JP2005316304A - Image display apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば、ビデオカメラのビューファインダや頭部装着型ディスプレイ等として使用して好適な画像表示装置に関する。詳しくは、この発明は、画像表示素子からの射出光をプリズムに入射光として入射させて所定回数だけ反射させて射出光として射出し、この射出光を透過型回折光学素子で回折させ、その回折光をユーザの瞳に向けて射出することによって、光利用効率を高くでき、かつ画角を大きして倍率を高くできるようにした画像表示装置に係るものである。 The present invention relates to an image display apparatus suitable for use as, for example, a viewfinder of a video camera, a head-mounted display, or the like. Specifically, in the present invention, the light emitted from the image display element is incident on the prism as incident light, reflected a predetermined number of times and emitted as emitted light, and the emitted light is diffracted by a transmission type diffractive optical element. The present invention relates to an image display apparatus in which light utilization efficiency can be increased and the angle of view can be increased to increase magnification by emitting light toward a user's pupil.
従来、例えば、ビデオカメラのビューファインダや頭部装着型ディスプレイ等として使用される画像表示装置が提案されている。この種の画像表示装置として、画像表示素子の表示画像を虚像として観察する虚像観察光学系を備えているものがある。 Conventionally, for example, an image display device used as a viewfinder of a video camera, a head-mounted display, or the like has been proposed. Some image display apparatuses of this type include a virtual image observation optical system that observes a display image of an image display element as a virtual image.
例えば、特許文献1には、図11に示すような、画像表示装置200が記載されている。この画像表示装置200は、液晶表示器(LCD: Liquid Crystal Display)等からなる画像表示素子201と、ハーフミラー202と、凹面鏡203とで構成されている。画像表示素子201から射出された射出光はハーフミラー202に入射される。このハーフミラー202で反射される反射光は凹面鏡203に入射される。この凹面鏡203で反射される反射光は、再びハーフミラー202に入射される。そして、このハーフミラー202を透過した透過光が瞳204に入射される。
For example,
また例えば、特許文献2には、図12に示すような、画像表示装置300が記載されている。この画像表示装置300は、発光ダイオード(LED: Light Emitting Diode)301と、レンズ302と、透過型の液晶表示器303と、プリズム304と、反射型ホログラフィック光学素子305とで構成されている。
Further, for example,
発光ダイオード301が発した光は、レンズ302によって、LCD303の全面に均一に照射される。LCD303は、全面に照射された光を画素毎に変調し、画像を表示する。このLCD303から射出された射出光はプリズム304に入射され、当該プリズム304の内面で所定回数だけ反射された後に、反射型ホログラフィック光学素子305に入射されて回折される。この光学素子305からの回折光はプリズム304を透過して瞳306に入射される。
The light emitted from the
図11に示す画像表示装置200においては、画像表示素子201から射出される射出光はハーフミラー202を2回通過後に瞳204に入射されるため、その光利用効率が最大で25%、実際上は20%程度である。また、凹面鏡203をハーフミラーとすることで、シースルー構造となり、光学部品の向こう側を透過して見ることができるが、この場合の当該向こう側の光利用効率は最大で25%である。またこの場合、上記した画像表示素子201から射出される射出光の光利用効率は、最大で12.5%となる。
In the
図12に示す画像表示装置300においては、プリズム304の内面で所定回数だけ反射された反射光が最終的に反射型ホログラフィック光学素子305に入射されて回折され、その回折光が瞳306に入射される。そのため、画角θが大きくなると、反射型ホログラフィック光学素子305による大きな回折能力が必要となり、これは回折効率を低下させてしまう原因になることから、画角θをあまり大きくできないという問題があった。
In the
この発明の目的は、光利用効率を高くし、かつ画角を大きくして倍率を高くすることにある。 An object of the present invention is to increase the magnification by increasing the angle of view by increasing the light utilization efficiency.
この発明に係る画像表示装置は、画像表示素子と、この画像表示素子からの射出光が入射光として入射され、この入射光を所定回数だけ複数の面で反射させた後に射出光として射出するプリズムと、このプリズムからの射出光を回折する第1の透過型回折光学素子とを備えるものである。 An image display device according to the present invention includes an image display element and a prism that emits light emitted from the image display element as incident light, reflects the incident light on a plurality of surfaces a predetermined number of times, and then emits the light as emitted light. And a first transmissive diffractive optical element that diffracts the light emitted from the prism.
この発明においては、画像表示素子からの射出光がプリズムに入射光として入射される。この入射光はプリズムの内面で所定回数だけ反射された後に、射出光として射出される。そして、このプリズムからの射出光が第1の透過型回折光学素子で回折され、その回折光が例えばユーザの瞳に入射される。これにより、ユーザは、画像表示素子で表示される画像を虚像として見ることができる。 In the present invention, the light emitted from the image display element enters the prism as incident light. The incident light is reflected as a predetermined number of times on the inner surface of the prism and then emitted as emitted light. Then, the light emitted from the prism is diffracted by the first transmission type diffractive optical element, and the diffracted light enters the user's pupil, for example. Thereby, the user can view the image displayed on the image display element as a virtual image.
このように、画像表示素子からの射出光がプリズムおよび透過型回折光学素子を介してユーザの瞳に入射されるものであり、ハーフミラーを用いるものと比べて、光利用効率が高くなる。また、プリズムで最終的に反射されて射出された射出光が透過型回折光学素子でさらに回折され、その回折光がユーザの瞳に入射されるものであり、透過型回折光学素子に大きな回折能力は要求されず、従って画角を大きくでき、倍率を高くできる。 Thus, the light emitted from the image display element is incident on the user's pupil via the prism and the transmissive diffractive optical element, and the light utilization efficiency is higher than that using a half mirror. In addition, the outgoing light finally reflected and emitted by the prism is further diffracted by the transmissive diffractive optical element, and the diffracted light is incident on the user's pupil. Therefore, the angle of view can be increased and the magnification can be increased.
例えば、プリズムは、少なくとも第1の面、第2の面および第3の面を有するものとされる。そして、画像表示素子からの射出光は、このプリズムの第2の面、第1の面および第3の面で順次反射された後に、第1の面から射出される。この場合、例えば、第2の面および第3の面の少なくとも一方が曲面とされる。これにより、第2の面、第3の面にレンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズムを薄く小さくでき、また結像光学素子の負担を軽減できる。 For example, the prism has at least a first surface, a second surface, and a third surface. The light emitted from the image display element is sequentially reflected by the second surface, the first surface, and the third surface of the prism, and then is emitted from the first surface. In this case, for example, at least one of the second surface and the third surface is a curved surface. Thereby, the lens effect can be imparted to the second surface and the third surface, the spread of the light beam can be suppressed, the prism can be made thin and small, and the burden on the imaging optical element can be reduced.
例えば、プリズムは、少なくとも第1の面、第2の面、第3の面および第4の面を有するものとされる。そして、画像表示素子からの射出光は、このプリズムの第2の面、第3の面および第4の面で順次反射された後に、第3の面から射出される。この場合、例えば、第4の面が曲面とされる。これにより、第4の面にレンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズムを薄く小さくでき、また結像光学素子の負担を軽減できる。またこの場合、例えば、第2の面および第3の面が平行とされることで、プリズムの製造が容易となる。またこの場合、例えば、入射光が反射される、第2の面および第3の面の少なくとも一方に反射型回折光学素子が設けられることで、これら第2の面および第3の面にそれを曲面とすることなくレンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズムを薄く小さくでき、また結像光学素子の負担を軽減できる。 For example, the prism has at least a first surface, a second surface, a third surface, and a fourth surface. The light emitted from the image display element is sequentially reflected by the second surface, the third surface, and the fourth surface of the prism, and then is emitted from the third surface. In this case, for example, the fourth surface is a curved surface. Thereby, the lens effect can be imparted to the fourth surface, the spread of the light beam can be suppressed, the prism can be made thin and small, and the burden on the imaging optical element can be reduced. In this case, for example, the second surface and the third surface are parallel to each other, so that the prism can be easily manufactured. In this case, for example, a reflective diffractive optical element is provided on at least one of the second surface and the third surface from which incident light is reflected. A lens effect can be imparted without a curved surface, the spread of the light beam can be suppressed, the prism can be made thin and small, and the burden on the imaging optical element can be reduced.
例えば、プリズムは、少なくとも第1の面、第2の面および第3の面を有するものとされる。そして、画像表示素子からの射出光は、このプリズムの第2の面および第3の面で順次反射された後に、第2の面から射出される。この場合、例えば、第3の面が曲面とされる。これにより、第3の面にレンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズムを薄く小さくできる。またこの場合、例えば、入射光が反射される、第2の面に反射型回折光学素子が設けられることで、これら第2の面にそれを曲面とすることなくレンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズムを薄く小さくでき、また結像光学素子の負担を軽減できる。 For example, the prism has at least a first surface, a second surface, and a third surface. The light emitted from the image display element is sequentially reflected by the second surface and the third surface of the prism, and then emitted from the second surface. In this case, for example, the third surface is a curved surface. Thereby, a lens effect can be given to the third surface, the spread of the light beam can be suppressed, and the prism can be made thin and small. In this case, for example, by providing a reflective diffractive optical element on the second surface where incident light is reflected, a lens effect can be imparted to the second surface without making it a curved surface. Can be suppressed, the prism can be made thinner and smaller, and the burden on the imaging optical element can be reduced.
なお、第1の透過型回折光学素子は、可視光領域における、赤色の波長帯域と、緑色の波長帯域と、青色の波長帯域とに対して、回折効率を有するものとされる。これにより、プリズムに入射される入射光を構成する赤色成分、緑色成分および青色成分をそれぞれ第1の透過型回折光学素子で回折でき、ユーザの瞳に各色成分を入射させることができ、ユーザにカラー画像を知覚させることができる。 The first transmissive diffractive optical element has diffraction efficiency with respect to the red wavelength band, the green wavelength band, and the blue wavelength band in the visible light region. Thereby, the red component, the green component, and the blue component that constitute the incident light incident on the prism can be diffracted by the first transmission type diffractive optical element, and each color component can be incident on the user's pupil. A color image can be perceived.
例えば、第1の透過型回折光学素子は、赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第1の層と、緑色の波長帯域に対して回折効率を有する第2の層と、青色の波長帯域に対して回折効率を有する第3の層とからなる。この場合、プリズム側から、第2の層、第1の層および第3の層の順、または第2の層、第3の層および第1の層の順に配置される。また例えば、第1の透過型回折光学素子は、赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第1の層と、緑色から青色の波長帯域に対して回折効率を有する第2の層とからなる。この場合、例えば、プリズム側から、第2の層および第1の層の順に配置される。 For example, the first transmissive diffractive optical element includes a first layer having diffraction efficiency for the red wavelength band, a second layer having diffraction efficiency for the green wavelength band, and a blue wavelength band. And a third layer having diffraction efficiency. In this case, the second layer, the first layer, and the third layer are arranged in this order from the prism side, or the second layer, the third layer, and the first layer are arranged in this order. For example, the first transmission type diffractive optical element includes a first layer having diffraction efficiency with respect to a red wavelength band and a second layer having diffraction efficiency with respect to a green to blue wavelength band. . In this case, for example, the second layer and the first layer are arranged in this order from the prism side.
人間の眼は緑色の光に最も感度がよく、赤色がこれに次ぎ青色が最も低い。上述したように、プリズム側に、緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層が配置されることで、プリズムから射出された射出光は最初に当該緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層に入射されるため、緑色の光線束は、他の層の影響を受けることなく、当該緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層で回折される。したがって、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚可能となる。 The human eye is most sensitive to green light, red next to blue and lowest. As described above, a layer having diffraction efficiency with respect to the green wavelength band is arranged on the prism side, so that the emitted light emitted from the prism first has diffraction efficiency with respect to the green wavelength band. Since it is incident on the layer, the green light beam is diffracted by the layer having diffraction efficiency with respect to the green wavelength band without being affected by the other layers. Therefore, a green light beam with high visibility can be diffracted with high accuracy, and the user can perceive an image with good resolution.
例えば、第1の透過型回折光学素子は、透過型ホログラフィック光学素子である。この場合、例えば、透過型ホログラフィック光学素子は、複数の波長帯域に対して回折効率を有する単一のホログラム層により構成される、またこの場合、例えば、透過型ホログラフィック光学素子は、複数のホログラム層により構成される。この複数のホログラム層はそれぞれ異なる波長帯域に対して回折効率を有する。ここで、透過型ホログラフィック光学素子に偏光選択性を持たせることで、例えばp偏光またはs偏光のいずれかを選択的に回折させることができる。 For example, the first transmissive diffractive optical element is a transmissive holographic optical element. In this case, for example, the transmissive holographic optical element is constituted by a single hologram layer having diffraction efficiency for a plurality of wavelength bands. In this case, for example, the transmissive holographic optical element includes a plurality of holographic optical elements. It is composed of a hologram layer. The plurality of hologram layers have diffraction efficiency for different wavelength bands. Here, by imparting polarization selectivity to the transmissive holographic optical element, for example, either p-polarized light or s-polarized light can be selectively diffracted.
なお、例えば、画像表示素子から射出される射出光を回折する第2の透過型回折光学素子がさらに備えられる。この第2の透過型回折光学素子および上述した第1の透過型回折光学素子は、同一の波長帯域に対して回折効率を有するものとされる。この場合、瞳位置における光線、例えば平行光線を逆光線追跡したとき画像表示素子の表示面上に結像される光学系で構成されるものとした場合、第1の透過型回折光学素子における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散が、第2の透過型回折光学素子によって発生されることで、色分散した光線が結像位置に集光される。これにより、回折によって発生する色収差が相殺される。 For example, a second transmission type diffractive optical element that diffracts the emitted light emitted from the image display element is further provided. The second transmissive diffractive optical element and the first transmissive diffractive optical element described above have diffraction efficiency with respect to the same wavelength band. In this case, when it is configured by an optical system that forms an image on the display surface of the image display element when a ray at the pupil position, for example, a parallel ray is traced backward, the diffraction by the first transmissive diffractive optical element A wavelength dispersion opposite to the generated wavelength dispersion is generated by the second transmission type diffractive optical element, so that the chromatically dispersed light beam is condensed at the imaging position. Thereby, chromatic aberration generated by diffraction is canceled out.
例えば、第1、第2の透過型回折光学素子は、それぞれ、赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第1の層と、緑色の波長帯域に対して回折効率を有する第2の層と、青色の波長帯域に対して回折効率を有する第3の層とからなる。この場合、少なくとも、第2の透過型回折光学素子は、プリズム側から、第3の層、第1の層および第2の層の順、または第1の層、第3の層および第2の層の順に配置される。また例えば、第1、第2の透過型回折光学素子は、それぞれ、赤色の波長帯域に対して回折効率を有する第1の層と、緑色から青色の波長帯域に対して回折効率を有する第2の層とからなる。この場合、例えば、プリズム側から、第1の層および第2の層の順に配置される。 For example, each of the first and second transmissive diffractive optical elements includes a first layer having diffraction efficiency with respect to a red wavelength band, and a second layer having diffraction efficiency with respect to a green wavelength band. And a third layer having diffraction efficiency with respect to the blue wavelength band. In this case, at least the second transmission type diffractive optical element has the third layer, the first layer, and the second layer in this order from the prism side, or the first layer, the third layer, and the second layer. Arranged in order of layers. For example, each of the first and second transmissive diffractive optical elements includes a first layer having diffraction efficiency for the red wavelength band and a second layer having diffraction efficiency for the green to blue wavelength band. It consists of layers. In this case, for example, the first layer and the second layer are arranged in this order from the prism side.
人間の眼は緑色の光に最も感度がよく、赤色がこれに次ぎ青色が最も低い。上述したように、第2の透過型回折光学素子において、プリズム側とは逆側に、緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層が配置されることで、当該第2の透過型回折光学素子で回折すべき画像表示素子からの射出光は最初に当該緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層に入射されるため、緑色の光線束は、他の層の影響を受けることなく、当該緑色の波長帯域に対して回折効率を有する層で回折される。したがって、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚可能となる。 The human eye is most sensitive to green light, red next to blue and lowest. As described above, in the second transmissive diffractive optical element, the layer having the diffraction efficiency with respect to the green wavelength band is disposed on the side opposite to the prism side, so that the second transmissive diffractive optical element is concerned. Since the light emitted from the image display element to be diffracted by the element is first incident on a layer having diffraction efficiency for the green wavelength band, the green light flux is not affected by the other layers, It is diffracted by the layer having diffraction efficiency for the green wavelength band. Therefore, a green light beam with high visibility can be diffracted with high accuracy, and the user can perceive an image with good resolution.
また、例えば、画像表示素子からの射出光は第1の偏光面を持つ第1の直線偏光とされる。そして、この第1の偏光面とは直交する第2の偏光面を持つ第2の直線偏光に対して回折効率を有する、第2の透過型回折光学素子が備えられる。この場合、画像表示素子からの射出光はプリズムを透過するようにされる。そして、この透過された射出光は、第2の透過型回折光学素子、1/4波長板、反射手段および1/4波長板を介して第2の透過型回折光学素子に入射されて回折され、その回折光がプリズムに入射光として入射される。 Further, for example, the light emitted from the image display element is the first linearly polarized light having the first polarization plane. A second transmission type diffractive optical element having diffraction efficiency with respect to the second linearly polarized light having the second polarization plane orthogonal to the first polarization plane is provided. In this case, light emitted from the image display element is transmitted through the prism. Then, the transmitted emitted light is incident on the second transmission type diffractive optical element via the second transmission type diffractive optical element, the quarter wavelength plate, the reflecting means, and the quarter wavelength plate, and is diffracted. The diffracted light enters the prism as incident light.
この場合、画像表示素子からの射出光はプリズムを透過した後に、第2の透過型回折光学素子で回折されてプリズムに入射されるため、画像表示素子をプリズムに近接して配置でき、装置の小型化を図ることが可能となる。 In this case, since the light emitted from the image display element is transmitted through the prism and then diffracted by the second transmission type diffractive optical element and incident on the prism, the image display element can be disposed close to the prism. It is possible to reduce the size.
またこの場合、第1の透過型回折光学素子における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散が、第2の透過型回折光学素子によって発生され、色分散した光線が結像位置に集光される。これにより、回折によって発生する色収差が相殺される。 In this case, the chromatic dispersion opposite to the chromatic dispersion caused by the diffraction in the first transmissive diffractive optical element is generated by the second transmissive diffractive optical element, and the chromatically dispersed light beam is collected at the imaging position. . Thereby, chromatic aberration generated by diffraction is canceled out.
この発明によれば、画像表示素子からの射出光をプリズムに入射光として入射させて所定回数だけ反射させて射出光として射出し、この射出光を透過型回折光学素子で回折させ、その回折光をユーザの瞳に向けて射出するものであり、光利用効率を高くでき、かつ画角を大きくして倍率を高くできる。 According to the present invention, the light emitted from the image display element is incident on the prism as incident light, reflected a predetermined number of times and emitted as the emitted light, and the emitted light is diffracted by the transmission type diffractive optical element. Is emitted toward the user's pupil, so that the light use efficiency can be increased, and the angle of view can be increased to increase the magnification.
この発明の第1の実施の形態について説明する。図1は、第1の実施の形態としての画像表示装置100の構成を示している。この画像表示装置100は、例えば液晶表示器(LCD: Liquid Crystal Display)等からなる画像表示素子101と、結像光学素子102と、プリズム103と、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子104,105とで構成されている。画像表示素子101が液晶表示器からなる場合、光源としては、例えば発光ダイオード(LED: Liquid Crystal Display)が用いられる。
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows a configuration of an
プリズム103は、断面三角形状とされており、3つの面103a〜103cを有している。結像光学素子102は、画像表示素子101とプリズム103の面103aとの間に配置されている。プリズム103の面103aのうち、画像表示素子101からの射出光が入射される部位に、ホログラフィック光学素子104が被着されている。このホログラフィック光学素子104は、第2の透過型回折光学素子を構成している。プリズム103の面103aのうち、プリズム103からの射出光が射出される部位に、ホログラフィック光学素子105が被着されている。このホログラフィック光学素子105は、第1の透過型回折光学素子を構成している。
The
プリズム103の面103bは、当該プリズム103の面103aから入射光として入射される画像表示素子101からの射出光を反射する反射面を構成している。この面103bの面103aに対する傾斜角は、当該面103bへの上述の入射光の入射角度が全反射の条件を満たし、かつこの面103bからの反射光の面103aへの入射角度が全反射の条件を満たすように、設定されている。また、プリズム103の面103cの面103aに対する傾斜角は、面103aからの反射光の面103cへの入射角度が全反射の条件を満たすように、設定されている。
The
プリズム103の面103bおよび面103cの少なくとも一方は曲面とされ、レンズ効果を持つようにされている。画像表示装置100は、ユーザの瞳106の位置における光線、例えば平行光線を逆光線追跡したとき、画像表示素子101の表示面上に結像される光学系で構成されている。上述したようにプリズム103の面103bおよび面103cの少なくとも一方を曲面として、レンズ効果を持たせることで、光線束の広がりを抑制でき、プリズム103を薄く小さくでき、また結像光学素子102の負担を軽減できる。
At least one of the
本実施の形態において、画像表示素子101からの射出光は直線偏光であるp偏光とされており、またホログラフィック光学素子104,105はこのp偏光に対して回折効率を有するものとされている。なお、画像表示素子101からの射出光をp偏光と直交した偏光面を持つ直線偏光であるs偏光とし、またホログラフィック光学素子104,105をs偏光に対して回折効率を有するものとしてもよい。
In the present embodiment, light emitted from the image display element 101 is p-polarized light that is linearly polarized light, and the holographic
また、上述した逆光線追跡を考えた場合、ホログラフィック光学素子105における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散が、ホログラフィック光学素子104における回折によって発生され、色分散した光線が結像位置に集光されるように、ホログラフィック光学素子104の回折パワー等が設定されている。
Further, when considering the above-described reverse ray tracing, the chromatic dispersion opposite to the chromatic dispersion caused by the diffraction in the holographic
また、上述した逆光線追跡を考えた場合、プリズム103から射出されてホログラフィック光学素子104に入射される射出光が全画角において略平行となるように、プリズム103の面103b,103cの曲面形状などが最適化されている。これにより、ホログラフィック光学素子104の回折効率の向上が図られている。
Further, when considering the above-described back ray tracing, the curved surface shapes of the
また、ホログラフィック光学素子104,105は、それぞれ、可視領域における、赤色の波長帯域と、緑色の波長帯域と、青色の波長帯域とに対して、回折効率を有するものとされている。また、ホログラフィック光学素子104,105は、それぞれ、異なる効果を備えている。
In addition, the holographic
本実施の形態においては、これらホログラフィック光学素子104,105は、赤色光回折用ホログラフィック光学素子110R、緑色光回折用ホログラフィック光学素子110Gおよび青色光回折用ホログラフィック光学素子110Bが積層された3層構造とされる。ホログラフィック光学素子110R,110Gおよび110Bは、それぞれ、可視領域における、赤色の波長帯域(例えば620nm〜640nm)、緑色の波長帯域(例えば520nm〜540nm)および青色の波長帯域(例えば450nm〜500nm)に対して、回折効率を有する。
In the present embodiment, these holographic
この場合、ホログラフィック光学素子104,105は、図2に示すように、プリズム103側から、ホログラフィック光学素子110R、ホログラフィック光学素子110Bおよびホログラフィック光学素子110Gの順に配置されている。なお、プリズム103側から、ホログラフィック光学素子110B、ホログラフィック光学素子110Rおよびホログラフィック光学素子110Gの順に配置されていてもよい。
In this case, as shown in FIG. 2, the holographic
人間の眼は緑色の光に最も感度がよく、赤色がこれに次ぎ青色が最も低い。上述したように、ホログラフィック光学素子104において、プリズム103側とは逆側に、緑色の波長帯域に対して回折効率を有するホログラフィック光学素子110Gが配置される。そのため、ホログラフィック光学素子104で回折すべき画像表示素子101からの射出光は最初にホログラフィック光学素子110Gに入射され、緑色の光線束は、他のホログラフィック光学素子110B,110Rの影響を受けることなく、当該ホログラフィック光学素子110Gで回折される。したがって、ホログラフィック光学素子104で、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚できるようなる。
The human eye is most sensitive to green light, red next to blue and lowest. As described above, in the holographic
本実施の形態においては、ホログラフィック光学素子104,105をそれぞれ構成するホログラフィック光学素子110G,110B,110Rは物理的に連続したものとして構成され、後述する製造プロセスにおける露光条件を変化させてそれぞれの部位で異なるパワーを備えるようにされる。そのため、ホログラフィック光学素子105においても、プリズム103側から、ホログラフィック光学素子110R、ホログラフィック光学素子110Bおよびホログラフィック光学素子110Gの順に配置された状態となっている。
In the present embodiment, the holographic
しかし、このホログラフィック光学素子105においては、本来、プリズム103側から、ホログラフィック光学素子110G、ホログラフィック光学素子110Bおよびホログラフィック光学素子110Rの順、またはホログラフィック光学素子110G、ホログラフィック光学素子110Rおよびホログラフィック光学素子110Bの順に配置することが好ましい。このように、プリズム103側に、ホログラフィック光学素子110Gが配置されることで、プリズム103から射出された射出光は最初に当該ホログラフィック光学素子110Gに入射されるため、緑色の光線束は、他のホログラフィック光学素子110B,110Rの影響を受けることなく、当該ホログラフィック光学素子110Gで回折される。そのため、ホログラフィック光学素子105で、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚できるようになる。
However, in the holographic
ここで、図3、図4を参照して、上述したホログラフィック光学素子110R,110G,110Bをそれぞれ構成する偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子110の構造および製造プロセスを説明する。このホログラフィック光学素子110は、例えば特開2002−221710号公報に記載されている。
Here, with reference to FIG. 3 and FIG. 4, the structure and manufacturing process of the polarization selective transmission type holographic
このホログラフィック光学素子110は、高分子分散液晶(以下、「PDLC」という)を材料とした液晶パネルに、レーザ光線による干渉縞を露光して、ホログラムを形成したものである。
The holographic
すなわち、まず、光重合を起こす前の高分子(以下、「プレポリマ」という)、ネマチック液晶、開始剤、色素などが混合されたPDLC1を、それぞれに透明電極2が形成された一対のガラス基板3,3間に挟み込み、PDLCパネルを形成する。このとき、ネマチック液晶の重量割合は全体の30%程度とする。また、このPDLC1の層厚(以下、「セルギャップ」という)は、2μm乃至15μm程度の範囲で、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子の仕様、例えば回折効率を持たせる波長帯域などに合わせて最適値が選ばれる。
That is, first, a pair of glass substrates 3 each having a
次に、このPDLCパネルに干渉縞を記録するため、図示しないレーザ光源からの物体光4および参照光5を当該PDLCパネルに照射し、これらの干渉による光の強弱(A)を発生させる。このとき、干渉縞の明るいところ、つまり光子のエネルギーが大きい場所では、そのエネルギーにより、PDLC中のプレポリマが光重合を起こし、ポリマ化する。このため、プレポリマが周辺部から次々に供給され、結果的に、ポリマ化したプレポリマが密な領域と疎の領域とに分かれる。プレポリマが疎の領域では、ネマチック液晶の濃度が高くなる。これにより、高分子領域6と液晶領域7の2つの領域が形成される。
Next, in order to record interference fringes on the PDLC panel, object light 4 and
ところで、上述のPDLCパネルの高分子領域6は、屈折率に関し等方的で、その値は、例えば1.5となされている。一方、PDLCパネルの液晶領域7では、ネマチック液晶分子8がその光軸を高分子領域6との境界面に対して略垂直として並んでいる。そのため、この液晶領域7では、屈折率が、入射偏光方位依存性を有しており、この場合常光線となるのは、PDLCパネルの光線入射面9に入射する入射光について考えた場合、s偏光成分である。
By the way, the
そして、この液晶領域7の常光線屈折率nloを高分子領域6の屈折率npに略等しい状態、例えば、屈折率差が0.01未満である状態とすれば、入射s偏光成分に対する屈折率の変調は極めて小さく、回折効率をほとんど有しない。一般に、ネマチック液晶の常光線屈折率nloと異常光線屈折率nleとの差Δnは、0.1乃至0.2程度であるため、s偏光成分と入射方向が等しいp偏光成分の場合は、高分子領域6と液晶領域7との間に屈折率差を生じ、位相変調型ホログラムとして機能し、回折効率を有する。これが、PDLCパネルを用いた偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子(H−PDLCパネル)110の透明電極2,2間に電圧を印加しない場合の動作原理である(図3参照)。
If the ordinary refractive index nlo of the
次に、図4に示すように、このH−PDLCパネル110の透明電極2,2間に電圧を印加した場合の動作について説明する。透明電極2,2間には、スイッチ10を介して、電源11が接続されている。スイッチ10を閉成することにより、透明電極2,2間には、電源11による電圧が印加される。これにより、H−PDLCパネル110の内部の材料に電界が加わると、誘電率異方性を有する液晶分子8は、その電圧に応じた角度だけ、光軸を電界方向に揃えるように方向が変えられる。そして、入射光の偏光方向に関わらず、回折を起こさないように制御することが可能となる。
Next, as shown in FIG. 4, an operation when a voltage is applied between the
上述のような原理により、ホログラフィック光学素子(H−PDLCパネル)110は、入射光のうちのp偏光成分のみを回折する状態および入射光の全方向の偏光成分を回折しない状態の、2つの状態に切り替える動作が可能となる。 Based on the above-described principle, the holographic optical element (H-PDLC panel) 110 has two states of diffracting only the p-polarized component of incident light and not diffracting the polarized component in all directions of incident light. The operation to switch to the state becomes possible.
画像表示素子101は、例えば赤色画像、緑色画像および青色画像を所定の周期、例えば1/180秒の周期をもって順次表示する。そして、この画像表示素子101からは、赤色画像、緑色画像および青色画像が表示されているとき、それぞれ赤色光、緑色光および青色光が射出される。図示しない制御部は、ホログラフィック光学素子104,105を構成する光学素子110R,110Gおよび110Bを、それぞれ、画像表示素子101に赤色画像、緑色画像および青色画像が表示されているときp偏光成分のみを回折する状態とし、その他のとき全方向の偏光成分を回折しない状態とする。
The image display element 101 sequentially displays, for example, a red image, a green image, and a blue image with a predetermined period, for example, a period of 1/180 seconds. The image display element 101 emits red light, green light, and blue light, respectively, when a red image, a green image, and a blue image are displayed. A control unit (not shown) includes
この画像表示装置100において、画像表示素子101から射出される射出光(p偏光)は、結像光学素子102を透過して透過型ホログラフィック光学素子104に入射されて回折される。この透過型ホログラフィック光学素子104からの回折光は、プリズム103に、面103aから入射光として入射される。
In this
プリズム103に入射された入射光は、面103bで全反射され、また面103aで全反射され、さらに面103cで全反射されて、プリズム103の面103aから射出される。このプリズム103からの射出光は、透過型ホログラフィック光学素子105に入射されて回折される。そして、この透過型ホログラフィック光学素子105からの回折光は、ユーザの瞳106に入射される。これにより、ユーザは、画像表示素子101に表示される画像を虚像として認識できるようになる。
Incident light incident on the
ここで、実際の光線の進行方向とは逆向きの光線追跡を考える。
瞳106から所定の画角を持った光線束が射出光として射出されたとする。この射出光は、ホログラフィック光学素子105に入射される。このホログラフィック光学素子105では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のp偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。
Here, consider ray tracing in the direction opposite to the actual traveling direction of rays.
It is assumed that a light beam having a predetermined angle of view is emitted from the pupil 106 as emitted light. This emitted light is incident on the holographic
ホログラフィック光学素子105からの回折光は、プリズム103に、その面103aから入射光として入射される。この入射光は、面103cで全反射された後、面103aに入射されて全反射される。ここで、面103cで反射された反射光が入射される面103aにはホログラフィック光学素子104,105が被着されており、反射光はホログラフィック光学素子104,105に入射される。
The diffracted light from the holographic
しかしこの場合、面103cで反射された反射光は、図5に示すように、当該ホログラフィック光学素子104,105に大きな入射角をもって入射されるので、当該ホログラフィック光学素子104,105で回折効果は発生せず、面103cで反射された反射光は全反射される。なお、図5は、ホログラフィック光学素子105の部分のみを示している。
In this case, however, the reflected light reflected by the surface 103c is incident on the holographic
面103aで反射された反射光は、面103bに入射されて全反射される。そして、面103bで反射された反射光は面103aから射出される。このプリズム103からの射出光はホログラフィック光学素子104に入射される。このホログラフィック光学素子104では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のp偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。そして、このホログラフィック光学素子104からの回折光は、結像光学素子102により、画像表示素子101の表示面上に集光される。この場合、瞳106の位置における光線、例えば平行光線は、画像表示素子101の表示面上に結像される。
The reflected light reflected by the
図1に示す画像表示装置100においては、画像表示素子101からの射出光がプリズム103および透過型ホログラフィック光学素子105を介してユーザの瞳106に入射されるものであり、従来のようにハーフミラーを用いるものと比べて、光利用効率を高くでき、ユーザは明るい像を見ることができる。換言すれば、光利用効率を高くできることから、ユーザに明るい像を知覚させるための消費電力を低く抑えることができる。
In the
すなわち、図1に示す画像表示装置100においては、プリズム103に入射された入射光が反射される面103b、面103aおよび面103cが全反射条件を満たすようにされている。そのため、画像表示素子101からの射出光の光量の劣化または減衰は、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子104,105の回折効率、プリズム103の内部および結像光学素子102の内部および透過型ホログラフィック光学素子104,105の内部での吸収、および各光学部品における表面反射でのみ発生する。しかも、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子104,105の回折効率は90%以上と高い。したがって、画像表示素子101からの射出光の光量の劣化または減衰は少なく、ユーザの瞳106で観察される光量が多くなる。
That is, in the
また、図1に示す画像表示装置100においては、面103cにカウンタープリズムを設けることでユーザの瞳106の前方に存在するプリズム103の向こう側からの光は、プリズム103および透過型ホログラフィック光学素子105を介して、ユーザの瞳106に入射される。すなわち、図1に示す画像表示装置100においては、従来のように向こう側からの光がハーフミラーを介してユーザの瞳106に入射されるものではなく、明るく歪みのない像のシースルー構造を提供できる。
Further, in the
また、図1に示す画像表示装置100においては、プリズム103の面103cで最終的に反射されて射出された射出光が透過型ホログラフィック光学素子105でさらに回折され、その回折光がユーザの瞳106に入射されるものである。プリズム103の面103cと透過型ホログラフィック光学素子105とでプリズム103の面103aでの全反射条件を満たすための効果を分担しており、透過型ホログラフィック光学素子105に大きな回折能力は要求されない。したがって、この図1に示す画像表示装置100によれば、従来の反射型ホログラフィック光学素子を用いるものと比べて、画角θを大きくでき、倍率を高くできる。
Further, in the
また、図1に示す画像表示装置100においては、プリズム103からの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子105の他に、画像表示素子101からの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子104が備えられ、瞳106の位置における光線、例えば平行光線を逆光線追跡したとき画像表示素子101の表示面上に結像される光学系で構成されるものとした場合、透過型ホログラフィック光学素子105における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散が、透過型ホログラフィック光学素子104における回折よって発生され、色分散した光線が結像位置に集光される。したがって、図1に示す画像表示装置100によれば、回折によって発生する色収差を相殺でき、画質の向上を図ることができる。この効果は、特に、画像表示素子101の光源として、3原色の各色光の波長帯域に広がりがある、発光ダイオードを用いている場合に、有効となる。
Further, in the
なお、図1に示す画像表示装置100では、ホログラフィック光学素子104,105を、ホログラフィック光学素子110R,110G,110Bの3層構造としたものであるが、これらホログラフィック光学素子104,105を、赤色光回折用ホログラフィック光学素子110Rおよび緑・青色光回折用ホログラフィック光学素子110GBが積層された2層構造とすることもできる。この場合、ホログラフィック光学素子110Rは、可視領域における赤色の波長帯域に対して回折効率を有するものとされるが、ホログラフィック光学素子110GBは、可視領域における緑色から青色の波長帯域に対して回折効率を有するものとされる。
In the
この場合、ホログラフィック光学素子104,105は、図6に示すように、プリズム103側から、ホログラフィック光学素子110Rおよびホログラフィック光学素子110GBの順に配置されている。これにより、ホログラフィック光学素子104において、プリズム103側とは逆側に、緑色から青色の波長帯域に対して回折効率を有するホログラフィック光学素子110GBが配置される。
In this case, as shown in FIG. 6, the holographic
そのため、ホログラフィック光学素子104で回折すべき画像表示素子101からの射出光は最初にホログラフィック光学素子110GBに入射され、緑色の光線束は、他のホログラフィック光学素子110Rの影響を受けることなく、当該ホログラフィック光学素子110GBで回折される。したがって、ホログラフィック光学素子104で、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚できるようなる。
Therefore, light emitted from the image display element 101 to be diffracted by the holographic
この場合、ホログラフィック光学素子104,105をそれぞれ構成するホログラフィック光学素子110GB,110Rは物理的に連続したものとして構成され、後述する製造プロセスにおける露光条件を変化させてそれぞれの部位で異なるパワーを備えるようにされる。そのため、ホログラフィック光学素子105においても、プリズム103側から、ホログラフィック光学素子110Rおよびホログラフィック光学素子110GBの順に配置された状態となっている。
In this case, the holographic optical elements 110GB and 110R constituting the holographic
しかし、このホログラフィック光学素子105においては、本来、プリズム103側から、ホログラフィック光学素子110GBおよびホログラフィック光学素子110Rの順に配置することが好ましい。このように、プリズム103側に、ホログラフィック光学素子110GBが配置されることで、プリズム103から射出された射出光は最初に当該ホログラフィック光学素子110GBに入射されるため、緑色の光線束は、他のホログラフィック光学素子110Rの影響を受けることなく、当該ホログラフィック光学素子110GBで回折される。そのため、ホログラフィック光学素子105で、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚できるようになる。
However, in the holographic
また、ホログラフィック光学素子104,105を、図示せずも、赤・緑・青色光回折用ホログラフィック光学素子110RGBの1層構造とすることもできる。この場合、ホログラフィック光学素子110RGBは、可視領域における赤色から青色の波長帯域に対して回折効率を有するものとされる。
In addition, the holographic
次に、この発明の第2の実施の形態について説明する。図7は、第2の実施の形態としての画像表示装置100Aの構成を示している。この図7において、図1と対応する部分には同一符号を付し、適宜その説明を省略する。
Next explained is the second embodiment of the invention. FIG. 7 shows a configuration of an
この画像表示装置100Aは、例えば液晶表示器等からなる画像表示素子101と、結像光学素子102と、プリズム103Aと、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子104,105とで構成されている。
The
プリズム103Aは、断面平行四辺形状とされており、4つの面103Aa〜103Adを有している。結像光学素子102は、画像表示素子101とプリズム103Aの面103Aaとの間に配置されている。プリズム103Aの面103Aaに、ホログラフィック光学素子104が被着されている。プリズム103Aの面103Acに、ホログラフィック光学素子105が被着されている。
The
プリズム103Aの面103Abは、当該プリズム103Aの面103Aaから入射光として入射される、画像表示素子101からの射出光を反射する反射面を構成している。この面103Abの面103Aaに対する傾斜角は、当該面103Abへの上述の入射光の入射角度が全反射の条件を満たし、かつこの面103Abからの反射光の、面103Acへの入射角度が全反射の条件を満たすように、設定されている。また、プリズム103Aの面103Adの面103Acに対する傾斜角は、面103Acからの反射光の面103Adへの入射角度が全反射の条件を満たすように、設定されている。
The surface 103Ab of the
プリズム103Aの面103Adは曲面とされ、レンズ効果を持つようにされている。画像表示装置100Aは、ユーザの瞳106の位置における光線、例えば平行光線を逆光線追跡したとき、画像表示素子101の表示面上に結像される光学系で構成されている。上述したようにプリズム103Aの面103Adを曲面として、レンズ効果を持たせることで、光線束の広がりを抑制でき、プリズム103Aを薄く小さくでき、また結像光学素子102の負担を軽減できる。また、プリズム103Aの面103Abおよび面103Acは、互いに平行とされている。このように、プリズム103Aが互いに平行な面103Ab,103Acを有する構成とすることで、当該プリズム103Aの製造が容易となる。
The surface 103Ad of the
また、上述した逆光線追跡を考えた場合、ホログラフィック光学素子105における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散が、ホログラフィック光学素子104における回折によって発生され、色分散した光線が結像位置に集光されるように、ホログラフィック光学素子104の回折パワー等が設定されている。
Further, when considering the above-described reverse ray tracing, the chromatic dispersion opposite to the chromatic dispersion caused by the diffraction in the holographic
また、上述した逆光線追跡を考えた場合、プリズム103Aから射出されてホログラフィック光学素子104に入射される射出光が全画角において略平行となるように、プリズム103Aの面103Adの曲面形状などが最適化されている。これにより、ホログラフィック光学素子104の回折効率の向上が図られている。
In addition, when considering the above-described reverse ray tracing, the curved surface shape of the surface 103Ad of the
この画像表示装置100Aにおいて、画像表示素子101からの射出光は、直線偏光であるp偏光とされている。ホログラフィック光学素子104,105は、このp偏光に対して回折効率を有するものとされる。また、ホログラフィック光学素子104,105は、それぞれ、可視領域における、赤色の波長帯域と、緑色の波長帯域と、青色の波長帯域とに対して、回折効率を有するものとされる。
In the
これらホログラフィック光学素子104,105は、例えば、赤色光回折用ホログラフィック光学素子110R、緑色光回折用ホログラフィック光学素子110Gおよび青色光回折用ホログラフィック光学素子110Bが積層された3層構造とされる。この場合、ホログラフィック光学素子104は、プリズム103A側から、光学素子110R、光学素子110Bおよび光学素子110Gの順、または光学素子110B、光学素子110Rおよび光学素子110Gの順に配置されている。また、ホログラフィック光学素子105は、プリズム103A側から、光学素子110G、光学素子110Bおよび光学素子110Rの順、または光学素子110G、光学素子110Rおよび光学素子110Bの順に配置されている。
These holographic
これにより、ホログラフィック光学素子104,105において、入射される光線束は最初にホログラフィック光学素子110Gに入力され、そのため緑色の光線束は、他のホログラフィック光学素子110B,110Rの影響を受けることなく、当該ホログラフィック光学素子110Gで回折される。したがって、ホログラフィック光学素子104,105で、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚できるようなる。
As a result, in the holographic
画像表示素子101から射出される射出光(p偏光)は、結像光学素子102を透過して透過型ホログラフィック光学素子104に入射されて回折される。この透過型ホログラフィック光学素子104からの回折光は、プリズム103Aに、面103Aaから入射光として入射される。
Emitted light (p-polarized light) emitted from the image display element 101 passes through the imaging optical element 102 and enters the transmissive holographic
プリズム103Aに入射された入射光は、面103Abで全反射され、また面103Acで全反射され、さらに面103Adで全反射されて、プリズム103Aの面103Acから射出される。このプリズム103Aからの射出光は、透過型ホログラフィック光学素子105に入射されて回折される。そして、この透過型ホログラフィック光学素子105からの回折光は、ユーザの瞳106に入射される。これにより、ユーザは、画像表示素子101に表示される画像を、虚像として認識できる。
The incident light that has entered the
ここで、実際の光線の進行方向とは逆向きの光線追跡を考える。
瞳106から所定の画角を持った光線束が射出光として射出されたとする。この射出光は、ホログラフィック光学素子105に入射される。このホログラフィック光学素子105では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のp偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。
Here, consider ray tracing in the direction opposite to the actual traveling direction of rays.
It is assumed that a light beam having a predetermined angle of view is emitted from the pupil 106 as emitted light. This emitted light is incident on the holographic
ホログラフィック光学素子105からの回折光は、プリズム103Aに、その面103Acから入射光として入射される。この入射光は、面103Adで全反射された後、面103Acに入射されて全反射される。この面103Acで反射された反射光は、面103Abに入射されて全反射される。そして、面103Abで反射された反射光は面103Aaから射出される。
The diffracted light from the holographic
このプリズム103Aからの射出光はホログラフィック光学素子104に入射される。このホログラフィック光学素子104では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のp偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。そして、このホログラフィック光学素子104からの回折光は、結像光学素子102により、画像表示素子101の表示面上に集光される。この場合、瞳106の位置における光線、例えば平行光線は、画像表示素子101の表示面上に結像される。
Light emitted from the
図7に示す画像表示装置100Aにおいては、図1に示す画像表示装置100と同様に、画像表示素子101からの射出光がプリズム103Aおよび透過型ホログラフィック光学素子105を介してユーザの瞳106に入射されるものであり、従来のようにハーフミラーを用いるものと比べて、光利用効率を高くでき、ユーザは明るい像を見ることができる。換言すれば、光利用効率を高くできることから、ユーザに明るい像を知覚させるための消費電力を低く抑えることができる。
In the
また、図7に示す画像表示装置100Aにおいては、面103Adにカウンタープリズムを設けることで、図1に示す画像表示装置100と同様に、ユーザの瞳106の前方に存在するプリズム103Aの向こう側からの光は、プリズム103Aおよび透過型ホログラフィック光学素子105を介して、ユーザの瞳106に入射され、従来のように向こう側からの光がハーフミラーを介してユーザの瞳106に入射されるものではなく、明るく歪みのない像のいシースルー構造を提供できる。
In addition, in the
また、図7に示す画像表示装置100Aにおいては、図1に示す画像表示装置100と同様に、プリズム103Aの面103Adで最終的に反射されて射出された射出光が透過型ホログラフィック光学素子105でさらに回折され、その回折光がユーザの瞳106に入射されるものである。プリズム103Aの面103Adと透過型ホログラフィック光学素子105とでプリズム103Aの面103Acでの全反射条件を満たすための効果を分担しており、透過型ホログラフィック光学素子105に大きな回折能力は要求されない。したがって、この図7に示す画像表示装置100Aによれば、従来の反射型ホログラフィック光学素子を用いるものと比べて、画角θ(図1参照)を大きくでき、倍率を高くできる。
Further, in the
また、図7に示す画像表示装置100Aにおいては、図1に示す画像表示装置100と同様に、プリズム103Aからの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子105の他に、画像表示素子101からの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子104を備えるものであり、回折によって発生する色収差を相殺でき、画質の向上を図ることができる。
Further, in the
なお、図7に示す画像表示装置100Aでは、ホログラフィック光学素子104,105を、ホログラフィック光学素子110R,110G,110Bの3層構造としたものであるが、図1に示す画像表示装置100と同様に、2層構造あるいは1層構造とすることもできる。
In the
また、図7に示す画像表示装置100Aにおいて、プリズム103Aに入射された入射光を反射する、面103Abおよび面103Acの少なくとも一方に、反射型回折光学素子としての反射型ホログラフィック光学素子を設けてもよい。この反射型ホログラフィック光学素子はフォトポリマーをホログラム感光剤としている。
Further, in the
上述したように、プリズム103Aの面103Ab,103Acに反射型ホログラフィック光学素子を設けることで、これらの面103Ab,103Acに、それを曲面とすることなく、レンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズム103Aを薄く小さくでき、また結像光学素子102の負担を軽減できる。
As described above, by providing reflective holographic optical elements on the surfaces 103Ab and 103Ac of the
次に、この発明の第3の実施の形態について説明する。図8は、第3の実施の形態としての画像表示装置100Bの構成を示している。この図8において、図1と対応する部分には同一符号を付し、適宜その説明を省略する。
Next explained is the third embodiment of the invention. FIG. 8 shows a configuration of an
この画像表示装置100Bは、例えば液晶表示器等からなる画像表示素子101と、結像光学素子102と、プリズム103Bと、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子104,105とで構成されている。
The
プリズム103Bは、断面台形状とされており、4つの面103Ba〜103Bdを有している。結像光学素子102は、画像表示素子101とプリズム103Bの面103Baとの間に配置されている。プリズム103Bの面103Baに、ホログラフィック光学素子104が被着されている。プリズム103Bの面103Bbに、ホログラフィック光学素子105が被着されている。
The prism 103B is trapezoidal in cross section and has four surfaces 103Ba to 103Bd. The imaging optical element 102 is disposed between the image display element 101 and the surface 103Ba of the prism 103B. The holographic
プリズム103Bの面103Bbは、当該プリズム103Bの面103Baから入射光として入射される、画像表示素子101からの射出光を反射する反射面を構成している。この面103Bbの面103Baに対する傾斜角は、当該面103Bbへの上述の入射光の入射角度が全反射の条件を満たし、かつこの面103Bbからの反射光の、面103Bcへの入射角度が全反射の条件を満たすように、設定されている。 The surface 103Bb of the prism 103B constitutes a reflecting surface that reflects the light emitted from the image display element 101 that is incident as incident light from the surface 103Ba of the prism 103B. The inclination angle of the surface 103Bb with respect to the surface 103Ba is such that the incident angle of the incident light on the surface 103Bb satisfies the condition of total reflection, and the incident angle of the reflected light from the surface 103Bb on the surface 103Bc is totally reflected. Is set so as to satisfy the following conditions.
プリズム103Bの面103Bcは曲面とされ、レンズ効果を持つようにされている。画像表示装置100Bは、ユーザの瞳106の位置における光線、例えば平行光線を逆光線追跡したとき、画像表示素子101の表示面上に結像される光学系で構成されている。上述したようにプリズム103Bの面103Bcを曲面として、レンズ効果を持たせることで、光線束の広がりを抑制でき、プリズム103Bを薄く小さくでき、また結像光学素子102の負担を軽減できる。また、プリズム103Bの面103Bbおよび面103Bdは、互いに平行とされている。このように、プリズム103Bが互いに平行な面103Bb,103Bdを有する構成とすることで、当該プリズム103Bの製造が容易となる。
The surface 103Bc of the prism 103B is a curved surface and has a lens effect. The
また、上述した逆光線追跡を考えた場合、ホログラフィック光学素子105における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散が、ホログラフィック光学素子104における回折によって発生され、色分散した光線が結像位置に集光されるように、ホログラフィック光学素子104の回折パワー等が設定されている。
Further, when considering the above-described reverse ray tracing, the chromatic dispersion opposite to the chromatic dispersion caused by the diffraction in the holographic
また、上述した逆光線追跡を考えた場合、プリズム103Bから射出されてホログラフィック光学素子104に入射される射出光が全画角において略平行となるように、プリズム103Bの面103Bcの曲面形状などが最適化されている。これにより、ホログラフィック光学素子104の回折効率の向上が図られている。
Further, when considering the above-described back ray tracing, the curved surface shape of the surface 103Bc of the prism 103B is set so that the emitted light emitted from the prism 103B and incident on the holographic
この画像表示装置100Bにおいて、画像表示素子101からの射出光は、直線偏光であるp偏光とされている。ホログラフィック光学素子104,105は、このp偏光に対して回折効率を有するものとされる。また、ホログラフィック光学素子104,105は、それぞれ、可視領域における、赤色の波長帯域と、緑色の波長帯域と、青色の波長帯域とに対して、回折効率を有するものとされる。
In the
これらホログラフィック光学素子104,105は、例えば、赤色光回折用ホログラフィック光学素子110R、緑色光回折用ホログラフィック光学素子110Gおよび青色光回折用ホログラフィック光学素子110Bが積層された3層構造とされる。この場合、ホログラフィック光学素子104は、プリズム103B側から、光学素子110R、光学素子110Bおよび光学素子110Gの順、または光学素子110B、光学素子110Rおよび光学素子110Gの順に配置されている。また、ホログラフィック光学素子105は、プリズム103B側から、光学素子110G、光学素子110Bおよび光学素子110Rの順、または光学素子110G、光学素子110Rおよび光学素子110Bの順に配置されている。
These holographic
これにより、ホログラフィック光学素子104,105において、入射される光線束は最初にホログラフィック光学素子110Gに入力され、そのため緑色の光線束は、他のホログラフィック光学素子110B,110Rの影響を受けることなく、当該ホログラフィック光学素子110Gで回折される。したがって、ホログラフィック光学素子104,105で、視感度の高い緑色の光線束を精度よく回折でき、ユーザは解像度のよい画像を知覚できるようなる。
As a result, in the holographic
画像表示素子101から射出される射出光(p偏光)は、結像光学素子102を透過して透過型ホログラフィック光学素子104に入射されて回折される。この透過型ホログラフィック光学素子104からの回折光は、プリズム103Bに、面103Baから入射光として入射される。
Emitted light (p-polarized light) emitted from the image display element 101 passes through the imaging optical element 102 and enters the transmissive holographic
プリズム103Bに入射された入射光は、面103Bbで全反射され、また面103Bcで全反射されて、プリズム103Bの面103Bbから射出される。このプリズム103Bからの射出光は、透過型ホログラフィック光学素子105に入射されて回折される。そして、この透過型ホログラフィック光学素子105からの回折光は、ユーザの瞳106に入射される。これにより、ユーザは、画像表示素子101に表示される画像を、虚像として認識できる。
The incident light that has entered the prism 103B is totally reflected by the surface 103Bb, is totally reflected by the surface 103Bc, and is emitted from the surface 103Bb of the prism 103B. The light emitted from the prism 103B is incident on the transmissive holographic
ここで、実際の光線の進行方向とは逆向きの光線追跡を考える。
瞳106から所定の画角を持った光線束が射出光として射出されたとする。この射出光は、ホログラフィック光学素子105に入射される。このホログラフィック光学素子105では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のp偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。
Here, consider ray tracing in the direction opposite to the actual traveling direction of rays.
It is assumed that a light beam having a predetermined angle of view is emitted from the pupil 106 as emitted light. This emitted light is incident on the holographic
ホログラフィック光学素子105からの回折光は、プリズム103Bに、その面103Bbから入射光として入射される。この入射光は、面103Bcで全反射された後、面103Bbに入射されて全反射される。この面103Bbで反射された反射光は、面103Baから射出される。
The diffracted light from the holographic
このプリズム103Bからの射出光はホログラフィック光学素子104に入射される。このホログラフィック光学素子104では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のp偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。そして、このホログラフィック光学素子104からの回折光は、結像光学素子102により、画像表示素子101の表示面上に集光される。この場合、瞳106の位置における光線、例えば平行光線は、画像表示素子101の表示面上に結像される。
Light emitted from the prism 103B enters the holographic
図8に示す画像表示装置100Bにおいては、図1に示す画像表示装置100と同様に、画像表示素子101からの射出光がプリズム103Bおよび透過型ホログラフィック光学素子105を介してユーザの瞳106に入射されるものであり、従来のようにハーフミラーを用いるものと比べて、光利用効率を高くでき、ユーザは明るい像を見ることができる。換言すれば、光利用効率を高くできることから、ユーザに明るい像を知覚させるための消費電力を低く抑えることができる。
In the
また、図8に示す画像表示装置100Bにおいては、面103Bcにカウンタープリズムを設けることで、図1に示す画像表示装置100と同様に、ユーザの瞳106の前方に存在するプリズム103Bの向こう側からの光は、プリズム103Bおよび透過型ホログラフィック光学素子105を介して、ユーザの瞳106に入射され、従来のように向こう側からの光がハーフミラーを介してユーザの瞳106に入射されるものではなく、明るく歪みのない像のシースルー構造を提供できる。
In addition, in the
また、図8に示す画像表示装置100Bにおいては、図1に示す画像表示装置100と同様に、プリズム103Bの面103Bcで最終的に反射されて射出された射出光が透過型ホログラフィック光学素子105でさらに回折され、その回折光がユーザの瞳106に入射されるものである。プリズム103Bの面103Bcと透過型ホログラフィック光学素子105とでプリズム103Bの面103Bbでの全反射条件を満たすための効果を分担しており、透過型ホログラフィック光学素子105に大きな回折能力は要求されない。したがって、この図8に示す画像表示装置100Bによれば、従来の反射型ホログラフィック光学素子を用いるものと比べて、画角θ(図1参照)を大きくでき、倍率を高くできる。
Further, in the
また、図8に示す画像表示装置100Bにおいては、図1に示す画像表示装置100と同様に、プリズム103Bからの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子105の他に、画像表示素子101からの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子104を備えるものであり、回折によって発生する色収差を相殺でき、画質の向上を図ることができる。
Further, in the
なお、図8に示す画像表示装置100Bでは、ホログラフィック光学素子104,105を、ホログラフィック光学素子110R,110G,110Bの3層構造としたものであるが、図1に示す画像表示装置100と同様に、2層構造あるいは1層構造とすることもできる。
In the
また、図8に示す画像表示装置100Bにおいて、プリズム103Bに入射された入射光を反射する、面103Bbに、反射型回折光学素子としての反射型ホログラフィック光学素子を設けてもよい。これにより、この面103Bbに、それを曲面とすることなく、レンズ効果を付与でき、光線束の広がりを抑制でき、プリズム103Bを薄く小さくでき、また結像光学素子102の負担を軽減できる。
In the
次に、この発明の第4の実施の形態について説明する。図9は、第4の実施の形態としての画像表示装置100Cの構成を示している。この図9において、図7と対応する部分には同一符号を付し、適宜その説明を省略する。 Next explained is the fourth embodiment of the invention. FIG. 9 shows a configuration of an image display device 100C as the fourth embodiment. 9, parts corresponding to those in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted as appropriate.
この画像表示装置100Cは、画像表示素子101と、結像光学素子102と、プリズム103Aと、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子104,105と、1/4波長板107と、反射面108aを持ち、反射手段を構成するプリズム108とで構成されている。
The image display device 100C includes an image display element 101, an imaging optical element 102, a
プリズム103Aは、断面平行四辺形状とされており、4つの面103Aa〜103Adを有している。結像光学素子102は、画像表示素子101とプリズム103Aの面103Abとの間に配置されている。プリズム103Aの面103Aaに、ホログラフィック光学素子104が被着されている。さらに、このホログラフィック光学素子104には、1/4波長板107およびプリズム108がこの順に被着されている。プリズム103Aの面103Acに、ホログラフィック光学素子105が被着されている。
The
画像表示素子101からの射出光は、第1の偏光面を有する直線偏光であるs偏光とされている。ホログラフィック光学素子104,105は、上述の第1の偏光面とは直交する第2の偏光面を有する直線偏光であるp偏光に対して回折効率を有するものとされる。
The light emitted from the image display element 101 is s-polarized light that is linearly polarized light having a first polarization plane. The holographic
この画像表示装置100Cのその他の構成は、図7に示す画像表示装置100Aと同様とされている。
Other configurations of the image display device 100C are the same as those of the
この画像表示装置100Cにおいて、画像表示素子101から射出される射出光(s偏光)は、結像光学素子102、およびプリズム103Aを透過して、透過型ホログラフィック光学素子104に入射される。この透過型ホログラフィック光学素子104はp偏光に対して回折効率を有していることから、入射された射出光(s偏光)は回折されずにそのまま透過して、1/4波長板107に入射される。
In the image display device 100C, the emitted light (s-polarized light) emitted from the image display element 101 passes through the imaging optical element 102 and the
この1/4波長板107からは、入射光(s偏光)が円偏光とされて射出される。この1/4波長板107からの射出光(円偏光)はプリズム108に入射され、反射面108aで反射された後、当該プリズム108から射出される。このプリズム108からの射出光(円偏光)は、再び1/4波長板107に入射される。
From this quarter-wave plate 107, incident light (s-polarized light) is emitted as circularly polarized light. The emitted light (circularly polarized light) from the quarter-wave plate 107 enters the
この1/4波長板107からは、入射光(円偏光)がp偏光とされて射出される。この1/4波長板107からの射出光(p偏光)は、透過型ホログラフィック光学素子104に入射されて回折される。この透過型ホログラフィック光学素子104からの回折光は、プリズム103Aに、面103Aaから入射光として入射される。
From this quarter-wave plate 107, incident light (circularly polarized light) is emitted as p-polarized light. The emitted light (p-polarized light) from the quarter-wave plate 107 is incident on the transmissive holographic
プリズム103Aに入射された入射光は、面103Abで全反射され、また面103Acで全反射され、さらに面103Adで全反射されて、プリズム103Aの面103Acから射出される。このプリズム103Aからの射出光は、透過型ホログラフィック光学素子105に入射されて回折される。そして、この透過型ホログラフィック光学素子105からの回折光は、ユーザの瞳106に入射される。これにより、ユーザは、画像表示素子101に表示される画像を、虚像として認識できる。
The incident light that has entered the
ここで、実際の光線の進行方向とは逆向きの光線追跡を考える。
瞳106から所定の画角を持った光線束が射出光として射出されたとする。この射出光は、ホログラフィック光学素子105に入射される。このホログラフィック光学素子105では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のp偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。
Here, consider ray tracing in the direction opposite to the actual traveling direction of rays.
It is assumed that a light beam having a predetermined angle of view is emitted from the pupil 106 as emitted light. This emitted light is incident on the holographic
ホログラフィック光学素子105からの回折光は、プリズム103Aに、その面103Acから入射光として入射される。この入射光は、面103Adで全反射された後、面103Acに入射されて全反射される。この面103Acで反射された反射光は、面103Abに入射されて全反射される。そして、面103Abで反射された反射光は面103Aaから射出される。
The diffracted light from the holographic
このプリズム103Aからの射出光はホログラフィック光学素子104に入射される。このホログラフィック光学素子104では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のp偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。そして、このホログラフィック光学素子104からの回折光は、1/4波長板107に入射される。
Light emitted from the
この1/4波長板107からは、入射光(p偏光)が円偏光とされて射出される。この1/4波長板107からの射出光(円偏光)はプリズム108に入射され、反射面108aで反射された後、当該プリズム108から射出される。このプリズム108からの射出光(円偏光)は、再び1/4波長板107に入射される。
From this quarter-wave plate 107, incident light (p-polarized light) is emitted as circularly polarized light. The emitted light (circularly polarized light) from the quarter wavelength plate 107 is incident on the
この1/4波長板107からは、入射光(円偏光)がs偏光とされて射出される。この1/4波長板107からの射出光(s偏光)は、ホログラフィック光学素子104をそのまま回折されずに透過し、さらにプリズム103Aを透過し、結像光学素子102により、画像表示素子101の表示面上に集光される。この場合、瞳106の位置における光線、例えば平行光線は、画像表示素子101の表示面上に結像される。
From this quarter-wave plate 107, incident light (circularly polarized light) is emitted as s-polarized light. The emitted light (s-polarized light) from the quarter-wave plate 107 passes through the holographic
図9に示す画像表示装置100Cにおいては、面103Adにカウンタープリズムを設けることで、図7に示す画像表示装置100Aと同様の効果を得ることができる。また、この図9に示す画像表示装置100Cにおいては、画像表示素子101からの射出光は、プリズム103Aを透過した後に、プリズム108の反射面108aで反射されて透過型ホログラフィック光学素子104で回折されてプリズム103Aに入射されるため、画像表示素子101をプリズム103Aに近接して配置でき、装置の小型化を図ることができる。
In the image display device 100C shown in FIG. 9, the same effect as that of the
次に、この発明の第5の実施の形態について説明する。図10は、第5の実施の形態としての画像表示装置100Dの構成を示している。この図10において、図8と対応する部分には同一符号を付し、適宜その説明を省略する。 Next explained is the fifth embodiment of the invention. FIG. 10 shows a configuration of an image display device 100D as the fifth embodiment. 10, portions corresponding to those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted as appropriate.
この画像表示装置100Dは、画像表示素子101と、結像光学素子102と、プリズム103Bと、偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子104,105と、1/4波長板107と、反射面108aを持ち、反射手段を構成するプリズム108とで構成されている。
The image display device 100D includes an image display element 101, an imaging optical element 102, a prism 103B, polarization selective transmission holographic
プリズム103Bは、断面台形状とされており、4つの面103Ba〜103Bdを有している。結像光学素子102は、画像表示素子101とプリズム103Bの面103Bbとの間に配置されている。プリズム103Bの面103Baに、ホログラフィック光学素子104が被着されている。さらに、このホログラフィック光学素子104には、1/4波長板107およびプリズム108がこの順に被着されている。プリズム103Bの面103Bbに、ホログラフィック光学素子105が被着されている。
The prism 103B is trapezoidal in cross section and has four surfaces 103Ba to 103Bd. The imaging optical element 102 is disposed between the image display element 101 and the surface 103Bb of the prism 103B. The holographic
画像表示素子101からの射出光は、第1の偏光面を有する直線偏光であるs偏光とされている。ホログラフィック光学素子104,105は、上述の第1の偏光面とは直交する第2の偏光面を有する直線偏光であるp偏光に対して回折効率を有するものとされる。
The light emitted from the image display element 101 is s-polarized light that is linearly polarized light having a first polarization plane. The holographic
この画像表示装置100Dのその他の構成は、図8に示す画像表示装置100Bと同様とされている。
Other configurations of the image display device 100D are the same as those of the
この画像表示装置100Dにおいて、画像表示素子101から射出される射出光(s偏光)は、結像光学素子102、およびプリズム103Bを透過して、透過型ホログラフィック光学素子104に入射される。この透過型ホログラフィック光学素子104はp偏光に対して回折効率を有していることから、入射光(s偏光)は回折されずにそのまま透過して、1/4波長板107に入射される。
In the image display device 100D, the emitted light (s-polarized light) emitted from the image display element 101 is transmitted through the imaging optical element 102 and the prism 103B and is incident on the transmissive holographic
この1/4波長板107からは、入射光(s偏光)が円偏光とされて射出される。この1/4波長板107からの射出光(円偏光)はプリズム108に入射され、反射面108aで反射された後、当該プリズム108から射出される。このプリズム108からの射出光(円偏光)は、再び1/4波長板107に入射される。
From this quarter-wave plate 107, incident light (s-polarized light) is emitted as circularly polarized light. The emitted light (circularly polarized light) from the quarter wavelength plate 107 is incident on the
この1/4波長板107からは。入射光(円偏光)がp偏光とされて射出される。この1/4波長板107からの射出光(p偏光)は、結像光学素子102を透過して透過型ホログラフィック光学素子104に入射されて回折される。この透過型ホログラフィック光学素子104からの回折光は、プリズム103Bに、面103Baから入射光として入射される。
From this quarter-wave plate 107. Incident light (circularly polarized light) is emitted as p-polarized light. The emitted light (p-polarized light) from the quarter-wave plate 107 passes through the imaging optical element 102 and enters the transmissive holographic
プリズム103Bに入射された入射光は、面103Bbで全反射され、また面103Bcで全反射されて、プリズム103Bの面103Bbから射出される。このプリズム103Bからの射出光は、透過型ホログラフィック光学素子105に入射されて回折される。そして、この透過型ホログラフィック光学素子105からの回折光は、ユーザの瞳106に入射される。これにより、ユーザは、画像表示素子101に表示される画像を、虚像として認識できる。
The incident light that has entered the prism 103B is totally reflected by the surface 103Bb, is totally reflected by the surface 103Bc, and is emitted from the surface 103Bb of the prism 103B. The light emitted from the prism 103B is incident on the transmissive holographic
ここで、実際の光線の進行方向とは逆向きの光線追跡を考える。
瞳106から所定の画角を持った光線束が射出光として射出されたとする。この射出光は、ホログラフィック光学素子105に入射される。このホログラフィック光学素子105では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のp偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。
Here, consider ray tracing in the direction opposite to the actual traveling direction of rays.
It is assumed that a light beam having a predetermined angle of view is emitted from the pupil 106 as emitted light. This emitted light is incident on the holographic
ホログラフィック光学素子105からの回折光は、プリズム103Bに、その面103Bbから入射光として入射される。この入射光は、面103Bcで全反射された後、面103Bbに入射されて全反射される。この面103Bbで反射された反射光は、面103Baから射出される。
The diffracted light from the holographic
このプリズム103Bからの射出光はホログラフィック光学素子104に入射される。このホログラフィック光学素子104では、可視領域の、赤色の波長帯域、緑色の波長帯域および青色の波長帯域のp偏光成分が、任意のパワーをもって回折される。そして、このホログラフィック光学素子104からの回折光は、1/4波長板107に入射される。
Light emitted from the prism 103B enters the holographic
この1/4波長板107からは、入射光(p偏光)が円偏光とされて射出される。この1/4波長板107からの射出光(円偏光)はプリズム108に入射され、反射面108aで反射された後、当該プリズム108から射出される。このプリズム108からの射出光(円偏光)は、再び1/4波長板107に入射される。
From this quarter-wave plate 107, incident light (p-polarized light) is emitted as circularly polarized light. The emitted light (circularly polarized light) from the quarter-wave plate 107 enters the
この1/4波長板107からは、入射光(円偏光)がs偏光とされて射出される。この1/4波長板107からの射出光(s偏光)は、ホログラフィック光学素子104をそのまま回折されずに透過し、さらにプリズム103Bを透過し、結像光学素子102により、画像表示素子101の表示面上に集光される。この場合、瞳106の位置における光線、例えば平行光線は、画像表示素子101の表示面上に結像される。
From this quarter-wave plate 107, incident light (circularly polarized light) is emitted as s-polarized light. The emitted light (s-polarized light) from the quarter-wave plate 107 passes through the holographic
図10に示す画像表示装置100Dにおいては、面103Bcにカウンタープリズムを設けることで、図8に示す画像表示装置100Bと同様の効果を得ることができる。また、この図10に示す画像表示装置100Dにおいては、画像表示素子101からの射出光は、プリズム103Bを透過した後に、プリズム108の反射面108aで反射されて透過型ホログラフィック光学素子104で回折されてプリズム103Bに入射されるため、画像表示素子101をプリズム103Bに近接して配置でき、装置の小型化を図ることができる。
In the image display device 100D shown in FIG. 10, the same effect as the
なお、上述実施の形態においては、プリズム103,103A,103Bからの射出光を回折する透過型ホログラフィック光学素子105の他に、画像表示素子101からの射出光を回折してプリズム103,103A,103Bに入射する透過型ホログラフィック光学素子104を備えており、回折による色収差を相殺できるようにしている。しかし、画像表示素子101からの射出光(赤色光、緑色光、青色光)の波長帯域が比較的狭い場合には、色収差が問題とならなくなるため、透過型ホログラフィック光学素子104を備えない構成も考えることができる。
In the above-described embodiment, in addition to the transmissive holographic
また、上述実施の形態においては、プリズム103,103A,103Bに入射された入射光は、その内面で3回または2回だけ反射されて外部に射出されるものを示したが、プリズム内面で反射される回数はこれに限定されるものではない。要は、この発明は、プリズムで最終的に反射されて射出される射出光が透過型回折光学素子で回折されてユーザの瞳に入射される構成となっていればよい。
In the above-described embodiment, the incident light incident on the
この発明は、光利用効率を高くでき、かつ画角を大きして倍率を高くできるものであり、ビデオカメラのビューファインダや頭部装着型ディスプレイ等として使用して好適である。 The present invention can increase the light utilization efficiency, increase the angle of view and increase the magnification, and is suitable for use as a viewfinder of a video camera, a head-mounted display, or the like.
100,100A〜100D・・・画像表示装置、101・・・画像表示素子、102・・・結像光学素子、103,103A,103B・・・プリズム、104,105・・・偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子、106・・・ユーザの瞳、107・・・1/4波長板、108・・・プリズム、110・・・偏光選択性透過型ホログラフィック光学素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,100A-100D ... Image display apparatus, 101 ... Image display element, 102 ... Imaging optical element, 103, 103A, 103B ... Prism, 104, 105 ... Polarization selective transmission type Holographic optical element 106 ... User's pupil, 107 ... 1/4 wavelength plate, 108 ... Prism, 110 ... Polarization selective transmission holographic optical element
Claims (26)
上記画像表示素子からの射出光が入射光として入射され、該入射光を所定回数だけ複数の面で反射させた後に射出光として射出するプリズムと、
上記プリズムからの射出光を回折する第1の透過型回折光学素子と
を備えることを特徴とする画像表示装置。 An image display element;
The exit light from the image display element is incident as incident light, and the incident light is reflected by a plurality of surfaces a predetermined number of times and then emitted as exit light, and
An image display device comprising: a first transmissive diffractive optical element that diffracts light emitted from the prism.
上記画像表示素子からの射出光は上記プリズムに上記第1の面から入射光として入射され、該入射光は、上記第2の面、上記第1の面および上記第3の面で順次反射された後に、上記第1の面から射出される
ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 The prism has at least a first surface, a second surface, and a third surface,
Light emitted from the image display element is incident on the prism as incident light from the first surface, and the incident light is sequentially reflected by the second surface, the first surface, and the third surface. The image display device according to claim 1, wherein the image display device is emitted from the first surface.
ことを特徴とする請求項2に記載の画像表示装置。 The image display device according to claim 2, wherein at least one of the second surface and the third surface is a curved surface.
上記画像表示素子からの射出光は上記プリズムに上記第1の面から入射光として入射され、該入射光は、上記第2の面、第3の面および上記第4の面で順次反射された後に、上記第3の面から射出される
ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 The prism has at least a first surface, a second surface, a third surface, and a fourth surface,
The light emitted from the image display element is incident on the prism as incident light from the first surface, and the incident light is sequentially reflected by the second surface, the third surface, and the fourth surface. The image display device according to claim 1, wherein the image display device is emitted later from the third surface.
ことを特徴とする請求項4に記載の画像表示装置。 The image display device according to claim 4, wherein the fourth surface is a curved surface.
ことを特徴とする請求項4に記載の画像表示装置。 The image display device according to claim 4, wherein the second surface and the third surface are parallel to each other.
ことを特徴とする請求項4に記載の画像表示装置。 The image display apparatus according to claim 4, wherein a reflective diffractive optical element is provided on at least one of the second surface and the third surface of the prism on which the incident light is reflected.
上記画像表示素子からの射出光は上記プリズムに上記第1の面から入射光として入力され、該入射光は、上記第2の面および第3の面で順次反射された後に、上記第2の面から射出される
ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 The prism has at least a first surface, a second surface, and a third surface,
Light emitted from the image display element is input to the prism as incident light from the first surface, and the incident light is sequentially reflected by the second surface and the third surface, and then the second surface. The image display device according to claim 1, wherein the image display device is emitted from a surface.
ことを特徴とする請求項8に記載の画像表示装置。 The image display device according to claim 8, wherein the third surface is a curved surface.
ことを特徴とする請求項8に記載の画像表示装置。 The image display apparatus according to claim 8, wherein a reflection type diffractive optical element is provided on the second surface of the prism from which the incident light is reflected.
ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 The first transmission type diffractive optical element has diffraction efficiency with respect to a red wavelength band, a green wavelength band, and a blue wavelength band in a visible light region. The image display device described.
ことを特徴とする請求項11に記載の画像表示装置。 The first transmissive diffractive optical element includes a first layer having diffraction efficiency for the red wavelength band, a second layer having diffraction efficiency for the green wavelength band, and the blue color The image display device according to claim 11, comprising: a third layer having diffraction efficiency with respect to the wavelength band.
ことを特徴とする請求項12に記載の画像表示装置。 The first layer, the second layer, and the third layer of the first transmission type diffractive optical element are formed from the prism side from the second layer, the first layer, and the third layer, respectively. The image display device according to claim 12, wherein the image display device is arranged in the order of layers, or in the order of the second layer, the third layer, and the first layer.
ことを特徴とする請求項11に記載の画像表示装置。 The first transmission type diffractive optical element includes a first layer having diffraction efficiency with respect to the red wavelength band, and a second layer having diffraction efficiency with respect to the green to blue wavelength band. The image display device according to claim 11, wherein:
ことを特徴とする請求項14に記載の画像表示装置。 The first layer and the second layer of the first transmission type diffractive optical element are arranged in order of the second layer and the first layer from the prism side. The image display device according to claim 14.
ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 The image display apparatus according to claim 1, wherein the first transmissive diffractive optical element is a transmissive holographic optical element.
ことを特徴とする請求項16に記載の画像表示装置。 The image display apparatus according to claim 16, wherein the transmissive holographic optical element is configured by a single hologram layer having diffraction efficiency for a plurality of wavelength bands.
ことを特徴とする請求項16に記載の画像表示装置。 The image display apparatus according to claim 16, wherein the transmissive holographic optical element includes a plurality of hologram layers, and each of the plurality of hologram layers has a diffraction efficiency with respect to different wavelength bands.
ことを特徴とする請求項16に記載の画像表示装置。 The image display device according to claim 16, wherein the transmission type holographic optical element is a polarization selective transmission type holographic optical element.
瞳位置における光線を逆光線追跡したとき上記画像表示素子の表示面上に結像される光学系で構成され、
上記第1の透過型回折光学素子および上記第2の透過型回折光学素子は、同一の波長帯域に対して回折効率を有し、
上記第1の透過型回折光学素子における回折によって生じる波長分散と逆の波長分散を、上記第2の透過型回折光学素子における回折によって発生させることで、色分散した光線を結像位置に集光させる
ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 A second transmissive diffractive optical element that diffracts the light emitted from the image display element;
Consists of an optical system that forms an image on the display surface of the image display element when the light ray at the pupil position is traced back.
The first transmissive diffractive optical element and the second transmissive diffractive optical element have diffraction efficiency for the same wavelength band,
The chromatic dispersion opposite to the chromatic dispersion caused by the diffraction in the first transmissive diffractive optical element is generated by the diffraction in the second transmissive diffractive optical element, thereby condensing the chromatically dispersed light beam at the imaging position. The image display device according to claim 1, wherein:
ことを特徴とする請求項20に記載の画像表示装置。 When the light ray at the pupil position is traced in the reverse ray, the incident angle of the light emitted from the prism to the second transmission type diffractive optical element is substantially parallel over the entire angle of view. The image display device according to claim 20.
少なくとも、上記第2の透過型回折光学素子の上記第1の層、上記第2の層および上記第3の層は、上記プリズム側から、上記第3の層、上記第1の層および上記第2の層の順、または上記第1の層、上記第3の層および上記第2の層の順に配置されている
ことを特徴とする請求項20に記載の画像表示装置。 The first transmissive diffractive optical element and the second transmissive diffractive optical element include a first layer having diffraction efficiency with respect to a red wavelength band in the visible light region, and a green layer in the visible light region, respectively. A second layer having diffraction efficiency with respect to the wavelength band, and a third layer having diffraction efficiency with respect to the blue wavelength band in the visible light region,
At least the first layer, the second layer, and the third layer of the second transmission type diffractive optical element are arranged from the prism side to the third layer, the first layer, and the first layer. The image display device according to claim 20, wherein the image display device is arranged in the order of two layers, or in the order of the first layer, the third layer, and the second layer.
少なくとも、上記第2の透過型回折光学素子の上記第1の層および上記第2の層は、上記プリズム側から、上記第1の層および上記第2の層の順に配置されている
ことを特徴とする請求項20に記載の画像表示装置。 The first transmissive diffractive optical element and the second transmissive diffractive optical element are each formed of a first layer having diffraction efficiency with respect to a red wavelength band in the visible light region and green in the visible light region. A second layer having diffraction efficiency for the blue wavelength band,
At least the first layer and the second layer of the second transmission type diffractive optical element are arranged in order of the first layer and the second layer from the prism side. The image display device according to claim 20.
上記画像表示素子からの射出光は第1の偏光面を持つ第1の直線偏光であり、
上記第2の透過型回折光学素子は、上記第1の偏光面とは直交する第2の偏光面を持つ第2の直線偏光に対して回折効率を有し、
上記画像表示素子からの射出光は上記プリズムを透過するようにされ、
該透過された射出光は上記第2の透過型回折光学素子、上記1/4波長板、上記反射手段および上記1/4波長板を介して上記第2の透過型回折光学素子に入力されて回折され、
該第2の透過型回折光学素子からの回折光が上記プリズムに上記入射光として入射される
ことを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。 A second transmissive diffractive optical element, a quarter-wave plate, and reflecting means;
The light emitted from the image display element is a first linearly polarized light having a first polarization plane,
The second transmissive diffractive optical element has diffraction efficiency with respect to a second linearly polarized light having a second polarization plane orthogonal to the first polarization plane,
The light emitted from the image display element is transmitted through the prism,
The transmitted exit light is input to the second transmissive diffractive optical element via the second transmissive diffractive optical element, the ¼ wavelength plate, the reflecting means, and the ¼ wavelength plate. Diffracted,
The image display apparatus according to claim 1, wherein diffracted light from the second transmissive diffractive optical element is incident on the prism as the incident light.
上記画像表示素子からの射出光は、上記プリズムを、上記第2の面および上記第1の面を介して透過するようにされ、
該透過された射出光は、上記第2の透過型回折光学素子、上記1/4波長板、上記反射手段および上記1/4波長板を介して上記第2の透過型回折光学素子に入射されて回折され、
該第2の透過型回折光学素子からの回折光は上記プリズムに第1の面から入射光として入射され、該入射光は、上記第2の面、上記第3の面および上記第4の面で順次反射された後に、上記第3の面から射出される
ことを特徴とする請求項24に記載の画像表示装置。 The prism has a first surface, a second surface, a third surface, and a fourth surface,
The light emitted from the image display element is transmitted through the prism through the second surface and the first surface,
The transmitted exit light is incident on the second transmissive diffractive optical element via the second transmissive diffractive optical element, the ¼ wavelength plate, the reflecting means, and the ¼ wavelength plate. Diffracted
Diffracted light from the second transmissive diffractive optical element is incident on the prism as incident light from a first surface, and the incident light is incident on the second surface, the third surface, and the fourth surface. The image display apparatus according to claim 24, wherein the image display apparatus emits light from the third surface after being sequentially reflected by the light source.
上記画像表示素子からの射出光は、上記プリズムを、上記第2の面および第1の面を介して透過するようにされ、
該透過された射出光は、上記第2の透過型回折光学素子、上記1/4波長板、上記反射手段および上記1/4波長板を介して上記第2の透過型回折光学素子に入射されて回折され、
該第2の透過型回折光学素子からの回折光は上記プリズムに上記第1の面から入射光として入射され、該入射光は、上記第2の面および上記第3の面で順次反射された後、上記第2の面から射出される
ことを特徴とする請求項24に記載の画像表示装置。
The prism has a first surface, a second surface, and a third surface;
The light emitted from the image display element is transmitted through the prism through the second surface and the first surface,
The transmitted exit light is incident on the second transmissive diffractive optical element via the second transmissive diffractive optical element, the ¼ wavelength plate, the reflecting means, and the ¼ wavelength plate. Diffracted
Diffracted light from the second transmissive diffractive optical element is incident on the prism as incident light from the first surface, and the incident light is sequentially reflected by the second surface and the third surface. 25. The image display device according to claim 24, wherein the image display device is subsequently ejected from the second surface.
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