CN113759551A - 影像显示装置 - Google Patents

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CN113759551A CN202110580330.2A CN202110580330A CN113759551A CN 113759551 A CN113759551 A CN 113759551A CN 202110580330 A CN202110580330 A CN 202110580330A CN 113759551 A CN113759551 A CN 113759551A
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Abstract

本发明提供一种影像显示装置，其能够在导光方向上提高光利用效率，并且在非导光方向上克服FoV与眼动范围之间的折衷关系。在本发明的影像显示装置中，导光板具备对第一影像光进行角度变换的第一角度变换区域、以及将第二影像光向与上述第一影像光不同的方向进行角度变换的第二角度变换区域。

Description

影像显示装置
技术领域
本发明涉及通过虚像来投影影像光的影像显示装置。
背景技术
头戴式显示器(HMD：Head)等影像显示装置使用导光板来作为用于使从投影仪(影像投影部)出射的影像光传播至用户的眼睛的光学系统。优选HMD所使用的导光板为薄型导光板且能够观看影像的视野(FoV：Field of View)宽。另外，同时还要求能够视觉识别影像的区域(眼动范围)宽。
专利文献1公开了在HMD的导光板中使用SRG(Surface Relief Grating：表面浮雕光栅)的方式。在该文献中，使用3个衍射光栅将入射光2维扩展(称为2维放大)，由此能够兼顾宽的FoV和宽的眼动范围。但是，如该文献的方式那样，在使用了衍射光栅的2维放大中，光还会衍射到眼动范围外，因此光利用效率非常差。
专利文献2公开了在HMD的导光板中使用倾斜镜(Skew Mirror)的方式。在该文献中，使用基于反射衍射面相对于导光板面倾斜的体积全息构造的偏斜镜，将入射光1维扩展(称为1维放大)，由此实现了高的光利用效率。但是，如该文献的方式那样，1维放大难以兼顾宽的FoV和宽的眼动范围。
如上所述，直到现在难以在维持高的光利用效率的状态下实现宽的FoV和宽的眼动范围。其原因在于以下两点：(1)导光方向的光利用效率降低；(2)在非导光方向FoV与眼动范围存在折衷关系。导光方向是指导光板平面内的眼动范围扩大方向，非导光方向是与1维放大中的导光方向正交的方向。
在专利文献1中，通过2维放大，二维地设置导光方向，因此，与上述(1)相比光利用效率显著降低。在专利文献2中，由于使用1维放大，因此在不扩大的非导光方向上，与上述(2)相比，FoV与眼动范围产生折衷关系。
专利文献1：WO2016/020643A1
专利文献2：WO2017/176393A1
发明内容
本发明是鉴于上述课题而作出的，其目的在于提供一种影像显示装置，其能够(1)在导光方向上提高光利用效率，并且(2)在非导光方向上能够克服FoV与眼动范围之间的折衷关系。
在本发明的影像显示装置中，导光板具备对第一影像光进行角度变换的第一角度变换区域、将第二影像光向与上述第一影像光不同的方向进行角度变换的第二角度变换区域。
根据本发明的影像显示装置，在光利用效率高的1维放大方式的导光板中，能够兼顾宽的FoV和宽的眼动范围。
附图说明
图1A表示实施方式1的HMD100的外观。
图1B表示HMD100的构成部件。
图2A是HMD100的方框结构图。
图2B表示影像输入部101的结构。
图3A表示现有的1维放大方式的导光板200的结构。
图3B表示出射耦合器部310中的用于表示光线的角度变换功能的主光线的光栅矢量图。
图4A是容易观察导光板200的导光方向的剖视图。
图4B是针对非导光方向进行图示的概略图。
图5是描绘了从光瞳面P到用户1的光线的概略图。
图6示出了用户位于光瞳面P与用户1的眼睛之间的距离为E(E＜C)的位置的情况。
图7A表示实施方式1的导光板的结构。
图7B是上侧出射耦合器部710中的光栅矢量。
图7C是下侧出射耦合器部700中的光栅矢量。
图8是表示非导光方向的结构的概念图。
图9A表示投影仪出射的最内侧的光线。
图9B表示投影仪出射的中心的光线。
图9C表示投影仪出射的最外侧的光线。
图10A是一概略图，其用于说明设置对上下的影像进行投影的投影仪的光线区域重叠的区域1000的结构。
图10B是一概略图，其用于说明设置对上下的影像进行投影的投影仪的光线区域重叠的区域1000的结构。
图10C是一概略图，其用于说明设置对上下的影像进行投影的投影仪的光线区域重叠的区域1000的结构。
图11表示如图10A～图10C那样实现出射光线重叠的具体的导光板的结构例。
图12表示用于生成上侧影像光720和下侧影像光730的影像输出部的结构的一例。
图13表示影像输出部的另一结构例。
具体实施方式
＜实施方式1＞
图1A表示本发明的实施方式1的HMD100的外观。用户1佩戴HMD100。HMD100是眼镜型，用户1不仅能够经由HMD100视觉识别外界，还能够同时视觉识别来自影像显示装置的影像光。由此，HMD100实现增强现实(AR：Augted Reality)。
图1B表示HMD100的构成部件。在眼镜腿的部分103a和100b搭载有影像显示装置。从影像显示装置向导光板203a和203b发送影像，用户1能够视觉识别该影像。导光板是透明度高且薄型的导光板，通过SRG、体积全息图、分束器阵列等来实现。
图2A是HMD100的方框结构图。HMD100由向用户的右眼显示影像的右眼用影像显示部104a、向用户的左眼显示影像的左眼用影像显示部104b构成。该2个影像显示部成为右眼用和左眼用的相同的结构，因此，以下除了区分右眼用(用下标a表示)和左眼用(用下标b表示)时以外，作为省略了下标a、b的影像显示部104进行说明。在图2A中，对于其他结构，也对右眼用和左眼用分别附加下标a、b，在不区分右眼用和左眼用时省略a、b。
影像显示部104首先按照从影像输入部101发送来的影像数据，通过画质修正部102以及影像投影部103生成要显示的影像。画质修正部102修正要显示的图像的颜色和亮度。具体而言，调整影像使得颜色不均、亮度不均、颜色偏差等成为最小。影像投影部103使用包含光源的小型投影仪而构成，成为对影像的虚像进行投影的光学系统。即，若直接窥视影像投影部103，则能够在某距离的位置上看到2维的影像。投影影像(虚像)的距离既可以是某有限的距离，也可以是无限远方，为了抑制在一边改变导光板的位置一边视觉识别影像时影像的显示位置偏移从而模糊地看到影像的情况，在本实施方式1的构成中优选为无限远。
将影像投影部103生成的影像作为将虚像投影到某个距离的光线组进行出射。该光线组至少具有与红(R)、绿(G)、蓝(B)这3色对应的波长，用户能够看到彩色影像。
从影像投影部103出射的光线组经由入射耦合器201入射到导光板200。入射耦合器201将入射到导光板200的光线组的方向变换为在导光板200内能够通过全反射传播的方向。此时，通过在保持光线组的各光线方向的相对关系的状态下进行转换，能够显示没有影像的失真或模糊的高精细的影像。
入射到导光板200内的光线组通过反复进行全反射而在导光板200内部传播，入射到眼动范围扩大部202。眼动范围扩大部202具有将用户能够看到影像的眼动范围(能够视觉识别虚像的区域)进行扩大的功能。如果眼动范围广大，则用户难以视觉识别眼动范围的边缘部分，由此减轻压力，另外，能够减轻佩戴情况或用户眼睛位置的个人差异的影响，得到高的临场感。
眼动范围扩大部202将入射的光线组在保持光线方向的相对关系的状态下复制并出射到出射耦合器203。即，将从影像投影部103出射的光线组在保持光线方向(角度)的相对关系的状态下在空间上扩展。
出射耦合器203将入射的光线组向导光板200的外部出射而到达用户1的眼睛。即，出射耦合器203与入射耦合器201相反地将入射的光线组的方向变换为能够出射到导光板200外的方向。
上述结构在右眼用影像显示部104a和左眼用影像显示部104b中大致通用。通过以上的结构，用户1能够看到这2个影像显示部104a和104b所显示的影像(虚像)。
在图1A的HMD100中，仅看到作为导光板200的一部分的出射耦合器203的部分，但导光板200的其他部分隐藏在黑色框架部分而从外部看不到。这是因为如果外界的光(外部光)从意料外的角度入射到导光板200，则存在成为杂散光而使显示影像的画质劣化的可能。因此，使出射耦合器203以外的部分尽量从外界看不到，使外部光不会入射到导光板200内。
图2B表示影像输入部101的结构。对影像输入部101输入投影到无限远的影像。如图2B所示，通过使用透镜290将从影像生成部250出射的影像光投影到无限远，来投影影像。通过在透镜290的前侧焦平面上配置影像生成部250，能够实现该结构。影像生成部250是2维的空间光调制器(DMD(Digital Mirror Device数字微镜器件)、LCOS(Liquid CrystalOn Silicon硅基液晶))与光源的组合、或者OLED(Organic Light Emitting Diode：有机发光二极管)、微LED(Light Emitting Diode：发光二极管)等自发光型器件。将透镜290的后侧焦平面称为光瞳面P。光瞳面P是与影像生成部250的各像素对应的各影像光的主光线(260、270、280)在1点相交的场所。与1个像素对应的影像光全部具有直径为2～10mm左右的光束直径。
图3A表示以往的1维放大方式的导光板200的结构。本结构是被称为侧注入的结构，将影像光330从眼镜腿的部分(两侧)入射到导光板。影像光330通过入射耦合器部340入射到导光板200内，通过全反射在导光板200内进行导光，并通过出射耦合器部310向外界出射，到达用户1。图中的角度Ψ约为90度。光通过全反射在导光板200内传播的方向为本图的x方向，光的出射方向为y方向。将x方向称为导光方向，将z方向称为非导光方向。
图3B表示出射耦合器部310的用于表示光线的角度变换功能的主光线的光栅矢量图。在XY平面内进行角度变换。向X方向导光的光(光线矢量370)在XY平面内一边通过全反射折返一边向X方向传播。通过光栅矢量360执行光线的角度变换，使得该光线矢量370向Y方向出射(光线矢量350)。当入射光矢量与光栅矢量之和在同一球表面上一致时，该和矢量成为出射光矢量。出射耦合器部310由具有对该光线进行角度变换的作用的体积全息图、分束器阵列、SRG等衍射光学元件构成。在以下的结构中，对使用了透射性良好且高效率的体积全息图的实施例进行说明。
图4A是容易观察导光板200的导光方向的剖视图。导光板200由起到入射耦合器的作用的透射型的入射棱镜220、起到眼动范围扩大部和出射耦合器的作用的全息图部240构成，它们收纳在玻璃或塑料等合成树脂制成的基板中，厚度大约为1～2mm左右。例如，成为覆盖层450、介质层460、覆盖层470的3层构造。
从影像投影部103出射的光线组(仅图示中心光线210)具有与RGB光对应的宽波长范围和与FoV对应的大角度范围，该光线组入射到入射棱镜220。图4A对于光线组内的中心光线(以后，将其作为代表称为入射光)210表示了导光板200内的路径。该入射光210与所显示的影像的大致中心的像素对应，实际上是具有数毫米直径的有限粗细的光束。
全息图部240由作为光衍射部的体积全息图构成，对如上所述那样入射的光线组的方向进行转换，出射到导光板200的外部。体积全息图对正在进行导光的光的一部分进行衍射，因此剩余的光原样地进行导光。通过反复进行该处理，多个出射光线组230在面内被复制而出射。由此，眼动范围在X方向上被扩大。
图4B是表示非导光方向的概略图。非导光方向是图4B中的z方向，在该方向上，光线在光瞳面P交叉后扩展。在图4B中，光瞳面P位于导光板200内。由于光通过出射耦合器部310向外界出射，因此光线的方向从x方向弯折至y方向，但在考虑非导光方向的z方向的光线时也可以忽略，因此在以后的图中表示将该部分忽略的简单的图。
图5是描绘了从光瞳面P到用户1的光线的概略图。根据本图，能够表示FoV与眼动范围之间的折衷关系。当设用户的眼睛(瞳孔)的直径A、影像光在光瞳面P上的光线的光束直径B、从用户1的眼睛到光瞳面的距离C时，下述式1成立。FoVv表示垂直方向(z方向)上的FoV。
[数式1]
Figure BDA0003085914850000071
假设在光完全充满直径A的瞳孔时能够正确地视觉识别影像而导出了式1。眼动范围是用户能够视觉识别整个影像光的眼睛的可动范围。在本式成立的条件下，若眼睛稍微上下移动，则无法将影像光的整个FoV全部视觉辨认，因此眼动范围最窄。另一方面，在FoV为最大的条件下，若用户1的眼睛更接近导光板(光瞳面P)，则如下所示眼动范围扩大。
图6示出了用户位于光瞳面P与用户1的眼睛之间的距离为E(E＜C)的位置的情况。在该情况下，眼动范围的z方向的宽度D由下式2表示。
[数式2]
Figure BDA0003085914850000072
从式1和式2中去除C导出下式3。在式3中使用了当θ足够小时tanθ≈θ的公式。
[数式3]
Figure BDA0003085914850000073
根据式3，能够确认FoVv与眼动范围D之间的折衷关系。即，1维放大型的导光板要在非导光方向上实现宽的FoV时，无法扩大该方向的眼动范围。
图7A表示本实施方式1的导光板的结构。在本实施方式1中，具备克服上述非导光方向的折衷关系的结构。本结构具有2个影像光(上侧影像光720和下侧影像光730)。出射耦合器部也在空间上分离为上侧出射耦合器部710和下侧出射耦合器部700这2个。
下侧出射耦合器部700是具有将入射光向上侧(z轴+方向)出射的特性的角度变换部，上侧出射耦合器部710是具有将入射光向下侧(z轴﹣方向)出射的特性的角度变换部。入射相互不同的2个影像光，并通过具有互相不同的特性的出射耦合器部出射各影像光，由此能够使主光线朝向用户1的眼睛入射，由此，能够使非导光方向(z方向)的FoV大致成为2倍。在图7A中，将与y轴平行的辅助线740与从上侧出射耦合器部710和下侧出射耦合器部700分别出射的光线751、752所成的角度分别设为θ1、θ2。
换言之，将上侧出射耦合器部710和下侧出射耦合器部700以相对于导光板200的中心相互对置的方式进行了配置，光线751和752朝向相对于以下的法线相互接近的方向出射，该法线是从沿着x方向的导光板200的中心线延伸的法线。
图7B是上侧出射耦合器部710的光栅矢量，图7C是下侧出射耦合器部700的光栅矢量。这些图是按照图7A的结构重新描绘了图3B的图。在本结构中，以出射光351和352相对于y轴不平行而是在yz平面内分别具有θ1和θ2的斜率的方式构成光栅矢量361和362。由此，能够使影像光的主光线(中心光线)朝向用户1的眼睛行进。
图8是表示非导光方向的结构的概念图。图8是按照图7A的结构重新描绘了图5和图6的图。为了简化，示出了在光瞳面P中进行了角度变换时的图。出射光相对于y轴的角度θ1和θ2与主光线(中心光线)的xy截面与z轴所成的角度一致。例如在设θ1＝θ2＝θ的情况下，通过如下式4那样设定该角度，能够使FoV大致为2倍。
[数式4]
Figure BDA0003085914850000081
在式4中，A、B、D、E遵循上述的定义。FoVv为1个投影仪的FoV，通过将上下两个投影仪进行结合，能够实现大致2倍的FoV。在数式4的第一个等号的条件下，FoV为2倍，在不等号的条件下变得小于2倍，但在该情况下，能够生成上下的影像重叠的部分，能够使影像结合的边界不明显。通过本方法，1个1个投影仪的眼动范围与FoVv之间具有上述的折衷关系，但是通过结合2个投影仪，各投影仪的眼动范围不会变窄。因此，能够在不使上下的投影仪的眼动范围变窄地使FoVv为2倍。
＜实施方式1：总结＞
在本实施方式1的HMD100中，导光板200具备2个角度变换部(上侧出射耦合器部710和下侧出射耦合器部700)，各角度变换部向相互不同的方向分别出射影像光。由此，能够解决上述2个课题((1)在导光方向上光利用效率降低，(2)在非导光方向上FoV与眼动范围之间存在折衷关系)。因此，能够在使用高的光利用效率的1维放大方式的同时，消除非导光方向的FoV与眼动范围的折衷。
＜实施方式2＞
在实施方式1中，用于同时视觉识别上下两个投影仪的影像的整个FoV的眼动范围需要使两个投影仪的最内侧(结合影像的中心)的角度的光线进入眼睛，因此，限于导光板的中心(上侧出射耦合器部与下侧出射耦合器部的边界部分)(在该情况下，光线仅进入眼睛的瞳孔的一半)。在本发明的实施方式2中，对改善这一点的结构例进行说明。
图9A～图9C分别表示投影仪出射的不同角度的光线(最内侧、中心、最外侧)。可知图9B至图9C所示的各投影仪的中心和外侧的光线都能够目视识别，图9A所示的最内侧的光线(目视确认影像的中心)仅一半入射到瞳孔。为了解决该课题，在本实施方式2中使用如下结构。
图10A～图10C是概略图，用于说明通过设置投影上下影像的投影仪的光线区域相重叠的区域1000来解决上述课题的结构。通过使出射光线在光瞳面P重叠，能够使最内侧的光线充分入射到用户的瞳孔，从而使眼动范围扩大。
图11示出了如图10A至图10C所示那样实现了出射光线的重叠的具体的导光板的结构例。与图7A的不同之处在于，导光板为分为2层的2层结构，从用户观察，在近前侧的导光板层1150包含上侧出射耦合器部710，在里侧的导光板层1140包含下侧出射耦合器部700，这2个出射耦合器部具有从用户观察时重叠的重叠区域1100。在两个导光板层之间，例如如空气层那样，存在与导光板层1140和1150都不同的折射率的层，在通过全反射在各层中进行导光的光出射时以外不会侵入另一个层(抑制层间串扰)。2个投影仪(上侧影像输出部1120以及下侧影像输出部1130)分别被配置在不同层的导光板，由此能够如上所述那样有效地扩大眼动范围。
＜实施方式3＞
图12表示用于生成上侧影像光720和下侧影像光730的影像输出部的结构的一例。面板1200、面板1210分别是生成上侧影像光720、下侧影像光730的显示器，由2维的空间光调制器(DMD(Digital Mirror Device：数字微镜器件)、LCOS(Liquid Crystal OnSilicon：硅基液晶))与光源的组合、或OLED(Organic Light Emitting Diode：有机发光二极管)、微LED(Light Emitting Diode：发光二极管)等自发光型器件构成。通过透镜1230和1210将由这些显示器生成的影像投影(傅里叶变换)到大致无限远，从而能够显示虚像。这2个影像光线是具有数毫米的光束直径的光线，通过使用偏振分束器等光耦合元件1220，能够输出具有重叠的光束。
2个影像光在到达光耦合元件1220的路径中，经过相互不平行(在图12中正交)的光路，在光耦合元件1220以后的路径中相互大致平行地行进。因此，不需要在同一平面内邻接配置2个影像输出部，所以能够使影像输出部的平面尺寸小型化。
图13表示影像输出部的另一结构例。在本结构中，使用由液晶元件等构成的高速偏振切换部1310，对面板1300生成的影像以时间分割方式显示2个影像。即，某个瞬间显示A图像，在另外的瞬间显示B图像，与此同步地将光的偏振方向切换90度。对此交替地以60Hz或以上的频率高速地进行切换。通过由偏振分束器交叉棱镜等构成的光线分割部1340将该影像分割为在空间上分离的2个光线，并通过透镜1330、1350分别生成虚像。由此，能够将用于生成影像的面板设为1个，能够实现低成本、小型化。
＜关于本发明的变形例＞
本发明并不限于上述的实施方式，包括各种变形例。例如，上述的实施方式是为了容易理解地说明本发明而详细地进行了说明的实施方式，并不限于必须具备所说明的全部结构。另外，能够将某实施方式的结构的一部分置换为其他实施方式的结构，另外，也能够在某实施方式的结构中添加其他实施方式的结构。另外，对于各实施方式的结构的一部分，能够进行其他结构的追加、删除、置换。
在实施方式2中，重叠区域1100从导光板200的左边延伸到右边，但未必限于此。例如，可以仅在导光板200的中心附近配置重叠区域1100，也可以仅在导光板200的左边附近和右边附近配置重叠区域1100。
在以上的实施方式中，例示了具备2个角度变换部的导光板200，但也可以具备3个以上的角度变换部。关于角度变换部相互重合的区域，同样地能够在各个角度变换部之间的边界部分形成。
在以上的实施方式中，说明了将本发明应用于HMD100的例子，但在其他影像显示装置中也能够应用本发明。例如在车辆的前挡风玻璃的至少一部分中，通过与本发明同样地在导光板内配置2个以上的角度变换部，能够实现本发明的效果。
[符号说明]
1：用户
100：HMD(头戴式显示器)
200：导光板
104：影像显示部
101：影像输入部
102：画质修正部
103：影像投影部
201：入射耦合器
200：导光板
201：入射耦合器
202：眼动范围扩大部
203：出射耦合器
700：下侧出射耦合器部
710：上侧出射耦合器部。

Claims (11)

1.一种影像显示装置，其通过虚像投影影像光，其特征在于，
所述影像显示装置具备：
影像光投影部，其出射所述影像光；以及
导光板，其用于传播所述影像光，
所述影像光投影部出射第一影像光和第二影像光来作为所述影像光，
所述导光板具备：
传播部，其用于向第一方向传播所述第一影像光和所述第二影像光；
第一角度变换部，其向不与所述第一方向平行的第二方向出射所述第一影像光；以及
第二角度变换部，其向不与所述第一方向平行且与所述第二方向不同的第三方向出射所述第二影像光。
2.根据权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于，
将所述第一角度变换部配置在所述导光板中的沿着所述第一方向延伸的第一区域，
将所述第二角度变换部配置在所述导光板中的沿所述第一方向延伸且与所述第一区域不同的第二区域。
3.根据权利要求2所述的影像显示装置，其特征在于，
将所述第一角度变换部和所述第二角度变换部配置在相对于所述导光板的中心相互对置的位置，
所述第一角度变换部向接近法线的方向出射所述第一影像光，由此向所述第二方向出射所述第一影像光，所述法线为从沿着所述第一方向的所述导光板的中心线延伸的法线，
所述第二角度变换部向接近从所述中心线延伸的法线的方向出射所述第二影像光，由此向所述第三方向出射所述第二影像光。
4.根据权利要求3所述的影像显示装置，其特征在于，
在将所述第二方向与所述第三方向之间的角度差的一半设为θ，并将包含所述第二方向和所述第三方向的平面内的视场角设为FOV时，满足θ≤(FOV/2)。
5.根据权利要求2所述的影像显示装置，其特征在于，
将所述第一角度变换部和所述第二角度变换部配置在将所述第一角度变换部向所述导光板进行了投影的第一投影区域与将所述第二角度变换部向所述导光板进行了投影的第二投影区域相互重叠的位置。
6.根据权利要求5所述的影像显示装置，其特征在于，
将所述第一角度变换部和所述第二角度变换部配置为所述第一投影区域与所述第二投影区域相互重叠的重叠区域沿着所述第一方向延伸。
7.根据权利要求5所述的影像显示装置，其特征在于，
所述导光板具备：
第一层，其具有所述第一角度变换部，用于传播所述第一影像光；
第二层，其具有所述第二角度变换部，用于传播所述第二影像光；
第三层，其具有与所述第一层的第一折射率和所述第二层的第二折射率均不同的第三折射率，
将所述第三层配置在所述第一层与所述第二层之间。
8.根据权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于，
所述影像光投影部具备：
第一生成部，其生成所述第一影像光；
第二生成部，其生成所述第二影像光；以及
光学元件，其使所述第一影像光透射并且反射所述第二影像光，
将所述第一生成部和所述第二生成部配置为所述第一影像光和所述第二影像光在到达所述光学元件的光路中在相互不平行的方向上传播。
9.根据权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于，
所述影像光投影部按照时间分割方式出射所述第一影像光和所述第二影像光。
10.根据权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于，
所述影像显示装置构成为能够佩戴在用户头部的头戴显示器。
11.根据权利要求1所述的影像显示装置，其特征在于，
所述影像显示装置构成为向车辆的前挡风玻璃的至少一部分显示影像。
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