(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光束を反射または透過する画像形成部と、該画像形成部を通過した光束を透過する投影レンズとを有する画像表示装置であって、
同一の画像形成部からの画像を用いて、空中用の表示像を形成する構成と、スクリーン投影用の表示像を形成する構成を備え、
前記空中用の表示像を形成する際には、前記光源と前記画像形成部の間に前記光源からの光を散乱させる光学部材を配置して照明方式を変更し、前記投影レンズを透過した後の光路には視野レンズと空中像反射鏡を配置し、前記視野レンズを通過し前記空中像反射鏡で反射された光像により空中に表示像を形成する構成とし、
前記スクリーン投影用の表示像を形成する際には、前記空中用の表示像を形成する構成より、前記光学部材と前記視野レンズ及び前記空中像反射鏡を除去し、前記投影レンズの結像位置にスクリーンを配置し、前記投影レンズを透過した光像を前記スクリーンに投影して表示像を形成する構成としたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
請求項１記載の画像表示装置において、
前記光源からの光を散乱させる光学部材として摺りガラスを用い、該摺りガラスと前記視野レンズ及び前記空中像反射鏡は、前記光路に対して挿入または除去することができるように移動可能に設けられており、前記空中用の表示像を形成する際には前記光路に前記摺りガラスと前記視野レンズ及び前記空中像反射鏡を挿入し、光量調整を行う場合には、前記光路中にＮＤフィルタを挿入することを特徴とする画像表示装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の画像表示装置において、
前記光源からの光を散乱させる光学部材として摺りガラスを用い、前記空中用の表示像を形成する際には、前記光源と前記画像形成部の間に前記摺りガラスを挿入して前記照明方式をバックライト方式とし、前記スクリーン投影用の表示像を形成する際には、前記摺りガラスを光路から除去して前記照明方式をケラー照明方式に切り替えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の画像表示装置において、
投影用の表示像が投影されるスクリーンは装置の支持部で保持され、前記スクリーンの前方に前記空中像反射鏡を移動可能に設けたことを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像表示装置において、
前記投影レンズを透過した光像を前記スクリーンもしくは前記空中像反射鏡の方向に反射する光路折り曲げ用の反射鏡を設けたことを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パーソナルコンピュータ、ビデオプレーヤ、テレビジョン等の画像表示装置として構成される画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、情報機器に取り付けられる画像表示装置としてはＣＲＴが主流であったが、直視タイプの液晶ディスプレイが台頭しつつある。また、１人用のディスプレイとしては、ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤ）が商品化されている。さらに会議用の大画面のディスプレイとしては、プロジェクション型の画像表示装置が商品化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
パーソナルコンピュータの発展に伴い、今後ディスプレイに対するユーザの要望が多様化することが考えられ、各種方式のディスプレイが開発されている。また、パーソナルコンピュータの動画像の扱いが増加すると、大型画面化と低価格化、軽量化、省電力化、設置面積の狭小化等がユーザから求められている。
大型画面化と軽量化ではプロジェクション型画像表示装置は有望である。プロジェクション型画像表示装置は現在、４０インチ以上の大画面として設計された商品が多いが、個人用の画面サイズとして２０〜３０インチの大きさは、直視タイプの液晶ディスプレイでは製品化が難しく、ＣＲＴに対しては表示装置の大きさや消費電力の点で優位性が見込める条件である。また、会議用のプロジェクション型画像表示装置での画面大きさに対応できる機能を光学系で容易に設計できるという利点もある。
【０００４】
本発明は、プロジェクション型画像表示装置の上記のようなメリットを生かし、個人用の画面サイズとして２０〜３０インチの大きさでの表示を行うことができ、さらに事務所等に配置されるようなロケーションを想定した場合に、ディスプレイに表示された情報が周囲の人に見られないように表示の視域領域を限定することができ、且つ消費電力も少なくすることができる画像表示装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に係る画像表示装置は、光源からの光束を反射または透過する画像形成部と、該画像形成部を通過した光束を透過する投影レンズとを有する画像表示装置であって、同一の画像形成部からの画像を用いて、空中用の表示像を形成する構成と、スクリーン投影用の表示像を形成する構成を備え、前記空中用の表示像を形成する際には、前記光源と前記画像形成部の間に前記光源からの光を散乱させる光学部材を配置して照明方式を変更し、前記投影レンズを透過した後の光路には視野レンズと空中像反射鏡を配置し、前記視野レンズを通過し前記空中像反射鏡で反射された光像により空中に表示像を形成する構成とし、前記スクリーン投影用の表示像を形成する際には、前記空中用の表示像を形成する構成より、前記光学部材と前記視野レンズ及び前記空中像反射鏡を除去し、前記投影レンズの結像位置にスクリーンを配置し、前記投影レンズを透過した光像を前記スクリーンに投影して表示像を形成する構成としたものである。
【０００６】
請求項２に係る画像表示装置は、請求項１の構成に加えて、前記光源からの光を散乱させる光学部材として摺りガラスを用い、該摺りガラスと前記視野レンズ及び前記空中像反射鏡は、前記光路に対して挿入または除去することができるように移動可能に設けられており、前記空中用の表示像を形成する際には前記光路に前記摺りガラスと前記視野レンズ及び前記空中像反射鏡を挿入し、光量調整を行う場合には、前記光路中にＮＤフィルタを挿入する構成としたものである。
【０００７】
請求項３に係る画像表示装置は、請求項１または２の構成に加えて、前記光源からの光を散乱させる光学部材として摺りガラスを用い、前記空中用の表示像を形成する際には、前記光源と前記画像形成部の間に前記摺りガラスを挿入して前記照明方式をバックライト方式とし、前記スクリーン投影用の表示像を形成する際には、前記摺りガラスを光路から除去して前記照明方式をケラー照明方式に切り替える構成としたものである。
【０００８】
請求項４に係る画像表示装置は、請求項１乃至３のいずれか１項の構成に加えて、投影用の表示像が投影されるスクリーンは装置の支持部（支柱及びスタンド）で保持され、前記スクリーンの前方に前記空中像反射鏡を移動可能に設けた構成としたものである。
【０００９】
請求項５に係る画像表示装置は、請求項１乃至４のいずれか１項の構成に加えて、前記投影レンズを透過した光像を前記スクリーンもしくは前記空中像反射鏡の方向に反射する光路折り曲げ用の反射鏡を設けた構成としたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１２】
まず本発明に係る画像表示装置の基本となる光学系について図１を参照して説明する。
図１に示す画像表示装置の光学系では、光軸上に光源１、画像形成部２、投影レンズ３、視野レンズ４が配置されており、視野レンズ４は光路中から除去することが可能に設けられている。画像形成部２には例えば液晶表示パネル（ＬＣＤ）が用いられ、光源１から出射しＬＣＤからなる画像形成部２を通過した光束は、投影レンズ３と視野レンズ４を透過し、空中に表示像として空中像を形成する。図１はこの空中像を形成する状態を示している。この空中像はスクリーンが無い状態でオペレータが見られる画像である。但し、オペレータから画像が見られる領域（以下、視域という）が限られる。
【００１３】
また、図１において投影レンズ３の後方の視野レンズ４を光路から取り除き、図中のスクリーン結像位置にスクリーンを配置すれば、投影レンズ３によりスクリーン上に画像を表示することができる。スクリーン上に投影された画像は、そのスクリーンの反射指向性能でかなり広い領域の視域が得られる。
【００１４】
ここで、各光学部品の配置と空中像やスクリーン像との関係について述べる。図１において、投影レンズ３の主点から画像形成部２までの距離をＳl、投影レンズ３の主点からスクリーン結像位置までの距離をＳl'、視野レンズ４の中心から投影レンズ３の主点までの距離をＳm、視野レンズ４の中心から視域の中心までの距離をＳm'、視野レンズ４の中心から視野レンズの無い場合のスクリーン結像位置までの距離をＤr、視野レンズ４の中心から空中像位置までの距離をＤvとした場合、視野レンズ４の焦点距離Ｍfは、
Ｍf＝Ｓm×Ｓm'（Ｓm−Ｓm'）
であり、
Ｄv＝Ｄr×Ｍf／（Ｄr＋Ｍf）
となる。
【００１５】
また、視野レンズ無しの場合の投影レンズ３によるスクリーン上の倍率ＲＳＢは、
ＲＳＢ＝Ｓl'／Ｓl
であり、光路からスクリーンを除去し光路中に視野レンズ４を挿入して空中像を形成する場合の空中像の倍率ＶＳＢは、
ＶＳＢ＝（Ｄv／Ｄr）×ＲＳＢ
となり、画像形成部２の液晶表示パネルの対角大きさをＬＣＤとした場合、空中像の対角大きさＶＳＤは、
ＶＳＤ＝ＶＳＢ×ＬＣＤ×２５．４
となる。
【００１６】
また、視野レンズ４での射出瞳の拡大倍率ＰuＢは、
ＰuＢ＝Ｓm'／Ｓm
であり、投影レンズ３の射出瞳直径がＰuＤの時、視域の直径ＥＲＤは、
ＥＲＤ＝−ＰuＢ×ＰuＤ
となる。
【００１７】
図１において上記の関係が成り立つ場合に、投影レンズ３と視野レンズ４を光路中の所定位置に配置しスクリーンを光路から取り除いた構成の場合、画像光束がオペレータの目に指向性よく照射され、空中に浮かんだ光像として認識できるので空中像型の画像表示を行う構成となる。
また、視野レンズ４を光路中から取り除き、スクリーン結像位置にスクリーンを配置した構成の場合、スクリーン上に投影された画像の反射光によりオペレータが光像を認識するためスクリーン像型の画像表示の構成となる。従って、これら光学部品の光路中への挿入あるいは除去という簡単な操作で空中像型からスクリーン像型へ画像表示方式を容易に変更することができる。
【００１８】
尚、画像形成部２に液晶表示パネル（ＬＣＤ）を用いた例で説明したが、画像形成部２には、光空間変調器やデジタルミラーデバイス等を使うこともできる。また、視野レンズの代わりに凹面鏡を使うこともでき、この場合には空中像の位置や視域が投影レンズ側にできる。また、図１において視野レンズ４の代わりに凹面鏡を用いる場合に、視野レンズの焦点距離Ｍfに対して、凹面鏡の曲率半径ＭＲは、
ＭＲ＝２Ｍf
となる。
【００１９】
画像形成部２に透過型液晶表示パネル（以下、ＬＣＤ）を使う例の場合、空中像型とスクリーン像型とでは光源の適正が異なる。スクリーン像型では、光源１にハロゲンランプのようなケラー照明方式が適しているが、空中像型では、透過型液晶表示パネルの全面を均一に照射する面発光体方式（所謂バックライト方式）が適している。
表示方式の変更の際にケラー照明からバックライト方式に変換する方法としては、摺りガラスやパールガラスのような光を散乱させる光学部材を光源とＬＣＤの間に挿入することで達成可能である。
また、ハロゲンランプのようなケラー照明方式の光源と、冷陰極管のような面発光体からなる光源を別個に所有し、スクリーン像型から空中像型へ表示方式を変更する際には、ケラー照明方式からバックライト方式へ光源を切り替えるのも好適な達成方法である。
【００２０】
（実施例１）
次に本発明による画像表示装置の具体的な実施例を示す。
図２は本発明の一実施例を示す図であり、空中像型の画像表示とスクリーン像型の画像表示を行うことができる画像表示装置の光学系の概略構成を示す透視斜視図である。この画像表示装置は、図１に示した基本構成と同様の光源１、画像形成部２、投影レンズ３、視野レンズ４、及びスクリーン８を備えている。そして上記構成に加えて、光源１と画像形成部２の間には照明方式を変更するための摺りガラス５が配置され、さらに光像をスクリーン方向に投影するための光路折り曲げ用の反射鏡７が設けられている。尚、この反射鏡７はオペレータ１０の視覚領域の邪魔にならない位置に配置されている。また、反射鏡７がハーフミラーであれば、オペレータ１０の視覚領域内に設けられてもオペレータがスクリーン８を見るのには支障がない。
【００２１】
また、視野レンズ４と摺りガラス５は支持腕６によって移動可能に支持され、支持腕６の操作によって光路中に挿入したり光路中から除去することができるようになっており、空中像型の画像表示の時には視野レンズ４と摺りガラス５は光路中に挿入され図２の実線で図示した位置に配置され、スクリーン像型の画像表示の時には視野レンズ４と摺りガラス５は光路から除去され図２の破線で図示した排除位置に退避される構成となっている。
【００２２】
さらに図２の画像表示装置では、図１には示されなかった光学部品として、空中像反射鏡９が設けられている。これは、オペレータ１０の目に指向性よく光像を照射するための部品である。この空中像反射鏡９を設けることにより、空中像型の光路は図２に破線矢印で示したようになり、空中像反射鏡９で反射された光像が空中像として空中像反射鏡９のオペレータ１０側に形成される。この空中像を見るためには視域が限られるため、オペレータ１０は空中像が見える位置に目を移動させる。
但し、視野レンズ４によって投影レンズ３で拡大した光が空中像位置に集光し、集光性が強いため明るい画像が得られる。従って反射スクリーン８上で十分な光量となるように設定されていれば、光路中に摺りガラス５を挿入してバックライト方式とした際に光の利用効率が低下しても、空中像は十分な照度となりオペレータ１０は光像を見ることができる。
尚、摺りガラス５を光路に挿入しても空中像が明る過ぎる場合は、光路中にＮＤフィルタ等を挿入して光量調整を行う。
【００２３】
図２において空中像型からスクリーン像型に表示方式を変更する際には、上述したように視野レンズ４と摺りガラス５は支持腕６に保持されているので、支持腕６の操作により、視野レンズ４と摺りガラス５を光路外の図中の破線で示した位置に排除することになる。この際の支持腕６の操作方式としては手動式でも電動式でも容易に構成することができる。また、反射スクリーン８に投射する際には、視野レンズ４と摺りガラス５が光路外の破線で示した位置に排除されると同時に、空中像反射鏡９も光路外の破線で示した位置に排除され、投影レンズ３からの光像は図中の実線で示す反射スクリーン光路で反射スクリーン８に投影されるが、この時の光源１はハロゲンランプ等のようなケラー照明方式が適している。また、ハロゲンランプを用いる場合には、画像形成部２との間に、赤外吸収フィルタを配置する。
【００２４】
空中像型とスクリーン像型での光源の光量を適正にするには、摺りガラス５の配置でなく、冷陰極管や平面放電管等のバックライトタイプの光源を空中像型用に別個に設置しておき、表示方式の変更の際には、バックライト方式とケラー照明方式の光源の切り替えを行う方法がある。この方法を採用すると、スクリーン像型での光源のワット数が５０Ｗ程度であるのに対し、空中像型での光源のワット数は１０Ｗ以下でも十分な光量が得られる。
また、図２のように摺りガラス５を配置する例では、摺りガラス５を光路中に配置した場合には、光源のワット数を５０Ｗから低下させる切り替え機構を設けるとよい。
【００２５】
（実施例２）
図３は本発明の別の実施例を示す図であり、空中像型の画像表示とスクリーン像型の画像表示を行うことができる画像表示装置の光学系の概略構成を示す透視斜視図である。図３において光源１、画像形成部２、摺りガラス５、支持腕６、投影レンズ３、反射鏡７、スクリーン８の構成及び配置は図２と同様であるが、図２の構成と異なる光学部品の構成としては、視野レンズである凸面レンズを無くし、その代わりに反射スクリーン８の前に配置した空中像反射鏡を凹面鏡１１に変更したものである。また、この凹面鏡１１は図中に破線で示す凹面鏡の排除位置に移動可能に設けられており、表示方式に応じて、光路中に挿入あるいは光路中から除去されるようになっている。
【００２６】
ここで、凹面鏡１１は視野レンズと同様な機能を有し、空中像を形成するためのものであり、空中像型の画像表示のときには、図３に示すように、凹面鏡１１と摺りガラス５が光路中に挿入され、図中に破線で示す空中像光路で空中像を表示する。
また、空中像型からスクリーン像型に画像表示方式を変更するときには、摺りガラス５と凹面鏡１１を光路外の破線で示した位置に排除することにより、図中の実線で示す反射スクリーン光路で光像がスクリーン８に投影される。
【００２７】
尚、凹面鏡１１の移動に連動して支持腕６に保持された摺りガラス５の光路への挿入あるいは除去が行われる構成にしておけば、表示方式の変更の際に凹面鏡１１を移動するだけで摺りガラス５の移動が同時に行われるので、表示方式の切り替えを容易に行うことができる。
また、図３の構成の場合も、空中像型とスクリーン像型での光源の光量を適正にする方法として、摺りガラスを用いずに、冷陰極管や平面放電管等のバックライトタイプの光源を空中像型用に別個に設置しておき、表示方式の変更の際には、バックライト方式とケラー照明方式の光源の切り替えを行う方法がある。
【００２８】
次に図４は、図２に示した画像表示装置における光路の光軸と反射スクリーン８及び空中像反射鏡９の配置の概略を示した側面図である。
反射スクリーン８は、反射鏡７で折り曲げられた光束が反射スクリーン面に対し略直角に入射されるので、反射スクリーン８上の光像に変形のない像が得られる。また、オペレータ１０は反射スクリーン８の乱反射により光像を認識するため、広範囲な領域で画像を見られる。
一方、空中像反射鏡９は光束をオペレータ１０に向けるため、オペレータ１０の顔が位置するであろう方向に光束が向くように配置される。
尚、図３の構成の場合も同様であり、この場合は凹面鏡１１が光束をオペレータ１０に向けるため、凹面鏡１１はオペレータ１０の顔が位置するであろう方向に光束が向くように配置される。
【００２９】
（実施例３）
図５は本発明に係る画像表示装置の一実施例を示す斜視図であり、図２あるいは図３に示した光学系を用い、机の上等に搭載できるように構成した画像表示装置の一例を示す図である。図２あるいは図３に示した光学系の光源１から反射鏡７までの光学部品類は光学カバー１４の中に収められ、支柱１３で支えられている。この支柱１３はスタンド１２と一体になっており、反射スクリーン８を支柱１３とスタンド１２で保持している。光学カバー１４の側面には前述の支持腕６を操作する支持腕レバー１６が設けられており、この支持腕レバー１６の操作で光学部品類の切り替えをして、空中像型とスクリーン像型の表示方式を切り替えるようになっている。
【００３０】
また、図６に図５の画像表示装置の側面図を示すが、空中像反射鏡９（あるいは図３の凹面鏡１１）は反射鏡支持腕１５の支点に保持され、所定位置に配置されており、スクリーン像型にする場合は、反射鏡支持腕１５の支点の移動と該支点を軸とした回動によって空中像反射鏡９（または凹面鏡１１）を図中の破線位置に移動させ、スナップ等で固定する。これにより反射スクリーン８へ画像を投影する際に空中像反射鏡９（または凹面鏡１１）が邪魔になることがない。
【００３１】
尚、画像表示装置の支柱１３の内部には画像形成部を表示可能にする駆動回路、電気回路及びこれらの電源回路等を格納することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、光源からの光束を反射または透過する画像形成部と、該画像形成部を通過した光束を透過する投影レンズとを有する画像表示装置であって、同一の画像形成部からの画像を用いて、空中用の表示像を形成する構成と、スクリーン投影用の表示像を形成する構成を備え、前記空中用の表示像を形成する際には、前記光源と前記画像形成部の間に前記光源からの光を散乱させる光学部材を配置して照明方式を変更し、前記投影レンズを透過した後の光路には視野レンズと空中像反射鏡を配置し、前記視野レンズを通過し前記空中像反射鏡で反射された光像により空中に表示像を形成する構成とし、前記スクリーン投影用の表示像を形成する際には、前記空中用の表示像を形成する構成より、前記光学部材と前記視野レンズ及び前記空中像反射鏡を除去し、前記投影レンズの結像位置にスクリーンを配置し、前記投影レンズを透過した光像を前記スクリーンに投影して表示像を形成する構成としたことにより、空中像型とスクリーン像型の画像表示が可能となる。従って、機密を要する情報に関しては周囲の人には覗き見られない視域の狭い空中像型を使い、機密性のない操作においては画面サイズの大きなスクリーン像型を使うことにより画面サイズの確保と視域の広い状態での操作性の向上が図れ、使い易さも向上するという効果がある。
【００３４】
本発明に係る画像表示装置では、前記の構成及び効果に加えて、前記光源からの光を散乱させる光学部材として摺りガラスを用い、該摺りガラスと前記視野レンズ及び前記空中像反射鏡は、前記光路に対して挿入または除去することができるように移動可能に設けられており、前記空中用の表示像を形成する際には前記光路に前記摺りガラスと前記視野レンズ及び前記空中像反射鏡を挿入し、光量調整を行う場合には、前記光路中にＮＤフィルタを挿入する構成としたので、前記画像形成部を通過した光束が、投影レンズを透過した後、視野レンズと空中像反射鏡により、空中に表示像を形成する画像表示を行う場合と、前記画像形成部を通過した光束が、投影レンズを透過し、スクリーンに表示像を形成する画像表示を行う場合とで、その表示方式に合致した構成にする光学部品を光路中に挿入あるいは光路中から除去する操作を行うことにより、空中像型とスクリーン像型の表示方式を容易に変更することができ、それぞれの表示方式に合った適正な画像照度が得られ、オペレータの見やすさを向上する効果がある。
【００３５】
本発明に係る画像表示装置では、前記の構成及び効果に加えて、前記画像形成部を通過した光束が、投影レンズを透過した後、視野レンズと空中像反射鏡により、空中に表示像を形成する画像表示を行う場合と、前記画像形成部を通過した光束が、投影レンズを透過し、スクリーンに表示像を形成する画像表示を行う場合とで、その表示方式に合致した構成にする光学部品を光路中に挿入あるいは光路中から除去する操作を行うと共に、照明方式を切り替える構成としたので、空中像型とスクリーン像型の表示方式を容易に変更することができ、それぞれの表示方式に合った適正な画像照度が確実に得られ、オペレータの見やすさを向上する効果がある。
【００３６】
本発明に係る画像表示装置では、前記の構成及び効果に加えて、１個の画像形成部を保有し、表示方式の変更の際には、バックライト方式とケラー照明方式の光源切り替えを行う構成としたので、空中像型とスクリーン像型の表示方式に合った適正な画像照度がより確実に得られ、オペレータの見やすさをさらに向上する効果があり、且つ消費電力も少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る画像表示装置の光学系の基本構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施例を示す図であって、画像表示装置の光学系の概略構成を示す透視斜視図である。
【図３】本発明の別の実施例を示す図であって、画像表示装置の光学系の概略構成を示す透視斜視図である。
【図４】図２に示した画像表示装置における光路の光軸と反射スクリーン８及び空中像反射鏡９の配置の概略を示した側面図である。
【図５】本発明に係る画像表示装置の一実施例を示す斜視図である。
【図６】図５に示す画像表示装置の側面図である。
【符号の説明】
１：光源
２：画像形成部
３：投影レンズ
４：視野レンズ
５：摺りガラス
６：支持腕
７：反射鏡
８：反射スクリーン
９：空中像反射鏡
１０：オペレータ
１１：凹面鏡
１２：スタンド
１３：支柱
１４：光学カバー
１５：反射鏡支持腕
１６：支持腕レバー
【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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