JP2010243786A - Video display and head-mounted display - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a video display for accurately matching an exit pupil of an optical system with then entrance pupil of an eye of a user, while having a simple and low-cost constitution. <P>SOLUTION: The video display is constituted of a display element for displaying images; a light guide plate for making the images displayed on the display element incident; a propagation means for totally reflecting the incident images in the inside of the light guide plate, to be propagated toward the pupil of the user; and an optical member for totally reflecting the images incident, by passing a part and making the images incident on the light guide plate again so that the images are re-reflected totally in the inside of the light guide plate and propagate toward the pupil of the user, concerning a plurality of kinds of the optical members being selectively bonded on the part on the light guide plate which totally reflects the images at the interface of the light guide plate and air, and having differences in shape or refractive indices. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、使用者の頭部に装着される映像表示機器であり、表示素子の画像をホログラフィック光学素子(Holographic Optical Element、以下、「HOE」と記す。)を用いて使用者の瞳に導くヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display、以下、「HMD」と記す。)、および該ヘッドマウントディスプレイを構成する映像表示装置に関連し、詳しくは、使用者の眼幅に合わせた光学系の調節ができる映像表示装置、およびHMDに関する。   The present invention is a video display device worn on a user's head, and an image of the display element is applied to a user's pupil using a holographic optical element (hereinafter referred to as “HOE”). It relates to a head mounted display (hereinafter referred to as “HMD”) and a video display device that constitutes the head mounted display, and more specifically, adjustment of the optical system in accordance with the eye width of the user. The present invention relates to a video display device that can be used and an HMD.

近年、使用者の頭部に装着される映像表示機器であるHMDが一般に知られている。HMDは、表示素子上に表示された画像を光学的に拡大し、拡大された虚像として使用者に観察させるように構成されている。   In recent years, an HMD that is a video display device mounted on a user's head is generally known. The HMD is configured to optically enlarge an image displayed on a display element and allow a user to observe it as an enlarged virtual image.

ところで、この種のHMDにおいては、使用者の瞳位置がHMDの光学系の射出瞳の中心に対してずれたとき、そのズレ量に応じて色ズレが発生したりコントラストが低下したり、画像が歪む等の問題が指摘される。かかる問題の発生を防止して、表示素子の画像を使用者に良好に観察させるためには、光学系の射出瞳を使用者の眼の入射瞳と一致させる必要がある。しかし、人の眼幅(左右の眼の間隔)には個人差があり、凡そ58〜72mmの範囲に分布しているといわれている。そのため、設計上採用された値と略同じ眼幅の使用者以外は、その入射瞳が光学系の射出瞳と一致しないため、表示素子の画像を両眼で良好に観察することができない。   By the way, in this type of HMD, when the user's pupil position deviates from the center of the exit pupil of the optical system of the HMD, color misregistration or contrast decreases depending on the misregistration amount, and the image Problems such as distortion are pointed out. In order to prevent the occurrence of such a problem and allow the user to observe the image of the display element satisfactorily, it is necessary to make the exit pupil of the optical system coincide with the entrance pupil of the user's eye. However, there are individual differences in the human eye width (the distance between the left and right eyes), and it is said that they are distributed in a range of approximately 58 to 72 mm. Therefore, unless the user has a pupil width that is substantially the same as the value adopted in the design, the entrance pupil does not coincide with the exit pupil of the optical system, and thus the image on the display element cannot be observed well with both eyes.

そこで、一般的なHMDは、特許文献1や2に例示されるように、HMDの光学系の射出瞳位置を使用者の眼幅に合わせて変えられるようにデザインされている。具体的には、特許文献1や2に記載のHMDは、左右一対の表示素子を、使用者が眼幅に合うと思われる適当な位置に直接取り付けられるように構成されている。   Therefore, a general HMD is designed so that the exit pupil position of the optical system of the HMD can be changed according to the eye width of the user, as exemplified in Patent Documents 1 and 2. Specifically, the HMDs described in Patent Documents 1 and 2 are configured so that a pair of left and right display elements can be directly attached to an appropriate position that the user thinks fits the eye width.

特許第4018677号公報Japanese Patent No. 4018677 国際公開第04/017122号パンフレットInternational Publication No. 04/017122 Pamphlet

しかし、特許文献1や2に記載のHMDにおいては、表示素子を位置決めするときに使用者の感覚に頼らざるを得ないため、精度の高い眼幅調整(つまり、HMD1の光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とを精度良く一致させること)が実際上困難である。また、表示素子を眼鏡本体に固定する固定部品や表示素子等の各種部品の総重量に対して、眼鏡本体に対する接着面積が小さいため、各種部品を眼鏡本体に確実に固定するに足る十分な接着力が得られない虞がある。各種部品が確実に固定されていないがため、何らかの外的ストレスが固定部品等にかけられた(例えば使用者が頭部を動かした)ときに、表示素子が眼鏡本体に対して微少に振動して画像ブレが生じたり、表示素子が眼鏡本体から脱落したりする欠陥が指摘される。更に、特許文献1に記載のHMDにおいては、突起体(表示素子を眼鏡本体に固定する中間部材と表示装置本体とを連結する軸体)が細径であるため、簡単に破損して表示素子が脱落する懸念もある。   However, in the HMDs described in Patent Documents 1 and 2, since it is necessary to rely on the user's sense when positioning the display element, the eye width adjustment with high accuracy (that is, the exit pupil of the optical system of the HMD 1) It is actually difficult to match the entrance pupil of the user's eyes with high accuracy. In addition, since the bonding area to the spectacle body is small relative to the total weight of the various components such as the fixing parts and display elements that fix the display element to the spectacle body, sufficient adhesion is sufficient to securely fix the various parts to the spectacle body There is a possibility that power cannot be obtained. Since various parts are not securely fixed, when some external stress is applied to the fixed parts (for example, the user moves the head), the display element vibrates slightly with respect to the spectacle body. Defects that cause image blurring or that cause the display element to fall out of the spectacle body are pointed out. Further, in the HMD described in Patent Document 1, since the projection (shaft body connecting the intermediate member for fixing the display element to the spectacle main body and the display apparatus main body) has a small diameter, the display element is easily damaged. There is also a concern that will drop out.

使用者の眼幅に適したHMDを提供する別の方法としては、例えば左右の光学系の射出瞳位置の間隔が異なる複数種類の光学ユニットを予め用意し、その中から当該間隔が使用者の眼幅に最も近い光学ユニットを選択してHMDを組み立てる方法が考えられる。しかし、複数種類の光学ユニットを製造する必要があるため、例えば光学部品の金型費の増加や生産管理の複雑化等の問題が指摘される。光学系の射出瞳を使用者の眼の入射瞳に精度良く一致させるHMDを提供するためには、眼幅が微少に異なる、より一層豊富なラインナップの光学ユニットを用意しなければならない不都合がある。光学ユニットの種類を抑えたい場合には、何れの眼幅に対応した光学ユニットを用意すべきかを需要との整合を鑑みて決定する必要があるため、市場調査等の企画面や営業面等の負荷が増大する弊害が生じる。また、これらの問題を解決する為に、今迄に多くの製造者が表示素子をメガネ部分の左右両側にそれぞれ配置し、左側から左目専用の、右側から右目専用の画像情報を提供する方法を採用している。しかし、この方法では、表示素子に関連する部品(例えば液晶板、バックライト、光学部品、液晶コントローラ等)を2組装備する必要がある為、高コスト、高重量となり、市場では、受け入れられ難いものとなっていた。   As another method for providing an HMD suitable for the user's eye width, for example, a plurality of types of optical units having different intervals between the exit pupil positions of the left and right optical systems are prepared in advance, and the interval is determined by the user. A method of assembling the HMD by selecting the optical unit closest to the eye width can be considered. However, since it is necessary to manufacture a plurality of types of optical units, problems such as an increase in mold costs for optical components and complicated production management are pointed out. In order to provide an HMD that accurately matches the exit pupil of the optical system with the entrance pupil of the user's eye, there is a disadvantage that an even wider lineup of optical units with slightly different eye widths must be prepared. . In order to reduce the number of types of optical units, it is necessary to determine which eye width should be prepared in consideration of consistency with demand. There is a negative effect of increasing the load. In addition, in order to solve these problems, many manufacturers have arranged a display element on both the left and right sides of the eyeglass part so that image information dedicated to the left eye from the left side and dedicated to the right eye from the right side is provided. Adopted. However, in this method, since it is necessary to equip two sets of parts related to the display element (for example, a liquid crystal plate, a backlight, an optical part, a liquid crystal controller, etc.), the cost is high and the weight is high. It was a thing.

そこで、本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡易かつ安価な構成でありつつも光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とを精度良く一致させることができる映像表示装置、およびHMDを提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and the object of the present invention is to accurately set the exit pupil of the optical system and the entrance pupil of the user's eye with a simple and inexpensive configuration. An object is to provide an image display device and an HMD that can be matched.

上記の課題を解決する本発明の一形態に係る映像表示装置は、画像を表示する表示素子と、表示素子に表示された画像が入射される導光板と、入射された画像を導光板内部で全反射させて使用者の瞳に向かって伝搬する伝搬手段と、導光板と空気との界面であって画像が全反射される該導光板上の箇所に選択的に貼り付けられる、形状又は屈折率の異なる複数種類の光学部材であって、該箇所を通過して入射される該画像を全反射させ、該画像が該導光板内部で再び全反射して使用者の瞳に向かって伝搬するように該画像を該導光板に再入射させる光学部材とを有することを特徴とする。   A video display device according to an embodiment of the present invention that solves the above problems includes a display element that displays an image, a light guide plate on which an image displayed on the display element is incident, and an incident image that is displayed inside the light guide plate. Propagation means that totally reflects and propagates toward the user's pupil, and a shape or refraction that is selectively pasted at a location on the light guide plate that is an interface between the light guide plate and air and where the image is totally reflected A plurality of types of optical members having different rates, which totally reflect the image incident through the portion, and the image is totally reflected again inside the light guide plate and propagates toward the pupil of the user. And an optical member for re-entering the light guide plate on the light guide plate.

本発明に係る映像表示装置によれば、光学部材の貼付によって画像の光路長が延びたことに起因して、導光板から使用者の眼に向かって射出される射出瞳位置が外側に変位する。射出瞳位置の変位量は、導光板に貼り付けられる光学部材の形状又は屈折率に依存する。そのため、使用者は、複数種類の光学部材の何れかを導光板に貼り付けて、自身の眼幅に合うように導光板からの射出瞳位置を調節することができる。眼幅を調節する際の分解能は、用意される光学部材の数や種類によって簡単に高められる。このように、当該映像表示装置においては、簡易かつ安価な構成で映像表示装置の光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とを精度良く一致させることができる。   According to the video display device of the present invention, the position of the exit pupil that is emitted from the light guide plate toward the user's eyes is displaced outwardly due to the extension of the optical path length of the image due to the application of the optical member. . The amount of displacement of the exit pupil position depends on the shape or refractive index of the optical member attached to the light guide plate. Therefore, the user can affix any one of a plurality of types of optical members to the light guide plate and adjust the position of the exit pupil from the light guide plate so as to match his or her own eye width. The resolution when adjusting the eye width can be easily increased by the number and types of optical members to be prepared. Thus, in the video display device, the exit pupil of the optical system of the video display device and the entrance pupil of the user's eye can be made to coincide with each other with a simple and inexpensive configuration.

ここで、光学部材は、導光板との界面における臨界角や色ズレの発生を考慮して、屈折率が導光板とほぼ同一であることが望ましい。更に、導光板と光学部材は、同様の理由により、導光板及び光学部材と屈折率がほぼ同一の接着剤により接着されるのが好適である。但し、接着剤による接着層の膜厚は、屈折率や導光板の厚みと比べて格段に薄いため、屈折率や導光板との屈折率の差が極端に大きくなければ色ズレ等に配慮する必要はない。説明を加えると、ここでは、画像の波長に対して透過性が高い接着剤が使用される。   Here, it is desirable that the refractive index of the optical member is substantially the same as that of the light guide plate in consideration of the occurrence of a critical angle and color shift at the interface with the light guide plate. Further, for the same reason, the light guide plate and the optical member are preferably bonded with an adhesive having substantially the same refractive index as that of the light guide plate and the optical member. However, the film thickness of the adhesive layer made of adhesive is much thinner than the refractive index and the thickness of the light guide plate. Therefore, if the difference between the refractive index and the refractive index of the light guide plate is not extremely large, color misregistration should be considered. There is no need. For the sake of explanation, here, an adhesive having high transparency with respect to the wavelength of the image is used.

複数種類の光学部材は、様々な眼幅に対応できるように、例えば板厚又は板厚と直交する面(長さ、幅)方向の寸法がそれぞれ異なる複数種類の平行平板としてもよい。   The plurality of types of optical members may be, for example, a plurality of types of parallel flat plates with different dimensions in the plane (length, width) direction orthogonal to the plate thickness or the plate thickness so as to correspond to various eye widths.

導光板は、使用者が光学部材を適切な位置に簡単に貼り付けられるように、導光板と空気との界面であって画像が全反射される該導光板上の箇所に所定のマーキングが付されてもよい。   The light guide plate is provided with a predetermined marking at a position on the light guide plate where the image is totally reflected at the interface between the light guide plate and air so that the user can easily attach the optical member to an appropriate position. May be.

伝搬手段は、例えば導光板に入射された画像を該導光板内部で全反射させて所定位置に伝搬されるように回折する第一のHOE又は第一のDOE(Diffractive Optics Element)と、所定位置に伝搬された画像を使用者の瞳に向かって回折する第二のHOE又は第二のDOEとを有する構成としてもよい。更に、第二のHOE又は第二のDOEは、例えば使用者の左右の眼前に一対配置されており、第一のHOE又は第一のDOEは、導光部材に入射された画像を2つに分割するとともに、分割された各画像を一対の各々に入射させるように回折する構成としてもよい。   The propagation means includes, for example, a first HOE or a first DOE (Diffractive Optics Element) that diffracts the image incident on the light guide plate so that the image is totally reflected inside the light guide plate and propagates to the predetermined position, and a predetermined position. It is good also as a structure which has 2nd HOE or 2nd DOE which diffracts the image propagated to the user's pupil. Furthermore, the second HOE or the second DOE is disposed, for example, in front of the left and right eyes of the user, and the first HOE or the first DOE has two images incident on the light guide member. It is good also as a structure which diffracts so that it may divide | segment and each divided image may inject into a pair of each.

上記の課題を解決する本発明の一形態に係るHMDは、伝搬手段により伝搬された画像を虚像として使用者に観察させるように、上記の何れかに記載の映像表示装置を該使用者の眼前で支持する支持手段を有したことを特徴とする。   An HMD according to an embodiment of the present invention that solves the above-described problems is provided with the video display device according to any one of the above, in front of the user's eyes so that the user can observe the image propagated by the propagation unit as a virtual image. It has the support means to support by.

本発明に係る映像表示装置およびHMDによれば、簡易かつ安価な構成でありつつも光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とを精度良く一致させることができる。   According to the video display device and the HMD according to the present invention, the exit pupil of the optical system and the entrance pupil of the user's eye can be made to coincide with each other with high accuracy while having a simple and inexpensive configuration.

本発明の実施形態のHMDの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of HMD of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のHMDの構成を模式的に示す側面図である。It is a side view which shows typically the structure of HMD of embodiment of this invention. 本発明の実施形態のHMDの構成を模式的に示す側面図である。It is a side view which shows typically the structure of HMD of embodiment of this invention.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1(a)、図1(b)はそれぞれ、本実施形態のHMD1の構成を示す正面側斜視図、背面側斜視図である。図1(a)および図1(b)に示されるように、使用者の頭部に装着される眼鏡型フレーム2の正面部には、眼鏡レンズ3が取り付けられる。眼鏡型フレーム2の取付部2aには、画像を照明するためのバックライト4が取り付けられる。眼鏡型フレーム2のツル部分には、画像を映し出すための信号処理機器5、及び音声を再生するスピーカー6が設けられている。導光板10は、光学部材(例えばEFD15やSF11、SF15など)からなり、信号処理機器5の回路から引き出された配線を構成するFPC(Flexible Printed Circuits)7が、眼鏡型フレーム2に沿って配線される。表示素子ユニット(例えば液晶表示素子)20は、FPC7によって使用者の両眼中央位置まで配線され、かつバックライト4の光軸線上に表示素子ユニット20の略中心部が配置するように保持される。表示素子ユニット20は、導光板10の略中央部に位置するように、導光板10に対して相対的に固定される。使用者の眼前に位置する箇所にはHOE32R、32Lが、それぞれ接着等により導光板10の第一面10a上に密着固定されている。導光板10を挟んで表示素子ユニット20と対向する位置には、HOE52R、52Lが導光板10の第二面10b上に積層されている。平行平板60は、後述する眼幅調整(つまり、HMD1の光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とを精度良く一致させること)を行うため、接着等により第一面10a(又は第二面10b)に選択的に貼り付けられる。なお、本説明では、平行平板60を使用者が違和感を持たない様、使用者の瞳の位置に対し反対側に貼り付けたが勿論、使用者側に貼ることも可能である。   FIG. 1A and FIG. 1B are a front perspective view and a rear perspective view, respectively, showing the configuration of the HMD 1 of this embodiment. As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), a spectacle lens 3 is attached to the front portion of the spectacle-type frame 2 attached to the user's head. A backlight 4 for illuminating an image is attached to the attachment portion 2 a of the eyeglass-type frame 2. A signal processing device 5 for projecting an image and a speaker 6 for reproducing sound are provided at the temple portion of the eyeglass frame 2. The light guide plate 10 is made of an optical member (for example, EFD 15, SF 11, SF 15, etc.), and FPC (Flexible Printed Circuits) 7 constituting the wiring drawn out from the circuit of the signal processing device 5 is wired along the eyeglass frame 2. Is done. The display element unit (for example, a liquid crystal display element) 20 is wired by the FPC 7 to the center position of both eyes of the user, and is held so that the substantially central portion of the display element unit 20 is disposed on the optical axis of the backlight 4. . The display element unit 20 is fixed relative to the light guide plate 10 so as to be positioned at a substantially central portion of the light guide plate 10. HOEs 32R and 32L are fixed in close contact with the first surface 10a of the light guide plate 10 by bonding or the like at locations located in front of the user's eyes. HOEs 52R and 52L are stacked on the second surface 10b of the light guide plate 10 at positions facing the display element unit 20 with the light guide plate 10 interposed therebetween. The parallel flat plate 60 performs the eye width adjustment described later (that is, the exit pupil of the optical system of the HMD 1 and the entrance pupil of the user's eye are accurately matched). The two surfaces 10b) are selectively attached. In this description, the parallel plate 60 is affixed to the opposite side of the user's pupil position so that the user does not feel uncomfortable.

図2は、本実施形態のHMD1の構成を模式的に示す側面図である。なお、図2においては、図面を明瞭化するため、発明の主要部のみが示されており、眼鏡型フレーム2等は図示省略されている。図2に示されるように、HMD1は、表示素子24と導光板10の中心を結ぶ中心線Xを挟み略左右対称構造を有している。また、表示素子24から導光板10に入射された各波長の光は、後述するように二分割されて使用者の右眼、左眼のそれぞれに導光される。各眼に導光される各波長の光の光路も中心線Xを挟み左右対称である。   FIG. 2 is a side view schematically showing the configuration of the HMD 1 of the present embodiment. In FIG. 2, for the sake of clarity, only the main part of the invention is shown, and the spectacle frame 2 and the like are not shown. As shown in FIG. 2, the HMD 1 has a substantially left-right symmetric structure across a center line X that connects the center of the display element 24 and the light guide plate 10. Further, light of each wavelength incident on the light guide plate 10 from the display element 24 is divided into two parts as will be described later, and is guided to the right eye and the left eye of the user. The optical path of each wavelength of light guided to each eye is also symmetrical with respect to the center line X.

図2に示されるように、バックライト4は、レーザ光源21、拡散光学系22、およびマイクロレンズアレイ23を有する。表示素子ユニット20は、表示素子24を有する画像生成ユニットであり、例えばフィールドシーケンシャル(Field Sequential)方式で駆動する。レーザ光源21は、R(HeNeレーザ)、G(Hd:YAGレーザ)、B(He−Cdレーザ)の各波長に対応したレーザ光源を有し、各波長の光を高速(例えば180Hz)で順次照射する。各波長の光は、拡散光学系22、マイクロレンズアレイ23に入射され、光量ムラのない均一な光束に変換されて、表示素子24の表示パネル面に垂直に入射される。   As shown in FIG. 2, the backlight 4 includes a laser light source 21, a diffusion optical system 22, and a microlens array 23. The display element unit 20 is an image generation unit including the display element 24, and is driven by, for example, a field sequential method. The laser light source 21 has a laser light source corresponding to each wavelength of R (HeNe laser), G (Hd: YAG laser), and B (He-Cd laser), and sequentially emits light of each wavelength at a high speed (for example, 180 Hz). Irradiate. The light of each wavelength is incident on the diffusion optical system 22 and the microlens array 23, converted into a uniform light beam with no unevenness in the amount of light, and incident perpendicularly on the display panel surface of the display element 24.

表示素子24は、例えばフィールドシーケンシャル方式で駆動する透過型液晶(LCD T-LCOS)パネルである。表示素子24は、各波長の光に、信号処理機器5の画像エンジン(不図示)が生成する画像信号に応じた変調をかける。表示素子24の有効領域の画素で変調された各波長の光は、所定の光束断面(該有効領域と略同じ形状)をもって導光板10に入射される。なお、表示素子24は、例えばDMD(Digital Mirror Device)や反射型液晶(LCOS)パネル、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)、有機EL(Electro-Luminescence)、無機EL等の他の形態の表示素子に置換することも可能である。   The display element 24 is, for example, a transmissive liquid crystal (LCD T-LCOS) panel that is driven by a field sequential method. The display element 24 modulates light of each wavelength according to an image signal generated by an image engine (not shown) of the signal processing device 5. The light of each wavelength modulated by the pixels in the effective area of the display element 24 is incident on the light guide plate 10 with a predetermined light beam cross section (substantially the same shape as the effective area). The display element 24 is a display element of another form such as a DMD (Digital Mirror Device), a reflective liquid crystal (LCOS) panel, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), an organic EL (Electro-Luminescence), an inorganic EL, or the like. Substitution is also possible.

なお、表示素子ユニット20は、フィールドシーケンシャル方式の表示素子に限らず、同時式の表示素子(射出面前面に所定の配列のRGBカラーフィルタを有する表示素子)の画像生成ユニットとしてもよい。この場合、光源には、例えば白色光源が使用される。   The display element unit 20 is not limited to a field sequential display element, and may be an image generation unit of a simultaneous display element (a display element having a predetermined arrangement of RGB color filters on the front surface of the emission surface). In this case, for example, a white light source is used as the light source.

図2に示されるように、表示素子24により変調された各波長の光は、第一面10aから導光板10内部に順次入射される。導光板10の第二面10b上には、HOE52Rと52Lが積層されている。HOE52Rおよび52Lは、例えば矩形状を有する反射型の体積位相型HOEであって、R、G、Bの各波長の光に対応する干渉縞が各々に記録されたフォトポリマーを三枚積層した構成を有する。すなわち、HOE52Rおよび52Lは、R、G、Bの各波長の光を回折しそれ以外の波長の光を透過する波長選択機能を有するように構成されている。   As shown in FIG. 2, the light of each wavelength modulated by the display element 24 is sequentially incident on the inside of the light guide plate 10 from the first surface 10a. On the second surface 10b of the light guide plate 10, HOEs 52R and 52L are stacked. The HOEs 52R and 52L are, for example, reflection type volume phase type HOEs having a rectangular shape, and are configured by laminating three photopolymers each recording interference fringes corresponding to light of each wavelength of R, G, B Have That is, the HOEs 52R and 52L are configured to have a wavelength selection function of diffracting light of R, G, and B wavelengths and transmitting light of other wavelengths.

また、HOE52Rおよび52Lは、R、G、Bの各波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーとしてもよい。説明を加えると、使用波長がn(nは自然数)種類ある場合には、HOE52Rおよび52Lの層構造は、各波長の光に対応する干渉縞が各々に記録されたフォトポリマーをn枚積層したもの、或いは、各波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーとなる。   Further, the HOEs 52R and 52L may be a single-layer photopolymer in which interference fringes corresponding to light of each wavelength of R, G, and B are recorded. In addition, when there are n types of wavelengths used (n is a natural number), the layer structure of the HOEs 52R and 52L includes n photopolymers each recording interference fringes corresponding to light of each wavelength. Or a single photopolymer on which interference fringes corresponding to light of each wavelength are recorded.

また、二層のフォトポリマーによりHOE52Rおよび52Lを構成し、R、G、Bの各波長の光に対応する波長選択機能を付与することも可能である。例として、R、Gの各波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーと、Bの波長の光に対応する干渉縞が記録された一層のフォトポリマーの計二層によりHOE52Rおよび52Lを構成することが考えられる。なお、HOE32Rおよび32Lも反射型の体積位相型HOEであり、HOE32Rおよび32Lと同一の層構造を有する。HOE32Rおよび32Lと52Rおよび52Lは、例えば干渉縞パターンのピッチが略同一であってもよい。   It is also possible to form the HOEs 52R and 52L with two layers of photopolymers and to provide a wavelength selection function corresponding to light of each wavelength of R, G, and B. As an example, the HOE52R is composed of a total of two layers of a photopolymer in which interference fringes corresponding to light of R and G wavelengths are recorded and a photopolymer in which interference fringes corresponding to light of B wavelengths are recorded. And 52L can be configured. HOEs 32R and 32L are also reflective volume phase HOEs and have the same layer structure as HOEs 32R and 32L. For example, the pitches of the interference fringe patterns may be substantially the same in the HOEs 32R and 32L and 52R and 52L.

HOE52Rと52Lは、互いの中心が一致し、かつ干渉縞パターンが180(deg)反転された状態で積層されている。そして、積層された状態でその中心が中心線Xと一致するように導光板10の第二面10b上に接着等により密着固定されている。HOE52R、52Lには、表示素子24により変調された各波長の光が導光板10を介して順次入射される。   The HOEs 52R and 52L are stacked in a state where their centers coincide with each other and the interference fringe pattern is inverted by 180 (deg). Then, in the laminated state, it is firmly fixed by adhesion or the like on the second surface 10b of the light guide plate 10 so that the center thereof coincides with the center line X. Light of each wavelength modulated by the display element 24 is sequentially incident on the HOEs 52R and 52L via the light guide plate 10.

HOE52R、52Lはそれぞれ、順次入射される各波長の光を右眼、左眼に導くため所定の角度を付与して回折する。HOE52R、52Lにより回折された各波長の光はそれぞれ、導光板10と空気との界面で全反射を繰り返して導光板10内部を伝搬し、中心線Xから距離L、L離れたHOE32R、32Lに入射される。なお、図2中、使用者の右眼、左眼の中心を通るHOE32R、HOE32Lの各法線に符号「X」、「X」を付す。図2においては、法線X、Xがそれぞれ中心線Xから距離L、L離れており、表示素子24の表示画像の中心と使用者の眼の入射瞳の中心とが一致(別の表現によれば、HMD1の光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳とが一致)している様子を現している。 Each of the HOEs 52R and 52L diffracts by giving a predetermined angle in order to guide sequentially incident light of each wavelength to the right eye and the left eye. The light of each wavelength diffracted by the HOEs 52R and 52L repeats total reflection at the interface between the light guide plate 10 and air, propagates through the light guide plate 10, and is separated from the center line X by distances L R and L L. It is incident on 32L. In FIG. 2, reference signs “X R ” and “X L ” are attached to the normals of the HOE 32 R and HOE 32 L that pass through the centers of the right eye and the left eye of the user. In FIG. 2, the normal lines X R and X L are separated from the center line X by distances L R and L L , respectively, and the center of the display image of the display element 24 matches the center of the entrance pupil of the user's eye ( According to another expression, it shows that the exit pupil of the optical system of the HMD 1 and the entrance pupil of the user's eye coincide).

ここで、HOE52R、52Lは、各波長の光に同一の回折角を付与する。そのため、導光板10に対する入射位置が略同一の(あるいは別の表現によれば、表示素子24の有効領域内の略同一座標から射出された)全ての波長の光は、導光板10内部の略同一の光路を伝搬して、HOE32R、32L上の略同位置に入射する。別の観点によれば、HOE52R、52Lは、表示素子24の有効領域に表示された画像の該有効領域内における画素位置関係がHOE32R、32L上で忠実に再現されるようにRGBの各波長の光を回折する。   Here, the HOEs 52R and 52L give the same diffraction angle to the light of each wavelength. Therefore, light of all wavelengths having substantially the same incident position with respect to the light guide plate 10 (or, according to another expression, emitted from substantially the same coordinates within the effective area of the display element 24) The light propagates through the same optical path and enters substantially the same position on the HOEs 32R and 32L. According to another aspect, the HOEs 52R and 52L are arranged so that the pixel positional relationship in the effective area of the image displayed in the effective area of the display element 24 is faithfully reproduced on the HOEs 32R and 32L. Diffracts light.

このように本実施形態においてHOE52R、52Lはそれぞれ、表示素子24の有効領域内の略同一座標から射出された全ての波長の光をHOE32R、32L上の略同位置に入射させるように回折する。一方、別の実施形態においては、HOE52R、52Lは、表示素子24の有効領域内で相対的にずらされた本来同一画素をなす全ての波長の光をHOE32R、32L上の略同位置に入射させるように回折するように構成されてもよい。   As described above, in the present embodiment, the HOEs 52R and 52L each diffract light so that light of all wavelengths emitted from substantially the same coordinates in the effective area of the display element 24 is incident on substantially the same positions on the HOEs 32R and 32L. On the other hand, in another embodiment, the HOEs 52R and 52L make light of all wavelengths originally forming the same pixel relatively shifted within the effective area of the display element 24 incident at substantially the same positions on the HOEs 32R and 32L. It may be configured to diffract.

HOE32R、32L上に入射された各波長の光は、HOE32R、32Lにより回折されて導光板10の第二面10bから外部に略垂直に順次射出される。このように略平行光として射出された各波長の光はそれぞれ、表示素子24により生成された画像の虚像として使用者の右眼網膜、左眼網膜に結像する。また、使用者に拡大画像の虚像を観察させるために、HOE52R、52Lは、HOE32R、32L上での画素位置関係が表示素子24の有効領域に表示された画像の該有効領域内における画素位置関係に対して拡大された相似形状をなすようにRGBの各波長の光を回折するようにしてもよい。また、使用者が拡大画像の虚像を観察できるように、HOE52R、52Lにコンデンサ作用を付与してもよい。すなわち、HOE52R、52Lの周辺領域に入射された光ほど瞳の中心に寄るように角度をもって射出されて、HOE32R、32Lを介して該角度をもったまま使用者の網膜に結像するようにしてもよい。   The light of each wavelength incident on the HOEs 32R and 32L is diffracted by the HOEs 32R and 32L and sequentially emitted from the second surface 10b of the light guide plate 10 to the outside substantially vertically. Thus, the light of each wavelength emitted as substantially parallel light forms an image on the right eye retina and left eye retina of the user as a virtual image of the image generated by the display element 24. In order to allow the user to observe a virtual image of the enlarged image, the HOEs 52R and 52L are arranged so that the pixel positional relationship on the HOEs 32R and 32L is the pixel positional relationship in the effective region of the image displayed in the effective region of the display element 24. The light of each wavelength of RGB may be diffracted so as to form an enlarged similar shape. Moreover, you may provide a capacitor | condenser effect | action to HOE52R and 52L so that a user can observe the virtual image of an enlarged image. That is, the light incident on the peripheral area of the HOEs 52R and 52L is emitted with an angle so as to be closer to the center of the pupil, and is imaged on the retina of the user with the angle through the HOEs 32R and 32L. Also good.

HOE32R、32L、52R、52Lの少なくとも1つのHOEは、DOEに置き換え可能である。例えば全てのHOEをDOEに置き換えてもよく、又はHOE32Rと32Lを共に、或いはHOE52Rと52Lを共にDOEに置き換えてもよく、若しくはHOE32R又は32Lの何れか一方、又はHOE52R又は52Lの何れか一方をDOEに置き換えてもよい。すなわち、HOEとDOEとの置き換えには様々なパターンが想定される。なお、HOEとDOEは図1又は図2中同一の図で示されるため、ここでは、DOEを有するHMD1の構成図面は省略する。   At least one of the HOEs 32R, 32L, 52R, and 52L can be replaced with a DOE. For example, all HOEs may be replaced with DOE, or both HOE32R and 32L, or HOE52R and 52L may be replaced with DOE, or either HOE32R or 32L, or either HOE52R or 52L It may be replaced with DOE. That is, various patterns are assumed for replacement of HOE and DOE. Since the HOE and the DOE are shown in the same diagram in FIG. 1 or FIG. 2, the configuration drawing of the HMD 1 having the DOE is omitted here.

各波長の光は使用者の網膜上に高速で順次結像されるため、使用者は、表示素子24による生成画像をカラー画像として認識することとなる。なお、使用者の眼と表示素子24との実際の距離は数十mm程度に過ぎない。しかし、各波長の光は略平行光として眼球に入射されるため、使用者は、無限遠視したときに表示素子24による生成画像を明瞭に視認することができる。また、体積位相型の反射型HOEであるHOE32R、32Lは回折効率の半値幅が狭く外界像の光の透過率が高い。そのため、使用者は、外界像を表示素子24の表示画像と共に明瞭に観察することができる。   Since the light of each wavelength is sequentially formed on the retina of the user at high speed, the user recognizes the generated image by the display element 24 as a color image. The actual distance between the user's eyes and the display element 24 is only about several tens of millimeters. However, since light of each wavelength is incident on the eyeball as substantially parallel light, the user can clearly see the generated image by the display element 24 when viewed at infinity. Further, the volume phase type reflective HOEs HOE32R and 32L have a narrow half-value width of diffraction efficiency and a high light transmittance of an external image. Therefore, the user can clearly observe the external image together with the display image of the display element 24.

なお、本実施形態においては、右眼用、左眼用の表示素子を別個に備えること無く単板の表示素子24を備える構成が採用されている。このため、製造コストダウン等の効果が得られる。また、共通の物点からの光(すなわち単板の表示素子24の画像)を左右で同じ光路長を経て使用者の各眼に導光している。このため、使用者の各眼に対して同期した画像を入射させることができる。   In the present embodiment, a configuration in which a single-plate display element 24 is provided without separately providing right-eye and left-eye display elements is employed. For this reason, effects such as manufacturing cost reduction can be obtained. In addition, light from a common object point (that is, an image of the single-panel display element 24) is guided to the eyes of the user through the same optical path length on the left and right. For this reason, a synchronized image can be made incident on each eye of the user.

ところで、HMD1の光学系の左右それぞれの射出瞳中心と中心線Xとの距離L、L(単位:mm)は共に、導光板10の板厚をt(単位:mm)と定義し、導光板10内部を伝搬する光の回折角度(より正確には、HOEにより反射、回折されて導光板10に入射された光の屈折角)をθ1(単位:deg)と定義し、導光板10内部を各眼に向かって伝搬される表示素子24の画像光の反射回数をN(Nは自然数であり、図2の場合は右眼、左眼の何れについても3回)と定義した場合に、次の式(1)により表される。
=L=Nt×tanθ1・・・(1)
使用者の眼幅が間隔L(図2中法線XとXとの間隔であって、距離LとLとの合計値)であるときには、各眼に対するHMD1の光学系の射出瞳と各眼の入射瞳とが一致する。この場合、使用者は、表示素子24の表示画像を良好に観察することができる。
By the way, the distances L R and L L (unit: mm) between the left and right exit pupil centers of the optical system of the HMD 1 and the center line X both define the thickness of the light guide plate 10 as t (unit: mm), The diffraction angle of light propagating through the light guide plate 10 (more precisely, the refraction angle of light reflected and diffracted by the HOE and incident on the light guide plate 10) is defined as θ1 (unit: deg), and the light guide plate 10 When the number of reflections of the image light of the display element 24 propagating through the inside toward each eye is defined as N (N is a natural number, and in the case of FIG. 2, the right eye and the left eye are 3 times) Is represented by the following equation (1).
L R = L L = Nt × tan θ1 (1)
Eye width of the user distance L (a distance between in FIG normal X R and X L, the distance L R and sum of the L L) when in the projection of the optical system of HMD1 for each eye The pupil coincides with the entrance pupil of each eye. In this case, the user can observe the display image of the display element 24 satisfactorily.

HMD1は、間隔Lが眼幅の狭い(例えば50mm強)使用者を想定して設計されている。そのため、眼幅が間隔Lより広い使用者は、各眼に対するHMD1の光学系の射出瞳と各眼の入射瞳とが一致しないため、表示素子24の表示画像を良好に双眼観察することができない。このような使用者が表示素子24の表示画像を良好に双眼観察するためには、HMD1の眼幅を変更する必要がある。ここで、HMDの眼幅を変更する上でコスト面や精度面等の問題が従来あったことは既に説明した通りである。そこで、本実施形態のHMD1は、次に説明される簡易かつ安価な構成でありつつも、各眼に対するHMD1の光学系の射出瞳と各眼の入射瞳とが精度良く一致するように構成されており、従来指摘されていた問題点が解消されている。   The HMD 1 is designed assuming a user whose distance L is narrow (for example, a little over 50 mm). Therefore, a user whose eye width is wider than the interval L cannot observe the display image of the display element 24 with good binocular vision because the exit pupil of the optical system of the HMD 1 for each eye and the entrance pupil of each eye do not match. . In order for such a user to observe the display image of the display element 24 with good binocular vision, it is necessary to change the eye width of the HMD 1. Here, as already described, there have been problems such as cost and accuracy in changing the eye width of the HMD. Therefore, the HMD 1 of the present embodiment is configured so that the exit pupil of the optical system of the HMD 1 for each eye and the entrance pupil of each eye coincide with each other with a simple and inexpensive configuration described below. The problems pointed out in the past have been resolved.

図3は、図2と同じく本実施形態のHMD1の構成を模式的に示す側面図であり、HMD1の眼幅の変更について説明するため、表示素子24から使用者の左眼に至るまでの光路を拡大して示している。   FIG. 3 is a side view schematically showing the configuration of the HMD 1 of the present embodiment, as in FIG. 2, and an optical path from the display element 24 to the left eye of the user in order to explain the change of the eye width of the HMD 1. Is shown enlarged.

HMD1の眼幅を変えるため、図3に示されるように、平行平板60が、表示素子24の画像光が反射される第一面10a上の反射ポイントに接着等によって貼り付けられる。図3中、破線は、平行平板60を貼り付けた場合の画像光の光路を示す。画像光は、導光板10から平行平板60に入射されて面60aで全反射された後、導光板10に再入射されて使用者の瞳に向かう。平行平板60は、HMD1の眼幅を変えるため、第一面10a上の別の反射ポイント(図3中には示されていないが、導光板10内部における画像光の反射回数がより多い構成であれば第一面10a上に別の反射ポイントが存在する。)や第二面10b上の反射ポイントの何れに貼り付けられてもよい。   In order to change the eye width of the HMD 1, as shown in FIG. 3, the parallel flat plate 60 is attached to the reflection point on the first surface 10 a where the image light of the display element 24 is reflected by adhesion or the like. In FIG. 3, the broken line indicates the optical path of the image light when the parallel flat plate 60 is pasted. The image light enters the parallel flat plate 60 from the light guide plate 10 and is totally reflected by the surface 60a, and then reenters the light guide plate 10 toward the user's pupil. The parallel flat plate 60 has a configuration in which another reflection point on the first surface 10a (not shown in FIG. 3, but the number of reflections of image light inside the light guide plate 10 is larger in order to change the eye width of the HMD1. If there is, another reflection point exists on the first surface 10a.) Or a reflection point on the second surface 10b.

平行平板60は、例えば導光板10と同一又はほぼ同一の屈折率をもつ材料で構成された広く流通する安価なガラス板である。平行平板60は、その入手容易性から豊富な板厚を簡単に取り揃えることができ、本実施形態においても板厚t’(単位:mm)の異なる複数種類が用意されている。この平行平板60を貼り付けたときの中心線Xと光学系の射出瞳中心との間隔L’(単位:mm)は、次の式(2)により表される。
L’=L+(2×t’×tanθ1)=(Nt+2t’)×tanθ1・・・(2)
式(2)に示されるように、間隔L’は、反射ポイントに貼り付けられる平行平板60の板厚t’に応じて変わる。なお、導光板10と平行平板60との間の接着層は、膜厚が導光板10や平行平板60の板厚と比べて格段に薄く無視できる程度であるため、式(2)では考慮されていない。但し、ここで使用される接着剤としては、可視光域の光に対して透過性が高いのは勿論、各界面における臨界角や色ズレの発生を考慮して、導光板10及び平行平板60と屈折率の差が極端に大きくないものが選択される。接着剤の屈折率は、導光板10及び平行平板60と屈折率がほぼ同一であることが望ましい。
The parallel flat plate 60 is a widely distributed inexpensive glass plate made of a material having the same or substantially the same refractive index as that of the light guide plate 10, for example. The parallel plate 60 can be easily provided with a wide variety of plate thicknesses because of its availability, and also in this embodiment, a plurality of types with different plate thicknesses t ′ (unit: mm) are prepared. A distance L ′ L (unit: mm) between the center line X and the center of the exit pupil of the optical system when the parallel plate 60 is pasted is expressed by the following equation (2).
L ′ L = L L + (2 × t ′ × tan θ1) = (Nt + 2t ′) × tan θ1 (2)
As shown in Expression (2), the interval L ′ L varies depending on the plate thickness t ′ of the parallel flat plate 60 attached to the reflection point. Note that the adhesive layer between the light guide plate 10 and the parallel plate 60 is much thinner than the thickness of the light guide plate 10 or the parallel plate 60 and can be ignored, so it is considered in the equation (2). Not. However, as the adhesive used here, the light guide plate 10 and the parallel plate 60 are considered in consideration of the occurrence of critical angles and color misregistration at each interface as well as high transparency to light in the visible light range. And those whose refractive index difference is not extremely large are selected. The refractive index of the adhesive is desirably substantially the same as that of the light guide plate 10 and the parallel plate 60.

このように、本実施形態のHMD1によれば、例えば導光板10及び各種HOEで構成される光学ユニットを複数種類用意すること無く、平行平板60を導光板10に貼り付けるだけという簡易かつ安価な構成でHMD1の眼幅が変えられる。また、板厚が微少に異なる複数種類の平行平板60を用意することによって眼幅を調整する際の分解能が高まるため、HMD1の光学系の射出瞳と使用者の眼の入射瞳との高精度な一致が容易に達成される。   Thus, according to the HMD 1 of the present embodiment, for example, a simple and inexpensive method of simply attaching the parallel plate 60 to the light guide plate 10 without preparing a plurality of types of optical units composed of the light guide plate 10 and various HOEs. The eye width of the HMD 1 can be changed by the configuration. In addition, since a plurality of types of parallel plates 60 having slightly different plate thicknesses are prepared to increase the resolution when adjusting the eye width, high accuracy between the exit pupil of the optical system of the HMD 1 and the entrance pupil of the user's eye. Match is easily achieved.

平行平板60は、例えば接着剤が塗布された状態の複数種類がHMD1本体に同梱されて販売される。平行平板60の貼り付け位置は、平行平板60が表示素子24の有効領域に対応する画像光を漏れ無く全反射させて導光板10に再入射させることができれば足り、高い精度が要求されない。そのため、使用者は、平行平板60を導光板10に自ら貼り付けて、HMD1の眼幅を自身に最適な眼幅に簡単に変えることができる。平行平板60を導光板10に貼り付ける作業の一助として、導光板10の反射ポイントに対応する位置に所定のマーキングを付すようにしてもよい。なお、平行平板60が隣り合う反射ポイントの一部に跨って接着されたときには、表示素子24の有効領域に対応する画像光の一部が使用者の瞳に正常に導かれない。回折角度θ1を大きめに設定して反射ポイントが現れる位置のピッチを広げることにより、接着時に平行平板60が隣り合う反射ポイントの一部に跨り難くなるように設計してもよい。   For example, a plurality of types of the parallel plate 60 in a state where an adhesive is applied are packaged in the HMD 1 main body and sold. The parallel plate 60 need only be attached to the parallel plate 60 as long as the parallel plate 60 can totally reflect the image light corresponding to the effective area of the display element 24 and re-enter the light guide plate 10 without high accuracy. Therefore, the user can easily change the eye width of the HMD 1 to the eye width optimum for the user by attaching the parallel plate 60 to the light guide plate 10 by himself / herself. As an aid to the work of attaching the parallel plate 60 to the light guide plate 10, a predetermined marking may be attached to a position corresponding to the reflection point of the light guide plate 10. Note that when the parallel flat plate 60 is bonded across a part of adjacent reflection points, a part of the image light corresponding to the effective area of the display element 24 is not normally guided to the user's pupil. By setting the diffraction angle θ1 to be larger and widening the pitch at which the reflection point appears, it may be designed so that the parallel flat plate 60 does not easily straddle a part of the adjacent reflection points during bonding.

本実施形態のように、光路長の変化に起因した射出瞳位置のシフトを利用してHMDの眼幅を変える試みは、例えば板厚の異なる複数種類の導光板を用意し、その中から使用者の眼幅に合う導光板を選択してHMDを組み立てることでも達成される。しかし、この場合、板厚の異なる導光板を成形するために金型が複数種類必要になるという従来と同質の問題が生じることを言い添えておく。   As in this embodiment, an attempt to change the eye width of the HMD using the shift of the exit pupil position caused by the change in the optical path length is, for example, preparing a plurality of types of light guide plates having different plate thicknesses and using them from among them It is also achieved by assembling the HMD by selecting a light guide plate that matches the eye width of the person. However, in this case, it is added that a problem of the same quality as that of the prior art that a plurality of types of molds are required to form light guide plates having different thicknesses.

平行平板60は、導光板10と異なる屈折率をもつ材料で構成されてもよい。かかる平行平板60を貼り付けたときの間隔L’(単位:mm)は、導光板10の屈折率をn1と定義し、平行平板60の屈折率をn2と定義し、平行平板60に入射された光の屈折角をθ2(単位:deg)と定義した場合に、次の式(3)により表される。

Figure 2010243786
n1>n2であるとき、式(3)の(n1cosθ1/n2cosθ2)は1より大きい。この場合の間隔L’は、式(2)との比較から明らかなように、導光板10と平行平板60の屈折率が同一である場合よりも長くなる。別の側面によれば、n2>n1であるときには式(3)の(n1cosθ1/n2cosθ2)は1より小さくなるため、間隔L’は式(2)の場合と比べて短くなる。このように、間隔L’は、平行平板60の板厚だけでなく屈折率によっても変えることができる。なお、かかる場合の平行平板60の材料(屈折率)も接着剤と同じく、各界面における臨界角や色ズレの発生を考慮した上で選定される。 The parallel plate 60 may be made of a material having a refractive index different from that of the light guide plate 10. The distance L ′ L (unit: mm) when the parallel flat plate 60 is pasted is defined such that the refractive index of the light guide plate 10 is defined as n1, the refractive index of the parallel flat plate 60 is defined as n2, and is incident on the parallel flat plate 60. When the refraction angle of the emitted light is defined as θ2 (unit: deg), it is expressed by the following equation (3).
Figure 2010243786
When n1> n2, (n1 cos θ1 / n2 cos θ2) in the formula (3) is larger than 1. Distance L 'L in this case, as is apparent from a comparison between Equation (2) is longer than the refractive index of the light guide plate 10 and parallel plate 60 are identical. According to another aspect, since (n1 cos θ1 / n2 cos θ2) in equation (3) is smaller than 1 when n2> n1, the interval L ′ L is shorter than in the case of equation (2). Thus, the distance L ′ L can be changed not only by the plate thickness of the parallel plate 60 but also by the refractive index. In this case, the material (refractive index) of the parallel flat plate 60 is also selected in consideration of the occurrence of critical angles and color shifts at each interface, like the adhesive.

以上説明されたように、間隔L’は、平行平板60の板厚が厚いほど、又は導光板10の屈折率に対して平行平板60の屈折率が小さいほど長くなる。HOE32R、32Lは、間隔L’が長く延びた場合にも画像光を使用者の瞳に向けて漏れ無く回折できるように予め大きめに設計されている。但し、HOE32R、32Lのサイズを無闇に大きく設計した場合には、本来回折したい反射ポイントの画像光だけでなく、それに隣接する反射ポイントの画像光もHOE32R、32Lによって回折されて、二重像になる虞がある。すなわち、HOE32R、32Lは、眼幅の広い使用者に対応しつつも、次の反射ポイントが現れる位置に配慮してそのサイズが規定される。 As described above, the interval L ′ L becomes longer as the plate thickness of the parallel plate 60 is thicker or as the refractive index of the parallel plate 60 is smaller than the refractive index of the light guide plate 10. The HOEs 32R and 32L are designed to be large in advance so that the image light can be diffracted toward the user's pupil without omission even when the distance L′ L is extended. However, when the size of the HOE 32R, 32L is designed to be dark, the image light at the reflection point that is originally desired to be diffracted as well as the image light at the reflection point adjacent thereto is diffracted by the HOE 32R, 32L to form a double image. There is a risk of becoming. That is, the sizes of the HOEs 32R and 32L are defined in consideration of the position where the next reflection point appears, while corresponding to a user with a wide eye width.

次に、これまで説明されたHMD1の具体的数値実施例を説明する。本実施例のHMD1の数値構成(設計値)は次の通りである。
λ :457
λ :532
λ :633
:1.72750
:1.70442
:1.69426
:26.6
:26.6
t :3.0
θ’IB :0
θ’IG :0
θ’IR :0
θ’DB、θ”IB:77.0
θ’DG、θ”IG:77.0
θ’DR、θ”IR:77.0
θ”DB :0
θ”DG :0
θ”DR :0
「λ」、「λ」、「λ」はレーザ光源21から発光されて使用者の眼に導光されるB、G、Rの各光の波長(単位:nm)、「n」、「n」、「n」はB、G、Rの各波長の光に対する導光板10の屈折率、さらに、「θ’IB」、「θ’IG」、「θ’IR」はHOE52R、52LへのB、G、Rの各波長の光の入射角(単位:deg)、「θ’DB」、「θ’DG」、「θ’DR」はHOE52R、52LによるB、G、Rの各波長の光の回折角(単位:deg)、「θ”IB」、「θ”IG」、「θ”IR」はHOE32R、32LへのB、G、Rの各波長の光の入射角(単位:deg)、「θ”DB」、「θ”DG」、「θ”DR」はHOE32R、32LによるB、G、Rの各波長の光の回折角(単位:deg)を、それぞれ示す。本実施例におけるHMD1の眼幅L’は、平行平板60を貼り付けない状態ではLとLの合計値、つまり53.2mmである。
Next, specific numerical examples of the HMD 1 described so far will be described. The numerical configuration (design value) of the HMD 1 of this embodiment is as follows.
λ B : 457
λ G : 532
λ R : 633
n B : 1.72750
n G : 1.70442
n R: 1.69426
L R : 26.6
L L : 26.6
t: 3.0
θ ' IB : 0
θ ' IG : 0
θ ' IR : 0
θ ′ DB , θ ″ IB : 77.0
θ ′ DG , θ ″ IG : 77.0
θ ′ DR , θ ″ IR : 77.0
θ ” DB : 0
θ ” DG : 0
θ ” DR : 0
“Λ B ”, “λ G ”, and “λ R ” are wavelengths (unit: nm) of B, G, and R light emitted from the laser light source 21 and guided to the user's eyes, “n B ”,“ N G ”, and“ n R ”are refractive indexes of the light guide plate 10 with respect to light of B, G, and R wavelengths, and“ θ ′ IB ”,“ θ ′ IG ”, and“ θ ′ IR ”are The incident angles (unit: deg) of light of B, G, and R wavelengths to the HOEs 52R and 52L, “θ ′ DB ”, “θ ′ DG ”, and “θ ′ DR ” are B, G, diffraction angle of light of each wavelength of the R (unit: deg), "theta" IB "," theta "IG", "theta" IR "refers HOE32R, B to 32L, G, incidence of light of each wavelength of R angle (unit: deg), "theta" DB "," theta "DG", "theta" DR "is HOE32R, by 32L B, G, the diffraction angle of light of each wavelength of the R (unit: de ) Are shown, respectively. Eye width L of HMD1 in this embodiment 'is in a state which does not paste the parallel plate 60 the sum of L R and L L, that is, 53.2Mm.

なお、HOE52R、52Lを構成する材料の屈折率nは例えば1.52(BK7相当)である。次の式
n1sinθ1=n2sinθ2
の右辺に、使用波長の略中心に相当する波長λの値を代入すると、導光板10内部を実際に伝搬する光の回折角(既述のθ1)は凡そ60.6degである。HOE52R、52Lによる各波長の光の回折角が大きいため、例えば導光板10を薄型化(別の側面によれば軽量化)させた場合であっても、導光板10の第一面10a又は第二面10b上で反射される表示素子24の画像光の反射ポイントが重ならない設計が実現される。また、導光板10内部を伝搬される表示素子24の画像光の反射回数が削減されて(例えば本実施例では右眼、左眼の何れについても5回)、導光板10内部を伝搬される画像光の光路が短くなるため、内部拡散による光量損失が抑制される。
The refractive index n of the material constituting the HOEs 52R and 52L is, for example, 1.52 (equivalent to BK7). The following formula n1sin θ1 = n2sin θ2
When the value of the wavelength λ G corresponding to the approximate center of the used wavelength is substituted for the right side of, the diffraction angle (θ1 described above) of the light actually propagating through the light guide plate 10 is approximately 60.6 deg. Since the diffraction angles of light of each wavelength by the HOEs 52R and 52L are large, for example, even when the light guide plate 10 is thinned (lightened according to another aspect), the first surface 10a of the light guide plate 10 or A design is realized in which the reflection points of the image light of the display element 24 reflected on the two surfaces 10b do not overlap. Further, the number of reflections of the image light of the display element 24 propagating through the light guide plate 10 is reduced (for example, in the present embodiment, five times for both the right eye and the left eye), and the light is propagated through the light guide plate 10. Since the optical path of the image light is shortened, light quantity loss due to internal diffusion is suppressed.

本実施例のHMD1において導光板10と同一屈折率で例えば板厚0.5mm、1.0mm、2.0mmの平行平板60を図3のように貼り付けたとき、間隔L’はそれぞれ、凡そ28.40mm、30.17mm、33.72mmに変わる。導光部材10の右側にも平行平板60を同様に貼り付けたとき、HMD1の眼幅L’は、凡そ56.79mm、60.34mm、67.44mmである。これらの数値データから示されるように、板厚差がより一層微少な複数種類の平行平板60を用いた場合に、HMD1の眼幅を様々な使用者の眼幅に合わせて微調整できるのは明白である。なお、平行平板60は、何れか1つの反射ポイントに貼り付けさえすればHMD1の眼幅が延びるため、左右それぞれの光路に対応した反射ポイントに必ずしも貼り付けなくてよい。 Same refractive index, for example, thickness 0.5mm and the light guide plate 10 in HMD1 of this embodiment, 1.0 mm, when pasted parallel plate 60 of 2.0mm as shown in FIG. 3, the interval L 'L respectively, It changes to approximately 28.40 mm, 30.17 mm, and 33.72 mm. When the parallel flat plate 60 is similarly attached to the right side of the light guide member 10, the eye width L ′ of the HMD 1 is approximately 56.79 mm, 60.34 mm, and 67.44 mm. As shown from these numerical data, when a plurality of types of parallel flat plates 60 having a further slight difference in plate thickness are used, the eye width of the HMD 1 can be finely adjusted according to the eye widths of various users. It is obvious. Note that the parallel plate 60 is not necessarily attached to the reflection points corresponding to the left and right optical paths because the eye width of the HMD 1 extends as long as the parallel plate 60 is attached to any one of the reflection points.

以上が本発明の実施形態の説明である。本発明は、各実施形態の構成および具体的数値構成等に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えばHOE32R、32L、52R、52Lは、例えば透過型HOEであってもよい。かかる場合、HOE52R、52Lは、例えば表示素子ユニット20に対向する導光板10の第一面10a上に積層された状態で密着固定され、表示素子ユニット20からの各波長の光を導光板10内部で全反射させてHOE32R又は32Lに伝搬されるように回折する。HOE32R、32Lは、例えば使用者の瞳に対向する導光板10の第二面10上に密着固定され、導光板10内部を伝搬された各波長の光を使用者の瞳に向かって回折する。   The above is the description of the embodiment of the present invention. The present invention is not limited to the configurations of the embodiments and the specific numerical configurations, and various modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention. For example, the HOEs 32R, 32L, 52R, and 52L may be, for example, transmissive HOEs. In such a case, the HOEs 52R and 52L are closely fixed in a state where they are stacked on the first surface 10a of the light guide plate 10 facing the display element unit 20, for example, and light of each wavelength from the display element unit 20 is transmitted to the inside of the light guide plate 10. And diffracted so as to be propagated to the HOE 32R or 32L. For example, the HOEs 32R and 32L are closely fixed on the second surface 10 of the light guide plate 10 facing the user's pupil, and diffract light of each wavelength propagated through the light guide plate 10 toward the user's pupil.

平行平板60は、板厚だけでなく、板厚と直交する面(長さ、幅)方向の寸法がそれぞれ異なる複数種類用意されてもよい。面方向の寸法が本実施形態の平行平板60と比べて大きく、例えば二箇所の反射ポイント全体を漏れ無く覆うように導光板10に貼り付けられる平行平板60を例に考える。この場合の平行平板60は、表示素子24の有効領域に対応する画像光を二回、漏れ無く全反射させて導光板10に再入射させることができる。平行平板60の貼付による画像の光路長の延び量が画像光を一回全反射させる場合と比べて二倍になる。そのため、例えば平行平板60が薄型であっても本実施形態と比べて画像の光路長をより一層延ばして、画像光の射出瞳位置をより一層外側に変位させることができるようになる。平行平板60の薄型化により、部分的かつ極端な突出形状(つまり平行平板60の形状)が目立たなくなるため、デザイン性を重視した製品が提供できるようになる。   A plurality of types of parallel flat plates 60 may be prepared in which not only the plate thickness but also the dimensions in the plane (length, width) direction orthogonal to the plate thickness are different. The dimension in the surface direction is larger than that of the parallel flat plate 60 of the present embodiment. For example, the parallel flat plate 60 attached to the light guide plate 10 so as to cover the entire two reflection points without omission is considered as an example. In this case, the parallel flat plate 60 can make the image light corresponding to the effective area of the display element 24 be totally reflected twice without being leaked and re-enter the light guide plate 10. The amount of extension of the optical path length of the image due to the application of the parallel plate 60 is doubled compared to the case where the image light is totally reflected once. Therefore, for example, even if the parallel flat plate 60 is thin, the optical path length of the image can be further extended compared to the present embodiment, and the exit pupil position of the image light can be displaced further outward. Since the parallel flat plate 60 is thinned, the partial and extreme protruding shape (that is, the shape of the parallel flat plate 60) becomes inconspicuous, so that a product with an emphasis on design can be provided.

また、表示素子ユニット20が有する光源21は、例えばR、G、Bの各波長の光を高速で順次照射するLED又はLD(半導体レーザ)バックライトとしてもよい。   The light source 21 included in the display element unit 20 may be, for example, an LED or an LD (semiconductor laser) backlight that sequentially emits light of each wavelength of R, G, and B at high speed.

1 HMD
2 眼鏡型フレーム
4 バックライト
10 導光板
20 表示素子ユニット
32R、32L、52R、52L HOE
60 平行平板
1 HMD
2 glasses-type frame 4 backlight 10 light guide plate 20 display element units 32R, 32L, 52R, 52L HOE
60 parallel plates

Claims (8)

画像を表示する表示素子と、
前記表示素子に表示された画像が入射される導光板と、
前記入射された画像を前記導光板内部で全反射させて使用者の瞳に向かって伝搬する伝搬手段と、
前記導光板と空気との界面であって前記画像が全反射される該導光板上の箇所に選択的に貼り付けられる、形状又は屈折率の異なる複数種類の光学部材であって、該箇所を通過して入射される該画像を全反射させ、該画像が該導光板内部で再び全反射して前記使用者の瞳に向かって伝搬するように該画像を該導光板に再入射させる光学部材と、
を有することを特徴とする映像表示装置。
A display element for displaying an image;
A light guide plate on which an image displayed on the display element is incident;
Propagating means for totally reflecting the incident image inside the light guide plate and propagating toward the user's pupil;
A plurality of types of optical members having different shapes or refractive indexes, which are selectively attached to a location on the light guide plate where the image is totally reflected at the interface between the light guide plate and air, An optical member that totally reflects the image incident thereon and re-enters the light guide plate so that the image is totally reflected again inside the light guide plate and propagates toward the pupil of the user. When,
A video display device comprising:
前記光学部材は、屈折率が前記導光板とほぼ同一であることを特徴とする、請求項1に記載の映像表示装置。   The image display apparatus according to claim 1, wherein the optical member has a refractive index substantially the same as that of the light guide plate. 前記導光板と前記光学部材は、前記画像の波長に対して透過性が高く、該導光板及び該光学部材と屈折率がほぼ同一の接着剤により接着されることを特徴とする、請求項2に記載の映像表示装置。   The light guide plate and the optical member are highly transmissive with respect to the wavelength of the image, and are bonded by an adhesive having substantially the same refractive index as that of the light guide plate and the optical member. The video display device described in 1. 前記複数種類の光学部材は、板厚又は板厚と直交する面方向の寸法がそれぞれ異なる複数種類の平行平板であることを特徴とする、請求項1から請求項3の何れかに記載の映像表示装置。   4. The image according to claim 1, wherein the plurality of types of optical members are plate types or a plurality of types of parallel flat plates having different dimensions in a plane direction orthogonal to the plate thickness. 5. Display device. 前記導光板は、前記箇所に所定のマーキングが付されていることを特徴とする、請求項1から請求項4の何れかに記載の映像表示装置。   The image display device according to claim 1, wherein the light guide plate is provided with a predetermined marking at the location. 前記伝搬手段は、
前記導光板に入射された画像を該導光板内部で全反射させて所定位置に伝搬されるように回折する第一のHOE(Holographic Optical Element)又は第一のDOE(Diffractive Optics Element)と、
前記所定位置に伝搬された画像を使用者の瞳に向かって回折する第二のHOE又は第二のDOEと、
を有することを特徴とする、請求項1から請求項5の何れかに記載の映像表示装置。
The propagation means includes
A first HOE (Holographic Optical Element) or a first DOE (Diffractive Optics Element) that diffracts the image incident on the light guide plate so that the image is totally reflected inside the light guide plate and propagates to a predetermined position;
A second HOE or second DOE that diffracts the image propagated to the predetermined position toward the pupil of the user;
The video display device according to claim 1, further comprising:
前記第二のHOE又は第二のDOEは、使用者の左右の眼前に一対配置されており、
前記第一のHOE又は第一のDOEは、前記導光部材に入射された画像を2つに分割するとともに、分割された各画像を前記一対の各々に入射させるように回折することを特徴とする、請求項6に記載の映像表示装置。
A pair of the second HOE or the second DOE is disposed in front of the left and right eyes of the user,
The first HOE or the first DOE divides an image incident on the light guide member into two parts and diffracts each of the divided images so as to enter each of the pair. The video display device according to claim 6.
前記伝搬手段により伝搬された画像を虚像として使用者に観察させるように、請求項1から請求項7の何れかに記載の映像表示装置を該使用者の眼前で支持する支持手段を有したことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。   The image display apparatus according to any one of claims 1 to 7, further comprising support means for supporting the video display device according to any one of claims 1 to 7 in front of the user's eyes so that the user can observe the image propagated by the propagation means as a virtual image. Head-mounted display featuring
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