JP7314873B2 - virtual image display - Google Patents
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Description
本開示は、虚像表示装置に関する。 The present disclosure relates to virtual image display devices.
表示光を透光部材により反射させて、表示光による虚像を視認可能に表示する虚像表示装置は、従来知られている。 2. Description of the Related Art A virtual image display device that reflects display light with a translucent member and visually displays a virtual image of the display light is conventionally known.
例えば特許文献1に開示の虚像表示装置は、二段レンズにより集光された照明光の透過により画像を形成し、当該画像の表示光を射出する液晶パネルを、備えている。ここで照明光は、発光色の相異なる光源素子の組から、生成されている。これにより、虚像の表示色を調整することが、可能となっている。 For example, the virtual image display device disclosed in Patent Document 1 has a liquid crystal panel that forms an image by transmission of illumination light condensed by a two-stage lens and emits display light of the image. Here, illumination light is generated from a set of light source elements with different emission colors. This makes it possible to adjust the display color of the virtual image.
しかし、特許文献1に開示の虚像表示装置では、液晶パネルの全領域に対して、全光源素子に共通の二段レンズにより、照明光を集光させている。そのため、二段レンズの光軸に配置位置が近接する光源素子からの照明光と、当該光軸とは配置位置が離間する光源素子からの照明光とでは、混色が不十分となって、表示光に色ムラ乃至は色ズレを生じさせてしまうため、虚像の視認性を低下させることになる。 However, in the virtual image display device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-200010, illumination light is condensed over the entire area of the liquid crystal panel by a two-stage lens common to all light source elements. Therefore, the illumination light from the light source element located close to the optical axis of the two-stage lens and the illumination light from the light source element located far away from the optical axis are insufficiently mixed in color, which causes color unevenness or color shift in the display light, thereby reducing the visibility of the virtual image.
そこで本開示の課題は、虚像の視認性を高める虚像表示装置を、提供することにある。 Accordingly, an object of the present disclosure is to provide a virtual image display device that enhances the visibility of virtual images.
以下、課題を解決するための本開示の技術的手段について、説明する。尚、特許請求の範囲及び本欄に記載された括弧内の符号は、後に詳述する実施形態に記載された具体的手段との対応関係を示すものであり、本開示の技術的範囲を限定するものではない。 Technical means of the present disclosure for solving the problems will be described below. It should be noted that the symbols in parentheses described in the claims and this column indicate the correspondence with specific means described in the embodiments described in detail later, and do not limit the technical scope of the present disclosure.
本開示の一態様は、
表示光を透光部材(3)により反射させて、表示光による虚像(VRI)を視認可能に表示する虚像表示装置(100)であって、
照明光を発する照明ユニット(40)と、
照明光の透過により画像を形成し、画像の表示光を射出する画像形成ユニット(20)と、
照明光を画像形成ユニットへ向けて集光する集光ユニット(30)とを、備え、
照明ユニットは、三原色の照明光を独立して発する光源素子(403R,403G,403B)の組を光源群(403,2403)として、集光ユニットに入射する照明光を光源群から発する光源部(402,2402)を、有し、
集光ユニットは、画像形成ユニットに入射する照明光を集光する角度空間(θ)内において当該照明光を拡散するように、波面状の拡散面(313)を形成するレンズ部(312)を、有し、
各光源部の光源群において三原色の光源素子は、直線方向(Yd)に互いに並んで配置され、
拡散面は、直線方向に沿って波の進行する波面状を、呈する。
本開示の別の一態様は、
表示光を透光部材(3)により反射させて、表示光による虚像(VRI)を視認可能に表示する虚像表示装置(100)であって、
照明光を発する照明ユニット(40)と、
照明光の透過により画像を形成し、画像の表示光を射出する画像形成ユニット(20)と、
照明光を画像形成ユニットへ向けて集光する集光ユニット(30)とを、備え、
照明ユニットは、三原色の照明光を独立して発する光源素子(403R,403G,403B)の組を光源群(3403)として、集光ユニットに入射する照明光を光源群から発する光源部(3402)を、有し、
集光ユニットは、画像形成ユニットに入射する照明光を集光する角度空間(θ)内において当該照明光を拡散するように、波面状の拡散面(3313)を形成するレンズ部(3312)を、有し、
各光源部の光源群において三原色の光源素子は、直線方向(Yd)とその直交方向(Xd)とのうち、少なくとも一方に互いにずれて配置され、
拡散面は、直線方向と直交方向とに沿って波の進行する波面状を、呈する。
One aspect of the present disclosure is
A virtual image display device (100) for visibly displaying a virtual image (VRI) by the display light by reflecting the display light with a translucent member (3),
a lighting unit (40) that emits illumination light;
an image forming unit (20) that forms an image by transmission of illumination light and emits display light of the image;
a light collecting unit (30) for collecting the illumination light toward the image forming unit;
The lighting unit has a light source group (403, 2403) consisting of a set of light source elements (403R, 403G, 403B) that independently emit illumination light of three primary colors, and a light source section (402, 2402 ) that emits illumination light from the light source group to enter the light collection unit,
the light collecting unit has a lens portion ( 31-2) forming a wave-like diffusing surface ( 31-3) so as to diffuse the illumination light within an angular space (θ) for condensing the illumination light incident on the image forming unit;
The light source elements of the three primary colors in the light source group of each light source unit are arranged side by side in the linear direction (Yd),
The diffusing surface presents a wavefront shape in which waves travel along a straight line.
Another aspect of the present disclosure is
A virtual image display device (100) for visibly displaying a virtual image (VRI) by the display light by reflecting the display light with a translucent member (3),
a lighting unit (40) that emits illumination light;
an image forming unit (20) that forms an image by transmission of illumination light and emits display light of the image;
a light collecting unit (30) for collecting the illumination light toward the image forming unit;
The lighting unit has a light source group (3403) consisting of a set of light source elements (403R, 403G, 403B) that independently emit illumination light of three primary colors, and a light source section (3402) that emits illumination light incident on the light collection unit from the light source group,
The light collecting unit has a lens portion (3312) forming a wave-like diffusing surface (3313) so as to diffuse the illumination light within an angular space (θ) for condensing the illumination light incident on the image forming unit,
The light source elements of the three primary colors in the light source group of each light source unit are arranged to be shifted in at least one of the linear direction (Yd) and the orthogonal direction (Xd),
The diffusing surface presents a wavy surface in which waves travel along a straight line direction and an orthogonal direction.
これら態様の照明ユニットでは、集光ユニットに入射する三原色の照明光が、光源部の光源群を組する各光学素子から独立して発せられる。このとき一態様の集光ユニットでは、画像形成ユニットに入射する照明光を集光する角度空間内において、レンズ部の形成する波面状拡散面により当該照明光が拡散される。故に、光源群において少なくとも二原色の光源素子からの照明光は、このような入射先レンズ部での拡散集光作用により混色されることで、入射先の集光ユニットから表示光として射出する際には、色ムラ及び色ズレを生じさせ難くなる。故に、虚像の視認性を高めることが可能である。 In the illumination unit of these aspects, the three primary colors of illumination light incident on the condensing unit are independently emitted from the respective optical elements forming the light source group of the light source section. At this time, in the condensing unit of one aspect, the illuminating light is diffused by the wavy diffusion surface formed by the lens portion in the angular space in which the illuminating light incident on the image forming unit is condensed. Therefore, the illumination light from the light source elements of at least two primary colors in the light source group is color-mixed by such a diffusing and condensing action in the incident lens portion, so that color unevenness and color shift are less likely to occur when emitted as display light from the incident condensing unit. Therefore, it is possible to improve the visibility of the virtual image.
以下、複数の実施形態を図面に基づき説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことで、重複する説明を省略する場合がある。また、各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。さらに、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合わせることができる。 A plurality of embodiments will be described below with reference to the drawings. Note that redundant description may be omitted by assigning the same reference numerals to corresponding components in each embodiment. Moreover, when only a part of the configuration is described in each embodiment, the configurations of the other embodiments previously described can be applied to the other portions of the configuration. Furthermore, not only the combinations of the configurations explicitly specified in the description of each embodiment, but also the configurations of the multiple embodiments can be partially combined even if they are not explicitly specified unless there is a particular problem with the combination.
図1に示すように第一実施形態の虚像表示装置は、車両1に搭載されるように構成されて当該車両1のインストルメントパネル2内に収容される、ヘッドアップディスプレイ(以下、HUDという)100である。ここで車両1とは、例えば自動車、鉄道車両の他、航空機、船舶、及び移動しないゲーム筐体等の各種乗り物を含むように、広義に解される。特に本実施形態の車両1は、四輪の自動車である。尚、HUD100に関する前、後、上、下、左、及び右の各方向は、水平面上の車両1を基準として、定義される。 As shown in FIG. 1, the virtual image display device of the first embodiment is a head-up display (hereinafter referred to as HUD) 100 configured to be mounted on a vehicle 1 and housed in an instrument panel 2 of the vehicle 1. Here, the vehicle 1 is understood in a broad sense to include various vehicles such as automobiles, railroad vehicles, aircraft, ships, and non-moving game cabinets. In particular, the vehicle 1 of this embodiment is a four-wheel automobile. The front, rear, up, down, left, and right directions of the HUD 100 are defined with respect to the vehicle 1 on the horizontal plane.
HUD100は、車両1のウインドシールド3へ向けて、画像の表示光を投影する。その結果、ウインドシールド3により反射される表示光は、車両1の室内に設定された視認領域EBに、到達する。車両1の室内において視認領域EBにアイポイントEPが位置する乗員は、当該視認領域EBに到達した表示光を虚像VRIとして知覚する。このようにHUD100は、車両1の乗員である視認者(以下、単に視認者という)4により視認可能な虚像VRIを表示することで、各種情報を当該視認者4に認識させることが可能である。HUD100により虚像VRIとして表示される各種情報には、例えば車速、燃料残量等といった車両1の状態を示す情報、視界補助情報、道路情報、及びナビゲーション情報等が挙げられる。 The HUD 100 projects image display light toward the windshield 3 of the vehicle 1 . As a result, the display light reflected by the windshield 3 reaches the visible area EB set in the interior of the vehicle 1 . An occupant whose eye point EP is positioned in the visual recognition area EB in the interior of the vehicle 1 perceives the display light that has reached the visual recognition area EB as a virtual image VRI. In this manner, the HUD 100 displays a virtual image VRI that can be visually recognized by a viewer (hereinafter simply referred to as a viewer) 4 who is an occupant of the vehicle 1, thereby making it possible for the viewer 4 to recognize various types of information. Various types of information displayed by the HUD 100 as a virtual image VRI include, for example, information indicating the state of the vehicle 1 such as vehicle speed and remaining amount of fuel, visibility assistance information, road information, navigation information, and the like.
視認領域EBは、HUD100により表示される虚像VRIが所定の仕様を満たす(例えば、虚像VRI全体が所定輝度以上となる等)ことで、視認者4により視認可能となる空間領域であって、アイボックスとも称される。視認領域EBは典型的には、車両1に設定されたアイリプスと重なるように、設定される。アイリプスは、視認者4におけるアイポイントEPの空間分布を統計的に表したアイレンジに基づき、仮想の楕円体状に設定される。 The visible area EB is a spatial area that can be visually recognized by the viewer 4 when the virtual image VRI displayed by the HUD 100 satisfies a predetermined specification (for example, the entire virtual image VRI has a predetermined brightness or more), and is also called an eye box. The visual recognition area EB is typically set so as to overlap the eyelip set on the vehicle 1 . The eyelip is set in a virtual ellipsoidal shape based on the eye range that statistically represents the spatial distribution of the eyepoints EP of the viewer 4 .
ウインドシールド3は、例えばガラス又は合成樹脂等により透光性の板状に形成された、透光部材である。ウインドシールド3は、インストルメントパネル2よりも上方に位置して、車両1の室内外を区画している。ウインドシールド3は、前方から後方へ向かうほど、インストルメントパネル2から離間する姿勢に、傾斜している。ウインドシールド3において室内側となる後面は、HUD100から表示光が投影されて反射する反射面3aを、滑らかな凹面状又は平面状に形成している。 The windshield 3 is a translucent member made of, for example, glass or synthetic resin and formed into a translucent plate. The windshield 3 is positioned above the instrument panel 2 to separate the interior and exterior of the vehicle 1 . The windshield 3 is inclined so as to be spaced apart from the instrument panel 2 from the front to the rear. The rear surface of the windshield 3, which faces the room, forms a smooth concave or flat reflecting surface 3a on which display light projected from the HUD 100 is reflected.
尚、ウインドシールド3については、反射型のホログラフィック光学素子が設けられることで、面反射に代わる干渉縞での回折反射を利用する構成であってもよい。またウインドシールド3に代えて、透光部材としてのコンバイナが車両1の室内に設置されることで、当該コンバイナに反射面3aが設けられていてもよい。 The windshield 3 may be provided with a reflective holographic optical element so as to utilize diffraction reflection with interference fringes instead of surface reflection. Instead of the windshield 3, a combiner as a translucent member may be installed inside the vehicle 1 so that the combiner is provided with the reflecting surface 3a.
図1に示すようにHUD100は、導光ユニット10、画像形成ユニット20、集光ユニット30、及び照明ユニット40を備えている。 As shown in FIG. 1, the HUD 100 includes a light guiding unit 10, an image forming unit 20, a condensing unit 30, and an illumination unit 40. As shown in FIG.
導光ユニット10は、画像形成ユニット20からウインドシールド3に至る光路Lを、構成している。導光ユニット10は、画像形成ユニット20から投射される表示光を、ウインドシールド3へ向けて導光する。導光ユニット10は、画像形成ユニット20により形成される画像を、視認者4により視認される虚像VRIへ所定の光学倍率に拡大する、拡大作用を有していることが好ましい。これは、導光ユニット10の拡大作用によって小型化が図られるからである。 The light guide unit 10 constitutes an optical path L from the image forming unit 20 to the windshield 3 . The light guide unit 10 guides display light projected from the image forming unit 20 toward the windshield 3 . The light guiding unit 10 preferably has an enlarging action of enlarging the image formed by the image forming unit 20 to the virtual image VRI visually recognized by the viewer 4 by a predetermined optical magnification. This is because the magnifying action of the light guide unit 10 contributes to miniaturization.
このような機能の導光ユニット10は、少なくとも一つの光学部材11を含んで構成される。導光ユニット10は、光学部材11としての平面鏡(又は曲面鏡)11a及び凹面鏡11bを一つずつ組み合わせて、構成されている。ここで凹面鏡11bは、上述の拡大作用を与える。それ以外にも例えば導光ユニット10は、光学部材11としての凸面鏡及び凹面鏡を一つずつ組み合わせた構成であってもよいし、光学部材11としての一つの凹面鏡から構成される等であってもよい。こうした導光ユニット10を構成する光学部材11は、固定式又は可動式のいずれであってもよい。 The light guide unit 10 having such functions includes at least one optical member 11 . The light guide unit 10 is configured by combining a plane mirror (or a curved mirror) 11a and a concave mirror 11b as optical members 11 one by one. Here, the concave mirror 11b provides the above-described magnifying action. Alternatively, for example, the light guide unit 10 may be configured by combining one convex mirror and one concave mirror as the optical member 11, or may be configured by one concave mirror as the optical member 11, or the like. The optical member 11 that constitutes the light guide unit 10 may be fixed or movable.
画像形成ユニット20は、車両1の室外において虚像VRIとして結像可能な画像を形成し、当該形成画像の表示光を導光ユニット10へ向けて射出する。図1,2に示すように画像形成ユニット20は、画像表示パネル21及び拡散パネル22を含んで構成される。 The image forming unit 20 forms an image that can be formed as a virtual image VRI outside the vehicle 1 and emits display light of the formed image toward the light guide unit 10 . As shown in FIGS. 1 and 2, the image forming unit 20 includes an image display panel 21 and a diffusion panel 22. As shown in FIG.
画像表示パネル21は、全体として板状に形成されている。画像表示パネル21は、薄膜トランジスタを用いた、透過型のTFT液晶パネルである。画像表示パネル21は、二次元配列された複数の液晶画素を有する、アクティブマトリクス式である。画像表示パネル21の片面である入射面210には、照明ユニット40からの照明光が集光ユニット30を通して入射する。画像表示パネル21の逆側となる射出面211からは、画像の表示光が光路L上の導光ユニット10へ向けて射出される。画像表示パネル21は、この表示光となる画像を表示形成する。 The image display panel 21 is formed in a plate shape as a whole. The image display panel 21 is a transmissive TFT liquid crystal panel using thin film transistors. The image display panel 21 is of an active matrix type having a plurality of two-dimensionally arranged liquid crystal pixels. Illumination light from the illumination unit 40 is incident on the incident surface 210 , which is one side of the image display panel 21 , through the light collecting unit 30 . Image display light is emitted toward the light guide unit 10 on the optical path L from the exit surface 211 on the opposite side of the image display panel 21 . The image display panel 21 displays and forms an image that becomes this display light.
こうした機能の画像表示パネル21では、一対の平板状偏光子と、それら偏光子に挟まれた液晶層とが、板厚方向に積層されている。各偏光子は、互いに直交する透過軸及び遮断軸を、画像表示パネル21の両面210,211に沿って有している。各偏光子は、透過軸の方位角では偏光を透過させ、遮断軸の方位角では偏光を吸収する。液晶層は、液晶画素毎の印加電圧に応じて透過させる照明光の偏光を、調整可能に構成されている。液晶層での偏光調整により、射出側の偏光子を透過する光の割合、即ち透過率が液晶画素毎に調整されることで、画像が形成される。ここで特に画像表示パネル21では、各液晶画素にカラーフィルタが設けられることで、カラー画像の形成が可能となっている。 In the image display panel 21 having such functions, a pair of flat polarizers and a liquid crystal layer sandwiched between the polarizers are laminated in the plate thickness direction. Each polarizer has a transmission axis and a cutoff axis that are orthogonal to each other along both surfaces 210 and 211 of the image display panel 21 . Each polarizer transmits polarized light at azimuthal angles of the transmission axis and absorbs polarized light at azimuthal angles of the block axis. The liquid crystal layer is configured to be able to adjust the polarization of illumination light to be transmitted according to the voltage applied to each liquid crystal pixel. An image is formed by adjusting the ratio of light passing through the polarizer on the exit side, ie, the transmittance, by adjusting the polarization in the liquid crystal layer for each liquid crystal pixel. Particularly in the image display panel 21, a color image can be formed by providing a color filter for each liquid crystal pixel.
図2,3に示すように画像表示パネル21には、互いに直交するXa方向とYa方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の画素領域212が、設定されている。各画素領域212は、Xa方向とYa方向とに液晶画素が複数ずつ二次元に並んで構成される、矩形の画像形成領域として定義される。Xa方向における画素領域212の配列数は、Ya方向における画素領域212の配列数に対して、相違となる「少ない」若しくは「多い」、又は「同一」のいずれであってもよいが、図3の例では「少ない」が採用されている。 As shown in FIGS. 2 and 3, the image display panel 21 is provided with a plurality of pixel regions 212 that are two-dimensionally arranged in predetermined numbers in Xa and Ya directions that are orthogonal to each other. Each pixel area 212 is defined as a rectangular image forming area in which a plurality of liquid crystal pixels are arranged two-dimensionally in the Xa direction and the Ya direction. The number of arrays of pixel regions 212 in the Xa direction may be either “less”, “more”, or “same” as the number of arrays of pixel regions 212 in the Ya direction, but “less” is adopted in the example of FIG.
図1に示すように拡散パネル22は、例えばガラス又は樹脂等の硬質透明材から、全体として板状又は薄膜状に形成されている。拡散パネル22は、画像表示パネル21の入射面210に沿って実質平行に、配置される。拡散パネル22は、画像表示パネル21へ入射する照明光に対して、拡散作用を与える。尚、拡散パネル22は、画像表示パネル21の入射面210に微小な凹凸が与えられることで、同パネル21と一体に構成されてもよい。 As shown in FIG. 1, the diffusion panel 22 is made of a rigid transparent material such as glass or resin and formed in a plate-like or thin-film shape as a whole. The diffusion panel 22 is arranged substantially parallel along the entrance surface 210 of the image display panel 21 . The diffusion panel 22 diffuses illumination light incident on the image display panel 21 . Incidentally, the diffusion panel 22 may be configured integrally with the image display panel 21 by providing the incident surface 210 of the image display panel 21 with minute irregularities.
図1,2に示す集光ユニット30は、照明ユニット40からの照明光を画像形成ユニット20へ向けて集光する。集光ユニット30は、前段レンズアレイ31及び後段レンズアレイ32を含んで構成される。 The light collection unit 30 shown in FIGS. 1 and 2 collects the illumination light from the illumination unit 40 toward the image forming unit 20 . The condensing unit 30 includes a front lens array 31 and a rear lens array 32 .
図2,4に示すように前段レンズアレイ31は、例えばガラス又は樹脂等の硬質透明材から、全体として板状に形成されている。前段レンズアレイ31は、平凸レンズアレイである。前段レンズアレイ31は、互いに直交するXb方向とYb方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の前段レンズ部312を、有している。Xb方向における前段レンズ部312の配列数は、Xa方向における画素領域212の配列数と一致している。Yb方向における前段レンズ部312の配列数は、Ya方向における画素領域212の配列数と一致している。これらの構成により各前段レンズ部312は、画素領域212のいずれかと1:1で対応付けられている。 As shown in FIGS. 2 and 4, the front-stage lens array 31 is made of a rigid transparent material such as glass or resin and formed in a plate shape as a whole. The front-stage lens array 31 is a plano-convex lens array. The front lens array 31 has a plurality of front lens portions 312 arranged two-dimensionally in a predetermined number each in the Xb direction and the Yb direction that are orthogonal to each other. The number of arrays of the front-stage lens units 312 in the Xb direction matches the number of arrays of the pixel regions 212 in the Xa direction. The number of arrays of front-stage lens units 312 in the Yb direction matches the number of arrays of pixel regions 212 in the Ya direction. With these configurations, each front lens section 312 is associated with one of the pixel regions 212 at 1:1.
前段レンズ部312の片面である前段入射面310には、照明ユニット40からの照明光が入射する。各前段レンズ部312の逆面となる前段射出面311からは、前段入射面310に入射の照明光が後段レンズアレイ32へ向けて射出される。 Illumination light from the illumination unit 40 is incident on the front incidence surface 310 that is one side of the front lens portion 312 . Illumination light incident on the front entrance surface 310 is emitted toward the rear lens array 32 from the front exit surface 311 , which is the opposite surface of each front lens portion 312 .
図2,5,6に示す各前段レンズ部312の前段入射面310は、Xb方向及びYb方向と直交する光軸Alに対して、実質垂直な平面状を呈している。各前段レンズ部312毎に前段射出面311は、仮想ベース面Sbに拡散面313を合成した複合面構造を、形成している。各前段レンズ部312毎に定義される仮想ベース面Sbは、図6に示すように、Xb方向及びYb方向を含む任意方向において滑らかに湾曲する凸面状を、呈している。各前段レンズ部312は、後段レンズアレイ32へ向けて射出の照明光を、こうした凸面状の仮想ベース面Sbに従って角度空間θ内に集光させる。 A front entrance surface 310 of each front lens portion 312 shown in FIGS. 2, 5, and 6 has a planar shape substantially perpendicular to the optical axis Al orthogonal to the Xb direction and the Yb direction. The front exit surface 311 of each front lens portion 312 forms a composite surface structure in which the diffusion surface 313 is combined with the virtual base surface Sb. As shown in FIG. 6, the virtual base surface Sb defined for each front lens portion 312 has a convex shape that smoothly curves in any direction including the Xb direction and the Yb direction. Each front-stage lens unit 312 converges the emitted illumination light toward the rear-stage lens array 32 within the angle space θ according to the convex virtual base surface Sb.
このような集光作用を発揮するために仮想ベース面Sbの凸面状を表す関数Zbは、例えば次の数1によって与えられる。数1においてcは、凸面状に与える曲率である。数1においてrは、凸面状の任意点に関する光軸Alからの、動径(即ち、半径)である。数1においてkは、コーニック定数である。数1においてαiは、自由曲面係数である。
各前段レンズ部312に定義される拡散面313は、光軸Alを含んでXb方向に広がる仮想平面αから、Yb方向の外側へ向かって波の進行する波面状を、呈している。各前段レンズ部312は、後段レンズアレイ32へ向けて射出の照明光を、こうした波面状の拡散面313に従って角度空間θ内に拡散させる。 A diffusion surface 313 defined in each front-stage lens portion 312 presents a wavefront shape in which waves travel outward in the Yb direction from a virtual plane α that includes the optical axis Al and spreads in the Xb direction. Each front-stage lens section 312 diffuses the emitted illumination light toward the rear-stage lens array 32 within the angular space θ according to the wavefront-like diffusion surface 313 .
このような拡散作用を発揮するために拡散面313の波面状を表す関数Zwは、例えば一次元平面波面を規定する、次の数2によって与えられる。数2においてAyは、Yb方向における波面状の最大振幅である。数2においてYwは、波面状の任意点に関する仮想平面αからのYb方向への、離間距離である。数2においてλyは、Yb方向における波面状の波長である。
以上より各前段レンズ部312毎の前段射出面311において、拡散面313が仮想ベース面Sbに合成されてなる複合面構造を表した関数Zcは、次の数3によって与えられる。ここまでの構成から各前段レンズ部312は、画像形成ユニット20のうち、それぞれ対応する画素領域212へと入射する照明光を、個別に集光する角度空間θ内には収まる範囲で、拡散させるのである。
図2,7に示すように後段レンズアレイ32は、例えばガラス又は樹脂等の硬質透明材から、全体として板状に形成されている。後段レンズアレイ32は、互いに直交するXc方向とYc方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の後段レンズ部322を、有している。Xc方向における後段レンズ部322の配列数は、Xa方向における画素領域212の配列数とXb方向における前段レンズ部312の配列数とに、一致している。Yc方向における後段レンズ部322の配列数は、Ya方向における画素領域212の配列数とYb方向における前段レンズ部312の配列数とに、一致している。これらの構成により各後段レンズ部322は、画素領域212のいずれかと前段レンズ部312のいずれかとに、1:1で対応付けられている。 As shown in FIGS. 2 and 7, the rear-stage lens array 32 is made of a hard transparent material such as glass or resin and formed in a plate shape as a whole. The rear-stage lens array 32 has a plurality of rear-stage lens sections 322 that are two-dimensionally arranged in predetermined numbers each in the Xc direction and the Yc direction that are orthogonal to each other. The number of arrays of the rear lens sections 322 in the Xc direction matches the number of arrays of the pixel regions 212 in the Xa direction and the number of arrays of the front lens sections 312 in the Xb direction. The number of arrays of the rear lens sections 322 in the Yc direction matches the number of arrays of the pixel regions 212 in the Ya direction and the number of arrays of the front lens sections 312 in the Yb direction. With these configurations, each rear lens section 322 is associated 1:1 with one of the pixel regions 212 and one of the front lens sections 312 .
各後段レンズ部322は、対応する前段レンズ部312に対しては、後段に位置して光軸Alを共通にしている。こうした各前段レンズ部312及び各後段レンズ部322の光軸Alに対して、画像表示パネル21及び拡散パネル22は傾斜配置されている。この傾斜配置により画像表示パネル21のXa方向は、前段レンズアレイ31のXb方向と後段レンズアレイ32のXc方向と対して、それらレンズアレイ31,32側へ傾斜するように、定義される。一方、画像表示パネル21のYa方向は、前段レンズアレイ31のYb方向と後段レンズアレイ32のYc方向とに沿って実質平行に、定義される。 Each rear lens portion 322 is positioned behind the corresponding front lens portion 312 and shares the optical axis Al. The image display panel 21 and the diffusion panel 22 are inclined with respect to the optical axis Al of each front lens section 312 and each rear lens section 322 . With this inclined arrangement, the Xa direction of the image display panel 21 is defined to be inclined toward the lens arrays 31 and 32 with respect to the Xb direction of the front lens array 31 and the Xc direction of the rear lens array 32 . On the other hand, the Ya direction of the image display panel 21 is defined substantially parallel to the Yb direction of the front lens array 31 and the Yc direction of the rear lens array 32 .
図7~9に示す各後段レンズ部322の片面である後段入射面320には、それぞれ対応する前段レンズ部312からの照明光が、入射する。各後段レンズ部322の逆面となる後段射出面321からは、後段入射面320に入射の照明光が、それぞれ対応する画素領域212へ向けて射出される。 Illumination light from the corresponding front lens portion 312 is incident on the rear entrance surface 320, which is one surface of each rear lens portion 322 shown in FIGS. Illumination light incident on the rear entrance surface 320 is emitted from the rear exit surface 321 , which is the opposite surface of each rear lens unit 322 , toward the corresponding pixel regions 212 .
図8に示す各後段レンズ部322毎に後段入射面320は、光軸AlからXc方向の外側に向かって順屈折面部323と逆屈折面部324とが交互に並ぶ複合面構造を、形成している。複数の順屈折面部323は、Xc方向に互いに離間且つYc方向に沿って延伸するストライプ状(図7参照)に、形成されている。各順屈折面部323は、仮想ベース面Si1をXc方向に一定幅で分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面Si1は、入射側に凸の例えば凸面状等に、定義される。複数の逆屈折面部324は、Xc方向に互いに離間且つYc方向に延伸するストライプ状(図7参照)に、形成されている。各逆屈折面部324は、仮想ベース面Si2をXc方向に複数分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面Si2は、射出側に凹の例えば谷形斜面状等に、定義される。以上の如き複合面構造では、各順屈折面部323が照明光を屈折によりXc方向の光軸Al側に集めて光軸Alに平行化する一方、各逆屈折面部324が照明光を各順屈折面部323とは逆向きに屈折させて当該平行化光に混ぜ合わせる。尚、平行化とは、照明光が平行光束に近づいた状態となることを意味し、照明光が完全に平行光束となっている必要はない。 The rear entrance surface 320 of each rear lens portion 322 shown in FIG. 8 forms a compound surface structure in which forward refractive surface portions 323 and reverse refractive surface portions 324 are alternately arranged outward in the Xc direction from the optical axis Al. The plurality of forward refracting surface portions 323 are formed in stripes (see FIG. 7) that are spaced apart from each other in the Xc direction and extend along the Yc direction. Each forward refracting surface portion 323 corresponds to one of divided portions obtained by dividing the virtual base surface Si1 in the Xc direction with a constant width. Here, the virtual base surface Si1 is defined to be convex on the incident side, for example, in a convex shape. The plurality of reverse refracting surface portions 324 are formed in stripes (see FIG. 7) that are spaced apart from each other in the Xc direction and extend in the Yc direction. Each reverse refracting surface portion 324 corresponds to one of divided portions obtained by dividing the virtual base surface Si2 in the Xc direction. Here, the imaginary base surface Si2 is defined to be concave on the exit side, for example, in the shape of a valley-shaped slope. In the composite surface structure as described above, each forward refracting surface portion 323 refracts the illumination light toward the optical axis Al side in the Xc direction and collimates it to the optical axis Al, while each reverse refracting surface portion 324 refracts the illumination light in the direction opposite to each forward refracting surface portion 323 and mixes it into the collimated light. Note that the collimation means that the illumination light becomes a parallel light flux, and the illumination light does not have to be a perfectly parallel light flux.
図9に示す各後段レンズ部322毎に後段射出面321は、光軸AlからYc方向の外側に向かって順屈折面部325と逆屈折面部326とが交互に並ぶ複合面構造を、形成している。複数の順屈折面部325は、Yc方向に互いに離間且つXc方向に沿って延伸するストライプ状(図7参照)に、形成されている。各順屈折面部325は、仮想ベース面So1をYc方向に複数分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面So1は、射出側に凸の例えば凸面状等に、定義される。複数の逆屈折面部326は、Yc方向に互いに離間且つXc方向に延伸するストライプ状(図7参照)に、形成されている。各逆屈折面部326は、仮想ベース面So2をYc方向に一定幅で分割した分割部分のいずれかに、対応している。ここで仮想ベース面So2は、入射側に凹の例えば谷形斜面状等に、定義される。以上の如き複合面構造では、各順屈折面部325が照明光を屈折によりYc方向の光軸Al側に集めて光軸Alに平行化する一方、各逆屈折面部324が照明光を各順屈折面部323とは逆向きに屈折させて当該平行化光に混ぜ合わせる。 The rear exit surface 321 of each rear lens portion 322 shown in FIG. 9 forms a compound surface structure in which forward refractive surface portions 325 and reverse refractive surface portions 326 are alternately arranged outward in the Yc direction from the optical axis Al. The plurality of forward refracting surface portions 325 are formed in stripes (see FIG. 7) that are spaced apart from each other in the Yc direction and extend along the Xc direction. Each forward refracting surface portion 325 corresponds to one of divided portions obtained by dividing the virtual base surface So1 in the Yc direction. Here, the virtual base surface So1 is defined to be convex toward the exit side, for example, in a convex shape. The plurality of reverse refracting surface portions 326 are formed in stripes (see FIG. 7) that are spaced apart from each other in the Yc direction and extend in the Xc direction. Each reverse refracting surface portion 326 corresponds to one of divided portions obtained by dividing the virtual base surface So2 in the Yc direction by a constant width. Here, the virtual base surface So2 is defined to be concave on the incident side, for example, in the shape of a valley-shaped slope. In the composite surface structure as described above, each forward refracting surface portion 325 refracts the illumination light toward the optical axis Al side in the Yc direction and collimates it to the optical axis Al, while each reverse refracting surface portion 324 refracts the illumination light in the direction opposite to each forward refracting surface portion 323 and mixes it into the collimated light.
ここまでの構成から集光ユニット30は、画像形成ユニット20のうち各画素領域212にそれぞれ対応する前段レンズ部312及び後段レンズ部322の共同により、それら各画素領域212毎に入射する照明光を、個別に集光するのである。 From the above configuration, the light collecting unit 30 individually collects illumination light incident on each of the pixel regions 212 in the image forming unit 20 by the cooperation of the front lens portion 312 and the rear lens portion 322 corresponding to the respective pixel regions 212.
図1,2に示す照明ユニット40は、集光ユニット30を通して画像形成ユニット20を照明する照明光を、発する。図1,2,10に示すように照明ユニット40は、互いに直交するXd方向とYd方向とに所定数ずつ二次元配列される複数の光源部402を、有している。Xd方向における光源部402の配列数は、Xa方向における画素領域212の配列数とXb方向における前段レンズ部312の配列数とXc方向における後段レンズ部322の配列数とに、一致している。Yd方向における光源部402の配列数は、Ya方向における画素領域212の配列数とYb方向における前段レンズ部312の配列数とYc方向における後段レンズ部322の配列数とに、一致している。これらの構成により各光源部402は、画素領域212のいずれかと前段レンズ部312のいずれかと後段レンズ部322のいずれかとに、1:1で対応付けられている。 The illumination unit 40 shown in FIGS. 1 and 2 emits illumination light that illuminates the image forming unit 20 through the light collecting unit 30 . As shown in FIGS. 1, 2, and 10, the illumination unit 40 has a plurality of light source sections 402 that are two-dimensionally arranged in predetermined numbers in the Xd direction and the Yd direction that are orthogonal to each other. The number of arrays of the light source units 402 in the Xd direction matches the number of arrays of the pixel regions 212 in the Xa direction, the number of arrays of the front lens units 312 in the Xb direction, and the number of arrays of the rear lens units 322 in the Xc direction. The number of arrays of the light source units 402 in the Yd direction matches the number of arrays of the pixel regions 212 in the Ya direction, the number of arrays of the front lens units 312 in the Yb direction, and the number of arrays of the rear lens units 322 in the Yc direction. With these configurations, each light source unit 402 is associated 1:1 with one of the pixel regions 212 , one of the front lens units 312 , and one of the rear lens units 322 .
図2,10に示すように各光源部402は、互いに同一構成の光源群403から構成されている。各光源部402の光源群403は、赤緑青(RGB)である三原色の照明光をそれぞれ独立して発する光源素子403R,403G,403Bの組により、定義される。各光源部402では、光源群403を組する三原色の光源素子403R,403G,403Bが個別のLEDベアチップにより構成され、互いに共通にパッケージングされている。 As shown in FIGS. 2 and 10, each light source unit 402 is composed of a group of light sources 403 having the same configuration. A light source group 403 of each light source unit 402 is defined by a set of light source elements 403R, 403G, and 403B that independently emit illumination light of three primary colors of red, green, and blue (RGB). In each light source unit 402, the three primary color light source elements 403R, 403G, and 403B forming the light source group 403 are formed of individual LED bare chips and packaged in common.
各光源部402では、RGB三原色の光源素子403R,403G,403Bが直線方向としてのYd方向に沿って、互いに並んで一次元に配置されている。ここで特に、光源素子403R,403G,403Bが直線上に並ぶYd方向は、虚像VRIの上下方向Dv(図1参照)に対応する。また光源素子403R,403G,403Bのうち、Yd方向の真ん中に位置する一原色の光源素子(図2,6は403Gの例)は、対応する前段レンズ部312及び後段レンズ部322の共通光軸Al上に、配置されている。 In each light source section 402, RGB three primary color light source elements 403R, 403G, and 403B are arranged one-dimensionally along the Yd direction as a linear direction. In particular, the Yd direction in which the light source elements 403R, 403G, and 403B are aligned on a straight line corresponds to the vertical direction Dv (see FIG. 1) of the virtual image VRI. Among the light source elements 403R, 403G, and 403B, the one primary color light source element (403G in FIGS. 2 and 6) located in the middle in the Yd direction is arranged on the common optical axis Al of the corresponding front lens section 312 and rear lens section 322.
さらに光源素子403R,403G,403Bは、対応する前段レンズ部312及び後段レンズ部322の光軸Alに沿う方向において、それら対応レンズ部312,322の合成焦点よりも集光ユニット30に近接して配置されている。それと共に、対応する前段レンズ部312の光軸Alに沿う方向において光源素子403R,403G,403Bは、当該対応レンズ部312に関する仮想ベース面Sbの焦点距離Pb(図6参照)よりも、集光ユニット30に近接して配置されている。 Further, the light source elements 403R, 403G, and 403B are arranged closer to the condensing unit 30 than the combined focal point of the corresponding front lens section 312 and rear lens section 322 in the direction along the optical axis Al of the corresponding front lens section 312 and rear lens section 322, respectively. In addition, the light source elements 403R, 403G, and 403B are arranged closer to the light collecting unit 30 in the direction along the optical axis Al of the corresponding front lens portion 312 than the focal length Pb (see FIG. 6) of the virtual base surface Sb for the corresponding lens portion 312.
図2に示す各光源部402の光源群403において、光源素子403R,403G,403Bの発光強度がそれぞれ最大となる強度ピーク方向は、対応する前段レンズ部312及び後段レンズ部322の光軸Alに沿って、実質平行に設定されている。この設定下において照明ユニット40のXd方向は、前段レンズアレイ31のXb方向と後段レンズアレイ32のXc方向とに沿って実質平行に定義されると共に、画像表示パネル21のXa方向とは傾斜して定義される。一方、照明ユニット40のYd方向は、画像表示パネル21のYa方向と前段レンズアレイ31のYb方向と後段レンズアレイ32のYc方向とに沿って実質平行に、定義される。 In the light source group 403 of each light source unit 402 shown in FIG. 2, the intensity peak directions in which the light emission intensities of the light source elements 403R, 403G, and 403B are maximized are set substantially parallel along the optical axis Al of the corresponding front-stage lens unit 312 and rear-stage lens unit 322. Under this setting, the Xd direction of the illumination unit 40 is defined substantially parallel to the Xb direction of the front lens array 31 and the Xc direction of the rear lens array 32, and is defined to be inclined with respect to the Xa direction of the image display panel 21. On the other hand, the Yd direction of the illumination unit 40 is defined substantially parallel to the Ya direction of the image display panel 21 , the Yb direction of the front lens array 31 , and the Yc direction of the rear lens array 32 .
各光源部402の光源群403では、三原色の光源素子403R,403G,403Bのうち、少なくとも一原色の光源素子から発せられた照明光は、対応する前段レンズ部312及び後段レンズ部322へ順次入射する。即ち照明ユニット40は、各レンズ部312,322の対応する組毎に順次入射される照明光を、それら各レンズ部312,322と個別に対応する光源部402の光源群403から、発するのである。 In the light source group 403 of each light source unit 402, illumination light emitted from at least one primary color light source element among the three primary color light source elements 403R, 403G, and 403B is sequentially incident on the corresponding front lens unit 312 and rear lens unit 322. That is, the lighting unit 40 emits illumination light sequentially incident on each pair of corresponding lens portions 312 and 322 from the light source group 403 of the light source portion 402 individually corresponding to each of the lens portions 312 and 322 .
図11に白抜きで示すように、光源群403において三原色の光源素子403R,403G,403Bが全て発光した光源部402に対応する画素領域212は、当該三原色の混色した白色光により、照明される。図11にドットハッチングで示すように、光源群403における光源素子403R,403G,403Bのうち、二原色の光源素子の発光且つ一原色の光源素子の消灯した光源部402に対応する画素領域212は、当該二原色の混色光により照明される。図11にクロスハッチングで示すように、光源群403における光源素子403R,403G,403Bのうち、一原色の光源素子の発光且つ二原色の光源素子の消灯した光源部402に対応する画素領域212は、当該一原色の単色光により照明される。 As shown by white in FIG. 11, a pixel region 212 corresponding to the light source unit 402 in which all the light source elements 403R, 403G, and 403B of the three primary colors in the light source group 403 emit light is illuminated by white light in which the three primary colors are mixed. As indicated by dot hatching in FIG. 11, among the light source elements 403R, 403G, and 403B in the light source group 403, a pixel region 212 corresponding to the light source section 402 in which the two primary color light source elements emit light and the one primary color light source element turns off is illuminated by the mixed light of the two primary colors. As shown by cross hatching in FIG. 11, among the light source elements 403R, 403G, and 403B in the light source group 403, a pixel region 212 corresponding to the light source section 402 in which the light source element of one primary color emits light and the light source element of two primary colors is extinguished is illuminated by the monochromatic light of the one primary color.
(作用効果)
以上説明した第一実施形態の作用効果を、以下に説明する。
(Effect)
The effects of the first embodiment described above will be described below.
第一実施形態の照明ユニット40では、集光ユニット30に入射する三原色の照明光が、光源部402の光源群403を組する各光学素子403R,403G,403Bから独立して発せられる。このとき第一実施形態の集光ユニット30では、画像形成ユニット20に入射する照明光を集光する角度空間θ内において、前段レンズ部312の形成する波面状拡散面313により当該照明光が拡散される。故に、光源群403における少なくとも二原色の光源素子からの照明光は、このような入射先レンズ部312での拡散集光作用により混色されることで、入射先の集光ユニット30から表示光として射出する際には、色ムラ及び色ズレを生じさせ難くなる。故に、虚像VRIの視認性を高めることが可能である。 In the lighting unit 40 of the first embodiment, three primary color illumination lights incident on the light collection unit 30 are independently emitted from the optical elements 403R, 403G, and 403B forming the light source group 403 of the light source section 402 . At this time, in the condensing unit 30 of the first embodiment, the illumination light is diffused by the wavefront diffusion surface 313 formed by the front lens portion 312 in the angle space θ in which the illumination light incident on the image forming unit 20 is condensed. Therefore, the illumination light from the light source elements of at least two primary colors in the light source group 403 is color-mixed by such a diffusion and condensing action of the incident lens portion 312, so that color unevenness and color shift are less likely to occur when emitted as display light from the incident light collecting unit 30. Therefore, it is possible to improve the visibility of the virtual image VRI.
第一実施形態によると、各光源部402の光源群403において三原色の光源素子403R,403G,403Bは、直線方向としてのYd方向に互いに並んで配置される。故に、拡散集光作用を発揮する前段レンズ部312では、光源素子403R,403G,403Bの互いに並ぶYd方向に沿うYb方向において、照明光が混色し易くなる。故に、混色される表示光に色ムラ及び色ズレを生じ難くして、虚像VRIの視認性を高めることが可能となる。 According to the first embodiment, the light source elements 403R, 403G, and 403B of the three primary colors in the light source group 403 of each light source section 402 are arranged side by side in the Yd direction as the linear direction. Therefore, in the front-stage lens portion 312 that exhibits a diffusing and condensing action, illumination light is easily mixed in the Yb direction along the Yd direction in which the light source elements 403R, 403G, and 403B are aligned. Therefore, color unevenness and color shift are less likely to occur in the mixed display light, and the visibility of the virtual image VRI can be improved.
第一実施形態によると、拡散面313は、直線方向としてのYd方向に沿ったYb方向へ、波の進行する波面状を呈する。これにより前段レンズ部312では、光源素子403R,403G,403Bの互いに並んだYd方向における照明光の混色を、拡散集光作用により促進することができる。故に、混色される表示光の色ムラ及び色ズレを効果的に抑制して、虚像VRIの視認性を高めることが可能となる。 According to the first embodiment, the diffusing surface 313 exhibits a wavy surface shape in which waves travel in the Yb direction along the Yd direction as the linear direction. As a result, in the front lens section 312, the light source elements 403R, 403G, and 403B can promote the color mixing of the illumination light in the Yd direction in which the light source elements 403R, 403G, and 403B are arranged side by side by the diffusing and condensing action. Therefore, it is possible to effectively suppress the color unevenness and color deviation of the mixed display light, and improve the visibility of the virtual image VRI.
第一実施形態によると、各光源部402の光源群403において三原色の光源素子403R,403G,403Bが並ぶ直線方向としてのYd方向は、虚像VRIの上下方向Dvに対応する。これによれば、虚像VRIを視認する視認者4の眼球が移動し難い上下方向Dvでは、混色される表示光の、当該移動に起因する色ズレが生じ難くなる。また一方、視認者4の眼球が移動し易い虚像VRIの左右方向Dh(図1参照)に対応したXd方向では、光源群403において三原色の光源素子403R,403G,403Bが並ばない。そのため、混色される表示光には、視認者4の眼球移動に起因する色ズレがそもそも生じ難い。これらのことから、虚像VRIの視認性を高める効果の信頼性を、担保することが可能となる。 According to the first embodiment, the Yd direction as the linear direction in which the light source elements 403R, 403G, and 403B of the three primary colors are arranged in the light source group 403 of each light source unit 402 corresponds to the vertical direction Dv of the virtual image VRI. According to this, in the vertical direction Dv in which the eyeball of the viewer 4 viewing the virtual image VRI is difficult to move, color shift due to the movement of the mixed display light is less likely to occur. On the other hand, the three primary color light source elements 403R, 403G, and 403B in the light source group 403 are not aligned in the Xd direction corresponding to the left-right direction Dh (see FIG. 1) of the virtual image VRI in which the eyeball of the viewer 4 tends to move. Therefore, in the mixed display light, a color shift caused by the movement of the eyeball of the viewer 4 is unlikely to occur in the first place. For these reasons, it is possible to ensure the reliability of the effect of enhancing the visibility of the virtual image VRI.
第一実施形態の集光ユニット30によると、画像形成ユニット20において複数配列される各画素領域212毎に入射する照明光を個別に集光する角度空間θ内において、当該個別集光の照明光を拡散する拡散面313を形成するように、前段レンズ部312が複数配列される。ここで第一実施形態の照明ユニット40では、各前段レンズ部312毎に入射する照明光を個別の光源群403から発するように、光源部402が複数配列される。これにより各光源部402の光源群403では、三原色の照明光を独立に発する光源素子403R,403G,403Bのいずれも、入射先レンズ部312の光軸Alに可及的に近接させて配置することができる。 According to the condensing unit 30 of the first embodiment, a plurality of front-stage lens portions 312 are arranged so as to form a diffusion surface 313 for diffusing the individually condensed illumination light within the angular space θ for individually condensing the illumination light incident on each pixel region 212 arranged in the image forming unit 20. Here, in the lighting unit 40 of the first embodiment, a plurality of light source sections 402 are arranged so that illumination light incident on each front lens section 312 is emitted from individual light source groups 403 . As a result, in the light source group 403 of each light source unit 402, all of the light source elements 403R, 403G, and 403B that independently emit illumination light of the three primary colors can be arranged as close to the optical axis Al of the incident lens unit 312 as possible.
故に、各光源部402の光源群403において少なくとも二原色の光源素子からの照明光は、入射先レンズ部312での拡散集光により混色されて入射先画素領域212から表示光として射出する際に、各画素領域212毎での色ムラ及び色ズレを生じさせ難い。また、各光源部402の光源群403において少なくとも一原色の光源素子からの照明光は、入射先レンズ部312での拡散集光作用により集光されて入射先画素領域212から表示光として射出する際に、各画素領域212間での色ムラ及び色ズレも生じさせ難い。さらに、各光源部402の光源群403において一原色の光源素子からの照明光では、入射先画素領域212から射出される表示光の色度が鮮やかになる。これらのことから、虚像VRIの視認性を高めることが可能である。 Therefore, when illumination light from at least two primary color light source elements in the light source group 403 of each light source unit 402 is mixed by diffused light collection in the incident lens unit 312 and emitted as display light from the incident pixel region 212, it is difficult to cause color unevenness and color shift in each pixel region 212. In addition, when the illumination light from at least one primary color light source element in the light source group 403 of each light source unit 402 is collected by the diffusing and condensing action of the incident lens unit 312 and emitted as display light from the incident pixel region 212, it is difficult to cause color unevenness and color shift between the pixel regions 212. Furthermore, with the illumination light from the light source elements of one primary color in the light source group 403 of each light source unit 402, the chromaticity of the display light emitted from the incident pixel region 212 becomes vivid. For these reasons, it is possible to improve the visibility of the virtual image VRI.
第一実施形態によると、各前段レンズ部312の後段には、各画素領域212毎に入射する照明光を前段レンズ部312と共同して個別に集光するように、後段レンズ部322が複数配列される。そこで各後段レンズ部322では、照明光を屈折により平行化する順屈折面部325と、照明光を屈折させて当該平行化光に混ぜ合わせる逆屈折面部326とが、直線方向としてのYd方向に交互に形成される。これによれば、各光源部402の光源群403において少なくとも二原色の光源素子からの照明光は、前段レンズ部312での拡散集光作用に加え、平行化光への混ぜ合わせを伴う後段レンズ部322での集光作用により、それら素子の並ぶYd方向において混色され易くなる。故に、特に画素領域212毎での表示光の色ムラ及び色ズレを抑制して、虚像VRIの視認性を高めることが可能となる。 According to the first embodiment, a plurality of rear lens units 322 are arranged after each front lens unit 312 so that the illumination light incident on each pixel region 212 is separately collected together with the front lens unit 312 . Therefore, in each rear-stage lens portion 322, forward refraction surface portions 325 that collimate the illumination light by refraction and reverse refraction surface portions 326 that refract the illumination light and mix it into the collimated light are alternately formed in the Yd direction as a linear direction. According to this, the illumination light from the light source elements of at least two primary colors in the light source group 403 of each light source unit 402 is easily mixed in the Yd direction in which the elements are arranged due to the diffusing and condensing action of the front lens section 312 and the condensing action of the rear lens section 322 accompanied by mixing into collimated light. Therefore, it is possible to suppress color unevenness and color shift of the display light in each pixel region 212 in particular, and to improve the visibility of the virtual image VRI.
(第二実施形態)
図12に示すように第二実施形態は、第一実施形態の変形例である。第二実施形態の各光源部2402では、光源群2403を組する三原色の光源素子403R,403G,403Bがそれぞれ個別のLEDベアチップにより構成され、互いに個別にパッケージングされている。
(Second embodiment)
As shown in FIG. 12, the second embodiment is a modification of the first embodiment. In each light source unit 2402 of the second embodiment, the light source elements 403R, 403G, and 403B of the three primary colors forming the light source group 2403 are configured by individual LED bare chips and individually packaged.
このような第二実施形態によると、各光源部2402の光源群2403において三原色の光源素子403R,403G,403Bは、互いに独立してパッケージングされる。これにより各光源部2402の光源群2403では、三原色の光源素子403R,403G,403Bをそれぞれ配置する位置として、入射先レンズ部312の光軸Alに可及的に近接した独立パッケージングの位置を、個別に高精度調整することができる。故に、虚像VRIの視認性を高める効果の信頼性を、担保することが可能となる。 According to the second embodiment, the light source elements 403R, 403G, and 403B of the three primary colors in the light source group 2403 of each light source section 2402 are packaged independently of each other. As a result, in the light source group 2403 of each light source unit 2402, the position of the independent packaging as close as possible to the optical axis Al of the incident lens unit 312 can be individually adjusted with high precision as the positions for arranging the three primary color light source elements 403R, 403G, and 403B. Therefore, it is possible to secure the reliability of the effect of increasing the visibility of the virtual image VRI.
(第三実施形態)
図13,14に示すように第三実施形態は、第一実施形態の変形例である。第三実施形態の各光源部3402において光源群3403を組する三原色の光源素子403R,403G,403Bは、直線方向であるYd方向と、その直交方向であるXd方向とのうち、少なくとも一方に互いにずれて二次元に配置されている。ここで図13,14は、二原色の光源素子(同図は403R,403Gの例)同士がXd方向のみにずれると共に、当該二原色の光源素子に対して残りの一原色の光源素子(同図は403Bの例)がXd,Yd方向の双方にずれて配置された例を、示している。
(Third embodiment)
As shown in FIGS. 13 and 14, the third embodiment is a modification of the first embodiment. The light source elements 403R, 403G, and 403B of the three primary colors forming the light source group 3403 in each light source unit 3402 of the third embodiment are arranged two-dimensionally with a shift in at least one of the Yd direction, which is the linear direction, and the Xd direction, which is the orthogonal direction. Here, FIGS. 13 and 14 show an example in which two primary color light source elements (examples of 403R and 403G in the figure) are displaced only in the Xd direction, and the remaining one primary color light source element (example of 403B in the figure) is displaced in both the Xd and Yd directions with respect to the two primary color light source elements.
ここで特に、二原色の光源素子同士がずれて配置されるYd方向は、虚像VRIの上下方向Dv(第一実施形態の図1参照)に対応する。また、光源素子403R,403G,403Bの各中心を頂点とする三角形領域(図14の二点鎖線内)のうち、例えば重心点は、対応する前段レンズ部312及び後段レンズ部322の共通光軸Al(図13参照)上に、配置されている。尚、以上の他にも例えば図15に示すように、二原色の光源素子(同図は403R,403Gの例)同士がYd方向のみにずれていると共に、当該二原色の光源素子に対して残りの一原色の光源素子(同図は403Bの例)がXd,Yd方向の双方にずれて配置されてもよい。尚、各光源部3402の光源群3403において光源素子403R,403G,403Bは、第一実施形態と同様に互いに共通パッケージングとなっているが、第二実施形態に準じて互いに独立パッケージングとなっていてもよい。 Here, in particular, the Yd direction in which the light source elements of the two primary colors are arranged to be shifted corresponds to the vertical direction Dv of the virtual image VRI (see FIG. 1 of the first embodiment). In addition, for example, the center of gravity of the triangular area (inside the two-dot chain line in FIG. 14) whose vertices are the centers of the light source elements 403R, 403G, and 403B is arranged on the common optical axis Al (see FIG. 13) of the corresponding front-stage lens portion 312 and rear-stage lens portion 322. In addition to the above, for example, as shown in FIG. 15, the two primary color light source elements (examples of 403R and 403G in the drawing) may be shifted only in the Yd direction, and the remaining one primary color light source element (example of 403B in the drawing) may be shifted in both the Xd and Yd directions with respect to the two primary color light source elements. The light source elements 403R, 403G, and 403B in the light source group 3403 of each light source unit 3402 are commonly packaged as in the first embodiment, but may be independently packaged according to the second embodiment.
図16に示す各前段レンズ部3312毎の前段射出面311は、第一実施形態と同様な仮想ベース面Sbに、第一実施形態とは異なる拡散面3313を合成した複合面構造を、形成している。各前段レンズ部3312に定義される拡散面3313は、光軸Alから少なくともXc方向及びYb方向の外側へ向かって波の進行する波面状を、呈している。各前段レンズ部3312は、後段レンズアレイ32へ向けて射出の照明光を、こうした波面状の拡散面3313に従って角度空間θ内に拡散させる。 A front exit surface 311 of each front lens portion 3312 shown in FIG. 16 forms a composite surface structure in which a virtual base surface Sb similar to that of the first embodiment is combined with a diffusion surface 3313 different from that of the first embodiment. A diffusing surface 3313 defined in each front lens portion 3312 exhibits a wavefront shape in which waves travel outward at least in the Xc direction and the Yb direction from the optical axis Al. Each front-stage lens portion 3312 diffuses the emitted illumination light toward the rear-stage lens array 32 within the angular space θ according to the wavefront diffusion surface 3313 .
このような拡散作用を発揮するために拡散面3313の波面状を表す関数Zwは、例えば二次元平面波面を規定する、次の数4によって与えられてもよい。数4においてAx,Ayは、それぞれXb,Yb方向における波面状の最大振幅である。数4においてXwは、波面状の任意点に関する仮想平面βからの、Xb方向への離間距離である。ここで仮想平面βは、光軸Alを含んでYb方向に広がる面として、仮想平面αに直交して定義される。数4においてYwは、波面状の任意点に関する仮想平面αからの、Yb方向への離間距離である。数4においてλx,λyは、それぞれXb,Yb方向における波面状の波長である。
拡散面3313の波面状を表す関数Zwは、例えば非減衰球面波面を規定する、次の数5によって与えられてもよい。数5においてAは、Xb,Yb方向を含んだ光軸Alまわりの任意方向における、波面状の最大振幅である。数5においてXw,Ywは、波面状の任意点に関する仮想平面β,αからの、それぞれXb,Yb方向への離間距離である。数5においてλは、Xb,Yb方向を含んだ光軸Alまわりの任意方向における、波面状の波長である。
拡散面3313の波面状を表す関数Zwは、例えば減衰球面波面を規定する、次の数6によって与えられてもよい。数6においてAは、Xb,Yb方向を含んだ光軸Alまわりの任意方向における、波面状の最大振幅である。数6においてXw,Ywは、波面状の任意点に関する仮想平面β,αからの、それぞれXb,Yb方向への離間距離である。数6においてλは、Xb,Yb方向を含んだ光軸Alまわりの任意方向における、波面状の波長である。
拡散面3313の波面状を表す関数Zwは、例えばsinc波面を規定する、次の数7~9によって与えられてもよい。数8,9においてAx,Ayは、それぞれXb,Yb方向における波面状の最大振幅である。数8,9においてXw,Ywは、波面状の任意点に関する仮想平面β,αからの、それぞれXb,Yb方向への離間距離である。数8,9においてλx,λyは、それぞれXb,Yb方向における波面状の波長である。
拡散面3313の波面状を表す関数Zwは、例えば合成二次元平面波面を規定する、次の数10によって与えられてもよい。数10においてjは、波面の合成数をNとして、1~Nまでの整数、又は当該整数により表されるサフィックスである。数10においてAxj,Ayjは、それぞれXb,Yb方向における波面状の最大振幅である。数10においてXw,Ywは、波面状の任意点に関する仮想平面β,αからの、それぞれXb,Yb方向への離間距離である。数10においてλx,λyは、それぞれXb,Yb方向における波面状の波長である。尚、数10においてN=1とした場合は、上記数4に相当する。
ここで、上記数4,7~9,10の場合にXb方向での最大振幅Ax,Axjは、Yb方向での最大振幅Ay,Ayjに対して、相違となる「小さい」若しくは「大きい」、又は「同一」のいずれであってもよい。このうち、最大振幅Ax,Axjが最大振幅Ay,Ayjと相違する場合には、照明光に対して異方性拡散作用が与えられることになる。 Here, in the case of the above equations 4, 7 to 9, 10, the maximum amplitudes Ax, Axj in the Xb direction may be different from the maximum amplitudes Ay, Ayj in the Yb direction, which is "smaller", "larger", or "same". If the maximum amplitudes Ax and Axj are different from the maximum amplitudes Ay and Ayj, the illumination light is given an anisotropic diffusion effect.
このような第三実施形態によると、各光源部3402の光源群3403において三原色の光源素子403R,403G,403Bは、直線方向であるYd方向と、その直交方向であるXd方向とのうち、少なくとも一方に互いにずれて配置される。故に、拡散面3313を有して拡散集光作用を発揮する前段レンズ部3312では、光源素子403R,403G,403Bの互いにずれた方向に沿うYb,Xb方向において、照明色が混色し易くなる。故に、混色される表示光に色ムラ及び色ズレを生じ難くして、虚像VRIの視認性を高めることが可能となる。 According to the third embodiment, the light source elements 403R, 403G, and 403B of the three primary colors in the light source group 3403 of each light source unit 3402 are arranged to be shifted in at least one of the Yd direction, which is the linear direction, and the Xd direction, which is the orthogonal direction. Therefore, in the front lens section 3312 having the diffusing surface 3313 and exerting a diffusing and condensing action, the illumination colors are easily mixed in the Yb and Xb directions along the mutually shifted directions of the light source elements 403R, 403G, and 403B. Therefore, color unevenness and color shift are less likely to occur in the mixed display light, and the visibility of the virtual image VRI can be improved.
さらに、第三実施形態による拡散面3313は、直線方向としてのYd方向と直交方向としてのXd方向とに沿ったYb,Xb方向へ、波の進行する波面状を呈する。これにより、拡散面3313を有する前段レンズ部3312では、光源素子403R,403G,403Bの互いにずれた方向における照明光の混色を、拡散集光作用により促進することができる。故に、混色される表示光の色ムラ及び色ズレを効果的に抑制して、虚像VRIの視認性を高めることが可能となる。 Furthermore, the diffusing surface 3313 according to the third embodiment presents a wavy surface in which waves travel in Yb and Xb directions along the Yd direction as the linear direction and the Xd direction as the orthogonal direction. As a result, in the front lens portion 3312 having the diffusion surface 3313, the light source elements 403R, 403G, and 403B can promote the color mixing of the illumination light in the mutually shifted directions by the diffusing and condensing action. Therefore, it is possible to effectively suppress the color unevenness and color deviation of the mixed display light, and improve the visibility of the virtual image VRI.
(他の実施形態)
以上、複数の実施形態について説明したが、本開示は、それらの実施形態に限定して解釈されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。
(Other embodiments)
Although a plurality of embodiments have been described above, the present disclosure is not to be construed as being limited to those embodiments, and can be applied to various embodiments within the scope of the present disclosure.
図17に示すように変形例では、後段レンズアレイ32が設けられていなくてもよい。図18に示すように変形例では、後段レンズアレイ32において後段入射面320及び後段射出面321の少なくとも一方が、フレネルレンズ面により構成されていてもよい。図19に示すように変形例では、各前段レンズ部312及び各後段レンズ部322の光軸Alに対して、画像表示パネル21及び拡散パネル22が実質垂直に配置されていてもよい。 In the modification shown in FIG. 17, the rear lens array 32 may not be provided. As shown in FIG. 18, in a modification, at least one of the rear entrance surface 320 and the rear exit surface 321 in the rear lens array 32 may be configured by a Fresnel lens surface. As shown in FIG. 19 , in a modification, the image display panel 21 and the diffusion panel 22 may be arranged substantially perpendicular to the optical axis Al of each front lens section 312 and each rear lens section 322 .
図20に示すように変形例のレンズ部312,3312では、拡散面313,3313と仮想ベース面Sbとの複合面構造が、前段入射面310に形成されていてもよい(同図は拡散面313の例)。この場合に、第一実施形態と同様な拡散面313,3313が合成される仮想ベース面Sbは、光軸Alに対して実質垂直な平面状を、呈していてもよい。また、この場合にレンズ部312,3312の前段射出面311は、Xb方向及びYb方向を含む任意方向において滑らかに湾曲する凸面状を、呈していてもよい。 As shown in FIG. 20, in the lens portions 312 and 3312 of the modified example, a composite surface structure of the diffusion surfaces 313 and 3313 and the virtual base surface Sb may be formed on the front incident surface 310 (this figure is an example of the diffusion surface 313). In this case, the virtual base surface Sb on which the diffusion surfaces 313 and 3313 similar to those in the first embodiment are synthesized may have a planar shape substantially perpendicular to the optical axis Al. Further, in this case, the front exit surface 311 of the lens portions 312 and 3312 may have a convex shape that curves smoothly in any direction including the Xb direction and the Yb direction.
変形例の前段レンズアレイ31は、拡散面313,3313と仮想ベース面Sbとの複合面構造がレンズ部312,3312に形成された、TIRレンズアレイであってもよい。変形例の前段レンズ部312には、第三実施形態に準じた拡散面3313が適用されてもよい。変形例の前段レンズ部3312には、第一実施形態に準じた拡散面313が適用されてもよい。 The front-stage lens array 31 of the modified example may be a TIR lens array in which a compound surface structure of diffusion surfaces 313, 3313 and a virtual base surface Sb is formed in lens portions 312, 3312. FIG. A diffusion surface 3313 according to the third embodiment may be applied to the front lens portion 312 of the modified example. The diffusion surface 313 according to the first embodiment may be applied to the front lens portion 3312 of the modified example.
変形例の画像表示パネル21において画素領域212は、Xa方向及びYa方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。変形例の前段レンズアレイ31において前段レンズ部312は、Xb方向及びYb方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。変形例の後段レンズアレイ32において後段レンズ部322は、Xc方向及びYc方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。変形例において光源部402は、Xd方向及びYd方向の一方においては一列の、一次元配列されていてもよい。 In the image display panel 21 of the modified example, the pixel regions 212 may be one-dimensionally arranged in one row in one of the Xa direction and the Ya direction. In the front lens array 31 of the modified example, the front lens portions 312 may be one-dimensionally arranged in one row in one of the Xb direction and the Yb direction. In the rear lens array 32 of the modified example, the rear lens portions 322 may be one-dimensionally arranged in one row in one of the Xc direction and the Yc direction. In a modification, the light source units 402 may be one-dimensionally arranged in one row in one of the Xd direction and the Yd direction.
変形例の画像表示パネル21におけるXa方向とYa方向とは、互いに入れ替えられてもよい。変形例の後段レンズアレイ32におけるXc方向とYc方向とは、互いに入れ替えられてもよい。変形例の各光源部402,2402,3402におけるYd方向は、虚像VRIの左右方向Dh(第一実施形態の図1参照)に対応していてもよい。 The Xa direction and the Ya direction in the image display panel 21 of the modified example may be exchanged with each other. The Xc direction and the Yc direction in the rear-stage lens array 32 of the modified example may be exchanged with each other. The Yd direction in each of the light source units 402, 2402, 3402 of the modified example may correspond to the horizontal direction Dh of the virtual image VRI (see FIG. 1 of the first embodiment).
3 透光部材、20 画像形成ユニット、30 集光ユニット、40 照明ユニット、100 HUD、212 画素領域、312,3312 前段レンズ部、313,3313 拡散面、322 後段レンズ部、325 順屈折面部、326 逆屈折面部、402,2402,3402 光源部、403,2403,3403 光源群、403B、403G、403R 光源素子、Dv 上下方向、VRI 虚像、θ 角度空間 3 translucent member 20 image forming unit 30 light collecting unit 40 lighting unit 100 HUD 212 pixel region 312, 3312 front lens section 313, 3313 diffusion surface 322 rear lens section 325 forward refraction surface section 326 reverse refraction surface section 402, 2402, 3402 light source section 403, 2403, 340 3 light source group 403B, 403G, 403R light source element Dv vertical direction VRI virtual image θ angle space
Claims (6)
照明光を発する照明ユニット(40)と、
前記照明光の透過により画像を形成し、前記画像の前記表示光を射出する画像形成ユニット(20)と、
前記照明光を前記画像形成ユニットへ向けて集光する集光ユニット(30)とを、備え、
前記照明ユニットは、三原色の前記照明光を独立して発する光源素子(403R,403G,403B)の組を光源群(403,2403)として、前記集光ユニットに入射する前記照明光を前記光源群から発する光源部(402,2402)を、有し、
前記集光ユニットは、前記画像形成ユニットに入射する前記照明光を集光する角度空間(θ)内において当該照明光を拡散するように、波面状の拡散面(313)を形成するレンズ部(312)を、有し、
各前記光源部の前記光源群において三原色の前記光源素子は、直線方向(Yd)に互いに並んで配置され、
前記拡散面は、前記直線方向に沿って波の進行する波面状を、呈する虚像表示装置。 A virtual image display device (100) for visibly displaying a virtual image (VRI) of the display light by reflecting the display light with a translucent member (3),
a lighting unit (40) that emits illumination light;
an image forming unit (20) that forms an image by transmission of the illumination light and emits the display light of the image;
a light collecting unit (30) for collecting the illumination light toward the image forming unit;
The lighting unit has a light source group (403, 2403) consisting of a set of light source elements (403R, 403G, 403B) that independently emit the illumination light of the three primary colors, and a light source section (402, 2402 ) that emits the illumination light incident on the light collecting unit from the light source group,
the condensing unit has a lens portion ( 31-2) forming a wave-like diffusing surface ( 31-3) so as to diffuse the illumination light within an angular space (θ) for condensing the illumination light incident on the image forming unit ;
the light source elements of the three primary colors in the light source group of each light source unit are arranged side by side in a linear direction (Yd);
The virtual image display device , wherein the diffusing surface has a wavefront shape in which waves travel along the straight line direction .
照明光を発する照明ユニット(40)と、
前記照明光の透過により画像を形成し、前記画像の前記表示光を射出する画像形成ユニット(20)と、
前記照明光を前記画像形成ユニットへ向けて集光する集光ユニット(30)とを、備え、
前記照明ユニットは、三原色の前記照明光を独立して発する光源素子(403R,403G,403B)の組を光源群(3403)として、前記集光ユニットに入射する前記照明光を前記光源群から発する光源部(3402)を、有し、
前記集光ユニットは、前記画像形成ユニットに入射する前記照明光を集光する角度空間(θ)内において当該照明光を拡散するように、波面状の拡散面(3313)を形成するレンズ部(3312)を、有し、
各前記光源部の前記光源群において三原色の前記光源素子は、直線方向(Yd)とその直交方向(Xd)とのうち、少なくとも一方に互いにずれて配置され、
前記拡散面は、前記直線方向と前記直交方向とに沿って波の進行する波面状を、呈する虚像表示装置。 A virtual image display device (100) for visibly displaying a virtual image (VRI) of the display light by reflecting the display light with a translucent member (3),
a lighting unit (40) that emits illumination light;
an image forming unit (20) that forms an image by transmission of the illumination light and emits the display light of the image;
a light collecting unit (30) for collecting the illumination light toward the image forming unit;
The lighting unit has a light source group (3403) made up of a group of light source elements (403R, 403G, 403B) that independently emit the illumination light of the three primary colors, and a light source section (3402) that emits the illumination light incident on the light collection unit from the light source group,
The light collection unit has a lens section (3312) forming a wave-like diffusing surface (3313) so as to diffuse the illumination light within an angular space (θ) for condensing the illumination light incident on the image forming unit,
the light source elements of the three primary colors in the light source group of each of the light source units are displaced from each other in at least one of a linear direction (Yd) and an orthogonal direction (Xd);
The virtual image display device , wherein the diffusing surface exhibits a wave surface shape in which waves travel along the linear direction and the orthogonal direction .
前記集光ユニットは、各前記画素領域毎に入射する前記照明光を個別に集光する前記角度空間内において当該個別集光の前記照明光を拡散する前記拡散面(313,3313)を形成するように、複数配列される前記レンズ部を、有し、
前記照明ユニットは、前記各レンズ部毎に入射する前記照明光を個別の前記光源群(403,2403,3403)から発するように、複数配列される前記光源部(402,2402,3402)を、有する請求項1~3のいずれか一項に記載の虚像表示装置。 The image forming unit has a plurality of pixel regions (212) arranged,
The light collecting unit has a plurality of lens units arranged so as to form the diffusion surfaces (313, 3313) for diffusing the individually collected illumination light within the angle space for individually collecting the illumination light incident on each pixel region,
The virtual image display device according to any one of claims 1 to 3 , wherein the illumination unit has a plurality of the light source units (402, 2402, 3402) arranged so that the illumination light incident on each lens unit is emitted from the individual light source groups (403, 2403, 3403).
前記後段レンズ部は、前記照明光を屈折により平行化する順屈折面部(325)と、前記照明光を屈折により当該平行化光に混ぜ合わせる逆屈折面部(326)とを、各前記光源部(402,2402)の前記光源群(403,2403)において三原色の前記光源素子が互いに並ぶ前記直線方向に、交互に形成する請求項4に記載の虚像表示装置。 The condensing unit has a plurality of rear lens sections (322) arranged in a rear stage of the front lens section as the lens section so that the illumination light incident on each pixel region is individually collected together with the front lens section,
5. The virtual image display device according to claim 4 , wherein the rear lens section forms a forward refraction surface section (325) for collimating the illumination light by refraction and a reverse refraction surface section (326) for mixing the illumination light with the collimated light by refraction in the linear direction in which the light source elements of the three primary colors are arranged in the light source groups (403, 2403) of each of the light source sections (402, 2402) alternately.
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