JP2016170203A - Image displaying apparatus - Google Patents

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JP2016170203A JP2015048359A JP2015048359A JP2016170203A JP 2016170203 A JP2016170203 A JP 2016170203A JP 2015048359 A JP2015048359 A JP 2015048359A JP 2015048359 A JP2015048359 A JP 2015048359A JP 2016170203 A JP2016170203 A JP 2016170203A
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賢治 金野
Kenji Konno
賢治 金野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image displaying apparatus capable, in spite of its compactness, of see-through displaying in which an image is superposed over a bright external scene on a large screen.SOLUTION: A picture displaying apparatus EG comprises a display element DP that displays an image IM and an observation optical system LE that projects and displays the image IM to an observer eye EY in a see-through way as a virtual image so that the image IM overlaps an external scene. The observation optical system LE comprises a light emitting optical system LN that emits the light of the image IM from a side of the observer eye EY to its front and a holographic optical element HO that reflects, by the diffraction effect of light, a light ray of a specific wavelength out of light rays from the light emitting optical system LN to the observer eye EY. The holographic optical element HO so reflects the light ray as to make the reflection angle of a main light ray AX emitted from the screen center of the display element DP smaller than the positive reflection angle.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は画像表示装置に関するものであり、例えば、液晶表示素子(LCD:liquid crystal display)の2次元画像をホログラフィック光学素子(HOE:holographic optical element)を用いて観察者眼にシースルーで投影表示する眼鏡型の画像表示装置に関するものである。   The present invention relates to an image display device. For example, a two-dimensional image of a liquid crystal display (LCD) is projected and displayed on a viewer's eye using a holographic optical element (HOE). The present invention relates to a glasses-type image display device.

画像を外景(つまり外界視野)に重ねて表示する眼鏡型の画像表示装置が、特許文献1〜3で提案されている。これらの画像表示装置はハンズフリーで使用されるため、使用者に最適な状況で情報を表示することが重要になり、一方、表示画像だけでなく外景も良好に見たいという要望にも応える必要がある。特に外景の明るさは重要であり、画像表示のために外景が暗くなるのは好ましくない。また、表示画像の見える距離も重要である。使用者は近くを見たり遠くを見たりするので、その際に偏った距離に表示が行われると、外景と表示とを良好に重ねて観察することができなくなる。さらに、表示の画面の広さも重要である。使用者がどこを見るかは規定できないので、どこを見てもできる限り画像を提供できることが好ましい。   Patent Documents 1 to 3 propose spectacle-type image display devices that display an image superimposed on an outside scene (that is, an external field of view). Since these image display devices are used hands-free, it is important to display information in an optimal situation for the user. On the other hand, it is necessary to meet not only the display image but also the desire to see the outside scene well. There is. The brightness of the outside scene is particularly important, and it is not preferable that the outside scene becomes dark for image display. In addition, the viewing distance of the display image is also important. Since the user looks near or looks far away, if the display is performed at an unbalanced distance at that time, it becomes impossible to observe the outside scene and the display with good overlay. Furthermore, the width of the display screen is also important. Since it is impossible to define where the user sees, it is preferable that images can be provided as much as possible.

特開2014−59395号公報JP 2014-59395 A 特開2013−73070号公報JP 2013-73070 A US6,353,503 B1US 6,353,503 B1

上述したように、外景の明るさ、表示画像の見える距離、表示画面の広さに関する要求を同時に満足することは困難である。例えば、特許文献1に記載されているようにハーフミラーを用いると、外景の明るさが半分以下になってしまい外景が暗くなる。また、ハーフミラーを順に反射する構成の場合、物体距離を無限にする必要がある。物体距離を近距離にすると、それぞれのハーフミラーで画像が重ならなくなり、結果としてボケたように見えてしまうことになる。   As described above, it is difficult to simultaneously satisfy the requirements regarding the brightness of the outside scene, the viewing distance of the display image, and the size of the display screen. For example, when a half mirror is used as described in Patent Document 1, the brightness of the outside scene becomes half or less and the outside scene becomes dark. Further, in the case of a configuration that sequentially reflects the half mirror, the object distance needs to be infinite. When the object distance is set to a short distance, the images are not overlapped by the respective half mirrors, and as a result, they appear to be blurred.

特許文献2に記載されているように、ハーフミラー(中間層)を用いた画像表示装置では、外景の明るさが半分以下になってしまい外景が暗くなる。また、眼鏡レンズ面間に挟むように反射面を挿入する方法では、眼鏡レンズの厚みが増大してしまう。   As described in Patent Document 2, in an image display device using a half mirror (intermediate layer), the brightness of the outside scene becomes half or less and the outside scene becomes dark. Further, in the method of inserting the reflecting surface so as to be sandwiched between the spectacle lens surfaces, the thickness of the spectacle lens is increased.

特許文献3に記載されているように、反射面をホログラムで構成しただけでは、ホログラムの集光パワーがないため、集光パワーを曲面に集める必要が生じる。また、角度をずらす偏向効果が無いので、眼鏡の横からの光を目に向けて反射するには厚みが必要になる。したがって、画角が限定されてしまうため、大きな画面での画像表示は不可能である。   As described in Patent Document 3, if the reflecting surface is simply formed of a hologram, there is no condensing power of the hologram, so that it is necessary to collect the condensing power on a curved surface. Further, since there is no deflection effect for shifting the angle, a thickness is required to reflect the light from the side of the glasses toward the eyes. Therefore, since the angle of view is limited, image display on a large screen is impossible.

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、コンパクトでありながら、明るい外景に広い画面で画像が重ねられたシースルー表示の可能な画像表示装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an image display device capable of see-through display in which an image is superimposed on a bright outside scene on a wide screen while being compact. is there.

上記目的を達成するために、第1の発明の画像表示装置は、画像を表示する表示素子と、前記画像が外景に重なるように、前記画像を虚像として観察者眼にシースルーで投影表示する観察光学系と、を有する画像表示装置であって、
前記観察光学系が、観察者眼の側方から前方に向けて前記画像の光を出射する投光光学系と、その投光光学系からの光のうち特定波長の光を回折作用により観察者眼に向けて反射させるホログラフィック光学素子と、を有し、
前記表示素子の画面中心から出射した主光線の反射角度が正反射角度よりも小さくなるように、前記ホログラフィック光学素子が前記回折作用による反射を行うことを特徴とする。
In order to achieve the above object, an image display device according to a first aspect of the present invention includes a display element that displays an image and an observation that projects and displays the image as a virtual image on a viewer's eye so that the image overlaps an outside scene. An image display device having an optical system,
The observation optical system emits light of the image from the side of the observer's eye toward the front, and the observer emits light having a specific wavelength by diffracting action from the light from the projection optical system. A holographic optical element that reflects toward the eye,
The holographic optical element performs reflection by the diffractive action so that the reflection angle of the principal ray emitted from the screen center of the display element is smaller than the regular reflection angle.

第2の発明の画像表示装置は、上記第1の発明において、観察者眼の側方に位置するテンプルと、観察者眼の前方に位置する透明基板と、を備えた眼鏡型の画像表示装置であって、前記投光光学系が前記テンプルに保持されており、前記ホログラフィック光学素子が前記透明基板に保持されていることを特徴とする。   An image display device according to a second aspect of the present invention is the glasses-type image display device according to the first aspect, comprising: a temple located on the side of the observer's eye; and a transparent substrate located in front of the observer's eye. The light projecting optical system is held by the temple, and the holographic optical element is held by the transparent substrate.

第3の発明の画像表示装置は、上記第1又は第2の発明において、以下の条件式(1)を満足することを特徴とする。
|θ’|/θ≦0.2 …(1)
ただし、
θ:入射角度、
θ’:反射角度、
であり、面法線から正反射側へ進む方向を正とし、面法線から入射側へ戻る方向を負とする。
An image display device according to a third aspect of the invention is characterized in that, in the first or second aspect of the invention, the following conditional expression (1) is satisfied.
| Θ ′ | /θ≦0.2 (1)
However,
θ: incident angle,
θ ′: reflection angle,
The direction from the surface normal to the specular reflection side is positive, and the direction from the surface normal to the incident side is negative.

第4の発明の画像表示装置は、上記第1〜第3のいずれか1つの発明において、前記観察光学系で形成される虚像が観察者眼に対して有限距離に位置することを特徴とする。   The image display device of a fourth invention is characterized in that, in any one of the first to third inventions, a virtual image formed by the observation optical system is located at a finite distance with respect to an observer's eye. .

第5の発明の画像表示装置は、上記第4の発明において、観察者眼から前記観察光学系で形成される虚像までの距離が30cm以上5m以下であることを特徴とする。   The image display device of a fifth invention is characterized in that, in the fourth invention, the distance from the observer's eye to the virtual image formed by the observation optical system is 30 cm or more and 5 m or less.

第6の発明の画像表示装置は、上記第1〜第5のいずれか1つの発明において、前記ホログラフィック光学素子が回折作用による集光パワーを有することを特徴とする。   The image display device of a sixth invention is characterized in that, in any one of the first to fifth inventions, the holographic optical element has a condensing power by a diffraction action.

第7の発明の画像表示装置は、上記第6の発明において、前記ホログラフィック光学素子が凹面反射による集光パワーを有することを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the image display device according to the sixth aspect, wherein the holographic optical element has a condensing power by concave reflection.

第8の発明の画像表示装置は、上記第1〜第7のいずれか1つの発明において、前記投光光学系と前記ホログラフィック光学素子との間に中間像を結ぶことを特徴とする。   An image display apparatus according to an eighth invention is characterized in that, in any one of the first to seventh inventions, an intermediate image is formed between the light projecting optical system and the holographic optical element.

第9の発明の画像表示装置は、上記第1〜第8のいずれか1つの発明において、前記表示素子から前記投光光学系までの間隔を調節することによりフォーカスを行う機能を有することを特徴とする。   An image display device according to a ninth aspect of the invention is characterized in that, in any one of the first to eighth aspects of the invention, the image display device has a function of performing focusing by adjusting an interval from the display element to the light projecting optical system. And

第10の発明の画像表示装置は、上記第1〜第9のいずれか1つの発明において、前記投光光学系が非軸対称な光学系であることを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, in any one of the first to ninth aspects, the light projecting optical system is a non-axisymmetric optical system.

第11の発明の画像表示装置は、上記第1〜第10のいずれか1つの発明において、前記投光光学系が、前記ホログラフィック光学素子で発生する色収差を打ち消す方向の色収差を発生することを特徴とする。   In an image display device according to an eleventh aspect of the invention, in any one of the first to tenth aspects of the invention, the light projecting optical system generates chromatic aberration in a direction that cancels chromatic aberration generated in the holographic optical element. Features.

本発明によれば、コンパクトでありながら、明るい外景に広い画面で画像が重ねられたシースルー表示の可能な画像表示装置を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize an image display device capable of see-through display that is compact and has an image superimposed on a wide screen on a bright outside scene.

眼鏡型画像表示装置の第1の実施の形態を模式的に示す概略断面図。1 is a schematic cross-sectional view schematically showing a first embodiment of an eyeglass-type image display device. 眼鏡型画像表示装置の第1の実施の形態(実施例1)の光学構成図。The optical block diagram of 1st Embodiment (Example 1) of a spectacles type image display apparatus. 眼鏡型画像表示装置の第2の実施の形態(実施例2)の光学構成図。The optical block diagram of 2nd Embodiment (Example 2) of a glasses-type image display apparatus.

以下、本発明に係る画像表示装置等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。   Hereinafter, an image display device and the like according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is mutually attached | subjected to the part which is the same in each embodiment etc., and the corresponding part, and duplication description is abbreviate | omitted suitably.

図1に、第1の実施の形態の画像表示装置EGの概略断面構造を、その上方から見た状態で示す。この画像表示装置EGは、画像IMを表示する表示素子DP(例えばLCD)と、表示素子DPを照明するための光源LS(例えばLED(light emitting diode))と、画像IMが外景に重なるように、画像IMを虚像として観察者眼EYにシースルーで投影表示する観察光学系LEと、を有している。観察光学系LEは、観察者眼EYの側方から前方に向けて画像IMの光を出射する投光光学系LNと、その投光光学系LNからの光のうち特定波長の光を回折作用により観察者眼EYに向けて反射させる体積位相型のホログラフィック光学素子HOと、を有している。なお、図1は透過型液晶素子の図であるが、DPは反射型液晶素子、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、有機ELディスプレイでもよい。また、光源LSとDPの間にレンズやミラーで構成された照明光学系を配置してもよい。   FIG. 1 shows a schematic cross-sectional structure of the image display device EG of the first embodiment as viewed from above. The image display device EG includes a display element DP (for example, LCD) for displaying the image IM, a light source LS (for example, LED (light emitting diode)) for illuminating the display element DP, and the image IM so as to overlap the outside scene. And an observation optical system LE that projects and displays the image IM as a virtual image on the observer eye EY in a see-through manner. The observation optical system LE diffracts light of a specific wavelength among the light projection optical system LN that emits the light of the image IM from the side of the observer eye EY toward the front, and the light from the light projection optical system LN. And a volume phase holographic optical element HO that reflects toward the observer eye EY. 1 is a diagram of a transmissive liquid crystal element, DP may be a reflective liquid crystal element, a digital micromirror device (DMD), or an organic EL display. Further, an illumination optical system constituted by a lens or a mirror may be disposed between the light sources LS and DP.

さらに画像表示装置EGは、眼鏡型の形態をとるため、観察者眼EYの側方に位置するテンプル(つる)2a,2bと、観察者眼EYの前方に位置する透明基板1a,1bと、透明基板1a,1bを連結するブリッジ3と、を備えており、投光光学系LNがテンプル2aに保持されており、ホログラフィック光学素子HOが透明基板1aの基板面1sに保持されている。光源LS,表示素子DP及び投光光学系LNは筐体4内に収納されており、筐体4はテンプル2aに保持されている。   Furthermore, since the image display device EG has a glasses-like form, temples 2a and 2b positioned on the side of the observer eye EY, transparent substrates 1a and 1b positioned in front of the observer eye EY, A bridge 3 that connects the transparent substrates 1a and 1b, the light projecting optical system LN is held by the temple 2a, and the holographic optical element HO is held by the substrate surface 1s of the transparent substrate 1a. The light source LS, the display element DP, and the light projecting optical system LN are housed in the housing 4, and the housing 4 is held by the temple 2a.

観察者は、テンプル2a,2bによって、通常の眼鏡と同様に画像表示装置EGを眼前に保持することができる。表示素子DPは、光源LSからの照明光を変調して画像を表示する。表示素子DPから射出した画像光は、投光光学系LNで前方に向けて投射された後、ホログラフィック光学素子HOで回折反射されて瞳EPに入射する。ホログラフィック光学素子HOは、正のパワーを有しているので(パワー:焦点距離の逆数で定義される量)、画像光は観察者眼EYの瞳EPに入射することにより虚像として観察される。また、外界光(つまり外景からの光)はホログラフィック光学素子HOを透過し、表示画像は外界視野に重なるように虚像として観察者眼EYにシースルーで投影表示されて観察可能となる。したがって観察者は、筐体4に覆われた表示素子DPの画像を虚像として観察しながら、透明基板1a,1bを通して外景を見ることができる。   The observer can hold the image display device EG in front of the eyes with the temples 2a and 2b in the same manner as normal glasses. The display element DP displays an image by modulating the illumination light from the light source LS. The image light emitted from the display element DP is projected forward by the light projecting optical system LN, then diffracted and reflected by the holographic optical element HO, and enters the pupil EP. Since the holographic optical element HO has a positive power (power: an amount defined by the reciprocal of the focal length), the image light is observed as a virtual image by being incident on the pupil EP of the observer eye EY. . In addition, external light (that is, light from an external scene) passes through the holographic optical element HO, and the display image is projected and displayed as a virtual image on the observer's eye EY as a virtual image so as to overlap the external visual field. Therefore, the observer can see the outside scene through the transparent substrates 1a and 1b while observing the image of the display element DP covered by the housing 4 as a virtual image.

コンバイナとしてのホログラフィック光学素子HOと画像光との関係から言えば、例えば、中心波長が470nm,530nm,640nmのBGR一体のLEDを光源LSとして用い、ホログラフィック光学素子HOとして波長470nm±10nm,波長530nm±10nm,波長640nm±10nmの画像光を回折するように作製されたものを用いることが好ましい。ホログラフィック光学素子HOは、特定入射角・特定波長の光のみを回折するので、外界光には殆ど影響しない。したがって、外界光は透明基板1a及びホログラフィック光学素子HOを透過するため、通常どおりの外界を見ることができる。   Speaking from the relationship between the holographic optical element HO as a combiner and image light, for example, a BGR-integrated LED with center wavelengths of 470 nm, 530 nm, and 640 nm is used as the light source LS, and the wavelength 470 nm ± 10 nm as the holographic optical element HO, It is preferable to use a light beam produced so as to diffract image light having a wavelength of 530 nm ± 10 nm and a wavelength of 640 nm ± 10 nm. Since the holographic optical element HO diffracts only light having a specific incident angle and specific wavelength, it hardly affects external light. Therefore, since external light passes through the transparent substrate 1a and the holographic optical element HO, the normal external environment can be seen.

眼鏡という小さく限られた構造の中で画像表示装置を構成するのは非常に難しいが、頭部に装着する眼鏡型の画像表示装置では小型化・薄型化を達成することが必須になる。特にレンズ部分(前側)に重たいものがあると装着性が良くないので、表示素子やその画像投影に用いられる投光光学系はなるべく後ろ側に位置するのが好ましい。そこで、上記画像表示装置EGでは、表示素子DPや投光光学系LN等をテンプル2aに配置して、画像表示装置EGの重心が後ろ側に位置するようにしている。   Although it is very difficult to construct an image display device in a small and limited structure called glasses, it is essential to achieve a reduction in size and thickness in a spectacle-type image display device worn on the head. In particular, if there is a heavy lens part (front side), the wearability is not good. Therefore, it is preferable that the display element and the light projecting optical system used for image projection are positioned as far back as possible. Therefore, in the image display device EG, the display element DP, the light projecting optical system LN, and the like are arranged on the temple 2a so that the center of gravity of the image display device EG is located on the rear side.

そして、装着性を改善するとともに小型化・薄型化を実現するために、前側に配置する反射用光学素子として、回折作用を効果的に利用したホログラフィック光学素子HOを用いている。つまり、上記画像表示装置EGでは、表示素子DPの画面中心から出射した主光線(光軸AXに相当する。)の反射角度が正反射角度よりも小さくなるように、ホログラフィック光学素子HOが回折作用による反射を行うことを特徴としている。   And in order to improve mounting | wearability and implement | achieve size reduction and thickness reduction, the holographic optical element HO which utilized the diffraction effect effectively is used as a reflective optical element arrange | positioned in the front side. That is, in the image display device EG, the holographic optical element HO is diffracted so that the reflection angle of the principal ray (corresponding to the optical axis AX) emitted from the center of the display element DP is smaller than the regular reflection angle. It is characterized by performing reflection by action.

眼鏡型の画像表示装置においてレンズ部分に反射構造を持たせる場合、図1に示すように投光光学系LNが観察者眼EYの側方にあると、レンズ部分に設ける反射面が瞳EPに対して斜めになるためレンズ部分が厚くなり、その厚みを抑えようとすれば画角を大きくすることが困難になる。そこで、上記画像表示装置EGでは、ホログラフィック光学素子HOの回折作用を利用して反射角度を大きくずらしている。反射角度をずらすことにより、薄型でありながら瞳EPに向けた光路の折り曲げ(つまり偏向)が可能となる。ホログラフィック光学素子HOには、上記反射角度をずらす偏向効果のほかに、光透過性が高いという、コンバイナとして好適な特長があり、その実効の視感度透過率は80%以上である。   In a spectacle-type image display device, when the lens portion is provided with a reflecting structure, if the projection optical system LN is on the side of the observer's eye EY, as shown in FIG. On the other hand, since the lens portion is inclined, the lens portion becomes thick, and it is difficult to increase the angle of view if the thickness is to be suppressed. Therefore, in the image display device EG, the reflection angle is largely shifted using the diffraction action of the holographic optical element HO. By shifting the reflection angle, it is possible to bend (that is, deflect) the optical path toward the pupil EP while being thin. In addition to the deflection effect of shifting the reflection angle, the holographic optical element HO has a feature suitable as a combiner that has high light transmittance, and its effective luminous transmittance is 80% or more.

したがって、コンパクトでありながら、明るい外景に広い画面で画像が重ねられたシースルー表示の可能な画像表示装置EGを実現することができる。なお、上記特徴的なホログラフィック光学素子HOを用いれば、投光光学系LNがテンプル2aで保持される眼鏡型以外のHMD(head mounted display),HUD(headup display)等の画像表示装置においても、上記効果を得ることは可能である。   Therefore, it is possible to realize an image display device EG capable of see-through display that is compact and has an image superimposed on a wide screen on a bright outside scene. In addition, if the above characteristic holographic optical element HO is used, in an image display device such as an HMD (head mounted display) or HUD (headup display) other than the glasses type in which the light projecting optical system LN is held by the temple 2a. It is possible to obtain the above effect.

ホログラフィック光学素子HOでの回折作用による偏向反射に関しては、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。更に好ましくは上限は0.1であることが好ましい。θ’が小さくなることで薄型を実現できる。
|θ’|/θ≦0.2 …(1)
ただし、
θ:入射角度、
θ’:反射角度、
であり、面法線から正反射側へ進む方向を正とし、面法線から入射側へ戻る方向を負とする。
Regarding the deflected reflection by the diffractive action at the holographic optical element HO, it is desirable to satisfy the following conditional expression (1). More preferably, the upper limit is preferably 0.1. Thinning can be realized by reducing θ ′.
| Θ ′ | /θ≦0.2 (1)
However,
θ: incident angle,
θ ′: reflection angle,
The direction from the surface normal to the specular reflection side is positive, and the direction from the surface normal to the incident side is negative.

条件式(1)を満足すれば、ホログラフィック光学素子面が瞳面に正対するので、効果的に薄型化を達成することができる。また、ホログラフィック光学素子面を瞳面に正対させるときの入射角度θは、20〜70°が好ましい。入射角度θを20°以上にすると、テンプル2aに対する投光光学系LN等の配置が容易になる。入射角度θを70°以下にすると、回折によって発生する色収差や非軸対称な収差の補正が容易になる。更に好ましくは上限は45度であることが好ましい。高解像度の表示素子を用いることができる。   If the conditional expression (1) is satisfied, the surface of the holographic optical element faces the pupil plane, so that it is possible to effectively reduce the thickness. Further, the incident angle θ when the holographic optical element surface faces the pupil surface is preferably 20 to 70 °. When the incident angle θ is set to 20 ° or more, the arrangement of the light projecting optical system LN and the like with respect to the temple 2a becomes easy. When the incident angle θ is set to 70 ° or less, it becomes easy to correct chromatic aberration caused by diffraction and non-axisymmetric aberration. More preferably, the upper limit is 45 degrees. A high-resolution display element can be used.

観察光学系LEで形成される虚像が観察者眼EYに対して有限距離に位置することが望ましく、観察者眼EYから観察光学系LEで形成される虚像までの距離が30cm以上5m以下であることが更に望ましい。表示画像の虚像位置を有限距離に設定すると、例えば歩行中の視度の切替を容易に行いうるようになる。したがって、表示画像IMと外景とのシースルーでの重なりを良くするうえで有効である。   The virtual image formed by the observation optical system LE is preferably located at a finite distance with respect to the observer eye EY, and the distance from the observer eye EY to the virtual image formed by the observation optical system LE is 30 cm or more and 5 m or less. It is further desirable. When the virtual image position of the display image is set to a finite distance, for example, the diopter during walking can be easily switched. Therefore, it is effective in improving the see-through overlap between the display image IM and the outside scene.

ホログラフィック光学素子HOが回折作用による集光パワーを有することが好ましく、ホログラフィック光学素子HOが凹面反射による集光パワーを有することが更に好ましい。画像表示装置EGでは、透明基板1aの基板面1sが凹形状の曲面からなっており、その基板面1s上にホログラフィック光学素子HOが配置されている。つまり、ホログラフィック光学素子HOでの偏向反射は回折作用のみで行われるが、ホログラフィック光学素子HOでの集光反射は回折パワーと曲面パワーとで行われる。   It is preferable that the holographic optical element HO has a condensing power due to diffraction action, and it is further preferable that the holographic optical element HO has a condensing power due to concave reflection. In the image display device EG, the substrate surface 1s of the transparent substrate 1a is a concave curved surface, and the holographic optical element HO is disposed on the substrate surface 1s. In other words, the deflection reflection at the holographic optical element HO is performed only by the diffraction action, but the condensing reflection at the holographic optical element HO is performed by the diffraction power and the curved surface power.

集光反射を凹面だけで行おうとすると、表示素子DPとして小さな表示パネルを用いる場合、凹面の曲率が大きくなってしまい、透過する画像が歪む等の弊害が生じるおそれがある。したがって、眼鏡レンズくらいの曲率の曲面を用いることが広画角化を達成するうえで好ましい。また、基板面1sを平面で構成した場合、ホログラフィック光学素子HOでの集光反射は回折パワーのみで行われることになる。つまり、ホログラフィック光学素子HOに集光パワーをすべて負担させることになる。そのように集光反射を回折パワーのみで行おうとすると、ホログラフィック光学素子で発生する色収差を補正することが困難になる。画像表示装置EGでは、ホログラフィック光学素子HOの集光パワーの一部を曲面に負担させることにより、上記色収差を効果的に低減することを可能としている。なお、画像表示装置EGでは、ホログラフィック光学素子HOが透明基板1aの基板面1s上で保持されているが、透明基板1aの中にホログラフィック光学素子HOを配置してもよい。また、ホログラフィック光学素子HOを透明基板の外側面に配置してもよい。   If condensing reflection is performed only on the concave surface, when a small display panel is used as the display element DP, the curvature of the concave surface becomes large, and there is a possibility that a bad effect such as distortion of the transmitted image may occur. Therefore, it is preferable to use a curved surface having a curvature similar to that of a spectacle lens in order to achieve a wide angle of view. Further, when the substrate surface 1s is configured as a flat surface, the condensing reflection at the holographic optical element HO is performed only by the diffraction power. That is, the condensing power is all borne by the holographic optical element HO. If condensing reflection is performed with only the diffraction power, it becomes difficult to correct chromatic aberration generated in the holographic optical element. In the image display device EG, it is possible to effectively reduce the chromatic aberration by placing a part of the condensing power of the holographic optical element HO on the curved surface. In the image display device EG, the holographic optical element HO is held on the substrate surface 1s of the transparent substrate 1a. However, the holographic optical element HO may be disposed in the transparent substrate 1a. Further, the holographic optical element HO may be disposed on the outer surface of the transparent substrate.

画像表示装置EGでは、観察光学系LEにおいて投光光学系LNを用いることにより、明るい画像表示を可能としている。また、ホログラフィック光学素子HOと合わせて収差補正できる位置に像面を配置することができ、小型の表示素子DPを使って大きな画角を実現することができる。つまり、投光光学系LNとホログラフィック光学素子HOとの間に中間像を結ぶことが望ましい。画角を大きくするためにホログラフィック光学素子HOの焦点距離を短くしようとすると、目の近傍に表示素子DPを配置する必要があるが、中間像を形成すれば、観察者眼EYの近傍に表示素子DPを配置することなく、画角を大きくすることができる。   In the image display device EG, a bright image display is possible by using the projection optical system LN in the observation optical system LE. In addition, the image plane can be arranged at a position where aberration can be corrected together with the holographic optical element HO, and a large angle of view can be realized by using a small display element DP. That is, it is desirable to form an intermediate image between the light projecting optical system LN and the holographic optical element HO. If the focal length of the holographic optical element HO is shortened in order to increase the angle of view, the display element DP needs to be arranged in the vicinity of the eyes. However, if an intermediate image is formed, the display element DP is in the vicinity of the observer eye EY. The angle of view can be increased without disposing the display element DP.

画像表示装置EGは、表示素子DPから投光光学系LNまでの間隔を調節することによりフォーカスを行う機能を有することが好ましい。投光光学系LNの全体又は一部の移動、又は表示素子DPの移動により、表示素子DPから投光光学系LNまでの間隔を調節すると、観察者眼EYに対して表示画像IMの虚像位置を変化させるフォーカス、つまり視度調整が可能となる。   The image display device EG preferably has a function of performing focusing by adjusting the distance from the display element DP to the light projecting optical system LN. When the distance from the display element DP to the light projecting optical system LN is adjusted by moving the whole or part of the light projecting optical system LN or the display element DP, the virtual image position of the display image IM with respect to the observer eye EY It is possible to adjust the focus, that is, diopter adjustment.

ここで、画像表示装置EGの具体的な光学構成を更に詳しく説明する。図2,図3は、第1,第2の実施の形態を構成する観察光学系LEにそれぞれ対応する光学構成図であり、その光学配置,光路等を光学断面で示している。これらの観察光学系LEは、画像IM側から順に、第1レンズL1,第2レンズL2及び第3レンズL3からなる投光光学系LNと、ホログラフィック光学素子HOと、から構成されている。   Here, the specific optical configuration of the image display device EG will be described in more detail. 2 and 3 are optical configuration diagrams respectively corresponding to the observation optical systems LE constituting the first and second embodiments, and their optical arrangements, optical paths, and the like are shown by optical cross sections. These observation optical systems LE are composed of a light projecting optical system LN including a first lens L1, a second lens L2, and a third lens L3, and a holographic optical element HO in this order from the image IM side.

第1の実施の形態(図2)では投光光学系LNが軸対称な光学系であるのに対し、第2の実施の形態(図3)では投光光学系LNが非軸対称な光学系である。第1の実施の形態では、ホログラフィック光学素子HOでの偏向反射が回折作用のみで行われ、ホログラフィック光学素子HOでの集光反射が回折パワーと曲面パワーとの組み合わせで行われる。第2の実施の形態では、ホログラフィック光学素子HOでの偏向反射が回折作用のみで行われ、ホログラフィック光学素子HOでの集光反射が回折パワーのみで行われる。   In the first embodiment (FIG. 2), the light projecting optical system LN is an axially symmetric optical system, whereas in the second embodiment (FIG. 3), the light projecting optical system LN is non-axisymmetric optical. It is a system. In the first embodiment, the deflection reflection at the holographic optical element HO is performed only by the diffraction action, and the condensing reflection at the holographic optical element HO is performed by a combination of the diffraction power and the curved surface power. In the second embodiment, the deflection reflection at the holographic optical element HO is performed only by the diffraction action, and the condensing reflection at the holographic optical element HO is performed only by the diffraction power.

第1の実施の形態(図2)の場合、ホログラフィック光学素子HOでの集光反射は回折パワーと曲面パワーとで行われるので、ホログラフィック光学素子HOでの色収差の発生を低減することが可能である。第2の実施の形態(図3)の場合、ホログラフィック光学素子HOでの集光反射は回折パワーのみで行われるので、投光光学系LNは、ホログラフィック光学素子HOで発生する色収差を打ち消す方向の色収差を発生する構成になっている。つまり、ホログラフィック光学素子HOでの斜めに非対称な偏向反射により発生する非対称な色収差は、投光光学系LNの第1,第3レンズL1,L3に設けられている自由曲面のプリズム効果で色収差の横ずれを発生させることにより、効果的に補正することが可能となる。   In the case of the first embodiment (FIG. 2), the converging reflection at the holographic optical element HO is performed by the diffraction power and the curved surface power, so that the occurrence of chromatic aberration at the holographic optical element HO can be reduced. Is possible. In the case of the second embodiment (FIG. 3), since the condensing reflection at the holographic optical element HO is performed only by the diffraction power, the light projecting optical system LN cancels the chromatic aberration generated at the holographic optical element HO. It is configured to generate directional chromatic aberration. That is, the asymmetric chromatic aberration caused by the obliquely asymmetrical deflection reflection at the holographic optical element HO is caused by the free-form prism effect provided on the first and third lenses L1 and L3 of the light projecting optical system LN. It is possible to effectively correct by generating the lateral shift.

以下、本発明を実施した画像表示装置の構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例1,2は、前述した第1,第2の実施の形態にそれぞれ対応する数値実施例であり、第1の実施の形態を表す概略断面図(図1)は対応する実施例1の光学配置,光路等を示しており、第1,第2の実施の形態を表す光学構成図(図2,図3)は、対応する実施例1,2の光学配置,光路等をそれぞれ示している。   Hereinafter, the configuration and the like of the image display apparatus embodying the present invention will be described more specifically with reference to the construction data of the examples. Examples 1 and 2 listed here are numerical examples respectively corresponding to the first and second embodiments described above, and the schematic sectional view (FIG. 1) showing the first embodiment corresponds to the corresponding implementation. The optical arrangement, optical path, etc. of Example 1 are shown, and the optical configuration diagrams (FIGS. 2 and 3) representing the first and second embodiments show the optical arrangement, optical path, etc. of the corresponding Examples 1 and 2. Each is shown.

各実施例のコンストラクションデータとして、面データ1,面データ2及び各種データを示し、実施例2については更に自由曲面データを示す。面データ1,2中、i(i=1,2,3,...)は面番号である。観察光学系LEで形成される虚像VPの位置を第1面とし、瞳EPの位置を第2面とし、ホログラフィック光学素子HOの貼り付け面を第3面としている。さらに、第3レンズL3の出射面及び入射面を第4面及び第5面とし、第2レンズL2の出射面及び入射面を第6面及び第7面とし、第1レンズL1の出射面及び入射面を第8面及び第9面としている。最終面である第10面は、画像IMを表示する表示素子DPの表示面である。面データ1では、左側の欄から順に、面番号i,曲率半径r(mm),軸上面間隔d(mm),d線(波長587.56nm)に関する屈折率nd,d線に関するアッベ数vdを示しており、面データ2では、第i面の配置データを示している。   As construction data of each example, surface data 1, surface data 2, and various data are shown, and for example 2, free-form surface data is further shown. In the surface data 1 and 2, i (i = 1, 2, 3,...) Is a surface number. The position of the virtual image VP formed by the observation optical system LE is the first surface, the position of the pupil EP is the second surface, and the attachment surface of the holographic optical element HO is the third surface. Furthermore, the exit surface and the entrance surface of the third lens L3 are the fourth surface and the fifth surface, the exit surface and the entrance surface of the second lens L2 are the sixth surface and the seventh surface, and the exit surface of the first lens L1 and The incident surfaces are the eighth surface and the ninth surface. The tenth surface as the final surface is a display surface of the display element DP that displays the image IM. In the surface data 1, in order from the left column, the surface number i, the radius of curvature r (mm), the axial top surface distance d (mm), the refractive index nd for the d-line (wavelength 587.56 nm), and the Abbe number vd for the d-line. In the plane data 2, the arrangement data of the i-th plane is shown.

第i面の配置は、面データ2中の面頂点座標(x,y,z)と回転角度αの各面データでそれぞれ特定される。第i面の面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点として、グローバルな直交座標系(x,y,z)におけるローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点の座標(x,y,z)で表されており(単位:mm)、その面頂点を中心とするX軸回りの回転角度αで第i面の傾きが表されている(単位:°;X軸の正方向に対して反時計回りがX回転の回転角度の正方向である。)。ただし、座標系はすべて右手系で定義されており、グローバルな直交座標系(x,y,z)は瞳EPのローカルな直交座標系(X,Y,Z)と一致した絶対座標系になっている。したがって、X方向,Y方向は、第i面の面頂点を原点とし、かつ、面頂点での法線をZ軸とする直交座標系(X,Y,Z)における座標軸方向であり、x方向は紙面に垂直方向(画角の上下方向)、y方向は紙面の上下方向(画角の左右方向)である。   The arrangement of the i-th surface is specified by each surface data of the surface vertex coordinates (x, y, z) and the rotation angle α in the surface data 2. The surface vertex coordinates of the i-th surface are the local orthogonal coordinate system (X, y, z) in the global orthogonal coordinate system (x, y, z) with the surface vertex as the origin of the local orthogonal coordinate system (X, Y, Z). Y, Z) is represented by the coordinates (x, y, z) of the origin (unit: mm), and the inclination of the i-th surface is represented by the rotation angle α around the X axis centering on the surface vertex. (Unit: °; counterclockwise with respect to the positive direction of the X axis is the positive direction of the rotation angle of the X rotation). However, the coordinate systems are all defined by the right-handed system, and the global orthogonal coordinate system (x, y, z) is an absolute coordinate system that matches the local orthogonal coordinate system (X, Y, Z) of the pupil EP. ing. Accordingly, the X direction and the Y direction are coordinate axis directions in an orthogonal coordinate system (X, Y, Z) in which the surface vertex of the i-th surface is the origin and the normal line at the surface vertex is the Z axis, and the x direction Is a direction perpendicular to the paper surface (up and down direction of the angle of view), and y direction is a vertical direction of the paper surface (left and right direction of the field angle).

実施例2の自由曲面データに関し、自由曲面(XY多項式面)からなる第i面は、その面頂点を原点とするローカルな直交座標系(X,Y,Z)を用いた以下の式(FS)で定義される。自由曲面データとして自由曲面係数等を示す。ただし、A(j,k)をXj・Ykで表記する。なお、表記の無い項の係数は0であり、すべてのデータに関してE−n=×10-nである。
Z=(C0・h2)/[1+√{1−(1+K)・C02・h2}]+ΣΣ{A(j,k)・Xj・Yk} …(FS)
Regarding the free-form surface data of the second embodiment, the i-th surface composed of a free-form surface (XY polynomial surface) is expressed by the following equation (FS) using a local orthogonal coordinate system (X, Y, Z) with the surface vertex as the origin. ). Free surface coefficients and the like are shown as free surface data. However, A (j, k) is expressed by X j · Y k . Note that the coefficient of the term not described is 0, and E−n = × 10 −n for all data.
Z = (C0 · h 2 ) / [1 + √ {1- (1 + K) · C0 2 · h 2 }] + ΣΣ {A (j, k) · X j · Y k } (FS)

ただし、式(FS)中、
Z:高さhの位置でのZ軸方向の変位量(面頂点基準)、
h:Z軸に対して垂直な方向の高さ(h2=X2+Y2)、
C0:面頂点での曲率(=1/r)、
K:コーニック定数、
A(j,k):Xのj次、Yのk次の多項式自由曲面係数、
である。
However, in the formula (FS),
Z: Displacement amount in the Z-axis direction at the position of height h (based on the surface vertex),
h: height in the direction perpendicular to the Z axis (h 2 = X 2 + Y 2 ),
C0: curvature at the surface vertex (= 1 / r),
K: Conic constant,
A (j, k): j-th order of X, k-th order polynomial free-form surface coefficient of Y,
It is.

各種データとして、瞳EPの直径(mm),Y方向(画面長辺方向)とX方向(画面短辺方向)の画角(°)と画面サイズ(mm),ホログラフィック光学素子HOでの偏向反射・集光反射の種類,ホログラフィック光学素子HOに対する画面中心主光線(表示素子DPの画面中心から出射した主光線であり、実施例1,2では光軸AXに相当する。)の入射角度θと反射角度θ’,条件式(1)の対応値,ホログラフィック光学素子HOの厚み(μm)と露光条件を示す。   As various data, diameter (mm) of pupil EP, angle of view (°) and screen size (mm) in Y direction (screen long side direction) and X direction (screen short side direction), deflection by holographic optical element HO The type of reflection / condensation / reflection, the incident angle of the screen center principal ray with respect to the holographic optical element HO (the principal ray emitted from the screen center of the display element DP, which corresponds to the optical axis AX in Examples 1 and 2). θ and reflection angle θ ′, the corresponding value of conditional expression (1), the thickness (μm) of holographic optical element HO, and exposure conditions are shown.

実施例1
面データ1
i r(mm) d(mm) nd vd
1(VP) ∞ -1000.0
2(EP) ∞ 25.0
3(HO) -50.0000
4(L3) -6.6604 3.0 1.5168 64.1
5(L3) 283.3587 1.0
6(L2) -3.3784 2.0 1.5168 64.1
7(L2) -5.1918 2.0
8(L1) 2.8963 2.0 1.5168 64.1
9(L1) 1.9408 5.0
10(IM) ∞
Example 1
Surface data 1
ir (mm) d (mm) nd vd
1 (VP) ∞ -1000.0
2 (EP) ∞ 25.0
3 (HO) -50.0000
4 (L3) -6.6604 3.0 1.5168 64.1
5 (L3) 283.3587 1.0
6 (L2) -3.3784 2.0 1.5168 64.1
7 (L2) -5.1918 2.0
8 (L1) 2.8963 2.0 1.5168 64.1
9 (L1) 1.9408 5.0
10 (IM) ∞

面データ2
i x y z α
1(VP) 0 0.0000 -1000.0000 0.0000
2(EP) 0 0.0000 0.0000 0.0000
3(HO) 0 0.0000 25.0000 0.0000
4(L3) 0 11.9034 0.3647 -25.7891
5(L3) 0 13.2086 -2.3365 -25.7891
6(L2) 0 13.6436 -3.2369 -25.7891
7(L2) 0 14.5138 -5.0377 -25.7891
8(L1) 0 15.3839 -6.8385 -25.7891
9(L1) 0 16.2540 -8.6393 -25.7891
10(IM) 0 18.4293 -13.1413 -25.7891
Surface data 2
ixyz α
1 (VP) 0 0.0000 -1000.0000 0.0000
2 (EP) 0 0.0000 0.0000 0.0000
3 (HO) 0 0.0000 25.0000 0.0000
4 (L3) 0 11.9034 0.3647 -25.7891
5 (L3) 0 13.2086 -2.3365 -25.7891
6 (L2) 0 13.6436 -3.2369 -25.7891
7 (L2) 0 14.5138 -5.0377 -25.7891
8 (L1) 0 15.3839 -6.8385 -25.7891
9 (L1) 0 16.2540 -8.6393 -25.7891
10 (IM) 0 18.4293 -13.1413 -25.7891

各種データ
瞳直径:3mm
画角:左右方向(Y方向)±10度,上下方向(X方向)±6度
画面サイズ(横は画角の左右±10度に対応):
横(Y方向)3.44mm×縦(X方向)2.30mm
HOEでの偏向反射:回折作用のみ
HOEでの集光反射:回折パワー+曲面パワー
HOEに対する画面中心主光線の入射角度θと反射角度θ’
入射角度θ:25.7度
反射角度θ’:0度
条件式(1):|θ’|/θ=0
HOEの厚み:20μm
HOEの露光条件
波長:R647nm,G532nm,B477nm
平行光 図2中右側から露光(+Z方向から−Z方向に露光)
発散光 図2中左側から露光(−Z方向から+Z方向に露光)
発散光の発散点(面頂点基準):(Y,Z)=(30mm,−70mm)
青:アルゴンイオンレーザー(476.5nm)
緑:固体レーザー(532nm)
赤:クリプトンイオンレーザー(647.1nm)
Various data pupil diameter: 3mm
Angle of view: Left and right direction (Y direction) ± 10 degrees, up and down direction (X direction) ± 6 degrees
Horizontal (Y direction) 3.44 mm x Vertical (X direction) 2.30 mm
Deflection and reflection at the HOE: diffraction effect only Condensation and reflection at the HOE: diffraction power + curved surface power HOE incident angle θ and reflection angle θ ′ with respect to the HOE
Incident angle θ: 25.7 degrees Reflection angle θ ′: 0 degrees Conditional expression (1): | θ ′ | / θ = 0
HOE thickness: 20μm
HOE exposure conditions Wavelength: R647nm, G532nm, B477nm
Parallel light Exposure from the right side in Fig. 2 (exposure from + Z direction to -Z direction)
Divergent light Exposure from the left side of Fig. 2 (exposure from -Z direction to + Z direction)
Divergence point of diverging light (surface vertex reference): (Y, Z) = (30 mm, −70 mm)
Blue: Argon ion laser (476.5 nm)
Green: Solid laser (532nm)
Red: Krypton ion laser (647.1 nm)

実施例2
面データ1
i r(mm) d(mm) nd vd
1(VP) ∞ -1000.0
2(EP) ∞ 25.0
3(HO) ∞
4(L3) -5.6885 3.0 1.5168 64.1
5(L3) 11.8183 1.0
6(L2) -33.4235 2.0 1.5168 64.1
7(L2) 170.0732 2.0
8(L1) 13.9679 2.0 1.5168 64.1
9(L1) 10.6651 5.0
10(IM) ∞
Example 2
Surface data 1
ir (mm) d (mm) nd vd
1 (VP) ∞ -1000.0
2 (EP) ∞ 25.0
3 (HO) ∞
4 (L3) -5.6885 3.0 1.5168 64.1
5 (L3) 11.8183 1.0
6 (L2) -33.4235 2.0 1.5168 64.1
7 (L2) 170.0732 2.0
8 (L1) 13.9679 2.0 1.5168 64.1
9 (L1) 10.6651 5.0
10 (IM) ∞

面データ2
i x y z α
1(VP) 0 0.0000 -1000.0000 0.0000
2(EP) 0 0.0000 0.0000 0.0000
3(HO) 0 0.0000 25.0000 0.0000
4(L3) 0 10.3786 1.8802 -17.3307
5(L3) 0 11.2723 -0.9836 -17.3307
6(L2) 0 11.5702 -1.9382 -17.3307
7(L2) 0 12.1659 -3.8474 -17.3307
8(L1) 0 12.7617 -5.7566 -17.3307
9(L1) 0 13.3575 -7.6658 -17.3307
10(IM) 0 14.8469 -12.4388 -27.7806
Surface data 2
ixyz α
1 (VP) 0 0.0000 -1000.0000 0.0000
2 (EP) 0 0.0000 0.0000 0.0000
3 (HO) 0 0.0000 25.0000 0.0000
4 (L3) 0 10.3786 1.8802 -17.3307
5 (L3) 0 11.2723 -0.9836 -17.3307
6 (L2) 0 11.5702 -1.9382 -17.3307
7 (L2) 0 12.1659 -3.8474 -17.3307
8 (L1) 0 12.7617 -5.7566 -17.3307
9 (L1) 0 13.3575 -7.6658 -17.3307
10 (IM) 0 14.8469 -12.4388 -27.7806

第5面の自由曲面データ(XY多項式)
K: -5.2207E+00
Y: 6.7018E-01
X2: -7.9349E-02
Y2: -7.3470E-02
X2Y: -2.0431E-03
Y3: -1.2904E-03
X4: 9.5386E-05
X2Y2: -2.4057E-03
Y4: 4.7992E-04
X4Y: -5.2011E-04
X2Y3: 6.6944E-04
Y5: -1.1993E-04
X6: 3.5940E-07
X4Y2: 1.2389E-04
X2Y4: -3.3248E-05
Y6: 1.3616E-05
Fifth surface free-form surface data (XY polynomial)
K: -5.2207E + 00
Y: 6.7018E-01
X2: -7.9349E-02
Y2: -7.3470E-02
X2Y: -2.0431E-03
Y3: -1.2904E-03
X4: 9.5386E-05
X2Y2: -2.4057E-03
Y4: 4.7992E-04
X4Y: -5.2011E-04
X2Y3: 6.6944E-04
Y5: -1.1993E-04
X6: 3.5940E-07
X4Y2: 1.2389E-04
X2Y4: -3.3248E-05
Y6: 1.3616E-05

第10面の自由曲面データ(XY多項式)
K: -5.2111E-01
Y: -1.3557E+00
X2: -1.7007E-02
Y2: 1.7092E-01
X2Y: 8.5501E-02
Y3: 1.9184E-02
X4: 4.6841E-03
X2Y2: -6.4199E-02
Y4: -2.0803E-02
X4Y: 5.7564E-05
X2Y3: 1.2288E-02
Y5: 4.1813E-03
X6: 4.7389E-04
X4Y2: 8.8947E-04
X2Y4: -4.0715E-04
Y6: -1.7996E-04
10th surface free-form data (XY polynomial)
K: -5.2111E-01
Y: -1.3557E + 00
X2: -1.7007E-02
Y2: 1.7092E-01
X2Y: 8.5501E-02
Y3: 1.9184E-02
X4: 4.6841E-03
X2Y2: -6.4199E-02
Y4: -2.0803E-02
X4Y: 5.7564E-05
X2Y3: 1.2288E-02
Y5: 4.1813E-03
X6: 4.7389E-04
X4Y2: 8.8947E-04
X2Y4: -4.0715E-04
Y6: -1.7996E-04

各種データ
瞳直径:3mm
画角:左右方向(Y方向)±10度,上下方向(X方向)±6度
画面サイズ(横は画角の左右±10度に対応):
横(Y方向)4.08mm×縦(X方向)2.96mm
HOEでの偏向反射:回折作用のみ
HOEでの集光反射:回折パワーのみ
HOEに対する画面中心主光線の入射角度θと反射角度θ’
入射角度θ:28.6度
反射角度θ’:0度
条件式(1):|θ’|/θ=0
HOEの厚み:30μm
HOEの露光条件
波長:R647nm,G532nm,B477nm
平行光 図3中右側から露光(+Z方向から−Z方向に露光)
発散光 図3中左側から露光(−Z方向から+Z方向に露光)
発散光の発散点(面頂点基準):(Y,Z)=(7.55mm,−15.7mm)
青:アルゴンイオンレーザー(476.5nm)
緑:固体レーザー(532nm)
赤:クリプトンイオンレーザー(647.1nm)
Various data pupil diameter: 3mm
Angle of view: Left and right direction (Y direction) ± 10 degrees, up and down direction (X direction) ± 6 degrees
Horizontal (Y direction) 4.08 mm x Vertical (X direction) 2.96 mm
Deflection and reflection at the HOE: Only diffraction action Condensation and reflection at the HOE: Only diffraction power The incident angle θ and the reflection angle θ '
Incident angle θ: 28.6 degrees Reflection angle θ ′: 0 degrees Conditional expression (1): | θ ′ | / θ = 0
HOE thickness: 30 μm
HOE exposure conditions Wavelength: R647nm, G532nm, B477nm
Parallel light Exposure from the right side in Fig. 3 (exposure from + Z direction to -Z direction)
Divergent light Exposure from the left side of Fig. 3 (exposure from -Z direction to + Z direction)
Divergence point of divergent light (surface vertex reference): (Y, Z) = (7.55 mm, −15.7 mm)
Blue: Argon ion laser (476.5 nm)
Green: Solid laser (532nm)
Red: Krypton ion laser (647.1 nm)

EG 画像表示装置
LE 観察光学系
LN 投光光学系
HO ホログラフィック光学素子
DP 表示素子
LS 光源
IM 画像
AX 光軸(画面中心から出射した主光線)
1a,1b 透明基板
1s 基板面
2a,2b テンプル
3 ブリッジ
4 筐体
EP 瞳
EY 観察者眼
EG Image display device LE Observation optical system LN Projection optical system HO Holographic optical element DP Display element LS Light source IM Image AX Optical axis (principal ray emitted from the center of the screen)
1a, 1b Transparent substrate 1s Substrate surface 2a, 2b Temple 3 Bridge 4 Housing EP Pupil EY Observer eye

Claims (11)

画像を表示する表示素子と、前記画像が外景に重なるように、前記画像を虚像として観察者眼にシースルーで投影表示する観察光学系と、を有する画像表示装置であって、
前記観察光学系が、観察者眼の側方から前方に向けて前記画像の光を出射する投光光学系と、その投光光学系からの光のうち特定波長の光を回折作用により観察者眼に向けて反射させるホログラフィック光学素子と、を有し、
前記表示素子の画面中心から出射した主光線の反射角度が正反射角度よりも小さくなるように、前記ホログラフィック光学素子が前記回折作用による反射を行うことを特徴とする画像表示装置。
An image display device comprising: a display element that displays an image; and an observation optical system that projects and displays the image as a virtual image on a viewer's eye so that the image overlaps an outside scene,
The observation optical system emits light of the image from the side of the observer's eye toward the front, and the observer emits light having a specific wavelength by diffracting action from the light from the projection optical system. A holographic optical element that reflects toward the eye,
The image display apparatus, wherein the holographic optical element performs reflection by the diffraction action so that a reflection angle of a principal ray emitted from a screen center of the display element is smaller than a regular reflection angle.
観察者眼の側方に位置するテンプルと、観察者眼の前方に位置する透明基板と、を備えた眼鏡型の画像表示装置であって、前記投光光学系が前記テンプルに保持されており、前記ホログラフィック光学素子が前記透明基板に保持されていることを特徴とする請求項1記載の画像表示装置。   An eyeglass-type image display device comprising a temple located on the side of the observer's eye and a transparent substrate located in front of the observer's eye, wherein the light projecting optical system is held by the temple 2. The image display device according to claim 1, wherein the holographic optical element is held on the transparent substrate. 以下の条件式(1)を満足することを特徴とする請求項1又は2記載の画像表示装置;
|θ’|/θ≦0.2 …(1)
ただし、
θ:入射角度、
θ’:反射角度、
であり、面法線から正反射側へ進む方向を正とし、面法線から入射側へ戻る方向を負とする。
The image display device according to claim 1, wherein the following conditional expression (1) is satisfied:
| Θ ′ | /θ≦0.2 (1)
However,
θ: incident angle,
θ ′: reflection angle,
The direction from the surface normal to the specular reflection side is positive, and the direction from the surface normal to the incident side is negative.
前記観察光学系で形成される虚像が観察者眼に対して有限距離に位置することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の画像表示装置。   The image display apparatus according to claim 1, wherein a virtual image formed by the observation optical system is located at a finite distance with respect to an observer's eye. 観察者眼から前記観察光学系で形成される虚像までの距離が30cm以上5m以下であることを特徴とする請求項4記載の画像表示装置。   The image display apparatus according to claim 4, wherein a distance from an observer's eye to a virtual image formed by the observation optical system is 30 cm or more and 5 m or less. 前記ホログラフィック光学素子が回折作用による集光パワーを有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の画像表示装置。   The image display apparatus according to claim 1, wherein the holographic optical element has a condensing power by a diffraction action. 前記ホログラフィック光学素子が凹面反射による集光パワーを有することを特徴とする請求項6記載の画像表示装置。   The image display device according to claim 6, wherein the holographic optical element has a condensing power by concave reflection. 前記投光光学系と前記ホログラフィック光学素子との間に中間像を結ぶことを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の画像表示装置。   The image display device according to claim 1, wherein an intermediate image is formed between the light projecting optical system and the holographic optical element. 前記表示素子から前記投光光学系までの間隔を調節することによりフォーカスを行う機能を有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の画像表示装置。   The image display device according to claim 1, wherein the image display device has a function of performing focusing by adjusting an interval from the display element to the light projecting optical system. 前記投光光学系が非軸対称な光学系であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の画像表示装置。   The image display apparatus according to claim 1, wherein the projection optical system is a non-axisymmetric optical system. 前記投光光学系が、前記ホログラフィック光学素子で発生する色収差を打ち消す方向の色収差を発生することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の画像表示装置。   The image display apparatus according to claim 1, wherein the projection optical system generates chromatic aberration in a direction that cancels chromatic aberration generated in the holographic optical element.
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