(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶、または光電的な動作による小型画像表示部と、この小型画像表示部を照明する照明部と、前記照明部からの照明光で照明された前記小型画像表示部の画像を視覚において光学的に拡大虚像として投影する画像拡大部と、この画像拡大部へ前記小型画像表示部の画像を伝播する金属、または誘電体多層膜からなる反射膜が設置されてなる第１の内反射面と、前記小型画像表示部、及び前記画像拡大部とが共に近接してなりスネルの法則に従うところの全反射を行なう第２の内反射面と、前記画像拡大部の直下に配置してなる前記第１の内反射面に準じる構造と作用をなす第３の内反射面とを持つプリズム部からなるディスプレイ装置において、前記第３の内反射面に前記照明部からの照明光を射出する作用を持ち、前記第３の内反射面の有効反射面の略中央に設置されるとともに有効反射面の面積と比較して略２５分の１以下である金属、または誘電体多層膜による反射膜を除去してなる光を透過させることのできる光学的ホールが備えられ、前記照明部は、前記小型画像表示部を前面より照射するとともに、前記プリズム部の前記光学的ホールに略接合、または近接する照明光導入プリズムを介して前記プリズム部の外部に近接、または接触して設置され、前記小型画像表示部からの反射戻り光線群のほとんどは前記第３の内反射面で前記画像拡大部へと反射されるとともに、光源から射出される照明光を前記光学的ホールに収斂させる為の光収斂手段を持ち光収斂手段の焦点位置は略前記射出窓中央部に設定されてなることを特徴とするディスプレイ装置。
【請求項２】
前記光収斂手段は、球面、または非球面からなる凹面反射鏡により構成されていることを特徴とする前記請求項１記載のディスプレイ装置。
【請求項３】
前記照明部は、前記光源の前記光収斂手段と反対側に遮光板を設置することを特徴とする前記請求項１記載のディスプレイ装置。
【請求項４】
前記照明部の所定の光路以外の内反射面に光吸収手段を設置することを特徴とする前記請求項１記載のディスプレイ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はデータとして保存、または配信されてくる動画像、または静止画像を視覚に虚像として表示面を拡大提示できる機能を有するディスプレイ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
さまざまな情報機器、特に液晶、または光電的な画像表示手段などによりビジュアルな情報を取り扱うことができる機器が目覚しい進展を見せている。また使用する時や場所を選ばない、いわゆるモバイル機器といわれるパーソナルユースの情報処理マシンの進展も著しい。このモバイル機器に求められている性能は携帯性能のよいコンパクトな形体や情報処理スピードの速さ、処理機能の多さなどのほか、小型の機器の限られたスペースでより多くの情報を正確にわかり易く利用者へ表示する手段が求められている。機器の任意の操作表面の大部分を占める液晶などによる表示手段などが現在主流になってきているが、機器の小型化にともない残念ながら表示面積、文字、図表も小さく見にくくなってきている。
【０００３】
そこでこの課題を解決する一つの有効な表示方法としてヘッドマウントディスプレイやファインダー（チェック）ディスプレイなどの虚像拡大ディスプレイ装置が近年注目されてきており、多くの研究や関連機器の開発が進んでいる。
【０００４】
これは略小型の液晶、またはプラズマなどの光電的手段による２次元の小型表示装置によるもの、またはＬＥＤなどの１次元アレー光源をミラーなどの光路折り曲げ手段を用いてアレー方向と直角方向へのスキャンニングによっての視覚に見掛け上の２次元画像を形成する手段などによる動画、または静止画などの画像を凸レンズや凹面反射鏡などの拡大手段を用いて虚像として視覚へ拡大投影し、実際の表示画面より大画面として表示する方法、装置である。小型の表示装置を虚像として拡大することで機器の小型化、装置の消費電力、及び価格を抑制できるメリットがあり、また表示素子の小型化に関わらず見かけの表示画面を拡大され、高精細な虚像として提示することができる。今後ますます小型表示装置の分解能、コントラスト、輝度、拡大光学系の性能向上、画像処理技術などの進展などがあいまって、性能のよい拡大ディスプレイ装置がさまざまな装置やシーンで利用されるようになってくると思われる。
【０００５】
ところで主要な構成要素であるところの虚像拡大ディスプレイ装置について図４、及び図５を用いてその光学系を示すとともにその構造と作用について説明する。
【０００６】
まず、図４は従来の（虚像拡大による）ディスプレイ装置の構成図である。図４において凹面鏡の画像拡大作用を用いた虚像拡大ディスプレイ装置の構成を説明する。同図において光源部１と、ハーフミラー２を凹面鏡３の光軸と略４５度傾けて表示モジュール４と視覚部５との間に設置してなる構造をとり、光路が光学系内をハーフミラー２と凹面鏡３で２度折り曲げられているが特徴で、光学系を比較的コンパクトに構成することができる特長を持つ。
【０００７】
観察者の視覚部５の視線方向の外に設置された表示モジュール４に描き出された表示画像（不図示）の光の一部はハーフミラー２で略９０度折り曲げられたのち凹面鏡３で反射され収斂されつつ、今度はハーフミラー２を凹面鏡３の光軸６に沿って透過して拡大された表示画像（不図示）の虚像を視覚部５に投影することができる。この方法では比較的広い視野角が得られ、また収差（色収差など）の発生も比較的小さく押さえることができ、多くの製品が実用化されている。
【０００８】
さらにまた表示モジュール４の表示画像を明るく提示する為には、表示モジュール４自体が発光するのではない限り照明装置が必要になる。この照明装置には大きく分類して２つの方法がある。１つは表示モジュール４の背後に発光光源を設置してその透過光を視覚部５へ投影する方法、すなわちバックライト照明。２つは表示モジュールの前面に発光光源を設置してその反射光を視覚部へ投影する方法、すなわちフロントライト照明とがある。
【０００９】
それぞれに特徴があるがまず同図を用いて後者の照明方法の一つであるところの同軸落射照明法によるの拡大虚像ディスプレイ装置を説明する。
【００１０】
小型の蛍光管や電球、電子発光素子などの光源部１を視覚部５から見て表示モジュール４の側面部の高い位置に、図４に示したように光源部１と照明の為のハーフミラー７を光軸軸外に設置してなるもので、表示モジュール４の表示面の法線に対して略垂直に表示部全体を照らす。これは同軸落射照明と言われるもので、照射のムラが比較的少なく安定した照明が実現できるため顕微鏡や精密光学機器に多く利用されている。
【００１１】
次に、図５は従来の（虚像拡大による）ディスプレイ装置の構成図である。図５を用いて２つ目の照明方法であるところの軸外傾斜照明法によるの拡大虚像ディスプレイ装置を説明する。同図において、光源部１を表示モジュール４の光束外の図に示したハーフミラー２の側部に配置して表示モジュール４の表示面の法線に対して角度θをもって表示モジュール４の光軸外からハーフミラー２などを介さずに直接全体を照明する。照明され反射した光は前述のようにさらにハーフミラー２で反射され、凹面鏡３で収斂されつつ、さらにハーフミラー２を透過して視覚部５へ拡大虚像を投影する。照射の往路での照明光の損失も少なく構造が単純、製造が容易で多く利用されているものである。
【００１２】
また両方式ともに反射光が表示に適応できるように構成されている反射型表示モジュールが使用されていることが前提となるものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上説明した虚像拡大方式によるディスプレイ装置、及び照明装置において同軸落射照明法と傾斜照明法の解決すべき課題について説明する。
【００１４】
まず同軸落射照明法においては、表示モジュールの前面にハーフミラーを設置せねばならず、部品点数の増加、照明光の往路での損失、さらに表示画像の視覚部への伝播時にも損失が生じてしまい、明るい表示画面の観察する為に光源の輝度を上げねばならず、消費電力の増大や熱処理の問題を生じてしまう。
【００１５】
さらにまたハーフミラーの設置スペースを表示モジュールと視覚部の光路内に設置する必要があり光路長が長くなり、みかけの表示画面が小さくなってしまう事や、ディスプレイ装置そのものが大型になってしまうことになる。
【００１６】
次に傾斜照明法においては途中での光の損失はなく、光路内に光学部品を設置する必要はないが、斜めに表示モジュールを照明する為に光源から入射面への入射角度や、光源からの距離にムラが生じ、すなわち表示面の明るさが部分で異なってしまい表示品質を大きく低下させてしまう。
【００１７】
さらにまた入射角度を垂直に近づける為に光源を光束に近づけねばならず光束とわずかでも光源が重なってしまうと画面に重なる不要光（迷光）となってしまいさらに表示品質を下げてしまうこととなる。
【００１８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、コンパクトで安定した照明機能を搭載した反射型ディスプレイパネルによるディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、液晶、または光電的な動作による小型画像表示部と、この小型画像表示部を照明する照明部と、前記照明部からの照明光で照明された前記小型画像表示部の画像を視覚において光学的に拡大虚像として投影する画像拡大部と、この画像拡大部へ前記小型画像表示部の画像を伝播する金属、または誘電体多層膜からなる反射膜が設置されてなる第１の内反射面と、前記小型画像表示部、及び前記画像拡大部とが共に近接してなりスネルの法則に従うところの全反射を行なう第２の内反射面と、前記画像拡大部の直下に配置してなる前記第１の内反射面に準じる構造と作用をなす第３の内反射面とを持つプリズム部からなるディスプレイ装置において、前記第３の内反射面に前記照明部からの照明光を射出する作用を持ち、前記第３の内反射面の有効反射面の略中央に設置されるとともに有効反射面の面積と比較して略２５分の１以下である金属、または誘電体多層膜による反射膜を除去してなる光を透過させることのできる光学的ホールが備えられ、前記照明部は、前記小型画像表示部を前面より照射するとともに、前記プリズム部の前記光学的ホールに略接合、または近接する照明光導入プリズムを介して前記プリズム部の外部に近接、または接触して設置され、前記小型画像表示部からの反射戻り光線群のほとんどは前記第３の内反射面で前記画像拡大部へと反射されるとともに、光源から射出される照明光を前記光学的ホールに収斂させる為の光収斂手段を持ち光収斂手段の焦点位置は略前記射出窓中央部に設定されてなることを特徴とするディスプレイ装置である。
【００２０】
本発明によれば、コンパクトで安定した照明機能を搭載した反射型ディスプレイパネルによるディスプレイ装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、液晶、または光電的な動作による小型画像表示部と、この小型画像表示部を照明する照明部と、照明部からの照明光で照明された小型画像表示部の画像を視覚において光学的に拡大虚像として投影する画像拡大部と、この画像拡大部へ小型画像表示部の画像を伝播する金属、または誘電体多層膜からなる反射膜が設置されてなる第１の内反射面と、小型画像表示部、及び画像拡大部とが共に近接してなりスネルの法則に従うところの全反射を行なう第２の内反射面と、画像拡大部の直下に配置してなる第１の内反射面に準じる構造と作用をなす第３の内反射面とを持つプリズム部からなるディスプレイ装置において、第３の内反射面に照明部からの照明光を射出する作用を持ち、第３の内反射面の有効反射面の略中央に設置されるとともに有効反射面の面積と比較して略２５分の１以下である金属、または誘電体多層膜による反射膜を除去してなる光を透過させることのできる光学的ホールが備えられ、照明部は、小型画像表示部を前面より照射するとともに、プリズム部の光学的ホールに略接合、または近接する照明光導入プリズムを介してプリズム部の外部に近接、または接触して設置され、小型画像表示部からの反射戻り光線群のほとんどは第３の内反射面で画像拡大部へと反射されることを特徴とするディスプレイ装置としたものであり、このような構成をとることによって、照明光を直接視覚部へ不要光として到達させないことができ、小型画像表示部から視覚部への表示情報を含んだ光のほとんどを伝播することができるものである。
【００２２】
本発明の請求項２に記載の発明は、照明部は光源から射出される照明光を射出窓に収斂させる為の光収斂手段を持ち光収斂手段の焦点位置は略射出窓中央部に設定されてなることを特徴としたディスプレイ装置としたものであり、このような構成をとることによって、光源の光を射出窓の略中心部へ収束させることが出来、照明光の伝播効率を向上させることができるものである。
【００２３】
本発明の請求項３に記載の発明は、光収斂手段は球面、または非球面からなる凹面反射鏡により構成されていることを特徴としたディスプレイ装置としたものであり、このような構成をとることによって照明装置をコンパクトに構成することができるものである。
【００２４】
本発明の請求項４に記載の発明は、照明部は、前記光源の光収斂手段と反対側に遮光板を設置することを特徴とするディスプレイ装置としたものであり、このような構成をとることによって照明部から光収斂手段へ向かわない光線成分は直接視覚部へ不要光として到達させないことができるものである。
【００２５】
本発明の請求項５に記載の発明は、照明部の所定の光路以外の内反射面に光吸収手段を設置することを特徴とするディスプレイ装置としたものであり、このような構成をとることによって照明部から光収斂手段へ向かわない光線成分は直接視覚部へ不要光として到達させないことができるものである。
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１を説明したディスプレイ装置の構成図であり、図２は図１のディスプレイ装置の部分拡大図である。図１、図２においてまず電源装置１１から照明装置１２内のの光源部１３へ変調器１４を介して点灯電力の供給することにより光源部１３を発光させる。光源部１３は赤色、緑色、青色の互いにごく近接して配置されたＬＥＤモジュールからなり、後述するところのフィールドシーケンシャル表示原理に基づき互いに独立、順次に高速度に変調光を発する。
【００２８】
発光したそれぞれ各色の光は反射器１５により収斂されつつ副プリズム１６内に入射するとともに内反射面１７により反射されて本体プリズム１８との接合面１９に焦点を結ぶ。この接合面１９の略中心部には入射した光の全てを透過させる小さな光学的ホール部３２（図２参照）が形成されており、さらにホール部３２を透過した光は本体プリズム１８内へと入射し、本体プリズム１８内を伝播しつつ第２の内反射面２０で反射（全反射）され、さらに第１の内反射面２１で反射（鏡内面反射）された後本体プリズム１８の第２の内反射面２０と同一面をなす面から射出し表示モジュール２２の表示面２３に到達し、表示面２３を照明する。
【００２９】
ここで照明、さらに反射した光は表示面２３の視覚部２４への投影に必要な光線群となる。さらにこの光線群は、本体プリズム１８内へ入射した後、照明光と略同経路をたどるように第１の内反射面２１、から第２の内反射面２０、及び接合面１９へと伝播する。接合面１９では、先述の小さなホール部３２があるものの表示面２３からの反射戻り光線群は収斂されていない為そのほとんどは同面でアイピースレンズ部２５へと反射され、損失は無視できる。
【００３０】
さらに光線群は前述第２の内反射面２０と同一面からなる第２の射出面２０から本体プリズム１８外部へと射出されアイピースレンズ部２５を透過し、前述のように表示モジュール２２の表示イメージを視覚部２４へ投影する。
【００３１】
ここであらためて反射型表示でのフィールドシーケンシャル駆動について簡単に説明する。応答性能の高いフィールドシーケンシャル方式が反射型方式では主流になりつつある。赤色、緑色、青色の各色に対応する光源（ＬＥＤなど）を時系列的に同期させながら人間の目では感じない程度の高速点滅をさせて、視覚的に重ね合わせることにより、フルカラー表示を可能にしたもので、高速性能、低消費電力、高精細などの特長を持っている。
【００３２】
次に図２を用いて照明装置２１をもう少し詳細に説明する。図２において前述のように光源部１３であるところの３光源色のＬＥＤアレー２６が配置され、エリプソロイダル面（双曲面：点光源を他の仮想焦点に移動する）からなる反射器２７によって副プリズム１６内を一度内反射面２８で反射された後、本体プリズム１８との接合部のホール部３２へ収斂される。収斂されて本体プリズム１８へと透過した光線は前述のとおり、表示面２３を照明するから、視覚部２４へと向かう不要光（迷光）となって表示品質を低下させるようなことはない。
【００３３】
しかしながらＬＥＤアレー２６から反射器２７へ向かわない光線成分は不要光となる可能性がある為、ＬＥＤアレー２６の反射器２７と反対側に遮光板２９を設置するとともに、所定の光路以外の内反射面２８、３０に光吸収手段３１（反射防止膜）を設置している。
【００３４】
さらに集光位置の接合面１９は前述の表示モジュール２２（図１参照）からの反射光をアイピースレンズ部２５へと反射、伝達する為に全反射膜が施されている。しかしながら前述の焦点と接する位置を中心とするわずかな領域に反射膜を施してないホール部３２が形成され、収斂した光がそのまま透過して行くようになっている。例えば、本実施の形態では、接合面１９の有効面の略中央であり、アイピースレンズ部２５の光軸線位置にホール部３２を設ける。また、ホール部３２の大きさは概ね前述の反射膜の有効面積の１／２５から１／１００程度で構成されている。もっとも、十分な透過光が得られればこの範囲の限りでなくともよい。
【００３５】
（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２を説明したディスプレイ装置の構成図であって、本発明の実施の形態２のディスプレイ装置の主要部分である光学系とその周辺部分（断面図）を示したものである。先の実施の形態と同様な虚像拡大によるディスプレイ装置の態様をなすもので、本体プリズム１８と副プリズム１６との接合面３３が全面にわたって一部の光を透過させ、残りの光を透過させるいわゆるハーフミラーの機能を有するものである。
【００３６】
ＬＥＤアレー２６からの光線はパラボロイダル面（放物面：点光源を平行光束に変換する）からなる反射器３４から反射し略平行光（若干表示モジュールに合わせ広がっている）に変換された後、先の実施の形態と同様に、副プリズム１６内で１度内面反射され、接合面３３で一部の光を透過され、第２の内反射面２０で全反射し、第１の内反射面２１（図１参照）で鏡面全反射し、さらに第２の内反射面２０と同一面からなる第２の射出面２０から表示モジュール２２（図１参照）へと照明光が到達する。
【００３７】
表示モジュール２２で反射した表示情報を含んだ反射戻り光は第１の内反射面２１、第２の内反射面２０で反射され、さらに先の接合面３３で反射された一部の光がアイピースレンズ部２５を透過し視覚部２４へ表示モジュール２２の表示を拡大虚像として投影する。
【００３８】
先の副プリズム１６から接合面３３を経て本体プリズム１８へ入射した光は全て第２の内反射面２０で、スネルの法則に従うところの全反射となり第１の内反射面２１へと向かうため、アイピースレンズ部２５をへて視覚部２４へ直接到達する光はないため、不要光による画像品質を低下させることはない。
【００３９】
しかしながら副プリズム１６内で多重反射して、第２の内反射面２０を透過し不要光を発生させる可能性があるため、先の実施の形態１と同様に副プリズム１６内の内反射面２８、及び接合面３３以外の面には光吸収手段３１（反射防止膜）を設置している。
【００４０】
【発明の効果】
以上の各実施の形態から明らかなように、本発明によれば以下のような効果が認められる。
【００４１】
副プリズムを用いて本体プリズムとの接合面に光を透過できる光学的ホール部とそこに光を集光する手段、または接合面にハーフミラーを設置し光源の光を略平行光とする手段とにより、反射型表示モジュールを効率的に、且つ不要光の発生のない安定した照明品質を得ることができ、構成も比較的コンパクトに構成することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１を説明したディスプレイ装置の構成図
【図２】図１のディスプレイ装置の部分拡大図
【図３】本発明の実施の形態２を説明したディスプレイ装置の構成図
【図４】従来の（虚像拡大による）ディスプレイ装置の構成図
【図５】従来の（虚像拡大による）ディスプレイ装置の構成図
【符号の説明】
１１  電源装置
１２  照明装置（モジュール）
１３  光源部
１４  変調器
１５、２７、３４  反射器
１６  副プリズム
１７、２８、３０  内反射面
１８  本体プリズム
１９、３３  接合面
２０  第２の内反射面（第２の射出面）
２１  第１の内反射面
２２  表示モジュール
２３  表示面
２４  視覚部
２５  アイピースレンズ部
２６  ＬＥＤアレー
２９  遮光板
３１  光吸収手段（反射防止膜）
３２  ホール部
【図１】
0003747765.tif 000002
【図２】
0003747765.tif 000003
【図３】
0003747765.tif 000004
【図４】
0003747765.tif 000005
【図５】
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