JP2009151065A - Video display device and head mount display - Google Patents

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JP2009151065A JP2007328473A JP2007328473A JP2009151065A JP 2009151065 A JP2009151065 A JP 2009151065A JP 2007328473 A JP2007328473 A JP 2007328473A JP 2007328473 A JP2007328473 A JP 2007328473A JP 2009151065 A JP2009151065 A JP 2009151065A
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Yoshie Shimizu
佳恵 清水
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a video display device easily adjusting the position of an optical pupil E while constituting an eye piece optical system 4 compactly. <P>SOLUTION: A luminous flux diameter switching mechanism 30 for switching a luminous flux diameter of light emitted from a light source 11 is disposed such that the following relation holds; ϕView<ϕAli, wherein ϕView denotes the luminous flux diameter of light passing through the optical pupil E in the video observation state and ϕAli denotes the luminous flux diameter of light passing through the optical pupil E in the position adjustment state of the optical pupil E. The luminous flux diameter switching mechanism 30 is constituted of a diaphragm 31, for example. By switching the luminous flux diameter by the use of the diaphragm 31, the relation of ϕView<ϕAli is satisfied and, as the result, an observer easily confirms the position of the optical pupil E in the position adjustment state. An effective optical path region of the eye piece optical system 4 in the position adjustment state is included in an effective optical path region of the eye piece optical system 4 in the video observation state and the relation of ϕView<ϕAli is satisfied without enlarging the eye piece optical system 4. <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.

常時装着して映像を観察することができるHMDは、映像の視認性がよく、調整部分が少なく、小型軽量であることが望まれる。このようなHMDは、光学瞳(射出瞳)を通過する光の光束径が小さくなるような接眼光学系(極限はマクスウェル視となるもの)を用いることによって実現することが可能である。つまり、このような接眼光学系を用いることにより、焦点深度が深くなるため、対応視度が広くなり、視度補正等の調整なしで映像を観察することが可能となる。また、光学瞳を通過する光の光束径が小さいので、接眼光学系の有効光路領域を小さくすることができ、接眼光学系ひいてはHMDの小型軽量化を実現することができる。   An HMD that can be always mounted and observe an image is desired to have good image visibility, a small adjustment portion, and a small size and light weight. Such an HMD can be realized by using an eyepiece optical system (the limit is Maxwell's view) that reduces the light beam diameter of light passing through the optical pupil (exit pupil). That is, by using such an eyepiece optical system, the depth of focus is deepened, so the corresponding diopter is widened, and an image can be observed without adjustment such as diopter correction. In addition, since the light beam diameter of the light passing through the optical pupil is small, the effective optical path area of the eyepiece optical system can be reduced, and the eyepiece optical system and thus the HMD can be reduced in size and weight.

ところで、HMDでの映像の観察時には、観察者の瞳の位置と接眼光学系の光学瞳の位置とを合わせる必要があるが、接眼光学系の光学瞳が小さいと、観察者自身が位置合わせの目標位置(例えば光学瞳の中心位置)を確認しづらくなる。そこで、例えば特許文献1のHMDでは、観察者の眼球に投影する光束と観察者の眼球との間の位置関係を検出手段が検出し、検出された位置関係に応じて、移動手段が観察者の眼球に投影する光束を移動させている。これにより、観察者は、自身による位置調整を行うことなく、映像を観察することが可能となっている。   By the way, when observing an image with the HMD, it is necessary to match the position of the pupil of the observer with the position of the optical pupil of the eyepiece optical system. It is difficult to confirm the target position (for example, the center position of the optical pupil). Therefore, for example, in the HMD disclosed in Patent Document 1, the detection unit detects the positional relationship between the light beam projected on the observer's eyeball and the observer's eyeball, and the moving unit moves the observer according to the detected positional relationship. The light beam projected onto the eyeball is moved. As a result, the observer can observe the image without adjusting the position by himself / herself.

しかし、特許文献1の構成では、位置関係の検出手段と光束の移動手段とを設けることによって、システム全体が大きくなり、重くなってしまう。したがって、そのような構成は、長時間装着するHMDに向いているとは言えない。   However, in the configuration of Patent Document 1, the entire system becomes large and heavy by providing the positional relationship detection means and the light flux moving means. Therefore, it cannot be said that such a configuration is suitable for an HMD that is worn for a long time.

一方、例えば特許文献2のHMDでは、複数の照明用点光源のうち、観察者の瞳孔位置と共役な位置にある点光源のみを選択して点灯するようにしている。これにより、上記のような機械的な手段を用いた位置合わせを不要としている。   On the other hand, for example, in the HMD of Patent Document 2, only a point light source located at a position conjugate with the pupil position of the observer is selected and lit from among a plurality of illumination point light sources. This eliminates the need for alignment using the mechanical means as described above.

特開平7−311361号公報JP 7-311361 A 特開平8−211325号公報JP-A-8-213325

ところが、特許文献2のように照明用点光源を複数設ける構成では、位置合わせは容易である反面、接眼光学系において、映像を周辺まで観察するのに必要な有効光路領域を、全ての点光源に対して確保しなければならない。このため、本来の軸上に1点にのみ点光源を配置する構成に比べて、接眼光学系が大きくなってしまう。   However, in the configuration in which a plurality of illumination point light sources are provided as in Patent Document 2, the alignment is easy, but in the eyepiece optical system, the effective light path region necessary for observing the image to the periphery is all point light sources. Must be secured against. For this reason, the eyepiece optical system becomes larger than the configuration in which the point light sources are arranged at only one point on the original axis.

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、接眼光学系をコンパクトに構成しつつ、光学瞳の位置調整を容易に行う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 an object of the present invention is to provide an image display device capable of easily adjusting the position of the optical pupil while making the eyepiece optical system compact. Another object of the present invention is to provide an HMD equipped with the video display device.

本発明の映像表示装置は、光源と、光源からの光を変調して映像を表示する表示素子と、表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、観察者が光学瞳の位置で映像を観察する映像観察状態で、光学瞳を通過する光の光束径をφViewとし、光学瞳の位置を観察者の瞳位置に合わせるための位置調整状態で、光学瞳を通過する光の光束径をφAli としたときに、φView<φAli となるように、光源から射出される光の光束径を切り替える光束径切り替え手段をさらに備えており、位置調整状態での接眼光学系の有効光路領域は、映像観察状態での接眼光学系の有効光路領域に含まれていることを特徴としている。   An image display apparatus according to the present invention is an image display apparatus including a light source, a display element that displays an image by modulating light from the light source, and an eyepiece optical system that guides image light from the display element to an optical pupil. In the image observation state where the observer observes the image at the position of the optical pupil, the light beam diameter of the light passing through the optical pupil is φView, and the position is adjusted in order to adjust the position of the optical pupil to the observer's pupil position. , Further comprising a beam diameter switching means for switching the beam diameter of the light emitted from the light source so that φView <φAli when the beam diameter of the light passing through the optical pupil is φAli. The effective optical path region of the eyepiece optical system is included in the effective optical path region of the eyepiece optical system in the image observation state.

上記の構成によれば、光源からの光は、表示素子にて変調され、映像光として射出された後、接眼光学系によっ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、表示素子の表示映像(虚像)を観察することができる。   According to the above configuration, the light from the light source is modulated by the display element, emitted as image light, and then guided to the optical pupil by the eyepiece optical system. Therefore, the observer can observe the display image (virtual image) of the display element at the position of the optical pupil.

また、光束径切り替え手段による光源光の光束径の切り替えにより、光学瞳を通過する光の光束径が映像観察状態よりも位置調整状態で大きくなるので、位置調整状態において、観察者は、光学瞳の位置を確認しやすくなり、光学瞳の位置調整を容易に行うことができる。   In addition, since the light beam diameter of the light passing through the optical pupil becomes larger in the position adjustment state than in the image observation state by switching the light beam diameter of the light source light by the light beam diameter switching means, in the position adjustment state, the observer The position of the optical pupil can be easily confirmed, and the optical pupil position can be easily adjusted.

さらに、接眼光学系における位置調整状態での有効光路領域は、映像観察状態での有効光路領域に含まれているので、接眼光学系を大きく構成することなく、位置調整状態で光学瞳を通過する光の光束径を大きくすることができる。したがって、接眼光学系をコンパクトに構成しつつ、光学瞳の位置調整が容易な映像表示装置を実現することができる。   Further, since the effective optical path region in the position adjustment state in the eyepiece optical system is included in the effective optical path region in the image observation state, it passes through the optical pupil in the position adjustment state without configuring the eyepiece optical system large. The light beam diameter can be increased. Therefore, it is possible to realize an image display device in which the position of the optical pupil can be easily adjusted while the eyepiece optical system is made compact.

本発明の映像表示装置においては、位置調整状態において、光学瞳を通過する光の瞳面内での照度は、中心位置で最大であることが望ましい。この場合、観察者は、位置調整時に光学瞳の中心を認識することが容易となり、位置調整を正確に行うことができる。   In the video display device of the present invention, in the position adjustment state, it is desirable that the illuminance within the pupil plane of the light passing through the optical pupil is maximum at the center position. In this case, the observer can easily recognize the center of the optical pupil at the time of position adjustment, and the position adjustment can be performed accurately.

本発明の映像表示装置においては、位置調整状態において、光学瞳を通過する光の瞳面内での周辺照度は、中心照度の1/2以下であることが望ましい。この場合、位置調整状態において、光学瞳の面内での中心照度と周辺照度との差が大きくなるので、観察者は、位置調整時に光学瞳の中心を認識することがさらに容易となり、位置調整をさらに正確に行うことができる。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the peripheral illuminance within the pupil plane of the light passing through the optical pupil is ½ or less of the central illuminance in the position adjustment state. In this case, in the position adjustment state, the difference between the central illuminance in the plane of the optical pupil and the peripheral illuminance becomes large, so that it becomes easier for the observer to recognize the center of the optical pupil during position adjustment. Can be performed more accurately.

本発明の映像表示装置においては、位置調整状態において、光学瞳を通過する光の瞳面内での照度は、中心から周辺に向かって段階的に低下することが望ましい。この場合、光学瞳の面内における周辺から中心に向かう方向への位置調整が容易となる。   In the video display device of the present invention, in the position adjustment state, it is desirable that the illuminance within the pupil plane of the light passing through the optical pupil decreases stepwise from the center toward the periphery. In this case, position adjustment in the direction from the periphery toward the center in the plane of the optical pupil is facilitated.

本発明の映像表示装置において、光束径切り替え手段は、3φView≦φAli となるように、光源から射出される光の光束径を切り替えることが望ましい。このような光束径切り替え手段による光源光の光束径の切り替えにより、位置調整状態において光学瞳を通過する光の光束径が、映像観察状態において光学瞳を通過する光の光束径の3倍以上となるので、位置調整のスタート時に、観察者は光学瞳を見つけ出し易くなる。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the beam diameter switching means switches the beam diameter of the light emitted from the light source so that 3φView ≦ φAli. By switching the light beam diameter of the light source light by such a light beam diameter switching means, the light beam diameter of the light passing through the optical pupil in the position adjustment state is at least three times the light beam diameter of the light passing through the optical pupil in the image observation state. Therefore, at the start of position adjustment, the observer can easily find the optical pupil.

本発明の映像表示装置において、表示素子の映像表示領域は、映像観察状態よりも位置調整状態のほうが小さいことが望ましい。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the video display area of the display element is smaller in the position adjustment state than in the video observation state.

映像観察状態で発生する収差が補正されるように接眼光学系が設計されている場合、表示素子の映像表示領域を映像観察状態と位置調整状態とで同じ面積(全画素ON)としたまま、位置調整状態において光学瞳を通過する光の光束径を大きくすると、映像の周辺部に向かうほど収差が発生し、映像がぼやけるため、観察者は光学瞳の正確な中心位置を認識しにくくなる。   When the eyepiece optical system is designed so that the aberration generated in the image observation state is corrected, the image display area of the display element remains the same area (all pixels ON) in the image observation state and the position adjustment state. When the light beam diameter of the light passing through the optical pupil is increased in the position adjustment state, aberrations are generated toward the periphery of the image and the image is blurred. Therefore, it is difficult for the observer to recognize the exact center position of the optical pupil.

これに対して、表示素子の映像表示領域を、映像観察状態よりも位置調整状態で小さくする(例えば中心部の画素のみONにする)ことにより、映像がはっきりと出る部分(映像の中心部)のみを光学瞳の位置調整に用いることができ、観察者は光学瞳の正確な中心位置をより認識し易くなる。   On the other hand, by making the image display area of the display element smaller in the position adjustment state than in the image observation state (for example, by turning on only the pixel at the center), the portion where the image appears clearly (the center of the image) Can be used for position adjustment of the optical pupil, and the observer can more easily recognize the exact center position of the optical pupil.

本発明の映像表示装置において、光束径切り替え手段は、光学瞳とほぼ共役な位置に配置されていることが望ましい。この場合、光束径切り替え手段による光源光の光束径の切り替えにより、光学瞳を通過する光の光束径の切り替えを正確にかつ確実に行うことができる。   In the image display device of the present invention, it is desirable that the light beam diameter switching means is disposed at a position substantially conjugate with the optical pupil. In this case, the switching of the beam diameter of the light passing through the optical pupil can be performed accurately and reliably by switching the beam diameter of the light source light by the beam diameter switching means.

本発明の映像表示装置において、光束径切り替え手段は、映像観察状態と位置調整状態とで開口部の面積を切り替える絞りを有して構成されていてもよい。例えば、映像観察状態で光学瞳を通過する光の光束径に対して光源の発光面積が大きい場合は、絞りによって光源光が通過する開口部の面積を切り替えることにより、光源光の光束径を、映像観察状態と位置調整状態とで簡単に切り替えることができる。   In the image display device of the present invention, the light beam diameter switching means may be configured to have a diaphragm for switching the area of the opening between the image observation state and the position adjustment state. For example, when the light emission area of the light source is large with respect to the light beam diameter of the light passing through the optical pupil in the image observation state, the light beam diameter of the light source light is changed by switching the area of the opening through which the light source light passes by the diaphragm. It is possible to easily switch between the image observation state and the position adjustment state.

本発明の映像表示装置において、光束径切り替え手段は、光源から射出される光の瞳面内での照度を調整するための照度調整フィルタをさらに有しており、照度調整フィルタは、中心部を透過する光の透過率よりも周辺部を透過する光の透過率を低下させることが望ましい。   In the video display device of the present invention, the light beam diameter switching means further includes an illuminance adjustment filter for adjusting the illuminance in the pupil plane of the light emitted from the light source, and the illuminance adjustment filter has a central portion. It is desirable to reduce the transmittance of light transmitted through the peripheral portion rather than the transmittance of transmitted light.

この構成では、絞りによる開口部の面積の切り替えにより、位置調整状態において、光学瞳を通過する光の瞳面内での照度を、中心から周辺に向かって低下させることができる。これにより、観察者は、光学瞳の面内における周辺から中心に向かう方向への位置調整がしやすくなる。   In this configuration, the illumination intensity within the pupil plane of the light passing through the optical pupil can be decreased from the center toward the periphery in the position adjustment state by switching the area of the opening by the diaphragm. Thereby, the observer can easily adjust the position in the direction from the periphery to the center in the plane of the optical pupil.

本発明の映像表示装置において、照度調整フィルタは、周辺部を透過する光の透過率を少なくとも2段階で低下させることが望ましい。この場合、位置調整状態において、光学瞳を通過する光の瞳面内での照度を、中心から周辺に向かって少なくとも2段階で低下させることができる。これにより、観察者は、光学瞳の面内における周辺から中心に向かう方向への位置調整がさらにしやすくなる。   In the video display device of the present invention, it is desirable that the illuminance adjustment filter lowers the transmittance of light transmitted through the peripheral portion in at least two stages. In this case, in the position adjustment state, the illuminance within the pupil plane of the light passing through the optical pupil can be reduced in at least two steps from the center toward the periphery. This makes it easier for the observer to adjust the position in the direction from the periphery to the center in the plane of the optical pupil.

本発明の映像表示装置において、光束径切り替え手段は、光源からの光を拡散させる拡散板と、位置調整状態のときに拡散板を光路中に配置する一方、映像観察状態のときに拡散板を光路中から取り除く駆動部とを有している構成であってもよい。   In the image display device of the present invention, the light beam diameter switching means includes a diffusion plate for diffusing light from the light source and a diffusion plate in the optical path in the position adjustment state, while the diffusion plate is disposed in the image observation state. The structure which has the drive part removed from an optical path may be sufficient.

例えば、映像観察状態で光学瞳を通過する光の光束径に対して光源の発光面積が小さい場合は、拡散板によって光源の発光面積を擬似的に大きくすることができるとともに、駆動部による拡散板の光路中への出し入れによって、光源から射出される光の光束径を、映像観察状態と位置調整状態とで簡単に切り替えることができる。   For example, when the light emission area of the light source is small with respect to the light beam diameter of the light passing through the optical pupil in the image observation state, the light emission area of the light source can be artificially increased by the diffusion plate, and the diffusion plate by the drive unit The light beam diameter of the light emitted from the light source can be easily switched between the image observation state and the position adjustment state.

本発明の映像表示装置において、光束径切り替え手段は、位置調整状態において、光源から射出される光の光束径を少なくとも2段階に切り替えるようにしてもよい。位置調整状態において、光源光の光束径を段階的に切り替えて、位置調整を段階的に行うことにより、観察者は、光学瞳の中心に自らの瞳の中心を合わせることが容易となる。   In the video display device of the present invention, the light beam diameter switching means may switch the light beam diameter of the light emitted from the light source in at least two stages in the position adjustment state. In the position adjustment state, the observer can easily adjust the center of his / her pupil to the center of the optical pupil by changing the beam diameter of the light source light stepwise and performing the position adjustment stepwise.

本発明の映像表示装置において、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 device of the present invention, the eyepiece optical system includes a volume phase type reflection type hologram optical element, and the hologram optical element guides the image light from the display element to the optical pupil by diffracting and reflecting the image light. Alternatively, the configuration may be such that external light is transmitted and guided 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。したがって、映像観察状態において、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。   The volume phase type reflection hologram optical element has a narrow reflection wavelength range and a high external light transmittance. Therefore, in the video observation state, the observer can observe the external image with see-through while observing the display video (virtual image).

本発明のHMD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長時間安定して観察することができる。   The HMD 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 stably in a hands-free manner for a long time.

本発明のHMDにおいて、上記支持手段は、接眼光学系の光学瞳の位置を観察者の瞳位置に合わせる位置調整を行った後に、観察者の頭部に対する接眼光学系の相対位置を固定する固定手段を有していることが望ましい。この構成では、固定手段により、光学瞳の位置調整後に、観察者の頭部に対する接眼光学系の相対位置が固定されるので、観察者は、光学瞳の位置にて、良好な映像を確実に観察することができる。   In the HMD of the present invention, the support means fixes the relative position of the eyepiece optical system with respect to the observer's head after adjusting the position of the optical pupil of the eyepiece optical system to the position of the observer's pupil. It is desirable to have a means. In this configuration, the fixing means fixes the relative position of the eyepiece optical system with respect to the observer's head after adjusting the position of the optical pupil, so that the observer can reliably obtain a good image at the position of the optical pupil. Can be observed.

本発明によれば、光束径切り替え手段による光源光の光束径の切り替えにより、光学瞳を通過する光の光束径が映像観察状態よりも位置調整状態で大きくなるので、位置調整状態において、観察者は、光学瞳の位置を確認しやすくなり、光学瞳の位置調整を容易に行うことができる。また、接眼光学系における位置調整状態での有効光路領域は、映像観察状態での有効光路領域に含まれているので、接眼光学系を大きく構成することなく、位置調整状態で光学瞳を通過する光の光束径を大きくすることができる。したがって、接眼光学系をコンパクトに構成しつつ、光学瞳の位置調整が容易な映像表示装置を実現することができる。   According to the present invention, since the light beam diameter of the light passing through the optical pupil becomes larger in the position adjustment state than in the image observation state by switching the light beam diameter of the light source light by the light beam diameter switching means, Makes it easier to confirm the position of the optical pupil, and the position of the optical pupil can be easily adjusted. Further, since the effective optical path region in the position adjustment state in the eyepiece optical system is included in the effective optical path region in the image observation state, it passes through the optical pupil in the position adjustment state without configuring the eyepiece optical system large. The light beam diameter can be increased. Therefore, it is possible to realize an image display device in which the position of the optical pupil can be easily adjusted while the eyepiece optical system is made compact.

〔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は、本実施形態に係るHMDの概略の構成を示す斜視図である。HMDは、映像表示装置1と、支持手段2とで構成されている。
(1. Configuration of HMD)
FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of the HMD according to the present embodiment. The HMD includes a video display device 1 and support means 2.

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。この映像表示装置1は、後述する光源11や表示素子13(ともに図1(a)(b)参照)などを収容する筐体3に接眼光学系4を一体化させて構成されている。光源11や表示素子13を制御するための信号や各部の駆動電力は、筐体3を貫通するケーブル5を介して各部に供給される。接眼光学系4は、全体として眼鏡の一方のレンズ(図2では右眼用レンズ)のような形状をなしている。なお、眼鏡の左眼用レンズに相当するレンズ6は、ダミーレンズである。   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. The video display device 1 is configured by integrating an eyepiece optical system 4 with a housing 3 that houses a light source 11 and a display element 13 (both see FIGS. 1A and 1B) to be described later. A signal for controlling the light source 11 and the display element 13 and driving power of each part are supplied to each part via a cable 5 that penetrates the housing 3. The eyepiece optical system 4 has a shape like one lens of a pair of glasses (lens for right eye in FIG. 2) as a whole. The lens 6 corresponding to the left eye lens of the spectacles is a dummy lens.

支持手段2は、映像表示装置1を観察者の眼前で支持する支持部材である。本実施形態では、支持手段2は、観察者の右眼に対応して1個の映像表示装置1を支持しているが、観察者の両眼に対応して2個の映像表示装置1を支持してもよい。この支持手段2は、眼鏡のフレームおよびテンプルに相当する部材と、固定機構7とを含んで構成されている。   The support means 2 is a support member that supports the video display device 1 in front of the observer's eyes. In the present embodiment, the support means 2 supports one video display device 1 corresponding to the right eye of the observer, but two video display devices 1 corresponding to the eyes of the viewer. You may support. The support means 2 includes a member corresponding to a frame and a temple of spectacles and a fixing mechanism 7.

固定機構7は、接眼光学系4の光学瞳(射出瞳)の位置を観察者の瞳(瞳孔、虹彩)の位置に合わせる位置調整を行った後に、観察者の頭部に対する接眼光学系4の相対位置を固定する固定手段であり、観察者の鼻と当接して移動可能な右鼻当て7Rおよび左鼻当て7Lと、これらをロックするロック部とを有して構成されている。支持手段2が固定機構7を有していることにより、光学瞳Eの位置調整後、観察者は、光学瞳Eの位置にて、良好な映像を確実にかつ安定して観察することができる。なお、位置調整の詳細については後述する。   The fixing mechanism 7 adjusts the position of the optical pupil (exit pupil) of the eyepiece optical system 4 to the position of the observer's pupil (pupil, iris), and then adjusts the position of the eyepiece optical system 4 to the viewer's head. It is a fixing means for fixing the relative position, and is configured to include a right nose pad 7R and a left nose pad 7L that can move in contact with the nose of the observer, and a lock portion that locks them. Since the support means 2 has the fixing mechanism 7, after adjusting the position of the optical pupil E, the observer can reliably and stably observe a good image at the position of the optical pupil E. . Details of the position adjustment will be described later.

(2.映像表示装置について)
次に、上述した映像表示装置1の詳細について説明する。なお、以下での説明の便宜上、観察者が光学瞳Eの位置に自分の瞳Pを合わせて映像を観察する状態を映像観察状態と称し、映像観察前に光学瞳Eの位置と観察者の瞳Pの位置とを合わせる位置調整を行う状態を位置調整状態と称することとする。
(2. About video display device)
Next, details of the above-described video display device 1 will be described. For convenience of explanation below, a state in which an observer observes an image with his / her pupil P aligned with the position of the optical pupil E is referred to as an image observation state, and the position of the optical pupil E and the observer's A state in which the position adjustment for matching the position of the pupil P is referred to as a position adjustment state.

図1(a)は、本実施形態の映像表示装置1の位置調整状態での構成を示す断面図であり、図1(b)は、映像表示装置1の映像観察状態での構成を示す断面図である。このように、映像表示装置1は、光源11と、照明光学系12と、表示素子13と、接眼光学系4と、光束径切り替え機構30(光束径切り替え手段)とを有している。   FIG. 1A is a cross-sectional view showing the configuration of the video display device 1 according to the present embodiment in the position adjustment state, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing the configuration of the video display device 1 in the video observation state. FIG. Thus, the video display device 1 includes the light source 11, the illumination optical system 12, the display element 13, the eyepiece optical system 4, and the light beam diameter switching mechanism 30 (light beam diameter switching means).

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4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4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。なお、X、Y、Zの各方向の正負は問わないものとする。   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 4 is 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 (to be described later) of the eyepiece optical system 4 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. In addition, the positive / negative of each direction of X, Y, and Z shall not be ask | required.

光源11は、例えば、RGBの3原色に対応する波長の光を出射するRGB一体型のLEDで構成されている。なお、光源11は、発光波長の広い白色LEDで構成されてもよい。   The light source 11 is composed of, for example, an RGB integrated LED that emits light having wavelengths corresponding to the three primary colors of RGB. The light source 11 may be composed of a white LED having a wide emission wavelength.

照明光学系12は、光源11から射出された光を表示素子13に導くものであり、例えば入射光を反射してYZ平面でのみ集光するシリンドリカル凹面ミラーで構成されている。なお、照明光学系12は、平面の反射ミラーと、集光レンズとで構成されていてもよく、集光レンズのみで構成されていてもよい。   The illumination optical system 12 guides the light emitted from the light source 11 to the display element 13, and includes, for example, a cylindrical concave mirror that reflects incident light and collects light only on the YZ plane. The illumination optical system 12 may be composed of a flat reflection mirror and a condensing lens, or may be composed of only a condensing lens.

表示素子13は、光源11から照明光学系12を介して入射する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、例えば複数の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、矩形の表示画面の長辺方向が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は、反射型の光変調素子で構成されてもよい。   The display element 13 modulates light incident from the light source 11 via the illumination optical system 12 in accordance with image data and displays an image, and is composed of, for example, a transmissive LCD having a plurality of pixels in a matrix. Has been. The display element 13 is arranged such that the long side direction of the rectangular display screen is the X direction and the short side direction is the Y direction. Note that the display element 13 may be formed of a reflective light modulation element.

接眼光学系4は、表示素子13からの映像光を光学瞳Eに導くとともに、外界像の光(外光)を光学瞳Eに導く光学系であり、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。   The eyepiece optical system 4 is an optical system that guides the image light from the display element 13 to the optical pupil E and guides the light of the external image (external light) to the optical pupil E. The eyepiece prism 21, the deflection prism 22, And a holographic optical element 23.

接眼プリズム21は、表示素子13からの映像光を内部で全反射させてホログラム光学素子23に導くものであり、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楔状にした形状で構成されている。接眼プリズム21の上端面は、映像光の入射面としての面21aとなっており、前後方向に位置する2面は、互いに平行な面21b・21cとなっている。   The eyepiece prism 21 totally reflects image light from the display element 13 and guides it to the hologram optical element 23. The eyepiece prism 21 is made of, for example, an acrylic resin together with the deflection prism 22. The eyepiece prism 21 has a shape in which the lower end portion of the parallel plate is wedge-shaped. The upper end surface of the eyepiece prism 21 is a surface 21a as an incident surface for image light, and the two surfaces positioned in the front-rear direction are surfaces 21b and 21c parallel to each other.

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。偏向プリズム22は、ホログラム光学素子23を挟むように接眼プリズム21と接着して設けられている。これにより、接眼プリズム21の楔状の下端部を外光が透過するときの屈折を偏向プリズム22でキャンセルすることができ、シースルーで観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。   The deflecting prism 22 is configured by a substantially U-shaped parallel plate in plan view (see FIG. 2), and when the deflecting prism 22 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 a substantially parallel flat plate. The deflection prism 22 is provided by being bonded to the eyepiece prism 21 so as to sandwich the hologram optical element 23 therebetween. Thereby, the refraction when the external light is transmitted through the wedge-shaped lower end portion of the eyepiece prism 21 can be canceled by the deflecting prism 22, and it is possible to prevent the external image observed through the see-through from being distorted.

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、外光を透過させて光学瞳Eに導く体積位相型の反射型ホログラム光学素子であり、接眼プリズム21において偏向プリズム22との接合面に設けられている。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、これをホログラム光学素子23として用いることにより、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。また、ホログラム光学素子23は、軸非対称な正の光学的パワーを有しており、正の光学的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。これにより、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。   The hologram optical element 23 is a volume phase type reflection hologram optical element that diffracts and reflects the image light from the display element 13 and guides it to the optical pupil E, and at the same time transmits external light to the optical pupil E. The prism 21 is provided on the joint surface with the deflecting prism 22. The volume phase type reflection hologram optical element has a narrow reflection wavelength range and high external light transmittance. By using this as the hologram optical element 23, the observer can observe the display image (virtual image). It becomes possible to observe the outside world image with see-through. 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 optical power. Thereby, 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 an image with good aberration correction can be provided to the observer.

光束径切り替え機構30は、光源11から射出される光の光束径を位置調整状態と映像観察状態とで切り替えることにより、光学瞳Eを通過する光の光束径を位置調整状態と映像観察状態とで切り替えるものであるが、その詳細については後述する。   The beam diameter switching mechanism 30 switches the beam diameter of the light emitted from the light source 11 between the position adjustment state and the image observation state, thereby changing the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E between the position adjustment state and the image observation state. The details will be described later.

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。なお、以下で説明する動作は、基本的には図1(a)の位置調整状態および図1(b)の映像観察状態で同じである。ただし、表示素子13に表示させる映像は、位置調整状態では例えば白パターン(全画素ON)の映像であり、映像観察状態では通常のカラー映像(観察者に観察させる映像)である。   Next, the operation of the video display device 1 having the above configuration will be described. The operation described below is basically the same in the position adjustment state of FIG. 1A and the image observation state of FIG. However, the image displayed on the display element 13 is, for example, a white pattern (all pixels ON) image in the position adjustment state, and a normal color image (an image to be observed by the observer) in the image observation state.

光源11から射出された光は、光束径切り替え機構30および照明光学系12を介して表示素子13に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。表示素子13からの映像光は、接眼光学系4の接眼プリズム21の内部に面21aから入射し、互いに対向する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、そこで回折反射されて光学瞳Eに達する。したがって、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 light emitted from the light source 11 enters the display element 13 via the light beam diameter switching mechanism 30 and the illumination optical system 12, and is modulated there and emitted as image light. The image light from the display element 13 enters the inside of the eyepiece prism 21 of the eyepiece optical system 4 from the surface 21a, is totally reflected a plurality of times by the two surfaces 21b and 21c facing each other, and enters the hologram optical element 23. . The light incident on the hologram optical element 23 is diffracted and reflected there and reaches the optical pupil E. Therefore, at the position of the optical pupil E, the observer can observe an enlarged virtual image of the image 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.光学瞳の位置調整について)
次に、光学瞳Eの位置調整について説明する。位置調整状態においては、上述した光束径切り替え機構30により、光源11から射出される光の光束径が切り替えられる。本実施形態では、図1(a)(b)に示すように、光束径切り替え機構30は、開口部を有する絞り31で構成されている。つまり、絞り31は、光源から射出された光が通過する開口部の面積を位置調整状態と映像観察状態とで切り替えることにより、光学瞳Eを通過する光の光束径を位置調整状態と映像観察状態とで切り替える。絞り31は、光学瞳Eとほぼ共役な位置に配置されており、光学瞳Eを通過する光の光束径を位置調整状態と映像観察状態とで正確にかつ確実に切り替えることが可能となっている。
(3. Adjustment of optical pupil position)
Next, the position adjustment of the optical pupil E will be described. In the position adjustment state, the beam diameter of light emitted from the light source 11 is switched by the beam diameter switching mechanism 30 described above. In the present embodiment, as shown in FIGS. 1A and 1B, the beam diameter switching mechanism 30 includes a diaphragm 31 having an opening. That is, the diaphragm 31 switches the area of the opening through which the light emitted from the light source passes between the position adjustment state and the image observation state, thereby changing the beam diameter of the light passing through the optical pupil E between the position adjustment state and the image observation. Switch between states. The diaphragm 31 is disposed at a position substantially conjugate with the optical pupil E, and the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E can be accurately and reliably switched between the position adjustment state and the image observation state. Yes.

ここで、映像観察状態で光学瞳Eを通過する光の光束径をφViewとし、位置調整状態で光学瞳Eを通過する光の光束径をφAli とすると、本実施形態では、φView<φAli となるように、光源11から射出される光の光束径を絞り31によって切り替えている。すなわち、図1(a)(b)に示すように、位置調整状態での絞り31の開口部の面積は、映像観察状態での開口部の面積よりも広く、これによって、光学瞳Eを通過する光の光束径が、映像観察状態よりも位置調整状態で大きくなっている。   Here, if the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E in the image observation state is φView and the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E in the position adjustment state is φAli, in this embodiment, φView <φAli. As described above, the diameter of the light emitted from the light source 11 is switched by the diaphragm 31. That is, as shown in FIGS. 1A and 1B, the area of the opening of the diaphragm 31 in the position adjustment state is larger than the area of the opening in the image observation state, thereby passing through the optical pupil E. The diameter of the light beam to be emitted is larger in the position adjustment state than in the image observation state.

ちなみに、本実施形態において、光学瞳Eを通過する光の光束径φViewおよびφAli は、表1の通りである。なお、映像観察状態での光学瞳Eの位置での画角θView、および位置調整状態での光学瞳Eの位置での画角θAli も併せて表1に示す。   Incidentally, in this embodiment, the light beam diameters φView and φAli of the light passing through the optical pupil E are as shown in Table 1. Table 1 also shows the angle of view θView at the position of the optical pupil E in the image observation state and the angle of view θAli at the position of the optical pupil E in the position adjustment state.

Figure 2009151065
Figure 2009151065

このように、絞り31による光源光の光束径の切り替えにより、光学瞳Eを通過する光の光束径が映像観察状態よりも位置調整状態で大きくなるので、位置調整状態において、観察者は、光束径の大きな光に基づいて光学瞳Eの位置を認識、確認することが容易となり、光学瞳Eの位置調整を容易に行うことができる。つまり、観察者は、位置調整状態において、光学瞳Eの位置を容易に見つけて、その光学瞳Eと自分の瞳Pとを容易に合わせることができる。   As described above, since the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E becomes larger in the position adjustment state than in the image observation state by switching the light beam diameter of the light source light by the diaphragm 31, in the position adjustment state, the observer It becomes easy to recognize and confirm the position of the optical pupil E based on the light having a large diameter, and the position of the optical pupil E can be easily adjusted. That is, the observer can easily find the position of the optical pupil E in the position adjustment state, and easily align the optical pupil E with his / her pupil P.

特に、本実施形態では、表1より、絞り31は、3φView=φAli となるように、光源11から射出される光の光束径を切り替えている。このような光束径の切り替えにより、位置調整状態においては、光学瞳Eを通過する光の光束径が十分に大きくなるので、観察者は、位置調整のスタート時に光学瞳Eをさらに容易に見つけることができ、その光学瞳Eと自分の瞳Pとをさらに容易に合わせることが可能となる。なお、この効果は、φAli がφViewの3倍よりも大きければ、確実に得ることができる。つまり、絞り31が3φView≦φAli となるように、光源11から射出される光の光束径を切り替えれば、上記の効果を得ることができる。   In particular, in this embodiment, from Table 1, the diaphragm 31 switches the beam diameter of the light emitted from the light source 11 so that 3φView = φAli. By such switching of the beam diameter, the beam diameter of the light passing through the optical pupil E is sufficiently large in the position adjustment state, so that the observer can find the optical pupil E more easily at the start of position adjustment. Thus, the optical pupil E and the own pupil P can be more easily matched. This effect can be reliably obtained if φAli is larger than three times φView. That is, the above effect can be obtained by switching the beam diameter of the light emitted from the light source 11 so that the diaphragm 31 satisfies 3φView ≦ φAli.

また、本実施形態では、光束径切り替え機構30が、映像観察状態と位置調整状態とで開口部の面積を切り替える絞り31で構成されているので、光源11から射出される光の光束径を、映像観察状態と位置調整状態とで簡単に切り替えることができ、これによって、光学瞳Eを通過する光の光束径を、映像観察状態と位置調整状態とで簡単に切り替えることができる。このように光束径切り替え機構30として絞り31を用いる構成は、特に、映像観察状態で光学瞳Eを通過する光の光束径φViewに対して光源11の発光面積が大きい場合には有効である。   In the present embodiment, the light beam diameter switching mechanism 30 includes the diaphragm 31 that switches the area of the opening between the image observation state and the position adjustment state, so that the light beam diameter of the light emitted from the light source 11 is It is possible to easily switch between the image observation state and the position adjustment state, whereby the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E can be easily switched between the image observation state and the position adjustment state. The configuration using the diaphragm 31 as the light beam diameter switching mechanism 30 is particularly effective when the light emitting area of the light source 11 is large with respect to the light beam diameter φView of the light passing through the optical pupil E in the image observation state.

ところで、本実施形態では、表示素子13の映像表示領域は、映像観察状態よりも位置調整状態で小さくなっている。つまり、図1(a)(b)のYZ面内において、位置調整状態での表示素子13の映像表示領域をR1とし、映像観察状態での表示素子13の映像表示領域をR2とすると、R1<R2となっている。なお、このような映像表示領域の切り替えは、例えば、映像観察状態では表示素子13の全画素をON(光透過状態)にする一方、位置調整状態では表示素子13の周辺部の画素をOFF(光遮光状態)とし、周辺部よりも内側(光軸側)の画素をON(光透過状態)とすることで実現可能である。   By the way, in this embodiment, the video display area of the display element 13 is smaller in the position adjustment state than in the video observation state. That is, in the YZ plane of FIGS. 1A and 1B, when the video display area of the display element 13 in the position adjustment state is R1, and the video display area of the display element 13 in the video observation state is R2, R1 <R2. Note that such switching of the video display area is performed, for example, by turning on all the pixels of the display element 13 (light transmission state) in the video observation state and turning off the peripheral pixels of the display element 13 in the position adjustment state ( This can be realized by setting the pixel on the inner side (optical axis side) from the peripheral portion to ON (light transmission state).

接眼光学系4は、映像観察状態(光学瞳Eを通過する光の光束径は小さい)で発生する収差が補正されるように設計されているが、このような接眼光学系4を用いた場合、R1=R2の状態で、位置調整状態で光学瞳Eを通過する光の光束径を大きくすると、映像の周辺部に向かうほど収差が発生し、結像性能が劣化する(映像がぼやける)。位置調整状態では、光学瞳Eの位置のみを確認できればよいので、結像性能の劣化は特に問題とはならないが、本実施形態のように、R1<R2とすることにより、映像がはっきりと出る部分(映像の中心部)のみを光学瞳Eの位置調整に用いることが可能となる。この場合、観察者は光学瞳Eの正確な中心位置をより認識し易くなり、光学瞳Eの位置調整がさらに容易となる。   The eyepiece optical system 4 is designed to correct aberrations that occur in the image observation state (the diameter of the light beam passing through the optical pupil E is small). When such an eyepiece optical system 4 is used, When the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E in the position adjustment state is increased in the state of R1 = R2, aberration is generated toward the peripheral portion of the image, and the imaging performance is deteriorated (the image is blurred). In the position adjustment state, it is only necessary to confirm the position of the optical pupil E. Therefore, degradation of the imaging performance is not particularly problematic. However, by setting R1 <R2 as in this embodiment, the image is clearly displayed. Only the portion (the central portion of the image) can be used for the position adjustment of the optical pupil E. In this case, the observer can more easily recognize the accurate center position of the optical pupil E, and the position adjustment of the optical pupil E is further facilitated.

また、上記のような映像表示領域の切り替えにより、位置調整状態での接眼光学系4の有効光路領域は、映像観察状態での接眼光学系4の有効光路領域に含まれることになる。なお、上記の有効光路領域とは、接眼光学系4において、明確に観察できる映像を作る光が通過する領域(範囲)を指す。より分かりやすく言うと、位置調整状態および映像観察状態での接眼光学系4の有効光路領域は、後述する実施の形態2の映像表示装置1における光路図を示す図3(a)(b)において、T1およびT2の範囲にそれぞれ相当する。   Further, by switching the video display area as described above, the effective optical path area of the eyepiece optical system 4 in the position adjustment state is included in the effective optical path area of the eyepiece optical system 4 in the video observation state. Note that the above-described effective optical path region refers to a region (range) through which light that creates an image that can be clearly observed passes in the eyepiece optical system 4. More simply, the effective optical path region of the eyepiece optical system 4 in the position adjustment state and the image observation state is shown in FIGS. 3A and 3B showing optical path diagrams in the image display device 1 of the second embodiment to be described later. , T1 and T2, respectively.

一般に、光学瞳Eを通過する光の光束径を大きくすると、接眼光学系4の有効光路領域を確保するために、接眼光学系4を大きく構成せざるを得なくなる。しかし、本実施形態では、上記のように、位置調整状態での接眼光学系4の有効光路領域は、映像観察状態での接眼光学系4の有効光路領域に含まれるので、接眼光学系4を大きく構成することなく、φView<φAli を実現することができる。したがって、接眼光学系4をコンパクトに構成しつつ、光学瞳Eの位置調整が容易な映像表示装置1を実現することができる。また、コンパクトな接眼光学系4を用いることができるので、小型、軽量で、映像品位の高い、長時間使用可能なHMDを実現することが可能となる。   In general, when the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E is increased, the eyepiece optical system 4 must be configured larger in order to ensure an effective optical path region of the eyepiece optical system 4. However, in the present embodiment, as described above, the effective optical path region of the eyepiece optical system 4 in the position adjustment state is included in the effective optical path region of the eyepiece optical system 4 in the image observation state. ΦView <φAli can be realized without a large configuration. Therefore, it is possible to realize the video display device 1 in which the position of the optical pupil E can be easily adjusted while the eyepiece optical system 4 is configured compactly. In addition, since the compact eyepiece optical system 4 can be used, it is possible to realize an HMD that is small and light, has high image quality, and can be used for a long time.

また、本実施形態では、光学瞳Eを通過する光の光束径は、位置調整状態よりも映像観察状態で小さいので、映像観察状態での焦点深度は深くなり、対応視度が広くなる。つまり、映像観察状態においては、極度の近視や遠視でなければ、視度補正を行うことなく映像を観察することが可能となる。一方、位置調整状態での焦点深度は浅くなるので、位置調整状態では、光学瞳Eの面内方向だけでなく、光軸方向の位置調整を行うことも可能となる。つまり、光学瞳Eが光軸方向にずれると、映像がぼやけやすくなるので、これを利用して光軸方向における光学瞳Eの位置調整を行うことも可能となる。   In the present embodiment, since the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E is smaller in the image observation state than in the position adjustment state, the depth of focus in the image observation state is deep, and the corresponding diopter is widened. That is, in an image observation state, an image can be observed without performing diopter correction unless extreme myopia or hyperopia. On the other hand, since the depth of focus in the position adjustment state is shallow, in the position adjustment state, not only the in-plane direction of the optical pupil E but also the position adjustment in the optical axis direction can be performed. That is, if the optical pupil E is displaced in the optical axis direction, the image is easily blurred. Therefore, it is possible to adjust the position of the optical pupil E in the optical axis direction using this.

なお、以上では、表示素子13の映像表示領域の切り替え、および接眼光学系4の有効光路領域の設定について、上下方向(YZ平面内)で説明したが、左右方向(XY平面内)についても同様に考えることができる。   In the above, switching of the video display area of the display element 13 and setting of the effective optical path area of the eyepiece optical system 4 have been described in the vertical direction (in the YZ plane), but the same applies to the horizontal direction (in the XY plane). Can think.

なお、本実施形態では、θViewは±5.0°となっており、観察者の眼が大きく回旋しないような画角となっているが、θViewが観察者の眼が大きく回旋する画角(例えば±8°以上)となっている場合でも、上述した本実施形態の構成は有効である。この点は、以下の各実施の形態についても同様に言える。   In this embodiment, θView is ± 5.0 °, and the angle of view is such that the observer's eyes do not rotate significantly. Even in the case of ± 8 ° or more, for example, the configuration of the present embodiment described above is effective. The same can be said for the following embodiments.

〔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、以下での説明の便宜上、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 below, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same member numbers, and description thereof is omitted.

図3(a)(b)は、本実施形態の映像表示装置1の光路を展開して示す説明図であり、特に、図3(a)は位置調整状態においての説明図であり、図3(b)は映像観察状態においての説明図である。本実施形態の映像表示装置1は、光源11が集光レンズを先端部に有するLEDで構成されており、照明光学系12が集光レンズで構成されている点で、実施の形態1と異なっている。なお、図4は、光源11の発光特性を示している。ただし、図4の縦軸の発光輝度は、最大輝度(光軸位置の輝度)に対する相対的な値を示している。   3 (a) and 3 (b) are explanatory views showing the optical path of the video display device 1 according to the present embodiment in an expanded manner. In particular, FIG. 3 (a) is an explanatory view in the position adjustment state, and FIG. (B) is explanatory drawing in a video observation state. The video display device 1 of the present embodiment is different from the first embodiment in that the light source 11 is configured by an LED having a condensing lens at the tip, and the illumination optical system 12 is configured by a condensing lens. ing. FIG. 4 shows the light emission characteristics of the light source 11. However, the light emission luminance on the vertical axis in FIG. 4 indicates a relative value with respect to the maximum luminance (luminance at the optical axis position).

また、本実施形態では、光束径切り替え機構30が、絞り31の他にさらに照度調整フィルタ32を有している。照度調整フィルタ32は、光源11から射出される光の瞳面内での照度(照明輝度)を調整するためのフィルタであり、絞り31よりも光源11側に配置されている。この照度調整フィルタ32は、中心部32aと周辺部32bとで構成されている。中心部32aは、例えば孔で構成されており、周辺部32bは、例えば半透過膜で構成されている。   In this embodiment, the light beam diameter switching mechanism 30 further includes an illuminance adjustment filter 32 in addition to the diaphragm 31. The illuminance adjustment filter 32 is a filter for adjusting the illuminance (illumination luminance) in the pupil plane of the light emitted from the light source 11, and is disposed closer to the light source 11 than the stop 31. The illuminance adjustment filter 32 includes a central portion 32a and a peripheral portion 32b. The central portion 32a is made of, for example, a hole, and the peripheral portion 32b is made of, for example, a semipermeable membrane.

図5は、照度調整フィルタ32の透過特性を示す説明図である。なお、図5の縦軸の透過率は、最大透過率(光軸位置の透過率)に対する相対的な値を示している。照度調整フィルタ32が上記の中心部32aおよび周辺部32bで構成されていることにより、中心部32aでは光の透過率が高く(例えば透過率100%)、周辺部32bでは光の透過率が低い(例えば透過率50%)。したがって、照度調整フィルタ32においては、周辺部32bを透過する光の透過率は、中心部32aを透過する光の透過率の例えば1/2に低下することとなる。   FIG. 5 is an explanatory diagram showing the transmission characteristics of the illuminance adjustment filter 32. Note that the transmittance on the vertical axis in FIG. 5 indicates a relative value with respect to the maximum transmittance (transmittance at the optical axis position). Since the illuminance adjustment filter 32 includes the central portion 32a and the peripheral portion 32b, the central portion 32a has a high light transmittance (for example, 100% transmittance), and the peripheral portion 32b has a low light transmittance. (For example, transmittance 50%). Therefore, in the illuminance adjustment filter 32, the transmittance of light transmitted through the peripheral portion 32b is reduced to, for example, ½ of the transmittance of light transmitted through the central portion 32a.

本実施形態においても、φView<φAli となるように、光源11から射出される光の光束径を絞り31によって切り替えている。すなわち、図3(a)(b)に示すように、位置調整状態での絞り31の開口部の面積は、映像観察状態での開口部の面積よりも広く、かつ、照度調整フィルタ32の中心部32aの面積よりも広い。これによって、光学瞳Eを通過する光の光束径が、映像観察状態よりも位置調整状態で大きくなっている。   Also in the present embodiment, the diameter of the light emitted from the light source 11 is switched by the diaphragm 31 so that φView <φAli. That is, as shown in FIGS. 3A and 3B, the area of the opening of the diaphragm 31 in the position adjustment state is larger than the area of the opening in the image observation state and the center of the illuminance adjustment filter 32. It is wider than the area of the part 32a. Thereby, the beam diameter of the light passing through the optical pupil E is larger in the position adjustment state than in the image observation state.

ちなみに、本実施形態において、φViewおよびφAli は、表2の通りである。なお、θViewおよびθAli についても併せて表2に示す。   Incidentally, in this embodiment, φView and φAli are as shown in Table 2. Table 2 also shows θView and θAli.

Figure 2009151065
Figure 2009151065

このように、本実施形態においても、実施の形態1と同様に、絞り31による光源光の光束径の切り替えにより、光学瞳Eを通過する光の光束径が映像観察状態よりも位置調整状態で大きくなる。これにより、位置調整状態において、観察者は、光学瞳Eの位置、すなわち、自分の瞳P内に光が入る場所を最初に見つけることが容易となり、光学瞳Eの位置調整を容易に行うことができる。   As described above, in the present embodiment as well, in the same way as in the first embodiment, the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E is more adjusted than the image observation state by switching the light beam diameter of the light source light by the diaphragm 31. growing. Thereby, in the position adjustment state, the observer can easily find the position of the optical pupil E, that is, the place where the light enters in his / her pupil P first, and can easily adjust the position of the optical pupil E. Can do.

また、図6は、光学瞳Eの瞳面での照明特性を示す説明図である。なお、図6の縦軸の照度は、最大照度(光軸位置の照度)に対する相対的な値を示している。図4の特性の光源11を用い、光源11からの光を、図5の特性を有する照度調整フィルタ32を介して光学瞳Eに導くと、上記した絞り31による光束径の切り替えにより、位置調整状態において、光学瞳Eの中心部では照度が高く、周辺部では照度が低くなる。特に、位置調整状態において、光学瞳Eを通過する光の瞳面内での周辺照度は、中心照度の1/2以下となっている。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing illumination characteristics of the optical pupil E on the pupil plane. Note that the illuminance on the vertical axis in FIG. 6 represents a relative value with respect to the maximum illuminance (illuminance at the optical axis position). When the light source 11 having the characteristics shown in FIG. 4 is used and the light from the light source 11 is guided to the optical pupil E via the illuminance adjustment filter 32 having the characteristics shown in FIG. In the state, the illuminance is high in the central part of the optical pupil E, and the illuminance is low in the peripheral part. In particular, in the position adjustment state, the peripheral illuminance within the pupil plane of light passing through the optical pupil E is ½ or less of the central illuminance.

このように、光束径切り替え機構30が絞り31と照度調整フィルタ32とを有して構成されることにより、位置調整状態において、光学瞳Eを通過する光の瞳面内での照度を、中心から周辺に向かって低下させることができる。これにより、観察者は、光学瞳Eの面内における周辺から中心に向かう方向への位置調整がしやすくなる。   As described above, the light beam diameter switching mechanism 30 includes the diaphragm 31 and the illuminance adjustment filter 32, so that the illuminance in the pupil plane of the light passing through the optical pupil E is centered in the position adjustment state. It can be lowered from to the periphery. Thereby, the observer can easily adjust the position in the direction from the periphery to the center in the plane of the optical pupil E.

つまり、観察者は、位置調整状態において、眼前に映像表示装置1を近づけ、まず、自分の瞳Pに光が入る場所を探し、瞳Pに光が入ったら、その周辺で映像表示装置1を移動させ、最も明るく、かつ、バランスよく照明光が瞳Pに入る場所に映像表示装置1を位置させた後、その位置を固定機構7(図2参照)によって固定すればよい。   That is, in the position adjustment state, the observer brings the video display device 1 close to the eyes, first searches for a place where the light enters the pupil P, and when the light enters the pupil P, the viewer moves the video display device 1 around it. After moving the image display apparatus 1 to a position where the illumination light enters the pupil P in a well-balanced and brightest manner, the position may be fixed by the fixing mechanism 7 (see FIG. 2).

また、位置調整状態において、光学瞳Eを通過する光の瞳面内での照度は、中心位置で最大であるので、観察者は、位置調整時に光学瞳Eの中心を認識することが容易となり、位置調整を正確に行うことができる。   Further, in the position adjustment state, the illuminance within the pupil plane of the light passing through the optical pupil E is maximum at the center position, so that the observer can easily recognize the center of the optical pupil E during position adjustment. The position can be adjusted accurately.

特に、本実施形態では、位置調整状態において、光学瞳Eを通過する光の瞳面内での周辺照度は、中心照度の1/2以下であり、中心照度と周辺照度との差が大きいので、観察者は、位置調整時に光学瞳Eの中心を認識することがさらに容易となり、位置調整をさらに正確に行うことができる。   In particular, in this embodiment, in the position adjustment state, the peripheral illuminance in the pupil plane of the light passing through the optical pupil E is ½ or less of the central illuminance, and the difference between the central illuminance and the peripheral illuminance is large. The observer can more easily recognize the center of the optical pupil E at the time of position adjustment, and can perform position adjustment more accurately.

また、本実施形態では、照度調整フィルタ32を用いることにより、位置調整状態において、光学瞳Eを通過する光の瞳面内での照度は、中心から周辺に向かって段階的に低下しているので、観察者は、光学瞳Eの中心を確実に認識することができ、光学瞳Eの面内における周辺から中心に向かう方向への位置調整がさらに容易となる。   In the present embodiment, by using the illuminance adjustment filter 32, in the position adjustment state, the illuminance within the pupil plane of the light passing through the optical pupil E gradually decreases from the center toward the periphery. Therefore, the observer can surely recognize the center of the optical pupil E, and the position adjustment in the direction from the periphery to the center in the plane of the optical pupil E is further facilitated.

また、本実施形態においても、実施の形態1と同様に、表示素子13の映像表示領域は、映像観察状態よりも位置調整状態で小さく、この結果、図3(a)(b)に示すように、位置調整状態での接眼光学系4の有効光路領域T1は、映像観察状態での接眼光学系4の有効光路領域T2に含まれている(T1<T2)。したがって、実施の形態1と同様に、接眼光学系4を大きく構成することなくφView<φAli を実現して、光学瞳Eの位置調整が容易な映像表示装置1を実現することができる。   Also in the present embodiment, as in the first embodiment, the video display area of the display element 13 is smaller in the position adjustment state than in the video observation state, and as a result, as shown in FIGS. In addition, the effective optical path region T1 of the eyepiece optical system 4 in the position adjustment state is included in the effective optical path region T2 of the eyepiece optical system 4 in the image observation state (T1 <T2). Therefore, similarly to the first embodiment, φView <φAli can be realized without making the eyepiece optical system 4 large, and the video display device 1 in which the position of the optical pupil E can be easily adjusted can be realized.

なお、位置調整状態では、絞り31の開口部の面積が広く、φAli が大きいため、光学瞳Eの位置では、図6のBの範囲で照度を認識することができる。一方、映像観察状態では、絞り31の開口部の面積が狭く、φViewが小さいため、光学瞳Eの位置では、図6のBよりも狭いAの範囲で照度を認識することとなる。このとき、Aの範囲では全体的に照度が高いため、観察者は、映像観察状態において明るい映像を観察することができる。   In the position adjustment state, since the area of the aperture of the diaphragm 31 is large and φAli is large, the illuminance can be recognized in the range of B in FIG. On the other hand, in the image observation state, since the area of the opening of the diaphragm 31 is small and φView is small, the illuminance is recognized in the range of A that is narrower than B in FIG. At this time, since the illuminance is generally high in the range A, the observer can observe a bright image in the image observation state.

〔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、以下での説明の便宜上、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 below, 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7(a)(b)は、本実施形態の映像表示装置1の光路を展開して示す説明図であり、特に、図7(a)は位置調整状態においての説明図であり、図7(b)は映像観察状態においての説明図である。本実施形態の映像表示装置1は、光源11が発光面積の小さな表面実装タイプのLEDで構成されている点で、実施の形態1・2とは異なっている。ちなみに、光源11の発光部のサイズは、例えば0.6mm×0.6mmとなっている。   7 (a) and 7 (b) are explanatory views showing the optical path of the video display device 1 according to the present embodiment in an expanded manner. In particular, FIG. 7 (a) is an explanatory view in the position adjustment state. (B) is explanatory drawing in a video observation state. The video display device 1 according to the present embodiment is different from the first and second embodiments in that the light source 11 is configured by a surface-mount type LED having a small light emitting area. Incidentally, the size of the light emitting portion of the light source 11 is, for example, 0.6 mm × 0.6 mm.

また、本実施形態では、光束径切り替え機構30が、絞り31や照度調整フィルタ32の代わりに、拡散板33および駆動部34を有して構成されている。拡散板33は、光源11からの光を拡散させるものであり、光学瞳Eとほぼ共役な位置に配置されている。駆動部34は、位置調整状態のときには、図7(a)に示すように、拡散板33を光路中に配置する一方、映像観察状態のときには、図7(b)に示すように、拡散板33を光路中から取り除くものであり、例えば光軸と平行な回転軸を有し、拡散板33を回転させるモータで構成されている。なお、本実施形態では、表示素子13における映像表示領域の大きさは、位置調整状態と映像観察状態とで同じとなっている。   In the present embodiment, the light beam diameter switching mechanism 30 is configured to include a diffusion plate 33 and a drive unit 34 instead of the diaphragm 31 and the illuminance adjustment filter 32. The diffusion plate 33 diffuses light from the light source 11 and is disposed at a position substantially conjugate with the optical pupil E. As shown in FIG. 7A, the drive unit 34 arranges the diffusion plate 33 in the optical path when in the position adjustment state. On the other hand, when in the image observation state, the driving unit 34 as shown in FIG. 33 is removed from the optical path. For example, the motor 33 has a rotation axis parallel to the optical axis and is configured by a motor that rotates the diffusion plate 33. In the present embodiment, the size of the video display area in the display element 13 is the same in the position adjustment state and the video observation state.

映像観察状態において、駆動部34によって拡散板33を光路外に退避させることにより、光学瞳Eを通過する光の光束径を光源11のチップ面サイズまで、小さく絞ることができる。これにより、焦点深度が深くなり、映像観察状態においては、視度補正を行うことなく映像を観察することが可能となる。   In the image observation state, the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E can be reduced to the chip surface size of the light source 11 by retracting the diffusion plate 33 out of the optical path by the drive unit 34. As a result, the depth of focus becomes deeper, and in the image observation state, it is possible to observe the image without performing diopter correction.

一方、位置調整状態では、駆動部34によって拡散板33が光路中に配置されるので、簡単に、光源11の発光面積を擬似的に大きくすることができる。したがって、φViewに対して光源11の発光面積が小さい場合でも、拡散板33の光路中への出し入れによって、光源光の光束径を、映像観察状態と位置調整状態とで簡単に切り替えて、φView<φAli を容易に実現することができる。   On the other hand, in the position adjustment state, the diffusing plate 33 is arranged in the optical path by the drive unit 34, so that the light emission area of the light source 11 can be easily increased in a pseudo manner. Therefore, even when the light emission area of the light source 11 is small with respect to φView, the light beam diameter of the light source light can be easily switched between the image observation state and the position adjustment state by putting the diffusion plate 33 in and out of the optical path, and φView < φAli can be realized easily.

ちなみに、本実施形態において、φViewおよびφAli は、表3の通りである。なお、θViewおよびθAli についても併せて表3に示す。   Incidentally, in this embodiment, φView and φAli are as shown in Table 3. Table 3 also shows θView and θAli.

Figure 2009151065
Figure 2009151065

このように、本実施形態においても、光束径切り替え機構30により、光学瞳Eを通過する光の光束径が映像観察状態よりも位置調整状態で大きくなるので、位置調整状態において、観察者は光学瞳Eの位置調整を容易に行うことができる。   As described above, also in this embodiment, the light beam diameter switching mechanism 30 causes the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E to be larger in the position adjustment state than in the image observation state. The position of the pupil E can be easily adjusted.

また、本実施形態では、表3より、θViewおよびθAli は、位置調整状態と映像観察状態とで同じであり、表示素子13の映像表示領域も、位置調整状態と映像観察状態とで同じであるので、接眼光学系4に入射する映像光のうち、表示素子13の周辺部から射出された映像光は、接眼光学系4の端部でけられ、表示素子13の中央部から射出された映像光のみが接眼光学系4を介して光学瞳Eに入射する。したがって、光学瞳Eの位置では、周辺部は暗く、中央部は明るい映像となる。なお、接眼光学系4の有効光路領域は、明確に観察できる映像を作る光が通過する領域を指すので、本実施形態での有効光路領域は、位置調整状態と映像観察状態とで同じと言える(T1=T2)。また、光学瞳Eが光軸方向にずれるほど、つまり、光軸方向における光学瞳Eの位置と観察者の瞳Pの位置とがずれるほど、表示素子13の表示映像の周辺部が欠けるため、位置調整状態において見える映像の範囲は小さくなる(表示映像の中心付近しか見えなくなる)。   In this embodiment, from Table 3, θView and θAli are the same in the position adjustment state and the video observation state, and the video display area of the display element 13 is also the same in the position adjustment state and the video observation state. Therefore, out of the image light incident on the eyepiece optical system 4, the image light emitted from the peripheral portion of the display element 13 is imaged at the end of the eyepiece optical system 4 and emitted from the center portion of the display element 13. Only light enters the optical pupil E via the eyepiece optical system 4. Therefore, at the position of the optical pupil E, the peripheral part is dark and the central part is bright. Note that the effective optical path region of the eyepiece optical system 4 indicates a region through which light that makes a clearly observable image passes. Therefore, the effective optical path region in the present embodiment can be said to be the same in the position adjustment state and the image observation state. (T1 = T2). In addition, as the optical pupil E shifts in the optical axis direction, that is, as the position of the optical pupil E in the optical axis direction and the position of the observer's pupil P shift, the peripheral portion of the display image of the display element 13 is lost. The range of the image that can be seen in the position adjustment state becomes small (only the vicinity of the center of the display image can be seen).

そこで、本実施形態では、位置調整状態において、観察者は、光束の位置を見つけたら、まず、その中心(光軸上)に自分の瞳Pが位置するように光学瞳Eを調整し、その後、光軸上で映像表示装置1との距離を調整すればよい。そして、映像が最も大きくなり、かつ、一番明るくなったところで(光学瞳Eの瞳面上に自分の瞳Pが位置したときに)、映像表示装置1の位置を固定すればよい。このような手法により、簡単に、光学瞳Eの3次元的な位置調整が可能になる。   Therefore, in this embodiment, in the position adjustment state, when the observer finds the position of the light beam, first, the observer adjusts the optical pupil E so that his / her pupil P is positioned at the center (on the optical axis), and then The distance from the video display device 1 may be adjusted on the optical axis. Then, the position of the video display device 1 may be fixed when the video is the largest and brightest (when the pupil P is positioned on the pupil plane of the optical pupil E). By such a method, the three-dimensional position adjustment of the optical pupil E can be easily performed.

なお、位置調整状態において、表示素子13に表示させる映像は、白パターン(全画素白表示)であってもよいし、例えばチェックパターン(市松模様)であってもよい。特に後者の場合は、位置調整状態において、表示映像の大部分が見えているのか、中心付近だけが見えているのかの判断が容易となり、光軸方向の位置ずれの判断が容易となるので、その点では好ましいと言える。   In the position adjustment state, the image displayed on the display element 13 may be a white pattern (all pixel white display), or may be a check pattern (checkered pattern), for example. Especially in the latter case, in the position adjustment state, it is easy to determine whether most of the displayed image is visible or only the vicinity of the center is visible, and it is easy to determine the positional deviation in the optical axis direction. It can be said that it is preferable in that respect.

なお、本実施形態では、1種類の拡散板33を用いて、映像観察状態と位置調整状態とで光源光の光束径を切り替える構成としているが、映像観察状態および位置調整状態のそれぞれで光学瞳Eを通過する光の光束径に対応したサイズの拡散板を2つ設けて、これらを出し入れすることにより、光束径を切り替える構成としてもよい。つまり、光束径切り替え手段は、映像観察状態で光学瞳を通過する光の光束径に対応したサイズの第1の拡散板と、位置調整状態で光学瞳を通過する光の光束径に対応したサイズの第2の拡散板と、映像観察状態のときに第1の拡散板を光路中に配置する一方、位置調整状態のときに第2の拡散板を光路中に配置する駆動部とを有する構成としてもよい。   In the present embodiment, the light beam diameter of the light source light is switched between the image observation state and the position adjustment state by using one type of diffusion plate 33. However, the optical pupil is different in each of the image observation state and the position adjustment state. A configuration may be adopted in which two diffuser plates having a size corresponding to the light beam diameter of the light passing through E are provided, and the light beam diameter is switched by taking them in and out. That is, the light beam diameter switching means includes a first diffusion plate having a size corresponding to the light beam diameter of light passing through the optical pupil in the image observation state, and a size corresponding to the light beam diameter of light passing through the optical pupil in the position adjustment state. The second diffuser plate and a drive unit that arranges the first diffuser plate in the optical path in the image observation state and arranges the second diffuser plate in the optical path in the position adjustment state. It is good.

〔実施の形態4〕
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、以下での説明の便宜上、実施の形態1〜3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 4]
The following will describe still another embodiment of the present invention with reference to the drawings. For convenience of explanation below, the same members as those in the first to third embodiments are denoted by the same member numbers, and the description thereof is omitted.

図8(a)(b)(c)は、本実施形態の映像表示装置1の光路を展開して示す説明図であり、特に、図8(a)は第1の位置調整状態においての説明図であり、図8(b)は第2の位置調整状態においての説明図であり、図8(c)は映像観察状態においての説明図である。本実施形態では、映像表示装置1の光束径切り替え機構30が、実施の形態1〜3で述べた絞り31、照度調整フィルタ32、拡散板33および駆動部34を全て有して構成されている。ただし、照度調整フィルタ32の構成は、実施の形態2のものとは若干異なっている。拡散板33、照度調整フィルタ32および絞り31は、光源11側からこの順で配置されている。なお、便宜上、図8(a)(b)(c)では、駆動部34の図示を省略しており、図8(c)では、さらに拡散板33の図示を省略している。   FIGS. 8A, 8B, and 8C are explanatory views showing the optical path of the video display device 1 according to the present embodiment in an expanded manner. In particular, FIG. 8A is an explanation in the first position adjustment state. FIG. 8B is an explanatory diagram in the second position adjustment state, and FIG. 8C is an explanatory diagram in the video observation state. In the present embodiment, the beam diameter switching mechanism 30 of the video display device 1 is configured to include all of the diaphragm 31, the illuminance adjustment filter 32, the diffusion plate 33, and the drive unit 34 described in the first to third embodiments. . However, the configuration of the illuminance adjustment filter 32 is slightly different from that of the second embodiment. The diffusion plate 33, the illuminance adjustment filter 32, and the diaphragm 31 are arranged in this order from the light source 11 side. For convenience, the drive unit 34 is not shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C, and the diffusion plate 33 is not shown in FIG. 8C.

図9は、光源11および拡散板33で1つの光源とみなしたときの発光特性を示している。なお、図9の縦軸の発光輝度は、最大輝度(光軸位置の輝度)に対する相対的な値を示している。同図に示すように、光源11からの光は拡散板33で拡散されるため、光軸に垂直な方向に比較的広範囲にわたって発光輝度の高い分布となっている。   FIG. 9 shows the light emission characteristics when the light source 11 and the diffusion plate 33 are regarded as one light source. Note that the light emission luminance on the vertical axis in FIG. 9 indicates a relative value with respect to the maximum luminance (luminance at the optical axis position). As shown in the figure, since the light from the light source 11 is diffused by the diffusion plate 33, the light emission luminance is distributed over a relatively wide range in a direction perpendicular to the optical axis.

図8(a)(b)(c)に示した照度調整フィルタ32は、中心部32aと周辺部32bとで構成されているが、周辺部32bは、さらに第1周辺部32b1と第2周辺部32b2とで構成されている。中心部32aは、例えば孔で構成されており、周辺部32bは、例えば半透過膜で構成されている。 The illuminance adjustment filter 32 shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C includes a central portion 32a and a peripheral portion 32b. The peripheral portion 32b further includes the first peripheral portion 32b 1 and the second peripheral portion 32b. It is composed of the peripheral portion 32 b 2. The central portion 32a is made of, for example, a hole, and the peripheral portion 32b is made of, for example, a semipermeable membrane.

周辺部32bにおいて、第2周辺部32b2は、第1周辺部32b1よりも外側に形成されており、透過率は第1周辺部32b1よりも低く設定されている。このような照度調整フィルタ32の構成により、周辺部32bを透過する光の照度は、中心部32aを透過する光の照度を基準として2段階で低下することになる。 In the peripheral portion 32b, the second peripheral portion 32b 2 is formed outside the first peripheral portion 32b 1 , and the transmittance is set lower than that of the first peripheral portion 32b 1 . With such a configuration of the illuminance adjustment filter 32, the illuminance of the light transmitted through the peripheral portion 32b decreases in two steps with reference to the illuminance of the light transmitted through the central portion 32a.

ここで、図10は、本実施形態の照度調整フィルタ32の透過特性を示す説明図である。なお、図10の縦軸の透過率は、最大透過率(光軸位置の透過率)に対する相対的な値を示している。照度調整フィルタ32が上記の中心部32aおよび周辺部32b(第1周辺部32b1+第2周辺部32b2)で構成されていることにより、中心部32aでは光の透過率が高く(例えば透過率100%)、第2周辺部32b2では光の透過率が低く(例えば透過率30%)、第1周辺部32b1ではそれらの間の透過率(例えば透過率60%)となっている。このように、照度調整フィルタ32においては、中心から周辺に向かって、透過率が段階的に低下している。 Here, FIG. 10 is an explanatory diagram showing the transmission characteristics of the illuminance adjustment filter 32 of the present embodiment. Note that the transmittance on the vertical axis in FIG. 10 represents a relative value with respect to the maximum transmittance (transmittance at the optical axis position). Since the illuminance adjustment filter 32 is configured by the central portion 32a and the peripheral portion 32b (first peripheral portion 32b 1 + second peripheral portion 32b 2 ), the central portion 32a has a high light transmittance (for example, transmission). 100%), the second peripheral portion 32b 2 has a low light transmittance (for example, 30% transmittance), and the first peripheral portion 32b 1 has a transmittance therebetween (for example, a transmittance of 60%). . Thus, in the illuminance adjustment filter 32, the transmittance decreases stepwise from the center toward the periphery.

本実施形態では、光束径切り替え機構30は、位置調整状態および映像観察状態において、光源11から射出される光の光束径を計3段階で切り替えるようにしている。   In the present embodiment, the beam diameter switching mechanism 30 switches the beam diameter of the light emitted from the light source 11 in a total of three stages in the position adjustment state and the image observation state.

より具体的には、第1の位置調整状態では、図8(a)に示すように、光源11からの光が照度調整フィルタの中心部32a、第1周辺部32b1および第2周辺部32b2の全てを透過して光学瞳Eに導かれるように、絞り31によって開口部の径(面積)を調整する。 More specifically, in a first position adjustment state, as shown in FIG. 8 (a), the center portion 32a of the illuminance adjustment filter light from the light source 11, a first peripheral portion 32b 1 and the second peripheral portion 32b The diameter (area) of the opening is adjusted by the diaphragm 31 so that all of 2 are transmitted to the optical pupil E.

続いて、第2の位置調整状態では、図8(b)に示すように、光源11からの光が照度調整フィルタの中心部32aおよび第1周辺部32b1のみを透過して光学瞳Eに導かれるように、絞り31によって開口部の径を第1の位置調整状態のときよりも小さくする。 Subsequently, in the second position adjustment state, as shown in FIG. 8B, the light from the light source 11 passes only through the central portion 32a and the first peripheral portion 32b 1 of the illuminance adjustment filter and enters the optical pupil E. In order to be guided, the diameter of the opening is made smaller by the diaphragm 31 than in the first position adjustment state.

一方、映像観察状態では、図8(c)に示すように、光源11からの光が照度調整フィルタの中心部32aのみを透過して光学瞳Eに導かれるように、絞り31によって開口部の径を第2の位置調整状態のときよりもさらに小さくする。   On the other hand, in the image observation state, as shown in FIG. 8C, the aperture 31 is opened by the diaphragm 31 so that the light from the light source 11 passes only through the central portion 32a of the illuminance adjustment filter and is guided to the optical pupil E. The diameter is made smaller than that in the second position adjustment state.

なお、駆動部34により、第1および第2の位置調整状態では、拡散板33を光路中に配置し、映像観察状態では、拡散板33を光路中から退避させる。   Note that the diffusing plate 33 is disposed in the optical path by the drive unit 34 in the first and second position adjustment states, and the diffusing plate 33 is retracted from the optical path in the image observation state.

以上のように、光源11から射出される光の光束径を絞り31によって図8(a)(b)(c)のように切り替えることにより、本実施形態においても、φView<φAli を実現することができる。特に、第1の位置調整状態で光学瞳Eを通過する光の光束径をφAli-1 とし、第2の位置調整状態で光学瞳Eを通過する光の光束径をφAli-2 とすると、φView<φAli-2 <φAli-1 を実現することができる。   As described above, φView <φAli is also realized in this embodiment by switching the beam diameter of the light emitted from the light source 11 as shown in FIGS. 8A, 8B, and 8C by the diaphragm 31. Can do. In particular, if the light beam diameter of light passing through the optical pupil E in the first position adjustment state is φAli-1, and the light beam diameter of light passing through the optical pupil E in the second position adjustment state is φAli-2, then φView <ΦAli-2 <φAli-1 can be realized.

ちなみに、本実施形態において、φView、φAli-1 およびφAli-2 は、表4の通りである。なお、映像観察状態での光学瞳Eの位置での画角θView、および第1および第2の位置調整状態での光学瞳Eの位置での画角θAli-1 およびθAli-2 も併せて表4に示す。   Incidentally, in this embodiment, φView, φAli-1 and φAli-2 are as shown in Table 4. The angle of view θView at the position of the optical pupil E in the image observation state and the angles of view θAli-1 and θAli-2 at the position of the optical pupil E in the first and second position adjustment states are also shown. 4 shows.

Figure 2009151065
Figure 2009151065

このように、本実施形態においても、絞り31による光源光の光束径の切り替えにより、光学瞳Eを通過する光の光束径が映像観察状態よりも位置調整状態で大きくなるので、位置調整状態において、観察者は、光学瞳Eの位置の位置調整を容易に行うことができる。   As described above, also in the present embodiment, the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E becomes larger in the position adjustment state than in the image observation state by switching the light beam diameter of the light source light by the diaphragm 31. The observer can easily adjust the position of the optical pupil E.

また、位置調整状態では、光束径切り替え機構30によって、光源光の光束径を2段階で切り替えて段階的に小さくするので、上述のように、光学瞳Eを通過する光の光束径を段階的に小さくして段階的な位置調整が可能となる。これにより、観察者は、光学瞳Eの中心と自らの瞳Pの中心とを段階的に合わせることが可能となり、互いの中心同士を合わせやすくなる。   Further, in the position adjustment state, the light beam diameter switching mechanism 30 switches the light beam diameter of the light source light in two steps to reduce it stepwise, so that the light beam diameter of the light passing through the optical pupil E is stepwise as described above. The position can be adjusted stepwise by making it smaller. Thereby, the observer can adjust the center of the optical pupil E and the center of his / her pupil P in a stepwise manner, so that the centers can be easily aligned with each other.

また、図11は、光学瞳Eの瞳面での照明特性を示す説明図である。なお、図11の縦軸の照度は、最大照度(光軸位置の照度)に対する相対的な値を示している。第1の位置調整状態では、光学瞳Eの中心部で照度が高く、周辺部で照度が2段階で低くなる(Cの範囲参照)。また、第2の位置調整状態では、光学瞳Eの中心部で照度が高く、周辺部で照度が低くなる(Bの範囲参照)。一方、映像観察状態では、光学瞳Eの中心部、すなわち、照度が高いAの範囲で映像を観察することが可能となる。   FIG. 11 is an explanatory diagram showing illumination characteristics of the optical pupil E on the pupil plane. Note that the illuminance on the vertical axis in FIG. 11 indicates a relative value with respect to the maximum illuminance (illuminance at the optical axis position). In the first position adjustment state, the illuminance is high at the central portion of the optical pupil E, and the illuminance is low in two steps at the peripheral portion (see range C). In the second position adjustment state, the illuminance is high at the center of the optical pupil E, and the illuminance is low at the periphery (see range B). On the other hand, in the image observation state, the image can be observed in the central portion of the optical pupil E, that is, in the range of A where the illuminance is high.

このように、周辺部32を透過する光の透過率を2段階で低下させる照度調整フィルタ32を用い、絞り31によって光束径を切り替えることにより、第1の位置調整状態では、光学瞳Eを通過する光の瞳面内での照度を、中心から周辺に向かって2段階で低下させることができる。したがって、観察者は、光学瞳Eの面内における周辺から中心に向かう方向への位置調整がさらにしやすくなる。   In this way, by using the illuminance adjustment filter 32 that reduces the transmittance of the light transmitted through the peripheral portion 32 in two stages and switching the beam diameter by the diaphragm 31, it passes through the optical pupil E in the first position adjustment state. The illuminance within the pupil plane of the light to be emitted can be reduced in two steps from the center toward the periphery. Therefore, it becomes easier for the observer to adjust the position in the direction from the periphery to the center in the plane of the optical pupil E.

なお、本実施形態では、光束径切り替え機構30は、位置調整状態において、光源光の光束径を2段階で切り替える構成となっているが、照度調整フィルタ32の周辺部32bの透過率を3段階以上に設定して、絞り31で開口部の面積を調整することにより、位置調整状態において、光源光の光束径を3段階以上に切り替え、φAli を3段階以上に切り替えることも可能である。   In the present embodiment, the light beam diameter switching mechanism 30 is configured to switch the light beam diameter of the light source light in two steps in the position adjustment state, but the transmittance of the peripheral portion 32b of the illuminance adjustment filter 32 is set in three steps. By setting as described above and adjusting the area of the opening with the diaphragm 31, in the position adjustment state, the light beam diameter of the light source light can be switched to three or more stages, and φAli can be switched to three or more stages.

なお、本実施形態では、光束径切り替え機構30は、絞り31、照度調整フィルタ32、拡散板33および駆動部34で構成しているが、絞り31と照度調整フィルタ32のみで構成することも勿論可能である。   In the present embodiment, the beam diameter switching mechanism 30 is configured by the diaphragm 31, the illuminance adjustment filter 32, the diffusion plate 33, and the drive unit 34. Is possible.

なお、上述した各実施の形態の構成を適宜組み合わせて、映像表示装置1ひいてはHMDを構成したり、光学瞳Eの位置調整を行うことも勿論可能である。   Of course, it is possible to configure the video display device 1 and thus the HMD, or to adjust the position of the optical pupil E by appropriately combining the configurations of the above-described embodiments.

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

(a)は、本発明の実施の一形態に係る映像表示装置の位置調整状態での構成を示す断面図であり、(b)は、映像表示装置の映像観察状態での構成を示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows the structure in the position adjustment state of the video display apparatus which concerns on one Embodiment of this invention, (b) is sectional drawing which shows the structure in the video observation state of a video display apparatus. It is. 上記映像表示装置を有するHMDの概略の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the outline of HMD which has the said video display apparatus. (a)は、本発明の他の実施の形態に係る映像表示装置の位置調整状態での光路を展開して示す説明図であり、(b)は、映像表示装置の映像観察状態での光路を展開して示す説明図である。(A) is explanatory drawing which expand | deploys and shows the optical path in the position adjustment state of the video display apparatus which concerns on other embodiment of this invention, (b) is the optical path in the video observation state of a video display apparatus. It is explanatory drawing which expands and shows. 上記映像表示装置の光源の発光特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the light emission characteristic of the light source of the said video display apparatus. 上記映像表示装置が有する光束径切り替え機構の照度調整フィルタの透過特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the permeation | transmission characteristic of the illumination intensity adjustment filter of the light beam diameter switching mechanism which the said video display apparatus has. 光学瞳の瞳面での照明特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the illumination characteristic in the pupil surface of an optical pupil. (a)は、本発明のさらに他の実施の形態に係る映像表示装置の位置調整状態での光路を展開して示す説明図であり、(b)は、映像表示装置の映像観察状態での光路を展開して示す説明図である。(A) is explanatory drawing which expand | deploys and shows the optical path in the position adjustment state of the video display apparatus based on further another embodiment of this invention, (b) is in the video observation state of a video display apparatus. It is explanatory drawing which expand | deploys and shows an optical path. (a)は、本発明のさらに他の実施の形態に係る映像表示装置の第1の位置調整状態での光路を展開して示す説明図であり、(b)は、映像表示装置の第2の位置調整状態での光路を展開して示す説明図であり、(c)は、映像表示装置の映像観察状態での光路を展開して示す説明図である。(A) is explanatory drawing which expand | deploys and shows the optical path in the 1st position adjustment state of the video display apparatus based on further another embodiment of this invention, (b) is the 2nd of a video display apparatus. It is explanatory drawing which expand | deploys and shows the optical path in the position adjustment state of (2), (c) is explanatory drawing which expand | deploys and shows the optical path in the image | video observation state of a video display apparatus. 上記映像表示装置において、拡散板も考慮した光源の発光特性を示す説明図である。In the said video display apparatus, it is explanatory drawing which shows the light emission characteristic of the light source which also considered the diffuser plate. 上記映像表示装置が有する光束径切り替え機構の照度調整フィルタの透過特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the permeation | transmission characteristic of the illumination intensity adjustment filter of the light beam diameter switching mechanism which the said video display apparatus has. 光学瞳の瞳面での照明特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the illumination characteristic in the pupil surface of an optical pupil.

符号の説明Explanation of symbols

1 映像表示装置
2 支持手段
4 接眼光学系
7 固定機構(固定手段)
11 光源
13 表示素子
23 ホログラム光学素子
30 光束径切り替え機構(光束径切り替え手段)
31 絞り
32 照度調整フィルタ
33 拡散板
34 駆動部
E 光学瞳
P 観察者の瞳
R1 映像表示領域
R2 映像表示領域
T1 有効光路領域
T2 有効光路領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Image display apparatus 2 Support means 4 Eyepiece optical system 7 Fixing mechanism (fixing means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Light source 13 Display element 23 Hologram optical element 30 Light beam diameter switching mechanism (light beam diameter switching means)
31 Diaphragm 32 Illuminance Adjustment Filter 33 Diffuser 34 Drive Unit E Optical Pupil P Observer Eye R1 Video Display Area R2 Video Display Area T1 Effective Optical Path Area T2 Effective Optical Path Area

Claims (15)

光源と、
光源からの光を変調して映像を表示する表示素子と、
表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
観察者が光学瞳の位置で映像を観察する映像観察状態で、光学瞳を通過する光の光束径をφViewとし、光学瞳の位置を観察者の瞳位置に合わせるための位置調整状態で、光学瞳を通過する光の光束径をφAli としたときに、φView<φAli となるように、光源から射出される光の光束径を切り替える光束径切り替え手段をさらに備えており、
位置調整状態での接眼光学系の有効光路領域は、映像観察状態での接眼光学系の有効光路領域に含まれていることを特徴とする映像表示装置。
A light source;
A display element that displays light by modulating light from a light source;
An image display device comprising an eyepiece optical system for guiding image light from a display element to an optical pupil,
In the image observation state where the observer observes the image at the position of the optical pupil, the light beam diameter of the light passing through the optical pupil is φView, and the optical position is adjusted in order to adjust the position of the optical pupil to the observer's pupil position. When the light beam diameter of the light passing through the pupil is φAli, it further includes a light beam diameter switching means for switching the light beam diameter of the light emitted from the light source so that φView <φAli.
An image display device, wherein the effective optical path region of the eyepiece optical system in the position adjustment state is included in the effective optical path region of the eyepiece optical system in the image observation state.
位置調整状態において、光学瞳を通過する光の瞳面内での照度は、中心位置で最大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。   2. The video display device according to claim 1, wherein in the position adjustment state, the illuminance within the pupil plane of the light passing through the optical pupil is maximum at the center position. 位置調整状態において、光学瞳を通過する光の瞳面内での周辺照度は、中心照度の1/2以下であることを特徴とする請求項2に記載の映像表示装置。   3. The video display device according to claim 2, wherein the peripheral illuminance in the pupil plane of the light passing through the optical pupil in the position adjustment state is ½ or less of the central illuminance. 位置調整状態において、光学瞳を通過する光の瞳面内での照度は、中心から周辺に向かって段階的に低下することを特徴とする請求項2に記載の映像表示装置。   3. The video display device according to claim 2, wherein in the position adjustment state, the illuminance within the pupil plane of the light passing through the optical pupil decreases stepwise from the center toward the periphery. 光束径切り替え手段は、3φView≦φAli となるように、光源から射出される光の光束径を切り替え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。   5. The video display device according to claim 1, wherein the beam diameter switching unit switches the beam diameter of light emitted from the light source so that 3φView ≦ φAli. 表示素子の映像表示領域は、映像観察状態よりも位置調整状態のほうが小さい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。   6. The video display device according to claim 1, wherein the video display area of the display element is smaller in the position adjustment state than in the video observation state. 光束径切り替え手段は、光学瞳とほぼ共役な位置に配置されてい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。   7. The image display device according to claim 1, wherein the light beam diameter switching means is disposed at a position substantially conjugate with the optical pupil. 光束径切り替え手段は、映像観察状態と位置調整状態とで開口部の面積を切り替える絞りを有していることを特徴とする請求項7に記載の映像表示装置。   8. The image display device according to claim 7, wherein the light beam diameter switching means has a diaphragm for switching the area of the opening between the image observation state and the position adjustment state. 光束径切り替え手段は、光源から射出される光の瞳面内での照度を調整するための照度調整フィルタをさらに有しており、
照度調整フィルタは、中心部を透過する光の透過率よりも周辺部を透過する光の透過率を低下させることを特徴とする請求項8に記載の映像表示装置。
The beam diameter switching means further includes an illuminance adjustment filter for adjusting the illuminance in the pupil plane of the light emitted from the light source,
The video display device according to claim 8, wherein the illuminance adjustment filter reduces the transmittance of light transmitted through the peripheral portion rather than the transmittance of light transmitted through the central portion.
照度調整フィルタは、周辺部を透過する光の透過率を少なくとも2段階で低下させることを特徴とする請求項9に記載の映像表示装置。   The video display device according to claim 9, wherein the illuminance adjustment filter reduces the transmittance of light transmitted through the peripheral portion in at least two stages. 光束径切り替え手段は、光源からの光を拡散させる拡散板と、位置調整状態のときに拡散板を光路中に配置する一方、映像観察状態のときに拡散板を光路中から取り除く駆動部とを有していることを特徴とする請求項7から10のいずれかに記載の映像表示装置。   The beam diameter switching means includes a diffusion plate that diffuses light from the light source, and a drive unit that disposes the diffusion plate in the optical path in the position adjustment state and removes the diffusion plate from the optical path in the image observation state. The video display device according to claim 7, wherein the video display device is provided. 光束径切り替え手段は、位置調整状態において、光源から射出される光の光束径を少なくとも2段階に切り替えることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載の映像表示装置。   12. The image display device according to claim 1, wherein the light beam diameter switching means switches the light beam diameter of the light emitted from the light source in at least two stages in the position adjustment state. 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12のいずれかに記載の映像表示装置。
The eyepiece optical system includes a volume phase reflection hologram optical element,
13. 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 to the optical pupil. Video display device.
請求項1から13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 13,
A head-mounted display comprising support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.
上記支持手段は、接眼光学系の光学瞳の位置を観察者の瞳位置に合わせる位置調整を行った後に、観察者の頭部に対する接眼光学系の相対位置を固定する固定手段を有していることを特徴とする請求項14に記載のヘッドマウントディスプレイ。   The support means includes a fixing means for fixing the relative position of the eyepiece optical system with respect to the head of the observer after performing position adjustment to match the position of the optical pupil of the eyepiece optical system with the position of the observer's pupil. The head mounted display according to claim 14.
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