JP4395673B2

JP4395673B2 - 映像表示装置

Info

Publication number: JP4395673B2
Application number: JP24439099A
Authority: JP
Inventors: 裕昭上田; 一郎笠井; 靖谷尻
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2019-08-31
Also published as: JP2001066544A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は映像表示装置に関するものであり、例えば、ＬＣＤ(liquid crystal display)に表示させた２次元映像を観察者の目に投影してその拡大虚像を観察させるＨＭＤ(head mounted display)等として好適な映像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ホログラムを利用した軽量・小型の映像表示装置が、特開平１０−３０１０５５号公報で提案されている。この映像表示装置では、レンズ機能を有する反射型ホログラムが眼鏡のレンズ面に設けられており、映像光を射出する表示部が眼鏡の柄に設けられている。ホログラムは、表示部からの映像光を観察者の目に向けて反射させることにより、映像の拡大投影を行う。ホログラムに対する映像光の入射角は射出角よりも大きくなっているが、ホログラムによる反射では入射角と射出角とが必ずしも等しい必要がないので、このように入射角が大きくなるような表示部の配置は装置全体の小型化を図る上で有利といえる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようにホログラムに対する映像光の入射角を射出角よりも大きくすると、回折効率が悪くなる{J.Opt.Soc.Am./Vol.71,No7/July 1981(M.G.Moharam and T.K.Gaylord)参照}。回折効率が悪くなると、フレアーが発生したり映像の明るさが低下したりするため、表示映像の画質が低下することになる。
【０００４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、小型でありながら高画質の映像表示が可能な映像表示装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の映像表示装置は、映像を表示する表示手段と、観察者の目の前方に配され、映像光が斜入射する入射面と、前記映像を虚像として目に導き、かつ、映像光の入射角が小さくなるように前記入射面に対して傾斜した平面状の回折光学面と、視線に対して略垂直な射出面と、を有し、空気より屈折率の高い材料から成り、前記回折光学面で映像光を観察者の目に向けて回折し、その回折により映像光をコリメートする光学的パワーを前記回折光学面に有し、前記表示手段からの映像光を屈曲し、前記回折光学面への入射角を小さくする光屈曲素子と、を備えたことを特徴とする。
【０００６】
第２の発明の映像表示装置は、上記第１の発明の構成において、前記光屈曲素子が観察者の前方視界からの光を透過させうるように構成されており、さらに、前方視界からの光に対し前記光屈曲素子が与える光学作用を打ち消すように補正する補正光学系を備えたことを特徴とする。
【０００７】
第３の発明の映像表示装置は、上記第１の発明の構成において、前記表示手段からの映像光が前記入射面に対してＰ型偏光になるように偏光方向が設定されていることを特徴とする。
【０００８】
第４の発明の映像表示装置は、上記第１，第２又は第３の発明の構成において、さらに、前記表示手段及び光屈曲素子を支持すると共に観察者の頭部に装着可能に構成された眼鏡フレームを備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した映像表示装置を、図面を参照しつつ説明する。なお、実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００１０】
《第１の実施の形態(図１)》
図１に示すように第１の実施の形態は、映像を表示する反射型のＬＣＤ(1R)，ＬＣＤ(1R)を照明するＬＥＤ(2)，ＬＣＤ(1R)から発せられた映像光を屈曲して観察者の目(E)に導くとともに観察者の前方視界からの光を透過させうるように構成された光屈曲素子(3)，前方視界からの光に対し光屈曲素子(3)が与える光学作用を打ち消すように補正する補正光学系(4)，各構成要素を支持すると共に観察者の頭部に装着可能に構成された眼鏡フレーム(5,6)等、を備えた眼鏡型映像表示装置である。眼鏡フレーム(5)は鼻当て部(5a)を有しており、光屈曲素子(3)や補正光学系(4)等を支持している。また、眼鏡フレーム(6)は耳かけ部(6a)を有しており、ＬＣＤ(1R)等を支持している。
【００１１】
この実施の形態は眼鏡型の頭部装着表示装置であるため、装置全体がより軽量・小型になっている。観察者がこの映像表示装置を頭部に装着すると、目(E)の前方には光屈曲素子(3)が配されることになり、目(E)の側方にはＬＣＤ(1R)が配されることになる。ＬＣＤ(1R)は像面(1b)に映像を表示し、その像面(1b)はＬＥＤ(2)からの光で直接照明されるか、あるいは半透過反射面(1a)での反射により間接的に照明される。このようにＬＥＤ(2)や半透過反射面(1a)から成る照明手段でＬＣＤ(1R)が照明されると、像面(1b)から映像光が射出し、その映像光は半透過反射面(1a)を透過して光屈曲素子(3)の入射面(3a)に斜入射する。なお、この入射面(3a)は観察者の目(E)への射出面と同一面であって、目(E)の視線(つまり、装置装着状態で観察者が正面を見ているときの視線)に対して略垂直になっている。
【００１２】
ＬＣＤ(1R)からの映像光は、入射面(3a)に対してＰ型偏光になるように偏光方向が設定されている。このように入射面(3a)に対するＰ型偏光を映像光として用いると、光屈曲素子(3)の入射面(3a)での表面反射を小さくすることができる。その結果、観察者の目(E)に有害なフレアー光が抑制されるとともに、省電力で明るい映像が得られる。
【００１３】
入射面(3a)に斜入射した映像光は、入射面(3a)で屈折することになる。入射面(3a)で屈折した映像光のうち、光屈曲素子(3)のくさび部分(3W)又はその近傍を通過したものは、くさび部分(3W)の傾斜面に貼り付けられているホログラム(3R)に入射する。このホログラム(3R)は、回折光学面を構成する反射型の回折光学素子であり、映像を虚像として目(E)に導くために、非軸配置された凹面鏡として作用する。したがって、ホログラム(3R)に入射した映像光は、観察者の目(E)に向けて回折されるとともに、その回折によりコリメートされて入射面(3a)を射出する。入射面(3a)を射出した映像光は瞳(E)に入射し、観察者は映像を虚像として観察することになる。なお、光屈曲素子(3)を構成しているくさび部分(3W)等の光透過部分は、ホログラム(3R)よりも高い屈折率の材料から成っている。
【００１４】
ホログラム(3R)から成る回折光学面は、ＬＣＤ(1R)からの映像光の入射角が小さくなるように、入射面(3a)に対して傾斜しており、その入射角が更に小さくなるように、光屈曲素子(3)が入射面(3a)で映像光を屈折させる構成になっている。回折光学面に対する映像光の入射角を小さくすると、回折光学面に対する入射角と射出角とを等しくすること(正反射条件)ができるので、高い回折効率を達成することができ、回折光学面の光学設計も容易になる。また、ＬＣＤ(1R)からの映像光が入射面(3a)に対して大きな入射角で斜入射する構成となっているため、光屈曲素子(3)とＬＣＤ(1R)との距離が観察者の視線方向に短くなる。したがって、眼鏡前部の薄型化を達成することができる。
【００１５】
光屈曲素子(3)のくさび部分(3W)には、ホログラム(3R)を介して補正光学系(4)が貼り付けられている。つまり、光屈曲素子(3)と補正光学系(4)とは、ホログラム(3R)を挟んで貼り合わされた状態にあり、厚さ５ｍｍ以下の非常に薄い平板を成しているのである。前述したように、光屈曲素子(3)はＬＣＤ(1R)からの映像光を屈曲して観察者の目(E)に導く一方で、観察者の前方視界からの光を透過させうるように構成されている。したがって、前方視界からの光が光屈曲素子(3)のくさび部分(3W)を透過すると、くさび部分(3W)のパワーによって前方視界からの光が屈曲されることになる。なお、くさび部分(3W)を曲面で構成した場合には、その曲面のパワーによって前方視界が拡大又は縮小されることになる。このような光学作用を打ち消すように補正するのが補正光学系(4)である。補正光学系(4)が光屈曲素子(3)のパワーを相殺するため、観察者は通常(つまり本装置を装着していないとき)と同様に前方視界を観察することが可能である。
【００１６】
次に、光屈曲素子(3)のくさび部分(3W)とホログラム(3R)の光学作用を図５に基づいて説明する。ＬＣＤ(1R)からの映像光(図５中、破線で示す。)は、空気中から入射面(3a)に大きな入射角α１で斜入射し、屈折角α２で屈折する。入射面(3a)は目(E)の視線に対して略垂直になっているので、目(E)の視線と映像光とのなす角度α１が入射面(3a)に対する入射角となるのである。入射面(3a)で屈折した映像光は、くさび部分(3W)を通過してホログラム(3R)に入射する。
【００１７】
ホログラム(3R)は入射面(3a)に対して傾斜角α０だけ傾いているため、ホログラム(3R)に対する映像光の入射角は(α２−α０)となる。映像光はホログラム(3R)への入射時に屈折角α３で屈折され、ホログラム(3R)中に記録されているフリンジによって回折される。ここでは図を簡略化するために、ホログラム(3R)と補正光学系(4)との界面を回折光学面として、その回折光学面で映像光が回折するものとする。回折した映像光は、くさび部分(3W)に対する入射角α４，屈折角α０でホログラム(3R)から射出した後、入射面(3a)を略垂直に射出して観察者の瞳(E)に入射する。
【００１８】
ここで、空気の屈折率をｎ１とし、くさび部分(3W)の屈折率をｎ２とし、ホログラム(3R)の屈折率をｎ３とすると、屈折の法則から以下の式▲１▼〜▲３▼が成り立つ。
ｎ１・sinα１＝ｎ２・sinα２ …▲１▼
ｎ２・sin(α２−α０)＝ｎ３・sinα３ …▲２▼
ｎ３・sinα４＝ｎ２・sinα０ …▲３▼
【００１９】
上記各式▲１▼〜▲３▼において、α０＝１４度，α１＝７０度，ｎ１＝１，ｎ２＝２，ｎ３＝１．５とすると、α３≒α４≒１８．８度となる。つまり、反射型ホログラム(3R)による回折は、回折光学面に対する入射角と射出角とが等しい正反射に近い角度で行われることになる。したがって、M.G.MoharamとT.K.GaylordがJ.Opt.Soc.Am./Vol.71,No7/July 1981で示しているように、高い回折効率を達成することができる。
【００２０】
次に、上記第１の実施の形態(図５)との比較のために第１の比較例を挙げて、そのホログラムの光学作用を図６に基づいて説明する。図６に示す第１の比較例は、前述した特開平１０−３０１０５５号公報で提案されているホログラム構成(眼鏡レンズ表面にホログラムを貼り付けた構成)に相当するものである。基板(11)上にはホログラム(11R)が貼り付けられており、目(E)の視線に対して略垂直にホログラム(11R)と基板(11)が配置されている。
【００２１】
映像光(図６中、破線で示す。)は、空気中から入射面(11a)に大きな入射角α１で斜入射し、屈折角α５で屈折する。入射面(11a)は目(E)の視線に対して略垂直になっているので、目(E)の視線と映像光とのなす角度α１が入射面(11a)に対する入射角となるのである。ホログラム(11R)に入射した映像光は、ホログラム(11R)中に記録されているフリンジによって回折される。ここでは図を簡略化するために、ホログラム(11R)と基板(11)との界面を回折光学面として、その回折光学面で映像光が回折するものとする。回折した映像光は、入射面(11a)を略垂直に射出して観察者の瞳(E)に入射する。
【００２２】
ここで、空気の屈折率をｎ１とし、ホログラム(11R)の屈折率をｎ３とすると、屈折の法則から以下の式▲４▼が成り立つ。
ｎ１・sinα１＝ｎ３・sinα５ …▲４▼
【００２３】
上式▲４▼において、α１＝７０度，ｎ１＝１，ｎ３＝１．５とすると、α５＝３８．８度となる。回折光学面からの射出角が０度であるので、反射型ホログラム(11R)による回折は、正反射角度から３８．８度ずれた角度で行われることになる。したがって、M.G.MoharamとT.K.GaylordがJ.Opt.Soc.Am./Vol.71,No7/July 1981で示しているように、回折効率は悪くなってしまう。
【００２４】
さらに、前記第１の実施の形態(図５)との比較のために第２の比較例を挙げて、そのホログラムの光学作用を図７に基づいて説明する。図７に示す第２の比較例は、ホログラム(11R)で映像光を正反射方向に射出させるために、ホログラム(11R)及び基板(11)を第１の比較例の状態から傾斜角α９だけ傾けたものである。
【００２５】
映像光(図７中、破線で示す。)は、空気中から入射面(11a)に入射角α６で斜入射し、屈折角α７で屈折する。入射面(11a)の法線が目(E)の視線に対して傾斜角α９だけ傾いているので、目(E)の視線と映像光とのなす角度α１と傾斜角α９との差(α１−α９)が入射面(11a)に対する入射角α６となるのである。ホログラム(11R)に入射した映像光は、ホログラム(11R)中に記録されているフリンジによって回折される。ここでは図を簡略化するために、ホログラム(11R)と基板(11)との界面を回折光学面として、その回折光学面で映像光が回折するものとする。回折した映像光は、入射面(11a)に対する入射角α８，屈折角α９でホログラム(11R)から射出して観察者の瞳(E)に入射する。
【００２６】
ここで、空気の屈折率をｎ１とし、ホログラム(11R)の屈折率をｎ３とすると、屈折の法則から以下の式▲５▼,▲６▼が成り立つ。
ｎ１・sinα６＝ｎ３・sinα７ …▲５▼
ｎ３・sinα８＝ｎ１・sinα９ …▲６▼
【００２７】
上記各式▲５▼,▲６▼において、α９＝３５度，α１＝７０度，ｎ１＝１，ｎ３＝１．５とすると(ただし、α６＝α１−α９である。)、α７＝α８＝２２．５度となる。つまり、反射型ホログラム(11R)による回折は、回折光学面に対する入射角と射出角とが等しい正反射に近い角度で行われることになる。したがって、M.G.MoharamとT.K.GaylordがJ.Opt.Soc.Am./Vol.71,No7/July 1981で示しているように、高い回折効率を達成することができる。しかし、このように基板(11)を３５度(＝α９)も傾斜させると、装置が目(E)の視線方向に大型化してしまうことになる。つまり、ホログラム(11R)が貼り付けられた眼鏡レンズを傾斜させることにより入射角を射出角に近づけたとしても、所定の大きさの視野角で観察瞳径とアイレリーフを確保しながら装置を小型化することは困難なのである。
【００２８】
《第２の実施の形態(図２)》
図２に、第２の実施の形態の光学系部分を示す。眼鏡フレーム構成は、前述した第１の実施の形態と同様である。この実施の形態では、映像を表示する表示手段として透過型のＬＣＤ(1T)が用いられており、ＬＣＤ(1T)を照明する照明手段としてバックライト(2B)が用いられている。また、光屈曲素子(3)と補正光学系(4)の各面(3a,3b;4a,4b)の曲率が、観察者の目(E)に対して視力を矯正するように設定されている。つまり、光屈曲素子(3)と補正光学系(4)とは、ホログラム(3R)を挟んで貼り合わされた状態にあり、面(3a)と面(4a)とで滑らかな曲面が形成され、かつ、面(3b)と面(4b)とで滑らかな曲面が形成されたレンズ形状を成しているのである。そのレンズ形状の一部を成す補正光学系(4)は、前方視界からの光に対し光屈曲素子(3)がくさび部分(3W)でのみ与える光学作用を打ち消すように補正するため、くさび部分(3W)で前方視界からの光が屈曲されたり、前方視界が縮小されたりすることはない。
【００２９】
《第３の実施の形態(図３)》
図３に、第３の実施の形態の光学系部分を示す。眼鏡フレーム構成は、前述した第１の実施の形態と同様である。この実施の形態では湾曲したホログラム(3R)が用いられており、そのホログラム(3R)は、折り返される光軸によって形成される平面の法線方向に平行な軸(つまり紙面に垂直な軸)を中心に湾曲している。このように湾曲したホログラム(3R)を用いることにより、軸上光及び軸外光に対する回折効率を上げることができる。また、ホログラム(3R)が貼り付けられているくさび部分(3W)の湾曲が前方視界からの光に与える光学作用を、補正光学系(4)が打ち消すように補正するため、くさび部分(3W)で前方視界からの光が屈曲されたり、前方視界が拡大されたりすることはない。なお、第３の実施の形態では回折光学面が平面状でないため、この点で第３の実施の形態は本発明の参考のための一形態にすぎず、本発明には属さないものである。
【００３０】
《第４の実施の形態(図４)》
図４に、第４の実施の形態を示す。この実施の形態の特徴は、透過型のホログラム(3T)を用いた点にある。回折光学面を透過型のホログラム(3T)で構成するのに合わせて、反射型ＬＣＤ(1R)を眼鏡フレーム(5)の前側上方に配置する等の変更を加えたほかは、前記第１の実施の形態とほぼ同様の構成になっている。ＬＣＤ(1R)から入射面(3a)に斜入射して屈折した映像光のうち、光屈曲素子(3)のくさび部分(3W)又はその近傍を通過したものは、くさび部分(3W)の傾斜面に貼り付けられているホログラム(3T)に入射する。このホログラム(3T)は、映像を虚像として目(E)に導くために、非軸配置された凸レンズとして作用する。したがって、ホログラム(3T)に入射した映像光は、観察者の目(E)に向けて回折されるとともに、その回折によりコリメートされて補正光学系(4)を透過する。補正光学系(4)の射出面(4c)を射出した映像光は瞳(E)に入射し、観察者は映像を虚像として観察することになる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、映像光の入射角が小さくなるように回折光学面が入射面に対して傾斜した構成になっているので、小型(特に薄型・軽量)でありながら高画質の映像表示が可能な映像表示装置を実現することができる。しかも比較的簡単な構成で実現可能であるため、装置の低コスト化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態を示す平面図。
【図２】第２の実施の形態の要部光学構成を示す平面図。
【図３】第３の実施の形態の要部光学構成を示す平面図。
【図４】第４の実施の形態の要部光学構成を示す縦断面図。
【図５】第１の実施の形態における光屈曲素子のくさび部分とホログラムの光学作用を示す光学構成図。
【図６】第１の比較例におけるホログラムの光学作用を示す光学構成図。
【図７】第２の比較例におけるホログラムの光学作用を示す光学構成図。
【符号の説明】
1R …反射型のＬＣＤ(表示手段)
1T …透過型のＬＣＤ(表示手段)
1a …半透過反射面
1b …像面
2 …ＬＥＤ
2B …バックライト
3 …光屈曲素子
3a …入射面
3R …反射型のホログラム(回折光学面)
3T …透過型のホログラム(回折光学面)
3W …くさび部分
4 …補正光学系
E …目(瞳)

Claims

映像を表示する表示手段と、
観察者の目の前方に配され、映像光が斜入射する入射面と、前記映像を虚像として目に導き、かつ、映像光の入射角が小さくなるように前記入射面に対して傾斜した平面状の回折光学面と、視線に対して略垂直な射出面と、を有し、空気より屈折率の高い材料から成り、前記回折光学面で映像光を観察者の目に向けて回折し、その回折により映像光をコリメートする光学的パワーを前記回折光学面に有し、前記表示手段からの映像光を屈曲し、前記回折光学面への入射角を小さくする光屈曲素子と、
を備えたことを特徴とする映像表示装置。
前記光屈曲素子が観察者の前方視界からの光を透過させうるように構成されており、さらに、前方視界からの光に対し前記光屈曲素子が与える光学作用を打ち消すように補正する補正光学系を備えたことを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
前記表示手段からの映像光が前記入射面に対してＰ型偏光になるように偏光方向が設定されていることを特徴とする請求項１記載の映像表示装置。
さらに、前記表示手段及び光屈曲素子を支持すると共に観察者の頭部に装着可能に構成された眼鏡フレームを備えたことを特徴とする請求項１，請求項２又は請求項３記載の映像表示装置。