JP2022013157A - Video display device and video display system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は導光板を用いた映像表示装置に関する。 The present invention relates to an image display device using a light guide plate.
ヘッドマウントディスプレイ(HMD:Head Mounted Display)に代表される導光板を用いた映像表示装置が知られている。導光板を用いることでシースルー性を備えた映像表示装置を実現できる。また導光板は映像光を複製してユーザに投射するので広いアイボックス(ユーザが映像を視認できるエリア)を実現できる。 An image display device using a light guide plate represented by a head mounted display (HMD) is known. By using a light guide plate, it is possible to realize a video display device having see-through properties. Further, since the light guide plate duplicates the image light and projects it to the user, a wide eye box (an area where the user can visually recognize the image) can be realized.
さらに映像表示装置の小型化、デザイン性向上のため、レーザ光源を用いたファイバ走査型プロジェクタやミラー走査型プロジェクタといった小型な映像投射モジュールが採用された映像表示装置が知られている。 Further, in order to reduce the size of the image display device and improve the design, an image display device using a small image projection module such as a fiber scanning projector or a mirror scanning projector using a laser light source is known.
上記のような小型な映像投射モジュールを用いる場合、映像光のスポット径が小さいため、導光板から出力される複数の映像光どうしが重なりを持たないか、あるいは重なりが不十分となる。結果として映像光がユーザの瞳に入射しない、あるいはユーザの瞳に入射する光量が極端に少ない映像箇所が生じる。そのため表示映像に輝度ムラが生じ、ユーザにとって均一な明るさの映像を表示できない問題が生じる。 When the small image projection module as described above is used, since the spot diameter of the image light is small, the plurality of image lights output from the light guide plate do not overlap each other, or the overlap is insufficient. As a result, there is an image portion where the image light does not enter the user's pupil or the amount of light incident on the user's pupil is extremely small. Therefore, uneven brightness occurs in the displayed image, which causes a problem that the user cannot display an image having uniform brightness.
本技術分野における背景技術として特許文献1がある。特許文献1では、映像投射モジュールと導光板の間に映像光を複製する映像光複製部を搭載した映像表示装置が記載されている。
しかしながら、特許文献1では、映像光複製部の具体的な構成の記載がなく、また、映像光複製部で複製された映像光において均一な明るさの映像を表示するために必要な条件の記載もなく、ユーザにとって均一な明るさの映像を表示できないという課題がある。
However,
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ユーザにとって均一な明るさの映像が表示可能な導光板方式の映像表示装置及び映像表示システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a light guide plate type video display device and a video display system capable of displaying a video having uniform brightness for a user.
本発明は、その一例を挙げるならば、映像を表示する映像表示装置であって、光を走査して映像光を生成する映像投射モジュールと映像光を複製して出射する映像光複製部と映像光複製部からの映像光を複製して出射する導光板を有し、導光板は映像光が入射するための光入力部を備え、映像光複製部が出射する映像光の数をN個とし、映像光複製部から出射された複数映像光の光入力部でのスポット径をDとし、人の瞳孔の最小直径サイズをDminとしたとき、Dmin≦D×Nの関係式を満たすように構成する。 The present invention is, for example, an image display device for displaying an image, an image projection module that scans light to generate image light, an image light duplication unit that duplicates and emits image light, and an image. It has a light guide plate that duplicates and emits video light from the optical duplication unit, the light guide plate has an optical input unit for incident video light, and the number of video light emitted by the video light duplication unit is N. , When the spot diameter at the optical input section of the plurality of video lights emitted from the video light duplication section is D and the minimum diameter size of the human pupil is Dmin, the relational expression of Dmin ≤ D × N is satisfied. do.
本発明によれば、ユーザにとって均一な明るさの映像が表示可能な導光板方式の映像表示装置及び映像表示システムを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a light guide plate type video display device and a video display system capable of displaying a video having uniform brightness for the user.
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施例における映像表示システムの構成例を示すブロック図である。図1において、映像表示システム110は、映像表示装置111、制御装置112、映像信号処理装置113、電力供給装置114、記憶装置115、センシング装置116、通信装置118、及び音声処理装置120を有する。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration example of a video display system in this embodiment. In FIG. 1, the
映像表示装置111は、例えばHMDに代表される導光板を用いた導光板方式の表示デバイスである。映像表示装置111は、映像信号処理装置113によって生成される映像信号が、制御装置112を介して供給され、該映像信号に基づく映像をユーザに表示する。映像表示装置111の詳細については後述する。
The
制御装置112は、映像表示システム110の全体を統括的に制御する。制御装置112は、例えばCPU(Central Processing Unit)やコンピュータ等が所定のプログラムを実行することによってその機能を実現することができる。
The control device 112 comprehensively controls the entire
映像信号処理装置113は、映像表示装置111に供給するための映像信号を生成する。電力供給装置114は、映像表示システム110を構成する各装置に対して電力を供給する。
The video
記憶装置115は、制御装置112が実行するプログラムや、映像表示システム110を構成する各装置の処理に必要な情報、また、各装置によって生成された情報等を記憶する。記憶装置115は、例えば、RAM(Random Access Memory)、フラッシュメモリ、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(solid state drive)CD-R(Compact Disc- Recordable)、DVD-RAM(Digital Versatile Disk-Random Access Memory)等の書き込み及び読み出し可能な記憶メディアまたは記憶メディア駆動装置等から成る。
The
センシング装置116は、センサ入出力部117を介して接続される各センサを用いて周囲の状況を検知する。センサとしては、例えば、ユーザの体勢、向き、及び動きを検出する傾斜センサ、加速度センサ、ユーザの身体状況を検出する視線センサ、温度センサ、ユーザの位置情報を検出するGPS(Global Positioning System)受信装置、感圧センサ、静電容量センサ、バーコードリーダ等を挙げることができる。
The
通信装置118は、通信入出力部119を介し、例えばBluetooth(登録商標)、Wi-Fi(登録商標)、UHF(Ultra-High Frequency)波、VHF(Very High Frequency)波等を用いた無線通信または有線通信を用いて所定の通信ネットワーク(携帯電話通信網、インターネット等)に接続して通信を行う。
The
音声処理装置120は、音声入出力部121を介してマイクやイヤホン等と接続し、音声信号の入出力を行う。
The
図2は、本実施例における映像表示装置111の構成図である。図2において、映像表示装置111は、映像投射モジュール131、映像光複製部132、及び導光板133から成る。
FIG. 2 is a configuration diagram of the
映像投射モジュール131は、映像信号処理装置113によって生成される映像信号が、制御装置112を介して供給され、該映像信号に基づき、映像表示装置111が表示する映像となる映像光を生成して映像光複製部132に投射する。映像光複製部132は、映像投射モジュール131が投射した映像光をユーザにとって均一な明るさの映像として表示できるように映像光を複製する。
The
導光板133は、映像投射モジュール131および映像光複製部132からの映像光をユーザの瞳2へ伝達する。ユーザは、映像光が瞳2に結像されることで映像を視認できる。
The
図3は、本実施例における映像表示システム110がHMD4としての使用形態を示す図である。HMD4はユーザ1の頭部に装着され、外界が視認可能な状態でユーザ1は映像表示装置111からの映像を虚像3として視認できる。図3では片眼に映像を表示する場合を図示したが、両眼に映像を表示するHMD構成としても一向に構わない。
FIG. 3 is a diagram showing a usage mode of the
図4は、本実施例における映像投射モジュール131に採用し得る映像生成装置の例である。図4(a)は、映像投射モジュール131に採用し得るファイバ走査型プロジェクタ201を示している。図4(b)は、映像投射モジュール131に採用し得るミラー走査型プロジェクタ202を示している。
FIG. 4 is an example of an image generation device that can be adopted in the
図4(a)に示すファイバ走査型プロジェクタ201は、光源部900、ファイバ901、ファイバ走査素子902、及びコリメートレンズ903を備える。
The
光源部900は、例えばレーザ光を発光する。光源部900にて発光されたレーザ光は、ファイバ901の内部を伝搬して、ファイバ901の端面904から出射する。ファイバ901からの出射光は、コリメートレンズ903を通過することにより高い指向性を有する光となる。
The
ファイバ901に取り付けられたファイバ走査素子902は、ファイバ901の端面904を振動させ、ファイバ901からの出射光を走査する。光源部900が出力するレーザ光の強度と、ファイバ走査素子902による端面904の振動とを、映像信号に同期させることにより、該ファイバ走査型プロジェクタ201は、映像を投射することができる。
The
図4(b)に示すミラー走査型プロジェクタ202は、光源部900及び走査素子911を備えている。
The
走査素子911は、走査ミラー(不図示)を有する。光源部900が出力したレーザ光には指向性があり、該レーザ光は走査素子911の走査ミラーに入射して反射する。このとき、走査素子911が走査ミラーを振動させることによって反射した反射光を走査することができる。光源部900が出力するレーザ光の強度と、走査素子911の振動とを、映像信号に同期させることにより、ミラー走査型プロジェクタ202は、映像を投射することができる。
The
次に、映像表示装置に用いられる導光板について説明する。導光板は映像光が入射するための光入力部221が配置された映像光入力面と、映像光が出射するための光出力部222が配置された映像光が出射する映像光出力面を備える(詳細は後述する)。導光板は映像光を複製し、ユーザに投射する。映像光が複製されることで、映像光の複製方向にアイボックスが拡大する。導光板は、ビームスプリッタアレイ、回折格子、体積ホログラム等を用いた導光板構成とすることで、シースルー性を備えたHMDとすることができる。
Next, the light guide plate used in the image display device will be described. The light guide plate includes a video light input surface on which an
図5は、本実施例における映像表示装置に用いられる導光板の一例である。図5(a)に示す導光板801は、ビームスプリッタアレイを用いた導光板で内部にN枚のビームスプリッタ面830を有する。ここで、Nは1以上の整数である。N枚のビームスプリッタ面830は、互いに略平行である。
FIG. 5 is an example of a light guide plate used in the image display device in this embodiment. The
入射面831は、映像光が導光板801に入射する映像光入力面であり、光入力部221として機能する。第1の内面反射面832及び第2の内面反射面833は、入射面831から導光板801に入射した光を全反射によって導光板801の内部を導光する。
The
第1の内面反射面832及び第2の内面反射面833で全反射して導光板801の内部を伝搬した光は、N枚のビームスプリッタ面830に入射する。ビームスプリッタ面830は、入射した光の一部を反射し、一部を透過する。反射した光は第2の内面反射面833を透過しユーザの瞳2に伝達される。第2の内面反射面833が映像光出力面となっている。N枚のビームスプリッタ面830によって映像光が反射または透過することで映像光がビームスプリッタ面の配置方向(図のx方向)に複製され、アイボックスが1次元方向に拡大される。
The light that is totally reflected by the first
図5(b)は表面掘り込み式の回折格子を用いた導光板の一例である。図5(b)に示す導光板811は、複数の回折領域812、813を有する。回折領域812はz軸に略平行な方向の回折構造を有する。回折領域813は、xz平面において、x軸から反時計回りに略+60度の第一の方向と、略-60度の第二の方向の二つの方向の回折構造を有する。回折領域812の回折構造のピッチと、回折領域813の二つの方向の回折構造のピッチとは、互いに全て略等しい。
FIG. 5B is an example of a light guide plate using a surface-drilling diffraction grating. The
光入力部221である回折領域812に入射した映像光は回折して、導光板811の内部に取り込まれ、導光板811の内部を全反射しながら導光し、光出力部222に対応する回折領域813に到達する。回折領域813は二つの方向の回折構造を有するが、導光板811の内部で全反射導光する過程で、回折領域813が有する二つの方向の回折構造の其々で1回ずつ回折して、導光板811から映像光が複製され出射する。映像光は第一の方向と第二の方向に複製されるため、2次元方向にアイボックスが拡大される。
The video light incident on the
図5(c)は表面掘り込み式の回折格子を用いた導光板の別の一例を示している。図5(c)に示す導光板821は、複数の回折領域822、823、824を有する。回折領域822はx軸に略平行な方向の回折構造を有する。回折領域823は、xz平面内でz=-xの直線と略平行な方向の回折構造を有する。回折領域824は、z軸に略平行な方向の回折構造を有する。回折領域822の回折構造のピッチと回折領域824の回折構造のピッチとは互いに略等しく、回折領域823の回折構造のピッチは、回折領域822の回折構造のピッチを2の平方根で除した値に略等しい。
FIG. 5C shows another example of a light guide plate using a surface-drilling diffraction grating. The
光入力部221である回折領域822に入射した映像光は回折して、導光板821の内部に取り込まれ、導光板821の内部を全反射導光する。全反射導光する過程で映像光は回折領域823に到達するごとに一部の光が回折し、進行方向を変え、導光板821の内部を全反射導光する。さらに光出力部222に対応する回折領域824に到達するごとに一部の光が回折し、光が複製され、導光板821から出射する。したがって、導光板801によれば、映像光は図のx軸方向とz軸方向の2方向に複製され、2次元方向にアイボックスが拡大される。
The video light incident on the
導光板内を伝搬した映像光を複製しユーザの瞳2へ伝達する手段として、ミラーアレイや回折格子ではなく体積型のホログラムによる回折を用いてもよい。
As a means for duplicating the image light propagating in the light guide plate and transmitting it to the user's
このように、図3に示されたファイバ走査型プロジェクタ201やミラー走査型プロジェクタ202のような指向性のある光(レーザ光)を走査して映像を生成する小型な映像生成装置と導光板とを組み合わせることで、小型な映像表示装置が実現できる。ここで、上記の映像生成装置で生成される映像光のスポット径は0.1~3.0mm程度であり導光板133から出力される複数の映像光の間隔と比べて小さく、導光板133から出力される複数の映像光どうしが重なりを持たないか、あるいは重なりが不十分となる。結果として映像光がユーザの瞳に入射しない、あるいはユーザの瞳に入射する光量が極端に少ない映像箇所が生じる。そのため表示映像に輝度ムラが生じ、ユーザにとって均一な明るさの映像を表示できない問題が生じる。
As described above, a small image generator and a light guide plate that scan directional light (laser light) such as the
そこで、ユーザにとって均一な明るさの映像を表示する映像表示装置を提供するため、本実施例における映像表示装置111では、映像投射モジュール131と導光板133の間に、映像光を所定の間隔よりも小さい間隔で複製する映像光複製部132が設けられている。以下、映像光複製部132について詳述する。
Therefore, in order to provide a video display device that displays a video having uniform brightness for the user, in the
図6は、本実施例における映像投射モジュールから出射された映像光5がユーザの瞳2まで伝達するまでの光路を模式的に図示したものである。一例として第一の映像光複製部132は図のx方向に映像光を複製する場合を示しており、導光板の複製方向は特に図示していない。また、図6に示すように、ユーザの瞳2から導光板133との距離であるアイリリーフをER、x方向のアイボックスをEB、表示映像のx方向の画角の全角をFOVとする。
FIG. 6 schematically illustrates an optical path until the
図6において、映像投射モジュール131から出射された映像光5は第一の映像光複製部132で複製される。第一の映像光複製部132で複製された映像光6は次に導光板133によって複製され出射される。映像光複製部132から出射された複数の映像光6は導光板の光入力部221から導光板に入射する。導光板133に入射した映像光は光出力部222から出射されユーザの瞳2へ伝達される。
In FIG. 6, the
ここで、映像投射モジュール131から出射される映像光のスポット径が小さいため、導光板133のみで複製して映像をユーザに投射しても複数の映像光どうしが重なりを持たないか、あるいは重なりが不十分となる。その結果として映像光がユーザの瞳に入射しない、あるいはユーザの瞳に入射する光量が極端に少ない映像箇所が生じる。そこで、映像投射モジュールの後に映像複製部で映像光を複製して、導光板に入射する構成とすることで、上記の課題を解決でき、つまり表示映像の明るさを均一化できる。
Here, since the spot diameter of the image light emitted from the
図7は、本実施例における映像光複製部の複製間隔を説明するための図である。図7は、導光板の光入力部221での複数の映像光6の強度分布を示しており、円形で映像光のスポット20を示している。光入力部221での映像光のスポット径をDとした。また、映像光複製部132が出射する複数の映像光の数をN個とし(Nは2以上の整数)、隣り合う第k番目と第k+1番目の映像光の中心間の間隔を複製間隔Lkとする(kは1以上N-1以下の整数)。なお図は簡単のためスポットを円形で示しているが、必ずしも円形でなく、その場合はスポットの強度分布の重心を中心として複製間隔を定める。
FIG. 7 is a diagram for explaining the duplication interval of the video light duplication unit in this embodiment. FIG. 7 shows the intensity distribution of the plurality of
ここで、複製間隔Lkを適切に選ぶことで効果的に表示映像の明るさを均一化できる。すなわち、映像光複製部で複製された映像光が最終的にユーザの瞳に入射しなければ複製による映像明るさ均一効果は得られないので、複製間隔Lkは人の瞳孔サイズよりも小さくする必要がある。人の瞳孔サイズは外の明るさによって約2~8mmに変化するから、複製間隔Lkは最小瞳孔サイズの2mm以下とする必要がある。 Here, the brightness of the displayed image can be effectively made uniform by appropriately selecting the duplication interval Lk. That is, unless the image light duplicated by the image light duplication unit finally enters the user's pupil, the image brightness uniform effect due to the duplication cannot be obtained, so the duplication interval Lk needs to be smaller than the human pupil size. There is. Since the pupil size of a person changes to about 2 to 8 mm depending on the outside brightness, the duplication interval Lk needs to be 2 mm or less, which is the minimum pupil size.
加えて図7(a)に示すようにスポット20が重なりをもっておらず、隙間が生じていると、隙間部がユーザの目に投射される場合が生じ、ユーザは均一な明るさの映像と視認できない場合が生じる。そのため、表示映像を均一な明るさとするために光入力部上で見たときにスポット20が少なくとも接している必要がある。つまり映像複製装置が表示映像の明るさの均一化効果を得るためには、スポット20の直径Dと複製間隔Lkは少なくとも1つのkで以下の関係式(1)
In addition, as shown in FIG. 7A, if the
また、スポットの強度は中心が最も強く、周辺にいくにつれて強度が弱くなっている。そのため、接しているだけでは映像光複製部で複製して出射された複数の映像光の分布が十分に均一でなく、表示映像を均一な明るさとするために不十分となる場合がある。表示映像を均一な明るさとするために、図7(b)に示したようにスポットが重なりをもっていることが望ましい。 In addition, the intensity of the spot is the strongest in the center, and the intensity becomes weaker toward the periphery. Therefore, the distribution of the plurality of video lights duplicated and emitted by the video light duplication unit may not be sufficiently uniform just by being in contact with each other, and may be insufficient to make the displayed video uniform in brightness. In order to make the displayed image uniform in brightness, it is desirable that the spots have overlaps as shown in FIG. 7 (b).
光量比で10%以上が重なりをもっていればユーザは均一な明るさの映像と視認できる。そのため隣り合うスポットがスポット分布の周辺光量の10%以上が重なっていることが望ましい。もしくはユーザは均一な明るさの映像と視認するためにスポット径Dの四分の一以上重ねて複製することが望ましく、直径Dと複製間隔Lkは少なくとも1つのkで以下の関係式(2) If the light intensity ratio is 10% or more overlapped, the user can visually recognize the image with uniform brightness. Therefore, it is desirable that adjacent spots overlap with 10% or more of the peripheral illumination of the spot distribution. Alternatively, it is desirable for the user to duplicate the image by overlapping one quarter or more of the spot diameter D in order to visually recognize the image with uniform brightness, and the diameter D and the duplication interval Lk are at least one k and the following relational expression (2).
次に、図7(b)に示した映像光複製部が複製した複数の映像光の幅Cの条件について説明する。Cは複製間隔Lkとスポット径Dを用いて次式(3)で書ける。 Next, the condition of the width C of the plurality of video lights duplicated by the video light duplication unit shown in FIG. 7B will be described. C can be written by the following equation (3) using the duplication interval Lk and the spot diameter D.
幅Cで出射された映像光が最終的にユーザの目に投射されることを考えると、幅Cはユーザの瞳孔サイズよりも大きいことが望ましい。これよって、装着ズレや眼球運動などでユーザの目が動いたときでも均一な明るさの映像を表示することができる。よって瞳孔の最小直径サイズをDminとすると幅CはDminよりも大きいことが望ましく、次式(4)を満たすことが望ましい。 Considering that the image light emitted by the width C is finally projected to the user's eyes, it is desirable that the width C is larger than the pupil size of the user. As a result, it is possible to display an image with uniform brightness even when the user's eyes move due to misalignment or eye movements. Therefore, when the minimum diameter size of the pupil is Dmin, it is desirable that the width C is larger than Dmin, and it is desirable that the following equation (4) is satisfied.
表示映像を均一な明るさとするため隣り合うスポットがすくなくとも接している場合C≦D×Nと書ける。これにより映像光の複製数Nとスポット径Dは次の関係式(5) In order to make the displayed image uniform in brightness, C ≦ D × N can be written when adjacent spots are at least in contact with each other. As a result, the number of duplicates of video light N and the spot diameter D are related to the following relational expression (5).
次に、図6に示した、導光板133から出射される映像光の幅Wについて説明する。映像全体をユーザに視認させるためには幅Wは次の式(6)を満たす必要がある。
Next, the width W of the image light emitted from the
上述したようにERはアイリリーフ、EBはx方向のアイボックスをEB、FOVは表示映像のx方向の画角の全角である。 As described above, ER is an eye relief, EB is an eye box in the x direction of EB, and FOV is the full-width angle of view of the displayed image in the x direction.
導光板133が映像光を複製する複製数をM個とすると、導光板133から出射される映像光の幅Wは、映像光複製部と導光板の複製方向がかならずしも一致していないので、次の不等式(7)が成り立つ。
Assuming that the number of duplications in which the
よって式(6)、(7)からスポット径Dと映像複製部の複製数Nと導光板の複製数Mは、映像全体をユーザに視認させるためには次の関係式(8) Therefore, from the equations (6) and (7), the spot diameter D, the number of duplicates N of the image duplication unit, and the number of duplications M of the light guide plate are the following relational expressions (8) in order to make the entire image visible to the user.
図8は、本実施例における映像表示装置111の構成例を示す図である。図8において、(a)は導光板133の上部から見た図であり、(b)は導光板133の正面から見た図を示している。
FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of the
図8において、映像投射モジュール131から出射された映像光は映像光複製部132に入射した後、映像光複製部132によって複製され出射し、導光板の光入力部221から導光板に入射する。導光板133に入射した映像光は光出力部222から出射されユーザの瞳2(不図示)へ伝達される。ユーザは、映像光が瞳2に結像されることで映像を視認できる。
In FIG. 8, the image light emitted from the
導光板は光入力部221が設置されている面が映像光入力面22となっている。また導光板の映像光入力面22と映像光複製部の入射面11がなす角度(α)を映像光複製部の設置角度αとする。
The surface of the light guide plate on which the
図9は、本実施例における映像光複製部132を説明するための図である。図9において、映像光複製部132は1枚の平板形状で、映像投射モジュール131から出射された映像光が入射する入射面11と入射面11に略平行な第一の面10を有する。第一の面10には反射コート8が施されており、光が反射し透過する部分反射面となっている。また入射面11の一部には反射コート7が施されており、光が反射する反射面となっている。映像光複製部132の厚さtは図9に示すように、入射面11と第一の面10で形成される厚さを示す。
FIG. 9 is a diagram for explaining the image
図9において、映像光5は映像投射モジュール131から出射される代表的な光線を示している。映像投射モジュール131から出射された映像光は映像光複製部132の入射面11から入射する。入射した光はまず部分反射面となっている第一の面10で透過し反射する。第一の面10で透過した映像光は映像光複製部132から出射される。第一の面10で反射した光は入射面11に向かって進行し、反射コート7が施されて反射面となっている入射面11で反射する。入射面11で反射した映像光は部分反射面となっている第一の面10で透過または反射する。以上のように映像光は部分反射と反射を繰り返すことで等間隔に複製される。
In FIG. 9, the
映像光5が複製される方向は、映像光複製部132が導光板の光入力部221となっている映像光入力面22に対して傾きを持つ方向(図x軸方向)に複製される。
The direction in which the
本実施例では映像光複製部132の入射面11と出射面は異なり、出射面は入射面11と略平行な第一の面10となっている。
In this embodiment, the
映像光複製部132は平板形状の非常に簡易な構成で映像光を複製し、導光板に入射させることで、導光板133のみの複製では映像光どうしが重なりを持たないか、あるいは重なりが不十分となることを防いでいる。平板形状の非常に簡易な構成である映像光複製部132を映像表示装置111に搭載することでユーザにとって均一な明るさの映像を表示できる映像表示装置を提供することができる。
The video
なお、前述したユーザにとって均一な明るさの映像を表示できない問題は、導光板の複製方向とは異なる方向により顕著に表れる。そのため導光板の複製方向と映像光複製部の複製方向は異なるように映像光複製部を配置することが効果的である。 It should be noted that the above-mentioned problem that the user cannot display an image having uniform brightness becomes more prominent in a direction different from the duplication direction of the light guide plate. Therefore, it is effective to arrange the video light duplication unit so that the duplication direction of the light guide plate and the duplication direction of the video light duplication unit are different.
また、入射面11の一部にのみ反射コートを施すことで、入射面11のうち映像光が入射する領域において透過のみが生じる構成とし、入射時の反射を防ぎ、映像光を効率よく映像光複製部132に入射させることができる。
Further, by applying a reflection coating only to a part of the
また、映像光複製部132の端面13は砂すり及び黒塗りのいずれか又は両方の処理が施されていることが好ましい。これにより端面13に入射した光に起因する迷光の発生を防止できる。
Further, it is preferable that the
次に映像光複製部132で複製された複数の映像光6の複製間隔Lに関して説明をする。映像光複製部の厚さtと角度αおよび映像光複製部の材質の屈折率nを用いて、複製間隔Lは下記式(9)
Next, the duplication interval L of the plurality of
映像光複製部で複製された映像光が最終的にユーザの瞳に入射しなければ複製による映像明るさ均一効果は得られないので、複製間隔Lは人の瞳孔サイズよりも小さくする必要がある。人の瞳孔サイズは外の明るさによって約2~8mmに変化する。そのため複製間隔Lkは最小瞳孔サイズ2mm以下とする必要がある。 Since the image brightness uniform effect by duplication cannot be obtained unless the image light duplicated by the image light duplication unit finally enters the user's pupil, the duplication interval L needs to be smaller than the pupil size of a person. .. The size of a person's pupil varies from about 2 to 8 mm depending on the outside brightness. Therefore, the duplication interval Lk needs to be a minimum pupil size of 2 mm or less.
加えて表示映像の明るさを均一にする観点で、映像投射モジュールから出射される映像光のスポットが光入力部221で見たときに接しているか重なりをもって複製されていると良い。そのため複製間隔Lは光入力部221でのスポット径Dと同じか小さいことが望ましい。よって次の関係式(10)
In addition, from the viewpoint of making the brightness of the displayed image uniform, it is preferable that the spots of the image light emitted from the image projection module are in contact with each other or duplicated when viewed by the
以上の観点から適切な複製間隔になるように映像光複製部の厚さtと角度αおよび映像光複製部の屈折率nを決定すればよい。 From the above viewpoints, the thickness t and the angle α of the video light duplication portion and the refractive index n of the video light duplication portion may be determined so as to have an appropriate duplication interval.
次に設置角度αに関して説明する。ある厚さtにおける複製間隔の設置角度α依存性を図10に示した。なお屈折率nは一般的なガラスを想定して1.52で計算した。複製間隔Lは設置角度αに対して約50度を中心とした上に凸なグラフでαが0度と90度のとき複製間隔Lは0になる。そのため映像光複製部が映像光を複製するためには、映像光複製部は必ずある所定の角度をもって設置される必要があり、また90度の設置角度とすることはできない。 Next, the installation angle α will be described. FIG. 10 shows the setting angle α dependence of the duplication interval at a certain thickness t. The refractive index n was calculated at 1.52 assuming general glass. The duplication interval L is a convex graph centered on about 50 degrees with respect to the installation angle α, and when α is 0 degrees and 90 degrees, the duplication interval L becomes 0. Therefore, in order for the video light duplication unit to duplicate the video light, the video light duplication unit must be installed at a predetermined angle, and the installation angle cannot be 90 degrees.
また、設置角度αは小さいほど図8に示した幅Aが小さくなり、映像表示が小型化され、また映像光複製部から導光板入力部の距離が小さくなり、映像光複製部から導光板の光入力部221への入射効率が向上する。そのため映像表示全体の小型化と導光板の光入力部221への入射効率といった観点でαは小さいほど好ましい。
Further, the smaller the installation angle α, the smaller the width A shown in FIG. 8, the smaller the image display, the smaller the distance from the video light duplication section to the light guide plate input section, and the smaller the distance from the video light duplication section to the light guide plate. The efficiency of incident on the
図10に示すように複製間隔Lは設置角度αに対して約50度を中心に略対称な依存性を持ち、設置角度αを50度から小さくしても大きくしても同様の複製間隔Lとすることができる。しかし、設置角度を大きくすることは上述した小型化と入射効率といった観点で望ましくない。よって映像表示装置の小型化および映像光複製部から導光板への入射効率の観点から映像光複製部の設置角度αは50度以下で設置するとよい。 As shown in FIG. 10, the duplication interval L has a substantially symmetrical dependence on the installation angle α around about 50 degrees, and the same duplication interval L is obtained regardless of whether the installation angle α is reduced or increased from 50 degrees. Can be. However, increasing the installation angle is not desirable from the viewpoint of miniaturization and incident efficiency described above. Therefore, from the viewpoint of miniaturization of the image display device and the efficiency of incident from the image light duplication unit to the light guide plate, the installation angle α of the image light duplication unit may be 50 degrees or less.
また、設置角度が小さすぎると、部品の設置ズレに伴う複製間隔変化などのズレ感度が大きくなる。よって設置角度αは5度以上であることが望ましい。 Further, if the installation angle is too small, the deviation sensitivity such as the change in the duplication interval due to the installation deviation of the parts becomes large. Therefore, it is desirable that the installation angle α is 5 degrees or more.
映像表示装置の小型化および映像光複製部から導光板への入射効率の観点から映像光複製部の設置角度αを50度以下、かつ、上記の理由で5度以上と考えたとき、複製による映像の明るさ均一効果を得るため、複製間隔Lが最小瞳孔サイズ2mm以下となる条件は、式(9)から一般的なガラスの屈折率で考えると厚さtは18mm以下である。よって映像の明るさ均一効果を得るために厚さtは18mm以下であることが望ましい。 When the installation angle α of the video light duplication unit is considered to be 50 degrees or less and 5 degrees or more for the above reason from the viewpoint of miniaturization of the video display device and the incident efficiency from the video light duplication unit to the light guide plate, duplication is performed. In order to obtain the effect of uniform brightness of the image, the condition that the duplication interval L is the minimum pupil size of 2 mm or less is that the thickness t is 18 mm or less in terms of the refractive index of general glass from the equation (9). Therefore, it is desirable that the thickness t is 18 mm or less in order to obtain the effect of uniform brightness of the image.
次に、部分反射面の反射率と複製された映像光の光量の関係に関して説明をする。図9に示すように、部分反射面の反射率をRとし、映像光複製部に入射する映像光の光量をI0とする。複製された複数N個の映像光の光量を端面12から端面13側に近づく順にInと記す(nは1以上N以下の自然数)。するとn番目の光量は下記式(11)
Next, the relationship between the reflectance of the partially reflecting surface and the amount of duplicated video light will be described. As shown in FIG. 9, the reflectance of the partially reflecting surface is R, and the amount of light of the image light incident on the image light duplication portion is I0 . The amount of light of the plurality of duplicated video lights is described as In in the order of approaching from the
ユーザにとって均一な明るさの映像を表示するためには複製された映像光は均一な光量で出射されることが望ましい。複製された映像光の隣り合う光量比KはR(=Ik+1÷Ik)となる。一般的に隣り合う複製光の光量比は70%以上であればユーザは複製された映像光の明るさの差を感じず均一な映像と認識できる。そのため部分反射面の反射率Rは70%以上とすることが望ましい。 In order to display an image with uniform brightness for the user, it is desirable that the duplicated image light is emitted with a uniform amount of light. The adjacent light amount ratio K of the duplicated video light is R (= I k + 1 ÷ I k ). Generally, if the light amount ratio of adjacent duplicated lights is 70% or more, the user can recognize the duplicated video light as a uniform image without feeling the difference in brightness. Therefore, it is desirable that the reflectance R of the partially reflecting surface is 70% or more.
また部分反射面の反射率は一定の反射率で議論したが、反射率に映像光複製部の複製方向に対して位置依存性をもたせ、映像投射モジュール131から離れるにしたがって反射率を低くなる部分反射面として複製される複数の映像光の光量を均一にしてもよい。これによって、複製された映像光は均一な光量で出射でき、またより効率よく複製した映像光を導光板へ出射することができる。
In addition, the reflectance of the partially reflective surface was discussed with a constant reflectance, but the reflectance is made position-dependent with respect to the duplication direction of the image light duplication unit, and the reflectance decreases as the distance from the
また映像光複製部は1枚の平板構造で説明したが、図11に示すように2枚の平板で構成した映像光複製部51としても良い。同様に入射面11は一部に反射コートが施されており、反射面となっている。また、入射面と略平行な第一の面である入射面11と第二の面14は反射コートが施されおり、部分反射面となっている。映像光複製部2枚の平板で構成することで、部分反射面の枚数が増え、映像光の複製数を増やすことができる。そのためより映像を均一化することができる。また2枚の平板の厚さt1とt2を異ならせることで、複数の間隔で映像光が複製されるようになり、映像の均一化という観点でより効果的である。また図では2枚の平板構成を示したが必ずしもこれに限定されるものではなく、2枚よりも枚数を増やした構造でもなんら問題ない。
Further, although the video light duplication unit has been described with a single flat plate structure, the video
また、表示映像の明るさをより均一化するために映像投射モジュール131と映像光複製部132の間に、映像光を複製する複製プリズム19を設置してもよい。図12に複製プリズム19を設置した構成例を示す。図12において、(a)は映像光複製部132の上部(z方向)から見た図であり、(b)は映像光複製部132のx方向から見た図を示している。
Further, in order to make the brightness of the displayed image more uniform, a
図12(b)に示すように、複製プリズム19は内部に反射または部分反射をする反射面が複数備わっている。映像投射モジュール131から出射された映像光は複製プリズム19に入射し、複製プリズム19内部の反射面により反射または部分反射することで、映像光は複製され、映像光複製部132へ出射される。このような構成とすることで、導光板へ入射する映像光の複製数を増加することができ、表示映像の明るさをより均一化することができる。
As shown in FIG. 12B, the
なお、複製による表示映像明るさ均一化効果が重複することのないように、映像光複製部132と複製プリズム19の複製方向が異なるように配置されていることがよい。これによって効率よく複製による表示映像の明るさ均一化効果を得ることができる。図12では一例として映像光複製部132はx方向に映像光を複製し、複製プリズム19はz方向に映像光を複製している場合を示した。
It is preferable that the video
また、複製による表示映像明るさ均一化効果が重複することのないように、複製プリズム19と映像光複製部51および導光板133の複製方向が異なるように配置されていることが望ましい。これによって効率よく複製による表示映像の明るさ均一化効果を得ることができる。
Further, it is desirable that the
また、映像光の複製間隔は前述したように人の最小瞳孔サイズ2mm以下が望ましい。よって図12に示した複製プリズム19の反射面の間隔Drは2mm以下が望ましい。
Further, as described above, it is desirable that the reproduction interval of the image light is 2 mm or less, which is the minimum pupil size of a person. Therefore, it is desirable that the distance Dr between the reflecting surfaces of the
また、図12の構成例の複製プリズム19では複製プリズム19内部の反射面は2枚の例を示したが、2枚より枚数を増やしても何ら問題ない。
Further, in the
以上のように、本実施例によれば、ユーザにとって均一な明るさの映像が表示可能な導光板方式の映像表示装置及び映像表示システムを提供できる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a light guide plate type video display device and a video display system capable of displaying a video having uniform brightness for the user.
図13は、本実施例における映像表示装置111の構成例を示す図である。図13において、(a)は導光板133の上部から見た図であり、(b)は導光板133の正面から見た図を示している。
FIG. 13 is a diagram showing a configuration example of the
図13において、図8と同じ構成は同じ符号を付し、その説明は省略する。図13において、図8と異なる点は、映像光複製部52は入射面と出射面が同一面である点である。このような構成とすることで、設置角度αを適切に選ぶことで映像投射モジュール131を導光板133に沿った配置とすることができ、映像表示装置111がコンパクトになる利点がある。
In FIG. 13, the same configurations as those in FIG. 8 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. In FIG. 13, the difference from FIG. 8 is that the entrance surface and the emission surface of the video
図14を用いて本実施例における映像光複製部52について説明する。映像光複製部52は映像投射モジュール131から出射された映像光が入射する入射面15と入射面15に略平行な第一の面16を有する。第一の面16には反射コート7が施されており、光が反射する反射面となっている。入射面15の一部には反射コート8が施されており、光が反射し透過する部分反射面となっている。
The image
図14において、映像投射モジュール131から出射された映像光5は映像光複製部52の入射面15から入射する。入射した光はまず部分反射面となっている第一の面16で反射する。第一の面16で反射した光は入射面15に向かって進行し、反射コート8が施されて部分反射面となっている入射面15で反射し透過する。入射面15で透過した映像光は映像光複製部52から出射される。入射面15で反射した光は第一の面16に向かって進行し、再び第一の面16で反射する。
In FIG. 14, the
以上のように映像光複製部52に入射した映像光は部分反射と反射を繰り返すことで、映像光5は映像複製素子が導光板に対して傾きを持つ方向(図x軸方向)に複製され、映像光複製部52から出射する。本実施例の映像光複製部では入射面と出射面が同一面となっている。そして、入射面15の一部にのみ反射コートを施すことで、入射面15のうち映像光が入射する領域を透過のみが生じる構成とし、入射時に反射を防ぎ、映像光を効率よく映像光複製部52に入射させることができる。
As described above, the video light incident on the video
また、図15に示すように映像投射モジュール131と映像光複製部132の間に反射プリズム17を設置して映像投射モジュール131を導光板133に沿った配置としてもよい。反射プリズム17の反射面18の反射によって映像投射モジュール131の進行方向を変えることで映像投射モジュール131は導光板133に沿った配置が可能となり、映像表示装置111全体を小型にし、デザイン性を向上できる。
Further, as shown in FIG. 15, a
以上実施例について説明したが、本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した各実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明が、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を、他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に、他の実施例の構成を加えることも可能となる。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能となる。 Although the examples have been described above, the present invention is not limited to the above-mentioned examples, and includes various modifications. For example, each of the above embodiments has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and the present invention is not necessarily limited to the one including all the components described above. Further, it is possible to replace a part of the configuration of a certain embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of a certain embodiment. Further, it is possible to add / delete / replace a part of the configuration of each embodiment with another configuration.
2:瞳、3:虚像、4:ヘッドマウントディスプレイ(HMD)、5、6:映像光、7、8:反射コート、9:光線、10、16:第一の面、11、15:入射面、12、13:端面、14:第二の面、17:反射プリズム、18:反射面、19:複製プリズム、20:スポット、22:映像光入力面、51、52、132:映像光複製部、110:映像表示システム、111:映像表示装置、112:制御装置、113:映像信号処理装置、114:電力供給装置、115:記憶装置、116:センシング装置、117:センサ入出力部、118:通信装置、119:通信入出力部、120:音声処理装置、131:映像投射モジュール、133:導光板、201:ファイバ走査型プロジェクタ、202:ミラー走査型プロジェクタ、221:光入力部、222:光出力部 2: Eyes, 3: Virtual image, 4: Head mount display (HMD), 5, 6: Video light, 7, 8: Reflective coat, 9: Rays, 10, 16: First surface, 11, 15: Incident surface , 12, 13: End face, 14: Second surface, 17: Reflective prism, 18: Reflective surface, 19: Replica prism, 20: Spot, 22: Video light input surface, 51, 52, 132: Video light duplication unit 110: Video display system, 111: Video display device, 112: Control device, 113: Video signal processing device, 114: Power supply device, 115: Storage device, 116: Sensing device, 117: Sensor input / output unit, 118: Communication device, 119: Communication input / output unit, 120: Audio processing device, 131: Image projection module, 133: Light guide plate, 201: Fiber scanning projector, 202: Mirror scanning projector, 221: Optical input unit, 222: Optical Output section
Claims (15)
光を走査して映像光を生成する映像投射モジュールと、
前記映像光を複製して出射する映像光複製部と、
前記映像光複製部からの映像光を複製して出射する導光板を有し、
前記導光板は映像光が入射するための光入力部を備え、
前記映像光複製部が出射する映像光の数をN個とし、該映像光複製部から出射された複数映像光の前記光入力部でのスポット径をDとし、人の瞳孔の最小直径サイズをDminとしたとき、Dmin≦D×Nの関係式を満たすことを特徴とする映像表示装置。 It is a video display device that displays video.
An image projection module that scans light to generate image light,
An image light duplication unit that duplicates and emits the image light,
It has a light guide plate that duplicates and emits the image light from the image light duplication unit.
The light guide plate includes an optical input unit for incident video light.
The number of video lights emitted by the video light duplication unit is N, the spot diameter of the plurality of video lights emitted from the video light duplication unit at the optical input unit is D, and the minimum diameter size of the human pupil is set. A video display device characterized in that the relational expression of Dmin ≦ D × N is satisfied when Dmin is set.
前記映像光複製部が出射する隣り合う第k番目と第k+1番目の映像光の中心間の間隔をLkとしたとき(kは1以上N-1以下の整数)、少なくとも一つのkでLk≦Dを満たすことを特徴とする映像表示装置。 The video display device according to claim 1.
When the distance between the centers of the adjacent k-th and k + 1-th video lights emitted by the video light duplication unit is Lk (k is an integer of 1 or more and N-1 or less), Lk ≦ at least one k. An image display device characterized by satisfying D.
前記導光板が映像光を複製する複製数をM個とし、アイボックスをEB、アイリリーフをER、映像投射モジュールが投射する映像の画角をFOVとしたとき、以下の関係式を満たすことを特徴とする映像表示装置。
EB+2×ER×tan(FOV/2)≦D×N×M The video display device according to claim 2.
When the number of duplicates of the image light by the light guide plate is M, the eye box is EB, the eye relief is ER, and the angle of view of the image projected by the image projection module is FOV, the following relational expression is satisfied. A featured video display device.
EB + 2 x ER x tan (FOV / 2) ≤ D x N x M
光を走査して映像光を生成する映像投射モジュールと、
前記映像光を複製して出射する映像光複製部と、
前記映像光複製部からの映像光を複製して出射する導光板を備え、
前記映像光複製部は前記映像光が入射する入射面および部分反射面を有し、該入射面の一部に反射コートを施したことを特徴とする映像表示装置。 It is a video display device that displays video.
An image projection module that scans light to generate image light,
An image light duplication unit that duplicates and emits the image light,
A light guide plate that duplicates and emits the image light from the image light duplication unit is provided.
The image light duplication unit has an incident surface and a partially reflecting surface on which the image light is incident, and is characterized in that a part of the incident surface is coated with a reflection.
前記導光板が映像光を複製する方向と前記映像光複製部が映像光を複製する方向が異なることを特徴とする映像表示装置。 The video display device according to claim 4.
An image display device characterized in that the direction in which the light guide plate replicates image light and the direction in which the image light duplicating unit replicates image light are different.
前記導光板は映像光が入射するための光入力部を備えた映像光入力面を有し、
前記映像光複製部は前記入射面と該映像光入力面が50度以下の角度αで配置したことを特徴とする映像表示装置。 The video display device according to claim 5.
The light guide plate has a video light input surface provided with an optical input unit for incident video light.
The video light duplication unit is a video display device characterized in that the incident surface and the video light input surface are arranged at an angle α of 50 degrees or less.
前記映像光複製部の厚さtは18mm以下であることを特徴とする映像表示装置。 The video display device according to claim 6.
An image display device having a thickness t of the image optical duplication portion of 18 mm or less.
前記光入力部での映像光のスポット径をDとし、前記映像光複製部の厚さをtとし、前記映像光複製部の屈折率をnとしたとき下記式を満たすことを特徴とする映像表示装置。
When the spot diameter of the video light in the optical input unit is D, the thickness of the video light duplication unit is t, and the refractive index of the video light duplication unit is n, the following equation is satisfied. Display device.
前記部分反射面の反射率が70%以上であることを特徴とする映像表示装置。 The video display device according to claim 4.
An image display device characterized in that the reflectance of the partially reflecting surface is 70% or more.
前記部分反射面の反射率は前記映像光複製部の複製方向に対して位置依存を持ち、前記映像投射モジュールから離れるにつれて低くなることを特徴とする映像表示装置。 The video display device according to claim 4.
An image display device characterized in that the reflectance of the partially reflecting surface has a position dependence with respect to the duplication direction of the image light duplication unit and decreases as the distance from the image projection module increases.
前記映像投射モジュールと前記映像光複製部との間に前記映像光を複製するための複数の反射面を有したプリズムを備えたことを特徴とする映像表示装置。 The video display device according to claim 4.
An image display device comprising a prism having a plurality of reflecting surfaces for replicating the image light between the image projection module and the image light duplicating unit.
前記映像光複製部は、前記映像光が出射する出射面を有し、該出射面が前記入射面と略平行な前記部分反射面であることを特徴とする映像表示装置。 The video display device according to claim 4.
The image light duplication unit has an emission surface from which the image light is emitted, and the emission surface is the partial reflection surface substantially parallel to the incident surface.
前記映像光複製部は、前記映像光が出射する出射面を有し、前記出射面が前記入射面と同一面であり前記部分反射面であることを特徴とする映像表示装置。 The video display device according to claim 4.
The image light duplication unit has an emission surface from which the image light is emitted, and the emission surface is the same surface as the incident surface and is the partial reflection surface.
前記映像投射モジュールと前記映像光複製部との間に前記映像光を反射するための反射面を有したプリズムを備えたことを特徴とする映像表示装置。 The video display device according to claim 4.
An image display device comprising a prism having a reflecting surface for reflecting the image light between the image projection module and the image light duplication unit.
前記映像信号に基づく映像を表示する映像表示装置を備え、
前記映像表示装置は光を走査して映像光を生成する映像投射モジュールと、
前記映像光を複製して出射する映像光複製部と、
前記映像光複製部からの映像光を複製して出射する導光板を有し、
前記導光板は映像光が入射するための光入力部を備え、
前記映像光複製部が出射する映像光の数をN個とし、前記映像光複製部から出射された複数映像光の前記光入力部でのスポット径をDとし、人の瞳孔の最小直径サイズをDminとしたときDmin≦D×Nの関係式を満たすことを特徴とする映像表示システム。 A video signal processing device that generates video signals and
It is equipped with a video display device that displays video based on the video signal.
The image display device includes an image projection module that scans light to generate image light.
An image light duplication unit that duplicates and emits the image light,
It has a light guide plate that duplicates and emits the image light from the image light duplication unit.
The light guide plate includes an optical input unit for incident video light.
The number of video lights emitted by the video light duplication unit is N, the spot diameter of the plurality of video lights emitted from the video light duplication unit at the optical input unit is D, and the minimum diameter size of the human pupil is set. A video display system characterized in that the relational expression of Dmin ≦ D × N is satisfied when Dmin is set.
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