(57)【要約】【課題】  光源から出射された光線の拡散角度（照射範囲）を制御するとともに、照射範囲を平均化した光強度で照射することができる表示装置を提供する。【解決手段】  光源１と、画像を生成するとともに生成された画像が光源から照射される光束により照明される表示素子５と、光学素子３とを備えた表示装置であって、光学素子は、光源からの光束が入射する後面３ａ、後面から入射した光束の一部を反射する側面３ｃ、側面で反射した光束を含めて後面から入射した光束が屈折または直進して表示素子へ出射する前面３ｂを有し、表示素子は、光学素子の後面から入射し側面で反射した後に前面から出射する光束成分が光学素子の後面から入射して直接前面から出射する光束成分とともに表示素子の周辺領域を照明するように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光照射面を有する光源と、
画像を生成するとともに生成された画像が光源から照射される光束により照明される表示素子と、
光源の光照射面上に配置され、光源から照射される光束を表示素子に導く光学素子とを備えた表示装置であって、
光学素子は、光源からの光束が入射する後面、後面から入射した光束の一部を反射する側面、側面で反射した光束を含めて後面から入射した光束が屈折または直進して表示素子へ出射する前面を有し、
表示素子は、光学素子の後面から入射し側面で反射した後に前面から出射する光束成分が光学素子の後面から入射して直接前面から出射する光束成分とともに表示素子の周辺領域を照明するように配置されてなることを特徴とする表示装置。
【請求項２】
光学素子は、前面側が後面側より大きくなるとともに、後面から入射し前面から出射する光束のうちの直進する光束成分である光軸を回転中心とした回転対称性を有する円錐台形状または角錐台形状であることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
光学素子の側面には、反射膜が形成されることを特徴とする請求項１に記載の表示装置
【請求項４】
光源は発光ダイオードからなり、光学素子の後面が発光ダイオードの光照射面を覆うように面接することを特徴とする請求項１に記載の眼前装着用表示装置。
【請求項５】
装着機構により使用者の眼前に配置されることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、腰のベルトや装身具等を介して身体に纏うウェアラブルコンピュータや、ナップサックやポケットに入れて携帯できる携帯電話器等の通信機器のような、卓上以外の環境で利用可能な情報機器のために用いられる表示装置に関し、特に装着機構により眼前に配置されるのに適した眼前装着用表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
身体に纏う形態の情報機器用の表示器としては、頭部に装着する形態が主流である。例えば、サイズが小さいまま、光学性能を満足させつつ視野角を大きくすることができる表示器が開示されている（例えば、特許文献１参照）。図４は、観察者の頭部に装着される表示器を示す図である。表示器において、表示装置Ｈから出射される画像表示光Ｌは、ハーフミラー等により構成される第１コンバイナ１１の反射面１１ａで反射された後に、ハーフミラー等により構成される第２コンバイナ１２の反射面１２ａで反射され、その後、第１コンバイナ１１を透過することにより、観察者の眼Ｅに導かれる。これにより、観察者は観察対象の虚像を視認できるとともに、第１コンバイナ１１及び第２コンバイナ１２を透過する光により前方実在物も視認できる。
【０００３】
画像表示光Ｌを出射する表示装置Ｈとしては、例えば、図５、６に示すように、光を前方に出射する発光ダイオード５１と、発光ダイオードの出射面上に配置されるマイクロレンズ５３と、画像を生成する透過型液晶表示パネル５５とを備える表示装置５０が用いられている。図５は、表示装置５０の概略構成を示す図である。また、図６は、図５に示す表示装置の拡大図である。このような表示装置５０では、発光ダイオード５１から出射された光束は、上下左右方向に光収束性を有するマイクロレンズ５３で屈折するか、あるいは、マイクロレンズ５３を透過することによって、その光拡散角度（照射範囲Ｍ）が制御されて、透過型液晶表示パネル５５から出射されることになる。
【特許文献１】特開２００１−１８８１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図７は、上述した透過型液晶パネル５５に対する発光ダイオード５１からの光束による照射光強度分布を示す図である。図７中のＸ軸は、透過型液晶表示パネル５５の位置を、Ｙ軸は照射光強度を示す。また、Ｘ軸とＹ軸との交点Ｏは、マイクロレンズの光軸（中心方向）と透過型液晶表示パネル５５との交点とする。図７に示すように、透過型液晶表示パネル５５上に照射される光束は、マイクロレンズによって、中央（光軸延長方向寄り）に集光される傾向があるため、照射光強度分布は均一にならない。そのため、透過型液晶表示パネル５５によって形成される虚像には輝度むらが生じた。
【０００５】
つまり、発光ダイオード５１から出射された光束については、中心部（光軸）Ｌ１で光強度が強く、周辺部Ｌ２、Ｌ３になるにつれて光強度が弱くなるので、マイクロレンズ５３によって照射範囲Ｍを制御すると、透過型液晶表示パネル５５の中心領域となる照射範囲Ｍの中心部が明るくなりすぎたり、透過型液晶表示パネル５５の周辺領域となる照射範囲Ｍの周辺部が暗くなりすぎたりするといった輝度分布の傾向をもたらしていた。
【０００６】
そこで、本発明は、光源から出射された光束の光拡散（照射範囲）を制御することにより、照射範囲を均一な光強度で照射することができる表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するためになされた本発明の表示装置は、光照射面を有する光源と、画像を生成するとともに生成された画像が光源から照射される光束により照明される表示素子と、光源の光照射面上に配置され、光源から照射される光束を表示素子に導く光学素子とを備えた表示装置であって、光学素子は、光源からの光束が入射する後面、後面から入射した光束の一部を反射する側面、側面で反射した光束を含めて後面から入射した光束が屈折または直進して表示素子へ出射する前面を有し、表示素子は、光学素子の後面から入射し側面で反射した後に前面から出射する光束成分が光学素子の後面から入射して直接前面から出射する光束成分とともに表示素子の周辺領域を照明するように配置されるようにしている。
【０００８】
ここで、光源の光照射面は、平面であっても曲面であってもよいが、光照射面上に配置される光学素子の前面に向けて、損失なく光を出射できるものが望ましい。
表示素子は、画像を照明する照明光が表示素子を透過する透過型表示素子であっても、照明光が表示素子で反射される反射型表示素子であってもよい。
【０００９】
本発明の表示装置によれば、光源の光照射面から照射される光束が、光学素子の後面から入射した後、光学素子の前面から出射し、さらに、表示素子を照射することにより、虚像が観察者の眼に導かれる。これにより、観察者は観察対象の虚像を視認する。
このとき、光学素子は、光源から出射された光束の一部を、側面で反射（全反射）することにより、その光拡散角度（照射範囲）が制御されて、表示素子を照射することになる。したがって、表示素子の周辺領域に、側面で反射した光束成分が照射されるように光学素子の形状と表示素子の配置とを設定することにより、表示素子の周辺領域を照射する光強度を増大する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、光学素子の側面で反射した光束成分により表示素子の周辺領域を照射する光束が増大されるので、表示素子の周辺領域の輝度を中央領域の輝度に近づけることができ、表示素子の輝度分布を平均化することができる。
【００１１】
（他の課題を解決するための手段および効果）
また、上記発明において、光学素子は、前面側が後面側より大きくなるとともに、後面から入射し前面から出射する光束のうちの直進する光束成分である光軸を回転中心とした回転対称性を有する円錐台形状または角錐台形状であってもよい。具体的には表示素子の形状（円形または方形）に合わせたもので、円錐台形状のほか、四角錐台形状（光軸横断面が正方形、長方形）のものが好ましい。
これによれば、表示素子の寸法および配置に合わせて光路設計が容易に行えるので、光軸に対する側面の角度（θ）を設定することにより、表示素子の周辺領域の輝度を容易に調整できるようになる。
【００１２】
また、上記発明において、光学素子の側面には、反射膜が形成されるようにしてもよい。ここで反射膜としては、銀、アルミ等の金属膜が好ましい。
これによれば、光学素子の側面に反射膜を形成することにより、側面から外部に漏れることによる光損失を確実になくして反射光を有効利用できる。
【００１３】
また、上記発明において、光源は発光ダイオードからなり、光学素子の後面が発光ダイオードの光照射面を覆うように面接するようにしてもよい。
これによれば、光学素子の後面が発光ダイオードの光照射面を覆うように面接することにより、発光ダイオードからのほぼすべての照射光を、光学素子に導くことができる。
【００１４】
また、上記発明において、表示素子装置は、装着機構により使用者の眼前に配置されるようにしてもよい。
眼前装着用として用いるときには、実用上、表示素子の外形寸法（照射範囲Ｍに相当）は大きさが制限される。具体的には、外形寸法（円形の場合は直径、方形等の場合は辺長）が１ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが望ましい。
これにより、ウェアラブルコンピュータに適した表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００１６】
図４は、一実施形態である表示器の概略構成を示す図である。表示器は、ケーシング（図示省略）により覆われる表示装置Ｈ及び接眼光学系３０を備える。なお、表示器は、観察者の頭部や腕等の身体や、身体に装着されるヘルメットや眼鏡等に、ヘッドセット、ベルト、バンド、クリップ等を介して装着されたり、携帯電話や腕時計等の各種携帯機器に装着されたり、手に持った状態で使用されたりするものである。
【００１７】
図１は、本発明の一実施形態である表示装置の概略構成を示す図である。また、図２は、図１に示す表示装置の拡大図である。
表示装置１０は、接眼光学系３０の上方に配置されるものであり、光照射面から光を出射する発光ダイオード１と、光軸Ｌ１を回転中心とする円錐台形状を有し、発光ダイオード１の光照射面と面接するように配置される光学素子３と、画像を生成する透過型液晶表示パネル５とを備える。
【００１８】
発光ダイオード１は、光を出射するものである。ここで、発光ダイオード１から出射された光束については、一般に、中心方向（発光ダイオード照射面の法線方向）で発光強度が強く、周辺方向になるにつれて発光強度が弱くなるように設計されている。よって、発光ダイオード１からから出射された光束では、光束Ｌ１の光照射強度が強く、順に光束Ｌ２、光束Ｌ３と光照射強度が弱くなっていく。
【００１９】
光学素子３は、上述したように円錐台形状であり、発光ダイオード１からの光束を入射する後面３ａと、透過型液晶表示パネル５へ光束を出射する前面３ｂと、側面３ｃとを有する。側面３ｃは、光軸方向Ｌ１に対し、後面３ａから入射した光束の一部を反射して、反射光束を前面３ｂから出射するような角度（θ）となるように配置される。
なお、後面３ａ及び前面３ｂは、平面形状であるとともに、後面３ａと前面３ｂとは、平行になっている。
【００２０】
ここで、表示装置１０が接眼光学系３０に画像表示光Ｌを出射する仕組みについて説明する。まず、発光ダイオード１は、光学素子３に向かって発光強度の異なる光束Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を出射する。次に、発光ダイオード１から光学素子３に至った光束Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、光学素子３の後面３ａに入射する。このときに、光束Ｌ１は、光学素子３の光軸上を直進するため、透過型液晶表示パネル５と垂直となる方向を維持したまま直進し、光学素子３の前面３ｂから出射される。また、光束Ｌ２は、光学素子３の後面３ａで一度目の屈折をして、前面３ｂから二度目の屈折をして出射される。また、光Ｌ３は、光学素子３の後面３ａで一度目の屈折をした後、側面３ｃで反射されて、さらに、後面３ｂから二度目の屈折をして出射される。
【００２１】
ここで、透過型液晶表示パネル５での照射範囲を均一な光強度で照射するように、側面３ｃの角度（θ）は設計されている。つまり、光強度の強い光束Ｌ１は、透過型液晶表示パネル５の中心部を照射する。一方、強度の少し弱い光束Ｌ２は、透過型液晶表示パネル５の周辺部を照射する。そこで、強度のさらに弱い光束Ｌ３も、透過型液晶表示パネル５の周辺部を照射するようにしている。よって、図３に示すように、光束Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、光学素子３で透過型液晶表示パネル５へ平均化された照射光強度で出射される。なお、図３中のＸ軸は、透過型液晶表示パネル５の位置を、Ｙ軸は照射光強度を示す。また、Ｘ軸とＹ軸との交点Ｏは、光学素子３の光軸と透過型液晶表示パネル５との交点とする。
【００２２】
その後、透過型液晶表示パネル５に至った光束Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、画像表示光Ｌとなり、後述する第１光学素子１１に向かうように出射される。このように、表示装置１０は、第１光学素子１１に向かって画像表示光Ｌを出射する。
【００２３】
接眼光学系３０は、観察者の眼Ｅの前方に配置される第１光学素子１１と、第１光学素子１１の前方に空間４０を介して配置される第２光学素子１２とを有する。第１光学素子１１と第２光学素子１２とは、例えば、それぞれハーフミラーやホログラム素子により構成されるコンバイナである。よって、第１光学素子１１及び第２光学素子１２は、入射光を反射させるとともに、透過させるビームスプリット機能を有する。
【００２４】
ここで、第１光学素子１１の観察者側の反対面を、第１光路変更面１１ａとし、第１光学素子１１の観察者側の面を、第１通過面１１ｂとする。また、第２光学素子１２の観察者側の面を、第２光路変更面１２ａとし、第２光学素子１２の観察者側の反対面を第２通過面１２ｂとする。なお、第１光路変更面１１ａと第２光路変更面１２ａとの間は、空間４０となる。
【００２５】
第１光路変更面１１ａは、入射光を発散させる凸曲面形状であるとともに、第２光路変更面１２ａは、入射光を収束させる凹曲面形状である。なお、第１光路変更面１１ａ、第２光路変更面１２ａ、第１通過面１１ｂ及び第２通過面１２ｂは、例えば、「軸はずし回転対称非球面」である。
【００２６】
上記軸はずし回転対称非球面は、ｘｙｚ座標空間において下記の数式（１）で示す形状関数により特定される非球面において、その非球面の回転対称軸から偏心した中心を有する面で表される。ここで、数式（１）において、ρ２＝ｘ２＋ｙ２、ｃ＝１／Ｒである。なお、数式（１）は、２次曲面係数Ｋと非球面係数αｉ（ｉ＝１〜ｎ）とが０であるときに、球面を表し、その球面の半径がＲとなる。よって、非球面とは、数式（１）において、少なくとも一つの非球面係数αｉが０でないことをいう。
【００２７】
【数１】
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【００２８】
なお、軸はずし回転対称非球面を定義する曲率ｃ、２次曲面係数Ｋ及び非球面係数αｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、表示装置１０における実像に対する観察対象の虚像の倍率、表示装置１０から観察者の眼Ｅまでの光路長等に応じて、虚像を観察者の前遠方位置に明瞭に形成できるように決定される。
【００２９】
また、第１光学素子１１及び第２光学素子１２は、厚さが均一な板状体である。第１光学素子１１は、例えば、第１光路変更面１１ａと第１通過面１１ｂとを互いに同じ形状とされることで、厚さを均一にされる。一方、第２光学素子１２も、例えば、第２光路変更面１２ａと第１通過面１２ｂとを互いに同じ形状とされることで、厚さを均一にされる。
【００３０】
ここで、接眼光学系３０が画像表示光Ｌを観察者の眼Ｅに導く仕組みについて説明する。まず、表示装置１０から出射され、第１光路変更面１１ａに至った画像表示光Ｌは、第１光路変更面１１ａで第２光路変更面１２ａに向かうように反射される。さらに、第２光路変更面１２ａに至った画像表示光Ｌは、第２光路変更面１２ａで第１光路変更面１１ａに向かうように反射される。そして、第１光学素子１１に至った画像表示光Ｌは、第１光学素子１１を透過することにより、観察者の眼Ｅに導かれる。よって、接眼光学系３０は、画像表示光Ｌを観察者の眼Ｅに導くことで、観察対象の虚像を形成する。
【００３１】
以上のように、表示装置１０によれば、発光ダイオード１から出射された光束は、光学素子３の後面３ａから入射した後、光学素子３の前面３ｂから出射し、さらに、透過型液晶表示パネル５を照射することにより、虚像が観察者の眼Ｅに導かれる。これにより、観察者は観察対象の虚像を視認できる。
このとき、光学素子３は、発光ダイオード１から出射された光束の一部を、側面３ｃで反射することにより、その光拡散角度（照射範囲）が制御されて、透過型液晶表示パネル５を照射することができる。また、発光ダイオード１から出射された光線の一部が側面３ｃで反射される角度を調整することにより、透過型液晶表示パネル５での照射範囲を均一な発光強度で照射することができる。
【００３２】
上記光学素子、第１光学素子及び第２光学素子を形成する材料としては、互いに同じでもよく、異なっていてもよく、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメタクリル酸（ＰＭＭＡ）、シクロオレフィン、硝材等が挙げられる。
【００３３】
また、上記光学素子の後面３ａ及び前面３ｂは、平面形状に代えて、曲面形状としてもよい。あるいは、面の角度にウェッジを設けてもよい。
そして、側面３ｃは、反射光束が前面３ｂから出射して表示素子５の周辺領域を照射できるように光路調整ができるのであれば、平面に限らず、曲面であってもよい。さらに、屈折率差による全反射によらず、アルミコート等により反射するように構成されてもよい。
【００３４】
また、上記透過型液晶表示パネルに代えて、反射型液晶表示パネルが用いられる構成としてもよい。さらに、透過型液晶表示パネルは、カラーフィルタを内蔵することでカラー画像を形成するものであってもよく、カラーフィルタのないモノクロ画像を形成するものであってもよい。
そして、上記画像表示光を観察者の両方の眼に導くようにしてもよく、上記第２光路変更面は、全反射ミラーにより構成されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、卓上以外の環境で使用する情報機器に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態である表示装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す表示装置の拡大図である。
【図３】本発明の表示装置透過型液晶表示パネルの位置と発光強度との関係を示す図である。
【図４】一実施形態である表示器の概略構成を示す図である。
【図５】従来の表示装置の概略構成を示す図である。
【図６】図５に示す表示装置の拡大図である。
【図７】従来の表示装置による透過型液晶表示パネルの位置と発光強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  発光ダイオード
３  光学素子
５  透過型液晶表示パネル
１０  表示装置
１１  第１光学素子
１２  第２光学素子
Ｌ  画像表示光
Ｅ  観察者の眼
【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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