JP7400570B2 - 虚像表示装置 - Google Patents
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Description
虚像を表示するための虚像表示装置であって、
前記虚像として表示する画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子からの光を伝搬させるための伝搬光学系と、
前記伝搬光学系により伝搬された光を導光する導光部材と、を有し、
前記導光部材は、前記伝搬光学系からの画像情報を有する光を取り込む光線入射部と、前記導光部材の内部から前記画像情報を有する光を取り出す画像取り出し部と、前記画像情報を有する光を前記導光部材の外部に射出させるための画像射出部と、を備え、
前記伝搬光学系が、光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材を1以上含むことを最も主要な特徴とする。
伝搬光学系は、例えば、導光部材の光線入射部へ、略平行光を入射させる。このような伝搬光学系を用いると、導光部材として、パワーのない板状のものを用いる場合、画像射出部から射出する光が「観察者の目の網膜」上の1点に結像するので、観察者は良好な虚像を見ることができる。
このように、コリメータ光学系の画像表示素子側あるいはコリメータ光学系の中間像の側を非テレセントリックにすることで「光学系の瞳位置」までの距離が長くなり、導光部材内を伝搬した光が画像取り出し部に当たった際に効率よく目に入り、広角な虚像を表示できる。
即ち、曲面光学部材は「中間像の直近」に配置することができる。曲面光学部材を画像表示素子近傍に配置することで、フィールドレンズ的な役割を担わせ、非回転対称な曲面形状による収差悪化への影響を低減できる。
また、伝搬光学系が「中間像を結像」するものである場合、複数の曲面光学部材を「中間像の前後それぞれ」に含めることができる。中間像前後にそれぞれに曲面光学部材を配することで「それぞれの非回転対称な曲面形状」で発生する収差を低減できる。
この「アスペクト比の差」は、伝搬光学系により定まるので、画像表示素子に「アスペクト比の差を補正する補正画像」を入力することにより除去することができる。
曲面光学部材の「虚像の垂直方向に対応する方向のサイズ」を「虚像の水平方向に対応する方向のサイズ」よりも大きくすることで、光利用効率を高めることができ、明るい虚像を表示できる虚像表示装置を実現できる。
以下、虚像表示装置の実施形態を説明する。
上述したように、本発明に係る虚像表示装置は、基本的に、画像表示素子と、伝搬光学系と、導光部材と、を有する。導光部材は、伝搬光学系からの画像情報を有する光を取り込む光線入射部と、導光部材の内部から画像情報を有する光を取り出す画像取り出し部と、画像情報を有する光を導光部材の外部に射出させるための画像射出部と、を備え、伝搬光学系が、光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材を1以上含む。
すなわち、前述の「中間像の結像」は必ずしも必要としない。図4と図5に示す実施形態は、中間像を形成しない形態の1例である。
図4、図5に示すように、虚像表示装置1000は、画像表示素子100からの光を伝搬光学系200によって略平行光にし、導光板300に入射させて観察者の瞳(開口B)に入射させる。
図9では、画像取り出し部303は導光板300の側面に複数配置される、また図10では導光板300の内部に複数配置される。図9の例の場合、画像取り出し部303は斜面部303(a)、平坦部303(b)で構成され、斜面部303(a)にあたった光は画像射出部304から射出され、斜面部303(a)にあたらない光は平坦部303(b)を介して、次の斜面部303(a)にあたるまで導光板300内を伝搬し、斜面部303(a)にあたった後、画像射出部304から射出される。
図10の例では、画像取り出し部303には反射、透過特性を有するコーティングが施されている。導光板300の内部を伝搬する光が画像取り出し部303で反射と透過の分岐を行い、反射した光は画像射出部304から射出され、透過した光は次の画像取り出し部303で反射と透過に分岐し、反射された光が画像射出部304から射出される。このようにしてアイボックスを拡張することができる。
導光部材(導光板)300のデータは以下の通りである。
長さ:44mm
幅: 50mm
入射部:2.3mm×50mm
θ=30度
屈折率(Nd)=1.53(材質:プラスチック)
視野角:50度
アイボックス:5mm以上
アイレリーフ:15mm以上
「アイボックス」は虚像として確認できる視野の幅であり、「アイレリーフ」は、虚像を確認できる光線射出部304から眼球(瞳:開口B)までの距離である。
0.1<TLA/TL<0.5
ここで、TLAは光軸に対して非回転対称な曲面形状の面からコリメータレンズ280の導光部材300側に最も近い面までの間隔である。TLはリレーレンズ250の画像表示素子100側の面からコリメータレンズ280の導光部材300に最も近い側の面までの間隔である。間隔は光軸上の値である。
0.3<TLC/TLR<0.6
ここで、TLCはコリメータレンズ280の厚さであり、TLRはリレーレンズ250の厚さである。これらの厚さはいずれも光軸上の値である。
-0.5<Pos1/Y<0.5
ここで、Yは画像表示素子100の対角方向の大きさである。Pos1は中間像201の位置を基準としたときの非回転対称な曲面形状を有する面の位置であり、非回転対称な曲面形状を有する面が中間像201の位置より画像表示素子100側にある時をマイナスとする。位置は光軸上での値である。
-3.0<β_relay<-1.0
ここで、β_relayはリレーレンズ250の横倍率である。
-0.5<f_pmax/f_pmin<0.5
ここで、f_pmaxは前記曲面光学部材204における最も正のパワーが強い断面の焦点距離であり、f_pminは曲面光学部材204における最も正のパワーが弱い断面の焦点距離である。
-0.5<f_y/f_x <0.5
ここで、f_yは画像表示素子100の長辺方向の断面における前記曲面光学部材204の焦点距離であり、f_xは画像表示素子100の短辺方向の断面における前記曲面光学部材204の焦点距離である。
0.4<TLRa/TLR<0.7
ここで、TLRはリレーレンズ250の厚さであり、TLRaはリレー前群とリレー後群相互の間隔である。厚さや間隔は光軸上の値である。
0. 4<f_r/f_rf<0.8
ここで、f_rはリレー群の焦点距離であり、f_rfはリレー前群の焦点距離である。
以下に、本発明に係る虚像表示装置の具体的な数値実施例を示す。以下の各実施例において、画像表示素子100の大きさは垂直(X)方向2.97mm、水平(Y)方向5.28mm、対角方向6.06mmである。各数値実施例において、第1面-第13面がリレー光学系250、第14面-第15面が光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材204である。第16面-第21面はコリメータレンズ280、第22面-第23面の平行平板は導光部材300、第23面の間隔がアイレリーフである。
図11は数値実施例2の光学配置を示す。図12はその収差図である。
図13は数値実施例3の光学配置を示す。図14はその収差図である。
図15は数値実施例4の光学配置を示す。図16はその収差図である。
図17は数値実施例5の光学配置を示す。図18はその収差図である。
以上、発明の好ましい実施の形態について説明したが、この発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
200 伝搬光学系
201 中間像
204 曲面光学部材
300 導光部材
301 光線入射部
303 画像取り出し部
304 画像射出部
Claims (24)
- 虚像を表示するための虚像表示装置であって、
前記虚像として表示する画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子からの光を伝搬させるための伝搬光学系と、
前記伝搬光学系により伝搬された光を導光する導光部材と、を有し、
前記導光部材は、前記伝搬光学系からの画像情報を有する光を取り込む光線入射部と、前記導光部材の内部から前記画像情報を有する光を取り出す画像取り出し部と、前記画像情報を有する光を前記導光部材の外部に射出させるための画像射出部と、を備え、
前記伝搬光学系が、光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材を1以上含み、
前記伝搬光学系は、前記画像表示素子側から順にリレー光学系、前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材、コリメータ光学系で構成し、
前記リレー光学系と前記コリメータ光学系の間に中間像を有し、以下の条件式を満足する虚像表示装置。
0.1<TLA/TL<0.5
ここで,TLAは光軸に対して非回転対称な曲面形状の面からコリメータ光学系の最も導光部材側に近い面までの間隔であり、TLはリレー光学系の最も画像表示素子側の面からコリメータ光学系の最も導光部材側の面までの間隔である。 - 虚像を表示するための虚像表示装置であって、
前記虚像として表示する画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子からの光を伝搬させるための伝搬光学系と、
前記伝搬光学系により伝搬された光を導光する導光部材と、を有し、
前記導光部材は、前記伝搬光学系からの画像情報を有する光を取り込む光線入射部と、前記導光部材の内部から前記画像情報を有する光を取り出す画像取り出し部と、前記画像情報を有する光を前記導光部材の外部に射出させるための画像射出部と、を備え、
前記伝搬光学系が、光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材を1以上含み、
前記伝搬光学系は、前記画像表示素子側から順にリレー光学系、前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材,コリメータ光学系で構成し、
前記リレー光学系と前記コリメータ光学系の間に中間像を有し、以下の条件式を満足する虚像表示装置。
0.3<TLC/TLR<0.6
ここで,TLCはコリメータ光学系の厚さであり、TLRはリレー光学系の厚さである。 - 虚像を表示するための虚像表示装置であって、
前記虚像として表示する画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子からの光を伝搬させるための伝搬光学系と、
前記伝搬光学系により伝搬された光を導光する導光部材と、を有し、
前記導光部材は、前記伝搬光学系からの画像情報を有する光を取り込む光線入射部と、前記導光部材の内部から前記画像情報を有する光を取り出す画像取り出し部と、前記画像情報を有する光を前記導光部材の外部に射出させるための画像射出部と、を備え、
前記伝搬光学系が、光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材を1以上含み、
前記伝搬光学系は、前記画像表示素子側から順にリレー光学系、前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材、コリメータ光学系で構成し、
前記リレー光学系と前記コリメータ光学系の間に中間像を有し、以下の条件式を満足する虚像表示装置。
-0.5<Pos1/Y<0.5
ここで、Yは画像表示素子の対角方向の大きさであり、Pos1は中間像の位置を基準とした時の非回転対称な曲面形状を有する面の位置であり、非回転対称な曲面形状を有する面が中間像の位置より画像表示素子側にある時をマイナスとする。 - 虚像を表示するための虚像表示装置であって、
前記虚像として表示する画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子からの光を伝搬させるための伝搬光学系と、
前記伝搬光学系により伝搬された光を導光する導光部材と、を有し、
前記導光部材は、前記伝搬光学系からの画像情報を有する光を取り込む光線入射部と、前記導光部材の内部から前記画像情報を有する光を取り出す画像取り出し部と、前記画像情報を有する光を前記導光部材の外部に射出させるための画像射出部と、を備え、
前記伝搬光学系が、光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材を1以上含み、
前記伝搬光学系は、前記画像表示素子側から順にリレー光学系、前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材、コリメータ光学系で構成し、
前記リレー光学系と前記コリメータ光学系の間に中間像を有し、以下の条件式を満足する虚像表示装置。
-3.0<β_relay<-1.0
ここで、β_relayはリレー光学系の横倍率である。 - 虚像を表示するための虚像表示装置であって、
前記虚像として表示する画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子からの光を伝搬させるための伝搬光学系と、
前記伝搬光学系により伝搬された光を導光する導光部材と、を有し、
前記導光部材は、前記伝搬光学系からの画像情報を有する光を取り込む光線入射部と、前記導光部材の内部から前記画像情報を有する光を取り出す画像取り出し部と、前記画像情報を有する光を前記導光部材の外部に射出させるための画像射出部と、を備え、
前記伝搬光学系が、光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材を1以上含み、
前記伝搬光学系は、前記画像表示素子側から順にリレー光学系、前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材、コリメータ光学系で構成し、
前記リレー光学系とコリメータ光学系の間に中間像を有し、以下の条件式を満足する虚像表示装置。
-0.5<f_pmax/f_pmin<0.5
ここで、f_pmaxは非回転対称な曲面形状のうち最も正のパワーが強い断面における前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材の焦点距離であり、f_pminは非回転対称な曲面形状のうち最も正のパワーが弱い断面における前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材の焦点距離である。 - 虚像を表示するための虚像表示装置であって、
前記虚像として表示する画像を表示する画像表示素子と、
前記画像表示素子からの光を伝搬させるための伝搬光学系と、
前記伝搬光学系により伝搬された光を導光する導光部材と、を有し、
前記導光部材は、前記伝搬光学系からの画像情報を有する光を取り込む光線入射部と、前記導光部材の内部から前記画像情報を有する光を取り出す画像取り出し部と、前記画像情報を有する光を前記導光部材の外部に射出させるための画像射出部と、を備え、
前記伝搬光学系が、光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材を1以上含み、
前記伝搬光学系は、前記画像表示素子側から順にリレー光学系、前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材、コリメータ光学系で構成し、
前記リレー光学系とコリメータ光学系の間に中間像を有し、以下の条件式を満足する虚像表示装置。
-0.5<f_y/f_x<0.5
ここで、f_yは画像表示素子の長辺方向の断面における前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材の焦点距離であり,f_xは画像表示素子の短辺方向の断面における前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材の焦点距離である。 - 請求項1ないし6のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記伝搬光学系は、前記導光部材の前記光線入射部へ、略平行光を入射させる虚像表示装置。 - 請求項1ないし7のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記伝搬光学系は、前記画像表示素子に表示される画像の中間像を結像させるリレー光学系を前記画像表示素子側に有し、前記中間像の導光部材側にコリメータ光学系を有し、
前記リレー光学系およびコリメータ光学系の少なくとも一方に、前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材が1以上含まれる虚像表示装置。 - 請求項1ないし7のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記伝搬光学系が、コリメータ光学系と、該コリメータ光学系の前記画像表示素子側に前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材を1以上含む虚像表示装置。 - 請求項1ないし7のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記伝搬光学系は、前記画像表示素子の側に非テレセントリックである虚像表示装置。 - 請求項8記載の虚像表示装置であって、
前記伝搬光学系のコリメータ光学系は、前記中間像の側で非テレセントリックである虚像表示装置。 - 請求項1ないし6のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材が、前記画像表示素子の直近に配置されている虚像表示素子。 - 請求項8記載の虚像表示装置であって、
前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材が、前記中間像の直近に配置されている虚像表示装置。 - 請求項8記載の虚像表示装置であって、
前記伝搬光学系は、前記中間像の前後それぞれに、前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材を含む虚像表示装置。 - 請求項1乃至14のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記伝搬光学系は、前記画像表示素子側から順にリレー光学系、前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材、コリメータ光学系で構成し、
前記リレー光学系とコリメータ光学系の間に中間像を有し、
前記リレー光学系は、前記リレー光学系における最も広い間隔を境として、前記最も広い間隔よりも前記画像表示素子側のレンズ群であるリレー前群と前記リレー前群よりも後のレンズ群であるリレー後群とで構成されることを特徴とする虚像表示装置。 - 請求項15記載の虚像表示装置であって、
以下の条件式を満足することを特徴とする虚像表示装置。
0.4<TLRa/TLR<0.7
ここで,TLRはリレー光学系の厚さであり、TLRaはリレー前群とリレー後群の間隔である。 - 請求項15記載の虚像表示装置であって、
以下の条件式を満足することを特徴とする虚像表示装置。
0.4<f_r/f_rf<0.8
ここで、f_rはリレー群の焦点距離であり,f_rfはリレー前群の焦点距離である。 - 請求項1ないし17のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材の前記曲面形状がトロイダル面である虚像表示装置。 - 請求項1ないし17のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材の前記曲面形状がシリンドリカル面である虚像表示装置。 - 請求項1ないし19のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記画像表示素子に、前記光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材に起因する前記虚像のアスペクト比の違いを補正する補正画像が入力される虚像表示装置。 - 請求項1ないし20のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記伝搬光学系が有する光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材は、前記虚像の水平方向に対応する方向に正のパワーを有する虚像表示装置。 - 請求項1ないし21のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記伝搬光学系が有する光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材は、前記虚像の垂直方向に対応する方向に負のパワーを有する虚像表示装置。 - 請求項1ないし22のいずれかに記載の虚像表示装置であって、
前記伝搬光学系が有する光軸に対して非回転対称な曲面形状を有する光学部材は、前記虚像の鉛直方向に対応するサイズが前記水平方向に対応するサイズよりも大きい虚像表示装置。 - 虚像を表示するための虚像表示装置であって、
虚像光学系が、
虚像として表示されるべき画像を表示する前記画像表示素子と、
該画像表示素子に表示される画像を照明する光源と、
前記導光部材と、
前記画像表示素子が表示され、前記光源により照明された画像の画像情報を前記導光部材に入射させるための伝搬光学系を有し、
前記伝搬光学系が、請求項1ないし23のいずれかに記載されたものである虚像表示装置。
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