JP2016033867A - Optical member, illumination unit, wearable display, and image display apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本技術は、光学部材、それを用いた照明ユニット、ウェアラブルディスプレイ及び画像表示装置に関する。 The present technology relates to an optical member, an illumination unit using the optical member, a wearable display, and an image display device.
ユーザの頭部に装着され、眼前に配置されたディスプレイ等によってユーザ個人に画像を提示することが可能な、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)が知られている。 2. Description of the Related Art A head mounted display (HMD) is known that is mounted on a user's head and can present an image to the individual user with a display or the like disposed in front of the eyes.
特許文献1には、ヘッドマウントディスプレイ等に利用される虚像表示装置が開示されている。この虚像表示装置は、照明光源、ライトパイプ、画像表示素子を備えている。照明光源から発せられた光はライトパイプに伝送され、画像表示素子へ入射する。画像表示素子から出射された表示光は、導光板へ入射され、導光板の内部で全反射を繰り返すことで観察者の瞳に入射するように構成される。
ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブル機器においては、装着するユーザの負担を軽減するため、小型化及び軽量化が求められている。したがって、これらの機器に用いられる虚像表示装置においても、小型化の要求が高まっている。 In wearable devices such as a head-mounted display, reduction in size and weight is required in order to reduce the burden on the user who wears the device. Therefore, there is an increasing demand for miniaturization of virtual image display devices used in these devices.
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、小型に構成された照明ユニット及びそれに用いられる光学部材、並びにそれらを用いたウェアラブルディスプレイ及び画像表示装置を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present technology is to provide a lighting unit configured in a small size, an optical member used therefor, a wearable display using the same, and an image display device.
上記目的を達成するため、本技術に係る照明ユニットは、光変調素子に光を供給することが可能な照明ユニットであって、光源と、光学部材とを具備する。
上記光学部材は、上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置される。
In order to achieve the above object, an illumination unit according to the present technology is an illumination unit capable of supplying light to a light modulation element, and includes a light source and an optical member.
The optical member includes an incident portion where light is incident from the light source, an exit portion, and a curved surface portion capable of condensing the incident light toward the exit portion by internally reflecting the incident light. The light-transmitting material is disposed between the light source and the light modulation element.
上記照明ユニットによれば、光学部材の曲面部が集光作用を有するため、光学部材によって2次光源を形成することができる。これにより、光源から光変調素子までの光路長を短縮し、小型に構成することができるとともに、部品点数を減少させることが可能となる。 According to the illumination unit, since the curved surface portion of the optical member has a light collecting function, the secondary light source can be formed by the optical member. As a result, the optical path length from the light source to the light modulation element can be shortened, the size can be reduced, and the number of components can be reduced.
また、上記曲面部は、反射面が形成された反射膜を有してもよい。 Further, the curved surface portion may have a reflective film on which a reflective surface is formed.
これにより、全反射条件を考慮せずに曲面部を構成することができ、光学設計上の自由度を高めることができる。 As a result, the curved surface portion can be configured without considering the total reflection condition, and the degree of freedom in optical design can be increased.
具体的に、上記曲面部は、自由曲面を含んでいてもよい。 Specifically, the curved surface portion may include a free curved surface.
これにより、光学設計上の自由度をより高めることができ、所望の2次光源を形成することが容易になる。 Thereby, the freedom degree in optical design can be raised more and it becomes easy to form a desired secondary light source.
また、上記入射部は、
入射面と、
上記入射面から上記曲面部に向かって上記光源から発せられた光束を広げることが可能な光源拡大部とを有していてもよい。
The incident part is
An incident surface;
You may have the light source expansion part which can spread the light beam emitted from the said light source toward the said curved surface part from the said entrance plane.
上記光源拡大部により、光源の見かけ上の大きさを拡大することができる。 The apparent size of the light source can be enlarged by the light source enlargement unit.
また、上記光学部材は、上記曲面部及び上記出射部を含む本体部をさらに有し、
上記光源拡大部は、上記本体部と一体に形成されてもよい。
The optical member further includes a main body including the curved surface portion and the emitting portion,
The light source enlarging part may be formed integrally with the main body part.
これにより、本体部に対する光源拡大部の位置精度を高めることができるとともに、長期にわたり所望の光学特性を維持することができる。 Thereby, the position accuracy of the light source enlargement portion relative to the main body portion can be increased, and desired optical characteristics can be maintained over a long period of time.
また、上記曲面部は、第1の軸方向に沿って広げられた第1の光束が反射する第1の領域における第1の曲率と、上記第1の軸方向と直交する第2の軸方向に沿って広げられた第2の光束が反射する第2の領域における第2の曲率とを有していてもよい。 The curved surface portion includes a first curvature in a first region where the first light beam spread along the first axial direction is reflected, and a second axial direction orthogonal to the first axial direction. And a second curvature of the second region in which the second light beam spread along the line is reflected.
これにより、光変調素子のアスペクト比その他の画像表示装置の特性に鑑みて、所望の照明光を出射させることが可能となる。 This makes it possible to emit desired illumination light in view of the aspect ratio of the light modulation element and other characteristics of the image display device.
この場合、例えば、上記第1の曲率は、上記第2の曲率よりも小さい構成とすることができる。 In this case, for example, the first curvature may be smaller than the second curvature.
また、上記第1の曲率は、上記第1の光束をテレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率であり、
上記第2の曲率は、上記第2の光束を非テレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率とすることができる。
The first curvature is a curvature capable of reflecting the first light flux as telecentric illumination light.
The second curvature may be a curvature capable of reflecting the second light flux as non-telecentric illumination light.
これにより、上記照明ユニットが、例えばホログラムグレーティングと導光板とを備えた虚像光学ユニットに対して照明光を出射する場合に、当該導光板内における画像光の導光特性に適した照明光を形成することができる。 As a result, when the illumination unit emits illumination light to a virtual image optical unit including, for example, a hologram grating and a light guide plate, illumination light suitable for the light guide characteristics of the image light in the light guide plate is formed. can do.
また、上記透光性材料は、熱可塑性樹脂を含んでいてもよい。 Moreover, the said translucent material may contain the thermoplastic resin.
これにより、各種成形法により光学部材を容易に形成することができる。 Thereby, an optical member can be easily formed by various molding methods.
また、本技術に係る光学部材は、光源から発せられた光を光変調素子に供給することが可能な透光性材料で構成された光学部材であって、入射部と、出射部と、曲面部とを具備する。
上記入射部は、上記光源から発せられた光束が入射する入射面と、上記光束を広げることが可能な光源拡大部とを有し、上記光源から光が入射される。
上記曲面部は、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能に構成される。
An optical member according to the present technology is an optical member made of a translucent material capable of supplying light emitted from a light source to a light modulation element, and includes an incident portion, an emission portion, and a curved surface Part.
The incident part has an incident surface on which a light beam emitted from the light source is incident and a light source enlarging part capable of expanding the light beam, and light is incident from the light source.
The curved surface portion is configured to be capable of condensing the incident light by internally reflecting the incident light toward the emitting portion.
さらに、本技術に係るウェアラブルディスプレイは、照明ユニットと、光変調素子と、虚像光学ユニットとを具備する。
上記照明ユニットは、光源と、光学部材とを有する。
上記光学部材は、上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置される。
上記光変調素子は、上記照明ユニットから発せられた光を変調する。
上記虚像光学ユニットは、上記光変調素子からの画像光の虚像を生成する。
Furthermore, the wearable display according to the present technology includes an illumination unit, a light modulation element, and a virtual image optical unit.
The illumination unit includes a light source and an optical member.
The optical member includes an incident portion where light is incident from the light source, an exit portion, and a curved surface portion capable of condensing the incident light toward the exit portion by internally reflecting the incident light. The light-transmitting material is disposed between the light source and the light modulation element.
The light modulation element modulates light emitted from the illumination unit.
The virtual image optical unit generates a virtual image of image light from the light modulation element.
あるいは、本技術に係る画像表示装置は、照明ユニットと、光変調素子と、虚像光学ユニットとを具備する。
上記照明ユニットは、光源と、光学部材とを有する。
上記光学部材は、上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置される。
上記光変調素子は、上記照明ユニットから発せられた光を変調する。
上記虚像光学ユニットは、上記光変調素子からの画像光の虚像を生成する。
Alternatively, the image display device according to the present technology includes an illumination unit, a light modulation element, and a virtual image optical unit.
The illumination unit includes a light source and an optical member.
The optical member includes an incident portion where light is incident from the light source, an exit portion, and a curved surface portion capable of condensing the incident light toward the exit portion by internally reflecting the incident light. The light-transmitting material is disposed between the light source and the light modulation element.
The light modulation element modulates light emitted from the illumination unit.
The virtual image optical unit generates a virtual image of image light from the light modulation element.
以上のように、本技術によれば、小型に構成された照明ユニット及びそれに用いられる光学部材、並びにそれらを用いたウェアラブルディスプレイ及び画像表示装置を提供することができる。
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
As described above, according to the present technology, it is possible to provide a lighting unit configured in a small size, an optical member used in the lighting unit, and a wearable display and an image display device using them.
Note that the effects described here are not necessarily limited, and may be any of the effects described in the present disclosure.
以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments according to the present technology will be described with reference to the drawings.
(ウェアラブルディスプレイの全体構成)
図1は、本技術の一実施形態に係るウェアラブルディスプレイの一部を示す模式的な平面図である。なお、図中のX軸、Y軸及びZ軸方向は、相互に直交する3軸方向を示し、X軸方向は水平方向(左右方向)、Y軸方向は鉛直方向(上下方向)を示す。
(Wearable display overall configuration)
FIG. 1 is a schematic plan view showing a part of a wearable display according to an embodiment of the present technology. In the figure, the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions indicate three mutually orthogonal directions, the X-axis direction indicates a horizontal direction (left-right direction), and the Y-axis direction indicates a vertical direction (up-down direction).
ウェアラブルディスプレイ100は、頭部に装着可能な眼鏡型のディスプレイであり、同図はその主要部を示す。ウェアラブルディスプレイ100は、照明ユニット110、画像表示ユニット120、及び虚像光学ユニット130を備える。
The
虚像光学ユニット130の導光板133は、テンプル状の装着具やフレーム等によって、ウェアラブルディスプレイ100の装着者の眼前に保持されるように構成される。一方、照明ユニット110及び画像表示ユニット120は、例えば上記装着具に形成された筐体内部に配置される。
The
(照明ユニットの構成)
図2は、図1の要部をX軸方向から見た断面図である。同図において、瞳の位置は模式的に表されている。照明ユニット110は、光源111、光学部材10、偏光板112、及び拡散板113を有し、後述する光変調素子122に光を供給することが可能に構成される。
(Configuration of lighting unit)
FIG. 2 is a cross-sectional view of the main part of FIG. 1 viewed from the X-axis direction. In the figure, the position of the pupil is schematically represented. The
光源111は、例えばLED(Light Emitting Diode)で構成されるが、レーザ半導体やEL(Electro-Luminescence)等の照明が用いられてもよい。光源111は、例えば矩形の面光源とすることができる。また光源はRGBなど複数の色光源から構成されていてもよい。
Although the
光学部材10は、光源111から発せられた光を画像表示ユニット120側へ折り曲げ、かつ反射光を集光して光源111の2次光源を形成することが可能に構成される。光学部材10は、光源111と光変調素子122との間に配置され、本実施形態においては、光源111と偏光板112の間に配置される。光学部材10の詳細な構成は後述する。
The
偏光板112は、光学部材10から出射した光のうち特定の偏光成分(例えばp偏光成分又はs偏光成分)のみを通過させる板状の素子である。
The
拡散板113は、偏光板112から出射された光を拡散させて、照度ムラを抑制する板状の素子である。拡散板113の材料として、透明樹脂、ガラス、セラミックス等の透過性材料が用いられる。透明樹脂としては、例えば、ポリカーボネート、PET(ポリエチレンテレフタレート)等が用いられる。
The
(画像表示ユニットの構成)
図3は、図1の要部をY軸方向から見た断面図である。同図においても、瞳の位置は模式的に表されている。図2及び図3に示すように、画像表示ユニット120は、偏光ビームスプリッタ(PBS;Polarization Beam Splitter)121、及び光変調素子122を有する。
(Configuration of image display unit)
FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part of FIG. 1 viewed from the Y-axis direction. Also in the figure, the position of the pupil is schematically represented. As shown in FIGS. 2 and 3, the
偏光ビームスプリッタ121は、特定の偏光成分(例えばP偏光成分)を選択的に透過させるとともに、他方の偏光成分(例えばS偏光成分)を選択的に反射させる素子である。これにより、照明ユニット110からの照明光(例えばS偏光成分)が選択的に反射されて光変調素子122へ入射するとともに、この光変調素子122から出射した画像光L(例えばP偏光成分)が選択的に透過し、虚像光学ユニット130のコリメート光学系131へ入射することができる。
The
偏光ビームスプリッタ121は、キューブ型のものを用いることができるが、これに限定されない。
The
光変調素子122は、照明ユニット110から発せられた光を変調し、画像制御信号に基づく画像光Lを出射する。光変調素子122としては、例えば光反射型の液晶表示素子が用いられ、より具体的にはLCOS(Liquid Crystal On Silicon)等の液晶素子が用いられる。光反射型の液晶表示素子は、入射時と出射時とにおける各偏光成分(例えば、S偏光成分又はP偏光成分)を変化させる。なお、光変調素子122は、光透過型の液晶表示素子であってもよく、液晶表示素子は、単板式でも3板式でもよい。
The
図4は、光変調素子122を示す模式的な平面図である。同図に示すように、光変調素子122は、矩形の板状の入出射面122aを有する。入出射面122aは、照明ユニット110から入射された光束を変調し、画像光Lとして出射する。入出射面122aにおいて、図中の白抜き矢印で示す画像の正立方向はY軸方向と略平行であり、画像の正立方向と直交する左右方向はX軸方向と略平行である。
FIG. 4 is a schematic plan view showing the
(虚像光学ユニットの構成)
図5は、虚像光学ユニット130の要部の平面図であり、画像表示ユニット120側からZ軸方向に見た図である。図1及び図5に示すように、虚像光学ユニット130は、コリメート光学系131、アパーチャ132、導光板133、第1のホログラムグレーティング134、及び第2のホログラムグレーティング135を有し、光変調素子122からの画像光Lの虚像を生成する。
(Configuration of virtual image optical unit)
FIG. 5 is a plan view of the main part of the virtual image
コリメート光学系131は、導光板133へ向けて所定の画角の画像光Lを出射する。コリメート光学系131は、1又は複数のレンズを含む構成とすることができるが、これに限定されない。
The collimating
コリメート光学系131は、図3に示すXZ平面において、光変調素子122の入出射面122aに対して略垂直な第1の光束L1を入射させることができ、光変調素子122側を「物側」とした場合の物側テレセントリックな光学系を構成することができる。この場合の射出瞳は、装着者の瞳とする。コリメート光学系131は、例えば、第1の光束L1を、画角が互いに異なる複数の平行光束として導光板133へ出射する。
In the XZ plane shown in FIG. 3, the collimating
一方、図2に示すYZ平面においては、コリメート光学系131は、光変調素子122の入出射面122aの中心から離れるほど射出角が垂直から離れる第2の光束L2を入射させることができ、非テレセントリックな光学系を構成することができる。コリメート光学系131は、例えば、第2の光束L2を、画角が互いに異なる非平行な光束として導光板133へ出射する。
On the other hand, in the YZ plane shown in FIG. 2, the collimating
アパーチャ132は、コリメート光学系131と導光板133との間に接続されている。アパーチャ132は、図5に示すように、開口132aを有する。開口132aは、例えばX軸方向及びY軸方向に沿った矩形であり、後述するように、X軸方向及びY軸方向で開口132aの大きさが異なるように構成される。
The
導光板133は、導光板133のコリメート光学系131側に対向する第1の面133aと、第1の面133aに対向する第2の面133bとを有し、薄型の略平行平板状に構成される。第1の面133aには、入射口133cと、出射口133dとが形成される。入射口133cは、コリメート光学系131から画像光Lを入射させる。出射口133dは、瞳に向かって画像光Lを出射させる。
The
第1及び第2のホログラムグレーティング134,135は、いずれも、反射型体積ホログラムグレーティングとして構成され得る。
Each of the first and
第1のホログラムグレーティング134は、導光板133の第2の面133bの、入射口133cに対向する位置に配置される。第1のホログラムグレーティング134は、入射口133cから入射した光束の平行性を維持しつつ、導光板133における内部全反射条件を満たす角度で回折反射させる。
The first hologram grating 134 is disposed on the
第2のホログラムグレーティング135は、導光板133の第2の面133bの、出射口133dに対向する位置に配置される。第2のホログラムグレーティング135は、導光板133内を進行した光束を出射口133dへ向けて回折反射させる。
The second hologram grating 135 is disposed on the
次に、導光板133内の画像光Lの進行について説明する。
Next, the progression of the image light L in the
図1を参照し、入射口133cから導光板133内に入射した画像光Lは、Y軸方向には反射せず、Z軸方向に反射を繰り返しながらX軸方向に進行する。画像光Lに含まれる光束は、画角に応じてそれぞれ反射の回数が異なるため、光路長もそれぞれ異なる。第1の光束L1は、上述のように平行光束として導光板133に入射するため、光線の光路長が異なっても平行性が維持されるため、画像を乱すことはない。またこれにより、瞳の開口径(約3mm程度)とアパーチャ132のX軸方向における開口径を同程度の大きさに設定することができる。
Referring to FIG. 1, the image light L that has entered the
一方で、第2の光束L2について開口径が規定された瞳から逆光線追跡を行うと、図5に示すように、瞳(出射口133d)から各光線La,Lb,Lcの画角に応じてY軸方向に広がるように進行する。すなわち、第2の光束L2は、各光線La,Lb,Lcの画角に応じて、入射口133cから出射口133dへ向けて収束するように進行する。図5中のLa,Lb,Lcは、それぞれ画角の異なる光線を示すものとする。
On the other hand, when backward ray tracing is performed from the pupil whose aperture diameter is defined for the second light beam L2, as shown in FIG. 5, depending on the angle of view of each light beam La, Lb, Lc from the pupil (
これにより、アパーチャ132は、X軸方向に沿った開口径よりもY軸方向に沿った開口径の方が大きくなるように構成され、X軸方向よりもY軸方向に広がりを持つ画像光Lを入射させることが可能に構成される。
As a result, the
続いて、光学部材10について詳細に説明する。
Next, the
(光学部材の構成)
図6及び図7は、光学部材10の構成を示す図であり、図6は断面図、図7A,Bはそれぞれ異なる方向から見た斜視図、図7CはZ軸方向から入射部11を見た平面図である。
(Configuration of optical member)
6 and 7 are diagrams showing the configuration of the
光学部材10は、透光性材料で構成される。透光性材料は、熱可塑性樹脂を含んでいてもよい。これにより、各種成形法によって光学部材10を容易に成形することができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、シクロオレフィンポリマー(商品名 ゼオネックス(登録商標))、ポリメタクリ酸メチル樹脂(PMMA;Polymethyl methacrylate)、ポリカーボネート樹脂等を用いることができる。
The
光性材料の屈折率は、例えば、1.48以上、より好ましくは1.52以上とすることができる。これにより、所望の光学特性を実現することができる。 The refractive index of the optical material can be, for example, 1.48 or more, more preferably 1.52 or more. Thereby, desired optical characteristics can be realized.
光学部材10は、入射部11、曲面部12、及び出射部13とを備える。また、曲面部12及び出射部13を含む領域を、本体部19とする。
The
入射部11は、入射面14、及び光源拡大部15を有する。入射面14は、光源111から出射された光を入射させる。入射面14は、平坦な面であってもよいし、曲面であってもよい。
The
光源拡大部15は、例えば、入射面14が形成された入射口15aと、本体部19へ接続された出射口15bと、これらを連接する導光部15cとを有する。光源拡大部15は、入射口15aから入射した光束を導光部15cの内周面で内部反射させ、出射口15bへ出射させることが可能に構成される。すなわち、光源拡大部15は、ライトパイプ、ライトトンネル、又はロッド等の機能を有する。光源拡大部15は、導光部15cの周面に、反射率の高い金属(例えば銀、アルミニウム等)からなる膜を有していてもよい。
The light
光源拡大部15は、入射面14から曲面部12に向かって光源111から発せられた光束を広げることが可能であり、例えば、入射口15aよりも出射口15bの方が大きく構成される。光源拡大部15は、例えば導光部15cで1回反射するように構成された場合、光源111の複数の像を形成可能な光束を出射でき、結果として光源111よりも大きなサイズの2次光源を形成することができる。さらに、反射の回数を増加させるに従い、2次光源光の均一性を向上させることができる。
The light
光源拡大部15は、全方向に光線を広げることができる。例えば、光源拡大部15は、X軸方向(第1の軸方向)に沿って第1の光束L1を広げることができ、X軸方向と直交するY軸方向(第2の軸方向)に沿って第2の光束L2を広げることができる(図7A、図8参照)。
The light
光源拡大部15は、例えば、本体部19と一体に形成される。これにより、本体部19に対する光源拡大部15の位置精度が高められるとともに、製造上も一体に成形することが可能となる。
The light
曲面部12は、入射された光を出射部13へ向けて内部反射させて集光することが可能に構成される。すなわち、曲面部12は、正の屈折力を有する凹面鏡として構成され得る。曲面部12の集光作用により、より短い光路長で所望の大きさの2次光源を形成することができ、光源111から画像表示ユニット120へ要する光路長を短縮することができる。
The
曲面部12は、反射面16が形成された反射膜17を有する。曲面部12が反射膜17を有することにより、全反射条件等を考慮する必要がなく、設計上の自由度を高めることができる。
The
反射膜17は、例えば銀又はアルミニウムにより形成することができる。これにより、高い反射率を有する反射面16を形成することができる。また反射膜17は、例えば、蒸着により形成した蒸着膜とすることができる。これにより、反射膜17の密着性を高めることができる。
The
曲面部12は、自由曲面を含む構成とすることができ、本実施形態において、反射面16を自由曲面とすることができる。自由曲面とは、平面や円筒面、球面では表現できず、回転対称軸を有さない曲面形状のことをいう。このような曲面部12により、形状の自由度を高め、画像表示ユニット120や虚像光学ユニット130の光学設計に適合した2次光源を形成することができる。
The
出射部13は、出射面18を有し、曲面部12により反射された光を画像表示ユニット120に向けて出射する。出射面18は、例えば、凸レンズ面として構成されてもよい。これにより、上記反射光の集光性を高めることができる。より具体的に、出射面18は、自由曲面で構成されてもよい。
The
以上のような光学部材10は、例えば、曲面部12が1つの反射面16を有し、この反射面16と出射面18とが連接して構成される。本体部19は、反射面16と出射面18の他、反射面16及び出射面18と連接された2以上の非光学面20と、光源拡大部15が接続される本体部入射面21との少なくとも5面を有する。このような構成により、より小型の光学部材10を実現することができる。
続いて、光学部材10の曲面部12の詳細な形状についてさらに説明する。
In the
Next, the detailed shape of the
(曲面部の形状)
図8は、曲面部12における曲率と光束との関係を示す図であり、AはY軸方向から見た断面図、BはX軸方向から見た断面図である。図7A及び図8を参照し、曲面部12は、光源拡大部15により広げられた第1の光束L1が反射する第1の領域S1における第1の曲率と、第2の光束L2が反射する第2の領域S2における第2の曲率とを有していてもよい。本実施形態において、第1の曲率は、第2の曲率と異なる曲率とすることができる。すなわち、図8に示すように、第1の曲率は第1の曲率半径R1を有し、第2の曲率は第1の曲率半径R1と異なる第2の曲率半径R2を有する。
(Shape of curved surface)
8A and 8B are diagrams showing the relationship between the curvature and the light flux in the
上述のように第1の光束L1は、X軸方向に沿って広げられた光であり、曲面部12で反射して光変調素子122のX軸方向に沿った領域に入射する。図4に示すように、X軸方向は、光変調素子122により生成された画像の正立方向に直交する方向に対応する。その後、第1の光束L1は、図3に示すように、略平行にコリメート光学系131に入射し、導光板133を平行光束として導光され出射口133dから出射される。
As described above, the first light beam L1 is light that is spread along the X-axis direction, is reflected by the
このため、第1の光束L1は、曲面部12においても略平行な光線を含む光束として反射され得る。すなわち、第1の曲率は、例えば第1の光束L1をテレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率で構成される。
For this reason, the first light beam L1 can be reflected on the
一方、第2の光束L2は、Y軸方向に沿って広げられた光であり、曲面部12で反射して光変調素子122のY軸方向に沿った領域に入射する。図4に示すように、Y軸方向は、本実施形態において、光変調素子122により生成された画像の正立方向に対応する。その後、第2の光束L2は、図2に示すように、非平行な光束としてコリメート光学系131に入射し、導光板133に入射する。第2の光束L2は、上述のように、その画角に応じて導光板133内を出射口133dに向かって収束するように導光され(図5参照)、出射口133dから出射する。
On the other hand, the second light beam L2 is light that is spread along the Y-axis direction, is reflected by the
このため、第2の光束L2は、曲面部12において平行な光線を含まない光束として反射され得る。すなわち、第2の曲率は、例えば第2の光束L2を非テレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率で構成される。より具体的には、第2の曲率は、第2の光束L2を光学部材10と光変調素子122の間で集光させることが可能な曲率であって、X軸方向から見たYZ平面においてケーラー照明系を構成することが可能な曲率で構成され得る。これにより、より均一な輝度の2次照明光を形成することができる。
For this reason, the second light beam L2 can be reflected as a light beam that does not include parallel light rays on the
また、上記光学設計を実現するため、第1の曲率は、第2の曲率よりも小さい値となり得る。すなわち、第1の曲率半径R1は、第2の曲率半径R2よりも大きい値となり得る。 Moreover, in order to implement | achieve the said optical design, a 1st curvature can be a value smaller than a 2nd curvature. That is, the first radius of curvature R1 can be larger than the second radius of curvature R2.
以下、光学部材10の設計例を示す。但し、光学部材10は、以下の構成に限定されない。
Hereinafter, design examples of the
図9は、光学部材10の一実施例を示す断面図である。同図に示すように、点Oを座標原点に取り、基準座標系として図のようなxyz座標系を設定する。ここで、x軸はX軸に、y軸はZ軸に、z軸はY軸に対応する。また、So1は入射面14のローカル座標系における原点、So2は反射面16のローカル座標系における原点、So3は出射面18のローカル座標系における原点とする。なお、以下の数値の単位は、mmとする。また、同図において、反射膜の図示は省略している。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing an embodiment of the
So1のxyz座標系における座標は、以下の式(1)、式(2)で表される。なお、θxは、x軸を正方向に左回転させる方向を正の向きとする。
(x1、y1)=(6.2,2.65)…式(1)
θx=85.2(度)…式(2)
So2のxyz座標系における座標は、以下の式(3)、式(4)で表される。
(x2、y2)=(−0.086,3.41)…式(3)
θx=+43.05(度)…式(4)
So3のxyz座標系における座標は、以下の式(5)式(6)で表される。
(x3、y3)=(−0.1,0)…式(5)
θx=+9.1(度)…式(6)
The coordinates of So1 in the xyz coordinate system are expressed by the following formulas (1) and (2). Note that θx is a positive direction in which the x-axis is rotated counterclockwise in the positive direction.
(X1, y1) = (6.2, 2.65) (1)
θx = 85.2 (degrees) (2)
The coordinates of So2 in the xyz coordinate system are expressed by the following equations (3) and (4).
(X2, y2) = (− 0.086, 3.41) (3)
θx = + 43.05 (degrees) (4)
The coordinates of So3 in the xyz coordinate system are expressed by the following equations (5) and (6).
(X3, y3) = (− 0.1, 0) (5)
θx = + 9.1 (degrees) (6)
また、入射面14の短辺の長さt1は1.30、光源拡大部15の長さt2は3.00、入射面14と導光部15cの周面とのなす角度αは104.0度とすることができる。
Further, the length t1 of the short side of the
一方、自由曲面形状は、一般に、基準となるxyz座標系からの各ローカル座標系のサグ量をZとして、以下の式(7)で表される。 On the other hand, the free-form surface shape is generally expressed by the following equation (7), where Z is the sag amount of each local coordinate system from the reference xyz coordinate system.
式(7)において、A,B,C,D,E,Fは、それぞれ各項の係数である。これらの係数は、例えば、以下の表1に示す数値とすることができる。 In Expression (7), A, B, C, D, E, and F are coefficients of respective terms. These coefficients can be the numerical values shown in Table 1 below, for example.
上記構成により、本実施形態の光学部材10を実現することができる。
With the above configuration, the
以上、本実施形態によれば、光学部材10が曲面部12を有するため、強力な集光作用を発揮することができる。したがって、光源111から光変調素子122までの距離の短縮化を図ることができる。
以下、参照例を用いて光学部材10及び照明ユニット110の作用効果を説明する。
As mentioned above, according to this embodiment, since the
Hereinafter, the effects of the
図10は、本実施形態の参照例に係る照明ユニット310を示す断面図である。同図に示すように、照明ユニット310は、光源111、ライトパイプ312、反射ミラー313、集光レンズ314、偏光板112、拡散板113を有する。この照明ユニット310は、反射ミラー313で反射した光を集光レンズ314により集光し、2次光源を形成することが可能に構成される。なお、光源111、偏光板112、拡散板113等は上述の構成と同様であるため、説明を省略する。
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an
同図に示すように、光学部材10を用いずに光変調素子122への照明光を生成する照明光学系を構成しようとした場合、より多くの部品が必要であった。これにより、光路長が長くなり、構成の小型化が難しかった。また、各部品間を精度よく配置することが難しく、長期的な信頼性を維持することも難しかった。加えて、集光レンズ315を十分な集光性を確保することができる程度の凸面で構成しなければならず、やはり構成の小型化が妨げられた。
As shown in the figure, when an illumination optical system that generates illumination light to the
したがって、同図の破線で示す光学部材10によれば、上記照明ユニット310の構成と比較して、照明ユニット110の小型化を実現することができる。さらに、光学部材10は、ライトパイプ機能を有する光源拡大部15を有するため、上述のライトパイプ312の構成を不要とし、より小型化に貢献することができる。また、光源拡大部15が本体部19と一体化しているため、光学的な位置精度をより高めることができる。
Therefore, according to the
また、光学部材10によれば、曲面部12の反射面16と出射部13の出射面18とが連接しているため、曲面部12で反射された光線を即出射部13から出射させることができ、より小型化を実現することができる。
Further, according to the
さらに、本実施形態に係る光学部材10(照明ユニット110)を有するウェアラブルディスプレイ100によれば、装置全体の小型化・軽量化を図ることができる。また、部品数の減少により、光学的な位置精度を高めることができるとともに、生産時の組み立てを容易にし、生産性を高めることができる。
Furthermore, according to the
また、曲面部12が自由曲面を含むことから、虚像光学ユニット130を有するウェアラブルディスプレイ100に対して最適な照明光学系を提供することができる。
In addition, since the
さらに、本技術は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更され得る。 Furthermore, the present technology is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present disclosure.
例えば、出射部13の出射面18は、図11に示すように、フレネルレンズ面として構成されてもよい。これにより、出射面18を、薄型かつ所望のレンズ機能を有する面とすることができる。
For example, the
また出射面18は、拡散機能を有する面として構成されてもよい。より具体的には、出射面18は、スクリーン印刷等されてもよいし、微細なレンズアレイ状に構成されてもよい。この場合、出射面18は、平坦面でもよいし、曲面であってもよい。
Further, the
以上の実施形態では、曲面部12が金属製の反射膜を有するとしたが、これに限定されない。例えば、曲面部は、反射面が形成されたワイヤグリッドを有する構成であってもよい。これにより、反射面において特定の偏光成分のみ反射させることができる。したがって偏光板を不要とし、さらなる小型化に貢献することができる。
In the above embodiment, the
また、以上の実施形態では、光源拡大部15が本体部19と一体化していると説明したが、これに限定されない。例えば、光源拡大部15は、透光性材料からなる接着材を介して本体部19に接合されていてもよい。また、光源拡大部15は、ライトパイプ状の構成に限定されず、例えばマイクロレンズアレイ等の構造を用いてもよい。
Moreover, although the light
以上の実施形態では、照明ユニット110が偏光板112及び拡散板113を有すると説明したが、いずれか一方のみ有していてもよいし、いずれも有さない構成としてもよい。
In the above embodiment, although it demonstrated that the
また、画像表示ユニット120は、偏光ビームスプリッタ121を含む構成に限定されず、光変調素子122の構成に応じて適宜構成することができる。光変調素子122も、液晶表示素子に限定されず、例えばデジタルマイクロミラーデバイス(DMD;Digital Micromirror Device)等を用いてもよい。さらに、虚像光学ユニット130も、上記構成に限定されない。
The
また、以上の実施形態に係る光学素子及び照明ユニットは、ウェアラブルディスプレイに適用される例に限定されない。例えば、光学素子及び照明ユニットは、プロジェクタ装置、PC(Personal Computer)、タブレットPC、スマートフォン、タブレット端末等、光変調素子により画像表示を行う種々の画像表示装置に搭載されることができる。 Moreover, the optical element and the illumination unit according to the above embodiment are not limited to examples applied to a wearable display. For example, the optical element and the illumination unit can be mounted on various image display devices that perform image display using a light modulation element, such as a projector device, a PC (Personal Computer), a tablet PC, a smartphone, and a tablet terminal.
なお、本技術は以下のような構成もとることができる。
(1)光変調素子に光を供給することが可能な照明ユニットであって、
光源と、
上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置された光学部材と
を具備する照明ユニット。
(2)上記(1)に記載の照明ユニットであって、
上記曲面部は、反射面が形成された反射膜を有する
照明ユニット。
(3)上記(1)又は(2)に記載の照明ユニットであって、
上記曲面部は、自由曲面を含む
照明ユニット。
(4)上記(1)から(3)のうちいずれか1つに記載の照明ユニットであって、
上記入射部は、
入射面と、
上記入射面から上記曲面部に向かって上記光源から発せられた光束を広げることが可能な光源拡大部とを有する
照明ユニット。
(5)上記(4)に記載の照明ユニットであって、
上記光学部材は、上記曲面部及び上記出射部を含む本体部をさらに有し、
上記光源拡大部は、上記本体部と一体に形成される
照明ユニット。
(6)上記(4)又は(5)に記載の照明ユニットであって、
上記曲面部は、第1の軸方向に沿って広げられた第1の光束が反射する第1の領域における第1の曲率と、上記第1の軸方向と直交する第2の軸方向に沿って広げられた第2の光束が反射する第2の領域における第2の曲率とを有する
照明ユニット。
(7)上記(6)に記載の照明ユニットであって、
上記第1の軸方向は、上記光変調素子により生成された画像の正立方向と直交する方向に対応し、
上記第2の軸方向は、上記画像の上記正立方向に対応する
照明ユニット。
(8)上記(7)に記載の照明ユニットであって、
上記第1の曲率は、上記第2の曲率よりも小さい
照明ユニット。
(9)上記(7)又は(8)に記載の照明ユニットであって、
上記第1の曲率は、上記第1の光束をテレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率であり、
上記第2の曲率は、上記第2の光束を非テレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率である
照明ユニット。
(10)上記(1)から(9)のうちいずれか1つに記載の照明ユニットであって、
上記透光性材料は、熱可塑性樹脂を含む
照明ユニット。
(11)光源から発せられた光を光変調素子に供給することが可能な光学部材であって、
上記光源から発せられた光束が入射する入射面と、上記光束を広げることが可能な光源拡大部とを有し、上記光源から光が入射される入射部と、
出射部と、
上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部と
を具備する透光性材料で構成された光学部材。
(12) 光源と、
上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置された光学部材と
を有する照明ユニットと、
上記照明ユニットから発せられた光を変調する光変調素子と、
上記光変調素子からの画像光の虚像を生成する虚像光学ユニットと
を具備するウェアラブルディスプレイ。
(13) 光源と、
上記光源から光が入射される入射部と、出射部と、上記入射された光を上記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され上記光源と上記光変調素子との間に配置された光学部材と
を有する照明ユニットと、
上記照明ユニットから発せられた光を変調する光変調素子と、
上記光変調素子からの画像光の虚像を生成する虚像光学ユニットと
を具備する画像表示装置。
In addition, this technique can also take the following structures.
(1) An illumination unit capable of supplying light to a light modulation element,
A light source;
A translucent material having an incident part into which light is incident from the light source, an emitting part, and a curved surface part capable of internally reflecting and condensing the incident light toward the emitting part An illumination unit comprising: an optical member configured between the light source and the light modulation element.
(2) The lighting unit according to (1) above,
The curved surface portion has a reflection film on which a reflection surface is formed.
(3) The illumination unit according to (1) or (2) above,
The curved surface portion includes a free curved surface.
(4) The lighting unit according to any one of (1) to (3) above,
The incident part is
An incident surface;
An illumination unit comprising: a light source expansion unit capable of expanding a light beam emitted from the light source from the incident surface toward the curved surface portion.
(5) The illumination unit according to (4) above,
The optical member further includes a main body portion including the curved surface portion and the emitting portion,
The light source enlargement unit is an illumination unit formed integrally with the main body unit.
(6) The illumination unit according to (4) or (5) above,
The curved surface portion extends along a first curvature in a first region in which a first light beam spread along the first axial direction is reflected, and a second axial direction orthogonal to the first axial direction. And a second curvature in a second region where the second light beam spread out is reflected.
(7) The illumination unit according to (6) above,
The first axial direction corresponds to a direction orthogonal to the erect direction of the image generated by the light modulation element,
The second axial direction corresponds to the upright direction of the image.
(8) The illumination unit according to (7) above,
The first curvature is smaller than the second curvature.
(9) The illumination unit according to (7) or (8) above,
The first curvature is a curvature capable of reflecting the first light flux as telecentric illumination light,
The second curvature is a curvature capable of reflecting the second light flux as non-telecentric illumination light.
(10) The illumination unit according to any one of (1) to (9) above,
The translucent material is a lighting unit including a thermoplastic resin.
(11) An optical member capable of supplying light emitted from a light source to a light modulation element,
An incident surface on which a light beam emitted from the light source is incident; a light source enlargement unit capable of expanding the light beam; an incident unit on which light is incident from the light source;
An emission part;
An optical member made of a translucent material, comprising: a curved surface portion capable of internally reflecting and condensing the incident light toward the emitting portion.
(12) a light source;
A translucent material having an incident part into which light is incident from the light source, an emitting part, and a curved surface part capable of internally reflecting and condensing the incident light toward the emitting part An illumination unit comprising: an optical member configured between the light source and the light modulation element;
A light modulation element that modulates light emitted from the illumination unit;
A wearable display comprising: a virtual image optical unit that generates a virtual image of image light from the light modulation element.
(13) a light source;
A translucent material having an incident part into which light is incident from the light source, an emitting part, and a curved surface part capable of internally reflecting and condensing the incident light toward the emitting part An illumination unit comprising: an optical member configured between the light source and the light modulation element;
A light modulation element that modulates light emitted from the illumination unit;
An image display device comprising: a virtual image optical unit that generates a virtual image of image light from the light modulation element.
10…光学部材
11…入射部
12…曲面部
13…出射部
14…入射面
15…光拡散部
16…反射面
17…反射膜
18…出射面
100…ウェアラブルディスプレイ
110…照明ユニット
111…光源
122…光変調素子
130…虚像光学ユニット
DESCRIPTION OF
Claims (13)
光源と、
前記光源から光が入射される入射部と、出射部と、前記入射された光を前記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され前記光源と前記光変調素子との間に配置された光学部材と
を具備する照明ユニット。 An illumination unit capable of supplying light to a light modulation element,
A light source;
A translucent material having an incident part into which light is incident from the light source, an emitting part, and a curved surface part capable of internally reflecting and condensing the incident light toward the emitting part An illumination unit comprising: an optical member configured between the light source and the light modulation element.
前記曲面部は、反射面が形成された反射膜を有する
照明ユニット。 The lighting unit according to claim 1,
The curved surface portion has a reflection film on which a reflection surface is formed.
前記曲面部は、自由曲面を含む
照明ユニット。 The lighting unit according to claim 1,
The curved surface portion includes a free curved surface.
前記入射部は、
入射面と、
前記入射面から前記曲面部に向かって前記光源から発せられた光束を広げることが可能な光源拡大部とを有する
照明ユニット。 The lighting unit according to claim 1,
The incident portion is
An incident surface;
An illumination unit, comprising: a light source expansion unit capable of expanding a light beam emitted from the light source from the incident surface toward the curved surface portion.
前記光学部材は、前記曲面部及び前記出射部を含む本体部をさらに有し、
前記光源拡大部は、前記本体部と一体に形成される
照明ユニット。 The lighting unit according to claim 4,
The optical member further includes a main body portion including the curved surface portion and the emitting portion,
The light source enlarging part is formed integrally with the main body part.
前記曲面部は、第1の軸方向に沿って広げられた第1の光束が反射する第1の領域における第1の曲率と、前記第1の軸方向と直交する第2の軸方向に沿って広げられた第2の光束が反射する第2の領域における第2の曲率とを有する
照明ユニット。 The lighting unit according to claim 4,
The curved surface portion extends along a first curvature in a first region in which a first light beam spread along the first axial direction is reflected, and a second axial direction orthogonal to the first axial direction. And a second curvature in a second region where the second light beam spread out is reflected.
前記第1の軸方向は、前記光変調素子により生成された画像の正立方向と直交する方向に対応し、
前記第2の軸方向は、前記画像の前記正立方向に対応する
照明ユニット。 The lighting unit according to claim 6,
The first axial direction corresponds to a direction orthogonal to an erect direction of an image generated by the light modulation element;
The second axial direction corresponds to the upright direction of the image.
前記第1の曲率は、前記第2の曲率よりも小さい
照明ユニット。 The lighting unit according to claim 7,
The first curvature is smaller than the second curvature.
前記第1の曲率は、前記第1の光束をテレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率であり、
前記第2の曲率は、前記第2の光束を非テレセントリックな照明光として反射させることが可能な曲率である
照明ユニット。 The lighting unit according to claim 7,
The first curvature is a curvature capable of reflecting the first light flux as telecentric illumination light,
The second curvature is a curvature capable of reflecting the second light flux as non-telecentric illumination light.
前記透光性材料は、熱可塑性樹脂を含む
照明ユニット。 The lighting unit according to claim 1,
The translucent material includes a thermoplastic resin.
前記光源から発せられた光束が入射する入射面と、前記光束を広げることが可能な光源拡大部とを有し、前記光源から光が入射される入射部と、
出射部と、
前記入射された光を前記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部と
を具備する透光性材料で構成された光学部材。 An optical member capable of supplying light emitted from a light source to a light modulation element,
An incident surface on which a light beam emitted from the light source is incident; a light source enlargement unit capable of expanding the light beam; an incident unit on which light is incident from the light source;
An emission part;
An optical member made of a translucent material, comprising: a curved surface portion capable of internally reflecting the incident light toward the emitting portion and collecting the incident light.
前記光源から光が入射される入射部と、出射部と、前記入射された光を前記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され前記光源と前記光変調素子との間に配置された光学部材と
を有する照明ユニットと、
前記照明ユニットから発せられた光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子からの画像光の虚像を生成する虚像光学ユニットと
を具備するウェアラブルディスプレイ。 A light source;
A translucent material having an incident part into which light is incident from the light source, an emitting part, and a curved surface part capable of internally reflecting and condensing the incident light toward the emitting part An illumination unit comprising: an optical member configured between the light source and the light modulation element;
A light modulation element that modulates light emitted from the illumination unit;
A wearable display comprising: a virtual image optical unit that generates a virtual image of image light from the light modulation element.
前記光源から光が入射される入射部と、出射部と、前記入射された光を前記出射部へ向けて内部反射させて集光することが可能な曲面部とを有し、透光性材料で構成され前記光源と前記光変調素子との間に配置された光学部材と
を有する照明ユニットと、
前記照明ユニットから発せられた光を変調する光変調素子と
を具備する画像表示装置。 A light source;
A translucent material having an incident part into which light is incident from the light source, an emitting part, and a curved surface part capable of internally reflecting and condensing the incident light toward the emitting part An illumination unit comprising: an optical member configured between the light source and the light modulation element;
An image display device comprising: a light modulation element that modulates light emitted from the illumination unit.
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