(57)【要約】【課題】画像表示面に表される実像よりも遠方においてその実像に対応する虚像を視認させる表示装置を小型軽量化する。【解決手段】画像表示用光束を発する画像表示面２ａと、画像表示面２ａに沿って配列されるマイクロレンズアレイ３とを備える。マイクロレンズアレイ３を構成する各レンズ３ａは、画像表示面２ａにおける任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線を、画像視認位置で互いの平行度が高くなる方向に偏向する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示用光束を発する画像表示面と、
前記画像表示面に沿って配列されるマイクロレンズアレイとを備え、
前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズは、前記画像表示面における任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線を、画像視認位置で互いの平行度が高くなる方向に偏向する表示装置。
【請求項２】
前記画像表示面における任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線が、前記マイクロレンズアレイを通過後に画像視認位置で互いに略平行光となるように、前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズの焦点位置が前記画像表示面の近傍に配置される請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズ相互間に、光を吸収または反射する境界部が設けられている請求項１または２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記画像表示面は光を透過可能とされ、
前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズ相互間に、レンズ作用を奏することなく前記画像表示面を透過する光を透過させるシースルー部が設けられている請求項１〜３の中の何れかに記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像表示面に表される実像よりも遠方において、その実像に対応する虚像を視認させる表示装置に関し、例えばヘッドアップディスプレイや頭部装着型表示装置に適用することで、航空機の操縦や自動車の運転の際の安全運行に寄与でき、さらに、シミュレータやバーチャルリアリティの研究及び観賞用のディスプレイ、個人用鑑賞ディスプレイ、情報機器の一部等として利用できる。
【背景技術】
【０００２】
図１１に示す従来の表示装置１００においては、画像表示器１０１の画像表示面１０１ａから出射される画像表示光は、光学系１０２を介して観察者の目Ｅに導かれる。光学系１０２は複数のレンズにより構成され、さらにミラーやプリズム、回折素子等を含む場合もある。光学系１０２は、画像表示面１０１ａにおける任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線を、観察者の目Ｅの位置、すなわち画像視認位置において互いに略平行とする。図１１においては、画像表示面１０１ａにおける点Ｐａから出射される画像表示用光束を構成する各光線を実線で示し、点Ｐｂから出射される画像表示用光束を構成する各光線を破線で示している。その画像視認位置において各光線が互いに平行であれば無限遠に虚像が結ばれ、各光線の互いの平行度が高い程に観察者から虚像までの距離が長くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の表示装置１００においては、光学系１０２の占める容積が大きく、光学系１０２の小型化は収差補正が必要なこともあり限界があった。そのため、画像表示面１０１ａに表される実像よりも遠方において、その実像に対応する虚像を視認させる表示装置を小型化することが課題とされているが、そのような課題を解決する従来技術は存在しなかった。本発明は、上記課題を解決することの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】
【０００４】
本発明の表示装置は、画像表示用光束を発する画像表示面と、前記画像表示面に沿って配列されるマイクロレンズアレイとを備え、前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズは、前記画像表示面における任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線を、画像視認位置で互いの平行度が高くなる方向に偏向する。
画像表示用光束を構成する各光線の互いの平行度を、マイクロレンズアレイの通過後に大きくできる。画像表示用光束を構成する各光線の互いの平行度が高い程に観察者から虚像までの距離を長くできる。画像表示面に表される実像よりも遠方においてその実像に対応する虚像を形成するための光学系としてマイクロレンズアレイを用いることで、その光学系を薄くし、表示装置を小型軽量化できる。
【０００５】
画像視認位置から虚像までの距離を長くする上では、前記画像表示面における任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線が、前記マイクロレンズアレイを通過後に画像視認位置で互いに略平行光となるように、前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズの焦点位置が前記画像表示面の近傍に配置されるのが好ましい。
【０００６】
前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズ相互間に、光を吸収または反射する境界部が設けられているのが好ましい。これにより、マイクロレンズアレイを構成する各レンズ相互間での光の漏洩をなくし、光のクロストークによる画質低下を防止できる。
【０００７】
前記画像表示面は光を透過可能とされ、前記マイクロレンズアレイを構成する各レンズ相互間に、レンズ作用を奏することなく前記画像表示面を透過する光を透過させるシースルー部が設けられているのが好ましい。これにより、観察者は画像表示面上の実像に対応する虚像だけでなく、その画像表示面の背後の実在物も視認できる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、虚像を実像よりも遠方において視認させる表示装置を小型軽量化し、さらに、画質低下を防止し、画像表示面の背後の実在物を視認させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１に示す表示装置１は、画像表示用光束を発する画像表示面２ａを有する表示器２と、画像表示面２ａに沿って配列されるマイクロレンズアレイ３を備える。表示器２の種類は特に限定されず、例えば自発光型あるいは反射型の液晶パネルやＣＲＴディスプレイ、フレキシブルな薄型フィルム状の表示器等とされ、画像表示面２ａに表される画像の種類も特に限定されず、例えばレティクル指標、スリット、静止画、動画等とされる。マイクロレンズアレイ３は、微小な多数のレンズ３ａを２次元平面に沿ってマトリクス状に配置することで構成されるもので、公知技術により製造できる。本実施形態では、マイクロレンズアレイ３における画像表示面２ａとの対向面は平坦とされ、反対向面にレンズ３ａとして機能する凹凸が設けられている。なお、マイクロレンズアレイ３においてレンズ３ａとして機能する凹凸が設けられている面は、画像表示面２ａと対向してもよい。表示器２とマイクロレンズアレイ３は、例えば共通のフレーム（図示省略）により保持されることで互いに対して一定位置に相対配置される。
【００１０】
各レンズ３ａは、画像表示面２ａにおける任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線を、観察者の目の位置すなわち画像視認位置で互いの平行度が高くなる方向に偏向する。画像表示面２ａから画像視認位置までの距離は表示装置１の用途等に応じて適宜設定され、例えば表示装置１が頭部装着型表示装置である場合は観察者の頭部への装着状態における画像表示面２ａと観察者の目との距離、車両に搭載されるヘッドアップ型表示装置である場合はドライバーシートに着座する観察者の目と画像表示面２ａとの距離に対応するように設定される。
【００１１】
本実施形態においては、画像表示面２ａはマトリクス状に配置された複数の画素２ａ′により構成され、画素２ａ′それぞれとマイクロレンズアレイ３を構成するレンズ３ａそれぞれとは１：１対応し、各画素２ａ′の配列ピッチＰａは各レンズ３ａの配列ピッチＰｂとは等しくされ、各レンズ３ａの焦点位置は対応する画素の中心位置と略一致するものとされる。なお、画素２ａ′それぞれとレンズ３ａそれぞれとが１：１対応する場合において、各画素２ａ′の配列ピッチＰａと各レンズ３ａの配列ピッチＰｂとが互いに相違してもよい。例えば図２の第１変形例に示すように、画像表示面２ａから観察者の目Ｅの位置までの距離Ｄ１と画像表示面２ａからマイクロレンズアレイ３までの距離Ｄ２との差に応じて、各画素２ａ′の配列ピッチＰａよりも各レンズ３ａの配列ピッチＰｂを僅かに小さくし、画像視認位置から視て相対応する画素２ａ′とレンズ３ａとが一直線上に位置するようにしてもよい。また、各レンズ３ａの配列ピッチを不等間隔にしてもよい。あるいは、画素２ａ′それぞれとレンズ３ａそれぞれとが１：１対応することなく、各画素２ａ′の配列ピッチＰａと各レンズ３ａの配列ピッチＰｂとが互いに相違してもよい。
また、ＣＲＴやレティクル指標など、画素の概念になじまない表示装置においては各レンズ３ａの配列ピッチＰｂは任意である。
【００１２】
各レンズ３ａの焦点位置は画像表示面２ａの近傍に配置されている。これにより、画像表示面２ａにおける任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線は、マイクロレンズアレイ３を通過後に画像視認位置で互いに略平行光とされる。図３は、画像表示面２ａ上の各画素の中心位置から出射される光束を構成する各光線Ｌ１を実線で示している。図４は、一つの画素２ａ′上の中心位置Ｐ１から出射される光束を構成する各光線Ｌ１を実線で示し、その画素２ａ′上の一端位置Ｐ２から出射される光束を構成する各光線Ｌ２を破線で示し、この場合、その画素２ａ′に対応するレンズ３ａにより各光線Ｌ１は互いに略平行に偏向されて画像表示面２ａと略直交方向に進行し、また、各光線Ｌ２も互いに略平行に偏向されて画像表示面２ａと略一定角度をなす方向に進行する。すなわち、画素２ａ′上の互いに異なる点から出射される画像表示用光束は、マイクロレンズアレイ３の通過後に、それぞれ互いに略平行な光線から構成され、それぞれ互いに異なる方向に進行する。
【００１３】
図５は、画像表示面２ａから出射された後にマイクロレンズアレイ３を通過する画像表示用光束の中で、観察者の目Ｅに至る光束を実線Ｌで示す。画像表示面２ａを構成する各画素２ａ′からの画像表示用光束が観察者の目Ｅに至るので、画像表示面２ａ上に表される実像に対応する虚像（図５においては二点鎖線矢印Ｋで示す）が画像視認位置から一定距離Ｄだけ離れた位置に形成される。その距離Ｄは、画像表示面２ａの一点からの画像表示用光束を構成する各光線の画像視認位置における平行度により定まる。すなわち図６に示すように、画像表示面２ａの一点からの画像表示用光束の拡がり角をθ、画像視認位置での幅をＷとして、Ｄ＝Ｗ／（２ｔａｎθ）で表されるので、画像表示用光束を構成する各光線の互いの平行度が高い程に観察者から虚像までの距離を長くできる。
【００１４】
上記実施形態によれば、画像表示用光束を構成する各光線の互いの平行度を、マイクロレンズアレイ３の通過後に大きくできる。よって、画像表示面２ａに表される実像よりも遠方においてその実像に対応する虚像を形成するための光学系としてマイクロレンズアレイ３を用いることで、画像表示面２ａを観察者の目Ｅの至近距離に配置する場合でも光学系を薄くし、表示装置１を小型軽量化できる。例えば、図７に示すような薄型の頭部装着型表示装置１を実現できる。
【００１５】
上記実施形態においては、図８に示すようにマイクロレンズアレイ３を構成する各レンズ３ａ相互間に、レンズ作用を奏することなく光を図中矢印αで示すように透過させるシースルー部３″を設けてている。シースルー部３″は、互いに隣接するレンズ３ａを密接させるのでなく、各レンズ３ａ相互間に厚さと材質が均一な部分を設けることで形成できる。これにより、画像表示面２ａを光を透過可能なものにより構成することで、シースルー部３″において画像表示面２ａを透過する光が透過し、観察者は画像表示面２ａ上の実像に対応する虚像だけでなく、画像表示面２ａの背後の外景等の実在物も重畳的に視認できる。
【００１６】
図９Ａに示すように、一つのレンズ３ａに対応する画素２ａ′から出射された図中一点鎖線で示す光線γが、そのレンズ３ａに入射後に隣接するレンズ３ａに進入した場合、いわゆるクロストークにより表示画質が低下する。そこで、図９Ｂに示す第２変形例においては、マイクロレンズアレイ３を構成する各レンズ３ａ相互間に、シースルー部３″に代えて光を吸収または反射する境界部３′を設けている。これにより、一つのレンズ３ａに対応する画素２ａ′から出射された光線は、そのレンズ３ａに入射後に隣接するレンズ３ａに進入しようとしても、境界部３′において吸収または反射されるために隣接するレンズ３ａに進入するのを防止できる。境界部３′が光を反射する場合、光線を本来進入すべきレンズ３ａに戻すことも可能である。境界部３′に吸収機能を奏させるには、境界部３′が例えば可視光の吸収用色素を含むようにすればよい。境界部３′に反射機能を奏させるには、例えば境界部３′をレンズ３ａとは異なる屈折率の物質から形成すればよい。なお、境界部３′とシースルー部３″の双方を設けてもよい。
【００１７】
図１０Ａの第３変形例においては、シースルー部３″を設けることなく互いに隣接するレンズ３ａを密接させている。図１０Ｂの第４変形例においては、マイクロレンズアレイ３における画像表示面２ａとの対向面と反対向面の両方に、レンズ３ａとして機能する凹凸が設けられている。図１０Ｃの第５変形例においては、マイクロレンズアレイ３における画像表示面２ａとの対向面と反対向面とは平坦とされ、マイクロレンズアレイ３を構成する各レンズ３ａが内部において屈折率変調された素材から構成されるいわゆるグリンレンズとされている。
【００１８】
本発明は上記実施形態や変形例に限定されない。例えば、画像表示面は液晶表示器のように画素を有する表示器の画像表示面に限定されず、ＣＲＴディスプレイのように画素を有さない表示器の画像表示面であってもよい。さらに、画像表示面は実像が表示される面であればよいので表示器を用いる必要はなく、画像として単に図形や記号を描いた透光性を有するパネル表面や、光源装置のスリット状光源開口から出射される光束を画像表示用光束とする場合における光源開口の周囲面を画像表示面としてもよい。また、マイクロレンズアレイを構成する各レンズは必ずしも２次元平面に沿ってマトリクス状に配置されるものに限定されず、例えばレンチキュラーレンズのように一次元方向に沿って並列する半円柱状レンズにより構成されるマイクロレンズアレイを用い、前記画像表示面における任意の一点から出射される画像表示用光束を構成する各光線の画像視認位置での互いの平行度を一次元方向においてのみ高くするものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態の表示装置における要部の構成説明図
【図２】本発明の第１変形例の表示装置における要部の構成説明図
【図３】本発明の実施形態の表示装置において画像表示面に直交して進行する画像表示面用光束を示す図
【図４】本発明の実施形態の表示装置における部分拡大図
【図５】本発明の実施形態の表示装置において画像視認位置に向かう画像表示面用光束を示す図
【図６】本発明の実施形態の表示装置における作用説明図
【図７】本発明の実施形態の表示装置の一例を示す図
【図８】本発明の実施形態の表示装置におけるマイクロレンズアレイの構成説明図
【図９Ａ】画像表示の際のクロストークの説明図
【図９Ｂ】本発明の第２変形例の表示装置におけるマイクロレンズアレイの構成説明図
【図１０Ａ】本発明の第３変形例の表示装置におけるマイクロレンズアレイの構成説明図
【図１０Ｂ】本発明の第４変形例の表示装置におけるマイクロレンズアレイの構成説明図
【図１０Ｃ】本発明の第５変形例の表示装置におけるマイクロレンズアレイの構成説明図
【図１１】従来の表示装置の構成説明図
【符号の説明】
【００２０】
１  表示装置
２ａ  画像表示面
３  マイクロレンズアレイ
３ａ  レンズ
３′  境界部
３″  シースルー部
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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