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JP4581180B2 - Virtual image display device - Google Patents

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JP4581180B2
JP4581180B2 JP2000128997A JP2000128997A JP4581180B2 JP 4581180 B2 JP4581180 B2 JP 4581180B2 JP 2000128997 A JP2000128997 A JP 2000128997A JP 2000128997 A JP2000128997 A JP 2000128997A JP 4581180 B2 JP4581180 B2 JP 4581180B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単眼、もしくは、左右両眼により虚像を観察できるようにした虚像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、虚像表示装置が提案されている。このような虚像表示装置は、図15に示すように、画像表示素子(LCDパネル)101の出力画像を虚像表示を行うための拡大光学系102を通して観察するように構成されている。すなわち、このような虚像表示装置は、光源103から出射された光を画像表示素子101により空間的に変調し、凹面鏡光学系、もしくは、凸レンズ光学系などの拡大光学系102を用いて、画像表示素子101の表示画像を虚像104として結像するものである。
【0003】
このような虚像表示装置は、いわゆるヘッドマウントディスプレイ(HMD)、ヘッドアップディスプレイ(HUD)や、いわゆるビューファインダとして実用化されている。虚像表示装置においては、虚像を観察できる領域が広いほど見易い。しかし、実用化されている虚像表示装置においては、光学系の瞳径が小さいために、眼幅調整機構を設けたり、眼鏡型もしくはヘルメット型として頭部に固定することにより、観察可能な領域内に観察者の瞳が存在するようにしているのである。
【0004】
しかし、頭部などに固定することなく気軽に虚像を観察することができる虚像表示装置の開発が望まれている。このためには、虚像表示装置の瞳径を大きくする必要がある。虚像表示装置の瞳径を充分に大きくすることは、光学系の大きさの制約や、虚像表示装置から出射する光の角度を大きくすることができないことなどから、困難である。
【0005】
そして、映像表示素子としては、透過型ライトバルブ、反射型ライトバルブ、CRT(陰極線管)等が使用されている。従来の虚像表示装置の多くは、透過型ライトバルブを用いて構成されている。
【0006】
近年、小型で高解像度の虚像表示装置を開発するにあたって、結晶Si(シリコン)基板を用いた反射型液晶ライトバルブの開発がなされている。この反射型液晶ライトバルブの特徴は、Si基板上にCMOS回路を形成し、その上に反射鏡を形成し、液晶を挟む構造となっている。このような反射型液晶ライトバルブにおいては、開口率の向上が実現され、さらに、Siベースの製造プロセスが採用可能であるため、設計ルールが細かくでき、高解像度を実現するのに好適である。
【0007】
このような反射型ライトバルブを用いた虚像表示装置の構成は、例えば、米国特許US5808800に記載されている。この虚像表示装置においては、図16に示すように、光源103から出た光束は、コリメートレンズ105によって平行光束となされ、ガラス等からなる偏光ビームスプリッタ106に入射し、この偏光ビームスプリッタの反射膜107においてS偏光成分とP偏光成分とに分けられる。この偏光ビームスプリッタ106においては、S偏光成分が反射膜107により反射されて、反射型ライトバルブ108に入射する。
【0008】
反射型ライトバルブ108は、映像装置の電気信号にしたがって、光の偏光状態を変調する。すなわち、反射型ライトバルブ108に入射した光束は、この反射型ライトバルブ108において変調され、映像信号に応じた光が反射される。反射型ライトバルブ108により反射された光束は、拡大光学系となる屈折レンズ109を通り、拡大されて、観察者の瞳110によって結像される。
【0009】
この虚像表示装置の特徴は、光源像を瞳上に結像することにより、光源の発光光量を有効に使うとともに、光源の個数を増やすことより、瞳径を大きくすることができるというところにある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような、光源像が瞳上に結像されるようにした虚像表示装置において、瞳径を大きくするには、光源の数を増やさなければならない。光源の数を増やすことは、消費電力の増大、装置の大型化、さらにはコストアップも招来するので、瞳径を大きくするための対応として現実的ではない。
【0011】
また、光源の像を均一にライトバルブに照射するには、フライアイレンズ等を用いて出射光を均一化するように構成された照明光学系を用いなければならない。そのため、照明光学系の複雑化、大型化が招来される。
【0012】
さらに、このような照明光学系を用いても、眼の僅かな移動により、色むらや輝度むらが生じてしまう虞れがある。
【0013】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、画像表示素子に対する照明光の利用効率を高く維持しながら、該画像表示素子が表示する画像を虚像で観察する際の、瞳の移動に伴う輝度むら、強度むらの発生が防止され、輝度的、色度的に均一な画像を表示することができ、また、画像を観察できる範囲、すなわち瞳の移動可能な範囲が大きくなされ、さらに、照明光学系の構成が簡素化された虚像表示装置を提供しようとするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、面状の発光部を有し該発光部の各点から拡散光を発する光源と、上記光源から発せられた光を偏光するスプリッタと、上記スプリッタを介して入射された光を表示画像に応じて変調して出射する画像表示素子と、この画像表示素子により変調された光を集光させて上記表示画像の虚像を形成する拡大光学系とを備えている。
【0015】
そして、この虚像表示装置においては、光源の発光部は、拡大光学系により形成される上記表示画像の虚像が観察可能な領域に対して、該拡大光学系を介して共役な領域内に配置されていることを特徴とするものである。
【0016】
また、この虚像表示装置においては、光源の発光部は、拡大光学系により形成される上記表示画像の虚像が観察可能であって画像表示素子の全面からの光が観察者の瞳開口全体に入射される領域に対して該拡大光学系を介して共役な領域内に配置されていることを特徴とするものである。
【0017】
さらに、この虚像表示装置においては、光源の発光部は、拡大光学系により形成される表示画像の虚像が観察可能な領域の中央位置に対して該拡大光学系を介して共役な位置に配置されていることを特徴とするものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【0019】
本発明に係る虚像表示装置は、図1に示すように、光束分割面となる偏光ビームスプリッタ1の反射面2を光軸に対して45°をなして配置した光学系を用いて構成することができる。
【0020】
この虚像表示装置は、図2に示すように、R(赤色)、G(緑色)、B(青色)の3色の発光素子(LED)3及びサイドエッジ型導光板4からなる光源を備えている。この光源においては、発光素子3から出射された光束は、サイドエッジ型導光板4中に入射し、このサイドエッジ型導光板4内で拡散、混色され、出射面5より出射する。サイドエッジ型導光板4は、略々平板状に形成され、一側側の厚さ(例えば、3mm)が他側側の厚さ(例えば、0.3mm)よりも厚い楔形状となっている。発光素子3からの光束は、サイドエッジ型導光板4の一側面部より入射される。サイドエッジ型導光板4の出射面5は、このサイドエッジ型導光板4の主面部にあたる部分であり、後述する反射型ライトバルブ6の画像表示面と略々同じ大きさ及び形状となっている。この出射面5は、面上の各点から拡散光を発する面状の発光部となっている。
【0021】
なお、サイドエッジ型導光板4の一側面部及び出射面5以外の側面部及び裏面部には、反射フィルムが貼着されている。
【0022】
サイドエッジ型導光板4の出射面5より出射された光束は、図1に示すように、偏光ビームスプリッタ1に入射し、反射面2に達する。この反射面2において、光源からの光束は、S偏光成分及びP偏光成分に分離される。すなわち、この反射面2においては、S偏光成分が反射され、P偏光成分は透過する。反射面2において反射された光束は、画像表示素子である反射型ライトバルブ6に入射する。
【0023】
反射型ライトバルブ6は、図示しない映像装置の電気信号にしたがって、入射した光の偏光状態を変調する。すなわち、反射型ライトバルブ6に入射した光束は、この反射型ライトバルブ6において変調されて、映像信号に応じた光が反射される。反射型ライトバルブ6により変調されて反射された光束は、接眼レンズ7からなる拡大光学系を経て、観察者の瞳8を通り、眼に結像される。
【0024】
ここで、拡大光学系としては、接眼レンズ7を用いているが、凹面鏡光学系、もしくは、凹面鏡及び接眼レンズを併有した光学系などでもよい。
【0025】
なお、図1中においては、出射面5から出射した光の光線追跡を実線で示し、反射型ライトバルブ6から出射した光線追跡を破線で示している。
【0026】
反射型ライトバルブ6の画像表示面と、発光部であるサイドエッジ型導光板4の出射面5との位置関係が、図1に示すように垂直である場合、反射型ライトバルブ6上に照射される照明光を均一にするには、テレセントリックに照明されることが必要となる。そのためには、サイドエッジ型導光板4の出射面5は、反射型ライトバルブ6の画像表示の有効面積以上の大きさとすることが望ましい。
【0027】
そして、この虚像表示装置においては、サイドエッジ型導光板4の出射面5と観察者の瞳8の位置とは、共役な位置関係に配置されている。このことにより、この虚像表示装置においては、輝度むら、色むらのない映像表示を観察することが可能となっている。
【0028】
次に、この虚像表示装置を構成する光源について、より詳しく説明する。
【0029】
この光源において、サイドエッジ型導光板4は、反射型ライトバルブを照明する光束の角度を制御するために用いられている。サイドエッジ型導光板は、上述したように、楔型の形状をした半透明体であるが、一般的には、いわゆるパーソナルコンピュータなどのモニターディスプレイに使用されている直視型液晶パネルのバックライトの導光板として、広く使用されている。
【0030】
このサイドエッジ型導光板4の材質としては、アクリル樹脂(ポリメチルメタクリレート(Polymethylmethacrylate:PMMA))や、光散乱ポリマを使用することができる。光散乱ポリマとは、例えば、アクリル樹脂などに屈折率の異なる透明な不純物を少量加えた材料であり、光の射出特性の制御を可能とするとともに、混色の作用も大きくした材料である。発光素子として発光ダイオード(LED)やレーザダイオード(LD)を用いる場合には、サイドエッジ型導光板内での混色をする必要があるので、その材料として光散乱ポリマを用いることは有効である。
【0031】
この光源においては、図3に示すように、R、G、B3色の発光素子3は、1つのパッケージに入った「チップ型LED」として構成されている。これら発光素子3をサイドエッジ型導光板4の一側面部に密着させることより、該発光素子が発する光の利用効率が向上する。さらに、サイドエッジ型導光板4と発光素子3の表面との間を、発光素子のレンズ面であるエポキシ樹脂の屈折率に近い屈折率を有する溶媒で埋めれば、光の利用効率をより向上させることができる。
【0032】
サイドエッジ型導光板の入射面及び出射面以外の面に貼着される反射フィルムとしては、白色、または、銀色の反射フィルムを用いる。また、このサイドエッジ型導光板の出射面5には、出射光束の拡散角度を制御するためのプリズムシートが貼着されている。このプリズムシートにより、射出面5から出射される光束の発散角は、半値で10°乃至30°となされる。
【0033】
サイドエツジ型導光板4から射出される光束は、図4に示すように、θ1方向とθ2方向では発散角が異なり、すなわち、光束の断面形状が楕円形となっている。ここで、θ1は、図5に示すように、出射面5に平行であって発光素子3からサイドエッジ型導光板4に向かう方向を軸とした角度である。また、θ2は、図5に示すように、出射面5に平行であってθ1に垂直な方向を軸とした角度である。図4より、θ1方向の発散角は、θ2方向の発散角よりも広いことがわかる。なお、この図4に示したデータは、サイドエッジ型導光板4を光散乱ポリマにより形成した場合のものである。発光素子がレーザダイオードである場合には、この発光素子から出射された光束自身が大きな発散角を有しており、また、方向によって発散角が異なり、光束の断面が楕円形状となっている。
【0034】
なお、この光源における発光部は、発光素子の直後に置いたすりガラス等であってもよい。
【0035】
次に、虚像表示素子である反射型ライトバルブ6が表示する映像の虚像を観察できる範囲、すなわち、光学系の瞳径と、反射型ライトバルブ6から出射される光束の角度との関係について説明する。
【0036】
まず、説明の簡単化のため、図6及び図7に示すように、反射型ライトバルブ6と接眼レンズ7との距離が該接眼レンズ7の焦点距離fに等しくなされているとする。そして、反射型ライトバルブ6から出射する光束の垂直方向の発散角を、図6に示すように、2ω1とし、水平方向の発散角を、図7に示すように、2ω2とする。また、虚像を親察することのできる光学系の瞳径については、垂直方向については、図6に示すように、Φ1とし、水平方向(左右方向)については、図7に示すように、Φ2とする。
【0037】
反射型ライトバルブ6から2ω1、2ω2の発散角で出射された光束は、焦点距離fの接眼レンズ7を通り、観測者の瞳8を通って眼に入り、結像される。光学系の瞳径Φ1、Φ2は、図6及び図7に示す光学系の配置を考えると以下の関係式より算出される。
【0038】
Φ1=2ftan(ω1
Φ2=2ftan(ω2
このことから、瞳径Φ1、Φ2を大きくするには、接眼レンズ7の焦点距離fを長くするか、または、反射型ライトバルブ6より射出される光束の発散角2ω1、2ω2を大きくする必要がある。
【0039】
しかし、光学系の小型化が必要とされている虚像表示装置では、接眼レンズ7の焦点距離fを長くすることはできないので、反射型ライトバルブ6から出射される束の発散角2ω1、2ω2を大きくする必要がある。
【0040】
ここで、サイドエッジ型導光板、もしくは、発光素子の出射光の発散角の方向依存性を利用して、瞳の移動量が大きい方向、通常は水平方向(左右方向)に、サイドエッジ型導光板、もしくは発光素子の出射光の発散角度の大きい方向を合わせることにより、実用的に瞳が移動可能な距離を大きくすることができる。また、一般的な映像表示素子は、「NTSC方式」のものであれば画像の縦横比は4:3、「HD方式」のものであれば画像の縦横比は16:9の横長になっているので、この意味からも、瞳の移動量が大きい方向は水平方向(左右方向)となるので、これに合わせてサイドエッジ型導光板等の配置を行う。
【0041】
このことを、図6及び図7を用いて説明をすると、サイドエッジ型導光板、または、発光素子の出射光の発散角の広い方を、映像表示素子の表示画像の長辺(長手)方向に配置すると、ω2>ω1という関係になり、その結果、Φ1>Φ2という関係が生じ、表示画像の長辺(長手)方向に瞳径が大きく取れることがわかる。
【0042】
また、めがね型二眼虚像表示装置においては、装置構成の簡素化のために、眼幅の調整機能がない。一般的に、人間の眼幅は、57mm乃至67mm程度とばらつきが存在する。めがね型二眼虚像表示装置においては、人間の眼幅の平均値である約60mmに合わせて設計がなされているが、瞳径が水平方向(左右方向)に大きくなっていないと、万人が使用できる装置にならない。そこで、このめがね型二眼虚像表示装置においても、サイドエッジ型導光板、または、発光素子の出射光の発散角度の大きい方向を、眼幅の変化量の多い左右方向に合わせて配置するとよい。
【0043】
次に、この虚像観察装置における虚像観察可能領域について説明する。この虚像観察装置の使用にあたって、観察者は、光学設計上の瞳位置に眼をもってくることが望ましい。しかし、実際には、観察者は、光学設計上の瞳位置に正確に眼がなくても、虚像を観察することができる。ここで、観察者が眼を移動しても、画像表示素子が表示する画像の全面を観察することができる空間的範囲を、「虚像観察可能領域」と呼ぶこととする。
【0044】
映像表示素子の画像表示エリアを経たすべての光束が、拡大光学系を経由して重なり合う領域に眼を配置することにより、画像表示素子が表示する画像の全体の観察が可能となる。すなわち、図8及び図9に示すように、映像表示素子の画像表示エリアを経たすべての光束が拡大光学系を経由して重なり合う領域が、虚像観察可能領域Vということになる。
【0045】
図8及び図9においては、画像表示素子から出射した光束の光線追跡の断面図を示している。便宜上、虚像距離を無限遠にとった場合の図としてある。画像表示素子から出射した光束は、拡大光学系を経由して、観察者の瞳位置を通り、眼に結像される。虚像観察可能領域Vは、図8に示すように、映像表示素子の最上部から出射した光束と、最下部から出射した光束が拡大光学系を経由して重なり合う領域、すなわち、図8及び図9において、黒線で囲まれた四角形で示された領域である。
【0046】
実際には、映像表示素子は2次元的な画像を表示する表示素子であるから、虚像観察可能領域Vは、空間的に立体的に存在する。すなわち、光学設計によって決定される瞳の位置から光軸に沿って、光学系のアパーチャが決定する形状(円、楕円、または、四角形)を底面にもつ円錐、楕円錐、または、多角錐を前後に重ね合わせた形状の領域となる。ここで、画角をθ、瞳径をΦ、光軸に沿つた距離を2hとすると、虚像距離が無限遠である設計の場合においては、
tan(θ/2)=Φ/2h
が満たされている。
【0047】
なお、虚像観察可能領域Vは、虚像距離が無限遠にある場合においては、光学設計上の瞳位置から光軸上に沿って前後対称な形状を有するが、虚像距離が有限距離にあるとして設計した場合は、前後対称の形状ではなく、設計上の瞳位置から光束が進む方向の錐体が長い形状となる。
【0048】
次に、瞳径と虚像観察可能領域の関係について説明する。本発明に係る虚像表示装置においては、光源の発光部は、虚像観察可能領域に対して拡大光学系を介して共役な位置関係をもって配置される。すなわち、図10に示すように、光源の発光部の拡大光学系を介しての共役像が、虚像観察可能領域内に結像するようになされている。
【0049】
この図10中において、虚像観察可能領域中で光軸に垂直に切った断面(観察断面)の面積が最も大きい位置である位置Cは、光学設計上の瞳位置となる。この位置Cの前後両側に位置する位置Bは、虚像観察可能領域内において、観察断面の大きさが、観察者の瞳径に相当する直径3mmの円を含むことのできる最低の大きさ、すなわち、長方形であれば短辺3mmとなる位置である。
【0050】
そして、虚像観察可能領域の前後両端部にあたる図10中の位置Aは、この位置より光軸上に沿って設計上の瞳位置から離れると映像表示素子の画像の一部が欠け始め、全体を観察することができなくなる位置である。
【0051】
次に、図11及び図12に示すように、虚像観察可能領域を光軸に垂直な面で切り取った図11及び図12中長方形で示す観察断面と、図11及び図12中円で示す人間の瞳の位置及び瞳径の大きさの関係について説明する。一般に人間の瞳径(瞳孔径)は、明るい場所では小さくなり、暗いところでは大きくなるが、3mmから8mm程度である。ここでは、最小の値である3mmを瞳径をとして説明を行う。
【0052】
瞳径と虚像観察可能領域断面の大きさについては、図11に示すように、光学設計上の瞳位置から、光軸に沿っての眼の移動に伴い、虚像観察可能領域断面が小さくなる。ここで、図11中のIに示すように、観察断面の短辺の長さが瞳径よりも大きいという関係がある場合、映像表示素子の表示エリアの全体を観察することができる。しかし、図11中のIIに示すように、観察断面の短辺の長さが瞳径よりも小さくなると、映像表示装置の表示エリアの全面を観察することはできるが、瞳に入る光量が小さくなり、観察できる画像が暗くなる。このことから、図10中の位置Bは、観察断面の短辺が瞳径を割り込む位置関係、すなわち、図11中のIに示す関係にある場合に相当する。
【0053】
そして、瞳位置と虚像観察可能領域の観察断面の位置関係については、図12に示すように、図12中▲1▼に示すように、瞳が観察断面に全て含まれている関係の場合は、虚像を十分に観察することができる。そして、図12中▲2▼に示すように、瞳の一部が観察断面からはみ出している関係の場合は、画像表示素子の表示エリアが欠けることはないが、画像の周辺の光量低下が観察される。そして、図12中▲3▼に示すように、瞳の全体が観察断面から出ている関係の場合、観察できる画像表示素子の表示エリアに欠けが生じ、すなわち、表示エリア全体を一度に観察することはできなくなる。
【0054】
そして、この虚像観察装置においては、光源の発光部の共役像が、観察者の虚像観察可能領域内に位置するように、光源、画像表示素子及び拡大光学系が配置されている。このような配置により、画像表示素子の表示する全画面を欠けることなく観察することができる。
【0055】
また、光源の発光部の共役像が、観察者の虚像観察可能領域内において、人間の最小瞳径3mmを含有する領域となるように光源、画像表示素子及び拡大光学系を配置することにより、画像表示素子が表示する全画面を欠くことなく観察できるとともに、表示エリア周辺の光量を十分に確保することができる。
【0056】
さらに、光源の発光部の共役像が、観察者の虚像観察可能領域の光軸に垂直な断面の面積が最大となる位置となるように光源、画像表示素子及び拡大光学系を配置することにより、画像表示装置が表示する全画面を欠くことなく観察でき、表示エリア周辺の光量を十分に確保できるとともに、光軸に垂直な方向への眼の移動可能量を大きく確保することができる。
【0057】
このように、この虚像観察装置においては、観察者は、輝度むら、色むらがなく、輝度的、色度的に均一な画像を観察することができる。
【0058】
そして、本発明に係る虚像表示装置は、図13に示すように、拡大光学系として凹面鏡光学系を使用して構成することができる。
【0059】
この虚像表示装置において、光学系は、3個の光学ブロック10,11,12からなる。R(赤色)、G(緑色)、B(青色)の3色の発光素子(LED)3から出た光束は、サイドエッジ型導光板4中に入り、このサイドエッジ導光板4内で拡散、混色され、発光部となる出射面5より出る。射出面5より出た光束は、第1の光学ブロック10に入射する。この第1の光学ブロック10は、3つの面を有する三角柱形状に形成されたプリズムであり、第1の面からサイドエッジ導光板4からの光束が入射され、第2の面には偏光ビームスプリッタ膜10aが形成され、第3の面は画像表示素子である反射型ライトバルブ6に対向している。偏光ビームスプリッタ膜10aは、誘電体多層膜、もしくは、金属で形成されている。この偏光ビームスプリッタ膜10aは、光束分割面となるものであり、光軸に対して45°ではない角度をなしている。第1の面から入射したサイドエッジ導光板4からの光束は、第2の面の偏光ビームスプリッタ膜10aに入射し、S偏光成分は反射され、P偏光成分は透過する。偏光ビームスプリッタ膜10aで反射されたS偏光成分は、第2の面より出射して、反射型ライトバルブ6に入射する。
【0060】
反射型ライトバルブ6で変調を受けた光束(P偏光成分)は、第1の光学ブロック10に第3の面から再入射し、第2の面の偏光ビームスプリッタ膜10aを透過して、第2の光学ブロック11に入射する。第2の光学ブロック11は、入射面と、この第2の光学ブロック11内から見て凹面である凹面鏡部11aと、ハーフミラー面11bとの3つの面を有する略々三角柱状のプリズムであり、第1の光学ブロック10の偏光ビームスプリッタ膜10aを透過した光束が入射面から入射される。なお、第1の光学ブロック10のビームスプリッタ膜10aと、第2の光学ブロック11の入射面とは、密着されている。第2の光学ブロック11に入射した光束は、まず、ハーフミラー面11bで反射され、次に、拡大光学系となる凹面鏡部11aで反射されて収束光束となり、再びハーフミラー面11bに戻り、このハーフミラー面11bを透過して、第3の光学ブロック12に入射する。
【0061】
第3の光学ブロック12は、入射面と、出射面とを有するプリズムである。この第3の光学ブロック12の入射面は、第2の光学ブロック11のハーフミラー面11bに密着している。この第3の光学ブロック12に入射した光束は、出射面から出射される。この出射面は、第3の光学ブロック12の外方側から見て凹面であるレンズ面となさている。この出射面から出射した光束は、瞳8を通り、眼に結像される。
【0062】
なお、図13中においては、発光部から出射した光の光線追跡を実線で示し、反射型ライトバルブ6から出射された光線の追跡を波線で示している。
【0063】
この光学系において、表示画像のコントラストをあげるためには、サイドエッジ型導光板4と、第1の光学ブロック10との間に、S偏光成分のみを通過させるための偏光板を配置する。また、第2の光学ブロック11と第3の光学ブロック12との間に、P偏光成分のみを透過させる偏光板を配置すると、さらに光学特性を向上させることができる。
【0064】
各光学ブロック10,11,12は、アクリル樹脂(ポリメチルメタクリレート(Polymethylmethacrylate:PMMA))、ゼオネックス(登録商標)等の光学プラスチック、もしくは、光学ガラスにより形成することができる。また、各光学ブロック10,11,12の間は、光学接着剤で接着し、光学的に連続な状態とする。この光学系の特徴は、反射型ライトバルブ6に入射する光束と、この反射型ライトバルブ6に反射されて出射する光束の向きが異なることである。このため、光源の発光部となる出射面5は、反射型ライトバルブ6の画像表示の有効面積より小さくすることができる。したがって、この光学系は、全体を小型に構成することができる。
【0065】
さらに、本発明に係る虚像表示装置は、図14に示すように、画像表示素子として、透過型ライトバルブを用いて構成することもできる。
【0066】
この虚像表示装置においては、R、G、B3色の発光素子(LED)3から出射された光束は、サイドエッジ型導光板4中に入り、このサイドエッジ型導光板4内で拡散、混色され、発光部となる出射面5より出射する。射出面5より出た光束は、物理的に離れた位置に配置された透過型ライトバルブ13に入射し、この透過型ライトバルブ13を透過することにより、画像信号に応じた変調を受ける。透過型ライトバルブ13から出射された光束は、接眼レンズ7からなる拡大光学系を通過した後、瞳8を通り、眼に結像される。拡大光学系としては、接眼レンズ7の他、凹面鏡光学系、もしくは、凹面鏡及び接眼レンズからなる光学系などでもよい。図14においては、発光部から出射した光の光線追跡を実線で、透過型ライトバルブ13から出射した光線の追跡を破線で示している。
【0067】
この虚像表示装置においても、瞳8の位置と、発光部とを共役な位置に配置することにより、色むら、輝度むらのない映像を観察することができる。
【0068】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る虚像表示装置においては、光源の発光部を観察者の瞳位置と共役な位置関係に配置することにより、瞳の移動に伴う輝度むら、色むらのない映像表示を観察することが可能となっている。
【0069】
そして、この虚像表示装置においては、光源からの出射光の発散角を制御することができ、光学系を小型化することができる。また、光源の出射光の発散角の方向依存性を利用して、瞳の移動量の大きい方、通常は、左右方向を光源の出射光の発散角の大きい方向とすることで、瞳の移動可能量を大きくすることができる。
【0070】
また、この虚像表示装置においては、光源における発光素子の個数や大きさを変えることなく、該光源において導光板の形状を大きくすることにより、光学系の瞳径を大きくすることができ、瞳径の拡大に伴う消費電力の増大を抑えることができるとともに、発光素子や光学素子についてのコストアップを抑えることができる。
【0071】
すなわち、本発明は、画像表示素子に対する照明光の利用効率を高く維持しながら、該画像表示素子が表示する画像を虚像で観察する際の、瞳の移動に伴う輝度むら、強度むらの発生が防止され、輝度的、色度的に均一な画像を表示することができ、また、画像を観察できる範囲、すなわち瞳の移動可能な範囲が大きくなされ、さらに、照明光学系の構成が簡素化された虚像表示装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る虚像表示装置であって偏光ビームスプリッタを用いた構成を示す側面図である。
【図2】上記虚像表示装置を構成するサイドエッジ型導光板の形状を示す斜視図である。
【図3】上記サイドエッジ型導光板に取付けられた発光素子を示す側面図である。
【図4】光散乱ポリマにより形成されたサイドエツジ型導光板の射出光の角度依存性を示すグラフである。
【図5】上記サイドエツジ型導光板における発光素子の位置を基準とした座標系を示す平面図である。
【図6】反射型ライトバルブから出射する光束の出射角度と瞳径の大きさの関係を示す側面図である。
【図7】反射型ライトバルブから出射する光束の出射角度と瞳径の大きさの関係を示す平面図である。
【図8】上記虚像表示装置における虚像観察可能領域の定義を示す側面図である。
【図9】上記虚像表示装置における虚像観察可能領域を示す側面図である。
【図10】上記虚像表示装置における虚像観察可能領域を示す斜視図である。
【図11】上記虚像観察可能領域の断面である観察断面と人間の瞳の大きさの関係を示す正面図である。
【図12】上記虚像観察可能領域の断面である観察断面と人間の瞳の位置の関係を示す正面図である。
【図13】本発明に係る虚像表示装置であって光束を瞳へ導入する光学系及び拡大光学系として第1乃至第3の光学ブロックを用いたものの構成を示す側面図である。
【図14】本発明に係る虚像表示装置であって透過型ライトバルブを用いたものの構成を示す側面図である。
【図15】従来の虚像表示装置の構成を示す側面図である。
【図16】従来の虚像表示装置の構成の他の例を示す側面図である。
【符号の説明】
3 発光素子、4 サイドエッジ型導光板、5 出射面、6 反射型ライトバルブ、7 接眼レンズ、8 瞳、10 第1の光学ブロック、11 第2の光学ブロック、12 第3の光学ブロック、13 透過射型ライトバルブ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a virtual image display device that enables a virtual image to be observed with a single eye or with both left and right eyes.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, virtual image display devices have been proposed. As shown in FIG. 15, such a virtual image display device is configured to observe an output image of an image display element (LCD panel) 101 through a magnifying optical system 102 for displaying a virtual image. That is, such a virtual image display device spatially modulates the light emitted from the light source 103 by the image display element 101, and displays an image by using a magnifying optical system 102 such as a concave mirror optical system or a convex lens optical system. The display image of the element 101 is formed as a virtual image 104.
[0003]
Such a virtual image display device is put into practical use as a so-called head mounted display (HMD), a head-up display (HUD), or a so-called view finder. In the virtual image display device, the wider the region where the virtual image can be observed, the easier it is to see. However, since the pupil diameter of the optical system is small in a practical virtual image display device, it can be observed within an observable region by providing an eye width adjustment mechanism or fixing it to the head as a spectacle type or a helmet type. The observer's pupil is present.
[0004]
However, development of a virtual image display device that can easily observe a virtual image without being fixed to the head or the like is desired. For this purpose, it is necessary to increase the pupil diameter of the virtual image display device. It is difficult to sufficiently increase the pupil diameter of the virtual image display device because the size of the optical system is limited and the angle of light emitted from the virtual image display device cannot be increased.
[0005]
As the image display element, a transmissive light valve, a reflective light valve, a CRT (cathode ray tube) or the like is used. Many conventional virtual image display devices are configured using a transmissive light valve.
[0006]
2. Description of the Related Art In recent years, a reflective liquid crystal light valve using a crystalline Si (silicon) substrate has been developed in developing a small and high-resolution virtual image display device. This reflection type liquid crystal light valve is characterized in that a CMOS circuit is formed on a Si substrate, a reflecting mirror is formed thereon, and a liquid crystal is sandwiched between them. In such a reflective liquid crystal light valve, an improvement in aperture ratio is realized, and furthermore, since a Si-based manufacturing process can be adopted, the design rule can be made fine and it is suitable for realizing high resolution.
[0007]
The configuration of a virtual image display device using such a reflective light valve is described in, for example, US Pat. No. 5,808,800. In this virtual image display device, as shown in FIG. 16, the light beam emitted from the light source 103 is converted into a parallel light beam by the collimator lens 105 and is incident on the polarization beam splitter 106 made of glass or the like. In 107, an S-polarized component and a P-polarized component are divided. In this polarization beam splitter 106, the S-polarized component is reflected by the reflective film 107 and enters the reflective light valve 108.
[0008]
The reflective light valve 108 modulates the polarization state of light according to the electrical signal of the video apparatus. That is, the light beam incident on the reflective light valve 108 is modulated by the reflective light valve 108, and light corresponding to the video signal is reflected. The light beam reflected by the reflective light valve 108 passes through a refractive lens 109 serving as a magnifying optical system, is magnified, and is imaged by the observer's pupil 110.
[0009]
This virtual image display device is characterized in that the pupil diameter can be increased by forming the light source image on the pupil to effectively use the amount of light emitted from the light source and increasing the number of light sources. .
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
Incidentally, in the virtual image display apparatus in which the light source image is formed on the pupil as described above, the number of light sources must be increased in order to increase the pupil diameter. Increasing the number of light sources leads to an increase in power consumption, an increase in the size of the apparatus, and an increase in cost, which is not realistic as a countermeasure for increasing the pupil diameter.
[0011]
In addition, in order to uniformly irradiate the light valve with the image of the light source, an illumination optical system configured to make the emitted light uniform using a fly-eye lens or the like must be used. Therefore, the illumination optical system becomes complicated and large.
[0012]
Furthermore, even if such an illumination optical system is used, there is a possibility that uneven color or uneven brightness may occur due to slight movement of the eyes.
[0013]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described circumstances, and is used when observing an image displayed by the image display element as a virtual image while maintaining high use efficiency of illumination light for the image display element. The occurrence of uneven brightness and intensity due to the movement of the pupil can be prevented, and a uniform image in terms of brightness and chromaticity can be displayed. An object of the present invention is to provide a virtual image display device that is made large and further has a simplified configuration of an illumination optical system.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, a virtual image display device according to the present invention has a planar light emitting unit. , A light source that emits diffused light from each point of the light emitting unit; A splitter that polarizes light emitted from the light source, and is incident through the splitter. Image display element for modulating and emitting light according to display image, and image display element Modulated by And an magnifying optical system that collects light and forms a virtual image of the display image.
[0015]
In this virtual image display device, the light emitting portion of the light source is arranged in a conjugate region via the magnification optical system with respect to the region where the virtual image of the display image formed by the magnification optical system can be observed. It is characterized by that.
[0016]
Further, in this virtual image display device, the light-emitting portion of the light source can observe the virtual image of the display image formed by the magnifying optical system, and light from the entire surface of the image display element enters the entire pupil aperture of the observer It is characterized in that it is arranged in a conjugate region with respect to the region to be formed via the magnifying optical system.
[0017]
Further, in this virtual image display device, the light emitting portion of the light source is arranged at a conjugate position via the magnifying optical system with respect to the center position of the region where the virtual image of the display image formed by the magnifying optical system can be observed. It is characterized by that.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0019]
As shown in FIG. 1, the virtual image display apparatus according to the present invention is configured by using an optical system in which the reflecting surface 2 of the polarizing beam splitter 1 serving as a light beam splitting surface is arranged at 45 ° with respect to the optical axis. Can do.
[0020]
As shown in FIG. 2, the virtual image display device includes a light source including light emitting elements (LED) 3 of three colors of R (red), G (green), and B (blue) and a side edge type light guide plate 4. Yes. In this light source, the light beam emitted from the light emitting element 3 enters the side edge type light guide plate 4, is diffused and mixed in the side edge type light guide plate 4, and is emitted from the emission surface 5. The side edge type light guide plate 4 is formed in a substantially flat plate shape, and has a wedge shape in which the thickness on one side (for example, 3 mm) is thicker than the thickness on the other side (for example, 0.3 mm). . The light flux from the light emitting element 3 is incident from one side surface portion of the side edge type light guide plate 4. The exit surface 5 of the side edge type light guide plate 4 is a portion corresponding to a main surface portion of the side edge type light guide plate 4 and has substantially the same size and shape as an image display surface of a reflection type light valve 6 described later. . The emission surface 5 is a planar light emitting portion that emits diffused light from each point on the surface.
[0021]
A reflective film is attached to one side surface portion of the side edge type light guide plate 4 and side surface portions and back surface portions other than the emission surface 5.
[0022]
The light beam emitted from the emission surface 5 of the side edge type light guide plate 4 enters the polarization beam splitter 1 and reaches the reflection surface 2 as shown in FIG. On the reflecting surface 2, the light beam from the light source is separated into an S-polarized component and a P-polarized component. That is, on the reflecting surface 2, the S-polarized component is reflected and the P-polarized component is transmitted. The light beam reflected by the reflecting surface 2 enters the reflective light valve 6 that is an image display element.
[0023]
The reflection type light valve 6 modulates the polarization state of incident light in accordance with an electric signal of an image device (not shown). That is, the light beam incident on the reflective light valve 6 is modulated by the reflective light valve 6 and light corresponding to the video signal is reflected. The light beam modulated and reflected by the reflective light valve 6 passes through the magnifying optical system including the eyepiece lens 7, passes through the pupil 8 of the observer, and forms an image on the eye.
[0024]
Here, the eyepiece lens 7 is used as the magnifying optical system, but a concave mirror optical system or an optical system having both a concave mirror and an eyepiece lens may be used.
[0025]
In FIG. 1, the ray tracing of the light emitted from the emission surface 5 is indicated by a solid line, and the ray tracing emitted from the reflective light valve 6 is indicated by a broken line.
[0026]
When the positional relationship between the image display surface of the reflection type light valve 6 and the emission surface 5 of the side edge type light guide plate 4 which is a light emitting portion is vertical as shown in FIG. In order to make the illumination light emitted uniform, it is necessary to illuminate telecentrically. For this purpose, it is desirable that the exit surface 5 of the side edge type light guide plate 4 has a size larger than the effective area of the image display of the reflective light valve 6.
[0027]
In this virtual image display device, the exit surface 5 of the side edge type light guide plate 4 and the position of the observer's pupil 8 are arranged in a conjugate positional relationship. As a result, in this virtual image display device, it is possible to observe a video display having no luminance unevenness and color unevenness.
[0028]
Next, the light source constituting the virtual image display device will be described in more detail.
[0029]
In this light source, the side edge type light guide plate 4 is used to control the angle of the light beam that illuminates the reflection type light valve. As described above, the side edge type light guide plate is a semi-transparent body having a wedge shape, but in general, the backlight of a direct view type liquid crystal panel used in a monitor display such as a so-called personal computer is used. Widely used as a light guide plate.
[0030]
As a material of the side edge type light guide plate 4, an acrylic resin (Polymethylmethacrylate (PMMA)) or a light scattering polymer can be used. The light scattering polymer is, for example, a material obtained by adding a small amount of transparent impurities having different refractive indexes to an acrylic resin or the like, and is a material that enables control of light emission characteristics and has a large color mixing effect. When a light emitting diode (LED) or a laser diode (LD) is used as the light emitting element, it is necessary to mix colors in the side edge type light guide plate. Therefore, it is effective to use a light scattering polymer as the material.
[0031]
In this light source, as shown in FIG. 3, the light emitting elements 3 of R, G, and B colors are configured as “chip type LEDs” in one package. By bringing these light emitting elements 3 into close contact with one side surface portion of the side edge type light guide plate 4, utilization efficiency of light emitted from the light emitting elements is improved. Furthermore, if the space between the side edge type light guide plate 4 and the surface of the light emitting element 3 is filled with a solvent having a refractive index close to the refractive index of the epoxy resin that is the lens surface of the light emitting element, the light utilization efficiency is further improved. be able to.
[0032]
A white or silver reflective film is used as the reflective film to be attached to the surfaces other than the incident surface and the exit surface of the side edge type light guide plate. In addition, a prism sheet for controlling the diffusion angle of the emitted light beam is attached to the exit surface 5 of the side edge type light guide plate. With this prism sheet, the divergence angle of the light beam emitted from the exit surface 5 is 10 ° to 30 ° at half value.
[0033]
As shown in FIG. 4, the luminous flux emitted from the side-edge type light guide plate 4 has different divergence angles in the θ1 direction and the θ2 direction, that is, the cross-sectional shape of the luminous flux is elliptical. Here, as shown in FIG. 5, θ 1 is an angle that is parallel to the emission surface 5 and has a direction from the light emitting element 3 toward the side edge type light guide plate 4 as an axis. Further, as shown in FIG. 5, θ2 is an angle about the direction parallel to the emission surface 5 and perpendicular to θ1. FIG. 4 shows that the divergence angle in the θ1 direction is wider than the divergence angle in the θ2 direction. The data shown in FIG. 4 is obtained when the side edge type light guide plate 4 is formed of a light scattering polymer. When the light-emitting element is a laser diode, the light beam itself emitted from the light-emitting element has a large divergence angle, and the divergence angle varies depending on the direction, and the cross-section of the light beam is elliptical.
[0034]
In addition, the light emission part in this light source may be ground glass placed immediately after the light emitting element.
[0035]
Next, the range in which the virtual image of the image displayed by the reflective light valve 6 that is a virtual image display element can be observed, that is, the relationship between the pupil diameter of the optical system and the angle of the light beam emitted from the reflective light valve 6 will be described. To do.
[0036]
First, for simplification of explanation, it is assumed that the distance between the reflective light valve 6 and the eyepiece lens 7 is equal to the focal length f of the eyepiece lens 7 as shown in FIGS. Then, the vertical divergence angle of the light beam emitted from the reflective light valve 6 is 2ω as shown in FIG. 1 And the horizontal divergence angle is 2ω as shown in FIG. 2 And Further, the pupil diameter of the optical system capable of familiarizing the virtual image is Φ1 in the vertical direction as shown in FIG. 6, and Φ2 in the horizontal direction (left and right direction) as shown in FIG. To do.
[0037]
Reflective light valve 6 to 2ω 12 The light beam emitted at the divergence angle passes through the eyepiece lens 7 at the focal length f, enters the eye through the observer's pupil 8, and forms an image. The pupil diameters Φ1 and Φ2 of the optical system are calculated from the following relational expressions in consideration of the arrangement of the optical systems shown in FIGS.
[0038]
Φ1 = 2ftan (ω 1 )
Φ2 = 2ftan (ω 2 )
Therefore, in order to increase the pupil diameters Φ1 and Φ2, the focal length f of the eyepiece lens 7 is increased, or the divergence angle 2ω of the light beam emitted from the reflective light valve 6 is increased. 12 Need to be larger.
[0039]
However, in the virtual image display device in which the downsizing of the optical system is required, the focal length f of the eyepiece lens 7 cannot be increased, so that the divergence angle 2ω of the bundle emitted from the reflective light valve 6 is increased. 12 Need to be larger.
[0040]
Here, using the side edge type light guide plate or the direction dependency of the divergence angle of the light emitted from the light emitting element, the side edge type guide is used in the direction of large pupil movement, usually in the horizontal direction (left and right direction). By matching the direction in which the divergence angle of the light emitted from the light plate or the light emitting element is large, the distance that the pupil can move practically can be increased. In addition, if a general video display device is of the “NTSC system”, the aspect ratio of the image is 4: 3, and if of the “HD system”, the aspect ratio of the image is 16: 9. From this point of view, the direction in which the amount of movement of the pupil is large is the horizontal direction (left-right direction).
[0041]
This will be described with reference to FIG. 6 and FIG. 7. The side edge type light guide plate or the one having the wider divergence angle of the emitted light from the light emitting element indicates the longer side (longitudinal) direction of the display image of the video display element. If placed in ω 2 > Ω 1 As a result, the relationship of Φ1> Φ2 occurs, and it can be seen that the pupil diameter can be increased in the long side (longitudinal) direction of the display image.
[0042]
In addition, the eyeglass-type binocular virtual image display device does not have an eye width adjustment function in order to simplify the device configuration. In general, the human eye width varies from 57 mm to 67 mm. The eyeglass-type binocular virtual image display device is designed to match the average human eye width of about 60 mm. If the pupil diameter is not increased in the horizontal direction (left-right direction), The device cannot be used. Therefore, in the eyeglass-type binocular virtual image display device, the side edge type light guide plate or the direction in which the divergence angle of the light emitted from the light emitting element is large may be arranged in accordance with the horizontal direction in which the amount of change in eye width is large.
[0043]
Next, a virtual image observable region in this virtual image observation apparatus will be described. When using this virtual image observation apparatus, it is desirable for the observer to bring his eyes to the pupil position in the optical design. However, in practice, the observer can observe a virtual image even if the eye is not accurately located at the pupil position in the optical design. Here, a spatial range in which the entire surface of the image displayed by the image display element can be observed even if the observer moves his / her eyes is referred to as a “virtual image observable region”.
[0044]
By locating the eyes in a region where all the light beams that have passed through the image display area of the video display element overlap through the magnifying optical system, the entire image displayed by the image display element can be observed. That is, as shown in FIGS. 8 and 9, a region where all the light beams that have passed through the image display area of the video display element overlap through the magnifying optical system is a virtual image observable region V.
[0045]
8 and 9 show cross-sectional views of ray tracing of the light beam emitted from the image display element. For convenience, it is a diagram when the virtual image distance is set to infinity. The light beam emitted from the image display element passes through the magnifying optical system, passes through the pupil position of the observer, and forms an image on the eye. As shown in FIG. 8, the virtual image observable region V is a region where the light beam emitted from the uppermost part of the image display element and the light beam emitted from the lowermost part overlap each other via the magnifying optical system, that is, FIGS. In FIG. 5, the area is indicated by a rectangle surrounded by a black line.
[0046]
Actually, since the video display element is a display element that displays a two-dimensional image, the virtual image observable region V exists spatially and three-dimensionally. That is, along the optical axis from the position of the pupil determined by the optical design, a cone, an elliptical cone, or a polygonal pyramid with a shape (circle, ellipse, or square) determined by the aperture of the optical system on the bottom It becomes the area | region of the shape overlapped on. Here, when the angle of view is θ, the pupil diameter is Φ, and the distance along the optical axis is 2h, in the case of a design where the virtual image distance is infinite,
tan (θ / 2) = Φ / 2h
Is satisfied.
[0047]
The virtual image observable region V has a symmetrical shape along the optical axis from the optically designed pupil position when the virtual image distance is infinite, but the virtual image distance is designed to be a finite distance. In this case, the shape of the cone in the direction in which the light beam travels from the designed pupil position is not a symmetrical shape but a long shape.
[0048]
Next, the relationship between the pupil diameter and the virtual image observable region will be described. In the virtual image display device according to the present invention, the light emitting portion of the light source is arranged with a conjugate positional relationship with respect to the virtual image observable region via the magnifying optical system. That is, as shown in FIG. 10, a conjugate image through the magnifying optical system of the light emitting part of the light source is formed in the virtual image observable region.
[0049]
In FIG. 10, the position C, which is the position where the area of the cross section (observation cross section) cut perpendicular to the optical axis in the virtual image observable region is the largest, is a pupil position in optical design. Positions B positioned on both sides before and after this position C are the minimum size within the virtual image observable region where the size of the observation cross section can include a circle with a diameter of 3 mm corresponding to the pupil diameter of the observer, In the case of a rectangle, the position is a short side of 3 mm.
[0050]
Then, the position A in FIG. 10 corresponding to both the front and rear ends of the virtual image observable region starts to lose a part of the image of the image display element when it is away from the designed pupil position along the optical axis from this position. It is a position where it becomes impossible to observe.
[0051]
Next, as shown in FIGS. 11 and 12, an observation cross section indicated by a rectangle in FIGS. 11 and 12 in which a virtual image observable region is cut out by a plane perpendicular to the optical axis, and a human being indicated by a circle in FIGS. The relationship between the position of the pupil and the size of the pupil diameter will be described. In general, the human pupil diameter (pupil diameter) is small in a bright place and large in a dark place, but is about 3 mm to 8 mm. Here, the minimum value of 3 mm will be described as the pupil diameter.
[0052]
As for the pupil diameter and the size of the virtual image observable region cross section, as shown in FIG. 11, the virtual image observable region cross section becomes smaller from the pupil position on the optical design along with the movement of the eye along the optical axis. Here, as shown by I in FIG. 11, when there is a relationship that the length of the short side of the observation cross section is larger than the pupil diameter, the entire display area of the video display element can be observed. However, as indicated by II in FIG. 11, when the length of the short side of the observation cross section becomes smaller than the pupil diameter, the entire display area of the video display device can be observed, but the amount of light entering the pupil is small. The image that can be observed becomes dark. From this, position B in FIG. 10 corresponds to a positional relationship in which the short side of the observation cross section interrupts the pupil diameter, that is, a relationship indicated by I in FIG.
[0053]
As for the positional relationship between the pupil position and the observation cross section of the virtual image observable region, as shown in FIG. 12, as shown by (1) in FIG. The virtual image can be observed sufficiently. Then, as shown in (2) in FIG. 12, in the case where a part of the pupil protrudes from the observation cross section, the display area of the image display element is not lost, but the decrease in the amount of light around the image is observed. Is done. Then, as shown in (3) in FIG. 12, when the whole pupil is out of the observation section, the display area of the observable image display element is chipped, that is, the entire display area is observed at once. I can't do that.
[0054]
In this virtual image observation apparatus, the light source, the image display element, and the magnifying optical system are arranged so that the conjugate image of the light emitting part of the light source is located within the region where the observer can observe the virtual image. With such an arrangement, the entire screen displayed by the image display element can be observed without being lost.
[0055]
In addition, by arranging the light source, the image display element, and the magnifying optical system so that the conjugate image of the light emitting unit of the light source is a region containing the minimum human pupil diameter of 3 mm in the observer's virtual image observable region, The entire screen displayed by the image display element can be observed without missing, and a sufficient amount of light around the display area can be secured.
[0056]
Furthermore, by arranging the light source, the image display element, and the magnifying optical system so that the conjugate image of the light emitting portion of the light source is at a position where the area of the cross section perpendicular to the optical axis of the virtual image observable region of the observer is maximized Thus, the entire screen displayed by the image display device can be observed without loss, the amount of light around the display area can be sufficiently secured, and a large amount of eye movement in a direction perpendicular to the optical axis can be secured.
[0057]
As described above, in this virtual image observation apparatus, the observer can observe a uniform image in terms of luminance and chromaticity without luminance unevenness and color unevenness.
[0058]
And the virtual image display apparatus which concerns on this invention can be comprised using a concave mirror optical system as an expansion optical system, as shown in FIG.
[0059]
In this virtual image display device, the optical system includes three optical blocks 10, 11, and 12. The luminous flux emitted from the light emitting elements (LEDs) 3 of three colors of R (red), G (green), and B (blue) enters the side edge type light guide plate 4 and is diffused in the side edge light guide plate 4. The colors are mixed and exit from the emission surface 5 which becomes a light emitting part. The light beam emitted from the exit surface 5 enters the first optical block 10. The first optical block 10 is a prism formed in a triangular prism shape having three surfaces. A light beam from the side edge light guide plate 4 is incident from the first surface, and a polarization beam splitter is incident on the second surface. A film 10a is formed, and the third surface faces the reflective light valve 6 which is an image display element. The polarization beam splitter film 10a is made of a dielectric multilayer film or metal. The polarizing beam splitter film 10a serves as a light beam splitting surface and has an angle other than 45 ° with respect to the optical axis. The light beam from the side edge light guide plate 4 incident from the first surface is incident on the polarization beam splitter film 10a on the second surface, the S-polarized component is reflected, and the P-polarized component is transmitted. The S-polarized component reflected by the polarization beam splitter film 10 a is emitted from the second surface and enters the reflective light valve 6.
[0060]
The light beam (P-polarized component) modulated by the reflective light valve 6 reenters the first optical block 10 from the third surface, passes through the polarizing beam splitter film 10a on the second surface, 2 is incident on the second optical block 11. The second optical block 11 is a substantially triangular prism having three surfaces: an incident surface, a concave mirror portion 11a that is concave when viewed from within the second optical block 11, and a half mirror surface 11b. The light beam that has passed through the polarizing beam splitter film 10a of the first optical block 10 enters from the incident surface. The beam splitter film 10a of the first optical block 10 and the incident surface of the second optical block 11 are in close contact with each other. The light beam incident on the second optical block 11 is first reflected by the half mirror surface 11b, and then reflected by the concave mirror part 11a serving as the magnifying optical system to become a convergent light beam, and returns to the half mirror surface 11b again. The light passes through the half mirror surface 11 b and enters the third optical block 12.
[0061]
The third optical block 12 is a prism having an entrance surface and an exit surface. The incident surface of the third optical block 12 is in close contact with the half mirror surface 11 b of the second optical block 11. The light beam incident on the third optical block 12 is emitted from the emission surface. The exit surface is a lens surface that is concave when viewed from the outer side of the third optical block 12. The light beam emitted from the emission surface passes through the pupil 8 and forms an image on the eye.
[0062]
In FIG. 13, the ray tracing of the light emitted from the light emitting unit is indicated by a solid line, and the ray tracing emitted from the reflective light valve 6 is indicated by a wavy line.
[0063]
In this optical system, in order to increase the contrast of the display image, a polarizing plate for allowing only the S-polarized light component to pass is disposed between the side edge type light guide plate 4 and the first optical block 10. Further, if a polarizing plate that transmits only the P-polarized light component is disposed between the second optical block 11 and the third optical block 12, the optical characteristics can be further improved.
[0064]
Each of the optical blocks 10, 11, and 12 can be formed of an optical plastic such as acrylic resin (Polymethylmethacrylate (PMMA)), Zeonex (registered trademark), or optical glass. Further, the optical blocks 10, 11, and 12 are bonded with an optical adhesive so as to be in an optically continuous state. The feature of this optical system is that the direction of the light beam incident on the reflection type light valve 6 and the direction of the light beam reflected and emitted from the reflection type light valve 6 are different. For this reason, the light emission surface 5 which becomes the light emission part of a light source can be made smaller than the effective area of the image display of the reflection type light valve 6. FIG. Therefore, the entire optical system can be made compact.
[0065]
Furthermore, as shown in FIG. 14, the virtual image display device according to the present invention can also be configured using a transmissive light valve as an image display element.
[0066]
In this virtual image display device, light beams emitted from the light emitting elements (LEDs) 3 of R, G, and B colors enter the side edge type light guide plate 4 and are diffused and mixed in the side edge type light guide plate 4. The light is emitted from the emission surface 5 serving as a light emitting unit. The light beam emitted from the exit surface 5 is incident on a transmissive light valve 13 disposed at a physically separated position, and is transmitted through the transmissive light valve 13 to be modulated according to an image signal. The light beam emitted from the transmissive light valve 13 passes through the magnifying optical system including the eyepiece lens 7, passes through the pupil 8, and forms an image on the eye. As the magnifying optical system, in addition to the eyepiece lens 7, a concave mirror optical system or an optical system including a concave mirror and an eyepiece lens may be used. In FIG. 14, ray tracing of the light emitted from the light emitting unit is indicated by a solid line, and tracing of the light ray emitted from the transmissive light valve 13 is indicated by a broken line.
[0067]
Also in this virtual image display device, by arranging the position of the pupil 8 and the light emitting portion at a conjugate position, it is possible to observe an image free from color unevenness and luminance unevenness.
[0068]
【The invention's effect】
As described above, in the virtual image display device according to the present invention, the light emitting unit of the light source is arranged in a positional relationship conjugate with the pupil position of the observer, so that video display without luminance unevenness and color unevenness accompanying the movement of the pupil is performed. Can be observed.
[0069]
And in this virtual image display apparatus, the divergence angle of the emitted light from a light source can be controlled, and an optical system can be reduced in size. Further, by utilizing the direction dependency of the divergence angle of the light emitted from the light source, the pupil movement is adjusted by setting the larger amount of pupil movement, usually the left-right direction as the direction in which the divergence angle of light emitted from the light source is large The possible amount can be increased.
[0070]
In this virtual image display device, the pupil diameter of the optical system can be increased by increasing the shape of the light guide plate in the light source without changing the number or size of the light emitting elements in the light source. The increase in power consumption associated with the increase in the size of the light emitting element and the cost of the light emitting element and the optical element can be suppressed.
[0071]
That is, according to the present invention, unevenness in luminance and intensity due to movement of the pupil occurs when an image displayed by the image display element is observed as a virtual image while maintaining high use efficiency of illumination light for the image display element. It is possible to display a uniform image in terms of luminance and chromaticity, and the range in which the image can be observed, that is, the range in which the pupil can be moved is increased, and the configuration of the illumination optical system is simplified. A virtual image display device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a configuration using a polarizing beam splitter in a virtual image display device according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing the shape of a side edge type light guide plate constituting the virtual image display device.
FIG. 3 is a side view showing a light emitting element attached to the side edge type light guide plate.
FIG. 4 is a graph showing the angle dependence of light emitted from a side-edge type light guide plate formed of a light scattering polymer.
FIG. 5 is a plan view showing a coordinate system based on the position of the light emitting element in the side edge type light guide plate.
FIG. 6 is a side view showing the relationship between the emission angle of a light beam emitted from a reflective light valve and the size of a pupil diameter.
FIG. 7 is a plan view showing the relationship between the emission angle of a light beam emitted from a reflective light valve and the size of a pupil diameter.
FIG. 8 is a side view illustrating a definition of a virtual image observable region in the virtual image display device.
FIG. 9 is a side view showing a virtual image observable region in the virtual image display device.
FIG. 10 is a perspective view showing a virtual image observable region in the virtual image display device.
FIG. 11 is a front view showing a relationship between an observation cross section that is a cross section of the virtual image observable region and the size of a human pupil.
FIG. 12 is a front view showing a relationship between an observation cross section that is a cross section of the virtual image observable region and a position of a human pupil.
FIG. 13 is a side view showing the configuration of the virtual image display device according to the present invention using the first to third optical blocks as the optical system for introducing a light beam into the pupil and the magnifying optical system.
FIG. 14 is a side view showing a configuration of a virtual image display device using a transmissive light valve according to the present invention.
FIG. 15 is a side view showing a configuration of a conventional virtual image display device.
FIG. 16 is a side view showing another example of the configuration of a conventional virtual image display device.
[Explanation of symbols]
3 Light-Emitting Element, 4 Side-edge Light Guide Plate, 5 Output Surface, 6 Reflective Light Valve, 7 Eyepiece, 8 Pupil, 10 First Optical Block, 11 Second Optical Block, 12 Third Optical Block, 13 Transmissive light bulb

Claims (10)

面状の発光部を有し、該発光部の各点から拡散光を発する光源と、
上記光源から発せられた光を偏光するスプリッタと、
上記スプリッタを介して入射された光を表示画像に応じて変調して出射する画像表示素子と、
上記画像表示素子により変調された光を集光させて上記表示画像の虚像を形成する拡大光学系とを備え、
上記光源の発光部は、上記拡大光学系により形成される上記表示画像の虚像が観察可能な領域に対して、該拡大光学系を介して共役な領域内に配置されている虚像表示装置。
A light source having a planar light emitting part, and emitting diffused light from each point of the light emitting part;
A splitter for polarizing light emitted from the light source;
An image display element that modulates and emits light incident through the splitter according to a display image;
A magnifying optical system for condensing the light modulated by the image display element to form a virtual image of the display image,
The light-emitting unit of the light source is a virtual image display device that is arranged in a conjugate region via the magnifying optical system with respect to a region where the virtual image of the display image formed by the magnifying optical system is observable.
面状の発光部を有し、該発光部の各点から拡散光を発する光源と、
上記光源から発せられた光を偏光するスプリッタと、
上記スプリッタを介して入射された光を表示画像に応じて変調して所定の発散角で出射する画像表示素子と、
上記画像表示素子により変調された光を集光させて上記表示画像の虚像を形成する拡大光学系とを備え、
上記光源の発光部は、上記拡大光学系により形成される上記表示画像の虚像が観察可能であって上記画像表示素子の全面からの光が観察者の瞳開口全体に入射される領域に対して、該拡大光学系を介して共役な領域内に配置されている虚像表示装置。
A light source having a planar light emitting part, and emitting diffused light from each point of the light emitting part;
A splitter for polarizing light emitted from the light source;
An image display element that modulates light incident through the splitter according to a display image and emits the light at a predetermined divergence angle;
A magnifying optical system for condensing the light modulated by the image display element to form a virtual image of the display image,
The light emitting unit of the light source is capable of observing a virtual image of the display image formed by the magnifying optical system, and for a region where light from the entire surface of the image display element is incident on the entire pupil aperture of the observer A virtual image display device disposed in a conjugate region via the magnifying optical system.
面状の発光部を有し、該発光部の各点から拡散光を発する光源と、
上記光源から発せられた光を偏光するスプリッタと、
上記スプリッタを介して入射された光を表示画像に応じて変調して出射する画像表示素子と、
上記画像表示素子により変調された光を集光させて上記表示画像の虚像を形成する拡大光学系とを備え、
上記光源の発光部は、上記拡大光学系により形成される上記表示画像の虚像が観察可能な領域の中央位置に対して、該拡大光学系を介して共役な位置に配置されていることを特徴とする虚像表示装置。
A light source having a planar light emitting part, and emitting diffused light from each point of the light emitting part;
A splitter for polarizing light emitted from the light source;
An image display element that modulates and emits light incident through the splitter according to a display image;
A magnifying optical system for condensing the light modulated by the image display element to form a virtual image of the display image,
The light emitting unit of the light source is disposed at a conjugate position via the magnifying optical system with respect to a central position of a region where a virtual image of the display image formed by the magnifying optical system can be observed. A virtual image display device.
画像表示素子は、長方形の表示画像に応じて光源から入射された光を変調する素子であって、
発光部から発せられる拡散光は、上記画像表示素子における表示画像の長辺方向に対応する方向についての拡散角度が、該表示画像の短辺方向に対応する方向についての拡散角度よりも広い請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の虚像表示装置。
The image display element is an element that modulates light incident from a light source according to a rectangular display image,
The diffused light emitted from the light emitting unit has a wider diffusion angle in a direction corresponding to the long side direction of the display image in the image display element than a diffusion angle in a direction corresponding to the short side direction of the display image. The virtual image display device according to any one of 1 to 3.
画像表示素子は、反射型ライトバルブである請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の虚像表示装置。  The virtual image display device according to claim 1, wherein the image display element is a reflective light valve. 光源は、1色、もしくは、複数色の光を発する発光ダイオードを有して構成されている請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の虚像表示装置。  4. The virtual image display device according to claim 1, wherein the light source includes a light emitting diode that emits light of one color or a plurality of colors. 5. 光源は、1色、もしくは、複数色のレーザ光を発するレーザ発振器を有して構成されている請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の虚像表示装置。  4. The virtual image display device according to claim 1, wherein the light source includes a laser oscillator that emits laser light of one color or a plurality of colors. 5. 光源は、サイドエッジ型導光板を有して構成され、このサイドエッジ型導光板の拡散面が発光部となる請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の虚像表示装置。  4. The virtual image display device according to claim 1, wherein the light source includes a side edge type light guide plate, and a diffusion surface of the side edge type light guide plate serves as a light emitting unit. 5. サイドエッジ型導光板は、光散乱ポリマにより形成されている請求項8記載の虚像表示装置。  9. The virtual image display device according to claim 8, wherein the side edge type light guide plate is formed of a light scattering polymer. 上記光源の発光部は、上記光源の発光部の共役像が、上記表示画像の虚像が観察可能な領域の光軸に垂直な断面の面積が最大となる位置に配置される請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の虚像表示装置。  The light-emitting part of the light source is disposed at a position where a conjugate image of the light-emitting part of the light source has a maximum cross-sectional area perpendicular to the optical axis of a region where a virtual image of the display image can be observed. The virtual image display apparatus of any one of these.
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Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6730940B1 (en) * 2002-10-29 2004-05-04 Lumileds Lighting U.S., Llc Enhanced brightness light emitting device spot emitter
JP2004233425A (en) * 2003-01-28 2004-08-19 Mitsubishi Electric Corp Image display device
JP2010243751A (en) * 2009-04-06 2010-10-28 Seiko Epson Corp Head-mounted type display device
CN102576115B (en) * 2009-06-23 2015-02-18 视瑞尔技术公司 Lighting device for a direct viewing display
US20110102449A1 (en) * 2009-11-02 2011-05-05 Konami Digital Entertainment Co., Ltd. Image Display Device, Image Display Method and Computer-Readable Information Recording Medium
JP6148560B2 (en) * 2013-07-25 2017-06-14 シチズンファインデバイス株式会社 Reflective liquid crystal display
JP5842298B2 (en) * 2014-01-28 2016-01-13 株式会社 グリーン オプティックス Transmission head-mounted display optical system
AU2018239525A1 (en) 2017-03-21 2019-10-17 Magic Leap, Inc. Methods, devices, and systems for illuminating spatial light modulators
JP2019109275A (en) 2017-12-15 2019-07-04 ソニー株式会社 Image display device
JP6436221B2 (en) * 2017-12-18 2018-12-12 セイコーエプソン株式会社 Virtual image display device

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59226303A (en) * 1983-06-07 1984-12-19 Seiko Epson Corp Plane light source
JPH0636001U (en) * 1992-10-12 1994-05-13 株式会社小糸製作所 Liquid crystal display
JPH11125791A (en) * 1997-06-27 1999-05-11 Olympus Optical Co Ltd Image display device
JPH11326821A (en) * 1998-05-18 1999-11-26 Sony Corp Virtual image observing optical system
JPH11337863A (en) * 1998-03-26 1999-12-10 Mr System Kenkyusho:Kk Image display device
JP2000039582A (en) * 1998-07-23 2000-02-08 Fuji Xerox Co Ltd Video projector

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59226303A (en) * 1983-06-07 1984-12-19 Seiko Epson Corp Plane light source
JPH0636001U (en) * 1992-10-12 1994-05-13 株式会社小糸製作所 Liquid crystal display
JPH11125791A (en) * 1997-06-27 1999-05-11 Olympus Optical Co Ltd Image display device
JPH11337863A (en) * 1998-03-26 1999-12-10 Mr System Kenkyusho:Kk Image display device
JPH11326821A (en) * 1998-05-18 1999-11-26 Sony Corp Virtual image observing optical system
JP2000039582A (en) * 1998-07-23 2000-02-08 Fuji Xerox Co Ltd Video projector

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