(57)【要約】【課題】外光の透過率を任意に調整でき、外界像を明るくも暗くも調整することのできる映像表示装置を得る。【解決手段】映像を表示する液晶表示デバイス１１を含む表示手段１と、映像を虚像として観察者の瞳に導く自由曲面反射面２ａを有するミラー２と、外光減光手段７とを備えた映像表示装置。液晶表示デバイス１１で変調された映像光はミラー２で反射されて虚像として光学瞳９に導かれる。ミラー２に代えてハーフミラーやホログラム素子を用いてもよい。外光減光手段７は外光Ａを反射又は拡散反射するもので、１％以下の微小な透過率からほぼ１００％の透過率の範囲で制御可能である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
映像を表示する表示手段と、
前記表示手段により表示された映像を虚像として観察者の瞳に導く接眼光学系と、
少なくとも映像周囲の外光を反射又は拡散反射する外光減光手段と、
前記外光減光手段の透過率を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】
前記外光減光手段は、少なくとも映像周囲の外光を右回りの円偏光と左周りの円偏光との両円偏光を反射又は拡散反射するものであ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】
前記接眼光学系は、ホログラム素子を含み、映像を虚像として観察者の瞳に導き、かつ、映像と外光とを重ねるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の映像表示装置。
【請求項４】
さらに、前記表示手段により表示された映像光を全反射して前記接眼光学系に導き、かつ、外光を透過させる透明基板を備えたことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の映像表示装置。
【請求項５】
さらに、頭部装着手段を備えたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４に記載の映像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、映像表示装置、特に、観察者の眼前に配置されて使用されるヘッドマウンテッドディスプレイ（以下、ＨＭＤと記す）などとして使用され、映像と外界と重ねて観察することのできる映像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特許第３３５４００８号公報
【特許文献２】
特許第２５６４３６６号公報
【０００３】
特許文献１には、外界の像に重ねて映像を観察しながら液晶シャッタにより外界の明るさを調整するようにした映像表示装置が開示されている。また、特許文献２には、円偏光反射手段であるコレステリック液晶を用いて、外界の像に重ねて映像を観察できるようにした映像表示装置が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１に記載の映像表示装置においては、外界の明るさを調整する手段として、ＴＮ液晶あるいはＳＴＮ液晶からなるシャッタを用いており、偏光板が設けられているため、該偏光板によって外界像が５０％以下の明るさに減光され、シャッタしない状態での外界像の明るさに限界を有していた。
【０００５】
また、前記特許文献２に記載の映像表示装置においては、右回り又は左回りいずれか一方の円偏光を反射するコレステリック液晶を映像光及び外光のコンバイナとして用いているため、外界像の５０％がコンバイナを透過し、外界像が明るいときには映像を観察しにくいという問題点を有していた。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、外光の透過率を任意に調整でき、外界像を明るくも暗くも調整することのできる映像表示装置を提供することにある。
【０００７】
【発明の構成、作用及び効果】
以上の目的を達成するため、本発明に係る映像表示装置は、映像を表示する表示手段と、該表示手段により表示された映像を虚像として観察者の瞳に導く接眼光学系と、少なくとも映像周囲の外光を反射又は拡散反射する外光減光手段と、該外光減光手段の透過率を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る映像表示装置において、外光減光手段は外光透過率を任意に調整可能であるため、例えば、１％以下の微小な透過率からほぼ１００％の透過率の範囲で調整が可能であり、透過率を高く設定することにより外界像を明るく観察することができ、透過率を低く設定することにより映像を見やすくすることができる。また、反射又は拡散反射により外光を減光するため、光の吸収による素子の発熱などが少なく、信頼性の高い映像表示装置とすることができる。
【０００９】
なお、外光減光手段が少なくとも映像周囲の外光を反射又は拡散反射するとは、映像周囲のみの外光を反射又は拡散反射する場合であってもよく、あるいは、映像を含む全視野の外光を反射又は拡散反射する場合であってもよい。
【００１０】
本発明に係る映像表示装置において、前記外光減光手段としては、少なくとも映像周囲の外光を右回りの円偏光と左周りの円偏光との両円偏光を反射又は拡散反射するものを用いることができる。この場合、偏光板を必要としないことから５０％を超える透過率を得ることができ、しかも、透過率を１％以下の微小な透過率からほぼ１００％の透過率の範囲で調整が可能である。
【００１１】
また、前記接眼光学系としては、ホログラム素子を含み、映像を虚像として観察者の瞳に導き、かつ、映像と外光とを重ねるものを用いることができる。ホログラム素子を映像光及び外光のコンバイナとして用いているため、外光透過率が高く、明るい外界像を観察することが可能になる。
【００１２】
さらに、前記表示手段により表示された映像光を全反射して前記接眼光学系に導き、かつ、外光を透過させる透明基板を備えていてもよい。映像光を全反射して接眼光学系に導く透明基板を用いることにより、外光の透過率が高く、明るい外界像を観察することが可能になる。
【００１３】
さらに、本発明に係る映像表示装置は頭部装着手段を備えたものであってもよい。明るい外界を見ることができるため、常時、頭部に装着することが可能である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る映像表示装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１実施形態、図１参照）
図１に、本発明の第１実施形態である映像表示装置１００Ａの概略構成を示す。この映像表示装置１００Ａは、表示手段１と、接眼光学系である自由曲面反射面２ａを有する１枚のミラー２と、外光減光手段７とで構成されている。
【００１６】
表示手段１は、透過型の液晶表示デバイス（以下、ＬＣＤと記す）１１と、拡散光を放射する面光源であるバックライト１２とで構成されている。バックライト１２から放射された光はＬＣＤ１１を画像データに基づいて駆動することにより変調され、映像を表示する。映像光はミラー２の自由曲面反射面２ａで反射し、虚像として光学瞳９に導かれる。観察者は光学瞳９の光を自身の瞳に入射させて映像を観察することになる。同時に、外光Ａも外光減光手段７を透過して装置１００Ａ内に入射し、外界像も合わせて観察可能である。
【００１７】
外光減光手段７は、以下に図２及び図３を参照して説明するように、円偏光を透過状態と反射状態とに切換え可能な液晶を用いたものであり、制御部７５（図２、図３参照）によって任意の透過率に設定することが可能である。つまり、ミラー２の周囲から入射する外光Ａを減光して映像を見やすくしたり、あるいは、外光の透過率を高めて外界を明るく観察することが可能である。
【００１８】
（外光減光手段の第１例、図２参照）
図２に第１例としての外光減光手段７Ａを示す。この外光減光手段７Ａは、右回りの円偏光を電圧オフ時に反射し、電圧オン時に透過させる第１のコレステリック相を示す液晶７１と、左回りの円偏光を電圧オフ時に反射し、電圧オン時に透過させる第２のコレステリック相を示す液晶７２とを、それぞれ透明フィルム７３で挟持し、透明粘着剤７４で貼り合わせたものである。
【００１９】
透過率の調整は、制御部７５にて液晶７１，７２に印加する電圧のオン、オフを時間的に制御して、あるいは、電圧値を制御して、液晶７１，７２を中間状態に設定することにより行われる。外光減光手段７Ａとして、円偏光を選択的に透過／反射する素子を用いているため、透過時に５０％を超える（１００％に近い）透過率を得ることができる。また、右回りの円偏光と左回りの円偏光との両円偏光を選択的に透過／反射するように構成しているため、１％以下の微小な透過率からほぼ１００％の透過率の範囲で調整が可能である。
【００２０】
（外光減光手段の第２例、図３参照）
図３に第２例としての外光減光手段７Ｂを示す。この外光減光手段７Ｂは、右回りの円偏光を電圧オフ時に反射し、電圧オン時に透過させるコレステリック相を示す液晶７１ａ，７１ｂを、それぞれ透明フィルム７３で挟持し、２分の１位相板７６を介して透明粘着剤（図示せず）で貼り合わせたものである。２分の１位相板７６は、右回りの円偏光を左回りの円偏光に、左回りの円偏光を右回りの円偏光に変換する。
【００２１】
外光Ａは、まず、液晶７１ａで右回りの円偏光が反射あるいは透過され、左回りの円偏光は透過される。液晶７１ａを透過した左回りの円偏光は２分の１位相板７６で右回りの円偏光に変換される。２分の１位相板７６で変換された右回りの円偏光は液晶７１ｂで反射され、再度、２分の１位相板７６で左回りの円偏光に変換され、液晶７１ａを透過して外界に出射する。これにて、右回りの円偏光及び左回りの円偏光の反射／透過を制御できる。
【００２２】
透過率の調整は、前記第１例と同様に、制御部７５にて液晶７１ａ，７１ｂに印加する電圧のオン、オフを時間的に制御して、あるいは、電圧値を制御して、液晶７１ａ，７１ｂを中間状態に設定することにより行われる。１％以下の微小な透過率からほぼ１００％の透過率の範囲で調整が可能である点も前記第１例と同様である。
【００２３】
（外光減光手段の第３例）
外光減光手段７としては、前記第１例及び第２例以外に、偏光板を用いることなく、液晶の拡散反射作用により透過率を調整可能であるものを用いることができる。例えば、液晶成分としてコレステリック液晶を５〜１０重量％含有するカイラルネマチック液晶を用い、螺旋のねじり力を液晶に付加した高分子分散型液晶光シャッタである。
【００２４】
より具体的には、光シャッタ層は透明高分子成分と液晶成分とからなり、該液晶成分はコレステリック液晶、カイラルスメクチックＣ液晶及びネマチック液晶からなる。そして、光シャッタ層は透明高分子成分からなる薄膜が液晶成分を包んだ粒状構造体をなしている。
【００２５】
前記光シャッタ層は２枚の透明導電性基板の間に挟持されている。この透明導電性基板は、樹脂フィルム、ガラス等の透明基板にＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）等からなる透明電極を設けたものである。そして、透過率の調整は、制御部にて光シャッタ層に印加する電圧のオン、オフを時間的に制御して、あるいは、電圧値を制御することにより行われる。
【００２６】
このような拡散反射タイプの液晶光シャッタ素子は、波長依存性及び角度依存性が小さく、製造しやすいので安価である。
【００２７】
（第２実施形態、図４参照）
図４に、本発明の第２実施形態である映像表示装置１００Ｂの概略構成を示す。この映像表示装置１００Ｂは、エレクトロルミネッセンス素子（以下、ＬＥと記す）２１と、平面で構成されたハーフミラー２２と、凹面で構成されたハーフミラー２３と、外光減光手段７とで構成されている。
【００２８】
ＬＥ２１から放射された映像光はハーフミラー２２で反射されて凹面ハーフミラー２３に導かれ、該凹面ハーフミラー２３で反射されると共にハーフミラー２２を透過し、虚像として光学瞳９に導かれる。観察者は光学瞳９の光を自身の瞳に入射させて映像を観察することになる。同時に、外光Ａも外光減光手段７及びハーフミラー２３，２２を透過して装置１００Ｂ内に入射し、外界像も合わせて観察可能である。
【００２９】
外光減光手段７は図２に示した第１例や図３に示した第２例、あるいは、拡散反射タイプの液晶光シャッタ素子が使用され、その作用効果は前述のとおりである。
【００３０】
（第３実施形態、図５参照）
図５に、本発明の第３実施形態である映像表示装置１００Ｃの概略構成を示す。この映像表示装置１００Ｃは、ＬＣＤ３１と、体積位相型のホログラム素子３４を内蔵した透明基板３２と、外界像補正用透明基板３３と、外光減光手段７とで構成されている。
【００３１】
ＬＣＤ３１は図示しない発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）から放射された光を画像データに基づいて駆動することにより変調して映像を表示する。映像光は入射面３２ａから透明基板３２に入射し、面３２ｂで全反射した後、ホログラム素子３４を設けた自由曲面反射面３２ｃで特定波長の映像光が反射され、面３２ｂを透過して光学瞳９に入射する。観察者は光学瞳９の光を自身の瞳に入射させて映像を虚像として観察することになる。同時に、外光Ａも外光減光手段７及び透明基板３３，３２を透過して装置１００Ｃ内に入射し、外界像も合わせて観察可能である。
【００３２】
外光減光手段７は図２に示した第１例や図３に示した第２例、あるいは、拡散反射タイプの液晶光シャッタ素子が使用され、その作用効果は前述のとおりである。
【００３３】
なお、前記透明基板３２の面３２ａ，３２ｂ，３２ｃはいずれも自由曲面としたが、平面あるいは球面であってもよい。
【００３４】
本第３実施形態において、観察者は外界像補正用透明基板３３及び透明基板３２を透過して外界を歪みなく見ることができる。また、自由曲面（選択透過）反射面３２ｃに体積位相型のホログラム素子３４を設けたため、外光Ａの透過率が高く、明るくて見やすくなっている。さらに、面３２ｂでの反射を全反射としたので、透過率を特に低下させることなく外界を明るく見ることができる。
【００３５】
（第４実施形態、図６参照）
図６に、本発明の第４実施形態である映像表示装置１００Ｄの概略構成を示す。この映像表示装置１００Ｄは、表示手段１０１と、体積位相型のホログラム素子１０３を設けた透明基板１０２と、外光減光手段７とで構成されている。
【００３６】
表示手段１０１は、透過型のＬＣＤ１１１と、ＬＥＤ１１２と、集光レンズ１１３と、拡散板１１４とで構成されている。ＬＥＤ１１２から放射された光は、拡散板１１４を透過した後、集光レンズ１１３で集光され、ＬＣＤ１１１を画像データに基づいて駆動することにより変調され、映像を表示する。
【００３７】
ホログラム素子１０３は、体積位相型であって、透明基板１０２上に支持されている。表示手段１０１からの映像光はホログラム素子１０３によって回折され、虚像として光学瞳９に導かれる。観察者は光学瞳９の光を自身の瞳に入射させて映像を観察することになる。また、外光Ａも外光減光手段７及び透明基板１０２を透過して装置１００Ｄ内に入射し、外界像も合わせて観察可能である。
【００３８】
外光減光手段７は図２に示した第１例や図３に示した第２例、あるいは、拡散反射タイプの液晶光シャッタ素子が使用され、その作用効果は前述のとおりである。
【００３９】
集光レンズ１１３はＬＥＤ１１２から放射されかつ拡散板１１４で拡散された光が効率よく光学瞳９を形成するように配置されている。
【００４０】
また、ＬＥＤ１１２は発光ピーク波長が５５０ｎｍのものを用いており、ホログラム素子１０３は回折効率ピーク及び半値で５５０ｎｍ±１０ｎｍの波長の光を回折するように作製されている。ホログラム素子は特定入射角の特定波長の光のみを回折するので、外光Ａには殆ど影響せず、外光Ａを透過させる。そのため、観察者は通常どおりの外界を見ることができる。
【００４１】
つまり、外光減光手段７が減光しないとき５０％を超える透過率の外光Ａをホログラム素子１０３及び外光減光手段７を透過して観察することができるので、外界像が明るくて見やすい。
【００４２】
（第５実施形態、図７参照）
図７に、本発明の第５実施形態である映像表示装置１００Ｅの概略構成を示す。この映像表示装置１００Ｅは、表示手段２０１と、体積位相型のホログラム素子２０４を含む透明基板２０２，２０３と、外光減光手段７とで構成されている。
【００４３】
表示手段２０１は、透過型のＬＣＤ２１１と、ＬＥＤ２１２と、集光レンズ２１３と、光を一方向に拡散する一方向拡散板２１４とで構成されている。ＬＥＤ２１２から放射された光は、一方向拡散板２１４を透過した後、集光レンズ２１３で集光され、ＬＣＤ２１１を照明する。ＬＣＤ２１１は画像データに基づいて駆動されることにより照明光を変調し、映像を表示する。
【００４４】
ホログラム素子２０４は、体積位相型であって、透明基板２０２，２０３の界面に支持されている。表示手段２０１からの映像光は入射面２０２ａから透明基板２０２に入射して面２０２ｂ，２０２ｃで全反射した後、ホログラム素子２０４によって回折され、虚像として光学瞳９に導かれる。観察者は光学瞳９の光を自身の瞳に入射させて映像を観察することになる。同時に、外光Ａも外光減光手段７及び透明基板２０２，２０３を透過して装置１００Ｅ内に入射し、外界像も合わせて観察可能である。透明基板２０３は透明基板２０２のくさび形状での屈折をキャンセルするので、観察者は外界像を歪みなく見ることができる。
【００４５】
外光減光手段７は図２に示した第１例や図３に示した第２例、あるいは、拡散反射タイプの液晶光シャッタ素子が使用され、その作用効果は前述のとおりである。
【００４６】
一方向拡散板２１４はＬＥＤ２１２から放射された光を図７の紙面に垂直な方向に４０°拡散し、紙面に平行な方向に２°拡散する。また、集光レンズ２１３はＬＥＤ２１２から放射されて一方向拡散板２１４で拡散された光が効率よく光学瞳９を形成するように配置されている。
【００４７】
また、映像光を放射するＬＥＤ２１２には、発光ピーク波長が６３５ｎｍ、５２０ｎｍ、４６５ｎｍのＲＧＢ一体型のものを用いている。ホログラム素子２０４は、回折効率ピーク及び半値で６３５ｎｍ±１０ｎｍ、５２０ｎｍ±１０ｎｍ、４６５ｎｍ±１０ｎｍの波長の光を回折するように作製されている。ホログラム素子は特定入射角の特定波長の光のみを回折するので、外光Ａには殆ど影響せず、外光Ａを透過させる。そのため、観察者は通常どおりの外界を見ることができる。
【００４８】
本第５実施形態では、映像光を透明基板２０２内で反射させて観察者の瞳に導く構成としたので、透明基板２０２，２０３を通常の眼鏡レンズと同程度に薄く（例えば、３ｍｍ程度）することができ、小型軽量となる。また、面２０２ｂ，２０２ｃでの反射を全反射としたので、観察者は透明基板２０２の面２０２ｂ，２０２ｃを通して外光Ａの透過率を特に低下させることなく外界を明るく見ることができる。
【００４９】
つまり、外光減光手段７が減光しないとき、５０％を超える（１００％に近い）高い透過率で明るい外界像を観察することができる。
【００５０】
ところで、前記外光減光手段７にあっては、外界像部７’に対して映像部２’が重なる部分の外光透過率を部分的に低く設定し、それ以外の部分の外光透過率を少し高く設定することも可能である。
【００５１】
例えば、明るさ１０００カンデラの背景（外界）で明るさ１００カンデラの映像を観察する場合、映像部２’の透過率を１％、外界像部７’の透過率を１０％に設定すれば、視野全体の明るさが概ね１００カンデラになるので、映像も外界も見やすくなる。
【００５２】
（第６実施形態、図８参照）
図８に、本発明の第６実施形態である頭部装着型のシースルー映像表示装置１００Ｆを示す。この映像表示装置１００Ｆは、前記第５実施形態を頭部装着型に適用したもので、それゆえ、図８では図７と同じ部材に同じ符号が付されている。
【００５３】
映像表示装置１００Ｆは、概略、表示手段２０１、透明基板２０２，２０３、左右のテンプル６００Ｌ，６００Ｒ、ブリッジ３００、左右の鼻当て３００Ｌ，３００Ｒ、左右のフレーム４００Ｌ，４００Ｒ、ケーブル７００にて構成されている。
【００５４】
透明基板２０２はブリッジ３００及び右フレーム４００Ｒで支持され、ブリッジ３００は左フレーム４００Ｌに支持されている。左右のフレーム４００Ｌ，４００Ｒはヒンジ部を介して左右のテンプル６００Ｌ，６００Ｒに支持されている。
【００５５】
観察者は鼻当て３００Ｌ，３００Ｒとテンプル６００Ｌ，６００Ｒによって通常の眼鏡と同様にして頭部に装着可能である。表示手段２０１にはケーブル７００によって映像信号と電力が供給され、表示手段２０１の映像を虚像として観察しながら、外光減光手段７及び透明基板２０２，２０３を透過して外界を見ることができる。
【００５６】
外光減光手段７により外光透過率を低下させて映像を見やすく設定したり、外光透過率を５０％以上に設定して外界を見やすくすることができる。また、図７を用いて説明したように、外界像部７’に対して映像部２’が重なる部分の外光透過率を部分的に低く設定し、それ以外の部分の外光透過率を少し高く設定することも可能であり、映像も外界も見やすくなる。
【００５７】
（第７実施形態、図９参照）
図９に、本発明の第７実施形態である頭部装着型のシースルー映像表示装置１００Ｇを示す。この映像表示装置１００Ｇは、前記映像表示装置１００Ｆと基本的に同じ構成からなり、異なるのは、表示手段２０１及び透明基板２０２，２０３を両目に対応して備えている点である。従って、図９において図８と同じ部材は同じ符号を付し、重複する説明は省略する。
【００５８】
なお、本第７実施形態では、透明基板２０２，２０３が曲率を有する矯正眼鏡レンズを兼用することが可能である。
【００５９】
（他の実施形態）
なお、本発明に係る映像表示装置は前記実施形態に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である映像表示装置を示す概略構成図である。
【図２】外光減光手段の第１例を示す断面図である。
【図３】外光減光手段の第２例を示す断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態である映像表示装置を示す概略構成図である。
【図５】本発明の第３実施形態である映像表示装置を示す概略構成図である。
【図６】本発明の第４実施形態である映像表示装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第５実施形態である映像表示装置を示す概略構成図である。
【図８】本発明の第６実施形態である映像表示装置を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。
【図９】本発明の第７実施形態である映像表示装置を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図、（Ｃ）は正面図である。
【符号の説明】
１００Ａ〜１００Ｇ…映像表示装置
１，１０１，２０１…表示手段
２…ミラー
７（７Ａ，７Ｂ）…外光減光手段
９…光学瞳
１１，３１，１１１，２１１…ＬＣＤ
２１…ＬＥ
２２，２３…ハーフミラー
３２，３３，１０２，２０２，２０３…透明基板
３４，１０３，２０４…ホログラム素子
７５…制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004341027.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004341027.tif 000008
【図７】
2004341027.tif 000009
【図８】
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【図９】
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