JP5286638B2 - Video display device and head mounted display - Google Patents
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Description
本発明は、反射型表示素子にて表示された映像を虚像として観察者の眼に表示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と略称する)とに関するものである。 The present invention relates to an image display device that displays an image displayed on a reflective display element as a virtual image on an observer's eye, and a head mounted display (hereinafter abbreviated as HMD) including the image display device. It is.
観察者の頭部に装着され、表示素子にて生成された映像を接眼光学系を介して観察者の瞳に虚像投影する装置は、いわゆるHMDと呼ばれ、一般に知られている。このようなHMDで用いられる上記表示素子としては、表示面の裏側から照明光が供給される透過型表示素子と、表側すなわち観察側から照明光が供給される反射型表示素子とがある。 An apparatus that is mounted on an observer's head and projects a virtual image of an image generated by a display element onto an observer's pupil via an eyepiece optical system is called a so-called HMD and is generally known. As the display element used in such an HMD, there are a transmission type display element to which illumination light is supplied from the back side of the display surface and a reflection type display element to which illumination light is supplied from the front side, that is, the observation side.
透過型表示素子は、例えば透過型液晶表示素子で構成され、HMDに広く用いられている。透過型液晶表示素子においては、液晶を挟持する基板を、背面から供給される照明光が透過するため、上記基板としてガラスなどの透過率の高い基板を用いる必要がある。その結果、半導体プロセス上の制約が多く、高密度の画素集積化が困難である。また、透過型表示素子では、照明光が透過する各画素の周辺に、各画素における光の透過をON/OFFするためのスイッチング素子(例えばTFT)や配線を含む周辺回路を配置する必要がある。しかも、この周辺回路を同一の表示パネル上に配置する必要がある。このため、画素の集積度を上げようとすると、表示パネル全体に占める画素の面積(いわゆる開口率)が低下し、結果として照明効率の低下および映像品位の低下を招く。 The transmissive display element is composed of, for example, a transmissive liquid crystal display element and is widely used for HMDs. In the transmissive liquid crystal display element, since the illumination light supplied from the back surface is transmitted through the substrate holding the liquid crystal, it is necessary to use a substrate having high transmittance such as glass as the substrate. As a result, there are many restrictions on the semiconductor process, and high-density pixel integration is difficult. Further, in the transmissive display element, it is necessary to arrange a peripheral circuit including a switching element (for example, TFT) and wiring for turning on / off light transmission in each pixel around each pixel through which illumination light is transmitted. . Moreover, it is necessary to dispose this peripheral circuit on the same display panel. For this reason, when trying to increase the degree of integration of pixels, the area (so-called aperture ratio) of the pixels occupying the entire display panel decreases, resulting in a decrease in illumination efficiency and a decrease in video quality.
一方、反射型表示素子(例えば反射型液晶表示素子)では、シリコン等の半導体を基板として用いることができるため、小型で集積度の高い表示素子を作製することができる。しかも、上記した周辺回路を表示側とは反対側の面に配置することができるので、画素の集積度を上げても開口率の低下が少なく、この結果、反射効率が非常に高くなり、明るい画像を得ることができる。このような効果は、画素の大きさが小さくなるほど有効となり、同じ画素数の場合には、明るさを低下させることなく表示パネルの大きさを小さくすることができる。一方、表示パネルの大きさが同じ場合には、画素数を増やすことができ、これは高精細化につながる。 On the other hand, in a reflective display element (for example, a reflective liquid crystal display element), a semiconductor such as silicon can be used as a substrate, so that a small and highly integrated display element can be manufactured. In addition, since the peripheral circuit described above can be arranged on the surface opposite to the display side, the aperture ratio does not decrease much even when the pixel integration is increased. As a result, the reflection efficiency becomes very high and bright. An image can be obtained. Such an effect becomes more effective as the size of the pixel becomes smaller. When the number of pixels is the same, the size of the display panel can be reduced without reducing the brightness. On the other hand, when the display panels have the same size, the number of pixels can be increased, which leads to higher definition.
このような多くのメリットを持つ反射型表示素子をHMDに用いれば、HMDに求められる、明るく高精細な画像の提供に大きく寄与することができる。 If such a reflective display element having many merits is used for the HMD, it can greatly contribute to the provision of a bright and high-definition image required for the HMD.
図21は、反射型表示素子として反射型液晶表示素子を用いた従来の映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。この装置では、光源101と反射型液晶表示102との間の光路中にPBS(偏光ビームスプリッター)103を配置し、光源101からの照明光の光路と、反射型表示素子102からの観察光の光路とをPBS103にて分離している。すなわち、上記構成においては、光源101からの照明光は、PBS103を透過して反射型表示素子102に導かれる。一方、反射型液晶表示素子102にて反射された光(観察光)は、PBS103にて反射され、接眼レンズ104を介して観察者の瞳EPに導かれる。これにより、観察者は、反射型表示素子102に表示された映像を拡大観察することができる。
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional video display device using a reflective liquid crystal display element as a reflective display element. In this apparatus, a PBS (polarizing beam splitter) 103 is disposed in the optical path between the
ところで、映像表示装置を有するHMDにおいては、観察者がHMDを頭部に装着したまま長時間使用することを可能にするため、映像表示装置自身ができるだけ小型で軽量であることが望ましい。しかし、PBS103を用いた従来の映像表示装置の構成では、PBS103自身の重量で映像表示装置がかなり重くなることが避けられない。 By the way, in the HMD having the video display device, it is desirable that the video display device itself be as small and light as possible in order to allow the observer to use the HMD while wearing it on the head for a long time. However, in the configuration of the conventional video display device using the PBS 103, it is inevitable that the video display device becomes considerably heavy due to the weight of the PBS 103 itself.
そこで、例えば特許文献1の映像表示装置では、照明光学系の光路と観察光学系(接眼光学系)の光路との交差部にPBSのような光学素子を配置せずに上記両者の光路分離を行っている。より詳しく説明すると、以下の通りである。
Therefore, for example, in the video display device of
図22は、特許文献1のHMDに用いられる映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。この映像表示装置では、光源201から出射された光が集光レンズ202で集光され、偏光板203を介して反射型表示素子204に照射されている。そして、反射型表示素子204からの映像光は、偏光板205および光学素子206を介して観察者の瞳EPに導かれている。特に、この映像表示装置では、光源201から反射型表示素子204に至る基準軸光線L0と、反射型表示素子204から光学素子206に至る基準軸光線L0とが反射型表示素子204上で交差するように各素子が配置されており、これにより、装置全体の小型化が試みられている。
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a video display device used in the HMD of
また、図23は、特許文献2に記載の画像観察装置の概略の構成を示す断面図である。この装置では、光源301からの光は、プリズム体302の反射透過面302aにて反射されて表示手段303に導かれる。そして、表示手段303からの光は、再度、プリズム体302に入射して反射透過面302aを透過し、偏光板304を介してプリズム体305に入射し、観察者の観察位置に導かれる。このように、プリズム体302を、表示手段303を照明する照明光学系と、表示手段303からの光を観察者の観察位置に導く表示光学系とで共用することにより、装置全体の小型化を図りつつ、広画角化を図っている。
FIG. 23 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the image observation apparatus described in
なお、特許文献1に記載のHMDでは、反射型表示素子204として、広い視野角特性を有する強誘電液晶表示素子を用い、その表示素子からの映像光を拡大光学系(プリズム206)を介して観察者の瞳に導くようにしている。上記の拡大光学系に別のプリズムを貼り合わせるととともに、その貼り合わせ面をハーフミラー面とすることにより、観察者は上記表示素子から上記ハーフミラー面を介して提供される映像を観察することができるとともに、上記両プリズムを介して外界像を観察することができる。
In the HMD described in
なお、例えば非特許文献1に開示されたHMDは、反射型液晶表示素子をフィールドシーケンシャルモード(時分割駆動モード)で駆動し、RGBの各映像光を順にホログラム光学素子を介して観察者の瞳に導くことで、観察者にカラー映像(虚像)を提供している。
ところが、特許文献1のように、光源201から反射型表示素子204に至る基準軸光線L0が折り曲げられずにストレートに伸びていると、集光レンズ202によって光源201からの照明光を反射型表示素子204の表示領域に集光させるには一定の光路長が必要であるため、装置を薄型化するには限界があり、光源201が観察者側に飛び出るようなレイアウトとなりやすい。なお、光源201からの照明光を反射型表示素子204の表示領域に集光させるべく、集光レンズ202のパワーを大きくすることは、集光レンズ202の大型化を招き、やはり、装置の薄型化に支障をきたす。
However, as in
また、特許文献1には、光源201から反射型表示素子204に至る光路をミラーによって折り曲げる構成も開示されている。しかし、上記のミラーは、反射型表示素子204から光学素子206に至る光路に対して光源201側に設けられているため、そのミラーに光を入射させるために、光源201を光学素子206から離れた位置に配置する必要が生じる。その結果、装置の高さ方向が増大し、全体として装置を小型化することができない。
また、特許文献2に記載の装置においても、上記と同様のことが言える。つまり、光源301から表示手段303に向かう光線を照明用光線とし、上記照明用光線が進行する光路上の光線であって表示手段303から表示光学系のプリズム体305に向かう光線を観察用光線とすると、上記装置の構成では、プリズム体302により、観察用光線の光路に対して光源301側で照明用光線を折り曲げるため、表示手段303上に照明光を集光させるべく、照明光学系に一定の光路長を確保するために光源301からプリズム体302までの距離が長くならざるを得ず、結果的に、装置の小型化が妨げられる。
The same applies to the apparatus described in
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、光源から反射型表示素子に至る光路を適切な位置で折り曲げることによって、装置の薄型化および小型化を容易に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備え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-described problems, and its purpose is to reduce the thickness and size of the apparatus by bending the optical path from the light source to the reflective display element at an appropriate position. An object of the present invention is to provide a video display device that can be easily realized and a head-mounted display including the video display device.
本発明の映像表示装置は、照明光学系と、上記照明光学系からの照明光を変調して映像を表示する反射型表示素子と、上記反射型表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、上記照明光学系は、光を出射する光源と、上記光源から上記反射型表示素子に至る光路を折り曲げる光路折り曲げ部材とを有しており、上記光源から上記光路折り曲げ部材に向かう光線と、上記光線が進行する光路上の光線であって上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光線とが、上記接眼光学系の外部のほぼ均一な屈折率を有する媒質中で交差するように、上記光路折り曲げ部材が設けられていることを特徴としている。 An image display apparatus according to the present invention includes an illumination optical system, a reflective display element that displays an image by modulating illumination light from the illumination optical system, and image light from the reflective display element on an observer's pupil. An image display apparatus having an eyepiece optical system for guiding, wherein the illumination optical system includes a light source that emits light, and an optical path bending member that bends an optical path from the light source to the reflective display element. A light beam traveling from the light source toward the optical path bending member, and a light beam traveling on the optical path through which the light beam travels and traveling from the reflective display element toward the eyepiece optical system are substantially outside the eyepiece optical system. The optical path bending member is provided so as to intersect in a medium having a uniform refractive index.
上記の構成によれば、照明光学系の光源から出射される光(照明光)は、光路折り曲げ部材によってその光路を折り曲げられて反射型表示素子に照射され、そこで変調されて映像光となり、接眼光学系を介して観察者の瞳に導かれる。なお、上記の光路折り曲げ部材としては、例えば、反射ミラーやプリズムを想定することができる。 According to the above configuration, the light (illumination light) emitted from the light source of the illumination optical system is bent on the optical path by the optical path bending member and irradiated to the reflective display element, where it is modulated to become image light, and the eyepiece It is guided to the observer's pupil through the optical system. In addition, as said optical path bending member, a reflective mirror and a prism can be assumed, for example.
このとき、光源から光路折り曲げ部材に向かう光線と、上記光線が進行する光路上の光線であって反射型表示素子から接眼光学系に向かう光線とが、上記接眼光学系の外部のほぼ均一な屈折率を有する媒質中で交差するように、光路折り曲げ部材が設けられている。例えば、反射型表示素子から接眼光学系に向かう光の光路に対して光源とは反対側に光路折り曲げ部材を配置すれば、上記のように2つの光線を接眼光学系の外部の上記媒質中(例えば空気中)で交差させることが可能である。 At this time, the light beam traveling from the light source to the optical path bending member and the light beam traveling on the optical path and traveling from the reflective display element to the eyepiece optical system are substantially uniformly refracted outside the eyepiece optical system. An optical path bending member is provided so as to intersect in a medium having a ratio. For example, if an optical path bending member is disposed on the side opposite to the light source with respect to the optical path of light from the reflective display element toward the eyepiece optical system, two light beams are transmitted in the medium outside the eyepiece optical system as described above ( For example, in the air).
この構成により、照明光学系のパワーを大きくすることなく、照明光学系において反射型表示素子の照明に必要な一定の光路長を確保しながら、反射型表示素子から接眼光学系に向かう光の光路に近い位置に光源を配置することができる。しかも、光源と光路折り曲げ部材とは、反射型表示素子から接眼光学系に向かう光の光路に対して互いに反対側に位置する関係となるので、結果的に、光源、光路折り曲げ部材、反射型表示素子の3者を、接眼光学系の近傍にまとめてコンパクトに配置することができる。その結果、装置の薄型化および小型化を容易に実現することができる。 With this configuration, the optical path of light from the reflective display element to the eyepiece optical system is ensured while ensuring a certain optical path length necessary for illumination of the reflective display element in the illumination optical system without increasing the power of the illumination optical system. The light source can be arranged at a position close to. In addition, since the light source and the optical path bending member are positioned on opposite sides of the optical path of light from the reflective display element toward the eyepiece optical system, the light source, the optical path bending member, and the reflective display are consequently obtained. The three elements can be arranged in the vicinity of the eyepiece optical system in a compact manner. As a result, thinning and miniaturization of the apparatus can be easily realized.
ここで、上記ほぼ均一な屈折率を有する媒質は、空気であってもよい。この場合、照明光学系を含めた映像表示装置の構成を簡素化して、映像表示装置自体を軽量化することができる。 Here, the medium having the substantially uniform refractive index may be air. In this case, the configuration of the video display device including the illumination optical system can be simplified, and the video display device itself can be reduced in weight.
また、上記ほぼ均一な屈折率を有する媒質は、その屈折率nが
1.4<n<2.0
を満たす照明プリズムであってもよい。屈折率nが上記範囲の照明プリズム中で上記2つの光線が交差する構成とすることにより、接眼光学系と反射型表示素子との間の実距離を調整することが可能となる。これにより、光学系の設計自由度を増大させることができる。
The medium having the substantially uniform refractive index has a refractive index n of 1.4 <n <2.0.
The illumination prism which satisfy | fills may be sufficient. By adopting a configuration in which the two light beams intersect in the illumination prism having a refractive index n in the above range, the actual distance between the eyepiece optical system and the reflective display element can be adjusted. Thereby, the design freedom degree of an optical system can be increased.
このとき、上記照明プリズムは、上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光が順に交差する2つの面を有しており、上記2つの面は、互いに平行でない平面であってもよい。この場合、上記2つの面の位置や上記2つの面のなす角度(法線同士の角度)を調整することで、像面の倒れおよび色収差を補正することが可能となる。したがって、高品位な映像を提供することができ、また、装置の設計自由度も増大する。 At this time, the illumination prism may have two surfaces in which light traveling from the reflective display element toward the eyepiece optical system sequentially intersects, and the two surfaces may be planes that are not parallel to each other. In this case, it is possible to correct image plane tilt and chromatic aberration by adjusting the position of the two surfaces and the angle (angle between the normals) formed by the two surfaces. Therefore, a high-quality image can be provided, and the degree of freedom in designing the apparatus is increased.
また、上記照明プリズムは、上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光が順に交差する2つの面を有しており、上記2つの面の少なくとも一方は、光学的なパワーを有する曲面であってもよい。この場合、接眼光学系の光学パワーを照明プリズムに割り振ることができる。これにより、装置の設計の自由度が増大し、より高品質の映像を提供することが可能となる。 Further, the illumination prism has two surfaces in which light traveling from the reflective display element toward the eyepiece optical system intersects in order, and at least one of the two surfaces is a curved surface having optical power. There may be. In this case, the optical power of the eyepiece optical system can be allocated to the illumination prism. As a result, the degree of freedom in designing the device is increased, and higher quality video can be provided.
また、上記光路折り曲げ部材は、上述したように、上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光の光路に対して上記光源とは反対側に設けられていることが望ましい。この構成であれば、光源から光路折り曲げ部材に向かう光と、反射型表示素子から接眼光学系に向かう光とを接眼光学系の外部の媒質中で確実に交差させることができるので、装置の薄型化および小型化を容易に実現できるという上述した本発明の効果を確実に得ることができる。 Further, as described above, it is desirable that the optical path bending member is provided on the side opposite to the light source with respect to the optical path of light from the reflective display element toward the eyepiece optical system. With this configuration, the light traveling from the light source toward the optical path bending member and the light traveling from the reflective display element toward the eyepiece optical system can be reliably crossed in a medium outside the eyepiece optical system. Thus, the above-described effect of the present invention can be reliably obtained that can be easily realized.
また、上記光路折り曲げ部材は、上記反射型表示素子の短辺に平行でかつ表示面に垂直な面内で、上記光源から上記反射型表示素子に至る光路(照明光学系の光路)を折り曲げることが望ましい。この場合、例えば、反射型表示素子の長辺に平行でかつ表示面に垂直な面内で照明光学系の光路を折り曲げる構成に比べて、照明光学系の光路と反射型表示素子から接眼光学系に向かう光の光路とを、短い距離で分離することができ、照明光学系をコンパクトに構成することができる。 The optical path bending member bends an optical path from the light source to the reflective display element (optical path of the illumination optical system) in a plane parallel to the short side of the reflective display element and perpendicular to the display surface. Is desirable. In this case, for example, compared to a configuration in which the optical path of the illumination optical system is bent in a plane parallel to the long side of the reflective display element and perpendicular to the display surface, the optical path of the illumination optical system and the reflective display element are changed to the eyepiece optical system. It is possible to separate the optical path of the light traveling toward the light at a short distance, and the illumination optical system can be configured compactly.
また、上記光路折り曲げ部材は、反射ミラーであることが望ましい。この場合、光路折り曲げ部材を軽量で安価に構成することができる。特に、上記反射ミラーは、入射光を反射集光させる凹面ミラーであることが望ましい。この場合、光源からの光を反射型表示素子の表示領域に集光させるための集光レンズを光路中に設けなくても済み、照明光学系の構成を簡素化することができる。なお、凹面ミラーは、球面ミラーであってもよく、シリンドリカル凹面ミラーであってもよい。 The optical path bending member is preferably a reflection mirror. In this case, the optical path bending member can be configured to be lightweight and inexpensive. In particular, the reflection mirror is preferably a concave mirror that reflects and collects incident light. In this case, it is not necessary to provide a condensing lens in the optical path for condensing the light from the light source in the display area of the reflective display element, and the configuration of the illumination optical system can be simplified. The concave mirror may be a spherical mirror or a cylindrical concave mirror.
なお、上記の反射ミラーは、平面ミラーであってもよいが、この場合は、光源からの光を反射型表示素子の表示領域に集光させるために、例えば集光レンズを光路中に配置することが望ましい。 The reflection mirror may be a plane mirror. In this case, for example, a condensing lens is disposed in the optical path in order to condense light from the light source onto the display area of the reflective display element. It is desirable.
特に、上記凹面ミラーは、上記反射型表示素子の短辺に平行でかつ表示面に垂直な面内でのみ入射光を反射集光させるシリンドリカル凹面ミラーであることが望ましい。シリンドリカル凹面ミラーによって上記面内でのみ入射光(照明光)を反射集光させることにより、反射型表示素子の表示領域に対する照明効率を向上させることができ、照明光を有効利用することができる。加えて、上記面内で反射型表示素子の表示領域に入射しない光は、照明光学系の中で迷光となり、ゴースト(フレア)を引き起こす要因となる。しかし、上記構成によれば、そのような光を低減することができ、映像品位の低下を回避することができる。 In particular, the concave mirror is preferably a cylindrical concave mirror that reflects and collects incident light only in a plane parallel to the short side of the reflective display element and perpendicular to the display surface. By reflecting and condensing incident light (illumination light) only within the plane by the cylindrical concave mirror, it is possible to improve the illumination efficiency for the display area of the reflective display element and to effectively use the illumination light. In addition, light that does not enter the display area of the reflective display element within the plane becomes stray light in the illumination optical system, which causes ghost (flare). However, according to the said structure, such light can be reduced and the fall of a video quality can be avoided.
また、上記照明光学系は、上記光路折り曲げ部材にて光路を折り曲げられた光のうちで、所定の偏光方向の光(例えばP偏光)を透過させて上記反射型表示素子に導く第1の偏光板を有しており、上記接眼光学系は、入射光を内部で反射させて進行させる接眼プリズムと、上記反射型表示素子からの入射光であって、上記所定の偏光方向とは直交する偏光方向の光(例えばS偏光)を透過させて上記接眼プリズムに導く第2の偏光板とを有していることが望ましい。 The illumination optical system transmits a light having a predetermined polarization direction (for example, P-polarized light) out of the light whose optical path is bent by the optical path bending member and guides the light to the reflective display element. The eyepiece optical system includes an eyepiece prism that internally reflects and travels incident light; and incident light from the reflective display element that is orthogonal to the predetermined polarization direction. It is desirable to have a second polarizing plate that transmits light in the direction (for example, S-polarized light) and guides it to the eyepiece prism.
この構成によれば、光源から出射されて光路折り曲げ部材にて光路を折り曲げられた光のうちで所定の偏光方向の光(例えばP偏光)は、第1の偏光板を透過して反射型表示素子に到達する。反射型表示素子では入射光が変調され、入射光とは偏光方向が直交する光(例えばS偏光)が映像光として出射される。この映像光は、第2の偏光板を透過し、接眼プリズムの内部を進行して観察者の瞳に導かれる。つまり、上記構成によれば、光路折り曲げ部材を用いる場合でも、反射型表示素子を確実に照明して、反射型表示素子にて変調された光(映像光)を接眼プリズムを介して観察者の瞳に確実に導くことができる。 According to this configuration, light having a predetermined polarization direction (for example, P-polarized light) out of the light emitted from the light source and bent in the optical path by the optical path bending member is transmitted through the first polarizing plate and is reflected. Reach the element. In the reflective display element, incident light is modulated, and light having a polarization direction orthogonal to the incident light (eg, S-polarized light) is emitted as image light. This image light passes through the second polarizing plate, travels through the eyepiece prism, and is guided to the observer's pupil. That is, according to the above configuration, even when the optical path bending member is used, the reflective display element is surely illuminated, and the light (video light) modulated by the reflective display element is transmitted through the eyepiece prism by the observer. Can lead to the eyes reliably.
このとき、上記第1の偏光板の表面には、反射防止処理が施されていることが望ましい。この場合、光源からの光が第1の偏光板の表面で反射されて反射型表示素子に入射し、反射型表示素子から接眼光学系に導かれるのを回避することができ、反射型表示素子への不要光の入射による映像品位の低下を回避することができる。 At this time, it is desirable that the surface of the first polarizing plate is subjected to an antireflection treatment. In this case, it is possible to avoid the light from the light source being reflected by the surface of the first polarizing plate and entering the reflective display element and being guided from the reflective display element to the eyepiece optical system. It is possible to avoid degradation of image quality due to incidence of unnecessary light on the screen.
また、上記照明光学系は、上記光源から出射される光のうちで、上記第1の偏光板を透過する光と同じ偏光方向の光(例えばP偏光)を透過させて上記光路折り曲げ部材に導く第3の偏光板を有していることが望ましい。この場合、第1の偏光板および第3の偏光板を透過する光の偏光方向と、第2の偏光板を透過する光の偏光方向は互いに直交することになるので、光源から出射された光のうちで、光路折り曲げ部材および反射型表示素子を介して得られる光のみを接眼プリズムに入射させることができる。 The illumination optical system transmits light having the same polarization direction as light transmitted through the first polarizing plate (for example, P-polarized light) out of the light emitted from the light source and guides it to the optical path bending member. It is desirable to have a third polarizing plate. In this case, since the polarization direction of the light transmitted through the first polarizing plate and the third polarizing plate and the polarization direction of the light transmitted through the second polarizing plate are orthogonal to each other, the light emitted from the light source Among them, only the light obtained through the optical path bending member and the reflective display element can be made incident on the eyepiece prism.
つまり、例えば、光源から出射される光のうち、第2の偏光板を透過できる光(例えばS偏光)は第3の偏光板を透過できないので、そのような光が光源から直接接眼光学系に到達したり、第1の偏光板の表面で反射して接眼光学系に到達するようなことがない。したがって、上記光によるゴースト(フレア)の発生を防止することができ、映像品位の低下を確実に回避することができる。また、第3の偏光板を反射型表示素子から接眼光学系に向かう光の光路に対して光源側に配置すれば、光源に近い位置で上記光を効率よくカットすることができるので、上記効果を確実に得ることができる。 That is, for example, among the light emitted from the light source, light that can pass through the second polarizing plate (for example, S-polarized light) cannot pass through the third polarizing plate, so that such light is directly transmitted from the light source to the eyepiece optical system. And it does not reach the eyepiece optical system after being reflected by the surface of the first polarizing plate. Therefore, the occurrence of ghost (flare) due to the light can be prevented, and the deterioration of the image quality can be surely avoided. In addition, if the third polarizing plate is disposed on the light source side with respect to the optical path of light traveling from the reflective display element to the eyepiece optical system, the light can be efficiently cut at a position close to the light source. Can be definitely obtained.
また、上記第1の偏光板および上記第3の偏光板は、ともにP偏光を透過させることが望ましい。この場合、これらの偏光板がともにS偏光を透過させる構成に比べて、第1の偏光板や反射型表示素子における表面反射(フレネルロス)を抑えることができ、光量損失に起因する映像品位の低下を回避することができる。 Moreover, it is desirable that both the first polarizing plate and the third polarizing plate transmit P-polarized light. In this case, the surface reflection (Fresnel loss) in the first polarizing plate and the reflective display element can be suppressed as compared with the configuration in which both of these polarizing plates transmit S-polarized light, and the image quality is deteriorated due to light loss. Can be avoided.
また、上記照明光学系は、上記光路折り曲げ部材にて光路を折り曲げられた光を拡散させる拡散板を有していることが望ましい。このような拡散板を用いることにより、面積の大きな光源を配置したのと等価な効果があり、観察可能な瞳の大きさを大きくすることができる。 The illumination optical system preferably includes a diffusion plate that diffuses light whose optical path is bent by the optical path bending member. By using such a diffuser plate, there is an effect equivalent to the arrangement of a light source having a large area, and the size of the observable pupil can be increased.
また、上記拡散板および上記第1の偏光板は、上記光路折り曲げ部材と上記反射型表示素子との間の光路中に、上記光路折り曲げ部材側からこの順で配置されていることが望ましい。この構成では、光路折り曲げ部材にて光路を折り曲げられた光のうち、拡散板にて拡散されたときに偏光の乱れた光を第1の偏光板でカットすることができ、反射型表示素子に入射する偏光の純度を上げることができる。 The diffusion plate and the first polarizing plate are preferably disposed in this order from the optical path bending member side in the optical path between the optical path bending member and the reflective display element. In this configuration, out of the light whose optical path is bent by the optical path bending member, the light whose polarization is disturbed when it is diffused by the diffusion plate can be cut by the first polarizing plate. The purity of incident polarized light can be increased.
また、上記拡散板は、体積位相型のホログラム光学素子であることが望ましい。体積位相型のホログラム光学素子の表面は平面であるので、このようなホログラム光学素子を拡散板として用いることにより、表面が凹凸状の拡散板を用いたときのような照明ムラが発生するのを回避することができる。 The diffusion plate is preferably a volume phase hologram optical element. Since the surface of the volume phase type hologram optical element is flat, the use of such a hologram optical element as a diffuser plate causes uneven illumination as when a diffuser plate with an uneven surface is used. It can be avoided.
また、上記照明光学系は、上記光路折り曲げ部材にて光路を折り曲げられた光のうちで、所定の偏光方向の光を透過させて上記反射型表示素子に導く第1の偏光板を有しており、上記第1の偏光板は、上記照明プリズムと上記光路折り曲げ部材との間で上記照明プリズムに貼り合わされていてもよい。 In addition, the illumination optical system includes a first polarizing plate that transmits light having a predetermined polarization direction out of the light whose optical path is bent by the optical path bending member and guides the light to the reflective display element. The first polarizing plate may be bonded to the illumination prism between the illumination prism and the optical path bending member.
照明光学系が第1の偏光板を有していることにより、光路折り曲げ部材から反射型表示素子に入射する光が所定の偏光方向の光(例えばP偏光)となるので、入射時とは偏光方向が直交する光(例えばS偏光)を映像光として反射型表示素子から出射させることができる。このとき、上記第1の偏光板が、照明プリズムと光路折り曲げ部材との間で上記照明プリズムに貼り合わされ、第1の偏光板と照明プリズムとが一体化されていれば、例えば、照明光学系を保持する筐体内では、照明プリズムを保持するだけで第1の偏光板も保持することが可能となる。したがって、上記筐体の構成を簡素化することができる。 Since the illumination optical system includes the first polarizing plate, light incident on the reflective display element from the optical path bending member becomes light having a predetermined polarization direction (for example, P-polarized light). Light having orthogonal directions (for example, S-polarized light) can be emitted from the reflective display element as image light. At this time, if the first polarizing plate is bonded to the lighting prism between the illumination prism and the optical path bending member, and the first polarizing plate and the illumination prism are integrated, for example, an illumination optical system In the housing that holds the first polarizing plate, the first polarizing plate can be held only by holding the illumination prism. Therefore, the configuration of the casing can be simplified.
また、上記照明光学系は、上記光路折り曲げ部材にて光路を折り曲げられた光を拡散させる拡散板を有しており、上記拡散板は、上記第1の偏光板を介して上記照明プリズムに保持されていてもよい。 The illumination optical system includes a diffusion plate that diffuses light whose optical path is bent by the optical path bending member, and the diffusion plate is held by the illumination prism via the first polarizing plate. May be.
照明光学系が拡散板を有していることにより、面積の大きな光源を配置したのと等価な効果があり、観察可能な瞳の大きさを大きくすることができる。このとき、拡散板が第1の偏光板を介して照明プリズムに保持され、これらの3者が一体化されていれば、例えば、照明光学系を保持する筐体内では、照明プリズムを保持するだけで第1の偏光板および拡散板を保持することが可能となる。したがって、照明光学系が拡散板を有している場合でも、上記筐体の構成を簡素化することができる。 Since the illumination optical system includes the diffusion plate, there is an effect equivalent to the arrangement of a light source having a large area, and the size of the observable pupil can be increased. At this time, if the diffusion plate is held by the illumination prism via the first polarizing plate and these three members are integrated, for example, the illumination prism is only held in the casing that holds the illumination optical system. Thus, the first polarizing plate and the diffusion plate can be held. Therefore, even when the illumination optical system has a diffusion plate, the configuration of the housing can be simplified.
また、上記光路折り曲げ部材は、上記拡散板および上記第1の偏光板を介して上記照明プリズムに保持されていてもよい。この場合、拡散板および第1の偏光板に加えて、光路折り曲げ部材までもが照明プリズムに一体化されるので、これらの光学素子を保持する筐体の構成をさらに簡素化することができる。 The optical path bending member may be held by the illumination prism via the diffusion plate and the first polarizing plate. In this case, in addition to the diffusion plate and the first polarizing plate, the optical path bending member is also integrated with the illumination prism, so that the configuration of the housing that holds these optical elements can be further simplified.
また、上記照明プリズムにおいて、上記第1の偏光板が貼り合わされる面は、平面またはシリンドリカル面であることが望ましい。この場合、第1の偏光板を照明プリズムに貼り合わせることが容易となる。 In the illumination prism, the surface to which the first polarizing plate is bonded is preferably a flat surface or a cylindrical surface. In this case, it becomes easy to bond the first polarizing plate to the illumination prism.
また、上記接眼光学系は、入射光を内部で反射させて進行させる接眼プリズムと、上記反射型表示素子からの入射光であって、上記所定の偏光方向とは直交する偏光方向の光を透過させて上記接眼プリズムに導く第2の偏光板とを有しており、上記第2の偏光板は、上記照明プリズムと上記接眼プリズムとの間に配置されていてもよい。 In addition, the eyepiece optical system transmits the light having a polarization direction orthogonal to the predetermined polarization direction, which is incident light from the eyepiece prism that internally reflects the incident light and travels, and the reflective display element. And a second polarizing plate that leads to the eyepiece prism, and the second polarizing plate may be disposed between the illumination prism and the eyepiece prism.
上記の構成によれば、第2の偏光板は、照明プリズムと接眼プリズムとの間に配置されているので、光源から照明プリズムを介して接眼プリズムに入射する光(ゴースト光)を第2の偏光板にてカットしながら、反射型表示素子からの入射光のみを第2の偏光板を介して接眼プリズムに導くことができる。したがって、接眼プリズムを介して観察者に提供される映像の品位が、上記ゴースト光に起因して低下するのを回避することができる。 According to the above configuration, since the second polarizing plate is disposed between the illumination prism and the eyepiece prism, the light (ghost light) incident on the eyepiece prism from the light source via the illumination prism is transmitted to the second prism. Only the incident light from the reflective display element can be guided to the eyepiece prism through the second polarizing plate while being cut by the polarizing plate. Therefore, it can be avoided that the quality of the image provided to the observer via the eyepiece prism is lowered due to the ghost light.
このとき、上記第2の偏光板は、上記照明プリズムに貼り合わされていてもよい。この場合は、例えば照明光学系を保持する筐体内で照明プリズムを保持しておけば、この第2の偏光板も同時に保持することができる。したがって、第2の偏光板を独自に保持する部材(機構)を設ける必要がなくなる。 At this time, the second polarizing plate may be bonded to the illumination prism. In this case, for example, if the illumination prism is held in a housing that holds the illumination optical system, the second polarizing plate can be held simultaneously. Therefore, there is no need to provide a member (mechanism) that uniquely holds the second polarizing plate.
また、上記接眼プリズムは、上記第2の偏光板を介して上記照明プリズムに保持されていてもよい。この場合、例えば接眼プリズムを単独で保持する部材(機構)を設けなくても済む。また、照明プリズムと接眼プリズムとの相対的な位置関係をこれらの接着時に決めることができ、位置精度を高めることができる。 The eyepiece prism may be held by the illumination prism via the second polarizing plate. In this case, for example, it is not necessary to provide a member (mechanism) for holding the eyepiece prism alone. Further, the relative positional relationship between the illumination prism and the eyepiece prism can be determined at the time of bonding, and the positional accuracy can be improved.
また、上記照明プリズムにおいて、上記第2の偏光板が貼り合わされる面は、平面またはシリンドリカル面であることが望ましい。この場合、第2の偏光板を照明プリズムに貼り合わせることが容易となる。 In the illumination prism, it is desirable that a surface on which the second polarizing plate is bonded is a flat surface or a cylindrical surface. In this case, it becomes easy to bond the second polarizing plate to the illumination prism.
また、上記反射型表示素子から上記接眼光学系を介して瞳に至る光路中で、上記反射型表示素子の表示領域の中心と瞳の中心とを結ぶ軸を基準軸とすると、上記反射型表示素子は、上記反射型表示素子と上記接眼光学系との間の基準軸に対して表示面が傾くように配置されていることが望ましい。この場合、光源から光路折り曲げ部材を介して反射型表示素子に至る光路と、反射型表示素子から接眼光学系に至る光路とを確実に分離することができる。 Further, in the optical path from the reflective display element to the pupil via the eyepiece optical system, the axis connecting the center of the display area of the reflective display element and the center of the pupil is a reference axis, and the reflective display The element is preferably arranged such that the display surface is inclined with respect to a reference axis between the reflective display element and the eyepiece optical system. In this case, the optical path from the light source through the optical path bending member to the reflective display element and the optical path from the reflective display element to the eyepiece optical system can be reliably separated.
特に、上記光路折り曲げ部材にて光路を折り曲げられた光が上記反射型表示素子に入射するときの入射角をθとしたとき、10°<θ<60°を満足していることが望ましい。入射角θが下限値を下回ると、反射型表示素子と接眼光学系との距離が大きくなり、入射角θが上限値を上回ると、光源と光路折り曲げ部材との距離が大きくなるので、いずれも装置の小型化に支障をきたす。したがって、入射角θが上記範囲内であれば、装置の小型化に支障をきたすことなく、上記2つの光路を確実に分離することができる。 In particular, it is desirable that 10 ° <θ <60 ° is satisfied, where θ is an incident angle when light whose optical path is bent by the optical path bending member is incident on the reflective display element. If the incident angle θ falls below the lower limit, the distance between the reflective display element and the eyepiece optical system increases. If the incident angle θ exceeds the upper limit, the distance between the light source and the optical path bending member increases. This hinders downsizing of the device. Therefore, if the incident angle θ is within the above range, the two optical paths can be reliably separated without hindering downsizing of the apparatus.
また、上記光源は、波長の異なる光を出射する複数の点光源からなる光源群を少なくとも1つ有しており、各点光源は、上記反射型表示素子の長辺に平行な方向に並んで配置されていることが望ましい。この場合、反射型表示素子の短辺に平行でかつ表示面に垂直な面内で照明光学系の光路を折り曲げる構成であっても、各点光源の位置が上記面内で反射型表示素子の短辺方向にはずれないため、反射型表示素子と接眼光学系との間隔を広くとらなくても、反射型表示素子の短辺方向全域に各波長の光を導くことができる。したがって、複数の点光源を用いる場合でも、装置を小型化することができる。 The light source has at least one light source group composed of a plurality of point light sources that emit light having different wavelengths, and each point light source is arranged in a direction parallel to the long side of the reflective display element. It is desirable that they are arranged. In this case, even if the optical path of the illumination optical system is bent in a plane parallel to the short side of the reflective display element and perpendicular to the display surface, the position of each point light source is within the plane of the reflective display element. Since it does not deviate in the short side direction, light of each wavelength can be guided to the entire short side direction of the reflective display element without widening the distance between the reflective display element and the eyepiece optical system. Therefore, even when a plurality of point light sources are used, the apparatus can be reduced in size.
また、上記光源は、上記光源群を偶数個有しており、上記反射型表示素子の長辺に平行な方向における各点光源の配列順序が、隣接する光源群間で逆であることが望ましい。この場合、各点光源からの出射光の各色の光強度の重心が一致するので、上記方向(左右方向)において色ムラが発生するのを抑えることができる。 The light source preferably has an even number of light source groups, and the arrangement order of the point light sources in the direction parallel to the long side of the reflective display element is preferably reversed between adjacent light source groups. . In this case, the center of gravity of the light intensity of each color of the light emitted from each point light source matches, so that the occurrence of color unevenness in the above direction (left-right direction) can be suppressed.
また、上記反射型表示素子は、反射型強誘電液晶表示素子であることが望ましい。反射型強誘電液晶表示素子は、広い視野角特性を有するため、表示素子への光の入射角が大きくても、コントラストが高く、色再現性が高く(色再現領域が広く)、表示品位の高い映像を提供することができる。 The reflective display element is preferably a reflective ferroelectric liquid crystal display element. Since the reflective ferroelectric liquid crystal display device has a wide viewing angle characteristic, even when the incident angle of light to the display device is large, the contrast is high, the color reproducibility is high (the color reproduction region is wide), and the display quality is high. High image quality can be provided.
このとき、上記接眼光学系は、上記反射型表示素子にて表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く反射型ホログラム光学素子を有していることが望ましい。反射型ホログラム光学素子は、波長選択性を有しているので、反射型強誘電液晶表示素子と組み合わせて用いることで色純度をさらに上げることができ、色再現性をさらに高めることができる。 At this time, the eyepiece optical system preferably includes a reflection hologram optical element that enlarges an image displayed on the reflection display element and guides the image as a virtual image to the observer. Since the reflection type hologram optical element has wavelength selectivity, color purity can be further increased by using it in combination with the reflection type ferroelectric liquid crystal display element, and color reproducibility can be further improved.
また、本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した映像表示装置と、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。この構成によれば、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。 The head-mounted display of the present invention is characterized by having the above-described video display device and support means for supporting the video display device in front of the observer's eyes. According to 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.
本発明によれば、照明光学系のパワーを大きくすることなく、反射型表示素子から接眼光学系に向かう光の光路に近い位置に光源を配置することができる。しかも、光源、光路折り曲げ部材、反射型表示素子の3者を、接眼光学系の近傍にまとめてコンパクトに配置することができる。その結果、装置の薄型化および小型化を容易に実現することができる。 According to the present invention, a light source can be arranged at a position close to the optical path of light traveling from the reflective display element to the eyepiece optical system without increasing the power of the illumination optical system. In addition, the light source, the optical path bending member, and the reflective display element can be arranged in the vicinity of the eyepiece optical system in a compact manner. As a result, thinning and miniaturization of the apparatus can be easily realized.
〔実施の形態1〕
(1.HMDの構成)
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。
図2は、本実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDと略称する)の概略の構成を示す斜視図である。HMDは、映像表示装置1と、映像表示装置1を観察者の眼前で支持する支持手段2とで構成されている。
[Embodiment 1]
(1. Configuration of HMD)
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of a head mounted display (hereinafter abbreviated as HMD) according to the present embodiment. The HMD includes a
映像表示装置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、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。この映像表示装置1は、後述する照明光学系10(図1参照)および反射型表示素子20(図1参照)を収容する筐体3に接眼光学系30を一体化させて構成されている。接眼光学系30は、全体として眼鏡の一方のレンズ(図2では右眼用レンズ)のような形状をなしている。以下、映像表示装置1の詳細について説明する。
The
(2.映像表示装置の構成)
図1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、照明光学系10と、反射型表示素子20と、接眼光学系30とを有して構成されている。なお、観察者がHMDをかけたときの左右方向(図2において左眼用レンズおよび右眼用レンズが並ぶ方向)は、図1においては反射型表示素子20の長辺方向(図1の紙面に垂直な方向)に対応しており、後述する反射型ホログラム光学素子33への光軸の入射面に垂直な方向にも対応している。
(2. Configuration of video display device)
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the
なお、上記光軸とは、ここでは、反射型表示素子20の表示領域の中心と接眼光学系30によって形成される光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を指す。また、上記入射面とは、反射型ホログラム光学素子33における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面を指す。
The optical axis here refers to an axis that optically connects the center of the display area of the
(2−1.照明光学系)
照明光学系10は、反射型表示素子20を照明するものであり、光源11と、凹面ミラー12と、第1の偏光板13とを有している。本実施形態では、反射型表示素子20を用いているので、照明光学系10は反射型表示素子20を表側から、すなわち、接眼光学系30が配置されている側から照明する。
(2-1. Illumination optical system)
The illumination
光源11は、反射型表示素子20に向けて光を出射するものであり、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RGB一体型のLEDで構成されている。光源11から出射される光の波長は、後述する反射型ホログラム光学素子33にて回折反射される光の波長とほぼ一致している。また、光源11と観察者の瞳(光学瞳、射出瞳)EPとは、略共役な位置関係となっている。
The
本実施形態では、後述するように、反射型表示素子20として時分割駆動が可能な強誘電液晶表示素子を用いているため、光源11は3原色に対応する光を時分割で順に出射する。なお、光源11の分光強度特性については後述する。
In the present embodiment, as will be described later, since the ferroelectric liquid crystal display element capable of time-division driving is used as the
凹面ミラー12は、光源11から出射された光を反射させて反射型表示素子20に導く反射ミラーであり、入射光を反射型表示素子20の表示領域上に反射集光させている。なお、凹面ミラー12は、球面ミラーであってもよいし、シリンドリカル凹面ミラーであってもよい。
The
本実施形態では、凹面ミラー12は、光源11から反射型表示素子20に至る光路を折り曲げる光路折り曲げ部材として機能しており、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に対して、光源11とは反対側に設けられている。すなわち、凹面ミラー12は、光源11と凹面ミラー12とで上記光路を挟むような位置に設けられている。このように光路折り曲げ部材としての凹面ミラー12を配置した点に本発明の最も大きな特徴があるが、その作用効果については後述する。
In the present embodiment, the
第1の偏光板13は、光源11から出射された光のうち、所定の偏光方向の光(ここではP偏光)を透過させて凹面ミラー12に導くとともに、凹面ミラー12にて光路を折り曲げられた光であって上記所定の偏光方向と同じ偏光方向の光(ここではP偏光)を透過させて反射型表示素子20に導く。
The first
第1の偏光板13の配置によって反射型表示素子20に入射させる光をP偏光とすることにより、入射光をS偏光とする場合に比べて、反射型表示素子20での表面反射(フレネルロス)を抑えることができる。つまり、P偏光の場合は、S偏光と違って、表面での反射率がゼロとなるような入射角(ブリュースター角)が存在するため、光量損失を抑えることができる。その結果、光量損失に起因する映像品位の低下を回避することができる。
By making the light incident on the
また、第1の偏光板13の表面には、例えば反射防止フィルムが貼り付けられるなど、反射防止処理が施されている。これにより、光源11からの光が第1の偏光板13の表面で反射されて不要光として反射型表示素子20に入射し、さらにはこの不要光が反射型表示素子20の表面で反射されて接眼光学系30に入射するのを抑えることができ、不要光による映像品位の低下を抑えることができる。
Further, the surface of the first
(2−2.反射型表示素子)
反射型表示素子20は、複数の画素をマトリクス状に有し、光源11からの出射光を画像データに応じて各画素ごとに変調することによって映像を表示する光変調素子である。より具体的には、反射型表示素子20は、強誘電液晶を2枚の基板で挟持してなり、一方の基板側に反射膜(反射電極、画素電極)が形成された反射型強誘電液晶表示素子で構成されている。
(2-2. Reflective display element)
The
反射型表示素子20は、矩形の表示領域の長辺方向が観察者の左右方向、つまり、図1の紙面に垂直な方向となり、その短辺方向が図1の紙面に平行となるように配置されている。反射型強誘電液晶表示素子はカラーフィルタを有してはおらず、それゆえ、反射型表示素子20の各画素は、光源11から時分割で順に供給される3原色の光のそれぞれに対応して時分割でON/OFF駆動される。これにより、観察者にカラー映像を提供することができる。
The
また、反射型表示素子20においては、シリコン等の半導体を基板として用いることができるため、小型で集積度の高い表示素子を作製することができる。しかも、各画素をON/OFFするためのスイッチング素子(例えばTFT)や配線を含む周辺回路を、表示側とは反対側の基板に配置することができるので、開口率を容易に向上させることができ、明るい映像を表示することができる。
Further, in the
また、強誘電液晶表示素子は、駆動速度が速いことがメリットであるので、それゆえ、反射型表示素子20を反射型強誘電液晶表示素子で構成することにより、上記の時分割駆動方式を採用することができる。
In addition, the ferroelectric liquid crystal display element has an advantage of high driving speed. Therefore, the time-division driving method described above is adopted by configuring the
ここで、カラーフィルタを透過するRGB光によってカラー映像を表示する従来のカラーフィルタ方式は、白色光源を常時点灯させ、1つの画素にRGBのいずれかのカラーフィルタを配置させてカラー表示を行う空間分割駆動方式であるため、モノクロ表示の場合よりも画素が3倍必要である。また、不要な色の映像光を遮光する場合には、光源は点灯させたままで、各画素で遮光しなければならない。各画素で完全に遮光することは難しいため、カラーフィルタ方式では、単色の色純度が低い。 Here, a conventional color filter system that displays a color image with RGB light transmitted through the color filter is a space in which a white light source is always turned on and any one of RGB color filters is arranged in one pixel to perform color display. Since it is a split drive system, it requires three times as many pixels as in the case of monochrome display. In addition, when image light of an unnecessary color is shielded, it is necessary to shield each pixel while keeping the light source on. Since it is difficult to completely shield the light from each pixel, the color filter method has low color purity of a single color.
これに対して、時分割駆動方式では、光源にてRGBの各発光部を順次点灯させるため、例えば単色を表示する場合は、残りの2色の発光部は消灯されている。これにより、色純度の高い、コントラストの高い映像を表示することができる。 On the other hand, in the time-division driving method, each light emitting portion of RGB is sequentially turned on by the light source, and thus, for example, when displaying a single color, the remaining two light emitting portions are turned off. Thereby, an image with high color purity and high contrast can be displayed.
また、反射型強誘電液晶表示素子は、TN(Twisted Nematic)液晶表示素子よりも広い視野角特性を有している点で優れており、凹面ミラー12から反射型表示素子20に入射する光の入射角が大きくても、コントラストが高く、色再現性が高く(色再現領域が広く)、表示品位の高い映像を提供することができる。また、照明光学系10を構成する各光学素子の配置自由度が高くなり、コンパクトで高性能の照明光学系10を構成することができる。
Further, the reflective ferroelectric liquid crystal display element is superior in that it has a wider viewing angle characteristic than a TN (Twisted Nematic) liquid crystal display element, and the light incident on the
ここで、反射型表示素子20から接眼光学系30を介して瞳EPに至る光路中で、反射型表示素子20の表示領域の中心と瞳EPの中心とを結ぶ軸を基準軸L1とする。本実施形態では、反射型表示素子20は、反射型表示素子20と接眼光学系30との間の基準軸L1に対して表示面が傾くように配置されている。このように反射型表示素子20を配置することにより、装置の小型化に支障をきたすことなく、光源11から凹面ミラー12を介して反射型表示素子20に至る光路と、反射型表示素子20から接眼光学系30に至る光路とを確実に分離することができる。より具体的には、以下の通りである。
Here, an axis connecting the center of the display area of the
例えば、凹面ミラー12にて反射されて反射型表示素子20に入射する光の入射角が10°以下であると、上記した各光路の分離のために、反射型表示素子20と接眼光学系30との間隔を大きくとる必要があり、装置の小型化に支障をきたす。一方、上記入射角が60°以上であると、光源11と凹面ミラー12との間隔が大きくなり、これも装置の小型化に支障をきたす。また、反射型表示素子20での表面反射も大きくなり、映像品位の低下を招く。したがって、以上のことを考慮して、本実施形態では、上記入射角θが、10°<θ<60°の範囲内に収まるように、反射型表示素子20を配置している。
For example, when the incident angle of light reflected by the
なお、反射型表示素子20は、位相補償板とTN液晶表示素子とを組み合わせて視野角特性を向上させたもので構成されてもよい。また、反射型表示素子20は、時分割駆動が可能な反射型の表示素子であればよく、例えばDMD(Digital Micromirror Device;米国テキサスインスツルメント社製)で構成することも可能である。
The
ただし、反射型表示素子20をDMDで構成すると、DMDの構造上、その入射角が大きくなるようなレイアウトとなり、照明光学系10が大型化することが予想される。したがって、照明光学系10の小型化を考えた場合は、本実施形態のように反射型表示素子20を反射型強誘電液晶表示素子で構成するほうが望ましい。
However, if the
(2−3.接眼光学系)
接眼光学系30は、反射型表示素子20からの映像光を観察者の瞳EPに導くための光学系である。接眼光学系30は、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おり、内部に入射した映像光が良好に収差補正される。この接眼光学系30は、接眼プリズム31と、偏向プリズム32(図2参照)と、反射型ホログラム光学素子33と、第2の偏光板34とを有している。
(2-3. Eyepiece optical system)
The eyepiece
接眼プリズム31は、入射光すなわち反射型表示素子20からの映像光を内部で全反射させて反射型ホログラム光学素子33の方向に進行させ、反射型ホログラム光学素子33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32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31は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にし、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。また、接眼プリズム31は、その下端部に配置される反射型ホログラム光学素子33を挟むように偏向プリズム32と接着剤で接合されている。
The
偏向プリズム32は、平面視で略U字型の平行平板で構成されており(図2参照)、接眼プリズム31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31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32を接眼プリズム31に接合することにより、観察者が接眼光学系30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
つまり、例えば、接眼プリズム31に偏向プリズム32を接合させない場合、外界像の光は接眼プリズム31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31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31に偏向プリズム32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31の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム32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 deflecting
反射型ホログラム光学素子33は、反射型表示素子20にて表示される映像を拡大して観察者の目に虚像として導く体積位相型の反射型ホログラムであり、正のパワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。つまり、反射型ホログラム光学素子33は、反射型表示素子20から出射される3原色に対応した波長の光をそれぞれ回折させて観察者の瞳に導く。
The reflection type hologram
反射型ホログラム光学素子33における各色の回折波長半値幅は、光源11からの出射光の各色(出射光の各波長)の半値幅よりも狭く、光源11からの出射光のうち、反射型ホログラム光学素子33での回折効率が最大となる波長(回折ピーク波長)付近の光のみが反射型ホログラム光学素子33にて反射され、観察者の瞳に導かれることになる。なお、反射型ホログラム光学素子33の特性である回折効率の波長依存性については後述する。
The diffraction wavelength half-value width of each color in the reflection-type hologram
反射型ホログラム光学素子33は、基板上に塗布されるホログラム感光材料を露光することによって形成されているが、このホログラム感光材料は、RGBの光の全てに感度を有する単層カラーフォトポリマーで構成されている。つまり、このホログラム感光材料をRGBに対応したレーザー光で3色同時に露光してホログラム感光材料に干渉縞を記録し、UV(紫外線)照射による定着を行った後、ベイク処理を行って増感することにより、反射型ホログラム光学素子33が作製される。
The reflection type hologram
単層カラーフォトポリマーは、感光層1層でRGB3色のホログラムを記録することができるため、構成が簡便である。その結果、反射型ホログラム光学素子33を容易に、かつ、安定して作製することができる。また、3層カラーフォトポリマーを用いる場合には、後述するように、最適な回折効率および回折波長幅を得るための露光条件(例えば露光量)の特別な調整が必要になる場合があるが、単層カラーフォトポリマーを用いる場合はそのような特別な調整が不要なため、取り扱いやすいというメリットもある。
The single-layer color photopolymer has a simple structure because it can record RGB three-color holograms with a single photosensitive layer. As a result, the reflection hologram
第2の偏光板34は、入射光のうちで第1の偏光板13を透過する光とは偏光方向が直交する光(ここではS偏光)を透過させて接眼プリズム31に導くものであり、接眼プリズム31において、反射型表示素子20からの光が入射する面に貼り付けられている。
The second
(3.映像表示装置の動作)
次に、上記構成の映像表示装置1の動作について説明する。照明光学系10の光源11からはRGBの各色光が時分割で出射される。各色光(例えばP偏光)は、まず第1の偏光板13を透過し、凹面ミラー12にて反射される。そして、凹面ミラー12での反射光(P偏光)は、再び第1の偏光板13を透過して反射型表示素子20に入射する。
(3. Operation of video display device)
Next, the operation of the
反射型表示素子20では、入射光が反射されるが、その際にRGBごとの画像データに応じて変調され、入射光とは異なる偏光(S偏光)となって反射型表示素子20から出射される。このとき、反射型表示素子20には、画像データに応じた映像が時分割でRGBごとに表示される。反射型表示素子20からの出射光(RGBごとの映像光)は、光源11から凹面ミラー12に至る光路を横切って接眼光学系30に到達し、接眼光学系30の第2の偏光板34を透過して、接眼プリズム31に入射する。
In the
接眼プリズム31では、入射した映像光が接眼プリズム31の対向する2つの平面で複数回全反射され、接眼プリズム31の下端に配置された反射型ホログラム光学素子33まで導かれ、そこで反射されて瞳EPに達する。したがって、この瞳EPの位置では、観察者は、反射型表示素子20に表示されたRGBごとの映像の拡大虚像をカラー映像として観察することができる。
In the
一方、接眼プリズム31、偏向プリズム32および反射型ホログラム光学素子33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。反射型表示素子20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
上記のように、本実施形態では、照明光学系10が凹面ミラー12にて反射された光(P偏光)を透過させる第1の偏光板13を有しており、接眼光学系30が反射型表示素子20からの映像光(S偏光)を透過させる第2の偏光板34を有しているので、凹面ミラー12を用いる構成であっても、凹面ミラー12を介して反射型表示素子20を確実に照明して、反射型表示素子20からの映像光を接眼プリズム31を介して観察者の瞳EPに確実に導くことができる。
As described above, in this embodiment, the illumination
また、接眼光学系30の光入射側には第2の偏光板34が設けられているので、光源11から接眼プリズム31の方向に進行する不要光(P偏光)があっても、その不要光を第2の偏光板34にて確実にカットすることができ、その不要光に起因してゴーストやフレアが生じるのを確実に防止することができる。
Further, since the second
また、本実施形態の映像表示装置1では、接眼光学系30の反射型ホログラム光学素子33は、反射型表示素子20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、反射型ホログラム光学素子33を介して、反射型表示素子20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。
Further, in the
また、反射型ホログラム光学素子33は、軸非対称な正の光学パワーを有しているので、このような反射型ホログラム光学素子33を用いることにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めることができ、装置を容易に小型化することができる。
In addition, since the reflection type hologram
(4.照明光学系の光路の折りたたみについて)
次に、本発明の最も特徴的な部分である、照明光学系10の光路の折りたたみについて説明する。
(4. Folding of the optical path of the illumination optical system)
Next, folding of the optical path of the illumination
本実施形態では、図1に示すように、光路折り曲げ部材としての凹面ミラー12を、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に対して光源11とは反対側に配置している。そして、凹面ミラー12により、光源11から反射型表示素子20に至る照明光学系10の光路を、反射型表示素子20の短辺に平行でかつ表示面に垂直な面内で折りたたんでいる。この結果、光源11から凹面ミラー12に向かう光線(光路)と、上記光線が進行する光路上の光線であって反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光線(光路)とは、接眼光学系30の外部の空気中で交差している。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
ここで、光源11から反射型表示素子20に至る光路中で、光源11と反射型表示素子20の表示領域の中心とを結ぶ軸を基準軸L2と称することとする。上記のように凹面ミラー12を配置することにより、基準軸L2を折り曲げることなく光源11からの照明光を反射型表示素子20に入射させる構成に比べて、光源11と反射型表示素子20との間の光路長を稼ぐことができる。これにより、照明光学系10のパワーを変化させなくても(例えばパワーの大きな集光レンズを光路中に配置しなくても)、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に近い位置に光源11を配置することができる。したがって、光源11が観察者側に飛び出るようなレイアウトとはならないので、装置を容易に薄型化することができる。
Here, an axis connecting the
しかも、光源11と凹面ミラー12とは、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に対して互いに反対側に位置する関係となるので、光源11と接眼光学系30との距離、および、凹面ミラー12と接眼光学系30との距離が両方とも、反射型表示素子20と接眼光学系30との距離よりも短くなるように、光源11および凹面ミラー12を配置することができる。その結果、光源11、凹面ミラー12、反射型表示素子20のそれぞれを、接眼光学系30の近傍にまとめてコンパクトに配置することができ、装置を容易に小型化することができる。
In addition, since the
つまり、光源11から凹面ミラー12に向かう光線と、上記光線が進行する光路上の光線であって反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光線とが交差するように凹面ミラー12が配置されていることによって、装置の薄型化および小型化を容易に実現することができる。特に、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に対して光源11とは反対側に凹面ミラー12が配置されていれば、上記2つの光線(または基準軸L1・L2)が空気中で確実に交差するので、そのような効果を確実に得ることができる。
That is, the
また、本実施形態では、凹面ミラー12を用いることにより、光源11から凹面ミラー12に至る光路と、反射型表示素子20から接眼光学系30に至る光路とを分離できるので、従来のように2つの光路の交差部に光路分離のためのPBSを配置する必要がない。その結果、装置を軽量化することができ、しかも安価に構成することができる。また、PBSを設ける従来の構成では、PBSの性能が不十分な場合は、照明光が不要光として接眼光学系に入射し、観察画像の品位を劣化させる原因となる。しかし、本発明では、そのようなPBSを用いることなく光路分離ができるので、そのような問題も起こらない。
In the present embodiment, by using the
また、光源11から凹面ミラー12に向かう光線を第1の光線とし、上記光線が進行する光路上の光線であって反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光線を第2の光線とすると、本実施形態では、第1の光線と第2の光線とが、屈折率の異なる媒質の界面ではなく、屈折率がほぼ均一の媒質中で交差している。例えば2種の光線の交差部分で媒質の屈折率が変化すると、屈折によって不要光が発生し、この不要光が接眼光学系30を介して瞳EPに導かれ、観察画像の品位を劣化させるおそれがある。しかし、本実施形態では、第1の光線と第2の光線とが、屈折率がほぼ均一の媒質中で交差しているので、その交差部分での不要光の発生を抑えることができ、観察画像の品位が劣化するのを回避することができる。
Also, a light beam traveling from the
また、屈折率がほぼ均一の媒質を空気とし、第1の光線と第2の光線とが空気中で交差するように凹面ミラー12を設ける構成とすることで、例えば後述する実施の形態5のように、2種の光線の交差部分に照明プリズム19(図16参照)を設ける場合よりも照明光学系10の構成を簡素化することができる。したがって、この点からも装置自体を軽量化することができると言える。
In addition, by using a configuration in which a medium having a substantially uniform refractive index is air and the
また、第1の光線と第2の光線との交差部分は、接眼光学系30の外部に位置しているので、その交差部分と接眼光学系30の接眼プリズム31との間に、本実施形態のように第2の偏光板34を配置することが可能となる。つまり、第2の偏光板34の配置スペースを確保することができる。これにより、第2の偏光板34を設けることによる効果、すなわち、光源11から接眼プリズム31に直接入射する不要光(ゴースト光)をカットして映像品位の低下を回避できる効果を確実に得ることができる。
In addition, since the intersection between the first ray and the second ray is located outside the eyepiece
また、本実施形態では、凹面ミラー12は、反射型表示素子20の短辺に平行でかつ表示面に垂直な面内で照明光学系10の光路を折り曲げている。これにより、反射型表示素子20の長辺に平行でかつ表示面に垂直な面内で照明光学系10の光路を折り曲げる構成に比べて、照明光学系10の光路と反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路とを短い距離で分離することができ、照明光学系10をコンパクトに構成することができる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、光路折り曲げ部材として凹面ミラー12を用いている。これにより、後述する図3の構成のように、光源11からの光を反射型表示素子20の表示領域に集光させるための集光レンズ15を光路中に設けなくても済み、照明光学系10の構成を簡素化することができる。また、光源11から十分に離れて広がった位置で、かつ、照明する反射型表示素子20に近い位置に凹面ミラー12を配置すれば、照明光を無駄なく効率よく利用することができる。
In this embodiment, the
なお、本実施形態では、光路折り曲げ部材を凹面ミラー12のような反射ミラーで構成した例について説明したが、光路を折り曲げる機能を有するものであればよく、例えばプリズムを用いることもできる。
In the present embodiment, an example in which the optical path bending member is configured by a reflecting mirror such as the
(5.変形例)
図3は、映像表示装置1の他の構成例を示す断面図である。この映像表示装置1では、光路折り曲げ部材として平面ミラー14を用いているとともに、光源11の直後に集光レンズ15を配置している。平面ミラー14は、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に対して光源11とは反対側に配置されている。一方、集光レンズ15および第1の偏光板13は、上記光路に対して光源11側に配置されている。したがって、光源11から出射される光は、集光レンズ15にて集光され、第1の偏光板13を介して平面ミラー14に入射し、平面ミラー14で反射されて(光路が折り曲げられて)反射型表示素子20に入射する。
(5. Modifications)
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of the
このように平面ミラー14を光路折り曲げ部材として用いる場合、反射型表示素子20の表示領域に光を集光するための集光レンズ15を用いる必要があるが、この集光レンズ15としては、球面または非球面の集光レンズを用いることが可能である。よって、凹面ミラー12を用いる構成よりも安価に照明光学系10を実現することができる。
When the
また、図4は、映像表示装置1のさらに他の構成例を示す断面図である。この映像表示装置1では、光路折り曲げ部材として平面ミラー14を用いているとともに、図3の集光レンズ15の代わりに凹面ミラー16を用いている。平面ミラー14は、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に対して光源11とは反対側に配置されている。一方、凹面ミラー16および第1の偏光板13は、上記光路に対して光源11側に配置されている。したがって、光源11から出射される光は、凹面レンズ16で反射集光され、第1の偏光板13を介して平面ミラー14に入射し、平面ミラー14で反射されて反射型表示素子20に入射する。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the
このように、光源11から反射型表示素子20に至る光路を、2つの光学素子(凹面ミラー16、平面ミラー14)で折り曲げることにより、例えば、光源11と反射型表示素子20とを同一面に配置するレイアウトを採ることが可能となる。これにより、光源11および反射型表示素子20の基板を共通化することができるなど、光学系以外の部品点数を減らすことができる。
In this way, by bending the optical path from the
(6.色再現性を高くできる効果について)
ところで、観察者に提供されるカラー映像(表示素子にて表示された映像)の表示品位を高めるためには、その映像の色再現領域を広げる(色再現性を高める)ことが必要である。例えば、特許文献1のように、映像光と外光とのコンバイナとして、ホログラム光学素子ではなくハーフミラーを用いる場合、強誘電液晶表示素子が時分割駆動であれば(カラーフィルタを有していなければ)、色再現領域は、光源からの出射光におけるRGBの波長幅のみで決定される。しかし、非特許文献1のように、映像光と外光とのコンバイナとしてホログラム光学素子を用いるとともに、時分割で駆動される表示素子を用いる場合、色再現領域は、光源からの出射光のRGBの波長幅と、ホログラム光学素子でのRGBの回折波長幅との兼ね合いで決まる。
(6. Effects that can improve color reproducibility)
By the way, in order to improve the display quality of the color image (image displayed on the display element) provided to the observer, it is necessary to widen the color reproduction region (enhance color reproducibility) of the image. For example, as in
しかし、上述した非特許文献1では、表示映像の色再現領域を広げることについては全く言及されておらず、ましてや、色再現領域を広げるべく、光源からの出射光のRGBの波長幅を考慮して、ホログラム光学素子でのRGBの回折波長幅が規定されてはいない。
However, the
そこで、本実施形態では、光源からの出射光のRGBの波長幅を考慮して、ホログラム光学素子でのRGBの回折波長幅を適切に規定することにより、時分割駆動の表示素子を用いた場合でも色再現領域を広げて表示品位を向上させるようにしている。つまり、本実施形態の映像表示装置1のように、光源11としてRGB一体型のLEDを用い、かつ、反射型ホログラム光学素子33を用いた場合でも、色再現領域を広げることが可能である。以下、この点について説明する。
Therefore, in the present embodiment, when the RGB wavelength width of the light emitted from the light source is taken into consideration, the RGB diffraction wavelength width in the hologram optical element is appropriately defined, thereby using a time-division driven display element. However, the color reproduction area is expanded to improve display quality. That is, even when the RGB integrated LED is used as the
(6−1.ホログラム光学素子の特性)
図5は、上述した反射型ホログラム光学素子33における回折効率の波長依存性を示す説明図であり、図6は、反射型ホログラム光学素子33の他の構成例における回折効率の波長依存性を示す説明図である。なお、図6の特性を有する反射型ホログラム光学素子33は、図5の特性を有する反射型ホログラム光学素子33とはホログラム感光材料の露光条件(例えば露光量)を変えることによって作製されている。また、図5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おり、図6の回折効率は、BGRの各色について、最大回折効率を1としたときの相対値で示している。
(6-1. Characteristics of hologram optical element)
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the wavelength dependence of the diffraction efficiency in the reflection hologram
図5および図6の反射型ホログラム光学素子33は、いずれも、特定の入射角で入射する光であって、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)させる角度選択性および波長選択性を有している。
Each of the reflection type hologram
すなわち、B光の回折効率のピーク波長λ1Bは465nmであり、G光の回折効率のピーク波長λ1Gは521nmであり、R光の回折効率のピーク波長λ1Rは634nmである。また、B光の回折効率半値の波長幅Δλ1Bは10nmであり、G光の回折効率半値の波長幅Δλ1Gは10nmであり、R光の回折効率半値の波長幅Δλ1Rは10nmである。これらの回折波長幅は、後述する光源11からの出射光のRGBの波長幅を考慮して設定されている。
That is, the peak wavelength λ1 B of the diffraction efficiency of B light is 465 nm, the peak wavelength λ1 G of the diffraction efficiency of G light is 521 nm, and the peak wavelength λ1 R of the diffraction efficiency of R light is 634 nm. Further, the wavelength width Δλ1 B of the half value of the diffraction efficiency of the B light is 10 nm, the wavelength width Δλ1 G of the half value of the diffraction efficiency of the G light is 10 nm, and the wavelength width Δλ1 R of the half value of the diffraction efficiency of the R light is 10 nm. These diffraction wavelength widths are set in consideration of the RGB wavelength widths of light emitted from the
なお、上記した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。 The peak wavelength of the diffraction efficiency is the wavelength at which the diffraction efficiency reaches a peak, and the wavelength width at half the diffraction efficiency is the wavelength width at which the diffraction efficiency is half the diffraction efficiency peak. That is.
上記のように、反射型ホログラム光学素子33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、偏向プリズム32、反射型ホログラム光学素子33および接眼プリズム31を介して外界像を通常通り見ることができる。
As described above, the reflection type hologram
(6−2.光源の特性)
一方、図7は、光源11の分光強度特性、すなわち、出射光の波長と発光強度との関係を示す説明図である。なお、図7の発光強度は、B光の最大発光強度を100としたときの相対値で示している。光源11は、例えば、光強度のピーク波長および光強度半値の波長幅で462±12nm、525±17nm、635±11nmとなる3つの波長帯域の光を発するRGB一体型のLEDである。
(6-2. Characteristics of light source)
On the other hand, FIG. 7 is an explanatory diagram showing the spectral intensity characteristics of the
すなわち、光源11におけるBGRの光強度のピーク波長をそれぞれλ2B、λ2G、λ2Rとすると、λ2B=462nmであり、λ2G=525nmであり、λ2R=635nmである。また、光源11におけるBGRの光強度半値の波長幅をそれぞれΔλ2B、Δλ2G、Δλ2Rとすると、Δλ2B=24nmであり、Δλ2G=34nmであり、Δλ2R=22nmである。
That is, assuming that the peak wavelengths of the light intensity of BGR in the
なお、光強度のピーク波長とは、光強度がピークとなるときの波長のことであり、光強度半値の波長幅とは、光強度が光強度ピークの半値となるときの波長幅のことである。 The peak wavelength of light intensity is the wavelength at which the light intensity reaches a peak, and the wavelength width at half value of the light intensity is the wavelength width at which the light intensity is at half value of the light intensity peak. is there.
(6−3.Δλ1とΔλ2との関係について)
上記のように、本実施形態では、反射型ホログラム光学素子33におけるBGRの各色についての回折効率半値の波長幅Δλ1(Δλ1B、Δλ1G、Δλ1R)と、光源11からの出射光におけるBGRの各色についての光強度半値の波長幅Δλ2(Δλ2B、Δλ2G、Δλ2R)との関係が、BGRの各色について、
Δλ1<Δλ2
となるように設定されている。つまり、
Δλ1B<Δλ2B、Δλ1G<Δλ2G、Δλ1R<Δλ2R
を同時に満たすものとなっている。
(6-3. Relationship between Δλ1 and Δλ2)
As described above, in this embodiment, the wavelength width Δλ1 (Δλ1 B , Δλ1 G , Δλ1 R ) of the diffraction efficiency half-value for each color of BGR in the reflection hologram
Δλ1 <Δλ2
It is set to become. That means
Δλ1 B <Δλ2 B , Δλ1 G <Δλ2 G , Δλ1 R <Δλ2 R
Is to satisfy simultaneously.
このような特性の光源11および反射型ホログラム光学素子33を用いることにより、光源11からのBGRの出射光のうちで、さらに波長域を絞った光のみを反射型ホログラム光学素子33にて回折させて観察者の瞳に導くことができる。これにより、本実施形態のように時分割で駆動される表示素子20(強誘電液晶表示素子)を用いた場合でも、BGRの各色純度を高めることができ、観察映像の色再現領域を、光源11からのBGRの出射光のみで決まる色再現領域よりもさらに広げることができる。
By using the
ここで、図8は、XYZ表色系におけるXY色度座標を用いて表される色再現領域を示している。同図中、各映像表示装置における色再現領域が、それぞれ実線A、破線B、二点鎖線Cで表されている。実線Aは、本実施形態の映像表示装置1、すなわち、光源11としてRGB一体型の3-in-1LED(例えば日亜化学製のNSCM315C)を用い、反射型表示素子20として反射型強誘電液晶表示素子(例えばディスプレイテック製)を用い、そして、反射型ホログラム光学素子33を用いた映像表示装置1における色再現領域を示している。
Here, FIG. 8 shows a color reproduction region expressed using XY chromaticity coordinates in the XYZ color system. In the figure, the color reproduction regions in each video display device are represented by a solid line A, a broken line B, and a two-dot chain line C, respectively. A solid line A represents the
破線Bは、光源11としてRGB一体型の3-in-1LEDを用い、反射型表示素子20として反射型強誘電液晶表示素子を用い、そして、通常の反射型ホログラム光学素子を用いない接眼光学系を用いた映像表示装置における色再現領域を示している。なお、反射型ホログラム光学素子を用いない接眼光学系としては、例えば後述する実施の形態2で示すような自由曲面プリズム35(図12参照)がある。
A broken line B uses an RGB-integrated 3-in-1 LED as the
二点鎖線Cは、光源11としてRGB一体型の3-in-1LEDを用い、反射型表示素子20として、カラーフィルタを有する反射型液晶表示素子を用いた映像表示装置における色再現領域を示している。
An alternate long and two short dashes line C indicates a color reproduction region in an image display apparatus using an RGB integrated 3-in-1 LED as the
同図より、色再現領域は、二点鎖線C、破線B、実線Aの順で広くなり、実線Aが色再現性に最も優れており、次に破線Bが色再現性に優れていることがわかる。上述したように、強誘電液晶表示素子においては、表示素子への照明光の入射角度が大きくても、高いコントラストを得ることができる。したがって、反射型表示素子20として反射型強誘電液晶表示素子を用い、本発明におけるコンパクトな照明光学系10と組み合わせることで、小型で表示品位の高い映像表示装置1を実現することができる。特に、反射型表示素子20として反射型強誘電液晶表示素子を用いることにより、実線Aおよび破線Bで示したように、高い色再現性(広い色再現領域)を実現することができる。
From the figure, the color reproduction area becomes wider in the order of the two-dot chain line C, the broken line B, and the solid line A. The solid line A has the best color reproducibility, and the broken line B has the next excellent color reproducibility. I understand. As described above, in a ferroelectric liquid crystal display element, high contrast can be obtained even when the incident angle of illumination light to the display element is large. Therefore, by using a reflective ferroelectric liquid crystal display element as the
また、反射型ホログラム光学素子33は波長選択性を有しており、接眼光学系30に反射型ホログラム光学素子33を用いたときの観察光(映像光)の分光強度は、光源11の分光強度に反射型ホログラム光学素子33の回折効率を掛け合わせたものになる。したがって、RGB一体型の光源11と、反射型ホログラム光学素子33とを組み合わせて用いることにより、さらにRGBの色純度を上げることができ、実線Aのように色再現領域が広く、表示品位の高い映像を観察者に提供することができる。
The reflection hologram
また、図9は、XYZ表色系におけるXY色度座標を用いて表される別の色再現領域を示している。実線Dで示される色再現領域は、本実施形態の映像表示装置1による色再現領域を示している。一点鎖線Eは、反射型強誘電液晶表示素子単独の色再現領域を示しており、二点差線Fは、カラーフィルタを有する液晶表示素子で表示素子を構成した映像表示装置による色再現領域を示している。ちなみに、破線Gは、非特許文献1の装置の色再現領域を示している。
FIG. 9 shows another color reproduction region expressed using XY chromaticity coordinates in the XYZ color system. A color reproduction region indicated by a solid line D indicates a color reproduction region by the
同図からも、本実施形態の映像表示装置1の色再現領域が一番広く、カラーフィルタタイプの表示素子を用いた映像表示装置よりもさらに色再現領域を拡大できていることがわかる。したがって、本実施形態の映像表示装置1の構成によれば、表示品位の高い映像を観察者に提供することができる。
From this figure, it can be seen that the color reproduction region of the
また、本実施形態では、上述したように、反射型ホログラム光学素子33は、単層カラーフォトポリマーで構成されるホログラム感光材料を露光することによって作製されている。単層カラーフォトポリマーにおいては、感光層内でのBGRの各色の相互作用によって高い回折効率を得にくいが、その分、BGRの回折効率半値の波長幅Δλ1(Δλ1B、Δλ1G、Δλ1R)を小さくすることが容易である。
In the present embodiment, as described above, the reflection hologram
ここで、例えば、ホログラム光学素子を作製するためのホログラム感光材料が、3原色の光のそれぞれに感度を有する各層を積層した3層カラーフォトポリマーで構成されている場合、各層は1つの波長のホログラムのみを記録するので、同一層内で各色の相互作用がなく、各色について高い回折効率が得やすい。したがって、一般的なホログラム光学素子の作製方法、すなわち、最大の回折効率を得るために上記ホログラム感光材料を十分に露光し、ベイクを行う方法では、BGRの回折効率が頭打ちになり、広い波長域で回折効率が最大となりやすい。つまり、このことは、回折効率半値の波長幅が、BGRの全てについて広くなりやすいことを意味する。 Here, for example, when a hologram photosensitive material for producing a hologram optical element is composed of a three-layer color photopolymer in which layers having sensitivity to each of the three primary colors are laminated, each layer has one wavelength. Since only the hologram is recorded, there is no interaction of each color in the same layer, and high diffraction efficiency is easily obtained for each color. Therefore, in a general hologram optical element manufacturing method, that is, a method in which the hologram photosensitive material is sufficiently exposed and baked in order to obtain the maximum diffraction efficiency, the BGR diffraction efficiency reaches its peak, and a wide wavelength range is obtained. The diffraction efficiency tends to be maximized. That is, this means that the wavelength width of the half value of diffraction efficiency tends to be wide for all of the BGR.
しかし、本実施形態のように、ホログラム感光材料として単層カラーフォトポリマーを用い、反射型ホログラム光学素子33を作製することで、BGRの全てについて、回折効率半値の波長幅Δλ1(Δλ1B、Δλ1G、Δλ1R)を容易に小さくすることができるので、BGRの各色についてΔλ1<Δλ2を満足する反射型ホログラム光学素子33を容易に作製することができる。特に、光源としては、Rの分光強度分布がシャープなもの(Rの光強度半値の波長幅が狭い光源)が一般的に多く出回っているが、このような光源を用いた場合でも、BGRの全ての色について、Δλ1<Δλ2を確実に実現することができる。その結果、時分割駆動の反射型表示素子20を用いた場合でも、色再現領域を容易にかつ確実に広げることができる。
However, as in this embodiment, by using a single layer color photopolymer as the hologram photosensitive material and manufacturing the reflection type hologram
また、反射型ホログラム光学素子33のΔλ1がΔλ2よりも小さく設定されることで、反射型ホログラム光学素子33を透過する外光の透過波長幅は広くなり、シースルー性が向上する。したがって、本実施形態の構成によれば、色再現領域の拡大およびシースルー性の向上により、高品位な映像および外界像を観察者に提供することができ、高品位なシースルーディスプレイを実現することができる。
Further, by setting Δλ1 of the reflection type hologram
(6−4.Δλ1の範囲およびΔλ1/Δλ2の範囲について)
本実施形態では、BGRの各色について、Δλ1B=Δλ1G=Δλ1R=10nmとなっている。このように、3原色の各色について、Δλ1<20nmであるので、BGRの各色純度を確実に高めることができ、観察映像の色再現領域を確実に広げることができる。特に、本実施形態のように、BGRの各色について、Δλ1≦10nmの条件を満たしていれば、BGRの各色純度をより一層確実に高めることができ、図8および図9のように、観察映像の色再現領域をより一層確実に広げることができる。
(6-4. About the range of Δλ1 and the range of Δλ1 / Δλ2)
In the present embodiment, Δλ1 B = Δλ1 G = Δλ1 R = 10 nm for each color of BGR. Thus, since Δλ1 <20 nm for each of the three primary colors, the color purity of the BGR can be reliably increased, and the color reproduction region of the observation image can be reliably expanded. In particular, as in the present embodiment, if the condition of Δλ1 ≦ 10 nm is satisfied for each color of BGR, the purity of each color of BGR can be further reliably increased, and an observation image is obtained as shown in FIGS. The color reproduction area can be expanded more reliably.
ここで、Δλ1が3nm以下の場合、広い色再現領域を実現することは可能であるが、反射型ホログラム光学素子33での回折波長幅が小さくなりすぎて、光源11からの出射光の利用効率が低下し、映像が暗くなる。したがって、映像の明るさの低下を回避しつつ、広い色再現領域を実現するためには、3原色の各色についてΔλ1>3nmである、すなわち、Δλ1B>3nm、Δλ1G>3nm、Δλ1R>3nmであることが望ましい。
Here, when Δλ1 is 3 nm or less, it is possible to realize a wide color reproduction region, but the diffraction wavelength width in the reflection hologram
また、上記のようにΔλ1<Δλ2を満たす範囲内でΔλ1(絶対値)を規定すること以外にも、Δλ1とΔλ2との比の範囲を規定することで、Δλ2(絶対値)との兼ね合いで、映像の明るさと色再現領域の広さとのバランスをより的確にとることができる。 In addition to defining Δλ1 (absolute value) within the range satisfying Δλ1 <Δλ2 as described above, by defining the range of the ratio between Δλ1 and Δλ2, it is possible to balance with Δλ2 (absolute value). Therefore, the balance between the brightness of the image and the width of the color reproduction area can be more accurately achieved.
例えば、BGRの各色について、Δλ1/Δλ2の値が1/10以下であると、色再現領域の広い映像を提供することが可能となるが、反射型ホログラム光学素子33での回折波長幅が光源11からの出射光の波長幅に対して相対的に小さくなりすぎて、明るい映像を提供することが困難となる。逆に、BGRの各色について、Δλ1/Δλ2の値が1以上であると、明るい映像を提供することが可能となるが、色再現領域の広い映像を提供することが困難となる。
For example, for each color of BGR, if the value of Δλ1 / Δλ2 is 1/10 or less, an image with a wide color reproduction region can be provided, but the diffraction wavelength width in the reflection hologram
したがって、BGRの各色について、1/10<Δλ1/Δλ2<1を満足する、すなわち、
1/10<Δλ1B/Δλ2B<1、
1/10<Δλ1G/Δλ2G<1、
1/10<Δλ1R/Δλ2R<1
を満足することにより、Δλ2も考慮して、映像の明るさと色再現領域の広さとを両方満足させることができる。
Therefore, for each color of BGR, 1/10 <Δλ1 / Δλ2 <1 is satisfied, that is,
1/10 <Δλ1 B / Δλ2 B <1,
1/10 <Δλ1 G / Δλ2 G <1,
1/10 <Δλ1 R / Δλ2 R <1
By satisfying the above, it is possible to satisfy both the brightness of the video and the width of the color reproduction region in consideration of Δλ2.
(7.λ1とΔλ2およびλ2との関係について)
本実施形態では、BGRの各色について、反射型ホログラム光学素子33における回折効率のピーク波長λ1(λ1B、λ1G、λ1R)は、光源11からの出射光の光強度半値の波長幅Δλ2(Δλ2B、Δλ2G、Δλ2R)の波長域に含まれている。すなわち、λ1B(465nm)は、Δλ2Bの波長域(450〜474nm)に含まれており、λ1G(521nm)は、Δλ2Gの波長域(508〜542nm)に含まれており、λ1R(634nm)は、Δλ2Rの波長域(624〜646nm)に含まれている。
(7. Relationship between λ1 and Δλ2 and λ2)
In the present embodiment, for each color of BGR, the diffraction efficiency peak wavelength λ1 (λ1 B , λ1 G , λ1 R ) in the reflection hologram
この場合、BGRの各色について、反射型ホログラム光学素子33における回折効率のピーク波長λ1(λ1B、λ1G、λ1R)と、光源11からの出射光の光強度のピーク波長λ2(λ2B、λ2G、λ2R)とは比較的近い値となる。このことは、λ2B=462nmであり、λ2G=525nmであり、λ2R=635nmであることからも明らかである。これにより、光源11からの出射光のうちで光強度が高い波長域の光を、効率よく反射型ホログラム光学素子33にて回折させて観察者の瞳に導くことができる。したがって、光源11からの出射光の利用効率を上げて、明るい映像を観察者に提供することができる。
In this case, for each color of BGR, the diffraction efficiency peak wavelength λ1 (λ1 B , λ1 G , λ1 R ) in the reflection hologram
特に、本実施形態では、BGRの各色について、λ1は、λ2±20nmの範囲内である、すなわち、
λ1B(465nm)=λ2B(462nm)±20nm、
λ1G(521nm)=λ2G(525nm)±20nm、
λ1R(634nm)=λ2R(635nm)±20nm
である。これにより、BGRの各色について、反射型ホログラム光学素子33における回折効率のピーク波長λ1(λ1B、λ1G、λ1R)と、光源11からの出射光の光強度のピーク波長λ2(λ2B、λ2G、λ2R)とが確実に近くなるので、光源11からの出射光の利用効率を確実に上げることができ、明るい映像を観察者に確実に提供することができる。
In particular, in this embodiment, for each color of BGR, λ1 is in the range of λ2 ± 20 nm, that is,
λ1 B (465 nm) = λ2 B (462 nm) ± 20 nm,
λ1 G (521 nm) = λ2 G (525 nm) ± 20 nm,
λ1 R (634 nm) = λ2 R (635 nm) ± 20 nm
It is. Thus, for each color of BGR, the diffraction efficiency peak wavelength λ1 (λ1 B , λ1 G , λ1 R ) in the reflection hologram
(8.光強度に応じた回折効率の調整について)
ところで、図9の中央の破線Hで示される領域は、RGBのカラーバランスを調整するときの白色目標エリアを示している。この目標エリアは、XY色度座標において(X,Y)=(0.32±0.05,0.33±0.05)を中心とするほぼ楕円領域である。そこで、光源11のRGBの各発光部を全て最大パワーで発光したときに表示する白色が上記目標エリアに入るように、露光条件(例えば露光量)および後処理条件(例えばベイク温度、ベイク時間)を最適化することによって反射型ホログラム光学素子33のRGBの各波長の最大回折効率を調整すれば、光の利用効率が高く、さらに高品位な映像表示装置1を実現することができる。具体的には以下の通りである。
(8. Adjustment of diffraction efficiency according to light intensity)
By the way, a region indicated by a broken line H in the center of FIG. 9 indicates a white target area when the RGB color balance is adjusted. This target area is a substantially elliptical area centered at (X, Y) = (0.32 ± 0.05, 0.33 ± 0.05) in the XY chromaticity coordinates. Therefore, exposure conditions (for example, exposure amount) and post-processing conditions (for example, baking temperature and baking time) are set so that the white color to be displayed when all the RGB light emitting units of the
光源11からの出射光の光強度(ピーク値)の比は、図7から、B:G:Rでおよそ10:5:8である。この場合、反射型ホログラム光学素子33での回折効率(ピーク値)の比がB:G:Rで例えば95:85:50となるように露光条件および後処理条件を最適化し、反射型ホログラム光学素子33を作製する。つまり、視感度の高いG光については、光源11からの出射光の光強度が他のB光やR光よりも小さいので、反射型ホログラム光学素子33でのG光の回折効率を高めに設定している。一方、他のB光やR光については、光源11からの出射光の光強度を考慮して、BGR全体のカラーバランスが良好となるように反射型ホログラム光学素子33でのB光およびR光の回折効率を設定している。
From FIG. 7, the ratio of the light intensity (peak value) of the light emitted from the
このように、反射型ホログラム光学素子33におけるBGRの回折効率を、光源11からのBGRの出射光の光強度に応じて設定することにより、光源光量を増大させることなく明るい映像を観察者に提供することができるとともに、BGRのカラーバランスを良好にすることができる。つまり、光源11の消費電力の増大を回避しながら、良好な品位の映像を観察者に提供することができる。
In this way, by setting the BGR diffraction efficiency in the reflection hologram
なお、上述した回折効率比の反射型ホログラム光学素子33を用いた場合、Bについては、光源11からの出射光の光強度と回折効率との積が、他のGやRについてのものよりも高い値となるが、これはBの視感度が低いことを考慮したことによる。カラーバランスは、瞳に到達する光の波長について光強度を足し合わせたもの(積分したもの)にその光の視感度を掛け合わせたもので評価されるので、回折効率比を上記のように設定することによって、BGRの視感度も考慮してカラーバランスを良好にすることができる。
When the reflection hologram
(9.光学瞳内での光強度ピークのずれ量について)
図10は、BGRの各色について、光学瞳EP内での瞳位置による光強度の変化を示す説明図である。なお、図10の横軸の瞳位置は、例えば図2のHMDの上下方向(図1の映像表示装置1の縦方向)の瞳位置を示している。
(9. About the shift amount of the light intensity peak in the optical pupil)
FIG. 10 is an explanatory diagram showing changes in light intensity depending on the pupil position in the optical pupil EP for each color of BGR. 10 indicates the pupil position in the vertical direction of the HMD in FIG. 2 (vertical direction of the
光学瞳EP内でBGRの光強度のピーク位置が互いにずれていると、光学瞳EPに対して観察者の瞳が例えば上下方向にずれたときに、観察者の瞳から光強度のピーク位置が外れるような色が生じる場合がある。例えば、図10において、観察者の瞳が横軸右方向に対応する方向にずれると、そのずれ量によっては、R光の光強度のピーク位置が観察者の瞳から外れる。この場合、観察者は映像の色ムラを認識しやすくなる。 If the peak positions of the BGR light intensity are deviated from each other in the optical pupil EP, the peak position of the light intensity from the observer's pupil is shifted when the observer's pupil is deviated in the vertical direction with respect to the optical pupil EP, for example. Colors that fall off may occur. For example, in FIG. 10, when the observer's pupil is displaced in a direction corresponding to the right direction of the horizontal axis, the peak position of the light intensity of the R light deviates from the observer's pupil depending on the amount of displacement. In this case, the observer can easily recognize the color unevenness of the video.
そこで、観察者の瞳が直径2mm以上であることを考慮すれば、光学瞳EP内での光強度のピーク位置のずれ量d(方向は問わない)は、BGRの各色間で1mm以下であることが望ましい。この場合、光学瞳EPに対して観察者の瞳が多少ずれたとしても、色によってはその光強度のピーク位置が観察者の瞳から外れるような事態を極力回避することができ、観察者が映像の色ムラを認識するのを抑えることができる。 Therefore, considering that the observer's pupil has a diameter of 2 mm or more, the shift amount d (in any direction) of the peak position of the light intensity in the optical pupil EP is 1 mm or less between the colors of BGR. It is desirable. In this case, even if the observer's pupil is slightly deviated from the optical pupil EP, depending on the color, a situation in which the peak position of the light intensity deviates from the observer's pupil can be avoided as much as possible. Recognizing color unevenness in the video can be suppressed.
(10.反射型ホログラム光学素子の他の構成例について)
ところで、反射型ホログラム光学素子33は、上述したように、基板上に塗布されるホログラム感光材料を露光することによって形成されているが、このホログラム感光材料は、3層カラーフォトポリマーで構成されていてもよい。3層カラーフォトポリマーは、BGRの光のそれぞれに感度を有する各層を積層して構成されたものである。
(10. Other configuration examples of the reflection type hologram optical element)
By the way, as described above, the reflection type hologram
ここで、図11は、3層カラーフォトポリマーを用いて作製された反射型ホログラム光学素子33における回折効率の波長依存性を示す説明図である。なお、図11の回折効率は、BGRの各色について、最大回折効率を1としたときの相対値で示している。また、図11の実線Pは、一般的な露光条件および後処理条件、すなわち、露光量(mJ/cm2)がR:G:Bで60:25:25であり、ベイク温度;120℃、ベイク時間;2時間で作製された反射型ホログラム光学素子33における回折効率の波長依存性を示している。一方、図11の破線Qは、所定の露光条件および後処理条件、具体的には、露光量(mJ/cm2)がR:G:Bで15:7:7であり、ベイク温度;120℃、ベイク時間;3時間で作製された反射型ホログラム光学素子33における回折効率の波長依存性を示している。
Here, FIG. 11 is an explanatory diagram showing the wavelength dependence of the diffraction efficiency in the reflective hologram
反射型ホログラム光学素子33を作製するためのホログラム感光材料として3層カラーフォトポリマーを用いた場合、一般的な露光条件および後処理条件で反射型ホログラム光学素子33を作製すると、図11の実線Pで示すように、各色の回折効率を大きくすることが可能である。したがって、光源11から出射される光の利用効率を上げたい場合には、単層カラーフォトポリマーを用いるよりも、回折効率の高いRGB3層のカラーフォトポリマーを用いて反射型ホログラム光学素子33を作製するほうが望ましい。
When a three-layer color photopolymer is used as the hologram photosensitive material for producing the reflection type hologram
しかし、一般的な露光条件および後処理条件、すなわち、回折効率を最大にするような条件で反射型ホログラム光学素子33を作製すると、実線Pのように回折効率半値の波長幅が20nmを越え、広くなりすぎる。その結果、上述したΔλ1<Δλ2などの種々の条件を満足することが困難となる。
However, when the reflection-type hologram
そこで、上記のように、露光条件および後処理条件を上記所定の条件に最適化して破線Qで示す特性の反射型ホログラム光学素子33を作製することにより、反射型ホログラム光学素子33における回折効率半値の波長幅(Δλ1)をRGBの全てについて20nm以下にすることができ、Δλ1<Δλ2などの条件を満足させるようにすることができる。
Therefore, as described above, the reflection hologram
ちなみに、上記所定の条件で反射型ホログラム光学素子33を作製した結果、反射型ホログラム光学素子33は、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±7nm(B光)、521±7nm(G光)、634±7nm(R光)の3つの波長域の光を回折(反射)させる特性となった。すなわち、B光の回折効率のピーク波長λ1Bは465nmであり、G光の回折効率のピーク波長λ1Gは521nmであり、R光の回折効率のピーク波長λ1Rは634nmであった。また、B光の回折効率半値の波長幅Δλ1Bは14nmであり、G光の回折効率半値の波長幅Δλ1Gは14nmであり、R光の回折効率半値の波長幅Δλ1Rは14nmであった。
Incidentally, as a result of producing the reflection type hologram
このような破線Qで示す特性の反射型ホログラム光学素子33を用いて映像表示装置1を構成したときの色再現領域は、反射型強誘電液晶素子単独の色再現領域(図9の一点鎖線Eの領域)よりも広くなることが実験的にわかっている。したがって、3層カラーフォトポリマーを用いて反射型ホログラム光学素子33を作製した場合には、露光条件および後処理条件を最適化することによって色再現領域を拡大することができると言える。
The color reproduction region when the
なお、一般的に、ホログラム光学素子の回折効率半値の波長幅を狭くする(回折効率を下げる)方法には、露光量を下げる方法とベイク温度を下げる方法(またはベイク時間を短くする方法)との2通りが考えられるが、回折効率半値の波長幅や回折効率を安定してコントロールできるのは前者の方法である。このような理由から、3層カラーフォトポリマーを用いて反射型ホログラム光学素子33を作製する場合には、上記のように露光量を主に最適化することにより、回折効率半値の波長幅のコントロールを行うのが望ましい。
In general, the method of narrowing the half width of the diffraction efficiency of the hologram optical element (lowering the diffraction efficiency) includes a method of lowering the exposure amount and a method of lowering the baking temperature (or a method of shortening the baking time). However, the former method can stably control the wavelength width and diffraction efficiency of the half value of diffraction efficiency. For this reason, when the reflection type hologram
〔実施の形態2〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態1と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 2]
The following will describe another embodiment of the present invention with reference to the drawings. For convenience of explanation, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same member numbers, and the description thereof is omitted.
図12は、本実施形態の映像表示装置1の概略の構成を示す断面図である。本実施形態では、接眼光学系30において、実施の形態1の接眼プリズム31の代わりに自由曲面プリズム35を用いている。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the
自由曲面プリズム35は、反射型表示素子20からの映像光の入射面である第1面35aと、観察者の瞳EP側の面であって、全反射面兼透過面として作用する第2面35bと、第2面35bに対向する反射面である第3面35cとを有している。これらの3面は、非回転対称な非球面である。また、第1面35aは、第2面35b側よりも第3面35c側が低くなるような曲面形状で形成されている。
The free-
このような自由曲面プリズム35では、第1面35aから入った映像光は、第2面35bで正反射され、第3面35cで反射されて、第2面35bを透過して観察者の瞳EPに導かれる。したがって、実施の形態1の接眼プリズム31の代わりに自由曲面プリズム35を用いても、観察者は、実施の形態1と同様に、眼前に拡大された虚像を観察することができる。
In such a free-
また、本実施形態では、自由曲面プリズム35の第1面35aの上記曲面形状にあわせて、照明光学系10の各光学部材が配置されている。具体的には、光源11は、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に対して、観察者側とは反対側に配置されており、凹面ミラー12および第1の偏光板13は、上記光路に対して光源11とは反対側、すなわち、観察者側に配置されている。このように照明光学系10の各光学部材を配置することにより、自由曲面プリズム35を用いた場合でも、その形状にあわせて照明光学系10をコンパクトに収めることができる。
In the present embodiment, each optical member of the illumination
また、本実施形態では、凹面ミラー12は、シリンドリカル凹面ミラーで構成されている。このミラーは、反射型表示素子20の短辺に平行でかつ表示面に垂直な面内(図12の紙面に平行な面内)でのみ入射光を反射集光させるものである。すなわち、本実施形態の凹面ミラー12は、上記面内でのみパワーを持ち、上記面に対して垂直方向(図12の紙面に垂直な方向)にはパワーを持っていない。第1の偏光板13は、そのような凹面ミラー12の表面に貼り合わされており、その表面には実施の形態1と同様に反射防止処理が施されている。
Moreover, in this embodiment, the
図12の紙面に平行な面内では、反射型表示素子20を照明する光を集光しなければ、照明光が広がりすぎて、反射型表示素子20の照明効率が悪くなる。そればかりでなく、上記面内で反射型表示素子20の表示領域に入射しない光は、照明光学系10の内部で迷光となってゴースト光の原因となり、映像の表示品位を著しく劣化させる要因となる。したがって、凹面ミラー12を上記面内で光を集光させるシリンドリカル凹面ミラーで構成することにより、照明効率の低下を回避しながら、映像品位の低下を回避することができる。ちなみに、反射型表示素子20の長辺に平行な方向で迷光となる光は、観察者の瞳EPには導かれないので、映像品位を低下させるゴースト光となる可能性はほとんどなく、問題とはならない。
In the plane parallel to the paper surface of FIG. 12, unless the light for illuminating the
また、凹面ミラー12をシリンドリカル形状とすることにより、凹面ミラー12の表面に、その表面のカーブにあわせて第1の偏光板13を曲げて貼り合わせることができる。これにより、第1の偏光板13を保持するための部材を不要にすることができ、その結果、照明光学系10をさらにコンパクトに構成することができる。
Further, by forming the
〔実施の形態3〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態1または2と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to the drawings. For convenience of explanation, the same members as those in the first or second embodiment are denoted by the same member numbers, and the explanation thereof is omitted.
図13は、本実施形態の映像表示装置1の概略の構成を示す断面図である。本実施形態では、実施の形態1の構成において、照明光学系10が拡散板17および第3の偏光板18をさらに有している。まず、拡散板17について説明する。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the
拡散板17は、凹面ミラー12にて光路を折り曲げられた光を拡散させるものである。拡散板17は、表面が凹凸状のもので構成されてもよいし、後述する実施の形態4で用いるような、表面が平坦である体積位相型のホログラム光学素子で構成されてもよい。また、拡散板17は、凹面ミラー12にて反射された光が反射型表示素子20の表示面を照明するのに十分な面積に広がった位置、すなわち凹面ミラー12の表面付近に配置されている。拡散板17および第1の偏光板13は、凹面ミラー12と反射型表示素子20との間の光路中に、凹面ミラー12側からこの順で配置されている。
The
このように拡散板17を配置することにより、あたかも面積の大きな光源を配置したのと等価な効果があり、観察可能な瞳EPの大きさを大きくすることができる。なお、拡散板17を光源11の直後に配置しても、瞳EPを拡大することはできるが、必要以上に光束径が広がり、無駄にする光が多く、光の利用効率が低下するので望ましくはない。
By arranging the
また、凹面ミラー12側から順に拡散板17および第1の偏光板13を配置することにより、凹面ミラー12にて反射された光が拡散板17にて拡散されたときに、偏光の乱れた光を第1の偏光板13でカットすることができる。その結果、反射型表示素子20に入射する偏光の純度を上げることができる。
Further, by arranging the diffusing
次に、第3の偏光板18について説明する。第3の偏光板18は、光源11から出射される光のうちで、第1の偏光板13を透過する光と同じ偏光方向の光(ここではP偏光)を透過させて凹面ミラー12に導くものである。この第3の偏光板18は、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に対して光源11側(上記光路と光源11との間)に配置されている。
Next, the third
このような第3の偏光板18を配置することで、光源11から出射された光のうち、接眼光学系30の第2の偏光板34を透過できる偏光方向の光(S偏光)を、第3の偏光板18で予めカットすることができる。つまり、第3の偏光板18を配置することで、S偏光が光源11から直接接眼光学系30に到達したり、第1の偏光板13の表面で反射して接眼光学系30に到達するようなことがない。これにより、そのような光によるゴースト(フレア)の発生を防止することができ、映像品位の低下を確実に回避することができる。
By disposing the third
特に、本実施形態のように、第3の偏光板18を光源11の近傍に配置する、すなわち、第3の偏光板18を反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に対して光源11側に配置することで、光源11から出射されるS偏光を効率よくカットすることができ、ゴースト光による映像品位の低下を確実に回避することができる。
In particular, as in the present embodiment, the third
また、第3の偏光板18がP偏光を透過させることにより、S偏光を透過させる場合に比べて、第1の偏光板13での表面反射を抑えることができ、光量損失に起因する映像品位の低下を回避することができる。
Further, since the third
〔実施の形態4〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態1ないし3と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 4]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to the drawings. For convenience of explanation, the same components as those in the first to third embodiments are denoted by the same member numbers, and the description thereof is omitted.
図14は、本実施形態の映像表示装置1の概略の構成を示す斜視図である。本実施形態では、実施の形態3の構成において、光源11を複数の点光源からなる光源群で構成しているとともに、拡散板17を体積位相型のホログラム光学素子で構成している。まず、光源11について説明する。
FIG. 14 is a perspective view showing a schematic configuration of the
光源11は、波長の異なる光(ここではRGBの各色の光)を出射する複数の点光源11R・11G・11Bからなる光源群が1個で構成されている。各点光源11R・11G・11Bは、反射型表示素子20の長辺に平行な方向に並んで配置されている。
The
例えば、各点光源11R・11G・11Bが反射型表示素子20の長辺に垂直な方向に並んで配置されると、凹面ミラー12により、反射型表示素子20の短辺に平行でかつ表示面に垂直な面内で照明光学系10の光路を折り曲げたときに、その面内で各点光源11R・11G・11Bの配置がずれることになる。このため、反射型表示素子20の短辺方向全域に各波長の光を導くためには、反射型表示素子20と接眼光学系30との間隔を広く取らなければならず、装置が大型化する。
For example, when the point
しかし、本実施形態のように、各点光源11R・11G・11Bが反射型表示素子20の長辺に平行な方向に並んで配置されていれば、各点光源11R・11G・11Bについての上記面内での位置は、反射型表示素子20の長辺方向において同じであり、短辺方向にはずれない。このため、照明光学系10の光路を上記面内で折り曲げる構成において、反射型表示素子20と接眼光学系30との間隔を広くとらなくても、反射型表示素子20の短辺方向全域に各波長の光を導くことができる。したがって、複数の点光源11R・11G・11Bを用いる場合でも、装置を小型化することができる。
However, if the point
次に、本実施形態の拡散板17について説明する。拡散板17は、反射型表示素子20の長辺と平行な方向に拡散度の大きい特性を有している。このような拡散板17を用いることにより、点光源11R・11G・11Bからの3つの異なる光(RGBの各光)は、十分広がり重なったところで、拡散板17によって点光源11R・11G・11Bの配列方向に拡散される。これにより、あたかも、1つの大きな光源が配置されているのと同じ照明効果を得ることができる。
Next, the
また、点光源11R・11G・11Bからの各色の光が拡散板17で拡散されるので、各色の光を反射型表示素子20の表示領域全体に均一に照射することができる。その結果、色ムラの発生を抑えることができる。
Further, since the light of each color from the point
また、一般的な拡散板は、表面をザラザラに荒らしたものが多く、表面は微細な凸凹の構造になっている。本実施形態では、反射型表示素子20と拡散板17との距離が近いので、拡散板17として表面が凹凸状の一般的な拡散板を用いると、その表面の凹凸による照明光のムラが映像の表示品位を落とすおそれがある。
Moreover, many common diffusers have a rough surface, and the surface has a fine uneven structure. In the present embodiment, since the distance between the
しかし、本実施形態では、拡散板17として、表面を凹凸状に細かく荒らした通常のものではなく、表面が平面である体積位相型のホログラム光学素子を用いている。このようなホログラム光学素子で拡散板17を構成することにより、拡散板17にて上記のような照明ムラが発生するのを回避することができ、映像品位が低下するのを回避することができる。
However, in the present embodiment, a volume phase type hologram optical element having a flat surface is used as the diffusing
ところで、上記した光源11は、複数の点光源11R・11G・11Bからなる光源群を2個用いて構成されていてもよい。図15は、光源11の他の構成例を模式的に示す平面図である。この光源11は、2つの光源群11P・11Qで構成されている。なお、2つの光源群11P・11Qは、図15のように別々の個体であってもよいし、1つのパッケージになっていてもよい。
By the way, the
このように光源11を構成した場合、反射型表示素子20の長辺に平行な方向における各点光源11R・11G・11Bの配列順序は、各光源群11P・11Q間で互いに逆であることが望ましい。つまり、反射型表示素子20の長辺に平行な方向において、光源群11Pでは点光源11B・11G・11Rの順に配列されているとすれば、光源群11Qでは点光源11R・11G・11Bの順に配列されていることが望ましい。このように各光源群11P・11Q間で点光源11R・11G・11Bが各光源群11P・11Qの境界線を中心に対称な位置関係となるように、各点光源11R・11G・11Bを配置することにより、各点光源11R・11G・11Bからの出射光の各色の光強度(各光源群11P・11Q間で足し合わせたもの)の重心が一致するので、上記方向(左右方向)において色ムラが発生するのを抑えることができる。
When the
光源11を構成する光源群の個数は、上記の2個に限定されることはなく、偶数個であればよい。光源群の個数が偶数個のとき、反射型表示素子20の長辺に平行な方向における各点光源11R・11G・11Bの配列順序が隣接する光源群間で逆であれば、各点光源11R・11G・11Bからの出射光の各色の光強度の重心が一致する。したがって、この場合でも、上記方向(左右方向)において色ムラが発生するのを抑えることができる。
The number of light source groups constituting the
〔実施の形態5〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態1ないし4と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 5]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to the drawings. For convenience of explanation, the same components as those in the first to fourth embodiments are denoted by the same member numbers, and the description thereof is omitted.
図16は、本実施形態の映像表示装置1の概略の構成を示す断面図である。本実施形態では、照明光学系10が照明プリズム19をさらに備え、照明プリズム19との干渉を防ぐために、接眼光学系30の接眼プリズム31の光入射側の面(反射型表示素子20側の面)の形状を若干変更した点以外は、実施の形態3と同様の構成である。なお、図16では、第3の偏光板18の図示を省略している。
FIG. 16 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the
照明プリズム19は、光源11と凹面ミラー12との間の光路中、および反射型表示素子20と接眼光学系30との間の光路中に配置されている。照明プリズム19は、反射型表示素子20とは空気層を介して配置され、接眼光学系30の接眼プリズム31とは空気層を介して配置されている。照明プリズム19は、本実施形態では、屈折率nが約1.5とほぼ均一であるプラスチック材料で構成されている。
The
ここで、図17は、照明プリズム19を拡大して示す断面図である。照明プリズム19は、面19a〜面19eを有している。面19aは、光源11と対向する面であり、本実施形態では平面で構成され、面19bと連結されている。面19bは、接眼光学系30の接眼プリズム31と対向する面であり、本実施形態では平面で構成されている。また、面19bには、接眼光学系30の第2の偏光板34が貼り合わされて照明プリズム19に一体的に保持されている。この面19bは、面19cと連結されている。
Here, FIG. 17 is an enlarged sectional view showing the
面19cは、第1の偏光板13および拡散板17を介して凹面ミラー12と対向する面であり、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に対して、光源11とは反対側に位置している。本実施形態では、面19cは、反射型表示素子20の表示領域の短辺に平行でかつ表示面に垂直な面内(図16の紙面に平行な面内)では光学的なパワーを持ち、その長辺に平行でかつ表示面に垂直な面内(図16の紙面に垂直な面内)では光学的なパワーを持たない曲面形状、すなわち、凹面シリンドリカル形状で構成されている。
The
面19cには、第1の偏光板13、拡散板17および凹面ミラー12がこの順で貼り合わされており、照明プリズム19と一体化されて保持されている。つまり、第1の偏光板13は、照明プリズム19の面19cに貼り合わされ、照明プリズム19と凹面ミラー12との間に位置している。拡散板17は、第1の偏光板13に貼り合わされており、この第1の偏光板13を介して照明プリズム19に保持されている。また、凹面ミラー12は、拡散板17に貼り合わされており、この拡散板17および第1の偏光板13を介して照明プリズム19に保持されている。なお、第1の偏光版13、拡散板17および凹面ミラー12は、照明プリズム19と一体化されずに、別に設けた保持部材で保持されるようにしても構わない。照明プリズム19の面19cは、面19dと連結されている。
The first
面19dは、面19cと面19eとを連結する面であり、平面であってもよく、曲面であってもよい。なお、面19dを省略して面19cと面19eとを直接連結してもよい。面19eは、反射型表示素子20と対向する面であり、本実施形態では平面で構成され、面19aと連結されている。面19eは、面19bと平行にはなっておらず、それゆえ、面19bの法線と面19eの法線とは、ある角度で交差することとなる。
The
このような照明プリズム19を配置することにより、光源11から出射された光は、照明プリズム19の面19aから内部に入射し、面19aと対向する面19cを介して第1の偏光板13に入射する。そして、P偏光だけが第1の偏光板13を透過し、拡散板17にて拡散された後、凹面ミラー12で反射型表示素子20の方向に光路を折り曲げられる。凹面ミラー12で光路を折り曲げられた光は、再度、拡散板17および第1の偏光板13を透過して反射型表示素子20に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。
By arranging such an
上記映像光は、照明プリズム19の面19eから再び内部に入射し、これに対向する面19bを介して第2の偏光板34を透過し、接眼プリズム31に入射する。すなわち、反射型表示素子20から出射される光は、照明プリズム19の面19e・19bを順に横切って接眼光学系30に向かう。接眼プリズム31に入射した光は、実施の形態1と同様に、反射型ホログラム光学素子33を介して瞳EPに導かれる。
The image light enters the inside again from the surface 19 e of the
以上のように、本実施形態では、光源11と凹面ミラー12との間の光路中、および反射型表示素子20と接眼光学系30との間の光路中に照明プリズム19を配置し、照明プリズム19の外部に位置する凹面ミラー12で光路を折り曲げる構成とすることにより、光源11から凹面ミラー12に向かう光線(第1の光線)と、上記光線が進行する光路上の光線であって反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光線(第2の光線)とを、接眼光学系30の外部のほぼ均一な屈折率を有する媒質中(ここでは照明プリズム19の内部)で交差させるレイアウトとすることができる。これにより、照明光学系10のパワーを大きくすることなく、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光の光路に近い位置に光源11を配置しても、照明光学系10において反射型表示素子20の照明に必要な一定の光路長を確保することができる。その結果、実施の形態1と同様に、装置の薄型化および小型化を容易に実現することができる。
As described above, in the present embodiment, the
しかも、第1の光線と第2の光線とが、ほぼ均一な屈折率を有する媒質である照明プリズム19の内部で交差するので、その交差部分では屈折率の変化がほとんどない。これにより、その交差部分で不要光が発生するのを抑えることができ、観察画像の品位が劣化するのを回避することができる。
Moreover, since the first light beam and the second light beam intersect within the
また、第1の光線と第2の光線との交差部分は照明プリズム19の内部であり、これは接眼光学系30の外部でもあるので、本実施形態のように、2光線の交差部分(照明プリズム19)と接眼プリズム31との間に第2の偏光板34を配置することが可能となる。そして、上記のように第2の偏光板34を配置することにより、光源11から照明プリズム19を介して接眼プリズム31に入射する不要光(ゴースト光)を第2の偏光板34にてカットしながら、反射型表示素子20からの入射光(映像光)のみを第2の偏光板34を介して接眼プリズム31に導くことができる。したがって、接眼プリズム31を介して観察者に提供される映像の品位が、上記ゴースト光に起因して低下するのを回避することができる。
Further, since the intersection of the first light beam and the second light beam is inside the
また、本実施形態では、第2の偏光板34は、照明プリズム19に貼り合わされている。この場合、照明光学系10を保持する筐体3(図2参照)内で照明プリズム19を保持することで、第2の偏光板34も同時に保持することができる。したがって、第2の偏光板34を独自に保持する部材(機構)を不要とすることができる。さらに、照明プリズム19において、第2の偏光板34が貼り合わされる面は平面であるので、第2の偏光板34を照明プリズム19に容易に貼り合わせることができる。
In the present embodiment, the second
また、接眼光学系30の外部に照明プリズム19を配置することにより、接眼光学系30の接眼プリズム31と反射型表示素子20との間の実距離を調整することが可能となる。これにより、照明光学系10の設計自由度を増大させることができる。
In addition, by disposing the
つまり、例えば、表示画角(観察画角)αの大きな映像表示装置1を実現しようとした場合、接眼光学系30の焦点距離を短く設定する必要がある。このとき、上記2種の光線の交差部分が空気の場合は、接眼光学系30の接眼プリズム31と反射型表示素子20との間隔が狭くなりすぎて、照明光学系10の各構成部材の配置が困難となる。
That is, for example, when the
このとき、接眼プリズム31の高さ方向を短くする、すなわち、接眼プリズム31の上部を反射型ホログラム光学素子33に近い位置まで下げて形成し、反射型表示素子20と接眼プリズム31との間の空気層の領域を大きく確保することにより、照明光学系10の各構成部材の配置領域を確保する手法も考えられる。しかし、本実施形態の映像表示装置1を図2で示したシースルータイプのHMDに適用することを考えた場合、上記の手法では、接眼プリズム31の高さ方向が短くなることにより、シースルーで観察できる領域が狭くなり、妥当ではない。
At this time, the height direction of the
そこで、本実施形態のように、屈折率nの照明プリズム19を配置することにより、照明プリズム10を配置しない場合に比べて、反射型表示素子20と接眼プリズム31との間の実際の距離を長くとることができる。これにより、表示画角αを大きくすべく、接眼光学系30の焦点距離を短く設定した場合でも、照明光学系10の照明プリズム19以外の各構成部材を容易に配置することが可能となる。
Therefore, the actual distance between the
このような効果は、照明プリズム19を構成する媒質の屈折率nが、1.4<n<2.0の範囲内であれば確実に得られることが実験的にわかっている。したがって、照明プリズム19を構成する媒質は、例えば、屈折率nが約1.8のガラスであってもよく、屈折率nが上記範囲内のプラスチック以外の樹脂であってもよい。
It has been experimentally found that such an effect can be reliably obtained if the refractive index n of the medium constituting the
また、本実施形態では、照明プリズム19は、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光が順に交差する2つの面19e・19bを有しており、これらの2つの面19e・19bは、互いに平行でない平面である。これにより、照明プリズム19の傾き、すなわち、2つの面19e・19bの位置や角度(法線同士の角度)を調整することで、像面の倒れおよび色収差を補正することが可能となる。したがって、高品位な映像を提供することができるとともに、装置の設計自由度を増大させることができる。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施形態では、第1の偏光板13、拡散板17および凹面ミラー12が照明プリズム19と一体化されて保持されている。これにより、照明光学系10の各光学素子を保持する筐体3の構成が簡単になり、照明ユニットの小型化およびコストダウンを図ることができる。
In the present embodiment, the first
ところで、第1の偏光板13、拡散板17および凹面ミラー12の全てを照明プリズム19と一体化するのではなく、その一部のみを照明プリズム19と一体化するようにしてもよい。つまり、第1の偏光板13を照明プリズム19の面19cに貼り合わせてこれらを筐体3内で一体的に保持する一方、拡散板17および凹面ミラー12を筐体3内でそれぞれ別々に保持ようにしてもよい。また、第1の偏光板13を照明プリズム19の面19cに貼り合わせるとともに、拡散板17を第1の偏光板13に貼り合わせてこれらを筐体3内で一体的に保持し、凹面ミラー12だけを筐体3内で独自に保持するようにしてもよい。
By the way, not all of the first
これらの場合であっても、筐体3内で各光学素子を個々に保持する構成に比べて、筐体3の構成を簡素化できることに変わりはない。ただし、本実施形態のように、第1の偏光板13、拡散板17および凹面ミラー12の全てを照明プリズム19と一体化したほうが、筐体3の構成を簡素化できる効果を最も高く得ることができる。
Even in these cases, the configuration of the housing 3 can be simplified as compared with the configuration in which each optical element is individually held in the housing 3. However, as in the present embodiment, when the first
また、図3や図4の構成に照明プリズム19を適用する、つまり、第1の偏光板13と凹面ミラー12との間に照明プリズム19を配置することも可能であるが、その場合には、凹面ミラー12だけを照明プリズム19に貼り付けてこれらを一体化したり、第1の偏光板13および凹面ミラー12の両者を別々の面で照明プリズム19に貼り付けてこれらを一体化することもできる。これらの場合であっても、筐体3の構成が簡単になるので、照明ユニットの小型化およびコストダウンを図ることができる。
In addition, the
また、本実施形態では、照明プリズム19において、第1の偏光板13が貼り合わされる面19cは凹面シリンドリカル形状であるので、第1の偏光板13を照明プリズム19に容易に貼り合わせることができる。なお、面19cは平面であってもよく、この場合であっても、第1の偏光板13を照明プリズム19に容易に貼り合わせることができる。また、第1の偏光板13を照明プリズム19に貼り合わせない場合(第1の偏光板13を単独で保持する場合)には、面19cを球面で構成してもよい。
In the present embodiment, in the
ところで、図18は、映像表示装置1の他の構成例を示す断面図である。この映像表示装置1は、接眼プリズム31を、第2の偏光板34を介して照明プリズム19に貼り合わせ、これらを一体化した以外は、図16の構成と同様である。図18の構成の場合は、接眼プリズム31を単独で保持する部材(機構)を設ける必要がなくなる。また、照明プリズム19と接眼プリズム31との相対的な位置関係をこれらの貼り合わせ時に決めることができ、位置精度を高めることができる。
FIG. 18 is a cross-sectional view illustrating another configuration example of the
また、図18の構成では、第3の偏光板18を照明プリズム19の面19aに貼り合わせ、第3の偏光板18も照明プリズム19に一体的に保持するようにしているが、このようにすることで、照明光学系10が第3の偏光板18を有している場合でも、照明光学系10を保持する筐体3の構成を簡素化することができる。
18, the third
また、図19は、映像表示装置1のさらに他の構成例を示す断面図であり、図20は、その映像表示装置1に用いられる照明プリズム19’の概略の構成を示す断面図である。図20の照明プリズム19’は、反射型表示素子20から接眼光学系30に向かう光が順に交差する2つの面19e・19bが両方とも光学的なパワーを有する曲面で構成されている以外は、図17の照明プリズム19と同様の構成である。なお、図19の構成においては、接眼光学系30の第2の偏光板34を照明プリズム19’の面19bに貼り付けずに保持部材等で保持しているが、これを面19bに貼り付けるようにしてもよい。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the
このような照明プリズム19’を用いることにより、接眼光学系30の光学パワーを照明プリズム19’に割り振ることができる。したがって、装置の設計の自由度が増大し、観察画像のより高品質な映像表示装置1を提供することが可能となる。なお、このような効果は、面19e・19bの少なくとも一方が光学的なパワーを有する曲面であれば得ることができる。
By using such an illumination prism 19 ', the optical power of the eyepiece
また、上記曲面は、例えば凹面シリンドリカル形状であってもよいし、球面であってもよい。特に、上記曲面が凹面シリンドリカル形状であれば、第2の偏光板34を照明プリズム19に貼り付けることが容易となるので、そのような貼り付けを考慮した場合は、上記曲面は凹面シリンドリカル形状であることが望ましい。
The curved surface may be, for example, a concave cylindrical shape or a spherical surface. In particular, if the curved surface is a concave cylindrical shape, it is easy to attach the second
なお、照明プリズム19’のように、光学的なパワーを持たせるべく、複数の面を曲面で構成する場合は、成型のしやすさの観点から、照明プリズム19’をガラスよりも樹脂で構成するほうが望ましい。
In the case where a plurality of surfaces are formed with curved surfaces so as to have optical power like the
なお、以上の各実施の形態で説明した構成を適宜組み合わせて映像表示装置を実現することも勿論可能である。 Of course, it is possible to realize the video display device by appropriately combining the configurations described in the above embodiments.
なお、以上の各実施の形態では、映像表示装置をHMDに適用した例について説明したが、例えば、デジタルカメラの電子ファインダーや、携帯電話機のモニターにも適用することが可能である。 In each of the above embodiments, the example in which the video display device is applied to the HMD has been described. However, the present invention can also be applied to, for example, an electronic viewfinder of a digital camera or a monitor of a mobile phone.
なお、本発明は、以下の構成であってもよいと言え、それによって以下の作用効果を奏する。 In addition, it can be said that this invention may be the following structures, and there exists the following effect.
本発明の映像表示装置は、照明光学系と、反射型の表示素子と、接眼光学系とを有する構成において、上記照明光学系の光源は、3原色に対応した波長の光を出射するものであり、上記表示素子は、複数の画素を有し、上記光源からの出射光を各画素ごとに変調することによって映像を表示するものであり、上記表示素子の各画素は、上記光源から時分割で順に供給される3原色の光のそれぞれに対応して時分割で駆動され、上記接眼光学系は、上記表示素子から出射される3原色に対応した波長の光をそれぞれ回折させるホログラム光学素子を有しており、上記ホログラム光学素子における3原色の各色についての回折効率半値の波長幅をそれぞれΔλ1とし、上記光源からの出射光における3原色の各色についての光強度半値の波長幅をそれぞれΔλ2とすると、3原色の各色について、Δλ1<Δλ2であってもよい。 The image display device of the present invention has a configuration including an illumination optical system, a reflective display element, and an eyepiece optical system, and the light source of the illumination optical system emits light having wavelengths corresponding to the three primary colors. And the display element has a plurality of pixels and displays an image by modulating light emitted from the light source for each pixel, and each pixel of the display element is time-divided from the light source. The eyepiece optical system is driven in a time-sharing manner corresponding to each of the light of the three primary colors supplied in order, and the eyepiece optical system includes hologram optical elements that diffract light of wavelengths corresponding to the three primary colors emitted from the display element. The wavelength width of the diffraction efficiency half value for each of the three primary colors in the hologram optical element is Δλ1, and the wavelength width of the light intensity half value for each of the three primary colors in the light emitted from the light source is If each of them is Δλ2, Δλ1 <Δλ2 may be satisfied for each of the three primary colors.
上記の構成によれば、反射型の表示素子の各画素は、光源から時分割で順に供給される3原色(RGB)の光のそれぞれに対応して時分割で駆動される。そして、表示素子から順に出射されるRGBの映像光は、接眼光学系のホログラム光学素子にて回折されて観察者の瞳に導かれる。これにより、観察者は、カラー映像を観察することが可能となる。 According to the above configuration, each pixel of the reflective display element is driven in time division corresponding to each of the three primary color (RGB) lights sequentially supplied from the light source in time division. Then, the RGB image light sequentially emitted from the display element is diffracted by the hologram optical element of the eyepiece optical system and guided to the observer's pupil. Thereby, the observer can observe a color image.
ここで、3原色の各色の全てについて、ホログラム光学素子における回折効率半値の波長幅Δλ1と、光源からの出射光における光強度半値の波長幅Δλ2とは、Δλ1<Δλ2の関係となっているので、光源からのRGBの出射光のうちで、さらに波長域を絞った光のみをホログラム光学素子にて回折させて観察者の瞳に導くことができる。これにより、時分割で駆動される表示素子を用いた場合でも、RGBの各色純度を高めることができ、観察映像の色再現領域を、光源からの出射光のみで決まる色再現領域よりもさらに広げることができる。 Here, for all three primary colors, the wavelength width Δλ1 of the diffraction efficiency half-value in the hologram optical element and the wavelength width Δλ2 of the light intensity half-value in the light emitted from the light source have a relationship of Δλ1 <Δλ2. Of the RGB emitted light from the light source, only light with a further narrowed wavelength range can be diffracted by the hologram optical element and guided to the observer's pupil. As a result, even when a display element driven in a time division manner is used, the RGB color purity can be increased, and the color reproduction region of the observation image is further expanded than the color reproduction region determined only by the light emitted from the light source. be able to.
特に、3原色の各色について、Δλ1<20nmであれば、RGBの各色純度を確実に高めることができ、観察映像の色再現領域を確実に広げることができる。また、3原色の各色について、さらにΔλ1≦10nmの条件を満たせば、RGBの各色純度をより一層確実に高めることができ、観察映像の色再現領域をより一層確実に広げることができる。 In particular, if Δλ1 <20 nm for each of the three primary colors, the purity of each color of RGB can be reliably increased, and the color reproduction region of the observation video can be reliably expanded. Further, if the condition of Δλ1 ≦ 10 nm is further satisfied for each of the three primary colors, the RGB color purity can be more reliably increased, and the color reproduction region of the observation video can be further reliably expanded.
また、本発明において、上記ホログラム光学素子は、基板上に塗布されるホログラム感光材料を露光することによって形成されており、上記ホログラム感光材料は、3原色の光の全てに感度を有する単層カラーフォトポリマーで構成されていてもよい。 In the present invention, the hologram optical element is formed by exposing a hologram photosensitive material applied on a substrate, and the hologram photosensitive material is a single-layer color having sensitivity to all three primary colors of light. You may be comprised with the photopolymer.
単層カラーフォトポリマーは、3原色の光の全てに感度を有しており、感光層1層で複数の波長(RGB)のホログラムを記録することができるため、構成が簡便で、ホログラム光学素子を容易に、かつ、安定して作製することができる。また、単層カラーフォトポリマーにおいては、層内での各色の相互作用によって高い回折効率を得にくいが、その分、回折効率の半値波長幅を小さくすることが容易である。 The single-layer color photopolymer has sensitivity to all three primary colors of light, and can record holograms of a plurality of wavelengths (RGB) with a single photosensitive layer. Can be produced easily and stably. In addition, in a single-layer color photopolymer, it is difficult to obtain high diffraction efficiency due to the interaction of each color in the layer, but it is easy to reduce the half-value wavelength width of the diffraction efficiency accordingly.
また、本発明においては、3原色の各色について、Δλ1>3nmであることが望ましい。Δλ1が3nm以下の場合、広い色再現領域を実現することは可能であるが、ホログラム光学素子での回折波長幅が小さくなりすぎて、光源からの出射光の利用効率が低下し、映像が暗くなる。したがって、3原色の各色について、Δλ1>3nmであれば、映像の明るさの低下を回避しながら、広い色再現領域を実現することができる。 In the present invention, it is desirable that Δλ1> 3 nm for each of the three primary colors. When Δλ1 is 3 nm or less, it is possible to realize a wide color reproduction region, but the diffraction wavelength width in the hologram optical element becomes too small, the use efficiency of light emitted from the light source is lowered, and the image is dark. Become. Therefore, for each of the three primary colors, if Δλ1> 3 nm, a wide color reproduction region can be realized while avoiding a decrease in image brightness.
また、本発明においては、3原色の各色について、1/10<Δλ1/Δλ2<1であってもよい。 In the present invention, 1/10 <Δλ1 / Δλ2 <1 may be satisfied for each of the three primary colors.
Δλ1/Δλ2の値が下限値以下であると、色再現領域の広い映像を提供することが可能となるが、ホログラム光学素子での回折波長幅が光源からの出射光の波長幅に対して相対的に小さくなりすぎて、明るい映像を提供することが困難となる。逆に、Δλ1/Δλ2の値が上限値以上であると、明るい映像を提供することが可能となるが、色再現領域の広い映像を提供することが困難となる。したがって、Δλ1/Δλ2の範囲を上記のように規定することにより、広い色再現領域と明るさとを両方満足させる映像を提供することができる。 If the value of Δλ1 / Δλ2 is less than or equal to the lower limit value, an image with a wide color reproduction region can be provided, but the diffraction wavelength width at the hologram optical element is relative to the wavelength width of the light emitted from the light source. Therefore, it becomes difficult to provide a bright image. Conversely, if the value of Δλ1 / Δλ2 is equal to or greater than the upper limit value, a bright image can be provided, but it is difficult to provide an image with a wide color reproduction region. Therefore, by defining the range of Δλ1 / Δλ2 as described above, it is possible to provide an image that satisfies both a wide color reproduction region and brightness.
また、本発明においては、3原色の各色について、上記ホログラム光学素子における回折効率のピーク波長は、上記光源からの出射光の光強度半値の波長幅の波長域に含まれていることが望ましい。 In the present invention, for each of the three primary colors, it is desirable that the peak wavelength of diffraction efficiency in the hologram optical element is included in the wavelength range of the half-width wavelength of the light emitted from the light source.
この場合、3原色の各色について、ホログラム光学素子における回折効率のピーク波長と、光源からの出射光の光強度のピーク波長とは比較的近い値(同一となる場合も含む)となるので、光源からの出射光のうちで光強度が高い波長域の光を、効率よくホログラム光学素子にて回折させて観察者の瞳に導くことができる。したがって、光源からの出射光の利用効率を上げて、明るい映像を観察者に提供することができる。 In this case, for each of the three primary colors, the peak wavelength of the diffraction efficiency in the hologram optical element and the peak wavelength of the light intensity of the light emitted from the light source are relatively close values (including the case where they are the same). The light in the wavelength region having a high light intensity among the emitted light from the light can be efficiently diffracted by the hologram optical element and guided to the observer's pupil. Therefore, the utilization efficiency of the emitted light from the light source can be increased and a bright image can be provided to the observer.
特に、ホログラム光学素子における3原色の各色についての回折効率のピーク波長をそれぞれλ1とし、光源からの出射光における3原色の各色についての光強度のピーク波長をそれぞれλ2とすると、3原色の各色について、λ1は、λ2±20nmの範囲内であることが望ましい。 In particular, assuming that the peak wavelength of diffraction efficiency for each of the three primary colors in the hologram optical element is λ1, and the peak wavelength of light intensity for each of the three primary colors in the light emitted from the light source is λ2, respectively, for each of the three primary colors. , Λ1 is preferably in the range of λ2 ± 20 nm.
この場合は、3原色の各色について、ホログラム光学素子における回折効率のピーク波長と、光源からの出射光の光強度のピーク波長とが確実に近くなるので、光源からの出射光の利用効率を確実に上げることができ、明るい映像を観察者に確実に提供することができる。 In this case, for each of the three primary colors, the peak wavelength of the diffraction efficiency in the hologram optical element and the peak wavelength of the light intensity of the light emitted from the light source are surely close to each other, so that the use efficiency of the light emitted from the light source is ensured. Therefore, a bright image can be surely provided to the observer.
また、本発明において、上記表示素子は、強誘電液晶表示素子であることが望ましい。強誘電液晶表示素子は、高速応答性に優れており、コントラストの高い映像表示が可能である。したがって、上記表示素子として強誘電液晶表示素子を用いることで、時分割駆動による高品位の映像を観察者に提供することができる。 In the present invention, the display element is preferably a ferroelectric liquid crystal display element. Ferroelectric liquid crystal display elements are excellent in high-speed response and can display images with high contrast. Therefore, by using a ferroelectric liquid crystal display element as the display element, it is possible to provide a viewer with a high-quality image by time division driving.
また、例えば軸非対称な光学系では、光源からの出射光は、表示素子に対して斜め方向から入射する(入射角がついている)ので、表示素子には広い視野角特性が望まれる。この点、強誘電液晶表示素子は広い視野角特性を持っているので、表示素子を強誘電液晶表示素子で構成することは、特に軸非対称な光学系において非常に有効である。 For example, in an axially asymmetric optical system, the light emitted from the light source is incident on the display element from an oblique direction (with an incident angle), and thus a wide viewing angle characteristic is desired for the display element. In this respect, since the ferroelectric liquid crystal display element has a wide viewing angle characteristic, it is very effective to configure the display element with a ferroelectric liquid crystal display element particularly in an axially asymmetric optical system.
このとき、上記強誘電液晶表示素子は、反射型であってもよい。反射型の場合は、シリコン等の半導体を基板として用いることができるため、透過型の場合よりも小型で集積度の高い表示素子を作製することができる。しかも、各画素を駆動するためのスイッチング素子や配線を含む周辺回路を、表示側とは反対側の基板に配置することができるので、画素の集積度を上げても開口率の低下が少ない。この結果、反射効率が非常に高くなり、明るい映像を表示することができる。 At this time, the ferroelectric liquid crystal display element may be of a reflective type. In the case of the reflective type, a semiconductor such as silicon can be used as a substrate, so that a display element that is smaller and has a higher degree of integration than the transmissive type can be manufactured. In addition, since a peripheral circuit including switching elements and wirings for driving each pixel can be arranged on the substrate on the side opposite to the display side, the aperture ratio is hardly lowered even if the degree of integration of the pixels is increased. As a result, the reflection efficiency becomes very high and a bright image can be displayed.
また、本発明の映像表示装置は、上記光源から上記反射型強誘電液晶表示素子に至る光路を折り曲げる光路折り曲げ部材(例えば反射ミラーやプリズム)をさらに有しており、上記光路折り曲げ部材は、上記光源から上記光路折り曲げ部材に向かう光と、上記反射型強誘電液晶表示素子から上記接眼光学系に向かう光とが交差するように設けられており、上記光源からの光が上記光路折り曲げ部材を介して上記反射型強誘電液晶表示素子に入射するときの入射角をθとすると、10°<θ<60°を満足することが望ましい。 The video display device of the present invention further includes an optical path bending member (for example, a reflection mirror or a prism) that bends an optical path from the light source to the reflective ferroelectric liquid crystal display element. The light traveling from the light source toward the optical path bending member and the light traveling from the reflective ferroelectric liquid crystal display element toward the eyepiece optical system are provided so as to intersect, and the light from the light source passes through the optical path bending member. Thus, it is desirable to satisfy 10 ° <θ <60 °, where θ is the incident angle when entering the reflective ferroelectric liquid crystal display element.
入射角θが下限値を下回ると、反射型強誘電液晶表示素子と接眼光学系との距離が大きくなり、入射角θが上限値を上回ると、光源と光路折り曲げ部材との距離が大きくなるので、いずれも装置の小型化に支障をきたす。したがって、入射角θが上記範囲内であれば、装置の小型化に支障をきたすことなく、上記2つの光路を確実に分離することができる。 If the incident angle θ falls below the lower limit, the distance between the reflective ferroelectric liquid crystal display element and the eyepiece optical system increases. If the incident angle θ exceeds the upper limit, the distance between the light source and the optical path bending member increases. , Both of which hinder the miniaturization of the device. Therefore, if the incident angle θ is within the above range, the two optical paths can be reliably separated without hindering downsizing of the apparatus.
また、本発明においては、上記ホログラム光学素子は、基板上に塗布されるホログラム感光材料を露光することによって形成されており、上記ホログラム感光材料は、3原色の光のそれぞれに感度を有する各層を積層した3層カラーフォトポリマーで構成されていてもよい。 In the present invention, the hologram optical element is formed by exposing a hologram photosensitive material applied on a substrate, and the hologram photosensitive material includes layers having sensitivity to light of three primary colors. You may be comprised by the laminated | stacked three-layer color photopolymer.
3層カラーフォトポリマーは、3原色の光のそれぞれに感度を有する各層が積層されてなり、各層は1つの波長のホログラムのみを記録するので、同一層内で各色の相互作用がなく、各色について高い回折効率が得やすい。したがって、光源光量を上げなくても、明るい映像を観察者に提供することができる。また、光源光量を上げなくても済む分、装置の消費電力を抑えることができる。 In the three-layer color photopolymer, each layer having sensitivity to each of the three primary colors is laminated, and each layer records only one wavelength hologram, so there is no interaction of each color in the same layer. High diffraction efficiency is easy to obtain. Therefore, a bright image can be provided to the observer without increasing the light source light quantity. Further, the power consumption of the apparatus can be suppressed by the amount that does not require the light source light amount to be increased.
また、本発明において、上記ホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有していることが望ましい。このようなホログラム光学素子を用いることにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めることができ、装置を小型化することが容易となる。 In the present invention, it is preferable that the hologram optical element has an axially asymmetric positive optical power. By using such a hologram optical element, the degree of freedom of arrangement of each optical member constituting the apparatus can be increased, and the apparatus can be easily downsized.
また、本発明では、上記ホログラム光学素子における3原色の各色についての回折効率は、上記光源からの出射光における3原色の各色についての光強度に応じて設定されていることが望ましい。 In the present invention, it is desirable that the diffraction efficiency for each of the three primary colors in the hologram optical element is set according to the light intensity for each of the three primary colors in the light emitted from the light source.
例えば、光源からの出射光のうちで視感度の高いG光の光強度が他のB光やR光の光強度よりも小さい場合には、ホログラム光学素子でのG光の回折効率は高めに設定される。また、ホログラム光学素子でのB光およびR光の回折効率は、B光およびR光の光強度に応じて例えばBGR全体のカラーバランスが良好となるように設定される。 For example, when the light intensity of G light with high visibility among the light emitted from the light source is smaller than the light intensity of other B light or R light, the diffraction efficiency of G light in the hologram optical element is increased. Is set. Further, the diffraction efficiency of the B light and the R light in the hologram optical element is set so that, for example, the color balance of the entire BGR is good according to the light intensity of the B light and the R light.
このように、3原色の各色について、光源からの出射光の光強度に応じてホログラム光学素子の回折効率が設定されることにより、光源光量を上げなくても(低消費電力で)、カラーバランスの良好な明るい映像を観察者に提供することができる。 As described above, for each of the three primary colors, the diffraction efficiency of the hologram optical element is set according to the light intensity of the light emitted from the light source, so that the color balance can be achieved without increasing the light source light amount (with low power consumption). It is possible to provide an observer with a bright image of good quality.
また、本発明においては、上記接眼光学系によって形成される光学瞳内での光強度のピーク位置のずれ量は、3原色の各色間で1mm以下であることが望ましい。 In the present invention, it is desirable that the shift amount of the peak position of the light intensity in the optical pupil formed by the eyepiece optical system is 1 mm or less between the three primary colors.
光学瞳内で3原色の光強度のピーク位置(照明強度分布)がずれていると、観察者の瞳がずれたときに、観察者の瞳から光強度のピーク位置が外れるような色が生じ、この場合、観察者は色ムラを認識しやすくなる。観察者の瞳が直径2mm以上であることを考慮すると、光学瞳内で各色間の光強度のピーク位置のずれ量が1mm以下であれば、観察者の瞳がずれたとしても、観察者が色ムラを認識するのを抑えることができる。 If the peak positions (illumination intensity distribution) of the three primary colors in the optical pupil are deviated, a color is generated in which the peak position of the light intensity deviates from the observer's pupil when the observer's pupil deviates. In this case, the observer can easily recognize the color unevenness. Considering that the observer's pupil is 2 mm or more in diameter, if the amount of deviation of the peak position of the light intensity between the colors in the optical pupil is 1 mm or less, even if the observer's pupil is displaced, Recognition of color unevenness can be suppressed.
本発明において、上記ホログラム光学素子は、上記表示素子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であってもよい。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。 In the present invention, the hologram optical element may be a combiner that guides the image light and the external light from the display element to the observer's pupil at the same time. In this case, the observer can simultaneously observe the image provided from the display element and the external image via the hologram optical element.
また、上記接眼光学系は、上記表示素子からの映像光を内部で全反射させて上記ホログラム光学素子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の透明基板を有していてもよい。このような第1の透明基板を用いることにより、表示素子からの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、明るい外界像を観察することができる。 Further, the eyepiece optical system reflects the image light from the display element internally and guides it to the observer's pupil through the hologram optical element, while transmitting external light to the observer's pupil. One transparent substrate may be included. By using such a first transparent substrate, the image from the display element can be observed, but the transmittance of external light is increased, so that a bright external image can be observed.
また、上記接眼光学系は、上記第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、観察者が接眼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。 The eyepiece optical system preferably includes a second transparent substrate for canceling refraction of external light on the first transparent substrate. In this case, it is possible to prevent distortion of the external image observed by the observer through the eyepiece optical system.
また、本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した映像表示装置と、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。この構成によれば、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。 The head-mounted display of the present invention is characterized by having the above-described video display device and support means for supporting the video display device in front of the observer's eyes. According to 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.
1 映像表示装置
2 支持手段
10 照明光学系
11 光源
11R 点光源
11G 点光源
11B 点光源
11P 光源群
11Q 光源群
12 凹面ミラー(光路折り曲げ部材)
13 第1の偏光板
14 平面ミラー(光路折り曲げ部材)
17 拡散板
18 第3の偏光板
19 照明プリズム
19’ 照明プリズム
19b 面
19e 面
20 反射型表示素子
30 接眼光学系
31 接眼プリズム
33 反射型ホログラム光学素子
34 第2の偏光板
L1 基準軸
L2 基準軸
DESCRIPTION OF
13
17
Claims (31)
上記照明光学系からの照明光を変調して映像を表示する反射型表示素子と、
上記反射型表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、
上記照明光学系は、
光を出射する光源と、
上記光源から上記反射型表示素子に至る光路を折り曲げる光路折り曲げ部材とを有しており、
上記光源から上記光路折り曲げ部材に向かう光線と、上記光線が進行する光路上の光線であって上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光線とが、空気中で交差するように、上記光路折り曲げ部材が設けられており、
上記光路折り曲げ部材は、上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光の光路に対して上記光源とは反対側に設けられる反射ミラーを有しており、
上記反射ミラーは、上記光源から上記反射型表示素子に向かう光の光路上で、上記光が反射する最終の反射面として、その全体が上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光の光路外に配置され、
上記照明光学系はさらに、上記光源からの光のうちで所定の偏光方向の光を透過させて上記光路折り曲げ部材に導き、上記光路折り曲げ部材にて光路を折り曲げられた光のうちで、上記所定の偏光方向の光を透過させて上記反射型表示素子に導く第1の偏光板を有しており、
上記接眼光学系は、
入射光を内部で反射させて進行させる接眼プリズムと、
上記反射型表示素子からの入射光であって、上記所定の偏光方向とは直交する偏光方向の光を透過させて上記接眼プリズムに導く第2の偏光板とを有していることを特徴とする映像表示装置。 Illumination optics,
A reflective display element that displays an image by modulating illumination light from the illumination optical system;
An image display device having an eyepiece optical system for guiding image light from the reflective display element to an observer's pupil,
The illumination optical system is
A light source that emits light;
An optical path bending member for bending an optical path from the light source to the reflective display element;
The light path from the light source to the optical path bending member and the light path on the optical path along which the light beam travels so that the light beam from the reflective display element to the eyepiece optical system intersects in the air. Bending member is provided,
The optical path bending member has a reflection mirror provided on the side opposite to the light source with respect to the optical path of light from the reflective display element toward the eyepiece optical system,
The reflection mirror is an optical path of light that is entirely directed from the reflective display element to the eyepiece optical system as a final reflecting surface on which the light is reflected on an optical path of light that is directed from the light source to the reflective display element. Placed outside ,
The illumination optical system further transmits light in a predetermined polarization direction out of the light from the light source and guides it to the optical path bending member, and among the light whose optical path is bent by the optical path bending member, A first polarizing plate that transmits light in the polarization direction of the light and guides it to the reflective display element,
The eyepiece optical system is
An eyepiece prism that travels by reflecting incident light inside;
A second polarizing plate that transmits incident light from the reflective display element and having a polarization direction orthogonal to the predetermined polarization direction, and guides the light to the eyepiece prism ; Video display device.
上記照明光学系からの照明光を変調して映像を表示する反射型表示素子と、A reflective display element that displays an image by modulating illumination light from the illumination optical system;
上記反射型表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、An image display device having an eyepiece optical system for guiding image light from the reflective display element to an observer's pupil,
上記照明光学系は、The illumination optical system is
光を出射する光源と、A light source that emits light;
上記光源から上記反射型表示素子に至る光路を折り曲げる光路折り曲げ部材とを有しており、An optical path bending member for bending an optical path from the light source to the reflective display element;
上記光源から上記光路折り曲げ部材に向かう光線と、上記光線が進行する光路上の光線であって上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光線とが、上記接眼光学系の外部のほぼ均一な屈折率を有する媒質中で交差するように、上記光路折り曲げ部材が設けられており、A light beam traveling from the light source toward the optical path bending member and a light beam traveling on the optical path through which the light beam travels and traveling from the reflective display element to the eyepiece optical system are substantially uniform outside the eyepiece optical system. The optical path bending member is provided so as to intersect in a medium having a refractive index,
上記光路折り曲げ部材は、上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光の光路に対して上記光源とは反対側に設けられる反射ミラーを有しており、The optical path bending member has a reflection mirror provided on the side opposite to the light source with respect to the optical path of light from the reflective display element toward the eyepiece optical system,
上記反射ミラーは、上記光源から上記反射型表示素子に向かう光の光路上で、上記光が反射する最終の反射面として、その全体が上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光の光路外に配置され、The reflection mirror is an optical path of light that is entirely directed from the reflective display element to the eyepiece optical system as a final reflecting surface on which the light is reflected on an optical path of light that is directed from the light source to the reflective display element. Placed outside,
上記照明光学系はさらに、The illumination optical system further includes
上記光路折り曲げ部材にて光路を折り曲げられた光のうちで、所定の偏光方向の光を透過させて上記反射型表示素子に導く第1の偏光板と、Among the light whose optical path is bent by the optical path bending member, a first polarizing plate that transmits light in a predetermined polarization direction and guides it to the reflective display element;
上記光源から出射される光のうちで、上記第1の偏光板を透過する光と同じ偏光方向の光を透過させて上記光路折り曲げ部材に導く第3の偏光板とを有しており、Of the light emitted from the light source, it has a third polarizing plate that transmits light in the same polarization direction as the light transmitted through the first polarizing plate and guides it to the optical path bending member,
上記接眼光学系は、The eyepiece optical system is
入射光を内部で反射させて進行させる接眼プリズムと、An eyepiece prism that travels by reflecting incident light inside;
上記反射型表示素子からの入射光であって、上記所定の偏光方向とは直交する偏光方向の光を透過させて上記接眼プリズムに導く第2の偏光板とを有していることを特徴とする映像表示装置。A second polarizing plate that transmits incident light from the reflective display element and having a polarization direction orthogonal to the predetermined polarization direction, and guides the light to the eyepiece prism; Video display device.
1.4<n<2.01.4 <n <2.0
を満たす照明プリズムであることを特徴とする請求項2に記載の映像表示装置。The image display device according to claim 2, wherein the image display device is an illumination prism satisfying
上記2つの面は、互いに平行でない平面であることを特徴とする請求項4に記載の映像表示装置。The video display device according to claim 4, wherein the two surfaces are planes that are not parallel to each other.
上記2つの面の少なくとも一方は、光学的なパワーを有する曲面であることを特徴とする請求項4に記載の映像表示装置。The video display device according to claim 4, wherein at least one of the two surfaces is a curved surface having optical power.
上記照明光学系からの照明光を変調して映像を表示する反射型表示素子と、
上記反射型表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くための接眼光学系とを有する映像表示装置であって、
上記照明光学系は、
光を出射する光源と、
その屈折率nが1.4<n<2.0を満たす照明プリズムと、
上記光源から上記反射型表示素子に至る光路を折り曲げる光路折り曲げ部材とを有しており、
上記光源から上記光路折り曲げ部材に向かう光線と、上記光線が進行する光路上の光線であって上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光線とが、上記照明プリズム中で交差するように、上記光路折り曲げ部材が設けられており、
上記光路折り曲げ部材は、上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光の光路に対して上記光源とは反対側に設けられる反射ミラーを有しており、
上記反射ミラーは、上記光源から上記反射型表示素子に向かう光の光路上で、上記光が反射する最終の反射面として、その全体が上記反射型表示素子から上記接眼光学系に向かう光の光路外に配置され、
上記照明光学系は、上記光路折り曲げ部材にて光路を折り曲げられた光のうちで、所定の偏光方向の光を透過させて上記反射型表示素子に導く第1の偏光板を有しており、
上記第1の偏光板は、上記照明プリズムと上記光路折り曲げ部材との間で上記照明プリズムに貼り合わされていることを特徴とする映像表示装置。 Illumination optics,
A reflective display element that displays an image by modulating illumination light from the illumination optical system;
An image display device having an eyepiece optical system for guiding image light from the reflective display element to an observer's pupil,
The illumination optical system is
A light source that emits light;
An illumination prism whose refractive index n satisfies 1.4 <n <2.0;
An optical path bending member for bending an optical path from the light source to the reflective display element;
A light beam traveling from the light source toward the optical path bending member and a light beam traveling on the optical path and traveling from the reflective display element to the eyepiece optical system intersect in the illumination prism. The optical path bending member is provided,
The optical path bending member has a reflection mirror provided on the side opposite to the light source with respect to the optical path of light from the reflective display element toward the eyepiece optical system,
The reflection mirror is an optical path of light that is entirely directed from the reflective display element to the eyepiece optical system as a final reflecting surface on which the light is reflected on an optical path of light that is directed from the light source to the reflective display element. Placed outside,
The illumination optical system includes a first polarizing plate that transmits light in a predetermined polarization direction among the light whose optical path is bent by the optical path bending member and guides the light to the reflective display element.
The video display device, wherein the first polarizing plate is bonded to the illumination prism between the illumination prism and the optical path bending member.
上記拡散板は、上記第1の偏光板を介して上記照明プリズムに保持されていることを特徴とする請求項17に記載の映像表示装置。 The illumination optical system has a diffusion plate that diffuses light whose optical path is bent by the optical path bending member,
The video display device according to claim 17, wherein the diffusion plate is held by the illumination prism via the first polarizing plate.
入射光を内部で反射させて進行させる接眼プリズムと、
上記反射型表示素子からの入射光であって、上記所定の偏光方向とは直交する偏光方向の光を透過させて上記接眼プリズムに導く第2の偏光板とを有しており、
上記第2の偏光板は、上記照明プリズムと上記接眼プリズムとの間に配置されていることを特徴とする請求項17から20のいずれかに記載の映像表示装置。 The eyepiece optical system is
An eyepiece prism that travels by reflecting incident light inside;
A second polarizing plate that transmits incident light from the reflective display element in a polarization direction orthogonal to the predetermined polarization direction and guides the light to the eyepiece prism;
21. The video display device according to claim 17, wherein the second polarizing plate is disposed between the illumination prism and the eyepiece prism.
上記反射型表示素子は、上記反射型表示素子と上記接眼光学系との間の基準軸に対して表示面が傾くように配置されていることを特徴とする請求項1から24のいずれかに記載の映像表示装置。 In the optical path from the reflective display element to the pupil through the eyepiece optical system, an axis connecting the center of the display area of the reflective display element and the center of the pupil is a reference axis.
The reflection type display element is arranged so that a display surface is inclined with respect to a reference axis between the reflection type display element and the eyepiece optical system. The video display device described.
10°<θ<60°
を満足することを特徴とする請求項25に記載の映像表示装置。 When the incident angle when the light whose optical path is bent by the optical path bending member is incident on the reflective display element is θ,
10 ° <θ <60 °
26. The video display device according to claim 25, wherein:
各点光源は、上記反射型表示素子の長辺に平行な方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項1から26のいずれかに記載の映像表示装置。 The light source has at least one light source group composed of a plurality of point light sources that emit light having different wavelengths.
27. The video display device according to claim 1, wherein the point light sources are arranged side by side in a direction parallel to a long side of the reflective display element.
上記反射型表示素子の長辺に平行な方向における各点光源の配列順序が、隣接する光源群間で逆であることを特徴とする請求項27に記載の映像表示装置。 The light source has an even number of light source groups,
28. The video display device according to claim 27, wherein the arrangement order of the point light sources in the direction parallel to the long side of the reflective display element is reversed between adjacent light source groups.
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 30,
A head-mounted display comprising support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.
Priority Applications (3)
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