JP5266525B2 - Video display device and head mounted display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表示素子からの映像光を接眼光学系を介して光学瞳に導く映像表示装置と、その映像表示装置を備えたヘッドマウントディスプレイ(以下、HMDとも称する)とに関するものである。 The present invention relates to an image display device that guides image light from a display element to an optical pupil via an eyepiece optical system, and a head mounted display (hereinafter also referred to as an HMD) including the image display device.
従来から、光源からの光を照明光学系を介して表示素子に導き、その表示素子からの映像光を接眼光学系を介して光学瞳(または光学瞳に位置する観察者の瞳)に導く構成のHMDが種々提案されている。照明光学系を用いて表示素子を照明することにより、光源からの光の利用効率を高めて、明るい映像(虚像)を観察者に観察させることが可能となる。 Conventionally, light from a light source is guided to a display element via an illumination optical system, and image light from the display element is guided to an optical pupil (or an observer's pupil located on the optical pupil) via an eyepiece optical system. Various HMDs have been proposed. By illuminating the display element using the illumination optical system, it is possible to increase the utilization efficiency of light from the light source and allow the observer to observe a bright image (virtual image).
上記の照明光学系は、透過型または反射型の光学素子を含んで構成することが可能である。例えば特許文献1のHMDでは、透過型の光学素子としてのレンズを含んで照明光学系を構成し、その照明光学系を介して透過型の表示素子を照明している。一方、特許文献2のHMDでは、反射型の光学素子としての放物面鏡で照明光学系を構成し、この照明光学系を介して透過型の表示素子を照明している。
The illumination optical system described above can be configured to include a transmissive or reflective optical element. For example, in the HMD of
ところで、近年では、小型、コンパクトに加えて、HMDの広画角化の要求が高まっている。HMDを広画角にするためには、例えばサイズの大きい表示素子を用いる手法が考えられる。サイズの大きい表示素子を用いる場合、光源からの光を効率よく表示素子に導くために、表示素子を照明する照明光学系のNA(開口数)を大きくする必要がある。 By the way, in recent years, in addition to small size and compactness, there has been an increasing demand for wide angle of view of HMD. In order to make the HMD have a wide angle of view, for example, a method using a display element having a large size is conceivable. When using a large display element, it is necessary to increase the NA (numerical aperture) of the illumination optical system that illuminates the display element in order to efficiently guide light from the light source to the display element.
しかし、特許文献1および2の照明光学系においては、光学パワーを有する光学素子は、ともに1つであるため、照明光学系のNAを大きくするためには、その光学素子を大きく形成せざるを得ず、照明光学系を小型、コンパクトに構成することが困難となる。この結果、小型、コンパクトで、広画角のHMDを実現することが困難となる。
However, in the illumination optical systems of
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、小型、コンパクトで高NAの照明光学系を実現することができ、これによって、小型、コンパクトな構成で広画角を実現できる映像表示装置と、その映像表示装置を備えたHMDとを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to realize a compact, compact and high NA illumination optical system, thereby achieving a compact and compact configuration. An object of the present invention is to provide a video display device capable of realizing a wide angle of view and an HMD provided with the video display device.
本発明の映像表示装置は、光源と、入射光を変調して映像を表示する透過型の表示素子と、光源から射出される光を表示素子に導く照明光学系と、表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、上記照明光学系は、光源側から順に、少なくとも1面の反射面を有し、かつ、正のパワーを有する第1群と、少なくとも1つの光学部材を有し、かつ、正のパワーを有する第2群とを有しており、以下の条件式を満足することを特徴としている。すなわち、
1.5<f2/f1<8.5
ただし、
f1:反射面を除いた第1群の焦点距離
f2:第2群の焦点距離
である。
An image display apparatus according to the present invention includes a light source, a transmissive display element that modulates incident light to display an image, an illumination optical system that guides light emitted from the light source to the display element, and image light from the display element. An eyepiece optical system that guides the optical pupil to the optical pupil, wherein the illumination optical system has, in order from the light source side, at least one reflecting surface and a positive power. And a second group having at least one optical member and having a positive power, and satisfying the following conditional expression. That is,
1.5 <f2 / f1 <8.5
However,
f1: Focal length of the first group excluding the reflecting surface f2: Focal length of the second group.
上記の構成によれば、光源から射出される光は、照明光学系を介して透過型の表示素子に入射し、そこで変調された後、映像光となって接眼光学系を介して光学瞳に導かれる。したがって、光学瞳の位置では、観察者は、表示素子に表示された映像の虚像を観察することが可能となる。 According to the above configuration, the light emitted from the light source is incident on the transmissive display element via the illumination optical system, modulated there, and then converted into image light to the optical pupil via the eyepiece optical system. Led. Therefore, at the position of the optical pupil, the observer can observe the virtual image of the image displayed on the display element.
ここで、照明光学系は、正のパワーを有する第1群と、正のパワーを有する第2群とを有している。このように、照明光学系を正、正の少なくとも2群構成とすることにより、照明光学系を1個の光学素子で構成する場合に比べて、光が進行する方向において照明光学系の長さを短くしながら、大きなNAを確保することが可能となる。しかも、第1群が少なくとも1面の反射面を有していることにより、照明光学系の光路を折りたたんで、照明光学系が前後に飛び出さないようにすることができる。つまり、本発明によれば、小型、コンパクトで、高NAの照明光学系を実現することができる。したがって、サイズの大きな表示素子を用いた場合でも、上記照明光学系を用いて、小型、コンパクトで、広画角の映像表示装置を実現することができる。 Here, the illumination optical system has a first group having positive power and a second group having positive power. In this way, by configuring the illumination optical system to have at least two groups of positive and positive, the length of the illumination optical system in the direction in which the light travels as compared with the case where the illumination optical system is configured by one optical element. It is possible to secure a large NA while shortening. In addition, since the first group has at least one reflecting surface, the optical path of the illumination optical system can be folded so that the illumination optical system does not jump forward and backward. That is, according to the present invention, it is possible to realize a small, compact, high NA illumination optical system. Therefore, even when a display element having a large size is used, it is possible to realize a small, compact and wide-angle video display device using the illumination optical system.
また、条件式の下限を下回ると、照明光学系の第2群のパワーが大きくなりすぎて、上記の反射面を挿入するスペースを確保することが困難となる。逆に、条件式の上限を上回ると、照明光学系では第1群がほとんどのパワーを負担することになるため、反射面のサイズが大きくなり、照明光学系全体が大きくなる。 If the lower limit of the conditional expression is not reached, the power of the second group of the illumination optical system becomes too large, and it becomes difficult to secure a space for inserting the reflecting surface. On the other hand, if the upper limit of the conditional expression is exceeded, the first group bears most of the power in the illumination optical system, so the size of the reflecting surface increases and the entire illumination optical system increases.
したがって、条件式を満足することにより、上記の反射面を挿入するスペースを確保しながら、照明光学系をコンパクトに構成することが可能となり、反射面を用いた照明光学系の構成において、上述の効果を得ることが可能となる。 Therefore, by satisfying the conditional expression, it becomes possible to configure the illumination optical system in a compact manner while ensuring the space for inserting the reflection surface, and in the configuration of the illumination optical system using the reflection surface, An effect can be obtained.
本発明の映像表示装置において、上記照明光学系の第2群は、上記光学部材としてフレネルレンズを有している構成であってもよい。 In the video display device of the present invention, the second group of the illumination optical system may have a Fresnel lens as the optical member.
フレネルレンズは通常のレンズよりも薄いので、照明光学系の第2群にフレネルレンズを用いることにより、通常のレンズを用いる場合に比べて照明光学系を小型化、軽量化することができる。特に、第2群は表示素子との距離が近く、第1群と比較してレンズの有効半径が大きいため、第2群に薄いフレネルレンズを用いることにより、第2群を表示素子の近くに配置する構成を容易に採用することが可能となる。 Since the Fresnel lens is thinner than a normal lens, the use of the Fresnel lens in the second group of the illumination optical system makes it possible to reduce the size and weight of the illumination optical system compared to the case of using a normal lens. In particular, since the second group is close to the display element and has a larger effective radius than the first group, by using a thin Fresnel lens for the second group, the second group is placed close to the display element. The arrangement to be arranged can be easily adopted.
本発明の映像表示装置は、入射光を拡散する拡散部材をさらに備え、上記拡散部材は、照明光学系の第2群と表示素子との間の光路中に配置されている構成であってもよい。拡散部材を用いることにより、光源の強度ムラ(強度分布のムラ)を低減して、表示素子全体を均一に照明することが可能となる。 The video display device of the present invention further includes a diffusing member that diffuses incident light, and the diffusing member may be disposed in an optical path between the second group of the illumination optical system and the display element. Good. By using the diffusing member, it becomes possible to reduce the intensity unevenness of the light source (intensity distribution unevenness) and to uniformly illuminate the entire display element.
本発明の映像表示装置は、入射光を拡散する拡散部材をさらに備え、上記拡散部材は、照明光学系の第2群と表示素子との間の光路中に配置されており、表示素子の画面長辺方向における拡散度が、表示素子の画面短辺方向における拡散度よりも大きい構成であってもよい。 The image display device of the present invention further includes a diffusing member that diffuses incident light, and the diffusing member is disposed in an optical path between the second group of the illumination optical system and the display element, and the screen of the display element The diffusivity in the long side direction may be larger than the diffusivity in the screen short side direction of the display element.
表示素子の表示画面は、通常、矩形の領域であることから、表示画面の長辺方向において使う照明光学系のNAは、表示画面の短辺方向において使う照明光学系のNAよりも大きくなる。一方、照明光学系の第2群にフレネルレンズを用いる構成においては、フレネルレンズのピッチ(幅)は、画面長辺方向の端部に向かうほど細かくなる(狭くなる)。このため、画面長辺方向では、フレネルレンズのピッチ(エッジ)に起因するムラが顕著に現れる。照明光学系の第2群と表示素子との間に拡散部材を配置し、しかも、拡散部材の拡散特性を上記のように設定することにより、光源の強度ムラを低減するとともに、フレネルレンズに起因する画面長辺方向のムラを低減することができる。 Since the display screen of the display element is usually a rectangular region, the NA of the illumination optical system used in the long side direction of the display screen is larger than the NA of the illumination optical system used in the short side direction of the display screen. On the other hand, in a configuration in which a Fresnel lens is used for the second group of the illumination optical system, the pitch (width) of the Fresnel lens becomes smaller (decreases) toward the end in the long side direction of the screen. For this reason, unevenness due to the pitch (edge) of the Fresnel lens appears significantly in the long side direction of the screen. By disposing a diffusing member between the second group of the illumination optical system and the display element, and setting the diffusing characteristics of the diffusing member as described above, the intensity unevenness of the light source is reduced, and it is caused by the Fresnel lens. It is possible to reduce unevenness in the long side direction of the screen.
本発明の映像表示装置は、上記照明光学系の第1群の反射面により、照明光学系の光路が表示素子の画面短辺方向に平行でかつ画面長辺方向に垂直な断面内で折り曲げられている構成であることが望ましい。このように、第1群の反射面によって照明光学系の光路を上記断面内で折り曲げることにより、他の断面内で光路を折り曲げる構成に比べて、照明光学系の前後方向の厚さを薄くすることができる。 In the image display device of the present invention, the optical path of the illumination optical system is bent in a cross section parallel to the screen short side direction of the display element and perpendicular to the screen long side direction by the first group of reflecting surfaces of the illumination optical system. It is desirable to have a configuration. In this way, by bending the optical path of the illumination optical system within the cross section by the first group of reflecting surfaces, the thickness of the illumination optical system in the front-rear direction is reduced as compared with the configuration in which the optical path is folded within another cross section. be able to.
本発明の映像表示装置において、上記断面内で、光源と光学瞳との位置関係は共役であることが望ましい。この場合、上記断面内において、光源から射出される光を効率よく光学瞳に伝播することができる。 In the video display device of the present invention, it is desirable that the positional relationship between the light source and the optical pupil is conjugate within the cross section. In this case, the light emitted from the light source can be efficiently propagated to the optical pupil within the cross section.
本発明の映像表示装置において、上記接眼光学系は、体積位相型の反射型ホログラム光学素子を有しており、表示素子からの映像光を上記ホログラム光学素子にて回折反射させて光学瞳に導くと同時に、上記ホログラム光学素子を透過した外界像の光を光学瞳に導く構成であってもよい。このように、波長選択性を有するホログラム光学素子(以下、HOEとも称する)を2種の光のコンバイナとして用いることにより、観察者は、表示素子に表示された映像の虚像を外界像に重ね合わせてシースルーで観察することができる。 In the image display device of the present invention, the eyepiece optical system includes a volume phase type reflection hologram optical element, and image light from the display element is diffracted and reflected by the hologram optical element and guided to the optical pupil. At the same time, the configuration may be such that the light of the external field image transmitted through the hologram optical element is guided to the optical pupil. Thus, by using a hologram optical element having wavelength selectivity (hereinafter also referred to as HOE) as a combiner of two types of light, an observer can superimpose a virtual image of the image displayed on the display element on an external image. And see through.
本発明のヘッドマウントディスプレイは、上述した本発明の映像表示装置と、上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴としている。この構成では、映像表示装置が支持手段にて支持されるので、観察者は映像表示装置から提供される映像をハンズフリーで観察することができる。また、本発明の映像表示装置をHMDに適用することにより、照明光学系がコンパクトで、使用時の観察者への負担が少ない、広画角のHMDを実現することができる。 The head-mounted display of the present invention includes the above-described video display device of the present invention and support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes. In this configuration, since the video display device is supported by the support means, the observer can observe the video provided from the video display device in a hands-free manner. In addition, by applying the video display device of the present invention to an HMD, it is possible to realize a HMD having a wide angle of view with a compact illumination optical system and less burden on the observer during use.
本発明によれば、小型、コンパクトで、高NAの照明光学系を実現することができる。これにより、サイズの大きな表示素子を用いた場合でも、上記照明光学系を用いて、小型、コンパクトで、広画角の映像表示装置を実現することができる。また、所定の条件式を満足することにより、照明光学系の第1群の反射面を挿入するスペースを確保しながら、照明光学系をコンパクトに構成することが可能となり、反射面を用いた照明光学系の構成において、上述の効果を得ることができる。 According to the present invention, an illumination optical system that is small, compact, and has a high NA can be realized. Thereby, even when a large display element is used, it is possible to realize a small, compact and wide-angle video display device using the illumination optical system. In addition, by satisfying a predetermined conditional expression, it becomes possible to configure the illumination optical system in a compact manner while securing a space for inserting the reflection surface of the first group of the illumination optical system, and illumination using the reflection surface The above-described effects can be obtained in the configuration of the optical system.
本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(1.HMDについて)
図1は、HMDの概略の構成を示す斜視図である。HMDは、映像表示装置1と、支持手段2とで構成されている。
(1. About HMD)
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of the HMD. The HMD includes a
映像表示装置1は、観察者に外界像をシースルーで観察させるとともに、映像を表示して観察者にそれを虚像として提供するものである。この映像表示装置1としては、後述する実施の形態1〜4で示すものを適用することができる。映像表示装置1は、表示素子14(図2参照)などを収容する筐体3に接眼光学系20を一体化させて構成されている。接眼光学系20は、全体として眼鏡の一方のレンズ(図1では右眼用レンズ)のような形状をなしている。支持手段2は、映像表示装置1を観察者の眼前で支持するものであり、例えば眼鏡のフレームやテンプルに相当する。以下、映像表示装置1の詳細について説明する。
The
(2.映像表示装置について)
図2〜図5は、それぞれ、実施の形態1〜4に係る映像表示装置1の概略の構成を示す断面図である。映像表示装置1は、光源11と、照明光学系12と、拡散板13(拡散部材)と、表示素子14と、接眼光学系20とを有している。なお、便宜上、図3〜図5では、拡散板13の図示を省略している。
(2. About video display device)
2 to 5 are cross-sectional views each showing a schematic configuration of the
また、説明の便宜上、方向を以下のように定義しておく。まず、表示素子14の表示領域の中心と、接眼光学系20によって形成される光学瞳(射出瞳)Eの中心とを光学的に結ぶ軸を光軸とする。そして、光源11から光学瞳Eまでの光路を展開したときの光軸方向をZ方向とする。また、接眼光学系20の後述するHOE23の光軸入射面に垂直な方向をX方向とし、ZX平面に垂直な方向をY方向とする。なお、HOE23の光軸入射面とは、HOE23における入射光の光軸と反射光の光軸とを含む平面、すなわち、YZ平面を指す。
For convenience of explanation, directions are defined as follows. First, an axis that optically connects the center of the display area of the
光源11は、例えば、RGBの3原色に対応する波長の光を出射するRGB一体型のLEDで構成されている。この光源11は、光学瞳Eと共役な位置関係となっている。特に、拡散板13の拡散特性が例えば1次元であり、拡散板13が入射光を例えばX方向に拡散する場合、YZ面内において光源11は光学瞳Eと共役となる。これにより、上記断面内においては、光源11から射出される光を効率よく光学瞳Eに伝播することが可能となる。照明光学系12は、光源から射出される光を集光して表示素子14に導くものであるが、その詳細については後述する。
The
拡散板13は、入射光を拡散する拡散部材であり、照明光学系12の後述する第2群G2と表示素子14との間の光路中に配置されている。これにより、光源11のRGBの強度ムラを低減して、表示素子14全体を均一に照明することが可能となる。
The diffusing
また、拡散板13の拡散特性が例えば1次元である場合、拡散板13と表示素子14との距離は、接眼光学系20による互いの虚像の視度の差が2ディオプタ(Dp)以上となる距離であることが望ましい。ここで、上記のディオプタとは、光学系(例えばレンズ)の焦点距離をメートルで表した値の逆数(−1/m)で表され、視度、すなわち光学系の度数(屈折力)を示す単位として一般的に用いられているものである。このように拡散板13と表示素子14との位置関係を設定することにより、表示素子14の表示映像の接眼光学系20による虚像に、拡散板13の接眼光学系20による虚像(拡散板13の凹凸によって生じる像)が重なって視認されるのを低減することができる。
Further, when the diffusion characteristic of the
表示素子14は、光源11から照明光学系12を介して入射する光を画像データに応じて変調して映像を表示するものであり、例えば透過型のLCDで構成されている。表示素子14は、矩形の表示画面の長辺方向がX方向となり、短辺方向がY方向となるように配置されている。なお、図2〜図5では、表示素子14における対向電極側のガラス基板であるカバーガラスのみを図示している。
The
なお、表示素子14は、液晶層の光入射側および光射出側に互いに偏光方向が直交する偏光板をそれぞれ有しているものとする。この場合、拡散板13と液晶層との間に偏光板が配置されているので、照明光学系12(後述するレンズや反射面を含む)および拡散板13によって偏光状態が変化しても、所定の直線偏光のみを液晶層に入射させることができ、偏光状態の変化によるコントラストの低下を回避することができる。
The
接眼光学系20は、表示素子14からの映像光を光学瞳Eに導く画像表示光学系であり、接眼プリズム21と、偏向プリズム22(図1参照)と、HOE23とを有して構成されている。
The eyepiece
接眼プリズム21は、表示素子14からの映像光を内部で全反射させる一方、外界像の光(外光)を透過させるものであり、偏向プリズム22とともに、例えばアクリル系樹脂で構成されている。この接眼プリズム21は、平行平板の下端部を下端に近くなるほど薄くして楔状にした形状で構成されている。接眼プリズム21の上端面は、映像光の入射面としての面21aとなっており、前後方向に位置する2面は、互いに平行な面21b・21cとなっている。
The
偏向プリズム22は、平面視で略U字型の平行平板で構成されており(図1参照)、接眼プリズム21の下端部および両側面部(左右の各端面)と貼り合わされたときに、接眼プリズム21と一体となって略平行平板となるものである。偏向プリズム22は、HOE23を挟むように接眼プリズム21と隣接または接着して設けられている。これにより、観察者が接眼プリズム21の楔状の部分を介して観察する外界像に歪みが生じるのを防止することができる。
The deflecting
HOE23は、表示素子14からの映像光(3原色に対応した波長の光)を回折反射させて光学瞳Eに導くことにより、表示素子14にて表示された映像を拡大して観察者の瞳に虚像として導く体積位相型の反射型ホログラム光学素子であり、接眼プリズム21において偏向プリズム22との接合面に設けられている。なお、接眼プリズム21において、HOE23が設けられている面を、以下ではHOE面と称することとする。
The
HOE23は、軸非対称な正の光学的パワーを有しており、正の光学的パワーを持つ非球面凹面ミラーと同様の機能を持っている。これにより、装置を構成する各光学部材の配置の自由度を高めて装置を容易に小型化することができるとともに、良好に収差補正された映像を観察者に提供することができる。
The
上記構成の映像表示装置1において、光源11から射出された光は、照明光学系12および拡散板13を介して表示素子14に入射し、そこで変調されて映像光として出射される。表示素子14からの映像光は、接眼光学系20の接眼プリズム21の内部に面21aから入射し、続いて面21c(図3〜5では面21b)に臨界角以上の角度で入射する。そして、面21b・21cで少なくとも1回ずつ全反射されて、HOE23に入射する。HOE23に入射した光は、そこで回折反射されて光学瞳Eに達する。光学瞳Eの位置では、観察者は、表示素子14に表示された映像の拡大虚像を観察することができる。
In the
一方、接眼プリズム21、偏向プリズム22およびHOE23は、外光をほとんど全て透過させるので、観察者は外界像を観察することができる。したがって、表示素子14に表示された映像の虚像は、外界像の一部に重なって観察されることになる。
On the other hand, the
以上のように、接眼光学系20では、表示素子14からの映像光を接眼プリズム21内で導光し、HOE23を介して光学瞳Eに導くと同時に、HOE23を透過した外光を光学瞳Eに導く。体積位相型の反射型ホログラフィック光学素子で構成されるHOE23は、回折波長幅が狭く、特定の波長には作用するが、その他の波長には作用しない特性を持つ。このようなHOE23を、表示映像と外界像とを同時に観察するいわゆるシースルー機能のためのコンバイナとして用いた場合、HOE23は外光の一部の波長にしか作用しないため、外光はほとんどHOE23の影響を受けず、外界像をシースルーで明るく良好に観察することが可能となる。また、異なる波長に作用するHOE23を重畳することにより、カラー映像を観察することが可能である。
As described above, in the eyepiece
また、表示素子14の表示画面の短辺方向と平行で画面中心を通る断面上で、HOE面によって、光軸上を進行する光線(画面中心主光線)が光学瞳Eの方向に折り曲げられている。このように、HOE面を、画面短辺方向と平行で画面中心を通る断面内で傾けることにより、接眼光学系20の厚さをより薄く(コンパクトに)することができる。
Further, on the cross section passing through the center of the screen parallel to the short side direction of the display screen of the
(3.照明光学系について)
次に、照明光学系12の詳細について説明する。各実施の形態1〜4における照明光学系12は、光源11側から順に、第1群G1と、第2群G2とを有している。第1群G1は、少なくとも1面の反射面を有し、かつ、正のパワーを有している。一方、第2群G2は、少なくとも1つの光学部材を有し、かつ、正のパワーを有している。
(3. About illumination optical system)
Next, details of the illumination
より詳しくは、実施の形態1および3の照明光学系12では、図2および図4に示すように、第1群G1は、光源11側から順に、レンズ15と、フレネルレンズ16と、反射ミラー17とを有しており、第2群G2は、フレネルレンズ18を有して構成されている。レンズ15、フレネルレンズ16・18は、それぞれ正のパワーを有している。また、反射ミラー17の反射面は、実施の形態1では平面であり、実施の形態3では球面となっている。
More specifically, in the illumination
また、実施の形態2および4の照明光学系12では、図3および図5に示すように、第1群G1は、光源11側から順に、レンズ15と、反射ミラー17とを有しており、第2群G2は、フレネルレンズ18を有して構成されている。レンズ15およびフレネルレンズ18は、それぞれ正のパワーを有している。また、反射ミラー17の反射面は、実施の形態2および4ともに球面となっている。
In the illumination
つまり、実施の形態1および3の照明光学系12では、光源11からの光は、第1群G1のレンズ15およびフレネルレンズ16を順に透過した後、反射ミラー17で反射されてその光路が折り曲げられ、第2群G2のフレネルレンズ18を透過し、拡散部材13に入射する。一方、実施の形態2および4の照明光学系12では、光源11からの光は、第1群G1のレンズ15を透過した後、反射ミラー17で反射されてその光路が折り曲げられ、第2群G2のフレネルレンズ18を透過し、拡散部材13に入射する。
That is, in the illumination
このように、照明光学系12を、正、正の2群構成とすることにより、照明光学系12を1個の光学素子で構成する場合に比べて、光の進行方向における照明光学系12の長さを短くしながら、大きなNAを確保することが可能となる。しかも、第1群G1が反射ミラー17(反射面)を有していることにより、照明光学系12の光路を折りたたんで、照明光学系12を前後に飛び出さないように構成とすることが可能となる。
As described above, the illumination
したがって、小型、コンパクトで、高NAの照明光学系12を実現することができ、サイズの大きな表示素子14を用いた場合でも、高NAの照明光学系12を用いて、小型、コンパクトで、広画角の映像表示装置1を実現することが可能となる。また、高NAを維持しつつ、照明光学系12を小型、コンパクトに構成できるので、光源11と照明光学系12とを1つの系と考えたときの照明系の重心位置と、接眼光学系15の重心位置とを近づけることができ、使用時の安定性を向上させることもできる。
Therefore, a small, compact, high NA illumination
このとき、各実施の形態1〜4の映像表示装置1は、以下の条件式を満足することが望ましい。すなわち、
1.5<f2/f1<8.5
ただし、
f1:反射面を除いた第1群G1の焦点距離(mm)
f2:第2群G2の焦点距離(mm)
である。
At this time, it is desirable that the
1.5 <f2 / f1 <8.5
However,
f1: Focal length (mm) of the first group G1 excluding the reflecting surface
f2: Focal length (mm) of the second group G2
It is.
条件式の下限を下回ると、照明光学系12の第2群G2のパワーが大きくなりすぎて、反射ミラー17を挿入するスペースを確保することが困難となる。逆に、条件式の上限を上回ると、照明光学系12では第1群G1がほとんどのパワーを負担することになるため、反射ミラー17のサイズが大きくなり、照明光学系12が全体として大きくなる。
If the lower limit of the conditional expression is not reached, the power of the second group G2 of the illumination
したがって、条件式を満足することにより、反射ミラー17を挿入するスペースを確保しながら、照明光学系12をコンパクトに構成することが可能となり、反射ミラー17を有する照明光学系12を用いて、小型、コンパクトで、広画角の映像表示装置1を実現することが可能となる。
Therefore, by satisfying the conditional expression, the illumination
なお、各実施の形態1〜4の映像表示装置1は、以下の条件式を満足することがより望ましい。すなわち、
2.0<f2/f1<5.0
である。
In addition, as for the
2.0 <f2 / f1 <5.0
It is.
また、各実施の形態1〜4では、反射ミラー17により、照明光学系12の光路がYZ平面内、すなわち、表示素子14の画面短辺方向に平行でかつ画面長辺方向に垂直な断面内で折り曲げられている。これにより、他の断面内で光路を折り曲げる構成に比べて、照明光学系12の前後方向の厚さを薄くすることができ、確実に照明光学系12を前後に飛び出さないように構成とすることが可能となる。
In each of the first to fourth embodiments, the
また、照明光学系12の第2群G2にフレネルレンズ18を用いることにより、通常のレンズを用いる場合に比べて照明光学系12を小型化、軽量化することができる。さらに、第2群G2は、表示素子14との距離が近く、第1群G1と比較してレンズの有効半径が大きいので、第2群G2にフレネルレンズ18を用いることによる効果は大きくなる。すなわち、第2群G2を表示素子14の近くに配置することが容易となり、また、照明光学系12の軽量化によって観察者の使用負担も軽減することができる。
Further, by using the
ところで、照明光学系12の第2群G2にフレネルレンズ18を用いる構成においては、拡散板13の拡散特性を以下のように設定することが望ましい。つまり、拡散板13における表示素子14の画面長辺方向の拡散度(例えば40度)を、表示素子14の画面短辺方向の拡散度(例えば0.5度)よりも大きくなるように設定することが望ましい。これは、以下の理由による。
By the way, in the configuration using the
表示素子14の表示画面は、通常、矩形の領域(本実施形態ではX方向には長く、Y方向には短い領域)であることから、表示画面の長辺方向(X方向)において使う照明光学系12のNAは、表示画面の短辺方向(Y方向)において使う照明光学系12のNAよりも大きくなる。つまり、図6に示すように、光源11から射出される2光線(発散光)が張る角度であって、照明光学系12を介して表示素子14の表示画面の長辺方向の両端に入射する2光線が照明光学系12の光入射側で張る角度を第1の角度α(°)とし、照明光学系12を介して表示素子14の表示画面の短辺方向の両端に入射する2光線が照明光学系12の光入射側で張る角度を第2の角度β(°)とすると、第1の角度αは第2の角度βよりも大きくなる。
Since the display screen of the
一方、図7は、フレネルレンズ18の断面図を示している。照明光学系12の第2群G2にフレネルレンズ18を用いる構成においては、同図に示すように、フレネルレンズ18のピッチ(幅)は、中心から端部に向かうほど細かくなる(狭くなる)。このため、使用する照明光学系12のNAが大きくなる画面長辺方向では、画面短辺方向に比べて、フレネルレンズ18のピッチ(エッジ)に起因するムラが顕著に現れる。
On the other hand, FIG. 7 shows a cross-sectional view of the
そこで、照明光学系12の第2群G2と表示素子14との間に拡散板13を配置し、しかも、拡散板13の拡散特性を上記のように設定することにより、光源11の強度ムラを低減しながら、フレネルレンズ18に起因する画面長辺方向のムラを低減することができる。
Therefore, by arranging the
また、体積位相型の反射型のHOE23をレーザ光の2光束干渉によって作製した場合、作製されたHOE23の光軸入射面に平行な断面(YZ面)内では、HOE23の角度選択性が高い。すなわち、HOE23における画面短辺方向(Y方向)の回折効率は、HOE23への入射光束(映像光)の入射角度に大きく依存し、わずかに入射角度が変化しただけでも、回折効率が大幅に低下する。したがって、画面短辺方向に入射光束の角度分布が大きいと、入射光束を光学瞳Eに効率よく伝播することができない。よって、この点からも、拡散板13における画面短辺方向の拡散度は小さいことが好ましいと言える。一方、HOE23の画面長辺方向(X方向)の回折効率は、光束の入射角度への依存が少ないため、画面長辺方向に入射光束の角度分布が大きい場合であっても、光束を光学瞳Eに効率よく導くことができる。
Further, when the volume phase
(4.実施例について)
以下、各実施の形態1〜4の映像表示装置1の各実施例について、実施例1〜4として、コンストラクションデータ等を挙げてさらに具体的に説明する。実施例1〜4は、各実施の形態1〜4にそれぞれ対応する数値実施例であり、各実施の形態1〜4を表す光学構成図(図2〜図5)は、対応する実施例1〜4にもそのまま適用される。
(4. About Example)
Hereinafter, each example of the
なお、以下に示すコンストラクションデータにおいて、Si(i=1、2、3、・・・)は、光学瞳E側から数えてi番目の面(光学瞳Eを1番目の面とする)を示している。また、表示素子14のカバーガラス(CG)において、接眼光学系20側の面をCG面とし、光源11側の面を像面(表示面)としている。
In the construction data shown below, Si (i = 1, 2, 3,...) Indicates the i-th surface from the optical pupil E side (the optical pupil E is the first surface). ing. In the cover glass (CG) of the
各面Siの配置は、面頂点座標(x,y,z)と回転角度(ADE)の各面データでそれぞれ特定される。面Siの面頂点座標は、その面頂点をローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点として、グローバルな直交座標系(x,y,z)におけるローカルな直交座標系(X,Y,Z)の原点の座標(x,y,z)で表されている(単位はmm)。また、面Siの傾きは、その面頂点を中心とするX軸回りの回転角度(X回転)で表されている。なお、回転角度の単位は°であり、X軸の正方向から見て反時計回りの方向がX回転の回転角度の正方向とする。 The arrangement of each surface Si is specified by each surface data of surface vertex coordinates (x, y, z) and rotation angle (ADE). The surface vertex coordinates of the surface Si are the local orthogonal coordinate system (X, Y, z) in the global orthogonal coordinate system (x, y, z) with the surface vertex as the origin of the local orthogonal coordinate system (X, Y, Z). , Z) is represented by the coordinates (x, y, z) of the origin (unit: mm). Further, the inclination of the surface Si is represented by a rotation angle around the X axis (X rotation) with the surface vertex as the center. The unit of the rotation angle is °, and the counterclockwise direction when viewed from the positive direction of the X axis is the positive direction of the rotation angle of the X rotation.
また、グローバルな直交座標系(x,y,z)は、光学瞳面(S1)のローカルな直交座標系(X,Y,Z)と一致した絶対座標系になっている。すなわち、各面Siの配置データは、光学瞳面中心を原点としたグローバル座標系で表現される。なお、光学瞳面(S1)では、光学瞳Eから接眼光学系20に向かう方向が+Z方向であり、光学瞳Eに対して上方向が+Y方向であり、YZ平面に垂直な方向であって、図2の紙面奥から手前に向かう方向(HMDを装着したときに左から右に向かう方向)が+X方向である。
The global orthogonal coordinate system (x, y, z) is an absolute coordinate system that matches the local orthogonal coordinate system (X, Y, Z) of the optical pupil plane (S1). In other words, the arrangement data of each surface Si is expressed in a global coordinate system with the center of the optical pupil plane as the origin. In the optical pupil plane (S1), the direction from the optical pupil E toward the eyepiece
また、各実施例で用いたHOEを作製する際の製造波長(HWL;規格化波長)および再生波長はともに532nmであり、回折光の使用次数は1次である。HOE面については、作製に用いる2光束を定義することにより、HOEを一義的に定義する。2光束の定義は、各光束の光源位置と、各光源からの射出ビームが収束ビーム(VIA)、発散ビーム(REA)のどちらであるかで行う。なお、第1の点光源(HV1)、第2の点光源(HV2)の座標を、それぞれ(HX1,HY1,HZ1)、(HX2,HY2,HZ2)とする。 In addition, the manufacturing wavelength (HWL; normalized wavelength) and the reproduction wavelength when producing the HOE used in each example are both 532 nm, and the use order of the diffracted light is the first order. For the HOE surface, the HOE is uniquely defined by defining the two light beams used for fabrication. The definition of the two light beams is performed by determining whether the light source position of each light beam is the convergent beam (VIA) or the divergent beam (REA). The coordinates of the first point light source (HV1) and the second point light source (HV2) are (HX1, HY1, HZ1) and (HX2, HY2, HZ2), respectively.
また、各実施例では、HOEによる複雑な波面再生を行うので、2光束の定義に加えて、位相関数φによってもHOEを定義する。位相関数φは、以下の数1式に示すように、HOEの位置(X,Y)による生成多項式であり、係数が1次〜10次までの昇順の単項式で表される。コンストラクションデータにおいては、位相関数φの係数Cjを示している。
In each embodiment, since the complex wavefront reproduction by HOE is performed, the HOE is also defined by the phase function φ in addition to the definition of the two light beams. The phase function φ is a generator polynomial based on the position (X, Y) of the HOE, as shown in the following
なお、係数Cjの番号jは、m、nをX、Yの指数として以下の数2式で表される。
Note that the number j of the coefficient Cj is expressed by the
なお、HOE面において、射出光線の法線ベクトルをそれぞれp’、q’、r’とし、入射光線の法線ベクトルをそれぞれp、q、rとし、再生光束の波長をλ(nm)とし、HOEを作製する光束の波長をλ0(nm)とすると、p’、q’、r’は、以下の数3式で表される。 In the HOE plane, the normal vectors of the emitted light are respectively p ′, q ′, and r ′, the normal vectors of the incident light are respectively p, q, and r, and the wavelength of the reproduced light beam is λ (nm), Assuming that the wavelength of the light beam for producing the HOE is λ 0 (nm), p ′, q ′, and r ′ are expressed by the following equation (3).
このように、実施例1〜6では、波長532nmの光を射出する光源を使用してホログラム感光材料を露光し、波長532nmに対応するHOEの位相関数φを作成している。上記波長に対応する位相関数φを作成した後に、他の波長の光を射出する光源を使用してホログラム感光材料を多重露光することにより、接眼光学系20をカラー表示に対応させることができる。
Thus, in Examples 1-6, the hologram photosensitive material is exposed using the light source which inject | emits the light of wavelength 532nm, and the phase function (phi) of HOE corresponding to wavelength 532nm is created. After the phase function φ corresponding to the wavelength is created, the eyepiece
また、コンストラクションデータにおいて、回転対称非球面の面形状は、次の数4式によって表現される。ただし、Zは高さhの位置でのZ軸方向(光軸方向)のサグ量(mm)を示し、cは面頂点での曲率(1/mm)を示し、hは高さ、すなわちZ軸(光軸)からの距離(mm)を示し、kはコーニック定数を示し、A、B、C、D、E、F、Gは、それぞれ4次、6次、8次、10次、12次、14次、16次の係数(非球面係数)を示す。なお、全てのデータに関して、表記の無い項の係数は全て0であり、E−n=×10-nとする。 In the construction data, the surface shape of the rotationally symmetric aspheric surface is expressed by the following equation (4). Here, Z indicates the sag amount (mm) in the Z-axis direction (optical axis direction) at the position of height h, c indicates the curvature (1 / mm) at the surface apex, and h is the height, that is, Z A distance (mm) from the axis (optical axis) is indicated, k is a conic constant, and A, B, C, D, E, F, and G are 4th order, 6th order, 8th order, 10th order, 12th, respectively. Next, 14th and 16th order coefficients (aspherical coefficients) are shown. It should be noted that for all data, the coefficients of the terms not described are all 0, and E−n = × 10 −n .
さらに、アナモフィック非球面の面形状は、以下の数5式によって表される。ただし、ZはZ軸方向のサグ量(mm)を示し、CUXはX方向の曲率(1/mm)、すなわちX方向の曲率半径RXの逆数を示し、CUYはY方向の曲率(1/mm)、すなわちY方向の曲率半径RYの逆数を示す。また、KXおよびKYは、それぞれX方向およびY方向のコーニック定数を示す。さらに、AR、BR、CR、DRは、それぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数の回転対称成分を示し、AP、BP、CP、DPは、それぞれ4次、6次、8次、10次の非球面係数の非回転対称成分を示す。 Further, the surface shape of the anamorphic aspheric surface is expressed by the following equation (5). Here, Z represents the sag amount (mm) in the Z-axis direction, CUX represents the curvature in the X direction (1 / mm), that is, the reciprocal of the curvature radius RX in the X direction, and CUY represents the curvature in the Y direction (1 / mm ), That is, the reciprocal of the radius of curvature RY in the Y direction. KX and KY denote conic constants in the X direction and the Y direction, respectively. Furthermore, AR, BR, CR, and DR indicate rotationally symmetric components of the fourth-order, sixth-order, eighth-order, and tenth-order aspheric coefficients, respectively. AP, BP, CP, and DP are fourth-order, sixth-order, The non-rotationally symmetric components of the 8th and 10th order aspheric coefficients are shown.
また、各実施例1〜4において、フレネルレンズ16・18の各ゾーンの最大サグ量(図6のz)は、0.1mmとした。
In each of Examples 1 to 4, the maximum sag amount (z in FIG. 6) of each zone of the
(実施例1)
面番号 曲率半径
S1 瞳面 INFINITY
S2 プリズム射出面 INFINITY
S3 HOE面 RX;-141.533 RY; INFINITY
2光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0 HY1; -10 HZ1; -20
HX2; 0 HY2; 100000 HZ2; 10000000
HWL;532
位相係数
C2 ; 0.64051758 C3 ;-0.018479333 C5 ; 0.105533963
C7 ;-0.005171525 C9 ; 0.004487547 C10; 0.000121039
C12;-0.000264254 C14; 9.26493E-05 C16; 1.82316E-05
C18;-4.75592E-06 C20;-4.23183E-07 C21;-7.75581E-10
C23; 9.53777E-07 C25; -5.3112E-09 C27;-7.08537E-08
C29; 1.32123E-09 C31; 2.14066E-08 C33; 5.77851E-10
C35; -1.445E-09 C36; 6.29843E-11 C38; 3.40788E-11
C40; 1.75889E-10 C42; 2.40048E-12 C44;-9.82606E-12
C46; 0 C48; 0 C50; 0
C52; 0 C54; 0 C55; 0
C57; 0 C59; 0 C61; 0
C63; 0 C65; 0
S4 反射面 INFINITY
S5 反射面 INFINITY
S6 プリズム入射面 292.053051
(非球面)
k; 0 A; -1.55846E-04 B; 3.10103E-06
C; -3.32367E-08 D; 1.22114E-10 E; 0.00000E+00
F; 0.00000E+00 G; 0.00000E+00
S7 CG面 INFINITY
S8 表示面 INFINITY
S9 フレネルレンズ射出面 -30
S10 フレネルレンズ入射面 INFINITY
S11 反射面 INFINITY
S12 フレネルレンズ射出面 15
S13 フレネルレンズ入射面 INFINITY
S14 レンズ射出面 4.6721
S15 レンズ入射面 INFINITY
S16 光源面 INFINITY
Example 1
Surface number Curvature radius S1 Pupil surface INFINITY
S2 Prism exit surface INFINITY
S3 HOE surface RX; -141.533 RY; INFINITY
Definition of two luminous fluxes
HV1; REA HV2; VIR
HX1; 0 HY1; -10 HZ1; -20
HX2; 0 HY2; 100000 HZ2; 10000000
HWL; 532
Phase coefficient
C2; 0.64051758 C3; -0.018479333 C5; 0.105533963
C7; -0.005171525 C9; 0.004487547 C10; 0.000121039
C12; -0.000264254 C14; 9.26493E-05 C16; 1.82316E-05
C18; -4.75592E-06 C20; -4.23183E-07 C21; -7.75581E-10
C23; 9.53777E-07 C25; -5.3112E-09 C27; -7.08537E-08
C29; 1.32123E-09 C31; 2.14066E-08 C33; 5.77851E-10
C35; -1.445E-09 C36; 6.29843E-11 C38; 3.40788E-11
C40; 1.75889E-10 C42; 2.40048E-12 C44; -9.82606E-12
C46; 0 C48; 0 C50; 0
C52; 0 C54; 0 C55; 0
C57; 0 C59; 0 C61; 0
C63; 0 C65; 0
S4 Reflective surface INFINITY
S5 Reflective surface INFINITY
S6 Prism entrance surface 292.053051
(Aspherical)
k; 0 A; -1.55846E-04 B; 3.10103E-06
C; -3.32367E-08 D; 1.22114E-10 E; 0.00000E + 00
F; 0.00000E + 00 G; 0.00000E + 00
S7 CG side INFINITY
S8 Display screen INFINITY
S9 Fresnel lens exit surface -30
S10 Fresnel lens entrance surface INFINITY
S11 Reflective surface INFINITY
S12 Fresnel
S13 Fresnel lens entrance surface INFINITY
S14 lens exit surface 4.6721
S15 Lens entrance surface INFINITY
S16 Light source surface INFINITY
面番号 x y z ADE Nd νd
S1 0 0 0 0 瞳径3mm
S2 0 0 21.5 0 1.4914 59.93
S3 0 14.8636 41.6148 -29 1.4914 59.93
S4 0 1.5 21.5 0 1.4914 59.93
S5 0 6.5 33 0 1.4914 59.93
S6 0 2.5278 26.7626 -6.6701
S7 0 19.3043 24.6445 -35.7007 1.5168 65.26
S8 0 19.7712 23.9948 -35.7007
S9 0 21.1682 22.0507 -35.7007 1.5305 55.72
S10 0 21.7517 21.2387 -35.7007
S11 0 24.9811 16.7446 0
S12 0 34.9015 30.5499 35.7007 1.5305 55.72
S13 0 35.485 31.362 35.7007
S14 0 39.1767 33.0721 35.7007 1.5168 65.26
S15 0 41.6128 36.4622 35.7007
S16 0 42.1106 37.1549 35.7007
画角
X方向;-20.7°〜20.7°
Y方向;-28.5°〜-4.5°
Surface number xyz ADE Nd νd
S1 0 0 0 0 Pupil diameter 3mm
S2 0 0 21.5 0 1.4914 59.93
S3 0 14.8636 41.6148 -29 1.4914 59.93
S4 0 1.5 21.5 0 1.4914 59.93
S5 0 6.5 33 0 1.4914 59.93
S6 0 2.5278 26.7626 -6.6701
S7 0 19.3043 24.6445 -35.7007 1.5168 65.26
S8 0 19.7712 23.9948 -35.7007
S9 0 21.1682 22.0507 -35.7007 1.5305 55.72
S10 0 21.7517 21.2387 -35.7007
S11 0 24.9811 16.7446 0
S12 0 34.9015 30.5499 35.7007 1.5305 55.72
S13 0 35.485 31.362 35.7007
S14 0 39.1767 33.0721 35.7007 1.5168 65.26
S15 0 41.6128 36.4622 35.7007
S16 0 42.1106 37.1549 35.7007
Angle of view
X direction; -20.7 ° to 20.7 °
Y direction; -28.5 ° to -4.5 °
(実施例2)
面番号 曲率半径
S1 瞳面 INFINITY
S2 プリズム射出面 INFINITY
S3 HOE面 INFINITY
2光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0.000000E+00 HY1;-9.612031E-01 HZ1;-2.276064E+01
HX2; 0.000000E+00 HY2; 2.485100E+08 HZ2;-6.062901E+09
HWL;532
位相係数
C2 ; 0.0000E+00 C3 ; 4.2143E-03 C5 ; 8.8088E-03
C7 ;-9.1463E-05 C9 ;-6.6452E-06 C10; 1.6760E-05
C12;-2.3919E-05 C14;-1.1551E-05 C16; 5.5568E-06
C18; 2.8278E-06 C20; 7.9737E-06 C21;-1.2670E-06
C23;-1.5327E-08 C25; 1.9599E-06 C27; 5.2011E-08
C29;-1.6845E-07 C31;-7.6240E-08 C33; 1.6301E-08
C35;-7.8468E-07 C36; 2.7256E-08 C38; 1.2420E-08
C40;-4.8431E-08 C42;-1.4511E-07 C44;-5.1027E-10
C46; 1.8489E-09 C48; 2.4235E-10 C50; 1.0094E-09
C52;-3.9123E-09 C54; 2.2671E-08 C55;-2.1871E-10
C57;-2.5511E-10 C59; 7.0871E-10 C61; 3.3103E-10
C63; 4.8653E-09 C65;-2.7381E-10
S4 反射面 INFINITY
S5 反射面 INFINITY
S6 反射面 INFINITY
S7 プリズム入射面 INFINITY
S8 CG面 INFINITY
S9 表示面 INFINITY
S10 フレネルレンズ射出面 24.3207
S11 フレネルレンズ入射面 INFINITY
S12 反射面 -40
S13 レンズ射出面 -7
S14 レンズ入射面 INFINITY
S15 光源面 INFINITY
(Example 2)
Surface number Curvature radius S1 Pupil surface INFINITY
S2 Prism exit surface INFINITY
S3 HOE surface INFINITY
Definition of two luminous fluxes
HV1; REA HV2; VIR
HX1; 0.000000E + 00 HY1; -9.612031E-01 HZ1; -2.276064E + 01
HX2; 0.000000E + 00 HY2; 2.485100E + 08 HZ2; -6.062901E + 09
HWL; 532
Phase coefficient
C2; 0.0000E + 00 C3; 4.2143E-03 C5; 8.8088E-03
C7; -9.1463E-05 C9; -6.6452E-06 C10; 1.6760E-05
C12; -2.3919E-05 C14; -1.1551E-05 C16; 5.5568E-06
C18; 2.8278E-06 C20; 7.9737E-06 C21; -1.2670E-06
C23; -1.5327E-08 C25; 1.9599E-06 C27; 5.2011E-08
C29; -1.6845E-07 C31; -7.6240E-08 C33; 1.6301E-08
C35; -7.8468E-07 C36; 2.7256E-08 C38; 1.2420E-08
C40; -4.8431E-08 C42; -1.4511E-07 C44; -5.1027E-10
C46; 1.8489E-09 C48; 2.4235E-10 C50; 1.0094E-09
C52; -3.9123E-09 C54; 2.2671E-08 C55; -2.1871E-10
C57; -2.5511E-10 C59; 7.0871E-10 C61; 3.3103E-10
C63; 4.8653E-09 C65; -2.7381E-10
S4 Reflective surface INFINITY
S5 Reflective surface INFINITY
S6 Reflective surface INFINITY
S7 Prism entrance surface INFINITY
S8 CG side INFINITY
S9 Display screen INFINITY
S10 Fresnel lens exit surface 24.3207
S11 Fresnel lens entrance surface INFINITY
S12 Reflective surface -40
S13 Lens exit surface -7
S14 Lens entrance surface INFINITY
S15 Light source surface INFINITY
面番号 x y z ADE Nd νd
S1 0 0 0 7.5 瞳径3mm
S2 0 -0.1555 14.1413 7.5 1.5168 65.26
S3 0 0.1512 16.4708 -23.5 1.5168 65.26
S4 0 3.3145 13.6844 7.5 1.5168 65.26
S5 0 11.3637 17.3645 7.5 1.5168 65.26
S6 0 18.6819 11.6613 7.5 1.5168 65.26
S7 0 24.8182 13.8793 85.8
S8 0 32.0346 19.6469 58.1886 1.5168 65.26
S9 0 32.7144 20.0686 58.1886
S10 0 33.3943 20.4903 58.1886 1.5305 55.72
S11 0 34.244 21.0174 58.1886
S12 0 41.6911 24.1885 25.3426
S13 0 41.999 14.369 -15.7671 1.5168 65.26
S14 0 42.8237 11.448 -15.7671
S15 0 43.1878 10.1584 -15.7671
画角
X方向;-13.1°〜13.1°
Y方向; -7.5°〜 7.5°
Surface number xyz ADE Nd νd
S1 0 0 0 7.5 Pupil diameter 3mm
S2 0 -0.1555 14.1413 7.5 1.5168 65.26
S3 0 0.1512 16.4708 -23.5 1.5168 65.26
S4 0 3.3145 13.6844 7.5 1.5168 65.26
S5 0 11.3637 17.3645 7.5 1.5168 65.26
S6 0 18.6819 11.6613 7.5 1.5168 65.26
S7 0 24.8182 13.8793 85.8
S8 0 32.0346 19.6469 58.1886 1.5168 65.26
S9 0 32.7144 20.0686 58.1886
S10 0 33.3943 20.4903 58.1886 1.5305 55.72
S11 0 34.244 21.0174 58.1886
S12 0 41.6911 24.1885 25.3426
S13 0 41.999 14.369 -15.7671 1.5168 65.26
S14 0 42.8237 11.448 -15.7671
S15 0 43.1878 10.1584 -15.7671
Angle of view
X direction; -13.1 ° ~ 13.1 °
Y direction; -7.5 ° to 7.5 °
(実施例3)
面番号 曲率半径
S1 瞳面 INFINITY
S2 プリズム射出面 INFINITY
S3 HOE面 INFINITY
2光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0.000000E+00 HY1;-9.612031E-01 HZ1;-2.276064E+01
HX2; 0.000000E+00 HY2; 2.485100E+08 HZ2;-6.062901E+09
HWL;532
位相係数
C2 ; 0.0000E+00 C3 ; 4.2143E-03 C5 ; 8.8088E-03
C7 ;-9.1463E-05 C9 ;-6.6452E-06 C10; 1.6760E-05
C12;-2.3919E-05 C14;-1.1551E-05 C16; 5.5568E-06
C18; 2.8278E-06 C20; 7.9737E-06 C21;-1.2670E-06
C23;-1.5327E-08 C25; 1.9599E-06 C27; 5.2011E-08
C29;-1.6845E-07 C31;-7.6240E-08 C33; 1.6301E-08
C35;-7.8468E-07 C36; 2.7256E-08 C38; 1.2420E-08
C40;-4.8431E-08 C42;-1.4511E-07 C44;-5.1027E-10
C46; 1.8489E-09 C48; 2.4235E-10 C50; 1.0094E-09
C52;-3.9123E-09 C54; 2.2671E-08 C55;-2.1871E-10
C57;-2.5511E-10 C59; 7.0871E-10 C61; 3.3103E-10
C63; 4.8653E-09 C65;-2.7381E-10
S4 反射面 INFINITY
S5 反射面 INFINITY
S6 反射面 INFINITY
S7 プリズム入射面 INFINITY
S8 CG面 INFINITY
S9 表示面 INFINITY
S10 フレネルレンズ射出面 15
S11 フレネルレンズ入射面 INFINITY
S12 反射面 -50
S13 フレネルレンズ射出面 -22.35
S14 フレネルレンズ入射面 INFINITY
S15 レンズ射出面 -8.5
S16 レンズ入射面 INFINITY
S17 光源面 INFINITY
(Example 3)
Surface number Curvature radius S1 Pupil surface INFINITY
S2 Prism exit surface INFINITY
S3 HOE surface INFINITY
Definition of two luminous fluxes
HV1; REA HV2; VIR
HX1; 0.000000E + 00 HY1; -9.612031E-01 HZ1; -2.276064E + 01
HX2; 0.000000E + 00 HY2; 2.485100E + 08 HZ2; -6.062901E + 09
HWL; 532
Phase coefficient
C2; 0.0000E + 00 C3; 4.2143E-03 C5; 8.8088E-03
C7; -9.1463E-05 C9; -6.6452E-06 C10; 1.6760E-05
C12; -2.3919E-05 C14; -1.1551E-05 C16; 5.5568E-06
C18; 2.8278E-06 C20; 7.9737E-06 C21; -1.2670E-06
C23; -1.5327E-08 C25; 1.9599E-06 C27; 5.2011E-08
C29; -1.6845E-07 C31; -7.6240E-08 C33; 1.6301E-08
C35; -7.8468E-07 C36; 2.7256E-08 C38; 1.2420E-08
C40; -4.8431E-08 C42; -1.4511E-07 C44; -5.1027E-10
C46; 1.8489E-09 C48; 2.4235E-10 C50; 1.0094E-09
C52; -3.9123E-09 C54; 2.2671E-08 C55; -2.1871E-10
C57; -2.5511E-10 C59; 7.0871E-10 C61; 3.3103E-10
C63; 4.8653E-09 C65; -2.7381E-10
S4 Reflective surface INFINITY
S5 Reflective surface INFINITY
S6 Reflective surface INFINITY
S7 Prism entrance surface INFINITY
S8 CG side INFINITY
S9 Display screen INFINITY
S10 Fresnel
S11 Fresnel lens entrance surface INFINITY
S12 Reflective surface -50
S13 Fresnel lens exit surface -22.35
S14 Fresnel lens entrance surface INFINITY
S15 Lens exit surface -8.5
S16 Lens entrance surface INFINITY
S17 Light source surface INFINITY
面番号 x y z ADE Nd νd
S1 0 0 0 7.5 瞳径3mm
S2 0 -0.1555 14.1413 7.5 1.5168 65.26
S3 0 0.1512 16.4708 -23.5 1.5168 65.26
S4 0 3.3145 13.6844 7.5 1.5168 65.26
S5 0 11.3637 17.3645 7.5 1.5168 65.26
S6 0 18.6819 11.6613 7.5 1.5168 65.26
S7 0 24.8182 13.8793 85.8
S8 0 32.0346 19.6469 58.1886 1.5168 65.26
S9 0 32.7144 20.0686 58.1886
S10 0 33.3943 20.4903 58.1886 1.5305 55.72
S11 0 34.244 21.0174 58.1886
S12 0 41.2662 23.9249 22.1886
S13 0 41.4187 19.0028 -18.9211 1.5305 55.72
S14 0 41.7429 18.0569 -18.9211
S15 0 42.0672 17.1109 -18.9211 1.5168 65.26
S16 0 43.0514 14.2397 -18.9211
S17 0 43.4859 12.9721 -18.9211
画角
X方向;-13.1°〜13.1°
Y方向; -7.5°〜 7.5°
Surface number xyz ADE Nd νd
S1 0 0 0 7.5 Pupil diameter 3mm
S2 0 -0.1555 14.1413 7.5 1.5168 65.26
S3 0 0.1512 16.4708 -23.5 1.5168 65.26
S4 0 3.3145 13.6844 7.5 1.5168 65.26
S5 0 11.3637 17.3645 7.5 1.5168 65.26
S6 0 18.6819 11.6613 7.5 1.5168 65.26
S7 0 24.8182 13.8793 85.8
S8 0 32.0346 19.6469 58.1886 1.5168 65.26
S9 0 32.7144 20.0686 58.1886
S10 0 33.3943 20.4903 58.1886 1.5305 55.72
S11 0 34.244 21.0174 58.1886
S12 0 41.2662 23.9249 22.1886
S13 0 41.4187 19.0028 -18.9211 1.5305 55.72
S14 0 41.7429 18.0569 -18.9211
S15 0 42.0672 17.1109 -18.9211 1.5168 65.26
S16 0 43.0514 14.2397 -18.9211
S17 0 43.4859 12.9721 -18.9211
Angle of view
X direction; -13.1 ° ~ 13.1 °
Y direction; -7.5 ° to 7.5 °
(実施例4)
面番号 曲率半径
S1 瞳面 INFINITY
S2 プリズム射出面 INFINITY
S3 HOE面 INFINITY
2光束の定義
HV1;REA HV2;VIR
HX1; 0.000000E+00 HY1;-9.612031E-01 HZ1;-2.276064E+01
HX2; 0.000000E+00 HY2; 2.485100E+08 HZ2;-6.062901E+09
HWL;532
位相係数
C2 ; 0.0000E+00 C3 ; 4.2143E-03 C5 ; 8.8088E-03
C7 ;-9.1463E-05 C9 ;-6.6452E-06 C10; 1.6760E-05
C12;-2.3919E-05 C14;-1.1551E-05 C16; 5.5568E-06
C18; 2.8278E-06 C20; 7.9737E-06 C21;-1.2670E-06
C23;-1.5327E-08 C25; 1.9599E-06 C27; 5.2011E-08
C29;-1.6845E-07 C31;-7.6240E-08 C33; 1.6301E-08
C35;-7.8468E-07 C36; 2.7256E-08 C38; 1.2420E-08
C40;-4.8431E-08 C42;-1.4511E-07 C44;-5.1027E-10
C46; 1.8489E-09 C48; 2.4235E-10 C50; 1.0094E-09
C52;-3.9123E-09 C54; 2.2671E-08 C55;-2.1871E-10
C57;-2.5511E-10 C59; 7.0871E-10 C61; 3.3103E-10
C63; 4.8653E-09 C65;-2.7381E-10
S4 反射面 INFINITY
S5 反射面 INFINITY
S6 反射面 INFINITY
S7 プリズム入射面 INFINITY
S8 CG面 INFINITY
S9 表示面 INFINITY
S10 レンズ射出面 48
S11 レンズ入射面 INFINITY
S12 反射面 -40
S13 レンズ射出面 -6
S14 レンズ入射面 INFINITY
S15 光源面 INFINITY
Example 4
Surface number Curvature radius S1 Pupil surface INFINITY
S2 Prism exit surface INFINITY
S3 HOE surface INFINITY
Definition of two luminous fluxes
HV1; REA HV2; VIR
HX1; 0.000000E + 00 HY1; -9.612031E-01 HZ1; -2.276064E + 01
HX2; 0.000000E + 00 HY2; 2.485100E + 08 HZ2; -6.062901E + 09
HWL; 532
Phase coefficient
C2; 0.0000E + 00 C3; 4.2143E-03 C5; 8.8088E-03
C7; -9.1463E-05 C9; -6.6452E-06 C10; 1.6760E-05
C12; -2.3919E-05 C14; -1.1551E-05 C16; 5.5568E-06
C18; 2.8278E-06 C20; 7.9737E-06 C21; -1.2670E-06
C23; -1.5327E-08 C25; 1.9599E-06 C27; 5.2011E-08
C29; -1.6845E-07 C31; -7.6240E-08 C33; 1.6301E-08
C35; -7.8468E-07 C36; 2.7256E-08 C38; 1.2420E-08
C40; -4.8431E-08 C42; -1.4511E-07 C44; -5.1027E-10
C46; 1.8489E-09 C48; 2.4235E-10 C50; 1.0094E-09
C52; -3.9123E-09 C54; 2.2671E-08 C55; -2.1871E-10
C57; -2.5511E-10 C59; 7.0871E-10 C61; 3.3103E-10
C63; 4.8653E-09 C65; -2.7381E-10
S4 Reflective surface INFINITY
S5 Reflective surface INFINITY
S6 Reflective surface INFINITY
S7 Prism entrance surface INFINITY
S8 CG side INFINITY
S9 Display screen INFINITY
S10 Lens exit surface 48
S11 Lens entrance surface INFINITY
S12 Reflective surface -40
S13 Lens exit surface -6
S14 Lens entrance surface INFINITY
S15 Light source surface INFINITY
面番号 x y z ADE Nd νd
S1 0 0 0 7.5 瞳径3mm
S2 0 -0.1555 14.1413 7.5 1.5168 65.26
S3 0 0.1512 16.4708 -23.5 1.5168 65.26
S4 0 3.3145 13.6844 7.5 1.5168 65.26
S5 0 11.3637 17.3645 7.5 1.5168 65.26
S6 0 18.6819 11.6613 7.5 1.5168 65.26
S7 0 24.8182 13.8793 85.8
S8 0 32.0346 19.6469 58.1886 1.5168 65.26
S9 0 32.7144 20.0686 58.1886
S10 0 33.3943 20.4903 58.1886 1.5168 65.26
S11 0 34.6689 21.281 58.1886
S12 0 42.116 24.452 25.3426
S13 0 42.4239 14.6325 -15.7671 1.5168 65.26
S14 0 43.2486 11.7115 -15.7671
S15 0 43.6127 10.422 -15.7671
画角
X方向;-13.1°〜13.1°
Y方向; -7.5°〜 7.5°
Surface number xyz ADE Nd νd
S1 0 0 0 7.5 Pupil diameter 3mm
S2 0 -0.1555 14.1413 7.5 1.5168 65.26
S3 0 0.1512 16.4708 -23.5 1.5168 65.26
S4 0 3.3145 13.6844 7.5 1.5168 65.26
S5 0 11.3637 17.3645 7.5 1.5168 65.26
S6 0 18.6819 11.6613 7.5 1.5168 65.26
S7 0 24.8182 13.8793 85.8
S8 0 32.0346 19.6469 58.1886 1.5168 65.26
S9 0 32.7144 20.0686 58.1886
S10 0 33.3943 20.4903 58.1886 1.5168 65.26
S11 0 34.6689 21.281 58.1886
S12 0 42.116 24.452 25.3426
S13 0 42.4239 14.6325 -15.7671 1.5168 65.26
S14 0 43.2486 11.7115 -15.7671
S15 0 43.6127 10.422 -15.7671
Angle of view
X direction; -13.1 ° ~ 13.1 °
Y direction; -7.5 ° to 7.5 °
各実施例1〜4において、上述した条件式(1)の対象となるf2/f1の値は、以下の表1の通りである。表1より、各実施例1〜4の映像表示装置1は、条件式(1)を満足していることがわかる。
In each of Examples 1 to 4, values of f2 / f1 that are targets of the conditional expression (1) described above are as shown in Table 1 below. From Table 1, it can be seen that the
実施例1では、X方向、Y方向ともに最も広い画角を実現できており、しかも、照明光学系12にフレネルレンズを2枚用いているため、小型化の効果が大きい。実施例2では、実施例1の光源11側のフレネルレンズ16のパワーを反射ミラー17の反射面に持たせている。この実施例2では、実施例1よりも画角が少し狭くなっているが、依然、広画角であると言える。しかも、用いるフレネルレンズを1枚にして部品点数を減らしている点で、照明光学系12をコンパクトにできる効果もある。実施例3では、実施例2と同程度に広画角となっており、しかも、用いるフレネルレンズが2枚であるので、実施例2よりも小型化の効果が高い。実施例4では、実施例2および3と同程度に広画角となっており、用いるフレネルレンズを1枚にして照明光学系12をコンパクトにしている。
In Example 1, the widest angle of view can be realized in both the X direction and the Y direction, and since two Fresnel lenses are used in the illumination
本発明は、表示映像の虚像を観察することが可能な眼鏡型のHMDに利用可能である。 The present invention is applicable to a glasses-type HMD that can observe a virtual image of a display image.
1 映像表示装置
2 支持手段
11 光源
12 照明光学系
13 拡散板(拡散部材)
14 表示素子
17 反射ミラー
18 フレネルレンズ(光学部材)
20 接眼光学系
23 HOE
E 光学瞳
G1 第1群
G2 第2群
DESCRIPTION OF
14
20 Eyepiece
E Optical pupil G1 1st group G2 2nd group
Claims (8)
入射光を変調して映像を表示する透過型の表示素子と、
光源から射出される光を表示素子に導く照明光学系と、
表示素子からの映像光を光学瞳に導く接眼光学系とを備えた映像表示装置であって、
上記照明光学系は、光源側から順に、
少なくとも1面の反射面を有し、かつ、正のパワーを有する第1群と、
少なくとも1つの光学部材を有し、かつ、正のパワーを有する第2群とを有しており、
以下の条件式を満足することを特徴とする映像表示装置;
1.5<f2/f1<8.5
ただし、
f1:反射面を除いた第1群の焦点距離
f2:第2群の焦点距離
である。 A light source;
A transmissive display element that modulates incident light and displays an image;
An illumination optical system for guiding the light emitted from the light source to the display element;
An image display device comprising an eyepiece optical system for guiding image light from a display element to an optical pupil,
The illumination optical system is in order from the light source side.
A first group having at least one reflecting surface and having a positive power;
A second group having at least one optical member and having a positive power;
An image display device characterized by satisfying the following conditional expression;
1.5 <f2 / f1 <8.5
However,
f1: Focal length of the first group excluding the reflecting surface f2: Focal length of the second group.
上記拡散部材は、照明光学系の第2群と表示素子との間の光路中に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の映像表示装置。 A diffusion member for diffusing incident light;
The video display device according to claim 1, wherein the diffusion member is disposed in an optical path between the second group of the illumination optical system and the display element.
上記拡散部材は、照明光学系の第2群と表示素子との間の光路中に配置されており、表示素子の画面長辺方向における拡散度が、表示素子の画面短辺方向における拡散度よりも大きいことを特徴とする請求項2に記載の映像表示装置。 A diffusion member for diffusing incident light;
The diffusing member is disposed in the optical path between the second group of the illumination optical system and the display element, and the diffusivity in the screen long side direction of the display element is greater than the diffusivity in the screen short side direction of the display element. The video display device according to claim 2, wherein the video display device is also larger.
上記映像表示装置を観察者の眼前で支持する支持手段とを有していることを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。 A video display device according to any one of claims 1 to 7,
A head-mounted display comprising support means for supporting the video display device in front of an observer's eyes.
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