JP2020144190A - Image display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画像表示装置に関する。 The present invention relates to an image display device.
従来から、車両内に各種情報を表示する装置として、アイコンを点灯表示する計器盤が用いられている。また、表示する情報量の増加とともに、計器盤に画像表示装置を埋め込むことや、計器盤全体を画像表示装置で構成することも提案されている。 Conventionally, as a device for displaying various information in a vehicle, an instrument panel that lights and displays an icon has been used. Further, as the amount of information to be displayed increases, it is also proposed to embed an image display device in the instrument panel or to configure the entire instrument panel with the image display device.
しかし、計器盤は車両のフロントガラスより下方に位置しているため、計器盤に表示された情報を運転者が視認するには、運転中に視線を下方に移動させる必要があるため好ましくない。そこで、フロントガラスに画像を投影して、運転者が車両の前方を視認したときに情報を読み取れるようにするヘッドアップディスプレイ（以下、ＨＵＤ：Ｈｅａｄ Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。このようなＨＵＤでは、フロントガラスの広い範囲に画像を投影するための光学装置が必要であり、光学装置の小型化および軽量化が望まれている。 However, since the instrument panel is located below the windshield of the vehicle, it is not preferable for the driver to visually recognize the information displayed on the instrument panel because it is necessary to move the line of sight downward during driving. Therefore, a head-up display (hereinafter, HUD: Head Up Display) has been proposed in which an image is projected on the windshield so that the driver can read the information when he / she visually recognizes the front of the vehicle (for example, Patent Document). See 1). In such a HUD, an optical device for projecting an image onto a wide range of the windshield is required, and it is desired to reduce the size and weight of the optical device.
一方で、小型の光学装置を用いて光を投影する画像表示装置としては、メガネ形状をしたヘッドマウント型のＨＵＤが知られている（例えば、特許文献２を参照）。ヘッドマウント型のＨＵＤでは、光源から照射された光を視認者の眼に直接照射して、視認者の網膜に画像を投影している。 On the other hand, as an image display device that projects light using a small optical device, a glasses-shaped head-mounted HUD is known (see, for example, Patent Document 2). In the head-mounted HUD, the light emitted from the light source is directly irradiated to the eyes of the viewer, and the image is projected on the retina of the viewer.
図４は、従来のヘッドマウント型ＨＵＤの構造を示す模式図であり、図４（ａ）はハーフミラーを用いた例を示し、図４（ｂ）は回折格子を用いた例を示している。 FIG. 4 is a schematic view showing the structure of a conventional head-mounted HUD, FIG. 4A shows an example using a half mirror, and FIG. 4B shows an example using a diffraction grating. ..
図４（ａ）に示した従来技術のヘッドマウント型ＨＵＤは、導波路部１と、プリズム２と、レンズ３と、光源部４を備え、導波路部１内にはハーフミラー１ａが形成されている。図４（ａ）に示したように、光源部４から照射された入射光Ｌｉｎは、レンズ３とプリズム２を介して導波路部１に入射して表裏面で繰り返し反射されハーフミラー１ａに到達する。ハーフミラー１ａに到達した光は、視認者の眼に向けて出射光Ｌｏｕｔとして照射される。 The conventional head-mounted HUD shown in FIG. 4A includes a waveguide 1, a prism 2, a lens 3, and a light source 4, and a half mirror 1a is formed in the waveguide 1. ing. As shown in FIG. 4A, the incident light Lin emitted from the light source unit 4 enters the waveguide unit 1 via the lens 3 and the prism 2, is repeatedly reflected on the front and back surfaces, and reaches the half mirror 1a. To do. The light that reaches the half mirror 1a is irradiated as emitted light Lout toward the eyes of the viewer.
図４（ｂ）に示した従来技術のヘッドマウント型ＨＵＤでは、導波路部１と、プリズム２と、レンズ３と、光源部４を備え、導波路部１には傾斜端面と裏面と表面が形成され、内部に回折格子部１ｂが設けられている。また、導波路部１の裏面と表面には反射膜１ｃ，１ｄが形成されている。回折格子部１ｂは、導波路部１とは屈折率が異なる材料で構成され、所定間隔で凹凸が形成されたブレーズドグレーティングである。 The conventional head-mounted HUD shown in FIG. 4B includes a waveguide 1, a prism 2, a lens 3, and a light source 4, and the waveguide 1 has an inclined end face, a back surface, and a front surface. It is formed and a diffraction grating portion 1b is provided inside. Further, reflective films 1c and 1d are formed on the back surface and the front surface of the waveguide portion 1. The diffraction grating portion 1b is a blazeed grating made of a material having a refractive index different from that of the waveguide portion 1 and having irregularities formed at predetermined intervals.
図４（ｂ）に示したように、光源部４から照射された入射光Ｌｉｎは、レンズ３とプリズム２を介して導波路部１に入射し、傾斜端面で反射される。傾斜端面で反射された入射光Ｌｉｎは導波路部１内を進み、反射膜１ｃ，１ｄで繰り返し反射されて回折格子部１ｂに到達する。回折格子部１ｂに到達した光は、回折格子部１ｂの回折条件によって決まる方向に出射光Ｌｏｕｔとして照射される。ここで、回折格子部１ｂの回折条件は、光の波長と回折格子部１ｂのピッチ、導波路部１と回折格子部１ｂの屈折率差、回折格子部１ｂに光が到達する角度などによって決定される。 As shown in FIG. 4B, the incident light Lin emitted from the light source unit 4 enters the waveguide unit 1 via the lens 3 and the prism 2 and is reflected by the inclined end face. The incident light Lin reflected by the inclined end face travels in the waveguide portion 1, is repeatedly reflected by the reflective films 1c and 1d, and reaches the diffraction grating portion 1b. The light that reaches the diffraction grating portion 1b is irradiated as emitted light Lout in the direction determined by the diffraction conditions of the diffraction grating portion 1b. Here, the diffraction condition of the diffraction grating portion 1b is determined by the wavelength of the light, the pitch of the diffraction grating portion 1b, the refractive index difference between the waveguide portion 1 and the diffraction grating portion 1b, the angle at which the light reaches the diffraction grating portion 1b, and the like. Will be done.
上述したように従来のＨＵＤ装置では、光源から出射した光を光学素子で所定方向に投影することで視認者の視界中に画像投影が行われる。したがって、ＨＵＤでは視聴環境によって投影画像周辺の明暗が大きく変化し、比較的広い面積への画像投影や背景が明るい場面での画像投影には、光源からの光量を大きくする必要がある。また、フレームレートの増加や、複数色での画像表示も望まれている。 As described above, in the conventional HUD device, the light emitted from the light source is projected in a predetermined direction by the optical element to project an image in the field of view of the viewer. Therefore, in the HUD, the brightness around the projected image changes greatly depending on the viewing environment, and it is necessary to increase the amount of light from the light source for projecting an image on a relatively wide area or projecting an image in a scene with a bright background. It is also desired to increase the frame rate and display images in a plurality of colors.
これらの要求を満たす光を出射するためには、複数の光源部を設けることが考えられるが、複数の光源部をＨＵＤ装置内に搭載すると小型化が困難である。特に、ヘッドマウント型ＨＵＤにおいては光源部を含めて頭部に装着するため、装着感が悪化するという問題があった。また、車載用のＨＵＤにおいても、複数の光源部を配置する空間が限定され、設置自由度が低下するという問題があった。また、複数の光源部から出射した光の光軸を合わせて導波路部に入射させる必要があるため、レンズやプリズムの数やサイズが増加し、さらに小型化が困難になるという問題もあった。 In order to emit light satisfying these requirements, it is conceivable to provide a plurality of light source units, but if the plurality of light source units are mounted in the HUD device, it is difficult to reduce the size. In particular, in the head-mounted HUD, since it is attached to the head including the light source portion, there is a problem that the wearing feeling is deteriorated. Further, even in the vehicle-mounted HUD, there is a problem that the space for arranging the plurality of light source units is limited and the degree of freedom of installation is reduced. Further, since it is necessary to align the optical axes of the light emitted from the plurality of light source units and make them enter the waveguide, there is a problem that the number and size of lenses and prisms increase, and further miniaturization becomes difficult. ..
そこで本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであり、複数の光源部を用いても軽量化と設置自由度の向上を図ることが可能な画像表示装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide an image display device capable of reducing weight and improving the degree of freedom of installation even when a plurality of light source units are used. To do.
上記課題を解決するために、本発明の画像表示装置は、光入射部から入射された光を内部で導波し、光出射部から投影方向に前記光を投影する投影光学部を備える画像表示装置であって、第１光を照射する第１光源部と、第２光を照射する第２光源部と、前記第１光を導波する第１ファイバ部と、前記第２光を導波する第２ファイバ部と、前記第１ファイバ部および前記第２ファイバ部に接続されて、前記第１光と前記第２光を合波する合波部と、前記合波部と前記光入射部との間で前記第１光および前記第２光を導波する第３ファイバ部とを有することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the image display device of the present invention internally waveguides the light incident from the light incident portion and projects the light in the projection direction from the light emitting portion. In the device, the first light source unit that irradiates the first light, the second light source unit that irradiates the second light, the first fiber unit that waveguides the first light, and the second light are waveguideed. A second fiber portion to be connected to the first fiber portion and the second fiber portion to combine the first light and the second light, and the combined portion and the light incident portion. It is characterized by having a third fiber portion for waveguideing the first light and the second light.
このような本発明の画像表示装置では、第１光源部と第２光源部からの出射光をそれぞれ第１ファイバ部と第２ファイバ部で導波して合波部で合波し、合波した光を第３ファイバ部から光入射部に入射するため、複数の光源部を用いても軽量化と設置自由度の向上を図ることが可能となる。 In such an image display device of the present invention, the light emitted from the first light source unit and the second light source unit is waveguideed in the first fiber unit and the second fiber unit, respectively, and combined at the combining unit, and combined. Since the generated light is incident on the light incident portion from the third fiber portion, it is possible to reduce the weight and improve the degree of freedom of installation even if a plurality of light source portions are used.
また、本発明の一態様では、前記合波部は、ファイバカプラである。 Further, in one aspect of the present invention, the combiner is a fiber coupler.
また、本発明の一態様では、前記第３ファイバ部の光出射端面と前記光入射部との間には、レンズとプリズムを備えた入射光学部が設けられている。 Further, in one aspect of the present invention, an incident optical portion provided with a lens and a prism is provided between the light emitting end surface of the third fiber portion and the light incident portion.
また、本発明の一態様では、前記投影光学部は、透光性材料からなる平板状の導光板を備え、前記導光板の一方面側から他方面側を透視可能であり、前記光出射部から前記一方面側に対して前記第１光および前記第２光を投影する。 Further, in one aspect of the present invention, the projection optical unit includes a flat plate-shaped light guide plate made of a translucent material, and can see through from one side to the other side of the light guide plate, and the light emitting unit. Projects the first light and the second light onto the one surface side.
本発明では、複数の光源部を用いても軽量化と設置自由度の向上を図ることが可能な画像表示装置を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide an image display device capable of reducing weight and improving the degree of freedom of installation even when a plurality of light source units are used.
（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付すものとし、適宜重複した説明は省略する。図１は、実施形態における画像表示装置の構成を示す模式斜視図である。図２は、本実施形態の画像表示装置での光路を示す模式図である。
(First Embodiment)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings shall be designated by the same reference numerals, and redundant description will be omitted as appropriate. FIG. 1 is a schematic perspective view showing a configuration of an image display device according to an embodiment. FIG. 2 is a schematic view showing an optical path in the image display device of the present embodiment.
図１に示すように本実施形態の画像表示装置は、導光板部１１と、プリズム１２と、レンズ１３と、ファイバ部１４と、光源部１５ａ，１５ｂを有している。また、ファイバ部１４は、出射側ファイバ部１４ａと、入射側ファイバ部１４ｂ，１４ｃと、合波部１４ｄを備えている。 As shown in FIG. 1, the image display device of the present embodiment includes a light guide plate portion 11, a prism 12, a lens 13, a fiber portion 14, and light source portions 15a and 15b. Further, the fiber portion 14 includes an exit side fiber portion 14a, an incident side fiber portions 14b and 14c, and a combine wave portion 14d.
導光板部１１は、透光性材料からなる平板状の部材であり、一方の面側から他方の面側を透視可能であり、本発明における導光板に相当している。導光板部１１の一端側にはプリズム１２が光入射部に近接して配置されている。また図２に示すように導光板部１１は、プリズム１２と反対の他端側内部に光出射部１１ａが形成されている。光出射部１１ａは、導光板部１１内部を進行してきた光を視認者の眼に対して出射するとともに、視認者とは反対側から進行してきた光は透過する部分であり、例えばハーフミラーやホログラム光学素子（ＨＯＥ：Ｈｏｌｏｇｒａｐｈiｃ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）を用いることができる。したがって、光出射部１１ａを備えた導光板部１１は、本発明における投影光学部に相当している。 The light guide plate portion 11 is a flat plate-shaped member made of a translucent material, and can see through from one surface side to the other surface side, and corresponds to the light guide plate in the present invention. A prism 12 is arranged close to the light incident portion on one end side of the light guide plate portion 11. Further, as shown in FIG. 2, the light guide plate portion 11 has a light emitting portion 11a formed inside the other end side opposite to the prism 12. The light emitting portion 11a is a portion that emits the light traveling inside the light guide plate portion 11 to the eyes of the viewer and transmits the light traveling from the side opposite to the viewer, for example, a half mirror or a half mirror. A hologram optical element (HOE: Holographic Optical Element) can be used. Therefore, the light guide plate portion 11 provided with the light emitting portion 11a corresponds to the projection optical portion in the present invention.
プリズム１２は、導光板部１１のうち光を入射する光入射部の近傍に配置され断面三角形状の光学要素である。また、導光板部１１とプリズム１２との間には間隙が設けられている。プリズム１２を構成する材料は限定されないが、光源部１５ａ，１５ｂからの光を効率よく導光板部１１に入射させるためには、プリズム１２と導光板部１１の屈折率を同程度にすることが好ましく、導光板部１１と同じ材料を用いることが好ましい。 The prism 12 is an optical element having a triangular cross section and is arranged in the vicinity of the light incident portion in which light is incident in the light guide plate portion 11. Further, a gap is provided between the light guide plate portion 11 and the prism 12. The material constituting the prism 12 is not limited, but in order for the light from the light source portions 15a and 15b to be efficiently incident on the light guide plate portion 11, the refractive indexes of the prism 12 and the light guide plate portion 11 should be about the same. It is preferable to use the same material as the light guide plate portion 11.
レンズ１３は、出射側ファイバ部１４ａから出射された光の拡がり角を調整して、プリズム１２および導光板部１１の光入射部に入射させるための光学要素であり、コリメータレンズを用いることができる。プリズム１２とレンズ１３は、本発明における入射光学部に相当している。 The lens 13 is an optical element for adjusting the spreading angle of the light emitted from the emitting side fiber portion 14a so as to be incident on the light incident portion of the prism 12 and the light guide plate portion 11, and a collimator lens can be used. .. The prism 12 and the lens 13 correspond to the incident optical unit in the present invention.
ファイバ部１４は、光源部１５ａ，１５ｂから照射された光を導波する光学要素であり、可撓性を有する光ファイバで構成されている。出射側ファイバ部１４ａは、一端が合波部１４ｄに接続されて他端の光出射端面がレンズ１５に対向して配置されており、本発明における第３ファイバ部に相当している。入射側ファイバ部１４ｂ，１４ｃは、それぞれ一端の光入射端面が光源部１５ａ，１５ｂに対向して配置され、他端が合波部１４ｄに接続されており、本発明における第１ファイバ部と第２ファイバ部に相当している。 The fiber portion 14 is an optical element that guides the light emitted from the light source portions 15a and 15b, and is composed of a flexible optical fiber. One end of the emitting side fiber portion 14a is connected to the combining portion 14d, and the other end of the light emitting end surface is arranged so as to face the lens 15, which corresponds to the third fiber portion in the present invention. The light incident end faces of the incident side fiber portions 14b and 14c are arranged so as to face the light source portions 15a and 15b, respectively, and the other end is connected to the confluent portion 14d, and the first fiber portion and the first fiber portion in the present invention are connected. Corresponds to 2 fiber parts.
合波部１４ｄは、出射側ファイバ部１４ａと入射側ファイバ部１４ｂ，１４ｃが接続されており、入射側ファイバ部１４ｂ，１４ｃからの光を合波または合流させて出射側ファイバ部１４ａに入射させる光学要素である。合波部１４ｄの具体的な構成は限定されず、例えば合波用や合流用のファイバカプラやＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｃｉｒｃｕｉｔ）合波器を用いることができる。合波部１４ｄとしては、ファイバ部１４全体の小型化およびスリム化を図るためには溶融型のファイバカプラを用いることが好ましい。以下、光の合波とは、複数の光を一つにまとめる合波と、複数の光を分岐したうえでまとめる合流のいずれの意味も含むとする。 In the combine wave portion 14d, the exit side fiber portion 14a and the incident side fiber portions 14b and 14c are connected, and the light from the incident side fiber portions 14b and 14c is combined or merged to be incident on the exit side fiber portion 14a. It is an optical element. The specific configuration of the merging unit 14d is not limited, and for example, a fiber coupler for merging or merging, or a PLC (Planar Lightwave Circuit) combiner can be used. As the wave combining portion 14d, it is preferable to use a molten fiber coupler in order to reduce the size and slimming of the entire fiber portion 14. Hereinafter, the confluence of light includes both the meaning of a confluence that combines a plurality of lights into one and the confluence of a plurality of lights that are branched and then combined.
光源部１５ａ，１５ｂは、半導体レーザ素子とパッケージを備えて、所定波長の光を出射する部材であり、それぞれ本発明における第１光源部と第２光源部に相当している。光源部１５ａ，１５ｂの具体的な構成は限定されず、公知のＣＡＮ型やフレーム型パッケージを用いることができる。また、光源部１５ａ，１５ｂには波長変換素子等を搭載して波長変換するとしてもよい。また、光源部１５ａ，１５ｂが出射する光の波長は同一であってもよく、異なる波長であってもよい。特に、１５ａ，１５ｂとして異なる色を出射するものを用いると、複数色での画像表示をすることができ、ＲＧＢ各色を出射させて合波することでカラー画像を表示することができる。 The light source units 15a and 15b are members that include a semiconductor laser element and a package and emit light having a predetermined wavelength, and correspond to the first light source unit and the second light source unit in the present invention, respectively. The specific configuration of the light source units 15a and 15b is not limited, and a known CAN type or frame type package can be used. Further, the light source units 15a and 15b may be equipped with a wavelength conversion element or the like to perform wavelength conversion. Further, the wavelengths of the light emitted by the light source units 15a and 15b may be the same or different wavelengths. In particular, if 15a and 15b that emit different colors are used, it is possible to display an image in a plurality of colors, and it is possible to display a color image by emitting and combining each RGB color.
図１，２では、光源部１５ａ，１５ｂを二つ備えた例を示したがさらに多数の光源部と入射側ファイバ部を備えるとしてもよい。その場合にも、複数の入射側ファイバ部からの光を合波部１４ｄで合波して、一つの出射側ファイバ部１４ａからレンズ１３に入射光Ｌ１を入射させる。 Although FIGS. 1 and 2 show an example in which two light source units 15a and 15b are provided, a larger number of light source units and an incident side fiber unit may be provided. Also in that case, the light from the plurality of incident side fiber portions is combined by the combine portion 14d, and the incident light L1 is incident on the lens 13 from one exit side fiber portion 14a.
図２に示したように本実施形態の画像表示装置では、光源部１５ａ，１５ｂが出射した光はそれぞれ入射側ファイバ部１４ｂ，１４ｃの光入射端面に入射される。入射側ファイバ部１４ｂ，１４ｃを伝搬した光は合波部１４ｄで合波され、出射側ファイバ部１４ａ内を導波されて光出射端面から入射光Ｌｉｎとしてレンズ１３に入射する。ここで入射光Ｌｉｎは、光源部１５ａ，１５ｂからの光が合波部１４ｄで合波されたものであり、出射側ファイバ部１４ａの光出射端面から共通の光軸でレンズ１３に入射する。レンズ１３でコリメートされた入射光Ｌｉｎは、プリズム１２を介して導光板部１１の光入射部に入射し、導光板部１１の内部を繰り返し反射されて光出射部１１ａに到達する。光出射部１１ａに到達した入射光Ｌｉｎは、光出射部１１ａによって視認者側（投影方向）に出射光Ｌｏｕｔとして照射される。視認者は、光出射部１１ａから照射された光と、導光板部１１を透過してきた背景とを重ね合わせて視認する。 As shown in FIG. 2, in the image display device of the present embodiment, the light emitted by the light source units 15a and 15b is incident on the light incident end faces of the incident side fiber units 14b and 14c, respectively. The light propagating through the incident side fiber portions 14b and 14c is combined by the combining portion 14d, is guided in the emitting side fiber portion 14a, and is incident on the lens 13 as incident light Lin from the light emitting end face. Here, the incident light Lin is obtained by combining the light from the light source units 15a and 15b at the merging unit 14d, and is incident on the lens 13 from the light emitting end surface of the emitting side fiber unit 14a on a common optical axis. The incident light Lin collimated by the lens 13 enters the light incident portion of the light guide plate portion 11 via the prism 12, is repeatedly reflected inside the light guide plate portion 11, and reaches the light emitting portion 11a. The incident light Lin that has reached the light emitting unit 11a is irradiated to the viewer side (projection direction) as the emitted light Lout by the light emitting unit 11a. The viewer superimposes the light emitted from the light emitting portion 11a and the background transmitted through the light guide plate portion 11 and visually recognizes the light.
上述したように本実施形態の画像表示装置では、複数の光源部１５ａ，１５ｂからの光をファイバ部１４で合波して同じ光軸で導光板部１１に入射させている。これにより、複数の光源部１５ａ，１５ｂから照射される二つの画像情報を重ね合わせて表示することが可能である。このとき、光源部１５ａ，１５ｂから同じ画像情報を表示すると、視認者に到達する光の強度は光源部１５ａ，１５ｂの合計となるため、十分な光量で画像表示を行うことができる。また、光源部１５ａ，１５ｂのフレーム表示を半周期ずらし、例えば３０ＦＰＳの描画を半周期ずつずらして６０ＦＰＳの高いフレームレートで滑らかな動画を表示することもできる。 As described above, in the image display device of the present embodiment, the light from the plurality of light source units 15a and 15b is combined by the fiber unit 14 and incident on the light guide plate unit 11 with the same optical axis. As a result, it is possible to superimpose and display two image information emitted from a plurality of light source units 15a and 15b. At this time, when the same image information is displayed from the light source units 15a and 15b, the intensity of the light reaching the viewer is the total of the light source units 15a and 15b, so that the image can be displayed with a sufficient amount of light. Further, the frame display of the light source units 15a and 15b can be shifted by half a cycle, for example, the drawing of 30 FPS can be shifted by half a cycle to display a smooth moving image at a high frame rate of 60 FPS.
また、ファイバ部１４は可撓性を有しており、出射側ファイバ部１４ａも数十ｃｍから数ｍの長さにすることができるため、投影光学部から離れた位置に光源部１５ａ，１５ｂを配置することができる。これにより、ヘッドマウント型ＨＵＤ等においては頭部に装着するメガネ型の投影光学部を小型軽量化でき、胸や腰の位置に光源部１５ａ，１５ｂを装着して頭部の装着感を向上することもできる。また、車載用のＨＵＤ等においても、投影光学部とは異なる位置に光源部１５ａ，１５ｂを設置することができるため、放熱性向上や省スペース化を図ることができる位置に光源部１５ａ，１５ｂを配置するなど設置自由度が向上する。また、ファイバ部１４の外皮にプラスチック材料などを用い、ファイバ部１４自体を眼鏡のテンプルとして使用することで、さらなる軽量化を図ることもできる。 Further, since the fiber portion 14 has flexibility and the emission side fiber portion 14a can also have a length of several tens of centimeters to several meters, the light source portions 15a and 15b are located away from the projection optical portion. Can be placed. As a result, in a head-mounted HUD or the like, the glasses-type projection optical unit to be attached to the head can be made smaller and lighter, and the light source portions 15a and 15b can be attached to the chest and waist positions to improve the wearing feeling of the head. You can also do it. Further, even in an in-vehicle HUD or the like, since the light source units 15a and 15b can be installed at a position different from the projection optical unit, the light source units 15a and 15b can be installed at a position where heat dissipation can be improved and space can be saved. The degree of freedom of installation is improved, such as by arranging. Further, by using a plastic material or the like for the outer skin of the fiber portion 14 and using the fiber portion 14 itself as a temple of eyeglasses, further weight reduction can be achieved.
以上に述べたように、本実施形態の画像表示装置では、光源部１５ａ，１５ｂからの出射光をそれぞれ入射側ファイバ部１４ｂ，１４ｃで導波して合波部１４ｄで合波し、合波した光を出射側ファイバ部１４ａから光入射部に入射するため、複数の光源部１５ａ，１５ｂを用いても軽量化と設置自由度の向上を図ることが可能となる。 As described above, in the image display device of the present embodiment, the light emitted from the light source units 15a and 15b is guided by the incident side fiber units 14b and 14c, respectively, and combined at the combining unit 14d, and the combined wave is generated. Since the generated light is incident on the light incident portion from the emitting side fiber portion 14a, it is possible to reduce the weight and improve the degree of installation freedom even if a plurality of light source portions 15a and 15b are used.
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図３を用いて説明する。第１実施形態と重複する内容は説明を省略する。図３は、本実施形態における画像表示装置の構成と光路を示す模式図である。
(Second Embodiment)
Next, the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The description of the contents overlapping with the first embodiment will be omitted. FIG. 3 is a schematic view showing the configuration and optical path of the image display device according to the present embodiment.
図３に示すように画像表示装置は、プリズム１２と、レンズ１３と、ファイバ部１４と、光源部１５ａ，１５ｂと、投影光学部２０を有し、プリズム１２と投影光学部２０との間には間隙２５が設けられている。また投影光学部２０は、導光板部２１と、回折格子部２２と、反射膜２３を備えている。なお図３は、画像表示装置の構造を模式的に示したものであり、図中の寸法や角度は画像表示装置における実寸を示すものではない。 As shown in FIG. 3, the image display device includes a prism 12, a lens 13, a fiber unit 14, light source units 15a and 15b, and a projection optical unit 20, and is located between the prism 12 and the projection optical unit 20. Is provided with a gap 25. Further, the projection optical unit 20 includes a light guide plate unit 21, a diffraction grating unit 22, and a reflective film 23. Note that FIG. 3 schematically shows the structure of the image display device, and the dimensions and angles in the figure do not show the actual size of the image display device.
導光板部２１は、光を透過する材料で構成された略板状の部分であり、側面２１ａと、主面２１ｂと、側面２１ｃと、裏面２１ｄを備えている。導光板部２１のサイズは限定されないが、例えば幅ｄ＝１０ｍｍ、厚さｔ＝２ｍｍ程度の大きさが挙げられる。導光板部２１を構成する材料は限定されないが、例えばＳｉＯ２を主成分とする屈折率１．５程度のガラスを用いることが好ましい。 The light guide plate portion 21 is a substantially plate-shaped portion made of a material that transmits light, and includes a side surface 21a, a main surface 21b, a side surface 21c, and a back surface 21d. The size of the light guide plate portion 21 is not limited, and examples thereof include a width d = 10 mm and a thickness t = 2 mm. The material constituting the light guide plate portion 21 is not limited, but for example, it is preferable to use glass containing SiO 2 as a main component and having a refractive index of about 1.5.
側面２１ａは、光源部１５ａ，１５ｂからの光が入射する平坦面であり、主面２１ｂに対して略垂直に形成されている。主面２１ｂは、表面に回折格子部２２が形成される平坦面であり、裏面２１ｄに対向している。側面２１ｃは、側面２１ａに対向する平坦面であり、主面２１ｂに対して略垂直に形成されている。裏面２１ｄは、主面２１ｂに対向する平坦面であり、主面２１ｂに対して角度δΘだけ傾斜して形成されている。角度δΘの範囲は１度以上５度以下が好ましい。図１では光の入射面である側面２１ａ側が厚くなるように裏面２１ｄが傾斜した例を示しているが、側面２１ｃ側が厚くなるように裏面２１ｄが傾斜するとしてもよい。 The side surface 21a is a flat surface on which light from the light source portions 15a and 15b is incident, and is formed substantially perpendicular to the main surface 21b. The main surface 21b is a flat surface on which the diffraction grating portion 22 is formed, and faces the back surface 21d. The side surface 21c is a flat surface facing the side surface 21a, and is formed substantially perpendicular to the main surface 21b. The back surface 21d is a flat surface facing the main surface 21b, and is formed so as to be inclined by an angle δΘ with respect to the main surface 21b. The range of the angle δΘ is preferably 1 degree or more and 5 degrees or less. FIG. 1 shows an example in which the back surface 21d is inclined so that the side surface 21a side, which is the incident surface of light, is thickened, but the back surface 21d may be inclined so that the side surface 21c side is thickened.
回折格子部２２は、主面２１ｂ上に形成された略板状の部分であり、導光板部２１とは屈折率が異なる材料で構成されており、本発明における光出射部に相当している。回折格子部２２の表面には、複数の凸部２２ａと凹部２２ｂが周期的に形成されており、回折格子を構成している。図１では図示を省略しているが、回折格子部２２の凸部２２ａと凹部２２ｂは、それぞれ紙面の奥行方向にストライプ状に延伸して形成されている。 The diffraction grating portion 22 is a substantially plate-shaped portion formed on the main surface 21b, and is made of a material having a refractive index different from that of the light guide plate portion 21, and corresponds to the light emitting portion in the present invention. .. A plurality of convex portions 22a and concave portions 22b are periodically formed on the surface of the diffraction grating portion 22 to form a diffraction grating. Although not shown in FIG. 1, the convex portion 22a and the concave portion 22b of the diffraction grating portion 22 are each formed by extending in a stripe shape in the depth direction of the paper surface.
回折格子部２２を構成する材料は限定されないが、導光板部２１との屈折率差が大きな材料を用いることが好ましく、例えばＴｉＯ２を主成分とする屈折率２．５程度の誘電体を用いることが好ましい。回折格子部２２のサイズは特に限定されないが、面内方向にも光を導波できる厚さを有することが好ましい。回折格子部２２は公知の方法で形成することができ、例えばナノインプリント技術やＥＢＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）技術等を用いることができる。 The material constituting the diffraction grating portion 22 is not limited, but it is preferable to use a material having a large difference in refractive index from the light guide plate portion 21, for example, a dielectric having a refractive index of about 2.5 containing TiO 2 as a main component is used. Is preferable. The size of the diffraction grating portion 22 is not particularly limited, but it is preferable that the diffraction grating portion 22 has a thickness capable of guiding light in the in-plane direction. The diffraction grating portion 22 can be formed by a known method, and for example, nanoimprint technology, EBL (Electron Beam Lithografy) technology, or the like can be used.
反射膜２３は、側面２１ａ，１１ｃと裏面２１ｄを覆うように形成された反射率の高い膜である。反射膜２３には、側面２１ａの一部に入射開口部２３ａが形成されており、入射開口部２３ａを介して導光板部２１に対して光を入射可能とされている。反射膜２３を構成する材料は限定されないが、銀等の高反射率金属を蒸着して形成することが好ましい。 The reflective film 23 is a highly reflective film formed so as to cover the side surfaces 21a and 11c and the back surface 21d. An incident opening 23a is formed on a part of the side surface 21a of the reflective film 23, and light can be incident on the light guide plate portion 21 through the incident opening 23a. The material constituting the reflective film 23 is not limited, but it is preferably formed by depositing a high-reflectance metal such as silver.
間隙２５は、側面２１ａに形成された反射膜２３とプリズム１２との間に設けられた空間である。間隙２５の幅は、光の波長程度であることが好ましい。図３に示した例では間隙２５に空気層が介在しているが、プリズム１２と導光板部２１との光結合効率を向上させるために、導光板部２１と屈折率が近い透明な材料を間隙２５に充填するとしてもよい。また、図３では反射膜２３と間隙２５を空けてプリズム１２を配置した例を示したが、間隙２５を設けず両者を接触させるとしてもよい。また、プリズム１２を用いずに入射開口部２３ａから導光板部２１に光を直接入射させるとしてもよい。 The gap 25 is a space provided between the reflective film 23 formed on the side surface 21a and the prism 12. The width of the gap 25 is preferably about the wavelength of light. In the example shown in FIG. 3, an air layer is interposed in the gap 25, but in order to improve the optical coupling efficiency between the prism 12 and the light guide plate portion 21, a transparent material having a refractive index close to that of the light guide plate portion 21 is used. The gap 25 may be filled. Further, although FIG. 3 shows an example in which the prism 12 is arranged with a gap 25 between the reflective film 23 and the reflective film 23, the two may be brought into contact with each other without providing the gap 25. Further, the light may be directly incident on the light guide plate portion 21 from the incident opening 23a without using the prism 12.
次に、図３を用いて画像表示装置における光路について説明する。光源部１５ａ，１５ｂが出射した光はそれぞれ入射側ファイバ部１４ｂ，１４ｃの光入射端面に入射される。入射側ファイバ部１４ｂ，１４ｃを伝搬した光は合波部１４ｄで合波され、出射側ファイバ部１４ａ内を導波されて光出射端面から入射光Ｌｉｎとしてレンズ１３に入射する。ここで入射光Ｌｉｎは、光源部１５ａ，１５ｂからの光が合波部１４ｄで合波されたものであり、出射側ファイバ部１４ａの光出射端面から共通の光軸でレンズ１３に入射する。レンズ１３でコリメートされた入射光Ｌｉｎは、プリズム１２を介して導光板部２１の光入射部に入射する。入射光Ｌｉｎはプリズム１２の一面に入射し、プリズム１２内部を透過して間隙２５側の面から間隙２５に抜ける。ここで入射光Ｌｉｎはプリズム１２に対して略垂直に入射される。 Next, the optical path in the image display device will be described with reference to FIG. The light emitted by the light source units 15a and 15b is incident on the light incident end faces of the incident side fiber units 14b and 14c, respectively. The light propagating through the incident side fiber portions 14b and 14c is combined by the combining portion 14d, is guided in the emitting side fiber portion 14a, and is incident on the lens 13 as incident light Lin from the light emitting end face. Here, the incident light Lin is obtained by combining the light from the light source units 15a and 15b at the merging unit 14d, and is incident on the lens 13 from the light emitting end surface of the emitting side fiber unit 14a on a common optical axis. The incident light Lin collimated by the lens 13 is incident on the light incident portion of the light guide plate portion 21 via the prism 12. The incident light Lin is incident on one surface of the prism 12, passes through the inside of the prism 12, and escapes from the surface on the gap 25 side to the gap 25. Here, the incident light Lin is incident substantially perpendicular to the prism 12.
プリズム１２を通過した入射光Ｌｉｎは、間隙２５および入射開口部２３ａを介して導光板部２１の側面２１ａに対して斜めに入射する。ここで、間隙２５の幅を波長と同程度とすることで、プリズム１２と間隙２５の界面や間隙２５と導光板部２１の界面での光反射を低減して、入射光Ｌｉｎを高効率で導光板部２１内に取り込むことができる。 The incident light Lin that has passed through the prism 12 is obliquely incident on the side surface 21a of the light guide plate portion 21 through the gap 25 and the incident opening 23a. Here, by making the width of the gap 25 about the same as the wavelength, light reflection at the interface between the prism 12 and the gap 25 and the interface between the gap 25 and the light guide plate portion 21 is reduced, and the incident light Lin is highly efficient. It can be taken into the light guide plate portion 21.
側面２１ａから入射した入射光Ｌｉｎは、導光板部２１内部を進行する入射光Ｌ１として回折格子部２２に入射角Φで入射する。導光板部２１と回折格子部２２の界面では、入射光Ｌ１の一部は回折格子部２２内に入射し、一部が反射光として導光板部２１内に反射される。入射光Ｌ１のうち回折格子部２２内を進行する光は、導光板部２１と回折格子部２２の屈折率に応じて進行角度が変化し、凸部２２ａと凹部２２ｂによる回折条件を満たす出射角度θｄ１方向に出射光ＬＯ１として出射される。また、回折格子部２２内に取り込まれた光は、屈折率と入射角Φを適切に選択することで空気との界面での漏れ全反射の条件を満たすことができ、回折格子部２２内で繰り返し反射されて回折格子部２２内を伝搬する。 The incident light Lin incident from the side surface 21a is incident on the diffraction grating portion 22 at an incident angle Φ as the incident light L1 traveling inside the light guide plate portion 21. At the interface between the light guide plate portion 21 and the diffraction grating portion 22, a part of the incident light L1 is incident on the diffraction grating portion 22, and a part of the incident light is reflected in the light guide plate portion 21 as reflected light. The traveling angle of the incident light L1 traveling in the diffraction grating portion 22 changes according to the refractive index of the light guide plate portion 21 and the diffraction grating portion 22, and the emission angle satisfying the diffraction condition by the convex portion 22a and the concave portion 22b. It is emitted as emitted light LO1 in the θd1 direction. Further, the light captured in the diffraction grating portion 22 can satisfy the condition of total internal reflection of leakage at the interface with air by appropriately selecting the refractive index and the incident angle Φ, and in the diffraction grating portion 22. It is repeatedly reflected and propagates in the diffraction grating portion 22.
入射光Ｌ１のうち導光板部２１と回折格子部２２の界面で反射された光は、導光板部２１内を進行して側面２１ｃ、裏面２１ｄおよび側面２１ａで反射されて再び主面２１ｂに到達し、再入射光Ｌ２として回折格子部２２に入射する。ここで、裏面２１ｄは主面２１ｂに対して角度δΘだけ傾斜しているため、側面２１ａに到達する光の反射位置は入射開口部２３ａとは異なるものとなる。また、側面２１ａで反射されて主面２１ｂに進行する再入射光Ｌ２は、入射光Ｌ１とはδΘだけ進行角度が異なり非平行である。したがって、再入射光Ｌ２が回折格子部２２に入射する位置と角度は入射光Ｌ１とは異なるものとなる。 Of the incident light L1, the light reflected at the interface between the light guide plate portion 21 and the diffraction grating portion 22 travels in the light guide plate portion 21, is reflected by the side surface 21c, the back surface 21d, and the side surface 21a, and reaches the main surface 21b again. Then, it is incident on the diffraction grating portion 22 as the re-incident light L2. Here, since the back surface 21d is inclined by an angle δΘ with respect to the main surface 21b, the reflection position of the light reaching the side surface 21a is different from that of the incident opening 23a. Further, the re-incident light L2 that is reflected by the side surface 21a and travels to the main surface 21b is not parallel to the incident light L1 because the traveling angle is different by δΘ. Therefore, the position and angle at which the re-incident light L2 is incident on the diffraction grating portion 22 are different from those of the incident light L1.
導光板部２１と回折格子部２２の界面に入射した再入射光Ｌ２も、入射光Ｌ１と同様に一部は回折格子部２２内に入射し、一部が反射光として導光板部２１内に反射される。また、回折格子部２２内部を進行する再入射光Ｌ２は、回折条件を満たす出射角度θｄ２方向に出射光ＬＯ２として出射される。このとき、再入射光Ｌ２が回折格子部２２に入射する際の入射角は入射光Ｌ１とはδΘだけ異なっているため、回折条件は入射光Ｌ１と再入射光Ｌ２で異なっており、出射角度θｄ１とθｄ２は異なるものとなる。 The re-incident light L2 incident on the interface between the light guide plate portion 21 and the diffraction grating portion 22 is also partially incident on the diffraction grating portion 22 and partly as reflected light in the light guide plate portion 21 as in the incident light L1. Be reflected. Further, the re-incident light L2 traveling inside the diffraction grating portion 22 is emitted as the emitted light LO2 in the emission angle θd2 direction satisfying the diffraction condition. At this time, since the incident angle when the re-incident light L2 is incident on the diffraction grating portion 22 is different from the incident light L1 by δΘ, the diffraction conditions are different between the incident light L1 and the re-incident light L2, and the emission angle is different. θd1 and θd2 are different.
以下同様に、再入射光Ｌ２のうち導光板部２１と回折格子部２２の界面で反射された光は、導光板部２１内を進行して再び側面２１ｃ、裏面２１ｄおよび側面２１ａで反射される。このように、コリメート光は導光板部２１内で繰り返し反射されて主面２１ｂに到達するが、裏面２１ｄで反射された回数に応じて主面２１ｂへの入射角と位置が異なるものとなる。これにより、繰り返し反射で回折格子部２２に取り込まれた光の回折条件は、裏面２１ｄで反射された回数に応じて異なるものとなり、出射角度もそれぞれ異なるものとなる。 Similarly, the light reflected at the interface between the light guide plate portion 21 and the diffraction grating portion 22 of the reincident light L2 travels in the light guide plate portion 21 and is reflected again on the side surface 21c, the back surface 21d, and the side surface 21a. .. In this way, the collimated light is repeatedly reflected in the light guide plate portion 21 and reaches the main surface 21b, but the angle of incidence and the position on the main surface 21b are different depending on the number of times the light is reflected by the back surface 21d. As a result, the diffraction conditions of the light taken into the diffraction grating portion 22 by repeated reflection are different depending on the number of times reflected by the back surface 21d, and the emission angles are also different.
以上に述べたように、導光板部２１に斜めに入射した光は、傾斜した裏面２１ｄでの反射によって回折条件が変化し、回折格子部２２の表面から複数の出射角度で取り出されるため、画像表示装置から広い角度に光を照射することが可能となる。これにより、画像表示装置からの投影距離に応じて画像を拡大して投影することができる。ここでスクリーンとしては、非透過型の白色スクリーンや透過型のガラスでもよく、例えば車両のフロントガラスを用いることができる。 As described above, the light incident obliquely on the light guide plate portion 21 changes the diffraction conditions due to the reflection on the inclined back surface 21d, and is taken out from the surface of the diffraction grating portion 22 at a plurality of emission angles. It is possible to irradiate light from the display device at a wide angle. As a result, the image can be enlarged and projected according to the projection distance from the image display device. Here, the screen may be a non-transmissive white screen or transparent glass, and for example, a vehicle windshield can be used.
上述したように、本実施形態の画像表示装置では、投影光学部２０の構造や原理が第１実施形態とは異なっている。しかし、本実施形態の画像表示装置でも、十分な光量で画像表示を行うことができる。また、光源部１５ａ，１５ｂのフレーム表示を半周期異ならせることで滑らかな動画を表示することもできる。 As described above, in the image display device of the present embodiment, the structure and principle of the projection optical unit 20 are different from those of the first embodiment. However, even with the image display device of the present embodiment, it is possible to display an image with a sufficient amount of light. Further, a smooth moving image can be displayed by changing the frame display of the light source units 15a and 15b by half a cycle.
また、光源部１５ａ，１５ｂからの出射光をそれぞれ入射側ファイバ部１４ｂ，１４ｃで導波して合波部１４ｄで合波し、合波した光を出射側ファイバ部１４ａから光入射部に入射するため、複数の光源部１５ａ，１５ｂを用いても軽量化と設置自由度の向上を図ることが可能となる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
Further, the light emitted from the light source units 15a and 15b is waveguideed by the incident side fiber portions 14b and 14c, respectively, and combined at the combining portion 14d, and the combined light is incident on the light incident portion from the emitting side fiber portion 14a. Therefore, even if a plurality of light source units 15a and 15b are used, it is possible to reduce the weight and improve the degree of freedom of installation.
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
１１…導光板部
１１ａ…光出射部
１２…プリズム
１３…レンズ
１４…ファイバ部
１４ａ…出射側ファイバ部
１４ｂ，１４ｃ…入射側ファイバ部
１４ｄ…合波部
１５…レンズ
１５ａ，１５ｂ…光源部
２０…投影光学部
２１…導光板部
２１ａ，２１ｃ…側面
２１ｂ…主面
２１ｄ…裏面
２２…回折格子部
２２ａ…凸部
２２ｂ…凹部
２３…反射膜
２３ａ…入射開口部
２５…間隙
Ｌｉｎ，Ｌ１…入射光
Ｌ２…再入射光
Ｌｏｕｔ，ＬＯ１，ＬＯ２…出射光
11 ... Light guide plate part 11a ... Light emitting part 12 ... Prism 13 ... Lens 14 ... Fiber part 14a ... Emitting side fiber part 14b, 14c ... Incident side fiber part 14d ... Combined wave part 15 ... Lens 15a, 15b ... Light source part 20 ... Projection optics 21 ... Light guide plate 21a, 21c ... Side surface 21b ... Main surface 21d ... Back surface 22 ... Diffraction grating 22a ... Convex 22b ... Concave 23 ... Reflective film 23a ... Incident opening 25 ... Gap Lin, L1 ... Incident light L2 ... Re-incident light Lout, LO1, LO2 ... Emission light
Claims (4)
第１光を照射する第１光源部と、第２光を照射する第２光源部と、
前記第１光を導波する第１ファイバ部と、前記第２光を導波する第２ファイバ部と、
前記第１ファイバ部および前記第２ファイバ部に接続されて、前記第１光と前記第２光を合波する合波部と、
前記合波部と前記光入射部との間で前記第１光および前記第２光を導波する第３ファイバ部とを有することを特徴とする画像表示装置。 An image display device including a projection optical unit that internally waveguides light incident from a light incident portion and projects the light in a projection direction from a light emitting portion.
A first light source unit that irradiates the first light, a second light source unit that irradiates the second light,
A first fiber section that guides the first light and a second fiber section that guides the second light.
A combiner that is connected to the first fiber portion and the second fiber portion and that combines the first light and the second light.
An image display device characterized by having a first light and a third fiber portion that guides the second light between the combiner portion and the light incident portion.
前記合波部は、ファイバカプラであることを特徴とする画像表示装置。 The image display device according to claim 1.
The image display device, wherein the combiner is a fiber coupler.
前記第３ファイバ部の光出射端面と前記光入射部との間には、レンズとプリズムを備えた入射光学部が設けられていることを特徴とする画像表示装置。 The image display device according to claim 1 or 2.
An image display device characterized in that an incident optical unit provided with a lens and a prism is provided between the light emitting end surface of the third fiber unit and the light incident portion.
前記投影光学部は、透光性材料からなる平板状の導光板を備え、前記導光板の一方面側から他方面側を透視可能であり、
前記光出射部から前記一方面側に対して前記第１光および前記第２光を投影することを特徴とする画像表示装置。 The image display device according to any one of claims 1 to 3.
The projection optical unit includes a flat plate-shaped light guide plate made of a translucent material, and can see through from one side to the other side of the light guide plate.
An image display device characterized by projecting the first light and the second light from the light emitting unit onto the one surface side.
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