JP5017817B2 - Virtual image optical device - Google Patents

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Description

本発明は、空間光変調光学装置を用いた虚像表示装置に関する。 The present invention relates to a virtual image display apparatus using the spatial light modulating optical equipment.

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18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18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. 18, an example of an illumination optical device using a conventional tapered light pipe described in Patent Document 1 will be described. As shown in the schematic configuration diagram of FIG. 18, this illumination optical apparatus includes a light source 1506, a reflecting mirror 1508, and a tapered light pipe 1502, and a reflector 1512 that reflects light 1501 emitted from the light source 1506 forward. 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 small and light, 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19及び図20A〜Cを参照して説明する。先ず、図19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. 19 and FIGS. First, as shown in FIG. 19, 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20A〜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20Aに示すように、瞳80が正規の観察瞳位置から、図20Bにおいて矢印aで示すように移動したり、図20C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。
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。
したがって、このような不均一性を改善するには、例えば拡散板などを用いることによって、空間光変調部に対して比較的大きい照明開口数をもって照明することが望ましい。
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. 20A to 20C, 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. 20A, 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. 20 or rotates as shown by arrow b in FIG. 20C, it will be recognized as a variation in brightness.
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.
Therefore, in order to improve such non-uniformity, it is desirable to illuminate the spatial light modulator with a relatively large illumination numerical aperture by using, for example, a diffusion plate.

一方、虚像表示装置や投射型画像表示装置の空間光変調部として例えば液晶パネルを用いる場合、光利用効率を高めるには、透過型液晶パネルよりも光利用効率に優れている反射型の液晶パネルを用いることが求められる。
このような反射型の空間光変調部を用いる場合は、照明光学系の射出面と空間光変調部との間に偏光ビームスプリッターなどの光学部品を介在させる必要があることから、これらの間隔が比較的大きくなる。したがって、上述したような虚像結合光学系に用いる場合などのように、輝度の均一性を保つためにこの反射型空間光変調部に対して比較的大きな照明開口数をもって照明する場合は、このライトパイプが長くなってしまうという問題が生じる。
On the other hand, when using, for example, a liquid crystal panel as a spatial light modulation unit of a virtual image display device or a projection type image display device, a reflective liquid crystal panel that is superior in light use efficiency to a transmissive liquid crystal panel in order to increase the light use efficiency Is required to be used.
When using such a reflective spatial light modulator, it is necessary to interpose an optical component such as a polarization beam splitter between the exit surface of the illumination optical system and the spatial light modulator. It becomes relatively large. Therefore, when the reflective spatial light modulation unit is illuminated with a relatively large illumination numerical aperture in order to maintain the uniformity of luminance, such as when used in the virtual image coupling optical system as described above, this light is used. The problem is that the pipe becomes long.

これについて、図21を用いて説明する。図21においては、光源10から射出される光の光路上にライトパイプ20、偏光ビームスプリッター50、反射型の空間光変調部60が配置される場合を示す。そしてその照明条件を、テレセントリックな状態、すなわち中心光線が空間光変調部に垂直に入射する状態として、照明半値角度をθdとする。また、この空間光変調部60の照明光が入射する幅をWd、ライトパイプ20との距離をLsとする。これより、ライトパイプ20の射出面22の幅W1hは、
W1h=Wd+2Ls×tan(θd)
となる。
This will be described with reference to FIG. FIG. 21 shows a case where the light pipe 20, the polarization beam splitter 50, and the reflective spatial light modulator 60 are arranged on the optical path of the light emitted from the light source 10. Then, the illumination condition is a telecentric state, that is, a state in which the central ray is perpendicularly incident on the spatial light modulator, and the illumination half-value angle is θd. Further, the width of the spatial light modulator 60 where the illumination light is incident is Wd, and the distance from the light pipe 20 is Ls. From this, the width W1h of the exit surface 22 of the light pipe 20 is
W1h = Wd + 2Ls × tan (θd)
It becomes.

このように、透過型空間光変調部に比べてPBS等が介在する反射型空間光変調部の場合、ライトパイプ20の射出面22と空間光変調部60との距離Lsは長くならざるを得ないこと、また、照明開口数NAが大きい場合、照明半値角度θdも大きくなり、結果的にライトパイプ20の射出面22の幅W1hは大きくなってしまうことがわかる。   As described above, in the case of a reflective spatial light modulator that includes PBS or the like, the distance Ls between the exit surface 22 of the light pipe 20 and the spatial light modulator 60 must be longer than that of the transmissive spatial light modulator. In addition, it can be seen that when the illumination numerical aperture NA is large, the illumination half-value angle θd is also increased, and as a result, the width W1h of the exit surface 22 of the light pipe 20 is increased.

一方、ライトパイプ20自体の長さも小さくすることはできない。ライトパイプ20の入射面21近傍に、LED(発光ダイオード)やレーザなどの光源10が配置され、ここからライトパイプ2の内部に照明光が取り込まれる。ライトパイプ20の内部に取り込まれた照明光は、ライトパイプ20の側面23にて内部全反射をしながら射出面22に到達する。ライトパイプにおいては、この内部全反射する光量及び回数が多いほど射出面22から射出する照明光の輝度の均一性は向上する傾向にある。
光源10から射出する照明光は、90度以上の放射角をもっており、従って、ライトパイプ20の側面の傾斜角θhが小さいほど反射回数を多くすることができる。いま、ライトパイプ20の入射面21の幅W2hは、光源10の幅と略同一であることから、輝度の均一性を保つため、側面22の傾斜角θhを一定値(θh)に抑えるとすると、次式にて示すようにライトパイプ20の長さLhは射出面の幅W1hにて決まることになる。
Lh=(W1h−W2h)/(2×tan(θh))
On the other hand, the length of the light pipe 20 itself cannot be reduced. A light source 10 such as an LED (light emitting diode) or a laser is disposed in the vicinity of the incident surface 21 of the light pipe 20, and illumination light is taken into the light pipe 2 from here. The illumination light taken into the light pipe 20 reaches the exit surface 22 while undergoing total internal reflection at the side surface 23 of the light pipe 20. In the light pipe, the uniformity of the luminance of the illumination light emitted from the exit surface 22 tends to improve as the amount of light and the number of times of total internal reflection increase.
The illumination light emitted from the light source 10 has a radiation angle of 90 degrees or more. Therefore, the smaller the inclination angle θh of the side surface of the light pipe 20, the greater the number of reflections. Now, since the width W2h of the incident surface 21 of the light pipe 20 is substantially the same as the width of the light source 10, it is assumed that the inclination angle θh of the side surface 22 is suppressed to a constant value (θh) in order to maintain the uniformity of luminance. As shown by the following equation, the length Lh of the light pipe 20 is determined by the width W1h of the exit surface.
Lh = (W1h−W2h) / (2 × tan (θh))

これより、ライトパイプ20の長さLhは、射出面の幅W1hが大きくなるにつれて、すなわち照明開口数NAを大とすると大きくなることがわかる。
以上説明した例においては、照明条件をテレセントリックとしたが、反射型の空間光変調部60の周辺に入射する照明光の主光線が傾いている場合には、その傾斜方向によってライトパイプ20の長さLhは影響を受ける。
このように、反射型空間光変調部を用いる光学装置において、大きな開口数をもって空間光変調部を照明する場合に光利用効率を高めようとすると、ライトパイプが長大化することとなり、装置全体の小型化に不利となることがわかる。
From this, it can be seen that the length Lh of the light pipe 20 increases as the emission surface width W1h increases, that is, when the illumination numerical aperture NA is increased.
In the example described above, the illumination condition is telecentric. However, when the chief ray of the illumination light incident on the periphery of the reflective spatial light modulator 60 is tilted, the length of the light pipe 20 depends on the tilt direction. Lh is affected.
Thus, in an optical device using a reflective spatial light modulation unit, if the light use efficiency is increased when illuminating the spatial light modulation unit with a large numerical aperture, the light pipe will be lengthened, and the entire device will be increased. It turns out that it becomes disadvantageous for miniaturization.

以上の問題に鑑みて、本発明は、ライトパイプを大型化することなく照明の効率性、輝度の均一性を保持し、空間光変調装置全体の小型化を図ることを目的とする。また、本発明の空間光変調装置を用いることによって、虚像表示装置において輝度むらや輝度の低下を招くことなく、小型化を可能とすることを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to maintain the efficiency of illumination and the uniformity of luminance without increasing the size of a light pipe, and to reduce the size of the entire spatial light modulation device. Further, by using a spatial light modulator device of the present invention, without lowering the Oite luminance unevenness and brightness virtual image display equipment, and an object thereof is to enable miniaturization.

本発明による虚像表示装置は、空間光変調光学装置と、空間光変調光学装置の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、空間光変調光学装置は、複数の光源と、複数のライトパイプと、空間光変調部と、拡散板とを有し、複数のライトパイプの入射面近傍にそれぞれ光源が配置され、空間光変調部は、その照明領域の幅が一の方向と他の方向とにおいて異なり、この照明領域の幅の大きい方向に対応するライトパイプの配列数が、照明領域の幅の小さい方向に対応するライトパイプの配列数より大とされて成る。そして、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て空間光変調部に導かれ、空間光変調部において変調した光が虚像結像光学系に入射する。虚像結像光学系は、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の異なる平行光束群にするコリメート光学系と、平行光束群が入射し、入射した前記平行光束群を観察者の瞳に対する上下方向へ反射させずに、観察者の瞳に対する左右方向へ複数回全反射させて伝播した後、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る。導光板は、平行光束群の入射領域にて平行光束群を平行光束群のまま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、平行光束群の射出領域にて平行光束群を平行光束群のまま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を有する。そして、拡散板は、複数のライトパイプと空間光変調部との間に設けられ、観察者の瞳に対する左右方向の拡散角が、観察者の瞳に対する上下方向の拡散角より大きい拡散性を有し、上下方向の拡散角は、虚像結像光学系に入射する平行光束群が上下方向に拡がらない大きさに設定される。 A virtual image display device according to the present invention is a virtual image display device having a spatial light modulation optical device and a virtual image imaging optical system that guides a display image of the spatial light modulation optical device to a pupil of an observer, the spatial light modulation optical device Has a plurality of light sources, a plurality of light pipes, a spatial light modulation unit, and a diffuser plate, and the light sources are arranged in the vicinity of the incident surfaces of the plurality of light pipes, and the spatial light modulation unit has an illumination area thereof The number of light pipes corresponding to the direction in which the width of the illumination area is large is larger than the number of light pipes corresponding to the direction in which the width of the illumination area is small. Made up. The light beam emitted from the light source is incident on the inside of the light pipe from the incident surface, and at least a part of the light beam is totally internally reflected on the side surface and then emitted from the emission surface having a larger area than the incident surface. The light guided to the spatial light modulator and modulated by the spatial light modulator enters the virtual image imaging optical system. 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 a parallel light beam group that is incident. The light guide plate is configured to be propagated by being totally reflected multiple times in the left-right direction with respect to the observer's pupil without being reflected in the vertical direction with respect to the pupil, and then emitted toward the observer's pupil. The light guide plate includes a first reflective volume hologram grating that diffracts and reflects the parallel light beam group in the incident region of the parallel light beam group so as to satisfy the internal total reflection condition in the light guide plate while the parallel light beam group remains, and the emission of the parallel light beam group A second reflective volume hologram grating that diffracts and reflects so that the parallel light beam group is emitted from the light guide plate as the parallel light beam group in the region is provided. The diffusion plate is provided between the plurality of light pipes and the spatial light modulator, and has a diffusivity in which the horizontal diffusion angle with respect to the observer's pupil is larger than the vertical diffusion angle with respect to the observer's pupil. The vertical diffusion angle is set to such a size that the parallel light flux incident on the virtual image forming optical system does not expand in the vertical direction.

上述の本発明の虚像光学装置によれば、空間光変調光学装置の複数の光源と複数のライトパイプとを設け、またその配列数を、空間光変調部の照明領域の大きさに合わせて配置することから、照明開口数によらずに、輝度むらを抑え、輝度の均一化を図り、光利用効率の低下を抑えることができる。またライトパイプと空間光変調部との間隔が比較的大きく、かつ照明開口数を大とする必要がある場合においても、ライトパイプの長さを大とすることなく、均一に照明することが可能となり、装置全体の小型化を図ることができる。したがって、小型軽量ながら光利用効率、照明輝度の均一性にすぐれた虚像光学装置を実現できる。 According to the virtual image optical device of the present invention described above, a plurality of light sources and a plurality of light pipes of the spatial light modulation optical device are provided, and the number of arrangements is arranged in accordance with the size of the illumination area of the spatial light modulation unit. Therefore, the luminance unevenness can be suppressed, the luminance can be made uniform, and the decrease in light utilization efficiency can be suppressed regardless of the illumination numerical aperture. Even when the distance between the light pipe and the spatial light modulator is relatively large and the illumination numerical aperture needs to be large, uniform illumination can be achieved without increasing the length of the light pipe. Thus, the overall size of the apparatus can be reduced. Therefore, it is possible to realize a virtual image optical apparatus that is excellent in light use efficiency and uniformity in illumination luminance, while being small and light.

以上説明したように、本発明によれば、空間光変調部に対する照明の効率性、輝度の均一性を保持して小型化が可能な空間光変調光学装置を用いることによって、輝度むらの少ない比較的小型の虚像表示装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, by there use efficiency of illumination with respect to the spatial light modulator, the spatial light modulation optical device capable to miniaturize retaining the uniformity of brightness, less luminance unevenness it is possible to provide a relatively compact virtual image display equipment.

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。
先ず、本発明による空間光変調光学装置の各実施形態例を説明する。
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.
First, embodiments of the spatial light modulation optical device according to the present invention will be described.

〔1〕第1の実施形態例
図1を参照して本発明による空間光変調光学装置の第1の実施形態例を説明する。図1Aは空間光変調光学装置の上面からみた概略平面構成図、図1Bは空間光変調光学装置の概略側面構成図を示す。図1A及びBに示すように、この空間光変調光学装置は、LED等より成る光源10、複数の先細り型のライトパイプ20a、20b及び20cより成るマルチライトパイプ20、フレネルレンズ等の光学レンズ30、拡散板40、偏光ビームスプリッター50、反射型液晶パネルやDMD(Digital Micro-mirror Device)等の反射型の空間光変調部60により構成される。
また図1Aにおいて破線で示す空間光変調部60は、照明領域が一の方向(x方向)と他の方向(y方向)とにおいて大きさが異なり、この例では、マルチライトパイプ20はこの比較的照明領域の幅が大きい長辺方向(x方向)の配列数が3で、照明領域の幅が小さい短辺方向(y方向)の配列数1より大とされる。なお、図1Bにおいて矢印y0は、偏光ビームスプリッター50により反射される前の光束の短辺方向(y方向)と対応する方向を示す。
[1] First Embodiment The first embodiment of the spatial light modulation optical device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a schematic plan configuration diagram viewed from the top surface of the spatial light modulation optical device, and FIG. 1B is a schematic side configuration diagram of the spatial light modulation optical device. As shown in FIGS. 1A and 1B, this spatial light modulation optical device includes a light source 10 composed of LEDs and the like, a multi-light pipe 20 composed of a plurality of tapered light pipes 20a, 20b and 20c, and an optical lens 30 such as a Fresnel lens. , A diffusion plate 40, a polarizing beam splitter 50, a reflective spatial light modulator 60 such as a reflective liquid crystal panel or DMD (Digital Micro-mirror Device).
In addition, the spatial light modulator 60 indicated by a broken line in FIG. 1A has different illumination areas in one direction (x direction) and the other direction (y direction). In this example, the multi light pipe 20 The number of arrays in the long side direction (x direction) where the width of the general illumination area is large is 3, and the number of arrays in the short side direction (y direction) is small where the width of the illumination area is small. In FIG. 1B, an arrow y0 indicates a direction corresponding to the short side direction (y direction) of the light beam before being reflected by the polarization beam splitter 50.

このような構成において、光源10から射出した照明光は、マルチライトパイプ20の各ライトパイプ20a〜20cの比較的面積が小さい入射面21より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、入射面21より面積の大きい射出面22より射出する。
本実施形態例においては、この射出面22は空間光変調部60の短辺方向(y方向)に凹の曲率をもつシリンドリカル面となっている。
In such a configuration, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the incident surface 21 having a relatively small area of each of the light pipes 20a to 20c of the multi-light pipe 20, and some of the light beams have undergone total internal reflection. Thereafter, the light exits from the exit surface 22 having a larger area than the entrance surface 21.
In the present embodiment, the exit surface 22 is a cylindrical surface having a concave curvature in the short side direction (y direction) of the spatial light modulator 60.

マルチライトパイプ20の射出面22より射出した照明光は、続いて配置される図1A中x方向(空間光変調部60の長辺方向に相当)のみに正のパワーをもつ1軸フレネルレンズ等より成る光学レンズ30を経て、拡散板40にて拡散された後、偏光ビームスプリッター50の光学面51より入射する。続いてこの照明光Liは、偏光分離膜52においてそのS偏光成分が矢印Sで示すように反射され、P偏光成分は矢印Ptで示すように透過する。反射されたS偏光成分は偏光ビームスプリッター50の光学面53より射出して、反射型の空間光変調部60を照明する。
反射型の空間光変調部60に入射したS偏光成分を主に有する照明光は、反射型の空間光変調部60の画素毎に偏光状態が変調されP偏光成分とS偏光成分の割合が制御されて例えば画像情報に対応する表示光として反射される。反射型の空間光変調部60にて変調されて反射された照明光は、再び偏光ビームスプリッター50に入射し、その偏光分離膜52にてP偏光成分が透過されて矢印Pで示すように、光学面54から外部に射出される。S偏光成分は光学面51側に戻される。
Illumination light emitted from the exit surface 22 of the multi-light pipe 20 is a uniaxial Fresnel lens having positive power only in the x direction (corresponding to the long side direction of the spatial light modulator 60) in FIG. After being diffused by the diffusing plate 40 through the optical lens 30 composed of the optical lens 30, the light enters the optical surface 51 of the polarizing beam splitter 50. Subsequently, the illumination light Li is reflected by the polarization separation film 52 as its S-polarized component is indicated by an arrow S, and the P-polarized component is transmitted as indicated by an arrow Pt. The reflected S-polarized light component is emitted from the optical surface 53 of the polarization beam splitter 50 and illuminates the reflective spatial light modulator 60.
The illumination light mainly having the S-polarized light component incident on the reflective spatial light modulator 60 is modulated in polarization state for each pixel of the reflective spatial light modulator 60, and the ratio between the P-polarized component and the S-polarized light component is controlled. For example, it is reflected as display light corresponding to image information. The illumination light modulated and reflected by the reflective spatial light modulation unit 60 is incident on the polarization beam splitter 50 again, and the P-polarized light component is transmitted through the polarization separation film 52, as indicated by an arrow P. The light is emitted from the optical surface 54 to the outside. The S-polarized component is returned to the optical surface 51 side.

このように、本実施形態例の空間光変調光学装置においては、複数の光源と複数のライトパイプと空間光変調部を備え、この間に必要に応じて更に光学レンズ、拡散板を配置することによって、光源から射出した大きな開口数NAを有する照明光を、まず複数の例えば1列に配置されたライトパイプにて輝度を均一化して、所定の開口数NAをもつ照明光に変換する。マルチライトパイプを用いることにより、装置の大型化を回避することができる。そしてこの例においては、フレネルレンズ等の光学レンズにおいてこの照明光の主光線角度をコントロールし、最後に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低減を拡散板にて行っている。   As described above, the spatial light modulation optical device according to the present embodiment includes a plurality of light sources, a plurality of light pipes, and a spatial light modulation unit, and further arranges an optical lens and a diffusion plate between them as necessary. The illumination light having a large numerical aperture NA emitted from the light source is first converted into illumination light having a predetermined numerical aperture NA by equalizing the luminance with a plurality of light pipes arranged in one row, for example. By using a multi-light pipe, it is possible to avoid an increase in the size of the apparatus. In this example, the chief ray angle of the illumination light is controlled in an optical lens such as a Fresnel lens, and finally, readjustment including anamorphic diffusion angle and reduction of luminance unevenness within the radiation angle are performed by a diffusion plate. Is going.

このような空間光変調光学装置において、光線トレースをシミュレーションした。この結果を図2A及びBに示す。図2Aはx方向の光線トレースを示し、図2Bは、y方向の光線トレースを示す。図2A及びBにおいて、図1A及びB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。
このシミュレーションでは、拡散板40による拡散作用と偏光ビームスプリッター50の偏光分離膜52による反射は反映していない。本実施形態例においては、光利用効率を上げるためにLEDより成る光源10をマルチライトパイプ20の入射面21に光学密着している。
In such a spatial light modulation optical device, a ray trace was simulated. The results are shown in FIGS. 2A and 2B. FIG. 2A shows a ray trace in the x direction and FIG. 2B shows a ray trace in the y direction. 2A and 2B, parts corresponding to those in FIGS. 1A and 1B are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
In this simulation, the diffusion action by the diffusion plate 40 and the reflection by the polarization separation film 52 of the polarization beam splitter 50 are not reflected. In this embodiment, the light source 10 made of LEDs is optically adhered to the incident surface 21 of the multi-light pipe 20 in order to increase the light utilization efficiency.

また、空間光変調部60の短辺方向であるy方向については、マルチライトパイプ20の個々のライトパイプは1つのみで全体を照明しており、かつ射出面22が凹のシリンドリカル面であるため、反射型の空間光変調部60の周辺領域にいくほど照明光が反射型の空間光変調部60に対して入射する角度は垂直状態(テレセントリック状態)から乖離し反射型の空間光変調部60の中心側に倒れていく。
一方、空間光変調部60の長辺方向であるx方向に関しては、マルチライトパイプ20の3つのライトパイプが1列に並び、かつ凸の1軸フレネルレンズ等より成る光学レンズ30によって集光されるため、y方向に比べてテレセントリック照明に近く、またより大きな開口数NAでの照明となっている。このようにして、本実施形態例の空間光変調光学装置100は、空間光変調部60をx方向、y方向において、それぞれ下記の表1及び表2に示す照明条件をもって、空間光変調部を照明する構成とした。
Further, in the y direction, which is the short side direction of the spatial light modulator 60, the single light pipe of the multi-light pipe 20 is entirely illuminated, and the emission surface 22 is a concave cylindrical surface. Therefore, the angle at which the illumination light is incident on the reflective spatial light modulator 60 becomes more distant from the vertical state (telecentric state) as it goes to the peripheral region of the reflective spatial light modulator 60, and the reflective spatial light modulator It falls to the center side of 60.
On the other hand, with respect to the x direction, which is the long side direction of the spatial light modulator 60, the three light pipes of the multi-light pipe 20 are arranged in a line and are condensed by the optical lens 30 including a convex uniaxial Fresnel lens. Therefore, the illumination is closer to the telecentric illumination than in the y direction and has a larger numerical aperture NA. In this manner, the spatial light modulation optical device 100 according to the present embodiment has the spatial light modulation unit 60 in the x direction and the y direction with the illumination conditions shown in Table 1 and Table 2 below, respectively. It was set as the structure which illuminates.

上記表1及び表2においては、反射型の空間光変調部60から射出する表示光束の状態で示したものであり、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。
上記表1からわかるように、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、反射型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おり、空間光変調部の長辺方向と短辺方向とで非対称な照明を行った場合を示している。
なお、この照明条件は、後段の第5の実施形態例において詳細に説明する虚像表示装置において好適な条件である。
で異なる条件にて照明している。
In Tables 1 and 2 above, the display light beam is emitted from the reflective spatial light modulator 60, and the light beam passing through the center of each angle of view at the image height position from the optical axis. A principal ray angle that is an angle from the axis and an upper ray angle and a lower ray angle that are spread angles of the emitted light are respectively shown.
As can be seen from Table 1 above, 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, 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, respectively. The case where asymmetrical illumination is performed in the long side direction and the short side direction is shown.
This illumination condition is a suitable condition in the virtual image display device described in detail in the fifth embodiment example below.
Illumination under different conditions.

このような照明条件とした場合の空間光変調部60への照明の照度分布を図3に示す。図3からわかるように、このように、x方向においてより大きい開口数をもって照明しているにもかかわらず、照度分布が空間光変調部60の照明領域に対応する長方形の領域の周辺部まで略全面にわたって、均一性を保持していることがわかる。
また、この場合反射型の液晶パネル等の空間光変調部を用いる構成としていることから、光利用効率を高く保持することができている。
FIG. 3 shows the illuminance distribution of illumination to the spatial light modulator 60 under such illumination conditions. As can be seen from FIG. 3, even though the illumination is performed with a larger numerical aperture in the x direction, the illuminance distribution is substantially up to the periphery of the rectangular region corresponding to the illumination region of the spatial light modulator 60. It can be seen that uniformity is maintained over the entire surface.
In this case, since the spatial light modulator such as a reflective liquid crystal panel is used, the light use efficiency can be kept high.

これに対して、比較例として、1つのライトパイプを用いた場合の空間光変調光学装置の一例を図4の概略構成図に示す。この比較例では、ライトパイプ120と偏光ビームスプリッター240との間に、フレネルレンズ220と拡散板230を配置している。
この空間光変調光学装置においても、空間光変調部60の長辺方向(x方向)と、短辺方向(y方向)とにおいて、それぞれ上記表1及び表2に示す照明条件をもって、空間光変調部を照明する構成とした。
On the other hand, as a comparative example, an example of a spatial light modulation optical device when one light pipe is used is shown in the schematic configuration diagram of FIG. In this comparative example, a Fresnel lens 220 and a diffuser plate 230 are disposed between the light pipe 120 and the polarization beam splitter 240.
Also in this spatial light modulation optical device, spatial light modulation is performed with the illumination conditions shown in Table 1 and Table 2 in the long side direction (x direction) and the short side direction (y direction) of the spatial light modulation unit 60, respectively. It was set as the structure which illuminates a part.

図4A及びBに示すように、このように1つのみのライトパイプ120を用いて上述したように空間光変調部60の長辺方向と短辺方向とで異なる照明条件とする場合、ライトパイプ120の形状が、この長辺方向に沿う方向と短辺方向に沿う方向とで、その射出面の幅W1hが大きく異なってくることがわかる。この場合、ライトパイプ120の長さは、射出面の幅が空間光変調部60の長辺方向に沿う方向の比較的大きいほうの幅W1hにて決まるため、周辺輝度を中心輝度の60%という基準で設計すると、全長Lhが図4Bに示すように長くなってしまう。また、x方向の射出面の曲面形状は図4Aに示すように極めて曲率半径の小さい特殊な形状となってしまう。   As shown in FIGS. 4A and 4B, when only one light pipe 120 is used as described above and the lighting conditions are different in the long side direction and the short side direction of the spatial light modulator 60, the light pipe is used. It can be seen that the width W1h of the exit surface of the shape 120 is greatly different between the direction along the long side direction and the direction along the short side direction. In this case, since the length of the light pipe 120 is determined by the relatively large width W1h in the direction along the long side direction of the spatial light modulator 60, the peripheral luminance is 60% of the central luminance. If designed based on the standard, the total length Lh becomes long as shown in FIG. 4B. Further, the curved shape of the exit surface in the x direction is a special shape having a very small radius of curvature as shown in FIG. 4A.

このときの、光源からの射出光線のトレースをシミュレーションした結果を図5A及びBに示す。図5Aにおいては、x方向の光線トレースを示し、図5Bにおいては、y方向の光線トレースをそれぞれ示す。
また、この場合の輝度分布を図6に示す。図6から明らかなように、1つのライトパイプを用いる場合は、周辺部において輝度が低下していることが明らかである。
これらの結果から、上述の第1の実施形態例においては、このように1つのライトパイプを用いる場合と比較すると、個々のライトパイプ自体の長さを小とすることができ、また、輝度むらを改善することができることがわかる。
特に本実施形態例においては、光利用効率の高い反射型空間光変調部を設ける場合であるにもかかわらず、このように輝度分布を均一に保持することが可能となっている。
The result of simulating the trace of the emitted light from the light source at this time is shown in FIGS. 5A and 5B. 5A shows a ray trace in the x direction, and FIG. 5B shows a ray trace in the y direction.
The luminance distribution in this case is shown in FIG. As is clear from FIG. 6, it is clear that the luminance is lowered in the peripheral portion when one light pipe is used.
From these results, in the above-described first embodiment, the length of each light pipe itself can be reduced compared to the case where one light pipe is used in this way, and the luminance unevenness is also reduced. It can be seen that can be improved.
In particular, in the present embodiment, it is possible to uniformly maintain the luminance distribution in this way, although it is a case where a reflective spatial light modulator having high light utilization efficiency is provided.

また、マルチライトパイプ20を設けることによって、装置の大型化を招くことなく空間光変調部60に照射する光束の開口数を十分大とすることができる。これによって、例えば前述の図20A〜Cにおいて説明した虚像表示装置に本発明の空間光変調光学装置を適用する場合は、必要な開口数NAが得られ、また均一性が十分となり、前述のように虚像を観察する場合に、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を回避できる。   In addition, by providing the multi-light pipe 20, the numerical aperture of the light beam applied to the spatial light modulator 60 can be made sufficiently large without causing an increase in the size of the apparatus. Accordingly, for example, when the spatial light modulation optical device of the present invention is applied to the virtual image display device described with reference to FIGS. 20A to 20C described above, the necessary numerical aperture NA is obtained and the uniformity is sufficient, as described above. In the case of observing a virtual image, it is possible to avoid a change in brightness due to pupil movement or rotation.

なおこの場合、マルチライトパイプ20と空間光変調部60との間に射出角を調整する光学レンズとしてフレネルレンズを配置することによって、照明光学系の薄型化を図ることができるという効果もある。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り、このときに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枚を直交して配置してもよい。
更に、上述したように照明の開口数NAを直交する2方向(例えば上述のx方向及びy方向)で変える必要がある場合は、拡散板として、直交する2方向の拡散度が異なる拡散板を用いてもよい。
In this case, there is also an effect that the illumination optical system can be thinned by disposing a Fresnel lens as an optical lens for adjusting the emission angle between the multi-light pipe 20 and the spatial light modulator 60. If the Fresnel lens is an anamorphic lens, the light use efficiency may be higher. In this case, two Fresnel lenses in one direction with different pitches (that is, functionally cylindrical lenses) are arranged orthogonally. May be.
Furthermore, as described above, when it is necessary to change the numerical aperture NA of illumination in two orthogonal directions (for example, the above-described x direction and y direction), a diffusion plate having different diffusivities in the two orthogonal directions is used as the diffusion plate. It may be used.

〔2〕第2の実施形態例
次に、図7を参照して本発明による空間光変調光学装置の第2の実施形態例を説明する。図7A及びBにおいて、図1A及びBと対応する部分には同一符号を付して示す。本実施形態例の空間光変調光学装置は、LED等より成る光源10、ライトパイプ20a〜cより成るマルチライトパイプ20、拡散板40、偏光ビームスプリッター50、反射型の空間光変調部60によって構成されている。この例においては、各ライトパイプ20a〜cが、空間光変調部60の長辺方向であるx方向に関して一列に、かつ、空間光変調部60の例えばx方向の中心部(中心である必要はない)に向かって円弧を描くように、すなわち射出光の光軸を傾けて配置した例を示す。またこの例においても、各ライトパイプ20a〜cの射出面22は、それぞれ空間光変調部60の短辺方向(y方向)に凹の曲率をもつシリンドリカル面となっている。
[2] Second Embodiment Next, a second embodiment of the spatial light modulation optical device according to the present invention will be described with reference to FIG. 7A and 7B, parts corresponding to those in FIGS. 1A and 1B are denoted by the same reference numerals. The spatial light modulation optical apparatus according to the present embodiment includes a light source 10 made of an LED or the like, a multi-light pipe 20 made up of light pipes 20a to 20c, a diffuser plate 40, a polarization beam splitter 50, and a reflective spatial light modulation unit 60. Has been. In this example, the light pipes 20a to 20c are arranged in a row with respect to the x direction, which is the long side direction of the spatial light modulator 60, and, for example, the central part (need to be the center of the spatial light modulator 60 in the x direction). An example in which the optical axis of the emitted light is inclined is shown. Also in this example, the exit surface 22 of each of the light pipes 20a to 20c is a cylindrical surface having a concave curvature in the short side direction (y direction) of the spatial light modulator 60.

この空間光変調光学装置100において、光源10から射出した照明光は、マルチライトパイプ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。そして続いて配置される拡散板40にて適宜拡散された後、偏光ビームスプリッター50にその光学面51より入射する。続いてこの照明光は、偏光分離膜52においてそのS偏光成分が反射されP偏光成分は透過する。反射されたS偏光成分は偏光ビームスプリッター50の光学面53より射出して、反射型の空間光変調部60を照明する。
反射型の空間光変調部60に入射したS偏光成分を主に有する照明光は、反射型の空間光変調部60の画素毎に偏光状態が変調されP偏光成分とS偏光成分の割合が制御されて反射される。反射型の空間光変調部60にて反射された照明光は、再び偏光ビームスプリッター50に入射し、その偏光分離膜52にてP偏光成分が透過され、S偏光成分は光学面51側に戻される。
In this spatial light modulation optical device 100, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the incident surface 21 having the smaller area of the multi-light pipe 20, and after a part of the light rays have undergone total internal reflection, 22 injects. Then, after being appropriately diffused by the diffusion plate 40 disposed subsequently, the light enters the polarizing beam splitter 50 from its optical surface 51. Subsequently, the S polarization component of the illumination light is reflected by the polarization separation film 52 and the P polarization component is transmitted. The reflected S-polarized light component is emitted from the optical surface 53 of the polarization beam splitter 50 and illuminates the reflective spatial light modulator 60.
The illumination light mainly having the S-polarized light component incident on the reflective spatial light modulator 60 is modulated in polarization state for each pixel of the reflective spatial light modulator 60, and the ratio between the P-polarized component and the S-polarized light component is controlled. And reflected. The illumination light reflected by the reflective spatial light modulator 60 is incident on the polarization beam splitter 50 again, the P polarization component is transmitted through the polarization separation film 52, and the S polarization component is returned to the optical surface 51 side. It is.

図8A及びBに、この空間光変調光学装置100における光線トレース図を示す。この例においても、上述の第1の実施形態例と同様に、上記表1及び表2に示す照明条件とした例であり、図8Aはx方向、図8Bはy方向の光線トレースをそれぞれ示す。この例では、拡散板による拡散作用と偏光ビームスプリッター50の偏光分離膜52による反射は反映していない。
本実施形態例においては、光利用効率を上げるためにLEDより成る光源10をマルチライトパイプ20の入射面21に光学密着している。
また、y方向についてはマルチライトパイプ20の個々のライトパイプは1つのみで全体を照明しており、かつ射出面22が凹のシリンドリカル面であるため、反射型の空間光変調部60の周辺領域にいくほど照明光が反射型の空間光変調部60に対して入射する角度は垂直状態(テレセントリック状態)から乖離し反射型の空間光変調部60の中心側に倒れていく。
8A and 8B are ray trace diagrams of the spatial light modulation optical device 100. FIG. In this example as well, as in the first embodiment described above, the illumination conditions shown in Table 1 and Table 2 above are used. FIG. 8A shows the ray trace in the x direction and FIG. 8B shows the ray trace in the y direction. . In this example, the diffusion effect by the diffusion plate and the reflection by the polarization separation film 52 of the polarization beam splitter 50 are not reflected.
In this embodiment, the light source 10 made of LEDs is optically adhered to the incident surface 21 of the multi-light pipe 20 in order to increase the light utilization efficiency.
Further, in the y direction, only one individual light pipe of the multi-light pipe 20 illuminates the whole, and the exit surface 22 is a concave cylindrical surface, so that the periphery of the reflective spatial light modulator 60 is The angle at which the illumination light is incident on the reflective spatial light modulator 60 becomes farther away from the vertical state (telecentric state) and falls toward the center of the reflective spatial light modulator 60 as it goes into the region.

一方、x方向に関しては、マルチライトパイプ20の3つのライトパイプが1列に並び、かつ空間光変調部60に向かって円弧を描くように並べられているため、上述の第1の実施形態例のように、1軸のフレネルレンズ等の光学レンズがマルチライトパイプ20と偏光ビームスプリッター50の間にないにもかかわらず、照明光束は空間光変調部60を効率よく照明する。このようにして、本実施形態例の空間光変調光学装置100においても、空間光変調部60をx方向、y方向で互いに異なる条件にて照明している。
この場合の空間光変調部60における照明分布を図9に示す。図9から、この実施形態例においても、略全面にわたって照度の均一性が保持されており、輝度むらが抑制されていることがわかる。
On the other hand, with respect to the x direction, the three light pipes of the multi-light pipe 20 are arranged in a line and arranged to draw an arc toward the spatial light modulator 60, so the first embodiment described above. As described above, the illumination light beam efficiently illuminates the spatial light modulator 60 even though there is no optical lens such as a uniaxial Fresnel lens between the multi-light pipe 20 and the polarization beam splitter 50. Thus, also in the spatial light modulation optical device 100 of the present embodiment, the spatial light modulation unit 60 is illuminated under different conditions in the x direction and the y direction.
The illumination distribution in the spatial light modulator 60 in this case is shown in FIG. From FIG. 9, it can be seen that also in this embodiment example, the uniformity of illuminance is maintained over substantially the entire surface, and the luminance unevenness is suppressed.

このように、本実施形態例の空間光変調光学装置においては、複数の光源と複数のライトパイプと空間光変調部を備え、この間に必要に応じて拡散板を配置することによって、光源から射出した大きな開口数NAを有する照明光を、まず複数の例えば1列に配置されたライトパイプにて輝度を均一化して、所定の開口数NAをもつ照明光に変換する。マルチライトパイプを用いることにより、装置の大型化を回避することができる。   As described above, the spatial light modulation optical device according to the present embodiment includes a plurality of light sources, a plurality of light pipes, and a spatial light modulation unit, and a diffuser plate is disposed between the light source and the light source. The illumination light having a large numerical aperture NA is first converted into illumination light having a predetermined numerical aperture NA by equalizing the luminance with a plurality of light pipes arranged in one row, for example. By using a multi-light pipe, it is possible to avoid an increase in the size of the apparatus.

そしてこの例においては、マルチライトパイプの配置によってこの照明光の主光線角度をコントロールしている。すなわちこの場合、複数のライトパイプを空間光変調部の中心方向に向かって傾斜させて配置することによって、光学レンズの使用枚数を低減、あるいは不要とし、更に小型軽量化を図ることができるという利点を有する。
またこの場合においても、照明の開口数NAも直交する2方向(例えば上述のx方向及びy方向)で変える必要がある場合は、拡散板として、直交する2方向の拡散度が異なる拡散板を用いてもよい。
In this example, the principal ray angle of the illumination light is controlled by the arrangement of the multi-light pipes. That is, in this case, by arranging the plurality of light pipes to be inclined toward the center direction of the spatial light modulator, the number of optical lenses used can be reduced or eliminated, and further reduction in size and weight can be achieved. Have
Also in this case, if it is necessary to change the numerical aperture NA of illumination in two orthogonal directions (for example, the above-described x direction and y direction), a diffusion plate having a different degree of diffusion in the two orthogonal directions is used as the diffusion plate. It may be used.

このような構成とすることにより、例えば上記表1及び表2におけるような、空間光変調部の例えば長辺方向と短辺方向とにおいて異なる照明条件を容易に達成することができる。したがって、例えば虚像表示装置に適用する場合は、瞳の移動に対して明るさの変動を伴うことなく、良好に表示を行うことが可能である。   By adopting such a configuration, for example, different illumination conditions in the long side direction and the short side direction of the spatial light modulation unit, such as those in Table 1 and Table 2 above, can be easily achieved. Therefore, for example, when applied to a virtual image display device, it is possible to display well without a change in brightness with respect to movement of the pupil.

〔3〕第3の実施形態例
次に、図10A及びB参照して、本発明による空間光変調光学装置の第3の実施形態例を説明する。この空間光変調光学装置100は、LED等より成る光源10、6つのライトパイプより成るマルチライトパイプ20、拡散板40、偏光ビームスプリッター50、反射型の空間光変調部60によって構成される。そして本実施形態例においては、マルチライトパイプ20の各射出面22を、空間光変調部60の短辺方向に対応するy方向に凹の曲率をもつシリンドリカル面としている。またこの場合、マルチライトパイプ20は先細り型ライトパイプ6本をx方向に3つ、y方向に2つ並べている。更に、これらの6本の先細り型ライトパイプは、全て空間光変調部60の中心方向(中心である必要はない)に傾いて配置した例を示す。
[3] Third Embodiment Next, with reference to FIGS. 10A and 10B, a third embodiment of the spatial light modulation optical device according to the present invention will be described. The spatial light modulation optical device 100 includes a light source 10 composed of LEDs or the like, a multi-light pipe 20 composed of six light pipes, a diffusion plate 40, a polarization beam splitter 50, and a reflective spatial light modulation unit 60. In this embodiment, each exit surface 22 of the multi-light pipe 20 is a cylindrical surface having a concave curvature in the y direction corresponding to the short side direction of the spatial light modulator 60. In this case, the multi-light pipe 20 has three tapered light pipes arranged in the x direction and two in the y direction. Further, an example is shown in which these six tapered light pipes are all tilted in the central direction of the spatial light modulator 60 (not necessarily the center).

このような構成において、光源10から射出した照明光は、マルチライトパイプ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。そして続いて配置される拡散板40にて適宜拡散された後、偏光ビームスプリッター50にその光学面51より入射する。続いてこの照明光は、偏光分離膜52においてそのS偏光成分が反射されP偏光成分は透過する。反射されたS偏光成分は偏光ビームスプリッター50の光学面53より射出して、反射型の空間光変調部60を照明する。   In such a configuration, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the incident surface 21 with the smaller area of the multi-light pipe 20, and after a part of the light rays repeats total internal reflection, the light is emitted from the emission surface 22. To do. Then, after being appropriately diffused by the diffusion plate 40 disposed subsequently, the light enters the polarizing beam splitter 50 from its optical surface 51. Subsequently, the S polarization component of the illumination light is reflected by the polarization separation film 52 and the P polarization component is transmitted. The reflected S-polarized light component is emitted from the optical surface 53 of the polarization beam splitter 50 and illuminates the reflective spatial light modulator 60.

反射型の空間光変調部60に入射したS偏光成分を主に有する照明光は、反射型の空間光変調部60の画素毎に偏光状態が変調され、P偏光成分とS偏光成分の割合が制御されて反射される。反射型の空間光変調部60にて反射された照明光は、再び偏光ビームスプリッター50に入射し、その偏光分離膜52にてP偏光成分が透過され、S偏光成分は光学面51側に戻される。   The illumination light mainly having an S-polarized light component incident on the reflective spatial light modulator 60 is modulated in the polarization state for each pixel of the reflective spatial light modulator 60, and the ratio of the P-polarized component and the S-polarized component is Controlled and reflected. The illumination light reflected by the reflective spatial light modulator 60 is incident on the polarization beam splitter 50 again, the P polarization component is transmitted through the polarization separation film 52, and the S polarization component is returned to the optical surface 51 side. It is.

このような構成とする空間光変調光学装置100においても、上述の第1及び第2の実施形態例と同様に、ライトパイプを大型化することなく、輝度むらを抑制することができる。また、上述の第2の実施形態例と同様に、複数のライトパイプを空間光変調部の中心方向に向かって傾斜させて配置することによって、光学レンズの使用枚数を低減、あるいは不要とし、更に小型軽量化を図ることができる。
そしてこの場合においても、例えば上記表1及び表2におけるような、空間光変調部の例えば長辺方向と短辺方向とにおいて異なる照明条件を容易に達成することができる。したがって、例えば虚像表示装置に適用する場合は、瞳の移動に対して明るさの変動を伴うことなく、良好に表示を行うことが可能である。
Even in the spatial light modulation optical device 100 having such a configuration, the luminance unevenness can be suppressed without increasing the size of the light pipe, as in the first and second embodiments. Further, similarly to the second embodiment described above, by arranging the plurality of light pipes to be inclined toward the center direction of the spatial light modulator, the number of optical lenses used can be reduced or eliminated, and Smaller and lighter can be achieved.
Also in this case, different illumination conditions can be easily achieved in the long side direction and the short side direction of the spatial light modulator, for example, as in Tables 1 and 2 above. Therefore, for example, when applied to a virtual image display device, it is possible to display well without a change in brightness with respect to movement of the pupil.

〔4〕第4の実施形態例
図11A及びBを参照して、本発明による空間光変調光学装置の第4の実施形態例を説明する。図11A及びBにおいて、図10A及びB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。この空間光変調光学装置100は、LED等より成る光源10、マルチライトパイプ20、拡散板40、偏光ビームスプリッター50、反射型の空間光変調部60によって構成される。また、マルチライトパイプ20の各ライトパイプは、その射出面22がy方向に凹の曲率をもつシリンドリカル面であり、かつ非球面とした例を示す。
そして特にこの例においては、各ライトパイプがその側面23に曲率のついた先細り型ライトパイプとされ、空間光変調部60の長辺方向であるx方向に3本、短辺方向であるy方向に2本配列した場合を示す。また各ライトパイプは、x及びy方向に1列に、かつ、空間光変調部60の中心方向(中心である必要はない)に向かって円弧を描くように並べた構成になっている。
[4] Fourth Embodiment With reference to FIGS. 11A and 11B, a fourth embodiment of the spatial light modulation optical apparatus according to the present invention will be described. In FIGS. 11A and 11B, parts corresponding to those in FIGS. The spatial light modulation optical device 100 includes a light source 10 composed of an LED or the like, a multi-light pipe 20, a diffuser plate 40, a polarization beam splitter 50, and a reflective spatial light modulation unit 60. Moreover, each light pipe of the multi-light pipe 20 shows an example in which the emission surface 22 is a cylindrical surface having a concave curvature in the y direction and is aspherical.
In particular, in this example, each light pipe is a tapered light pipe having a curvature on the side surface 23, and three light pipes in the x direction which is the long side direction of the spatial light modulator 60, and the y direction which is the short side direction. Shows the case where two are arranged. The light pipes are arranged in a line in the x and y directions so as to draw an arc toward the central direction (not necessarily the center) of the spatial light modulator 60.

このような構成において、光源10から射出した照明光は、マルチライトパイプ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。続いて配置される拡散板40にて適宜拡散された後、偏光ビームスプリッター50にその光学面51より入射する。続いてこの照明光は、偏光分離膜52においてそのS偏光成分が反射されP偏光成分は透過する。反射されたS偏光成分は偏光ビームスプリッター50の光学面53より射出して、反射型の空間光変調部60を照明する。
反射型の空間光変調部60に入射したS偏光成分を主に有する照明光は、反射型の空間光変調部60の画素毎に偏光状態が変調されP偏光成分とS偏光成分の割合が制御されて反射される。反射型の空間光変調部60にて反射された照明光は、再び偏光ビームスプリッター50に入射し、その偏光分離膜52にてP偏光成分が透過され、S偏光成分は光学面51側に戻される。
In such a configuration, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the incident surface 21 with the smaller area of the multi-light pipe 20, and after a part of the light rays repeats total internal reflection, the light is emitted from the emission surface 22. To do. Subsequently, the light is appropriately diffused by the diffusing plate 40 to be arranged, and then enters the polarizing beam splitter 50 from its optical surface 51. Subsequently, the S polarization component of the illumination light is reflected by the polarization separation film 52 and the P polarization component is transmitted. The reflected S-polarized light component is emitted from the optical surface 53 of the polarization beam splitter 50 and illuminates the reflective spatial light modulator 60.
Illumination light mainly having an S-polarized component incident on the reflective spatial light modulator 60 is modulated in polarization state for each pixel of the reflective spatial light modulator 60, and the ratio between the P-polarized component and the S-polarized component is controlled. And reflected. The illumination light reflected by the reflective spatial light modulator 60 is incident on the polarization beam splitter 50 again, the P polarization component is transmitted through the polarization separation film 52, and the S polarization component is returned to the optical surface 51 side. It is.

この場合においても、上述の第1〜第3の実施形態例と同様に、ライトパイプを大型化することなく、輝度むらを抑制することができる。また、上述の第2及び第3の実施形態例と同様に、複数のライトパイプを空間光変調部の中心方向に向かって傾斜させて配置することによって、光学レンズの使用枚数を低減、あるいは不要とし、更に小型軽量化を図ることができる。
そしてこの例においては、各ライトパイプの側面を外側に凸の曲面とすることにより、光源10から比較的大きな放射角で射出する光線が、各ライトパイプ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、各ライトパイプ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。
更にこの場合においても、例えば上記表1及び表2におけるような、空間光変調部の例えば長辺方向と短辺方向とにおいて異なる照明条件を容易に達成することができる。したがって、例えば虚像表示装置に適用する場合は、瞳の移動に対して明るさの変動を伴うことなく、良好に表示を行うことが可能である。
Even in this case, similarly to the first to third embodiments described above, it is possible to suppress luminance unevenness without increasing the size of the light pipe. Similarly to the second and third embodiments described above, the number of light lenses used can be reduced or unnecessary by arranging a plurality of light pipes inclined toward the center of the spatial light modulator. In addition, further reduction in size and weight can be achieved.
In this example, the side surface of each light pipe has an outwardly convex curved surface, thereby increasing the probability that light emitted from the light source 10 with a relatively large radiation angle will be totally reflected inside each light pipe. Thus, the light 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 total length of each light pipe can be shortened, and the apparatus can be reduced in size.
Furthermore, even in this case, different illumination conditions can be easily achieved, for example, in the long side direction and the short side direction of the spatial light modulator, as shown in Tables 1 and 2 above. Therefore, for example, when applied to a virtual image display device, it is possible to display well without a change in brightness with respect to movement of the pupil.

〔5〕第5の実施形態例
次に、図12〜図16を参照して、本発明による空間光変調光学装置を使用した虚像表示装置の実施形態例を説明する。この例においては、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に適用して好適な虚像表示装置の一実施形態例を示す。
本例の虚像表示装置200は、図12Aにその上面からみた概略平面構成図、図12Bに概略側面構成図を示すように、LED等より成る光源10、マルチライトパイプ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30、拡散板40、偏光ビームスプリッター50、反射型の空間光変調部60、ファインダーレンズ等より成るコリメート光学系70、ホログラム型の導波路90によって構成されている。なお、図12A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(空間光変調部60の長辺方向に相当)、上下(縦)方向をY方向(空間光変調部60の短辺方向に相当)、奥行き方向をZ方向として示す。
[5] Fifth Embodiment Next, an embodiment of a virtual image display device using the spatial light modulation optical device according to the present invention will be described with reference to FIGS. In this example, an embodiment of a virtual image display device suitable for application to a viewfinder of a video camera, a head-mounted display, or the like is shown.
The virtual image display device 200 of the present example has a light source 10 composed of LEDs or the like, a multi-light pipe 20, first and second, as shown in FIG. Of the uniaxial Fresnel lenses 31 and 32, a diffusing plate 40, a polarizing beam splitter 50, a reflective spatial light modulator 60, a collimating optical system 70 including a finder lens, and a hologram type waveguide 90. Has been. 12A and 12B show a common XYZ coordinate system, with respect to the observer's pupil 80, the horizontal (horizontal) direction is the X direction (corresponding to the long side direction of the spatial light modulator 60), and the vertical (vertical) direction. The direction is shown as the Y direction (corresponding to the short side direction of the spatial light modulator 60), and the depth direction is shown as the Z direction.

本実施形態例においては、マルチライトパイプ20は先細り型ライトパイプ3本を空間光変調部60の長辺方向、すなわちX方向に1列に並べた構成になっている。また、この例では、各ライトパイプの射出面22は、空間光変調部60の長辺方向に相当するY方向に凹の曲率をもつシリンドリカル面となっている。   In the present embodiment, the multi-light pipe 20 has a configuration in which three tapered light pipes are arranged in a line in the long side direction of the spatial light modulator 60, that is, in the X direction. In this example, the exit surface 22 of each light pipe is a cylindrical surface having a concave curvature in the Y direction corresponding to the long side direction of the spatial light modulator 60.

このような構成において、LED等の光源10から射出した照明光は、マルチライトパイプ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。そして続いて配置される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。   In such a configuration, the illumination light emitted from the light source 10 such as an LED enters from the entrance surface 21 having the smaller area of the multi-light pipe 20, and after a part of the light rays undergoes total internal reflection, the exit surface 22 injects. Then, the light enters the uniaxial Fresnel lenses 31 and 32 that are subsequently arranged. 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.

1軸フレネルレンズ31、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、32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40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。   The illumination light that has passed through the uniaxial Fresnel lenses 31 and 32 is incident on the diffusion plate 40 that is subsequently arranged. This diffusing plate 40 has different diffusivities along the direction in which the uniaxial Fresnel lenses 31 and 32 have optical power. In this embodiment, the diffusibility increases along the direction in which the optical power is large. . Thereby, 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 40. The

このようにして拡散板40から射出された照明光は、続いて偏光ビームスプリッター50にその光学面51より入射し、偏光分離膜52にてS偏光成分のみが反射され、光学面53より射出して、反射型の空間光変調部60を照明する。そして、反射型の空間光変調部60によって例えば表示する映像に対応して変調されて反射された照明光(映像光)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、そのP偏光成分のみが偏光分離膜52によって透過され、光学面54から射出する。   The illumination light emitted from the diffusing plate 40 in this way subsequently enters the polarization beam splitter 50 from its optical surface 51, and only the S-polarized component is reflected by the polarization separation film 52 and exits from the optical surface 53. Then, the reflective spatial light modulator 60 is illuminated. The illumination light (image light) modulated and reflected by the reflective spatial light modulator 60 corresponding to the image to be displayed, for example, is reflected by the reflection and the numerical aperture is maintained. And again enters the polarization beam splitter 50, and only the P-polarized component is transmitted by the polarization separation film 52 and exits from the optical surface 54.

偏光ビームスプリッター50の光学面54から射出した映像光は、図12Aに示すXZ平面においては、コリメート光学系70にて画角(すなわち空間光変調部60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12B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12A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12B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。   The image light emitted from the optical surface 54 of the polarization beam splitter 50 is viewed by the collimating optical system 70 in the XZ plane shown in FIG. 12A (that is, the emission angle of light emitted from each pixel of the spatial light modulator 60). ) Are different from each other. In the YZ plane orthogonal to this, the parallel light beam group is made into a light beam group having different angles of view and enters the light guide plate 90 as shown in FIG. 12B. 12A shows typical parallel light beams La, Lb and Lc in the XZ plane, and FIG. 12B shows typical parallel light beams LA, LB and LC in the YZ plane.

この導光板90は、図12A及びB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 FIGS. 12A and 12B, the light guide plate 90 has a thin flat plate configuration, and one end of the optical surface 91 of the optical surfaces 91 and 92 facing the pupil 80 in the depth direction is a collimating optical system. The light exiting from 70 is an incident part 91A, and the other end of the optical surface 91 is an exit part 91B from which 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12A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12Aにおいては、光束Laは二点鎖線、Lbは実線、Lcは破線でそれぞれ示す。
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12A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。
The light diffracted and reflected by the first reflective volume hologram grating 93 is converted into the optical surface 91 and the light beams La to Lc 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. 12A, the light beam La is indicated by a two-dot chain line, Lb is indicated by a solid line, and Lc is indicated by a broken 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、図12Bに示すように、各平行光束群LA〜LCが、導光板90内で瞳80に対し奥行き方向となるZ方向には反射を繰り返すが、伝播するX方向とほぼ直交するY方向については反射しないで射出部91Bに到達する。
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、図12Bに示すように、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, as shown in FIG. 12B, each of the parallel light beam groups LA to LC repeats reflection in the Z direction which is the depth direction with respect to the pupil 80 in the light guide plate 90, but the Y direction substantially orthogonal to the propagating X direction. Is not reflected and reaches the emission part 91B.
In this case, as described above, since these lights are converged in the Y direction, as shown in FIG. 12B, the second reflection is made with respect to the length of the first reflective volume hologram grating 93 in the Y direction. The reflection diffraction surface of the mold volume hologram grating 94 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13及び図14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、反射型の空間光変調部60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。
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 modulation unit will be described with reference to FIGS. 13 and 14.
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 from the reflective spatial light modulator 60 is reflected. The emission angle and the numerical aperture NA vary 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. Yes.

すなわち、図13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が後述する理由により比較的大きく設定される。
一方、図14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。
That is, as shown in FIG. 13, 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 display surface of 60 and close to a telecentric state, and the numerical aperture NA is set relatively large for the reason described later.
On the other hand, as shown in FIG. 14, in the Y direction corresponding to the short side direction, the light emitted from each pixel has a telecentric state in which the emission angle becomes farther away from the center of the display surface of the spatial light modulator 60, 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13及び図14においてそれぞれ示すX方向及びY方向における射出角による照明条件は、上述の第1の実施形態例に対する比較例として説明した上記表1及び表2に示す照明条件を用いてもよい。
上記表1及び表2に示す照明条件とする場合は、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。
The illumination conditions according to the emission angles in the X direction and the Y direction shown in FIGS. 13 and 14 may be the illumination conditions shown in Table 1 and Table 2 described above as comparative examples with respect to the first embodiment described above. Good.
In the case of the illumination conditions shown in Table 1 and Table 2, 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15A及びB、更に図16を用いて説明する。
図12A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15A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。
The reason why the numerical aperture NA and the emission angle have anisotropy with respect to the X direction and the Y direction in the above-described virtual image display device will be described with reference to FIGS. 15A and 15B and FIG. To do.
As described in FIG. 12A, 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. 15A, since the propagating light beams are all parallel light beams, the angle of view emitted from the light guide plate is different 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15B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 modulator, as shown in FIG. 15B, the vertical angle of view is farther away 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16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16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16において、図12A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 is apparent from backtracking in the configuration diagram shown in FIG. 16, 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. 16, it is necessary to increase the apparent NAx of the illumination light. In FIG. 16, 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、本実施形態例においては、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、フレネルレンズ31及び32と拡散板40、またマルチライトパイプ20の光学的特性を、前述の第1〜第4の実施形態例における空間光変調光学装置と同様に、それぞれ例えばX方向(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(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適用した場合に、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。
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 embodiment, as described above, the diffusion plate 40 is provided in the illumination optical system for the spatial light modulation unit, and the Fresnel lenses 31 and 32, the diffusion plate 40, and the optical light of the multi-light pipe 20 are provided. Similar to the spatial light modulation optical apparatus in the first to fourth embodiments described above, the characteristics are close to telecentric in the X direction (x direction), for example, and the diffusion angle is relatively large, and the Y direction (y In the direction), illumination optics that appropriately illuminate the spatial light modulator when applied to the above-mentioned virtual image display device by being constructed with optical anisotropy such as deviating from telecentricity and making the diffusion angle relatively small. An apparatus can be provided.

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。
そして更に、本発明においては、ライトパイプ及び光源を複数配置し、また、空間光変調部の長辺方向に対応する配列数を、短辺方向に対応する配列数に比して大とすることによって、反射型空間光変調部を用いる場合においても、空間光変調部に対してより均一な照明を行って、効率性に優れ、また輝度むらを抑制して良好な表示が可能な虚像表示装置を提供することができる。
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.
Furthermore, in the present invention, a plurality of light pipes and light sources are arranged, and the number of arrays corresponding to the long side direction of the spatial light modulator is larger than the number of arrays corresponding to the short side direction. Therefore, even when a reflective spatial light modulation unit is used, a virtual image display device that performs more uniform illumination on the spatial light modulation unit, is excellent in efficiency, and can suppress luminance unevenness and perform good display Can be provided.

〔6〕第6の実施形態例
次に、図17A及びBを参照して、本発明による空間光変調光学装置を使用した投射型画像表示装置の一実施形態例を説明する。図17Aはこの投射型画像表示装置300の上面からみた概略平面構成図及び概略側面構成図を示す。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構成の空間光変調光学装置を用いるものであり、LED等の光源10、マルチライトパイプ20、拡散板40、偏光ビームスプリッター50、反射型の空間光変調部60、投射光学系310、スクリーン311によって構成されている。図17A及びBにおいて、図10A及びB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。
[6] Sixth Embodiment Next, with reference to FIGS. 17A and 17B, an embodiment of a projection type image display apparatus using the spatial light modulation optical apparatus according to the present invention will be described. FIG. 17A shows a schematic plan configuration diagram and a schematic side configuration diagram seen from the top surface of the projection type image display apparatus 300. In this example, the spatial light modulation optical device having the configuration described in the third embodiment is used. The light source 10 such as an LED, the multi-light pipe 20, the diffuser plate 40, the polarization beam splitter 50, the reflection A spatial light modulator 60 of the mold, a projection optical system 310, and a screen 311 are included. In FIGS. 17A and 17B, parts corresponding to those in FIGS.

このような構成において、光源10から射出した照明光は、この光源10に光学密着されたマルチライトパイプ20の各ライトパイプ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、各ライトパイプの射出面22より射出し、続いて配置される拡散板40にて適宜拡散された後、偏光ビームスプリッター50にその光学面51より入射する。続いてこの照明光は、偏光分離膜52においてそのS偏光成分が反射されP偏光成分は透過する。反射されたS偏光成分は偏光ビームスプリッター50の光学面53より射出して、反射型の空間光変調部60を照明する。   In such a configuration, the illumination light emitted from the light source 10 is incident from the light incident surface 21 having the smaller area of each light pipe of the multi-light pipe 20 optically in close contact with the light source 10, and a part of the light rays is inside. After repeating the total reflection, the light is emitted from the light exit surface 22 of each light pipe, and after being appropriately diffused by the diffuser plate 40 disposed subsequently, enters the polarization beam splitter 50 from the optical surface 51. Subsequently, the S polarization component of the illumination light is reflected by the polarization separation film 52 and the P polarization component is transmitted. The reflected S-polarized light component is emitted from the optical surface 53 of the polarization beam splitter 50 and illuminates the reflective spatial light modulator 60.

反射型の空間光変調部60に入射したS偏光成分を主に有する照明光は、反射型の空間光変調部60の画素毎に偏光状態が変調され、P偏光成分とS偏光成分の割合が制御されて反射される。反射型の空間光変調部60にて反射された照明光は、再び偏光ビームスプリッター50に入射し、その偏光分離膜52にてP偏光成分が透過されて、光学面54より射出される。   The illumination light mainly having an S-polarized light component incident on the reflective spatial light modulator 60 is modulated in the polarization state for each pixel of the reflective spatial light modulator 60, and the ratio of the P-polarized component and the S-polarized component is Controlled and reflected. The illumination light reflected by the reflective spatial light modulator 60 is incident again on the polarization beam splitter 50, and the P-polarized component is transmitted through the polarization separation film 52, and is emitted from the optical surface 54.

偏光ビームスプリッター50から射出した照明光は、投射光学系310によってスクリーン311上に投射され、空間光変調部60により画像情報等によって変調された表示光(映像光)の像が結像される。
この例においても、空間光変調光学装置において、ライトパイプを大型化することなく、輝度むらを抑制することができる。またこの例では、複数のライトパイプを空間光変調部の中心方向に向かって傾斜させて配置することによって、光学レンズの使用枚数を低減、あるいは不要とし、更に小型軽量化を図ることができる。
したがって、このような空間光変調光学装置を用いる投射型画像表示装置300は、照明効率性に優れ、輝度むらを抑制して良好な画像の表示が可能となるとともに、その小型化、軽量化が可能となる。
The illumination light emitted from the polarization beam splitter 50 is projected on the screen 311 by the projection optical system 310, and an image of display light (video light) modulated by the spatial light modulation unit 60 by image information or the like is formed.
Also in this example, in the spatial light modulation optical device, luminance unevenness can be suppressed without increasing the size of the light pipe. In this example, by arranging the plurality of light pipes to be inclined toward the center direction of the spatial light modulator, the number of optical lenses used can be reduced or eliminated, and further reduction in size and weight can be achieved.
Therefore, the projection-type image display device 300 using such a spatial light modulation optical device is excellent in illumination efficiency, and can display a good image by suppressing unevenness in luminance, and can be reduced in size and weight. It becomes possible.

以上説明したように、本発明によれば、従来に比して輝度むらが抑制され、光利用効率に優れた小型の空間光変調光学装置、またこれを用いた虚像表示装置及び投射型画像表示装置を提供することができる。
なお、本発明による空間光変調光学装置、虚像表示装置及び投射型画像表示装置は、以上説明した各実施形態例に限定されるものではなく、その他光源や空間光変調部、ライトパイプなどの種類や配置構成など、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
As described above, according to the present invention, the non-uniformity of brightness is suppressed as compared with the conventional case, and a small spatial light modulation optical device excellent in light utilization efficiency, and a virtual image display device and a projection type image display using the same. An apparatus can be provided.
The spatial light modulation optical device, the virtual image display device, and the projection type image display device according to the present invention are not limited to the embodiments described above, and other types such as a light source, a spatial light modulation unit, and a light pipe. Needless to say, various modifications and changes can be made without departing from the configuration of the present invention, such as the layout and arrangement.

Aは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Bは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。1A is a schematic plan configuration diagram of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. FIG. B is a schematic side view of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. Aは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の光線トレースを示す図である。Bは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の光線トレースを示す図である。FIG. 3A is a diagram showing a ray trace of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. B is a diagram showing a ray trace of an embodiment of the spatial light modulation optical device according to the present invention. 本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例における照度分布を示す図である。It is a figure which shows the illumination intensity distribution in one embodiment of the spatial light modulation optical apparatus by this invention. Aは空間光変調光学装置の比較例の概略平面構成図である。Bは空間光変調光学装置の比較例の概略側面構成図である。A is a schematic plan view of a comparative example of a spatial light modulation optical device. B is a schematic side view of a comparative example of a spatial light modulation optical device. Aは空間光変調光学装置の比較例の光線トレースを示す図である。Bは空間光変調光学装置の比較例の光線トレースを示す図である。A is a figure which shows the light ray trace of the comparative example of a spatial light modulation optical apparatus. B is a diagram showing a ray trace of a comparative example of the spatial light modulation optical device. 空間光変調光学装置の比較例における照度分布を示す図である。It is a figure which shows the illumination intensity distribution in the comparative example of a spatial light modulation optical apparatus. Aは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Bは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。1A is a schematic plan configuration diagram of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. FIG. B is a schematic side view of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. Aは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の光線トレースを示す図である。Bは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の光線トレースを示す図である。FIG. 3A is a diagram showing a ray trace of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. B is a diagram showing a ray trace of an embodiment of the spatial light modulation optical device according to the present invention. 本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例における照度分布を示す図である。It is a figure which shows the illumination intensity distribution in one embodiment of the spatial light modulation optical apparatus by this invention. Aは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Bは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。1A is a schematic plan configuration diagram of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. FIG. B is a schematic side view of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. Aは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Bは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。1A is a schematic plan configuration diagram of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present invention. FIG. B is a schematic side view of an embodiment of a spatial light modulation optical device according to the present 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平面構成図である。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。1A is a schematic plan configuration diagram of an embodiment of a virtual image display device according to the present invention. FIG. B is a schematic side view of an embodiment of a virtual image display device according to the present 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. Aは本発明による投射型画像表示装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Bは本発明による投射型画像表示装置の一実施形態例の概略側面構成図である。1A is a schematic plan configuration diagram of an embodiment of a projection type image display apparatus according to the present invention. FIG. B is a schematic side view of an embodiment of a projection type image display device according to the present invention. 従来の照明光学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 conventional illumination optical apparatus. 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. ライトパイプを用いた空間光変調光学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 spatial light modulation optical apparatus 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、23.側面、30.フレネルレンズ、49.拡散板、50.偏光ビームスプリッター、51.光学面、52.偏光分離面、53.光学面、54.光学面、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.空間光変調光学装置、200.虚像表示装置、210.虚像表示光学系、300.投射型画像表示装置、310.投射光学系、311.スクリーン   10. Light source 20, light pipe, 21. Incident surface, 22. Emission surface, 23. Side, 30. Fresnel lens, 49. Diffusion plate, 50. Polarization beam splitter, 51. Optical surface, 52. Polarization separation surface, 53. Optical surface, 54. Optical surface, 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. Spatial light modulation optical device, 200. Virtual image display device, 210. Virtual image display optical system, 300. Projection-type image display device 310. Projection optical system, 311. screen

Claims (3)

空間光変調光学装置と、前記空間光変調光学装置の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、
前記空間光変調光学装置は、複数の光源と、複数のライトパイプと、空間光変調部と、拡散板とを有し、
前記複数のライトパイプの入射面近傍にそれぞれ前記光源が配置され、
前記空間光変調部は、その照明領域の幅が一の方向と他の方向とにおいて異なり、
前記照明領域の幅の大きい方向に対応する前記ライトパイプの配列数が、前記照明領域の幅の小さい方向に対応する前記ライトパイプの配列数より大とされて成り、
前記光源より射出した光束は、前記ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも前記光束の一部がその側面にて内部全反射した後、前記入射面よりも面積の大きい射出面より射出して前記空間光変調部に導かれ、前記空間光変調部において変調した光が前記虚像結像光学系に入射し、
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の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、入射した前記平行光束群を観察者の瞳に対する上下方向へ反射させずに、観察者の瞳に対する左右方向へ複数回全反射させて伝播した後、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を有し、
前記拡散板は、前記複数のライトパイプと前記空間光変調部との間に設けられ、観察者の瞳に対する左右方向の拡散角が、観察者の瞳に対する上下方向の拡散角より大きい拡散性を有し、前記上下方向の拡散角は、前記虚像結像光学系に入射する前記平行光束群が前記上下方向に拡がらない大きさに設定される
虚像表示装置。
A virtual image display device comprising: a spatial light modulation optical device; and a virtual image imaging optical system for guiding a display image of the spatial light modulation optical device to an observer's pupil,
The spatial light modulation optical device includes a plurality of light sources, a plurality of light pipes, a spatial light modulation unit, and a diffusion plate.
The light sources are respectively disposed in the vicinity of incident surfaces of the plurality of light pipes,
In the spatial light modulator, the width of the illumination area is different in one direction and the other direction,
The number of the light pipes corresponding to the direction in which the width of the illumination area is large is larger than the number of the light pipes corresponding to the direction in which the width of the illumination area is small;
The light beam emitted from the light source is incident on the light pipe from the incident surface, and 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. Then, the light guided to the spatial light modulation unit, the light modulated in the spatial light modulation unit is incident on the virtual image imaging optical system,
The virtual image imaging optical system includes a collimating optical system that converts light beams emitted from the pixels of the spatial light modulation unit into parallel light beam groups having different traveling directions, and the parallel light beam groups that are incident on the collimated light beam groups. The light guide plate is configured to be reflected and propagated multiple times in the left-right direction with respect to the observer's pupil without being reflected in the vertical direction with respect to the observer's pupil, and then emitted toward the observer's pupil. And
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; A second reflective volume hologram grating that diffracts and reflects the parallel light beam group so as to be emitted from the light guide plate as a parallel light beam group in an emission region of the parallel light beam group;
The diffusion plate is provided between the plurality of light pipes and the spatial light modulator, and has a diffusivity in which a horizontal diffusion angle with respect to the observer's pupil is larger than a vertical diffusion angle with respect to the observer's pupil. Yes, and the vertical direction of the diffusion angle, the virtual image display device in which the parallel light flux group entering the virtual image forming optical system is set to a size that does not spread in the vertical direction.
互いに進行方位の異なる平行光束群は、それぞれ前記第2の反射型体積ホログラムグレーティングに至るまでの全反射回数が異なっている
請求項記載の虚像表示装置。
Mutually parallel light pencil groups traveling in different directions, the virtual image display device according to claim 1, wherein the total number of reflections are different to each reaching the second reflection volume hologram grating.
前記虚像結像光学系は、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、前記空間光変調部の面内の一の方向と他の方向とで互いに異なる
請求項1又は2記載の虚像表示装置。
In the virtual image imaging optical system, the numerical aperture and / or the chief ray emission angle of the light emitted from the spatial light modulation unit are different from each other in one direction and the other direction in the plane of the spatial light modulation unit. The virtual image display device according to claim 1 .
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