JP6736911B2 - 光束径拡大素子及び画像表示装置 - Google Patents
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Description
よって、鑑賞者の眼が動く場合でも、眼の瞳孔に光線の少なくとも1本を入射させることができる。
この構成によれば、入射側回折格子に入射した光を導光板内において全反射により伝播させることができる。これにより、光射出面から射出される光束径を良好に拡大させることができる。
この構成によれば、出射側回折格子の回折効率が入射側回折格子の回折効率よりも低く設定される。よって、導光板内を伝搬する光を出射側回折格子により出射面から複数個所で出射させることができる。これにより、光束径拡大機能を良好に得ることができる。
この構成によれば、異なる波長帯の光のそれぞれの導光板での回折角を同一にすることができる。
さらに、前記複数の画像光拡大素子の各々の導光板は、互いに厚さが同じ厚さとなるように設けられているのが望ましい。
このようにすれば、光の波長帯によらず同一の位置から出射させることができる。
この構成によれば、不要な回折光の発生を抑制することができる。
この構成によれば、カラー画像を表示することができる。
この構成によれば、画像光とともに外光(シースルー光)を視認することができる。
本実施形態の画像表示装置は、使用者が頭に装着して使用するヘッドマウントディスプレイの一例である。
以下の説明では、ヘッドマウントディスプレイ(Head Mounted Display)を、HMDと略記する。
図1は、使用者が本実施形態のHMDを装着した状態を示す図である。
図2は、本実施形態のHMDの斜視図である。
図3に示すように、画像表示部110は、画像光生成部19と、画像光拡大部20と、集光光学系13と、接眼光学系14と、を備えている。画像光生成部19は、画像情報を含む光を射出する。画像光拡大部20は、後述する光走査デバイス17から射出された光のビーム径を拡大する。
光走査デバイス17は、ミラー16で反射した光を走査する。光走査デバイス17は、例えばMEMSミラー(図示略)を備えている。光走査デバイス17は、光源部15の変調動作に合わせてMEMSミラーの姿勢を変化させ、光を2次元的に走査する。このようにして、光走査デバイス17は、画像情報を含む画像光を射出する。
導光板1は、その一方面に光入射面1aを有し、該光入射面1aに入射側回折格子11が設けられている。また、導光板1は、その他方面に光出射面1bを有し、該光出射面1bに出射側回折格子12が設けられている。
図7は、画像光拡大素子12Aに入射角+10度の光が入射した場合の説明図であり、図8は、画像光拡大素子12Aに入射角−10度の光が入射した場合の説明図である。なお、図5乃至8においては、画像光拡大素子12Aに波長0.525μmのレーザー光からなる光Lが入射するものとする。
ここで、出射側回折格子12による反射回折光が到達する位置に入射側回折格子11が配置されていると、回折光が生じて導光板1から光が外に射出されてしまい、導光板1内を伝播する光量が低下してしまう。
本実施形態によれば、光Lの入射位置から導光板1の端までの距離が導光板1全体の半分で済むため、導光板1の端部での出射光の強度低下を抑制できる。
そのため、観察者の眼が上下左右に移動した際に、観察者が画像を視認できるようにするためには、拡大光線束Kを構成する複数の出射光L2の間隔が瞳孔直径(2mm)程度に設定する必要がある。すなわち、本実施形態の画像光拡大素子12Aは、複数の出射光L2の間隔を2mm程度にするように設計されている。
具体的に、本発明者は、導光板1の厚さAを0.2mm〜0.8mmの範囲に設定することを見出した。
この場合、拡大光線束Kが存在する10mmの範囲内で観察者の眼が移動しても、出射光L2の少なくとも1本が瞳孔に入射するので、画像を観察者に良好に視認させることができる。
ここで、光L及び各出射光L2は直径1mm程度のガウス分布Gを有している。そのため、隣り合う出射光L2の間隔D1が0.5mmとなると、図6に示すように、各出射光L2は空間的に重なり合った状態となる。
また、図6に示すように、各出射光L2が空間的に重なり合うため、拡大光線束Kの範囲内で観察者の眼が移動したとしても、眼に均一な照度分布の光を入射させることができる。よって、観察者は、明るさムラの小さい良質な画像を視認することができる。
−10度の入射角で入射する光Lにおいて回折角が小さい+1次回折光LP1の回折角θPは臨界角と等しいため、+1次回折光LP1及び−1次回折光LM1は導光板1内を全反射で伝播することができる。
したがって、該画像光拡大素子12Aを備えたHMD300によれば、画像視認性に優れた信頼性の高いものとなる。
続いて、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態と上記実施形態との違いは、画像光拡大素子の構成である。具体的に、上記実施形態では、画像光生成部19の光源部15より単色の光が入射する場合について説明したが、本実施形態では画像光生成部19の光源部15より3色の光が入射する場合について説明する。
緑色用画像光拡大素子112Gは、導光板1Gと入射側回折格子11Gと出射側回折格子12Gとを有し、波長0.525μmの緑色光LGに対応する。
赤色用画像光拡大素子112Rは、導光板1Rと入射側回折格子11Rと出射側回折格子12Rとを有し、波長0.610μmの赤色光LRに対応する。
PB<PG<PR
H12<H11
H22<H21
H32<H31
H12<H11<H22<H21<H32<H31
図9に示したように、青色用画像光拡大素子112Bは、青色光LBに対する+1次回折光及び−1次回折光のいずれも導光板1B(屈折率1.52)の臨界角より大きな角度で回折させ、導光板1B内において回折光が伝播するように回折格子の格子周期Pが決められている。具体的に、本実施形態において、入射側回折格子11B及び出射側回折格子12Bにおける格子周期PB(格子周期Px及び格子周期Py)は、0.392μmに設定されている。
緑色用画像光拡大素子112G或いは赤色用画像光拡大素子112Rは、緑色光LG或いは赤色光LRに対する回折効率が高くなるように格子高さが設定されるため、青色光LB2に対する回折効率は低く、上記不要な回折光の発生は実質的に抑制される。
図10に示したように、緑色用画像光拡大素子112Gは、緑色光LGに対する+1次回折光及び−1次回折光のいずれも導光板1G(屈折率1.52)の臨界角より大きな角度で回折させ、導光板1G内において回折光が伝播するように回折格子の格子周期が決められている。
具体的に、本実施形態において、入射側回折格子11G及び出射側回折格子12Gにおける格子周期PG(格子周期Px及び格子周期Py)は0.447μmに設定されている。
したがって、緑色用画像光拡大素子112Gは、入射角と同じ角度で出射される複数の緑色光LG2を複製する。すなわち、入射角と同一角度で出射される光を複製した拡大光線束を生成する。
赤色用画像光拡大素子112Rは、赤色光LRに対する回折効率が高くなるように格子高さが設定されるため、緑色光LG2に対する回折効率は低く、上記不要な回折光の発生は実質的に抑制される。
図11に示したように、赤色用画像光拡大素子112Rは、赤色光LRに対する+1次回折光及び−1次回折光のいずれも導光板1R(屈折率1.52)の臨界角より大きな角度で回折させ、導光板1R内において回折光がY方向及びY方向に伝播するように回折格子の格子周期が決められている。
具体的に、本実施形態において、入射側回折格子11R及び出射側回折格子12Rにおける格子周期PR(格子周期Px及び格子周期Py)は0.520μmに設定されている。
したがって、赤色用画像光拡大素子112Rは、入射角と同じ角度で出射される複数の赤色光LR2を複製する。
また、本実施形態において、拡大素子112B,112G,112R(導光板1B,1G,1R)の厚さが同一であるため、各色の出射光(青色光LB2、緑色光LG2及び赤色光LR2)の出射位置が同一となる。
また、導光板1B,1G,1Rの厚さが同一となるため、回折格子を同一のプロセスで作成可能となるので、各拡大素子112R,112G,112Bの製造コストを抑えることができるといった効果が得られる。
したがって、この画像光拡大部112を備えた本実施形態のHMDによれば、観察者の眼の移動によらず、カラー画像の視認性に優れた信頼性の高い画像表示装置を提供することができる。
上記実施形態では、光Lの入射角を±10度とする場合を例に挙げたが、光Lの入射角の範囲は±10度に限定されることはない。
例えば、±10度以上の入射角で光Lを入射させるようにしてもよい。この場合、導光板1内において全反射条件を満たすように格子周期P、導光板1の厚さを0.2mm〜0.8mmの範囲で適宜設定すればよい。
Claims (9)
- 光入射面及び光出射面を有し、厚さが0.2mm〜0.8mmの導光板と、
前記光入射面に設けられた入射側回折格子と、
前記光出射面に設けられた出射側回折格子と、を備え、
前記入射側回折格子の格子周期は、前記出射側回折格子の格子周期と同じ周期であり、
前記光入射面と平行な方向から見た断面視において、前記入射側回折格子の形成領域の幅は、前記出射側回折格子の形成領域の幅よりも狭く、前記入射側回折格子は前記出射側回折格子と重なり、
前記入射側回折格子の格子周期は、前記入射側回折格子で回折した+1次回折光及び−1次回折光の前記導光板内における回折角のうち小さい方の回折角が、前記導光板の臨界角よりも大きくなる周期であることを特徴とする光束径拡大素子。 - 前記光入射面に入射する入射光の波長帯域のうち最も短い波長をλminとし、前記光入射面に対する前記入射光の入射角度の最大角度の絶対値を|θmax|とし、前記光入射面の格子周期をPとしたとき、
前記光入射面の格子周期が、
P ≦ λmin/(sin|θmax|+1)
を満たすことを特徴とする請求項1に記載の光束径拡大素子。 - 前記出射側回折格子の格子高さは、前記入射側回折格子の格子高さよりも低いことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光束径拡大素子。
- 画像光を射出する画像光生成部と、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の光束径拡大素子から構成される、画像光拡大素子と、を備えることを特徴とする画像表示装置。 - 前記画像光は異なる波長帯の光を含み、
前記画像光拡大素子を複数備えており、
複数の前記画像光拡大素子の各々の前記入射側回折格子の格子周期が互いに異なる周期であることを特徴とする請求項4に記載の画像表示装置。 - 複数の前記画像光拡大素子の各々の前記導光板は、互いに厚さが同じ厚さとなるように設けられていることを特徴とする請求項5に記載の画像表示装置。
- 複数の前記画像光拡大素子の各々の前記入射側回折格子の格子周期は、前記画像光生成部側から離間するにつれて大きくなることを特徴とする請求項5又は6に記載の画像表示装置。
- 複数の前記画像光拡大素子は、第1画像光拡大素子、第2画像光拡大素子及び第3画像光拡大素子を含み、
前記第1画像光拡大素子、前記第2画像光拡大素子及び前記第3画像光拡大素子の各々の前記入射側回折格子の格子周期は、各々の前記入射側回折格子で回折した回折光の回折角が同じ角度となるような周期であり、
前記画像光は、前記第1画像光拡大素子に対応する第1波長帯の光、前記第2画像光拡大素子に対応する第2波長帯の光及び前記第3画像光拡大素子に対応する第3波長帯の光を含むことを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一項に記載の画像表示装置。 - 複数の前記画像光拡大素子から射出された光が入射する接眼光学系をさらに備え、
前記接眼光学系は、光透過性を有することを特徴とする請求項4乃至8のいずれか一項に記載の画像表示装置。
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