JP2022150353A - Virtual image display device and pupil expansion element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、虚像の表示を可能にする虚像表示装置及び瞳拡大素子に関する。 The present invention relates to a virtual image display device and a pupil enlargement element that enable display of a virtual image.
虚像表示装置として、表示素子と接眼レンズと備え、接眼レンズと射出瞳との間に2枚の回折格子からなる瞳拡大素子を配置したものが公知となっている(特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art A known virtual image display device includes a display element and an eyepiece, and a pupil enlarging element composed of two diffraction gratings is arranged between the eyepiece and the exit pupil (see Patent Document 1).
上記先行技術文献の装置では、接眼レンズが大型化することを回避しつつ接眼レンズによって形成される射出瞳の幅を拡大することができる。しかしながら、回折素子における回折角は入射する光の波長によって異なるため、例えばカラー表示のように広い波長域で表示を行う場合、拡大された射出瞳の位置によって色が異なる色ムラが生じるという課題がある。 In the apparatus of the prior art document, it is possible to increase the width of the exit pupil formed by the eyepiece while avoiding an increase in the size of the eyepiece. However, since the diffraction angle of the diffraction element varies depending on the wavelength of the incident light, for example, when performing display over a wide wavelength range, such as color display, there is a problem that color unevenness occurs in which the color varies depending on the position of the enlarged exit pupil. be.
本発明の一側面における虚像表示装置は、画像光を射出する像形成装置と、像形成装置と像形成装置により形成される射出瞳との間に配置される瞳拡大素子とを備え、瞳拡大素子は、画像光が入射する入射面と画像光が射出する射出面との間に画像光を反射する複数の第1透過性ミラーと複数の第2透過性ミラーとを有し、第1透過性ミラーは、瞳拡大素子が延在する第1方向に対して射出面側に傾斜し、第2透過性ミラーは、瞳拡大素子が延在する第1方向と反対方向の第2方向に対して射出面側に傾斜し、瞳拡大素子は、第1透過性ミラーと第2透過性ミラーとが第2方向に沿って並んで配置された第1領域と、第1透過性ミラーが第1方向に沿って複数並んで配置された第2領域と、第2透過性ミラーが第2方向に沿って複数並んで配置された第3領域とを有し、第1領域、第2領域、及び第3領域は、第2領域、第1領域、及び第3領域の順に並んで配置されている。 A virtual image display device according to one aspect of the present invention includes an image forming device that emits image light, and a pupil enlarging element disposed between the image forming device and an exit pupil formed by the image forming device. The element has a plurality of first transmissive mirrors and a plurality of second transmissive mirrors for reflecting image light between an incident surface on which image light is incident and an exit surface from which image light is emitted. The transmissive mirror is inclined toward the exit surface with respect to a first direction in which the pupil enlarging element extends, and the second transmissive mirror is inclined with respect to a second direction opposite to the first direction in which the pupil enlarging element extends. the pupil enlarging element includes a first area in which a first transparent mirror and a second transparent mirror are arranged side by side along the second direction; a plurality of second regions arranged side by side along the second direction; and a third region where a plurality of second transmissive mirrors are arranged side by side along the second direction. The third regions are arranged in order of the second region, the first region, and the third region.
〔第1実施形態〕
以下、図1等を参照して、本発明に係る第1実施形態の虚像表示装置及びこれに組み込まれる瞳拡大素子について説明する。
[First Embodiment]
A virtual image display device according to a first embodiment of the present invention and a pupil enlarging element incorporated therein will be described below with reference to FIG. 1 and the like.
図1は、ヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも称する。)200の装着状態を説明する図であり、HMD200は、これを装着する観察者又は装着者USに虚像としての映像を認識させる。図1等において、X、Y、及びZは、直交座標系であり、+X方向は、HMD200又は虚像表示装置100を装着した観察者又は装着者USの両眼EYの並ぶ横方向に対応し、+Y方向は、装着者USにとっての両眼EYの並ぶ横方向に直交する上方向に相当し、+Z方向は、装着者USにとっての前方向又は正面方向に相当する。±Y方向は、鉛直軸又は鉛直方向に平行になっている。
FIG. 1 is a diagram illustrating a wearing state of a head-mounted display (hereinafter also referred to as HMD) 200. The HMD 200 allows an observer or a wearer US who wears the HMD 200 to recognize an image as a virtual image. In FIG. 1 and the like, X, Y, and Z are orthogonal coordinate systems, and the +X direction corresponds to the lateral direction in which both eyes EY of an observer or wearer US wearing the
HMD200は、右眼用の第1虚像表示装置100Aと、左眼用の第2虚像表示装置100Bと、一対のテンプルを含み虚像表示装置100A,100Bを支持する支持装置100Cとを備える。第1虚像表示装置100Aは、装着者USの眼EYの前方つまり+Z側を覆うように配置されている。第1虚像表示装置100Aは、眼EYから離れた外界側に配置される像形成装置101と、内側である眼EY側に配置される瞳拡大素子50とを備える。第1虚像表示装置100Aと第2虚像表示装置100Bとは、光学的に左右を反転させたものであり、以後では、右眼用の第1虚像表示装置100Aを代表の虚像表示装置100として説明する。
The HMD 200 includes a first virtual
図2は、虚像表示装置100の光学的構造を説明する概念的な平面図である。虚像表示装置100は、像形成装置101と瞳拡大素子50と制御装置13とを備える。像形成装置101や瞳拡大素子50は、図1に示す支持装置100Cに支持され、制御装置13は、支持装置100Cのケース(不図示)に内蔵される。像形成装置101は、画像投射モジュールとも呼ばれるものであり、表示素子11と結像光学系12とを含む。表示素子11は、例えば有機EL(有機エレクトロルミネッセンス、Organic Electro-Luminescence)、無機EL、LEDアレイディスプレイであり、2次元の表示面にカラーの静止画又は動画を形成する。表示素子11は、自発光型の画像光生成装置に限らず、LCDその他の光変調素子で構成され、当該光変調素子をバックライトのような光源によって照明することによって画像を形成するものであってもよい。表示素子11として、LCDに代えて、LCOS(Liquid crystal on silicon, LCoSは登録商標)や、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。結像光学系12は、表示素子11から射出された画像光MLをコリメートしつつ眼EYに入射させる。この際、結像光学系12は、表示素子11の表示面11aの各点から射出された画像光MLの主光線ML0を本来の射出瞳P1の位置に向けて収束させる。結像光学系12は、シースルー視を可能にする光学素子を含み、外界光OLを透過させる。瞳拡大素子50は、詳細は後述するが、結像光学系12によってコリメートされた画像光MLの光束幅をコリメートされたままの状態で拡大する。光束幅が拡大された画像光MLは、拡大された瞳位置P2に集められる。制御装置13は、図示を省略する通信部から取得した画像信号や内部で生成した画像信号に基づいて表示素子11を動作させ、表示面11aに動画や静止画といった映像を表示させる。
FIG. 2 is a conceptual plan view for explaining the optical structure of the virtual
図3を参照して、瞳拡大素子50の形状や構造について説明する。図3中で、領域AR1は、瞳拡大素子50の正面図であり、領域AR2は、瞳拡大素子50の平面断面図であり、領域AR3は、瞳拡大素子50の裏面図である。瞳拡大素子50は、平行平板状の部材であり、画像光が入射する入射面51と画像光が射出する射出面52と、画像光を反射する複数の第1透過性ミラーM1と、画像光を反射する複数の第2透過性ミラーM2とを有する。入射面51と射出面52とには、迷光の発生防止や光量損失低減の観点で反射防止膜55,56が形成されている。瞳拡大素子50は、光学的な機能としてみた場合、中央の第1領域R1と、第2領域R2と、第3領域R3とを含む。第1領域R1では、第1透過性ミラーM1と第2透過性ミラーとが第2方向D2に沿って並んで配置されている。ここで、第2方向D2とは、XZ面に平行な水平断面を垂直方向から観察した場合に、瞳拡大素子50の一端50aから他端50bに向かう方向である。第2領域R2では、第1透過性ミラーが第1方向に沿って複数並んで配置されている。ここで、第1方向D1とは、XZ面に平行な水平断面を垂直方向から観察した場合に、瞳拡大素子50の他端50bから一端50aに向かう方向であり、第2方向D2の逆方向に相当する。第3領域R3では、第2透過性ミラーが第2方向D2に沿って複数並んで配置されている。以上では、瞳拡大素子50を第1領域R1と、第2領域R2と、第3領域R3とに分けて考えたが、第1領域R1については、光軸AXを含んでYZ面に平行な縦断面で2分割して考えてもよい。この場合、第1領域R1の-X側の半分と第2領域R2とによって第1半領域RR1が形成され、第1領域R1の+X側の半分と第3領域R3とによって第2半領域RR2が形成される。
The shape and structure of the
瞳拡大素子50に中央に設けられた第1領域R1において、第1透過性ミラーM1と第2透過性ミラーM2との間には、断面三角の柱状プリズムである第1透光部材T1が配置され、-X側の第2領域R2において、隣り合う第1透過性ミラーM1の間には、断面平行四辺形の柱状プリズムである第2透光部材T2が配置され、最も外側には、断面台形の柱状プリズムである第1外側透光部材T22が配置されている。+X側の第3領域R3において、隣り合う第2透過性ミラーM2の間には、断面平行四辺形の柱状プリズムである第2透光部材T2が配置され、最も外側には、断面台形の柱状プリズムである第2外側透光部材T23が配置されている。第1透過性ミラーM1は、ハーフミラーであり、その透過率は、例えば40%である。第2透過性ミラーM2は、ハーフミラーであり、その透過率は、例えば40%である。
In the first region R1 provided in the center of the
瞳拡大素子50の第1領域R1は、内側の第1透光部材T1と、第1透過性ミラーM1と、第2透過性ミラーM2と、外側の一対の第2透光部材T2の内半分である一対の三角プリズムとを含む。第2領域R2は、光軸AXに近い内側から外側に向かって、第2透光部材T2の外半分である三角プリズムと、複数の第1透過性ミラーM1と、複数の第2透光部材T2と、第1外側透光部材T22とを含む。複数の第1透過性ミラーM1と複数の第2透光部材T2とは交互に配置されている。第3領域R3は、光軸AXに近い内側から外側に向かって、第2透光部材T2の外半分である三角プリズムと、複数の第2透過性ミラーM2と、複数の第2透光部材T2と、第2外側透光部材T23とを含む。複数の第2透過性ミラーM2と複数の第2透光部材T2とは交互に配置されている。以上において、第1透光部材T1、第2透光部材T2、第1外側透光部材T22、及び第2外側透光部材T23は、ガラスで形成されるが、光学樹脂材料で形成することもできる。透光部材T1,T2,T22,T23を用いることにより、第1透過性ミラーM1と第2透過性ミラーM2とを空間的に精密に安定して配置することが可能になる。結果的に、瞳拡大素子50の構造を高精度にすることが容易になり、瞳拡大素子50の組み込みが容易になる。
The first region R1 of the
図4は、第1透過性ミラーM1の構造や支持を説明する部分拡大断面図である。第1透過性ミラーM1は、第1透光部材T1の平坦な斜面Saに支持された誘電体多層膜である。第1透過性ミラーM1は、蒸着やスパッタといった成膜方法によって斜面Sa上に薄膜として形成され、透過率が調整されている。第1透過性ミラーM1は、第1透光部材T1の斜面Saと第2透光部材T2の斜面Sbとに挟まれており、第1透過性ミラーM1又は第1透光部材T1と第2透光部材T2とは、透明な接着層CLを介して接合されている。第1透過性ミラーM1は、誘電体多層膜に限らず、アルミや銀などの金属薄膜で形成することができ、或いは誘電体多層膜と金属薄膜とを複合したものであってもよい。なお、図3に示す第2透過性ミラーM2の構造や支持状態は、第1透過性ミラーM1の構造や支持状態と同様であり、説明を省略する。 FIG. 4 is a partially enlarged cross-sectional view for explaining the structure and support of the first transparent mirror M1. The first transmissive mirror M1 is a dielectric multilayer film supported by the flat slope Sa of the first translucent member T1. The first transmissive mirror M1 is formed as a thin film on the slope Sa by a film forming method such as vapor deposition or sputtering, and its transmittance is adjusted. The first transparent mirror M1 is sandwiched between the slope Sa of the first light-transmitting member T1 and the slope Sb of the second light-transmitting member T2. It is joined to the translucent member T2 via a transparent adhesive layer CL. The first transmissive mirror M1 is not limited to a dielectric multilayer film, and can be formed of a metal thin film such as aluminum or silver, or may be a composite of a dielectric multilayer film and a metal thin film. The structure and supporting state of the second transparent mirror M2 shown in FIG. 3 are the same as the structure and supporting state of the first transparent mirror M1, and therefore the description thereof is omitted.
瞳拡大素子50の作製方法の一例について説明する。平行四辺形のプリズムブロック、三角形のプリズムブロック等を準備し、これらのプリズムブロックの特定側面にハーフミラー膜を形成する。これらのプリズムブロックをハーフミラー膜が所期の傾き及び配列となるように所定方向に積層して接着し、板状に切り出し、入射面51及び射出面52となるべき面を研磨し、反射防止膜55,56を形成することによって、瞳拡大素子50が得られる。
An example of a method for manufacturing the
図2及び3に戻って、複数の第1透過性ミラーM1は、瞳拡大素子50が延在する第1方向D1に対して射出面52側に等しく傾斜している。各第1透過性ミラーM1の傾斜は、それぞれの場所に入射する画像光MLの光線と対向するようなものとなっている。第1透過性ミラーM1の第1方向D1を基準とする傾斜角α1は同一の45°に設定されている。第1透過性ミラーM1の傾斜角α1は、入射面51や射出面52に対する第1透過性ミラーM1の角度となっている。
Returning to FIGS. 2 and 3, the plurality of first transmissive mirrors M1 are equally inclined toward the
複数の第2透過性ミラーM2は、瞳拡大素子50が延在する第2方向D2に対して射出面52側に等しく傾斜している。各第2透過性ミラーM2の傾斜は、それぞれの場所に入射する画像光MLの光線と対向するようなものとなっている。第2透過性ミラーM2の第2方向D2を基準とする傾斜角α2は同一の45°に設定されている。第2透過性ミラーM2の傾斜角α2は、入射面51や射出面52に対する第2透過性ミラーM2の角度となっている。
The multiple second transmissive mirrors M2 are equally inclined toward the
第1透過性ミラーM1と第2透過性ミラーM2とは、前後の±Z方向から見て分離したり重複したりしないように、等間隔で配置されている。ここで、第1透過性ミラーM1の配列間隔と、第2透過性ミラーM2の配列間隔とは、瞳拡大素子50の前後方向の厚みtに等しくなっている。瞳拡大素子50の前後方向の厚みtは、数mmである。
The first transmissive mirror M1 and the second transmissive mirror M2 are arranged at equal intervals so as not to separate or overlap when viewed from the front and rear ±Z directions. Here, the arrangement interval of the first transparent mirror M1 and the arrangement interval of the second transparent mirror M2 are equal to the thickness t of the
第1透過性ミラーM1と瞳拡大素子50の入射面51の法線とがなす角度β1=-45°の絶対値45°と、第2透過性ミラーM2と瞳拡大素子50の入射面51の法線とがなす角度β2=45°の絶対値45°とは同一である。ここで、角度は、時計回りを正としている。角度β1の絶対値と角度β2の絶対値とが同一であるとは、これらが正確に一致している状態だけでなく、製造公差等によるずれや差が存在する場合を含む。第1透過性ミラーM1等の相対的な角度のずれの具体的な許容値は、0.01°以下であり、この程度の相対差が同一であるとみなす。
The absolute value of the angle β1=−45° formed by the first transparent mirror M1 and the normal to the
第2領域R2又は第1半領域RR1において、瞳拡大素子50の入射面51に入射した画像光MLや外界光OLは、第1透過性ミラーM1に入射して部分的に透過しつつ部分的に反射され、その外側の隣の第1透過性ミラーM1に入射して部分的に反射されて元と平行に進み、射出面52を介して外部に射出される。第1透過性ミラーM1を透過した画像光MLと、第1透過性ミラーM1で2度反射された画像光MLや外界光OLとは、射出角度が等しくなっている。つまり、第1透過性ミラーM1を透過した画像光MLや外界光OLと、第1透過性ミラーM1で偶数回反射された画像光MLや外界光OLとが平行な状態で重ね合わされ、全体として光束幅が増加する。これにより、眼EYの位置が大きく横方向に移動しても画像の観察が可能になり、眼EYの位置ずれの許容範囲が広がる。ただし、内側の第1透過性ミラーM1を直進した光は、第1透過性ミラーM1の反射率が60%として、40%に減光され、内側の第1透過性ミラーM1で反射され外側の第1透過性ミラーM1で反射されて直進光と重ね合わされたものは、36%に減光される。なお、第1透過性ミラーM1で反射され隣の第1透過性ミラーM1を透過した画像光MLは、さらに隣の第1透過性ミラーM1に入射して部分的に反射されて元の画像光MLと平行に進み、射出面52を介して外部に射出されるが、第1透過性ミラーM1で2度反射される間に第1透過性ミラーM1を1度通過することによって、相対的に大幅に減光されたものとなる。なお、画像光MLや外界光OLは、瞳拡大素子50を通過しても角度が変化しないので、遠方画像であれば像の歪みは発生しない。
In the second region R2 or the first half-region RR1, the image light ML and the external light OL that have entered the
一方、第3領域R3又は第2半領域RR2において、瞳拡大素子50の入射面51に入射した画像光MLや外界光OLは、第2透過性ミラーM2に入射して部分的に透過しつつ部分的に反射され、その外側の隣の第2透過性ミラーM2に入射して部分的に反射されて元と平行に進み、射出面52を介して外部に射出される。第2透過性ミラーM2を透過した画像光MLと、第2透過性ミラーM2で2度反射された画像光MLや外界光OLとは、射出角度が等しくなっている。つまり、第2透過性ミラーM2を透過した画像光MLや外界光OLと、第2透過性ミラーM2で偶数回反射された画像光MLや外界光OLとが平行な状態で重ね合わされ、全体として光束幅が増加する。ただし、内側の第2透過性ミラーM2を直進した光は、第2透過性ミラーM2の反射率が60%として、40%に減光され、内側の第2透過性ミラーM2で反射され外側の第2透過性ミラーM2で反射されて直進光と重ね合わされたものは、36%に減光される。なお、第2透過性ミラーM2で反射され隣の第2透過性ミラーM2を透過した画像光MLは、さらに隣の第2透過性ミラーM2に入射して部分的に反射されて元の画像光MLと平行に進み、射出面52を介して外部に射出されるが、第2透過性ミラーM2で2度反射される間に第2透過性ミラーM2を1度通過することによって、相対的に大幅に減光されたものとなる。なお、画像光MLや外界光OLは、瞳拡大素子50を通過しても角度が変化しないので、遠方画像であれば像の歪みは発生しない。
On the other hand, in the third region R3 or the second half region RR2, the image light ML and the external light OL that have entered the
より具体的に、結像光学系12の光軸AXに平行な中央の光線群LG1について考える。中央の光線群LG1は、瞳拡大素子50の第1領域R1に入射し、(1)第1領域R1で第1透過性ミラーM1を透過したものと、(2)第1領域R1における第1透過性ミラーM1での反射を経て第2領域R2の第1透過性ミラーM1で反射されたものと、(3)第1領域R1で第2透過性ミラーM2を透過したものと、(4)第1領域R1における第2透過性ミラーM2での反射を経て第3領域R3の第2透過性ミラーM2で反射されたものとを繋ぎ合わせることによって、拡大された光線幅の光線群LG12となる。
More specifically, consider the central group of rays LG1 parallel to the optical axis AX of the imaging
結像光学系12の光軸AXに対して大きな角度をなす右斜め方向(つまり-X及び+Z方向)からの光線群LG2について考える。右斜めの光線群LG2は、瞳拡大素子50の第2領域R2に入射し、(1)第2領域R2で第1透過性ミラーM1を透過したものと、(2)第1透過性ミラーM1での反射を経て外隣の第1透過性ミラーM1で反射されたものと、(3)第1透過性ミラーM1での反射、外隣の第1透過性ミラーM1の透過等を経てさらに外隣の第1透過性ミラーM1で反射されたものとを繋ぎ合わせることによって、拡大された光線幅の光線群LG22となる。
Consider a light ray group LG2 from right oblique directions (that is, -X and +Z directions) forming a large angle with respect to the optical axis AX of the imaging
結像光学系12の光軸AXに対して大きな角度をなす左斜め方向(つまり+X及び+Z方向)からの光線群LG3について考える。左斜めの光線群LG3は、瞳拡大素子50の第3領域R3に入射し、(1)第3領域R3で第2透過性ミラーM2を透過したものと、(2)第2透過性ミラーM2での反射を経て外隣の第2透過性ミラーM2で反射されたものと、(3)第2透過性ミラーM2での反射、外隣の第2透過性ミラーM2の透過等を経てさらに外隣の第2透過性ミラーM2で反射されたものとを繋ぎ合わせることによって、拡大された光線幅の光線群LG32となる。
Consider a light ray group LG3 from left oblique directions (that is, +X and +Z directions) forming a large angle with respect to the optical axis AX of the imaging
以上のような光線群LG12、光線群LG22、及び光線群LG32により、瞳拡大素子50を設けない場合の元の射出瞳P1よりも拡大された射出瞳P2が実現される。なお、光線群LG12のように第1領域R1に入射して瞳拡大素子50から射出される画像光MLの光束の幅(つまり光線群LG12の幅)は、第2領域R2又は第3領域R3に入射して瞳拡大素子50から射出される画像光MLの光束の幅(つまり光線群LG22,LG32の幅)よりも広い。
The light group LG12, the light group LG22, and the light group LG32 as described above realize an exit pupil P2 that is enlarged more than the original exit pupil P1 when the
図5は、変形例の瞳拡大素子50を説明する断面図である。この場合、瞳拡大素子50の入射側及び射出側に保護フィルム58a,58bが貼り付けられており、瞳拡大素子50が損傷した場合に破片が飛散することを防止している。なお、保護フィルム58a,58bの表面には反射防止膜55,56が形成されている。
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a
図6は、結像光学系12の具体例を説明する平面図である。結像光学系12は、投射レンズ21と導光体25とを備える。導光体25は、導光部材71と光透過部材72とを接着層CCを介して接合したものである。導光部材71や光透過部材72は、可視域で高い光透過性を示す樹脂材料で形成されている。導光部材71は、第1~第5面S11~S15を有し、これらのうち第1及び第3面S11,S13は、互いに平行な平面であり、第2、第4、及び第5面S12,S13,S15は、全体として凸の光学面であり、例えば自由曲面からなる。光透過部材72は、第1~第3透過面S21~S23を有し、これらのうち第1及び第3透過面S21,S23は、互いに平行な平面であり、第2透過面S22は、全体として凹の光学面であり、例えば自由曲面からなる。導光部材71の第2面S12と光透過部材72の第2透過面S22とは、凹凸を反転させた等しい形状を有し、両者の一方の表面に部分反射面MCが形成されている。
FIG. 6 is a plan view for explaining a specific example of the imaging
導光体25の光射出面25eである第1面S11と第1透過面S21とに対向して瞳拡大素子50が配置されている。
A
以下、画像光MLの光路について概要を説明する。導光部材71は、投射レンズ21から射出された画像光MLを、第1~第5面S11~S15での反射等により観察者の眼に向けて導光する。具体的には、投射レンズ21からの画像光MLは、まず第4面S14に入射して反射膜RMの内面である第5面S15で反射され、第4面S14に内側から再度入射して全反射され、第3面S13に入射して全反射され、第1面S11に入射して全反射される。第1面S11で全反射された画像光MLは、第2面S12に入射し、第2面S12に設けた部分反射面MCを部分的に透過しつつも部分的に反射されて第1面S11に再度入射して通過する。第1面S11を通過した画像光MLは、瞳拡大素子50によって光束径が拡大され、観察者の眼EYが配置される射出瞳P2の位置に略平行光束として入射する。つまり、観察者は、虚像としての画像光MLにより画像を観察することになる。
An outline of the optical path of the image light ML will be described below. The
導光体25は、導光部材71により観察者に画像光MLを視認させるとともに、導光部材71と光透過部材72とを組み合わせた状態で、観察者に歪みの少ない外界像を観察させるものとなっている。この際、第3面S13と第1面S11とが互いに略平行な平面(視度略0)となっていることで、外界光OLについて、収差等をほとんど生じさせない。また、第3透過面S23と第1透過面S21とが互いに略平行な平面となっている。さらに、第3透過面S23と第1面S11とが互いに略平行な平面となっていることで、収差等をほとんど生じない。以上により、観察者は、導光部材71及び光透過部材72越しに歪みのない外界像を観察することになる。
The
第1実施形態の虚像表示装置100は、画像光MLを射出する像形成装置101と、像形成装置101と像形成装置101により形成される射出瞳P2との間に配置される瞳拡大素子50とを備え、瞳拡大素子50は、画像光MLが入射する入射面51と画像光MLが射出する射出面52との間に画像光MLを反射する複数の第1透過性ミラーM1と複数の第2透過性ミラーM2とを有し、第1透過性ミラーM1は、瞳拡大素子50が延在する第1方向D1に対して射出面52側に傾斜し、第2透過性ミラーM2は、瞳拡大素子50が延在する第1方向D1の反対の第2方向D2に対して射出面52側に傾斜し、瞳拡大素子50は、第1透過性ミラーM1と第2透過性ミラーM2とが第2方向D2に沿って並んで配置された第1領域R1と、第1透過性ミラーM1が第1方向D1に沿って複数並んで配置された第2領域R2と、第2透過性ミラーM2が第2方向D2に沿って複数並んで配置された第3領域R3とを有し、第2領域R2、第1領域R1、及び第3領域R3の順に並んで配置されている。
The virtual
上記虚像表示装置100では、像形成装置101からコリメートされた画像光MLが射出されているとして、瞳拡大素子50の中央から一端50aに設けられた第1領域R1及び第2領域R2において、隣り合う複数の第1透過性ミラーM1によって画像光MLを第1方向D1に部分的にシフトさせることができ、色ムラを発生させることなく画像光MLの光束幅を広げることができる。また、瞳拡大素子50の中央から他端50bに設けられた第1領域R1及び第3領域R3において、隣り合う複数の第2透過性ミラーM2によって画像光MLを第2方向D2に部分的にシフトさせることができ、色ムラを発生させることなく画像光MLの光束幅を広げることができる。つまり、第1方向D1或いは第2方向D2の瞳サイズを拡大することができる。
In the virtual
〔第2実施形態〕
以下、本発明の第2実施形態に係る虚像表示装置等について説明する。なお、第2実施形態の虚像表示装置は、第1実施形態の虚像表示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]
A virtual image display device and the like according to the second embodiment of the present invention will be described below. Note that the virtual image display device of the second embodiment is a partial modification of the virtual image display device of the first embodiment, and the description of common parts will be omitted.
図7を参照して、第2実施形態の虚像表示装置100について説明する。虚像表示装置100において、結像光学系12の外界側には、偏光フィルター61が配置されている。偏光フィルター61は、外界光OLのうち瞳拡大素子250を基準として、X方向を偏光方向とする第1偏光成分Pを透過させ、Y方向を偏光方向とする第2偏光成分Sを遮断するものとなっている。
A virtual
表示素子11は、画像光MLとして、第2偏光成分Sに相当する偏光を射出するものとする。
The
瞳拡大素子250は、複数の第1透過性ミラーPM1と、複数の第2透過性ミラーPM2とを組み込んだものとなっている。第1透過性ミラーPM1は、図2に示す第1実施形態の第1透過性ミラーM1のようなハーフミラーではなく、偏光分離膜であり、偏光子として機能する。同様に、第2透過性ミラーPM2は、図2に示す第1実施形態の第2透過性ミラーM2のようなハーフミラーではなく、偏光分離膜であり、偏光子として機能する。
結像光学系12から射出された画像光MLは、第2偏光成分Sを持つ。ここで、第2偏光成分Sは、第1透過性ミラーPM1及び第2透過性ミラーPM2に垂直でXZ面に平行に延びる入射面を考えて、この入射面に垂直な偏光である。つまり、第2偏光成分Sは、偏光面が第2偏光方向である±Y方向に平行になっている。一方、第1偏光成分Pは、第1透過性ミラーPM1及び第2透過性ミラーPM2に垂直でXZ面に平行に延びる上記入射面に平行な偏光である。つまり、第1偏光成分Pは、偏光面が第1偏光方向である±X方向に平行になっている。第2偏光成分Sを持つ画像光MLは、瞳拡大素子250の第1透過性ミラーPM1や第2透過性ミラーPM2で反射されて光路が外方向(つまり第1方向D1や第2方向D2)にシフトする。第1透過性ミラーPM1及び第2透過性ミラーPM2の、第2偏光成分Sに対する反射率は例えば60%程度であり、第1実施形態と同様に、画像光MLの光束幅が、第1領域R1、第2領域R2、及び第3領域R3で横方向つまり±X方向に拡大される。
The image light ML emitted from the imaging
一方、第1透過性ミラーPM1及び第2透過性ミラーPM2の、第1偏光成分Pに対する反射率は0%程度となっている。 On the other hand, the reflectance of the first transparent mirror PM1 and the second transparent mirror PM2 with respect to the first polarized component P is approximately 0%.
偏光フィルター61により、外界光OLの第1偏光成分Pのみが瞳拡大素子250に入射し、結像光学系12を通過した外界光OLは、ほぼ反射されることなく瞳拡大素子250を通過する。近距離から来る外界光は平行光ではないので、隣接する複数の透過性ミラーで反射されるとゴースト光を生じるが、透過性ミラーの反射率がほぼ0%であれば、このゴースト光の発生は抑えられ、外界の物体をクリアに見ることができる。
Due to the
〔変形例その他〕
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。
[Modifications and others]
Although the present invention has been described with reference to the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be implemented in various aspects without departing from the scope of the invention. A modification such as is also possible.
虚像表示装置100に組み込む結像光学系12は、図6に例示するものに限らず、様々な構成とすることができる。例えば、図6に示す例では、結像光学系12がX方向又は横方向に非対称性を持たせた横型の軸外し光学系となっているが、Y方向又は縦方向に非対称性を持たせた軸外し光学系とすることもできる。結像光学系12を構成する光学要素についても、図6に示すものは単なる例示であり、導光部材71や光透過部材72をレンズ、ミラー等に置き換えることができる。
The imaging
瞳拡大素子50を構成する第1透過性ミラーM1やの第2透過性ミラーM2の枚数や配置間隔は、図2等に例示するものに限らず、結像光学系12の仕様等の条件に応じて適宜調整することができる。
The number and arrangement intervals of the first transparent mirror M1 and the second transparent mirror M2 constituting the
瞳拡大素子50の眼EY側に視力矯正レンズを着脱可能に配置することもできる。視力矯正レンズは、瞳拡大素子50に固定してもよいが、瞳拡大素子50や結像光学系12の支持体に固定することもできる。
A vision correction lens can be detachably arranged on the eye EY side of the
結像光学系12については、外界光OLを透過させない非シースルー視型の光学系とすることができる。この場合、虚像表示装置100は、クローズド型の虚像表示装置となる。
The imaging
以上では、虚像表示装置100が頭部に装着されて使用されることを前提としたが、上記虚像表示装置100は、頭部に装着せず双眼鏡のようにのぞき込むハンドヘルドディスプレイとしても用いることができる。
In the above description, it is assumed that the virtual
具体的な態様における虚像表示装置は、画像光を射出する像形成装置と、像形成装置と像形成装置により形成される射出瞳との間に配置される瞳拡大素子とを備え、瞳拡大素子は、画像光が入射する入射面と画像光が射出する射出面との間に画像光を反射する複数の第1透過性ミラーと複数の第2透過性ミラーとを有し、第1透過性ミラーは、瞳拡大素子が延在する第1方向に対して射出面側に傾斜し、第2透過性ミラーは、瞳拡大素子が延在する第1方向と反対方向の第2方向に対して射出面側に傾斜し、瞳拡大素子は、第1透過性ミラーと第2透過性ミラーとが第2方向に沿って並んで配置された第1領域と、第1透過性ミラーが第1方向に沿って複数並んで配置された第2領域と、第2透過性ミラーが第2方向に沿って複数並んで配置された第3領域とを有し、第1領域、第2領域、及び第3領域は、第2領域、第1領域、及び第3領域の順に並んで配置されている。 A virtual image display device in a specific aspect includes an image forming device that emits image light, and a pupil enlarging element disposed between the image forming device and an exit pupil formed by the image forming device. has a plurality of first transmissive mirrors and a plurality of second transmissive mirrors for reflecting image light between an incident surface on which image light is incident and an exit surface from which image light is emitted; The mirror is inclined toward the exit surface with respect to a first direction in which the pupil enlarging element extends, and the second transmissive mirror is inclined with respect to a second direction opposite to the first direction in which the pupil enlarging element extends. The pupil enlarging element includes a first area in which a first transmissive mirror and a second transmissive mirror are arranged side by side along a second direction, and a first area in which the first transmissive mirror is arranged in the first direction. and a third region in which a plurality of second transmissive mirrors are arranged side by side along the second direction, the first region, the second region, and the second region The three regions are arranged in order of the second region, the first region, and the third region.
上記虚像表示装置では、像形成装置からコリメートされた画像光が射出されているとして、瞳拡大素子の中央から一端に設けられた第1領域及び第2領域において、隣り合う複数の第1透過性ミラーによって画像光を第1方向に部分的にシフトさせることができ、色ムラを発生させることなく画像光の光束幅を広げることができる。また、瞳拡大素子の中央から他端に設けられた第1領域及び第3領域において、隣り合う複数の第2透過性ミラーによって画像光を第2方向に部分的にシフトさせることができ、色ムラを発生させることなく画像光の光束幅を広げることができる。つまり、第1方向或いは第2方向の瞳サイズを拡大することができる。 In the virtual image display device, assuming that collimated image light is emitted from the image forming device, a plurality of adjacent first transmissive light beams are formed in the first region and the second region provided at one end from the center of the pupil enlarging element. The image light can be partially shifted in the first direction by the mirror, and the luminous flux width of the image light can be widened without causing color unevenness. Further, in the first region and the third region provided from the center to the other end of the pupil enlarging element, the image light can be partially shifted in the second direction by the plurality of adjacent second transmissive mirrors. The luminous flux width of image light can be widened without causing unevenness. That is, the pupil size in the first direction or the second direction can be enlarged.
具体的な態様において、隣り合う透過性ミラーの間には、透光部材が配置され、瞳拡大素子は、平板状の部材である。この場合、瞳拡大素子の構造を高精度にすることが容易になり、瞳拡大素子の組み込みが容易になる。 In a specific aspect, a translucent member is arranged between adjacent transmissive mirrors, and the pupil enlarging element is a flat member. In this case, it becomes easy to make the structure of the pupil enlarging element highly accurate, and it becomes easy to incorporate the pupil enlarging element.
具体的な態様において、透光部材は、ガラス又は樹脂材で形成されている。 In a specific aspect, the translucent member is made of glass or a resin material.
具体的な態様において、透過性ミラーは、誘電体多層膜、または、金属膜である。 In a specific aspect, the transmissive mirror is a dielectric multilayer film or a metal film.
具体的な態様において、瞳拡大素子の入射面の法線と第1透過性ミラーとがなす角度の絶対値と、入射面の法線と第2透過性ミラーとがなす角度の絶対値が略同一である。この場合、瞳拡大素子に第1方向と第2方向とに関して対称性を持たせることができ、表示画像の画質の対称性も高めることができる。 In a specific embodiment, the absolute value of the angle between the normal to the entrance surface of the pupil enlarging element and the first transmissive mirror and the absolute value of the angle between the normal to the entrance surface and the second transmissive mirror are approximately are identical. In this case, the pupil enlarging element can be made symmetrical with respect to the first direction and the second direction, and the symmetry of the image quality of the displayed image can also be enhanced.
具体的な態様において、第1透過性ミラーと第2透過性ミラーとは、それぞれの場所に入射する光線と対向して傾斜して配置されている。この場合、隣り合う透過性ミラーの間を反射されずにすり抜ける光が抑制され、画像光の光束幅を確実に広げることができる。 In a specific embodiment, the first transmissive mirror and the second transmissive mirror are arranged obliquely opposite the light rays incident on the respective locations. In this case, the light passing through between the adjacent transmissive mirrors without being reflected is suppressed, and the luminous flux width of the image light can be reliably widened.
具体的な態様において、入射面及び射出面に反射防止層が形成されている。この場合、画像光の反射損失を低減できる。 In a specific aspect, an antireflection layer is formed on the entrance surface and the exit surface. In this case, reflection loss of image light can be reduced.
具体的な態様において、第1領域に入射して瞳拡大素子から射出される画像光の光束の幅は、第2領域に入射して瞳拡大素子から射出される画像光の光束の幅よりも広い。 In a specific embodiment, the width of the image light beam that enters the first region and exits from the pupil enlarging element is wider than the width of the image light beam that enters the second region and exits from the pupil enlarging element. wide.
具体的な態様において、像形成装置の外界側に偏光フィルターが配置され、第1透過性ミラーと第2透過性ミラーとは、偏光フィルターが透過する第1偏光方向の光を透過し、第1偏光方向と異なる第2偏光方向の光を反射する。この場合、外界からの光(シースルー光)に対する瞳拡大機能がないので、外界の物体を見ている時のゴースト像の発生を抑制することができる。 In a specific aspect, a polarizing filter is arranged on the outside world side of the image forming apparatus, and the first transmissive mirror and the second transmissive mirror transmit the light in the first polarization direction transmitted by the polarizing filter, It reflects light in a second polarization direction that is different from the polarization direction. In this case, since there is no pupil enlarging function for light from the outside world (see-through light), it is possible to suppress the occurrence of a ghost image when looking at an object in the outside world.
具体的な態様において、像形成装置は、第2偏光を射出する。 In a specific aspect, the imager emits a second polarization.
具体的な態様における瞳拡大素子は、画像光が入射する入射面と、画像光が射出する射出面と、入射面と射出面との間に配置され画像光を反射する複数の第1透過性ミラーと、入射面と射出面との間に配置され画像光を反射する複数の第2透過性ミラーとを備え、第1透過性ミラーは、瞳拡大素子が延在する第1方向に対して射出面側に傾斜し、第2透過性ミラーは、瞳拡大素子が延在する第1方向と反対方向の第2方向に対して射出面側に傾斜し、瞳拡大素子は、第1透過性ミラーと第2透過性ミラーとが第2方向に沿って並んで配置された第1領域と、第1透過性ミラーが第1方向に沿って複数並んで配置された第2領域と、第2透過性ミラーが第2方向に沿って複数並んで配置された第3領域とを有し、第1領域、第2領域、及び第3領域は、第2領域、第1領域、及び第3領域の順に並んで配置されている。 In a specific aspect, the pupil enlarging element includes an incident surface on which image light is incident, an exit surface from which image light is emitted, and a plurality of first transmissive elements arranged between the incident surface and the exit surface and reflecting image light. A mirror and a plurality of second transmissive mirrors disposed between the entrance surface and the exit surface for reflecting image light, the first transmissive mirrors being oriented with respect to a first direction in which the pupil enlarging element extends. the second transmissive mirror is inclined toward the exit surface with respect to a second direction opposite to the first direction in which the pupil enlarging element extends; a first region in which a mirror and a second transmissive mirror are arranged side by side along a second direction; a second region in which a plurality of first transmissive mirrors are arranged side by side along the first direction; and a third region in which a plurality of transmissive mirrors are arranged side by side along the second direction, and the first region, the second region, and the third region are are arranged in order.
11…表示素子、11a…表示面、12…結像光学系、13…制御装置、50…瞳拡大素子、50a…一端、50b…他端、51…入射面、52…射出面、55,56…反射防止膜、58a,58b…保護フィルム、100…虚像表示装置、100A,100B…虚像表示装置、100C…支持装置、101…像形成装置、250…瞳拡大素子、AX…光軸、CC…接着層、CL…接着層、EY…眼、LG1,LG12…光線群、LG2,LG22…光線群、LG3,G32…光線群、MC…部分反射面、ML…画像光、ML0…主光線、OL…外界光、P1,P2…射出瞳、T1,T2,T22,T23…透光部材、US…装着者
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記像形成装置と、前記像形成装置により形成される射出瞳との間に配置される瞳拡大素子とを備え、
前記瞳拡大素子は、前記画像光が入射する入射面と前記画像光が射出する射出面との間に前記画像光を反射する複数の第1透過性ミラーと複数の第2透過性ミラーとを有し、
前記第1透過性ミラーは、前記瞳拡大素子が延在する第1方向に対して前記射出面側に傾斜し、
前記第2透過性ミラーは、前記瞳拡大素子が延在する前記第1方向と反対方向の第2方向に対して前記射出面側に傾斜し、
前記瞳拡大素子は、前記第1透過性ミラーと前記第2透過性ミラーとが前記第2方向に沿って並んで配置された第1領域と、前記第1透過性ミラーが前記第1方向に沿って複数並んで配置された第2領域と、前記第2透過性ミラーが前記第2方向に沿って複数並んで配置された第3領域とを有し、
前記第1領域、前記第2領域、及び前記第3領域は、前記第2領域、前記第1領域、及び前記第3領域の順に並んで配置されている、虚像表示装置。 an image forming device that emits image light;
a pupil enlarging element disposed between the image forming device and an exit pupil formed by the image forming device;
The pupil enlarging element includes a plurality of first transmissive mirrors and a plurality of second transmissive mirrors for reflecting the image light between an incident surface on which the image light is incident and an exit surface from which the image light is emitted. have
the first transmissive mirror is inclined toward the exit surface with respect to a first direction in which the pupil enlarging element extends;
the second transmissive mirror is inclined toward the exit surface with respect to a second direction opposite to the first direction in which the pupil enlarging element extends;
The pupil enlarging element includes a first region in which the first transparent mirror and the second transparent mirror are arranged side by side along the second direction, and the first transparent mirror is arranged in the first direction. and a third region in which a plurality of the second transmissive mirrors are arranged side by side along the second direction,
The virtual image display device, wherein the first area, the second area, and the third area are arranged in order of the second area, the first area, and the third area.
前記瞳拡大素子は、平板状の部材である、請求項1に記載の虚像表示装置。 A translucent member is arranged between the adjacent transmissive mirrors,
2. The virtual image display device according to claim 1, wherein said pupil enlarging element is a flat member.
前記第1透過性ミラーと前記第2透過性ミラーとは、前記偏光フィルターが透過する第1偏光方向の光を透過し、前記第1偏光方向と異なる第2偏光方向の光を反射する、請求項1~8のいずれか一項に記載の虚像表示装置。 A polarizing filter is arranged on the outside world side of the image forming apparatus,
The first transparent mirror and the second transparent mirror transmit light in a first polarization direction transmitted by the polarizing filter, and reflect light in a second polarization direction different from the first polarization direction. Item 9. The virtual image display device according to any one of Items 1 to 8.
前記画像光が射出する射出面と、
前記入射面と前記射出面との間に配置され前記画像光を反射する複数の第1透過性ミラーと、
前記入射面と前記射出面との間に配置され前記画像光を反射する複数の第2透過性ミラーとを備え、
前記第1透過性ミラーは、前記瞳拡大素子が延在する第1方向に対して射出面側に傾斜し、
前記第2透過性ミラーは、前記瞳拡大素子が延在する前記第1方向と反対方向の第2方向に対して前記射出面側に傾斜し、
前記瞳拡大素子は、前記第1透過性ミラーと前記第2透過性ミラーとが前記第2方向に沿って並んで配置された第1領域と、前記第1透過性ミラーが前記第1方向に沿って複数並んで配置された第2領域と、前記第2透過性ミラーが前記第2方向に沿って複数並んで配置された第3領域とを有し、
前記第1領域、前記第2領域、及び前記第3領域は、前記第2領域、前記第1領域、及び前記第3領域の順に並んで配置されている、瞳拡大素子。 an incident surface on which the image light is incident;
an exit surface from which the image light exits;
a plurality of first transmissive mirrors arranged between the entrance surface and the exit surface for reflecting the image light;
a plurality of second transmissive mirrors disposed between the incident surface and the exit surface and reflecting the image light;
the first transmissive mirror is inclined toward the exit surface side with respect to the first direction in which the pupil enlarging element extends;
the second transmissive mirror is inclined toward the exit surface with respect to a second direction opposite to the first direction in which the pupil enlarging element extends;
The pupil enlarging element includes a first region in which the first transparent mirror and the second transparent mirror are arranged side by side along the second direction, and the first transparent mirror is arranged in the first direction. and a third region in which a plurality of the second transmissive mirrors are arranged side by side along the second direction,
A pupil enlarging element, wherein the first region, the second region, and the third region are arranged in order of the second region, the first region, and the third region.
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