JP4776285B2 - Illumination optical device and virtual image display device using the same - Google Patents

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Description

本発明は、画像表示装置における空間光変調部の照明に用いて好適な照明光学装置に関し、特に、ビデオカメラのビューファインダ、頭部装着型ディスプレイ等の虚像表示装置に使用して好適な照明光学装置及びこれを用いた虚像表示装置に関する。   The present invention relates to an illumination optical apparatus suitable for use in illumination of a spatial light modulation unit in an image display apparatus, and particularly suitable for use in a virtual image display apparatus such as a viewfinder of a video camera or a head-mounted display. The present invention relates to a device and a virtual image display device using the same.

投射型表示装置等の画像表示装置において、画像を変調する空間光変調部に対する照明光学装置として、先細り型ライトパイプを使用する構成が提案されている(例えば特許文献1〜3参照。)
図15を参照して、上記特許文献1に記載された従来の先細り型ライトパイプを使用した照明光学装置の例を説明する。図15の概略構成図に示すように、この照明光学装置は、光源1506と反射鏡1508と先細り型ライトパイプ1502を有し、光源1506から出射された光1501を前方に反射するリフレクタ1512、光1501を反射する例えば凹面状の反射鏡1508、先細り型ライトパイプ1502、1516により構成される。
このような構成において、光源1506から出射された光1501は、反射鏡1508によって反射され、光源1506の像が反射鏡1508によって先細り型ライトパイプ1502の入力端1507近傍に結像されるよう構成されている。先細り型ライトパイプ1502に入射した光束は、レンズ状に形成された射出面1503から開口数(Numerical Aperture:NA)を縮小されて射出し、続いて配置される他のライトパイプ1516に入射する。
この照明光学装置によって、光源から射出する光束を所望の発散角と面積に変換し、効率性と照度の均一性を高めている。
先細り型ライトパイプを用いた照明光学装置の従来例としては、この他に上記特許文献2及び3などに開示があるが、いずいれも先細り型ライトパイプと空間光変調部との間に光ファイバーや偏光変換器などを配置して、更に均一性や照明効率向上を図る構成としたものである。
In an image display device such as a projection display device, a configuration using a tapered light pipe is proposed as an illumination optical device for a spatial light modulation unit that modulates an image (see, for example, Patent Documents 1 to 3).
With reference to FIG. 15, an example of an illumination optical apparatus using a conventional tapered light pipe described in Patent Document 1 will be described. As shown in the schematic configuration diagram of FIG. 15, this illumination optical apparatus includes a light source 1506, a reflecting mirror 1508, and a tapered light pipe 1502, a reflector 1512 that reflects light 1501 emitted from the light source 1506 forward, and light For example, a concave reflecting mirror 1508 that reflects 1501 and tapered light pipes 1502 and 1516 are formed.
In such a configuration, the light 1501 emitted from the light source 1506 is reflected by the reflecting mirror 1508, and an image of the light source 1506 is formed near the input end 1507 of the tapered light pipe 1502 by the reflecting mirror 1508. ing. The light beam incident on the tapered light pipe 1502 exits from the exit surface 1503 formed in a lens shape with a reduced numerical aperture (Numerical Aperture: NA), and then enters another light pipe 1516 that is arranged.
With this illumination optical device, the light beam emitted from the light source is converted into a desired divergence angle and area to improve efficiency and uniformity of illuminance.
Other conventional examples of illumination optical devices using a tapered light pipe are disclosed in the above-mentioned Patent Documents 2 and 3, etc., but in any case, an optical fiber is provided between the tapered light pipe and the spatial light modulator. And a polarization converter are arranged to further improve uniformity and illumination efficiency.

これらの従来例による照明光学装置は、主に投射型画像表示装置に用いられるものであり、照明光学装置によって照明された空間光変調部の像をスクリーン上に再結像するように構成されている。または、ライトパイプ射出後、直接空間光変調部を照明するのではなく、再度光ファイバーや別のライトパイプに入射するなどして更に均一性を高めるために伝播される構成として利用されている。   The illumination optical devices according to these conventional examples are mainly used for projection type image display devices, and are configured to re-image the image of the spatial light modulator illuminated by the illumination optical device on the screen. Yes. Alternatively, after the light pipe is emitted, it is used as a configuration in which the spatial light modulator is not directly illuminated but is incident on the optical fiber or another light pipe again to further improve the uniformity.

米国特許出願公開第2005/0047723号明細書US Patent Application Publication No. 2005/0047723 米国特許第6,739,726号明細書U.S. Pat.No. 6,739,726 米国特許出願公開第2003/0021530号明細書US Patent Application Publication No. 2003/0021530

前述した従来の照明光学装置は、上述のように投射型画像装置に用いられる場合には好適であるが、虚像表示装置用の照明光学装置としては以下のような欠点を有する。
(1) 特に、頭部装着型ディスプレイ(Head Mounted Display:HMD)のような小型軽量化が求められる画像表示装置に適用する場合、先細り型ライトパイプの後、均一性を改善するため更に第2のライトパイプや光ファイバーを用いると、照明装置全体が大きくなってしまい好ましくない。
(2) 先細り型ライトパイプの射出面より射出した照明光は、このままでは射出NA内で比較的大きな輝度の不均一性を有する。この不均一性は、空間光変調部の任意の画素から射出する光をスクリーン上に再結像する投射型画像表示装置の場合には、問題にならないが、虚像表示装置の場合には、観察者の瞳位置が動いた場合の輝度変化の原因となり好ましくない。
The conventional illumination optical device described above is suitable when used in a projection-type image device as described above, but has the following drawbacks as an illumination optical device for a virtual image display device.
(1) In particular, when applied to an image display device that is required to be reduced in size and weight, such as a head mounted display (HMD), after the tapered light pipe, it is further necessary to improve the uniformity. If the light pipe or the optical fiber is used, the entire lighting device becomes large, which is not preferable.
(2) The illumination light emitted from the exit surface of the tapered light pipe has a relatively large luminance non-uniformity in the exit NA as it is. This non-uniformity is not a problem in the case of a projection-type image display device that re-images light emitted from an arbitrary pixel of the spatial light modulator on the screen, but in the case of a virtual image display device, This is not preferable because it causes a luminance change when the pupil position of the person moves.

上記(2)の理由について、図16及び図17A〜Cを参照して説明する。先ず、図16に示すように、光源10から射出される光の光軸上に、先細り型のライトパイプ20、空間光変調部60及び投射レンズ170を配置した投射型表示装置の光学系について説明する。この場合、光源10から出射された光は、先細り型のライトパイプ20によって開口数NAを調整して射出され、透過型液晶パネル等の空間光変調部60に入射され、画像情報等に対応して変調される。空間光変調部60から射出された光は、投射レンズ170によって、スクリーン180に投影される。この場合、空間光変調部60の一点から射出する画像表示光の放射角内の光束の(または光エネルギー)のばらつきは、スクリーン180で再結像されるため、観察者には認識されず、問題とはならない。   The reason for the above (2) will be described with reference to FIG. 16 and FIGS. First, as shown in FIG. 16, an optical system of a projection display device in which a tapered light pipe 20, a spatial light modulator 60, and a projection lens 170 are arranged on the optical axis of light emitted from the light source 10 will be described. To do. In this case, the light emitted from the light source 10 is emitted by adjusting the numerical aperture NA by the tapered light pipe 20 and is incident on the spatial light modulation unit 60 such as a transmissive liquid crystal panel. Modulated. The light emitted from the spatial light modulator 60 is projected onto the screen 180 by the projection lens 170. In this case, the variation in the luminous flux (or light energy) within the radiation angle of the image display light emitted from one point of the spatial light modulator 60 is re-imaged on the screen 180, and thus is not recognized by the observer. It doesn't matter.

これに対して、このようにライトパイプを虚像結合光学系に適用する場合においては、以下の問題が生じる。すなわちこの場合、図17A〜Cに示すように、光源10、ライトパイプ20、空間光変調部60及び接眼レンズ270を光軸上に配置して、空間光変調部60により変調された画像表示光を、接眼レンズ270を介して瞳80で観察する光学系を考える。
このとき、空間光変調部60の一点から射出する画像表示光の放射角内の光束(または光エネルギー)のばらつきは、図17Aに示すように、瞳80が正規の観察瞳位置から、図17Bにおいて矢印aで示すように移動したり、図17Cにおいて矢印bで示すように回転したりすると、明るさの変動として認識されてしまうこととなる。
On the other hand, when the light pipe is applied to the virtual image coupling optical system as described above, the following problems occur. That is, in this case, as shown in FIGS. 17A to 17C, the light source 10, the light pipe 20, the spatial light modulator 60, and the eyepiece lens 270 are arranged on the optical axis, and the image display light modulated by the spatial light modulator 60 is obtained. Let us consider an optical system that observes the image with the pupil 80 through the eyepiece 270.
At this time, as shown in FIG. 17A, the variation in the luminous flux (or light energy) within the radiation angle of the image display light emitted from one point of the spatial light modulation unit 60 is as follows. If it moves as shown by arrow a in FIG. 17 or rotates as shown by arrow b in FIG. 17C, it will be recognized as a fluctuation in brightness.

このような問題に対し、例えば先細り型ライトパイプの全長を長くすればこの不均一性は改善される傾向となるが、この場合は装置が大型化してしまい、上述の頭部装着型ディスプレイなどに用いる場合は、望ましくない。   For such a problem, for example, if the total length of the tapered light pipe is increased, this non-uniformity tends to be improved. In this case, however, the apparatus becomes larger and the above-mentioned head-mounted display or the like is used. If used, it is not desirable.

以上の問題に鑑みて、本発明は、空間光変調部により光を変調する照明光学装置において、装置の大型化を抑制しつつ照明の均一性と効率性を高く保つことが可能な照明光学装置及びこれを用いた虚像表示装置を提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides an illumination optical device that modulates light by a spatial light modulation unit, and can maintain high uniformity and efficiency of illumination while suppressing an increase in size of the device. And it aims at providing the virtual image display apparatus using the same.

上記課題を解決するため、本発明による照明光学装置は、光源と、ライトパイプと、光学レンズと、拡散板と、空間光変調部とを有する。光源より射出した光束は、ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも光束の一部がライトパイプの側面にて内部全反射した後、入射面よりも面積の大きい射出面より射出し、続いて光学レンズを通過して拡散板にて拡散された後、空間光変調部を照明する。そして、光学レンズのうち少なくとも1つは、2つのシリンドリカルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる。
また、光学レンズのうち少なくとも1つは、1方向にのみ光学パワーを有する2つのフレネルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なるものであってもよい。
To solve the above problems, an illumination optical device according to the invention chromatic light source, a light pipe, an optical lens, a diffusion plate, a spatial light modulator. The light beam emitted from the light source is incident on the inside from the incident surface of the light pipe, and after at least a part of the light beam is totally internally reflected on the side surface of the light pipe, is emitted from the emission surface having a larger area than the incident surface, Subsequently, after passing through the optical lens and being diffused by the diffusion plate, the spatial light modulator is illuminated. At least one of the optical lenses is formed by arranging two cylindrical lenses so that their optical powers are orthogonal to each other, and the optical power is different from one direction in the display surface of the spatial light modulation unit and the other. Different from each other.
Further, at least one of the optical lenses is formed by arranging two Fresnel lenses having optical power only in one direction so that their optical powers are orthogonal to each other, and the optical power is displayed on the display of the spatial light modulator. The one direction and the other direction in the plane may be different from each other.

また、本発明は、照明光学装置と、空間光変調部により変調された表示画像を観察者の瞳に導く虚像結像光学系とを有する虚像表示装置であって、照明光学装置は、光源と、ライトパイプと、光学レンズと、拡散板と、空間光変調部とを有する。光源より射出した光束は、ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも光束の一部がその側面にて内部全反射した後、入射面よりも面積の大きい射出面より射出し、続いて光学レンズを通過して拡散板にて拡散された後、空間光変調部を照明する。そして、光学レンズのうち少なくとも1つは、2つのシリンドリカルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる。
また、光学レンズのうち少なくとも1つは、1方向にのみ光学パワーを有する2つのフレネルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なるものであってもよい。
Further, the present invention is a virtual image display device having an illumination optical device and a virtual image imaging optical system that guides a display image modulated by the spatial light modulation unit to an observer's pupil, the illumination optical device comprising: a light source; and organic and light pipe, an optical lens, a diffusion plate, a spatial light modulator. The light beam emitted from the light source is incident on the inside from the incident surface of the light pipe. After at least a part of the light beam is totally internally reflected on the side surface, the light beam is emitted from the emission surface having a larger area than the incident surface, and then After passing through the optical lens and being diffused by the diffusion plate, the spatial light modulator is illuminated. At least one of the optical lenses is formed by arranging two cylindrical lenses so that their optical powers are orthogonal to each other, and the optical power is different from one direction in the display surface of the spatial light modulation unit and the other. Different from each other.
Further, at least one of the optical lenses is formed by arranging two Fresnel lenses having optical power only in one direction so that their optical powers are orthogonal to each other, and the optical power is displayed on the display of the spatial light modulator. The one direction and the other direction in the plane may be different from each other.

上述したように、本発明の照明光学装置においては、光源とライトパイプと拡散板を有するものであり、光源から射出した大きな開口数NAを有する照明光を、まず先細り型等のライトパイプにてより小さな開口数NAをもつ照明光に変換し、拡散板において、拡散角のアナモルフィック化を含む再調整と放射角度内の輝度むらの低減を行うことができる。
また、ライトパイプの射出面や、或いはこのライトパイプと拡散板との間に光学レンズを配置する場合は光学レンズによって、光源からの照明光の主光線角度をコントロールすることができ、より適切に拡散板により拡散角の再調整及び輝度むらの低減化を図ることができる。
As described above, the illumination optical device of the present invention has a light source, a light pipe, and a diffuser plate. First, the illumination light having a large numerical aperture NA emitted from the light source is first converted into a tapered light pipe or the like. By converting to illumination light having a smaller numerical aperture NA, readjustment including anamorphic diffusion angle and reduction of luminance unevenness within the radiation angle can be performed in the diffusion plate.
In addition, when an optical lens is arranged between the light pipe exit surface or between the light pipe and the diffuser plate, the chief ray angle of the illumination light from the light source can be controlled by the optical lens. The diffusion plate can be used to readjust the diffusion angle and reduce luminance unevenness.

すなわち、本発明によれば、空間光変調部等の被照明体上の位置に応じて主光線角度と開口数NAを制御することが可能となり、小型軽量ながら高効率で照明輝度の均一性の高い照明光学装置を実現できる。   That is, according to the present invention, it becomes possible to control the chief ray angle and the numerical aperture NA according to the position of the spatial light modulation unit or the like on the illuminated object, and the illumination luminance uniformity is high with small size and light weight. A high illumination optical device can be realized.

以上説明したように、本発明の照明光学装置によれば、拡散角を制御することにより、装置の大型化を抑制しつつ、高効率で均一な照明輝度をもって照明することが可能となる。
また、本発明の虚像表示装置によれば、装置全体の大型化を抑制し、かつ照明の均一性と高効率の照明が可能な照明光学装置を用いた虚像表示装置を提供することができる。
As described above, according to the illumination optical device of the present invention, by controlling the diffusion angle, it is possible to illuminate with high efficiency and uniform illumination brightness while suppressing an increase in size of the device.
Further, according to the virtual image display device of the present invention, it is possible to provide a virtual image display device using an illumination optical device capable of suppressing the enlargement of the entire device and capable of illumination uniformity and highly efficient illumination.

以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
(1)第1の実施形態例
図1の概略構成図を参照して本発明による照明光学装置を使用した虚像表示装置の第1の実施形態例を説明する。この例の照明光学装置100は、LED(発光ダイオード)等より成る光源10、例えば先細り型のライトパイプ20、拡散板40、空間光変調部60、コリメート光学系70、例えばファインダーレンズにより構成される。
光源10から射出した照明光は、この場合先細り型のライトパイプ20の面積が小さい方の入射面21より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面22より射出する。本実施形態例においては、この射出面22はシリンドリカル面となっている。
Examples of the best mode for carrying out the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following examples.
(1) First Embodiment A first embodiment of a virtual image display device using an illumination optical device according to the present invention will be described with reference to the schematic configuration diagram of FIG. The illumination optical device 100 of this example includes a light source 10 made of an LED (light emitting diode), for example, a tapered light pipe 20, a diffuser plate 40, a spatial light modulator 60, a collimating optical system 70, for example, a finder lens. .
In this case, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the incident surface 21 with the smaller area of the tapered light pipe 20, and a part of the light beams are emitted from the emission surface 22 after repeating total internal reflection. In the present embodiment, the emission surface 22 is a cylindrical surface.

この射出面22より射出した照明光は、続いて配置される拡散板40にて拡散された後、被照射体、この場合例えば液晶パネル等の透過型の空間光変調部60を照明する。
そして空間光変調部60を透過した照明光Lは、次にコリメート光学系70を介して略平行光になされて観察者の瞳80に入射する。
The illumination light emitted from the emission surface 22 is diffused by the diffusion plate 40 that is subsequently arranged, and then illuminates the object to be irradiated, in this case, the transmissive spatial light modulator 60 such as a liquid crystal panel.
The illumination light L that has passed through the spatial light modulator 60 is then made into substantially parallel light via the collimating optical system 70 and is incident on the pupil 80 of the observer.

本実施形態例においては、LED等の光源10とライトパイプ20とを光学的に密着した構成としている。これにより、光利用効率を上げることができる。   In the present embodiment, the light source 10 such as an LED and the light pipe 20 are in optical contact with each other. Thereby, the light use efficiency can be increased.

また、図1の例においては、ライトパイプ20の射出面22をシリンドリカル面とした例であり、すなわち、図1の紙面に沿う矢印Xで示す方向についてはシリンドリカル面の曲面であり、これと直交する(図1の紙面と直交する)矢印Yで示す方向は平面状とする。
このような曲面形状とすることにより、図2Aに示すように、シリンドリカル面の曲面と直交する矢印Yで示す方向に関しては、照明光線LY1、LY2、・・・、LYnの発散角の中心光線(破線で示す)と、空間光変調部60の表示面の法線とのなす角は、空間光変調部60の周辺にいくほど大きくなって、テレセントリックからはずれていく。
一方、図2Bに示すように、シリンドリカル面の曲面に沿う矢印Xで示す方向に関しては、照明光線LX1、LX2、・・・、LXnの発散角の中心光線(破線で示す)と空間光変調部60の表示面の法線とのなす角は小さく、すなわち、テレセントリックに近くなる。
つまりこの場合、ライトパイプ20の射出面の曲面の形状によって、X方向とY方向とにおいて、射出面の各部から射出される光の主光線角を制御していることとなる。
Further, in the example of FIG. 1, the exit surface 22 of the light pipe 20 is a cylindrical surface, that is, the direction indicated by the arrow X along the paper surface of FIG. The direction indicated by the arrow Y (perpendicular to the plane of FIG. 1) is a plane.
By adopting such a curved surface shape, as shown in FIG. 2A, with respect to the direction indicated by the arrow Y orthogonal to the curved surface of the cylindrical surface, the central light beam of the divergence angles of the illumination light beams LY1, LY2,. The angle formed by the broken line) and the normal of the display surface of the spatial light modulator 60 increases toward the periphery of the spatial light modulator 60 and deviates from telecentricity.
On the other hand, as shown in FIG. 2B, with respect to the direction indicated by the arrow X along the curved surface of the cylindrical surface, the central ray (indicated by a broken line) of the divergence angle of the illumination rays LX1, LX2,. The angle formed with the normal of the display surface of 60 is small, that is, close to telecentric.
That is, in this case, the principal ray angle of light emitted from each part of the exit surface is controlled in the X direction and the Y direction according to the shape of the curved surface of the exit surface of the light pipe 20.

更に、図1に示す実施形態例において、拡散板40として、このシリンドリカル面の曲面に沿う方向とこれに直交する方向で拡散度を異ならせる構成としてもよい。
この場合、図3Aに示すように、矢印Yで示すシリンドリカル面の曲面と直交する方向では、拡散板40を透過後の照明光線LY1´、LY2´、・・・、LYn´は拡散度が少なく、図3Bに示すように、シリンドリカル面の曲面に沿う矢印Xで示す方向では、拡散板40を透過後の照明光線LX1´、LX2´、・・・、LXn´は拡散度が大きくなる。すなわち、拡散板40の拡散角を調整することによって、所望の開口数NAをもって照明することができることとなる。
このようにして、本発明の照明光学装置において、空間光変調部60の表示面内における一の方向と他の方向、例えば縦方向と横方向に対応する方向に対し、射出光の主光線角及び開口数NAを、互いに異なる条件にて照明する構成とすることができる。
Further, in the embodiment shown in FIG. 1, the diffusion plate 40 may have a configuration in which the diffusivity is different in a direction along the curved surface of the cylindrical surface and in a direction orthogonal thereto.
In this case, as shown in FIG. 3A, in the direction orthogonal to the curved surface of the cylindrical surface indicated by the arrow Y, the illumination rays LY1 ′, LY2 ′,. As shown in FIG. 3B, in the direction indicated by the arrow X along the curved surface of the cylindrical surface, the illuminating rays LX1 ′, LX2 ′,. That is, by adjusting the diffusion angle of the diffusion plate 40, it is possible to illuminate with a desired numerical aperture NA.
In this way, in the illumination optical device of the present invention, the chief ray angle of the emitted light with respect to one direction and the other direction in the display surface of the spatial light modulator 60, for example, the direction corresponding to the vertical direction and the horizontal direction. The numerical aperture NA may be illuminated under different conditions.

拡散板40がある場合とない場合とによる、照度の均一性の違いを観察した一例を図4及び図5に示す。図4は、拡散板を設けない場合、図5は上述したように空間光変調部の表示面内における例えば縦方向と横方向とにおいて異なる条件で拡散する構成とした拡散板を設ける場合であり、それぞれ空間光変調部からの画像表示光の放射輝度分布を示す。
図4から、拡散板がない場合には、必要な開口数NA、この場合、縦方向が±10度、横方向が±5度の範囲において、均一性が不十分であり、前述のように虚像を観察する場合には、瞳移動や回転にともなって明るさが変化してしまうことがわかる。
これに対し、図5から明らかなように、拡散板を配置する本発明構成によれば、必要な開口数NA内で均一な明るさが得られることがわかる。
したがって、上述の図1に示す照明光学装置100において、観察者の瞳80が横方向にずれるとか、又は回転した場合でも、輝度が均一であるため明るさの変動として認識されることがなく、輝度むらのない良好な画像の表示を行うことができる。
An example in which the difference in illuminance uniformity with and without the diffuser plate 40 is observed is shown in FIGS. FIG. 4 shows a case where a diffusion plate is not provided, and FIG. 5 shows a case where a diffusion plate configured to diffuse under different conditions, for example, in the vertical direction and the horizontal direction in the display surface of the spatial light modulator as described above. FIG. 4 shows the radiance distribution of image display light from the spatial light modulator.
From FIG. 4, when there is no diffusion plate, the required numerical aperture NA, in this case, the uniformity is insufficient in the range of ± 10 degrees in the vertical direction and ± 5 degrees in the horizontal direction, as described above. When observing a virtual image, it turns out that brightness changes with pupil movement and rotation.
On the other hand, as is apparent from FIG. 5, according to the configuration of the present invention in which the diffusion plate is arranged, it can be seen that uniform brightness can be obtained within the necessary numerical aperture NA.
Therefore, in the illumination optical device 100 shown in FIG. 1 described above, even when the observer's pupil 80 is shifted or rotated in the horizontal direction, the luminance is uniform and thus is not recognized as a variation in brightness. It is possible to display a good image without uneven brightness.

(2)第2の実施形態例
次に、図6を参照して本発明による照明光学装置の第2の実施形態例を説明する。図6において、図1と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この例においては、先細り型のライトパイプ20と拡散板40との間に光学レンズ30を配置し、その他の構成は、図1において説明した例と同様の構成とした例を示す。
(2) Second Embodiment Next, a second embodiment of the illumination optical apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 6, parts corresponding to those in FIG.
In this example, the optical lens 30 is disposed between the tapered light pipe 20 and the diffusion plate 40, and the other configuration is the same as the configuration described in FIG.

この場合、光源10から射出した照明光は、この光源10に光学的に密着された先細り型のライトパイプ20の面積が小さい方の入射面21より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面22より射出する。
射出面22より射出した照明光は、続いて配置される光学レンズ30に入射する。この光学レンズ30は少なくとも1つの光学面が、その光学的パワーが、空間光変調部60の表示面内における一の方向と他の方向、例えば縦方向と横方向とで互いに異なる光学レンズとする。すなわち、この光学レンズ30は、例えば光軸に対し回転対称ではなく、光軸に直交する面内の互いに異なる方向、例えば互いに直交する2方向(X方向及びY方向とする)を対称軸としてもつトーリック面となっている構成とする。この場合、X方向、Y方向で光学パワーが異なり、拡散板40への照明光の入射角度もこれら2方向で異なる。
In this case, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the smaller incident surface 21 of the tapered light pipe 20 that is optically in close contact with the light source 10, and some of the light rays undergo total internal reflection. After repeating, the light exits from the exit surface 22.
The illumination light emitted from the exit surface 22 enters the optical lens 30 that is subsequently arranged. The optical lens 30 is an optical lens having at least one optical surface whose optical power is different in one direction and another direction, for example, the vertical direction and the horizontal direction in the display surface of the spatial light modulator 60. . In other words, the optical lens 30 is not rotationally symmetric with respect to the optical axis, for example, but has different directions in a plane orthogonal to the optical axis, for example, two directions orthogonal to each other (X direction and Y direction) as symmetry axes. The configuration is a toric surface. In this case, the optical power differs in the X direction and the Y direction, and the incident angle of the illumination light to the diffuser plate 40 also differs in these two directions.

拡散板40にて拡散された照明光は、透過型の空間光変調部60を照明する。そして、この空間光変調部60を透過した照明光Lは、次にファインダー光学系等のコリメート光学系70を介して、略平行光になされて観察者の瞳80に入射する。   The illumination light diffused by the diffusion plate 40 illuminates the transmissive spatial light modulator 60. Then, the illumination light L that has passed through the spatial light modulator 60 is made into substantially parallel light and then enters the observer's pupil 80 via a collimating optical system 70 such as a finder optical system.

この実施形態例においては、上述したように光学レンズ30がトーリック面であり、より曲率の大きい面の曲面に沿う方向(X方向)に関しては照明光線の発散角の中心光線と空間光変調部60の法線のなす角は小さく、すなわち、テレセントリックに近くなり、これに直交する方向(Y方向)に関しては、照明光線の発散角の中心光線と空間光変調部60の法線のなす角は、空間光変調部60の周辺にいくほど大きくなるように、すなわち、テレセントリックからはずれていく構成となる。
そしてこの場合においても、拡散板40は、この光学レンズ30のより曲率の大きい面の曲面に沿う方向とこれに直交する方向で拡散度が異なる構成としてもよい。ここでは、光学レンズ30の曲率の大きい曲面に沿う方向(X方向)の拡散度が、これに直交する方向(Y方向)の拡散度よりも大きくなるとする。このような構成とすることにより、空間光変調部60を例えばその縦方向、横方向で互いに異なる条件にて照明することができる。
したがって、この場合においても、空間光変調部60の表示する領域内を均一に照明することができて、観察者の瞳80のずれや回転によっても明るさの変動が観察されない、良好な画像の表示を行うことができる。
In this embodiment, as described above, the optical lens 30 is a toric surface, and the central light beam of the divergence angle of the illumination light beam and the spatial light modulator 60 in the direction along the curved surface of the surface with a larger curvature (X direction). The angle formed by the normal line is small, that is, close to telecentric, and in the direction perpendicular to this (Y direction), the angle formed by the central ray of the divergence angle of the illumination light beam and the normal line of the spatial light modulator 60 is The configuration is such that it increases toward the periphery of the spatial light modulator 60, that is, deviates from telecentricity.
Also in this case, the diffusing plate 40 may have a configuration in which the diffusivity is different between a direction along the curved surface of the surface of the optical lens 30 having a larger curvature and a direction orthogonal thereto. Here, it is assumed that the diffusivity in the direction (X direction) along the curved surface having a large curvature of the optical lens 30 is larger than the diffusivity in the direction orthogonal to the optical lens 30 (Y direction). With such a configuration, the spatial light modulator 60 can be illuminated, for example, under different conditions in the vertical and horizontal directions.
Therefore, even in this case, the area displayed by the spatial light modulation unit 60 can be illuminated uniformly, and a change in brightness is not observed even when the observer's pupil 80 is displaced or rotated. Display can be made.

(3)第3の実施形態例
次に、図7を参照して本発明による照明光学装置の第3の実施形態例を説明する。図7において、図1と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この例においては、ライトパイプ20と拡散板40との間に、光学レンズとして、1軸型等のフレネルレンズ31を配置した例を示す。フレネルレンズ31を用いる場合、装置の薄型化を図ることができる。
(3) Third Embodiment Next, a third embodiment of the illumination optical apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 7, parts corresponding to those in FIG. In this example, an example in which a uniaxial Fresnel lens 31 is disposed as an optical lens between the light pipe 20 and the diffusion plate 40 is shown. When the Fresnel lens 31 is used, the device can be thinned.

この場合、LED等の光源10から射出した照明光は、この光源10に光学密着された先細り型のライトパイプ20の面積が小さい方の入射面21より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面22より射出する。この実施形態例においては、この射出面22はシリンドリカル面となっている。   In this case, the illumination light emitted from the light source 10 such as an LED is incident from the incident surface 21 having the smaller area of the tapered light pipe 20 optically adhered to the light source 10, and some of the light rays are totally reflected internally. After repeating the above, the light is emitted from the emission surface 22. In this embodiment, the emission surface 22 is a cylindrical surface.

射出面22より射出した照明光は、続いて配置される1軸フレネルレンズ31に入射する。この1軸フレネルレンズ31は、シリンドリカル面形状をした射出面22が光学パワーをもつ方向と直交する方向に光学パワーをもつように配置されている。このため直交する2方向で拡散板40へ入射する照明光の角度も異なる。   The illumination light emitted from the emission surface 22 is incident on the subsequently arranged uniaxial Fresnel lens 31. The uniaxial Fresnel lens 31 is arranged such that the cylindrical surface-shaped exit surface 22 has optical power in a direction orthogonal to the direction having optical power. For this reason, the angle of the illumination light incident on the diffusion plate 40 is also different in two orthogonal directions.

拡散板40にて拡散された照明光は、透過型の空間光変調部60を照明する。そして、空間光変調部60を透過した照明光Lは、次にコリメート光学系70を介して、略平行光になされて観察者の瞳80に入射する。   The illumination light diffused by the diffusion plate 40 illuminates the transmissive spatial light modulator 60. The illumination light L that has passed through the spatial light modulator 60 is then converted into substantially parallel light through the collimating optical system 70 and enters the observer's pupil 80.

ここで、上述したように、ライトパイプ20の射出面22がシリンダー面であり、続いて配置される1軸フレネルレンズ31より光学パワーは小さくなされている。そして、1軸フレネルレンズ31が光学パワーをもつ方向(X方向)に関しては照明光線の発散角の中心光線と空間光変調部60の法線のなす角は小さく、すなわち、テレセントリックに近く、これに直交する方向(Y方向)に関しては、照明光線の発散角の中心光線と空間光変調部60の法線のなす角は、空間光変調部60の周辺にいくほど大きくなり、すなわち、テレセントリックからはずれていく構成となる。   Here, as described above, the emission surface 22 of the light pipe 20 is a cylinder surface, and the optical power is smaller than that of the uniaxial Fresnel lens 31 that is subsequently arranged. With respect to the direction in which the uniaxial Fresnel lens 31 has optical power (X direction), the angle formed by the central ray of the divergence angle of the illumination ray and the normal of the spatial light modulator 60 is small, that is, close to telecentric. With respect to the orthogonal direction (Y direction), the angle formed by the central ray of the divergence angle of the illumination light beam and the normal of the spatial light modulator 60 increases toward the periphery of the spatial light modulator 60, that is, deviates from telecentricity. It becomes composition to go.

更に、この形態例にて用いられている拡散板40は、このフレネルレンズ31の、より光学パワーの大きい面の曲面に沿う方向(X方向)とこれに直交する方向(Y方向)で拡散度が異なる構成としてもよい。例えば、光学パワーが大きい方向の拡散度が、光学パワーが小さい方向の拡散度よりも大きくなる構成とする。
このようにして、本実施形態例の照明光学装置は、空間光変調部60に対し、その表示面内の2つの方向、例えば縦方向、横方向で互いに異なる条件にて照明する構成とすることができる。
したがって、この場合においても、空間光変調部60の表示する領域内を均一に照明することができて、観察者の瞳80のずれや回転によっても明るさの変動が観察されない、良好な画像の表示を行うことができる。
Furthermore, the diffuser plate 40 used in this embodiment has a diffusivity in a direction along the curved surface of the surface of the Fresnel lens 31 having a higher optical power (X direction) and a direction perpendicular to the curved surface (Y direction). It is good also as a different structure. For example, the diffusivity in the direction in which the optical power is high is configured to be larger than the diffusivity in the direction in which the optical power is low.
In this manner, the illumination optical apparatus according to the present embodiment is configured to illuminate the spatial light modulator 60 under different conditions in two directions within the display surface, for example, the vertical direction and the horizontal direction. Can do.
Therefore, even in this case, the area displayed by the spatial light modulation unit 60 can be illuminated uniformly, and a change in brightness is not observed even when the observer's pupil 80 is displaced or rotated. Display can be made.

(4)第4の実施形態例
次に、図8を参照して本発明による照明光学装置の他の実施形態例について説明する。図8において、図7と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この例においては、前述の第3の実施形態例において説明した照明光学装置において、ライトパイプとして、射出面22のみでなく側面23も曲面とする例を示す。すなわちこの場合、ライトパイプ20の側面23は、ライトパイプ20の光軸に沿う断面において外側に凸の曲面状とされる。
このように、ライトパイプ20の側面23を曲面とする場合は、光源10から比較的大きな放射角で射出する光線が、このライトパイプ20の内部で全反射になる確率を高めることとなり、光の利用効率を高めることができる。
またこの場合、入射面から射出面まで伝播する光の全反射回数が増加することによって、均一性を高めることも可能である。或いは、同等の均一性でよい場合には、ライトパイプ20の全長を短くすることができ、装置の小型化を図ることができるという利点を有する。
(4) Fourth Embodiment Next, another embodiment of the illumination optical apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 8, parts corresponding to those in FIG. In this example, in the illumination optical apparatus described in the third embodiment, not only the exit surface 22 but also the side surface 23 is curved as a light pipe. That is, in this case, the side surface 23 of the light pipe 20 has a curved surface that protrudes outward in a cross section along the optical axis of the light pipe 20.
In this way, when the side surface 23 of the light pipe 20 is curved, the probability that a light beam emitted from the light source 10 with a relatively large radiation angle will be totally reflected inside the light pipe 20 increases. Use efficiency can be increased.
In this case, the uniformity can be improved by increasing the total number of reflections of light propagating from the entrance surface to the exit surface. Alternatively, when equal uniformity is sufficient, the entire length of the light pipe 20 can be shortened, and the apparatus can be reduced in size.

またこの場合においても、上述の第3の実施形態例と同様に、例えば1軸型のフレネルレンズ31を用いる場合は、その光学パワーをもつ方向と、ライトパイプ20の射出面22の光学パワーをもつ方向との相対的な方向の設定、またこのライトパイプ20の射出面22の形状と光学パワーをもつ方向、更に拡散板40の拡散度の設定などを選定することによって、同様の効果が得られ、すなわち空間光変調部60に対し、その表示面内の2つの方向、例えば縦方向、横方向で互いに異なる条件にて照明する構成とすることができる。
したがって、この場合においても、空間光変調部60の表示する領域内を均一に照明することができて、観察者の瞳80のずれや回転によっても明るさの変動が観察されない、良好な画像の表示を行うことができる。
Also in this case, similarly to the third embodiment described above, for example, when the uniaxial Fresnel lens 31 is used, the direction having the optical power and the optical power of the exit surface 22 of the light pipe 20 are set. The same effect can be obtained by selecting the direction relative to the direction in which the light pipe 20 is held, the shape of the exit surface 22 of the light pipe 20 and the direction having the optical power, and the setting of the diffusivity of the diffusion plate 40. That is, the spatial light modulator 60 may be configured to illuminate under two different conditions in the display surface, for example, the vertical direction and the horizontal direction.
Therefore, even in this case, the area displayed by the spatial light modulation unit 60 can be illuminated uniformly, and a change in brightness is not observed even when the observer's pupil 80 is displaced or rotated. Display can be made.

以上説明した各実施形態例においては、照明光学装置の被照射体として空間光変調部を用い、その表示面内における例えば縦、横の2方向に異なる条件にて照明する構成とするものであり、例えば表示面内の長辺方向と短辺方向において、所望の入射角及び開口数をもって空間光変調部を照明することが可能である。
このため、以下の虚像表示装置の実施形態例において詳細に説明するように、空間光変調部を含む光学系から導光板を介して画像表示光を瞳に導くにあたり、上述したように縦、横の2方向において異なる条件で照明することによって、空間光変調部から導光板に向けて、所望の開口数及び射出角をもって画像表示光が射出され、これにより効率的に瞳に良好な画像の表示を行うことが可能となる。
In each of the exemplary embodiments described above, a spatial light modulation unit is used as an object to be illuminated of the illumination optical apparatus, and illumination is performed under different conditions in, for example, two vertical and horizontal directions within the display surface. For example, the spatial light modulator can be illuminated with a desired incident angle and numerical aperture in the long side direction and the short side direction in the display surface.
For this reason, as described in detail in the following embodiments of the virtual image display device, when the image display light is guided to the pupil from the optical system including the spatial light modulator via the light guide plate, as described above, By illuminating under different conditions in the two directions, image display light is emitted with a desired numerical aperture and emission angle from the spatial light modulator toward the light guide plate, thereby efficiently displaying a good image on the pupil. Can be performed.

以下、このような本発明構成の照明光学装置を用いて虚像表示装置を構成した実施形態例について説明する。
(5)第5の実施形態例
図9A及びBを参照して本発明による照明光学装置を使用した虚像表示装置の一実施形態例を説明する。図9Aは、本発明による虚像表示装置200を観察者の瞳80が観察した状態の概略上面構成図、図9Bは概略側面構成図を示す。図9A及びBにおいては共通するXYZ座標系を示し、観察者の瞳80に対して左右(水平)方向をX方向、上下(縦)方向をY方向、奥行き方向をZ方向として示す。
Hereinafter, an embodiment in which a virtual image display device is configured using such an illumination optical device having the configuration of the present invention will be described.
(5) Fifth Embodiment An embodiment of a virtual image display device using the illumination optical device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 9A and 9B. FIG. 9A is a schematic top configuration diagram in a state where the observer's pupil 80 observes the virtual image display device 200 according to the present invention, and FIG. 9B is a schematic side configuration diagram. 9A and 9B show a common XYZ coordinate system, with respect to the observer's pupil 80, the left / right (horizontal) direction is the X direction, the up / down (vertical) direction is the Y direction, and the depth direction is the Z direction.

この虚像表示装置200は、図9A及びBに示すように、LED等の光源10、例えば先細り型のライトパイプ20、第1及び第2の1軸フレネルレンズ31及び32より成る光学レンズ、拡散板40、ビームスプリッター50、反射型空間光変調部61、ファインダー光学系等のコリメート光学系70、後述するホログラム構造を有する導光板90により構成される。   9A and 9B, the virtual image display device 200 includes a light source 10 such as an LED, for example, a tapered light pipe 20, an optical lens composed of first and second uniaxial Fresnel lenses 31 and 32, and a diffusion plate. 40, a beam splitter 50, a reflective spatial light modulator 61, a collimating optical system 70 such as a finder optical system, and a light guide plate 90 having a hologram structure to be described later.

LED等より成る光源10から射出した照明光は、図9Bに示すように、この光源10に光学的に密着された例えば先細り型のライトパイプ20の面積が小さい方の入射面21より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面22より射出する。   As shown in FIG. 9B, the illumination light emitted from the light source 10 made of LED or the like is incident from an incident surface 21 having a smaller area of, for example, a tapered light pipe 20 optically in close contact with the light source 10, Some light beams are emitted from the emission surface 22 after repeating total internal reflection.

射出面22より射出した照明光は、続いて配置される光学レンズ30、この場合第1及び第2の1軸フレネルレンズ31、32に入射する。これら1軸フレネルレンズ31、32は、それぞれ光学パワーをもつ方向が直交して配置されており、更に互いに光学パワー(すなわち、焦点距離)が異なっている。
フレネルレンズは、アナモルフィックレンズである方が光利用効率を高くできる場合がある。その場合は、それぞれピッチの異なる1方向のフレネルレンズ(すなわち、機能上はシリンドリカルレンズ)2枚を直交して配置することが望ましい。
The illumination light emitted from the exit surface 22 is incident on the optical lens 30 that is subsequently arranged, in this case, the first and second uniaxial Fresnel lenses 31 and 32. These uniaxial Fresnel lenses 31 and 32 are arranged so that directions having optical powers are orthogonal to each other, and optical powers (that is, focal lengths) are different from each other.
In some cases, the Fresnel lens is an anamorphic lens, and the light utilization efficiency can be increased. In that case, it is desirable to arrange two Fresnel lenses in one direction with different pitches (that is, functionally cylindrical lenses) orthogonally.

そして、これら1軸フレネルレンズ31及び32を通過した照明光は、続いて配置される拡散板40に入射する。この拡散板40は、1軸フレネルレンズ31及び32より成る光学レンズ30が光学パワーをもつ方向に沿って拡散性が異なっており、本実施形態例の場合、光学パワーが大きい方向に沿って拡散性が大きくなっている。これにより、拡散板40から射出される光は、両フレネルレンズ31及び32の光学特性及び拡散板30の拡散性によって、射出角及び開口数が調整されて偏光ビームスプリッター(PBS)50に入射される。   And the illumination light which passed these uniaxial Fresnel lenses 31 and 32 injects into the diffuser plate 40 arrange | positioned succeedingly. The diffuser plate 40 has different diffusibility along the direction in which the optical lens 30 including the uniaxial Fresnel lenses 31 and 32 has optical power. In the case of this embodiment, the diffuser 40 diffuses along the direction in which the optical power is large. Sex is getting bigger. Thus, the light emitted from the diffusion plate 40 is incident on the polarization beam splitter (PBS) 50 with the emission angle and numerical aperture adjusted by the optical characteristics of the Fresnel lenses 31 and 32 and the diffusibility of the diffusion plate 30. The

このようにして拡散板40から射出された照明光は、偏光ビームスプリッター50の入射面51より入射し、偏光分離膜52にて例えばS偏光成分のみが反射され、射出面53より射出する。
この照明光は、反射型液晶パネルやDMD(Digital Micro-mirror Device)等の反射型空間光変調部61を照明する。そして、反射型空間光変調部61によって例えば表示する映像に対応して変調された画像表示光は、上述の射出角は反射によって反転され、開口数は保持された状態で射出され、再び偏光ビームスプリッター50に入射し、例えばそのP偏光成分のみが偏光分離膜52によって透過され、射出面54から射出する。
The illumination light emitted from the diffusion plate 40 in this way is incident from the incident surface 51 of the polarization beam splitter 50, and only the S-polarized component is reflected by the polarization separation film 52 and is emitted from the emission surface 53.
This illumination light illuminates a reflective spatial light modulator 61 such as a reflective liquid crystal panel or DMD (Digital Micro-mirror Device). The image display light modulated by the reflective spatial light modulation unit 61 corresponding to the image to be displayed, for example, is emitted with the above-described emission angle reversed by reflection and the numerical aperture maintained, and again the polarized beam. For example, only the P-polarized light component is transmitted through the polarization separation film 52 and exits from the exit surface 54.

偏光ビームスプリッター50の射出面54から射出した画像表示光は、図9Aに示すXZ平面においては、コリメート光学系70にて画角(すなわち反射型空間光変調部61の各画素から射出される光の射出角)が互いに異なる平行光束群とされる。この平行光束群は、これとは直交するYZ平面においては、図9Bに示すように、画角が互いに異なる光束群とされて導光板90に入射する。図9Aにおいては、XZ平面における代表的な平行光束La、Lb及びLcを、また図9Bにおいては、YZ平面における代表的な平行光束LA、LB及びLCを示す。   In the XZ plane shown in FIG. 9A, the image display light emitted from the exit surface 54 of the polarization beam splitter 50 is angled by the collimating optical system 70 (that is, light emitted from each pixel of the reflective spatial light modulator 61). Of the light beams are different from each other. In the YZ plane orthogonal to the parallel light beam group, as shown in FIG. 9B, the parallel light beam groups are made into light beam groups having different angles of view and enter the light guide plate 90. 9A shows typical parallel light beams La, Lb and Lc in the XZ plane, and FIG. 9B shows typical parallel light beams LA, LB and LC in the YZ plane.

この導光板90は、図9Aに示すように、薄い平板型構成とされ、瞳80に対し奥行き方向に相対向する光学面91及び92のうち、光学面91の一端が、コリメート光学系70から射出される光が入射する入射部91Aとされ、光学面91の他端は、瞳80に向かって射出される光が射出する射出部91Bとされる。
上述したように、この例では左右(水平)方向をX方向、上下(縦)方向をY方向とするものであり、すなわちこの場合、観察者の瞳80に対して、横方向から映像や各種情報等を表示する画像表示光が導光されて瞳80に入射される構成とするものである。
なお、この虚像表示装置を頭部装着型ディスプレイ(HMD)に適用する場合、照明光学装置や空間光変調部、虚像表示光学系を瞳に対して上方に配置せず、このように横方向に配置する場合は、瞳80に近接した例えば上方向に配置する場合と比べると、上下の視野内に光学系が設けられないので、良好な外界の観察が可能となる。一方この場合は、導光板90の内部を導光する距離が比較的長くなるため、以下に述べる工夫が必要となる。
As shown in FIG. 9A, the light guide plate 90 has a thin flat plate configuration, and one end of the optical surface 91 out of the collimating optical system 70 out of the optical surfaces 91 and 92 facing the pupil 80 in the depth direction. An incident portion 91A where the emitted light is incident is used, and the other end of the optical surface 91 is an emission portion 91B where the light emitted toward the pupil 80 is emitted.
As described above, in this example, the left / right (horizontal) direction is the X direction, and the up / down (vertical) direction is the Y direction. Image display light for displaying information and the like is guided and incident on the pupil 80.
In addition, when this virtual image display device is applied to a head-mounted display (HMD), the illumination optical device, the spatial light modulation unit, and the virtual image display optical system are not arranged above the pupil, and thus in the lateral direction. In the case of arrangement, as compared with the case of arrangement in the upper direction close to the pupil 80, for example, an optical system is not provided in the upper and lower visual fields, so that it is possible to observe the external environment better. On the other hand, in this case, since the distance for guiding the inside of the light guide plate 90 becomes relatively long, the following device is required.

上述の構成において、導光板90に入射部91Aから入射された画像表示光は、入射部91Aと対向する位置に光学面92に設けられる第1の反射型体積ホログラムグレーティング93に入射する。この例においては、この第1の反射型体積ホログラムグレーティング93は、位置に係らず均等なホログラム表面の干渉縞ピッチを有する構成とする。   In the above configuration, the image display light incident on the light guide plate 90 from the incident portion 91A is incident on the first reflective volume hologram grating 93 provided on the optical surface 92 at a position facing the incident portion 91A. In this example, the first reflective volume hologram grating 93 has a uniform hologram surface interference fringe pitch regardless of position.

そして第1の反射型体積ホログラムグレーティング93により回折反射された光は、導光板90内部において、図9Aで示すXZ平面のZ方向には、各光束La〜Lcが平行光束のまま光学面91及び92の間で全反射を繰り返しながら導光し、他端に設けられた第2の反射型体積ホログラムグレーティング94に向けてX方向に進行する。図9Aにおいては、光束Laは破線、Lbは実線、Lcは二点鎖線でそれぞれ示す。
本実施形態例においては、導光板90が薄く、また上述したように導光板90を進行する光路が比較的長いため、図9Aに示すように、各画角によって第2の反射型体積ホログラムグレーティング94に至るまでの全反射回数は異なっている。
Then, the light diffracted and reflected by the first reflective volume hologram grating 93 is formed in the light guide plate 90 in the Z direction of the XZ plane shown in FIG. The light is guided while repeating total reflection between 92 and proceeds in the X direction toward the second reflective volume hologram grating 94 provided at the other end. In FIG. 9A, the luminous flux La is indicated by a broken line, Lb is indicated by a solid line, and Lc is indicated by a two-dot chain line.
In this embodiment, since the light guide plate 90 is thin and the optical path traveling through the light guide plate 90 is relatively long as described above, as shown in FIG. The total number of reflections up to 94 is different.

これについてより詳細に述べれば、導光板90に入射する平行光La、Lb及びLcのうち、第2の反射型体積ホログラムグレーティング94の方に傾きながら入射する平行光Laの反射回数は、それと逆方向の角度で導光板90に入射する平行光Lcの反射回数よりも少なくなっている。すなわち、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93のホログラム表面の干渉縞ピッチが等間隔のため、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93において回折反射される射出角が、第2の反射型体積ホログラムグレーティング94の方に傾きながら入射する平行光の方が、それと逆方向の角度で入射する平行光の射出角よりも大きくなる。
第2の反射型体積ホログラムグレーティング94に入射した各画角の平行光は、回折反射により全反射条件からはずれ、導光板90から射出し観察者の瞳80に入射する。
More specifically, the number of reflections of the parallel light La incident on the light guide plate 90 while being inclined toward the second reflective volume hologram grating 94 out of the parallel lights La, Lb, and Lc is opposite to that. It is less than the number of reflections of the parallel light Lc incident on the light guide plate 90 at the angle of the direction. That is, since the interference fringe pitches on the hologram surface of the first reflective volume hologram grating 93 are equally spaced, the exit angle diffracted and reflected by the first reflective volume hologram grating 93 is the second reflective volume hologram grating. The parallel light incident while tilting toward 94 is larger than the exit angle of the parallel light incident at an angle opposite to that.
The parallel light of each angle of view that has entered the second reflective volume hologram grating 94 deviates from the total reflection condition due to diffraction reflection, and exits from the light guide plate 90 and enters the observer's pupil 80.

なお、導光板90内では、瞳80に対し上下方向となるY方向については反射しない。すなわち、各平行光束群が、導光板90内で反射する反射方向と、伝播する方向とに沿う平面とほぼ直交するY方向については反射しない。
図9Bに示すように、YZ平面において各画角の異なる入射光LA、LB及びLCは導光板90内においてZ方向に反射を繰り返すが、Y方向には反射しないで射出部91Bに到達する。
この様子を図10の概略側面構成図に示す。図10において、図9Bと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。図10に示すように、コリメート光学系70から射出された光は、YZ平面においては収束されて入射部91Aから入射されて導光板90内をX方向(図10の紙面と垂直な方向)に進行する。このYZ平面においてコリメート光学系70から射出される画角の異なる代表的な入射光の進行方向を矢印Ai、Bi及びCiで示す。これらの光はY方向に収束されて導光板90の光学面91及び92を矢印Ai1、Ai2、・・・、Ci1、Ci2、・・・、で示すように反射しながら進行し、第2の反射型体積ホログラムグレーティング94により反射回折されて射出部91Bから射出されて観察者の瞳80に矢印Ao、Bo及びCoで示すように入射される。
この場合、上述したように、これらの光はY方向には収束されるので、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93のY方向の長さに対し、第2の反射型体積ホログラムグレーティング94の反射回折面は比較的短い構成としてもよい。
In the light guide plate 90, the Y direction which is the vertical direction with respect to the pupil 80 is not reflected. That is, each parallel light beam group does not reflect in the Y direction substantially orthogonal to the plane along the reflection direction in the light guide plate 90 and the propagation direction.
As shown in FIG. 9B, the incident lights LA, LB, and LC having different angles of view on the YZ plane repeatedly reflect in the Z direction within the light guide plate 90, but do not reflect in the Y direction and reach the exit portion 91B.
This is shown in the schematic side view of FIG. 10, parts corresponding to those in FIG. 9B are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. As shown in FIG. 10, the light emitted from the collimating optical system 70 is converged on the YZ plane and is incident from the incident portion 91 </ b> A to the inside of the light guide plate 90 in the X direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 10). proceed. Arrows Ai, Bi, and Ci indicate the traveling directions of typical incident light having different angles of view emitted from the collimating optical system 70 in the YZ plane. These lights converge in the Y direction and travel while reflecting the optical surfaces 91 and 92 of the light guide plate 90 as indicated by arrows Ai1, Ai2,..., Ci1, Ci2,. The light is reflected and diffracted by the reflection type volume hologram grating 94, is emitted from the exit portion 91B, and enters the observer's pupil 80 as indicated by arrows Ao, Bo, and Co.
In this case, as described above, since these lights are converged in the Y direction, the reflection of the second reflection type volume hologram grating 94 with respect to the length of the first reflection type volume hologram grating 93 in the Y direction. The diffractive surface may have a relatively short configuration.

以上説明したX方向及びY方向の光束の空間光変調部からの射出角及び開口数の違いについて、図11及び12を用いて説明する。
この虚像表示装置の実施形態例においては、ホログラムを設けた導光板90を用いているため、観察者の瞳80を射出瞳と考えた場合、反射型空間光変調部61からの映像光の射出角及び開口数NAは、反射型等の空間光変調部の画像表示エリアの例えば長辺(X)方向と短辺(Y)方向によって、また、画像表示エリアの中心からの距離によって異なっている。
すなわち、図11に示すように、空間光変調部60の長辺方向に対応するX方向では、各画素から射出される光は、それぞれ一点鎖線で示すように、その主光線が空間光変調部60の表示面に対し略垂直でテレセントリックな状態に近く、かつ開口数NAが後述する利用により比較的大きく設定される。
一方、図12に示すように、短辺方向に対応するY方向では、各画素から射出される光は、空間光変調部60の表示面の中心から離れるほど射出角がテレセントリックな状態、すなわち空間光変調部60の表示面と画像表示光の一点鎖線で示す主光線とのなす角が垂直な状態から離れていき、しかも開口数NAは比較的小さくされる。
Differences in the emission angle and numerical aperture of the light beams in the X direction and Y direction described above from the spatial light modulator will be described with reference to FIGS.
In this embodiment of the virtual image display device, since the light guide plate 90 provided with the hologram is used, when the observer's pupil 80 is considered as the exit pupil, the image light is emitted from the reflective spatial light modulator 61. The corners and the numerical aperture NA differ depending on, for example, the long side (X) direction and the short side (Y) direction of the image display area of the spatial light modulation unit such as a reflection type, and also depending on the distance from the center of the image display area. .
That is, as shown in FIG. 11, in the X direction corresponding to the long-side direction of the spatial light modulator 60, the light emitted from each pixel has its chief ray as indicated by the alternate long and short dash line. The display surface is substantially perpendicular to the 60 display surface and close to a telecentric state, and the numerical aperture NA is set to be relatively large by the use described later.
On the other hand, as shown in FIG. 12, in the Y direction corresponding to the short side direction, the light emitted from each pixel is in a state where the emission angle becomes telecentric as the distance from the center of the display surface of the spatial light modulator 60 increases, that is, in the space. The angle formed by the display surface of the light modulator 60 and the principal ray indicated by the one-dot chain line of the image display light moves away from the vertical state, and the numerical aperture NA is made relatively small.

これら図11及び図12に示す方向における射出角の違いを下記の表1及び表2にそれぞれ示す。各表1及び表2において、光軸からの像高位置において、各画角の中心を通る光の光軸からの角度である主光線角と、その射出光の広がり角である上光線角及び下光線角をそれぞれ示す。   The differences in the exit angles in the directions shown in FIGS. 11 and 12 are shown in Tables 1 and 2 below. In each Table 1 and Table 2, at the image height position from the optical axis, the principal ray angle that is the angle from the optical axis of the light passing through the center of each angle of view, and the upper ray angle that is the spread angle of the emitted light, and Each lower ray angle is shown.

表1から、X方向では±20度程度の広がり角であるのに対し、Y方向では±5°程度の広がり角である。すなわちX方向では開口数NAが大きく、Y方向では開口数NAが小さい。
つまりこの場合、空間光変調部の一の方向と他の方向、すなわちX方向及びY方向において、射出光の開口数及び主光線の射出角がそれぞれ互いに異なっていることがわかる。
From Table 1, the spread angle is about ± 20 degrees in the X direction, whereas the spread angle is about ± 5 degrees in the Y direction. That is, the numerical aperture NA is large in the X direction, and the numerical aperture NA is small in the Y direction.
That is, in this case, it can be seen that the numerical aperture of the emitted light and the emission angle of the principal ray are different from each other in one direction and the other direction, that is, the X direction and the Y direction.

このように、上述の虚像表示装置において、開口数NA及び射出角がX方向とY方向とに対して異方性を有する構成となる理由について、図13A及びB、更に図14を用いて説明する。
図9Aにおいて説明したように、空間光変調部の長辺方向(X方向)と対応する進行方向においては、各画角によって導光板90内を反射する回数が違い、すなわち光路長が異なるが、図13Aに示すように、伝播する光束が全て平行光束であるため、いわば折りたたまれるように光束群が進行して各画角の光束の光路長が変わっても、導光板より射出する画角は不変のため画像を乱すことはない。この場合、コリメート光学系70でのX方向の口径は比較的小さくできる。
As described above, the reason why the numerical aperture NA and the emission angle have anisotropy in the X direction and the Y direction in the above-described virtual image display device will be described with reference to FIGS. 13A and 13B and FIG. To do.
As described in FIG. 9A, in the traveling direction corresponding to the long side direction (X direction) of the spatial light modulator, the number of times of reflection in the light guide plate 90 is different depending on each angle of view, that is, the optical path length is different. As shown in FIG. 13A, since the propagating light beams are all parallel light beams, the angle of view emitted from the light guide plate is changed even if the light beam group advances and the optical path length of the light beams of each angle of view changes so as to be folded. The image is not disturbed because it is unchanged. In this case, the aperture in the X direction in the collimating optical system 70 can be made relatively small.

これに対し、空間光変調部の短辺方向(Y方向)においては、図13Bに示すように、射出瞳から逆光線追跡を行うと明らかなように、ひたすら上下画角が離れていく。上述したように、頭部装着型ディスプレイに適用する場合に、光学系を瞳に対して横方向に配置すると、導光板の長さLgは例えば人間の平均的な顔の大きさから60mm程度必要となる。導光板90の内部でY方向すなわち上下方向に反射させると像の上下が反転してしまうので、前述したようにY方向には反射しないで進行させるとすると、光はコリメート光学系70に到達するまでに大きく広がってしまい、Y方向の口径は大きくなる。すなわちこの場合、上下の(Y方向の)画角の光線は、空間光変調部60に対してテレセントリック状態からはずれた構成となる。   On the other hand, in the short side direction (Y direction) of the spatial light modulation unit, as shown in FIG. 13B, the vertical field angle is far apart as is apparent when reverse ray tracing is performed from the exit pupil. As described above, when applied to a head-mounted display, if the optical system is disposed laterally with respect to the pupil, the length Lg of the light guide plate needs to be about 60 mm from the average size of a human face, for example. It becomes. If the light is reflected in the Y direction, that is, the vertical direction inside the light guide plate 90, the image is inverted up and down. Therefore, if the light is advanced without being reflected in the Y direction as described above, the light reaches the collimating optical system 70. And the diameter in the Y direction increases. In other words, in this case, the upper and lower (Y-direction) angle-of-view rays are configured to deviate from the telecentric state with respect to the spatial light modulator 60.

一方、X方向及びY方向の開口数NAx及びNAyは、それぞれ以下の通りとなる。
先ず、Y方向の開口数NAyは、観察者の瞳径をDとし、コリメート光学系70の焦点距離をfとすると、
NAy=D/(2f)
となる。
On the other hand, numerical apertures NAx and NAy in the X direction and Y direction are as follows, respectively.
First, the numerical aperture NAy in the Y direction is such that the pupil diameter of the observer is D and the focal length of the collimating optical system 70 is f.
NAy = D / (2f)
It becomes.

これに対し、X方向の開口数NAxは、上述したように、光束が導光板内で折り返し反射する構成であることから、Y方向のように瞳径から一義的に求められない。
すなわち、図14に示す構成図において逆光線追跡を行うと明らかなように、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93の縁部と光学面92とに跨る位置で折り返して反射する光束が存在する。逆光線追跡を行うと、この光束の一部(すなわち光学面92で反射される部分)は反射を繰り返して第1の反射型体積ホログラムグレーティング93の異なる位置で回折され、コリメート光学系70に到達する。一方、残りの光束は、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93の端部で回折されそのままコリメート光学系70に到達する。つまり、この光束は、同一の画素から射出される同一画角の平行光束であるが、第1の反射型体積ホログラムグレーティング93の異なる部分で回折反射して導光板90内で合波されて伝播する光束が存在することとなる。
瞳80の全領域に光を到達させるためには、このようないわば分岐する光束を含め照明することが望ましいが、1画素から射出する光を2つの発散光に分岐して照明することは難しい。したがって、図14に示すように、照明光の見かけのNAxは大きくすることが必要となる。図14において、図9Aと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
したがって、この光学系においては、X方向の見かけの開口数NAxは比較的大きく、Y方向の開口数NAyは比較的小さくなることがわかる。
On the other hand, the numerical aperture NAx in the X direction is not uniquely determined from the pupil diameter as in the Y direction because the light beam is reflected back in the light guide plate as described above.
That is, as apparent from the back ray tracing in the configuration diagram shown in FIG. 14, there is a light beam that is reflected back and reflected at a position straddling the edge of the first reflective volume hologram grating 93 and the optical surface 92. When reverse ray tracing is performed, a part of this light beam (that is, a part reflected by the optical surface 92) is repeatedly reflected and diffracted at different positions of the first reflective volume hologram grating 93 to reach the collimating optical system 70. . On the other hand, the remaining light flux is diffracted at the end of the first reflective volume hologram grating 93 and reaches the collimating optical system 70 as it is. That is, this light beam is a parallel light beam having the same angle of view emitted from the same pixel, but is diffracted and reflected by different parts of the first reflection type volume hologram grating 93 and combined and propagated in the light guide plate 90. There will be a luminous flux that
In order to allow light to reach the entire area of the pupil 80, it is desirable to illuminate including a so-called branched light beam. However, it is difficult to illuminate the light emitted from one pixel into two divergent lights. . Therefore, as shown in FIG. 14, it is necessary to increase the apparent NAx of the illumination light. In FIG. 14, parts corresponding to those in FIG.
Therefore, it can be seen that in this optical system, the apparent numerical aperture NAx in the X direction is relatively large, and the numerical aperture NAy in the Y direction is relatively small.

以上説明したように、上述の実施形態例の虚像表示装置においては、導光板の形状や、導光板内の光束の進行形態などの構成条件に起因して、空間光変調部からコリメート光学系に射出される各画素に対応する主光線の射出角、開口数がX方向とY方向とで異なる異方性を有する光学特性が要求される。
これに対して、本発明においては、上述したように、空間光変調部に対する照明光学系において拡散板40を設け、光学レンズ30と拡散板40、またライトパイプ20と拡散板40の光学的特性を、前述の図1〜図3、また図6〜図8において説明したように、それぞれ例えばX方向においてはテレセントリックに近く、また拡散角を比較的大きく、Y方向においてはテレセントリックからはずれ、拡散角を比較的小さくするなどの光学的異方性をもって構成することによって、上述の虚像表示装置において適切に空間光変調部を照明する照明光学装置を提供することができる。
これにより、空間光変調部により変調された画像を表示する射出光は、所望の開口数、射出角をもって導光板を伝播して、無駄なく、また画像の乱れを生じることなく瞳に到達する。したがって、本発明の照明光学装置及び虚像表示装置によれば、前述したように均一な輝度をもって効率よく光を利用することによって瞳80の位置ずれや回転によっても明るさの変動を招くことがなく、かつ良好な画像を表示することができる。
As described above, in the virtual image display device according to the above-described embodiment, the spatial light modulation unit changes from the spatial light modulation unit to the collimating optical system due to the configuration conditions such as the shape of the light guide plate and the traveling form of the light beam in the light guide plate. Optical characteristics having anisotropy in which the emission angle and numerical aperture of the principal ray corresponding to each emitted pixel are different in the X direction and the Y direction are required.
On the other hand, in the present invention, as described above, the diffusing plate 40 is provided in the illumination optical system for the spatial light modulator, and the optical characteristics of the optical lens 30 and the diffusing plate 40, and the light pipe 20 and the diffusing plate 40 are provided. 1 to 3 and FIGS. 6 to 8, respectively, for example, the X direction is close to telecentric, the diffusion angle is relatively large, and the Y direction is deviated from telecentric and the diffusion angle. By making the optical anisotropy such as relatively small, it is possible to provide an illumination optical device that appropriately illuminates the spatial light modulator in the virtual image display device described above.
As a result, the emitted light that displays the image modulated by the spatial light modulator propagates through the light guide plate with a desired numerical aperture and emission angle, and reaches the pupil without waste and without causing image distortion. Therefore, according to the illumination optical device and the virtual image display device of the present invention, as described above, the light is efficiently used with uniform luminance, so that the brightness does not change even if the pupil 80 is displaced or rotated. And a good image can be displayed.

なお、本発明は、上述した各実施形態例に限定されるものではなく、光源や空間光変調部の種類や配置、ライトパイプや光学レンズ及び拡散板の光学的特性等において、本発明構成を逸脱しない範囲において種々の変形、変更が可能であり、特に、上述の実施形態例において説明した頭部装着型ディスプレイ以外の各種の虚像表示装置に適用可能であることはいうまでもない。   The present invention is not limited to each of the above-described embodiments. The configuration of the present invention is not limited to the type and arrangement of the light source and the spatial light modulator, the optical characteristics of the light pipe, the optical lens, and the diffusion plate. It goes without saying that various modifications and changes can be made without departing from the scope, and in particular, it can be applied to various virtual image display devices other than the head-mounted display described in the above embodiment.

本発明による照明光学装置の一実施形態例の概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of an illumination optical apparatus according to the present invention. Aは本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。Bは本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。1A is a schematic configuration diagram of a main part of an embodiment of an illumination optical apparatus according to the present invention. FIG. B is a schematic configuration diagram of a main part of an embodiment of an illumination optical apparatus according to the present invention. Aは本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。Bは本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。1A is a schematic configuration diagram of a main part of an embodiment of an illumination optical apparatus according to the present invention. FIG. B is a schematic configuration diagram of a main part of an embodiment of an illumination optical apparatus according to the present invention. 比較例による照明光学装置の一例における輝度分布を示す観察図である。It is an observation figure which shows the luminance distribution in an example of the illumination optical apparatus by a comparative example. 本発明による照明光学装置の一例における輝度分布を示す観察図である。It is an observation figure which shows the luminance distribution in an example of the illumination optical apparatus by this invention. 本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the principal part of one Embodiment of the illumination optical apparatus by this invention. 本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the principal part of one Embodiment of the illumination optical apparatus by this invention. 本発明による照明光学装置の一実施形態例の要部の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the principal part of one Embodiment of the illumination optical apparatus by this invention. Aは本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略上面構成図である。Bは本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略側面構成図である。A is a schematic top view of an embodiment of a virtual image display device according to the present invention. B is a schematic side view of an embodiment of a virtual image display device according to the present invention. 本発明による虚像表示装置の一実施形態例の要部の概略側面構成図である。It is a schematic side block diagram of the principal part of one Example of the virtual image display apparatus by this invention. 空間光変調部から射出した光のX方向の射出角及び開口数の説明図である。It is explanatory drawing of the emission angle and numerical aperture of the X direction of the light inject | emitted from the spatial light modulation part. 空間光変調部から射出した光のY方向の射出角及び開口数の説明図である。It is explanatory drawing of the emission angle and numerical aperture of the Y direction of the light inject | emitted from the spatial light modulation part. Aは射出瞳からX方向の逆光線追跡を行った説明図である。Bは射出瞳からY方向の逆光線追跡を行った説明図である。A is an explanatory diagram in which reverse ray tracing in the X direction is performed from the exit pupil. B is an explanatory diagram in which reverse ray tracing in the Y direction is performed from the exit pupil. 本発明による虚像表示装置の一実施形態例のX方向の開口数の説明図である。It is explanatory drawing of the numerical aperture of the X direction of one Example of the virtual image display apparatus by this invention. 従来のライトパイプを用いた画像投影装置の一例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of an example of the image projection apparatus using the conventional light pipe. 従来のライトパイプを用いた画像投影装置の一例の概略構成図である。It is a schematic block diagram of an example of the image projection apparatus using the conventional light pipe. Aはライトパイプを用いた虚像表示装置の一例の概略構成図である。Bはライトパイプを用いた虚像表示装置の一例の概略構成図である。Cはライトパイプを用いた虚像表示装置の一例の概略構成図である。A is a schematic block diagram of an example of a virtual image display device using a light pipe. B is a schematic configuration diagram of an example of a virtual image display device using a light pipe. C is a schematic configuration diagram of an example of a virtual image display device using a light pipe.

符号の説明Explanation of symbols

10.光源、20.ライトパイプ、21.入射面、22.射出面、30.光学レンズ、31.フレネルレンズ、40.拡散板、50.偏光ビームスプリッター、60.空間光変調部、70.コリメート光学系、80.瞳、90.導光板、91.光学面、91A.入射部、91B.射出部、92.光学面、93.第1の反射型体積ホログラムグレーティング、94.第2の反射型体積ホログラムグレーティング、100.照明光学装置、200.虚像表示装置   10. Light source, 20. Light pipe, 21. Incident surface, 22. Emission surface, 30. Optical lens, 31. Fresnel lens, 40. Diffusion plate, 50. Polarizing beam splitter, 60. Spatial light modulator 70. Collimating optical system, 80. Pupil, 90. Light guide plate, 91. Optical surface, 91A. Incident part, 91B. Injection part, 92. Optical surface, 93. First reflective volume hologram grating, 94. Second reflective volume hologram grating, 100. Illumination optical apparatus, 200. Virtual image display device

Claims (14)

光源と、
前記光源より射出した光束が入射する入射面と、少なくとも入射した前記光束の一部内部全反射させる側面と、前記入射面よりも面積の大きい射出面とを有するライトパイプと、
前記ライトパイプから射出された光束が入射する少なくとも1つの光学レンズと、
前記光学レンズから出射した光束を拡散する拡散板と、
前記拡散板にて拡散された光で照明される空間光変調部と、を備え、
前記光学レンズのうち少なくとも1つは、2つのシリンドリカルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる照明光学装置。
A light source;
An incident surface on which light beams emitted from the light source is incident, a light pipe having a side surface for total internal reflection of a portion of said light beam at least incident, and a large exit surface area than the incident surface,
At least one optical lens on which a light beam emitted from the light pipe is incident;
A diffusion plate for diffusing a light beam emitted from the optical lens;
A spatial light modulator illuminated with light diffused by the diffuser , and
At least one of the optical lenses is formed by arranging two cylindrical lenses so that their optical powers are orthogonal to each other, and the optical power is different from one direction in the display surface of the spatial light modulator and the other. Different illumination optical devices depending on the direction .
光源と、A light source;
前記光源より射出した光束が入射する入射面と、少なくとも入射した前記光束の一部を内部全反射させる側面と、前記入射面よりも面積の大きい射出面とを有するライトパイプと、A light pipe having an incident surface on which a light beam emitted from the light source is incident, a side surface that totally internally reflects at least a part of the incident light beam, and an emission surface having a larger area than the incident surface;
前記ライトパイプから射出された光束が入射する少なくとも1つの光学レンズと、At least one optical lens on which a light beam emitted from the light pipe is incident;
前記光学レンズから出射した光束を拡散する拡散板と、A diffusion plate for diffusing a light beam emitted from the optical lens;
前記拡散板にて拡散された光で照明される空間光変調部と、を備え、A spatial light modulator illuminated with light diffused by the diffuser, and
前記光学レンズのうち少なくとも1つは、1方向にのみ光学パワーを有する2つのフレネルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる照明光学装置。At least one of the optical lenses is formed by arranging two Fresnel lenses having optical power only in one direction so that their optical powers are orthogonal to each other, and the optical power is the display surface of the spatial light modulator. Illumination optical devices that are different from each other in one direction and the other.
前記ライトパイプの入射面、射出面あるいは側面の少なくとも1つの面は、曲面とされる
請求項1又は2記載の照明光学装置。
Incident surface of the light pipe, at least one side of the exit surface or the side surface, the illumination optical apparatus according to claim 1 or 2, wherein the curved surface.
前記ライトパイプの入射面あるいは射出面の少なくとも1つの面が有する曲面の曲率は、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる
請求項記載の照明光学装置。
The illumination optical apparatus according to claim 3 , wherein the curvature of the curved surface of at least one of the incident surface and the exit surface of the light pipe is different in one direction and the other direction in the display surface of the spatial light modulator. .
前記拡散板は、前記ライトパイプの射出面の曲面の曲率が大きい方向に沿って拡散性が
大きくなっている
請求項記載の照明光学装置。
The illumination optical device according to claim 4 , wherein the diffusing plate has a diffusivity that increases along a direction in which the curvature of the curved surface of the light pipe exit surface is large.
前記光源と前記ライトパイプとが、光学的に密着されて成る
ことを特徴とする請求項1又は2記載の照明光学装置。
It said light pipe and the light source, the illumination optical apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that formed by optically adhesion.
前記拡散板は、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる拡散性を有する
請求項1又は2記載の照明光学装置。
The diffusion plate, the illumination optical apparatus according to claim 1 or 2, wherein having different diffusivity in one direction and the other direction in the spatial light modulator of the display surface.
前記拡散板は、前記光学レンズの光学パワーの大きい方向に沿って拡散性が大きくなっている
請求項1又は2記載の照明光学装置。
The diffusion plate, the illumination optical apparatus according to claim 1 or 2, wherein the diffusion resistance along the direction of larger optical power is large in the optical lens.
照明光学装置と、空間光変調部により変調された表示画像を観察者の瞳に導く虚像結像光学系とを有
前記照明光学装置は、
光源と、
前記光源より射出した光束が入射する入射面と、少なくとも入射した前記光束の一部内部全反射させる側面と、前記入射面よりも面積の大きい射出面とを有するライトパイプと、
前記ライトパイプから射出された光束が入射する少なくとも1つの光学レンズと、
前記光学レンズから出射した光束を拡散する拡散板と、
前記拡散板にて拡散された光で照明される空間光変調部と、を備え、
前記光学レンズのうち少なくとも1つは、2つのシリンドリカルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる虚像表示装置。
An illumination optical device and a virtual image forming optical system which guides the observer's pupil modulated displayed image by the spatial light modulator possess,
The illumination optical device comprises:
A light source;
An incident surface on which light beams emitted from the light source is incident, a light pipe having a side surface for total internal reflection of a portion of said light beam at least incident, and a large exit surface area than the incident surface,
At least one optical lens on which a light beam emitted from the light pipe is incident;
A diffusion plate for diffusing a light beam emitted from the optical lens;
A spatial light modulator illuminated with light diffused by the diffuser , and
At least one of the optical lenses is formed by arranging two cylindrical lenses so that their optical powers are orthogonal to each other, and the optical power is different from one direction in the display surface of the spatial light modulator and the other. Different virtual image display devices depending on the direction .
照明光学装置と、空間光変調部により変調された表示画像を観察者の瞳に導く虚像結像光学系とを有し、An illumination optical device, and a virtual image imaging optical system that guides the display image modulated by the spatial light modulator to the observer's pupil,
前記照明光学装置は、The illumination optical device comprises:
光源と、A light source;
前記光源より射出した光束が入射する入射面と、少なくとも入射した前記光束の一部を内部全反射させる側面と、前記入射面よりも面積の大きい射出面とを有するライトパイプと、A light pipe having an incident surface on which a light beam emitted from the light source is incident, a side surface that totally internally reflects at least a part of the incident light beam, and an emission surface having a larger area than the incident surface;
前記ライトパイプから射出された光束が入射する少なくとも1つの光学レンズと、At least one optical lens on which a light beam emitted from the light pipe is incident;
前記光学レンズから出射した光束を拡散する拡散板と、A diffusion plate for diffusing a light beam emitted from the optical lens;
前記拡散板にて拡散された光で照明される空間光変調部と、を備え、A spatial light modulator illuminated with light diffused by the diffuser, and
前記光学レンズのうち少なくとも1つは、1方向にのみ光学パワーを有する2つのフレネルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されてなり、その光学的パワーが、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向とで互いに異なる虚像表示装置。At least one of the optical lenses is formed by arranging two Fresnel lenses having optical power only in one direction so that their optical powers are orthogonal to each other, and the optical power is the display surface of the spatial light modulator. Virtual image display devices that are different from each other in one direction and the other.
前記虚像結像光学系は、前記空間光変調部の表示面内における一の方向と他の方向に沿った前記空間光変調部からの射出光の開口数及び/又は主光線の射出角が互いに異なる
請求項9又は10記載の虚像表示装置。
In the virtual image forming optical system, the numerical aperture of the light emitted from the spatial light modulator and / or the emission angle of the principal ray along the one direction and the other direction in the display surface of the spatial light modulator are mutually different. The virtual image display device according to claim 9 or 10 .
前記虚像結像光学系は、前記空間光変調部の各画素から射出した光束を互いに進行方位が異なる平行光束群にするコリメート光学系と、前記平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後観察者の瞳に向けて射出するよう構成された導光板とから構成され、
前記導光板は、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第1の反射型体積ホログラムグレーティングと、前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第2の反射型体積ホログラムグレーティングとを有する
請求項11記載の虚像表示装置。
The virtual image forming optical system includes a collimating optical system that converts light beams emitted from each pixel of the spatial light modulation unit into parallel light beam groups having different traveling directions, and the parallel light beam groups are incident and propagated by total internal reflection. It is composed of a light guide plate configured to emit toward the pupil of the rear observer,
The light guide plate includes a first reflective volume hologram grating that diffracts and reflects the parallel light beam group so as to satisfy an internal total reflection condition in the light guide plate while maintaining the parallel light beam group in the incident region of the parallel light beam group; The virtual image display apparatus according to claim 11 , further comprising: a second reflective volume hologram grating that diffracts and reflects the parallel light beam group so that the parallel light beam group is emitted from the light guide plate as the parallel light beam group in an emission region of the parallel light beam group.
前記平行光束群は、前記導光板内で反射する方向と、前記導光板内を伝播する方向とに沿う平面に対してほぼ直交する方向には反射しないで伝播される
請求項12記載の虚像表示装置。
The virtual image display according to claim 12 , wherein the parallel light beam group is propagated without being reflected in a direction substantially orthogonal to a plane along a direction reflecting in the light guide plate and a direction propagating in the light guide plate. apparatus.
前記平行光束群は、前記第1の反射型体積ホログラムグレーティングの異なる部分で回折反射されて合波される平行光束を含む
請求項12記載の虚像表示装置。
The virtual image display device according to claim 12 , wherein the parallel light beam group includes parallel light beams that are diffracted and reflected by different portions of the first reflective volume hologram grating and combined.
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