JP2000122589A

JP2000122589A - 映像表示装置

Info

Publication number: JP2000122589A
Application number: JP10306334A
Authority: JP
Inventors: Takao Tomono; 孝夫友野; Yasuhiro Ogasawara; 康裕小笠原
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】高いシースルー性を有するカラー表示用の映
像表示装置を提供する。【解決手段】映像表示装置は、赤緑青色を順次発光す
る光源５、６、７と、これらの光源からの光を受けるホ
ログラム光学素子を有する照明光学系８と、照明光学系
８からの光で照明される空間変調器９と、ビデオ信号１
に基づいて光源５、６、７を駆動する光源駆動回路４
と、これらの光源の各色の発光に合わせてビデオ信号１
に基づいた映像を表示するよう空間変調器９を駆動する
空間変調器駆動回路３とを備えて構成される。

Description

【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に係
り、特にシースルー性の良好な頭部装着型の映像表示装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ヘッド・マウンテッド・ディスプレイ
（ＨＭＤ）は頭部に装着して画像を観察する小型映像表
示装置である。ＨＭＤは液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）な
どに代表される表示素子からなる画像形成部、レンズ、
ミラーからなる画像伝送部を眼前に配置し、ベルトなど
の装着機構で頭部に固定して用いる。画像形成部の表示
素子に表示された画像は、画像伝送部のレンズとミラー
による収差補正と拡大機能により見やすい場所に大画面
の仮想スクリーンを形成して表示される。この特徴を生
かし、ＨＭＤは航空機用の高度・速度等の飛行情報を表
示する装置、個人用の映画、テレビゲーム、人工現実感
を実現するものとして開発され製品化されている。ま
た、最近ではＷｅａｒａｂｌｅＣｏｍｐｕｔｅｒ用デ
ィスプレイとしての研究も行われている。

【０００３】このようなＨＭＤには外界を見る事ができ
るタイプ（シースルー型）とできないタイプ（クローズ
型）がある。人工現実感などのようにシースルー型より
もむしろクローズ型の方が好ましい場合もあるが、多く
の場合は外界も同時に観察できるシースルー型の方が携
帯使用には便利である。このシースルー型ＨＭＤでは、
上述の画像形成部および画像伝送部に加え、シースルー
機能を実現するための要素としてビームコンバイナが必
要となる。このビームコンバイナは、例えばＣＲＴやＬ
ＣＤの表示画像を拡大表示すると同時に外界からの入射
光を観察できるようにしたもので、代表的な方式として
ハーフミラー、プリズム、ホログラムがある。

【０００４】ハーフミラーを用いたビームコンバイナに
ついては、例えば特開平７−２１２６８０号公報に開示
されている。この装置は、３原色に対応する発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）からの光をダイクロイックミラーで合成
し、レンズで平行光束に変えたのち、ビームスプリッタ
で光路を変え、この光で鏡面偏向型空間変調器を照明す
る。この鏡面偏向型空間変調器により空間変調された光
は先のビームスプリッタを通過し、レンズで集束され
て、ハーフミラーにより眼球に導かれ網膜上に投影され
る。ここでは、各ＬＥＤを順次点灯させてカラー像を網
膜に表示させている。このＬＥＤの強度を変化させるこ
とにより、カラー像の階調を変えることができる。ま
た、外界の景色はハーフミラーを通して認識することが
できる。

【０００５】上述したハーフミラーやプリズムはその原
理において、画像光と外界光の光量の和が１００％とな
り、明るい画像を得るために高い反射率を設定すると外
界光が減少してシースルー性が低下することは避けられ
ない。一方、ホログラム方式は特定波長に対して鋭い波
長選択性があり、その波長のみを反射回折させる事がで
きるため、特定波長の１００％の画像表示光とその波長
を除いた１００％の外界光を重ねて見る事ができる。従
って、ホログラム方式によれば、ビームコンバイナで表
示画像を表示すると同時に外界からの光を１００％取り
込むことが可能で、高いシースルー性を実現することが
できる。ただし、通常の非対称光学系（Ｓｍａｌｌ−ｏ
ｆｆａｘｉｓ：ＳＯＡ）ホログラムではその原理から
くる制約のために目の前の装置サイズが大きくなり、メ
ガネのような形態まで薄くすることは困難である。これ
に対して、大きな非対称光学系（Ｌａｒｇｅ−ｏｆｆ
ａｘｉｓ：ＬＯＡ）ホログラムをコンバイナに用いる
と、目の前の光学部材を大幅に薄くすることが可能とな
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ホログ
ラム方式のコンバイナを使用すれば常に高いシースルー
性を実現できるというわけではない。例えば、透過型空
間変調器としてカラー表示の空間変調器を用いた場合に
は、外界光の透過率はかなり低下する。具体的には、透
過型空間変調器としてＴＦＴカラーＬＣＤもしくはＳＴ
ＮカラーＬＣＤを用いた場合、外界光の透過率はそれぞ
れ５％、１４％と非常に低い。そのため、カラー表示用
の装置においては、外界光を透過する性質（シースルー
性）が非常に悪いという問題がある。

【０００７】従って本発明の目的は、高いシースルー性
を有するカラー表示用の映像表示装置を提供することに
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、外界光の透過
率を低下させている主な原因がカラーフィルタであるこ
とに注目してなされたもので、このカラーフィルタを用
いることなく空間変調器によりカラー表示を可能とする
ものである。本発明では、偏光性を有する光でモノクロ
の透過型空間変調器（ＬＣＤ）を照明し、液晶で偏波面
が傾いた光を前述の偏光とクロスニコル関係で１枚の偏
光板（フィルム）に通して空間変調光を取り出す。この
ような形態にすると、外界光の透過率は液晶セルの開口
と１枚の偏光板の透過率で決まり、シースルー性を改善
することができる。

【０００９】すなわち本発明に係る映像表示装置は、複
数色の光を順次発光する光源と、光源からの光を受ける
ホログラム光学素子を有する照明光学系と、照明光学系
からの光で照明される空間変調器と、ビデオ信号に基づ
いて光源を駆動する光源駆動回路と、光源の各色の発光
に合わせてビデオ信号に基づいた映像を表示するよう空
間変調器を駆動する空間変調器駆動回路とを備えて構成
される。ここで光源による各色の点灯間隔は１／１５０
秒以下に、また各色の点灯時間は１／３００秒以下に調
整される。また上述の空間変調器は、透過型液晶セルと
偏光板からなるものが用いられる。さらにホログラム光
学素子は透光性基板上に形成し、光源からの光をこの透
光性基板の端面から入射させるようにすることができ
る。

【００１０】本発明に係る映像表示方法は、赤緑青色の
光源を順次点灯し、この光源からの光をホログラム光学
素子を介してモノクロの透過型空間変調器に照射し、各
色の点灯に同期して対応する映像情報を透過型空間変調
器で表示して網膜上にカラー像を生成するものである。
ここで光源としては、コヒーレンス性を有する光を発光
するレーザダイオード等の光素子、あるいは空間フィル
ターを介して形成した微小２次点光源が用いられる。こ
のように構成することにより、高いシースルー性を有す
るカラー表示用の映像表示装置を得ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る映像表示装
置の概念を示すブロック構成図である。図において、実
線矢印は電気信号の流れを示しており、幅広矢印は光の
流れを示している。

【００１２】図のように、外部から供給されるビデオ信
号１は、赤緑青（ＲＧＢ）同期信号制御回路２により２
つの信号に振り分けられる。そして、一方の信号はＲＧ
Ｂのフレーム画像を表示する空間変調器駆動回路３に伝
達され、他方の信号はＲＧＢのフレーム画像に合せて光
源を点滅させる光源駆動回路４に伝達される。ここで空
間変調器駆動回路３は、ＲＧＢのフレーム画像を一旦フ
レームメモリに蓄積した後、ＲＧＢ光源５、６、７の点
滅タイミングに合わせて、モノクロ表示の空間変調器
（モノクロＬＣＤ）９を駆動する。また、光源駆動回路
４は、後述するタイミングでＲＧＢ光源５、６、７を順
次点滅させる。照明光学系８は、ＲＧＢ光源５、６、７
で順次点滅される光を用いてモノクロ表示の空間変調器
９を照明する。

【００１３】図２は、ＲＧＢ光源５、６、７の点滅タイ
ミングを示す図である。図においてパルス状の部分が各
光源の点灯状態を示している。図示のとおり、ＲＧＢ光
源５、６、７は点灯間隔が１／１５０秒以下、点灯時間
が１／３００秒間以下とされる。このＲＧＢ光源５、
６、７の点灯タイミングに合わせて、対応するＲＧＢの
フレーム画像を空間変調器９に表示する。光源駆動回路
４は、空間変調器９に表示される像に合せて光源の輝度
を調節する回路も備えている。このようにして、空間変
調器９で表示された映像がＲＧＢ光源５、６、７の光で
照明光学系８を介して順次照明され、対物光学系１０を
通してあるいは直接眼球１１にカラー像が表示される。

【００１４】ここでＲＧＢ光源５、６、７の点灯間隔と
点灯時間を規定した理由は以下の通りである。人間の眼
で点灯を感じない周波数は５０Ｈｚ以上である。これよ
り３原色分を考慮すると、赤緑青（ＲＧＢ）の点灯は１
５０Ｈｚ以上で行う必要がある。したがって、点灯間隔
は１／１５０秒以下とされる。また、それぞれの色のク
ロストーク（混色防止）がないようにするには、点灯時
間は点灯間隔の１／２以下にした方がよい。したがっ
て、点灯時間は１／３００秒以下とされる。

【００１５】（実施例１）図３は、本発明に係る映像表
示装置の一実施例を示す図である。図のように、本実施
例の光学系は、赤緑青色の発光光源１２，１３，１４
と、１枚の偏光板（もしくは偏光フィルム）１５と、ホ
ログラム光学素子１６と、偏光板及びカラーフィルタを
持たない透過型液晶セル１７と、１枚の偏光板１９と、
ホログラム光学素子１８とから構成される。ここで発光
光源１２，１３，１４としてはコヒーレンス性の高い光
源が好ましい。例えば、レーザダイオード（ＬＤ）、あ
るいはレンズで集光したのちピンホールを通してコヒー
レンス性を高めるようにした発光ダイオード（ＬＥＤ）
などが適している。動作時間上で問題があれば、外部変
調（電気光学素子を用いたスイッチイングもしくは音響
光学素子を用いたスイッチイング）を用いる。発光光源
１２，１３，１４からの光を偏光板１５に通すことによ
り、その偏光成分を利用できる。発光光源自体が偏光性
を有する場合は、偏光板１５は必要ない。

【００１６】発光光源１２，１３，１４からの発散光は
大きな非対称光学系のホログラム光学素子１６で回折
し、偏光板のない液晶セル１７に入射する。このホログ
ラム光学素子１６は透明であれば、透過型ホログラムで
も反射型ホログラムでも構わない。ここでは反射型ホロ
グラムを用いている。また、ホログラム材料は銀塩材
料、重クロム酸ゼラチン、フォトポリマーのいずれでも
構わない。液晶セル１７はＯＣＢモードで動作する。こ
の基本概念は１軸性の位相差フィルムの光軸を互いに直
交させて３枚重ねれば３次元の光学補償ができるという
考え方から出発している（例えば、内田、「光学」、２
７巻、２号（１９９８）、８１頁参照）。液晶セル１７
としては、ＴＦＴ型セル（開口率：５０％）よりもＳＴ
Ｎ型セル（開口率：９０％）の方が適している。

【００１７】ホログラム光学素子１６による回折光は液
晶セル１７で変調を受けた後、すぐ直後に設けられた偏
光板１９を通過して、空間変調光として作用する。ここ
で偏光板１９の配置は偏光板１５からの光と直交する偏
光成分のみ通すように配置されている。ホログラム光学
素子１６はレンズとして作用するため、空間変調光は集
束光となる。この集束光を制御するために、ホログラム
光学素子１８が設けられている。このホログラム光学素
子１８は集束光の制御状態によってはあってもなくても
よい。観察者は、ホログラム光学素子１８の後側焦点
（合成後側焦点）位置に瞳孔２０をおくことにより、液
晶セル１７に表示された映像を認識することになる。

【００１８】以上のような形態にすると、外界光の透過
率は液晶セルの開口率と１枚の偏光板の透過率で決ま
る。ＳＴＮ液晶セルの開口率は９０％、偏光フィルム１
枚の透過率は７０％であるから、本実施例では外界光の
透過率は６３％となり、ハーフミラーよりも透過率が高
くなる。またＳＴＮカラー液晶素子の外界光の透過率は
１４％であるから、本実施例ではそれより約５倍以上シ
ースルー性が向上したことになる。

【００１９】（実施例２）図４は、本発明に係る映像表
示装置の他の実施例を示す図である。上述の実施例１で
は発光光源からの光が別々の方向からホログラム光学素
子に照射する形態となっているが、本実施例では同一方
向から照射する形態となっている。すなわち本実施例の
光学系は、赤緑青色の発光光源２１，２２，２３と、各
光源からの光を平行光とするためのレンズ２４，２５，
２６と、ビームスプリッタ２７，２８と、１枚の偏光板
（もしくは偏光フィルム）２９と、ホログラム光学素子
３０と、偏光板及びカラーフィルタを持たない透過型液
晶セル３１と、１枚の偏光板３２とから構成される。

【００２０】本実施例では、赤緑青の各色の光は一度レ
ンズで平行光とされビームスプリタで合波される。合波
後、この平行光はホログラム光学素子３０に入射する。
ホログラム光学素子３０による回折光は、実施例１と同
様にして液晶セル３１に照射される。観察者は、ホログ
ラム光学素子３０の後側焦点に瞳孔３３を置くことによ
り液晶セル３１の映像を認識することになる。

【００２１】（実施例３）図５は、本発明に係る映像表
示装置の他の実施例を示す図である。上述の実施例２で
は光源からの光が同一方向から空気を介してホログラム
光学素子に照射する形態になっているが、本実施例では
ホログラム光学素子の配置された透光性基板の端面から
照射する形態となっている。すなわち本実施例の光学系
は、赤緑青色の発光光源４１，４２，４３と、各光源の
光を平行光とするためのレンズ４４，４５，４６と、ビ
ームスプリッタ４７，４８と、１枚の偏光板（もしくは
偏光フィルム）４９と、ホログラム光学素子５１と、透
光性基板５０と、偏光板及びカラーフィルタを持たない
透過型液晶セル５２と、１枚の偏光板５３とから構成さ
れる。

【００２２】観察者はホログラム光学素子５１の後側焦
点に瞳孔５４を置くことにより液晶セル５２の映像を認
識することになる。このような形態にすると、ホログラ
ム光学素子とその基板および液晶表示素子と偏光板を密
着させた状態で使用でき、装置の小型化を図ることがで
きる。このように本発明の映像表示装置では、カラーフ
ィルタを用いる必要がないので、高いシースルー性が得
られ、外界光の透過率は６０％以上となり、室内環境下
で充分外界を観察することができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、高いシースルー性を有
するカラー表示用の映像表示装置を得ることができる。

【図面の詳細な説明】

【図１】本発明に係る映像表示装置の概念を示すブロッ
ク構成図である。

【図２】赤緑青の各色光源の点滅タイミングを示す図で
ある。

【図３】本発明に係る映像表示装置の一実施例を示す図
である。

【図４】本発明に係る映像表示装置の他の実施例を示す
図である。

【図５】本発明に係る映像表示装置の他の実施例を示す
図である。

【符号の説明】

１ビデオ信号２ＲＧＢ同期信号制御回路３空間変調器駆動回路４光源駆動回路５Ｒ光源６Ｇ光源７Ｂ光源８照明光学系９モノクロ空間変調器１０対物光学系１１眼球

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数色の光を順次発光する光源と、前記
光源からの光を受けるホログラム光学素子を有する照明
光学系と、前記照明光学系からの光で照明される空間変
調器と、ビデオ信号に基づいて前記光源を駆動する光源
駆動回路と、前記光源の各色の発光に合わせて前記ビデ
オ信号に基づいた映像を表示するよう前記空間変調器を
駆動する空間変調器駆動回路とを備えたことを特徴とす
る映像表示装置。
【請求項２】前記光源による各色の点灯間隔が１／１
５０秒以下であることを特徴とする請求項１記載の映像
表示装置。
【請求項３】前記光源による各色の点灯時間が１／３
００秒以下であることを特徴とする請求項１又は２記載
の映像表示装置。
【請求項４】前記空間変調器が透過型液晶セルと偏光
板とを備えて構成されることを特徴とする請求項１記載
の映像表示装置。
【請求項５】前記ホログラム光学素子が透光性基板上
に形成されており、前記光源からの光が前記透光性基板
の端面から入射されることを特徴とする請求項１記載の
映像表示装置。
【請求項６】赤緑青色の光源を順次点灯し、前記光源
からの光をホログラム光学素子を介してモノクロの透過
型空間変調器に照射し、前記各色の光源の点灯に同期し
て対応する映像情報を前記透過型空間変調器で表示して
網膜上にカラー像を生成することを特徴とする映像表示
方法。
【請求項７】前記光源がコヒーレンス性の光を発光す
る光素子からなることを特徴とする請求項６記載の映像
表示方法。
【請求項８】前記光源が空間フィルターを介して形成
した微小２次点光源からなることを特徴とする請求項６
記載の映像表示方法。