JP6597196B2

JP6597196B2 - 虚像表示措置

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Publication number: JP6597196B2
Application number: JP2015217345A
Authority: JP
Inventors: 政敏米窪
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2019-10-30
Anticipated expiration: 2035-11-05
Also published as: JP2017090561A

Description

本発明は、画像光投射部から出射された画像光の光束を瞳拡大素子によって拡大する虚像表示装置に関するものである。

新しい映像表現として、液晶表示装置等の実像を表示するのではなく、液晶装置等で生成した画像を虚像として表示する虚像表示装置が提案されている。かかる虚像表示装置としては、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、疑似窓等を例示することができる。

虚像表示装置では、画像光を生成する画像光生成装置、および画像光を平行光化する投射光学系を備えた画像光投射部を備えており、第１導光部材によって、画像光投射部の射出瞳を光軸方向に交差する第１方向に拡大した後、第１導光部材によって第１方向に拡大した射出瞳を、第２導光部材によって、光軸方向および第１方向に交差する第２方向に拡大する（例えば、特許文献１、２参照）。

国際公開ＷＯ２０１１−０２４２９１特開２０１４−１３２３２８号公報

特許文献１、２に記載の構成では、画像光投射部の射出瞳に関する光軸方向の位置について特定されていない。このため、画像光投射部の射出瞳の位置によっては、第１導光部材の幅が広くなってしまい、虚像表示装置の小型化を図ることができないという問題点がある。

以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、小型化を図ることのできる虚像表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る虚像表示装置の一態様は、画像光を生成する画像光生成装置、および前記画像光を平行光化して投射する投射光学系を備えた画像光投射部と、前記画像光投射部の射出瞳を光軸方向に交差する第１方向に拡大する瞳拡大用の第１導光部材と、前記第１導光部材によって前記第１方向に拡大した射出瞳を前記光軸方向および第１方向に交差する第２方向に拡大する瞳拡大用の第２導光部材と、を有し、前記投射光学系は、前記投射光学系の最も前記第１導光部材側に配置されたレンズを備え、前記画像光投射部の射出瞳は、前記画像光の進行方向において前記レンズよりも前記画像生成装置とは反対側に位置することを特徴とする。

本発明では、画像光投射部から出射された画像光の射出瞳を第１導光部材によって第１方向に拡大した後、第２導光部材によって第２方向に拡大し、虚像による表示を行う。その際、画像光投射部の射出瞳は、投射光学系の最も第１導光部材側に位置するレンズより第１導光部材側に位置するため、第１導光部材の第２方向のサイズを小型化することができる。それ故、虚像表示装置の小型化を図ることができる。

本発明の別態様において、前記画像光投射部の射出瞳は、前記第１導光部材の内部に位置することが好ましい。かかる構成によれば、第１導光部材の第２方向のサイズを小型化することができる。

例えば、本発明の別態様において、前記画像光投射部の射出瞳は、前記第１導光部材において前記画像光が入射する入射部の中心と、前記第１導光部材における前記画像光の伝播方向における中間位置との間に位置する構成を採用することができる。

また、本発明の別態様において、前記画像光投射部の射出瞳は、前記第１導光部材内における前記画像光の伝播方向における中間に位置する構成を採用してもよい。

本発明の別態様において、前記画像光投射部は、前記画像光の投射角度を制限する光束角度制限素子を含む構成を採用することができる。

この場合、前記光束角度制限素子は、例えば、絞りであり、前記投射光学系は、前記絞りの像を前記画像光投射部の射出瞳として生成する構成を採用することができる。

本発明の別態様において、前記画像光生成装置は、光源と、前記光源から出射された光源光を変調する液晶装置と、を有し、前記絞りは、前記光源と前記液晶装置との間に配置されている構成を採用することができる。

本発明の別態様において、前記絞りは、前記投射光学系に配置されている構成を採用してもよい。

本発明の別態様において、前記投射光学系は、マスターレンズとリレーレンズとを含み、前記リレーレンズによって、前記マスターレンズの瞳を前記画像光投射部の射出瞳とする構成を採用してもよい。

この場合、前記リレーレンズの倍率が１未満である構成を採用することができる。

本発明の別態様において、前記投射光学系がズームレンズを含む構成を採用してもよい。かかる構成によれば、画角を変更することができるので、虚像の大きさを変更することができる。

本発明を適用した虚像表示装置の一態様を模式的に示す説明図である。図１に示す虚像表示装置を光軸方向Ｚからみた説明図である。図１に示す虚像表示装置を第１方向からみた説明図である。図１に示す虚像表示装置を第２方向からみた説明図である。図１に示す虚像表示装置の画像光投射部の第１構成例を示す説明図である。図１に示す虚像表示装置の画像光投射部の第２構成例を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明で参照する図においては、各部材を図面上で認識可能な程度の大きさとするため、各部材毎に縮尺を異ならしめてある。また、以下の説明では、画像光投射部の光軸が延在している方向（光軸方向）にＺを付し、光軸方向Ｚに交差する第１方向にＹを付し、光軸方向Ｚおよび第１方向Ｙに交差する第２方向にＸを付して説明する。

［虚像表示装置の基本構成］
（虚像表示装置の全体構成）
図１は、本発明を適用した虚像表示装置１の一態様を模式的に示す説明図である。図２は、図１に示す虚像表示装置１を光軸方向Ｚからみた説明図である。図３は、図１に示す虚像表示装置１を第１方向Ｙからみた説明図である。図４は、図１に示す虚像表示装置１を第２方向Ｘからみた説明図である。

図１、図２、図３および図４に示す虚像表示装置１は、ヘッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、疑似窓等として構成されている。虚像表示装置１は、画像光Ｌを投射する画像光投射部１０と、画像光投射部１０の射出瞳を光軸方向Ｚに交差する第１方向Ｙに拡大する瞳拡大用の第１導光部材６０（第１瞳拡大素子）と、第１導光部材６０によって第１方向Ｙに拡大した射出瞳を光軸方向Ｚおよび第１方向Ｙに交差する第２方向Ｘに拡大する瞳拡大用の第２導光部材７０（第２瞳拡大素子）とを有している。画像光投射部１０は、画像光Ｌを生成する画像光生成装置２０と、画像光Ｌを平行光化して投射する投射光学系３０とを備えている。

第１導光部材６０は、第１方向Ｙの端部に画像光投射部１０と対向する入射部６６を備えている。また、第２導光部材７０は、第２方向Ｘの端部が第１導光部材６０と光軸方向Ｚで重なっており、第１導光部材６０は、第２導光部材７０から第２方向Ｘに張り出していない。

このように構成した虚像表示装置１では、第１導光部材６０によって、画像光投射部１０の射出瞳を第１方向Ｙに拡大した後、第１導光部材６０によって第１方向Ｙに拡大した射出瞳を、第２導光部材７０によって第２方向Ｘに拡大し、第２導光部材７０から表示光として出射する。

本形態において、画像光生成装置２０は、例えば、光源部２１と、光源部２１から出射された光源光を光変調する透過型の液晶装置２２とを有している。

第１導光部材６０は、例えば、第１方向Ｙに延在する導光板６１と、導光板６１の光軸方向Ｚの一方側の面に設けられた反射型の回折格子６２とを備えている。画像光投射部１０から出射された画像光Ｌは、画像光投射部１０と対向する入射部６６から導光板６１内に進入した後、回折格子６２によって回折し、導光板６１内を第１方向Ｙに伝播する。その間に、画像光Ｌは、回折格子６２によって第２導光部材７０に向けて出射される。その結果、第１導光部材６０は、画像光投射部１０から出射された画像光の光束を第１方向Ｙに拡大する。

第２導光部材７０は、例えば、第２方向Ｘに延在する導光板７１と、導光板７１の光軸方向Ｚの一方側の面に設けられた反射型の回折格子７２とを備えている。第１導光部材６０から出射された画像光は、導光板７１内に進入した後、回折格子７２によって回折し、導光板７１内を第２方向Ｘに伝播する。その間に、画像光Ｌは、回折格子７２によって観察者の眼（図示せず）に向けて表示光として出射される。その結果、第２導光部材７０は、第１導光部材６０から出射された画像光の光束を第２方向Ｘに拡大する。それ故、画像光投射部１０から出射された画像光は、第１方向Ｙおよび第２方向Ｘの双方に光束が拡大されることになる。

なお、第１導光部材６０および第２導光部材７０では、反射型の回折格子６２、７２が形成されていたが、回折格子６２、７２は透過型であってもよい。

（射出瞳１１の位置）
本形態の虚像表示装置１においては、図２に示すように、画像光投射部１０の射出瞳１１は、画像光Ｌの進行方向において投射光学系３０の最も第１導光部材６０側に位置する投射レンズ３１より第１導光部材６０側に位置する。より詳しくは、画像光投射部１０の射出瞳１１は第１導光部材６０の内部に位置する。本形態において、画像光投射部１０の射出瞳１１は、第１導光部材６０において画像光Ｌが入射する入射部６６の中心と、第１導光部材６０内における画像光Ｌの伝播方向における中間位置６５との間に位置する。

このため、射出瞳１１に対して画像光Ｌの伝播方向の前側および後側のいずれにおいても、第１導光部材６０の端部と射出瞳１１との距離が短い。従って、第１導光部材６０内において、画像光Ｌの光束は、射出瞳１１に対して画像光Ｌの伝播方向の前側および後側のいずれにおいても、第２方向Ｘにおける画像光Ｌの光束の径が小さい。それ故、第１導光部材６０の第２方向ＸのサイズＷを小型化することができるので、虚像表示装置１では、虚像を表示できないデッドスペースが小さい。よって、虚像表示装置１の小型化を図ることができる。

また、本形態において、画像光投射部１０の射出瞳１１は、第１導光部材６０において画像光Ｌが入射する入射部６６の中心と、第１導光部材６０内における画像光Ｌの伝播方向における中間位置６５との間に位置するため、投射レンズ３１として径が小さなレンズを用いることができる。

［画像光投射部１０の第１構成例］
図５は、図１に示す虚像表示装置１の画像光投射部１０の第１構成例を示す説明図である。なお、図５に示す光路図では、空気中での光線を表してある。

図５に示す画像光投射部１０において、画像光生成装置２０の光源部２１は、光源として、白色ＬＥＤ２１１を有しており、光源（白色ＬＥＤ２１１）から出射された光源光は液晶装置２２に照射される。本形態では、光源（白色ＬＥＤ２１１）と液晶装置２２との間に白色ＬＥＤ２１１から出射された光源光の光束を制限する絞り２１２が配置され、絞り２１２と液晶装置２２との間には、コンデンサーレンズ２１３が配置されている。絞り２１２は、画像光Ｌの投射角度を制限する光束角度制限素子として機能する。

液晶装置２２は、ベイヤー配列の３色カラーフィルター付きの透過型の液晶装置であり、白色ＬＥＤ２１１から出射された光源光を光変調して画像光Ｌを生成する。かかる画像光生成装置２０において、液晶装置２２に照明光を照射する際、各画角の主光線が光軸とほぼ平行となるようにテレセントリックな配置とすると、画質の向上を図ることができる。また、絞り２１２は、不要な光が液晶装置２２に入射することを抑制する。このため、画質の向上を図ることができる。

画像光投射部１０において、投射光学系３０では、複数枚のレンズ３１１、３１２、３１３、３１４によって投射レンズ３１が構成されている。

このように構成した画像光投射部１０において、射出瞳１１は、絞り２１２のコンデンサーレンズ２１３と投射レンズ３１による像に相当するので、投射光学系３０は、絞り２１２の像を画像光投射部１０の射出瞳１１として生成することになる。ここで、射出瞳１１は、図２等を参照して説明したように、画像光Ｌの進行方向において投射光学系３０の最も第１導光部材６０側に位置する投射レンズ３１のレンズ３１４より第１導光部材６０側（画像生成装置２０とは反対側）に位置する。より詳しくは、画像光投射部１０の射出瞳１１は第１導光部材６０の内部に位置する。本形態において、画像光投射部１０の射出瞳１１は、第１導光部材６０において画像光Ｌが入射する入射部６６の中心と、第１導光部材６０内における画像光Ｌの伝播方向における中間位置６５との間に位置する。従って、第１導光部材６０内において、画像光Ｌの光束は、射出瞳１１に対して画像光Ｌの伝播方向の前側および後側のいずれにおいても、第２方向Ｘにおける画像光Ｌの光束の径が小さい。それ故、第１導光部材６０の第２方向ＸのサイズＷを小型化することができるので、虚像表示装置１の小型化を図ることができる。

また、投射光学系３０においては中間像を形成しないので、投射光学系３０の光軸方向Ｚにおけるサイズを小型化することができる。

［画像光投射部１０の第２構成例］
図６は、図１に示す虚像表示装置１の画像光投射部１０の第２構成例を示す説明図である。なお、図６に示す光路図では、空気中での光線を表してある。

図６に示す画像光投射部１０において、画像光生成装置２０の光源部２１は、凸曲面のレンズを付けた白色ＬＥＤ２１１からなり、液晶装置２２は、ベイヤー配列の３色カラーフィルター付きの透過型の液晶装置である。

画像光投射部１０において、投射光学系３０の投射レンズ３１は、複数枚のレンズ３２１、３２２、３２３を備えたマスターレンズ３２と、リレーレンズ３３とを備えており、リレーレンズ３３は、２枚のレンズ３４１、３４２からなる色消し用の凸レンズ３４と、２枚のレンズ３５１、３５２からなる色消し用の凸レンズ３５とを備えている。リレーレンズ３３は角倍率が１未満のアフォーカルレンズである。本形態において、リレーレンズ３３は角倍率が０．７のアフォーカルレンズである。本形態において、投射光学系３０には絞り３５が配置されている。より具体的には、投射光学系３０のうち、マスターレンズ３２のレンズ３２２には、絞り３５が設けられている。かかる絞り３５は、画像光Ｌの投射角度を制限する光束角度制限素子として機能する。

このように構成した画像光投射部１０においては、リレーレンズ３３の内部に液晶装置２２で生成した画像の中間像１５を生成し、リレーレンズ３３によって、画像光Ｌをリレーして、第１導光部材６０の入射部６６から入射させる。その結果、リレーレンズ３３によって、絞り３５の像（マスターレンズ３２の瞳）が画像光投射部１０の射出瞳１１として生成される。ここで、射出瞳１１は、図２を参照して説明したように、画像光Ｌの進行方向において投射光学系３０の最も第１導光部材６０側に位置する投射レンズ３１のレンズ３５２より第１導光部材６０側（画像生成装置２０とは反対側）に位置する。より詳しくは、画像光投射部１０の射出瞳１１は第１導光部材６０の内部に位置する。本形態において、画像光投射部１０の射出瞳１１は、第１導光部材６０において画像光Ｌが入射する入射部６６の中心と、第１導光部材６０内における画像光Ｌの伝播方向における中間位置６５との間に位置する。従って、第１導光部材６０内において、画像光Ｌの光束は、射出瞳１１に対して画像光Ｌの伝播方向の前側および後側のいずれにおいても、第２方向Ｘにおける画像光Ｌの光束の径が小さい。それ故、第１導光部材６０の第２方向ＸのサイズＷを小型化することができるので、虚像表示装置１の小型化を図ることができる。

また、本形態では、リレーレンズ３３は角倍率が１未満のアフォーカルレンズである。従って、射出瞳１１の大きさをマスターレンズ３２の瞳径より大きくする事ができる。より具体的には、リレーレンズ３３は角倍率が０．７のアフォーカルレンズである。従って、射出瞳１１の大きさをもとのマスターレンズ３２の瞳径の１．４倍とすることができる。

［画像光投射部１０の他の構成例］
上記実施の形態では、画像光投射部１０の射出瞳１１が、第１導光部材６０において画像光Ｌが入射する入射部６６の中心と、第１導光部材６０内における画像光Ｌの伝播方向における中間位置６５との間に位置する構成を採用したが、第１導光部材６０内における画像光Ｌの伝播方向における中間位置６５に画像光投射部１０の射出瞳１１を設定してもよい。かかる構成によれば、第１導光部材６０の第２方向ＸのサイズＷを最小とすることができる。

上記実施の形態では、画像光生成装置２０として液晶装置２２を用いたが、例えば、アレイ光源を用いた自発光型の画像光生成装置を用いてもよい。この場合、画像光生成装置の複数の画素の各々にマイクロレンズを設け、マイクロレンズによって、画像光生成装置からの放射角度を制限する光束角度制限手段を構成してもよい。

上記実施の形態において、投射レンズ３１としてズームレンズを用い、画角を変更することにより、虚像の大きさを可変にしてもよい。

上記実施の形態のうち、構成例２では、リレーレンズ３３の角倍率を１未満としたが、リレーレンズ３３の角倍率を１以上としてもよい。かかる構成によれば、マスターレンズ３２の画角を拡大できる。従って、射出瞳１１の径は減少するが、広画角の画像を表示するのに適している。

１…虚像表示装置、１０…画像光投射部、１１…射出瞳、２０…画像光生成装置、２１…光源部、２２…液晶装置、３０…投射光学系、３１…投射レンズ、３２…マスターレンズ、３３…リレーレンズ、３８、２１２…絞り、６０…第１導光部材、６１、７１…導光板、６２、７２…回折格子、６５…中間位置、６６…入射部、７０…第２導光部材、２１１…白色ＬＥＤ（光源）、２１３…コンデンサーレンズ、Ｌ…画像光、Ｘ…第２方向、Ｙ…第１方向、Ｚ…光軸方向

Claims

画像光を生成する画像光生成装置、および前記画像光を平行光化して投射する投射光学系を備えた画像光投射部と、
前記画像光投射部の射出瞳を光軸方向に交差する第１方向に拡大する瞳拡大用の第１導光部材と、
前記第１導光部材によって前記第１方向に拡大した射出瞳を前記光軸方向および前記第１方向に交差する第２方向に拡大する瞳拡大用の第２導光部材と、
を有し、
前記投射光学系は、前記投射光学系の最も前記第１導光部材側に配置されたレンズを備え、
前記画像光投射部の射出瞳は、前記画像光の進行方向において前記レンズよりも前記画像光生成装置とは反対側に位置し、
前記第２導光部材は、前記第２方向に沿った幅が前記第１方向に沿った幅よりも広く、
前記第１導光部材は、前記第２導光部材から前記第１方向に突出する入射部を備え、
前記投射光学系は、前記入射部に対向することを特徴とする虚像表示装置。
請求項１に記載の虚像表示装置において、
前記画像光投射部の射出瞳は、前記第１導光部材の内部に位置することを特徴とする虚像表示装置。
請求項２に記載の虚像表示装置において、
前記画像光投射部の射出瞳は、前記第１導光部材において前記画像光が入射する前記入射部の中心と、前記第１導光部材内における前記画像光の伝播方向における中間位置との間に位置することを特徴とする虚像表示装置。
請求項２に記載の虚像表示装置において、
前記画像光投射部の射出瞳は、前記第１導光部材における前記画像光の伝播方向における中間に位置することを特徴とする虚像表示装置。
請求項１乃至４の何れか一項に記載の虚像表示装置において、
前記画像光投射部は、前記画像光の投射角度を制限する光束角度制限素子を含むことを特徴とする虚像表示装置。
請求項５に記載の虚像表示装置において、
前記光束角度制限素子は、前記画像光を制限する絞りであり、
前記投射光学系は、前記絞りの像を前記画像光投射部の射出瞳として生成することを特徴とする虚像表示装置。
請求項６に記載の虚像表示装置において、
前記画像光生成装置は、光源と、前記光源から出射された光源光を変調する液晶装置と、を有し、
前記絞りは、前記光源と前記液晶装置との間に配置されていることを特徴とする虚像表示装置。
請求項６に記載の虚像表示装置において、
前記絞りは、前記投射光学系に配置されていることを特徴とする虚像表示装置。
請求項１乃至８の何れか一項に記載の虚像表示装置において、
前記投射光学系は、マスターレンズとリレーレンズとを含み、
前記リレーレンズによって、前記マスターレンズの瞳を前記画像光投射部の射出瞳とすることを特徴とする虚像表示装置。
請求項９に記載の虚像表示装置において、
前記リレーレンズの角倍率が１未満であることを特徴とする虚像表示装置。
請求項１乃至１０の何れか一項に記載の虚像表示装置において、
前記投射光学系がズームレンズを含むことを特徴とする虚像表示装置。