CN113741029A - 虚像投影装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用了微透镜阵列的虚像投影装置，实现亮度不均的降低。一种生成影像光的虚像投影装置，具备：光源，其射出光；微透镜阵列，其将从光源射出的光作为预定的角度分布的光来射出；成像透镜，其会聚来自微透镜阵列的光；显示部，其由通过成像透镜会聚的光照明，生成影像；以及投影部，其将由显示部生成的影像作为影像光投影，微透镜阵列配置为透镜单元的短边方向不排成直线。

Description

虚像投影装置

技术领域

本发明涉及使用微透镜阵列的虚像投影装置。

背景技术

作为虚像投影装置，已知有用户佩戴于头部而使用的头戴式显示器(HMD：Head UpDisplay)。HMD是通过显示图像图案(pattern)的显示部和投影器的组合来投影影像的装置，用户通过视觉识别影像的虚像，能够取得各种信息。

作为本技术领域中的现有技术有专利文献1。在专利文献1中，公开了通过多透镜阵列和成像透镜高效率地将来自光源部的光对显示部进行照明的虚像投影装置。

专利文献1：国际公开第2019/107044号

发明内容

在为了得到高亮度而将显示部的照明设为使用了微透镜阵列(MLA)的柯勒照明的情况下，MLA的表面在投影器的出瞳位置成像。由于在MLA的透镜单元内反映光源的平面强度分布，因此在MLA表面成像位置具有周期性强度分布。存在其作为亮度不均而明显化的课题。在专利文献1中，没有考虑该亮度不均的问题。

本发明的目的在于提供一种能够减少亮度不均的虚像投影装置。

本发明列举其中一个例子为一种生成影像光的虚像投影装置，具备：光源，其射出光；微透镜阵列，其将从光源射出的光作为预定角度分布的光来射出；成像透镜，其会聚来自微透镜阵列的光；显示部，其由通过成像透镜会聚的光照明并生成影像；以及投影部，其将由显示部生成的影像作为影像光投影，微透镜阵列以透镜单元的短边方向不排成直线的方式被配置。

根据本发明，能够提供一种能够减少亮度不均的虚像投影装置。

附图说明

图1是实施例1中的HMD的光学系统即影像显示部的结构图。

图2是说明图1中的HMD的光学系统的光的成像位置的概略图。

图3是在通常的MLA透镜单元阵列及MLA的透镜阵列的图案成像面上看到的像的示意图。

图4是实施例1中的MLA的透镜单元的配置以及MLA的透镜阵列的图案成像面上看到的像的示意图。

图5是在实施例1中的MLA的透镜单元的其他配置及在MLA的透镜阵列的图案成像面上看到的像的示意图。

图6是说明实施例2中的投入了光谱分布宽的平行光的情况下的导光部的内部的影像光的传播的图。

图7是说明实施例2中的投入了来自光谱分布宽的近距离的发散(收敛)光的情况下的导光部的内部的影像光的传播的图。

图8是实施例2中的MLA的透镜单元纵横排列且短边方向与导光部的传播方向一致的情况下在透镜阵列的图案成像面上看到的像的示意图。

图9是实施例2中的MLA的透镜单元的短边方向为交错配置，短边方向与导光部的传播方向一致的情况下在透镜阵列的图案成像面上看到的像的示意图。

图10是实施例3中的MLA的透镜单元纵横排列且MLA的透镜单元的纵横比接近光源的发光区域形状的纵横比的情况下在透镜阵列的图案成像面上看到的像的示意图。

图11是实施例3中的MLA的透镜单元的短边方向为交错配置、MLA的透镜单元的纵横比接近光源的发光区域形状的纵横比的情况下在透镜阵列的图案成像面上看到的像的示意图。

附图标记说明

10：影像显示部，20：光源部，21：光源，22：会聚透镜，30：微透镜阵列(MLA)，

40：成像透镜，50：照明部，60：显示部，70：投影器，80：导光部。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。另外，在本实施例中，作为虚像投影装置的1例，使用HMD进行说明。

[实施例1]

图1是本实施例中的HMD的光学系统即影像显示部的结构图。在图1中，影像显示部10具备由光源部20、MLA30和成像透镜40构成的照明部50、显示部60、投影器70、导光部80。显示部60基于另外输入的影像信号，对从照明部50入射的光进行调制并生成重叠了影像信息的影像光。投影器70投影来自显示部60的影像光，通过导光部80将影像光引导至佩戴者的瞳孔。导光部通过复制扩展影像光，即使存在佩戴者的佩戴位置偏移，影像光也能够到达佩戴者的瞳孔。

图2是说明图1中的光学系统的光的成像位置的概略图。在图2中，对与图1相同的结构标注相同的附图标记。在图2中，光源部20具备例如3个LED作为分别射出红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)的光的光源21，从这些光源21射出的光在会聚透镜22会聚而由未图示的颜色合成部合成各色的光束，由此生成用于提供全彩色的影像光的照明光。

MLA30具备多个与入射面和射出面相对的透镜。入射面具备的透镜使入射的大致平行光向射出面具备的透镜会聚。另一方面，在MLA30的射出面具备的透镜射出与分别在对置的入射面具备的透镜的开口形状对应的预定的角度分布的光。

成像透镜40使MLA30射出的光束向显示部60成像。为了得到高亮度，将显示部60的照明设为使用了MLA30的柯勒照明，将在MLA30的入射面所具备的各个透镜的开口的像放大并对显示部60的整个区域进行照明，因此所成像的像成为使各个透镜的像重合而成的像。

通过投影器70投影来自显示部60的光，同时在投影器70的出瞳位置成像MLA30的表面的像。由于该成像面与虚像通常处于不同的位置，所以虽然在注视虚像的状态下不能清楚地看到，但是在模糊的状态下进入瞳孔。由于MLA30表面的像难以成为亮度均匀，因此，可以说是模糊的状态，被识别为亮度不均。为了消除该亮度不均，能够通过在MLA30至显示部60之间(优选成像透镜40附近)放入适度的扩散板来强制地使像模糊而消除，但无法避免由扩散导致的效率的降低。

图3是在通常的MLA的透镜单元阵列和MLA的透镜阵列的图案成像平面上可看到的图像的示意图。

如图3所示，通常的MLA的透镜单元纵横排列。另一方面，作为光源的LED的发光区域形状一般为正方形纵横比(1：1)，在MLA的透镜单元例如为16：9的纵横比的情况下，在与这样的LED的组合中，如图3所示，成为在1个透镜单元中映入LED的发光区域形状的形状，MLA的透镜单元的短边方向的边界容易变暗。特别是，通过排列成一列而变得容易引人注目。

因此，在本实施例中，至少以MLA的透镜单元的短边方向不排成直线的方式进行配置。这样通过减少规则性而消除显著性，从而能够减少亮度不均。

图4是本实施例中的MLA的透镜单元的配置的一例。在图4中，是使MLA的透镜单元的短边方向为交错配置的例子。

另外，图5是本实施例中的MLA的透镜单元的配置的另一例。在图5中，将MLA的透镜单元的短边方向多层级错开配置。在图5中，在4级错开并重复该方式进行配置。

另外，作为使MLA的透镜单元的短边方向不排成直线的配置，并不限定于图4、图5，例如，也可以随机配置。

这样，根据本实施例，能够提供能够减少亮度不均的虚像投影装置。

[实施例2]

在本实施例中，在为了导光部内的传播而使用衍射的情况下，对利用了衍射角度的波长依赖性的亮度不均降低进行说明。

图6是说明作为本实施例的前提的导光部的内部的影像光的传播的图。在图6中，在输入波长分布较宽的影像光作为所输入的影像光的情况下，例如，若将波长λ1的输入In1与波长λ2的输入In2输入至导光部，则在衍射的情况下，衍射角度的波长依赖性强，如图所示，由于传播位置因波长而偏移，因此波长分布较宽的光(LED等)在图中的横向的传播方向上射出光位置如Out1与Out2那样连续地错开并重叠。然而，在图6中，本来的影像是成像面远的大致平行光，因此输入光大致平行，射出光也大致平行，射出角度相同。在此，人眼识别对象的点的方向(角度)，并据此经过基于两眼的视差等的距离识别，进行空间识别。因此，从观测者仅通过角度来识别像的偏移，因此图6中的射出光位置的偏移不会影响像的偏移。

图7是说明投入了来自波长分布宽的近距离的发散(收敛)光的情况下的导光部的内部影像光的传播的图。在图7中，输入信号和输出信号标注与图6相同的附图标记，但由于MLA表面成像面为接近观测者的眼睛的非平行光，因此输入光In1、In2为发散或收敛光，与图6同样，传播位置因波长而偏移，射出光位置如Out1和Out2那样偏移，并且射出角度不同。因此，射出光位置的偏移被识别为像位置的偏移，因波长而在传播方向上偏移的像重叠而看起来模糊。

图8是本实施例中的MLA的透镜单元纵横排列且短边方向与导光部的传播方向一致的情况下在透镜阵列的图案成像面上看到的像的示意图。在MLA的透镜单元为通常配置且短边方向与导光部的传播方向一致的情况下，若将来自具有宽波长宽度的光源的光输入至导光部，则由于导光部的衍射角度的波长依赖性，如图8所示，若将实线、虚线、点划线设为近似色不同的波长，则观测到像在导光部的传播方向上偏移。因此，能够减轻在MLA的透镜阵列的图案成像面上看到的像的导光部的传播方向的亮度不均。另外，在图8中，仅在导光部的传播方向上降低亮度不均，因此仅在一个方向上降低，其降低效果不充分。

图9是本实施例中的MLA的透镜单元的短边方向为交错配置、短边方向与导光部的传播方向一致的情况下在透镜阵列的图案成像面看到的像的示意图。在图9中，如实施例1的图4所示，以使MLA的透镜单元的短边方向不排成直线的方式交错配置，并且以使MLA的透镜单元的短边方向与导光部的传播方向一致的方式进行配置。由此，能够减少2个方向的亮度不均。换言之，MLA的透镜单元的短边方向与导光部的传播方向一致，以交错配置的方式在与导光部的传播方向不同的方向上错开透镜单元的短边方向进行配置。另外，在本实施例中，只要以透镜单元的短边方向不排成直线的方式配置即可，并不限定于交错配置，例如，如图5所示，也可以将透镜单元的短边方向在多层级错开配置，也可以为随机配置。

这样，根据本实施例，能够提供能够进一步减少亮度不均的虚像投影装置。

[实施例3]

在本实施例中，对通过使MLA的透镜单元的纵横比接近光源的发光区域形状的纵横比来降低在MLA的透镜阵列的图案成像面上看到的像的亮度不均的例子进行说明。

光源的发光区域形状越接近于MLA的透镜单元的形状即要照明的区域的形状，在透镜阵列的图案成像面上看到的像的透镜单元的短边方向的边界的暗区域则越小，亮度不均减轻。另外，所投影的影像的形状越接近光源的发光区域形状，则光利用效率越大。当然，通过使光源、透镜单元、投影影像的各形状纵横比一致，不均最小，光利用效率最大，因此最优选，但实际上难以完全一致。

因此，通过使MLA的透镜单元的纵横比接近光源的发光区域形状的纵横比，能够减少在MLA的透镜阵列的图案成像面上看到的像的亮度不均。

另外，通过使MLA的透镜单元的纵横比的值为光源的发光区域形状的纵横比的值与投影影像的纵横比的值之间，能够减少在MLA的透镜阵列的图案成像面上看到的像的亮度不均，并且还能够提高光利用效率。

图10是本实施例中的MLA的透镜单元纵横排列，MLA的透镜单元的纵横比与光源的发光区域形状的纵横比接近的情况下在透镜阵列的图案成像面上看到的像的示意图。如图10所示，例如，在作为光源的LED的发光区域形状为正方形纵横比(1：1)的情况下，如果将MLA的透镜单元的纵横比设为16：9～16：10或3：2、4：3、5：4那样，使其比的值接近1的方式进行减少，则与图3的情况相比，透镜单元的短边方向的边界的暗区域变小，亮度不均减轻。

另外，图11是本实施例中的MLA的透镜单元的短边方向为交错配置、MLA的透镜单元的纵横比与光源的发光区域形状的纵横比接近的情况下在透镜阵列的图案成像面上看到的像的示意图。在图11中，与图10同样，通过使MLA的透镜单元的纵横比接近光源的发光区域形状的纵横比，并且使MLA的透镜单元的短边方向与图4同样地为交错配置，能够使亮度不均更加不显著，实现亮度不均的降低。另外，在本实施例中，只要以透镜单元的短边方向不排成直线的方式配置即可，并不限定于交错配置，例如，也可以如图5那样将透镜单元的短边方向在多层级错开配置或随机配置。

这样，根据本实施例，能够提供通过使光源的发光区域形状与MLA的透镜单元的纵横比接近而能够降低在MLA的透镜阵列的图案成像面上看到的像的亮度不均的虚像投影装置。另外，能够提供一种虚像投影装置，通过使MLA的透镜单元的纵横比为光源的发光区域形状的纵横比在投影影像的纵横比之间，能够减少在透镜阵列的图案成像面上看到的像的亮度不均，并且也能够提高光利用效率。

以上，对实施例进行了说明，但本发明并不限定于所述的实施例，包含各种变形例。例如，所述的实施例是为了容易理解地说明本发明而详细地进行了说明的例子，并不限定于必须具备所说明的全部结构。另外，能够将某实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，另外，也能够在某实施例的结构中添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够进行其他结构的追加、删除、置换。

Claims (14)

1.一种生成影像光的虚像投影装置，其特征在于，

该虚像投影装置具备：

光源，其射出光；

微透镜阵列，其将从该光源射出的光作为预定的角度分布的光来射出；

成像透镜，其会聚来自所述微透镜阵列的光；

显示部，其由通过所述成像透镜会聚的光照明并生成影像；以及

投影部，其将由所述显示部生成的影像作为影像光来投影，

所述微透镜阵列以透镜单元的短边方向不排成直线的方式被配置。

2.根据权利要求1所述的虚像投影装置，其特征在于，

所述微透镜阵列的透镜单元的短边方向为交错配置。

3.根据权利要求1所述的虚像投影装置，其特征在于，

所述微透镜阵列的透镜单元的短边方向在多层级错开配置。

4.根据权利要求1所述的虚像投影装置，其特征在于，

该虚像投影装置具备对从所述投影部投影来的影像光进行导光的导光部，

所述微透镜阵列被配置成透镜单元的短边方向与所述导光部的传播方向一致。

5.根据权利要求2所述的虚像投影装置，其特征在于，

该虚像投影装置具备对从所述投影部投影来的影像光进行导光的导光部，

所述微透镜阵列被配置成透镜单元的短边方向与所述导光部的传播方向一致。

6.根据权利要求3所述的虚像投影装置，其特征在于，

该虚像投影装置具备对从所述投影部投影来的影像光进行导光的导光部，

所述微透镜阵列被配置成透镜单元的短边方向与所述导光部的传播方向一致。

7.一种生成影像光的虚像投影装置，其特征在于，

该虚像投影装置具备：

光源，其射出光；

微透镜阵列，其将从该光源射出的光作为预定的角度分布的光射出；

成像透镜，其会聚来自所述微透镜阵列的光；

显示部，其由通过所述成像透镜会聚的光照明并生成影像；以及

投影部，其将由所述显示部生成的影像作为影像光来投影，

所述微透镜阵列的透镜单元纵横排列，使该透镜单元的纵横比的值在所述光源的发光区域形状的纵横比的值与由所述投影部投影的投影影像的纵横比的值之间。

8.根据权利要求7所述的虚像投影装置，其特征在于，

所述光源的发光区域形状的纵横比为1∶1，

所述微透镜阵列的透镜单元的纵横比的值是比16∶9的比的值更接近1的纵横比。

9.根据权利要求7所述的虚像投影装置，其特征在于，

所述微透镜阵列以透镜单元的短边方向不排成直线的方式被配置。

10.根据权利要求7所述的虚像投影装置，其特征在于，

所述微透镜阵列的透镜单元的短边方向为交错配置。

11.根据权利要求7所述的虚像投影装置，其特征在于，

所述微透镜阵列的透镜单元的短边方向在多层级错开配置。

12.根据权利要求9所述的虚像投影装置，其特征在于，

该虚像投影装置具备对从所述投影部投影的影像光进行导光的导光部，

所述微透镜阵列被配置成透镜单元的短边方向与所述导光部的传播方向一致。

13.根据权利要求10所述的虚像投影装置，其特征在于，

该虚像投影装置具备对从所述投影部投影的影像光进行导光的导光部，

所述微透镜阵列被配置成透镜单元的短边方向与所述导光部的传播方向一致。

14.根据权利要求11所述的虚像投影装置，其特征在于，

该虚像投影装置具备对从所述投影部投影的影像光进行导光的导光部，

所述微透镜阵列被配置成透镜单元的短边方向与所述导光部的传播方向一致。

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