JP2009134089A - Image display device and head mount display - Google Patents

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Yasushi Tanijiri
靖 谷尻
Ichiro Kasai
一郎 笠井
Yoshie Shimizu
佳恵 清水
Hiroshi Yamaguchi
宏 山口
Takeshi Endo
毅 遠藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To attain reduction in size and weight of a housing 30 and consequently of a device as a whole, while circumventing deterioration of the image quality by reducing adhesion of foreign matter in the air to a display surface of a display element 13, at assembling of a device, or the like. <P>SOLUTION: A permeable cover 14 is disposed on an ocular prism 21 side extending from the display surface of the display element 13 through an air layer. According to this, foreign matter in the air is adhered to the permeable cover 14, for example, when the housing 30 is installed or removed during assembling of the device or the like, without adhering directly to the display surface of the display element 13. Since the housing 30, covering a display means 10, is adapted to be supported by the ocular prism 21 which constitutes a part of an ocular optical system 20, the housing 30 can be reduced in size and weight, as compared with the structure adapted to cover the display means 10 and the body of the ocular optical system 20 as a whole. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、表示素子にて表示された映像を虚像として観察者に提供する映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも称する)とに関するものである。   The present invention relates to an image display device that provides an observer with an image displayed on a display element as a virtual image, and a head mounted display (hereinafter also referred to as an HMD) including the image display device.

従来から、表示素子からの映像光を接眼光学系を介して観察者の瞳に導く映像表示装置が種々提案されている。中でも、特許文献1および2の映像表示装置は、表示素子および接眼光学系をまとめて1つの筐体で覆う構成となっており、その筐体を観察者の眼前で支持することによってHMDが構成されている。このように表示素子および接眼光学系の全体を1つの筐体で覆うことにより、通常の使用時には(映像の観察時には)、筐体外部の空気中に存在する塵埃等の異物が表示素子(特に表示面)に付着するのを回避することができる。   Conventionally, various video display apparatuses that guide video light from a display element to an observer's pupil via an eyepiece optical system have been proposed. In particular, the video display devices of Patent Documents 1 and 2 are configured so that the display element and the eyepiece optical system are collectively covered with a single case, and the HMD is configured by supporting the case in front of the observer's eyes. Has been. Thus, by covering the entire display element and the eyepiece optical system with one casing, during normal use (when observing an image), foreign substances such as dust existing in the air outside the casing are displayed on the display element (particularly, Adhering to the display surface can be avoided.

特開2001−281593号公報JP 2001-281593 A 特開2005−202060号公報JP 2005-202060 A

ところが、表示素子および接眼光学系の全体を1つの筐体で覆う構成では、例えば、装置の組み立て時や分解時におけるその筐体の取り付け、取り外し時には、空気中の異物が表示素子に付着しやすくなる。異物が表示面に付着すると、観察映像の品質が低下する。また、表示素子および接眼光学系の全体を筐体で覆う構成では、筐体が大型となるため、装置全体が大型になって重くなる。   However, in the configuration in which the entire display element and the eyepiece optical system are covered with a single casing, for example, foreign substances in the air are likely to adhere to the display element when the casing is attached or removed during assembly or disassembly of the apparatus. Become. When foreign matter adheres to the display surface, the quality of the observation image is degraded. Further, in the configuration in which the entire display element and the eyepiece optical system are covered with the casing, the casing becomes large, so that the entire apparatus becomes large and heavy.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、装置の組み立て時等における筐体の取り付け、取り外し時においても、表示素子の表示面への異物の付着を低減して高品質な映像を観察者に観察させることができるとともに、筐体を小型、軽量化して装置全体を小型、軽量化することができる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたHMDとを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to adhere foreign matter to the display surface of the display element even when the housing is attached or detached during assembly of the device. And a video display device capable of reducing the size and weight of the entire device by reducing the size and weight of the device, and the video display device. To provide HMD.

本発明の映像表示装置は、透明基板を有する虚像接眼光学系と、透明基板の一端側に配置され、表示素子を有する表示手段と、表示手段を覆う筐体とを備え、表示手段からの映像光を透明基板の内部で反射させて光学瞳に導く映像表示装置であって、筐体は、透明基板に支持されており、表示手段は、表示素子の表示面から透明基板側に空気層を介して配される透過性カバーを有していることを特徴としている。   An image display apparatus of the present invention includes a virtual image eyepiece optical system having a transparent substrate, a display unit disposed on one end side of the transparent substrate, having a display element, and a casing covering the display unit, and an image from the display unit An image display device that reflects light inside a transparent substrate and guides it to an optical pupil, wherein the casing is supported by the transparent substrate, and the display means forms an air layer from the display surface of the display element to the transparent substrate side. It is characterized by having a permeable cover arranged through.

上記の構成によれば、表示手段の表示素子からの映像光は、透過性カバーを介して虚像接眼光学系の透明基板に入射し、その内部で反射されて光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置では、観察者は、表示素子の表示面に表示された映像の虚像を観察することが可能となる。このとき、表示手段を覆う筐体が、虚像接眼光学系の一部を構成する透明基板に支持される構成を採用しているので、表示手段と虚像接眼光学系の全体とを筐体で覆う構成に比べて、筐体が小型で軽量となる。これにより、小型で軽量の映像表示装置を実現することが可能となる。   According to said structure, the image light from the display element of a display means injects into the transparent substrate of a virtual image eyepiece optical system through a transparent cover, is reflected in the inside, and is guide | induced to the optical pupil. Therefore, at the position of the optical pupil, the observer can observe the virtual image of the video displayed on the display surface of the display element. At this time, since the housing that covers the display unit is supported by a transparent substrate that forms part of the virtual image eyepiece optical system, the display unit and the entire virtual image eyepiece optical system are covered with the housing. Compared to the configuration, the housing is small and lightweight. This makes it possible to realize a small and lightweight video display device.

また、表示素子の表示面から透明基板側には、透過性カバーが空気層を介して配されているので、例えば、装置の組み立て時や分解時などの筐体の取り付け、取り外し時に、空気中に塵埃やゴミなどの異物が存在していても、それらの異物は透過性カバーに付着し、表示素子の表示面には直接付着しにくくなる。   In addition, since a transparent cover is arranged through the air layer from the display surface of the display element to the transparent substrate side, for example, when the device is assembled or disassembled, the housing is in the air Even if foreign matter such as dust or dirt is present on the surface, the foreign matter adheres to the transmissive cover and is less likely to adhere directly to the display surface of the display element.

したがって、上記構成によれば、虚像接眼光学系の全体を筐体で覆わない小型で軽量の映像表示装置でありながら、装置の組み立て時等において表示面への異物の付着を低減して、高品質な映像を観察者に観察させることが可能となる。   Therefore, according to the above configuration, it is possible to reduce the adhesion of foreign matters to the display surface during assembly of the device while reducing the size and weight of the image display device without covering the entire virtual image eyepiece optical system with a housing. It is possible to make the observer observe a quality image.

本発明の映像表示装置において、透過性カバーと表示面との距離は、虚像接眼光学系による互いの虚像の視度の差が5ディオプタ以上となる距離であることが望ましい。上記視度の差が例えば1ディオプタであれば、透過性カバーに異物が付着したとしたときにその異物が瞬時に観察可能となるが、上記視度の差が5ディオプタであれば、透過性カバーに異物が付着したとしても、その異物は観察されにくくなり、高品質な映像を確実に観察者に観察させることが可能となる。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the distance between the transmissive cover and the display surface is a distance at which the difference in diopter between virtual images by the virtual image eyepiece optical system is 5 diopters or more. If the diopter difference is, for example, 1 diopter, the foreign object can be observed instantaneously when the foreign object adheres to the transparent cover, but if the diopter difference is 5 diopter, the transparency Even if foreign matter adheres to the cover, the foreign matter becomes difficult to be observed, and a high-quality image can be surely observed by the observer.

本発明の映像表示装置において、表示手段は、光源と、光源からの光を表示素子に導く照明光学系とをさらに有しており、光源、照明光学系、表示素子および透過性カバーがユニット化された表示ユニットであってもよい。   In the video display device of the present invention, the display means further includes a light source and an illumination optical system that guides light from the light source to the display element, and the light source, the illumination optical system, the display element, and the transmissive cover are unitized. Display unit.

表示手段が表示ユニットで構成されることで、表示手段を用いて映像表示装置を組み立てるときの組み立て性を向上させることができる(組み立てが容易となり、低コストとなる)。   When the display means is constituted by the display unit, the assembling property when assembling the video display device using the display means can be improved (the assembly becomes easy and the cost is reduced).

本発明の映像表示装置において、表示ユニットは、表示面と透過性カバーとの間に開口を有さずに形成されていることが望ましい。この場合、装置の組み立て時等において、外部からの異物が表示面に付着するのを確実に防止することができる。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the display unit is formed without an opening between the display surface and the transmissive cover. In this case, it is possible to reliably prevent external foreign matter from adhering to the display surface when the apparatus is assembled.

本発明の映像表示装置において、虚像接眼光学系は、軸非対称光学系を含んでいてもよい。この場合、表示素子をはじめとする各光学部材の配置の自由度が大きくなり、良好な光学性能を確保しながら装置を小型化することが可能となる。   In the video display device of the present invention, the virtual image eyepiece optical system may include an axially asymmetric optical system. In this case, the degree of freedom of arrangement of each optical member including the display element is increased, and the apparatus can be reduced in size while ensuring good optical performance.

本発明の映像表示装置において、虚像接眼光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を含んでおり、上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて光学瞳に導く構成であってもよい。   In the image display apparatus of the present invention, the virtual image eyepiece optical system includes a volume phase type reflection hologram optical element, and the hologram optical element diffracts and reflects image light from the display element and guides it to the optical pupil. At the same time, it may be configured to transmit outside light and guide it to the optical pupil.

体積位相型の反射型ホログラム光学素子は、反射波長域が狭く、外光の透過率が高いので、表示映像(虚像)を観察しながら、外界像をシースルーで観察することが可能となる。また、本発明では、虚像接眼光学系の全体が筐体で覆われないので、外界視野(シースルーで観察可能な領域)を広く確保することができる。   Since the volume phase type reflection type hologram optical element has a narrow reflection wavelength range and a high transmittance of external light, it is possible to observe an external image while seeing through a display image (virtual image). Further, in the present invention, since the entire virtual image eyepiece optical system is not covered with the casing, it is possible to secure a wide external field of view (area that can be viewed through see-through).

本発明の映像表示装置において、透過性カバーと表示面との距離は、虚像接眼光学系による互いの虚像の視度の差が10ディオプタ以上となる距離であることが望ましい。この場合、外部からの異物が透過性カバーに付着したとしても、観察者にとってはその異物が確実にピンボケとなり、観察される映像(虚像)の品位が低下するのを確実に防止することができる。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the distance between the transmissive cover and the display surface is a distance at which the difference in diopter between virtual images by the virtual image eyepiece optical system is 10 diopters or more. In this case, even if foreign matter from the outside adheres to the transmissive cover, it is possible for the observer to reliably prevent the foreign matter from being out of focus and reducing the quality of the observed image (virtual image). .

本発明の映像表示装置において、表示手段および透明基板は、上記筐体にて位置決めされていることが望ましい。このように、表示手段および透明基板が共通の部材(筐体)で位置決めされることにより、その位置決めを精度よく行うことができる。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the display means and the transparent substrate are positioned in the housing. As described above, the display unit and the transparent substrate are positioned by the common member (housing), so that the positioning can be performed with high accuracy.

本発明の映像表示装置において、透過性カバーは、光軸に垂直な面に対して傾斜していることが望ましい。なお、上記の光軸とは、表示素子の表示領域の中心と光学瞳の中心とを光学的に結ぶ軸を指すものとする。この場合、表示素子の表示面から出射された映像光の透過性カバーでの表面反射光(戻り光)が他の映像光と重畳され、フレアやゴーストが発生するのを抑えることができる。   In the video display device of the present invention, the transmissive cover is preferably inclined with respect to a plane perpendicular to the optical axis. Note that the optical axis refers to an axis that optically connects the center of the display area of the display element and the center of the optical pupil. In this case, it is possible to suppress the occurrence of flare and ghost by superimposing the surface reflected light (returned light) on the transparent cover of the image light emitted from the display surface of the display element with other image light.

本発明の映像表示装置において、透過性カバーは、光学的機能を有する光学フィルムであってもよい。なお、上記の光学フィルムとしては、例えば偏光板や1/2波長板を考えることができる。透過性カバーがこのような光学フィルムの光学的機能を兼ねるので、そのような光学フィルムを別途設ける構成に比べて低コストとなる。   In the video display device of the present invention, the transmissive cover may be an optical film having an optical function. In addition, as said optical film, a polarizing plate and a half-wave plate can be considered, for example. Since the transmissive cover also serves as an optical function of such an optical film, the cost is lower than a configuration in which such an optical film is separately provided.

本発明の映像表示装置において、透過性カバーは、ホログラム光学素子における反射時のS偏光を透過させる偏光板であってもよい。この場合、透過性カバーが偏光板の機能を兼ねるので、そのような偏光板を別途設ける構成に比べて低コストとなる。また、ホログラム光学素子に入射する光をS偏光としたので、ホログラム光学素子での回折効率が高く、観察者に明るい映像を観察させることが可能となる。   In the video display device of the present invention, the transmissive cover may be a polarizing plate that transmits S-polarized light when reflected by the hologram optical element. In this case, since the transmissive cover also functions as a polarizing plate, the cost is lower than a configuration in which such a polarizing plate is separately provided. In addition, since the light incident on the hologram optical element is S-polarized light, the diffraction efficiency of the hologram optical element is high, and it is possible for the observer to observe a bright image.

本発明の映像表示装置において、透過性カバーは、入射する直線偏光をS偏光に変換して出射する1/2波長板であってもよい。この場合、表示素子の表示面から出射される光がS偏光以外の直線偏光であっても、1/2波長板からなる透過性カバーを透過することによってS偏光に変換され、ホログラム光学素子に入射する。これにより、ホログラム光学素子での回折効率が高く、観察者に明るい映像を観察させることが可能となる。なお、1/2波長板の光学軸は、入射する直線偏光の偏光方向に応じて設定されればよい。   In the video display device of the present invention, the transmissive cover may be a half-wave plate that converts incident linearly polarized light into S-polarized light and emits it. In this case, even if the light emitted from the display surface of the display element is linearly polarized light other than S-polarized light, it is converted to S-polarized light by passing through a transmissive cover made of a half-wave plate, and is transmitted to the hologram optical element. Incident. Thereby, the diffraction efficiency in a hologram optical element is high, and it becomes possible to make an observer observe a bright image. Note that the optical axis of the half-wave plate may be set according to the polarization direction of the incident linearly polarized light.

本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。この構成では、映像表示装置が支持手段にて支持されるので、観察者は映像表示装置から提供される映像をハンズフリーで観察することができる。   The head-mounted display of the present invention includes the above-described video display device of the present invention and support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes. In this configuration, since the video display device is supported by the support means, the observer can observe the video provided from the video display device in a hands-free manner.

本発明によれば、虚像接眼光学系の全体を筐体で覆わない小型で軽量の映像表示装置でありながら、装置の組み立て時等における表示素子の表示面への異物の付着を低減して、高品質な映像を観察者に観察させることが可能となる。   According to the present invention, while being a small and lightweight video display device that does not cover the entire virtual image eyepiece optical system with a housing, it reduces the adhesion of foreign matter to the display surface of the display element during assembly of the device, It is possible to make the observer observe a high-quality image.

〔実施の形態1〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
[Embodiment 1]
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(1.HMDの構成)
図2(a)は、本実施形態に係るHMDの概略の構成を示す平面図であり、図2(b)は、HMDの側面図であり、図2(c)は、HMDの正面図である。HMDは、映像表示装置1と、それを支持する支持手段2とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方(例えば左目用)のレンズを取り除いたような外観となっている。
(1. Configuration of HMD)
2A is a plan view showing a schematic configuration of the HMD according to the present embodiment, FIG. 2B is a side view of the HMD, and FIG. 2C is a front view of the HMD. is there. The HMD has an image display device 1 and a support means 2 that supports the image display device 1, and as a whole has an appearance in which one lens (for example, for the left eye) is removed from general glasses.

映像表示装置1は、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。図2(c)で示す映像表示装置1において、眼鏡の右目用レンズに相当する部分は、接眼プリズム21と偏向プリズム22との貼り合わせによって構成されている。なお、映像表示装置1の詳細については後述する。   The video display device 1 allows an observer to observe an outside world image with see-through, displays an image, and provides it to the observer as a virtual image. In the video display device 1 shown in FIG. 2C, a portion corresponding to the right eye lens of the glasses is configured by bonding an eyepiece prism 21 and a deflection prism 22. Details of the video display device 1 will be described later.

支持手段2は、映像表示装置1を観察者の眼前(例えば右目の前)で支持する支持部材であり、ブリッジ3と、フレーム4と、テンプル5と、鼻当て6と、ケーブル7と、外光透過率制御手段8とを有している。なお、フレーム4、テンプル5および鼻当て6は、左右一対設けられているが、これらを左右で区別する場合は、右フレーム4R、左フレーム4L、右テンプル5R、左テンプル5L、右鼻当て6R、左鼻当て6Lのように表現するものとする。   The support means 2 is a support member that supports the image display device 1 in front of the observer's eyes (for example, in front of the right eye). The bridge 3, the frame 4, the temple 5, the nose pad 6, the cable 7, and the outside And light transmittance control means 8. The frame 4, the temple 5 and the nose pad 6 are provided as a pair on the left and right sides. However, when these are distinguished from each other, the right frame 4R, the left frame 4L, the right temple 5R, the left temple 5L, and the right nose pad 6R. The left nose pad 6L is expressed.

映像表示装置1の一端は、ブリッジ3に支持されている。このブリッジ3は、映像表示装置1のほかにも、左フレーム4L、鼻当て6および外光透過率制御手段8を支持している。左フレーム4Lは、左テンプル5Lを回動可能に支持している。一方、映像表示装置1の他端は、右フレーム4Rに支持されている。右フレーム4Rにおいて映像表示装置1の支持側とは反対側端部は、右テンプル5Rを回動可能に支持している。ケーブル7は、外部信号(例えば映像信号、制御信号)や電力を映像表示装置1に供給するための配線であり、右フレーム4Rおよび右テンプル5Rに沿って設けられている。外光透過率制御手段8は、外光(外界像の光)の透過率を制御するためにブリッジ3に設けられており、映像表示装置1よりも前方(観察者とは反対側)に位置している。   One end of the video display device 1 is supported by the bridge 3. In addition to the image display device 1, the bridge 3 supports the left frame 4 </ b> L, the nose pad 6, and the external light transmittance control means 8. The left frame 4L supports the left temple 5L so as to be rotatable. On the other hand, the other end of the video display device 1 is supported by the right frame 4R. An end of the right frame 4R opposite to the support side of the video display device 1 supports the right temple 5R so as to be rotatable. The cable 7 is a wiring for supplying an external signal (for example, a video signal, a control signal) and power to the video display device 1, and is provided along the right frame 4R and the right temple 5R. The external light transmittance control means 8 is provided in the bridge 3 in order to control the transmittance of external light (light of an external image), and is positioned in front of the video display device 1 (on the side opposite to the observer). is doing.

観察者がHMDを使用するときは、右テンプル5Rおよび左テンプル5Lを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て6を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにHMDを観察者の頭部に装着する。この状態で映像表示装置1にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置1の映像を虚像として観察することができるとともに、この映像表示装置1を介して外界像をシースルーで観察することができる。   When the observer uses the HMD, the right temple 5R and the left temple 5L are brought into contact with the right and left heads of the observer, and the nose pad 6 is put on the nose of the observer so as to wear general glasses. The HMD is attached to the observer's head. When an image is displayed on the image display device 1 in this state, the observer can observe the image of the image display device 1 as a virtual image, and observe the outside world image through the image display device 1 in a see-through manner. Can do.

このとき、外光透過率制御手段8において、外光透過率を例えば50%以下に低く設定しておけば、観察者は映像表示装置1の映像を観察しやすくなり、逆に、外光透過率を例えば50%以上に高く設定しておけば、観察者は、外界像を観察しやすくなる。したがって、外光透過率制御手段8における外光透過率は、映像表示装置1の映像および外界像の観察のしやすさを考慮して適宜設定されればよい。なお、外光透過率制御手段8は、必要に応じて設けられればよい。   At this time, if the external light transmittance control unit 8 sets the external light transmittance to be low, for example, 50% or less, the observer can easily observe the image on the video display device 1. If the rate is set as high as, for example, 50% or more, the observer can easily observe the external image. Therefore, the external light transmittance in the external light transmittance control means 8 may be set as appropriate in consideration of the ease of observation of the video and external image of the video display device 1. The external light transmittance control means 8 may be provided as necessary.

なお、HMDは、映像表示装置1を1個だけ備えた構成には限定されず、観察者の両目に対応して映像表示装置1を2個備えた構成であってもよい。つまり、支持手段2は、2個の映像表示装置1を観察者の眼前で支持する構成であってもよい。   Note that the HMD is not limited to a configuration including only one video display device 1, but may be configured to include two video display devices 1 corresponding to the eyes of the observer. That is, the support means 2 may be configured to support the two video display devices 1 in front of the observer's eyes.

(2.映像表示装置の詳細について)
次に、映像表示装置1の詳細な構成について、図1に基づいて説明する。図1は、上記の映像表示装置1の構成を模式的に示す断面図である。映像表示装置1は、表示手段10と、接眼光学系20とを有して構成されている。
(2. Details of video display device)
Next, a detailed configuration of the video display device 1 will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the video display device 1 described above. The video display device 1 includes a display unit 10 and an eyepiece optical system 20.

(2−1.表示手段について)
表示手段10は、光源11と、照明光学系12と、表示素子13と、透過性カバー14とを有しており、これらをユニット化した表示ユニットで構成されている。表示手段10は、接眼光学系20の接眼プリズム21の一端側に配置されており、その接眼プリズム21の一端部で支持される筐体30で覆われている。
(2-1. Display means)
The display means 10 includes a light source 11, an illumination optical system 12, a display element 13, and a transmissive cover 14, and is configured by a display unit in which these are unitized. The display means 10 is disposed on one end side of the eyepiece prism 21 of the eyepiece optical system 20 and is covered with a housing 30 supported by one end portion of the eyepiece prism 21.

また、表示手段10は、図示しない位置決め部材を介して筐体30に位置決めされている。このとき、筐体30は、接眼プリズム21に支持されていることから、結局、表示手段10および接眼プリズム21は、同じ筐体30で位置決めされることになる。以下、表示手段10の各構成について説明する。   The display means 10 is positioned on the housing 30 via a positioning member (not shown). At this time, since the housing 30 is supported by the eyepiece prism 21, the display means 10 and the eyepiece prism 21 are eventually positioned in the same housing 30. Hereinafter, each structure of the display means 10 is demonstrated.

なお、説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、表示素子13の表示領域の中心と、接眼光学系20によって形成される光学瞳Eの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、光源11から光学瞳Eまでの光路を展開したときの光軸方向をZ方向とする。また、接眼光学系20の後述するホログラム光学素子23の光軸入射面に垂直な方向をX方向とし、ZX平面に垂直な方向をY方向とする。なお、ホログラム光学素子23の光軸入射面とは、ホログラム光学素子23における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、YZ平面を指す。   For convenience of explanation, directions are defined as follows. First, an axis that optically connects the center of the display area of the display element 13 and the center of the optical pupil E formed by the eyepiece optical system 20 is defined as an optical axis. The optical axis direction when the optical path from the light source 11 to the optical pupil E is developed is taken as the Z direction. In addition, a direction perpendicular to an optical axis incident surface of a hologram optical element 23 described later of the eyepiece optical system 20 is defined as an X direction, and a direction perpendicular to the ZX plane is defined as a Y direction. The optical axis incident surface of the hologram optical element 23 refers to a plane including the optical axis of incident light and the optical axis of reflected light in the hologram optical element 23, that is, the YZ plane.

光源11は、RGBの3原色に対応する波長の光を出射する3つの発光部を有するRGB一体型のLEDで構成されている。この光源11は、光学瞳Eと共役な位置関係となるように配置されている。   The light source 11 is composed of an RGB-integrated LED having three light emitting units that emit light having wavelengths corresponding to the three primary colors of RGB. The light source 11 is arranged so as to have a positional relationship conjugate with the optical pupil E.

照明光学系12は、集光レンズ15と、拡散手段16とを有している。集光レンズ15は、Y方向に光源11からの光を集光して表示素子13に導く集光手段であり、例えばシリンダレンズで構成されている。拡散手段16は、光源11から出射された光を拡散するものであり、本実施形態では、入射光をX方向には40度拡散し、Y方向には0.5度拡散する2枚の一方向拡散板16a・16bで構成されている。   The illumination optical system 12 includes a condenser lens 15 and a diffusing unit 16. The condensing lens 15 is a condensing unit that condenses the light from the light source 11 in the Y direction and guides it to the display element 13, and is configured by a cylinder lens, for example. The diffusing means 16 diffuses the light emitted from the light source 11. In this embodiment, the diffusion means 16 diffuses incident light by 40 degrees in the X direction and diffuses 0.5 degrees in the Y direction. It consists of direction diffusion plates 16a and 16b.

なお、拡散手段16は、1枚の一方向拡散板で構成されてもよい。また、本実施形態では、拡散手段16は、集光レンズ15に対して光源11とは反対側に配置されているが、光源11側に配置されてもよい。ちなみに、図3は、集光レンズ15に対して光源11側に拡散手段16を配置した映像表示装置1の断面図であり、図4は、その映像表示装置1の主要部(筐体30の内部)の外観を示す斜視図である。   The diffusing unit 16 may be composed of a single unidirectional diffuser. In the present embodiment, the diffusing unit 16 is disposed on the side opposite to the light source 11 with respect to the condenser lens 15, but may be disposed on the light source 11 side. Incidentally, FIG. 3 is a cross-sectional view of the video display device 1 in which the diffusing means 16 is disposed on the light source 11 side with respect to the condenser lens 15, and FIG. FIG.

図1に示した表示素子13は、光源11からの出射光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、例えば、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過型のLCDで構成されている。表示素子13は、矩形の表示領域の長辺方向がX方向となり、短辺方向がY方向となるように配置されている。なお、表示素子13がLCDで構成される場合、最も外側に配置されるカバーガラスの液晶層側の面を、映像が表示される表示面と称することとする。   The display element 13 shown in FIG. 1 modulates the light emitted from the light source 11 in accordance with image data and displays an image. For example, the display element 13 has a matrix of pixels that are areas through which light is transmitted. Type LCD. The display element 13 is arranged such that the long side direction of the rectangular display region is the X direction and the short side direction is the Y direction. In addition, when the display element 13 is comprised by LCD, the surface by the side of the liquid crystal layer of the cover glass arrange | positioned on the outermost side shall be called the display surface where an image | video is displayed.

透過性カバー14は、表示素子13からの映像光を透過させて接眼光学系20に導くものであり、本実施形態では例えばレンズで構成されている。なお、透過性カバー14の配置位置の詳細については後述する。透過性カバー14をレンズで構成することにより、後述する接眼光学系20の光学パワーの一部を透過性カバー14に持たせることができる。つまり、光学パワーを透過性カバー14と接眼光学系20とに分散させることができる。これにより、収差を良好に低減した高品質の映像を観察者に観察させることができる。なお、透過性カバー14は、光学パワーを有しない透明な基板やフィルムで構成されていてもよい。   The transmissive cover 14 transmits image light from the display element 13 and guides it to the eyepiece optical system 20. In the present embodiment, the transmissive cover 14 is constituted by a lens, for example. Details of the arrangement position of the transmissive cover 14 will be described later. By configuring the transmissive cover 14 with a lens, the transmissive cover 14 can have a part of optical power of an eyepiece optical system 20 to be described later. That is, the optical power can be dispersed in the transmissive cover 14 and the eyepiece optical system 20. As a result, the observer can observe a high-quality image in which aberrations are favorably reduced. The transmissive cover 14 may be formed of a transparent substrate or film that does not have optical power.

以上のように、本実施形態では、表示手段10を覆う筐体30が、接眼光学系20の一部を構成する接眼プリズム21の一端部で支持されており、表示手段10および接眼プリズム21の一端部のみを筐体30で覆うので、表示手段10および接眼光学系20の全体を筐体30で覆う構成に比べて、筐体30が小型で軽量となり、小型で軽量の映像表示装置1を実現することが可能となる。また、筐体30が小型になることにより、装置の組み立て時に空気中の塵埃等の異物が筐体30内に残留しにくくなり、上記異物に起因して映像品質が低下するのを回避することができる。   As described above, in the present embodiment, the housing 30 that covers the display unit 10 is supported by one end of the eyepiece prism 21 that constitutes a part of the eyepiece optical system 20. Since only one end is covered with the housing 30, the housing 30 is smaller and lighter than the configuration in which the entire display unit 10 and the eyepiece optical system 20 are covered with the housing 30. It can be realized. Further, since the housing 30 is downsized, foreign matter such as dust in the air is less likely to remain in the housing 30 when the apparatus is assembled, and image quality is prevented from being deteriorated due to the foreign matter. Can do.

また、表示手段10および接眼プリズム21は、同じ筐体30で位置決めされているので、互いの位置決めの精度を高めることができる。映像表示装置1においては、表示手段10の表示素子13の表示面と接眼プリズム21との位置関係はシビアであり、その位置関係がずれると、収差が大きく発生して良好な映像観察ができなくなる。しかし、表示手段10と接眼プリズム21とを精度よく位置決めできれば、接眼光学系20において収差の発生を良好に抑えることができる部分を利用して、映像光を光学瞳Eに導くことができるので、良好な映像観察が可能となる。また、表示手段10と接眼プリズム21を直接位置決めして予め固定する構成の場合よりも、小型の筐体30とすることができる。   Moreover, since the display means 10 and the eyepiece prism 21 are positioned by the same housing | casing 30, the accuracy of mutual positioning can be improved. In the video display device 1, the positional relationship between the display surface of the display element 13 of the display unit 10 and the eyepiece prism 21 is severe. If the positional relationship is deviated, a large amount of aberration occurs, and good video observation cannot be performed. . However, if the display means 10 and the eyepiece prism 21 can be accurately positioned, the image light can be guided to the optical pupil E by using a portion that can satisfactorily suppress the occurrence of aberration in the eyepiece optical system 20. Good video observation is possible. Further, the housing 30 can be made smaller than the case where the display unit 10 and the eyepiece prism 21 are directly positioned and fixed in advance.

また、表示手段10がユニット化されていることにより、映像表示装置1の組み立てが容易となり、装置の製造コストも低減することができる。ここで、本実施形態では、表示手段10は、少なくとも表示面と透過性カバー14との間には開口が形成されないようにユニット化されている。上記両者の間に開口が形成されていると、装置の組み立て時等において、空気中の異物が上記開口を介して表示面と透過性カバー14との間に進入し、上記異物が表示面に付着するおそれがあるが、少なくとも上記両者の間には開口がないので、そのような事態が生ずるのを回避することができる。   Further, since the display means 10 is unitized, the video display device 1 can be easily assembled and the manufacturing cost of the device can be reduced. Here, in this embodiment, the display means 10 is unitized so that an opening is not formed at least between the display surface and the transmissive cover 14. If an opening is formed between the two, foreign matter in the air enters between the display surface and the transmissive cover 14 through the opening when the apparatus is assembled, and the foreign matter enters the display surface. Although there is a possibility of adhering, since there is no opening between at least the two, occurrence of such a situation can be avoided.

なお、表示手段10は、表示面から光源11側においては、若干の開口(隙間)を有していてもよい。表示面から光源11側の位置に開口が形成されている場合は、たとえその開口を介して異物が表示手段10の内部に進入したとしても、その異物は表示面に届くまでに他の部材に付着し、最終的に表示面に付着することはほとんどないと考えられるからである。また、一般に正視眼で観察しやすいように、虚像は、−3ディオプタ〜0ディオプタ(観察者の瞳位置から距離にして30cm〜∞)の位置に設定されるので、表示面よりも光源11側の異物は+視度となって正視眼ではピントが合いにくく、観察されにくい。なお、上記のディオプタとは、光学系(例えばレンズ)の焦点距離をメートルで表した値の逆数(−1/m)で表され、視度、すなわち光学系の度数(屈折力)を示す単位として一般的に用いられているものである。   The display unit 10 may have a slight opening (gap) on the light source 11 side from the display surface. In the case where an opening is formed at a position on the light source 11 side from the display surface, even if a foreign object enters the inside of the display means 10 through the opening, the foreign material reaches other members before reaching the display surface. This is because it is considered that it hardly adheres and finally adheres to the display surface. Further, since the virtual image is generally set at a position of −3 to 0 diopter (distance from the observer's pupil position is 30 cm to ∞) so that it can be easily observed with a normal eye, it is closer to the light source 11 than the display surface. This foreign object becomes + diopter and is difficult to focus with a normal eye and is difficult to observe. The diopter is a unit representing the diopter, that is, the power (refractive power) of the optical system, represented by the reciprocal (−1 / m) of the value of the focal length of the optical system (for example, a lens) expressed in meters. Is commonly used.

(2−2.接眼光学系について)
次に、接眼光学系20の詳細について説明する。接眼光学系20は、表示素子13に表示される映像の拡大虚像を観察者に提供する虚像接眼光学系であり、接眼プリズム21と、偏向プリズム22と、ホログラム光学素子23とを有して構成されている。
(2-2. Eyepiece optical system)
Next, details of the eyepiece optical system 20 will be described. The eyepiece optical system 20 is a virtual image eyepiece optical system that provides an observer with an enlarged virtual image of an image displayed on the display element 13, and includes an eyepiece prism 21, a deflection prism 22, and a hologram optical element 23. Has been.

接眼プリズム21は、表示素子13から透過性カバー14を介して入射する映像光を内部で全反射させてホログラム光学素子23を介して光学瞳Eに導く一方、外光を透過させて光学瞳Eに導く透明基板であり、偏向プリズム22とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム21は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にし、その上端部を上端に近くなるほど厚くした形状で構成されている。また、接眼プリズム21は、その下端部に配置されるホログラム光学素子23を挟むように、偏向プリズム22と接着剤で接合されている。   The eyepiece prism 21 totally reflects image light incident from the display element 13 via the transmissive cover 14 and guides it to the optical pupil E via the hologram optical element 23, while transmitting external light to the optical pupil E. A transparent substrate that leads to the light source, and is made of, for example, an acrylic resin together with the deflecting prism 22. The eyepiece prism 21 is formed in a shape in which the lower end portion of the parallel plate is thinned toward the lower end so as to be wedge-shaped, and the upper end portion thereof is thickened toward the upper end. Further, the eyepiece prism 21 is joined to the deflection prism 22 with an adhesive so as to sandwich the hologram optical element 23 disposed at the lower end thereof.

偏向プリズム22は、平面視で略U字型の平行平板で構成されており(図2(c)参照)、接眼プリズム21の下端部および両側面部(左右の各端面)と貼り合わされたときに、接眼プリズム21と一体となって略平行平板となるものである。この偏向プリズム22を接眼プリズム21に接合することにより、観察者が接眼プリズム21を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。   The deflection prism 22 is formed of a substantially U-shaped parallel plate in plan view (see FIG. 2C), and is bonded to the lower end portion and both side surface portions (left and right end surfaces) of the eyepiece prism 21. The eyepiece prism 21 is integrated into a substantially parallel flat plate. By joining the deflecting prism 22 to the eyepiece prism 21, it is possible to prevent distortion of the external image observed by the observer through the eyepiece prism 21.

ホログラム光学素子23は、表示素子13からの映像光を回折反射させて光学瞳Eに導くと同時に、外光をほとんど透過させて光学瞳Eに導くものであり、光源11が発光するRGBの各波長に対応した波長に回折効率のピークを有する体積位相型の反射型ホログラムで構成されている。体積位相型の反射型ホログラムは、反射波長域(回折効率ピークの半値波長幅)が狭く、外光の透過率が高いので、観察者は表示映像(虚像)を観察しながら、外界像をシースルーで観察することが可能となる。特に、本実施形態では、上述したように、接眼光学系20の全体が筐体30で覆われないので、広いシースルー領域が確保されていることになる。   The hologram optical element 23 diffracts and reflects the image light from the display element 13 and guides it to the optical pupil E. At the same time, the hologram optical element 23 transmits most of the external light and guides it to the optical pupil E. It is composed of a volume phase type reflection hologram having a diffraction efficiency peak at a wavelength corresponding to the wavelength. Volume phase reflection holograms have a narrow reflection wavelength range (half-value wavelength width of diffraction efficiency peak) and high external light transmittance, so the observer sees through the external image while observing the display image (virtual image). It becomes possible to observe. In particular, in the present embodiment, as described above, since the entire eyepiece optical system 20 is not covered with the housing 30, a wide see-through region is secured.

また、ホログラム光学素子23は、軸非対称な正の光学パワーを有しており、正のパワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。このように、接眼光学系20が軸非対称光学系を含む構成であることにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。   Further, the hologram optical element 23 has an axially asymmetric positive optical power, and has the same function as an aspherical concave mirror having a positive power. As described above, since the eyepiece optical system 20 includes the axially asymmetric optical system, the degree of freedom of arrangement of each optical member constituting the apparatus can be increased, and the apparatus can be easily reduced in size and can be improved. An aberration-corrected image can be provided to the observer.

(2−3.動作について)
次に、上記構成の映像表示装置1の動作について説明する。光源11から出射された光は、集光レンズ15にて集光された後、拡散手段16でX方向にのみ拡散され、RGBの混色が十分になされた均一な照明光として表示素子13に入射する。表示素子13に入射した光は、画像データに基づいて各画素ごとに変調され、映像光として出射される。つまり、表示素子13には、カラー映像が表示される。
(2-3. Operation)
Next, the operation of the video display device 1 having the above configuration will be described. The light emitted from the light source 11 is condensed by the condenser lens 15 and then diffused only in the X direction by the diffusing unit 16 and enters the display element 13 as uniform illumination light in which RGB color mixing is sufficiently performed. To do. The light incident on the display element 13 is modulated for each pixel based on the image data and is emitted as video light. That is, a color image is displayed on the display element 13.

表示素子13からの映像光は、透過性カバー14を透過し、接眼光学系20の接眼プリズム21の内部にその上端面(面21a)から入射し、対向する2つの面21b・21cで複数回全反射されて、ホログラム光学素子23に入射する。ホログラム光学素子23に入射した光は、そこで反射されて光学瞳Eに達する。光学瞳Eの位置では、観察者は、表示素子13に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。   The image light from the display element 13 is transmitted through the transmissive cover 14, enters the eyepiece prism 21 of the eyepiece optical system 20 from its upper end surface (surface 21 a), and multiple times on the two opposing surfaces 21 b and 21 c. The light is totally reflected and enters the hologram optical element 23. The light incident on the hologram optical element 23 is reflected there and reaches the optical pupil E. At the position of the optical pupil E, the observer can observe an enlarged virtual image of the video displayed on the display element 13.

一方、接眼プリズム21、偏向プリズム22およびホログラム光学素子23は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、表示素子13に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。   On the other hand, the eyepiece prism 21, the deflecting prism 22, and the hologram optical element 23 transmit almost all of the external light, so that the observer can observe the external image. Therefore, the virtual image of the image displayed on the display element 13 is observed while overlapping a part of the external image.

(3.透過性カバーの配置位置について)
次に、上記した表示手段10の透過性カバー14の配置位置の詳細について、引き続き図1に基づいて説明する。
(3. About the position of the permeable cover)
Next, details of the arrangement position of the transparent cover 14 of the display means 10 will be described with reference to FIG.

透過性カバー14は、表示素子13の表示面から接眼プリズム21側に空気層を介して配置されている。透過性カバー14と表示面との距離は、接眼光学系20による互いの虚像の視度の差が5ディオプタ以上となる距離に設定されている。また、透過性カバー14は、光軸に垂直な面に対して傾斜して設けられている。   The transparent cover 14 is disposed on the eyepiece prism 21 side from the display surface of the display element 13 via an air layer. The distance between the transmissive cover 14 and the display surface is set such that the difference in the diopter of the virtual images by the eyepiece optical system 20 is 5 diopters or more. Further, the transmissive cover 14 is provided to be inclined with respect to a plane perpendicular to the optical axis.

このように、透過性カバー14は、表示面と空気層を介して配置されているので、例えば、装置の組み立て時等における筐体30の取り付け、取り外し時に、空気中に異物が存在していても、それらの異物は透過性カバー14に付着し、表示面には直接付着しにくくなる。したがって、上記したように接眼光学系20の全体を筐体30で覆わない小型で軽量の映像表示装置1でありながら、装置の組み立て時等において表示面への異物の付着を低減して、高品質な映像を観察者に観察させることが可能となる。また、表示面への異物の付着を低減できるので、筐体30の全体を密閉する必要もなくなる。   As described above, since the permeable cover 14 is disposed through the display surface and the air layer, for example, foreign matter exists in the air when the housing 30 is attached or removed during assembly of the device or the like. However, these foreign substances adhere to the transmissive cover 14 and are difficult to adhere directly to the display surface. Therefore, as described above, the small and lightweight video display device 1 that does not cover the entire eyepiece optical system 20 with the housing 30 can reduce the adhesion of foreign matter to the display surface when the device is assembled. It is possible to make the observer observe a quality image. In addition, since the adhesion of foreign matter to the display surface can be reduced, it is not necessary to seal the entire housing 30.

また、表示素子13としてLCDを用いた場合、カバーガラスが表示面への異物の付着を防止する役目を果たすが、カバーガラスの厚さは、一般に例えば0.5mm程度と薄い。したがって、映像表示装置1において、接眼光学系20の焦点距離が例えば20mmから40mm程度に設定されると、カバーガラスの表面に異物が付着した場合には、その異物と表示面とは、接眼光学系20による互いの虚像の視度の差が1ディオプタ程度の距離差となる。この場合、映像と同時に異物が観察されてしまい、映像品質が損なわれる。なお、カバーガラスの厚さを厚くすることによって、映像品質の低下を回避することも可能であるが、その場合には、厚さの厚い特殊なカバーガラスが必要となって表示素子13のコストが増大し、また、表示素子13ひいては装置全体が重くなるので好ましくはない。   Further, when an LCD is used as the display element 13, the cover glass serves to prevent foreign matter from adhering to the display surface, but the cover glass is generally as thin as about 0.5 mm, for example. Therefore, in the image display device 1, when the focal length of the eyepiece optical system 20 is set to, for example, about 20 mm to 40 mm, when a foreign object adheres to the surface of the cover glass, the foreign object and the display surface are separated from the eyepiece optical system. The difference in diopter between virtual images by the system 20 is a distance difference of about 1 diopter. In this case, foreign matter is observed simultaneously with the video, and the video quality is impaired. Although it is possible to avoid a reduction in image quality by increasing the thickness of the cover glass, in that case, a special cover glass having a large thickness is required, and the cost of the display element 13 is increased. And the display element 13 and thus the entire apparatus become heavy.

しかし、本実施形態では、透過性カバー14を配置するという簡単な構成で、表示面への異物の付着を低減して、高品質な映像を観察者に観察させることができるので、カバーガラスの厚い特殊な表示素子13を用いる必要がなく、安価で軽量の映像表示装置1を実現することができる。   However, in this embodiment, the simple configuration of disposing the transmissive cover 14 can reduce the adhesion of foreign matter to the display surface and allow the observer to observe a high-quality image. It is not necessary to use a thick special display element 13, and an inexpensive and lightweight video display device 1 can be realized.

また、透過性カバー14と表示面との距離が、接眼光学系20による互いの虚像の視度の差が1ディオプタとなる距離であれば、上記したように、装置の組み立て時等において透過性カバー14に異物が付着したときに、その異物が瞬時に観察可能となる。しかし、本実施形態では、上記両虚像の視度の差は5ディオプタ以上であり、上記の1ディオプタよりも大きい。つまり、表示面に対して、異物が瞬時に観察される位置よりも距離を離して透過性カバー14を配置していることになる。したがって、例えば装置の組み立て時等において異物が透過性カバー14に付着したとしても、その異物は観察されにくくなり、高品質な映像を確実に観察者に観察させることが可能となる。   If the distance between the transmissive cover 14 and the display surface is such that the difference in the diopter of the virtual images of the eyepiece optical system 20 is 1 diopter, as described above, the transmissive cover 14 is transmissive when the apparatus is assembled. When foreign matter adheres to the cover 14, the foreign matter can be observed instantaneously. However, in this embodiment, the difference in diopter between the two virtual images is 5 diopters or more, and is larger than the 1 diopter. In other words, the transmissive cover 14 is arranged at a distance from the display surface from the position where the foreign object is observed instantaneously. Therefore, for example, even when a foreign object adheres to the transmissive cover 14 when the apparatus is assembled, the foreign object is hardly observed, and a high-quality image can be surely observed by the observer.

また、5ディオプタは、例えば20cmと無限遠との距離差に相当するので、観察時に表示映像にピントを合わせたときでも、透過性カバー14に付着した異物は十分にピンボケとなり、観察されにくくなる。したがって、この点でも、高品質な映像を確実に観察者に観察させることができると言える。   In addition, since 5 diopters correspond to a distance difference between 20 cm and infinity, for example, even when the display image is focused at the time of observation, the foreign matter adhering to the transmissive cover 14 is sufficiently out of focus and difficult to observe. . Therefore, in this respect as well, it can be said that the observer can surely observe a high-quality image.

ところで、透過性カバー14と表示面との距離は、接眼光学系20による互いの虚像の視度の差が10ディオプタ以上となる距離であることが望ましい。10ディオプタは、人間(成人)の目のピントの最大調整範囲を示す。つまり、成人には、表示映像の虚像との視度の差が10ディオプタ以上となる像は観察されない。したがって、透過性カバー14と表示面との距離を上記のように設定することにより、異物が透過性カバー14に付着したとしても、観察者にとってはその異物が確実にピンボケとなり、観察される映像(虚像)の品位が低下するのを確実に防止することができる。   By the way, it is desirable that the distance between the transmissive cover 14 and the display surface is a distance at which the difference in the diopter of the virtual images by the eyepiece optical system 20 is 10 diopters or more. 10 diopters indicate the maximum adjustment range of the focus of a human (adult) eye. In other words, an image in which the difference in diopter from the virtual image of the display image is 10 diopters or more is not observed by an adult. Therefore, by setting the distance between the transmissive cover 14 and the display surface as described above, even if the foreign matter adheres to the transmissive cover 14, the foreign matter is surely out of focus for the observer, and the observed image It is possible to reliably prevent the quality of the (virtual image) from deteriorating.

また、本実施形態では、透過性カバー14は、光軸に垂直な面に対して傾斜して配置されているので、表示素子13の表示面のある画素から出射された映像光が透過性カバー14にて表面反射されても、その反射光(戻り光)が、表示面の別の画素から出射された映像光に重畳されるのを抑えることができる。その結果、フレアやゴーストの発生を抑えることができる。   In the present embodiment, since the transmissive cover 14 is disposed to be inclined with respect to a plane perpendicular to the optical axis, video light emitted from a pixel having a display surface of the display element 13 is transmissive cover. Even if it is surface-reflected at 14, the reflected light (return light) can be prevented from being superimposed on the video light emitted from another pixel on the display surface. As a result, the occurrence of flare and ghost can be suppressed.

(4.その他)
本実施形態では、筐体30が接眼プリズム21の一端部で支持されることにより、接眼プリズム21の一部が筐体30で覆われる(隠れる)。そこで、接眼プリズム21の識別情報(例えば、製造番号など)を、外部から視認できないように、接眼プリズム21において筐体30で覆われる部分に記すようにしてもよい。また、接眼プリズム21と偏向プリズム22との接合面における接着剤を集める溝(いわゆる接着剤残り)を、筐体30で隠れる接合部に設けるようにしてもよい。この場合、その他の接合部における接合端を小さくすることができるので、観察者は接眼プリズム21および偏向プリズム22を介して外界を良好に観察することが可能となる。
(4. Other)
In the present embodiment, the housing 30 is supported by one end of the eyepiece prism 21, so that a part of the eyepiece prism 21 is covered (hidden) by the housing 30. Therefore, identification information (for example, a serial number) of the eyepiece prism 21 may be written on a portion of the eyepiece prism 21 that is covered with the housing 30 so that it cannot be visually recognized from the outside. Further, a groove (so-called adhesive residue) for collecting the adhesive on the joint surface between the eyepiece prism 21 and the deflecting prism 22 may be provided in the joint portion hidden by the housing 30. In this case, since the joint ends in the other joints can be made small, the observer can observe the outside world satisfactorily through the eyepiece prism 21 and the deflection prism 22.

また、表示手段10の表示素子13に近接して視野枠を設け、表示素子13の表示部以外の周囲の不要光を視野枠で遮光するようにしてもよい。そして、さらに、表示素子13の一部を視野枠で支持して表示素子13を位置決めする構成としてもよい。この場合、上記の視野枠が位置決め部材を兼ねるので、低コストでありながら、表示素子13に視野枠が近接しているので、表示素子13を確実に精度よく位置決めすることができる。   Further, a field frame may be provided in the vicinity of the display element 13 of the display unit 10 so that unnecessary light in the area other than the display portion of the display element 13 is shielded by the field frame. Further, the display element 13 may be positioned by supporting a part of the display element 13 with a field frame. In this case, since the field frame also serves as a positioning member, the field frame is close to the display element 13 at a low cost, so that the display element 13 can be positioned accurately and accurately.

〔実施の形態2〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態1と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 2]
The following will describe another embodiment of the present invention with reference to the drawings. For convenience of explanation, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same member numbers, and the description thereof is omitted.

図5は、本実施形態の映像表示装置1の概略の構成を示す断面図であり、図6は、図5の映像表示装置1の筐体30を取り除いた部分の断面図であり、図7は、本実施形態の映像表示装置1の表示手段10の概略の構成を模式的に示す説明図である。本実施形態では、表示素子13の代わりに反射型の表示素子13’を用い、照明光学系12および透過性カバー14の構成を若干異ならせた点以外は、実施の形態1と全く同様である。つまり、透過性カバー14が表示素子13’の表示面と空気層を介して配置されている点や、表示手段10がユニット化されている点など、他の構成については、実施の形態1と全く同様である。   FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the video display device 1 of the present embodiment, and FIG. 6 is a cross-sectional view of a portion of the video display device 1 shown in FIG. These are explanatory drawings schematically showing a schematic configuration of the display means 10 of the video display device 1 of the present embodiment. In the present embodiment, a reflective display element 13 ′ is used instead of the display element 13, and the configurations of the illumination optical system 12 and the transmissive cover 14 are slightly different. . That is, other configurations such as the point that the transmissive cover 14 is disposed through the display surface of the display element 13 ′ and the air layer, and the point that the display unit 10 is unitized are the same as those in the first embodiment. It is exactly the same.

表示素子13’は、反射型の表示素子である。このような表示素子13’としては、例えば反射型のLCDや、DMD(Digital Micromirror Device;米国テキサスインスツルメント社製)を考えることができる。   The display element 13 'is a reflective display element. As such a display element 13 ′, for example, a reflective LCD or a DMD (Digital Micromirror Device; manufactured by Texas Instruments Inc., USA) can be considered.

照明光学系12は、反射ミラー17と偏光板18とを有して構成されている。なお、照明光学系12は、反射ミラー17と偏光板18との間に、実施の形態1の拡散手段16(図1参照)と同様の拡散手段を有していてもよい。   The illumination optical system 12 includes a reflection mirror 17 and a polarizing plate 18. The illumination optical system 12 may have a diffusing unit similar to the diffusing unit 16 (see FIG. 1) of the first embodiment between the reflecting mirror 17 and the polarizing plate 18.

反射ミラー17は、光源11から出射された光を反射させて表示素子13’に導くものであり、入射光を表示素子13’の表示領域上に反射集光させている。本実施形態では、反射ミラー17は、例えば凹面ミラーで構成されているが、球面ミラーであってもよいし、シリンドリカル凹面ミラーであってもよい。   The reflection mirror 17 reflects the light emitted from the light source 11 and guides it to the display element 13 ′, and reflects and condenses the incident light on the display area of the display element 13 ′. In the present embodiment, the reflection mirror 17 is constituted by a concave mirror, for example, but may be a spherical mirror or a cylindrical concave mirror.

偏光板18は、光源11から出射された光のうち、所定の偏光方向の光(ここではP偏光)を透過させて反射ミラー17に導くとともに、反射ミラー17にて光路を折り曲げられた光であって上記所定の偏光方向と同じ偏光方向の光(ここではP偏光)を透過させて表示素子13’に導く。   The polarizing plate 18 transmits light of a predetermined polarization direction (here, P-polarized light) out of the light emitted from the light source 11 and guides it to the reflection mirror 17, and the light whose optical path is bent by the reflection mirror 17. Then, light having the same polarization direction as the predetermined polarization direction (here, P-polarized light) is transmitted and guided to the display element 13 ′.

偏光板18の配置によって表示素子13’に入射させる光をP偏光とすることにより、入射光をS偏光とする場合に比べて、表示素子13’での表面反射(フレネルロス)を抑えることができる。つまり、P偏光の場合は、S偏光と違って、表面での反射率がゼロとなるような入射角(ブリュースター角)が存在するため、光量損失を抑えることができる。その結果、光量損失に起因する映像品位の低下を回避することができる。   By making light incident on the display element 13 ′ into P-polarized light by disposing the polarizing plate 18, surface reflection (Fresnel loss) on the display element 13 ′ can be suppressed as compared with the case where incident light is made S-polarized light. . That is, in the case of P-polarized light, unlike S-polarized light, there is an incident angle (Brewster angle) at which the reflectance at the surface becomes zero, and thus it is possible to suppress the light amount loss. As a result, it is possible to avoid a reduction in video quality due to light loss.

透過性カバー14は、本実施形態では、光学的機能を有する光学フィルムで構成されている。より具体的には、透過性カバー14は、所定の直線偏光を透過させる偏光板で構成されている。この偏光板は、ホログラム光学素子23における反射時のS偏光を透過させるように配置されている。すなわち、偏光板18と透過性カバー14とは、偏光方向が互いに直交している。   In this embodiment, the transmissive cover 14 is made of an optical film having an optical function. More specifically, the transmissive cover 14 is composed of a polarizing plate that transmits predetermined linearly polarized light. This polarizing plate is disposed so as to transmit S-polarized light when reflected by the hologram optical element 23. That is, the polarizing direction of the polarizing plate 18 and the transmissive cover 14 are orthogonal to each other.

上記の構成によれば、光源11から出射された光のうち、例えばP偏光は、偏光板18を透過し、反射ミラー17にて反射された後、再び偏光板18を透過して表示素子13’に入射する。表示素子13’では入射光が変調され、映像光(S偏光)となって出射される。この映像光は、偏光板からなる透過性カバー14を透過し、接眼光学系20を介して光学瞳Eに導かれる。   According to the above configuration, of the light emitted from the light source 11, for example, P-polarized light passes through the polarizing plate 18, is reflected by the reflection mirror 17, and then passes through the polarizing plate 18 again to display the display element 13. 'Is incident. In the display element 13 ′, incident light is modulated and emitted as image light (S-polarized light). This image light passes through the transmissive cover 14 formed of a polarizing plate and is guided to the optical pupil E through the eyepiece optical system 20.

このように、本実施形態では、透過性カバー14が偏光板という光学フィルムで構成されており、装置の組み立て時等における表示面への異物の付着を防止する機能のみならず、所定の直線偏光を透過させる偏光板の機能も有しているので、そのような偏光板を透過性カバー14とは別に設ける場合に比べて低コストで装置を構成することが可能となり、また、装置の構成を簡素化することも可能となる。   As described above, in this embodiment, the transmissive cover 14 is composed of an optical film called a polarizing plate, which not only has a function of preventing foreign matter from adhering to the display surface during assembly of the apparatus, but also a predetermined linearly polarized light. Therefore, the apparatus can be configured at a lower cost than the case where such a polarizing plate is provided separately from the transmissive cover 14, and the configuration of the apparatus can be reduced. It can also be simplified.

特に、透過性カバー14は、ホログラム光学素子23における反射時のS偏光を透過させる偏光板で構成されているので、ホログラム光学素子23に入射させる光をS偏光として、ホログラム光学素子23で高い回折効率を得ることができ、観察者に明るい映像を観察させることが可能となる。   In particular, since the transmissive cover 14 is composed of a polarizing plate that transmits S-polarized light when reflected by the hologram optical element 23, the light incident on the hologram optical element 23 is converted to S-polarized light and is highly diffracted by the hologram optical element 23. Efficiency can be obtained and a bright image can be observed by the observer.

〔実施の形態3〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、説明の便宜上、実施の形態1・2と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。
[Embodiment 3]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to the drawings. For convenience of explanation, the same components as those in the first and second embodiments are denoted by the same member numbers, and the description thereof is omitted.

図8は、本実施形態の映像表示装置1の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の映像表示装置1は、透過型の表示素子13を用いている点では実施の形態1と同様であるが、照明光学系12、透過性カバー14および接眼光学系20の構成を若干変更した点で実施の形態1とは異なっている。   FIG. 8 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the video display device 1 of the present embodiment. The video display apparatus 1 of the present embodiment is the same as that of the first embodiment in that the transmissive display element 13 is used, but the configurations of the illumination optical system 12, the transmissive cover 14, and the eyepiece optical system 20 are slightly different. This is different from the first embodiment in the changed point.

照明光学系12は、2つの反射ミラー17・19を有しており、光源11からの光を反射ミラー17・19で順に反射させて表示素子13に導く。反射ミラー17は、例えばシリンドリカル凹面ミラーで構成され、反射ミラー19は、例えば平面ミラーで構成されている。透過性カバー14は、本実施形態では、入射する直線偏光をS偏光に変換して出射する1/2波長板で構成されている。つまり、透過性カバー14は、光学的機能を有する光学フィルムで構成されている点では、実施の形態2と同じである。   The illumination optical system 12 has two reflection mirrors 17 and 19, and sequentially reflects the light from the light source 11 by the reflection mirrors 17 and 19 and guides it to the display element 13. The reflection mirror 17 is composed of, for example, a cylindrical concave mirror, and the reflection mirror 19 is composed of, for example, a plane mirror. In this embodiment, the transmissive cover 14 is formed of a half-wave plate that converts incident linearly polarized light into S-polarized light and emits it. That is, the transmissive cover 14 is the same as that of the second embodiment in that it is made of an optical film having an optical function.

接眼光学系20は、軸非対称な正の光学パワーを有する第1のプリズム24と、第2のプリズム25とを貼り合わせて構成されている。第1のプリズム24は、表示素子13からの光の入射面24aと、反射面24bと、透過反射面24cとを有しており、各面が自由曲面で形成された自由曲面プリズムである。なお、透過反射面24cは、ホログラム光学素子が形成されたホログラム面であってもよい。第2のプリズム25は、第1のプリズム24の透過反射面24cに貼り合わされている。第1のプリズム24および第2のプリズム25は、実施の形態1の接眼プリズム21および偏向プリズム22にそれぞれ対応している。   The eyepiece optical system 20 is configured by bonding a first prism 24 having positive optical power that is axisymmetric and a second prism 25. The first prism 24 has a light incident surface 24a from the display element 13, a reflection surface 24b, and a transmission / reflection surface 24c. The first prism 24 is a free-form surface prism having a free-form surface. The transmission / reflection surface 24c may be a hologram surface on which a hologram optical element is formed. The second prism 25 is bonded to the transmission / reflection surface 24 c of the first prism 24. The first prism 24 and the second prism 25 correspond to the eyepiece prism 21 and the deflection prism 22 of the first embodiment, respectively.

光源11から出射された光は、照明光学系12の反射ミラー17・19で順次反射された後、表示素子13に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。この映像光は、透過性カバー14を介して、接眼光学系20の第1のプリズム24に入射面24aから内部に入射し、反射面24bで全反射された後、透過反射面24cで反射され、光学瞳Eに導かれる。観察者は、光学瞳Eに到達する光を瞳に入射させることにより、表示素子13の表示映像を第1のプリズム24の各面の合成パワーにより虚像として観察することができる。   The light emitted from the light source 11 is sequentially reflected by the reflection mirrors 17 and 19 of the illumination optical system 12, and then enters the display element 13, where it is modulated and emitted as image light. The image light enters the first prism 24 of the eyepiece optical system 20 from the incident surface 24a through the transmissive cover 14, is totally reflected by the reflective surface 24b, and then is reflected by the transmissive reflective surface 24c. , Guided to the optical pupil E. The observer can observe the display image of the display element 13 as a virtual image by the combined power of each surface of the first prism 24 by causing the light reaching the optical pupil E to enter the pupil.

本実施形態のように、透過性カバー14が、入射する直線偏光をS偏光に変換して出射する1/2波長板で構成されていることにより、表示素子13の表示面から出射される光がS偏光以外の直線偏光であっても、その光を透過性カバー14にてS偏光に変換して透過反射面24cに導くことができる。これにより、透過反射面24cがホログラム面である場合には、ホログラム光学素子にS偏光が入射することによって回折効率が高くなり、観察者に明るい映像を観察させることが可能となる。   As in the present embodiment, the transmissive cover 14 is formed of a half-wave plate that converts incident linearly polarized light into S-polarized light and emits the light, so that light emitted from the display surface of the display element 13 is emitted. Is linearly polarized light other than S-polarized light, the light can be converted to S-polarized light by the transmissive cover 14 and guided to the transmissive reflecting surface 24c. As a result, when the transmission / reflection surface 24c is a hologram surface, the S-polarized light is incident on the hologram optical element, so that the diffraction efficiency is increased and the observer can observe a bright image.

なお、1/2波長板の光学軸は、これに入射する直線偏光の偏光方向(振動方向)に応じて設定されればよい。つまり、図9に示すように、表示素子13の光出射側の偏光板から出射される直線偏光が1/2波長板に入射するときに、上記直線偏光の振動方向が1/2波長板の光学軸に対してθとなる角度で入射すると、上記直線偏光は、振動方向が2θだけ回転した直線偏光となって1/2波長板から射出される。したがって、入射する直線偏光の振動方向と1/2波長板の光学軸とのなす角を適切に設定することにより、1/2波長板からS偏光を出射させることができる。   Note that the optical axis of the half-wave plate may be set according to the polarization direction (vibration direction) of linearly polarized light incident thereon. That is, as shown in FIG. 9, when the linearly polarized light emitted from the polarizing plate on the light emitting side of the display element 13 is incident on the half-wave plate, the vibration direction of the linearly polarized light is that of the half-wave plate. When incident at an angle of θ with respect to the optical axis, the linearly polarized light is emitted from the half-wave plate as linearly polarized light whose vibration direction is rotated by 2θ. Therefore, S-polarized light can be emitted from the half-wave plate by appropriately setting the angle formed by the vibration direction of the incident linearly polarized light and the optical axis of the half-wave plate.

なお、各実施の形態で説明した構成を適宜組み合わせて映像表示装置1ひいてはHMDを実現することも勿論可能である。   Needless to say, the video display device 1 and thus the HMD can be realized by appropriately combining the configurations described in the embodiments.

本発明は、HMDに利用可能である。   The present invention is applicable to HMD.

本発明の実施の一形態に係るHMDに適用される映像表示装置の構成を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the structure of the video display apparatus applied to HMD which concerns on one Embodiment of this invention. (a)は、HMDの概略の構成を示す平面図であり、(b)は、HMDの側面図であり、(c)は、HMDの正面図である。(A) is a top view which shows the outline structure of HMD, (b) is a side view of HMD, (c) is a front view of HMD. 上記映像表示装置の他の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structure of the said video display apparatus. 上記他の構成の映像表示装置の主要部の外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the principal part of the video display apparatus of the said other structure. 本発明の他の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the outline of the video display apparatus concerning other embodiment of this invention. 上記映像表示装置の筐体を取り除いた部分の断面図である。It is sectional drawing of the part which removed the housing | casing of the said video display apparatus. 上記映像表示装置の表示手段の概略の構成を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure of the outline of the display means of the said video display apparatus. 本発明のさらに他の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the outline of the video display apparatus based on further another embodiment of this invention. 表示素子の偏光板を透過した直線偏光の振動方向と、1/2波長板の光学軸と、1/2波長板を透過した後の映像光の振動方向を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the vibration direction of the linearly polarized light which permeate | transmitted the polarizing plate of the display element, the optical axis of a 1/2 wavelength plate, and the vibration direction of the image light after permeate | transmitting a 1/2 wavelength plate.

符号の説明Explanation of symbols

1 映像表示装置
2 支持手段
10 表示手段
11 光源
12 照明光学系
13 表示素子
13’ 表示素子
14 透過性カバー
20 接眼光学系(虚像接眼光学系)
21 接眼プリズム(透明基板)
23 ホログラム光学素子
30 筐体
E 光学瞳
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Image display apparatus 2 Support means 10 Display means 11 Light source 12 Illumination optical system 13 Display element 13 'Display element 14 Transmissive cover 20 Eyepiece optical system (virtual image eyepiece optical system)
21 Eyepiece prism (transparent substrate)
23 Hologram optical element 30 Case E Optical pupil

Claims (13)

透明基板を有する虚像接眼光学系と、
透明基板の一端側に配置され、表示素子を有する表示手段と、
表示手段を覆う筐体とを備え、表示手段からの映像光を透明基板の内部で反射させて光学瞳に導く映像表示装置であって、
筐体は、透明基板に支持されており、
表示手段は、表示素子の表示面から透明基板側に空気層を介して配される透過性カバーを有していることを特徴とする映像表示装置。
A virtual image eyepiece optical system having a transparent substrate;
A display means disposed on one end of the transparent substrate and having a display element;
A video display device comprising: a housing that covers the display means, and reflecting video light from the display means inside the transparent substrate to guide the optical pupil;
The housing is supported by a transparent substrate,
The video display apparatus, wherein the display means includes a transmissive cover disposed on the transparent substrate side from the display surface of the display element via an air layer.
透過性カバーと表示面との距離は、虚像接眼光学系による互いの虚像の視度の差が5ディオプタ以上となる距離であることを特徴とする請求項1に記載の映像表示装置。   The video display device according to claim 1, wherein the distance between the transmissive cover and the display surface is a distance at which a difference in diopter between virtual images by the virtual image eyepiece optical system is 5 diopters or more. 表示手段は、光源と、光源からの光を表示素子に導く照明光学系とをさらに有しており、光源、照明光学系、表示素子および透過性カバーがユニット化された表示ユニットであることを特徴とする請求項1または2に記載の映像表示装置。   The display means further includes a light source and an illumination optical system that guides light from the light source to the display element, and the display unit is a display unit in which the light source, the illumination optical system, the display element, and the transmissive cover are unitized. The video display apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that 表示ユニットは、表示面と透過性カバーとの間に開口を有さずに形成されていることを特徴とする請求項3に記載の映像表示装置。   The video display device according to claim 3, wherein the display unit is formed without an opening between the display surface and the transmissive cover. 虚像接眼光学系は、軸非対称光学系を含んでいることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の映像表示装置。   The video display apparatus according to claim 1, wherein the virtual image eyepiece optical system includes an axially asymmetric optical system. 虚像接眼光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を含んでおり、
上記ホログラム光学素子は、表示素子からの映像光を回折反射させて光学瞳に導くと同時に、外光を透過させて光学瞳に導くことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の映像表示装置。
The virtual image eyepiece optical system includes a volume phase type reflection hologram optical element,
6. The hologram optical element according to claim 1, wherein the hologram optical element diffracts and reflects the image light from the display element and guides it to the optical pupil, and simultaneously transmits external light and guides it to the optical pupil. Video display device.
透過性カバーと表示面との距離は、虚像接眼光学系による互いの虚像の視度の差が10ディオプタ以上となる距離であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の映像表示装置。   The image according to any one of claims 1 to 6, wherein the distance between the transparent cover and the display surface is a distance at which a difference in diopter between virtual images by the virtual image eyepiece optical system is 10 diopters or more. Display device. 表示手段および透明基板は、上記筐体にて位置決めされていることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の映像表示装置。   The video display device according to claim 1, wherein the display unit and the transparent substrate are positioned in the housing. 透過性カバーは、光軸に垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の映像表示装置。   The video display device according to claim 1, wherein the transmissive cover is inclined with respect to a plane perpendicular to the optical axis. 透過性カバーは、光学的機能を有する光学フィルムであることを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載の映像表示装置。   The image display device according to claim 1, wherein the transmissive cover is an optical film having an optical function. 透過性カバーは、ホログラム光学素子における反射時のS偏光を透過させる偏光板であることを特徴とする請求項6に記載の映像表示装置。   The image display device according to claim 6, wherein the transmissive cover is a polarizing plate that transmits S-polarized light when reflected by the hologram optical element. 透過性カバーは、入射する直線偏光をS偏光に変換して出射する1/2波長板であることを特徴とする請求項10に記載の映像表示装置。   The image display device according to claim 10, wherein the transmissive cover is a half-wave plate that converts incident linearly polarized light into S-polarized light and emits the converted light. 請求項1から12のいずれかに記載の映像表示装置と、
上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
A video display device according to any one of claims 1 to 12,
A head-mounted display comprising support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.
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