JP2009092765A - Image display device - Google Patents

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JP2009092765A
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賢一 斉藤
Kazutaka Inoguchi
和隆 猪口
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image display device where flare light (unnecessary diffracted light) generated from a diffraction optical element is hardly recognized by an observer. <P>SOLUTION: The image display device includes a display element 1 displaying an original picture, and an optical system OS guiding light from the display element to an exit pupil. The optical system includes the diffraction optical element 3. An axis leading to the center of the exit pupil from the center of a display area of the original picture on the display element is defined as an optical axis AXL of the optical system, a point on the diffraction optical element is defined as P, and a diffracted light beam having specified wavelength and specified diffraction order where scalar diffraction efficiency is the highest out of diffracted light beams from the point P is defined as a specified diffracted light beam. At such a time, the shape of a grating to which the point P belongs on the diffraction optical element is set so that the specified diffracted light beam may turn to a predetermined point more separate from the diffraction optical element than the exit pupil on the optical axis. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)等の画像表示装置に関する。   The present invention relates to an image display device such as a head mounted display (HMD).

上記のような画像表示装置では、広画角であること、及び頭部に装着しても違和感や疲労感が少ない小型軽量であることが求められる。ただし、一般に、広画角であるほど、装置のサイズや重量が大きくなり、光学系の収差補正も困難になる。   The image display apparatus as described above is required to have a wide angle of view and to be small and light with little discomfort and fatigue even when worn on the head. However, in general, the wider the angle of view, the larger the size and weight of the apparatus, and the more difficult it becomes to correct aberrations in the optical system.

HMD用の光学系の例として、特許文献1には、内部全反射と自由曲面とを併せ用いた単一のプリズムにより構成される光学系が開示されている。この光学系では、表示素子からの画像光を、プリズムの入射面(第1面)で屈折させ、第2面で内部全反射させ、第3面で反射させ、さらに第4面(第2面)で屈折させて観察者の眼に導く。この光学系では、単一のプリズムを用いているため、画像光が屈折面を通過する際に該プリズムの材料の分散に起因して発生する色収差を補正することができない。
色消しを行う手段としては、異なる分散を持つ複数のレンズを組み合わせる方法が知られている。しかし、色消し効果が得られるような分散を持つ材料を選ぶ場合、実質的にガラスを用いざるを得ず、光学系の重量を抑えることが困難になる。これに対し、体積や重量を抑えつつも、効果的な色消しを行うことが可能な回折光学素子(DOE)を用いた光学系(特許文献2参照)が開示されている。ただし、カラー画像を表示するために広い波長域の光を用いる場合、画角全域で不要回折光(設計次数とは異なる回折次数の回折光)によるフレア光を抑えることが困難である。
As an example of an optical system for HMD, Patent Document 1 discloses an optical system configured by a single prism using both total internal reflection and a free-form surface. In this optical system, the image light from the display element is refracted by the incident surface (first surface) of the prism, totally internally reflected by the second surface, reflected by the third surface, and further the fourth surface (second surface). ) And refract it to the observer's eye. Since this optical system uses a single prism, it is impossible to correct chromatic aberration caused by dispersion of the material of the prism when image light passes through the refractive surface.
As a means for achromatic, a method of combining a plurality of lenses having different dispersions is known. However, when selecting a material having a dispersion that can provide an achromatic effect, glass must be used substantially, making it difficult to reduce the weight of the optical system. On the other hand, an optical system (see Patent Document 2) using a diffractive optical element (DOE) capable of effective achromatization while suppressing volume and weight is disclosed. However, when light in a wide wavelength range is used to display a color image, it is difficult to suppress flare light caused by unnecessary diffracted light (diffracted light having a diffraction order different from the design order) over the entire angle of view.

DOEは、その特性からマイナスの分散を持つことになるため、一般の光学材料で発生した色収差を効果的に補正することができる。ただし、特定の波長及び特定の入射角以外では、回折効率が100%にならず、不要回折光が発生する。この場合、コントラストの高い画像を表示すると、画像内に不快なフレア光が視認される。また、高周波の画像を表示する場合にそのコントラストが低下する。   Since DOE has a negative dispersion due to its characteristics, chromatic aberration generated in a general optical material can be effectively corrected. However, the diffraction efficiency is not 100% except for a specific wavelength and a specific incident angle, and unnecessary diffracted light is generated. In this case, when an image with high contrast is displayed, unpleasant flare light is visually recognized in the image. In addition, when displaying a high-frequency image, the contrast is lowered.

これに対し、互いに異なる材料により構成され、異なる設計回折次数を有する複数のDOE層を近接設置することで、広い波長領域で高い回折効率を実現するいわゆる積層DOEが従来提案されている。
特許第2911750号公報 特開平9−65246号公報
On the other hand, a so-called laminated DOE that realizes high diffraction efficiency in a wide wavelength region by arranging a plurality of DOE layers made of different materials and having different design diffraction orders in the vicinity has been proposed.
Japanese Patent No. 2911750 Japanese Patent Laid-Open No. 9-65246

HMDのような画像表示装置用の光学系(以下、HMD光学系という)にDOEを用いる場合、DOEの配置スペースやDOEの製作上の観点から、HMD光学系全系のうち最も射出瞳(観察者の眼)に近い位置にDOEを設置することが望ましい。これは、HMD光学系には、偏心光学系や回転非対称曲面が用いられることが多いため、これらの複雑な光学曲面上にDOEを形成しようとすると、DOE自体の製作が困難になるためである。さらに、HMD光学系内における射出瞳から離れた位置に平面状のDOEを配置しても、その格子形状(輪帯形状)が複雑となり、製作が困難になるからである。DOEをHMD光学系のうち最も射出瞳に近い位置に配置することで、平面状の基板に回転対称形状の格子輪帯を形成することができ、DOEを容易に製作することができる。   When an DOE is used in an optical system for an image display device such as an HMD (hereinafter referred to as an HMD optical system), the exit pupil (observation) of the entire HMD optical system from the viewpoint of DOE placement space and DOE manufacturing. It is desirable to install the DOE at a position close to the eyes of the person. This is because the HMD optical system often uses a decentered optical system or a rotationally asymmetric curved surface, so that if the DOE is formed on these complicated optical curved surfaces, it becomes difficult to manufacture the DOE itself. . Further, even if a planar DOE is arranged at a position away from the exit pupil in the HMD optical system, the lattice shape (annular zone shape) becomes complicated, making it difficult to manufacture. By disposing the DOE at a position closest to the exit pupil in the HMD optical system, a rotationally symmetric lattice ring zone can be formed on the planar substrate, and the DOE can be easily manufactured.

しかしながら、HMD光学系全系のうち最も射出瞳に近い位置にDOEを設置すると、DOEから射出瞳に向かう回折光線の角度(射出角又は回折角)が各光線によって形成される画角に近い値となる。例えば、HMD光学系の光軸(表示素子の中心と射出瞳の中心とを通る光線が辿る直線)上の光線のDOEからの射出角は0である。一方、画角が50度のHMD光学系においては、最大画角を構成する光線のDOEからの射出角(回折角)は、25度近い大きな角度となる。   However, when the DOE is installed at a position closest to the exit pupil in the entire HMD optical system, the angle of the diffracted light beam (exit angle or diffraction angle) from the DOE to the exit pupil is close to the angle of view formed by each light beam. It becomes. For example, the exit angle of the light beam from the DOE on the optical axis of the HMD optical system (the straight line followed by the light beam passing through the center of the display element and the center of the exit pupil) is zero. On the other hand, in an HMD optical system with an angle of view of 50 degrees, the exit angle (diffraction angle) of the light beam constituting the maximum angle of view from the DOE is a large angle close to 25 degrees.

また、DOEに、単独で色消し効果を担うだけの光学的パワーを持たせると、高画角での格子ピッチが小さくなる。したがって、よりフレア光が発生し易くなる。   Also, if the DOE is provided with optical power sufficient to carry out an achromatic effect alone, the lattice pitch at a high angle of view is reduced. Therefore, flare light is more likely to be generated.

前述したように、積層DOEを用いることで、広い波長域で高回折効率を確保することは可能である。しかしながら、従来の積層DOEを用いたHMD光学系であっても、フレア光の発生が十分に抑制されているとは言えず、さらなるフレア光低減のための改良が求められている。   As described above, by using the laminated DOE, it is possible to ensure high diffraction efficiency in a wide wavelength range. However, even in an HMD optical system using a conventional laminated DOE, it cannot be said that the generation of flare light is sufficiently suppressed, and further improvements for reducing flare light are required.

本発明は、回折光学素子から発生したフレア光(不要回折光)が観察者によって認識されにくくすることができる画像表示装置を提供する。   The present invention provides an image display device capable of making it difficult for an observer to recognize flare light (unnecessary diffracted light) generated from a diffractive optical element.

本発明の一側面としての画像表示装置は、原画を表示する表示素子と、該表示素子からの光を射出瞳に導く光学系とを有する。該光学系は、回折光学素子を含む。表示素子における原画の表示領域の中心から射出瞳の中心に至る軸を光学系の光軸とし、回折光学素子上の点をPとし、点Pからの回折光線のうちスカラー回折効率が最も高くなる特定波長及び特定回折次数の回折光線を特定回折光線とするとき、回折光学素子における点Pが属する格子の形状は、特定回折光線が光軸上における射出瞳よりも回折光学素子に対して離れた所定点に向かうように設定されていることを特徴とする。   An image display device according to one aspect of the present invention includes a display element that displays an original image, and an optical system that guides light from the display element to an exit pupil. The optical system includes a diffractive optical element. The axis from the center of the display area of the original image on the display element to the center of the exit pupil is the optical axis of the optical system, the point on the diffractive optical element is P, and the scalar diffraction efficiency is highest among the diffracted light rays from the point P. When a diffracted light beam having a specific wavelength and a specific diffraction order is a specific diffracted light beam, the shape of the grating to which the point P in the diffractive optical element belongs is more distant from the diffractive optical element than the exit pupil on the optical axis. It is set to go to a predetermined point.

本発明では、画像表示に用いられる特定回折光線が射出瞳の中心ではなく、それよりも回折光学素子に対して離れた所定点(例えば、眼球の内部の点)に向かうように格子形状が設定される。これにより、観察者が眼球を回転させて画像の周辺領域を観察する場合でも、回折光学素子で発生した不要回折光によるフレア光がほとんど視認されない良好な画像表示を行うことができる。   In the present invention, the grating shape is set so that the specific diffracted light beam used for image display is not at the center of the exit pupil but rather toward a predetermined point (for example, a point inside the eyeball) farther from the diffractive optical element. Is done. Thereby, even when the observer rotates the eyeball and observes the peripheral region of the image, it is possible to perform a good image display in which flare light due to unnecessary diffracted light generated by the diffractive optical element is hardly visually recognized.

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、具体的な実施例の説明に先立って、実施例の基本的考え方について説明する。実施例の画像表示装置は、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)やカメラの電子ビューファインダ等の画像観察を行うための装置である。該装置は、原画を表示するLCDパネルや自発光素子等の表示素子と、該表示素子からの光(可視光)を射出瞳に導く光学系(以下、HMD光学系という)とを有する。HMD光学系は、単層又は積層タイプの回折光学素子を含む。   First, prior to the description of a specific embodiment, the basic concept of the embodiment will be described. The image display apparatus according to the embodiment is an apparatus for performing image observation such as a head mounted display (HMD) or an electronic viewfinder of a camera. The apparatus includes a display element such as an LCD panel or a self-luminous element that displays an original image, and an optical system (hereinafter referred to as an HMD optical system) that guides light (visible light) from the display element to an exit pupil. The HMD optical system includes a single-layer or stacked-type diffractive optical element.

また、実施例では、表示素子における原画の表示領域の中心からHMD光学系の射出瞳の中心に至る軸を該HMD光学系の光軸という。原画とは、本装置に外部から入力された画像情報に応じた画像である。HMD光学系による原画の拡大像が観察者に提示される。   In the embodiment, the axis from the center of the display area of the original image on the display element to the center of the exit pupil of the HMD optical system is referred to as the optical axis of the HMD optical system. The original image is an image corresponding to image information input from the outside to the apparatus. An enlarged image of the original image by the HMD optical system is presented to the observer.

また、本説明では、回折光学素子上のある点をPとしたとき、該点Pからの回折光線のうちスカラー回折効率が最も高くなる(以下、最大となるともいう)特定波長及び特定回折次数の回折光線を特定回折光線という。スカラー回折効率については後述する。   Further, in this description, when a certain point on the diffractive optical element is P, the scalar diffraction efficiency is the highest among the diffracted light beams from the point P (hereinafter also referred to as the maximum) and the specific wavelength and the specific diffraction order. Is called a specific diffracted light beam. The scalar diffraction efficiency will be described later.

なお、以下の説明には、順光線トレース(以下、順光線トレースという)による説明と、逆光線トレースによる説明とが含まれる。順光線トレースでは、光線が表示素子から射出して回折光学素子(以下、DOEという)を含むHMD光学系を介してその射出瞳に到達するものとする。一方、逆光線トレースでは、順光線トレースでの光線の進行方向とは逆方向に光線が進行するものとする。   The following description includes a description using a forward ray trace (hereinafter referred to as a forward ray trace) and a description using a reverse ray trace. In the forward ray tracing, light rays are emitted from the display element and reach the exit pupil through an HMD optical system including a diffractive optical element (hereinafter referred to as DOE). On the other hand, in the reverse ray tracing, it is assumed that the light ray travels in a direction opposite to the traveling direction of the light ray in the forward ray tracing.

図1A及び図1Bには、従来及び実施例の画像表示装置の基本構成を模式的に示している。これらの画像表示装置では、観察者の眼球5と眼球側から見たHMD光学系OSの最前面との間の距離(アイレリーフ)をできるだけ長くとるため、HMD光学系OSの射出瞳4の位置に眼球5の瞳孔が配置される。AXLは前述したHMD光学系OSの光軸である。   1A and 1B schematically show a basic configuration of an image display device according to the related art and an embodiment. In these image display devices, the distance (eye relief) between the eyeball 5 of the observer and the forefront of the HMD optical system OS viewed from the eyeball side is set as long as possible. Therefore, the position of the exit pupil 4 of the HMD optical system OS The pupil of the eyeball 5 is disposed on the screen. AXL is the optical axis of the HMD optical system OS described above.

HMD光学系OSの設計は、射出瞳4の位置から光軸AXLに沿って又は光軸AXLに対して所定の画角を持って(光軸AXLに対して角度をなして)表示素子1に向かう各光線に関して行われる。このことは、DOE3の回折格子面の位相関数を決める際も同様である。   The HMD optical system OS is designed so that the display element 1 has a predetermined angle of view from the position of the exit pupil 4 along the optical axis AXL or with respect to the optical axis AXL (at an angle with respect to the optical axis AXL). For each ray that goes. This is the same when the phase function of the diffraction grating surface of DOE 3 is determined.

DOE3は回転対称形状を有する。DOE3の回折格子面に形成された複数の格子(同心円状の複数の輪帯:格子輪帯とも称される)の具体的な形状は、上記位相関数に基いて決められる。各格子は、所定の格子ベース面に対して傾斜した格子面、及び該格子面と該格子に隣り合う格子の格子面との間に形成された格子側面とを有する(これらについては後に図を用いて説明する)。
格子の形状とは、主として格子の高さ、すなわち格子ベース面から該格子の格子面と格子側面とが交わる頂点までの高さを意味する。格子高さは、その格子に入射する光線から発生した、画像表示用の光(画像光)として用いられる回折光線(特定回折光線)の回折効率が最も高く(最大に)なるように設定される。
The DOE 3 has a rotationally symmetric shape. Specific shapes of a plurality of gratings (a plurality of concentric annular zones: also referred to as grating annular zones) formed on the diffraction grating surface of the DOE 3 are determined based on the phase function. Each lattice has a lattice surface inclined with respect to a predetermined lattice base surface, and a lattice side surface formed between the lattice surface and a lattice surface of a lattice adjacent to the lattice (see FIG. To explain).
The shape of the lattice mainly means the height of the lattice, that is, the height from the lattice base surface to the apex where the lattice surface of the lattice intersects with the lattice side surface. The grating height is set so that the diffraction efficiency of the diffracted light (specific diffracted light) generated from the light incident on the grating and used as image display light (image light) is the highest (maximum). .

ここで、DOE3(回折格子面)上において、その中心(光軸AXL上の位置)から径方向距離がrの位置にある点Pが属する格子(格子輪帯)の高さd(図4A及び図4Bx参照)の最適化を考える。   Here, on the DOE 3 (diffraction grating plane), the height d of the grating (grating ring zone) to which the point P having a radial distance r from the center (position on the optical axis AXL) belongs (FIG. 4A and FIG. Consider the optimization of FIG. 4Bx).

ある格子に入射する光線の波長(例えば、可視波長)をλとし、入射角(格子ベース面に対してなす角度)をθとする。また、DOE3の格子のピッチをpとする。さらに、逆光線トレースにおいて、DOE3の入射側での屈折率をn(空気の場合は1)とし、出射側での屈折率をnとし、回折次数をmとし、m次回折光線の回折角をθとすると、光路差関数Φは以下の式(1)で表される。
Φ(r,λ)={n(λ)・cosθ−n(λ)・cosθ}・d(r)
…(1)
ただし、θ=sin−1[{n(λ)・sinθ−m・λ/p}/n]である。
The wavelength (for example, visible wavelength) of light incident on a certain grating is λ, and the incident angle (angle formed with respect to the grating base surface) is θ 1 . Further, the pitch of the lattice of DOE 3 is p. Further, in the reverse ray tracing, the refractive index on the incident side of the DOE 3 is n 1 ( 1 in the case of air), the refractive index on the outgoing side is n 2 , the diffraction order is m, and the diffraction angle of the m-th order diffracted light beam. Is θ 2 , the optical path difference function Φ is expressed by the following equation (1).
Φ (r, λ) = {n 1 (λ) · cos θ 1 −n 2 (λ) · cos θ 2 } · d (r)
... (1)
However, θ 2 = sin −1 [{n 1 (λ) · sin θ 1 −m · λ / p} / n 2 ].

そして、スカラー回折効率(スカラー近似の回折効率:以下、単に回折効率という)ηは、
η(r,λ)-=sinc[π・{ m−Φ(r,λ)/λ}] …(2)
となる。
The scalar diffraction efficiency (scalar approximation diffraction efficiency: hereinafter simply referred to as diffraction efficiency) η is
η (r, λ) − = sinc 2 [π · {m−Φ (r, λ) / λ}] (2)
It becomes.

このηが特定回折光線(例えば、m=1)について最大になるように、各格子の高さdの値を最適化する。最大の回折効率ηは、100%であってもよいし、100%より若干低くてもよい。   The value of the height d of each grating is optimized so that η is maximized for a specific diffracted ray (for example, m = 1). The maximum diffraction efficiency η may be 100% or slightly lower than 100%.

従来では、図1Aにおいて、点Pに入射する光線を、HMD光学系OSの射出瞳4の中心Oから点Pに向かう光線とし、この場合のθ,θを用いてηが最大になるようにdを設定していた。これにより、観察者の視線が光軸方向を向いているときに瞳孔に入射して網膜に到達する特定回折光線の回折効率が最大になり、不要回折光(例えば、m=0又は2)の回折効率が最も低く(最小に)抑えられる。 Conventionally, in FIG. 1A, a light ray incident on the point P is a light ray directed from the center O of the exit pupil 4 of the HMD optical system OS toward the point P, and η is maximized using θ 1 and θ 2 in this case. D was set as follows. This maximizes the diffraction efficiency of the specific diffracted light that enters the pupil and reaches the retina when the observer's line of sight is directed in the direction of the optical axis, so that unwanted diffracted light (for example, m = 0 or 2) is maximized. The diffraction efficiency is the lowest (minimum).

しかし、観察者は、表示画像のうちある領域(例えば、表示画像の周辺領域)を観察する際には、その領域の方向に眼球を回転させて該領域を凝視する場合が多い。このとき、通常の光線トレースにおいて、点Pから瞳孔の中心(射出瞳4の中心)に向かう光は、図1Bに示すように、HMD光学系OSの射出瞳4の中心を通る光線ではなく、眼球5の回転中心Q(又はその近傍)を通る光線である。また、逆光線トレースにおいて、この光線がDOE3上の点Pに入射する際の入射角は、図1Aに示したθとは異なるθ′(<θ1)となる。 However, when an observer observes a certain area (for example, a peripheral area of the display image) in the display image, the observer often turns the eyeball in the direction of the area and stares at the area. At this time, in a normal ray tracing, the light from the point P toward the center of the pupil (the center of the exit pupil 4) is not a ray passing through the center of the exit pupil 4 of the HMD optical system OS, as shown in FIG. It is a light ray that passes through the rotation center Q of the eyeball 5 (or its vicinity). Further, in backward ray tracing, the ray incidence angle at the time of entering the point P on DOE 3, a different θ 1 '(<θ1) and theta 1 shown in Figure 1A.

従来では、点Pでのdの値は入射角θに対して最適化されており、θ′で入射する光線に対しては最適化されていない。このため、眼球5が光軸方向を向いた状態から回転して他の方向を観察する場合には、通常の光線トレースにおいて、瞳孔を通じて眼球5内に入射する不要回折光の強度が高くなる。 Conventionally, the value of d at the point P is optimized for the incident angle θ 1 and is not optimized for the light ray incident at θ 1 ′. For this reason, when the eyeball 5 rotates from the state in which it is directed to the optical axis direction and the other direction is observed, the intensity of unnecessary diffracted light that enters the eyeball 5 through the pupil increases in the normal ray tracing.

また、眼球5が光軸方向を向いている(表示画像の中心領域を凝視する)ときに、点Pから瞳孔の中心を通る光線は、網膜の中で最も高い感度と空間的分解能を持つ中心窩6と呼ばれる部分の外側の領域に照射される。この場合、仮に僅かに不要回折光が残っている
場合でも、それに対する視認度は低い。
In addition, when the eyeball 5 is oriented in the optical axis direction (gazing at the center area of the display image), the light beam passing from the point P through the center of the pupil has the highest sensitivity and spatial resolution in the retina. The region outside the part called the fovea 6 is irradiated. In this case, even if a slight amount of unnecessary diffracted light remains, the degree of visibility is low.

これに対し、眼球5を回転させることで点Pからの不要回折光が瞳孔に入射する場合は、その不要回折光が中心窩6に到達するため、僅かな不要回折光でもフレア光として視認され易くなり、良好な画像観察が妨げられる。   On the other hand, when the unnecessary diffracted light from the point P is incident on the pupil by rotating the eyeball 5, the unnecessary diffracted light reaches the fovea 6. Therefore, even a small amount of unnecessary diffracted light is visually recognized as flare light. It becomes easy to prevent good image observation.

この問題を解消するため、実施例では、DOE3上の各格子の高さを決める場合に、式(1)におけるθ,θを以下のようにする。すなわち、θ,θを、光軸上において射出瞳4よりもDOE3に対して離れた位置にある所定点Q′からその格子上の点Pに入射する光線(特定回折光線)の入射角を回折角とする。そして、この特定回折光線についての回折効率が最大になるように格子高さdを決める。 In order to solve this problem, in the embodiment, when determining the height of each grating on the DOE 3 , θ 1 and θ 2 in the equation (1) are set as follows. That is, θ 1 and θ 2 are incident angles of light rays (specific diffracted light rays) incident on a point P on the lattice from a predetermined point Q ′ located farther from the exit pupil 4 than the exit pupil 4 on the optical axis. Is the diffraction angle. Then, the grating height d is determined so that the diffraction efficiency for the specific diffracted light beam is maximized.

言い換えれば、DOE3における点Pが属する格子の形状を、順光線トレースにおいて、回折効率が最も高い特定回折光線が光軸AXL上における射出瞳4よりもDOE3に対して離れた所定点Q′に向かうように設定する。   In other words, in the forward ray trace, the specific diffracted light beam having the highest diffraction efficiency is directed to the predetermined point Q ′ farther from the exit pupil 4 on the optical axis AXL than the DOE 3 in the forward ray trace. Set as follows.

これにより、眼球5が光軸方向を向いた状態から回転して他の方向を観察する場合に、瞳孔に入射する不要回折光が抑えられ、不要回折光が中心窩6に入射しても観察者に視認されにくくなる。また、眼球5が光軸方向を向いて画像中心領域を観察する場合には、瞳孔の中心(射出瞳4の中心)に角度を持って入射する不要回折光が僅かに発生しても、網膜のうち中心窩6から外れた視感度の低い領域に入射するため、フレア光として視認されにくくなる。実際は、特定回折光線以外の不要回折光は網膜上でデフォーカスしているため、さらに視認度が低くなる。   As a result, when the eyeball 5 rotates from a state in which it is oriented in the optical axis direction and the other direction is observed, unnecessary diffracted light incident on the pupil is suppressed, and observation is performed even if unnecessary diffracted light is incident on the fovea 6. It becomes difficult for a person to see. Further, when the image center region is observed with the eyeball 5 facing the optical axis direction, even if a small amount of unnecessary diffracted light incident at an angle on the center of the pupil (center of the exit pupil 4) is generated, the retina Since the light is incident on a region with low visibility outside the fovea 6, it is difficult to visually recognize as flare light. Actually, since unnecessary diffracted light other than the specific diffracted light is defocused on the retina, the visibility is further lowered.

瞳孔から眼球5の回転中心Qまでの距離は一般に10mm前後と言われている。前述した光軸AXL上の「所定点Q′」は、HMD光学系OSの射出瞳4から、瞳孔と眼球5の回転中心Qとの間の距離だけ離れた点、つまりは回転中心Qに相当する点に設定するとよい。ここにいう回転中心Qに相当する点は、回転中心Qに完全に一致する点だけでなく、回転中心Qに一致するとみなせる点又は回転中心Qに近接した点も含む意味である。   The distance from the pupil to the rotation center Q of the eyeball 5 is generally said to be around 10 mm. The “predetermined point Q ′” on the optical axis AXL described above corresponds to a point separated from the exit pupil 4 of the HMD optical system OS by a distance between the pupil and the rotation center Q of the eyeball 5, that is, the rotation center Q. It is good to set to the point to do. The point corresponding to the rotation center Q here means not only a point that completely coincides with the rotation center Q but also a point that can be regarded as coincident with the rotation center Q or a point that is close to the rotation center Q.

別の言い方をすれば、眼球側から見たHMD光学系OSの最前面から射出瞳4までの距離(アイレリーフ)をLとし、HMD光学系OSの最前面から所定点Q′までの距離をL′としたときに、L′>Lを満たせば、一定の効果を得ることができる。   In other words, the distance (eye relief) from the forefront of the HMD optical system OS to the exit pupil 4 viewed from the eyeball side is L, and the distance from the forefront of the HMD optical system OS to the predetermined point Q ′ is When L ′ is satisfied, a certain effect can be obtained if L ′> L is satisfied.

また、本実施例においては、DOE3として、互いに異なる材料により構成され、異なる設計回折次数を有する複数の回折格子層が積層されて構成された積層DOEを用いるとよりよい。以下の説明では、複数の回折格子層の間に中間層としての空気層が介在するタイプの積層DOEを用いる。ただし、複数の回折格子層の格子面同士が互いに密着していてもよい。   In this embodiment, it is better to use a laminated DOE composed of a plurality of diffraction grating layers made of different materials and having different designed diffraction orders as the DOE 3. In the following description, a laminated DOE of a type in which an air layer as an intermediate layer is interposed between a plurality of diffraction grating layers is used. However, the grating surfaces of the plurality of diffraction grating layers may be in close contact with each other.

DOEは、単層では基本的に単一の波長及び回折次数の特定回折光線についてのみ最大の回折効率を達成できる。このため、可視光の3原色の画像を表示する表示素子を用いる場合には、全ての色(波長)で高回折効率を得られず、この結果、色のついたフレア光が発生することになる。   DOE can basically achieve the maximum diffraction efficiency only for a specific diffracted light beam of a single wavelength and diffraction order in a single layer. For this reason, when a display element that displays an image of the three primary colors of visible light is used, high diffraction efficiency cannot be obtained for all colors (wavelengths), and as a result, colored flare light is generated. Become.

これに対し、上述した積層DOEを用いることで、3原色の特定回折光線のそれぞれについて(つまりは広い波長領域で)最大の回折効率を得ることが可能となる。図2には、単層DOEと積層(2層)DOEの回折効率特性を示す。   On the other hand, by using the above-described laminated DOE, the maximum diffraction efficiency can be obtained for each of the specific diffracted light beams of the three primary colors (that is, in a wide wavelength region). FIG. 2 shows diffraction efficiency characteristics of a single-layer DOE and a laminated (two-layer) DOE.

このとき、積層DOEにおける2つの回折格子層の格子輪帯はともに回転対称形状とする。これら2つの回折格子層(以下、射出瞳側から順に第1層及び第2層という)における回折格子面上の中心から径方向距離がrである点Pが属する格子の高さをそれぞれd,d(図6A及び図6B参照)とする。また、逆光線トレースにおいて、第1層に入射する光線の波長をλとし、入射角をθとし、第1層及び第2層の格子ピッチをpとする。また、第1層(入射側回折格子層)の屈折率をnとし、中間層(空気層)の屈折率をnとし、第2層(射出側回折格子層)の屈折率をnとする。さらに、第1層での回折次数をmとし、該m次の回折角をθとし、第2層での回折次数をmとし、該m次の回折角をθとする。この場合、第1層及び第2層の光路差関数Φ,Φはそれぞれ、以下のように表される。 At this time, the grating ring zones of the two diffraction grating layers in the laminated DOE are both rotationally symmetric. The heights of the gratings to which the point P having a radial distance r from the center on the diffraction grating surface in these two diffraction grating layers (hereinafter referred to as the first layer and the second layer in order from the exit pupil side) are d 1. , D 2 (see FIGS. 6A and 6B). In the reverse ray tracing, the wavelength of light incident on the first layer is λ, the incident angle is θ 1, and the grating pitch of the first layer and the second layer is p. The first layer the refractive index of the (incident side grating layer) and n 1, the refractive index of the intermediate layer (air layer) and n 2, a second layer of refractive index of the (exit side grating layer) n 3 And Further, the diffraction order at the first layer is m 1 , the m 1st order diffraction angle is θ 2 , the diffraction order at the 2nd layer is m 2 , and the m 2nd order diffraction angle is θ 3 . . In this case, the optical path difference functions Φ 1 and Φ 2 of the first layer and the second layer are respectively expressed as follows.

Φ(r,λ)={n(λ)・cosθ−n(λ)・cosθ}・d(r)
ただし、θ=sin−1[{n(λ)・sinθ−m・λ/p}/n]である。 …(3a)
Φ(r,λ)={n(λ)・cosθ−n(λ)・cosθ}・d(r)
ただし、θ=sin−1[{n(λ)・sinθ−m・λ/p}/n]である。 …(3b)
2層合計での回折効率(スカラー近似の回折効率)ηは、
η(r,λ)=sinc[π・{m−{Φ(r,λ)+Φ(r,λ)}/λ}]…(4)
ただし、m=m+mである。
Φ 1 (r, λ) = {n 1 (λ) · cos θ 1 −n 2 (λ) · cos θ 2 } · d 1 (r)
However, θ 2 = sin −1 [{n 1 (λ) · sin θ 1 −m 1 · λ / p} / n 2 ]. ... (3a)
Φ 2 (r, λ) = {n 2 (λ) · cos θ 2 −n 3 (λ) · cos θ 3 } · d 2 (r)
However, θ 3 = sin −1 [{n 2 (λ) · sin θ 2 −m 2 · λ / p} / n 3 ]. ... (3b)
The diffraction efficiency (scalar approximation diffraction efficiency) η for the two layers is
η (r, λ) = sinc 2 [π · {m− {Φ 1 (r, λ) + Φ 2 (r, λ)} / λ}] (4)
However, m = m 1 + m 2 .

このような積層(2層)DOEを用いる場合でも、第1及び第2層の各格子の高さを、単層DOEを用いる場合と同様にして決める。すなわち、式(3a)(3b)におけるθ〜θを、HMD光学系OSの射出瞳4よりもDOE3に対して離れた光軸AXL上の所定点Q′からその格子上の点Pに入射する光線(特定回折光線)の入射角及び回折角とする。そして、この特定回折光線についての回折効率が最大になるように格子の高さを決める。 Even when such a stacked (two-layer) DOE is used, the height of each lattice of the first and second layers is determined in the same manner as when a single-layer DOE is used. That is, the theta 1 through? 3 in the formula (3a) (3b), from a predetermined point Q 'on the optical axis AXL away against DOE3 than the exit pupil 4 of the HMD optical system OS to the point P on the grid The incident angle and diffraction angle of the incident light beam (specific diffracted light beam) are used. Then, the height of the grating is determined so that the diffraction efficiency for the specific diffracted light beam is maximized.

言い換えれば、DOE3における点Pが属する格子の形状を、順光線トレースにおいて、回折効率が最も高い特定回折光線が光軸AXL上における射出瞳4よりもDOE3に対して離れた所定点Q′に向かうように設定する。   In other words, in the forward ray trace, the specific diffracted light beam having the highest diffraction efficiency is directed to the predetermined point Q ′ farther from the exit pupil 4 on the optical axis AXL than the DOE 3 in the forward ray trace. Set as follows.

また、本実施例において、DOE3を、HMD光学系OSにおいてそれぞれ光学的パワーを有する複数の光学面のうち最も射出瞳4に近い光学面を構成するように配置するとよりよい。   In this embodiment, the DOE 3 is preferably arranged so as to constitute an optical surface closest to the exit pupil 4 among a plurality of optical surfaces each having optical power in the HMD optical system OS.

本実施例のHMD光学系OSでも、偏心光学系や回転非対称曲面が用いられる。このため、これらの複雑な光学曲面上にDOEを形成しようとすると、DOE自体の製作が困難になる。さらに、HMD光学系OS内における射出瞳4から離れた位置に平面状のDOEを配置しても、その格子形状(輪帯形状)が複雑となり、製作が困難になる。   The HMD optical system OS of the present embodiment also uses an eccentric optical system and a rotationally asymmetric curved surface. For this reason, if it is going to form DOE on these complicated optical curved surfaces, manufacture of DOE itself will become difficult. Furthermore, even if a planar DOE is disposed at a position away from the exit pupil 4 in the HMD optical system OS, the lattice shape (annular zone shape) becomes complicated, making it difficult to manufacture.

これに対し、DOE3をHMD光学系OSにおいて光学的パワーを有する複数の光学面のうち最も射出瞳4に近い光学面を構成するように配置することで、平面状の基板に回転対称形状の格子輪帯を形成することによりDOEを容易に製作することができる。   On the other hand, by arranging the DOE 3 so as to constitute an optical surface closest to the exit pupil 4 among the plurality of optical surfaces having optical power in the HMD optical system OS, a rotationally symmetric lattice is formed on the planar substrate. A DOE can be easily manufactured by forming an annular zone.

ここで、このようにDOE3を配置した場合における高画角の光線について考える。例えば、射出瞳4からDOE3の回折格子面までの光軸AXL上の距離を20mmとし、射出瞳4の中心からDOE3の回折格子面への対角方向での最大画角(片側)を40度とする。逆光線トレースにおいて、この最大画角の光線の回折格子面への入射角はそのまま40度となり、DOE3上の入射位置の光軸AXLからの距離は、
20×tan(40°)=16.78mm
となる。
Here, let us consider a light beam having a high angle of view when the DOE 3 is arranged in this manner. For example, the distance on the optical axis AXL from the exit pupil 4 to the diffraction grating surface of the DOE 3 is 20 mm, and the maximum angle of view (one side) in the diagonal direction from the center of the exit pupil 4 to the diffraction grating surface of the DOE 3 is 40 degrees. And In the reverse ray tracing, the incident angle of the light beam with the maximum field angle to the diffraction grating surface is 40 degrees as it is, and the distance from the optical axis AXL at the incident position on the DOE 3 is
20 × tan (40 °) = 16.78 mm
It becomes.

これに対し、最大画角の光線が射出瞳4の中心からの光線ではなく、射出瞳4よりもDOE3に対して10mm離れた所定点Q′を通る光線である場合には、該光線の回折格子面への入射角は、
tan−1{16.78/(20+10)}=29.22°
となる。この入射角は、前者に対して10度以上も異なる(小さい)。
On the other hand, when the light beam having the maximum angle of view is not a light beam from the center of the exit pupil 4 but a light beam passing through a predetermined point Q ′ that is 10 mm away from the exit pupil 4 with respect to the DOE 3, diffraction of the light beam is performed. The angle of incidence on the grating surface is
tan −1 {16.78 / (20 + 10)} = 29.22 °
It becomes. This incident angle differs by 10 degrees or more (small) with respect to the former.

したがって、前者の場合のように射出瞳4の中心を通る光線について回折効率が最大になるように格子高さを最適化したとすると、実際に該光線の画角方向に眼球5を回転させたときに、無視できないレベルの不要回折光が瞳孔の中心を通って中心窩6に達する。これを防ぐためには、後者の場合のように、射出瞳4よりもDOE3に対して10mm離れた所定点(眼球5の回転中心Qに相当する点)Q′を通る光線について回折効率が最大となるように格子高さを最適化することが望ましい。   Therefore, assuming that the grating height is optimized so that the diffraction efficiency is maximized for the light ray passing through the center of the exit pupil 4 as in the former case, the eyeball 5 is actually rotated in the direction of the field angle of the light ray. Sometimes, a non-negligible level of unwanted diffracted light reaches the fovea 6 through the center of the pupil. In order to prevent this, as in the latter case, the diffraction efficiency is maximized for light rays passing through a predetermined point Q ′ (point corresponding to the rotation center Q of the eyeball 5) 10 mm away from the DOE 3 than the exit pupil 4. It is desirable to optimize the grid height so that

次に、各格子の形状について説明する。図3A及び図3Bには従来のDOE3上の格子形状を示している。各格子3aは、格子3aが形成される基準面としての格子ベース面3dに対して傾斜してここを通過する光線を回折させる(つまりは回折作用を生じさせる)格子面3bを有する。また、各格子3aは、その格子3aの格子面3bと該格子3aに隣り合う格子3a′の格子面3b′との間に形成された格子側面3cを有する。   Next, the shape of each lattice will be described. 3A and 3B show a lattice shape on a conventional DOE 3. Each grating 3a has a grating surface 3b that is inclined with respect to a grating base surface 3d as a reference surface on which the grating 3a is formed and diffracts light passing through the grating 3a (that is, that causes a diffraction effect). Each lattice 3a has a lattice side surface 3c formed between the lattice surface 3b of the lattice 3a and the lattice surface 3b 'of the lattice 3a' adjacent to the lattice 3a.

図3Aには、低画角域(光軸AXL上及びその近傍の領域)に形成された格子3aとこれを通過する光線を示し、図3Bには高画角域に形成された格子3a(3a′)とこれを通過する光線を示している。なお、図3A及び図3Bは、通常の光線トレースにて示している。   FIG. 3A shows a grating 3a formed in a low angle of view area (area on and near the optical axis AXL) and light rays passing therethrough, and FIG. 3B shows a grating 3a formed in a high angle of view area ( 3a ') and rays passing through it. 3A and 3B are shown by normal ray tracing.

図3A及び図3Bでは、格子側面3cは、格子ベース面3dの法線3n(光軸AXL)に平行に形成されている。格子側面8が法線3nに平行に形成されていると、図3Aに示す低画角域の光線は、格子側面3cとほぼ平行に進む。また、低画角域での格子ピッチは高画角域の格子ピッチよりも粗い。このため、格子側面3cに入射する光線はほとんどなく、光線が格子側面3cで反射(又は屈折)することで発生するフレア光も少ない。   3A and 3B, the grating side surface 3c is formed in parallel to the normal 3n (optical axis AXL) of the grating base surface 3d. When the grating side surface 8 is formed in parallel to the normal 3n, the light beam in the low field angle region shown in FIG. 3A travels substantially parallel to the grating side surface 3c. Further, the lattice pitch in the low field angle region is coarser than the lattice pitch in the high field angle region. For this reason, almost no light is incident on the grating side surface 3c, and there is little flare light generated when the light beam is reflected (or refracted) by the grating side surface 3c.

一方、図3Bに示す高画角域の光線は、DOE3に対して斜めに入射し、かつこの領域での格子ピッチが細かい。このため、格子側面3cに入射する光線が増加し、該光線が格子側面8で反射することで発生するフレア光(不要光)も増加する。特に、前述したように、DOE3がHMD光学系OSにおいて光学的パワーを有する複数の光学面のうち最も射出瞳4に近い光学面を構成するように配置される場合に、高画角域の光線のDOE3への入射角が大きくなるため、格子側面8で発生するフレア光が増加し易い。   On the other hand, the light in the high angle of view region shown in FIG. 3B is incident on the DOE 3 obliquely, and the lattice pitch in this region is fine. For this reason, light rays incident on the grating side surface 3c increase, and flare light (unnecessary light) generated when the light rays are reflected by the grating side surface 8 also increases. In particular, as described above, when the DOE 3 is arranged so as to form an optical surface closest to the exit pupil 4 among a plurality of optical surfaces having optical power in the HMD optical system OS, light rays in a high angle of view range. Since the incident angle to the DOE 3 increases, flare light generated on the grating side surface 8 tends to increase.

ここで、特開2003−294924号公報には、図4Aに示すように、格子側面3cを格子3aに対する光線の入射角又は回折角と等しい角度に傾けて、格子側面3cへの光線の入射を回避し、回折効率の低下を防ぐ方法が開示されている。   Here, in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-294924, as shown in FIG. 4A, the grating side surface 3c is tilted to an angle equal to the incident angle or diffraction angle of the light beam with respect to the grating 3a, and the light beam is incident on the grating side surface 3c. A method for avoiding and preventing a decrease in diffraction efficiency is disclosed.

図4Aに示すように、眼球5の瞳孔がHMD光学系の射出瞳4の位置にあり、眼球5が光軸方向(画像中心方向)を向いているとする。このときにおけるDOE3上のある格子3aの格子側面3cの傾き角度(格子ベース面3dの法線3nに対してなす角度:以下、格子側面角度という)の決め方について説明する。   As shown in FIG. 4A, it is assumed that the pupil of the eyeball 5 is at the position of the exit pupil 4 of the HMD optical system, and the eyeball 5 faces the optical axis direction (image center direction). A method of determining the inclination angle of the lattice side surface 3c of the lattice 3a on the DOE 3 at this time (the angle formed with respect to the normal 3n of the lattice base surface 3d: hereinafter referred to as the lattice side surface angle) will be described.

格子3a上の点Pから射出瞳4の中心に向かう光線(主光線)が格子ベース面3dの法線3nに対してなす角度(以下、光線角度という)をθとする。格子側面角度が該光線の格子3aからの入射角(θ)に等しい場合には、点Pからの光線は、格子側面3cによって反射されることなく射出瞳4(瞳孔)の中心を通過して網膜に到達する。 Angle at which rays from the point P on the grid 3a towards the center of the exit pupil 4 (principal ray) with respect to the normal line 3n of the lattice base surface 3d (hereinafter, light that angle) is defined as theta 1. When the grating side surface angle is equal to the incident angle (θ 1 ) of the light beam from the grating 3a, the light beam from the point P passes through the center of the exit pupil 4 (pupil) without being reflected by the grating side surface 3c. To reach the retina.

ただし、実際には観察者は画像の各領域を観察する際にその領域の方向に眼球5を回転させるため、図4Bに示すように、瞳孔の中心を通る光線は、射出瞳4の中心を通る光線ではなく、眼球5の回転中心Q(又はその近傍)を通る光線である。この光線が点Pから眼球5の回転中心Q(又はその近傍)に向かうときの光線角度は、図4Aに示したθとは異なるθ′(<θ)である。 However, since the observer actually rotates the eyeball 5 in the direction of the area when observing each area of the image, as shown in FIG. 4B, the light beam passing through the center of the pupil is centered on the exit pupil 4. It is not a light beam that passes through, but a light beam that passes through the rotation center Q of the eyeball 5 (or its vicinity). Ray angle at which the light beam is directed toward the rotation center Q of the eye 5 (or the vicinity thereof) from the point P, the theta 1 shown in FIG. 4A is a different θ 1 '(<θ 1) .

図4Aに示す格子3a上の点Pからの光線が光線角度θ′であると、該光線は格子側面3cによって反射したり屈折したりして不要光となる。このため、観察者が眼球5を回転させて点Pの方向を観察すると、観察される不要光の強度が高くなる。 If the light beam from the point P on the grating 3a shown in FIG. 4A has the light beam angle θ 1 ′, the light beam is reflected or refracted by the grating side surface 3c and becomes unnecessary light. For this reason, when an observer rotates the eyeball 5 and observes the direction of the point P, the intensity | strength of the unnecessary light observed increases.

また、眼球5が光軸方向を向いているときに、点Pから瞳孔の中心に至る光線は、網膜のうち中心窩6の外側の領域に到達するため、僅かに不要光が存在しても、視認度は低い。これに対し、眼球5を点Pの方向に回転させると、該光線は中心窩6に到達するため、僅かな不要光線でも視認され易くなる。   Further, when the eyeball 5 is directed in the optical axis direction, the light beam from the point P to the center of the pupil reaches the region outside the fovea 6 in the retina, so even if there is a little unnecessary light. The visibility is low. On the other hand, when the eyeball 5 is rotated in the direction of the point P, the light beam reaches the central fovea 6, so that even a few unnecessary light beams are easily visible.


このため、本実施例では、図4Bに示すように、各格子3aの格子側面3cを、格子面3bを介して射出瞳4よりもDOE3に対して離れた所定点Q′に向かう光線が格子側面3cに入射しないように格子ベース面3dの法線3nに対して傾斜させている。

For this reason, in the present embodiment, as shown in FIG. 4B, the light beam directed to the predetermined point Q ′ that is farther from the DOE 3 than the exit pupil 4 through the lattice surface 3 b passes through the lattice side surface 3 c of the lattice 3 a. It is inclined with respect to the normal 3n of the grating base surface 3d so as not to enter the side surface 3c.

より具体的には、格子面3bを通過した後に所定点Q′に向かって進む光線が格子ベース面3dの法線nに対してなす角度(光線角度)をθ′とする。そして、格子側面3cが格子ベース面3dの法線nに対してなす角度(格子側面角度)を光線角度と等しい角度(θ′)とする。これにより、高画角域の光線も格子側面3cと平行に進み、光線が格子側面3cで反射又は屈折することで発生するフレア光も少なくなる。 More specifically, an angle (ray angle) formed by a light ray traveling toward the predetermined point Q ′ after passing through the lattice surface 3b with respect to the normal line n of the lattice base surface 3d is defined as θ 1 ′. The angle (grating side angle) formed by the grating side surface 3c with respect to the normal n of the grating base surface 3d is set to an angle (θ 1 ′) equal to the ray angle. As a result, light rays in a high angle of view also travel in parallel with the grating side surface 3c, and flare light generated when the light rays are reflected or refracted by the grating side surface 3c is reduced.

ただし、必ずしも光線角度と格子側面角度とが等しい必要はなく、上記所定点Q′に向かう光線が格子側面3cに入射しないような格子側面角度が設定されればよい。   However, the light ray angle and the grating side surface angle do not necessarily have to be equal, and the grating side surface angle may be set so that the light beam toward the predetermined point Q ′ does not enter the grating side surface 3c.

このように格子側面角度を設定することにより、眼球5が光軸方向以外の方向に回転したときでも、中心窩6に入射する不要光が少なくなるので、フレア光として視認されにくくなる。逆に、眼球5が光軸方向を向いている場合は、瞳孔の中心(射出瞳4の中心)に角度を持って入射する不要光が僅かに発生していても、該不要光は網膜のうち中心窩6から外れた視感度の低い領域に到達するため、フレア光として視認されにくくなる。実際は、不要光は網膜上ではデフォーカスしているため、さらに視認度は低くなる。   By setting the grating side surface angle in this way, even when the eyeball 5 rotates in a direction other than the optical axis direction, unnecessary light incident on the fovea 6 is reduced, and thus it is difficult to be visually recognized as flare light. Conversely, when the eyeball 5 is oriented in the optical axis direction, even if a small amount of unnecessary light is incident on the center of the pupil (the center of the exit pupil 4) at an angle, the unnecessary light is transmitted through the retina. Of these, it reaches a region with low visibility outside the fovea 6, so that it is difficult to see as flare light. Actually, since unnecessary light is defocused on the retina, the visibility is further reduced.

なお、上述した格子側面角度の設定は、積層DOEにおいても同様に不要光の発生を抑制するために有効である。   Note that the above-described setting of the grating side surface angle is also effective for suppressing generation of unnecessary light in the stacked DOE.

例えば、図5に示すように、表示素子側(図の右側)から射出瞳側(図の左側)に順
に、第2層、空気層及び第1層を有する積層DOEを考える。このとき、第2層の回折格子面への光線の入射角をθとし、該第2層の回折格子面からのm次の回折角(第1層への入射角)をθとする。また、第1層の回折格子面からのm次の回折角をθ′とする。第1層から回折角θ′で射出した光線は、所定点Q′に向かう。
For example, as shown in FIG. 5, consider a stacked DOE having a second layer, an air layer, and a first layer in order from the display element side (right side in the figure) to the exit pupil side (left side in the figure). At this time, the incident angle of the light beam on the diffraction grating surface of the second layer is θ 3, and the m 2nd- order diffraction angle (incident angle on the first layer) from the diffraction grating surface of the second layer is θ 2 . To do. In addition, the m 1st- order diffraction angle from the diffraction grating surface of the first layer is defined as θ 1 ′. The light beam emitted from the first layer at the diffraction angle θ 1 ′ is directed to the predetermined point Q ′.

このような積層DOEにおいて、例えば、第2層の格子側面角度をθとし、第1層の格子側面角度をθ′とすることで、図6Aに示すように、各層の格子側面での光線の反射や屈折をほぼ回避でき、不要光の発生を抑えることができる。 In such a stacked DOE, for example, by setting the lattice side angle of the second layer to θ 2 and the lattice side angle of the first layer to θ 1 ′, as shown in FIG. Reflection and refraction of light rays can be substantially avoided, and generation of unnecessary light can be suppressed.

なお、積層DOEにおける、格子側面角度は各層からの回折角ではなく、各層への光線の入射角と等しくなるように設定してもよい。具体的には、図6Bに示すように、第2層の格子側面角度をθとし、第1層の格子側面角度をθとするようにしてもよい。さらに、第2層の格子側面角度をθとし、第1層の格子側面角度をθ′としてもよい。これらの場合でも、格子側面での反射や屈折による不要光の発生を抑制することができる。 In the laminated DOE, the grating side surface angle may be set to be equal to the incident angle of the light beam to each layer, not the diffraction angle from each layer. Specifically, as shown in FIG. 6B, the lattice side angle of the second layer may be θ 3 and the lattice side angle of the first layer may be θ 2 . Further, the grating side surface angle of the second layer may be θ 3 and the grating side surface angle of the first layer may be θ 1 ′. Even in these cases, it is possible to suppress generation of unnecessary light due to reflection and refraction at the grating side surfaces.

以下、本発明のより具体的な実施例について説明する。   Hereinafter, more specific examples of the present invention will be described.

図7には、本発明の実施例1である画像表示装置(HMD)の構成を示す。1は透過型LCDや有機EL等の自発光素子により構成される表示素子である。表示素子1は、パーソナルコンピュータ、DVDプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置10からの画像情報(入力画像)を受けたパネルドライバ11によって駆動される。これにより表示素子1に入力画像に応じた原画が表示される。   FIG. 7 shows the configuration of an image display apparatus (HMD) that is Embodiment 1 of the present invention. Reference numeral 1 denotes a display element constituted by a self-luminous element such as a transmissive LCD or an organic EL. The display element 1 is driven by a panel driver 11 that receives image information (input image) from an image supply device 10 such as a personal computer, a DVD player, or a TV tuner. As a result, an original image corresponding to the input image is displayed on the display element 1.

2は光学素子としてのプリズムにより構成された拡大光学系である。拡大光学系2は、入射面2a、反射透過兼用面2b及び反射面2cとしての3つの偏心自由曲面を有する。   Reference numeral 2 denotes a magnifying optical system composed of a prism as an optical element. The magnifying optical system 2 has three decentered free-form surfaces as the entrance surface 2a, the reflection / transmission surface 2b, and the reflection surface 2c.

3はガラス基板3e上に形成された、樹脂材料からなる単層DOEである。拡大光学系2とDOE3とによりHMD光学系OSが構成される。4はHMD光学系OSの射出瞳である。   Reference numeral 3 denotes a single-layer DOE made of a resin material and formed on the glass substrate 3e. The magnifying optical system 2 and the DOE 3 constitute an HMD optical system OS. Reference numeral 4 denotes an exit pupil of the HMD optical system OS.

DOE3は、HMD光学系OSを構成する光学的パワーを有する4つの面(入射面2a、反射透過兼用面2b及び反射面2c及びDOE3)のうち最も射出瞳4に近い位置に配置されている。   The DOE 3 is disposed at a position closest to the exit pupil 4 among the four surfaces (incident surface 2a, reflection / transmission dual-purpose surface 2b, reflection surface 2c, and DOE 3) having optical power constituting the HMD optical system OS.

本実施例において、HMD光学系OSの画角を50度とし、射出瞳4をDOE3の回折格子面から20mmの位置に設定し、瞳径をφ14mmとして光学設計を行う。   In this embodiment, the optical design is performed by setting the angle of view of the HMD optical system OS to 50 degrees, setting the exit pupil 4 at a position 20 mm from the diffraction grating surface of the DOE 3, and setting the pupil diameter to 14 mm.

DOE3の格子輪帯は、光軸AXL回りに回転対称形状(同心円形状)を有し、回折格子面での位相関数φは、
φ(r)=C・r+C・r+C・r+C・r
ただし、C=−9.8792×10−4
= 1.5989×10−7
= 2.9680×10−9
=−4.1182×10−12
rは光軸AXLからの径方向での距離
となる。
The grating ring zone of DOE 3 has a rotationally symmetric shape (concentric shape) around the optical axis AXL, and the phase function φ at the diffraction grating surface is
φ (r) = C 1 · r 2 + C 2 · r 4 + C 3 · r 6 + C 4 · r 8
However, C 1 = −9.88792 × 10 −4
C 2 = 1.5989 × 10 −7
C 3 = 2.9680 × 10 −9
C 4 = −4.182 × 10 −12
r is the distance in the radial direction from the optical axis AXL.

ここで、各格子輪帯の半径R(k)は、
φ(R(k))=−k・λ
を満たすR(k)として求められ、格子輪帯間のピッチ(格子ピッチ)p(k)は、
p(k)=R(k)−R(k−1)
で表される。
Here, the radius R (k) of each lattice ring zone is
φ (R (k)) = − k · λ
R (k) satisfying the above, and the pitch between the lattice rings (lattice pitch) p (k) is
p (k) = R (k) -R (k-1)
It is represented by

今、逆光線トレースにおいて、k=290番目の格子輪帯の高さ(格子高さ)dを求める。   Now, in reverse ray tracing, the height (grid height) d of k = 290th lattice ring zone is obtained.

DOEの設計波長(特定波長):λ=587.56nm
DOEの材質の屈折率:n(λ)=1.5709
とすると、格子輪帯(k=290)の半径R(290)は上記位相関数から、13.958[mm]となり、格子ピッチp(290)は29.667[μm]となる。そして、射出瞳4よりもDOE3から離れた光軸AXL上の所定点Q′から該格子輪帯(k=290)に入射する光線の入射角をθ′とし、特定回折次数を1次とし、1次の回折角をθとし、所定点Q′が射出瞳4から光軸方向に10mmの位置にあるとする。
Design wavelength (specific wavelength) of DOE: λ = 587.56 nm
Refractive index of DOE material: n 1 (λ) = 1.5709
Then, the radius R (290) of the lattice ring zone (k = 290) is 13.958 [mm] from the above phase function, and the lattice pitch p (290) is 29.667 [μm]. Then, the incident angle of the light beam incident on the grating ring zone (k = 290) from the predetermined point Q ′ on the optical axis AXL farther from the DOE 3 than the exit pupil 4 is θ 1 ′, and the specific diffraction order is the first order. It is assumed that the first-order diffraction angle is θ 2 and the predetermined point Q ′ is 10 mm from the exit pupil 4 in the optical axis direction.

この場合、入射角θ′は、
θ′=tan−1{13.958/(20+10)}
=24.951[°]
となる。
In this case, the incident angle θ 1 ′ is
θ 1 ′ = tan −1 {13.958 / (20 + 10)}
= 24.951 [°]
It becomes.

また、回折角θは、
θ=sin−1[{1・sinθ−1・λ/p}/n
=14.829[°]
となる。
The diffraction angle θ 2 is
θ 2 = sin −1 [{1 · sin θ 1 −1 · λ / p} / n 1 ]
= 14.829 [°]
It becomes.

このときの光路差関数Φは、(1)式に従い、
Φ(R(290),λ)={1・cosθ−n(λ)・cosθ }・d(290)
で表される。
The optical path difference function Φ at this time follows the equation (1):
Φ (R (290), λ) = {1 · cos θ 1 −n 1 (λ) · cos θ 2 } · d (290)
It is represented by

また、回折効率ηは、
η(R(290),λ)-=sinc[π・{1−Φ(R(100),λ)/λ}]
となる。
The diffraction efficiency η is
η (R (290), λ) − = sinc 2 [π · {1-Φ (R (100), λ) / λ}]
It becomes.

このとき、ηを100%とするためには、格子輪帯(k=290)の高さd(290)を、
d(290)=1・λ/{1・cosθ−n(λ)・cosθ} …(5)
=0.960[μm]
とすればよい。
At this time, in order to set η to 100%, the height d (290) of the lattice ring zone (k = 290) is
d (290) = 1 · λ / {1 · cos θ 1 −n 1 (λ) · cos θ 2 } (5)
= 0.960 [μm]
And it is sufficient.

仮に、射出瞳4の中心から格子輪帯(k=290)に入射する光線の入射角をθとすると、
θ=tan−1(13.958/20)
= 34.912[°]
となる。この場合、θ=20.592[°]となり、回折効率が100%となる格子高さはd=0.903[μm]となる。しかし、この格子高さを設定した場合、θ=24.951°で入射する光線に対しては、1次回折光の回折効率η(λ)は98.85%となり、0次光及び2次光としての不要回折光がそれぞれ、0.35%及び0.45%の回折効率で発生する。これは、この格子輪帯の方向に眼球を回転させた場合に、上記量を有する不要回折光が網膜の中心窩6に到達することになり、不要回折光(フレア光)の視認性が高まってしまう。
Assuming that the incident angle of a light ray incident on the lattice ring zone (k = 290) from the center of the exit pupil 4 is θ 1 ,
θ 1 = tan −1 (13.958 / 20)
= 34.912 [°]
It becomes. In this case, θ 2 = 20.592 [°], and the grating height at which the diffraction efficiency is 100% is d = 0.903 [μm]. However, when this grating height is set, the diffraction efficiency η (λ) of the first-order diffracted light becomes 98.85% for the light incident at θ 1 = 24.951 °, and the zero-order light and the second-order light. Unwanted diffracted light as light is generated with diffraction efficiencies of 0.35% and 0.45%, respectively. This is because when the eyeball is rotated in the direction of the lattice ring zone, the unnecessary diffracted light having the above amount reaches the central fovea 6 of the retina, and the visibility of the unnecessary diffracted light (flare light) is increased. End up.

格子輪帯(k=290)の格子側面の傾き角度(格子側面角度)は、θ′に等しい24.951[°]とする。 The inclination angle (grid side surface angle) of the lattice side surface of the lattice ring zone (k = 290) is 24.951 [°] equal to θ 1 ′.

以上のような設定方法により、全ての格子輪帯について格子高さと格子側面角度が設定される。   With the above setting method, the lattice height and the lattice side surface angle are set for all lattice ring zones.

図8には、本発明の実施例2である画像表示装置(HMD)の構成を示す。1は実施例1と同じ表示素子であり、2も実施例1と同じ拡大光学系である。したがって、拡大光学系2は、入射面2a、反射透過兼用面2b及び反射面2cとしての3つの偏心自由曲面を有する。   FIG. 8 shows the configuration of an image display apparatus (HMD) that is Embodiment 2 of the present invention. Reference numeral 1 denotes the same display element as in the first embodiment, and reference numeral 2 also denotes the same magnification optical system as in the first embodiment. Therefore, the magnifying optical system 2 has three decentered free-form surfaces as the entrance surface 2a, the reflection / transmission surface 2b, and the reflection surface 2c.

3はガラス基板3f,3g上に形成された、樹脂材料からなる第1回折格子層(以下、第1層という)I及び第2回折格子層(以下、第2層という)IIを有する積層DOEである。拡大光学系2とDOE3とによりHMD光学系OSが構成される。4はHMD光学系OSの射出瞳である。   3 is a laminated DOE having a first diffraction grating layer (hereinafter referred to as a first layer) I and a second diffraction grating layer (hereinafter referred to as a second layer) II made of a resin material formed on the glass substrates 3f and 3g. It is. The magnifying optical system 2 and the DOE 3 constitute an HMD optical system OS. Reference numeral 4 denotes an exit pupil of the HMD optical system OS.

本実施例でも、DOE3は、HMD光学系OSを構成する光学的パワーを有する4つの面(入射面2a、反射透過兼用面2b及び反射面2c及びDOE3)のうち最も射出瞳4に近い位置に配置されている。   Also in the present embodiment, the DOE 3 is located at the position closest to the exit pupil 4 among the four surfaces (incident surface 2a, reflection / transmission surface 2b, reflection surface 2c, and DOE 3) having the optical power constituting the HMD optical system OS. Has been placed.

本実施例において、HMD光学系OSの画角、射出瞳4のDOE3の回折格子面からの位置及び瞳径を実施例1のそれらの同じとして光学設計を行う。DOE3の格子輪帯は、光軸AXL回りに回転対称形状(同心円形状)を有し、回折格子面での位相関数φは、実施例1にて説明したものと同じとする。   In this embodiment, the optical design is performed with the angle of view of the HMD optical system OS, the position of the exit pupil 4 from the diffraction grating surface of the DOE 3 and the pupil diameter as those of the first embodiment. The grating ring zone of DOE 3 has a rotationally symmetric shape (concentric circle shape) around the optical axis AXL, and the phase function φ on the diffraction grating surface is the same as that described in the first embodiment.

本実施例では、積層DOE3のうち射出瞳側の回折格子層を第1層Iとし、表示素子側の回折格子層を第2層IIとする。また、本実施例では、第1層Iが正のパワーを、第2層IIが負のパワーを有する。   In the present embodiment, the diffraction grating layer on the exit pupil side of the stacked DOE 3 is referred to as a first layer I, and the diffraction grating layer on the display element side is referred to as a second layer II. In the present embodiment, the first layer I has a positive power and the second layer II has a negative power.

第1層Iの材料は、屈折率n(λ)が1.524で、分散が51.57である。また、第2層IIの材料は、屈折率n(λ)が1.635で、分散が22.75である。第1及び第2層I,IIは、それらの間に空気層を挟んで互いに近接し、かつ回折格子面が互いに向き合うように配置されている。なお、積層DOE3の第1及び第2層をI,IIをそれぞれ保持するガラス基板3f,3gの厚みはそれぞれ3mmとし、屈折率は1.516とする。 The material of the first layer I has a refractive index n 1 (λ) of 1.524 and a dispersion of 51.57. The material of the second layer II has a refractive index n 2 (λ) of 1.635 and a dispersion of 22.75. The first and second layers I and II are arranged so as to be close to each other with an air layer between them and the diffraction grating surfaces face each other. The glass substrates 3f and 3g that hold the first and second layers of the laminated DOE 3 respectively holding I and II have a thickness of 3 mm and a refractive index of 1.516.

HMD光学系OSの射出瞳4の位置が、第1層側のガラス基板3fにおける射出瞳側の面から20mmの位置にあるとして、逆光線トレースにおいて、k=290番目の格子輪帯の格子高さd,dを求める。 Assuming that the position of the exit pupil 4 of the HMD optical system OS is 20 mm from the exit pupil side surface of the glass substrate 3f on the first layer side, the lattice height of the k = 290th lattice ring zone in the reverse ray trace d 1 and d 2 are obtained.

格子輪帯の半径R(290)は上記位相関数から13.958[mm]となり、格子ピッチp(290)は40.145[μm]となる。   The radius R (290) of the grating ring zone is 13.958 [mm] from the above phase function, and the grating pitch p (290) is 40.145 [μm].

射出瞳4よりもDOE3から離れた光軸AXL上の所定点Q′から該格子輪帯(k=290)に入射する光線の入射角をθ′とし、特定回折次数を1次とし、1次の回折角をθとし、所定点Q′が射出瞳4から光軸方向に10mmの位置にあるとする。 The incident angle of a light beam incident on the grating ring zone (k = 290) from a predetermined point Q ′ on the optical axis AXL farther from the DOE 3 than the exit pupil 4 is θ 1 ′, the specific diffraction order is first order, 1 It is assumed that the next diffraction angle is θ 2 and the predetermined point Q ′ is at a position 10 mm from the exit pupil 4 in the optical axis direction.

この場合、所定点Q′から第1層Iの回折格子面上のR(290)位置への入射角θ′は、それらの間にガラス基板3fが介在するため、
θ′=15.258[°]
となる。
In this case, the incident angle θ 1 ′ from the predetermined point Q ′ to the R (290) position on the diffraction grating surface of the first layer I has the glass substrate 3 f interposed therebetween,
θ 1 ′ = 15.258 [°]
It becomes.

このとき、式(4)から求められる積層DOEの回折効率が広い波長範囲で最大になるように、第1及び第2層をI,IIのそれぞれの回折次数を、
=8.5
=−7.5
すなわち、m=m+m=1とする。
At this time, the diffraction orders of the first and second layers I and II are set so that the diffraction efficiency of the laminated DOE obtained from the equation (4) is maximized in a wide wavelength range.
m 1 = 8.5
m 2 = −7.5
That is, m = m 1 + m 2 = 1.

そして、(5)式と同様にして、各層の格子高さは、
=9.875[μm]
=7.087[μm]
と求まる。
And like (5) Formula, the lattice height of each layer is
d 1 = 9.875 [μm]
d 2 = 7.087 [μm]
It is obtained.

一方、射出瞳4の中心から格子輪帯(k=290)に入射する光線の入射角は、θ=20.733[°]となる。この場合に回折効率が広い波長範囲で最大になるように、第1及び第2層をI,IIのそれぞれの回折次数をm=8、m=−7とし、m+m=1とする。このときの各層の格子高さは、
=9.368[μm]
=6.630[μm]
となる。
On the other hand, the incident angle of the light ray that enters the lattice ring zone (k = 290) from the center of the exit pupil 4 is θ 1 = 20.733 [°]. In this case, the diffraction orders of the first and second layers are set to m 1 = 8 and m 2 = −7, and m 1 + m 2 = 1 so that the diffraction efficiency is maximized in a wide wavelength range. And The lattice height of each layer at this time is
d 1 = 9.368 [μm]
d 2 = 6.630 [μm]
It becomes.

図9Aには、順光線トレースにおいて、回折角θ=20.733[°]の1次回折光に対して格子高さが最適化された積層DOEにおける1次、0次及び2次の回折光の回折効率を点線で示している。この積層DOEでは、1次回折光に対しては、青、赤及び緑の波長帯域で100%に近い回折効率が得られる。 FIG. 9A shows first-order, zero-order, and second-order diffracted light in a stacked DOE in which the grating height is optimized with respect to the first -order diffracted light having a diffraction angle θ 1 = 20.733 [°] in the forward ray trace. The diffraction efficiency is shown by a dotted line. In this laminated DOE, a diffraction efficiency close to 100% is obtained for the first-order diffracted light in the blue, red, and green wavelength bands.

しかし、図に実線で示す回折角θ′=15.258[°]の1次回折光については、同波長帯域で回折効率が2〜3%低下する。逆に、0次及び2次の不要回折光の回折効率は1%を超える。これは、眼球5が光軸方向を向いているときにはk=290の格子輪帯の方向から瞳孔に入射した不要回折光は見えないが、該格子輪帯の方向に眼球5を回転させると不要回折光が顕著に見えるようになることを意味する。
これに対し、図9Bには、順光線トレースにおいて、回折角θ′=15.258[°]の1次回折光に対して格子高さが最適化された積層DOEにおける1次、0次及び2次の回折光の回折効率を点線で示している。
However, for the first -order diffracted light having the diffraction angle θ 1 ′ = 15.258 [°] shown by the solid line in the figure, the diffraction efficiency is reduced by 2-3% in the same wavelength band. On the contrary, the diffraction efficiency of the 0th-order and 2nd-order unnecessary diffracted light exceeds 1%. This is because unnecessary diffracted light that has entered the pupil from the direction of the grating ring zone of k = 290 cannot be seen when the eyeball 5 is oriented in the optical axis direction, but is not necessary if the eyeball 5 is rotated in the direction of the grating ring zone. It means that the diffracted light becomes noticeable.
On the other hand, FIG. 9B shows the first-order, zero-order, and zero-order in the laminated DOE in which the grating height is optimized with respect to the first-order diffracted light having the diffraction angle θ 1 ′ = 15.258 [°] in the forward ray trace. The diffraction efficiency of the second-order diffracted light is indicated by a dotted line.

この積層DOEでは、回折角θ′=15.258[°]の1次回折光に対しては、青、赤及び緑の波長帯域(特定波長領域)で100%に近い回折効率が得られる。しかも、0次及び2次の不要回折光の回折効率は1%より低く、0%に近い。したがって、眼球5がk=290の格子輪帯の方向に向いている場合には、不要回折光はほとんど視認されない。 In this laminated DOE, for the first -order diffracted light having a diffraction angle θ 1 ′ = 15.258 [°], a diffraction efficiency close to 100% is obtained in the blue, red, and green wavelength bands (specific wavelength region). In addition, the diffraction efficiencies of the zero-order and second-order unnecessary diffracted light are lower than 1% and close to 0%. Therefore, when the eyeball 5 is directed in the direction of the lattice ring zone of k = 290, the unnecessary diffracted light is hardly visually recognized.

なお、この積層DOEにおいては、図9B中に実線で示すように、θ=20.733[°]での0次及び2次回折光の回折効率は、青及び緑の波長帯域では0.1%以下と非常に少ないものの、赤の波長帯域では1%を超える。ただし、この赤の不要回折光が瞳孔に入射するときの眼球は光軸方向を向いているため、該不要回折光は網膜の中心窩6から外れた領域に到達する。したがって、赤の不要回折光の視認度はきわめて小さく、問題とならない。 In this laminated DOE, as shown by a solid line in FIG. 9B, the diffraction efficiency of the 0th order and second order diffracted light at θ 1 = 20.733 [°] is 0.1 in the blue and green wavelength bands. Although it is very small, less than 1%, it exceeds 1% in the red wavelength band. However, since the eyeball when the red unnecessary diffracted light is incident on the pupil is oriented in the optical axis direction, the unnecessary diffracted light reaches a region outside the central fovea 6 of the retina. Therefore, the visibility of the unnecessary red diffracted light is very small and does not cause a problem.

以上説明したように上記実施例では、DOE3の格子形状は、画像表示に用いられる特定回折光線が射出瞳4の中心ではなく、それよりもDOE3に対して離れた所定点に向かうように設定される。したがって、DOE3で発生した不要回折光(フレア光)の視認度を低減させることができ。   As described above, in the above embodiment, the lattice shape of the DOE 3 is set so that the specific diffracted light beam used for image display is not directed to the center of the exit pupil 4 but to a predetermined point farther from the DOE 3 than that. The Therefore, the visibility of unnecessary diffracted light (flare light) generated in the DOE 3 can be reduced.

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。   Each embodiment described above is only a representative example, and various modifications and changes can be made to each embodiment in carrying out the present invention.

従来手法によって格子高さが決められるDOEを用いた画像表示装置の構成図。The block diagram of the image display apparatus using DOE by which lattice height is determined by the conventional method. 本発明の実施例の手法によって格子高さが決められるDOEを用いた画像表示装置の構成図。1 is a configuration diagram of an image display device using a DOE whose lattice height is determined by the method of an embodiment of the present invention. 単層DOEと積層DOEの回折効率特性を示す図。The figure which shows the diffraction efficiency characteristic of single layer DOE and lamination | stacking DOE. 従来の単層DOEの光軸近傍部における格子形状を示す断面図。Sectional drawing which shows the grating | lattice shape in the optical axis vicinity part of the conventional single layer DOE. 従来の単層DOEの周辺部における格子形状を示す断面図。Sectional drawing which shows the lattice shape in the peripheral part of the conventional single layer DOE. 従来(特開2003−294924号公報)の単層DOEにおける格子側面角度を示す断面図。Sectional drawing which shows the grating | lattice side surface angle in the conventional single layer DOE (Unexamined-Japanese-Patent No. 2003-294924). 実施例の単層DOEにおける格子側面角度を示す断面図。Sectional drawing which shows the grating | lattice side surface angle in the single layer DOE of an Example. 積層DOEにおける光線の回折の様子を示す図。The figure which shows the mode of the diffraction of the light beam in lamination | stacking DOE. 実施例の積層DOEにおける格子側面角度の例を示す断面図。Sectional drawing which shows the example of the grating | lattice side surface angle in the lamination | stacking DOE of an Example. 実施例の積層DOEにおける格子側面角度の他の例を示す断面図。Sectional drawing which shows the other example of the grating | lattice side surface angle in the lamination | stacking DOE of an Example. 単層DOEを用いた実施例の画像表示装置の構成図。The block diagram of the image display apparatus of the Example using single layer DOE. 積層DOEを用いた実施例の画像表示装置の構成図。The block diagram of the image display apparatus of the Example using laminated | multilayer DOE. 従来の積層DOEの回折効率の例を示す図。The figure which shows the example of the diffraction efficiency of the conventional lamination | stacking DOE. 実施例の積層DOEの回折効率の例を示す図。The figure which shows the example of the diffraction efficiency of the lamination | stacking DOE of an Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 表示素子
2 拡大光学系
3 DOE
3a 格子
3b 格子面
3c 格子側面
3d 格子ベース面
4 射出瞳
5 眼球
6 中心窩
Q 眼球の回転中心
Q′ 所定点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Display element 2 Magnification optical system 3 DOE
3a Lattice 3b Lattice surface 3c Lattice side surface 3d Lattice base surface 4 Exit pupil 5 Eyeball 6 Fovea Q Q Center of rotation of the eye Q 'Predetermined point

Claims (5)

原画を表示する表示素子と、
該表示素子からの光を射出瞳に導く光学系とを有し、
前記光学系は、回折光学素子を含み、
前記表示素子における前記原画の表示領域の中心から前記射出瞳の中心に至る軸を前記光学系の光軸とし、前記回折光学素子上の点をPとし、前記点Pからの回折光線のうちスカラー回折効率が最も高くなる特定波長及び特定回折次数の回折光線を特定回折光線とするとき、
前記回折光学素子における前記点Pが属する格子の形状が、前記特定回折光線が前記光軸上における前記射出瞳よりも前記回折光学素子に対して離れた所定点に向かうように設定されていることを特徴とする画像表示装置。
A display element for displaying the original image;
An optical system for guiding the light from the display element to the exit pupil,
The optical system includes a diffractive optical element,
An axis from the center of the display area of the original image to the center of the exit pupil in the display element is an optical axis of the optical system, a point on the diffractive optical element is P, and a scalar out of diffracted rays from the point P When a specific wavelength and a specific diffraction order diffracted light beam having the highest diffraction efficiency are used as the specific diffracted light beam,
The shape of the grating to which the point P in the diffractive optical element belongs is set so that the specific diffracted light beam is directed to a predetermined point farther from the diffractive optical element than the exit pupil on the optical axis. An image display device characterized by the above.
前記所定点は、前記射出瞳の位置に配置された観察者の眼球が回転する場合の回転中心に相当することを特徴とする請求項1に記載の画像表示装置。   The image display apparatus according to claim 1, wherein the predetermined point corresponds to a rotation center when an eyeball of an observer arranged at the position of the exit pupil rotates. 前記回折光学素子は、複数の回折格子層が積層されて構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の画像表示装置。   The image display apparatus according to claim 1, wherein the diffractive optical element is configured by stacking a plurality of diffraction grating layers. 前記回折光学素子は、前記光学系においてそれぞれ光学的パワーを有する複数の光学面のうち最も前記射出瞳に近い光学面を構成することを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の画像表示装置。   The diffractive optical element constitutes an optical surface closest to the exit pupil among a plurality of optical surfaces each having an optical power in the optical system. Image display device. 前記各格子は、前記回折光学素子における格子ベース面に対して傾斜して回折作用を生じさせる格子面、及び該格子面と該格子に隣り合う格子の格子面との間に形成された格子側面を有し、
前記格子側面は、前記格子面を介して前記所定点に向かう光線が該格子側面に入射しないように前記格子ベース面の法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の画像表示装置。
Each grating is inclined with respect to a grating base surface in the diffractive optical element to generate a diffraction action, and a grating side surface formed between the grating surface and a grating surface of a grating adjacent to the grating Have
5. The grating side surface is inclined with respect to a normal line of the grating base surface so that a light beam directed to the predetermined point through the grating surface does not enter the grating side surface. The image display apparatus as described in any one of these.
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