(57)【要約】本発明は、ヘッドマウントディスプレイ、携帯電話機及びパーソナルディジタルアシスタント（ＰＤＡ）のような小型パーソナルデバイスに用いられることができる小型表示デバイスに関する。表示デバイスは、光源と、オブジェクト画像を形成する反射型ディスプレイと、オブジェクト画像のバーチャル画像を投影する光学システムとを備える。反射型ディスプレイの照射を改善するために、表示デバイスは、全反射による反射型ディスプレイの実質的に垂直な照射用の光誘導手段を備える。
2005512110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オブジェクトソースを形成する反射型表示手段と、前記反射型表示手段を照射する光源と、前記オブジェクトソースのバーチャル画像を投影する光学システムとを有する表示デバイスであって、全反射による前記反射型表示手段の実質的に垂直な照射のための光誘導手段を有することを特徴とする表示デバイス。
【請求項２】
前記光学システムが、平行六面体と、４分の１波長板と、ミラーとを有することを特徴とする請求項１に記載の表示デバイス。
【請求項３】
前記光誘導手段が前記平行六面体を有し、前記光源が前記平行六面体の面の一つの面に対向するとともに、反射型表示パネルが前記平行六面体の前記一つの面の反対側の面に近傍して位置付けられることを特徴とする請求項２に記載の表示デバイス。
【請求項４】
前記平行六面体は、前記反射型表示手段に向かって第１の方向の偏光をもつ光の部分を伝え、前記４分の１波長板及び前記ミラーに向かって前記反射型表示手段により反射される第２の方向の偏光であって、前記第１の方向に対して垂直である第２の方向の偏光をもつ光の部分を反射し、見る人に対して前記４分の１波長板及び前記ミラーから前記第１の方向に偏光をもつ反射された光の部分を伝えるための偏光ビーム分割面を有することを特徴とする請求項２に記載の表示デバイス。
【請求項５】
前記光誘導手段が、前記光学システムと、前記反射型表示手段との間に位置付けられることを特徴とする請求項１に記載の表示デバイス。
【請求項６】
前記反射型表示手段に向かって前記光誘導手段から第１の方向の偏光をもつ光を反射するとともに、前記反射型表示手段から前記光学システムへ前記第１の方向に対して垂直な第２の方向の偏光をもつ反射された光の部分を伝えるために、前記光誘導手段と前記光学システムとの間に反射偏光手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の表示デバイス。
【請求項７】
前記光誘導手段がプリズムを有することを特徴とする請求項６に記載の表示デバイス。
【請求項８】
前記光学システムの入射面に対向する前記プリズムの側面の部分は、前記光源に光学的に結合されることを特徴とする請求項７に記載の表示デバイス。
【請求項９】
前記光学システムが、平行六面体と、４分の１波長板と、ミラーとを有することを特徴とする請求項８に記載の表示デバイス。
【請求項１０】
前記平行六面体は、前記４分の１波長板を介して前記ミラーに向かって前記反射型表示手段から入射する前記第２の方向に偏光をもつ光の部分を反射するとともに、見る人に対して前記４分の１波長板及び前記ミラーから前記第１の方向に偏光をもつ反射光の部分を伝えるために、偏光ビーム分割面を有することを特徴とする請求項９に記載の表示デバイス。
【請求項１１】
他の偏光手段が、前記放射源と前記光誘導手段との間に位置付けられ、第１の方向に偏光をもつ光を伝えることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の表示デバイス。
【請求項１２】
前記反射型表示手段と、前記光学システムとの間に位置付けられるレンズを有することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の表示デバイス。
【請求項１３】
反射型液晶ディスプレイ又はディジタルマイクロミラーディスプレイを有することを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の表示デバイス。
【請求項１４】
請求項１乃至１３の何れか１項に記載の表示デバイスを備えるヘッドマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１のプリアンブルに規定される表示デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型表示デバイスは、ヘッドマウントディスプレイと、パーソナルディジタルアシスタント（ＰＤＡ）、携帯電話機及びＷＡＰ電話のような小型パーソナルデバイスとにおいて用いられる。
【０００３】
小型表示デバイスは、米国特許公報ＵＳ５，８９２，６２４から既知である。この既知の表示システムは、埋め込み型ビームスプリッタ（immersed beam splitter)及びミラー素子をもつプリズムを備える光学システムと、オブジェクトソースを形成するための反射型液晶ディスプレイと、この反射型液晶ディスプレイを照射するための光源とを有する。動作の際、この光源は、プリズムを介して反射型液晶ディスプレイを照射する。反射型液晶ディスプレイは、光線を変調するとともに、ビーム分割面の反射によってミラー素子へ光を反射する。このミラー素子は、プリズムのビーム分割面を介して見る人に対してソースオブジェクトを結像する。
【０００４】
この表示デバイスにおいて、例えばＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）表示パネルなどの正反射型ＬＣＤが適用されることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、その場合、最大に得ることができるコントラストは制限される。
【０００６】
本発明の目的は、向上されたコントラストをもつ小型表示システムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１に規定される本発明による表示システムによって実現される。本発明は、照射が反射型表示パネルの平面に対して実質的に垂直であるとき、正反射型ディスプレイのコントラストは最大にされるという見識に基づいている。照射手段が光学システムの結像パスに現れるだろうという理由から、既知の表示デバイスでは、このことは問題を引き起こし得る。本発明による表示システムにおいて、照射は、結像パスを妨げることなく、光誘導(light-guiding)手段における１つ又は複数の全（内部）反射によって表示デバイスの平面に対して垂直に向けられることができる。
【０００８】
本発明によるデバイスの特定の実施例は、請求項２に規定される。この装置が小型表示デバイスをもたらす。本発明による他の実施例において、平行六面体が光誘導手段として用いられる。この平行六面体の形の適応により、小型表示システムと、反射型表示デバイスの実質的に垂直な照射とが可能になる。
【０００９】
本発明によるデバイスの別の実施例が請求項６に規定される。この実施例において、光学システムと反射型表示手段との間に配される光誘導手段により、垂直な照射が行われる。この光誘導手段はプリズムを有してもよい。
【００１０】
他の有利な実施例は、従属請求項に規定される。
【００１１】
本発明のこれら及び他の態様は、本明細書の以下に説明される実施の形態から明らかとなり、これら実施の形態を参照してより詳細に説明されるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、光誘導手段の全（内部）反射によって表示デバイスの照射が起こる第１の表示デバイスの例を示す。第１の表示デバイス１は、照射源２と、偏光ビーム分割（ＰＢＳ）プリズム４をもつ光学システム３と、４分の１波長板１５と、凹面ミラー５とを有している。更に、第１の表示デバイス１は、反射型表示パネル６を有している。照射源２は、反射型表示パネル６の色の順次の（カラーシーケンス）照射用にそれぞれ赤色、緑色及び青色の光を放射する３つのＬＥＤ７，８，９を有している。上記光誘導手段は、ＬＥＤ７，８，９と、反射型表示パネル６との間に設けられている。第１の表示デバイス１において、前記光誘導手段は、ガラスから作られる平行六面体で構成される偏光ビーム分割プリズム４により形成されている。この平行六面体４は、同じ方向に向けられた第１のペアの平行面１０，１１、及び第２のペアの平行面１７，１８と、他の２つのペアの上記面に対して垂直に向けられた第３のペアの面とを有している。この平行六面体４の第１のペアの平行面１０，１１の一つである入射面１０と、第２のペアの平行面１７，１８の一つの面との間の角度αは、好ましくは６０°である。この角度αは、第１の表示デバイス１の深度を低減するために適応されることができる。この深度は、平行六面体４の第２のペアの上記面１７，１８の間の距離によって規定される。上記ガラスはＢＫ７タイプから作られてもよい。好ましくは、平行六面体４は、この平行六面体４の第２のペアの平行面１７，１８の面のうち一つの面に対して３０°の角度で配されるビーム分割面１３を備えている。ビーム分割面１３は、Moxtek Inc社に注文することができるようなワイヤグリッド偏光板から成る。その代わりに、３Ｍに注文することができるDBEF(Double Brightness Enhancement Foil)が適用されてもよい。ＬＥＤ７，８，９は、平行六面体４の入射面１０に取り付けられている。画像のコントラストを向上させるための偏光板１４は、ＬＥＤ７，８，９と、平行六面体４との間にあり得る。オプションとして、反射型表示パネル６の光分散を改善するために拡散板（図示略）があってもよい。反射型表示パネル６は、平行六面体４の入射面１０に対して平行である平行六面体４の出射面１１に取り付けられている。第１の表示デバイス１は、例えば、０．４７インチのＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)表示パネルなどの反射型液晶表示パネルを有する。好ましくは、形成された画像の画像ひずみ及びフィールド湾曲を低減させるために、レンズ１２が、ＬＣＯＳ表示パネル６と、平行六面体４の出射面１１との間に設けられている。４分の１波長板１５は、凹面ミラー５と、この凹面ミラーに対向している平行六面体４の第２のペアの面のうち一つの面１７との間に設けられている。
【００１３】
動作中、赤色、緑色及び青色のＬＥＤ７，８，９は、ＬＣＯＳ表示パネル６にシーケンシャルに送られるそれぞれの赤色，緑色及び青色の画像コンテントの情報と同期される期間中にシーケンシャルにアクティブにされている。これらＬＥＤ７，８，９は、偏光板１４を介して平行六面体４の入射面１５へ赤色、緑色又は青色の光を放射する。偏光板１４は、第１の方向に偏光をもつ光の部分のみを伝える。平行六面体４は、上記光をビーム分割面１３に伝える。ビーム分割面１３は、レンズ１２を介してＬＣＯＳ表示パネル６へ第１の方向に偏光をもつ光の部分を伝える。ＬＣＯＳ表示パネル６は、与えられた画像情報に従って赤色、緑色又は青色の光の偏光方向を回転させるとともに、該光を反射して平行六面体４に戻す。平行六面体４は、該光をビーム分割面１３に伝える。ビーム分割面１３は、第１の方向に対して垂直な第２の方向に偏光成分をもつ光の部分を、４分の１波長板１５を介して凹面ミラー５に向かって反射する。凹面ミラー５は、該光を反射して４分の１波長板１５を介して平行六面体４に戻すとともに、ＬＣＯＳ表示パネル６のバーチャル画像を形成する。該光が４分の１波長板１５を２回通過したので、光の偏向は第１の方向に回転されている。平行六面体４において、偏光ビーム分割面１３は、見る人の目１６に向かって上記光を伝える。第１の表示デバイス１を利用して見る人は、２メートルの距離及び３２°の視野角においてディスプレイのバーチャル画像を見るだろう。このことは３メートルの距離における１．３メートル対角線のスクリーンの視聴、すなわち０．７５メートルの距離における１９インチモニタの視聴に相当する。平行六面体４の第１のペア１０，１１の面と、その第２のペア１７，１８の面との間の角度α、及び平行六面体４内側の全反射を適応することは、小型表示デバイスを可能にするとともに、反射型ＬＣＯＳ表示パネル６の実質的に垂直な照射を与える。ＬＣＯＳ表示パネル６のこの実質的に垂直な照射が、形成された画像のコントラストを向上させる。
【００１４】
図２は第２の表示デバイスの例を示す。第２の表示デバイス２１において、光誘導手段が、反射型ディスプレイ２６と、光学システム２３との間に設けられている。第２の表示デバイス２１は、照射源２２と、平行六面体２４、４分の１波長板４２、及び凹面ミラー２５を有する光学システム２３とを具備する。平行六面体２４は、同じ方向に向けられる第１のペアの平行面２４，３１と、第２のペアの平行面４３，４４と、これら他の２つのペアの面に対して垂直に向けられる第３のペアの面（図示略）とを有する。平行六面体２４の第１のペアの平行面２４，３１の一つである入射面３１と、その第２のペアの平行面４３，４４の一つの面との間の角度αは、好ましくは８０°である。この角度αは、第２の表示デバイス２１の深度を低減するために適用されることができる。この深度は、平行六面体２４の面の第２のペアの面４３，４４の間の距離によって規定される。照射源２２は、表示スクリーン２６の色の順次の照射用に、それぞれ、赤色、緑色及び青色の光を放射する３つのＬＥＤ２７，２８，２９を有する。光誘導手段は、ＴＩＲプリズム３５により形成される。ＴＩＲプリズム３５は、９０°より大きい頂角χ及び底面３９をもつ三角プリズムから成る。ＴＩＲプリズム３５の底面３９又は入射面が平行六面体２４の入射面３１に対向するとともに、これら面３１，３９の間に空隙が形成されるように、ＴＩＲプリズム３５は、反射型表示パネル２６と、上記光学システムとの間に配されている。ＬＥＤ２７，２８，２９は、ＴＩＲプリズム３５の入射面３１の一部分に取り付けられている。好ましくは、偏光板３６及び拡散板シート３７が、ＬＥＤ２７，２８，２９と、ＴＩＲプリズム３５との間にあり得る。例えば、第１の表示デバイスに適用されたものと同様のタイプのＬＣＯＳ表示パネルなどの反射型表示パネル２６は、ＴＩＲプリズム３５の出射面４０に取り付けられ、上記出射面が、入射面３１と、反射型表示パネル２６との間に置かれている。好ましくは、形成された画像の画像ひずみ及びフィールド湾曲を低減させるように、レンズ３２が、ＬＣＯＳディスプレイ２６と、ＴＩＲプリズム３５との間に設けられている。更に、反射型偏光板４１が、平行六面体２４の入射面３１と、ＴＩＲプリズム３５の底面３９との間に取り付けられている。平行六面体２４及びＴＩＲプリズム３５の材料は、ＢＫ７タイプのガラスから作られることができる。一般に、平行六面体２４及びＴＩＲプリズム３５の材料のより高い屈折率は、より小型のシステムをもたらすだろう。色収差を低減させるために、レンズ３２の材料の屈折率は、平行六面体２４及びＴＩＲプリズム３５の材料の屈折率とは異なるように選択されることができる。ビーム分割面３３及び反射型偏光板４１は、Moxtek Inc社に注文することができるようなワイヤグリッド偏光板であり得る。その代わりに、３Ｍに注文することができるDBEF(Double Brightness Enhancement Foil)が適用されてもよい。更に、凹面ミラーが、平行六面体２４の第２のペアの面の一つの面に近傍して位置付けられており、４分の１波長板４２が、出射面４３と凹面ミラー２５との間に設けられている。
【００１５】
動作上、赤色、緑色及び青色のＬＥＤ２７，２８，２９は、ＬＣＯＳ表示パネル２６にシーケンシャルに送られるそれぞれの赤色，緑色及び青色の画像コンテントの情報と同期される期間中にシーケンシャルにアクティブにされる。ＬＥＤ２７，２８，２９は、赤色、緑色又は青色の光を、偏光板３６及び拡散板３７を介してＴＩＲプリズム３５の入射面３１の一部分へかわるがわる放射する。偏光板３６は、第１の方向に偏光を有する放射光のみを伝える。ＬＣＯＳ表示パネル２６に対向することなく、ＴＩＲプリズム３５の底面３９と出射面４０との間にあるＴＩＲプリズム３５の側面３８は、平行六面体２４の入射面３１において反射型偏光板４１に向かって該光を反射する。反射型偏光板４１は、ＴＩＲプリズム３５及びレンズ３２を介してＬＣＯＳ表示パネル２６に向かって、第１の方向に偏光成分をもつ光を反射する。ＬＣＯＳ表示パネル２６は、与えられた画像情報に従って赤色、緑色又は青色の光の偏光方向を回転させるとともに、レンズ３２及びＴＩＲプリズム３５を介して平行六面体２４の入射面３１において反射型偏光板４１へ該光を反射して戻す。反射型偏光板４１は、平行六面体２４に向かって、第１の方向に対して垂直な第２の方向に偏光成分をもつ光の部分を伝える。平行六面体２４のビーム分割面３３は、４分の１波長板４２を介して凹面ミラー２５に向かって第１の方向に偏光成分をもつ光の部分を反射する。凹面ミラー２５は、４分の１波長板４２を介して平行六面体２４へ該光を反射して戻すとともに、ＬＣＯＳ表示パネル２６のバーチャル画像を形成する。該光が４分の１波長板４２を２回通過したので、当該偏光は第１の方向に回転されている。ビーム分割面３３は、この場合、見る人の目４６に向かって該光を伝える。第２の表示デバイス２１を利用して見る人は、３メートルの距離及び３５°の視野角においてバーチャル画像を見るだろう。このことは、０．７５メートルの距離における１９インチモニタを視聴することに相当する。平行六面体２４の他の平行側面４３，４４の一つの面と、入射面３１との角度αの適応は、より小型の表示デバイスを可能にし、ＴＩＲプリズム３５の頂角χの適応は、ＴＩＲプリズム３５の全反射により反射型ＬＣＯＳディスプレイ２６の実質的に垂直な照射を与える。ＬＣＯＳ表示パネル２６のこの垂直な照射が、形成された画像のコントラストを向上させる。上記光学システムの入射アパーチャが、ＴＩＲプリズム３５の底面３９にあるので、ＬＣＯＳ表示パネル２６の全ての画素が、同じ面３８によって照射され、図１に示される第１の表示デバイス１の照射と比較してより均一な照射を与える。更に、第２の表示デバイス２１における照射は、ビーム分割面３３の目の側にはなく、それにより、第１の表示デバイス１と比較すると、形成された画像に起こる照射システムの反射を妨害する可能性が低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】表示パネルの照射用の平行六面体を有する第１の表示デバイスの例を示す。
【図２】表示パネルの照射用のＴＩＲプリズムを有する第２の表示デバイスの例を示す。
【図１】
2005512110.tif 000003
【図２】
2005512110.tif 000004
【国際調査報告】
2005512110.tif 000005
2005512110.tif 000006
2005512110.tif 000007