JP2007033669A - Spatial light modulation optical device, and virtual image display device and projection-type image display device using the same - Google Patents
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Abstract
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
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
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
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
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
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
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
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
The illumination light emitted from the
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
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
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
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
Thus, when providing the
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
Therefore, when the reflective
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
In the present embodiment, the two reflecting
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
In addition, as the
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
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
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
In this case, in the
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
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
Further, in this example, the
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
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
Further, in this example, the diffusing
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
〔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
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
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
Further, in this case, since the diffusing
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
〔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
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
In the present embodiment, the two reflecting
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
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
〔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
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
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
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
Depending on the type of the
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
〔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
Also in this example, as in the fifth embodiment, the image display light modulated by the reflective spatial
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
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
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
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
Also in this embodiment example, as in the first to fifth embodiment examples described above, it is relatively simple to simply arrange the
〔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
As shown in FIG. 7, the virtual
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
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
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
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
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
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
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
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
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
In this embodiment, since the
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
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
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
This is shown in the schematic side view of FIG. 8B. As shown in FIG. 8B, the light emitted from the collimating
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
That is, as shown in FIG. 9, in the x direction corresponding to the long side direction of the reflective spatial
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
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.
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
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
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
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
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
In order to allow light to reach the entire area of the
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
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
In this case, a
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
Claims (20)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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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