JP2007033669A - Spatial light modulation optical device, and virtual image display device and projection-type image display device using the same - Google Patents

Spatial light modulation optical device, and virtual image display device and projection-type image display device using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a virtual image display device and a projection-type image display device which have simple constitution as a whole, and also have high light use efficiency by obtaining high light use efficiency with relatively simple constitution in a spatial light modulation optical device which uses a reflection-type spatial light modulation part. <P>SOLUTION: The spatial light modulating optical device comprises a light source 10, a prism 20 on which illumination emitted by the light source 10 is made incident, and the reflection type spatial optical modulation part 50 irradiated with illumination light emitted from the prism 40, and the prism 40 has a plurality of reflecting surfaces 41 and 42, reflecting the incident illumination light and a polarized light separation part 43 which separates the illumination light reflected by these reflecting surfaces according to a polarized light component, and the illumination light reflected by the reflection-type spatial optical modulation part 50 is made incident on the prism 40 again and separated by the polarization separation part 43 according to its polarization state. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、反射型空間光変調部とその照明光学系から成る空間光変調光学装置に関し、特に、ビデオカメラのビューファインダ、頭部装着型ディスプレイ等の虚像表示装置や、フロントプロジェクション、リアプロジェクションなどの投射型画像表示装置に適用して好適な空間光変調光学装置とこれを用いた虚像表示装置及び投射型画像表示装置に関する。   The present invention relates to a spatial light modulation optical device including a reflective spatial light modulation unit and its illumination optical system, and in particular, a virtual image display device such as a viewfinder of a video camera, a head-mounted display, a front projection, a rear projection, etc. The present invention relates to a spatial light modulation optical device suitable for being applied to the projection type image display device, a virtual image display device and a projection type image display device using the same.

現在、各種の表示装置に利用可能な空間光変調部として、透過型液晶パネル等の透過型空間光変調部と平行して、反射型液晶パネル等の反射型空間光変調部を利用する技術が検討されている。
反射型液晶パネルは、透過型液晶パネルと比べて光利用効率に優れているという利点を有する。その反面、この反射型液晶パネルに光源からの光を導き、また反射型液晶パネルによって変調された光を投影レンズや瞳などに導く照明光学系によって画質の良し悪しが左右されるため、これらの光学系の構成に工夫が必要となる。
反射型空間光変調部を用いた空間光変調光学装置としては、例えばキューブ型の偏光ビームスプリッタを用いる方法が提案されている(例えば特許文献1参照。)。
前記特許文献1に記載されている光学系においては、図16にその概略構成図を示すように、キューブ型の偏光ビームスプリッタ(PBS)125の光学面125A及び125Bに近接させて、それぞれ平面型の光源、または点光源に近い光源を面状に拡大した面状照明用光源装置121と反射型空間光変調部122を配置した構成としている。
Currently, as a spatial light modulator usable in various display devices, there is a technology that uses a reflective spatial light modulator such as a reflective liquid crystal panel in parallel with a transmissive spatial light modulator such as a transmissive liquid crystal panel. It is being considered.
The reflective liquid crystal panel has an advantage that the light use efficiency is superior to the transmissive liquid crystal panel. On the other hand, the quality of the image quality depends on the illumination optical system that guides the light from the light source to the reflective liquid crystal panel and guides the light modulated by the reflective liquid crystal panel to the projection lens and the pupil. A device is required for the configuration of the optical system.
As a spatial light modulation optical apparatus using a reflective spatial light modulation unit, for example, a method using a cube-type polarization beam splitter has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
In the optical system described in Patent Document 1, as shown in a schematic configuration diagram in FIG. 16, the optical system is placed close to the optical surfaces 125 </ b> A and 125 </ b> B of a cube-type polarization beam splitter (PBS) 125, respectively. The planar illumination light source device 121 and a reflective spatial light modulation unit 122 are arranged in which a light source close to a point light source or a light source close to a point light source is enlarged in a planar shape.

図16に示すように、この例では、PBS125の第1の面125Aに対向して偏光子123及び面状照明用光源装置121がこの順に配置され、また第2の面125Bに対向して反射型空間光変調部122が、第3の面125Cに対向して四分の一波長板126及び反射ミラー127がこの順に配置されている。   As shown in FIG. 16, in this example, a polarizer 123 and a planar illumination light source device 121 are arranged in this order so as to face the first surface 125A of the PBS 125, and are reflected so as to face the second surface 125B. A quarter-wave plate 126 and a reflection mirror 127 are arranged in this order so that the mold spatial light modulator 122 faces the third surface 125C.

このような構成において、面状照明用光源装置121から射出された光は、偏光子123を経由し、PBS125の偏光分離面125Eによって偏向され、反射型空間光変調部122に到達する。反射型空間光変調部122からは、変調された反射光が出力される。この反射光は偏光分離面125E及び四分の一波長板126を経由し、反射ミラー127の凹型反射面を反射する。この反射光は、再び四分の一波長板126を経由し、偏光分離面125Eによって偏向され、PBS125の第4の面125Dから矢印Loで示すように射出されて、観察領域130の人間の瞳131に到達し、反射型空間光変調部122により変調された画像情報等を観察することができる。   In such a configuration, the light emitted from the planar illumination light source device 121 passes through the polarizer 123, is deflected by the polarization separation surface 125 </ b> E of the PBS 125, and reaches the reflective spatial light modulator 122. The reflected spatial light modulator 122 outputs modulated reflected light. This reflected light passes through the polarization separation surface 125E and the quarter-wave plate 126, and reflects the concave reflection surface of the reflection mirror 127. The reflected light passes through the quarter-wave plate 126 again, is deflected by the polarization separation surface 125E, and is emitted from the fourth surface 125D of the PBS 125 as indicated by the arrow Lo, so that the human pupil in the observation region 130 It is possible to observe the image information or the like that reaches 131 and is modulated by the reflective spatial light modulator 122.

米国特許第5596451号明細書US Pat. No. 5,596,451

上記特許文献1におけるように、単にPBSを用いる場合は、高い光利用効率をもって空間光変調光学装置を構成することが難しい、という問題がある。
これについて説明すると、図16に示す空間光変調光学装置では、面状照明用光源装置121の各点から射出する照明光の開口数を小さく制御することが困難なため、光利用効率が低下してしまう。たとえば、虚像光学系の瞳径Dを6mm、凹面鏡である反射ミラー127の焦点距離fを20mmとすると、この場合、反射型空間光変調部122から射出する光束のうち、有効に瞳131に届く光束の開口数NAは、
NA・f=D/2
より、
NA=0.15
であり、放射立体角θは8.6度となる。
As in the above-mentioned Patent Document 1, when PBS is simply used, there is a problem that it is difficult to construct a spatial light modulation optical device with high light utilization efficiency.
To explain this, in the spatial light modulation optical device shown in FIG. 16, it is difficult to control the numerical aperture of the illumination light emitted from each point of the planar illumination light source device 121, so that the light use efficiency decreases. End up. For example, assuming that the pupil diameter D of the virtual image optical system is 6 mm and the focal length f of the reflecting mirror 127 that is a concave mirror is 20 mm, in this case, of the light beams emitted from the reflective spatial light modulator 122, the pupil 131 effectively reaches the pupil 131. The numerical aperture NA of the luminous flux is
NA · f = D / 2
Than,
NA = 0.15
And the radiation solid angle θ is 8.6 degrees.

通常、導光板を用いた面発光光源の場合、ピーク光強度が半分になる立体角は30度程度と大きい。従って、8.6度以上の放射立体角を有する照明光は、瞳131に到達せず非常に光利用効率が悪くなってしまう。
このような空間光変調光学装置を各種の表示装置、特に投射型画像表示装置に用いる場合は、光の利用効率を高めることが重要な課題となっており、光利用効率の悪化は大きな問題となる。
Usually, in the case of a surface emitting light source using a light guide plate, the solid angle at which the peak light intensity is halved is as large as about 30 degrees. Therefore, the illumination light having a radiation solid angle of 8.6 degrees or more does not reach the pupil 131, and the light utilization efficiency is very poor.
When such a spatial light modulation optical device is used in various display devices, in particular, a projection type image display device, it is an important issue to increase the light use efficiency, and the deterioration of the light use efficiency is a big problem. Become.

これに対し、ライトパイプを用いて空間光変調光学装置を構成することも考えられるが、特に空間光変調部が反射型である場合は、偏光ビームスプリッタなどの光学部品が光源とこの空間光変調部との間に配置されることから、照明光学系の射出面と空間光変調部との間隔が比較的大きくなり、照明開口数を大とするためには、ライトパイプの長さが長くなってしまうという問題がある。   On the other hand, it is conceivable to construct a spatial light modulation optical device using a light pipe. However, especially when the spatial light modulation unit is a reflection type, an optical component such as a polarization beam splitter is used as a light source and this spatial light modulation. Since the distance between the exit surface of the illumination optical system and the spatial light modulator is relatively large, the length of the light pipe is increased in order to increase the illumination numerical aperture. There is a problem that it ends up.

これについて、図17を用いて説明する。図17においては、光源10から射出される光の光路上にライトパイプ20、PBS60、反射型空間光変調部50が配置される場合を示す。そしてその照明条件を、テレセントリックな状態、すなわち中心光線が空間光変調部に垂直に入射する状態として、照明半値角度をθdとする。また、この反射型空間光変調部50の照明光が入射する幅をWd、ライトパイプ20との距離をLsとする。これより、ライトパイプ2の射出面23の幅W1hは、
W1h=Wd+2Ls×tan(θd)
となる。
This will be described with reference to FIG. FIG. 17 shows a case where the light pipe 20, the PBS 60, and the reflective spatial light modulator 50 are arranged on the optical path of the light emitted from the light source 10. Then, the illumination condition is telecentric, that is, the state where the central ray is perpendicularly incident on the spatial light modulator, and the illumination half-value angle is θd. Further, the width of the reflective spatial light modulator 50 where the illumination light is incident is Wd, and the distance from the light pipe 20 is Ls. Thus, the width W1h of the exit surface 23 of the light pipe 2 is
W1h = Wd + 2Ls × tan (θd)
It becomes.

このように、透過型空間光変調部に比べてPBSが介在する反射型空間光変調部の場合、ライトパイプ20の射出面22との距離Lsは長くならざるを得ないこと、また、照明開口数NAが大きい場合、照明半値角度θdも大きくなり、結果的にライトパイプ20の射出面23の幅W1hは大きくなってしまうことがわかる。   As described above, in the case of a reflective spatial light modulation unit in which PBS is interposed, the distance Ls from the exit surface 22 of the light pipe 20 must be longer than that of the transmission spatial light modulation unit. When the number NA is large, the illumination half-value angle θd is also increased, and as a result, the width W1h of the exit surface 23 of the light pipe 20 is increased.

一方、ライトパイプ20自体の長さも小さくすることはできない。ライトパイプ20の入射面21近傍に、LEDやレーザなどの光源10が配置され、ここからライトパイプ2の内部に照明光が取り込まれる。ライトパイプ20の内部に取り込まれた照明光は、ライトパイプ20の側面22にて内部全反射をしながら射出面23に到達する。ライトパイプにおいては、この内部全反射する光量及び回数が多いほど射出面23から射出する照明光の輝度の均一性は向上する傾向にある。
光源10から射出する照明光は、90度以上の放射角をもっており、従って、ライトパイプ20の側面の傾斜角θhが小さいほど反射回数を多くすることができる。いま、ライトパイプ20の入射面21の幅W2hは、光源10の幅と略同一であることから、輝度の均一性を保つため、側面22の傾斜角θhを一定値(θh)に抑えるとすると、次式にて示すようにライトパイプ20の長さLhは射出面の幅W1hにて決まることになる。
Lh=(W1h−W2h)/(2×tan(θh))
On the other hand, the length of the light pipe 20 itself cannot be reduced. A light source 10 such as an LED or a laser is disposed in the vicinity of the incident surface 21 of the light pipe 20, and illumination light is taken into the light pipe 2 from here. The illumination light taken into the light pipe 20 reaches the exit surface 23 while undergoing total internal reflection at the side surface 22 of the light pipe 20. In the light pipe, the uniformity of the luminance of the illumination light emitted from the exit surface 23 tends to improve as the amount of light and the number of times of total internal reflection increase.
The illumination light emitted from the light source 10 has a radiation angle of 90 degrees or more. Therefore, the smaller the inclination angle θh of the side surface of the light pipe 20, the greater the number of reflections. Now, since the width W2h of the incident surface 21 of the light pipe 20 is substantially the same as the width of the light source 10, it is assumed that the inclination angle θh of the side surface 22 is suppressed to a constant value (θh) in order to maintain the uniformity of luminance. As shown by the following equation, the length Lh of the light pipe 20 is determined by the width W1h of the exit surface.
Lh = (W1h−W2h) / (2 × tan (θh))

これより、ライトパイプ20の長さLhは、射出面の幅W1hが大きくなるにつれて、すなわち照明開口数NAを大とすると大きくなることがわかる。
以上説明した例においては、照明条件をテレセントリックとしたが、反射型空間光変調部50の周辺に入射する照明光の主光線が傾いている場合には、その傾斜方向によってライトパイプ20の長さLhは影響を受ける。
このように、ライトパイプのみを利用して反射型空間光変調部を用いる光学装置において光利用効率を高めようとすると、小型化に不利となることがわかる。
また以上の空間光変調光学装置において、反射型空間光変調部に入射する光の開口数、主光線角度を制御する場合には、例えば拡散板やフレネルレンズを設けることが考えられるが、その場合は光利用効率を高く保持することが難しいという問題がある。
From this, it can be seen that the length Lh of the light pipe 20 increases as the emission surface width W1h increases, that is, when the illumination numerical aperture NA is increased.
In the example described above, the illumination condition is telecentric. However, when the chief ray of illumination light incident on the periphery of the reflective spatial light modulator 50 is tilted, the length of the light pipe 20 depends on the tilt direction. Lh is affected.
As described above, it is found that if the light use efficiency is increased in the optical device using the reflection type spatial light modulator by using only the light pipe, it is disadvantageous for downsizing.
In the above spatial light modulation optical device, in order to control the numerical aperture and chief ray angle of light incident on the reflective spatial light modulation unit, for example, a diffusion plate or a Fresnel lens may be provided. Has a problem that it is difficult to maintain high light utilization efficiency.

以上説明した問題に鑑みて、本発明は、反射型の空間光変調部を使用する空間光変調光学装置において、比較的簡易な装置構成をもって、照明の利用効率の低下を抑制することを目的とし、これにより光利用効率が高く、比較的簡易な構成の空間光変調光学装置を用いた虚像表示装置及び投射型表示装置を提供することを目的とする。   In view of the problems described above, it is an object of the present invention to suppress a decrease in illumination use efficiency with a relatively simple device configuration in a spatial light modulation optical device using a reflective spatial light modulation unit. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a virtual image display device and a projection display device using a spatial light modulation optical device having a high light utilization efficiency and a relatively simple configuration.

上記課題を解決するため、本発明は、光源と、光源から射出した照明光が入射するプリズムと、このプリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有する空間光変調光学装置であって、プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面と、これら複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、反射型空間光変調部にて反射された照明光は、再びプリズムにその射出面と同一面より入射し、偏光分離部にてその偏光状態に応じて分離される構成とする。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a spatial light modulation optical device that includes a light source, a prism on which illumination light emitted from the light source is incident, and a reflective spatial light modulation unit that is illuminated by illumination light emitted from the prism. The prism has a plurality of reflection surfaces that reflect incident illumination light, and a polarization separation unit that separates the illumination light reflected by the plurality of reflection surfaces according to the polarization component, and is a reflection type The illumination light reflected by the spatial light modulator is incident on the prism again from the same plane as the exit surface, and is separated by the polarization separator according to the polarization state.

また、本発明による虚像表示装置及び投射型画像表示装置は、上述の空間光変調光学装置を用いる構成とするものである。
すなわち本発明は、空間光変調光学装置と、この空間光変調光学装置の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において、空間光変調光学装置は、光源と、光源から射出した照明光が入射するプリズムと、プリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有する空間光変調光学装置であって、プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面とこれら複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、反射型空間光変調部にて反射された照明光は、プリズムにその射出面と同一面より再入射し前記偏光分離部によって分離されたのち、虚像光学系に入射する構成とする。
Further, the virtual image display device and the projection type image display device according to the present invention are configured to use the spatial light modulation optical device described above.
That is, the present invention relates to a virtual image display device having a spatial light modulation optical device and a virtual image imaging optical system that guides a display image of the spatial light modulation optical device to an observer's pupil. A spatial light modulation optical device having a prism on which illumination light emitted from a light source is incident and a reflective spatial light modulator that is illuminated by illumination light emitted from the prism, wherein the prism reflects incident illumination light A plurality of reflecting surfaces and a polarization separating unit that separates the illumination light reflected by the plurality of reflecting surfaces according to the polarization component, and the illumination light reflected by the reflective spatial light modulation unit is applied to the prism. The light is incident again from the same surface as the exit surface, separated by the polarization separation unit, and then incident on the virtual image optical system.

更に、本発明は、空間光変調光学装置と、この空間光変調光学装置の表示画像を投射する投射光学系とを有する投射型画像表示装置において、空間光変調光学装置は、光源と、光源から射出した照明光が入射するプリズムと、プリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有し、プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面と、これら複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、反射型空間光変調部にて反射された照明光は、プリズムにその射出面と同一面より再入射し偏光分離部によって分離されたのち、投射光学系に入射する構成とする。   Furthermore, the present invention provides a projection-type image display device that includes a spatial light modulation optical device and a projection optical system that projects a display image of the spatial light modulation optical device. The spatial light modulation optical device includes a light source and a light source. The prism includes a prism on which the emitted illumination light is incident, and a reflective spatial light modulator that is illuminated by the illumination light emitted from the prism. The prism includes a plurality of reflection surfaces that reflect the incident illumination light, and the plurality of reflections. The illumination light reflected by the surface is separated according to its polarization component, and the illumination light reflected by the reflective spatial light modulator re-enters the prism from the same plane as the exit surface. Then, after being separated by the polarization separation unit, the light enters the projection optical system.

上述したように、本発明による空間光変調光学装置は、LEDやレーザなど比較的小面積の発光部もつ光源から射出する照明光を、複数の反射面を有するプリズムにて反射型空間光変調部の各点における主光線入射角、開口数を制御し、プリズム内部に存在する偏光分離部によって単一偏光状態に検波してから、反射型空間光変調部を照明する。
したがって、このように主光線入射角及び開口数の制御が可能であり、かつ偏光分離機能を有するプリズムを配置することによって、反射型空間光変調部を用いて、高い光利用効率でかつ比較的装置構成が簡易な空間光変調光学装置を提供することができる。
As described above, the spatial light modulation optical device according to the present invention is a reflection-type spatial light modulation unit that emits illumination light emitted from a light source having a relatively small light-emitting unit such as an LED or a laser by a prism having a plurality of reflection surfaces. The chief ray incident angle and the numerical aperture at each point are controlled, and the reflection-type spatial light modulation unit is illuminated after detection in a single polarization state by the polarization separation unit existing inside the prism.
Therefore, by arranging the prism that can control the chief ray incident angle and the numerical aperture as described above and has a polarization separation function, the reflective spatial light modulator can be used to achieve high light utilization efficiency and relatively A spatial light modulation optical device with a simple device configuration can be provided.

以上説明したように、本発明によれば、反射型空間光変調部を用いる空間光変調光学装置において、比較的簡易な装置構成をもって、光利用効率の低下を抑制することができる。
又、本発明による虚像表示装置及び投射型画像表示装置によれば、光利用効率が高く、装置構成の簡易化を図ることができる。
As described above, according to the present invention, in a spatial light modulation optical device using a reflective spatial light modulation unit, it is possible to suppress a decrease in light utilization efficiency with a relatively simple device configuration.
Further, according to the virtual image display device and the projection type image display device according to the present invention, the light utilization efficiency is high, and the device configuration can be simplified.

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。   Examples of the best mode for carrying out the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.

〔1〕第1の実施形態例
図1を参照して、本発明による空間光変調光学装置の第1の実施形態例を説明する。本例の空間光変調光学装置100は、LEDや半導体レーザ等より成る光源10、ライトパイプ20、反射型偏光板30、複数の反射面、この例においては2面の反射面41及び42と偏光分離部43を有するプリズム40、反射型液晶パネル等より成る反射型空間光変調部50によって構成した例を示す。
[1] First Embodiment With reference to FIG. 1, a first embodiment of the spatial light modulation optical device according to the present invention will be described. The spatial light modulation optical device 100 of this example includes a light source 10 composed of an LED, a semiconductor laser, etc., a light pipe 20, a reflective polarizing plate 30, a plurality of reflecting surfaces, in this example, two reflecting surfaces 41 and 42 and polarized light. An example in which the prism 40 having the separation unit 43 and the reflection type spatial light modulation unit 50 including a reflection type liquid crystal panel or the like is used will be described.

このような構成において、光源10から射出した照明光は、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。
このように、ライトパイプ20を設ける場合は、開口数低減部として機能させることができる。更に、光源10が複数のLED、特に赤、緑及び青などの各色のLED等より成る場合は、光の混色を効率よく行うことができる。また、複数の単色のLED等の光源を用いる場合は、これらの光の混合を効率よく行うことができ、照明光の均一性を保持することができる。
In such a configuration, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the incident surface 21 with the smaller area of the light pipe 20, and after a part of the light rays repeats total internal reflection, the light is emitted from the emission surface 22. .
Thus, when providing the light pipe 20, it can function as a numerical aperture reduction part. Further, when the light source 10 is composed of a plurality of LEDs, particularly LEDs of various colors such as red, green, and blue, it is possible to efficiently mix light. Further, when a light source such as a plurality of single color LEDs is used, these lights can be mixed efficiently and the uniformity of the illumination light can be maintained.

射出面22より射出した照明光は、続いて配置される反射型偏光板30にて、例えばS偏光成分(図1の紙面に垂直な偏光成分)は反射され、P偏光成分(図1の紙面に平行な偏光成分)は透過する。反射されたS偏光成分の照明光は、再びライトパイプ20に入射して光源10にその一部が戻る。光源10の発光面の発光部以外の部分には、図示せぬ反射板が設けられているため、戻された照明光は再び反射され反射型偏光板30に入射する。この過程で、戻された偏光光は、ライトパイプ20内を内部全反射するためその偏光状態が変化しP偏光成分が発生している。従って、そのP偏光成分は2回目の入射時に反射型偏光板30を透過する。残ったS偏光光は再びこのルーチンを繰り返すことになる。
したがって、このようにプリズム40の入射面側に、吸収型ではなく反射型偏光板30を設ける場合は、より光利用効率を高めることができるという利点を有する。
Illumination light emitted from the emission surface 22 is reflected by the reflective polarizing plate 30 disposed subsequently, for example, an S-polarized component (polarized component perpendicular to the paper surface of FIG. 1), and a P-polarized component (paper surface of FIG. 1). (Polarization component parallel to) transmits. The reflected illumination light of the S-polarized component is incident on the light pipe 20 again and part of it returns to the light source 10. Since a reflection plate (not shown) is provided on the light emitting surface of the light source 10 other than the light emitting part, the returned illumination light is reflected again and enters the reflective polarizing plate 30. In this process, the returned polarized light undergoes total internal reflection within the light pipe 20, so that its polarization state changes and a P-polarized light component is generated. Therefore, the P-polarized light component is transmitted through the reflective polarizing plate 30 at the second incidence. The remaining S-polarized light repeats this routine again.
Therefore, when the reflective polarizing plate 30 instead of the absorption type is provided on the incident surface side of the prism 40 as described above, there is an advantage that the light use efficiency can be further improved.

反射型偏光板30を透過したP偏光成分は、プリズム40に入射し第1の反射面41にて反射され、続いて第1の反射面41による反射光が到達する領域に第1の反射面41と対向して設けられる第2の反射面42にて反射される。
本実施例においては、この2つの反射面41及び42は、反射型空間光変調部50の表示面における一の方向とこれとは異なる方向、すなわち例えば長辺方向と短辺方向に対応する矢印xで示す長辺方向(x方向)及び矢印yで示す短辺方向(y方向)では、曲率の異なるトーリック面となっている。
The P-polarized light component transmitted through the reflective polarizing plate 30 enters the prism 40 and is reflected by the first reflecting surface 41, and then the first reflecting surface reaches a region where the reflected light from the first reflecting surface 41 reaches. The light is reflected by a second reflecting surface 42 provided to face 41.
In the present embodiment, the two reflecting surfaces 41 and 42 are in one direction on the display surface of the reflective spatial light modulator 50 and in a different direction, that is, for example, arrows corresponding to the long side direction and the short side direction. In the long side direction (x direction) indicated by x and the short side direction (y direction) indicated by arrow y, the toric surfaces have different curvatures.

2つの反射面41及び42にて反射された照明光は、続いてプリズム40の内部に存在する偏光分離部43にてS偏光は反射され、P偏光は透過される。透過したP偏光はプリズム40の射出面44から射出され、反射型空間光変調部50を照明する。
なお、偏光分離部43としては、例えば多層構造の高分子フィルムを延伸した構成の偏光分離フィルムや、またはワイヤーグリッドタイプの偏光分離素子などを用いることができる。
The illumination light reflected by the two reflecting surfaces 41 and 42 is subsequently reflected by the polarization separation unit 43 existing inside the prism 40 and is transmitted by the P-polarized light. The transmitted P-polarized light is emitted from the exit surface 44 of the prism 40 and illuminates the reflective spatial light modulator 50.
In addition, as the polarization separation part 43, the polarization separation film of the structure which extended | stretched the polymer film of a multilayered structure, a wire grid type polarization separation element, etc. can be used, for example.

反射型空間光変調部50にて反射された照明光は、光学面44から再びプリズム40内に入射し、偏光分離部43に入射する。ここで、反射型空間光変調部50により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちS偏光成分のみがこの偏光分離部43において反射され、プリズム40の他の射出面45より矢印Lmで示すように、変調された例えば画像表示光として射出される。   The illumination light reflected by the reflective spatial light modulation unit 50 enters the prism 40 again from the optical surface 44 and enters the polarization separation unit 43. Here, only the S-polarized light component of the illumination light whose polarization state is modulated for each pixel by the reflective spatial light modulation unit 50 is reflected by the polarization separation unit 43, and is indicated by an arrow Lm from the other exit surface 45 of the prism 40. As shown, it is emitted as modulated image display light, for example.

なお、本実施形態例においては、光源10とライトパイプ20とを光学的に密着しているため、光利用効率を高く保持することができる。
また、この例においては、LEDやレーザなど比較的小面積の発光部もつ光源から射出する照明光を、ライトパイプ20を通すことによって開口数低減とRGBの混色などを行なうことができる。
そしてこの場合、このプリズム40内の上述したトーリック面より成る反射面41及び42を有するプリズム40において、反射型空間光変調部50の各画素に対応する主光線入射角、開口数を制御し、プリズム40の内部に存在する偏光分離部43によって単一偏光状態に検波してから、反射型空間光変調部50を照明することができる。
In the present embodiment, the light source 10 and the light pipe 20 are in optical contact with each other, so that the light use efficiency can be kept high.
Also, in this example, illumination light emitted from a light source having a relatively small light-emitting portion such as an LED or a laser can be passed through the light pipe 20 to reduce numerical aperture and mix RGB colors.
In this case, in the prism 40 having the reflection surfaces 41 and 42 made of the above-described toric surface in the prism 40, the chief ray incident angle and numerical aperture corresponding to each pixel of the reflective spatial light modulator 50 are controlled, The reflected spatial light modulation unit 50 can be illuminated after detection in a single polarization state by the polarization separation unit 43 existing inside the prism 40.

またこの例においては、プリズム40内に入射する光はP偏光に揃えられているが、偏光分離部43においてごく一部のP偏光光は反射される。またプリズム40の材料によって複屈折が生じる場合には、プリズム40内を伝搬中に一部がS偏光となり、一部の光が偏光分離部43によって反射される。この光は、虚像表示装置や投射型画像表示装置に適用する場合にいわゆるゴーストの原因となる恐れがある。しかしながら、本実施形態例においては、これらの光をプリズム40の偏光分離部43において、破線矢印Lgで示すように、プリズム40から画像表示光Lmを射出する方向とは異なる方向に射出することができ、ゴーストの原因となる不要光を分離して、画質を損なうことがないという利点を有する。   In this example, the light incident on the prism 40 is aligned with the P-polarized light, but only a part of the P-polarized light is reflected by the polarization separation unit 43. Further, when birefringence occurs due to the material of the prism 40, part of the light becomes S-polarized light while propagating through the prism 40, and part of the light is reflected by the polarization separation unit 43. This light may cause a so-called ghost when applied to a virtual image display device or a projection image display device. However, in this embodiment, the light is emitted from the prism 40 in a direction different from the direction in which the image display light Lm is emitted, as indicated by the broken line arrow Lg, in the polarization separation unit 43 of the prism 40. This is advantageous in that unnecessary light that causes ghosts is separated and image quality is not impaired.

また、反射型空間光変調部50の照明条件が、その短辺方向と長辺方向とで異なる場合には、プリズム40の反射面41及び42を、このようにトーリック面とするか、またはその面内に対称軸をもたない非軸対称反射面とすることによって、その照明条件に合わせて効率よく照明することができる。
更に、この例においては、プリズム40の偏光分離部43を、複数の反射面のうち、この偏光分離部43に入射する直前の2枚、すなわちこの場合反射面41及び42の間の照明光の進行方向に沿う傾き方向に配置した例を示す。すなわち、このように偏光分離部43の傾き方向を、第1の反射面41から第2の反射面42に向かう照明光の進行方向に沿う方向とすることによって、この照明光の進路を妨げることなくプリズム43を構成することができるという利点を有する。
以上説明したように、この実施形態例においては、ライトパイプとプリズムを設けるのみの比較的簡易な装置構成をもって、高い光利用効率をもって、所望の開口数、主光線角度の照明条件をもって、反射型空間光変調部への照明が可能な空間光変調光学装置を提供することができる。
When the illumination conditions of the reflective spatial light modulator 50 are different between the short side direction and the long side direction, the reflecting surfaces 41 and 42 of the prism 40 are thus toric surfaces, or By using a non-axisymmetric reflecting surface having no symmetry axis in the plane, it is possible to efficiently illuminate according to the illumination condition.
Further, in this example, the polarization separation unit 43 of the prism 40 is used to transmit the illumination light between the reflection surfaces 41 and 42 in the two reflection surfaces 43 just before entering the polarization separation unit 43. The example arrange | positioned in the inclination direction along a advancing direction is shown. That is, the path of the illumination light is obstructed by setting the inclination direction of the polarization separation unit 43 in this way to the direction along the traveling direction of the illumination light from the first reflection surface 41 toward the second reflection surface 42. This has the advantage that the prism 43 can be configured without any problem.
As described above, in this embodiment, the reflection type has a relatively simple device configuration in which only a light pipe and a prism are provided, high light utilization efficiency, illumination conditions of a desired numerical aperture and chief ray angle. A spatial light modulation optical device capable of illuminating the spatial light modulation unit can be provided.

〔2〕第2の実施形態例
次に、図2A及びBを参照して本発明による空間光変調光学装置の第2の実施形態例を説明する。図2Aにおいては、本実施形態例による空間光変調光学装置100の概略上面構成図、図2Bにおいては、概略側面構成図を示す。この場合においても、空間光変調光学装置100は、LED等の光源10、ライトパイプ20、拡散部35、2つのトーリック面より成る反射面41及び42と偏光分離部43を有するプリズム40、反射型空間光変調部50によって構成される。図2A及びB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。
[2] Second Embodiment Next, a second embodiment of the spatial light modulation optical device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. 2A is a schematic top view of the spatial light modulation optical device 100 according to the present embodiment, and FIG. 2B is a schematic side view of the configuration. Also in this case, the spatial light modulation optical device 100 includes a light source 10 such as an LED, a light pipe 20, a diffusing unit 35, reflecting surfaces 41 and 42 including two toric surfaces, a prism 40 having a polarization separating unit 43, and a reflective type. The spatial light modulator 50 is configured. 2A and 2B, parts corresponding to those in FIG.

すなわちこの例においては、図1に示す第1の実施形態例における反射型偏光板に変えて拡散部35を設ける例を示す。そして、第1の実施形態例においては、反射型空間光変調部50に対してテレセントリックな照明であったのに対して、本実施形態例においては、図2Aに示すように、矢印xで示す長辺方向(x方向)に対してはテレセントリックであるが、図2Bに示すように、矢印yで示す短辺方向(y方向)に対しては、y方向に関して照明光が反射型空間光変調部50の中心に向かって傾いている。すなわちこの場合においても、プリズム40の反射面41及び42をトーリック面とした例を示し、これら複数のトーリック面を経る構成とすることによって、空間光変調部50の表示面の異なる方向において、アシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。
またこの例においては、光源10とプリズム40の反射面との間、図示の例ではライトパイプ20と第1の反射面41との間に拡散部35を設けることによって、拡散部35により照明光の主光線角度や開口数の制御を行うことによって、上述の第1の実施形態例における場合と比較して、照明光の面内及び放射角内での均一性をより高めることができる。
またこの実施形態例においても、上述の第1の実施形態例と同様に、高い光利用効率をもって、また装置の大型化を伴うことなく、プリズム40を配置するのみの比較的簡易な構成をもって、良好に所望の照明条件をもって反射型空間光変調部50を照明することが可能な空間光変調光学装置を提供することができる。
That is, in this example, an example in which the diffusing portion 35 is provided in place of the reflective polarizing plate in the first embodiment shown in FIG. In the first embodiment, the illumination is telecentric with respect to the reflective spatial light modulator 50. In this embodiment, as shown in FIG. Although it is telecentric for the long side direction (x direction), as shown in FIG. 2B, for the short side direction (y direction) indicated by the arrow y, the illumination light is reflected spatially modulated in the y direction. Inclined toward the center of the portion 50. That is, in this case as well, an example in which the reflecting surfaces 41 and 42 of the prism 40 are toric surfaces is shown, and the asymmetry is performed in different directions on the display surface of the spatial light modulator 50 by adopting a configuration through these toric surfaces. Trick lighting conditions can be easily realized.
Further, in this example, the diffusing unit 35 is provided with the diffusing unit 35 between the light source 10 and the reflecting surface of the prism 40, and in the illustrated example, between the light pipe 20 and the first reflecting surface 41. By controlling the chief ray angle and the numerical aperture, the uniformity of the illumination light within the plane and within the radiation angle can be further improved as compared with the case of the first embodiment described above.
Also in this embodiment example, similarly to the above-described first embodiment example, with a high light utilization efficiency and with a relatively simple configuration in which only the prism 40 is arranged without enlarging the apparatus, It is possible to provide a spatial light modulation optical device that can illuminate the reflective spatial light modulation unit 50 with favorable illumination conditions.

〔3〕第3の実施形態例
次に、図3を参照して、本発明による空間光変調光学装置の第3の実施形態例を説明する。この例においても、空間光変調光学装置100は、LED等の光源10、ライトパイプ20、2つの反射面41及び42と偏光分離部43を有するプリズム40、反射型空間光変調部50によって構成されている。この例においては、ライトパイプ20の射出面22及び側面23が外側に凸の曲面状とした例を示し、また、偏光分離部43の入射側に拡散部35を設けた例を示す。図3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。
[3] Third Embodiment Next, a third embodiment of the spatial light modulation optical device according to the present invention will be described with reference to FIG. Also in this example, the spatial light modulation optical device 100 includes a light source 10 such as an LED, a light pipe 20, a prism 40 having two reflection surfaces 41 and 42, and a polarization separation unit 43, and a reflection type spatial light modulation unit 50. ing. This example shows an example in which the exit surface 22 and the side surface 23 of the light pipe 20 are curved outwardly convex, and an example in which a diffusion unit 35 is provided on the incident side of the polarization separation unit 43 is shown. In FIG. 3, parts corresponding to those in FIG.

この例においては、LED等の光源10から射出した照明光は、ライトパイプ20の比較的面積が小さい入射面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。本実施形態例におけるライトパイプ20のように、側面23や射出面22を曲面で構成することによって、ライトパイプ20の射出面22から射出する照明光の広がり角を小さくすることができる。   In this example, the illumination light emitted from the light source 10 such as an LED is incident from the incident surface 21 having a relatively small area of the light pipe 20, and after a part of the light rays have undergone total internal reflection, from the emission surface 22. Eject. Like the light pipe 20 in this embodiment, the side surface 23 and the emission surface 22 are configured by curved surfaces, whereby the spread angle of the illumination light emitted from the emission surface 22 of the light pipe 20 can be reduced.

またこの場合においても、プリズム40の反射面41及び42をトーリック面とした例を示し、これら複数のトーリック面を経る構成とすることによって、空間光変調部50の表示面の異なる方向において、アシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。
更にこの場合、偏光分離部43の入射側に拡散部35を設けることから、この拡散部35においても、照明光の開口数及び主光線角度の制御を行うことができる。特にこの場合、偏光分離部43の入射側に拡散部35を設けることから、反射型空間光変調部50において変調された表示光は、再びプリズム40に入射した後偏光分離部50を透過せずにここにおいて反射され、射出部45から外部に射出される構成となる。このため、変調後の表示光が拡散による影響を受けることなく、したがって、画像の品質を損なうことなく上述したような照明光の開口数及び主光線角度の制御を行う機能を拡散部35にもたせることができ、これにより反射面41及び42の設計自由度を高めることができるという利点を有する。
そしてこの実施形態例においても、上述の第1及び第2の実施形態例と同様に、高い光利用効率をもって、またプリズム40を配置するのみの比較的簡易な構成をもって、良好に所望の照明条件をもって反射型空間光変調部50を照明する空間光変調光学装置を提供することができる。
Also in this case, an example in which the reflecting surfaces 41 and 42 of the prism 40 are toric surfaces is shown, and the asymmetry is performed in different directions on the display surface of the spatial light modulator 50 by adopting a configuration through these toric surfaces. Trick lighting conditions can be easily realized.
Further, in this case, since the diffusing unit 35 is provided on the incident side of the polarization separating unit 43, the diffusing unit 35 can also control the numerical aperture and chief ray angle of the illumination light. Particularly in this case, since the diffusing unit 35 is provided on the incident side of the polarization separation unit 43, the display light modulated by the reflective spatial light modulation unit 50 does not pass through the polarization separation unit 50 after entering the prism 40 again. Here, the light is reflected and emitted from the emitting portion 45 to the outside. For this reason, the function of controlling the numerical aperture and chief ray angle of the illumination light as described above is given to the diffusing unit 35 without the display light after modulation being affected by the diffusion, and without impairing the image quality. This has the advantage that the design freedom of the reflecting surfaces 41 and 42 can be increased.
Also in this embodiment example, similarly to the first and second embodiment examples described above, the desired illumination conditions can be satisfactorily achieved with high light utilization efficiency and with a relatively simple configuration in which only the prism 40 is disposed. Thus, it is possible to provide a spatial light modulation optical device that illuminates the reflective spatial light modulation unit 50.

〔4〕第4の実施形態例
次に、図4を参照して、本発明による反射型空間光変調光学装置の第4の実施形態例を説明する。この空間光変調光学装置100は、LED等の光源10、ライトパイプ領域420と反射面41及び42、偏光分離部43を有するプリズム40、反射型空間光変調部50によって構成されている。すなわちこの例においては、プリズム40とは別体のライトパイプを設けることなく、光束の開口数低減機能と、混色若しくは混合作用を有するライトパイプ領域420をプリズム40に一体的に設ける例を示す。
[4] Fourth Embodiment Next, a fourth embodiment of the reflective spatial light modulation optical device according to the present invention will be described with reference to FIG. The spatial light modulation optical device 100 includes a light source 10 such as an LED, a light pipe region 420 and reflection surfaces 41 and 42, a prism 40 having a polarization separation unit 43, and a reflection type spatial light modulation unit 50. That is, in this example, an example in which a light pipe region 420 having a function of reducing the numerical aperture of a light beam and color mixing or mixing is provided in the prism 40 without providing a light pipe separate from the prism 40 is shown.

このような構成において、光源10から射出した照明光は、プリズム40に一体的に設けられたライトパイプ領域420の先端部421より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、第1の反射面41に入射する。反射された照明光は、続いて第1の反射面41に対向する第2の反射面42にて反射される。
本実施形態例においては、この2つの反射面41及び42は、その面内に対称軸をもたないいわゆる自由曲面反射面となっている。自由曲面反射面は、トーリック面に比べてより面形状の自由度が高くきめ細かい照明光のより幅広い制御が可能になる。
In such a configuration, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the front end 421 of the light pipe region 420 provided integrally with the prism 40, and after a part of the light rays undergoes total internal reflection, 1 is incident on the reflection surface 41. The reflected illumination light is subsequently reflected by the second reflecting surface 42 facing the first reflecting surface 41.
In the present embodiment, the two reflecting surfaces 41 and 42 are so-called free curved reflecting surfaces that do not have an axis of symmetry within the surfaces. A free-form curved reflecting surface has a higher degree of freedom in surface shape than a toric surface, and enables a wider control of fine illumination light.

そして、これら2つの反射面41及び42にて反射された照明光は、続いてプリズム40内部に存在する例えばワイヤーグリッドタイプの偏光分離部43にてS偏光は反射され、P偏光は透過される。透過したP偏光は、プリズム40の射出面44から射出され、反射型空間光変調部50を照明する。図示の例では、反射型空間光変調部50の長辺方向であるx方向に対してはテレセントリックであるが、短辺方向であるy方向に対して、すなわち図4において上下方向に関しては、照明光が反射型空間光変調部50の中心から外側に向かって僅かに傾いている例を示す。この例においては、上述したように、プリズム40の反射面41及び42を自由曲面反射面としていることから、このような反射型空間光変調部50の表示面内の複数の方向に関してアシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。
またこの実施形態例においても、上述の第1の実施形態例と同様に、高い光利用効率をもって、また装置の大型化を伴うことなく、プリズム40を配置するのみの比較的簡易な構成をもって、良好に反射型空間光変調部50を照明する空間光変調光学装置を提供することができる。
The illumination light reflected by these two reflecting surfaces 41 and 42 is then reflected by the S-polarized light and transmitted by the P-polarized light, for example, by the wire grid type polarization separation unit 43 existing inside the prism 40. . The transmitted P-polarized light is emitted from the exit surface 44 of the prism 40 and illuminates the reflective spatial light modulator 50. In the illustrated example, the reflective spatial light modulator 50 is telecentric with respect to the x direction, which is the long side direction, but with respect to the y direction, which is the short side direction, that is, with respect to the vertical direction in FIG. An example in which the light is slightly inclined outward from the center of the reflective spatial light modulator 50 is shown. In this example, as described above, the reflecting surfaces 41 and 42 of the prism 40 are free-form surface reflecting surfaces, and therefore asymmetrical with respect to a plurality of directions in the display surface of the reflective spatial light modulator 50. Lighting conditions can be easily realized.
Also in this embodiment example, similarly to the above-described first embodiment example, with a high light utilization efficiency and with a relatively simple configuration in which only the prism 40 is arranged without enlarging the apparatus, A spatial light modulation optical device that illuminates the reflective spatial light modulation unit 50 satisfactorily can be provided.

〔5〕第5の実施形態例
次に、図5を参照して本発明による空間光変調光学装置の第5の実施形態例を説明する。この空間光変調光学装置100は、LED等の光源10と、ライトパイプ領域420と反射面41及び42、偏光分離部43を有するプリズム40、反射型空間光変調部50によって構成される。この例においては、反射型空間光変調部50により変調された画像表示光は、プリズム40内の偏光分離部43を透過して再びプリズム40の射出面45から射出される例を示す。
[5] Fifth Embodiment Next, a fifth embodiment of the spatial light modulation optical device according to the present invention will be described with reference to FIG. The spatial light modulation optical device 100 includes a light source 10 such as an LED, a light pipe region 420, reflection surfaces 41 and 42, a prism 40 having a polarization separation unit 43, and a reflection type spatial light modulation unit 50. In this example, the image display light modulated by the reflective spatial light modulation unit 50 is transmitted through the polarization separation unit 43 in the prism 40 and is emitted from the exit surface 45 of the prism 40 again.

この場合、光源10から射出した照明光は、プリズム40に一体的に設けられたライトパイプ領域420の先端部421より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、第1の反射面41に入射する。反射された照明光は、続いて第1の反射面41に対向する第2の反射面42にて反射される。本実施形態例においては、この2つの反射面41及び42は、その面内に対称軸をもたない自由曲面反射面とされ、トーリック面とする場合と比べてより面形状の自由度が高く、きめ細かい照明光の制御が可能になる。   In this case, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the tip portion 421 of the light pipe region 420 provided integrally with the prism 40, and after a part of the light rays undergoes total internal reflection, the first reflection is performed. Incident on the surface 41. The reflected illumination light is subsequently reflected by the second reflecting surface 42 facing the first reflecting surface 41. In the present embodiment example, the two reflecting surfaces 41 and 42 are free curved reflecting surfaces having no symmetry axis in the surface, and the degree of freedom of the surface shape is higher than that of the toric surface. Fine control of illumination light becomes possible.

そしてこの例においては、2つの反射面41及び42にて反射された照明光は、続いてプリズム40の内部に存在する偏光分離部43にてS偏光は反射され、P偏光は透過され、そのまま外部に射出される。そして偏光分離部43で反射したS偏光は、プリズム40の射出面44から射出して、反射型空間光変調部50を照明する。本実施例では、反射型空間光変調部50の長辺方向であるx方向に対してはテレセントリックであるが、反射型空間光変調部50の短辺方向であるy方向に対しては照明光が反射型空間光変調部50の中心から外側に向かって傾いている。すなわちこの例においても、自由曲面とされる複数の反射面41及び42を経ることによって、このようなアシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。   In this example, the illumination light reflected by the two reflecting surfaces 41 and 42 is then reflected by the polarization separation unit 43 existing inside the prism 40, and the S-polarized light is transmitted, while the P-polarized light is transmitted. It is injected outside. The S-polarized light reflected by the polarization separation unit 43 exits from the exit surface 44 of the prism 40 and illuminates the reflective spatial light modulation unit 50. In the present embodiment, the light is telecentric with respect to the x direction, which is the long side direction of the reflective spatial light modulator 50, but is illuminating light with respect to the y direction, which is the short side direction of the reflective spatial light modulator 50. Is inclined outward from the center of the reflective spatial light modulator 50. That is, also in this example, such asymmetric illumination conditions can be easily realized by passing through the plurality of reflecting surfaces 41 and 42 which are free-form surfaces.

そして、反射型空間光変調部50にて反射された照明光は、光学面44から再びプリズム40内に入射し、偏光分離部43に入射する。ここで、反射型空間光変調部50により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちP偏光成分のみが透過され、プリズム40の射出面45より射出される。
偏光分離部43の種類によっては、反射時に散乱が生じる場合があるが、このように、反射型空間光変調部50により変調された光が、偏光分離部43を透過する構成とする場合には、この散乱による影響を回避して、良好な画質をもって画像表示光を射出することができるという利点を有する。
またこの実施形態例においても、上述の第1の実施形態例と同様に、高い光利用効率をもって、またプリズム40を配置するのみの比較的簡易な構成をもって、良好に所望の照明条件をもって反射型空間光変調部50を照明する空間光変調光学装置を提供することができる。
Then, the illumination light reflected by the reflective spatial light modulation unit 50 enters the prism 40 again from the optical surface 44 and enters the polarization separation unit 43. Here, only the P-polarized light component of the illumination light whose polarization state is modulated for each pixel by the reflective spatial light modulator 50 is transmitted and emitted from the exit surface 45 of the prism 40.
Depending on the type of the polarization separation unit 43, scattering may occur at the time of reflection, but when the light modulated by the reflective spatial light modulation unit 50 is transmitted through the polarization separation unit 43 as described above, This has the advantage that image display light can be emitted with good image quality by avoiding the influence of this scattering.
Also in this embodiment, as in the first embodiment described above, the reflective type has a high light utilization efficiency and has a relatively simple configuration in which only the prism 40 is disposed, and has a desired illumination condition. A spatial light modulation optical device that illuminates the spatial light modulation unit 50 can be provided.

〔6〕第6の実施形態例
次に、図6A及びBを参照して本発明による空間光変調光学装置の第6の実施形態例を説明する。この空間光変調光学装置100は、LED等の光源10と、ライトパイプ領域420と反射面41及び42、偏光分離部43を有するプリズム40、反射型空間光変調部50によって構成される。
この例においても、上述の第5の実施形態例と同様に、反射型空間光変調部50により変調された画像表示光は、プリズム40内の偏光分離部43を透過して再びプリズム40の射出面45から射出される例を示す。なおこの例において偏光分離部43は、プリズム40内を進行する照明光の進行方向にほぼ沿う平面に対して直交する方向、すなわち図6の紙面と直交する方向に照明光を分離する配置とされ、反射型空間光変調部50により変調された光が、偏光分離部43を透過してプリズム40から射出される例を示す。
[6] Sixth Embodiment Next, a sixth embodiment of the spatial light modulation optical device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 6A and 6B. The spatial light modulation optical device 100 includes a light source 10 such as an LED, a light pipe region 420, reflection surfaces 41 and 42, a prism 40 having a polarization separation unit 43, and a reflection type spatial light modulation unit 50.
Also in this example, as in the fifth embodiment, the image display light modulated by the reflective spatial light modulation unit 50 passes through the polarization separation unit 43 in the prism 40 and is emitted from the prism 40 again. The example inject | emitted from the surface 45 is shown. In this example, the polarization separation unit 43 is arranged to separate the illumination light in a direction orthogonal to a plane substantially along the traveling direction of the illumination light traveling in the prism 40, that is, in a direction orthogonal to the paper surface of FIG. An example in which the light modulated by the reflective spatial light modulator 50 is transmitted through the polarization separation unit 43 and emitted from the prism 40 is shown.

この場合、光源10から射出した照明光は、プリズム40に一体的に設けられたライトパイプ領域420の先端部421より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、第1の反射面41に入射する。反射された照明光は、続いて第1の反射面41に対向する第2の反射面42にて反射される。本実施形態例においては、この2つの反射面41及び42は、その面内に対称軸をもたない自由曲面反射面とされ、トーリック面とする場合と比べてより面形状の自由度が高く、きめ細かい照明光の制御が可能になる。   In this case, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the tip portion 421 of the light pipe region 420 provided integrally with the prism 40, and after a part of the light rays undergoes total internal reflection, the first reflection is performed. Incident on the surface 41. The reflected illumination light is subsequently reflected by the second reflecting surface 42 facing the first reflecting surface 41. In the present embodiment example, the two reflecting surfaces 41 and 42 are free curved reflecting surfaces having no symmetry axis in the surface, and the degree of freedom of the surface shape is higher than that of the toric surface. Fine control of illumination light becomes possible.

そしてこの例においては、2つの反射面41及び42にて反射された照明光は、プリズム40の内部に存在する偏光分離部43にてS偏光は反射され、P偏光は透過され、そのまま外部に射出される。そして偏光分離部43で反射したS偏光は、プリズム40の射出面44から射出して、反射型空間光変調部50を照明する。本実施例では、反射型空間光変調部50の長辺方向であるx方向に対してはテレセントリックであるが、反射型空間光変調部50の短辺方向であるy方向に対しては照明光が反射型空間光変調部50の中心から外側に向かって傾いている。すなわちこの例においても、自由曲面とされる複数の反射面41及び42を経ることによって、このようなアシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。   In this example, the illumination light reflected by the two reflecting surfaces 41 and 42 is reflected by the polarization separating unit 43 existing inside the prism 40, the S-polarized light is transmitted, and the P-polarized light is transmitted. It is injected. The S-polarized light reflected by the polarization separation unit 43 exits from the exit surface 44 of the prism 40 and illuminates the reflective spatial light modulation unit 50. In the present embodiment, the light is telecentric with respect to the x direction, which is the long side direction of the reflective spatial light modulator 50, but is illuminating light with respect to the y direction, which is the short side direction of the reflective spatial light modulator 50. Is inclined outward from the center of the reflective spatial light modulator 50. That is, also in this example, such asymmetric illumination conditions can be easily realized by passing through the plurality of reflecting surfaces 41 and 42 which are free-form surfaces.

反射型空間光変調部50にて反射された照明光は、光学面44から再びプリズム40内に入射し、偏光分離部43に入射する。ここで、反射型空間光変調部50により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちP偏光成分のみが透過され、プリズム40の射出面45より射出される。
このような構成とすることによって、この実施形態例においても、偏光分離部43の反射時の散乱による影響を回避して、良好な画質をもって画像表示光を射出することができるという利点を有する。
またこの実施形態例においても、上述の第1〜第5の実施形態例と同様に、高い光利用効率をもって、また装置の大型化を伴うことなく、プリズム40を配置するのみの比較的簡易な構成をもって、良好に反射型空間光変調部50を照明する空間光変調光学装置を提供することができる。
The illumination light reflected by the reflective spatial light modulation unit 50 enters the prism 40 again from the optical surface 44 and enters the polarization separation unit 43. Here, only the P-polarized light component of the illumination light whose polarization state is modulated for each pixel by the reflective spatial light modulator 50 is transmitted and emitted from the exit surface 45 of the prism 40.
By adopting such a configuration, this embodiment also has an advantage that image display light can be emitted with good image quality while avoiding the influence of scattering at the time of reflection of the polarization separation unit 43.
Also in this embodiment example, as in the first to fifth embodiment examples described above, it is relatively simple to simply arrange the prism 40 with high light utilization efficiency and without enlarging the apparatus. With the configuration, it is possible to provide a spatial light modulation optical device that illuminates the reflective spatial light modulation unit 50 satisfactorily.

〔7〕第7の実施形態例
次に、図7及び図8を参照して本発明による空間光変調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。この例においては、ビデオカメラのビューファインダ、頭部装着型ディスプレイ等に適用して好適な虚像表示装置の一実施形態例を示す。図7は、この虚像表示装置200の概略側面構成図、図8Aは概略上面構成図、図8Bは、観察者の瞳側からみた概略側面構成図を示す。図7と図8A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。
図7に示すように、この虚像表示装置200は、LED等の光源10、ライトパイプ領域420と反射面41及び42と偏光分離部43を有するプリズム40、反射型空間光変調部50、ファインダーレンズ等のコリメーター光学系70、ホログラム導波路等より成る導光板90によって構成されている。
[7] Seventh Embodiment Next, an embodiment of a virtual image display device using the spatial light modulation optical device according to the present invention will be described with reference to FIGS. In this example, an embodiment of a virtual image display device suitable for application to a viewfinder of a video camera, a head-mounted display, or the like is shown. 7 is a schematic side configuration diagram of the virtual image display device 200, FIG. 8A is a schematic top configuration diagram, and FIG. 8B is a schematic side configuration diagram viewed from the pupil side of the observer. 7 and 8A and B show a common xyz coordinate system, with respect to the observer's pupil 80, the horizontal (horizontal) direction is the x direction, the vertical (vertical) direction is the y direction, and the depth direction is the z direction. .
As shown in FIG. 7, the virtual image display device 200 includes a light source 10 such as an LED, a light pipe region 420, a prism 40 having reflective surfaces 41 and 42, and a polarization separation unit 43, a reflective spatial light modulation unit 50, and a finder lens. A collimator optical system 70 such as a light guide plate 90 made of a hologram waveguide or the like.

図7に示すように、この場合光源10から射出した照明光は、この光源10に光学的に密着されたプリズム40のライトパイプ領域420の面積が小さい方の先端部421より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、第1の反射面41に入射する。この第1の反射面41で反射された照明光は、続いて第1の反射面41に対向する第2の反射面42にて反射される。本実施形態例においては、この2つの反射面41及び42は、その面内に対称軸をもたないいわゆる自由曲面反射面となっている。上述したように、自由曲面反射面は、トーリック面に比べてより面形状の自由度が高くきめ細かい照明光の制御が可能になる。   As shown in FIG. 7, in this case, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the tip portion 421 having the smaller area of the light pipe region 420 of the prism 40 that is optically in close contact with the light source 10, and is partially Of the light beam repeats total internal reflection, and then enters the first reflecting surface 41. The illumination light reflected by the first reflecting surface 41 is subsequently reflected by the second reflecting surface 42 facing the first reflecting surface 41. In the present embodiment, the two reflecting surfaces 41 and 42 are so-called free-form reflecting surfaces that do not have an axis of symmetry within the surfaces. As described above, the free curved surface reflecting surface has a higher degree of freedom in the surface shape than the toric surface and enables fine control of illumination light.

2つの反射面41及び42にて反射された照明光は、続いてプリズム40の内部に存在する例えば高分子を延伸して多層積層した偏光分離部43にてS偏光は反射され、P偏光は透過される。透過したP偏光は、プリズム40の射出面44から射出され、反射型空間光変調部50を照明する。この実施形態例では、反射型空間光変調部50の画像表示面の長辺方向であるx方向に対してはほぼテレセントリックであるが、短辺方向であるy方向に対しては、図7に示すように、照明光が反射型空間光変調部50の中心から外側に向かって傾いて照射されている。このように、自由曲面より成る複数の反射面41及び42を経ることによって、反射型空間光変調部50に対するアシンメトリックな照明条件を容易に実現することが可能になる。   The illumination light reflected by the two reflecting surfaces 41 and 42 is then reflected by the polarization separation unit 43 in which, for example, a polymer is stretched and laminated in the prism 40, and the S-polarized light is reflected. Transparent. The transmitted P-polarized light is emitted from the exit surface 44 of the prism 40 and illuminates the reflective spatial light modulator 50. In this embodiment example, the reflection type spatial light modulator 50 is almost telecentric with respect to the x direction, which is the long side direction of the image display surface, but for the y direction, which is the short side direction, as shown in FIG. As shown, the illumination light is irradiated while being inclined outward from the center of the reflective spatial light modulator 50. As described above, the asymmetric illumination condition for the reflective spatial light modulator 50 can be easily realized by passing through the plurality of reflecting surfaces 41 and 42 each having a free-form surface.

反射型空間光変調部50にて反射された照明光は、射出面44から再びプリズム40内に入射し、偏光分離部43に入射する。ここで、反射型空間光変調部50により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちS偏光成分のみが反射され、射出面45よりプリズム40から射出される。   The illumination light reflected by the reflective spatial light modulation unit 50 enters the prism 40 again from the exit surface 44 and enters the polarization separation unit 43. Here, only the S-polarized light component of the illumination light whose polarization state is modulated for each pixel by the reflective spatial light modulator 50 is reflected and emitted from the prism 40 from the exit surface 45.

プリズム40の射出面45から射出した照明光は、コリメーター光学系70にて図7に示すyz平面においては、コリメート光学系70にて画角(すなわち反射型空間光変調部50の各画素から射出される光の射出角)が互いに異なる光束群とされる。この光束群は、これとは直交するxz平面においては、図8Aに示すように、画角が互いに異なる平行光束群とされて導光板90に入射する。図7においては、yz平面における代表的な平行光束LA、LB及びLCを、また図8Aにおいては、xz平面における代表的な平行光束La、Lb及びLcを示す。   Illumination light emitted from the exit surface 45 of the prism 40 is collimated by the collimator optical system 70 on the yz plane shown in FIG. 7 at the angle of view (that is, from each pixel of the reflective spatial light modulator 50). The light emission groups are different from each other. In the xz plane orthogonal to this, the light beam group is made into a parallel light beam group having different angles of view and enters the light guide plate 90 as shown in FIG. 8A. 7 shows typical parallel light beams LA, LB and LC in the yz plane, and FIG. 8A shows typical parallel light beams La, Lb and Lc in the xz plane.

この導光板90は、図8Aに示すように、薄い平板型構成とされ、瞳80に対し奥行き方向に相対向する光学面91及び92のうち、光学面91の一端が、コリメート光学系70から射出される光が入射する入射部91Aとされ、光学面91の他端は、瞳80に向かって射出される光が射出する射出部91Bとされる。
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。
As shown in FIG. 8A, the light guide plate 90 has a thin flat plate configuration, and one end of the optical surface 91 of the optical surfaces 91 and 92 facing the pupil 80 in the depth direction extends from the collimating optical system 70. An incident portion 91A where the emitted light is incident is used, and the other end of the optical surface 91 is an emission portion 91B where the light emitted toward the pupil 80 is emitted.
As described above, in this example, the left / right (horizontal) direction is the x direction, and the up / down (vertical) direction is the y direction. Image display light for displaying information and the like is guided and incident on the pupil 80.
In addition, when this virtual image display device is applied to a head-mounted display (HMD), the illumination optical device, the spatial light modulation unit, and the virtual image display optical system are not arranged above the pupil, and thus in the lateral direction. In the case of arrangement, as compared with the case of arrangement in the upper direction close to the pupil 80, for example, an optical system is not provided in the upper and lower visual fields, so that it is possible to observe the external environment better. On the other hand, in this case, since the distance for guiding the inside of the light guide plate 90 becomes relatively long, the following device is required.

上述の構成において、導光板90に入射部91Aから入射された画像表示光は、入射部91Aと対向する位置に光学面92に設けられる第1の反射型体積ホログラムグレーティング93に入射する。この例においては、この第1の反射型体積ホログラムグレーティング93は、位置に係らず均等なホログラム表面の干渉縞ピッチを有する構成とする。   In the above configuration, the image display light incident on the light guide plate 90 from the incident portion 91A is incident on the first reflective volume hologram grating 93 provided on the optical surface 92 at a position facing the incident portion 91A. In this example, the first reflective volume hologram grating 93 has a uniform hologram surface interference fringe pitch regardless of position.

そして第1の反射型体積ホログラムグレーティング93により回折反射された光は、導光板90内部において、図8Aで示すxz平面のz方向には、各光束La〜Lcが平行光束のまま光学面91及び92の間で全反射を繰り返しながら導光し、他端に設けられた第2の反射型体積ホログラムグレーティング94に向けてx方向に進行する。図8Aにおいては、光束Laは破線、Lbは実線、Lcは二点鎖線でそれぞれ示す。
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8A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。
The light diffracted and reflected by the first reflective volume hologram grating 93 is converted into the optical surface 91 and the light beams La to Lc in the light guide plate 90 in the z direction of the xz plane shown in FIG. The light is guided while repeating total reflection between 92 and proceeds in the x direction toward the second reflection type volume hologram grating 94 provided at the other end. In FIG. 8A, the luminous flux La is indicated by a broken line, Lb is indicated by a solid line, and Lc is indicated by a two-dot chain line.
In this embodiment, since the light guide plate 90 is thin and the optical path traveling through the light guide plate 90 is relatively long as described above, as shown in FIG. The total number of reflections up to 94 is different.

これについてより詳細に述べれば、導光板90に入射する平行光La、Lb及びLcのうち、第2の反射型体積ホログラムグレーティング94の方に傾きながら入射する平行光Lcの反射回数は、それと逆方向の角度で導光板90に入射する平行光Laの反射回数よりも少なくなっている。すなわち、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93のホログラム表面の干渉縞ピッチが等間隔のため、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93において回折反射される射出角が、第2の反射型体積ホログラムグレーティング94の方に傾きながら入射する平行光の方が、それと逆方向の角度で入射する平行光の射出角よりも大きくなる。
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。
More specifically, the number of reflections of the parallel light Lc incident on the light guide plate 90 while being inclined toward the second reflective volume hologram grating 94 out of the parallel light La, Lb, and Lc is opposite to that. This is less than the number of reflections of the parallel light La incident on the light guide plate 90 at the angle of the direction. That is, since the interference fringe pitches on the hologram surface of the first reflective volume hologram grating 93 are equally spaced, the exit angle diffracted and reflected by the first reflective volume hologram grating 93 is the second reflective volume hologram grating. The parallel light incident while tilting toward 94 is larger than the exit angle of the parallel light incident at an angle opposite to that.
The parallel light of each angle of view that has entered the second reflective volume hologram grating 94 deviates from the total reflection condition due to diffraction reflection, and exits from the light guide plate 90 and enters the observer's pupil 80.

なお、導光板90内では、瞳80に対し上下方向となるy方向については反射しない。つまり、図7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8Bの概略側面構成図に示す。図8Bに示すように、コリメート光学系70から射出された光は、xy平面においては収束されて入射部91Aから導光板90内をx方向に進行する。このxy平面において導光板90内を伝播する画角の異なる代表的な入射光をL1、L2及びL3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z方向には反射しながら、y方向には反射しないでx方向に進行し、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。
In the light guide plate 90, the y direction which is the vertical direction with respect to the pupil 80 is not reflected. That is, as shown in FIG. 7, incident light LA, LB, and LC having different angles of view in the yz plane are repeatedly reflected in the z direction within the light guide plate 90, but do not reflect in the y direction and reach the emitting portion 91B. To do.
This is shown in the schematic side view of FIG. 8B. As shown in FIG. 8B, the light emitted from the collimating optical system 70 is converged on the xy plane and travels in the light guide plate 90 from the incident portion 91A in the x direction. Typical incident light having different angles of view propagating through the light guide plate 90 in the xy plane is indicated by L1, L2, and L3. These lights are converged in the y direction and reflected on the optical surfaces 91 and 92 of the light guide plate 90 in the z direction, but not reflected in the y direction, and travel in the x direction. The second reflective volume hologram grating 94 The light is reflected and diffracted by the light and is emitted from the exit portion 91B to enter the observer's pupil.
In this case, as described above, since these lights are converged in the y direction, the reflection of the second reflection type volume hologram grating 94 with respect to the length of the first reflection type volume hologram grating 93 in the y direction. The diffractive surface may have a relatively short configuration.

以上説明したx方向及びy方向の光束の空間光変調部からの射出角及び開口数の違いについて、図9及び10を用いて説明する。
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、観察者の瞳を射出瞳と考えた場合、反射型空間光変調部50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9に示すように、反射型空間光変調部50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、その主光線をそれぞれ一点鎖線で示すように、反射型空間光変調部50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が後述する理由により比較的大きく設定される。
一方、図10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、反射型空間光変調部50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50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。
Differences in the exit angle and numerical aperture of the light beams in the x direction and y direction described above from the spatial light modulation unit will be described with reference to FIGS.
In this embodiment of the virtual image display device, since the light guide plate 90 provided with the hologram is used, when the observer's pupil is considered as the exit pupil, the exit angle of the image light from the reflective spatial light modulator 50 The numerical aperture NA differs depending on, for example, the long side (x) direction and the short side (y) direction of the image display area of the spatial light modulator of the reflection type or the like, and the distance from the center of the image display area.
That is, as shown in FIG. 9, in the x direction corresponding to the long side direction of the reflective spatial light modulator 50, the light emitted from each pixel is reflected so that its principal ray is indicated by an alternate long and short dash line. It is nearly perpendicular to the display surface of the spatial light modulator 50 and close to a telecentric state, and the numerical aperture NA is set relatively large for the reason described later.
On the other hand, as shown in FIG. 10, in the y direction corresponding to the short side direction, the light emitted from each pixel has a telecentric state in which the emission angle becomes farther away from the center of the display surface of the reflective spatial light modulation unit 50. That is, the angle formed between the display surface of the spatial light modulator 50 and the principal ray indicated by the one-dot chain line of the image display light moves away from the vertical state, and the numerical aperture NA is made relatively small.

これら図9及び図10に示す方向における射出角の違いを下記の表1及び表2にそれぞれ示す。各表1及び表2において、光軸からの像高位置において、各画角の中心を通る光の光軸からの角度である主光線角と、その射出光の広がり角である上光線角及び下光線角をそれぞれ示す。   The differences in the emission angles in the directions shown in FIGS. 9 and 10 are shown in Tables 1 and 2 below. In each Table 1 and Table 2, at the image height position from the optical axis, the principal ray angle that is the angle from the optical axis of the light passing through the center of each angle of view, and the upper ray angle that is the spread angle of the emitted light, and Each lower ray angle is shown.

Figure 2007033669
Figure 2007033669

Figure 2007033669
Figure 2007033669

表1から、x方向では±20度程度の広がり角であるのに対し、y方向では±5°程度の広がり角である。すなわちx方向では開口数NAが大きく、y方向では開口数NAが小さい。
つまりこの場合、反射型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。
From Table 1, the spread angle is about ± 20 degrees in the x direction, whereas the spread angle is about ± 5 degrees in the y direction. That is, the numerical aperture NA is large in the x direction, and the numerical aperture NA is small in the y direction.
That is, in this case, it can be seen that the numerical aperture of the emitted light and the emission angle of the principal ray are different from each other in one direction and the other direction, that is, the x direction and the y direction.

このように、上述の虚像表示装置200において、開口数NA及び射出角がx方向とy方向とに対して異方性を有する構成となる理由について、図11A及びBを用いて説明する。
図7及び図8Aにおいて説明したように、反射型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11A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。
The reason why the above-described virtual image display apparatus 200 has a configuration in which the numerical aperture NA and the emission angle have anisotropy in the x direction and the y direction will be described with reference to FIGS. 11A and 11B.
As described in FIGS. 7 and 8A, in the traveling direction corresponding to the long side direction (x direction) of the reflective spatial light modulator, the number of times of reflection in the light guide plate 90 is different depending on the angle of view, that is, the optical path. Although the lengths are different, as shown in FIG. 11A, the propagating light beams are all parallel light beams. Since the angle of view to be emitted is unchanged, the image is not disturbed. In this case, the aperture in the x direction in the collimating optical system 70 can be made relatively small.

これに対し、反射型空間光変調部の短辺方向(y方向)においては、図11Bに示すように、射出瞳から逆光線追跡を行うと明らかなように、ひたすら上下画角が離れていく。上述したように、頭部装着型ディスプレイに適用する場合に、光学系を瞳に対して横方向に配置すると、導光板の長さLは例えば人間の平均的な顔の大きさから60mm程度必要となる。導光板90の内部でy方向すなわち上下方向に反射させると像の上下が反転してしまうので、前述したようにy方向には反射しないで進行させるとすると、光はコリメート光学系70に到達するまでに大きく広がってしまい、y向の口径は大きくなる。すなわちこの場合、上下の(y方向の)画角の光線は、反射型空間光変調部50に対してテレセントリック状態からはずれた構成となる。   On the other hand, in the short side direction (y direction) of the reflective spatial light modulator, as shown in FIG. 11B, the upper and lower angles of view are far apart as is apparent when reverse ray tracing is performed from the exit pupil. As described above, when applied to a head-mounted display, if the optical system is disposed laterally with respect to the pupil, the length L of the light guide plate needs to be, for example, about 60 mm from the average human face size. It becomes. If the light is reflected in the y direction, that is, the up and down direction inside the light guide plate 90, the upper and lower sides of the image are inverted. Therefore, if the light is advanced without being reflected in the y direction as described above, the light reaches the collimating optical system 70. And the aperture in the y direction increases. In other words, in this case, the upper and lower (y-direction) angle of view rays are configured to deviate from the telecentric state with respect to the reflective spatial light modulator 50.

一方、x方向及びy方向の開口数NAx及びNAyは、それぞれ以下の通りとなる。
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。
On the other hand, numerical apertures NAx and NAy in the x direction and y direction are as follows, respectively.
First, the numerical aperture NAy in the y direction is such that the pupil diameter of the observer is D and the focal length of the collimating optical system 70 is f.
NAy = D / (2f)
It becomes.

これに対し、x方向の開口数NAxは、上述したように、光束が導光板内で折り返し反射する構成であることから、y方向のように瞳径から一義的に求められない。
すなわち、図12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12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12において、図7、図8A及びB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。
On the other hand, the numerical aperture NAx in the x direction is not uniquely determined from the pupil diameter as in the y direction because the luminous flux is reflected back within the light guide plate as described above.
That is, as apparent from the back ray tracing in the configuration diagram shown in FIG. 12, there is a light beam that is folded back and reflected at a position straddling the edge of the first reflective volume hologram grating 93 and the optical surface 92. When reverse ray tracing is performed, a part of this light beam (that is, a part reflected by the optical surface 92) is repeatedly reflected and diffracted at different positions of the first reflective volume hologram grating 93 to reach the collimating optical system 70. . On the other hand, the remaining light flux is diffracted at the end of the first reflective volume hologram grating 93 and reaches the collimating optical system 70 as it is. That is, this light beam is a parallel light beam having the same angle of view emitted from the same pixel, but is diffracted and reflected by different parts of the first reflection type volume hologram grating 93 and combined and propagated in the light guide plate 90. There will be a luminous flux that
In order to allow light to reach the entire area of the pupil 80, it is desirable to illuminate including a so-called branched light beam. However, it is difficult to illuminate the light emitted from one pixel into two divergent lights. . Therefore, as shown in FIG. 12, it is necessary to increase the apparent NAx of the illumination light. 12, parts corresponding to those in FIGS. 7, 8A and B are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
Therefore, in this optical system, it can be seen that the apparent numerical aperture NAx in the x direction is relatively large and the numerical aperture NAy in the y direction is relatively small.

比較例として、前述の図9及び図10、上記表1及び2に示す照明条件により、1つのライトパイプを用いて空間光変調光学装置を構成した設計例の概略構成図を図13A及びBに示す。この例においては、光源10、ライトパイプ20、フレネルレンズ220及び拡散板230、偏光ビームスプリッタ240及び反射型空間光変調部50により構成した例を示し、図13Aにおいては、反射型空間光変調部50の表示面側からみた概略平面構成図、図13Bにおいては、概略側面構成図を示す。この場合の照明条件は、反射型空間光変調部50の長辺方向(x方向)と短辺方向(y方向)で非対称になっている。短辺方向(y方向)においては、反射型空間光変調部50の周辺から射出する表示光束の主光線が広がっていく方向(角度15.5度)をもっており、発散角は10度程度と比較的小さい。一方、これに直交する長辺方向(x方向)においては、ほぼテレセントリックな状態であるが、発散角度は40度と比較的大きい。   As a comparative example, FIGS. 13A and 13B show schematic configuration diagrams of a design example in which a spatial light modulation optical device is configured using one light pipe according to the illumination conditions shown in FIGS. 9 and 10 and Tables 1 and 2 described above. Show. In this example, the light source 10, the light pipe 20, the Fresnel lens 220, the diffuser plate 230, the polarization beam splitter 240, and the reflective spatial light modulator 50 are shown. In FIG. 13A, the reflective spatial light modulator is shown. In FIG. 13B, a schematic plane configuration diagram viewed from the display surface side 50, a schematic side configuration diagram is shown. The illumination conditions in this case are asymmetric in the long side direction (x direction) and the short side direction (y direction) of the reflective spatial light modulator 50. The short side direction (y direction) has a direction (angle 15.5 degrees) in which the principal ray of the display light beam emitted from the periphery of the reflective spatial light modulator 50 spreads, and the divergence angle is about 10 degrees. Small. On the other hand, in the long side direction (x direction) orthogonal to this, it is almost telecentric, but the divergence angle is relatively large at 40 degrees.

このような照明条件の場合には、図13A及びBに示すように、ライトパイプ20の形状が、反射型空間光変調部50の長辺方向に沿う方向と短辺方向に沿う方向とで、その射出面の幅W1hが大きく異なってくることがわかる。この場合、ライトパイプ20の長さは、射出面の幅は反射型空間光変調部50の長辺方向に沿う方向の比較的大きいほうの幅W1hにて決まるため、周辺輝度を中心輝度の60%という基準で設計すると、全長Lhが図13Bに示すように長くなってしまう。また、x方向の射出面の曲面形状は図13Aに示すように極めて曲率半径の小さい特殊な形状となってしまう。
またこの場合、ライトパイプ20と偏光ビームスプリッタ240との間にフレネルレンズ220及び拡散版230を設けて、反射型空間光変調部50の画素に対応して入射する光の主光線角度を調整する構成としており、各光学部品の位置合わせなど装置の組み立て工程が煩雑となり、また部品点数も増えるという不都合がある。
これに対し、本発明によれば、上述したように、光源とライトパイプとプリズム、または光源とプリズムのみの簡易な構成でこのような反射型空間光変調部の長辺方向と短辺方向とにアシンメトリーを有する照明条件をもって照明することが可能であり、装置全体の構成の簡易化、小型化、また組み立て作業の簡易化を図ることも可能である。
なお、このようにライトパイプのみで上述の照明条件による照明を行った場合、その光利用効率は35%程度と低いものであった。
これに対し、本発明における空間光変調光学装置においては、例えば上述の第1の実施形態例における装置構成とする場合に、50%以上の光利用効率が得られ、ライトパイプのみを用いる場合と比較して、ほぼ1.5倍程度以上の光利用効率の向上を図ることができる。
In the case of such illumination conditions, as shown in FIGS. 13A and 13B, the shape of the light pipe 20 is a direction along the long side direction and a direction along the short side direction of the reflective spatial light modulator 50. It can be seen that the width W1h of the exit surface varies greatly. In this case, since the length of the light pipe 20 is determined by the relatively large width W1h in the direction along the long side of the reflective spatial light modulator 50, the width of the exit surface is determined as 60% of the central luminance. If the design is based on%, the total length Lh becomes long as shown in FIG. 13B. Further, the curved surface shape of the exit surface in the x direction is a special shape having a very small radius of curvature as shown in FIG. 13A.
In this case, a Fresnel lens 220 and a diffusion plate 230 are provided between the light pipe 20 and the polarization beam splitter 240 to adjust the principal ray angle of incident light corresponding to the pixels of the reflective spatial light modulator 50. As a result, the assembly process of the apparatus such as the positioning of each optical component becomes complicated, and the number of components increases.
On the other hand, according to the present invention, as described above, the long side direction and the short side direction of such a reflective spatial light modulation unit can be achieved with a simple configuration of a light source and a light pipe and a prism, or only a light source and a prism. In addition, it is possible to illuminate under illumination conditions having asymmetry, and it is possible to simplify the configuration of the entire apparatus, reduce the size, and simplify the assembly work.
In addition, when the illumination under the above-mentioned illumination conditions was performed using only the light pipe, the light utilization efficiency was as low as about 35%.
On the other hand, in the spatial light modulation optical device according to the present invention, for example, when the device configuration in the first embodiment described above is used, a light utilization efficiency of 50% or more is obtained, and only the light pipe is used. In comparison, the light use efficiency can be improved by about 1.5 times or more.

〔8〕第8の実施形態例
次に、図14を参照して本発明による空間光変調光学装置を使用した投射型画像表示装置の一実施形態例を説明する。本例の投射型画像表示装置300は、前述の第1の実施形態例において説明した構成の空間光変調光学装置を用いるものであり、LED等の光源10、ライトパイプ20、反射面41及び42と偏光分離部43を有するプリズム40、反射型空間光変調部50、投射光学系310、スクリーン320によって構成されている。図14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。
[8] Eighth Embodiment Next, an embodiment of a projection type image display apparatus using the spatial light modulation optical apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. The projection type image display device 300 of this example uses the spatial light modulation optical device having the configuration described in the first embodiment, and includes a light source 10 such as an LED, a light pipe 20, and reflecting surfaces 41 and 42. And a prism 40 having a polarization separation unit 43, a reflective spatial light modulation unit 50, a projection optical system 310, and a screen 320. 14, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

このような構成において、光源10から射出した照明光は、この光源10に光学密着されたライトパイプ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、ライトパイプ20の射出面22より射出し、プリズム40に入射する。プリズム40内において、照明光は、第1の反射面41に反射され、続いて第1の反射面41に対向する第2の反射面42にて反射される。本実施例においては、この2つの反射面はその面内に対称軸をもたないいわゆる自由曲面反射面となっている。自由曲面反射面は、トーリック面に比べてより面形状の自由度が高くきめ細かい照明光のコントロールが可能になる。   In such a configuration, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the light incident surface 21 having the smaller area of the light pipe 20 that is optically adhered to the light source 10, and some of the light rays undergo total internal reflection. Thereafter, the light exits from the exit surface 22 of the light pipe 20 and enters the prism 40. In the prism 40, the illumination light is reflected by the first reflecting surface 41 and subsequently reflected by the second reflecting surface 42 that faces the first reflecting surface 41. In this embodiment, the two reflecting surfaces are so-called free-form curved reflecting surfaces having no symmetry axis in the surfaces. A free-form curved reflecting surface has a higher degree of freedom in surface shape than a toric surface and enables fine control of illumination light.

2つの反射面41及び42にて反射された照明光は、続いてプリズム40の内部に存在する例えば高分子を延伸して多層積層した偏光分離部43にてS偏光は反射され、P偏光は透過される。反射したS偏光はプリズム40の射出面44から射出して、反射型空間光変調部50を照明する。本実施例では、x方向、y方向ともにほぼテレセントリックとした例を示す。   The illumination light reflected by the two reflecting surfaces 41 and 42 is then reflected by the polarization separation unit 43 in which, for example, a polymer is stretched and laminated in the prism 40, and the S-polarized light is reflected. Transparent. The reflected S-polarized light exits from the exit surface 44 of the prism 40 to illuminate the reflective spatial light modulator 50. In this embodiment, an example in which both the x direction and the y direction are substantially telecentric is shown.

反射型空間光変調部50にて反射された照明光は、射出面44から再びプリズム40内に入射し、偏光分離部43に入射する。ここで、反射型空間光変調部50により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちP偏光成分のみが透過され射出面45よりプリズム40から射出される。
この例においては、これら射出面44及び45を曲面とした場合を示す。このように、プリズム40の射出面44及び45を曲面とすることによって、この面において光学的に作用させることができ、例えば反射面41及び42に加えてこれらの射出面44及び45においても出射角の制御を行うことができて、反射面41及び42の設計自由度をもたせることもできる。また、例えば射出面45に収束機能を持たせることにより、投射光学系310の入射瞳の口径を小さくし、装置の小型化を図ることもできる。
The illumination light reflected by the reflective spatial light modulation unit 50 enters the prism 40 again from the exit surface 44 and enters the polarization separation unit 43. Here, only the P-polarized light component of the illumination light whose polarization state is modulated for each pixel by the reflective spatial light modulator 50 is transmitted and exits from the prism 40 through the exit surface 45.
In this example, a case where the exit surfaces 44 and 45 are curved surfaces is shown. Thus, by making the exit surfaces 44 and 45 of the prism 40 curved, it can be optically acted on this surface. For example, in addition to the reflective surfaces 41 and 42, the exit surfaces 44 and 45 also emit light. The angle can be controlled, and the reflecting surfaces 41 and 42 can have a degree of design freedom. Further, for example, by providing the exit surface 45 with a convergence function, the diameter of the entrance pupil of the projection optical system 310 can be reduced, and the apparatus can be downsized.

プリズム40から射出した照明光は、投射光学系310によってスクリーン320上に投射され、反射型空間光変調部50の像が結像される。
この例においても、空間光変調光学装置において、高い光利用効率を保持してその構成の簡易化、小型化を図ることができるため、光利用効率にすぐれ、比較的簡易な装置構成の投射型画像表示装置を提供することができる。
The illumination light emitted from the prism 40 is projected onto the screen 320 by the projection optical system 310, and an image of the reflective spatial light modulator 50 is formed.
Also in this example, in the spatial light modulation optical device, it is possible to maintain high light utilization efficiency and simplify the configuration and reduce the size thereof. Therefore, the projection type is superior in light utilization efficiency and has a relatively simple device configuration. An image display device can be provided.

〔9〕第9の実施形態例
次に、図15を参照して本発明による空間光変調光学装置を使用した投射型画像表示装置の一実施形態例を説明する。本例の投射型画像表示装置300は、前述の第6の実施形態例において説明した構成の空間光変調光学装置を用いるものであり、LED等の光源10、ライトパイプ20、反射面41及び42と偏光分離部43を有するプリズム40、反射型空間光変調部50、投射光学系310、スクリーン320によって構成されている。図15において、図6A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。
[9] Ninth Embodiment Next, an embodiment of a projection type image display apparatus using a spatial light modulation optical apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. The projection-type image display device 300 of this example uses the spatial light modulation optical device having the configuration described in the sixth embodiment, and includes a light source 10 such as an LED, a light pipe 20, and reflecting surfaces 41 and 42. And a prism 40 having a polarization separation unit 43, a reflective spatial light modulation unit 50, a projection optical system 310, and a screen 320. In FIG. 15, parts corresponding to those in FIG.

このような構成において、光源10から射出した照明光は、この光源10に光学密着されたライトパイプ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、ライトパイプ20の射出面22より射出し、プリズム40に入射する。プリズム40内において、照明光は、第1の反射面41に反射され、続いて第1の反射面41に対向する第2の反射面42にて反射される。本実施例においては、この2つの反射面はその面内に対称軸をもたないいわゆる自由曲面反射面となっている。自由曲面反射面は、トーリック面に比べてより面形状の自由度が高くきめ細かい照明光のコントロールが可能になる。   In such a configuration, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the light incident surface 21 having the smaller area of the light pipe 20 that is optically adhered to the light source 10, and some of the light rays undergo total internal reflection. Thereafter, the light exits from the exit surface 22 of the light pipe 20 and enters the prism 40. In the prism 40, the illumination light is reflected by the first reflecting surface 41 and subsequently reflected by the second reflecting surface 42 that faces the first reflecting surface 41. In this embodiment, the two reflecting surfaces are so-called free-form curved reflecting surfaces having no symmetry axis in the surfaces. A free-form curved reflecting surface has a higher degree of freedom in surface shape than a toric surface and enables fine control of illumination light.

2つの反射面41及び42にて反射された照明光は、続いてプリズム40の内部に存在する例えば高分子を延伸して多層積層した偏光分離部43にてS偏光は反射され、P偏光は透過される。反射したS偏光はプリズム40の射出面44から射出して、反射型空間光変調部50を照明する。本実施例では、x方向、y方向ともにほぼテレセントリックとした例を示す。   The illumination light reflected by the two reflecting surfaces 41 and 42 is then reflected by the polarization separation unit 43 in which, for example, a polymer is stretched and laminated in the prism 40, and the S-polarized light is reflected. Transparent. The reflected S-polarized light exits from the exit surface 44 of the prism 40 to illuminate the reflective spatial light modulator 50. In this embodiment, an example in which both the x direction and the y direction are substantially telecentric is shown.

反射型空間光変調部50にて反射された照明光は、射出面44から再びプリズム40内に入射し、偏光分離部43に入射する。ここで、反射型空間光変調部50により画素毎に偏光状態が変調された照明光のうちP偏光成分のみが透過され射出面45よりプリズム40から射出される。なおこの例において偏光分離部43は、プリズム40内を進行する照明光の進行方向にほぼ沿う平面に対して直交する方向、すなわち図15の紙面において上方向に照明光を分離する配置とされ、反射型空間光変調部50により変調された光が、偏光分離部43を透過してプリズム40から射出される例を示す。   The illumination light reflected by the reflective spatial light modulation unit 50 enters the prism 40 again from the exit surface 44 and enters the polarization separation unit 43. Here, only the P-polarized light component of the illumination light whose polarization state is modulated for each pixel by the reflective spatial light modulator 50 is transmitted and exits from the prism 40 through the exit surface 45. In this example, the polarization separation unit 43 is arranged to separate the illumination light in a direction orthogonal to a plane substantially along the traveling direction of the illumination light traveling in the prism 40, that is, upward in the plane of FIG. An example in which the light modulated by the reflective spatial light modulation unit 50 is transmitted from the polarization separation unit 43 and emitted from the prism 40 is shown.

プリズム40から射出した照明光は、投射光学系310によってスクリーン320上に投射され、反射型空間光変調部50の像が結像される。
この例においても、空間光変調光学装置において、高い光利用効率を保持してその構成の簡易化、小型化を図ることができるため、光利用効率にすぐれ、かつ比較的簡易な装置構成の投射型画像表示装置を提供することができる。
The illumination light emitted from the prism 40 is projected onto the screen 320 by the projection optical system 310, and an image of the reflective spatial light modulator 50 is formed.
Also in this example, in the spatial light modulation optical device, the high light utilization efficiency can be maintained and the configuration can be simplified and downsized, so that the light utilization efficiency is excellent and the projection with a relatively simple device configuration is possible. A type image display apparatus can be provided.

以上説明したように、本発明によれば、従来に比して光利用効率に優れ、また比較的簡易な装置構成をもって空間光変調光学装置及びこれを用いた虚像表示装置及び投射型画像表示装置を提供することができる。
なお、本発明による空間光変調光学装置、虚像表示装置及び投射型画像表示装置は、以上説明した各実施形態例に限定されるものではなく、その他光源や空間光変調部、ライトパイプなどの種類や配置構成など、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
As described above, according to the present invention, the spatial light modulation optical device, the virtual image display device, and the projection type image display device using the spatial light modulation optical device are excellent in light utilization efficiency as compared with the prior art and have a relatively simple device configuration. Can be provided.
The spatial light modulation optical device, the virtual image display device, and the projection type image display device according to the present invention are not limited to the embodiments described above, and other types such as a light source, a spatial light modulation unit, and a light pipe. Needless to say, various modifications and changes can be made without departing from the configuration of the present invention, such as the layout and arrangement.

本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. Aは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Bは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。1A is a schematic plan configuration diagram of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. FIG. B is a schematic side view of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. 本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. 本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. 本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. Aは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Bは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。1A is a schematic plan configuration diagram of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. FIG. B is a schematic side view of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. 本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a virtual image display device according to the present invention. Aは本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Bは本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略側面構成図である。1A is a schematic plan configuration diagram of an embodiment of a virtual image display device according to the present invention. FIG. B is a schematic side view of an embodiment of a virtual image display device according to the present invention. 反射型空間光変調部から射出した光のx方向の射出角及び開口数の説明図である。It is explanatory drawing of the emission angle and numerical aperture of the x direction of the light inject | emitted from the reflection type spatial light modulation part. 反射型空間光変調部から射出した光のy方向の射出角及び開口数の説明図である。It is explanatory drawing of the emission angle and numerical aperture of the y direction of the light inject | emitted from the reflection type spatial light modulation part. Aは射出瞳からx方向の逆光線追跡を行った説明図である。Bは射出瞳からy方向の逆光線追跡を行った説明図である。A is an explanatory diagram in which reverse ray tracing in the x direction is performed from the exit pupil. B is an explanatory diagram in which reverse ray tracing in the y direction is performed from the exit pupil. 本発明による虚像表示装置の一実施形態例のx方向の開口数の説明図である。It is explanatory drawing of the numerical aperture of the x direction of one Example of the virtual image display apparatus by this invention. Aは比較例による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Bは比較例による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。A is a schematic plan view of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to a comparative example. B is a schematic side view of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to a comparative example. 本発明による投射型画像表示装置の一実施形態例の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a projection type image display device according to the present invention. 本発明による投射型画像表示装置の一実施形態例の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a projection type image display device according to the present invention. 従来の空間光変調光学装置の一例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of an example of the conventional spatial light modulation optical apparatus. 比較例による空間光変調光学装置の一例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of an example of the spatial light modulation optical apparatus by a comparative example.

符号の説明Explanation of symbols

10.光源、20、ライトパイプ、21.入射面、22.射出面、23.側面、30.反射型偏光板、35.拡散部、40.プリズム、41.反射面、42.反射面、43.偏光分離面、44.射出面、45.射出面、50.反射型空間光変調部、60.偏光ビームスプリッタ(PBS)、70.コリメート光学系、80.瞳、90.導光板、100.空間光変調光学装置、200.虚像表示装置、210.虚像表示光学系、300.投射型画像表示装置、310.投射光学系、311.スクリーン   10. Light source 20, light pipe, 21. Incident surface, 22. Emission surface, 23. Side, 30. Reflective polarizing plate, 35. Diffusion unit, 40. Prism, 41. Reflective surface, 42. Reflective surface, 43. Polarization separation plane, 44. Emission surface, 45. Emission surface, 50. Reflective spatial light modulator 60. Polarizing beam splitter (PBS), 70. Collimating optical system, 80. Pupil, 90. Light guide plate, 100. Spatial light modulation optical device, 200. Virtual image display device, 210. Virtual image display optical system, 300. Projection-type image display device 310. Projection optical system, 311. screen

Claims (20)

光源と、前記光源から射出した照明光が入射するプリズムと、前記プリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有する空間光変調光学装置であって、
前記プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面と、前記複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、
前記反射型空間光変調部にて反射された照明光は、再び前記プリズムにその射出面と同一面より入射し、前記偏光分離部にてその偏光状態に応じて分離される
ことを特徴とする空間光変調光学装置。
A spatial light modulation optical device having a light source, a prism on which illumination light emitted from the light source is incident, and a reflective spatial light modulation unit that is illuminated by illumination light emitted from the prism,
The prism has a plurality of reflection surfaces that reflect incident illumination light, and a polarization separation unit that separates the illumination light reflected by the plurality of reflection surfaces according to the polarization component thereof,
The illumination light reflected by the reflective spatial light modulator is incident on the prism again from the same plane as the exit surface thereof, and is separated by the polarization separator according to the polarization state. Spatial light modulation optical device.
前記光源と前記プリズムとの間に、前記光源から射出する光束の開口数低減部が設けられる
ことを特徴とする請求項1記載の空間光変調光学装置。
The spatial light modulation optical apparatus according to claim 1, wherein a numerical aperture reduction unit for a light beam emitted from the light source is provided between the light source and the prism.
前記開口数低減部は、ライトパイプである
ことを特徴とする請求項2記載の空間光変調光学装置。
The spatial light modulation optical device according to claim 2, wherein the numerical aperture reducing unit is a light pipe.
前記開口数低減部と前記プリズムとの間に、反射型偏光板が設けられる
ことを特徴とする請求項2記載の空間光変調光学装置。
The spatial light modulation optical device according to claim 2, wherein a reflective polarizing plate is provided between the numerical aperture reducing unit and the prism.
前記光源は複数の光源から成り、前記光源と前記プリズムとの間に、前記複数の光源から射出する光束を混色又は混合する混合部が設けられる
ことを特徴とする請求項1記載の空間光変調光学装置。
The spatial light modulation according to claim 1, wherein the light source includes a plurality of light sources, and a mixing unit that mixes or mixes light beams emitted from the plurality of light sources is provided between the light sources and the prism. Optical device.
前記混合部が、ライトパイプである
ことを特徴とする請求項5記載の空間光変調光学装置。
The spatial light modulation optical device according to claim 5, wherein the mixing unit is a light pipe.
前記混合部と前記プリズムとの間に、反射型偏光板が設けられる
ことを特徴とする請求項5記載の空間光変調光学装置。
The spatial light modulation optical apparatus according to claim 5, wherein a reflective polarizing plate is provided between the mixing unit and the prism.
前記ライトパイプが、前記プリズムに一体的に形成されて成る
ことを特徴とする請求項3又は6記載の空間光変調光学装置。
The spatial light modulation optical device according to claim 3 or 6, wherein the light pipe is formed integrally with the prism.
前記ライトパイプと前記プリズムの第1反射面との間に、反射型偏光板が設けられる
ことを特徴とする請求項8記載の空間光変調光学装置。
The spatial light modulation optical device according to claim 8, wherein a reflective polarizing plate is provided between the light pipe and the first reflecting surface of the prism.
前記プリズムの反射面のうち少なくとも1つは面内に対称軸をもたない非軸対称反射面又は自由曲面反射面とされる
ことを特徴とする請求項1記載の空間光変調光学装置。
2. The spatial light modulation optical device according to claim 1, wherein at least one of the reflecting surfaces of the prism is a non-axisymmetric reflecting surface or a free-form reflecting surface having no symmetry axis in the surface.
前記偏光分離部は、前記複数の反射面のうち、前記偏光分離部に入射する直前の2枚の反射面間の照明光の進行方向に沿う傾き方向に配置される
ことを特徴とする請求項1記載の空間光変調光学装置。
The polarization separation unit is arranged in an inclination direction along a traveling direction of illumination light between two reflection surfaces immediately before entering the polarization separation unit among the plurality of reflection surfaces. The spatial light modulation optical device according to 1.
前記偏光分離部は、前記プリズム内を進行する照明光の進行方向にほぼ沿う平面に対して、直交する方向に前記照明光を分離する配置とされ、
前記反射型空間光変調部により変調された光が、前記偏光分離部を透過して前記プリズムから射出される
ことを特徴とする請求項1記載の空間光変調光学装置。
The polarization separation unit is arranged to separate the illumination light in a direction orthogonal to a plane substantially along the traveling direction of the illumination light traveling in the prism,
The spatial light modulation optical apparatus according to claim 1, wherein the light modulated by the reflective spatial light modulation unit is transmitted through the polarization separation unit and emitted from the prism.
前記光源と、前記プリズムの反射面との間に、拡散部が設けられる
ことを特徴とする請求項1記載の空間光変調光学装置。
The spatial light modulation optical device according to claim 1, wherein a diffusing unit is provided between the light source and the reflecting surface of the prism.
前記偏光分離部は、その入射側に拡散部を有する
ことを特徴とする請求項1記載の空間光変調光学装置。
The spatial light modulation optical apparatus according to claim 1, wherein the polarization separation unit includes a diffusion unit on an incident side thereof.
前記プリズムの前記照明光の射出面は、曲面である
ことを特徴とする請求項1記載の空間光変調光学装置。
The spatial light modulation optical apparatus according to claim 1, wherein an emission surface of the illumination light of the prism is a curved surface.
前記プリズムの、前記反射型空間光変調部により反射され、再び前記プリズムに入射した照明光が射出する面は、曲面である
ことを特徴とする請求項1記載の空間光変調光学装置。
2. The spatial light modulation optical device according to claim 1, wherein a surface of the prism from which illumination light reflected by the reflective spatial light modulation unit and incident on the prism again exits is a curved surface.
空間光変調光学装置と、前記空間光変調光学装置の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において、
前記空間光変調光学装置は、光源と、前記光源から射出した照明光が入射するプリズムと、前記プリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有する空間光変調光学装置であって、
前記プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面と前記複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、
前記反射型空間光変調部にて反射された照明光は、前記プリズムにその射出面と同一面より再入射し前記偏光分離部によって分離されたのち、前記虚像光学系に入射する
ことを特徴とする虚像表示装置。
In a virtual image display device having a spatial light modulation optical device and a virtual image imaging optical system that guides a display image of the spatial light modulation optical device to a pupil of an observer,
The spatial light modulation optical device is a spatial light modulation optical device that includes a light source, a prism on which illumination light emitted from the light source is incident, and a reflective spatial light modulation unit that is illuminated by illumination light emitted from the prism. And
The prism has a plurality of reflection surfaces that reflect incident illumination light and a polarization separation unit that separates the illumination light reflected by the plurality of reflection surfaces according to its polarization component,
Illumination light reflected by the reflective spatial light modulator is incident again on the prism from the same plane as the exit surface, separated by the polarization separator, and then incident on the virtual image optical system. Virtual image display device.
前記虚像結像光学系は、前記反射型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、前記反射型空間光変調部の面内の1つの方向とこれとは異なる方向とで互いに異なる
ことを特徴とする請求項17記載の虚像表示装置。
In the virtual image forming optical system, the numerical aperture of the light emitted from the reflective spatial light modulator and / or the emission angle of the chief ray is different from one direction in the plane of the reflective spatial light modulator. The virtual image display device according to claim 17, wherein the virtual image display devices are different from each other in different directions.
前記虚像結像光学系は、前記反射型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の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を有する
ことを特徴とする請求項17記載の虚像表示装置。
The virtual image imaging optical system includes a collimating optical system that converts light beams emitted from each pixel of the reflective spatial light modulation unit into parallel light beam groups having different traveling directions, and the parallel light beam group is incident to be totally reflected. It is composed of a light guide plate configured to exit toward the observer's pupil after propagation,
The light guide plate includes a first reflective volume hologram grating that diffracts and reflects the parallel light beam group so as to satisfy an internal total reflection condition in the light guide plate while maintaining the parallel light beam group in the incident region of the parallel light beam group; The virtual image display according to claim 17, further comprising: a second reflective volume hologram grating that diffracts and reflects the parallel light beam group so as to be emitted from the light guide plate as the parallel light beam group in an emission region of the parallel light beam group. apparatus.
空間光変調光学装置と、前記空間光変調光学装置の表示画像を投射する投射光学系とを有する投射型画像表示装置において、
前記空間光変調光学装置は、光源と、前記光源から射出した照明光が入射するプリズムと、前記プリズムより射出した照明光が照明する反射型空間光変調部とを有し、
前記プリズムは、入射した照明光を反射する複数の反射面と、前記複数の反射面で反射された照明光をその偏光成分に応じて分離する偏光分離部とを有し、
前記反射型空間光変調部にて反射された照明光は、前記プリズムにその射出面と同一面より再入射し前記偏光分離部によって分離されたのち、前記投射光学系に入射する
ことを特徴とする投射型画像表示装置。
In a projection-type image display device having a spatial light modulation optical device and a projection optical system that projects a display image of the spatial light modulation optical device,
The spatial light modulation optical device includes a light source, a prism on which illumination light emitted from the light source is incident, and a reflective spatial light modulation unit that is illuminated by illumination light emitted from the prism,
The prism has a plurality of reflection surfaces that reflect incident illumination light, and a polarization separation unit that separates the illumination light reflected by the plurality of reflection surfaces according to the polarization component thereof,
Illumination light reflected by the reflective spatial light modulator is incident again on the prism from the same plane as the exit surface, separated by the polarization separator, and then incident on the projection optical system. Projection type image display device.
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