JP5682215B2 - Virtual image display device - Google Patents

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Description

本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイ等の虚像表示装置に関する。   The present invention relates to a virtual image display device such as a head mounted display that is used by being mounted on a head.

近年、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。   In recent years, as a virtual image display device capable of forming and observing a virtual image, such as a head-mounted display that is mounted on a head and used, a type that guides image light from a display element to an observer's pupil by a light guide plate Various proposals have been made.

このような虚像表示装置用の導光板として、例えば全反射を利用して映像光を導くとともに、導光板の主面に対して所定角度をなして互いに平行に配置される複数の部分反射面にて映像光を反射させ導光板から取り出すことによって、映像光を観察者の網膜に到達させるものが知られている(特許文献1参照)。また、同様の技術として、映像光を取り出すために、映像光を取り出す表面に対向する裏面側に鋸歯状の部分を設け、当該鋸歯状の部分に映像光を取り出すための反射層を形成するものも知られている(特許文献2参照)。   As such a light guide plate for a virtual image display device, for example, image light is guided using total reflection, and a plurality of partial reflection surfaces arranged parallel to each other at a predetermined angle with respect to the main surface of the light guide plate. It is known that the image light is reflected and taken out from the light guide plate so that the image light reaches the retina of the observer (see Patent Document 1). Also, as a similar technique, in order to extract the image light, a sawtooth portion is provided on the back side facing the surface from which the image light is extracted, and a reflective layer for extracting the image light is formed on the sawtooth portion. Is also known (see Patent Document 2).

特表2003−536102号公報Special table 2003-536102 gazette 特開2004−157520号公報JP 2004-157520 A

上記の特許文献1,2のような虚像表示装置が、例えば眼鏡型のように頭部に装着して使用するようなものである場合、装置を構成する各要素の配置や大きさ等に関して構造的又はデザイン的な観点等から設計上種々の制限が生じる。一方、映し出される映像の縦横比(アスペクト比)に関しては、近年、例えば16:9といった観察者の眼の並ぶ方向即ち横方向について長いものが増加している。しかしながら、上記のような設計上の制限から、この種の横長の映像に代表される様々な縦横比の画像を表示させたいといった要請に対応することは必ずしも容易ではない。   When the virtual image display device as described in Patent Documents 1 and 2 is used by being mounted on the head, for example, like a spectacle type, the structure regarding the arrangement and size of each element constituting the device There are various design restrictions from the standpoint of design or design. On the other hand, regarding the aspect ratio (aspect ratio) of the projected image, in recent years, for example, 16: 9 has increased in the direction in which the eyes of the observer are aligned, that is, in the horizontal direction. However, due to the above design limitations, it is not always easy to meet the demand for displaying images with various aspect ratios typified by this type of horizontally long image.

そこで、本発明は、設計上の制限を充足しつつ、観察者の眼に虚像として入る画像光について、縦横比を所望の状態に設定できる虚像表示装置を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a virtual image display device that can set an aspect ratio to a desired state with respect to image light that enters a viewer's eyes as a virtual image while satisfying design restrictions.

上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置は、(a1)画像光を形成する画像領域を有する画像表示素子と、(a2)画像表示素子の画像領域の虚像を形成するとともに虚像について縦横比の変換を行うトーリック光学系を含む投射光学系とを有する(a)画像形成装置と、(b)画像形成装置で形成された画像光を内部に導くとともに、所定方向に延びる複数の反射面を有し、当該複数の反射面により画像光を反射して外部に射出する導光板と、を備え、虚像表示装置が、(c)トーリック光学系による画像光の縦横比の変換比率に応じて、外部から画像表示素子に入力される画像信号について、当該変換比率と逆比率となる縦横比の変換処理を行う画像処理部をさらに備える。
In order to solve the above problems, a virtual image display device according to the present invention includes (a1) an image display element having an image area for forming image light, and (a2) forming a virtual image of the image area of the image display element and a virtual image. A projection optical system including a toric optical system for converting an aspect ratio; (a) an image forming apparatus; and (b) a plurality of reflections that guide image light formed by the image forming apparatus to the inside and extend in a predetermined direction. A virtual image display device according to a conversion ratio of the aspect ratio of the image light by the toric optical system. The image processing unit further includes an image processing unit that performs conversion processing of an aspect ratio that is a reverse ratio to the conversion ratio for an image signal input to the image display element from the outside.

上記虚像表示装置では、トーリック光学系によって、画像表示素子の画像領域を基準として観察者に観察される虚像の縦横比の変換を行うことができる。これにより、例えば配置や大きさ等の設計上の制限等の理由から、画像表示素子の画像領域の縦横比を映像として必要とされる縦横比(アスペクト比)と一致させない場合であっても、トーリック光学系によって縦横比を変換して、観察者には、所望の縦横比の虚像を認識させることができる。また、トーリック光学系による縦横比の変換を補償するような画像処理により、観察者に認識される映像を、外部からの入力時の映像信号による元の映像のままの状態にできる。
In the virtual image display device, the toric optical system can convert the aspect ratio of the virtual image observed by the observer with reference to the image area of the image display element. Thereby, for example, due to design limitations such as arrangement and size, even if the aspect ratio of the image area of the image display element does not match the aspect ratio (aspect ratio) required for the video, By converting the aspect ratio by the toric optical system, the observer can recognize a virtual image having a desired aspect ratio. Further, by image processing that compensates for the conversion of the aspect ratio by the toric optical system, the image recognized by the observer can be kept in the original image by the image signal at the time of external input.

本発明の具体的な側面では、トーリック光学系が、画像表示素子の画像領域における縦横比を基準として、観察者にとっての横方向の比率をより大きくするように虚像について縦横比の変換を行う。この場合、観察者にとっての横方向の比率をより大きくすることで、観察者に認識される映像を、観察者の眼の並ぶ方向即ち横方向についてより長いものにできる。   In a specific aspect of the present invention, the toric optical system converts the aspect ratio of the virtual image so as to increase the ratio in the horizontal direction for the observer based on the aspect ratio in the image area of the image display element. In this case, by increasing the horizontal ratio for the observer, the image recognized by the observer can be longer in the direction in which the eyes of the observer are arranged, that is, in the horizontal direction.

本発明のさらに別の側面では、トーリック光学系が、観察者にとっての横方向に対応する第1方向に関する伸張変換及び第1方向に垂直な第2方向に関する縮小変換のうち、少なくともいずれか一方を行う。この場合、第1方向に関する伸張変換又は第2方向に関する縮小変換、或いはその双方の変換によって、観察者に認識される映像を相対的に横長の所望の縦横比にできる。   In yet another aspect of the present invention, the toric optical system performs at least one of expansion conversion in a first direction corresponding to a lateral direction for the observer and reduction conversion in a second direction perpendicular to the first direction. Do. In this case, the image recognized by the viewer can be made to have a relatively horizontally long desired aspect ratio by expansion conversion in the first direction, reduction conversion in the second direction, or both conversions.

本発明のさらに別の側面では、(a)画像形成装置が、画像光を観察する観察者の耳側に配置され、(b)導光板が、観察者にとっての横方向に沿って画像光を導く。この場合、例えば、眼鏡型のように、虚像表示装置を比較的小型なものにできる。   In still another aspect of the present invention, (a) the image forming apparatus is disposed on the ear side of the observer who observes the image light, and (b) the light guide plate emits the image light along the lateral direction for the observer. Lead. In this case, for example, the virtual image display device can be made relatively small like a glasses type.

本発明のさらに別の側面では、画像表示素子において、画像領域に配置される複数の画素の各形状が、トーリック光学系による変換比率と逆比率の縦横比の長方形であり、変換後の虚像の映像画素が、正方形である。この場合、特別な画像処理を施さなくても、元の映像の縦横比をそのままの自然な形に保った状態で観察者に認識されるものとできる。   In still another aspect of the present invention, in the image display element, each shape of the plurality of pixels arranged in the image region is a rectangle having an aspect ratio opposite to the conversion ratio by the toric optical system, and the converted virtual image The image pixel is a square. In this case, even if no special image processing is performed, the viewer can recognize the original image in the state in which the aspect ratio is maintained as it is.

本発明のさらに別の側面では、画像表示素子において、複数の画素が、3セグメントの画素要素を一列に配列して構成される。この場合、例えばRGBの3色により3セグメントを構成することで、カラー画像を形成することができる。   In still another aspect of the present invention, in the image display element, a plurality of pixels are configured by arranging pixel elements of three segments in a line. In this case, for example, a color image can be formed by configuring three segments with three colors of RGB.

本発明のさらに別の側面では、画像表示素子において、複数の画素が、4つのセグメントの画素要素を2行2列に配列して構成される。この場合、4セグメントの配色によって光量を大きくすることや色再現性を良くすることができる。   In still another aspect of the present invention, in the image display element, a plurality of pixels are configured by arranging pixel elements of four segments in two rows and two columns. In this case, the amount of light can be increased and the color reproducibility can be improved by the four-segment color scheme.

本発明のさらに別の側面では、虚像表示装置が、トーリック光学系を画像光の光路上で移動させる駆動機構をさらに備える。この場合、駆動機構によりトーリック光学系による縦横比の変換についてオン・オフ等の切替えを行うことができる。   In still another aspect of the present invention, the virtual image display device further includes a drive mechanism that moves the toric optical system on the optical path of the image light. In this case, the drive mechanism can be switched on / off or the like for the conversion of the aspect ratio by the toric optical system.

本発明のさらに別の側面では、トーリック光学系が、画像光を内部に取り込む導光板の光入射面に対向する方向に配置される1組の凹凸形状のシリンドリカルレンズを有し、当該シリンドリカルレンズの配置を変更することで画像光の縦横比の変換比率を調整する。この場合、1組の凹凸形状のシリンドリカルレンズの配置を変更することで、画像光の縦横比の変換比率を適宜設定することができる。   In still another aspect of the present invention, the toric optical system has a pair of concave and convex cylindrical lenses arranged in a direction facing the light incident surface of the light guide plate that takes in the image light therein, The conversion ratio of the aspect ratio of the image light is adjusted by changing the arrangement. In this case, the conversion ratio of the aspect ratio of the image light can be appropriately set by changing the arrangement of the one set of concave and convex cylindrical lenses.

(A)は、第1実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、(B)は、導光板の正面図であり、(C)は、平面図である。(A) is sectional drawing which shows the virtual image display apparatus which concerns on 1st Embodiment, (B) is a front view of a light-guide plate, (C) is a top view. (A)は、角度変換部の構造及び角度変換部における画像光の光路について説明するための模式的な図であり、(B)は、角度変換部の奥側での反射の様子を示す図であり、(C)は、角度変換部の入口側での反射の様子を示す図である。(A) is a schematic diagram for demonstrating the structure of an angle conversion part, and the optical path of the image light in an angle conversion part, (B) is a figure which shows the mode of the reflection in the back | inner side of an angle conversion part. (C) is a figure which shows the mode of reflection in the entrance side of an angle conversion part. (A)は、虚像表示装置の構造を示す断面図であり、(B)は、側面図であり、(C)は、縦横比変換光学系を構成する1組のシリンドリカルレンズの斜視図である。(A) is sectional drawing which shows the structure of a virtual image display apparatus, (B) is a side view, (C) is a perspective view of one set of cylindrical lenses which comprise an aspect ratio conversion optical system. . (A)は、観察者に認識される虚像に対応するパネル画像を示す模式的な図であり、(B)は、比較例の図であり、(C)は、縦横比変換光学系における光路について説明するための模式的な図である。(A) is a schematic diagram showing a panel image corresponding to a virtual image recognized by an observer, (B) is a diagram of a comparative example, and (C) is an optical path in an aspect ratio conversion optical system. It is a schematic diagram for demonstrating. (A)は、画像表示素子の画像領域の画素を反映するパネル画像の画素を示す図であり、(B)は、縦横比が変換されたパネル画像の画素の状態を示す図である。(A) is a figure which shows the pixel of the panel image which reflects the pixel of the image area | region of an image display element, (B) is a figure which shows the state of the pixel of the panel image in which the aspect ratio was converted. (A)は、縦一列に配列されたRGB画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、(B)は、縦横比の変換後の状態を示す図であり、(C)は、横一列に配列されたRGB画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、(D)は、縦横比の変換後の状態を示す図であり、(E)は、正方の4マスに配列されたRGB画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、(F)は、縦横比の変換後の状態を示す図であり、(G)は、正方の4マスに配列された4色画素の縦横比の変換前の状態を示す図であり、(H)は、縦横比の変換後の状態を示す図である。(A) is a figure which shows the state before conversion of the aspect ratio of the RGB pixel arranged in the vertical line, (B) is a figure which shows the state after conversion of an aspect ratio, (C) is It is a figure which shows the state before conversion of the aspect ratio of the RGB pixel arranged in a horizontal row, (D) is a figure which shows the state after conversion of an aspect ratio, (E) is square 4 squares It is a figure which shows the state before conversion of the aspect ratio of the arranged RGB pixel, (F) is a figure which shows the state after conversion of an aspect ratio, (G) is arranged in four square squares It is a figure which shows the state before conversion of the aspect ratio of a 4 color pixel, (H) is a figure which shows the state after conversion of an aspect ratio. (A)は、第2実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、(B)は、側面図である。(A) is sectional drawing which shows the virtual image display apparatus which concerns on 2nd Embodiment, (B) is a side view. (A)は、第3実施形態に係る虚像表示装置を示す断面図であり、(B)は、側面図である。(A) is sectional drawing which shows the virtual image display apparatus which concerns on 3rd Embodiment, (B) is a side view. (A)は、第4実施形態に係る虚像表示装置を説明する図であり、(B)は、画像処理の様子を示す図である。(A) is a figure explaining the virtual image display apparatus which concerns on 4th Embodiment, (B) is a figure which shows the mode of an image process. (A)は、第5実施形態に係る虚像表示装置を説明する図であり、(B)は、虚像表示装置の動作を説明するための図であり、(C)は、レンズ離隔時の状態における横方向についての光路を説明する図であり、(D)は、縦方向についての光路を説明する図であり、(E)は、レンズ密着時の状態における横方向についての光路を説明する図であり、(F)は、縦方向についての光路を説明する図である。(A) is a figure explaining the virtual image display apparatus which concerns on 5th Embodiment, (B) is a figure for demonstrating operation | movement of a virtual image display apparatus, (C) is the state at the time of lens separation. FIG. 4D is a diagram for explaining the optical path in the horizontal direction, FIG. 4D is a diagram for explaining the optical path in the vertical direction, and FIG. 4E is a diagram for explaining the optical path in the lateral direction when the lens is in close contact. (F) is a figure explaining the optical path about the vertical direction. (A)は、レンズ離隔時における縦横比の変換後の画素の状態を示す図であり、(B)は、レンズ密着時における縦横比の変換後の画素の状態を示す図である。(A) is a figure which shows the state of the pixel after conversion of the aspect ratio at the time of lens separation, (B) is a figure which shows the state of the pixel after conversion of the aspect ratio at the time of lens contact | adherence. 虚像表示装置での画像処理を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the image process in a virtual image display apparatus. (A)は、第5実施形態に係る虚像表示装置の変形例を説明する断面図であり、(B)は、側面図である。(A) is sectional drawing explaining the modification of the virtual image display apparatus which concerns on 5th Embodiment, (B) is a side view.

〔第1実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第1実施形態に係る虚像表示装置について説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

〔A.導光板及び虚像表示装置の構造〕
図1(A)に示す本実施形態に係る虚像表示装置100は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像形成装置10と、導光板20とを一組として備える。なお、図1(A)は、図1(B)に示す導光板20のA−A断面に対応する。
[A. Structure of light guide plate and virtual image display device]
A virtual image display device 100 according to this embodiment shown in FIG. 1A is applied to a head-mounted display, and includes an image forming device 10 and a light guide plate 20 as a set. 1A corresponds to the AA cross section of the light guide plate 20 shown in FIG.

虚像表示装置100は、観察者に虚像による画像光を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。画像形成装置10と導光板20とは、通常観察者の右眼および左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは右眼用のみを示し、左眼用については図示を省略している。なお、虚像表示装置100は、全体としては、例えば一般の眼鏡のような外観(不図示)を有するものとなっている。この場合、画像形成装置10は、観察者の耳に近接して配置されるものとなる。   The virtual image display device 100 allows an observer to recognize image light based on a virtual image, and allows the observer to observe an external image in a see-through manner. The image forming apparatus 10 and the light guide plate 20 are usually provided one by one corresponding to the right eye and the left eye of the observer, but the right eye and the left eye are symmetrical in the right eye and the right eye here. For the left eye, the illustration is omitted. The virtual image display device 100 as a whole has, for example, an appearance (not shown) like general glasses. In this case, the image forming apparatus 10 is disposed close to the observer's ear.

画像形成装置10は、画像表示素子11と、投射光学系12とを備える。画像表示素子11は、例えば透過型の液晶デバイスで構成され、光源(不図示)からの照明光を空間的に変調して、動画像等の表示対象となるべき画像光を形成する。投射光学系12は、コリメートレンズ13と、縦横比変換光学系15とを有し、導光板20に向けて画像光を射出することで虚像を形成する。なお、コリメートレンズ13や縦横比変換光学系15を構成するレンズの材料は、ガラスやプラスチックのいずれとすることもできる。これらのうち、コリメートレンズ13は、画像表示素子11上の各点から射出された画像光を平行状態の光束にする。縦横比変換光学系15は、経線の方向によって曲率半径の異なるトーリック面を有する複数のレンズで構成されるトーリック光学系であり、縦横比変換光学系15において縦方向と横方向とで曲率半径の異なる光学面を有するレンズを用いることで、画角の調整による縦横比の変換を可能としている。ここでは、一例として、画像表示素子11の画像領域での縦横比即ちアスペクト比を4:3とし、これを観察者が虚像として認識する際にアスペクト比16:9となるような比率の変換を行っている。なお、縦横比変換光学系15の詳細については後述する。   The image forming apparatus 10 includes an image display element 11 and a projection optical system 12. The image display element 11 is composed of a transmissive liquid crystal device, for example, and spatially modulates illumination light from a light source (not shown) to form image light to be displayed such as a moving image. The projection optical system 12 includes a collimator lens 13 and an aspect ratio conversion optical system 15, and forms a virtual image by emitting image light toward the light guide plate 20. The material of the lenses constituting the collimating lens 13 and the aspect ratio converting optical system 15 can be either glass or plastic. Among these, the collimating lens 13 converts the image light emitted from each point on the image display element 11 into a light beam in a parallel state. The aspect ratio conversion optical system 15 is a toric optical system composed of a plurality of lenses having toric surfaces with different curvature radii depending on the meridian direction, and the aspect ratio conversion optical system 15 has a curvature radius in the vertical direction and the horizontal direction. By using lenses having different optical surfaces, the aspect ratio can be converted by adjusting the angle of view. Here, as an example, the aspect ratio, that is, the aspect ratio in the image area of the image display element 11 is set to 4: 3, and the ratio is converted so that the aspect ratio is 16: 9 when the observer recognizes this as a virtual image. Is going. Details of the aspect ratio conversion optical system 15 will be described later.

図1(A)〜1(C)に示すように、本実施形態に係る導光板20は、導光板本体部20aと、入射光折曲部21と、画像取出部である角度変換部23とを備える。導光板20は、画像形成装置10で形成された画像光を虚像光として観察者の眼EYに向けて射出し、画像として認識させるものである。   As shown in FIGS. 1A to 1C, a light guide plate 20 according to this embodiment includes a light guide plate main body 20a, an incident light bending portion 21, and an angle conversion portion 23 that is an image extraction portion. Is provided. The light guide plate 20 emits the image light formed by the image forming apparatus 10 as virtual image light toward the observer's eye EY and recognizes it as an image.

導光板20の全体的な外観は、図中YZ面に平行に延びる平板である導光板本体部20aによって形成されている。また、導光板20は、長手方向の一端において導光板本体部20aに埋め込まれた多数の微小ミラーによって構成される角度変換部23を有し、長手方向の他端において導光板本体部20aを拡張するように形成されたプリズム部PS及びこれに付随する入射光折曲部21を有する構造となっている。   The overall appearance of the light guide plate 20 is formed by a light guide plate body 20a which is a flat plate extending parallel to the YZ plane in the drawing. In addition, the light guide plate 20 has an angle conversion unit 23 constituted by a large number of micromirrors embedded in the light guide plate body 20a at one end in the longitudinal direction, and extends the light guide plate body 20a at the other end in the longitudinal direction. The prism portion PS formed as described above and the incident light bending portion 21 associated therewith are configured.

導光板本体部20aは、光透過性の樹脂材料等により形成され、YZ面に平行で画像形成装置10に対向する表側の平面上に、画像形成装置10からの画像光を取り込む光入射部である光入射面ISと、画像光を観察者の眼EYに向けて射出させる光射出部である光射出面OSとを有している。導光板本体部20aは、そのプリズム部PSの側面として光入射面ISの他に矩形の斜面RSを有し、当該斜面RS上には、これを被覆するようにミラー層21aが形成されている。ここで、ミラー層21aは、斜面RSと協働することにより、光入射面ISに対して傾斜する入射光折曲部21として機能する。この入射光折曲部21は、光入射面ISから入射し全体として−X方向に向かう画像光を、全体として+X方向に偏った+Z方向に向かわせるように折り曲げることで、画像光を導光板本体部20a内に確実に結合させる。また、導光板本体部20aにおいて、光射出面OSの裏側の平面に沿って微細構造である角度変換部23が薄い層状に形成されている。導光板本体部20aは、入口側の入射光折曲部21から奥側の角度変換部23にかけて、入射光折曲部21を介して内部に入射させた画像光を角度変換部23に導くための導光部22を有している。   The light guide plate main body 20a is a light incident portion that is formed of a light-transmitting resin material or the like and takes in image light from the image forming apparatus 10 on a front side plane that is parallel to the YZ plane and faces the image forming apparatus 10. It has a certain light incident surface IS and a light emitting surface OS which is a light emitting portion for emitting image light toward the observer's eye EY. The light guide plate main body 20a has a rectangular inclined surface RS in addition to the light incident surface IS as a side surface of the prism portion PS, and a mirror layer 21a is formed on the inclined surface RS so as to cover it. . Here, the mirror layer 21a functions as the incident light bending portion 21 inclined with respect to the light incident surface IS by cooperating with the inclined surface RS. The incident light bending section 21 bends the image light that is incident from the light incident surface IS and travels in the −X direction as a whole so as to be directed in the + Z direction that is biased in the + X direction as a whole. The main body 20a is securely coupled. Further, in the light guide plate main body 20a, the angle conversion part 23, which is a fine structure, is formed in a thin layer along the plane on the back side of the light exit surface OS. The light guide plate main body 20a guides the image light incident inside through the incident light bending portion 21 from the incident light bending portion 21 to the back angle conversion portion 23 to the angle conversion portion 23. The light guide 22 is provided.

導光部22は、平板状の導光板本体部20aの主面であり互いに対向しYZ面に対して平行に延びる2平面として、入射光折曲部21で折り曲げられた画像光をそれぞれ全反射させる第1の全反射面22aと第2の全反射面22bとを有している。ここでは、第1の全反射面22aが画像形成装置10から遠い裏側にあるものとし、第2の全反射面22bが画像形成装置10に近い表側にあるものとする。この場合、第2の全反射面22bは、光入射面IS及び光射出面OSと共通の面部分となっている。入射光折曲部21で反射された画像光は、まず、第2の全反射面22bに入射し、全反射される。次に、当該画像光は、第1の全反射面22aに入射し、全反射される。以下この動作が繰り返されることで、画像光は、導光板20の奥側即ち角度変換部23を設けた+Z側に導かれる。つまり、導光板20は、観察者にとっての横方向に沿って画像光を導いている。   The light guide 22 is a main surface of the flat light guide plate main body 20a and is two planes facing each other and extending in parallel to the YZ plane, and totally reflects the image light bent by the incident light bending portion 21, respectively. The first total reflection surface 22a and the second total reflection surface 22b are provided. Here, it is assumed that the first total reflection surface 22 a is on the back side far from the image forming apparatus 10 and the second total reflection surface 22 b is on the front side close to the image forming apparatus 10. In this case, the second total reflection surface 22b is a common surface portion with the light incident surface IS and the light exit surface OS. The image light reflected by the incident light bending portion 21 first enters the second total reflection surface 22b and is totally reflected. Next, the image light enters the first total reflection surface 22a and is totally reflected. Hereinafter, by repeating this operation, the image light is guided to the back side of the light guide plate 20, that is, the + Z side where the angle conversion unit 23 is provided. That is, the light guide plate 20 guides the image light along the lateral direction for the observer.

導光板本体部20aの光射出面OSに対向して配置される角度変換部23は、導光部22の奥側(+Z側)において、第1の全反射面22aの延長平面に沿ってこの延長平面に近接して形成されている。角度変換部23は、導光部22の第1及び第2の全反射面22a,22bを経て入射してきた画像光を、所定角度で反射して光射出面OS側へ折り曲げる。つまり、角度変換部23は、画像光の角度を変換している。ここでは、角度変換部23に最初に入射する画像光が虚像光としての取出し対象であるものとする。角度変換部23の詳しい構造については、図2(A)等により後述する。   The angle conversion unit 23 disposed to face the light exit surface OS of the light guide plate main body 20a is arranged along the extended plane of the first total reflection surface 22a on the back side (+ Z side) of the light guide unit 22. It is formed close to the extension plane. The angle conversion unit 23 reflects the image light incident through the first and second total reflection surfaces 22a and 22b of the light guide unit 22 at a predetermined angle and bends it toward the light exit surface OS. That is, the angle conversion unit 23 converts the angle of the image light. Here, it is assumed that the image light first incident on the angle conversion unit 23 is an extraction target as virtual image light. The detailed structure of the angle conversion unit 23 will be described later with reference to FIG.

なお、導光板本体部20aに用いる透明樹脂材料の屈折率nは、1.5以上の高屈折率材料であるものとする。導光板20に比較的屈折率の高い透明樹脂材料を用いることで、導光板20内部で画像光を導光させやすくなり、かつ、導光板20内部での画像光の画角を比較的小さくすることができる。   In addition, the refractive index n of the transparent resin material used for the light-guide plate main-body part 20a shall be a high refractive index material of 1.5 or more. By using a transparent resin material having a relatively high refractive index for the light guide plate 20, it becomes easier to guide the image light inside the light guide plate 20, and the angle of view of the image light inside the light guide plate 20 is made relatively small. be able to.

画像形成装置10から射出され光入射面ISから以上の導光板20に入射した画像光は、入射光折曲部21で一様に反射されて折り曲げられ、導光部22の第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて繰り返し全反射されて光軸OAに略沿って一定の広がりを有する状態で進み、さらに、角度変換部23において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面OSから射出される。光射出面OSから射出された画像光は、虚像光として観察者の眼EYに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像による映像光等の画像光を認識することができる。   The image light emitted from the image forming apparatus 10 and incident on the light guide plate 20 from the light incident surface IS is uniformly reflected and bent by the incident light bending portion 21, and the first and second light guide portions 22. The total reflection surfaces 22a and 22b are repeatedly totally reflected and proceed in a state of having a constant spread substantially along the optical axis OA, and further, the angle conversion unit 23 is bent at an appropriate angle so that it can be taken out. Finally, the light exits from the light exit surface OS. The image light emitted from the light exit surface OS enters the observer's eye EY as virtual image light. By forming the virtual image light on the retina of the observer, the observer can recognize image light such as video light by the virtual image.

〔B.導光板中の画像光の光路〕
以下、導光板20中の画像光の光路について詳しく説明する。図1(A)に示すように、画像表示素子11の射出面11a上からそれぞれ射出される画像光のうち図中点線で示す射出面11aの中央部分から射出される成分を画像光GL1とし、図中一点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面右側(−Z側)から射出される成分を画像光GL2とし、図中二点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面左側(+Z側)から射出される成分を画像光GL3とする。
[B. Optical path of image light in the light guide plate]
Hereinafter, the optical path of the image light in the light guide plate 20 will be described in detail. As shown in FIG. 1A, a component emitted from the central portion of the emission surface 11a indicated by a dotted line in the image light emitted from the emission surface 11a of the image display element 11 is an image light GL1. The component emitted from the right side (-Z side) of the drawing surface 11a indicated by the alternate long and short dash line in the figure is the image light GL2, and the left side (+ Z side) of the periphery of the emission surface 11a indicated by the two-dot chain line in the drawing. ) Is emitted as image light GL3.

投射光学系12を経た各画像光GL1,GL2,GL3の主要成分は、導光板20の光入射面ISからそれぞれ入射した後、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて互いに異なる角度で全反射を繰り返す。具体的には、画像光GL1,GL2,GL3のうち、画像表示素子11の射出面11aの中央部分から射出された画像光GL1は、平行光束として入射光折曲部21で反射された後、標準反射角γで導光部22の第2の全反射面22bに入射し、全反射される。その後、画像光GL1は、標準反射角γを保った状態で、第1及び第2の全反射面22a,22bで全反射を繰り返す。画像光GL1は、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいてN回(Nは自然数)全反射され、角度変換部23の中央部23kに入射する。画像光GL1は、この中央部23kにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから光射出面OSを含むYZ面に対して垂直な光軸AX方向に平行光束として射出される。画像表示素子11の射出面11aの一端側(−Z側)から射出された画像光GL2は、平行光束として入射光折曲部21で反射された後、最大反射角γで導光部22の第2の全反射面22bに入射し、全反射される。画像光GL2は、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて例えばN−M回(Mは自然数)全反射され、角度変換部23のうち最も奥側(+Z側)の周辺部23hにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、入射光折曲部21側に戻されるようなものになっており、+Z軸に対して鈍角となる。画像表示素子11の射出面11aの他端側(+Z側)から射出された画像光GL3は、平行光束として入射光折曲部21で反射された後、最小反射角γで導光部22の第2の全反射面22bに入射し、全反射される。画像光GL3は、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて例えばN+M回全反射され、角度変換部23のうち最も入口側(−Z側)の周辺部23mにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角は、入射光折曲部21側から離れるようなものになっており、+Z軸に対して鋭角となる。なお、画像光GL1,GL2,GL3以外の画像光を構成する光束成分についても同様に導かれ光射出面OSから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。 The main components of the image lights GL1, GL2, and GL3 that have passed through the projection optical system 12 are incident on the first and second total reflection surfaces 22a and 22b at different angles after entering from the light incident surface IS of the light guide plate 20, respectively. Repeat total reflection. Specifically, among the image lights GL1, GL2, and GL3, the image light GL1 emitted from the central portion of the emission surface 11a of the image display element 11 is reflected by the incident light bending portion 21 as a parallel light flux, The light enters the second total reflection surface 22b of the light guide unit 22 at the standard reflection angle γ 0 and is totally reflected. Thereafter, the image light GL1 is, while maintaining the standard reflection angle gamma 0, first and second total reflection surface 22a, repeating total reflection at 22b. The image light GL1 is totally reflected N times (N is a natural number) on the first and second total reflection surfaces 22a and 22b, and enters the central portion 23k of the angle conversion unit 23. The image light GL1 is reflected at a predetermined angle at the central portion 23k, and is emitted from the light exit surface OS as a parallel light flux in the optical axis AX direction perpendicular to the YZ plane including the light exit surface OS. The image light GL2 emitted from one end side (−Z side) of the emission surface 11a of the image display element 11 is reflected by the incident light bending portion 21 as a parallel light beam, and then has a maximum reflection angle γ + and the light guide portion 22. Is incident on the second total reflection surface 22b and totally reflected. The image light GL2 is totally reflected, for example, NM times (M is a natural number) on the first and second total reflection surfaces 22a and 22b, and in the peripheral portion 23h on the farthest side (+ Z side) of the angle conversion unit 23. The light is reflected at a predetermined angle and is emitted from the light exit surface OS as a parallel light beam in a predetermined angle direction. The exit angle at this time is such that it is returned to the incident light bending portion 21 side, and becomes an obtuse angle with respect to the + Z axis. The image light GL3 emitted from the other end side (+ Z side) of the emission surface 11a of the image display element 11 is reflected by the incident light bending portion 21 as a parallel light beam, and then has a minimum reflection angle γ and the light guide portion 22. Is incident on the second total reflection surface 22b and totally reflected. The image light GL3 is totally reflected, for example, N + M times at the first and second total reflection surfaces 22a and 22b, and is reflected at a predetermined angle by the peripheral portion 23m on the most entrance side (−Z side) of the angle conversion portion 23. The light is emitted as a parallel light flux from the light exit surface OS in a predetermined angle direction. The exit angle at this time is such that it is away from the incident light bending portion 21 side, and is an acute angle with respect to the + Z axis. Since the light beam components constituting the image light other than the image light GL1, GL2, and GL3 are similarly guided and emitted from the light exit surface OS, illustration and description thereof are omitted.

ここで、入射光折曲部21及び導光部22に用いられる透明樹脂材料の屈折率nの値の一例として、n=1.5とすると、その臨界角γの値はγ≒41.8°となり、n=1.6とすると、その臨界角γの値はγ≒38.7°となる。各画像光GL1,GL2,GL3の反射角γ,γ,γのうち最小である反射角γを臨界角γよりも大きな値とすることで、必要な画像光について導光部22内における全反射条件を満たすものにできる。 Here, as an example of the value of the refractive index n of the transparent resin material used for the incident light bending part 21 and the light guide part 22, when n = 1.5, the value of the critical angle γ c is γ c ≈41. .8 ° and n = 1.6, the critical angle γ c is γ c ≈38.7 °. Each image light GL1, GL2, reflection angle gamma 0 of GL3, γ +, γ - reflection angle is the smallest among the gamma - a by a value larger than the critical angle gamma c, the light guide portion for the required image light 22 to satisfy the total reflection condition.

〔C.角度変換部の構造及び角度変換部による光路の折曲げ〕
以下、図2(A)等により、角度変換部23の構造及び角度変換部23による画像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
[C. (Structure of angle converter and bending of optical path by angle converter)
Hereinafter, the structure of the angle conversion unit 23 and the bending of the optical path of the image light by the angle conversion unit 23 will be described in detail with reference to FIG.

まず、角度変換部23の構造について説明する。角度変換部23は、ストライプ状に配列された多数の線状の反射ユニット23cで構成される。つまり、図2(A)〜2(C)に示すように、角度変換部23は、Y方向に延びる細長い反射ユニット23cを所定のピッチPTで導光部22の延びる方向即ちZ方向に多数配列させることで構成されている。各反射ユニット23cは、奥側即ち光路下流側に配置される1つの反射面部分である第1の反射面23aと、入口側即ち光路上流側に配置される他の1つの反射面部分である第2の反射面23bとを1組のものとして有する。これらのうち、少なくとも第2の反射面23bは、一部の光を透過可能な部分反射面であり、観察者に外界像をシースルーで観察させることを可能にしている。また、各反射ユニット23cは、隣接する第1及び第2の反射面23a,23bにより、XZ断面視においてV字又は楔状となっている。つまり、第1及び第2の反射面23a,23bは、第1の全反射面22aに対してそれぞれ異なる角度(即ちYZ面に対してそれぞれ異なる角度)で傾斜し、各第1の反射面23aは、第1の全反射面22aに対して略垂直な方向(X方向)に沿って延び、各第2の反射面23bは、対応する第1の反射面23aに対して所定角度(相対角度)αをなす方向に延びている。ここで、相対角度αは、具体例において例えば54.7°となっているものとする。   First, the structure of the angle conversion unit 23 will be described. The angle conversion unit 23 includes a large number of linear reflection units 23c arranged in a stripe shape. That is, as shown in FIGS. 2A to 2C, the angle conversion unit 23 includes a plurality of elongated reflection units 23c extending in the Y direction at a predetermined pitch PT in the direction in which the light guide unit 22 extends, that is, in the Z direction. Is made up of. Each reflection unit 23c is a first reflection surface 23a that is one reflection surface portion disposed on the back side, that is, the optical path downstream side, and another one reflection surface portion that is disposed on the entrance side, that is, the optical path upstream side. The second reflecting surface 23b is provided as a set. Among these, at least the second reflection surface 23b is a partial reflection surface capable of transmitting a part of light, and allows an observer to observe an external image in a see-through manner. Each reflection unit 23c is formed in a V shape or a wedge shape in the XZ sectional view by the adjacent first and second reflection surfaces 23a and 23b. In other words, the first and second reflection surfaces 23a and 23b are inclined at different angles (that is, different angles with respect to the YZ plane) with respect to the first total reflection surface 22a, and each first reflection surface 23a is inclined. Extends along a direction (X direction) substantially perpendicular to the first total reflection surface 22a, and each second reflection surface 23b has a predetermined angle (relative angle) with respect to the corresponding first reflection surface 23a. ) It extends in the direction of α. Here, the relative angle α is assumed to be, for example, 54.7 ° in a specific example.

図2(A)等に示す具体例において、第1の反射面23aは、第1の全反射面22aに対して略垂直であるものとしているが、第1の反射面23aの方向は、導光板20の仕様に応じて適宜調整されるものであり、第1の全反射面22aに対して−Z方向を基準として時計回りに例えば80°から100°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。また、第2の反射面23bの方向は、第1の全反射面22aに対して−Z方向を基準として時計回りに例えば30°から40°までの範囲内でいずれかの傾斜角度をなすものとできる。結果的に、第2の反射面23bは、第1の反射面23aに対して40°から70°までの範囲内でいずれかの相対角度を有するものとなる。   In the specific example shown in FIG. 2A and the like, the first reflecting surface 23a is assumed to be substantially perpendicular to the first total reflecting surface 22a, but the direction of the first reflecting surface 23a is guided. Any tilt angle within a range of, for example, 80 ° to 100 ° clockwise with respect to the −Z direction with respect to the first total reflection surface 22a is appropriately adjusted according to the specifications of the optical plate 20. It can be made. Further, the direction of the second reflecting surface 23b makes any inclination angle within a range of, for example, 30 ° to 40 ° clockwise with respect to the −Z direction with respect to the first total reflecting surface 22a. And can. As a result, the second reflecting surface 23b has any relative angle within the range of 40 ° to 70 ° with respect to the first reflecting surface 23a.

以下、角度変換部23による画像光の光路の折曲げについて説明する。ここでは、画像光のうち、角度変換部23の両端側に入射する画像光GL2及び画像光GL3について示し、他の光路については、これらと同様であるので図示等を省略する。   Hereinafter, bending of the optical path of the image light by the angle conversion unit 23 will be described. Here, among the image light, the image light GL2 and the image light GL3 that enter the both ends of the angle conversion unit 23 are shown, and the other optical paths are the same as these, so the illustration and the like are omitted.

まず、図2(A)及び2(B)に示すように、画像光のうち全反射角度の最も大きい反射角γで導かれた画像光GL2は、角度変換部23のうち光入射面IS(図1(A)参照)から最も遠い+Z側の周辺部23hに配置された1つの反射ユニット23cに入射し、最初に奥側即ち+Z側の第1の反射面23aで反射され、次に、入口側即ち−Z側の第2の反射面23bで反射される。当該反射ユニット23cを経た画像光GL2は、他の反射ユニット23cを経ることなく、図1(A)等に示す光射出面OSから射出される。つまり、画像光GL2は、角度変換部23での1回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。 First, as shown in FIGS. 2A and 2B, the image light GL2 guided at the reflection angle γ + having the largest total reflection angle among the image light is the light incident surface IS in the angle conversion unit 23. The light is incident on one reflection unit 23c disposed in the peripheral portion 23h on the + Z side farthest from (refer to FIG. 1A), and is first reflected by the first reflection surface 23a on the back side, that is, the + Z side, The light is reflected by the second reflecting surface 23b on the entrance side, that is, the -Z side. The image light GL2 that has passed through the reflection unit 23c is emitted from the light exit surface OS shown in FIG. 1A or the like without passing through the other reflection unit 23c. That is, the image light GL <b> 2 is bent to a desired angle by one pass through the angle conversion unit 23 and extracted to the viewer side.

また、図2(A)及び2(C)に示すように、全反射角度の最も小さい反射角γで導かれた画像光GL3は、角度変換部23のうち光入射面IS(図1(A)参照)に最も近い−Z側の周辺部23mに配置された1つの反射ユニット23cに入射し、画像光GL2の場合と同様に、最初に奥側即ち+Z側の第1の反射面23aで反射され、次に、入口側即ち−Z側の第2の反射面23bで反射される。当該反射ユニット23cを経た画像光GL3も、角度変換部23での1回だけの通過で所望の角度に折り曲げられ観察者側に取り出される。 Also, as shown in FIGS. 2A and 2C, the image light GL3 guided at the reflection angle γ having the smallest total reflection angle is included in the light incident surface IS (see FIG. A) the first reflection surface 23a which is incident on one reflection unit 23c arranged in the peripheral portion 23m on the −Z side closest to the reference) and is first, as in the case of the image light GL2. Then, the light is reflected by the second reflecting surface 23b on the entrance side, that is, the -Z side. The image light GL3 that has passed through the reflection unit 23c is also bent to a desired angle and taken out to the observer side by only one pass through the angle conversion unit 23.

ここで、上記のような第1及び第2の反射面23a,23bでの2段階での反射の場合、図2(B)及び2(C)に示すように、各画像光の入射時の方向と射出時の方向とのなす角である折り曲げ角ψは、いずれもψ=2(R−α)(R:直角)となる。つまり、折り曲げ角ψは、角度変換部23に対する入射角度即ち各画像光の全反射角度である反射角γ,γ,γ等の値によらず一定である。これにより、上記のように、画像光のうち全反射角度の比較的大きい成分を角度変換部23のうち+Z側の周辺部23h側に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分を角度変換部23のうち−Z側の周辺部23m側に入射させた場合にも、画像光を全体として観察者の眼EYに集めるような角度状態で効率的に取り出すことが可能となる。このような角度関係で画像光を取り出す構成であるため、導光板20は、画像光を角度変換部23において複数回通過させず、1回だけ通過させることができ、画像光を少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。 Here, in the case of the two-stage reflection on the first and second reflecting surfaces 23a and 23b as described above, as shown in FIGS. 2B and 2C, each image light is incident. The bending angle ψ, which is the angle between the direction and the direction at the time of injection, is ψ = 2 (R−α) (R: right angle). That is, the bending angle ψ is constant regardless of the incident angle with respect to the angle conversion unit 23, that is, the values of the reflection angles γ 0 , γ + , γ − and the like that are the total reflection angles of the respective image lights. Accordingly, as described above, a component having a relatively large total reflection angle in the image light is made incident on the + Z side peripheral portion 23h side of the angle conversion unit 23, and a component having a relatively small total reflection angle is incident on the angle conversion unit. Even when the light beam is incident on the peripheral portion 23m side on the −Z side of the image 23, the image light can be efficiently extracted in an angle state so as to collect the image light as a whole on the eye EY of the observer. Since the configuration is such that the image light is extracted with such an angle relationship, the light guide plate 20 can pass the image light only once without passing through the angle conversion unit 23 a plurality of times, and the image light can be passed through the virtual image with little loss. It can be extracted as light.

また、導光部22の形状や屈折率、角度変換部23を構成する反射ユニット23cの形状等の光学的な設計において、画像光GL2,GL3等が導かれる角度等を適宜調整することで、光射出面OSから射出される画像光を、基本の画像光GL1即ち光軸AXを中心として、全体として対称性が保たれた状態の虚像光として観察者の眼EYに入射させることができる。ここで、一端の画像光GL2のX方向又は光軸AXに対する角度θと、他端の画像光GL3のX方向又は光軸AXに対する角度θとは、大きさが略等しく逆向きとなっているものとする。角度θ,θは、観察者に認識される虚像の横画角φに相当するものであり、角度θと角度θとが等しいため、横半画角θ(つまり、φ=2θ)は、θ=θ=θとなる。 In addition, in the optical design such as the shape and refractive index of the light guide 22 and the shape of the reflection unit 23c constituting the angle conversion unit 23, by appropriately adjusting the angle etc. through which the image light GL2, GL3, etc. are guided, The image light emitted from the light exit surface OS can be incident on the observer's eye EY as virtual image light with the overall symmetry maintained around the basic image light GL1, that is, the optical axis AX. Here, a angle theta 2 with respect to the X direction or the optical axis AX of the image light GL2 at one end, the angle theta 3 with respect to the X direction or the optical axis AX of the image light GL3 at the other end, a substantially equal opposite magnitude It shall be. The angles θ 2 and θ 3 correspond to the horizontal field angle φ of the virtual image recognized by the observer. Since the angle θ 2 and the angle θ 3 are equal, the horizontal half field angle θ (that is, φ = 2θ). ) Is θ = θ 2 = θ 3 .

また、角度変換部23を構成する各反射ユニット23cの間隔であるピッチPTの具体的な数値範囲は、0.2mm以上、より好ましくは0.3mm〜1.3mmとする。この範囲にあることにより、取り出されるべき画像光が、角度変換部23において回折による影響を受けることなく、かつ、反射ユニット23cによる格子縞が観察者にとって目立つものとならないようにすることができる。   The specific numerical range of the pitch PT, which is the interval between the reflecting units 23c constituting the angle conversion unit 23, is 0.2 mm or more, and more preferably 0.3 mm to 1.3 mm. By being in this range, the image light to be taken out can be prevented from being affected by diffraction in the angle conversion unit 23, and the lattice fringes by the reflection unit 23c can be made inconspicuous for the observer.

〔D.縦横比変換光学系の構造及び縦横比変換〕
以下、図3(A)〜3(C)及び4(A)〜4(C)を参照して、縦横比変換光学系15の構造や機能について説明する。ここでは、既述のように、画像表示素子11の画像領域の縦横比即ちアスペクト比を4:3とし、縦横比変換光学系15での縦横比変換によって縦横比即ちアスペクト比16:9の映像を観察者に認識させるものとする。つまり、図4(A)に概念的に示すように、横方向にのみ光束の角度変換を行う縦横比変換光学系15が配置されていることによって、観察者に認識される映像に相当するパネル画像PPは、元のアスペクト比4:3から縦横比変換されアスペクト比16:9となる。なお、比較例として図4(B)に概念的に示すように、仮に縦横比変換光学系15が配置されないとすると、上記のような縦横比変換がなされず、パネル画像PPは、元の画像表示素子11の画面のアスペクト比4:3のままとなる。
[D. Aspect ratio conversion optical system structure and aspect ratio conversion)
Hereinafter, the structure and function of the aspect ratio converting optical system 15 will be described with reference to FIGS. Here, as described above, the aspect ratio or aspect ratio of the image area of the image display element 11 is set to 4: 3, and the aspect ratio or aspect ratio of 16: 9 is obtained by the aspect ratio conversion by the aspect ratio conversion optical system 15. To be recognized by the observer. That is, as conceptually shown in FIG. 4A, a panel corresponding to an image recognized by an observer is provided by arranging an aspect ratio conversion optical system 15 that performs angle conversion of a light beam only in the horizontal direction. The image PP is converted from an aspect ratio of 4: 3 to an aspect ratio of 16: 9. As conceptually shown in FIG. 4B as a comparative example, if the aspect ratio conversion optical system 15 is not arranged, the aspect ratio conversion as described above is not performed, and the panel image PP is the original image. The aspect ratio of the screen of the display element 11 remains 4: 3.

図3(A)は、虚像表示装置100をY方向から見た断面図であり、図3(B)は、虚像表示装置100をZ方向から見た側面図であり、図3(C)は、縦横比変換光学系15を構成する1組のシリンドリカルレンズ15a,15bの斜視図である。図示の虚像表示装置100において、画像表示素子11の横方向である第1方向D1は、図4(A)に示すように観察者の横方向即ちパネル画像PPの横方向E1に対応している。また、第1方向D1に垂直な画像表示素子11の縦方向である第2方向D2は、パネル画像PPの縦方向E2に対応している。   3A is a cross-sectional view of the virtual image display device 100 viewed from the Y direction, FIG. 3B is a side view of the virtual image display device 100 viewed from the Z direction, and FIG. 2 is a perspective view of a pair of cylindrical lenses 15a and 15b constituting the aspect ratio converting optical system 15. FIG. In the illustrated virtual image display device 100, the first direction D1 that is the horizontal direction of the image display element 11 corresponds to the horizontal direction of the observer, that is, the horizontal direction E1 of the panel image PP, as shown in FIG. . A second direction D2 that is the vertical direction of the image display element 11 perpendicular to the first direction D1 corresponds to the vertical direction E2 of the panel image PP.

縦横比変換光学系15は、光路上流側即ち光源側に配置される凸シリンドリカルレンズ15aと、光路下流側即ち反光源側に配置される凹シリンドリカルレンズ15bとにより構成される。凸シリンドリカルレンズ15a及び凹シリンドリカルレンズ15bは、いずれも、母線がY方向に延びるように配置されており、XZ面に平行な断面については正負の屈折力を与える円弧状であり、XY面に平行な断面については屈折力を与えない直線状であり、図3(C)に斜視図で示すような全体外観を有するシリンドリカル光学系である。各シリンドリカルレンズ15a,15bは、導光板20の光入射面ISに直接又は間接的に対向するように配置されている。各シリンドリカルレンズ15a,15bが、以上のような形状及び配置となっているため、その断面形状の違いによって、通過する光の発散・収束作用即ち画像光についての伸張・縮小作用が生ずる場合と生じない又は殆ど生じない場合とがある。なお、図示のシリンドリカルレンズ15a,15bの場合、光路下流側の面HSa,HSbは曲面になっており、光路上流側の面TSa,TSbは平坦面になっている。   The aspect ratio conversion optical system 15 includes a convex cylindrical lens 15a disposed on the upstream side of the optical path, that is, on the light source side, and a concave cylindrical lens 15b disposed on the downstream side of the optical path, that is, on the side opposite to the light source. The convex cylindrical lens 15a and the concave cylindrical lens 15b are both arranged so that the generatrix extends in the Y direction, and have a circular arc shape that gives positive and negative refractive powers in a cross section parallel to the XZ plane, and parallel to the XY plane. The cylindrical optical system has an overall appearance as shown in a perspective view in FIG. Each cylindrical lens 15a, 15b is disposed so as to face the light incident surface IS of the light guide plate 20 directly or indirectly. Since each cylindrical lens 15a, 15b has the shape and arrangement as described above, a difference in cross-sectional shape may cause a diverging / converging action of light passing through, that is, an expansion / reduction action for image light. There may be no or almost none. In the illustrated cylindrical lenses 15a and 15b, the surfaces HSa and HSb on the downstream side of the optical path are curved surfaces, and the surfaces TSa and TSb on the upstream side of the optical path are flat surfaces.

図3(A)及び3(B)に示すように、縦横比変換光学系15に入射した画像光は、コリメートレンズ13によって予め平行化されている。縦横比変換光学系15は、第1方向D1に対応するXZ断面で、各画像光の光束の平行性を保ちつつ画角を拡げるように変換するアフォーカル系即ち焦点距離が無限大の光学系であり、入射する平行光束の平行性を保って射出する。つまり、縦横比変換光学系15は、第2方向D2に対応するXY断面で各画像光の光束の平行性を保ち画角を維持する非作用型の光学系となっている。従って、図3(A)において即ちXZ面内において、画像光GL1等は、平行光束として入射し、射出角度が変化するものの平行光束として射出されている。また、図3(B)において即ちXY面内において、画像光GL1等は、平行光束として入射し、略そのままの平行光束として射出されている。ここで、縦横比変換光学系15による画像光の光束断面の第1方向D1即ち横方向についての伸張・縮小は、射出角度の増減に相当するものであり、縦横比変換光学系15を構成する両シリンドリカルレンズ15a,15bの屈折力や間隔によって定まる。図3(A)等に示すレンズ15a,15bの配置の場合、レンズ15a,15b即ち縦横比変換光学系15がない場合と比較して、Z方向については横画角φ=2θを拡げ画像光を伸張させる。一方、第2方向D2即ち縦方向については伸張も縮小もさせないものとなっている。   As shown in FIGS. 3A and 3B, the image light incident on the aspect ratio converting optical system 15 is collimated in advance by the collimating lens 13. The aspect ratio conversion optical system 15 is an afocal system that converts in an XZ section corresponding to the first direction D1 so as to widen the angle of view while maintaining the parallelism of the light beams of each image light, that is, an optical system with an infinite focal length. And exits while maintaining the parallelism of the incident parallel light flux. That is, the aspect ratio conversion optical system 15 is a non-acting optical system that maintains the angle of view while maintaining the parallelism of the light beams of the respective image lights in the XY cross section corresponding to the second direction D2. Accordingly, in FIG. 3A, that is, in the XZ plane, the image light GL1 and the like are incident as a parallel light flux and emitted as a parallel light flux although the emission angle changes. In FIG. 3B, that is, in the XY plane, the image light GL1 and the like are incident as a parallel light flux and emitted as a substantially parallel light flux. Here, expansion / reduction in the first direction D1 of the light beam cross section of the image light by the aspect ratio conversion optical system 15, that is, the horizontal direction corresponds to increase / decrease of the emission angle, and constitutes the aspect ratio conversion optical system 15. It is determined by the refractive power and the distance between the cylindrical lenses 15a and 15b. In the case of the arrangement of the lenses 15a and 15b shown in FIG. 3A and the like, the horizontal view angle φ = 2θ is expanded in the Z direction as compared with the case where the lenses 15a and 15b, that is, the aspect ratio conversion optical system 15 is not provided, and the image light. Stretch. On the other hand, the second direction D2, that is, the vertical direction, is neither expanded nor contracted.

以下、図3(A)により、画像形成装置10側における第1方向D1即ち横方向に関しての画像光の光路について説明する。この場合、画像光のうち例えば画像光GL2のように画像表示素子11の周辺側から射出される成分は、光軸XXと交差するものが観察対称となることから、縦横比変換光学系15によって光軸XXに対してより傾いた角度成分を持つ方向に射出される。図4(C)を用いてより具体的に説明すると、まず、画像光GL2は、周辺側である−Z側から光軸XXに対して入射角度θだけ傾いて凸シリンドリカルレンズ15aに入射すると、アフォーカル系である凸シリンドリカルレンズ15a及び凹シリンドリカルレンズ15bにより、光軸XXに対して入射角度θよりも傾きの大きい射出角度θで+Z側から射出される。なお、この射出角度θは、図3(A)等に示す虚像の横半画角θの値に等しい。同様に、画像光GL3は、+Z側から光軸XXに対して入射角度θだけ傾いて縦横比変換光学系15に入射し、入射角度θよりも傾きの大きい射出角度θで−Z側から射出される。以上のように、縦横比変換光学系15を通過することで横方向に関して入射角度θよりも射出角度θが大きくなる即ち角倍率が大きくなる結果、画像光の射出時の画角が入射時よりも拡がる。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系15がない場合と比較して、横方向へ伸張されることになる。 Hereinafter, the optical path of the image light in the first direction D1, that is, the lateral direction on the image forming apparatus 10 side will be described with reference to FIG. In this case, for example, the component emitted from the peripheral side of the image display element 11 such as the image light GL2 in the image light is symmetric with respect to the one intersecting the optical axis XX. The light is emitted in a direction having an angle component more inclined with respect to the optical axis XX. When more specifically described with reference to FIG. 4 (C), the first, the image light GL2 is, when inclined at the incident angle theta 0 with respect to the optical axis XX from the -Z side is a peripheral side enters the convex cylindrical lenses 15a The light beam is emitted from the + Z side at an emission angle θ that has a larger inclination than the incident angle θ 0 with respect to the optical axis XX by the convex cylindrical lens 15a and the concave cylindrical lens 15b which are afocal systems. The emission angle θ is equal to the value of the horizontal half angle of view θ of the virtual image shown in FIG. Similarly, the image light GL3 is + inclined by an incident angle theta 0 with respect to the optical axis XX incident on Anamorphic optical system 15 from the Z-side, -Z side large emission angle theta of inclination than the incident angle theta 0 Is injected from. As described above, as a result of passing through the aspect ratio conversion optical system 15 and the emission angle θ larger than the incident angle θ 0 in the horizontal direction, that is, the angular magnification is increased, the angle of view at the time of emission of the image light is increased. More spread out. That is, the virtual image by the image light is expanded in the horizontal direction as compared with the case where the aspect ratio conversion optical system 15 is not provided.

以上において、凸シリンドリカルレンズ15aと凹シリンドリカルレンズ15bとの位置関係や、これらの焦点距離の比を適宜定めることで、入射角度θに対する射出角度θの大きさを所望の値にし、結果として、観察者に認識させるべき虚像の縦横比を所望の比率に調整することができる。なお、ここでは、一例として、横方向について4/3倍する伸張変換となっている。 In the above, by appropriately determining the positional relationship between the convex cylindrical lens 15a and the concave cylindrical lens 15b and the ratio of their focal lengths, the magnitude of the exit angle θ with respect to the incident angle θ 0 is set to a desired value. The aspect ratio of the virtual image to be recognized by the observer can be adjusted to a desired ratio. In this case, as an example, the expansion conversion is 4/3 times in the horizontal direction.

以下、図3(B)に戻って、画像形成装置10側における第2方向D2即ち縦方向に関しての画像光の光路について説明する。この場合、各シリンドリカルレンズ15a,15bは屈折力を有さず平行平板と同等のものとなっているので、画像光のうち例えば画像表示素子11の−Y側から射出される画像光GLaのように周辺側から射出される成分も、中心側の成分も、縦横比変換光学系15による角度変化の影響を殆ど受けない。つまり、画像光は、入射角度θの値をそのまま射出角度θとし、縦横比変換光学系15がない場合と比較して、伸縮されることなくそのままの状態を維持して射出され虚像を形成する。 Hereinafter, returning to FIG. 3B, the optical path of the image light in the second direction D2, that is, the vertical direction on the image forming apparatus 10 side will be described. In this case, each of the cylindrical lenses 15a and 15b does not have a refractive power and is equivalent to a parallel plate. Therefore, among the image light, for example, image light GLa emitted from the −Y side of the image display element 11 is used. In addition, neither the component emitted from the peripheral side nor the component on the center side is almost affected by the angle change by the aspect ratio conversion optical system 15. That is, the image light is emitted as it is without being expanded and contracted as compared with the case where the incident angle θ 0 is set as the emission angle θ 0 as it is and the aspect ratio conversion optical system 15 is not provided. Form.

以上の結果、縦横比変換光学系15は、通過する画像光による虚像について、縦横比変換光学系15がない場合と比較して、横方向に関しては伸張し、縦方向に関しては殆ど変化しないように変換している。つまり、横方向と縦方向とで異なる比率で変換している。この場合、上記のように横方向についての伸張量を4/3倍とすることで、4:3の縦横比から16:9への変換を横伸張のみによって行っている。以上のような変換により、16:9の縦横比となる虚像を形成可能な画像光を導光板20の光入射面ISに入射させることができる。なお、図3(A)のように、画角を拡げて虚像を横方向に伸張させる場合、導光部22を通過する各平行光束の幅は狭くなる。一方、図3(B)のように、伸張も縮小もさせない場合、導光部22を通過する各平行光束の幅は変わらない。   As a result of the above, the aspect ratio conversion optical system 15 expands in the horizontal direction and hardly changes in the vertical direction, as compared with the case where the aspect ratio conversion optical system 15 is not provided, for the virtual image by the passing image light. It has been converted. That is, conversion is performed at a different ratio between the horizontal direction and the vertical direction. In this case, as described above, the expansion amount in the horizontal direction is set to 4/3 times, so that the conversion from the aspect ratio of 4: 3 to 16: 9 is performed only by the horizontal expansion. By the conversion as described above, image light capable of forming a virtual image having an aspect ratio of 16: 9 can be incident on the light incident surface IS of the light guide plate 20. Note that, as illustrated in FIG. 3A, when the virtual image is expanded in the horizontal direction by widening the angle of view, the width of each parallel light beam passing through the light guide unit 22 is narrowed. On the other hand, as shown in FIG. 3B, when neither expansion nor reduction is performed, the width of each parallel light beam passing through the light guide unit 22 does not change.

以下、上記縦横比変換に応じた画像を構成する画素の形状について説明する。まず、図5(A)は、画像表示素子11の画面に対応するものとして、縦横比変換による作用のない状態のパネル画像PPを模式的に示すものである。この場合、パネル画像PPの形状は、画像表示素子11の画像領域PDの形状をそのまま反映したアスペクト比4:3の矩形状となっている。従って、パネル画像PP上にマトリクス状に配置された多数の画素PEは、画像表示素子11における画像領域PDの画素の配置・形状を示すものとして捉えることができる。一方、図5(B)は、縦横比変換光学系15の縦横比変換による作用で縦横比が16:9に変換された状態のパネル画像PPを模式的に示すものである。図5(B)において、パネル画像PPの各映像画素PE'は、図5(A)の各画素PEに1対1で対応するものである。ここでは、既述のように、縦横比変換光学系15による縦横比変換は、横方向について4/3倍するものとして設定されている。これに対応するように、図5(A)のパネル画像PPの画素PEの各形状は、縦横比変換光学系15による変換比率と逆比率の縦横比の縦長の長方形状としている。つまり、各画素PEの縦横比m:nは、縦方向即ちY方向に長くm:n=3:4となっている。これにより、図5(B)に示すパネル画像PPの各映像画素PE'の各形状は、縦横比変換光学系15によって横方向に4/3倍の変換比率で伸張変換されることで縦横比1:1の正方形の状態となっているものとして観察者に認識される。以上のように、画像表示素子11の画素の形状即ち画素PEの形状を、縦横比変換光学系15での縦横比変換に対応して予め縦長にしておくことで、縦横比変換されて観察者の眼EYに届く映像は、画像処理等を施すことなく、元の映像の状態をそのまま自然な形に保たれたものとなる。   Hereinafter, the shape of the pixels constituting the image corresponding to the aspect ratio conversion will be described. First, FIG. 5A schematically shows a panel image PP in a state where there is no effect by aspect ratio conversion, corresponding to the screen of the image display element 11. In this case, the shape of the panel image PP is a rectangular shape with an aspect ratio of 4: 3 that directly reflects the shape of the image area PD of the image display element 11. Therefore, the large number of pixels PE arranged in a matrix on the panel image PP can be regarded as indicating the arrangement and shape of the pixels in the image area PD in the image display element 11. On the other hand, FIG. 5B schematically shows the panel image PP in a state where the aspect ratio is converted to 16: 9 by the action of the aspect ratio conversion of the aspect ratio conversion optical system 15. In FIG. 5B, each picture pixel PE ′ of the panel image PP corresponds to each pixel PE in FIG. Here, as described above, the aspect ratio conversion by the aspect ratio conversion optical system 15 is set to be 4/3 times in the horizontal direction. Corresponding to this, each shape of the pixel PE of the panel image PP in FIG. 5A is a vertically long rectangular shape having an aspect ratio opposite to the conversion ratio by the aspect ratio conversion optical system 15. That is, the aspect ratio m: n of each pixel PE is long in the vertical direction, that is, the Y direction, and m: n = 3: 4. Accordingly, each shape of each video pixel PE ′ of the panel image PP shown in FIG. 5B is expanded and converted by the aspect ratio conversion optical system 15 at a conversion ratio of 4/3 times in the horizontal direction, thereby the aspect ratio. It is recognized by the observer as being in a 1: 1 square state. As described above, the shape of the pixel of the image display element 11, that is, the shape of the pixel PE is previously set to be vertically long corresponding to the aspect ratio conversion in the aspect ratio conversion optical system 15, so that the aspect ratio is converted and the observer is converted. The video that reaches the eye EY is the original video in its natural form without any image processing or the like.

以下、各画素PEを3セグメントで構成する場合の画素要素について説明する。例えば、図6(A)及び6(B)に示すように、RGB(赤、緑、青)3色の縦長の画素要素R1,G1,B1を横一列に配列したものを1組として1つの画素PEを形成してもよい。この場合、縦横比変換後の各画素PE'において、各画素要素R1',G1',B1'は、横方向に伸張される。従って、変換前の画素要素R1,G1,B1を予め縦長にしておくことで、変換後の各画素要素R1',G1',B1'が最良な形状となるようにできる。また、図6(C)及び6(D)に示すように、RGB(赤、緑、青)3色の画素要素R1,G1,B1を縦一列に配列することも可能である。なお、上記のような縦又は横ストライプ配置のほか、例えばデルタ配置やモザイク配置等の配列方式も適用可能であり、各配列方式により例えば縦線が見やすいものや、グラフィック表示に向いているもの等があり、必要な特性に応じて種々の配列方式から適するものを選択できる。   Hereinafter, pixel elements in the case where each pixel PE is composed of three segments will be described. For example, as shown in FIGS. 6 (A) and 6 (B), a set of vertically long pixel elements R1, G1, and B1 of RGB (red, green, and blue) arranged in a horizontal row is used as one set. The pixel PE may be formed. In this case, in each pixel PE ′ after the aspect ratio conversion, each pixel element R1 ′, G1 ′, B1 ′ is expanded in the horizontal direction. Therefore, the pixel elements R1, G1, and B1 before conversion are made to be vertically long in advance, so that the pixel elements R1 ′, G1 ′, and B1 ′ after conversion can have the best shape. Further, as shown in FIGS. 6C and 6D, pixel elements R1, G1, and B1 of three colors RGB (red, green, and blue) can be arranged in a vertical line. In addition to the vertical or horizontal stripe arrangement as described above, for example, an arrangement method such as a delta arrangement or a mosaic arrangement can also be applied. For example, a vertical line can be easily seen or suitable for graphic display by each arrangement method. A suitable one can be selected from various arrangement methods according to the required characteristics.

また、このほかにも、例えば図6(E)及び6(F)に示すように、RGB(赤、緑、青)3色を4セグメントの画素要素を矩形の4マスに配列して1つの画素PEを構成することもできる。図6(E)及び6(F)では、一例として、R及びBを1つずつ、Gを2つという配色する即ち画素要素R1,G1,G2,B1を2行2列に配置して、これらを画素要素R1',G1',G2',B1'に変換して正方形の画素PE'を形成するものとしている(図6(F)参照)。また、図6(G)及び6(H)に示すように、例えばRGB(赤、緑、青)にY(黄)を加えた4色による4セグメントの画素要素R1,G1,B1,Y1で1つの画素PEを構成し、配置された各画素要素R1,G1,B1,Y1を縦横比変換で画素要素R1',G1',B1',Y1'に変換して正方形の画素PE'を形成するものとしてもよい(図6(H)参照)。4セグメントで構成する場合、上記のように緑を強くしたり、黄色を加えたりすることで、光量を大きくしたり色再現性をより向上させることが可能となる。   In addition, as shown in FIGS. 6E and 6F, for example, three pixel elements of RGB (red, green, blue) are arranged in four rectangular squares to obtain one The pixel PE can also be configured. 6 (E) and 6 (F), for example, R and B are arranged one by one and G is two, that is, the pixel elements R1, G1, G2, and B1 are arranged in two rows and two columns, These are converted into pixel elements R1 ′, G1 ′, G2 ′, B1 ′ to form a square pixel PE ′ (see FIG. 6F). As shown in FIGS. 6G and 6H, for example, four-segment pixel elements R1, G1, B1, and Y1 of four colors obtained by adding Y (yellow) to RGB (red, green, and blue). One pixel PE is formed, and each of the arranged pixel elements R1, G1, B1, Y1 is converted into pixel elements R1 ′, G1 ′, B1 ′, Y1 ′ by aspect ratio conversion to form a square pixel PE ′. It is good also as what to do (refer FIG.6 (H)). In the case of four segments, it is possible to increase the amount of light and further improve the color reproducibility by increasing green or adding yellow as described above.

以上のように、本実施形態に係る虚像表示装置100は、縦横比変換光学系15での伸張変換によって、形成された虚像の縦横比について、元の画像表示素子11の画像領域PDの縦横比(4:3)よりも横長の縦横比(16:9)に変換することができる。これにより、例えば虚像表示装置100全体に対する画像表示素子11を含む画像形成装置10の横幅WDが設計上制限され画像領域PDを映像として必要とされる比較的横長の縦横比(例えば16:9)にすることができず、正方形に近い比(例えば縦横比4:3)となる場合であっても、観察者の眼に虚像として認識される画像光の縦横比を、シリンドリカルレンズ15a,15bでの縦横比変換によって所望の状態(例えば縦横比16:9)に調整できる。   As described above, the virtual image display device 100 according to the present embodiment has the aspect ratio of the image region PD of the original image display element 11 with respect to the aspect ratio of the virtual image formed by the expansion conversion in the aspect ratio conversion optical system 15. The aspect ratio (16: 9) can be converted to a longer aspect ratio than (4: 3). Thereby, for example, the horizontal width WD of the image forming apparatus 10 including the image display element 11 with respect to the entire virtual image display apparatus 100 is limited by design, and a relatively long aspect ratio (for example, 16: 9) required for the image region PD as an image. Even if the ratio is close to a square (for example, an aspect ratio of 4: 3), the aspect ratio of the image light recognized as a virtual image by the observer's eyes is changed by the cylindrical lenses 15a and 15b. Can be adjusted to a desired state (for example, an aspect ratio of 16: 9).

なお、上記実施形態及び各変形例の縦横比変換光学系15等において、画像表示素子11側の表示画像の縦横比を4:3とし、観察者に認識される画像光による虚像の縦横比を16:9とするように変換しているが、縦横比については、これに限らず、変換の前と後とについてそれぞれ種々のものが想定される。縦横比の変換比率は、例えば縦横比変換光学系15を構成する1組の凹凸形状のシリンドリカルレンズ15a,15bの配置を変更することで調整できる。   In the aspect ratio conversion optical system 15 and the like of the above embodiment and each modification, the aspect ratio of the display image on the image display element 11 side is 4: 3, and the aspect ratio of the virtual image by the image light recognized by the observer is Although the conversion is performed so that the ratio is 16: 9, the aspect ratio is not limited to this, and various types are assumed before and after the conversion. The conversion ratio of the aspect ratio can be adjusted, for example, by changing the arrangement of a pair of concave and convex cylindrical lenses 15a and 15b constituting the aspect ratio conversion optical system 15.

〔第2実施形態〕
以下、図7(A)等により、第2実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置200は、第1実施形態の虚像表示装置100の変形例であり、第1実施形態の虚像表示装置100と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
[Second Embodiment]
Hereinafter, the virtual image display apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIG. The virtual image display device 200 according to the present embodiment is a modification of the virtual image display device 100 of the first embodiment, and the same reference numerals as those of the virtual image display device 100 of the first embodiment are the same unless otherwise specified. It shall have the function of

図7(A)は、虚像表示装置200をY方向から見た断面図であり、図7(B)は、虚像表示装置200をZ方向から見た側面図である。本実施形態の虚像表示装置200は、縦横比変換光学系215において、第1方向D1(Z方向)に垂直な第2方向D2(Y方向)に関して縮小変換を行うことで、観察されるべき虚像を所望状態の縦横比に変換している。ここでは、一例として、画像表示素子11での表示画像の縦横比即ちアスペクト比を4:3とし、縦横比変換光学系215による縦横比変換である縮小変換によって、アスペクト比16:9の映像を観察者に認識させるものとする。   7A is a cross-sectional view of the virtual image display device 200 as viewed from the Y direction, and FIG. 7B is a side view of the virtual image display device 200 as viewed from the Z direction. The virtual image display apparatus 200 according to the present embodiment performs a reduction conversion in a second direction D2 (Y direction) perpendicular to the first direction D1 (Z direction) in the aspect ratio conversion optical system 215, so that a virtual image to be observed. Is converted into the desired aspect ratio. Here, as an example, the aspect ratio of the display image on the image display element 11, that is, the aspect ratio is set to 4: 3, and the image with the aspect ratio of 16: 9 is converted by the reduction conversion which is the aspect ratio conversion by the aspect ratio conversion optical system 215. It shall be recognized by the observer.

縦横比変換光学系215は、第2方向D2即ち縦方向に関する縮小変換を行うため、光路上流側即ち光源側に凹シリンドリカルレンズ215aを配置し、光路下流側即ち反光源側に凸シリンドリカルレンズ215bを配置している。より具体的には、各リンドリカルレンズ215a,215bは、いずれも、母線がZ方向に延びるように配置されており、XZ面に平行な断面については屈折力を与えない直線状であり、XY面に平行な断面については正負の屈折力を与える円弧状であるシリンドリカル光学系である。これにより、縦横比変換光学系215は、XZ面については、平行平板と同等で光束を殆ど変化させないものとなっている一方、XY面については、画像光の光束の平行性を保ちつつ、画角を狭めるように変換するアフォーカル系として機能するものとなっている。   The aspect ratio conversion optical system 215 arranges a concave cylindrical lens 215a on the upstream side of the optical path, that is, the light source side, and arranges the convex cylindrical lens 215b on the downstream side of the optical path, that is, on the opposite light source side, in order to perform reduction conversion in the second direction D2, that is, the vertical direction. It is arranged. More specifically, each of the cylindrical lenses 215a and 215b is arranged so that the generatrix extends in the Z direction, and has a linear shape that gives no refractive power to a cross section parallel to the XZ plane. The cross section parallel to the surface is a cylindrical optical system having an arc shape that gives positive and negative refractive powers. As a result, the aspect ratio conversion optical system 215 is equivalent to a parallel plate with respect to the XZ plane and hardly changes the luminous flux. On the other hand, with respect to the XY plane, while maintaining the parallelism of the luminous flux of the image light, It functions as an afocal system that converts to narrow the corners.

以上から、まず、図7(A)に示すように、第1方向D1即ちZ方向に関しての画像光の光路は、縦横比変換光学系215による角度変化の影響を殆ど受けない。つまり、画像光は、縦横比変換光学系215がない場合と比較して、伸縮されることなくそのままの状態を維持して射出される。   From the above, first, as shown in FIG. 7A, the optical path of the image light in the first direction D1, that is, the Z direction is hardly affected by the angle change by the aspect ratio conversion optical system 215. That is, the image light is emitted while maintaining its state without being expanded or contracted, as compared with the case where the aspect ratio conversion optical system 215 is not provided.

一方、図7(B)に示すように、第2方向D2即ちY方向に関しての画像光の光路は、アフォーカル系である縦横比変換光学系215により、射出時の画角が入射時よりも狭まるように変化する。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系215がない場合と比較して、縦方向に縮小されることになる。   On the other hand, as shown in FIG. 7B, the optical path of the image light in the second direction D2, that is, the Y direction is set to have an angle of view at the time of emission larger than that at the time of incidence by the aspect ratio conversion optical system 215 that is an afocal system. It changes to narrow. That is, the virtual image by the image light is reduced in the vertical direction as compared with the case where the aspect ratio conversion optical system 215 is not provided.

以上の結果、縦横比変換光学系215は、通過する画像光全体の光束断面形状について、横方向に関しては殆ど変化させず、縦方向に関しては縮小するように縦縮小変換している。このように、横方向と縦方向とで異なる比率で変換することで、例えば4:3の縦横比から16:9への変換を行うことができる。なお、この場合、上記変換を達成するため、縦方向について3/4倍する縮小量の縮小変換に設定されることになる。   As a result, the aspect ratio conversion optical system 215 performs the vertical reduction conversion so that the light beam cross-sectional shape of the entire image light passing therethrough is hardly changed in the horizontal direction and is reduced in the vertical direction. Thus, by converting at a different ratio between the horizontal direction and the vertical direction, for example, conversion from an aspect ratio of 4: 3 to 16: 9 can be performed. In this case, in order to achieve the above-described conversion, the reduction conversion is set to a reduction amount of 3/4 times in the vertical direction.

〔第3実施形態〕
以下、図8(A)等により、第3実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置300は、第1実施形態の虚像表示装置100の変形例であり、第1実施形態の虚像表示装置100と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
[Third Embodiment]
Hereinafter, the virtual image display apparatus according to the third embodiment will be described with reference to FIG. The virtual image display device 300 according to the present embodiment is a modification of the virtual image display device 100 of the first embodiment, and the same reference numerals as those of the virtual image display device 100 of the first embodiment are the same unless otherwise specified. It shall have the function of

虚像表示装置300は、縦横比変換光学系315において、観察者にとっての横方向に対応する第1方向D1(Z方向)に関する伸張変換と、第1方向D1に垂直な第2方向D2(Y方向)に関する縮小変換との双方の変換を縦横比変換として行っている。   In the aspect ratio conversion optical system 315, the virtual image display device 300 performs extension conversion on the first direction D1 (Z direction) corresponding to the horizontal direction for the observer, and the second direction D2 (Y direction perpendicular to the first direction D1). Both the conversion with the reduction conversion with respect to) is performed as the aspect ratio conversion.

縦横比変換光学系315は、第1方向D1即ち横方向に関する伸張変換を行い、第2方向D2即ち縦方向に関する縮小変換を行うため、断面方向によって凹凸の異なる鞍型の表面形状を有するトーリックレンズ315a,315bを配置している。つまり、各トーリックレンズ315a,315bは、XZ面に平行な断面及びXY面に平行な断面のいずれについても円弧状であるが、断面方向によって凹形状であるか凸形状であるかが異なるトーリック状となっている。   The aspect ratio conversion optical system 315 performs extension conversion in the first direction D1, that is, the horizontal direction, and performs reduction conversion in the second direction D2, that is, the vertical direction. 315a and 315b are arranged. In other words, each toric lens 315a, 315b has an arc shape for both the cross section parallel to the XZ plane and the cross section parallel to the XY plane, but the toric shape differs depending on the cross sectional direction. It has become.

まず、図8(A)に示すように、第1方向D1即ちZ方向に関しての画像光の光路は、アフォーカル系である縦横比変換光学系315により、射出時の画角が入射時よりも広がるように変化する。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系315がない場合と比較して、横方向に伸張されることになる。   First, as shown in FIG. 8 (A), the optical path of the image light in the first direction D1, that is, the Z direction is set so that the angle of view at the time of emission is larger than that at the time of incidence by an aspect ratio conversion optical system 315 that is an afocal system. It changes to spread. That is, the virtual image by the image light is expanded in the horizontal direction as compared with the case where the aspect ratio conversion optical system 315 is not provided.

一方、図8(B)に示すように、第2方向D2即ちY方向に関しての画像光の光路は、アフォーカル系である縦横比変換光学系315により、射出時の画角が入射時よりも狭まるように変化する。つまり、画像光による虚像は、縦横比変換光学系315がない場合と比較して、縦方向に縮小されることになる。   On the other hand, as shown in FIG. 8 (B), the optical path of the image light in the second direction D2, that is, the Y direction is set so that the angle of view at the time of emission is larger than that at the time of incidence by the aspect ratio conversion optical system 315 which is an afocal system. It changes to narrow. That is, the virtual image by the image light is reduced in the vertical direction as compared with the case where the aspect ratio conversion optical system 315 is not provided.

以上の結果、縦横比変換光学系315について適宜横伸張量と縦縮小量を調整して、横方向と縦方向とで異なる比率で変換することで、例えば4:3の縦横比から16:9への変換を行うことができる。この場合、横伸張量と縦縮小量とを適宜分配することで個々の変化量を比較的小さくできるため、縦横比変換光学系315は、より容易に作製できる。   As a result, for the aspect ratio conversion optical system 315, the horizontal expansion amount and the vertical reduction amount are appropriately adjusted, and conversion is performed at different ratios in the horizontal direction and the vertical direction, for example, from an aspect ratio of 4: 3 to 16: 9. Conversion to can be done. In this case, since the amount of change can be made relatively small by appropriately distributing the horizontal expansion amount and the vertical reduction amount, the aspect ratio converting optical system 315 can be more easily manufactured.

〔第4実施形態〕
以下、図9(A)等により、第4実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置400は、第1実施形態の虚像表示装置100の変形例であり、第1実施形態の虚像表示装置100と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, the virtual image display device according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG. The virtual image display device 400 according to the present embodiment is a modification of the virtual image display device 100 of the first embodiment, and the same reference numerals as those of the virtual image display device 100 of the first embodiment are the same unless otherwise described. It shall have the function of

図9(A)に示すように、虚像表示装置400は、画像形成装置10と、導光板20とに加え、画像処理部430を備える。   As illustrated in FIG. 9A, the virtual image display device 400 includes an image processing unit 430 in addition to the image forming device 10 and the light guide plate 20.

画像処理部430は、外部から画像表示素子11に入力される画像信号について、画像処理をする。具体的には、画像処理部430は、必要な当該画像信号の信号処理を行うとともに、図9(B)に示すように、外部から入力される画像信号に相当する元映像P1を画像表示素子11の画像領域の形状に合わせたパネル入力映像P2となるように横倍率の変換処理をする。この際、観察者が認識するものとなる最終画像である表示映像P3が、元映像P1の状態に戻るように変換処理となっている。具体的には、例えば、元映像P1の縦横比が16:9であり、パネル入力映像P2の縦横比即ち画像表示素子11の画像領域の縦横比が4:3であり、表示映像P3が16:9であるとする。また、縦横比変換光学系15において横方向について4/3倍するような伸張量の伸張変換に設定されているものとする。この場合、画像処理部430は、縦横比変換光学系15での変換率に応じて元映像P1を横方向即ち長手方向L1について、3/4倍に縮小するように変換する。これにより、図示のように、パネル入力映像P2での映像は元映像P1に比べて長手方向L1について縮むため相対的に縦長のものとなるが、最終画像である表示映像P3では、縦横比変換により長手方向L1について伸張されるので、元映像P1が復元された状態となる。   The image processing unit 430 performs image processing on an image signal input to the image display element 11 from the outside. Specifically, the image processing unit 430 performs necessary signal processing of the image signal and, as shown in FIG. 9B, displays the original video P1 corresponding to the image signal input from the outside as an image display element. The horizontal magnification conversion process is performed so that the panel input video P2 matches the shape of the eleven image regions. At this time, the conversion process is performed so that the display video P3 which is the final image recognized by the observer returns to the state of the original video P1. Specifically, for example, the aspect ratio of the original image P1 is 16: 9, the aspect ratio of the panel input image P2, that is, the aspect ratio of the image area of the image display element 11, is 4: 3, and the display image P3 is 16 : 9 Further, it is assumed that the aspect ratio conversion optical system 15 is set to expansion conversion with an expansion amount that is 4/3 times in the horizontal direction. In this case, the image processing unit 430 converts the original video P1 so as to be reduced to 3/4 times in the horizontal direction, that is, the longitudinal direction L1, in accordance with the conversion rate in the aspect ratio conversion optical system 15. As a result, as shown in the figure, the video in the panel input video P2 becomes relatively long because it contracts in the longitudinal direction L1 compared to the original video P1, but in the display video P3 that is the final image, the aspect ratio conversion is performed. Therefore, the original image P1 is restored.

以上のように、本実施形態の場合、画像処理部430は、画像処理によって、縦横比変換光学系15による画像光の縦横比の変換比率に応じて、これを補償するために、外部からの画像信号について当該変換比率と逆比率となるように縦横比の変換処理を行っている。これにより、観察者に認識される映像P3を、外部からの入力時の映像信号による元映像P1について縦横伸縮させることなくそのままの状態にできる。   As described above, in the case of the present embodiment, the image processing unit 430 performs an image processing from the outside in order to compensate for the conversion ratio of the aspect ratio of the image light by the aspect ratio conversion optical system 15 by image processing. An aspect ratio conversion process is performed on the image signal so that the ratio is opposite to the conversion ratio. As a result, the video P3 recognized by the observer can be left as it is without being expanded and contracted vertically and horizontally with respect to the original video P1 by the video signal at the time of input from the outside.

〔第5実施形態〕
以下、図10(A)等により、第5実施形態の虚像表示装置について説明する。なお、本実施形態に係る虚像表示装置500は、第1実施形態の虚像表示装置100等の変形例であり、第1実施形態の虚像表示装置100等と同符号のものについては、特に説明しない限り同様の機能を有するものとする。
[Fifth Embodiment]
Hereinafter, the virtual image display device according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG. Note that the virtual image display device 500 according to the present embodiment is a modification of the virtual image display device 100 and the like of the first embodiment, and those having the same reference numerals as the virtual image display device 100 and the like of the first embodiment are not particularly described. As long as it has the same function.

図10(A)及び10(B)に示すように、虚像表示装置500は、画像形成装置510と、導光板20とに加え、画像処理部530と、駆動機構540とを備える。   As shown in FIGS. 10A and 10B, the virtual image display device 500 includes an image processing unit 530 and a drive mechanism 540 in addition to the image forming device 510 and the light guide plate 20.

画像形成装置510において、縦横比変換光学系515は、コリメートレンズ13と、縦横比変換光学系515とを備え、このうち縦横比変換光学系515は、凸シリンドリカルレンズ515aと凹シリンドリカルレンズ515bとにより構成される。光路上流側の凸シリンドリカルレンズ515aについて、光路下流側の面HSaはシリンドリカル面となっており、光路上流側の面TSaは平坦面になっている。一方、光路下流側の凹シリンドリカルレンズ515bについて、光路上流側の面TSbはシリンドリカル面となっており、光路下流側の面HSbは平坦面になっている。さらに、面HSaと面TSbとは一対の対応する形状となっており、図10(B)に示すように、凸シリンドリカルレンズ515aと凹シリンドリカルレンズ515bとを接合させた場合、略隙間なく密着するものとなっている。これにより、虚像表示装置500は、縦横比変換を行うオンのパターンと縦横比変換を行わないオフのパターンとに切替可能になっている。   In the image forming apparatus 510, the aspect ratio conversion optical system 515 includes a collimating lens 13 and an aspect ratio conversion optical system 515, and the aspect ratio conversion optical system 515 includes a convex cylindrical lens 515a and a concave cylindrical lens 515b. Composed. Regarding the convex cylindrical lens 515a on the upstream side of the optical path, the surface HSa on the downstream side of the optical path is a cylindrical surface, and the surface TSa on the upstream side of the optical path is a flat surface. On the other hand, for the concave cylindrical lens 515b on the downstream side of the optical path, the surface TSb on the upstream side of the optical path is a cylindrical surface, and the surface HSb on the downstream side of the optical path is a flat surface. Furthermore, the surface HSa and the surface TSb have a pair of corresponding shapes. As shown in FIG. 10B, when the convex cylindrical lens 515a and the concave cylindrical lens 515b are joined, they are in close contact with each other with almost no gap. It has become a thing. As a result, the virtual image display device 500 can be switched between an ON pattern in which aspect ratio conversion is performed and an OFF pattern in which aspect ratio conversion is not performed.

駆動機構540は、縦横比変換光学系515を構成する各シリンドリカルレンズ515a,515bを支持しており、これらを光軸XXに沿う方向であるX方向についてスライド移動可能としている。つまり、図10(A)〜10(F)に示すように、駆動機構540は、各シリンドリカルレンズ515a,515bを互いに所定の距離だけ離間させたり、密着させたりする。つまり、駆動機構540により、シリンドリカルレンズ515aは、図10(A)に示す第1の位置PT1と図10(B)に示す第2の位置PT2との間で往復移動可能であり、シリンドリカルレンズ515bは、シリンドリカルレンズ515aと連動して第1の位置PS1と第2の位置PS2との間で往復移動可能となっている。また、画像処理部530は、外部から画像表示素子11に入力される画像信号について画像処理を行うが、この際、駆動機構540から得た各シリンドリカルレンズ515a,515bの位置情報に基づいて行うべき画像処理の設定をしている。なお、ここでは、図10(A)の離間した状態となり縦横比変換光学系515による縦横比変換を行う場合の画像処理を、通常のオンのパターンの画像処理とし、図10(B)の密着した状態となり縦横比変換光学系515による縦横比変換を行わない場合の画像処理を、非通常のオフのパターンの画像処理として扱う。   The drive mechanism 540 supports the cylindrical lenses 515a and 515b constituting the aspect ratio conversion optical system 515, and allows them to slide in the X direction, which is the direction along the optical axis XX. That is, as shown in FIGS. 10A to 10F, the drive mechanism 540 causes the cylindrical lenses 515a and 515b to be separated from each other by a predetermined distance or closely contact each other. In other words, the cylindrical lens 515a can be reciprocated between the first position PT1 shown in FIG. 10A and the second position PT2 shown in FIG. 10B by the driving mechanism 540, and the cylindrical lens 515b. Is capable of reciprocating between the first position PS1 and the second position PS2 in conjunction with the cylindrical lens 515a. In addition, the image processing unit 530 performs image processing on an image signal input to the image display element 11 from the outside. At this time, the image processing unit 530 should perform the image processing based on positional information of the cylindrical lenses 515a and 515b obtained from the drive mechanism 540. Image processing is set. Here, the image processing in the case of performing the aspect ratio conversion by the aspect ratio conversion optical system 515 in the separated state of FIG. 10A is the normal on-pattern image processing, and the close contact of FIG. 10B. The image processing when the aspect ratio conversion optical system 515 does not perform the aspect ratio conversion in this state is treated as an image processing of a non-normal off pattern.

以下、虚像表示装置500における縦横比変換の動作について説明する。まず、図10(A)に示すように、各シリンドリカルレンズ515a,515bが第1の位置PT1,PS1にそれぞれあり、両者が離間した状態となっている場合、シリンドリカルレンズ515a,515bは、縦横比率変換を行う。具体的には、図10(C)に示すように、XZ面に平行な断面について、両レンズ515a,515bは、屈折力を有し互いに離間しており、縦横比変換光学系515は、アフォーカル系として機能する。この場合、光路上流側に凸型のレンズを配置し、光路下流側に凹型のレンズを配置することで、周辺側からの画像光GL2について角度を拡げることで、横方向に伸張させることができる。一方、図10(D)に示すように、XY面に平行な断面については、例えば周辺側からの画像光GLaは、角度変換がされず、縦横比変換光学系515によって伸縮されることなくそのままの状態を維持して射出される。   Hereinafter, the aspect ratio conversion operation in the virtual image display device 500 will be described. First, as shown in FIG. 10A, when the cylindrical lenses 515a and 515b are at the first positions PT1 and PS1 and are separated from each other, the cylindrical lenses 515a and 515b have an aspect ratio. Perform conversion. Specifically, as shown in FIG. 10C, the lenses 515a and 515b have a refractive power and are separated from each other in the cross section parallel to the XZ plane, and the aspect ratio converting optical system 515 is Functions as a focal system. In this case, by arranging a convex lens on the upstream side of the optical path and a concave lens on the downstream side of the optical path, the image light GL2 from the peripheral side can be expanded in the lateral direction by widening the angle. . On the other hand, as shown in FIG. 10D, for the cross section parallel to the XY plane, for example, the image light GLa from the peripheral side is not subjected to angle conversion and is not expanded or contracted by the aspect ratio conversion optical system 515. It is injected while maintaining the state.

次に、図10(B)に示すように、各シリンドリカルレンズ515a,515bが第2の位置PT2,PS2にそれぞれあり、両者が密着した状態となっている場合、図10(E)及び10(F)に示すように、シリンドリカルレンズ515a,515bは、一体化した1つの平行平板と同様となる。この場合、縦横比変換光学系515は、横方向についても、縦方向についても、比率変換を行わない。つまり、画像表示素子11における縦横比がそのまま維持されて、観察者に認識される。   Next, as shown in FIG. 10B, when the cylindrical lenses 515a and 515b are at the second positions PT2 and PS2, respectively, and are in close contact with each other, FIGS. As shown in F), the cylindrical lenses 515a and 515b are the same as one integrated parallel plate. In this case, the aspect ratio conversion optical system 515 does not perform ratio conversion both in the horizontal direction and in the vertical direction. That is, the aspect ratio in the image display element 11 is maintained as it is and is recognized by the observer.

以上のように、駆動機構540によって、縦横比変換光学系515を構成する各シリンドリカルレンズ515a,515bを画像光の光路上で移動させてその位置を切り替えることで、縦横比変換光学系515による変換比率を切り替えることができる。これにより、例えば図11(A)に示すように、両シリンドリカルレンズ515a,515bを離間させることにより縦横比変換を行って最終映像を16:9にする通常の場合には、変換後の1つの映像画素PE'を1ブロックの画素として1つの映像ピクセルEEを形成し、各画映像素の形状が1:1の正方形となるようにできる。一方、例えば図11(B)に示すように、両シリンドリカルレンズ515a,515bを密着させることにより縦横比変換を行わず最終映像を元の4:3のままとする非通常の場合には、例えば2つの映像画素PE'を1ブロックの画素として1つの映像ピクセルEEを形成し、より高精細な画像とすることができる。なお、画像処理部530は、駆動機構540からの信号に基づき、縦横比16:9用の画像処理を行うか、縦横比4:3用の画像処理を行うかを判断し、画像表示素子11に適切な画像形成を行わせている。   As described above, by the drive mechanism 540, the cylindrical lenses 515a and 515b constituting the aspect ratio conversion optical system 515 are moved on the optical path of the image light and the positions thereof are switched, whereby the conversion by the aspect ratio conversion optical system 515 is performed. The ratio can be switched. Thus, for example, as shown in FIG. 11 (A), in the normal case where the aspect ratio is converted by separating both cylindrical lenses 515a and 515b and the final image is set to 16: 9, one post-conversion One video pixel EE is formed by using the video pixel PE ′ as one block pixel, and the shape of each image video element can be a 1: 1 square. On the other hand, for example, as shown in FIG. 11B, in the non-normal case in which the final video is kept at the original 4: 3 without performing the aspect ratio conversion by bringing both cylindrical lenses 515a and 515b into close contact, One video pixel EE is formed by using two video pixels PE ′ as one block pixel, and a higher definition image can be obtained. The image processing unit 530 determines whether to perform image processing for an aspect ratio of 16: 9 or to perform image processing for an aspect ratio of 4: 3 based on a signal from the drive mechanism 540, and the image display element 11. To make appropriate image formation.

以上の場合における縦横比変換の有無に応じた画像処理について、図12のフローチャートにより説明する。まず、虚像表示装置500を起動すると、画像処理部530は、駆動機構540から各シリンドリカルレンズ515a,515bの位置情報を読み出す(ステップS1)。当該情報からシリンドリカルレンズ515a,515bが位置PT1,PS1にそれぞれあると判断すると(ステップS2:Yes)、画像処理部530は、縦横比変換光学系515による縦横比率変換を行う通常のオンのパターンでの画像処理を行う(ステップS3)。つまり、例えば図11(A)の場合に対応する画像処理を行う。一方、ステップS1において読み出された位置情報からシリンドリカルレンズ515a,515bが位置PT2,PS2にそれぞれあると判断すると(ステップS2:No)、縦横比変換光学系515による縦横比率変換を行わない非通常のパターンに応じた画像処理を行う(ステップS4)。つまり、例えば図11(B)の場合に対応する画像処理を行う。なお、画像処理部530は、ステップS3の通常のパターンでの画像処理又はステップS4の非通常のオフのパターンでの画像処理のいずれかを、虚像表示装置500の映像表示動作が終了するまで、ステップS1で読み出された位置情報の変更に応じて適宜オン・オフを切り替えつつ続ける(ステップS5)。   Image processing according to the presence or absence of aspect ratio conversion in the above case will be described with reference to the flowchart of FIG. First, when the virtual image display device 500 is activated, the image processing unit 530 reads position information of each of the cylindrical lenses 515a and 515b from the drive mechanism 540 (step S1). If it is determined from the information that the cylindrical lenses 515a and 515b are at the positions PT1 and PS1, respectively (step S2: Yes), the image processing unit 530 is a normal on-pattern that performs the aspect ratio conversion by the aspect ratio conversion optical system 515. The image processing is performed (step S3). That is, for example, image processing corresponding to the case of FIG. On the other hand, if it is determined from the position information read in step S1 that the cylindrical lenses 515a and 515b are at the positions PT2 and PS2 (step S2: No), the aspect ratio conversion by the aspect ratio conversion optical system 515 is not performed. Image processing according to the pattern is performed (step S4). That is, for example, image processing corresponding to the case of FIG. Note that the image processing unit 530 performs either the image processing with the normal pattern in step S3 or the image processing with the non-normal off pattern in step S4 until the video display operation of the virtual image display device 500 ends. In accordance with the change of the position information read out in step S1, it is continued while switching on and off as appropriate (step S5).

また、本実施形態の変形例として、図13(A)及び13(B)に示す虚像表示装置600のように、シリンドリカルレンズ615a,615bで構成される縦横比変換光学系615が、不図示の駆動機構により光路上に進退可能となっていてもよい。この場合、例えば、画像形成装置610に設けられたセンサー650が、縦横比変換光学系615が光路上に有るか否かの情報を画像処理部630に送信し、画像処理部630が、当該情報に基づいて縦横比変換光学系615の有無に応じて画像処理を行うことで、図11(A)等に示す虚像表示装置500の場合と同様に縦横比の変換比率のオン・オフが切替可能となる。   Further, as a modification of the present embodiment, an aspect ratio conversion optical system 615 configured by cylindrical lenses 615a and 615b as in a virtual image display device 600 shown in FIGS. 13A and 13B is not shown. The drive mechanism may be capable of moving back and forth on the optical path. In this case, for example, the sensor 650 provided in the image forming apparatus 610 transmits information on whether or not the aspect ratio conversion optical system 615 is on the optical path to the image processing unit 630, and the image processing unit 630 By performing image processing in accordance with the presence / absence of the aspect ratio conversion optical system 615, the aspect ratio conversion ratio can be switched on / off as in the case of the virtual image display device 500 shown in FIG. It becomes.

本実施形態の場合、虚像表示装置500,600において、駆動機構540等により縦横比変換光学系515,615を移動させ、縦横比の変換比率をオン・オフで切替可能とすることで、変換比率を変化させ、縦横比を所望の状態に設定できる。   In the case of this embodiment, in the virtual image display devices 500 and 600, the aspect ratio conversion optical systems 515 and 615 are moved by the drive mechanism 540 or the like, and the conversion ratio of the aspect ratio can be switched on and off, thereby converting the conversion ratio. And the aspect ratio can be set to a desired state.

なお、上記では、オン・オフの2段階で切替可能としているが、虚像表示装置500,600において、縦横比変換光学系515,615が、アフォーカルズームレンズで構成されることで、連続的に倍率変換を行うものとしてもよい。   In the above description, switching can be performed in two stages, on and off. However, in the virtual image display devices 500 and 600, the aspect ratio conversion optical systems 515 and 615 are configured by an afocal zoom lens, thereby continuously. A magnification conversion may be performed.

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
[Others]
Although the present invention has been described based on the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. Such modifications are also possible.

また、角度変換部23を構成する反射ユニット23cの配列のピッチPTについては、各第1の反射面23a間において全て同一となっている場合に限らず、各ピッチPTにある程度の差異がある場合も含むものとする。   In addition, the pitch PT of the arrangement of the reflection units 23c constituting the angle conversion unit 23 is not limited to the case where all the first reflection surfaces 23a are the same, and there is a certain difference in the pitch PT. Shall also be included.

上記の説明では、透過型の液晶デバイスを画像表示素子11の一例として用いているが、画像表示素子としては、透過型の液晶デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶パネルを用いた構成も可能であり、画像表示素子11に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、LEDアレイやOLED(有機EL)やレーザーダイオードなどに代表される自発光型素子用いた構成も可能である。さらに、レーザー光源とポリゴンミラーその他のスキャナーとを組みあわせたレーザースキャナーを用いた構成も可能である。   In the above description, a transmissive liquid crystal device is used as an example of the image display element 11. However, the image display element is not limited to a transmissive liquid crystal device, and various other devices can be used. For example, a configuration using a reflective liquid crystal panel is possible, and a digital micromirror device or the like can be used instead of the image display element 11. Further, a configuration using a self-luminous element typified by an LED array, OLED (organic EL), laser diode, or the like is also possible. Furthermore, a configuration using a laser scanner in which a laser light source and a polygon mirror or other scanner are combined is possible.

上記の説明では、虚像表示装置100は、右眼及び左眼の双方に対応して、一組ずつ画像形成装置10及び導光板20設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像形成装置10と導光板20とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。   In the above description, the virtual image display device 100 is configured to provide the image forming device 10 and the light guide plate 20 one by one corresponding to both the right eye and the left eye, but either the right eye or the left eye. Only the image forming apparatus 10 and the light guide plate 20 may be provided so that the image is viewed with one eye.

上記の説明では、シースルー型の虚像表示装置について説明しているが、角度変換部23は、シースルー型以外の虚像表示装置についても適用可能である。なお、外界像を観察させる必要がない場合、第1及び第2の反射面23a,23b双方の光反射率を略100%とすることが可能である。   In the above description, a see-through type virtual image display device is described, but the angle conversion unit 23 can also be applied to a virtual image display device other than the see-through type. When it is not necessary to observe an external image, the light reflectance of both the first and second reflecting surfaces 23a and 23b can be set to approximately 100%.

上記の説明では、光入射面ISと光射出面OSとを同一の平面上に配置しているが、これに限らず、例えば、光入射面ISを第1の全反射面22aと同一の平面上に配置し、光射出面OSを第2の全反射面22bと同一の平面上に配置する構成とすることもできる。   In the above description, the light incident surface IS and the light exit surface OS are arranged on the same plane. However, the present invention is not limited to this. For example, the light incident surface IS is the same plane as the first total reflection surface 22a. The light emission surface OS may be disposed on the same plane as the second total reflection surface 22b.

上記の説明では、画像形成装置10の第1方向D1及び第2方向D2は、それぞれ対応する観察者側の横方向E1及び縦方向E2であるZ方向及びY方向に一致しているが、これらは必ずしも一致するとは限らず、方向D1,D2がZ方向やY方向以外の方向となる場合もある。   In the above description, the first direction D1 and the second direction D2 of the image forming apparatus 10 coincide with the Z direction and the Y direction, which are the horizontal direction E1 and the vertical direction E2 on the corresponding viewer side, respectively. Are not necessarily coincident, and the directions D1 and D2 may be directions other than the Z direction and the Y direction.

上記の説明では、入射光折曲部21を構成するミラー層21aや斜面RSの傾斜角度について特に触れていないが、本発明は、ミラー層21a等を光軸OAに対して用途の他の仕様に応じて様々な値とすることができる。   In the above description, the mirror layer 21a constituting the incident light bending portion 21 and the inclination angle of the slope RS are not particularly mentioned, but the present invention is not limited to other specifications of the application of the mirror layer 21a and the like with respect to the optical axis OA. Various values can be used depending on the value.

上記の説明では、角度変換部23は、反射面として第1及び第2の反射面23a,23bをそれぞれ形成するものとしているが、角度変換部23は、従来型の1種類の反射面のみによって画像光の取出しを行う構成としてもよい。この場合、画像光のうち、当該反射面を複数回通過した後に取り出される成分が存在することになる。   In the above description, the angle conversion unit 23 forms the first and second reflection surfaces 23a and 23b as reflection surfaces, respectively. However, the angle conversion unit 23 is formed by only one type of conventional reflection surface. The image light may be taken out. In this case, a component extracted after passing through the reflecting surface a plurality of times is present in the image light.

上記の説明では、反射ユニット23cによるV字状の溝は、先端を尖った状態で図示しているが、V字の先端を平らにカットしているものや先端にR(丸み)を付けているものも実質的にはV字状の溝であり、含まれる。また、カットされる部分がさらに大きく台形状となっている場合であっても、第1の反射面23aと第2の反射面23bとがテーパー形状であれば、上記反射ユニット23cを構成するものとなる。   In the above description, the V-shaped groove formed by the reflection unit 23c is illustrated with the tip sharpened, but the V-shaped tip is cut flat or the tip is rounded. Those which are substantially V-shaped grooves are also included. Further, even when the cut portion is larger and trapezoidal, the reflection unit 23c is configured as long as the first reflection surface 23a and the second reflection surface 23b are tapered. It becomes.

上記の説明では、虚像表示装置100がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、虚像表示装置100は、ヘッドアップディスプレイに改変することもできる。   In the above description, the virtual image display device 100 has been specifically described as being a head-mounted display, but the virtual image display device 100 can be modified to a head-up display.

上記の説明では、第1及び第2の全反射面22a,22bにおいて、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により画像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、第1及び第2の全反射面22a,22b上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されてなされる反射も含むものとする。例えば、画像光の入射角度が全反射条件を満たした上で、全反射面22a,22bの全体又は一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての画像光を反射する場合も含まれる。また、十分な明るさの画像光を得られるのであれば、多少透過性のあるミラーによって全反射面22a,22bの全体又は一部がコートされていてもよい。   In the above description, in the first and second total reflection surfaces 22a and 22b, image light is totally reflected and guided by the interface with air without applying a mirror, a half mirror, or the like on the surface. The total reflection in the present invention includes reflection formed by forming a mirror coat or a half mirror film on the whole or a part of the first and second total reflection surfaces 22a and 22b. For example, the case where the incident angle of the image light satisfies the total reflection condition and the whole or a part of the total reflection surfaces 22a and 22b is subjected to mirror coating or the like to reflect substantially all the image light is included. . Moreover, as long as image light with sufficient brightness can be obtained, the whole or a part of the total reflection surfaces 22a and 22b may be coated with a somewhat transmissive mirror.

また、各画素PEを構成するサブ画素について、上記した画素要素R1,G1,B1等の有色のもののほか、明るさを増すためのホワイト(無着色)の画素要素を取り入れることも可能である。   In addition to the colored pixels such as the pixel elements R1, G1, and B1 described above, white (non-colored) pixel elements for increasing the brightness can be incorporated into the sub-pixels constituting each pixel PE.

10…画像形成装置、 11…画像表示素子、 12…投射光学系、 13…コリメートレンズ、 15,215,315,515,615…縦横比変換光学系(トーリック光学系)、 15a,215a,515a,615a…凸シリンドリカルレンズ、 15b,215b,515b,615b…凹シリンドリカルレンズ、 20…導光板、 20a…導光板本体部、 22…導光部、 22a,22b…全反射面、 23…角度変換部、 23a,23b…反射面、 23c…反射ユニット、 100…虚像表示装置、 430…画像処理部、 540…駆動機構、 PD…画像領域、 PP…パネル画像、 PE…画素、 PE'…映像画素、 R1,G1,B1…画素要素、 EY…眼、 GL1,GL2,GL3,GLa…画像光、 D1…第1方向、 D2…第2方向   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Image forming apparatus, 11 ... Image display element, 12 ... Projection optical system, 13 ... Collimate lens, 15, 215, 315, 515, 615 ... Aspect ratio conversion optical system (toric optical system), 15a, 215a, 515a, 615a ... convex cylindrical lens, 15b, 215b, 515b, 615b ... concave cylindrical lens, 20 ... light guide plate, 20a ... light guide plate body part, 22 ... light guide part, 22a, 22b ... total reflection surface, 23 ... angle conversion part, 23a, 23b ... reflective surface, 23c ... reflective unit, 100 ... virtual image display device, 430 ... image processing unit, 540 ... drive mechanism, PD ... image area, PP ... panel image, PE ... pixel, PE '... video pixel, R1 , G1, B1 ... Pixel elements, EY ... Eye, GL1, GL2, GL3, GLa ... Image light, D1 ... First Direction, D2 ... Second direction

Claims (10)

画像光を形成する画像領域を有する画像表示素子と、前記画像表示素子の前記画像領域の虚像を形成するとともに、前記虚像について縦横比の変換を行うトーリック光学系を含む投射光学系とを有する画像形成装置と、
前記画像形成装置で形成された前記画像光を内部に導くとともに、所定方向に延びる複数の反射面を有し、当該複数の反射面により前記画像光を反射して外部に射出する導光板と、
を備え
前記トーリック光学系による前記画像光の縦横比の変換比率に応じて、外部から前記画像表示素子に入力される画像信号について、当該変換比率と逆比率となる縦横比の変換処理を行う画像処理部をさらに備える虚像表示装置。
An image having an image display element having an image area for forming image light, and a projection optical system including a toric optical system that forms a virtual image of the image area of the image display element and converts an aspect ratio of the virtual image A forming device;
A light guide plate that guides the image light formed by the image forming apparatus to the inside and has a plurality of reflection surfaces extending in a predetermined direction, reflects the image light by the plurality of reflection surfaces, and emits the image light to the outside;
Equipped with a,
An image processing unit that performs conversion processing of an aspect ratio that is an inverse ratio of the conversion ratio of an image signal input from the outside to the image display element in accordance with the conversion ratio of the aspect ratio of the image light by the toric optical system. A virtual image display device.
前記投射光学系は、前記画像表示素子から射出された前記画像光を平行光に変換し、前記トーリック光学系に射出するコリメートレンズを有し、The projection optical system has a collimating lens that converts the image light emitted from the image display element into parallel light and emits the parallel light to the toric optical system.
前記トーリック光学系は、前記トーリック光学系において縦方向と横方向とで曲率半径が異なる光学面を有する複数のレンズで構成される請求項1に記載の虚像表示装置。The virtual image display device according to claim 1, wherein the toric optical system includes a plurality of lenses having optical surfaces having different radii of curvature in the vertical direction and the horizontal direction in the toric optical system.
前記トーリック光学系は、前記画像表示素子の画像領域における縦横比を基準として、観察者にとっての横方向の比率をより大きくするように前記虚像について縦横比の変換を行う、請求項1または2のいずれか一項に記載の虚像表示装置。 3. The aspect ratio of the virtual image according to claim 1, wherein the toric optical system converts the aspect ratio of the virtual image so as to increase a lateral ratio for an observer based on an aspect ratio in an image region of the image display element . The virtual image display device according to any one of the above. 前記トーリック光学系は、前記観察者にとっての横方向に対応する第1方向に関する伸張変換及び前記第1方向に垂直な第2方向に関する縮小変換のうち、少なくともいずれか一方を行う、請求項に記載の虚像表示装置。 The toric optical system of the reduction conversion in the second direction perpendicular to the decompression conversion and the first direction about the first direction corresponding to the lateral direction in the said observer, performs at least one, in claim 3 The virtual image display device described. 前記画像形成装置は、前記画像光を観察する観察者の耳側に配置され、
前記導光板は、前記観察者にとっての横方向に沿って前記画像光を導く、請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。
The image forming apparatus is disposed on an ear side of an observer who observes the image light,
The light guide plate along the lateral direction in the said observer directs the image light, the virtual image display device according to any one of claims 1 to 4.
前記画像表示素子において、前記画像領域に配置される複数の画素の各形状は、前記トーリック光学系による変換比率と逆比率の縦横比の長方形であり、変換後の前記虚像の映像画素は、正方形である、請求項1から請求項までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。 In the image display element, each shape of the plurality of pixels arranged in the image region is a rectangle having an aspect ratio opposite to the conversion ratio by the toric optical system, and the image pixel of the virtual image after conversion is a square The virtual image display device according to any one of claims 1 to 5, wherein 前記画像表示素子において、前記複数の画素は、3セグメントの画素要素を一列に配列して構成される、請求項に記載の虚像表示装置。 The virtual image display device according to claim 6 , wherein in the image display element, the plurality of pixels are configured by arranging pixel elements of three segments in a line. 前記画像表示素子において、前記複数の画素は、4セグメントの画素要素を2行2列に配列して構成される、請求項に記載の虚像表示装置。 The virtual image display device according to claim 6 , wherein in the image display element, the plurality of pixels are configured by arranging pixel elements of four segments in two rows and two columns. 前記トーリック光学系を前記画像光の光路上で移動させる駆動機構をさらに備える、請求項1から請求項8までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。   The virtual image display device according to any one of claims 1 to 8, further comprising a drive mechanism that moves the toric optical system on an optical path of the image light. 前記トーリック光学系は、前記画像光を内部に取り込む前記導光板の光入射面に対向する方向に配置される1組の凹凸形状のシリンドリカルレンズを有し、当該シリンドリカルレンズの配置を変更することで前記画像光の縦横比の変換比率を調整する、請求項1から請求項9までのいずれか一項に記載の虚像表示装置。   The toric optical system has a pair of concave and convex cylindrical lenses arranged in a direction facing the light incident surface of the light guide plate that takes in the image light therein, and the arrangement of the cylindrical lenses is changed. The virtual image display device according to any one of claims 1 to 9, wherein a conversion ratio of an aspect ratio of the image light is adjusted.
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