JP2007012530A - 照明光学装置及びこれを用いた虚像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光源10と、ライトパイプ20と、拡散板40とを有して成り、光源10より射出した光束は、ライトパイプ20の入射面21よりその内部に入射し、少なくとも光束の一部がライトパイプ20の側面にて内部全反射した後、入射面21よりも面積の大きい射出面22より射出し、続いて配置される拡散板40にて拡散された後、被照射体、例えば空間光変調部60を照明する構成とする。
【選択図】図1
Description
図15を参照して、上記特許文献1に記載された従来の先細り型ライトパイプを使用した照明光学装置の例を説明する。図15の概略構成図に示すように、この照明光学装置は、光源1506と反射鏡1508と先細り型ライトパイプ1502を有し、光源1506から出射された光1501を前方に反射するリフレクタ1512、光1501を反射する例えば凹面状の反射鏡1508、先細り型ライトパイプ1502、1516により構成される。
このような構成において、光源1506から出射された光1501は、反射鏡1508によって反射され、光源1506の像が反射鏡1508によって先細り型ライトパイプ1502の入力端1507近傍に結像されるよう構成されている。先細り型ライトパイプ1502に入射した光束は、レンズ状に形成された射出面1503から開口数(Numerical Aperture:NA)を縮小されて射出し、続いて配置される他のライトパイプ1516に入射する。
この照明光学装置によって、光源から射出する光束を所望の発散角と面積に変換し、効率性と照度の均一性を高めている。
先細り型ライトパイプを用いた照明光学装置の従来例としては、この他に上記特許文献2及び3などに開示があるが、いずいれも先細り型ライトパイプと空間光変調部との間に光ファイバーや偏光変換器などを配置して、更に均一性や照明効率向上を図る構成としたものである。
(1) 特に、頭部装着型ディスプレイ(Head Mounted Display:HMD)のような小型軽量化が求められる画像表示装置に適用する場合、先細り型ライトパイプの後、均一性を改善するため更に第2のライトパイプや光ファイバーを用いると、照明装置全体が大きくなってしまい好ましくない。
(2) 先細り型ライトパイプの射出面より射出した照明光は、このままでは射出NA内で比較的大きな輝度の不均一性を有する。この不均一性は、空間光変調部の任意の画素から射出する光をスクリーン上に再結像する投射型画像表示装置の場合には、問題にならないが、虚像表示装置の場合には、観察者の瞳位置が動いた場合の輝度変化の原因となり好ましくない。
このとき、空間光変調部60の一点から射出する画像表示光の放射角内の光束(または光エネルギー)のばらつきは、図17Aに示すように、瞳80が正規の観察瞳位置から、図17Bにおいて矢印aで示すように移動したり、図17Cにおいて矢印bで示すように回転したりすると、明るさの変動として認識されてしまうこととなる。
また、本発明は、上述の照明光学装置において、ライトパイプと拡散板との間に、少なくとも1つの光学レンズを有する構成とする。
また、ライトパイプの射出面や、或いはこのライトパイプと拡散板との間に光学レンズを配置する場合は光学レンズによって、光源からの照明光の主光線角度をコントロールすることができ、より適切に拡散板により拡散角の再調整及び輝度むらの低減化を図ることができる。
また、本発明の虚像表示装置によれば、装置全体の大型化を抑制し、かつ照明の均一性と高効率の照明が可能な照明光学装置を用いた虚像表示装置を提供することができる。
(1)第1の実施形態例
図1の概略構成図を参照して本発明による照明光学装置を使用した虚像表示装置の第1の実施形態例を説明する。この例の照明光学装置100は、LED(発光ダイオード)等より成る光源10、例えば先細り型のライトパイプ20、拡散板40、空間光変調部60、コリメート光学系70、例えばファインダーレンズにより構成される。
光源10から射出した照明光は、この場合先細り型のライトパイプ20の面積が小さい方の入射面21より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面22より射出する。本実施形態例においては、この射出面22はシリンドリカル面となっている。
そして空間光変調部60を透過した照明光Lは、次にコリメート光学系70を介して略平行光になされて観察者の瞳80に入射する。
このような曲面形状とすることにより、図2Aに示すように、シリンドリカル面の曲面と直交する矢印Yで示す方向に関しては、照明光線LY1、LY2、・・・、LYnの発散角の中心光線(破線で示す)と、空間光変調部60の表示面の法線とのなす角は、空間光変調部60の周辺にいくほど大きくなって、テレセントリックからはずれていく。
一方、図2Bに示すように、シリンドリカル面の曲面に沿う矢印Xで示す方向に関しては、照明光線LX1、LX2、・・・、LXnの発散角の中心光線(破線で示す)と空間光変調部60の表示面の法線とのなす角は小さく、すなわち、テレセントリックに近くなる。
つまりこの場合、ライトパイプ20の射出面の曲面の形状によって、X方向とY方向とにおいて、射出面の各部から射出される光の主光線角を制御していることとなる。
この場合、図3Aに示すように、矢印Yで示すシリンドリカル面の曲面と直交する方向では、拡散板40を透過後の照明光線LY1´、LY2´、・・・、LYn´は拡散度が少なく、図3Bに示すように、シリンドリカル面の曲面に沿う矢印Xで示す方向では、拡散板40を透過後の照明光線LX1´、LX2´、・・・、LXn´は拡散度が大きくなる。すなわち、拡散板40の拡散角を調整することによって、所望の開口数NAをもって照明することができることとなる。
このようにして、本発明の照明光学装置において、空間光変調部60の表示面内における一の方向と他の方向、例えば縦方向と横方向に対応する方向に対し、射出光の主光線角及び開口数NAを、互いに異なる条件にて照明する構成とすることができる。
図4から、拡散板がない場合には、必要な開口数NA、この場合、縦方向が±10度、横方向が±5度の範囲において、均一性が不十分であり、前述のように虚像を観察する場合には、瞳移動や回転にともなって明るさが変化してしまうことがわかる。
これに対し、図5から明らかなように、拡散板を配置する本発明構成によれば、必要な開口数NA内で均一な明るさが得られることがわかる。
したがって、上述の図1に示す照明光学装置100において、観察者の瞳80が横方向にずれるとか、又は回転した場合でも、輝度が均一であるため明るさの変動として認識されることがなく、輝度むらのない良好な画像の表示を行うことができる。
次に、図6を参照して本発明による照明光学装置の第2の実施形態例を説明する。図6において、図1と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、先細り型のライトパイプ20と拡散板40との間に光学レンズ30を配置し、その他の構成は、図1において説明した例と同様の構成とした例を示す。
射出面22より射出した照明光は、続いて配置される光学レンズ30に入射する。この光学レンズ30は少なくとも1つの光学面が、その光学的パワーが、空間光変調部60の表示面内における一の方向と他の方向、例えば縦方向と横方向とで互いに異なる光学レンズとする。すなわち、この光学レンズ30は、例えば光軸に対し回転対称ではなく、光軸に直交する面内の互いに異なる方向、例えば互いに直交する2方向(X方向及びY方向とする)を対称軸としてもつトーリック面となっている構成とする。この場合、X方向、Y方向で光学パワーが異なり、拡散板40への照明光の入射角度もこれら2方向で異なる。
そしてこの場合においても、拡散板40は、この光学レンズ30のより曲率の大きい面の曲面に沿う方向とこれに直交する方向で拡散度が異なる構成としてもよい。ここでは、光学レンズ30の曲率の大きい曲面に沿う方向(X方向)の拡散度が、これに直交する方向(Y方向)の拡散度よりも大きくなるとする。このような構成とすることにより、空間光変調部60を例えばその縦方向、横方向で互いに異なる条件にて照明することができる。
したがって、この場合においても、空間光変調部60の表示する領域内を均一に照明することができて、観察者の瞳80のずれや回転によっても明るさの変動が観察されない、良好な画像の表示を行うことができる。
次に、図7を参照して本発明による照明光学装置の第3の実施形態例を説明する。図7において、図1と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この例においては、ライトパイプ20と拡散板40との間に、光学レンズとして、1軸型等のフレネルレンズ31を配置した例を示す。フレネルレンズ31を用いる場合、装置の薄型化を図ることができる。
このようにして、本実施形態例の照明光学装置は、空間光変調部60に対し、その表示面内の2つの方向、例えば縦方向、横方向で互いに異なる条件にて照明する構成とすることができる。
したがって、この場合においても、空間光変調部60の表示する領域内を均一に照明することができて、観察者の瞳80のずれや回転によっても明るさの変動が観察されない、良好な画像の表示を行うことができる。
次に、図8を参照して本発明による照明光学装置の他の実施形態例について説明する。図8において、図7と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この例においては、前述の第3の実施形態例において説明した照明光学装置において、ライトパイプとして、射出面22のみでなく側面23も曲面とする例を示す。すなわちこの場合、ライトパイプ20の側面23は、ライトパイプ20の光軸に沿う断面において外側に凸の曲面状とされる。
このように、ライトパイプ20の側面23を曲面とする場合は、光源10から比較的大きな放射角で射出する光線が、このライトパイプ20の内部で全反射になる確率を高めることとなり、光の利用効率を高めることができる。
またこの場合、入射面から射出面まで伝播する光の全反射回数が増加することによって、均一性を高めることも可能である。或いは、同等の均一性でよい場合には、ライトパイプ20の全長を短くすることができ、装置の小型化を図ることができるという利点を有する。
したがって、この場合においても、空間光変調部60の表示する領域内を均一に照明することができて、観察者の瞳80のずれや回転によっても明るさの変動が観察されない、良好な画像の表示を行うことができる。
このため、以下の虚像表示装置の実施形態例において詳細に説明するように、空間光変調部を含む光学系から導光板を介して画像表示光を瞳に導くにあたり、上述したように縦、横の2方向において異なる条件で照明することによって、空間光変調部から導光板に向けて、所望の開口数及び射出角をもって画像表示光が射出され、これにより効率的に瞳に良好な画像の表示を行うことが可能となる。
(5)第5の実施形態例
図9A及びBを参照して本発明による照明光学装置を使用した虚像表示装置の一実施形態例を説明する。図9Aは、本発明による虚像表示装置200を観察者の瞳80が観察した状態の概略上面構成図、図9Bは概略側面構成図を示す。図9A及びBにおいては共通するXYZ座標系を示し、観察者の瞳80に対して左右(水平)方向をX方向、上下(縦)方向をY方向、奥行き方向をZ方向として示す。
フレネルレンズは、アナモルフィックレンズである方が光利用効率を高くできる場合がある。その場合は、それぞれピッチの異なる1方向のフレネルレンズ(すなわち、機能上はシリンドリカルレンズ)2枚を直交して配置することが望ましい。
この照明光は、反射型液晶パネルやDMD(Digital Micro-mirror Device)等の反射型空間光変調部61を照明する。そして、反射型空間光変調部61によって例えば表示する映像に対応して変調された画像表示光は、上述の射出角は反射によって反転され、開口数は保持された状態で射出され、再び偏光ビームスプリッター50に入射し、例えばそのP偏光成分のみが偏光分離膜52によって透過され、射出面54から射出する。
上述したように、この例では左右(水平)方向をX方向、上下(縦)方向をY方向とするものであり、すなわちこの場合、観察者の瞳80に対して、横方向から映像や各種情報等を表示する画像表示光が導光されて瞳80に入射される構成とするものである。
なお、この虚像表示装置を頭部装着型ディスプレイ(HMD)に適用する場合、照明光学装置や空間光変調部、虚像表示光学系を瞳に対して上方に配置せず、このように横方向に配置する場合は、瞳80に近接した例えば上方向に配置する場合と比べると、上下の視野内に光学系が設けられないので、良好な外界の観察が可能となる。一方この場合は、導光板90の内部を導光する距離が比較的長くなるため、以下に述べる工夫が必要となる。
本実施形態例においては、導光板90が薄く、また上述したように導光板90を進行する光路が比較的長いため、図9Aに示すように、各画角によって第2の反射型体積ホログラムグレーティング94に至るまでの全反射回数は異なっている。
第2の反射型体積ホログラムグレーティング94に入射した各画角の平行光は、回折反射により全反射条件からはずれ、導光板90から射出し観察者の瞳80に入射する。
図9Bに示すように、YZ平面において各画角の異なる入射光LA、LB及びLCは導光板90内においてZ方向に反射を繰り返すが、Y方向には反射しないで射出部91Bに到達する。
この様子を図10の概略側面構成図に示す。図10において、図9Bと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図10に示すように、コリメート光学系70から射出された光は、YZ平面においては収束されて入射部91Aから入射されて導光板90内をX方向(図10の紙面と垂直な方向)に進行する。このYZ平面においてコリメート光学系70から射出される画角の異なる代表的な入射光の進行方向を矢印Ai、Bi及びCiで示す。これらの光はY方向に収束されて導光板90の光学面91及び92を矢印Ai1、Ai2、・・・、Ci1、Ci2、・・・、で示すように反射しながら進行し、第2の反射型体積ホログラムグレーティング94により反射回折されて射出部91Bから射出されて観察者の瞳80に矢印Ao、Bo及びCoで示すように入射される。
この場合、上述したように、これらの光はY方向には収束されるので、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93のY方向の長さに対し、第2の反射型体積ホログラムグレーティング94の反射回折面は比較的短い構成としてもよい。
この虚像表示装置の実施形態例においては、ホログラムを設けた導光板90を用いているため、観察者の瞳80を射出瞳と考えた場合、反射型空間光変調部61からの映像光の射出角及び開口数NAは、反射型等の空間光変調部の画像表示エリアの例えば長辺(X)方向と短辺(Y)方向によって、また、画像表示エリアの中心からの距離によって異なっている。
すなわち、図11に示すように、空間光変調部60の長辺方向に対応するX方向では、各画素から射出される光は、それぞれ一点鎖線で示すように、その主光線が空間光変調部60の表示面に対し略垂直でテレセントリックな状態に近く、かつ開口数NAが後述する利用により比較的大きく設定される。
一方、図12に示すように、短辺方向に対応するY方向では、各画素から射出される光は、空間光変調部60の表示面の中心から離れるほど射出角がテレセントリックな状態、すなわち空間光変調部60の表示面と画像表示光の一点鎖線で示す主光線とのなす角が垂直な状態から離れていき、しかも開口数NAは比較的小さくされる。
つまりこの場合、空間光変調部の一の方向と他の方向、すなわちX方向及びY方向において、射出光の開口数及び主光線の射出角がそれぞれ互いに異なっていることがわかる。
図9Aにおいて説明したように、空間光変調部の長辺方向(X方向)と対応する進行方向においては、各画角によって導光板90内を反射する回数が違い、すなわち光路長が異なるが、図13Aに示すように、伝播する光束が全て平行光束であるため、いわば折りたたまれるように光束群が進行して各画角の光束の光路長が変わっても、導光板より射出する画角は不変のため画像を乱すことはない。この場合、コリメート光学系70でのX方向の口径は比較的小さくできる。
先ず、Y方向の開口数NAyは、観察者の瞳径をDとし、コリメート光学系70の焦点距離をfとすると、
NAy=D/(2f)
となる。
すなわち、図14に示す構成図において逆光線追跡を行うと明らかなように、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93の縁部と光学面92とに跨る位置で折り返して反射する光束が存在する。逆光線追跡を行うと、この光束の一部(すなわち光学面92で反射される部分)は反射を繰り返して第1の反射型体積ホログラムグレーティング93の異なる位置で回折され、コリメート光学系70に到達する。一方、残りの光束は、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93の端部で回折されそのままコリメート光学系70に到達する。つまり、この光束は、同一の画素から射出される同一画角の平行光束であるが、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93の異なる部分で回折反射して導光板90内で合波されて伝播する光束が存在することとなる。
瞳80の全領域に光を到達させるためには、このようないわば分岐する光束を含め照明することが望ましいが、1画素から射出する光を2つの発散光に分岐して照明することは難しい。したがって、図14に示すように、照明光の見かけのNAxは大きくすることが必要となる。図14において、図9Aと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
したがって、この光学系においては、X方向の見かけの開口数NAxは比較的大きく、Y方向の開口数NAyは比較的小さくなることがわかる。
これに対して、本発明においては、上述したように、空間光変調部に対する照明光学系において拡散板40を設け、光学レンズ30と拡散板40、またライトパイプ20と拡散板40の光学的特性を、前述の図1〜図3、また図6〜図8において説明したように、それぞれ例えばX方向においてはテレセントリックに近く、また拡散角を比較的大きく、Y方向においてはテレセントリックからはずれ、拡散角を比較的小さくするなどの光学的異方性をもって構成することによって、上述の虚像表示装置において適切に空間光変調部を照明する照明光学装置を提供することができる。
これにより、空間光変調部により変調された画像を表示する射出光は、所望の開口数、射出角をもって導光板を伝播して、無駄なく、また画像の乱れを生じることなく瞳に到達する。したがって、本発明の照明光学装置及び虚像表示装置によれば、前述したように均一な輝度をもって効率よく光を利用することによって瞳80の位置ずれや回転によっても明るさの変動を招くことがなく、かつ良好な画像を表示することができる。
Claims (17)
- 光源と、ライトパイプと、拡散板とを有して成り、
前記光源より射出した光束は、前記ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも前記光束の一部が前記ライトパイプの側面にて内部全反射した後、前記入射面よりも面積の大きい射出面より射出し、
続いて配置される前記拡散板にて拡散された後、被照明体を照明する
ことを特徴とする照明光学装置。 - 前記ライトパイプと前記拡散板との間に、少なくとも1つの光学レンズを有する
ことを特徴とする請求項1記載の照明光学装置。 - 前記光学レンズのうち少なくとも1つは、フレネルレンズである
ことを特徴とする請求項2記載の照明光学装置。 - 前記被照明体が空間光変調部とされ、
前記光学レンズのうち少なくとも1つは、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる光学レンズである
ことを特徴とする請求項2記載の照明光学装置。 - 前記光学レンズは、2つのシリンドリカルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されて成る
ことを特徴とする請求項4記載の照明光学装置。 - 前記光学レンズは、1方向にのみ光学パワーを有する2つのフレネルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されて成る
ことを特徴とする請求項4記載の照明光学装置。 - 前記ライトパイプの入射面、射出面あるいは側面の少なくとも1つの面は、曲面とされる
ことを特徴とする請求項1記載の照明光学装置。 - 前記被照射体が空間光変調部とされ、
前記ライトパイプの入射面あるいは射出面の少なくとも1つの面が有する曲面の曲率は、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる
ことを特徴とする請求項7記載の照明光学装置。 - 前記光源と前記ライトパイプとが、光学的に密着されて成る
ことを特徴とする請求項1記載の照明光学装置。 - 前記被照明体が空間光変調部とされ、
前記拡散板は、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる拡散性を有する
ことを特徴とする請求項1記載の照明光学装置。 - 前記拡散板は、前記光学レンズの光学パワーの大きい方向に沿って拡散性が大きくなっている
ことを特徴とする請求項4記載の照明光学装置。 - 前記拡散板は、前記ライトパイプの射出面の曲面の曲率が大きい方向に沿って拡散性が大きくなっている
ことを特徴とする請求項8記載の照明光学装置。 - 照明光学装置と、空間光変調部により変調された表示画像を観察者の瞳に導く虚像結像光学系とを有する虚像表示装置であって、
前記照明光学装置は、光源とライトパイプと拡散板とを有して成り、
前記光源より射出した光束は、前記ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、
少なくとも前記光束の一部がその側面にて内部全反射した後、前記入射面よりも面積の大きい射出面より射出し、
続いて配置される前記拡散板にて拡散された後、前記空間光変調部を照明する
ことを特徴とする虚像表示装置。 - 前記虚像結像光学系は、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向に沿った前記空間光変調部からの射出光の開口数及び/又は主光線の射出角が互いに異なる
ことを特徴とする請求項13記載の虚像表示装置。 - 前記虚像結像光学系は、前記空間光変調部の各画素から射出した光束を互いに進行方位が異なる平行光束群にするコリメート光学系と、前記平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後観察者の瞳に向けて射出するよう構成された導光板とから構成され、
前記導光板は、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第1の反射型体積ホログラムグレーティングと、前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第2の反射型体積ホログラムグレーティングとを有する
ことを特徴とする請求項14記載の虚像表示装置。 - 前記平行光束群は、前記導光板内で反射する方向と、前記導光板内を伝播する方向とに沿う平面に対してほぼ直交する方向には反射しないで伝播される
ことを特徴とする請求項15記載の虚像表示装置。 - 前記平行光束群は、前記第1の反射型体積ホログラムグレーティングの異なる部分で回折反射されて合波される平行光束を含む
ことを特徴とする請求項15記載の虚像表示装置。
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