JP2010145721A - Optical path combiner, image display device and head mount display - Google Patents

Optical path combiner, image display device and head mount display Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent ghost light from being made incident to an optical pupil even when an observed picture angle gets into widd, and thereby to enable a user to observe a high quality color image. <P>SOLUTION: An optical path combiner has a plurality of diffraction peak wavelengths discretely existing with respect to light rays made incident to the center of the optical pupil from the center of the optical path combiner when the observed picture angle gets into ≥16 degrees, and, in all of the combinations among the plurality of diffraction peak wavelengths, satisfies the following relations: 380<λa<λb<780 nm and λb/λa>1.13, wherein one side diffraction peak wavelength is λa and the other side diffraction peak wavelength is λb. Since the mutual diffraction peak wavelengths are adequately separated from each other, it is avoided, for example, that the diffraction wavelength region of B light on the optical path combiner and the diffraction wavelength region of G light are partially superimposed, and it is avoided that G light is diffracted on HOE where B light is diffracted and is made incident to an optical pupil as ghost light. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ホログラム光学素子(以下、HOEとも称する)を有する光路コンバイナと、その光路コンバイナを備え、外界と重ね合わせてカラー映像を広い観察画角で観察可能な映像表示装置と、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 optical path combiner having a hologram optical element (hereinafter also referred to as HOE), an image display apparatus including the optical path combiner, and capable of observing a color image with a wide observation angle by overlapping with the outside, and the image display The present invention relates to a head mounted display (hereinafter also referred to as HMD) provided with the device.

透明基材上に形成された反射透過特性を有する膜を用い、表示素子からの映像光を観察者の瞳の方向に反射すると同時に外界光を透過させ、映像(虚像)と外界とを重ね合わせて視認させる装置として、ヘッドアップディスプレイ(以下、HUDとも称する)やHMDと呼ばれる装置がよく知られている。このような映像と外界とを同時に観察可能なシースルーの装置を使用すれば、前方の外界から視線をそらせることなく、表示される必要な情報を追加で観察することが可能であり、様々なシーンで非常に有用である。   Using a film with reflection and transmission characteristics formed on a transparent substrate, the image light from the display element is reflected in the direction of the observer's pupil, and at the same time the external light is transmitted, and the image (virtual image) and the external environment are superimposed. As devices that are visually recognized, devices known as head-up displays (hereinafter also referred to as HUDs) and HMDs are well known. By using a see-through device that can observe the image and the outside world at the same time, it is possible to additionally observe the necessary information displayed without diverting the line of sight from the outside world in front of various scenes. Is very useful.

この反射透過特性を有する膜、すなわち、外界光と映像光とを重ね合わせる優れた光路コンバイナとして、例えばHOEが用いられてきた(特許文献1参照)。HOEを用いることにより、高い外界光透過性を得ることができる。また、HOEが光学的パワーを有することにより、装置の小型・軽量化が可能となる。   For example, HOE has been used as a film having this reflection / transmission characteristic, that is, an excellent optical path combiner that superimposes external light and image light (see Patent Document 1). By using HOE, high external light transmittance can be obtained. Further, since the HOE has optical power, the apparatus can be reduced in size and weight.

特開2004−61731号公報JP 2004-61731 A

しかしながら、これまでHOEが用いられてきたのは、観察画角が狭い場合のみであり、より広い観察画角で映像を観察する場合には、従来のHOEではゴーストが発生する可能性があることが判明した。   However, the HOE has been used so far only when the observation angle of view is narrow. When observing an image with a wider observation angle of view, a ghost may occur in the conventional HOE. There was found.

例えば、特許文献1では、波長476nm、532nm、647nmの3色のレーザでHOEを作製している。そして、HOE作製時にホログラム感光材料を露光するための参照光源の位置を、使用時の光学瞳中心よりもHOEに近づく方向またはHOEから遠ざかる方向にずらして配置し、HOEを作製している。このようにして作製されたHOEを用いた場合、光学瞳内では光学瞳の中心、瞳端ともに、製造時の光線と観察時の光線との角度ズレは小さい(瞳位置の違いによる色ムラは小さい)。しかし、観察画面中心から画面端に向かう画角方向では、画面端ほど製造時の光線と観察時の光線との角度ズレが大きい(画角方向の色ムラが大きい)。   For example, in Patent Document 1, the HOE is manufactured using lasers of three colors having wavelengths of 476 nm, 532 nm, and 647 nm. Then, the position of the reference light source for exposing the hologram photosensitive material at the time of manufacturing the HOE is shifted from the optical pupil center at the time of use in a direction closer to the HOE or away from the HOE, thereby manufacturing the HOE. When the HOE produced in this way is used, the angle shift between the light beam at the time of manufacture and the light beam at the time of observation is small in the optical pupil at both the center and the pupil end of the optical pupil. small). However, in the field angle direction from the center of the observation screen toward the screen edge, the angle shift between the light beam at the time of manufacture and the light beam at the time of observation is larger toward the screen edge (color unevenness in the field angle direction is larger).

HOEは、波長選択性・角度選択性を有しているため、画角方向の角度ズレが大きくなると、各色について回折ピーク波長のシフト量も大きくなる。すなわち、各色について、光学瞳中心に入射する画角上端の光についての回折ピーク波長は例えば短波長側にシフトし、光学瞳中心に入射する画角下端の光についての回折ピーク波長は例えば長波長側にシフトする。表示映像の観察画角が広くなればなるほど、この影響は大きくなり、光学瞳に同時に入射する光の波長域が各色ともに広がる。このため、例えば、HOEで回折されて光学瞳に入射するB光の回折波長域とG光の回折波長域とが一部重なることが起こり得る。この場合、G光がB光を回折するHOEで回折されてゴースト光として光学瞳に入射するため、高画質のカラー映像を観察することができなくなる。   Since the HOE has wavelength selectivity and angle selectivity, when the angle shift in the field angle direction increases, the shift amount of the diffraction peak wavelength for each color also increases. That is, for each color, the diffraction peak wavelength for light at the top of the angle of view incident on the optical pupil center is shifted to, for example, the short wavelength side, and the diffraction peak wavelength for light at the bottom of the angle of view incident on the optical pupil center is, for example, a long wavelength. Shift to the side. As the viewing angle of view of the display image becomes wider, this effect becomes greater, and the wavelength range of light that is simultaneously incident on the optical pupil increases for each color. For this reason, for example, the diffraction wavelength range of the B light that is diffracted by the HOE and enters the optical pupil may partially overlap with the diffraction wavelength range of the G light. In this case, since the G light is diffracted by the HOE that diffracts the B light and enters the optical pupil as ghost light, a high-quality color image cannot be observed.

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、外界と重ね合わせて映像を観察する際に、観察画角が広角となる場合でも、ゴースト光が光学瞳に入射するのを回避して高画質のカラー映像を観察することができる光路コンバイナと、その光路コンバイナを備えた映像表示装置と、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 in order to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to make ghost light optical even when the observation angle of view is wide when observing an image superimposed on the outside. An object of the present invention is to provide an optical path combiner capable of observing a high-quality color image while avoiding incident on the pupil, an image display device including the optical path combiner, and an HMD including the image display device. .

本発明の光路コンバイナは、表示素子からの映像光を光学瞳方向に回折反射させる一方、外界光を透過させて光学瞳に導くことにより、光学瞳の位置にて、表示映像の虚像と外界とを重ね合わせて観察させる、体積位相型で反射型のホログラム光学素子を有する光路コンバイナであって、上記光路コンバイナの中心における垂線と、上記光路コンバイナの中心と光学瞳の中心とを結ぶ直線とを含む面内において、上記光路コンバイナから射出されて光学瞳中心に入射する光線の最大角度差が16度以上となるときに、上記光路コンバイナの中心から光学瞳の中心に入射する光線についての回折ピーク波長は離散的に複数存在し、かつ、複数の回折ピーク波長の互いの全ての組み合わせにおいて、一方の回折ピーク波長をλaとし、他方の回折ピーク波長をλbとして、
380nm<λa<λb<780nm、かつ、λb/λa>1.13
を満足することを特徴としている。
The optical path combiner of the present invention diffracts and reflects the image light from the display element in the direction of the optical pupil, while transmitting the external light and guiding it to the optical pupil, so that the virtual image of the display image and the external environment are transmitted at the position of the optical pupil. An optical path combiner having a volume phase type reflection type hologram optical element, and a perpendicular line at the center of the optical path combiner and a straight line connecting the center of the optical path combiner and the center of the optical pupil. A diffraction peak with respect to a light ray incident from the center of the optical path combiner to the center of the optical pupil when a maximum angle difference between the light rays emitted from the optical path combiner and incident on the optical pupil center is 16 degrees or more. There are a plurality of discrete wavelengths, and in all combinations of a plurality of diffraction peak wavelengths, one diffraction peak wavelength is λa, and the other diffraction peak The over peak wavelength as λb,
380 nm <λa <λb <780 nm and λb / λa> 1.13
It is characterized by satisfying.

本発明の光路コンバイナにおいて、上記ホログラム光学素子は、平面形状であることが望ましい。   In the optical path combiner of the present invention, it is desirable that the hologram optical element has a planar shape.

本発明の光路コンバイナは、
1.2<λb/λa<1.5
を満足する構成であってもよい。
The optical path combiner of the present invention is
1.2 <λb / λa <1.5
It may be the composition which satisfies.

本発明の光路コンバイナは、
500nm<λa<535nm、かつ、620nm<λb<680nm、
または、
440nm<λa<490nm、かつ、620nm<λb<680nm
を満足する構成であってもよい。
The optical path combiner of the present invention is
500 nm <λa <535 nm and 620 nm <λb <680 nm,
Or
440 nm <λa <490 nm and 620 nm <λb <680 nm
It may be the composition which satisfies.

本発明の光路コンバイナにおいて、上記ホログラム光学素子は、発光波長が、510nm以上535nm以下のレーザと630nm以上680nm以下のレーザ、または、440nm以上490nm以下のレーザと630nm以上680nm以下のレーザを用いて作製されていてもよい。   In the optical path combiner of the present invention, the hologram optical element is manufactured using a laser having an emission wavelength of 510 to 535 nm and a laser of 630 to 680 nm, or a laser of 440 to 490 nm and a laser of 630 to 680 nm. May be.

本発明の光路コンバイナにおいて、上記ホログラム光学素子は、発光波長が、440nm以上460nm以下のレーザと、525nm以上535nm以下のレーザと、630nm以上680nm以下のレーザとを用いて作製されていてもよい。   In the optical path combiner of the present invention, the hologram optical element may be manufactured using a laser having an emission wavelength of 440 nm to 460 nm, a laser of 525 nm to 535 nm, and a laser of 630 nm to 680 nm.

本発明の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、上記表示素子からの映像光を内部で全反射させる光学部材と、上記光学部材内部を導光された映像光を反射させて光学瞳に導く一方、外界光を透過させて光学瞳に導く光路コンバイナとを備え、上記光路コンバイナは、上述した本発明の光路コンバイナで構成されていることを特徴としている。   An image display device according to the present invention includes a display element that displays an image, an optical member that totally reflects image light from the display element, and an optical pupil that reflects image light guided through the optical member. And an optical path combiner that transmits external light and guides it to the optical pupil. The optical path combiner includes the above-described optical path combiner of the present invention.

本発明の映像表示装置において、上記光路コンバイナのホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有しており、上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系の少なくとも一部を構成していてもよい。   In the image display device of the present invention, the hologram optical element of the optical path combiner has an axially asymmetric positive optical power, and at least a part of the eyepiece optical system that guides the image light from the display element to the optical pupil is provided. You may comprise.

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備えていることを特徴としている。   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.

本発明によれば、体積位相型で反射型のHOEを有する光路コンバイナを用いることにより、外界と重ね合わせて映像(虚像)を観察することが可能となる。このとき、光学瞳中心に入射する光線の最大角度差が16度以上となるような広い観察画角で映像を観察するときに、離散的に存在する回折ピーク波長の互いの全ての組み合わせについて上述した条件式を満たすことにより、互いの回折ピーク波長が十分に離れる。これにより、例えば、HOEで回折されて光学瞳に入射するB光の回折波長域とG光の回折波長域とが一部重なるのを回避することができ、G光がB光を回折するHOEで回折されてゴースト光として光学瞳に入射するのを回避することができる。その結果、観察画角が広角となる場合でも、高画質のカラー映像を観察することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to observe an image (virtual image) superimposed on the outside by using an optical path combiner having a volume phase type reflection type HOE. At this time, when observing an image with a wide observation angle of view where the maximum angle difference between the light rays incident on the center of the optical pupil is 16 degrees or more, all the combinations of the diffraction peak wavelengths that exist discretely are described above. By satisfying the above conditional expression, the diffraction peak wavelengths are sufficiently separated from each other. Thereby, for example, it is possible to avoid that the diffraction wavelength range of the B light that is diffracted by the HOE and enters the optical pupil and the diffraction wavelength range of the G light partially overlap, and the HOE in which the G light diffracts the B light. It can be avoided that the light is diffracted by the light and enters the optical pupil as ghost light. As a result, it is possible to observe a high-quality color image even when the observation angle of view is wide.

なお、上記ゴースト光は、例えば、ホログラム感光材料を露光する2光束のうち、光学瞳側の光束を平行光としてHOEを作製し、光学瞳の中心に観察者の瞳を位置させて映像を広角で観察する場合に発生しやすいが、光学瞳側の光束を点光源からの発散光としてHOEを作製し、点光源からの発散光の発散中心である点光源位置から観察者の瞳をずらした光学瞳位置で映像を広角で観察する場合でも同様に発生し得る。本発明によれば、上記いずれの場合でも、ゴースト光が観察者の瞳に入射するのを回避して、高画質のカラー映像を広角で観察することができる。   Note that the ghost light is, for example, a HOE that uses the light beam on the optical pupil side as parallel light out of the two light beams that expose the hologram photosensitive material, and the observer's pupil is positioned at the center of the optical pupil to widen the image. However, the HOE is produced by using the light beam on the optical pupil side as the divergent light from the point light source, and the observer's pupil is shifted from the position of the point light source that is the divergent center of the divergent light from the point light source. This can occur in the same way even when an image is observed at a wide angle at the optical pupil position. According to the present invention, in any of the above cases, ghost light can be prevented from entering the observer's pupil, and a high-quality color image can be observed at a wide angle.

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。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(映像表示装置について)
図1は、本発明の映像表示装置1の構成を模式的に示す説明図である。この映像表示装置1は、表示素子2と、光路コンバイナ3とを有している。表示素子2は、光源(図示せず)からの光を画像データに基づいて変調することにより映像を表示する光変調素子であり、例えば透過型の液晶表示素子で構成されている。
(About video display device)
FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a configuration of a video display device 1 of the present invention. The video display device 1 includes a display element 2 and an optical path combiner 3. The display element 2 is a light modulation element that displays an image by modulating light from a light source (not shown) based on image data, and is composed of, for example, a transmissive liquid crystal display element.

光路コンバイナ3は、表示素子2からの映像光を反射させて光学瞳Eに導くとともに、外界光を透過させて光学瞳Eに導く光学部材である。したがって、観察者は、光学瞳Eの位置にて、表示映像の虚像と外界とを重ね合わせて観察することができる。   The optical path combiner 3 is an optical member that reflects video light from the display element 2 and guides it to the optical pupil E, and transmits external light and guides it to the optical pupil E. Therefore, the observer can observe the virtual image of the display image and the outside world superimposed at the position of the optical pupil E.

光路コンバイナ3は、反射と透過の両方の機能を有していればよく、例えば、ハーフミラー、層状に干渉縞が記録された反射型ホログラム(HOE)、多層膜等で構成することができる。中でも、反射型HOEは、その波長選択性により任意の波長領域のみ反射可能であり、かつ、光学的パワーを持たせることで接眼光学系の一部を兼ねることができるため望ましい。反射波長を映像光波長と一致させることで、映像光を明るく観察することができるとともに、反射波長以外の外界光を透過させることができるので、外界も明るく観察することができる。なお、HOEは波長選択性・角度選択性を有しているため、光路コンバイナ3上での反射角が異なると、映像光の反射波長も異なる。   The optical path combiner 3 only needs to have both functions of reflection and transmission. For example, the optical path combiner 3 can be composed of a half mirror, a reflection hologram (HOE) in which interference fringes are recorded in layers, a multilayer film, and the like. Among them, the reflective HOE is desirable because it can reflect only an arbitrary wavelength region due to its wavelength selectivity, and can also serve as a part of an eyepiece optical system by giving optical power. By matching the reflection wavelength with the image light wavelength, the image light can be observed brightly, and external light other than the reflection wavelength can be transmitted, so that the external environment can also be observed brightly. Since the HOE has wavelength selectivity and angle selectivity, if the reflection angle on the optical path combiner 3 is different, the reflection wavelength of the image light is also different.

反射波長域の狭い光路コンバイナ3は、特に、体積位相型で反射型のHOEを用いることにより容易に作製することが可能である。体積位相型で反射型のHOEは、可干渉性の光による干渉露光により作製されるが、用いる材料の屈折率差(Δnd)や、作製条件(露光量、露光後処理(温度))等により、反射波長域を任意に制御することが可能である。このような用途に用いられるHOEを作製するためのホログラム感光材料としては、フォトポリマー、銀塩材料、重クロム酸ゼラチンなどが挙げられるが、中でもドライプロセスで容易に製造可能なフォトポリマーが望ましい。以下では、光路コンバイナ3として、体積位相型で反射型のHOEを用いたものとする。   The optical path combiner 3 having a narrow reflection wavelength range can be easily manufactured by using a volume phase type reflection type HOE. Volume phase type reflection type HOEs are manufactured by interference exposure with coherent light. Depending on the refractive index difference (Δnd) of materials used, manufacturing conditions (exposure amount, post-exposure processing (temperature)), etc. The reflection wavelength range can be arbitrarily controlled. Examples of the hologram photosensitive material for producing the HOE used for such applications include photopolymers, silver salt materials, dichromated gelatin, and the like, among which photopolymers that can be easily manufactured by a dry process are desirable. In the following, it is assumed that a volume phase type reflective HOE is used as the optical path combiner 3.

(比較例)
次に、本発明の理解を容易にするため、本発明の実施例を説明する前に、まず比較例について説明する。
(Comparative example)
Next, in order to facilitate understanding of the present invention, a comparative example will be described first before describing an embodiment of the present invention.

図2は、光路コンバイナ3(HOE)の作製時の露光光線の光路と、使用時(再生時)の再生光線の光路とを模式的に示す説明図である。反射型のHOEは、ホログラム感光材料3aに対して互いに反対側から2光束(波長λaの露光光線1、2)を照射し、これらの干渉縞を記録することにより作製される。   FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing the optical path of the exposure light beam when the optical path combiner 3 (HOE) is manufactured and the optical path of the reproduction light beam when in use (during reproduction). The reflection type HOE is produced by irradiating the hologram photosensitive material 3a with two light beams (exposure rays 1 and 2 having a wavelength λa) from opposite sides and recording these interference fringes.

ここで、反射型のHOEは、波長選択性・角度選択性を有するため、入射角が異なると、最大回折効率を示す回折ピーク波長も異なる。この入射角と回折ピーク波長との関係は、以下のブラックの条件を満足する。すなわち、反射型のHOEによる回折では、以下の2式が同時に成立する方向に回折する光の回折強度が最大となる。
(sinθ1−sinθ2)/λa = (sinθ3−sinθ4)/λb
(cosθ1−cosθ2)/λa = (cosθ3−cosθ4)/λb
ただし、
λa(nm):製造波長(露光波長)
θ1 (°):HOEに対する物体光(露光光線1)の入射角
(HOEの法線と露光光線1とのなす角度)
θ2 (°):HOEに対する参照光(露光光線2)の入射角
(HOEの法線と露光光線2とのなす角度)
λb(nm):再生波長(使用波長、回折波長)
θ3 (°):HOEに対する再生光線の入射角の補角
(HOEの法線と再生入射光線3とのなす角度の補角)
θ4 (°):HOEからの再生光線の出射角
(HOEの法線と再生出射光線4とのなす角度)
である。
Here, since the reflection type HOE has wavelength selectivity and angle selectivity, when the incident angle is different, the diffraction peak wavelength indicating the maximum diffraction efficiency is also different. The relationship between the incident angle and the diffraction peak wavelength satisfies the following black condition. That is, in the diffraction by the reflection type HOE, the diffraction intensity of the light diffracted in the direction in which the following two expressions are simultaneously established becomes the maximum.
(Sin θ 1 −sin θ 2 ) / λa = (sin θ 3 −sin θ 4 ) / λb
(Cos θ 1 −cos θ 2 ) / λa = (cos θ 3 −cos θ 4 ) / λb
However,
λa (nm): Manufacturing wavelength (exposure wavelength)
θ 1 (°): Incident angle of object light (exposure ray 1) to HOE
(An angle formed between the normal line of the HOE and the exposure light beam 1)
θ 2 (°): Incident angle of reference beam (exposure beam 2) to HOE
(An angle formed between the normal line of the HOE and the exposure light beam 2)
λb (nm): reproduction wavelength (use wavelength, diffraction wavelength)
θ 3 (°): complementary angle of the incident angle of the reconstructed beam with respect to HOE
(Supplementary angle between HOE normal and reconstructed incident light beam 3)
θ 4 (°): exit angle of reconstructed light from HOE
(An angle formed by the normal line of the HOE and the regenerative light beam 4)
It is.

次に、反射型HOEコンバイナを用いたときのHOEの波長選択性・角度選択性の影響について考える。ここでは、説明の理解をしやすくするため、図3に示すように、反射型HOEは、光路コンバイナ3から表示素子に向かう平行光線(露光光線1)と、光学瞳から光路コンバイナ3に向かう平行光線(露光光線2)との2光束によってホログラム感光材料3aを露光することにより作製されているものとする。   Next, the influence of the wavelength selectivity and angle selectivity of the HOE when using a reflective HOE combiner will be considered. Here, in order to facilitate understanding of the explanation, as shown in FIG. 3, the reflective HOE includes a parallel light beam (exposure light beam 1) from the optical path combiner 3 toward the display element and a parallel beam from the optical pupil toward the optical path combiner 3. It is assumed that the hologram photosensitive material 3a is produced by exposing the light beam (exposure light beam 2) with two light beams.

表示素子からの平行な再生光線が光路コンバイナ3に入射すると、露光光線と同じ波長の再生光線は、光路コンバイナ3にて瞳方向に平行に回折反射され、映像として観察される。再生光線は瞳方向に平行に反射されるので、観察者の瞳位置が上下に多少ずれても、観察者の瞳が光学瞳中心にあるときと同じ(色の変化のない)表示像を観察できる。   When the parallel reproduction light beam from the display element enters the optical path combiner 3, the reproduction light beam having the same wavelength as the exposure light beam is diffracted and reflected by the optical path combiner 3 in parallel to the pupil direction and observed as an image. Since the reconstructed ray is reflected parallel to the pupil direction, even if the observer's pupil position is slightly shifted up and down, the same display image (no color change) as when the observer's pupil is at the center of the optical pupil is observed. it can.

しかし、画角方向においては、観察画角の端に向かうに従って、光路コンバイナ3から瞳中心に入射する光線と露光光線2との角度差がα1、α2と大きくなり、その光線についての回折ピーク波長の、露光光線の波長λaからのシフト量が大きくなる。すなわち、図4に示すように、瞳中心に入射する画角上端の光(記録された干渉縞からの射出角が大きくなる方向の光)の回折ピーク波長は短波長シフト、瞳中心に入射する画角下端の光(記録された干渉縞からの射出角が小さくなる方向の光)の回折ピーク波長は長波長シフトすることとなる。表示映像の観察画角が広くなればなるほど、この波長シフトの影響が大きくなる。 However, in the field angle direction, the angle difference between the light beam incident on the center of the pupil from the optical path combiner 3 and the exposure light beam 2 increases as α 1 and α 2 toward the end of the observation field angle, and diffraction of the light beam is performed. The shift amount of the peak wavelength from the wavelength λa of the exposure light increases. That is, as shown in FIG. 4, the diffraction peak wavelength of the light at the top of the angle of view incident on the pupil center (light in the direction in which the emission angle from the recorded interference fringe increases) is shifted by a short wavelength and incident on the pupil center. The diffraction peak wavelength of the light at the lower end of the angle of view (the light in the direction in which the emission angle from the recorded interference fringes becomes smaller) is shifted by a long wavelength. The wider the viewing angle of the displayed image, the greater the influence of this wavelength shift.

次に、光学瞳の大きさを考慮して、実際の観察時に同時に光学瞳(観察者の瞳)に入射する光線について検討する。図5は、光路コンバイナ3にて回折反射されて光学瞳Eに入射する再生光線の光路を模式的に示す説明図である。上述したように、露光時の光線と再生時の光線との角度差が大きいほど波長シフト量が大きいので、瞳上端に入射する最大角度差α1の光線(画角下端の光線)L1と、瞳下端に入射する最大角度差α2の光線(画角上端の光線)L3についての回折ピーク波長をそれぞれ検討することで、瞳に同時に入射する光の波長域(HOEでの回折波長域)を算出することができる(少なくとも上記2つの回折ピーク波長間の波長域の光が瞳に入射する)。 Next, in consideration of the size of the optical pupil, light rays that are simultaneously incident on the optical pupil (observer's pupil) during actual observation are examined. FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing the optical path of the reproduction light beam that is diffracted and reflected by the optical path combiner 3 and enters the optical pupil E. As described above, the light beam during the exposure so as the wavelength shift amount angle difference is large between the light beam during reproduction is large, the maximum angle difference alpha 1 of the light beam (ray of angle bottom) L1 incident on the pupil upper end, By studying the diffraction peak wavelength for the light ray L3 having the maximum angle difference α 2 incident on the lower end of the pupil (the light ray at the upper end of the angle of view), the wavelength range of light incident simultaneously on the pupil (the diffraction wavelength range in the HOE) is determined. (At least light in the wavelength region between the two diffraction peak wavelengths is incident on the pupil).

ここで、以下の条件のもとで、瞳上端に入射する最大角度差の光線L1、瞳中心に入射する画角中心の光線L2、瞳下端に入射する最大角度差の光線L3のそれぞれについての回折ピーク波長を算出した。青色光、緑色光、赤色光を回折反射するHOEを、それぞれ、B−HOE、G−HOE、R−HOEとし、上記したブラック回折の式を用いて回折ピーク波長を計算すると、図6のようになる。   Here, under the following conditions, the light beam L1 having the maximum angle difference incident on the upper end of the pupil, the light beam L2 having the central angle of view incident on the pupil center, and the light beam L3 having the maximum angular difference incident on the lower end of the pupil. The diffraction peak wavelength was calculated. The HOEs that diffract and reflect blue light, green light, and red light are B-HOE, G-HOE, and R-HOE, respectively, and the diffraction peak wavelength is calculated using the above black diffraction formula, as shown in FIG. become.

<計算モデル条件>
・HOEコンバイナは平面で、垂直面に対して30度傾けて配置されている。
・HOEコンバイナの垂線に対して30度入射の平行光と、−30度反射の平行光とを用いてホログラム感光材料を露光し、HOEコンバイナを作製した。
・HOEコンバイナ中心と光学瞳との距離を15mmとした。
・瞳サイズ(同時に瞳に入射する瞳径)を3mmとした。
・HOEの作製レーザ波長は、Ar+ 476.5nm、YAG:Nd3+(2倍波) 532nm、Kr+ 647.1nmである。
・ホログラム感光材料の収縮はないものとした。
・HOEの回折半値幅は考慮しない。
・映像の観察画角を20度とした。
・単純化のため、HOEは光学的パワーを持たないものとした。
<Calculation model conditions>
-The HOE combiner is flat and is inclined 30 degrees with respect to the vertical plane.
The hologram photosensitive material was exposed using parallel light incident at 30 degrees with respect to the normal line of the HOE combiner and parallel light reflected at -30 degrees to produce a HOE combiner.
-The distance between the center of the HOE combiner and the optical pupil was 15 mm.
-The pupil size (the pupil diameter simultaneously incident on the pupil) was 3 mm.
The laser wavelength of HOE is Ar + 476.5 nm, YAG: Nd 3+ (double wave) 532 nm, Kr + 647.1 nm.
・ It was assumed that the hologram photosensitive material did not shrink.
・ HOE diffraction half width is not considered.
-The viewing angle of view of the video was set to 20 degrees.
• For simplicity, the HOE has no optical power.

図6より、B−HOEでの回折反射によって、445〜498nmの波長域の光が瞳に入射し、G−HOEでの回折反射によって、497〜556nmの波長域の光が瞳に入射し、R−HOEでの回折反射によって、605〜677nmの波長域の光が瞳に入射することがわかる。つまり、これらの波長域の光が同時に瞳に入射する。   From FIG. 6, light in the wavelength region of 445 to 498 nm is incident on the pupil by diffraction reflection at B-HOE, and light in the wavelength region of 497 to 556 nm is incident on the pupil by diffraction reflection at G-HOE. It can be seen that light in the wavelength range of 605 to 677 nm is incident on the pupil by diffraction reflection at the R-HOE. That is, light in these wavelength ranges is incident on the pupil at the same time.

ここで、B−HOEとG−HOEとで、必要とする回折波長域が一部重なっている。このため、例えば波長497nmの光は、B−HOEとG−HOEとの両方で回折反射され、瞳に到達してしまう。したがって、どちらか一方の映像(例えばGの映像)を表示しようとしても、G光がB−HOEでも回折反射されて瞳に届くので、これがゴーストとなって現れる。   Here, the required diffraction wavelength regions partially overlap between B-HOE and G-HOE. For this reason, for example, light having a wavelength of 497 nm is diffracted and reflected by both B-HOE and G-HOE and reaches the pupil. Therefore, even if one of the images (for example, a G image) is to be displayed, the G light is diffracted and reflected by B-HOE and reaches the pupil, so that this appears as a ghost.

なお、ここでは、単純化のため、HOEの回折効率の半値波長幅を考慮していないので、B−HOEとG−HOEとにおける回折波長域の重複領域は1nmであるが、実際には半値波長幅分の光が瞳に届くので、さらに必要な回折波長域の重複領域が大きくなり、よりゴーストが発生することとなる。また、表示映像の観察画角が広くなればなるほど、瞳に同時に入射する光線の最大角度差α1、α2が大きくなり、回折ピーク波長のシフト量が多くなるので、ゴーストの影響は大きくなる。なお、HOEの半値波長幅(例えば20nm)を考慮すると、観察画角が20度よりも狭い場合(例えば画角16度)でも、ゴーストが発生する。   Here, for simplification, the half-value wavelength width of the diffraction efficiency of the HOE is not considered, so the overlapping region of the diffraction wavelength regions in the B-HOE and G-HOE is 1 nm. Since the light of the wavelength width reaches the pupil, the overlapping region of necessary diffraction wavelength regions becomes larger, and ghosts are generated more. Further, as the viewing angle of view of the display image becomes wider, the maximum angle difference α1 and α2 of light rays simultaneously incident on the pupil increases, and the shift amount of the diffraction peak wavelength increases, so that the influence of the ghost increases. In consideration of the half-value wavelength width (for example, 20 nm) of the HOE, a ghost is generated even when the observation field angle is narrower than 20 degrees (for example, the field angle is 16 degrees).

(実施例1)
次に、本発明の一実施例について、実施例1として説明する。実施例1では、HOEの作製レーザ波長を、Ar+ 457.9nm、YAG:Nd3+(2倍波) 532nm、He−Ne 633nmとした以外は、比較例の計算モデル条件と同じ条件でHOEを作製した。図7は、上記光線L1、L2、L3についてのHOE(B−HOE、G−HOE、R−HOE)における回折ピーク波長を示している。
Example 1
Next, an embodiment of the present invention will be described as Embodiment 1. In Example 1, HOE was manufactured under the same conditions as the calculation model conditions of the comparative example, except that the laser wavelength for manufacturing the HOE was Ar + 457.9 nm, YAG: Nd 3+ (second harmonic) 532 nm, and He—Ne 633 nm. Was made. FIG. 7 shows diffraction peak wavelengths in the HOE (B-HOE, G-HOE, R-HOE) for the light beams L1, L2, and L3.

実施例1では、瞳中心に入射する画角中心の光線L2、すなわち、光路コンバイナ3の中心から光学瞳Eの中心に入射する光線についての回折ピーク波長は、RGBのそれぞれの波長域で存在しており、離散的に複数存在している。しかも、複数の上記回折ピーク波長の互いの全ての組み合わせにおいて、一方の回折ピーク波長をλa(nm)とし、他方の回折ピーク波長をλb(nm)として、
380nm<λa<λb<780nm ・・・(1)
λb/λa>1.13 ・・・(2)
を同時に満足している。つまり、図7の例では、λa=458nm、λb=532nmとした場合は、λb/λa=1.162となり、λa=532nm、λb=633nmとした場合は、λb/λa=1.190となり、λa=458nm、λb=633nmとした場合は、λb/λa=1.382となり、いずれも条件式(1)(2)を同時に満足している。
In the first embodiment, the diffraction peak wavelength of the light beam L2 having the angle of view incident on the center of the pupil, that is, the light beam incident on the center of the optical pupil E from the center of the optical path combiner 3, exists in each wavelength region of RGB. There are a plurality of discretely. Moreover, in all combinations of the plurality of diffraction peak wavelengths, one diffraction peak wavelength is λa (nm) and the other diffraction peak wavelength is λb (nm).
380 nm <λa <λb <780 nm (1)
λb / λa> 1.13 (2)
Are satisfied at the same time. That is, in the example of FIG. 7, when λa = 458 nm and λb = 532 nm, λb / λa = 1.162, and when λa = 532 nm and λb = 633 nm, λb / λa = 1.190. When λa = 458 nm and λb = 633 nm, λb / λa = 1.382, and both satisfy the conditional expressions (1) and (2) at the same time.

図5に示した、HOEの波長選択性・角度選択性が大きい面内、すなわち、光路コンバイナ3の中心における垂線と、光路コンバイナ3の中心と光学瞳Eの中心とを結ぶ直線とを含む面内において、光路コンバイナ3から射出されて光学瞳Eの中心に入射する光線の最大角度差α(観察画角)が16度以上となるときに、離散的に存在する上記回折ピーク波長の互いの全ての組み合わせについて条件式(1)(2)を満足することにより、互いの回折ピーク波長が十分に離れ、HOEで必要とする回折波長域が異なる色間で重なるのを回避することができる。つまり、図7の例では、B−HOEで必要とする回折波長域は428〜479nmであり、G−HOEで必要とする回折波長域は497〜556nmであり、R−HOEで必要とする回折波長域は592〜662nmであり、これらは互いに重なってはいない。したがって、比較例のように、同じ波長の光が2種類のHOEで回折されて光学瞳Eに同時に入射するのを回避することができる。その結果、16度以上の広い観察画角でも、ゴーストの発生しない良好なカラー映像(RGBによる高画質のフルカラー映像)を観察することが可能となる。   5 includes a plane including a perpendicular line at the center of the optical path combiner 3 and a straight line connecting the center of the optical path combiner 3 and the center of the optical pupil E. In the above, when the maximum angle difference α (observation angle of view) of the light beams emitted from the optical path combiner 3 and incident on the center of the optical pupil E is 16 degrees or more, the diffraction peak wavelengths that are discretely present are mutual. By satisfying the conditional expressions (1) and (2) for all the combinations, it is possible to avoid that the diffraction peak wavelengths are sufficiently separated from each other and the diffraction wavelength regions required by the HOE overlap between different colors. That is, in the example of FIG. 7, the diffraction wavelength range required for B-HOE is 428 to 479 nm, the diffraction wavelength range required for G-HOE is 497 to 556 nm, and the diffraction required for R-HOE. The wavelength range is 592 to 662 nm, and these do not overlap each other. Therefore, as in the comparative example, it is possible to avoid light having the same wavelength from being diffracted by two types of HOEs and entering the optical pupil E at the same time. As a result, it is possible to observe a good color image (high-quality full-color image by RGB) that does not generate ghosts even with a wide observation angle of view of 16 degrees or more.

このとき、光路コンバイナ3を構成するHOEは、平面形状であることが望ましい(図1等参照)。HOEが平面形状であれば、例えば、未露光状態のフィルム状のホログラム感光材料を基板に貼り付けて光路コンバイナ3を製造したり、あるいはホログラム記録後のHOEを基板に貼り付けて光路コンバイナ3を製造することが可能となり、光路コンバイナ3の製造が容易となる。   At this time, it is desirable that the HOE constituting the optical path combiner 3 has a planar shape (see FIG. 1 and the like). If the HOE is planar, for example, an optical path combiner 3 is manufactured by pasting a film-shaped hologram photosensitive material in an unexposed state on the substrate, or an optical path combiner 3 is pasted on the substrate after the hologram recording. The optical path combiner 3 can be easily manufactured.

ところで、HOEを作製するレーザの発光波長は、上記の値(457.9nm、532nm、633nm)に限定されるわけではない。例えば、発光波長が440nm以上460nm以下のレーザと、525nm以上535nm以下のレーザと、630nm以上680nm以下のレーザとを用いることにより、条件式(1)(2)を満足するHOE(光路コンバイナ3)を実現することができる。つまり、上記各レーザを用いて、BGRの3色の光を回折させる3色HOEを実現することにより、広い観察画角でも高画質の映像を観察できる本発明の効果を得ることができる。   By the way, the emission wavelength of the laser for manufacturing the HOE is not limited to the above values (457.9 nm, 532 nm, and 633 nm). For example, by using a laser having an emission wavelength of 440 nm or more and 460 nm or less, a laser of 525 nm or more and 535 nm or less, and a laser of 630 nm or more and 680 nm or less, HOE (optical path combiner 3) satisfying conditional expressions (1) and (2) is satisfied. Can be realized. That is, by realizing the three-color HOE that diffracts the BGR three-color light using the above lasers, the effect of the present invention that enables high-quality images to be observed even with a wide observation angle of view can be obtained.

また、実施例1では、瞳中心に向かう再生光線のHOEに対する入射角および出射角は、2つの露光光線のHOE(ホログラム感光材料)に対する各入射角と同じであるため(HOEの収縮なしと仮定しているが、実際には2%程度収縮し、その分(2%)短波長シフトする)、瞳中心に向かう再生光線についての回折ピーク波長と、レーザの露光波長とは等しい。しかし、作製できるレーザ光の波長は離散的で限られているため、必要であれば、瞳中心に向かう再生光線と露光光線との角度をずらして(露光時の参照光の入射方向を瞳中心方向からずらして)HOEを作製することで、瞳中心に向かう再生光線の回折ピーク波長を任意に設定することが可能である。このとき、以下に示すレーザ群のいずれかを選択して、BGRで組み合わせて使用することで、上記波長域のレーザを実現することができる。
Bのレーザ群:He−Cd+ 441.6nm、
Ar+ 457.9nm、476.5nm、488.0nm
Gのレーザ群:Ar+ 514.5nm、
Kr+ 530.9nm、
YAG:Nd3+(2倍波) 532nm
Rのレーザ群:He−Ne 633nm
Kr+ 647.1nm、676.4nm
In Example 1, since the incident angle and the emission angle of the reproduction light beam toward the pupil center with respect to the HOE are the same as the incident angles of the two exposure light beams with respect to the HOE (hologram photosensitive material) (assuming that there is no contraction of the HOE). However, in actuality, it contracts by about 2% and shifts the wavelength by a corresponding amount (2%), so that the diffraction peak wavelength for the reproduction light beam toward the center of the pupil is equal to the exposure wavelength of the laser. However, since the wavelength of the laser beam that can be produced is discrete and limited, if necessary, the angle between the reproduction light beam and the exposure light beam toward the pupil center is shifted (the incident direction of the reference light at the time of exposure is set to the pupil center). By making the HOE (shifted from the direction), it is possible to arbitrarily set the diffraction peak wavelength of the reconstructed light beam toward the pupil center. At this time, by selecting any of the following laser groups and using them in combination with BGR, a laser in the above-mentioned wavelength region can be realized.
B laser group: He—Cd + 441.6 nm,
Ar + 457.9 nm, 476.5 nm, 488.0 nm
G laser group: Ar + 514.5 nm,
Kr + 530.9 nm,
YAG: Nd 3+ (2nd harmonic) 532nm
R laser group: He-Ne 633 nm
Kr + 647.1 nm, 676.4 nm

(実施例2)
次に、本発明の他の実施例について、実施例2として説明する。実施例2では、光路コンバイナ3として、RGBのいずれか2色の光を回折させる2色HOEで構成している。例えば図8(a)は、GとRの2色の光を回折させる2色HOEの回折特性を示し、図8(b)は、BとRの2色の光を回折させる2色HOEの回折特性を示している。これらの2色HOEは、例えば以下の発光波長のレーザを用いてホログラム感光材料を露光することによって作製することが可能である。
GとRの2色:YAG:Nd3+(2倍波) 532nm、Kr+ 647.1nm
BとRの2色:Ar+ 476.5nm、Kr+ 647.1nm
(Example 2)
Next, another embodiment of the present invention will be described as a second embodiment. In the second embodiment, the optical path combiner 3 is configured by a two-color HOE that diffracts light of any two colors of RGB. For example, FIG. 8A shows the diffraction characteristics of a two-color HOE that diffracts light of two colors G and R, and FIG. 8B shows the two-color HOE that diffracts light of two colors B and R. The diffraction characteristics are shown. These two-color HOEs can be produced, for example, by exposing a hologram photosensitive material using a laser having the following emission wavelength.
Two colors G and R: YAG: Nd 3+ (double wave) 532 nm, Kr + 647.1 nm
Two colors B and R: Ar + 476.5 nm, Kr + 647.1 nm

「より広い観察画角に対応する」、「HOEの半値波長幅が広い(映像明るい)場合に対応する」という観点からは、互いの回折ピーク波長の差を大きくするほうが望ましい。BGRの3色ではなく、GとRまたはBとRの2色の光を回折する2色HOEを作製することにより、互いの回折ピーク波長の差を容易に大きくすることが可能となり、例えば1.2<λb/λa<1.5を実現することができる。したがって、2色HOEを作製することにより、より広角で映像を観察する場合でも、HOEの半値波長幅が広い場合でも、ゴースト光が瞳に入射するのを回避して、高画質のカラー映像を観察することができる。   From the viewpoints of “corresponding to a wider viewing angle of view” and “corresponding to a case where the half-value wavelength width of the HOE is wide (bright image)”, it is desirable to increase the difference between the diffraction peak wavelengths. By producing a two-color HOE that diffracts light of two colors, G and R or B and R, instead of the three colors of BGR, the difference between the diffraction peak wavelengths can be easily increased. .2 <λb / λa <1.5 can be realized. Therefore, by producing a two-color HOE, it is possible to avoid the ghost light from entering the pupil, even when observing an image at a wider angle or when the half-value wavelength width of the HOE is wide, and to produce a high-quality color image. Can be observed.

ちなみに、上記したGとRの2色HOEでは、λa=532nm、λb=647.1nmとすれば、λb/λa=1.216となり、BとRの2色HOEでは、λa=476.5nm、λb=647.1nmとすれば、λb/λa=1.358となり、いずれも、1.2<λb/λa<1.5を満足している。つまり、上記のGとRまたはBとRの2色HOEでは、λb/λaの値が実施例1よりもさらに大きくなり(互いの回折ピーク波長の差がさらに大きくなり)、より広角で映像を観察する場合や、HOEの半値波長幅が広い場合にも容易に対応することが可能となる。   Incidentally, in the above-described two-color HOE of G and R, if λa = 532 nm and λb = 647.1 nm, λb / λa = 1.216, and in the two-color HOE of B and R, λa = 476.5 nm, If λb = 647.1 nm, then λb / λa = 1.358, both satisfying 1.2 <λb / λa <1.5. That is, in the above-mentioned two-color HOE of G and R or B and R, the value of λb / λa is larger than that of the first embodiment (the difference between the diffraction peak wavelengths is further increased), and an image can be displayed at a wider angle. It is possible to easily cope with observation or when the half-value wavelength width of the HOE is wide.

以上のことから、光路コンバイナ3は、以下の条件式(3)を満足すれば、より広角で映像を観察する場合や、HOEの半値波長幅が広い場合でも、ゴースト光が瞳に入射するのを回避して、高画質のカラー映像を観察することができると言える。すなわち、
1.2<λb/λa<1.5 ・・・(3)
である。
From the above, if the optical path combiner 3 satisfies the following conditional expression (3), the ghost light is incident on the pupil even when observing an image at a wider angle or when the half-value wavelength width of the HOE is wide. It can be said that high-quality color images can be observed by avoiding the above. That is,
1.2 <λb / λa <1.5 (3)
It is.

ところで、2色HOEを作製するレーザの発光波長は、上記の値に限定されるわけではない。例えば、510nm以上535nm以下のレーザと630nm以上680nm以下のレーザ、または、440nm以上490nm以下のレーザと630nm以上680nm以下のレーザを用いることが可能である。このような発光波長のレーザを用いてGとRまたはBとRの2色HOEを作製することにより、2色HOEを用いることによる上述の効果を得ることができる。   By the way, the emission wavelength of the laser for producing the two-color HOE is not limited to the above value. For example, a laser with a wavelength of 510 nm to 535 nm and a laser with a wavelength of 630 nm to 680 nm or a laser with a wavelength of 440 nm to 490 nm and a laser of 630 nm to 680 nm can be used. By producing a two-color HOE of G and R or B and R using a laser having such a light emission wavelength, the above-described effect by using the two-color HOE can be obtained.

また、このような組み合わせのレーザを用いると、瞳中心に向かう再生光線と露光光線との角度をずらしてHOEを作製する等により、以下の式を満足する2色HOEを実現することが可能となる。すなわち、
500nm<λa<535nm、かつ、620nm<λb<680nm、
または、
440nm<λa<490nm、かつ、620nm<λb<680nm
である。
In addition, when such a combination of lasers is used, it is possible to realize a two-color HOE that satisfies the following expression by, for example, producing the HOE by shifting the angle between the reproduction beam and the exposure beam toward the pupil center. Become. That is,
500 nm <λa <535 nm and 620 nm <λb <680 nm,
Or
440 nm <λa <490 nm and 620 nm <λb <680 nm
It is.

このようなGとRまたはBとRの2色HOEを実現することにより、回折ピーク波長の差を大きくできる以外にも、さらに以下の効果を得ることができる。すなわち、2色HOEを用いることにより、2色とその中間色を表現できる。つまり、フルカラーではないが、単色およびそれとは異なる色のマルチカラーの映像を観察することが可能となる。また、HOE1層で2色を表現する場合(HOEが2色の光を回折する干渉縞を有する場合)は、HOE1層で3色を表現する場合に比べて、各色の回折効率を高めることができ、映像を明るくすることができる。さらに、2色HOEの場合、例えば表示素子を照明する光源として、発光部が2色のものを使用できるが、光源の消費電力を同じとした場合、発光部が3色よりも2色のほうが、1色あたりの照明光の強度を高くでき、映像を明るくすることができる。同じ照明光源であれば、観察画角が広いほど観察像の面積が大きくなるため暗く観察されるので、広画角であればあるほど、少しでも映像を明るく観察可能にすることは重要である。   By realizing such a two-color HOE of G and R or B and R, the following effects can be obtained in addition to increasing the difference in diffraction peak wavelength. That is, by using the two-color HOE, two colors and their intermediate colors can be expressed. That is, although it is not full color, it is possible to observe a single color and a multicolor image of a different color. In addition, when two colors are expressed by the HOE1 layer (when the HOE has an interference fringe that diffracts light of two colors), the diffraction efficiency of each color can be improved as compared to the case where three colors are expressed by the HOE1 layer. Can brighten the image. Further, in the case of two-color HOE, for example, a light source having two colors can be used as a light source for illuminating the display element. However, when the power consumption of the light source is the same, the light source has two colors rather than three colors. The intensity of illumination light per color can be increased, and the image can be brightened. If the illumination light source is the same, the wider the field of view, the larger the area of the observation image, so it will be observed darker. Therefore, the wider the field of view, the more important it is to make the image brighter and more observable. .

(実施例3)
次に、本発明のさらに他の実施例について、実施例3として説明する。図9は、光路コンバイナ3を構成するHOEを作製するときの露光光線と、HOEを使用するときの再生光線の各光路を示す説明図である。実施例3では、HOE作製時の参照光源(露光光線2の点光源)の位置を、使用時の光学瞳Eの中心よりもHOEから遠ざけて配置し、HOEを作製している。実施例3では、参照光(露光光線2)が平行光の実施例1および2よりは、画角方向の波長ズレの程度は小さいが、依然として波長ズレが存在するため、観察画角が広くなるとゴーストが発生しやすくなる。実施例3では、以下の計算モデル条件でゴーストについて考察した。図10は、その計算モデル条件のもとで得られる回折ピーク波長を示している。
(Example 3)
Next, still another embodiment of the present invention will be described as a third embodiment. FIG. 9 is an explanatory diagram showing the optical paths of the exposure light beam when producing the HOE constituting the optical path combiner 3 and the reproduction light beam when using the HOE. In Example 3, the position of the reference light source (point light source of the exposure light beam 2) at the time of HOE production is arranged farther from the HOE than the center of the optical pupil E at the time of use to produce the HOE. In Example 3, the degree of wavelength shift in the field angle direction is smaller than that in Examples 1 and 2 in which the reference light (exposure light beam 2) is parallel light, but the wavelength shift still exists, so that the observation angle of view becomes wider. Ghost is likely to occur. In Example 3, the ghost was considered under the following calculation model conditions. FIG. 10 shows the diffraction peak wavelength obtained under the calculation model conditions.

<計算モデル条件>
・HOEコンバイナは、垂直面に対して30度傾けて配置されている。
・HOEコンバイナの垂線に対して30度入射の平行光と、コンバイナ中心において上記垂線から−30度の方向で、かつ、コンバイナ中心から距離30mmの位置からの発散光とで、HOEコンバイナを作製した。
・HOEコンバイナ中心と光学瞳との距離を15mmとした。
・瞳サイズ(同時に瞳に入射する瞳径)を3mmとした。
・HOEの作製レーザ波長は、Ar+ 457.9nmまたはAr+ 476.5nm、YAG:Nd3+(2倍波) 532nm、Kr 647.1nmである。
・ホログラム感光材料の収縮はないものとした。
・HOEの回折半値幅は考慮しない。
・映像の観察画角を30度とした。
<Calculation model conditions>
-The HOE combiner is inclined 30 degrees with respect to the vertical plane.
A HOE combiner was produced with parallel light incident at 30 degrees with respect to the normal of the HOE combiner, and divergent light at a distance of −30 degrees from the normal at the center of the combiner and at a distance of 30 mm from the center of the combiner. .
-The distance between the center of the HOE combiner and the optical pupil was 15 mm.
-The pupil size (the pupil diameter simultaneously incident on the pupil) was 3 mm.
-Production laser wavelength of HOE is Ar + 457.9 nm or Ar + 476.5 nm, YAG: Nd3 + (second harmonic) 532 nm, Kr 647.1 nm.
・ It was assumed that the hologram photosensitive material did not shrink.
・ HOE diffraction half width is not considered.
-The viewing angle of view of the video was 30 degrees.

図10において、Ar+ 457.9nmのレーザを用いて作製したHOEを、B−HOE(1)とし、Ar+ 476.5nmのレーザを用いて作製したHOEを、B−HOE(2)とする。476.5nm、532nm、647.1nmの3色のレーザでHOEを作製した場合、B−HOE(2)とG−HOEの必要な回折波長域は、B−HOE(2)では447〜492nm、G−HOEでは500〜550nmと非常に近接している。この計算ではHOEの回折効率の半値波長幅を考慮していないが、実際には、半値波長幅を例えば20nmとすると、互いの必要な回折波長域が重なることになり、ゴーストが発生する。 In FIG. 10, HOE produced using an Ar + 457.9 nm laser is B-HOE (1), and HOE produced using an Ar + 476.5 nm laser is B-HOE (2). . When the HOE is manufactured with three colors of lasers of 476.5 nm, 532 nm, and 647.1 nm, the required diffraction wavelength range of B-HOE (2) and G-HOE is 447 to 492 nm for B-HOE (2), G-HOE is very close to 500 to 550 nm. In this calculation, the half-value wavelength width of the diffraction efficiency of the HOE is not taken into consideration. However, if the half-value wavelength width is 20 nm, for example, the necessary diffraction wavelength regions overlap each other and a ghost is generated.

そこで、回折ピーク波長476nmのB−HOE(2)の代わりに、回折ピーク波長458nmのB−HOE(1)を作製することが望ましい。この場合、B−HOE(1)の必要な回折波長域は430〜474nmとなり、G−HOEの必要な回折波長域と十分に離れるので、ゴーストの発生を確実に回避することが可能となり、高解像度の映像観察が可能となる。ちなみに、λa=458nm、λb=532nmとすると、λb/λa=1.16となり、条件式(1)(2)を満足する。   Therefore, it is desirable to produce B-HOE (1) having a diffraction peak wavelength of 458 nm instead of B-HOE (2) having a diffraction peak wavelength of 476 nm. In this case, the necessary diffraction wavelength region of B-HOE (1) is 430 to 474 nm, which is sufficiently away from the necessary diffraction wavelength region of G-HOE, so that it is possible to reliably avoid the occurrence of ghost, It is possible to observe images with resolution. Incidentally, when λa = 458 nm and λb = 532 nm, λb / λa = 1.16, which satisfies the conditional expressions (1) and (2).

(光路コンバイナの配置について)
次に、上述した光路コンバイナ3の配置について説明する。図11(a)は、映像光の縦入れ構成、すなわち、光学瞳Eと対向する垂直面Pに対して光路コンバイナ3の下端が上端よりも光学瞳E側に近くなるように、角度φ1だけ光路コンバイナ3を傾けて配置した状態を示している。この構成では、図示しない表示素子からの映像光は、光路コンバイナ3に対して上方向から入射し、光路コンバイナ3で瞳方向に反射される。この場合、上下方向の観察画角に対して、上述した画角方向の波長ズレが発生する。
(About the arrangement of the optical path combiner)
Next, arrangement | positioning of the optical path combiner 3 mentioned above is demonstrated. FIG. 11A shows a vertical insertion configuration of image light, that is, an angle φ 1 so that the lower end of the optical path combiner 3 is closer to the optical pupil E side than the upper end with respect to the vertical plane P facing the optical pupil E. Only the optical path combiner 3 is shown tilted. In this configuration, image light from a display element (not shown) enters the optical path combiner 3 from above and is reflected by the optical path combiner 3 in the pupil direction. In this case, the above-described wavelength shift in the viewing angle direction occurs with respect to the observation viewing angle in the vertical direction.

一方、図11(b)は、映像光の横入れ構成、すなわち、光学瞳Eと対向する垂直面Pに対して光路コンバイナ3の左端が右端よりも光学瞳E側に近くなるように、角度φ2だけ光路コンバイナ3を傾けて配置した状態を示している。この構成では、図示しない表示素子からの映像光は、光路コンバイナ3に対して右方向から入射し、光路コンバイナ3で瞳方向に反射される。この場合、左右方向の観察画角に対して、上述した画角方向の波長ズレが発生する。 On the other hand, FIG. 11B shows the horizontal insertion configuration of the image light, that is, the angle at which the left end of the optical path combiner 3 is closer to the optical pupil E side than the right end with respect to the vertical plane P facing the optical pupil E. The state where the optical path combiner 3 is tilted by φ 2 is shown. In this configuration, image light from a display element (not shown) enters the optical path combiner 3 from the right direction and is reflected by the optical path combiner 3 in the pupil direction. In this case, the above-described wavelength shift in the view angle direction occurs with respect to the observation view angle in the left-right direction.

上述した実施例1〜3の構成によれば、光路コンバイナ3を構成するHOEの波長選択性・角度選択性が大きい面、すなわち、光路コンバイナ3の中心における垂線と、光路コンバイナ3の中心と光学瞳Eの中心とを結ぶ直線とを含む面と平行な方向の観察画角が広角となる場合に、ゴースト光の発生を回避して高画質のカラー映像を観察することができる。したがって、図11(a)に示すように光路コンバイナ3を配置したときは、上下方向の観察画角が広角となったときに上述した本発明の効果を得ることができる。一方、図11(b)に示すように光路コンバイナ3を配置したときは、左右方向の観察画角が広角となったときに上述した本発明の効果を得ることができる。   According to the configurations of the first to third embodiments described above, the surface having high wavelength selectivity and angle selectivity of the HOE constituting the optical path combiner 3, that is, the perpendicular line at the center of the optical path combiner 3, the center of the optical path combiner 3, and the optical When the observation angle of view in a direction parallel to the plane including the straight line connecting the center of the pupil E is a wide angle, it is possible to avoid the generation of ghost light and observe a high-quality color image. Therefore, when the optical path combiner 3 is arranged as shown in FIG. 11A, the above-described effects of the present invention can be obtained when the observation angle of view in the vertical direction becomes a wide angle. On the other hand, when the optical path combiner 3 is arranged as shown in FIG. 11B, the above-described effects of the present invention can be obtained when the observation angle of view in the left-right direction becomes a wide angle.

(HMDに適用した具体例ついて)
次に、上述した映像表示装置1をHMDに適用したときの具体的な構成について説明する。
(Specific examples applied to HMD)
Next, a specific configuration when the video display device 1 described above is applied to an HMD will be described.

図12は、HMDに適用される映像表示装置11の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置11は、観察者に外界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り、上述した映像表示装置1(図1等参照)に対応している。この映像表示装置11は、映像表示部21と、接眼光学系31とを有して構成されている。映像表示部21は、光源22と、一方向拡散板23と、集光レンズ24と、LCD25とを有している。   FIG. 12 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the video display device 11 applied to the HMD. The video display device 11 allows the observer to observe the outside world through see-through, displays the video, and provides it to the viewer as a virtual image, and corresponds to the video display device 1 (see FIG. 1 and the like) described above. ing. The video display device 11 includes a video display unit 21 and an eyepiece optical system 31. The video display unit 21 includes a light source 22, a unidirectional diffuser plate 23, a condenser lens 24, and an LCD 25.

光源22は、中心波長が例えば465nm、520nm、635nmとなる3つの波長帯域の光を発するRGB一体型のLEDで構成されている。光源22のRGBの各発光部は、水平方向に並んで配置されている。一方向拡散板23は、光源22からの照明光を拡散させるものであるが、その拡散度は方向によって異なっている。より詳細には、一方向拡散板23は、図12の紙面に垂直な方向(水平方向)には入射光を約40゜拡散させ、紙面に平行な方向(上記水平方向に垂直な方向)には入射光を約0.2゜拡散させる。   The light source 22 is composed of an RGB integrated LED that emits light in three wavelength bands whose central wavelengths are 465 nm, 520 nm, and 635 nm, for example. The RGB light emitting units of the light source 22 are arranged side by side in the horizontal direction. The unidirectional diffuser plate 23 diffuses illumination light from the light source 22, but the degree of diffusion differs depending on the direction. More specifically, the unidirectional diffuser plate 23 diffuses incident light by about 40 ° in a direction perpendicular to the paper surface (horizontal direction) in FIG. 12, and in a direction parallel to the paper surface (a direction perpendicular to the horizontal direction). Diffuses incident light by about 0.2 °.

集光レンズ24は、一方向拡散板23にて拡散された光を集光する照明光学系である。集光レンズ24は、上記拡散光が効率よく光学瞳Eを形成するように配置されている。LCD25は、映像信号に基づいて光源22からの光を各画素ごとに変調することにより、映像を表示する表示素子であり、例えば透過型の液晶表示素子で構成されている。LCD25は、上述した表示素子2(図1等参照)に対応している。   The condenser lens 24 is an illumination optical system that condenses the light diffused by the unidirectional diffuser plate 23. The condenser lens 24 is arranged so that the diffused light efficiently forms the optical pupil E. The LCD 25 is a display element that displays an image by modulating light from the light source 22 on a pixel-by-pixel basis based on an image signal. For example, the LCD 25 includes a transmissive liquid crystal display element. The LCD 25 corresponds to the display element 2 (see FIG. 1 and the like) described above.

一方、接眼光学系31は、LCD25からの映像光を光学瞳Eに導く一方、外界光を透過させて光学瞳Eに導くことで、光学瞳Eの位置にて、表示映像の虚像とともに外界をシースルーで観察させる。この接眼光学系31は、接合プリズム(接合光学部材)で構成され、テレセントリックな光学系を構成している。具体的には、接眼光学系31は、光学部材である接眼プリズム32と偏向プリズム33とを、光路コンバイナ34を挟んで接合してなっている。   On the other hand, the eyepiece optical system 31 guides the image light from the LCD 25 to the optical pupil E, and transmits the external light to the optical pupil E so that the external world is displayed together with the virtual image of the display image at the position of the optical pupil E. Let them see through. The eyepiece optical system 31 includes a cemented prism (a cemented optical member), and configures a telecentric optical system. Specifically, the eyepiece optical system 31 is formed by joining an eyepiece prism 32 and a deflection prism 33, which are optical members, with an optical path combiner 34 interposed therebetween.

接眼プリズム32と偏向プリズム33とは、接着剤で接合されている。接眼プリズム32は、平行平板の下端部を楔状にし、その上端部を厚くした形状で構成されており、LCD25からの映像光を内部で全反射させて導光する。この接眼プリズム32は、面32a・32b・32cを有している。面32aは、映像表示部21からの映像光が入射する入射面であり、面32b・32cは互いに対向する面である。このうち、面32bは、全反射面兼射出面となっている。   The eyepiece prism 32 and the deflection prism 33 are joined with an adhesive. The eyepiece prism 32 is formed in a shape in which the lower end portion of the parallel plate is wedge-shaped and the upper end portion is thickened, and guides the image light from the LCD 25 by totally reflecting it internally. The eyepiece prism 32 has surfaces 32a, 32b, and 32c. The surface 32a is an incident surface on which the image light from the image display unit 21 is incident, and the surfaces 32b and 32c are surfaces facing each other. Among these, the surface 32b is a total reflection surface and an emission surface.

偏向プリズム33は、平行平板の上端部を接眼プリズム32の下端部に沿った形状とすることによって、接眼プリズム32と一体となって略平行平板となるように構成されている。接眼プリズム32に偏向プリズム33を接合させない場合、外界光が接眼プリズム32の楔状の下端部を透過するときに屈折するので、接眼プリズム32を介して観察される外界像に歪みが生じる。しかし、接眼プリズム32に偏向プリズム33を接合させて一体的な略平行平板を形成することで、外界光が接眼プリズム32の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム33でキャンセルすることができる。その結果、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 deflection prism 33 is configured to be a substantially parallel flat plate integrated with the eyepiece prism 32 by forming the upper end portion of the parallel plate along the lower end portion of the eyepiece prism 32. When the deflecting prism 33 is not joined to the eyepiece prism 32, external light is refracted when passing through the wedge-shaped lower end portion of the eyepiece prism 32, so that the external field image observed through the eyepiece prism 32 is distorted. However, the deflection prism 33 is joined to the eyepiece prism 32 to form an integral substantially parallel plate, whereby the deflection when the external light passes through the wedge-shaped lower end of the eyepiece prism 32 is canceled by the deflection prism 33. Can do. As a result, it is possible to prevent distortion in the external image observed through the see-through.

光路コンバイナ34は、接眼プリズム32内部で導光されたLCD25からの映像光を反射させて光学瞳Eに導くとともに、外界光を透過させて光学瞳Eに導く反射光学素子であり、例えば体積位相型で反射型のHOEで構成されている。光路コンバイナ34は、上述した光路コンバイナ3(図1等参照)に対応しており、上述した条件式(1)(2)等を満足するように、各色の回折ピーク波長が設定されている。光路コンバイナ34を構成するHOEは、LCD25にて表示された映像を拡大する、軸非対称な正の光学パワーを有している。   The optical path combiner 34 is a reflective optical element that reflects the image light from the LCD 25 guided inside the eyepiece prism 32 and guides it to the optical pupil E, and transmits external light to the optical pupil E, for example, a volume phase. It is composed of a type and reflection type HOE. The optical path combiner 34 corresponds to the optical path combiner 3 (see FIG. 1 and the like) described above, and the diffraction peak wavelengths of the respective colors are set so as to satisfy the conditional expressions (1) and (2) described above. The HOE constituting the optical path combiner 34 has an axially asymmetric positive optical power for enlarging an image displayed on the LCD 25.

光路コンバイナ34は、接眼プリズム32の下端部の傾斜面に貼り付けられており、この結果、接眼プリズム32と偏向プリズム33とで挟まれている。2つの透明部材(接眼プリズム32、偏向プリズム33)の間にHOEを形成することにより、HOEが外気に触れることがないので、光学性能を安定に保つことが可能となる。   The optical path combiner 34 is attached to the inclined surface at the lower end of the eyepiece prism 32, and as a result, is sandwiched between the eyepiece prism 32 and the deflection prism 33. By forming the HOE between the two transparent members (the eyepiece prism 32 and the deflection prism 33), the HOE does not come into contact with the outside air, so that the optical performance can be kept stable.

上記の構成において、映像表示部21の光源22から出射された光は、一方向拡散板23にて拡散され、集光レンズ24にて集光されてLCD25に入射する。LCD25に入射した光は、映像信号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。このとき、LCD25には、カラー映像が表示される。   In the above configuration, the light emitted from the light source 22 of the video display unit 21 is diffused by the unidirectional diffusion plate 23, condensed by the condenser lens 24, and enters the LCD 25. The light incident on the LCD 25 is modulated for each pixel based on the video signal and is emitted as video light. At this time, a color image is displayed on the LCD 25.

LCD25からの映像光は、接眼光学系31の接眼プリズム32の内部にその上端面(面32a)から入射し、対向する2つの面32b・32cで複数回全反射されて、光路コンバイナ34に入射する。光路コンバイナ34に入射した光はそこで回折反射され、面32bを介して射出され、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、LCD25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 LCD 25 enters the eyepiece prism 32 of the eyepiece optical system 31 from its upper end surface (surface 32a), is totally reflected a plurality of times by the two opposing surfaces 32b and 32c, and enters the optical path combiner 34. To do. The light incident on the optical path combiner 34 is diffracted and reflected there, is emitted through the surface 32b, 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 LCD 25.

一方、接眼プリズム32、偏向プリズム33および光路コンバイナ34は、外界光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界を観察することができる。したがって、LCD25に表示された映像の虚像は、外界の一部に重なって観察されることになる。以上のことから、光路コンバイナ34は、映像光と外界光とを同時に観察者の眼に導くコンバイナであると言える。   On the other hand, the eyepiece prism 32, the deflecting prism 33, and the optical path combiner 34 transmit almost all the external light, so that the observer can observe the external world. Therefore, the virtual image of the image displayed on the LCD 25 is observed while overlapping a part of the outside world. From the above, it can be said that the optical path combiner 34 is a combiner that guides the image light and the external light simultaneously to the eyes of the observer.

以上のように、接眼光学系31は、体積位相型で反射型のHOEからなる光路コンバイナ34を含んで構成されている。体積位相型で反射型のHOEは、回折効率が高く、しかも、回折効率ピークの半値波長幅が狭い。したがって、このようなHOEを用い、LCD25からの映像光をHOEにて回折反射させて光学瞳Eに導く構成とすることにより、明るい映像を観察させることができる。また、外界光の透過率も高くなるので、明るい外界を観察させることができる。   As described above, the eyepiece optical system 31 includes the optical path combiner 34 made of a volume phase type and a reflection type HOE. Volume phase type reflection type HOE has high diffraction efficiency, and the half-value wavelength width of the diffraction efficiency peak is narrow. Therefore, a bright image can be observed by using such a HOE and adopting a configuration in which the image light from the LCD 25 is diffracted and reflected by the HOE and guided to the optical pupil E. In addition, since the transmittance of external light is increased, a bright external environment can be observed.

また、接眼プリズム32内での全反射を用いて映像光を導光する構成なので、通常の眼鏡レンズと同程度に厚さを薄く(例えば3mm程度に)することができ、接眼プリズム32を小型軽量にできるとともに、外界光の透過率が高くなり、外界を良好に観察することができる。また、LCD25を接眼光学系31の一端部側に配置する、つまり、視野の周辺に配置することが可能となり、広い外界視野角を確保することができる。   In addition, since the image light is guided using total reflection in the eyepiece prism 32, the thickness can be reduced to the same level as that of a normal spectacle lens (for example, about 3 mm), and the eyepiece prism 32 can be made compact. While being able to be lightweight, the transmittance of external light becomes high and the external environment can be observed well. Further, the LCD 25 can be disposed on one end side of the eyepiece optical system 31, that is, in the vicinity of the visual field, and a wide external field viewing angle can be ensured.

また、HOEは、軸非対称な正の光学パワーを有しており、接眼光学系31の少なくとも一部を構成しているので、接眼光学系31を小型に構成しながら、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて、装置を小型軽量にできるとともに、良好に収差補正された映像を観察することが可能となる。   Further, the HOE has an axially asymmetric positive optical power and constitutes at least a part of the eyepiece optical system 31. Therefore, each of the optical elements constituting the apparatus while the eyepiece optical system 31 is made compact. The degree of freedom of arrangement of members can be increased, the apparatus can be reduced in size and weight, and an image with good aberration correction can be observed.

また、光路コンバイナ34は、特定入射角の特定波長の光のみを回折させる体積位相型で反射型のHOEで構成されているので、LCD25からの映像光が、接眼プリズム32、偏向プリズム33および光路コンバイナ34を透過する外界光に影響を与えることがない。それゆえ、観察者は、光路コンバイナ34を介してLCD25の表示映像の虚像を観察しながら、接眼プリズム32、偏向プリズム33および光路コンバイナ34を介して外界を通常通りかつ明瞭に観察することができる。   Further, since the optical path combiner 34 is composed of a volume phase type reflection type HOE that diffracts only light having a specific wavelength at a specific incident angle, image light from the LCD 25 is supplied to the eyepiece prism 32, the deflection prism 33, and the optical path. The external light transmitted through the combiner 34 is not affected. Therefore, the observer can observe the outside world normally and clearly through the eyepiece prism 32, the deflection prism 33 and the optical path combiner 34 while observing the virtual image of the display image on the LCD 25 through the optical path combiner 34. .

次に、上記の映像表示装置11が適用されるHMDについて説明する。図13(a)(b)(c)は、それぞれ、上記HMDの概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。HMDは、上述した映像表示装置11と、それを支持する支持手段12とを有しており、全体として、一般の眼鏡から一方(例えば左眼用)のレンズを取り除いたような外観となっている。映像表示装置11において、眼鏡の右眼用レンズに相当する部分は、接眼プリズム32と偏向プリズム33との貼り合わせによって構成されている。   Next, an HMD to which the video display device 11 is applied will be described. FIGS. 13A, 13B, and 13C are a plan view, a front view, and a side view showing a schematic configuration of the HMD, respectively. The HMD includes the above-described video display device 11 and support means 12 that supports the video display device 11, and as a whole looks like one lens (for example, for the left eye) is removed from general glasses. Yes. In the video display device 11, a portion corresponding to the right eye lens of the glasses is configured by bonding the eyepiece prism 32 and the deflection prism 33.

支持手段12は、映像表示装置11を観察者の眼前(例えば右眼の前)で支持するものであり、ブリッジ13と、フレーム14と、テンプル15と、鼻当て16と、ケーブル17とを有している。なお、フレーム14、テンプル15および鼻当て16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14R、左フレーム14L、右テンプル15R、左テンプル15L、右鼻当て16R、左鼻当て16Lのように表現するものとする。   The support unit 12 supports the video display device 11 in front of the observer's eyes (for example, in front of the right eye), and includes a bridge 13, a frame 14, a temple 15, a nose pad 16, and a cable 17. is doing. The frame 14, the temple 15 and the nose pad 16 are provided as a pair on the left and right sides. However, when these are distinguished from each other, the right frame 14R, the left frame 14L, the right temple 15R, the left temple 15L and the right nose pad 16R. The left nose pad 16L is expressed.

映像表示装置11の一端は、ブリッジ13に支持されている。このブリッジ13は、映像表示装置11のほかにも、左フレーム14Lおよび鼻当て16を支持している。左フレーム14Lは、左テンプル15Lを回動可能に支持している。一方、映像表示装置11の他端は、右フレーム14Rに支持されている。右フレーム14Rにおいて映像表示装置11の支持側とは反対側端部は、右テンプル15Rを回動可能に支持している。ケーブル17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11に供給するための配線であり、右フレーム14Rおよび右テンプル15Rに沿って設けられている。   One end of the video display device 11 is supported by the bridge 13. The bridge 13 supports the left frame 14 </ b> L and the nose pad 16 in addition to the video display device 11. The left frame 14L supports the left temple 15L so as to be rotatable. On the other hand, the other end of the video display device 11 is supported by the right frame 14R. An end of the right frame 14R opposite to the support side of the video display device 11 supports the right temple 15R so as to be rotatable. The cable 17 is a wiring for supplying an external signal (for example, a video signal, a control signal) and power to the video display device 11, and is provided along the right frame 14R and the right temple 15R.

観察者がHMDを使用するときは、右テンプル15Rおよび左テンプル15L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16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11にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置11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11を介して外界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 15R and the left temple 15L are brought into contact with the right and left heads of the observer, and the nose pad 16 is placed 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 11 in this state, the observer can observe the image on the image display device 11 as a virtual image and can observe the outside world through the image display device 11 in a see-through manner. it can.

このように、映像表示装置11が支持手段12で支持されているので、観察者は映像表示装置11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。また、観察者の観察方向が一方向に定まるので、観察者は暗環境でも表示映像を探しやすいという利点もある。   As described above, since the video display device 11 is supported by the support means 12, the observer can observe the video provided from the video display device 11 in a hands-free manner. In addition, since the observation direction of the observer is determined in one direction, there is an advantage that the observer can easily search for a display image even in a dark environment.

なお、HMDは、観察者の両眼の眼前に2個の映像表示装置11を配置した構成であってもよい。   The HMD may have a configuration in which two video display devices 11 are arranged in front of both eyes of the observer.

なお、本実施形態で説明した構成を適宜組み合わせて、光路コンバイナ、映像表示装置ひいてはHMDを構成することも勿論可能である。   Of course, it is possible to configure the optical path combiner, the video display device, and thus the HMD by appropriately combining the configurations described in this embodiment.

なお、本実施形態で説明した光路コンバイナや映像表示装置は、例えばHUDに適用することも可能である。   Note that the optical path combiner and the video display device described in this embodiment can be applied to, for example, a HUD.

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

本発明の映像表示装置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 video display apparatus of this invention. 上記映像表示装置の光路コンバイナの作製時の露光光線の光路と、使用時(再生時)の再生光線の光路とを模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the optical path of the exposure light beam at the time of preparation of the optical path combiner of the said video display apparatus, and the optical path of the reproduction light beam at the time of use (at the time of reproduction | regeneration). 光路コンバイナを平行な2光束を用いて作製する際の露光光線の光路と、その光路コンバイナで回折されて光学瞳の中心に入射する再生光線の光路とを模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the optical path of the exposure light beam at the time of producing an optical path combiner using two parallel light beams, and the optical path of the reproduction light beam which is diffracted by the optical path combiner and enters the center of the optical pupil. 上記光路コンバイナにおいて、画角に応じて回折ピーク波長がシフトする様子を示す説明図である。In the said optical path combiner, it is explanatory drawing which shows a mode that a diffraction peak wavelength shifts according to an angle of view. 上記光路コンバイナで回折反射されて、一定の大きさを持つ光学瞳に同時に入射する再生光線の光路を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the optical path of the reproduction | regeneration light beam which is diffracted and reflected by the said optical path combiner, and simultaneously injects into the optical pupil with a fixed magnitude | size. 比較例において、光学瞳に入射する各光線についてのHOEにおける回折ピーク波長を示す説明図である。In a comparative example, it is explanatory drawing which shows the diffraction peak wavelength in HOE about each light ray which injects into an optical pupil. 実施例1において、光学瞳に入射する各光線についてのHOEにおける回折ピーク波長を示す説明図である。In Example 1, it is explanatory drawing which shows the diffraction peak wavelength in HOE about each light ray which injects into an optical pupil. (a)は、GとRの2色の光を回折させる2色HOEの回折特性を示す説明図であり、(b)は、BとRの2色の光を回折させる2色HOEの回折特性を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the diffraction characteristic of 2 color HOE which diffracts the light of 2 colors of G and R, (b) is the diffraction of 2 color HOE which diffracts the light of 2 colors of B and R It is explanatory drawing which shows a characteristic. 他の光路コンバイナを作製するときの露光光線の光路と、使用時の再生光線の光路とを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the optical path of the exposure light beam when producing another optical path combiner, and the optical path of the reproduction light beam at the time of use. 実施例3において、光学瞳に入射する各光線についてのHOEにおける回折ピーク波長を示す説明図である。In Example 3, it is explanatory drawing which shows the diffraction peak wavelength in HOE about each light ray which injects into an optical pupil. (a)は、映像光の縦入れ構成を示す説明図であり、(b)は、映像光の横入れ構成を示す説明図である。(A) is explanatory drawing which shows the vertical insertion structure of image light, (b) is explanatory drawing which shows the horizontal insertion structure of image light. HMDに適用され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 applied to HMD. (a)(b)(c)は、それぞれ、上記HMDの概略の構成を示す平面図、正面図および側面図である。(A) (b) (c) is the top view, front view, and side view which respectively show the structure of the outline of the said HMD.

符号の説明Explanation of symbols

1 映像表示装置
2 表示素子
3 光路コンバイナ
11 映像表示装置
12 支持手段
25 LCD(表示素子)
31 接眼光学系
32 接眼プリズム(光学部材)
34 光路コンバイナ(ホログラム光学素子)
E 光学瞳
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Video display apparatus 2 Display element 3 Optical path combiner 11 Video display apparatus 12 Support means 25 LCD (display element)
31 Eyepiece optical system 32 Eyepiece prism (optical member)
34 Optical path combiner (hologram optical element)
E Optical pupil

Claims (9)

表示素子からの映像光を光学瞳方向に回折反射させる一方、外界光を透過させて光学瞳に導くことにより、光学瞳の位置にて、表示映像の虚像と外界とを重ね合わせて観察させる、体積位相型で反射型のホログラム光学素子を有する光路コンバイナであって、
上記光路コンバイナの中心における垂線と、上記光路コンバイナの中心と光学瞳の中心とを結ぶ直線とを含む面内において、上記光路コンバイナから射出されて光学瞳中心に入射する光線の最大角度差が16度以上となるときに、上記光路コンバイナの中心から光学瞳の中心に入射する光線についての回折ピーク波長は離散的に複数存在し、かつ、複数の回折ピーク波長の互いの全ての組み合わせにおいて、一方の回折ピーク波長をλaとし、他方の回折ピーク波長をλbとして、
380nm<λa<λb<780nm、かつ、λb/λa>1.13
を満足することを特徴とする光路コンバイナ。
The image light from the display element is diffracted and reflected in the direction of the optical pupil, while the external light is transmitted and guided to the optical pupil, thereby superimposing the virtual image of the display image and the external environment at the position of the optical pupil. An optical path combiner having a volume phase type reflection type hologram optical element,
In a plane including a perpendicular at the center of the optical path combiner and a straight line connecting the center of the optical path combiner and the center of the optical pupil, the maximum angle difference between the light rays emitted from the optical path combiner and incident on the optical pupil center is 16 When there are multiple diffraction peak wavelengths discretely for light rays incident on the center of the optical pupil from the center of the optical path combiner, and in all combinations of the plurality of diffraction peak wavelengths, The diffraction peak wavelength of λa is λa, and the other diffraction peak wavelength is λb.
380 nm <λa <λb <780 nm and λb / λa> 1.13
An optical path combiner characterized by satisfying
上記ホログラム光学素子は、平面形状であることを特徴とする請求項1に記載の光路コンバイナ。   The optical path combiner according to claim 1, wherein the hologram optical element has a planar shape. 1.2<λb/λa<1.5
を満足することを特徴とする請求項1または2に記載の光路コンバイナ。
1.2 <λb / λa <1.5
The optical path combiner according to claim 1 or 2, wherein:
500nm<λa<535nm、かつ、620nm<λb<680nm、
または、
440nm<λa<490nm、かつ、620nm<λb<680nm
を満足することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の光路コンバイナ。
500 nm <λa <535 nm and 620 nm <λb <680 nm,
Or
440 nm <λa <490 nm and 620 nm <λb <680 nm
The optical path combiner according to any one of claims 1 to 3, wherein:
上記ホログラム光学素子は、発光波長が、510nm以上535nm以下のレーザと630nm以上680nm以下のレーザ、または、440nm以上490nm以下のレーザと630nm以上680nm以下のレーザを用いて作製されて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光路コンバイナ。   The hologram optical element is manufactured using a laser having an emission wavelength of 510 to 535 nm and a laser of 630 to 680 nm, or a laser of 440 to 490 nm and a laser of 630 to 680 nm. The optical path combiner according to any one of claims 1 to 4. 上記ホログラム光学素子は、発光波長が、440nm以上460nm以下のレーザと、525nm以上535nm以下のレーザと、630nm以上680nm以下のレーザとを用いて作製されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光路コンバイナ。   The hologram optical element is manufactured using a laser having an emission wavelength of 440 nm to 460 nm, a laser of 525 nm to 535 nm, and a laser of 630 nm to 680 nm. The optical path combiner described in 1. 映像を表示する表示素子と、
上記表示素子からの映像光を内部で全反射させる光学部材と、
上記光学部材内部を導光された映像光を反射させて光学瞳に導く一方、外界光を透過させて光学瞳に導く光路コンバイナとを備え、
上記光路コンバイナは、請求項1から6のいずれかに記載の光路コンバイナで構成されていることを特徴とする映像表示装置。
A display element for displaying an image;
An optical member that totally reflects image light from the display element inside;
An optical path combiner that reflects the image light guided inside the optical member and guides it to the optical pupil while transmitting the external light to the optical pupil,
7. The image display device according to claim 1, wherein the optical path combiner comprises the optical path combiner according to any one of claims 1 to 6.
上記光路コンバイナのホログラム光学素子は、軸非対称な正の光学パワーを有しており、上記表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系の少なくとも一部を構成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。   The hologram optical element of the optical path combiner has an axially asymmetric positive optical power, and constitutes at least a part of an eyepiece optical system that guides image light from the display element to an optical pupil. The video display device according to claim 7. 請求項7または8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備えていることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
The video display device according to claim 7 or 8,
A head-mounted display comprising: support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.
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