の表示パネル拡大装置(３)
表示パネルサイズ：1.9型（横38.6mm×縦29mm）
画素数（パネル画素ピッチ）：220×176（175.5×164.5μm）
虚像拡大倍率：2〜3倍
光学素子アレイ：（マイクロ）シリンドリカルレンズアレイ
：単位素子：平凸シリンドリカルレンズｆ＝2.902，ｔ＝0.3，大きさ＝175.5×164.5μm
フィールド光学部材：フレネルレンズｆ＝193.5，ｔ＝5，大きさ＝40×30mm
【００５０】
なお、本発明によれば、図１の位置５の付近に拡大虚像が見えるものである。この場合に、視域以外から見るとフィールドレンズ３を通して画像表示装置（マイクロレンズアレイ２）が見えるが、これは飽く迄もレンズそのものが見えるのであって、画像を見ることはできない。また、例えば上述の(１)の構成で、２倍の虚像が見える設定であれば、f2=193.5mmとなり、この場合に画像表示装置は眼前200mm位に存在するが、その装置ははっきりとは見えず、眼前400mm位の位置に明るい拡大虚像が空中に浮いて見えることになる。
【００５１】
すなわち、図７には拡大虚像が空中に浮いて見えることを説明している。この図７において、観察者の右眼４Ｒからは、画像表示アレイ１を構成する対の画素の一方が、フィールドレンズ３とマイクロレンズアレイ２を通して、破線で示すような拡大虚像５Ｒとして見える。また、左眼４Ｌからは、画像表示アレイ１を構成する対の画素の他方が、フィールドレンズ３とマイクロレンズアレイ２を通して、実線で示すような拡大虚像５Ｌとして見える。
【００５２】
そしてこの場合に、画像表示アレイ１を構成する対の画素の一方及び他方にはそれぞれ独立の画像が表示されており、これらの表示画像の重なり部分などの処理を適切なものとすることによって、観察者の両眼では、極めて良好な拡大虚像を見ることができるものである。さらに、例えば２眼立体視が可能な情報を表示することによって、立体画像の提供を行うことも可能になるものである。
【００５３】
また上述の構成によれば、図２〜図５から明らかなように右眼用及び左眼用の光束がそれぞれかなり広い幅で到来している。従って、観察者の眼がこの範囲に入っていれば必ず分離して見えることになり、通常の大人の眼間の差は問題なく、幼児でも観賞可能なものである。但し、図５で分かる通り、光量には分布が生じているので、余り外れたところで見ると、暗くなったり左右のバランスがおかしく成ったりすることは避けられない。
【００５４】
しかしながら、本発明の装置は携帯電話等の小型の機器の適用されるものであり、観察者はバランスの良いところに携帯を持ってきて、適切に傾けて、自分に見やすい状態で見ることが容易にできるものである。なお、蛇足ながら、眼間の極狭い幼児が片方の視域内だけで両眼に同じ画像を取り込む事は当然あり得る。この場合には、右眼用、若しくは左眼用の一方の画像のみが両眼で見えるものである。
【００５５】
さらに本発明は、上述の説明した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変形が可能とされるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明を適用した画像表示装置の基本原理の説明図である。
【図２】その動作の説明のための図である。
【図３】その説明のための図である。
【図４】その説明のための図である。
【図５】その説明のための図である。
【図６】その説明のための図である。
【図７】その説明のための図である。
【符号の説明】
【００５７】
１…画像表示アレイ、２…マイクロレンズアレイ、ＭＬ…マイクロレンズ、３…フィールドレンズ、４…観察者の眼、５…画像表示アレイ１の拡大虚像、６…マイクロレンズアレイ２による虚像
【図１】
2006154280.tif 000015
【図２】
2006154280.tif 000016
【図３】
2006154280.tif 000017
【図４】
2006154280.tif 000018
【図５】
2006154280.tif 000019
【図６】
2006154280.tif 000020
【図７】
2006154280.tif 000021