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JP2010072151A - Video display apparatus and head mount display - Google Patents

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JP2010072151A JP2008237581A JP2008237581A JP2010072151A JP 2010072151 A JP2010072151 A JP 2010072151A JP 2008237581 A JP2008237581 A JP 2008237581A JP 2008237581 A JP2008237581 A JP 2008237581A JP 2010072151 A JP2010072151 A JP 2010072151A
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optical
optical system
light source
pupil
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Yasushi Tanijiri
靖 谷尻
Yoshie Shimizu
佳恵 清水
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Konica Minolta Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To uniformly illuminate an LCD 13 by suppressing occurrence of aberration while achieving size and weight reduction of apparatus, and to provide a wider angle of field for observation. <P>SOLUTION: Light from a light source 11 is guided to a transmission type LCD 13 via an illuminating optical system 12. Since the LCD 13 is a transmission type, the optical power of an observing optical system is increased by shortening the lens back of the observing optical system. This enables the wider angle of view for observation. Since an optical path from the light source 11 to the LCD 13 is bent by reflecting twice two reflection faces (illuminating mirrors 31 and 32) of the illuminating optical system 12, the illuminating optical system 12 is constituted compactly, and the apparatus is reduced in size and weight. While the incident angle of light-source light to the first reflecting face is decreased, optical power is imparted to the illuminating optical system 12, and occurrence of aberration is suppressed. The LCD 13 is uniformly illuminated thereby. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に提供する映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも称する)とに関するものである。   The present invention relates to an image display device that provides an observer with an image displayed on a display element as a virtual image, and a head mounted display (hereinafter also referred to as an HMD) including the image display device.

従来、表示素子(例えばLCD)に表示された映像の虚像を観察者に観察させる表示装置として、例えば特許文献1および2に開示されたものがある。特許文献1の表示装置(ビューファインダ)は、光源から出射された光を、ミラーおよびレンズからなる照明光学系を介してLCDに導き、LCDからの映像光を拡大レンズを介して観察者の瞳に導く構成としている。また、特許文献2の表示装置(観察光学系)は、光源からの光を照明プリズムにて2回反射させて反射型のLCDに導き、LCDからの映像光を観察光学系(接眼プリズム)を介して観察者の瞳に導く構成としている。   Conventionally, as display devices that allow an observer to observe a virtual image of an image displayed on a display element (for example, LCD), there are those disclosed in Patent Documents 1 and 2, for example. The display device (view finder) of Patent Document 1 guides light emitted from a light source to an LCD via an illumination optical system including a mirror and a lens, and transmits image light from the LCD to an observer's pupil via an magnifying lens. It is configured to lead to. Further, the display device (observation optical system) of Patent Document 2 reflects light from a light source twice by an illumination prism and guides it to a reflective LCD, and transmits image light from the LCD to the observation optical system (eyepiece prism). Through the observer's pupil.

特開平5−95499号公報JP-A-5-95499 特開2001−33729号公報JP 2001-33729 A

ところが、特許文献1のように、照明光学系での反射がミラーによる1回のみであると、LCDに入射する光の光路を長く確保しながらコンパクトに折りたたむことができず、装置の小型軽量化に支障が生じる。また、ミラーによる反射が1回のみでは、収差が発生してLCDの照明光に強度ムラが出やすいが、照明光学系のレンズは透過型の光学素子であるため、これに光学パワーを持たせても収差を良好に補正することが困難であり、LCDを均一に照明することができない。   However, as in Patent Document 1, if the reflection by the illumination optical system is only one time by the mirror, the optical path of the light incident on the LCD cannot be folded compactly while ensuring a long optical path. Cause trouble. In addition, when the reflection by the mirror is performed only once, aberrations are generated and unevenness in the intensity of the illumination light of the LCD is likely to occur. However, since the lens of the illumination optical system is a transmissive optical element, it has optical power. However, it is difficult to correct aberrations well, and the LCD cannot be illuminated uniformly.

また、特許文献2のように、反射型のLCDを用い、かつ、そのLCDと観察光学系との間に照明プリズムを配置する構成では、LCDは観察光学系に対して離れて配置されるため、観察光学系のレンズバックを大きく確保する必要がある。このため、観察光学系の光学パワーを大きくすることができず、光学瞳位置にて映像を観察する際の観察画角を広げることができなくなる。   Further, in a configuration in which a reflective LCD is used and an illumination prism is disposed between the LCD and the observation optical system as in Patent Document 2, the LCD is disposed away from the observation optical system. It is necessary to ensure a large lens back of the observation optical system. For this reason, the optical power of the observation optical system cannot be increased, and the observation field angle when observing the image at the optical pupil position cannot be widened.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、装置の小型軽量化を図りながら、収差の発生を抑えてLCDを均一に照明することができ、しかも、広い観察画角を実現することができる映像表示装置と、その映像表示装置を用いたヘッドマウントディスプレイとを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its object is to uniformly illuminate the LCD while suppressing the occurrence of aberrations while reducing the size and weight of the apparatus. Another object of the present invention is to provide a video display device capable of realizing a wide observation angle of view and a head-mounted display using the video display device.

本発明の映像表示装置は、光源と、入射光を変調して映像を表示する表示素子と、光源からの光を表示素子に導く照明光学系と、表示素子からの映像光を光学瞳に導く観察光学系とを備えた映像表示装置であって、上記表示素子は、透過型であり、上記照明光学系は、光源からの光を2回反射させて表示素子に導く2枚の反射面を有し、かつ、正の光学パワーを有していることを特徴としている。   An image display device according to the present invention includes a light source, a display element that modulates incident light to display an image, an illumination optical system that guides light from the light source to the display element, and guides image light from the display element to an optical pupil. An image display apparatus including an observation optical system, wherein the display element is a transmission type, and the illumination optical system includes two reflecting surfaces that reflect light from a light source twice and guide the display element to the display element. And having positive optical power.

上記の構成によれば、光源からの光は、照明光学系を介して表示素子に導かれる。そして、表示素子に入射した光はそこで変調されて映像光として出射され、観察光学系を介して光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置では、観察者は、表示素子に表示された映像の虚像を観察することができる。   According to said structure, the light from a light source is guide | induced to a display element via an illumination optical system. The light incident on the display element is modulated there and emitted as image light, and is guided to the optical pupil via the observation optical system. Therefore, at the position of the optical pupil, the observer can observe the virtual image of the image displayed on the display element.

ここで、表示素子は透過型であるので、観察光学系のレンズバックを短くして、観察光学系の近傍(表示素子からの映像光が入射する面の近傍)に表示素子を配置する構成を採用することができる。これにより、観察光学系の光学パワーを大きくすることができ、観察画角を広げることが可能となる。   Here, since the display element is a transmission type, the lens back of the observation optical system is shortened, and the display element is arranged near the observation optical system (near the surface on which the image light from the display element is incident). Can be adopted. Thereby, the optical power of the observation optical system can be increased, and the observation angle of view can be widened.

また、光源からの光は照明光学系の2枚の反射面での2回反射によって表示素子に導かれる。これにより、光源から表示素子に至る光路を長く確保しながら上記光路をコンパクトに折りたたむことができ、照明光学系をコンパクトに構成して装置を小型軽量にすることができる。さらに、照明光学系の反射面が1枚の場合に比べて、光源光の1枚目の反射面への入射角を小さくしつつ、照明光学系に光学パワーを持たせることが可能となる。その結果、収差の発生を抑え、表示素子を均一に照明することが可能となる。   The light from the light source is guided to the display element by being reflected twice by the two reflecting surfaces of the illumination optical system. Thus, the optical path from the light source to the display element can be secured long, and the optical path can be folded in a compact manner, and the illumination optical system can be made compact to reduce the size and weight of the apparatus. Furthermore, it is possible to give the illumination optical system optical power while reducing the incident angle of the light source light to the first reflection surface as compared with the case where the illumination optical system has one reflection surface. As a result, the occurrence of aberration can be suppressed and the display element can be illuminated uniformly.

また、照明光学系は全体として正の光学パワーを有しているので、光源からの光を集光して表示素子を照明することができ、明るい映像を観察者に観察させることが可能となる。   Moreover, since the illumination optical system has a positive optical power as a whole, it can illuminate the display element by collecting the light from the light source, and allows the observer to observe a bright image. .

本発明の映像表示装置において、上記照明光学系の2枚の反射面は、光源から1枚目の反射面に向かう光の光路と、1枚目および2枚目の反射面にて順次反射され、2枚目の反射面から表示素子に向かう光の光路とが交叉するようにそれぞれ配置されていることが望ましい。   In the video display device of the present invention, the two reflecting surfaces of the illumination optical system are sequentially reflected by the light path from the light source toward the first reflecting surface and the first and second reflecting surfaces. It is desirable that the second light-reflecting surface and the optical path of light traveling toward the display element intersect with each other.

この場合、照明光学系を確実にコンパクトに構成することができる。また、光源光の1枚目の反射面への入射角を確実に小さくしつつ、照明光学系に光学パワーを持たせることができ、収差の発生を抑え、表示素子を均一に照明できる効果を確実に得ることができる。   In this case, the illumination optical system can be reliably configured compactly. In addition, the illumination optical system can be provided with optical power while reliably reducing the incident angle of the light source light on the first reflecting surface, suppressing the occurrence of aberrations and uniformly illuminating the display element. You can definitely get it.

本発明の映像表示装置において、上記照明光学系は、中空であることが望ましい。この場合、照明光学系が例えばプリズムを有する構成に比べて軽量となる。また、プリズムで生じるような内面反射がないので、不要光が発生せず、フレアも生じない。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the illumination optical system is hollow. In this case, the illumination optical system is lighter than a configuration having a prism, for example. Further, since there is no internal reflection as occurs in the prism, unnecessary light is not generated and flare does not occur.

本発明の映像表示装置において、上記照明光学系の正の光学パワーは、反射によって発生する構成であってもよい。反射では色収差が発生しないので、照明光学系に大きな正の光学パワーを持たせて良好な光学性能を得ることが可能となる(明るく均一に表示素子を照明することが可能となる)。   In the video display device of the present invention, the positive optical power of the illumination optical system may be generated by reflection. Since chromatic aberration does not occur in reflection, it is possible to obtain a good optical performance by giving a large positive optical power to the illumination optical system (a display element can be illuminated brightly and uniformly).

本発明の映像表示装置において、上記観察光学系によって形成される光学瞳は、互いに直交する2方向のうち、一方向よりも他方向のほうが小さく形成され、上記照明光学系は、入射光を2回反射して上記他方向に集光する構成であってもよい。   In the image display device of the present invention, the optical pupil formed by the observation optical system is formed smaller in one direction than the other in two directions orthogonal to each other. A configuration in which the light is reflected once and condensed in the other direction may be used.

この構成では、光学瞳は、一方向よりも他方向のほうが小さく形成され、光学瞳に入射する光束(幅)は、上記一方向よりも上記他方向で小さい。照明光学系は、入射光を2回反射して上記他方向、すなわち、光束(幅)の小さい方向に集光するので、さらに装置をコンパクトに構成して明るい映像を観察者に観察させることができる。   In this configuration, the optical pupil is formed smaller in the other direction than in one direction, and the light flux (width) incident on the optical pupil is smaller in the other direction than in the one direction. Since the illumination optical system reflects incident light twice and condenses it in the other direction, that is, in the direction with a small luminous flux (width), it is possible to make the apparatus more compact and allow a viewer to observe a bright image. it can.

本発明の映像表示装置において、上記光源と上記光学瞳とは、上記他方向で共役に配置されており、該映像表示装置は、上記光源からの光を上記一方向に拡散させる一方向拡散板をさらに有している構成であってもよい。   In the video display device of the present invention, the light source and the optical pupil are arranged in a conjugate manner in the other direction, and the video display device diffuses light from the light source in the one direction. The structure which has further may be sufficient.

光源と光学瞳とは、光学瞳がより小さい他方向で共役に配置されているので、上記他方向で光源からの光利用効率が高く、明るい映像を観察者に観察させることができる。しかも、光源からの光は、一方向拡散板によって一方向に拡散されるので、光学瞳が大きい一方向において観察者は映像を観察し易くなる。   Since the light source and the optical pupil are arranged in a conjugate manner in the other direction in which the optical pupil is smaller, the light use efficiency from the light source is high in the other direction, and a bright image can be observed by the observer. In addition, since the light from the light source is diffused in one direction by the one-way diffusion plate, the observer can easily observe the image in one direction where the optical pupil is large.

本発明の映像表示装置において、上記光源は、赤、緑、青の各色の光を出射する発光ダイオードを一対備えており、表示素子の表示領域の中心と光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、上記一対の各発光ダイオードは、上記一方向拡散板の拡散方向に並べて配置され、かつ、上記観察光学系の光軸を含む面に対して対称に配置されている構成であってもよい。   In the video display device of the present invention, the light source includes a pair of light emitting diodes that emit light of each color of red, green, and blue, and optically connects the center of the display area of the display element and the center of the optical pupil. When the axis is an optical axis, the pair of light emitting diodes are arranged side by side in the diffusion direction of the unidirectional diffusion plate, and are arranged symmetrically with respect to the plane including the optical axis of the observation optical system. It may be.

RGBの各LEDは、一方向拡散板の拡散方向(光学瞳の上記一方向)に並べて配置されるので、光学瞳の大きい上記一方向に各色を混ぜて色ムラが観察されるのを抑えることができる。また、RGBの一対のLEDは、観察光学系の光軸を含む面に対して対称に配置されるので、各色の光強度の重心が上記対称面上で一致する。これにより、光学瞳の中心で色ムラの少ない映像を、収差の少ない高画質な映像として観察者に提供することができる。   Since each RGB LED is arranged side by side in the diffusing direction of the unidirectional diffuser plate (the one direction of the optical pupil), it is possible to prevent color unevenness from being observed by mixing the colors in the one direction where the optical pupil is large. Can do. The pair of RGB LEDs are arranged symmetrically with respect to the plane including the optical axis of the observation optical system, so that the centers of gravity of the light intensities of the respective colors coincide on the symmetry plane. Thereby, an image with little color unevenness at the center of the optical pupil can be provided to the observer as a high-quality image with little aberration.

本発明の映像表示装置において、上記照明光学系は、上記光源からの光を表面の凹凸によって拡散させる拡散板を有しており、上記拡散板は、上記光源側から1枚目の反射面と2枚目の反射面との間の光路中に配置されており、上記光源側から2枚目の反射面が、正の光学パワーを有している構成であってもよい。   In the video display device of the present invention, the illumination optical system includes a diffusion plate that diffuses light from the light source by unevenness on the surface, and the diffusion plate includes a first reflection surface from the light source side. It may be arranged in the optical path between the second reflection surface, and the second reflection surface from the light source side may have a positive optical power.

拡散板が1枚目の反射面と2枚目の反射面との間の光路中に配置されることにより、光源および表示素子の双方から遠い位置に拡散板が配置されることになる。光源から遠い位置に拡散板が配置されることにより、輝度ムラを低減した均一な光で表示素子を照明することができる。また、光源が例えばRGBの各色光を出射するLEDで構成されている場合には、拡散板での混色が良好となり、色ムラを低減することが可能となる。一方、表示素子から遠い位置に拡散板が配置され、2枚目の反射面に光学パワーを持たせていることにより、拡散板の凹凸によって発生する虚像が映像の虚像と同時に観察されにくくなり、高画質な映像を観察させることが可能となる。   By disposing the diffusion plate in the optical path between the first reflection surface and the second reflection surface, the diffusion plate is disposed at a position far from both the light source and the display element. By disposing the diffusion plate at a position far from the light source, the display element can be illuminated with uniform light with reduced luminance unevenness. In addition, when the light source is composed of, for example, LEDs that emit light of each color of RGB, color mixing at the diffusion plate is good, and color unevenness can be reduced. On the other hand, the diffusion plate is arranged at a position far from the display element, and the second reflecting surface has optical power, so that a virtual image generated by the unevenness of the diffusion plate is difficult to be observed simultaneously with the virtual image of the image, It is possible to observe high-quality images.

本発明の映像表示装置において、上記観察光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を含んでおり、表示素子の表示領域の中心と光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、上記ホログラム光学素子は、表示素子から斜めに入射する映像光を回折反射させて光学瞳に導き、上記ホログラム光学素子の光軸入射面は、光学瞳の上記他方向と平行である構成であってもよい。   In the video display device of the present invention, the observation optical system includes a volume phase type reflection hologram optical element, and an optical axis is an axis that optically connects the center of the display area of the display element and the center of the optical pupil. Then, the hologram optical element diffracts and reflects image light incident obliquely from the display element and guides it to the optical pupil, and the optical axis incident surface of the hologram optical element is parallel to the other direction of the optical pupil. It may be.

ホログラム光学素子の光軸入射面とは、ホログラム光学素子に対する入射光の光軸と出射光の光軸とを含む面を指す。光軸入射面に平行な方向ではホログラム光学素子の波長選択性が大きく(入射角のずれによる回折波長のずれが大きく)、色ムラが出やすい。しかし、光軸入射面を光学瞳が小さい他方向(光束幅が小さい方向)と平行にすることにより、その方向での回折波長の変化の範囲を狭くすることができ、その方向での色ムラを低減することができる。   The optical axis incident surface of the hologram optical element refers to a plane including the optical axis of incident light and the optical axis of outgoing light with respect to the hologram optical element. In the direction parallel to the optical axis incident surface, the wavelength selectivity of the hologram optical element is large (the diffraction wavelength shift due to the incident angle shift is large), and color unevenness is likely to occur. However, by making the optical axis incident surface parallel to the other direction in which the optical pupil is small (the direction in which the light flux width is small), the range of change of the diffraction wavelength in that direction can be narrowed, and color unevenness in that direction Can be reduced.

本発明の映像表示装置において、上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光と外界からの光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナであってもよい。   In the video display device of the present invention, the hologram optical element may be a combiner that simultaneously guides the video light from the display element and the light from the outside to the observer's pupil.

この場合、観察者は、ホログラム光学素子を介して、表示素子の表示映像と外界像とを同時に観察することができる。また、体積位相型の反射型ホログラム光学素子は、回折効率の半値波長幅が狭いので、外光の透過率が高く、明るい外界像を観察できるとともに、その外界に重ねても、明るく、色純度が高く、視認性の高い映像を観察することができる。   In this case, the observer can observe the display image of the display element and the external image simultaneously through the hologram optical element. In addition, the volume phase type reflection type hologram optical element has a narrow half-value wavelength width of diffraction efficiency, so it has a high external light transmittance and a bright external image can be observed. The image can be observed with high visibility.

本発明の映像表示装置において、上記光源は、発光ダイオードで構成されており、ホログラム光学素子の回折効率のピーク波長と、発光ダイオードの強度ピーク波長とが略一致していることが望ましい。この場合、LEDからの光をホログラム光学素子にて効率よく回折させることができ、さらに明るく、外界像に重ねても見やすい映像を観察者に観察させることができる。   In the video display device of the present invention, the light source is composed of a light emitting diode, and it is desirable that the peak wavelength of diffraction efficiency of the hologram optical element and the intensity peak wavelength of the light emitting diode substantially coincide. In this case, the light from the LED can be efficiently diffracted by the hologram optical element, and the observer can observe a brighter image that is easy to see even when superimposed on the external image.

本発明の映像表示装置において、上記観察光学系は、表示素子からの映像光を内部で全反射させて観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導く第1の透明基板を有している構成であってもよい。   In the video display device of the present invention, the observation optical system first reflects the video light from the display element to the observer's pupil while transmitting the external light to the observer's pupil. The structure which has a transparent substrate may be sufficient.

このような第1の透明基板を用いることにより、表示素子の表示映像を観察可能としながらも、外光の透過率が高くなるので、明るい外界像を広い視認範囲で観察することができる。また、第1の透明基板を薄くして、装置を小型軽量にすることもできる。   By using such a first transparent substrate, the display image of the display element can be observed, but the transmittance of external light is increased, so that a bright external image can be observed in a wide viewing range. In addition, the first transparent substrate can be thinned to reduce the size and weight of the device.

本発明の映像表示装置において、上記観察光学系は、第1の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第2の透明基板を有していることが望ましい。この場合、観察者が観察光学系を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。また、観察光学系を介して明るい外界像をさらに広い視認範囲で観察することが可能となる。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the observation optical system has a second transparent substrate for canceling refraction of external light on the first transparent substrate. In this case, distortion can be prevented from occurring in the external image observed by the observer through the observation optical system. In addition, a bright external image can be observed in a wider viewing range via the observation optical system.

本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。この構成では、映像表示装置が支持手段にて支持されるので、観察者は映像表示装置から提供される映像をハンズフリーで観察することができる。また、映像表示装置は小型軽量であるので、観察者はHMDを快適に装着することができ、さらに、HMDを常時装着状態としても負担なく外界像をシースルーで観察することが可能となる。   The head-mounted display of the present invention includes the above-described video display device of the present invention and support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes. In this configuration, since the video display device is supported by the support means, the observer can observe the video provided from the video display device in a hands-free manner. In addition, since the video display device is small and light, the observer can comfortably wear the HMD, and further, it is possible to observe the outside image with see-through without burden even when the HMD is always worn.

本発明によれば、透過型の表示素子を用いているので、観察光学系のレンズバックを短くしてその光学パワーを大きくすることができ、観察画角を広げることが可能となる。また、照明光学系は2枚の反射面によって光源から表示素子に至る光路を折り曲げるので、照明光学系をコンパクトに構成して装置を小型軽量にすることができるとともに、収差の発生を抑えて表示素子を均一に照明することができる。さらに、照明光学系は全体として正の光学パワーを有しているので、光源からの光を集光して表示素子を照明することができ、明るい映像を観察者に観察させることができる。   According to the present invention, since the transmissive display element is used, the lens back of the observation optical system can be shortened to increase its optical power, and the observation angle of view can be widened. In addition, since the illumination optical system bends the optical path from the light source to the display element by means of two reflecting surfaces, the illumination optical system can be made compact to reduce the size and weight of the device and suppress the occurrence of aberrations. The element can be illuminated uniformly. Furthermore, since the illumination optical system has a positive optical power as a whole, the light from the light source can be condensed to illuminate the display element, and a bright image can be observed by the observer.

〔実施の形態1〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(1.HMDの構成)
図2(a)は、本実施形態に係るHMDの概略の構成を示す平面図であり、図2(b)は、HMDの側面図であり、図2(c)は、HMDの正面図である。HMDは、2個の映像表示装置1・1と、それらを支持する支持手段2とを有しており、全体として、一般の眼鏡のような外観となっている。
(1. Configuration of HMD)
2A is a plan view showing a schematic configuration of the HMD according to the present embodiment, FIG. 2B is a side view of the HMD, and FIG. 2C is a front view of the HMD. is there. The HMD has two video display devices 1 and 1 and support means 2 for supporting them, and as a whole has an appearance like general glasses.

映像表示装置1・1は、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示してそれを観察者に虚像として提供するものであり、観察者の右眼および左眼に対応して設けられている。映像表示装置1・1において、眼鏡の右眼用レンズおよび左眼用レンズに相当する部分は、それぞれ後述する接眼プリズム21および偏向プリズム22(ともに図3参照)の貼り合わせによって構成されている。なお、映像表示装置1・1の詳細な構成については後述する。   The video display devices 1 and 1 allow an observer to observe an external image in a see-through manner, display an image, and provide the image as a virtual image to the observer, corresponding to the right and left eyes of the observer. Is provided. In the video display devices 1 and 1, portions corresponding to the right eye lens and the left eye lens of the glasses are configured by bonding an eyepiece prism 21 and a deflection prism 22 (both see FIG. 3), which will be described later. The detailed configuration of the video display devices 1 and 1 will be described later.

支持手段2は、映像表示装置1・1を観察者の右眼および左眼の前でそれぞれ支持するものであり、ブリッジ3と、フレーム4と、テンプル5と、鼻当て6と、ケーブル7と、半透明板8とを有している。鼻当て6および半透明板8は、ブリッジ3に支持されている。フレーム4、テンプル5および鼻当て6は、左右一対設けられており、それぞれ、右フレーム4R、左フレーム4L、右テンプル5R、左テンプル5L、右鼻当て6R、左鼻当て6Lで構成されている。   The support means 2 supports the video display devices 1 and 1 in front of the right and left eyes of the observer, and includes a bridge 3, a frame 4, a temple 5, a nose pad 6, a cable 7, and the like. And a translucent plate 8. The nose pad 6 and the translucent plate 8 are supported by the bridge 3. The frame 4, the temple 5 and the nose pad 6 are provided as a pair on the left and right sides, and are respectively composed of a right frame 4R, a left frame 4L, a right temple 5R, a left temple 5L, a right nose pad 6R, and a left nose pad 6L. .

ブリッジ3は、左右の映像表示装置1・1を連結している。右テンプル5Rは、右フレーム4Rに回動可能に支持されており、この右フレーム4Rを介して右眼用の映像表示装置1と(ブリッジ3との連結側とは反対側で)連結されている。同様に、左テンプル5Lは、左フレーム4Lに回動可能に支持されており、この左フレーム4Lを介して左眼用の映像表示装置1と(ブリッジ3との連結側とは反対側で)連結されている。   The bridge 3 connects the left and right video display devices 1. The right temple 5R is rotatably supported by the right frame 4R, and is connected to the video display device 1 for the right eye (on the side opposite to the connection side to the bridge 3) via the right frame 4R. Yes. Similarly, the left temple 5L is rotatably supported by the left frame 4L, and the left-eye image display device 1 is connected to the left frame 4L (on the side opposite to the connection side to the bridge 3). It is connected.

ケーブル7は、外部信号(例えば映像信号、制御信号)や電力を映像表示装置1・1に並列に供給するための配線であり、右テンプル5R、右フレーム4Rおよびブリッジ3に沿って設けられている。半透明板8は、外光(外界像の光)の透過率を制御する外光透過率制御手段であり、映像表示装置1・1よりも前方(観察者とは反対側)に位置している。なお、半透明板8は、必要に応じて設けられればよい。   The cable 7 is a wiring for supplying an external signal (for example, a video signal, a control signal) and power to the video display devices 1 and 1 in parallel, and is provided along the right temple 5R, the right frame 4R, and the bridge 3. Yes. The translucent plate 8 is an external light transmittance control means for controlling the transmittance of external light (light of an external image), and is located in front of the image display devices 1 and 1 (on the side opposite to the observer). Yes. The translucent plate 8 may be provided as necessary.

観察者がHMDを使用するときは、右テンプル5Rおよび左テンプル5Lを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て6を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにHMDを観察者の頭部に装着する。この状態で、映像表示装置1・1にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置1・1の各表示映像を虚像として右眼および左眼でそれぞれ観察できるとともに、この映像表示装置1・1を介して外界像をシースルーで観察することができる。   When the observer uses the HMD, the right temple 5R and the left temple 5L are brought into contact with the right and left heads of the observer, and the nose pad 6 is put on the nose of the observer so as to wear general glasses. The HMD is attached to the observer's head. In this state, when the video is displayed on the video display devices 1 and 1, the observer can observe each display video on the video display devices 1 and 1 as a virtual image with the right eye and the left eye, respectively. -An external image can be observed through 1 through see-through.

このとき、半透明板8において、外光透過率を例えば50%以下に低く設定しておけば、観察者は映像表示装置1・1の表示映像を観察しやすくなり、逆に、外光透過率を例えば50%以上に高く設定しておけば、観察者は、外界像を観察しやすくなる。したがって、半透明板8の外光透過率は、映像表示装置1・1の表示映像および外界像の観察のしやすさやバランスを考慮して適宜設定されればよい。   At this time, if the external light transmittance is set to be low, for example, 50% or less in the semi-transparent plate 8, it becomes easier for the observer to observe the display image of the video display device 1, 1, and conversely, the external light transmission. If the rate is set as high as, for example, 50% or more, the observer can easily observe the external image. Therefore, the external light transmittance of the translucent plate 8 may be set as appropriate in consideration of ease of observation and balance of the display image and the external image of the image display device 1.

なお、本実施形態では、HMDは、2個の映像表示装置1・1を有しているが、1個の映像表示装置1のみを有する構成としてもよい。この場合は、映像表示装置1を観察者の右眼または左眼の前に配置して表示映像を片眼視することになる。   In the present embodiment, the HMD includes the two video display devices 1. 1. However, the HMD may include only one video display device 1. In this case, the video display device 1 is arranged in front of the right or left eye of the observer so that the display video is viewed with one eye.

(2.映像表示装置の構成)
次に、映像表示装置1・1の詳細な構成について説明する。なお、左右の映像表示装置1・1の構成は同じであるので、以下では、1個の映像表示装置1の構成について説明する。
(2. Configuration of video display device)
Next, a detailed configuration of the video display device 1 • 1 will be described. Since the left and right video display apparatuses 1 and 1 have the same configuration, the configuration of one video display apparatus 1 will be described below.

図3は、映像表示装置1の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置1は、光源11と、照明光学系12と、LCD13と、観察光学系14とを有している。   FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the video display device 1. The video display device 1 includes a light source 11, an illumination optical system 12, an LCD 13, and an observation optical system 14.

ここで、以下での説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、LCD13の表示領域(画面)の中心と、観察光学系14によって形成される光学瞳Eの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、光源11から光学瞳Eまでの光路を展開したときの光軸方向をZ方向とする。また、観察光学系14の後述するホログラム光学素子23の光軸入射面に垂直な方向をX方向とし、ZX平面に垂直な方向をY方向とする。なお、ホログラム光学素子23の光軸入射面とは、ホログラム光学素子23における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、YZ平面を指す。また、本実施形態の観察光学系14は、上記光軸を含む面に対して対称に形成されており、上記したホログラム光学素子23の光軸入射面は、観察光学系14の対称面ともなっている。   Here, for convenience of explanation below, directions are defined as follows. First, an axis that optically connects the center of the display area (screen) of the LCD 13 and the center of the optical pupil E formed by the observation optical system 14 is an optical axis. The optical axis direction when the optical path from the light source 11 to the optical pupil E is developed is taken as the Z direction. In addition, a direction perpendicular to an optical axis incident surface of a hologram optical element 23 (to be described later) of the observation optical system 14 is defined as an X direction, and a direction perpendicular to the ZX plane is defined as a Y direction. The optical axis incident surface of the hologram optical element 23 refers to a plane including the optical axis of incident light and the optical axis of reflected light in the hologram optical element 23, that is, the YZ plane. In addition, the observation optical system 14 of the present embodiment is formed symmetrically with respect to the plane including the optical axis, and the optical axis incident surface of the hologram optical element 23 is also a symmetrical plane of the observation optical system 14. Yes.

また、図3で示したX、Y、Zの各方向は、LCD13の表示面付近での方向を大まかに示しており、他の図面でも同様に図示するものとする。また、X、Y、Zの各方向において、正負は問わないものとする。   Further, the X, Y, and Z directions shown in FIG. 3 roughly indicate directions in the vicinity of the display surface of the LCD 13, and are similarly illustrated in other drawings. In addition, in each of the X, Y, and Z directions, it does not matter whether it is positive or negative.

光源11は、波長の異なる複数の光を出射する複数の発光ダイオード(LED)で構成されている。より具体的には、光源11は、3原色に対応する光、すなわち、R(赤)、G(緑)、B(青)の各色に対応する光を出射する。照明光学系12は、光源11から出射される光をLCD13に導く光学系である。   The light source 11 includes a plurality of light emitting diodes (LEDs) that emit a plurality of lights having different wavelengths. More specifically, the light source 11 emits light corresponding to the three primary colors, that is, light corresponding to each color of R (red), G (green), and B (blue). The illumination optical system 12 is an optical system that guides the light emitted from the light source 11 to the LCD 13.

LCD13は、複数の画素をマトリクス状に有し、光源11から照明光学系12を介して入射する光を画像データに応じて各画素ごとに変調し、映像を表示する透過型の表示素子であり、本実施形態では各画素に対応してRGBのカラーフィルタ(波長制限フィルタ)を有している。   The LCD 13 is a transmissive display element that has a plurality of pixels in a matrix, modulates light incident from the light source 11 via the illumination optical system 12 for each pixel according to image data, and displays an image. In this embodiment, an RGB color filter (wavelength limiting filter) is provided for each pixel.

観察光学系14は、LCD13から出射される映像光を光学瞳Eに導く接眼光学系であり、軸非対称(回転非対称、非軸対称)な正の光学パワーを有している。この観察光学系14は、接眼プリズム21と、偏向プリズム22と、ホログラム光学素子23とを有して構成されている。   The observation optical system 14 is an eyepiece optical system that guides the image light emitted from the LCD 13 to the optical pupil E, and has positive optical power that is axially asymmetric (rotationally asymmetric, non-axisymmetric). The observation optical system 14 includes an eyepiece prism 21, a deflection prism 22, and a hologram optical element 23.

接眼プリズム21は、入射光すなわちLCD13からの映像光を内部で全反射させてホログラム光学素子23の方向に進行させ、ホログラム光学素子23を介して観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導く第1の透明基板であり、偏向プリズム22とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム21は、平行平板の下端部を薄くして楔状にし、その上端部を厚くした形状で構成されている。また、接眼プリズム21は、その下端部に配置されるホログラム光学素子23を挟むように偏向プリズム22と接着剤で接合されている。   The eyepiece prism 21 totally reflects the incident light, that is, the image light from the LCD 13, travels in the direction of the hologram optical element 23, guides it to the observer's pupil through the hologram optical element 23, and transmits external light. The first transparent substrate that leads to the observer's pupil is made of, for example, an acrylic resin together with the deflecting prism 22. The eyepiece prism 21 is formed in a shape in which the lower end portion of the parallel plate is thinned into a wedge shape and the upper end portion is thickened. Further, the eyepiece prism 21 is bonded to the deflection prism 22 with an adhesive so as to sandwich the hologram optical element 23 disposed at the lower end portion thereof.

偏向プリズム22は、平面視で略U字型の平行平板で構成されており、接眼プリズム21の下端部および両側面部(左右の各端面)と貼り合わされたときに、接眼プリズム21と一体となって略平行平板となる第2の透明基板である。この偏向プリズム22を接眼プリズム21に接合することにより、観察者が観察光学系14を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。   The deflection prism 22 is configured by a substantially U-shaped parallel plate in plan view, and is integrated with the eyepiece prism 21 when bonded to the lower end portion and both side surface portions (left and right end surfaces) of the eyepiece prism 21. This is a second transparent substrate that is a substantially parallel plate. By joining the deflecting prism 22 to the eyepiece prism 21, it is possible to prevent distortion of the external image observed by the observer through the observation optical system 14.

つまり、例えば、接眼プリズム21に偏向プリズム22を接合させない場合、外界像の光は接眼プリズム21の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム21を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム21に偏向プリズム22を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外界像の光が接眼プリズム21の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム22でキャンセルすることができる。その結果、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。   That is, for example, when the deflection prism 22 is not joined to the eyepiece prism 21, the light of the external field image is refracted when passing through the wedge-shaped lower end of the eyepiece prism 21, so that the external field image observed through the eyepiece prism 21 Distortion occurs. However, the deflecting prism 22 is joined to the eyepiece prism 21 to form an integral substantially parallel plate, so that the refraction when the light of the external image is transmitted through the wedge-shaped lower end of the eyepiece prism 21 is canceled by the deflecting prism 22. can do. As a result, it is possible to prevent distortion in the external image observed through the see-through.

ホログラム光学素子23は、LCD13から斜めに入射する映像光(3原色に対応した波長の光)を回折反射させて光学瞳Eに導く体積位相型の反射型ホログラムである。ホログラム光学素子23は、光学的に軸非対称な正の光学パワーを持ち、非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。   The hologram optical element 23 is a volume phase type reflection hologram that diffracts and reflects image light (light having a wavelength corresponding to three primary colors) incident obliquely from the LCD 13 and guides it to the optical pupil E. The hologram optical element 23 has positive optical power that is optically axisymmetric and has the same function as an aspherical concave mirror. Thereby, the degree of freedom of arrangement of each optical member constituting the apparatus can be increased, and the apparatus can be easily reduced in size, and an image with good aberration correction can be provided to the observer.

次に、映像表示装置1の動作について説明する。
光源11から出射されるRGBの各色光は、照明光学系12を介してLCD13に入射し、そこで画像データに応じて各画素ごとに変調され、映像光として出射される。この映像光は、観察光学系14の接眼プリズム21に面21aを介して内部に入射する。入射した映像光は、接眼プリズム21の対向する2つの平面(面21b・21c)で複数回全反射され、接眼プリズム21の下端に配置されたホログラム光学素子23まで導かれ、そこで反射されて光学瞳Eに導かれる。したがって、光学瞳Eの位置では、観察者は、LCD13に表示されたカラー映像の拡大虚像を観察することができる。
Next, the operation of the video display device 1 will be described.
Each color light of RGB emitted from the light source 11 enters the LCD 13 through the illumination optical system 12, where it is modulated for each pixel in accordance with the image data and emitted as video light. This image light enters the eyepiece prism 21 of the observation optical system 14 through the surface 21a. The incident video light is totally reflected a plurality of times by two opposing planes (surfaces 21b and 21c) of the eyepiece prism 21, and is guided to the hologram optical element 23 disposed at the lower end of the eyepiece prism 21, where it is reflected and optically received. Guided to pupil E. Therefore, at the position of the optical pupil E, the observer can observe the enlarged virtual image of the color image displayed on the LCD 13.

一方、接眼プリズム21、偏向プリズム22およびホログラム光学素子23は、外界からの光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像をシースルーで観察することができる。LCD13に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。   On the other hand, the eyepiece prism 21, the deflecting prism 22, and the hologram optical element 23 transmit almost all the light from the outside, so that the observer can observe the outside world image with see-through. The virtual image of the image displayed on the LCD 13 is observed while being overlapped with a part of the external image.

このように、本実施形態の映像表示装置1では、観察光学系14のホログラム光学素子23は、LCDからの映像光と外光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナとして用いられているので、観察者は、ホログラム光学素子23を介して、LCDから提供される映像と外界像とを同時に観察することができる。   Thus, in the video display device 1 of the present embodiment, the hologram optical element 23 of the observation optical system 14 is used as a combiner that guides the image light from the LCD and the external light simultaneously to the observer's pupil. The observer can simultaneously observe the image provided from the LCD and the external image via the hologram optical element 23.

また、映像光を接眼プリズム21内で反射して眼に導く構成としたので、通常の眼鏡レンズと同程度に接眼プリズム21を薄く(例えば3mm程度に)構成することができ、小型軽量となる。また、接眼プリズム21内での反射を全反射としたので、観察者は接眼プリズム21の面21b・21cを通して、外光の透過率を落とすことなく外界像を観察することができる。   In addition, since the image light is reflected in the eyepiece prism 21 and guided to the eye, the eyepiece prism 21 can be made thin (for example, about 3 mm) as much as a normal spectacle lens, and it is small and light. . Further, since the reflection in the eyepiece prism 21 is total reflection, the observer can observe the external image through the surfaces 21b and 21c of the eyepiece prism 21 without reducing the transmittance of outside light.

また、偏向プリズム22は、接眼プリズム21の楔部分での外光の屈折をキャンセルするので、観察者は接眼プリズム21、偏向プリズム22およびホログラム光学素子23を通して、外界光を歪むことなく観察することができる。   Further, since the deflection prism 22 cancels the refraction of external light at the wedge portion of the eyepiece prism 21, the observer observes the external light through the eyepiece prism 21, the deflection prism 22 and the hologram optical element 23 without distortion. Can do.

また、用いるLCD13は透過型であるので、観察光学系14のレンズバックを短くして、観察光学系14の近傍、すなわち、LCD13からの映像光が入射する面21aの近傍にLCD13を配置することができる。これにより、観察光学系14の光学パワーを大きくすることができ、観察画角を広げることが可能となる。   Since the LCD 13 to be used is a transmission type, the lens back of the observation optical system 14 is shortened, and the LCD 13 is disposed in the vicinity of the observation optical system 14, that is, in the vicinity of the surface 21a on which the image light from the LCD 13 is incident. Can do. Thereby, the optical power of the observation optical system 14 can be increased, and the observation angle of view can be widened.

なお、本実施形態では、接眼プリズム21および偏向プリズム22において、互いに対向し、外光が透過する2面が平行な平面となっているが、これらの2面に曲率を持たせて観察光学系14に矯正眼鏡レンズとしての機能を持たせることも可能である。   In the present embodiment, in the eyepiece prism 21 and the deflecting prism 22, the two surfaces that face each other and transmit external light are parallel planes. 14 can also have a function as a correction spectacle lens.

(3.光源およびホログラム光学素子の特性について)
次に、上記した光源11およびホログラム光学素子23の特性について説明する。
図4は、映像表示装置1における光路を展開して示す説明図である。同図に示すように、光源11は、光源群11P・11Qで構成されている。光源群11P・11Qは、それぞれ、RGBの各色に対応する光を出射する発光部11R1・11G1・11B1および発光部11R2・11G2・11B2を有するRGB一体型のLED(日亜化学製)で構成されている。発光部11R1・11G1・11B1および発光部11R2・11G2・11B2は、X方向にほぼ沿って配置されている。なお、光源11は、光源群11P・11Qを1パッケージで構成したものであってもよい。
(3. Characteristics of light source and hologram optical element)
Next, the characteristics of the light source 11 and the hologram optical element 23 will be described.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the optical path in the video display device 1 in a developed state. As shown in the figure, the light source 11 is composed of light source groups 11P and 11Q. The light source groups 11P and 11Q are respectively RGB integrated LEDs (Nichia) having light emitting units 11R 1 , 11G 1 and 11B 1 and light emitting units 11R 2 , 11G 2 and 11B 2 that emit light corresponding to RGB colors. Made of chemical). The light emitting units 11R 1 , 11G 1 , 11B 1 and the light emitting units 11R 2 , 11G 2 , 11B 2 are arranged substantially along the X direction. The light source 11 may be a light source group 11P / 11Q configured in one package.

ここで、図5は、光源11の分光強度特性、すなわち、出射光の波長と光強度との関係を示す説明図である。光源11は、例えば、中心波長および光強度半値波長幅で、462±12nm、525±17nm、635±10nmとなる3つの波長帯域の光を発する。なお、図5の縦軸の光強度は、B光の最大光強度を100としたときの相対値で示している。光源11のRGBの光強度は、ホログラム光学素子23の回折効率や、LCD13の光透過率を考慮して調整され、これによって白色表示を行うことが可能となる。   Here, FIG. 5 is an explanatory diagram showing the spectral intensity characteristics of the light source 11, that is, the relationship between the wavelength of the emitted light and the light intensity. The light source 11 emits light in three wavelength bands, for example, 462 ± 12 nm, 525 ± 17 nm, and 635 ± 10 nm with a center wavelength and a light intensity half-value wavelength width. The light intensity on the vertical axis in FIG. 5 is shown as a relative value when the maximum light intensity of B light is 100. The RGB light intensities of the light source 11 are adjusted in consideration of the diffraction efficiency of the hologram optical element 23 and the light transmittance of the LCD 13, thereby enabling white display.

一方、図6は、ホログラム光学素子23における回折効率の波長依存性を示す説明図である。同図に示すように、ホログラム光学素子23は、例えば、回折効率のピーク波長および回折効率半値の波長幅で465±5nm(B光)、521±5nm(G光)、634±5nm(R光)の3つの波長域の光を回折(反射)させるように作製されている。ここで、回折効率のピーク波長とは、回折効率がピークとなるときの波長のことであり、回折効率半値の波長幅とは、回折効率が回折効率ピークの半値となるときの波長幅のことである。なお、図6の回折効率は、B光の最大回折効率を100としたときの相対値で示している。   On the other hand, FIG. 6 is an explanatory diagram showing the wavelength dependence of the diffraction efficiency in the hologram optical element 23. As shown in the figure, the hologram optical element 23 has, for example, 465 ± 5 nm (B light), 521 ± 5 nm (G light), 634 ± 5 nm (R light) at the peak wavelength of diffraction efficiency and the half width of the diffraction efficiency. ) Is diffracted (reflected) in the three wavelength regions. Here, the peak wavelength of diffraction efficiency is the wavelength at which the diffraction efficiency reaches a peak, and the wavelength width at half maximum of the diffraction efficiency is the wavelength width at which the diffraction efficiency is at half the peak of the diffraction efficiency. It is. The diffraction efficiency in FIG. 6 is shown as a relative value when the maximum diffraction efficiency of B light is 100.

このように、ホログラム光学素子23は特定入射角の特定波長の光のみを回折するように作製されているので、外光の透過にはほとんど影響しない。したがって、観察者は、上述したように、接眼プリズム21、ホログラム光学素子23および偏向プリズム22を介して外界像を通常通り見ることができる。   As described above, the hologram optical element 23 is produced so as to diffract only light having a specific incident angle and a specific wavelength, and therefore hardly affects the transmission of external light. Therefore, as described above, the observer can view the external image as usual through the eyepiece prism 21, the hologram optical element 23, and the deflection prism 22.

また、体積位相型の反射型のホログラム光学素子23は、回折効率の半値波長幅が狭いので、外光の透過率が高く、明るい外界像を観察できるとともに、その外界に重ねても、明るく、色純度が高く、視認性の高い映像を観察することができる。   In addition, the volume phase type reflection type hologram optical element 23 has a narrow half-value wavelength width of diffraction efficiency, so that it has a high external light transmittance and a bright external image can be observed. An image with high color purity and high visibility can be observed.

また、上述の数値関係から、ホログラム光学素子23の回折効率のピーク波長と、光源11から出射される光強度のピーク波長(中心波長)とは略一致していると言える。このような設定では、光源11から出射される光のうちで光強度がピークとなる波長付近の光が、ホログラム光学素子23にて効率よく回折されるので、外界像に重畳しても明るく、見やすい映像を観察者に提供することができる。   In addition, from the above numerical relationship, it can be said that the peak wavelength of the diffraction efficiency of the hologram optical element 23 and the peak wavelength (center wavelength) of the light intensity emitted from the light source 11 are substantially the same. In such a setting, light in the vicinity of the wavelength at which the light intensity reaches a peak among the light emitted from the light source 11 is efficiently diffracted by the hologram optical element 23, so that it is bright even when superimposed on the external image, An easy-to-view video can be provided to the observer.

(4.照明光学系の詳細について)
次に、照明光学系12の詳細について説明する。図1は、照明光学系12の詳細な構成を示す断面図である。照明光学系12は、照明ミラー31・32と、一方向拡散板33とを有している。
(4. Details of illumination optical system)
Next, details of the illumination optical system 12 will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a detailed configuration of the illumination optical system 12. The illumination optical system 12 includes illumination mirrors 31 and 32 and a unidirectional diffuser plate 33.

照明ミラー31は、凹面形状の反射面を有する球面ミラーで構成されており、正の光学パワーを有している。照明ミラー31は、観察光学系14と協働して、光源11と光学瞳Eとが共役になるように配置されている。また、照明ミラー31は、光源11からの光を集光した後、一方向拡散板33によって拡散される光が効率よく光学瞳Eを形成するように配置されている。これにより、光学瞳Eの位置にて明るい映像を観察することが可能である。なお、照明ミラー31の反射面は、照明光学系12に入射する光源11からの光が照明光学系12の中で最初に反射される1枚目の反射面を構成している。   The illumination mirror 31 is composed of a spherical mirror having a concave reflecting surface and has a positive optical power. The illumination mirror 31 is arranged so that the light source 11 and the optical pupil E are conjugated in cooperation with the observation optical system 14. The illumination mirror 31 is arranged so that the light diffused by the unidirectional diffuser plate 33 after the light from the light source 11 is condensed efficiently forms the optical pupil E. As a result, a bright image can be observed at the position of the optical pupil E. Note that the reflection surface of the illumination mirror 31 constitutes a first reflection surface on which light from the light source 11 incident on the illumination optical system 12 is first reflected in the illumination optical system 12.

照明ミラー32は、平面の反射面を有する平面ミラーで構成されている。照明ミラー32の反射面は、照明光学系12において、照明ミラー31にて反射された光が次に入射して反射される2枚目の反射面を構成している。   The illumination mirror 32 is composed of a flat mirror having a flat reflecting surface. The reflection surface of the illumination mirror 32 constitutes a second reflection surface in the illumination optical system 12 where the light reflected by the illumination mirror 31 is incident next and reflected.

一方向拡散板33は、照明ミラー32の前面に配置されており、表面の凹凸によって入射光をX方向には40度拡散させ、Y方向には0.2度拡散させる。なお、ここでは、一方向拡散板33は、入射光を透過する際に拡散させるが、例えば照明ミラー32の表面に凹凸を設けて入射光を拡散させるようにしてもよい。   The unidirectional diffuser plate 33 is disposed on the front surface of the illumination mirror 32, and diffuses incident light by 40 degrees in the X direction and 0.2 degrees in the Y direction due to surface irregularities. Here, the unidirectional diffuser plate 33 diffuses the incident light when it is transmitted. However, for example, the illumination mirror 32 may be provided with unevenness to diffuse the incident light.

このような照明光学系12の構成により、光源11からの光は、照明光学系12の照明ミラー31で反射され、一方向拡散板33を介して照明ミラー32に入射してそこで反射される。そして、この反射光は、再び一方向拡散板33に入射してそこで拡散された後、LCD13に入射する。つまり、光源11からの光は、照明光学系12の2枚の反射面での2回反射によってLCD13に導かれる。このとき、光源11から照明ミラー31に向かう光の光路と、照明ミラー31および照明ミラー32にて順次反射されて照明ミラー32からLCD13に向かう光の光路とは交叉している。   With such a configuration of the illumination optical system 12, the light from the light source 11 is reflected by the illumination mirror 31 of the illumination optical system 12, enters the illumination mirror 32 via the unidirectional diffusion plate 33, and is reflected there. The reflected light again enters the unidirectional diffusion plate 33 and is diffused there, and then enters the LCD 13. That is, the light from the light source 11 is guided to the LCD 13 by being reflected twice by the two reflecting surfaces of the illumination optical system 12. At this time, the optical path of light traveling from the light source 11 to the illumination mirror 31 and the optical path of light sequentially reflected by the illumination mirror 31 and the illumination mirror 32 and traveling from the illumination mirror 32 to the LCD 13 intersect.

このように、光源11からLCD13に至る光路が照明光学系12で折り曲げられるので、長い光路を確保しながら照明光学系12をコンパクトに構成することができ、映像表示装置1を小型軽量にすることができる。   Thus, since the optical path from the light source 11 to the LCD 13 is bent by the illumination optical system 12, the illumination optical system 12 can be made compact while ensuring a long optical path, and the image display device 1 can be made small and light. Can do.

また、照明ミラー31は球面形状であるが、光路(例えば光軸上の光(主光線)の光路)に対して傾斜しているため、YZ面内では照明ミラー31に対して軸非対称な光学パワーが与えられ、これによって軸非対称な収差が発生する。しかし、照明光学系12に反射面を2枚設けることにより、光源11からの光の照明ミラー31への入射角を小さくしつつ(照明ミラー31における軸非対称性を緩和しつつ)、照明光学系12に光学パワーを持たせることができる。したがって、軸非対称な収差の発生を抑えて、LCD13を均一に照明することができる。さらに、照明光学系12は全体として正の光学パワーを有しているので、光源11からの光を集光してLCD13を照明することができ、明るい映像を観察者に観察させることが可能となる。   Although the illumination mirror 31 has a spherical shape, it is inclined with respect to the optical path (for example, the optical path of the light (principal ray) on the optical axis), and therefore is optically axisymmetric with respect to the illumination mirror 31 in the YZ plane. Power is applied and this causes axially asymmetric aberrations. However, by providing two reflecting surfaces in the illumination optical system 12, the illumination optical system reduces the incident angle of the light from the light source 11 to the illumination mirror 31 (while relaxing the axial asymmetry in the illumination mirror 31). 12 can have optical power. Therefore, it is possible to uniformly illuminate the LCD 13 while suppressing the generation of axially asymmetric aberration. Furthermore, since the illumination optical system 12 has a positive optical power as a whole, the light from the light source 11 can be condensed to illuminate the LCD 13, and a bright image can be observed by an observer. Become.

また、光源11から照明ミラー31に向かう光の光路と、照明ミラー32からLCD13に向かう光の光路とが交叉するように、照明ミラー31・32が配置されているので、照明光学系12における光路を確実にコンパクトに折りたたむことができる。これにより、上述した本発明の効果、すなわち、映像表示装置1を小型軽量できる効果、および収差の発生を抑えてLCD13を均一に照明できる効果を確実に得ることができる。   Further, since the illumination mirrors 31 and 32 are arranged so that the optical path of light from the light source 11 toward the illumination mirror 31 and the optical path of light from the illumination mirror 32 toward the LCD 13 intersect, the optical path in the illumination optical system 12 Can be folded compactly. Thereby, the effect of the present invention described above, that is, the effect that the image display device 1 can be reduced in size and weight, and the effect that the LCD 13 can be illuminated uniformly while suppressing the occurrence of aberration can be surely obtained.

また、照明光学系12は、例えばプリズムのような光学素子を有しておらず、中空である。これにより、照明光学系12ひいては映像表示装置1を、上述した光路の折りたたみによる小型軽量化に加えてさらに小型軽量にすることができる。また、プリズム内面での反射などの不要光の反射がなく、フレアのない高画質な映像を観察することができる。   Further, the illumination optical system 12 does not have an optical element such as a prism and is hollow. Thereby, the illumination optical system 12 and the video display device 1 can be further reduced in size and weight in addition to the reduction in size and weight by folding the optical path described above. Further, there is no reflection of unnecessary light such as reflection on the inner surface of the prism, and a high-quality image without flare can be observed.

また、照明光学系12の正の光学パワーは、反射型光学素子(ここでは照明ミラー31)での反射によって発生している。透過の場合とは異なり、反射では色収差が発生しないので、照明光学系12に大きな正の光学パワーを持たせても良好な光学性能を得ることが可能となり、明るく、均一にLCD13を照明することが可能となる。特に、照明ミラー31を凹面形状の球面ミラーで構成することにより、色収差を発生させずにより大きな光学パワーを与えることができ、明るく、色ムラや輝度ムラの少ない照明を実現することができる。   Further, the positive optical power of the illumination optical system 12 is generated by reflection on the reflective optical element (here, the illumination mirror 31). Unlike transmission, chromatic aberration does not occur in reflection. Therefore, it is possible to obtain good optical performance even when the illumination optical system 12 has a large positive optical power, and the LCD 13 can be illuminated brightly and uniformly. Is possible. In particular, by configuring the illumination mirror 31 with a concave spherical mirror, it is possible to provide greater optical power without causing chromatic aberration, and to realize bright illumination with less color unevenness and brightness unevenness.

なお、照明ミラー31の反射面としては、凹面形状の球面以外にも、例えば非球面、自由曲面、シリンドリカル面を使用することもでき、さらに収差の少ない均質な照明を実現できる面とすることも可能である。   In addition to the concave spherical surface, for example, an aspherical surface, a free-form surface, or a cylindrical surface can be used as the reflecting surface of the illumination mirror 31, and a surface that can realize uniform illumination with less aberrations can also be used. Is possible.

また、一方向拡散板33は、照明ミラー31と照明ミラー32との間の光路中に配置されており、光源11およびLCD13の双方から遠い位置に配置されている。光源11から遠い位置に一方向拡散板33が配置されることにより、輝度ムラを低減した均一な光でLCD13を照明することができる。また、本実施形態のように、光源11がRGBの各色光を出射するLEDで構成されている場合には、一方向拡散板33での混色が良好となり、色ムラを低減することが可能となる。   In addition, the unidirectional diffuser plate 33 is disposed in the optical path between the illumination mirror 31 and the illumination mirror 32, and is disposed at a position far from both the light source 11 and the LCD 13. By disposing the unidirectional diffuser plate 33 at a position far from the light source 11, the LCD 13 can be illuminated with uniform light with reduced luminance unevenness. Further, as in the present embodiment, when the light source 11 is composed of LEDs that emit RGB color lights, the color mixture in the unidirectional diffuser plate 33 is good, and color unevenness can be reduced. Become.

一方、LCD13から遠い位置に一方向拡散板33が配置されることにより、LCD13の表示映像の虚像と同時に一方向拡散板114の虚像が観察されることがなく、高画質な映像を観察させることができる。なお、一方向拡散板33の虚像とは、一方向拡散板33の表面の凹凸に起因して発生する影を含む像のことである。上記の影は、一方向拡散板33に光を入射させたときに、光射出面(凹凸面)での全反射によって光が射出されない部分に対応して現れる。   On the other hand, by disposing the unidirectional diffuser plate 33 at a position far from the LCD 13, the virtual image of the unidirectional diffuser plate 114 is not observed at the same time as the virtual image of the display image on the LCD 13, and a high-quality image can be observed. Can do. The virtual image of the unidirectional diffuser plate 33 is an image including a shadow generated due to unevenness on the surface of the unidirectional diffuser plate 33. The above-mentioned shadow appears corresponding to a portion where light is not emitted by total reflection on the light emission surface (uneven surface) when light is incident on the unidirectional diffusion plate 33.

また、本実施形態では、照明ミラー31・32は、光源11からの光を、YZ面内で光路が折り曲がるように反射して、Y方向に集光している。後述するように、X方向に比べてY方向には光学瞳Eは小さく形成されるので、Y方向で光束幅が小さくなる。これにより、照明ミラー31・32を小さくすることができ、照明光学系12ひいては映像表示装置1をより小型軽量にすることができる。   In the present embodiment, the illumination mirrors 31 and 32 reflect the light from the light source 11 so that the optical path bends in the YZ plane, and collects the light in the Y direction. As will be described later, since the optical pupil E is formed smaller in the Y direction than in the X direction, the light flux width is reduced in the Y direction. Thereby, the illumination mirrors 31 and 32 can be made small, and the illumination optical system 12 and thus the video display device 1 can be made smaller and lighter.

また、上述したように、光源11の発光部11R1・11G1・11B1および発光部11R2・11G2・11B2は、X方向にほぼ沿って配置されていることから、複数のLEDは一方向拡散板33の拡散方向にほぼ沿うように配置されているとも言える。これにより、各LEDから出射される光を一方向拡散板33の拡散方向に混ぜて、色ムラのない良好なカラー映像を観察者に提供することができる。 Further, as described above, the light emitting units 11R 1 , 11G 1 , 11B 1 and the light emitting units 11R 2 , 11G 2 , 11B 2 of the light source 11 are arranged substantially along the X direction. It can also be said that the unidirectional diffusion plates 33 are arranged so as to be substantially along the diffusion direction. Thereby, the light radiate | emitted from each LED can be mixed with the diffusion direction of the unidirectional diffusion plate 33, and a favorable color image without a color nonuniformity can be provided to an observer.

(5.光学瞳について)
本実施形態では、上述したように、光源11と光学瞳Eとは、位置関係がほぼ共役となっている。光学瞳Eは、Y方向には、光源11の発光部の発光面積(例えば0.3mm角)が、一方向拡散板33での0.2度の拡散と、LCD13の各画素での2度程度の拡散とにより、共役関係の像倍率で形成される瞳よりも少し大きく形成される。その結果、光学瞳Eは、強度半値でX方向に10mm、Y方向に2mmの大きさとなっている。
(5. About optical pupil)
In the present embodiment, as described above, the positional relationship between the light source 11 and the optical pupil E is substantially conjugate. In the optical pupil E, in the Y direction, the light emitting area of the light emitting portion of the light source 11 (for example, 0.3 mm square) is diffused by 0.2 degrees on the unidirectional diffusion plate 33 and 2 degrees on each pixel of the LCD 13. Due to the degree of diffusion, it is formed slightly larger than the pupil formed at the conjugate image magnification. As a result, the optical pupil E has a half intensity value of 10 mm in the X direction and 2 mm in the Y direction.

このように、光学瞳Eは、一方向(X方向)には人間の瞳(3mm程度)よりも大きい10mmの大きさなので、観察者は映像を観察しやすい。一方、光学瞳Eは、他の方向(Y方向)には人間の瞳よりも小さい2mmの大きさなので、光源11からの光は上記方向においては光学瞳Eに無駄なく集光する。これにより、観察者は、明るい映像を観察することができる。   Thus, the optical pupil E has a size of 10 mm, which is larger than the human pupil (about 3 mm) in one direction (X direction), so that the observer can easily observe the image. On the other hand, since the optical pupil E has a size of 2 mm which is smaller than the human pupil in the other direction (Y direction), the light from the light source 11 is condensed on the optical pupil E in the above direction without waste. Thereby, the observer can observe a bright image.

また、X方向においては、一方向拡散板33によって入射光が大きく拡散されるため、光源11と光学瞳Eとの光学的な共役関係は成立しなくなるが、共役配置である、つまり、位置関係が共役であることにより、光源11からの光の利用効率が高くなり、明るい映像を観察することが可能である。   In the X direction, incident light is greatly diffused by the unidirectional diffuser plate 33, so that an optical conjugate relationship between the light source 11 and the optical pupil E is not established, but a conjugate arrangement, that is, a positional relationship. Is conjugate, the utilization efficiency of light from the light source 11 is increased, and a bright image can be observed.

(6.光学瞳の設定による色ムラの低減効果について)
光学瞳Eは、上述したように、強度半値でX方向に10mm、Y方向に2mmの大きさとなるように設定されている。つまり、光学瞳Eは、Y方向、すなわち、ホログラム光学素子23の光軸入射面(YZ平面)に平行な方向よりも、X方向、すなわち、光軸入射面に垂直な方向に大きい。このように光学瞳Eの大きさを設定することにより、ホログラム光学素子23の波長特性(波長選択性)の影響をあまり受けずに、観察者は色ムラの少ない高画質の映像を観察することができる。その理由は以下の通りである。
(6. Effect of reducing color unevenness by setting optical pupil)
As described above, the optical pupil E is set to have a half intensity value of 10 mm in the X direction and 2 mm in the Y direction. That is, the optical pupil E is larger in the X direction, that is, the direction perpendicular to the optical axis incident surface, than in the Y direction, that is, the direction parallel to the optical axis incident surface (YZ plane) of the hologram optical element 23. By setting the size of the optical pupil E in this way, the observer can observe a high-quality image with little color unevenness without being greatly affected by the wavelength characteristics (wavelength selectivity) of the hologram optical element 23. Can do. The reason is as follows.

まず、ホログラム光学素子23における入射角と波長選択性との関係について説明する。0度より大きい入射角を持つ光を回折させる干渉縞を持つホログラム光学素子23では、光軸入射面に平行な方向よりも光軸入射面に垂直な方向において、波長選択性が小さい(入射角のずれによる回折波長のずれが小さい)。言い換えると、光軸入射面に平行な方向よりも光軸入射面に垂直な方向のほうが、干渉縞への入射角のずれに対する角度選択性が低い。これは、ホログラム光学素子23の干渉縞に光が入射角を有して入射する場合、光軸入射面内での入射角の角度ずれは、そのまま入射角の角度ずれとなるため、回折波長に対する影響が大きいが、光軸入射面に垂直な方向の角度ずれは、入射角のずれとしては小さく、回折波長に対する影響は小さいからである。   First, the relationship between the incident angle and the wavelength selectivity in the hologram optical element 23 will be described. In the hologram optical element 23 having interference fringes that diffract light having an incident angle greater than 0 degrees, the wavelength selectivity is smaller in the direction perpendicular to the optical axis incident surface than in the direction parallel to the optical axis incident surface (incident angle). The diffraction wavelength shift due to the shift is small. In other words, the angle selectivity with respect to the shift of the incident angle to the interference fringes is lower in the direction perpendicular to the optical axis incident surface than in the direction parallel to the optical axis incident surface. This is because, when light is incident on the interference fringes of the hologram optical element 23 with an incident angle, the angle deviation of the incident angle in the optical axis incident surface is directly the angle deviation of the incident angle, and therefore, the diffraction wavelength is not affected. Although the influence is large, the angle deviation in the direction perpendicular to the optical axis incident surface is small as the deviation of the incident angle, and the influence on the diffraction wavelength is small.

したがって、ホログラム光学素子23の干渉縞に所定の入射角からずれた角度の光が入射すると、同じ角度ずれでも、光軸入射面に平行なY方向での角度ずれのほうが、光軸入射面に垂直なX方向の角度ずれよりも、大きく回折波長がずれる(すなわち、光軸入射面に平行なY方向は、波長選択性が大きい)。   Accordingly, when light having an angle deviated from a predetermined incident angle is incident on the interference fringes of the hologram optical element 23, the angle deviation in the Y direction parallel to the optical axis incidence surface is more likely to occur on the optical axis incidence surface even with the same angle deviation. The diffraction wavelength is greatly shifted from the angle deviation in the vertical X direction (that is, the Y direction parallel to the optical axis incident surface has a large wavelength selectivity).

したがって、回折波長の変化が大きいY方向に光学瞳Eを小さく形成することにより、回折波長の変化の範囲が狭くなるので、光学瞳E上での色ムラを低減することができる。つまり、ホログラム光学素子23の光軸入射面と、光学瞳Eが小さいY方向とが平行であることにより、そのY方向での色ムラを低減することができる。また、光軸入射面に垂直なX方向に光学瞳Eを大きく形成しても、色純度の高い映像を観察者に提供することができる。なお、光軸入射面外の光は入射面が光軸入射面と若干平行ではないが、前述の通り、光軸入射面に垂直な方向の角度ずれは回折波長に対する影響が小さいので、光軸入射面を基準にしても色ムラが大きくなることはない。   Therefore, by forming the optical pupil E small in the Y direction where the change in the diffraction wavelength is large, the range of change in the diffraction wavelength is narrowed, so that color unevenness on the optical pupil E can be reduced. That is, since the optical axis incident surface of the hologram optical element 23 is parallel to the Y direction where the optical pupil E is small, color unevenness in the Y direction can be reduced. Further, even if the optical pupil E is formed large in the X direction perpendicular to the optical axis incident surface, an image with high color purity can be provided to the observer. In addition, although the incident surface of the light outside the optical axis incident surface is not slightly parallel to the optical axis incident surface, as described above, the angle shift in the direction perpendicular to the optical axis incident surface has little influence on the diffraction wavelength. Even if the incident surface is used as a reference, color unevenness does not increase.

また、ホログラム光学素子23は、上述したように、回折効率ピークおよびその半値波長幅で465±5nm、521±5nm、634±5nmの各波長の映像光を回折するように作製されている。このように各色で回折効率の半値波長幅が同じなので、波長の長い光ほど角度選択性が大きい(波長の変化に対する入射角のずれ方が小さい)。したがって、光源11からの出射光のRGBの波長幅が同じ場合には、ホログラム光学素子23によって回折されてできる光学瞳の大きさは、波長が長い光ほど小さい。なお、光学瞳Eは、各色の光学瞳の範囲を全て含むものとする。   Further, as described above, the hologram optical element 23 is fabricated so as to diffract the image light of each wavelength of 465 ± 5 nm, 521 ± 5 nm, and 634 ± 5 nm at the diffraction efficiency peak and its half-value wavelength width. Thus, since the half-value wavelength width of diffraction efficiency is the same for each color, the longer the wavelength, the greater the angle selectivity (the smaller the angle of incidence angle shift with respect to wavelength change). Therefore, when the RGB wavelength width of the light emitted from the light source 11 is the same, the size of the optical pupil diffracted by the hologram optical element 23 is smaller as the wavelength is longer. The optical pupil E includes the entire optical pupil range of each color.

一方、光源11のLED(各発光部)からの出射光の強度は、一般的に中心付近ほど強く、周囲ほど弱い。また、各発光部は、Y方向においては、光学瞳と略共役となるように配置されているが、X方向では、一方向拡散板33によって入射光が拡散されるので、光学瞳とは共役ではない。しかし、光学瞳において最も強度の強い位置は、一方向拡散板33がないとした場合の各発光部と共役な位置にほぼ同じである。   On the other hand, the intensity of light emitted from the LED (each light emitting unit) of the light source 11 is generally stronger near the center and weaker toward the periphery. Each light emitting unit is arranged so as to be substantially conjugate with the optical pupil in the Y direction. However, in the X direction, incident light is diffused by the unidirectional diffuser plate 33, so that it is conjugate with the optical pupil. is not. However, the position with the strongest intensity in the optical pupil is almost the same as the conjugate position with each light emitting section when the unidirectional diffuser plate 33 is not provided.

したがって、光学瞳が小さい長波長(R光)の瞳中心を光学瞳Eの中心側に位置させ、光学瞳が大きい短波長(B光)の瞳中心を光学瞳Eの中心よりも外側に位置させることで、光学瞳E内での瞳位置による強度差を各色について小さくすることができる。これにより、光学瞳Eの全体(瞳中心および瞳周辺)で色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。   Therefore, the pupil center of the long wavelength (R light) with the small optical pupil is positioned on the center side of the optical pupil E, and the pupil center of the short wavelength (B light) with the large optical pupil is positioned outside the center of the optical pupil E. By doing so, the intensity difference depending on the pupil position in the optical pupil E can be reduced for each color. As a result, an image with little color unevenness can be provided to the observer over the entire optical pupil E (the pupil center and the periphery of the pupil).

(7.光源の各発光部の配置による色ムラの低減効果について)
図4に示したように、光源11を構成する光源群11P・11Qの各発光部は、ホログラム光学素子23の光軸入射面に垂直なX方向にほぼ沿って配置されている。上述の通り、光軸入射面に垂直なX方向は、光軸入射面に平行なY方向よりもホログラム光学素子23の波長選択性が低いので、この方向にほぼ沿って各発光部を配置することにより、色ムラのない高画質の映像を観察者に観察させることができる。
(7. Effect of reducing color unevenness due to the arrangement of each light emitting part of the light source)
As shown in FIG. 4, the light emitting units of the light source groups 11 </ b> P and 11 </ b> Q constituting the light source 11 are arranged substantially along the X direction perpendicular to the optical axis incident surface of the hologram optical element 23. As described above, since the wavelength selectivity of the hologram optical element 23 is lower in the X direction perpendicular to the optical axis incident surface than in the Y direction parallel to the optical axis incident surface, the light emitting units are arranged substantially along this direction. This makes it possible for the observer to observe a high-quality image without color unevenness.

しかも、本実施形態では、各発光部は、上記光軸入射面に対して略対称に、つまり、同じ色の光を発光する2つの発光部が光軸入射面から互いに反対方向にほぼ同じ距離に位置するように配置されている。より具体的には、光源群11Pにおいては、光軸入射面側からX方向外側に向かうにつれて、発光部11R1・11G1・11B1の順に配置されている。また、光源群11Qにおいても、光軸入射面側からX方向外側に向かうにつれて、発光部11R2・11G2・11B2の順に配置されている。 Moreover, in the present embodiment, each light emitting unit is substantially symmetrical with respect to the optical axis incident surface, that is, two light emitting units that emit light of the same color are substantially the same distance from the optical axis incident surface in opposite directions. It is arranged to be located in. More specifically, in the light source group 11P, the light emitting units 11R 1 , 11G 1, and 11B 1 are arranged in this order from the optical axis incident surface side toward the outside in the X direction. Also in the light source group 11Q, the light emitting units 11R 2 , 11G 2, and 11B 2 are arranged in this order from the optical axis incident surface side toward the outer side in the X direction.

ここで、図7は、光学瞳EにおけるX方向の瞳位置と光強度との関係を示す説明図である。なお、光強度は、同じ色については相対値で示されている。また、同図中の11R1・11R2・11G1・11G2・11B1・11B2で示される曲線は、それぞれ発光部11R1・11R2・11G1・11G2・11B1・11B2から出射される光に対応している。 Here, FIG. 7 is an explanatory view showing the relationship between the pupil position in the X direction in the optical pupil E and the light intensity. The light intensity is shown as a relative value for the same color. The curve indicated by 11R 1 · 11R 2 · 11G 1 · 11G 2 · 11B 1 · 11B 2 in the figure, from the respective light emitting unit 11R 1 · 11R 2 · 11G 1 · 11G 2 · 11B 1 · 11B 2 It corresponds to the emitted light.

このように、各発光部を各色ごとに光軸入射面に対して略対称に配置することにより、同じ色についての2つの発光部(例えば11R1と11R2)からの出射光の光強度を足し合わせたトータルの光強度の重心を、RGBの各色ともに対称面内(光軸入射面内)に位置させることができる。つまり、RGBの各色ともにその強度分布を、対称面を中心にしてX方向に対称にすることができる。これにより、光学瞳Eの中心において色ムラの少ない映像を観察者に提供することができる。 In this way, by arranging the light emitting units approximately symmetrically with respect to the optical axis incident surface for each color, the light intensity of the emitted light from the two light emitting units (for example, 11R 1 and 11R 2 ) for the same color can be obtained. The center of gravity of the combined total light intensity can be positioned in the symmetry plane (in the optical axis incident plane) for each of the RGB colors. That is, the intensity distribution of each color of RGB can be symmetric in the X direction with the symmetry plane as the center. Accordingly, an image with little color unevenness at the center of the optical pupil E can be provided to the observer.

特に、各発光部は、一方向拡散板33での拡散が大きい波長順(波長が短いほど拡散する)にX方向に配置されているので、光学瞳E上での各色の強度差がさらに小さくなり、色ムラをさらに低減することができる。つまり、色純度の高い映像を観察者に提供することができる。   In particular, since the light emitting units are arranged in the X direction in the order of wavelengths in which the diffusion in the unidirectional diffusion plate 33 is large (the light is diffused as the wavelength is short), the intensity difference of each color on the optical pupil E is further reduced. Thus, color unevenness can be further reduced. That is, an image with high color purity can be provided to the observer.

また、ホログラム光学素子23の角度選択性により、波長が長い光ほど光学瞳は小さいので、同図に示すように、波長が長い光ほど瞳位置による強度差が大きくなっている(光学瞳Eの中心と端部とにおける強度差が大きくなっている)。したがって、光軸入射面側からX方向外側に向かうにつれて出射光の波長が短くなるような順序で各発光部を配置し、波長が長い光ほど光強度の高い位置を光学瞳Eの中心に近づけることで、その光の光学瞳Eでの利用効率を高くすることができる。   Further, due to the angle selectivity of the hologram optical element 23, the longer the wavelength, the smaller the optical pupil. Therefore, as shown in the figure, the longer the wavelength, the greater the intensity difference depending on the pupil position (the optical pupil E). The difference in strength between the center and the edge is large). Therefore, the light emitting units are arranged in such an order that the wavelength of the emitted light becomes shorter from the optical axis incident surface side toward the outside in the X direction, and the position where the light intensity is higher as the wavelength is longer is closer to the center of the optical pupil E. As a result, the utilization efficiency of the light at the optical pupil E can be increased.

一方、波長が短い光ほど光学瞳は大きいので、波長が短い光ほど瞳位置による強度差が小さくなっている。つまり、波長が短い光ほど光強度の高い位置が光学瞳Eの中心から遠ざかり、ピーク強度と周辺強度との強度差が小さくなる。したがって、光の利用効率が著しく低下することはない。その結果、各色の光学瞳E内での強度差が小さくなり、輝度ムラ(色ムラ)が小さくなる。   On the other hand, since the optical pupil is larger as the wavelength is shorter, the difference in intensity depending on the pupil position is smaller as the wavelength is shorter. That is, as the wavelength is shorter, the position where the light intensity is higher is further away from the center of the optical pupil E, and the difference in intensity between the peak intensity and the peripheral intensity is reduced. Therefore, the light use efficiency is not significantly reduced. As a result, the intensity difference in the optical pupil E for each color is reduced, and the luminance unevenness (color unevenness) is reduced.

なお、本実施形態では、一方向拡散板33として、Y方向に0.2度拡散させるものを用いているが、Y方向に例えば3度程度拡散させるものを用いても、明るく、高画質な映像を観察することが可能である。   In the present embodiment, the unidirectional diffuser plate 33 is diffused by 0.2 degrees in the Y direction. However, even if a diffuser of about 3 degrees in the Y direction is used, for example, it is bright and has high image quality. It is possible to observe the video.

なお、本実施形態では、各発光部がX方向に一列に並んだLED(光源11)を用いているが、一方向に完全には整列せず、例えば0.5mmだけ垂直方向(Y方向)に各発光部がずれて配置されているようなLEDを用いても、一方向拡散板33による拡散効果を得ることができる。このとき、より多くの発光部が直線的に並ぶ方向がX方向となるようにLEDを配置すればよい。   In this embodiment, the LEDs (light sources 11) in which the light emitting units are arranged in a line in the X direction are used, but they are not completely aligned in one direction, for example, 0.5 mm in the vertical direction (Y direction). Even if LEDs are used in which the light emitting portions are displaced from each other, the diffusion effect by the unidirectional diffusion plate 33 can be obtained. At this time, the LEDs may be arranged so that the direction in which more light emitting units are linearly arranged is the X direction.

(8.照明光学系のバリエーションについて)
ところで、照明光学系12は、図1の構成に限定されるわけではない。図8は、照明光学系12の他の構成例を模式的に示す断面図である。この照明光学系12は、照明ミラー31の代わりに正の光学パワーを有する平凸レンズ34を配置した以外は、図1と同様の構成である。平凸レンズ34の凸側の面は球面であり、裏面(平面側の面)は反射面(平面ミラー)となっている。
(8. Variations of illumination optical system)
By the way, the illumination optical system 12 is not limited to the structure of FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing another configuration example of the illumination optical system 12. The illumination optical system 12 has the same configuration as that of FIG. 1 except that a plano-convex lens 34 having a positive optical power is disposed instead of the illumination mirror 31. The convex-side surface of the plano-convex lens 34 is a spherical surface, and the back surface (plane-side surface) is a reflecting surface (planar mirror).

光源11からの光は、平凸レンズ34の凸面で屈折され、その反射面で反射された後、再び凸面を介して出射されて照明ミラー32に向かう。照明ミラー32にて反射された光は、一方向拡散板33にて拡散された後、光源11から平凸レンズ34に向かう光の光路を横切ってLCD13に入射する。   The light from the light source 11 is refracted by the convex surface of the plano-convex lens 34, reflected by the reflecting surface, then emitted again through the convex surface and directed to the illumination mirror 32. The light reflected by the illumination mirror 32 is diffused by the unidirectional diffusion plate 33 and then enters the LCD 13 across the optical path of the light from the light source 11 toward the plano-convex lens 34.

この構成では、光源11からの光は平凸レンズ34の凸面を2回通過するので、収差の発生を少なくしながら、照明光学系12に光学パワーを与えることができ、均一で明るい照明光を得ることができる。したがって、そのような照明光でLCD13を照明して、均一で明るい映像を観察者に観察させることができる。なお、上記の平凸レンズ34は、シリンダレンズであってもよい。   In this configuration, the light from the light source 11 passes through the convex surface of the plano-convex lens 34 twice, so that optical power can be given to the illumination optical system 12 while reducing the occurrence of aberrations, and uniform and bright illumination light is obtained. be able to. Therefore, it is possible to illuminate the LCD 13 with such illumination light and allow the observer to observe a uniform and bright image. The plano-convex lens 34 may be a cylinder lens.

図9は、照明光学系12のさらに他の構成例を示す断面図である。この照明光学系12は、1枚目の反射面として、照明ミラー31の代わりに照明ミラー32を配置し、2枚目の反射面として、自由曲面ミラー35を配置した以外は、図1と同様の構成である。なお、一方向拡散板33は、照明ミラー32の前面に配置されている。自由曲面ミラー35は、正の光学パワーを有する凹面ミラーである。   FIG. 9 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the illumination optical system 12. This illumination optical system 12 is the same as FIG. 1 except that an illumination mirror 32 is disposed instead of the illumination mirror 31 as the first reflecting surface, and a free-form surface mirror 35 is disposed as the second reflecting surface. It is the composition. The unidirectional diffusion plate 33 is disposed in front of the illumination mirror 32. The free-form surface mirror 35 is a concave mirror having positive optical power.

光源11からの光は、一方向拡散板33を介して照明ミラー32に入射してそこで反射され、再び一方向拡散板33に入射して拡散された後、自由曲面ミラー35に向かう。自由曲面ミラー35にて反射された光は、光源11から照明ミラー32に向かう光の光路を横切ってLCD13に入射する。   The light from the light source 11 is incident on the illumination mirror 32 through the unidirectional diffuser plate 33 and reflected there, and is incident on the unidirectional diffuser plate 33 again and diffused, and then travels toward the free-form surface mirror 35. The light reflected by the free-form surface mirror 35 enters the LCD 13 across the optical path of the light from the light source 11 toward the illumination mirror 32.

この構成では、一方向拡散板33にて拡散された光は、自由曲面ミラー35の正の光学パワーによって集光してLCD13に入射するので、一方向拡散板33の虚像がLCD13の映像とともに観察されにくくなる。したがって、一方向拡散板33の拡散度を小さくして映像を明るくすることが可能となる。また、照明ミラー32および自由曲面ミラー35での2回反射により照明光の光路が長く、LCD13から一方向拡散板33までの距離が長いので、RGBの照明光は一方向拡散板33にて十分混色され、輝度ムラや色ムラが抑制される。   In this configuration, the light diffused by the unidirectional diffuser plate 33 is condensed by the positive optical power of the free-form curved mirror 35 and enters the LCD 13, so that the virtual image of the unidirectional diffuser plate 33 is observed together with the image of the LCD 13. It becomes difficult to be done. Therefore, it is possible to reduce the diffusivity of the unidirectional diffusion plate 33 and brighten the image. Further, since the optical path of the illumination light is long due to the reflection twice by the illumination mirror 32 and the free-form surface mirror 35 and the distance from the LCD 13 to the unidirectional diffuser plate 33 is long, the RGB illumination light is sufficiently obtained by the unidirectional diffuser plate 33. Color mixing is performed, and luminance unevenness and color unevenness are suppressed.

図10は、照明光学系12のさらに他の構成例を示す断面図である。この照明光学系12は、1枚目の反射面として、照明ミラー31の代わりに照明ミラー32を配置し、2枚目の反射面として、シリンダミラー36を配置した以外は、図1と同様の構成である。なお、一方向拡散板33は、シリンダミラー36の前面に配置されている。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the illumination optical system 12. The illumination optical system 12 is the same as that in FIG. 1 except that an illumination mirror 32 is disposed instead of the illumination mirror 31 as a first reflection surface and a cylinder mirror 36 is disposed as a second reflection surface. It is a configuration. The unidirectional diffusion plate 33 is disposed on the front surface of the cylinder mirror 36.

シリンダミラー36は、入射光をY方向にのみ集光する、正の光学パワーを有する凹面ミラーである。シリンダミラー36はX方向には光学パワーを有していないので、X方向において、光源11と光学瞳Eとは共役でない。   The cylinder mirror 36 is a concave mirror having positive optical power that collects incident light only in the Y direction. Since the cylinder mirror 36 does not have optical power in the X direction, the light source 11 and the optical pupil E are not conjugate in the X direction.

光源11からの光は、照明ミラー32に入射してそこで反射され、一方向拡散板33を介してシリンダミラー36に入射する。シリンダミラー36で反射された光は、再度一方向拡散板33に入射してそこで拡散された後、光源11から照明ミラー32に向かう光の光路を横切らずにLCD13に入射する。   Light from the light source 11 enters the illumination mirror 32, is reflected there, and enters the cylinder mirror 36 via the one-way diffuser plate 33. The light reflected by the cylinder mirror 36 enters the unidirectional diffusion plate 33 again and is diffused there, and then enters the LCD 13 without traversing the light path from the light source 11 toward the illumination mirror 32.

この構成では、光源11から照明ミラー32に向かう光の光路と、シリンダミラー36からLCD13に向かう光の光路とは交叉していないが、照明光学系12にて光路を折りたたんでいる点では上述した他の照明光学系12と同じであるので、照明光学系12をコンパクトに構成することができる。   In this configuration, the optical path of light from the light source 11 toward the illumination mirror 32 and the optical path of light from the cylinder mirror 36 toward the LCD 13 are not crossed, but the optical path is folded by the illumination optical system 12 as described above. Since the illumination optical system 12 is the same as the other illumination optical systems 12, the illumination optical system 12 can be made compact.

図11は、照明光学系12のさらに他の構成例を示す断面図である。この照明光学系12は、1枚目の反射面として凹面ミラー37を配置し、2枚目の反射面として凸面ミラー38を配置し、LCD13の光入射側に一方向拡散板33を配置して構成されている。ただし、照明光学系12全体の光学パワーは正である。   FIG. 11 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the illumination optical system 12. In this illumination optical system 12, a concave mirror 37 is disposed as a first reflecting surface, a convex mirror 38 is disposed as a second reflecting surface, and a unidirectional diffusion plate 33 is disposed on the light incident side of the LCD 13. It is configured. However, the optical power of the entire illumination optical system 12 is positive.

光源11からの光は、凹面ミラー37に入射してそこで反射され、凸面ミラー38に入射する。凸面ミラー38で反射された光は、光源11から凹面ミラー37に向かう光の光路を横切って一方向拡散板33に入射し、そこで拡散された後、LCD13に入射する。   The light from the light source 11 enters the concave mirror 37, is reflected there, and enters the convex mirror 38. The light reflected by the convex mirror 38 enters the unidirectional diffusion plate 33 across the optical path of the light from the light source 11 toward the concave mirror 37, diffuses there, and then enters the LCD 13.

この構成では、凸面ミラー38の負の光学パワーによって光束を小さくするので、凹面ミラー37の正の光学パワーを大きくすることができ、光源11から出射される光の利用放射角を大きくすることができる(光源11から放射される光の利用効率を上げることができる)。その結果、明るい光でLCD13を照明して、LCD13の表示映像を明るく観察することができる。したがって、一方向拡散板33に代えて、入射光を例えば30度全方向に拡散する拡散板を用いても、明るい映像を観察することが可能となる。このとき、Y方向の光学瞳Eは、X方向と同じく大きな瞳(例えば約8mm)となり、映像を観察しやすくなる。   In this configuration, since the light beam is reduced by the negative optical power of the convex mirror 38, the positive optical power of the concave mirror 37 can be increased, and the use radiation angle of the light emitted from the light source 11 can be increased. (The utilization efficiency of light emitted from the light source 11 can be increased). As a result, the LCD 13 can be illuminated with bright light, and the display image on the LCD 13 can be observed brightly. Therefore, it is possible to observe a bright image by using a diffusion plate that diffuses incident light in all directions, for example, 30 degrees instead of the one-way diffusion plate 33. At this time, the optical pupil E in the Y direction becomes a large pupil (for example, about 8 mm) as in the X direction, making it easier to observe the image.

図12は、照明光学系12のさらに他の構成例を示す断面図である。この照明光学系12は、プリズム41と、拡散板42とを有して構成されている。プリズム41は、入射面41aと、1枚目の反射面としての凹面反射面41bと、2枚目の反射面としての平面反射面41cと、射出面41dとを有している。拡散板42は、入射光を30度全方位に拡散する拡散板であり、プリズム41の射出面41dとLCD13との間に配置されている。凹面反射面41bが正の光学パワーを有しているため、照明光学系12全体の光学パワーは正である。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the illumination optical system 12. The illumination optical system 12 includes a prism 41 and a diffusion plate 42. The prism 41 has an incident surface 41a, a concave reflecting surface 41b as a first reflecting surface, a planar reflecting surface 41c as a second reflecting surface, and an exit surface 41d. The diffusion plate 42 is a diffusion plate that diffuses incident light in all directions at 30 degrees, and is disposed between the exit surface 41 d of the prism 41 and the LCD 13. Since the concave reflecting surface 41b has a positive optical power, the optical power of the entire illumination optical system 12 is positive.

光源11からの光は、プリズム41の入射面41aを介して内部に入射し、凹面反射面41bおよび平面反射面41cにて順次反射された後、入射面41aから凹面反射面41bに向かう光の光路を横切って射出面41dに達する。射出面41dから射出される光は、拡散板42にて拡散された後、LCD13に入射する。   The light from the light source 11 enters the inside through the incident surface 41a of the prism 41, is sequentially reflected by the concave reflecting surface 41b and the flat reflecting surface 41c, and then travels from the incident surface 41a to the concave reflecting surface 41b. It crosses the optical path and reaches the exit surface 41d. Light emitted from the exit surface 41 d is diffused by the diffusion plate 42 and then enters the LCD 13.

この構成では、プリズム41内で、入射面41aから凹面反射面41bに向かう光の光路と、平面反射面41cから射出面41dに向かう光の光路とが交叉するので、軸非対称性を緩和して均一な照明としながら、照明光学系12をコンパクトに構成することができる。また、プリズム媒質中では光束が小さいので、反射による収差を抑制することができる。   In this configuration, the optical path of light traveling from the incident surface 41a to the concave reflecting surface 41b and the optical path of light traveling from the planar reflecting surface 41c to the exit surface 41d intersect within the prism 41, thereby reducing axial asymmetry. The illumination optical system 12 can be made compact while maintaining uniform illumination. In addition, since the luminous flux is small in the prism medium, aberration due to reflection can be suppressed.

なお、拡散板42は、一方向拡散板33に置き換え可能である。ただし、一方向拡散板33を用いた場合は、一方向拡散板33の凹凸による影が少し虚像として観察されやすくなる。   The diffusing plate 42 can be replaced with a unidirectional diffusing plate 33. However, when the unidirectional diffuser plate 33 is used, a shadow due to the unevenness of the unidirectional diffuser plate 33 is slightly observed as a virtual image.

図13は、照明光学系12のさらに他の構成例を示す断面図である。この照明光学系12は、拡散板42と、プリズム43とを有して構成されている。プリズム43は、入射面43aと、1枚目の反射面としての平面反射面兼射出面43bと、2枚目の反射面としての凹面反射面43cとを有している。拡散板42は、プリズム43の平面反射面兼射出面43bとLCD13との間に配置されている。凹面反射面43cが正の光学パワーを有しているため、照明光学系12全体の光学パワーは正である。   FIG. 13 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the illumination optical system 12. The illumination optical system 12 includes a diffusing plate 42 and a prism 43. The prism 43 has an incident surface 43a, a flat reflecting surface 43b as a first reflecting surface, and a concave reflecting surface 43c as a second reflecting surface. The diffusing plate 42 is disposed between the planar reflecting / light emitting surface 43 b of the prism 43 and the LCD 13. Since the concave reflecting surface 43c has a positive optical power, the optical power of the entire illumination optical system 12 is positive.

光源11からの光は、プリズム43の入射面43aを介して内部に入射し、平面反射面兼射出面43bおよび凹面反射面43cにて順次反射され、平面反射面兼射出面43bに達する。平面反射面兼射出面43bから射出される光は、拡散板42にて拡散された後、LCD13に入射する。   The light from the light source 11 enters the inside through the incident surface 43a of the prism 43, is sequentially reflected by the plane reflecting surface / exit surface 43b and the concave reflecting surface 43c, and reaches the plane reflecting surface / exit surface 43b. The light emitted from the plane reflecting / light emitting surface 43 b is diffused by the diffusion plate 42 and then enters the LCD 13.

この構成では、プリズム43内で、入射面43aから平面反射面兼射出面43bに入射する光線と、該光線と同じ光路上を進行する光線であって、凹面反射面43cから平面反射面兼射出面43bに入射する光線とは、交叉しないが、光路を折りたたんでいることには変わりはなく、照明光学系12をコンパクトに構成することができる。また、プリズム媒質中では光束が小さいので、反射による収差を抑制することができる。   In this configuration, a light ray that enters the plane reflecting surface / exit surface 43b from the incident surface 43a and a light ray that travels on the same optical path as the light ray in the prism 43, and is a plane reflecting surface / exit from the concave reflecting surface 43c. The light beam incident on the surface 43b does not intersect, but the optical path is not changed, and the illumination optical system 12 can be configured compactly. In addition, since the luminous flux is small in the prism medium, aberration due to reflection can be suppressed.

なお、拡散板42は、一方向拡散板33に置き換え可能である。ただし、一方向拡散板33を用いた場合は、一方向拡散板33の凹凸による影が少し虚像として観察されやすくなる。また、プリズム43の平面反射面兼射出面43bでは全反射を利用してもよく、全反射しない部分にはミラーコートを施してもよい。   The diffusing plate 42 can be replaced with a unidirectional diffusing plate 33. However, when the unidirectional diffuser plate 33 is used, a shadow due to the unevenness of the unidirectional diffuser plate 33 is slightly observed as a virtual image. Further, total reflection may be used on the planar reflection surface / exit surface 43b of the prism 43, and a mirror coating may be applied to a portion that is not totally reflected.

(9.映像表示装置の他の構成について)
図14は、映像表示装置1の他の構成を模式的に示す断面図である。この映像表示装置1は、光源11の代わりに光源51を用い、観察光学系14の変わりに観察光学系52を用いた以外は、図3で示した映像表示装置1と同様の構成である。
(9. Other configurations of video display device)
FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing another configuration of the video display device 1. The video display device 1 has the same configuration as the video display device 1 shown in FIG. 3 except that the light source 51 is used instead of the light source 11 and the observation optical system 52 is used instead of the observation optical system 14.

ただし、図14の映像表示装置1において、照明光学系12は、照明ミラー31・32のみを有しており、一方向拡散板33を有していない。これは、光源51として、以下に示す白色光源を用いており、RGBの色を混ぜる必要がないからである。しかし、一方向拡散板33を設けて、光学瞳EをX方向にさらに広げることも勿論可能である。   However, in the video display device 1 of FIG. 14, the illumination optical system 12 includes only the illumination mirrors 31 and 32 and does not include the unidirectional diffuser plate 33. This is because the following white light source is used as the light source 51, and there is no need to mix RGB colors. However, it is of course possible to further widen the optical pupil E in the X direction by providing the unidirectional diffusion plate 33.

光源51は、青色光または紫外光で蛍光体を励起して白色を発光する白色光源(白色LED)である。ここで、図15は、光源51をLCD13側から見たときの平面図である。光源51は、ホログラム光学素子23の光軸入射面に対して垂直な方向(X方向)を長辺方向とするスリット状の発光領域51aを有している。つまり、発光領域51aの外側の領域は、光の透過がマスクにより制限されている。発光領域51aの大きさは、X方向に例えば3mmであり、Y方向に例えば1mmである。   The light source 51 is a white light source (white LED) that emits white light by exciting a phosphor with blue light or ultraviolet light. Here, FIG. 15 is a plan view when the light source 51 is viewed from the LCD 13 side. The light source 51 has a slit-like light emitting region 51 a having a long side in a direction (X direction) perpendicular to the optical axis incident surface of the hologram optical element 23. That is, in the area outside the light emitting area 51a, light transmission is limited by the mask. The size of the light emitting region 51a is, for example, 3 mm in the X direction and is, for example, 1 mm in the Y direction.

光源51は、この発光領域51aからスリット状に白色(3原色に対応したRGBの波長域の光を含む)を発光する。光源51と光学瞳Eとはほぼ共役な関係となるように配置されているので、光学瞳Eは、光源51の発光領域51aの大きさ(X方向3mm、Y方向1mm)が光学系の像倍率3倍に拡大される結果、X方向に9mm、Y方向に3mmの大きさとなり、一方向に小さい瞳となっている。   The light source 51 emits white (including light in RGB wavelength ranges corresponding to the three primary colors) in a slit shape from the light emitting region 51a. Since the light source 51 and the optical pupil E are arranged so as to have a substantially conjugate relationship, the optical pupil E is an image of the optical system in which the size of the light emitting region 51a of the light source 51 (X direction: 3 mm, Y direction: 1 mm). As a result of the magnification of 3 times, the size is 9 mm in the X direction and 3 mm in the Y direction, and the pupil is small in one direction.

観察光学系52は、軸非対称な正の光学パワーを有する自由曲面プリズム61と、透明基板62とを貼り合わせて構成されている。自由曲面プリズム61は、LCD13からの光の入射面61aと、反射面61bと、透過反射面61cとを有している。透明基板62は、自由曲面プリズム61の透過反射面61cに貼り合わされている。自由曲面プリズム61および透明基板62は、図3の接眼プリズム21および偏向プリズム22にそれぞれ対応しており、それぞれ第1の透明基板および第2の透明基板を構成している。   The observation optical system 52 is configured by bonding a free-form surface prism 61 having positive optical power that is axisymmetric and a transparent substrate 62. The free-form surface prism 61 has an incident surface 61a for light from the LCD 13, a reflection surface 61b, and a transmission / reflection surface 61c. The transparent substrate 62 is bonded to the transmission / reflection surface 61 c of the free-form surface prism 61. The free-form surface prism 61 and the transparent substrate 62 correspond to the eyepiece prism 21 and the deflecting prism 22 of FIG. 3, respectively, and constitute a first transparent substrate and a second transparent substrate, respectively.

光源11から出射された光(白色光)は、照明光学系12の照明ミラー31・32で順次反射された後、LCD13に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。この映像光は、観察光学系52の自由曲面プリズム61の入射面61aを介して内部に入射し、反射面61bで全反射された後、透過反射面61cで反射され、光学瞳Eに導かれる。観察者は、光学瞳Eに到達する光を瞳に入射させることにより、LCD13の表示映像を自由曲面プリズム61の各面の合成パワーにより虚像として観察することができる。   Light (white light) emitted from the light source 11 is sequentially reflected by the illumination mirrors 31 and 32 of the illumination optical system 12, and then enters the LCD 13, where it is modulated and emitted as image light. This image light is incident on the inside through the incident surface 61a of the free-form surface prism 61 of the observation optical system 52, is totally reflected by the reflecting surface 61b, is reflected by the transmitting / reflecting surface 61c, and is guided to the optical pupil E. . The observer can observe the display image of the LCD 13 as a virtual image by the combined power of each surface of the free-form surface prism 61 by causing the light reaching the optical pupil E to enter the pupil.

この映像表示装置1においても、観察光学系14を軸非対称な光学系としているので、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された高画質の映像を観察者に提供することができる。また、透明基板62は自由曲面プリズム61の下端部を透過する外光の屈折をキャンセルするので、観察者は自由曲面プリズム61および透明基板62を通して、外界光を歪むことなく観察することができる。   Also in this video display apparatus 1, since the observation optical system 14 is an axially asymmetric optical system, the degree of freedom of arrangement of each optical member constituting the apparatus can be increased, and the apparatus can be easily reduced in size, and good It is possible to provide an observer with a high-quality image corrected for aberration. Further, since the transparent substrate 62 cancels the refraction of the external light transmitted through the lower end portion of the free curved surface prism 61, the observer can observe the external light through the free curved surface prism 61 and the transparent substrate 62 without distortion.

また、光源51と光学瞳Eとは共役になるように、照明光学系12の照明ミラー31および観察光学系52が設定されている。光源51の発光領域51aは、図15で示したように、照明ミラー31の反射方向(Y方向)に小さい形状であるので、照明ミラー31・32からなる照明光学系12をより小型にすることができる。さらに、光源51と光学瞳Eとは共役であるので、明るい映像を提供することができ、しかも、照明光学系12での光路の折りたたみ方向(Y方向)に光学瞳Eが小さく、光束が小さいので、よりコンパクトな装置とすることができる。   The illumination mirror 31 and the observation optical system 52 of the illumination optical system 12 are set so that the light source 51 and the optical pupil E are conjugate. As shown in FIG. 15, the light emitting area 51a of the light source 51 has a small shape in the reflection direction (Y direction) of the illumination mirror 31, so that the illumination optical system 12 including the illumination mirrors 31 and 32 is made smaller. Can do. Furthermore, since the light source 51 and the optical pupil E are conjugate, a bright image can be provided, and the optical pupil E is small in the folding direction (Y direction) of the optical path in the illumination optical system 12, and the luminous flux is small. Therefore, it can be set as a more compact apparatus.

なお、本実施形態では、空間変調素子としてカラーフィルタを備えた透過型のカラーLCDを用いたが、RGBの各発光部を順次駆動して各色の光を時分割で順次出射させ、これと同期して各色に対応した変調を行う時分割タイプのLCD(例えば強誘電液晶表示素子)を用いてもよい。   In this embodiment, a transmissive color LCD provided with a color filter is used as a spatial modulation element. However, each of the RGB light emitting units is driven sequentially to emit light of each color sequentially in a time-sharing manner, and synchronized with this. A time-division type LCD (for example, a ferroelectric liquid crystal display element) that performs modulation corresponding to each color may be used.

なお、本実施形態では、HMDに好適な映像表示装置1について種々説明したが、本実施形態の映像表示装置1は、例えばヘッドアップディスプレイなどの他の装置にも適用することが可能である。   In the present embodiment, the video display device 1 suitable for the HMD has been variously described. However, the video display device 1 of the present embodiment can be applied to other devices such as a head-up display.

なお、本実施形態で説明した各種の構成を適宜組み合わせて映像表示装置1ひいてはHMDを実現することも勿論可能である。   Needless to say, it is possible to realize the video display device 1 and thus the HMD by appropriately combining the various configurations described in the present embodiment.

本発明の映像表示装置は、例えばヘッドマウントディスプレイやヘッドアップディスプレイに利用可能である。   The video display device of the present invention can be used for, for example, a head-mounted display or a head-up display.

本発明の実施の一形態に係る映像表示装置に適用される照明光学系の詳細な構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the detailed structure of the illumination optical system applied to the video display apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. (a)は、上記映像表示装置を有するHMDの概略の構成を示す平面図であり、(b)は、HMDの側面図であり、(c)は、HMDの正面図である。(A) is a top view which shows the schematic structure of HMD which has the said video display apparatus, (b) is a side view of HMD, (c) is a front view of HMD. 上記映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the schematic structure of the said video display apparatus. 上記映像表示装置における光路を展開して示す説明図である。It is explanatory drawing which expand | deploys and shows the optical path in the said video display apparatus. 上記映像表示装置の光源の分光強度特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the spectral intensity characteristic of the light source of the said video display apparatus. 上記映像表示装置のホログラム光学素子における回折効率の波長依存性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the wavelength dependence of the diffraction efficiency in the hologram optical element of the said video display apparatus. 上記映像表示装置の光学瞳におけるX方向の瞳位置と光強度との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the pupil position of the X direction in the optical pupil of the said video display apparatus, and light intensity. 上記照明光学系の他の構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structural example of the said illumination optical system typically. 上記照明光学系のさらに他の構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the example of another structure of the said illumination optical system. 上記照明光学系のさらに他の構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the example of another structure of the said illumination optical system. 上記照明光学系のさらに他の構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the example of another structure of the said illumination optical system. 上記照明光学系のさらに他の構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the example of another structure of the said illumination optical system. 上記照明光学系のさらに他の構成例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the example of another structure of the said illumination optical system. 上記映像表示装置の他の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structure of the said video display apparatus typically. 図14の映像表示装置の光源をLCD側から見たときの平面図である。It is a top view when the light source of the video display apparatus of FIG. 14 is seen from the LCD side.

符号の説明Explanation of symbols

1 映像表示装置
2 支持手段
11 光源
11R1、11G1、11B1 発光部(発光ダイオード)
11R2、11G2、11B2 発光部(発光ダイオード)
12 照明光学系
13 LCD(透過型の表示素子)
14 観察光学系
21 接眼プリズム(第1の透明基板)
22 偏向プリズム(第2の透明基板)
23 ホログラム光学素子
31 照明ミラー(反射面)
32 照明ミラー(反射面)
33 一方向拡散板
34 平凸レンズ(反射面)
35 自由曲面ミラー(反射面)
36 シリンダミラー(反射面)
37 凹面ミラー(反射面)
38 凸面ミラー(反射面)
41b 凹面反射面(反射面)
41c 平面反射面(反射面)
43b 平面反射面兼射出面(反射面)
43c 凹面反射面(反射面)
51 光源
52 観察光学系
61 自由曲面プリズム(第1の透明基板)
62 透明基板(第2の透明基板)
E 光学瞳
1 display apparatus 2 supporting means 11 the light source 11R 1, 11G 1, 11B 1-emitting portion (light emitting diode)
11R 2 , 11G 2 , 11B 2 light emitting part (light emitting diode)
12 Illumination optical system 13 LCD (Transmission type display element)
14 Observation optical system 21 Eyepiece prism (first transparent substrate)
22 Deflection prism (second transparent substrate)
23 Hologram optical element 31 Illumination mirror (reflection surface)
32 Illumination mirror (reflective surface)
33 Unidirectional diffuser 34 Plano-convex lens (reflection surface)
35 Free-form surface mirror (reflection surface)
36 Cylinder mirror (reflective surface)
37 Concave mirror (reflective surface)
38 Convex mirror (reflection surface)
41b Concave reflective surface (reflective surface)
41c Flat reflective surface (reflective surface)
43b Plane reflecting surface and exit surface (reflecting surface)
43c Concave reflective surface (reflective surface)
51 Light source 52 Observation optical system 61 Free-form surface prism (first transparent substrate)
62 Transparent substrate (second transparent substrate)
E Optical pupil

Claims (14)

光源と、
入射光を変調して映像を表示する表示素子と、
光源からの光を表示素子に導く照明光学系と、
表示素子からの映像光を光学瞳に導く観察光学系とを備えた映像表示装置であって、
上記表示素子は、透過型であり、
上記照明光学系は、光源からの光を2回反射させて表示素子に導く2枚の反射面を有し、かつ、正の光学パワーを有していることを特徴とする映像表示装置。
A light source;
A display element that modulates incident light and displays an image;
An illumination optical system for guiding light from the light source to the display element;
An image display device comprising an observation optical system for guiding image light from a display element to an optical pupil,
The display element is a transmissive type,
The image display apparatus, wherein the illumination optical system has two reflection surfaces that reflect light from a light source twice and guide the light to a display element, and has positive optical power.
上記照明光学系の2枚の反射面は、光源から1枚目の反射面に向かう光の光路と、1枚目および2枚目の反射面にて順次反射され、2枚目の反射面から表示素子に向かう光の光路とが交叉するようにそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項1に記載の映像表示装置。   The two reflecting surfaces of the illumination optical system are sequentially reflected by the light path from the light source toward the first reflecting surface and the first and second reflecting surfaces, and are reflected from the second reflecting surface. The video display device according to claim 1, wherein the video display devices are arranged so as to intersect with an optical path of light traveling toward the display element. 上記照明光学系は、中空であることを特徴とする請求項1または2に記載の映像表示装置。   The video display device according to claim 1, wherein the illumination optical system is hollow. 上記照明光学系の正の光学パワーは、反射によって発生することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の映像表示装置。   4. The image display device according to claim 1, wherein the positive optical power of the illumination optical system is generated by reflection. 上記観察光学系によって形成される光学瞳は、互いに直交する2方向のうち、一方向よりも他方向のほうが小さく形成され、
上記照明光学系は、入射光を2回反射して上記他方向に集光することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の映像表示装置。
The optical pupil formed by the observation optical system is formed to be smaller in the other direction than one direction among the two directions orthogonal to each other,
5. The video display device according to claim 1, wherein the illumination optical system reflects incident light twice and collects the light in the other direction. 6.
上記光源と上記光学瞳とは、上記他方向で共役に配置されており、
該映像表示装置は、上記光源からの光を上記一方向に拡散させる一方向拡散板をさらに有していることを特徴とする請求項5に記載の映像表示装置。
The light source and the optical pupil are arranged in a conjugate manner in the other direction,
The video display device according to claim 5, further comprising a unidirectional diffuser plate that diffuses light from the light source in the one direction.
上記光源は、赤、緑、青の各色の光を出射する発光ダイオードを一対備えており、
表示素子の表示領域の中心と光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、
上記一対の各発光ダイオードは、上記一方向拡散板の拡散方向に並べて配置され、かつ、上記観察光学系の光軸を含む面に対して対称に配置されていることを特徴とする請求項6に記載の映像表示装置。
The light source includes a pair of light emitting diodes that emit red, green, and blue light.
When the axis that optically connects the center of the display area of the display element and the center of the optical pupil is the optical axis,
The pair of light emitting diodes are arranged side by side in the diffusion direction of the unidirectional diffusion plate, and are arranged symmetrically with respect to a plane including the optical axis of the observation optical system. The video display device described in 1.
上記照明光学系は、上記光源からの光を表面の凹凸によって拡散させる拡散板を有しており、
上記拡散板は、上記光源側から1枚目の反射面と2枚目の反射面との間の光路中に配置されており、
上記光源側から2枚目の反射面が、正の光学パワーを有していることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の映像表示装置。
The illumination optical system has a diffusion plate that diffuses light from the light source by unevenness on the surface,
The diffusion plate is disposed in an optical path between the first reflection surface and the second reflection surface from the light source side,
6. The video display device according to claim 1, wherein the second reflecting surface from the light source side has a positive optical power.
上記観察光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を含んでおり、
表示素子の表示領域の中心と光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とすると、
上記ホログラム光学素子は、表示素子から斜めに入射する映像光を回折反射させて光学瞳に導き、
上記ホログラム光学素子の光軸入射面は、光学瞳の上記他方向と平行であることを特徴とする請求項6に記載の映像表示装置。
The observation optical system includes a volume phase reflection hologram optical element,
When the axis that optically connects the center of the display area of the display element and the center of the optical pupil is the optical axis,
The hologram optical element diffracts and reflects image light incident obliquely from the display element and leads it to the optical pupil,
The image display apparatus according to claim 6, wherein an optical axis incident surface of the hologram optical element is parallel to the other direction of the optical pupil.
上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光と外界からの光とを同時に観察者の瞳に導くコンバイナであることを特徴とする請求項9に記載の映像表示装置。   10. The image display device according to claim 9, wherein the hologram optical element is a combiner that simultaneously guides the image light from the display element and the light from the outside to the pupil of the observer. 上記光源は、発光ダイオードで構成されており、
ホログラム光学素子の回折効率のピーク波長と、発光ダイオードの強度ピーク波長とが略一致していることを特徴とする請求項9または10に記載の映像表示装置。
The light source is composed of a light emitting diode,
The image display device according to claim 9 or 10, wherein a peak wavelength of diffraction efficiency of the hologram optical element and an intensity peak wavelength of the light emitting diode substantially coincide with each other.
上記観察光学系は、表示素子からの映像光を内部で全反射させて観察者の瞳に導く一方、外光を透過させて観察者の瞳に導く第1の透明基板を有していることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の映像表示装置。   The observation optical system includes a first transparent substrate that totally reflects the image light from the display element and guides the light to the observer's pupil while transmitting the external light to the observer's pupil. The video display device according to claim 1, wherein: 上記観察光学系は、第1の透明基板での外光の屈折をキャンセルするための第2の透明基板を有していることを特徴とする請求項12に記載の映像表示装置。   13. The video display apparatus according to claim 12, wherein the observation optical system includes a second transparent substrate for canceling refraction of external light on the first transparent substrate. 請求項1から13のいずれかに記載の映像表示装置と、
上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
A video display device according to any one of claims 1 to 13,
A head-mounted display comprising support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.
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