JP2000258844A

JP2000258844A - 映像表示装置

Info

Publication number: JP2000258844A
Application number: JP11061789A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Akutsu; 克之阿久津; Hirotaka Ito; 寛隆伊藤; Takeshi Matsui; 健松井; Hidetoshi Watanabe; 英俊渡辺; Takehiro Nakaeda; 武弘中枝
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2000-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】高精細で輝度むらのない拡大虚像を、眼を動
かして見える範囲すなわちアイトレランスを大きくし
て、かつ、広画角で見ることができる映像表示装置を提
供すること。【解決手段】映像を表示する表示手段１１Ｌ、１１Ｒ
と、表示手段１１Ｌ、１１Ｒに表示された映像を拡大し
透過型スクリーン１４Ｌ、１４Ｒに投射する投射光学系
１２Ｌ、１２Ｒ、１３Ｌ、１３Ｒと、透過型スクリーン
１４Ｌ、１４Ｒ上に投射された映像の拡大虚像を形成す
る拡大光学系１５Ｌ、１５Ｒとを備えた映像表示装置を
構成するにあたり、透明基板１７上に複数の透明微小球
体を敷き詰めることにより透過型スクリーン１４Ｌ、１
４Ｒを構成し、映像の広画角化、輝度むら及び光抜けの
低減を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、映像表示装置に関
し、更に詳しくは、映像を表示する表示手段に表示され
た映像を拡大し透過型スクリーンに投射する投射光学系
と、透過型スクリーン上に投射された映像の虚像を形成
し拡大する拡大光学系とを有した映像表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ユーザに臨場感を感じさせる
大きな映像を提供することができる表示装置として、例
えばビデオプロジェクタや、ＨＭＤ(Head Mount Displa
y)などがある。ビデオプロジェクタの場合、スクリーン
に大きな映像を表示させるためには、ビデオプロジェク
タとスクリーンとの間に、ある程度の距離が必要である
ため、部屋が狭いと大きな映像を表示することは困難で
あった。

【０００３】ＨＭＤは公知のように、観測者の頭部に直
接装着され、観測者の左右の眼に対して異なる若しくは
同一の画像を表示し、その画像から得られる両眼視差効
果により立体画像若しくは２次元画像を提供するもので
あるが、映像表示手段とそれを拡大する拡大虚像視光学
系を顔面に配置する必要があるため、拡大虚像光学系が
大きくなるほど重心が前に偏ることによって装着性がき
わめて悪くなる。また、映像表示手段を小さくすると、
視野角を確保するために拡大虚像視光学系の焦点距離を
小さくする必要があるが、そうすると収差が大きくなる
という問題がある。

【０００４】例えば特開平７−１２８６１２号公報に
は、投射光学系で画像を透過型スクリーン上に拡大投射
した実像を拡大虚像系で拡大する両眼式画像表示装置が
記載されている。この技術によれば、投射系で画像を拡
大することにより、拡大虚像系の負担する拡大率が小さ
くなり、拡大虚像系における収差が改善される。

【０００５】これは図１４に示すように、ケース９に取
りつけた小型のプロジェクタ１Ｌ、１Ｒから前方に向か
って画像を投射し、この投射光路８Ｌ、８Ｒを第１ミラ
ー２Ｌ、２Ｒ、及び第２ミラー３Ｌ、３Ｒで反射するこ
とにより、観察者Ｍの両眼１０Ｌ、１０Ｒの前方に配置
された透過型スクリーン４上に画像を実像５Ｌ、５Ｒと
して拡大投射するように構成される。そして、透過型ス
クリーン４と観察者Ｍの眼１０Ｌ、１０Ｒの間に配置し
た拡大虚像系を構成する左右の接眼レンズ６Ｌ、６Ｒを
介して、スクリーン４上に投射した実像５Ｌ、５Ｒをス
クリーン４の後方にある仮想的スクリーン７上に拡大さ
れた虚像として観察者Ｍに認識させるようにしている。

【０００６】ところで、透過型スクリーン４の媒体とし
て、カメラのファインダに使用されている虚像視光学系
のスクリーンを用いると、スクリーンが２次元周期構造
のとき、回折の影響を受け虚像にむらが生じる。これ
は、カメラのファインダよりもＨＭＤの方が、広視野角
を得るために接眼レンズの倍率が大きいことが原因であ
る。

【０００７】また、２次元周期構造をしていなくても、
より拡散度の高いスクリーンを用いなければ、瞳径（眼
を動かしても虚像が見える範囲：アイトレランス）が小
さくなり、表示装置を頭に装着するなどして瞳の位置を
固定しなければ、虚像の周辺が暗くなったり、虚像の端
がケラれて見えなくなってしまう。すなわち、スクリー
ンの光拡散度が低いと、接眼レンズの入射瞳に入射する
光束がスクリーンの端のほうに行くにつれて少なくな
り、目で見たときに虚像の端のほうが暗くなって見えな
くなってしまう。

【０００８】また、リアプロジェクタ（背面投射型プロ
ジェクタ）など従来の拡大虚像視をしない透過型スクリ
ーンは、スクリーンを拡大して虚像視する目的で作られ
ていないため、接眼レンズで虚像として拡大することに
より、表面の微細構造のざらつきや、拡散されない光が
キラキラときらめいて見える微小な光の抜けが目立つ。
また、スクリーンの光拡散度も低いため、アイトレラン
スが狭く、輝度むらも生じ十分な画質が得られない。

【０００９】一方、リアプロジェクタのスクリーンにお
いて、フレネルレンズなどと併用して透明の球体である
ビーズを用いるスクリーンは公知となっている。ビーズ
スクリーンの基本原理は新しいものではなく、米国特許
第２３７８２５２号、米国特許第３５５２８２２号にそ
の原理が記載されている。当時は、映画用のスクリーン
として考案されたものであるが、拡大虚像視光学系にお
いてフレネルレンズとビーズスクリーンを併用すること
は、超微細構造のフレネルレンズでない限り、フレネル
レンズの溝が拡大されて見えてしまう。また、スクリー
ンの厚みが増すことで、解像度の低下を招いてしまう。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の問題に
鑑みてなされ、高精細で輝度むらのない拡大虚像を、眼
を動かして虚像が見える範囲すなわちアイトレランスを
大きくして、かつ、広画角で見ることができる映像表示
装置を提供することを課題とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するに
当たり本発明は、透明基板上に複数の透明微小球体を敷
き詰めることにより透過型スクリーンを構成し、透明微
小球体のレンズ効果により光を拡散させて、回折パター
ンの影響がなく拡散度の高いスクリーンとし、輝度むら
のない高精細な拡大虚像を得るようにしている。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の各実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。

【００１３】図１は、本発明の第１の実施の形態による
映像表示装置の概略構成を示している。本実施の形態で
は、図２に示すように装置をケース１９Ｌ、１９Ｒに組
み込んで観測者Ｍの頭部に装着するＨＭＤの構成を採用
した例について説明する。

【００１４】図１を参照して、観測者Ｍの両眼１０Ｌ、
１０Ｒに対して、映像を表示する表示手段であるＣＲＴ
などの画像表示素子１１Ｌ、１１Ｒによって表示された
映像が、投射光学系を構成する投影レンズ１２Ｌ、１２
Ｒにより反射鏡１３Ｌ、１３Ｒを経て透過型スクリーン
１４Ｌ、１４Ｒに拡大投射される。透過型スクリーン１
４Ｌ、１４Ｒ上に投射された実像は拡大虚像視光学系を
構成する接眼レンズ１５Ｌ、１５Ｒで拡大され、スクリ
ーン１４Ｌ、１４Ｒの後方の仮想的スクリーン上に拡大
された虚像として観測者の両眼１０Ｌ、１０Ｒに表示さ
れる。

【００１５】そこで本実施の形態では、図３を参照し
て、透過型スクリーン１４Ｌ、１４Ｒは（なお１４Ｌ、
１４Ｒは同一構成であるので、これらを一括して参照符
号１４で示す。）、透明基板１７の投射光束の入射側に
位置する面に、透明微小球体としてジビニルベンゼンを
主成分とした硬化プラスチック製のビーズ１８を複数敷
き詰めて成り、これらビーズ１８のレンズ効果により光
を拡散させ、またそれらを不規則な配置とすることで回
折パターンの影響をなくし、拡散度の高いスクリーンと
して輝度むらを低減した高精度な拡大虚像が得られるよ
うに構成されている。以下、その詳細について説明す
る。

【００１６】図３は、１つのビーズ１８によるレンズ効
果を示している。透過型ビーズスクリーン１４Ｌ、１４
Ｒの基本原理は、透明基板１７にビーズ１８を一層敷
き、反射鏡１３Ｌ、１３Ｒ（図１参照）から入射しスク
リーン上に結像する投射光Ｌ１をビーズ１８で一点に集
光したのち拡散光Ｌ２として接眼レンズ１５Ｌ、１５Ｒ
方向に拡散するというものである。

【００１７】次に図４に、透過型スクリーンの構成例と
して透明微小球体の配置形態例を示す。図４Ａは２種類
の直径のビーズ１８Ａ、１８Ｂを用いた例で、図４Ｂは
数種類の直径を持つビーズ１８Ｃ、１８Ｄ、１８Ｅ、１
８Ｆ、・・・を用いた例である。そして、図４Ｃは単一
の直径のビーズ１８Ｇを用いた例である。ビーズ１８
は、アクリル樹脂を主成分とした粘着剤で成る透明粘着
層１６を介して透明基板１７上に接着されており、ま
た、ビーズ１８の配置はランダムである。なお、透明粘
着層１６は透明基板１７の屈折率と同程度の屈折率を有
したものとする。

【００１８】このように、ビーズ１８の緻密な配置を３
種類試作し、投射光Ｌ１の光抜けを抑えて利用効率を上
げ拡散性がよくなるものを調べたところ、特に図４Ａに
示すような、それぞれ直径１４μｍと３μｍのビーズ１
８Ａ、１８Ｂを用いたスクリーンは、光拡散性もよく、
ビーズ１８の隙間からの光抜けも少ないことがわかっ
た。

【００１９】スクリーン１４Ｌ、１４Ｒのそれぞれに投
影する映像の大きさは、人の眼幅（約５５ｍｍ〜７５ｍ
ｍ）を考えると、水平方向６５ｍｍ程度までしか大きく
できない。それ以上にすると、左右のスクリーンに投射
された映像が重なってしまったり、左右の接眼光学系が
ぶつかってしまうという問題が生じるからである。

【００２０】ここで、スクリーンに投射する映像がＮＴ
ＳＣ（National Television SystemCommittee）または
ＶＧＡ（Video Graphic Array ）方式であるとすると、
水平方向の解像度は約６４０本であり（垂直方向の有効
解像度を約４８０本、液晶などの画像表示素子を用いた
画素の縦横比を１：１とし、ＮＴＳＣの表示画面の縦横
比を３：４とすると水平方向解像度は約６４０本）、水
平方向６５ｍｍのスクリーンに必要な解像度は、線幅で
６５／６４０≒１００μｍとなる。図５に示すようにス
クリーンとして１００μｍのビーズ１８Ｊを使うと、配
置される位置によって、すなわち白黒２つの解像線の境
界線上にビーズ１８Ｊが配置される位置では、画素が反
転されてしまう可能性がある。よって、１画素に最低２
つのビーズが入るように５０μｍ以下のビーズ１８Ｋを
使うことが望ましい。それに伴って透明基板１７の透明
粘着層１６も、ビーズ１８Ｋが透明基板１７に完全に密
着したときにも半分は透明粘着層１６から出ていなくて
はならないため、ビーズ１８Ｋの半径を越えない大き
さ、すなわち２５μｍ以下でなくてはならない。

【００２１】他方、表示映像がＨＤ（High Difinition
television）である場合は、水平方向の解像度を１９２
０≒２０００本とし（垂直方向の有効解像度を約１０８
０本かつ画素の縦横比を１：１とし、ＮＴＳＣの表示画
面の縦横比を９：１６とすると水平方向解像度は約１９
２０本）、スクリーン上での映像の水平方向解像度は６
５／２０００≒３０μｍとなる。そこに上述したように
１画素あたり最低２つのビーズが入るとすると、１５μ
ｍ以下のビーズを用いたスクリーンでなくてはならな
い。今後の表示媒体の高精細化に伴って更にビーズの直
径を小さくする必要性がある。

【００２２】また、接眼レンズ１５Ｌ、１５Ｒによりス
クリーンを拡大虚像で見るとき、アイトレランスを大き
くするためにはスクリーンに高い拡散性が要求される。
そこで、スクリーン１４Ｌ、１４Ｒの透明基板１７をア
クリル基板とし、アクリル基板の屈折率が１．４９で、
ビーズ１８の屈折率を１．５７とし、図６及び図７に示
すようにシミュレーションでビーズ１８側からの入射と
透明基板１７側からの入射とでどちらの拡散性が高いか
を確認した。その結果、ビーズ１８側から光を入射させ
たほうが拡散性が高い。透明基板１７側から入射する
と、ビーズ１８から空気層に光が出射するとき境界で角
度がつきすぎてしまう光束が多く、全反射条件を満たし
てしまい内部散乱して拡散光とならない光があるからで
ある。

【００２３】また、透明基板１７とビーズ１８の屈折率
を変えたシミュレーションを図８及び図９に示す。この
例では、ビーズ１８’の屈折率を１．４９とし、透明基
板１７’の屈折率を１．５７としている。このときもビ
ーズ１８’側から光を入射させたほうが拡散性が良い。

【００２４】以上のように、本実施の形態によれば、接
眼レンズ１５Ｌ、１５Ｒを介して表示される拡大虚像
を、高精細で輝度むらを低減し、眼を動かして虚像が眼
る範囲すなわちアイトレランスを大きくして、かつ広画
角で見ることができる。また、本実施の形態によれば、
拡大されたスクリーン表面の微細構造が見えなくなり、
光抜けもないため、目が疲れにくく長時間快適な鑑賞が
可能となる。

【００２５】さらに、本発明による装置の大きな特徴と
して、スクリーンの拡散度が大きくなることで広視野角
な虚像を広いアイトレランスでみることができるという
点がある。上述の実施の形態では画角５０度、アイトレ
ランス１５ｍｍである。広いアイトレランスが得られる
ことで頭部の動きの自由度が大きくなり、上述の第１の
実施の形態のように、広画角な虚像を見るときに眼を表
示装置に固定するために表示装置を頭部に装着する必要
性がなくなる。

【００２６】例えば図１０及び図１１は本発明の第２の
実施の形態として、上述の第１の実施の形態と同様な構
成の装置を右眼用及び左眼用映像表示部２９Ｌ、２９Ｒ
にそれぞれ組み込んで、観測者Ｍからある程度離れて設
置されるＨＵＤ（Head Up Display)の構成を採用した例
である。観測者Ｍは保持機構３１に保持されて前方に位
置する映像表示部２９Ｌ、２９Ｒにて表示される拡大虚
像を上述の第１の実施の形態と同様、高精細で輝度むら
を低減し、アイトレランスを大きくして、かつ広画角で
見ることができる。

【００２７】なお、映像表示部２９Ｌ、２９Ｒは、ヒン
ジ３０ａ、３０ｂを有したアームスタンド３０を介して
保持機構３１に支持されており、自由にその設置位置を
変更することができるようになっている。そのほか、本
方式の映像表示装置に関する詳細な考察が、特開平１０
−２０６７９０号公報に開示されている。

【００２８】図１２及び図１３は、本発明の第３の実施
の形態として映像表示装置をビューファインダとして構
成した例であり、一方の図１２の構成は表示手段として
透過型液晶ディスプレイを用いた例であり、他方の図１
３の構成は表示手段として反射型液晶ディスプレイを用
いた例である。

【００２９】図１２の構成例では、光源２１が透過型液
晶パネル２２を照射し、投射光学系２５が透過型液晶パ
ネル２２に表示された映像の拡大像を上述の第１の実施
の形態における透過型スクリーン１４Ｌ、１４Ｒと同様
な構成の透過型スクリーン２６上に結像する。その後、
接眼光学系２７により透過型スクリーン２６上に表示さ
れた映像の拡大虚像を得るようにしている。

【００３０】図１３の構成例では、赤、青、緑の光源２
１Ｒ、２１Ｂ、２１Ｇがビームスプリッタ２３により反
射型液晶パネル２４を照射し、投射光学系２５が反射型
液晶パネル２４に表示された映像の拡大像を上記透過型
スクリーン２６上に結像する。その後、接眼光学系２７
により透過型スクリーン２６上に表示された映像の拡大
虚像を得るようにしている。

【００３１】以上、本発明の各実施の形態について説明
したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、
本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能であ
る。

【００３２】例えば以上の各実施の形態では、透明微小
球体として硬化プラスチック製のビーズを用いたが、勿
論、ガラスビーズを用いることも可能である。また、透
明粘着層１６については、紫外線硬化型の樹脂を用いて
もよい。

【００３３】また、以上の第１の実施の形態では映像を
表示する表示手段としてＣＲＴ１１Ｌ、１１Ｒを用いた
が、上述の第３の実施の形態のように液晶パネルを用い
ても同様な効果を得ることができる。

【００３４】更に以上の各実施の形態では、透明基板１
７に透明接着層１６を介してビーズ１８を貼り付けるこ
とにより透過型スクリーン１４Ｌ、１４Ｒを構成した
が、例えば、透明基板とビーズとを一体成形するように
してもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の映像表示装
置によれば、映像の広画角化、輝度むら及び光抜けの低
減を実現することができるとともに、スクリーンの拡散
度が大きくなるため、広視野角で広いアイトレランス
（瞳径）を得ることができ、これにより装置を頭部に装
着しなくても映像を鑑賞することができる。しかも目の
疲労を抑えて長時間快適な鑑賞が可能となる。

【００３６】請求項２の発明によれば、スクリーンの拡
散性が一層高められるので、装置を頭部に装着しなくと
も広視野角で広いアイトレランスを得ることができる。

【００３７】また請求項３及び請求項４の発明によれ
ば、解像度の高い映像を鑑賞することができるととも
に、投射光の光抜けを抑えて拡散性を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による映像表示装置
の概略構成図である。

【図２】同映像表示装置を観測者の頭部に装着した状態
を示す図である。

【図３】本発明に係る透過型スクリーンの一構成要素で
あるビーズ（透明微小球体）のレンズ効果を説明する模
式図である。

【図４】ビーズ（透明微小球体）の配置形態を説明する
図であり、Ａは２種類の直径のビーズを、Ｂは数種類の
直径を持つビーズを、そしてＣは単一の直径のビーズ
を、スクリーンの透明基板上に貼り付けた例をそれぞれ
示している。

【図５】ビーズ（透明微小球体）と映像の水平方向解像
度との関係を示す模式図である。

【図６】スクリーンの透明基板側から投射光を入射させ
た場合の拡散度を説明する模式図である。

【図７】スクリーンのビーズ（透明微小球体）側から投
射光を入射させた場合の拡散度を説明する模式図であ
る。

【図８】スクリーンの透明基板及びビーズ（透明微小球
体）の屈折率を変えて行なった図６と同様の図である。

【図９】スクリーンの透明基板及びビーズ（透明微小球
体）の屈折率を変えて行なった図７と同様の図である。

【図１０】本発明の第２の実施の形態を示す側面図であ
る。

【図１１】同正面図である。

【図１２】本発明の第３の実施の形態を示す映像表示装
置の概略構成図であり、表示手段として透過型液晶ディ
スプレイを用いた例である。

【図１３】同映像装置の概略構成図であり、表示手段と
して反射型液晶ディスプレイを用いた例である。

【図１４】従来の映像表示装置を示す概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１１Ｌ、１１Ｒ…画像表示素子、１２Ｌ、１２Ｒ、２５
…投影レンズ、１３Ｌ、１３Ｒ…反射鏡、１４Ｌ、１４
Ｒ、２６…透過型スクリーン、１５Ｌ、１５Ｒ、２７…
接眼レンズ、１６…透明粘着層、１７、１７’…透明基
板、１８、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ、１８Ｅ、
１８Ｆ、１８Ｇ、１８Ｊ、１８Ｋ、１８’…ビーズ（透
明微小球体）、２１、２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒ…光源、
２２…透過型液晶パネル、２３…ビームスプリッタ、２
４…反射型液晶パネル。

フロントページの続き (72)発明者渡辺英俊東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (72)発明者中枝武弘東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内Ｆターム(参考） 2H021 BA27 BA28 BA32 2H042 BA02 BA15 BA17 BA20 5C058 BA06 BA31 EA32

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】映像を表示する表示手段と、前記表示手
段に表示された映像を拡大し透過型スクリーンに投射す
る投射光学系と、前記透過型スクリーン上に投射された
映像の拡大虚像を形成する拡大光学系とを備えた映像表
示装置において、前記透過型スクリーンは、透明基板上に複数の透明微小
球体を敷き詰めて成ることを特徴とする映像表示装置。
【請求項２】前記透過型スクリーンは光路的に前記投
射光学系と前記拡大光学系との間に配置され、前記透明
微小球体は、前記透過型スクリーンの前記投射光学系側
の面上に敷き詰められることを特徴とする請求項１に記
載の映像表示装置。
【請求項３】前記透明基板上に敷き詰められる前記透
明微小球体は、５０μｍ以下の単一または複数種類の直
径を有することを特徴とする請求項１に記載の映像表示
装置。
【請求項４】前記透明微小球体は透明粘着層を介して
前記透過型スクリーンに貼り付けられており、前記透明
粘着層の厚さは前記透明微小球体の半径を越えない大き
さであることを特徴とする請求項３に記載の映像表示装
置。