JP4273831B2 - Video display device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムを含む接眼光学系によって映像を提供する映像表示装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光源からの光を液晶表示器等の変調素子によって変調して映像光とし、ホログラムを用いる接眼光学系によって映像光を観察者の眼に導く映像表示装置が、小型軽量の映像提供手段として注目されている。このような映像表示装置は、例えば眼鏡の如き形状として眼前に装着する構成とし、外界の像に重ねて映像を提供することも可能である。異なる波長帯域の光を発する複数の光源を備えれば、カラー映像を提供することもできる。
【0003】
接眼光学系を介して映像を提供する映像表示装置では、けられのない映像を提供するために、射出瞳を大きくすることが望ましい。射出瞳を大きくすることで、観察が容易になり、また、両眼に映像を提供する場合は、眼幅(左右の眼の間隔)の個人差を許容することができる。
【0004】
接眼光学系にホログラムを用いる構成で、射出瞳を大きくする技術がいくつか提案されている。例えば、特開平6−118234号公報では、1枚のホログラムを複数の要素ホログラムに領域分割して露光し、異なる領域からの光束が重なり合わないよう射出瞳を形成することで、射出瞳の拡大を図っている。ただし、この方法では、ホログラムの一部の領域からの光しか瞳に入射しないので、提供する映像は暗くなる。
【0005】
米国特許5363220号では、ホログラムをコンバイナとして用いたヘッドアップディスプレイにおいて、ホログラムの回折効率を広い波長帯域にわたって一定とすることで、瞳を拡大するようにしている。しかし、広い波長帯域にわたって回折が生じるようにすると、外界からの光の透過率が低くなり、外界の像が暗くなって観察し難くなる。
【0006】
【特許文献1】
特開平6−118234号公報
【特許文献2】
米国特許5363220号
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ホログラムは、大きな波長選択性および角度選択性を有しているため、光の波長や入射角によって回折効率が大きく異なる。したがって、ホログラムを接眼光学系に用いる映像表示装置では、射出瞳での光束はホログラムの回折効率の影響を特に受け易く、射出瞳の大きさは、ホログラムの設定に加えて、映像光の波長やホログラムへの入射角に依存する。
【0008】
ところが、射出瞳を大きくする方法としては、上記のようにホログラム自体を工夫することが行われているのみで、映像光の設定によって射出瞳を大きくすることは行われていない。このため、射出瞳を大きくすることはできても、提供する映像が暗くなったり外界の像の観察が困難になったりするという不都合が伴っている。
【0009】
本発明は、このような現状に鑑みてなされたもので、ホログラムを接眼光学系に用いた映像表示装置であって、射出瞳が大きく高品位の映像を提供することが可能なものを実現することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第1の発明の映像表示装置は、異なる波長帯域の光を含む映像光を生成する生成手段、および生成手段からの映像光が表す映像を観察者に提供する接眼光学系より成る映像表示装置であって、接眼光学系がホログラムを含むものにおいて、互いに異なる少なくとも3つの波長帯域を持つ第1の光,第2の光,第3の光が映像光に含まれ、第1の光の波長帯域と第2の光の波長帯域が、400nmから500nmまでの第1の波長範囲、500nmから600nmまでの第2の波長範囲、および600nmから700nmまでの第3の波長範囲のうちのいずれか1つの同じ波長範囲に収まり、第3の光の波長帯域が、第1〜第3の波長範囲のうちの、第1の光と第2の光が収まる波長範囲とは異なる波長範囲に収まり、第1の光の射出瞳と第2の光の射出瞳が互いにずれていて部分的に重なり、第3の光の射出瞳が第1の光の射出瞳と第2の光の射出瞳の全体に略一致することを特徴とする。
【0011】
この映像表示装置では、全体としての射出瞳が単一の波長帯域の光の射出瞳よりも大きくなるため、けられなく映像を観察することが可能な観察者の眼と装置との相対位置の範囲が広がる。したがって、観察者の眼と装置との相対位置に変動が生じ易くなる眼鏡状の形態とする場合に、特に好適である。しかも、映像光に複数の波長帯域の光が含まれるため、大きな射出瞳を有しながら、明るい映像を提供することができる。この映像表示装置では、映像光に、青色領域(波長400〜500nm)、緑色領域(500〜600nm)、赤色領域(600〜700nm)のうちの少なくとも2つの領域の光が含まれる。第1、第2の光は、波長帯域は異なるものの同じ色領域に属し、それらの射出瞳は部分的に重なって、大きな射出瞳を形成する。第3の光は、第1、第2の光とは異なる色領域に属し、その射出瞳は、第1、第2の光の射出瞳が形成する大きな射出瞳に略一致する。したがって、全体として大きな射出瞳を有するとともに、モノクロームではなくカラーの映像を、色むらなく提供することができる。しかも、生成手段が光源からの光を変調して映像光とする構成では、発する光の波長帯域が特に広い光源を第3の光の光源として用い、波長帯域の狭い光源を第1、第2の光の光源として用いることで、波長帯域の広い光源の特長を十分生かしながら、色バランスのよいカラー映像を提供することが可能になる。
【0012】
第1の光の射出瞳と第2の光の射出瞳が部分的に重なるため、明るい映像を提供することができる。また、映像光に含まれる全ての光の波長帯域が幅100nmの波長範囲に収まるようにするとよい。このようにすると、個々の光の色の差が少ないため、観察者の眼と装置との相対位置によって観察される映像の色が変化するのを抑えることができる。特に、第1,第2の光の射出瞳が部分的に重なる設定では、光の色に大きな差があると射出瞳の重なる部分において色むらが生じるが、そのような色むらが観察されるのも避けることができる。
【0013】
第2の発明の映像表示装置は、上記第1の発明において、前記映像光に第4の光が含まれ、第4の光の波長帯域が、前記第1〜第3の光が収まる波長範囲とは異なる別の波長範囲に収まり、第4の光の射出瞳が、前記第3の光の射出瞳に略一致し、かつ、前記第1の光の射出瞳と前記第2の光の射出瞳の全体に略一致することを特徴とする。
【0014】
第3の発明の映像表示装置は、上記第1又は第2の発明において、前記映像光を生成する生成手段は、異なる波長帯域の光で発光する光源と、光源からの光を変調して映像光とする液晶表示器を含むことを特徴とする。
【0015】
第4の発明の映像表示装置は、上記第1〜第3のいずれか1つの発明において、前記第1の光と前記第2の光の波長帯域は、600nmから700nmまでの第3の波長範囲に含まれることを特徴とする。
第5の発明の映像表示装置は、上記第1〜第4のいずれか1つの発明において、前記第1の光と前記第2の光は、同一の干渉縞により回折されて、異なる射出瞳を形成することを特徴とする。
【0016】
第6の発明の映像表示装置は、上記第1〜第5のいずれか1つの発明において、前記第1の光の波長帯域と前記第2の光の波長帯域において、その最長波長と最短波長との差が100nm以下であることを特徴とする。
第7の発明の映像表示装置は、上記第1〜第6のいずれか1つの発明において、前記第3の光の波長帯域は、前記第1の光の波長帯域と第2の光の波長帯域よりも広いことを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
まず、ホログラムの特徴について説明する。ホログラムには透過型と反射型がある。透過型ホログラムは再生時に光が直進するように作製する。一方、反射型ホログラムは、作製時の光(レーザ光)の方向によって、再生時の光の入射角と反射角(回折角)とを任意に設定することができる。入射角および回折角を45゜とした反射型ホログラムの再生光路を図1に示す。
【0018】
ホログラムは波長選択性を有し、回折を生じさせ得る波長帯域が限られる。反射型ホログラム、透過型ホログラムのいずれにおいても、回折させる波長帯域の広さは、感材の屈折率変調差、膜厚、露光条件に依存し、作製時の光の入射角にも依存する。しかし、一般に、反射型ホログラムの回折半値幅は15nm程度、透過型ホログラムの回折半値幅は100nm程度またはそれ以上であり、前者の方が狭い。反射型ホログラムにおける波長と回折効率の関係の例を図2に示す。これは波長532nmの光を用いて作製したときのものである。
【0019】
また、ホログラムは角度選択性を有し、再生時の入射角が作製時の入射角とは異なる場合、作製時とは異なる波長帯域の光を回折させる。回折角が入射角に等しくなるように作製したときは、回折角は実際の入射角に等しくなり、回折半値幅は作製時と同じ入射角のときの回折半値幅に等しい。反射型ホログラムを例にとって、再生時の光の入射角と回折効率の関係を図3の(a)、(b)に示す。これは、作製時の入射角および回折角を45゜とした場合のものである。再生時の入射角が45゜であれば、作製時の波長を中心とする波長帯域の光(L2)が45゜の回折角で回折され、再生時の入射角が45゜以外であれば、作製時とは異なる波長の光(L1、L3、L4)が、入射角に等しい回折角で回折される。
【0020】
このように、ホログラムは大きな波長選択性および角度選択性を有しているため、再生時の光の波長や入射角によって回折効率が大きく左右される。したがって、波長や入射角が作製時とは異なる光が含まれる再生に際しては、十分な回折効率が得られるか否かを考慮しておく必要がある。接眼光学系にホログラムを用いる映像表示装置では、観察者の眼に入射する光束を規定する射出瞳の大きさおよび位置に、映像光の波長分布とホログラムへの映像光の入射角が大きく影響することになり、逆に、これらを十分に考慮することで、射出瞳の大きさや位置を、観察が容易で、しかも高品位の映像を提供し得るように設定することができる。
【0021】
以下、本発明の映像表示装置のいくつかの実施形態について説明する。各実施形態の映像表示装置の光学構成を図4の断面図に示す。映像表示装置は、光源であるLED(発光ダイオード)11、拡散板12、コンデンサレンズ13、変調素子であるLCD(液晶表示器)14、概ね平板状のプリズム15、およびホログラム16を備える。
【0022】
図4には示していないが、LED11には、異なる波長帯域の光を発する複数のものがあり、これらは並べて配置されている。各LED11が発する光は発散光である。拡散板12は、各LED11からの光を拡散して混合する。コンデンサレンズ13は、拡散板12によって混合されたLED11からの発散光を略平行光とする。
【0023】
LCD14は透過型であり、コンデンサレンズ13を経て入射するLED11からの光を透過させつつ、その液晶層に表示した映像によって変調して映像を表す映像光とする。LED11に赤色(R)光、緑色(G)光、および青色(B)光を発する3種がある場合、LCD14に映像のR成分、G成分、B成分を時間的に交互に表示するとともに、その表示に同期して対応するLED11を発光させることにより、カラー映像を表す映像光が得られる。LCD14の画素にR光、G光、B光のみを選択的に透過させる3種のカラーフィルタを交互に備えるとともに、3種のLED11を常時発光させて、カラー映像を表す映像光を得るようにしてもよい。
【0024】
プリズム15は、2つのプリズム15a、15bを接合して構成されている。プリズム15a、15bの接合面は表面に対して傾斜しており、この接合面にホログラム16が設けられている。プリズム15aの上端部は他の部位よりも厚く形成されており、LCD14からの映像光はこの端部の端面よりプリズム15の内部に入る。プリズム15に入った映像光は、プリズム15の対向する2つの表面で全反射されてホログラム16に達する。
【0025】
ホログラム16は反射型であり、入射する映像光を反射して観察者の眼に導く。プリズム15およびホログラム16は接眼光学系を成し、観察者の眼の近傍に射出瞳17を形成する。図4には示していないが、射出瞳17は各LED11からの光ごとに存在する。各LED11からの光の射出瞳17は、同一平面上で、互いにずれるように設定されており、これにより映像表示装置は全体として大きな射出瞳を有する。
【0026】
ホログラム16は体積位相型であり、その感材としてはフォトポリマ、銀塩材料、重クロム酸ゼラチン等を用いることができる。このうちフォトポリマは、ホログラム16の作製をドライプロセスで行うことができて簡便である。また、ホログラム16は、単一の感材を波長の異なる光の多重露光で作製してもよいし、波長の異なる光で個別に露光した感材を貼り合わせることによって作製してもよい。多重露光では作製が容易であり、個別に露光して貼り合わせれば、回折効率の高いものが得られる。
【0027】
各実施形態の映像表示装置1の外観を図5の斜視図に示す。映像表示装置1は、全体として眼鏡状の形態であり、プリズム15と概ね同じ形状の平行平板のプリズム18と、プリズム15、18を連結するブリッジ19と、プリズム15、18の端部に取り付けられた1対のテンプル20と、ブリッジ19に取り付けられた1対の鼻当て21を有し、さらに、プリズム15の上端部に取り付けられた筐体22を有する。筐体22は、LED11、拡散板12、コンデンサレンズ13、およびLCD14を収容しており、ケーブル23を介して、LED11の発光およびLCD14の表示を制御する制御部(不図示)に接続されている。
【0028】
観察者(使用者)は、眼鏡と同様にして映像表示装置1を装着する。観察者の両眼にはプリズム15、18を透過して外界からの光が入射し、また、一方の眼(この例では右眼)にはホログラム16からの映像光が入射し、観察者は外界の像と共に映像を観察することができる。映像は外界の像に重なって観察される。
【0029】
図4に示したように、ホログラム16が設けられているプリズム15aの端部はくさび状であり、外界からの光の一部はこの部位を透過するが、プリズム15bが接合されて全体としては平板となっているため、ホログラム16が設けられている部位を透過する光に他の部位を透過する光と異なる屈折は生じず、外界の像に歪みは生じない。
【0030】
映像表示装置1では、プリズム15を用い、プリズム15内での全反射によって映像光を導いているので、光学系全体が薄くかつ軽量となっている。このため、頭部に装着するのに適した形態となり、長時間の使用でも観察者は疲れ難い。また、外界の像も観察できるため、日常生活で使用することができる。
【0031】
プリズム15内の全反射によって導かれる映像光はホログラム16に対する入射角が大きい。このため、入射角にずれが生じれば回折波長のシフトも大きくなって、形成される射出瞳の位置や大きさへも影響が及ぶ。以下、各実施形態で映像表示装置1の射出瞳をどのようにして大きくしているかについて説明する。
【0032】
第1の実施形態では、R光を発するLED11RとG光を発するLED11Gを備え、R光の射出瞳17RとG光の射出瞳17Gの大きさを同じにするとともに、射出瞳17Rと射出瞳17Gを一部のみ重ねる。射出瞳面上での映像光の強度分布と射出瞳17R、17Gを図6に示す。このような射出瞳17R、17Gは、例えば、波長647nmのレーザ光および波長532nmのレーザ光の露光でホログラム16を作製し、LED11Rとして中心波長635nm、半値幅20nmの光を発するものを用い、LED11Gとして中心波長520nm、半値幅40nmの光を発するものを用いることで得られる。なお、映像光のうち最高強度の50%以上の強度範囲を射出瞳17R、17Gとする。
【0033】
本実施形態では、全体としての射出瞳17Tが、個々の射出瞳17G、17Rの2倍近い大きさとなっている。全体としての射出瞳17Tのうち、中央部では、G成分とR成分を含むカラー映像が観察され、端部ではG成分またはR成分のみのモノクローム映像が観察される。
【0034】
ホログラム16のR光に対する回折半値幅とG光に対する回折半値幅はいずれも15nm程度である。したがって、外界からの光の大部分はホログラム16を透過し、観察者は外界の像を良好に観察することができる。
【0035】
第2の実施形態では、R光を発するLED11R、G光を発するLED11G、B光を発するLED11Bを備え、R光、G光、B光の射出瞳17R、17G、17Bを全て離間させる。射出瞳面上での映像光の強度分布と射出瞳17R、17G、17Bを、図7の(a)、(b)にそれぞれ示す。本実施形態では、全体としての射出瞳17Tは3つの部分に分かれ、各部分ではR成分、G成分またはR成分のみのモノクローム映像が観察される。
【0036】
第3の実施形態では、同じG光の領域に属しながら波長帯域が異なる光を発する2つのLED11G1、11G2を備え、LED11G1からのG光の射出瞳17G1とLED11G2からのG光の射出瞳17G2の大部分を重ねる。射出瞳面上での映像光の強度分布と射出瞳17G1、17G2を図8に示す。なお、LED11G1からのG光をG1、LED11G2からのG光をG2で示す。このような射出瞳17G1、17G2は、例えば、波長532nmのレーザ光の露光でホログラム16を作製し、LED11G1として中心波長520nm、半値幅20nmの光を発するものを用い、LED11G2として中心波長550nm、半値幅20nmの光を発するものを用いることで得られる。
【0037】
本実施形態では、射出瞳17G1、17G2の重なりが大きいため、全体としての射出瞳17Tは、個々の射出瞳17G1、17G2よりも少し大きいだけにとどまっているが、映像の明るさはLEDを1つのみ備える場合の2倍近くになる。また、2つのLED11G1、G2の発する光の波長帯域が相違するものの、いずれの波長帯域も同じG光の領域に属するため、全体としての射出瞳Tのどの部位においても、色むらのないモノクローム映像が観察される。
【0038】
第4の実施形態では、R光、G光、B光によってLCD14を照明してカラー映像を提供するとともに、R光を発するLED、G光を発するLED、B光を発するLEDとして、第3の実施形態のように、同じ色領域に属しながら波長帯域の異なる光を発するものを2つ備える。本実施形態の射出瞳を図9に示す。図9において、17Gは2つのG光の全体としての射出瞳を表しており、第3の実施形態の射出瞳17Tに相当する。17R、17Bもそれぞれ、2つのR光の全体としての射出瞳、2つのB光の全体としての射出瞳を表す。
【0039】
R光の射出瞳17R、G光の射出瞳17G、B光の射出瞳17Bは略一致しているが、各射出瞳17R、17G、17Bを構成する2つの射出瞳は第3の実施形態と同様に部分的にずれており、全体としての射出瞳17Tは6つの射出瞳のいずれよりも大きい。本実施形態では、射出瞳17Tの全体で色むらのないカラー映像が観察される。
【0040】
第5の実施形態でも、R光、G光、B光によってLCD14を照明してカラー映像を提供する。ただし、本実施形態では、G光、B光を発するLED11G、11BとしてR光を発するLEDよりも発光波長帯域の広いものを用いるとともに、これによってR光の射出瞳がG光、B光の射出瞳よりも小さくなるのを、同じR光の領域に属しながら異なる波長帯域の光を発する2つのLED17R1、17R2を備えることによって防止する。LED11R1、11R2、11G、11Bが発する光の強度分布と、各LEDからの光の射出瞳17R1、17R2、17G、17Bを、図10の(a)、(b)にそれぞれ示す。
【0041】
ホログラム16は、それぞれR光、G光、B光の露光で形成した3種の干渉縞を有しており、R光で形成した単一の干渉縞が、LED11R1からのR光(R1)とLED11R2からのR光(R2)とを回折させて、異なる2つの射出瞳17R1、17R2を形成する。LED11R1からのR光(R1)の射出瞳17R1とLED11R2からのR光(R2)の射出瞳17R2とは一部のみ重なっており、これらが形成するR光全体としての射出瞳17Rは、G光の射出瞳17GおよびB光の射出瞳17Bに略一致している。本実施形態でも、全体としての大きな射出瞳17Tのどの部位でも色むらのないカラー映像が観察される。
【0042】
仮に、LED11R1、11R2の一方を備えなければ、図10の(b)より明らかなように、全体としての射出瞳17Tのうち射出瞳17R1(または17R2)から遠い部位では、R光がなくなって色むらが生じ、射出瞳17R1(または17R2)上でも、R光の量がG光、B光の量よりも少なくなって色バランスが悪くなり、色むらも生じる。本実施形態では、R光を発する2つのLED11R1、11R2を備えたことで、大きな射出瞳17Tのどの部位においても、色むらがなく色バランスもよい映像を提供することができる。発する光の波長帯域が広いというLED11G、11Bの特長も十分生かされる。
【0043】
なお、第3〜第5の実施形態のように、同一の色領域に属する異なる波長帯域の光を発する2つのLEDを備える場合、各LEDが発する光の波長帯域は、一方の最長波長と他方の最短波長の差が100nm程度以下になるようにするのがよい。この範囲を超えると、色の違いが大きくなり、色むらとして認識されやすくなる。また、この波長差の範囲内であれば、異なる波長帯域の光を発する光源を3つ以上備えるようにしてもよい。
【0044】
なお、上記の各実施形態では、光源からの光を透過型のLCDで変調する例を掲げたが、反射型のLCDで変調することも可能である。また、本発明は、例えばCRT(陰極線管)表示器やEL(エレクトロルミネセンス)表示器のように、表示素子自体が映像を表す光を発する構成にも適用可能である。
【0045】
【発明の効果】
異なる波長帯域の光を含む映像光を生成する生成手段、および生成手段からの映像光が表す映像を観察者に提供する接眼光学系より成る映像表示装置であって、接眼光学系がホログラムを含むものにおいて、本発明のように、映像光に含まれる異なる波長帯域の光の射出瞳が互いにずれている構成とすると、全体としての射出瞳が大きくなって、けられなく映像を観察することが容易になる。したがって、観察者の眼と装置との相対位置に変動が生じ易くなる眼鏡状の形態とする場合に、特に好適である。しかも、映像光に複数の波長帯域の光が含まれるため、大きな射出瞳を有しながら、明るい映像を提供することができる。また、第1の光の射出瞳と第2の光の射出瞳が部分的に重なるため、一層明るい映像を提供することができる。
【0048】
映像光に少なくとも3つの波長帯域の光が含まれ、第1の光の波長帯域と第2の光の波長帯域が400nmから500nmまでの第1の波長範囲、500nmから600nmまでの第2の波長範囲、および600nmから700nmまでの第3の波長範囲のうちのいずれかの波長範囲に収まり、第3の光の波長帯域が第1の波長範囲、第2の波長範囲、および第3の波長範囲のうちの別の波長範囲に収まり、第1の光の射出瞳と第2の光の射出瞳が部分的に重なり、第3の光の射出瞳が第1の光の射出瞳と第2の光の射出瞳の全体に略一致するようにすると、色むらのないカラー映像を提供することができる。しかも、生成手段が光源からの光を変調して映像光とする構成では、波長帯域の特に広い光を発する光源の特長を生かしながら、色バランスのよいカラー映像を提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 反射型ホログラムの再生光路の例を示す断面図。
【図2】 反射型ホログラムにおける波長と回折効率の関係の例を示す図。
【図3】 反射型ホログラムにおける再生時の光の入射角と回折効率の関係の例を示す図。
【図4】 本発明の各実施形態の映像表示装置の光学構成を示す断面図。
【図5】 各実施形態の映像表示装置の外観を示す斜視図。
【図6】 第1の実施形態の映像表示装置の射出瞳面上での映像光の強度分布と射出瞳を示す図。
【図7】 第2の実施形態の映像表示装置の射出瞳面上での映像光の強度分布と射出瞳を示す図。
【図8】 第3の実施形態の映像表示装置の射出瞳面上での映像光の強度分布と射出瞳を示す図。
【図9】 第4の実施形態の映像表示装置の射出瞳を示す図。
【図10】 第5の実施形態の光源が発する光の強度分布と射出瞳を示す図。
【符号の説明】
1 映像表示装置
11、11R、11G、11B LED
11R1、11R2、11G1、11G2 LED
12 拡散板
13 コンデンサレンズ
14 LCD
15、15a、15b プリズム
16 ホログラム
17、17R、17G、17B 射出瞳
17R1、17R2、17G1、17G2 射出瞳
18 プリズム
19 ブリッジ
20 テンプル
21 鼻当て
22 筐体
23 ケーブル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image display apparatus that provides an image by an eyepiece optical system including a hologram.
[0002]
[Prior art]
An image display device that modulates light from a light source with a modulation element such as a liquid crystal display to produce image light, and guides the image light to an observer's eye by an eyepiece optical system using a hologram, has attracted attention as a small and lightweight image providing means. ing. Such a video display device is configured to be worn in front of the eye in the shape of glasses, for example, and can also provide a video superimposed on an image of the outside world. If a plurality of light sources that emit light of different wavelength bands are provided, a color image can be provided.
[0003]
In an image display device that provides an image via an eyepiece optical system, it is desirable to increase the exit pupil in order to provide an indelible image. By enlarging the exit pupil, observation is facilitated, and when providing images to both eyes, individual differences in eye width (interval between the left and right eyes) can be allowed.
[0004]
Several techniques for enlarging the exit pupil with a configuration using a hologram for the eyepiece optical system have been proposed. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 6-118234, a single hologram is divided into a plurality of element holograms and exposed, and an exit pupil is formed so that light beams from different regions do not overlap, thereby expanding the exit pupil. I am trying. However, in this method, since only light from a partial region of the hologram is incident on the pupil, the provided image becomes dark.
[0005]
In US Pat. No. 5,363,220, in a head-up display using a hologram as a combiner, the pupil is enlarged by making the diffraction efficiency of the hologram constant over a wide wavelength band. However, if diffraction occurs over a wide wavelength band, the transmittance of light from the outside becomes low, and the image of the outside becomes dark and difficult to observe.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-6-118234 [Patent Document 2]
US Pat. No. 5,363,220
[Problems to be solved by the invention]
Since the hologram has a large wavelength selectivity and angle selectivity, the diffraction efficiency varies greatly depending on the wavelength of light and the incident angle. Therefore, in an image display apparatus that uses a hologram for an eyepiece optical system, the light flux at the exit pupil is particularly susceptible to the diffraction efficiency of the hologram, and the size of the exit pupil is not limited to the setting of the hologram, Depends on the angle of incidence on the hologram.
[0008]
However, as a method of enlarging the exit pupil, only the hologram itself is devised as described above, and the exit pupil is not enlarged by setting the image light. For this reason, even though the exit pupil can be enlarged, there are inconveniences that the provided image becomes dark and observation of the image of the outside world becomes difficult.
[0009]
The present invention has been made in view of such a current situation, and realizes an image display device using a hologram for an eyepiece optical system, which can provide a high-quality image with a large exit pupil. For the purpose.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, provides a video display apparatus according to the first invention, raw Narute stage generates an image light including light of a different wavelength band, and the image represented by the image light from the generating means to the observer An image display device comprising an eyepiece optical system, wherein the eyepiece optical system includes a hologram, and the first light, the second light, and the third light having at least three different wavelength bands are converted into image light. A first wavelength range from 400 nm to 500 nm, a second wavelength range from 500 nm to 600 nm, and a third wavelength range from 600 nm to 700 nm. A wavelength range in which the first light and the second light are within the first to third wavelength ranges, and the wavelength range of the third light is within the same wavelength range. In a different wavelength range The exit pupil of the first light and the exit pupil of the second light are offset from each other and partially overlap, and the exit pupil of the third light is the exit pupil of the first light and the exit pupil of the second light. It is characterized by substantially matching the whole .
[0011]
In this video display device, the exit pupil as a whole is larger than the exit pupil of light in a single wavelength band, so the relative position between the observer's eye and the device capable of observing the video without exception The range expands. Therefore, the present invention is particularly suitable for a spectacle-like form in which the relative position between the observer's eyes and the apparatus is likely to vary. In addition, since the image light includes light of a plurality of wavelength bands, a bright image can be provided while having a large exit pupil. In this video display device, the video light includes light in at least two of a blue region (wavelength 400 to 500 nm), a green region (500 to 600 nm), and a red region (600 to 700 nm). The first and second lights belong to the same color region with different wavelength bands, and their exit pupils partially overlap to form a large exit pupil. The third light belongs to a color region different from that of the first and second lights, and its exit pupil substantially coincides with a large exit pupil formed by the exit pupils of the first and second lights. Therefore, it has a large exit pupil as a whole and can provide a color image, not monochrome, without color unevenness. In addition, in the configuration in which the generating unit modulates the light from the light source to obtain the image light, the light source having a particularly wide wavelength band is used as the third light source, and the light sources having the narrow wavelength band are the first and second light sources. By using as a light source, it is possible to provide a color image with a good color balance while fully utilizing the features of a light source having a wide wavelength band.
[0012]
Since the exit pupil and the exit pupil of the second light of the first light overlaps the part-form, it is possible to provide a bright image. Further, it is preferable that the wavelength band of all the light included in the video light be within the wavelength range of 100 nm in width. In this way, since the color difference between the individual lights is small, it is possible to suppress changes in the color of the observed image depending on the relative position between the observer's eyes and the apparatus. In particular, in the setting where the exit pupils of the first and second light partially overlap, if there is a large difference in the color of the light, color unevenness occurs in the overlapping part of the exit pupil, but such color unevenness is observed. Can also be avoided.
[0013]
According to a second aspect of the present invention, in the first invention, the video light includes the fourth light, and the wavelength band of the fourth light is a wavelength range in which the first to third light falls. The fourth light exit pupil substantially coincides with the third light exit pupil, and the first light exit pupil and the second light exit. It is characterized by substantially matching the entire pupil.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, there is provided the video display device according to the first or second aspect, wherein the generation means for generating the video light modulates the light from the light source that emits light with light of different wavelength bands, and the video. It includes a liquid crystal display that uses light.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the video display device according to any one of the first to third aspects, wherein a wavelength band of the first light and the second light is a third wavelength range from 600 nm to 700 nm. It is contained in.
The video display device according to a fifth aspect of the present invention is the video display device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the first light and the second light are diffracted by the same interference fringes and have different exit pupils. It is characterized by forming.
[0016]
The video display device according to a sixth aspect of the present invention is the video display device according to any one of the first to fifth aspects, wherein the longest wavelength and the shortest wavelength in the wavelength band of the first light and the wavelength band of the second light. The difference is 100 nm or less.
According to a seventh aspect of the present invention, in the video display device according to any one of the first to sixth aspects, the wavelength band of the third light is the wavelength band of the first light and the wavelength band of the second light. It is characterized by being wider.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the characteristics of the hologram will be described. There are transmissive and reflective holograms. A transmission hologram is manufactured so that light travels straight during reproduction. On the other hand, the reflection hologram can arbitrarily set the incident angle and the reflection angle (diffraction angle) of light during reproduction depending on the direction of light (laser light) during production. A reproduction optical path of a reflection hologram with an incident angle and a diffraction angle of 45 ° is shown in FIG.
[0018]
Holograms have wavelength selectivity and have a limited wavelength band that can cause diffraction. In both the reflection hologram and the transmission hologram, the width of the diffracted wavelength band depends on the refractive index modulation difference of the light-sensitive material, the film thickness, and the exposure conditions, and also depends on the incident angle of light at the time of production. However, in general, the diffraction half width of a reflection hologram is about 15 nm, and the diffraction half width of a transmission hologram is about 100 nm or more, and the former is narrower. An example of the relationship between wavelength and diffraction efficiency in a reflection hologram is shown in FIG. This is the one produced using light having a wavelength of 532 nm.
[0019]
Further, the hologram has angle selectivity, and diffracts light in a wavelength band different from that at the time of manufacture when the incident angle at the time of reproduction is different from that at the time of manufacture. When fabricated so that the diffraction angle is equal to the incident angle, the diffraction angle is equal to the actual incident angle, and the diffraction half-width is equal to the diffraction half-width at the same incident angle as that at the time of fabrication. Taking a reflection hologram as an example, the relationship between the incident angle of light during reproduction and the diffraction efficiency is shown in FIGS. This is a case where the incident angle and diffraction angle at the time of manufacture are 45 °. If the incident angle during reproduction is 45 °, light (L2) in the wavelength band centered on the wavelength during production is diffracted at a diffraction angle of 45 °, and if the incident angle during reproduction is other than 45 °, Light (L1, L3, L4) having a wavelength different from that at the time of manufacture is diffracted at a diffraction angle equal to the incident angle.
[0020]
As described above, since the hologram has a large wavelength selectivity and angle selectivity, the diffraction efficiency depends greatly on the wavelength and incident angle of light during reproduction. Accordingly, it is necessary to consider whether or not sufficient diffraction efficiency can be obtained during reproduction including light whose wavelength and incident angle are different from those at the time of fabrication. In an image display device using a hologram in an eyepiece optical system, the wavelength distribution of image light and the incident angle of image light on the hologram greatly affect the size and position of the exit pupil that defines the light beam incident on the observer's eye. On the contrary, by sufficiently taking these into consideration, the size and position of the exit pupil can be set so as to be easy to observe and to provide a high-quality image.
[0021]
Several embodiments of the video display device of the present invention will be described below. The optical configuration of the video display device of each embodiment is shown in the cross-sectional view of FIG. The video display device includes an LED (light emitting diode) 11 that is a light source, a
[0022]
Although not shown in FIG. 4, there are a plurality of
[0023]
The
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
The external appearance of the video display apparatus 1 of each embodiment is shown in the perspective view of FIG. The video display device 1 has a glasses-like form as a whole, and is attached to a
[0028]
An observer (user) wears the video display device 1 in the same manner as glasses. Light from the outside is transmitted through the
[0029]
As shown in FIG. 4, the end of the
[0030]
In the video display device 1, the
[0031]
The image light guided by total reflection in the
[0032]
The first embodiment includes an LED 11R that emits R light and an
[0033]
In the present embodiment, the
[0034]
The diffraction half width for the R light and the diffraction half width for the G light of the
[0035]
In the second embodiment, an LED 11R that emits R light, an
[0036]
The third embodiment includes two LEDs 11G1 and 11G2 that emit light having different wavelength bands while belonging to the same G light region, and include an exit pupil 17G1 for G light from the LED 11G1 and an exit pupil 17G2 for G light from the LED 11G2. Overlapping most. FIG. 8 shows the intensity distribution of the image light on the exit pupil plane and the exit pupils 17G1 and 17G2. The G light from the LED 11G1 is indicated by G1, and the G light from the LED 11G2 is indicated by G2. As such exit pupils 17G1 and 17G2, for example, a
[0037]
In this embodiment, since the overlapping of the exit pupils 17G1 and 17G2 is large, the
[0038]
In the fourth embodiment, the
[0039]
The
[0040]
In the fifth embodiment, the
[0041]
The
[0042]
If one of the LEDs 11R1 and 11R2 is not provided, as is apparent from FIG. 10B, the portion of the
[0043]
In the case where two LEDs that emit light in different wavelength bands belonging to the same color region are provided as in the third to fifth embodiments, the wavelength band of the light emitted by each LED is one longest wavelength and the other. It is preferable that the difference between the shortest wavelengths is about 100 nm or less. Beyond this range, the difference in color becomes large, and color unevenness is easily recognized. Moreover, if it is in the range of this wavelength difference, you may make it provide three or more light sources which emit the light of a different wavelength band.
[0044]
In each of the above-described embodiments, an example in which light from a light source is modulated by a transmissive LCD is described. However, it is also possible to modulate by a reflective LCD. The present invention is also applicable to a configuration in which the display element itself emits light representing an image, such as a CRT (cathode ray tube) display or an EL (electroluminescence) display.
[0045]
【The invention's effect】
A video display apparatus composed of an ocular optical system to provide the viewer an image represented by the image light from the raw Narute stage, and generating means for generating image light including light of a different wavelength band, the eyepiece optical system is a hologram If the exit pupils of light of different wavelength bands included in the image light are shifted from each other as in the present invention, the entire exit pupil becomes large, and the image is observed without exception. It becomes easy. Therefore, the present invention is particularly suitable for a spectacle-like form in which the relative position between the observer's eyes and the apparatus is likely to vary. In addition, since the image light includes light of a plurality of wavelength bands, a bright image can be provided while having a large exit pupil. In addition, since the exit pupil of the first light and the exit pupil of the second light partially overlap, a brighter image can be provided.
[0048]
The image light includes light of at least three wavelength bands, the first wavelength range of the first light and the second light wavelength band from 400 nm to 500 nm, and the second wavelength of 500 nm to 600 nm. And a wavelength band of the third light that falls within any one of the third wavelength range from 600 nm to 700 nm, and the wavelength band of the third light is the first wavelength range, the second wavelength range, and the third wavelength range. Of the first light exit pupil and the second light exit pupil partially overlap, the third light exit pupil and the first light exit pupil and the second light exit pupil By making it substantially coincide with the entire exit pupil of light, a color image with no color unevenness can be provided. In addition, when the generating means modulates the light from the light source to obtain the image light, it is possible to provide a color image with a good color balance while taking advantage of the light source that emits light with a particularly wide wavelength band.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of a reproduction optical path of a reflection hologram.
FIG. 2 is a diagram showing an example of the relationship between wavelength and diffraction efficiency in a reflection hologram.
FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the incident angle of light during reproduction and diffraction efficiency in a reflection hologram.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an optical configuration of a video display device according to each embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view illustrating an appearance of a video display device according to each embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating an intensity distribution of image light and an exit pupil on an exit pupil plane of the image display apparatus according to the first embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating an intensity distribution of image light and an exit pupil on an exit pupil plane of the image display apparatus according to the second embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing an intensity distribution of image light and an exit pupil on an exit pupil plane of an image display apparatus according to a third embodiment.
FIG. 9 is a view showing an exit pupil of a video display device according to a fourth embodiment.
FIG. 10 is a diagram showing an intensity distribution and an exit pupil of light emitted from a light source according to a fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
1
11R1, 11R2, 11G1, 11G2 LED
12
15, 15a,
Claims (7)
互いに異なる少なくとも3つの波長帯域を持つ第1の光,第2の光,第3の光が映像光に含まれ、
第1の光の波長帯域と第2の光の波長帯域が、400nmから500nmまでの第1の波長範囲、500nmから600nmまでの第2の波長範囲、および600nmから700nmまでの第3の波長範囲のうちのいずれか1つの同じ波長範囲に収まり、
第3の光の波長帯域が、第1〜第3の波長範囲のうちの、第1の光と第2の光が収まる波長範囲とは異なる波長範囲に収まり、
第1の光の射出瞳と第2の光の射出瞳が互いにずれていて部分的に重なり、
第3の光の射出瞳が第1の光の射出瞳と第2の光の射出瞳の全体に略一致することを特徴とする映像表示装置。A video display apparatus composed of an ocular optical system to provide the viewer an image represented by the image light from the raw Narute stage, and generating means for generating image light including light of a different wavelength band, the eyepiece optical system is a hologram Including
The first light, the second light, and the third light having at least three different wavelength bands are included in the image light,
The wavelength band of the first light and the wavelength band of the second light are a first wavelength range from 400 nm to 500 nm, a second wavelength range from 500 nm to 600 nm, and a third wavelength range from 600 nm to 700 nm. Within the same wavelength range of any one of
The wavelength band of the third light is in a wavelength range different from the wavelength range in which the first light and the second light are within the first to third wavelength ranges,
The exit pupil of the first light and the exit pupil of the second light are offset from each other and partially overlap,
An image display device, wherein the exit pupil of the third light substantially coincides with the exit pupil of the first light and the exit pupil of the second light .
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