JP2005352288A - Optical system for enlarging luminous flux diameter, image combiner and image display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画像表示装置、ビーム拡大器、フラットパネル照明装置などに適用される光束径拡大用の光学系、シースルー型の画像表示装置に適用されるイメージコンバイナ、シースルー型の画像表示装置に関する。 The present invention relates to an optical system for expanding a beam diameter applied to an image display device, a beam expander, a flat panel illumination device, and the like, an image combiner applied to a see-through image display device, and a see-through image display device.
シースルー型の画像表示装置(アイグラスディスプレイ)の1つに、視野角及び射出瞳の拡大を図ったものがある(特許文献1の図50など)。
このタイプの画像表示装置では、表示光束を導光する基板内に複数の平行な反射多層膜からなるハーフミラー(部分反射面)を設け、光束拡大の機能をその基板に持たせている。
In this type of image display device, a half mirror (partial reflection surface) made of a plurality of parallel reflective multilayer films is provided in a substrate that guides a display light beam, and the substrate has a function of expanding the light beam.
ところで、特許文献1の項目[0054]以下には、ハーフミラーで反射すべき光(必要光)の入射角度が27°であり、ハーフミラーで透過すべき光(不要光)の入射角度が81°である例が開示されている。
しかし、小さな入射角度の光を反射し、かつ大きな入射角度の光を透過する特性を反射多層膜からなるハーフミラーに付与することは、原理的に難しい。仮に、できたとしても、特殊材料を要したり、膜構成が極めて複雑になる。
By the way, in the item [0054] and below in
However, in principle, it is difficult to provide a half mirror made of a reflective multilayer film with the characteristic of reflecting light with a small incident angle and transmitting light with a large incident angle. Even if it can be made, special materials are required and the film structure becomes extremely complicated.
よって、不要光がなるべく観察眼に入射しないような設計上の工夫を要し、それでもなお、不要光によるゴーストは完全に抑えられていないのが現状である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、不要光の発生を抑えることの容易な光束径拡大用の光学系を提供することを目的とする。
また、本発明は、視野角及び射出瞳が大きく、かつゴーストを抑えることの容易なイメージコンバイナを提供することを目的とする。
Therefore, it is necessary to devise a design so that unnecessary light does not enter the observation eye as much as possible, and even so, ghosts due to unnecessary light are still not completely suppressed.
The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an optical system for expanding a light beam diameter that can easily suppress generation of unnecessary light.
Another object of the present invention is to provide an image combiner that has a large viewing angle and exit pupil and that can easily suppress ghosting.
また、本発明は、視野角及び射出瞳が大きく、かつゴーストを抑えることの容易なシースルー型の画像表示装置を提供することを目的とする。 It is another object of the present invention to provide a see-through type image display apparatus that has a large viewing angle and exit pupil and that can easily suppress ghosts.
本発明をするに当たり、本発明者は、以下のことを検討した。
(回折効率の波長特性)
反射型ホログラム素子、とりわけ体積型かつ位相型の反射型ホログラム素子の回折効率の波長特性は、鋭い波長選択性(或る入射角で入射する再生光のうち、特定の波長成分だけを特定方向に回折する特性)を持つ。
In carrying out the present invention, the present inventor studied the following.
(Wavelength characteristics of diffraction efficiency)
The wavelength characteristics of the diffraction efficiency of the reflection type hologram element, particularly the volume type and phase type reflection type hologram element, is sharp wavelength selectivity (only the specific wavelength component of the reproduction light incident at a certain incident angle in a specific direction). (Diffracting properties).
その回折効率は、ホログラム素子の干渉縞を記録する乳剤のパラメータ(厚みや屈折率変調度)によって変化する(図18参照)。
例えば、
乳剤の厚さ:15μm、屈折率変調度:0.03 →最大回折効率:約98%、
乳剤の厚さ:15μm、屈折率変調度:0.015→最大回折効率:約76%、
乳剤の厚さ: 5μm、屈折率変調度:0.03 →最大回折効率:約52%、
となる。つまり、このホログラム素子の回折効率は、乳剤のパラメータを調整することで制御可能である。
The diffraction efficiency varies depending on the emulsion parameters (thickness and refractive index modulation) for recording the interference fringes of the hologram element (see FIG. 18).
For example,
Emulsion thickness: 15 μm, refractive index modulation: 0.03 → maximum diffraction efficiency: about 98%,
Emulsion thickness: 15 μm, refractive index modulation: 0.015 → maximum diffraction efficiency: about 76%
Emulsion thickness: 5 μm, refractive index modulation: 0.03 → maximum diffraction efficiency: about 52%
It becomes. That is, the diffraction efficiency of the hologram element can be controlled by adjusting the emulsion parameters.
(回折効率の角度特性)
このホログラム素子は、入射角度に対しても鋭い特性(或る波長で入射する再生光のうち、特定の入射角度の光だけを回折する特性)を持つ(図19参照)。
例えば、
乳剤の厚さ:15μm、屈折率変調度:0.03→半値全幅:7.5°程度、
乳剤の厚さ:15μm、屈折率変調度:0.015→半値全幅:4.5°程度、
乳剤の厚さ:5μm、屈折率変調度:0.03→半値全幅:1.1°程度、
となる。つまり、このホログラム素子の回折角度のピーク幅は、乳剤のパラメータを調整することで制御可能である。
(Angle characteristics of diffraction efficiency)
This hologram element has a sharp characteristic with respect to an incident angle (a characteristic of diffracting only light having a specific incident angle out of reproduction light incident at a certain wavelength) (see FIG. 19).
For example,
Emulsion thickness: 15 μm, refractive index modulation: 0.03 → full width at half maximum: about 7.5 °,
Emulsion thickness: 15 μm, refractive index modulation: 0.015 → full width at half maximum: about 4.5 °,
Emulsion thickness: 5 μm, refractive index modulation: 0.03 → full width at half maximum: about 1.1 °,
It becomes. That is, the peak width of the diffraction angle of this hologram element can be controlled by adjusting the emulsion parameters.
したがって、小さな入射角度の光を反射し、かつ大きな入射角度の光を透過する特性をホログラム素子に付与することも可能である。
(回折効率と記録及び再生条件)
ホログラム素子による回折は、ブラッグの条件式に従う方向に射出する回折光の強度が最大となる。
Accordingly, it is possible to give the hologram element the characteristic of reflecting light with a small incident angle and transmitting light with a large incident angle.
(Diffraction efficiency and recording and playback conditions)
In the diffraction by the hologram element, the intensity of the diffracted light emitted in the direction according to the Bragg conditional expression is maximized.
体積型ホログラム素子におけるブラッグの条件式は、以下の式(1),(2)で表され、式(1),(2)を同時に満たす方向θIに射出する回折光の強度が最大となる。
1/λR(sinθ0−sinθR)=1/λC(sinθI−sinθC) ・・・(1)
1/λR(cosθ0−cosθR)=1/λC(cosθI−cosθC) ・・・(2)
ここで、式(1),(2)の左辺は、ホログラム素子の記録時の様子(図20(a))を示し、右辺は、ホログラム素子の再生時の様子(図20(b))を示している。但し、式(1),(2)において、
λR:記録波長,
θ0:ホログラム面に対する物体光の入射角度,
θR:参照光の入射角度,
λC:再生波長,
θC:ホログラム面に対する再生光の入射角度,
θI:回折光の射出角度である。
The conditional expression of Bragg in the volume hologram element is expressed by the following expressions (1) and (2), and the intensity of the diffracted light emitted in the direction θ I satisfying the expressions (1) and (2) is maximized. .
1 / λ R (sin θ 0 −sin θ R ) = 1 / λ C (sin θ I −sin θ C ) (1)
1 / λ R (cos θ 0 −cos θ R ) = 1 / λ C (cos θ I −cos θ C ) (2)
Here, the left side of the expressions (1) and (2) shows the state during recording of the hologram element (FIG. 20A), and the right side shows the state during reproduction of the hologram element (FIG. 20B). Show. However, in the equations (1) and (2),
λ R : recording wavelength,
θ 0 is the incident angle of the object light with respect to the hologram surface,
θ R is the incident angle of the reference beam,
λ C : reproduction wavelength,
θ C is the incident angle of the reconstructed light with respect to the hologram surface,
θ I is the exit angle of the diffracted light.
なお、式(1)の根拠は、「ホログラム記録時に形成される干渉縞の間隔は、物体光及び参照光の入射角度と記録波長とによって決まること」と、「ホログラム再生時にはホログラムの面方向に隣り合う縞から射出する光同士の光路差が1波長分だけずれるときに強め合うこと」とにある。
また、式(2)の根拠は、これらの事項が「ホログラムの厚み方向に隣り合う縞から射出する光同士の間でも成り立つこと」にある。因みに、ホログラムの厚みが増すに従って式(2)の寄与が大きくなるので、回折効率を最大にするための条件は厳しくなる。
The basis of equation (1) is that “the interval between the interference fringes formed during hologram recording is determined by the incident angles of the object light and the reference light and the recording wavelength” and “at the time of hologram reproduction, It is strengthened when the optical path difference between lights emitted from adjacent stripes is shifted by one wavelength.
Further, the basis of the expression (2) is that these matters are also established between light beams emitted from stripes adjacent in the hologram thickness direction. Incidentally, as the hologram thickness increases, the contribution of equation (2) increases, so the conditions for maximizing the diffraction efficiency become severe.
この式(1),(2)からも明らかなとおり、ホログラム素子の回折効率を簡単に高めるには、記録波長を再生波長に一致させておくことが好ましい。
(ホログラム素子の構造)
頭部装着型の画像表示装置では、画像表示素子の光源には、小型かつ安価なLEDが好適である。画像表示素子がモノクロ画像表示素子であるときには特定の色成分からなる発光スペクトルのLED、カラー画像表示素子であるときにも複数の特定の色成分(R色成分,G色成分,B色成分)からなる発光スペクトルのLEDが用いられる。
As is clear from the formulas (1) and (2), it is preferable to make the recording wavelength coincide with the reproduction wavelength in order to easily increase the diffraction efficiency of the hologram element.
(Structure of hologram element)
In the head-mounted image display device, a small and inexpensive LED is suitable for the light source of the image display element. When the image display element is a monochrome image display element, an LED having an emission spectrum composed of a specific color component, and when the image display element is a color image display element, a plurality of specific color components (R color component, G color component, B color component) An LED having an emission spectrum is used.
仮に、後者が用いられた画像表示装置にホログラム素子を適用するならば、ホログラム素子の構成を、LEDの発光スペクトルの各成分に個別に感応する3層の構造とすればよい。或いは、それら各成分に個別に感応する3種の微小要素を含む1層の構造とすればよい。
そこで、本発明者は、以下の発明をした。
If the hologram element is applied to the image display apparatus using the latter, the hologram element may be configured to have a three-layer structure that individually responds to each component of the emission spectrum of the LED. Or what is necessary is just to set it as the structure of 1 layer containing the 3 types of microelement which responds to each of those components separately.
Therefore, the present inventor has made the following invention.
請求項1に記載の光束径拡大用の光学系は、入射光束の光路に対し互いに直列かつ平行の関係で斜めに配置され、前記入射光束を一部宛反射してその入射光束よりも大きい径の射出光束を生成する複数の部分透過反射面を備えた光束径拡大用の光学系であって、前記複数の部分透過反射面の少なくとも1つは、前記入射光束を選択的に回折反射する反射型回折光学素子からなることを特徴とする。
The optical system for enlarging the light beam diameter according to
請求項2に記載の光束径拡大用の光学系は、請求項1に記載の光束径拡大用の光学系において、前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、前記反射型回折光学素子からなり、前記反射型回折光学素子それぞれの前記入射光束に対する回折効率の関係は、それら反射型回折光学素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されていることを特徴とする。
The optical system for enlarging a light beam diameter according to
請求項3に記載の光束径拡大用の光学系は、請求項2に記載の光束径拡大用の光学系において前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、体積型の反射型ホログラム素子からなり、前記反射型ホログラム素子それぞれの乳剤の厚さの関係は、それら反射型ホログラム素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されていることを特徴とする。
請求項4に記載の光束径拡大用の光学系は、請求項2又は請求項3に記載の光束径拡大用の光学系において、前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、体積型かつ位相型の反射型ホログラム素子からなり、前記反射型ホログラム素子それぞれの屈折率変調度の関係は、それら反射型ホログラム素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されていることを特徴とする。
The optical system for enlarging a light beam diameter according to
The optical system for enlarging the light beam diameter according to
請求項5に記載のイメージコンバイナは、可視光に対し透明な基板内に、請求項1〜請求項4の何れか一項に記載の光束径拡大用の光学系を、前記複数の反射型回折光学素子が傾斜する姿勢で設けてなることを特徴とする。
請求項6に記載の画像表示装置は、画像表示素子と、請求項5に記載のイメージコンバイナとを備えたことを特徴とする。
An image combiner according to
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an image display device comprising the image display element and the image combiner according to the fifth aspect.
本発明によれば、不要光の発生を抑えることの容易な光束径拡大用の光学系が実現する。
また、本発明によれば、視野角及び射出瞳が大きく、かつゴーストを抑えることの容易なイメージコンバイナが実現する。
また、本発明によれば、視野角及び射出瞳が大きく、かつゴーストを抑えることの容易なシースルー型の画像表示装置が実現する。
According to the present invention, an optical system for enlarging a light beam diameter that can easily suppress generation of unnecessary light is realized.
Further, according to the present invention, an image combiner that has a large viewing angle and an exit pupil and that can easily suppress ghost is realized.
In addition, according to the present invention, a see-through type image display device that has a large viewing angle and an exit pupil and can easily suppress a ghost is realized.
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態を説明する。
本実施形態は、シースルー型かつ頭部装着型の画像表示装置(アイグラスディスプレイ)の実施形態である。
先ず、本画像表示装置の構成を説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described.
The present embodiment is an embodiment of a see-through and head-mounted image display device (eyeglass display).
First, the configuration of the image display apparatus will be described.
本画像表示装置は、図1に示すように、可視光に対し透明な透明基板1と、表示ユニット1’とを備える。透明基板1及び表示ユニット1’は装着機構1”によって支持され、観察者の頭部に装着される。
装着機構1”は、例えば、眼鏡のフレームと同様の構成をしており、図1に示すようにテンプル、リム、ブリッジなどからなる。
As shown in FIG. 1, the present image display device includes a
The mounting
この画像表示装置が観察者の頭部に装着されると、透明基板1は、観察眼(ここでは、観察者の右眼とする。)の正面に位置する。このとき表示ユニット1’は、観察者の視界を妨げない箇所(ここでは、観察者の右側頭部近傍とする。)に位置する。
以下では、この状態で観察眼が正面の遠方を目視しているときの視軸(視線)の方向を−Z方向とし、観察者の下方を+X方向とし、観察者の右方を+Yとした右手系XYZ直交座標系で画像表示装置を表現する(図2も同様。)。また、場合によって、観察者から見た方向(右、左、上、下など)で画像表示装置を表現する。
When the image display device is mounted on the observer's head, the
In the following, in this state, the direction of the visual axis (line of sight) when the observing eye is viewing far away from the front is defined as −Z direction, the observer's lower side is defined as + X direction, and the observer's right side is defined as + Y. The image display device is expressed by a right-handed XYZ orthogonal coordinate system (the same applies to FIG. 2). In some cases, the image display device is expressed in a direction (right, left, up, down, etc.) viewed from the observer.
図2に示すように、表示ユニット1’には、光源3、照明系4、モノクロ又はカラーの画像表示素子2、レンズ5などが配置される。表示ユニット1’内のレンズ5と透明基板1とが画像表示装置のイメージコンバイナとしての役割を果たす。
表示ユニット1’の光源3、照明系4、及び画像表示素子2としては、例えば、LED、放物面鏡、及びLCDがそれぞれ用いられる。LCDとしては、透過型LCDや反射型LCDなどが適用可能である(図2では透過型LCDとした。)。また、画像表示素子2として自発光型のものを用いて光源3及び照明系4を省略することもできる。
As shown in FIG. 2, the
As the
このような表示ユニット1’の姿勢は、レンズ5を透明基板1の観察者側の面1aに正対させた姿勢である。
透明基板1は、ガラスやプラスチックなどの光学材料からなる平行平板を原型としている。透明基板1の姿勢は、観察者側の面1aと外界側の面1bとの法線がZ軸と平行となる姿勢である。
Such a posture of the
The
透明基板1の内部には、平面ミラー7、複数の(ここでは2つの)反射型ホログラム素子(以下、「HOE」という。)61、62が設けられる。
平面ミラー7は、反射率の高い金属膜などからなる。
HOE61,62のホログラム感光材料としては、例えば、フォトポリマー、フォトレジスト、フォトクロミック、フォトダイクロミック、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、ダイクロメートゼラチン、プラスチック、強誘電体、磁気光学材料、電気光学材料、非結晶半導体、フォトリフラクティブ材料などが用いられる。
Inside the
The
As the hologram photosensitive material of HOE61, 62, for example, photopolymer, photoresist, photochromic, photodichroic, silver salt emulsion, dichromated gelatin, dichromated gelatin, plastic, ferroelectric, magneto-optical material, electro-optical material An amorphous semiconductor, a photorefractive material, or the like is used.
因みに、HOE61,62の製造方法は、公知の手法に従い、2つの光源から射出した記録光を前記材料に同時に照射するものである。
平面ミラー7の形成箇所は、表示ユニット1’に対向する位置であり、その姿勢は、観察者の左奥から右手前にかけて傾斜した姿勢(その反射面の法線がX軸に垂直であり、+Zかつ−Y方向を向く姿勢)である。ここでは、平面ミラー7と透明基板1の面1a,1bとが成す角度θAを、25°とする。
Incidentally, the manufacturing method of the
The position where the
HOE61の形成箇所は、平面ミラー7から所定距離だけ離れ、観察眼の右半分に対向する位置の近傍であり、その姿勢は、観察者の左手前から右奥にかけて傾斜した姿勢(その法線がX軸に垂直であり、+Zかつ+Y方向を向く姿勢)である。ここでは、HOE61と透明基板1の面1a,1bとが成す角度θBを25°とする。
HOE62の形成箇所は、観察眼の左半分に対向する位置の近傍であり、その姿勢は、HOE61と同じである。
The location where the HOE 61 is formed is in the vicinity of a position that is a predetermined distance away from the
The formation location of the
因みに、HOE61,62の設けられた透明基板1の製造方法は、例えば次のとおりである。すなわち、HOE61,62の形成された、透明基板1と同じ材料からなる小片を、透明基板1を形成する型枠の中に配置し、透明基板1の材料を溶かした状態でその型枠の中に流し込み、固める。
次に、本画像表示装置における光線の振る舞いを説明する。
Incidentally, the manufacturing method of the
Next, the behavior of light rays in the image display apparatus will be described.
表示ユニット1’が駆動されると、光源3、照明系4が画像表示素子2を照明する。画像表示素子2の表示面の各点から射出した各画角の表示光束は、レンズ5において平行光束(その表示面の虚像を画像表示素子2の背後の無限遠に形成する表示光束)に変換される。この表示光束は、観察者側の面1aから透明基板1の内部に導入され、平面ミラー7に入射して反射する。
When the
この表示光束は、透明基板1の面1aに臨界角よりも大きい所定の入射角度範囲(50°±α)(α:視野角の半値)で入射し、全反射する。この表示光束は、さらに外界側の面1bにも同じ角度で入射し、全反射する。表示光束は、このような全反射を面1aと面1bとの間で繰り返し内面反射しつつ、透明基板1の内部を観察者の右から左の方向(−Y方向)へと伝播され、HOE61、62に順に入射する。
This display light beam is incident on the
表示光束のうち、HOE61に対し所定角度範囲(25°±α)で入射したもの(全反射回数が奇数回であるもの)は、所定の回折効率で回折反射され、透明基板1の面1aから略垂直に射出し(その射出角度は0°±α)、観察眼の近傍の領域に入射する。それ以外の角度の表示光束は、HOE61を透過する。
表示光束のうち、HOE62に対し前記所定角度範囲(25°±α)で入射したもの(全反射回数が奇数回であるもの)は、別の所定の回折効率で回折反射され、透明基板1の面1aから略垂直に射出し(その射出角度は0°±α)、観察眼の近傍の前記領域から若干ずれた領域に入射する。それ以外の角度の表示光束は、HOE62を透過する。
Of the display light flux, the light incident on the HOE 61 within a predetermined angle range (25 ° ± α) (the number of total reflections is an odd number) is diffracted and reflected with a predetermined diffraction efficiency, and from the
Of the display light flux, the light incident on the
HOE61にて回折反射された表示光束と、HOE62にて回折反射された表示光束とが、観察眼の近傍に画像表示装置の射出瞳を形成する。この射出瞳内に観察眼の瞳が配置されていれば、観察者は画像表示素子2の表示面の虚像を観察することができる。
次に、本画像表示装置の各部の特性を説明する。
光源(ここでは、LEDとする。)3の発光強度の波長特性は、画像表示素子2がモノクロの画像表示素子であるとき、特定の単一波長にピークを有する。画像表示素子2がカラー画像表示素子であるとき、特定の複数の波長成分(R色成分、G色成分、B色成分)にピークを有する。よって、表示光束は、単一又は複数の離散的な特定の波長成分を持つ。
The display light beam diffracted and reflected by the HOE 61 and the display light beam diffracted and reflected by the
Next, characteristics of each part of the image display apparatus will be described.
The wavelength characteristic of the light emission intensity of the light source (here, LED) 3 has a peak at a specific single wavelength when the
HOE61,62の回折効率の波長特性は、その特定の波長成分においてピークを有する。
また、HOE61,62の回折効率の角度特性は、前述した所定角度範囲の中心(25°)においてピークを有する。
また、HOE61,62の回折効率の関係は、HOE61が回折反射した表示光束の強度と、HOE62が回折反射した表示光束の強度とが均等化されるよう設定されている。
The wavelength characteristics of the diffraction efficiency of the
Further, the angular characteristics of the diffraction efficiency of the
The relationship between the diffraction efficiencies of the
次に、本画像表示装置の効果を説明する。
HOE61,62の上記特性によれば、これらHOE61,62は、画像表示素子2の表示面の虚像を観察眼が観察するために必要な表示光束、つまり所定角度範囲(25°±α)で入射する表示光束を回折反射し、それ以外の光、つまり他の角度で入射する表示光束や外界光束(透明基板1の外界側から観察者側に向かう光束)を全部透過する。
Next, the effect of the present image display device will be described.
According to the above characteristics of the
よって、観察眼には、必要光(所定角度範囲で入射する表示光束と外界光束)のみが入射し、ゴーストを発生させるような不要光(所定角度範囲以外の角度で入射する表示光束)は何ら入射しない。つまり、HOE61,62の使用により、ゴーストが抑えられている。
また、ゴーストを抑えるための設計上の工夫は、HOE61,62の回折効率の波長特性及び角度特性の最適化のみなので、イメージコンバイナにおける各光学面(符号1a,
1b,5,7,61,62)の配置関係や面形状などの設計の自由度は、高く保たれる。
Therefore, only the necessary light (the display light beam and the external light beam incident in a predetermined angle range) are incident on the observation eye, and there is no unnecessary light (the display light beam incident at an angle other than the predetermined angle range) that generates a ghost. Not incident. That is, the use of the
Further, the design ingenuity for suppressing the ghost is only the optimization of the wavelength characteristics and the angle characteristics of the diffraction efficiency of the
1b, 5, 7, 61, 62), the degree of freedom of design such as the arrangement relationship and the surface shape is kept high.
また、HOE61,62から観察眼に向かう表示光束の強度が均等化されるので、観察者は、観察眼の瞳が射出瞳内でずれたとしても表示面の虚像を快適に観察できる。
ここで、仮に、HOE61,62と同じ特性の膜を誘電体多層膜で実現するためには、20層以上の複雑な膜構成になる。このように複雑な膜を精度良く蒸着するためには、透明基板1をガラス基板で構成せざるを得ない。なぜなら、プラスチック基板への蒸着は、その耐熱性の限界から、蒸着時の輻射熱の影響を避けるため、5〜6層程度の少ない層数で構成することが一般的とされている。よって、イメージコンバイナの軽量化が難しい。
Further, since the intensity of the display light flux from the
Here, if a film having the same characteristics as those of the
しかし、HOE61,62であれば、透明基板1をプラスチック基板で構成できる。なぜなら、例えば、フォトポリマーを材料としたHOEであれば、製造工程(露光工程)は全てドライ工程であり、ベイク温度が120℃程度である。
よって、本実施形態では、透明基板1を軽量化し、画像表示装置を軽量化することが容易である。
However, if it is HOE61,62, the
Therefore, in the present embodiment, it is easy to reduce the weight of the
(第1実施形態のHOE61,62の設計例)
以下、本実施形態のHOE61,62の設計例を説明する。
なお、画像表示素子2としてカラー画像表示素子を想定し、光源3としてR色成分、G色成分、B色成分からなる発光スペクトルのLEDを用いることを想定した。
LEDの発光強度の波長特性は、図3のとおりである。横軸が波長、縦軸が強度を示す。このLEDの発光スペクトルの各波長成分の半値全幅は、R色成分:23nm,G色成分:60.8nm,B色成分:29nmである。
(Design example of the
Hereinafter, a design example of the
It is assumed that a color image display element is used as the
The wavelength characteristic of the light emission intensity of the LED is as shown in FIG. The horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents intensity. The full width at half maximum of each wavelength component of the emission spectrum of this LED is R color component: 23 nm, G color component: 60.8 nm, and B color component: 29 nm.
また、HOE61,62は、体積型かつ位相型の反射型ホログラム素子とし、その構造には、それぞれG色成分用、B色成分用、R色成分用の3層の構造を採用した。また、設計データを表現するための座標には、図2中円枠内に示すローカル座標系(x,y,z)を用いた。
HOE61の設計データは、
記録波長:532nm,476nm,647nm
HOE材料:フォトポリマー
G色成分用の乳剤の厚さ:3.7μm,
B色成分用の乳剤の厚さ:3.2μm,
R色成分用の乳剤の厚さ:4.4μm,
屈折率変調度:0.03,
記録後の収縮率:1.5%,
記録時の第1光源の座標(x,y,z):(0,−0.422618×1020,−0.906308×1020),
記録時の第2光源の座標(x,y,z):(0,0.422618×1020,−0.906308×1020)である。
Further, the
The design data of HOE61 is
Recording wavelength: 532 nm, 476 nm, 647 nm
HOE material: Photopolymer G emulsion thickness for color component: 3.7 μm,
Emulsion thickness for B color component: 3.2 μm,
Emulsion thickness for R color component: 4.4 μm,
Refractive index modulation degree: 0.03
Shrinkage after recording: 1.5%,
First light source coordinates (x, y, z) at the time of recording: (0, −0.422618 × 10 20 , −0.906308 × 10 20 ),
The coordinates (x, y, z) of the second light source at the time of recording: (0, 0.422618 × 10 20 , −0.906308 × 10 20 ).
このHOE61に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度25°で入射させると、回折効率は、R色成分、G色成分、B色成分とも約30%である。つまり、HOE61に入射した表示光束の約30%がHOE61にて観察眼の方向に回折反射され、残りの約70%がHOE62へ向かう。
HOE62の設計データは、
G色成分用の乳剤の厚さ:5.2μm,
B色成分用の乳剤の厚さ:4.6μm,
R色成分用の乳剤の厚さ:6.2μm,
それ以外は、HOE61と同じである。
When reproduction light having the same wavelength as the recording wavelength is incident on the HOE 61 at an incident angle of 25 °, the diffraction efficiency of the R color component, G color component, and B color component is about 30%. That is, about 30% of the display light beam incident on the HOE 61 is diffracted and reflected by the HOE 61 toward the observation eye, and the remaining about 70% goes to the
The design data of HOE62 is
Emulsion thickness for G color component: 5.2 μm,
Emulsion thickness for B color component: 4.6 μm,
Emulsion thickness for R color component: 6.2 μm,
Other than that, it is the same as HOE61.
このHOE62に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度25°で入射させると、回折効率はR色成分、G色成分、B色成分とも約50%である。つまり、HOE61に入射した表示光束の約70×50%=約35%がHOE62にて観察眼の方向に回折反射される。
本設計例の図1のY方向の視野角を20°とするとき、HOE61,62で回折反射される表示光束の入射角度範囲は、25°±10°になる。
When reproduction light having the same wavelength as the recording wavelength is incident on the
When the viewing angle in the Y direction of FIG. 1 in this design example is 20 °, the incident angle range of the display light beam diffracted and reflected by the HOEs 61 and 62 is 25 ° ± 10 °.
以上説明したHOE61の回折効率の波長特性は、図4(a),(b),(c)のとおりである。(a)はR色成分に対する特性、(b)はG色成分に対する特性、(c)はB色成分に対する特性である。各図において、円形の点でプロットしたのは、−Y方向の最大画角の表示光束に対する特性、三角形の点でプロットしたのは、中心画角の表示光束に対する特性、四角形の点でプロットしたのは、+Y方向の最大画角の表示光束に対する特性である。また、各図には、HOE61に入射する表示光束の強度の波長特性(=図3に示したLEDの発光強度の波長特性)も重ね描きしてある。 The wavelength characteristics of the diffraction efficiency of the HOE 61 described above are as shown in FIGS. 4 (a), 4 (b), and 4 (c). (A) is a characteristic for the R color component, (b) is a characteristic for the G color component, and (c) is a characteristic for the B color component. In each figure, the point plotted with a circular point is the characteristic with respect to the display beam at the maximum field angle in the -Y direction, and the point plotted with a triangle is the characteristic with respect to the display beam with the center field angle, plotted with a square point. These are characteristics with respect to a display light beam having a maximum angle of view in the + Y direction. In each figure, the wavelength characteristic of the intensity of the display light beam incident on the HOE 61 (= wavelength characteristic of the emission intensity of the LED shown in FIG. 3) is also overlaid.
また、HOE62の回折効率の波長特性は、図5(a),(b),(c)のとおりである。図5の表記方法は、図4のそれと同じである。但し、HOE62に入射する表示光束は、回折効率が30%であるHOE61を透過したものであるので、その透過率(70%)を考慮して、図5における表示光束の強度は、図4における表示光束の強度を0.7掛けした値にしてある。
The wavelength characteristics of the diffraction efficiency of the
そして、HOE61が回折反射した表示光束の強度(射出強度)は、図4に示した表示光束の強度とHOE61の回折効率との積で表され、HOE62が回折反射した表示光束の強度は、図5に示した表示光束の強度とHOE62の回折効率との積で表される。
それらの強度をそれぞれ計算し、両者の最大値を1として規格化したものが、図6、図7である。
The intensity (emitted intensity) of the display beam diffracted and reflected by the HOE 61 is represented by the product of the intensity of the display beam shown in FIG. 4 and the diffraction efficiency of the HOE 61, and the intensity of the display beam diffracted and reflected by the
FIG. 6 and FIG. 7 show the values obtained by calculating the respective intensities and standardizing both of the maximum values as 1. FIG.
図6がHOE61、図7がHOE62についてのグラフである。図6、図7において、横軸が画角、縦軸が相対強度である。円形の点でプロットしたのは表示光束のR色成分の強度、四角形の点でプロットしたのは表示光束のG色成分の強度、三角形の点でプロットしたのは表示光束のB色成分の強度である。
上述したようにHOE61の回折効率とHOE62の回折効率とがそれぞれ30%,50%に設定されたので、HOE61が回折反射した表示光束の強度と、HOE62が回折反射した表示光束の強度とは、図6、図7を比較すると明らかなように、HOEによる違いは少なく同程度になっている。
FIG. 6 is a graph for the HOE 61, and FIG. 7 is a graph for the
As described above, since the diffraction efficiency of the HOE 61 and the diffraction efficiency of the
なお、これらの図の縦軸は光強度を示しており、表示面の虚像を目視している観察者が実際に感じる色のバランスは、その光強度に加えて図8に示すような比視感度を考慮する必要がある。この比視感度を考慮するとG色の明るさが相対的に上がるので、本実施形態の観察者が感じるR色、G色、B色のバランスは、よいことがわかる。
また、本設計例では、上記設計データから明らかなように、HOE61とHOE62との乳剤の厚さを変えることによって、それらに異なる回折効率を付与した。これによって、それぞれの回折効率を確実に制御できた。
Note that the vertical axis in these figures indicates the light intensity, and the color balance actually felt by the observer viewing the virtual image on the display surface is not limited to the light intensity but as shown in FIG. Sensitivity needs to be considered. Considering this specific visibility, the brightness of the G color is relatively increased, and it can be seen that the balance of the R, G, and B colors felt by the observer of the present embodiment is good.
Further, in this design example, as apparent from the above design data, different diffraction efficiencies were imparted by changing the emulsion thicknesses of HOE61 and HOE62. Thereby, each diffraction efficiency was able to be controlled reliably.
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態を説明する。
本実施形態は、シースルー型かつ頭部装着型の画像表示装置(アイグラスディスプレイ)の実施形態である。ここでは、第1実施形態との相違点のみ説明する。
相違点は、以下のとおりである。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described.
The present embodiment is an embodiment of a see-through and head-mounted image display device (eyeglass display). Here, only differences from the first embodiment will be described.
The differences are as follows.
図9に示すように、透明基板1内に形成されるHOEは、表示光束の入射順に、HOE63,64,65,66の4つである。なお、図9において、図2に示すものと同じ作用をする要素には同じ符号を付した。
4つのHOE63,64,65,66が回折反射するのは、全反射回数が偶数回の表示光束である。
As shown in FIG. 9, the four HOEs formed in the
The four
平面ミラー7と透明基板1の面1a,1bとの成す角度θAは、35°である。
HOE63,64,65,66と透明基板1の面1a,1bとの成す角度θBは、55°である。
HOE63,64,65,66は、入射角度範囲55°±α(α:視野角の半値)の表示光束を所定の回折効率で回折反射する。入射角度がそれ以外の角度である表示光束については、透過する。
An angle θA formed by the
An angle θB formed by the
The
このような本実施形態の画像表示装置も、第1実施形態の画像表示装置と同様の効果が得られる。
(第2実施形態のHOE63,64,65,66の設計例)
以下、本実施形態のHOE63,64,65,66の設計例を説明する。
なお、画像表示素子2としてカラー画像素子を想定し、光源3として第1実施形態と同じ特性のLEDを用いることを想定した。
Such an image display apparatus according to the present embodiment can achieve the same effects as the image display apparatus according to the first embodiment.
(Design example of
Hereinafter, design examples of the
A color image element is assumed as the
また、HOE63,64,64,66は、体積型かつ位相型の反射型ホログラム素子とし、その構造には、それぞれG色成分用、B色成分用、R色成分用の3層の構造を採用した。また、設計データを表現するための座標には、図9中円枠内に示すローカル座標系(x,y,z)を用いた。
HOE63の設計データは、
記録波長:532nm,476nm,647nm,
HOE材料:フォトポリマー,
乳剤の厚さ:6.4μm,
G色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.015,
B色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.013,
R色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.017,
記録後の収縮率:1.5%,
記録時の第1光源の座標(x,y,z):(0,−0.819152×1020,−0.573576×1020),
記録時の第2光源の座標(x,y,z):(0,0.819152×1020,−0.573576×1020)である。
The
The design data of HOE63 is
Recording wavelength: 532 nm, 476 nm, 647 nm,
HOE material: photopolymer,
Emulsion thickness: 6.4 μm,
Refractive index modulation degree of emulsion for G color component: 0.015
Refractive index modulation degree of emulsion for B color component: 0.013
Refractive index modulation degree of emulsion for R color component: 0.017,
Shrinkage after recording: 1.5%,
Coordinates (x, y, z) of the first light source at the time of recording: (0, −0.819152 × 10 20 , −0.573576 × 10 20 ),
The coordinates (x, y, z) of the second light source during recording are (0, 0.819152 × 10 20 , −0.573576 × 10 20 ).
このHOE63に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度55°で入射させると、回折効率は、R色成分、G色成分、B色成分とも約20%である。つまり、HOE63に入射した表示光束の約20%がHOE63にて観察眼の方向に回折反射され、残りの約80%がHOE64へ向かう。
HOE64の設計データは、
G色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.017,
B色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.015,
R色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.02,
それ以外は、HOE63と同じである。
When reproduction light having the same wavelength as the recording wavelength is incident on the
The design data of HOE64 is
Refractive index modulation degree of emulsion for G color component: 0.017,
Refractive index modulation degree of emulsion for B color component: 0.015
Refractive index modulation degree of emulsion for R color component: 0.02,
Other than that, it is the same as HOE63.
このHOE64に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度55°で入射させると、回折効率はR色成分、G色成分、B色成分とも約25%である。つまり、HOE63に入射した表示光束の約80×25%=約20%がHOE64にて観察眼の方向に回折反射され、約80×75%=約60%がHOE65へ向かう。
HOE65の設計データは、
G色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.02,
B色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.018,
R色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.025,
それ以外は、HOE63と同じである。
When reproduction light having the same wavelength as the recording wavelength is incident on the
The design data for HOE65 is
Refractive index modulation degree of emulsion for G color component: 0.02,
Refractive index modulation degree of emulsion for B color component: 0.018,
Refractive index modulation degree of emulsion for R color component: 0.025,
Other than that, it is the same as HOE63.
このHOE65に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度55°で入射させると、回折効率はR色成分、G色成分、B色成分とも約33%である。つまり、HOE63に入射した表示光束の約60×33%=約20%がHOE65にて観察眼の方向に回折反射され、約60×67%=約40%がHOE66へ向かう。
HOE66の設計データは、
G色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.03,
B色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.026,
R色成分用の乳剤の屈折率変調度:0.035,
それ以外は、HOE63と同じである。
When reproduction light having the same wavelength as the recording wavelength is incident on the
The design data of HOE66 is
Refractive index modulation degree of emulsion for G color component: 0.03
Refractive index modulation degree of emulsion for B color component: 0.026,
Refractive index modulation degree of emulsion for R color component: 0.035,
Other than that, it is the same as HOE63.
このHOE66に対し記録波長と同じ波長の再生光を入射角度55°で入射させると、回折効率はR色成分、G色成分、B色成分とも約50%である。つまり、HOE63に入射した表示光束の約40×50%=約20%がHOE66にて観察眼の方向に回折反射される。
ここで、本設計例の図9のY方向の視野角を20°とするとき、HOE63,64,65,66で回折反射される表示光束の入射角度範囲は、55°±10°になる。
When reproduction light having the same wavelength as the recording wavelength is incident on the
Here, when the viewing angle in the Y direction of FIG. 9 in this design example is 20 °, the incident angle range of the display light beam diffracted and reflected by the
以上説明したHOE63の回折効率の波長特性、HOE64の回折効率の波長特性、HOE65の回折効率の波長特性、HOE66の回折効率の波長特性は、それぞれ図10、図11、図12、図13のとおりである。図10、図11、図12、図13における表記方法は、図4、図5におけるそれと同じである。また、各図には、各HOEに入射する表示光束の強度の波長特性も重ね描きしてある。
The wavelength characteristics of the diffraction efficiency of the
但し、HOE64に入射する表示光束は、回折効率が20%であるHOE63を透過したものであるので、その透過率(80%)を考慮して、図11における表示光束の強度は、図10における表示光束の強度を0.8掛けした値にしてある。同様に、図12における表示光束の強度、図13における表示光束の強度も、そこへ至るまでに透過するHOEの透過率を考慮した値にしてある。
However, since the display light beam incident on the
そして、HOE63が回折反射した表示光束の強度は、図10に示した表示光束の強度とHOE63の回折効率との積で表され、HOE64が回折反射した表示光束の強度は、図11に示した表示光束の強度とHOE64の回折効率との積で表され、HOE65が回折反射した表示光束の強度は、図12に示した表示光束の強度とHOE65の回折効率との積で表され、HOE66が回折反射した表示光束の強度は、図13に示した表示光束の強度とHOE66の回折効率との積で表される。
The intensity of the display light beam diffracted and reflected by the
それら強度をそれぞれ計算し、全ての最大値を1として規格化したものが、図14、図15、図16、図17である。なお、図14、図15、図16、図17の表記方法は、図6、図7のそれと同じである。
上述したようにHOE63,64,65,66の回折効率がそれぞれ20%,25%,33%,50%に設定されたので、HOE63,64,65,66が回折反射した表示光束の強度は、図14、図15、図16、図17を比較すると明らかなように、HOEによる違いは少なく同程度になっている。
FIG. 14, FIG. 15, FIG. 16, and FIG. 17 are obtained by calculating these intensities and normalizing all the maximum values as 1. 14, 15, 16, and 17 are the same as those in FIGS. 6 and 7.
As described above, since the diffraction efficiencies of the
なお、これらの図の縦軸は光強度を示しており、表示面の虚像を目視している観察者が実際に感じる色のバランスは、その光強度に加えて図8に示したような比視感度を考慮する必要がある。この比視感度を考慮するとG色の明るさが相対的に上がるので、本実施形態の観察者が感じるR色、G色、B色のバランスは、よいことがわかる。
また、本設計例では、上記設計データから明らかなように、HOE63,64,65,66の乳剤の屈折率変調度を変えることによって、それらに異なる回折効率を付与した。これによって、それぞれの回折効率を確実に制御できた。
Note that the vertical axis in these figures indicates the light intensity, and the color balance actually felt by the observer viewing the virtual image on the display surface is the ratio shown in FIG. 8 in addition to the light intensity. It is necessary to consider visibility. Considering this specific visibility, the brightness of the G color is relatively increased, and it can be seen that the balance of the R, G, and B colors felt by the observer of the present embodiment is good.
In this design example, as apparent from the above design data, different diffraction efficiencies were imparted to the emulsions of
[その他]
なお、上述した各実施形態では、HOEの回折効率を制御するために、HOEの乳剤の厚み、屈折率変調度の一方のみを調整したが、双方を調整してもよい。
また、上述した各実施形態では、透明基板1内に設けられたHOEの数が2又は4であるが、それ以外の数にしてもよい。
[Others]
In each of the embodiments described above, in order to control the diffraction efficiency of the HOE, only one of the thickness of the HOE emulsion and the degree of refractive index modulation is adjusted, but both may be adjusted.
Moreover, in each embodiment mentioned above, although the number of HOE provided in the
また、上述した各実施形態では、透明基板1の内部において観察者の右方から左方へと進行する表示光束の光路が折線状になっている(内面反射を利用している)(図2、図9参照)が、直線状となった画像表示装置(内面反射を利用していない画像表示装置)にも本発明は適用可能である。但し、同じ厚さの透明基板1であっても光路を折線状にした方がより太い径の表示光束を導光できるので、折れ線状とした方が、透明基板1の薄化と視野角の確保との双方を実現できる点で好ましい。
Moreover, in each embodiment mentioned above, the optical path of the display light beam which advances from the observer's right side to the left side inside the
上述した実施形態は、シースルー型の画像表示装置(アイグラスディスプレイ)の実施形態であるが、本発明の光束拡大用の光学系は、非シースルー型の画像表示装置(ヘッドマウントディスプレイ)、ビーム拡大器、フラットパネル照明装置などに適用してもよい。 The above-described embodiment is an embodiment of a see-through type image display device (eyeglass display). However, the optical system for expanding a light beam according to the present invention is a non-see-through type image display device (head mounted display), beam expansion. The present invention may be applied to a fixture, a flat panel lighting device, or the like.
1 透明基板
1’ 表示ユニット
1” 装着機構
2 画像表示素子
5 レンズ
3 光源
4 照明系
7 平面ミラー
61,62,63,64,65,66 反射型ホログラム素子(HOE)
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記複数の部分透過反射面の少なくとも1つは、
前記入射光束を選択的に回折反射する反射型回折光学素子からなる
ことを特徴とする光束径拡大用の光学系。 Provided with a plurality of partially transmissive reflecting surfaces that are arranged obliquely in series and in parallel with each other with respect to the optical path of the incident light beam and that partially reflect the incident light beam and generate an emitted light beam having a diameter larger than that of the incident light beam An optical system for expanding the beam diameter,
At least one of the plurality of partially transmissive reflecting surfaces is
An optical system for expanding a light beam diameter, comprising a reflective diffractive optical element that selectively diffracts and reflects the incident light beam.
前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、
前記反射型回折光学素子からなり、
前記反射型回折光学素子それぞれの前記入射光束に対する回折効率の関係は、
それら反射型回折光学素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されている
ことを特徴とする光束径拡大用の光学系。 The optical system for expanding a light beam diameter according to claim 1,
Each of the plurality of partially transmissive reflecting surfaces is
The reflective diffractive optical element,
The relationship of the diffraction efficiency with respect to the incident light flux of each of the reflective diffractive optical elements is:
An optical system for expanding a light beam diameter, characterized in that the intensity of light diffracted and reflected by these reflective diffractive optical elements is equalized.
前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、
体積型の反射型ホログラム素子からなり、
前記反射型ホログラム素子それぞれの乳剤の厚さの関係は、
それら反射型ホログラム素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されている
ことを特徴とする光束径拡大用の光学系。 The optical system for expanding a light beam diameter according to claim 2, wherein each of the plurality of partially transmissive reflecting surfaces is:
It consists of a volume type reflection hologram element,
The relationship of the emulsion thickness of each of the reflection type hologram elements is as follows:
An optical system for expanding a light beam diameter, characterized in that the intensity of light diffracted and reflected by the reflection hologram elements is optimized.
前記複数の部分透過反射面のそれぞれは、
体積型かつ位相型の反射型ホログラム素子からなり、
前記反射型ホログラム素子それぞれの屈折率変調度の関係は、
それら反射型ホログラム素子が回折反射した光の強度が均等化されるよう最適化されている
ことを特徴とする光束径拡大用の光学系。 In the optical system for expanding the light beam diameter according to claim 2 or claim 3,
Each of the plurality of partially transmissive reflecting surfaces is
It consists of a volume type and phase type reflection hologram element,
The relationship between the refractive index modulation degrees of the reflection hologram elements is as follows:
An optical system for expanding a light beam diameter, characterized in that the intensity of light diffracted and reflected by the reflection hologram elements is optimized.
ことを特徴とするイメージコンバイナ。 The optical system for expanding the beam diameter according to any one of claims 1 to 4 is provided in a substrate transparent to visible light so that the plurality of reflective diffractive optical elements are inclined. An image combiner characterized by that.
請求項5に記載のイメージコンバイナと
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
An image display element;
An image display device comprising the image combiner according to claim 5.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20070904 |