JP2017156389A - Optical element, illumination device, image display device and projector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学素子、照明装置、画像表示装置及びプロジェクターに関するものである。 The present invention relates to an optical element, an illumination device, an image display device, and a projector.
近年、光源から射出した画像光を観察者の眼に導いて、観察者に画像(虚像)を観察させる表示装置として、ヘッドマウントディスプレイ(HMD:Head Mounted Display)等の装着型の画像表示装置が注目されている。このようなHMDにおいては、観察者の目に画像光を導くための構成として画像光を入射方向とは異なる方向に回折によって偏向する光学素子を用いている。 In recent years, as a display device that guides image light emitted from a light source to an observer's eyes and causes the observer to observe an image (virtual image), a wearable image display device such as a head mounted display (HMD) has been used. Attention has been paid. In such an HMD, an optical element that deflects image light in a direction different from the incident direction by diffraction is used as a configuration for guiding the image light to the observer's eyes.
ところで、このような光学素子は表示装置のみならず、面状発光の照明装置に用いられることがある。例えば、下記特許文献1に示す照明装置では、ガラス基板の表面に形成した光導波路層上に低屈折率薄膜層を介して形成された回折格子によって導波光を出し入れする導光体を2段設け、1段目の導光体で入射レーザー光を線状ビームに変換し、2段目の導光体で線状ビームを面状に変換している。 By the way, such an optical element may be used not only for a display device but also for a planar light emitting lighting device. For example, in the illuminating device shown in Patent Document 1 below, two stages of light guides are provided for taking in and out guided light by a diffraction grating formed through a low refractive index thin film layer on an optical waveguide layer formed on the surface of a glass substrate. Incident laser light is converted into a linear beam by the first-stage light guide, and the linear beam is converted into a planar shape by the second-stage light guide.
しかしながら、上記照明装置においては、レーザー光の入射位置から離れるに従って出射光量が減衰するため、2段目の導光体の対角方向において出射光量に分布が生じてしまう。このような面状照明装置を液晶ディスプレイのバックライトとして用いると、液晶ディスプレイに表示される画像に明るさムラが生じてしまう。そこで、均一な強度分布の光を出射できる新たな光学素子の提供が望まれている。 However, in the illuminating device, the amount of emitted light attenuates with increasing distance from the incident position of the laser beam, and thus the amount of emitted light is distributed in the diagonal direction of the second-stage light guide. When such a planar illumination device is used as a backlight of a liquid crystal display, uneven brightness occurs in an image displayed on the liquid crystal display. Therefore, it is desired to provide a new optical element that can emit light having a uniform intensity distribution.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、均一な強度分布の光を出射できる光学素子、照明装置、画像表示装置及びプロジェクターを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide an optical element, an illumination device, an image display device, and a projector that can emit light having a uniform intensity distribution.
本発明の第1態様に従えば、入射した光を第1方向に拡大して第1光出射部から出射する第1導光光学系と、入射した光を前記第1方向と交差した第2方向に拡大して第2光出射部から出射する第2導光光学系と、を備え、前記第1導光光学系は、一方の端部に設けられた第1光入射部と、前記一方の端部とは反対側の端部である他方の端部に設けられた第2光入射部と、を備え、前記第2導光光学系は、前記第1導光光学系と光学的に接続し、前記第1導光光学系は、前記第1光入射部に入射した光と前記第2光入射部に入射した光との両方が、それぞれ拡大されて前記第1光出射部から出射する光学系であることを特徴とする光学素子が提供される。 According to the first aspect of the present invention, the first light guiding optical system that expands the incident light in the first direction and emits the light from the first light emitting unit, and the second light that intersects the incident light with the first direction. A second light guiding optical system that expands in the direction and emits from the second light emitting unit, wherein the first light guiding optical system includes a first light incident unit provided at one end and the one A second light incident portion provided at the other end that is the end opposite to the end of the first light guide optical system, and the second light guide optical system is optically coupled to the first light guide optical system. The first light guiding optical system is connected, and both the light incident on the first light incident portion and the light incident on the second light incident portion are enlarged and emitted from the first light emitting portion. An optical element is provided that is an optical system.
第1態様に係る光学素子によれば、第1導光光学系は両端から入射した光を拡大することで均一な強度の光を出射可能である。よって、第1導光光学系を備えることで、均一な強度の光を出射することができる。 According to the optical element according to the first aspect, the first light guide optical system can emit light with uniform intensity by expanding the light incident from both ends. Therefore, by providing the first light guide optical system, light with uniform intensity can be emitted.
上記第1態様において、入射した光を前記第2方向に拡大して第3光出射部から出射する第3導光光学系を備え、前記第2導光光学系は、前記第2光出射部から出射した光が前記第1光入射部に入射するように配置され、前記第3導光光学系は、前記第3光出射部から出射した光が前記第2光入射部に入射するように配置されているのが好ましい。
この構成によれば、第2導光光学系及び第3導光光学系から出射した光を第1導光光学系により均一化して出射することができる。
In the first aspect, the optical system includes a third light guide optical system that expands incident light in the second direction and emits the light from a third light emitting unit, and the second light guiding optical system includes the second light emitting unit. The third light guide optical system is arranged so that the light emitted from the third light emitting part is incident on the second light incident part. Preferably they are arranged.
According to this configuration, the light emitted from the second light guide optical system and the third light guide optical system can be made uniform and emitted by the first light guide optical system.
さらに、前記第2導光光学系は、前記第2導光光学系の両方の端部からそれぞれ光が入射され、前記第3導光光学系は、前記第3導光光学系の両方の端部からそれぞれ光が入射されるのがより望ましい。
このようにすれば、第2、第3導光光学系は、それぞれ両端から入射した光を拡大することで均一な強度の光を出射可能となる。よって、第2、第3導光光学系を備えることで、より均一な強度の光を出射することができる。
Further, the second light guide optical system receives light from both ends of the second light guide optical system, and the third light guide optical system has both ends of the third light guide optical system. It is more desirable that light be incident from each of the parts.
In this way, the second and third light guiding optical systems can emit light with uniform intensity by enlarging the light incident from both ends. Therefore, by providing the second and third light guide optical systems, it is possible to emit light with more uniform intensity.
上記第1態様において、前記第1光入射部、及び前記第1光出射部の各々は、それぞれ反射型体積ホログラフィック光学素子を備えるのが好ましい。
この構成によれば、回折効率が高い反射型体積ホログラフィック光学素子を備えるため、高い光利用効率を実現することができる。
In the first aspect, each of the first light incident part and the first light emitting part preferably includes a reflective volume holographic optical element.
According to this configuration, since the reflective volume holographic optical element with high diffraction efficiency is provided, high light utilization efficiency can be realized.
上記第1態様において、前記第1光入射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の周期は、前記第1光出射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の周期と同じ周期となるように設けられているのが好ましい。
この構成によれば、入射角度と同じ角度で光を射出させることができる。
In the first aspect, the period of the interference fringes of the reflective volume holographic optical element of the first light incident part is the same as the period of the interference fringes of the reflective volume holographic optical element of the first light emitting part. It is preferable to be provided.
According to this configuration, light can be emitted at the same angle as the incident angle.
上記第1態様において、前記第1光入射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の層内傾斜は、前記第1光出射部の反射型体積ホログラフィック光学素子の干渉縞の層内傾斜と鏡面対象の関係となるように設けられているのが好ましい。
この構成によれば、第1導光光学系において、第1光出射部により光学系内を伝播する光を垂直方向に射出させることができる。
In the first aspect, the in-layer inclination of the interference fringes of the reflective volume holographic optical element of the first light incident portion is the in-layer inclination of the interference fringes of the reflective volume holographic optical element of the first light emitting portion. It is preferable that it is provided so as to have a mirror surface target relationship.
According to this configuration, in the first light guide optical system, the light propagating through the optical system can be emitted in the vertical direction by the first light emitting unit.
本発明の第2態様に従えば、上記第1態様に係る光学素子と、前記第1光入射部と前記第2光入射部との各々に光を出射する光源と、を備え、前記第1導光光学系は、前記第1光出射部から出射した光が前記第2導光光学系に入射するように配置される照明装置が提供される。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the optical element according to the first aspect, and a light source that emits light to each of the first light incident part and the second light incident part. The light guide optical system is provided with an illuminating device arranged so that light emitted from the first light emitting unit is incident on the second light guide optical system.
第2態様に係る照明装置によれば、光源からの光を面状に均一な強度分布を有する照明光として照射することができる。 According to the illuminating device which concerns on a 2nd aspect, the light from a light source can be irradiated as illumination light which has a uniform intensity distribution planarly.
本発明の第3態様に従えば、上記第1態様に係る光学素子と、光学素子と、前記第2導光光学系と前記第3導光光学系との各々に光を出射する光源と、を備える照明装置が提供される。 According to the third aspect of the present invention, the optical element according to the first aspect, an optical element, a light source that emits light to each of the second light guide optical system and the third light guide optical system, A lighting device is provided.
第3態様に係る照明装置によれば、光源からの光を面状に均一な強度分布を有する照明光として照射することができる。 According to the illuminating device which concerns on a 3rd aspect, the light from a light source can be irradiated as illumination light which has planar and uniform intensity distribution.
上記第2,3態様において、前記光源は、光を分岐する分岐光学系を備え、前記分岐光学系は、導光部材と、光を分岐して前記導光部材に入射させる分岐入射部と、前記分岐入射部から入射された分岐光を前記光学素子に向けて出射する分岐出射部と、を有するのが好ましい。
この構成によれば、1つの光を分岐して光学素子に入射させることができる。
さらに、前記導光部材は平面視で矩形状であり、前記分岐入射部は、前記分岐光が平面視で前記導光部材の対角四隅に向かうように光を分岐するのが望ましい。
このようにすれば、1つの光源からの光を分岐して光学素子の四隅に良好に入射させることができる。
本構成においては、前記光源から射出した光を反射して前記分岐光学系に導くミラーをさらに備えても良い。
このようにすれば、光の進行方向をミラーで変更できるので、光の進行方向に沿って直線状に分岐光学系を配置する必要がない。よって、分岐光学系の配置レイアウトの自由度が高まるので、照明装置のサイズを小さくすることができる。
In the second and third aspects, the light source includes a branching optical system that branches light, and the branching optical system includes a light guide member, a branch incident unit that branches light and enters the light guide member, It is preferable to have a branch emission part that emits the branched light incident from the branch incident part toward the optical element.
According to this configuration, one light can be branched and incident on the optical element.
Furthermore, it is preferable that the light guide member has a rectangular shape in a plan view, and the branch incident part branches light so that the branched light travels toward the four corners of the light guide member in a plan view.
In this way, the light from one light source can be branched and incident on the four corners of the optical element satisfactorily.
In this configuration, a mirror that reflects light emitted from the light source and guides the light to the branching optical system may be further provided.
In this way, since the light traveling direction can be changed by the mirror, it is not necessary to arrange the branching optical system linearly along the light traveling direction. Accordingly, the degree of freedom of the layout layout of the branching optical system is increased, and the size of the illumination device can be reduced.
本発明の第4態様に従えば、上記第2、第3態様に係る照明装置と、前記照明装置からの照明光を変調する光変調装置と、を備える画像表示装置が提供される。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an image display device comprising the illumination device according to the second and third aspects and a light modulation device that modulates illumination light from the illumination device.
第4態様に係る画像表示装置によれば、明るく均一な強度分布の照明光を変調するので、高品質な画像を表示することができる。 According to the image display device according to the fourth aspect, since the illumination light having a bright and uniform intensity distribution is modulated, a high-quality image can be displayed.
上記第4態様において、前記光変調装置により変調された画像光を観察者の眼に導く導光手段をさらに備えるのが好ましい。
この構成によれば、観察者の眼に明るい画像を直接導くヘッドマントディスプレイを提供することができる。
さらに、前記導光手段は、反射型体積ホログラフィック光学素子を含むのが望ましい。
この構成によれば、画像光とともに外光(シースルー光)を視認可能なヘッドマウントディスプレイを提供できる。
In the fourth aspect, it is preferable that light guide means for guiding the image light modulated by the light modulation device to the eyes of an observer is further provided.
According to this configuration, it is possible to provide a head cloak display that directly leads a bright image to the eyes of the observer.
Furthermore, it is desirable that the light guide means includes a reflective volume holographic optical element.
According to this configuration, it is possible to provide a head mounted display that can visually recognize external light (see-through light) together with image light.
本発明の第5態様に従えば、上記第3,4態様に係る照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投写する投写光学系と、を備えるプロジェクターが提供される。 According to a fifth aspect of the present invention, the illumination device according to the third and fourth aspects, a light modulation device that forms image light by modulating light from the illumination device according to image information, and the image A projection optical system that projects light is provided.
第5態様に係るプロジェクターによれば、明るく均一な強度分布の照明光を変調するので、高品質な画像を投写することができる。 According to the projector according to the fifth aspect, it is possible to project a high-quality image because the illumination light having a bright and uniform intensity distribution is modulated.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features easy to understand, there are cases where the portions that become the features are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent.
(第1実施形態)
まず、本発明の第1実施形態に係る照明装置について説明する。
図1A〜1Cは照明装置の構成を示す図である。なお、図1A〜1Cでは照明装置を3方向から視た構成を示すものである。以下の説明に用いる図面において、必要に応じてxyz座標系を用いる。Z方向は光学素子からの光射出方向に相当し、x方向は光学素子を構成する導光板の表面と平行な平面を規定する一方向に相当し、y方向はx方向及びz方向に直交する方向に相当する。
(First embodiment)
First, the lighting device according to the first embodiment of the present invention will be described.
1A to 1C are diagrams illustrating a configuration of a lighting device. 1A to 1C show a configuration in which the illumination device is viewed from three directions. In the drawings used in the following description, an xyz coordinate system is used as necessary. The Z direction corresponds to the light emission direction from the optical element, the x direction corresponds to one direction defining a plane parallel to the surface of the light guide plate constituting the optical element, and the y direction is orthogonal to the x direction and the z direction. Corresponds to the direction.
図1A〜1Cに示すように、本実施形態の照明装置100は、光源10と、面状展開光学系20とを備えている。光源10は、面状展開光学系20に対してレーザー光からなる入射光を照射する。本実施形態において、光源10は入射光L1,L2,L3,L4を射出する4つの光源部10aを有する。なお、本実施形態において、光源部10aは、入射光L1,L2,L3,L4として波長が緑領域にあるレーザー光を射出する半導体レーザーから構成される。光源10は、各光源部10aから射出した入射光L1,L2,L3,L4を平行な光に変換するコリメーターレンズ10bをさらに備える。 As illustrated in FIGS. 1A to 1C, the illumination device 100 according to the present embodiment includes a light source 10 and a planar development optical system 20. The light source 10 irradiates the planar development optical system 20 with incident light composed of laser light. In the present embodiment, the light source 10 includes four light source units 10a that emit incident light L1, L2, L3, and L4. In the present embodiment, the light source unit 10a is composed of a semiconductor laser that emits laser light having a wavelength in the green region as incident light L1, L2, L3, and L4. The light source 10 further includes a collimator lens 10b that converts incident light L1, L2, L3, L4 emitted from each light source unit 10a into parallel light.
面状展開光学系20は、本発明の光学素子の一態様により構成されるものである。
面状展開光学系20は、光源10(外部)から入射される入射光L1,L2,L3,L4を拡大することで面状に配置された複数の光を含む照明光を生成する。
The planar development optical system 20 is configured by one aspect of the optical element of the present invention.
The planar development optical system 20 generates illumination light including a plurality of planarly arranged lights by expanding incident light L1, L2, L3, and L4 incident from the light source 10 (external).
本実施形態において、面状展開光学系20は、第1導光光学系21と、第2導光光学系22と、第3導光光学系23と、を備える。なお、第2導光光学系22及び第3導光光学系23は、第1導光光学系21と光学的に接続される。ここで、光学的に接続されるとは、一方から出射した光が他方に入射する関係をいう。つまり、第2導光光学系22及び第3導光光学系23から出射した光が第1導光光学系21に入射する場合と、第1導光光学系21から出射した光が第2導光光学系22及び第3導光光学系23の少なくとも一方に入射する場合を含む。本実施形態では、後述のように第2導光光学系22及び第3導光光学系23から出射した光が第1導光光学系21に入射する場合を例に挙げて説明する。 In the present embodiment, the planar development optical system 20 includes a first light guide optical system 21, a second light guide optical system 22, and a third light guide optical system 23. The second light guide optical system 22 and the third light guide optical system 23 are optically connected to the first light guide optical system 21. Here, being optically connected means a relationship in which light emitted from one side enters the other. That is, the light emitted from the second light guide optical system 22 and the third light guide optical system 23 enters the first light guide optical system 21 and the light emitted from the first light guide optical system 21 is the second guide. The case where it injects into at least one of the optical optical system 22 and the 3rd light guide optical system 23 is included. In the present embodiment, a case where light emitted from the second light guide optical system 22 and the third light guide optical system 23 enters the first light guide optical system 21 will be described as an example, as will be described later.
第1導光光学系21は、光源10からの入射光L1,L2,L3,L4が入射されるようになっている。第1導光光学系21は、第1導光板11と、光入射部12と、第1光出射部13とを含む。
第1導光板11は、例えばガラスあるいは光学樹脂から構成され、x方向に長辺を有するとともにy方向に短辺を有した平面形状が矩形の平行平板である。本実施形態において、第1導光板11は、例えばガラス基板から構成されている。
The first light guide optical system 21 receives incident light L1, L2, L3, and L4 from the light source 10. The first light guide optical system 21 includes a first light guide plate 11, a light incident part 12, and a first light emitting part 13.
The first light guide plate 11 is made of, for example, glass or optical resin, and is a parallel flat plate having a rectangular shape with a long side in the x direction and a short side in the y direction. In the present embodiment, the first light guide plate 11 is made of, for example, a glass substrate.
光入射部12は、第2導光光学系22及び第3導光光学系23からの光を第1導光板11に入射させる。光入射部12は、該光入射部12に入射する光を+x方向に回折する機能を有している。 The light incident unit 12 causes the light from the second light guide optical system 22 and the third light guide optical system 23 to enter the first light guide plate 11. The light incident part 12 has a function of diffracting light incident on the light incident part 12 in the + x direction.
光入射部12は、第1光入射部12A及び第2光入射部12Bを含む。
第1第1光入射部12Aは、第1導光板11の−x側の端部において、該第1導光板11の下面11a(−z方向側の面)に設けられている。第1光入射部12Aには後述のように第2導光光学系22からの光が入射されるようになっている。
The light incident part 12 includes a first light incident part 12A and a second light incident part 12B.
The first first light incident portion 12 </ b> A is provided on the lower surface 11 a (the surface on the −z direction side) of the first light guide plate 11 at the −x side end of the first light guide plate 11. As will be described later, light from the second light guide optical system 22 is incident on the first light incident portion 12A.
第2光入射部12Bは、第1導光板11の+x側の端部において、該第1導光板11の下面11aに設けられている。第2光入射部12Bには後述のように第3導光光学系23からの光が入射されるようになっている。
本実施形態において、第1光入射部12A,12Bは、ホログラフィック光学素子(HOE;Holographic Optical Element)から構成されている。本実施形態では、HOEの中でも1次回折効率を高くできる反射型体積HOEを用いている。
The second light incident portion 12 </ b> B is provided on the lower surface 11 a of the first light guide plate 11 at the + x side end of the first light guide plate 11. As will be described later, light from the third light guide optical system 23 is incident on the second light incident portion 12B.
In the present embodiment, the first light incident portions 12A and 12B are configured by holographic optical elements (HOEs). In the present embodiment, a reflective volume HOE that can increase the first-order diffraction efficiency among the HOEs is used.
本実施形態において、第1光出射部13は反射型体積HOEから構成されている。第1光出射部13は、該第1光出射部13に入射する光を+z方向に回折する機能を有している。 In this embodiment, the 1st light-projection part 13 is comprised from the reflection type volume HOE. The first light emitting unit 13 has a function of diffracting light incident on the first light emitting unit 13 in the + z direction.
第1光出射部13は、光入射部12から入射された光を、x方向(第1方向)に沿って第1導光板11内に伝播させるとともに拡大して外部に出射する。
第1光出射部13は、第1導光板11の下面11aのうち、第1光入射部12A及び第2光入射部12Bに挟まれた領域に設けられている。
The first light emitting unit 13 propagates the light incident from the light incident unit 12 into the first light guide plate 11 along the x direction (first direction) and expands the light to the outside.
The first light emitting part 13 is provided in a region sandwiched between the first light incident part 12A and the second light incident part 12B on the lower surface 11a of the first light guide plate 11.
第1光出射部13は、第1HOE層13Aと第2HOE層13Bとを積層した構造を有する。第1HOE層13Aは、第2導光光学系22により第1導光板11内に入射された光を回折して外部に出射する。第2HOE層13Bは、第3導光光学系23により第1導光板11内に入射された光を回折して外部に出射する。 The first light emitting portion 13 has a structure in which a first HOE layer 13A and a second HOE layer 13B are stacked. The first HOE layer 13A diffracts the light incident on the first light guide plate 11 by the second light guide optical system 22 and emits the light to the outside. The second HOE layer 13B diffracts the light incident on the first light guide plate 11 by the third light guide optical system 23 and emits it to the outside.
第2導光光学系22は、第1導光光学系21の−x方向側(第1方向の一方側)の上面21a(第1面)側に配置され、y方向(第1方向と直交する第2方向)に沿って入射角と同じ角度で光を拡大させる。なお、光を拡大させる原理については後述する。 The second light guide optical system 22 is disposed on the upper surface 21a (first surface) side of the first light guide optical system 21 on the −x direction side (one side in the first direction), and is in the y direction (perpendicular to the first direction). Light is expanded at the same angle as the incident angle along the second direction. The principle of expanding light will be described later.
第2導光光学系22は、第2導光板14と、光入射部15と、第2光出射部16とを含む。第2導光板14はy方向に長辺を有するとともにx方向に短辺を有した平面形状が細長い矩形の平行平板から構成される。本実施形態において、第2導光板14は、例えばガラス基板から構成されている。 The second light guide optical system 22 includes a second light guide plate 14, a light incident part 15, and a second light emitting part 16. The second light guide plate 14 is formed of a parallel flat plate having a long side in the y direction and a long and narrow rectangular shape having a short side in the x direction. In the present embodiment, the second light guide plate 14 is made of, for example, a glass substrate.
光入射部15は、第2導光板14におけるy方向の両端に設けられ、光源10から入射した光を第2導光板14に入射させる。光入射部15は、該光入射部15に入射する光をy方向に回折する機能を有している。 The light incident portions 15 are provided at both ends of the second light guide plate 14 in the y direction, and allow the light incident from the light source 10 to enter the second light guide plate 14. The light incident part 15 has a function of diffracting light incident on the light incident part 15 in the y direction.
光入射部15は、光入射部15A及び光入射部15Bを含む。
光入射部15Aは、第2導光板14の+y側の端部において、該第2導光板14の上面14a(+z方向側の面)に設けられている。
光入射部15Bは、第2導光板14の−y側の端部において、該第2導光板14の上面14aに設けられている。
The light incident part 15 includes a light incident part 15A and a light incident part 15B.
The light incident part 15 </ b> A is provided on the upper surface 14 a (the surface on the + z direction side) of the second light guide plate 14 at the + y side end of the second light guide plate 14.
The light incident portion 15 </ b> B is provided on the upper surface 14 a of the second light guide plate 14 at the −y side end of the second light guide plate 14.
第2光出射部16は、光入射部15から入射された光をy方向に沿って入射位置とは逆向きに第2導光板14内に伝播させるとともに拡大して第1導光光学系21の第1光入射部12Aに出射する。
第2光出射部16は、第2導光板14の上面14aのうち、光入射部15A,15Bに挟まれた領域に設けられている。第2光出射部16は、z方向から平面視した場合において、少なくとも第1光入射部12Aと重なる大きさに設定されている。第2光出射部16は、該第2光出射部16に入射する光を−z方向に回折する機能を有している。
The second light emitting unit 16 propagates the light incident from the light incident unit 15 into the second light guide plate 14 in the direction opposite to the incident position along the y direction and expands the first light guide optical system 21. To the first light incident portion 12A.
The second light emitting portion 16 is provided in a region between the light incident portions 15A and 15B on the upper surface 14a of the second light guide plate 14. The second light emitting portion 16 is set to a size that overlaps at least the first light incident portion 12A when viewed in plan from the z direction. The second light emitting unit 16 has a function of diffracting light incident on the second light emitting unit 16 in the −z direction.
本実施形態において、光入射部15及び第2光出射部16は反射型体積HOEから構成されている。 In the present embodiment, the light incident part 15 and the second light emitting part 16 are composed of a reflective volume HOE.
第2光出射部16は、第1HOE層16Aと第2HOE層16Bとを積層した構造を有する。第1HOE層16Aは、光入射部15Aにより第2導光板14内に入射された光を回折して第1導光板11に向けて出射する。第2HOE層16Bは、光入射部15Bにより第2導光板14内に入射された光を回折して第1導光板11に向けて出射する。 The second light emitting unit 16 has a structure in which a first HOE layer 16A and a second HOE layer 16B are stacked. The first HOE layer 16 </ b> A diffracts the light incident on the second light guide plate 14 by the light incident portion 15 </ b> A and emits the light toward the first light guide plate 11. The second HOE layer 16 </ b> B diffracts the light incident on the second light guide plate 14 by the light incident part 15 </ b> B and emits the light toward the first light guide plate 11.
第3導光光学系23は、第1導光光学系21の+x方向側(第1方向の他方側)の上面21a側に配置され、y方向に沿って入射角と同じ角度で光を拡大させる。なお、光を拡大する原理については後述する。 The third light guide optical system 23 is disposed on the upper surface 21a side on the + x direction side (the other side in the first direction) of the first light guide optical system 21, and expands light at the same angle as the incident angle along the y direction. Let The principle of expanding light will be described later.
第3導光光学系23は、第3導光板17と、光入射部18と、第3光出射部19とを含む。第3導光板17は、y方向に長辺を有する平行平板から構成される。本実施形態において、第3導光板17は、例えばガラス基板から構成されている。 The third light guide optical system 23 includes a third light guide plate 17, a light incident part 18, and a third light emitting part 19. The third light guide plate 17 is composed of a parallel plate having long sides in the y direction. In the present embodiment, the third light guide plate 17 is made of, for example, a glass substrate.
光入射部18は、第3導光板17におけるy方向の両端に設けられ、光源10から入射した光を第3導光板17に入射させる。光入射部18は、光入射部18A及び光入射部18Bを含む。 The light incident portions 18 are provided at both ends of the third light guide plate 17 in the y direction, and allow the light incident from the light source 10 to enter the third light guide plate 17. The light incident part 18 includes a light incident part 18A and a light incident part 18B.
光入射部18Aは、第3導光板17の+y側の端部において、該第3導光板17の上面17a(+z方向側の面)に設けられている。
光入射部18Bは、第3導光板17の−y側の端部において、該第3導光板17の上面17aに設けられている。
The light incident portion 18A is provided on the upper surface 17a (the surface on the + z direction side) of the third light guide plate 17 at the + y side end of the third light guide plate 17.
The light incident portion 18 </ b> B is provided on the upper surface 17 a of the third light guide plate 17 at the −y side end of the third light guide plate 17.
第3光出射部19は、光入射部18から入射された光をy方向に沿って入射位置とは逆向きに第3導光板17内に伝播させるとともに拡大して第1導光光学系21の第2光入射部12Bに出射する。
第3光出射部19は、第3導光板17の上面17aのうち、光入射部18A,18Bに挟まれた領域に設けられている。第3光出射部19は、z方向から平面視した場合において、少なくとも第2光入射部12Bと重なる大きさに設定されている。
The third light emitting unit 19 propagates the light incident from the light incident unit 18 in the third light guide plate 17 in the direction opposite to the incident position along the y direction and expands the first light guide optical system 21. To the second light incident portion 12B.
The third light emitting portion 19 is provided in a region sandwiched between the light incident portions 18 </ b> A and 18 </ b> B on the upper surface 17 a of the third light guide plate 17. The third light emitting unit 19 is set to have a size that overlaps at least the second light incident unit 12B when viewed in plan from the z direction.
本実施形態において、光入射部18及び第3光出射部19は反射型体積HOEから構成されている。 In the present embodiment, the light incident part 18 and the third light emitting part 19 are composed of a reflective volume HOE.
第3光出射部19は、第1HOE層19Aと第2HOE層19Bとを積層した構造を有する。第1HOE層19Aは、光入射部18Aにより第3導光板17内に入射された光を回折して第1導光板11に向けて出射する。第2HOE層19Bは、光入射部18Bにより第3導光板17内に入射された光を回折して第1導光板11に向けて出射する。 The third light emitting unit 19 has a structure in which a first HOE layer 19A and a second HOE layer 19B are stacked. The first HOE layer 19 </ b> A diffracts the light incident on the third light guide plate 17 by the light incident portion 18 </ b> A and emits the light toward the first light guide plate 11. The second HOE layer 19B diffracts the light incident on the third light guide plate 17 by the light incident portion 18B and emits the light toward the first light guide plate 11.
本実施形態において、光源10から射出された入射光L1,L2は、第2導光光学系22の光入射部15に入射される。具体的に、入射光L1は光入射部15Aに入射され、入射光L2は光入射部15Bに入射される。 In the present embodiment, the incident lights L 1 and L 2 emitted from the light source 10 are incident on the light incident portion 15 of the second light guide optical system 22. Specifically, the incident light L1 is incident on the light incident portion 15A, and the incident light L2 is incident on the light incident portion 15B.
本実施形態において、入射光L1は光入射部15Aに対して垂直に入射する。入射光L1は光入射部15Aによって第2導光板14の臨界角より大きな角度で反射され、第2導光板14内を全反射によって伝播する。
同様に、入射光L2は光入射部15Bに対して垂直に入射し、光入射部15Bによって第2導光板14の臨界角より大きな角度で反射され、第2導光板14内を全反射によって伝播する。
In the present embodiment, the incident light L1 is incident perpendicular to the light incident portion 15A. The incident light L1 is reflected by the light incident portion 15A at an angle larger than the critical angle of the second light guide plate 14, and propagates through the second light guide plate 14 by total reflection.
Similarly, the incident light L2 enters the light incident portion 15B perpendicularly, is reflected by the light incident portion 15B at an angle larger than the critical angle of the second light guide plate 14, and propagates through the second light guide plate 14 by total reflection. To do.
本実施形態では、光入射部15を反射型体積HOEで構成することで、ミラーを用いた構成に比べて光学系全体の薄型化を図るとともに、入射光L1,L2を高い効率で第2導光板14内に導入している。本実施形態では、HOEの中でも1次回折効率を高くできる反射型体積HOEを用いて光入射部15を構成している。 In the present embodiment, the light incident portion 15 is configured by the reflective volume HOE, so that the entire optical system can be made thinner than the configuration using the mirror, and the incident light L1 and L2 can be guided to the second light with high efficiency. It is introduced into the light plate 14. In the present embodiment, the light incident part 15 is configured using a reflective volume HOE that can increase the first-order diffraction efficiency among HOEs.
反射型体積HOEは、回折効率の角度依存性、波長依存性が著しく大きい。本実施形態では、入射光L1,L2を特定の波長(緑色光)および特定の入射角(0度)で用いるため、ブラッグ回折条件を満たすことができ、非常に高い回折効率を得ることができる。 The reflective volume HOE has remarkably large angle dependency and wavelength dependency of diffraction efficiency. In the present embodiment, since the incident lights L1 and L2 are used at a specific wavelength (green light) and a specific incident angle (0 degree), the Bragg diffraction condition can be satisfied, and a very high diffraction efficiency can be obtained. .
以下、入射光L1が第2導光板14内を全反射により伝播する伝播光を全反射伝播光L1Aと称し、入射光L2が第2導光板14内を全反射により伝播する伝播光を全反射伝播光L2Aと称す。 Hereinafter, the propagation light in which the incident light L1 propagates in the second light guide plate 14 by total reflection is referred to as total reflection propagation light L1A, and the incident light L2 in the second light guide plate 14 propagates in total reflection by total reflection. This is referred to as propagating light L2A.
第2導光板14内を全反射によって伝播する全反射伝播光L1A,L2Aは、第2光出射部16に入射する。本実施形態においては、第2光出射部16を上記反射型体積HOEにより構成することで出射光を高い効率で第1導光板11内に導入している。 Total reflection propagation light L1A and L2A propagating through the second light guide plate 14 by total reflection enter the second light emitting unit 16. In the present embodiment, the second light emitting unit 16 is configured by the reflective volume HOE, so that the emitted light is introduced into the first light guide plate 11 with high efficiency.
第2光出射部16の厚さを薄くすることにより、1次回折効率を抑えることができる。これにより、第2光出射部16に入射した全反射伝播光L1Aのうち一部だけが回折されて第2導光板14から出射光L1bが出射される。同様に、第2光出射部16に入射した全反射伝播光L2Aのうち一部だけが回折されて第2導光板14から出射光L2bが出射される。 By reducing the thickness of the second light emitting portion 16, the first-order diffraction efficiency can be suppressed. Accordingly, only a part of the total reflection propagation light L1A incident on the second light emitting unit 16 is diffracted and the emitted light L1b is emitted from the second light guide plate 14. Similarly, only a part of the total reflection propagation light L <b> 2 </ b> A incident on the second light emitting unit 16 is diffracted and the emitted light L <b> 2 b is emitted from the second light guide plate 14.
回折されなかった全反射伝播光L1A,L2Aは、再び第2導光板14内を全反射で伝播し、再度、第2光出射部16に入射する。この過程を繰返すことにより、全反射伝播光L1A,L2Aが少しずつ第2導光板14から取り出され、y軸方向に沿って等間隔に複数の出射光L1b,L2bが配置された導光板出射光L1B,L2Bを生成する。 The totally reflected propagation lights L1A and L2A that have not been diffracted propagate again in the second light guide plate 14 by total reflection, and enter the second light emitting portion 16 again. By repeating this process, the total reflection propagating light L1A, L2A is taken out from the second light guide plate 14 little by little, and the plurality of emitted light L1b, L2b are arranged at equal intervals along the y-axis direction. L1B and L2B are generated.
本実施形態において、光入射部15及び第2光出射部16の格子周期(導光板表面に沿った格子周期)を同一にしている。これにより、導光板出射光L1B,L2Bの出射角を入射光L1,L2の入射角と同一とすることができる。本実施形態では、入射光L1,L2の入射角が光入射部15の法線に対して0度、すなわち垂直入射であるため、出射光の出射角も0度、すなわち垂直出射となる。 In the present embodiment, the grating period (grating period along the light guide plate surface) of the light incident part 15 and the second light emitting part 16 is the same. Thereby, the output angles of the light guide plate output lights L1B and L2B can be made the same as the incident angles of the incident lights L1 and L2. In the present embodiment, since the incident angles of the incident lights L1 and L2 are 0 degrees with respect to the normal line of the light incident portion 15, that is, perpendicular incidence, the emission angle of the emitted light is also 0 degrees, that is, perpendicular emission.
本実施形態において、第2光出射部16の層内に記録されている干渉縞の層内傾斜は、光入射部15(光入射部15A,15B)の干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となっている(図1A〜1Cに示すハッチング参照)。 In this embodiment, the in-layer inclination of the interference fringes recorded in the layer of the second light emitting portion 16 is a mirror surface with respect to the in-layer inclination of the interference fringes of the light incident portion 15 (light incidence portions 15A and 15B). It is symmetrical (see the hatching shown in FIGS. 1A-1C).
第2光出射部16は、光入射部15Aの干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となる層内傾斜を有する第1HOE層16Aと、光入射部15Bの干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となる層内傾斜を有する第2HOE層16Bとを積層した構成からなる。なお、第2光出射部16は積層構造のみに限定されず、光入射部15A、15Bに対応した干渉縞を多重記録した1層の反射型体積HOEを用いても良い。 The second light emitting unit 16 includes a first HOE layer 16A having an in-layer inclination that is mirror-symmetrical with respect to the in-layer inclination of the interference fringe of the light incident part 15A, and the in-layer inclination of the interference fringe of the light incident part 15B. And a second HOE layer 16B having an in-layer inclination that is mirror-symmetrical. The second light emitting unit 16 is not limited to a laminated structure, and a single-layer reflective volume HOE in which interference fringes corresponding to the light incident units 15A and 15B are recorded in multiple layers may be used.
第1HOE層16A及び第2HOE層16Bの干渉縞の層内傾斜は鏡面対称となっている(図1A〜1Cに示すハッチング参照)。
反射型体積HOEの回折効率の入射角依存性は著しく大きいため、第1HOE層16Aは全反射伝播光L2Aに対する回折効率はほぼゼロであり、第2HOE層16Bは全反射伝播光L1Aに対する回折効率はほぼゼロであり、実質的に回折しない。
The in-layer inclinations of the interference fringes of the first HOE layer 16A and the second HOE layer 16B are mirror-symmetric (see hatching shown in FIGS. 1A to 1C).
Since the incident angle dependence of the diffraction efficiency of the reflective volume HOE is remarkably large, the first HOE layer 16A has almost zero diffraction efficiency with respect to the total reflected propagation light L2A, and the second HOE layer 16B has a diffraction efficiency with respect to the total reflection propagation light L1A. It is almost zero and does not diffract substantially.
よって、全反射伝播光L1Aは第1HOE層16Aのみで回折され、全反射伝播光L2Aは第2HOE層16Bのみで回折される。このように反射型体積HOEを用いることで、導光板内を伝播して来る伝播光の方向によって選択的に回折或いは出射させることが可能となる。 Therefore, the total reflection propagation light L1A is diffracted only by the first HOE layer 16A, and the total reflection propagation light L2A is diffracted only by the second HOE layer 16B. As described above, by using the reflective volume HOE, it is possible to selectively diffract or emit light depending on the direction of propagating light propagating in the light guide plate.
第2光出射部16は、第2導光板14内を伝播する全反射伝播光L1A,L2Aを回折して垂直方向に出射させることができる。よって、第2光出射部16は、導光板出射光L1B,L2Bの各出射光L1b,L2bを、第2導光板14の−z側に折り返して第1導光板11に入射させることができる。 The second light emitting unit 16 can diffract the total reflection propagation light L1A and L2A propagating through the second light guide plate 14 and emit the light in the vertical direction. Therefore, the second light emitting unit 16 can return the emitted light L1b and L2b of the light guide plate emitted light L1B and L2B to the −z side of the second light guide plate 14 and enter the first light guide plate 11.
ところで、導光板出射光L1B,L2Bの各出射光L1b,L2bは、実際にはガウス分布で表される光強度分布を有している。図2は導光板出射光L1B,L2Bの各出射光L1b,L2bにおける光強度分布を示した図である。 By the way, each of the outgoing lights L1b and L2b of the light guide plate outgoing lights L1B and L2B actually has a light intensity distribution represented by a Gaussian distribution. FIG. 2 is a diagram showing the light intensity distributions of the outgoing light L1b and L2b of the light guide plate outgoing light L1B and L2B.
図2に示すように、各出射光L1bは第2導光板14に対する入射位置から遠ざかるにつれて光強度がそれぞれ小さくなる。同様に、各出射光L2bは第2導光板14に対する入射位置から遠ざかるにつれて光強度がそれぞれ小さくなる。具体的に、出射光L1bは光出射位置が−y方向に移動するにつれて光強度が小さくなり、光L2bは光出射位置が+y方向に移動するにつれて光強度が小さくなる。 As shown in FIG. 2, the light intensity of each outgoing light L1b decreases as the distance from the incident position with respect to the second light guide plate 14 increases. Similarly, the light intensity of each outgoing light L2b decreases as the distance from the incident position with respect to the second light guide plate 14 increases. Specifically, the light intensity of the emitted light L1b decreases as the light emission position moves in the −y direction, and the light intensity of the light L2b decreases as the light emission position moves in the + y direction.
本実施形態によれば、各出射光L1b,L2bは第2光出射部16で回折されることで外部に出射される、各出射光L1b,L2bにおける第2導光板14からの出射位置を一致させることができる。 According to the present embodiment, the outgoing lights L1b and L2b are emitted to the outside by being diffracted by the second light emitting part 16, and the outgoing positions from the second light guide plate 14 in the outgoing lights L1b and L2b are matched. Can be made.
よって、第2導光板14の各出射位置において、出射光L1b,L2bはそれぞれ合成される。出射光L1b,L2bにおける光強度はy方向において反対側の関係となるため、出射光L1b,L2bを合成した光L1cの光強度は出射位置によらず略同一となる。 Therefore, the outgoing lights L1b and L2b are combined at the outgoing positions of the second light guide plate 14, respectively. Since the light intensities of the outgoing lights L1b and L2b are opposite to each other in the y direction, the light intensity of the light L1c obtained by combining the outgoing lights L1b and L2b is substantially the same regardless of the outgoing position.
よって、第2導光光学系22は、均一な光強度の光L1cをy方向に複数配置した導光板出射光L1Cを生成する。導光板出射光L1Cは、第1導光板11に入射する。
このように第2導光光学系22によれば、第2導光板14の両端から入射した入力光L1,L2をそれぞれ拡大することで、均一な強度分布の導光板出射光L1Cを生成することができる。
Therefore, the second light guide optical system 22 generates light guide plate emission light L1C in which a plurality of lights L1c having uniform light intensity are arranged in the y direction. The light guide plate output light L <b> 1 </ b> C enters the first light guide plate 11.
As described above, according to the second light guide optical system 22, the input light L1 and L2 incident from both ends of the second light guide plate 14 are enlarged to generate the light guide plate output light L1C having a uniform intensity distribution. Can do.
図1に戻り、第1導光板11に入射した導光板出射光L1Cの各光L1cは光入射部12(第1光入射部12A)に入射する。
導光板出射光L1Cの各光L1cは第1光入射部12Aに対して垂直に入射する。各光L1cは第1光入射部12Aによって第1導光板11の臨界角より大きな角度で反射され、第1導光板11内を全反射によって伝播する。
Returning to FIG. 1, each light L <b> 1 c of the light guide plate outgoing light L <b> 1 </ b> C incident on the first light guide plate 11 enters the light incident portion 12 (first light incident portion 12 </ b> A).
Each light L1c of the light guide plate output light L1C is perpendicularly incident on the first light incident portion 12A. Each light L1c is reflected by the first light incident portion 12A at an angle larger than the critical angle of the first light guide plate 11, and propagates through the first light guide plate 11 by total reflection.
以下、光L1cが第1導光板11内を全反射により伝播する伝播光を全反射伝播光L1Dと称す。
第1導光板11内を全反射によって伝播する全反射伝播光L1Dは、第1光出射部13に入射する。第1光出射部13の厚さを薄くすることにより、1次回折効率を抑えることができる。これにより、第1光出射部13に入射した全反射伝播光L1Dのうち一部だけが回折されて第1導光板11から出射光L1eが出射される。
Hereinafter, the propagation light in which the light L1c propagates through the first light guide plate 11 by total reflection is referred to as total reflection propagation light L1D.
The total reflection propagation light L <b> 1 </ b> D that propagates through the first light guide plate 11 by total reflection enters the first light emitting unit 13. The first-order diffraction efficiency can be suppressed by reducing the thickness of the first light emitting portion 13. Thereby, only a part of the total reflection propagating light L1D incident on the first light emitting unit 13 is diffracted and the emitted light L1e is emitted from the first light guide plate 11.
回折されなかった全反射伝播光L1Dは、再び第1導光板11内を全反射で伝播し、再度、第1光出射部13に入射する。この過程を繰返すことにより、全反射伝播光L1Dが少しずつ第1導光板11から取り出され、x方向に沿って等間隔に複数の出射光L1eが配置された導光板出射光L1Eを生成する。 The totally reflected propagation light L1D that has not been diffracted again propagates through the first light guide plate 11 by total reflection, and enters the first light emitting unit 13 again. By repeating this process, the total reflection propagation light L1D is gradually extracted from the first light guide plate 11, and the light guide plate output light L1E in which a plurality of output lights L1e are arranged at equal intervals along the x direction is generated.
本実施形態において、光入射部12及び第1光出射部13の格子周期(導光板表面に沿った格子周期)を同一にしている。これにより、導光板出射光L1Eの出射角を導光板出射光L1C(光L1c)の入射角と同一とすることができる。すなわち、光L1cは光入射部12に対して垂直入射するため、出射光である導光板出射光L1Eの各出射光L1eも第1光出射部13から垂直で出射される。 In the present embodiment, the grating period (grating period along the light guide plate surface) of the light incident part 12 and the first light emitting part 13 is the same. Thereby, the output angle of the light guide plate output light L1E can be made the same as the incident angle of the light guide plate output light L1C (light L1c). That is, since the light L1c is perpendicularly incident on the light incident portion 12, each of the emitted light L1e of the light guide plate emitted light L1E that is emitted light is also emitted vertically from the first light emitting portion 13.
本実施形態において、第1光出射部13の層内に記録されている干渉縞の層内傾斜は、光入射部12の干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となっている(図1A〜1Cのハッチング参照)。 In the present embodiment, the in-layer inclination of the interference fringes recorded in the layer of the first light emitting section 13 is mirror-symmetric with respect to the in-layer inclination of the interference fringes of the light incident section 12 (FIG. 1A). ~ See 1C hatching).
第1光出射部13は、第1光入射部12Aの干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となる層内傾斜を有する第1HOE層13Aと、第2光入射部12Bの干渉縞の層内傾斜に対して鏡面対称となる層内傾斜を有する第2HOE層13Bとを積層した構成からなる。なお、第1光出射部13は積層構造のみに限定されず、第1光入射部12A、12Bに対応した干渉縞を多重記録した1層の反射型体積HOEを用いても良い。 The first light emitting unit 13 includes a first HOE layer 13A having an in-layer inclination that is mirror-symmetric with respect to an in-layer inclination of the interference fringes of the first light incident unit 12A, and an interference fringe layer of the second light incident unit 12B. The second HOE layer 13B having an in-layer inclination that is mirror-symmetrical with respect to the inner inclination is laminated. The first light emitting unit 13 is not limited to the laminated structure, and a single-layer reflective volume HOE in which interference fringes corresponding to the first light incident units 12A and 12B are recorded in multiple layers may be used.
第1HOE層13A及び第2HOE層13Bの干渉縞の層内傾斜は鏡面対称となっている。反射型体積HOEの回折効率の入射角依存性は著しく大きいため、第1HOE層13Aは第2光入射部12Bから入射された伝播光に対する回折効率はほぼゼロであり、第2HOE層16Bは第1光入射部12Aから入射された全反射伝播光L1Dに対する回折効率はほぼゼロであり、実質的に回折しない。 The in-layer inclination of the interference fringes of the first HOE layer 13A and the second HOE layer 13B is mirror-symmetric. Since the incident angle dependence of the diffraction efficiency of the reflective volume HOE is remarkably large, the first HOE layer 13A has substantially zero diffraction efficiency for propagating light incident from the second light incident portion 12B, and the second HOE layer 16B has the first efficiency. The diffraction efficiency with respect to the total reflection propagation light L1D incident from the light incident part 12A is substantially zero and is not substantially diffracted.
よって、全反射伝播光L1Dは第1HOE層16Aのみで回折され、第2光入射部12Bから入射された伝播光は第2HOE層16Bのみで回折される。このように反射型体積HOEを用いることで、導光板内を伝播して来る伝播光の方向によって選択的に回折或いは出射させることが可能となる。 Therefore, the total reflected propagation light L1D is diffracted only by the first HOE layer 16A, and the propagation light incident from the second light incident portion 12B is diffracted only by the second HOE layer 16B. As described above, by using the reflective volume HOE, it is possible to selectively diffract or emit light depending on the direction of propagating light propagating in the light guide plate.
第1光出射部13は、第1導光板11内を伝播する全反射伝播光L1Dを垂直方向に出射させることができる。よって、第1光出射部13は、導光板出射光L1Eの各光L1eを、第1導光板11の+z側に折り返して外部に射出することができる。 The first light emitting unit 13 can emit the total reflection propagation light L1D propagating through the first light guide plate 11 in the vertical direction. Therefore, the 1st light emission part 13 can return | fold each light L1e of the light-guide plate emitted light L1E to the + z side of the 1st light-guide plate 11, and inject | emits it outside.
光源10から射出された入射光L3,L4は、第3導光光学系23の光入射部18に入射される。具体的に、入射光L3は光入射部18Aに入射され、入射光L4は光入射部18Bに入射される。 Incident light L3 and L4 emitted from the light source 10 is incident on the light incident portion 18 of the third light guide optical system 23. Specifically, the incident light L3 is incident on the light incident portion 18A, and the incident light L4 is incident on the light incident portion 18B.
第3導光光学系23は第2導光光学系22と同一構成を有するため、第3導光光学系23においては第2導光光学系22と同様に光の拡大が行われる。そのため、第3導光光学系23における光の拡大については説明を簡略化する。 Since the third light guide optical system 23 has the same configuration as the second light guide optical system 22, the third light guide optical system 23 performs light expansion in the same manner as the second light guide optical system 22. Therefore, the description of the expansion of light in the third light guide optical system 23 is simplified.
以下、入射光L3が第3導光板17内を全反射により伝播する伝播光を全反射伝播光L3Aと称し、入射光L4が第3導光板17内を全反射により伝播する伝播光を全反射伝播光L4Aと称す。 Hereinafter, the propagation light in which the incident light L3 propagates through the third light guide plate 17 by total reflection is referred to as total reflection propagation light L3A, and the incident light L4 is the total reflection from the propagation light propagated through the third light guide plate 17 by total reflection. This is referred to as propagating light L4A.
第3導光光学系23において、全反射伝播光L3A,L4Aが少しずつ第3導光板17から取り出される。第3導光光学系23は、第2導光光学系22と同様、均一な光強度の光をy方向に複数配置した導光板出射光L1Fを生成する。導光板出射光L1Fの各光L1fは第2光入射部12Bに対して垂直に入射する。各光L1fは第2光入射部12Bによって第1導光板11の臨界角より大きな角度で反射され、第1導光板11内を−x方向に全反射によって伝播する。これにより、X方向に沿って等間隔に複数の出射光L1gが配置された導光板出射光L1Gを生成する。
このように、第3導光光学系23によれば、第3導光板17の両端から入射した入力光L3,L4をそれぞれ拡大することで、均一な強度分布の導光板出射光L1Gを生成することができる。
In the third light guide optical system 23, the total reflection propagation lights L3A and L4A are taken out from the third light guide plate 17 little by little. Similar to the second light guide optical system 22, the third light guide optical system 23 generates light guide plate emission light L1F in which a plurality of lights having uniform light intensity are arranged in the y direction. Each light L1f of the light guide plate output light L1F is perpendicularly incident on the second light incident portion 12B. Each light L1f is reflected by the second light incident part 12B at an angle larger than the critical angle of the first light guide plate 11, and propagates through the first light guide plate 11 in the -x direction by total reflection. Thereby, the light guide plate emission light L1G in which a plurality of emission lights L1g are arranged at equal intervals along the X direction is generated.
As described above, according to the third light guide optical system 23, the input light L3 and L4 incident from both ends of the third light guide plate 17 are respectively expanded to generate the light guide plate output light L1G having a uniform intensity distribution. be able to.
ここで、導光板出射光L1E,L1Gの各出射光L1e,L1gもガウス分布で表される光強度分布を有している。出射光L1eは光出射位置が+x方向に移動するにつれて光強度が小さくなり、出射光L1gは光出射位置が−x方向に移動するにつれて光強度が小さくなる。 Here, the outgoing lights L1e and L1g of the light guide plate outgoing lights L1E and L1G also have a light intensity distribution represented by a Gaussian distribution. The light intensity of the outgoing light L1e decreases as the light output position moves in the + x direction, and the light intensity of the outgoing light L1g decreases as the light output position moves in the −x direction.
本実施形態によれば、各出射光L1e,L1gは第1光出射部13で回折されることで外部に出射され、各出射光L1e,L1gにおける第1導光板11からの出射位置を一致させることができる。よって、第1導光板11の各出射位置において、出射光L1e,L1gはそれぞれ合成される。出射光L1e,L1gにおける光強度はx方向において反対側の関係となるため、出射光L1e,L1gを合成した光L1hの光強度は出射位置によらず略同一となる。 According to the present embodiment, the outgoing lights L1e and L1g are emitted to the outside by being diffracted by the first light emitting part 13, and the outgoing positions from the first light guide plate 11 in the outgoing lights L1e and L1g are made to coincide. be able to. Therefore, the outgoing lights L1e and L1g are combined at the outgoing positions of the first light guide plate 11, respectively. Since the light intensities of the emitted lights L1e and L1g are on the opposite side in the x direction, the light intensity of the light L1h obtained by synthesizing the emitted lights L1e and L1g is substantially the same regardless of the emission position.
ここで、照明光L1Hを構成する各光L1hの出射間隔がガウス分布で規定されるビームサイズより大きいと照明光L1Hは離散的になり、照明光L1Hの面内における強度分布が不均一となる。 Here, when the emission interval of each light L1h constituting the illumination light L1H is larger than the beam size defined by the Gaussian distribution, the illumination light L1H becomes discrete, and the intensity distribution in the plane of the illumination light L1H becomes non-uniform. .
本実施形態においては、照明光L1Hを構成する各光L1hの出射間隔がガウス分布で規定されるビームサイズより小さくなるように、第1導光板11、第2導光板14及び第3導光板17の出射光の間隔を最適化している。なお、出射光の間隔は、入射光の波長、HOEの格子周期、導光板の屈折率および厚さで適宜調整可能である。 In the present embodiment, the first light guide plate 11, the second light guide plate 14, and the third light guide plate 17 are configured such that the emission interval of each light L 1 h constituting the illumination light L 1 H is smaller than the beam size defined by the Gaussian distribution. The interval of the outgoing light is optimized. The interval between the outgoing lights can be appropriately adjusted by the wavelength of the incident light, the grating period of the HOE, the refractive index and the thickness of the light guide plate.
ここで、本実施形態の照明装置100の効果を明確にするため、比較例について説明する。
比較例では、1本の入射光を面状に展開して照明光を生成する場合について説明する。
図3A〜3Cは比較例に係る照明装置200の構成を示す図である。図3A〜3Cは照明装置200を3方向(x方向、y方向、z方向)から視た図である。
Here, in order to clarify the effect of the illumination device 100 of the present embodiment, a comparative example will be described.
In the comparative example, a case where illumination light is generated by developing one incident light in a planar shape will be described.
3A to 3C are diagrams illustrating a configuration of an illumination device 200 according to a comparative example. 3A to 3C are views of the lighting device 200 viewed from three directions (x direction, y direction, and z direction).
図3A〜3Cに示すように、照明装置200は、光源210と、面状展開光学系220とを備えている。光源210は、面状展開光学系220に対してレーザー光からなる1つの入射光LLを照射する。 As illustrated in FIGS. 3A to 3C, the illumination device 200 includes a light source 210 and a planar development optical system 220. The light source 210 irradiates the planar development optical system 220 with one incident light LL made of laser light.
面状展開光学系220は、2つの導光光学系221、222を備える。なお、導光光学系221は、光入射部が一端側(−x方向側)のみに設けられる以外、第1導光光学系21と同一の構成を有する。また、導光光学系222は、光入射部が一端側(−Y方向側)のみに設けられる以外、第2導光光学系22と同一の構成を有する。 The planar development optical system 220 includes two light guide optical systems 221 and 222. The light guide optical system 221 has the same configuration as the first light guide optical system 21 except that the light incident portion is provided only on one end side (−x direction side). The light guide optical system 222 has the same configuration as the second light guide optical system 22 except that the light incident portion is provided only on one end side (−Y direction side).
本比較例の構成において、導光光学系222から導光光学系221への出射光LL1の光強度(ガウス分布)は、光出射位置が+Y方向に移動するにつれて小さくなって行く。
同様に、導光光学系221からの出射光LL2の光強度(ガウス分布)は、光出射位置が+x方向に移動するにつれて小さくなって行く。
In the configuration of this comparative example, the light intensity (Gaussian distribution) of the output light LL1 from the light guide optical system 222 to the light guide optical system 221 decreases as the light output position moves in the + Y direction.
Similarly, the light intensity (Gaussian distribution) of the output light LL2 from the light guide optical system 221 decreases as the light output position moves in the + x direction.
つまり、比較例の構成においては、光源210における光入射位置から距離に応じて、面状展開光学系220の対角方向に出射光の強度分布Tが生じる。そのため、照明光に明るさムラが生じてしまう。 That is, in the configuration of the comparative example, the intensity distribution T of the emitted light is generated in the diagonal direction of the planar development optical system 220 according to the distance from the light incident position in the light source 210. Therefore, uneven brightness occurs in the illumination light.
これに対し、本実施形態の照明装置100によれば、第1導光光学系21、第2導光光学系22及び第3導光光学系23のいずれについても導光板の両端から光を入射させるようにした。そのため、各導光光学系21,22,23からそれぞれ均一な光が射出されるため、これら光が合成されることで均一な光強度の光L1hをx方向及びY方向に面状に配置した照明光L1Hを生成できる。 On the other hand, according to the illuminating device 100 of this embodiment, light is incident from both ends of the light guide plate in any of the first light guide optical system 21, the second light guide optical system 22, and the third light guide optical system 23. I tried to make it. Therefore, uniform light is emitted from each of the light guide optical systems 21, 22, and 23, and the light L 1 h having uniform light intensity is arranged in a planar shape in the x direction and the Y direction by combining these lights. The illumination light L1H can be generated.
また、光源10の光を面状に展開する面状展開光学系20の厚さは、ほぼ導光板2枚分の厚さで済むため、非常に薄型の照明装置100を実現することができる。 In addition, since the thickness of the planar development optical system 20 that develops the light from the light source 10 into a plane is almost the same as that of two light guide plates, a very thin illumination device 100 can be realized.
また、本実施形態では反射型体積HOE層への入射角及び出射角を垂直入射及び垂直出射で固定し、入射光Lとしてレーザー用いることで単一波長に決まるので、反射型体積HOE層を回折効率が高くなる条件で用いることができる。よって、光源部10aからの入射光Lを効率良く照明光L1Hに変換することができる。従って、光源部10aの個数が少なくても明るい照明光L1Hを得ることができる。 Further, in this embodiment, the incident angle and the emission angle to the reflective volume HOE layer are fixed by vertical incidence and vertical emission, and a single wavelength is determined by using a laser as the incident light L, so that the reflective volume HOE layer is diffracted. It can be used under conditions that increase efficiency. Therefore, the incident light L from the light source unit 10a can be efficiently converted into the illumination light L1H. Therefore, bright illumination light L1H can be obtained even if the number of light source portions 10a is small.
本実施形態では、第1導光光学系21(第1導光板11)の両端に第2導光光学系22及び第3導光光学系23の出射光を入射させる場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、第1導光光学系21及び第2導光光学系22のみを用いる構成であっても良い。すなわち、第2導光光学系22の光を第1導光板11の一端側に入射させ、他端側に第3導光光学系23の代わりに別の光源からの光を入射させるようにしてもよい。この構成においても、第1導光光学系21は、両端から入射した光を導光させることで均一な強度の光を生成できる。また、少なくとも第2導光光学系22により第1導光光学系21の一端側に均一な光を入射させることができる。
In the present embodiment, the case where the light emitted from the second light guide optical system 22 and the third light guide optical system 23 is incident on both ends of the first light guide optical system 21 (first light guide plate 11) is taken as an example. However, the present invention is not limited to this.
For example, the structure using only the 1st light guide optical system 21 and the 2nd light guide optical system 22 may be sufficient. That is, light from the second light guide optical system 22 is incident on one end of the first light guide plate 11 and light from another light source is incident on the other end instead of the third light guide optical system 23. Also good. Also in this configuration, the first light guide optical system 21 can generate light with uniform intensity by guiding light incident from both ends. Further, at least the second light guide optical system 22 can make uniform light incident on one end side of the first light guide optical system 21.
同様に、第1導光光学系21及び第3導光光学系23のみを用いる構成であっても良い。すなわち、第3導光光学系23の光を第1導光板11の他端端側に入射させ、他端側に第2導光光学系22の代わりに別の光源からの光を入射させるようにしてもよい。この構成においても、第1導光光学系21は、両端から入射した光を導光させることで均一な強度の光を生成できる。また、少なくとも第3導光光学系23により第1導光光学系21の他端側に均一な光を入射させることができる。 Similarly, only the first light guide optical system 21 and the third light guide optical system 23 may be used. That is, the light from the third light guide optical system 23 is incident on the other end of the first light guide plate 11 and the light from another light source is incident on the other end instead of the second light guide optical system 22. It may be. Also in this configuration, the first light guide optical system 21 can generate light with uniform intensity by guiding light incident from both ends. Further, at least the third light guide optical system 23 can make uniform light incident on the other end side of the first light guide optical system 21.
また、本発明は、少なくとも両端から光が入射される第1導光光学系21を備えていればよく、第2導光光学系或いは第3導光光学系としては入射した光を一方向(y方向)に拡大して出射する構成のものであればよい。すなわち、第2導光光学系或いは第3導光光学系として、第2導光板14或いは第3導光板17の一端側から光を入射させることで光を一方向に拡大するものを用いても良い。 In addition, the present invention only needs to include the first light guide optical system 21 into which light is incident from at least both ends, and the second light guide optical system or the third light guide optical system can transmit incident light in one direction ( Any structure may be used as long as it expands in the y direction). In other words, the second light guide optical system or the third light guide optical system may be one that expands light in one direction by making light incident from one end side of the second light guide plate 14 or the third light guide plate 17. good.
また、第1導光光学系21の第1光入射部12A及び第2光入射部12Bの各々に光を射出する光源を配置することで、第1光出射部13から出射した光を第2導光光学系22或いは第3導光光学系23に入射させるようにしてもよい。
この構成によれば、第1導光光学系21は両端から入射された光をそれぞれ拡大することで均一な光を出射することができる。よって、第2導光光学系22或いは第3導光光学系23に均一な光を入射させることができる。
In addition, by arranging a light source that emits light in each of the first light incident portion 12A and the second light incident portion 12B of the first light guide optical system 21, the light emitted from the first light emitting portion 13 is second. The light may be incident on the light guide optical system 22 or the third light guide optical system 23.
According to this structure, the 1st light guide optical system 21 can radiate | emit uniform light by each expanding the light which injected from both ends. Therefore, uniform light can be incident on the second light guide optical system 22 or the third light guide optical system 23.
(第2実施形態)
続いて、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態と第1実施形態との違いは、照明装置の構造である。以下では第1実施形態と同一の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
(Second Embodiment)
Subsequently, a second embodiment of the present invention will be described. The difference between this embodiment and 1st Embodiment is the structure of an illuminating device. Below, the same code | symbol is attached | subjected about the structure and member same as 1st Embodiment, and detailed description is abbreviate | omitted.
第1実施形態の照明装置100は、レーザー光を第2導光光学系22の対角四隅に入射していた。この場合、光源が4つ必要となるため、光源10及び該光源10を備えた照明装置100の小型化が難しかった。本実施形態では、光源を小型化することで照明装置自体の小型化を図った。 In the illuminating device 100 of the first embodiment, the laser light is incident on the diagonal four corners of the second light guide optical system 22. In this case, since four light sources are required, it is difficult to reduce the size of the light source 10 and the illumination device 100 including the light source 10. In the present embodiment, the illumination device itself is reduced in size by reducing the size of the light source.
図4は本実施形態の照明装置の構成を示す断面図である。
図4に示すように、本実施形態の照明装置100Aは、光源10Aと、面状展開光学系20とを備えている。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the illumination device of this embodiment.
As shown in FIG. 4, the illumination device 100 </ b> A of the present embodiment includes a light source 10 </ b> A and a planar development optical system 20.
図5Aは本実施形態の光源10Aをz方向から視た図であり、図5Bは光源10AのA−A線矢視による断面構成図である。 FIG. 5A is a view of the light source 10A of the present embodiment as viewed from the z direction, and FIG. 5B is a cross-sectional configuration view of the light source 10A taken along line AA.
図5A,5Bに示すように、光源10Aは、光源部30と、コリメーターレンズ31と、分岐光学系35とを備える。分岐光学系35は、第4導光板32と、分岐入射部33と、分岐出射部34とを含み、光源部30からの光を4つの光に分岐して面状展開光学系20の対角四隅に入射させる。 As illustrated in FIGS. 5A and 5B, the light source 10 </ b> A includes a light source unit 30, a collimator lens 31, and a branching optical system 35. The branching optical system 35 includes a fourth light guide plate 32, a branching incident part 33, and a branching emission part 34. The light from the light source part 30 is branched into four lights and the diagonal of the planar development optical system 20. Incident at the four corners.
光源部30は、入射光Lとして波長が緑領域にあるレーザー光を射出する半導体レーザーから構成される。
コリメーターレンズ31は、光源部30から射出された発散光である入射光Lを略平行な光に変換するものである。
第4導光板32は、例えばガラスあるいは光学樹脂から構成され、平面で略矩形状の平行平板からなる。本実施形態において、第4導光板32は、例えばガラス基板から構成されている。
The light source unit 30 includes a semiconductor laser that emits laser light having a wavelength in the green region as the incident light L.
The collimator lens 31 converts incident light L that is divergent light emitted from the light source unit 30 into substantially parallel light.
The fourth light guide plate 32 is made of, for example, glass or optical resin, and is made of a parallel plate having a substantially rectangular shape on a plane. In the present embodiment, the fourth light guide plate 32 is made of, for example, a glass substrate.
分岐入射部33は、光源部30からの入射光Lを分岐して第4導光板32に入射させる。分岐入射部33は、第4導光板32の上面32aの中央部に形成される。 The branch incident unit 33 branches the incident light L from the light source unit 30 and enters the fourth light guide plate 32. The branch incident portion 33 is formed at the center of the upper surface 32 a of the fourth light guide plate 32.
分岐出射部34は、分岐入射部33から入射された分岐光を図4に示す面状展開光学系20に向けて出射する。分岐出射部34は、第4導光板32の下面32bに形成される。分岐出射部34は、第1分岐出射部34A、第2分岐出射部34B、第3分岐出射部34C及び第4分岐出射部34Dを含む。各分岐出射部34A〜34Dは第4導光板32の下面32bの四隅にそれぞれ形成されている。 The branch emitting unit 34 emits the branched light incident from the branch incident unit 33 toward the planar development optical system 20 shown in FIG. The branch emission part 34 is formed on the lower surface 32 b of the fourth light guide plate 32. The branch emission unit 34 includes a first branch emission unit 34A, a second branch emission unit 34B, a third branch emission unit 34C, and a fourth branch emission unit 34D. Each branch emission part 34A-34D is formed in the four corners of the lower surface 32b of the 4th light-guide plate 32, respectively.
本実施形態において、分岐入射部33、第1分岐出射部34A、第2分岐出射部34B、第3分岐出射部34C及び第4分岐出射部34Dは、反射型体積HOEから構成されている。分岐入射部33は、該分岐入射部33に入射する光を各分岐出射部34A〜34Dが設けられた4方向に向けてそれぞれ回折する機能を有している。 In the present embodiment, the branch incident portion 33, the first branch exit portion 34A, the second branch exit portion 34B, the third branch exit portion 34C, and the fourth branch exit portion 34D are composed of a reflective volume HOE. The branch incident unit 33 has a function of diffracting light incident on the branch incident unit 33 toward four directions where the branch emission units 34A to 34D are provided.
分岐出射部34(第1分岐出射部34A、第2分岐出射部34B、第3分岐出射部34C及び第4分岐出射部34D)の干渉縞は、分岐入射部33の中心と各分岐出射部34A〜34Dの中心とを結ぶ線(分岐方向)に対して垂直方向に延在している。分岐入射部33及び各分岐出射部34A〜34Dの格子周期は同一である。 The interference fringes of the branch emission part 34 (the first branch emission part 34A, the second branch emission part 34B, the third branch emission part 34C, and the fourth branch emission part 34D) are the center of the branch incident part 33 and each branch emission part 34A. It extends in a direction perpendicular to a line (branch direction) connecting the centers of .about.34D. The grating period of the branch incident part 33 and each branch output part 34A-34D is the same.
本実施形態において、分岐入射部33は1層の反射型体積HOEから構成され、4つの分岐方向に垂直に延在する干渉縞が4つ多重記録されている。4つの干渉縞のそれぞれの干渉縞の層内傾斜は、それぞれが対応する四隅の各分岐出射部34A〜34Dの層内傾斜と鏡面対称である。 In the present embodiment, the branch incident portion 33 is composed of a single reflection type volume HOE, and four interference fringes extending perpendicularly to the four branch directions are recorded. The in-layer inclination of each of the four interference fringes is mirror-symmetrical with the in-layer inclination of each of the branch emission portions 34A to 34D at the four corners corresponding to each of the four interference fringes.
このように4重記録された分岐入射部33に垂直入射した入射光Lは、対角四隅の各分岐出射部34A〜34Dに向かう方向に回折され、4つの分岐光LCとなる。4つの分岐光LCは第4導光板32内に臨界角以上の角度で回折され、該第4導光板32内を全反射で伝播し、各分岐出射部34A〜34Dに到達し、HOE面に対して垂直方向に回折されることで第4導光板32から出射される。 The incident light L perpendicularly incident on the branch incident part 33 recorded in quadruple in this way is diffracted in the direction toward the respective branch emission parts 34A to 34D at the diagonal four corners to become four branch light LC. The four branched lights LC are diffracted into the fourth light guide plate 32 at an angle greater than the critical angle, propagated through the fourth light guide plate 32 with total reflection, reach the branched light output portions 34A to 34D, and reach the HOE surface. On the other hand, the light is emitted from the fourth light guide plate 32 by being diffracted in the vertical direction.
なお、各分岐出射部34A〜34Dからの光の出射位置を調整するには、HOEの格子周期、分岐導光板の屈折率、厚さを調整すれば良い。 In addition, what is necessary is just to adjust the grating | lattice period of HOE, the refractive index of a branch light-guide plate, and thickness, in order to adjust the radiation | emission position of light from each branch radiation | emission part 34A-34D.
分岐入射部33としては、2つの方向を受け持つHOEを多重記録したHOE層を2層積層する構成を採用しても良いし、1つの方向を記録したHOE層を4層積層する構成を採用しても良い。 The branching incident portion 33 may adopt a configuration in which two HOE layers in which HOEs in two directions are recorded are stacked, or a configuration in which four HOE layers in which one direction is recorded are stacked. May be.
図4に戻り、分岐出射部34A〜34Dから射出された4本の分岐光LCは面状展開光学系20の対角四隅に入射される。
本実施形態の照明装置100Aによれば、光源部30が1つで済み、かつ、面状展開光学系20及び分岐光学系35が導光板で構成されるので、奥行き方向において薄型化を図ることができる。
以上のように、本実施形態によれば、1個の光源部30から面状に発光する薄型かつ発光強度の均一性に優れた照明装置100Aを提供することができる。
Returning to FIG. 4, the four branched lights LC emitted from the branched emission parts 34 </ b> A to 34 </ b> D are incident on the diagonal four corners of the planar development optical system 20.
According to the illumination device 100A of the present embodiment, only one light source unit 30 is required, and the planar development optical system 20 and the branching optical system 35 are configured by a light guide plate. Can do.
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide an illumination device 100A that is thin and emits light in a planar shape from one light source unit 30 and has excellent uniformity of light emission intensity.
なお、本実施形態では、光源部30からの入射光Lを分岐光学系35に対して垂直に入射させる場合を例に挙げたが、これに限定されない。
例えば、図6に示すように、光源部30からの入射光Lをミラー36で反射させて分岐光学系35に導くようにしても良い。この構成によれば、照明装置100Aの奥行を更に薄くすることができる。
In the present embodiment, the case where the incident light L from the light source unit 30 is incident on the branching optical system 35 perpendicularly is described as an example, but the present invention is not limited to this.
For example, as shown in FIG. 6, incident light L from the light source unit 30 may be reflected by a mirror 36 and guided to the branching optical system 35. According to this configuration, the depth of lighting device 100A can be further reduced.
(第3実施形態)
続いて、本発明の第3実施形態について説明する。本実施形態と上記第1、第2実施形態との違いは、照明装置の構造である。以下では上記実施形態と同一の構成及び部材については同じ符号を付し、詳細な説明については省略する。
上記実施形態では、単色光を用いた照明装置について説明したが、本実施例では赤(R)、緑(G)、青(B)の3色のレーザー光を用いた照明装置について説明する。
(Third embodiment)
Subsequently, a third embodiment of the present invention will be described. The difference between this embodiment and the said 1st, 2nd embodiment is the structure of an illuminating device. In the following, the same components and members as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
In the above embodiment, the lighting device using monochromatic light has been described. In this embodiment, a lighting device using laser light of three colors of red (R), green (G), and blue (B) will be described.
図7は本実施形態の照明装置の構成を示す断面図である。
図7に示すように、本実施形態の照明装置100Bは、光源10Bと、面状展開光学系20Bとを備えている。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the illumination device of the present embodiment.
As shown in FIG. 7, the illumination device 100B of the present embodiment includes a light source 10B and a planar development optical system 20B.
本実施形態の光源10Bは、光源部130と、コリメーターレンズ31と、分岐光学系135とを備える。光源部130は、赤色波長帯のレーザー光LRを射出する半導体レーザー130R、緑色波長帯のレーザー光LGを射出する半導体レーザー130G及び青色波長帯のレーザー光LBを射出する半導体レーザー130Gを含み、全体として白色の入射光LAを射出する。 The light source 10B of the present embodiment includes a light source unit 130, a collimator lens 31, and a branching optical system 135. The light source unit 130 includes a semiconductor laser 130R that emits laser light LR in the red wavelength band, a semiconductor laser 130G that emits laser light LG in the green wavelength band, and a semiconductor laser 130G that emits laser light LB in the blue wavelength band. The white incident light LA is emitted.
本実施形態の分岐光学系135の基本構成及び原理は、図6に示した分岐光学系35と同一である。
分岐光学系135は、導光板132と、分岐入射部133と、分岐出射部134とを含み、光源部130からの光を4つの光に分岐して面状展開光学系20Bの対角四隅に入射させる。導光板132は、例えばガラス基板から構成され、平面形状が略矩形状の平行平板からなる。分岐入射部133は、光源部130からの入射光LAを分岐して導光板132に入射させる。分岐入射部133は、導光板132の上面132aの中央部に形成される。
The basic configuration and principle of the branching optical system 135 of this embodiment are the same as those of the branching optical system 35 shown in FIG.
The branching optical system 135 includes a light guide plate 132, a branching incident part 133, and a branching emission part 134. The light from the light source part 130 is branched into four lights and is formed at the four corners of the planar development optical system 20B. Make it incident. The light guide plate 132 is made of, for example, a glass substrate, and is made of a parallel plate having a substantially rectangular planar shape. The branch incident unit 133 branches the incident light LA from the light source unit 130 and enters the light guide plate 132. The branch incident part 133 is formed at the center of the upper surface 132 a of the light guide plate 132.
分岐出射部134は、分岐入射部133からの分岐光を面状展開光学系20に向けて出射する。分岐出射部134は、導光板132の下面132bに形成される。分岐出射部134は、第1分岐出射部134A、第2分岐出射部134B、第3分岐出射部134C及び第4分岐出射部134Dを含む。各分岐出射部134A〜134Dは導光板132の下面132bの四隅にそれぞれ形成されている。 The branch emission unit 134 emits the branched light from the branch incident unit 133 toward the planar development optical system 20. The branch emission part 134 is formed on the lower surface 132 b of the light guide plate 132. The branch emission unit 134 includes a first branch emission unit 134A, a second branch emission unit 134B, a third branch emission unit 134C, and a fourth branch emission unit 134D. Each branch emission part 134A-134D is formed in the four corners of the lower surface 132b of the light-guide plate 132, respectively.
本実施形態において、分岐入射部133は反射型体積HOEから構成される。具体的に、分岐入射部133は、入射光LAのうち赤色波長帯のレーザー光LRに対応する赤色入射用HOE層133Rと、入射光LAのうち緑色波長帯のレーザー光LGに対応する緑色入射用HOE層133Gと、入射光LAのうち青色波長帯のレーザー光LBに対応する青色入射用HOE層133Bとが上から順に積層された構造からなる。 In this embodiment, the branch incident part 133 is comprised from the reflection type volume HOE. Specifically, the branch incident unit 133 includes a red incident HOE layer 133R corresponding to the laser light LR in the red wavelength band of the incident light LA, and a green incident corresponding to the laser light LG in the green wavelength band of the incident light LA. The HOE layer 133G for use and the blue incident HOE layer 133B corresponding to the laser light LB in the blue wavelength band of the incident light LA are sequentially stacked from above.
赤色入射用HOE層133Rは、光源部130より垂直入射する赤色波長帯のレーザー光LRに対してブラッグ回折条件を満たして導光板132内に臨界角以上の角度で回折させる。
緑色入射用HOE層133Gは、光源部130より垂直入射する緑色波長帯のレーザー光LGに対してブラッグ回折条件を満たして導光板132内に臨界角以上の角度で回折させる。
青色入射用HOE層133Bは、光源部130より垂直入射する青色波長帯のレーザー光LBに対してブラッグ回折条件を満たして導光板132内に臨界角以上の角度で回折させる。
The red incident HOE layer 133 </ b> R satisfies the Bragg diffraction condition and diffracts the laser light LR in the red wavelength band perpendicularly incident from the light source unit 130 at an angle greater than the critical angle in the light guide plate 132.
The green incident HOE layer 133 </ b> G satisfies the Bragg diffraction condition and diffracts the laser light LG in the green wavelength band perpendicularly incident from the light source unit 130 at an angle greater than the critical angle in the light guide plate 132.
The blue incident HOE layer 133 </ b> B satisfies the Bragg diffraction condition and diffracts the laser light LB in the blue wavelength band perpendicularly incident from the light source unit 130 at an angle greater than the critical angle in the light guide plate 132.
各入射用HOE層133R、133G、133Bは、それぞれのレーザー光LR,LG,LBを同じ角度で回折させるように、各HOEの格子周期が設定されている。各HOEは、それぞれが対応する波長に対してブラッグ回折条件を満たすので、色が違うほどに離れた波長の光に対しては回折効率がほぼゼロであり、回折光を生じない。例えば、レーザー光LBは赤色入射用HOE層133R及び緑色入射用HOE層133Gでは回折されずに赤色入射用HOE層133Rに到達し、そこで回折される。 Each incident HOE layer 133R, 133G, 133B has a lattice period of each HOE so that the respective laser beams LR, LG, LB are diffracted at the same angle. Since each HOE satisfies the Bragg diffraction condition for the corresponding wavelength, the diffraction efficiency is almost zero with respect to light of a wavelength that is so far away as to have a different color, and diffracted light is not generated. For example, the laser beam LB reaches the red incident HOE layer 133R without being diffracted by the red incident HOE layer 133R and the green incident HOE layer 133G, and is diffracted there.
導光板132内を全反射で伝播する光は、各分岐出射部134A〜134Dで回折されて導光板132の外に取り出される。各分岐出射部134A〜134Dについても、赤色出射用HOE層、緑色出射用HOE層、青色出射用HOE層が積層されている。いずれの出射用HOE層も反射型体積HOEからなる。 The light propagating through the light guide plate 132 by total reflection is diffracted by each of the branch emitting portions 134 </ b> A to 134 </ b> D and taken out of the light guide plate 132. Each of the branch emission portions 134A to 134D is also laminated with a red emission HOE layer, a green emission HOE layer, and a blue emission HOE layer. Any of the outgoing HOE layers is made of a reflective volume HOE.
第1分岐出射部134A、第2分岐出射部134B、第3分岐出射部134C及び第4分岐出射部134Dは、それぞれ赤色出射用HOE層、緑色出射用HOE層、青色出射用HOE層が上から順に積層された構造を有する。 The first branch emission part 134A, the second branch emission part 134B, the third branch emission part 134C, and the fourth branch emission part 134D have a red emission HOE layer, a green emission HOE layer, and a blue emission HOE layer from above, respectively. It has a stacked structure.
以下、第1分岐出射部134A、第2分岐出射部134B、第3分岐出射部134C及び第4分岐出射部134Dの各赤色出射用HOE層を総称して赤色出射用HOE層134RRと呼び、緑色出射用HOE層を総称して緑色出射用HOE層134GGと呼び、青色出射用HOE層を総称して青色出射用HOE層134BBと呼ぶことにする。 Hereinafter, the red emission HOE layers of the first branch emission unit 134A, the second branch emission unit 134B, the third branch emission unit 134C, and the fourth branch emission unit 134D are collectively referred to as a red emission HOE layer 134RR, which is green. The emission HOE layer is generically called a green emission HOE layer 134GG, and the blue emission HOE layer is generically called a blue emission HOE layer 134BB.
導光板132を伝播して来たレーザー光LR,LG,LBはそれぞれ赤色出射用HOE層134RR、緑色出射用HOE層134GG、青色出射用HOE層134BBで回折される。 The laser beams LR, LG, and LB propagated through the light guide plate 132 are diffracted by the red emission HOE layer 134RR, the green emission HOE layer 134GG, and the blue emission HOE layer 134BB, respectively.
赤色入射用HOE層133Rと赤色出射用HOE層134RRの格子周期は同一であり、HOE層内に記録されている干渉縞の層内傾斜は入射用HOEと出射用HOEとで鏡面対称となっている。
また、緑色入射用HOE層133Gと緑色出射用HOE層134GGの格子周期は同一であり、HOE層内に記録されている干渉縞の層内傾斜は入射用HOEと出射用HOEとで鏡面対称となっている。
同様に、青色入射用HOE層133Bと青色出射用HOE層134BBの格子周期は同一であり、HOE層内に記録されている干渉縞の層内傾斜は入射用HOEと出射用HOEとで鏡面対称となっている。
The grating periods of the red incident HOE layer 133R and the red outgoing HOE layer 134RR are the same, and the in-layer inclination of the interference fringes recorded in the HOE layer is mirror-symmetric between the incident HOE and the outgoing HOE. Yes.
The grating periods of the green incident HOE layer 133G and the green outgoing HOE layer 134GG are the same, and the in-layer inclination of the interference fringes recorded in the HOE layer is mirror-symmetric between the incident HOE and the outgoing HOE. It has become.
Similarly, the grating periods of the blue incident HOE layer 133B and the blue outgoing HOE layer 134BB are the same, and the in-layer inclination of the interference fringes recorded in the HOE layer is mirror-symmetric between the incident HOE and the outgoing HOE. It has become.
従って、各レーザー光LR、LG,LBは、分岐入射部133に入射する入射角と同じ角度で分岐出射部134から出射され、かつ高い回折効率で導光板132から分岐光LA’として取り出される。 Accordingly, each of the laser beams LR, LG, and LB is emitted from the branch emitting unit 134 at the same angle as the incident angle incident on the branch incident unit 133, and is extracted from the light guide plate 132 as the branched light LA 'with high diffraction efficiency.
また、各レーザー光LR、LG,LBは同じ角度で導光板132内を伝播するので、分岐出射部134で回折されて取り出される位置も同一となり、色による出射位置のずれ、すなわち色ムラの発生を抑制することができる。 Further, since each laser beam LR, LG, LB propagates through the light guide plate 132 at the same angle, the position where it is diffracted and taken out by the branch emission unit 134 is also the same, and the deviation of the emission position by color, that is, the occurrence of color unevenness Can be suppressed.
各分岐出射部134A〜134Dから射出された4本の光は、平面視で面状展開光学系20Bの対角四隅に入射される。本実施形態の面状展開光学系20Bと上記実施形態の面状展開光学系20との違いは、レーザー光LR,LG,LBに対応するHOE層を積層することで第1導光光学系21B、第2導光光学系22B及び第3導光光学系23Bの各光入射部及び各光出射部が構成される点である。 The four lights emitted from the branch emission parts 134A to 134D are incident on the four corners of the planar development optical system 20B in plan view. The difference between the planar development optical system 20B of this embodiment and the planar development optical system 20 of the above embodiment is that the first light guide optical system 21B is formed by stacking HOE layers corresponding to the laser beams LR, LG, and LB. The second light guide optical system 22B and the third light guide optical system 23B are configured with respective light incident portions and light output portions.
面状展開光学系20Bにおける第1導光光学系21B、第2導光光学系22B及び第3導光光学系23Bの各光入射部及び各光出射部でのレーザー光LR,LG,LBの振る舞い(回折および全反射による伝播)は分岐光学系135と同様であることから説明を省略する。 The laser light LR, LG, and LB at the light incident portions and the light exit portions of the first light guide optical system 21B, the second light guide optical system 22B, and the third light guide optical system 23B in the planar development optical system 20B. Since the behavior (propagation by diffraction and total reflection) is the same as that of the branching optical system 135, description thereof is omitted.
なお、各光出射部(第1光出射部13、第2光出射部16及び第3光出射部19)においては、RGB3色のレーザー光を回折する必要があるので、各色で2層のHOE層が必要となると合計で6層のHOE層が必要になってしまう。従って、1層のHOE層に2方向から来る全反射伝播光を回折できるように2つの干渉縞を多重記録しておくようにすれば、HOE層が3層で済むようになる。 In each light emitting part (the first light emitting part 13, the second light emitting part 16, and the third light emitting part 19), it is necessary to diffract the RGB three colors of laser light. If a layer is required, a total of six HOE layers are required. Therefore, if two interference fringes are recorded in multiple recording so that the total reflection propagating light coming from two directions can be diffracted in one HOE layer, three HOE layers are sufficient.
本実施形態の照明装置100Bによれば、波長帯の異なるレーザー光LR,LG,LBを含んだ入射光をx方向及びy方向に面状に展開して、均一な強度分布を有する白色の照明光を生成することができる。 According to the illuminating device 100B of the present embodiment, incident light including laser beams LR, LG, and LB having different wavelength bands is developed in a planar shape in the x direction and the y direction, and white illumination having a uniform intensity distribution. Light can be generated.
本実施形態の分岐光学系135は、1枚の導光板132にRGB各色の光に対応するHOE層を積層する構成を示したが、1枚の導光板132に1色に対応するHOE層を形成したものをRGB各色それぞれ用意し、3枚の導光板132を重ねて使用する態様も可能である。 The branching optical system 135 of this embodiment has a configuration in which a single light guide plate 132 is stacked with HOE layers corresponding to light of each color of RGB. However, a single light guide plate 132 has a single layer of HOE layer corresponding to one color. It is also possible to prepare the formed colors for each of the RGB colors and use the three light guide plates 132 in an overlapping manner.
あるいは、1枚の導光板132に2色に対応するHOE層を2層積層し、もう1枚の導光板132に残りの1色に対応するHOE層を形成し、これら2枚の導光板132を重ねて使用する態様も可能である。
なお、第1導光光学系21B、第2導光光学系22B及び第3導光光学系23Bの各光入射部及び各光出射部のHOE層についても同様である。
Alternatively, two HOE layers corresponding to two colors are stacked on one light guide plate 132, and an HOE layer corresponding to the remaining one color is formed on another light guide plate 132, and these two light guide plates 132 are formed. A mode in which these are used in an overlapping manner is also possible.
The same applies to each light incident portion and each light emitting portion of the first light guide optical system 21B, the second light guide optical system 22B, and the third light guide optical system 23B.
また、本実施形態においては、光源部130からの入射光Lを分岐光学系135に対して垂直に入射させる場合を例に挙げたが、これに限定されない。例えば、光源部130からの入射光Lをミラーで反射させて分岐光学系135に導くようにしても良い(図6参照)。
この構成によれば、照明装置100Aの奥行を更に薄くすることができる。
In the present embodiment, the case where the incident light L from the light source unit 130 is vertically incident on the branch optical system 135 is described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, the incident light L from the light source unit 130 may be reflected by a mirror and guided to the branching optical system 135 (see FIG. 6).
According to this configuration, the depth of lighting device 100A can be further reduced.
(第4実施形態)
続いて、本発明の第4実施形態として、画像表示装置の一態様について説明する。
本実施形態の画像表示装置は、上記実施形態で説明した照明装置100、100A,100Bを備えたものである。本実施形態では、画像表示装置として液晶表示装置を例に挙げて説明する。
(Fourth embodiment)
Subsequently, an aspect of the image display device will be described as a fourth embodiment of the present invention.
The image display apparatus according to this embodiment includes the illumination devices 100, 100A, and 100B described in the above embodiment. In the present embodiment, a liquid crystal display device will be described as an example of the image display device.
図8Aは液晶表示装置をz方向から視た図であり、図8Bは液晶表示装置のxz平面と平行な面における断面図である。
図8A,8Bに示すように、液晶表示装置50は、バックライト装置51と、液晶パネル(光変調装置)52とを備える。
8A is a view of the liquid crystal display device as viewed from the z direction, and FIG. 8B is a cross-sectional view of the liquid crystal display device in a plane parallel to the xz plane.
As shown in FIGS. 8A and 8B, the liquid crystal display device 50 includes a backlight device 51 and a liquid crystal panel (light modulation device) 52.
液晶パネル52は、一対の基板53,54と、該基板53,54に設けられた一対の電極55,56と、前記一対の基板53,54間に挟持される液晶層57とを備えた、透過型のパネルである。また、一対の基板53,54の液晶層57と反対側の面にはそれぞれ一対の偏光板が配置されている。 The liquid crystal panel 52 includes a pair of substrates 53, 54, a pair of electrodes 55, 56 provided on the substrates 53, 54, and a liquid crystal layer 57 sandwiched between the pair of substrates 53, 54. It is a transmissive panel. In addition, a pair of polarizing plates is disposed on the surface of the pair of substrates 53 and 54 opposite to the liquid crystal layer 57.
このような構成に基づき、液晶パネル52は、一対の電極55,56間に印加する電圧を調整することでバックライト装置51からの光を変調し、所望の画像を表示することが可能となっている。 Based on such a configuration, the liquid crystal panel 52 can modulate the light applied from the backlight device 51 by adjusting the voltage applied between the pair of electrodes 55 and 56 and display a desired image. ing.
バックライト装置51は、上記実施形態で説明した照明装置100、100A,100Bのいずれを用いて構成してもよいが、照明装置100Bを用いることでカラー画像を表示することが可能となる。なお、カラー画像を表示する場合、液晶パネル52は各画素にカラーフィルターを備える。
照明装置100Bは、各色の半導体レーザー130R,130G,130B(図7参照)を順次点灯させることにより、時間順次でカラー表示を行うことも可能である。
The backlight device 51 may be configured using any of the lighting devices 100, 100A, and 100B described in the above embodiment, but a color image can be displayed by using the lighting device 100B. When displaying a color image, the liquid crystal panel 52 includes a color filter for each pixel.
The illumination device 100B can perform color display in time sequence by sequentially turning on the semiconductor lasers 130R, 130G, and 130B (see FIG. 7) of each color.
本実施形態の液晶表示装置50によれば、上記のような照明装置100、100A,100からなるバックライト装置51で液晶パネル52を照明するので、明るい画像表示を行うことができる。 According to the liquid crystal display device 50 of the present embodiment, since the liquid crystal panel 52 is illuminated by the backlight device 51 including the illumination devices 100, 100A, 100 as described above, bright image display can be performed.
ところで、照明装置100Bからなるバックライト装置51から出射されたレーザー光はほぼ平行光となるため、そのまま液晶パネル52を照明した場合、真正面からしか画像を見ることが出来ず、液晶パネル52を斜めから見た時には、鑑賞者の眼に光(レーザー光)が入射せず、画像を視認することができなくなる。つまり、十分な視野角特性が得られないおそれがある。 By the way, since the laser light emitted from the backlight device 51 including the illumination device 100B becomes substantially parallel light, when the liquid crystal panel 52 is illuminated as it is, an image can be seen only from the front, and the liquid crystal panel 52 is tilted. When viewed from above, light (laser light) does not enter the viewer's eyes and the image cannot be viewed. That is, sufficient viewing angle characteristics may not be obtained.
視野角特性を向上させ、斜めから液晶パネル52を見ても画像が見えるようにするには、平行光であるレーザー光を、角度分布を持つ光に変換する必要がある。
そこで、バックライト装置51と液晶パネル52との間に光拡散シートを挿入することで、バックライト装置51(照明装置100B)から出る光の拡散性を調整するようにしても良い。
In order to improve the viewing angle characteristics so that an image can be seen even when the liquid crystal panel 52 is viewed from an oblique direction, it is necessary to convert parallel laser light into light having an angular distribution.
Therefore, the diffusibility of light emitted from the backlight device 51 (illuminating device 100B) may be adjusted by inserting a light diffusion sheet between the backlight device 51 and the liquid crystal panel 52.
また、図9に示すように、バックライト装置51と液晶パネル52との間にレンズアレイRAを配置することで光の拡散性を調整することもできる。レンズアレイRAは、マトリクス状に配置された小レンズRA1を有する。レンズアレイRAは、バックライト装置51からの各出射ビームに各小レンズRA1が対応する。
この構成によれば、各出射ビームが角度を持った状態に変換されるため、液晶パネル52を透過した光は拡散光として出射されるようになる。よって、液晶パネル52における視野角特性が向上する。
In addition, as shown in FIG. 9, the light diffusibility can be adjusted by arranging a lens array RA between the backlight device 51 and the liquid crystal panel 52. The lens array RA includes small lenses RA1 arranged in a matrix. In the lens array RA, each small lens RA1 corresponds to each outgoing beam from the backlight device 51.
According to this configuration, since each outgoing beam is converted into an angled state, the light transmitted through the liquid crystal panel 52 is emitted as diffused light. Therefore, the viewing angle characteristics in the liquid crystal panel 52 are improved.
また、可干渉性が高いレーザー光を用いることによって生じるスペックルノイズを低減すべく、光拡散シートを微小振幅で振動させるようにしても良い。あるいはバックライト装置51の導光板に入射するレーザー光の入射角を微小に変化させるようにしても良い。 Further, the light diffusing sheet may be vibrated with a minute amplitude in order to reduce speckle noise caused by using laser light having high coherence. Or you may make it change the incident angle of the laser beam which injects into the light-guide plate of the backlight apparatus 51 minutely.
(第5実施形態)
続いて、本発明の第5実施形態として、画像表示装置の別態様について説明する。
本実施形態の画像表示装置は、上記実施形態で説明した照明装置100、100A,100Bを備えたものである。本実施形態の画像表示装置は、使用者が頭に装着して使用するヘッドマウントディスプレイの一例である。
以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display)を、HMDと略記する。
(Fifth embodiment)
Subsequently, another aspect of the image display device will be described as a fifth embodiment of the present invention.
The image display apparatus according to this embodiment includes the illumination devices 100, 100A, and 100B described in the above embodiment. The image display apparatus according to the present embodiment is an example of a head mounted display that is used by a user wearing on the head.
In the following description, a head mounted display is abbreviated as HMD.
本実施形態のHMDは、シースルー型(透過型)のHMDである。本実施形態のHMDによれば、使用者は画像表示部により生成された画像を視認でき、かつ、HMDの外部の景色等の外界の像も視認できる。 The HMD of this embodiment is a see-through type (transmission type) HMD. According to the HMD of the present embodiment, the user can visually recognize the image generated by the image display unit, and can also visually recognize an external image such as a scenery outside the HMD.
図10はHMDの断面構成を示す図である。
図10に示すように、HMD60は、表示モジュール61と、投写レンズ62と、導光板63と、画像光入射部64と、画像光出射部65とを備える。本実施形態において、導光板63、画像光入射部64、画像光出射部65は、特許請求の範囲の「導光手段」に相当する。
FIG. 10 is a diagram showing a cross-sectional configuration of the HMD.
As shown in FIG. 10, the HMD 60 includes a display module 61, a projection lens 62, a light guide plate 63, an image light incident unit 64, and an image light output unit 65. In the present embodiment, the light guide plate 63, the image light incident part 64, and the image light emission part 65 correspond to “light guide means” in the claims.
表示モジュール61は、例えば、第4実施形態の液晶表示装置50から構成される。なお、表示モジュール61は上記照明装置100、100A、100Bを照明装置として備えたものであれば透過型の液晶表示装置に限定されることなく、反射型の液晶表示装置等を備えた構成であってもよい。 The display module 61 includes, for example, the liquid crystal display device 50 according to the fourth embodiment. The display module 61 is not limited to a transmissive liquid crystal display device as long as it includes the illuminating devices 100, 100A, and 100B as the illuminating device, and has a configuration including a reflective liquid crystal display device and the like. May be.
投写レンズ62は、表示モジュール61からの画像光G1を導光板63に形成された画像光入射部64に導く。導光板63は、例えばガラス基板から構成されている。画像光入射部64は、表示モジュール61からの画像光G1を、導光板63の臨界角以上の角度で伝播する光として回折させる。 The projection lens 62 guides the image light G <b> 1 from the display module 61 to the image light incident portion 64 formed on the light guide plate 63. The light guide plate 63 is made of, for example, a glass substrate. The image light incident unit 64 diffracts the image light G <b> 1 from the display module 61 as light propagating at an angle greater than the critical angle of the light guide plate 63.
本実施形態において、画像光入射部64及び画像光出射部65は回折光学素子、例えば、反射型体積HOE層から構成される。 In the present embodiment, the image light incident unit 64 and the image light output unit 65 are configured by a diffractive optical element, for example, a reflective volume HOE layer.
導光板63を伝播した画像光G1は画像光出射部65に複数回入射し、入射する度に画像光入射部64への入射角と同じ角度で回折されて観察者Mの眼MEに届き、画像(虚像)として観察できる。 The image light G1 propagated through the light guide plate 63 is incident on the image light emitting portion 65 a plurality of times, and is diffracted at the same angle as the incident angle to the image light incident portion 64 and reaches the eye ME of the observer M each time it enters. It can be observed as an image (virtual image).
反射型体積HOEからなる画像光出射部65は、ブラッグ回折条件を満たす波長近傍の光を強く回折し、その他の波長の光は回折せずに透過させるので、観察者Mは、眼MEの前にある画像光出射部65を通して外界を見ることができる。本実施形態において、画像光出射部65はコンバイナーとして機能する。 The image light emitting unit 65 composed of the reflective volume HOE strongly diffracts light in the vicinity of the wavelength satisfying the Bragg diffraction condition and transmits light of other wavelengths without being diffracted. Therefore, the observer M is in front of the eye ME. The external environment can be seen through the image light emitting portion 65 located in the area. In the present embodiment, the image light emitting unit 65 functions as a combiner.
本実施形態によれば、上記のような照明装置100、100A,100Bを備えることで明るい画像表示を行う液晶表示装置50を表示モジュール61に採用するため、明るい画像(虚像)を見ることができるとともに、高いシースルー性を有したHMDを提供できる。 According to this embodiment, since the liquid crystal display device 50 that performs bright image display by including the illumination devices 100, 100A, and 100B as described above is employed in the display module 61, a bright image (virtual image) can be seen. In addition, an HMD having high see-through performance can be provided.
本実施形態では、導光板63、画像光入射部64、画像光出射部65を用いて表示モジュール61の画像を観察者Mの眼MEに導く場合を例に挙げたが、図11に示すように、観察者Mの眼MEの前に光学コンバイナー70を配置するようにしても良い。
光学コンバイナー70は、反射型体積ホログラフィック光学素子(反射型体積HOE)からなる。
In the present embodiment, an example in which the image of the display module 61 is guided to the eye ME of the observer M using the light guide plate 63, the image light incident unit 64, and the image light emitting unit 65 is described as an example. In addition, the optical combiner 70 may be disposed in front of the eye ME of the observer M.
The optical combiner 70 includes a reflective volume holographic optical element (reflective volume HOE).
本実施形態の構成によれば、観察者Mの眼MEの前にある接眼光学系が薄い光学コンバイナー70だけなのでHMDを小型化及び軽量化することができる。
また、光学コンバイナー70として反射型体積HOEを用いるため、画像光G1を生成する波長帯の光だけを高効率で回折し、画像光G1以外の波長帯の外光G2をほぼ透過するので、明るい外界に明るい画像を重畳させて表示できるシースルー型のHMDを提供できる。
According to the configuration of this embodiment, since the eyepiece optical system in front of the eye ME of the observer M is only the thin optical combiner 70, the HMD can be reduced in size and weight.
Further, since the reflective volume HOE is used as the optical combiner 70, only the light in the wavelength band that generates the image light G1 is diffracted with high efficiency and the external light G2 in the wavelength band other than the image light G1 is almost transmitted, so that the light is bright. A see-through HMD capable of displaying a bright image superimposed on the outside can be provided.
なお、本実施形態では、片眼用のヘッドマウントディスプレイについて説明したが、両眼用のヘッドマウントディスプレイにも適用可能である。 In addition, although this embodiment demonstrated the head mounted display for one eye, it is applicable also to the head mounted display for both eyes.
(第6実施形態)
続いて、本発明の第6実施形態としてプロジェクターの一態様について説明する。
図12は本実施形態のプロジェクターにおける概略構成図である。
図12に示すように、本実施形態のプロジェクター1は、スクリーンSCR上にカラー画像を表示する投写型画像表示装置である。
(Sixth embodiment)
Next, one aspect of the projector will be described as the sixth embodiment of the invention.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram of the projector according to the present embodiment.
As shown in FIG. 12, the projector 1 of the present embodiment is a projection type image display device that displays a color image on a screen SCR.
プロジェクター1は、照明装置2と、色分離光学系3と、赤色光用光変調装置4Rと、緑色光用光変調装置4Gと、青色光用光変調装置4Bと、合成光学系5と、投写光学系6と、を備えている。
照明装置2は、白色の照明光WLを色分離光学系3に向けて射出する。照明装置2には、上記第3実施形態に係る照明装置100Bが用いられる。
The projector 1 includes an illumination device 2, a color separation optical system 3, a red light modulation device 4R, a green light modulation device 4G, a blue light modulation device 4B, a combining optical system 5, and a projection. And an optical system 6.
The illumination device 2 emits white illumination light WL toward the color separation optical system 3. As the lighting device 2, the lighting device 100B according to the third embodiment is used.
色分離光学系3は、照明装置2から射出された照明光WLを赤色光Rと緑色光Gと青色光Bとに分離する。色分離光学系3は、第1のダイクロイックミラー7aと、第2のダイクロイックミラー7bと、第1の反射ミラー8aと、第2の反射ミラー8bと、第3の反射ミラー8cと、第1のリレーレンズ9aと、第2のリレーレンズ9bと、を備えている。 The color separation optical system 3 separates the illumination light WL emitted from the illumination device 2 into red light R, green light G, and blue light B. The color separation optical system 3 includes a first dichroic mirror 7a, a second dichroic mirror 7b, a first reflection mirror 8a, a second reflection mirror 8b, a third reflection mirror 8c, and a first A relay lens 9a and a second relay lens 9b are provided.
第1のダイクロイックミラー7aは、照明装置2から射出された照明光WLを赤色光Rと、緑色光Gおよび青色光Bと、に分離する機能を有する。第1のダイクロイックミラー7aは、赤色光Rを透過し、緑色光Gおよび青色光Bを反射する。第2のダイクロイックミラー7bは、第1のダイクロイックミラー7aで反射した光を緑色光Gと青色光Bとに分離する機能を有する。第2のダイクロイックミラー7bは、緑色光Gを反射し、青色光Bを透過する。 The first dichroic mirror 7a has a function of separating the illumination light WL emitted from the illumination device 2 into red light R, green light G, and blue light B. The first dichroic mirror 7a transmits red light R and reflects green light G and blue light B. The second dichroic mirror 7b has a function of separating the light reflected by the first dichroic mirror 7a into green light G and blue light B. The second dichroic mirror 7b reflects green light G and transmits blue light B.
第1の反射ミラー8aは、赤色光Rの光路中に配置されている。第1の反射ミラー8aは、第1のダイクロイックミラー7aを透過した赤色光Rを赤色光用光変調装置4Rに向けて反射する。第2の反射ミラー8bと第3の反射ミラー8cとは、青色光Bの光路中に配置されている。第2の反射ミラー8bと第3の反射ミラー8cとは、第2のダイクロイックミラー7bを透過した青色光Bを青色光用光変調装置4Bに向けて反射させる。緑色光Gは、第2のダイクロイックミラー7bで反射し、緑色光用光変調装置4Gに向けて進む。 The first reflecting mirror 8a is disposed in the optical path of the red light R. The first reflection mirror 8a reflects the red light R transmitted through the first dichroic mirror 7a toward the light modulator 4R for red light. The second reflection mirror 8b and the third reflection mirror 8c are disposed in the optical path of the blue light B. The second reflection mirror 8b and the third reflection mirror 8c reflect the blue light B transmitted through the second dichroic mirror 7b toward the blue light modulation device 4B. The green light G is reflected by the second dichroic mirror 7b and proceeds toward the green light modulation device 4G.
第1のリレーレンズ9aと第2のリレーレンズ9bとは、青色光Bの光路中における第2のダイクロイックミラー7bの光射出側に配置されている。第1のリレーレンズ9aと第2のリレーレンズ9bとは、青色光Bの光路長が赤色光Rや緑色光Gの光路長よりも長くなることに起因した青色光Bの光損失を補償する機能を有している。 The first relay lens 9a and the second relay lens 9b are disposed on the light emission side of the second dichroic mirror 7b in the optical path of the blue light B. The first relay lens 9a and the second relay lens 9b compensate for the optical loss of the blue light B caused by the optical path length of the blue light B being longer than the optical path lengths of the red light R and the green light G. It has a function.
赤色光用光変調装置4Rは、赤色光Rを画像情報に応じて変調し、赤色光Rに対応した画像光を形成する。緑色光用光変調装置4Gは、緑色光Gを画像情報に応じて変調し、緑色光Gに対応した画像光を形成する。青色光用光変調装置4Bは、青色光Bを画像情報に応じて変調し、青色光Bに対応した画像光を形成する。 The light modulator 4R for red light modulates the red light R according to image information, and forms image light corresponding to the red light R. The green light modulation device 4G modulates the green light G according to the image information, and forms image light corresponding to the green light G. The blue light light modulation device 4B modulates the blue light B according to the image information to form image light corresponding to the blue light B.
赤色光用光変調装置4R、緑色光用光変調装置4G、および青色光用光変調装置4Bには、例えば透過型の液晶パネルが用いられる。また、液晶パネルの入射側および射出側には、図示しない一対の偏光板が配置されている。偏光板は、特定の方向の直線偏光光を透過させる。 For example, a transmissive liquid crystal panel is used for the light modulator for red light 4R, the light modulator for green light 4G, and the light modulator for blue light 4B. A pair of polarizing plates (not shown) are disposed on the incident side and the emission side of the liquid crystal panel. The polarizing plate transmits linearly polarized light in a specific direction.
赤色光用光変調装置4Rの入射側には、フィールドレンズ110Rが配置されている。緑色光用光変調装置4Gの入射側には、フィールドレンズ110Gが配置されている。青色光用光変調装置4Bの入射側には、フィールドレンズ110Bが配置されている。フィールドレンズ110Rは、赤色光用光変調装置4Rに入射する赤色光Rを平行化する。フィールドレンズ110Gは、緑色光用光変調装置4Gに入射する緑色光Gを平行化する。フィールドレンズ110Bは、青色光用光変調装置4Bに入射する青色光Bを平行化する。 A field lens 110R is arranged on the incident side of the red light light modulation device 4R. A field lens 110G is arranged on the incident side of the green light modulator 4G. A field lens 110B is disposed on the incident side of the blue light modulator 4B. The field lens 110R collimates the red light R incident on the red light light modulation device 4R. The field lens 110G collimates the green light G incident on the green light modulator 4G. The field lens 110B collimates the blue light B incident on the blue light light modulation device 4B.
合成光学系5は、赤色光R、緑色光G、および青色光Bのそれぞれに対応した画像光を合成し、合成された画像光を投写光学系6に向けて射出する。合成光学系5には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられる。 The combining optical system 5 combines the image light corresponding to each of the red light R, the green light G, and the blue light B, and emits the combined image light toward the projection optical system 6. For example, a cross dichroic prism is used for the combining optical system 5.
投写光学系6は、複数の投写レンズを含む投写レンズ群から構成されている。投写光学系6は、合成光学系5により合成された画像光をスクリーンSCRに向けて拡大投写する。これにより、スクリーンSCR上には、拡大されたカラー画像が表示される。 The projection optical system 6 includes a projection lens group including a plurality of projection lenses. The projection optical system 6 enlarges and projects the image light combined by the combining optical system 5 toward the screen SCR. As a result, an enlarged color image is displayed on the screen SCR.
本実施形態のプロジェクター1によれば、上記の照明装置100Bを備えることで明るい画像を投写することができる。 According to the projector 1 of the present embodiment, a bright image can be projected by providing the illumination device 100B.
なお、第6実施形態では、3つの光変調装置4R,4G,4Bを備えるプロジェクター1を例示したが、1つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイスなどを用いることもできる。 In the sixth embodiment, the projector 1 including the three light modulation devices 4R, 4G, and 4B is exemplified. However, the projector 1 can be applied to a projector that displays a color image with one light modulation device. Furthermore, the light modulation device is not limited to the above-described liquid crystal panel, and for example, a digital mirror device can be used.
また、図13に示すように、1枚の液晶パネル(光変調装置)52を1つの照明装置100,100A,100Bで直接照明し、投写光学系6でスクリーンSCRに画像を表示するプロジェクター1Aを構成することもできる。なお、単色の光を照射する照明装置100,100Aを用いる場合、液晶パネル52の画素にカラーフィルターを設ける必要はないが、3色の光を照射する照明装置100Bを用いる場合、液晶パネル52の画素にカラーフィルターを設けることでカラー画像の表示が可能になる。 As shown in FIG. 13, a projector 1A that directly illuminates one liquid crystal panel (light modulation device) 52 with one illumination device 100, 100A, 100B and displays an image on the screen SCR with the projection optical system 6 is provided. It can also be configured. Note that when the illumination devices 100 and 100A that irradiate monochromatic light are used, it is not necessary to provide a color filter for the pixels of the liquid crystal panel 52. However, when the illumination device 100B that irradiates three colors of light is used, A color image can be displayed by providing a color filter in the pixel.
あるいは、図14に示すように、RGB各色の照明光をそれぞれ照射する照明装置300R,300G,300Bと、該照明装置300R,300G,300Bに個別に対応して設けられる液晶パネル52R,52G,52Bと、合成光学系5と、投写光学系81と、を備えたプロジェクター1Bを構成することもできる。照明装置300R,300G,300Bは、上述の照明装置100,100Aと同一構成を有し、照射する光の波長帯のみが異なる。なお、液晶パネル52R,52G,52Bの各画素にカラーフィルターは設けられていない。 Alternatively, as shown in FIG. 14, illumination devices 300R, 300G, and 300B that respectively irradiate RGB illumination light and liquid crystal panels 52R, 52G, and 52B that are provided individually corresponding to the illumination devices 300R, 300G, and 300B, respectively. In addition, the projector 1B including the combining optical system 5 and the projection optical system 81 can be configured. The illumination devices 300R, 300G, and 300B have the same configuration as the illumination devices 100 and 100A described above, and differ only in the wavelength band of light to be irradiated. Note that no color filter is provided for each pixel of the liquid crystal panels 52R, 52G, and 52B.
プロジェクター1Bは、液晶パネル52R,52G,52Bで変調した画像光Gr,Gg,Gbを合成光学系5で合成してカラー画像KGをスクリーンSCRに投写する。
本変形例に係るプロジェクター1Bによれば、1枚の液晶パネルにカラーフィルターを設けてカラー画像を投射する場合より高解像の画像を投写することができ、かつ、レーザー光を用いることで明るい画像を投写することができる。
The projector 1B combines the image lights Gr, Gg, and Gb modulated by the liquid crystal panels 52R, 52G, and 52B by the combining optical system 5, and projects the color image KG onto the screen SCR.
According to the projector 1B according to the present modification, a higher resolution image can be projected than when a color image is projected by providing a color filter on a single liquid crystal panel, and it is brighter by using laser light. An image can be projected.
上記実施形態では本発明による照明装置をプロジェクターや液晶表示装置に搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。 In the above embodiment, an example in which the illumination device according to the present invention is mounted on a projector or a liquid crystal display device is shown, but the present invention is not limited to this. The lighting device according to the present invention can also be applied to lighting fixtures, automobile headlights, and the like.
1,1A,1B…プロジェクター、2…照明装置、4B…青色光用光変調装置、4G…緑色光用光変調装置、4R…赤色光用光変調装置、6…投写光学系、10,10A,10B…光源、11…第1導光板、11a…下面、12…第1光入射部、13…第1光出射部、14…第2導光板、14a…上面、15…光入射部、16…第2光出射部、17…第3導光板、17a…上面、18…光入射部、19…第3光出射部、20,20B…面状展開光学系、21,21B…第1導光光学系、22,22B…第2導光光学系、23,23B…第3導光光学系、32…第4導光板(導光部材)、33…分岐入射部、34…分岐出射部、35…分岐光学系、50…液晶表示装置(画像表示装置)、51…バックライト装置(照明装置)、52,52R,52G,52B…液晶パネル(光変調装置)、60…HMD(画像表示装置)、63…導光板、70…光学コンバイナー、81…投写光学系、100,100A,100B…照明装置、130G…半導体レーザー、130R…半導体レーザー、132…導光板、133…分岐入射部、135…分岐光学系、200…照明装置、210…光源、220…面状展開光学系、221,222…導光光学系、300R,300G,300B…照明装置、G1…画像光、Gr…画像光、KG…カラー画像、L1H…照明光、L1c…光、L1e…光、L1f…光、L1h…光、L2b…光、LB…レーザー光、LC…分岐光、LG…レーザー光、LL1,LL2…出射光、LL…入射光、LR…レーザー光、M…観察者、ME…眼、R…赤色光、G…緑色光、B…青色光、SCR…スクリーン、WL…照明光、G1…画像光。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1A, 1B ... Projector, 2 ... Illuminating device, 4B ... Light modulation device for blue light, 4G ... Light modulation device for green light, 4R ... Light modulation device for red light, 6 ... Projection optical system, 10, 10A, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10B ... Light source, 11 ... 1st light-guide plate, 11a ... Lower surface, 12 ... 1st light incident part, 13 ... 1st light-projection part, 14 ... 2nd light-guide plate, 14a ... Upper surface, 15 ... Light-incidence part, 16 ... 2nd light emission part, 17 ... 3rd light guide plate, 17a ... Upper surface, 18 ... Light incident part, 19 ... 3rd light emission part, 20, 20B ... Planar deployment optical system, 21, 21B ... 1st light guide optics System 22, 22, 22B ... 2nd light guide optical system, 23, 23B ... 3rd light guide optical system, 32 ... 4th light guide plate (light guide member), 33 ... Branch entrance part, 34 ... Branch exit part, 35 ... Branch optical system, 50 ... Liquid crystal display device (image display device), 51 ... Backlight device (illumination device), 52, 52R, 2G, 52B ... Liquid crystal panel (light modulation device), 60 ... HMD (image display device), 63 ... Light guide plate, 70 ... Optical combiner, 81 ... Projection optical system, 100, 100A, 100B ... Illumination device, 130G ... Semiconductor laser , 130R ... semiconductor laser, 132 ... light guide plate, 133 ... branch incident part, 135 ... branch optical system, 200 ... illumination device, 210 ... light source, 220 ... planar development optical system, 221, 222 ... light guide optical system, 300R , 300G, 300B ... lighting device, G1 ... image light, Gr ... image light, KG ... color image, L1H ... illumination light, L1c ... light, L1e ... light, L1f ... light, L1h ... light, L2b ... light, LB ... Laser light, LC ... branching light, LG ... laser light, LL1, LL2 ... emitted light, LL ... incident light, LR ... laser light, M ... observer, ME ... eye, R ... red light, G ... green Light, B ... blue light, SCR ... screen, WL ... illumination light, G1 ... image light.
Claims (15)
入射した光を前記第1方向と交差した第2方向に拡大して第2光出射部から出射する第2導光光学系と、を備え、
前記第1導光光学系は、一方の端部に設けられた第1光入射部と、前記一方の端部とは反対側の端部である他方の端部に設けられた第2光入射部と、を備え、
前記第2導光光学系は、前記第1導光光学系と光学的に接続し、
前記第1導光光学系は、前記第1光入射部に入射した光と前記第2光入射部に入射した光との両方が、それぞれ拡大されて前記第1光出射部から出射する光学系であることを特徴とする光学素子。 A first light guiding optical system that expands incident light in a first direction and emits the light from the first light emitting unit;
A second light guiding optical system that expands incident light in a second direction intersecting the first direction and emits the light from the second light emitting unit, and
The first light guide optical system includes a first light incident portion provided at one end portion and a second light incident portion provided at the other end portion opposite to the one end portion. And comprising
The second light guide optical system is optically connected to the first light guide optical system;
The first light guiding optical system is an optical system in which both the light incident on the first light incident portion and the light incident on the second light incident portion are enlarged and emitted from the first light emitting portion. An optical element characterized by the above.
前記第2導光光学系は、前記第2光出射部から出射した光が前記第1光入射部に入射するように配置され、
前記第3導光光学系は、前記第3光出射部から出射した光が前記第2光入射部に入射するように配置されていることを特徴とする
請求項1に記載の光学素子。 A third light guiding optical system for expanding the incident light in the second direction and emitting the light from the third light emitting unit;
The second light guide optical system is arranged so that light emitted from the second light emitting part is incident on the first light incident part,
2. The optical element according to claim 1, wherein the third light guide optical system is disposed so that light emitted from the third light emitting unit is incident on the second light incident unit. 3.
前記第3導光光学系は、前記第3導光光学系の両方の端部からそれぞれ光が入射されることを特徴とする
請求項2に記載の光学素子。 The second light guide optical system receives light from both ends of the second light guide optical system,
The optical element according to claim 2, wherein the third light guide optical system receives light from both ends of the third light guide optical system.
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光学素子。 4. The optical element according to claim 1, wherein each of the first light incident part and the first light emitting part includes a reflective volume holographic optical element. 5.
請求項4に記載の光学素子。 The period of the interference fringes of the reflection type volume holographic optical element of the first light incident part is provided to be the same period as the period of the interference fringes of the reflection type volume holographic optical element of the first light emitting part. The optical element according to claim 4.
請求項4又は5に記載の光学素子。 The in-layer inclination of the interference fringes of the reflective volume holographic optical element of the first light incident portion is the relationship between the in-layer inclination of the interference fringes of the reflective volume holographic optical element of the first light emitting portion and the specular object. The optical element according to claim 4, wherein the optical element is provided.
前記第1光入射部と前記第2光入射部との各々に光を出射する光源と、を備え、
前記第1導光光学系は、前記第1光出射部から出射した光が前記第2導光光学系に入射するように配置されることを特徴とする照明装置。 An optical element according to claim 1;
A light source that emits light to each of the first light incident part and the second light incident part,
The lighting device according to claim 1, wherein the first light guide optical system is arranged such that light emitted from the first light emitting unit is incident on the second light guide optical system.
前記第2導光光学系と前記第3導光光学系との各々に光を出射する光源と、
を備えることを特徴とする
照明装置。 An optical element according to claim 2 or 3,
A light source that emits light to each of the second light guide optical system and the third light guide optical system;
A lighting device comprising:
前記分岐光学系は、
導光部材と、
光を分岐して前記導光部材に入射させる分岐入射部と、
前記分岐入射部から入射された分岐光を前記光学素子に向けて出射する分岐出射部と、
を有することを特徴とする
請求項7又は8に記載の照明装置。 The light source includes a branching optical system that branches light;
The branch optical system is:
A light guide member;
A branch incident part for branching light to enter the light guide member;
A branch emission part for emitting the branched light incident from the branch incident part toward the optical element;
The lighting device according to claim 7 or 8, wherein
前記分岐入射部は、前記分岐光が平面視で前記導光部材の対角四隅に向かうように光を分岐することを特徴とする
請求項9に記載の照明装置。 The light guide member is rectangular in plan view,
The lighting device according to claim 9, wherein the branch incident unit branches light so that the branched light travels toward the four corners of the light guide member in plan view.
請求項9又は10に記載の照明装置。 The illumination device according to claim 9, further comprising a mirror that reflects light and guides the light to the branching optical system.
前記照明装置からの照明光を変調する光変調装置と、
を備えることを特徴とする
画像表示装置。 The lighting device according to any one of claims 7 to 11,
A light modulation device for modulating illumination light from the illumination device;
An image display device comprising:
請求項12に記載の画像表示装置。 The image display device according to claim 12, further comprising a light guide unit that guides image light modulated by the light modulation device to an eye of an observer.
請求項13に記載の画像表示装置。 The image display apparatus according to claim 13, wherein the light guiding unit includes a reflective volume holographic optical element.
前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
前記画像光を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする
プロジェクター。 The lighting device according to any one of claims 7 to 11,
A light modulation device that forms image light by modulating light from the illumination device according to image information; and
A projector comprising: a projection optical system that projects the image light.
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