JP7742072B2 - 画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 （１）オンライン発表日 令和２年７月９日 オンライン会議名：３次元画像コンファレンス２０２０ 主催者アドレス ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｄ－ｃｏｎｆ．ｏｒｇ／ （２）公開日 令和２年７月８日 刊行物名：３次元画像コンファレンス２０２０ 論文集 （３）オンライン発表日 令和３年１月１９日 オンライン会議名：ＩＳ＆Ｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ ２０２１ 主催者アドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｍａｇｉｎｇ．ｏｒｇ／ｓｉｔｅ／ＩＳＴ／ＩＳＴ／Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｓ／ＥＩ／ＥＩ＿２０２１／ＥＩ２０２１．ａｓｐｘ （４）オンライン公開日 令和３年１月１８日 刊行物名：ＩＳ＆Ｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｍａｇｉｎｇ ２０２１ 論文 公開ＵＲＬ ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｉｎｇｅｎｔａｃｏｎｎｅｃｔ．ｃｏｍ／ｃｏｎｔｅｎｔｏｎｅ／ｉｓｔ／ｅｉ／２０２１／００００２０２１／０００００００２／ａｒｔ００００４＃

本発明は、画像表示装置、より詳しくは、ライトフィールド技術を用いた画像表示装置に関する。この画像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイについても言及する。

近年、画像表示ディスプレイから出射されユーザーの目へ入射する光線を制御するライトフィールド技術が注目されている。人間は、各種物体で反射された光線が瞳に入ることによりその物体を見ることができる。ライトフィールド技術はこの反射光線を人工的に画像表示ディスプレイで再現したものであり、結果として人が自然界で見るような奥行き感を提供することができる。

ライトフィールド技術を用いる画像表示装置としていくつかの態様が知られているが、代表的なものとして、マイクロレンズアレイ方式と積層方式を挙げることができる。
マイクロレンズアレイ方式では、直径がマイクロメートルオーダーのレンズを有するアレイがディスプレイパネルの表面に取り付けられている。マイクロレンズアレイ方式では、ディスプレイから出射された光をマイクロレンズアレイが特定の方向の光線の束に分解して見る者の目に導く。

もう一方の積層方式では、特許文献１に記載のように、２枚のディスプレイパネルが媒質層を挟んで重ねられた構造を有する。見る者から遠い側に位置する第一のディスプレイパネルは、バックライト等を備え、光を出射する機能を有する。見る者に近い側に位置する第二のディスプレイパネルは光を出射する機能を有さず、第一のディスプレイから出射された光により照明される。
積層方式では、第一のディスプレイパネルのある画素から発せられた光線は、第二のディスプレイパネルのある画素を通って見る者の目に入射しており、光線が通過する画素の組み合わせにより光線を制御している。

マイクロレンズアレイ方式では、１個のマイクロレンズが複数の画素を覆うため、原理的に表示解像度の低下が避けられない。
一方、積層方式では、第一のディスプレイパネルと第二のディスプレイパネルとを十分位置合わせする必要があるものの、解像度を上げることはそれほど困難ではない点で優れている。最新のディスプレイでは、１インチあたり９００以上の画素を有するものも報告されている。

特表２０２０－５２１１７４号公報

発明者らは、積層方式において画素サイズを小さくしていくと、光学的な表示解像度の限界が発生することを見出した。発明者は、これを解決して本発明を完成させた。

本発明は、積層方式のライトフィールド画像表示装置において、さらに高解像度を実現しやすくする技術を提供することを目的とする。

本発明の第一の態様は、２枚以上のディスプレイが媒質層を挟んで積層されたライトフィールド方式の画像表示装置である。
この画像表示装置は、ディスプレイのうち１枚のみがカラー表示を行うディスプレイであり、最も正面に近いディスプレイはモノクロ表示を行うディスプレイである。
この画像表示装置は、モノクロ表示を行うディスプレイのすべての画素が、前記カラー表示を行うディスプレイから入射する光線を透過可能に構成されている。
媒質層の厚さは、モノクロ表示を行うディスプレイの一つの画素にカラー表示を行うディスプレイの複数の画素から光線が入射し、かつ入射した複数の光線が回折限界を生じない値に設定されている。
この画像表示装置においては、最も正面から遠いディスプレイが発光機能を有してもよい。

本発明の第二の態様は、第一の態様に係る画像表示装置と、接眼レンズとを備えるヘッドマウントディスプレイである。

本発明は、積層方式のライトフィールド画像表示装置のさらなる解像度の向上に寄与する。

本発明の第一実施形態に係る画像表示装置を示す模式断面図である。 従来の画像表示装置を示す模式断面図である。 第一実施形態に係る画像表示装置における光線経路を示す図である。 本発明の第二実施形態に係る画像表示装置を示す模式断面図である。

以下、本発明の第一実施形態について、図１から図３を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る画像表示装置１を模式的に示す図である。画像表示装置１は、ライトフィールド方式の画像表示装置であり、第一ディスプレイ１０と第二ディスプレイ２０との２枚の液晶ディスプレイを備えている。
画像表示装置は、第二ディスプレイ２０側が正面であり、使用者は正面側から表示される画像を見る。

第一ディスプレイ１０には、バックライト１１と、液晶層１２と、カラーフィルタ１３とが順に配置されており、公知のカラー液晶ディスプレイと概ね同様の構造を有する。本実施形態において、第一ディスプレイ１０の画素１５は、カラーフィルタ１３の赤フィルタＲが配置された第一サブ画素１５ａと、カラーフィルタ１３の緑フィルタＧが配置された第二サブ画素１５ｂと、カラーフィルタ１３の青フィルタＢが配置された第三サブ画素１５ｃとを含む。

第二ディスプレイ２０は、液晶層２２のみを備えており、バックライトとカラーフィルタを備えない。すなわち、第二ディスプレイ２０は、第一ディスプレイ１０からバックライトとカラーフィルタを外した構造である。ここで、第二ディスプレイ２０はカラーフィルタを備えていないが、説明の便宜上、第二ディスプレイ２０の２５ａ、２５ｂ、２５ｃ等をサブ画素と称して説明する。第二ディスプレイ２０において、サブ画素２５ａ、２５ｂ、２５ｃ等の各サブ画素は、第一ディスプレイ１０の各サブ画素と同一の開口サイズを有する。
図１には模式断面図を示しているが、本実施形態において、第一ディスプレイ１０と第二ディスプレイ２０の正面視形状は、同一寸法の長方形あるいは正方形である。第一ディスプレイ１０と第二ディスプレイ２０とは、第二ディスプレイ２０側から見た画像表示装置１の正面視において、互いの四辺が一致するように配置されている。

第一ディスプレイ１０と第二ディスプレイ２０とは、間に媒質層３０をはさんで配置されている。媒質層の典型例は空気層であるが、空気（屈折率１．０００２９２６）とほぼ同様の屈折率を有する、アルゴン（屈折率１．０００２８１）、二酸化炭素（屈折率１．０００４４９）、ヘリウム（屈折率１．００００３６）、水素（屈折率１．０００１４０）、窒素（屈折率１．０００２９７）、酸素（屈折率１．０００２７６）等からなる層や、これらの混合物からなる層も使用できる。さらに、真空層（屈折率１．００００）も使用でき、本発明における媒質層に含まれる。

画像表示装置１における光線の経路について説明する。
まず、第一ディスプレイ１０のバックライト１１から光線が出射される。出射された光線は、液晶層１２およびカラーフィルタ１３、さらに媒質層３０を通って第二ディスプレイ２０に向かう。

図２に、従来の画像表示装置１００を示す。画像表示装置１００は、画像表示装置１と同様、積層方式のライトフィールドディスプレイであるが、２枚のディスプレイ１１０、１２０の両方がカラーフィルタ１３を備えている。
画像表示装置１００においては、ディスプレイ１１０からの光線は、同色のカラーフィルタが配置されたサブ画素を通過する。例えば、緑フィルタＧを通ってディスプレイ１１０から出た光線は、図２に示すように、ディスプレイ１２０のサブ画素のうち、緑フィルタＧが配置されたサブ画素を通過して見る者の目に入射し、緑として視認される。

積層方式のライトフィールドディスプレイにおいて表示解像度を向上させるには、２枚のディスプレイにおける画素サイズを小さくすればよい。例えば、各画素を構成するサブ画素の開口サイズを１／３にすると、表示解像度は理論上３倍になる。

しかし、発明者らの検討により、このような解像度の向上には、光学的な限界があることが明らかになった。これは、見る者に近い側のディスプレイ１２０において、となり合うサブ画素に入射する光が干渉を生じることに起因する。すなわち、光の干渉による回折限界によって画像のボケを生じ、結果として画像品質が劣化する現象が発生することが分かった。

回折限界について、円形開口の例で単純化しつつ、以下に説明する。直径Ｄの２つの円形開口がお互いの円の中心からある距離だけ離れて位置するとする。この２つの開口を非可干渉な光で照明したとき、開口における回折像は２つの開口を通過する光の重ね合わせ（干渉）で表現できる。ここで２つの開口による回折像が干渉している場合、２つの像が２点として判別できる限界の距離分解能が回折限界である。回折限界の定義は様々あるが、特に有名なのがレイリーの回折限界で、下記式１で表される。

式１において、λは光の波長で、主に人の目の感度がよい５５０ｎｍが使われる。また、Ｌは開口からの後方側距離である。開口の形状が円形開口の場合における係数は１．２２だが、矩形開口の場合は係数が１になるため、矩形開口の回折限界δは、下記式２で表される。

回折像間の距離がδ以上であれば２つの開口による回折像が分離して識別できることになる。逆にδより小さければ２つの開口による回折像が一つの点に見えてしまうため、劣化した画像品質となる。後方側距離Ｌにおける回折像のエアリーディスクの直径ｓは下記式３で表される。

発明者らは、この現象に着目し、第一ディスプレイ１０から出射された光線が入射する第二ディスプレイ２０において、カラーフィルタを設けない構成とした。これにより、図３に示すように、第二サブ画素１５ｂを通って第二ディスプレイ２０に入射する光線は、緑フィルタＧに対応する位置にあるサブ画素２５ｂだけでなく、サブ画素２５ａやサブ画素２５ｃ等に対応する位置のサブ画素も通過することができる。

これにより、第一ディスプレイ１０の第二サブ画素１５ｂを通って第二ディスプレイ２０に入射し、第二ディスプレイ２０のサブ画素を通過する光線の量は、図２に示した従来の画像表示装置１００の３倍となる。すなわち、第一ディスプレイ１０のサブ画素の開口サイズと第二ディスプレイ２０のサブ画素の開口サイズが同一である場合、画像表示装置１の表示解像度は、原理的に画像表示装置１００の３倍となる。

以上説明したように、本実施形態に係る画像表示装置１は、回折限界による画像表示品質の劣化を抑えつつ、解像度を向上しやすいという利点がある。
画像表示装置１において、第二ディスプレイ２０にはモノクロの画像が表示されるが、その後方にある第一ディスプレイ１０から色のついた光が入射するため、見る者にはカラー画像が視認される。

本発明の第二実施形態について、図４を参照して説明する。以降の説明において、既に説明したものと共通する構成については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図４は、本実施形態に係る画像表示装置２００を示す模式断面図である。
画像表示装置２００は、第一ディスプレイ２１０と、第二ディスプレイ２０との間に第三ディスプレイ２３０を備えた３層積層型のライトフィールドディスプレイである。
第一ディスプレイ２１０は、第一実施形態と同様にバックライト１１を備えるが、カラーフィルタを有さない。第三ディスプレイ２３０は、液晶層２３２と、カラーフィルタ２３３とを備えている。すなわち、第一ディスプレイ２１０は第三ディスプレイ２３０からカラーフィルタを外しかつバックライトを取り付けた構造であり、第二ディスプレイ２０は第三ディスプレイ２３０からカラーフィルタを外した構造である。第一実施形態と同様に、第一ディスプレイ２１０と第二ディスプレイ２０はカラーフィルタを備えていないが、説明の便宜上、サブ画素と称して説明する。

画像表示装置２００においては、第三ディスプレイ２３０の各サブ画素に対して、第一ディスプレイ２１０からの光線が入射する。さらに、第三ディスプレイ２３０の各サブ画素を通過した光線は、第二ディスプレイ２０の各サブ画素に入射する。
図４に示す通り、第一実施形態と同様に、第三ディスプレイ２３０から出射された光線は第二ディスプレイ２０をその３倍の数量で通過できることから、回折限界を抑制しつつ、表示解像度を向上しやすい構成となっている。さらに、第三ディスプレイ２３０を備えることにより、第一実施形態よりも奥行きのある画像表示が可能となっている。

本実施形態において、カラーフィルタを備えるディスプレイは、見る者に最も近いディスプレイでさえなければよい。したがって、カラーフィルタを備えるディスプレイは、上述した第三ディスプレイ２３０に限られず、第一ディスプレイ２１０であってもよい。
また、カラーフィルタを備えるディスプレイが１つのみであり、かつ見る者に最も近くなければ、４つ以上のディスプレイを備えてもよい。

本発明に係る画像表示装置について、実施例および比較例を用いてさらに説明する。本発明の技術的範囲は、実施例の具体的内容のみを根拠として限定されることはない。

（実施例１）
実施例１は、第一実施形態に対応する実施例である。
正面視長方形の同一サイズのＩＰＳ（Ｉｎ－Ｐｌａｎｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）方式の液晶ディスプレイパネルを２枚準備した。一方のディスプレイにバックライトおよびカラーフィルタを取り付けて第一ディスプレイとし、もう一方はそのまま第二ディスプレイとした。
表示解像度は、いずれも１インチあたり４８０画素（４８０ｐｐｉ）であり、画素の開口サイズは５２．９μｍである。

第一ディスプレイと第二ディスプレイとを７ｍｍの間隔を空けて正面視で完全に重ね、この状態を固定することにより、実施例１に係る画像表示装置を得た。この画像表示装置は、媒質層として、厚さ７ｍｍの空気層を有する。

実施例１に係る画像表示装置に接眼レンズを取り付け、実施例１に係るヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）を作製した。

実施例１に係る画像表示品質について、ＨＭＤを用いて、目視による表示ボケの有無を評価した。

実施例１において、第二ディスプレイの位置におけるエアリーディスクの直径は、上述した式３より１４５．５μｍである。第一ディスプレイから出射された光線は第二ディスプレイを３倍の数量で通過できることから、このときの画素の開口サイズは５２．９μｍ×３＝１５８．７μｍに相当するため、実施例１のＨＭＤでは回折限界を回避できることが理論上示されている。
実施例１に係るＨＭＤの目視において表示のボケは認められず、良好であった。

（実施例２）
実施例２は、第二実施形態に対応する実施例である。
実施例１と同様のＩＰＳ方式の液晶ディスプレイパネルを３枚準備した。うち１枚にバックライトを取り付けて第一ディスプレイとし、他の１枚にカラーフィルタを取り付けて第三ディスプレイとした。残る１枚は、そのまま第二ディスプレイとした。
第一ディスプレイ、第三ディスプレイ、および第二ディスプレイをそれぞれ７ｍｍの間隔を空けて正面視で完全に重ね、この状態を固定することにより、実施例２に係る画像表示装置を得た。この画像表示装置は、媒質層として、厚さ７ｍｍの空気層を有する。

実施例１と同様に、実施例２に係るＨＭＤを作製し、画像表示品質を評価した。
実施例２において、第二ディスプレイの位置におけるエアリーディスクの直径は、実施例１と同様、１４５．５μｍである。第二ディスプレイの画素の開口サイズも、実施例１同様、１５８．７μｍに相当するため、実施例２のＨＭＤでも回折限界を回避できることが理論上示されている。
実施例２に係るＨＭＤの目視において表示のボケは認められず、良好であった。さらに、実施例１よりも奥行きのある画像表示が可能であった。

（比較例１）
第二ディスプレイにカラーフィルタを取り付けた点を除き、実施例１と同様の手順で比較例１に係る画像表示装置およびＨＭＤを作製した。
比較例１において、第二ディスプレイの位置におけるエアリーディスクの直径は、実施例１と同様、１４５．５μｍである。一方、第二ディスプレイの画素の開口サイズは、カラーフィルタを備えるために５２．９μｍのままであるため、比較例１のＨＭＤでは回折限界を回避できないことが理論上示されている。
実際に、目視による画像品質の評価では、表示のボケが認められ、良好ではなかった。

（比較例２）
第一ディスプレイおよび第二ディスプレイにカラーフィルタを取り付けた点を除き、実施例２と同様の手順で比較例２に係る画像表示装置およびＨＭＤを作製した。
比較例２において、第二ディスプレイの位置におけるエアリーディスクの直径は、実施例２と同様、１４５．５μｍである。一方、第二ディスプレイの画素の開口サイズは、カラーフィルタを備えるために５２．９μｍのままであるため、比較例２のＨＭＤでは回折限界を回避できないことが理論上示されている。
実際に、目視による画像品質の評価では、表示のボケが認められ、良好ではなかった。

以上、本発明の各実施形態および実施例について説明したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせなども含まれる。

例えば、本発明において、第一ディスプレイが発光するメカニズムは、上述したバックライトには限られない。すなわち、第一ディスプレイとして自発光ディスプレイを用いる場合は、有機ＥＬ（ＯＬＥＤ）ディスプレイや、ミニＬＥＤ、マイクロＬＥＤ等を備えてサブ画素自体が発光するものなど、公知の各種構造のものを採用できる。

また、第一ディスプレイをカラー表示する構成とする場合、例えば赤色、緑色、青色のミニＬＥＤやマイクロＬＥＤ等を備えることにより、カラーフィルタを備えない構成としてもよい。

さらに、画像表示装置自体が発光機能を有さず、後方に別途光源が配置されることにより画像表示可能な構成であってもよい。

本発明に係る画像表示装置においては、モノクロ表示される第二ディスプレイのサブ画素の開口サイズが小さすぎると、回折限界が生じる可能性がある。実施例に示されたように、エアリーディスクの直径を算出し、これに基づいて第二ディスプレイのサブ画素の開口サイズを決定することで、そのような事態の発生を防止できる。

１、２００ 画像表示装置
１０、２１０ 第一ディスプレイ
２０ 第二ディスプレイ
３０ 媒質層
２３０ 第三ディスプレイ

Claims (3)

1. ２枚以上のディスプレイが媒質層を挟んで積層されたライトフィールド方式の画像表示装置であって、
   前記ディスプレイのうち１枚のみがカラー表示を行うディスプレイであり、
   最も正面に近い前記ディスプレイはモノクロ表示を行うディスプレイであり、
   前記モノクロ表示を行うディスプレイのすべての画素が、前記カラー表示を行うディスプレイから入射する光線を透過可能に構成されており、
   前記媒質層の厚さが、前記モノクロ表示を行うディスプレイの一つの画素に前記カラー表示を行うディスプレイの複数の画素から光線が入射し、かつ入射した複数の光線が回折限界を生じない値に設定されている、
   画像表示装置。
2. 最も正面から遠い前記ディスプレイが発光機能を有する、
   請求項１に記載の画像表示装置。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載の画像表示装置と、
   接眼レンズと、
   を備える、
   ヘッドマウントディスプレイ。