(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示面を有する反射型表示素子と、
光源ユニットと、
その表示素子による表示画像の拡大虚像を形成する光学系とを備え、
その光学系は樹脂材からモールド成形されたプリズムを有し、
そのプリズムに前記光源ユニットが埋設され、
その光源ユニットから出射された光が、そのプリズムを通って前記画像表示面において反射された後にプリズム内に再進入するように、そのプリズムは表示素子に接合され、
そのプリズム内に再進入した光がプリズムにより光路変更された後に観察者の眼に導かれることで、観察者からは前記表示素子よりも遠方に拡大虚像が形成される表示装置。
【請求項２】
その光源ユニットはモールド成形された樹脂製カバーを有し、そのカバーを介して前記プリズムに埋設される請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
その表示素子はモノクロ反射型液晶表示素子とされ、その光源ユニットは３原色光を出射する光源素子を有し、それら光源素子は３原色光が順次出射されるように点滅制御され、その３原色光の点滅タイミングに応じて赤色光源用画面、緑色光源用画面、青色光源用画面が形成されるように前記表示素子が駆動される請求項１または２に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、頭部や腕に装着されるウエアラブルコンピュータや携帯型のコンピュータ等の各種小型情報機器への接続に適した表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
小型表示素子として汎用されている透過型カラーＴＦＴ液晶表示素子は、ＲＧＢの３原色に対応する画素を有する。例えば、解像度８００×６００ドットの表示素子の場合、各８００個のＲＧＢのストライプ状の画素が一列に並列する画素列を、ＲＧＢの各カラーフィルタそれぞれに対応して素子基板上に６００列ずつ設けるストライプ構造が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ウエアラブルコンピュータや携帯型のコンピュータ等における表示装置は、小型、且つ、高解像度にすることが要求される。例えば、解像度８００×６００ドットを対角０．４インチの画面サイズで実現するには、画面寸法は約８ｍｍ×６ｍｍとなる。そうすると、上記のようなストライプ構造の表示素子を採用した場合、１つの画素寸法は約３．３μｍ×１０μｍとなるため、各画素毎に薄膜トランジスタを必要とするＴＦＴ型では、各画素の開口率を充分に確保するのが困難になり、明瞭な虚像を形成できなくなる。
【０００４】
そこで、カラー液晶表示素子に代えてモノクロ液晶表示素子を採用し、カラーフィルターに代えてＲＧＢの光源素子を点滅制御することで３原色光を順次出射することでカラー画像を形成するフィールドシーケンシャル方式を採用することが検討されている。これにより、例えば、解像度８００×６００ドットを対角０．４インチの画面サイズで実現する場合、１つの画素寸法は約１０μｍ×１０μｍになる。
【０００５】
そのフィールドシーケンシャル方式を採用した場合、ＲＧＢの光源素子の点滅タイミングに同期して、Ｒ光源用画面、Ｇ光源用画面、Ｂ光源用画面が形成されるように液晶を駆動する必要がある。そのため、一般的なカラー画像を形成するには、Ｒ光源用画面、Ｇ光源用画面、Ｂ光源用画面をそれぞれ１秒あたり６０フレーム、併せて１８０フレーム形成する必要がある。しかし、ガラス基板上のアモルファスＳｉに液晶駆動用薄膜トランジスタや電極等を作り込み、その上に液晶層を設ける従来一般的な構造では、そのような多くのフレームを形成するための高速な画面切り換えは困難である。
【０００６】
そこで、単結晶Ｓｉの素子基板上に液晶駆動用薄膜トランジスタや電極等を作り込み、その上に液晶層を設ける構造とすることで、高速な画面切り換えを実現することが考えられる。
【０００７】
そのような単結晶Ｓｉの基板は光は透過させることができないため、透過型液晶表示素子ではなく反射型液晶表示素子を採用する必要がある。すなわち、表示素子の画像表示面に対向する側に光源を配置し、その光源から照射された光の画像表示画面における反射光が画像表示光になる。また、小型の表示装置においては、拡大された虚像を観察者から離れた距離に結像するために、画像表示面の対向側に光学系を配置する必要がある。しかし、その画面の対向側に配置される光源と光学系の双方を表示素子に連結するための専用の部材を用いると、表示装置が大型化するという問題がある。すなわち、表示装置の小型軽量化のために光源と光学系とを如何にして共存配置させるかが実用化の上で重要な課題となっている。
【０００８】
本発明は、上記問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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の表示装置は、画像表示面を有する反射型表示素子と、光源ユニットと、その表示素子による表示画像の拡大虚像を形成する光学系とを備える。その光学系は樹脂材からモールド成形されたプリズムを有し、そのプリズムに前記光源ユニットが埋設される。その光源ユニットから出射された光が、そのプリズムを通って前記画像表示面において反射された後にプリズム内に再進入するように、そのプリズムは表示素子に接合される。そのプリズム内に再進入した光がプリズムにより光路変更された後に観察者の眼に導かれることで、観察者からは前記表示素子よりも遠方に拡大虚像が形成される。すなわち、光源光が画像表示面において反射されることで形成される画像表示光を、プリズムにより反射と屈折の双方あるいは一方によって光路変更して観察者に眼に導くことで、拡大虚像が形成される。
本発明の構成によれば、モールド成形されるプリズムに光源ユニットを埋設し、そのプリズムを反射型表示素子に接合することで、専用の部材を用いることなく、その表示素子の画像表示面に対向して拡大光学系と光源を配置し、明瞭な拡大虚像を形成すると共に、表示装置の小型軽量化を図ることができる。
【００１０】
好ましくは、その光源ユニットはモールド成形された樹脂製カバーを有し、そのカバーを介して前記プリズムに埋設する。そのプリズムおよびカバーの成形用樹脂は透明であれば特に限定されない。
これにより、そのプリズムの材料となる樹脂材と光源ユニットのカバーの材料となる樹脂材の屈折率を同一あるいは可及的に近いものとし、光源ユニットから出射される光をプリズム内では概ね均質な連続媒質内を進行するものとする。
【００１１】
その表示素子はモノクロ反射型液晶表示素子とされ、その光源ユニットは３原色光を出射する光源素子を有し、それら光源素子は３原色光が順次出射されるように点滅制御され、その３原色光の点滅タイミングに応じて赤色光源用画面、緑色光源用画面、青色光源用画面が形成されるように前記表示素子が駆動されるのが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に示す本発明の実施形態の表示装置１は、観察者２に眼鏡３を介して装着される。その眼鏡３は、観察者２が日常使用しているものでもよいし、度数のないレンズが取り付けられたものでもよい。その表示装置１は、本実施形態ではクランプ４により眼鏡３のレンズを解除可能に挟み込むことで取り付けられる。そのクランプ４により眼鏡３のレンズを挟む位置を変更調節することで、観察者２にとって画像を見やすい位置に表示装置１を配置できる。図示の例では、自然な装着感を得られるように、ほぼ眼前のやや下方に表示虚像が形成されるように表示装置１は眼鏡３に取り付けられている。
【００１３】
その表示装置１は、ケーシング１０と、このケーシング１０に内蔵される図２に示す表示ユニット１１を備える。その表示ユニット１１は、反射型表示素子１２と、光源ユニット１３と、反射型表示素子１２により表示される画像の拡大虚像を形成するための拡大光学系１４とを備える。
【００１４】
その反射型表示素子１２は、本実施形態ではモノクロＴＦＴ型液晶表示素子であって、ケーブルを介し１５を介して図外駆動回路を含む画像信号の発信源に接続されている。その液晶表示素子として、単結晶Ｓｉ基板上に薄膜トランジスタや電極等の画素駆動素子を作り込み、その上に液晶層を設け、その液晶層を偏光板と一体のカバーガラスにより覆う構造を採用した高精密な液晶チップが用いられる。
【００１５】
図３に示す光源ユニット１３は、本実施形態では３原色光を出射する光源素子としてＬＥＤを用いる。図４の（１）〜（４）は光源ユニット１３の製造工程を示すもので、金属ベース２１上に、複数の赤色ＬＥＤ２２、複数の緑色ＬＥＤ２３、複数の青色ＬＥＤ２４が、それぞれアレイ状に配置される。その金属ベース２１と同一素材から、赤色ＬＥＤ用電極２５、緑色ＬＥＤ用電極２６、青色ＬＥＤ用電極２７、ＧＮＤ用電極２８が成形される。なお、光源ユニット１３の製造途中においては、その金属ベース２１と電極２５〜２８は両端において連結部９１、９２を介して連結される。各ＬＥＤ２２、２３、２４は対応する電極２５、２６、２７に金ワイヤ２９により接続される。
【００１６】
図５に示すように、各ＬＥＤ２２、２３、２４は、金属ベース２１に形成された凹部２１ａの内面にダイボンド樹脂３１により接合され、上記電極２５、２６、２７との接続用金ワイヤ２９はボンディング剤３２により各ＬＥＤ２２、２３、２４の電極に接合される。各ＬＥＤ２２〜２４が接合される凹部２１ａの内面はリフレクタとして機能し、各ＬＥＤ２２〜２４の発する光の放射強度を上げる。その凹部２１ａ内に透明な合成樹脂製封止材３９が充填される。そのベース２１、ＬＥＤ２２〜２４、電極２５〜２８、金ワイヤ２９は、モールド成形される透明合成樹脂製カバー３３により被覆される。その被覆後に、図４の（４）に示すように上記連結部９１、９２は切断線Ｃに沿ってベース２１と電極２５〜２８から切断される。
【００１７】
図２に示すように、各電極２５〜２８がコネクタ３４、ケーブル３５を介して図外光源駆動回路に接続される。本実施形態ではカラー画像を形成するためにフィールドシーケンシャル方式が採用され、その駆動回路からの信号により赤色ＬＥＤ２２と緑色ＬＥＤ２３と青色ＬＥＤ２４とが点滅制御されることで、３原色光が順次出射される。これらＬＥＤ２２〜２４の点滅タイミングに応じて赤色光源用画面、緑色光源用画面、青色光源用画面が形成されるように、上記反射型表示素子１２が駆動され、これによりカラー画像が形成される。なお、各ＬＥＤ２２〜２４の出射光を拡散するために、カバー３３と封止材３９をすりガラス状としたり、カバー３３に拡散板を貼り付けても良い。
【００１８】
その拡大光学系１４は、合成樹脂材からモールド成形されたプリズム４０を有する。そのプリズム４０に光源ユニット１３がカバー３３を介して埋設されるように、そのプリズム４０の成形時にモールド内に光源ユニット１３が配置される。そのプリズム４０の材料となる合成樹脂材は、上記カバー３３の成形材料と屈折率が同一あるいは可及的に近いものが用いられる。
【００１９】
そのプリズム４０は、光の透過面４１と、第１、第２反射面４２、４３と、屈折面４４とを有する。その透過面４１は反射型表示素子１２の画像表示面１２ａと対向する。そのプリズム４０の透過面４１と反射型表示素子１２のカバーガラスとが、プリズム４０の成形材料と屈折率が同一あるいは可及的に近い透明接着剤を介して接合される。これにより、図２において矢印で示すように、光源ユニット１３から出射される光は、プリズム４０を通って透過面４１から画像表示面１２ａに至り、その画像表示面１２ａにおいて反射されることで画像表示光となる。その画像表示光は、プリズム４０内に再進入し、第１、第２反射面４２、４３における反射と屈折面４４における屈折により光路が変更される。その屈折面４４の通過によりプリズム４０から出射された画像表示光が観察者２の眼に導かれる。本実施形態では、その画像表示面１２ａは上向きとされ、光源ユニット１３からの光は下方に向かうに従い観察者２に近接するように進行し、画像表示面１２ａにおいて反射されることで画像表示光となり、その画像表示光は上方に向かうに従い観察者２に近接するように進行し、第１反射面４２において反射されることで上方に向かうに従い観察者２から離れるように進行し、第２反射面４３において反射されることで上方に向かうに従い観察者２に近接するように進行し、しかる後に屈折面４４において屈折される。その第１、第２反射面４２、４３と屈折面４４の中の少なくとも一面が非球面とされることで、観察者２からは反射型表示素子１２よりも前遠方に拡大虚像が形成される。
【００２０】
上記構成によれば、モールド成形されるプリズム４０に光源ユニット１３を埋設することで、専用の部材を用いることなく、反射型表示素子１２の画像表示面１２ａに対向して拡大光学系１４と光源ユニット１３を配置し、明瞭な拡大虚像を形成すると共に表示装置１の小型軽量化を図ることができる。
【００２１】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、表示装置は眼鏡を介して観察者に装着されるものに限定されず、例えば、観察者の頭部や腕等にバンド、ベルト、ヘルメット、専用マウント等を介して装着されたり、腕時計、携帯電話、ＰＤＡ、ハンディターミナル等に組み込まれるものでもよく、また、観察者の身体に装着されるのではなく、携帯されるものであって視認時に眼前に位置されるものでもよい。拡大光学系のプリズムの形状や反射面や屈折面の数は特に限定されない。拡大光学系は構成要素としてプリズムに加えて他のレンズ等の光学素子を有していてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、明瞭な拡大虚像を形成できる小型軽量の表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の表示装置の使用状態を示す斜視図
【図２】本発明の実施形態の表示装置の要部の斜視図
【図３】本発明の実施形態の光源ユニットの斜視図
【図４】（１）〜（４）は本発明の実施形態の光源ユニットの製造工程を示す斜視図
【図５】本発明の実施形態の光源ユニットの部分断面図
【符号の説明】
１  表示装置
１２  反射型表示素子
１３  光源ユニット
１４  光学系
２２、２３、２４  ＬＥＤ
３３  合成樹脂製カバー
４０  プリズム
【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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