JP2010243972A - Video display device and head-mounted display - Google Patents

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JP2010243972A JP2009095523A JP2009095523A JP2010243972A JP 2010243972 A JP2010243972 A JP 2010243972A JP 2009095523 A JP2009095523 A JP 2009095523A JP 2009095523 A JP2009095523 A JP 2009095523A JP 2010243972 A JP2010243972 A JP 2010243972A
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Yasushi Tanijiri
靖 谷尻
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Konica Minolta Opto Inc
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Konica Minolta Opto Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To secure a large see-through area without enlarging an eyepiece optical system 15 when a mark (virtual image V) is displayed to be aligned with a pupil, to reduce the size and weight of a device, and to allow a third person to easily align the pupil with the mark by visual recognition from the outside. <P>SOLUTION: An optical path of light emitted from a light source 22 for mark and reflected on an HOE 18 is on the outside of the optical path of video light from a display element 14 to an optical pupil P. The degree of freedom in design of a mark display optical system 21 is increased, and there is no need to enlarge the eyepiece optical system 15 so as to secure the large see-through area even when the mark display optical system 21 is used. Also, the HOE 18 displays the virtual image V as the mark on the side of the optical pupil P to the HOE 18 by its own optical power by reflecting the light from the light source 22 for the mark on the side opposite to the optical pupil P. Thus, the third person can visually recognize the virtual image V from the outside. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、接眼光学系によって表示素子からの映像光と外界光とを同時に光学瞳に導き、光学瞳の位置にて、観察者に表示映像の虚像と外界とを同時に観察させる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも称する)とに関するものである。   The present invention provides an image display device that simultaneously guides image light and external light from a display element to an optical pupil by an eyepiece optical system, and allows an observer to simultaneously observe a virtual image of the display image and the external environment at the position of the optical pupil. The present invention relates to a head mounted display (hereinafter also referred to as HMD) provided with the video display device.

従来から、観察者に映像(虚像)と外界とを同時に観察させる映像表示装置が種々提案されている。このような映像表示装置においては、表示素子からの映像光が接眼光学系の光学瞳に導かれるので、映像を観察するにあたっては、観察者の瞳の位置を光学瞳の位置に合わせることが必要となる。特に、近年、装置の小型化、軽量化により、光学瞳の大きさも小さくなってきており、瞳の位置合わせが困難になりつつある。   2. Description of the Related Art Conventionally, various video display devices that allow an observer to observe a video (virtual image) and the outside world at the same time have been proposed. In such an image display device, since image light from the display element is guided to the optical pupil of the eyepiece optical system, it is necessary to align the position of the observer's pupil with the position of the optical pupil when observing the image. It becomes. In particular, with recent miniaturization and weight reduction of the apparatus, the size of the optical pupil is also becoming smaller, and the alignment of the pupil is becoming difficult.

そこで、例えば特許文献1、2では、指標を用いることで瞳の位置合わせを容易に行わせる映像表示装置が提案されている。より具体的には、特許文献1では、表示素子に表示された指標を表す光をハーフミラーで反射させて、第三者に指標を外部から視認させるようにしている。第三者は、指標の光が進行する軸上に自分の瞳を位置させることで、観察者の瞳と指標との位置ズレを認識することができる。したがって、第三者は、観察者の瞳と指標とが重なるように装置の眼幅調整機構を操作することにより、瞳の位置合わせを行うことが可能となる。   Thus, for example, Patent Documents 1 and 2 propose video display devices that can easily perform pupil alignment by using an index. More specifically, in Patent Document 1, light representing an index displayed on a display element is reflected by a half mirror so that a third party can visually recognize the index from the outside. The third party can recognize the positional deviation between the observer's pupil and the index by positioning his / her pupil on the axis along which the light of the index travels. Therefore, the third person can perform the pupil alignment by operating the eye width adjustment mechanism of the apparatus so that the observer's pupil and the index overlap.

一方、特許文献2では、観察者の眼球を照明し、その反射光(観察者の瞳からの光)を半透過面および凹面反射鏡を介して再び観察者の瞳に入射させることにより、観察者に自分の瞳の像を遠方の虚像として観察させるようにしている。観察者の瞳の位置と光学瞳の位置とがずれている場合には、観察者は自分の瞳の像(虚像)を視軸方向に見ることができない。したがって、観察者自身が自分の瞳の像を視認できるかどうかで瞳位置のズレを判断し、眼幅調整機構を操作することにより、瞳の位置合わせが可能となる。   On the other hand, in Patent Document 2, the observer's eyeball is illuminated, and the reflected light (light from the observer's pupil) is incident on the observer's pupil again through the semi-transmissive surface and the concave reflector. The person is made to observe the image of his eyes as a virtual image in the distance. When the position of the observer's pupil and the position of the optical pupil are shifted, the observer cannot see his / her own pupil image (virtual image) in the visual axis direction. Therefore, it is possible to align the pupils by determining the shift of the pupil position based on whether or not the observer can visually recognize his / her own pupil image and operating the eye width adjustment mechanism.

特開平6−276459号公報JP-A-6-276458 特開2001−142026号公報JP 2001-142026 A

ところが、特許文献1および2の装置は、いずれも、ハーフミラー(半透過面)で透過光および反射光の光軸を一致させることにより、映像観察前の指標の光の光路と映像観察時の映像光の光路とを一部重複させる構成である。この構成では、装置の構成部材の配置自由度がないため、外界の視認範囲(シースルー領域)を大きく確保するためには、接眼光学系を大型化する必要があり、装置全体が大型化する。   However, the devices of Patent Documents 1 and 2 both match the optical axes of transmitted light and reflected light with a half mirror (semi-transmissive surface) so that the optical path of the index light before image observation and the time of image observation are the same. This configuration partially overlaps the optical path of the image light. In this configuration, since there is no degree of freedom of arrangement of the constituent members of the apparatus, it is necessary to increase the size of the eyepiece optical system in order to ensure a large visible range (see-through region) in the outside world, which increases the size of the entire apparatus.

また、特許文献2の装置は、観察者自身によって瞳の位置合わせを行う構成であり、第三者が外部から指標(虚像)を視認して瞳の位置合わせを行うことができるものではない。したがって、観察者が装置に不慣れな場合には、瞳の位置合わせが困難であり、特に光学瞳が小さい場合には瞳の位置合わせが益々困難となる。   Moreover, the apparatus of patent document 2 is the structure which aligns a pupil by an observer himself / herself, and a third party cannot visually recognize an index (virtual image) from the outside and perform alignment of the pupil. Therefore, when the observer is unfamiliar with the apparatus, it is difficult to align the pupil, and particularly when the optical pupil is small, it is more difficult to align the pupil.

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、その目的は、指標(虚像)を表示させて瞳の位置合わせを行う構成であっても、接眼光学系を大型化することなく、大きなシースルー領域を確保することができ、これによって装置の小型化、軽量化を図ることができるとともに、第三者による外部からの指標の視認による位置合わせを可能として、瞳の位置合わせを容易にする映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイとを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to increase the size of an eyepiece optical system even in a configuration in which an index (virtual image) is displayed to align a pupil. In addition, a large see-through area can be secured, which makes it possible to reduce the size and weight of the device, and enables the third party to visually recognize the index, thereby aligning the pupil. An object of the present invention is to provide a video display device that facilitates and a head-mounted display including the video display device.

本発明の映像表示装置は、映像を表示する表示素子と、前記表示素子からの映像光と外界光とを同時に光学瞳に導く接眼光学系とを備え、前記光学瞳の位置にて、観察者に表示映像の虚像と外界とを同時に観察させる映像表示装置であって、前記光学瞳と観察者の瞳との位置合わせの際の指標を表示する指標表示光学系をさらに備え、前記指標表示光学系は、光学パワーを有し、透過および反射の両方の光学特性を有する指標用光学素子と、前記指標用光学素子を照明する指標用光源とを有しており、前記指標用光源から射出されて前記指標用光学素子で反射される光の光路は、前記表示素子から前記光学瞳に向かう映像光の光路外にあり、前記指標用光学素子は、前記指標用光源からの光を前記光学瞳とは反対側に反射させることにより、該指標用光学素子の光学パワーによって該指標用光学素子に対して前記光学瞳側に前記指標としての虚像を表示することを特徴としている。   An image display device of the present invention includes a display element for displaying an image, and an eyepiece optical system that simultaneously guides image light from the display element and external light to an optical pupil, and an observer at the position of the optical pupil. An image display device for simultaneously observing a virtual image of the display image and the outside world, further comprising an index display optical system for displaying an index when the optical pupil and the observer's pupil are aligned, and the index display optical The system includes an optical element for index having optical power and both optical characteristics of transmission and reflection, and an index light source for illuminating the index optical element, and is emitted from the index light source. The optical path of the light reflected by the index optical element is outside the optical path of the image light from the display element toward the optical pupil, and the index optical element transmits the light from the index light source to the optical pupil. By reflecting on the opposite side, It is characterized by displaying a virtual image as the index into the optical pupil side with respect to the optical element for the index by the optical power of the optical element for the indicator.

本発明の映像表示装置において、前記指標用光学素子は、前記指標用光源からの光を前記光学瞳とは反対側に負の光学パワーで反射させることにより、該指標用光学素子に対して前記光学瞳側に前記指標としての虚像を表示してもよい。   In the image display device of the present invention, the index optical element reflects the light from the index light source on the side opposite to the optical pupil with a negative optical power, thereby causing the index optical element to reflect the index optical element. A virtual image as the index may be displayed on the optical pupil side.

本発明の映像表示装置において、前記接眼光学系は、前記表示素子からの映像光を前記光学瞳の方向に正の光学パワーで反射させる体積位相型で反射型のホログラム光学素子(以下、HOEとも称する)を有しており、前記ホログラム光学素子は、前記指標用光学素子を兼ねていてもよい。   In the image display device of the present invention, the eyepiece optical system includes a volume phase type reflection hologram optical element (hereinafter also referred to as HOE) that reflects image light from the display element in the direction of the optical pupil with a positive optical power. The hologram optical element may also serve as the index optical element.

本発明の映像表示装置において、前記指標用光学素子は、選択透過反射膜と、前記選択透過反射膜が形成された光学パワーを持つ光学面とを有しており、前記表示素子からの映像光を前記光学面の凹面によって前記光学瞳の方向に反射させる一方、前記指標用光源からの光を前記凹面形状である光学面の裏面の凸面によって反射させることにより、該光学面に対して前記光学瞳側に前記指標としての虚像を表示してもよい。   In the image display device according to the aspect of the invention, the index optical element includes a selective transmission reflection film and an optical surface having an optical power on which the selective transmission reflection film is formed. Is reflected in the direction of the optical pupil by the concave surface of the optical surface, while the light from the index light source is reflected by the convex surface on the back surface of the optical surface having the concave shape, thereby allowing the optical surface to reflect the optical surface. A virtual image as the index may be displayed on the pupil side.

本発明の映像表示装置において、前記指標用光学素子は、前記指標用光源からの光を前記光学瞳とは反対側に正の光学パワーで反射させることにより、該指標用光学素子に対して前記光学瞳側に前記指標としての虚像を表示してもよい。   In the image display device of the present invention, the index optical element reflects the light from the index light source on the side opposite to the optical pupil with a positive optical power, whereby the index optical element is A virtual image as the index may be displayed on the optical pupil side.

本発明の映像表示装置において、前記接眼光学系は、前記表示素子からの映像光を前記光学瞳の方向に正の光学パワーで反射させる体積位相型で反射型の第1のホログラム光学素子を有しており、前記指標用光学素子は、前記第1のホログラム光学素子とは異なる、体積位相型で反射型の第2のホログラム光学素子で構成されていてもよい。   In the image display device of the present invention, the eyepiece optical system includes a volume phase type reflection type first hologram optical element that reflects image light from the display element in a direction of the optical pupil with a positive optical power. The index optical element may be constituted by a volume phase type reflection type second hologram optical element different from the first hologram optical element.

本発明の映像表示装置において、前記第2のホログラム光学素子は、前記第1のホログラム光学素子に対して前記光学瞳とは反対側に配置されていることが望ましい。   In the video display device according to the aspect of the invention, it is preferable that the second hologram optical element is disposed on the side opposite to the optical pupil with respect to the first hologram optical element.

本発明の映像表示装置において、前記指標用光学素子は、前記指標用光源からの光を前記光学瞳とは反対側に反射させることにより、該指標用光学素子の光学パワーによって前記光学瞳の位置に前記指標としての虚像を表示してもよい。   In the video display device of the present invention, the index optical element reflects the light from the index light source to the side opposite to the optical pupil, whereby the position of the optical pupil is adjusted by the optical power of the index optical element. A virtual image as the index may be displayed.

本発明の映像表示装置において、前記指標用光学素子は、前記指標用光源からの光を前記光学瞳とは反対側に反射させることにより、該指標用光学素子の光学パワーによって前記光学瞳に対して該指標用光学素子とは反対側の位置に前記指標としての虚像を表示してもよい。   In the video display device of the present invention, the index optical element reflects light from the index light source to the side opposite to the optical pupil, so that the optical power of the index optical element is applied to the optical pupil. Thus, a virtual image as the index may be displayed at a position opposite to the index optical element.

本発明の映像表示装置において、前記接眼光学系は、前記表示素子からの映像光を内部での全反射によって前記ホログラム光学素子に導く一方、外界光を透過させる第1の透明基板と、前記指標用光源からの光を内部での全反射によって前記ホログラム光学素子に導く一方、外界光を透過させる第2の透明基板とを有していてもよい。   In the video display device of the present invention, the eyepiece optical system guides video light from the display element to the hologram optical element by total internal reflection, and transmits the external light, and the index. The light source may include a second transparent substrate that guides light from the light source to the hologram optical element by total internal reflection and transmits external light.

本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。   The head-mounted display of the present invention includes the above-described video display device of the present invention and support means for supporting the video display device in front of the eyes of the observer.

本発明では、指標用光源から射出されて指標用光学素子で反射される光の光路は、表示素子から光学瞳に向かう映像光の光路外にあり、指標用の光路と映像光の光路とを完全に分離しているので、指標表示光学系の設計自由度(構成部材の配置自由度)が高くなる。これにより、既存の接眼光学系の設計を変更することなく、指標表示光学系を設けることが可能となる。したがって、指標表示光学系を設ける構成、つまり、指標を表示させて瞳の位置合わせを行う構成であっても、大きなシースルー領域を確保すべく接眼光学系を大型化する必要がなく、この点で、同軸構成の場合よりも装置の小型化、軽量化を図ることができる。   In the present invention, the optical path of light emitted from the index light source and reflected by the index optical element is outside the optical path of the image light from the display element toward the optical pupil, and the index optical path and the optical path of the image light are Since they are completely separated, the degree of freedom in designing the index display optical system (the degree of freedom in arrangement of the constituent members) is increased. Thereby, it is possible to provide the index display optical system without changing the design of the existing eyepiece optical system. Therefore, even in the configuration in which the index display optical system is provided, that is, the configuration in which the index is displayed and the pupil is aligned, it is not necessary to increase the size of the eyepiece optical system in order to secure a large see-through area. Further, the apparatus can be made smaller and lighter than the coaxial configuration.

また、指標用光学素子は、指標用光源からの光を光学瞳とは反対側に反射させることにより、自身の光学パワーによって指標用光学素子に対して光学瞳側に指標としての虚像を表示するので、第三者が外界側から指標用光学素子を介して上記の虚像を視認することが可能となる。これにより、第三者は、表示された虚像に基づいて光学瞳と観察者の瞳との位置ズレを認識できるとともに、その虚像をもとにして、光学瞳の位置に観察者の瞳を合わせることができ、例えば光学瞳が小さい小型の装置であっても、第三者による位置合わせが容易となる。   The index optical element displays a virtual image as an index on the optical pupil side with respect to the index optical element by its own optical power by reflecting light from the index light source to the side opposite to the optical pupil. Therefore, it becomes possible for a third party to visually recognize the virtual image from the outside world via the index optical element. As a result, a third party can recognize the positional deviation between the optical pupil and the observer's pupil based on the displayed virtual image and align the observer's pupil with the position of the optical pupil based on the virtual image. For example, even a small device with a small optical pupil can be easily aligned by a third party.

本発明の実施の一形態の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 schematic structure of the video display apparatus of one Embodiment of this invention. (a)は、上記映像表示装置を備えたHMDの概略の構成を示す平面図であり、(b)は、HMDの側面図であり、(c)は、HMDの正面図である。(A) is a top view which shows schematic structure of HMD provided with the said video display apparatus, (b) is a side view of HMD, (c) is a front view of HMD. 上記映像表示装置の光源の発光特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the light emission characteristic of the light source of the said video display apparatus. 上記映像表示装置のHOEの回折特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the diffraction characteristic of HOE of the said video display apparatus. (a)は、指標としての虚像の位置が観察者の瞳の位置とずれているときのHMDの正面図であり、(b)は、上記両者の位置が一致しているときのHMDの正面図である。(A) is a front view of the HMD when the position of the virtual image as an index is deviated from the position of the observer's pupil, and (b) is the front of the HMD when the positions of the two coincide. FIG. 上記映像表示装置の指標用光源から出射される光の光路を展開して示す説明図である。It is explanatory drawing which expand | deploys and shows the optical path of the light radiate | emitted from the light source for parameter | index of the said video display apparatus. 本発明の他の実施の形態の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 schematic structure of the video display apparatus of other embodiment of this invention. 上記映像表示装置の他の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structural example of the said video display apparatus. 本発明のさらに他の実施の形態の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 of further another embodiment of this invention.

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

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

映像表示装置1は、観察者に表示映像の虚像と外界とを同時に観察させるものであるが、その詳細については後述する。   The video display device 1 allows the observer to observe the virtual image of the display video and the outside world at the same time, and details thereof will be described later.

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

映像表示装置1の一端は、ブリッジ3に支持されている。このブリッジ3は、映像表示装置1のほかにも、左フレーム4L、鼻当て6および外界光透過率制御手段8を支持している。左フレーム4Lは、左テンプル5Lを回動可能に支持している。一方、映像表示装置1の他端は、右フレーム4Rに支持されている。右フレーム4Rにおいて映像表示装置1の支持側とは反対側端部は、右テンプル5Rを回動可能に支持している。   One end of the video display device 1 is supported by the bridge 3. In addition to the image display device 1, the bridge 3 supports the left frame 4 </ b> L, the nose pad 6, and the external light transmittance control means 8. The left frame 4L supports the left temple 5L so as to be rotatable. On the other hand, the other end of the video display device 1 is supported by the right frame 4R. An end of the right frame 4R opposite to the support side of the video display device 1 supports the right temple 5R so as to be rotatable.

鼻当て6は、観察者の鼻と当接する部位であり、ブリッジ3に対して可動となっている。したがって、鼻当て6の位置を調整することにより、後述する接眼光学系15によって形成される光学瞳Pと観察者の瞳との相対位置を調整することができる。瞳位置の調整後は、鼻当て6はブリッジ3に対して固定される。なお、鼻当て6を可動とする代わりに、周知の眼幅調整機構を設けて光学瞳Pと観察者の瞳との相対位置を調整できる構成としてもよい。   The nose pad 6 is a part that contacts the observer's nose and is movable with respect to the bridge 3. Therefore, by adjusting the position of the nose pad 6, the relative position between the optical pupil P formed by the eyepiece optical system 15 to be described later and the pupil of the observer can be adjusted. After adjusting the pupil position, the nose pad 6 is fixed to the bridge 3. Instead of making the nose pad 6 movable, a known eye width adjusting mechanism may be provided to adjust the relative position between the optical pupil P and the observer's pupil.

ケーブル7は、外部信号(例えば映像信号、制御信号)や電力を映像表示装置1に供給するための配線であり、右フレーム4Rおよび右テンプル5Rに沿って設けられている。外界光透過率制御手段8は、外界光の透過率を制御するためにブリッジ3に設けられており、映像表示装置1よりも前方(接眼光学系15に対して光学瞳Pとは反対側)に位置している。   The cable 7 is a wiring for supplying an external signal (for example, a video signal and a control signal) and power to the video display device 1 and is provided along the right frame 4R and the right temple 5R. The outside light transmittance control means 8 is provided in the bridge 3 for controlling the transmittance of outside light, and is ahead of the image display device 1 (on the side opposite to the optical pupil P with respect to the eyepiece optical system 15). Is located.

上記の構成において、観察者がHMDを使用するときは、右テンプル5Rおよび左テンプル5Lを観察者の右側頭部および左側頭部に接触させるとともに、鼻当て6を観察者の鼻に当て、一般の眼鏡をかけるようにHMDを観察者の頭部に装着する。そして、光学瞳Pの位置に観察者の瞳を位置させる位置調整を行った後、鼻当て6を固定する。この状態で、映像表示装置1にて映像を表示すると、観察者は、映像表示装置1にて表示された映像の虚像と同時に外界をシースルーで観察することが可能となる。   In the above configuration, when the observer uses the HMD, the right temple 5R and the left temple 5L are brought into contact with the right and left heads of the observer, and the nose pad 6 is placed on the nose of the observer. Wear the HMD on the observer's head as if wearing glasses. After adjusting the position of the observer's pupil at the position of the optical pupil P, the nose pad 6 is fixed. When an image is displayed on the image display device 1 in this state, the observer can observe the outside world simultaneously with a virtual image of the image displayed on the image display device 1.

このとき、外界光透過率制御手段8において、外界光の透過率を例えば50%以下に低く設定しておけば、観察者は映像表示装置1の映像を観察しやすくなり、逆に、透過率を例えば50%以上に高く設定しておけば、観察者は、外界を観察しやすくなる。したがって、外界光透過率制御手段8における外界光の透過率は、映像表示装置1の映像および外界の観察のしやすさを考慮して適宜設定されればよい。   At this time, if the external light transmittance control means 8 sets the external light transmittance to a low value of, for example, 50% or less, the observer can easily observe the image on the video display device 1. If, for example, is set higher than 50%, the observer can easily observe the outside world. Therefore, the external light transmittance in the external light transmittance control means 8 may be set as appropriate in consideration of the ease of observing the video on the video display device 1 and the external environment.

以上のように、本実施形態のHMDは、映像表示装置1が支持手段2にて支持される構成なので、観察者は映像表示装置1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、また、連続した装着も容易となる。   As described above, since the HMD of the present embodiment is configured such that the video display device 1 is supported by the support means 2, the observer can observe the video provided from the video display device 1 in a hands-free manner, Also, continuous mounting is facilitated.

なお、HMDは、映像表示装置1を1個だけ備えたものには限定されず、映像表示装置1を2個備えた構成であってもよい。すなわち、支持手段2が2個の映像表示装置1を観察者の眼前で支持する構成であってもよい。この場合、左眼の前に配置される映像表示装置1は、ブリッジ3と左フレーム4Lとによってその間で支持される。また、ケーブル7は、両方の映像表示装置1と接続され、外部信号等がケーブル7を介して両方の映像表示装置1に供給される。   Note that the HMD is not limited to the one provided with only one video display device 1, and may be configured to include two video display devices 1. That is, the support means 2 may be configured to support the two video display devices 1 in front of the observer's eyes. In this case, the video display device 1 disposed in front of the left eye is supported between the bridge 3 and the left frame 4L. Further, the cable 7 is connected to both the video display apparatuses 1, and an external signal or the like is supplied to both the video display apparatuses 1 via the cable 7.

(映像表示装置の詳細について)
次に、映像表示装置1の詳細な構成について説明する。
図1は、映像表示装置1の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置1は、光源11と、一方向拡散板12と、集光レンズ13と、表示素子14と、接眼光学系15と、指標表示光学系21とを有している。図1に示すように、光源11、一方向拡散板12、集光レンズ13および表示素子14は、筐体10内に収容されており、接眼光学系15の一部(後述する接眼プリズム16の上部)も、筐体10内に位置している。なお、指標表示光学系21の詳細については後述する。
(Details of video display device)
Next, a detailed configuration of the video display device 1 will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the video display device 1. The video display device 1 includes a light source 11, a unidirectional diffuser 12, a condenser lens 13, a display element 14, an eyepiece optical system 15, and an index display optical system 21. As shown in FIG. 1, the light source 11, the one-way diffusing plate 12, the condenser lens 13, and the display element 14 are accommodated in a housing 10, and a part of an eyepiece optical system 15 (an eyepiece prism 16 described later). The upper part is also located in the housing 10. Details of the index display optical system 21 will be described later.

光源11は、例えば赤(R)、緑(G)、青(B)の各色の光を発光する3つの発光チップを水平方向(左右方向)に並べて一体化した、いわゆるRGB一体型のLEDで構成されている。ここで、図3は、光源11の発光特性を示している。光源11において、発光強度のピーク波長は、例えば、465nm、520nm、635nmとなっている。なお、図3の発光強度は、B光の最大光強度を100としたときの相対値で示している。光源11のRGBの発光強度は、後述するHOE18の回折効率や、表示素子14の透過率を考慮して調整され、これによって白色表示を行うことが可能となる。   The light source 11 is a so-called RGB integrated LED in which, for example, three light emitting chips that emit light of each color of red (R), green (G), and blue (B) are arranged in a horizontal direction (left and right direction) and integrated. It is configured. Here, FIG. 3 shows the light emission characteristics of the light source 11. In the light source 11, the peak wavelengths of the emission intensity are, for example, 465 nm, 520 nm, and 635 nm. The emission intensity in FIG. 3 is shown as a relative value when the maximum light intensity of B light is 100. The RGB light emission intensities of the light source 11 are adjusted in consideration of the diffraction efficiency of the HOE 18 described later and the transmittance of the display element 14, thereby enabling white display.

一方向拡散板12は、光源11からの出射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12は、光源11のRGBの各発光部が並ぶ水平方向には、入射光を約30゜拡散させ、上記水平方向に垂直な方向には、入射光を約0.5゜拡散させる。   The unidirectional diffuser plate 12 diffuses light emitted from the light source 11, but the degree of diffusion varies depending on the direction. More specifically, the unidirectional diffuser plate 12 diffuses incident light by about 30 ° in the horizontal direction in which the RGB light emitting portions of the light source 11 are arranged, and reduces incident light in the direction perpendicular to the horizontal direction. Spread 0.5 °.

集光レンズ13は、一方向拡散板12にて拡散された光を、拡散方向とは垂直方向に集光するシリンダレンズで構成されており、拡散光が効率よく光学瞳Pを形成するように配置されている。   The condensing lens 13 is composed of a cylinder lens that condenses the light diffused by the unidirectional diffusing plate 12 in a direction perpendicular to the diffusing direction so that the diffused light efficiently forms the optical pupil P. Has been placed.

表示素子14は、光源11からの出射光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、例えば、光が透過する領域となる各画素をマトリクス状に有する透過型の液晶表示素子(LCD)で構成されている。   The display element 14 modulates the light emitted from the light source 11 according to image data and displays an image. For example, the display element 14 is a transmissive liquid crystal display element having pixels in a matrix in which light is transmitted. (LCD).

接眼光学系15は、表示素子14からの映像光、すなわち、表示素子14にて表示された映像に対応する光と、外界光とを同時に光学瞳P(または光学瞳Pに位置する観察者の瞳I1)に導く光学系であり、接眼プリズム16と、偏向プリズム17と、HOE18とを有して構成されている。 The eyepiece optical system 15 simultaneously transmits image light from the display element 14, that is, light corresponding to the image displayed on the display element 14, and external light to the optical pupil P (or the observer positioned at the optical pupil P). This is an optical system that leads to the pupil I 1 ), and includes an eyepiece prism 16, a deflection prism 17, and a HOE 18.

接眼プリズム16は、表示素子14からの映像光を内部での全反射によってHOE18に導く一方、外界光を透過させる透明基板(第1の透明基板)である。この接眼プリズム16は、偏向プリズム17とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されており、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いる。また、接眼プリズム16は、その下端部に配置されるHOE18を挟むように、偏向プリズム17と接着剤で接合されている。接眼プリズム16の上端面は、映像光の入射面としての面16aとなっており、前後方向に位置する2面は、互いに平行な面16b・16cとなっている。   The eyepiece prism 16 is a transparent substrate (first transparent substrate) that guides the image light from the display element 14 to the HOE 18 by total internal reflection, and transmits external light. The eyepiece prism 16 is made of, for example, an acrylic resin together with the deflecting prism 17, and has a shape in which the lower end portion of the parallel plate is wedge-shaped and the upper end portion is thickened. Further, the eyepiece prism 16 is joined to the deflection prism 17 with an adhesive so as to sandwich the HOE 18 disposed at the lower end thereof. The upper end surface of the eyepiece prism 16 is a surface 16a as an image light incident surface, and the two surfaces positioned in the front-rear direction are surfaces 16b and 16c parallel to each other.

偏向プリズム17は、後述する指標用光源21からの光を内部での全反射によってHOE18に導く一方、外界光を透過させる透明基板(第2の透明基板)であり、接眼プリズム16と一体となって略平行平板となるように、接眼プリズム16の下端部に貼り合わされる。つまり、偏向プリズム17において前後方向に位置する2つの面17b・17cは、互いに平行である。また、面16bと面17b、面16cと面17cとは滑らかに接続されている。接眼プリズム16と偏向プリズム17とで一体的な略平行平板を形成することにより、外界光が接眼プリズム16の楔状の下端部を透過するときの屈折を偏向プリズム17でキャンセルすることができるので、シースルーで観察される外界の像に歪みが生じるのを防止することができる。   The deflection prism 17 is a transparent substrate (second transparent substrate) that guides light from an index light source 21 (described later) to the HOE 18 by total internal reflection, and transmits external light, and is integrated with the eyepiece prism 16. Are attached to the lower end of the eyepiece prism 16 so as to form a substantially parallel plate. That is, the two surfaces 17b and 17c located in the front-rear direction in the deflection prism 17 are parallel to each other. Further, the surface 16b and the surface 17b, and the surface 16c and the surface 17c are smoothly connected. By forming a substantially parallel flat plate with the eyepiece prism 16 and the deflection prism 17, refraction when external light passes through the wedge-shaped lower end of the eyepiece prism 16 can be canceled by the deflection prism 17. It is possible to prevent distortion from occurring in the image of the outside world observed through the see-through.

HOE18は、表示素子14からの映像光を光学瞳Pの方向に正の光学パワーで回折反射させる体積位相型で反射型のホログラム光学素子である。ここで、図4は、HOE18の回折特性を示している。HOE18は、特定の入射角で入射する光であって、例えば回折効率のピーク波長および回折効率ピークの半値波長幅で465±5nm(B光)、520±5nm(G光)、635±5nm(R光)の3つの波長域の光を回折反射するように作製されている。なお、図4の回折効率は、B光の最大回折効率を100としたときの相対値で示している。   The HOE 18 is a volume phase type reflection type hologram optical element that diffracts and reflects the image light from the display element 14 in the direction of the optical pupil P with a positive optical power. Here, FIG. 4 shows the diffraction characteristics of the HOE 18. The HOE 18 is light incident at a specific incident angle. For example, the peak wavelength of diffraction efficiency and the half-value wavelength width of the diffraction efficiency peak are 465 ± 5 nm (B light), 520 ± 5 nm (G light), 635 ± 5 nm ( R light) is produced so as to diffract and reflect light in three wavelength regions. The diffraction efficiency in FIG. 4 is shown as a relative value when the maximum diffraction efficiency of B light is 100.

図1において、光源11から出射されたRGBの光は、一方向拡散板12にて拡散され、集光レンズ13にて集光されて表示素子14に入射する。表示素子14に入射した光は、画像データに基づいて各画素ごとに変調され、映像光として出射される。つまり、表示素子14には、カラー映像が表示される。   In FIG. 1, RGB light emitted from a light source 11 is diffused by a unidirectional diffusion plate 12, condensed by a condenser lens 13, and incident on a display element 14. The light incident on the display element 14 is modulated for each pixel based on the image data and is emitted as video light. That is, a color image is displayed on the display element 14.

表示素子14からの映像光は、接眼光学系15の接眼プリズム16の内部に面16aから入射し、対向する2つの面16b・16cで少なくとも1回ずつ全反射されて、HOE18に入射する。HOE18に入射した光は、そこで回折反射されて光学瞳Pに達する。したがって、光学瞳Pの位置に観察者の瞳I1を位置させることにより、観察者は、表示素子14に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。 The image light from the display element 14 enters the eyepiece prism 16 of the eyepiece optical system 15 from the surface 16a, is totally reflected by the two opposing surfaces 16b and 16c at least once, and enters the HOE 18. The light incident on the HOE 18 is diffracted and reflected there and reaches the optical pupil P. Therefore, by locating the observer's pupil I 1 at the position of the optical pupil P, the observer can observe an enlarged virtual image of the image displayed on the display element 14.

一方、接眼プリズム16および偏向プリズム17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、表示素子14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。   On the other hand, the eyepiece prism 16 and the deflecting prism 17 transmit almost all the external light, so that the observer can observe the external environment. Therefore, the virtual image of the image displayed on the display element 14 is observed while overlapping a part of the outside world.

以上のように、HOE18は、正の光学パワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っているので、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。また、HOE18は、表示素子14からの映像光と外界光とを同時に光学瞳Pに導くコンバイナとして機能しているので、観察者は、HOE18を介して、表示素子14から提供される映像と外界とを同時に観察することができる。さらに、HOE18の回折効率ピーク波長は、光源11の発光強度ピーク波長と近いので、光源11からの光(表示素子14からの映像光)をHOE18にて効率よく回折させて明るい映像を表示することができる。   As described above, the HOE 18 has the same function as an aspherical concave mirror having a positive optical power. Therefore, the degree of freedom of arrangement of each optical member constituting the device is increased and the device can be easily downsized. In addition, it is possible to provide an observer with an image that is favorably corrected for aberrations. Further, since the HOE 18 functions as a combiner that simultaneously guides the image light from the display element 14 and the external light to the optical pupil P, the observer can view the image provided from the display element 14 via the HOE 18 and the external environment. Can be observed simultaneously. Furthermore, since the diffraction efficiency peak wavelength of the HOE 18 is close to the emission intensity peak wavelength of the light source 11, light from the light source 11 (image light from the display element 14) is efficiently diffracted by the HOE 18 to display a bright image. Can do.

(指標表示光学系および瞳の位置合わせについて)
次に、指標表示光学系21の詳細と、瞳の位置合わせについて説明する。
図1で示した指標表示光学系21は、光学瞳Pと観察者の瞳I1との位置合わせの際の指標を表示する光学系であり、上記した偏向プリズム17およびHOE18と、指標用光源22とで構成されている。
(About index display optical system and pupil alignment)
Next, details of the index display optical system 21 and alignment of the pupil will be described.
The index display optical system 21 shown in FIG. 1 is an optical system that displays an index when the optical pupil P and the observer's pupil I 1 are aligned. The deflection prism 17 and the HOE 18 described above, and the index light source 22.

指標用光源22は、偏向プリズム17の下端部の面17aに設けられており、HOE18を、その裏面側から、すなわち、映像光の入射側とは反対側から照明する。本実施形態では、指標用光源22は、例えば映像表示用の光源11と同等の発光特性を有するLEDで構成されているが、HOE18のRGBのいずれかの回折効率ピーク波長を含むのであれば、単色光を出射する光源で構成されてもよい。HOE18は、上記したように光学パワーを有しているとともに、透過および反射の両方の光学特性を有しており、指標表示光学系21においては指標用光学素子として機能している。   The indicator light source 22 is provided on the lower surface 17a of the deflecting prism 17, and illuminates the HOE 18 from the back side thereof, that is, from the side opposite to the image light incident side. In the present embodiment, the index light source 22 is configured by, for example, an LED having a light emission characteristic equivalent to that of the light source 11 for image display, but if it includes any diffraction efficiency peak wavelength of RGB of the HOE 18, You may comprise with the light source which radiate | emits monochromatic light. The HOE 18 has optical power as described above, and has both optical characteristics of transmission and reflection, and functions as an index optical element in the index display optical system 21.

光学瞳Pと観察者の瞳I1との位置合わせは、上述した映像観察の前に行われる。この位置合わせの際には、指標の視認性向上のためと消費電力の低減のために、映像表示用の光源11を消灯し、指標用光源22のみを点灯する。なお、図面上では、指標用光源22の発光点を黒塗りの星マークで示し、発光点を分かりやすくしているが、この形状が何らかの意味を持つものではない。 The alignment between the optical pupil P and the observer's pupil I 1 is performed before the above-described video observation. During this alignment, the image display light source 11 is turned off and only the indicator light source 22 is lit to improve the visibility of the indicator and reduce power consumption. In the drawing, the light emission point of the indicator light source 22 is indicated by a black star mark to make the light emission point easy to understand, but this shape does not have any meaning.

指標用光源22から出射される光は、偏向プリズム17の内部に面17aから入射し、対向する2つの面17b・17cで少なくとも1回ずつ全反射され、HOE18に入射する。HOE18は、表示素子14からの映像光については、正の光学パワーで光学瞳Pの方向に回折反射させるが、指標用光源22からの光については、HOE18に対して裏面側から入射するので、これを負の光学パワーで反射させるとともに、光学瞳Pとは反対側である外界側に反射させる。この結果、指標としての虚像Vが光学瞳Pの中心に表示され、観察者以外の第三者は、外界側からHOE18を介してその虚像Vを観察することが可能となる。なお、図面上では、第三者の瞳をI2で示す。 The light emitted from the indicator light source 22 enters the deflecting prism 17 from the surface 17a, is totally reflected at least once by the two opposing surfaces 17b and 17c, and enters the HOE 18. The HOE 18 diffracts and reflects the image light from the display element 14 in the direction of the optical pupil P with positive optical power, but the light from the index light source 22 is incident on the HOE 18 from the back side. This is reflected with a negative optical power, and is reflected on the external side opposite to the optical pupil P. As a result, the virtual image V as an index is displayed at the center of the optical pupil P, and a third party other than the observer can observe the virtual image V from the outside through the HOE 18. In the drawing, the third person's pupil is indicated by I 2 .

したがって、第三者は、例えば、図5(a)のように、虚像Vの位置が観察者の瞳I1の位置とずれている場合には、図5(b)に示すように、虚像Vの位置と観察者の瞳I1の位置とが一致するように、上述した鼻当て6や眼幅調整機構を操作することで、最終的に光学瞳Pの位置と観察者の瞳I1の位置とを合わせることが可能となる。なお、HOE18に対して光学瞳Pとは反対側に鏡を配置すれば、映像を観察しようとする観察者自身が、鏡で反射する虚像Vを見ながら自分で瞳I1の位置調整を行うことも可能となる。 Therefore, for example, when the position of the virtual image V is deviated from the position of the observer's pupil I 1 as shown in FIG. 5A, the third party, as shown in FIG. By operating the above-described nose pad 6 and eye width adjustment mechanism so that the position of V matches the position of the observer's pupil I 1 , the position of the optical pupil P and the observer's pupil I 1 are finally obtained. It becomes possible to match with the position of. Incidentally, adjusting the position of the pupil I 1 themselves by arranging a mirror on the opposite side of the optical pupil P, the observer himself to be observed the images, while viewing the virtual image V that is reflected by the mirror relative HOE18 It is also possible.

以上のように、本実施形態では、指標を表す光がHOE18に対して裏面側から入射するように指標用光源22を配置することで、指標用光源22から射出されてHOE18で反射される光の光路(指標用の光路)が、表示素子14から光学瞳Pに向かう映像光の光路外に位置している。つまり、指標用の光路と映像光の光路とが完全に分離されている。これにより、指標表示光学系21の設計自由度(構成部材の配置自由度)が高くなり、既存の接眼光学系15の設計を変更することなく、指標表示光学系21を設けることが可能となる。したがって、指標表示光学系21を設ける構成であっても、大きなシースルー領域を確保すべく接眼光学系15を大型化する必要がない点で、従来のような同軸構成の場合よりも装置の小型化、軽量化を図ることができる。   As described above, in the present embodiment, the indicator light source 22 is arranged so that the light representing the indicator is incident on the HOE 18 from the back side, so that the light emitted from the indicator light source 22 and reflected by the HOE 18 is reflected. Is located outside the optical path of the image light from the display element 14 toward the optical pupil P. That is, the index optical path and the image light optical path are completely separated. As a result, the degree of freedom in design of the index display optical system 21 (the degree of freedom of arrangement of the constituent members) is increased, and the index display optical system 21 can be provided without changing the design of the existing eyepiece optical system 15. . Therefore, even in the configuration in which the index display optical system 21 is provided, it is not necessary to increase the size of the eyepiece optical system 15 in order to ensure a large see-through region, and thus the apparatus can be made smaller than the conventional coaxial configuration. It is possible to reduce the weight.

また、指標用光学素子としてのHOE18は、指標用光源22からの光を光学瞳Pとは反対側の外界側に反射させることにより、自身の光学パワーによってHOE18に対して光学瞳P側に指標としての虚像Vを表示している。これにより、第三者が外界側からHOE18を介して虚像Vを視認することが可能となり、上述したように、第三者が表示された虚像Vに基づいて光学瞳Pと観察者の瞳I1との位置ズレを認識し、光学瞳Pの位置に観察者の瞳I1を合わせることができる。したがって、光学瞳Pが小さい小型の装置であっても、第三者による位置合わせが容易となる。 Further, the HOE 18 as the index optical element reflects the light from the index light source 22 to the external side opposite to the optical pupil P, so that the index is closer to the optical pupil P side than the HOE 18 by its own optical power. The virtual image V is displayed. As a result, the third person can visually recognize the virtual image V from the outside through the HOE 18, and as described above, the optical pupil P and the observer's pupil I are based on the virtual image V displayed by the third party. 1 is recognized, and the observer's pupil I 1 can be adjusted to the position of the optical pupil P. Therefore, even a small apparatus having a small optical pupil P can be easily aligned by a third party.

特に、本実施形態では、HOE18は、指標用光源22からの光を光学瞳Pとは反対側に負の光学パワーで反射させることにより、HOE18に対して光学瞳P側に虚像Vを表示している。ここで、図6は、指標用光源22から出射される光の光路を一方向に展開して示す説明図である。指標用光路におけるHOE18の反射光学パワーは負であるので、同図に示すように、指標用光源22の点灯によって、光学瞳Pの位置(例えば瞳中心)に指標としての虚像Vを結像させることができる。なお、指標用光路においては、HOE18の反射光学パワーは負なので、同図のようにHOE18は両面凹レンズと等価である。   In particular, in the present embodiment, the HOE 18 displays the virtual image V on the optical pupil P side with respect to the HOE 18 by reflecting the light from the index light source 22 to the side opposite to the optical pupil P with negative optical power. ing. Here, FIG. 6 is an explanatory diagram showing the optical path of the light emitted from the indicator light source 22 in one direction. Since the reflection optical power of the HOE 18 in the index optical path is negative, as shown in the figure, a virtual image V as an index is formed at the position of the optical pupil P (for example, the center of the pupil) by turning on the index light source 22. be able to. In the index optical path, since the reflected optical power of the HOE 18 is negative, the HOE 18 is equivalent to a double-sided concave lens as shown in FIG.

これにより、表示された虚像Vに基づき、第三者は3軸方向(上下、左右、前後の各方向と略同じ方向)で瞳位置ズレを認識することができ、表示された虚像Vをもとにして、光学瞳Pの位置に観察者の瞳I1を3軸方向で正確に合わせることが可能となる。その結果、映像観察時には、光学瞳Pに集光する映像光を効率よく観察者の瞳I1(瞳孔)に入射させることができ、観察者は明るい映像を観察することができる。また、光学性能が良好な光学瞳Pに3軸方向の全方向で観察者の瞳I1を一致させることができるので、高画質な映像を観察者に観察させることができる。 Thereby, based on the displayed virtual image V, a third party can recognize the pupil position shift in three axial directions (the same direction as each of the vertical, horizontal, and front and rear directions). Thus, the observer's pupil I 1 can be accurately adjusted in the three-axis directions to the position of the optical pupil P. As a result, at the time of image observation, the image light condensed on the optical pupil P can be efficiently incident on the pupil I 1 (pupil) of the observer, and the observer can observe a bright image. Further, since the observer's pupil I 1 can be made to coincide with the optical pupil P having good optical performance in all three axial directions, it is possible to cause the observer to observe a high-quality image.

以上のことから、HOE18は、指標用光源22からの光を光学瞳Pとは反対側に反射させることにより、自身の光学パワー(ここでは負の反射光学パワー)によって光学瞳Pの位置に指標としての虚像Vを表示しているとも言うことができる。この場合、光学瞳Pの位置と虚像Vの表示位置とが一致しているので、第三者は、表示された虚像Vに基づいて光学瞳Pと観察者の瞳I1との位置ズレを3軸方向とも正確に認識することができ、その虚像Vをもとにして、光学瞳Pの位置に観察者の瞳I1を正確に合わせることができる。 From the above, the HOE 18 reflects the light from the index light source 22 to the side opposite to the optical pupil P, so that the index is set at the position of the optical pupil P by its own optical power (in this case, the negative reflection optical power). It can also be said that the virtual image V is displayed. In this case, since the position of the optical pupil P coincides with the display position of the virtual image V, the third party shifts the positional deviation between the optical pupil P and the observer's pupil I 1 based on the displayed virtual image V. The three-axis directions can be accurately recognized, and the observer's pupil I 1 can be accurately adjusted to the position of the optical pupil P based on the virtual image V.

また、指標用光源22からの光はHOE18にて負の光学パワーで光学瞳Pとは反対側(外界側)に反射されるので、HOE18から外界側へは光束が広がり、第三者が外界側から指標としての虚像Vを視認できる範囲が広くなる。この結果、第三者は、自分の瞳I2を光学瞳Pの中心を通る軸上(光学瞳Pの中心に入射する光束の中心光線の延長線上)以外に配置させても虚像Vを視認することが可能となり、虚像Vを探すことが容易となる。さらに、指標用光路でのHOE18の反射光学パワーが負であるので、広いシースルー領域の外側に指標用光源22を配置した構成を容易に実現できる。つまり、光学パワーを有するHOE18から遠い位置に指標用光源22を配置して、広いシースルー領域を容易に確保することができる。 Further, since the light from the index light source 22 is reflected by the HOE 18 to the side opposite to the optical pupil P (external side) with negative optical power, the light beam spreads from the HOE 18 to the external side, and a third party The range in which the virtual image V as an index can be visually recognized from the side becomes wider. As a result, the third person visually recognizes the virtual image V even if his / her pupil I 2 is placed on an axis other than the axis passing through the center of the optical pupil P (on the extended line of the central ray of the light beam incident on the center of the optical pupil P). This makes it easy to search for the virtual image V. Further, since the reflection optical power of the HOE 18 in the index optical path is negative, the configuration in which the index light source 22 is disposed outside the wide see-through region can be easily realized. That is, it is possible to easily secure a wide see-through region by arranging the index light source 22 at a position far from the HOE 18 having optical power.

また、本実施形態では、映像光の光路と指標用の光路とを分離しているので、映像光を正の光学パワーで反射させるHOE18を、指標表示光学系21の素子(指標用光学素子)としても用いることが可能となる。つまり、接眼光学系15のHOE18における映像光の光路とは反対側を、指標用光源22からの光の入射側として使うことにより、指標用光源22からの光をHOE18の負の光学パワーで反射させる構成とすることができる。   In the present embodiment, since the optical path of the image light and the optical path for the index are separated, the HOE 18 that reflects the image light with the positive optical power is used as an element of the index display optical system 21 (index optical element). Can also be used. That is, the side opposite to the optical path of the image light in the HOE 18 of the eyepiece optical system 15 is used as the light incident side from the index light source 22, thereby reflecting the light from the index light source 22 with the negative optical power of the HOE 18. It can be set as the structure made to do.

このように、接眼光学系15のHOE18が指標用光学素子を兼ねているので、部品点数を少なくして指標表示光学系21ひいては映像表示装置1の構成を簡素化することができ、装置の小型化、軽量化をさらに図ることができる。また、体積位相型で反射型のHOEは、波長選択性が高く、外界光の透過率が高いので、映像の観察者は外界を明るく視認できて見やすく、第三者は外界側から位置合わせ用の虚像Vを確認しやすくなる。   Thus, since the HOE 18 of the eyepiece optical system 15 also serves as an index optical element, the number of components can be reduced and the configuration of the index display optical system 21 and thus the video display device 1 can be simplified. And weight reduction can be further achieved. In addition, the volume phase type reflective HOE has high wavelength selectivity and high external light transmittance, so that the image viewer can see the external environment brightly and is easy to see. It becomes easy to confirm the virtual image V.

また、接眼光学系15は、第1の透明基板としての接眼プリズム16と、第2の透明基板としての偏向プリズム17とを有しており、接眼プリズム16内での全反射によって映像光をHOE18に導き、偏向プリズム17内での全反射によって指標用光源22からの光をHOE18に導く。このように接眼プリズム16および偏向プリズム17の内部で映像光および指標用の光をそれぞれ導光する構成なので、通常の眼鏡レンズと同程度に接眼プリズム16および偏向プリズム17を例えば3mm程度に薄く構成することができ、装置を小型化、軽量化することもできる。また、接眼プリズム16および偏向プリズム17内での全反射を利用しているので、接眼プリズム16および偏向プリズム17における外界光の透過率が高くなり、面16b・16c、面17b・17cを介して、観察者は外界を明るく観察することができる。   Further, the eyepiece optical system 15 includes an eyepiece prism 16 as a first transparent substrate and a deflection prism 17 as a second transparent substrate. The image light is converted into HOE 18 by total reflection in the eyepiece prism 16. The light from the index light source 22 is guided to the HOE 18 by total reflection in the deflecting prism 17. Since the image light and the index light are respectively guided inside the eyepiece prism 16 and the deflection prism 17 in this way, the eyepiece prism 16 and the deflection prism 17 are configured to be as thin as about 3 mm, for example, as much as a normal spectacle lens. The apparatus can be reduced in size and weight. Further, since total reflection in the eyepiece prism 16 and the deflection prism 17 is used, the external light transmittance in the eyepiece prism 16 and the deflection prism 17 is increased, and the surfaces 16b and 16c and the surfaces 17b and 17c are passed through. The observer can observe the outside world brightly.

また、接眼プリズム16および偏向プリズム17は透明基板であることから、面16b・16cおよび面17b・17cは透明であり、HOE18は特定入射角の特定波長の光のみを回折するので、外界光の透過にはほとんど影響しない。したがって、観察者は、接眼プリズム16、偏向プリズム17およびHOE18を介して通常通りの外界を見ることができる。また、面16bと面17b、面16cと面17cとは滑らかに接続されているので、面の接続部(境界)が外界の視認に悪影響を与えることがなく、観察者は広いシースルー範囲で外界を良好に観察することができる。   Since the eyepiece prism 16 and the deflecting prism 17 are transparent substrates, the surfaces 16b and 16c and the surfaces 17b and 17c are transparent, and the HOE 18 diffracts only light having a specific wavelength at a specific incident angle. It has little effect on transmission. Therefore, the observer can see the outside world as usual through the eyepiece prism 16, the deflecting prism 17 and the HOE 18. Further, since the surface 16b and the surface 17b, and the surface 16c and the surface 17c are smoothly connected, the connecting portion (boundary) of the surface does not adversely affect the visual recognition of the outside world, and the observer has a wide see-through range. Can be observed well.

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

図7は、本実施形態の映像表示装置1の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の映像表示装置1は、接眼光学系15をHOE18と透明基板19とで構成し、指標表示光学系21を指標用光源22とHOE23とで構成したものである。HOE18は、透明基板19上の光学瞳P側に配置されている。   FIG. 7 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the video display device 1 of the present embodiment. In the video display device 1 of the present embodiment, the eyepiece optical system 15 is configured by the HOE 18 and the transparent substrate 19, and the index display optical system 21 is configured by the index light source 22 and the HOE 23. The HOE 18 is disposed on the optical pupil P side on the transparent substrate 19.

HOE23は、指標用光源22からの光を光学瞳Pとは反対側に正の光学パワーで反射させることにより、HOE23に対して光学瞳側に指標としての虚像Vを表示する反射型で体積位相型のホログラム光学素子であり、これを指標用光学素子として用いている。つまり、本実施形態では、実施の形態1とは異なり、接眼光学系15のHOE18(第1のHOE)とは別に、指標用光学素子としてHOE23(第2のHOE)を用いている。HOE23は、HOE18の裏面側、すなわち、HOE18に対して光学瞳Pとは反対側に、HOE18と空気層を介してほぼ平行に配置されている。   The HOE 23 reflects the light from the index light source 22 on the side opposite to the optical pupil P with positive optical power, thereby displaying a virtual image V as an index on the optical pupil side with respect to the HOE 23, and is a reflection type volume phase. Type hologram optical element, which is used as an index optical element. That is, in the present embodiment, unlike the first embodiment, the HOE 23 (second HOE) is used as the index optical element separately from the HOE 18 (first HOE) of the eyepiece optical system 15. The HOE 23 is disposed substantially in parallel with the HOE 18 via the air layer on the back side of the HOE 18, that is, on the side opposite to the optical pupil P with respect to the HOE 18.

HOE23の回折特性は、指標用光源22の発光特性に応じて設定されている。つまり、指標用光源22から出射される光がRGBの全ての波長領域に発光強度ピーク波長を有しているのであれば、RGBの発光強度ピークの半値波長幅内に回折効率のピーク波長がそれぞれ存在するようなHOE23を用いることができる。例えば指標用光源22が図3で示した光源11の発光特性と同等の発光特性を有しているのであれば、HOE23としては図4で示したHOE18の回折特性と同等の回折特性を有するものを用いることができる。また、指標用光源22から出射される光がRGBのいずれかの波長領域にのみ発光強度ピーク波長を有しているのであれば、少なくともそのいずれかの波長領域における発光強度ピークの半値波長幅内に回折効率のピーク波長が存在するようなHOE23を用いることができる。   The diffraction characteristics of the HOE 23 are set according to the light emission characteristics of the index light source 22. That is, if the light emitted from the indicator light source 22 has emission intensity peak wavelengths in all RGB wavelength regions, the peak wavelength of diffraction efficiency is within the half-value wavelength width of the RGB emission intensity peaks. HOE23 as it exists can be used. For example, if the indicator light source 22 has a light emission characteristic equivalent to that of the light source 11 shown in FIG. 3, the HOE 23 has a diffraction characteristic equivalent to that of the HOE 18 shown in FIG. Can be used. Further, if the light emitted from the indicator light source 22 has a light emission intensity peak wavelength only in one of the RGB wavelength regions, at least within the half-value wavelength width of the light emission intensity peak in any one of the wavelength regions. HOE23 having a peak wavelength of diffraction efficiency can be used.

本実施形態では、映像表示用の光源11は、例えば単色光(例えば波長550nmの光)を出射するLEDで構成されており、HOE18は、550nm±10nmの波長の光を回折するように作製されているものとする。映像観察時に、光源11から出射される光(G光)は、一方向拡散板12にて拡散され、集光レンズ13にて集光されて表示素子14に入射する。表示素子14に入射した光は、画像データに基づいて各画素ごとに変調され、映像光として出射され、HOE18で回折反射されて光学瞳Pに達する。これにより、光学瞳Pの位置に観察者の瞳I1を位置させることにより、観察者は、表示素子14に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。 In the present embodiment, the image display light source 11 is configured by, for example, an LED that emits monochromatic light (for example, light having a wavelength of 550 nm), and the HOE 18 is manufactured to diffract light having a wavelength of 550 nm ± 10 nm. It shall be. At the time of image observation, light (G light) emitted from the light source 11 is diffused by the unidirectional diffusion plate 12, condensed by the condenser lens 13, and incident on the display element 14. The light incident on the display element 14 is modulated for each pixel based on the image data, emitted as image light, diffracted and reflected by the HOE 18, and reaches the optical pupil P. Thus, by locating the observer's pupil I 1 at the position of the optical pupil P, the observer can observe an enlarged virtual image of the image displayed on the display element 14.

一方、透明基板19は、外界光をほとんど全て透過させ、HOE18・23は、特定の入射角で入射する特定波長の光しか回折反射しないので、観察者は、HOE18、透明基板19およびHOE23を介して通常通りの外界を観察することができる。   On the other hand, the transparent substrate 19 transmits almost all external light, and the HOEs 18 and 23 only diffract and reflect light having a specific wavelength incident at a specific incident angle. You can observe the outside world as usual.

映像観察前の瞳の位置合わせにおいては、指標用光源22を点灯すると、指標用光源22から出射される光は、HOE23にて正の光学パワーで光学瞳Pとは反対側に反射される。この結果、指標としての虚像Vが光学瞳Pに対してHOE23とは反対側の遠方に表示され、第三者は、外界側からHOE23を介してその虚像Vを観察することが可能となる。したがって、第三者は、その虚像Vをもとにして、虚像Vの位置と観察者の瞳I1の位置とが一致するように、鼻当て6や眼幅調整機構を操作することにより、最終的に光学瞳Pの位置と観察者の瞳I1の位置とを合わせることが可能となる。 In the alignment of the pupil before image observation, when the index light source 22 is turned on, the light emitted from the index light source 22 is reflected by the HOE 23 to the side opposite to the optical pupil P with positive optical power. As a result, the virtual image V as an index is displayed on the far side opposite to the HOE 23 with respect to the optical pupil P, and a third party can observe the virtual image V via the HOE 23 from the outside. Therefore, the third party operates the nose pad 6 and the eye width adjustment mechanism so that the position of the virtual image V matches the position of the observer's pupil I 1 based on the virtual image V. Finally, the position of the optical pupil P and the position of the observer's pupil I 1 can be matched.

以上のように、本実施形態では、指標用光学素子としてのHOE23の反射光学パワーが正であるので、シースルー領域を十分に確保できる範囲内で指標用光源22をHOE23に近づけて配置し、指標表示光学系21を小型化することが可能となる。これにより、シースルー領域を十分に確保した小型の接眼光学系15を用いた場合であっても、それに合わせて指標表示光学系21を小型化して装置全体を小型化することが可能となる。   As described above, in this embodiment, since the reflected optical power of the HOE 23 as the index optical element is positive, the index light source 22 is disposed close to the HOE 23 within a range in which a see-through area can be sufficiently secured, and the index The display optical system 21 can be downsized. Thereby, even when the small eyepiece optical system 15 in which a see-through area is sufficiently secured is used, the index display optical system 21 can be miniaturized accordingly, and the entire apparatus can be miniaturized.

また、指標表示光学系21のHOE23は、接眼光学系15のHOE18とは異なるHOEで構成されている。このように、2種のHOE18・23を用いることで、HOE18の正の反射光学パワーによって映像光を光学瞳Pに導き、観察者に映像(虚像)を観察させる構成でありながら、HOE23の正の反射光学パワーによって指標用光源22からの光を反射させ、第三者に位置調整のための指標(虚像V)を視認させることができる。つまり、どちらも正の反射光学パワーを有する2種のHOE18・23を用いて、映像の観察が可能で瞳位置の調整も可能な映像表示装置1を実現することができる。また、体積位相型で反射型のHOE18・23は、波長選択性が高く、外界光の透過率が高いので、映像の観察者は外界を明るく視認できて見やすく、第三者は外界側から位置合わせ用の指標(虚像V)を確認しやすくなる。   Further, the HOE 23 of the index display optical system 21 is configured by a HOE different from the HOE 18 of the eyepiece optical system 15. In this way, by using the two types of HOEs 18 and 23, the image light is guided to the optical pupil P by the positive reflection optical power of the HOE 18, and the observer observes the image (virtual image). The light from the indicator light source 22 can be reflected by the reflected optical power of the first and third parties so that the indicator (virtual image V) for position adjustment can be visually recognized. That is, it is possible to realize the video display device 1 that can observe the video and adjust the pupil position by using two types of HOEs 18 and 23 both having positive reflection optical power. In addition, the volume phase type reflection type HOE18 / 23 has high wavelength selectivity and high external light transmittance, so that the viewer of the image can see the external world brightly and easily, and the third party is located from the external side. It becomes easier to confirm the alignment index (virtual image V).

また、HOE23は、HOE18に対して光学瞳Pとは反対側に配置されているので、指標用の光路と映像光の光路とを完全に分離しながら、装置をコンパクトにまとめることができる。   Further, since the HOE 23 is disposed on the side opposite to the optical pupil P with respect to the HOE 18, the apparatus can be compactly integrated while completely separating the index optical path and the image light optical path.

また、本実施形態では、HOE23は、指標用光源22からの光を光学瞳Pとは反対側に反射させることにより、HOE23の光学パワー(ここでは正の反射光学パワー)によって、光学瞳Pに対してHOE23とは反対側の位置に指標としての虚像Vを表示している。これにより、第三者は、表示された虚像Vに基づき、上下方向および左右方向については光学瞳Pと観察者の瞳I1との位置ズレを認識しやすくなり、その虚像Vをもとにして、光学瞳Pの位置に観察者の瞳I1を合わせることができる。 In the present embodiment, the HOE 23 reflects the light from the index light source 22 to the side opposite to the optical pupil P, so that the optical power of the HOE 23 (here, positive reflection optical power) is applied to the optical pupil P. On the other hand, a virtual image V as an index is displayed at a position opposite to the HOE 23. This makes it easier for a third party to recognize the positional deviation between the optical pupil P and the observer's pupil I 1 in the vertical and horizontal directions based on the displayed virtual image V, and based on the virtual image V. Thus, the observer's pupil I 1 can be aligned with the position of the optical pupil P.

また、本実施形態では、HOE18とは異なるHOE23を用い、HOE23の光学パワーを利用して虚像Vを表示することにより、HOE23の光学パワーの設定次第で虚像Vの表示位置を変えることができ、装置の設計自由度も増す。   In the present embodiment, the display position of the virtual image V can be changed depending on the setting of the optical power of the HOE 23 by using the HOE 23 different from the HOE 18 and displaying the virtual image V using the optical power of the HOE 23. The degree of freedom in designing the device is also increased.

例えば、図8は、映像表示装置1の他の構成例を示す断面図である。図8の構成においては、HOE23の正の反射光学パワーを図7の構成よりも小さく設定している。このようにHOE23の光学パワーを調整することにより、虚像Vの表示位置を光学瞳Pの位置に一致させることができる。つまり、HOE23が指標用光源22からの光を光学瞳Pとは反対側に反射させることにより、HOE23の光学パワー(正の反射光学パワー)によって光学瞳Pの位置に指標としての虚像Vを表示する構成とすることができる。この場合は、光学瞳Pの位置と指標としての虚像Vの表示位置とが一致しているので、実施の形態1と同様に、第三者は、表示された虚像Vに基づいて光学瞳Pと観察者の瞳I1との位置ズレを3軸方向とも正確に認識することができ、その虚像Vをもとにして、光学瞳Pの位置に観察者の瞳I1を正確に合わせることができる。 For example, FIG. 8 is a cross-sectional view showing another configuration example of the video display device 1. In the configuration of FIG. 8, the positive reflection optical power of the HOE 23 is set smaller than that of the configuration of FIG. Thus, by adjusting the optical power of the HOE 23, the display position of the virtual image V can be matched with the position of the optical pupil P. That is, the HOE 23 reflects the light from the index light source 22 to the side opposite to the optical pupil P, thereby displaying the virtual image V as an index at the position of the optical pupil P by the optical power of the HOE 23 (positive reflection optical power). It can be set as the structure to do. In this case, since the position of the optical pupil P coincides with the display position of the virtual image V as an index, a third party can use the optical pupil P based on the displayed virtual image V as in the first embodiment. And the observer's pupil I 1 can be accurately recognized in the three axis directions, and the observer's pupil I 1 is accurately aligned with the position of the optical pupil P based on the virtual image V. Can do.

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

図9は、本実施形態の映像表示装置1の概略の構成を示す断面図である。なお、図9では、表示素子14よりも前段の構成の図示を省略している。本実施形態の映像表示装置1では、接眼光学系15が、透明基板31(第1の透明基板)と、透明基板32(第2の透明基板)と、半透過反射膜33とで構成されており、指標表示光学系21が上記の接眼光学系15にさらに指標用光源22を付加した構成となっている。   FIG. 9 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of the video display device 1 of the present embodiment. In FIG. 9, the illustration of the configuration preceding the display element 14 is omitted. In the video display device 1 of the present embodiment, the eyepiece optical system 15 includes a transparent substrate 31 (first transparent substrate), a transparent substrate 32 (second transparent substrate), and a transflective film 33. The index display optical system 21 has a configuration in which an index light source 22 is further added to the eyepiece optical system 15 described above.

透明基板31は、自由曲面プリズムで構成されており、光学面である面31a・31b・31cが全て自由曲面となっている。ここで、面31aは表示素子14からの映像光の入射面であり、面31bは全反射面であり、面31cは面31bと対向し、かつ、透明基板32の面32dと半透過反射膜33を介して貼り合わされる面である。なお、面31a・31b・31cは、平面であってもよいし、球面であってもよい。半透過反射膜33は、透過率によって透過および反射を選択する膜であり、透明基板31の面31c上に形成されているが、透明基板32の面32d上に形成されていてもよい。   The transparent substrate 31 is composed of a free-form surface prism, and the surfaces 31a, 31b, and 31c, which are optical surfaces, are all free-form surfaces. Here, the surface 31a is an incident surface for image light from the display element 14, the surface 31b is a total reflection surface, the surface 31c is opposed to the surface 31b, and the surface 32d of the transparent substrate 32 and the transflective film 33 is a surface bonded through 33. The surfaces 31a, 31b, and 31c may be flat surfaces or spherical surfaces. The semi-transmissive reflective film 33 is a film that selects transmission and reflection according to the transmittance, and is formed on the surface 31 c of the transparent substrate 31, but may be formed on the surface 32 d of the transparent substrate 32.

透明基板32は、実施の形態1の偏向プリズム17に対応するものであり、透明基板31と半透過反射膜33を介して貼り合わされることで、外界光が透明基板31を透過するときの屈折を透明基板32でキャンセルし、外界の像に歪みが生じるのを防止する補正用基板として機能している。   The transparent substrate 32 corresponds to the deflecting prism 17 of the first embodiment, and is bonded to the transparent substrate 31 via the semi-transmissive reflective film 33 so that refraction when external light passes through the transparent substrate 31. Is canceled by the transparent substrate 32, and functions as a correction substrate that prevents distortion of the external image.

透明基板32の下端部の面32aには、指標用光源22が設けられている。指標用光源22は、透明基板31の面31cを、映像光の入射側とは反対側から半透過反射膜33を介して照明するLEDで構成されている。透明基板32の面32bは、透明基板31の面31bと滑らかに接続されており、この面32bと対向して面32cが設けられている。また、透明基板32の面32dは、透明基板31の面31cと半透過反射膜33を介して対向している。   An indicator light source 22 is provided on the lower surface 32 a of the transparent substrate 32. The indicator light source 22 is configured by an LED that illuminates the surface 31 c of the transparent substrate 31 from the side opposite to the incident side of the image light through the transflective film 33. The surface 32b of the transparent substrate 32 is smoothly connected to the surface 31b of the transparent substrate 31, and a surface 32c is provided to face the surface 32b. Further, the surface 32 d of the transparent substrate 32 faces the surface 31 c of the transparent substrate 31 with the transflective film 33 interposed therebetween.

ここで、上記した透明基板31の面31cは映像光の入射側から見ると凹面形状であることから、映像光の光路においては、面31は半透過反射膜33と合わせて全体として正の反射光学パワーを有していると言える。また、面31cは指標用光源22からの光の入射側から見ると凸面形状であることから、指標用の光路においては、面31cは半透過反射膜33と合わせて全体として負の反射光学パワーを有していると言える。したがって、本実施形態では、少なくとも面31cと半透過反射膜33とで、光学パワーを有し、かつ、透過および反射の両方の光学特性を有する指標用光学素子が構成されていると言うことができる。すなわち、ここで言う光学パワーとは、面31cの面形状と半透過反射膜33との作用によって生じる概念である。なお、指標用光学素子は、面31cを有する透明基板31全体を含んでいてもよい。   Here, the surface 31c of the transparent substrate 31 has a concave shape when viewed from the incident side of the image light. Therefore, in the optical path of the image light, the surface 31 as a whole is reflected positively together with the transflective film 33. It can be said that it has optical power. Further, since the surface 31c has a convex shape when viewed from the light incident side of the light source 22 for the indicator, in the optical path for the indicator, the surface 31c together with the transflective film 33 has a negative reflection optical power as a whole. It can be said that it has. Therefore, in this embodiment, it can be said that at least the surface 31c and the transflective film 33 constitute an index optical element having optical power and having both transmission and reflection optical characteristics. it can. That is, the optical power referred to here is a concept generated by the action of the surface shape of the surface 31 c and the transflective film 33. The index optical element may include the entire transparent substrate 31 having the surface 31c.

映像観察時において、表示素子14からの映像光は、透明基板31の内部に面31aから入射し、面31bで全反射された後、面31cの凹面および半透過反射膜33によって光学瞳Pの方向に反射集光される。これにより、光学瞳Pの位置に観察者の瞳I1を位置させることにより、観察者は、表示素子14に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。一方、透明基板31・32は、外界光をほとんど全て透過させるので、観察者は上記の映像と外界とを観察することができる。 At the time of image observation, the image light from the display element 14 enters the inside of the transparent substrate 31 from the surface 31a, is totally reflected by the surface 31b, and then is formed on the optical pupil P by the concave surface of the surface 31c and the transflective film 33. Reflected and focused in the direction. Thus, by locating the observer's pupil I 1 at the position of the optical pupil P, the observer can observe an enlarged virtual image of the image displayed on the display element 14. On the other hand, since the transparent substrates 31 and 32 transmit almost all the external light, the observer can observe the image and the external environment.

映像観察前の瞳の位置合わせにおいては、指標用光源22を点灯すると、指標用光源22から出射される光は、透明基板32の内部に面32aから入射し、面32cで全反射された後、面31cに凸面側(映像光入射側から見て凹面形状の面31cの裏面側)から入射し、面31cの凸面および半透過反射膜33によって光学瞳Pとは反対側に反射される。この結果、指標としての虚像Vが光学瞳Pの中心に表示され、第三者は、外界側から半透過反射膜33を介してその虚像Vを観察することが可能となる。したがって、第三者は、その虚像Vをもとにして、虚像Vの位置と観察者の瞳I1の位置とが一致するように、鼻当て6や眼幅調整機構を操作することにより、最終的に光学瞳Pの位置と観察者の瞳I1の位置とを3軸方向に正確に合わせることが可能となる。 In the alignment of the pupil before the image observation, when the index light source 22 is turned on, the light emitted from the index light source 22 enters the inside of the transparent substrate 32 from the surface 32a and is totally reflected by the surface 32c. Then, the light is incident on the surface 31c from the convex surface side (the back surface side of the concave surface 31c when viewed from the image light incident side), and is reflected to the opposite side of the optical pupil P by the convex surface of the surface 31c and the transflective film 33. As a result, the virtual image V as an index is displayed at the center of the optical pupil P, and a third party can observe the virtual image V from the outside through the transflective film 33. Therefore, the third party operates the nose pad 6 and the eye width adjustment mechanism so that the position of the virtual image V matches the position of the observer's pupil I 1 based on the virtual image V. Finally, the position of the optical pupil P and the position of the observer's pupil I 1 can be accurately matched in the three-axis directions.

以上のように、本実施形態では、指標用光学素子としての面31cおよび半透過反射膜33の作用により、表示素子14からの映像光を面31cの凹面によって光学瞳Pの方向に反射させる一方、指標用光源22からの光を上記凹面形状の面31cの裏面の凸面によって反射させることによって、面31cに対して光学瞳P側に指標としての虚像Vを表示している。このように、映像光の反射と指標用光源22からの光の反射とを同じ光学面である面31cの表裏で行う構成により、これらの反射を別々の素子または光学面で行う構成に比べて、指標表示光学系21ひいては装置の構成を簡素化することができ、装置の小型化、軽量化をさらに図ることができる。   As described above, in this embodiment, the image light from the display element 14 is reflected in the direction of the optical pupil P by the concave surface of the surface 31c by the action of the surface 31c as the index optical element and the transflective film 33. The virtual image V as an index is displayed on the optical pupil P side with respect to the surface 31c by reflecting the light from the index light source 22 by the convex surface on the back surface of the concave surface 31c. Thus, the configuration in which the reflection of the image light and the reflection of the light from the index light source 22 are performed on the front and back of the surface 31c, which is the same optical surface, as compared to a configuration in which these reflections are performed by separate elements or optical surfaces. The index display optical system 21 and thus the configuration of the apparatus can be simplified, and the apparatus can be further reduced in size and weight.

また、指標用光源22からの光は、面31cおよび半透過反射膜33による負の反射光学パワーによって光学瞳Pとは反対側に反射されるので、外界側へは光束が広がって第三者は虚像Vを探しやすくなるなど、実施の形態1で述べた効果と同様の効果を得ることができる。   Further, the light from the index light source 22 is reflected to the side opposite to the optical pupil P by the negative reflection optical power by the surface 31c and the semi-transmissive reflection film 33, so that the light beam spreads to the outside and the third party. Can obtain the same effects as those described in the first embodiment, such as making it easier to search for the virtual image V.

なお、本実施形態では、面31cに形成される半透過反射膜33に代えて、偏光特性によって透過および反射を選択する偏光分離膜や、波長によって透過および反射を選択する誘電体多層膜、あるいはホログラムを用いてもよい。つまり、面31cには、入射光を選択的に透過または反射させる選択透過反射膜が形成されていればよい。   In this embodiment, instead of the transflective film 33 formed on the surface 31c, a polarization separation film that selects transmission and reflection according to polarization characteristics, a dielectric multilayer film that selects transmission and reflection according to wavelength, or A hologram may be used. That is, it is sufficient that a selective transmission / reflection film that selectively transmits or reflects incident light is formed on the surface 31c.

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

本発明の映像表示装置は、例えば可動式の鼻当てや眼幅調整機構を備えたHMDに利用可能である。   The video display device of the present invention can be used for, for example, an HMD provided with a movable nose pad and an eye width adjustment mechanism.

1 映像表示装置
2 支持手段
14 表示素子
15 接眼光学系
16 接眼プリズム(第1の透明基板)
17 偏向プリズム(第2の透明基板)
18 HOE(指標用光学素子、第1のホログラム光学素子)
21 指標表示光学系
22 指標用光源
23 HOE(指標用光学素子、第2のホログラム光学素子)
31c 面(光学面、指標用光学素子)
33 半透過反射膜(指標用光学素子)
1 観察者の瞳
P 光学瞳
V 虚像
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Image display apparatus 2 Support means 14 Display element 15 Eyepiece optical system 16 Eyepiece prism (1st transparent substrate)
17 Deflection prism (second transparent substrate)
18 HOE (index optical element, first hologram optical element)
21 index display optical system 22 index light source 23 HOE (index optical element, second hologram optical element)
31c surface (optical surface, index optical element)
33 Transflective film (index optical element)
I 1 Eye of the observer P Optical pupil V Virtual image

Claims (11)

映像を表示する表示素子と、
前記表示素子からの映像光と外界光とを同時に光学瞳に導く接眼光学系とを備え、前記光学瞳の位置にて、観察者に表示映像の虚像と外界とを同時に観察させる映像表示装置であって、
前記光学瞳と観察者の瞳との位置合わせの際の指標を表示する指標表示光学系をさらに備え、
前記指標表示光学系は、
光学パワーを有し、透過および反射の両方の光学特性を有する指標用光学素子と、
前記指標用光学素子を照明する指標用光源とを有しており、
前記指標用光源から射出されて前記指標用光学素子で反射される光の光路は、前記表示素子から前記光学瞳に向かう映像光の光路外にあり、
前記指標用光学素子は、前記指標用光源からの光を前記光学瞳とは反対側に反射させることにより、該指標用光学素子の光学パワーによって該指標用光学素子に対して前記光学瞳側に前記指標としての虚像を表示することを特徴とする映像表示装置。
A display element for displaying an image;
An image display device comprising an eyepiece optical system that simultaneously guides image light from the display element and external light to an optical pupil, and allows an observer to simultaneously observe a virtual image of the display image and the external environment at the position of the optical pupil. There,
An index display optical system for displaying an index when aligning the optical pupil with the observer's pupil;
The index display optical system includes:
An index optical element having optical power and having both transmission and reflection optical characteristics;
An indicator light source for illuminating the indicator optical element;
The optical path of the light emitted from the index light source and reflected by the index optical element is outside the optical path of the image light from the display element toward the optical pupil,
The index optical element reflects light from the index light source toward the side opposite to the optical pupil, so that the optical power of the index optical element is closer to the optical pupil than the index optical element. A video display device that displays a virtual image as the index.
前記指標用光学素子は、前記指標用光源からの光を前記光学瞳とは反対側に負の光学パワーで反射させることにより、該指標用光学素子に対して前記光学瞳側に前記指標としての虚像を表示することを特徴とする請求項1に記載の映像表示装置。   The index optical element reflects the light from the index light source on the side opposite to the optical pupil with negative optical power, so that the index optical element serves as the index on the optical pupil side with respect to the index optical element. The video display apparatus according to claim 1, wherein a virtual image is displayed. 前記接眼光学系は、前記表示素子からの映像光を前記光学瞳の方向に正の光学パワーで反射させる体積位相型で反射型のホログラム光学素子を有しており、
前記ホログラム光学素子は、前記指標用光学素子を兼ねていることを特徴とする請求項2に記載の映像表示装置。
The eyepiece optical system includes a volume phase type reflection type hologram optical element that reflects image light from the display element in the direction of the optical pupil with a positive optical power,
The video display apparatus according to claim 2, wherein the hologram optical element also serves as the index optical element.
前記指標用光学素子は、選択透過反射膜と、前記選択透過反射膜が形成された光学パワーを持つ光学面とを有しており、前記表示素子からの映像光を前記光学面の凹面によって前記光学瞳の方向に反射させる一方、前記指標用光源からの光を前記凹面形状である光学面の裏面の凸面によって反射させることにより、該光学面に対して前記光学瞳側に前記指標としての虚像を表示することを特徴とする請求項2に記載の映像表示装置。   The index optical element has a selective transmission reflection film and an optical surface having an optical power on which the selective transmission reflection film is formed, and the image light from the display element is transmitted by the concave surface of the optical surface. While reflecting in the direction of the optical pupil, the light from the indicator light source is reflected by the convex surface on the back side of the optical surface having the concave shape, so that the virtual image as the indicator on the optical pupil side with respect to the optical surface The video display device according to claim 2, wherein: 前記指標用光学素子は、前記指標用光源からの光を前記光学瞳とは反対側に正の光学パワーで反射させることにより、該指標用光学素子に対して前記光学瞳側に前記指標としての虚像を表示することを特徴とする請求項1に記載の映像表示装置。   The index optical element reflects the light from the index light source on the side opposite to the optical pupil with positive optical power, so that the index optical element serves as the index on the optical pupil side with respect to the index optical element. The video display apparatus according to claim 1, wherein a virtual image is displayed. 前記接眼光学系は、前記表示素子からの映像光を前記光学瞳の方向に正の光学パワーで反射させる体積位相型で反射型の第1のホログラム光学素子を有しており、
前記指標用光学素子は、前記第1のホログラム光学素子とは異なる、体積位相型で反射型の第2のホログラム光学素子で構成されていることを特徴とする請求項5に記載の映像表示装置。
The eyepiece optical system has a volume phase type and reflection type first hologram optical element that reflects image light from the display element in the direction of the optical pupil with a positive optical power,
6. The image display device according to claim 5, wherein the index optical element is constituted by a volume phase type reflection type second hologram optical element different from the first hologram optical element. .
前記第2のホログラム光学素子は、前記第1のホログラム光学素子に対して前記光学瞳とは反対側に配置されていることを特徴とする請求項6に記載の映像表示装置。   The video display device according to claim 6, wherein the second hologram optical element is disposed on the opposite side of the optical pupil with respect to the first hologram optical element. 前記指標用光学素子は、前記指標用光源からの光を前記光学瞳とは反対側に反射させることにより、該指標用光学素子の光学パワーによって前記光学瞳の位置に前記指標としての虚像を表示することを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の映像表示装置。   The index optical element displays a virtual image as the index at the position of the optical pupil by the optical power of the index optical element by reflecting light from the index light source to the side opposite to the optical pupil. The video display device according to claim 1, wherein: 前記指標用光学素子は、前記指標用光源からの光を前記光学瞳とは反対側に反射させることにより、該指標用光学素子の光学パワーによって前記光学瞳に対して該指標用光学素子とは反対側の位置に前記指標としての虚像を表示することを特徴とする請求項5から7のいずれかに記載の映像表示装置。   The index optical element reflects the light from the index light source to the side opposite to the optical pupil, so that the index optical element is separated from the optical pupil by the optical power of the index optical element. The video display device according to claim 5, wherein a virtual image as the index is displayed at a position on the opposite side. 前記接眼光学系は、
前記表示素子からの映像光を内部での全反射によって前記ホログラム光学素子に導く一方、外界光を透過させる第1の透明基板と、
前記指標用光源からの光を内部での全反射によって前記ホログラム光学素子に導く一方、外界光を透過させる第2の透明基板とを有していることを特徴とする請求項3に記載の映像表示装置。
The eyepiece optical system is
A first transparent substrate that guides image light from the display element to the hologram optical element by total internal reflection, and transmits external light;
4. The video according to claim 3, further comprising: a second transparent substrate that guides light from the indicator light source to the hologram optical element by total internal reflection and transmits external light. 5. Display device.
請求項1から10のいずれかに記載の映像表示装置と、
前記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
A video display device according to any one of claims 1 to 10,
A head-mounted display comprising support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.
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