JP2019012259A - Virtual image display apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、頭部に装着して使用するヘッドマウントディスプレイその他の虚像表示装置に関する。 The present invention relates to a head mounted display and other virtual image display devices that are used by being mounted on a head.
近年、ヘッドマウントディスプレイのように虚像の形成及び観察を可能にする虚像表示装置として、導光板によって表示素子からの映像光を観察者の瞳に導くタイプのものが種々提案されている。 2. Description of the Related Art In recent years, various types of virtual image display devices that enable formation and observation of virtual images, such as a head-mounted display, have been proposed that guide video light from a display element to an observer's pupil using a light guide plate.
例えば、画像表示素子と、画像表示素子からの画像光を観察者の眼又は被投射面に導く中間像を形成する表示光学系とを備える画像表示装置が公知になっている(特許文献1)。この特許文献1の画像表示装置では、画像表示素子と中間像との間に複数の光学素子を接合した接合光学素子が配置され、これら複数の光学素子として、互いに分散が異なる材料で形成された少なくとも2つの光学素子を含むことで、色収差を補正することが行われている。
For example, an image display device including an image display element and a display optical system that forms an intermediate image that guides image light from the image display element to an observer's eye or a projection surface is known (Patent Document 1). . In the image display device of
しかしながら、特許文献1に記載の光学系は、中間像の前段に接合光学素子を配置するだけであり、屈折面の傾斜角が適切ではなく、色収差の補正は十分とはいえない。すなわち、例えば使用者の頭部に沿って光学系を配置するため、光学系内に光軸に対して傾斜する屈折面を複数箇所に設ける必要がある場合、このように傾斜した各面で各媒体の波長分散に応じた光線の屈折角分散が生じ、結果として横色収差が生じる。傾斜した複数の屈折面による複合的な色収差は、補正の条件が不明確であり、試行錯誤しながら収差補正を行っていた。この場合、屈折面の傾斜角を適切に設定しないと、横色収差の補正が十分に行われず、所期の光学性能を達成することができない。
However, the optical system described in
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、光軸に対して傾斜する屈折面を複数箇所に設ける場合であっても、光学性能を確保しつつ横色収差を確実に低減した虚像表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described background art, and is a virtual image in which lateral chromatic aberration is reliably reduced while ensuring optical performance even when a plurality of refracting surfaces inclined with respect to the optical axis are provided. An object is to provide a display device.
上記目的を達成するため、本発明に係る虚像表示装置は、映像光を射出する画像形成装置と、画像形成装置からの映像光によって虚像を形成する表示光学系とを備え、映像光を観察者の眼と想定される位置に入射させる、虚像表示装置であって、表示光学系は、所定の平面に対して面対称な形状を成しており、画像形成装置の任意の点から発し、表示光学系を経由して、観察者の眼の中心に至る映像光線に関して、映像光線と表示光学系のk番目の光学機能面とについて、映像光線と該光学機能面が交差する点に於ける光学機能面の法線を表示光学系の対称面に投射した線と入射光線を対称面に投射した線とが成す角をαkとし、光学機能面の法線を対称面に投射した線と射出光線を対称面に投射した線とが成す角をβkとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし、射出側の媒質の屈折率をnkとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVkとし、入射側の色分散指標をAk−1とし、射出側の色分散指標をAkとし、対象波長をμm単位でλとし、回折次数をmkとし、回折格子のピッチをpkとして、下記の式(1)
ただし、
に基づいて、A0=0から始めて色分散指標Akの値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、最終面の色分散指標AKが絶対値で1.0未満である。ここで、光学機能面とは、光学面や回折面を意味する。
In order to achieve the above object, a virtual image display apparatus according to the present invention includes an image forming apparatus that emits image light, and a display optical system that forms a virtual image by image light from the image forming apparatus, and the image light is viewed by an observer. The display optical system is incident on a position assumed to be an eye of the image, and the display optical system has a shape that is plane-symmetric with respect to a predetermined plane, and is emitted from an arbitrary point of the image forming apparatus for display. With respect to an image light beam that reaches the center of the observer's eye via the optical system, the image light beam and the optical function surface at the point where the optical function surface intersects the kth optical function surface of the display optical system. Α k is the angle formed by the line that projects the normal of the functional surface onto the symmetry plane of the display optical system and the line that projects the incident light beam onto the symmetry plane, and the line and exit that project the normal of the optical functional surface onto the symmetry plane the angle formed by the line which projects a light beam to the plane of symmetry beta k, the incident side medium The refractive index and n k-1, the refractive index of the exit side of the medium and n k, the refractive index dispersion of the incident side medium and V k-1, the refractive index dispersion of the exit side medium and V k, on the incident side Assuming that the chromatic dispersion index is A k−1 , the emission side chromatic dispersion index is A k , the target wavelength is λ in μm, the diffraction order is m k, and the pitch of the diffraction grating is p k , the following formula ( 1)
However,
When the value of the color dispersion index A k is sequentially calculated starting from A 0 = 0, the final surface number K is assumed to be K, and the final surface color dispersion index AK is an absolute value of less than 1.0. is there. Here, the optical functional surface means an optical surface or a diffractive surface.
上記虚像表示装置によれば、対称面への投射によって得られる色分散指標値Akの絶対値が所定の基準値以下であるので、対称面に対応する方向に関して、光軸に対して傾斜する屈折面を複数箇所に設けたり、回折面素子を複数箇所に設けたりする場合であっても、光学性能を確保しつつ色分散又は色分離を総計的に扱って色分散を全結像系として確実に低減することができる。 According to the virtual image display device, the absolute value of the chromatic dispersion index value A k obtained by projection onto the plane of symmetry is equal to or less than the predetermined reference value, in the direction corresponding to the symmetry plane, inclined with respect to the optical axis Even when refracting surfaces are provided at multiple locations or diffractive surface elements are provided at multiple locations, chromatic dispersion or color separation is handled as a total imaging system while ensuring optical performance. It can be surely reduced.
本発明の具体的な側面では、上記虚像表示装置において、F線の波長をλFとし、C線の波長をλCとし、各媒体において、F線の屈折率をnFとし、C線の屈折率をnCとして、屈折率分散Vkは、
で近似的に与えられる。
In a specific aspect of the present invention, in the virtual image display device, the wavelength of the F line is λ F , the wavelength of the C line is λ C , the refractive index of the F line is n F in each medium, Assuming that the refractive index is n C , the refractive index dispersion V k is
Is given approximately.
本発明のさらに別の側面では、画像形成装置の中心から発し、表示光学系を経由して、観察者の眼の中心に至る映像光線に関して、映像光線と表示光学系のk番目の光学機能面とについて、映像光線と該光学機能面が交差する点に於ける光学機能面の法線と入射光線とが成す角をαkとし、光学機能面の法線と射出光線とが成す角をβkとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし、射出側の媒質の屈折率をnkとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVkとし、入射側の色分散指標をAk−1とし、射出側の色分散指標をAkとし、対象波長をμm単位でλとし、回折次数をmkとし、回折格子のピッチをpkとして、下記の式(1)
に基づいて、A0=0から始めて色分散指標Akの値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、最終面の色分散指標AKの絶対値が、0.3未満である。この場合、対称面を前提としない色分散指標値Akの絶対値が0.3未満であるので、光軸に対して傾斜する屈折面を複数箇所に設けたり、回折面素子を複数箇所に設けたりする場合であっても、光学性能を確保しつつ色分散又は色分離を総計的に扱って色分散を全結像系として確実に低減することができる。
In still another aspect of the present invention, the image light beam and the k-th optical functional surface of the display optical system with respect to the image light beam that originates from the center of the image forming apparatus and reaches the center of the observer's eye via the display optical system. The angle formed by the normal of the optical functional surface and the incident light at the point where the image light and the optical functional surface intersect is α k, and the angle formed by the normal of the optical functional surface and the emitted light is β and k, the index of refraction of the incident side of the medium and n k-1, the refractive index of the exit side of the medium and n k, and the refractive index dispersion of the incident side medium and V k-1, the refractive index of the exit side medium dispersion Is V k , the incident side chromatic dispersion index is A k−1 , the emission side chromatic dispersion index is A k , the target wavelength is λ in μm, the diffraction order is m k, and the pitch of the diffraction grating is As pk , the following formula (1)
Based on, when sequentially calculate the value of the color distribution indicator A k starting from A 0 = 0, as the number of the final surface is K, the absolute value of the chromatic dispersion index A K of the final surface is less than 0.3 It is. In this case, since the absolute value of the chromatic dispersion index value A k that does not assume a plane of symmetry is less than 0.3, or provided with a refracting surface inclined with respect to the optical axis at a plurality of locations, the diffractive surface elements at a plurality of locations Even if it is provided, it is possible to reliably reduce chromatic dispersion as an entire imaging system by comprehensively handling chromatic dispersion or color separation while ensuring optical performance.
本発明のさらに別の側面では、表示光学系の光学機能面として値αkがゼロではない屈折面を3つ以上有する。この場合、非平行な屈折面を比較的多用するタイプの光学系で横色収差の発生を抑制することができる。 In still another aspect of the present invention, the display optical system has three or more refractive surfaces whose value α k is not zero as the optical functional surface. In this case, the occurrence of lateral chromatic aberration can be suppressed with an optical system that uses a relatively large number of non-parallel refractive surfaces.
本発明のさらに別の側面では、表示光学系の光学機能面として少なくとも1つの非軸対称自由曲面を有する。 In still another aspect of the present invention, the display optical system has at least one non-axisymmetric free-form surface as an optical functional surface.
本発明のさらに別の側面では、表示光学系の光学機能面として回折面を有する。 In still another aspect of the present invention, the display optical system has a diffractive surface as an optical functional surface.
〔第1実施形態〕
以下、本発明の第1実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device incorporating the light guide device according to the first embodiment of the present invention will be described.
〔1A.導光装置及び虚像表示装置の構造〕
図1A及び1Bを参照して、第1実施形態の導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。虚像表示装置100は、ヘッドマウントディスプレイに適用されるものであり、画像投影装置10と、導光装置20とを一組として備える。なお、図1Aは、図1Bに示す導光装置20のA−A断面に対応する。また、図中のx、y、及びzは、直交する3つの座標軸の方向を表している。
[1A. Structure of light guide device and virtual image display device]
With reference to FIG. 1A and 1B, the virtual image display apparatus incorporating the light guide device of 1st Embodiment is demonstrated. The virtual
虚像表示装置100は、観察者に虚像としての映像を認識させるとともに、観察者に外界像をシースルーで観察させるものである。虚像表示装置100において、画像投影装置10と導光装置20とは、通常観察者の右眼及び左眼に対応して一組ずつ設けられるが、右眼用と左眼用とでは左右対称であるので、ここでは左眼用のみを示し、右眼用については図示を省略している。なお、虚像表示装置100は、全体としては、例えば一般の眼鏡のような外観(不図示)を有するものとなっている。
The virtual
画像投影装置10は、画像形成装置である液晶デバイス11と、光結合用の投射光学系12とを備える。液晶デバイス(画像形成装置)11は、光源14からの照明光を空間的に変調して、動画像その他の表示対象となるべき映像光GLを形成する。投射光学系12は、後述する導光装置20とともに表示光学系2を構成する。表示光学系2は、光軸AXを含む横断面(xz断面)に対して面対称な光学系である。投射光学系12は、例えば縦のy方向に関して液晶デバイス11上の各点から射出された映像光GLを略平行光線にするコリメートレンズとして機能するとともに、眼の並ぶ方向を含み非対称性が現れる横のxz断面に関して導光装置20の一部と協働してコリメートレンズとして機能する。投射光学系12は、縦のy方向に関しても導光装置20の一部と協働してコリメートレンズとして機能するものであってもよい。なお、投射光学系12は、ガラス又はプラスチックで形成され、1枚に限らず複数枚の構成とすることができる。投射光学系12は、球面レンズに限らず、非球面レンズ、非軸対称曲面を含む自由曲面レンズ等を含むものとすることができる。
The
図2により拡大して示すように、投射光学系12とともに表示光学系2を構成する導光装置20は、画像投影装置10からの映像光GLを虚像光として観察者の眼EYに向けて射出するとともに、外界像に対応する外界光OLを実質的にそのまま透過させる。導光装置20は、映像光を取り込む入射部21と、導光用の平行導光体22と、映像光を取り出すための射出部23とを備える。本実施形態の場合、入射部21は、観察者の耳側に配置され、射出部23は、観察者の鼻側に配置される。平行導光体22と入射部21の本体とは、高い光透過性を有する樹脂材料により成形された一体品又は一部材である。なお、平行導光体22は、観察者の眼EYを基準とする光軸AXに対して傾けて配置されており、その法線方向Zは、光軸AXに対して角σだけ傾いている。この場合、平行導光体22を顔の曲線に沿って配置できるが、平行導光体22の法線は、光軸AXに対して傾きを有するものとなる。このように、平行導光体22の法線を光軸AXに平行なz方向に対して角度σだけ傾ける場合、反射ユニット30から射出させる光軸AX上及びその近傍の映像光GL0は、光射出面OSの法線に対して角度σを成すものとなる。
As shown in an enlarged view in FIG. 2, the
入射部21は、画像投影装置10からの映像光GLを取り込む光入射面ISと、取り込んだ映像光GLを反射して平行導光体22内に導く反射面RSとを有する。光入射面ISは、投射光学系12側に凹の曲面21bで形成されており、この曲面21bは、反射面RSで反射された映像光GLを内面側で全反射する機能も有する。反射面RSは、投射光学系12側に凹の曲面21aで形成されている。反射面RSは、曲面21a上にアルミ蒸着等の成膜を施すことにより形成され、光入射面ISから入射した映像光GLを反射し光路を所定方向に折り曲げ、曲面21bは、反射面RSで反射された映像光GLを内側で全反射し光路を所定方向に折り曲げる。つまり、入射部21は、光入射面ISから入射した映像光GLを2回の反射によって折り曲げることで、映像光GLを平行導光体22内に確実に結合させる。なお、曲面21bや曲面21aは、非軸対称自由曲面であるが、これに限らず、軸対称自由曲面、球面、非球面等とすることができる。また、曲面21b,21aが縦のy方向に屈折力を有するものである場合、投射光学系12によるコリメート機能を補助することができる。
The
平行導光体22は、y軸に平行でx軸又はz軸に対して傾斜した平板部分であり、導光体とも呼ぶ。平行導光体(導光体)22は、平行に延びる一対の面である2つの対向する平面22a,22bを有する。両平面22a,22bは、平行平面であるため、外界像に関して拡大やフォーカスズレを生じさせない。また、+z側又はZ側の一方の平面22aは、入射部21からの映像光を全反射させる全反射面として機能し、映像光を少ない損失で射出部23に導く役割を有する。裏側の平面22bの延長平面は、平行導光体22と射出部23との境界面IFとなっている。平行導光体22において、入射部21の反射面RSや光入射面ISの内側で反射された映像光GLは、全反射面である平面22aに入射し、ここで全反射され、導光装置20の奥側すなわち射出部23を設けた+x側又は+X側に導かれる。つまり、平行導光体22において、X軸方向は映像光GLの導光方向となっている。なお、平行導光体22は、導光装置20の外形のうち+x側又は+X側の端面を画成する側面として終端面ESを有する。また、平行導光体22は、±y側の端面を画成する上面及び底面として上端面TPと下端面BPとをそれぞれ有している。
The parallel
射出部23は、平行導光体22の奥側(+X側)において、裏側の平面22bに沿ってその延長上に層状に形成され、或いは境界面IFに沿うように層状に形成された部材である。射出部23は、平行導光体22の外界側の平面(全反射面)22aにおいて所定面領域FRで全反射された映像光GLを通過させる際に、入射した映像光GLを所定角度で反射して光射出面OS側へ折り曲げる。ここでは、これまで射出部23を透過することなく最初にこの射出部23に入射する映像光GLが虚像光としての取出し対象である。つまり、射出部23において光射出面OSの内面や境界面IFで反射される光があっても、これは映像光として利用されない。射出部23は、透過性を有する複数のミラー等を配列してなる反射ユニット30を有するが、その詳しい構造については、図4等を参照して後に詳述する。
The emitting
導光装置20が以上のような構造を有することから、画像投影装置10から射出され光入射面ISから導光装置20に入射した映像光GLは、入射部21で複数回の反射によって折り曲げられ、平行導光体22の平面22aの所定面領域FRにおいて全反射されて光軸AXに略沿って進む。+z側又は+Z側の平面22aの所定面領域FRで反射された映像光GLは、射出部23に入射する。この際、XY面内において、所定面領域FRの長手方向の幅は、射出部23の長手方向の幅よりも狭くなっている。より具体的には、映像光GLの光線束は、光軸AXを含むXZ断面において、所定面領域FR近辺、つまり直進光路P1,P2の境界付近で両直進光路P1,P2に跨るような位置で全体として幅が絞られてビーム幅が細くなっている。結果的に、映像光GLの光線束が射出部23(又は反射ユニット30)に入射する入射幅は、映像光GLの光線束が所定面領域FRに入射する入射幅よりも広い。このように、映像光GLの光線束が所定面領域FRに入射する入射幅を相対的に狭くすることにより、光路の干渉が生じにくくなり、境界面IFや光射出面OSを導光に利用しないで、所定面領域FRからの映像光GLを射出部23又は反射ユニット30に直接的に入射させることが容易になる。また、映像光GLの光線束を射出部23の手前で絞ることになり、横方向の視野角を比較的広くすることが容易になる。射出部23に入射した映像光GLは、射出部23又は反射ユニット30において適度な角度で折り曲げられることで取出し可能な状態となり、最終的に光射出面OSから射出される。光射出面OSから射出された映像光GLは、虚像光として観察者の眼EYに入射する。当該虚像光が観察者の網膜において結像することで、観察者は虚像としての映像光GLを認識することができる。ここで、像形成に用いられる映像光GLが射出部23に入射する角度は、光源側の入射部21から離れるに従って大きくなっている。つまり、射出部23の奥側には、外界側の平面22aに垂直なZ方向又は光軸AXに対して傾きの大きな映像光GLが入射して比較的大きな角度で折り曲げられ、射出部23の前側には、Z方向又は光軸AXに対して傾きの小さな映像光GLが入射して比較的小さな角度で折り曲げられる。
Since the
〔1B.映像光の光路〕
以下、映像光の光路について詳しく説明する。図2に示すように、液晶デバイス(画像形成装置)11の画像面に対応する射出面11a上からそれぞれ射出される映像光のうち、破線で示す射出面11aの中央から射出される成分を映像光GL0とし、図中一点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面左側(+z寄りの−x側)から射出される成分を映像光GL1とし、図中二点鎖線で示す射出面11aの周辺のうち紙面右側(−z寄りの+x側)から射出される成分を映像光GL2とする。これらのうち映像光GL0の光路を光軸AXと定義する。上記映像光の画像形成装置11上の射出点が、光学系の対称面内にある場合、映像光GL1、GL2及びGL0は、対称面内含まれる。
[1B. (Optical path of image light)
Hereinafter, the optical path of the image light will be described in detail. As shown in FIG. 2, out of image light respectively emitted from the
液晶デバイス(画像形成装置)11の射出面11aからの各映像光GL0,GL1,GL2の主要成分は、投射光学系12を経た後、導光装置20の光入射面ISからそれぞれ入射した後、入射部21を経て平行導光体22内を通過して射出部23に至る。
The main components of the video lights GL0, GL1, and GL2 from the
具体的には、例えば光軸AXを含む対称面内又はxz面内において、映像光GL0,GL1,GL2のうち、射出面11aの中央部分から射出された映像光GL0は、投射光学系12のレンズ面12a,12bを略直進する。映像光GL0が屈折率が異なる媒体間に存在するレンズ面12a,12bに対して略垂直に入射する場合、映像光GL0は、ほとんど屈曲されない。レンズ面12a,12bを経た映像光GL0は、導光装置20の入射部21で折り曲げられて平行導光体22内に結合された後、標準反射角ψ0で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、平行導光体22と射出部23(又は反射ユニット30)との境界面IFで殆ど反射されないでこれを通過し、射出部23の中央の部分23kに直接的に入射する。映像光GL0は、部分23kにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSからこの光射出面OSを含むXY面に対して傾いた光軸AX方向(Z方向に対して角σの方向)に平行光束として射出される。
Specifically, for example, in the symmetry plane including the optical axis AX or the xz plane, the image light GL0 emitted from the central portion of the
一方、光軸AXを含むxz面内において、射出面11aの一端側(−x側)から射出された映像光GL1は、投射光学系12のレンズ面12a,12bで光線の状態又は向きが調整される。レンズ面12a,12bを経た映像光GL1は、入射部21で折り曲げられて平行導光体22内に結合された後、最大反射角ψ1で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、平行導光体22と射出部23(又は反射ユニット30)との境界面IFで殆ど反射されないでこれを通過し、射出部23のうち奥側(+X側)の部分23hにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角(光軸AXを基準とした場合の角γ1に対応)は、入射部21側に戻される程度が相対的に大きくなっている。
On the other hand, in the xz plane including the optical axis AX, the image light GL1 emitted from one end side (−x side) of the
また、射出面11aの他端側(+x側)から射出された映像光GL2は、投射光学系12のレンズ面12a,12bで光線の状態又は向きが調整される。レンズ面12a,12bを経た映像光GL1は、入射部21で折り曲げられて平行導光体22内に結合された後、最小反射角ψ2で一方の平面22aの所定面領域FRに入射して全反射され、平行導光体22と射出部23(又は反射ユニット30)との境界面IFで殆ど反射されないでこれを通過し、射出部23のうち入口側(−X側)の部分23mにおいて所定の角度で反射され、光射出面OSから所定の角度方向に向けて平行光束として射出される。この際の射出角(光軸AXを基準とした場合の角γ2に対応)は、入射部21側に戻される程度が相対的に小さくなっている。
The image light GL2 emitted from the other end side (+ x side) of the
つまり、様々な画角の映像光GL0,GL1,GL2は、観察者の眼EYを想定したアイポイントEPの中心EPaに集まる。アイポイントEPは、導光装置20に設定された射出瞳の位置を意味し、ここに眼EYを置けば明るい欠けの無い画像が得られる。なお、映像光GL0,GL1,GL2は、映像光GLの光線全体の一部を代表して説明したものであるが、他の映像光GLを構成する光線成分についても映像光GL0等と同様に導かれ光射出面OSから射出されるため、これらについては図示及び説明を省略している。
That is, the image lights GL0, GL1, and GL2 having various angles of view gather at the center EPa of the eye point EP assuming the observer's eye EY. The eye point EP means the position of the exit pupil set in the
映像光GL0,GL1,GL2が屈折率が異なる媒体間に存在するレンズ面12a,12bに対して傾斜して入射する場合、映像光GL0,GL1,GL2は、光入射面ISで屈折されて屈曲する。この際の空気と投射光学系12のレンズとの境界を第1番目の光学面又は光学機能面(k=1)として、その前後の屈折率、つまり入射側の媒質の屈折率をn0、射出側の媒質の屈折率をn1とし、入射角度(光学面であるレンズ面12a,12bの法線と入射光線である映像光とが成す角)を=α1(°)とし、射出角度又は屈折角(光学面であるレンズ面12a,12bの法線と射出光線である映像光とが成す角)をβ1(°)とした場合、スネルの法則に従い、以下の関係
sinβ1=(n0/n1)×sinα1 … (1−1)
が成り立っている。また、投射光学系12のレンズと空気との境界を第2番目の光学面又は光学機能面(k=2)として、その前後の屈折率をn1及びn2とし、入射角度をα2とし、射出角度又は屈折角をβ2とした場合、スネルの法則に従い、以下の関係
sinβ2=(n1/n2)×sinα2 … (1−2)
が成り立っている。
When the image lights GL0, GL1, and GL2 are incident on the lens surfaces 12a and 12b existing between the media having different refractive indexes, the image lights GL0, GL1, and GL2 are refracted and bent by the light incident surface IS. To do. The boundary between the air and the lens of the projection
Is true. Also, the boundary between the lens of the projection
Is true.
図3に拡大して示すように、投射光学系12を経た映像光GL0,GL1,GL2は、屈折率が異なる媒体間に存在する光入射面IS又は曲面21b(つまり接平面TPの法線NL)に対して傾斜して入射する。つまり、光入射面ISは、光軸AXに対して大きく傾斜している。このため、光軸AXに沿って伝搬する映像光GL0,GL1,GL2は、光入射面ISで屈折されて屈曲する。この際の空気と入射部21の樹脂との境界を第3番目の光学面又は光学機能面(k=3)として、その前後の屈折率をn2及びn3とし、入射角度をα3とし、射出角度又は屈折角をβ3とした場合、スネルの法則に従い、以下の関係
sinβ3(n2/n3)×sinα3 … (1−3)
が成り立っている。
As shown in an enlarged view in FIG. 3, the image lights GL0, GL1, and GL2 that have passed through the projection
Is true.
ここで、入射部21及び平行導光体22に用いられる透明樹脂材料の屈折率nの値の一例として、n=1.4とすると、その臨界角ψcの値はψc≒45.6°となる。各映像光GL0,GL1,GL2の反射角ψ0,ψ1,ψ2のうち最小である反射角ψ2を臨界角ψcよりも大きな値とすることで、必要な映像光について平行導光体22内での平面22aにおける全反射条件を満たすものにできる。
Here, as an example of the value of the refractive index n of the transparent resin material used for the
なお、中央向けの映像光GL0は、仰角φ0(=90°−ψ0)で射出部23の部分23kに入射し、周辺向け映像光GL1は、仰角φ1(=90°−ψ1)で射出部23の部分23hに入射し、周辺向け映像光GL2は、仰角φ2(=90°−ψ2)で射出部23の部分23mに入射する。ここで、仰角φ0,φ1,φ2間には、反射角ψ0,ψ1,ψ2の大小関係を反映してφ2>φ0>φ1の関係が成り立っている。つまり、反射ユニット30のミラー31への入射角ι(後述する図4参照)は、仰角φ2に対応する部分23m、仰角φ0に対応する部分23k、仰角φ1に対応する部分23hの順で徐々に小さくなる。換言すれば、ミラー31への入射角ι又はかかるミラー31での反射角は、入射部21から離れるに従って小さくなる。映像光GL0,GL1,GL2のミラー31への入射角ιは、ミラー31の通過回数を少なく調整可能にする観点で40°以上とする。これにより、入射部21側からの映像光GLが反射ユニット30に入射して最初のミラー31に入射した段階又は隣のミラー31に入射した段階で、ミラー31によって映像光GLが反射され眼EY側に取り出される構成をとりやすくなる。
The image light GL0 for the center is incident on the
〔1C.射出部の構造及び射出部による光路の折曲げ〕
以下、図2、4等を参照して、射出部23の構造及び射出部23による映像光の光路の折曲げについて詳細に説明する。
[1C. (Structure of the emission part and bending of the optical path by the emission part)
Hereinafter, the structure of the
まず、射出部23の構造について説明する。射出部23は、映像光GLをそれぞれ部分的に反射する複数の反射面である複数のミラー31を配列してなる反射ユニット30を有する。反射ユニット30は、光軸AXに対して角σだけ傾いたXY平面に沿って延びる矩形板状の部材であり、細い帯状のミラー(反射面)31をストライプパターンとなるように多数埋め込んだ構造を有する。つまり、反射ユニット30は、y方向又はY方向に延びる細長いミラー31を平行導光体22の延びる方向すなわちX方向に多数配列させることで構成されている。より具体的には、ミラー31は、図2等に示す平行導光体22の平面22a,22bに平行で、かつ、ミラー31の配列されるX方向に対して垂直に延びる方向、つまり上下のy方向又はY方向を長手方向として、線状に延びている。さらに、ミラー31は、平行導光体22の観察者側を基準として外界側に向かって入射部21側に傾斜している。より具体的には、ミラー31は、その長手方向(Y方向)を軸として、平面22a,22bに直交するYZ面を基準として上端(+Z側)が反時計方向に回転するように傾斜している。さらに、全ミラー31は、互いに平行に配置されている。
First, the structure of the
反射ユニット30は、多数のガラス部材又はブロック部材32を接合した構造を有し、ミラー(反射面)31は、隣接する一対のブロック部材(ガラス部材)32間に挟まれた薄膜状のものとなっている。ここで、ブロック部材32の屈折率は、平行導光体22の屈折率と異なっている。このため、この屈折率差を考慮してミラー31を傾斜させる角度δを調整又は修正している。
The
ミラー31の映像光GLに対する反射率は、シースルーによる外界光OLの観察を容易にする観点で、想定される映像光GLの入射角範囲において10%以上50%以下とする。具体的な実施例のミラー31の映像光GLに対する反射率は、例えば20%に設定され、映像光GLに対する透過率は、例えば80%に設定される。
The reflectance of the
反射ユニット30の厚みTIは、0.7mm〜3.0mm程度に設定される。なお、反射ユニット30を支持する平行導光体22の厚みは、例えば数mm〜10mm程度、好ましくは4mm〜6mm程度となっている。平行導光体22の厚みが反射ユニット30の厚みに比較して十分大きいと、反射ユニット30又は境界面IFへの映像光GLの入射角を小さくしやすく、映像光GLが眼EYに取り込まれない位置にあるミラー31での反射を抑えやすい。一方、平行導光体22の厚みを比較的薄くすると、平行導光体22や導光装置20の軽量化を図りやすくなる。
The thickness TI of the
ミラー31は、すべて同一の傾きに設定され、平行導光体22との境界面IFを基準として時計回りで例えば48°〜70°程度の傾斜角度δをなすものとでき、具体的には例えば60°の傾斜角度δをなしている。ここで、映像光GL0の仰角φ0が例えば30°に設定され、映像光GL1の仰角φ1が例えば22°に設定され、映像光GL2の仰角φ2が例えば38°に設定されているものとする。この場合、映像光GL1と映像光GL2とは、光軸AXを基準として角度γ1=γ2≒12.5°をなして観察者の眼EYに入射する。
All the
これにより、上記映像光GLのうち全反射角度の比較的大きい成分(映像光GL1)を反射ユニット30のうち反入射側である+X側の部分23h側に主に入射させ、全反射角度の比較的小さい成分(映像光GL2)を射出部23のうち入射側である−X側の部分23m側に主に入射させた場合において、映像光GLを全体として観察者の眼EYに集めるような角度状態で効率的に取り出すことが可能となる。このような角度関係で映像光GLを取り出す構成であるため、導光装置20は、映像光GLを反射ユニット30において原則として複数回経由させず、1回だけ経由させることができ、映像光GLを少ない損失で虚像光として取り出すことを可能にする。
As a result, a component having a relatively large total reflection angle (image light GL1) in the image light GL is mainly incident on the +
なお、反射ユニット30のミラー31を通過する非利用光は、外界側の平面22aに再度入射する可能性があるが、ここで全反射された場合、多くは反射ユニット30の奥側の部分23h又はさらに奧側であって有効領域外に入射させることができ、眼EYに入射する可能性が低減される。
Note that the unused light that passes through the
また、反射ユニット30の中央側や奥側の部分23k,23h等において、映像光GLの一部は、ミラー31を複数回経由(具体的には、1回の反射と1回以上の透過を含む通過)している。この場合、ミラー31の経由回数が複数になるが、複数のミラー31からの反射光が、映像光GLとして観察者の眼EYにそれぞれ入射するので、光量の損失はあまり大きくはならない。
In addition, in the central side and back
複数のミラー31の配列方向又は反射ユニット30が延びるZ方向に関する配列間隔SPは、入射部21に近い入射側から終端面ESに近い反入射側にかけて、観察者の眼EYを想定して設定されたアイポイントEPの中心EPa(図2参照)から任意の着目点に延びる視線を基準として複数のミラー31が略連続して繋がるように変化している。結果的に、反射ユニット30における複数のミラー31の配列間隔SPは、入射部21に近い入射側から反入射側にかけて徐々に増加している。ミラー31の具体的な配列間隔SPは、反射ユニット30内で大小の差があるものの、各部で0.5mm〜2.0mm程度の範囲内となっている。
The arrangement interval SP in the arrangement direction of the plurality of
図4を参照して、光軸AXを含むXZ面内において平行導光体22を経た映像光GL0,GL1,GL2は、屈折率が異なる媒体間に存在する境界面IFに対して傾斜して入射する。つまり、境界面IFは、光軸AXに対して大きく傾斜している。このため、光軸AXに沿って伝搬する映像光GL0,GL1,GL2は、境界面IFで屈折されて屈曲する。この際の入射部21の樹脂の媒体とブロック部材32のガラス又は樹脂との境界を第4番目の光学面又は光学機能面(k=4)として、その前後の屈折率をn3及びn4とし、入射角度をα4(°)とし、射出角度又は屈折角をβ4(°)とした場合、スネルの法則に従い、以下の関係
sinβ4=(n3/n4)×sinα4 … (1−4)
が成り立っている。
Referring to FIG. 4, video lights GL0, GL1, and GL2 that have passed through parallel
Is true.
また、境界面IFを経た映像光GL0は、光軸AXを含むXZ面内において光軸AXに沿って伝搬し、ミラー31で反射された後、屈折率が異なる媒体間に存在する光射出面OSに対して傾斜して入射する。つまり、光射出面OSは、光軸AXに対して垂直な面ではなく傾斜している。このため、光軸AXに沿って伝搬する映像光GL0は、光射出面OSで屈折されて屈曲する。この際のブロック部材32のガラス又は樹脂と空気との境界を第5番目の光学面又は光学機能面(k=5)として、その前後の屈折率をn4及びn5とし、入射角度をα5とし、射出角度又は屈折角をβ5とした場合、スネルの法則に従い、以下の関係
sinβ5=(n4/n5)×sinα5 … (1−5)
が成り立っている。
The image light GL0 that has passed through the boundary surface IF propagates along the optical axis AX in the XZ plane including the optical axis AX, is reflected by the
Is true.
図5を参照して、反射ユニット30の製造方法の一例について説明する。予め、ガラス製の平行平板である多数のガラス板91を準備する。各ガラス板91の厚みは、ミラー31の配列間隔SPを考慮したものとなっており、反射ユニット30のうち中央側の部分23kに対応するガラス板91の厚みを標準として、入射側又は入口側の部分23mに対応するガラス板91は相対的に薄く、反入射側又は奥側の部分23hに対応するガラス板91は相対的に厚くなっている。図5の場合、下側のガラス板91が薄く上側のガラス板91が厚くなっている。その後、準備した多数のガラス板91の一面に金属反射膜や誘電体多層膜である反射膜92を成膜することにより多数の要素板90を準備する。その後、形成された多数の要素板90を厚みの順に接着剤で接合しつつ積層し、切断線C1、C2に沿って全体を斜めにカットする。これにより、平行平板を斜めに分割した細長いプリズム片であるブロック部材32の間に金属反射膜や誘電体多層膜からなるミラー31を挟んだ構造の反射ユニット30であって、一端側でミラー31の配置間隔が狭く他端側でミラー31の配置間隔が広くなったものを得ることができる。この反射ユニット30を、平行導光体22の観察者側の適所に接着剤を介して貼り付け、接着剤を硬化させることによって固定する。
With reference to FIG. 5, an example of the manufacturing method of the
導光装置20等の虚像表示装置100の全光学系によって生じる映像光GLの横色収差としての色分散又は色分離について説明する。全体の光学系つまり表示光学系2では、映像光GLを異なる屈折率を有する媒体間で複数回屈折され屈曲する。具体的には、映像光GL0,GL1,GL2は、レンズ面12a,12b、光入射面IS、境界面IF、及び光射出面OSで基本的に屈折され、これらの屈折面(レンズ面12a,12b、光入射面IS、境界面IF、及び光射出面OS)は、光軸AXに対して基本的に傾いた状態又は非垂直状態となっている。また、これらの屈折面12a,12b,IS,IF,OS)は、殆どが光軸AXを基準として互いに非平行である。なお、光軸AXを基準としなければ、2つの屈折面IF,OSは見かけ上平行である。
The color dispersion or color separation as the lateral chromatic aberration of the video light GL generated by the all optical system of the virtual
既述のように、投射光学系12のレンズ面12a,12bでの屈折は関係式(1−1)又は(1−2)で表される。また、導光装置20の光入射面ISでの屈折は関係式(1−3)で表され、境界面IFでの屈折は関係式(1−4)で表され、光射出面OSでの屈折は関係式(1−5)で表される。一般化すると、光路に沿った第k番目(kは自然数)の媒体の屈折率(つまり入射側の媒質の屈折率)をnk−1とし、第k+1番目の媒体との屈折率(つまり射出側の媒質の屈折率)をnkとして、入射角度(光学面の法線と入射光線である映像光とが成す角)をαkとし射出角度(光学面の法線と射出光線である映像光とが成す角)をβkとした場合に、以下の関係式(2−1)
nk−1×sinαk=nk×sinβk … (2−1)
が成り立つ。各媒体間の屈折面は、光路又は光軸に対して様々に傾いている。結果的に、一連の屈折面での入射角度や射出角度は、大きく変化する。なお、図2及び3の例では、映像光GL0,GL1,GL2がxz面上又は対称面上にあるとしているが、映像光GLがxz面上又は対称面上にない場合であっても上記関係式(2−1)が成り立つ。
As described above, refraction at the lens surfaces 12a and 12b of the projection
n k-1 × sin α k = n k × sin β k (2-1)
Holds. The refracting surfaces between the media are variously inclined with respect to the optical path or the optical axis. As a result, the incident angle and exit angle on a series of refractive surfaces vary greatly. 2 and 3, the video lights GL0, GL1, and GL2 are on the xz plane or the symmetry plane. However, even if the video light GL is not on the xz plane or the symmetry plane, Relational expression (2-1) is established.
ここで、光入射面IS、境界面IF、及び光射出面OSの各屈折面では、屈折にともなって横色収差としての色分散又は色分離が生じる。これらの屈折面での色分散指標を逐次計算し、これらの値を積み重ねれば、全光学系として色分散指標(つまり、色分散指標の累積値)を評価できる。 Here, on each refracting surface of the light incident surface IS, the boundary surface IF, and the light exit surface OS, chromatic dispersion or color separation as lateral chromatic aberration occurs with refraction. By sequentially calculating the chromatic dispersion index on these refractive surfaces and accumulating these values, the chromatic dispersion index (that is, the accumulated value of the chromatic dispersion index) can be evaluated as the entire optical system.
上記の関係式(2−1)を波長λで微分すると、
sinαk×(dnk−1/dλ)
+nk−1cosαk×(dαk/dλ)
=sinβk×(dnk/dλ)
+nkcosβk×(dβk/dλ)
となる。ここで、Vk−1=dnk−1/dλ及びVk=dnk/dλとし、Ak−1=dαk/dλ及びAk=dβk/dλとすれば、上式は、
となる。この関係式(2−2)において、値Vk−1及びVkは、屈折率の波長依存性を示し、値Ak−1及びAkは、色分散指標、つまり色分散又は色分離の程度を示す。なお、初期値としてのA0=dθ0/dλは零とする。関係式(2−2)は、屈折面を順次辿れば、最終面の番号がKであるとして、最終面の色分散指標AKの絶対値(この場合、Kは最終面の番号であり、本実施形態では第5番目の面(つまりガラス又は樹脂と空気との境界を示す)までを見積もることができることを意味する。この際、Vk−1=dnk−1/dλ、Vk=dnk/dλ等を用いて、一連の媒体間の屈折面を経るごとに、つまり光軸AXに沿った各屈曲箇所において色分散指標Ak=dβk/dλが逐次算される。値Vkは、屈折面の入射側にある媒体の屈折率の波長依存性であり、例えば可視光の波長域をλb〜λr(μm)とし、着目媒体の屈折率域をnb〜nrとして、近似的には値(nb−nr)/(λb〜λr)で表すことができる。具体的には、光学媒体の屈折率特性の規格として汎用されるF線の波長をλF(μm)とし、C線の波長をλC(μm)とし、着目する媒体において、F線の屈折率をnFとし、C線の屈折率をnCとした場合、値Vk=dnk/dλは、以下の式
を利用して得ることができる。色分散指標Akついては、初期値A0(deg/μm)、Vk=dnk/dλ(1/μm)等を利用して媒体を順次辿ることで累積的に決定される。つまり、最終面の番号がKであるとして、A0=0から始めて色分散指標Akの値を順次計算したとき、最終面の色分散指標AKの絶対値は、全光学系で見た最終的な色分散の指標値又は累積値を見積もるものであり、所定の基準値以下であることが望ましい。最終的色分散の角度的な大きさは、上記のようにF線やC線を利用する例では、F線及びC線の波長差が約170nm=0.17μmであるとして、
0.17×AK〔deg〕
で与えられる。なお、以上では、F線やC線を用いる例を示したが、他の波長を基準とできることは言うまでもない。
When the above relational expression (2-1) is differentiated by the wavelength λ,
sin α k × (dn k−1 / dλ)
+ N k-1 cos α k × (dα k / dλ)
= Sin β k × (dn k / dλ)
+ N k cos β k × (dβ k / dλ)
It becomes. Here, if V k−1 = dn k−1 / dλ and V k = dn k / dλ, and A k−1 = dα k / dλ and A k = dβ k / dλ,
It becomes. In this relational expression (2-2), the values V k-1 and V k indicate the wavelength dependence of the refractive index, and the values A k-1 and A k are chromatic dispersion indices, that is, chromatic dispersion or color separation. Indicates the degree. Note that A 0 = dθ 0 / dλ as an initial value is zero. Equation (2-2), if successively traced the refracting surface, as the number of the final surface is K, the absolute value of the chromatic dispersion index A K of the final surface (in this case, K is the number of the last surface, In the present embodiment, this means that it is possible to estimate up to the fifth surface (that is, the boundary between glass or resin and air), where V k-1 = dn k-1 / dλ, Vk = dn. with k / d [lambda], etc., each time through the refracting surfaces between successive medium, that is, the color distribution indicator a k = dβ k / dλ is sequentially calculated at each bending point along the optical axis AX. value V k Is the wavelength dependency of the refractive index of the medium on the incident side of the refracting surface. For example, the wavelength range of visible light is λb to λr (μm), and the refractive index region of the target medium is approximately nb to nr. Can be expressed by the value (nb−nr) / (λb to λr). The wavelength of F-line, which is commonly used as standards rate characteristics and lambda F ([mu] m), the wavelength of C-line and lambda C ([mu] m), at the focus to the medium, the refractive index of the F-line and n F, the C-line When the refractive index is n C , the value V k = dn k / dλ is given by
Can be obtained using The chromatic dispersion index A k is cumulatively determined by sequentially following the medium using the initial value A 0 (deg / μm), Vk = dnk / dλ (1 / μm), and the like. In other words, as the number of the last surface is K, when sequentially calculate the value of the color distribution indicator A k starting from A 0 = 0, the absolute value of the chromatic dispersion index A K of the final surface, viewed in the entire optical system The final index value or cumulative value of color dispersion is estimated, and it is desirable that it be below a predetermined reference value. As for the angular magnitude of the final chromatic dispersion, in the example using the F line and the C line as described above, the wavelength difference between the F line and the C line is about 170 nm = 0.17 μm.
0.17 × A K [deg]
Given in. In addition, although the example which uses F line and C line was shown above, it cannot be overemphasized that another wavelength can be used as a reference.
最終的な色分散指標AKが0.3の場合、0.17×0.3=0.051(度)=3.06(分)の角度差となる。従って、表示像の鮮明さを確保する観点で、3.06(分)の角度差に抑えたい場合、色分散指標値AKの絶対値を0.3以下とする必要が生じる。 If the final color distribution indicator A K is 0.3, the angle difference of 0.17 × 0.3 = 0.051 (deg) = 3.06 minutes. Accordingly, in view of ensuring the sharpness of the display image, when it is desired to suppress the angular difference 3.06 (min), the absolute value of the chromatic dispersion index value A K needs to be 0.3 or less occurs.
最終的な色分散指標AKの絶対値に対する制限は、主光線(光源の中心から眼EY又はアイポイントEPの中心に至る光線)以外の任意の光線に対しても成立していないと、表示像が鮮明でなくなる。しかし、任意の光線に対して色分散指標AKを簡便に計算することは困難である。色分散指標AKは、光線と面の法線を含む平面内での光線角度の変化を表しているため、各屈折面に於ける光線と法線を含む平面(光線面)どうしが平行な場合は、或る面の射出側のAKと、次の面の入射側のAKが同じになり、順次計算を進めることができるが、各光線面が平行でない場合には、これが異なり厳密には変換が必要になる。 Limit for the absolute value of the final color distribution indicator A K, if not satisfied even for any ray other than the main light beam (ray reaching the center of the eye EY or eye point EP from the center of the light source), the display The image is not clear. However, it is difficult to easily calculate the chromatic dispersion index A K for any ray. Chromatic dispersion index A K, since they represent a change in the ray angle in the plane containing the normal line of the light beam and the surface, what was the parallel plane (beam plane) including in ray and the normal to the refracting surface If the a K of the exit side of the one surface, the incident side of the a K of the next surface is the same, but can proceed sequentially calculated, in each case beam plane are not parallel, this is different from strict Needs to be converted.
このため、本実施形態では、1つの平面又は対称面(具体的には光軸AXを含む横断面(XZ断面))に対して面対称な光学系を想定し、この平面又は対称面に投射した光線と法線とを考える。各屈折面における入射光線、射出光線及び面の法線を対称面に投射した線の角度に対しスネルの法則が近似的に成り立つ。この場合、最終的な色分散指標AKは、光学系の対称平面内の角度分散を表しているため、ある面の射出側の色分散指標Akと、次の面の入射側の色分散指標Akとが同じになり、順次計算を進めることが容易になる。 Therefore, in the present embodiment, an optical system that is plane-symmetric with respect to one plane or symmetry plane (specifically, a transverse section (XZ section) including the optical axis AX) is assumed, and projection is performed on this plane or symmetry plane. Think about the rays and normals. Snell's law is approximately established with respect to the angle of the incident light, the outgoing light, and the normal of the surface on each refracting surface projected onto the symmetry plane. In this case, the final color distribution indicator A K, since they represent the angular dispersion in the symmetry plane of the optical system, a color distribution indicator A k of the exit side of a surface, the chromatic dispersion of the incident side of the next surface The index Ak becomes the same, and it becomes easy to proceed with the calculation sequentially.
具体的には、映像光GLと表示光学系(つまり表示光学系2)のk番目の光学面又は光学機能面とが交差する点における面の法線を表示光学系の対称面に投射した線と入射光線を対称面に投射した線とが成す角をαkとし、光学面又は光学機能面の法線を対称面に投射した線と射出光線を対称面に投射した線とが成す角をβkとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし、射出側の媒質の屈折率をnkとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVkとし、入射側媒質の色分散指標をAk−1とし、対称面への投射によって得られる射出側の色分散指標をAkとし、対象波長をλ(μm)として、下記の式(2−4)
に基づいて、A0=0(deg/μm)から始めて色分散指標Ak(deg/μm)の値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、対称面への投射によって得られる最終面の色分散指標AKが所定の基準値以下であることが望ましいと言える。この場合、スネルの法則は近似的に成り立つのみで、誤差を生じる可能性があるため、対称面への投射によって得られる色分散指標AKの絶対値を1.0以下とすることが望ましい目標となる。
Specifically, a line obtained by projecting the normal of the surface at the point where the image light GL intersects the kth optical surface or the optical functional surface of the display optical system (that is, the display optical system 2) onto the symmetry plane of the display optical system. The angle formed by the line projected on the symmetry plane and the line projected on the symmetry plane is α k, and the angle formed by the line projected on the symmetry plane with the normal of the optical surface or optical function surface and the line projected on the symmetry plane and beta k, the refractive index of the incident side of the medium and n k-1, the refractive index of the exit side of the medium and n k, and the refractive index dispersion of the incident side medium and V k-1, the refractive index of the exit side medium Assuming that the dispersion is V k , the chromatic dispersion index of the incident side medium is A k−1 , the chromatic dispersion index on the emission side obtained by projection onto the symmetry plane is A k , and the target wavelength is λ (μm), Formula (2-4)
When the value of the chromatic dispersion index A k (deg / μm) is calculated sequentially starting from A 0 = 0 (deg / μm), the final surface number is K, and is obtained by projection onto a symmetric surface. Chromatic dispersion index a K of the final surface that is it can be said that it is preferably not more than a predetermined reference value. In this case, Snell's law is only holds an approximation, since it may introduce errors, the target it is desirable to absolute value of chromatic dispersion index A K obtained by projection onto the plane of symmetry of 1.0 or less It becomes.
以下、具体的な光学系を前提とする実施例について説明する。なお、各実施例で使用する記号の意義は以下のとおりである。
STOP :眼に対応する絞り面
PLANE:眼前又は画像面前の平面
IMAGE:画像面
MA :ミラーアレイ
PSi :平面(i=同種面の面番号)
FFSj :自由曲面(j=同種面の面番号)
ASPk :球面又は平面(k=同種面の面番号)
T :軸上面間隔
TLY :特定面の横断面(XZ断面)における光軸の傾斜角度(°)
(TLYについては、特定面の前後で変化する場合がある)
DCX :特定面の横断面(XZ断面)におけるX軸方向の光軸のズレ量
Hereinafter, examples based on a specific optical system will be described. In addition, the meaning of the symbol used in each Example is as follows.
STOP: Diaphragm plane PLANE corresponding to the eye: Plane in front of the eye or in front of the image plane IMAGE: Image plane MA: Mirror array PSi: Plane (i = surface number of the same plane)
FFSj: free-form surface (j = surface number of the same kind of surface)
ASPk: spherical surface or plane (k = surface number of the same kind of surface)
T: Axial surface interval TLY: Inclination angle of optical axis (°) in cross section (XZ cross section) of specific surface
(TLY may change before and after a specific surface)
DCX: Deviation amount of the optical axis in the X-axis direction in the cross section (XZ cross section) of the specific surface
実施例1〜3に共通する具体的光学系の光学面のデータを以下の表1に示す。なお、例えば符号PS1,FFS2は、平行導光体22の平面22a,22bを表し、符号FFS1,FFS2は、入射部21の反射面RSや光入射面ISを表す。符号ASP1〜ASP6は、投射レンズ12のレンズ面を表す。
〔表1〕
No Name T 媒質
1 STOP 20.00 Air
2 PLANE 0.50 BK7
3 MA -0.50 Air
4 PS1 -5.00 COP
5 PS2 14.00
6 FFS1 -7.00 COP
7 FFS2 7.00
8 FFS1 7.00 Air
9 ASP1 12.00 COP
10 ASP2 1.50 Air
11 ASP3 1.00 PC
12 ASP4 2.00 Air
13 ASP5 6.00 COP
14 ASP6 5.60 Air
15 PLANE 1.10 SLICA
16 IMAGE
Table 1 below shows data of optical surfaces of specific optical systems common to Examples 1 to 3. For example, the symbols PS1 and FFS2 represent the
[Table 1]
No Name T Medium
1 STOP 20.00 Air
2 PLANE 0.50 BK7
3 MA -0.50 Air
4 PS1 -5.00 COP
5 PS2 14.00
6 FFS1 -7.00 COP
7 FFS2 7.00
8 FFS1 7.00 Air
9 ASP1 12.00 COP
10 ASP2 1.50 Air
11 ASP3 1.00 PC
12 ASP4 2.00 Air
13 ASP5 6.00 COP
14 ASP6 5.60 Air
15 PLANE 1.10 SLICA
16 IMAGE
以上の表1中のAir、BK7、COP、PC、及びSLICAは、媒質名であり、各媒質の媒質データは以下の表2のようなものとなっている。
〔表2〕
表中で、記号Fは、F線屈折率を意味し、記号dは、d線屈折率(nd)を意味し、記号C線屈折率を意味する。また、記号Vは、屈折率分散を意味する。
Air, BK7, COP, PC, and SLICA in Table 1 above are medium names, and the medium data of each medium is as shown in Table 2 below.
[Table 2]
In the table, the symbol F means the F-line refractive index, the symbol d means the d-line refractive index (nd), and the symbol C-line refractive index. The symbol V means refractive index dispersion.
実施例1〜3に共通する具体的光学系を構成するプリズム中の光学面について、その横断面における光軸傾斜角度(ティルト)TLYと光軸ズレ量(ディセンター)DCXとを以下の表3に示す。
〔表3〕
No Name TLY(面前) DCX(面後) TLY(面後)
2 PLANE 15.00 0.0 0.00
5 PS2 0.00 11.8 65.08
6 FFS1 -54.00 0.0 -54.00
7 FFS2 36.48 0.0 -36.48
8 FFS1 54.00 7.0 32.38
Table 3 below shows the optical axis tilt angle (tilt) TLY and the optical axis misalignment amount (decenter) DCX in the cross section of the optical surface in the prism constituting the specific optical system common to the first to third embodiments. Shown in
[Table 3]
No Name TLY (front) DCX (back) TLY (back)
2 PLANE 15.00 0.0 0.00
5 PS2 0.00 11.8 65.08
6 FFS1 -54.00 0.0 -54.00
7 FFS2 36.48 0.0 -36.48
8 FFS1 54.00 7.0 32.38
実施例1〜3に共通する具体的光学系を構成する光学面のうち自由曲面について、その多項式展開した係数Akm,nを以下の表3に示す。なお、表4において、記号m,nは、係数Akm,n中の変数又は次数を意味する。ここで、係数Akm,nは、対象とする第k面を表す多項式を構成する各項Xm・Ynの係数を意味する。つまり、第k面は、Z=Σ{Akm,n・(Xm・Yn)}で表される。
〔表4〕
m n FFS1 FFS2
2 0 4.025E-03 6.215E-03
0 2 6.136E-03 6.836E-03
3 0 2.529E-05 6.218E-05
1 2 1.150E-05 2.657E-05
4 0 2.362E-06 3.504E-06
2 2 1.238E-06 2.624E-06
0 4 4.822E-06 4.171E-06
5 0 0.000E+00 5.012E-08
3 2 0.000E+00 -5.990E-08
1 4 0.000E+00 4.723E-08
6 0 0.000E+00 7.769E-09
4 2 0.000E+00 -2.522E-09
2 4 0.000E+00 -6.814E-09
0 6 0.000E+00 -4.870E-09
Table 3 below shows coefficients Akm , n that are polynomial-expanded with respect to a free-form surface among optical surfaces that constitute a specific optical system common to the first to third embodiments. In Table 4, the symbols m and n mean variables or orders in the coefficient Akm , n . Here, the coefficient Ak m, n means a coefficient of each term X m · Y n constituting the polynomial representing the target k-th surface. That is, the k-th surface is represented by Z = Σ {Ak m, n · (X m · Y n )}.
[Table 4]
mn FFS1 FFS2
2 0 4.025E-03 6.215E-03
0 2 6.136E-03 6.836E-03
3 0 2.529E-05 6.218E-05
1 2 1.150E-05 2.657E-05
4 0 2.362E-06 3.504E-06
2 2 1.238E-06 2.624E-06
0 4 4.822E-06 4.171E-06
5 0 0.000E + 00 5.012E-08
3 2 0.000E + 00 -5.990E-08
1 4 0.000E + 00 4.723E-08
6 0 0.000E + 00 7.769E-09
4 2 0.000E + 00 -2.522E-09
2 4 0.000E + 00 -6.814E-09
0 6 0.000E + 00 -4.870E-09
実施例1〜3に共通する具体的光学系を構成する光学面のうち非球面について、その断面形状を多項式展開した係数Bi(i=2,4,6,…)を以下の表5に示す。つまり、非球面は、r2=X2+Y2として、Z=ΣBi・riで表される。
〔表5〕
ASP1 ASP2 ASP3
B2 4.088E-02 -2.844E-02 -5.546E-02
B4 4.789E-05 7.964E-05 3.746E-04
B6 1.379E-07 7.442E-08 -1.359E-06
B8 6.850E-10 -7.115E-10 2.222E-09
ASP4 ASP5 ASP6
B2 4.503E-02 6.674E-02 -1.370E-02
B4 -2.053E-04 -3.603E-06 1.003E-03
B6 1.234E-06 -2.773E-06 -1.894E-05
B8 5.199E-08 2.982E-09 1.120E-07
Table 5 below shows coefficients Bi (i = 2, 4, 6,...) Obtained by polynomial expansion of the cross-sectional shape of the aspherical surface among the optical surfaces constituting the specific optical system common to the first to third embodiments. . That is, the aspherical surface as r 2 = X 2 + Y 2 , represented by Z = ΣBi · r i.
[Table 5]
ASP1 ASP2 ASP3
B2 4.088E-02 -2.844E-02 -5.546E-02
B4 4.789E-05 7.964E-05 3.746E-04
B6 1.379E-07 7.442E-08 -1.359E-06
B8 6.850E-10 -7.115E-10 2.222E-09
ASP4 ASP5 ASP6
B2 4.503E-02 6.674E-02 -1.370E-02
B4 -2.053E-04 -3.603E-06 1.003E-03
B6 1.234E-06 -2.773E-06 -1.894E-05
B8 5.199E-08 2.982E-09 1.120E-07
図6Aは、実施例1の導光装置20及び投射レンズ12の断面図である。投射レンズ12は、3つのレンズL1〜L3からなる。導光装置20は、平行導光体22の一対の平面22a,22bとして、第1及び第2面S1,S2を有する。平面22a又は第1面S1は、光射出面OSに相当する。導光装置20は、入射部21において、自由曲面であり断面において比較的弱い負の屈折力を有する第3面S3と、自由曲面であり断面において比較的弱い正の屈折力を有する第4面S4と、第3面S3と共通する透過面である第5面S5とを有する。ここで、第5面S5は、光入射面ISに相当する。本実施例のように、入射部21に自由曲面を設けることで、投射レンズの負担を低減でき、結果として光学系を薄くできる。
FIG. 6A is a cross-sectional view of the
図6Bは、導光装置20を構成する第1〜第5面S1〜S5のローカル座標を具体的に図示したものである。
FIG. 6B specifically illustrates the local coordinates of the first to fifth surfaces S1 to S5 that constitute the
〔実施例1〕
以下、表6を参照して、実施例1の光路での光学的データについて説明する。なお、実施例1の光学的データは、液晶デバイス11の中心点(x=0,y=0)から射出される光に対応するものとなっており、光線及び各面の法線は、全て光学系の対称面の中に含まれている。
〔表6〕
表中で、A欄は、k欄に対応する色分散指標Akの値を示し、α欄は、k欄に対応する入射角の値αkを示し、β欄は、k欄に対応する射出角の値βkを示す。ここで、整数kは、画像面側からの面番号を意味し、k=0は、液晶デバイス(画像形成装置)11の画像面に対応する射出面11aに対応し、k=1、2は、液晶デバイス11のカバーガラスの面を意味する。k=3、4は、第3レンズL3の光学面を示し、k=5、6は、第2レンズL2の光学面を示し、k=7、8は、第1レンズL1の光学面を示す。k=9は、導光装置20の光入射面ISを示し、k=10は、反射ユニット20の境界面IFを示し、k=11は、光射出面OSに対応する。
[Example 1]
Hereinafter, the optical data in the optical path of Example 1 will be described with reference to Table 6. The optical data of Example 1 corresponds to the light emitted from the center point (x = 0, y = 0) of the
[Table 6]
In the table, the A column indicates the value of the chromatic dispersion index A k corresponding to the k column, the α column indicates the incident angle value α k corresponding to the k column, and the β column corresponds to the k column. The emission angle value β k is shown. Here, the integer k means the surface number from the image surface side, k = 0 corresponds to the
以上の表からも明らかなように、最終的な指標値の累積値(横色収差)AKの絶対値は、0.075〔deg/μm〕であり、0.3〔deg/μm〕以下となっている。 As apparent from the above table, the final cumulative value of the index value the absolute value of (lateral chromatic aberration) A K is 0.075 [deg / [mu] m], 0.3 [deg / [mu] m] or less It has become.
〔実施例2〕
以下、表7を参照して、実施例2の光路における光学的データについて説明する。なお、実施例2の光学的データは、液晶デバイス11の四隅の1箇所(x=4.8,y=2.7)から射出される光に対応するものとなっており、各光線及び法線は、光学系の対称面内に含まれていない。表のα欄は、入射側光線と面の法線を対称面に投射した時の角度αkを示し、β欄は、射出側光線と面の法線を対称面に投射した時の角度βkを示す。
〔表7〕
[Example 2]
Hereinafter, the optical data in the optical path of Example 2 will be described with reference to Table 7. The optical data of Example 2 corresponds to light emitted from one of the four corners of the liquid crystal device 11 (x = 4.8, y = 2.7). The line is not included in the plane of symmetry of the optical system. The α column in the table indicates the angle α k when the incident side ray and the surface normal are projected on the symmetry plane, and the β column indicates the angle β when the emission side ray and the surface normal are projected on the symmetry surface. k .
[Table 7]
以上の表からも明らかなように、最終的な指標値の累積値(横色収差)AKの絶対値は、0.274〔deg/μm〕である。 As apparent from the above table, the final cumulative value of the index value the absolute value of (lateral chromatic aberration) A K is 0.274 [deg / [mu] m].
〔実施例3〕
以下、表8を参照して、実施例3の光路における光学的データについて説明する。なお、実施例3の光学的データは、液晶デバイス11の四隅の反対箇所(x=−4.8,y=−2.7)から射出される光に対応するものとなっている。実施例2と同様に表のα欄は、入射側光線と面の法線を対称面に投射した時の角度αkを示し、β欄は、射出側光線と面の法線を対称面に投射した時の角度βkを示す
〔表8〕
Example 3
Hereinafter, the optical data in the optical path of Example 3 will be described with reference to Table 8. The optical data of Example 3 corresponds to the light emitted from the opposite positions (x = −4.8, y = −2.7) of the four corners of the
以上の表からも明らかなように、最終的な指標値の累積値(横色収差)AKの絶対値は、0.784〔deg/μm〕である。 As apparent from the above table, the final cumulative value of the index value the absolute value of (lateral chromatic aberration) A K is 0.784 [deg / [mu] m].
〔1D.第1実施形態のまとめ〕
以上で説明した第1実施形態の虚像表示装置100によれば、所定方向である横方向に関する色分散についての指標の累積値AKが所定の基準値である0.5又は0.2〔deg/μm〕以下であるので、横方向に関して光軸AXに対して傾斜する屈折面を複数箇所に設ける場合であっても、光学性能を確保しつつ色分離又は横色収差を総計的に扱って色分散を全結像系として確実に低減することができる。
[1D. Summary of First Embodiment]
According to the virtual
図7は、導光装置20の射出部23の構造等に関する変形例を説明する図である。この場合、反射ユニット30の厚みが、入射部21に近い入射側で厚く入射部21から遠い反入射側で薄くなっている。導光装置20において、入射部21から遠い側では、映像光GL2の仰角φ2が小さくなっており、反射ユニット30を薄くすることで、ミラー31を経由する回数が増加することを抑制できる。ここで、反射ユニット30の観察側の光射出面OSと、平行導光体22の外界側の平面22aとは平行であることが望ましい。つまり、平行導光体22のうち反射ユニット30に隣接する部分は原則として僅かな楔角を有することになる。この場合も、不図示の光入射面IS、図示した境界面IF及び光射出面OS等に関して、関係式(2−2)又は(2−4)を利用して最終的な色分散指標を評価することができ、横色収差の発生を抑えて高性能の虚像表示装置100を得ることができる。
FIG. 7 is a diagram illustrating a modification example regarding the structure and the like of the
図8は、導光装置20の射出部23の構造等に関する別の変形例を説明する図である。この場合、射出部23に設けた反射ユニット30が傾斜した状態で組み込まれている。具体的には、反射ユニット30は、入射部21から遠い奥側の部分23hが入射部21に近い前側の部分23mよりも外界寄りとなるように傾斜している。つまり、反射ユニット30の入射面30a及び出射面30bは、平行導光体22の平面22a,22bを基準として、反時計回りに90°未満の適宜の角度ρで傾斜したものとなっている。ここで、射出部23は、反射ユニット30を挟んで平行導光体22の反対側に、反射ユニット30の出射面30bに接合される断面楔状のプリズム部材23fを有する。これにより、平行導光体22の外界側の平面22aと、この平面22aに対向する光射出面OS又平面22bとが平行になって、外界光OLの自然な観察が可能になる。反射ユニット30が傾斜した状態で配置されていても、角度条件を図2、4等に示す例と同様とすれば、平行導光体22の外界側の平面22aで反射された映像光GLを複数のミラー31で反射させて、観察側の光射出面OSを通過させることでき、図2等の場合と同様に虚像を形成することができる。この場合、不図示の光入射面IS、図示した境界面IFに対応する面30a,30b及び光射出面OS等に関して、関係式(2−2)又は(2−4)を利用して最終的な色分散指標を評価することで、横色収差の発生を抑えて高性能の虚像表示装置100を得ることができる。
FIG. 8 is a diagram for explaining another modification example regarding the structure and the like of the
〔第2実施形態〕
以下、本発明の第2実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。なお、第2実施形態に係る導光装置は、第1実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device incorporating a light guide device according to a second embodiment of the present invention will be described. Note that the light guide device according to the second embodiment is a partial modification of the light guide device according to the first embodiment, and description of common portions is omitted.
図9に示すように、本実施形態の虚像表示装置100の場合、表示光学系2において、投射光学系12は、コリメートレンズ12aの他に、光路折曲げ用のプリズム12bを備える。光路折曲げ用のプリズム12bは、一対の屈折面PS1,PS2を有しており、光軸AX上の典型的な映像光GL0の光路は、これらの屈折面PS1,PS2よって屈曲される。この場合、屈折面PS1,PS2、光入射面IS、境界面IF、光射出面OS等に関して、関係式(2−2)又は(2−4)を利用して最終的な色分散指標を評価することで、横色収差の発生を抑えて高性能の虚像表示装置100を得ることができる。
As shown in FIG. 9, in the case of the virtual
なお、コリメートレンズ12aとプリズム12bとを別体とする必要はなく、これらの光学部品を12a,12bを一体化したレンズとできる。
Note that the
〔第3実施形態〕
以下、本発明の第3実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。なお、第3実施形態に係る導光装置は、第1又は第2実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
[Third Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device incorporating a light guide device according to a third embodiment of the present invention will be described. Note that the light guide device according to the third embodiment is a partial modification of the light guide device according to the first or second embodiment, and description of common parts is omitted.
図10に示すように、本実施形態の虚像表示装置100は、導光装置320として、導光及び透視用の導光部材20aと、透視用の光透過部材20bとを有する。これらのうち、導光部材20aは、入射部21と平行導光体22とを有し、光透過部材20bは、平行導光体22に固定されている。
As illustrated in FIG. 10, the virtual
導光部材20aの平行導光体22は、射出側に曲面の光学面22cを有する。光学面22cの表面には、ハーフミラー層25が付随して設けられている。このハーフミラー層25は、光透過性を有する反射膜すなわち半透過反射膜であり、金属反射膜や誘電体多層膜を成膜することにより形成され映像光に対する反射率が適宜設定されている。
The parallel
光透過部材20bは、導光部材20aに設けた一対の平面22a,22bを延長上に配置される平面122a,122bを有し、これらの平面122a,122bの間に光学面122cを有している。光学面122cは、導光部材20aの光学面22cに対して接合され一体化されている曲面である。
The
導光装置320において、導光部材20aは、光透過部材20bと接着層CCを介して接合されており、接着層CCは、ハーフミラー層25のある画像取り出しエリアA1において、ハーフミラー層25よりも光透過部材20b側に存在する。画像取り出しエリアA1は、使用者の眼に対して画像光が射出される領域となっている。
In the
この場合、光入射面IS、光射出面OS等に関して関係式(2−2)又は(2−4)を利用して最終的な色分散指標を評価することで、横色収差の発生を抑えて高性能の虚像表示装置100を得ることができる。なお、投射光学系12は、光路折曲げ用のプリズムを含んでいてもよく、この場合、光路折曲げ用のプリズムの屈折面を含めて指標の累積値(横色収差)Akを評価する。
In this case, the occurrence of lateral chromatic aberration is suppressed by evaluating the final chromatic dispersion index using the relational expression (2-2) or (2-4) with respect to the light incident surface IS, the light exit surface OS, and the like. A high-performance virtual
〔第4実施形態〕
以下、本発明の第4実施形態に係る導光装置を組み込んだ虚像表示装置について説明する。なお、第4実施形態に係る導光装置は、第1実施形態に係る導光装置を部分的に変更したものであり、共通部分については説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a virtual image display device incorporating a light guide device according to a fourth embodiment of the present invention will be described. Note that the light guide device according to the fourth embodiment is a partial modification of the light guide device according to the first embodiment, and a description of common portions is omitted.
図11に示すように、本実施形態の虚像表示装置100は、画像投影装置10と、導光装置420とを一組として備える。画像投影装置10は、画像形成装置411と、投射光学系12とを備える。画像形成装置411は、液晶デバイスその他の光変調型表示素子と、RGBの3色光を発生するLED、LDその他の光源とを含む。投射光学系12は、光軸AXのまわりに対称性を有する複数のレンズ12aを含む。
As illustrated in FIG. 11, the virtual
投射光学系12とともに表示光学系2を構成する導光装置420は、映像光を取り込む入射部21と、導光用の平行導光体22と、映像光を取り出すための射出部23とを備える。入射部21は、平行平板である導光板24の一端側(図面左側)の部分と、導光板24の一端側において外界側の平面24aに貼り付けるように固定されたシート状の入射側回折素子440とを有する。平行導光体22は、導光板24の両端を除いた部分である。射出部23は、導光板24の他端側(図面右側)の部分と、導光板24の他端側において外界側の平面24aに貼り付けるように固定されたシート状の射出側回折素子430とを有する。
The
導光板24は、ガラス、樹脂材料等の光透過性材料で形成され、その主面又は表面として、外界側の全反射面である平面24aと、裏側の全反射面である平面24bとを有する。平面24a,24bは、ともに光学面に加工され、互いに平行な導光面として、導光板24内を伝搬する映像光GLの伝搬角又は反射角を維持する働きを有する。
The
入射側回折素子440は、投射光学系12によってコリメートされ平面24bを経て導光板24に入射した画像光GLを導光板24内に結合して導光板24内で伝搬させるものであり、画像光GLを回折してその入射角を所望の回折角に変換する。入射側回折素子440は、等価的には傾斜したミラーとして機能する。
The incident-side
入射側回折素子440は、反射型の回折素子であり、ホログラム及び表面レリーフ回折格子のいずれか一方である。入射側回折素子440がホログラムである場合、入射側回折素子440全体が回折面DFとして機能する。色分離を低減する観点で入射側回折素子440を体積ホログラムとすることが好ましく、特に体積位相型ホログラムとすること好ましい。入射側回折素子440が表面レリーフ回折格子である場合、入射側回折素子440に形成された微細回折構造が回折面DFとして機能する。ブレーズド格子とすることが光利用効率の観点で好ましい。ここで、体積ホログラムとは、比較的厚い記録媒体中に格子としてホログラムデータを記録したものであり、特に体積位相型ホログラムは、屈折率格子としてホログラムデータを記録して透過率を高めたものである。表面レリーフ回折格子は、薄膜表面に干渉パターンに対応する微細な凹凸レリーフを形成したものであり、特にブレーズド格子は、断面形状が鋸歯状の微細な凹凸レリーフを形成して回折効率を高めたものである。なお、入射側回折素子440は、単独で各色の回折を一括して行う回折素子とすることもできるが、各色用の回折素子を積層したものとすることができる。
The incident
射出側回折素子430は、入射側回折素子440によって導光板24に結合されて導光板24内を伝搬して来た画像光GLを導光板24外に取り出すものであり、画像光GLを回折してその伝搬角を所望の回折角に変換する。これにより、導光板24内から射出側回折素子430に入射した画像光GLは、元の入射側回折素子440に入射する前の入射角と等しい射出角に復元される。射出側回折素子440は、等価的には傾斜したミラーとして機能し、導光板24内を伝搬した画像光GLを平面24b経由で眼EY側に射出させて、眼EYの前方において画像形成装置411の射出面11aに形成された画像に対応する拡大された虚像を再現又は投影する働きを有する。なお、射出側回折素子430も、入射側回折素子440と同様に反射型の回折素子であり、ホログラム及び表面レリーフ回折格子のいずれか一方である。つまり、射出側回折素子430は、例えば体積位相型ホログラム、ブレーズド格子等で構成することができ、記録層又は微細回折構造からなる回折面DFを有する。
The exit side
この場合、画像形成装置411の画像面に対応する射出面11aの中心から発し、表示光学系2を経由して、観察者の眼の中心に至る映像光線に関して、映像光GLと表示光学系2のk番目の光学機能面(光学面又は回折面)とについて、映像光GLと該光学機能面が交差する点に於ける光学機能面の法線と入射光線線とが成す角をαkとし、光学機能面の法線と射出光線とが成す角をβkとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし、射出側の媒質の屈折率をnkとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVkとし、入射側の色分散指標をAk−1とし、射出側の色分散指標をAkとし、対象波長をλ(μm)とし、回折次数を整数のmkとし、回折格子のピッチをpkとして、下記の式(3−1)
に基づいて、A0=0(deg/μm)から始めて色分散指標Ak(deg/μm)の値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、対称面への投射によって得られる最終面の色分散指標AKが所定の基準値以下であることが望ましい。具体的には、対称面への投射によって得られる色分散指標AKの絶対値を0.3未満とすることが望ましい。以上の式(3−1)に関する説明で、光学機能面には、屈折面だけでなく回折面又は回折層も含まれるものとする。
In this case, the image light GL and the display
When the value of the chromatic dispersion index A k (deg / μm) is calculated sequentially starting from A 0 = 0 (deg / μm), the final surface number is K, and is obtained by projection onto a symmetric surface. Chromatic dispersion index a K of the final surface that is it is preferably not more than a predetermined reference value. Specifically, the absolute value of the chromatic dispersion index A K obtained by projection onto the plane of symmetry is preferably less than 0.3. In the description of the above formula (3-1), the optical functional surface includes not only a refractive surface but also a diffractive surface or a diffractive layer.
以上で説明した式(3−1)は、回折面を含まない場合の既述の式(2−1)
nk−1×sinαk=nk×sinβk … (2−1)
を
nk−1×sinαk=nk×sinβk+mk(λ/pk) … (2−1)'
と書き換え、微分等の変換処理を同様に行うことによって得られる。なお、回折次数mkは、通常の屈折面で0となり、回折面で0以外の整数となる。回折次数mk=0とした場合、上記の式(3−1)は、回折面を含まない場合の既述の式(2−1)と一致したものとなる。回折格子のピッチpkは、回折格子の場合、光学機能面に沿った方向に形成された繰返しパターンの回折方向に関する繰返し間隔を意味する。
Expression (3-1) described above is the expression (2-1) described above in the case where the diffraction surface is not included.
n k-1 × sin α k = n k × sin β k (2-1)
N k-1 × sin α k = n k × sin β k + m k (λ / p k ) (2-1) ′
And rewriting, conversion processing such as differentiation is performed in the same manner. The diffraction order m k is 0 on a normal refracting surface and an integer other than 0 on the diffractive surface. When the diffraction order m k = 0, the above formula (3-1) is the same as the above-described formula (2-1) when the diffraction plane is not included. In the case of a diffraction grating, the pitch pk of the diffraction grating means a repetitive interval with respect to the diffraction direction of a repetitive pattern formed in a direction along the optical function surface.
上記の式(3−1)は、関係式(2−2)を一般化したものであり、光路上に屈折面だけでなく回折面が存在する場合を考慮したものとなっている。図11に示す表示光学系2の場合、入射側回折素子440と、射出側回折素子430とに関して関係式(3−1)を利用して指標の累積値AKを評価することで、色分散の発生を抑えて高性能の虚像表示装置100を得ることができる。例えば、回折素子440,430は、回折面DFとして式(3−1)中の項m/pとして色分散指標AKに作用し、光入射面ISや境界面IFは、屈折面として式(3−1)中の項Vk−1sinαk−Vksinβkとして色分散指標AKに作用する。結果的に、入射側回折素子440のピッチと、射出側回折素子430のピッチとを一致させれば、両回折素子440,430で発生する色分散が相殺する。
The above expression (3-1) is a generalization of the relational expression (2-2), and takes into consideration the case where not only a refracting surface but also a diffractive surface exists on the optical path. For display
別の観点として、表示光学系2の対称面(具体的には光軸AXを含む横断面(XZ断面))に光路を投影して考える場合、液晶デバイス(画像形成装置)11の任意の点から発し、表示光学系2を経由して、観察者の眼の中心に至る映像光線に関して、映像光GLと表示光学系2のk番目の光学機能面とについて、映像光GLと該光学機能面が交差する点に於ける光学機能面の法線を表示光学系2の対称面に投射した線と入射光線を対称面に投射した線とが成す角をαkとし、光学機能面の法線を対称面に投射した線と射出光線を対称面に投射した線とが成す角をβkとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし、射出側の媒質の屈折率をnkとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVkとし、入射側の色分散指標をAk−1とし、対称面への投射によって得られる射出側の色分散指標をAkとし、対象波長をλ(μm)とし、回折次数をmkとし、回折格子のピッチをpkとして、下記の式(3−2)
に基づいて、A0=0(deg/μm)から始めて色分散指標Ak(deg/μm)の値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、対称面への投射によって得られる最終面の色分散指標AKが所定の基準値以下であることが望ましい。具体的には、対称面への投射によって得られる色分散指標AKの絶対値を1.0以下とすることが望ましい。以上の式(3−2)に関する説明で、光学機能面には、便宜上屈折面だけでなく回折面も含まれるものとする。
As another viewpoint, when an optical path is projected onto the symmetry plane of the display optical system 2 (specifically, a cross section including the optical axis AX (XZ cross section)), an arbitrary point of the liquid crystal device (image forming apparatus) 11 is considered. The image light GL and the optical function surface of the image light GL and the k-th optical function surface of the display
When the value of the chromatic dispersion index A k (deg / μm) is calculated sequentially starting from A 0 = 0 (deg / μm), the final surface number is K, and is obtained by projection onto a symmetric surface. Chromatic dispersion index a K of the final surface that is it is preferably not more than a predetermined reference value. Specifically, the absolute value of the chromatic dispersion index A K obtained by projection onto the plane of symmetry that is desired to be 1.0 or less. In the description of the above formula (3-2), it is assumed that the optical function surface includes not only a refractive surface but also a diffractive surface for convenience.
式(3−2)は、上記の式(3−1)と同様に、回折面を含まない場合の既述の関係式(2−4)を一般化したものであり、光路上に屈折面だけでなく回折面が存在する場合を考慮したものとなっている。 The expression (3-2) is a generalization of the above-described relational expression (2-4) in the case where the diffractive surface is not included, similarly to the above expression (3-1), and the refractive surface on the optical path. In addition, the case where a diffractive surface is present is considered.
なお、回折素子430,440として例えば体積ホログラム素子を用いる場合、光線が通過する箇所ごとにピッチpkが異なるとして扱う必要がある。
In addition, when using, for example, a volume hologram element as the
以上では、外界側の平面24a上に回折素子430,440を設けたが、裏側の平面24b上に回折素子430,440を設けてもよい。この場合、回折素子430,440は透過型となる。
In the above description, the
図12は、図11に示す虚像表示装置100の変形例を説明する図である。この変形例では、導光板24を傾けて配置し、顔の形状に沿わせている。この場合も、上記の式(3−1)又は(3−2)に基づいて、最終面色分散指標AKが所定の基準値以下であることが望ましく、具体的には色分散指標AKの絶対値を導出方法ごとに0.3未満又は1.0以下とすることが望ましい。結果的に、入射側回折素子440のピッチと、射出側回折素子430のピッチとを一致させれば、両回折素子440,430で発生する色分散が相殺する。
FIG. 12 is a diagram for explaining a modification of the virtual
図13は、図11に示す虚像表示装置100の別の変形例を説明する図である。この変形例でも、導光板24を傾けて顔の形状に沿わせているが、投射光学系12中にプリズム12bを挿入し、光路を曲げることで、投射光学系12が顔側面に近づくことを防止している。この場合も、上記の式(3−1)又は(3−2)に基づいて、最終面の色分散指標AKが所定の基準値以下であることが望ましく、具体的には色分散指標AKの絶対値を導出方法ごとに0.3未満又は1.0以下とすることが望ましい。結果的には、プリズム12b、入射側回折素子440、射出側回折素子430等に関して、色分散指標AKを評価することになる。この場合、プリズム12bの追加によって新たに色分散が生じるために、回折格子430,440のピッチを調節して、新たに生じた色分散を補償することになる。この時、回折格子430,440のピッチは、色分散指標AKの値を追跡計算して十分に小さくなる様に設定してやればよい。
FIG. 13 is a diagram for explaining another modification of the virtual
〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
[Others]
Although the present invention has been described based on the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. Such modifications are also possible.
例えば、上記第1実施形態の虚像表示装置100に設けた導光装置20は、平行導光体22において、平面22aで映像光GLを一回のみ全反射させて反射ユニット30に導く構成としたが、対向する平面22a,22bで映像光GLを複数回全反射させて反射ユニット30に導く構成とすることもできる。
For example, the
反射ユニット30に設けた多数のミラー31の反射率は、原則として一致させるが、これらミラー31の反射率を入射部21に近い入射側から反入射側にかけて徐々に変化させることもできる。
The reflectivities of a large number of
以上の説明では、映像素子として、透過型の液晶デバイス11を用いているが、映像素子としては、透過型の液晶デバイスに限らず種々のものを利用可能である。例えば、反射型の液晶パネルを用いた構成も可能であり、液晶デバイス11に代えてデジタル・マイクロミラー・デバイス等を用いることもできる。また、有機ELなどに代表される自発光型素子用いた構成も可能である。さらに、レーザー光源とポリゴンミラーその他のスキャナーとを組みあわせたレーザスキャナーを用いた構成も可能である。
In the above description, the transmissive
以上の説明では、虚像表示装置100として、右眼及び左眼の双方に対応して一組ずつ画像投影装置10及び導光装置20設ける構成としているが、右眼又は左眼のいずれか一方に対してのみ画像投影装置10と導光装置20とを設け画像を片眼視する構成にしてもよい。
In the above description, the virtual
以上の説明では、実施形態の虚像表示装置100がヘッドマウントディスプレイであるとして具体的な説明を行ったが、実施形態の虚像表示装置100は、ヘッドアップディスプレイ、双眼鏡型のハンドヘルドディスプレイ等に適用することもできる。
In the above description, the virtual
以上の説明では、平行導光体22等の平面22a,22b又は曲面21bにおいて、表面上にミラーやハーフミラー等を施すことなく空気との界面により映像光を全反射させて導くものとしているが、本願発明における全反射については、平面22a,22b上の全体又は一部にミラーコートや、ハーフミラー膜が形成されることによって達成される反射も含むものとする。例えば、映像光GLの入射角度が全反射条件を満たした上で、平面22a,22bの一部にミラーコート等が施され、実質的に全ての映像光を反射する場合も含まれる。
In the above description, the image light is totally reflected and guided by the interface with air on the
導光装置20を構成する入射部21と平行導光体22とを一体品で構成する必要はなく、入射部21と平行導光体22とを別部品で構成し、両者を接着剤で接合することもできる。
The
以上の説明では、平行導光体22をX方向又はx方向に横長とし、光入射面ISを眼の横方向外側に位置するように形成しているが、映像光GLを導光装置20内に適切に導くことができれば、光入射面ISの位置はこれに限らず、例えば導光装置20の上下にある上端面TPや下端面BPの一部等に設けることも可能である。この場合、反射ユニット30は、眼前の光軸AXのまわりに90°回転させる。この場合、横方向の色分散の指標値に代えて縦方向の色分散の指標値又は累積値(横色収差)を見積もることになる。
In the above description, the parallel
また、特開2010−164988号公報又は特開2013−210633号公報に記載のような部分反射面のアレイからなる光導体光学素子又は基板を導光装置20として用いた虚像表示装置とすることもできる。
Further, a virtual image display device using a light guide optical element or substrate made of an array of partially reflecting surfaces as described in JP 2010-164988 A or JP 2013-210633 A as a
以上では触れていないが、平行導光体22において外形を画定する外周部のうち上端面TPや下端面BP等を黒色塗料塗布面やサンドブラスト加工面とすることができる。さらに、上端面TPや下端面BP以外の箇所に黒色塗装塗布やサンドブラスト加工を施してもよい。上端面TPや下端面BP等の一部にのみ黒色塗装やサンドブラスト加工を施すものとしてもよい。
Although not mentioned above, the upper end surface TP, the lower end surface BP, and the like of the outer peripheral portion that defines the outer shape of the parallel
10…画像投影装置、11…液晶デバイス、11a…射出面、12…投射光学系、12a…コリメートレンズ、12b…プリズム、20…導光装置、21…入射部、22…平行導光体、22a,22b…平面、23…射出部、23f…プリズム部材、30…反射ユニット、30a…入射面、30b…出射面、31…ミラー、32…ブロック部材、100…虚像表示装置、130…ホログラム素子、AX…光軸、EP…アイポイント、EY…眼、GL…映像光、GL0,GL1,GL2…映像光、IF…境界面、IS…光入射面、IS,IF,OS…屈折面、OL…外界光、OS…光射出面、RS…反射面
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記表示光学系は、所定の平面に対して面対称な形状を成しており、
前記画像形成装置の任意の点から発し、前記表示光学系を経由して、前記観察者の眼の中心に至る映像光線に関して、前記映像光線と前記表示光学系のk番目の光学機能面とについて、前記映像光線と当該光学機能面が交差する点に於ける当該光学機能面の法線を前記表示光学系の対称面に投射した線と入射光線を前記対称面に投射した線とが成す角をαkとし、当該光学機能面の法線を対称面に投射した線と射出光線を対称面に投射した線とが成す角をβkとし、入射側の媒質の屈折率をnk−1とし、射出側の媒質の屈折率をnkとし、入射側媒質の屈折率分散をVk−1とし、射出側媒質の屈折率分散をVkとし、入射側の色分散指標をAk−1とし、射出側の色分散指標をAkとし、対象波長をμm単位でλとし、回折次数をmkとし、回折格子のピッチをpkとして、下記の式(1)
ただし、
に基づいて、A0=0から始めて色分散指標Akの値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、最終面の色分散指標AKが絶対値で1.0未満である、虚像表示装置。 A virtual image display apparatus comprising: an image forming apparatus that emits image light; and a display optical system that forms a virtual image by the image light from the image forming apparatus, and the image light is incident on a position assumed to be an eye of an observer Because
The display optical system has a shape symmetrical with respect to a predetermined plane,
Regarding an image light beam that originates from an arbitrary point of the image forming apparatus and reaches the center of the observer's eye via the display optical system, the image light beam and the kth optical functional surface of the display optical system An angle formed by a line projected on the symmetry plane of the display optical system and a line projected on the symmetry plane at the point where the image light beam and the optical function surface intersect was a alpha k, and angular and beta k formed between the projected line is a normal line and the exit light beam projected onto the plane of symmetry on the symmetry plane of the optical functional surface, the refractive index of the incident side of the medium n k-1 The refractive index of the exit side medium is nk , the refractive index dispersion of the incident side medium is V k−1 , the refractive index dispersion of the exit side medium is V k , and the incident side chromatic dispersion index is A k−. 1, and the chromatic dispersion index of the exit side is a k, and λ the wavelength of interest in μm units, the diffraction order m And then, the pitch of the diffraction grating as p k, the following equation (1)
However,
When the value of the color dispersion index A k is sequentially calculated starting from A 0 = 0, the final surface number K is assumed to be K, and the final surface color dispersion index AK is an absolute value of less than 1.0. A virtual image display device.
で近似的に与えられる、請求項1に記載の虚像表示装置。 The refractive index dispersion V k is λ F as the wavelength of the F line, λ C as the wavelength of the C line, and the refractive index of the F line as n F and the refractive index of the C line as n C in each medium.
The virtual image display device according to claim 1, which is approximately given by:
に基づいて、A0=0から始めて色分散指標Akの値を順次計算したとき、最終面の番号がKであるとして、最終面の色分散指標AKの絶対値が、0.3未満である、請求項1及び2のいずれか一項に記載の虚像表示装置。 With respect to an image light beam originating from the center of the image forming apparatus and reaching the center of the observer's eye via the display optical system, the image light beam and the kth optical functional surface of the display optical system The angle formed by the normal of the optical functional surface and the incident light at the point where the image light and the optical functional surface intersect is α k, and the angle formed by the normal of the optical functional surface and the emitted light is β k and then, the refractive index of the incident side of the medium and n k-1, the refractive index of the exit side of the medium and n k, and the refractive index dispersion of the incident side medium and V k-1, the refractive index dispersion of the exit side medium V k , the incident-side chromatic dispersion index is A k−1 , the emission-side chromatic dispersion index is A k , the target wavelength is λ in μm, the diffraction order is m k, and the pitch of the diffraction grating is p As k , the following formula (1)
Based on, when sequentially calculate the value of the color distribution indicator A k starting from A 0 = 0, as the number of the final surface is K, the absolute value of the chromatic dispersion index A K of the final surface is less than 0.3 The virtual image display device according to claim 1, wherein
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