JP2018066799A - Image display device and optical see-through display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は画像表示装置と光学シースルーディスプレイに関するものであり、例えば、液晶表示素子(LCD:liquid crystal display)の2次元映像をホログラム光学素子(HOE:holographic optical element)を用いて観察者眼に投影表示するシースルー型の画像表示装置と、その画像表示装置を備えたHMD(head mounted display)等の光学シースルーディスプレイに関するものである。 The present invention relates to an image display device and an optical see-through display. For example, a two-dimensional image of a liquid crystal display (LCD) is projected onto an observer's eye using a holographic optical element (HOE). The present invention relates to a see-through type image display device for displaying and an optical see-through display such as an HMD (head mounted display) equipped with the image display device.
ヘッドマウントディスプレイ(HMD)は、頭部に装着するという装着形態から、高い光学性能を有しながらも高い装着性を有することが必要とされる。ここで装着性とは、装着者が不快感を感じないような軽さ,ずれにくさ等を有することをいう。したがってHMDに限らず、身体の一部(首,肩,腕等)に装着するタイプのディスプレイには高い装着性が必要とされる。その装着性を向上させるため、反射型液晶表示素子,導光プリズム,平面型PBS(polarizing beam splitter),照明光学系,LED(light emitting diode)光源等の構成要素を有するシースルー型のHMDが、特許文献1〜4で提案されている。
A head-mounted display (HMD) is required to have high wearability while having high optical performance, from the mounting form of being mounted on the head. Here, the wearability means that the wearer does not feel uncomfortable, and is light and difficult to shift. Therefore, not only the HMD but also a display of a type that is worn on a part of the body (neck, shoulder, arm, etc.) requires high wearability. A see-through type HMD having components such as a reflective liquid crystal display element, a light guide prism, a flat type PBS (polarizing beam splitter), an illumination optical system, an LED (light emitting diode) light source, It is proposed in
特許文献1に記載の画像表示装置は、画像光を2回反射させる導光プリズムと、反射型液晶表示素子と、PBSと、照明光学系と、LED光源と、を有するものである。特許文献2に記載の画像表示装置は、画像光を2回反射させる導光プリズムと、反射型液晶表示素子と、を有するものである。特許文献3に記載の画像表示装置は、画像光を3回反射させる導光プリズムと、平面型PBSと、照明光学系とを有するものであり、導光プリズムにはパワーのある反射面が1面だけ設けられており、平面型PBSがプリズム面に接合されている。特許文献4に記載の画像表示装置は、画像光を2回反射させる導光プリズムと、反射型液晶表示素子と、照明光学系と、LED光源と、を有するものである。
The image display device described in
しかし、特許文献1〜4に記載の画像表示装置は、反射型液晶表示素子の画像表示面での折り返し断面において、画像表示面に対するすべての主光線の入射角が大きいため、画像表示装置全体が大型化している。そして、画像表示装置全体を小型化しようとすると、瞳サイズや画面サイズを十分に確保することが困難になる。
However, the image display devices described in
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、十分な大きさの瞳サイズと画面サイズを持ちながら小型で軽量の画像表示装置及びそれを備えた装着性の良い光学シースルーディスプレイを提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a small and lightweight image display device having a sufficiently large pupil size and screen size, and to be easily mounted with the image display device. It is to provide an optical see-through display.
上記目的を達成するために、第1の発明の画像表示装置は、照明光を発する光源と、入射光をコリメートする照明光学系と、入射光の偏光分離を行う平面型の偏光ビームスプリッターと、入射光に対し画像表示のための空間変調を行う反射型の液晶表示素子と、入射面から入射してきた入射光を2回の反射後に射出面から射出させるプリズムとを有し、
前記プリズムにパワーのある反射面を有し、
前記光源からの照明光を前記照明光学系でコリメートし、そのコリメートされた照明光を前記偏光ビームスプリッターで反射させ、その反射した照明光を前記液晶表示素子で空間変調することにより画像光を生成し、その画像光を前記偏光ビームスプリッターでの透過後に前記入射面からプリズム内に入射させ、その画像光を前記射出面で反射させた後に前記パワーのある反射面で反射させて前記射出面からプリズム外へ射出し、観察者の瞳に入射させる画像表示装置であって、
前記液晶表示素子の画面中央に対する入射直前の照明光の主光線と、その反射直後の画像光の主光線と、を含む平面を折り返し断面とするとき、
前記折り返し断面におけるすべての主光線について以下の条件式(1)を満足し、
以下の条件式(2)〜(7)を満足することを特徴とする。
0<θ<5 …(1)
30<φ<47 …(2)
P/S×L>4 …(3)
H/P>0.2 …(4)
S<9 …(5)
0.43<D2/D1<2.2 …(6)
4.0<P×T/(D1+D2)<25 …(7)
ただし、
θ:折り返し断面での液晶表示素子の画面に対する主光線の入射角(度)、
φ:偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線と液晶表示素子の画面の法線とのなす角度(度)、
P:パワーのある反射面の焦点距離(mm)、
S:照明光学系の焦点距離(mm)、
L:折り返し断面における光源の大きさ(mm)、
H:折り返し断面における液晶表示素子の大きさ(mm)、
D1:液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、照明光学系の射出面から偏光ビームスプリッターまでの距離(mm)、
D2:液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、偏光ビームスプリッターから液晶表示素子までの距離(mm)、
T:折り返し断面において照明光学系の光軸に対して垂直方向に占める照明光学系の大きさ(mm)、
である。
In order to achieve the above object, an image display apparatus according to a first invention includes a light source that emits illumination light, an illumination optical system that collimates incident light, a planar polarization beam splitter that performs polarization separation of incident light, A reflective liquid crystal display element that performs spatial modulation for image display with respect to incident light, and a prism that causes incident light incident from the incident surface to exit from the exit surface after being reflected twice,
The prism has a reflective surface with power,
Illumination light from the light source is collimated by the illumination optical system, the collimated illumination light is reflected by the polarization beam splitter, and the reflected illumination light is spatially modulated by the liquid crystal display element to generate image light. The image light is incident on the prism from the incident surface after being transmitted by the polarization beam splitter, and the image light is reflected by the reflecting surface having the power after being reflected by the emitting surface. An image display device that emits out of the prism and enters the pupil of an observer,
When a plane including the chief ray of illumination light just before incidence on the center of the screen of the liquid crystal display element and the chief ray of image light just after reflection is a folded section,
The following conditional expression (1) is satisfied for all principal rays in the folded section:
The following conditional expressions (2) to (7) are satisfied.
0 <θ <5 (1)
30 <φ <47 (2)
P / S × L> 4 (3)
H / P> 0.2 (4)
S <9 (5)
0.43 <D2 / D1 <2.2 (6)
4.0 <P × T / (D1 + D2) <25 (7)
However,
θ: the incident angle (degrees) of the principal ray with respect to the screen of the liquid crystal display element in the folded section,
φ: Angle (degrees) between the normal of the polarization separation plane of the polarizing beam splitter and the normal of the screen of the liquid crystal display element,
P: focal length (mm) of the reflecting surface with power,
S: Focal length of illumination optical system (mm),
L: the size (mm) of the light source in the folded section,
H: size of liquid crystal display element in folded section (mm),
D1: distance (mm) from the exit surface of the illumination optical system to the polarization beam splitter in the principal ray of illumination light incident on the center of the screen of the liquid crystal display element;
D2: distance (mm) from the polarizing beam splitter to the liquid crystal display element in the principal ray of illumination light incident on the center of the screen of the liquid crystal display element;
T: the size (mm) of the illumination optical system that occupies the folded section in the direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system,
It is.
第2の発明の画像表示装置は、上記第1の発明において、以下の条件式(7a)を満足することを特徴とする。
4.0<P×T/(D1+D2)<13 …(7a)
ただし、
P:パワーのある反射面の焦点距離(mm)、
T:折り返し断面において照明光学系の光軸に対して垂直方向に占める照明光学系の大きさ(mm)、
D1:液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、照明光学系の射出面から偏光ビームスプリッターまでの距離(mm)、
D2:液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、偏光ビームスプリッターから液晶表示素子までの距離(mm)、
である。
An image display device according to a second aspect of the invention is characterized in that, in the first aspect of the invention, the following conditional expression (7a) is satisfied.
4.0 <P × T / (D1 + D2) <13 (7a)
However,
P: focal length (mm) of the reflecting surface with power,
T: the size (mm) of the illumination optical system that occupies the folded section in the direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system,
D1: distance (mm) from the exit surface of the illumination optical system to the polarization beam splitter in the principal ray of illumination light incident on the center of the screen of the liquid crystal display element;
D2: distance (mm) from the polarizing beam splitter to the liquid crystal display element in the principal ray of illumination light incident on the center of the screen of the liquid crystal display element;
It is.
第3の発明の画像表示装置は、上記第1又は第2の発明において、前記プリズムに設けられている前記パワーのある反射面が1面のみであり、前記偏光ビームスプリッターが前記プリズムの入射面に接合されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the image display device according to the first or second aspect, wherein the prism has only one reflecting surface having power, and the polarizing beam splitter is an incident surface of the prism. It is characterized by being joined to.
第4の発明の画像表示装置は、上記第1〜第3のいずれか1つの発明において、以下の条件式(8)を満足することを特徴とする。
18<K<30 …(8)
ただし、
K:液晶表示素子の画面中央から射出した主光線の光路におけるプリズムの射出面から射出瞳までの光路長(mm)、
である。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the image display device according to any one of the first to third aspects, wherein the following conditional expression (8) is satisfied.
18 <K <30 (8)
However,
K: optical path length (mm) from the exit surface of the prism to the exit pupil in the optical path of the principal ray exiting from the center of the screen of the liquid crystal display element;
It is.
第5の発明の画像表示装置は、上記第1〜第4のいずれか1つの発明において、前記パワーのある反射面がホログラム面であることを特徴とする。 The image display device of a fifth invention is characterized in that, in any one of the first to fourth inventions, the reflective surface having power is a hologram surface.
第6の発明の画像表示装置は、上記第5の発明において、前記ホログラム面が偏心方向に対して垂直方向にのみ曲率のある形状を有することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the fifth aspect, the hologram surface has a shape having a curvature only in a direction perpendicular to an eccentric direction.
第7の発明の画像表示装置は、上記第5又は第6の発明において、以下の条件式(9)を満足することを特徴とする。
83<M<120 …(9)
ただし、
M:ホログラム面の法線と液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線とのなす角度(度)、
である。
An image display device according to a seventh invention is characterized in that, in the fifth or sixth invention, the following conditional expression (9) is satisfied.
83 <M <120 (9)
However,
M: Angle (degrees) between the normal of the hologram surface and the lower marginal ray of the screen angle of view of the liquid crystal display element,
It is.
第8の発明の画像表示装置は、上記第1〜第7のいずれか1つの発明において、以下の条件式(10)を満足することを特徴とする。
L1<2.0 …(10)
ただし、
L1:液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線の光路におけるプリズムの射出面での反射位置からパワーのある反射面までの物理的光路長(mm)、
である。
An image display apparatus according to an eighth invention is characterized in that, in any one of the first to seventh inventions, the following conditional expression (10) is satisfied.
L1 <2.0 (10)
However,
L1: Physical optical path length (mm) from the reflection position on the exit surface of the prism to the reflective surface with power in the optical path of the lower marginal ray of the lower screen angle of view of the liquid crystal display element;
It is.
第9の発明の画像表示装置は、上記第1〜第8のいずれか1つの発明において、以下の条件式(11)を満足することを特徴とする。
L2<5.0 …(11)
ただし、
L2:液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムの入射面から射出面での反射位置までの物理的光路長(mm)、
である。
An image display device according to a ninth invention is characterized in that, in any one of the first to eighth inventions, the following conditional expression (11) is satisfied.
L2 <5.0 (11)
However,
L2: physical optical path length (mm) from the incident surface of the prism to the reflection position on the exit surface in the optical path of the upper marginal ray of the on-screen angle of view of the liquid crystal display element;
It is.
第10の発明の画像表示装置は、上記第1〜第9のいずれか1つの発明において、前記照明光学系の焦点位置付近に、前記光源としてLED光源が配置されていることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in any one of the first to ninth aspects, an LED light source is arranged as the light source in the vicinity of a focal position of the illumination optical system.
第11の発明の画像表示装置は、上記第1〜第10のいずれか1つの発明において、前記照明光学系が単レンズであるフレネルレンズを有することを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided the image display device according to any one of the first to tenth aspects, wherein the illumination optical system includes a Fresnel lens that is a single lens.
第12の発明の画像表示装置は、上記第1〜第11のいずれか1つの発明において、前記照明光学系が前記折り返し断面に対して垂直方向に拡散性のある拡散板を有し、前記光源として、三原色RGBに対応した独立のLED光源が、前記折り返し断面に対して垂直方向に配置されていることを特徴とする。 The image display device according to a twelfth aspect of the present invention is the image display device according to any one of the first to eleventh aspects, wherein the illumination optical system includes a diffuser plate that is diffusible in a direction perpendicular to the folded cross section. As described above, independent LED light sources corresponding to the three primary colors RGB are arranged in a direction perpendicular to the folded cross section.
第13の発明の画像表示装置は、上記第1〜第12のいずれか1つの発明において、前記射出面に対して平行なプリズム面を備えるように前記パワーのある反射面に接着された第2のプリズムを更に有することを特徴とする。 An image display device according to a thirteenth aspect of the present invention is the image display device according to any one of the first to twelfth aspects, wherein the second display surface is bonded to the reflective surface having the power so as to have a prism surface parallel to the exit surface. The prism is further provided.
第14の発明の画像表示装置は、上記第1〜第13のいずれか1つの発明において、以下の条件式(12)を満足することを特徴とする。
0.65<D/B<1.0 …(12)
ただし、
B:第2のプリズムの厚み(mm)、
D:液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムのパワーのある反射面から射出面までの距離(mm)、
である。
An image display device according to a fourteenth invention is characterized in that, in any one of the first to thirteenth inventions, the following conditional expression (12) is satisfied.
0.65 <D / B <1.0 (12)
However,
B: thickness of second prism (mm),
D: distance (mm) from the reflecting surface having the power of the prism to the exit surface in the optical path of the upper marginal ray of the on-screen angle of view of the liquid crystal display element;
It is.
第15の発明の画像表示装置は、上記第1〜第14のいずれか1つの発明において、以下の条件式(12a)を満足することを特徴とする。
0.8<D/B<0.9 …(12a)
ただし、
B:第2のプリズムの厚み(mm)、
D:液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムのパワーのある反射面から射出面までの距離(mm)、
である。
An image display device according to a fifteenth aspect of the invention is characterized in that, in any one of the first to fourteenth aspects, the following conditional expression (12a) is satisfied.
0.8 <D / B <0.9 (12a)
However,
B: thickness of second prism (mm),
D: distance (mm) from the reflecting surface having the power of the prism to the exit surface in the optical path of the upper marginal ray of the on-screen angle of view of the liquid crystal display element;
It is.
第16の発明の光学シースルーディスプレイは、上記第1〜第15のいずれか1つの発明に係る画像表示装置を搭載することにより、前記ホログラム面で前記液晶表示素子の表示画像を観察者眼にシースルーで投影表示する機能を備えたことを特徴とする。 An optical see-through display according to a sixteenth aspect of the present invention is equipped with the image display device according to any one of the first to fifteenth aspects of the present invention, so that the display image of the liquid crystal display element is seen through to the observer's eye on the hologram surface. It is characterized by having a function of projecting and displaying.
第17の発明の光学シースルーディスプレイは、上記第16の発明において、前記ホログラム面が観察者眼の前方に位置するように前記画像表示装置を支持する支持部材を備えたことを特徴とする。 An optical see-through display according to a seventeenth aspect is characterized in that, in the sixteenth aspect, a support member is provided for supporting the image display device so that the hologram surface is positioned in front of an observer's eye.
本発明によれば、十分な大きさの瞳サイズと画面サイズを持ちながら小型で軽量の画像表示装置と、それを備えた装着性の良い光学シースルーディスプレイを実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a small and lightweight image display device having a sufficiently large pupil size and screen size, and an optical see-through display having the wearability.
以下、本発明の実施の形態に係る画像表示装置,光学シースルーディスプレイ等を説明する。なお、実施の形態,実施例等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。 Hereinafter, an image display device, an optical see-through display, and the like according to embodiments of the present invention will be described. Note that the same or corresponding parts in the embodiments, examples, and the like are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted as appropriate.
本発明の実施の形態に係る画像表示装置は、照明光を発する光源と、入射光をコリメートする照明光学系と、入射光の偏光分離を行う平面型の偏光ビームスプリッターと、入射光に対し画像表示のための空間変調を行う反射型の液晶表示素子と、入射面から入射してきた入射光を2回の反射後に射出面から射出させるプリズムとを有するものである。そして、前記プリズムにはパワーのある反射面を有しており(パワー:焦点距離の逆数で定義される量)、前記光源からの照明光を前記照明光学系でコリメートし、そのコリメートされた照明光を前記偏光ビームスプリッターで反射させ、その反射した照明光を前記液晶表示素子で空間変調することにより画像光を生成し、その画像光を前記偏光ビームスプリッターでの透過後に前記入射面からプリズム内に入射させ、その画像光を前記射出面で反射させた後に前記パワーのある反射面で反射させて前記射出面からプリズム外へ射出し、観察者の瞳に入射させる構成になっている。 An image display device according to an embodiment of the present invention includes a light source that emits illumination light, an illumination optical system that collimates incident light, a planar polarization beam splitter that performs polarization separation of incident light, and an image for incident light. It has a reflective liquid crystal display element that performs spatial modulation for display, and a prism that emits incident light incident from an incident surface after being reflected twice. The prism has a reflective surface with power (power: an amount defined by the reciprocal of the focal length), and the illumination light from the light source is collimated by the illumination optical system, and the collimated illumination is obtained. Light is reflected by the polarization beam splitter, and the reflected illumination light is spatially modulated by the liquid crystal display element to generate image light. The image light is transmitted through the polarization beam splitter and then enters the prism from the incident surface. Then, the image light is reflected by the exit surface, then reflected by the reflective surface having power, exits the prism from the exit surface, and enters the observer's pupil.
また、上記画像表示装置は、前記液晶表示素子の画面中央に対する入射直前の照明光の主光線と、その反射直後の画像光の主光線と、を含む平面を折り返し断面とするとき、前記折り返し断面におけるすべての主光線について以下の条件式(1)を満足し、以下の条件式(2)〜(7)を満足することを特徴としている。
0<θ<5 …(1)
30<φ<47 …(2)
P/S×L>4 …(3)
H/P>0.2 …(4)
S<9 …(5)
0.43<D2/D1<2.2 …(6)
4.0<P×T/(D1+D2)<25 …(7)
ただし、
θ:折り返し断面での液晶表示素子の画面に対する主光線の入射角(度)、
φ:偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線と液晶表示素子の画面の法線とのなす角度(度)、
P:パワーのある反射面の焦点距離(mm)、
S:照明光学系の焦点距離(mm)、
L:折り返し断面における光源の大きさ(mm)、
H:折り返し断面における液晶表示素子の大きさ(mm)、
D1:液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、照明光学系の射出面から偏光ビームスプリッターまでの距離(mm)、
D2:液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、偏光ビームスプリッターから液晶表示素子までの距離(mm)、
T:折り返し断面において照明光学系の光軸に対して垂直方向に占める照明光学系の大きさ(mm)、
である。
Further, the image display device has a folded section when a plane including a principal ray of illumination light immediately before incidence with respect to the center of the screen of the liquid crystal display element and a principal ray of image light just after reflection is a folded section. It is characterized in that the following conditional expression (1) is satisfied for all the chief rays in and the following conditional expressions (2) to (7) are satisfied.
0 <θ <5 (1)
30 <φ <47 (2)
P / S × L> 4 (3)
H / P> 0.2 (4)
S <9 (5)
0.43 <D2 / D1 <2.2 (6)
4.0 <P × T / (D1 + D2) <25 (7)
However,
θ: the incident angle (degrees) of the principal ray with respect to the screen of the liquid crystal display element in the folded section,
φ: Angle (degrees) between the normal of the polarization separation plane of the polarizing beam splitter and the normal of the screen of the liquid crystal display element,
P: focal length (mm) of the reflecting surface with power,
S: Focal length of illumination optical system (mm),
L: the size (mm) of the light source in the folded section,
H: size of liquid crystal display element in folded section (mm),
D1: distance (mm) from the exit surface of the illumination optical system to the polarization beam splitter in the principal ray of illumination light incident on the center of the screen of the liquid crystal display element;
D2: distance (mm) from the polarizing beam splitter to the liquid crystal display element in the principal ray of illumination light incident on the center of the screen of the liquid crystal display element;
T: the size (mm) of the illumination optical system that occupies the folded section in the direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system,
It is.
照明用の光源としては、LED光源,レーザー光源,有機EL(Organic Electro-Luminescence)光源等が挙げられる。光源からの照明光を照明光学系でコリメートすることにより、光源が発した照明光を効率良く観察者の瞳に届けることができる。その照明光を空間変調するだけでなく光の折り返しによる小型化のために、反射型の液晶表示素子を用いている。そして、小さな空間において、反射型の液晶表示素子に入射させる偏光を規定し、さらに変調された光を選択的に透過させるために、平面型の偏光ビームスプリッター(平面型PBS)を用いている。反射による偏光の生成と透過による偏光の選択との2つの偏光分離機能を利用することにより、光学構成の小型化を達成することができる。またプリズムでは、入射から射出までの間に2回の反射が行われる。プリズムで2回反射の導光光学系を構成することにより、大型部品である反射型の液晶表示素子を観察者眼の反対側に配置することができる。その結果、液晶表示素子と観察者の額部や眼鏡との干渉を回避することができる。 Examples of the light source for illumination include an LED light source, a laser light source, and an organic EL (Organic Electro-Luminescence) light source. By collimating the illumination light from the light source with the illumination optical system, the illumination light emitted by the light source can be efficiently delivered to the observer's pupil. In addition to spatially modulating the illumination light, a reflective liquid crystal display element is used for miniaturization by turning back the light. A planar polarization beam splitter (planar PBS) is used to define the polarized light incident on the reflective liquid crystal display element in a small space and to selectively transmit the modulated light. By utilizing the two polarization separation functions of generating polarized light by reflection and selecting polarized light by transmission, it is possible to reduce the size of the optical configuration. In the prism, reflection is performed twice between the incidence and the emission. By configuring the light guide optical system reflecting twice with the prism, the reflective liquid crystal display element, which is a large component, can be disposed on the opposite side of the observer's eye. As a result, it is possible to avoid interference between the liquid crystal display element and the forehead or glasses of the observer.
上記の各部品の配置構成と光学的な構成に関して、以下に説明するように前記条件式(1)〜(7)を満たすことにより、十分な大きさの瞳サイズと画面サイズを確保しながら画像表示装置を軽量小型化することができ、それを備えることで、装着性の良いHMD等の光学シースルーディスプレイの実現が可能となる。 With respect to the arrangement configuration and optical configuration of each of the above-mentioned parts, an image can be obtained while ensuring a sufficiently large pupil size and screen size by satisfying the conditional expressions (1) to (7) as described below. The display device can be reduced in weight and size, and by including the display device, it is possible to realize an optical see-through display such as an HMD with good wearability.
条件式(1)と条件式(2)を満たすことにより、折り返し断面におけるスペースの小型化と、部品の小型化による軽量化と、が可能となる。液晶表示素子に対してテレセントリックであって、その画面に対する光線の角度が90°の折り返しの反射であると、光学系(平面型PBS等)が最小となるので、条件式(1)を満たせば、その折り返し反射の条件からは大きく外れることがない。つまり、条件式(1)は、反射型液晶表示素子の画面に対する入射時と反射時の主光線がほぼ一致するということを意味している。同様に、条件式(2)は、平面型PBSの偏光分離面と液晶表示素子の画面とがほぼ45°をなすことを意味している。条件式(2)を満たせば、平面型PBSは面積が小さくなるので軽量小型化が可能となる。また、条件式(2)の下限を上回ることで照明光学系の成立が容易になり、条件式(2)の上限を下回ることで、光源が観測者の額や目に干渉しないようにすることが容易になる。 By satisfying conditional expression (1) and conditional expression (2), it is possible to reduce the space in the folded section and reduce the weight by reducing the size of the parts. If it is telecentric with respect to the liquid crystal display element and the angle of the light ray with respect to the screen is 90 ° reflection, the optical system (planar PBS or the like) becomes minimum, so that conditional expression (1) is satisfied. The condition of the reflected reflection is not greatly deviated. That is, conditional expression (1) means that the principal rays at the time of incidence and reflection at the screen of the reflective liquid crystal display element substantially coincide. Similarly, the conditional expression (2) means that the polarization separation plane of the flat PBS and the screen of the liquid crystal display element form approximately 45 °. If the conditional expression (2) is satisfied, the area of the planar PBS is reduced, and thus it is possible to reduce the weight and size. Also, if the lower limit of conditional expression (2) is exceeded, the illumination optical system is easily established, and if the lower limit of conditional expression (2) is not reached, the light source should not interfere with the observer's forehead or eyes. Becomes easier.
条件式(3)は、パワーのある反射面の焦点距離(ホログラム面の場合には回折作用による焦点距離)Pと、照明光学系の焦点距離Sと、折り返し断面での光源の大きさLと、の関係を規定している。一般的な人間の瞳の大きさは4mmなので、それよりも観察範囲(射出瞳)が大きいことを条件式(3)で規定している。つまり、条件式(3)を満たすことにより、表示画像が良く見えるような十分な大きさの瞳サイズを確保することができる(瞳サイズの大型化)。 Conditional expression (3) indicates that the focal length of the reflecting surface with power (focal length due to diffraction action in the case of a hologram surface) P, the focal length S of the illumination optical system, and the size L of the light source in the folded section. Stipulates the relationship. Since the size of a general human pupil is 4 mm, conditional expression (3) defines that the observation range (exit pupil) is larger than that. That is, by satisfying conditional expression (3), it is possible to secure a sufficiently large pupil size so that the display image can be seen well (increasing pupil size).
条件式(4)は、折り返し断面での液晶表示素子の大きさHと、パワーのある反射面の焦点距離(ホログラム面の場合には回折作用による焦点距離)Pと、の関係を規定している。これは折り返し断面方向の画角に相当する条件設定であるので、条件式(4)を満たすことにより、観察者に大きな画像を提供するための画面サイズを確保することができる(画面サイズの大型化)。 Conditional expression (4) defines the relationship between the size H of the liquid crystal display element in the folded section and the focal length (focal length due to diffractive action in the case of a hologram surface) P of the reflecting surface having power. Yes. Since this is a condition setting corresponding to the angle of view in the folded section direction, satisfying conditional expression (4) can ensure a screen size for providing a large image to the observer (large screen size). ).
条件式(5)は、照明光学系のパワーを規定している。この条件式(5)を満たすことにより、部品を軽量化しながら、光源と観察者の額や眼鏡との干渉を容易に回避することが可能になる。 Conditional expression (5) defines the power of the illumination optical system. By satisfying this conditional expression (5), it is possible to easily avoid interference between the light source and the forehead of the observer or glasses while reducing the weight of the parts.
条件式(6)は、照明光学系の射出面から平面型PBSまでの距離D1と平面型PBSから反射型液晶表示素子までの距離D2との比を、液晶表示素子の画面中央に入射する照明光束の主光線を基準として規定している。プリズム上の平面型PBSには照明光及び画像光が入射するため、照明光学系と液晶表示素子との重量バランスをとる必要があり、照明光学系の重心位置を適正に決めることが重要になる。条件式(6)は光学系全体の重心をプリズム近辺に保持するための条件設定であり、この条件式(6)を満たすことにより、画像表示装置を搭載したHMD等のディスプレイを装着したときの装着ズレを防ぐことができる(高い装着性)。距離D2が長すぎて条件式(6)の上限を上回ると、液晶表示素子が遠くに離れるため、光学系全体の重心が前方に移動してしまい、HMD等のディスプレイがずれやすくなる。距離D1が長すぎて条件式(6)の下限を下回ると、光学系全体の重心が上方に移動してしまい、HMD等のディスプレイがずれやすくなる。 Conditional expression (6) indicates that the ratio of the distance D1 from the exit surface of the illumination optical system to the flat type PBS and the distance D2 from the flat type PBS to the reflective liquid crystal display element is incident on the center of the screen of the liquid crystal display element. It is defined based on the principal ray of the luminous flux. Since illumination light and image light are incident on the planar PBS on the prism, it is necessary to balance the weight of the illumination optical system and the liquid crystal display element, and it is important to determine the center of gravity of the illumination optical system appropriately. . Conditional expression (6) is a condition setting for maintaining the center of gravity of the entire optical system in the vicinity of the prism. When this conditional expression (6) is satisfied, a display such as an HMD equipped with an image display device is mounted. Wearing misalignment can be prevented (high wearability). If the distance D2 is too long and exceeds the upper limit of the conditional expression (6), the liquid crystal display element is moved far away, so that the center of gravity of the entire optical system moves forward, and a display such as an HMD is easily displaced. When the distance D1 is too long and falls below the lower limit of the conditional expression (6), the center of gravity of the entire optical system moves upward, and a display such as an HMD is easily displaced.
条件式(7)は、瞳サイズを確保しながら装着ズレの生じにくい高い装着性を実現するための条件設定である。その条件範囲の下限と上限を以下に説明する。ただし、画像表示装置の構成要素の一例として、図5に示すように、光源ES,照明光学系E1,液晶画面EG,パワーのある反射面E2を想定し、光源ESからの照明光L0が液晶画面EGで変調され、得られた画像光L1が観察者眼EYの瞳に入射するものとする。 Conditional expression (7) is a condition setting for realizing high wearability in which wearing shift is unlikely to occur while securing the pupil size. The lower limit and upper limit of the condition range will be described below. However, as an example of the constituent elements of the image display device, as shown in FIG. 5, assuming a light source ES, an illumination optical system E1, a liquid crystal screen EG, and a reflective surface E2 with power, the illumination light L0 from the light source ES is a liquid crystal. It is assumed that the image light L1 obtained by being modulated by the screen EG is incident on the pupil of the observer eye EY.
液晶画面EGの中央の光に注目すると、液晶画面EGから角度ψで射出したマージナル光線は、パワーのある反射面E2で略平行光になって観察者眼EYの瞳に入射する。パワーのある反射面の焦点距離Pと瞳の大きさとの関係から、式(F1):tanψ=(瞳の大きさ)/2Pが成り立つ。次に、照明光学系E1に注目すると、液晶画面EGの中央に対する光の入射角度は、上記と同じく角度ψとなる。折り返し断面(紙面平面に相当する。)において照明光学系の光軸AXに対して垂直方向に占める照明光学系E1の大きさTは、液晶画面EGの中央のマージナル光線が照明光学系E1に入射する位置を含むサイズでなければならないため、照明光学系E1の大きさTと距離D1+D2との関係から、式(F2):tanψ<T/{2(D1+D2)}が成り立つ。 When attention is paid to the light at the center of the liquid crystal screen EG, the marginal ray emitted from the liquid crystal screen EG at an angle ψ becomes substantially parallel light on the reflecting surface E2 having power and enters the pupil of the observer's eye EY. From the relationship between the focal length P of the reflecting surface having power and the size of the pupil, the formula (F1): tan ψ = (pupil size) / 2P is established. Next, paying attention to the illumination optical system E1, the incident angle of light with respect to the center of the liquid crystal screen EG is the angle ψ as described above. The size T of the illumination optical system E1 that occupies a direction perpendicular to the optical axis AX of the illumination optical system in the folded section (corresponding to the plane of the drawing) is such that the marginal ray at the center of the liquid crystal screen EG enters the illumination optical system E1 Therefore, from the relationship between the size T of the illumination optical system E1 and the distance D1 + D2, the equation (F2): tanψ <T / {2 (D1 + D2)} holds.
上記2つの式(F1),(F2)から、人間の瞳の大きさ:4mm以上に射出瞳を確保するための照明光学系E1の条件は、条件式(7)の下限を表す式(F3):4.0<P×T/(D1+D2)で規定される。条件式(7)の下限は、条件式(3)と同様、液晶画面EGの中央の光が十分な大きさの射出瞳で観察者眼EYの瞳に届くことを意味するので、条件式(7)を下限側で満たすことにより、表示画像が良く見えるような十分な大きさの瞳サイズを確保することができる(瞳サイズの大型化)。 From the above two formulas (F1) and (F2), the condition of the illumination optical system E1 for securing the exit pupil at a size of the human pupil: 4 mm or more is the formula (F3) representing the lower limit of the conditional formula (7). ): It is defined by 4.0 <P × T / (D1 + D2). The lower limit of conditional expression (7) means that the light at the center of the liquid crystal screen EG reaches the pupil of the observer's eye EY with a sufficiently large exit pupil, as in conditional expression (3). By satisfying 7) on the lower limit side, it is possible to secure a sufficiently large pupil size so that the display image can be seen well (increasing the pupil size).
照明光学系E1の大きさTと液晶画面EGの大きさHとを比較した場合、液晶画面EGが大きすぎると、光学系全体の重心が前方にずれてHMD等のディスプレイがずれやすくなる。条件式(7)の上限は、照明光学系E1の直径が大きくなりすぎて重心が観察者眼EY側にずれることを防ぐための条件を規定しており、式(F4):T<4Hから計算されたものである。照明光学系E1の大きさが式(F4):T<4Hを満たすとき、重心が観察者眼EY側にズレすぎず、高い装着性を担保することができる。ここから条件式(7)の上限を表す式(F5):P×T/(D1+D2)<25が規定される。 When comparing the size T of the illumination optical system E1 and the size H of the liquid crystal screen EG, if the liquid crystal screen EG is too large, the center of gravity of the entire optical system is shifted forward, and the display such as the HMD is easily shifted. The upper limit of conditional expression (7) defines a condition for preventing the center of gravity from shifting to the observer's eye EY side because the diameter of the illumination optical system E1 becomes too large. From expression (F4): T <4H It is calculated. When the size of the illumination optical system E1 satisfies the formula (F4): T <4H, the center of gravity is not excessively shifted to the observer eye EY side, and high wearability can be ensured. From this, an expression (F5) representing the upper limit of the conditional expression (7): P × T / (D1 + D2) <25 is defined.
上述した条件式(3)〜(7)には複数のパラメーターが共存しており、互いに相関がある。そのため、これらの条件式(3)〜(7)を同時に満たすことによって、小型化しながらも十分な瞳の大きさと画面サイズを持つ画像表示装置となる。また、上述した特徴的構成を有する画像表示装置では、十分な大きさの瞳サイズと画面サイズを持ちながら小型化・軽量化が可能である。そして、その画像表示装置を備えることにより、装着性の良い光学シースルーディスプレイ(例えばヘッドマウントディスプレイ)を実現することができる。こういった効果をバランス良く得るとともに、更なる軽量・小型化,高性能化等を達成するための条件等を以下に説明する。 In the above conditional expressions (3) to (7), a plurality of parameters coexist and are correlated with each other. Therefore, by satisfying these conditional expressions (3) to (7) at the same time, an image display device having a sufficient pupil size and screen size while being downsized can be obtained. In addition, the image display apparatus having the above-described characteristic configuration can be reduced in size and weight while having a sufficiently large pupil size and screen size. By providing the image display device, an optical see-through display (for example, a head-mounted display) with good wearability can be realized. The conditions for obtaining such effects in a well-balanced manner and achieving further weight reduction, miniaturization, high performance, etc. will be described below.
以下の条件式(7a)を満足することが望ましい。
4.0<P×T/(D1+D2)<13 …(7a)
この条件式(7a)は、前記条件式(7)が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式(7a)を満たすことにより、上記効果をより一層大きくすることができる。
It is desirable that the following conditional expression (7a) is satisfied.
4.0 <P × T / (D1 + D2) <13 (7a)
This conditional expression (7a) defines a more preferable condition range based on the above viewpoints, etc., among the condition ranges defined by the conditional expression (7). Therefore, the above effect can be further increased preferably by satisfying conditional expression (7a).
前記プリズムに設けられている前記パワーのある反射面が1面のみであり、前記偏光ビームスプリッターが前記プリズムの入射面に接合されていることが望ましい。偏光ビームスプリッターとプリズムとが接合により1部品に一体化されるため、組立誤差が小さくなるとともに、隙間が不要になることから画像表示装置全体の小型化に寄与することができる。 It is desirable that the power reflecting surface provided on the prism is only one surface, and the polarizing beam splitter is joined to the incident surface of the prism. Since the polarization beam splitter and the prism are integrated into one component by bonding, an assembly error is reduced and a gap is not required, which contributes to downsizing of the entire image display apparatus.
以下の条件式(8)を満足することが望ましい。
18<K<30 …(8)
ただし、
K:液晶表示素子の画面中央から射出した主光線の光路におけるプリズムの射出面から射出瞳までの光路長(mm)、
である。
It is desirable to satisfy the following conditional expression (8).
18 <K <30 (8)
However,
K: optical path length (mm) from the exit surface of the prism to the exit pupil in the optical path of the principal ray exiting from the center of the screen of the liquid crystal display element;
It is.
条件式(8)は、画像表示装置が大型化することなく観察者の額や眼鏡との干渉が容易に回避可能となる条件を規定している。条件式(8)の上限を下回るようにすれば、プリズムが観察者の額や眼鏡から離れてずれやすくなることを防ぐとともに、画像表示装置の大型化を効果的に抑えることが可能となる。眼鏡の装着距離としては、観察者眼から12mm+レンズの厚み3mm+余裕3mmを想定することができる。したがって、条件式(8)の下限を上回るようにすれば、眼鏡を装着している人でも、眼鏡を画像表示装置にぶつけることなく表示画像を容易かつ適正に観察することが可能となる。
Conditional expression (8) prescribes conditions under which interference with the observer's forehead and glasses can be easily avoided without increasing the size of the image display device. If the value is lower than the upper limit of the conditional expression (8), it is possible to prevent the prism from being easily displaced away from the observer's forehead and glasses, and to effectively suppress the enlargement of the image display device. The spectacle wearing distance can be assumed to be 12 mm +
前記パワーのある反射面がホログラム面であることが望ましい。パワーのある反射面をホログラム光学素子で構成することによりシースルー性を得ることができる。したがって、パワーのある反射面としてホログラム面をプリズムに用いることにより、光学シースルーディスプレイを実現することができる。 The reflective surface having power is preferably a hologram surface. See-through property can be obtained by configuring a powerful reflecting surface with a hologram optical element. Therefore, an optical see-through display can be realized by using a hologram surface as a reflecting surface with power for a prism.
前記ホログラム面が偏心方向に対して垂直方向にのみ曲率のある形状を有することが望ましい。ホログラム面は平面でもパワーを持つことができるので、一方向にのみ曲率のある形状を用いて収差補正等を行うことができる。しかも、プリズムの厚み方向に曲率がないので、画像表示装置の小型化に有効である。 It is desirable that the hologram surface has a shape having a curvature only in a direction perpendicular to the eccentric direction. Since the hologram surface can have power even on a flat surface, aberration correction or the like can be performed using a shape having a curvature only in one direction. In addition, since there is no curvature in the thickness direction of the prism, it is effective for downsizing the image display device.
以下の条件式(9)を満足することが望ましい。
83<M<120 …(9)
ただし、
M:ホログラム面の法線と液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線とのなす角度(度)、
である。
It is desirable to satisfy the following conditional expression (9).
83 <M <120 (9)
However,
M: Angle (degrees) between the normal of the hologram surface and the lower marginal ray of the screen angle of view of the liquid crystal display element,
It is.
条件式(9)は、プリズムの上部前側部分(観察者から見て上方の外界側部分)を小型化するとともに、プリズム外に光線が射出しないようにするための好ましい条件範囲を規定している。図6に条件式(9)を満たした状態でのホログラム面11cと画面下画角の下側マージナル光線LMを示す(NL:ホログラム面の法線,11b:プリズムの射出面)。図6において、(A)は角度Mが約90°の状態、(B)は角度Mが120°に近い状態α1、(C)は角度Mが83°に近い状態α2をそれぞれ示している。図6(B)から分かるように、条件式(9)の上限を上回るとプリズム外に光線が射出する傾向になる。また、図6(C)から分かるように、条件式(9)の下限を下回るとプリズムの上部前側部分が大型化する傾向になる。
Conditional expression (9) prescribes a preferable condition range for reducing the size of the upper front portion of the prism (the portion of the upper external side as viewed from the observer) and preventing light from exiting the prism. . FIG. 6 shows the
以下の条件式(10)を満足することが望ましい。この条件式(10)は、プリズムの下部分(観察者から見て下方部分)を小型化するための好ましい条件範囲を規定している。
L1<2.0 …(10)
ただし、
L1:液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線の光路におけるプリズムの射出面での反射位置からパワーのある反射面までの物理的光路長(mm)、
である。
It is desirable to satisfy the following conditional expression (10). This conditional expression (10) defines a preferable condition range for reducing the size of the lower part of the prism (the lower part as viewed from the observer).
L1 <2.0 (10)
However,
L1: Physical optical path length (mm) from the reflection position on the exit surface of the prism to the reflective surface with power in the optical path of the lower marginal ray of the lower screen angle of view of the liquid crystal display element;
It is.
以下の条件式(11)を満足することが望ましい。この条件式(11)は、プリズムの上部後ろ側部分(観察者から見て上方の観察者眼側部分)を小型化するための好ましい条件範囲を規定している。
L2<5.0 …(11)
ただし、
L2:液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムの入射面から射出面での反射位置までの物理的光路長(mm)、
である。
It is desirable to satisfy the following conditional expression (11). Conditional expression (11) defines a preferable condition range for reducing the size of the upper rear side portion of the prism (upper observer eye side portion as viewed from the observer).
L2 <5.0 (11)
However,
L2: physical optical path length (mm) from the incident surface of the prism to the reflection position on the exit surface in the optical path of the upper marginal ray of the on-screen angle of view of the liquid crystal display element;
It is.
前記照明光学系の焦点位置付近に、前記光源としてLED光源が配置されていることが望ましい。照明光学系の焦点位置付近にLED光源を配置することにより、LED光源からの照明光をコリメートして、液晶画面の明るさを適正に確保することが可能となる。 It is desirable that an LED light source is disposed as the light source in the vicinity of the focal position of the illumination optical system. By arranging the LED light source in the vicinity of the focal position of the illumination optical system, it is possible to collimate the illumination light from the LED light source and to ensure the brightness of the liquid crystal screen appropriately.
前記照明光学系が単レンズであるフレネルレンズを有することが望ましい。照明光学系を単レンズのフレネルレンズで構成することにより、LED光源からの照明光をコリメートしながらも照明光学系を薄くすることが可能となる。 It is desirable that the illumination optical system has a Fresnel lens that is a single lens. By configuring the illumination optical system with a single lens Fresnel lens, it is possible to make the illumination optical system thin while collimating the illumination light from the LED light source.
前記照明光学系が前記折り返し断面に対して垂直方向に拡散性のある拡散板を有し、前記光源として、三原色RGBに対応した独立のLED光源が、前記折り返し断面に対して垂直方向に配置されていることが望ましい。RGB独立のLED光源を折り返し断面に対して垂直方向に並べて、その方向に拡散板で照明光を拡散させることにより、照明光を均等に混ぜて色ムラを無くすことができる。 The illumination optical system has a diffuser plate that is diffusible in a direction perpendicular to the folded section, and an independent LED light source corresponding to the three primary colors RGB is arranged in the direction perpendicular to the folded section as the light source. It is desirable that By arranging the RGB independent LED light sources in a direction perpendicular to the folded cross section and diffusing the illumination light with the diffusion plate in that direction, the illumination light can be mixed evenly and color unevenness can be eliminated.
前記射出面に対して平行なプリズム面を備えるように前記パワーのある反射面に接着された第2のプリズムを更に有することが望ましい。プリズムの射出面に対してプリズムの反対の面が、射出面と平行になるように第2のプリズムを接着すると、両方のプリズムの2つの面が互いに平行になるため、良好なシースルー性を確保することが可能となる。 It is desirable to further have a second prism bonded to the reflective surface having power so as to have a prism surface parallel to the exit surface. Adhering the second prism so that the opposite surface of the prism is parallel to the exit surface of the prism, the two surfaces of both prisms are parallel to each other, ensuring good see-through performance. It becomes possible to do.
以下の条件式(12)を満足することが望ましい。
0.65<D/B<1.0 …(12)
ただし、
B:第2のプリズムの厚み(mm)、
D:液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムのパワーのある反射面から射出面までの距離(mm)、
である。
It is desirable to satisfy the following conditional expression (12).
0.65 <D / B <1.0 (12)
However,
B: thickness of second prism (mm),
D: distance (mm) from the reflecting surface having the power of the prism to the exit surface in the optical path of the upper marginal ray of the on-screen angle of view of the liquid crystal display element;
It is.
この条件式(12)は、上方視界の確保とプリズムの薄型化とを両立させるための好ましい条件範囲を規定している。条件式(12)の上限を上回ると、第2のプリズムを使用している光線領域のみをカバーするように接着することになって、重量が軽くなる一方で上方視界の確保が困難な傾向になる。第2のプリズムを接着することでプリズム両面を平行に保っても、条件式(12)の下限を下回ると、ホログラム面延長線上のすべてを第2のプリズムで覆うように接着することになってしまうため、上方視界は確保できるがプリズムが厚くなって重量が増す傾向になる。 Conditional expression (12) defines a preferable range of conditions for ensuring both an upper field of view and a reduction in the thickness of the prism. If the upper limit of conditional expression (12) is exceeded, bonding is performed so as to cover only the light beam region using the second prism, and the weight tends to be reduced while it is difficult to ensure the upper field of view. Become. Even if both sides of the prism are kept parallel by adhering the second prism, if it falls below the lower limit of the conditional expression (12), it will be adhering so as to cover everything on the hologram surface extension line with the second prism. Therefore, the upper field of view can be secured, but the prism becomes thick and the weight tends to increase.
以下の条件式(12a)を満足することが望ましい。
0.8<D/B<0.9 …(12a)
この条件式(12a)は、前記条件式(12)が規定している条件範囲のなかでも、前記観点等に基づいた更に好ましい条件範囲を規定している。したがって、好ましくは条件式(12a)を満たすことにより、上記効果をより一層大きくすることができる。
It is desirable that the following conditional expression (12a) is satisfied.
0.8 <D / B <0.9 (12a)
This conditional expression (12a) defines a more preferable condition range based on the above viewpoints, etc., among the condition ranges defined by the conditional expression (12). Therefore, preferably, the above effect can be further increased by satisfying conditional expression (12a).
図1に、画像表示装置の一実施の形態におけるより具体的な光学構成例を概略断面で示し、そのプリズム入射前の光学構成を図2に拡大して示し、プリズム入射後の光学構成を図3に拡大して示す。なお、図2,図3中に前述した条件式(1)〜(12)の各パラメーターを示す。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a more specific example of an optical configuration in an embodiment of an image display device. FIG. 2 is an enlarged view of the optical configuration before incidence of the prism, and shows the optical configuration after incidence of the prism. 3 is enlarged. In addition, each parameter of conditional expression (1)-(12) mentioned above in FIG.2, FIG.3 is shown.
図1に示す画像表示装置1は、照明光L0を発するLED光源21と、LED光源21からの照明光L0を拡散させる拡散板22と、照明光L0をコリメートするフレネルレンズ23と、入射光の偏光分離を行う平面型PBS24と、照明光L0に対し画像表示のための空間変調を行う反射型の液晶表示素子20と、接眼光学系として機能する光学デバイス10と、を有している。そして、この図1では画像表示装置1におけるLED光源21から射出瞳EPまでの光路を示している。
An
LED光源21は、3つの波長帯域(発光ピーク波長が例えば450nm,532nm,640nmである。)の光を発する三原色RGBに対応した独立のLEDで構成されている。つまり、折り返し断面(紙面平面に相当する。)に対して垂直方向(X方向)に、LED光源21がRGB独立に並んでいる。このため、LED光源21からの照明光L0を拡散させることが必要になる。
The
拡散板22は、照明光学系の一部として、LED光源21からの照明光L0を拡散させることにより、照明光L0を均等に混ぜて色ムラを無くすものであり、その拡散度は方向によって異なっている。つまり、折り返し断面に対して垂直方向(X方向)にのみ拡散作用を有する1方向拡散板であり、その拡散作用を有する方向はRGBに対応した独立のLED光源21の配置方向と同じである。LED光源21からの照明光L0は、拡散板22を通過することにより拡散された後、照明光学系の一部をなすフレネルレンズ23でコリメートされる。そのコリメートされた照明光L0は、平面型PBS24で反射されることにより偏光方向が揃えられた後、液晶表示素子20に入射する。
As a part of the illumination optical system, the
前記条件式(5)に係る条件設定として、照明光学系の一部をなすフレネルレンズ23の焦点距離は9mm未満が望ましい。これは焦点距離が9mm以上になるとLED光源21等のパーツが観測者の額や目に干渉するからである。後述する実施例1におけるフレネルレンズ23の焦点距離は7.2mmである。また、LED光源21から射出した照明光L0をコリメートするために、LED光源21はフレネルレンズ23の焦点位置付近に配置してある。
As a condition setting related to the conditional expression (5), it is desirable that the focal length of the
前記条件式(1)における角度θを図2(B)中に示し、前記条件式(2)における角度φを図2(A)中に示す。図2(B)は、図2(A)に示すプリズム入射前の光学構成のうち、折り返し断面での液晶表示素子20の画面20aに対する主光線の入射光路を拡大して示している。後述する実施例1では、液晶表示素子20への入射角θが、画面20aの中央の主光線で0.35度、画面下の主光線で0.50度、画面上の主光線で0.28度である。また、平面型PBS24の法線と液晶表示素子20の画面20aの法線とのなす角度φは44度である。したがって、折り返しのスペースを小さくするための条件式(1)を満たしており、また、照明光学系が成立するために条件式(2)を下限側で満たしており、LED光源21が観測者の額や目に干渉しないために条件式(2)を上限側で満たしている。
The angle θ in the conditional expression (1) is shown in FIG. 2B, and the angle φ in the conditional expression (2) is shown in FIG. FIG. 2B shows an enlarged incident light path of the principal ray with respect to the
液晶表示素子20は、平面型PBS24からほぼ垂直に入射する光がほぼ垂直に反射されて平面型PBS24に向かうように配置されている。これにより、液晶表示素子20の画面20aに対して大きな入射角で照明光L0を入射させる構成に比べて、解像度を増大させるような光学設計が容易になる。液晶表示素子20は、照明光L0に対し画像表示のための空間変調を画像信号に応じて行うことにより、画像光L1を生成する。このとき、画像信号オンに対応する画像光L1は、液晶表示素子20に入射してきた照明光L0とは偏光方向が直交する光に変換されて射出するため、平面型PBS24を透過して光学デバイス10の内部に入射する。一方、画像信号オフに対応する画像光L1は、液晶表示素子20で偏光方向が変換されずに射出するため、平面型PBS24で遮断されて、光学デバイス10の内部に入射しない。
The liquid
光学デバイス10は、透明な第1,第2のプリズム11,12;ホログラム光学素子13等で構成されており、平面型PBS24は第1のプリズム11の入射面11aに貼り付けられている。平面型PBS24と第1のプリズム11の入射面11aとの一体化により、光学構成の小型化が可能となる。また光学デバイス10は、第1のプリズム11と第2のプリズム12との間にホログラム光学素子13を有する構造になっている。ホログラム光学素子13は第1のプリズム11に貼り付けられており、第1,第2のプリズム11,12間に設けられた接着剤14で、第1のプリズム11と第2のプリズム12とがホログラム光学素子13を挟むようにして接合されている。つまり、第1のプリズム11及びホログラム光学素子13と第2のプリズム12との間に設けられた接着剤14で、第1のプリズム11と第2のプリズム12とが接合された構造になっている。透明基材であるプリズム11,12の接合面上にホログラム光学素子13が設けられているため、接合面を介した外界像のシースルー性(コンバイナ機能)が確保される。
The
光学デバイス10は、接合された第1,第2のプリズム11,12間のホログラム光学素子13を介して液晶表示素子20の表示画像IMが外界像に重なるように、その表示画像IMを拡大虚像として観察者眼EYにシースルーで投影表示する接眼光学系として機能する。そのため、ホログラム光学素子13は体積位相型の反射型ホログラムであることが望ましい。体積位相型の反射型ホログラムは外界像の光の透過率が高いので、ホログラム光学素子13として体積位相型の反射型ホログラムを用いれば、観察者は表示画像IMと共に外界像も明瞭に観察することが可能になる。なお、ホログラム光学素子13のRGBの回折波長を、RGBの画像光L1の波長(LED光源21の発光波長)と対応させることが好ましい。
The
光学デバイス10は、非軸対称(非回転対称)な正の光学的パワーをホログラム光学素子13に有している。このホログラム光学素子13からなるホログラム面11cを、パワーのある反射面として第1のプリズム11に有することにより、液晶表示素子20からの画像光L1を射出瞳EPに導くことが可能となる。また、ホログラム面11cが偏心方向に対して垂直方向(X方向)にのみ曲率のある形状を有することにより、光学構成の小型化が容易になる。そして、第1のプリズム11の射出面11bは平面になっているため、画像光L1は射出面11bで全反射した後、パワーのあるホログラム面11cで反射される。つまり、第1のプリズム11では、入射面11aから入射してきた画像光L1を、射出面11bでの全反射とホログラム面11cでの回折反射との2回の反射後に、射出面11bから第1のプリズム11外へ射出することにより、観察者眼EYの瞳に入射させる。
The
前記条件式(8)に係る条件設定として、液晶表示素子20の画面20aの中央から射出した主光線の光路におけるプリズム11の射出面11bから射出瞳EP(観察者眼EYの瞳が配置される。)までの光路長K(図3)は、18mmよりも大きく30mmよりも小さいことが望ましい。眼鏡をかけている人の目から眼鏡レンズまでの距離は、12mmが一般的である。また、レンズの厚みを3mmと仮定し、さらに眼鏡からプリズム11まで3mmの余裕を確保する。前述したように、これが条件式(8)の下限に相当する。また、条件式(8)の上限は、眼鏡と第1のプリズム11とが離れてずれやすくなることを防ぐための値である。後述する実施例1ではKが23mmである。
As the condition setting related to the conditional expression (8), the exit pupil EP (the pupil of the observer's eye EY) is arranged from the
第1のプリズム11は、液晶表示素子20から平面型PBS24を介して入射してくる画像光L1を内部で導光する一方、外界像の光(外界光)を透過させるものである。その第1のプリズム11は、上端に向かうほど厚くなり下端に向かうほど薄くなるくさび形状を有しており、ホログラム光学素子13を挟むように接着剤14で第2のプリズム12と接合されて略平行平板を形成している。つまり、第1のプリズム11の射出面11bと第2のプリズム12のプリズム面12aとは平行になっている。このようにプリズム両面が平行になるよう第2のプリズム12を第1のプリズム11と貼り合わせることにより、外界光が第1のプリズム11のくさび状部分を透過するときの屈折を第2のプリズム12でキャンセルすることができ、観察される外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
The
図1に示す画像表示装置1では、パワーのあるホログラム面11cの焦点距離Pと、フレネルレンズ23の焦点距離Sと、折り返し断面でのLED光源21の大きさLと、の関係が、条件式(3)を満たしている(図2)。人間の瞳の大きさは一般に3〜4mmであり、それよりも射出瞳EPを大きくすることで観察者が見やすいようにすることができる。後述する実施例1ではP/S×L=8.8となっており、十分大きな値となっている。
In the
図1に示す画像表示装置1では、折り返し断面での液晶表示素子20の大きさHと、パワーのあるホログラム面11cの焦点距離Pと、の関係が、条件式(4)を満たしている(図2)。この条件式(4)は観察者に大きな画面を見せるための条件であり、後述する実施例1ではH/P=0.21となっている。
In the
図1に示す画像表示装置1では、液晶表示素子20の画面20aの中央に入射する光束の主光線において、フレネルレンズ23の射出面から平面型PBS24までの距離D1と、平面型PBS24から液晶表示素子20までの距離D2と、の関係が、条件式(6)を満たしている(図2)。この条件式(6)は、光学系全体の重心をプリズム近辺に保持するための条件設定であり、この条件式(6)を満たすことにより、画像表示装置を搭載したHMD等のディスプレイを装着したときの装着ズレを防ぐことができる。条件式(6)の範囲を外れると、装着ズレが発生しやすくなる。後述する実施例1ではD2/D1=1.4である。
In the
図1に示す画像表示装置1では、人間の瞳を4mmとしたときのフレネルレンズ23の好ましい大きさを規定する条件式(7)を満たしている(図2)。この条件式(7)の下限は、瞳の大きさを十分に確保するためのフレネルレンズ23の大きさに関する条件設定であり、条件式(7)の上限は、フレネルレンズ23の直径が大きくなりすぎて重心が目側にずれることを防ぐための条件設定である。後述する実施例1ではP×T/(D1+D2)=11である。
The
図1に示す画像表示装置1では、ホログラム面11cの法線と画面下画角の下側マージナル光線LMとのなす角度Mが(図3,図6)、条件式(9)を満たしている。これはホログラム面11cと画面下画角の下側マージナル光線LMとが略平行になって、第1のプリズム11が小型化するための条件設定である。条件式(9)の上限(図6(B),状態α1)は、第1のプリズム11内でホログラム面11c(紙面上の直線)と画面下画角の下側マージナル光線LMとが交わらないための条件設定であり、条件式(9)の下限(図6(C),状態α2)は、第1のプリズム11の大型化を防ぐための条件設定である。後述する実施例1ではM=92度である。
In the
図1に示す画像表示装置1では、物理的光路長L1,L2(図3)の好ましい大きさを規定する条件式(10),(11)を満たしている。これらの条件式(10),(11)もプリズムの大型化を防ぐための条件設定であり、後述する実施例1ではL1=1.1mm、L2=3.2mmとなっている。
The
図1に示す画像表示装置1では、第2のプリズム12の厚みBと、液晶表示素子20の画面20aの上画角の上側マージナル光線の光路における第1のプリズム11のパワーのある反射面11cから射出面11bまでの距離Dと、の比が、条件式(12),(12a)を満たしている(図3)。これら条件式(12),(12a)は、前述したように上方視界の確保とプリズムの薄型化とを両立させるための好ましい条件範囲を規定している。
In the
第1のプリズム11に第2のプリズム12を接着することでプリズム両面を平行に保つことができる(図3)。しかし、条件式(12)の下限を下回って、ホログラム面11cの延長線上のすべてを第2のプリズム12で覆うように接着すると、上方視界は確保できるがプリズムが厚くなり重量が増してしまう。条件式(12)を満たす範囲で第2のプリズム12が最大化した状態を図7に示す。この条件式(12)の下限は、第2のプリズム12の厚さBが10mmの場合に相当する。一方、条件式(12)の上限を上回って、第2のプリズム12を使用している光線領域のみをカバーするように接着すると、重量が軽くなる一方で上方視界の確保が困難になる。条件式(12)を満たす範囲で第2のプリズム12が最小化した状態を図8に示す。
By adhering the
これらバランスをとるための条件範囲を規定しているのが条件式(12)であり、更に好ましい条件範囲を規定しているのが条件式(12a)である。条件式(12a)の上限は第2のプリズム12の厚さBが7mmの場合に相当し、条件式(12a)の下限は第2のプリズム12の厚さBが8mmの場合に相当する。後述する実施例1ではD/B=0.86となっている。
Conditional expression (12) defines the condition range for achieving these balances, and conditional expression (12a) defines a more preferable condition range. The upper limit of conditional expression (12a) corresponds to the case where the thickness B of the
ホログラム光学素子13は、液晶表示素子20の画面20aに表示される表示画像IMと外界像とを同時に観察者眼EYに導くコンバイナを構成しているので、観察者は、ホログラム光学素子13を介して、液晶表示素子20から提供される表示画像IMと外界像とを同時に観察することができる。したがって、上述した画像表示装置1(図1)を搭載することにより、光学デバイス10で表示画像IMを観察者眼EYにシースルーで投影表示する機能を備えた光学シースルーディスプレイを構成することができる。
The hologram
上記のように、光学シースルーディスプレイにおいて画像表示装置1を搭載することにより、ホログラム光学素子13で表示画像IMを観察者眼EYにシースルーで投影表示する機能を備えることが望ましい。また、その光学シースルーディスプレイは、ホログラム光学素子13が観察者眼EYの前方に位置するように画像表示装置1を支持する(つまり、観察者の眼前で支持する)支持部材を備えたヘッドマウントディスプレイであることが望ましい。画像表示装置1はシースルー性が高いため、観察者の眼前で画像IMを表示する配置にすれば、高い映像表示効果を得ることができる。光学シースルーディスプレイとしては、ヘッドマウントディスプレイ(HMD),ヘッドアップディスプレイ(HUD:head-up display)等が挙げられる。また、ヘッドマウントディスプレイの形態としては眼鏡型,ヘルメット型等が挙げられ、ヘッドアップディスプレイの用途としては自動車の運転用,飛行機の操縦用等が挙げられる。ここでは、画像表示装置1を備えた眼鏡型のヘッドマウントディスプレイを例示して以下に説明する。
As described above, it is desirable that the
図4に、画像表示装置1を備えた眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ2の概略構成を示す。ヘッドマウントディスプレイ2は、上述した画像表示装置1と、支持部材3とで構成されている。画像表示装置1の液晶表示素子20や照明装置(LED光源21,拡散板22,フレネルレンズ23等)等は、筐体7内に収容されており、接眼光学系である光学デバイス10の上端部も筐体7内に位置している。光学デバイス10は、上述したように2枚のプリズム11,12の貼り合わせによって構成されており、全体として眼鏡の一方のレンズ(図4では右眼用レンズ)のような形状をしている。
FIG. 4 shows a schematic configuration of a glasses-type head mounted
また、筐体7内の液晶表示素子20,LED光源21等は、筐体7を貫通して設けられたケーブル8を介して、回路基板(不図示)と接続されており、回路基板から液晶表示素子20,LED光源21等に駆動電力や映像信号が供給される。なお、画像表示装置1は、静止画や動画を撮影する撮像装置,マイク,スピーカー,イヤホン等をさらに備え、外部のサーバーや端末とインターネット等の通信回線を介して、撮像画像及び表示画像の情報や音声情報をやりとり(送受信)する構成であってもよい。
In addition, the liquid
支持部材3は、眼鏡のフレームに相当する支持機構であり、画像表示装置1を観察者の眼前(図4では右眼の前)で支持している。この支持部材3は、観察者の左右の側頭部にそれぞれ当接するテンプル4R,4Lと、観察者の鼻と当接する鼻当て5R,5Lと、を含んでいる。なお、支持部材3は、観察者の左眼の前でレンズ6も支持しているが、このレンズ6はダミーレンズである。
The
ヘッドマウントディスプレイ2を観察者の頭部に装着し、液晶表示素子20に画像IMを表示すると、その画像光L1が光学デバイス10を介して射出瞳EP(図1)に導かれる。したがって、射出瞳EPの位置に観察者の瞳(観察者眼EY)を合わせることにより、観察者は、画像表示装置1の表示画像IMの拡大虚像を観察することができる。また、これと同時に、観察者は光学デバイス10を介して、外界像をシースルーで観察することができる。なお、画像表示装置1を2つ用いて両眼で映像を観察できるようにしてもよい。
When the head mounted
上記のように、画像表示装置1が支持部材3で支持されることにより、観察者は画像表示装置1から提供される表示画像IMと外界像とを同時にハンズフリーで長時間安定して観察することができ、空いた手で所望の作業を行うことができる。
As described above, when the
以下、本発明を実施した画像表示装置の構成等を、実施例のコンストラクションデータ等を挙げて更に具体的に説明する。ここで挙げる実施例1,2(EX1,2)は、前述した画像表示装置の実施の形態に対応する数値実施例であり、その概略断面図(図1等)は実施例1,2の光学配置,光路等を示している。また、図9に画像表示装置の実施例1,2を光学面と光路で示し、図10,図11に画像表示装置の実施例3,4(EX3,4)の光学配置,光路等を、図1と同様に概略断面で示す。
Hereinafter, the configuration and the like of the image display apparatus embodying the present invention will be described more specifically with reference to the construction data of the examples. Examples 1 and 2 (EX1 and 2) listed here are numerical examples corresponding to the above-described embodiments of the image display device, and their schematic cross-sectional views (FIG. 1 and the like) are optical images of Examples 1 and 2. The arrangement, optical path, etc. are shown. In addition, FIG. 9 shows Embodiments 1 and 2 of the image display device with optical surfaces and optical paths, and FIGS. 10 and 11 show optical arrangements, optical paths, etc. of
表1,表4,表7に、各実施例のコンストラクションデータ等を示す。コンストラクションデータでは、左側の欄から順に、面番号i(i=0,1,2,...,22;OBJ:物面,STO:絞り,IMG:像面),Y方向の曲率半径(mm),X方向の曲率半径(mm),光学作用(反射,屈折),波長532nmに関する屈折率及びアッベ数を示す。面Si(面番号i=0,1,2,...,22)は、物面OBJ(S0)から像面IMG(S22)に至る光路において、物面OBJ側から数えてi番目の面を示しているので、絞りSTOは射出瞳EPに相当し、像面IMGは画像IMを表示する液晶画面(画像表示面)20aに相当する。また、Y方向,X方向の曲率半径は、各光学面Siの面頂点を原点とし、かつ、面頂点での法線をZ軸とする直交座標系(X,Y,Z)における座標軸方向である。なお、実施例3,4における光学面Siと光学素子(図10,11)との関係は、実施例1,2における光学面Si(図9)と光学素子(図1)との関係と同じである。 Tables 1, 4 and 7 show the construction data of each example. In the construction data, in order from the left column, surface number i (i = 0, 1, 2,..., 22; OBJ: object surface, STO: aperture, IMG: image surface), radius of curvature in mm (mm) ), Radius of curvature (mm) in the X direction, optical action (reflection, refraction), refractive index and Abbe number with respect to a wavelength of 532 nm. The surface Si (surface number i = 0, 1, 2,..., 22) is the i-th surface counted from the object surface OBJ side in the optical path from the object surface OBJ (S0) to the image surface IMG (S22). Therefore, the stop STO corresponds to the exit pupil EP, and the image plane IMG corresponds to the liquid crystal screen (image display plane) 20a for displaying the image IM. The curvature radii in the Y direction and the X direction are the coordinate axis directions in the orthogonal coordinate system (X, Y, Z) in which the surface vertex of each optical surface Si is the origin and the normal line at the surface vertex is the Z axis. is there. The relationship between the optical surface Si and the optical element (FIGS. 10 and 11) in Examples 3 and 4 is the same as the relationship between the optical surface Si (FIG. 9) and the optical element (FIG. 1) in Examples 1 and 2. It is.
表2,表5,表8に、各実施例における面Siの配置データを示す。各面Siの配置は、第1面S1を基準にした偏心データ中の面頂点座標(X,Y,Z)とX軸周り回転角度でそれぞれ特定される。光学面Siの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点として、グローバルな第1面S1の直交座標系(X,Y,Z)におけるローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点の座標で表されており(単位:mm)、その面頂点を中心とするX軸回りの回転角度で各光学面Siの傾きが表されている(単位:°;X,Y,Z軸の正方向に対して反時計回りがX,Y,Z回転の回転角度の正方向である。)。 Tables 2, 5 and 8 show the arrangement data of the surface Si in each example. The arrangement of each surface Si is specified by the surface vertex coordinates (X, Y, Z) in the eccentricity data based on the first surface S1 and the rotation angle around the X axis. The surface vertex coordinates of the optical surface Si are the local orthogonality in the orthogonal coordinate system (X, Y, Z) of the global first surface S1, with the surface vertex being the origin of the local orthogonal coordinate system (X, Y, Z). It is represented by the coordinates of the origin of the coordinate system (X, Y, Z) (unit: mm), and the inclination of each optical surface Si is represented by the rotation angle around the X axis centered on the surface vertex ( (Unit: °) The counterclockwise direction with respect to the positive direction of the X, Y, and Z axes is the positive direction of the rotation angle of the X, Y, and Z rotations.
ただし、座標系はすべて右手系で定義されており、グローバルな第1面S1の直交座標系(X,Y,Z)は、第1面S1だけでなく第4面S4(絞りSTO)のローカルな直交座標系(X,Y,Z)とも一致した絶対座標系になっている。また、座標軸周りの回転角度の基準方向(つまり回転前の座標軸方向)は、第1面S1の直交座標系(X,Y,Z)における座標軸方向である。したがって、図9における第1面S1や第4面S4では、そのX方向が紙面に垂直方向(画角の左右方向)、Y方向が紙面の上下方向(画角の上下方向)であり、紙面奥方向が+X方向、紙面における上方向が+Y方向、紙面における右方向が+Z方向である。 However, the coordinate systems are all defined by the right-hand system, and the global orthogonal coordinate system (X, Y, Z) of the first surface S1 is not limited to the first surface S1 but the fourth surface S4 (aperture STO). This is an absolute coordinate system that is consistent with the orthogonal coordinate system (X, Y, Z). Further, the reference direction of the rotation angle around the coordinate axis (that is, the coordinate axis direction before the rotation) is the coordinate axis direction in the orthogonal coordinate system (X, Y, Z) of the first surface S1. Therefore, in the first surface S1 and the fourth surface S4 in FIG. 9, the X direction is the direction perpendicular to the paper surface (the left-right direction of the angle of view), and the Y direction is the vertical direction of the paper surface (the vertical direction of the angle of view). The back direction is the + X direction, the upward direction on the paper is the + Y direction, and the right direction on the paper is the + Z direction.
表3,表6,表9に、各実施例における第6面S6の位相差係数Cjを示す。第6面S6はホログラム面11cであり、ホログラムの位相差関数は以下の式(DS)が示す多項式f(x,y)で表される。ただし、第6面S6の光軸(z軸)上の点(面頂点)を原点とするローカルな直交座標系(x,y,z)において、紙面奥方向を+x方向、紙面内で光軸に対して垂直な方向を+y方向とし(右手系)、m+n≦10,j={(m+n)2+m+3n}/2とする。なお、位相差関数f(x,y)の規格化波長は532nmであり、すべてのデータに関してE−n=×10-nである。
Tables 3, 6 and 9 show the phase difference coefficient Cj of the sixth surface S6 in each example. The sixth surface S6 is the
表10に、各条件式の対応データ及び関連データを各実施例について示す。表10のデータから分かるように、実施例2の基本的な構成は実施例1と同じである。実施例1との違いは、条件式(5)の対応値、つまりフレネルレンズ23(照明光学系)の焦点距離Sが、8.0mmとなっている点にある。この大きさの焦点距離Sであれば、観察者の額や眼鏡にLED光源21が干渉するのを回避することができる。その場合でも、LED光源21はフレネルレンズ23の焦点位置に配置される。フレネルレンズ23の焦点距離S=8.0mmのとき、条件式(3)の対応値:P/S×L=7.9>4である。条件式(3)を満足しているため、十分な瞳EPの大きさが確保されている。
Table 10 shows correspondence data of each conditional expression and related data for each example. As can be seen from the data in Table 10, the basic configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment. The difference from the first embodiment is that the corresponding value of conditional expression (5), that is, the focal length S of the Fresnel lens 23 (illumination optical system) is 8.0 mm. With the focal length S of this size, it is possible to avoid the
実施例3では、条件式(2)をその上限の近くで満たしており、実施例4では、条件式(2)をその下限の近くで満たしている。条件式(2)の上限を上回ると(φ≧47度)、フレネルレンズ23(照明光学系)と平面型PBS24とが干渉しやすくなる。条件式(2)の下限を下回ると(φ≦30度)、フレネルレンズ23(照明光学系)と反射型液晶表示素子20とが干渉しやすくなり、光学系が成立しなくなるおそれがある。
In Example 3, Conditional Expression (2) is satisfied near its upper limit, and in Example 4, Conditional Expression (2) is satisfied near its lower limit. If the upper limit of conditional expression (2) is exceeded (φ ≧ 47 degrees), the Fresnel lens 23 (illumination optical system) and the
1 画像表示装置
2 ヘッドマウントディスプレイ(光学シースルーディスプレイ)
3 支持部材
10 光学デバイス
11 第1のプリズム
11a 入射面
11b 射出面
11c ホログラム面(パワーのある反射面)
12 第2のプリズム
13 ホログラム光学素子
14 接着剤
20 液晶表示素子
20a 画面
21 LED光源
22 拡散板(照明光学系)
23 フレネルレンズ(照明光学系)
24 平面型PBS(偏光ビームスプリッター)
ES 光源
EG 液晶画面
E1 照明光学系
E2 パワーのある反射面
L0 照明光
L1 画像光
IM 表示画像
EY 観察者眼
EP 射出瞳
1
3
12
23 Fresnel lens (illumination optical system)
24 Planar PBS (Polarized Beam Splitter)
ES light source EG liquid crystal screen E1 illumination optical system E2 powerful reflective surface L0 illumination light L1 image light IM display image EY observer eye EP exit pupil
Claims (17)
前記プリズムにパワーのある反射面を有し、
前記光源からの照明光を前記照明光学系でコリメートし、そのコリメートされた照明光を前記偏光ビームスプリッターで反射させ、その反射した照明光を前記液晶表示素子で空間変調することにより画像光を生成し、その画像光を前記偏光ビームスプリッターでの透過後に前記入射面からプリズム内に入射させ、その画像光を前記射出面で反射させた後に前記パワーのある反射面で反射させて前記射出面からプリズム外へ射出し、観察者の瞳に入射させる画像表示装置であって、
前記液晶表示素子の画面中央に対する入射直前の照明光の主光線と、その反射直後の画像光の主光線と、を含む平面を折り返し断面とするとき、
前記折り返し断面におけるすべての主光線について以下の条件式(1)を満足し、
以下の条件式(2)〜(7)を満足することを特徴とする画像表示装置;
0<θ<5 …(1)
30<φ<47 …(2)
P/S×L>4 …(3)
H/P>0.2 …(4)
S<9 …(5)
0.43<D2/D1<2.2 …(6)
4.0<P×T/(D1+D2)<25 …(7)
ただし、
θ:折り返し断面での液晶表示素子の画面に対する主光線の入射角(度)、
φ:偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線と液晶表示素子の画面の法線とのなす角度(度)、
P:パワーのある反射面の焦点距離(mm)、
S:照明光学系の焦点距離(mm)、
L:折り返し断面における光源の大きさ(mm)、
H:折り返し断面における液晶表示素子の大きさ(mm)、
D1:液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、照明光学系の射出面から偏光ビームスプリッターまでの距離(mm)、
D2:液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、偏光ビームスプリッターから液晶表示素子までの距離(mm)、
T:折り返し断面において照明光学系の光軸に対して垂直方向に占める照明光学系の大きさ(mm)、
である。 A light source that emits illumination light, an illumination optical system that collimates incident light, a planar polarization beam splitter that performs polarization separation of incident light, and a reflective liquid crystal display that performs spatial modulation on the incident light for image display An element, and a prism that causes incident light incident from the incident surface to exit from the exit surface after being reflected twice.
The prism has a reflective surface with power,
Illumination light from the light source is collimated by the illumination optical system, the collimated illumination light is reflected by the polarization beam splitter, and the reflected illumination light is spatially modulated by the liquid crystal display element to generate image light. The image light is incident on the prism from the incident surface after being transmitted by the polarization beam splitter, and the image light is reflected by the reflecting surface having the power after being reflected by the emitting surface. An image display device that emits out of the prism and enters the pupil of an observer,
When a plane including the chief ray of illumination light just before incidence on the center of the screen of the liquid crystal display element and the chief ray of image light just after reflection is a folded section,
The following conditional expression (1) is satisfied for all principal rays in the folded section:
An image display device satisfying the following conditional expressions (2) to (7):
0 <θ <5 (1)
30 <φ <47 (2)
P / S × L> 4 (3)
H / P> 0.2 (4)
S <9 (5)
0.43 <D2 / D1 <2.2 (6)
4.0 <P × T / (D1 + D2) <25 (7)
However,
θ: the incident angle (degrees) of the principal ray with respect to the screen of the liquid crystal display element in the folded section,
φ: Angle (degrees) between the normal of the polarization separation plane of the polarizing beam splitter and the normal of the screen of the liquid crystal display element,
P: focal length (mm) of the reflecting surface with power,
S: Focal length of illumination optical system (mm),
L: the size (mm) of the light source in the folded section,
H: size of liquid crystal display element in folded section (mm),
D1: distance (mm) from the exit surface of the illumination optical system to the polarization beam splitter in the principal ray of illumination light incident on the center of the screen of the liquid crystal display element;
D2: distance (mm) from the polarizing beam splitter to the liquid crystal display element in the principal ray of illumination light incident on the center of the screen of the liquid crystal display element;
T: the size (mm) of the illumination optical system that occupies the folded section in the direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system,
It is.
4.0<P×T/(D1+D2)<13 …(7a)
ただし、
P:パワーのある反射面の焦点距離(mm)、
T:折り返し断面において照明光学系の光軸に対して垂直方向に占める照明光学系の大きさ(mm)、
D1:液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、照明光学系の射出面から偏光ビームスプリッターまでの距離(mm)、
D2:液晶表示素子の画面中央に入射する照明光の主光線において、偏光ビームスプリッターから液晶表示素子までの距離(mm)、
である。 The image display device according to claim 1, wherein the following conditional expression (7a) is satisfied:
4.0 <P × T / (D1 + D2) <13 (7a)
However,
P: focal length (mm) of the reflecting surface with power,
T: the size (mm) of the illumination optical system that occupies the folded section in the direction perpendicular to the optical axis of the illumination optical system,
D1: distance (mm) from the exit surface of the illumination optical system to the polarization beam splitter in the principal ray of illumination light incident on the center of the screen of the liquid crystal display element;
D2: distance (mm) from the polarizing beam splitter to the liquid crystal display element in the principal ray of illumination light incident on the center of the screen of the liquid crystal display element;
It is.
18<K<30 …(8)
ただし、
K:液晶表示素子の画面中央から射出した主光線の光路におけるプリズムの射出面から射出瞳までの光路長(mm)、
である。 The image display device according to claim 1, wherein the following conditional expression (8) is satisfied:
18 <K <30 (8)
However,
K: optical path length (mm) from the exit surface of the prism to the exit pupil in the optical path of the principal ray exiting from the center of the screen of the liquid crystal display element;
It is.
83<M<120 …(9)
ただし、
M:ホログラム面の法線と液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線とのなす角度(度)、
である。 The image display device according to claim 5, wherein the following conditional expression (9) is satisfied:
83 <M <120 (9)
However,
M: Angle (degrees) between the normal of the hologram surface and the lower marginal ray of the screen angle of view of the liquid crystal display element,
It is.
L1<2.0 …(10)
ただし、
L1:液晶表示素子の画面下画角の下側マージナル光線の光路におけるプリズムの射出面での反射位置からパワーのある反射面までの物理的光路長(mm)、
である。 The image display device according to claim 1, wherein the following conditional expression (10) is satisfied:
L1 <2.0 (10)
However,
L1: Physical optical path length (mm) from the reflection position on the exit surface of the prism to the reflective surface with power in the optical path of the lower marginal ray of the lower screen angle of view of the liquid crystal display element;
It is.
L2<5.0 …(11)
ただし、
L2:液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムの入射面から射出面での反射位置までの物理的光路長(mm)、
である。 The image display device according to claim 1, wherein the following conditional expression (11) is satisfied:
L2 <5.0 (11)
However,
L2: physical optical path length (mm) from the incident surface of the prism to the reflection position on the exit surface in the optical path of the upper marginal ray of the on-screen angle of view of the liquid crystal display element;
It is.
0.65<D/B<1.0 …(12)
ただし、
B:第2のプリズムの厚み(mm)、
D:液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムのパワーのある反射面から射出面までの距離(mm)、
である。 The image display device according to claim 1, wherein the following conditional expression (12) is satisfied:
0.65 <D / B <1.0 (12)
However,
B: thickness of second prism (mm),
D: distance (mm) from the reflecting surface having the power of the prism to the exit surface in the optical path of the upper marginal ray of the on-screen angle of view of the liquid crystal display element;
It is.
0.8<D/B<0.9 …(12a)
ただし、
B:第2のプリズムの厚み(mm)、
D:液晶表示素子の画面上画角の上側マージナル光線の光路におけるプリズムのパワーのある反射面から射出面までの距離(mm)、
である。 The image display device according to claim 1, wherein the following conditional expression (12a) is satisfied:
0.8 <D / B <0.9 (12a)
However,
B: thickness of second prism (mm),
D: distance (mm) from the reflecting surface having the power of the prism to the exit surface in the optical path of the upper marginal ray of the on-screen angle of view of the liquid crystal display element;
It is.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016204171A JP2018066799A (en) | 2016-10-18 | 2016-10-18 | Image display device and optical see-through display |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2016204171A JP2018066799A (en) | 2016-10-18 | 2016-10-18 | Image display device and optical see-through display |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018066799A true JP2018066799A (en) | 2018-04-26 |
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ID=62085976
Family Applications (1)
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Country | Link |
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JP (1) | JP2018066799A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110045503A (en) * | 2019-03-29 | 2019-07-23 | 北京蚁视科技有限公司 | A kind of nearly eye display device of the big field angle of compact based on total reflection |
CN114051592A (en) * | 2019-06-27 | 2022-02-15 | 株式会社理光 | Optical device, image display and optometry apparatus |
-
2016
- 2016-10-18 JP JP2016204171A patent/JP2018066799A/en active Pending
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CN110045503A (en) * | 2019-03-29 | 2019-07-23 | 北京蚁视科技有限公司 | A kind of nearly eye display device of the big field angle of compact based on total reflection |
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